JP2007142413A - Ｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤパッケージを提供する。
【解決手段】本発明は、電源印加時に光を発生させる発光チップと、上記発光チップとワイヤを介して電気的に連結され、上記発光チップが搭載するフレーム部と、上記フレーム部を固定し上記発光チップが配置されるキャビティを形成し、上部面に突出して形成される凸状突出部を設けるように成形されるモールド部と、上記キャビティ内に投光性樹脂を埋め込んで上記凸状突出部の外枠を境界にして上記凸状突出部から上に膨らんだ円形ドーム状で具備されるレンズ部と、を含む。本発明によれば、発光チップから発生される光の指向角を十分確保しながら光抽出効率を増大させ、組立工程を単純化することで大量生産が可能で、かつ製造原価を節減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤパッケージに関し、より詳しくは発光チップから発生される光の指向角を十分確保しながら光抽出効率を増大させ、組立工程を単純化することで大量生産が可能で、かつ製造原価を節減することが可能なＬＥＤパッケージに関する。

一般的に発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は電流が流れる際に光を発する半導体素子であり、ＧａＡｓ、ＧａＮ光半導体から成るＰＮ接合ダイオード（ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉｏｄｅ）で電気エネルギーを光エネルギーに変える。

このようなＬＥＤから発される光の領域は、レッド（６３０ｎｍ〜７００ｎｍ）からブルー・バイオレット（４００ｎｍ）までで、ブルー、グリーン及びホワイトまでも含んでおり、ＬＥＤは白熱電球と蛍光灯のような既存の光源に比べて低電力消費、高効率、長期間動作可能な寿命などの長所を有しており、その需要が持続的に増加している状況である。

近年、ＬＥＤはモバイル端末機の小型照明から室内外の一般照明、自動車照明、大型ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）用バックライト（Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ）まで、その適用範囲が益々拡大している。

図１は従来のＬＥＤパッケージ１０の本体中央を縦断面した斜視図であって、図１に示すように、従来のＬＥＤパッケージ１０は半導体素子である発光チップ１１と、これを上部面の中央に搭載する放熱体１２とを備える。

上記発光チップ１１は外部電源と連結され電流が印加されるように複数個の金属ワイヤ１３を介してリードフレーム１４と電気的に連結される。

上記放熱体１２は、上記発光チップ１１の発光時に発生される熱を外部に放出して冷却する手段であり、熱伝導性の優れた素材から成る接着手段１２ａを介して基板１９上に装着される。

上記リードフレーム１４は本体中央に上記放熱体１２を挿入して組み立てることが可能になるように、成形時に組立孔１５ａを貫通するように形成するモールド部１５に一体で具備され、上記モールド部１５では上記ワイヤ１３とのワイヤボンディングが行われるようにリードフレーム１４の一端が露出し、上記リードフレーム１４の他端はパッド１４ａを介して基板１９上に印刷されたパターン回路１９ａと電気的に連結される。

上記モールド部１５の上部面には上記発光チップ１１の発光時に発生された光を外部より広い指向角で広く発散させることができるよう、透明材質を素材にして別途製作されたレンズ１６を機械的または化学的方法により搭載した。

ここで、上記レンズ１６の材質は多様な形状実現が可能となるように射出が容易で、かつ低価であるポリマー系が主種であるが、近年では劣化を考慮してシリコン、硝子などが適用されている。

そして、上記モールド部１５と上記レンズ１６との空間には上記発光チップ１１とワイヤ１３を保護しながら、発光された光をそのまま透写させるよう透明なシリコン樹脂から成る充填剤１７が満たされるようになる。

しかし、別途製作されたレンズ１６をモールド部１５に搭載し、上記レンズ１６とモールド部１５の間には充填剤１７を埋め込む工程が複雑で作業生産性を低下させ、上記レンズ１６の搭載時に充填剤１７が外部に漏洩されたり充填剤内に気泡が外部へ抜け出されず光効率を低下させる問題点があった。

また、上記レンズ１６をポリマー系で構成する場合ポリマーは発光チップ１１から発生される高いエネルギーの光によって劣化され製品寿命を低下させ、シリコンで構成する場合シリコンは製作単価が高く、硝子で構成する場合に組立工程及び取り扱いの際に割れる問題点があった。

従って、本発明は上記のような従来の問題点を解消するためのもので、その目的は発光チップから発生される光の指向角を十分確保しながら光抽出効率を増大させ、組立工程を単純化することで大量生産が可能で、かつ製造原価を節減することのできるＬＥＤパッケージを提供することである。

上記のような目的を達成するために本発明は、電源印加時に光を発生させる発光チップと、上記発光チップとワイヤを介して電気的に連結され、上記発光チップが搭載するフレーム部と、上記フレーム部を固定し上記発光チップが配置されるキャビティを形成し、上部面に突出して形成される凸状突出部を設けるように成形されるモールド部と、上記キャビティ内に投光性樹脂を埋め込んで上記凸状突出部の外枠を境界にして上記凸状突出部から上に膨らんだ円形ドーム状で具備されるレンズ部と を含むＬＥＤパッケージを提供する。

好ましくは、上記凸状突出部は内部面が上記キャビティの内部面から延長され、外部面は上記モールド部の上部面と直角を形成する円形リング状で具備される。

より好ましくは、上記凸状突出部の内径中心は上記キャビティ内に配置される発光チップと一致する。

好ましくは、上記キャビティの内部面には、上記発光チップから発生される光を反射させることができるように反射部材をさらに含む。

好ましくは、上記レンズ部を構成する投光性樹脂には光散乱剤をさらに含む。

より好ましくは、上記光散乱剤はエポキシ、シリコンのいずれか１種である。

より好ましくは、上記光散乱剤はチタン酸バリウム、酸化チタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、酸化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ）、酸化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｏｘｉｄｅ）のいずれか１種である。

好ましくは、上記レンズ部の形成高さは樹脂の流れ性に影響を与える粘度（Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）及び樹脂の形状を維持するのに影響を与える揺変性数値（Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ Ｉｎｄｅｘ）によって調節される。

本発明によれば、発光チップが配置されるキャビティ内に埋め込まれる投光性樹脂が表面張力によってモールド部にこぼれないようにモールド部の上部面に円形リング状の凸状突出部を設けて上部に膨らんだ円形ドームをモールド部の上部に形成することにより、別途製作されたレンズをモールド部に組み立て、レンズとモールド部の間に充填剤を充填する作業を、モールド部上に注入され円形ドームで備えられる透明性樹脂に代替えできるため組立工程を単純化して作業生産性を向上させ、製品を大量に生産することができる一方、製造原価を節減することが可能である。

また、発光チップから発生される光の指向角を十分広くし、光抽出効率を増大させ光効率を高めることのできる効果が得られる。

そして、レンズ部を構成する粘度（Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）と揺変性数値（Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ Ｉｎｄｅｘ）を調節して多様な形態の円形ドーム状のレンズ部を形成することができるためレンズの設計自由度を広げることができる効果が得られる。

以下、本発明について添付の図面に従ってより詳しく説明する。

図２は本発明によるＬＥＤパッケージを示す斜視図であり、図３は図２のＡ方向から見た側面図であり、図４は本発明によるＬＥＤパッケージを示す平面図である。

本発明のＬＥＤパッケージ１００は、図２乃至図４に示すように、別途製作されたレンズを組み立てる工程を要せず、発光源を覆うように満たされる樹脂を上部に膨らんだドーム状で具備して製造工程を単純化し指向角をより広げることができるもので、これは発光チップ１１０、フレーム部１２０、モールド部１３０及びレンズ部１４０とを含んで構成される。

上記発光チップ１１０は電源印加時に光を発生させ、発光時に熱を発生させる半導体素子である。

このような発光チップは、活性層とこれを包むクラッド層から成るＧａＡｌＡｓ系、高密度光ディスクの赤色半導体レーザ素子に用いられるＡｌＧａＩｎ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ系と、トランジスタ等の電子デバイスに用いられるＧａＮ系などのような材料を用いて構成されるが、これらに限定されるものではなく、別の半導体材料で多様に構成され得る。

上記フレーム部１２０は上記モールド部１３０の成形時、その内部に固定され上記モールド部１３０のキャビティＣを介して上部面の一部が露出する一対の第１リードフレーム１２１及び第２リードフレーム１２２で具備され、このような第１リードフレーム１２１及び第２リードフレーム１２２は上記発光チップ１１０と電気的に連結される伝導性金属構造物で構成される。

これにより、上記第１リードフレーム１２１及び第２リードフレーム１２２は銅、ニッケル、鉄のいずれかの金属材またはこれらを少なくとも一つ以上含む合金材で構成され、その外部面はニッケル、銀、金のいずれか一つの金属材またはこれらを少なくとも一つ以上含む合金材でメッキ処理される。

ここで、上記発光チップ１１０がＰ極とＮ極を上、下部面にそれぞれ形成した垂直型半導体素子で具備されるか、或はＰ極とＮ極を上部面に同時に形成した水平型半導体素子で具備される。

これにより、垂直型発光チップ１１０は金属材を介して第１リードフレーム１２１に共晶ボンディング（Ｅｕｔｅｃｔｉｃ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、ソルダーリング（Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）されたり、伝導性接着剤を介して第１リードフレーム１２１にボンディングされ、金属ワイヤ１１５を介して上記第２リードフレーム１２２と電気的に連結される。

また、水平型発光チップは上記第１リードフレーム１２１上に接着剤を介して搭載された状態で２つの金属ワイヤ１１５を介して上記第１リードフレーム１２１及び第２リードフレーム１２２と電気的にそれぞれ連結されるワイヤボンディング構造を有する。

上記モールド部１３０は本体中央に上記発光チップ１１０が配置されるキャビティＣを形成しながら上記フレーム部１２０と一体化され、これを固定するように射出成形される樹脂剤であり、上記フレーム部１２０の第１リードフレーム１２１及び第２リードフレーム１２２の上部面の一部は上記キャビティＣの底面を介して外部へ露出し、上記第１リードフレーム１２１及び第２リードフレーム１２２の下部面の一部は外部電源との電気的な連結が容易になるように上記モールド部１３０の底面に露出する。

このようなモールド部１３０は多様な形状を実現することができ、射出工程が容易なポリマー（Ｐｏｌｙｍｅｒ）系樹脂を用いて成形するが、これに限定されるものではなく、多様な樹脂剤が素材として利用され得る。

上記発光チップ１１０が配置されるキャビティＣの内部面には上記発光チップ１１０から発生される光を反射させ光抽出効率をより高めることができるように反射部材１３７を具備することが好ましい。

このような反射部材１３７は、上記キャビティＣの傾斜した内部面の全体に光反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）及び銅（Ｃｕ）のいずれか一つから成る反射物質を均一にコーティングまたは蒸着して具備することができるが、これに限定されるものではなく、光反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）及び銅（Ｃｕ）のいずれか一つから成る板材を別途接着して具備されることもできる。

そして、上記モールド部１３０は上部面に発光チップ１１０を中心にして上部に一定高さで突出される円形リング状の凸状突出部１３５を具備し、上記凸状突出部１３５は内部面が上記キャビティＣの内部面から延長され、外部面は上記モールド部１３０の上部面と直角を形成するように具備される。

ここで、上記モールド部１３０の上部面に円形リング状で具備される凸状突出部１３５の内径中心は上記キャビティ内に配置される発光チップ１１０と一致することが好ましい。

上記レンズ部１４０は上記キャビティＣ内の発光チップ１１０を外部環境から保護しながら上記発光チップ１１０から発生される光を外部に広い指向角で発散できるように上記キャビティＣ内に満たされた後硬化されドーム状で具備される透明性樹脂である。

このようなレンズ部１４０は上記モールド部１３０の凸状突出部１３５の外枠を境界にして上記凸状突出部１３５から上に膨らんだ円形ドーム状で具備されることが好ましい。

上記透明性樹脂は別途のディスペンサを利用するディスペンシング工程やステンシル工程によって上記キャビティＣ内に埋め込まれ、上記凸状突出部１３５の最上端まで満たされた透明性樹脂は流れ性によって上記凸状突出部１３５の水平な上部面と垂直な外部面間の境界部位まで移動される。

この時、粘度性のある透明性樹脂は表面張力によって凸状突出部１３５の垂直な外部面に沿ってモールド部１３０の上部面までこぼれなくなる。

このような状態で透明性樹脂の供給が続けて行われると上記凸状突出部１３５の上部面と最大頂点間の形成高さＨが徐々に大きくなる円形ドーム状のレンズ部１４０を形成するようになり、上記レンズ部１４０が予め設定された形成高さＨに至ると上記透明性樹脂を供給することを中断する。

ここで、上記レンズ部１４０の形成高さＨは光抽出効率と指向角に影響を及ぼし、上記透明性樹脂で構成されるレンズ部１４０の形成高さＨが高くなると光抽出効率を高めることができる長所があるが、指向角が細くなる短所があり、逆にレンズ部１４０の形成高さＨを凸状突出部まで低めると指向角を広げることができる長所があるが、光抽出効率が低くなる短所がある。

このとき、ＬＥＤパッケージを照明用に使用しようとする場合、上記発光チップ１１０から外部へ放射される光の指向角は１２０乃至１８０度でなければならず、一般フラッシュ用に使用しようとする場合、光の指向角は８０乃至１２０度であり、高輝度フラッシュ用に使用しようとする場合の光の指向角は８０度以下でなければならない。

これにより、ＬＥＤパッケージから得ようとする光抽出効率と照明、フラッシュ用途に応じて可変される指向角を考慮しレンズ部１４０の形成高さＨを決めなければならず、その形成高さＨは樹脂の流れ性に影響を与える粘度（Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）及び樹脂の形状を維持するのに影響を与える揺変性数値（Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ Ｉｎｄｅｘ）によって調節可能なものである。

即ち、樹脂の粘度が一定した状態でレンズ部１４０の形成高さＨを高めるためには樹脂の揺変性数値を高めなければならず、逆にレンズ部１４０の形成高さＨを低めるためには樹脂の揺変性数値を低めなければならない。

また、樹脂の揺変性数値が一定した状態で樹脂の粘度が高いとドーム状のレンズ部１４０を形成するために投光性樹脂のドッティング（Ｄｏｔｔｉｎｇ）後樹脂のテイル（ｔａｉｌ）が消えるのに長時間かかるため、作業性が劣ってしまい、逆に樹脂の粘度が低いとドーム状が変形される恐れがあるため樹脂硬化を迅速に行わなければならない。

そして、上記凸状突出部１３５によって円形ドーム状で具備されるレンズ部１４０は自然硬化させたり、人為的に硬化させモールド部１３０と一体化する。

このような透明性樹脂はシリコン、エポキシなどが選択的に使用されることができ、低い波長の光に劣化の少ないシリコンが理想的である。

一方、上記円形ドーム状のレンズ部１４０を構成する投光性樹脂には発光チップ１１０から出射される光のノイズ（ｎｏｉｓｅ）を減少させより柔らかい光に出射されるように光散乱剤を添加することが好ましい。

このような光散乱剤ではレジン（ｒｅｓｉｎｅ）系列のエポキシ（ｅｐｏｘｙ）、シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）のいずれか一つを選択するか、オパール（ｏｐａｌ）系列のチタン酸バリウム（ｂａｒｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ）、酸化チタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、酸化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ）、酸化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｏｘｉｄｅ）のいずれか一つを選択することができる。

本発明は、特定の実施例に関して図示して、説明したが、上述した特許請求の範囲によって備えられる本発明の思想及び分野を外れない範囲内において本発明が多様に改造及び変化され得ることを当業界において通常の知識を有する者は容易にわかることを明らかにして置く。

従来のＬＥＤパッケージの本体中央を縦断面した斜視図である。 本発明によるＬＥＤパッケージを示す斜視図である。 レンズ部が形成された後のＬＥＤパッケージを図２のＡ方向から見た側面図である。 本発明によるＬＥＤパッケージを示す平面図である。

符号の説明

１１０ 発光チップ
１１５ ワイヤ
１２０ フレーム部
１２１ 第１リードフレーム
１２２ 第２リードフレーム
１３０ モールド部
１３５ 凸状突出部
１３７ 反射部材
１４０ レンズ部
Ｈ 形成高さ

Claims (8)

1. 電源印加時に光を発生させる発光チップと、
   前記発光チップとワイヤを介して電気的に連結され、前記発光チップが搭載するフレーム部と、
   前記フレーム部を固定して前記発光チップが配置されるキャビティを形成し、上部面に突出して形成される凸状突出部を設けるように成形されるモールド部と、
   前記キャビティ内に投光性樹脂を埋め込んで前記凸状突出部の外枠を境界にして前記凸状突出部から上に膨らんだ円形ドーム状で具備されるレンズ部と、を含むＬＥＤパッケージ。
2. 前記凸状突出部は内部面が前記キャビティの内部面から延長され、外部面は前記モールド部の上部面と直角を形成する円形リング状で具備されることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
3. 前記凸状突出部の内径中心は、前記キャビティ内に配置される発光チップと一致することを特徴とする、請求項２に記載のＬＥＤパッケージ。
4. 前記キャビティの内部面には、前記発光チップから発生される光を反射させることができるように反射部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
5. 前記レンズ部を構成する投光性樹脂には光散乱剤をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
6. 前記光散乱剤はエポキシ、シリコンのいずれか１種であることを特徴とする、請求項５に記載のＬＥＤパッケージ。
7. 前記光散乱剤は、チタン酸バリウム、酸化チタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、酸化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、酸化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｏｘｉｄｅ）のいずれか１種であることを特徴とする、請求項５に記載のＬＥＤパッケージ。
8. 前記レンズ部の形成高さは、樹脂の流れ性に影響を与える粘度（Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）及び樹脂の形状を維持するのに影響を与える揺変性数値（Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｉｃ Ｉｎｄｅｘ）によって調節されることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。

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