JP2007250817A - Led - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、LEDチップからのUV照射による劣化を抑制するようにしたLEDを提供することを目的とする。
【解決手段】 平板状の基板11と、上記基板上のチップ実装位置に対して実装されるLEDチップ12と、上記基板上にて、LEDチップを覆うように基板に対して接合材料15により気密的に接合された無機ガラスから成るレンズカバー13と、を含んでおり、上記基板11,レンズカバー13と接合材料15が、有機材料を含まない材料により構成されるように、LED10を構成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、LEDチップがレンズカバーにより覆われているLEDに関するものである。
従来、このようなLEDは、例えば図6に示すように構成されている。
図6において、LED1は、一対のリード電極2,3と、一方のリード電極2の上端に実装されると共に他方のリード電極3の上端とボンディングワイヤにより接続されるLEDチップ4と、双方のリード電極2,3及びLEDチップ4を包囲する透光性材料から成るレンズ5と、から構成されている。
ここで、上記LEDチップ4は、図7に詳細に示すように、上記リード電極2の上端面に形成されたカップ(凹陥部)2a内にて、マウント部材4aを使用してマウントされた後、カップ2a内に、波長変換材6aを混入した封止樹脂6を充填・硬化させることにより、実装されている。
また、上記レンズ5及び封止樹脂6は、例えば透光性のエポキシ樹脂等から構成されている。
このような構成のLED1によれば、外部からリード電極2,3を介して、LEDチップ4に駆動電圧が印加されると、LEDチップ4が駆動されて発光する。そして、LEDチップ4から出射した光が、封止樹脂6内に混入された波長変換材6aを励起して、その励起光が、封止樹脂6を通り、さらにレンズ5を介して外部に出射するようになっている。
また、特許文献2によるLED7は、図8に示すように、上面に凸状のレンズ部を備えた透光性支持体8の下方に設けられた凹陥部8a内にマウント部材4aにより実装されたLEDチップ4と、この透光性支持体8の凹陥部8a内から外側まで延びるようにインサート成形され、LEDチップ4の各電極がボンディングワイヤにより接続される電極部8b,8cと、上記凹陥部8a内に充填された保護部材9aと、上記凹陥部8aの底面にて保護部材9aを覆うように配置された反射部材9bと、から構成されている。
ここで、上記マウント部材4a,保護部材9aは、例えば透光性のエポキシ樹脂等から構成されている。
このような構成のLED7によれば、外部から電極部8b,8cを介して、LEDチップ4に駆動電圧が印加されると、LEDチップ4が駆動されて発光する。そして、LEDチップ4から出射した光が、マウント部材4a,保護部材9aを介して、さらに透光性支持体8を介して上方に向かって、外部に出射するようになっている。
特開平11−274571号公報 特開2000−164939号公報
しかしながら、上述したLED1,7においては、レンズ5及び封止樹脂6,マウント部材4aそして保護部材9aについて、いずれも透光性材料として、例えば透光性エポキシ樹脂等の有機材料が使用されている。
このため、これらの透光性エポキシ樹脂等の有機材料は、UV波長帯域に吸収基を有していることから、LEDチップ4からの出射光や外来光に含まれるUV成分(例えば300〜410nmの波長)によって劣化することになる。
また、上記有機材料は、耐湿性が良くないため、マウント部材4aやレンズ5,封止樹脂6及び保護部材9aが吸湿性または透湿性を有することになる。従って、特に封止樹脂6については絶縁性が要求されることから、このような有機材料を使用することは好ましくない。
さらに、波長変換材6aとして湿度に弱い波長変換材が使用される場合には、封止樹脂6の吸湿性または透湿性によって、波長変換材6aの劣化が促進されることになる。
また、上記有機材料は、その絶縁性ゆえ熱伝導性が低いことから、封止樹脂6等の放熱性が悪くなる。従って、LEDチップの駆動時に発生する熱によってLEDチップ自体が高温になる。従って、LEDチップの発光効率が低下すると共に、封止樹脂6等も高温となって、着色等を引起こすことになる。このため、LED1,7から外部に出射する光の色が変化してしまう。
さらに、上記有機材料は、劣化時における耐振動性が悪いことから、UVや高温の影響によって封止樹脂6等が劣化すると、脆くなり、振動により破壊しやすくなってしまう。
本発明は、以上の点から、LEDチップや外部からのUV照射による劣化や吸湿性,透湿性を抑制し、耐湿性、耐熱性,放熱性及び耐振動性を向上させるようにしたLEDを提供することを目的としている。
上記目的は、本発明によれば、平板状の基板と、上記基板上のチップ実装位置に対して実装されるLEDチップと、上記基板上にて、LEDチップを覆うように基板に対して接合材料により気密的に接合された無機ガラスから成るレンズカバーと、を有し、上記基板、レンズカバーと接合材料が、有機材料を含まない材料により構成されていることを特徴とする、LEDにより、達成される。
この第一の態様では、LED全体が有機材料を使用することなく構成されているので、LEDチップから出射した光や外来光に含まれるUV成分が当たっても、いずれの構成要素も劣化するようなことがない。
また、有機材料を使用していないので、吸湿性,透湿性が低い。従って、基板に関して高い絶縁性が得られると共に、レンズカバーに湿度に弱い波長変換材を混入したとしても、波長変換材の湿度による劣化が抑制され得ることになる。
さらに、有機材料を使用していないので、放熱性が向上することになり、LEDチップの駆動時に発生する熱や波長変換材で発生する熱が、基板やレンズカバーを介して効率良く放熱され得ることになる。
また、有機材料を使用していないので、耐熱性が向上することになり、LEDチップの駆動時に発生する熱によって高温になったとしても、構成要素が劣化したり、レンズカバーに変色・着色等を生ずることがない。
このようにして、LEDチップからの光や外来光に含まれるUV成分や高温による劣化が抑制され得るので、耐振動性が向上し、信頼性の高いLEDが得られることになる。
尚、レンズカバーは基板とは別体に形成され、その後内部空間を画成するように基板上に接合されるので、従来の封止樹脂のようにレンズカバーが直接にLEDチップに接触するようなことがなく、レンズカバー接合時のLEDチップや基板に対する熱負荷が軽減され得ることになる。
本発明の第二の態様によるLEDは、前記第一の態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーが、上向きの中空砲弾状に形成されており、その開放した下面の周縁が上記LEDチップの周囲にて基板に対して接合されていることを特徴とする。
この第二の態様では、所謂砲弾状の外形を有するLEDが構成されることになる。
本発明の第三の態様によるLEDは、前記第一の態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーが、平板状に形成されており、その周縁が上記基板の周囲に形成された凸状の側壁の上端に対して接合されていることを特徴とする。
この第三の態様では、表面実装型の外形を有するLEDが構成されることになる。
本発明の第四の態様によるLEDは、前記第三の態様によるLEDにおいて、上記凸状の側壁の内側面が、メッキを施されていることを特徴とする。
この第四の態様では、LEDチップから出射した光が、凸状の側壁の内面に入射したとき、メッキの表面で反射されるので、光の取出し効率が向上することになる。
本発明の第五の態様によるLEDは、前記第一から第四の何れかの態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーが、無機材料から成る波長変換材を含んでいることを特徴とする。
この第五の態様では、LEDチップから出射した光がレンズカバーに入射した後、波長変換材を励起する。これにより、波長変換材で励起により発生する光が、レンズカバーを通って外部に出射する。従って、LEDチップからの光とは異なる波長の光が外部に出射することになる。
本発明の第六の態様によるLEDは、前記第五の態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーが、さらに拡散剤,散乱剤等を含んでいることを特徴とする。
この第六の態様では、LEDチップから出射した光がレンズカバーに入射した後、波長変換材を励起する。そして、波長変換材で励起された光が、レンズカバーを通る際に、上記拡散剤,散乱剤等により拡散され、外部に出射することになる。
本発明の第七の態様によるLEDは、前記第一から第六の何れかの態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーの内面と基板表面で画成される内部空間に、不活性ガスが充填されていることを特徴とする。
この第七の態様では、内部空間が不活性ガスで満たされているので、内部空間でLEDからの光のUV成分による影響が抑制され得ることになる。
本発明の第八の態様によるLEDは、前記第一から第七の何れかの態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーの内面と基板表面で画成される内部空間が、真空排気されていることを特徴とする。
この第八の態様では、内部空間が不活性ガスで満たされているので、内部空間でLEDからの光や外来光に含まれるUV成分による影響が抑制され得ることになる。
本発明の第九の態様によるLEDは、前記第一から第八の何れかの態様によるLEDにおいて、上記レンズカバーの内面が、光学的表面処理を施されていることを特徴とする。
この第九の態様では、LEDチップから出射した光がレンズカバーに入射する際に、この光学的表面処理により制御され、所定の配光特性で外部に出射することになる。
本発明の第十の態様によるLEDは、前記第九の態様によるLEDにおいて、上記光学的表面処理が、指向特性の調整のための表面処理であることを特徴とする。
この第十の態様では、LEDチップから出射した光がレンズカバーに入射する際に、この光学的表面処理により指向特性が調整され、例えば集光しあるいは拡散して、外部に出射することになる。
本発明の第十一の態様によるLEDは、前記第九の態様によるLEDにおいて、上記光学的表面処理が、内側からの入射光の全反射を低減するための表面処理であることを特徴とする。
この第十一の態様では、LEDチップから出射した光がレンズカバーに入射する際に、この光学的表面処理により全反射が低減されるので、外部への光の取出し効率が向上することになる。
以上のように、本発明によれば、構成要素が有機材料を使用していないので、LEDチップや外部からの光に含まれるUV成分による劣化が低減されると共に、吸湿性,透湿性や放熱性,耐熱性が向上し、耐振動性も向上することになる。
従って、本発明によれば、LEDチップや外来光のUV照射による劣化や吸湿性,透湿性を抑制し、耐熱性,放熱性及び耐振動性を向上させるようにした、信頼性の高いLEDが提供され得ることになる。
以下、この発明の好適な実施形態を図1から図5を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
[実施例1]
図1は、本発明によるLEDの第一の実施形態の構成を示している。
図1において、LED10は、基板11と、この基板11上に実装されたLEDチップ12と、この基板11上にてLEDチップ12を包囲するように接合されたレンズカバー13と、から構成されている。
上記基板11は、金属,セラミック等からなり、平板状に形成されている。
尚、上記基板11は、導電材料から成る場合には、表面に絶縁層(図示せず)が形成されている。
そして、上記基板11は、LEDチップ実装部に対して、両側から露出する一対の電極部11a,11bを備えている。
この電極部11a,11bは、上記基板11の表面に沿って外縁まで引き回され、さらに側端面から下面まで回り込んで、表面実装用の接続端子11c,11dを形成している。
上記LEDチップ12は、例えば青色LEDチップあるいは紫外LEDチップ等であって、図示の場合、底面に両側にそれぞれ電極部(図示せず)が設けられている。
そして、上記LEDチップ12は、各電極部がそれぞれ上記基板11上の電極部11a,11bに当接するように、これら電極部11a,11bの双方に対して跨るように載置され、金属バンプ14により接合されることにより、機械的に固定されると共に、電気的に接続されている。
上記レンズカバー13は、ソーダガラス,水ガラス,青板ガラス,白板ガラス等の無機ガラスから構成され所望の形状に成形されており、図示の場合、基板11上にてLEDチップ12を覆うように、中空半球状に形成されている。
また、上記レンズカバー13は、必要に応じて波長変換材が混入されている。例えば結晶性ガラスと波長変換材とを混合し、所定の温度で熱処理することにより形成される。
上記波長変換材は、LEDチップ12からの光によって励起され、より長波長の光を発する無機蛍光体,無機燐光体等の無機材料から使用され得る。
ここで、具体的な無機材料としては、例えばYAG系蛍光体,酸窒化物蛍光体,酸化物蛍光体,窒化物蛍光体が使用され得るが、好ましくは温度特性の良いものが使用される。
また、ガラス材料と波長変換材の混合比は、LEDチップ12の発光色とLED10の出射すべき発光色に基づいて、適宜に調整される。
尚、上記レンズカバー13は、必要に応じて、拡散剤,散乱剤等も混入することができる。
さらに、上記レンズカバー13は、その内面に適宜の光学的表面処理13aを施されている。
図示の場合、光学的表面処理13aは、例えば粗面仕上げであって、入射光を拡散させるようになっている。
そして、上記レンズカバー13は、接合材料15により、基板11上に接合され、機械的に固定されるようになっている。
この接合材料15は、有機材料を含まない材料、例えば低融点ガラスから構成されており、低融点ガラスを溶融してレンズカバー13を基板11上に接合するようになっている。
レンズカバー13の基板11への接合の際に、または接合後に、レンズカバー13と基板11により画成される内部空間16は、通常は何もせず、空気が存在するが、真空排気されてもよく、また不活性ガスが充填されてもよい。
本発明実施形態によるLED10は、以上のように構成されており、外部から接続端子11c,11dを介して、LEDチップ12に駆動電圧が印加されると、LEDチップ12が発光する。
そして、LEDチップ12から出射した光は、内部空間16を介してレンズカバー13に入射し、さらにレンズカバー13を透過して、外部に出射する。
その際、レンズカバー13の内面の光学的表面処理13aにより、入射光は、光学的作用を受けて、例えば拡散され、外部に出射することになる。
また、レンズカバー13内に波長変換材が混入されている場合には、波長変換材が入射光によって励起され、より長波長の光を発する。これにより、この長波長の光またはLEDチップ12からの光との混色光がレンズカバー13から外部に出射することになる。
さらに、レンズカバー13内に拡散剤,散乱剤等が混入されている場合には、入射光が、これらの拡散剤,散乱剤等によって拡散されるので、出射光の輝度ムラが効果的に抑制され得ることになる。
この場合、LED10を構成する基板11,電極部11a,11b,レンズカバー13そして金属バンプ14,接合材料15は、いずれも有機材料を含まない材料から構成されている。
従って、LED10の各構成要素は、LEDチップ12から出射される光や外来光に含まれるUV成分が当たったとしても、このUV成分により劣化するようなことがなく、さらには耐振動性も向上することになり、信頼性の高められることになる。
また、有機材料を含んでいないことから、吸湿性や透湿性が低く、高い絶縁性が得られる。
特にレンズカバー13は、UV波長帯域に吸収性を持たないので、UV劣化によって光学的変色や着色を生じて、透明性が低下するようなことがなく、外部への出射光の色が変化したり、輝度が低下するようなことはない。
さらに、湿度に弱い波長変換材を使用した場合でも、吸湿性が殆どないことから、波長変換材の湿度による劣化が抑制され得ることになる。
さらに、有機材料を含んでいないことから、レンズカバー13の溶融温度が400℃以上と、耐熱性が向上することになると共に、レンズカバー13の熱伝導率が例えば約0.9(W/mK)以上と比較的高いので、波長変換材で発生する熱が、レンズカバー13及び接合材料15を介して基板11に放熱される。
また、LEDチップ12で発生する熱も金属バンプ14を介して基板11に放熱されるので、LED10全体の放熱性が向上することになる。
また、レンズカバー13と基板11と間に内部空間16が存在することから、レンズカバー13の接合時に、ガラス材料や接合材料15を溶融するための熱が、直接にLEDチップ12に影響せず、LEDチップ12や基板11に対する熱負荷が軽減されることになる。
[実施例2]
図2は、本発明によるLEDの第二の実施形態の構成を示している。
図2において、LED20は、基板21と、この基板21上に実装された複数個(図示の場合、5個)のLEDチップ22と、この基板21上にてすべてのLEDチップ22を纒めて包囲するように接合されたレンズカバー23と、から構成されている。
上記基板21は、図1に示したLED10における基板11と同様の構成であって、各LEDチップ22のためのチップ実装部に対して、それぞれ両側から露出する対の電極部21a,21bを備えており、各電極部21a,21bは、それぞれ図示しない引回し部分を介して、それぞれ側端面から下面まで回り込んで、表面実装用の接続端子21c,21dを形成している。
さらに、上記基板21は、その外周縁から上方に突出する枠状の側壁21eを有している。
この側壁21eは、基板21と一体に形成されていてもよく、または基板21の表面に対して接着,接合等により取り付けられていてもよい。
上記各LED22チップは、例えば青色LEDチップあるいは紫外LEDチップ等であって、図示の場合、底面及び上面にそれぞれ電極部(図示せず)が設けられている。
そして、上記各LEDチップ22は、その底面の電極部が上記基板11上の一方の電極部21a上に載置され、例えば共晶接合により、機械的に固定されると共に、電気的に接続されている。
また、上記各LEDチップ22は、その上面の電極部が、Auワイヤ等の金属ワイヤ24により、他方の電極部21bに対してワイヤボンディングされ、電気的に接続されている。
上記レンズカバー23は、図1に示したLED10におけるレンズカバー13と同様の構成であって、図示の場合、基板21上にて各LEDチップ22を覆うように、平板状に形成されている。
そして、上記レンズカバー23は、接合材料25により、基板21の側壁21aの上面に接合され、機械的に固定されるようになっている。
この接合材料25は、図1に示したLED10における接合材料15と同様の構成である。
上記レンズカバー23と基板11との間の内部空間26は、好ましくは真空排気され、あるいは不活性ガスが充填されている。
このような構成のLED20によれば、外部から接続端子21c,21dを介して、各LEDチップ22に駆動電圧が印加されると、各LEDチップ12が発光する。
そして、各LEDチップ22から出射した光は、内部空間26を介してレンズカバー23に入射し、さらにレンズカバー23を透過して、外部に出射する。
この場合も、LED20を構成する基板21,電極部21a,21b,レンズカバー23そして接合材料25は、いずれも有機材料を含まない材料から構成されている。
従って、LED20の各構成要素は、各LEDチップ22から出射される光や外来光に含まれるUV成分が当たったとしても、このUV成分により劣化するようなことがなく、さらには耐振動性も向上することになり、信頼性の高められることになる。
また、有機材料が使用されていないことから、耐熱性や放熱性が向上すると共に、吸湿性や透湿性が低く、高い絶縁性が得られ、波長変換材の湿度による劣化が抑制され得ることになる。
[実施例3]
図3は、本発明によるLEDの第三の実施形態の構成を示している。
図3において、LED30は、図1に示したLED10と同様の構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
上記LED30は、図1に示したLED10とは、そのレンズカバー13の内面に光学的表面処理として、所定角度の凹凸形状13bを備えている点で異なる構成になっている。
この凹凸形状13bは、LEDチップ12から出射した光がレンズカバー13の内面に入射する際に、できるだけ全反射しないような入射角となるように、形成されている。
このような構成のLED30によれば、図1に示したLED10と同様に作用すると共に、LEDチップ12から出射した光が、レンズカバー13の内面に入射したとき、できるだけ全反射しないような入射角でレンズカバー13に入射する。
従って、レンズカバー13の内面での全反射が低減されることになり、LED30におけるLEDチップ12からの光の取出し効率が向上し、LED30の発光効率が向上することになる。
[実施例4]
図4は、本発明によるLEDの第四の実施形態の構成を示している。
図4において、LED40は、図2に示したLED20と同様の構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
上記LED40は、図2に示したLED20とは、そのレンズカバー23の内面に光学的表面処理として、フレネルレンズ23bを備えている点で異なる構成になっている。
このフレネルレンズ23bは、各LEDチップ22から上方に向かって出射した光がレンズカバー23の内面に入射する際に、中心の直上に向かって集光するように、凸レンズとして形成されている。
このような構成のLED40によれば、図2に示したLED20と同様に作用すると共に、各LEDチップ22から出射した光が、レンズカバー23の内面に入射したとき、フレネルレンズ23bにより屈折して、上方に向かって中心の直上に向かって集光する。
[実施例5]
図5は、本発明によるLEDの第五の実施形態における基板の構成を示している。
図5において、LED50は、図2に示したLED20と同様の構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略すると共に、基板21のみが示されている。
上記基板21は、図2に示したLED20における基板21と同様の構成であるが、側壁21eの内側面がメッキ処理され、金属薄膜21fを備えている点で異なる構成になっている。
この金属薄膜21fは、例えばAg、Al等の金属から構成されており、高い反射率を備えており、反射膜として作用する。
このような構成のLED50によれば、図2に示したLED20と同様に作用すると共に、各LEDチップ22から出射した光が、基板21の側壁21eに入射したとき、その内側面に設けられた金属薄膜21fにより反射される。
これにより、金属薄膜21fによる反射光が、レンズカバー23を介して上方に向かって出射することになる。従って、LED50の光取出し効率が向上し、LED30の発光効率が向上することになる。
上述した実施形態においては、レンズカバー13,23は、その内面に光学的表面処理13a,13b,23a,23bを備えているが、これに限らず、このような光学的表面処理は省略されてもよい。
また、上述した実施形態においては、LED10,30において、底面の両側縁に電極部を備えたLEDチップ12が使用されており、またLED20,40,50においては、底面及び上面に電極部を備えたLEDチップ22が使用されているが、すべてのLED10〜50において、何れのタイプのLEDチップ12または22が使用され得ることは明らかである。
さらに、上述した実施形態においては、発光素子チップとしてLEDチップ12,22を使用した場合について説明したが、これに限らず、他の種類の発光素子チップを使用した発光装置に本発明を適用し得ることは明らかである。
このようにして、本発明によれば、LEDチップや外部からのUV照射による劣化や吸湿性,透湿性を抑制し、耐熱性,放熱性及び耐振動性を向上させるようにした、信頼性の高いLEDを提供することができる。
そして、本発明によるLEDは、耐熱性,耐振動性が高く、また吸湿性,透湿性が低いことから、高温,高湿や振動の多い厳しい環境、例えば車載や屋外での使用環境でも有効に利用可能である。
本発明によるLEDの第一の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明によるLEDの第二の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明によるLEDの第三の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明によるLEDの第四の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明によるLEDの第五の実施形態の構成を示す断面図である。 従来のLEDの一例の構成を示す断面図である。 図6のLEDの要部を示す部分拡大断面図である。 従来のLEDの他の例の構成を示す断面図である。
符号の説明
10,20,30,40,50 LED
11,21 基板
12,22 LEDチップ
13,23 レンズカバー
14 金属バンプ
15,25 接合材料
16,26 内部空間
24 金属ワイヤ

Claims (7)

  1. 平板状の基板と、
    上記基板上のチップ実装位置に対して実装されるLEDチップと、
    上記基板上にて、上記LEDチップを覆うように上記基板に対して接合材料により気密的に接合された無機ガラスから成るレンズカバーと、
    を有し、
    上記基板、上記レンズカバーと上記接合材料が、有機材料を含まない材料により構成されていることを特徴とする、LED。
  2. 上記レンズカバーが、上向きの中空砲弾状に形成されており、その開放した下面の周縁が上記LEDチップの周囲にて上記基板に対して接合されていることを特徴とする、請求項1に記載のLED。
  3. 上記レンズカバーが、平板状に形成されており、その周縁が上記基板の周囲に形成された凸状の側壁の上端に対して接合されていることを特徴とする、請求項1に記載のLED。
  4. 上記レンズカバーが、無機材料から成る波長変換材を含んでいることを特徴とする、請求項1から3の何れかに記載のLED。
  5. 上記レンズカバーが、拡散剤,散乱剤を含んでいることを特徴とする、請求項1から4の何れかに記載のLED。
  6. 上記レンズカバーの内面と基板表面で画成される内部空間は、真空排気されているか、または、不活性ガスが充填されていることを特徴とする、請求項1から5の何れかに記載のLED。
  7. 上記レンズカバーの内面が、光学的表面処理を施されていることを特徴とする、請求項1から5の何れかに記載のLED。
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