JP2008172140A

JP2008172140A - ハウジングと上部の硬質保護材の間に緩衝材を持つ発光装置

Info

Publication number: JP2008172140A
Application number: JP2007005773A
Authority: JP
Inventors: Maki Kuriyama; 真樹栗山; Koichi Takayama; 浩一高山; Masahiro Miyoshi; 正裕三妙
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】軟質樹脂の膨張・収縮によって発光装置外側の硬質保護材にストレスがかかり、硬質保護材が割れたり、剥がれたりするという問題があった。
【解決手段】硬質保護材とハウジングとの間に緩衝材を挿入することで、硬質保護材をハウジングに対して緩く固定する。即ち、軟質樹脂上に硬質保護材を浮かせた構成とし、軟質樹脂の膨張・収縮に伴うストレスを受けないようにする。本構成により、大きな温度変化がある環境においても長寿命の光半導体装置を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に係る。より詳しくは、より高い出力を得る際にも高い信頼性を維持することができる発光素子のパッケージ構造に係る。

発光素子、特に発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、ＬＥＤ）は、従来、インジケータ等の用途に使用され、低出力のものが中心であった。しかし、近年において、年々高出力の製品が開発されている。従って、発光素子のパッケージは、高出力化に合わせた様々な技術が開発されている。

図５は、従来の発光素子のパッケージ構造である。この構成の発光素子パッケージにおいて、ＬＥＤチップは、凹部を持つハウジング内に設置され、軟質樹脂と、硬質樹脂とで二重に封止が行われている。ケース底部とケース蓋部の少なくともいずれか一方には、軟質樹脂の剰余分収納部を形成することで、軟質樹脂と硬質樹脂との膨張係数の差により高温時に生じる応力を緩和できる旨、記載されている。

特開２００５−１１６８１７

しかし、このような構成の発光素子のパッケージは、問題がある。ケース底部とケース蓋部の少なくともいずれか一方に軟質樹脂の剰余分収納部を形成することは、余分な生産工程とコストを費やすこととなり、量産のためには好ましくない。

従って、図６にあるように、軟質樹脂で充たしたハウジング開口部に未硬化の樹脂を塗布し、硬化させて硬質のレンズ部材としたものが好適に使用される。ここで硬質のレンズ部材はハウジングに固く結合している。

この構成では、発光素子のパッケージを高出力で繰り返し使用すると、発光素子の発する熱により、硬質のレンズ部材とハウジングによって形成される閉じられた空間内で、シリコーン樹脂は膨張、収縮を繰り返す。この結果、硬質のレンズとハウジングを接合する部分が剥がれたり（図７）、硬質のレンズが割れる場合（図８）がある。即ち、特許文献１で示される課題を、余分な生産工程とコストを費やすことなく解決することは、本構成においては困難であった。

上記課題は、本発明の構成により解決される。本発明は、凹部を持つハウジングと、前記凹部内に設置された発光素子と、前記発光素子を覆い、かつ、前記凹部内を満たす軟質樹脂と、前記ハウジングの上方に設置され、かつ、前記軟質樹脂と接する硬質保護材と、前記ハウジングと前記硬質保護材の間を緩く固定する緩衝材と、からなる発光装置である。

また、上記課題は、本発明の別の構成によっても解決される。本発明は、凹部を持つハウジングと、前記凹部内に設置された発光素子と、前記発光素子を覆い、かつ、前記凹部内を埋める軟質樹脂と、前記ハウジングの上方に設置された、前記軟質樹脂の膨張又は収縮の動きに追従して動きうる硬質保護材と、前記ハウジングと前記硬質保護材の間に配置された、前記軟質樹脂の膨張又は収縮に伴って伸縮する緩衝材と、を含む光半導体装置である。

緩衝材は、好ましくは軟質樹脂と同一の物質である。

ハウジング又は硬質保護材には、位置決め部が形成されていても良い。

また、上記課題は、本発明の更に別の構成によっても解決される。本発明は、凹部を持つハウジングを準備する工程と、前記凹部内に発光素子を設置し、電気的に接続する工程と、前記凹部内に、前記凹部より多い体積の軟質樹脂を注入して前記発光素子を覆う工程と、前記軟質樹脂上に樹脂を塗布し、硬化して硬質保護材とする工程と、を有する発光装置の製造方法である。

本発明に係る発光素子パッケージは、いわば硬質保護材を軟質樹脂上に「浮かせた」構成となっている。即ち、ハウジングに対して硬質保護材を固く結合せず、緩衝材を介して緩く固定している。この結果、軟質樹脂の膨張、収縮に従って硬質保護材が追従して動くこととなり、その繰り返しによっても硬質保護材に何らストレスがかからず、硬質保護材の破壊等の不具合が発生しない。

軟質樹脂をハウジングの凹部に注入する際、凹部の体積をやや越える程度の量に調節することで、軟質樹脂はハウジングの凹部から若干溢れ出ることとなる。この上に、硬質保護材を設置すると、溢れ出た軟質樹脂を、同時に緩衝材としても使用しうる。即ち、軟質樹脂と緩衝材を同一の物質で形成する場合、緩衝材を形成する工程を省くことができ、好ましい。

ハウジング又は硬質保護材に、位置決め部が形成することもできる。この場合、ハウジングと硬質保護材の相対的な位置関係をある程度固定することができる。特に硬質保護材がレンズ機能を有している場合に、光軸のずれを抑制しうるため、有用である。

本発明に関わる発光素子パッケージの製造方法は、軟質樹脂をハウジングに形成された凹部の体積より多く注入し、かつ、この上に硬質保護材となる樹脂を塗布後、硬化する。別体で硬質保護材を形成し、後工程で組み合わせるより工程が簡便となる。

以下、図を参照して本発明の構成を具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態である。ＬＥＤチップ４は、ハウジング３の凹部底面に設置されている。また、ＬＥＤチップ４は、軟質樹脂２によって覆われている。更に、ＬＥＤチップ４は、リードフレーム６ａ、６ｂとワイヤ５又は導電性接着剤（図示せず）等によって電気的に接続されている。これらの上方には、硬質保護材１が設置されている。ここで、硬質保護材１とハウジング３との間には、緩衝材７が配置されている。緩衝材７は、硬質保護材１とハウジング３を緩く固定するために、例えばゴム状の弾性を持つ樹脂等を用いる。

リードフレーム６ａ、６ｂとの間に電流を印加した場合、ＬＥＤチップ４は発光する。この時、全電気エネルギーを光として放出することはできず、幾分かのエネルギーを熱として放出する。この結果、ＬＥＤチップ４周囲の軟質樹脂２の温度は上昇し、体積が膨張する。膨張した軟質樹脂２は、硬質保護材１を上方向へ押し上げる。硬質保護材１はハウジング３と固く結合していないため、緩衝材７の緩い固定が外れない範囲で押し上げられることになる。ＬＥＤチップ４に印加された電流が消失したとき、ＬＥＤチップ４からの熱の放出は止まる。これに伴い、軟質樹脂２の膨張は止まり、常温に戻るに従って体積も元に戻る。硬質保護材１も、元の位置に戻る。電流の印加と消失のサイクルによっても、硬質保護材１には何らストレスがかからず、クラック等を防止できる。

ＬＥＤチップ４は、ＧａＮ系ＬＥＤチップ、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ、ＧａＰ系ＬＥＤチップ、ＡｌＩｎＧａＰ系ＬＥＤチップ、ＧａＡｓ系ＬＥＤチップ等、所定の発光色を得るために自由に選択することができる。なお、図示しないが、複数のＬＥＤチップを同一のハウジング内に収納しても良い。また、ＬＥＤチップをサブマウント上に載せることも自在である。ＬＥＤチップは、通常は、ハウジング凹部底面に露出した配線部やリードフレームとの間で、Ａｕワイヤや導電性接着剤等を用いて、電気的に接続される。

硬質保護材１は、ＬＥＤチップ４の発光する光を実質的に透過しうる材料であって、ハウジング３の開口部を物理的に保護しうる硬度を持つ材料が使用される。例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ガラス等であり、目的や製造コスト等に応じて適宜選択がされる。また、硬質保護材１は、所望の配光を得るために所定のレンズ構造を形成されたものであっても良い。例えば、凸レンズ、凹レンズ、フレネルレンズ、多眼レンズ等自由に選択される。更に、硬質保護材１の光出射面側又はＬＥＤチップ４側の少なくとも一方に、蛍光体膜、光学多層膜、着色膜等を形成し、発光装置の発光色を調整することも可能である。また、硬質保護材１自体を、例えば着色ガラスや蛍光ガラスで形成することで、発光色の調整機能を持たせることもできる。

ハウジング３は、樹脂、セラミック、金属等、所定の目的に応じて選択し、使用することができる。例えば、セラミック基板に金属製のリングを接合したもの、金属基板に凹部を形成したもの、樹脂をインジョクションモールド法によって成型したもの等である。いずれを使用する場合であっても、ＬＥＤチップ４の発光色に対し、反射率の高い材料を用いるか、又は、ハウジングの凹部内壁を反射率の高い材料でコーティングすることで、より高い出力を得ることができ、好適である。

基板に図２のようなリングを接合する等、ハウジング３の凹部底面と底面より上方の部分を別個に作製する場合、リードフレーム６ａ、６ｂの代わりに基板に配線を予め形成したもの使用しても良い。金属製リングを用いるならば、予め反射率の高い材料をメッキ等の方法で金属製リングの内面に形成できる。

硬質保護材１またはハウジング３のいずれか、又は双方に位置決め部８を形成しても良い。例えば、硬質保護材１のハウジング３に面した部分に凸状の構造を、ハウジング３の対応する部分に凹状の構造をそれぞれ形成することができる。このような構成をとることで、硬質保護材１とハウジング３との相対的な位置関係を概ね合わせることができる。又、凹凸形状の組合せによって、硬質保護材１の、軟質樹脂２の膨張・収縮に伴って動く方向を、光軸に平行な方向のみに規定することもできる。

軟質樹脂２は、硬質保護材１より柔らかい材料、特にゴム状弾性樹脂やゲル状樹脂が好適に用いられ、代表的にはこれらの硬度に調整されたシリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂等である。ＬＥＤチップ４の発光色に対して実質的に透明であれば良い。特に、発光装置の寿命の観点から、ＬＥＤチップ４の発光によって劣化しない材料が好適に選択される。

軟質樹脂２中に、蛍光体、拡散材、着色材等を含んでも良い。例えば、蛍光体として、４２０〜４９０ｎｍ程度の青色光で励起され、黄色の蛍光を発するＹＡＧ：Ｃｅ等を使用することで、ＬＥＤチップ４由来の青色光と、蛍光体由来の黄色光との混色によって白色を生じさせることができる。また、拡散材を含むことで、ＬＥＤチップ４の発光を拡散し、ハウジング３の開口部からランバーシアンの配光として発光させることができる。更に、着色材を含むことで発光色を補正し、所望の色度を得ることができる。

緩衝材７は、ゴム状弾性樹脂やゲル状樹脂が好適に用いられ、代表的にはこれらの硬度に調整されたシリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂等である。緩衝材７は、ＬＥＤチップ４の発光に対して透明である必要は必ずしもないが、ＬＥＤチップ４の発光に曝されうる位置にあるため、この発光によって劣化しない材料であることが好ましい。緩衝材７が存在する、硬質保護材１とハウジング３の間の距離は、使用する材料によって変化するが、ショアＡが２５程度のシリコーン樹脂を用いた場合、概ね１０μｍ程度である。

緩衝材は、ハウジングと硬質保護材の間を緩く固定する機能を有する。ここで、「緩く固定する」とは、軟質樹脂の膨張・収縮に従って伸張しつつも、ハウジングと硬質保護材の相対的位置関係が、温度変化のサイクルの経過前後で、同一の温度であればほぼ同一に保たれることをいう。

以下の方法で、図３の構成よりなる本発明に係る発光装置を作製し、従来の発光装置との比較を試みた。

基板１１に対し、メッキによって配線パターン１２ａ、１２ｂを形成し、ハウジングの底面に当たる部分を形成した。次に、下端の内径より上端の内径を大としたコバール製金属リング１３を作製し、基板１１に絶縁膜を介してハンダ１９によって接合した。なお、この金属リングの内面にはＡｇメッキを行い、反射率の向上を期した。更に、発光ピーク波長４７５ｎｍ（２０ｍＡ時）のＩｎＧａＮ系ＬＥＤチップ１４を基板１１上の配線パターン１２ｂにＡｇペーストによって固定してＬＥＤチップ１４の一方の電極と電気的に接続し、Ａｕワイヤ１５によってＬＥＤチップ１４の他方の電極と配線パターン１２ａとを電気的に接続した。次に、ショアＡが２５のシリコーン樹脂を、基板１１と金属リング１３で形成されたハウジング内に注入し、ＬＥＤチップ１４を覆う軟質樹脂１６とした。その後、ショアＤが６５の硬質シリコーン樹脂よりなる硬質保護材１７をハウジングの開口部に被せた。この際、軟質樹脂１６を若干量溢れる程度まで注入し、硬質保護材１７を上から押し付け、ハウジングの開口部からはみ出すようにし、緩衝材１８の部分を形成した。

次に、比較用のサンプルを作製した。比較用サンプルの構成は、本発明の構成と同様であるが、硬質保護材１７は金属リング１３に結合された構造であり、緩衝材１８が存在しないものである。

上記本発明のサンプルと、比較用サンプルをヒートショック試験にかけた場合の結果を図４に示す。ヒートショック試験は、１２０℃まで４分かけて昇温後、１１分保持し、その後、−４０℃まで４分かけて降温し、１１分保持する、というサイクルを所定の回数繰り返して行った。

図４より、従来の構成に係る発光装置では、２０００回のサイクルを経た後では２０％以上の率で硬質保護材にクラックが入るが、本発明の構成に係る発光装置では、クラックの発生がないことが確認された。

以上の通り、発光素子のパッケージを高出力で繰り返し使用することで生じる、樹脂の膨張、収縮に由来する問題を本発明によって解消した。本発明により、より高出力の発光装置を実現できるのみならず、車戴用途を始めとする温度変化の著しい環境においても使用しうる高い信頼性の発光装置を製造できる。

本発明の概略図である。金属製リングの概略図である。本発明の実施例で作製した発光装置である。本発明と従来技術の比較をしたグラフである。第１の従来技術の図である。第２の従来技術の図である。従来技術の課題を示す図である。従来技術の課題を示す図である。

１硬質保護材
２軟質樹脂
３ハウジング
４ＬＥＤチップ
５ワイヤ
６ａ，ｂリードフレーム
７緩衝材
８位置決め部
１１配線基板
１２ａ，ｂ配線パターン
１３金属リング
１４ＬＥＤチップ
１５Ａｕワイヤ
１６軟質樹脂
１７硬質保護材
１８緩衝材

Claims

凹部を持つハウジングと、
前記凹部内に設置された発光素子と、
前記発光素子を覆い、かつ、前記凹部内を満たす軟質樹脂と、
前記ハウジングの上方に設置され、かつ、前記軟質樹脂と接する硬質保護材と、
前記ハウジングと前記硬質保護材の間を緩く固定する緩衝材と、
を含む光半導体装置。
凹部を持つハウジングと、
前記凹部内に設置された発光素子と、
前記発光素子を覆い、かつ、前記凹部内を埋める軟質樹脂と、
前記ハウジングの上方に設置された、前記軟質樹脂の膨張又は収縮の動きに追従して動きうる硬質保護材と、
前記ハウジングと前記硬質保護材の間に配置された、前記軟質樹脂の膨張又は収縮に伴って伸縮する緩衝材と、
を含む光半導体装置。
前記緩衝材は、前記軟質樹脂と同一の物質であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
前記ハウジング又は前記硬質保護材の少なくともいずれか一方に、位置決め部が形成されていることを特徴とする請求項１から３に記載の光半導体装置。
凹部を持つハウジングを準備する工程と、
前記凹部内に発光素子を設置し、電気的に接続する工程と、
前記凹部内に、前記凹部より多い体積の軟質樹脂を注入して前記発光素子を覆う工程と、
前記ハウジングの上方に溢れた前記軟質樹脂上に樹脂を塗布し、硬化して硬質保護材とする工程と、
を有する発光装置の製造方法。