JP2008300665A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【目的】封止材やダイボンディング部材が変色し難く、光度が低下し難い発光装置を提供する。
【構成】リードフレーム２０上にダイボンディング部材１３で発光素子１０が固定されている。発光素子１０はシリコーン樹脂２２で封止されており、さらにその上からエポキシ樹脂２４で封止されている。ダイボンディング部材１３は脂環式エポキシ化合物を硬化剤で硬化させた脂環式エポキシ樹脂に酸化チタンが分散されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子が樹脂封止材で封止された発光装置に関するものである。本発明の発光装置によれば、発光素子を基板に固定するダイボンディング部材の変色を防ぐことができる。

従来、発光素子が基板上にダイボンディング部材で固定され、さらに透明樹脂で封止することによって発光素子を保護した発光装置が知られている。しかし、発光素子の高輝度化にともない、発光素子からの熱及び光によって封止材が徐々に分解して黒色化し、透過率が低下して、光度が低下するという問題が生じてきた。

こうした問題に対して、耐熱性及び耐光性に優れたシリコーン樹脂が発光素子の封止材として開発されており（特許文献１、２）、このようなシリコーン樹脂で発光素子を封止してから、さらに機械的強度に優れたエポキシ樹脂で封止することが行われている。

なお、本発明の課題とは全く異なるが、発光素子を固定するためのダイボンディング部材に酸化チタンを含有させることにより、発光素子からの光の反射率を高めることが特許文献３に記載されている。

特開２００４−２２１３０８号公報 特開２００６−３３５８５７号公報 特開２００６−２２９２４９号公報

しかし、発明者らの試験結果によれば、上記特許文献１や特許文献２に記載のシリコーン樹脂を封止材として用いても、未だ封止材やダイボンディング部材の変色防止や光度の低下防止に十分な効果を奏することはできなかった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、封止材やダイボンディング部材が変色し難く、光度が低下し難い発光装置を提供することを解決すべき課題としている。

発明者らは、封止材やダイボンディング部材が変色した発光素子について、さらに長時間駆動させた場合には、当初変色していた部分が徐々に退色し、光度が再び上昇するという意外な事実を発見した。この現象について鋭意研究を行った結果、変色原因となったのは封止材の分解物であり、長時間の発光によって退色した理由は、変色の原因物質がさらなる光照射によって酸化分解されたからであると推定した。そして、さらには、ダイボンディング部材に酸化チタンを分散させて、酸化チタンの光酸化触媒機能により、変色の原因物質が酸化分解され、発光装置の光度が低がり難いことを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の発光装置は、基板上にダイボンディング部材で固定された発光素子と、該発光素子を透明樹脂で封止する樹脂封止部とを備えた発光装置において、前記ダイボンディング部材は脂環式エポキシ化合物を硬化剤で硬化させた脂環式エポキシ樹脂に酸化チタンが分散されてなることを特徴とする。

本発明の発光装置において、ダイボンディング部材として用いられている脂環式エポキシ化合物を硬化剤で硬化させた脂環式エポキシ樹脂は、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンとから合成される水添ビスフェノールＡタイプのエポキシと異なり、化学的耐久性に優れている。このため、光照射による変色に対して、強い抵抗力を有する。さらには、ダイボンディング部材に酸化チタンが分散されているため、光の照射により酸化チタンに強い酸化力を有する正孔が生じ、酸素が正孔によって酸化されて生じたスーパーオキサイドアニオンやヒドロキシルアニオンといった活性酸素種が変色性物質を酸化分解除去する。このため、例えダイボンディング部材が変色したとしても、その変色部を脱色することができる。なお、酸化チタンによる光酸化反応には、酸素と水の存在が必要とされるが、水は酸化チタンの吸着水が関与し、酸素は封止材中に溶解した酸素が拡散によって酸化チタンまで移動してくるものと考えられる。
したがって、本発明の発光装置は、変色の原因物質が酸化分解されやすく、変色の原因物質が酸化分解され、発光装置の光度を維持できることができる。

本発明の発光装置において、ダイボンディング部材に用いられる脂環式エポキシ化合物としては、３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート等が挙げられる。また、硬化剤としては、酸無水物、アミン類、イミダゾール、ポリメルカプタン等を用いることができるが、この中でも酸無水物が好ましい。

本発明の発光装置では、樹脂封止部は、発光素子をシリコーン樹脂で封止するシリコーン封止部と、シリコーン封止部をさらにエポキシ樹脂で封止するエポキシ封止部とからなることが好ましい。こうであれば、光照射によって変色するエポキシ樹脂が直接発光素子に触れないため、エポキシ封止部の変色を最小限にとどめることができる。
また、シリコーン封止部はポリジメチルシロキサンからなることがこのましい。メチル系シリコーン樹脂は、耐光性や耐熱性に優れているからである。
さらに、エポキシ封止部は脂環式エポキシ樹脂からなることが好ましい。脂環式エポキシ樹脂は化学的耐久性に優れており、光照射による変色に対して、強い抵抗力を有するからである。

また、本発明の発光装置では、酸化チタンはアナターゼ型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタン、ルチル型酸化チタンのいずれを用いても良い。アナターゼ型酸化チタンは、ブルッカイト型酸化チタンやルチル型酸化チタンよりも光酸化触媒としての活性が高く、また粒子径の細かい粉末が容易に入手できるため、光酸化反応が迅速に進行する。一方、ルチル型酸化チタンを用いた場合には、光の反射率が高いため、光度が高くなる。また、酸化チタンにＰｔ等の光触媒の活性を高める金属を付着させておくことも好ましい。

本発明の発光装置は、トップビュータイプ、サイドビュータイプ、砲弾タイプ、ＣＯＢタイプ等、ＬＥＤの形状を問わず適用することができる。また、発光素子は短波長の光を放出するものにおいて特に効果が著しい。具体的には青色発光ＬＥＤ、紫外発光ＬＥＤ及び紫外発光ＬＥＤを用いた単色又は蛍光体入りの白色ＬＥＤである。短波長の光はエネルギーが大きく、封止材やダイボンディング部材の変色が著しいからである。短波長の光を発光する発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子を用いることが好ましい。ここに、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該ＭＯＣＶＤ法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる光受発光方向（電極面）を光デバイスの光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる光受発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。

なお、本発明の発光装置では、ダイボンディング部材に脂環式エポキシ化合物を用いているが、これに替えてメチル系シリコーン樹脂をダイボンディング部材とすることもできる。ここで、メチル系シリコーン樹脂とは、ポリジメチルシロキサンを主たる骨格とする樹脂をいい、シリコン原子に結合する官能基のうち８０％以上がメチル基のものをいう。具体的には、例えば特許文献１及び特許文献２に記載の発光素子封止用のオルガノポリシロキサンが挙げられる。発明者らの試験結果によれば、メチル系シリコーン樹脂をダイボンディング部材の樹脂成分とすることにより、ダイボンディング部材が極めて変色し難くなる。また、ダイボンディング部材に酸化チタンが分散されているため、上述した酸化チタンの光酸化作用により、変色性物質を分解除去する。したがって、変色の原因物質が酸化分解されやすく、変色の原因物質が酸化分解され、発光装置の光度を維持できることができる。

以下実施例により本発明の構成をより詳細に説明する。
（実施例１）
実施例１の発光装置は、図１に示すように、砲弾型ＬＥＤ１であり、発光素子１０は４５７．５〜４６０ｎｍｎｍの波長領域の発光ダイオードであり、リードフレーム２０の先端に設けられたカップ状部２０ａにエポキシ樹脂からなるダイボンディング部材１３を用いてマウントされている。このエポキシ樹脂は、下記組成からなるエポキシペーストを加熱硬化させたものである。
・３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート
（ＡＤＣ） ４０重量部
・メチル−ヘキサハイドロフタル酸無水物（ＭＨＨＰＡ） ４９重量部
・ルチル型酸化チタン １重量部
発光素子１０のｎ電極１０ａ及びｐ電極１０ｂは、それぞれワイヤ１１及び１２によりリードフレーム２０及び２１にワイヤボンディングされている。さらに、カップ状部２０ａにはシリコーン樹脂２２が充填されている。このシリコーン樹脂２２は、以下の組成のものである。
・ジメチルシロキサン ８９．５重量％
・ビニルシロキサン ０．４重量％
・Ｓｉ−Ｈ基含有ケイ素化合物 １．０重量％
さらにシリコーン樹脂２２の上から、エポキシ樹脂２４が砲弾形状にシリコーン樹脂部２２を封止している。このエポキシ樹脂２４は、以下の組成のエポキシ接着剤を加熱硬化させたものである。シリコーン樹脂２２がシリコーン封止部であり、エポキシ樹脂２４がエポキシ封止部である。
・３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート
（ＡＤＣ） ３０重量部
・ビスフェノールＡ ７０重量部
・４−メチルシクロヘキサン−１，２−ジカルボン酸無水物 １００重量部

以上のように構成された実施例１の砲弾型ＬＥＤ１は、次のようにして製造される。
先端にカップ状部２０ａが設けられたリードフレーム２０及びリードフレーム２１を用意し、図２に示すように、エポキシペーストによってカップ形状部２０ａに発光素子１０を固定する。さらに、図３に示すように、カップ状部２０ａにシリコーン樹脂２２を充填し、加熱硬化させて、ＬＥＤ本体２６を得る。さらに、シリコーン樹脂２２の上からエポキシ樹脂２４を砲弾型形状に型成形して、図１に示す実施例１の発光装置１が完成する。

実施例２の発光装置は、発光素子の発光波長が４５０〜４５２．５ｎｍである。その他については実施例１の発光装置と同様であり、説明を省略する。

（試験例１）
試験例１の発光装置は、発光素子をマウントするためのダイボンディング剤として、以下の組成のものを用いた。
・ジメチルシロキサン ９０重量％
・Ｓｉ−Ｈ基含有ケイ素化合物 ７重量％
・Ｓｉ−ＣＨ＝ＣＨ_２基含有ケイ素化合物 ３重量％
・ルチル型酸化チタン 上記3成分の合計を１００重量部として、２０重量部
その他は実施例１の発光装置と同様であり、説明を省略する。
（試験例２）
試験例２の発光装置は、ダイボンディング剤として試験例１と同様のダイボンディング剤を用いた。その他については、実施例２と同様であり、説明を省略する。

（比較例１）
比較例１の発光装置は、発光素子をマウントするためのダイボンディング剤に酸化チタンを添加していない。その他は実施例１の発光装置と同様であり、説明を省略する。

（比較例２）
比較例２の発光装置は、発光素子をマウントするためのダイボンディング剤に酸化チタンを添加していない。その他は試験例１の発光装置と同様であり、説明を省略する。

（比較例３）
比較例３の発光装置は、発光素子をマウントするためのダイボンディング剤に酸化チタンを添加しておらず、以下の組成のダイボンディング剤を用いた。その他は実施例１の発光装置と同様であり、説明を省略する。
・３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート
（ＡＤＣ） ５４重量部
・ビスフェノールＡ ４６重量部
・メチル−ヘキサハイドロフタル酸無水物（ＭＨＨＰＡ） １００重量部

（比較例４）
比較例４では、比較例３において用いたダイボンディング剤１００重量部に対し、ルチル型酸化チタンを１重量部添加したものをダイボンディング剤として用いた。他の条件は比較例３と同様であり、説明を省略する。

＜耐久試験＞
（耐久試験１）
実施例１及び実施例２並びに試験例１及び試験例２の発光装置について、長時間の耐久試験（２５°C ３０ｍＡ）を行い、光度の変化を調べた。その結果、図４に示すように、実施例１、２及び試験例１、２の発光装置は、１００時間までほとんど光度の低下は生じなかった。さらに、長時間の耐久試験を行ったところ、実施例１では１００時間を超えて１０００時間程度までは、徐々に相対光度が低下し、相対光度が最大で０．８０まで、実施例２では０．６２まで下がり、それ以降は回復に転じた。これは、光の照射によって変色性物質が生じるものの、更なる光照射によって変色性物質が酸化チタン触媒によって分解されて退色するからであると考えられる。一方、試験例１及び試験例２については、１０００を超えても相対光度はほとんど変化しなかった。

（耐久試験２）
比較例１及び比較例３の発光装置について、長時間の耐久試験を行い、光度の変化を調べた。その結果、図５に示すように、ビスフェノールＡを含有するダイボンディング剤を用いた比較例３は、ビスフェノールＡを含まず脂環式エポキシ樹脂をバインダー成分とする比較例１よりも、変色の程度が大きかった。

（耐久試験３）
比較例４の発光装置について、２５°Ｃ ３０ｍＡ 及び１００°Ｃ ３０ｍＡの条件で長時間の耐久試験を行い、光度の変化を調べた。その結果、図６に示すように発光時間とともに光度は低下し、２５°Cの条件下では１０００時間で相対光度が０．４３と大きく低下した。さらに、１００°Ｃの条件下では、僅か１００時間の発光により０．４６と大幅に低下した。さらに長期間発光を継続させると光度が逆に上昇した。これは、光の照射によって変色性物質が生じるものの、更なる光照射によって変色性物質が分解されて退色するからであると考えられる。

この発明は上記発明の実施形態に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

実施例１の発光装置の模式断面図である。 リードフレームに発光素子を搭載した状態の模式断面図である。 リードフレームに搭載した発光素子をシリコーン樹脂で封止した状態の模式断面図である。 実施例１及び実施例２並びに試験例１及び試験例２の発光装置の耐久試験における試験時間と相対光度との関係を示すグラフである。 比較例１及び比較例３の発光装置の耐久試験における試験時間と相対光度との関係を示すグラフである。 比較例４の発光装置の耐久試験における試験時間と相対光度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…砲弾型ＬＥＤ（発光装置）
２０…リードフレーム（基板）
１３…ダイボンディング部材
１０…発光素子
２２、２４…樹脂封止部（２２…シリコーン封止部、２４…エポキシ封止部）

Claims (5)

1. 基板上にダイボンディング部材で固定された発光素子と、該発光素子を透明樹脂で封止する樹脂封止部とを備えた発光装置において、
   前記ダイボンディング部材は脂環式エポキシ化合物を硬化剤で硬化させた脂環式エポキシ樹脂に酸化チタンが分散されてなることを特徴とする発光装置。
2. 樹脂封止部は、発光素子をシリコーン樹脂で封止するシリコーン封止部と、シリコーン封止部をさらにエポキシ樹脂で封止するエポキシ封止部とからなることを特徴とする請求項１項記載の発光装置。
3. シリコーン封止部はメチル系シリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. エポキシ封止部は脂環式エポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項２又は３記載の発光装置。
5. 酸化チタンはアナターゼ型酸化チタンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の発光装置。

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