JP2009049172A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発光素子の一方の電極と他方の電極とを異なるリボン状金属部材によりパッケージ電極と接合し、反射枠内に封止材料を充填しない発光装置に関するものである。
【解決手段】発光素子は、第１の電極および第２の電極を有し、上方に光を放射する。セラミック基板上には、互いに絶縁されている第１の導電膜および第２の導電膜が形成されている。第１のリボン状金属部材は、一方の端部が前記発光素子の第１の電極に接合され、他方の端部が前記セラミック基板の第１の導電膜に接合されている。第２のリボン状金属部材は、一方の端部が前記発光素子の第２の電極に接合され、他方の端部が前記セラミック基板の第２の導電膜に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子に用いられ、前記発光素子の一方の電極と他方の電極とを複数のリボン状金属部材によりパッケージ電極とハンダ接合することにより、大電流を流すことができ、放熱性が優れているとともに信頼性の高い発光装置に関するものである。

従来の発光素子は、基板上に、バッファ層、ｎ型ＧａＮ層、活性層、ｐ型半導体層、ｐ型電極が順次形成され、前記ｎ型ＧａＮ層の一部にｎ型電極が設けられている。前記発光素子は、たとえば、特許第３７８５８２０号公報に記載されている。前記と同様な発光素子は、たとえば、特許第３３６９０８９号公報、または特許第３４９０９０６号公報に記載されている。

特許第３７８５８２０号公報 特許第３３６９０８９号公報 特許第３４９０９０６号公報

前記各公報に記載されている発光素子において、パッケージ電極と発光素子は、金線によるワイヤボンディングにより接合されている。また、前記従来の発光装置は、発光素子が反射枠の内部に設けられ、前記反射枠の奥深い部分において、透明絶縁部材によって封止されており、必ずしも放熱性が良くなかった。また、前記従来の発光装置における電極とパッケージ電極は、金線を超音波によって接合していた。すなわち、前記接合は、ワイヤーボンダーを用いるため、前記発光装置の発光層に震動が伝達されて、発光層に損傷を与えるおそれがあった。また、前記発光装置の電極と金線との接合は、輸送中または使用中の震動により、断線するおそれがあるため、封止材料を充填することによって、信頼性を保っていた。

以上のような課題を解決するために、本発明は、発光素子からの光の照射および放熱の効率が良く、照明器具として使用できる発光装置を提供することを目的とする。本発明は、組立および量産性に優れ、大電流および熱応力に耐えるとともに、高い強度で保持される発光装置を提供することを目的とする。

（第１発明）
第１発明の発光装置は、少なくとも２つのパッケージ電極を有するパッケージと、上面にｎ型電極およびｐ型電極を有する上面電極発光素子と、前記発光素子のｎ型電極と一方のパッケージ電極とを繋ぐ第１のリボン状金属部材と、前記発光素子のｐ型電極と他方のパッケージ電極とを繋ぐ第２のリボン状金属部材と、第１のリボン状金属部材とｎ型電極との接合、第１のリボン状金属部材と一方のパッケージ電極との接合、第２のリボン状金属部材とｐ型電極との接合、および第２のリボン状金属部材と他方のパッケージ電極との接合に用いるハンダとから少なくとも構成されていることを特徴とする。

（第２発明）
第２発明の発光装置において、第１発明のパッケージは、セラミック基板からなり、前記セラミック基板上に少なくとも２つのパッケージ電極が導電膜として形成されていることを特徴とする。

（第３発明）
第３発明の発光装置において、第１発明のパッケージは、絶縁的に配置された少なくとも２つの金属基板から構成されていることを特徴とする。

（第４発明）
第４発明の発光装置において、第１発明のパッケージは、セラミック基板と金属基板とから構成されており、前記セラミック基板にパッケージ電極が導電膜として形成されていることを特徴とする。

（第５発明）
第５発明の発光装置において、第１発明から第４発明のパッケージは、上面に接合された反射枠を有することを特徴とする。

（第６発明）
第６発明の発光装置において、第５発明における反射枠の上面に蛍光体含有膜体を有することを特徴とする。

（第７発明）
第７発明の発光装置において、第１発明から第６発明のリボン状金属部材は、金製リボンからなることを特徴とする。

（第８発明）
第８発明の発光装置において、第１発明から第７発明の上面電極発光素子は、紫外線ないし青色の光を発光する窒化ガリウム系発光素子であり、前記蛍光体含有膜体は、発光素子から発光された紫外線ないし青色の光をほぼ白色光に変換する少なくとも一つの蛍光体を含有していることを特徴とする。

（第９発明）
第９発明の発光装置において、第１発明から第８発明の発光素子の電極配置は、互いに入り組んだ櫛形から構成されていることを特徴とする。

（第１０発明）
第１０発明の発光装置において、第１発明から第９発明のリボン状金属部材は、銅に金および／または銀がメッキされ、厚さが１５μｍから３５μｍ、好ましくは、２０μｍから３０μｍからなることを特徴とする。

（第１１発明）
第１１発明の発光装置において、第５発明から第１０発明の反射枠は、内部に凸面を有するポーラスセラミックから構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子の電極とパッケージの電極との接続をリボン状金属部材を使用したため、大電流を流すことができるとともに、光を効率良く反射することができるようになった。

本発明によれば、前記発光素子の電極とパッケージ電極との接続をリボン状金属部材を使用して、接合面積を大きくしているため、ハンダによる接合が可能であり、放熱性がよく、大きな電流を流すことができる。

本発明によれば、前記発光素子の電極とパッケージ電極との接続にワイヤボンドによる接合を用いないため、接合部および／または発光層に振動が加わることがなく、不良品の少ない発光装置を得ることができる。

本発明によれば、リボン状金属部材として、金製リボンとすることにより、形状を任意に変え易いだけでなく、接合強度を向上させることができ、反射枠内に封止材料を充填する必要がなく、光の照射効率を向上させることができた。

本発明によれば、反射枠をポーラスセラミックにより成形されているため、特別な反射面を形成することなく、表面における反射および乱反射を有効に利用でき、高い反射率とすることができる。

本発明によれば、発光素子を複数個パッケージに備えた場合、高い照度の発光装置を得ることができるため、液晶表示装置の導光板、あるいはサイドから照射して広告用の看板、自動車等のヘッドライト等に適することができる。

（第１発明）
第１発明の発光装置において、パッケージと、上面電極発光素子と、第１のリボン状金属部材と第２のリボン状金属部材と、これらを接合するハンダとから少なくとも構成されている。また、前記上面電極発光素子は、上面にｎ型電極およびｐ型電極を有し、上方に光を放射する。前記第１のリボン状金属部材は、前記ｎ型電極と一方のパッケージ電極に接合されている。第２のリボン状金属部材は、前記発光素子のｐ型電極と他方のパッケージ電極に接合されている。

前記第１のリボン状金属部材と前記一方のパッケージ電極およびｎ型電極、第２のリボン状金属部材と前記他方のパッケージ電極およびｐ型電極は、ハンダにより接合されている。

第１および第２のリボン状金属部材は、大電流を流すことができるだけでなく、表面積が大きいため、高い放熱効果を有するとともに、光を効率良く反射することができる。前記リボン状金属部材は、複数の金線を電極に圧接する代わりに、発光素子の電極とハンダにより接合され、発光素子に振動を与えることなく、接合強度が大きいため、封止材料を充填する必要が無くなった。

（第２発明）
第２発明の発光装置は、パッケージが少なくとも２つのセラミック基板からなり、それぞれにパッケージ電極として導電膜が形成されている填で、第１発明と異なっている。

（第３発明）
第３発明の発光装置は、パッケージが絶縁的に配置された少なくとも２つの金属基板から構成ささている点で、第１発明および第２発明と異なっている。前記発光装置は、第１の金属基板および第２の金属基板から放熱することもできるので、大電流を流すことができるだけでなく、接合面積が大きいため、封止材料によりリボン状金属部材を固定する必要がなくなった。

（第４発明）
第４発明の発光装置は、セラミック基板と金属基板が互いに対向して配置された構成となっている点で第１発明から第３発明と異なっている。前記発光装置は、金属基板から放熱することができるので、大電流を流すことができるだけでなく、接合面積が大きいため、封止材料によりリボン状金属部材を固定する必要がなくなった。

（第５発明）
第５発明の発光装置は、セラミック基板どうし、金属基板どうし、セラミック基板と金属基板どうしの上に反射枠が、たとえば、熱硬化性樹脂接着剤等によって接合されている。前記反射枠の接合は、セラミック基板、金属基板を薄くしても、高い強度を保持することができる。特に、金属基板どうしの間に絶縁部材または空間を設けても、前記反射枠が接合されているため、発光装置としての強度を得ることができる。

（第６発明）
第６発明の発光装置は、蛍光体含有膜体が前記反射枠に設けられ、発光素子から放射された光が前記蛍光体含有膜体によって所望の色の光となって出力される。前記蛍光体含有膜体は、前記発光素子から発する光をほぼ可視光に変換する場合、少なくとも一つの蛍光体が含有されている。前記発光素子は、たとえば、青色ないし紫外線の波長の光を発光する発光ダイオードであり、青色ないし紫外光の波長を吸収して、他の可視光に変換している。

（第７発明）
第７発明の発光装置におけるリボン状金属部材は、金製リボンから構成されている。前記金製リボンは、短冊状で薄い板状に成形されているため、大電流を流すことができるだけでなく、前記発光素子の電極等と接続する際に、形状を変えたり、接合面積を大きくすることができ、取り付けが容易で、かつ、放熱性および信頼性の高い接合が可能である。また、金属部材は、短冊状であるため、線状のものと比較して高い放熱性を有するだけでなく、強度的にも丈夫であり、発光素子等の固定に封止材料を充填する必要がなくなる。

（第８発明）
第８発明の発光装置は、発光素子として、上面電極発光素子を使用している。前記上面電極発光素子は、紫外線ないし青色の光を発光する窒化ガリウム系発光素子である。反射枠に取り付けられている蛍光体含有膜体は、発光素子から放射された光が前記蛍光体含有膜体によって所望の色の光となって出力される。前記発光素子は、たとえば、青色ないし紫外線の波長の光を発光する場合、前記青色ないし紫外光の波長を吸収して、白色光に変換する。

（第９発明）
第９発明の発光素子の電極配置は、櫛形状にして、互いに入り組むように構成されている。前記櫛形状の電極は、光を上部に放射するために、たとえば、正極の面積を大きめにし、負極の面積を小さくしている。

（第１０発明）
第１０発明の発光装置におけるリボン状金属部材は、銅、アルミニウム、またはこれらの合金に金および／または銀がメッキされ、光の反射効率、放熱性、ハンダとの濡れ性の改善を同時に達成できるようになっている。また、前記リボン状金属部材は、厚さを１５μｍから３５μｍ、好ましくは、２０μｍから３０μｍとすることで、大電流を流すことができるとともに、放熱性を向上させるだけでなく、組立体とした場合の強度も向上させている。

（第１１発明）
第１１発明の発光装置は、反射枠の少なくとも内面がポーラスセラミックから構成されている。前記ポーラスセラミックは、アルミナ系セラミックであり、たとえば、気孔の直径が０．１０から１．２５μｍ、あるいは、気孔率が１０％以上のものを使用した。

図１（イ）および（ロ）は本発明の第１実施例で、（イ）は発光素子をパッケージに組み込んだ状態を説明するための発光装置の概略断面図、（ロ）は前記発光装置の平面図である。図１（イ）および（ロ）において、発光装置１０は、第１の導電膜１３および第２の導電膜１４が形成されているセラミック基板１１と、発光素子１２と、反射枠１７と、前記反射枠１７の上部に設けられている蛍光体含有膜体１８とから少なくとも構成され、パッケージとなっている。

前記発光素子１２は、第１の電極１２１と、第２の電極１２２とから構成されている。前記第１の電極１２１は、中央部から光が照射し易くするために発光素子１２の上部における周囲にのみ設けられている。第２電極１２２は、図示されていない発光層を挟んだ下部から導出されて面積が小さくなっている。前記第１の電極１２１は、リボン状金属部材１５によって、第１の導電膜１３に、たとえば、ハンダ、共晶ハンダ等によって接合されている。また、第２の電極１２２は、第２のリボン状金属部材１６によって、第２の導電膜１４に接合されている。前記リボン状金属部材は、たとえば、短冊状をした金製リボン、あるいは金および／または銀メッキが施されたリボン状の金属部材から構成されている。金製リボン１５、１６は、電気抵抗が少なく、大電流を流すことができるとともに、放熱性が優れているだけでなく、形状を容易に変えることができるため、各電極の接合が容易にできる。

前記セラミック基板１１、第１の導電膜１３、第２の導電膜１４の上には、反射枠１７が熱硬化性接着剤等により接合される。また、前記反射枠１７は、上部に蛍光体含有膜体１８が設けられる。前記蛍光体含有膜体１８は、発光素子１２から放射される紫外線を白色光に変換することがきるものであるが、所望の色の光を得たい場合、蛍光体を任意に選択することができる。

前記発光装置１０における発光素子１２の各電極１２１、１２２、導電膜１３、１４、リボン状金属部材１５、１６とは、ハンダ、たとえば、共晶ハンダにより接合される。前記各部の接合は、通常、共晶ハンダが所定の接合部におかれ、リフロー炉を通過させることにより、同時に行われる。前記ハンダによる各部の接合は、強度が高いため、これらを封止する封止材料を充填する必要がなくなった。

前記導電膜１３、１４および前記リボン状金属部材１５、１６は、１Ａ以上の電流を流しても、焼き切れない厚さのものである。特に、前記リボン状金属部材１５、１６は、たとえば、短冊状のリボン状金属部材にすることにより、電気抵抗が少なく、大電流を流すことができだけでなく、通常の配線と比較して、面積が広いため取り付けも容易で、かつ、堅固に接合できるようになった。

また、前記短冊状のリボン状金属部材１５、１６は、厚さを１５μｍから３５μｍ、好ましくは、２０μｍから３０μｍとすることで、大電流を流すことができるとともに、放熱性を向上させるだけでなく、組立体とした場合の強度も向上させている。本出願人は、前記リボン状金属部材１５、１６の厚さを１５μｍより薄くした場合、流す電流の量が少なく、放熱効果も少なく、前記厚さを電流容量および放熱効果を考慮した際に、３５μｍより厚くしても、材料が無駄であり、意味がないことが判った。

前記リボン状金属部材１５、１６は、アルミニウムまたは銅、あるいはこれらの合金からなり、必要に応じて、金および／または銀メッキが施される。前記メッキは、接合以外に、光を効率良く照射することができるだけでなく、共晶ハンダ処理に適しており、信頼性の高い発光装置を得ることができる。前記接合部における金および／または銀メッキは、共晶ハンダの濡れ性を向上させるだけでなく、電流の導電性向上、光反射性の３つを同時に達成することができる。また、前記リボン状金属部材１５、１６は、銅またはアルミニウム、これらの合金と、金および／または銀の積層基板とすることもできる。

前記発光素子１２の大きさは、たとえば、１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、０．７ｍｍ×０．７ｍｍ、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ、あるいは０．３ｍｍ×０．３ｍｍで、厚さ０．１５ｍｍである。

前記発光素子１２は、青色発光ダイオードまたは紫外線発光ダイオードであり、青色発光ダイオードの場合、青色を吸収して緑色と赤色を発色する蛍光体を含む蛍光膜を用いることにより、青色発光ダイオードの青色と合わせてほぼ白色光が出るようになっている。また、前記発光素子１２は、紫外線発光ダイオードの場合、紫外線を吸収して青色、緑色、および赤色を発色する蛍光体を含む蛍光膜を用いてほぼ白色を出したり、あるいは紫外線を吸収して青色を発色する蛍光体と、紫外線および前記青色を吸収して緑色と赤色を発色する蛍光体を用いてもほぼ白色光を出すことができる。

前記反射枠１７は、絶縁樹脂を成形したもの以外に、アルミナ系セラミックとすることができる。前記アルミナ系セラミックは、反射枠の内部に、たとえば、気孔の直径が０．１０μｍから１．２５μｍ、あるいは、気孔率が１０％以上のものが使用された。前記ポーラスセラミックよりなる反射枠１７は、反射膜を形成する必要がないだけでなく、内部表面で乱反射することにより、反射率を向上させることができる。

図２は（イ）および（ロ）は本発明の第２実施例で、互いに絶縁されている金属基板上に発光素子が設けられている例を説明するための概略図であり、（イ）は断面図、（ロ）は発光素子の斜視図である。図２（イ）および（ロ）において、発光装置２０は、金属基板２１および金属基板２２の間に絶縁部材２３が設けられている点で、実施例１と異なっている。二つの金属基板２１、２２は、薄くしても、反射枠１７によって、接合されているため、十分な強度を得ることができる。前記絶縁部材２３は、空間とすることもできるが、光が後ろに逃げるため、光を通し難い部材が望ましい。

図３（イ）および（ロ）は本発明の第３実施例で、（イ）は発光素子をパッケージに組み込んだ状態を説明するための発光装置の概略断面図、（ロ）は前記発光装置の平面図である。図３（イ）および（ロ）において、発光装置３０は、金属基板３２とセラミック基板３３が互いに対向配置されている点で、第１実施例および第２実施例と異なっている。前記セラミック基板３３は、導電膜３３１をパッケージ電極としている。前記導電膜３３１は、セラミック基板３３上を広く形成させることにより、光の反射および放熱性を向上させることができる。

従来例の金線を超音波で接続した発光素子と、共晶ハンダとリボン状金属部材とによって接合した本発明の実施例とを比較した。従来例は、径が３０μｍの金線２本を用いたものとし、発光素子の電極と金属基板の他方を超音波ワイヤーボンディングで接続したワイヤーボンダの超音波振動により、発光不良の不良品が約１０％発生した。さらに、３５０ｍＡを通電した場合、約４％の通電異常による焼けが発生した。本発明の実施例では、３５０ｍＡから５００ｍＡの通電においても、不良品の発生がなかった。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本発明の発光素子は、実施例として記載された形状以外の公知または周知のものを使用することができる。本発明の蛍光体含有膜、反射枠、金属基板、あるいはセラミック基板の材質は、公知または周知のものを使用することができる。本実施例は、発光ダイオードについて説明されているが、レーザダイオード等の発光素子に用いられることはいうまでもないことである。

（イ）および（ロ）は本発明の第１実施例で、（イ）は発光素子をパッケージに組み込んだ状態を説明するための発光装置の概略断面図、（ロ）は前記発光装置の平面図である。（実施例１） （イ）および（ロ）は本発明の第２実施例で、互いに絶縁されている金属基板上に発光素子が設けられている例を説明するための概略図であり、（イ）は断面図、（ロ）は発光素子の斜視図である。（実施例２） （イ）および（ロ）は本発明の第３実施例で、（イ）は発光素子をパッケージに組み込んだ状態を説明するための発光装置の概略断面図、（ロ）は前記発光装置の平面図である。（実施例３）

符号の説明

１０、２０、３０・・・発光装置
１１・・・セラミック基板
１２・・・発光素子
１２１・・・第１の電極
１２２・・・第２の電極
１３・・・第１の導電膜
１４・・・第２の導電膜
１５・・・第１のリボン状金属部材
１６・・・第２のリボン状金属部材
１７・・・反射枠
１８・・・蛍光体含有膜体
２１・・・第１の金属基板
２２・・・第２の金属基板
２３・・・絶縁部材
３２・・・金属基板
３３・・・セラミック基板
３３１・・・導電膜

Claims (11)

1. 少なくとも２つのパッケージ電極を有するパッケージと、
   上面にｎ型電極およびｐ型電極を有する上面電極発光素子と、
   前記発光素子のｎ型電極と一方のパッケージ電極とを繋ぐ第１のリボン状金属部材と、
   前記発光素子のｐ型電極と他方のパッケージ電極とを繋ぐ第２のリボン状金属部材と、
   第１のリボン状金属部材とｎ型電極との接合、第１のリボン状金属部材と一方のパッケージ電極との接合、第２のリボン状金属部材とｐ型電極との接合、および第２のリボン状金属部材と他方のパッケージ電極との接合に用いるハンダと、
   から少なくとも構成されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記パッケージは、セラミック基板からなり、前記セラミック基板上に少なくとも２つのパッケージ電極が導電膜として形成されていることを特徴とする請求項１に記載された発光装置。
3. 前記パッケージは、絶縁的に配置された少なくとも２つの金属基板から構成されていることを特徴とする請求項１に記載された発光装置。
4. 前記パッケージは、セラミック基板と金属基板とから構成されており、前記セラミック基板にパッケージ電極が導電膜として形成されていることを特徴とする請求項１に記載された発光装置。
5. 前記パッケージは、上面に接合された反射枠を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された発光装置。
6. 前記反射枠の上面に蛍光体含有膜体を有することを特徴とする請求項５に記載された発光装置。
7. 前記リボン状金属部材は、金製リボンからなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載された発光装置。
8. 前記上面電極発光素子は、紫外線ないし青色の光を発光する窒化ガリウム系発光素子であり、前記蛍光体含有膜体は、発光素子から発光された紫外線ないし青色の光をほぼ白色光に変換する少なくとも一つの蛍光体を含有していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載された発光装置。
9. 前記発光素子の電極配置は、互いに入り組んだ櫛形から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載された発光装置。
10. 前記リボン状金属部材は、銅に金および／または銀がメッキされ、厚さが１５μｍから３５μｍ、好ましくは、２０μｍから３０μｍからなることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載された発光装置。
11. 前記反射枠は、内部に凸面を有するポーラスセラミックから構成されていることを特徴とする請求項５から請求項１０のいずれか１項に記載された発光装置。

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