JP2010003785A

JP2010003785A - 発光ダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP2010003785A
Application number: JP2008159909A
Authority: JP
Inventors: Akihito Raikubo; 彰人雷久保; Akihiro Kato; 陽弘加藤
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】無機材料であるガラスで構成されたコーティング材のクラック及び気泡の発生を防止できるＬＥＤを実現する。
【解決手段】ＬＥＤチップ搭載用の第１のリードフレーム12に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ14を形成し、該リフレクタ14の底面上に、短波長光を発光するＬＥＤチップ16をダイボンドにより接続固定すると共に、該ＬＥＤチップ16を、透光性を有する短繊維25が添加された水ガラスで構成したコーティング材22によって被覆・封止し、また、該コーティング材22中に、上記ＬＥＤチップ16から発光された短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体24を分散状態で混入した。
【選択図】図１

Description

この発明は、紫外光等の短波長光を発光する発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）を、無機材料であるガラスより成るコーティング材で被覆した発光ダイオード（ＬＥＤ）に係り、特に、無機材料であるガラスで構成されたコーティング材のクラック及び気泡の発生を防止できる発光ダイオードと、その製造方法に関する。

紫外光等の短波長光を発光するＬＥＤチップをエポキシ樹脂等の有機材料で構成されたコーティング材で被覆・封止した場合、有機材料は、ＬＥＤチップから発光された短波長光の一部を吸収してしまい、その結果、エネルギーの大きい短波長光によってコーティング材が劣化・変色し、ＬＥＤの光度減少や色調の変化を生じさせることとなる。

そこで、本出願人は、先に、短波長光を発光するＬＥＤチップをガラス等の無機材料で構成されたコーティング材で被覆して成るＬＥＤを提案した（特開２００３−１９７９７６号）。
図３に示すように、このＬＥＤ60は、発光ダイオードチップ搭載用の第１のリードフレーム62に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ64を形成し、該リフレクタ64の底面に、紫外光を発光するＬＥＤチップ66をダイボンドすることにより、上記第１のリードフレーム62と、ＬＥＤチップ66底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。また、第２のリードフレーム68と、上記ＬＥＤチップ66上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ70を介して電気的に接続して成る。

上記ＬＥＤチップ66の上面及び側面は、リフレクタ64内に充填されたガラス等の無機材料より成るコーティング材72によって被覆・封止されており、また、上記コーティング材72中には、ＬＥＤチップ66から発光された短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体74が分散状態で混入されている。
さらに、上記ＬＥＤチップ66、コーティング材72、第１のリードフレーム62及び第２のリードフレーム68の上端部は、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部76を有する外装体78によって被覆・封止されている。

而して、上記第１のリードフレーム62及び第２のリードフレーム68を介してＬＥＤチップ66に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ66が発光して紫外光が放射され、該紫外光が上記コーティング材72中の蛍光体74に照射されることにより、紫外光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体78の凸レンズ部76によって集光されて外部へ放射されるようになっている。

上記ＬＥＤ60にあっては、ＬＥＤチップ66の上面及び側面を被覆・封止するコーティング材72を、ガラス等の無機材料で構成したことから、ＬＥＤチップ66から発光された短波長光を吸収することが殆どなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によるコーティング材72の劣化・変色が防止され、コーティング材72の劣化に起因したＬＥＤ60の光度減少や色調変化を生じることがないのである。

本出願人が提案した上記特開２００３−１９７９７６号のＬＥＤ60においては、コーティング材72をガラスで構成する場合には、比較的低温でのガラス合成が可能なゾルゲル法を用いて作製される、いわゆるゾルゲルガラスを用いることが適当である旨を開示した。

すなわち、ゾルゲル法は、例えば、金属アルコキシドや金属アセチルアセトネート、金属カルボキシレート等の金属有機化合物の加水分解、重合反応を利用して金属−酸素の結合からできた重合体を作るものである。例えば、一般式M(OR)n（M:金属元素、R:アルキル基、ｎ：金属の酸化数）の金属有機化合物、水（加水分解のため）、溶媒としてメタノール、DMF（ヂメチルフォルムアミド）、加水分解・重合反応の調整剤としてアンモニアなどを調合した均質な透明なゾル溶液を作り、このゾル溶液を加水分解、重合反応させることにより、ゲル化し、硬いガラス状の無機質膜形成が生じてゾルゲルガラスが形成される。アルキル基（Ｒ）等の組成を適宜選定することにより、コーティング材72に適したゾルゲルガラスが得られるのである。
特開２００３−１９７９７６号

しかしながら、ゾルゲルガラス等のガラスで構成した従来のコーティング材72は構造強度が必ずしも十分とはいえず、ＬＥＤチップ66発光時の熱衝撃等を受けてクラックを生じることがあった。

また、上記したゾルゲル法によるゾルゲルガラスの形成過程においては、溶媒であるメタノールが蒸発することに起因して、形成されたゾルゲルガラスより成るコーティング材72中に気泡が発生したり、溶媒蒸発後の収縮現象によりコーティング材72にクラックを生じることがあった。

この発明は、従来の上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、無機材料であるガラスで構成されたコーティング材のクラック及び気泡の発生を防止できるＬＥＤと、その製造方法を実現することにある。

上記の目的を達成するため、この発明に係る発光ダイオードは、ＬＥＤチップを透光性を備えたガラスより成るコーティング材で被覆して成る発光ダイオードにおいて、上記コーティング材を、透光性を有する短繊維が添加された水ガラスで構成したことを特徴とする。
上記短繊維としては、ガラス短繊維を用いるのが好ましい。

また、本発明に係る発光ダイオードの製造方法は、透光性を有する短繊維を添加して成る溶液状態の水ガラス材料でＬＥＤチップを被覆した後、水ガラス中の溶媒である水を蒸発させて固化することにより、短繊維が添加された水ガラスより成る上記コーティング材を形成することを特徴とする。

本発明に係る発光ダイオードにあっては、水ガラスより成るコーティング材22中に短繊維を添加することにより、コーティング材22の構造強度を向上させたので、ＬＥＤチップ発光時の熱衝撃等を受けてクラックが発生することを防止できる。
ガラス短繊維を用いた場合には、ＬＥＤチップから発光される短波長光による劣化を殆ど生じることがないため好適である。

本発明に係る発光ダイオードの製造方法にあっては、溶液状態の水ガラス材料中に短繊維を添加したことにより、水ガラス材料中の非蒸発成分（短繊維）が増加するので、気泡の発生を防止できると共に、溶媒蒸発後の収縮現象が抑制されてクラックの発生を防止できる。

以下、図面に基づき、本発明に係るＬＥＤの実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る第１のＬＥＤ10を示す断面図であり、この第１のＬＥＤ10は、ＬＥＤチップ搭載用の第１のリードフレーム12に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ14を形成し、該リフレクタ14の底面上に、主発光波長が短波長光（４００ｎｍ以下の紫外光及び４１０ｎｍ程度の青色可視光）であるＬＥＤチップ16をダイボンドにより接続固定し、以て、上記第１のリードフレーム12と、ＬＥＤチップ16底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。また、第２のリードフレーム18と、上記ＬＥＤチップ16上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ20を介して電気的に接続して成る。上記ＬＥＤチップ16は、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶で構成することができる。

上記ＬＥＤチップ16の上面及び側面は、リフレクタ14内に充填されたコーティング材22によって被覆・封止されており、また、該コーティング材22中には、上記ＬＥＤチップ16から発光された紫外光等の短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体24が分散状態で混入されている。

上記蛍光体24としては、例えば以下の組成のものを用いることができる。
紫外光等の短波長光を赤色可視光に変換する赤色発光用の蛍光体24として、Ｍ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（Ｍは、Ｌａ、Ｇｄ、Ｙの何れか１種）、0.5ＭｇＦ_２・3.5ＭｇＯ・ＧｅＯ_２：Ｍｎ、2ＭｇＯ・2ＬｉＯ_２・Ｓｂ_２Ｏ_３：Ｍｎ、Ｙ（Ｐ，Ｖ）Ｏ₄：Ｅｕ、ＹＶＯ₄：Ｅｕ、（ＳｒＭｇ）₃（ＰＯ₄）：Ｓｎ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、ＣａＳｉＯ_３：Ｐｂ，Ｍｎ等がある。
また、紫外光等の短波長光を緑色可視光に変換する緑色発光用の蛍光体24として、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ，Ｍｎ、Ｚｎ_２ＳｉＯ₄：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｔｂ，Ｍｎ）ＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９、ＬａＰＯ₄：Ｃｅ，Ｔｂ、（Ｃｅ，Ｔｂ）ＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｔｂ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｔｂ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ等がある。
更に、紫外光等の短波長光を青色可視光に変換する青色発光用の蛍光体24として、(ＳｒＣａＢａ)_５(ＰＯ_４)_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、（ＳｒＭｇ）_２Ｐ_２Ｏ₇：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ₇：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｓｎ、Ｓｒ_５（ＰＯ₄）_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、ＣａＷＯ₄、ＣａＷＯ₄：Ｐｂ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ、(Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ)_１０(ＰＯ_４)_６Ｃｌ_２：Ｅｕ等がある。
上記赤色発光用の蛍光体24、緑色発光用の蛍光体24、青色発光用の蛍光体24を適宜選択・混合して用いることで、種々の色の発色が可能である。
また、青色の可視光を放射するＬＥＤチップ16を用いて白色光を得る場合には、ＬＥＤチップ16から放射される光を補色としての黄色可視光に変換する黄色発光用の蛍光体24として、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、ＹＢＯ_３：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）_２Ｓ_４：Ｅｕ、Ｂａ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ等がある。
尚、蛍光体24は、有機、無機の蛍光染料や、有機、無機の蛍光顔料を含むものである。

上記コーティング材22は、０．１mm〜１０mm程度の長さの透光性を有する短繊維25が分散状態で多数添加された水ガラスで構成されている。この短繊維25としては、ガラス短繊維や樹脂短繊維を使用することができるが、ＬＥＤチップ16から発光される短波長光による劣化を殆ど生じることがないガラス短繊維を用いるのが好ましい。
コーティング材22中に短繊維25を添加することにより、コーティング材22の構造強度を向上させることができる。
尚、コーティング材22を構成する水ガラスに対する短繊維25の添加割合は、０．１〜１０重量％と成すのが、上記構造強度向上の効果を十分に得る上で適当である。
水ガラスは、珪酸ナトリウムと、溶媒としての水より成る粘性の高い化合物であり、溶媒としての水が蒸発することにより、固化する性質を備えている。

ＬＥＤチップ16を被覆する上記コーティング材22は、リフレクタ１４内に、上記蛍光体24及び短繊維25を分散・添加して成る溶液状態の水ガラスを充填して、ＬＥＤチップ16を溶液状態の水ガラスで被覆した後、水ガラス中の溶媒である水を蒸発させて固化することにより形成可能である。尚、常温でも水が徐々に蒸発してガラス形成を行うことができる。

本発明の上記方法にあっては、溶液状態の水ガラス中に多数の短繊維25を分散・添加したことにより、水ガラスのチキソトロピック粘性が増加するので、蛍光体24がコーティング材22の下方に沈降することが防止され、蛍光体24をコーティング材22中に均一分散させることができる。
また、溶液状態の水ガラス中に短繊維25を分散・添加したことにより、水ガラス中の非蒸発成分（短繊維25）が増加するので、気泡の発生を防止できると共に、溶媒蒸発後の収縮現象が抑制されてクラックの発生を防止できる。

上記ＬＥＤチップ16、コーティング材22、第１のリードフレーム12及び第２のリードフレーム18の上端部は、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部26を有する外装体28によって被覆・封止されている。

而して、上記第１のリードフレーム12及び第２のリードフレーム18を介してＬＥＤチップ16に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ16が発光して短波長光が放射され、該短波長光が上記コーティング材22中の蛍光体24に照射されることにより、短波長光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体28の凸レンズ部26によって集光されて外部へ放射されるのである。

上記第１のＬＥＤ10は、ＬＥＤチップ16の表面（上面及び側面）を被覆・封止するコーティング材22を、無機材料である水ガラスで構成したことから、ＬＥＤチップ16から発光された短波長光を吸収することが殆どなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によるコーティング材22の劣化・変色が防止され、コーティング材22の劣化に起因したＬＥＤ10の光度減少や色調変化を生じることがない。

本発明の第１のＬＥＤ10にあっては、水ガラスより成るコーティング材22中に短繊維25を添加することにより、コーティング材22の構造強度を向上させたので、ＬＥＤチップ16発光時の熱衝撃等を受けてクラックが発生することを防止できる。

図２は、本発明に係る表面実装型の第２のＬＥＤ30を示すものである。
この第２のＬＥＤ30は、樹脂等より成る絶縁基板32の表面にＬＥＤチップ16を接続・固定して成る。また、上記絶縁基板32の表面から側面を経て裏面にまで延設された一対の外部電極34ａ，34ｂが相互に絶縁された状態で形成されている。絶縁基板32の表面及び裏面は平坦面と成されている。
上記ＬＥＤチップ16上面の一方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ20を介して、一方の外部電極34ａに接続されると共に、ＬＥＤチップ16上面の他方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ20を介して、他方の外部電極34ｂに接続されている。

上記ＬＥＤチップ16は、絶縁基板30の表面上に配置された金属又はガラス等より成る枠体36で囲繞され、ＬＥＤチップ16の上面及び側面は、枠体36内に充填された上記短繊維25が添加されたコーティング材22によって被覆・封止されていると共に、該コーティング材22中には、上記ＬＥＤチップ16から発光された紫外光等の短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体24が分散状態で混入されている。上記枠体36は、ＬＥＤチップ16をコーティング材22で封止する際に、溶液状態の水ガラスが絶縁基板30表面に拡散してしまうことを防止するために設けられたものである。
上記ＬＥＤチップ16、コーティング材22、蛍光体24、絶縁基板32表面に配置された外部電極34ａ，34ｂは、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部38を有する外装体40によって被覆・封止されている。

上記第２のＬＥＤ30にあっては、一対の外部電極34ａ，34ｂを介してＬＥＤチップ16に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ16が発光して短波長光が放射され、該短波長光が上記コーティング材22中の蛍光体24に照射されることにより、短波長光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体40の凸レンズ部38によって集光されて外部へ放射されるのである。

本発明の第２のＬＥＤ30にあっても、第１のＬＥＤ10と同じく、水ガラスより成るコーティング材22中に短繊維25を添加することにより、コーティング材22の構造強度を向上させたので、ＬＥＤチップ16発光時の熱衝撃等を受けてクラックが発生することを防止できる。
さらに、この第２のＬＥＤ30は、絶縁基板32の裏面が平坦面であるため、絶縁基板32の裏面に配設された外部電極34ａ，34ｂをハンダ付けすることによって、図示しない回路基板への表面実装が可能である。

本発明に係る第１のＬＥＤの概略断面図である。本発明に係る第２のＬＥＤの概略断面図である。従来のＬＥＤの概略断面図である。

符号の説明

10 第１のＬＥＤ
12 第１のリードフレーム
14 リフレクタ
16 ＬＥＤチップ
18 第２のリードフレーム
22 コーティング材
24 蛍光体
25 短繊維
28 外装体
30 第２のＬＥＤ
32 絶縁基板
34ａ外部電極
34ｂ外部電極
36 枠体
40 外装体

Claims

ＬＥＤチップを透光性を備えたガラスより成るコーティング材で被覆して成る発光ダイオードにおいて、上記コーティング材を、透光性を有する短繊維が添加された水ガラスで構成したことを特徴とする発光ダイオード。
上記短繊維が、ガラス短繊維であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法であって、透光性を有する短繊維を添加して成る溶液状態の水ガラス材料でＬＥＤチップを被覆した後、水ガラス中の溶媒である水を蒸発させて固化することにより、短繊維が添加された水ガラスより成る上記コーティング材を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。