JP2010027725A - パッケージ型発光装置およびそれを用いたバックライト、液晶表示装置並びに照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 紫外線発光ダイオードを用いたパッケージ型発光装置において、小型または薄型化を可能とし発光効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】 基板上に設けられた第１電極と第２電極、第１電極上に発光ピーク波長４２０ｎｍ以下の紫外線発光ダイオードを搭載し、紫外線発光ダイオードは少なくとも第１電極または第２電極とワイヤボンディングした構造を具備するパッケージ型発光装置において、第１電極と第２電極の隙間には絶縁部材が設けられ、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離が０．３ｍｍ以上、パッケージの長手方向が２ｍｍ以上、であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外線発光ダイオードを用いたパッケージ型発光装置、特に発光効率、寿命を向上させた表面実装型またはサイドビュー型の発光装置に関する。また、それを用いたバックライト、液晶表示装置並びに照明装置に関する。

発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）を用いた発光装置は、液晶表示装置（ＬＣＤ）のバックライトや照明装置等の各分野に用いられている。特に青色発光ダイオードチップと黄色蛍光体の組合せにより白色発光装置を実現できるようになり、各分野への適用が加速されている。ＬＣＤはテレビ、パソコン、携帯電話、カーナビ等の様々なディスプレイに適用されている。また、照明装置としても環境問題に対応するために白熱灯から発光ダイオードチップを用いた発光装置への切替が進められている。さらに、発光ダイオードチップを用いた発光装置は従来の冷陰極管や白熱灯と比べて省エネも可能なことから、今後の発展が期待されている。
ＬＣＤや照明装置への発光ダイオードの適用には省エネの他に省スペース化への期待も大きい。省スペース化、つまりは薄型化、小型化に対応するために表面実装型やサイドビュー型の発光装置が開発されている。いずれもパッケージと呼ばれる収納容器に発光ダイオードチップを実装することにより省スペース化を実現している。
表面実装型は基板上に電極とＬＥＤを一体化することにより、実装基板にそのまま接続可能な発光装置としたものである。また、サイドビュー型は光の発光方向を実装面に対し、横向きになるようにしたものである。サイドビュー型発光装置の一例として特開２００６−２２９００７号公報（特許文献１）が挙げられる。

特開２００６−２２９００７号公報

従来、発光ダイオードを用いた発光装置は、発光ピーク波長４３０〜４９０ｎｍの青色発光ダイオードチップ（Ｂ−ＬＥＤ）が使用され、黄色蛍光体との組合せにより白色光を得ていた。Ｂ−ＬＥＤと黄色蛍光体の組合せは疑似白色と呼ばれきれいな白色ではなかった。
近年、きれいな白色を得る発光装置として、紫外線発光ダイオードと青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の３種の蛍光体を組合せた発光装置が提案されている。青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の各蛍光体を紫外線で励起させ、３色を混合して白色光としているのできれいな白色光が得られている。
しかしながら、紫外線発光ダイオードを用いた発光装置は、青色発光ダイオードを用いた発光装置と比べて効率や寿命が悪かった。この原因を追及したところ、発光ダイオードチップに導通を取るための第１電極と第２電極の隙間に絶縁性を確保するための絶縁部材が紫外線発光ダイオードの発する紫外線を吸収することにより劣化することが分かった。従来の青色発光ダイオードの発する光は青色であるため絶縁部材の吸収・劣化は起き難かったが、紫外線では吸収・劣化が起きやすく、その結果、発光装置の効率や寿命を低下する原因となっていた。
本発明は、このような問題を解決するためのもので、紫外線発光ダイオードを用いた発光装置において、効率と寿命を向上させたものを提供するものである。また、発光効率を向上した発光装置を用いることにより、バックライト、液晶表示装置並びに照明装置の効率をも向上させることができるのである。

本発明のパッケージ型発光装置は、基板上に設けられた第１電極と第２電極、第１電極上に発光ピーク波長４２０ｎｍ以下の紫外線発光ダイオードチップを搭載し、紫外線発光ダイオードチップは少なくとも第１電極または第２電極の一方とワイヤボンディングした構造を具備するパッケージ型発光装置において、第１電極と第２電極の隙間には絶縁部材が設けられ、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離が０．３ｍｍ以上、パッケージの長手方向が２ｍｍ以上、であることを特徴とするものである。
また、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離が０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。また、パッケージの長手方向が２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。また、第１電極と第２電極の隙間は０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、絶縁部材は基板上に面積率２０％以下設けられていることが好ましい。
また、紫外線発光ダイオードチップは発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下であることが好ましい。
また、絶縁部材が、耐紫外線性を有する樹脂、ガラス、セラミックスの少なくとも１種からなることが好ましい。また、絶縁部材は、波長４００ｎｍの紫外線の反射率が３０％以上であることが好ましい。
また、紫外線発光ダイオードチップ上には蛍光体を具備した樹脂層が設けられていることが好ましい。また、発光色が白色光であることが好ましい。
また、本発明のパッケージ型発光装置は、表面実装型またはサイドビュー型のいずれか１種に好適である。
また、本発明のパッケージ型発光装置はバックライト、液晶表示装置並びに照明装置に好適である。

本発明は、紫外線発光ダイオードチップを用いた発光装置において、第１電極と第２電極の隙間に設けられた絶縁部材の紫外線による劣化を防ぐことができるので、発光装置の発光効率および寿命を向上させることができる。このため、本発明の発光装置を用いたバックライト、液晶表示装置並びに照明装置は発光効率が向上する。

本発明のパッケージ型発光装置は、基板上に設けられた第１電極と第２電極、第１電極上に紫外線発光ダイオードチップを搭載し、紫外線発光ダイオードチップと第２電極をワイヤボンディングした構造を具備するものである。図１にパッケージ型発光装置の一例を示す断面図、図２に上から見た図を示した。図中、１はパッケージ型発光装置、２はパッケージ本体（基板）、３は紫外線発光ダイオードチップ、４は第1電極、５は第２電極、６はワイヤボンディング、７は蛍光体層、８は絶縁部材、ｄ１は第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離、ｄ２はパッケージの長手方向の長さ、ｄ３は第１電極と第２電極の隙間の幅、である。なお、図１はサイドビュー型の一例である。
図１では基板上に設けられた電極が外部電極と一体化している。また、リフレクタを含んだパッケージが基板と一体化している。これとは別に基板上にリフレクタを接合する構造であっても良い。

本発明は基板上に設けられた第１電極と第２電極、第１電極上に紫外線発光ダイオードチップを搭載し、紫外線発光ダイオードチップと第２電極をワイヤボンディングした構造を具備するものである。図１では紫外線発光ダイオードチップと第２電極をワイヤボンディングした例を示したが、本発明では紫外線発光ダイオードチップと第１電極をワイヤボンディングした構造、紫外線発光ダイオードチップと第１電極および第２電極の両方とワイヤボンディングした構造であってもよいものとする。
第１電極と第２電極は紫外線発光ダイオードチップに導通を図るための電極であり、金属板、金属膜、金属層等で形成されている。材質としてはＣｕ、Ａｌ等の導電性の高い金属が挙げられる。第１電極上に紫外線発光ダイオードチップ（ＵＶ−ＬＥＤチップ）を搭載する。搭載する際は半田等により接合する。紫外線発光ダイオードチップと第２電極はワイヤボンディングにより導通されている。また、第１電極と第２電極はリフレクタ外装に沿って設けられている。なお、リフレクタ外装に沿った部分は別途金属部材を設けても良い。つまり、基板表面の電極と導通がとれていれば、後で金属部材を接合した構造であってもよいものとする。また、第１電極および第２電極は、Ｃｕ板（箔）またはＡｌ板（箔）にＡｇ膜またはＡｌ膜を形成したものでもよい。

また、蛍光体層は、透明樹脂中に蛍光体を含有されている。蛍光体は目的とする発光色を得るために、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体等の紫外線により励起され各色に発光する蛍光体を適用できるものとする。
また、紫外線発光ダイオードチップは、その発光ピーク波長は４２０ｎｍ以下である。好ましくは３６０〜４０５ｎｍである。３６０ｎｍ未満では紫外線が強すぎて蛍光体を劣化させる恐れがある。一方、４２０ｎｍを超える、特に４３０ｎｍ以上となると青色発光ダイオードとなるため、ダイオードの青色が強すぎて３色の蛍光体（青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体）の発光を十分活かせないのできれいな白色を得るのには適さない。また、適切な樹脂（反射率の高い樹脂）を適用することで４３０ｎｍ以上の光は反射できるため、紫外線のように吸収・劣化を考慮する必要がなくなる。

また、第１電極と第２電極は同一平面上に設けらているため、接触不良を防ぐために、その隙間に絶縁部材が設けられている。絶縁部材８は紫外線を吸収しにくく劣化しない材料であり、耐紫外線特性を有する樹脂、ガラス、セラミックスが挙げられる。耐紫外線特性を有する樹脂の一例としてシリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アミド系樹脂が挙げられる。

また、絶縁部材８は、波長４００ｎｍの紫外線の反射率が３０％以上１００％以下であることが好ましい。本発明で４００ｎｍを基準としたのは、現在、市販されている紫外線発光ダイオードがおおむね４００ｎｍに発光ピークを有するためである。絶縁部材８が紫外線に対する反射効果を具備していることから、紫外線発光ダイオードチップからの紫外線光を反射することにより発光効率を向上させることができる。これにより、従来、劣化しやすかった部分を紫外線反射部としても使えるため発光効率が向上する。４００ｎｍの反射率は、好ましくは４０％以上である。このような特性を有する耐紫外線特性を有する樹脂としてポリフタルアミド樹脂（アミド系樹脂）が挙げられる。ポリフタルアミド樹脂は、取扱性（粘度、乾燥温度、価格など）が良好である。なお、反射率は全反射率である。

また、パッケージ本体（基板）２は絶縁性を有するものであれば特に限定されるものではないが、樹脂、ガラス、セラミックスが挙げられる。絶縁性樹脂であれば絶縁部材８とパッケージ本体２を一体成型可能となるので好ましい。
また、本発明のパッケージ型発光装置は、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップ（ＵＶ−ＬＥＤチップ）の端部との距離ｄ１が０．３ｍｍ以上、離れているものである。第１電極と第２電極の間は絶縁性確保のために隙間が必要である。従来、青色発光ダイオードとしては発光ピーク波長が４４０〜４８０ｎｍのものが使用されている。例えば、ポリフタルアミド樹脂は４４０〜４８０ｎｍの光の反射率は９０〜９５％程度であるが、４２０ｎｍ以下の波長に対しては４０〜８５％程度に低下する。反射できない光は樹脂の吸収・劣化の原因となる。吸収・劣化が進むと発光効率が低下し、その結果、寿命も短くなる。そのため、本発明は劣化の原因となる第１電極と第２電極の隙間をＵＶ−ＬＥＤチップから０．３ｍｍ以上離すことにより吸収・劣化の原因となる絶縁部材をチップから遠ざけることができる。また、第１電極は前述のようにＡｇやＡｌ等の金属で表面処理されているので４２０ｎｍ以下の光の反射率は９０％以上となる。第１電極と第２電極の隙間をＵＶ−ＬＥＤチップから０．３ｍｍ以上離すことにより、第１電極の反射率の良さを活かすことができるので、この点においても発光効率を向上させることができる。
なお、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップ（ＵＶ−ＬＥＤチップ）の端部との距離ｄ１の上限は特に限定されるものではないが、あまり離れすぎると発光装置の大型化を招くため、その上限は１ｍｍ以下が好ましい。

また、パッケージの長手方向の長さｄ２が２ｍｍ以上、となっている。ｄ２が２ｍｍ未満ではＬＥＤチップをパッケージの中心に配置した上でｄ１値を０．３ｍｍ以上確保するのが困難である。ｄ２の上限は特に限定されるものではないが、あまりｄ２が大きいと発光装置が大型化するため、好ましくは３ｍｍ以下である。
また、第１電極と第２電極の隙間ｄ３は０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であることが好ましい。ｄ３が０．０５ｍｍ未満では第１電極と第２電極の距離が近すぎるため加工ばらつきにより絶縁不良を起こしやすい。一方、０．２ｍｍを超えると絶縁性確保は容易となるが発光装置の大型化を招く。

また、絶縁部材８は基板上に面積率２０％以下設けられていることが好ましい。前述のように絶縁部材８は樹脂やガラス等で形成されている。第１電極または第２電極を構成する金属と比較すると反射率が劣る。絶縁部材があまり大きく存在すると発光効率が低下する。そのため、その存在比率は２０％以下、さらには１５％以下が好ましい。図２は発光装置を上から見た図である。基板上には、第１電極４、ＵＶ−ＬＥＤチップ３、第２電極５、絶縁部材８のみを示したものである。図２ではワイヤボンディング、リフレクタは図示していない。絶縁部材の面積率は、［絶縁部材の面積／第１電極の面積＋第２電極の面積＋絶縁部材の面積］×１００（％）、により求めるものとする。例えば、第１電極および第２電極が図１に示したように、その一部がリフレクタに埋設されている場合は、上から見て見える部分だけを用いて面積率を求めるものとする。

また、紫外線発光ダイオードチップ上には蛍光体を具備した樹脂層が設けられていることが好ましい。蛍光体を具備した樹脂層は蛍光体層７となる。蛍光体層７に用いる蛍光体は目的とする発光色を得るためのものであり、白色光を得るためには４２０ｎｍ以下の紫外線で励起される青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体を混合して使うものとする。また、蛍光体層７を構成する樹脂はシリコーン系樹脂が挙げられる。蛍光体層７を構成する樹脂は紫外線光の反射率が高いとＵＶ−ＬＥＤチップからの紫外線光が蛍光体に十分届かないため、絶縁部材８を構成する樹脂とは異なり紫外線の反射率が低い材料を用いるものとする。

以上のようなパッケージ型発光装置は、薄型化、小型化が可能であるので、表面実装型またはサイドビュー型の発光装置に好適である。また、前述のように蛍光体層７との組合せにより白色を含めた様々な可視光を提供できるので、液晶表示装置のバックライト、照明装置等の様々な分野に適用可能である。特に発光効率を向上させているのでパッケージ型発光装置を複数個用いるバックライト、照明装置に好適である。

表面実装型発光装置の一例を図３に示す。図中、２は基板、３は紫外線発光ダイオード、４は第1電極、５は第２電極、６はワイヤボンディング、７は蛍光体層、８は絶縁部材、９はスルーホール、１０は裏面側第１電極、１１は裏面側第２電極、である。図３はスルーホールにより表裏の導通を図った表面実装型の一例である。
スルーホール９により導通した基板２は、樹脂基板の中に配線を這わせたもの、同時焼成法によりスルーホール内にタングステン等の導電性部材を一体化したセラミックス基板などが挙げられる。スルーホールを用いない方法としては基板の側面に電極（第１電極、第２電極）を形成して表裏面の導通を図る方法が挙げられる。表面実装型は基板の表裏面を導通させることにより、基板の裏面を実装部として使えるので薄型化、小型化に対応できる。

また、パッケージ型発光装置は、小型・薄型を可能とするため、そこに搭載するＵＶ−ＬＥＤチップは１〜２個と少ない。発光装置の発光効率を上げるためにはリフレクタを具備していることが好ましく、さらにリフレクタの内面部には反射膜を設けることが好ましい。リフレクタに設ける反射膜はＡｇ、Ａｌなどの４２０ｎｍ以下の紫外線光の反射率が９０％以上のものが好ましい。反射膜は、蒸着、メッキ、金属箔の貼り付けなどの方法が挙げられる。

（実施例）
（実施例１）
紫外線発光ダイオードとして発光ピーク波長４００ｎｍ（半値幅１０ｎｍ）のチップを用意した。第１電極および第２電極として銅板にＡｇメッキを施したものを用意し、ポリフタルアミド樹脂で一体成型することにより図１に示したサイドビュー型発光装置を調整した。これにより絶縁部材はポリフタルアミド樹脂で形成されることになる。
次に、青色蛍光体としてＳｒ_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_１２：Ｅｕ，緑色蛍光体としてＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ，赤色蛍光体としてＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕを用意し、シリコーン樹脂と混合して塗布することにより蛍光体層を形成し、白色発光するサイドビュー型発光装置を製造した。
なお、第１電極と第２電極の隙間ｄ３は０．１５ｍｍ（１５０μｍ）、パッケージの長手方向の長さは２．８ｍｍで統一した。また、リフレクタ内面にはＡｇメッキ膜を設けた。

このような発光装置において、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離ｄ１を２０μｍ（０．０２ｍｍ）〜１０００μｍ（１ｍｍ）まで発光効率を測定した。その結果を図４に示した。
図４において、横軸はｄ１（単位μｍ）、縦軸は発光効率である。発光効率は、入力した電気エネルギーをどれだけ光エネルギーに変えられたかを測定したもので、相対値で表されている。
図４から明らかな通り、ｄ１が３００μｍ（０．３ｍｍ）から発光効率が高い値で安定していることが分かる。

（実施例２）
紫外線発光ダイオードとして発光ピーク波長３９０ｎｍ（半値幅１０ｎｍ）のチップを用意した。第１電極および第２電極として銅板にＡｇメッキを施したものを用意し、ポリフタルアミド樹脂で一体成型することにより図３に示した表面実装型発光装置を調整した。これにより絶縁部材はポリフタルアミド樹脂で形成されることになる。なお、Ａｇメッキは表面に出ている部分だけをメッキしたものである。
次に、青色蛍光体としてＳｒ_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_１２：Ｅｕ，緑色蛍光体としてＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ，赤色蛍光体としてＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕを用意し、シリコーン樹脂と混合して塗布することにより蛍光体層を形成し、白色発光する表面実装型発光装置を製造した。
なお、第１電極と第２電極の隙間ｄ３は０．１５ｍｍ（１５０μｍ）、パッケージの長手方向の長さは３ｍｍで統一した。また、リフレクタ内面には反射膜は設けずポリフタルアミド樹脂のままとした。

このような発光装置において、第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離ｄ１を２０μｍ（０．０２ｍｍ）〜１０００μｍ（１ｍｍ）まで発光効率を測定した。その結果を図５に示した。
図５において、横軸はｄ１（単位μｍ）、縦軸は発光効率である。発光効率は、入力した電気エネルギーをどれだけ光エネルギーに変えられたかを測定したもので、相対値で表されている。
図５から明らかな通り、ｄ１が３００μｍ（０．３ｍｍ）から発光効率が高い値で安定していることが分かる。

（実施例３）
次に実施例１の発光装置を用い、ｄ１を０．３ｍｍ（３００μｍ）で統一し、絶縁部材の表面積を変化（第１電極と第２電極の隙間ｄ３を０．０５〜０．２ｍｍに変化など）させ、絶縁部材の面積率を５〜５０％まで変化させたときの発光効率を測定した。なお、面積率を大きくする場合は第２電極上に絶縁部材を設けることにより対応した。その結果を図６に示す。
図６から分かるとおり、面積率が２０％以下、さらには１５％以下の方が発光効率が良くなることが分かる。

本発明のサイドビュー型発光装置の一例を示す断面図。 本発明のサイドビュー型発光装置の一例を示す上面図。 本発明の表面実装型発光装置の一例を示す断面図。 実施例１の発光効率を示す図。 実施例２の発光効率を示す図。 実施例３の発光効率を示す図。

符号の説明

１…パッケージ型発光装置
２…パッケージ本体（基板）
３…紫外線発光ダイオード
４…第１電極
５…第２電極
６…ワイヤボンディング
７…蛍光体層
８…絶縁部材
９…スルーホール
１０…裏面側第１電極
１１…裏面側第２電極

Claims (15)

1. 基板上に設けられた第１電極と第２電極、第１電極上に発光ピーク波長４２０ｎｍ以下の紫外線発光ダイオードチップを搭載し、紫外線発光ダイオードチップは少なくとも第１電極または第２電極の一方とワイヤボンディングした構造を具備するパッケージ型発光装置において、
   第１電極と第２電極の隙間には絶縁部材が設けられ、
   第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離が０．３ｍｍ以上、
   パッケージの長手方向が２ｍｍ以上、
   であることを特徴とするパッケージ型発光装置。
2. 第１電極の第２電極側の端部と紫外線発光ダイオードチップの端部との距離が０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のパッケージ型発光装置。
3. パッケージの長手方向が２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
4. 第１電極と第２電極の隙間は０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
5. 絶縁部材は基板上に面積率２０％以下設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
6. 紫外線発光ダイオードチップは発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
7. 絶縁部材が、耐紫外線性を有する樹脂、ガラス、セラミックスの少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
8. 絶縁部材は、波長４００ｎｍの紫外線の反射率が３０％以上であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
9. 紫外線発光ダイオードチップ上には蛍光体を具備した樹脂層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
10. 発光色が白色光であることを特徴とする請求項９記載のパッケージ型発光装置。
11. 表面実装型またはサイドビュー型のいずれか１種であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置を用いたことを特徴とするバックライト。
13. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置を複数用いたことを特徴とするバックライト。
14. 請求項１１または１２のいずれか１項に記載のバックライトを用いたことを特徴とする液晶表示装置。
15. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のパッケージ型発光装置を用いたことを特徴とする照明装置。

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