JP2010087015A - 反射型発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】輝度の高い混色光が放出できる長寿命の反射型発光ダイオードを提供する。
【解決手段】内部に凹面形状の反射面2を有する本体6に対して、反射面の開口部側中央に素子マウント部が位置するように素子マウント側リード7を設置し、素子マウント部7fに隣接してワイヤ接続部81f,82f,83fが位置するように複数本のワイヤ接続側リード81,82,83を設置し、素子マウント側リードの素子マウント部に発光色の異なる複数個の発光素子91,92,93をマウントしてワイヤ101,102,103を接続し、複数個の発光素子の周囲を、金属粒子95bの表面を電気絶縁性樹脂95cにて被膜した反射・散乱用粉粒95を分散させた第1の透明樹脂96にて被覆し、複数個の発光素子、ワイヤ、これらを被覆する第1の透明樹脂、リードを第2の透明樹脂にてモールドした反射型発光ダイオードを特徴とする。
【選択図】 図8

Description

本発明は、混色性に優れた光を高輝度に発光する反射型発光ダイオードに関する。
白色発光する発光ダイオードとして、特許第2927279号公報(特許文献1)に記載されているように、青色発光素子の周囲をYAG蛍光体を分散させた樹脂で覆い、青色発光素子の光にてYAG蛍光体を黄色発光させ、元の青色光と黄色光との混色にて擬似白色光を放出させるようにした発光ダイオードが知られている。
また、特許第3541709号公報(特許文献2)に記載されているように、モールド樹脂にYAG蛍光体を分散させたもので青色発光素子をモールドし、青色発光素子が放出する光にてYAG蛍光体を発光させることで擬似白色光を放出させるようにした発光ダイオードも知られている。
さらに、特開平11―87784号公報(特許文献3)に記載されているように、青色発光素子をモールド樹脂にてモールドし、モールド樹脂の表面をYAG蛍光体を含有させた透光性被覆シートにて被覆し、青色発光素子が放出する光にてYAG蛍光体を発光させることで白色光を放出させるようにした発光ダイオードも知られている。
これらのいずれの白色発光ダイオードにあっても、YAG蛍光体を使用し、青色発光素子の放出する光にて発光させることで白色光を得るようにしているが、RGB3色光の混色による完全な白色光は得られない問題点があった。
また、紫外線を発光させ、3色蛍光体に照射して白色光を得る発光ダイオードも知られているが、強力な紫外線が発生して周囲の部材を劣化させ、装置寿命を短くしてしまう問題点があった。
特許第2927279号公報 特許第3541709号公報 特開平11―87784号公報
本発明は、上述した技術的な課題に鑑みてなされたもので、蛍光体フリーにして光放出方向を揃え、輝度の高い混色光が放出できる長寿命の反射型発光ダイオードを提供することを目的とする。
本発明は、内部に凹面形状の反射面を有する本体に対して、前記反射面の開口部側中央に素子マウント部が位置するように素子マウント側リードを設置し、前記素子マウント部に隣接してワイヤ接続部が位置するように複数本のワイヤ接続側リードを設置し、前記素子マウント側リードの素子マウント部に発光色の異なる複数個の発光素子をマウントし、前記複数個の発光素子それぞれと前記複数本のワイヤ接続側リードのワイヤ接続部それぞれとの間にワイヤを接続し、前記複数個の発光素子の周囲を、金属粒子の表面を電気絶縁性樹脂にて被膜した反射・散乱用粉粒を分散させた第1の透明樹脂にて被覆し、前記複数個の発光素子、ワイヤ、これらを被覆する前記第1の透明樹脂、前記素子マウント側リード及び前記複数本のワイヤ接続側リードを第2の透明樹脂にて前記本体の反射面上に固定した反射型発光ダイオードを特徴とする。
本発明の反射型発光ダイオードによれば、発光色の異なる複数個の発光素子を1つの素子マウント側リードの先端の素子マウント部にマウントし、その周囲を金属粒子の表面を電気絶縁性樹脂にて被膜した反射・散乱用粉粒を分散させた第1の透明樹脂にて被覆したので、各発光素子からの異なる色の光が金属粒子にてあらゆる方向に反射、散乱されて第1の透明樹脂の表面全体においてそれらの異色の光が重なり合って一面に混色光となって放出させることができ、本体の反射面から前方に高輝度の混色光を放出することができる。したがって、発光素子にRGB3色の発光素子を採用することで、本体の反射面から前方に高輝度の3色混色による自然光に近い白色光を放出することができるようになる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1、図2に示すように、本発明の1つの実施の形態の反射型発光ダイオード1は、凹状ケース6、この凹状ケース6の反射面2の上方を横切るように対置された素子マウント側リード7と3本の平行なワイヤ接続側リード81,82,83、素子マウント側リード7の上片7aのケース中心側先端の素子マウント部に搭載されたRGB3個の発光素子91,92,93を備えている。また、これらの素子マウント側リード7と3ワイヤ接続側リード81,82,83、発光素子91,92,93は、凹状ケース6の凹部に充填された透明樹脂13にてモールドされている。
図4に詳しく示すように、素子マウント側リード7の上片7aのケース中心側先端の素子マウント部7fにRGB3色の発光素子91,92,93がマウントされている。これらの発光素子91,92,93それぞれには、ワイヤ101,102,103それぞれの一端が接続され、ワイヤ101,102,103の他端はワイヤ接続側リード81,82,83それぞれの上片8aの先端のワイヤ接続部81f,82f,83fに接続されている。これらの発光素子91,92,93は、放物面状の反射面の焦点位置若しくは焦点から少しずれた焦点近傍の位置に位置設定されている。
また、図5に詳しく示すように、3色の発光素子91,92,93の全体は、ワイヤ101,102,103それぞれが接続された状態で、後述するように金属粒子の表面を電気絶縁性樹脂にて被膜した反射・散乱用粉粒95を分散させた光混色用の第1の透明樹脂96を滴下し硬化させることで被覆してある。
図6に示すように、凹状ケース6は、その上面側に放物凹曲面状の凹部が形成されていて、この凹部底面にアルミニウム若しくは銀蒸着することで反射面2が形成されている。また凹状ケース6の周囲の壁部3の一方の上縁部に溝4が形成され、対向する他方の上縁部に溝51,52,53が形成されている。
図1、図2に示すように、素子マウント側リード7は、凹状ケース6の反射面2の上方を横切り、凹状ケース6の壁側面及び底面に沿うように狭幅の上片7a、広幅の垂直片7b、広幅の下片7cが折り曲げられてこの凹状ケース6の片側に取り付けられている。3本のワイヤ接続側リード81,82,83は、素子マウント側リード7と対置され、同様に狭幅の上片81a,82a,83a、やや広幅の垂直片81b,82b,83b、このやや広幅の垂直片81b,82b,83bと等幅の下片81c,82c,83cが折り曲げられて凹状ケース6に取り付けられている。
素子マウント側リード7、3本のワイヤ接続側リード81,82,83それぞれの狭幅の上片7a,81a,82a,83aの折り曲げ基部7a’,81a’,82a’,83a’が凹状ケース6の溝4,51,52,53それぞれに嵌合され、凹状ケース6の溝4,51,52,53の外部でリード7,81,82,83それぞれの広幅の垂直片7b,81b,82b,83bが凹状ケース6の側面に沿い、かつリード7,81,82,83それぞれの広幅の下片7c,81c,82c,83cが凹状ケース6の底面に接している。
凹状ケース6の溝4,51,52,53それぞれにおいて、リード7,81,82,83それぞれの折り曲げ基部7a’,81a’,82a’,83a’の嵌合部分の上面側から凹状ケース6の上縁面までの段差を塞ぐようにその段差部分に小さなUV硬化性樹脂を詰めて硬化させて堰止め11,121,122,123とし、同時にリード7,81,82,83それぞれの上片7a,81a,82a,83aの折り曲げ基部7a’,81a’,82a’,83a’を固定している。そして、凹状ケース6の凹部内に、例えば、カチオン重合型透明エポキシ樹脂のような透明エポキシ樹脂もしくは透明シリコン樹脂のようなモールド用の第2の透明樹脂13を凹状ケース6の上縁面に達する深さに充填して硬化させることで、素子マウント側リード7、ワイヤ接続側リード81,82,83の上片7a,81a,82a,83a、発光素子91,92,93、これらの全体を被覆している光混色用の第1の透明樹脂96、ワイヤ101,102,103を第2の透明樹脂13の中に埋没させた状態で固定している。
図2に示すように、上記構成の反射型発光ダイオード1は、図示していない基板上にこの反射型発光ダイオード1を載置し、底部両側のリード7,81,82,83の下片7c,81c,82c,83cそれぞれを半田にてプラス端子、マイナス端子に接続して固定する。そしてこのマウント状態で、それらのプラス端子、マイナス端子に通電することで発光素子91,92,93に両側のリード7,81,82,83それぞれを通じて通電して発光させる。発光素子91,92,93からの光は、図2において矢印線で示すように大部分が下方に出て放物曲面の反射面2にて反射され、ほぼ平行光線となって凹状ケース6の上面からそれに垂直な方向に出光する。このため、この反射型発光ダイオード1では、光の向きが揃い指向性が強い光、したがって光が当たるところでは輝度の高い光を得ることができる。
加えて、本実施の形態の反射型発光ダイオード1の場合、3色発光素子91,92,93を光混色用の第1の透明樹脂96にて被覆しているので、次のメカニズムにより自然光に近い、しかも高輝度の白色光を得ることができる。
図8、図9に示すように、光混色用の第1の透明樹脂96には反射・散乱用粉粒95が分散、混入させてある。この反射・散乱用粉粒95は、ポリカーボネートやナイロンのような樹脂コア95aをAg,Al等の光反射・散乱特性に優れた金属被膜95bにて被覆し、さらにその表面に電気絶縁性透光樹脂の表面膜95cにて被覆した構造である。粒体の粒度は10μmである。この樹脂コア95aにはアクリル樹脂を用いることもできる。金属被膜95bには、銀Ag、アルミニウムAl、Agに7.5%のCuを添加した銀合金を用いることができる。電気絶縁性透光樹脂の表面膜95cにはポリカーボネートやナイロン、アクリルを用いることができる。樹脂コア95aと金属被膜95bとに代えてボール状の金属粒子を用いることもできるが、実施の形態のように樹脂コア95aを金属被膜95bにて被覆した構造にすることでその比重を軽くすることができ、第1の透明樹脂96への分散を均一化できる利点がある。光混色用の反射・散乱用粉粒95の粒度は0.1μm〜50μmのものを用いることができる。第1の透明樹脂96はエポキシ樹脂であるが、これに代えて、シリコン系樹脂を用いることもできる。
3色発光素子91,92,93それぞれにて赤色光、青色光、緑色光を発光させると、それらの光は第1の透明樹脂96中に分散している多数の光混色用の反射・散乱用粉粒95それぞれの金属被膜95bの表面にて何度も反射されてあらゆる方向に向かう光となり、第1の透明樹脂96の表面のあらゆる点でRGB3色が均等に混色して白色光となる。このため、図10の実験例の写真に示すように、RGB3色発光素子91,92,93とそれを被覆している第1の透明樹脂96の部分を外から観察すれば、第1の透明樹脂96の表面全体が白色に光っているように見える。
そこで、本実施の形態の反射型発光ダイオード1では、第1の透明樹脂96の表面全体の白色光が図2において矢印にて示したように放物面となった反射面2に放出され、反射面2にて反射されて平行光に近い状態に向きが揃えられ、この凹状ケース6の開口部から前方に配光性の高い白色光として放出されていく。そのため、本実施の形態の反射型発光ダイオード1では、光の向きが揃い指向性が強い白色光、したがって光が当たるところでは輝度の高い白色光を得ることができる。
次に、上記の構造を有する反射型発光ダイオード1の製造方法について、図3〜図7を用いて説明する。大量生産においては、図3に示すような良導電性の材料、例えば、銅(Cu)を主成分として98%〜99%含み、若干の鉄(Fe)、硫黄(S)を含み、さらに2〜6μm厚に銀メッキが施された薄板を材料とし、これにエッチングあるいは打ち抜き加工にて一辺から素子マウント側リード7が延出し、それとは反対辺から1箇所3本のワイヤ接続側リード81,82,83が延出し、両側に対向して多数横並びになるように形成されたリードフレーム20を使用する。
素子マウント側リード7の形状は、狭幅の上片7a、広幅の垂直片7b、広幅の下片7cそれぞれになる部分が形成されている。3本のワイヤ接続側リード81,82,83それぞれは、狭幅の上片81a,82a,83、広幅の垂直片81b,82b,83b、同様に広幅の下片81c,82c,83cそれぞれになる部分が形成されている。尚、図3において、素子マウント側リード7とワイヤ接続側リード81,82,33それぞれの下片7c,81c,82c,83cとなる部分の端部に相当する位置に形成されている扁平楕円形の穴21,22は、破断線23,24にて切断加工する時の切断抵抗を小さくするためのものである。
このようなリードフレーム20において、素子マウント側リード7と3本1組のワイヤ接続側リード81,82,83とで対を成す各対のリード7,81〜83に対して、素子マウント側リード7の上片先端の素子マウント部7fに3個の発光素子91,92,93をマウントし、それぞれの発光素子91,92,93とワイヤ接続側リード81,82,83それぞれの先端のワイヤ接続部81f,82f,83fとの間にワイヤボンディングを行う。すなわち、図4に示したように素子マウント側リード7の上片7aの先端の素子マウント部7fの下面側に3個の発光素子91,92,93を銀ペーストにて固着し、続いてこの固着された発光素子91,92,93それぞれとワイヤ接続側リード81,82,83の上片81a,82a,83aの先端のワイヤ接続部81f,82f,83fそれどれとの間にワイヤボンディングを行って例えば金線のようなワイヤ101,102,103それぞれを接続する。
この後、図5に示すように、各素子マウント側リード7の上片先端の素子マウント部7fにマウントされ、ワイヤ101,102,103それぞれが接続された3色の発光素子91,92,93の全体に対して、上述した反射・散乱用粉粒95が混入された第1の透明樹脂96を滴下した後に硬化させることで被覆する。
続いて、リードフレーム20の対を成す素子マウント側リード7と1組3本のワイヤ接続側リード81,82,83とを凹状ケース6それぞれに取り付ける。その手順は、図7に示してある。すなわち、図7(a)に示すように、3個の発光素子91,92,93を搭載し、ワイヤボンディングにてワイヤ101,102,103が接続された対を成す素子マウント側リード7とワイヤ接続側リード81,82,83とは、上下を逆さまにして狭幅の上片7a,81a,82a,83aに相当する部分それぞれを凹状ケース6の溝4,51,52,53に嵌合させる。これにより、凹状ケース6の内部においては狭幅の上片7a,81a,82a,83aに相当する部分が反射面2の上方に位置し、凹状ケース6の外部に広幅の垂直片7b,81b,82b,83b、下片7c,81c,82c,83cそれぞれに相当する部分が位置することになる。そして、凹状ケース6の溝4,51,52,53それぞれには、対を成す素子マウント側リード7と3本のワイヤ接続側リード81,82,83それぞれの折り曲げ基部7a’,81a’82a’,83a’が嵌合する。
次に、図7(b)に示すように、凹状ケース6の溝4,51,52,53それぞれにおいて、対を成す素子マウント側リード7と3本のワイヤ接続側リード81,82,83それぞれの折り曲げ基部7a’,81a’82a’,83a’の嵌合部分の上面側から凹状ケース6の上面までの段差を塞ぐようにその段差部分に小さなUV硬化性樹脂を詰めて硬化させて堰止め11,121,122,123を形成する。
続いて、図7(c)に示すように、硬化触媒を含む高粘度の透明エポキシ樹脂や透明シリコン樹脂のような透明樹脂13を凹状ケース6の凹部にその上縁面まで充填し、80〜130℃での雰囲気炉で硬化させて狭幅の上片7a,81a,82a,83aに相当する部分と発光素子91,92,93、発光素子91,92,93の全体を覆っている光混色用の第1の透明樹脂96、ワイヤ101,102,103を凹状ケース6と一体化する。
このようにして凹状ケース6に対して、素子マウント側リード7と3本のワイヤ接続側リード81,82,83の上片7a,81a,82a,83aに相当する部分を透明樹脂13にて固定した後、リードフレーム20を切断線23,24の部分で切断し、個々の素子マウント側リード7と3本のワイヤ接続側リード81,82,83をリードフレーム20から切り離す。
次に、図7(d)に示すように、対を成す素子マウント側リード7と3本のワイヤ接続側リード81,82,83の凹状ケース6より外側に出ている部分に曲げ加工を施す。この曲げ加工では、広幅の垂直片7b,81b,82b,83bに相当する部分を、それに繋がる折り曲げ基部7a’,81a’,82a’,83a’を凹状ケース6の側面に沿うように図において下側に折り曲げることで垂直にし、さらに、凹状ケース6の底面に下片7c,81c,82c,83cに相当する部分が接するように内側に折り曲げる。こうして、対を成す素子マウント側リード7と3本のワイヤ接続側リード81,82,83それぞれが狭幅の上片7a,81a,82a,83aと広幅の垂直片7b,81b,82b,83bと広幅の下片7c,81c,82c,83cとを折り曲げて曲げ加工が完了する。この曲げ加工が完了すると、図1、図2に示した反射型発光ダイオード1が完成する。
尚、この後、必要に応じて、対を成す素子マウント側リード7、ワイヤ接続側リード81,82,83それぞれの下片7c,81c,82c,83cは凹状ケース6の底面に対して半田にて固定することがある。
このように本実施の形態の反射型発光ダイオード1では、上述したように、図2において矢印線で示すように大部分が下方に出て放物曲面の反射面2にて反射され、ほぼ平行光線となって凹状ケース6の上面からそれに垂直な方向に出光する。このため、この反射型発光ダイオード1では、光の向きが揃い指向性が強い光、したがって光が当たるところでは輝度の高い光を得ることができる。加えて、本実施の形態の反射型発光ダイオード1の場合、3色発光素子91,92,93を光混色用の第1の透明樹脂96にて被覆しているので、自然光に近い、しかも高輝度の白色光を得ることができる。
尚、上記実施の形態では素子マウント側リード7の素子マウント部7fに3個の発光素子91,92,93を搭載し、それらを同時に発光させるために3本1組のワイヤ接続側リード81,82,83それぞれを設けたが、発光素子の個数は3個に限定されるものではなく、発光色の異なる2個の発光素子であってもよく、その場合には、2個の異なる色を均等に混色した混色光を高輝度に発光させることができる。この場合、発光素子の個数に応じて、その数と同本数のワイヤ接続側リードを設けることになる。
さらに、本発明の実施の形態によれば、反射面2を凹状ケースの凹部の底面に設ける例で説明したが、モールドなどの技術を用いて透明樹脂とリードフレームとを予め一体成形し、凹状ケースの凹部に対する嵌合面となる透明樹脂の底面側に反射面2を形成する構成であってもよい。また、リード7,81,82,83を固定し、白色発光させることができる構造であれば、箱形の凹状ケース6は必ずしも必要ではない。
図10に本発明の実施例を示している。この実施例は、RGB3色発光素子をマウントし、各発光素子のアノード側、カソード側それぞれにワイヤを接続し、合計6本のワイヤにて各発光素子に対する電圧、電流を独立に制御することで発光強度、発光色を調整できる構成にした反射型発光ダイオードである。そして、粒度10μmのAg粉粒を15wt%混入したエポキシ樹脂を第1の透明樹脂として、3色発光素子の全体を被覆するようにポッティングした後に硬化させることで被覆している。この反射型発光ダイオードを発光させたところ、図10に示すように、第1の透明樹脂の表面全体が均等に白色に発光していることが確認できた。
この実施例1の反射型発光ダイオードの場合、完全な白色発光が可能であり、また、発光を停止させることで黒色とすることもでき、RGB3色の発光素子それぞれを単独で発光させることもでき、さらにそのうち2色を選択して発光させ2色混色発光させることもでき、電流、電圧制御により黒色から白色を含めたフルカラーのいずれの色の発光もできる。
尚、上記実施の形態は反射型発光ダイオードについてのものであったが、この例に限定されるものではなく、本発明の白色化発光メカニズムは、他のタイプの発光ダイオードにも利用できる。例えば、図11に示すように、SMD発光ダイオード200においても、3色発光素子91,92,93をリード7にマウントし、その周囲を上記実施の形態と同様の反射・散乱用粉粒95を混入した第1の透明樹脂96にて被覆し、これを発光ダイオード光源とすることで、自然光に近い白色光を発光するSMD発光ダイオードを構成することができる。2は反射面、6はケース、81,82,83それぞれはワイヤ接続側リード、101,102,103はワイヤを示している。
本発明の1つの実施の形態の反射型発光ダイオードの斜視図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの断面図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの製造において使用するリードフレームの一部破断した平面図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの製造過程において対を成す素子マウント側リードと3本1組のワイヤ接続側リードに発光素子を取り付け、ワイヤをボンディングした状態の斜視図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの製造過程において対を成す素子マウント側リードと3本1組のワイヤ接続側リードに発光素子を取り付け、ワイヤをボンディングした後、光混色用の第1の透明樹脂にて発光素子マウント部分を被覆した状態の斜視図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの製造において使用する凹状ケースの斜視図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの製造において対を成す素子マウント側リードと3本1組のワイヤ接続側リードの凹状ケースへの組み付け工程から透明樹脂の充填・硬化工程、リードの折り曲げ工程に至るまでの製造工程図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの一部破断せる拡大断面図。 上記実施の形態の反射型発光ダイオードの白色発光のメカニズムの説明図。 本発明の実施例1の発光状態の写真。 本発明の他の実施の形態のSMD発光ダイオードの断面図。
符号の説明
1 反射型発光ダイオード
2 反射面
3 壁部
4,5 溝
6 凹状ケース
7 素子マウント側リード
81,82,83 ワイヤ接続側リード
7a,81a,82a,83a 上片
7b,81b,82b,83b 垂直片
7c,81c,82c,83c 下片
7f 素子マウント部
13 モールド樹脂
81f,82f,83f ワイヤ接続部
91,92,93 発光素子
95 反射・散乱用粉粒
95a 樹脂コア
95b 金属被膜
95c 電気絶縁性透明樹脂
96 第1の透明樹脂
101,102,103 ワイヤ
200 SMD発光ダイオード

Claims (6)

  1. 内部に凹面形状の反射面を有する本体に対して、前記反射面の開口部側中央に素子マウント部が位置するように素子マウント側リードを設置し、
    前記素子マウント部に隣接してワイヤ接続部が位置するように複数本のワイヤ接続側リードを設置し、
    前記素子マウント側リードの素子マウント部に発光色の異なる複数個の発光素子をマウントし、
    前記複数個の発光素子それぞれと前記複数本のワイヤ接続側リードのワイヤ接続部それぞれとの間にワイヤを接続し、
    前記複数個の発光素子の周囲を、金属粒子の表面を電気絶縁性樹脂にて被膜した反射・散乱用粉粒を分散させた第1の透明樹脂にて被覆し、
    前記複数個の発光素子、ワイヤ、これらを被覆する前記第1の透明樹脂、前記素子マウント側リード及び前記複数本のワイヤ接続側リードを第2の透明樹脂にて前記本体の反射面上に固定したことを特徴とする反射型発光ダイオード。
  2. 前記素子マウント側リードの素子マウント部にはR,G,B3色それぞれを色光を発光する3個の発光素子を搭載したことを特徴とする請求項1に記載の反射型発光ダイオード。
  3. 前記反射・散乱用粉粒の金属粒子の光反射率は、90%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の反射型発光ダイオード。
  4. 前記反射・散乱用粉粒の金属粒子は、Ag、Alの少なくとも1種類を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の反射型発光ダイオード。
  5. 前記反射・散乱用粉粒の金属粒子は、0.1μm〜50μmの粒度であることを特徴とする請求項1又は2に記載の反射型発光ダイオード。
  6. 前記反射・散乱用粉粒の金属粒子の表面を被覆する電気絶縁性樹脂に表面活性化処理を施し、前記第1の透明樹脂中に分散させたことを特徴とする請求項1又は2に記載の反射型発光ダイオード。
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