JP2011124608A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】封止部材に埋設される半導体発光素子群を直列接続して半導体発光素子列とするためのボンディングワイヤが断線すること等による半導体発光素子列の点灯不良を抑制できる照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、装置基板２、複数のＬＥＤ（半導体発光素子）５、ボンディングワイヤ６、及び透光性の封止部材１０を具備する。ＬＥＤ５は第１の素子電極１７及び第２の素子電極１８を有する。各ＬＥＤ５を装置基板２の一面２ｅに列をなして配設する。ワイヤ６を、前記列が延びる方向に隣接したＬＥＤ５の第１の素子電極１７と第２の素子電極１８に接続して両素子電極にわたるとともに一面２ｅから遠ざかる円弧状をなして設ける。封止部材１０でＬＥＤ５及びボンディングワイヤ６を埋設する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のＬＥＤ(発光ダイオード)チップ等の半導体発光素子を有して、例えば照明器具やディスプレイ等に使用される照明装置に関する。

従来、複数のＬＥＤチップを基板上に縦横に配列するとともに、これらのＬＥＤチップ同士等をボンディングワイヤで電気的に例えば直列接続することによって、単位面積あたり多数のＬＥＤチップを高密度で配置した照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

又、ＬＥＤチップ及びこのチップの電極と外部電極とを接続したボンディングワイヤを、外部の力及び塵芥や水分等から保護するために、透光性の合成樹脂材料からなる保護部材を用いて、この部材中にＬＥＤチップ及びボンディングワイヤを埋設した発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−５２７１９号公報（段落0014、0019−0025、図１） 特許第３８５２４６５号公報（段落0026，0028，0036、0045、0053、図１Ａ、図１Ｂ、図４）

保護部材を備えていない特許文献１の照明装置は、ＬＥＤチップ及びこのチップの電極に接続されたボンディングワイヤが、外部の力及び塵芥や水分等に晒されるので、耐久性が低い。そこで、特許文献２に記載の保護部材を特許文献１の照明装置に適用すれば、この照明装置の耐久性を向上することが可能である。

ところで、特許文献１のように列をなしたＬＥＤチップ群がボンディングワイヤを介して直列接続される照明装置で、例えば一つのボンディングワイヤが断線されることがあると、このワイヤを含んで電気的に直列に接続された一群のＬＥＤに対する通電ができなくなる。こうした課題を解決することについては、保護部材を用いた引用文献２においても開示されていない。

本発明者は、鋭意研究の結果、隣接したＬＥＤチップ同士を直接に直列接続したボンディングワイヤの断線に、ＬＥＤチップ及びボンディングワイヤを埋設する保護用の封止部材が関係する場合があることを見出した。

つまり、ボンディングワイヤは、ＬＥＤチップが配設された装置基板から遠ざかるように湾曲して、その両端を、隣接したＬＥＤチップの電極にワイヤボンディングにより接続して設けられる。このため、ボンディングワイヤの長さが長過ぎて、ＬＥＤチップに対するボンディングワイヤのボンディング高さが高くなる場合には、ワイヤボンディング後の封止において使用される封止部材の量が増えてその厚みが厚くなる。本明細書で、ボンディング高さとは、ボンディングワイヤの両端の内で先行してワイヤファーストボンディングしたボンディングワイヤの一端が接続されたＬＥＤチップの電極の高さ位置と、ボンディングワイヤの湾曲の頂点の高さ位置との差を指している。

このようにボンディングワイヤを確実に埋設する必要から封止部材の使用量が増えると、製造時、未硬化の封止部材が硬化するまでの間に、ボンディングワイヤに作用する封止部材の重さよって、ボンディングワイヤが装置基板に向けて大きく変形される可能性が高くなり、この変形に発生によりＬＥＤチップの電極に近いボンディングワイヤの端部に応力が掛かる。

これとは逆に、ボンディングワイヤの長さが短過ぎてボンディング高さが低い場合には、ボンディングワイヤが強く張られた状態になるので、封止部材の重さでボンディングワイヤが変形する恐れが減少する。しかし、この場合のワイヤボンディングでは、ボンディングワイヤがＬＥＤチップの電極近くで急激に曲げられた状態になるので、ボンディングワイヤの端部に応力が大きく掛かる。

以上のようにしてボンディングワイヤの端部に掛かった応力によって、製造時にボンディングワイヤが断線し易い。それだけではなく、照明装置の使用時にその点灯・消灯に伴う封止部材の熱膨張・熱収縮に伴う応力が、更にボンディングワイヤの端部に繰り返し掛かるので、このことによっても、ボンディングワイヤが断線することがある。

したがって、列をなして配設されたＬＥＤチップ群を、ボンディングワイヤを介して直列接続することで、必要な発光量を得る照明装置では、以上のようなボンディングワイヤの断線を原因とする点灯不良が生じないようにすることが要請されているが、前記各特許文献に記載のものでは、こうした要請を満たすことができない。

本発明の目的は、封止部材に埋設される半導体発光素子群を直列接続して半導体発光素子列とするためのボンディングワイヤが断線すること等による半導体発光素子列の点灯不良を抑制できる照明装置を提供することにある。

請求項１の発明は、装置基板と；ダイボンドされる面と反対側の面に第１の素子電極及び第２の素子電極を有し前記装置基板の一面にダイボンドされて列をなし、配設ピッチが０.５ｍｍから４.０ｍｍの範囲で配設された複数の半導体発光素子と；前記半導体発光素子の第１の素子電極とこの第１の素子電極を有した前記半導体発光素子に対し前記列が延びる方向に隣接した前記半導体発光素子の第２の素子電極とにワイヤボンディングにより接続されてこれら両素子電極にわたり前記一面から遠ざかるように湾曲して設けられたボンディングワイヤと；前記複数の半導体発光素子と、各半導体発光素子同士を電気的に直列接続した前記ボンディングワイヤとからなる複数の半導体発光素子列と；蛍光体が分散して混入されていて、前記半導体発光素子、前記複数の半導体発光素子の隣接した配設ピッチ間及びボンディングワイヤをこれらが外部に露出しないように埋設したシリコーン樹脂からなる透光性の封止部材と；を具備したことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の照明装置において、複数の半導体発光素子及びボンディングワイヤを包囲するとともに、前記半導体発光素子の素子電極に対する前記ボンディングワイヤの高さよりも高く設けられた枠部材を更に備え、前記封止部材は、前記枠部材の内側に充填されて前記半導体発光素子及び前記ボンディングワイヤを埋設して封止することを特徴とする。

本発明で、装置基板は、合成樹脂又はガラス或いはセラミックスの絶縁板を用いることができ、この場合、一枚であっても複数枚積層してなるものでもよく、又、装置基板は絶縁板の裏面に放熱促進用の金属板を積層してなるものであってもよい。請求項１の発明で、半導体発光素子には例えばＬＥＤ（発光ダイオード）チップを好適に用いることができる。請求項１の発明で、半導体発光素子の第１の素子電極と第２の素子電極は、同じ高さ位置にあっても異なる高さ位置にあってもよい。請求項１の発明で、ボンディングワイヤは金属細線で形成されるが、Ａｕの細線を好適に用いることができ、その線径は20μｍ〜30μｍとすることが好ましい。請求項１の発明で、透光性の封止部材には、好適にはシリコーン樹脂を用いることができるがその他エポキシ系の透光性樹脂や透光性の低融点ガラス等も用いることが可能である。

また、本発明では、列をなして配設されて列が延びる方向に隣接した半導体発光素子同士の第１の素子電極と第２の素子電極とに両端をワイヤボンディングにより直接接続して、装置基板の半導体発光素子が取付けられた一面から遠ざかるように湾曲して設けられたボンディングワイヤを有している。

請求項１の発明の照明装置によれば、封止部材に埋設される半導体発光素子群を直列接続して半導体発光素子列とするためのボンディングワイヤが断線すること等による半導体発光素子列の点灯不良を抑制できる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、更に、複数の半導体発光素子及びボンディングワイヤを包囲するとともに、前記半導体発光素子の素子電極に対する前記ボンディングワイヤの高さよりも高く設けられた枠部材を更に備え、前記封止部材は、前記枠部材の内側に充填されて前記半導体発光素子及び前記ボンディングワイヤを埋設して封止することを特徴としている。

本発明の一実施形態に係る照明装置を一部切欠いた状態で示す正面図。 図１中矢印Ｆ２−Ｆ２線に沿って示す照明装置の断面図。 図２の一部を拡大して示す断面図。 （Ａ）は図１の照明装置が備えるＬＥＤチップを示す正面図。（Ｂ）は同ＬＥＤチップを示す側面図。

図１及び図２中符号１はＬＥＤパッケージを形成する照明装置を示している。この照明装置１は、装置基板２、複数の給電端子３，４、複数の半導体発光素子例えばＬＥＤチップ（以下ＬＥＤと略称する。）５、ボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂ、リフレクタ９、及び封止部材１０を備えて形成されている。

図２に示すように装置基板２には、例えば積層基板好ましくは樹脂板１１の裏面に金属板１２を積層してなる金属ベースド基板が用いられている。樹脂板１１は良好な光の反射性能を得るために白色を呈するガラス粉末入りのエポキシ樹脂からなる。点灯された状態でのＬＥＤ５の熱を外部に放出する金属板１２は例えばアルミニウム又はその合金からなる。図１に示すように装置基板２は、照明装置１に必要とされる発光面積を得るために、所定形状例えば四角形状具体的には長方形状をなしている。

各給電端子３，４は、金属層例えば銅の上にＡｕ又はＮｉのめっき層を積層してなり、後述する半導体発光素子列をなしたＬＥＤ列の一端及び他端に電気的に接続されるものであって、装置基板２の反射面となる一面２ｅ（言い換えれば樹脂板１１の表面）に設けられている。具体的には、図１に例示したように装置基板２の一辺２ａに寄せて、この一辺２ａが延びる方向に、交互に、かつ、互いに平行に各給電端子３，４が配設されている。

各ＬＥＤ５には例えば窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型のものが採用されている。これらＬＥＤ５は、例えば図４（Ｂ）に示すようにサファイア等からなる透光性の素子基板１５の一面に半導体発光層１６を積層して形成されている。半導体発光層１６は例えば青色の光を発光する。更に、各ＬＥＤ５は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように第１の素子電極１７と第２の素子電極１８を有しており、第２の素子電極１８上には例えば半田からなるバンプ１９が予め設けられている。第１の素子電極１７と第２の素子電極１８との内の一方は正極用であり、他方は負極用である。

図１に示すように各ＬＥＤ５は、装置基板２の一面２ｅに縦横に列をなして二次元的に配設されている。各ＬＥＤ５の装置基板２への装着は、透光性の半導体発光層１６が積層された面と平行でかつ半導体発光層１６が積層されていない素子基板１５の他面を、図４（Ｂ）に代表して示した透光性のダイボンド材２０を用いて接着することでなされている。この装着は、例えばバンプ１９を有しない第１の素子電極１７が装置基板２の一辺２ａと平行な他辺２ｂ側に位置されるとともに、バンプ１９を有した第２の素子電極１８が装置基板２の一辺２ａ側に位置されるように、各ＬＥＤ５の向きを揃えてなされている。これによって、各ＬＥＤ５の第１の素子電極１７と第２の素子電極１８とが、次に述べる縦列が延びる方向に交互に並べられるように各ＬＥＤ５が配設されている。

装置基板２の一辺２ａおよび他辺２ｂと直角な辺２ｃ，２ｄが延びる方向に並べられた複数のＬＥＤ５の列（この列を、図１を基準にして便宜上縦列と称する。）内でのＬＥＤ５の配設ピッチＡは、例えば0.5mm〜4.0mmである。装置基板２の一辺２ａ及び他辺２ｂが延びる方向に並べられた複数のＬＥＤ５の列（この列を、図１を基準にして便宜上横列と称する。）内でのＬＥＤ５の配設ピッチＢは、前記配設ピッチＡ以上である。

各ボンディングワイヤ６，７は、例えばＡｕの線材からなり、その線径は20μｍ〜30μｍである。前記縦列をなした各ＬＥＤ５同士はボンディングワイヤ６で接続されている。詳しくは、ボンディングワイヤ６のファーストボンディングされた一端が、縦列が延びる方向に隣接したＬＥＤ５の第１の素子電極１７にボールボンディングにより接続されているとともに、ボンディングワイヤ６のセカンドボンディングされた他端が、前記縦列が延びる方向に隣接したＬＥＤ５の第２の素子電極１８にバンプ１９を介して高周波溶接によるワイヤボンディングで接続されている。ここに、ファーストボンディングとは、セカンドボンディングよりも先行して行われるボンディングを指している。

このようにボンディングワイヤ６で電気的に接続された複数のＬＥＤ５の縦列と、この縦列に対して前記一辺２ａ及び他辺２ｂが延びる方向に隣接して、同じくボンディングワイヤ６で電気的に接続された複数のＬＥＤ５の縦列とは、給電端子３，４と反対側の他辺２ｂに最も近い位置のＬＥＤ５にわたって設けられたボンディングワイヤ７で電気的に接続されている。このボンディングワイヤ７の両端は、他辺２ｂに最も近い位置のＬＥＤ５の第１の素子電極１７にボンディングされている。

この接続により、前記一対の縦列は、電気的に直列接続されたＬＥＤ列（半導体発光素子列）をなしている。このようなＬＥＤ列は少なくとも一列あればよいが、本実施形態では図１に示すように５列設けられている。

各ＬＥＤ列の一端に位置されたＬＥＤ５の第２の素子電極１８と、これに近接して配置されている給電端子３とは、これらにわたってボンディングされたボンディングワイヤ８ａにより電気的に接続されている。同様に、各ＬＥＤ列の他端に位置されたＬＥＤ５の第２の素子電極１８と、これに近接して配置されている給電端子４とは、これらにわたってボンディングされたボンディングワイヤ８ｂにより電気的に接続されている。ボンディングワイヤ８ａ，８ｂは、給電端子３，４にファーストボンディングされるとともに、ＬＥＤ５の第２の素子電極１８にセカンドボンディングして設けられている。

以上のボンディングにより設けられた各ボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂは、図３に示したボンディングワイヤ６で代表するように装置基板２の一面２ｅから遠ざかるように湾曲して設けられている。そして、これらボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂの内で少なくともボンディングワイヤ６，７のＬＥＤ５の第１の素子電極１７に対するボンディング高さｈ（図３参照）は、50μｍ以上150μｍ以下に設定されている。しかも、この条件を満たしつつ本実施形態ではボンディング高さｈをＬＥＤ５の厚みｈ１以下にしてある。

リフレクタ９は、一個一個又は複数個のＬＥＤ毎に対応して設けられるものではなく、装置基板２上の全てのＬＥＤ５を包囲する単一の枠部材であり、例えば図１に示すように四角い枠形状をなしている。リフレクタ９は、酸化マグネシウム等からなる白色フィラーが混入された合成樹脂で成形されている。図１に示す平面視においてリフレクタ９は、その一部を形成した枠部９ａを、給電端子３，４に交差させて装置基板２の一面２ｅに接着されている。図３に示すリフレクタ９の高さＨの１/２の高さは、ボンディング高さｈとＬＥＤ５の厚みｈ１との合計より高く設定されている。それにより、後述する封止部材１０の注入量のばらつきに拘わらず確実にボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂが封止部材１０に埋設されるようになっている。

封止部材１０は、リフレクタ９内に略満杯状態に充填されていて、このリフレクタ９に収容された全てのＬＥＤ５及びボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂ等を封止して、これらを湿気や外気等から保護して照明装置１の寿命低下を防止している。封止部材１０は、透光性材料、例えば透光性樹脂、具体的には熱硬化性のシリコーン樹脂からなる。この封止部材１０は未硬化の液状状態でリフレクタ９内に所定量注入された後に加熱炉で加熱されることにより硬化されて設けられる。

この封止部材１０内には図示しない蛍光体が好ましくは均一に分散された状態に混入されている。蛍光体は、各ＬＥＤ５から放出された光の一部により励起されてＬＥＤ５から放出された光の色とは異なる色の光を放射し、それによって照明装置１から出射される照明光の色を規定するために用いられている。本実施形態では、照明装置１から出射される照明光の色を白色光とするために、各ＬＥＤ５が放出する青色の光に対して補色の関係にある黄色の光を放射する蛍光体が使用されている。

各ＬＥＤ列は、それに接続されている給電端子３，４を通じて給電されることにより発光する。そのため、各ＬＥＤ５から放出される青色の光と、その一部により封止部材１０内で励起された蛍光体から放射された黄色の光とが混合されることにより生成された白色光が、照明装置１から被照明対象に向けて出射される。

前記照明装置１では、ＬＥＤ５が取付けられた装置基板２の一面２ｅから遠ざかるように湾曲して設けられたボンディングワイヤ６，７の両端が、ＬＥＤ列の列が延びる方向に隣接したＬＥＤ５同士の第１の素子電極１７と第２の素子電極１８とにワイヤボンディングにより接続されて、それらのボンディング高さｈを50μｍ以上150μｍ以下としてある。そのため、この照明装置１では、耐久性を得るための封止部材１０でボンディングワイヤ６，７が断線すること等によるＬＥＤ列の点灯不良を抑制できる

即ち、ボンディング高さｈの上限値が150μｍであることに伴い、ボンディングワイヤ６，７を十分に埋設するのに必要な封止部材１０の使用量が削減されて、封止部材１０の厚みを薄くできる。それにより、封止部材１０でＬＥＤ５等を封止する際に、装置基板２側に反ったボンディングワイヤ６，７に作用する未硬化の封止部材１０の重さが軽減されるので、その重さでボンディングワイヤ６，７が装置基板２側に近付くように変形することが抑制される。

このため、ＬＥＤ５の第１の素子電極１７及び第２の素子電極１８に近いボンディングワイヤ６，７の端部に掛かる応力が軽減されるので、特に、第１の素子電極１７に近いボンディングワイヤ６，７の端部がボールボンディングに伴って結晶化して脆くなっている場合にも、この端部での断線を抑制できる。以上のように製造時におけるボンディングワイヤ６，７の断線を抑制できるので、この断線を原因とするＬＥＤ列の点灯不良を抑制できる。

更に、ボンディング高さｈの下限値が50μｍであることにより、ワイヤボンディングに伴って、ＬＥＤ５の第１の素子電極１７及び第２の素子電極１８に近いボンディングワイヤ６，７の端部が急激に曲げられないようにできるので、ＬＥＤ５の第１の素子電極１７及び第２の素子電極１８に近いボンディングワイヤ６，７の端部に掛かる応力が軽減される。このため、特に、第１の素子電極１７に近いボンディングワイヤ６，７の端部がボールボンディングに伴って結晶化して脆くなっている場合にも、この端部が断線しないようにできる。なお、このようにボンディング高さｈが50μｍと小さい場合には、ボンディングワイヤ６，７の長さがボンディング高さｈの上限値150μｍである場合よりも短くなって、ボンディングワイヤ６，７が強く張られた状態になるので、未硬化の封止部材１０の重さによってボンディングワイヤ６，７が装置基板２側に変形することが抑制される。以上のように製造時におけるボンディングワイヤ６，７の断線を抑制できるので、この断線を原因とするＬＥＤ列の点灯不良を抑制できる。

しかも、既述のようにボンディングワイヤ６，７の端部の応力が軽減されているので、照明装置１の点灯・消灯に伴い封止部材１０が熱膨張・熱収縮して、それに伴う応力がボンディングワイヤ６，７の端部に繰り返し掛かるにも拘らず、それによりボンディングワイヤ６，７が断線することも抑制できる。

又、前記構成の照明装置１は、以上のように設けられたボンディングワイヤ６，７で、ＬＥＤ列が延びる方向に隣接しているＬＥＤ５同士を電気的に直接接続しているので、電気的な中継をするための中継電極としてのパッドを装置基板２上に設ける必要がない。このため、以下の不利な点がない。

即ち、中継電極を設けた構成は、この電極によって装置基板２の白色をなした一面２ｅでの有効反射面積が減少する、という点で不利である。加えて、中継電極はその表面にＡｕのめっき層を有していることが多く、この場合、中継電極で反射された光が、照明装置１から投射される白色光に混じるので、照明光の色が微妙に変わる可能性がある、という点で不利である。

更に、既述のように中継電極を要しないので、照明装置１の発光量をより多く確保する必要がある場合には、ＬＥＤ５の配設ピッチＡを狭めることが可能である。ちなみに、隣接するＬＥＤ５相互間に中継電極を設けて、この電極にボンディングワイヤをセカンドボンディングして接続して隣接したＬＥＤ５同士を電気的に直列接続する場合、ＬＥＤ５の配設ピッチは１００μｍ以上必要とする。この構成に比較して、発光量が同じである条件では、ＬＥＤ５の配設ピッチＡを狭められる方が照明装置１を小形に構成でき、この逆に装置の大きさを同じとした条件では、ＬＥＤ５の配設ピッチＡを狭められる照明装置１の方がＬＥＤ５の実装密度が高いので、発光量が増えて器具効率を向上できる利点がある。

以上のように中継電極を用いない照明装置１は、そのＬＥＤ５の第２の素子電極１８にボンディングワイヤ６の端部が高周波溶接によるワイヤボンディングで接続される。この接続においては、予め第２の素子電極１８に付着されたバンプ１９を高周波で溶かしてボンディングがなされるので、このボンディングに伴い図示しないボンディングツールによりＬＥＤ５に加えられる圧力は小さい。又、ＬＥＤ５の第１の素子電極１７に対してはボールボンディングによりボンディングワイヤ６が接続されるので、その際に図示しないボンディングツールによりＬＥＤ５に対して加えられる圧力は小さい。

したがって、ワイヤボンディングに伴うＬＥＤ５の損傷が抑制されるに伴い、ＬＥＤ５の損傷を原因とするＬＥＤ列の点灯不良を抑制できる

１…照明装置、２…装置基板、２ｅ…装置基板の一面、５…ＬＥＤ（半導体発光素子）、６，７…ボンディングワイヤ、１０…封止部材、１５…素子基板、１６…半導体発光層、１７…第１の素子電極、１８…第２の素子電極、１９…バンプ、ｈ…ボンディング高さ

Claims (2)

1. 装置基板と；
   ダイボンドされる面と反対側の面に第１の素子電極及び第２の素子電極を有し前記装置基板の一面にダイボンドされて列をなし、配設ピッチが０.５ｍｍから４.０ｍｍの範囲で配設された複数の半導体発光素子と；
   前記半導体発光素子の第１の素子電極とこの第１の素子電極を有した前記半導体発光素子に対し前記列が延びる方向に隣接した前記半導体発光素子の第２の素子電極とにワイヤボンディングにより接続されてこれら両素子電極にわたり前記一面から遠ざかるように湾曲して設けられたボンディングワイヤと；
   前記複数の半導体発光素子と、各半導体発光素子同士を電気的に直列接続した前記ボンディングワイヤとからなる複数の半導体発光素子列と；
   蛍光体が分散して混入されていて、前記半導体発光素子、前記複数の半導体発光素子の隣接した配設ピッチ間及びボンディングワイヤをこれらが外部に露出しないように埋設したシリコーン樹脂からなる透光性の封止部材と；
   を具備したことを特徴とする照明装置。
2. 複数の半導体発光素子及びボンディングワイヤを包囲するとともに、前記半導体発光素子の素子電極に対する前記ボンディングワイヤの高さよりも高く設けられた枠部材を更に備え、
   前記封止部材は、前記枠部材の内側に充填されて前記半導体発光素子及び前記ボンディングワイヤを埋設して封止することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

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