JP2012004476A

JP2012004476A - 発光装置

Info

Publication number: JP2012004476A
Application number: JP2010140373A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Muranaka; 哲也村中; Yasunori Nagahata; 安典長畑
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20110309736A1; US8258698B2

Abstract

【課題】耐熱性が改善され、高出力化が容易な発光装置を提供する。
【解決手段】第１のリードと、一方の端部が前記第１のリードの一方の端部と対向した第２のリードと、発光素子と、透明樹脂からなる成型体と、を備えた発光装置が提供される。前記第１のリードは、主面および前記主面に設けられた凹部を有するダイパッド部と、前記主面の上方に折り曲げられた屈曲部と、を有する。前記発光素子は、前記凹部の底面に接着される。前記成型体は、前記発光素子と、前記屈曲部と、前記ダイパッド部と、前記第２のリードの前記一方の端部と、を覆い、前記第１のリードの他方の端部および前記第２のリードの他方の端部をそれぞれ突出させる。前記成型体の重心の位置は、前記凹部の前記底面とは反対側となる前記ダイパッド部の下面と前記屈曲部の上端を含む面との間、かつ上方からみて前記発光素子の領域内とされる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光装置に関する。

車載エクステリアや信号機、各種の照明などに用いる発光装置には、高出力かつ高温動作において安定した電気的および光学的特性であることが要求される。

リードフレームに凹部を設け、発光素子から放出された光を上方に反射すると高出力とすることができる。しかしながら、リードフレームによる反射を増やそうとすると、リードフレームは大きくなり封止樹脂の体積が増大する。

一般に封止樹脂の線膨張係数はリードフレームや発光素子の線膨張係数よりも大きいので、リードフレームや発光素子に対して降温時には圧縮応力、昇温時には引張応力が作用する。封止樹脂の体積が増大すると、温度変化による応力が増大する。このために、リードフレームと封止樹脂との間、および発光素子と封止樹脂と、の間に剥離などを生じ、発光素子の電気的および光学的特性が変化する場合がある。

特開２００４−３６３５３３号公報

耐熱性が改善され、高出力化が容易な発光装置を提供する。

実施形態によれば、第１のリードと、一方の端部が前記第１のリードの一方の端部と対向した第２のリードと、発光素子と、透明樹脂からなる成型体と、を備えた発光装置が提供される。前記第１のリードは、主面および前記主面に設けられた凹部を有するダイパッド部と、前記主面の上方に折り曲げられた屈曲部と、を有する。前記発光素子は、前記凹部の底面に接着される。前記成型体は、前記発光素子と、前記屈曲部と、前記ダイパッド部と、前記第２のリードの前記一方の端部と、を覆い、前記第１のリードの他方の端部および前記第２のリードの他方の端部をそれぞれ突出させる。前記成型体の重心の位置は、前記凹部の前記底面とは反対側となる前記ダイパッド部の下面と前記屈曲部の上端を含む面との間、かつ上方からみて前記発光素子の領域内とされることを特徴とする。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図、図１（ｂ）は模式平面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図２（ａ）は比較例にかかる発光装置の模式平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。応力シミュレーションのモデルとした発光装置の模式断面図である。図４（ａ）は応力の樹脂厚ＬＢに対する依存性を示すグラフ図、図４（ｂ）は応力の向きを示す模式断面図、である。図５（ａ）は第２の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図５（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はフレネルレンズの模式断面図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光装置の模式斜視図、図１（ｂ）は模式平面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
発光装置は、第１のリード１０、第２のリード２０、発光素子３０、透明樹脂からなる成型体４０、を備えている。

第１のリード１０は、一方の端部側に設けられたダイパッド部１２と、ダイパッド部１２の主面１２ａの上方に向かって折り曲げられた屈曲部１４と、アウターリードとする他方の端部と、を有する。

ダイパッド部１２はその主面１２ａに凹部１３を有する。凹部１３は、底面１３ａと、傾斜を有する側面１３ｂと、を有する。底面１３ａには、発光素子３０が、接着剤や半田材などを用いて接着されている。また、凹部１３の底面１３ａの直径は０．６５ｍｍ、深さは０．４５ｍｍなどとする。屈曲部１４の上端１４ｕの内径ＤＲは、４ｍｍなどとする。

一方の端部が第１のリード１０の一方の端部と対向する第２のリード２０は、屈曲部２４を有している。また、第２のリード２０の一方の端部は、発光素子３０の電極の１つとボンディングワイヤにより接続されている。リードフレームは、例えばＣｕ系合金からなり、その厚さを０．２５ｍｍなどとする。

ダイパッド部１２の主面１２ａ、凹部１３の底面１３ａおよび側面１３ｂ、屈曲部１４の内側面、などにコーティングを行うと、反射率を高めることができるので好ましい。コーティングとしては、例えば、Ａｇ、またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕをこの順序で積層したものとすることができる。この場合、Ａｇは１０μｍの厚さ、Ｎｉは１μｍ、Ｐｄは０．０３μｍ、Ａｕは０．０１μｍ、などの厚さとする。

成型体４０は、シリコーン、エポキシ、アクリルなどの透明樹脂からなり、トランスファーモールド工程などを用いて形成される。また、成型体４０は、発光素子３０と、屈曲部１４、２４と、ダイパッド部１２と、吊りピン１８、２２と、を覆い、且つスリット１５、２５を貫通する。なお、透明樹脂とは、発光素子３０からの放出光を透過可能な樹脂をいうものとする。つまり、透明樹脂は、発光素子３０からの放出光に対する吸収がゼロである必要はなく、発光素子３０からの放出光の少なくとも一部を透過させるものであればよい。第１のリード１０および第２のリード２０を成型体４０とは反対の側に折り曲げ、かつそれらの下面１０ｂ、２０ｂを成型体４０の下面４０ｂよりも下方となるようにすると、実装基板に対して確実に取り付け可能となる。

凹部１３の側面１３ｂは、第１のリフレクタとして作用し放出光を上方に向けて反射し、光出力を高める。さらに、屈曲部１４、２４は、第２のリフレクタとして作用し、中心軸４１からの角度が大きい光を上方に向けて反射し、光出力をさらに高める。成型体４０の上面に凸レンズ４０ａを形成すると、放出光、第１および第２のリフレクタによる反射光、を集光することができる。

屈曲部１４の上端１４ｕは凸レンズ４０ａの稜線の最下部Ｒを含む面４０ｃと同一か、または上方とすると、レンズ径ＤＬは、屈曲部１４の上端１４ｕの内径ＤＲよりも大きく４．４ｍｍなどとする。

少なくともダイパッド部１２を有する第１のリード１０側に屈曲部１４を設けると、リフレクタ効果を高めることができる。第２のリード２０の側にも屈曲部２４を設けると、リフレクタ効果をさらに高めることができる。なお、図１において、屈曲部１４は、３つの屈曲部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有する。また、第２のリードは、屈曲部１４ｂと対向するように設けられた屈曲部２４を有する。なお、屈曲部の配置や数は、これらに限定されない。

このように、スリット１５、２５を設けると、屈曲部１４、２４の形状が大きい場合でもプレス加工が容易となり、所望の曲面を形成することが容易となる。

発光素子３０は、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙｘＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、またはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）などからなる積層体を含み、緑色〜赤色光を放出可能なものとすることができる。また、発光素子３０は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる積層体を含み、紫外光〜青色光〜緑色光を放出可能なもの、とすることができる。

本実施形態において、屈曲部１４、２４の屈曲角度を４５〜７０度、屈曲部１４、２４の高さを０．６〜１．０ｍｍなどとすると、半値半角が３０〜４０度、とできる。このため、有効照射角度以内において８０％以上の光束利用率が可能となる。

図２（ａ）は比較例にかかる発光装置の模式平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。比較例では屈曲部が設けられていない。封止樹脂からなる成型体１４０の重心１４５と、凹部１１３の底面１１３ａが含まれる面と、は離間している。

一般に、封止樹脂の線膨張係数は、リードフレームの線膨張係数よりも大きい。このために、実装基板へリフロー工程を用いて半田付けを行う場合、例えば２６０℃前後への昇温、半田が十分なじむ高温保持（例えば５〜１０秒）、室温への急冷などの温度変化を経ることになる。

この場合、２６０℃からの急冷時に生じる応力が問題となる。封止樹脂からなる成型体１４０が収縮し、その重心１４５に向かって圧縮応力ＣＣＳが作用する。この圧縮応力ＣＣＳは発光素子１３０や第１のリード１１０を上方に引き上げる方向に作用する。第１のリード１１０は弾性率が高いために変位量は小さい。他方、封止樹脂の線膨張係数は大きく、圧縮応力ＣＳＳによる成型体１４０の変位量は重心１４５と凹部１３０の底面１１３ａとの距離ＣＧが大きいほど大きくなる。圧縮応力ＣＣＳが成型体１４０と発光素子１３０との間の密着強度、および成型体１４０と第１のリード１１０との間の密着強度よりも大きくなると、それぞれの界面において剥離やクラックを生じやすくなる。

また、リフロー工程の温度より低くても、温度変化が大きい環境で、長時間動作を行うと剥離やクラックを生じることがある。

これに対して、第１の実施形態では、屈曲部１４、屈曲部１４を折り曲げたあとの貫通孔、吊りピン１８、２２などにより、封止樹脂４０とリードフレームとの密着強度を高めることができる（アンカー効果）。また、スリット１５、２５を設けると、さらに密着強度を高めることができる。

また、第１の実施形態では、成型体４０の中心軸４１からの角度が大きい光を上方に向けて反射させるために屈曲部１４、２４を設けている。成型体４０の体積のうち、屈曲部１４、２４の高さの分だけ、第１および第２のリード１０、２０の主面よりも上方の体積が増大する。成型体４０の体積は、例えば１３０ｍｍ^３などとなる。

図３（ａ）〜（ｄ）は、応力シミュレーションのモデルとした発光装置の模式断面図である。
図３（ａ）において、成型体４０の下面４０ｂとレンズの面４０ｃとの間の樹脂厚ＬＢを２．３５ｍｍ、成型体４０の下面４０ｂと凹部１３の底面１３ａ（マウント面）との間の樹脂厚ＬＭを０．８５ｍｍ、とする。この場合、重心４５は、屈曲部１４の上端１４ｕを含む面内、かつ中心軸４１の近傍（上方からみて発光素子３０の領域の内部）にある。なお、重心４５の位置は、成型体４０の形状から算出することができる。

図３（ｂ）において、樹脂厚ＬＢを２．７９ｍｍ、樹脂厚ＬＭを１．２９ｍｍ、とする。この場合、重心４５は底面１３ａから０．９９ｍｍ上方の高さ、かつ上方からみて発光素子３０の領域の内部にある。

図３（ｃ）において、樹脂厚ＬＢを３．２３ｍｍ、樹脂厚ＬＭを１．７３ｍｍ、とする。この場合、重心４５は底面１３ａから０．３６ｍｍ上方の高さ、かつ上方からみて発光素子３０の領域の内部にある。

さらに、図３（ｄ）において、樹脂厚ＬＢを３．７３，樹脂厚ＬＭを２．２３ｍｍ、とする。この場合、重心４５は底面１３ａからダイパッド部１２の下面１２ｃに含まれ、かつ上方からみて発光素子３０の領域の内部にある。

なお、図３（ａ）〜（ｄ）において、レンズの下面４０ｃと底面１３ａとの間の樹脂厚さＬＦは、いずれも１．５ｍｍとする。またレンズの頂点ＳＴと面４０ｃとの間の樹脂厚さＬＵは、いずれも２．６５ｍｍとする。

図４（ａ）は応力の樹脂厚ＬＢに対する依存性を示すグラフ図、図４（ｂ）は応力の向きを示す模式断面図、である。
図４（ａ）の縦軸は、シミュレーションにより求めた１６０℃からマイナス４０℃への温度変化により生じる応力（ＭＰａ）である。また、横軸はレンズ面４０ｃと成型体４０の下面４０ｂとの間の樹脂厚ＬＢ（ｍｍ）である。

発光素子チップには、図４（ｂ）のように、チップをダイパッド部１２から引き剥がす上向きの応力ＳＵと、チップに対して加わる下向き応力ＳＤと、が作用する。

樹脂厚ＬＢが２．３５ｍｍ（図３（ａ）の構造に対応）までは、主に上向きの応力ＳＵが略６０ＭＰａ作用する。樹脂厚ＬＢが２．３５ｍｍを越えると、下向きの応力ＳＤが増大し始める。樹脂厚ＬＢが２．７９ｍｍである図３（ｂ）の構造の場合、樹脂厚ＬＢが３．２３ｍｍである図３（ｃ）の構造の場合、の順序で上向きの応力（ＳＵ）と下向きの応力（ＳＵ）との絶対値の差が減少する。すなわち、発光素子３０やダイパッド部１２に加わる正味の応力が低減され、封止樹脂の剥離やクラックの発生などが抑制される。

さらに樹脂厚ＬＢが３．７３ｍｍである図３（ｄ）の構造では、重心４５の位置はダイパッド部１２の下面１２ｃの位置と略一致する。また、樹脂厚ＬＢが３．７３ｍｍよりも大きくなると、応力の低下の割合が鈍化する。本実施形態では、重心４５の位置は、凹部１３の底面１３ａとは反対側となるダイパッド部１２の下面１２ｃと屈曲部１４の上端１４ｕを含む面との間とすることが好ましい。また、重心４５の位置は、上方からみて発光素子３０の領域の内部とすることが好ましい。このような重心（設定）領域４８を、ドット線で示す。

さらに、重心４５の垂直方向の位置を、凹部１３の底面１３ａとダイパッド部１２の主面１２ａとの間とすると、発光素子３０へ加わる正味の応力が低減されるので、より好ましい。すなわち、第１の実施形態によれば、屈曲部を設けるために成型体４０の体積が増大しても、凹部１３の底面１３ａの下方の体積を増大することにより重心４５を発光素子３０へ近づけ、リードフレームと封止樹脂４０との間の線膨張係数の差により生じる応力を低減する。このために、リードフレームと封止樹脂４０との間、および発光素子３０と封止樹脂４０との間、の界面における剥離や封止樹脂４０のクラックを抑制できる。また、発光素子３０がダイパッド部１２から剥離することが抑制できる。このようにして、耐熱性が改善された発光素子３０が可能となる。

図５（ａ）は第２の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図５（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はフレネルレンズの模式断面図、である。
レンズを球形や凸形ではなく、フレネルレンズとすることができる。すなわち、レンズ部４２ａの上面に、図５（ｃ）の断面を形成すると、波面の変換に影響を与えない等位相面を削除したフレネルレンズ５０となり、厚さＬＵを小さくすることができる。

この場合、成型体４２の下面４２ｂと凹部１３の底面１３ａとの間の樹脂厚ＬＭが小さくても、成型体４２の重心４６を屈曲部１４の上端１４ｕとダイパッド部１２の下面１２ｃとの間の重心（設定）領域４８の内部とすることが容易である。すなわち、成型体４２の体積を大きくする必要がなく、例えば８０ｍｍ^３と小さくできる。また、アウターリードの先端部をガルウイング型ではなく、成型体４２の下面４２ｂの側に折り曲げると、発光装置の平面形状を小型にできる。

第１および第２の実施形態において、ダイパッド部に設けられた凹部、および屈曲部により発光装置の高出力化が容易となる。さらに、封止樹脂からなる成型体の重心を発光素子に近づけることにより、発光素子やリードに設けられた凹部へ加わる応力が低減され、封止樹脂の剥離やクラックが抑制される。このために、耐熱性が改善され、広い温度範囲において安定した電気的および光学的な特性を保つことができる。このような発光装置は、車載エクステリアや信号機などの用途に広く応用可能である。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明を構成するリードフレーム、成型体、発光素子、レンズ、の材質、形状、サイズ、配置などに関して、当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

１０第１のリード、１２ダイパッド部、１２ａ（ダイパッド部）主面、１２ｃ（ダイパッド部）下面、１３凹部、１３ａ（凹部）底面、１４、２４屈曲部、１４ｃ（屈曲部）上端、１５、２５スリット、１７、２７折り目、２０第２のリード、３０発光素子、４０、４２成型体、４５、４６重心、４８重心（設定）領域、５０フレネルレンズ

Claims

主面および前記主面に設けられた凹部を有するダイパッド部と、前記主面の上方に折り曲げられた屈曲部と、を有する第１のリードと、
前記凹部の底面に接着された発光素子と、
一方の端部が前記第１のリードの一方の端部と対向した第２のリードと、
前記発光素子と、前記屈曲部と、前記ダイパッド部と、前記第２のリードの前記一方の端部と、を覆い、前記第１のリードの他方の端部および前記第２のリードの他方の端部をそれぞれ突出させた透明樹脂からなる成型体と、
を備え、
前記成型体の重心の位置は、前記凹部の前記底面とは反対側となる前記ダイパッド部の下面と前記屈曲部の上端を含む面との間、かつ上方からみて前記発光素子の領域内とされたことを特徴とする発光装置。
前記第２のリードは、主面の上方に折り曲げられた屈曲部を有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記第１のリードは、第１、第２および第３の屈曲部を含み、
前記第２のリードの前記屈曲部は、前記第１、第２および第３の屈曲部のいずれか1つと対向するように設けられたことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
前記第１のリードの前記屈曲部の折り目の両端および前記第２のリードの前記屈曲部の折り目の両端には、スリットがそれぞれ設けられ、
前記成型体は、前記スリットを貫通することを特徴とする請求項２または３に記載の発光装置。
前記成型体の光出射側には、凸レンズまたはフレネルレンズが設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。