JP2013131581A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】実施形態は、光の指向性を簡便に制御することが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】実施形態は、第１のリードと、前記第１のリードに固着された発光素子と、前記発光素子に金属ワイヤを介して電気的に接続された第２のリードと、を備える。さらに、前記第１のリードと、前記発光素子と、前記第２のリードと、を覆い、前記発光素子から放射された光を透過する樹脂であって、前記第１のリードの前記発光素子が固着された面に対して垂直な側面と、前記発光素子が固着された面に対向する上面と、を有し、前記側面と前記上面とが交差する部分において、前記発光素子から放射された光の前記側面に対する入射角が、全反射の臨界角よりも大きい樹脂と、を備える。
【選択図】図１

Description

実施形態は、発光装置に関する。
発光装置は、照明、ディスプレイ、表示等、様々な用途に使用され、それぞれの用途に適合した光指向性が求められる。例えば、発光素子を樹脂封止した発光装置では、樹脂に凹凸形状を持たせ、そのレンズ効果により光指向性を制御している。また、樹脂に光を拡散する物質を添加する方法も用いられる。しかしながら、複雑な凹凸形状が樹脂の成形工程における生産効率を低下させる場合がある。また、所望の凹凸形状を樹脂成形できない場合もある。
実開昭６４−３４６８３号公報
実施形態は、光の指向性を簡便に制御することが可能な発光装置を提供する。
実施形態に係る発光装置は、第１のリードと、前記第１のリードに固着された発光素子と、前記発光素子に金属ワイヤを介して電気的に接続された第２のリードと、を備える。さらに、前記第１のリードと、前記発光素子と、前記第２のリードと、を覆い、前記発光素子から放射された光を透過する樹脂であって、前記第１のリードの前記発光素子が固着された面に対して垂直な側面と、前記発光素子が固着された面に対向する上面と、を有し、前記側面と前記上面とが交差する部分において、前記発光素子から放射される光の前記側面に対する入射角が、全反射の臨界角よりも大きい樹脂を備える。
第１実施形態に係る発光装置を表した模式図である。 第１実施形態に係る発光装置の製造過程を表した模式断面図である。 第１実施形態に係る発光装置の特性を表す模式断面図である。 第１実施形態に係る発光装置の特性を表すグラフである。 第１実施形態の変形例に係る発光装置を表した模式図である。 第２実施形態に係る発光装置を表した模式図である。 第２実施形態の変形例に係る発光装置を表した模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。また、図中に示すＸＹＺ直交座標を必要に応じて参照する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発光装置１００を表した模式図である。図１（ａ）は、発光装置１００の外観を表した斜視図であり、図１（ｂ）は、発光装置１００を模式的に表した断面図である。
発光装置１００は、第１のリード１０と、発光素子２０と、第２のリード３０と、を備える。発光素子２０は、例えば、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）である。
図１（ａ）に示すように、発光素子２０は、第１のリード１０に、例えば、銀（Ａｇ）ペースト２１を介して固着される。そして、第２のリード３０は、金属ワイヤ２５を介して発光素子２０に電気的に接続される。すなわち、発光素子２０の上部電極２３と、第２のリード３０と、の間が、金属ワイヤ２５により接続される。
発光装置１００は、第１のリード１０と、発光素子２０と、第２のリード３０と、金属ワイヤ２５と、を覆う樹脂４０と、をさらに備える。樹脂４０は、発光素子２０から放射される光を透過する。そして、樹脂４０は、第１のリード１０の発光素子が固着された面１０ａに垂直な４つの側面４０ｂと、発光素子が固着された面１０ａに対向する上面４０ａと、を有する。
また、図１（ｂ）に示すように、樹脂４０の下面４０ｃに、第１のリード１０の裏面１０ｂ、および、第２のリード３０の裏面３０ｂを露出させる。
発光装置１００は、表面実装型のデバイスであり、各リードの裏面１０ｂおよび裏面３０ｂを、例えば、実装基板のランドパターンにボンディングする。そして、図示しない外部回路から駆動電流の供給を受け、発光素子２０を発光させる。
次に、図２を参照して、発光装置１００の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、発光装置１００の製造過程を表した模式断面図である。
図２（ａ）に示すように、複数の発光素子２０を、複数の第１リード１０および第２リード３０を含むリードフレームシート５の上にボンディングする。発光素子２０は、第１のリード１０の上にＡｇペースト２１を介してダイボンディングされる。そして、発光素子２０と、第２のリード３０と、の間を、金属ワイヤ２５により接続する。
リードフレームシート５は、例えば、エッチング法を用いて銅プレートを加工することにより形成される。そして、リードフレームシート５の下面には、例えば、ポリイミドからなる補強テープ２４が貼り付けられる。これにより、発光素子２０のダイボンディング時、および、金属ワイヤ２５のボンディング時におけるリードフレームシート５の強度を確保する。
次に、図２（ｂ）に示すように、発光素子２０を搭載したリードフレームシート５の上に、例えば、真空成形法を用いて樹脂層５０をモールドする。樹脂層５０には、例えば、シリコーンを用いることができる。
次に、図２（ｃ）に示すように、リードフレームシート５から補強テープ２４を引き剥がし、リードフレームシート５および樹脂層５０を、ダイシングブレード７を用いて切断する。この際、図２（ｃ）に示すように、リードフレームシート５の裏面側からダイシングしても良いし、樹脂層５０の表面側からダイシングしても良い。
このように、発光装置１００は、専用の金型を用いることなく、簡便な方法により製作することができる。そして、発光装置１００は、ダイシングブレード７により切断された４つの側面４０ｂと、上面４０ａと、を有する。各側面４０ｂは、発光素子２０が固着された面１０ａを含む平面に対して垂直に形成される。
次に、図３および図４を参照して、発光装置１００の特性について説明する。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、それぞれ発光素子２０から放射される光の伝播方向を表しており、樹脂４０のＺ方向の高さＨが異なる。
図３（ａ）は、樹脂４０の高さが図３（ｂ）に示す例よりも高く、樹脂４０の側面において光の全反射が生じる場合を示している。発光素子２０から放射される光Ｌ１は、樹脂４０の上面４０ａの方向に伝播し外界に放出される。一方、側面４０ｂの方向に伝播する光では、樹脂４０と外界との界面で全反射される光Ｌ３と、樹脂４０と外界との界面を通過して外界に放出される光Ｌ４と、が生じる。
例えば、光Ｌ２の側面４０ｂへの入射角は、全反射の臨界角θＴに等しい。光Ｌ２は、側面４０ｂに入射した後、側面４０ｂに沿って上方（Ｚ方向）に伝播し外界へ放出される。そして、光Ｌ２よりも大きな角度で側面４０ｂに入射する光Ｌ３は、側面４０ｂで全反射され上面４０ａから外界に放出される。一方、光Ｌ２よりも小さな入射角で側面４０ｂに入射する光Ｌ４は、樹脂４０と外界との界面を通過して外部に放出される。
言い換えれば、発光素子２０が固着された面１０ａを含む平面と、光Ｌ２が側面４０ｂに入射するＡ点と、の間において、側面４０ｂに入射する光は、樹脂４０と外界との界面を通過する。一方、Ａ点と上面４０ａとの間において側面４０ｂに入射する光は、樹脂４０と外界との界面において全反射され、上面４０ａから外界に放出される。
なお、全反射の臨界角は、樹脂４０の外部の媒質の屈折率により異なる。したがって、発光装置１００を空気中で使用する場合には、樹脂４０の外部が空気である場合の全反射の臨界角と定義すればよい。また、樹脂４０の外部の媒質が空気とは異なる屈折率を有する場合（例えば、樹脂４０の外部の媒質が、空気とは異なる気体、あるいは、液体、流体、固体などである場合）には、その媒質の屈折率に対応する全反射の臨界角と定義することができる。
本願明細書において、樹脂４０の外部に設けられる媒質あるいはその屈折率が明白である場合には、その媒質が有する屈折率に対応する全反射の臨界角と定義する。樹脂４０の外部に設けられる媒質が明白でない場合には、外部の媒質が空気である場合の全反射の臨界角と定義する。
樹脂４０の高さＨを高くしてＡ点と上面４０ａとの間の間隔Ｈ１を広くすれば、側面４０ｂで全反射される光Ｌ３のうちの、上面４０ａへの入射角が小さい光が増える。すなわち、側面４０ｂの高い位置で全反射される光ほど、上面４０ａへの入射角が小さくなる。このため、上方（Ｚ方向）へ放射される光の割合が増え、指向性が狭くなる。
一方、図３（ｂ）に示すように、樹脂４０の高さＨを低くしてＨ１を狭くすれば、側面４０ｂで全反射される光の上面４０ａへの入射角が大きくなる。さらに、上面４０ａに直接入射する光のうちに、入射角が大きい光Ｌ５が生じる。このため、横方向（Ｘ方向）への伝播成分を有する光が多くなり、指向性が広がる。
さらに、図３（ｃ）に示すように、樹脂４０の高さＨをＡ点よりも低くすれば、側面４０ｂにおいて全反射が生じなくなる。これにより、側面４０ｂに入射する光は、樹脂４０と外界との界面を通過し、横方向に放射される。そして、上面４０ａに直接入射する光のうちに、入射角が光Ｌ５よりも大きい光Ｌ６が生じ、指向性がさらに広くなる。
このように、本実施形態に係る発光装置１００では、樹脂４０の高さＨを変化させることにより、放射光の指向性を制御する。例えば、放射光の指向性を狭くするには、樹脂４０の高さをＡ点よりも高くする。少なくとも、側面４０ｂと上面４０ａとが交差する部分において、発光素子２０から放射される光の側面４０ｂに対する入射角を、側面における全反射の臨界角θＴよりも大きくする。すなわち、次式（１）の条件が満足されれば良い。

ｔａｎθＴ ≦ ２Ｈ／Ｗ または２Ｈ／Ｌ ・・・（１）

ここで、Ｗは、樹脂４０のＸ方向の幅であり、Ｌは、樹脂４０のＹ方向の幅である。
さらに、Ａ点と上面４０ａとの間隔Ｈ１を、Ａ点と、発光素子２０が固着された面１０ａを含む平面と、の間隔Ｈ２よりも広くしてもよい。言い換えれば、側面４０ｂにおいて、発光素子２０の光を全反射する部分のＺ方向の幅を、発光素子２０の光を透過させる部分のＺ方向の幅よりも広くしてもよい。
図４は、Ａ点と、面１０ａを含む平面と、の間隔Ｈ２を表すグラフである。横軸は、樹脂４０の側面４０ｂと、発光素子２０の中心と、の間の間隔である。例えば、発光素子２０を樹脂４０の下面４０ｃの中央に配置し、樹脂４０のＸ方向の幅をＷとすれば、横軸は、Ｗ／２である。Ｙ方向の幅Ｌに対しても同様に表すことができる。
グラフＢ、Ｃ、ＤおよびＥは、樹脂４０の屈折率がそれぞれ１．８、１．６、１．５および１．４の場合を示している。また、屈折率１．８、１．６、１．５および１．４に対する全反射の臨界角θＴは、それぞれ、３６．８度、３８．６８度、４１．８１度および４５．５８度である。屈折率が高いほど、全反射の臨界角θＴは小さくなり、Ｈ２は狭くなる。また、樹脂４０の幅Ｗを広くするほど、Ｈ２を広くすることができる。
例えば、発光装置１００の指向性を狭くするためには、Ｈ２に対しＨ１を広くする。すなわち、樹脂４０の高さＨを高くするか、Ｘ方向の幅Ｗ、および、Ｙ方向の幅Ｌを狭くする。また、その両方であっても良い。また、Ｘ方向の幅ＷおよびＹ方向の幅Ｌのいずれかを、他方よりも狭くすることにより、その方向における指向性をより狭くすることもできる。
さらに、樹脂４０の屈折率を高くするとよい。例えば、樹脂４０の材料として、屈折率の高い樹脂を用いる。また、樹脂４０が、発光素子２０の放射する光を透過する基材と、その基材の屈折率を高くする材料と、を含んでも良い。例えば、シリコーンを基材として、シリカを含有させる。また、エポキシ樹脂を基材として、シリカを含有させても良い。
一方、発光装置１００の指向性を広くするためには、Ｈ１をＨ２に対して狭くするか、または、樹脂４０の高さをＨ２よりも低くする。すなわち、樹脂４０の高さを低くすると共に、Ｘ方向の幅ＷおよびＹ方向の幅Ｌを広くする。さらに、樹脂４０の屈折率を低くすれば良い。
図５は、第１実施形態の変形例に係る発光装置を表した模式図である。図５（ａ）は、発光装置２００を表した斜視図である。図５（ｂ）は、発光装置３００を表した斜視図である。
図５（ａ）に示す発光装置２００は、第１のリード１３と、発光素子２０と、第２のリード３３と、を備える。発光素子２０は、例えば、ＬＥＤであり、第１のリード１３に固着される。そして、第２のリード３３は、金属ワイヤ２５を介して発光素子２０に電気的に接続される。
発光装置２００は、第１のリード１３と、発光素子２０と、第２のリード３３と、金属ワイヤ２５と、を覆う樹脂４３をさらに備える。樹脂４３は、発光素子２０から放射される光を透過し、第１のリード１３の発光素子２０が固着された面１３ａに垂直な４つの側面４３ｂと、発光素子が固着された面１３ａに対向する上面４３ａと、を有する。
樹脂４３のＺ方向の高さＨは、例えば、Ｘ方向の幅ＷおよびＹ方向の幅Ｌよりも高い。ここで、樹脂４３の高さＨは、発光素子２０が固着された面１３ａと、上面４３ａと、の間の間隔である。これにより、上面４３ａに入射する光の入射角θ０を小さくし、指向性を狭くすることができる。言い換えれば、発光素子２０から放射された光を、樹脂４３の内部でＺ方向に導波させる。これにより、上面４３ａからＺ方向へ放射される光出力を大きくし、指向性を狭くすることができる。
図５（ｂ）に示す発光装置３００は、ベース６０と、ベース６０の上に固着された発光素子２０と、樹脂４５と、を備える。
ベース６０は、絶縁性のプレートであり、その表面に、例えば、導電性を有するリード１５およびリード３５が離間して設けられる。発光素子２０は、リード１５の表面に固着される。そして、リード３５と、発光素子２０と、の間が、金属ワイヤ２５を介して電気的に接続される。リード１５およびリード３５は、例えば、ベース６０の裏面６０ｂの側で外部回路に接続される。
樹脂４５は、ベース６０と発光素子２０とを覆い、発光素子２０から放射された光を透過する。また、樹脂４５は、ベース６０の発光素子２０が固着された面６０ａに垂直な側面４５ｂと、ベース６０の面６０ａに対向する上面４５ａと、を有する。そして、側面４５ｂと上面４５ａとが交差する部分において、発光素子２０から放射された光の側面４５ｂに対する入射角は、側面における全反射の臨界角よりも大きい。
樹脂４５は、円柱上の外形を有し、例えば、射出成形（injection mold）を用いて容易に形成できる。上面４５ａの形状は円形であり、これに対向する下面において、その中心に発光素子２０が配置される。樹脂４５の高さＨは、上面４５ａの直径ＲＷよりも高い。
発光素子２０の光は、樹脂４５の側面４５ｂで全反射されながらＺ方向に導波され、上面４５ａから外界へ放射される。このため、上面４５ａから放射される光の指向性は、Ｚ方向に強く、ＸＹ平面において等方的である。
また、本変形例に係る発光装置２００においても、発光素子２０から放射された光が側面４３ｂにおいて全反射される部分のＺ方向の幅は、発光素子２０から放射された光が、側面４３ａを透過する部分のＺ方向の幅よりも広い。発光装置３００においても同様である。さらに、樹脂４３および４５は、その基材の屈折率を上げる材料を含んでも良い。
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る発光装置４００を模式的に表した斜視図である。発光装置４００は、発光素子２０と、第１のリード１０と、第２のリード３０と、を備える。そして、発光素子２０と、第１のリード１０と、第２のリード３０と、を覆う樹脂４７をさらに備える。図６では、簡単のため、第１のリード１０および第２のリード３０を図示していない（図１参照）。
発光装置４００では、樹脂４７の上面４７ａに複数の溝４７ｄ、４７ｅ、４７ｆおよび４７ｇが設けられる。溝４７ｄ〜４７ｇは、例えば、ダイシングブレードを用いて樹脂４７をハーフカットすることにより形成できる。溝４７ｄと、溝４７ｅとは、Ｙ方向に平行にカットされ、溝４７ｆと、溝４７ｇとは、Ｘ方向に平行にカットされる。そして、樹脂４７の中央に、上面４７ｈと、それに接する４つの側面４７ｂと、を含む部分が形成される。樹脂４７は、その基材の屈折率を高くする材料を含んでも良い。
発光素子２０は、樹脂４７の下面側の中央に、上面４７ｈに対向して配置される。そして、溝４７ｄ〜４７ｇの底面と、発光素子２０が固着された面と、の間の間隔Ｈ３は、Ｈ２（図３参照）と同じか、Ｈ２よりも狭く形成される。これにより、発光素子２０から放射される光のうちの側面４７ｂの方向に伝播する光は、側面４７ｂで全反射され上面４７ａの方向に伝播する。このため、Ｚ方向における光出力が向上し、指向性が狭なる。
図７は、第２実施形態の変形例に係る発光装置５００を表した模式図である。図７（ａ）は、発光装置５００を模式的に表した斜視図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるVIIb−VIIb線に沿った断面図である。
発光装置５００は、発光素子２０と、第１のリード１０と、第２のリード３０と、を備える。そして、発光素子２０と、第１のリード１０と、第２のリード３０と、を覆う樹脂４９をさらに備える。
樹脂４９の上面４９ａの中央には、円形の溝４９ｄが設けられる。溝４９ｄは、例えば、射出成形法を用いて容易に成形することができる。樹脂４９は、その基材の屈折率を高くする材料を含んでも良い。溝の形状は円形に限らず、例えば、楕円、多角形であっても良い。
発光素子２０は、樹脂４９の下面側の中央に、円形の上面４９ｈの中心に対向して配置される。そして、溝４９ｄの底面４９ｊと、発光素子２０が固着された面１０ａを含む平面と、の間の間隔Ｈ３は、Ｈ２（図３参照）と同じか、Ｈ２よりも狭く形成される。これにより、発光素子２０から放射される光のうち、溝４９ｄの側面４９ｂの方向に伝播する光は、側面４９ｂにおいて全反射され上面４９ｈの方向に伝播する。このため、Ｚ方向における光出力が向上し、指向性が狭くなる。
本実施形態では、例えば、発光装置４００および５００のサイズを縮小せずに、Ｚ方向の光出力を向上させ、指向性を狭くすることができる。例えば、ＸＹ平面におけるサイズを実装基板のランドパターンに合わせる場合など、発光装置のサイズを縮小することが難しい場合に有効である。また、実装スペースの制限により樹脂４７の高さＨを高くできない場合にも効果的である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
５・・・リードフレームシート、 ７・・・ダイシングブレード、 １０、１３、３０、３３・・・リード、 １０ａ、１３ａ・・・リードの面、 １０ｂ、３０ｂ・・・リードの裏面、 １５、３５・・・リード、 ２０・・・発光素子、 ２１・・・銀ペースト、 ２３・・・上部電極、 ２４・・・補強テープ、 ２５・・・金属ワイヤ、 ４０、４３、４５、４７、４９・・・樹脂、 ４０ａ、４３ａ、４５ａ、４７ａ、４７ｈ、４９ａ、４９ｈ、・・・樹脂の上面、 ４０ｂ、４３ｂ、４５ｂ、４７ｂ、４９ｂ・・・樹脂の側面、 ４０ｃ・・・樹脂の下面、 ４７ｄ、４７ｅ、４７ｆ、４７ｇ、４９ｄ・・・溝、 ４９ｊ・・・溝の底面、 ５０・・・樹脂層、 ６０・・・ベース、 ６０ａ・・・ベースの面、 ６０ｂ・・・ベースの裏面、 θＴ・・・臨界角、 １００、２００、３００、４００、５００・・・発光装置

Claims (5)

  1. 第１のリードと、
    前記第１のリードに固着された発光素子と、
    前記発光素子に金属ワイヤを介して電気的に接続された第２のリードと、
    前記第１のリードと、前記発光素子と、前記第２のリードと、を覆い、前記発光素子から放射された光を透過する樹脂であって、前記第１のリードの前記発光素子が固着された面に対して垂直な側面と、前記発光素子が固着された前記面に対向する上面と、を有し、前記側面と前記上面とが交差する部分において、前記発光素子から放射された光の前記側面に対する入射角が、前記側面における全反射の臨界角よりも大きい樹脂と、
    を備えた発光装置。
  2. ベースと、
    前記ベース上に固着された発光素子と、
    前記ベースと前記発光素子とを覆い、前記発光素子から放射された光を透過する樹脂であって、前記ベースの前記発光素子が固着された面に対して垂直な側面と、前記発光素子が固着された面に対向する上面と、を有し、前記側面と前記上面とが交差する部分において、前記発光素子から放射された光の前記側面に対する入射角が、前記側面における全反射の臨界角よりも大きい樹脂と、
    を備えた発光装置。
  3. 前記発光素子が固着された面に対して垂直な方向にみて、前記側面のうちの前記発光素子から放射された光が全反射される部分の幅は、前記発光素子から放射された光が透過する部分の幅よりも広い請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記樹脂は、前記発光素子から放射される光を透過する基材と、前記基材の屈折率を高くする材料と、を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
  5. 前記樹脂は、前記発光素子が固着された面に対して垂直な４つの側面を有した請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。
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