JP2013168542A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】優れた放熱効率を有する発光ダイオードを提供する。
【解決手段】本発明に係る発光ダイオードは、基板と、前記基板に設置される発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを前記基板に実装する封止体と、を備え、前記基板は、導電しないセラミック材料からなり、前記基板には、回路層が形成され、前記発光ダイオードチップは、前記基板に直接的に結合され且つ前記回路層に電気的に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオードに関するものである。

半導体発光素子を採用して製作された発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）は、高輝度、低作動電圧及び低消費電力であり、集積回路にマッチングし易く、駆動が簡単であり、長寿命である等の利点を有することから、冷陰極蛍光管（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ，ＣＣＦＬ）に代わって光源として照明分野に広く応用される。

従来の発光ダイオードは、発光ダイオードチップを銀ペーストのような導電接着剤によってプリント基板（ＰＣＢ）に接着してから、該プリント基板を金属基板に結合する。前記発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードチップと前記金属基板との間には介在層が多く、即ち前記発光ダイオードチップから生じる熱は、ベース、電極、導電接着剤、ＰＣＢを通じて前記金属基板に伝導するので、比較的大きい熱抵抗が存在し、前記発光ダイオードチップから生じる熱を即時に放熱させることができない。前記発光ダイオードチップから生じる熱を即時に放熱できないと、前記発光ダイオードチップの温度が高くなりすぎてしまい、その発光効率に影響を与える。

本発明の目的は、上述した問題を解決し、優れた放熱効率を有する発光ダイオードを提供することである。

本発明に係る発光ダイオードは、基板と、前記基板に設置される発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを前記基板に実装する封止体と、を備え、前記基板は、導電しないセラミック材料からなり、前記基板には、回路層が形成され、前記発光ダイオードチップは、前記基板に直接的に結合され且つ前記回路層に電気的に接続される。

本発明に係る発光ダイオードは、基板に回路層を形成し、発光ダイオードチップは前記基板に結合して、前記発光ダイオードチップと前記基板との間の介在層を効果的に減少させるので、前記発光ダイオードチップから生じる熱は、直接的に前記基板に伝導し、且つ発散して、これにより前記発光ダイオードの発光効率を高めるとともに、前記発光ダイオードの使用寿命を延長することができる。

本発明の第一実施形態に係る発光ダイオードの立体図である。 図１に示す発光ダイオードの断面図である。 本発明の第二実施形態に係る発光ダイオードの断面図である。 本発明の第三実施形態に係る発光ダイオードの断面図である。 本発明の第四実施形態に係る発光ダイオードの断面図である。 本発明の第五実施形態に係る発光ダイオードの断面図である。

図１を参照すると、本発明の第一実施形態に係る発光ダイオード１００は、基板１０と、前記基板１０に固定された発光ダイオードチップ（ＬＥＤ ｄｉｅ）２０と、前記発光ダイオードチップ２０を覆う封止体３０と、外界電源に接続される電極４０と、を備える。

前記基板１０は、方形の平板状であり、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＢ_２、Ａｌ_ｘＯ_ｙ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、Ｓｉａｌｏｎ又は前記材料の混合物のような、導電せず、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低いセラミック材料を採用することができる。

図２を参照すると、本実施形態において、前記基板１０の上表面１２の中央位置は下へ凹んで、前記発光ダイオードチップ２０を収容するためのキャビティ１４を形成し、前記キャビティ１４の底部には、回路層１６が形成される。

前記回路層１６は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属又はその合金とするか、又は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）などのような透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすることもできる。

前記回路層１６は、スパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒ）、物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＶＤ）、及び電子ビーム蒸着法（ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような物理的蒸着法、または化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）及び電気めっき化学蒸着のような化学的蒸着法によって前記基板１０に形成されるか、又はスクリーン印刷によって材料を前記基板１０に印刷してから、乾燥、焼結、レーザー照射などによって形成される。

本実施形態において、複数の前記発光ダイオードチップ２０は、前記基板１０のキャビティ１４にマトリックス状に配列される。各々の前記発光ダイオードチップ２０から発する光線が互いに影響しないように、前記発光ダイオードチップ２０の間の距離は５００μｍ以上であり、好ましくは９００μｍ以上であり、さらに好ましくは１０００μｍ以上である。前記発光ダイオードチップ２０の寸法は、長さが３５０μｍ以下であり、厚さが２００μｍ以下であり、好ましくは長さが３００μｍ以下であり、厚さが１５０μｍ以下であり、さらに好ましくは長さが２５０μｍ以下であり、厚さが１００μｍ以下である。

前記発光ダイオードチップ２０は、燐化物（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｐ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））、砒化物（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））、蛍光材料を励起することができる長い波長の光を発する半導体材料であるＺｎＯのような酸化物、ＧａＮのような窒化物、蛍光材料を励起することができる短い波長の光を発する窒化物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））とすることができる。本実施形態において、前記発光ダイオードチップ２０は、蛍光材料を励起することができる短い波長の光を発する窒化物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１））が採用され、且つＵＶ光から赤色光までを発する。

前記発光ダイオードチップ２０は、ベース２２、ＰＮ接合２４、並びにＰ型及びＮ型の電極２６を備える。前記Ｐ型及びＮ型の電極２６は、前記発光ダイオードチップ２０の頂部（出光面）の両側に設けられ、且つワイヤボンディング方式によって前記回路層１６に接続されて、前記発光ダイオードチップ２０の熱伝導経路と電流経路とは互いに分離されて妨害されない。

本実施形態において、前記発光ダイオードチップ２０及び前記回路層１６は交互に設置される。前記発光ダイオードチップ２０と前記基板１０との間の隙間を補い、且つ両者の間の接触熱抵抗を減少させて、前記発光ダイオードチップ２０の熱伝導を加速させるために、前記発光ダイオードチップ２０のベース２２は、銀ペースト５０によって、前記基板１０の前記回路層１６が形成されない部分に直接的に接着される。他の実施形態においては、前記発光ダイオードチップ２０と前記基板１０との接続位置にはんだペーストを印刷してから両者を溶着する。また、共晶接合（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ）方式を利用して、前記発光ダイオードチップ２０を前記基板１０に結合することにより、前記発光ダイオードチップ２０と前記基板１０との間の接触熱抵抗を減少させる。即ち、先ず前記発光ダイオードチップ２０のベース２２及び前記基板１０に金属層（図示せず）をめっきしてから、２つの前記金属層を特定温度で焼いて共晶接合（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ）させることによって、前記発光ダイオードチップ２０を前記基板１０に結合する。前記金属層の材料は、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｂｅなどの金属又はその合金である。

前記発光ダイオードチップ２０のベース２２は、真性半導体（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）又は他の不純物を故意でなくドープした半導体（ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｏｐｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）である。前記ベース２２のキャリヤー濃度（ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）は、５×１０^６ｃｍ^−３以下であり、好ましくは２×１０^６ｃｍ^−３以下である。前記ベース２２のキャリヤー濃度が低ければ低いほど、その導電率も低く、前記ベース２２を流れる電流を隔絶することができる。前記ベース２２の材料は、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＮのような半導体材料、又はダイヤモンドのような優れた熱伝導性能を有し且つ導電性能が乏しい材料とすることができる。前記発光ダイオードチップ２０のベース２２の熱膨張係数は、前記基板１０の熱膨張係数に近いので、前記基板１０と前記発光ダイオードチップ２０とを結合してから、熱に耐えることができ、より大きい範囲の操作温度が許容される。

前記封止体３０は、前記発光ダイオードチップ２０及び前記回路層１６を覆う。前記封止体３０には、シリコン、エポキシ樹脂、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ポリマ、低融点ガラスなどの透光材料が採用される。前記封止体３０は、射出成形方式によって半球形、方形などのいろいろな形状とすることができる。本実施形態において、前記封止体３０は、前記基板１０のキャビティ１４に充填されて、前記封止体３０の外側表面と前記基板１０の上表面１２とは、同一平面に位置する。前記発光ダイオードチップ２０が発する光線の波長を転換するために、前記封止体３０に硫化物、アルミン酸塩、酸化物、ケイ酸塩又は窒化物のような少なくとも１つの蛍光材料を充填することができる。

前記電極４０は、前記基板１０に形成され且つ前記封止体３０の外部に暴露されており、前記電極４０の一端は前記回路層１６に電気的に接続され、前記電極４０の他端は外界電源に接続されて、前記発光ダイオードチップ２０に電流を提供する。前記電極４０の材料は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属又はその合金とするか、又は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）などのような透明導電性酸化物（ＴＣＯ）とすることができる。

前記発光ダイオード１００が作動する際、前記電極４０は、外界電源の正、負電極に接続され、前記発光ダイオードチップ２０に電流を提供し、前記発光ダイオードチップ２０の操作電流は、５０ｍＡ以下であり、好ましくは３０ｍＡ以下であり、さらに好ましくは２０ｍＡ以下であり、前記発光ダイオードチップ２０の操作電流密度は、５０Ａ/ｃｍ^２以下であり、好ましくは４０Ａ/ｃｍ^２以下であり、さらに好ましくは３０Ａ/ｃｍ^２以下である。

前記発光ダイオード１００の発光ダイオードチップ２０は前記基板１０に直接的に結合されているので、前記発光ダイオードチップ２０と前記基板１０との間の介在層を効果的に減少させることができ、前記発光ダイオードチップ２０から生じる熱は、前記基板１０に迅速に伝導され、最終的には高熱伝導効率を有する前記基板１０から放熱されて、このように前記発光ダイオード１００の放熱効率を高めて、前記発光ダイオードチップ２０の低温作動状態を維持し、前記発光ダイオード１００の性能及び使用寿命を高める。

図３を参照すると、本発明の第二実施形態に係る発光ダイオード３００が示され、前記第一実施形態と共通する部分は、前記第一実施形態と同符号を付して説明に代える。本実施形態において、基板３１０には、互いに離間する複数のキャビティ３１４が形成され、各々の前記キャビティ１４には、発光ダイオードチップ２０が収容されている。前記キャビティ３１４は、外に向かって次第に拡張されて、前記発光ダイオードチップ２０が発する光線を外界に照射する。前記キャビティ３１４の底部の面積は、前記発光ダイオードチップ２０の面積より大きく、前記発光ダイオードチップ２０のベース２２は、粘着材料３５０によって前記基板３１０に粘着され、前記発光ダイオードチップ２０の側面と前記基板３１０との間には、隙間が形成され、前記発光ダイオードチップ２０の出光面と前記基板３１０の上表面３１２とは、ほぼ同一平面上に位置する。前記発光ダイオードチップ２０は、封止体３３０によって密封される。前記封止体３３０は、前記発光ダイオードチップ２０と前記基板３１０との間の隙間に充填される内層３３２、及び前記基板３１０の上表面３１２に位置する外層３３４を備える。前記封止体３３０の外層３３４には、蛍光材料が充填されており、前記外層３３４の外表面３３６は、平面状である。

図４を参照すると、本発明の第三実施形態に係る発光ダイオード４００が示され、前記第一実施形態と共通する部分は、前記第一実施形態と同符号を付して説明に代える。本実施形態において、発光ダイオードチップ２０のベース２２と基板４１０との間の隙間には、電気絶縁性を有する熱伝導グリス４６０を充填して、前記発光ダイオードチップ２０と前記基板４１０との間の熱伝導効率を増加させる。封止体４３０は、前記発光ダイオードチップ２０のＰＮ接合２４と前記基板４１０との間の隙間に充填された内層４３２、及び前記基板４１０の上に位置する外層４３４を備える。

図５を参照すると、本発明の第四実施形態に係る発光ダイオード５００が示され、前記第一実施形態と共通する部分は、前記第一実施形態と同符号を付して説明に代える。本実施形態において、封止体５３０は、発光ダイオードチップ２０のＰＮ接合２４と基板５１０との間の隙間に充填された内層５３２、前記基板５１０の上に位置する中間層５３４、及び前記中間層５３４の上に位置する外層５３６を備え、前記外層５３６には、蛍光材料が充填されており、前記中間層５３４には、分散剤が充填されており、前記外層５３６の外表面５３８は、外へ突出した曲面であり、前記外層５３６と前記中間層５３４との間の界面５３５は、平面である。前記発光ダイオードチップ２０のベース２２と前記基板５１０との間の隙間には、電気絶縁性を有する熱伝導グリス５６０を充填して、前記発光ダイオードチップ２０と前記基板５１０との間の熱伝導効率を増加させて、前記発光ダイオードチップ２０の熱を迅速に発散する。

上述の実施形態において、前記発光ダイオードチップ２０は、基板１０、３１０、４１０、５１０の内部に完全に収容されており、封止体３０、３３０、４３０、５３０は一体構造を呈して複数の前記発光ダイオードチップ２０を覆う。図６を参照すると、本発明の第五実施形態に係る発光ダイオード６００が示され、前記第一実施形態と共通する部分は、前記第一実施形態と同符号を付して説明に代える。本実施形態において、発光ダイオードチップ２０のＰＮ接合２４は、基板６１０の外部に突出し、前記発光ダイオードチップ２０のベース２２と前記基板６１０との間の隙間には、熱伝導グリス６６０が充填される。封止体６３０は、互いに離間する複数の封止単体を備え、各々の前記封止単体は、対応する前記発光ダイオードチップ２０を密封するので、各々の前記発光ダイオードチップ２０から発せられる光線は、互いに妨害するか又は吸収することがなく、従って前記発光ダイオードチップ２０の分布も距離の制限を受けず、前記発光ダイオード６００の出光率を効果的に高める。

上述の実施形態において、前記発光ダイオードチップ２０のＰ型及びＮ型電極２６は、前記発光ダイオードチップ２０の同じ側面に形成され、前記発光ダイオードチップ２０は、前記基板１０、３１０、４１０、５１０、６１０の、回路層１６が形成されなかった部分に結合される。他の実施形態において、発光ダイオードチップのＰ型及びＮ型電極は、前記発光ダイオードチップの対向する両側に形成され、例えば、前記発光ダイオードチップの上面及び底面に形成され、この場合、前記発光ダイオードチップのベースには、高ドープ半導体（Ｈｅａｖｉｌｙ ｄｏｐｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を採用することができ、そのキャリヤー濃度（ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）が高ければ高いほど、その導電率も良く、前記キャリヤー濃度は５×１０^８ｃｍ^−３以上であり、好ましくは１×１０^９ｃｍ^−３以上であり、このようにすると、電流が前記発光ダイオードチップ２０のベースに流れることになる。前記発光ダイオードチップは、基板の回路層に設置され、前記発光ダイオードチップの底面に位置する電極は、前記回路層に電気的に接続され、前記発光ダイオードチップの上面に位置する電極は、ワイヤボンディング方式によって前記回路層に接続される。

以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種種の変更が可能であることは勿論であって、本発明の技術的範囲は、以下の特許請求の範囲から決まる。

１００，３００，４００，５００，６００ 発光ダイオード
１０，３１０，４１０，５１０，６１０ 基板
１２，３１２ 上表面
１４，３１４ キャビティ
１６ 回路層
２０ 発光ダイオードチップ
２２ ベース
２４ ＰＮ接合
２６，４０ 電極
３０，３３０，４３０，５３０，６３０ 封止体
３２，３３６，５３８ 外表面
３３２，４３２，５３２ 内層
３３４，４３４，５３６ 外層
３５０ 粘着材料
４６０，５６０，６６０ 熱伝導グリス
５３４ 中間層
５３５ 界面

Claims (8)

1. 基板と、前記基板に設置される発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを前記基板に実装する封止体と、を備えてなる発光ダイオードであって、
   前記基板は、非導電性セラミック材料からなり、前記基板には、回路層が形成され、前記発光ダイオードチップは、前記基板に直接的に結合され且つ前記回路層に電気的に接続されることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記発光ダイオードチップと前記回路層とは交互に設置され、前記発光ダイオードチップの電極は、全て前記発光ダイオードチップの出光面に形成され且つワイヤボンディング方式によって前記回路層に接続されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記発光ダイオードチップの電極は、前記発光ダイオードチップの対向する両側に形成され、前記発光ダイオードチップは、前記基板の回路層に直接的に設置され、前記発光ダイオードチップの、前記基板に接続された側面の電極は、前記回路層に直接的に接続され、前記発光ダイオードチップの他の電極は、ワイヤボンディング方式によって前記回路層に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
4. 前記基板にはキャビティが形成され、前記発光ダイオードチップは前記キャビティに収容され、前記封止体は、前記キャビティに充填され、前記封止体の外表面と前記基板の外表面とは、同一平面上に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
5. 前記基板にはキャビティが形成され、前記発光ダイオードチップは前記キャビティに収容され、前記発光ダイオードチップは、ベース及び前記ベースに形成されるＰＮ接合を備え、前記ベースは、前記キャビティ内に位置し、前記ベースと前記基板との間の隙間には、熱伝導グリスが充填されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
6. 前記ＰＮ接合は、前記基板の外部に突出することを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
7. 前記ＰＮ接合は、前記キャビティ内に収容され、前記封止体は、前記ＰＮ接合と前記基板との間の隙間に充填される内層、及び前記基板の外部に形成される外層を備え、前記外層には、蛍光材料が分布することを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
8. 前記封止体は、前記内層と前記外層との間に形成される中間層をさらに備え、前記中間層には、分散剤が分布することを特徴とする請求項７に記載の発光ダイオード。