JP2014112648A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ケースの茶変色を抑制するだけでなく、ケース、封止材及びダイボンド材の有機成分の劣化成分の黒変色を抑制し、パッケージ光度の低下を抑制して発光装置の長寿命化を図る。
【解決手段】 発光装置１は、ＬＥＤチップ２と、ＰＣＴよりなるケース５と、ケース５の内部に充填されてＬＥＤチップ２を封止した封止材６とを備え、ＬＥＤチップ２のジャンクション温度Ｔｊよりも８０℃以上高い融点を有する安定剤を、ケース５の内壁面と封止材６との界面又は該界面から３００μｍ以内に存在させたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂ケース内にＬＥＤチップを封止する封止材が充填されてなる発光装置（ＬＥＤパッケージ）に関するものである。
図３（ａ１）に示すような発光装置５１（ＬＥＤパッケージ）のケース５５の材料としては、従来、主にＰＰＡ（ポリフタルアミド）や液晶ポリマー等が使用されていた。また、ケース５５をリフレクタとしても機能させるため、白色染料を含有させて、反射率の高い白色に形成していた。しかし、ＰＰＡは、ＬＥＤチップ５２の熱、光、酸素侵入等により劣化し、図３（ａ２）に茶変色部５８を横ハッチングで示すように、白色が茶色に変色するため、反射率が低下してパッケージ光度も低下し、発光装置５１の寿命の原因となっていた。
この茶変色の問題を解決するために、ケースの材料として、ＰＣＴ（Polycyclohexylene Dimethylene Terephthalate：ポリシクロヘキシレン・ジメチレン・テレフタレート）等の高耐熱性ポリマーを使用することが提案されている（特許文献１〜３）。
また、熱、光、酸素侵入等により、ケース５５、封止材５６及びダイボンド材５４等の有機成分は劣化する。この劣化により、図３（ａ２）に示すようにケース５５と封止材５６との界面が剥離し、隙間５９ができて反射性能が低下することもあった。但し、その隙間５９を通って、劣化成分がパッケージ外へ放出されるため、劣化成分自体はさほど問題とならなかった。
特開昭５３−１３６９８２号公報 特表２００９−５０７９９０号公報 特開２０１０−２７０１７７号公報
本発明者は、図３（ｂ１）に示すような、ケース６５の材料としてＰＰＡに換えてＰＣＴ等の高耐熱性ポリマーを使用した発光装置６１を試験し、これでケース６５の茶変色がなくなり、パッケージ光度の低下を抑制でき、長寿命化が可能と考えた。
しかし、試験の結果、ＰＣＴ等の高耐熱性ポリマーに置き換えるだけでは、長寿命化は達成できないことが分かった。それは、この試験例でも熱、光、酸素侵入等により、ケース６５、封止材６６及びダイボンド材６４の有機成分は劣化するが、従来に比べて高耐熱性ポリマーのケース６５の劣化は少なくなるため、ケース６５と封止材６６との間に隙間ができない。そうすると、劣化成分がパッケージ外へ放出されないで、局所に滞留し、図３（ｂ２）に黒変色部６８をクロスハッチングで示すように、炭化（黒色化）が進み、反射率が低下するためである。
ところで、ＰＣＴには、その分解、酸化、変色等を防止するための安定剤が添加されることがある。ＰＣＴには、通常、融点１００℃程度の安定剤が選択される。なぜなら、ＰＣＴはその融点２９０℃を超えると分解が進むため、溶融混練温度をできるだけ下げたいところであり、そのなかで高融点の安定剤を用いることは、それを溶融混練で均一に分散させるために、混練温度の管理幅が狭くなるので、敬遠されることによる。
これに対し、本発明者は、ケースの材料としてＰＣＴを用いた場合に、そのＰＣＴには通常は選択しない高融点の安定剤をさらに用いることで、劣化成分の黒変色を抑制できることを見出し、そのメリットは、混練温度の管理を厳密に行うデメリットを上回るとの結論を得て、本発明に至った。
本発明は、ＬＥＤチップと、ＰＣＴよりなるケースと、ケースの内部に充填されてＬＥＤチップを封止した封止材とを備えた発光装置において、ＬＥＤチップのジャンクション温度よりも８０℃以上高い融点を有する安定剤を、ケースの内壁面と封止材との界面又は該界面から３００μｍ以内に存在させたことを特徴とする発光装置。
１．安定剤
１−１．安定剤の存在の態様
安定剤をケースの内壁面と封止材との界面又は該界面から３００μｍ以内に存在させた態様としては、特に限定されないが、次のものを例示できる。
（ａ）安定剤をケースに含ませることにより前記界面に存在させた態様。この場合、安定剤の添加量は、ケース材量の０．１〜３質量％が好ましい。
（ｂ）安定剤を封止材に含ませることにより前記界面に存在させた態様。この場合、安定剤の添加量は、封止材量の０．１〜３質量％が好ましい。
（ｃ）安定剤をＬＥＤチップ実装用のダイボンド材に含ませることにより前記界面から３００μｍ以内に存在させた態様。この場合、安定剤の添加量は、ダイボンド材量の０．１〜２０質量％が好ましく、１〜１０質量％がより好ましい。
（ｄ）安定剤をケースの内壁面に付着させることにより前記界面に存在させた態様。この場合、安定剤の添加量は、封止材量の０．１〜３質量％が好ましい。
１−２．安定剤の例示
ＬＥＤチップのジャンクション温度にもよるが、ジャンクション温度よりも８０℃以上高い融点を有する好ましい安定剤として、次のものを例示できる。
（１）立体障害性アミン光安定剤（ＨＡＬＳ化合物）の群から選択される化合物とカルボン酸またはカルボン酸誘導体との塩様反応生成物
・ナイロスタブＳ−ＥＥＤ（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点２７２℃
その成分はＮ，Ｎ'−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジニル）−１，３−ベンゾールジカルボキサミドである。
・ホスタビンＮ２０（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点２２５℃
・ホスタビンＮ８４５ＰＰ（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点２８℃
・ホスタビンＮＯＷ（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点−
・ホスタビンＮ２４（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点１６℃
・ホスタビンＮ３０（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点１４８℃
・ホスタビンＮ３２１（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点５８〜７０℃
・ホスタビンＰＲ−３１（クラリアント・ジャパン社製、登録商標） 融点１２０〜１２５℃
（２）ヒンダードフェノール系酸化防止剤
・イルガノックス３１１４（ＢＡＳＦ社製、登録商標） 融点２１８℃
その成分はトリス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）−イソシアヌレイトである。
１−３．安定剤の添加量
安定剤の添加量としては、０．１質量％〜２０質量％が好ましい。
２．発光装置及びＬＥＤチップ
発光装置（ＬＥＤパッケージ）のタイプとしては、特に限定されないが、ＳＭＤ（Surface Mount Device、基板表面実装型デバイス）、ＣＯＢ（Chip on Board、チップ・オン・ボード）タイプ等を例示でき、各種パッケージに適用できる。ＳＭＤとしては、トップビュータイプ、サイドビュータイプ等を例示できる。使用するＬＥＤチップとしては、フェイスアップタイプ、フリップチップタイプ等を例示できる。
ＬＥＤチップのジャンクション温度（Ｔｊ）は、ＬＥＤチップの温度（厳密にはＰＮ接合部の温度）であり、直接的に測定することもできるし、ＬＥＤチップ近傍の測定温度から公知の経験則に基づいて推定することもできる。
３．ケース
３−１．ケースの主材料
ケースの材料としては、前述のとおりＰＣＴ（Polycyclohexylene Dimethylene Terephthalate：ポリシクロヘキシレン・ジメチレン・テレフタレート）を使用する。但し、ＰＣＴを主成分（質量％で一番配合比が高い成分。好ましくは５０質量％以上。）とし、これにその他の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を配合してもよい。配合する熱可塑性樹脂としては、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＡ１０Ｔなどの芳香族ポリアミド樹脂や、脂環族ポリアミド樹脂、脂肪族ポリアミド樹脂、液晶ポリマー等を例示でき、これらのうちでは耐熱変色の点から脂環族ポリアミド樹脂が好ましい。配合する熱硬化性樹脂としては、シリコーンおよび変性シリコーン樹脂、エポキシおよび変性エポキシ樹脂を例示できる。
３−２．ケースの添加剤
添加剤の例として、反射材、光安定剤（さらなるＨＡＬＳ化合物、ＵＶ吸収剤、励起状態消光剤）、リン系または硫黄系の加工安定剤、酸化防止剤（フェノール系またはアミン系）、帯電防止剤、核剤、透明剤、難燃剤、補強材（例えば、鉱物系フィラー、ガラス繊維、中空ガラス球、カーボンファイバー、ナノスケールの補強材（例えば、ナノクレイ、カーボンナノチューブ）、滑剤、抗ブロッキング剤、着色剤（顔料および着色剤）等が挙げられる。反射材としては、直径が約０．１μｍ以上０．３μｍ以下の略球形状であり、ケース樹脂組成物中の含有量が約１０重量％以上５０重量％以下が好ましい。酸化チタンが好適に用いられる。酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、硫酸バリウム、硫化亜鉛、窒化ホウ素を使用することもできる。
４．封止材
封止材は、リードフレームのＡｇめっきの腐食を抑制するため、ガスバリヤ性に優れる方が好ましい。エポキシ、変性シリコーン、フェニルシリコーン、ジメチルシリコーン、シルセスキオキサン含有シリコーンなどを用いることができる。中でも、変性シリコーン、フェニルシリコーンが、熱、光による黄変が少なく、ガスバリヤ性に優れることから好ましい。
封止材は、蛍光体を含有していてもよい。さらに、蛍光体を分散させる分散材を含有していてもよい。蛍光体は、分散、沈降のいずれでもよい。また、封止材は、フィラーを含有してもよく、フィラーの種類としては、熱、光による黄変の少ない材料が好ましく、シリカ、シリコーン、ガラスビーズ、ガラス繊維などの透明フィラーや、酸化チタン、チタン酸カリウムなどの白色フィラーを混合することができる。フィラー形状は破砕状、球状、りんぺん状、棒状、繊維状などのいずれでもよい。フィラーは、耐熱性に優れることが、ＬＥＤランプの製造条件や性能の点から好ましく、１５０℃以上でも使用できることがより好ましい。フィラーの添加量は、特に限定されるものではない。封止材の反射材としては、白色フィラーや屈折率の異なるフィラーが挙げられ、耐熱性・耐光性・反射率の点から、酸化チタン、チタン酸カリウムが好ましい。
５．ＬＥＤチップの実装相手部材
ＬＥＤチップを実装する相手部材としては、特に限定されないが、リードフレーム、プリント配線基板の配線パターン等を例示できる。同部材を通じて、ＬＥＤチップの熱はケース及び封止材に伝わる。
本発明の発光装置によれば、ケースの茶変色を抑制するだけでなく、ケース、封止材及びダイボンド材の有機成分の劣化成分の黒変色を抑制し、もって長期にわたりパッケージ光度の低下を抑制して発光装置の長寿命化を図り、さらにはパッケージ使用温度の高温度化も可能にするという優れた効果を奏する。
実施例の発光装置を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＩｃ線における断面図である。 （ａ）は実施例１の断面図、（ｂ）は実施例２の断面図、（ｃ）は実施例３の断面図、（ｄ）は実施例４の断面図である。 （ａ１）と（ａ２）は従来例の断面図、（ｂ１）と（ｂ２）は本発明者による検討段階での断面図である。
発光装置１は、ＬＥＤチップ２と、ＰＣＴよりなるケース５と、ケース５の内部に充填されてＬＥＤチップ２を封止した封止材６とを備え、ＬＥＤチップ２のジャンクション温度Ｔｊよりも８０℃以上高い融点を有する安定剤を、ケース５の内壁面と封止材６との界面又は該界面から３００μｍ以内に存在させたものである。
図１に示す実施例の発光装置１は、フェイスアップタイプのＬＥＤチップを使用したサイドビュータイプＳＭＤの例であり、ＬＥＤチップ２、リードフレーム３、ダイボンド材４、ケース５及び封止材６を備えている。ケース５は、長方形の底部１１と、上下の長辺壁１２と、左右の短辺壁１３とからなり、リフレクタとしても機能する。リードフレーム３は底部１１に止められ、リードフレーム３の端部は長辺壁１２及び短辺壁１３の基端部に達している。ＬＥＤチップ２は、ダイボンド材４によってリードフレーム３に実装固定され、ボンディングワイヤ７によってリードフレーム３にワイヤボンデングされている。封止材６は、ケース５の内側に充填されてＬＥＤチップ２を封止している。
従って、ＬＥＤチップ２の熱は、ダイボンド材４→リードフレーム３→長辺壁１２及び短辺壁１３の基端部と伝わって、長辺壁１２及び短辺壁１３を加熱する。また、ＬＥＤチップ２の光は、封止材６を経て長辺壁１２及び短辺壁１３を照らす。上記の熱と光は長辺壁１２及び短辺壁１３の基端部の内壁面部位に特に強く影響し、該部位が最も黒変色が懸念される部位である。そこで、後述するとおり、所定の安定剤を、所定の態様で使用した。なお、ＬＥＤチップ２と短辺壁１３との距離が１ｍｍ程度であるのに対し、ＬＥＤチップ２と長辺壁１２との距離が１５０〜３００μｍと非常に小さいため（図１（ｃ））、熱と光の影響は短辺壁１３よりも長辺壁１２の方がより大きいと考えられる。
ＬＥＤチップ２には、青色発光（波長４５０ｎｍ）するものを使用した。リードフレーム３にはＣｕアロイ１９４のＡｇめっき処理したものを使用した。ダイボンド材４にはエポキシ樹脂混合物を使用した。ＬＥＤチップ２のジャンクション温度（Ｔｊ）は１３０℃であり、その時の長辺壁１２の基端部の内壁面部位（黒変色が懸念される部位）の温度もほぼ１３０℃である。
ケース５の材料にはＰＣＴを使用し、反射材としての酸化チタンと、補強材としてのガラス繊維とを配合した。
封止材６には、次のようにして選択した変性シリコーン封止材を使用した。市販のジメチルシリコーン、フェニルシリコーン、変性シリコーンの３種を候補とし、上記のとおり黒変色が懸念される部位の温度がほぼ１３０℃であることから、パルスＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）により、１２０℃雰囲気での１Ｈ核のスピン−スピン緩和時間を測定し、平均時間を算出した。スピン−スピン緩和時間が短い（数字が小さい）ほどガスバリヤ性が高い。ジメチルシリコーンは、同緩和時間が１０３７μＳでガスバリヤ性が低く、酸素の侵入を許してリードフレーム３のＡｇめっきを変色させる可能性があるため選択しなかった。フェニルシリコーンは、同緩和時間が８９μＳでガスバリヤ性は高いが、粘度が高くケースに充填させにくいため選択しなかった。変性シリコーンは、同緩和時間が４３２μＳでガスバリヤ性が高く、粘度も適当であるため選択した。
また、封止材６には、蛍光体としての黄色蛍光体を配合した。ＬＥＤチップ２の青色光と黄色蛍光体の黄色光とが補色関係で合成され、発光装置１から白色光が取り出される。
上記の発光素子１は、ＬＥＤチップ２を実装したリードフレーム３が止められたケース５の内部に、封止材６をポッティングした後、封止材６を所定の温度・時間で硬化させることにより作製される。
さて、本実施例では、安定剤を、ケース５の内壁面と封止材６との界面又は該界面から３００μｍ以内に存在させた。安定剤としては、次の表１に示す７種を使用した。いずれの安定剤も粉体である。その粉体の状態で測定した、青色光（波長４５０ｎｍ）の反射率と、紫外光（波長４００ｎｍ）の反射率も、表１に示す。
安定剤の存在の態様としては、図２（ａ）〜（ｄ）に示す４つの態様が考えられる。なお、図２では便宜上、安定剤を「点」で表現している。（ａ）は安定剤をケース５に含ませることにより前記界面に存在させた態様、（ｂ）は安定剤を封止材６に含ませることにより前記界面に存在させた態様、（ｃ）は安定剤をダイボンド材４に含ませることにより前記界面から３００μｍ以内に存在させた態様、（ｄ）は安定剤をケース５の内壁面に付着させることにより前記界面に存在させた態様である。
これらの態様のうち、（ｂ）を具体化し、封止材６に前記７種の安定剤をそれぞれ封止材量に対して１質量％含ませる態様を試験した結果を、表１の試験結果１に示す。また、（ｄ）を具体化し、エタノールに安定剤を分散させたものを、ケース５の内部に一杯に注入し、７０℃でエタノールを揮発させ、結果的に封止材量に対して１質量％の安定剤をケース５の内壁面その他の面に定着させ、その後、封止材６をケース５の内部に充填させる態様を試験した結果を、表１の試験結果２に示す。これらの試験結果１，２は、パッケージ連続通電試験２５０時間での光度維持率（％）が、８０％以上を○と評価し、６０％以上〜８０％未満を△と評価し、６０％未満を×と評価したものである。
さらに、（ｃ）を具体化し、ダイボンド材４にＮｏ．７の安定剤をダイボンド材量に対して６質量％含ませる態様を試験した結果を、表１の試験結果３に示す。この試験結果３は、パッケージ連続通電試験５００時間での光度維持率（％）について、どこにも安定化を配合しなかった場合の光度維持率をリファレンス（×評価）とし、同リファレンスよりも高い光度維持率が得られた場合を○と評価したものである。
Figure 2014112648
表１から、次のことが分かる。
（１）ＬＥＤチップ２のジャンクション温度（Ｔｊ）１３０℃よりも８０℃以上高い融点を有する安定剤（Ｎｏ．６とＮｏ．７）が、高い光度維持率を示し、良いこと。
（２）特にヒンダードアミン系の安定剤（Ｎｏ．７）が、高い光度維持率を示し、良いこと。ピペリジン構造が好ましいと考えられる。
（３）粉体で測定した反射率は、青色光（４５０ｎｍ）の反射率は高い方が良く、紫外光（４００ｎｍ）の反射率は低いほうが良いこと。
安定剤（Ｎｏ．６とＮｏ．７）を使用した実施例の発光装置によれば、ケース５の茶変色を抑制するだけでなく、ケース５、封止材６及びダイボンド材４の有機成分の劣化成分の黒変色を抑制し、もって長期にわたりパッケージ光度の低下を抑制して発光装置の長寿命化を図ることができる。さらには、高温において起きやすい前記茶変色及び黒変色を抑制できることから、パッケージ使用温度の高温度化も可能にする。
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
１ 発光装置
２ ＬＥＤチップ
３ リードフレーム
４ ダイボンド材
５ ケース
６ 封止材
７ ボンディングワイヤ
１１ 底部
１２ 長辺壁
１３ 短辺壁
これらの態様のうち、（ｂ）を具体化し、封止材６に前記７種の安定剤をそれぞれ封止材量に対して１質量％含ませる態様を試験した結果を、表１の試験結果１に示す。また、（ｄ）を具体化し、エタノールに安定剤を分散させたものを、ケース５の内部に一杯に注入し、７０℃でエタノールを揮発させ、結果的に封止材量に対して１質量％の安定剤をケース５の内壁面その他の面に定着させ、その後、封止材６をケース５の内部に充填させる態様を試験した結果を、表１の試験結果２に示す。これらの試験結果１，２は、パッケージ連続通電試験２５０時間での光度維持率（％）が、８０％以上を○と評価し、６０％以上〜８０％未満を△と評価し、６０％未満を×と評価したものである。
さらに、（ｃ）を具体化し、ダイボンド材４にＮｏ．７の安定剤をダイボンド材量に対して６質量％含ませる態様を試験した結果を、表１の試験結果３に示す。この試験結果３は、パッケージ連続通電試験５００時間での光度維持率（％）について、どこにも安定剤を配合しなかった場合の光度維持率をリファレンス（×評価）とし、同リファレンスよりも高い光度維持率が得られた場合を○と評価したものである。

Claims (7)

  1. ＬＥＤチップと、ポリシクロヘキシレン・ジメチレン・テレフタレートよりなるケースと、ケースの内部に充填されてＬＥＤチップを封止した封止材とを備え、ＬＥＤチップのジャンクション温度よりも８０℃以上高い融点を有する安定剤を、ケースの内壁面と封止材との界面又は該界面から３００μｍ以内に存在させたことを特徴とする発光装置。
  2. 安定剤をケースに含ませることにより前記界面に存在させた請求項１記載の発光装置。
  3. 安定剤を封止材に含ませることにより前記界面に存在させた請求項１記載の発光装置。
  4. 安定剤をＬＥＤチップ実装用のダイボンド材に含ませることにより前記界面から３００μｍ以内に存在させた請求項１記載の発光装置。
  5. 安定剤をケースの内壁面に付着させることにより前記界面に存在させた請求項１記載の発光装置。
  6. 安定剤は、Ｎ，Ｎ'−ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジニル）−１，３−ベンゾールジカルボキサミドである請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
  7. 安定剤は、トリス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）−イソシアヌレイトである請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
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