JP2016051780A - 反射型ledランプ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ランプ寿命が長く、高い紫外線強度の反射型LEDランプを提供する。【解決手段】紫外線を放射するLEDチップと該LEDチップを封止する光透過性の封止部とリードフレームを有する反射型LEDランプにおいて、前記封止部は、前記LEDチップを覆うように形成された1次封止部と、該1次封止部を覆うように形成された2次封止部を有し、前記1次封止部はシリコン樹脂を含み、前記2次封止部はエポキシ・シリコン樹脂を含む。前記1次封止部は、LEDチップとボンディングワイヤの少なくとも一部を覆うように形成され、2次封止部は、1次封止部とリードフレームのブリッジ部を覆うように形成されている。【選択図】図1A
Description
本発明は、発光ダイオードを光源とする反射型LEDランプに関し、特に、紫外光を放射する反射型LEDランプに関する。
発光ダイオード(以下、LED:Light Emitting Diode)を光源とするLEDランプが広く普及している。LEDランプには砲弾型と反射型が知られている。反射型は、放射面から平行光線を放射するため、外部放射効率が高く、薄型化が可能な特徴を有する。
反射型LEDランプは、典型的には、LEDチップ、ボンディングワイヤ及びリードフレームを透明な封止材によって封止することによって製造される。封止材は、LEDチップを保護すると同時に、反射面を形成する。封止材の成型法としてコンプレッションモールド法とトランスファーモールド法が知られている。反射型LEDランプの製造には、トランスファーモールド法が用いられる。
近年、照明用又は殺菌用に紫外線LEDランプを用いることが提案されている。例えば、特許文献1には、受光チップを設けるパッケージを備えた紫外線発光装置の例が記載されている。特許文献1に開示された紫外線発光装置は、紫外光LEDチップをガラス等の透光性無機材料によって封止したものであり、反射型LEDランプではない。尚、特許文献2には、ベアチップ封止方法の例が記載されている。
本発明の目的は、ランプ寿命が長く、高い紫外線強度の反射型LEDランプを提供することにある。
本願の発明者は、紫外線を放射する反射型LEDランプの開発において、封止材について鋭意を検討した。従来の可視光用の反射型LEDランプでは、封止材としてエポキシ樹脂を用いる。しかしながらエポキシ樹脂は紫外線耐性を有さない。そこで、光透過性を有し且つ紫外線耐性を備えた封止材について鋭意を検討した。先ず、シリコン樹脂に着目した。しかしながら、シリコン樹脂はトランスファーモールド法に適していない。そこで、トランスファーモールド法に適したエポキシ・シリコン樹脂に着目した。
本願の発明者は、封止材としてエポキシ・シリコン樹脂を用いた紫外線を放射する反射型LEDランプをトランスファーモールド法により試作し、点灯試験を行った。その結果、エポキシ・シリコン樹脂は所定の紫外線耐性を有するが、シリコン樹脂の紫外線耐性と比較すると、それより劣ることが判った。そこで本願の発明者は、2層型の封止構造を考えた。即ち、1次封止材からなる1次封止部と2次封止材からなる2次封止部を形成する。1次封止材としてシリコン樹脂を選択し、2次封止材としてエポキシ・シリコン樹脂を選択した。こうして所望の紫外線耐性、ランプ寿命を備えた紫外線を放射する反射型LEDランプを製造することができた。
本実施形態によると、紫外線を放射するLEDチップと該LEDチップを封止する光透過性の封止部とリードフレームを有する反射型LEDランプにおいて、
前記封止部は、前記LEDチップを覆うように形成された1次封止部と、該1次封止部を覆うように形成された2次封止部を有し、前記1次封止部はシリコン樹脂を含み、前記2次封止部はエポキシ・シリコン樹脂を含む。
前記封止部は、前記LEDチップを覆うように形成された1次封止部と、該1次封止部を覆うように形成された2次封止部を有し、前記1次封止部はシリコン樹脂を含み、前記2次封止部はエポキシ・シリコン樹脂を含む。
本実施形態によると、前記反射型LEDランプにおいて、前記リードフレームは、前記LEDチップを支持するマウント部と、該マウント部の周囲に放射状に配置された複数のブリッジ部と、前記ブリッジ部の各々より延びる脚部と、を有し、前記ブリッジ部は、前記マウント部に接続されていない第1のブリッジ部と前記マウントに接続されている第2のブリッジ部を含み、前記LEDチップと前記第1のブリッジ部はボンディングワイヤによって電気的に接続されている、としてよい。
本実施形態によると、前記反射型LEDランプにおいて、前記1次封止部は、前記LEDチップと前記ボンディングワイヤの少なくとも一部を覆うように形成されている、としてよい。
本実施形態によると、前記反射型LEDランプにおいて、前記2次封止部は、前記1次封止部と前記リードフレームのブリッジ部を覆うように形成されている、としてよい。
本実施形態によると、反射型LEDランプの製造方法において、
リードフレームに紫外線を放射するLEDチップを装着し、該リードフレームと前記LEDチップをボンディングワイヤによって接続する工程と、
前記LEDチップが上側に前記リードフレームが下側になるように、前記リードフレームを支持する工程と、
液状の1次封止材を前記LEDチップの上に供給する工程と、
前記1次封止材が流動して前記LEDチップ及び前記ボンディングワイヤの少なくとも一部を覆うと、前記リードフレームが上側に前記LEDチップが下側になるように、前記リードフレームを上下反転させる工程と、
前記1次封止材を硬化させて1次封止部を形成する1次封止部形成工程と、
トランスファーモールド法によって前記1次封止部を覆うように2次封止材によって2次封止部を形成する2次封止部形成工程と、を有する。
リードフレームに紫外線を放射するLEDチップを装着し、該リードフレームと前記LEDチップをボンディングワイヤによって接続する工程と、
前記LEDチップが上側に前記リードフレームが下側になるように、前記リードフレームを支持する工程と、
液状の1次封止材を前記LEDチップの上に供給する工程と、
前記1次封止材が流動して前記LEDチップ及び前記ボンディングワイヤの少なくとも一部を覆うと、前記リードフレームが上側に前記LEDチップが下側になるように、前記リードフレームを上下反転させる工程と、
前記1次封止材を硬化させて1次封止部を形成する1次封止部形成工程と、
トランスファーモールド法によって前記1次封止部を覆うように2次封止材によって2次封止部を形成する2次封止部形成工程と、を有する。
本実施形態によると、前記反射型LEDランプの製造方法において、前記1次封止材はシリコン樹脂を含み、前記2次封止材はエポキシ・シリコン樹脂を含む、としてよい。
本発明によれば、ランプ寿命が長く、高い紫外線強度の反射型LEDランプを提供することができる。
以下、本発明に係る反射型LEDランプの実施形態に関して、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中、同一の要素に対しては同一の参照符号を付して、重複した説明を省略する。
図1A及び図1Bを参照して本実施形態に係る反射型LEDランプの例を説明する。図1Aは図1Bの矢印B−Bからみた反射型LEDランプの断面構成を示し、図1Bは図1Aの矢印A−Aからみた反射型LEDランプの断面構成を示す。本実施形態の反射型LEDランプ10は、LEDチップ11とそれを封止する光透過性の1次封止部18とさらにそれを封止する光透過性の2次封止部20とリードフレーム30を有する。LEDチップ11は図示しないLEDチップを備え、紫外線を放射する。本実施形態の反射型LEDランプ10は、2層の封止部を備えた2層封止型である。
1次封止部18は略半球状又は略半楕円球状に形成されてよい。2次封止部20は、平坦な出射面20Aと反対側の湾曲面20Cを有し両側に支持部20Bを備える。2次封止部20は、1次封止部18の全体を覆うように形成される。湾曲面20Cは回転放物面又は回転双曲面に構成されてよい。湾曲面20Cには反射膜21が装着されている。図1Bに示す例では、2次封止部20の出射面20Aは矩形であるが、正方形に形成してもよい。
矢印22は紫外線の経路を示す。LEDチップから発生した紫外線22は、1次封止部18及び2次封止部20を透過し、反射膜21を反射し、再び2次封止部20を透過し、出射面20Aを経由して外方に放射される。本実施形態による反射型LEDランプ10では、LEDチップから発生した紫外線22は全て、出射面20Aを経由して紫外線照射対象に導かれるから、高い外部放射効率を提供する。更に、本実施形態による反射型LEDランプ10では、出射面20Aから放射される紫外線22は略平行光線となるため、紫外線の照射対象に対して効率的に紫外線を照射することができる。
ここで、LEDチップ11に原点(図示を省略)をおくXYZ座標を設定する。出射面20Aに平行な平面に沿ってX軸及びY軸をとる。即ち、出射面20Aの長手方向にY軸をとり、幅方向にX軸をとる。出射面20Aに垂直に且つ出射面20Aから放射される紫外線22の方向にZ軸をとる。図1A及び図1Bにおいて、「上側」はZ軸の正の方向を指し、「下側」Z軸の負の方向を指す。
図1Bに示すように、リードフレーム30は、LEDチップ11を支持するマウント部31とその周囲に放射状に配置された4つのブリッジ部32A、32B、32C、32Dと、各ブリッジ部より下側に延びる4つの脚部33A、33B、33C、33Dと、を有する。ブリッジ部32A、32B、32C、32Dの外端に2次封止部20の支持部20Bが配置されている。
リードフレーム30は、LEDチップ11に直流電流を供給するリード線の機能とLEDチップ11、1次封止部18及び2次封止部20を支持する支持部材の機能を備える。本実施形態では、4つのブリッジ部32A、32B、32C、32Dのうちの3つのブリッジ部32B、32C、32Dはマウント部31に接続されているが、1つのブリッジ部32Aはマウント部31に接続されていない。第1のブリッジ部32AとLEDチップ11はボンディングワイヤ13によって電気的に接続されている。本実施形態では、第1の脚部33Aと他の1つの脚部、例えば、第3の脚部33Cに電流が供給されてよい。
リードフレーム30は、リード線の機能と支持部材の機能を提供するなら他の任意の構造が可能である。例えば第2のブリッジ部32Bを省略してもよいし、第1の脚部33Aと第3の脚部33Cに電流を供給する代わりに、第1の脚部33Aと第4の脚部33Dに電流を供給してもよい。
本実施形態による反射型LEDランプの各部品の材料を説明する。リードフレーム30は導電性材料によって形成される。ボンディングワイヤ13は金属線、例えば、金線によって形成してよい。反射膜21は金属蒸着膜、例えば、銀、又は、アルミニウムの蒸着膜によって形成してよい。1次封止部18はシリコン樹脂によって形成され、2次封止部20はエポキシ・シリコン樹脂によって形成される。本実施形態では、2つの互いに異なる封止材からなる2重の封止構造を備えるが、それについて説明する。表1は反射型LEDランプに用いられる封止材の性質を示す。
従来、可視光を放射する反射型LEDランプの封止材としてエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂は、トランスファーモールド法に好適であり、良好な光透過性を有するが、紫外線耐性に欠ける。従って、紫外線を放射するLEDランプでは、封止材としてエポキシ樹脂単体では使用することができない。シリコン樹脂は、紫外線耐性を有し、良好な光透過性を有するが、トランスファーモールド法に適していない。そこで本願の発明者はトランスファーモールド法に好適なエポキシ・シリコン樹脂に着目した。本願の発明者は、封止材としてエポキシ・シリコン樹脂を用いた紫外線を放射する反射型LEDランプを試作し、紫外線照度及びその経時変化を測定した。その結果、エポキシ・シリコン樹脂は、紫外線耐性が十分でないことが判明した。この実験については後に詳細に説明する。そこで本願の発明者は、1次封止材として、シリコン樹脂を用い、2次封止材としてエポキシ・シリコン樹脂を用いることとした。
図2を参照して、本実施形態に係る反射型LEDランプの主要部の構成を説明する。リードフレーム30のマウント部31にLEDチップ11が装着されている。リードフレーム30の第1のブリッジ部32Aは、マウント部31に接続されていないが、第2、第3及び第4のブリッジ部32B、32C、32Dはマウント部31に接続されている。第1のブリッジ部32AとLEDチップ11はボンディングワイヤ13によって電気的に接続されている。1次封止部18は、LEDチップ11とボンディングワイヤ13の少なくとも一部を覆うように形成される。図示の例では、1次封止部18は、LEDチップ11、マウント部31及びボンディングワイヤ13の全体を覆うように形成されているが、LEDチップ11、マウント部31及びボンディングワイヤ13の一部を覆うように形成してもよい。ここでは図示していないが、1次封止部18を囲むように2次封止部20(図1A)が形成される。
図3は、本実施形態に係る反射型LEDランプの封止部の外形を模式的に説明する図である。本実施形態では封止部は、LEDチップ11(図2)を封止する1次封止部18と、更に1次封止部18を封止する2次封止部20を有する。2次封止部20は湾曲面20Cとその反対側の出射面20Aを有する。出射面20Aは、XY平面に平行な平坦面であるが、湾曲面20CはZ軸を中心軸線とする放物面又は双曲面であってよい。
図4A〜図4Dを参照して本実施形態の反射型LEDランプの製造方法、特に、1次封止部18と2次封止部20の形成工程を説明する。本実施形態では、1次封止部18をシリコン樹脂によって形成し、2次封止部20をエポキシ・シリコン樹脂によって形成する。シリコン樹脂はトランスファーモールド法に適していない。従って、シリコン樹脂による封止では、トランスファーモールド法を用いない。一方、エポキシ・シリコン樹脂はトランスファーモールド法に適している。従って、エポキシ・シリコン樹脂による封止では、トランスファーモールド法を用いる。
先ず、図4Aに示すように、リードフレーム30のマウント部31にLEDチップ11を装着し、第1のブリッジ部32AとLEDチップ11をボンディングワイヤ13によって接続する。LEDチップ11が上側になるように、リードフレーム30を支持する。次に、液状シリコン樹脂18aをLEDチップ11上に供給する。例えば、ディスペンサ19によって所定量の液状シリコン樹脂18aをLEDチップ11上に滴下してよい。液状シリコン樹脂18aは広がるように流動し、LEDチップ11及びボンディングワイヤ13を覆う。
図4Bは、LEDチップ11及びボンディングワイヤ13が液状シリコン樹脂18bによって完全に覆われた状態を示す。ここではシリコン樹脂18bは未だ液状であるため、シリコン樹脂18bの上面は平坦である。
図4Cは、図4Bに示したリードフレーム30を上下反転させた状態を示す。リードフレーム30のマウント部31の下側にLEDチップ11が配置されている。シリコン樹脂18cは重力により下側に膨れて半球状又は半楕円体状となる。次に、シリコン樹脂18cを硬化させるためにリードフレーム30を恒温槽に配置する。シリコン樹脂18cは硬化条件により硬化し、丁度、図示のように半球状又は半楕円体状となる。
次に、トランスファーモールド法によって2次封止部20を形成する。トランスファーモールド法は既知であり、ここでは詳細な説明は省略する。トランスファーモールド法用の2つの型の間に形成されたキャビティに、図4Cに示した1次封止部18が形成されたリードフレーム30を配置する。タブレット状の2次封止材をキャビティに注入し、溶解させ、更に、硬化させる。2つの型を分離し、2次封止部20が形成されたリードフレーム30を取り出す。図4Dは、こうして取り出された反射型LEDランプの例を示す。
本実施形態では、例えば、LEDチップ11は一辺の寸法が0.3mmの正方形であり、1次封止部18は、高さ約1mm、直径約3mmの半球状に形成してよい。更に、本実施形態では、図4A〜図4Cに示した工程を1回だけ実行してもよいが、複数回実行してもよい。図4Aの工程にて、LEDチップ11の滴下は1回であってもよいが、複数回であってもよい。
以下に本願の発明者が行った実験及びその結果を説明する。本願の発明者は、図1A及び図1Bに示した2層封止型の反射型LEDランプの実施例と、従来のエポキシ樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例と、エポキシ・シリコン樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例を、それぞれ複数個試作した。実施例と比較例では、封止部の構成が異なるが、他の構成、即ち、LEDチップ11及びリードフレーム30は同一である。実施例は図4A〜図4Dを参照して説明した製造方法によって製造し、比較例は従来のトランスファーモールド法によって製造した。実施例及び比較例に用いたLEDチップは中心波長が365nmの紫外線用チップである。実施例及び比較例に用いたエポキシ・シリコン樹脂は日東電工社製(品番NT−820SI)、シリコン樹脂はモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製(品番IVS4632)である。実施例及び比較例を室温にて点灯し、紫外線発光特性を測定した。入力電流は20mAとした。
図5を参照して説明する。図5は本願の発明者が試作した反射型LEDランプの実施例及び比較例の紫外線照度の時間変化を示すグラフである。横軸は時間(単位:時間)である。但し、対数目盛である。縦軸は紫外線照度P0(単位:%)である。この実験の目的は、ランプ寿命の良否を判定することにある。反射型LEDランプの初期点灯おける照度を100%として、各時間における照度を百分率によって表した。反射型LEDランプを積分球内で点灯し、照度計によって照度を測定した。
図5において、実線のグラフは、図1A及び図1Bに示した2層封止型の反射型LEDランプの実施例の照度の時間変化を示す。破線のグラフは、従来のエポキシ樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例の照度の時間変化を示す。一点鎖線のグラフは、エポキシ・シリコン樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例の照度の時間変化を示す。
ランプ寿命の基準値として、紫外線照度P0が初期値(100%)の70%となった時点を設定する。照度が70%となる時点は、破線のグラフ、即ち、エポキシ樹脂の単層封止型の場合、60時間を経過する前であり、一点鎖線のグラフ、即ち、エポキシ・シリコン樹脂の単層封止型の場合、400時間を経過する前であるが、2層封止型の実施例の場合、1000時間経過後である。従って、単層封止型の比較例の場合、ランプ寿命は短いが、2層封止型の実施例の場合、ランプ寿命は十分に長いと言える。ランプ寿命は封止材の紫外線耐性に起因すると考えられる。従って、表1に示したように、エポキシ・シリコン樹脂の紫外線耐性は十分とは言えない。
本願の発明者が行った実験の結果から、エポキシ・シリコン樹脂は所定の紫外線耐性を有するが、シリコン樹脂の紫外線耐性と比較すると、それより劣ることが判った。
図6を参照して説明する。図6は本願の発明者が試作した反射型LEDランプの実施例及び比較例の紫外線強度の分光特性を示すグラフである。横軸は波長(単位:nm)である。縦軸は紫外線強度P1(単位:%)である。中心波長における紫外線強度を100%として、各波長における紫外線強度を百分率によって表した。尚、いずれのグラフも中心波長における紫外線強度は100%であるが、それらの絶対値は同一ではない。
図6において、実線のグラフは、図1A及び図1Bに示した2層封止型の反射型LEDランプの実施例の紫外線強度の分光特性を示す。破線のグラフは、従来のエポキシ樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例の紫外線強度の分光特性を示す。一点鎖線のグラフは、エポキシ・シリコン樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例の紫外線強度の分光特性を示す。実施例と比較例では、中心波長はいずれも365nmより僅かにずれているが、分光特性は略同一である。即ち、2層封止型の実施例の場合、所望の分光特性を示すと言える。
図7Aおよび図7Bを参照して説明する。本願の発明者は、図1A及び図1Bに示した2層封止型の反射型LEDランプの実施例と、エポキシ・シリコン樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例について、配光特性を測定する実験を行った。この実験について説明する。反射型LEDランプの中心軸線上に、即ち、Z軸上に紫外線受光センサーを設置した。LEDチップから受光センサーの受光部まで距離は1mとした。反射型LEDランプをX軸回り及びY軸回りに±10度回転させて、各回転位置にて紫外線強度を測定した。
図7Aは、実施例及び比較例の反射型LEDランプをX軸回りに±10度回転させた場合の紫外線強度を示し、図7Bは、実施例及び比較例の反射型LEDランプをY軸回りに±10度回転させた場合の紫外線強度を示す。図7A及び図7Bにおいて、実線のグラフは、図1A及び図1Bに示した2層封止型の反射型LEDランプの実施例の紫外線強度の測定結果を示す。一点鎖線のグラフは、エポキシ・シリコン樹脂からなる単層封止型の反射型LEDランプの比較例の紫外線強度の測定結果を示す。実施例と比較例では、配光特性は略同一であると言える。即ち、2層封止型の実施例の場合、所望の配光特性を示すと言える。
以上、本実施形態に係る反射型LEDランプについて説明したが、これらは例示であって、本発明の範囲を制限するものではない。当業者が、本実施形態に対して容易になしえる追加・削除・変更・改良等は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の記載によって定められる。
10…反射型LEDランプ、11…LEDチップ、13…ボンディングワイヤ、18…1次封止部、18a、18b、18c…シリコン樹脂、19…ディスペンサ、20…2次封止部、20A…出射面、20B…支持部、20C…湾曲面、21…反射膜、22…紫外線、30…リードフレーム、31…マウント部、32A、32B、32C、32D…ブリッジ部、33A、33B、33C、33D…脚部
Claims (6)
- 紫外線を放射するLEDチップと該LEDチップを封止する光透過性の封止部とリードフレームを有する反射型LEDランプにおいて、
前記封止部は、前記LEDチップを覆うように形成された1次封止部と、該1次封止部を覆うように形成された2次封止部を有し、前記1次封止部はシリコン樹脂を含み、前記2次封止部はエポキシ・シリコン樹脂を含むことを特徴とする反射型LEDランプ。 - 請求項1記載の反射型LEDランプにおいて、
前記リードフレームは、前記LEDチップを支持するマウント部と、該マウント部の周囲に放射状に配置された複数のブリッジ部と、前記ブリッジ部の各々より延びる脚部と、を有し、前記ブリッジ部は、前記マウント部に接続されていない第1のブリッジ部と前記マウントに接続されている第2のブリッジ部を含み、前記LEDチップと前記第1のブリッジ部はボンディングワイヤによって電気的に接続されていることを特徴とする反射型LEDランプ。 - 請求項2記載の反射型LEDランプにおいて、
前記1次封止部は、前記LEDチップと前記ボンディングワイヤの少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴とする反射型LEDランプ。 - 請求項2記載の反射型LEDランプにおいて、
前記2次封止部は、前記1次封止部と前記リードフレームのブリッジ部を覆うように形成されていることを特徴とする反射型LEDランプ。 - リードフレームに紫外線を放射するLEDチップを装着し、該リードフレームと前記LEDチップをボンディングワイヤによって接続する工程と、
前記LEDチップが上側に前記リードフレームが下側になるように、前記リードフレームを支持する工程と、
液状の1次封止材を前記LEDチップの上に供給する工程と、
前記1次封止材が流動して前記LEDチップ及び前記ボンディングワイヤの少なくとも一部を覆うと、前記リードフレームを上側に前記LEDチップが下側になるように、前記リードフレームを上下反転させる工程と、
前記1次封止材を硬化させて1次封止部を形成する1次封止部形成工程と、
トランスファーモールド法によって前記1次封止部を覆うように2次封止材によって2次封止部を形成する2次封止部形成工程と、
を有する反射型LEDランプの製造方法。 - 請求項5記載の反射型LEDランプの製造方法において、前記1次封止材はシリコン樹脂を含み、前記2次封止材はエポキシ・シリコン樹脂を含むことを特徴とする反射型LEDランプの製造方法。
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