JP2016066680A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度変化に伴う封止樹脂の膨張又は収縮によるボンディングワイヤの断線を防止できる発光装置を提供する。【解決手段】発光装置1は、基板2と、基板2上に配置されたサブマウント基板32と、サブマウント基板32に実装されたLED素子34と、基板2に配置されたボンディングパッド52とサブマウント基板32に配置された金属パッド53とを接続するボンディングワイヤ37と、LED素子34の側面及びボンディングワイヤ37を覆う封止樹脂4とを含む。また、ボンディングワイヤ37の直下の空間には、封止樹脂4より小さい熱膨張係数を有する部材54が配置される。部材54はボンディングワイヤ37に接していない。【選択図】図1
Description
本発明は、LED素子を実装したサブマウント基板を基板上に搭載した発光装置に関し、特に、基板上にボンディングワイヤが配置された発光装置に関する。
LEDチップなどのLED素子を実装したサブマウント基板を基板に搭載した発光装置では、サブマウント基板と基板上のボンディングパッドの接続にボンディングワイヤが用いられる。LED素子及びボンディングワイヤは、保護のための樹脂により封止された構造が広く採用されている。
ボンディングワイヤの周囲を覆う封止樹脂は、温度上昇により膨張し、ボンディングワイヤが断線することがある。これにより、発光装置は不灯になる。
特許文献1には、気泡を混入した封止樹脂で、ボンディングワイヤの下部空間を少なくとも充填することにより、封止樹脂の熱膨張により、ボンディングワイヤが断線するのを防止する構成が開示されている。
特許文献1記載の技術は、気泡を混入した封止樹脂を用いてボンディングワイヤの断線を防止するため、適切な大きさ及び量の気泡を含有する樹脂を調製する必要がある。
本発明の目的は、温度変化に伴う封止樹脂の膨張又は収縮によるボンディングワイヤの断線を防止できる発光装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、基板と、基板上に配置されたサブマウント基板と、サブマウント基板に実装されたLED素子と、前記基板に配置されたボンディングパッドと前記サブマウント基板に配置された金属パッドとを接続するボンディングワイヤと、前記LED素子の側面及び前記ボンディングワイヤを覆う封止樹脂とを含む発光装置が提供される。ボンディングワイヤの直下の空間には、封止樹脂より小さい熱膨張係数を有する部材が配置される。部材は前記ボンディングワイヤに接していない。
本発明によれば、ボンディングワイヤ下部の温度変化に伴う封止樹脂の膨張又は収縮を抑制できるため、ボンディングワイヤの断線を防止することができる。
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。図1(a)、(b)、(c)は発光装置の構成を示す図である。全図において、同一機能を有するものは同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。
本実施形態の発光装置1は、基板2と、基板2上に配置されたサブマウント基板32と、サブマウント基板32に実装されたLED素子34と、基板2に配置されたボンディングパッド52とサブマウント基板32に配置された金属パッド53とを接続するボンディングワイヤ37と、LED素子34の側面及びボンディングワイヤ37を覆う封止樹脂4とを含む。また、ボンディングワイヤ37の直下の空間には、封止樹脂4より小さい熱膨張係数を有する部材54が配置される。部材54はボンディングワイヤ37に接していない。
このように、ボンディングワイヤ37の直下の空間に、封止樹脂4より小さい熱膨張係数を有する部材54が配置されることにより、部材54を配置しない場合と比較してボンディングワイヤ37下部の封止樹脂4と部材54の温度変化による膨張量又は収縮量を抑制できる。このことにより、ボンディングワイヤ37の負荷が軽減され、疲労断線しにくい発光装置を提供できる。また、部材54はボンディングワイヤ37に接していないので、部材54の破損によるボンディングワイヤ37の断線を防ぐことができる。
本実施形態の発光装置について具体的に説明する。
図1(a)、(b)、及び(c)のように、基板2上には、配線パターン6が配置されている。ボンディングパッド52は、配線パターン6に接続されている。本実施形態では、基板2としてCu等の金属基板を用いるので、基板2とボンディングパッド52及び配線パターン6との間には絶縁層51が配置されている。基板2上の所定の領域には、LED素子34を実装したサブマウント基板32がAgフィラー等の接着剤層31を介して搭載されている。サブマウント基板32とボンディングパッド52及び絶縁層51との間には所定の間隙55がある。部材54は、間隙55に配置されている。Au等のボンディングワイヤ37は、サブマウント基板32上の金属パッド53と基板2上のボンディングパッド52とを電気的に接続する。サブマウント基板32とボンディングパッド52とを囲むように、セラミック等の枠3が、シリコーン等の接着剤層38を介して配置されている。枠3内には封止樹脂4が充填されている。一例として、ボンディングパッド52の材質には、AuメッキされたCu箔等を、絶縁層51の材質には、エポキシ樹脂、ガラス繊維含有エポキシ樹脂等を、金属パッド53の材質には、AuメッキされたCu箔等を、配線パターン6には、AuメッキされたCu箔等を用いる。
図1(b)を用いてLED素子を実装したサブマウント基板32の説明をする。セラミック等のサブマウント基板32上の電極パターンには、Au−Sn共晶33を用いて4つのLED素子34の下面電極が接合されている。サブマウント基板32の上面には配線パターン(不図示)が形成されており、この配線パターンは、ここでは一例として4個のLED素子34を直列に接続するように構成されている。4つのLED素子34の上面には同じ極性の二つの上面電極(不図示)がそれぞれ配置され、Au、Al、Cu等の素子ワイヤ36によってサブマウント基板32上の配線と接続されている。本実施形態は図1(b)の4つのLED素子34を直列に接続する構成に限定されるものではなく、一以上のLED素子34を用いるものであればLED素子の数に制限はない。また、LED素子34が電気的に並列に接続されていてもよい。さらに、素子ワイヤ36はLED素子一個につき1本でもよい。また、LED素子34とサブマウント基板32との実装方法は、フェースダウンタイプ又はフェースアップタイプでもよい。
LED素子34としては、一例としてInGaN系の青色光を発する素子をここでは用いる。
4つのLED素子34の上面には、波長変換層35が搭載され、波長変換層35の上には透明板状部材5が搭載されている。
波長変換層35は、基材に、蛍光体35aを高濃度に分散し、さらにスペーサー35bが分散された材料により構成されている。基材としては、LED素子34の発する光、および、LED素子34の発する光により励起された蛍光体35aが発する蛍光に対して透明な材料を用いられる。基材は、透明樹脂等の有機材料であっても、ガラス等の無機材料であってもかまわない。例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の透明樹脂を用いることができる。スペーサー35bの粒径よりも小さければ、フィラーや色素を基材に分散させることも可能である。
スペーサー35bは、LED素子34と透明板状部材5との間に挟まれることにより、LED素子34上面と透明板状部材5との間隔を定め、これにより波長変換層35の層厚を規定(決定)している。
スペーサー35bの材質は、高精度に所定の粒径を実現できるものであればガラス等の無機材料であっても樹脂等の有機材料であっても構わない。スペーサー35bは、LED素子34の発する光および蛍光体の蛍光に対して、半透明または透明であることが望ましく、より好ましくは透明なものを用いる。また、スペーサー35bの内部に蛍光体を分散させることも可能である。分散させる蛍光体は、蛍光体35aと同様のものを用いることができる。
蛍光体35aは、粒径がスペーサー35bよりも小さいものを用いる。蛍光体35aとしては、LED素子34の発する光により励起され、所望の波長の蛍光を発する蛍光体を用いる。例えば、白色光を発する発光装置を構成する場合、青色光を発するLED素子34を用い、青色光を励起光として黄色蛍光を発する蛍光体(例えばYAG蛍光体)を用いることができる。
透明板状部材5は、平坦な下面を備え、この下面がスペーサー35bにより支持されることにより、LED素子34の上面と距離が一定の空間(波長変換層35)が形成できる部材であればよい。透明板状部材5の平坦な下面は、微細な凹凸が形成されていてもよい。また、透明板状部材5の上面側に、光拡散・配光用の凹凸を設けることも可能である。
ここでは、透明板状部材5は、LED素子34の発する光、および、蛍光体35aの発する蛍光に対して透明なものを用いるが、所望の光学特性を有するものであっても構わない。また、LED素子34からの光を所望の波長光に変換する蛍光体成分を含有する蛍光ガラスプレートや、蛍光体原料を焼結して作製した蛍光セラミックスのプレート(例えばYAGプレート)を用いることも可能である。
枠3とサブマウント基板32との間の空間を充填する封止樹脂4は、図1(b)のように、少なくともLED素子34等の側面、ボンディングワイヤ37を覆っている。また、波長変換層35及び透明板状部材5の側面も光反射性封止樹脂でおおわれている構成にすることが望ましい。ここでは、図1(c)のように、素子ワイヤ36、金属パッド53、ボンディングワイヤ37、ボンディングパッド52、絶縁層51等は封止樹脂4に覆われている。
封止樹脂4を構成する樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、無機・有機ハイブリッド樹脂等を用いる。
封止樹脂4は、LED素子34、波長変換層35、及び透明板状部材5の側面からの発光を反射するための、光反射性粒子を含む。光反射性粒子は、封止樹脂4内に分散されている。光反射性粒子として、一般に光反射性粒子として用いられる材料を用いることができ、酸化チタン、酸化バリウム等を用いることができる。
封止樹脂4としては、光反射性の樹脂(白樹脂)に限定されるものではなく、光吸収性の樹脂(黒色樹脂)、透明樹脂を用いることも可能である。
次に、図1(c)を用いて、ボンディングワイヤ37部分の構造をさらに詳しく説明する。上述のように基板2に配置されたサブマウント基板32には、金属パッド53が搭載され、基板2には、ボンディングパッド52が搭載されている。金属パッド53とボンディングパッド52はボンディングワイヤ37により接続されている。ボンディングワイヤ37直下の空間には、ボンディングワイヤ37下の封止樹脂4の膨張及び収縮によるワイヤ切断を防止するために、部材54が配置されている。また、部材54が破損することにより、ボンディングワイヤ37が切断されないために、部材54はボンディングワイヤ37と接しないように配置されている。言い換えると、ボンディングワイヤ37と部材54の間には封止樹脂4が存在し、部材54とボンディングワイヤ37は封止樹脂4に覆われている。
部材54は、封止樹脂4よりも熱変形の少ない部材を用いる。例えば、封止樹脂4より熱膨張係数(線膨張率(線膨張係数)又は体積膨張率)の小さい部材を用いる。
部材54は、装置を使用する温度に対して、耐熱性を有することが望ましい。例えば、軟化点が160℃以上が好ましい。
また、装置を使用する環境によっては、部材54は対候性あるいは耐酸性を有することが好ましい。
部材54の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、金属、セラミック、又はこれらの2種以上を含む複合材料等を含む材料を用いることができる。具体的には、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂(4〜8×10−5/℃の線膨張係数)、フェノール樹脂(3〜7×10−5/℃の線膨張係数)、ポリエステル樹脂(5〜10×10−5/℃の線膨張係数)を用いることができる。熱可塑性樹脂として、フッ素樹脂(4.5〜7×10−5/℃の線膨張係数)、ナイロン樹脂(8〜10×10−5/℃の線膨張係数)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂(2〜9×10−5/℃の線膨張係数)を用いることができる。これらの熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂は、単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。金属としては、Au(1.4×10−5/℃の線膨張係数)、Al(2.4×10−5/℃の線膨張係数)、Cu(1.7×10−5/℃の線膨張係数)等の1種又は2種以上が使用できる。セラミックとしては、アルミナ(0.7×10−5/℃の線膨張係数)、窒化アルミニウム(0.5×10−5/℃の線膨張係数)、炭化ケイ素(0.7×10−5/℃の線膨張係数)等の1種又は2種以上が使用できる。
例えば、酸化チタンを含むシリコーン樹脂のような白樹脂を封止樹脂4として使用した場合、部材54の材質として、シリコーン樹脂(25〜30×10−5/℃の線膨張係数)よりも熱膨張係数の低い部材を使用する。部材54の材料が樹脂又はセラミックである場合、光反射性粒子を分散させたものを用いることが可能である。
部材54は、図1(c)のように板状、棒状等の、予め定めた形状に成形された部材を用いることも可能であるし、図2(a)、(b)のように所定の間隙55に、充填されることにより成形された部材でよい。
部材54の上面の形状は、ボンディングワイヤ37に接しない限り、特に限定されない。例えば、図1(c)のように平面であっても、図2(a)、(b)のように盛り上がった曲面の形状でもよい。
部材54のサイズは、高さ方向については、部材54は、例えば、ボンディングパッド52と絶縁層51とをあわせた厚さ(高さ)以下であってもよいし、絶縁層51の厚さ(高さ)以下であってもよいし、又はサブマウント基板32の厚さ(高さ)の半分以下であってもよい。
間隙55の幅方向については、部材54は、例えば、図1(c)、図2(a)のようにサブマウント基板32と絶縁層51との間隙55のみに配置してもよいし、図2(b)のように絶縁層51の端部にかぶさっていてもよい。
間隙55の奥行方向については、部材54は、ボンディングワイヤ37の直下にあればよく、ボンディングワイヤ37ごとに別部材となってもよいし、ボンディングワイヤ37ごとの部材54が連続した一体の部材でもよい。
なお、部材54として金属を含む部材を使用する場合は、ボンディングパッド52との電気的ショートを避けるために、部材54は、ボンディングパッド52に接触しないことが好ましい。
間隙55の幅方向については、部材54は、例えば、図1(c)、図2(a)のようにサブマウント基板32と絶縁層51との間隙55のみに配置してもよいし、図2(b)のように絶縁層51の端部にかぶさっていてもよい。
間隙55の奥行方向については、部材54は、ボンディングワイヤ37の直下にあればよく、ボンディングワイヤ37ごとに別部材となってもよいし、ボンディングワイヤ37ごとの部材54が連続した一体の部材でもよい。
なお、部材54として金属を含む部材を使用する場合は、ボンディングパッド52との電気的ショートを避けるために、部材54は、ボンディングパッド52に接触しないことが好ましい。
図1(c)及び図2に示すように、部材54のサイズ(或いは容積)は図1(c)、図2(a)、図2(b)の順番に大きくなっている。このため図2(b)のボンディングワイヤ37の直下の封止樹脂4と部材54の熱膨張量と収縮量が最も抑制される。なぜなら、部材54のサイズが大きいほどボンディングワイヤ37直下の封止樹脂4の量が少なくなり、封止樹脂4の熱膨張量と収縮量が減少するので、封止樹脂4と部材54の熱膨張量と収縮量は抑制されるからである。
部材54の配置は、上述した説明に限定されるものではなく、ボンディングワイヤ37は封止樹脂4に覆われながら、ボンディングワイヤ37下の封止樹脂4の膨張及び収縮によりボンディングワイヤ37が切断しないように、ボンディングワイヤ37直下の空間を部材54に置き換えた配置であればどのようなものであってもよい。
次に、発光装置の発光時の各部の作用を説明する。配線パターン6、ボンディングパッド52、およびボンディングワイヤ37を介して、サブマウント基板32上のLED素子34に電流を供給すると、LED素子34は所定の波長光を出射する。LED素子34から上方に放射された光は、波長変換層35に入射し、一部が蛍光体35aによって、所定の波長の光に変換され、蛍光体35aによって変換されなかった光と混合されて透明板状部材5上面から出射される。また、LED素子34、波長変換層35、および透明板状部材5の側面から出射される光は、光反射性粒子を含む封止樹脂4によって反射され、それぞれの内部に戻される。
これによって発光装置の温度が上昇する。そのため、発光装置の点灯のたびに発光装置の温度が上昇し、消灯により温度が低下する。点灯および消灯の繰り返しに伴う温度変化により、封止樹脂4は、膨張と収縮を繰り返す。このため、ボンディングワイヤ37下方(基板2側)の空間全体に封止樹脂が充填されている場合、膨張と収縮を繰り返すことにより、ボンディングワイヤ37を破断させるおそれがあった。一方、本実施形態では、封止樹脂4より小さい熱膨張係数を有する部材54をボンディングワイヤ37の直下の空間に、ボンディングワイヤ37に接しないように配置する。これにより、ボンディングワイヤ37直下に熱膨張量と収縮量が大きい封止樹脂4の量が相対的に少なくなるため、ボンディングワイヤ37下に配置されている封止樹脂4と部材54の熱膨張量と収縮量は全体的に小さくなる。従って、ボンディングワイヤ37の断線を防止できる。また、部材54は、ボンディングワイヤ37に接していないので、部材54の破損によるボンディングワイヤ37の断線も防止できる。
以下、本実施形態の発光装置の製造方法について説明する。
例えば、図1(b)及び(c)に示すような、LED素子34等を実装したサブマウント基板32を用意する。LED素子34及びサブマウント基板32としては、一例として、ここではInGaN系の素子及びセラミックをそれぞれ用いる。
基板2としては、例えばCu等、金属基板を用意する。基板2には、エポキシ樹脂、ガラス繊維含有エポキシ樹脂等の絶縁層51を介して、AuメッキされたCu箔等のボンディングパッド52が予め配置されている。基板2上の所定の領域に、サブマウント基板32を、例えばAgフィラー等接着剤層31を用いて固定する。サブマウント基板32は、絶縁層51との間にクリアランス用の間隙55を隔てて配置される。
Au等のボンディングワイヤ37を用いて、サブマウント基板32のAuメッキされたCu箔等の金属パッド53とボンディングパッド52とを接続する。
ボンディングワイヤ37下の封止樹脂4の膨張及び収縮によるワイヤ切断を防止するために、部材54を基板2上であって、ボンディングワイヤ37直下の空間に配置する。具体的には、所望の厚さ、幅、及び奥行になるように、板状、棒状等に成形された部材を用意し、ボンディングワイヤ37直下に挿入する。
また、部材54が樹脂である場合は、ディスペンサを用いて未硬化の部材54の材料をボンディングワイヤ37直下の空間に注入して充填することもできる。ディスペンサから吐出される樹脂量を調節することにより、部材の厚さや幅や奥行を調整する。
また、部材54が樹脂である場合は、ディスペンサを用いて未硬化の部材54の材料をボンディングワイヤ37直下の空間に注入して充填することもできる。ディスペンサから吐出される樹脂量を調節することにより、部材の厚さや幅や奥行を調整する。
LED素子34等を実装したサブマウント基板32、ボンディングワイヤ37、ボンディングパッド52等が、セラミック等の枠3内に収まるように、枠3を、シリコーン等の接着剤層38を介して基板2上に接合する。なお、枠3を接合する工程は、部材54を配置する前又は後に行ってよい。
未硬化の封止樹脂4をディスペンサで枠3内に注入する。これにより、ボンディングワイヤ37は封止樹脂4に覆われ、ボンディングワイヤ37と部材54との間には封止樹脂4で充填される。
封止樹脂4を注入後、所定の硬化処理(例えば、150℃、3時間の熱処理)を行い、封止樹脂4を硬化させる。部材54が樹脂の場合は、部材54を注入後所定の硬化処理(例えば、150℃、2時間の熱処理)を行い、次いで封止樹脂4を充填し硬化(例えば、150℃、3時間の熱処理)させてもよいし、部材54を注入後、封止樹脂4を注入し、次いで部材54と封止樹脂4とを同時に硬化(例えば、150℃、3時間の熱処理)させてよい。
上記実施形態では、金属パッド53とボンディングパッド52とをボンディングワイヤ37を用いて接続した後に部材54を配置したが、部材54を配置した後金属パッド53とボンディングパッド52とをボンディングワイヤ37により接続してもよい。
上記実施形態では、ボンディングパッド52及び絶縁層51とは別の部材であって、熱膨張係数が封止樹脂4より小さい部材54をボンディングワイヤ37下に配置したが、部材54とボンディングパッド52及び/又は絶縁層51を一体化することも可能である。例えば、ボンディングパッド52及び/又は絶縁層51を封止樹脂4より熱膨張係数が小さい材料により形成し、ボンディングワイヤ37下の間隙55の位置まで配置することができる。これにより間隙55から封止樹脂4が排除されるため部材54をボンディングパッド52及び絶縁層51とは別の部材として配置した場合と同様の効果が得られる。
なお、上述してきた実施形態では、金属製の基板2を用いたのでボンディングパッド52の下に絶縁層51を配置した例について説明したが、絶縁層51の不要な、絶縁性の基板2を用いることも可能である。その場合、部材54をサブマウント基板32とボンディングパッド52との間隙に配置すればよい。
本発明の発光装置の構成は、車載用LED光源、照明用LED光源、道路灯用LED光源等のようにLED素子を実装したサブマウント基板の周辺にボンディングワイヤを配置する製品全般に適用することができる。
本実施形態は、ボンディングワイヤ直下に部材を配置する構造について説明したが、LED素子の電極に接続する素子ワイヤの直下に部材54を配置することももちろん可能である。その場合、部材54は、LED素子の側面の近傍に位置するため部材54を構成する材料は光反射性の材料を用いてもよい。例えば、部材54の材料が樹脂又はセラミックである場合、光反射性粒子を分散させたものを用いることが可能である。
本実施形態は、ボンディングワイヤ直下に部材を配置する構造について説明したが、LED素子の電極に接続する素子ワイヤの直下に部材54を配置することももちろん可能である。その場合、部材54は、LED素子の側面の近傍に位置するため部材54を構成する材料は光反射性の材料を用いてもよい。例えば、部材54の材料が樹脂又はセラミックである場合、光反射性粒子を分散させたものを用いることが可能である。
1・・・発光装置、2・・・基板、4・・・封止樹脂、32・・・サブマウント基板、34・・・LED素子、37・・・ボンディングワイヤ、52・・・ボンディングパッド、53・・・金属パッド、54・・・部材
Claims (8)
- 基板と、基板上に配置されたサブマウント基板と、サブマウント基板に実装されたLED素子と、前記基板に配置されたボンディングパッドと前記サブマウント基板に配置された金属パッドとを接続するボンディングワイヤと、前記LED素子の側面及び前記ボンディングワイヤを覆う封止樹脂とを含む発光装置であって、
前記ボンディングワイヤの直下の空間には、前記封止樹脂より小さい熱膨張係数を有する部材が配置され、
前記部材が前記ボンディングワイヤに接していないことを特徴とする前記発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置であって、
前記部材が、予め定めた形状に成形された部材であることを特徴とする発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置であって、
前記部材が、前記空間に充填された部材であることを特徴とする発光装置。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の発光装置であって、
前記封止樹脂が、光反射性樹脂であることを特徴とする発光装置。 - 請求項4に記載の発光装置であって、
前記光反射性樹脂が、樹脂に光反射性粒子を分散させたものであることを特徴とする発光装置。 - 請求項1から5のいずれか一つに記載の発光装置であって、
前記部材が、樹脂、金属、セラミック、又はこれらの2種以上を含む複合材料を含むことを特徴とする発光装置。 - 請求項6に記載の発光装置であって、
前記樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、及びポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT)からなる群から選択される一以上の樹脂を含むことを特徴とする発光装置。 - 請求項6に記載の発光装置であって、
前記金属が、Au、Al、及びCuからなる群から選択される一以上の金属を含むことを特徴とする発光装置。
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