JP2019033209A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】放射強度の最大となる方向がパッケージの直上方向からずれていても、高い発光効率を確保できる発光ダイオードを提供する。【解決手段】発光ダイオード１０は、基板１３と、基板１３に実装される発光素子１４と、発光素子１４をドーム状に封止する封止材１２ｄと、封止材１２ｄを囲むように設けられた反射面１１ａとを備えている。反射面１１ａは、軸が８°傾いた放物面からなるため、一部で封止材１２ｄの中心について対向する一方の斜面の斜度が他方の斜面の斜度と異なる。この結果、最大放射方向が、反射面１１ａの軸を向くようになる。【選択図】図４

Description

本発明は、赤外線を発する発光ダイオードに関し、さらに詳しくは虹彩認証に有効な発光ダイオードに関する。

セキュリティ確保のため携帯電話機でも虹彩認証が採用されるようになってきた。虹彩認証は、赤外線照明により目の虹彩を撮影し、本人かどうか判断するものである。この赤外線照明に用いられる発光ダイオードは、使用者の顔面と携帯電話機の表示部との位置関係に基づき、放射強度の最大となる方向（以下「最大放射方向」という）をパッケージの直上方向から数度ずらしている。

最大放射方向をずらす手法としては、発光ダイオードのパッケージの上部に光学素子を配するか、発光ダイオードのパッケージの反射部材を直上方向に向かう軸に対して非対称にすればよい。

特許文献１には、光源の中心に球心が位置する球面として形成された入射面と、入射面を挟んで光源と反対側に位置し、入射面の球心位置とは異なる位置を中心とするコーニック面として形成された射出面を有するレンズを備えた発光ダイオード（照明装置）が記載されている。光学素子としては、レンズ以外に、プリズムシートやルーバーなども使用できる。

特許文献２には、発光素子が発する光を、効率よく、且つ、一定の方向に収束して放射するため、互いに対向するとともに傾斜角度が異なっている反射面を備えた発光ダイオード（発光素子収納用パッケージ）が記載されている。

特開２０１０―３４０４６号公報（図２） 特開２００５―２８５８７４号公報（図１）

特許文献１に記載された発光ダイオードには、パッケージ上に配置した光学素子による損失が発生するという課題がある。

特許文献２に記載された発光ダイオードは、反射部材の構造だけで最大放射方向を制御しているので、レンズなどの光学素子のように直接的に損失を生む部材がない。このため、発光効率を高くできる。しかしながら、この発光ダイオードは、発光素子と反射面を樹脂で封止しているため、発光素子の発光が外部に出射しようとするとき、その一部が封止材と空気層との界面で全反射し、封止材から外部に出射できなくなる。すなわち、反射による損失が発生するため、発光に対する効率化が充分でない。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、放射強度の最大となる方向がパッケージの直上方向からずれていても、高い発光効率を確保できる発光ダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の発光ダイオードは、基板と、前記基板に実装される発光素子と、前記発光素子をドーム状又は半球状に封止する封止材と、前記封止材を囲むように設けられた反射面とを備え、前記反射面は、前記封止材の中心について対向する一方の斜面の斜度が他方の斜面の斜度と部分的に異なることを特徴とする。

本発明の発光ダイオードは、発光素子をドーム状又は半球状に封止している。この結果、発光素子の発光は、封止材と空気との界面で臨界角を超えないため、全反射による損失がない状態で、最大放射方向を直上方向とし、封止材から出射する。

封止材から出射した光のうち一部の光は、反射面で反射する。反射面は、漏斗状をなし、対向する２つの斜面の斜度が部分的に異なっている。斜度の急峻な方の斜面で反射した光は、斜度の緩い方の斜面の上方に向かう。斜度の緩い方の斜面で反射した光は、斜度の緩い方の斜面の上方に向かう。この結果、最大放射方向が斜度の緩い斜面の方向に傾く。

平面視したとき、前記反射面の上端部の開口形状の重心と、前記封止材の中心とがずれていても良い。

前記反射面は、放射光の最大強度が向かう方向にツェナーダイオードの収納部を備えていると良い。

以上にようにして、本発明の発光ダイオードは、ドーム状又は半球状の封止材により発光素子の発光を効率よく空気中に引き出し、この光のうち一部の光の進行方向を反射面で調整し、最大放射方向を直上方向から傾けている。すなわち、封止材から効率よく出射した光は、直接又は反射により最大放射方向が傾いた方向に放射されても、レンズ等の光学部材や樹脂と空気層との界面などが存在しないため追加的な損失が生じない。この結果、本発明の発光ダイオードは、放射強度の最大となる方向がパッケージの直上方向からずれていても、高い発光効率を確保できる。

本発明の実施形態として示す発光ダイオードの斜視図である。 図１に示す発光ダイオードの分解斜視図であり、（ａ）が反射枠、（ｂ）が基板である。 図１に示す発光ダイオードの平面図である。 図１に示す発光ダイオードの断面図である。 図１に示す発光ダイオードの断面図である。 図１に示す発光ダイオードの側面図である。 図１に示す発光ダイオードの側面図である。

以下、図１〜７を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。（）には特許請求の範囲に記載した発明特定事項を示す。

図１は、本発明の実施形態として示す発光ダイオード１０の斜視図である。発光ダイオード１０では、反射枠１１が封止材１２ａを介して基板１３に積層している。反射枠１１の上部から反射面１１ａ及び切欠き１１ｂ、封止材１２ｄが観察され、側部の溝１１ｃから、封止材１２ｂ、１２ｃ、ツェナーダイード１５、ワイヤー１５ａ、電極１６、１７が観察される。なお、封止材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、封止材１２の一部分である。封止材１２は、ツェナーダイード１５、ワイヤー１５ａ、電極１６、１７を被覆して
いる。

図２は、図１に示す発光ダイオード１０の分解斜視図であり、（ａ）が反射枠１１、（ｂ）が基板１３を示している。反射枠１１は、上部から漏斗（又はカップ）状に穿たれた反射面１１ａが形成されている。反射面１１ａは、底部にも矩形の開口があり、この開口の４つの隅に切欠き１１ｂを備えている（図３参照）。封止材１２は、封止材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからなり、基板１３の上面全体を覆っている。封止材１２ａは、電極１６、１７と同じ厚さ（５０μｍ）で広い面積を占めている。封止材１２ｂは、封止材１２ａより一段高くなっており、反射面１１ａの底部の開口及び溝１１ｃに嵌まり込む。封止材１２ｃは、封止材１２ｂよりさらに一段高く、Ｌ字形の平面形状をなし、ツェナーダイオード１５及びワイヤー１５ａ，１４ａを被覆する。封止材１２ｄは、発光素子１４及びワイヤー１４ａの一部をドーム状（半球状）に被覆する。発光素子１４及びツェナーダイオード１５は、電極１６上に実装され、それぞれワイヤー１４ａ、１５ａにより電極１７に接続する。

反射枠１１は、射出成型用のプラスチックからなり、平面サイズが３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、高さが１．４ｍｍである。反射枠１１の反射面１１ａは金メッキが施されている。封止材１２は、透明なシリコーン樹脂からなる。ドーム状の封止材１２ｄの高さは、基板１３の上面から約０．７ｍｍである。基板１３は、ガラスエポキシ樹脂からなり、平面サイズが３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、厚さが約０．１８ｍｍである。発光素子１４は、赤外線を発するＬＥＤチップからなり、上面が概ね０．５〜１．０ｍｍ角の正方形、厚さが概ね０．０５〜０．２０ｍｍである。

図３は、図１に示す発光ダイオード１０の平面図である。なお、図中、破線で発光素子１４、ツェナーダイオード１５、ワイヤー１４ａ、１５ａ、電極１６、１７を描き加えている。図３に示すように、反射枠１１に形成された反射面１１ａの上端は略円形の開口となり、反射枠１１の上面と反射面１１ａの上端の開口は中心がほぼ一致する。反射面１１ａの底部にも角部が面取りされた矩形の開口があり、この開口から封止材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが観察される。底部の開口の面取り部は、図１に示した切欠き１１ｂの頂部周辺であり、底部の開口の辺は切欠き１１ｂの他の部分である。

図４は、図３に示すＡＡ´線にそって描いた発光ダイオード１０の断面図である。図４に示すように反射枠１１に含まれる反射面１１ａの断面において、反射面１１ａの斜度は対称でない。反射面１１ａは、軸が図の左方向に８°傾いた放物面である。このため、反射面１１ａは、図の左側（一方）の斜度が右側（他方）の斜度と異なる部分を有することになる。ここで、「斜度」とは、反射枠１１の断面における曲線部の平均斜度を意味する。また、「部分」とは、断面部を含む反射面１１ａの微小領域（扇形の領域）を意味する。なお、反射面１１ａが図の左方向に傾いた放物面であることから、左右の切欠き１１ｂは形状が異なる。

また、図４に示すように、反射枠１１は、図の左右にそれぞれ溝１１ｃと溝１１ｄが設けられている。溝１１ｃは、図の左側の側面から、反射面１１ａの内側まで貫通している。一方、溝１１ｄは、右側の側面から反射枠１１の基材の途中まで穿たれているだけである。

また、図４に示すように、封止材１２ｄは、断面がドーム状で、反射面１１ａの内部に配置されている。封止材１２ｄの中心軸は、反射面１１ａの断面部分の上端間（図の上端において、反射面１１ａの左端から右端に至る線分）の中央にない。これは、発光素子１４の中心を、軸が８°傾いた放物面からなる反射面１１ａの焦点近傍に配置したからである。なお、発光素子１４の中心を、放物面の焦点ではなく、焦点近傍とすることにより、
最大放射方向近傍の配光分布を平坦にできる（最大放射方向の周りで放射強度を穏やかに変化させられる。）。

また、図４に示すように、溝１１ｃ内には、封止材１２ｂ、１２ｃが配置されている。図中、封止材１２ｃの紙面の奥側にはツェナーダイオード１５（図２参照）が配置されている（図中、ワイヤー１４ａは図示していない）。発光ダイオード１０の最大放射方向は、反射面１１ａをなす放物面の軸方向になるので、この傾いた軸方向にツェナーダイオード１５及び溝１１ｃを配置することにより、配光分布に与える影響を最小にすることができる。溝１１ｄには、封止材１２ｂが配置されている（図２（ｂ）では図示せず）。封止材１２ｂは、封止材１２ｃ、１２ｄを配置する台座として、もともと図の左端から右端まで設けられていたものであるが、ハーフダイシングにより、封止材１２ｄの右側の部分が削りとられている。図の右側に示した封止材１２ｂはハーフダイシングで残った部分であり、溝１１ｄは、この封止材１２ｂを避けるためのものである。

また、図４に示すように、基板１３は、上面に電極１６、１７、下面に電極４１、４２を備えている。電極１６上には発光素子１４が実装されている。電極１６は、発光素子１４の下面と電気的にも接続しているとともに、ビア４３を介して電極４２と接続している。ビア４３は、電気伝導性を有する放熱ビアであり、発光素子１４の下部に複数設けられている。電極１７は、図示していないビアで電極４１に接続している。

また、基板１３には、封止材１２ｂをハーフダイシングしたときに同時に形成された凹部があり、その凹部に接着剤４４が充填されている。封止材１２ｂと反射枠１１は強固に接着できないため、ハーフダイシングで封止材１２ｂを除去するとともに、基板１３の表面を粗らし、接着剤４４で基板１３と反射枠１１を強固に接着している。

図５は、図３に示すＢＢ´線に沿って描いた発光ダイオード１０の断面図である。前述したように、反射面１１ａは、図４の左方向に８°軸が傾いた放物面であるため、図５では反射面１１ａの断面部は図の左右で対称となる。同様に、切欠き１１ｂなど他の部材も左右対称となる。なお、図５では、封止材１２ａの厚さが電極１６の厚さと等しく、封止材１２ａを介して基板１３と反射枠１１が積層していることが分かる。前述の場合と同様に、封止材１２ａと反射枠１１は強固に接着できないため、ハーフダイシングで封止材１２ａを除去するとともに、基板１３の表面を粗らし、接着剤４４で基板１３と反射枠１１を強固に接着している。

図６は、図１に示す発光ダイオード１０の溝１１ｃ側の側面図である。溝１１ｃから封止材１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが観察される。また、側面部では、封止材１２ａ、接着剤４４、電極４１が観察される。

図７は、図１に示す発光ダイオード１０の溝１１ｄ側（図４参照）の側面図である。溝１１ｄから封止材１２ｂが観察される。また、側面部では、封止材１２ａ、接着剤４４、電極４２が観察される。

発光ダイオード１０は、封止材１２ｄで発光素子１４をドーム状に封止している。この結果、発光素子１４の発光は、封止材１２ｄと空気との界面で臨界角を超えないため、全反射による損失がない。この状態で、発光素子１４の発光は、最大放射方向を直上方向とし、封止材１２ｄから出射する。

封止材１２ｄから出射した光のうち一部の光は、反射面１１ａで反射する。反射面１１ａは、軸が８°傾いた放物面である。言い換えると、反射面１１ａは、封止材１２ｄの中心軸について対向する２つの斜面の斜度が異なっている。このとき、斜度の急峻な方の斜
面で反射した光は、斜度の緩い方の斜面の上方に向かう。斜度の緩い方の斜面で反射した光は、斜度の緩い方の斜面の上方に向かう。すなわち、発光ダイオード１０は、最大放射方向が８°（放物面の軸方向）傾く。

以上のようにして、発光ダイオード１０は、ドーム状の封止材１２ｄにより発光素子１４の発光を効率よく空気中に引き出す。この光のうち一部の光の進行方向を反射面１１ａで最大放射方向を直上方向から傾けている。すなわち、封止材１２ｄから効率よく出射した光は、直接又は反射により最大放射方向が８°傾いた方向に放射されても、レンズ等の光学部材や樹脂と空気層との界面などが存在しないため追加的な損失が生じない。この結果、発光ダイオード１０は、放射強度の最大となる方向がパッケージの直上方向からずれていても、高い発光効率を確保できる。なお、発光ダイオード１０は投入電力が比較的大きいため発熱も問題となる。しかしながら、発光ダイオード１０では、封止材１２ｄに全反射による損失がないため、封止材１２ｄ自体の発熱が激減している。

発光ダイオード１０では、反射面１１ａが８°傾いた放物面であり、封止材１２ｄの中心（より正確には発光素子の発光面の中心）が放物面の焦点近傍に配置されていた。この結果、平面視したとき、反射面１１ａの上端部の開口（形状）の重心と、封止材１２ｄの中心とがずれていた。反射面１１ａの形状は、放物面に限られず、単純な２次曲面でなくても良い。この場合、反射面１１ａの上端部の形状の重心と、封止材１２ｄの中心とを一致させられる場合がある。しかしながら、反射面１１ａを放物面や楕円面としたとき、焦点近傍に封止材１２ｄの中心を配置することで、配光分布の見通しが良くなり、設計しやすくなる。

発光ダイオード１０では、放射光の最大強度が向かう方向（最大放射方向）にツェナーダイオード１５の収納部（溝１１ｃ）を備えていた。ツェナーダイオードの配置位置は、この位置に限定されることはない。しかしながら、前述のように最大放射方向にツェナーダイオード１５を配置すると、ツェナーダイオード１５による損失や発光ダイオード１０の配光分布を乱す度合いを下げることができる。

１０…発光ダイオード、
１１…反射枠、
１１ａ…反射面、
１１ｂ…切欠き、
１１ｃ、１１ｄ…溝、
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…封止材、
１３…基板、
１４…発光素子、
１４ａ、１５ａ…ワイヤー、
１５…ツェナーダイオード、
１６、１７、４１、４２…電極、
４３…ビア、
４４…接着剤。

Claims (3)

1. 基板と、前記基板に実装される発光素子と、前記発光素子をドーム状又は半球状に封止する封止材と、前記封止材を囲むように設けられた反射面とを備え、
   前記反射面は、前記封止材の中心について対向する一方の斜面の斜度が他方の斜面の斜度と部分的に異なることを特徴とする発光ダイオード。
2. 平面視したとき、前記反射面の上端部の開口形状の重心と、前記封止材の中心とがずれてい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. 前記反射面は、放射光の最大強度が向かう方向にツェナーダイオードの収納部を備えてい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。