JP3632507B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種インジケーター、ディスプレイ、光プリンターの書き込み光源及び液晶のバックライト用光源などに利用可能なLEDチップを用いた発光装置に関し、特に発光装置の信頼性の向上を図った発光装置の構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
今日、LEDチップを用いた発光装置が、種々の光源として広く利用されている。LEDチップは半導体発光素子であり玉切れがなく、ON/OFF駆動特性に優れているという特徴を有していることから、今後さらに広く用いられるものと考えられる。LEDチップは約300μm角程度と極めて小さいものであり、通常、リード電極に接続された後、樹脂モールドされて用いられるが、最近では、表面実装が可能なチップタイプの発光素子が多く使用されるようになってきている。
【0003】
チップタイプの発光装置では、LEDチップを収納する凹部を有する液晶ポリマからなるパッケージが用いられ、そのパッケージにはリード電極が埋め込まれている。また、そのリード電極は、LEDチップと接続するために、凹部の底面で露出されている。
このように作製されたパッケージの凹部に、LEDチップをダイボンド樹脂等で固定して、露出されたリード電極とLEDチップの電極とを例えば金属ワイヤによって接続した後、LEDチップを保護するために透光性エポキシ樹脂で被覆することにより、発光装置が作製される。このようにして、光学特性に優れた発光装置とすることができる。こうして作製されたチップタイプ発光素子は、他のチップタイプ部品と同様の方法で表面実装され、リード電極を介してLEDチップに電流が供給されてLEDチップが発光し、発光された光はLEDチップから直接又は凹部の側面で反射してパッケージの外部へ放出される。
【0004】
近年、LEDチップはいろいろな用途に使われるようになり、半田付けの方法も多様化しており、チップタイプの発光装置のハッケージにおいても、電気的接続や取り扱いを容易にするためにさまざまな工夫がなされている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光装置の利用分野の広がりと共に厳しい使用条件のもとで使用されるようになってきている現在では、さらに信頼性が高く光学特性の優れた発光装置が求められている。
【0006】
そこで、本発明は厳しい環境条件のもとでも十分高い信頼性を有しかつ光学特性に優れた発光装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る発光装置は、正及び負のリード電極と成形樹脂とが一体成形されてなる成形体と、上記正及び負のリード電極にそれぞれ接続された正及び負の電極を有する発光素子チップとを備え、該発光素子チップが上記成形体上に透光性樹脂で封止されてなる発光素子であって、上記透光性樹脂が、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、及びアクリル樹脂から成る群から選択された1種であり、上記成形樹脂が、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ABS樹脂、及びメラミン樹脂から成る群から選択された1種であり、上記正及び負のリード電極がそれぞれ上記発光素子チップの正負の電極と接続される部分を除いて実質的に上記成形樹脂によって覆われていることを特徴とする。
このように構成することにより、本発明に係る発光装置は、上記正負のリード電極と上記透光性樹脂の界面の面積を極めて小さくでき、該界面における気化膨張を防止できる。また、成形体においてリード電極の露出部の面積を小さくすることにより、透光性樹脂で発光チップを覆ったときに、比較的密着力の強い成形樹脂と透光性樹脂との界面の面積を相対的に大きくできるので、上記成形体と上記透光性樹脂との密着性を強くできる。
すなわち、本発明に係る発光装置では、上記正負のリード電極と上記透光性樹脂の界面における気化膨張を防止でき、かつ上記成形体と上記透光性樹脂との密着性を強くできるので、上記成形体と上記透光性樹脂との界面の剥離を効果的に防止でき、極めて信頼性を高くできる。
【0008】
また、本発明に係る発光装置においては、上記成形体が発光チップを収納する凹部を有し、該凹部に上記発光素子チップを設け上記透光性樹脂で封止するようにしても良い。
さらに、上記凹部が形成された成形体を用いた発光装置では、上記凹部の表面の少なくとも一部は上記発光素子チップの発生する光を反射するように処理されていることが好ましく、これによって、上記発光チップで発光した光を効果的に上方に出力することができる。
【0009】
また、本発明に係る発光装置において、上記発光素子チップは発光面と反対側の面に上記正負の電極が共に形成されてなり、かつ上記成形体は上記正負のリード電極がそれぞれ上記発光素子チップの上記正負の電極と対向するように露出されてなり、上記正負のリード電極が該露出された部分で上記正負の電極と導通するように接合されるようにしてもよい。すなわち、本発光装置において、発光素子チップは、その電極を下にしていわゆるフリップチップで実装されているものであるが、このようにすると、上記正負のリード電極と上記透光性樹脂との界面の面積をより小さくできるので、さらに信頼性を高くでき、また、ワイヤボンディングで接続する方法に比較して発光装置の薄型化が可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態の発光装置(チップタイプLED素子)について説明する。
本実施の形態の発光装置は、図1及び図2(b)に示すように、凹部2を備えその凹部底面2bに正のリード電極3及び負のリード電極4の一部を露出させてなる成形体パッケージ1を用い、その凹部2にLEDチップ5が収納されて構成される。
ここで、特に本実施の形態の発光装置においては、正負のリード電極3,4がそれぞれ上記発光素子チップの正負の電極と接続される部分を除いて実質的に成形樹脂1aによって覆われていることを特徴とし、これによって、本実施の形態の発光装置は、厳しい使用環境においても高い信頼性を確保することができるという優れた効果を有する。
【0011】
すなわち、本発明は、従来例の発光装置(図7に示す)において、成形体パッケージ201のリード電極203,204を構成する金属と、LEDチップ5を封止する透光性樹脂206との間の密着性が悪いことに起因して、以下のような信頼性の劣化、又は発光特性の劣化が起こることを見出し、その問題点を解決するために完成させたものである。
従来例における信頼性が劣化する原因の分析
(1)製造時等にリード金属203,204の金属と透光性樹脂206との界面に水分が吸湿されやすく、その結果、吸湿された水分が半田付け時など高温にさらされると気化膨張を起こし、透光性樹脂と金属の間で剥離して、空間210が形成される原因となる。
(2)透光性樹脂と金属の間での剥離によって、光学特性が変化したり、或いはLEDチップが発光しなくなる。
【0012】
これに対して、本実施の形態の発光装置では、正負のリード電極3,4がそれぞれ上記発光素子チップの正負の電極と接続される先端部分を除いて実質的に成形樹脂1aによって覆われるように成形体パッケージ1を構成している。従って、本発光装置では、透光性樹脂6によって封止した後において、リード電極3,4と透光性樹脂6との界面はほとんど存在せず、その界面に問題となる水分を含むことがない。従って、リード電極3,4と透光性樹脂6との界面における水分の気化膨張により信頼性及び発光特性を劣化させることがないというものである。
【0013】
以下、本実施の形態の発光装置の各構成について詳述する。
(成形体パッケージ1)
成形体パッケージ1は、図3に示す金型507内にリード電極3,4を所定の位置に挿入した後、符号506を付して示す矢印の方向から溶融した成形樹脂を射出することにより作製される。尚、金型内に射出された溶融成形樹脂は、冷却後金型から取り出され、リード電極3,4がそれぞれ所定の形状に加工される。
【0014】
ここで、成形樹脂1aは、液晶ポリマーやポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、ポリアミド樹脂,ABS樹脂、メラミン樹脂等の絶縁性支持部材を用いることができる。また、本実施の形態において、成形体パッケージ1は、LEDチップ5からの光を効率よく取り出すために傾斜した側壁2aを持つように形成した。また、本発明ではさらに、成形樹脂1aにチタン酸バリウムや酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸バリウムなどの白色顔料などを混合することにより成形樹脂表面、特に、側壁2aの表面における光の反射率を向上させることが好ましい。
【0015】
このように、成形体パッケージ1をモールド成形等により金型内で成形する場合、金型内部に配置されるリード電極3,4のうち、成形体パッケージ1の凹部の底面において露出させる部分を金型に密着させ、密着させた部分を除いてリード電極3,4を覆うように樹脂を注入することにより、本実施の形態の成形体パッケージ1を比較的簡単に形成することができる。
【0016】
本実施の形態の成形体パッケージ1を成形するための金型507は、成形体パッケージ1の凹部2に対応する凸部502を有し、さらにその凸部502にさらにリード電極3,4の一部に接触させるための第2凸部503を有している。このように形成された金型507にリード電極3,4を所定の位置に配置した後、金型内に液晶ポリマーを注入して硬化することにより成形体パッケージ1は形成される。従って、モールド成形された成形体パッケージ1は、金型の第2凸部503に対応して凹部底面2bに形成された第2凹部2cの底面のみにリード電極3,4の一部が露出される。すなわち、凹部2において第2凹部2c以外の部分に位置する電極リード3,4は、すべて成形樹脂によって覆われている。
尚、本実施の形態の発光装置のパッケージは、LEDチップ5をフリップチップ実装するために、LEDチップ5の正負の電極に対向する位置にそれぞれ、正のリード電極3、負のリード電極4の接続部分が露出されるように成形している。
【0017】
(リード電極3,4)
リード電極3,4はリン青銅等の電気良導体を用いて構成することができる。また、LEDチップ5からの光の反射率を向上させるために、リード電極3,4の表面に銀、アルミニウム、銅や金等の金属メッキを施すこともでき、またリード電極3,4の表面を反射率を向上させるために平滑にすることが好ましい。また、リード電極3,4の面積は大きくすることが好ましく、このようにすると放熱性を高くできるので、LEDチップの温度上昇を効果的に抑えることができる。これによって、LEDチップに比較的多くの電流を流すことができるようにでき、光出力を大きくできる。
【0018】
(透光性封止樹脂6)
透光性封止樹脂6は、外力、塵芥などからLEDチップ5を保護するためにパッケージの凹部内に充填され、LEDチップ5からの光を効率よく外部に透過させるために高い光の透過性が要求される。尚、LEDチップの電極とリード電極との間をワイヤーで接続する構造においてはワイヤを保護する機能も有するものである。透光性封止樹脂6の材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂やアクリル樹脂等が適しており、透光性封止樹脂6中にはLEDチップ5からの光に対して特定のフィルター効果等を持たす為に着色染料や着色顔料を添加することもできる。
【0019】
(LEDチップ5)
LEDチップ5は、窒化物半導体(InGaAl1−X−YN、0≦X、0≦Y、0≦X+Y≦1)を用いて構成され、基板と反対側に正負の電極がいずれも形成されている。すなわち、絶縁性のサファイア基板上に良質な窒化物半導体を成長させることができることから、窒化物半導体を用いた発光素子は、サファイア基板を用いて構成される。このサファイア基板を用いた発光素子においては、サファイア基板が絶縁体であることから、基板を介してn又はp側に電流を供給することができないので、正及び負の電極はいずれも半導体層上(同一面側)に形成されることになる。尚、この場合、発光した光はサファイア基板を介して取り出すことも、透光性の電極を形成することにより半導体層側から取り出すことも可能であるが、本実施の形態では、サファイア基板を介して光を取り出すように構成している。
【0020】
さらに詳細に説明すると、LEDチップ5は、サファイア基板5s上に1又は2以上の層からなるn型窒化物半導体層5e、活性層(図示せず)、1又は2以上の層からなるp型窒化物半導体層5dが形成され、さらに正及び負の電極が以下のように形成されてなる。すなわち、正の電極は、p型窒化物半導体層5dのほぼ全面に形成された電極5cと電極5cの一部に形成されたパッド電極5aとからなり、負の電極はp型窒化物半導体層5dの一部を除去して露出させたn型窒化物半導体層5eの表面に形成された電極5bからなる。
【0021】
尚、活性層に効率的に電流を注入するために、p型窒化物半導体層5d又はn型窒化物半導体層5eと良好なオーミック接触が得られる金属をそれぞれ、電極5c及び電極5bとして用いる。
また、本実施の形態では、p型窒化物半導体層5dを覆う電極5cとして活性層で発光する光を反射する金属膜を用いることが好ましく、このような電極を用いると、活性層より出た光の一部は電極で反射され、前面(基板を介して)から出力される光を多くすることができる。
【0022】
以上のように構成されたLEDチップ5は、成形体パッケージ1の第2凹部2cの底面に露出させたリード電極3,4にそれぞれ、正及び負の電極を対向させて半田を用いて接合することによりフリップチップ実装ができる。このようにフリップチップ実装されたLED素子は、サファイヤ基板の光に対する高い透過性により効率よく基板を介して光を出力することができる。
【0023】
以上のように、本実施の形態の発光装置は、正負のリード電極3,4がそれぞれ上記発光素子チップの正負の電極と接続される部分を除いて実質的に成形樹脂1aによって覆われている。これによって、リード電極3,4と透光性樹脂6との界面を極めて小さくできるので、その界面の水分の気化膨張を実質的になくすことができ、厳しい使用環境においても高い信頼性を確保することができる。
【0024】
また、本実施の形態の発光装置では、成形樹脂にチタン酸バリウムや酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸バリウムなどの白色顔料などを混合することにより成形樹脂表面の反射率を向上させることにより、発光素子チップの電極側又は端面より放出される光を前方に取り出すことができ、発光輝度を向上させることができる。詳細には、図6の模式図に示すように、LEDチップの発光点612から透光性封止材の表面604に臨界角以上の角度θで入射した光608は、透光性封止剤と外部との界面(表面604)で臨界角反射されて、反射光609は拡散反射性を有するパッケージ表面(図6では凹部の側面)に達する。その反射光609は、パッケージ表面で散乱反射され、散乱光610のうち臨界角以下で表面604に入射する光は、そのまま透光性封止剤から外部に取り出される。また、散乱光の臨界角以上の光も透光性封止材と外部との界面で臨界角反射して、再びパッケージ表面に到着し上述と同じように散乱反射されその一部が外部に放射される。このようにして発光した光の大部分を外部に取り出すことができる。
【0025】
変形例
以上の実施の形態では、LEDチップ5として窒化物半導体を用いたものを例に説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、MOCVD法や液相成長法などにより、GaP、GaAlAs、GaAlInPなどの半導体を用いて構成されたチップを用いてもよい。
また、本発明では、LEDチップ5として、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造、ダブルへテロ構造等の種々の構造のものを用いることができる。
さらに、本発明においてLEDチップの実装はフリップチップ実装に限られるものではなく、ワイヤーボンディングで電極間を接続する実装方法を用いても良い。
以上のように、本発明は上述の種々の変形が可能であり、そのように変形しても、実施の形態と同様の効果を有する。
【0026】
【実施例】
以下、本発明に係る実施例の発光装置について説明する。
(実施例1)
実施例1は、LEDチップ5として青色(470nm)が発光可能な窒化物半導体を発光層に持ったLEDチップを用い、図1の実施の形態と同様の構成を持った発光装置の例である。
すなわち、本実施例1において、成形体パッケージ1は図3に示す、金型507内に予めリード電極3,4を図3に示すように配置して、液晶ポリマーを注入硬化することにより作製する。尚、注入する液晶ポリマーは、白色樹脂中にさらにフィラーとして白色の酸化チタン粉末を40wt%程度混合することにより、成形樹脂の表面が青色(470nm)の光に対して高い反射率を有するようにしている。
【0027】
以上のように作製した成形体パッケージ1に、サファイア基板5sを介して光を出力するように作製した青色発光が可能なLEDチップを、図2(b)に示すように、フリップチップボンディングして、透光性樹脂6で封止する。
【0028】
以上のようにして作製したチップタイプLED素子である1000個の実施例1の発光装置を、60℃、90%の相対湿度のもとで24時間放置し、240℃で10秒間の条件でリフローを実施した後、電流を供給したところ、1000個中1000個全て青色に発光した。
【0029】
これに対して、実施例1と比較するために、リード電極をパッケージの凹部の底面において、多く露出している以外は実施例1のチップタイプLED素子と同様にして比較例の1000個のチップタイプLED素子を作製して同様の試験を実施した。その結果、比較例のチップタイプLED素子は、1000個中43個発光しなかった。この発光しなかった不灯品を調べると、その全てにおいて封止樹脂がパッケージの凹部底面から剥離し、LEDチップとリード電極の間の接続がはがれていた。
【0030】
また、試験後、発光したものについて、実施例1に係る発光装置と比較例の発光装置とを比較してみると、実施例1のチップタイプLED素子は凹部2全体が青色に発光しているように観測されたのに対し、比較例のチップタイプLED素子は、LEDチップ近傍において顕著に発光しているように観測された。
また、比較例のチップタイプLED素子の平均発光輝度を100として、前者のチップタイプLEDは約3割、輝度が高く観測された。
これは、実施例1のチップタイプLED素子において、LEDチップによって発光された光は、パッケージの凹部2において効果的に反射され効率良く出力されることを示している。
【0031】
以上のように、本発明に係る実施例1のチップタイプLED素子は、成形体パッケージ1において、リード電極3,4のうち、LEDチップと接続するための接続部を除く、ほとんどの部分は成形樹脂で覆われているので、透光性樹脂6とパッケージ凹部底面との間の剥離を防止でき、これにより信頼性を高くできることが確認された。
また、本実施例1では、LEDチップをフリップチップ実装しているので、LEDチップの電極を構成する金属と、透光性樹脂との境界面を極めて小さくでき、リード電極3,4と透光性樹脂6との界面の気化膨張の防止に加え、さらにLEDチップの電極を構成する金属と、透光性樹脂6との境界面における気化膨張を防止できる。これによって、発光素子表面とモールド樹脂との密着性も強化、及びその界面での剥離も防止でき、より信頼性を高くできる。
また、本発明に係る実施例1のチップタイプLED素子は、白色液晶ポリマー中にさらに白色で反射率の高い酸化チタンを含有させて反射率を高くしかつ拡散反射を可能としたことにより、LEDチップで発光した光を効率良く出力できることが確認された。
【0032】
(実施例2)
本発明に係る実施例2のチップタイプLED素子(発光装置)は、表面に正の電極が形成され裏面(基板の下面)に負の電極が形成されてなるGaAs系のLEDチップ105を用いて、本発明の構成を適用した例を示したものである。
本実施例2のチップタイプLED素子において、成形体パッケージ100は図4,図5に示すように、凹部102において第1接続凹部102cでリード電極4の一部を露出させ、第2接続凹部102dでリード電極3の一部を露出させている。
【0033】
そして、実施例2では、上述のように構成されたLEDチップ105の裏面に形成された負電極を接続凹部102cに露出したリード電極4に対向させて導電性接着剤、半田等により接合し、表面の正電極を第2接続凹部102dに露出させたリード電極3に金線110を用いてワイヤボンディングにより接続する。
【0034】
以上のように作製した実施例2のチップタイプLED素子は、実施例1と同様の効果を有していた。
また、実施例2のチップタイプLED素子について、−40℃、15分間放置したものを100℃、15分間放置することを1サイクルとする気相熱衝撃試験を実施したところ、本実施例2のチップタイプLED素子では3000サイクル時点でもワイヤは断線しなかったが、本発明と比較のために作製したチップタイプLED素子では3000サイクル時点で100個中5個についてワイヤの断線が発生していた。
【0035】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る発光装置は、上記正及び負のリード電極がそれぞれ上記発光素子チップの正負の電極と接続される部分を除いて実質的に上記成形樹脂によって覆われているので、上記正負のリード電極と上記透光性樹脂の界面における気化膨張を防止でき、かつ上記成形体と上記透光性樹脂との密着性を強くできる。これによって、本発明に係る発光装置は、上記成形体と上記透光性樹脂との界面の剥離を効果的に防止でき、極めて信頼性を高くできる。
【0036】
また、本発明に係る発光装置においては、上記成形体が発光チップを収納する凹部を有し、該凹部に上記発光素子チップを設け上記透光性樹脂で封止するようにしても良い。
さらに、上記凹部が形成された成形体を用いた発光装置では、上記凹部の表面の少なくとも一部は上記発光素子チップの発生する光を反射するように処理されていることが好ましく、これによって、上記発光チップで発光した光を効果的に上方に出力することができ、光の取りだし効率を高めることができる。
【0037】
また、本発明に係る発光装置において、発光素子チップをフリップチップ実装することにより、上記正負のリード電極と上記透光性樹脂との界面の面積をより小さくできるので、さらに信頼性を高くでき、また、ワイヤボンディングで接続する方法に比較して発光装置の薄型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態の発光装置の平面図である。
【図2】(a)は図1のA−A’線についての断面図であり、(b)は、(a)のLEDチップ5の部分を拡大して示す断面図である。
【図3】本発明に係る実施の形態の発光装置の成形体パッケージを作製するための金型の断面図である。
【図4】本発明に係る実施例2のチップタイプLED素子(発光装置)の平面図である。
【図5】図4のB−B’線についての断面図である。
【図6】本発明に係る実施の形態の凹部表面における反射を模式的に示す模式図である。
【図7】従来例の問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1,100…成形体パッケージ、
1a…成形樹脂、
2,102…凹部、
2a…側壁、
2b…凹部底面、
2c…第2凹部、
3,4…リード電極、
5,105…LEDチップ、
5a…パッド電極、
5b,5c…電極、
5d…p型窒化物半導体層、
5e…n型窒化物半導体層、
5s…サファイア基板、
6…透光性樹脂、
102c…第1接続凹部、
102d…第2接続凹部、
110…金線、
507…金型。

Claims (5)

  1. 正及び負のリード電極と成形樹脂とが一体成形されてなる成形体と、上記正及び負のリード電極にそれぞれ接続された正及び負の電極を有する発光素子チップとを備え、該発光素子チップが上記成形体上に透光性樹脂で封止されてなる発光素子であって、
    上記透光性樹脂が、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、及びアクリル樹脂から成る群から選択された1種であり、
    上記成形樹脂が、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ABS樹脂、及びメラミン樹脂から成る群から選択された1種であり
    上記正及び負のリード電極がそれぞれ上記発光素子チップの正負の電極と接続される部分を除いて実質的に上記成形樹脂によって覆われていることを特徴とする発光装置。
  2. 上記成形樹脂に、白色顔料が混合されていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置
  3. 上記成形体は凹部を有し、上記発光素子チップは該凹部において上記透光性樹脂で封止されている請求項1または2記載の発光装置。
  4. 上記凹部の表面の少なくとも一部は上記発光素子チップの発生する光を反射するように処理されている請求項記載の発光装置。
  5. 上記発光素子チップは発光面と反対側の面に上記正負の電極が共に形成されてなり、かつ上記成形体は上記正負のリード電極がそれぞれ上記発光素子チップの上記正負の電極と対向するように露出されてなり、上記正負のリード電極は該露出された部分で上記正負の電極と導通するように接合されている請求項1〜のうちのいずれか1項に記載の発光装置。
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