JP3673621B2 - チップ型発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は保護素子が設けられているチップ型発光素子に関する。さらに詳しくは、交流電圧駆動または静電気などにより発光素子に逆方向電圧や所定の電圧以上の順方向電圧が印加される場合にも発光素子がその静電気などにより破壊しにくいように保護素子が設けられているチップ型発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話機やPHSなどの携帯機器の小形化に伴い、それらに用いられる発光素子なども軽薄短小化が要求され、小形で薄型のチップ型発光素子が用いられている。
【0003】
この種の小形で薄型のチップ型発光素子は図5(a)に示されるように、基板10の両端部に端子電極1、2が形成され、一方の端子電極1と接続され端子電極の一部となる電極上に発光ダイオード(以下、LEDという)チップ3がボンディングされてその下部電極が端子電極1と直接接続され、その上部電極が金線4により他方の端子電極2とワイヤボンディングされて、それぞれ電気的に接続されている。LEDチップ3は、たとえば図5(b)に示されるように、GaAsやGaPなどからなるn型半導体層41とp型半導体層42との接合によるpn接合面(発光層)43が形成され、その両面に電極44、45が設けられることにより構成されている。この基板10の表面側には、透明または乳白色のエポキシ樹脂などからなる樹脂によりLEDチップ3や金線4を被覆して保護するパッケージ6が形成されている。
【0004】
このような発光素子は、ダイオード構造になっているため、逆方向の電圧が印加されても電流が流れない整流作用を利用して、直流電圧を両電極間に印加しないで交流電圧を印加することにより、交流で順方向電圧になる場合にのみ電流が流れて発光する光を利用する使用方法も採用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
通常の半導体発光素子は、一般にGaAs系やGaP系やチッ化ガリウム系などの化合物半導体が用いられているが、これらの化合物半導体を用いた場合には、逆方向に印加される電圧に対して弱く、半導体層が破壊することがある。とくに、チッ化ガリウム系化合物半導体においては、その逆方向の耐圧が50V程度と低く逆方向の印加電圧に対してとくに破壊しやすいこと、またバンドギャップエネルギーが大きいため、GaAs系などを用いた発光素子より動作電圧も高くなること、などのため交流電圧の印加で半導体発光素子が破損したり、その特性が劣化するという問題がある。
【0006】
また、交流電圧を印加する駆動でなくても、外部からサージ電圧などの大きな電圧が印加される場合、チッ化ガリウム系化合物半導体では順方向電圧でも150V程度で破壊されやすいという問題がある。
【0007】
これらの逆放向電圧や静電気の印加に対する破壊を防止するため、半導体発光素子が組み込まれる回路内で、半導体発光素子と並列で半導体発光素子と逆方向にツェナーダイオードを組み込むことが行われる場合もある。しかし、回路内に組み込まれる前の製造工程や出荷に伴う搬送工程、または回路基板に組み込む際などのハンドリング時に静電気で破壊したり、外部回路でLEDの他にダイオードなどを組み込むスペースや工数を必要とするという問題がある。
【0008】
一方、チップ型発光素子は、縦×横が1.6mm×2.5mm〜0.8mm×1.6mm程度と非常に小形で、ダイオードなどを外付きで付属させるのは難しく、内蔵するにも横に並べて配置すると基板の横幅を大きくしなければならず、また一方の端子電極に縦に並べて配置するとLEDチップを基板の中央部に配置しにくいか、ダイオードのワイヤボンディングをLEDチップを跨いで行わなければならず、発光の邪魔になったりワイヤの接触が生じやすいという問題がある。
【0009】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、小形で非常に薄型でありながら、逆方向電圧や静電気などのサージ電圧の印加に対して強く、取扱が容易なチップ型発光素子を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によるチップ型発光素子は、絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面の両端部に設けられる第1および第2の端子電極と、前記第1の端子電極にマウントされ、p側電極およびn側電極がそれぞれ前記第1および第2の端子電極と電気的に接続される発光素子チップと、前記第2の端子電極にマウントされる保護素子とからなり、前記第2の端子電極は、その一部が前記第1の端子電極の側部まで延びた延出部を有し、該延出部の先端部に前記保護素子がマウントされ、該保護素子は前記発光素子チップに印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子チップを保護するように前記第1および第2の端子電極の間に電気的に接続されている。
また、本発明によるチップ型発光素子の他の形態は、絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面の両端部に設けられる第1および第2の端子電極と、前記第1の端子電極にマウントされ、p側電極およびn側電極がそれぞれ前記第1および第2の端子電極と電気的に接続される発光素子チップと、前記第2の端子電極にマウントされ、前記発光素子チップに印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子チップを保護するように前記第1および第2の端子電極の間に電気的に接続されるダイオードチップとからなり、前記第1の端子電極は前記発光素子チップがボンディングされる部分とワイヤボンディング用のパッド部とが分離するように形成され、前記第2の端子電極は前記ダイオードチップがボンディングされる部分とワイヤボンディングされるパッド部とが分離するように形成され、前記発光素子チップの前記第2の端子電極と接続する電極は前記第2の端子電極のパッド部とワイヤボンディングにより接続され、前記ダイオードチップの前記第1の端子電極と接続する電極は前記第1の端子電極のパッド部とワイヤボンディングにより接続されている。
【0011】
ここに保護素子とは、発光素子チップに印加され得る逆方向電圧を短絡したり、発光素子チップの動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧をショートさせ得る素子を意味し、ツェナーダイオードやトランジスタのダイオード接続、MOSFETのゲートとソースまたはドレインとを短絡した素子またはこれらの複合素子、ICなどを含む。また、端子電極には発光素子が組み込まれる回路基板などと接続される電極部分と一体に形成されている金属部分のすべてを含む。
【0012】
この構造にすることにより、比較的チップ面積の大きいLEDチップが第1の端子電極上にマウントされ、保護素子が第2の端子電極にマウントされているため、LEDチップをチップ型発光素子のほぼ中心部に配置しながら保護素子を内蔵することができる。
【0013】
前記発光素子チップがチッ化ガリウム系化合物半導体からなり、前記保護素子がツェナーダイオードであれば、とくに逆電圧に弱く、また順方向でも高電圧の印加に弱いチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる青色系のチップ型発光素子において、逆電圧やサージ電圧などの印加に対して保護されるため好ましい。とくに保護素子としてツェナーダイオードが用いられることにより、発光素子チップに順方向にサージなどの高電圧が印加されてもツェナーダイオードのツェナー特性により、発光素子チップにダメージを与えることなく保護されると共に、通常の動作には何等の異常を来さない。ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のGaとV族元素のNとの化合物またはIII 族元素のGaの一部がAl、Inなどの他のIII 族元素と置換したものおよび/またはV族元素のNの一部がP、Asなどの他のV族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【0014】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【0015】
本発明の半導体発光素子は、その一実施形態の平面および断面の説明図が図1に示されるように、絶縁性基板10の表面の両端部に第1および第2の端子電極1、2が設けられ、第1の端子電極1の一端部は絶縁性基板10の中央部付近まで延びている。そして、第1の端子電極1の先端部側にLEDチップ3がボンディングされている。LEDチップ3のn側電極39は第1の端子電極1と、p側電極38は第2の端子電極2と一体に形成されたパッド2aと、それぞれ金線4により接続されている。さらに、第2の端子電極2の先端部に保護素子であるツェナーダイオードチップ5がボンディングされ、第1および第2の端子電極1、2間にLEDチップ3と逆方向になるように電気的に接続されている。そして、その周囲が樹脂パッケージ6により覆われている。図1に示される例では、樹脂パッケージ6の外周にさらに反射ケース9が設けられている。
【0016】
絶縁性基板10は、たとえばガラスクロスに耐熱性のBT樹脂を含浸させたBTレジンなどの絶縁性の基板からなっている。また、LEDチップ3は、たとえば青色系(紫外線から黄色)の発光色を有するチップの一例の断面図が図3に示されるように形成される。すなわち、たとえばサファイア(Al2 O3 単結晶)などからなる基板31の表面に、GaNからなる低温バッファ層32が0.01〜0.2μm程度、クラッド層となるn形層33が1〜5μm程度、InGaN系(InとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体からなる活性層34が0.05〜0.3μm程度、p形のAlGaN系(AlとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体層35aおよびGaN層35bからなるp形層(クラッド層)35が0.2〜1μm程度、それぞれ順次積層されて、その表面に電流拡散層37を介してp側電極38が形成されている。また、積層された半導体層33〜35の一部が除去されて露出したn形層33にn側電極39が設けられることにより形成されている。
【0017】
ツェナーダイオードチップ5は、通常のシリコン半導体などからなり、不純物濃度の高い半導体のpn接合に大きい逆方向電圧を印加すると電子がトンネル効果によってpn接合を通って流れる現象を利用したものである。この逆方向の電流が流れ始める電圧(ツェナー電圧)はその不純物濃度により設定される。したがって、このツェナー電圧をLEDチップ3の動作電圧より高い所定の電圧に設定しておき、LEDチップ3とツェナーダイオード5とが並列で逆方向になるように第1および第2の端子電極1、2に接続することにより、LEDチップ3の動作に支障を来すことはない。
【0018】
このLEDチップ3を図1に示されるように、第1の端子電極1の先端部にボンディングし、n側電極39およびp側電極38がそれぞれ第1の端子電極1および第2の電極2と一体に形成されたパッド部2aと電気的に接続されるように、金線4によりワイヤボンディングをする。また、ツェナーダイオードチップ5を第2の端子電極2の先端部にボンディングし、その正電極を第1の端子電極と一体に形成されたパッド部1aと金線4により電気的に接続する。このとき、負電極はダイボンディングの際の導電性接着剤により第2の端子電極2と電気的に接続されている。なお、LEDチップ3も上下両面にそれぞれn側電極およびp側電極が設けられる構造のものであれば、ツェナーダイオードチップ5と同様に一方の電極はワイヤボンディングによらなくても導電性接着剤により電気的に接続される。そして、絶縁性基板10の周囲に反射ケース9を形成し、その内部のLEDチップ3やツェナーダイオードチップ5を含めたこれらの周囲がLEDチップ3により発光する光を透過する透明または乳白色のエポキシ樹脂などによりモールドすることにより、樹脂パッケージ6で被覆された本発明のチップ型発光素子が得られる。
【0019】
図2は図1の変形例を示す図で、図1(a)と同様に樹脂パッケージの部分を除去した平面説明図である。この例は、第2の端子電極2の一部を第1の端子電極1の側部まで延ばし、その延出部2bにツェナーダイオードチップ5が設けられたものである。この構造にすることにより、第1のリード1とツェナーダイオードチップ5の正電極とを接続する金線4を短くすることができ、接触事故などを防止しやすい。すなわち、このような構造にしても、LEDチップ3が一方の第1の端子電極1に設けられ、ツェナーダイオードチップ5が他方の第2の端子電極2に設けられているため、LEDチップ3を絶縁性基板10のほぼ中央部に配置しながら保護素子5を内蔵することができる。
【0020】
本発明によれば、LEDチップとツェナーダイオードチップとがそれぞれ別々の端子電極にボンディングされているため、LEDチップがほぼ中央に配置されると共に、保護素子が内蔵された非常に小形のチップ型発光素子を実現できる。この保護素子が内蔵されたチップ型発光素子は、図4にその等価回路図が示されているように、LEDチップ3と並列にツェナーダイオードチップ5がその極性がLEDチップ3と逆になるように接続されている。そのため、LEDチップ3を駆動する電源が交流電源であっても、LEDチップ3に順方向の電圧になる位相のときは、ツェナーダイオードチップ5には逆方向電圧でツェナー電圧より低い電圧であるため電流は流れず、LEDチップ3に電流が流れて発光する。また、交流電源がLEDチップ3に逆方向の電圧になる位相のときは、ツェナーダイオードチップ5を介して電流が流れる。そのため、交流電圧がLEDチップ3に対して逆方向の電圧の位相となるときでも、LEDチップ3には逆方向の電圧は殆ど印加されない。また、静電気が印加される場合、その静電気がLEDチップ3の逆方向であればツェナーダイオードチップ5を介して放電し、LEDチップ3に順方向である場合はその電圧がツェナー電圧より高ければツェナーダイオードチップ5を介して放電するためLEDチップ3を保護し、ツェナー電圧より低ければLEDチップ3を介して放電するが、その電圧は低い電圧であるためLEDチップ3を損傷することはない。その結果、逆方向の電圧や静電気のサージに対して弱いLEDチップ3であってもLEDチップ3に高い電圧が印加されず、LEDチップ3を破損したり、劣化させたりすることがない。
【0021】
一方、本発明のチップ型発光素子では、LEDチップ3が第1の端子電極にボンディングされて、ツェナーダイオードチップ5は第2の端子電極2の空いている部分を利用してボンディングされているため、両方のチップを近付け過ぎて光を遮断したり(ツェナーダイオードの方が背が高いためすぐ隣に配置されるとその方向の光が遮断される)、ダイボンディング材の流れなどによる接触事故(両方のチップ間にダイボンディング材がセリ上がってショートする虞れがある)や、ワイヤボンディング不良の発生(端子電極上にダイボンディング材が流れるとワイヤボンディングをし辛くなったり、ワイヤボンディングをすることができなくなる)などを防止することができる。その結果、小形で超薄型の、しかも静電気や逆方向の電圧の印加に対して非常に強い保護素子が内蔵されたチップ型の発光素子が得られる。
【0022】
前述の例では、保護素子としてツェナーダイオードチップを用いたが、チップでなくてパッケージングされた製品状のものを使用してもよい。また、ツェナーダイオードでなくても通常のダイオードでも、LEDチップに対する逆方向の電圧に対して保護することができる。さらに、ダイオードでなくても、トランジスタをダイオード接続したものや、MOSFETのゲートとソースまたはドレインとを接続したもの、またはこれらを組み合わせてツェナーダイオードと同様に両方向に保護する複合素子またはICなど、ダイオードと同様にLEDチップを保護することができる素子であればよい。
【0023】
また、前述の例では、発光素子としてチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子であったが、チッ化ガリウム系化合物半導体はとくに逆方向の電圧や高電圧により破壊されやすいため効果が大きいが、これに限定されるものではなく、GaAs系、AlGaAs系、AlGaInP系、InP系などの赤色系や緑色系の発光素子についても、保護素子が設けられることにより同様に逆方向電圧や静電気に対して強い半導体発光素子が得られる。
【0024】
さらに、前述の例では、透明樹脂の部分に保護素子が設けられていたが、反射ケースの下に保護素子の少なくとも一部を設けるようにすれば、LEDチップからの光が遮られることなく上方に反射させることができる。また、保護素子の高さがLEDチップの高さより低くなるように、保護素子の下に凹部を形成して凹部内に保護素子をボンディングしたり、LEDチップの下にスペーサを介してLEDチップの上面が高くなるようにボンディングすることにより、保護素子による光の遮光の影響を少なくすることができる。
【0025】
さらに、前述の例では、LEDチップ3の周囲を被覆する樹脂パッケージ6の外周に反射ケース9を備えるタイプであったが、反射ケースを備えないで、LEDチップ3で発光する光に対して透明な樹脂だけで被覆する構造のチップ型発光素子であっても同様である。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、LEDチップと保護素子が別々の端子電極上にマウントされているため、LEDチップがほぼ中央に配置されて輝度を充分に保持しながら保護素子を内蔵した小形のチップ型発光素子が得られる。その結果、逆方向電圧の印加や静電気による高電圧の印加に対しても損傷することがなく、信頼性が大幅に向上する薄型の発光素子が得られる。また、素子内に内蔵されているため、半製品や製品の状態での取扱もアースバンドの使用や静電気除去の特別な注意を払う必要がなくなり、作業効率が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体発光素子の一実施形態の平面および断面の説明図である。
【図2】図1の変形例を示す図である。
【図3】図1のLEDチップの一例の断面説明図である。
【図4】図1の半導体発光素子の接続関係の等価回路図である。
【図5】従来のチップ型発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
1 第1の端子電極
2 第2の端子電極
3 LEDチップ
5 ツェナーダイオードチップ
10 絶縁性基板
Claims (2)
- 絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面の両端部に設けられる第1および第2の端子電極と、前記第1の端子電極にマウントされ、p側電極およびn側電極がそれぞれ前記第1および第2の端子電極と電気的に接続される発光素子チップと、前記第2の端子電極にマウントされる保護素子とからなり、前記第2の端子電極は、その一部が前記第1の端子電極の側部まで延びた延出部を有し、該延出部の先端部に前記保護素子がマウントされ、該保護素子は前記発光素子チップに印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子チップを保護するように前記第1および第2の端子電極の間に電気的に接続されるチップ型発光素子。
- 絶縁性基板と、該絶縁性基板の表面の両端部に設けられる第1および第2の端子電極と、前記第1の端子電極にマウントされ、p側電極およびn側電極がそれぞれ前記第1および第2の端子電極と電気的に接続される発光素子チップと、前記第2の端子電極にマウントされ、前記発光素子チップに印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子チップを保護するように前記第1および第2の端子電極の間に電気的に接続されるダイオードチップとからなり、前記第1の端子電極は前記発光素子チップがボンディングされる部分とワイヤボンディング用のパッド部とが分離するように形成され、前記第2の端子電極は前記ダイオードチップがボンディングされる部分とワイヤボンディングされるパッド部とが分離するように形成され、前記発光素子チップの前記第2の端子電極と接続する電極は前記第2の端子電極のパッド部とワイヤボンディングにより接続され、前記ダイオードチップの前記第1の端子電極と接続する電極は前記第1の端子電極のパッド部とワイヤボンディングにより接続されてなるチップ型発光素子。
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