JP3833019B2 - 発光ダイオード - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は水平方向に視野角が広く、垂直方向に視野角が狭い発光ダイオードに関わり、特に正面光度が高く、指向特性の優れた発光ダイオードを提供することにある。
【0002】
【従来技術】
今日、RGBとも超高輝度に発光可能な発光ダイオードが開発されたことに伴い、フルカラーディスプレイなどの表示装置に利用され始めている。表示装置に利用される発光ダイオードは、視認者の位置などの関係から垂直方向よりも水平方向の配光特性にすぐれることが好ましい。そのため、発光ダイオードを構成する透光性レンズの形状を発光観測面側から見て楕円形状として形成させている。
【0003】
より具体的には、図6に示す如き発光ダイオード600は、マウントリード605となるリード電極のカップ内にLEDチップ601が配置されている。半導体を介して一対の電極が設けられたLEDチップは、一方の電極をAgペーストなどを利用してマウントしているリード電極と電気的に接続させている。LEDチップの他方の電極は、インナーリード606となるリード電極と金線などのワイヤ603を利用して電気的に接続させてある。LEDチップ601の各電極と各リード電極605、606とを電気的に接続させたものをエポキシ樹脂などを利用した透光性モールド部材602で被覆することで発光ダイオードを形成させる。LEDチップ601から放出された光は、透光性モールド部材のレンズ形状によって指向特性を変えることができる。したがって、一方の方向に指向角が狭く且つ他方の方向に指向角を広くさせるため、発光観測面側から見て略楕円形状の透光性モールド部材でLEDチップを被覆させることが行われている。これによって、ディスプレイに好適に用いられる発光ダイオードとすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の半導体を介して一対の電極が設けられた発光素子601の場合、発光層で発光した光を発光素子の上面側から容易に取り出し、電流密度を均一にするために発光素子の上面の略中央部に円形金属電極部を設けている。また、表面層の抵抗が高い場合においては、電流密度を均一にするために電極部面積を増やす目的で電極部形状を×型にしている。このような発光素子上の電極は、発光層から発光した光が上部に設けられた電極に反射され発光素子内部に向かう。そのため発光素子自体の配光特性は軸上発光強度がピーク値とならず、光軸上で凹な配光特性になってしまう。
【0005】
同様に、発光ダイオードは光放射の対称性のため、発光素子を光軸上にマウントする。そのため、発光素子の電極が光軸上に配置されることになり、発光ダイオードからの光は図7及び図8に示す波線の如く、光軸上で凹状な配光特性になる。これは発光ダイオードの配光特性にも影響し、発光観測面側から見て真円形状のモールド部材を持った発光ダイオードにおいても同様に光軸上の光度が低下する場合もあるが、発光素子とレンズ頂点との距離を長くすることによって上記問題を解決することができる。他方、発光観測面側から見て楕円状のモールド部材を持った発光ダイオードにおいては、発光素子とレンズとなるモールド部材の頂点との距離を長くすると、光軸上で発光強度をピークとすることができるものの楕円の長軸方向における配光特性が狭くなるというトレードオフの関係にある。また、パッケージ外観寸法の制約も生ずるという問題が生ずる。
【0006】
さらに、RGB(赤色、緑色、青色)の発光ダイオードを用いたマルチカラーを発光可能な表示装置では、青色系及び緑色系を発光する発光ダイオードは窒化物系化合物半導体からなる発光素子を用いて形成させてある。窒化物半導体を用いた発光素子の1つには、サファイア基板上にpn接合を有する窒化物半導体を形成させ、表面側の窒化物半導体にその矩形状の隅部に一対の電極を設けるものがある。そのため、同一面側に一対の電極をもった発光素子では、上述のごとき問題は実質的に生じない。しかしながら、高輝度な赤色系の発光素子を窒化物半導体で形成させることは極めて難しく、GaAlAs、AlInGaP等の半導体材料を介して一対の電極を持った発光素子を利用することが考えられる。
【0007】
表示装置に用いられる発光ダイオードは、単色発光ダイオード間で所望の配光特性を満たすだけでなく、RGB各発光ダイオードの配光特性を揃える必要がある。そのため上述の半導体を介して一対の電極をもった発光ダイオードを利用した場合は、各色を発光する発光ダイオード間の配光特性を合わせることができないという問題が生ずる。したがって、本発明は比較的に簡単な構造で一方の方向に視野角が狭く他方の視野角が広い、且つ光軸上に発光ピークがある発光ダイオードを提供することにある。また、異なる構造の発光素子を用いても指向特性を合わせ色ズレなどの極めて少ない表示装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発光ダイオードは、同色系が発光可能であり、発光観測面側から見て発光素子の略中心に円状の電極を備えた複数の発光素子と、略楕円形状であり上記発光素子を被覆するモールド部材とを有し、上記複数の発光素子が、発光観測面側から見て、上記円状の電極が上記モールド部材からなるレンズの光軸からずれるように、上記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に沿って、カップの中心に対して略対称に配置されており、上記発光素子が配置されるカップは、発光観測面側から見て、上記モールド部材の楕円長径方向と略平行な方向が略垂直な方向よりも長く、上記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に、正負一対のリード電極が配置されている発光ダイオードである。特に、本発明は、上面側のp電極および基板側のn電極を有する第一の発光素子と、上面側のn電極および基板側のp電極を有する第二の発光素子と、が配置され、導電性接着材により上記基板側の電極をそれぞれ接続させた上記カップを有する放熱リードと、上記第一の発光素子のp電極がワイヤボンディングされた正のリード電極と、上記第二の発光素子のn電極がワイヤボンディングされた負のリード電極と、を備えており、上記放熱リードが、上記正のリード電極および上記負のリード電極から電気的に中立とさせてあることを特徴とする。
【0009】
これにより、一方の方向に視野角が狭く他方の視野角が広い、且つ光軸上に発光ピークがある発光ダイオードとすることができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発光ダイオードについて具体的に詳述するが、これのみに限られないことはいうまでもない。
(発光素子101)
発光素子の具体的材料としてはAlInGaPのほか、GaAsP、GaAlAs、InGaNなどが挙げられ、発光スペクトルによってその組成比を種々選択することができる。また、その構造もホモ構造やダブルへテロ構造のpn接合など種々とることもできる。本発明の発光ダイオードに利用される発光素子として、具体的には発光層にAlInGaPを用いた赤色系が発光可能なものが挙げられる。例えば、一辺が約305μm角のLEDチップが形成されている。LEDチップはn型GaAs基板上に、バッファ層、クラッド層として働くn型AlInGaP層、活性層として働くAlInGaP層、p型のクラッド層として働くAlGaInP層、p型のコンタクト層として働くInGaPを積層形成されてある。n型GaAs基板のほぼ全面にはAuからなる負極の電極が設けられている。他方、p型コンタクト層として働くInGaPの略中心には発光観測面側から見て直径が約40μmの円状の電極と円状の電極から対角線上に電極の枝が延びている。各発光素子を直列接続させるためには、基板側がn型導電性を有するものと基板側がp型導電性を有する発光素子を用いマウントリードの導電性を利用して比較的簡単に直列接続させることもできる。
【0010】
また、これまで発光素子の上部側に設けられた電極201は、発光素子上面への発光効率を上げるため必要以上に大きくできなかったが、本発明のごとく、光軸上から電極をずらして配置することにより、電極の大きさを大きくしても光軸上の光を稼ぐことができる。そのため発光ダイオードから放出される配光特性は、凹にならない。しかも電極部を大きくすることで電流密度が良好になり、発光効率を向上させることもできる。さらに、楕円の長軸方向における光量が増えるため滑らかな配光特性を得ることもできる。
【0011】
(リード電極105、106)
リード電極として鉄入り銅を打ち抜き及び押し圧により、タイバーで接続された一対のリードフレームを形成させる。リードフレームの一方は、LEDチップが配置されるようにカップが形成されたマウントリード105として機能し、他方は、LEDチップの他方の電極とワイヤによって電気的に接続させるインナーリード106として機能する。マウントリード105のカップは、底面が略縁なしの長方形に形成されている。また、リード電極の少なくとも一方に発光素子101を配置させる場合は、発光素子101からの光を有効に発光ダイオードから取り出すために側壁が形成されたカップを有することが好ましい。カップの形状や側壁の高さを調節することで配光特性を調整することができる。本発明においては、複数の発光素子が配置されるため発光素子の放熱性に優れたリード電極を用いることが好ましい。特に、発光材料にGaAlAs、AlInGaP等を使用した発光素子は、温度上昇に伴い発光効率が低下する傾向にある。また、発光スペクトルが長波長側へシフトするため、視感度が低下し光度が下がる。発光素子が複数マウントされているカップリード部を放熱リードとして作用させることが好ましい。
【0012】
(発光素子の配置)
形成されたマウントリード105上に上述のLEDチップ101を2個用いてそれぞれAgを含有させたエポキシ樹脂であるAgペースト104により、ダイボンド固着させる。ダイボンド固着されたLEDチップ101はカップの中心に対して、それぞれほぼ左右対称に配置される。各LEDチップ間の距離が短くなればなるほど正面光度が高くなる。並列接続の場合は、各チップ間が接触しても電気的に損傷はないが、量産性よく実装することが難しいため、5μm以上離しておくことが好ましい。直列接続させる場合はLEDチップ間の短絡を考慮して50μm以上離すことがより好ましい。他方、各LEDチップ間が離れすぎると、曲率半径の小さい楕円モールド部材の長径方向における正面光度が急激に低下する傾向にある。そのため、各LEDチップ間の距離は350μm以下が好ましく、300μm以下がより好ましい。さらに好ましくは270μm以下である。
【0013】
(発光素子の電気的接続)
次に、直径約35μmの金線103を用いて各LEDチップ101の電極と、同一のインナーリード106とをワイヤボンディングさせる。この場合、各LEDチップから延びるワイヤは互いに接触しても極性が同じであるため実質的に問題となることがない。
【0014】
(モールド部材102)
発光素子101とリード電極105、106とが電気的に接続されたものに発光観測面側から見て楕円状レンズを形成すべく、楕円状の凹形状をしたキャスティングケース内を用いる。キャスティングケース内には、エポキシ樹脂を流し込むと共にLEDチップが配置された上述のリードフレーム先端を差し込み、150℃1時間で仮硬化させる。キャスティングケースからリードフレームを取り出し120℃5時間で本硬化させ発光ダイオードを形成させる。なお、モールド部材102は、エポキシ樹脂、イミド樹脂などの透光性、耐光性に優れた樹脂のほか、低融点ガラスなどを利用することもできる。また、モールド部材には、所望に応じて発光素子から放出される波長の一部をカットするフィルター効果を持つ着色剤や、劣化を防止させるための紫外線吸収剤、配光特性を滑らかにする拡散剤など種々の添加剤を含有させることもできる。
【0015】
図1及び図2の如き、形成された発光ダイオードは発光観測面側から見て楕円状のレンズを持ち、楕円の長径方向と平行方向が垂直方向よりも長いカップ内に2個のLEDチップが配置されている。各LEDチップは共にワイヤを用いてインナーリードとそれぞれ電気的に接続されている。同じLEDチップ601をカップ内の略中心に1つだけ設けた以外は本発明の発光ダイオードと同様にして図6に示す比較のための発光ダイオード600を形成させた。こうして形成された本発明と比較のための発光ダイオードについて、その配光特性を図7及び図8に示す。図4及び図5より本発明の発光ダイオードの方が光軸上で発光強度が最大となっており、且つ滑らかな配光特性を示すのに対し、図7及び図8に示す比較のための発光ダイオードは光軸上で十分集光されておらず、光軸上で凹状となる配光特性となっている。なお、本発光ダイオードはフルカラー表示装置以外にも実装スペースに制約のある時にも有用である。また砲弾型発光ダイオードに限らず、表面実装型発光ダイオードにも利用できることはいうまでもない。
【0016】
次に、上述の如き形成された赤色系(R)が発光可能な発光ダイオードと、発光素子がサファイア基板上にバッファ層を介して形成され、活性層がInGaNからなる窒化物半導体を用いた発光ダイオードとを利用して表示装置を形成させた。窒化物半導体を用いた発光素子は、サファイア基板上に形成された半導体上に一対の電極が形成されている。正極及び負極の電極は発光観測面から見て略矩形状の隅部に設けられているため、上述と同様の楕円形状を持ったモールド部材で封止した発光ダイオードを形成させても光軸上の正面光度が低下することは少ない。発光層のInの組成を変えることにより、緑色系(G)が発光可能な発光ダイオードと、青色系(B)が発光ダイオードとを形成させてある。RGBを近接配置させたものを一画素としてドットマトリックス状に配置させてドットマトリックスディスプレイとしてある。このような発光ダイオードはRGBとも配光特性を合わせることができるため、視認性の優れた表示装置とすることができる。
【0017】
続いて、直列接続させた本発明の発光ダイオードを示す。図3に示す、発光ダイオード300は、2本のリード電極305、307及び1本の放熱リード306から形成されている。放熱リード先端306には、発光素子301、311から発光された光を上面に放射させる目的で楕円カップ部が形成されており、楕円カップ部長手方向に2個の発光素子301、311が並ぶようにダイボンドされる。2個の発光素子は各々p型半導体、n型半導体が基板上面にエピタキシャル成長されており、前者は発光素子上面の金属電極部がp電極、後者はn電極になっている。同カップ部内にAgペーストなどを利用した導電性接着剤によってダイボンドされた2個の発光素子は、上面の金属電極部がp電極である発光素子301がアノードリード電極にワイヤ303でワイヤボンディングされると共に上面の金属電極部がn電極である発光素子311がカソードリード電極にワイヤ313でワイヤボンディングされ、電気的に直列接続される。その上に楕円形状のモールド部材302で被覆させてある。この発光ダイオードを基板実装する際には、例えば基板上に発光ダイオード1個につき3個のスルーホールが設けてあり、両端のリードははんだを介して電気的に接続される。しかしながら、先端にカップ部を形成したリードは、はんだを介して基板上に接続されるものの電気的には中立とさせてある。そのためこのリードが放熱対策用リード電極として機能する。更に基板上に放熱リード電極下に放熱専用ランドを形成すれば、より一層の放熱効果が期待することができる。
【0018】
【発明の効果】
本発明の発光ダイオードの構成とすることによって、光軸上の正面光度を高くさせると共にモールド部材の曲率の小さいレンズ形状方向に対しても滑らかな配光特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明とは別の発光ダイオードの模式的断面図である。
【図2】 本発明とは別の発光ダイオードの模式的平面図である。
【図3】 本発明の発光ダイオードの模式的斜視図である。
【図4】 本発明の水平方向における配光特性を示す図である。
【図5】 本発明の垂直方向における配光特性を示す図である。
【図6】 本発明と比較のために示す発光ダイオードの模式的斜視図である。
【図7】 本発明の発光ダイオードと比較のために示す発光ダイオードの水平方向における配光特性を示す図である。
【図8】 本発明の発光ダイオードと比較のために示す発光ダイオードの垂直方向における配光特性を示す図である。
【符号の説明】
100・・・発光ダイオード
101・・・LEDチップ
102・・・透光性モールド部材
103・・・ワイヤ
104・・・ダイボンド樹脂
105・・・インナーリード
106・・・マウントリード
201・・・発光素子の中心に設けられた電極
300・・・発光ダイオード
301・・・上面の金属電極部がp電極の発光素子
302・・・モールド部材
303・・・ワイヤ
304・・・ダイボンド樹脂
305・・・リード電極
306・・・放熱リード
307・・・リード電極
311・・・上面の金属電極部がn電極の発光素子
313・・・ワイヤ
600・・・発光ダイオード
601・・・LEDチップ
602・・・透光性モールド部材
603・・・ワイヤ
605・・・マウントリード
606・・・インナーリード
Claims (1)
- 同色系が発光可能であり、発光観測面側から見て発光素子の略中心に円状の電極を備えた複数の発光素子と、略楕円形状であり該発光素子を被覆するモールド部材とを有し、前記複数の発光素子が、発光観測面側から見て、前記円状の電極が前記モールド部材からなるレンズの光軸からずれるように、前記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に沿って、カップの中心に対して略対称に配置されており、前記発光素子が配置されるカップは、発光観測面側から見て、前記モールド部材の楕円長径方向と略平行な方向が略垂直な方向よりも長く、前記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に、正負一対のリード電極が配置されている発光ダイオードであって、
上面側のp電極および基板側のn電極を有する第一の発光素子と、上面側のn電極および基板側のp電極を有する第二の発光素子と、が配置され、導電性接着材により前記基板側の電極をそれぞれ接続させた前記カップを有する放熱リードと、
前記第一の発光素子のp電極がワイヤボンディングされた正のリード電極と、
前記第二の発光素子のn電極がワイヤボンディングされた負のリード電極と、を備えており、
前記放熱リードが、前記正のリード電極および前記負のリード電極から電気的に中立とさせてあることを特徴とする発光ダイオード。
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