JP3900848B2 - 発光ダイオード - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面実装型の発光第ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の発光ダイオードとしては、例えば図６に示したものが知られている（特願平１１−２１４５２７号に開示）。この発光ダイオード４１は、透明樹脂基板４７で構成される矩形状の台座４２の上面に一対の上面電極としてカソード電極４３とアノード電極４４がパターン形成されている。前記透明樹脂基板４７の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材４８が分散されており、後述するように青色発光を白色発光に波長変換する。
【０００３】
一方、前記台座４２の上面４２ａには、発光ダイオード素子４９が搭載されている。この発光ダイオード素子４９は窒化ガリウム系化合物半導体からなる青色発光素子であり、サファイヤ基板５０の上面にｎ型半導体５１及びｐ型半導体５２を成長させた構造である。ｎ型半導体５１およびｐ型半導体５２に対し、それぞれの上面に電極５３、５４が形成されている。これらの電極５３、５４と前記台座４２に設けられたカソード電極４３及びアノード電極４４とは、ボンデイングワイヤ５５、５６によって接続されている。
【０００４】
前記発光ダイオード４９は、その下面側に塗布された透明接着剤５７を介して台座４２の上面４２ａに固定されている。また、発光ダイオード素子４９およびボンデイングワイヤ５５、５６は台座４２の上面４２ａに形成されたドーム状の樹脂封止体５８により保護されている。この樹脂封止体５８の外周面には反射膜６８がコーテイングされている。
【０００５】
上述の構成からなる発光ダイオード４１おいて発光ダイオード素子４９のｎ型とp型の半導体５１、５２の境界面から上下方向に青色光を発光し、その青色光のうち、最初から下方向に向かう光６７は透明なサファイヤ基板５０及び透明接着剤５７を経て透明樹脂基板４７を透過する。発光ダイオード素子４９から樹脂封止体５８側に出た光は電極５３、５４が部分的にしか形成されていないために、樹脂封止体５８を透過し、反射膜６８によって反射を受ける。反射膜は凹面反射鏡の作用をなし、反射した光が平行光６９となって透明樹脂基板４７を透過する。これらの光６７、６９が透明樹脂基板を透過する際に透明樹脂基板４７の中に分散された蛍光材４８を励起して波長変換される。すなわち、蛍光材４８が青色光によって励起され、黄色味のある波長に変換した発光を行い、混色により最終的には白色に近い発光が台座４２の下面４２ｂ側より出射する。
【０００６】
上記構成からなる発光ダイオード４１の実装方法は、図６に示すように、予めマザーボード６１に発光ダイオード４１の樹脂封止体５８が挿入される挿入孔６２を開設しておき、実装時には前記発光ダイオード４１を上下逆にしてマザーボード６１上に載置し、挿入孔６２内に樹脂封止体５８を挿入する。台座４２に設けられたカソード電極４３およびアノード電極４４を挿入孔６２の周囲にプリントされたマザーボード６１上の配線パターン６３，６４に半田４５で固定する。
【０００７】
上述の実装手段では、発光ダイオード４１が上下逆に実装され、マザーボード６１の上方が発光ダイオード４１により照明されることになる。その際、青色から白色への波長変換が蛍光材４８を含有する透明樹脂基板４７内で行われるので、効率よく白色発光が得られる。又、発光ダイオード４１が上下逆に実装されることにより、上記マザーボード４１を含めた全体の高さは、樹脂封止体５８の厚味が加算されないので、マザーボード６１の厚さと台座４２の厚さを加えただけとなり、全体の薄型化ができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の表面実装型の発光ダイオードには次のような問題がある。すなわち、発光ダイオード素子４９が取り付けられる台座４２は透明樹脂基板４７よりなり、この透明樹脂基板４７はエポキシ樹脂等よりなるが、その熱伝導率は小さく、０．２ｗ／ｍ・Ｋ程度である。発光ダイオード素子２９に発光のために電流が流されると発熱を生じ、その温度が上昇しようとするが、主として台座２２からの放熱により、温度の上昇が抑えられている。発光ダイオード素子の温度が許容値よりも上昇すると、その破損、劣化を生ずるので、温度は許容値（例えば１２０oｃ）以下に押さえなければならない。しかるに、従来の発光ダイオードにおいては上記のように台座の熱伝導率が小さいため、放熱性が悪く、発光ダイオード素子の温度が上昇しやすい。従って、発光ダイオード素子４９の劣化を防ぐにはこれに供給する電流を抑えて発熱量を制限する必要があり、このため、発光ダイオード素子４９の発光の輝度を十分に上げることができず、最終的な白色の照明光の輝度を十分に上げることができない。また、逆に照明光の輝度を上げようとして、発光ダイオード素子２９の供給電流を上げると、温度が過大となり、発光ダイオード素子２９の劣化を生ずることとなる。
【０００９】
本発明は台座に発光ダイオード素子が搭載されてなる表面実装型の発光ダイオードにおける上記の問題点すなわち放熱性が悪い点を改善することを課題とする。本発明はかかる課題を解決することにより、構造簡単で放熱特性に優れた表面実装型の発光ダイオードを提供し、これにより破損、劣化を生ずることなく高輝度の照明を可能とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためにその第１の手段として本発明は、台座の上面に発光ダイオード素子を搭載するとともに、この発光ダイオード素子の電極を前記台座に設けた端子に接続し、発光ダイオード素子を樹脂封止体によって封止してなる発光ダイオードにおいて、前記台座を無機材料により形成し、その台座に非貫通の凹部を設けると共に、この非貫通の凹部にイットリウム化合物からなる蛍光剤が分散された透明樹脂部を充填し、台座の上に、透明接着剤を介して素子基板が透明である窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子を固着するとともに、発光ダイオード素子の上方側に反射部を設け、発光ダイオード素子から出た光が透明樹脂部を透過して台座の下面側に導かれるようにし、発光ダイオード素子から出た青色発光が透明樹脂部材を透過する間に白色発光に波長変換することを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するためにその第２の手段として本発明は、台座の上面に発光ダイオード素子を搭載するとともに、この発光ダイオード素子の電極を前記台座に設けた端子に接続し、発光ダイオード素子を樹脂封止体によって封止してなる発光ダイオードにおいて、前記台座を無機材料により形成し、その台座に上面から下面に達する複数の貫通孔を前記台座の発光ダイオード素子搭載部を中心として分布するように設けると共に、この貫通孔にイットリウム化合物からなる蛍光剤が分散された屈折率が前記台座の無機材料より小である透明樹脂部を充填し、台座の上に、透明接着剤を介して素子基板が透明である窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子を固着するとともに、発光ダイオード素子の上方側に反射部を設け、発光ダイオード素子から出た光が透明樹脂部を透過して台座の下面側に導かれるようにし、発光ダイオード素子から出た青色発光が透明樹脂部材を透過する間に白色発光に波長変換することを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するためにその第３の手段として本発明は、前記第１の手段又は第２の手段において、前記台座の下面側に集光レンズ部が突設されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するためにその第４の手段として本発明は、前記第１の手段乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記発光ダイオード素子の上方側に設けられた非透過部が、前記発光ダイオード素子の上面側に設けられた非透過電極であることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するためにその第５の手段として本発明は、前記第１の手段乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記発光ダイオード素子の上方側に設けられた非透過部が、透明の樹脂封止体の外周面を被う反射膜であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明に係る発光ダイオードの実施の形態を詳細に説明する。図１及び図２は本発明の第１実施形態の表面実装型発光ダイオードを示したものである。本第１の実施の形態に係る発光ダイオード１は、透明（または透光性）無機材料よりなる透明無機基板７で構成される矩形状の台座２の上面に一対の上面電極としてカソード電極３とアノード電極４がパターン形成されている。前記透明無機基板７の透明無機材料は例えば透光性アルミナ、サファイヤ、透光性窒化アルミニウム、ガラス等であり、後述するように高い熱伝導率を有している。透明樹脂基板７の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材８が分散されており、後述するように青色発光を白色発光に波長変換する。
【００１６】
一方、前記台座２の上面２ａには、発光ダイオード素子９が搭載されている。この発光ダイオード素子９は窒化ガリウム系化合物半導体からなる青色発光素子であり、サファイヤ基板１０の上面にｎ型半導体１１及びｐ型半導体１２を成長させた構造である。ｎ型半導体１１およびｐ型半導体１２に対し、それぞれの上面に部分的に電極１３、１４が形成されている。これらの電極１３、１４と前記台座２に設けられたカソード電極３及びアノード電極４とは、ボンデイングワイヤ１５、１６によって接続されている。
【００１７】
前記発光ダイオード９は、その下面側に塗布された透明接着剤１７を介して台座２の上面２ａに固定されている。また、発光ダイオード素子９およびボンデイングワイヤ１５、１６は台座２の上面２ａに形成されたドーム状の樹脂封止体１８により保護されている。この樹脂封止体１８の外周面は反射膜１９がコーテイングされている。樹脂封止体１８は透明樹脂を材料として形成され、反射膜１９は銀やアルミニウムなどの蒸着によって形成される。
【００１８】
上述の構成からなる発光ダイオード１おいて発光ダイオード素子９のｎ型半導体１１とp型半導体１２の境界面から上下方向に青色光を発光し、その青色光のうち、最初から下方向に向かう光２７は透明なサファイヤ基板１０及び透明接着剤１７を経て透明樹脂基板７を透過する。発光ダイオード素子９から樹脂封止体１８側に出た光は電極１３、１４が部分的にしか形成されていないために、樹脂封止体１８を透過し、反射膜１９によって反射を受ける。反射膜１９は凹面反射鏡の作用をなし、反射した光が平行光６９となって透明無機基板７を透過する。ここで、これらの光２７、２９が透明無機基板７を透過する際に透明無機基板７内に分散されている蛍光材８が青色発光の短波長によって励起され、青色発光を黄色味のある発光に波長変換する。そして、元々の青色発光と波長変換された発光とが互いに混色することで、透明無機基板７よりなる台座２の下面２ｂ側では白色に近い発光が得られる。
【００１９】
上記構成からなる発光ダイオード１の実装方法は、図２に示すように、予めマザーボード２１に発光ダイオード１の樹脂封止体１８が挿入される挿入孔２２を開設しておき、実装時には前記発光ダイオード１を上下逆にしてマザーボード２１上に載置し、挿入孔２２内に樹脂封止体１８を挿入する。台座２に設けられたカソード電極３およびアノード４を挿入孔２の周囲にプリントされたマザーボード２１上の配線パターン２３，２４に半田２５で固定する。
【００２０】
上述の実装手段では、発光ダイオード１が上下逆に実装され、マザーボード２１の上方が発光ダイオード１により照明されることになる。ここで、発光ダイオード１において発光ダイオード素子９が搭載されている台座２を構成する透明無機基板７の材料は上記したように透光性アルミナ、サファイヤ、透光性窒化アルミニウム、ガラス等でありその熱伝導率は １．０〜３０ｗ／ｍ・Ｋ であり、これは図６に例示した従来の発光ダイオード（４１）の台座（４２）を構成するエポキシ樹脂等の透明樹脂基板（４７）の熱伝導率（ ０．２ｗ／ｍ・Ｋ ）よりも格段に高く、従って本実施の形態において、台座２は従来よりも格段に優れた放熱性を有している。よって、発光ダイオード素子９の発光の際の通電による発熱は台座２により効率よく放熱され、発光ダイオード１の温度上昇が効果的に抑止される。これにより、発光ダイオード１の発光の輝度を十分に上げるため、発光ダイオード素子９の通電電流を必要なだけ上げて通電による発熱が増加しても、効率のよい放熱により、温度の上昇を所定の範囲に抑え、発光ダイオード１の破壊、劣化を防止することができる。
【００２１】
本実施の形態においては、上記のように青色から白色への波長変換が蛍光材８を含有する透明無機基板７内で行われるので、効率よく白色発光が得られる。ここで、透明材料を使用しているので、光の利用効率を高くすることができる。次に、本実施の形態においてはカソード電極３およびアノード電極４を透明無機基板７よりなる台座２上に形成するする方法としては、台座２の材料に耐熱性があるため、樹脂材の場合よりも自由度が拡大し、蒸着、メッキ等の他に焼き付け等も可能となる。また本実施の形態は、図６に示した従来の場合と同様に、発光ダイオード１が上下逆に実装されることにより、上記マザーボード２１を含めた全体の高さは、樹脂封止体の厚味が加算されないので、マザーボード２１の厚さと台座２の厚さを加えただけとなり、全体の薄型化ができる。以上に述べたように本実施の形態によれば、表面実装型の発光ダイオードにおいて、特別の放熱手段を設けることなく、簡単な構成において、その放熱特性を向上させることができる。
【００２２】
図３は本発明の第２実施形態の構成を示す図である。本第２実施形態に係る表面実装型の発光ダイオード１は、台座２は透明無機材料よりなる透明無機基板７と透明無機基板７の上面から下面に貫通する貫通孔７ｃに充填された透明樹脂部５を有している。透明樹脂部５の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材８が分散されている。台座２にはカソード電極３およびアノード電極４がパターン形成されると共に、台座の上面２ａには前記透明樹脂部５の略真上に発光ダイオード素子９が搭載されている。この発光ダイオード素子の構成は基本的には図１に示した第１実施形態の発光ダイオード素子９と同様であり、サファイヤ基板１０に形成されたｎ型半導体１１及びｐ型半導体１２はそれぞれの上面に電極を備えるが、この第２実施形態では、非透過性の電極１３、１４がｎ型半導体１１およびｐ型半導体１２の各上面全体に形成されており、これによって上方への発光が略完全に遮蔽される。
【００２３】
これらの非透過性の電極１３、１４と前記台座２に設けられたカソード電極３及びアノード電極４はボンデイングワイヤ１５、１６により接続されている。発光ダイオード素子９はその下面側に塗布された透明接着剤１７を介して台座２の上面に固着されている。また、発光ダイオード素子９およびボンデイングワイヤ１５、１６は台座２の上面に形成された図２と同様のドーム状の樹脂封止体１８によって保護されている。
【００２４】
上記の構成からなる発光ダイオード１においては、発光ダイオード素子９のｎ型半導体１１とｐ型半導体１２との境界面から上下方向に青色光が発光するが、上方向へ発光した青色光は前記の非透過性の電極１３、１４に遮光されるため、樹脂封止体１８内への透過が殆どない状態で非透過性の電極１３，１４により反射される。又斜め上方に若干漏れて樹脂体１８内を透過する光があっても、ドーム状の樹脂体１８をコートする反射膜１９により反射される。これらの反射光および最初からサファイヤ基板１０を透過して下方向に向かう青色発光は、透明接着剤１７を介して透明無機基板７の貫通孔７ｃに充填されている透明樹脂部５を透過し、透明無機基板７の下面側すなわち台座２の下面２ｂ側に出射する。その際、透明樹脂部５内に分散されている蛍光材８が青色発光の短波長により励起されてすでに説明した波長変換を行い、すでに説明した原理により、台座２の下面２ｂ側で白色に近い発光が得られる。
【００２５】
本第２実施形態に係る発光ダイオード１も図２に示した第１実施形態と同様にして、図３に示すように、マザーボード２１に上下逆に実装され、マザーボード２１の上方が発光ダイオード１によって照射される。その際、青色から白色への波長変換が台座２のうち蛍光材８を含有する透明樹脂部５内のみで行われるので、指向性の優れた輝度の高い白色発光が得られる。ここで、台座２のうち、透明樹脂部５以外の部分は透明無機材料よりなる透明無機基板７であり、透明無機材料は透光性アルミナ、サファイヤ、透光性窒化アルミニウム、ガラス等でありその熱伝導率はすでに説明したようにガラエポ等の透明樹脂基板の熱伝導率よりも格段に高い。
【００２６】
従って本第２の実施の形態においても、台座２は従来よりも格段に優れた放熱性を有している。よって、図１に示した第１実施形態の場合と同様に発光ダイオード素子９の発光に伴う温度上昇は効果的に抑えられ、これによりすでに説明したような発光輝度の増加および発光ダイオードの劣化防止の効果が得られる。なお、蛍光材８が分散された透明樹脂部５を有するので、発光ダイオード素子９の青色発光の色度がサファイヤ基板１０の組成や半導体の成長等の製造条件等に依存してバラツイた場合でも、これにあわせて個々に蛍光材８の成分量を調整して透明樹脂部５を形成し、最終的に白色又はこれに近い発光を得るようすることが容易にできるので便利である。
【００２７】
図４は本発明の第３実施形態の構成を示す図である。本第３実施形態では、台座２の下面２ｂ側において、透明樹脂部５の略直上に半球状のレンズ部２６を設けた以外は前記第２の実施の形態と略同様の構成なので、共通の部分に関する詳細な説明は省略する。前記レンズ部２６は透明樹脂により形成されている。本第３の実施の形態では蛍光材８が分散されている透明樹脂部５の中を透過した光が台座２の下面２ｂ側でレンズ部２６よって屈折し、集光性が高められることになるので、白色発光の輝度が向上する。
【００２８】
図５は本発明の第４実施形態の構成を示す図である。本第４実施形態では、台座２は透明無機材料よりなる透明無機基板７と透明無機基板７の上面から下面に貫通する複数の貫通孔７ｃに充填された透明樹脂部５を有している。透明樹脂部５の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材８が分散されている。これ以外は図１、図２に示す前記第１実施形態と略同様の構成なので、共通の部分に関する詳細な説明は省略する。本第４実施形態において、台座２にその上面２ａ側から入光した青色発光のうち透明樹脂部５に入光したものは蛍光材８を励起して黄色系の発光に波長変換する。ここで、透明無機基板７の屈折率をｎ１、透明樹脂部５の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２の関係があれば、前記励起した黄色系の発光は透明樹脂部５から自由に透明透明無機基板７内にも入り込み、ここで台座２の上面２ａ側から直接に透明無機基板７内に入光した青色発光と混色することにより、台座２の下面２ｂ側で白色に近い発光が得られる。
【００２９】
又、前記透明樹脂部５においても、その部分に入光した元々の青色発光と波長変換された発光とが互いに混色することで台座２の下面２ｂ側で白色に近い発光が得られる。このようにして、台座２の下面２ｂの比較的広い範囲において白色に近い発光が得られる。本第４の実施の形態においても、台座２は無機透明基板７を有するので、放熱特性に優れた発光ダイオード１が構成される。なお、蛍光材８が分散された透明樹脂部５を有するので、発光ダイオード素子９の青色発光の色度がサファイヤ基板１０の組成や半導体の成長等の製造条件等に依存してバラツイた場合でも、これにあわせて個々に蛍光材の成分量を調整して透明樹脂部５を形成し、最終的に白色又はこれに近い発光を得るようすることが容易にできるので便利である。なお、本第４実施形態においては、蛍光材８が分散された透明樹脂部５は無機透明基板７の上下面を貫通する貫通孔７ｃに充填される場合だけでなく、図示は省略するが無機透明基板７の側面に設けられ上下面に通じる溝に前記透明樹脂部材５が充填される場合もある。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば構造簡単で放熱特性に優れ、破損や劣化を生ずることなく、輝度の高い照明光を発光することのできる表面実装型の発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図６】従来の発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【符号の説明】
１ 発光ダイオード
２ 台座
３ カソード電極
４ アノード電極
５ 透明樹脂部
７ 透明無機基板
８ 蛍光材
９ 発光ダイオード素子
１０ サファイヤ基板
１１ ｎ型半導体
１２ p型半導体
１３、１４ 電極
１５、１６ ボンデイングワイヤ
１７ 透明接着剤
１８ 樹脂封止体
１９ 反射膜
２１ マザーボード
２２ 挿入孔
２３、２４ 配線パターン
２５ 半田
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面実装型の発光第ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の発光ダイオードとしては、例えば図６に示したものが知られている（特願平１１−２１４５２７号に開示）。この発光ダイオード４１は、透明樹脂基板４７で構成される矩形状の台座４２の上面に一対の上面電極としてカソード電極４３とアノード電極４４がパターン形成されている。前記透明樹脂基板４７の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材４８が分散されており、後述するように青色発光を白色発光に波長変換する。
【０００３】
一方、前記台座４２の上面４２ａには、発光ダイオード素子４９が搭載されている。この発光ダイオード素子４９は窒化ガリウム系化合物半導体からなる青色発光素子であり、サファイヤ基板５０の上面にｎ型半導体５１及びｐ型半導体５２を成長させた構造である。ｎ型半導体５１およびｐ型半導体５２に対し、それぞれの上面に電極５３、５４が形成されている。これらの電極５３、５４と前記台座４２に設けられたカソード電極４３及びアノード電極４４とは、ボンデイングワイヤ５５、５６によって接続されている。
【０００４】
前記発光ダイオード４９は、その下面側に塗布された透明接着剤５７を介して台座４２の上面４２ａに固定されている。また、発光ダイオード素子４９およびボンデイングワイヤ５５、５６は台座４２の上面４２ａに形成されたドーム状の樹脂封止体５８により保護されている。この樹脂封止体５８の外周面には反射膜６８がコーテイングされている。
【０００５】
上述の構成からなる発光ダイオード４１おいて発光ダイオード素子４９のｎ型とp型の半導体５１、５２の境界面から上下方向に青色光を発光し、その青色光のうち、最初から下方向に向かう光６７は透明なサファイヤ基板５０及び透明接着剤５７を経て透明樹脂基板４７を透過する。発光ダイオード素子４９から樹脂封止体５８側に出た光は電極５３、５４が部分的にしか形成されていないために、樹脂封止体５８を透過し、反射膜６８によって反射を受ける。反射膜は凹面反射鏡の作用をなし、反射した光が平行光６９となって透明樹脂基板４７を透過する。これらの光６７、６９が透明樹脂基板を透過する際に透明樹脂基板４７の中に分散された蛍光材４８を励起して波長変換される。すなわち、蛍光材４８が青色光によって励起され、黄色味のある波長に変換した発光を行い、混色により最終的には白色に近い発光が台座４２の下面４２ｂ側より出射する。
【０００６】
上記構成からなる発光ダイオード４１の実装方法は、図６に示すように、予めマザーボード６１に発光ダイオード４１の樹脂封止体５８が挿入される挿入孔６２を開設しておき、実装時には前記発光ダイオード４１を上下逆にしてマザーボード６１上に載置し、挿入孔６２内に樹脂封止体５８を挿入する。台座４２に設けられたカソード電極４３およびアノード電極４４を挿入孔６２の周囲にプリントされたマザーボード６１上の配線パターン６３，６４に半田４５で固定する。
【０００７】
上述の実装手段では、発光ダイオード４１が上下逆に実装され、マザーボード６１の上方が発光ダイオード４１により照明されることになる。その際、青色から白色への波長変換が蛍光材４８を含有する透明樹脂基板４７内で行われるので、効率よく白色発光が得られる。又、発光ダイオード４１が上下逆に実装されることにより、上記マザーボード４１を含めた全体の高さは、樹脂封止体５８の厚味が加算されないので、マザーボード６１の厚さと台座４２の厚さを加えただけとなり、全体の薄型化ができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の表面実装型の発光ダイオードには次のような問題がある。すなわち、発光ダイオード素子４９が取り付けられる台座４２は透明樹脂基板４７よりなり、この透明樹脂基板４７はエポキシ樹脂等よりなるが、その熱伝導率は小さく、０．２ｗ／ｍ・Ｋ程度である。発光ダイオード素子２９に発光のために電流が流されると発熱を生じ、その温度が上昇しようとするが、主として台座２２からの放熱により、温度の上昇が抑えられている。発光ダイオード素子の温度が許容値よりも上昇すると、その破損、劣化を生ずるので、温度は許容値（例えば１２０oｃ）以下に押さえなければならない。しかるに、従来の発光ダイオードにおいては上記のように台座の熱伝導率が小さいため、放熱性が悪く、発光ダイオード素子の温度が上昇しやすい。従って、発光ダイオード素子４９の劣化を防ぐにはこれに供給する電流を抑えて発熱量を制限する必要があり、このため、発光ダイオード素子４９の発光の輝度を十分に上げることができず、最終的な白色の照明光の輝度を十分に上げることができない。また、逆に照明光の輝度を上げようとして、発光ダイオード素子２９の供給電流を上げると、温度が過大となり、発光ダイオード素子２９の劣化を生ずることとなる。
【０００９】
本発明は台座に発光ダイオード素子が搭載されてなる表面実装型の発光ダイオードにおける上記の問題点すなわち放熱性が悪い点を改善することを課題とする。本発明はかかる課題を解決することにより、構造簡単で放熱特性に優れた表面実装型の発光ダイオードを提供し、これにより破損、劣化を生ずることなく高輝度の照明を可能とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためにその第１の手段として本発明は、台座の上面に発光ダイオード素子を搭載するとともに、この発光ダイオード素子の電極を前記台座に設けた端子に接続し、発光ダイオード素子を樹脂封止体によって封止してなる発光ダイオードにおいて、前記台座を無機材料により形成し、その台座に非貫通の凹部を設けると共に、この非貫通の凹部にイットリウム化合物からなる蛍光剤が分散された透明樹脂部を充填し、台座の上に、透明接着剤を介して素子基板が透明である窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子を固着するとともに、発光ダイオード素子の上方側に反射部を設け、発光ダイオード素子から出た光が透明樹脂部を透過して台座の下面側に導かれるようにし、発光ダイオード素子から出た青色発光が透明樹脂部材を透過する間に白色発光に波長変換することを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するためにその第２の手段として本発明は、台座の上面に発光ダイオード素子を搭載するとともに、この発光ダイオード素子の電極を前記台座に設けた端子に接続し、発光ダイオード素子を樹脂封止体によって封止してなる発光ダイオードにおいて、前記台座を無機材料により形成し、その台座に上面から下面に達する複数の貫通孔を前記台座の発光ダイオード素子搭載部を中心として分布するように設けると共に、この貫通孔にイットリウム化合物からなる蛍光剤が分散された屈折率が前記台座の無機材料より小である透明樹脂部を充填し、台座の上に、透明接着剤を介して素子基板が透明である窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子を固着するとともに、発光ダイオード素子の上方側に反射部を設け、発光ダイオード素子から出た光が透明樹脂部を透過して台座の下面側に導かれるようにし、発光ダイオード素子から出た青色発光が透明樹脂部材を透過する間に白色発光に波長変換することを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するためにその第３の手段として本発明は、前記第１の手段又は第２の手段において、前記台座の下面側に集光レンズ部が突設されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するためにその第４の手段として本発明は、前記第１の手段乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記発光ダイオード素子の上方側に設けられた非透過部が、前記発光ダイオード素子の上面側に設けられた非透過電極であることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するためにその第５の手段として本発明は、前記第１の手段乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記発光ダイオード素子の上方側に設けられた非透過部が、透明の樹脂封止体の外周面を被う反射膜であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明に係る発光ダイオードの実施の形態を詳細に説明する。図１及び図２は本発明の第１実施形態の表面実装型発光ダイオードを示したものである。本第１の実施の形態に係る発光ダイオード１は、透明（または透光性）無機材料よりなる透明無機基板７で構成される矩形状の台座２の上面に一対の上面電極としてカソード電極３とアノード電極４がパターン形成されている。前記透明無機基板７の透明無機材料は例えば透光性アルミナ、サファイヤ、透光性窒化アルミニウム、ガラス等であり、後述するように高い熱伝導率を有している。透明樹脂基板７の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材８が分散されており、後述するように青色発光を白色発光に波長変換する。
【００１６】
一方、前記台座２の上面２ａには、発光ダイオード素子９が搭載されている。この発光ダイオード素子９は窒化ガリウム系化合物半導体からなる青色発光素子であり、サファイヤ基板１０の上面にｎ型半導体１１及びｐ型半導体１２を成長させた構造である。ｎ型半導体１１およびｐ型半導体１２に対し、それぞれの上面に部分的に電極１３、１４が形成されている。これらの電極１３、１４と前記台座２に設けられたカソード電極３及びアノード電極４とは、ボンデイングワイヤ１５、１６によって接続されている。
【００１７】
前記発光ダイオード９は、その下面側に塗布された透明接着剤１７を介して台座２の上面２ａに固定されている。また、発光ダイオード素子９およびボンデイングワイヤ１５、１６は台座２の上面２ａに形成されたドーム状の樹脂封止体１８により保護されている。この樹脂封止体１８の外周面は反射膜１９がコーテイングされている。樹脂封止体１８は透明樹脂を材料として形成され、反射膜１９は銀やアルミニウムなどの蒸着によって形成される。
【００１８】
上述の構成からなる発光ダイオード１おいて発光ダイオード素子９のｎ型半導体１１とp型半導体１２の境界面から上下方向に青色光を発光し、その青色光のうち、最初から下方向に向かう光２７は透明なサファイヤ基板１０及び透明接着剤１７を経て透明樹脂基板７を透過する。発光ダイオード素子９から樹脂封止体１８側に出た光は電極１３、１４が部分的にしか形成されていないために、樹脂封止体１８を透過し、反射膜１９によって反射を受ける。反射膜１９は凹面反射鏡の作用をなし、反射した光が平行光６９となって透明無機基板７を透過する。ここで、これらの光２７、２９が透明無機基板７を透過する際に透明無機基板７内に分散されている蛍光材８が青色発光の短波長によって励起され、青色発光を黄色味のある発光に波長変換する。そして、元々の青色発光と波長変換された発光とが互いに混色することで、透明無機基板７よりなる台座２の下面２ｂ側では白色に近い発光が得られる。
【００１９】
上記構成からなる発光ダイオード１の実装方法は、図２に示すように、予めマザーボード２１に発光ダイオード１の樹脂封止体１８が挿入される挿入孔２２を開設しておき、実装時には前記発光ダイオード１を上下逆にしてマザーボード２１上に載置し、挿入孔２２内に樹脂封止体１８を挿入する。台座２に設けられたカソード電極３およびアノード４を挿入孔２の周囲にプリントされたマザーボード２１上の配線パターン２３，２４に半田２５で固定する。
【００２０】
上述の実装手段では、発光ダイオード１が上下逆に実装され、マザーボード２１の上方が発光ダイオード１により照明されることになる。ここで、発光ダイオード１において発光ダイオード素子９が搭載されている台座２を構成する透明無機基板７の材料は上記したように透光性アルミナ、サファイヤ、透光性窒化アルミニウム、ガラス等でありその熱伝導率は １．０〜３０ｗ／ｍ・Ｋ であり、これは図６に例示した従来の発光ダイオード（４１）の台座（４２）を構成するエポキシ樹脂等の透明樹脂基板（４７）の熱伝導率（ ０．２ｗ／ｍ・Ｋ ）よりも格段に高く、従って本実施の形態において、台座２は従来よりも格段に優れた放熱性を有している。よって、発光ダイオード素子９の発光の際の通電による発熱は台座２により効率よく放熱され、発光ダイオード１の温度上昇が効果的に抑止される。これにより、発光ダイオード１の発光の輝度を十分に上げるため、発光ダイオード素子９の通電電流を必要なだけ上げて通電による発熱が増加しても、効率のよい放熱により、温度の上昇を所定の範囲に抑え、発光ダイオード１の破壊、劣化を防止することができる。
【００２１】
本実施の形態においては、上記のように青色から白色への波長変換が蛍光材８を含有する透明無機基板７内で行われるので、効率よく白色発光が得られる。ここで、透明材料を使用しているので、光の利用効率を高くすることができる。次に、本実施の形態においてはカソード電極３およびアノード電極４を透明無機基板７よりなる台座２上に形成するする方法としては、台座２の材料に耐熱性があるため、樹脂材の場合よりも自由度が拡大し、蒸着、メッキ等の他に焼き付け等も可能となる。また本実施の形態は、図６に示した従来の場合と同様に、発光ダイオード１が上下逆に実装されることにより、上記マザーボード２１を含めた全体の高さは、樹脂封止体の厚味が加算されないので、マザーボード２１の厚さと台座２の厚さを加えただけとなり、全体の薄型化ができる。以上に述べたように本実施の形態によれば、表面実装型の発光ダイオードにおいて、特別の放熱手段を設けることなく、簡単な構成において、その放熱特性を向上させることができる。
【００２２】
図３は本発明の第２実施形態の構成を示す図である。本第２実施形態に係る表面実装型の発光ダイオード１は、台座２は透明無機材料よりなる透明無機基板７と透明無機基板７の上面から下面に貫通する貫通孔７ｃに充填された透明樹脂部５を有している。透明樹脂部５の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材８が分散されている。台座２にはカソード電極３およびアノード電極４がパターン形成されると共に、台座の上面２ａには前記透明樹脂部５の略真上に発光ダイオード素子９が搭載されている。この発光ダイオード素子の構成は基本的には図１に示した第１実施形態の発光ダイオード素子９と同様であり、サファイヤ基板１０に形成されたｎ型半導体１１及びｐ型半導体１２はそれぞれの上面に電極を備えるが、この第２実施形態では、非透過性の電極１３、１４がｎ型半導体１１およびｐ型半導体１２の各上面全体に形成されており、これによって上方への発光が略完全に遮蔽される。
【００２３】
これらの非透過性の電極１３、１４と前記台座２に設けられたカソード電極３及びアノード電極４はボンデイングワイヤ１５、１６により接続されている。発光ダイオード素子９はその下面側に塗布された透明接着剤１７を介して台座２の上面に固着されている。また、発光ダイオード素子９およびボンデイングワイヤ１５、１６は台座２の上面に形成された図２と同様のドーム状の樹脂封止体１８によって保護されている。
【００２４】
上記の構成からなる発光ダイオード１においては、発光ダイオード素子９のｎ型半導体１１とｐ型半導体１２との境界面から上下方向に青色光が発光するが、上方向へ発光した青色光は前記の非透過性の電極１３、１４に遮光されるため、樹脂封止体１８内への透過が殆どない状態で非透過性の電極１３，１４により反射される。又斜め上方に若干漏れて樹脂体１８内を透過する光があっても、ドーム状の樹脂体１８をコートする反射膜１９により反射される。これらの反射光および最初からサファイヤ基板１０を透過して下方向に向かう青色発光は、透明接着剤１７を介して透明無機基板７の貫通孔７ｃに充填されている透明樹脂部５を透過し、透明無機基板７の下面側すなわち台座２の下面２ｂ側に出射する。その際、透明樹脂部５内に分散されている蛍光材８が青色発光の短波長により励起されてすでに説明した波長変換を行い、すでに説明した原理により、台座２の下面２ｂ側で白色に近い発光が得られる。
【００２５】
本第２実施形態に係る発光ダイオード１も図２に示した第１実施形態と同様にして、図３に示すように、マザーボード２１に上下逆に実装され、マザーボード２１の上方が発光ダイオード１によって照射される。その際、青色から白色への波長変換が台座２のうち蛍光材８を含有する透明樹脂部５内のみで行われるので、指向性の優れた輝度の高い白色発光が得られる。ここで、台座２のうち、透明樹脂部５以外の部分は透明無機材料よりなる透明無機基板７であり、透明無機材料は透光性アルミナ、サファイヤ、透光性窒化アルミニウム、ガラス等でありその熱伝導率はすでに説明したようにガラエポ等の透明樹脂基板の熱伝導率よりも格段に高い。
【００２６】
従って本第２の実施の形態においても、台座２は従来よりも格段に優れた放熱性を有している。よって、図１に示した第１実施形態の場合と同様に発光ダイオード素子９の発光に伴う温度上昇は効果的に抑えられ、これによりすでに説明したような発光輝度の増加および発光ダイオードの劣化防止の効果が得られる。なお、蛍光材８が分散された透明樹脂部５を有するので、発光ダイオード素子９の青色発光の色度がサファイヤ基板１０の組成や半導体の成長等の製造条件等に依存してバラツイた場合でも、これにあわせて個々に蛍光材８の成分量を調整して透明樹脂部５を形成し、最終的に白色又はこれに近い発光を得るようすることが容易にできるので便利である。
【００２７】
図４は本発明の第３実施形態の構成を示す図である。本第３実施形態では、台座２の下面２ｂ側において、透明樹脂部５の略直上に半球状のレンズ部２６を設けた以外は前記第２の実施の形態と略同様の構成なので、共通の部分に関する詳細な説明は省略する。前記レンズ部２６は透明樹脂により形成されている。本第３の実施の形態では蛍光材８が分散されている透明樹脂部５の中を透過した光が台座２の下面２ｂ側でレンズ部２６よって屈折し、集光性が高められることになるので、白色発光の輝度が向上する。
【００２８】
図５は本発明の第４実施形態の構成を示す図である。本第４実施形態では、台座２は透明無機材料よりなる透明無機基板７と透明無機基板７の上面から下面に貫通する複数の貫通孔７ｃに充填された透明樹脂部５を有している。透明樹脂部５の中にはイットリウム化合物等からなる蛍光材８が分散されている。これ以外は図１、図２に示す前記第１実施形態と略同様の構成なので、共通の部分に関する詳細な説明は省略する。本第４実施形態において、台座２にその上面２ａ側から入光した青色発光のうち透明樹脂部５に入光したものは蛍光材８を励起して黄色系の発光に波長変換する。ここで、透明無機基板７の屈折率をｎ１、透明樹脂部５の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２の関係があれば、前記励起した黄色系の発光は透明樹脂部５から自由に透明透明無機基板７内にも入り込み、ここで台座２の上面２ａ側から直接に透明無機基板７内に入光した青色発光と混色することにより、台座２の下面２ｂ側で白色に近い発光が得られる。
【００２９】
又、前記透明樹脂部５においても、その部分に入光した元々の青色発光と波長変換された発光とが互いに混色することで台座２の下面２ｂ側で白色に近い発光が得られる。このようにして、台座２の下面２ｂの比較的広い範囲において白色に近い発光が得られる。本第４の実施の形態においても、台座２は無機透明基板７を有するので、放熱特性に優れた発光ダイオード１が構成される。なお、蛍光材８が分散された透明樹脂部５を有するので、発光ダイオード素子９の青色発光の色度がサファイヤ基板１０の組成や半導体の成長等の製造条件等に依存してバラツイた場合でも、これにあわせて個々に蛍光材の成分量を調整して透明樹脂部５を形成し、最終的に白色又はこれに近い発光を得るようすることが容易にできるので便利である。なお、本第４実施形態においては、蛍光材８が分散された透明樹脂部５は無機透明基板７の上下面を貫通する貫通孔７ｃに充填される場合だけでなく、図示は省略するが無機透明基板７の側面に設けられ上下面に通じる溝に前記透明樹脂部材５が充填される場合もある。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば構造簡単で放熱特性に優れ、破損や劣化を生ずることなく、輝度の高い照明光を発光することのできる表面実装型の発光ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【図６】従来の発光ダイオードを実装したときの断面図である。
【符号の説明】
１ 発光ダイオード
２ 台座
３ カソード電極
４ アノード電極
５ 透明樹脂部
７ 透明無機基板
８ 蛍光材
９ 発光ダイオード素子
１０ サファイヤ基板
１１ ｎ型半導体
１２ p型半導体
１３、１４ 電極
１５、１６ ボンデイングワイヤ
１７ 透明接着剤
１８ 樹脂封止体
１９ 反射膜
２１ マザーボード
２２ 挿入孔
２３、２４ 配線パターン
２５ 半田
Claims (2)
- 台座の上面に発光ダイオード素子を搭載するとともに、この発光ダイオード素子の電極を前記台座に設けた端子に接続し、発光ダイオード素子を樹脂封止体によって封止してなる発光ダイオードにおいて、前記台座を無機材料により形成し、その台座に非貫通の凹部を設けると共に、この非貫通の凹部にイットリウム化合物からなる蛍光剤が分散された透明樹脂部を充填し、台座の上に、透明接着剤を介して素子基板が透明である窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子を固着するとともに、発光ダイオード素子の上方側に反射部を設け、発光ダイオード素子から出た光が透明樹脂部を透過して台座の下面側に導かれるようにし、発光ダイオード素子から出た青色発光が透明樹脂部材を透過する間に白色発光に波長変換することを特徴とする発光ダイオード。
- 台座の上面に発光ダイオード素子を搭載するとともに、この発光ダイオード素子の電極を前記台座に設けた端子に接続し、発光ダイオード素子を樹脂封止体によって封止してなる発光ダイオードにおいて、前記台座を無機材料により形成し、その台座に上面から下面に達する複数の貫通孔を前記台座の発光ダイオード素子搭載部を中心として分布するように設けると共に、この貫通孔にイットリウム化合物からなる蛍光剤が分散された屈折率が前記台座の無機材料より小である透明樹脂部を充填し、台座の上に、透明接着剤を介して素子基板が透明である窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子を固着するとともに、発光ダイオード素子の上方側に反射部を設け、発光ダイオード素子から出た光が透明樹脂部を透過して台座の下面側に導かれるようにし、発光ダイオード素子から出た青色発光が透明樹脂部材を透過する間に白色発光に波長変換することを特徴とする発光ダイオード。
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