JP4001082B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線基板上に搭載された半導体発光素子と、半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードに関する。

従来、国内の携帯電話はカメラ付きのものが主流となりつつあり、このため、暗い所でも写真撮影可能な小型、薄型かつ高輝度のストロボ光源が求められている。この要求を満たす光源としては発光ダイオード（ＬＥＤ）が最も有力であるが、配光範囲を調整していない発光ダイオードでは輝度が不足していることが多く、この輝度不足を解消するために、半導体発光素子を覆う樹脂パッケージで、レンズを形成することが行われている。

例えば、特許文献１に記載したものは、リード部材に搭載された半導体発光素子を樹脂パッケージで覆い、この樹脂パッケージの凸面状に形成した表面に鍍金を施して凹面鏡を形成し、この凹面鏡の表面で光を反射して、裏面側に光を取り出して集光する構造である。

また、特許文献２に記載したものは、リード部材に搭載された半導体発光素子を樹脂パッケージで覆い、この樹脂パッケージの光取り出し面に凹部と、この凹部の内側に形成した凸レンズ部を形成し、半導体発光素子の正面方向に出射された光を凸レンズ部を介して取り出し、集光させる構造である。

また、特許文献３に記載したものは、基板の表面に発光ダイオードと、合成樹脂材からなる透明部を有し、透明部によって、発光ダイオードの放光を全反射する構造である。
特開平１−２７３３６７号公報 （第１−４頁、第３図） 特開平８−３０６９５９号公報 （第２−３頁、第２図） 実開昭５２−７５８０号公報 （第１−８頁、第６図）

しかしながら、特許文献１に記載した発光ダイオードは、凹面鏡で反射させた光が半導体発光素子およびこれを支持するリード部材に当たり遮断されるため、均一な発光ができないとともに、発光効率が悪くなる。特に、直径を小さくすると発光面積に対する遮断面積の割合が相対的に大きくなるので、小型化に対応できないという問題がある。

また、特許文献２に記載した発光ダイオードは、半導体発光素子から側方に出射された光は、樹脂パッケージの側面からそのまま外側に出てしまうため、無駄が多く、輝度向上の効率が悪い。

また、特許文献３に記載した発光ダイオードは、基板上の透明部が、発光ダイオードの放光を全反射させるように形成されているので、透明部の先部が基部よりも大きくなり、基部が基板から剥離しやすくなるという問題がある。

そこで本発明は、側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させるとともに、樹脂パッケージを強固に固定した発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明の発光ダイオードにおいては、樹脂パッケージに、半導体発光素子から側方に出射された光を表側に全反射させるように表側に向かって徐々に拡形した第１の曲面を有する拡形部を設け、プリント配線基板に、半導体発光素子から側方に出射された光を表側に反射させるように表側に向かって徐々に拡形した第２の曲面を有する凹部を設けたものである。

この発明によれば、側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させるとともに、樹脂パッケージを強固に固定した発光ダイオードが得られる。

以上のように本発明によれば、樹脂パッケージに、光を全反射させる第１の曲面を有する拡形部を設け、プリント配線基板に、光を反射させる第２の曲面を有する凹部を設けたので、基板に形成した凹部によって、樹脂パッケージと、基板との接触面の形状を平面に比べて複雑にするとともに接触面積を増やし、剥離強度を向上させて樹脂パッケージを強固に固定することができ、また、半導体発光素子から側方に出射された光を第１の曲面とともに第２の曲面で反射させて、側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させることができる。

また、第１の曲面の基端を、第２の曲面の表側端部に接続すると、樹脂パッケージの表側に出射される光のうち、第１の曲面で反射した光と、第２の曲面で反射した光との境界を小さくして、輝度の低下を小さくすることができる。

また、半導体発光素子を、プリント配線基板にサブマウント素子を介して搭載すると、半導体発光素子の発光面を表側に移動させて、半導体発光素子から第１の曲面に入射する光を増加させ、輝度を向上させることができる。

また、第１の曲面および前記第２の曲面を、回転放物面とすると、第１の曲面に入射する光を表面側に全反射させるとともに、第２の曲面に入射する光を表面側に反射させて、凹部の外側に光が出射されることを防止し、半導体発光素子が出射したすべての光を表面側に出射させて、輝度を向上させることができる。

また、第２の曲面を、電極と同じ材料の金属を被覆して形成すると、電極と反射面を兼用させ、光の反射率と製造効率を向上させることができる。

請求項１に記載の発明は、プリント配線基板に搭載された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードにおいて、
前記樹脂パッケージは、前記半導体発光素子から側方に出射された光を表側に全反射させるように表側に向かって徐々に拡形した第１の曲面を有し、かつ前記プリント配線基板の表面より表側に突出した拡形部を備え、前記プリント配線基板は、前記半導体発光素子を搭載し、かつ前記半導体発光素子から側方に出射された光を表側に反射させるように表側に向かって徐々に拡形した第２の曲面を有する凹部を備え、前記第１の曲面の基端は前記第２の曲面の表側端部に接続されていること特徴とする発光ダイオードとしたものであり、基板に形成した凹部によって、樹脂パッケージと、基板との接触面の形状を平面に比べて複雑にするとともに接触面積を増やし、剥離強度を向上させ、また、半導体発光素子から側方に出射された光を第１の曲面とともに第２の曲面で反射させて、側方に出射される光を全て表側に反射させるという作用を有する。

請求項１に記載の発明は、前記第１の曲面の基端は、前記第２の曲面の表側端部に接続されていることを特徴としたものであり、樹脂パッケージの表側に出射される光のうち、第１の曲面で反射した光と、第２の曲面で反射した光との境界を小さくするという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、前記半導体発光素子は、前記プリント配線基板にサブマウント素子を介して搭載さ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としたものであり、半導体発光素子の発光面を表側に移動させて、半導体発光素子から第１の曲面に入射する光を増加させるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、前記第１の曲面および前記第２の曲面は、回転放物面であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオードとしたものであり、半導体発光素子から第１の曲面に入射する光を表面側に全反射させるとともに、第２の曲面に入射する光が凹部の外側に逃げることを防止し、半導体発光素子が出射したすべての光を表面側に出射させるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、前記第２の曲面は、電極と同じ材料の金属を被覆して形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の発光ダイオードとしたものであり、電極と反射面を兼用させ、光の反射率と製造効率とを向上させるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図１、図２を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は第１の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側断面図を示す。

図１に示すように、発光ダイオード１は、プリント配線基板２に搭載された半導体発光素子３と、半導体発光素子３を覆う透光性の樹脂パッケージ４とを備えている。

プリント配線基板２は、矩形に形成され、両端部に電極パターン８，９を形成している。

プリント配線基板２の表面には、非貫通の凹部５が形成されている。凹部５は、円形の底面６と、底面６の周囲に形成された回転放物面である曲面７とを有している。回転放物面の中心線は、底面６の中心を通過し、プリント配線基板２の法線方向に平行に配置されている。凹部５の底面６および曲面７には、例えば、酸化チタン等の反射材を含有した絶縁性の白色塗料（反射性塗料）が塗布されている。

プリント配線基板２の電極パターン８，９は、プリント配線基板２の両端部から凹部５内に伸びてプリント配線基板２の長手方向の両側に対向配置されている。電極パターン８，９は、ＣｕのエッチングパターンにＮｉ／Ａｕめっき処理を行ったもので、ワイヤボンディング性と表面実装時のリフローはんだ付け性の両立が図られている。

半導体発光素子３は、プリント配線基板２の電極パターン８上にサブマウント素子１０を介してダイボンディングにより接続されている。詳しくは、半導体発光素子３は、底面６の中心に配置されており、サブマウント素子１０のワイヤボンディング領域は、半導体発光素子３の一側に配置されている。

電極パターン９は、半導体発光素子３を挟んで、サブマウント素子１０のワイヤボンディング領域の反対側に配置されており、ワイヤは、半導体発光素子３の表側を通過して、電極パターン９とサブマウント素子１０とを接続している。

なお、表側とは、プリント配線基板２の凹部５が設けられた方向をいう。

ワイヤは細いので、半導体発光素子３から出射される光を全て邪魔するわけではなく、大部分の光は、半導体発光素子３から出射することができる。なお、図１（Ａ）に二点鎖線および斜線で示すように、電極パターン９を底面６上のサブマウント素子のワイヤボンディング領域に隣接する位置まで延長して形成し、ワイヤをこの延長部分に接続すると、半導体発光素子３から出射される光が邪魔されなくなり、半導体発光素子３から表側に出射される光を増加させることができる。

半導体発光素子３をプリント配線基板２の凹部５内に配置しているので、半導体発光素子３から出射された光が、プリント配線基板２の裏面側に漏れることを防止できる。

樹脂パッケージ４は、例えば透明エポキシ等の樹脂からなり、プリント配線基板２の凹部５内で半導体発光素子３の全体および電極パターン８，９の一部を覆って固化した基部と、プリント配線基板２の表面よりも表側に突出して配置され、半導体発光素子３から側方に出射された光を表側に全反射させるように表側に向かって徐々に拡形した曲面１１を有する拡形部１２とを備えている。

曲面１１は、回転放物面である第１の曲面を形成し、プリント配線基板２の凹部５に形成された曲面７は、第２の曲面を形成している。曲面１１の基端は、曲面７の表側端部に接続されている。

樹脂パッケージ４の表面の外周部には、半導体発光素子３の光軸に直交する環状平面部１３が形成され、環状平面部１３の内側には配光範囲を調整する調整用凹部１４が形成され、さらに調整用凹部１４内には、半導体発光素子３の光軸と同じ光軸を有する凸レンズ部１５が形成されている。

凸レンズ部１５の先端部には、円状平面部１６が形成され、この円状平面部１６は、環状平面部１３と同じ平面上に配置されている。すなわち、凸レンズ部１５は、調整用凹部１４から突出しない状態で設けられている。また、円状平面部１６は、正面から見たときに、矩形の半導体発光素子３の全周が含まれる大きさに形成されている。調整用凹部１４は、凸レンズ部１５の外周縁と、環状平面部１３の内周縁を接続する凹状曲面部１７とを有している。

次に、発光ダイオード１の製造方法について説明する。

まず、プリント配線基板２の表面を、曲面７の形状に合わせたビットで切削し、次にめっきやエッチング処理等により電極パターン８，９を形成する。そして、凹部５の底面６および曲面７に絶縁性の白色塗料を塗布する。

次いで、電極パターン８，９に半導体発光素子３を搭載するが、この手順については、従来の発光ダイオードの製造手順と同じであるため、説明を省略する。

樹脂パッケージ４の製造には、トランスファーモールド用金型を使用する。この場合、プリント配線基板２の表側および裏側に移動可能な対となる金型と、曲面１１を成型するために両側方にスライド移動する金型とを使用する。スライド金型を用いることにより、曲面１１が裏面側に突出している形状でも製造を行うことができる。

次に、発光ダイオード１の使用状態について説明する。

発光ダイオード１は、面実装型の装置として使用できる。半導体発光素子３から光軸方向に出射された光のうちの一部は、円状平面部１６から外側に出射され、そのまま直進する。また、凸レンズ部１５の周面に当たった光は、光軸方向の表側に屈折して、凸レンズ部１５から外側に出射される。なお、凸レンズ部１５および凹状曲面部１７は、凸レンズ部１５から外側に出射された光が凹状曲面部１７に再び入射しないように形成されている。

半導体発光素子３から側方に出射された光は、曲面７または曲面１１に当たるが、曲面７および曲面１１は回転放物面で、半導体発光素子３から出射された光の曲面７および曲面１１への入射角はほとんど４０°以上となるように設計されている。

このように設計したのは、パッケージ樹脂の屈折率が１．５５の場合に全反射角が４０°となるためであり、樹脂の材質を変更した場合には、その全反射角に合わせて設計角度を変更することができる。これにより、曲面へ入射した光はほとんど全て曲面７および曲面１１で全反射されて、光軸方向の表側へ出射される。

光を他の部材に当てて反射させると、界面で乱反射した光が他の部材に吸収され、反射効率が悪くなるので、樹脂の表面で全反射させて反射させた方が効率がよい。一方で、樹脂の表面に対する光の入射角が小さくなると、光が外側に透過してしまい、反射効率は極端に低下してしまう。

本実施の形態においては、２種類の曲面７、１１を設けたので、半導体発光素子３から曲面１１へ入射する光は、曲面７に入射する光より大きな入射角で入射するので、効率よく全反射される。また、半導体発光素子３から斜め後方に出射され、曲面７に入射する光は、４０°未満の小さな入射角になるが、曲面７は、プリント配線基板２に形成されているので、光が曲面７から外側に出ることはなく、効率よく反射される。また、半導体発光素子３から、より後方に出射された光は、底面６や電極パターン８，９の表面で表側に反射される。

また、本実施の形態においては、凹部５の底面６にサブマウント素子１０を介して半導体発光素子３を搭載したので、半導体発光素子３の発光面が表側に移動し、曲面１１に入射する光量が多くなり、より効率よく光を反射することができる。

また、樹脂パッケージ４の基部が凹部５に嵌入して形成されているので、樹脂パッケージを基板上に平面状に形成した場合より剥離強度を増加させることができる。

（第２の実施の形態）
図２（Ａ）は第２の実施の形態の発光ダイオードの樹脂パッケージを形成する前の平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの樹脂パッケージを形成する前の側断面図である。

第２の実施の形態の発光ダイオード１８は、第１の実施の形態の発光ダイオードとは電極パターンの構成とワイヤの配置が異なるだけで、他の部分の構成は同じなので、説明は省略する。

発光ダイオード１８は、プリント配線基板１９の凹部２０に形成した曲面（第２の曲面）に、電極パターン２１，２２と同じ材料の金属を被覆して反射面２３を形成したものである。

電極パターン２１は、プリント配線基板１９の一端部を覆い、凹部２０内の曲面の略半周を覆い、さらに凹部２０内の底面２４の略半分を覆って形成されている。また、電極パターン２２は、プリント配線基板１９の他端部を覆い、凹部２０内の曲面の略半周を覆い、さらに凹部２０内の底面２４の略半分を覆って形成されている。凹部２０内の電極パターン２１，２２は、短絡しない程度の少しの隙間をあけて形成されている。

半導体発光素子３は、サブマウント素子１０上に搭載され、サブマウント素子１０は、電極パターン２１にダイボンディングにより接続され、電極パターン２２にワイヤボンディングにより接続されている。ワイヤは、サブマウント素子１０のワイヤボンディング領域に隣接する位置に接続され、半導体発光素子３から表側に出射される光を邪魔しないように配置されている。

本発明の発光ダイオードは基板に形成した凹部によって、樹脂パッケージと、基板との接触面の形状を平面に比べて複雑にするとともに接触面積を増やし、剥離強度を向上させて樹脂パッケージを強固に固定することができ、また、半導体発光素子から側方に出射された光を第１の曲面とともに第２の曲面で反射させて、側方に出射された光を無駄なく集光して輝度を向上させることができ、リードフレーム上に搭載された半導体発光素子と、半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードとして有用である。

（Ａ）は第１の実施の形態の発光ダイオードの平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの側断面図 （Ａ）は第２の実施の形態の発光ダイオードの樹脂パッケージを形成する前の平面図、（Ｂ）は同発光ダイオードの樹脂パッケージを形成する前の側断面図

符号の説明

１ 発光ダイオード
２ プリント配線基板
３ 半導体発光素子
４ 樹脂パッケージ
５ 凹部
６ 底面
７ 曲面
８ 電極パターン
９ 電極パターン
１０ サブマウント素子
１１ 曲面
１２ 拡形部
１３ 環状平面部
１４ 調整用凹部
１５ 凸レンズ部
１６ 円状平面部
１７ 凹状曲面部
１８ 発光ダイオード
１９ プリント配線基板
２０ 凹部
２１ 電極パターン
２２ 電極パターン
２３ 反射面
２４ 底面

Claims (4)

1. プリント配線基板に搭載された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を覆う透光性の樹脂パッケージとを備えた発光ダイオードにおいて、
   前記樹脂パッケージは、前記半導体発光素子から側方に出射された光を表側に全反射させるように表側に向かって徐々に拡形した第１の曲面を有し、かつ前記プリント配線基板の表面より表側に突出した拡形部を備え、
   前記プリント配線基板は、前記半導体発光素子を搭載し、かつ前記半導体発光素子から側方に出射された光を表側に反射させるように表側に向かって徐々に拡形した第２の曲面を有する凹部を備え、前記第１の曲面の基端は前記第２の曲面の表側端部に接続されていること特徴とする発光ダイオード。
2. 前記半導体発光素子は、前記プリント配線基板にサブマウント素子を介して搭載さ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. 前記第１の曲面および前記第２の曲面は、回転放物面であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオード。
4. 前記第２の曲面は、電極と同じ材料の金属を被覆して形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の発光ダイオード。

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