JP4366981B2 - 半導体発光装置およびその形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照光式スイッチ、液晶のバックライト、各種照明などに利用される半導体発光装置にかかわり、特に、色ズレや輝度むらを抑制できる量産性に優れた半導体発光装置を提供することにある。
【０００２】
【従来技術】
今日、小型化、低消費電力、振動などに強い利点を活かして液晶のバックライトなどに発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも呼ぶ）を利用した面状光源などの半導体発光装置が利用されている。特に、フルカラー液晶に利用可能な１チップ２端子で白色を含む系統色名（JIS Z 8701）が発光可能なＬＥＤが開発されたことから携帯電話や車載用光源として急速に浸透している。
【０００３】
このような光半導体装置の一例として、図５の模式的断面に示した如き、以下の構成のものが挙げられる。発光ダイオードからの光を導光板である板状透光性部材に導入すべく砲弾型発光ダイオード(502)の発光観測面側を導光体(504)の端部と光学的に接続させる。また、発光ダイオードが接続される端面及び発光観測面となる主面を除いて、導光体及び実装基板(503)上に配置された発光ダイオードごと、アルミニウムや白色顔料が添加された樹脂からなる反射板となる筐体(505)で覆い面状光源を構成する。
【０００４】
導光板の形状や大きさに合わせて複数の発光ダイオードが導光体に光学的に接続される。このような半導体発光装置の発光ダイオードに電流を流すことにより、点光源として機能する発光ダイオードからの混色光を導光体を介して面状など所望の形状に発光させ信頼性、省スペース及び低消費電力な半導体発光装置とすることができる。特に、青色ＬＥＤチップと、青色ＬＥＤチップから放出された青色光を吸収して、黄色に変換する蛍光体などとを組み合わせて白色系などの混色光が発光可能な発光ダイオードを光源として利用することにより、種々の発光色が発光可能な半導体発光装置として利用することができる。このような半導体発光装置は携帯電話の液晶バックライトなどとして急速に普及し始めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、より高輝度、均一発光及び小型が求められる現在においては、上記構成の半導体発光装置では充分ではなく更なる改良が求められている。半導体発光装置では放出される光の均一性がその上に形成される液晶装置などの表示にも大きく影響する。このため、均一発光可能な半導体発光装置の要求が高い。特に、小型化に伴い使用されるＳＭＤ（Surface Mount Device）型発光ダイオードを利用すると形成させた複数の半導体発光装置間に色調ずれが生ずる場合があることが新たに分かった。同様に、高輝度化に伴って、均一発光を達成しにくいという問題がある。したがって、本発明は、より色調や輝度などが均一に発光可能であり、且つ高輝度に発光可能な半導体発光装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、上記発光ダイオードおよび前記導光体を収納する筐体と、を備えた半導体発光装置である。特に、上記筐体の一部が切り欠かれて設けられた弾性体は、上記導光体の厚み方向に亘って、実装基板を介して上記発光ダイオードと上記導光体とを押圧することを特徴とする。あるいは、上記筐体の幅方向に亘って筐体の一部を筐体の内部側に折り曲げた弾性体が、実装基板を介して上記発光ダイオードと上記導光体とを押圧することを特徴とする。
【０００７】
これにより導光体の発光観測面で色調むらや輝度むらがなく、形バラツキの少ない半導体発光装置を量産することができる。
【０００８】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードが底部にＬＥＤチップが配置されたハウジングを有することが好ましい。これにより、より高輝度かつ均一発光可能な半導体発光装置とすることができる。
【０００９】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードが実装基板上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードを用いることが好ましい。この構造で、より小型化且つ色調むらや輝度むらの少ない半導体発光装置とすることができる。
【００１０】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードがＬＥＤチップからの光を波長変換する蛍光物質を有することができる。この構造で、より種々の発光色が色調や輝度むらなく発光可能な半導体発光装置とすることができる。
【００１１】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードがＬＥＤチップからの光と、蛍光物質からの光の混色光が発光可能な半導体発光装置とすることができる。これにより、僅かな色調むらが顕著に現れる白色などにおいても色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１２】
本発明の半導体発光装置において、発光ダイオードのハウジングを、光散乱剤が含有された樹脂とすることができる。これにより比較的簡単な構成でより小型化でき、且つ色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１３】
本発明の半導体発光装置は、筐体が発光面と略垂直方向に弾性部材を有することができる。これにより比較的簡単な構成で量産歩留まりを挙げ、振動などが長期間加わる環境下においても色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１４】
本発明の半導体発光装置は、弾性部材が応力を利用した筐体の一部である。このような弾性部材は、発光ダイオードの発光面と光学的に接続された導光体の端面の反対側、または、発光ダイオードが実装された実装基板側に設けられる。
また、本発明は、発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、上記発光ダイオードおよび上記導光体を収納する筐体と、を備えた半導体発光装置の形成方法であって、板状体の打ち抜き加工により筐体を形成し、その板状体の一部を筐体の内部側に折り曲げて弾性体とし、実装基板に配置された発光ダイオードと導光体とを筐体の内部に嵌め込み、上記弾性体により上記発光ダイオードと上記導光体とに押圧を加えることを特徴とする。
これにより、より簡単な構成で量産性よく色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは種々の実験の結果、特定機能を持った筐体を利用することにより、色調むら、輝度むらのない均一発光且つ高輝度発光可能な光半導体装置とすることができることを見出し本発明をなすに至った。
【００１６】
本発明の構成により色調が均一化する理由は定かではないが、以下のように考えられる。即ち、発光ダイオードの発光面と、光入射面となる導光板の端面とは実装バラツキなどによって間隙が生ずる。この間隙が適度に大きければ、発光ダイオードの発光面から放出された光は導光板の界面と発光ダオードの表面で反射散乱する。同様に、発光ダイオードが実装された実装基板との間でも反射散乱する。特に、底部にＬＥＤチップが配置され光拡散剤が含有されたハウジングを有する発光ダイオードの場合、ハウジング表面でも反射散乱する。
【００１７】
発光ダイオード表面は導光板と近接して配置され導光板端面との距離が近い。また、ＳＭＤ型発光ダイオードの場合は、実装基板に直接実装される。そのため、実装基板自体が導光板と密着して配置され実装基板と導光板端面との距離が近い。したがって、上述の反射散乱光も導光板端面から入射される。発光ダイオードからの光は、ハウジング表面や実装基板上で部分的に光吸収され色調が異なる光として反射散乱される。発光ダイオードから放出され導光板に直接入射される光と、ハウジングや実装基板の表面で反射散乱した光とでは色調が異なり色調むらが生ずる。また、その実装バラツキ等により形成された複数の光半導体装置間で色調バラツキが生ずると考えられる。
【００１８】
事実、実装基板をレジスト膜が形成された実装基板だけでなく、白色発光を反射させるために表面にＴｉＯ2などの光散乱剤含有樹脂で被覆させた場合においても色調むらが生ずる。これは、人間の目にとって白色に見えても、図６に示すとおり、短波長成分（青色領域）など形成される部材により、どうしても光の吸収が生じる。そのため、発光ダイオードからの光がハウジングや実装基板に反射・散乱した光と直接放射された光とでは色調が異なる。
【００１９】
本発明は、発光ダイオードと導光体とを弾性を介して単に押圧するため、発光ダイオードの表面と、導光体表面とを空気の層を介して密接に保持することができる。そのため、発光ダイオードの出力が増えた場合においても、点光源である発光ダイオードからの指向特性を持った光の放出が強くなり、発光観測面側から見た導光板の発光ダイオード近傍が強く発光するという輝度むらを生ずることもない。即ち、ハウジングを持った発光ダイオードと導光板との間隙を弾性体によって圧接させ小さくするという極めて簡単な構成で、色調むら、輝度むらを低減し高輝度に発光可能な光半導体装置とすることができる。
【００２０】
本発明の模式的構成断面を図２に示す。面状光源の光源として、発光面が導光板端面に合わせて平坦なであり、表面が実施的にレンズ効果を持たないＳＭＤ型発光ダイオード(102)を用いてある。ＳＭＤ型発光ダイオード(102)は、凹部を持ったハウジングから構成されている。凹部内に露出されたリード電極と凹部底面に配置されたＬＥＤチップとは、金線などの導電性ワイヤーやＡｇ含有エポキシ樹脂などの導電性ペーストなどにより電気的に接続されている。ハウジング内はエポキシ樹脂などの透光性樹脂によって封止されＳＭＤ型発光ダイオードが形成される。発光ダイオードは硝子エポキシ樹脂からなる実装基板(203)上に半田で接合されている。この実装基板(203)上に固定されたＳＭＤ型発光ダイオードの発光面と導光板(104)と端面を当接させたままステンレス筐体(105)内に配置させた。
【００２１】
ステンレス筐体(105)にはフック(202)があり、発光ダイオードが配置された実装基板(203)と導光板(104)とを収納可能に形成されている。本発明においては、弾性部材(201)をステンレス筐体の一部を内側に向かって凸形状を形成させ構成させてある。この凸形状はステンレス筐体自体によって弾性を持った突起として働く。この突起が実装基板上に実装され実装基板と平行方向に光を放出する発光ダイオードと導光板とを押圧させながら当接してある。これによって、色調むらや輝度むらなく高輝度に発光可能な光半導体装置とさせることができる。以下、本発明の各構成について詳述する。
【００２２】
（弾性部材101）本発明に用いられる弾性部材(101)は、少なくとも発光ダイオード(102)の発光面と導光体(104)の端面とを押圧するものである。したがって、ゴム、バネや各種弾性を有する樹脂などの弾性体を別途設けるもののほか、ステンレスなどの金属や合金から筐体が形成される場合、筐体の一部をそのもの応力を利用して弾性部材として利用することができる。筐体の一部を利用する場合は、図４の模式的断面図に示すものが好適に利用することができる。打ち抜き加工により、図４（Ａ）、図４（Ｂ）など種々のものを利用することができる。
【００２３】
図４（Ａ）は図１のＸＸ断面であり、図４（Ａ）の弾性体(101)は、扉形状をしている。これにより、筐体を構成する導光体の厚み分の金属片を幅方向に亘って弾性体として利用できるため、任意の弾性力を形成させ易い。図４（Ｂ）の弾性体(401)は、図４（Ａ）の弾性体と同様筐体を利用しているが、筐体を構成する導光体の厚み分の金属片を厚み方向に亘って弾性体として利用している。これにより、筐体から比較的簡単な加工で弾性体を構成することができる。なお、図４（Ｂ）は弾性体(401)を金属片を切り欠いて構成してあるが、単に図２の弾性体(201)に示す突起形状などとして構成させることにより、さらに簡単な加工とすることもできる。また、図４（Ｃ）は筐体とは別に弾性体(402)を樹脂によって形成させたものである。なお、図４（Ｃ）では、導光板の厚み方向においても発光ダイオードがずれないように、筐体の一部を利用して厚み方向の弾性部材(404)として構成してある。また、図４（Ｃ）の如く、導光体を介して発光ダイオードと対向する筐体側にも弾性体を設けることができる。さらに、弾性体は発光ダイオードに直接当たるものの他、実装基板(403)を介して均一に力が掛かるようにさせてもよい。
【００２４】
（発光ダイオード102）本発明に用いられる発光ダイオードは、半導体発光装置から放出される光によって種々選択させることが出る。特に、本発明では白色光が発光可能な発光ダイオードを利用することがこのましい。このような白色系が発光可能な発光ダイオードはＲＧＢが発光可能な発光ダイオードや半導体発光素子と蛍光体を利用した発光ダイオードなど種々のものが挙げられる。青色系が発光可能な発光素子としては窒化ガリウム系化合物半導体を利用することによって高輝度に発光させることができる。
【００２５】
（ハウジング301）本発明に用いられるハウジングは、底部にＬＥＤチップが配置されうるものが好ましく、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、液晶ポリマー、芳香族ナイロンなどの各種樹脂を用いて好適に形成される。特にハウジングでＬＥＤチップからの光を効率よく取り出すためには、上記各種樹脂中に光拡散剤として炭酸カルシウム、酸化アルミニウムや酸化チタンを適宜混入させることが好ましい。これにより反射率の高い白色ハウジングを構成させることができる。ハウジング内にはリード電極と電気的に接続されたＬＥＤチップ及び透光性樹脂が好適に充填されている。発光観測面側のハウジング表面及び透光性樹脂は、導光板の端部で当接され易くさせるために実質的に平面であることが好ましい。
【００２６】
（蛍光物質304）本発明に用いられる蛍光物質は、発光ダイオードの光を変換させるものであり、発光ダイオードからの光をより長波長に変換させるものの方が効率がよい。ＬＥＤチップからの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、有機蛍光体であるペリレン系誘導体やＺｎＣｄＳ：Ｃｕ、ＹＡＧ：ＣｅやＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2などの無機蛍光体など種々好適に用いられる。特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を利用した場合は、その含有量によって青色ＬＥＤからの光と、その光を一部吸収して補色となる黄色系が発光可能であり白色系が比較的簡単に信頼性よく形成できるため好ましい。同様に、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2蛍光体を利用した場合は、その含有量によって青色ＬＥＤからの光と、その光を一部吸収して補色となる赤色系が発光可能であり白色系が比較的簡単に信頼性よく形成できるため好ましい。
【００２７】
（実装基板103）実装基板は発光ダイオードを実装するためのものであり、銅箔などからなる導電性パターンが形成された硝子エポキシ基板や絶縁性樹脂で結合された金属体などによって好適に構成することができる。なお、本発明おいては、弾性体からの力を、発光ダイオードを介して導光体端面に均一に掛けるため比較的強度があるものが好ましく、硝子エポキシ基板がこのましい。
【００２８】
（導光体104）本発明に用いられる導光体とは、発光ダイオードからの光を導光し、所望の形状に発光させることができるものである。したがって、発光面の所望形状により、メーター針の指針、板状など種々の形状を取ることができる。導光体は発光ダイオードからの光或いはその光を波長変換させた光を効率よく発光面から放出するために、透光性を有している。このような導光体の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂など種々の材料が好適に挙げられる。
【００２９】
（筐体105）本発明に用いられる筐体とは、少なくとも発光ダイオードと導光体とを保持可能なものである。筐体は各種光拡散剤を含有した樹脂や金属など種々のものが好適に挙げられる。特に、発光ダイオードの光反射や放熱などを考慮してニッケル、鉄、銅などの金属、ステンレスなどの各種合金がより好適に用いられる。筐体の大きさや形状は導光体、発光ダイオードやスペースに合わせて種々選択できる。なお、本発明において、筐体には発光ダイオードの発光面と導光体の端面とを押圧する機能とを併せ持たせてもよい。このような場合、樹脂によって形成させることもできるが、金属や合金から形成させる方が強度やスペース的にも優れており、より好ましい。以下、本発明の具体的実施例について詳述するが、これのみに限られないことは言うまでもない。
【００３０】
【実施例】
（実施例１） 本発明の半導体発光装置に用いるＳＭＤ型発光ダイオードとして図３に示す発光ダイオードを利用した。図３の発光ダイオードは、ＬＥＤチップ(303)と実装基板(302)の電極(306)とを電気的に接続させるために、鉄入り銅に銅及び銀メッキさせたリードフレーム(307)を用いている。リードフレームとなる薄板を金型内に配置させると共に酸化チタンを含有させた芳香族ナイロンをハウジング材料として流し込み硬化させて白色ハウジング(301)を形成させる。リードフレームはハウジング凹底部及び外壁に露出している。ＬＥＤチップはサファイア基板上にｎ型窒化ガリウム半導体、活性層に窒化インジュウム・ガリウム／窒化ガリウムの多重量子井戸構造、ｐ型窒化ガリウム半導体のダブルヘテロ構造から形成させた青色が発光可能なものを利用している。このＬＥＤチップハウジングの底部内にエポキシ樹脂によってダイボンドし、ＬＥＤチップのｎ及びｐ型半導体表面に設けられたｐ型電極及びｎ型電極とをそれぞれ金線(305)によってワイヤーボンディングさせてある。
【００３１】
ハウジング内には、（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光体(304)が含有されたエポキシ樹脂を充填させて白色系が発光可能なＳＭＤ発光ダイオードを形成させる。
【００３２】
次に、この発光ダイオードを３個銅箔により直列接できるパターンが形成された硝子エポキシからなる実装基板(302)上にフロー半田によって固定と共に電気的に接続させた。この実装基板の幅はＳＭＤ型発光ダイオードの大きさ及び導光体の厚みにほぼ等しい薄板形状をしており、平面から見ると３個のＳＭＤ発光ダイオードが一定の間隔を持って実装されている。こうして形成されたものを図１の如き半導体発光装置とすべく以下の導光体などと組み合わせる。
【００３３】
導光体(104)はアクリル樹脂の成形によって略直方体形状に形成させてある。直方体の端面に実装基板(103)上に実装されたＳＭＤ型発光ダイオード(102)の発光面と合わせられる厚みに形成させてある。
【００３４】
筐体(105)は実装基板(302)上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードと、導光板となる導光体とをはめ込みできるように図４（Ａ）の如き形状とさせてある。筐体はステンレスで打ち抜き加工によって比較的簡単に構成させることができる。本発明の筐体では特に、発光ダイオードと接する導光体の端面の反対側或いは、発光ダイオードが実装された実装基板側から発光ダイオードと接する導光体の端面に押圧がかかるように内部に折れ曲がった板状体に形成させてある。本実施例ではこの筐体内部側に折れ曲がった板状体(101)が弾性部材として働く。
【００３５】
形成された筐体内に導光体及び実装基板上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードをはめ込むだけで本発明の半導体発光装置を形成させることができる。形成された半導体発光装置に電流を流すと導光体の発光観測面側から均一な白色光が発光できる。
（比較例１）弾性部材の大きさだけ小さくさせた筐体を用いた以外は実施例１と同様にして半導体発光装置を形成させる。実施例１の半導体発光装置を３００個形成させた場合と、比較例１の半導体発光装置とを比較させた。本発明の半導体発光装置は実質的に輝度むら及び色調がなかったにもかかわらず、比較例の半導体発光装置うち７６個は発光観測面の発光ダイオード近傍において色調むらが観測された。また、７２個は輝度むらも観測された。これによって、本発明の半導体発光装置が優れていることが分かる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明はハウジングを持った発光ダイオードと導光体とを組み合わせた半導体発光装置においては、その界面をどのように取り扱うかによって色調むらや輝度むらを抑制しうることを見出した。その界面を制御するための手段として本発明は筐体に設けられた弾性体により極めて簡便な構成で量産性よく色調むら、輝度むらの低減及び高輝度発光可能な半導体発光装置としたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の模式的斜視図である。
【図２】 本発明の他の模式的構成を示す。
【図３】 本発明に用いられる実装基板上に形成されたＳＭＤ型発光ダイオードの模式的断面図ある。
【図４】 本発明の筐体に設けられた弾性体を示す模式的断面図であり、図４（Ａ）及び（Ｂ）は弾性体を筐体から構成させ、図４（Ｃ）は弾性体を筐体とは別体に形成させてある。
【図５】 本発明と比較のために示す半導体発光装置の模式的断面図である。
【図６】 光散乱剤が含有された白色樹脂の光反射率特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…弾性部材
１０２…発光ダイオード
１０３…実装基板
１０４…導光体
１０５…筐体
２０１…筐体の内側に向かって突出した弾性部材
２０２…フック
２０３…実装基板
３０１…ハウジング
３０２…実装基板
３０３…ＬＥＤチップ
３０４…蛍光物質
３０５…導電性ワイヤー
３０６…実装基板の電極
３０７…リード電極
４０１…筐体の一部を利用した板状弾性体
４０２…筐体とは別に設けられたゴム、樹脂やバネからなる弾性体
４０３…実装基板
４０４…弾性体
５０２…砲弾型発光ダイオード
５０３…実装基板
５０４…導光体
５０５…筐体
【発明の属する技術分野】
本発明は照光式スイッチ、液晶のバックライト、各種照明などに利用される半導体発光装置にかかわり、特に、色ズレや輝度むらを抑制できる量産性に優れた半導体発光装置を提供することにある。
【０００２】
【従来技術】
今日、小型化、低消費電力、振動などに強い利点を活かして液晶のバックライトなどに発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも呼ぶ）を利用した面状光源などの半導体発光装置が利用されている。特に、フルカラー液晶に利用可能な１チップ２端子で白色を含む系統色名（JIS Z 8701）が発光可能なＬＥＤが開発されたことから携帯電話や車載用光源として急速に浸透している。
【０００３】
このような光半導体装置の一例として、図５の模式的断面に示した如き、以下の構成のものが挙げられる。発光ダイオードからの光を導光板である板状透光性部材に導入すべく砲弾型発光ダイオード(502)の発光観測面側を導光体(504)の端部と光学的に接続させる。また、発光ダイオードが接続される端面及び発光観測面となる主面を除いて、導光体及び実装基板(503)上に配置された発光ダイオードごと、アルミニウムや白色顔料が添加された樹脂からなる反射板となる筐体(505)で覆い面状光源を構成する。
【０００４】
導光板の形状や大きさに合わせて複数の発光ダイオードが導光体に光学的に接続される。このような半導体発光装置の発光ダイオードに電流を流すことにより、点光源として機能する発光ダイオードからの混色光を導光体を介して面状など所望の形状に発光させ信頼性、省スペース及び低消費電力な半導体発光装置とすることができる。特に、青色ＬＥＤチップと、青色ＬＥＤチップから放出された青色光を吸収して、黄色に変換する蛍光体などとを組み合わせて白色系などの混色光が発光可能な発光ダイオードを光源として利用することにより、種々の発光色が発光可能な半導体発光装置として利用することができる。このような半導体発光装置は携帯電話の液晶バックライトなどとして急速に普及し始めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、より高輝度、均一発光及び小型が求められる現在においては、上記構成の半導体発光装置では充分ではなく更なる改良が求められている。半導体発光装置では放出される光の均一性がその上に形成される液晶装置などの表示にも大きく影響する。このため、均一発光可能な半導体発光装置の要求が高い。特に、小型化に伴い使用されるＳＭＤ（Surface Mount Device）型発光ダイオードを利用すると形成させた複数の半導体発光装置間に色調ずれが生ずる場合があることが新たに分かった。同様に、高輝度化に伴って、均一発光を達成しにくいという問題がある。したがって、本発明は、より色調や輝度などが均一に発光可能であり、且つ高輝度に発光可能な半導体発光装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、上記発光ダイオードおよび前記導光体を収納する筐体と、を備えた半導体発光装置である。特に、上記筐体の一部が切り欠かれて設けられた弾性体は、上記導光体の厚み方向に亘って、実装基板を介して上記発光ダイオードと上記導光体とを押圧することを特徴とする。あるいは、上記筐体の幅方向に亘って筐体の一部を筐体の内部側に折り曲げた弾性体が、実装基板を介して上記発光ダイオードと上記導光体とを押圧することを特徴とする。
【０００７】
これにより導光体の発光観測面で色調むらや輝度むらがなく、形バラツキの少ない半導体発光装置を量産することができる。
【０００８】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードが底部にＬＥＤチップが配置されたハウジングを有することが好ましい。これにより、より高輝度かつ均一発光可能な半導体発光装置とすることができる。
【０００９】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードが実装基板上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードを用いることが好ましい。この構造で、より小型化且つ色調むらや輝度むらの少ない半導体発光装置とすることができる。
【００１０】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードがＬＥＤチップからの光を波長変換する蛍光物質を有することができる。この構造で、より種々の発光色が色調や輝度むらなく発光可能な半導体発光装置とすることができる。
【００１１】
本発明の半導体発光装置は、発光ダイオードがＬＥＤチップからの光と、蛍光物質からの光の混色光が発光可能な半導体発光装置とすることができる。これにより、僅かな色調むらが顕著に現れる白色などにおいても色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１２】
本発明の半導体発光装置において、発光ダイオードのハウジングを、光散乱剤が含有された樹脂とすることができる。これにより比較的簡単な構成でより小型化でき、且つ色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１３】
本発明の半導体発光装置は、筐体が発光面と略垂直方向に弾性部材を有することができる。これにより比較的簡単な構成で量産歩留まりを挙げ、振動などが長期間加わる環境下においても色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１４】
本発明の半導体発光装置は、弾性部材が応力を利用した筐体の一部である。このような弾性部材は、発光ダイオードの発光面と光学的に接続された導光体の端面の反対側、または、発光ダイオードが実装された実装基板側に設けられる。
また、本発明は、発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、上記発光ダイオードおよび上記導光体を収納する筐体と、を備えた半導体発光装置の形成方法であって、板状体の打ち抜き加工により筐体を形成し、その板状体の一部を筐体の内部側に折り曲げて弾性体とし、実装基板に配置された発光ダイオードと導光体とを筐体の内部に嵌め込み、上記弾性体により上記発光ダイオードと上記導光体とに押圧を加えることを特徴とする。
これにより、より簡単な構成で量産性よく色調むらや輝度むらを抑制させた半導体発光装置とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは種々の実験の結果、特定機能を持った筐体を利用することにより、色調むら、輝度むらのない均一発光且つ高輝度発光可能な光半導体装置とすることができることを見出し本発明をなすに至った。
【００１６】
本発明の構成により色調が均一化する理由は定かではないが、以下のように考えられる。即ち、発光ダイオードの発光面と、光入射面となる導光板の端面とは実装バラツキなどによって間隙が生ずる。この間隙が適度に大きければ、発光ダイオードの発光面から放出された光は導光板の界面と発光ダオードの表面で反射散乱する。同様に、発光ダイオードが実装された実装基板との間でも反射散乱する。特に、底部にＬＥＤチップが配置され光拡散剤が含有されたハウジングを有する発光ダイオードの場合、ハウジング表面でも反射散乱する。
【００１７】
発光ダイオード表面は導光板と近接して配置され導光板端面との距離が近い。また、ＳＭＤ型発光ダイオードの場合は、実装基板に直接実装される。そのため、実装基板自体が導光板と密着して配置され実装基板と導光板端面との距離が近い。したがって、上述の反射散乱光も導光板端面から入射される。発光ダイオードからの光は、ハウジング表面や実装基板上で部分的に光吸収され色調が異なる光として反射散乱される。発光ダイオードから放出され導光板に直接入射される光と、ハウジングや実装基板の表面で反射散乱した光とでは色調が異なり色調むらが生ずる。また、その実装バラツキ等により形成された複数の光半導体装置間で色調バラツキが生ずると考えられる。
【００１８】
事実、実装基板をレジスト膜が形成された実装基板だけでなく、白色発光を反射させるために表面にＴｉＯ2などの光散乱剤含有樹脂で被覆させた場合においても色調むらが生ずる。これは、人間の目にとって白色に見えても、図６に示すとおり、短波長成分（青色領域）など形成される部材により、どうしても光の吸収が生じる。そのため、発光ダイオードからの光がハウジングや実装基板に反射・散乱した光と直接放射された光とでは色調が異なる。
【００１９】
本発明は、発光ダイオードと導光体とを弾性を介して単に押圧するため、発光ダイオードの表面と、導光体表面とを空気の層を介して密接に保持することができる。そのため、発光ダイオードの出力が増えた場合においても、点光源である発光ダイオードからの指向特性を持った光の放出が強くなり、発光観測面側から見た導光板の発光ダイオード近傍が強く発光するという輝度むらを生ずることもない。即ち、ハウジングを持った発光ダイオードと導光板との間隙を弾性体によって圧接させ小さくするという極めて簡単な構成で、色調むら、輝度むらを低減し高輝度に発光可能な光半導体装置とすることができる。
【００２０】
本発明の模式的構成断面を図２に示す。面状光源の光源として、発光面が導光板端面に合わせて平坦なであり、表面が実施的にレンズ効果を持たないＳＭＤ型発光ダイオード(102)を用いてある。ＳＭＤ型発光ダイオード(102)は、凹部を持ったハウジングから構成されている。凹部内に露出されたリード電極と凹部底面に配置されたＬＥＤチップとは、金線などの導電性ワイヤーやＡｇ含有エポキシ樹脂などの導電性ペーストなどにより電気的に接続されている。ハウジング内はエポキシ樹脂などの透光性樹脂によって封止されＳＭＤ型発光ダイオードが形成される。発光ダイオードは硝子エポキシ樹脂からなる実装基板(203)上に半田で接合されている。この実装基板(203)上に固定されたＳＭＤ型発光ダイオードの発光面と導光板(104)と端面を当接させたままステンレス筐体(105)内に配置させた。
【００２１】
ステンレス筐体(105)にはフック(202)があり、発光ダイオードが配置された実装基板(203)と導光板(104)とを収納可能に形成されている。本発明においては、弾性部材(201)をステンレス筐体の一部を内側に向かって凸形状を形成させ構成させてある。この凸形状はステンレス筐体自体によって弾性を持った突起として働く。この突起が実装基板上に実装され実装基板と平行方向に光を放出する発光ダイオードと導光板とを押圧させながら当接してある。これによって、色調むらや輝度むらなく高輝度に発光可能な光半導体装置とさせることができる。以下、本発明の各構成について詳述する。
【００２２】
（弾性部材101）本発明に用いられる弾性部材(101)は、少なくとも発光ダイオード(102)の発光面と導光体(104)の端面とを押圧するものである。したがって、ゴム、バネや各種弾性を有する樹脂などの弾性体を別途設けるもののほか、ステンレスなどの金属や合金から筐体が形成される場合、筐体の一部をそのもの応力を利用して弾性部材として利用することができる。筐体の一部を利用する場合は、図４の模式的断面図に示すものが好適に利用することができる。打ち抜き加工により、図４（Ａ）、図４（Ｂ）など種々のものを利用することができる。
【００２３】
図４（Ａ）は図１のＸＸ断面であり、図４（Ａ）の弾性体(101)は、扉形状をしている。これにより、筐体を構成する導光体の厚み分の金属片を幅方向に亘って弾性体として利用できるため、任意の弾性力を形成させ易い。図４（Ｂ）の弾性体(401)は、図４（Ａ）の弾性体と同様筐体を利用しているが、筐体を構成する導光体の厚み分の金属片を厚み方向に亘って弾性体として利用している。これにより、筐体から比較的簡単な加工で弾性体を構成することができる。なお、図４（Ｂ）は弾性体(401)を金属片を切り欠いて構成してあるが、単に図２の弾性体(201)に示す突起形状などとして構成させることにより、さらに簡単な加工とすることもできる。また、図４（Ｃ）は筐体とは別に弾性体(402)を樹脂によって形成させたものである。なお、図４（Ｃ）では、導光板の厚み方向においても発光ダイオードがずれないように、筐体の一部を利用して厚み方向の弾性部材(404)として構成してある。また、図４（Ｃ）の如く、導光体を介して発光ダイオードと対向する筐体側にも弾性体を設けることができる。さらに、弾性体は発光ダイオードに直接当たるものの他、実装基板(403)を介して均一に力が掛かるようにさせてもよい。
【００２４】
（発光ダイオード102）本発明に用いられる発光ダイオードは、半導体発光装置から放出される光によって種々選択させることが出る。特に、本発明では白色光が発光可能な発光ダイオードを利用することがこのましい。このような白色系が発光可能な発光ダイオードはＲＧＢが発光可能な発光ダイオードや半導体発光素子と蛍光体を利用した発光ダイオードなど種々のものが挙げられる。青色系が発光可能な発光素子としては窒化ガリウム系化合物半導体を利用することによって高輝度に発光させることができる。
【００２５】
（ハウジング301）本発明に用いられるハウジングは、底部にＬＥＤチップが配置されうるものが好ましく、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、イミド樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、液晶ポリマー、芳香族ナイロンなどの各種樹脂を用いて好適に形成される。特にハウジングでＬＥＤチップからの光を効率よく取り出すためには、上記各種樹脂中に光拡散剤として炭酸カルシウム、酸化アルミニウムや酸化チタンを適宜混入させることが好ましい。これにより反射率の高い白色ハウジングを構成させることができる。ハウジング内にはリード電極と電気的に接続されたＬＥＤチップ及び透光性樹脂が好適に充填されている。発光観測面側のハウジング表面及び透光性樹脂は、導光板の端部で当接され易くさせるために実質的に平面であることが好ましい。
【００２６】
（蛍光物質304）本発明に用いられる蛍光物質は、発光ダイオードの光を変換させるものであり、発光ダイオードからの光をより長波長に変換させるものの方が効率がよい。ＬＥＤチップからの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、有機蛍光体であるペリレン系誘導体やＺｎＣｄＳ：Ｃｕ、ＹＡＧ：ＣｅやＥｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2などの無機蛍光体など種々好適に用いられる。特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を利用した場合は、その含有量によって青色ＬＥＤからの光と、その光を一部吸収して補色となる黄色系が発光可能であり白色系が比較的簡単に信頼性よく形成できるため好ましい。同様に、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2蛍光体を利用した場合は、その含有量によって青色ＬＥＤからの光と、その光を一部吸収して補色となる赤色系が発光可能であり白色系が比較的簡単に信頼性よく形成できるため好ましい。
【００２７】
（実装基板103）実装基板は発光ダイオードを実装するためのものであり、銅箔などからなる導電性パターンが形成された硝子エポキシ基板や絶縁性樹脂で結合された金属体などによって好適に構成することができる。なお、本発明おいては、弾性体からの力を、発光ダイオードを介して導光体端面に均一に掛けるため比較的強度があるものが好ましく、硝子エポキシ基板がこのましい。
【００２８】
（導光体104）本発明に用いられる導光体とは、発光ダイオードからの光を導光し、所望の形状に発光させることができるものである。したがって、発光面の所望形状により、メーター針の指針、板状など種々の形状を取ることができる。導光体は発光ダイオードからの光或いはその光を波長変換させた光を効率よく発光面から放出するために、透光性を有している。このような導光体の材料としてはアクリル樹脂やエポキシ樹脂など種々の材料が好適に挙げられる。
【００２９】
（筐体105）本発明に用いられる筐体とは、少なくとも発光ダイオードと導光体とを保持可能なものである。筐体は各種光拡散剤を含有した樹脂や金属など種々のものが好適に挙げられる。特に、発光ダイオードの光反射や放熱などを考慮してニッケル、鉄、銅などの金属、ステンレスなどの各種合金がより好適に用いられる。筐体の大きさや形状は導光体、発光ダイオードやスペースに合わせて種々選択できる。なお、本発明において、筐体には発光ダイオードの発光面と導光体の端面とを押圧する機能とを併せ持たせてもよい。このような場合、樹脂によって形成させることもできるが、金属や合金から形成させる方が強度やスペース的にも優れており、より好ましい。以下、本発明の具体的実施例について詳述するが、これのみに限られないことは言うまでもない。
【００３０】
【実施例】
（実施例１） 本発明の半導体発光装置に用いるＳＭＤ型発光ダイオードとして図３に示す発光ダイオードを利用した。図３の発光ダイオードは、ＬＥＤチップ(303)と実装基板(302)の電極(306)とを電気的に接続させるために、鉄入り銅に銅及び銀メッキさせたリードフレーム(307)を用いている。リードフレームとなる薄板を金型内に配置させると共に酸化チタンを含有させた芳香族ナイロンをハウジング材料として流し込み硬化させて白色ハウジング(301)を形成させる。リードフレームはハウジング凹底部及び外壁に露出している。ＬＥＤチップはサファイア基板上にｎ型窒化ガリウム半導体、活性層に窒化インジュウム・ガリウム／窒化ガリウムの多重量子井戸構造、ｐ型窒化ガリウム半導体のダブルヘテロ構造から形成させた青色が発光可能なものを利用している。このＬＥＤチップハウジングの底部内にエポキシ樹脂によってダイボンドし、ＬＥＤチップのｎ及びｐ型半導体表面に設けられたｐ型電極及びｎ型電極とをそれぞれ金線(305)によってワイヤーボンディングさせてある。
【００３１】
ハウジング内には、（Ｙ0.8Ｇｄ0.2）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ蛍光体(304)が含有されたエポキシ樹脂を充填させて白色系が発光可能なＳＭＤ発光ダイオードを形成させる。
【００３２】
次に、この発光ダイオードを３個銅箔により直列接できるパターンが形成された硝子エポキシからなる実装基板(302)上にフロー半田によって固定と共に電気的に接続させた。この実装基板の幅はＳＭＤ型発光ダイオードの大きさ及び導光体の厚みにほぼ等しい薄板形状をしており、平面から見ると３個のＳＭＤ発光ダイオードが一定の間隔を持って実装されている。こうして形成されたものを図１の如き半導体発光装置とすべく以下の導光体などと組み合わせる。
【００３３】
導光体(104)はアクリル樹脂の成形によって略直方体形状に形成させてある。直方体の端面に実装基板(103)上に実装されたＳＭＤ型発光ダイオード(102)の発光面と合わせられる厚みに形成させてある。
【００３４】
筐体(105)は実装基板(302)上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードと、導光板となる導光体とをはめ込みできるように図４（Ａ）の如き形状とさせてある。筐体はステンレスで打ち抜き加工によって比較的簡単に構成させることができる。本発明の筐体では特に、発光ダイオードと接する導光体の端面の反対側或いは、発光ダイオードが実装された実装基板側から発光ダイオードと接する導光体の端面に押圧がかかるように内部に折れ曲がった板状体に形成させてある。本実施例ではこの筐体内部側に折れ曲がった板状体(101)が弾性部材として働く。
【００３５】
形成された筐体内に導光体及び実装基板上に配置されたＳＭＤ型発光ダイオードをはめ込むだけで本発明の半導体発光装置を形成させることができる。形成された半導体発光装置に電流を流すと導光体の発光観測面側から均一な白色光が発光できる。
（比較例１）弾性部材の大きさだけ小さくさせた筐体を用いた以外は実施例１と同様にして半導体発光装置を形成させる。実施例１の半導体発光装置を３００個形成させた場合と、比較例１の半導体発光装置とを比較させた。本発明の半導体発光装置は実質的に輝度むら及び色調がなかったにもかかわらず、比較例の半導体発光装置うち７６個は発光観測面の発光ダイオード近傍において色調むらが観測された。また、７２個は輝度むらも観測された。これによって、本発明の半導体発光装置が優れていることが分かる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明はハウジングを持った発光ダイオードと導光体とを組み合わせた半導体発光装置においては、その界面をどのように取り扱うかによって色調むらや輝度むらを抑制しうることを見出した。その界面を制御するための手段として本発明は筐体に設けられた弾性体により極めて簡便な構成で量産性よく色調むら、輝度むらの低減及び高輝度発光可能な半導体発光装置としたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の模式的斜視図である。
【図２】 本発明の他の模式的構成を示す。
【図３】 本発明に用いられる実装基板上に形成されたＳＭＤ型発光ダイオードの模式的断面図ある。
【図４】 本発明の筐体に設けられた弾性体を示す模式的断面図であり、図４（Ａ）及び（Ｂ）は弾性体を筐体から構成させ、図４（Ｃ）は弾性体を筐体とは別体に形成させてある。
【図５】 本発明と比較のために示す半導体発光装置の模式的断面図である。
【図６】 光散乱剤が含有された白色樹脂の光反射率特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１…弾性部材
１０２…発光ダイオード
１０３…実装基板
１０４…導光体
１０５…筐体
２０１…筐体の内側に向かって突出した弾性部材
２０２…フック
２０３…実装基板
３０１…ハウジング
３０２…実装基板
３０３…ＬＥＤチップ
３０４…蛍光物質
３０５…導電性ワイヤー
３０６…実装基板の電極
３０７…リード電極
４０１…筐体の一部を利用した板状弾性体
４０２…筐体とは別に設けられたゴム、樹脂やバネからなる弾性体
４０３…実装基板
４０４…弾性体
５０２…砲弾型発光ダイオード
５０３…実装基板
５０４…導光体
５０５…筐体
Claims (5)
- 発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、前記発光ダイオードおよび前記導光体を収納する筐体と、その筐体の一部が切り欠かれて設けられた第１弾性体と、を備え、
前記発光ダイオードは、実装基板に配置されており、
前記導光体の厚み方向に亘って前記第１弾性体が、前記実装基板を介して前記発光ダイオードと前記導光体とを押圧することを特徴とする半導体発光装置。 - 発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、前記発光ダイオードおよび前記導光体を収納する筐体と、その筐体の幅方向に亘って筐体の一部を筐体の内部側に折り曲げた第１弾性体と、を備え、
前記発光ダイオードは、実装基板に配置されており、
前記第１弾性体が、前記実装基板を介して前記発光ダイオードと前記導光体とを押圧することを特徴とする半導体発光装置。 - 前記発光ダイオードと光学的に接続された前記導光体の端面とは反対側の前記筐体に、第２弾性部材をさらに有しており、
前記第２弾性部材は、前記発光ダイオードと前記導光体とを押圧している請求項１または２に記載の半導体発光装置。 - 前記第１の弾性部材は、前記導光体の厚み分の金属片である請求項２に記載の半導体発光装置。
- 発光ダイオードと、その発光ダイオードの光を導入する板状の導光体と、前記発光ダイオードおよび前記導光体を収納する筐体と、を備えた半導体発光装置の形成方法であって、
板状体の打ち抜き加工により筐体を形成し、その板状体の一部を前記筐体の内部側に折り曲げて弾性体とし、実装基板に配置された発光ダイオードと導光体とを前記筐体の内部に嵌め込み、前記弾性体により実装基板を介して前記発光ダイオードと前記導光体とに押圧を加えることを特徴とする半導体発光装置の形成方法。
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