JP4709405B2 - 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】
本発明は、電極が形成された基板の上面に接着剤層を介して発光素子チップを固定すると共に、該発光素子チップを樹脂封止し、これをプリント配線基板（以下、ＰＣＢという）の上に直接マウントするタイプの発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の表面実装型の発光ダイオードとしては、例えば図５に示すように、基板１２の上面に一対の電極１９，２０を形成し、一方の電極１９の上面に透明性の接着剤２３を介して発光素子チップ２２を固着すると共に、該発光素子チップ２２と他方の電極２０とをボンディングワイヤ２４で接続した後、これらの上方を透明樹脂体２９で封止した構造のものがある。このような構造の発光ダイオード２１では、発光素子チップ２２で発光した光は、全方向に放射することから、下方向へ放出した光も効果的に上方へ反射させるために、前記接着剤２３の中に光拡散剤１８を混入し、上面方向への乱反射によって光度アップを図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構造では流動性を有する接着剤２３の性質上、接着剤２３の厚みをかせぐことができないために、光拡散剤１８による乱反射効果があまり期待できない。特に、接着剤２３の中に波長変換用の蛍光剤を混入し、発光素子チップ２２で発光した光の波長を変換して異なる発光色を得るタイプの発光ダイオードにあっては、接着剤２３内部での光の反射が少ないために、波長変換も十分に行われないおそれがあった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、基板に発光素子チップを固着する接着剤の厚みを増し、発光素子チップから下方側に放出した光の反射率を高めることで、上方向での発光輝度を高めることである。また、本発明の他の目的は、光の反射率を高めることで、接着剤層内での波長変換の向上を図るようにしたことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発光ダイオードは、電極が形成された基板の上面に接着剤層を介して発光素子チップを固定すると共に、該発光素子チップを樹脂封止してなる発光ダイオードにおいて、前記接着剤層内に波長変換用の蛍光剤と、該蛍光剤よりも粒径が大きく、透光性を有したガラスビーズと、光拡散剤とを均一に分散させて混入し、それによって接着剤層に所定の厚みを持たせたことを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、波長変換用の蛍光剤と、この蛍光剤よりも粒径が大きいガラスビーズと、光拡散剤とを接着剤層に混入することによって、蛍光剤による波長変換効率のアップと共に、ガラスビーズによって接着剤層の厚みを増すことができる。そのために、発光素子チップが基板上面から離れた位置に固定されることになり、発光素子チップから下方向に放出した光が接着剤層内で十分に乱反射を起こし、発光ダイオードの光度がアップすることになる。
【００１０】
また、接着剤層に進入してきた光が透光性を有するガラスビーズ内を様々な角度に屈折透過して光を散乱させることで輝度アップを図ることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、ガラスビーズの粒径が１〜３０μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、粒径が１〜３０μｍの範囲内にあるガラスビーズを接着剤層に混入しているので、接着剤層の厚みを容易に増やすことができると共に、ガラスビーズの粒径を選択することによって、接着剤層の厚みを適宜調整することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付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乃至図３は、表面実装型の発光ダイオードに適用した場合の第１の実施形態を示したものである。この実施形態に係る表面実装型の発光ダイオード３１は、ガラスエポキシ材の矩形状の基板１２に一対の電極（カソード電極３３とアノード電極３４）をパターン形成し、このカソード電極３３及びアノード電極３４の下面側をＰＣＢ３５上のプリント配線３６，３７に半田３８で固定することによって表面実装を実現するものである。
【００１６】
前記基板１２の上面略中央部には発光素子チップ４１が搭載され、その下面側に塗布された接着剤層４２によって基板１２に固着されている。この発光素子チップ４１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、図３に示すように、サファイヤガラスからなる素子基板４３の上面にｎ型半導体４４とｐ型半導体４５を拡散成長させた構造からなる。前記ｎ型半導体４４及びｐ型半導体４５はそれぞれｎ型電極４６，ｐ型電極４７を備えており、前記基板１２に設けられたカソード電極３３及びアノード電極３４にボンディングワイヤ４８，４９によって接続され、電流を流すことで発光素子チップ４１が青色発光する。
【００１７】
一方、発光素子チップ４１の下面側に設けられる接着剤層４２は、図３に示すように、透明性の接着剤５０をベースとした中に適当量の蛍光剤５１と、この蛍光剤５１よりも粒径が大きなガラスビーズ５２と、光拡散剤１８を混入し、均一に分散させたものである。この接着剤層４２を基板１２の上面略中央部に適宜手段で厚く塗布し、その上に発光素子チップ４１を載置する。接着剤５０が硬化することで、発光素子チップ４１の下面が基板１２の上面に固定される。ガラスビーズ５２は、接着剤層４２の中に封じ込められるので、ガラスビーズ５２が接着剤層４２から剥離するようなことはなく、また、ガラスビーズ５２の存在によって発光素子チップ４１の下面は基板１２の上面から離れた位置で固定されることになる。
【００１８】
前記蛍光剤５１は、発光素子チップ４１から放出する発光エネルギによって励起され、短波長の可視光を長波長の可視光に変換するものであり、例えばイットリウム化合物等の蛍光物質が用いられる。上記発光素子チップ４１に窒化ガリウム系化合物半導体を用いた場合、青色発光色を白色系発光色に変換することができる。
【００１９】
前記ガラスビーズ５２は、球形あるいはそれに近い形状の透明ビーズであり、粒径１〜３０μｍの範囲で選択される。粒径が１μｍ以下では接着剤層４２の厚みをそれ程増加させることができないため放熱性が損なわれる。ガラスビーズ５２を用いた場合は安価であると共に、粒径や色合などを調整し易く、また球形のガラスビーズ５２を作りやすい。なお、前記ガラスビーズ５２の他、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）等も用いることができる。
【００２０】
光拡散剤１８は、接着剤層４２内での光の乱反射を促進するためのものであり、例えば、二酸化ケイ素等を用いることができる。この実施形態では、ガラスビーズ５２も光の反射作用を有することから相乗効果が期待できる。なお、前記光拡散剤１８を混入せずに、ガラスビーズ５２のみで光を反射させることも可能である。
【００２１】
前記接着剤層４２は、混入されたガラスビーズ５２が所定の大きさの粒径を有しているので、接着剤５０の硬化収縮があっても、ガラスビーズ５２の粒径以上の厚さ（平均２０μｍ以上）を確保できる。このため、発光素子チップ４１の発光を効率よく反射増幅し、また色調変換することができる。具体的には従来の接着剤層（平均厚さ５μｍ以下）の場合に比べ、１．３〜１．５倍の光量アップが図られる。
【００２２】
上記蛍光剤５１、ガラスビーズ５２及び光拡散剤１８が混入された接着剤層４２を厚く形成することで発光ダイオードの輝度や色調変換効率がアップするが、逆に発光素子チップ４１から放出された熱が基板１２上に蓄積され易くなる。これは、接着剤層の厚みが薄ければ、発光素子チップ４１から放出された熱を基板１２面に直ちに放熱できるが、接着剤層４２が厚くなると、接着剤層４２の中に熱が溜まってしまい、基板１２に放熱されにくいからである。このことから、本実施形態では接着剤層４２の厚みを反射効率が低下しない範囲でできるだけ薄くするのが好ましい。なお、ガラスビーズ５２の代わりに、前記酸化アルミニウムを用いることで放熱効率を改善することができる。
【００２３】
次に前記図３に基づいて発光ダイオード３１の発光作用を説明する。発光素子チップ４１のｎ型半導体４４とｐ型半導体４５との境界面から発光した光は、上方、側方及び下方へ青色光５３として発光するが、特に下方側へ発光した青色光５３は接着剤層４２の中に放出され、その中に分散されている蛍光剤５１やガラスビーズ５２、光拡散剤１８に当たる。接着剤層４２がガラスビーズ５２によって所定厚みが確保されているので、接着剤層４２内に直進した光は光拡散剤１８に当たる頻度も高く、乱反射が効果的に起こる。そして、この乱反射光が蛍光剤５１を励起することで、広波長域の黄色光５４に波長変換される。さらに、この黄色光５４がガラスビーズ５２や光拡散剤１８に当たることでより一層反射拡散され、一段と増幅された光が四方八方に散乱する。波長変換した黄色光５４は前記発光素子チップ４１の上方及び側方へ発光した青色光５３とも混色し、発光ダイオード全体が白色系発光することになる。発光素子チップ４１の上方は、図１及び図２に示したような直方体形状の封止樹脂材３９によって被覆されており、前述の接着剤層４２の中で反射された光もこの中を直進して上面で発光するため、結果的に混色された白色系発光の輝度アップが図られることになる。
【００２４】
上記第１の実施形態は、接着剤層４２に蛍光剤５１を混入し、発光素子チップ４１が発する青色光を白色系の発光に波長変換する際の輝度及び波長変換率のアップを図ったものであるが、蛍光剤５１を混入せずに、ガラスビーズ５２と光拡散剤１８だけを混入することで、広く一般的な発光ダイオードにも適用することができる。また、前記蛍光剤５１や光拡散剤１８と一緒にサリチル酸誘導体や２-ヒドロキシベンゾフェノン誘導体等の紫外線吸収剤を混入させてもよい。紫外線吸収剤を混入することで、蛍光剤５１や光拡散剤１８の老化を抑え、経年変化による発光輝度の減衰を防止することができる。また、前記光拡散剤１８と組み合わせる粒径の大きな材料として、ガラスビーズ５２の他に、放熱性の高い酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や反射率の高い酸化チタン（ＴｉＯ２）を使用することもできる。
【００２５】
上記実施形態で使用したガラスビーズ５２は、透光性を有するものである。透光性を有することで、ガラスビーズ５２内に入射した光が様々な角度に屈折して乱反射を引き起こし、この光が蛍光剤等に当たることで高輝度の発光ダイオードとなる。一方、本発明ではガラスビーズ５２に不透光性の材料を利用することもできる。この場合には、入射した光がガラスビーズ５２内を透過する代わりにその表面で反射するため、この材料の配置箇所に応じて一定の方向に集中的に光を反射させることで輝度アップを図ることができる。なお、前記透光性及び不透光性の材料を適量混ぜて混入することも可能で、この場合は両者の長所を兼ね備えた発光ダイオードが形成できる。
【００２６】
また、上記形成した接着剤層４２の下面側に銅箔やアルミ箔など反射率の高い薄膜層を設けたり、図４に示したように、発光ダイオード６１のカソード電極３３を延長して載置面６２を形成し、この載置面６２の上に接着剤層４２ａを介して発光素子チップ４１を固定することで、発光素子チップ４１の下方側に発した光の反射効率をさらに高めることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る発光ダイオードによれば、基板の上面に発光素子チップを固着する接着剤層の中に粒径の大きい材料を混入し、接着剤層が所定の厚みになるように形成したので、発光素子チップの下方側に放出する光の反射率が高められ、発光ダイオードの発光輝度をアップすることができる。特に、接着剤層の中に蛍光剤を混入して波長変換を図るタイプの発光ダイオードにあっては、発光輝度と同時に波長変換効率のアップも図られることになる。
【００２８】
また、接着剤層の厚さが、混入するガラスビーズ等の粒径や混入量に応じて変化するので、接着剤層に混入する材料の材質や粒径及び含有量を調整することで発光ダイオードの輝度を調整することができるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発光ダイオードの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】上記発光ダイオードをＰＣＢに実装した時の上記図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】上記発光ダイオードにおける発光素子チップの構造及び波長変換の原理を示す説明図である。
【図４】本発明に係る発光ダイオードの他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】従来の表面実装型発光ダイオードの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１２ 基板
１８ 光拡散剤
３１ 発光ダイオード
３３ カソード電極
３４ アノード電極
４１ 発光素子チップ
４２ 接着剤層 ４３ 素子基板
５０ 接着剤
５１ 蛍光剤
５２ ガラスビーズ

Claims (3)

  1. 電極が形成された基板の上面に接着剤層を介して発光素子チップを固定すると共に、該発光素子チップを樹脂封止してなる発光ダイオードにおいて、
    前記接着剤層内に波長変換用の蛍光剤と、該蛍光剤よりも粒径が大きく、透光性を有したガラスビーズと、光拡散剤とを均一に分散させて混入し、それによって接着剤層に所定の厚みを持たせたことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 前記ガラスビーズは、その粒径が１〜３０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
  3. 前記接着剤層は、平均２０μｍ以上の厚みを有して形成される請求項１記載の発光ダイオード。
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