JP4727617B2 - 表面実装型発光ダイオード素子 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード素子に関し、さらに詳細には、パッケージの放射窓を介して露出したモールディング材の表面に放射される光の抽出効率を向上させることができる表面実装型発光ダイオード素子に関する。
一般に、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、以下、「ＬＥＤ」という）とは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＩｎＰなどの化合物半導体（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）材料の変更により発光源を構成することによって、多様な色の光を具現することができる半導体素子のことをいう。
最近、ＬＥＤ素子は、飛躍的な半導体技術の発展につれて、低輝度の汎用製品から脱皮し、高輝度、高品質の製品生産が可能になった。また、高特性の青色（ｂｌｕｅ）と白色（ｗｈｉｔｅ）ダイオードの具現が現実化されるにつれて、ＬＥＤ素子は、ディスプレイ、次世代照明源などとしてその応用価値が拡大されつつある。その一例として、表面実装（Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）形態のＬＥＤ素子が製品化されている。
以下、図１〜図４を参照して、従来の技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子について詳細に説明する。
まず、図１は、従来の技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子の構造を示した概略図であって、従来の技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子１００は、モールディングエポキシ樹脂などからなるパッケージ１２０を有し、前記パッケージ１２０の所定の面は、光が放射されやすいように開放された放射窓が形成され、他の面には、プリント回路基板１１０に装着されるようにリードフレームを形成する一対のリード端子１３０が突出している。また、上記のように構成されたパッケージ１２０の内部には、ＬＥＤチップ（図示せず）がその発光面が前記放射窓に向けるように配置され、ワイヤー（図示せず）を介して前記一対のリード端子１３０とＬＥＤチップが電気的に接続されている。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ´線断面図であって、従来の技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子の構造を詳細に示した図である。
図２に示すように、従来の技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子１００は、一対のリード端子１３０と、前記リード端子１３０の一部を内側に収容するように形成されたパッケージ１２０と、前記パッケージ１２０の内部のリード端子１３０上に実装されたＬＥＤチップ１４０と、前記ＬＥＤチップ１４０と前記リード端子１３０との通電のためのワイヤー１５０と、前記パッケージ１２０の内部に充填されて、ＬＥＤチップ１４０及びワイヤー１５０を保護するモールディング材１６０と、からなる。
特に、前記ＬＥＤチップ１４０を保護するためのモールディング材１６０は、具現しようとするＬＥＤチップ１４０の色相に応じて、透明材料や蛍光体が含まれている透光性樹脂からなっている。
一方、一般に、発光ダイオード素子の特性を決定する一般的な基準は、色（ｃｏｌｏｒ）、輝度、輝度の強度範囲などであり、このようなＬＥＤチップの特性は、一次的にＬＥＤチップに用いられる化合物半導体の材料により決定されるが、付随的にＬＥＤチップを実装するためのパッケージの構造及びそれに充填されたモールディング材の影響を受ける。特に、このようなパッケージ構造の内部に充填されてＬＥＤチップを保護するモールディング材は、輝度と輝度の各分布に大きな影響を及ぼす。
ところが、上述の従来の表面実装型ＬＥＤ素子は、図３に示すように、モールディング材と大気、すなわち、真空との境界面で二媒質の大きな屈折率の差により、モールディング材の表面から光の一部が内部全反射されるから、モールディング材なしにＬＥＤチップ状態で発光する光度に比べて、発光する光度が低くなって光効率が落ちるという問題がある。
ここで、図３は、従来のモールディング材と真空との境界面における内部全反射による素子の輝度低下を説明するための概念図である。
したがって、最近、モールディング材を利用する表面実装型ＬＥＤ素子の場合に、モールディング材による光の内部全反射を最小化して、ＬＥＤチップの発光光度を増加させるための方法が求められている。
したがって、従来では、図４に示すように、前記パッケージ１２０の放射窓を介して露出したモールディング材１６０の表面上に、接着層１７０を使用して半球型のレンズ１８０を付着することによって、前記モールディング材１６０の表面からＬＥＤチップ１４０から発光する光が内部全反射されるのを防止するとともに光の経路を調節して、光抽出効率を向上させることができた。
しかしながら、上述の従来の表面実装型ＬＥＤ素子は、前記レンズ１８０の高さによって全体的な高さが増加するので、高さの制約がある製品の場合に使用し難く、前記接着層１７０に水分及びＵＶなどが浸透して、信頼性及び特性が低くなるという問題がある。
また、前記モールディング材１６０の表面にレンズ１８０を付着するためには、レンズ製作工程と正確な位置アライメント工程及び接着工程などのような別途の追加工程が必要であり、これは発光ダイオード素子の製造費用を増加させ、かつ、全般的な製造工程時間も増加させて、結局、表面実装型ＬＥＤ素子の製造歩留まりを減少させるという問題がある。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、パッケージの放射窓を介して露出したモールディング材を透過する光がモールディング材の表面から内部全反射されるのを防止して、光抽出効率を向上させることができる表面実装型ＬＥＤ素子を提供することにある。
上記の目的を達成すべく、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子は、一対のリード端子で形成されたリードフレームと、前記リードフレームの一部を内側に収容し、光が放射されるように開放された放射窓を有するように形成されたパッケージと、前記パッケージの内部のリードフレーム上に実装されたＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップと前記リードフレームとの通電のためのワイヤーと、前記パッケージ内部に充填されるものの、前記パッケージの放射窓を介して露出する表面に所定の形状の表面凹凸構造を有するモールディング材と、を含む。
また、前記本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記モールディング材は、前記パッケージに実装されたＬＥＤチップ及びワイヤーを保護するとともに、ＬＥＤチップから発光する光を外部に透過させるために、透明エポキシ、シリコン又は蛍光体混合物の中から選択された何れか１つからなることが好ましい。
また、前記本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記表面凹凸構造は、１つ以上のラインからなることが好ましく、これは、イオンビームエッチング工程により形成されることが好ましい。このとき、前記イオンビームエッチング工程は、モールディング材とエッチングイオンとが化学反応するのを防止するために、物理的エッチングの可能なアルゴン（Ａｒ）イオンをエッチングイオンとして使用することが好ましい。
本発明によれば、密な媒質であるモールディング材から疎な媒質である真空へ光が入射するとき、二媒質の境界面に表面凹凸構造を形成して、人為的に二媒質の臨界角を大きくすることで、光がモールディング材内に全反射される確率を最小化して、表面実装型ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができる。
また、本発明は、前記表面凹凸構造をイオンビームエッチング工程により形成することによって、多様な種類の表面実装型ＬＥＤ素子に適用可能であり、これらの製造歩留まりを向上させることができる。
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施の形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。
図面において、複数層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって類似の部分に対しては、同一の図面符号を付してある。
以下、本発明の一実施の形態に係る表面実装型ＬＥＤ素子について、図面を参考にして詳細に説明する。
まず、図５を参考にして、本発明の一実施の形態に係る表面実装型ＬＥＤ素子について詳細に説明する。図５は、本発明の一実施の形態に係る表面実装型ＬＥＤ素子の構造を示した断面図である。
図５に示すように、本発明の一実施の形態に係る表面実装型ＬＥＤ素子１００は、透明合成樹脂材又は不透明合成樹脂材のうち、何れか１つからなるパッケージ１２０を有し、前記パッケージ１２０の所定の面は、光が放射されやすいように開放された放射窓が形成され、他の面には、プリント回路基板（図示せず）に装着されるようにリードフレームを形成する一対のリード端子１３０の一部分が突出している。
そして、上記のように構成されたパッケージ１２０の内部には、ＬＥＤチップ１４０がその発光面が前記放射窓に向けるように配置され、ワイヤー１５０により前記リード端子１３０とＬＥＤチップ１４０とが接続されている。
前記ＬＥＤチップ１４０は、リードフレーム上に実装されており、前記ＬＥＤチップ１４０が実装されたパッケージ１２０の内部には、ＬＥＤチップ１４０及びワイヤー１５０を保護するモールディング材１６０が充填されている。ここで、前記モールディング材１６０は、パッケージ１２０に実装されたＬＥＤチップ１４０から発光する光を外部に透過させるために、透明エポキシ、シリコン又は蛍光体混合物の中から選択された何れか１つからなることが好ましい。
また、前記パッケージ２０の放射窓を介して露出したモールディング材８０の表面には、所定の形状を有する表面凹凸構造１６５が形成されている。これは、前記ＬＥＤチップ１４０から発光する光が密な媒質であるモールディング材１６０から疎な媒質である真空へ放射されるとき、二媒質間の境界面から入射する光の臨界角を大きくして、境界面上において全反射の確率を最小化させる機能を果たす。
特に、本発明に係る前記表面凹凸構造１６５は、１つ以上のラインからなっており、これは、イオンビームエッチング工程により形成できる。このとき、前記ラインは、直線、曲線及び単一閉曲線からなるグループから選択された何れか１つからなる。
本発明に係る表面凹凸構造は、イオンビームエッチング工程により形成し、このようなエッチング工程は、図６に示すようなイオンビームエッチングチャンバー２００を使用して行う。ここで、図６は、一般的なイオンビームエッチングチャンバーを示した概略図である。
さらに詳細に、本発明に係る表面凹凸構造１６５は、イオンビームエッチングチャンバー２００のベースプレート２１０上に複数の表面実装型ＬＥＤ素子１００をロードした後、前記ベースプレート２１０上にロードされた表面実装型ＬＥＤ素子１００にイオン銃（ｉｏｎ ｇｕｎ）２２０を使用して、エッチングイオンを照射して形成する。
一方、本発明は、前記イオンビームエッチング工程の際、エッチングイオンがモールディング材と化学反応すること、例えば、モールディング材が酸化されるのを防止するために、アルゴン（Ａｒ）イオンをエッチングイオンとして使用して物理的エッチングすることが好ましい。
また、前記ベースプレート２１０に照射されるイオンビームの直径は、約１０〜２０ｃｍにして、比較的広い面積に照射されるようにすることが好ましい。これは、１回のイオンビームエッチング工程により多量の表面実装型ＬＥＤ素子又は大面積を有する表面実装型ＬＥＤ素子のモールディング材の表面に表面凹凸構造を容易に形成するためである。
特に、本発明に係る表面凹凸構造は、エッチングイオンのイオン照射量に応じて互いに異なる深さと幅を有するので、素子の特性及び工程条件に応じてイオン照射量を調節して最上の光抽出効率を有するようにすることが好ましい。
これは、下記の表１及び図７を介してさらに明確に分かる。
図７は、前記表１に示したイオン照射量に応じる封止材の表面状態の変化を示した図であって、原子間力顕微鏡［ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）］写真及びシミュレーション結果である。
本実施の形態に係る表面凹凸構造は、表１と図７を参照すれば、イオン照射量が増加すると、凹凸パターンの深さが深くなり、幅は小さくなり、それに応じる光抽出効率は増加することが分かる。
以下、図８を参照して、本発明の実施の形態に係るモールディング材の表面凹凸構造の作用についてさらに詳細に説明する。
まず、屈折は、光が透明な異なる材質に入射するとき、真っすぐ進まず、折れ曲がった後に再度真っすぐ進行する現象のことをいう。また、屈折時に折り曲がる程度を屈折率と言い、真空状態を基とした屈折率を絶対屈折率というが、この絶対屈折率を通常屈折率と称する。
例えば、真空における光の速度をＣ、媒質内における光の速度をＶとすると、屈折率は、下記の式１のとおりに表される。
（式１） 屈折率ｎ＝Ｃ／Ｖ
（式１） 屈折率ｎ＝Ｃ／Ｖ
ｂ：ＳＴＰ（標準状態の空気、０℃であり、１気圧の状態）
したがって、屈折率は、上記の表２に示したように、常に１より大きく現れる。
屈折率が大きいというのは、密な媒質という意味であり、光の速度が遅いという意味である。その反対を疎な媒質というが、これは常に相対的に使用するものである。
そして、ある媒質での屈折は、入射角と屈折角との間に一定の規則が成立するが、これをスネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則という。
図８は、本発明が適用されるスネルの法則を説明するための概念図であって、図８を参考にすると、疎な媒質ｎ１から密な媒質ｎ２へ光が入射する場合、密な媒質ｎ２での速度が遅くなるため、光の進行方向は垂直線側に折り曲がる。
一方、従来の技術のように、屈折率の大きな媒質である密な媒質から屈折率の小さな媒質である疎な媒質へ光が放射される場合、ある一定角度以上に入射した光が水平の境界面でスネルの法則を充足し得ないので、屈折されず反射され、このような現象を全反射という（図３参照）。また、この境界角を臨界角というが、このとき、二媒質の屈折率差が大きいほど臨界角は小さくなり、それによって入射する光の全反射も多くなる。
言い換えれば、全反射を防止するためには、互いに異なる媒質の境界面で臨界角を大きくしなければならない。
したがって、本発明では、図５に示すように、密な媒質であるモールディング材１６０の表面に所定の形状を有する表面凹凸構造１６５を形成して、密な媒質であるモールディング材１６０から疎な媒質である真空へ光が放射されるとき、モールディング材１６０の表面に形成された表面凹凸構造１６５を介して人為的に二媒質間の臨界角を大きくすることで、光がモールディング材１６０内に内部全反射される確率を最小化して、表面実装型ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させている。
一方、上述の本実施の形態では、前記パッケージの放射窓を介して露出したモールディング材の表面に所定の形状からなる表面凹凸構造を形成して、ＬＥＤチップから発光する光がモールディング材の内部に全反射されることを防止する本発明の技術的思想をサイドビュー（ｓｉｄｅ ｖｉｅｗ）型のＬＥＤ素子に適用したが、これをトップビュー（ｔｏｐ ｖｉｅｗ）型のＬＥＤ素子に適用することも可能である。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更を行うことが可能であり、このような置換、変更なども特許請求の範囲に属するものである。
１００ 表面実装型発光ダイオード
１１０ プリント回路基板
１２０ パッケージ
１３０ リード端子
１４０ ＬＥＤチップ
１５０ ワイヤー
１６０ モールディング材
１７０ 接着層
１８０ レンズ
２００ イオンビームエッチングチャンバー
１１０ プリント回路基板
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Claims (3)
- 一対のリード端子で形成されたリードフレームと、前記リードフレームの一部を内側に収容し、光が放射されるように開放された放射窓を有するように形成されたパッケージとを用意する段階と、
前記パッケージの内部のリードフレーム上にＬＥＤチップを実装する段階と、
前記ＬＥＤチップと前記リードフレームとの通電のためのワイヤーを形成する段階と、
前記パッケージ内部に前記ＬＥＤチップ及び前記ワイヤーの表面を覆うようにモールディング材を充填する段階と、
前記パッケージの放射窓を介して露出するモールディング材の表面にイオンビームエッチング工程を通じて所定の形状の表面凹凸構造を形成する段階と、
を含み、
前記イオンビームエッチング工程は、エッチングイオンとしてアルゴン（Ａｒ）を使用する表面実装型発光ダイオード素子の製造方法。 - 前記表面凹凸構造の表面は、曲面及び断面の何れか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子の製造方法。
- 前記モールディング材は、透明エポキシ、シリコン又は蛍光体混合物の中から選択された何れか１つからなることを特徴とする請求項１または２に記載の表面実装型発光ダイオード素子の製造方法。
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Publications (2)
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