JP4811905B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、LEDチップなどの半導体発光素子を複数用いて構成され、たとえばデジタルカメラや携帯電話機のフラッシュなどの照明装置においていわゆる面状光源として用いられる半導体発光装置に関する。
従来の半導体発光装置の一例としては、図6に示すものがある(たとえば、特許文献1参照)。本図に示された半導体発光装置Xは、導通支持部材としてのプリント配線基板91に搭載された複数のLEDチップ92と、各LEDチップ92を囲うリフレクタ93とを備えている。プリント配線基板91は、金属板91a上に樹脂製の絶縁層91b,91cおよび配線91dが積層された構成とされている。リフレクタ93は、たとえばAl製であり、その内向き側面が、反射面93aとなっている。複数のLEDチップ92およびリフレクタ93は、透明樹脂94により覆われている。複数のLEDチップ92は、配線91dを介して電力供給されることにより一斉に発光する。これにより、半導体発光装置Xは、いわゆる面状光源として構成されている。
しかしながら、近年、半導体発光装置Xに対しては、高輝度化の要請が強くなっている。これは、デジタルカメラの高画質化に対応することや、さらには自動車のヘッドライトなどへの適用が想定されていることなどによる。半導体発光装置Xの高輝度化を図る方策としては、より大きな電流を流して高出力化を図ることが考えられる。ところが、LEDチップ92に大電流が流されると、これに比例してLEDチップ92からの発熱量が増大する。そうすると、透明樹脂94が変質し透光性が低下する、あるいは、半導体発光装置X全体が撓んで破壊に至るおそれが大きい、などの不具合が生じる。このため、LEDチップ92からの熱を適切に放散させることが必要となる。しかし、LEDチップ92は、図中上方および側方において比較的熱伝導率の小さい透明樹脂94により覆われている。また、LEDチップ92の図中下方についても、導通支持部材としてプリント配線基板91が用いられているために、絶縁樹脂91b、91cが熱抵抗となり、LEDチップ92と金属板91aとの間の熱伝達係数が比較的小さくなっている。したがって、LEDチップ92からの放熱が適切になされず、高輝度化の要請に十分に応えられない場合があった。特に、高輝度化とともに小型化を図る場合には、複数のLEDチップ92がより高密度に搭載される。このような場合、LEDチップ92の高密度化が上記放熱をさらに困難とさせる、という問題もあった。
特開2004−241509号公報
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、放熱性を高めることにより高輝度化を適切に図ることが可能な半導体発光装置を提供することをその課題とする。
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
本発明によって提供される半導体発光装置は、複数の半導体発光素子と、上記複数の半導体発光素子が搭載された導通支持部材と、を備える半導体発光装置であって、上記導通支持部材は、第1および第2のリードを含んでおり、上記第1のリードには、平面視において少なくとも一方側に開口し、少なくとも他の二方側が閉じた凹部が形成されており、上記第2のリードには、平面視において少なくとも上記二方側が囲まれるように上記凹部に進入する凸部が形成されており、上記複数の半導体発光素子は、少なくとも上記二方から上記凹部を囲むようにいずれも上記第1のリードに搭載されており、上記各半導体発光素子と上記第2のリードの上記凸部とは、上記複数の半導体発光素子すべてを囲む外枠よりも上記第1および第2のリードの厚さ方向寸法が小であるとともに上記第1のリードの上記凹部と上記第2のリードの上記凸部との間に位置する区画壁を跨ぐワイヤにより接続されており、上記区画壁は、上記厚さ方向において上記第1および第2のリードよりも上記半導体発光素子側に突出していることを特徴としている。なお、本発明において、導通支持部材とは、上記半導体発光素子などへの電力供給を可能とする導電性を備えるとともに、上記半導体発光素子を機械的に支持可能な部材をいう。また、リードとは、一般的に、CuまたはCu合金などの金属板を加工して形成されたものであり、上記半導体発光素子と電気的に導通しつつ、この半導体発光素子を支持可能な剛性を有するものをいう。
このような構成によれば、上記複数の半導体発光素子は、たとえば絶縁樹脂などを介さずに上記第1のリードに直接搭載される。上記第1のリードは、樹脂などと比べて比較的熱伝導率の大きい金属製とすることができる。このため、上記半導体発光素子から発生する熱が上記第1のリードを介して放散されやすくなる。これにより、たとえば上記半導体発光素子を覆う透明樹脂が過度に高温となって変質し透光性が低下することや、この半導体発光装置全体が熱応力により不当に撓むことなどを回避可能である。したがって、放熱を促進して、高出力化および高輝度化を図るのに好適である。また、上記第1のリードと上記第2のリードとが互いに向かい合う部分を大きくして、ワイヤなどの上記半導体発光素子への給電手段を設けやすくするとともに、全体の小型化を図ることができる。また、上記複数の半導体発光素子を比較的コンパクトに配置することができる。また、上記半導体発光素子と上記第2のリードとが離間した位置関係であっても、これらを適切に接続することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第2のリードの上記凸部には、その厚さ方向に突出するチップが設けられており、かつ上記ワイヤは、上記チップに接続されている。このような構成によれば、上記ワイヤのボンディング作業において、上記チップを利用していわゆるステッチボンドを行うことができる。このため、上記ボンディング作業に用いられるボンディングツールが上記半導体発光装置内に進入する深さを浅くすることが可能であり、上記ボンディングツールと上記半導体発光装置の各部との干渉を回避することができる。したがって、高密度化および小型化を図りつつ、この半導体発光装置を容易に製造することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記チップは、Si製の本体と、この本体を覆うAgまたはAl製の導体膜とからなる。このような構成によれば、上記チップは、比較的熱伝達性のよいものとなる。したがって、上記半導体発光素子を覆う透明樹脂が設けられた場合などには、この透明樹脂に伝わってきた熱を上記チップを介して上記第2のリードへと逃がすことが可能である。したがって、上記半導体発光装置からの放熱をさらに促進することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記チップは、金属製である。このような構成によっても、この半導体発光装置の製造を容易とし、かつ放熱の促進を図ることができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の半導体発光素子のそれぞれを囲うリフレクタをさらに備え、上記外枠および上記区画壁がこのリフレクタの一部によって構成されている。このような構成によれば、上記半導体発光素子からの光を有効に活用して、この半導体発光装置の高輝度化を図るのに有利である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記リフレクタの表面には、AgメッキまたはAlメッキが形成されている。このような構成によれば、上記リフレクタの表面を高光反射率を有する面とすることが可能であり、上記半導体発光素子からの光の無駄を少なくすることができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第1および第2のリードの間に介在する絶縁樹脂をさらに備えており、かつ上記リフレクタの少なくとも一部は、上記絶縁樹脂の一部により形成されている。このような構成によれば、上記半導体発光装置の製造工程において、上記第1および第2のリードどうしを上記絶縁樹脂を用いて接合する際に、上記リフレクタの一部を形成しておくことが可能であり、製造効率を向上させることができる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
図1〜図3は、本発明に係る半導体発光装置の一例を示している。本実施形態の半導体発光装置A1は、第1および第2のリード1A,1B、複数のLEDチップ2、リフレクタ3、透明樹脂5A、軟質樹脂5B、および絶縁樹脂7を備えている。なお、図1においては、透明樹脂5Aおよび軟質樹脂5Bは省略されている。半導体発光装置A1は、図1において複数のLEDチップ2が配置された領域がたとえば1mm角程度とされた、いわゆる面状光源として構成されている。
第1および第2のリード1A,1Bは、CuまたはCu合金などの熱伝導率が比較的高い金属製であり、絶縁樹脂7を介して絶縁されているとともに、互いに接合されている。絶縁樹脂7は、たとえばエポキシ樹脂製である。第1おより第2のリード1A,1Bと絶縁樹脂7とにより、本発明でいう導通支持部材が構成されている。図1に示すように、第1のリード1Aには、凹部11Aが形成されており、第2のリード1Bには、凸部11Bが設けられている。第1のリード1Aと第2のリード1Bとは、凹部11A内に凸部11Bが進入するような配置とされている。図2に示すように、第1および第2のリード1A,1Bの一端寄りの部分は、それぞれ端子12A,12Bとされている。半導体発光装置A1を照明装置などに実装する際には、たとえば図2に示すように、端子12A,12Bを上記照明装置の給電端子Tに接続するとともに、第1および第2のリード1A,1Bの図中下面を上記照明装置の放熱板Rdに接触させることが可能である。放熱板Rdのうち半導体発光装置A1と接触させられる面には、絶縁層Isが形成されている。絶縁層Isは、たとえばAlN(窒化アルミニウム)からなり、電気絶縁性とともに金属Alと同程度の良好な熱伝導性を有する。
図1に示すように、第2のリード1Bの凸部11Bには、3つのチップ15が直列状に設けられている。これらのチップ15は、後述するLEDチップ2を接続するワイヤ4のいわゆるステッチボンディングに用いるためのものであり、図3の部分拡大図に示すように、本体15aとこの本体15aを覆う導体膜15bからなる。本体15aは、たとえばSi製である。導体膜15bは、たとえばAgまたはAlを蒸着させた薄膜である。なお、本実施形態とは異なり、チップ15は、CuまたはCu合金などの金属により一体的に形成されたものでもよい。
LEDチップ2は、半導体発光素子の一例に相当し、略直方体形状であり、たとえば0.3mm角程度とされる。本実施形態においては、青色光を発光可能な断面略台形状のLEDが、蛍光体粉末を含有する樹脂により略直方体形状にパッケージされたLEDチップ2が用いられている。図1に示すように、半導体発光装置A1には、9つのLEDチップ2が備えられている。9つのLEDチップ2は、いずれも第1のリード1Aに搭載されており、凹部11A、凸部11B、および3つのチップ15を囲うように配置されている。これにより、9つのLEDチップ2と3つのチップ15とが3行4列のマトリクス状に配置されている。
LEDチップ2は、図2または図3において図中上下面の各々にアノード電極およびカソード電極の一方ずつを備えた、いわゆる両面電極タイプのLEDチップである。LEDチップ2は、第1のリード1Aにいわゆるダイボンディングされており、これにより、LEDチップ2の図中下面の電極と第1のリード1Aとが導通している。一方、図3に示すように、LEDチップ2の図中上面は、ワイヤ4を介してチップ15の図中上面に接続されている。これにより、LEDチップ2の図中上面の電極と第2のリード1Bとが導通している。LEDチップ2とワイヤ4との接合部は、軟質樹脂5Bにより覆われている。軟質樹脂5Bは、たとえば蛍光体粉末を含有するシリコーン樹脂製であり、LEDチップ2の上面から発せられた青色光を白色光に変えるためのものである。
リフレクタ3は、複数の区画壁31,32と外枠33とを有している。区画壁31,32は、マトリクス状に配置された9つのLEDチップ2および3つのチップ15を互いに区画するように配置されている。区画壁31,32は、図2および図3それぞれの部分拡大図に示すように、断面山形状であり、その表面にAgメッキまたはAlメッキなどの導体膜36が形成されている。これにより、区画壁31,32の各斜面は、LEDチップ2を囲う反射面3aとなっている。区画壁31は、図2の部分拡大図に示すように、第1のリード1A上に設けられており、たとえばエポキシ樹脂により形成されている。一方、区画壁32は、図1および図3に示すように、絶縁樹脂7の一部により形成されている。上述したワイヤ4は、区画壁31,32を跨ぐようにして、LEDチップ2とチップ15とを接続している。外枠33は、図1に示すように、9つのLEDチップ2を一括して囲っている。図2および図3に示すように、外枠33は、内向き面が図中上向きの斜面となっており、図2の部分拡大図に示すように、その表面に導体膜36が形成されている。これにより、上記斜面は、反射面3bとなっている。なお、区画壁31,32および外枠33は、TiO2粉末を含有した白色樹脂を用いて形成されていてもよく、その場合、これらの表面には、導体膜36が形成されていなくてもよい。
図2および図3に示すように、LEDチップ2、チップ15、ワイヤ4、および区画壁31,32は、透明樹脂5Aにより覆われている。透明樹脂5Aは、たとえばエポキシ樹脂製であり、LEDチップ2から発せられる光に対して透光性を有する。透明樹脂5Aは、LEDチップ2からの光を出射させつつ、LEDチップ2やワイヤ4を保護するためのものである。透明樹脂5Aの形成は、LEDチップ2などを覆うようにたとえば流動性をもつエポキシ樹脂を充填し、これを硬化させることによりなされる。
次に、半導体発光装置A1の作用について説明する。
本実施形態によれば、半導体発光装置A1の放熱を促進することができる。すなわち、複数のLEDチップ2は、たとえば絶縁樹脂などを介さずに第1のリード1Aに直接搭載されている。第1のリード1Aは、比較的熱伝導率の大きいたとえばCuまたはCu合金製である。このため、半導体発光装置A1が点灯するときにLEDチップ2から発生した熱は、たとえば図6に示したプリント配線基板が用いられた従来技術の例と比べて、第1のリード1Aを介して放散されやすくなっている。それゆえ、LEDチップ2からの熱が透明樹脂5Aに伝わりにくい。これにより、透明樹脂5Aが過度に高温となることを回避可能であり、透明樹脂5Aが変質し、透光性が低下することを防止することができる。また、半導体発光装置A1全体が昇温されることを抑制可能である。このため、半導体発光装置A1が熱応力により撓んで破壊するといったおそれが小さい。以上より、半導体発光装置A1によれば、LEDチップ2へ供給する電流を大きくして高出力化を図ることが可能であり、高輝度化に好適である。
特に、図2に示すように、本実施形態によれば、第1のリード1Aの図中下面を、この半導体発光装置A1が実装される照明装置などの放熱板Rdに接触させることができる。このような実装構造を採用すれば、第1のリード1Aから放熱板Rdへと積極的に熱を逃がすことが可能であり、高出力化に適している。
第1のリード1Aに形成された凹部11A内に、第2のリード1Bに形成された凸部11Bが進入する構成とすることにより、第1および第2のリード1A,1Bがたがいに向かい合う部分が長くなっている。9つのLEDチップ2は、上記向かい合う部分に沿って配置されている。このような配置とすると、ワイヤ4の長さを短くすることが可能であり、LEDチップ2と第2のリード1Bの凸部11Bとの接続が容易となる。したがって、LEDチップ2の電気接続を合理的に行うことができる。また、9つのLEDチップ2は3つのチップ15とともにマトリクス状に配置されている。これにより、隣接するLEDチップ2間には、無駄なスペースがほとんどない。したがって、LEDチップ2を比較的コンパクトに配置することが可能であり、半導体発光装置A1の高密度化および小型化に適している。
本実施形態においては、第2のリード1Bにチップ15を備えることにより、さらに放熱を促進させることが可能である。すなわち、上述したように第1のリード1AにすべてのLEDチップ2を搭載することにより、放熱の促進が可能であるが、さらなる高出力化を図るためには、放熱をより促進することが望まれる。チップ15は、たとえば透明樹脂5Aなどと比べて比較的熱伝導率が大きいSi製であり、導体膜36も比較的熱伝導率が大きいAgまたはAlからなる。このため、LEDチップ2から透明樹脂5Aに伝わった熱を、チップ15を介して第2のリード1Bへと逃がすことができる。したがって、半導体発光装置A1の放熱をさらに促進し、高出力化および高輝度化を図るのに有利である。
また、チップ15が設けられていることにより、ワイヤ4が形成しやすいものとなっている。すなわち、半導体発光装置A1の製造工程においては、いわゆるワイヤボンディングによりワイヤ4を形成する。具体的には、ボンディングツールをLEDチップ2に押し付けて、いわゆるファーストボンディングを行った後に、第2のリード1Bに対していわゆるステッチボンディングを行う。このステッチボンディングがなされる位置が半導体発光装置A1の奥方であるほど、たとえば、上記ボンディングツールが区画壁31,32などと干渉することとなる。このことは、半導体発光装置A1の小型化、高密度化を図るほど問題となる。本実施形態においては、チップ15が第2のリード1Bから突出しているため、上記ボンディングツールの進入深さを浅くすることが可能である。したがって、上記ボンディングツールが他の部材と干渉するおそれが少なく、容易に製造することができる。
図2および図3に示すように、リフレクタ3の反射面3a,3bによりLEDチップ2の側方が囲われていることにより、LEDチップ2からその側方へと進行する光を図中上方へと反射させることが可能である。したがって、半導体発光装置A1の出射光量を大きくして高輝度化を図ることができる。特に、区画壁31,32が各LEDチップ2を区画するように囲っているため、各LEDチップ2の光を有効に活用するのに好ましい。図1から理解されるように、本実施形態の第1および第2のリード1A,1Bの形状は、高輝度化に適した区画壁31,32を十分に配置しつつ、LEDチップ2に対して適切に電力供給するのに好適である。
さらに、ワイヤ4は、リフレクタ3の区画壁31,32を跨ぐようにして、LEDチップ2と第2のリード1Bのチップ15とを接続している。これにより、LEDチップ2をマトリクス状に配置し、さらに各LEDチップ2を囲うように区画壁31,32を設けているにもかかわらず、LEDチップ2の電気接続を適切に行うことが可能である。したがって、本実施形態は、高輝度化と高密度化および小型化との両立に好適である。
リフレクタ3の一部である区画壁32は、絶縁樹脂7の一部により形成されている。これにより、たとえば、半導体発光装置A1の製造工程において、第1および第2のリード1A,1Bを絶縁樹脂7により接合する際に、区画壁32の基本形状を形成しておくことが可能である。したがって、区画壁32を合理的に形成することができる。
図4および図5は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
図4に示す半導体発光装置A2においては、LEDチップ2およびチップ15の個数が上述した半導体発光装置A1と異なり、3つのLEDチップ2と1つのチップ15が備えられている。3つのLEDチップ2は、半導体発光装置A1と同様に、いずれも第1のリード1Aに搭載されている。また、各LEDチップ2とチップ15とは、ワイヤ4により接続されている。
本実施形態から理解されるように、本発明は、LEDチップ2の個数に応じて、適切なレイアウトとすることが可能である。LEDチップ2の個数によらず、放熱を促進させて、高出力化および高輝度化を図ることができることは、もちろんである。
図5に示す半導体装置A3においては、上述した実施形態とは異なるタイプのLEDチップ2が用いられている。本実施形態のLEDチップ2は、図中上面にアノード電極およびカソード電極の両方を備える、いわゆる片面電極タイプのLEDチップである。このようなタイプのLEDチップ2を備える場合には、各LEDチップ2の図中上面に2本のワイヤ4が接続される。このうち、一方のワイヤ4は、上述した実施形態と同様に、第2のリード1Bに設けられたチップ15に接続される。他方のワイヤ4は、第1のリード1Aに接続される。本図においては、第1のリード1AのうちLEDチップ2に隣接する部分に接続されている。このように、本発明は、半導体発光素子として、両面電極タイプのLEDチップだけではなく、片面電極タイプのLEDチップも用いることができる。
また、本実施形態の半導体装置A3には、図中下面に絶縁層8が形成されている。この絶縁層8は、図2において放熱板Rdに形成された絶縁層Isと同様にたとえばAlNにより形成されており、電気絶縁性と比較的良好な熱伝導性とを有している。図5に示すように、半導体発光装置A3の図中下面は、図中左右方向にわたって絶縁層8により覆われている。一方、図中奥行き方向については、図2における半導体発光装置A1と絶縁層Isとの関係と同様に、半導体発光装置A3の両端寄りの部分を露出させるように絶縁層8が形成されている。これにより、端子12A,12Bが露出し、半導体発光装置A3の実装に利用可能となっている。
本発明に係る半導体発光装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
第1および第2のリードの形状は、上述したように凹部および凸部を有するものが、高密度化および小型化に好ましいが、本発明はこれに限定されず、第1のリードに複数の半導体発光素子を搭載しつつ、これらの半導体発光素子と第2のリードとを適切に接続可能な形状であればよい。
半導体発光素子の個数は、必要とされる輝度などに応じて種々に変更可能である。また、半導体発光素子のサイズは、上記実施形態においては0.3mm角としたが、これに限定されず種々に変更可能である。半導体発光素子としては、LEDチップを用いれば、比較的省電力であり、かつ高輝度が得られるという利点があるが、これは一例であり、種々の半導体発光素子を用いることができるのはもちろんである。
第2のリードにチップを備える構成とすれば、放熱の促進および製造の容易化に好ましいが、本発明はこれに限定されず、第2のリードに上述したチップを設けない構成としてもよい。
リフレクタとしては、図1に示すように、各半導体発光素子ごとに平面視正方形状領域を区画するものに限定されず、たとえば平面視円形状に区画するものであってもよい。また、図1における外枠を備えない構成としてもよい。このような場合、この半導体発光装置が実装される照明装置に外枠に相当する部材を備えておけば、出射光量の向上を図ることができる。
本発明に係る半導体発光装置は、デジタルカメラや携帯電話機のフラッシュ、さらには自動車のヘッドライトなどに用いられるのに適しているが、これらは一例に過ぎず、その用途はこれらに限定されない。
本発明に係る半導体発光装置の一例を示す全体平面図である。 図1のII−II線に沿う断面図、およびその部分拡大図である。 図1のIII−III線に沿う断面図、およびその部分拡大図である。 本発明に係る半導体発光装置の他の例を示す全体平面図である。 本発明に係る半導体発光装置の他の例を示す断面図である。 従来の半導体発光装置の一例を示す断面図である。
符号の説明
A1,A2,A3 半導体発光装置
1A,1B 第1および第2のリード
2 LEDチップ(半導体発光素子)
3 リフレクタ
3a,3b 反射面
4 ワイヤ
5A 透明樹脂
5B 軟質樹脂
7 絶縁樹脂
8 絶縁層
11A 凹部
11B 凸部
12A,12B 端子
15 チップ(突出部)
15a 本体
15b 導体膜
31,32 区画壁
33 外枠
36 導体膜(AgメッキまたはAlメッキ)

Claims (7)

  1. 複数の半導体発光素子と、
    上記複数の半導体発光素子が搭載された導通支持部材と、を備える半導体発光装置であって、
    上記導通支持部材は、第1および第2のリードを含んでおり、
    上記第1のリードには、平面視において少なくとも一方側に開口し、少なくとも他の二方側が閉じた凹部が形成されており、
    上記第2のリードには、平面視において少なくとも上記二方側が囲まれるように上記凹部に進入する凸部が形成されており、
    上記複数の半導体発光素子は、少なくとも上記二方から上記凹部を囲むようにいずれも上記第1のリードに搭載されており、
    上記各半導体発光素子と上記第2のリードの上記凸部とは、上記複数の半導体発光素子すべてを囲む外枠よりも上記第1および第2のリードの厚さ方向寸法が小であるとともに上記第1のリードの上記凹部と上記第2のリードの上記凸部との間に位置する区画壁を跨ぐワイヤにより接続されており、
    上記区画壁は、上記厚さ方向において上記第1および第2のリードよりも上記半導体発光素子側に突出していることを特徴とする、半導体発光装置。
  2. 上記第2のリードの上記凸部には、その厚さ方向に突出するチップが設けられており、かつ上記ワイヤは、上記チップに接続されている、請求項1に記載の半導体発光装置。
  3. 上記チップは、Si製の本体と、この本体を覆うAgまたはAl製の導体膜とからなる、請求項2に記載の半導体発光装置。
  4. 上記チップは、金属製である、請求項2に記載の半導体発光装置。
  5. 上記複数の半導体発光素子のそれぞれを囲うリフレクタをさらに備え、上記外枠および上記区画壁がこのリフレクタの一部によって構成されている、請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体発光装置。
  6. 上記リフレクタの表面には、AgメッキまたはAlメッキが形成されている、請求項5に記載の半導体発光装置。
  7. 上記第1および第2のリードの間に介在する絶縁樹脂をさらに備えており、かつ
    上記リフレクタの少なくとも一部は、上記絶縁樹脂の一部により形成されている、請求項5または6に記載の半導体発光装置。
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