JP4973011B2

JP4973011B2 - Ｌｅｄ装置

Info

Publication number: JP4973011B2
Application number: JP2006150913A
Authority: JP
Inventors: 正賢古関; 寿夫山口; 優輝伊藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007324256A

Description

本発明はLED装置に関する。

従来のLED装置では、LEDチップを封止材としてエポキシ樹脂等の透光性樹脂で被覆していたが、LEDチップの高出力化に伴い、LEDチップ回りのエポキシ樹脂の変色（黄変）が問題となってきた。
そのため、エポキシ樹脂の代りに耐熱性、耐光性の高い材料であるシリコーン樹脂が封止材として採用されつつある。
他方、LEDチップをゾルゲルガラスで囲繞することも検討されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００５−１１９３３号公報特開２００２−２０３９８９号公報

本発明者らは、LED装置の耐久性を向上すべく鋭意検討を重ねてきたところ、下記の課題を見出すに至った。
シリコーン樹脂はLEDチップの回りにおいてもほとんど変色しない。しかしながら、ガス透過性が高いため、LEDチップ内の金属が徐々に酸化されて変色するおそれがある。かかる金属としてリードフレームや反射層を挙げることができる。当該金属の表面は鏡面化されており、LED装置からの光取出し効率を向上させている。しかし、金属表面の酸化に伴い光反射率が低下する。これが原因となり、シリコーン樹脂を封止材として用いた場合には、LED装置に所望の光取出し効率を維持させることが困難であった。
他方、特許文献１に開示されるように封止材の全てをガラス材料とすると、封止材が割れやすくなり、機械的強度の点に課題が残る。
なお、特許文献２においては封止材の全てをガラス材料とするのではなく、LEDチップをガラス層で囲繞する構成が開示されている。しかしながら、リードフレーム等の金属部分をガラス層で被覆することは何ら開示ないし示唆されていない。従って、封止材にシリコーン樹脂を採用した場合には金属部分の変色にともなう光取出し効率の低下を依然として免れない。

この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次のように規定される。
LEDチップ、該LEDチップのケース及び該ケース内へ充填されて前記LEDチップを囲繞するシリコーン封止材を備えてなるLED装置であって、
前記ケース内において金属の部分が透光性の無機材料層で被覆されている、ことを特徴とするLED装置。

このように構成されたＬＥＤ装置によれば、金属部分が透光性の無機材料で被覆されているので、金属部分の変色を確実に防止できる。これにより、金属部分の反射率が維持され、LED装置としての光取出し効率の低下が防止される。当該光取出し効率の維持には、封止材にシリコーン樹脂を用いたことによる変色防止効果も寄与している。

上記において透光性の無機材料としては、ガラス若しくはハイブリッド材料等を用いることができる。ガラスにはゾルゲルガラスを用いることが好ましい。ゾルゲルガラスは低温で膜成形できるためである。ゾルゲルガラスは通常のガラスに比べるとその密度が小さいが、シリコーン樹脂に比べると格段にその密度が大きいため、殆ど通気性を有さない。かかるゾルゲルガラスの組成はSiO₂であるが、これにPBO,ZnO,Al₂O₃等を配合することもできる。

ハイブリッド材料としては、例えば化学式Ｍ^ｌ＋（ＯＲ^１）_ｍＲ^２ _l−ｍ（式中Ｒ¹は炭素数１〜５の炭化水素基、アルコキシアルキル基またはアシル基、Ｒ²はビニル、アミノ、イミノ、エポキシ、アクリロイルオキシ、メタクリロイルオキシ、フェニル、メルカプト及びアルキル基から選ばれる少なくとも一種類を含む有機基、lはＭの価数で、ｌ及びｍは整数を表す）で表されるアルコキシド化合物の加水分解物及び加水分解・縮重合物の混合物を用いることができる。ここにＭはＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ等の元素を用いることができる。

一般式Ｍ^ｌ＋（ＯＲ^１）_ｍＲ^２ _l−ｍで表されるアルコキシド化合物の加水分解・縮重合は次のようにして行われる。

かかるアルコキシド化合物の加水分解・縮重合物の混合物であり、水と同程度の流動性を有する。
上記において金属元素ＭがＳｉのときには、次に示されるシラン化合物を用いることができる。ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリエトキシシラン、γ−（メタ）アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリアセトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、β−シアノエチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどである。

透光性の無機材料には任意の蛍光体を配合することができる。かかる蛍光体として次のものを挙げることができる。
無機系蛍光体として、以下のものを採用することができる。例えば、赤色系の発光色を有する６ＭｇＯ・Ａｓ_２Ｏ_５：Ｍｎ、Ｙ（ＰＶ）Ｏ_４：Ｅｕ、ＣａＬａ_０．１Ｅｕ_０．９Ｇａ_３Ｏ_７、ＢａＹ_０．９Ｓｍ_０．１Ｇａ_３Ｏ_７、Ｃａ（Ｙ_０．５Ｅｕ_０．５）（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_３Ｏ_７、Ｙ_３Ｏ_３：Ｅｕ、ＹＶＯ_４：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２：Ｅｕ、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２ＧｅＯ_２：Ｍｎ、及び（Ｙ・Ｃｄ）ＢＯ_２：Ｅｕ等で表わされる赤色蛍光体、青色系の発光色を有する（Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｍｇ）_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、Ｂａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２・ｎＢ_２Ｏ_３：Ｅｕ、Ｓｒ_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_３（ＰＯ_４）_６Ｃｌ：Ｅｕ、ＳｒＯ・Ｐ_２Ｏ_５・Ｂ_２Ｏ_５：Ｅｕ、（ＢａＣａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＳｒＬａ_０．９５Ｔｍ_０．０５Ｇａ_３Ｏ_７、ＺｎＳ：Ａｇ、ＧａＷＯ_４、Ｙ_２ＳｉＯ_６：Ｃｅ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｇａ，Ｃｌ、Ｃａ_２Ｂ_４ＯＣｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ_４Ｏ_３：Ｅｕ、及び一般式（Ｍ１，Ｅｕ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２（Ｍ１は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群から選択される少なくとも１種の元素）等で表される青色蛍光体、緑色系の発光色を有するＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ，Ｔｂ、Ｓｒ_２Ｓｉ_３Ｏ_８・２ＳｒＣｌ_２：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ，Ｍｎ、ＺｎＳｉＯ_４：Ｍｎ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＬａＰＯ_４：Ｔｂ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、ＳｒＬａ_０．２Ｔｂ_０．８Ｇａ_３Ｏ_７、ＣａＹ_０．９Ｐｒ_０．１Ｇａ_３Ｏ_７、ＺｎＧｄ_０．８Ｈｏ_０．２Ｇａ_３Ｏ_７、ＳｒＬａ_０．６Ｔｂ_０．４Ａｌ_３Ｏ_７、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＺｎＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｕ、（Ｚｎ・Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ、ＺｎＳ：Ｃｕ、ＧｄＯＳ：Ｔｂ、ＬａＯＳ：Ｔｂ、ＹＳｉＯ_４：Ｃｅ・Ｔｂ、ＺｎＧｅＯ_４：Ｍｎ、ＧｅＭｇＡｌＯ：Ｔｂ、ＳｒＧａＳ：Ｅｕ^２＋、ＺｎＳ：Ｃｕ・Ｃｏ、ＭｇＯ・ｎＢ_２Ｏ_３：Ｇｅ，Ｔｂ、ＬａＯＢｒ：Ｔｂ，Ｔｍ、及びＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ等で表わされる緑色蛍光体を用いることができる。また、黄色系の発光色を有するＣａＬｕ_０．５Ｄｙ_０．５Ｇａ_３Ｏ_７、（Ｙ，Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕで表わされる黄色蛍光体を用いることもできる。
紫外発光ＬＥＤの場合、上記した赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体を組み合わせて白色光を得ることができる。青色発光のＬＥＤチップの場合、上記した赤色蛍光体と緑色蛍光体との組み合わせ又は黄色蛍光体との組み合わせにより白色光を得ることができる。
蛍光体に光拡散材を併用することもできる。これにより発光ムラの減少を図ることもできる。

LEDチップにはフェイスアップやフリップチップタイプを採用することができる。また、ＬＥＤパッケージとしては、トップビュータイプやサイドビュータイプのＳＭＤ、ＣＯＢタイプなどのパッケージを用いることができる。
なお、封止材の黄変が問題となるは、短波長（緑色〜紫外線）の光を発光するLEDチップであり、当該LEDチップは一般的にIII族窒化物系化合物半導体で形成されている。
ここにIII族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、ｎ型層にドープされるｎ型不純物としてＳｉの他、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
III族窒化物系化合物半導体層を成長させる基板にはサファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。

LEDチップのケースはLEDチップをマウントしてこれを保護するとともに、LEDチップから放出された光を効率よく外部へ放出させる。LEDチップからの光取出し効率を向上させるため、ケース内面にも銀などの金属からなる反射層が形成される場合がある。ケースにはLEDチップへ給電するための配線材が配設されている。この配線材、例えばリードフレームの表面における反射率を向上するため、当該リードフレームには銀メッキが施される場合がある。その他、銀合金、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属がケース内に表出して配置されることがあるが、いずれの場合においてもその表面は鏡面化されて光反射率の向上が図られている。

かかる金属部分が酸化されると変色するので、この発明では当該金属部分を無機材料層で被覆することとした。従って、LEDチップ自体は当該無機材料で被覆されていても被覆されていなくてもよい。
無機材料層の膜厚は特に限定されるものではないが、金属部分に対する気密性を確保でき、かつ割れが生じない厚さとなるよう任意に選択される。

フリップチップタイプのLEDチップをゾルゲルガラスで被覆する場合、アルミナ基板の屈折率は１．７であり、ゾルゲルガラスの屈折率は１．６であり、シリコーン樹脂の屈折率は１．４であるため、光源側から大気（屈折率：１．０）までの緩やかに屈折率が傾斜することとなる。よって各層界面における反射が少なくなり、この点からも光取出し効率が向上する。

次に、この発明の実施例について説明をする。
図１は、実施例のＬＥＤ装置１の構造を示す断面図である。
カップ状のケース２の底部には表面に銀メッキが施されたリードフレーム４が配設されている。この実施例ではケース２の内側面にもその反射率を向上させる見地から銀メッキ（反射層）が施されている。リードフレーム４はケース２の底壁又は側壁を通して外部へ配線されている。ケース２の底部のほぼ中央に、III族窒化物系化合物半導体からなる青色ＬＥＤチップ５がＤ／Ｂペースト7を介して固定されている。このＬＥＤチップ５にはフェイスアップタイプのＳＭＤを採用した。ＬＥＤチップ５の表面に形成された２つのボンディングパッド（図示せず）とリードフレーム４との間にはボンディングワイヤ９が懸架されている。
ＬＥＤチップ５にはIII族窒化物系化合物半導体発光素子を用いることが好ましいが、他のタイプのLEDチップの使用を排除するものではない。

図中の符号１１はガラス層であり、この実施例ではLEDチップ５も含めてケース２の内面全域を被覆している。その結果、リードフレーム４はガラス層１１で完全に被覆されている。また、ケース２の内側面（銀メッキされている）もガラス層１１で被覆される。
ガラス層１１にはゾルゲルガラス（無機系（溶剤型））を採用した。LEDチップ５及びボンディングワイヤ９が組付けられたケース２内に硬化前のゾルゲルガラスをポッティングする。ゾルゲルガラス（硬化前）の表面張力及びその粘着性により、ゾルゲルガラス（硬化前）はケース２においてその反射面、リードフレーム４の表面及びLEDチップ５の全体をほぼ同じ厚さで被覆する。ゾルゲルガラスの硬化条件は、まず１００℃×１０分の前処理を行い、その後に１８０℃×２時間とした。かかる硬化条件によれば、LEDチップ５をはじめとしてリードフレーム４やケース２に大きなストレスを与えることがない。

ガラス層１１の厚さは、特に限定されるものではないが、１μｍ〜５０μｍとすることが好ましい。１μｍ未満であると金属部分に対する気密性に不安が残り、５０μｍを超えて厚くすると割れの発生確率が高くなるので、それぞれ好ましくない。ガラス層１１のより好ましい厚さは１μｍ〜３０μｍであり、更に好ましくは１μｍ〜２０μｍである。
封止材１３にはシリコーン樹脂（付加反応型）を用いた。このシリコーン樹脂は流動性のある状態でケース２のガラス層１１の上へ充填され、そこで硬化させる。硬化条件は１５０℃×１時間とした。

このように構成された図１に示すLED装置１によれば、ケース２内の金属部分（ケース２の内表面、リードフレーム４）がゾルゲルガラスからなるガラス層１１で被覆されるので、シリコーン樹脂からなる封止材を空気が透過してきたとしても、当該空気が金属部分に触れることを確実に防止できる。よって、当該金属部分が変色することがなく、その光反射率は低下しない。これにより、LED装置の光取出し効率が長期に渡り維持されることとなる。

図２には他の実施例のLED装置２１を示す。なお、図１と同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例のLED装置２１ではLEDチップ２５としてフリップチップタイプを採用している。符号２７はバンプである。
かかる構成のLED装置２１によれば、LEDチップにおける光放出面がサファイア基板（屈折率：１．７）、となりその上にガラス層（屈折率：１．６）とシリコーン樹脂（屈折率：１．４）とが順に積層される。その結果、光源から外部に向けて屈折率の変化が緩やかになり、各層間での光の反射が少なくなる。もって、光取出し効率が向上する。

この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。例えば上記した実施例では配線材としてリードフレームを用いたが、セラミックスパッケージの配線材のように金属ペーストを焼結させたものに対しても適用できる。

この発明のＬＥＤ装置の構成を示す平面図である。この発明の他の実施例のＬＥＤ装置の構成を示す平面図である。

符号の説明

１，２１ＬＥＤ装置
２ケース
４リードフレーム
５、２５ LEDチップ
１１ガラス層
１３封止材

Claims

LEDチップ、該LEDチップのカップ状ケースを備え、該ケース内底部から順に、前記カップ状ケースを通して外部へ配線される配線材、無機材料層及び該ケース内へ充填されて前記LEDチップを囲繞するシリコーン封止材が積層されてなるLED装置であって、
前記配線材の表面は銀又は銀合金で鏡面化されており、
前記無機材料層は、透光性でかつ膜厚が１μｍ〜２０μｍのゾルゲルガラスからなり、前記配線材の表面を被覆する、ことを特徴とするLED装置。
前記ケース内面に反射層が備えられる、ことを特徴とする請求項１に記載のLED装置。