JP5010497B2 - 発光ダイオードパッケージ - Google Patents

Description

本発明はレッド、グリーン、ブルー発光ダイオード（RGB LED）パッケージに関するものであって、より詳しくはRGB発光ダイオードにおいて光混合物質を適用し比較的小さい空間においても色混合性が優れ、これに応じてスリムなパッケージデザインが可能なRGB発光ダイオードパッケージに関するものである。

発光ダイオードは稠密且つ高効率で透明色の光を放出する。また、発光ダイオードは熱により焦げてしまう問題が無く、これは半導体要素なので優れた初期作動特性、高い振動抵抗性及び繰り返されるオン/オフ作動への耐久性を有する。したがって、発光ダイオードはこうした適用から様々な表示器及び光源に幅広く用いられる。

近頃、発光ダイオードは照明器具に使用される等その使用範囲が拡大してきている。この発光ダイオードは発光色、照度の強さなどに応じてガリウム砒素(GaAs)、ガリウムホスフィド(GaP)、ガリウムニトリド(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)などから製造され、電子雪崩降伏(Avalanche Breakdown)領域においてバイアスされる際、そのPN接合部は比較的低電圧で可視光線を放出することができる。表示装置においては電力消耗を減らすためにマルチフレックス回路網により電源が印加され、発光ダイオードはそれらの構造を変更させて相異な波長の光を提供する。こうした発光ダイオードは個別的に、あるいはマトリックス構造で使用されている。

最近には、超高発光性及び高効率を有するRGB(red、green及びblue)カラー用発光ダイオードが開発され、こうした発光ダイオードを利用した大型スクリーンLEDディスプレーが登場した。こうしたLEDディスプレーは少ない電力で作用することができ、軽く長寿命である等の優れた特性を有し、今後より幅広く使用されるものと見込まれる。

発光ダイオードを利用して白色光源を生成するため様々な試みがなされてきた。発光ダイオードは単色光の生成に有利な放出スペクトルを有するので、白色光に対する光源を生成するためにはR、G及びBと三種の発光成分を相互近接するよう配し、これらにより放出される光が拡散及び混合されることが必要である。こうした配列で白色光を生成する場合、これらは発光成分の色調、輝度及び他因子の変化により所望の色調の白色光を生成できない等の問題を抱えている。

また、発光成分が相異する物質らから成る場合、作動に必要な電力は一発光成分と他発光成分に対して差が生じ、こうして他発光成分には他電圧を適用する必要があり、これは複雑な作動回路を作製しなければならない不便がある。さらに、発光成分が半導体発光成分なので、温度特性、年代的変化及び作動装置の差に基づき色調が変化したり、あるいは不均一な色が発生しかねなく、これは発光成分により放出される光の均一な混合を妨げかねない。

こうした従来の方式のRGB発光ダイオードにおいて白色を具現する方式を図1に示した。図1のように、従来の方式においてはチップ自体の指向角に依存して色が混合されるので、均一な色混合は一定の距離以上においてのみ可能である。応用方法として個別チップをレンズ形状にマウンティングする方法があるが、これもやはり色を均一に混合するには限界があり、複雑なレンズの設計を行わなければならない煩わしさがある。

したがって、発光ダイオードは個別カラーを生成する発光装置として効果があるが、未だ発光成分を利用して白色光を放出できる満足な光源を得られないでいる。

一方、最近は高輝度LEDチップを使用する超薄構造のRGB発光ダイオードパッケージが好まれる傾向がある。しかし、こうした薄型構造のRGB発光ダイオードパッケージは空間の制約によりパッケージ内において均一な色混合に限界がある実状である。

こうして本発明の目的はRGB発光ダイオードにおいて光混合物質を適用して比較的小さい空間においても色混合性が優れ、これに応じてスリムなパッケージデザインが可能なRGB発光ダイオードパッケージを提供するものである。

本発明の一視点によると、
RGB(レッド、グリーン、ブルー)発光ダイオードパッケージにおいて、素子が装着または搭載されるレフレクター上に配されたレッド、グリーン及びブルーの発光ダイオードチップと、上記各発光ダイオードチップから放出される光が均一に混合されるよう光の散乱を促す光混合物質及びレジン充填剤とを具備し、上記光混合物質とレジン充填剤は混合された形態でパッケージ内にダイオードチップ上面側を被覆するよう配され、ここで上記光混合物質はレジン充填剤内に均一に分散された形態で存在することを特徴とするRGB発光ダイオードパッケージが設けられる。

従来の方式が色混合に充分な空間が提供されなければならない制約のためスリムなパッケージのデザインに困難があったのに比して、本発明のRGB発光ダイオードパッケージは比較的小さい空間においても色混合性が優れスリムなパッケージデザインが可能となる。

本発明のRGB発光ダイオードは従来の方式が抱えた、チップ位置により地域的に色が異なる問題が起こらない。

さらに、本発明のRGB発光ダイオードパッケージは光が放出される放射角を広げられ、とりわけ照明用デザインに有利である。

以下、本発明に対してより詳しく説明する。
本発明者はRGB発光ダイオードパッケージにおいて、レジン系またはオパール系光混合物質(散乱剤ともいう)をレジン充填剤と共にパッケージ内に均一に分散させると発光ダイオードから放出される光を効果的に散乱させられ、これに応じて短距離でも均一な色混合が可能になることに想到し本発明の完成に至った。

本発明に使用可能な光混合物質としてはレジン系またはオパール系の光混合物質を含む。とりわけ、レジン系の光混合物質が好ましい。オパール系光混合物質は充填用レジンと結合できないので表面エネルギーが高く塊になろうとする傾向が強く、比重も高いので沈殿量が多いが、レジン系光混合物質は球形の鎖構造であって充填用レジンと連結環を形成できるメチル基を有するので、容易に充填用レジンと均一に分散された形態で存在することができる。

本発明に有用なレジン系の光混合物質は従来の発光ダイオード充填剤と類似する比重を有し、分散性に優れてRGB発光ダイオードから発生する光が広い放射角で均一に発散するよう促すものである。

上記レジン系の光混合物質はとりわけエポキシレジン及びシリコンレジンが好ましい。
エポキシレジンは一般に比重1.230〜1.189を有し、曲げ強度や硬度などの機械的性質が優れるものと知られている。
シリコンレジンは珪素樹脂とも呼ばれるが、シリコン樹脂の分子構造は珪素と酸素が交互に存在するシロキサン結合(Si-O結合)の形態となる珪素を骨格として、珪素にメチル基・フェニル基・ヒドロキシ基などが添加された熱可塑性合成樹脂である。

こうしたレジン系の光混合物質は下記化学式1で示したシリコンレジンのようにメチル基を含む。

上記レジン系の光混合物質はこうしたメチル基を含むのでレジン充填剤との結合性に優れ、また比重がレジン充填剤と類似するので沈殿が起こらず均一に分散されることができる。

また、本発明に使用されるシリコンレジン光混合物質の一例を図2に示し、またこのシリコンレジン光混合物質が発光ダイオード充填剤内に混合された状態を示す電子顕微鏡写真を図3(a-表面写真、b-横断面写真)に示した。

図2に示すように、本発明に使用されるシリコンレジン光混合物質は球形のビーズあるいは粒子形態を有し、これが粉末状で充填剤内に添加される場合、図3のようにその形態をそのまま保つ。

また、本発明によりこうしたレジン系の光混合物質が適用されたRGB発光ダイオードを図4に示した。
図4のように、均一に分散される上記レジン系の光混合物質は光の散乱を容易にさせ広い放射角で均一に光が発散するよう促し、各R、G及びB発光ダイオードから放出される光の経路を様々にする役目を果たす。結局、上記レジン系の光混合物質は各発光ダイオードから放出される光が均一に混合されるよう促すものである。

上記光混合物質は、光混合物質とレジン充填剤の総重量を基準に1〜20重量%で均一に混合して用いることが好ましい。

また、上記光混合物質は充填剤内に均一に分散されるよう充填用レジンと類似する比重を有するものが好ましい。上記光混合物質は、好ましくは比重0.5〜1.8を有するものを使用する。

光混合物質の比重が高すぎると充填剤と混合する際沈殿量が増加し光の散乱を妨げる恐れがあり、逆に比重が低すぎると充填剤と混合する際充填剤の表面上に浮遊するので、やはり光の散乱を妨げかねない。より好ましくは、上記光混合物質は比重0.9〜1.8を有するものを使用する。

上記光混合物質とレジン充填剤は混合された形態でパッケージ内にダイオードチップ上面側を被覆するよう配される。もし、光混合物質が発光ダイオードチップ上に一定間隔を置いて層を形成する場合、例えば光混合物質がパッケージ内に分散されず、パッケージ表面に光混合物質層が形成される場合には光混合物質が単にパッケージ表面においてのみ光の方向を捻らせる役目を果たすので各発光ダイオードから放出される光が均一に混合されないこともあり得る。

この際、上記光混合物質はビーズあるいは粒子形態で均一に分散させるために、液状の充填剤に粉末状で添加し混合する際ミキサを使用して均一に混合した後、真空雰囲気において脱ガス工程を通して気泡を除去する方法により添加及び混合することが好ましい。

こうして添加及び混合された光混合物質はビーズあるいは粒子形態で分散され存在するようになる。このようにビーズあるいは粒子形態で分散された光混合物質の大きさは好ましく粒径0.1〜30μｍを有する。

さらに、上記エポキシレジンとシリコンレジンは夫々単独でも使用可能で、また全て粉末状であれば相互混合して使用することもできる。混合して使用可能な場合、その混合比率は1:1が好ましい。

本発明に有用なレジン充填剤はこれに限定されるものではないが、メチル基を有する反応基を含有する透明エポキシレジンあるいはシリコンレジン充填剤が好ましい。

以下、実施例を通して本発明をより詳しく説明するが、これは単に本発明を例示するもので本発明を下記実施例に限定するものではない。

＜実施例＞
製造例
RGB発光ダイオードであって発光波長のピークが465nm、ガリウムニトリド(GaN)半導体構造を有するRGB発光ダイオードチップを使用する。光混合物質にはシリコンレジンまたはエポキシレジンを使用し、これを光混合物質とレジン充填剤の総重量を基準に1〜20重量%で均一に混合する。この際、上記光混合物質は混合する際液状のレジン充填剤に粉末状の光混合物質を混合し、ミキサを使用して均一に混ぜる方式で添加及び混合する。次いで、真空雰囲気下において脱ガス工程を通して気泡を除去した後、RGB発光ダイオードパッケージに分散し塗布する。塗布はディスペンシング、スクリーンプリンティングあるいは分散法等の方法が適用可能である。その後、上記レジンに適切な硬化条件において硬化させる。この際、硬化は光混合物質としてシリコンレジが使用された場合、150℃で1時間ほど施し、さらに光混合物質としてエポキシレジンが使用された場合には120〜180℃で5時間ほど施す。

シミュレーションによる色混合性の評価
下記のような条件においてコンピュータシミュレーション(Light Tools、Optical Research Associates)を通して様々な場合におけるRGB発光ダイオードの色混合性を調べた。
1)光混合物質が含有されない場合、
2)光混合物質が発光ダイオードチップ上に一定間隔を置いて層を形成した場合(パッケージ表面に光混合物質の層形成)、
3)光混合物質(3重量%添加)とレジン充填剤が混合された形態でダイオードチップ直上面側に配された場合(パッケージ内部に光混合物質分布)、及び
4)光混合物質(10重量%添加)とレジン充填剤が混合された形態でダイオードチップ直上面側に配された場合(パッケージ内部光混合物質分布);
のRGB発光ダイオード色混合性をレイトレーシングを通して調べた。
RGB光線数は各20eaにし、指向角は140°にした。光混合物質(散乱剤)の大きさは、実際の大きさは大変微細(2μｍ以下)なので具現が不可能なことから小さい球と仮定し材質は熱可塑性アクリル樹脂(PPMA(Polymethyl Methacrylate))とした。光混合物質の効果のみ調査するため発光ダイオード内部は空気と仮定し、表面において屈折及び反射するものは無いと仮定した。こうした光線トレーシング調査結果を図5に示した。

図5から分かるように、発光ダイオードチップ上に如何なる光混合物質が含有されない場合(a)とパッケージ表面に光混合物質の層が形成された場合(b)に比してパッケージ内部に光混合物質が分布された場合(c及びd)が光の方向を効果的に分散させることが分かり、とりわけ光混合物質の量が少ない場合(c)より光混合物質の量が多い場合(d)に光の分散性をより増加させることが分かる。一方、光混合物質がパッケージ表面に存在する場合には単にパッケージ表面から光の方向を屈折させる役目を果たすので光混合物質が含有されない場合と大差が無い。

さらに、製造工程面において(b)のように光混合物質をパッケージ表面に層に形成すると、別途の層を生成しその中に光混合物質を注入しなければならないのでダイオードのモールディング時煩わしくなるが、本発明のように光混合物質をパッケージ内部に分散させると別途の層を生成する必要無くずっと簡単な工程により製造できるように思われる。

上記結果からパッケージ内部に光混合物質が存在する場合に少量でも光の方向を効果的に分散させられ、光混合物質の量が増加すると光の分散性が増加して光を効果的に散乱させられ、これにより短距離でも均一な色混合が可能なことが分かる。

RGBチップを配列して白色光を具現する従来のRGB発光ダイオードパッケージを図式的に示したものである。 本発明に使用されるシリコンレジン光混合物質の電子顕微鏡写真を示したものである。 シリコンレジン光混合物質が発光ダイオードの充填剤内に混合された状態を示す電子顕微鏡写真である(a-表面写真、b-横断面写真)。 本発明によりRGBチップ配列上に光混合物質を適用して色混合性を向上させた本発明のRGB発光ダイオードパッケージを図式的に示したものである。 本発明の実施例においてコンピュータシミュレーションにより様々な場合のRGB発光ダイオード色混合性を調べた結果を示したものである。

符号の説明

１ 光線
２ RGB発光ダイオードチップ
３ 発光素子が装着または搭載されるレフレクター
４ 充填剤
５ 光混合物質(散乱剤)

Claims (6)

1. 発光ダイオードパッケージにおいて、
   レフレクター上に配された発光ダイオードチップと、
   前記発光ダイオードチップから放出される光が均一に混合されるよう光の散乱を促す光混合物質及びシリコンレジン充填剤とを具備し、
   前記光混合物質と前記シリコンレジン充填剤は混合された形態で前記発光ダイオードチップの上面側を被覆するよう配され、前記光混合物質は前記シリコンレジン充填剤内に均一に分散され、前記シリコンレジン充填剤と連結環を形成するメチル基を有するシリコンレジンであることを特徴とする発光ダイオードパッケージ。
2. 前記発光ダイオードチップは、レッド、グリーン及びブルーの発光ダイオードチップを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードパッケージ。
3. 前記光混合物質は比重０．５〜１．８を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光ダイオードパッケージ。
4. 前記光混合物質は液状の前記シリコンレジン充填剤に粉末状で投入されミキサを使用して均一に混合された後、真空雰囲気において気泡を除去する方式で添加及び混合されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光ダイオードパッケージ。
5. 前記光混合物質はビーズあるいは粒子形態で分散されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光ダイオードパッケージ。
6. 前記ビーズあるいは粒子形態を有する光混合物質は粒径０．１〜３０μｍを有することを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオードパッケージ。