JP5408428B2 - チップ型発光ダイオード装置 - Google Patents

Description

本発明は、チップ型の発光ダイオード（light-emitting diode；以下、「ＬＥＤ」という）装置に関する。

チップ型ＬＥＤは、ウェーハから多数作成したベアチップ（ＬＥＤ素子）を小型基板に搭載し、ワイヤボンディングによりＬＥＤ素子のアノードあるいはカソードの電極と小型基板の電極とを配線接続し、これらを樹脂モールド成形し、パッケージ化したものである。

なお、以下の説明において、個別のベアチップはＬＥＤ素子といい、これらを小型基板上に複数個のＬＥＤ素子を搭載して樹脂モールド成形してパッケージ化したものをチップ型ＬＥＤと称する。また、チップ型ＬＥＤをケーシング内に複数個接続して配列し、樹脂封止してモジュール化したものをＬＥＤモジュールと称する。

ここで、チップ型ＬＥＤをはじめ多くのＬＥＤは、発光電力効率に優れているので、信号表示用のほか高輝度ＬＥＤによる照明装置としても利用されている。

しかし、高輝度ＬＥＤであっても単体のＬＥＤ素子からなるＬＥＤでは光量不足であるため、同一パッケージ内に複数個のＬＥＤ素子を直列あるいは並列接続して光量の増強を図ったチップ型ＬＥＤも出現している。

チップ型ＬＥＤは、アノードに正、カソードに負の電圧をかけ、電流が流れはじめることにより発光させるが、指数的な電圧電流特性であり、並列接続により駆動する場合はそれぞれの順方向電圧Ｖｆ値に依存した電流が流れる。従って、同一パッケージ内での複数のＬＥＤ素子の順方向電圧値Ｖｆのバラツキにより、それぞれのＬＥＤ素子に流れる順方向電流値Ｉｆもばらつくことになる。

図３（ａ）はＬＥＤモジュールの平面図、同図（ｂ）は（ａ）の等価回路図である。図３に示すＬＥＤモジュール１００では、３個のチップ型ＬＥＤ１０１〜１０３および電流制限抵抗Ｒを直列に接続してモジュール化したものである。図４（ａ）は図３における一つのチップ型ＬＥＤ１０３と電流制限抵抗Ｒを接続したときの回路図である。各チップ型ＬＥＤ１０１〜１０３は、３個のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃのアノード電極とカソード電極を並列に接続して使用している。

しかし、各ＬＥＤのＬＥＤ素子（チップ）の電流値を定格以下に正確に制限することができない。図４において、点線で囲まれた３チップのＬＥＤ素子からなるチップ型ＬＥＤにおいて、流れる電流のトータル電流Ｉsumは、電流制限抵抗をＲ、その両端にかかる電圧をＶRとすると、Ｉsum＝ＶR／Ｒで測定することができるが、個別のＬＥＤ素子（チップ）に流れる電流ｉ１、ｉ２、ｉ３の電流値を確認することはできない。因みに、ＬＥＤ製品は、基本的に個別のＬＥＤ素子（チップ）に流れる電流が定格電流値以下であることを前提として信頼性の保証が可能となる。

また、１個のチップ型ＬＥＤにおいて、すべてのＬＥＤ素子（チップ）に同一電圧がかかるとすると、個別のＬＥＤ素子（チップ）の順方向電圧Ｖｆにバラツキがある場合、順方向電圧Ｖｆが低いＬＥＤ素子（チップ）に電流が集中し、変流が起きて信頼性を底成ることになる。

図５は各ＬＥＤ素子（チップ）の電流・電圧値の関係を示すグラフである。図に示すように、５個のＬＥＤ素子（チップ）ａ〜ｅについて電流・電圧値をプロットしてみたところ、順方向電圧Ｖｆのバラツキが０．１Ｖ程度ある場合、１ｍＡ〜１．５ｍＡ程度の電流値のバラツキが発生することがわかる。

そのため、それぞれのＬＥＤ素子に直列に外部抵抗Ｒを接続し、各ＬＥＤ素子の順方向電流値Ｉｆのばらつきを抑える工夫がなされている。

また、発光色の異なる赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）等のＬＥＤ素子を同一パッケージに封止する場合は、各ＬＥＤ素子の順方向電圧値Ｖｆが大きく異なるため、各々のＬＥＤ素子に対して整流、すなわち電流制限のための直列抵抗Ｒの付加が不可欠になる。

特許文献１には、複数のＬＥＤ素子を搭載するチップ型ＬＥＤにおいて、複数のＬＥＤ素子は、これと同数の抵抗成分を直列接続することにより、複数個のＬＥＤ素子の電圧電流特性の勾配を個々に緩和し、複数個のＬＥＤ素子を並列接続した場合の各ＬＥＤ素子間の電流不均衡を少なくするようにしたチップ型ＬＥＤについて開示されている。

特開2006-339542号公報

ところで、特許文献１のチップ型ＬＥＤをはじめ、従来のチップ型ＬＥＤにおいては、複数のＬＥＤ素子（チップ）を並列接続しているため、そのひとつのＬＥＤ素子がオープン故障した場合でも、直ぐにはチップ型ＬＥＤが不点灯にはならないが、残りの２つのＬＥＤ素子が３個分の順電流を受け持つことになり、各ＬＥＤ素子には過電流が流れ、寿命特性を悪化して、自ずと不点灯となる。そのため、このチップ型ＬＥＤと直流で繋がっている他のＬＥＤも順次不点灯となるといった問題点があった。

本発明は、上記に鑑み、ひとつのＬＥＤ素子がオープン故障した場合でも、そのＬＥＤが不点灯になるのを回避し、かつ他のＬＥＤが不点灯になるのを防止し得、寿命特性を向上し得るチップ型ＬＥＤを用いたＬＥＤモジュールであるＬＥＤ装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、チップ型発光ダイオードが複数個接続された発光ダイオード装置であって、各チップ型発光ダイオードは、３個以上の発光ダイオード素子がパッケージ化され、そのうちの少なくとも２個の発光ダイオード素子が順方向に直列接続されて一つの配線経路が形成され、残りの発光ダイオード素子が配列された別の配線経路と合わせて、少なくとも２系統以上の配線経路が形成され（但し、各チップ型発光ダイオードにおいて各配線経路の発光ダイオード素子の数が同数の場合を除く）、一つのチップ型発光ダイオードにおいて少なくとも２個の発光ダイオード素子が直列に接続された配線経路と、他のチップ型発光ダイオードにおいて残りの発光ダイオード素子が配列された配線経路とが直列接続され、これらの配線関係が各チップ型発光ダイオードにおいて順次繰り返されることにより、全体として各系統に接続される発光ダイオード素子が同数となるように設定されたことを特徴とする。

３個以上のＬＥＤ素子を搭載したチップ型ＬＥＤにおいては、少なくとも２系統の配線経路があるため、そのうちの１つのＬＥＤ素子がオープン故障し、不点灯になったとしても、残りの配線経路のＬＥＤ素子が点灯を持続することができる。

また、チップ型ＬＥＤを複数個接続したＬＥＤ装置では、一つのチップ型ＬＥＤにおいて少なくとも２個のＬＥＤ素子が直列に接続された配線経路と、他のチップ型ＬＥＤにおいて残りのＬＥＤ素子が配列された配線経路とが直列接続され、これらの配線関係を各チップ型ＬＥＤにおいて順次繰り返すことにより、全体として各系統に接続されるＬＥＤ素子が同数となるように設定されるので、第１の配線経路と第２の配線経路に流れる電流不均衡を少なくすることができる。

また、このＬＥＤ装置の各配線経路にそれぞれ電流制限抵抗を接続する。これにより、複数のＬＥＤ素子の電圧電流特性の勾配を個々に緩和することができ、複数個のＬＥＤ素子を並列接続した場合の各ＬＥＤ素子間の電流不均衡を少なくすることができる。

なお、上記構成のＬＥＤ装置は、各種センサーとしての用途の他に、ＬＥＤ装置を電源に接続して照明用光源とすることができる。

以上のとおり、一つのチップ型ＬＥＤにおいて少なくとも２個のＬＥＤ素子が直列に接続された配線経路と、他のチップ型ＬＥＤにおいて残りのＬＥＤ素子が配列された配線経路とが直列接続され、これらの配線関係を各チップ型ＬＥＤにおいて順次繰り返すことにより、全体として各系統に接続されるＬＥＤ素子が同数となるように設定されるので、第１の配線経路と第２の配線経路に流れる電流不均衡を少なくすることができる。

本実施形態のＬＥＤモジュールの概略図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は等価回路図である。 一つのチップ型ＬＥＤと電流制限抵抗を接続したＬＥＤモジュールの等価回路図である。 従来のＬＥＤモジュールの概略図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は等価回路図である。 従来における、一つのチップ型ＬＥＤと電流制限抵抗を接続したＬＥＤの等価回路図である。 各ＬＥＤ素子の電流電圧特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）はＬＥＤモジュールの平面図、同図（ｂ）はその等価回路図、図２は一つのチップ型ＬＥＤの等価回路図である。

図に示すように、ＬＥＤ装置１０は、ケーシング２０内に複数（４個）のチップ型ＬＥＤ１，２，３，４が配列され、樹脂モールドされてモジュール化されている。

各チップ型ＬＥＤ１〜４は、３個のベアチップ（ＬＥＤ素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が小型基板（図示略）に搭載され、ワイヤボンディングによりＬＥＤ素子のアノードあるいはカソードの電極と小型基板の電極とが配線接続され、これらを樹脂モールド成形し、パッケージ化したものである。

３個のＬＥＤ素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃのうち、２個のＬＥＤ素子が順方向に直列接続されて一つの配線経路が形成され、残りのＬＥＤ素子が配列された別の配線経路と合わせて、少なくとも２系統以上の配線経路が形成され、間隔をおいて配列された他のチップ型ＬＥＤと相互に接続されている。このとき、一つのチップ型ＬＥＤ１において２個のＬＥＤ素子が直列に接続された配線経路と、他のチップ型ＬＥＤにおいて１個のＬＥＤ素子が配列された配線経路とを直接接続し、これを各チップ型ＬＥＤにおいて順次繰り返すことにより、全体として各系統に接続されるＬＥＤ素子が同数となるように設定される。

具体的には、図１において、３個のＬＥＤ素子を搭載したチップ型ＬＥＤを例に説明する。第１のＬＥＤ１では、第１の配線経路１３ａにおいて、上側２個のＬＥＤ素子１０ａ、１０ｂが順方向に直列接続され、第２の配線経路１３ｂにおいて下側の残り１個のＬＥＤ素子１０ｃが配列され、少なくとも２系統の配線経路１３ａ、１３ｂが形成される。

第１のＬＥＤ１と隣り合う第２のＬＥＤ２とでは、第１の配線経路１３ａに上側１個のＬＥＤ素子１０ａが配列され、第２の配線経路１３ｂにおいて、下側２個のＬＥＤ素子１０ｂ、１０ｃが順方向に直列接続されている。

第３のＬＥＤ３および第４のＬＥＤ４では、第１のＬＥＤ１と第２のＬＥＤ２の接続関係が交互に繰り返され、全体として各系統に接続されるＬＥＤ素子が同数となるように設定される。

そして、各配線経路１３ａ、１３ｂの一端側にはそれぞれ電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続される。電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２は、各ＬＥＤ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電圧電流特性に応じて、その抵抗値Ｒ１，Ｒ２が設定される。

図２の等価回路を例にすると、ＬＥＤ素子１０ａに流れる電流値ｉ１、ＬＥＤ素子１０ｂに流れる電流値ｉ２、ＬＥＤ素子１０ｃに流れる電流値ｉ３、第１の配線経路１３ａの電流制限抵抗Ｒ１、第２の配線経路１３ｂの電流制限抵抗Ｒ２、各抵抗にかかる順方向電圧をそれぞれVR1、VR2とする。このとき、以下の関係が成り立つ。

Ｉsum＝ｉ１+ｉ２+ｉ３・・・・・（１）
ｉ１＝ｉ２＝ＶR1／Ｒ１・・・・・（２）
ｉ３＝ｉ２＝ＶR2／Ｒ２・・・・・（３）
電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２は、ＬＥＤと一体的にモジュール化してもよいし、また、外付けで別に設けてもよい。

上記構成において、３個のＬＥＤ素子を搭載したチップ型ＬＥＤにおいては、少なくとも２系統の配線経路があるため、そのうちの１つのＬＥＤ素子１０ａ、１０ｂまたは１０ｃがオープン故障し、不点灯になったとしても、残りの配線経路１３ａ，１３ｂのＬＥＤ素子が点灯を持続するので、完全に不点灯とはならない。

この場合、チップ型ＬＥＤ１〜４には、各配線経路１３ａ，１３ｂに電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続し、同数の抵抗成分の直列接続により、複数個のＬＥＤ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃの電圧電流特性の勾配を個々に緩和しているので、各ＬＥＤ素子間の電流不均衡を少なくすることができる。また、電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２により、個別のＬＥＤ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃに流れる電流を定格値以下に制限することができる。

さらに、図２に示すように、チップ型ＬＥＤの各配線経路１３ａ、１３ｂに電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続すると、次の関係式が成り立つ。
Ｉsum＝ｉ１+ｉ２+ｉ３・・・・・（１）
ｉ１＝ｉ２＝ＶR1／Ｒ１・・・・・（２）
ｉ３＝ｉ２＝ＶR2／Ｒ２・・・・・（３）

そのため、電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２にかかる電圧を測定するか、あるいは各配線経路の電流値を測定すれば、個別のＬＥＤ素子にかかる電流値を正確に測定することができる。

また、第１の配線経路１３ａのＬＥＤ素子数と第２の配線経路１３ｂのＬＥＤ素子数とが全体として同数になるように設定しているので、第１の配線経路１３ａと第２の配線経路１３ｂに流れる電流不均衡を少なくすることができる。

したがって、上記ＬＥＤ装置を電源に接続して照明用光源とした場合、寿命特性も大幅に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、３個のＬＥＤ素子をパッケージ化した例を示したが、４個以上で少なくとも２系統の配線経路を形成したチップ型ＬＥＤであればよい。

１，２，３，４ チップ型ＬＥＤ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ ＬＥＤ素子
１３ａ、１３ｂ 配線経路
２０ ケーシング

Claims (3)

1. チップ型発光ダイオードが複数個接続された発光ダイオード装置であって、各チップ型発光ダイオードは、３個以上の発光ダイオード素子がパッケージ化され、そのうちの少なくとも２個の発光ダイオード素子が順方向に直列接続されて一つの配線経路が形成され、残りの発光ダイオード素子が配列された別の配線経路と合わせて、少なくとも２系統以上の配線経路が形成され（但し、各チップ型発光ダイオードにおいて各配線経路の発光ダイオード素子の数が同数の場合を除く）、
   一つのチップ型発光ダイオードにおいて少なくとも２個の発光ダイオード素子が直列に接続された配線経路と、他のチップ型発光ダイオードにおいて残りの発光ダイオード素子が配列された配線経路とが直列接続され、これらの配線関係が各チップ型発光ダイオードにおいて順次繰り返されることにより、全体として各系統に接続される発光ダイオード素子が同数となるように設定されたことを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 請求項１に記載の発光ダイオード装置の各配線経路にそれぞれ電流制限抵抗が接続されたことを特徴とする発光ダイオード装置。
3. 請求項２に記載の発光ダイオード装置が電源に接続されて照明用の光源とされたことを特徴とする発光ダイオード装置。
   

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