JP5693194B2 - 発光ダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、側面実装型の発光ダイオードに関するものである。
従来、導光板等の平面状の照射対象物を側面から照射させるための光源の一例として、図７に示すような、側面実装型の発光ダイオード１が用いられている。この発光ダイオード１は、導光板８の側面と対向する前面２ａ、放熱面となる裏面２ｂ及びマザーボード９に実装配置される下面２ｃとを有した基板２と、前記前面２ａ上に実装される発光素子３、この発光素子３を囲う枠体４とを備えて構成されている。
前記前面２ａには発光素子３を実装するための実装電極パターン（図示せず）が形成され、下面２ｃには前記実装電極パターンと導通する端子電極５が形成されている。発光素子３は、導光板等の照射対象物の高さに合うように、ダイボンドあるいはワイヤボンドによって前記実装電極パターン上に実装配置される。
前記基板２は、端子電極５が設けられている下面２ｃをマザーボード９上の所定の電極パターン上に半田１０を介して載置することで、発光素子３が実装されている前面２ａがマザーボード９と平行となるように配置される。
上記構造の発光ダイオード１にあっては、チップサイズが小さく、また、軽量であるため、図７に示したように、リフロー等によって基板２をマザーボード９に半田接合する際に、この半田１０の熱収縮によって、基板２の前面２ａ側がマザーボード９から浮き上がってしまう場合がある。このような浮き上がりが生じると、発光方向のずれや導通不良等の不具合を引き起こすおそれがある。
このような浮き上がり現象を防止するための構造を備えたチップ型の電子部品がいくつか知られている。例えば、特許文献１には、上記構造による側面実装型の発光ダイオードが示されている。この発光ダイオードは、基板から延びる帯状の導電部が封止体の側面にかけて形成されており、この導電部によってマザーボードとの導通及び固定を行っている。前記導電部は、マザーボード上に形成されている電極パターンと広く面状に接触するため、取り付け強度や電気的接続を確実にしている。
また、特許文献２では、発光素子を封止する封止体の両側面に衝立状のウイングを設け、このウイングによって発光ダイオードのような光半導体装置をマザーボード上に自立して実装させている。この構造によれば、光半導体装置の位置決め載置が容易となり、接合強度も高めることができる。
また、特許文献３には、側面側に露出する電極面のうち、下方の電極の一部を残し、上方の電極全体をレジスト材で被覆することによって、半田の這い上がりを防止した電子部品の実装例が開示されている。
上記特許文献１にあっては、マザーボードと面状に接触する導通部を発光ダイオードの基板及び封止体の側面の一部にかけて広く形成しているため、実装の位置ずれや浮き上がりを防止することができる。しかしながら、導通部が封止体の一部にかかっているため、この部分での発光が遮られたり、内部で反射したりして発光範囲が狭くなるとともに、全体の発光輝度の低下を引き起こすおそれがあった。また、前記導電部を形成するための材料が余計にかかると共に、製造工数も増えるといった問題もある。このような問題は、特許文献２に開示されている発明であっても同様である。
また、上記構造による側面実装型の発光ダイオードにあっては、発光素子が実装されている前面以外の下面や裏面側に形成されている電極パターンを通して放熱効果を得ることができるが、特許文献３のように、半田接合に必要な電極パターン以外の電極面をレジスト材で被覆しまうと、放熱効果が十分に得られなくなるおそれがあった。
一方、半田の這い上がり現象を抑えるために、半田の塗布量を制限してしまうと、接合強度が低下して導通不良等を引き起こすといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、半田が所定の高さ以上に這い上がるのを防止することで、基板が浮き上がることなく、マザーボード上に安定した状態で実装配置することができると共に、放熱効果の向上も図ることのできる側面実装型の発光ダイオードを提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、略直方体形状の基板と、基板の前面に実装される発光素子と、基板の裏面の略全体に設けられる金属面からなる放熱部と、前記基板の下面に設けられ、前記発光素子と導通する端子電極とを備え、前記基板の下面が半田を介してマザーボード上に実装される側面実装型の発光ダイオードにおいて、前記基板の裏面には帯状のバリア層が設けられ、且つこのバリア層は前記基板の前面に実装される発光素子の高さ位置より低い位置に設けられており、前記バリア層より上側の上方放熱部は、銅メッキ層とその上に形成される金又は銀メッキ層の２層構造からなり、前記バリア層より下側の下方放熱部は、銅メッキ層とその上に形成されるニッケルメッキ層と、その上に形成される金又は銀メッキ層の３層構造からなることを特徴とする。
本発明に係る発光ダイオードによれば、端子電極が形成されている基板の下面から所定の高さ位置に帯状のバリア層が設けられているため、このバリア層によって半田の這い上がりを阻止することができる。これによって、発光素子が実装されている前面側がマザーボードから浮き上がらないように、発光ダイオードを安定した状態で導通固定させることができる。また、前記バリア層を除く基板の裏面全体が放熱部となっているので、放熱性も十分に得ることができる。
前記放熱部を金属面とすることで、マザーボード上及び外気中への放熱効果を高めることができる。
また、前記バリア層によって分離される下方放熱部は、銅メッキの上に半田による接合が容易なニッケルメッキを積層するのに対して、上方放熱部では、熱伝導率の低い前記ニッケルメッキを含まず、銅メッキの上に直接金又は銀のメッキを積層することで、特に、外気中への放熱効果を向上させることが可能となる。
以下、添付図面に基づいて本発明に係る発光ダイオードの実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の発光ダイオード１１の一実施形態を示したものである。この発光ダイオード１１は、略直方体形状の基板１２と、この基板１２の前面１２ａに実装される発光素子１３と、この発光素子１３を囲うように前面１２ａ側に装着される枠体１４とを有して構成されている。
前記基板１２は、一般的なエポキシ樹脂やＢＴレジン等の絶縁材料によって形成され、図２に示すように、前面１２ａに発光素子１３を接続するためのカソード及びアノードからなる実装電極パターン１６、下面１２ｃに前記実装電極パターン１６と導通する端子電極１５、また、図３に示すように、裏面１２ｂに放熱用の金属面からなる放熱部１７が設けられる。本実施形態では、２個の発光素子１３による２つの発光領域を有した構造となっているため、２系統の実装電極パターン１６、端子電極１５及び放熱部１７を同一の基板１２に並列して設けているが、発光素子が単数あるいは３個以上の複数からなる場合であっても、それに合わせて、実装電極パターン、端子電極及び放熱部が形成される。
前記放熱部１７には、基板１２の下面１２ｃから所定の高さ位置で裏面１２ｂの両端部を繋ぐようにして帯状に延びるバリア層１８が設けられる。このバリア層１８は、レジストで形成されており、図４に示すように、端子電極１５が形成されている基板１２の下面１２ｃをマザーボード１９上に半田２０を介して実装配置させる際、余剰な半田２０の這い上がりを阻止する役割を有している。前記レジストは、フォトレジスト、スクリーン印刷レジスト、エッチングレジスト、メッキレジストあるいはソルダーレジストなどによって形成される。このようなレジストからなるバリア層１８によって、半田２０の這い上がりが規制されることで、半田２０が固化する際の収縮に伴う基板１２の裏面１２ｂ側への引っ張り応力を抑えることができる。この結果、発光素子１３が実装されている基板１２の前面１２ａ側の浮き上がり現象が防止される。
このような浮き上がり現象を有効に抑えるために、図３に示したように、前記バリア層１８が設けられる高さ位置は、少なくとも基板１２の全体高さの半分以下であることが望ましく、また、バリア層１８の幅に関しては、放熱部１７を広く確保する必要から、最小限、半田２０が乗り超えないだけのサイズであればよい。本実施形態では、前記バリア層１８を２つの放熱部１７をそれぞれ上下に分断するように基板１２の裏面１２ｂを水平方向に横断して設けたが、一筋で繋ぐ必要はなく、一部が重なるように、又は、一部が上下にずれるようにしてレジストを複数帯状に繋いで形成することもできる。前記バリア層１８の中央部において、基板１２の高さ方向に延びる帯状部材は、放熱部１７に形成されている左右の放熱部１７を絶縁分離するための絶縁層１８ａとなっている。なお、前記基板１２は、実装する発光素子１３の数に合わせて横幅が設定されるため、前記バリア層１８も発光素子１３に対応した数の放熱部１７を水平方向に横断するように基板１２の裏面１２ｂ側に形成される。
前記発光素子１３は、上面に一対の素子電極を備えたＰ層及びＮ層（図示せず）からなる四角形状の積層チップ体であり、Ｐ層とＮ層との接合部分であるＰＮ接合層から最も強い光を発する。このＰＮ接合層から発せられる光による照射範囲は、発光素子１３を中心とした前面１２ａの全体に及んでいる。この発光素子１３を実装した後、上面の一対の素子電極と実装電極パターン１６とをボンディングワイヤによって接続される。
前記放熱部１７は、バリア層１８を除いた基板１２の裏面１２ｂの略全面に形成される金属面からなる。図５（ａ）は基板１２の下面１２ｃ近傍の断面構造を示したものである。絶縁基材２１で形成されている基板１２の外表面は、端子電極１５との電気的導通及びこの導通によって生じる熱を伝導して拡散させる銅メッキによる第１金属層２２と、この第１金属層２２上の所定位置に形成されるバリア層１８と、このバリア層１８を除いた第１金属層２２上に形成されるニッケルメッキによる第２金属層２３と、この第２金属層２３上に形成される金メッキ又は銀メッキによる第３金属層２４とによって構成されている。
前記放熱部１７は、バリア層１８を挟んだ下方が主に半田２０を介してマザーボード１９上に放熱させるための下方放熱部２５となっており、上方が主に外気に触れることによって放熱させるための上方放熱部２６となっている。前記下方放熱部２５は、半田２０との接合性を高めるために、金メッキ又は銀メッキによる第３金属層２４の下にニッケルメッキによる第２金属層２３を形成したが、上方放熱部２６では半田２０との接合性を考慮する必要がないので、図５（ｂ）に示すように、熱伝導率の低下するニッケルメッキによる第２金属層２３を省いて、第１金属層２２の上に直接第３金属層２４を形成することができる。このような銅メッキと金又は銀メッキとの２層構造にすることで放熱率が高まり、外気中への放熱効果をより向上させることができる。
図１に示したように、前記基板１２の前面１２ａ側には、発光素子１３から発せられる光の照射方向を定めるための枠体１４が装着される。この枠体１４は、前記バリア層１８と略同じ位置に仕切部１４ａが設けられ、この仕切部１４ａの上方が発光素子１３を中心とした発光部１４ｂとなっており、下方が端子電極１５をカバーする台座部１４ｃとなっている。また、前記発光部１４ｂには、発光素子１３を保護するためのエポキシあるいはシリコン等による透明又は半透明の透光性樹脂が充填成形される。なお、前記樹脂材に蛍光粒子の原料となるイットリウム・アルミニウム・ガーネットや、色素粒子の原料となる染料を分散し、発光素子１３を青色発光素子とすることで、多色あるいは中間色で発光させることができる。
図６に示すように、上記発光ダイオード１１は、導光板２７の側面に向けてマザーボード１９上の所定位置に載置される。このとき、前記マザーボード１９の電極パターン（図示せず）上に塗布された半田２０の上に基板１２の下面１２ｃを載置した後、マザーボード１９全体をリフロー処理する。このリフロー処理による半田２０の固化によって、発光ダイオード１１がマザーボード１９上に固定され、電気的接続が図られる。前記リフロー処理によって半田２０が固化される際の収縮によって、半田２０が盛られている側に基板１２を引き寄せるような力が作用する。しかしながら、本発明の発光ダイオード１１にあっては、基板１２の裏面１２ｂの下方を横断するように設けられているバリア層１８によって、半田２０の這い上がりが阻止される。これによって、基板１２、特に発光素子１３が実装されている側がマザーボード１９上から浮き上がるのを防止することができ、発光方向がずれることなく、導光板２７の側面に向けて真っすぐ光を照射させることができる。また、この浮き上がりを防止することで、マザーボード１９との導通不良等が生じることがないので、製品不良率の大幅な低減や長期使用における経年変化による故障等の低減を図ることができる。
以上、説明したように、本発明の発光ダイオード１１にあっては、基板１２の裏面１２ｂ側に設けたバリア層１８によって、側面実装を確実に行えるだけの半田量を確保しつつ、過度な這い上がりを防止することができる。これによって、図６に示したように、反射部材２８等を介して照射位置が高く設定された導光板２７に合わせて、発光位置を高く設定した基板１２を用いた場合であっても、照射位置がずれたり、導通不良が生じたりすることのないように、安定した状態で基板１２をマザーボード１９上に実装配置することができる。
また、前記バリア層１８が基板１２全体の高さの半分以下の高さ位置に設けられると共に、最小限の幅を有して帯状に延びているため、裏面１２ｂに設けられている金属面からなる放熱部１７を広く外気に露出させることができる。これによって、基板１２の前面１２ａに実装されている発光素子１３から発せられる熱を基板の裏面１２ｂ側から有効且つ効率よく放熱させることができる。
さらに、前記バリア層１８の上方に設けられる上方放熱部２６がニッケルメッキを含まない、銅メッキと金又は銀によるメッキとの２層構造を取り得るので、外気中への放熱効果を格段に向上させることができる。
１ 発光ダイオード
２ 基板
２ａ 前面
２ｂ 裏面
２ｃ 下面
３ 発光素子
４ 枠体
５ 端子電極
８ 導光板
９ マザーボード
１０ 半田
１１ 発光ダイオード
１２ 基板
１２ａ 前面
１２ｂ 裏面
１２ｃ 下面
１３ 発光素子
１４ 枠体
１４ａ 仕切部
１４ｂ 発光部
１４ｃ 台座部
１５ 端子電極
１６ 実装電極パターン
１７ 放熱部
１８ バリア層
１８ａ 絶縁層
１９ マザーボード
２０ 半田
２１ 絶縁基材
２２ 第１金属層
２３ 第２金属層
２４ 第３金属層
２５ 下方放熱部
２６ 上方放熱部
２７ 導光板
２８ 反射部材
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２８ 反射部材
Claims (5)
- 略直方体形状の基板と、
基板の前面に実装される発光素子と、
基板の裏面の略全体に設けられる金属面からなる放熱部と、
前記基板の下面に設けられ、前記発光素子と導通する端子電極とを備え、前記基板の下面が半田を介してマザーボード上に実装される側面実装型の発光ダイオードにおいて、
前記基板の裏面には帯状のバリア層が設けられ、且つこのバリア層は前記基板の前面に実装される発光素子の高さ位置より低い位置に設けられており、
前記バリア層より上側の上方放熱部は、銅メッキ層とその上に形成される金又は銀メッキ層の２層構造からなり、前記バリア層より下側の下方放熱部は、銅メッキ層とその上に形成されるニッケルメッキ層と、その上に形成される金又は銀メッキ層の３層構造からなることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記バリア層は、前記基板の裏面の両側の端部間に延びている請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記バリア層は、レジストによって形成される請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
- 前記基板の裏面の全体に前記銅メッキ層が設けられ、この銅メッキ層の上に前記バリア層が形成される請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記基板の前面側には、前記バリア層の高さと略同じ位置に仕切部が設けられ、この仕切部の上方に前記発光素子から発せられる光の照射方向を定めるための枠体が装着された発光部が形成され、
前記仕切部の下方に端子電極をカバーする台座部が形成されている請求項１に記載の発光ダイオード。
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