JP6144716B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、一般照明あるいはバックライト用光源として用いられる発光ダイオードに関するものである。

図３（ａ），（ｂ）は主に照明用途に用いられる従来の発光ダイオードの基本的な構成を示したものである。この発光ダイオード１は、電極パターンが形成された基板２と、この基板２上にバンプ８を介して実装配置される一又は複数の発光素子３と、この発光素子３上を封止する透光性を有した封止部材５とによって構成されていた。

また、上記構成からなる発光ダイオード１において、所定の発光色を得るには、青色等の各色の発光が可能な発光素子３を用い、この発光素子３の発光によって所定の発光色に励起させる蛍光剤を前記封止部材５に含有することによって実現させていた（特許文献１，２）。

例えば、前記発光ダイオード１で白色発光を得るには、青色発光の発光素子３と、黄色系の材料からなる蛍光剤を含有させた封止部材５によって構成することができる。また、発光色等の調整を行う場合は、前記封止部材５に含有させる蛍光剤の配分や量を調整することによって行われている。

特開２０１０−１２９６１５号公報 特表２００９−５０６５３０号公報

図３（ｂ）に示したように、発光ダイオード１は、各発光素子３から放射状に発せられる光が合わさることで、所定の光量や輝度を得ることができ、全体として一つの発光源となっている。

ところで、封止部材５を通して各発光素子３から放射状に広がる光を見ると、それぞれの発光素子３を中心とした周囲にリング状の発光輪郭１０が現れることがある。前述したように、白色発光を得るために、発光素子３に青色光を発する青色発光素子を用い、封止部材５内に含有させる蛍光剤に黄色系の材料を用いた場合にあっては、前記発光輪郭１０が黄色味の強い色となる。

また、発光素子３は、Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域との結合部であるＰＮジャンクション部７から最も強い光が発せられる構造であるため、隣接する発光素子３間における光が干渉し合い、前記発光輪郭１０が一層強く現れることがある。

このような発光輪郭１０が顕著に現れると、色度や明度にムラが生じ、発光ダイオード１全体として均一な発光作用が得られない。発光輪郭１０が生じないようにするには、封止部材５に含有させる蛍光剤の配分率を発光素子３の輝度や配置に合わせて調整しなければならないといった問題がある。特に、発光素子３を複数配置してなる高輝度照明用の発光ダイオードにあっては、発光色や輝度等の調整が難しく、一定の発光品質を備えた製品の提供が困難であった。

そこで、本発明の目的は、基板上に実装された個々の発光素子の発光によって生じるリング状の発光輪郭を解消することで、ムラが生じることなく、全体を均一な発光色及び明るさで照明することのできる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、基板と、前記基板上にバンプを介して実装される複数の発光素子と、前記複数の発光素子の側面を囲むように前記基板上に配置される白色系の不透明の樹脂体と、前記発光素子及び樹脂体を被覆する封止部材とを備え、前記発光素子の全ての側面の周囲と前記不透明の樹脂体との間に隙間が設けられると共に、この隙間が前記発光素子から発せられる光を完全に遮ることのない同一距離の間隔に設定され、前記樹脂体の上面の高さ位置が、バンプを介して実装される前記複数の発光素子のＰＮジャンクション部の位置より高く且つ対向する複数の発光素子の上面の高さ位置を超えない範囲に設定されてい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、発光素子のＰＮジャンクション部を中心として発せられる光の一部がこの発光素子の周囲を囲う樹脂体によって吸収されることで、発光素子を中心としたリング状の発光輪郭の発生を抑えることができる。特に、前記樹脂体の上面の高さ位置が発光素子のＰＮジャンクション部の位置より少なくとも高く設定されているため、発光素子を複数配置した場合にも、隣接する発光素子間における光の干渉によって、発光輪郭が重なったり、部分的に発光強度が強くなったりすることなく、全体として均一でムラのない発光効果が得られる。

また、前記樹脂体を白色系の不透明樹脂で形成することで、前記発光素子から発せられる光が過度に吸収されることなく、発光輪郭部分だけを目立たなくさせることができると共に、全体の輝度低下を防止することができる。

さらに、前記発光素子の側面とこの側面に対向する樹脂体の側面との間隔が狭く、且つ発光素子の全周に亘って略均一にすることで、発光素子から発せられる光を過度に遮ることなく、樹脂体全体に導光されることが可能となる。これによって、部分的な発光輪郭が生じることなく、全体として均一な面状の発光効果を得ることができる。

本発明に係る第１実施形態の発光ダイオードの断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 本発明に係る第２実施形態の発光ダイオードの断面図である。 従来の発光ダイオードの断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

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は第１実施形態の発光ダイオード１１の断面形状（ａ）及び発光面側からの平面形状（ｂ）を示したものである。この発光ダイオード１１は、電極パターンが形成された基板１２と、この基板１２上にバンプ１８を介して実装される発光素子１３と、この発光素子１３を囲うように配置される樹脂体１６と、前記発光素子１３及び樹脂体１６を封止する封止部材１５とを備えて構成されている。

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で四角形状に形成され、表面には発光素子１３のアノードとカソードからなる一対の素子電極１４ａ，１４ｂがそれぞれフリップチップ実装される一対の電極パターン（図示せず）が形成されている。本実施形態では、前記基板１２上に２個の発光素子１３を実装したものとなっている。

本実施形態における発光素子１３は、一例として、一般照明用として白色系の発光色を出すために、窒化ガリウム系化合物半導体からなる青色発光素子（青色ＬＥＤ）を用いている。この青色ＬＥＤは、サファイアガラスからなるサブストレートと、このサブストレートの上にｎ型半導体、ｐ型半導体を拡散成長させた拡散層とからなっている。前記ｎ型半導体及びｐ型半導体はそれぞれｎ型電極，ｐ型電極を備えており、前記基板１２に設けられたカソード電極及びアノード電極からなる一対の電極パターン（図示せず）上にバンプ１８を介したフリップチップ実装によって導通接続され、一定の電流を流すことでＰＮジャンクション部１７を中心とした円形状の範囲で青色光が発せられる。

前記樹脂体１６は、白色系の不透明樹脂、例えば、酸化チタンを含有させたシリコーン樹脂が用いられ、各側面１６ｂが各発光素子１３の各側面１３ｂに接触しない程度の狭く且つ略均一な隙間１９を有してそれぞれの発光素子１３の周囲を囲うように基板１２上に配置形成される。また、樹脂体１６の上面１６ａまでの高さｈ１は、発光素子１３のＰＮジャンクション部１７の位置より高く、発光素子１３の上面１３ａまでの高さ位置より低くなるような範囲に設定される。本実施形態では、樹脂体１６の上面１６ａまでの高さｈ１を発光素子１３のＰＮジャンクション部１７から発光素子１３の上面１３ａまでの略中間位置に設定したものである。このような高さｈ１となるように樹脂体１６を形成することで、発光素子１３の側面上部が樹脂体１６から露出し、発光の水平方向の広がりを得ることができる。一方、発光素子１３の側面１３ｂ下方においては、ＰＮジャンクション部１７から発せられる強い光が樹脂体１６で吸収されるため、図３（ｂ）に示したような発光輪郭１０の発生を防止することができる。

前記樹脂体１６は、前記発光素子１３を実装するスペースを除いた基板１２上に前記樹脂材を印刷等によって所定の厚みに形成することができる。また、前記樹脂体１６は、導光効果も備えているため、基板１２の外周部に至るまで均一な厚みに形成することで、基板１２全体を均一に面状発光させることができる。

前記封止部材１５は、透明な樹脂基材に所定分量の蛍光剤を含有させて成形したものであり、前記基板１２の外周部に金型（図示せず）を装着し、この金型内に樹脂を流し込むことによって形成される。この封止部材１５は、例えば、エポキシ樹脂あるいはシリコーン樹脂基材に、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（ＹＡＧ）や、色素粒子の原料となる染料等からなる蛍光剤を適量混入されることによって形成することができる。

前記封止部材１５は、発光素子１３と樹脂体１６との間の隙間１９を満たす側面層１５ａと、前記発光素子１３及び樹脂体１６の上方に一定の厚みを有するように形成される上面層１５ｂとによって、前記基板１２上を全て覆うように充填成形される。前記側面層１５ａは発光素子１３から発せられる光を完全に遮ることなく、ＰＮジャンクション部１７から発せられる強い光のみを有効に吸収させるため、薄い方が好ましい。一方、前記上面層１５ｂは蛍光剤を介して前記発光素子１３から上方に発せられる光を所定の発光色に変換して外部に放出させるため、前記側面層１５ａとは反対に一定の厚みを持たせることで、有効且つ効率的な光変換効果による発光色を得ることができる。

図２は第２実施形態の発光ダイオード２１の断面構造を示したものである。この実施形態では、樹脂体２６の上面２６ａまでの高さｈ２が発光素子１３の上面１３ａまでの高さを超えない上限値に設定したものである。このように、前記樹脂体２６の高さを発光素子１３の高さと略同じになるように設定することで、上記第１実施形態の発光ダイオード１１に比べて上面方向への発光の広がりは多少制限されるものの、図３（ｂ）に示したような発光輪郭１０の発生を有効に防止することができる。このため、前記発光素子１３として発光量や発光輝度の高い特性を有したものを採用する場合に効果的である。また、前記発光素子１３の上面１３ａと樹脂体１６の上面１６ａとが面一となることで、平面的で均一な発光を得ることができる。なお、封止部材１５は、上記第１実施形態と同様に、発光素子１３と樹脂体２６との間の隙間１９を埋め、発光素子１３及び樹脂体２６の上部を覆うように形成される。

次に、発光素子１３として青色発光素子を用い、この発光素子１３が離れた位置に２個実装して構成された発光ダイオード１１，２１の発光作用について説明する。最初に、基板１２の一端に設けられている電源端子（図示せず）間に所定の電圧を印加すると、各発光素子１３が青色発光し、この青色発光が上方及び樹脂体１６に導光される。前記青色光は、各発光素子１３上方を覆う封止部材１５内に分散されている蛍光剤を励起することで、波長変換された広波長の白色系の光が四方に放射される。このとき、樹脂体１６に導光された光は直接波長変換されず、そのまま側面や上方に向けて透過する。

前記２個の発光素子１３の間に位置している樹脂体１６は、双方の発光素子１３の発光作用によって、封止部材１５に含まれている蛍光剤による励起が最も高められるところであるが、この樹脂体１６が双方の発光素子１３の間を仕切るように配置していることで、黄色光による波長変換だけが弱められる。その結果、黄色味がかかったようなリング状の発光輪郭が現れず、発光輝度も低下することがない。

本実施形態の発光ダイオードは、２個の発光素子を用いて構成したが、１個あるいは３個以上の発光素子で構成される場合であっても、個々の発光素子の周囲を所定高さの白色系の不透明樹脂で囲うことで、黄色味がかかったリング状の発光輪郭が生じることなく、全体的に均一な発光が得られる。特に、発光素子が縦横に複数配列されてなる高輝度なＬＥＤ照明装置になるほど、その効果が顕著に現れるようになる。

また、発光素子の実装形態についても、バンプ実装の他にボンディングワイヤによって実装することも可能である。このボンディングワイヤによって実装する場合は、樹脂体の一部に発光素子の各素子電極から延びるワイヤを通す孔等を設けることで対応することができる。

さらに、前記樹脂体を印刷によって形成する過程において、印刷量や印刷回数を適宜調整することで、実装する発光素子の高さに応じた厚みに形成することができる。

以上説明したように、本発明の発光ダイオードにあっては、基板に実装された発光素子の全側面を囲うように樹脂体を配置すると共に、この樹脂体の高さを前記発光素子のＰＮジャンクション部の位置より高く設定したことによって、発光素子の周囲にリング状の発光輪郭が生じなくなり、全体的にムラがなく均一な明るさに発光させることができるようになった。また、前記樹脂体が発光素子と間に狭く均一な間隔を設けて配置されているため、発光ムラがなく、全体を所定の発光色や輝度均一に発光させる発光ダイオードを得ることが可能となった。

なお、本実施形態では発光素子に青色ＬＥＤを用い、樹脂体を白色系の不透明樹脂としたことで、全体として白色発光を得るための構成を示したが、このような白色発光に限定されず、発光素子の周囲を樹脂体で囲うと共に、発光素子の発光色と封止部材に含有させる蛍光剤の組み合わせによって生じる全ての発光色の発光ダイオードに対しても同様に発光輪郭の発生を防止する効果を奏する。

１ 発光ダイオード
２ 基板
３ 発光素子
５ 封止部材
７ ＰＮジャンクション部
８ バンプ
１０ 発光輪郭
１１ 発光ダイオード
１２ 基板
１３ 発光素子
１３ａ 上面
１３ｂ 側面
１４ａ，１４ｂ 素子電極
１５ 封止部材
１５ａ 側面層
１５ｂ 上面層
１６ 樹脂体
１６ａ 上面
１６ｂ 側面
１７ ＰＮジャンクション部
１８ バンプ
１９ 隙間
２１ 発光ダイオード
２６ 樹脂体
２６ａ 上面

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上にバンプを介して実装される複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子の側面を囲むように前記基板上に配置される白色系の不透明の樹脂体と、
   前記発光素子及び樹脂体を被覆する封止部材とを備え、
   前記発光素子の全ての側面の周囲と前記不透明の樹脂体との間に隙間が設けられると共に、この隙間が前記発光素子から発せられる光を完全に遮ることのない同一距離の間隔に設定され、
   前記樹脂体の上面の高さ位置が、バンプを介して実装される前記複数の発光素子のＰＮジャンクション部の位置より高く且つ対向する複数の発光素子の上面の高さ位置を超えない範囲に設定されていることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記樹脂体の上面の高さ位置が、バンプを介して実装される前記複数の発光素子のＰＮジャンクション部の位置と対向する複数の発光素子の上面の高さ位置との中間に設定されている請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記樹脂体は前記基板上の外周部に至るまで均一な厚みで配置され、前記封止部材は前記樹脂体及び発光素子の上方に一定の厚みを有して被覆されている請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記発光素子は、青色光を発する青色発光素子である請求項１乃至３のいずれかに記載の発光ダイオード。
5. 前記封止部材は、透明な樹脂基材に黄色系の蛍光剤を含有して形成される請求項１又は３に記載の発光ダイオード。
6. 前記封止部材は、前記発光素子の側面とこの側面に対向する樹脂体の側面との隙間に充填される側面層と、前記発光素子の上面及び樹脂体の上面を覆う上面層とを備え、前記上面層が前記側面層より厚く形成されている請求項１又は３に記載の発光ダイオード。

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