JP6627227B2 - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置及び発光装置の製造方法に関する。

従来、キャビティ内の半導体チップとキャビティ側壁とのあいだに反射性の充填物質が配置されており、ベースケーシングのフロント面へ向かう少なくとも１つの表面は半導体チップから見て凹面鏡状すなわち凹形に湾曲しており、一部の放射に対するリフレクタ面を形成している発光装置が知られていた（特許文献１）。反射性の充填物質によりワイヤの接続部を被覆することにより、ワイヤの断線を抑制することができる。
一方、レーザー焼結による３次元造形により、発光装置のリードフレーム上にリフレクタ部を形成する方法が知られている（特許文献２）。
また、発光装置に使用される金属ワイヤの周囲温度や湿度等の環境変化による断線への対策として、金属ワイヤを、発光素子と、および発光素子を配置する基板それぞれの表面に沿うように押し型で変形させて配線させる発光装置が知られている（特許文献３）。

特開２００４−４００９９号公報 特開２０１２−１６２０２５号公報 特開２０１３−１４９９２７号公報

特許文献１では、発光素子を収納する凹部を形成し、その凹部を用いて光反射性樹脂を充填することでワイヤの接続部を被覆するため、段差を必要としていた。これにより、発光装置サイズは凹部が無い場合に比べて大きく、また発光装置の高さ自体も高くなる。
特許文献２では、基板上にスライスデータによる３次元造形でリフレクタを形成していた。これにより、リフレクタ部の完成までに多大な時間を要していた。
特許文献３では、金属ワイヤは、発光素子および発光素子を配置する基板それぞれの表面に沿うように押し型で変形させて配線されていた。これにより、金属ワイヤと発光素子、発光素子を配置する基板との間で金属ワイヤのループ部分が接触する事によって、ショートモードによる不灯の発生や、部分的な金属ワイヤの接触による導通抵抗の上昇が懸念される。

そこで、作成の時間を短縮した発光装置の製造方法を提供する。また、保護素子による光吸収又はワイヤ接続部の断線を解決する事が可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る実施形態は、基板上に半導体素子を載置する第１工程と、第１工程の後に、基板上に３次元造形によって光反射部を形成する第２工程と、を有する発光装置の製造方法である。
また、本発明に係る別の実施形態は、基板と、基板上に配置された発光素子と、発光素子と電気的に接続される保護素子またはワイヤと、３次元造形によって形成された光反射部と、を有し、光反射部は前記保護素子の少なくとも一部または前記ワイヤの少なくとも一部を覆うように形成されている発光装置である。

本発明に係る実施形態によれば、作成の時間を短縮した発光装置の製造方法を提供する。また、ワイヤ接続部の断線という問題を解決する事が可能な発光装置を提供することができる。

第１実施形態に係る配線基板を示す概略上面図である。 図１ＡのＡ−Ａ線における概略断面図である。 一実施形態に係る配線基板を示す概略上面図である。 図１ＣのＢ−Ｂ線における概略断面図である。 第２実施形態に係る配線基板を示す概略上面図である。 図２ＡのＣ−Ｃ線における概略断面図である。 図２Ａの変形例に係る概略断面図である。 一実施形態に係る配線基板を示す概略上面図である。 図２ＤのＤ−Ｄ線における概略断面図である。 第３実施形態に係る配線基板を示す概略上面図である。 図３ＡのＥ−Ｅ線における概略断面図である。 図３Ａの変形例に係る概略断面図である。 図３Ａの変形例に係る概略断面図である。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について説明する。但し、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置及び発光装置の製造方法を例示するものであって、本発明は、発光装置及び発光装置の製造方法を以下に限定するものではない。

また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る発光装置１００の上面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線における概略断面図である。図１Ｃは図１Ａにおける光反射部７０の位置や形状を変えた変形例であり、図１Ｄは、図１ＣのＢ−Ｂ線における概略断面図である。

本実施形態に係る発光装置１００は、基板１０と、基板１０上に配置された発光素子２０と、基板１０上に配置された保護素子５０と、基板１０と発光素子２０、基板１０と保護素子５０をそれぞれ電気的に接続するワイヤ６０とを有している。

基板１０は発光素子２０が載置される部材であり、成形部材８０とリードフレーム９０とを有する。リードフレーム９０は、発光装置の端子として機能させることができるように少なくとも一対備えられており、発光素子２０の電極と電気的に接続されている。基板１０には発光素子２０を載置する凹部が形成されており、凹部の底面に一対のリードフレーム９０が露出するように形成されている。
発光素子２０は、基板１０の凹部の底面に露出されたリードフレーム９０の表面に、接合部材を介して載置されており、発光素子２０の正負の電極と、リードフレーム９０の上面とが、ワイヤ６０を介して電気的に接続されている。

ここで、第１実施形態においては、基板１０の上面（リードフレーム９０の上面）であって、ワイヤ６０がボンディングされる箇所（すなわち、基板１０とワイヤ６０との接合箇所）に、リードフレーム９０とワイヤ６０との接合部分を覆うように、３次元造形により光反射部７０が形成されている。ワイヤ６０は、その一部が光反射部７０に埋設されている。

このように基板１０の上面と、ワイヤ６０がボンディングされた箇所を覆うように、光反射部７０を３次元造形することによりワイヤの接合部分を補強し、発光装置１００にかかる周囲温度や湿度等の環境変化による、封止部材３０の膨張、収縮によって発生する応力を起因とした、ワイヤ６０の断線を抑制することができる。

（発光装置１００の製造方法）
本実施形態に係る発光装置の製造方法は、基板１０上に半導体素子である発光素子２０および／又は保護素子５０を載置する第１工程と、第１工程の後に、基板１０上に３次元造形によって光反射部７０を形成する第２工程と、を含む。
このように、発光素子２０の載置後に３次元造形によって光反射部７０を形成するため、発光素子２０と光反射部７０とを近接して配置することができる。また、光反射部７０は、保護素子５０を覆うように形成されることが好ましい。これにより、保護素子５０による光吸収を抑制することができる。

また、第１工程と第２工程の間に、第１工程で載置された半導体素子と基板との配線をワイヤ６０で接続する第３工程を有し、第２工程において光反射部７０が基板とワイヤ６０との接合箇所を覆うように形成してもよい。少なくとも接合箇所が覆われていれば、ワイヤの接合部分を補強し、発光装置１００にかかる周囲温度や湿度等の環境変化による、封止部材３０の膨張、収縮によって発生する応力を起因とした、ワイヤ６０の断線を抑制することができる。
また、発光素子２０とワイヤ６０とを電気的に接続させた後に、ワイヤ６０とリードフレーム９０の接合部分のみを光反射部７０で被覆することもできる。

以下、発光装置１００の構成部材について詳述する。
（基板１０）
基板１０は、その表面に、図１Ａに示すように、発光素子２０を載置する部分と、ワイヤ６０とで電気的に接続される部分とを有しており、発光素子に給電（印可）するための導電部材となるリードフレーム９０を備える。

基板１０は、全体として図１Ａ、図１Ｃに示すような凹部形状としてもよいし、あるいは、平板状を有する形状としてもよい。凹部は、その内側に発光素子２０を載置する場合は、基板１０の略中央に開口を有する凹部とすることが好ましく、凹部の底面に発光素子２０を載置可能な大きさで設けるのが好ましい。

発光素子２０の固定は、例えば、エポキシ、シリコーン等の樹脂、銀、金、パラジウム等の導電性ペースト、低融点を有する金属等のろう材等の固定部材により行うことができる。

発光素子２０は、基板１０と電気的に接続されている。好ましい接続形態の１つは、図示するように、導電部材であるリードフレーム９０の上面と、発光素子２０の電極とをワイヤ６０で接続することである。なお、ワイヤ６０は、電気伝導性を有する金属等の各種材料であってよい。好ましくは、金、銅、アルミニウム、または金合金、銀合金などからなる。

リードフレーム９０は例えば、鉄、リン青銅、銅合金、クラッド材等の電気良導体を用いて形成される。また、必要に応じて、例えば反射率向上を目的に銀、アルミニウム、銅及び金などの金属メッキをすることができる。

めっき層は、例えば、銀、金、ニッケル、パラジウム、銅、錫等より選択される金属めっきまたはこれらを組み合わせた合金めっきより成る。好ましくは反射率の高い銀や、ワイヤと良好な密着性を有する金を選択する。めっき層は基板１０を形成後、電解めっきにより形成することで、形成することができる。

（発光素子２０）
発光素子２０としては、いわゆる発光ダイオードと呼ばれる素子が好適に用いられる。例えば、基板上に、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等、種々の半導体によって、発光層を含む積層構造が形成されたものが挙げられる。
発光素子２０は、正負の電極が上方に位置するように基板１０に載置されるフェイスアップ構造のものを使用することができる他、正負の電極が基板１０側になるように載置されるフェイスダウン構造のものも使用することができる。また、上下方向から導通を取ることが可能なバーティカル構造のものも使用することができる。発光素子２０の大きさは特に限定されない。また、発光素子２０は、１つであっても良いし、複数個使用してもよい。複数使用する場合には、全て同種類のものでもよく、異種類のものでもよい。

（保護素子５０）
保護素子５０は、発光装置に搭載される公知のもののいずれでもよい。例えば、発光素子に印加される逆方向の電圧を短絡したり、発光素子の動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧を短絡したりさせることができる素子、つまり、過熱、過電圧、過電流による損傷から保護する機能を持つ素子や、静電気保護素子等が挙げられる。具体的には、ツェナーダイオード、トランジスタのダイオード等が利用できる。

（光反射部７０）
光反射部７０は、図１Ａで図示されるように、基板１０と、発光素子２０とを電気的に接続するワイヤ６０を３次元造形法によって埋設、若しくは一部を覆うように形成されており、周囲温度や湿度等の環境変化による、封止部材３０の膨張、収縮によって発生する応力を起因とした、ワイヤ６０の断線を抑制することができる。

３次元造形による光反射部７０の成型方法は、例えば３Ｄプリンタ等のインクジェット方式や熱溶解方式を用いた樹脂材料を用いる場合と、粉末焼結方式を用いた金属材料を用いる場合から選択される少なくとも１種により形成されることが好ましい。
光反射部７０の材料としては、例えば透明の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂に各種フィラーを添加して、用途に応じて物性や色を調整したものを用いる事が好ましい。

インクジェット方式や熱溶解方式を用いた樹脂材料による光反射部７０の材料としては、上述したように、樹脂とフィラーの樹脂組成物が挙げられる。樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、これらの変性樹脂又はこれらの樹脂を１種以上含むハイブリッド樹脂等などが挙げられる。具体的には、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂（シリコーン変性エポキシ樹脂等）、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂（エポキシ変性シリコーン樹脂等）、ハイブリッドシリコーン樹脂、ポリイミド（ＰＩ）、変性ポリイミド樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリシクロヘキサンテレフタレート樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ＡＢＳ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ樹脂、ユリア樹脂、ＢＴレジン、ポリウレタン樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）、フッ素樹脂等が挙げられる。
この中でも熱可塑性のポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）を成分とするナイロン樹脂が透明性、耐熱性、耐光性の面から好ましい。樹脂の硬化システムは光硬化、熱硬化、溶融と硬化などが挙げられる。

フィラーとして使用される無機材料は、反射材、拡散材又は光散乱材として使用できる、硫酸バリウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等、強度を得るためのガラスクロス、ガラスファイバー、ワラストナイトなどの繊維状フィラー、導電性を付与する為のカーボン、酸化ケイ素、放熱性を付与する為の窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、窒化チタン又はこれらの混合物が挙げられる。
樹脂とフィラーは目的に応じて配合され使用される。

金属焼結方式を用いた金属材料による光反射部７０の材料としては、ステンレス鋼、工具鋼、スーパー合金、非磁性合金、貴金属とアルミナからなる群から選択される少なくとも1種により形成されることが好ましい。

光反射部７０を３次元造形によって形成する事で、ポッティングやディスペンスなどの一般的な樹脂材料の塗布方法では形成が困難だった形状を実現する事が出来る。また、ポッティングやディスペンスに比べ、樹脂が硬化するまでに要する時間を短縮することができる。本実施形態では、リードフレーム９０とワイヤ６０との接合部を略中心として、略半球状に形成されているが、例えば平坦な反射面を形成するように形成されていてもよい。

発光素子２０とリードフレーム９０は、ワイヤ６０により電気的に接合される。このとき、図１Ａに示すように、ワイヤ６０とリードフレーム９０とは位置をずらして複数回接合されることが好ましい。
例えば、図１Ａの発光装置１００では、発光素子２０の電極とリードフレーム９０とを接続するワイヤ６０は、リードフレーム９０との接合位置をずらすように２箇所でボンディングされており、ボンディング箇所のそれぞれが光反射部７０で被覆されている。接合部と接合部の間のワイヤ６０の一部が、光反射部７０から露出されている。

（封止部材３０）
基板１０内部の凹部は、図１Ｂに図示されるように、好ましくは封止部材３０により満たされている。なお、説明をわかり易くするために、図１Ａでは封止部材は省略されている。

封止部材３０の材質は、例えば熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂のうち、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂からなる群から選択される少なくとも１種により形成することが好ましく、特にエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂が好ましい。

封止部材３０は、所定の機能を持たせるため、フィラー、拡散材、顔料、蛍光物質、反射性物質からなる群から選択される少なくとも１種を混合することもできる。封止部材３０中には拡散材を含有させてもよい。具体的な拡散材としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等を好適に用いることができる。また、所望外の波長をカットする目的で、封止部材３０に有機や無機の着色染料や着色顔料を含有させることができる。さらに、封止部材３０は、発光素子２０からの光を吸収し、波長変換する蛍光物質を含有させることもできる。

図１Ｃは、本実施形態の発光装置１００の変形例であり、図１Ｄは図１ＣのＢ−Ｂ千における概略断面図である。図１Ｃに示す発光装置２００は発光装置１００と同様に、位置をずらして２箇所でボンディングされており、２箇所のボンディング領域の双方を１つの光反射部７０で被覆している点が図１Ａに示す発光装置１００と異なっている。その他の部分は実質的に発光装置１００と同様に構成とすることができ、同様の効果を奏する。

＜第２実施形態＞
図２Ａは、第２実施形態に係る発光装置３００の上面図であり、図２Ｂは図２ＡのＣ−Ｃ線における概略断面図である。本実施形態においては、図２Ａに示すように基板１０の上面に配置された保護素子５０及び基板１０と保護素子５０とを電気的に接続するワイヤ６０を、光反射部７０が覆うように構成されている。光反射部７０は３次元造形により形成されている。保護素子５０と、保護素子を接続するワイヤ６０とが光反射部７０により完全に被覆されているため、保護素子やワイヤによる光吸収を抑制することができる。
光反射部７０は、図２Ｂに示すように保護素子とワイヤとを埋設するように、これらと接して設けられていてもよいし、図２Ｃに示すように内部が空洞となるように、中空の領域を有して保護素子やワイヤと離間するように形成されていてもよい。

このように、基板１０の上面に配置された保護素子５０と、基板１０と保護素子５０とを電気的に接続するワイヤ６０とを覆うように、光反射部７０を３次元造形することにより、発光装置１００にかかる周囲温度や湿度等の環境変化による、封止部材３０の膨張、収縮によって発生する応力を起因とした、ワイヤ６０の断線を抑制することができる。

また、図２Ｃに示すように内部を空洞にすることで、封止部材３０がワイヤ６０と直接的に接触しなくなるため、応力によるワイヤ６０の断線をなくすことができる。

図２Ｄは、第２実施形態に係る発光装置３００の変形例であり、図２Ｅは図２ＤのＤ−Ｄ線断面図である。図２Ｄに示す発光装置４００は、保護素子５０と、保護素子を接続するワイヤ６０とが光反射部７０により完全に被覆されている点が図２Ａの発光装置３００と同様であり、発光装置３００と同様の効果を有する。
図２Ｄに示す発光装置４００は、光反射部７０が、基板１０の成形部材８０から離間して島状に形成されている点が図２Ａに示す発光装置３００とは異なっている。
このように、保護素子５０とそれを接続するワイヤ６０の全てを被覆しつつ、キャビティの凹部の側壁から離間させることで、封止部材３０の熱収縮による応力を緩和できる。

＜第３実施形態＞
図３Ａは、第３実施形態により形成された発光装置５００を示す。本実施形態においては、図３Ａとその断面図である図３Ｂに示すように、基板１０の上面に配置された保護素子５０と、前記基板１０と保護素子５０とを電気的に接続するワイヤ６０の周りを囲うように、光反射部７０が３次元造形により形成されている。この発光装置５００の製造方法は、基板１０上に半導体素子（発光素子２０および／または保護素子５０）を載置する第１工程と、第１工程の後に、基板１０上に３次元造形によって光反射部７０を形成する第２工程とを有する。
これにより、半導体素子の載置に必要な領域を確保しながら、半導体素子の載置箇所に近接して光反射部７０を形成することができる。例えば、発光素子２０と光反射部７０との距離は、１０〜２００μｍ程度とすることができる。

図３Ａに示すように、光反射部７０は発光素子の載置領域と保護素子の載置領域とを分断するように、壁状に形成されている。光反射部７０の高さは、５０〜４００μｍ程度で載置されている発光素子２０の厚みに応じて変更する事が、好ましい。
また、別の観点から、光反射部７０の高さは、基板１０のキャビティの下面から上面までの高さの０．１〜１．５倍程度であることが好ましい、これにより配光制御、イエローリング抑制、発光色ムラ低減が期待できる。

光反射部７０を形成することにより、発光素子２０の光が保護素子５０及び保護素子を接続するワイヤ６０に到達する前に、光反射部７０で発光素子の出射光を反射し、保護素子５０及び保護素子を接続するワイヤ６０による光吸収を抑制することができる。光反射部７０は、図３Ｂのように発光素子の載置面と、光反射部７０の高さ方向に延びる面（反射面）が略垂直になるように形成されていてもよいし、図３Ｃに示すように発光素子の載置面に対し、光反射部７０の高さ方向に延びる面（反射面）が傾斜するように形成されていてもよい。

このように基板１０の上面と、基板１０の上面に配置された保護素子５０と、前記基板１０と保護素子５０とを電気的に接続するワイヤ６０とを覆うように、光反射部７０を３次元造形する。これにより、光反射部７０がアンカーとして機能し、発光装置１００にかかる周囲温度や湿度等の環境変化による、封止部材３０の膨張、収縮が抑制され、ワイヤ６０の断線を抑制することができる。

また、図３Ｃに示すように光反射部７０によるワイヤ６０の断線への応力緩和と同時に、リフレクタ形成をする事も可能である。

また、図３Ｄに示すように、光反射部７０は基板１０のキャビティの内壁面と接続されていなくてもよいし、光反射部７０を複数（７０Ａ、７０Ｂ）で形成してもよい。
この発光装置６００においても、周囲温度や湿度等の環境変化による、封止部材３０の膨張、収縮によって発生する応力を起因とした、ワイヤ６０の断線を抑制することができる。

なお、上述した実施形態においては、リードフレームを用いた実施例であるが、セラミックやガラスエポキシを用いた基板であってもよい。また、上述した実施形態では半導体素子を発光素子や保護素子としたが、例えばコンデンサ等、その他の半導体素子であってもよい。

本実施形態の発光装置は、液晶ディスプレイのバックライト光源、各種照明器具、大型ディスプレイ、広告、行き先案内等の各種表示装置、さらには、デジタルビデオカメラ、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等における画像読取装置、プロジェクタ装置などに利用することができる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００ 発光装置
１０ 基板
２０ 発光素子
３０ 封止部材
５０ 保護素子
６０ ワイヤー
７０、７０Ａ、７０Ｂ 光反射部

Claims (8)

1. 底面と側面とを有する凹部を備える基板の前記底面上に、保護素子を載置する第１工程と、
   前記保護素子と前記基板の配線とをワイヤで接続する第３工程と、
   前記第１工程及び前記第３工程の後に、前記保護素子及び前記ワイヤが中空の領域内に位置するように、前記基板上に３次元造形によって光反射部を形成する第２工程と、
   前記光反射部及び発光素子を被覆する封止部材を形成する第４工程と、
   を有し、
   前記第２工程において、前記光反射部を前記凹部の前記底面と前記側面とを繋ぐように形成する発光装置の製造方法。
2. 前記３次元造形による成型方法は、インクジェット方式または熱溶解方式を用いた樹脂材料を用いる請求項１に記載の発光装置の製造方法。
3. 前記３次元造形による成型方法は、粉末焼結方式を用いた金属材料を用いる請求項１に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記封止部材は、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
5. 前記封止部材に、フィラー、拡散材、顔料、蛍光物質、反射性物質からなる群から選択される少なくとも１種が混合されてなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
6. 底面と側面とを有する凹部を備える基板と、
   前記基板上に配置された発光素子と、
   前記基板の前記底面上に配置され、前記発光素子と電気的に接続される保護素子と、
   前記基板の配線と前記保護素子を接続するワイヤと、
   ３次元造形によって形成された光反射部と、を有し、
   前記光反射部は、中空の領域を有して前記保護素子及び前記ワイヤと離間し、かつ、前記凹部の前記底面と前記側面とを繋ぐように形成されており、
   前記発光素子及び前記光反射部を被覆する封止部材をさらに有する発光装置。
7. 前記光反射部は樹脂材料からなる請求項６に記載の発光装置。
8. 前記光反射部は金属材料からなる請求項６に記載の発光装置。

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