JP2005093712A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、色調バラツキの少ない高輝度の光源となる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】基板１の上部に設けられた擂鉢状の凹部を有する反射枠２の底面にＬＥＤチップ４を載設し、蛍光体７と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤８とを光透過性樹脂に混入した波長変換部材９を凹部に充填してＬＥＤチップ４を封止した。
【選択図】 図１
【解決手段】基板１の上部に設けられた擂鉢状の凹部を有する反射枠２の底面にＬＥＤチップ４を載設し、蛍光体７と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤８とを光透過性樹脂に混入した波長変換部材９を凹部に充填してＬＥＤチップ４を封止した。
【選択図】 図１
Description
本発明は、半導体発光装置に関するものであり、詳しくは半導体発光素子（発光ダイオードチップ）から出射した光と、発光ダイオードチップから出射して蛍光体によって波長変換された光との組み合わせの加法混色によって任意の色調の光を発する半導体発光装置に関する。
急峻なスペクトル分布特性を持った光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを光源にして白色光を放出するＬＥＤを実現するためには、ＬＥＤチップから出射された光と、ＬＥＤチップから出射された光が蛍光体を励起して波長変換された光との加法混色によって可能になる。例えば、ＬＥＤチップから出射される光が青色光の場合には、青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光体を用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光体を励起することによって波長変換された黄色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光との加法混色によって白色光を作り出すことができる。また、ＬＥＤチップから出射される光が青色光であっても、青色光に励起されて緑色光および赤色光にそれぞれ波長変換する２種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光体を励起することによって波長変換された緑色光および赤色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光との加法混色によって白色光を作り出すこともできる。また、ＬＥＤチップから出射される光が紫外光の場合には、紫外光に励起されて青色光、緑色光および赤色光にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された紫外光が蛍光体を励起することによって波長変換された青色光、緑色光および赤色光の加法混色によって白色光を作り出すこともできる。さらに、ＬＥＤチップから出射される光の発光色と蛍光体とを適宜組み合わせることによって白色光以外の種々な発光色を作り出すことができる。
このように、光源から出射された光で蛍光体を励起して波長変換し、光源から出射された光とは異なる色調の光を放出するようなＬＥＤにおいては、蛍光体は光透過性樹脂に混入させて使用されるのが一般的であるが、蛍光体と共に拡散剤を混入したものがある。例えば、一対のリードフレームの一方の端部に載設されたＬＥＤチップを、光透過性樹脂に蛍光体と５〜２０ｗｔ％の拡散剤とを混入した波長変換部材で封止した構成のＬＥＤランプである。
ＬＥＤチップを光透過性樹脂に蛍光体を混入した波長変換部材で封止した構造のＬＥＤにおいては、蛍光体が有機蛍光体の場合、蛍光体がＬＥＤチップから出射される光および太陽光などの外光に含まれる、紫外光や可視光を受けて時間経過と共に劣化し、ＬＥＤから放出される光の色調がシフトしたり、光量が低下するなどの問題を生じる。
このような問題を解消するために、光透過性樹脂に蛍光体と共に拡散剤を混入した波長変換部材でＬＥＤチップを封止することによって、波長変換部材に入射した光を蛍光体に向かう光と拡散剤に向かう光とに分岐させ、蛍光体に向かう光の割合を減少させると同時に、拡散剤によって散乱された光度の低い光が蛍光体に向かうようにした。その結果、蛍光剤の劣化の進行が低減されることで、ＬＥＤから放出される光の色調のシフトおよび光度維持率の改善を図ったものである（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３０６５５４４号公報（第２頁、図１）
しかしながら、上述した従来のＬＥＤは、蛍光体の劣化を低減してＬＥＤから放出される光の色調および光量の経時変化を低減させるのが主な目的であるため、光量の確保（高輝度化）および色調のバラツキ低減に対する施策については不十分なところがあった。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、高輝度で色調バラツキが少なく、高信頼性の光源となるような発光ダイオードを提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、少なくとも一つの発光ダイオードチップを、光透過性樹脂に少なくとも１種類の蛍光体と拡散剤とを混入した波長変換部材で封止した発光ダイオードであって、前記波長変換部材には２０〜８０ｗｔ％の前記拡散剤が混入されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記発光ダイオードチップは、紫外光を発光することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１において、前記発光ダイオードチップは、青色光または緑色光を発光することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１において、前記発光ダイオードチップは、青色光を発光る発光ダイオードチップと緑色光を発光する発光ダイオードチップとで構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１から４の何れか１項において、前記蛍光体は、希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩および希土類を付活したオルトケイ酸塩のなかから選ばれた１つからなることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１から４の何れか１項において、前記光透過性樹脂は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル系樹脂およびシクロオレフィン系樹脂のなかから選ばれた１つからなることを特徴とするものである。
高輝度で色調バラツキの少ない光源となるような半導体発光装置を実現する目的を、発光ダイオードチップを蛍光体と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤とを光透過性樹脂に混入した波長変換部材で封止した構成にして実現した。
以下、この発明の好適な実施例を図１から図４を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。
図１は本発明の半導体発光装置の実施例１の構造を示す断面図である。本実施例は表面実装型と言われているＬＥＤで、基板１の表面に形成された回路パターンの上方に擂鉢状の凹部を有する反射枠２が設けられ、凹部の底面の第一の回路パターン３上にＬＥＤチップ４が載設されている。そして、ＬＥＤチップ４の上面に設けられた２つの電極の一方はボンディングワイヤ５を介して第一の回路パターン３に接続されて電気的導通が図られ、他方の電極はボンディングワイヤ５を介して第一の回路パターン３とは分離された第二の回路パターン６に接続されて電気的導通が図られている。さらに、反射枠２に設けられた凹部に、光透過性樹脂に蛍光体７と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤８とを混入した波長変換部材９が充填され、ＬＥＤチップ４を封止している。なお、反射枠２は高反射部材から成っており、凹部の内側面１０は特別な反射処理を施さないで反射面を形成しているが、凹部の内側面１０に反射率の高いアルミニウム、銀などを蒸着や塗装などの手法によって反射面を形成することも可能である。
このような構成のＬＥＤにおいて、ＬＥＤチップ４から出射されて波長変換部材９に入射した光が蛍光体７および拡散剤８によってどのような作用を受け、蛍光体７と拡散剤８との光学的な関係がどのようなものであるかを模式的に示したものが図２である。ＬＥＤチップ４から出射されて波長変換部材９に入射した光を直接受光した蛍光体ｐ１、ｐ２およびｐ３は、それぞれ受光した光によって励起されて受光した光よりも長波長に波長変換された光を放出する。また、蛍光体ｐ１、ｐ２、およびｐ３の夫々の陰になってＬＥＤチップ４から出射された光が直接受光できない（点線の矢印で表示）蛍光体ｐ４、ｐ６、およびｐ７と拡散剤ｄ１の陰なってＬＥＤチップ４から出射された光が直接受光できない（点線の矢印で表示）蛍光体ｐ５は夫々拡散剤ｄ１の散乱光、拡散剤ｄ２およびｄ３の散乱光、拡散剤ｄ３の散乱光、拡散剤ｄ２の散乱光を受光し、受光した光によって励起されて受光した光よりも長波長に波長変換された光を放出する。
このように、波長変換部材を構成する蛍光体は、ＬＥＤチップから出射された光と、１個の拡散剤で散乱された散乱光と、複数の拡散剤で散乱された複数の散乱光とが組み合わされた光を受光し、受光した光によって励起されて受光した光よりも長波長に波長変換された光を放出するものである。
また、図２には示していないが、波長変換部材を構成する蛍光体が２種類以上の場合、蛍光体で波長変換された光が別の種類の蛍光体を励起して波長変換させるといったような波長変換の連鎖反応が生じることになる。このとき、連鎖する波長変換の夫々の過程で波長変換された光の一部はそのまま外部に放出されることになる。また、夫々の過程で蛍光体が１個あるいは複数の拡散剤による複数の散乱光の影響を受けることにもなる。さらに、蛍光体は複数の波長が混合された光を受けて励起されることにもなる。
このように、ＬＥＤチップから出射された光をもとに、蛍光体と拡散剤とが複雑に関連する光の流れを構成しており、波長変換部材の内部に存在する多種の波長の光は混合されて分散され、色調のバラツキの少ない光を外部に放出することになる。
また、波長変換部材に蛍光体と共に２０〜８０ｗｔ％という比較的高濃度の拡散剤が混入されており、ＬＥＤチップから出射された光が直接至らない蛍光体であっても複数の拡散剤で散乱された光を受光することができるため、波長変換効率の良い高輝度のＬＥＤが実現できる。
図３は本発明の半導体発光装置の実施例２の構造を示す断面図である。本実施例は砲弾型とも言われているＬＥＤで、２本のリードフレーム１１，１２の一方の先端部に内側面を反射面とする擂鉢状の凹部が形成され、凹部の底面にＬＥＤチップ４が載設されている。そして、ＬＥＤチップ４の上面に設けられた２つの電極の一方はボンディングワイヤ５を介してリードフレーム１１に接続されて電気的導通が図られ、他方の電極はボンディングワイヤ５を介してリードフレーム１２に接続されて電気的導通が図られている。そして、ＬＥＤチップ４が載設された凹部に、光透過性樹脂に蛍光体７と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤８とを混入した波長変換部材９が充填され、ＬＥＤチップ４を封止している。さらに、ＬＥＤチップ４が載設されたリードフレーム１１先端部は透明樹脂レンズ１３で覆われている。
本実施例で、ＬＥＤチップ４が載設された凹部に充填された波長変換部材９の働きは、上述した実施例１の中で図２を参照して説明した内容と同様である。本実施例では、ＬＥＤチップ４が載設されたリードフレーム１１の先端部を凸状の透明樹脂レンズ１３で覆うことによって、ボンディングワイヤ５を振動や衝撃などの外部応力から保護し、波長変換部材９に混入された蛍光体７および拡散剤８を湿気などの周囲環境や機械的摩擦から保護し、ＬＥＤチップ４から出射されて波長変換部材９内を導光されて波長変換された光を外部に放出する際に光を集光させるようにレンズ効果を持たせたものである。
図４は本発明の半導体発光装置の実施例３の構造を示す断面図である。本実施例は上述した実施例２と同様に砲弾型のＬＥＤである。２本のリードフレーム１１，１２の一方の先端部に内側面を反射面とする擂鉢状の凹部が形成され、凹部の底面にＬＥＤチップ４が載設されている。そして、ＬＥＤチップ４の上面に設けられた２つの電極の一方はボンディングワイヤ５を介してリードフレーム１１に接続されて電気的導通が図られ、他方の電極はボンディングワイヤ５を介してリードフレーム１２に接続されて電気的導通が図られている。そして、ＬＥＤチップ４が載設されたリードフレーム１１先端部は光透過性樹脂に蛍光体７と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤８とを混入した波長変換部材９で覆われ、凸状のレンズが形成されている。
本実施例は、ＬＥＤチップ４が載設されたリードフレーム１１の先端部を蛍光体７と２０〜８０ｗｔ％の拡散剤８とを混入した波長変換部材９で覆って凸状のレンズを形成したものであり、波長変換部材９の働きは上述した実施例１の中で図２を参照して説明した内容と同様である。ただし、ＬＥＤチップ４が載設されたリードフレーム１１の先端部を波長変換部材９で一括封止できるため作業工数が少なく、工数削減による製造コストの低減に寄与するものである。
なお、上述した実施例１〜実施例３で使用される光透過性樹脂はエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル系樹脂およびシクロオレフィン系樹脂のなかから選択され、蛍光体は希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩および希土類を付活したオルトケイ酸塩のなかから選択され、拡散剤は酸化チタン、アルミナ及びシリカのなかから選択される。
また、光透過性樹脂に蛍光体と共に混入する拡散剤を２０〜８０ｗｔ％としたのは、２０ｗｔ％より少ない場合は拡散剤を混入することによる高輝度化の効果が十分ではなく、８０ｗｔ％より多くなると光透過性樹脂の粘度が高くなり、非常に固いペースト状態となって取り扱いが難しくなり、接着性も低下して封止樹脂としての機能を果たさなくなるためである。
本発明の実施例で使用されるＬＥＤチップは、紫外光、青色光および緑色光を発光する３種類のＬＥＤチップから選ばれ、種々の蛍光体との込み合わせによってＬＥＤに求められる色調を実現する。その際、ＬＥＤチップは単独で使用される場合と、発光色の異なるＬＥＤチップを組み合わせて使用される場合とがあり、紫外ＬＥＤチップは単独で使用されるが、可視光を発光する青色ＬＥＤチップと緑色ＬＥＤとは単独で使用される場合と、組み合わせて使用される場合とがある。
以上のように、本発明の半導体発光装置は、光を受けて受けた光よりも長波長へ波長変換する蛍光体と、光を受けて受けた光を散乱する拡散剤とが光透過性樹脂に混入された波長変換部材で封止されているため、蛍光体が受光する光には、ＬＥＤチップから出射した光や、ＬＥＤチップから出射して拡散剤で散乱された光や、種類が異なる蛍光体で波長変換された光や、種類が異なる蛍光体で波長変換された光が拡散剤で散乱された光などがある。特に、本発明の場合、光透過性樹脂に混入する拡散剤を２０〜８０ｗｔ％と比較的高濃度にしているので蛍光体が拡散剤で散乱された光を受光する割合が大きい。その結果、蛍光体で波長変換される光の光量が増加し、高輝度のＬＥＤが実現できる。
また、蛍光体には多様な光路を経て多種類の波長が混合された光が様々な方向から入射し、波長変換されて様々な方向に放射される。従って、波長変換部材内で波長変換されて混合された光は分散され、色調のバラツキの少ない光を発するＬＥＤが実現できる。
さらに、光透過性樹脂よりも熱膨張係数の小さい拡散剤の濃度を高くすることにより、波長変換部材内の光透過性樹脂の占める割合が減って、光透過性樹脂の絶対膨張体積が減少し、波長変換部材の熱膨張係数が小さくなる。その結果、半田リフローなどのＬＥＤ実装時にＬＥＤに外部から加わる熱やＬＥＤの点灯時にＬＥＤチップから発生する熱によって封止樹脂が膨張し、その応力を受けてＬＥＤチップの破壊およびボンディングワイヤの切断などの不具合を発生させる要因を軽減させることができ、ＬＥＤの信頼性を向上させることができる。などの優れた効果を奏するものである。
１ 基板
２ 反射枠
３ 第一の回路パターン
４ ＬＥＤチップ
５ ボンディングワイヤ
６ 第二の回路パターン
７ 蛍光体
８ 拡散剤
９ 波長変換部材
１０ 内側面
１１ 第一のリードフレーム
１２ 第二のリードフレーム
１３ 樹脂レンズ
ｐ１〜ｐ７ 蛍光体
ｄ１〜ｄ３ 拡散剤
２ 反射枠
３ 第一の回路パターン
４ ＬＥＤチップ
５ ボンディングワイヤ
６ 第二の回路パターン
７ 蛍光体
８ 拡散剤
９ 波長変換部材
１０ 内側面
１１ 第一のリードフレーム
１２ 第二のリードフレーム
１３ 樹脂レンズ
ｐ１〜ｐ７ 蛍光体
ｄ１〜ｄ３ 拡散剤
Claims (6)
- 少なくとも一つの発光ダイオードチップを、光透過性樹脂に少なくとも１種類の蛍光体と拡散剤とを混入した波長変換部材で封止した発光ダイオードであって、前記波長変換部材には２０〜８０ｗｔ％の前記拡散剤が混入されていることを特徴とする半導体発光装置。
- 前記発光ダイオードチップは、紫外光を発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記発光ダイオードチップは、青色光または緑色光を発光することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記発光ダイオードチップは、青色光を発光る発光ダイオードチップと緑色光を発光する発光ダイオードチップとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記蛍光体は、希土類を付活したアルミン酸塩、希土類を付活したチオ没食子酸塩および希土類を付活したオルトケイ酸塩のなかから選ばれた１つからなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光装置。
- 前記光透過性樹脂は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル系樹脂およびシクロオレフィン系樹脂のなかから選ばれた１つからなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体発光装置。
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