JP2005223112A - 表面実装型発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】 発光ダイオード素子から出力された光を効率よく上方に反射することである。
【解決手段】 基板１上にカソード電極パターン２とアノード電極パターン３とを設けると共に、これら両方の電極パターンとに電気的に接続された発光ダイオード素子４を設け、かつ前記発光ダイオード素子４を前記基板１上で光透過性部材１０によって封止してなる表面実装型発光ダイオードにおいて、前記光透過性樹脂１０中における発光ダイオード素子４の周囲に、溝１４内に空気１５を充填して発光ダイオード素子４から出力された光を全反射する傾斜面１６を有する全反射面形成部１３を設けた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばマザーボード等の表面上に直接実装されるもので、基板上に設けた発光ダイオード素子を光透過性部材によって封止してなる表面実装型発光ダイオードの改良に関する。
図１６は金属膜反射カップ型と呼ばれる表面実装型発光ダイオードの概略構成図である。この種の表面実装型発光ダイオードは、例えば非特許文献１に記載されている。基板１上には、カソード電極パターン２とアノード電極パターン３とが設けられている。このうちカソード電極パターン２上には、発光ダイオード素子４がカソード電極パターン２と電気的に接続されて設けられている。また、発光ダイオード素子４とアノード電極パターン３とは、ボンディングワイヤ５を介して電気的に接続されている。
また、基板１上における外周側には、例えばエポキシ樹脂などからなる支持部材６が設けられている。この支持部材６は、内側に金属膜により成る傾斜した反射面６ａが形成され、かつ上方に開口部７が形成されている。この開口部７は、例えばガラス板８により封止されている。
このような表面実装型発光ダイオードであれば、発光ダイオード素子４の側面から出力された光は、反射面６ａで上方に向かって反射し、ガラス板８を透過して外部に出射される。
松本正一著「電子ディスプレイ」株式会社オーム社、平成７年７月７日発行、ｐ．１９０
しかしながら、上記表面実装型発光ダイオードでは、発光ダイオード素子４の側面から出力された光を反射面６ａで上方に反射させることによって輝度を高めているが、反射面６ａでの反射率は、約８０〜９０％であり、光反射にロスがある。
また、反射面６ａは、長期間使用すると、その環境下によっては腐食してしまい、反射率が低下することがある。このため、長期使用するときの信頼性に問題がある。
そこで本発明は、発光ダイオード素子から出力された光を効率よく上方に反射できる表面実装型発光ダイオードを提供することを目的とする。
本発明は、基板上にカソード電極パターンとアノード電極パターンとを設けると共に、これらカソード電極パターンとアノード電極パターンとに電気的に接続された発光ダイオード素子を設け、かつ発光ダイオード素子を基板上で光透過性部材によって封止してなる表面実装型発光ダイオードにおいて、光透過性部材中における発光ダイオード素子の周囲に設けられ、発光ダイオード素子から出力された光を全反射して上方に出射させる全反射面形成部を設けた表面実装型発光ダイオードである。
また、本発明は、基板上にカソード電極パターンとアノード電極パターンとを設けると共に、これらカソード電極パターンとアノード電極パターンとに電気的に接続された発光ダイオード素子を設け、かつ発光ダイオード素子を基板上で光透過性樹脂によって封止してなる表面実装型発光ダイオードにおいて、光透過性樹脂中に発光ダイオード素子を中心に環状でかつ基板の面上に対して高さ方向に形成された傾斜面を有する溝と、溝内に充填された空気とからなり、傾斜面における空気と光透過性樹脂との境界面は、空気の屈折率と光透過性樹脂の屈折率との差によって発光ダイオード素子から出力された光を上方に全反射する全反射面を形成する表面実装型発光ダイオードである。
このような本発明であれば、発光ダイオード素子から出力された光を効率よく上方に反射できる表面実装型発光ダイオードを提供できる。
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１乃至図３は表面実装型発光ダイオードの構成図であって、図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。基板１上には、カソード電極パターン２とアノード電極パターン３とが設けられている。これらカソード電極パターン２とアノード電極パターン３とは、それぞれ凸形状部を対峙して設けられている。これらカソード電極パターン２とアノード電極パターン３との上には、バンプ９によって発光ダイオード素子４が直接実装されてカソード電極パターン２とアノード電極パターン３との間に電気的に接続されている。なお、これらカソード電極パターン２とアノード電極パターン３の形状は、基板１上で発光ダイオード素子４と電気的に接続できればよいので、如何なる形状でもよい。
基板１上の発光ダイオード素子４は、例えばエポキシなどの光透過性樹脂１０によって封止されている。この光透過性樹脂１０は、基板１上に例えば接着剤によって固着される。なお、光透過性樹脂１０における発光ダイオード素子４に対応した部分には、半球状の凹部１１が設けられ、この凹部１１内に光透過性樹脂１０の材料と同一材料、例えばエポキシなどの光透過性樹脂１２が充填されている。
光透過性樹脂１０中における発光ダイオード素子４の周囲には、発光ダイオード素子４から出力された光を全反射して上方に出射させる環状の全反射面形成部１３が設けられている。具体的に全反射面形成部１３は、発光ダイオード素子４を中心に環状に設けられた溝１４と、この溝１４内に充填された空気１５とからなる。溝１４は、基板１の面上に対して高さ方向に形成された傾斜面１６を有している。
この全反射面形成部１３は、溝１４内に充填された空気１５の屈折率ｎ０（＝１）と光透過性樹脂（エポキシ樹脂）１０の屈折率ｎ１（＝１．５５）との差によって、光透過性樹脂１０と空気１５の境界面、すなわち傾斜面１６に発光ダイオード素子４から出力された光を全反射する全反射面を形成する。
このように、傾斜面１６において発光ダイオード素子４から出力された光を全反射する条件は次の通りである。発光ダイオード素子４から出力された光が光透過性樹脂１０と空気１５との境界面、すなわち傾斜面１６に入射するときの入射角θ１、出射角θ２との間に、
０°≦θ１≦sin−１（ｎ０／ｎ１） …（１）
の関係があると、発光ダイオード素子４の側面から出力された光が傾斜面１６で全反射する。例えば、図４に示すように、空気１５の屈折率ｎ０（＝１）を有し、光透過性樹脂（エポキシ樹脂）１０の屈折率ｎ１がｎ１＝１．５５を有すれば、発光ダイオード素子４の側面から出力された光が傾斜面１６で全反射するには、発光ダイオード素子４から出力された光の入射角θ１（＞４０．１８°）であればよい。又、エポキシ樹脂以外の樹脂を用いて光透過性樹脂１０の屈折率ｎ１がｎ１＝１．７０を有すれば、発光ダイオード素子４から出力された光の入射角θ１（＞３６．０３°）であればよく、光透過性樹脂１０の屈折率ｎ１がｎ１＝１．４０を有すれば、発光ダイオード素子４から出力された光の入射角θ１（＞４５．６８°）であればよい。
従って、光透過性樹脂１０の屈折率ｎ１がｎ１＝１．５５の場合、発光ダイオード素子４の側面から出力された光Ｐ１や、この光Ｐ１以外の斜め上方に角度αで出力された全ての光Ｐｎが入射角θ１（＞４０．１８°）で入射するように例えば傾斜面１６の傾斜角φ１、φ２を形成すれば、発光ダイオード素子４の側面から出力された光Ｐ１、光Ｐｎは、傾斜面１６で全反射して上方に出射する。なお、発光ダイオード素子４の側面から出力された光が傾斜面１６で全反射する条件を換言すれば、図４に示す傾斜面１６の傾斜角φ１、φ２（＝φ）として次式、
φ＜α＋９０°−sin−１（ｎ０／ｎ１） …（２）
を満たすような直線群、若しくは傾斜面１６の傾斜角φが上記式（２）を満たすように傾斜面１６を形成すればよい。また、
α＞sin−１（ｎ０／ｎ１） …（３）
の関係であれば、傾斜面１６の傾斜角φ（＝φ１、φ２）は、垂直φ（＝９０°）でもよい。
この傾斜面１６は、図５に示すように、基板１の面から高さ方向に従って傾斜角φａを連続的に変化させた曲面に形成してもよいし、又は図６に示すように各傾斜角φ１、φ２、φ３、…が異なる複数の傾斜面１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、…で形成してもよい。
また、傾斜面１６は、高さｈを高く形成すれば、換言すれば、溝１４の深さを深く形成すれば、発光ダイオード素子４の側面から出力された光Ｐ１、Ｐｎを全反射でき、出射される光Ｐａの指向性を狭くできる。
光透過性樹脂１０の上面には、平面部１０ａと各傾斜部１０ｂとが形成されている。平面部１０ａは、発光ダイオード素子４の真上部に形成されている。また、傾斜部１０ｂは、平面部１０ａの周囲に４面形成されるもので、発光ダイオード素子４から斜め上方に出力された光Ｐｂを屈折して平面部１０ａから出射される光Ｐａと平行となるような角度にする。
光透過性樹脂１０における溝１４の外側には、支持部１７が形成されている。この支持部１７が形成されていることにより、光透過性樹脂１０と基板１との接触面積が広くなり、光透過性樹脂１０を基板１上に堅固に固着できる。また、光透過性樹脂１０の支持部１７には、前記溝１４を外部に通じさせるための空気逃げ孔１８が設けられている。この空気逃げ孔１８は、主に発光ダイオード素子４をリフロー実装する際に、溝１４内の空気１５が膨張して光透過性樹脂１０が破裂するのを防止するものである。
次に、上記表面実装型発光ダイオードの製造方法について説明する。
図７に示すように、基板１上のカソード電極パターン２とアノード電極パターン３との上には、バンプ９を介して発光ダイオード素子４が直接実装される。
一方、図８に示すように第１の金型２０と第２の金型２１とが準備される。これら第１の金型２０と第２の金型２１とは、いずれか一方が上金型となり、他方が下金型となる。第１の金型２０には、光透過性樹脂１０の平面部１０ａ及び各傾斜部１０ｂを形成するための型が形成されている。第２の金型２１には、凹部１１及び傾斜面１６を有する溝１４を形成するための型が形成されている。
これら第１の金型２０と第２の金型２１とを合わせた状態で、これら第１の金型２０と第２の金型２１との間の空間部に例えば液状のエポキシなどの光透過性樹脂が射出される。この光透過性樹脂が硬化して第１の金型２０と第２の金型２１とが外されると、傾斜面１６を有する溝１４及び凹部１１を有する光透過性樹脂１０が作成される。
次に、図９に示すように発光ダイオード素子４を下方に向けて基板１が配置されると共に、凹部１１を上方に向けて光透過性樹脂１０が配置される。
次に、光透過性樹脂１０の凹部１１内に例えば液状のエポキシなどの光透過性樹脂１２が充填される。
次に、光透過性樹脂１０上に基板１が接着剤２２によって固着される。このとき、発光ダイオード素子４は、凹部１１内の中心部に位置決めされて光透過性樹脂１２内に浸される。
次に、光透過性樹脂１２が硬化すると、図１に示す表面実装型発光ダイオードが製造される。
なお、上記表面実装型発光ダイオードの製造方法では、１個の表面実装型発光ダイオードの製造について説明したが、実際には、図１０に示すように、カソード電極パターン２とアノード電極パターン３とを複数規則的に配列した大型集合基板２３を製造し、この大型集合基板２３上の各カソード電極パターン２とアノード電極パターン３との上にそれぞれ複数の発光ダイオード４を縦横方向に実装する。
一方、図１１に示すように第１の金型２４と第２の金型２５とを準備する。第１の金型２４には、複数の光透過性樹脂１０の平面部１０ａ及び各傾斜部１０ｂを形成するための型が形成されている。第２の金型２５には、複数の凹部１１及び傾斜面１６を有する溝１４を形成するための型が形成されている。
これら第１の金型２４と第２の金型２５とを合わせた状態で、これら第１の金型２４と第２の金型２５との間の空間部に例えば液状のエポキシなどの光透過性樹脂を射出し、硬化させれば、溝１４及び凹部１１を有する図１２に示すような大型の光透過性樹脂２６が一体的に作成される。
次に、図１２に示すように、発光ダイオード素子４を下方に向けて大型集合基板２３が配置されると共に、溝１４及び凹部１１を上方に向けて大型の光透過性樹脂２６が配置される。
次に、光透過性樹脂２６の凹部１１内に例えば液状のエポキシなどの光透過性樹脂１２が充填される。
次に、光透過性樹脂２６上に大型基板２３が接着剤２２によって固着される。このとき、各発光ダイオード素子４は、各凹部１１内の中心部にそれぞれ位置決めされて光透過性樹脂１２内に浸される。
次に、光透過性樹脂１２が硬化すると、複数の表面実装型発光ダイオードが製造される。
次に、大型の光透過性樹脂２６及び大型基板２３が一つ一つの表面実装型発光ダイオード毎に切断される。
このように、上記第１の実施の形態によれば、光透過性樹脂１０中における発光ダイオード素子４の周囲に、溝１４内に空気を充填して発光ダイオード素子４から出力された光を全反射する傾斜面１６を有する全反射面形成部１３を設けたので、発光ダイオード素子４の側面から出力された光Ｐ１やこの光Ｐ１に対して角度αで出力された全ての光Ｐｎを傾斜面１６で全反射して上方に出射できる。これにより、発光ダイオード素子４から出力された光は、傾斜面１６で全反射し、例えば光透過性樹脂１０の上面の平面部１０ａに集めて出射されることにより、表面実装型発光ダイオードの輝度を高めることができる。
また、傾斜面１６は、光透過性樹脂１０の屈折率ｎ１と空気の屈折率ｎ０とによって光の全反射面を形成するので、この全反射面で光反射にロスがない。そのうえ、全反射面となる傾斜面１６は、光透過性樹脂１０の面をそのまま用いるので、使用する環境下によって腐食することがなく、長期間使用するときの信頼性を向上できる。
さらに、全反射面となる傾斜面１６は、第１の金型２０と第２の金型２１との間に光透過性樹脂を射出して形成するので、例えば図５に示すような曲面や図６に示すような複数の傾斜面１６ａ、１６ｂ、１６ｃであっても、面精度の高い傾斜面１６を形成できる。従って、発光ダイオード素子４から出力された光をロスすることなく、高効率で出射できる。
また、溝１４内に空気を充填するだけなので、光を全反射させるために特別な部材を用いることなく安価に製造できる。
また、光透過性樹脂１０には、各傾斜部１０ｂを形成したので、発光ダイオード素子４から斜め上方に出力された光Ｐｂを屈折して平面部１０ａから出射される光Ｐａと平行にでき、これによっても表面実装型発光ダイオードの輝度を高めることができる。
また、光透過性樹脂１０の外側に支持部１７を形成したので、光透過性樹脂１０を基板１上に堅固にかつ安定して固着できる。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図２及び図３と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
図１３及び図１４は表面実装型発光ダイオードの構成図であって、図１３は断面図、図１４は平面図である。この表面実装型発光ダイオードは、発光ダイオード素子４の上方における光透過性樹脂１０の部分にレンズ３０を設けている。このレンズ３０は、発光ダイオード素子４の側面から出力され傾斜面１６で全反射して入射した光や、発光ダイオード素子４から出力されて直接入射した光を集光して上方に出射する。なお、この実施形態における光透過性樹脂１０にも、溝１４を外部に通じさせるための空気逃げ孔１８が設けられている。
このような表面実装型発光ダイオードであれば、上記第１の実施の形態と同様の効果を奏することことは言うまでもなく、表面実装型発光ダイオードから出射される光の指向性を狭くできる。
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。例えば、光透過性樹脂１０は、光透過性のガラスを用いて形成してもよい。
また、全反射面形成部１３の溝１４内に充填する充填部材は、低屈折率を有する光透過性の部材であればよく、例えば空気の屈折率に近い屈折率を有する気体、例えば窒素ガスなどであってもよい。この場合、溝１４内に充填する各種充填部材の屈折率に応じて上記式（１）の関係から求められる発光ダイオード素子４の出力光を全反射する角度に傾斜面１６の傾斜角を形成すればよい。
また、発光ダイオード素子４は、基板１上に直接実装されるものについて説明したが、これに限らず、図１５に示すように基板１上に発光ダイオード素子４を設け、この発光ダイオード素子４とカソード電極パターン２、アノード電極パターン３との各間をそれぞれ各ボンディングワイヤ５により電気的に接続したものでもよい。さらに、従来で説明した図１６に示すように発光ダイオード素子４をカソード電極パターン２上に電気的に接続し、かつ発光ダイオード素子４とアノード電極パターン３との間をボンディングワイヤ５により電気的に接続したものでもよい。
本発明に係る表面実装型発光ダイオードの第１の実施の形態を示す斜視図である。 同表面実装型発光ダイオードの断面図である。 同表面実装型発光ダイオードの平面図である。 同表面実装型発光ダイオードにおける発光ダイオード素子から出力された光の全反射する条件を説明するための図である。 同表面実装型発光ダイオードにおける傾斜面の構成図である。 同表面実装型発光ダイオードにおける傾斜面の構成図である。 同表面実装型発光ダイオードの製造方法における基板上への発光ダイオード素子の接続工程を示す図である。 同製造方法における光透過性樹脂の形成工程を示す図である。 同製造方法における光透過性樹脂上への基板の固着工程を示す図である。 カソード電極パターンとアノード電極パターンとを複数規則的に形成した大型基板の斜視図である。 複数の光透過性樹脂の型を形成した第１の金型と第２の金型とを示す図である。 大型集合基板と大型の光透過性樹脂との配置を示す図である。 本発明に係る表面実装型発光ダイオードの第２の実施の形態を示す断面図である。 同表面実装型発光ダイオードの平面図である。 発光ダイオード素子の接続を示す図である。 従来の表面実装型発光ダイオードの概略構成図である。
符号の説明
１ 基板
２ カソード電極パターン
３ アノード電極パターン
４ 発光ダイオード素子
５ ボンディングワイヤ
９ バンプ
１０ 光透過性樹脂
１０ａ 平面部
１０ｂ 傾斜部
１１ 凹部
１２ 光透過性樹脂
１３ 全反射面形成部
１４ 溝
１５ 空気
１６ 傾斜面
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 傾斜面
１７ 支持部
１８ 空気逃げ孔
２０ 第１の金型
２１ 第２の金型
２２ 接着剤
２３ 大型集合基板
２４ 第１の金型
２５ 第２の金型
２６ 光透過性樹脂
３０ レンズ

Claims (11)

  1. 基板上にカソード電極パターンとアノード電極パターンとを設けると共に、これらカソード電極パターンとアノード電極パターンとに電気的に接続された発光ダイオード素子を設け、かつ前記発光ダイオード素子を前記基板上で光透過性部材によって封止してなる表面実装型発光ダイオードにおいて、
    前記光透過性部材中における前記発光ダイオード素子の周囲に設けられ、前記発光ダイオード素子から出力された光を全反射して上方に出射させる全反射面形成部を設けたことを特徴とする表面実装型発光ダイオード。
  2. 前記全反射面形成部は、当該全反射面形成部の材質の屈折率と前記光透過性部材の屈折率との差によって前記光透過性部材との境界面に前記発光ダイオード素子から出力された光を全反射する全反射面を形成することを特徴とする請求項１記載の表面実装型発光ダイオード。
  3. 前記全反射面形成部は、前記光透過性部材中に前記発光ダイオード素子を中心に環状に形成された溝と、
    前記溝内に充填された空気とからなり、
    前記溝における前記光透過性部材と前記空気との境界面に前記全反射面を形成することを特徴とする請求項１記載の表面実装型発光ダイオード。
  4. 前記全反射面形成部は、前記光透過性部材中に前記発光ダイオード素子を中心に環状に形成された溝と、
    前記溝内に充填された低屈折率を有する光透過性の充填部材とからなり、
    前記溝における前記光透過性部材と前記充填部材との境界面に前記全反射面を形成することを特徴とする請求項１記載の表面実装型発光ダイオード。
  5. 前記全反射面は、前記空気又は前記充填部材の屈折率と、前記光透過性部材の屈折率と、前記発光ダイオード素子から出力された光が前記光透過性部材と前記空気又は前記充填部材との前記境界面に入射するときの入射角との関係から求められる傾斜角に形成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の表面実装型発光ダイオード。
  6. 前記溝は、前記発光ダイオード素子の少なくとも側面から出力された光を上方に全反射するための環状に形成された傾斜面を有することを特徴とする請求項５記載の表面実装型発光ダイオード。
  7. 前記傾斜面は、前記基板上に対して高さ方向に形成されたことを特徴とする請求項６記載の表面実装型発光ダイオード。
  8. 前記光透過性部材は、光透過性樹脂又は光透過性のガラスであることを特徴とする請求項１記載の表面実装型発光ダイオード。
  9. 前記光透過性部材は、前記前記発光ダイオード素子から出力された光を集光するレンズを形成したことを特徴とする請求項１記載の表面実装型発光ダイオード。
  10. 基板上にカソード電極パターンとアノード電極パターンとを設けると共に、これらカソード電極パターンとアノード電極パターンとに電気的に接続された発光ダイオード素子を設け、かつ前記発光ダイオード素子を前記基板上で光透過性樹脂によって封止してなる表面実装型発光ダイオードにおいて、
    前記光透過性樹脂中に前記発光ダイオード素子を中心に環状でかつ前記基板の面上に対して高さ方向に形成された傾斜面を有する溝と、
    前記溝内に充填された空気とからなり、
    前記傾斜面における前記空気と前記光透過性樹脂との境界面は、前記空気の屈折率と前記光透過性樹脂の屈折率との差によって前記発光ダイオード素子の少なくとも側面から出力された光を上方に全反射する全反射面を形成する、
    ことを特徴とする表面実装型発光ダイオード。
  11. 前記溝内に充填された空気が、前記光透過性部材に設けられた空気逃げ孔により外部に開放されていることを特徴とする請求項１０記載の表面実装型発光ダイオード。
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