JP2009278012A - Led装置用パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】 高出力の紫外線LEDや青色LEDを用いたとしても、絶縁樹脂を劣化させるおそれがなく、放熱性を向上させ尚且つ厚さが薄いLED装置用パッケージを提供する。
【解決手段】 LED装置を構成するためのパッケージであって、LED保持面にはLED素子とワイヤボンディングにより電気的に接続されるリード部とLED素子を内側に保持するカップ状部材とリード部とカップ状部材とを絶縁樹脂で仕切る絶縁区画部とが表出され、カップ状部材はLED素子に熱伝導的に接触する底板部と、この底板部の周縁部に形成された反射面部とを備え、反射面部はこの反射面部の内側の底板部に熱伝導的に接触されたLED素子の放射光がこの反射面部を介した外側のLED保持面と枠部材とに照射されることを阻止する高さに形成され、LED保持面の裏面側は、カップ状部材の底板部の裏面が絶縁区画部の裏面と面一に表出されているもの。
【選択図】 図1

Description

本発明は放熱性と放射効率とを向上させることができるLED装置のパッケージに関するものである。特に、高出力LEDや白色LEDの用途に主眼をおいたLED装置用パッケージに関するものである。
発光ダイオード(Light Emitting Diode:「LED」と称する)の光量は投入電力に比例する。投入できる電力としては自ずと限界がある。その限界は、素子の性能によるところが大であるが、パッケージの放熱性も関係している。そもそも、半導体素子の動作領域は温度で制限されていて、限界温度を超えると半導体素子は破壊されたり、著しく寿命が短くなったりする。
LED素子の場合、投入電力の一部が光エネルギーに変換され、残りは熱に変換されるため、素子を一定温度以下に保つためには、パッケージの放熱性が問題になる。一方で、装置の小型化、薄型化の要求は高く、小型・薄形で放熱効果の高いパッケージが求められている。特に、LEDは、例えば、白熱電球に比べて、発熱の少ないことが特徴であるが、高出力(高輝度)タイプのLED素子は大電流が流れるため、無視できないレベルの発熱・温度上昇が生じる。
最近、LEDを大型液晶表示装置のバックライトユニットとして利用しようとする試みが進んでおり、フリップチップボンディング連結のための電極が設けられた絶縁膜を用いて大面積の放熱口を設けることにより放熱効果を大きく向上させた提案も成されている(例えば、特許文献1参照)。
もう一つの背景は、反射効率の高いパッケージの要求である。LED素子は素子上面方向に所定の放射角で光が放射されるが、素子の横方向にも無視できない量の光を放射する。横方向の光を無駄にすることなく、有効利用するために素子の横に反射板を配置する方法が従来から採用されてきた。
例えば、砲弾型といわれる発光ダイオードでは、一方の端子に素子を搭載し、その電極端子の一部を反射板にしている。また、表面実装型の場合は、プラスチックパッケージに円錐状の凹部を設け、その斜面を反射板としている。
特許第4044078号公報
しかしながら、砲弾型の場合は、構造的に放熱性が悪い上に一部の光しか反射できないこと、表面実装型の場合は、プラスチックの反射率が低いこと、及びプラスチックの光吸収による劣化が激しいこと等の課題があり、何れも高出力発光ダイオードのパッケージには適するものではなかった。
更にもう一つの背景は、白色LEDへの対応である。白色LEDは蛍光体に青色又は紫外LEDの光を照射して白色光を放射するタイプと、赤色LED、緑色LED、青色LED等を同時に発光させ1つのパッケージの中で光の混合により白色化させるタイプに大別される。そして、上記プラスチックの光吸収については、長波長の赤色光は吸収率が低く、短波長の青色、紫外光は著しく吸収される。
従って、上記の光の反射問題と併せて考えるならば、プラスチックパッケージにおいては、プラスチックを反射板に利用することは赤色LEDや低出力LEDに限定されることを意味する。白色LEDでは、上記の2つのタイプも短波長LEDを利用するため、プラスチックパッケージを使用した白色LEDは次のような課題を持つからである。
即ち、蛍光体に紫外LEDの光を照射するタイプでは、紫外線を照射されたプラスチック部分が短時間で茶褐色に変色し、この変色によって反射率が低下し、白色光の出力が低下することになる。また、赤色光、緑色光、青色光等の光混合タイプでは、青色LEDの近傍のプラスチック部分が茶褐色に変色し反射率が低下するため、白色光の出力が低下するだけでなく、色ずれが生じることになる。
プラスチックメーカーは高耐熱で、変色し難いプラスチックや顔料の研究を行い、LED用材料として市販し始めたが、現在においても、未だ安心して使用できる材料は存在しない。
本発明は、高出力の紫外線LEDや青色LEDを用いたとしても、絶縁樹脂を劣化させるおそれがなく、放熱性を向上させ尚且つ厚さが薄いLED装置用パッケージを提供することを目的とする。
請求項1に記載された発明に係るLED装置用パッケージは、LED素子の保持領域を含むLED保持面と、該LED保持面の周囲を囲む枠部材とを備え、前記LED保持面と前記枠部材とで構成される素子保持空間を光透過性樹脂で封止したLED装置を構成するためのパッケージであって、
前記LED保持面には、LED素子とワイヤボンディングにより電気的に接続されるリード部と、LED素子を内側に保持するカップ状部材と、前記リード部とカップ状部材とを絶縁樹脂で仕切る絶縁区画部とが表出され、
前記カップ状部材は、LED素子に熱伝導的に接触する底板部と、この底板部の周縁部に形成された反射面部とを備え、
前記反射面部は、この反射面部の内側の底板部に熱伝導的に接触されたLED素子の放射光が、この反射面部を介した外側の前記LED保持面と枠部材とに照射されることを阻止する高さに形成され、
前記LED保持面の裏面側は、前記カップ状部材の底板部の裏面が前記絶縁区画部の裏面と面一に表出されていることを特徴とするものである。
請求項2に記載された発明に係るLED装置用パッケージは、請求項1に記載のカップ状部材の内側面が、鏡面加工されたことを特徴とするものである。
請求項3に記載された発明に係るLED装置用パッケージは、請求項1又は2に記載のカップ状部材の内側面には、底板部に熱伝導的に接触されたLED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を備える反射層が形成されたことを特徴とするものである。
本発明は、青色LEDや紫外線LEDを用いたとしても、絶縁樹脂を劣化させるおそれがなく、放熱性を向上させることができ、LED装置の光出力を向上させ、尚且つ薄い形状とすることのできるLED装置用パッケージを提供することができるという効果がある。
本発明においては、LED素子の保持領域を含むLED保持面と、該LED保持面の周囲を囲む枠部材とを備え、前記LED保持面と前記枠部材とで構成される素子保持空間を光透過性樹脂で封止したLED装置を構成するためのパッケージであって、前記LED保持面には、LED素子とワイヤボンディングにより電気的に接続されるリード部と、LED素子を内側に保持するカップ状部材と、前記リード部とカップ状部材とを絶縁樹脂で仕切る絶縁区画部とが表出され、前記カップ状部材は、LED素子に熱伝導的に接触する底板部と、この底板部の周縁部に形成された反射面部とを備え、前記反射面部は、この反射面部の内側の底板部に熱伝導的に接触されたLED素子の放射光が、この反射面部を介した外側の前記LED保持面と枠部材とに照射されることを阻止する高さに形成され、前記LED保持面の裏面側は、前記カップ状部材の底板部の裏面が前記絶縁区画部の裏面と面一に表出されているため、青色LEDや紫外線LEDを用いたとしても、絶縁樹脂を劣化させるおそれがなく、放熱性を向上させることができ、尚且つ薄い形状とすることのできるLED装置を作製するためのパッケージを得ることができる。
即ち、本発明のパッケージは、LED素子を内側に保持するカップ状部材が、LED素子に熱伝導的に接触する底板部と、この底板部の周縁部に形成された反射面部とを備えており、反射面部によってLED素子の放射光が枠部材に照射されることが阻止されるため、青色LEDや紫外線LEDを用いたとしても、反射面部の外側に配された絶縁樹脂の光反射特性を劣化させるおそれがない。また、LED素子に表面で熱伝導的に接触するカップ状部材の底板部の裏面が絶縁樹脂による絶縁区画部の裏面と面一に表出させたものである。従って、LED素子で発生する熱をカップ状部材の底板部の裏面から基板へ放出することができる。また、カップ状部材の反射面部の立ち上がり高さを可能な限り薄くすることにより、パッケージやLED装置の厚さを薄くすることもできる。
例えば、打ち抜き加工と同時か打ち抜き加工工程の後にプレス加工によりカップ状部材の周囲を曲折して、底板部と反射面部とを形成する。この際に、反射面部の立ち上がり高さを、反射面部の内側の底板部に熱伝導的に接触されたLED素子の放射光が、この反射面部を介した外側の前記LED保持面と枠部材とに照射されることを概ね阻止するか、それ以上の高さが必要である。
本発明では、カップ状部材の底板部の裏面が絶縁区画部の裏面と面一に表出されており、カップ状部材の底板部の裏面に、外部の放熱部材・ヒートシンクやプリント基板の導電体部をこれに密着させれば、放熱効果は良好になる。特に、LEDと電気的に絶縁された本発明のパッケージやLED装置では、金属などの導電性材料のカップ状部材の底板部を接触させても動作上問題が無い為、良好な放熱効果が容易に実現できる。
従って、枠部材は好ましくはパッケージの全てのカップ状部材とリード部との一部に、枠部材の一部が重なるように施される。この枠部材は、光透過性樹脂で封止される素子保持空間を単に区画して構成するだけでなく、素子保持空間を光透過性樹脂で封止する工程の前までは、絶縁樹脂による絶縁区画部と共にカップ状部材とリード部とを保持する役目を有する。
枠部材を構成する樹脂とカップ状部材とリード部との間に形成された絶縁区画部とは別の樹脂で構成しても良いが、好ましくは同一の樹脂とする。これは、同一の樹脂であれば1つのインサート成形工程で容易に形成できるからである。用いる樹脂はインサート成形で使用できる熱可塑性樹脂が好ましい。また、LED素子をカップ状部材上にダイボンディングにより熱伝導が良好なように接着させ、LED素子にワイヤーボンディング等で電気的な接続を安全に行えるだけの工程での強度が確保されるように剛性と耐衝撃強度に優れた樹脂が選択される。例えば、ナイロン系樹脂や液晶ポリマー系樹脂等が用いられる。
本発明のカップ状部材はリード部と相違して電気的な結合はされず、リード部とは絶縁区画部によって絶縁される。これは電気的な結合によってカップ状部材自体が発熱して放熱効果を阻害することを防ぐためだけでなく、本パッケージを用いたLED装置を搭載する基板上にカップ状部材の放熱を促進させる放熱手段を講じた場合に、カップ状部材に電気的な結合を施すと、基板の放熱手段についても電気的な制限が生じるためである。従って、カップ状部材の表面上に熱伝導的に接触されるLED素子の電極とリード部とはワイヤボンディング等によって電気的に結合されるが、カップ状部材とは電気的に結合されないように行われる。
本発明のリード部はカップ状部材の底板部の表面に接触して配置されるLED素子一つに対してアノード側及びカソード側の2つの端子部を備える。また、LED素子は1つのパッケージに複数個配置しても良く、LED素子を直列に接続する場合には、少なくとも2つのカップ状部材とこれに隣接したリード部を備える。隣接する2つのカップ状部材の間には、リード部として各々のカップ状部材に配置されたLED素子同士を接続するための中継部を備えるのが標準的である。
更に、直列に接続したLED素子を複数行併設させても良い。これにより、複数行の直列接続により発光光度が高く小型で極薄い液晶ディスプレイ用のバックライトユニットや照明用光源が製造可能となる。また、直列接続を、各々、赤色LED群、緑色LED群、青色LED群とすれば、各色での点滅や光度調整が可能となり、カラーフィルター不要の液晶ディスプレイや、光度や色温度を可変可能な照明用光源が実現できる。更に、直列接続にすることにより、各色LED群に印加する電圧が高くなるため、電源の効率が高くなる利点もある。
本発明のカップ状部材に熱伝導的に接触されるLED素子は、白色LED、青色LED、赤色LED、緑色LED、黄色LED等の単色のLED素子のみを単数又は複数搭載しても良い。また、バックライトとして用いるのであれば、複数行及び複数列を配置可能であるため、白色LEDだけでなく、青色LED、赤色LED、緑色LED、黄色LED等を組み合わせて、1つのLED装置で白色を呈するようにしてもよい。
本発明の反射面部としては、底板部の全周縁に環状に形成されたものが、放射光が枠部材に照射されることを阻止する為には最も望ましいが、底板部の周囲の一部に形成された複数のカップ状部材を並設させて複数の反射面部で複数の底板部の縁を囲んで形成されたものとすることもできる。
本発明のパッケージとしての機械的強度は、LED素子をカップ状部材の底板部上にダイボンディングにより熱伝導的に接触させ、LED素子にワイヤボンディング等で電気的な接触を行い、光透過性樹脂を封止する工程に耐える強度が必要である。また、プリント基板等に実装する為、リフローや半田付けの作業にも不具合をきたさない強度が必要である。このため、パッケージとしての強度を高める種々の工夫を行っても良い。
更に、本発明のリード部のLED保持面側での高さ位置がカップ状部材のLED保持面側での高さ位置よりも上位に配置しても良い。即ち、カップ状部材と同一の金属板から打ち抜いたリード部の一部を曲折してリード部の表面はカップ状部材の表面高さ位置よりも上位に配置した場合には、リード部の裏面側に絶縁樹脂が回り込むことになり、LED素子をダイボンディングやワイヤーボンディングで熱的・電気的な接続を行う工程に耐えられるようにパッケージの強度を増すことができる。尚、リード部の表面の高さ位置は枠部材を越えることがなく、LED素子の電極の高さ位置と同等とすることにより、LED素子とリード部とのワイヤボンディングが良好に行える利点もある。更に、カップ状部材裏面の近傍には電気的に接続されたリード部が露出しない為、カップ状部材裏面と外部放熱構造体を直接接触させることが容易である為、容易に効果的な放熱構造を実現できる。
本発明のパッケージは、1つ以上のLED素子をカップ状部材にダイボンディングにより熱伝導的に接触させて搭載し、このLED素子の2つの電極をリード部にワイヤボンディングで連結した後、LED素子を保持したLED保持面とこのLED保持面の周囲を囲む枠部材とで構成される素子保持空間を光透過性樹脂で封止してLED装置を得る。
光透過性樹脂としては、LED素子の発光を減衰させず外部に放射する、又は、蛍光材を光透過性樹脂に含有させる事により、青色LED、紫色LED或いは紫外線LEDからの発光を、これらより長い波長の可視光の光に変換し、LED装置全体としての発光を白色にするといった、光源色を変化させることも可能である。更に、光透過性樹脂の形状を適切に工夫することにより、特定の方向への放射光を強くする、レンズの効果を持たせることも出来る。更に、封止されているLED素子を湿度等から守る役割もある。光透過性樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂や、シリコン系透明樹脂等が使用されている。
本発明のカップ状部材の内側面は光の反射率が高くなる様な処理が必要である、更に、好ましくは、金属面は平滑度が高い程光の反射率が高くなるので、鏡面加工されることにより、LED素子から放射される光に対して高い反射率を有することができる。更に、LED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を備える反射層を備えることにより、LED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を有することができる。
図1は本発明のLED装置用パッケージの一実施例の構成を示す平面図であり、図2は図1の底面図である。図3は図1の正面図であり、図4は図1の右側面図である。図5は図1のLED装置用パッケージを用いたLED装置の斜視図である。
本実施例のパッケージ10は、LED素子を保持するLED保持面11と、LED保持面11の周囲を囲む枠部材12とで構成される素子保持空間13を光透過性樹脂で封止するLED装置に用いるものである。具体的には、LED保持面11は、LED素子と電気的に接続される8つのリード部14と、LED素子を表面に熱伝導的に接触させる平面形状が略矩形の1つのカップ状部材15とが、絶縁樹脂による絶縁区画部17を介して表出されている。
本実施例のパッケージ10は、図5に示す通り、LED素子21を保持するLED保持面11と、LED保持面11の周囲を囲む枠部材12とで構成される素子保持空間13を光透過性樹脂23で封止するLED装置20に用いるものである。尚、図5において絶縁樹脂による絶縁区画部17を示すパターン線は省略している。図5に示す通り、略矩形のカップ状部材15は、LED素子21に熱伝導的に接触する底板部15aと、この底板部15aの縁に形成された反射面部15bとを備える。反射面部15bは底板部15aの全周縁に環状に形成され、反射面部15bは、この反射面部15bの内側の底板部15aに熱伝導的に接触されたLED素子21の放射光が、この反射面部15bを介した外側のLED保持面11と枠部材12とに直接照射されることを阻止する程度の高さに形成されている。
また、図2、図3、図4及び図5に示す通り、LED保持面11の裏面は、カップ状部材15の底板部15aの裏面が絶縁樹脂による絶縁区画部17の裏面と面一に表出されている。このパッケージ10は1つのカップ状部材15に4つのLED素子21を搭載し、各LED素子21の電極とリード部14とをワイヤ22で電気的に接続し、素子保持空間13を光透過性樹脂23で封止して、LED装置20となる。
尚、カップ状部材15の内側面は、前述のごとく、光の反射率が高くなる様な処理が必要である、更に鏡面加工するのが望ましい。これにより、アルミ製や銀製のカップ状部材では、LED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を有することができる。また、銅製等の金属製のカップ状部材においては、例えば銀製の反射層を形成して表面を鏡面加工することにより、同様に、LED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を有することができる。
図6は本発明のLED装置用パッケージの別の実施例の構成を示す平面図である。図7は図6の底面図、図8は図6の正面図であり、図9は図6の右側面図である。図10は図6のLED装置用パッケージを用いたLED装置の斜視図である。
本実施例のパッケージ60は、LED素子を保持するLED保持面61と、LED保持面61の周囲を囲む枠部材62とで構成される素子保持空間63を光透過性樹脂73で封止するLED装置に用いるものである。具体的には、LED保持面61には、LED素子をワイヤで電気的に接続される2つのリード部64と、LED素子を表面で熱伝導的に接触する平面形状が略円形の1つのカップ状部材65とが絶縁樹脂による絶縁区画部67を介して表出されている。
略円形のカップ状部材65は、図10に示す通り、LED素子71を保持するLED保持面61と、LED保持面61の周囲を囲む枠部材62とで構成される素子保持空間63を光透過性樹脂73で封止するLED装置70に用いるものである。尚、図10において絶縁樹脂による絶縁区画部67を示すパターン線は省略している。図10に示す通り、カップ状部材65は、LED素子71に熱伝導的に接触する底板部65aと、この底板部65aの縁に形成された反射面部65bとを備える。反射面部65bは底板部65aの全周縁に環状に形成され、反射面部65bは、この反射面部65bの内側の底板部65aに熱伝導的に接触されたLED素子71の放射光が、この反射面部65bを介した外側のLED保持面61と枠部材62とに直接照射されることを阻止する高さに形成されている。
また、図7、図8、図9及び図10に示す通り、LED保持面61の裏面は、カップ状部材65の裏面のみが表出され、絶縁樹脂による絶縁区画部67の裏面と面一に表出されている。このパッケージ60は1つのカップ状部材65に1つのLED素子71を搭載し、LED素子71の電極とリード部64とをワイヤ72で電気的に接続し、素子保持空間63を光透過性樹脂73で封止して、LED装置70となる。
尚、カップ状部材65の内側面は、前述のごとく、光の反射率が高くなる様な処理が必要である、更に鏡面加工するのが望ましい。これにより、アルミ製や銀製のカップ状部材では、LED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を有することができる。また、銅製等の金属製のカップ状部材においては、例えば銀製の反射層を形成して表面を鏡面加工することにより、同様に、LED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を有することができる。
本発明のLED装置用パッケージの一実施例の構成を示す平面図である。 図1の底面図である。 図1の正面図である。 図1の右側面図である。 図1のLED装置用パッケージを用いたLED装置の斜視図である。 本発明のLED装置用パッケージの別の実施例の構成を示す平面図である。 図6の底面図である。 図6の正面図である。 図6の右側面図である。 図6のLED装置用パッケージを用いたLED装置の斜視図である。
符号の説明
10 、60 …パッケージ、
11 、61 …LED保持面、
12 、62 …枠部材、
13 、63 …素子保持空間、
14 、64 …リード部、
15 、65 …カップ状部材、
15a、65a…底板部、
15b、65b…反射面部、
17 、67 …絶縁区画部、
20 70 …LED装置、
21 71 …LED素子、
22 72 …ワイヤ、
23 、73 …光透過性樹脂、

Claims (3)

  1. LED素子の保持領域を含むLED保持面と、該LED保持面の周囲を囲む枠部材とを備え、前記LED保持面と前記枠部材とで構成される素子保持空間を光透過性樹脂で封止したLED装置を構成するためのパッケージであって、
    前記LED保持面には、LED素子とワイヤボンディングにより電気的に接続されるリード部と、LED素子を内側に保持するカップ状部材と、前記リード部とカップ状部材とを絶縁樹脂で仕切る絶縁区画部とが表出され、
    前記カップ状部材は、LED素子に熱伝導的に接触する底板部と、この底板部の周縁部に形成された反射面部とを備え、
    前記反射面部は、この反射面部の内側の底板部に熱伝導的に接触されたLED素子の放射光が、この反射面部を介した外側の前記LED保持面と枠部材とに照射されることを阻止する高さに形成され、
    前記LED保持面の裏面側は、前記カップ状部材の底板部の裏面が前記絶縁区画部の裏面と面一に表出されていることを特徴とするLED装置用パッケージ。
  2. 前記カップ状部材の内側面が、鏡面加工されたことを特徴とする請求項1に記載のLED装置用パッケージ。
  3. 前記カップ状部材の内側面には、底板部に熱伝導的に接触されたLED素子から放射される光のほぼ全波長域に対して高い反射率を備える反射層が形成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載のLED装置用パッケージ。
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