JP2010205942A - Light emitting diode covered with hollow glass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオードに関する。より詳しくは、中空のガラスで発光ダイオード素子を覆った構造の発光ダイオードデバイスに関する。 The present invention relates to a light emitting diode. More specifically, the present invention relates to a light emitting diode device having a structure in which a light emitting diode element is covered with a hollow glass.
発光ダイオードとは、p型半導体層とn型半導体層との接合間に電流を注入することによって、赤外、可視、紫外光などを放出する光半導体素子の一種である。このような発光ダイオードデバイスは、一般的には発光ダイオード素子と、これに電気的に接続されたワイヤやリードフレームを樹脂で覆って保護した構造をとっている。 A light-emitting diode is a type of optical semiconductor element that emits infrared, visible, ultraviolet light, and the like by injecting a current between junctions of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. Such a light-emitting diode device generally has a structure in which a light-emitting diode element and a wire or a lead frame electrically connected thereto are covered with a resin and protected.
近年、発光ダイオードの発光波長の短波長化、高出力化や高信頼性への要求が高まるに従って、発光ダイオード素子周辺を封止樹脂で覆う構造には問題がある、との指摘がされるようになってきた。短波長光に長時間晒され続けると、封止樹脂は劣化し、当初透明であった樹脂が黄変又は黒変するのである。この結果、不透明になった樹脂に発光を遮られ、本来期待される寿命よりはるかに短い時間で発光ダイオードデバイスの発光強度は低下する。 In recent years, it has been pointed out that there is a problem with the structure in which the periphery of the light emitting diode element is covered with a sealing resin as the light emission wavelength of the light emitting diode becomes shorter, the demand for higher output and higher reliability increases. It has become. If the resin is continuously exposed to short wavelength light for a long time, the sealing resin deteriorates and the initially transparent resin turns yellow or black. As a result, light emission is blocked by the opaque resin, and the light emission intensity of the light-emitting diode device decreases in a time much shorter than the originally expected life.
更には、封止樹脂は水分をさほど遮断することができず、湿度の高い条件下で使用された発光ダイオードデバイスは、封止された発光ダイオード素子自体が劣化することを防止できない。 Furthermore, the sealing resin cannot block moisture so much, and the light emitting diode device used under high humidity conditions cannot prevent the sealed light emitting diode element itself from deteriorating.
これらの問題を解決するため、樹脂をガラスに代えた発光ダイオードデバイスの封止構造とその製造方法が特許文献1に提案されている。
In order to solve these problems,
かかる文献の製造方法は、まずガラス管の一端を略半球面状の形状とし、次に他端の開口側からガラスビーズによって結束した一対のリードフレームを挿入し、その後ガラス管とガラスビーズとをバーナで加熱して融着している。この製造方法により、リードフレーム状に固定された発光ダイオード素子は、ガラス管とガラスビーズによって気密に封止される。
前記の製造方法を実際に適用した場合、発光ダイオード素子の光軸がガラス管の軸に対してズレを生じるという問題がある。この問題を図6によって説明する。 When the above manufacturing method is actually applied, there is a problem that the optical axis of the light emitting diode element is shifted from the axis of the glass tube. This problem will be described with reference to FIG.
図6は、発光ダイオード素子をその上部に固定したリードフレームを、一端を封じたガラス管とリードフレームに固定したガラスビードの融着によって封止する工程を示したものである。工程(a)において、リードフレームをガラス管に挿入し、ガラスビード下方のガラス管側壁にバーナを当てて加熱し、仮止めを行う。工程(b)において、仮止めをしたガラスビードの位置にガラス管側壁からバーナを当てて、ガラスビードとガラス管とを加熱し、融着させる。工程(c)において、余ったガラス管下方の部分を除去し、ガラス封止した発光ダイオードデバイスが完成する。 FIG. 6 shows a process of sealing a lead frame having a light emitting diode element fixed thereon by fusing a glass tube sealed at one end and a glass bead fixed to the lead frame. In the step (a), the lead frame is inserted into a glass tube, heated by applying a burner to the side wall of the glass tube below the glass bead and temporarily fixed. In the step (b), a burner is applied from the side wall of the glass tube to the position of the temporarily fixed glass bead, and the glass bead and the glass tube are heated and fused. In step (c), the remaining portion below the glass tube is removed to complete a glass-sealed light emitting diode device.
ここで、工程(a)の仮止め及び工程(b)の融着のいずれも、工程中に発光ダイオード素子の光軸とガラス管の軸との間にズレが生じやすい。これは、この工程を通じてリードフレームのガラス管に対する相対的な位置を固定する手段をとらないことによる。このため、特に大量生産を行う場合には、製品ごとの指向特性がばらつき、問題であった。 Here, both of the temporary fixing in the step (a) and the fusion in the step (b) tend to cause a deviation between the optical axis of the light emitting diode element and the axis of the glass tube during the step. This is because no measures are taken to fix the relative position of the lead frame to the glass tube throughout this process. For this reason, particularly when mass production is performed, the directional characteristics of each product vary, which is a problem.
本発明は、上記問題の解決を意図してなされたものである。本発明の特徴的な点は、発光ダイオード素子を固定したリードフレームを中空ガラス部内に封止する際、リードフレームに更にガイド部を設け、中空ガラス部の内壁に接触させてズレを防ぐことである。 The present invention has been made with the intention of solving the above problems. A characteristic feature of the present invention is that when the lead frame to which the light emitting diode element is fixed is sealed in the hollow glass portion, a guide portion is further provided on the lead frame to prevent the displacement by contacting the inner wall of the hollow glass portion. is there.
この構成及び製造方法により、中空ガラス内に発光ダイオード素子を封止する構造の発光デバイスにおいて、製品ごとの軸方向のズレが抑制される。この結果、製品ごとのばらつきが少なくなり、製造歩留まりが向上する。 With this configuration and manufacturing method, axial deviation of each product is suppressed in a light emitting device having a structure in which a light emitting diode element is sealed in a hollow glass. As a result, variations among products are reduced, and manufacturing yield is improved.
以下に、本発明を図に沿って説明する。なお、説明のために「上」又は「上方」、「下」又は「下方」等の方向の表記を用いるが、これは本発明の発光デバイスにおける光軸方向を便宜的に「上」とし、その反対側を「下」としたものである。 Below, this invention is demonstrated along a figure. For the sake of explanation, the notation of directions such as “upper” or “upper”, “lower” or “lower” is used, but this means that the direction of the optical axis in the light emitting device of the present invention is “upper” for convenience. The opposite side is “down”.
図1(a)は、本発明による発光デバイスの第一の実施形態の側面図である。正極と負極の端子として用いられる一対のリードフレーム1の一方1aには素子設置部2が設けられ、そこに発光ダイオード素子3が固定されている。発光ダイオード素子3は、リードフレーム1aと電気的に接続されている一方で、他方のリードフレーム1bと発光ダイオード素子3との間もワイヤ4を通じて電気的に接続されている。
FIG. 1 (a) is a side view of a first embodiment of a light emitting device according to the present invention. One element 1a of a pair of
中空ガラス部5は、発光ダイオード素子3の発光波長において光を透過する材料で構成される。また、中空ガラス部5は、発光ダイオード素子3を覆っており、中空ガラス部5の内壁下部周囲において融着しているガラスビード6と合わせて、発光ダイオード素子3を密封している。
The
ここで、ガイド部7は、素子設置部2の下に、リードフレーム1aから水平方向へ張り出すようにして固定される。そして、ガイド部7は中空ガラス部5の内壁に接触し、そのことによってリードフレーム1a及び発光ダイオード素子3の中空ガラス部5に対する相対的な位置を限定するように働く。その結果、中空ガラス部5の軸方向に対する発光ダイオード素子3の光軸方向のズレを抑制することができる。
Here, the
上記のように組み立てた後、リードフレーム1a、1b間に電流を流すと、発光ダイオード素子3が作動し、光を発する。発光ダイオード素子3からの発光は、主として光軸方向に所定の配光を形成しつつ中空ガラス部5を透過して本デバイス外部へ放射されることになる。
After the assembly as described above, when a current is passed between the lead frames 1a and 1b, the light
以下、各部材について説明する。発光ダイオード素子3は、一般的には化合物半導体単結晶層の積層構造によって構成される。具体的にはGaAs、AlGaAs、InAlGaP、GaP、GaN、ZnO、ZnSe等である。この積層構造は、n型層とp型層を含み、かつ、この間にMQW等の発光層が挟み込まれる。n型層上とp型層上にはそれぞれオーミック接続した電極層が形成され、リードフレーム1a、1bと各電極層とは電気的に接続されている。電気的に接続するための手段は、例えばワイヤ4や、導電性接着剤(図示せず)、共晶ハンダ(図示せず)などである。
Hereinafter, each member will be described. The light
リードフレーム1は、ガラス封着線や、例えばジュメット線(銅被覆されたFe−Ni合金)やコバール線などの、2本の棒状又は細い板状の金属によって構成される。2本のうち一方は一方の極(例えば負極)の端子として、もう一方は他方の極(例えば正極)の端子として機能する。図1(a)のリードフレーム1a上部には発光ダイオード素子3を固定できるように素子設置部2が形成されている。素子設置部2は、発光ダイオード素子3からの光を上方へ反射するよう凹状に形成されていても、平坦であっても良い。
The
中空ガラス部5は、半球形状や砲弾形状であって、内部が中空のガラスによって構成される。このような形状は、例えばガラス管の一端を加熱して加工する等の一般的な方法で得ることができる。また、ガラスビード6は、ガラス管と同じ材料が好ましい。熱膨張係数が一致するため、融着時においてクラックの発生が無いためである。無論、融着時においてクラック等の問題がなければ、他の材料であってよい。具体的な材料としては、珪酸塩ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、燐酸塩ガラスなどを挙げることができる。ガラスビード6は、一対のリードフレーム1が貫通するように固定し、その後、中空ガラス部5と共に加熱融着される。
The
中空ガラス部5の内壁や発光ダイオード素子3の表面など、発光ダイオード素子3からの発光が中空ガラス部5を介して外部へ放出される経路のいずれかの部分に蛍光体層(図示せず)を配置することもできる。発光ダイオード素子3として青色に発光するものを選択し、蛍光体としてYAG:Ceなど青色光を吸収して黄色蛍光を発するものを選択した場合、本デバイス全体として白色発光を得ることができる。その他、発光ダイオード素子3と蛍光体との選択次第で、発光ダイオード素子3が発する以外の発光色を得ることが可能である。また、中空ガラス部5自体を、通常のガラスではなく、蛍光ガラスによって構成することもできる。この場合も、発光ダイオード素子3と蛍光ガラス材料との選択次第で、発光ダイオード素子3が発する以外の発光色を得ることが可能である。
A phosphor layer (not shown) on any part of the path through which the light emitted from the light emitting
ガイド部7は、耐熱性、形状を保つ強度、加工がしやすい、という性質を満足する材料であれば良い。具体的には、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルとその合金などの金属やセラミックスなどである。ただし、導電性材料を使用した場合、一方のリードフレーム1aと、他方とのリードフレーム1bとがショートしないよう形状をデザインする必要がある。ガイド部7は、金型による成形、冶具による折り曲げ成形など一般的な方法を適用して製造できる。ガイド部7を製造後、リードフレーム1との接合は、溶接、接着等により形成される。また、はめ込み等により形成してもよい。
The
次に、ガイド部7の形状について説明する。図1(b)、(c)、(d)は、それぞれ図1(a)中の点線A−A’で本発光デバイスを切断した場合の断面図を示す。ガイド部7の平面形状は、中空ガラス部5の内壁の形状に一致する形状、例えば円形であって良い。しかし、中空ガラス部5とガラスビード6とで密封される空間を、真空にする場合又は化学的に不活性なガス(N2、Ar、Ne等)で満たす場合、ガイド部7より上方の空間の空気を排出するためにガイド部7と中空ガラス部5との間に隙間があったほうが良い。(b)のようにリードフレーム1aから3方向へ張り出すようにした形状であれば軸方向のズレを最小限にしつつ、ガイド部7の隙間から空気を排出しやすいため好ましい。また、(c)や(d)のように、中空ガラス部5内の断面に対して広い面積を占める構成とすることもできる。特に、ガイド部7を白色とした場合や、反射率の高い材料をコーティングした場合、発光ダイオード素子3からの発光が中空ガラス部5の内面で反射されて光軸方向とは反対の方向へ戻ってくる光を再度反射し、外部へ取り出すことができるようになるため、好ましい。コーティングに用いる材料は、発光ダイオード素子3の発光色によるが、金、銀、アルミニウムや、光学多層膜であってよい。なお、デザイン上、有色であってもよい。空気の排出と、光の反射のバランスから、ガイド部7の中空ガラス部5内の断面積に対する広さは、70〜90%程度が適当である。
Next, the shape of the
図2は、本発明による第二の実施形態である。なお、図2において第一の実施形態と同様の部分については同一の符号を付す。図2(a)にある第二の実施形態において特徴的な点は、中空ガラス部5の内壁が、上方へ行くにしたがって内側に傾斜している点である。このような構造の中空ガラス部5を使うことによって、ガイド部7が確実に所定の位置で中空ガラス部5の内壁に接触する。この結果、より確実に軸ズレを解消できると同時に、上下方向の位置も精度よく位置決めが可能となる。また、図2(b)は、ガイド部7端部を、中空ガラス部5の先端の曲面に接するまで押し込んだ上で密封したものである。即ち、中空ガラス部5上方の曲面部分を内側に傾斜した部分として用いたものである。この変形例でも同様の効果が得られる。図2(a)、(b)の実施形態とも、製造に当たっては中空ガラス部5を上下反転させて下(重力が働く方向)へ向け、リードフレーム1をガイド部7が中空ガラス部5の曲面に突き当たるまで挿入した上で密封する、という工程をとることができる。このような工程は、量産が簡単に行えるという利点がある。
FIG. 2 is a second embodiment according to the present invention. In FIG. 2, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. A characteristic point in the second embodiment shown in FIG. 2A is that the inner wall of the
図3は、本発明による第三の実施形態である。第三の実施形態において特徴的な点は、ガイド部7の構造が平板ではなく、上方に向かって開いた形状の反射面8を内面に持つことである。このような構造のガイド部7を使うことによって、軸ズレの解消と同時に反射面8による本発光デバイスの配光を制御し、更に、軸方向への発光強度を高める効果を奏する。
FIG. 3 shows a third embodiment according to the present invention. A characteristic point of the third embodiment is that the structure of the
図4は、本発明による第四の実施形態である。本実施形態においては、本発光デバイスの製造方法を説明する。最初に工程(a)において、ガラスビード6を一対のリードフレーム1の下方に固定する。ガラスビード6は珪酸塩ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、燐酸塩ガラスなどの材料を用いる。これを固定する方法としては、所定の長さにカットした円筒状のガラスをリードフレームの所定の位置にバーナーにより加熱し、溶着させる。
FIG. 4 is a fourth embodiment according to the present invention. In the present embodiment, a method for manufacturing the light emitting device will be described. First, in step (a), the
次に、工程(b)において、ガイド部7を固定する。ガイド部7に用いる材料として、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルとその合金などを用いる。これを形成し、固定する方法としては、金型による成形や冶具による折り曲げ成形などによりガイド部を形成し、融着、接着、かしめなどにより固定し、形状を作製する。
Next, in the step (b), the
次に、工程(c)において、発光ダイオード素子3をリードフレーム1a上の素子設置部2に固定する。
Next, in the step (c), the light emitting
次に、工程(d)において、一対のリードフレーム1を中空ガラス部5の中に挿入する。この際、ガイド部7を中空ガラス部5の内壁に接触するようにして、発光ダイオード素子3が、中空ガラス部5の軸上に位置するようにする。
Next, in the step (d), the pair of
次に、工程(e)において、ガラスビード6より下方の中空ガラス部5側面をバーナで加熱し、凹ませる。これによってリードフレーム1を仮止めする。
Next, in the step (e), the side surface of the
最後に、工程(f)において、ガラスビード6と同じ高さにある中空ガラス部5の側面をバーナで加熱し、ガラスビード6と中空ガラス部5を融着する。融着は中空ガラス部5の全周にわたって行い、中空ガラス部5と、ガラスビード6とによって形成される空間を密封する。そして、余分な長さの中空ガラス部(5)下方を切り離す。
Finally, in the step (f), the side surface of the
なお、工程(d)において、ガイド部7の外周にバネ9を形成し、バネ9と中空ガラス部5との間の弾性力によって位置が固定できるようにした場合(図5の工程(d’))、仮止めを行う工程(e)を行わなくてもよい。また、工程(d)において、中空ガラス部5の開口部を上方に向け、ガイド部7が下向きになるようにリードフレーム1を挿入した場合(図5の工程(d’’))、中空ガラス部5の閉口部にガイド部7が突き当たる様にできる。この場合、仮止めを行う工程(e)は行わなくともよい。
In the step (d), the spring 9 is formed on the outer periphery of the
1 リードフレーム
1a リードフレーム(正極又は負極)
1b リードフレーム(負極又は正極)
2 素子設置部
3 発光ダイオード素子
4 電気的接続手段(ワイヤ)
5 中空ガラス部
6 ガラスビード
7 ガイド部
8 反射面
9 バネ
1 Lead frame 1a Lead frame (positive or negative electrode)
1b Lead frame (negative electrode or positive electrode)
2
5
Claims (13)
前記リードフレームの上端に形成された素子設置部と、
前記素子設置部に固定された発光ダイオード素子と、
前記リードフレームと前記発光ダイオード素子とを電気的に接続する電気的接続手段と、
前記発光ダイオード素子と、前記素子設置部と、前記電気的接続手段と、それら周辺の前記リードフレームの一部を覆う中空ガラス部と、
前記一対のリードフレームに貫通され、かつ、前記中空ガラス部下部と融着しているガラスビードと、
前記リードフレームの前記ガラスビードより上方に位置する場所に固定され、かつ、前記中空ガラス部の内壁に接したガイド部とを含むことを特徴とする発光デバイス。 A lead frame;
An element installation portion formed at the upper end of the lead frame;
A light emitting diode element fixed to the element installation portion;
Electrical connection means for electrically connecting the lead frame and the light emitting diode element;
The light emitting diode element, the element installation part, the electrical connection means, and a hollow glass part covering a part of the lead frame around them,
A glass bead penetrating the pair of lead frames and fused to the hollow glass lower portion;
A light emitting device comprising: a guide portion fixed to a position of the lead frame located above the glass bead and in contact with an inner wall of the hollow glass portion.
前記リードフレームの素子設置部より下方であって前記ガラスビードより上方にガイド部を固定する工程(2)と、
前記素子設置部上に発光ダイオード素子を固定する工程(3)と、
前記リードフレームを前記中空ガラス部に挿入し、前記ガイド部と前記中空ガラス部内壁とを接触させる工程(4)と、
前記ガラスビードの位置に当たる前記中空ガラス部側壁を加熱して融着し、前記発光ダイオード素子を封止する工程(5)と、を含むことを特徴とする発光デバイスの製造方法。 A step (1) of fixing a glass bead below a lead frame having an element installation portion;
A step (2) of fixing the guide portion below the element placement portion of the lead frame and above the glass bead;
Fixing the light emitting diode element on the element installation portion (3);
Inserting the lead frame into the hollow glass part and bringing the guide part into contact with the inner wall of the hollow glass part (4);
And a step (5) of heating and fusing the side wall of the hollow glass portion corresponding to the position of the glass bead to seal the light emitting diode element.
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