JP2011018949A - 表面実装型発光ダイオード素子 - Google Patents

表面実装型発光ダイオード素子 Download PDF

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Abstract

【課題】蛍光体混合層の厚さを減少させ、ＬＥＤチップから発光して前記蛍光体混合層を透過する光のエネルギー損失を最小化することで、全体的な素子の光抽出効率を向上できる表面実装型ＬＥＤ素子を提供する。
【解決手段】対になった電極を一つ以上内側に収容し、中央に所定空間を有するとともに、光を放射させるために開放された放射窓を有して形成されたパッケージと、前記パッケージ上に形成されて前記放射窓を覆うレンズと、前記パッケージ内部の電極上に実装されたＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップと前記電極とを通電するためのワイヤーと、前記放射窓と隣接した前記レンズの表面に形成された蛍光体混合層と、を含んで表面実装型発光ダイオード素子を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面実装型発光ダイオード素子に関するもので、一層詳しくは、蛍光体の効率を最大化することで、レンズに放射される光の抽出効率を向上できる表面実装型発光ダイオード素子に関するものである。
一般的に、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；以下、「ＬＥＤ」という）は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ及びＩｎＧａＩｎＰなどの化合物半導体材料の変更を通して発光源を構成することで、多様な色の光を具現できる半導体素子をいう。
最近、ＬＥＤ素子は、飛躍的な半導体技術の発展と伴い、低輝度の汎用製品から脱皮し、高輝度及び高品質の製品生産が可能になった。また、高特性の青色と白色ダイオードが実際に具現化されることで、ＬＥＤ素子は、ディスプレイ及び次世代の照明源などへと、その応用価値が拡大されつつある。その一例として、表面実装形態のＬＥＤ素子が製品化されている。
以下、従来技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子に対し、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
まず、図１は、一般的な表面実装型ＬＥＤ素子の構造を示した概略図である。図１に示すように、表面実装型ＬＥＤ素子は、モールディングエポキシ樹脂などからなるパッケージ２０を有し、前記パッケージ２０の所定面には、光を容易に放射させるために開放された放射窓が形成されており、その上部には、上部表面が凸状をなすレンズ９０が形成されている。また、前記パッケージ２０の他面には、印刷回路基板などの外部回路に装着される一対のリード電極が一つ以上形成されたリードフレーム５０の一部分が突出されている。また、上記のように構成されたパッケージ２０の内部には、ＬＥＤチップ（図示せず）の発光面が前記レンズ９０に向かって配置され、ワイヤー（図示せず）によって前記リードフレーム５０とＬＥＤチップとが電気的に連結されている。
図２は、図１のＩ−Ｉ’線断面図で、従来技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子の構造を詳細に示している。
図２に示すように、従来技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子は、一対のリード電極が一つ以上形成されたリードフレーム５０と、前記リードフレーム５０の一部を内側に収容して形成されたパッケージ２０と、前記パッケージ２０内部のリードフレーム５０上に実装されたＬＥＤチップ６０と、前記ＬＥＤチップ６０と前記リードフレーム５０とを通電するためのワイヤー７０と、前記パッケージ２０内部に充填され、ＬＥＤチップ６０及びワイヤー７０を保護すると同時に、ＬＥＤチップ６０から発光する光の色相を決定する蛍光体混合層８０と、前記蛍光体混合層８０の上面に接しながらパッケージ２０の上部に形成されたレンズ９０と、を含んで構成される。
一般的に、ＬＥＤチップの特性を決定する基準は、色、輝度、輝度の強さ範囲などであり、これらＬＥＤチップの特性は、一次的にＬＥＤチップに用いられる化合物半導体の材料によって決定されるが、付随的にＬＥＤチップを実装するためのパッケージの構造及びそれに充填された蛍光体混合層に影響を受ける。特に、このようなパッケージ構造の内部に充填された蛍光体混合層は、輝度及び輝度の各分布に大きな影響を及ぼす。
しかしながら、上述した従来技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子の蛍光体混合層は、ＬＥＤチップが実装されたパッケージの内部全体に充填されるので、パッケージの内部深さによって比較的厚い厚さで形成されている。
一方、上記のように蛍光体混合層の厚さが厚くなると、ＬＥＤチップから発光する光が蛍光体混合層を通過する間、エネルギー損失が激しくなり、光抽出効率が低下するという問題があった。
また、従来技術に係る表面実装型ＬＥＤ素子は、前記蛍光体混合層がパッケージの内部全体に充填されるので、蛍光体の消費量が過多になり、製造費用が高くなることで、製造収率が低下するという問題があった。
本発明の目的は、上記のような問題点を解決するために、蛍光体混合層の厚さを減少させ、ＬＥＤチップから発光して前記蛍光体混合層を透過する光のエネルギー損失を最小化することで、全体的な素子の光抽出効率を向上できる表面実装型ＬＥＤ素子を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、一対からなる電極の一つ以上を内側に収容し、中央に所定空間を有するとともに、光を放射させるために開放された放射窓を有して形成されたパッケージと、前記パッケージ上に形成されて前記放射窓を覆うレンズと、前記パッケージ内部の電極上に実装されたＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップと前記電極とを通電するためのワイヤーと、前記放射窓と隣接した前記レンズの表面に形成された蛍光体混合層と、を含む表面実装型発光ダイオード素子を提供する。
また、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記蛍光体混合層が形成されたレンズの表面は、放射窓の表面に対してレンズ方向に凹状をなす溝を有することが好ましい。
また、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記凹状溝の内部表面は、表面実装型ＬＥＤ素子の特性によって変更可能であり、これは、半球面、溝の両端から中央部に向かってテーパーされた傾斜面または凹凸面からなる。
また、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記蛍光体混合層が形成されたレンズの反対表面は、外部に向かって凸状をなす半球面からなることが好ましい。
また、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記パッケージ内部に充填され、前記ＬＥＤチップ及びワイヤーを保護する空気または液状樹脂をさらに含むことが好ましい。
また、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記パッケージは、一対のリード電極が一つ以上形成されてなるリードフレームの一部を内側に収容するようにモールディング樹脂で形成されることが好ましく、このとき、前記モールディング樹脂は、透明合成樹脂材または不透明合成樹脂材などからなる。
また、本発明の表面実装型ＬＥＤ素子において、前記パッケージは、一対の電極が一つ以上印刷された回路基板で形成される。
本発明によると、パッケージの放射窓と隣接したレンズの表面に蛍光体混合層を形成し、蛍光体混合層の厚さ及び濃度を容易に調節することで均一な白色光を具現できる。
また、レンズと蛍光体混合層とが一体化し、ＬＥＤチップの外部面、すなわち、上面及び側面と均一な距離を維持することで均一な色相を得られる。
また、前記蛍光体混合層の薄い厚さを通して、ＬＥＤチップから発光して前記蛍光体混合層を透過する光のエネルギー損失を最小化できる。
したがって、本発明は、色再現率を高めるとともに、光抽出効率の向上した表面実装型ＬＥＤ素子を提供できる。
以下、本発明の実施例に対し、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施可能な程度に、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図面では、多くの層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体を通して類似した部分には、同一の図面符号を併記した。
以下、本発明の実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子に対し、図面に基づいて詳細に説明する。
実施例１
まず、本発明の第１実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子に対し、図３に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の第１実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子を示した断面図である。
図３に示すように、本発明の第１実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子は、内部中央にキャビティが形成されたパッケージ２０を有し、前記パッケージ２０の所定面には、光を容易に放射させるために開放された放射窓が形成されており、その上部にレンズ９０が位置する。
特に、本発明に係る前記レンズ９０は、放射窓と隣接した表面がレンズ９０方向に凹状溝を有して形成されている。このとき、前記レンズ９０の凹状溝は、後述する蛍光体混合層の形成領域を定義する役割をする。
本実施例では、凹状溝の内部表面が曲面からなるレンズ９０を示したが、これに限定されることなく、レンズ９０の凹状溝の内部表面は、図４〜図７に示すように、多様な形状の表面を有している。
図４〜図７は、本発明の第１実施例に係るレンズの変形例を示した断面図である。
レンズ９０の凹状溝の内部表面を一層詳細に説明すると、図４は、半球面からなる場合を示しており、図５は、溝の両端から中央部に向かってテーパーされた傾斜面からなる場合を示しており、図６及び図７は、パッケージ内部に複数のＬＥＤチップが位置するとき、凹部と凸部を含む凹凸面からなる場合を示している。図中、未説明符号８０は、蛍光体混合層を示す。
上記のように、放射窓と隣接したレンズ９０の内部表面の多様な形状により、ＬＥＤチップから発光する光の指向角を素子の特性によって調節することができ、それによって素子の全般的な光抽出効率も向上させることができる。特に、図６及び図７に示した凹凸面を有するレンズ９０によると、パッケージ内に複数のＬＥＤチップを配置するとき、各ＬＥＤチップの特性に合わせて互いに異なる指向角を構成することができる。
このとき、前記凹状溝を有するレンズ９０の反対表面は、外部に向かって凸状をなす半球面からなる。
前記レンズ９０の凹状溝、すなわち、前記放射窓と隣接したレンズ９０の表面には、蛍光体混合層８０が形成されている。前記蛍光体混合層８０は、塗布方式によって形成されるもので、酸化物系、ケイ酸塩系、窒化物系及び硫化物系蛍光体混合物などからなる。
すなわち、本発明に係る前記蛍光体混合層８０は、パッケージ２０の放射窓と隣接したレンズ９０の表面に塗布方式を通して形成されるもので、蛍光体混合層８０の厚さ及び濃度調節が、パッケージ２０の内部全体に充填されていた従来技術の蛍光体混合層（図２の８０を参照）に比べて容易であり、多様な色座標別に均一な白色光を具現することができる。また、前記蛍光体混合層８０は、下部に位置するＬＥＤチップ６０の側面及び上面と均一な距離を維持することで、ＬＥＤチップから発光する光の色相を一層均一に得ることができる。
また、前記蛍光体混合層８０をレンズ９０の表面に形成してレンズ９０と一体化することで、パッケージ２０とレンズ９０の剥離（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）を防止できるとともに、パッケージ２０内に蛍光体混合層８０によって気泡が発生することを防止できる。
前記パッケージ２０の他面には、印刷回路基板（図示せず）に装着される一対の電極が一つ以上形成されており、この一部がパッケージの内側に収容されている。
一層詳細に説明すると、前記パッケージ２０は、一対のリード電極が一つ以上形成されてなるリードフレームの一部を内側に収容するようにモールディング樹脂で形成されるか、一対の電極が一つ以上印刷された回路基板で形成される。
本発明は、一対のリード電極が一つ以上形成されてなるリードフレーム５０の一部を内側に収容するようにモールディング樹脂で形成されたパッケージ２０を、実施例として説明する。このとき、前記パッケージ２０のモールディング樹脂は、透明合成樹脂材または不透明合成樹脂材などからなる。
そして、上記のように構成されたパッケージ２０の内部には、ＬＥＤチップ６０の発光面が前記放射窓に向かって配置され、このＬＥＤチップ６０は、ワイヤー７０を通して前記リードフレーム５０とワイヤーボンディングされて電気的に連結されている。
前記ＬＥＤチップ６０は、リードフレーム５０の何れか一つのリード電極上に実装されており、前記ＬＥＤチップ６０が実装されたパッケージ２０内部には、空気３０が充填されている。この空気３０は、前記ＬＥＤチップ６０が実装されたパッケージ２０の内部を中空化し、ＬＥＤチップ６０に電流を印加するワイヤー７０に集中する応力を最小化する役割をする。
実施例２
以下、本発明の第２実施例に対し、図８に基づいて説明する。第２実施例の構成のうち、第１実施例と同一の部分に対する説明は省略し、第２実施例では、第１実施例と異なる構成のみを詳述することにする。
図８は、本発明の第２実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子の構造を示した断面図である。
図８に示すように、第２実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子は、第１実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子と構成がほぼ同一であるが、ＬＥＤチップ６０が実装されたパッケージ２０の内部が液状樹脂４０で充填されている点で第１実施例と異なる。
上記のような第２実施例に係る表面実装型ＬＥＤ素子は、パッケージ２０の放射窓と隣接したレンズ９０の表面に形成された蛍光体混合層８０を有することで、第１実施例の場合と同一の作用及び効果を得られる。さらに、パッケージ２０内部に充填された液状樹脂４０を通して、パッケージ２０内部に実装されたＬＥＤチップ６０及びワイヤー７０を伝導性不純物及び外部衝撃から保護できるという点で、第１実施例の場合より一層優れた効果を得られる。
また、第２実施例は、第１実施例の多様な変形例にも適用可能である。
以上、本発明の好適な実施例に対して詳細に説明してきたが、当該の技術分野で通常の知識を有する者であれば、多様な変形及び均等な他の実施例が可能である点を理解できるだろう。したがって、本発明の権利範囲は、上記の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の多様な変形及び改良形態も、本発明の権利範囲に属するものである。
一般的な表面実装型発光ダイオード素子の構造を示した概略図である。 図１のＩ−Ｉ’線断面図である。 本発明の第１実施例に係る表面実装型発光ダイオード素子を示した断面図である。 本発明の第１実施例に係るレンズの変形例を示した断面図である。 本発明の第１実施例に係るレンズの変形例を示した断面図である。 本発明の第１実施例に係るレンズの変形例を示した断面図である。 本発明の第１実施例に係るレンズの変形例を示した断面図である。 本発明の第２実施例に係る表面実装型発光ダイオード素子を示した断面図である。
２０ パッケージ
３０ 空気
４０ 液状樹脂
５０ リードフレーム
６０ ＬＥＤチップ
７０ ワイヤー
８０ 蛍光体混合層
９０ レンズ

Claims (11)

  1. 一対からなる電極を一つ以上内側に収容し、中央に所定空間を有するとともに、光を放射させるために開放された放射窓を有して形成されたパッケージと、
    前記パッケージ上に形成されて前記放射窓を覆うレンズと、
    前記パッケージ内部の電極上に実装されたＬＥＤチップと、
    前記ＬＥＤチップと前記電極とを通電するためのワイヤーと、
    前記放射窓と隣接した前記レンズの表面に形成された蛍光体混合層と、
    を含む表面実装型発光ダイオード素子。
  2. 前記蛍光体混合層が形成されたレンズの表面は、放射窓の表面に対してレンズ方向に凹状をなす凹状溝を有することを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  3. 前記凹状溝は、その内部表面が半球面からなることを特徴とする請求項２に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  4. 前記凹状溝は、その内部表面が溝の両端から中央部に向かってテーパーされた傾斜面からなることを特徴とする請求項２に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  5. 前記凹状溝は、その内部表面が凹凸面からなることを特徴とする請求項２に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  6. 前記蛍光体混合層が形成されたレンズの反対表面は、外部に向かって凸状をなす半球面からなることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  7. 前記パッケージの内部に充填され、前記ＬＥＤチップ及びワイヤーを保護する空気をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  8. 前記パッケージの内部に充填され、前記ＬＥＤチップ及びワイヤーを保護する液状樹脂をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  9. 前記パッケージは、一対のリード電極が一つ以上形成されてなるリードフレームの一部を内側に収容するように、モールディング樹脂で形成されることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  10. 前記モールディング樹脂は、透明合成樹脂材または不透明合成樹脂材からなることを特徴とする請求項９に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
  11. 前記パッケージは、一対の電極が一つ以上印刷された回路基板で形成されることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光ダイオード素子。
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