JP4918238B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は発光装置、特にボンディングワイヤーの光の反射を高めた発光装置に関する。
ＬＥＤの高出力化、高効率化により、ＬＥＤが利用されるアプリケーションが拡大している。従来の有色のインジケータ用途、屋外大型ディスプレー用途に加え、白色の携帯電話のバックライト光源、ヘッドライト、照明光源へと急速に使用量が増加している。これらＬＥＤのニーズに応える為には、さらなる高出力化、高効率化が必要となっている。
窒化物化合物半導体からなる緑〜紫外の発光ダイオードにおいては、サファイア基板の表面に窒化物化合物半導体を積層し、基板の反対の面にｐ電極、ｎ電極を形成し、２本のＡｕ線でパッケージリードに接続するタイプ（図１参照）と、ＳｉＣ基板の表面に窒化物化合物半導体を積層し、基板の裏面にｎ電極を、窒化物化合物半導体の表面にｐ電極を形成し、基板の裏面と１本のＡｕ線を介してパッケージリードに接続するタイプの２種が一般的である。その際、Ａｕ線は緑〜紫外領域の光を吸収する為、発光出力をロスしている部分である。 Ａｕ線の吸収問題に関して、発光素子全体を包囲する樹脂モールド中に発光波長より長波長の可視光に変換する蛍光体を含有させ、Ａｕ線に光が当たる前にＡｕ線の光吸収率が低い長波長光に変換することでロスを低減する方法を開示している（特許文献１参照）。
一方、ワイヤーボンド用の金属細線にコーティングする技術としては、コストダウンを目的として錫を被覆した金線の例が存在する（特許文献２参照）。また、コストダウンと接着特性の両立を目的に銅、アルミ、金からなる金属細線の表面にそれよりも純度の高い同種の金属を被覆している半導体素子の結線用ボンディングワイヤーの例が開示されている（特許文献３参照）。しかし、これらの方法ではボンディングワイヤーのところでは光の反射率は高まらない。
特許２９００９２８号公報 特開昭６２−２２７５９２号公報 特開昭６２−２８７６３３号公報
本発明は緑〜紫外域に光吸収があるＡｕやＣｕのボンディングワイヤーによる光吸収ロスを解決する手段を提供すること、またそれによる高出力・高効率の発光装置を提供することが課題である。さらに緑〜紫外の単色の短波長発光素子に限らず、緑〜紫外の短波長発光素子を励起源として波長変換物質を加えた白色ＬＥＤや有色ＬＥＤの高出力化・高効率化を図ることが課題である。
本発明はボンディングワイヤーのＡｕ線やＣｕ線の表面にＬＥＤ発光に対する反射率を高める物質をコーティングし、ボンディングワイヤーの光反射率を高めることにより上記の課題を解決したものである。
即ち、本発明は以下の発明からなる。
（１）発光素子にワイヤーボンディングを有する発光装置において、ワイヤーボンディングのワイヤーに発光素子の発光波長に対して反射率を高める物質でコーティングされた金または銅を主成分とする金属細線を用いたことを特徴とする発光装置。
（２）コーティング物質が、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈの少なくとも一種あるいはこれらの少なくとも一種を含む金属であることを特徴とする上記（１）に記載の発光装置。
（３）金属細線の太さが１０μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の発光装置。
（４）コーティングが電解メッキ法、無電解メッキ法、真空蒸着法、化学蒸着法(ＣＶＤ法)、スパッタ法、溶融法、プラズマスプレー法、超音波法、金属粉入り樹脂塗布法、還元法、イオンプレーティング法、のいずれかで形成されたものであることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の発光装置。
（５）コーティング層の厚さが１ｎｍ〜金属細線直径の１０％であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の発光装置。
（６）発光素子が載置されるリード面の一部または大部分がＡｇ、Ａｌ、Ｒｈの少なくとも一種あるいはこれらを含む金属でコーティングされている事を特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の発光装置。
（７）上記（１）〜（６）のいずれかに記載の発光装置に発光素子の発光の一部あるいは全部を長波長光に変換する蛍光体を含むことを特徴とする発光装置。
本発明によりＡｕ線やＣｕ線の光吸収をほぼ完全に抑制することが可能となり、半導体発光装置の更なる高出力化・高効率化が実現した。さらに緑〜紫外の単色の短波長発光素子に限らず、緑〜紫外の短波長発光素子を励起源として波長変換物質を加えた白色ＬＥＤや有色ＬＥＤの高出力化・高効率化を図ることが出来た。
図２に本発明の発光装置の一例を断面図で示す。
図における６が光の反射率の高い物質でコーティングしたＡｕ線やＣｕ線である。このコーティング物質は、光の反射率がＡｕやＣｕより高いものであればよいが、反射率特性上、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈの少なくとも一種あるいはこれらの少なくとも一種を含む金属が好ましい。これらの金属を含む場合は５０質量％以上含むのがよい。
Ａｕ線およびＣｕ線の太さは１０μｍ〜１０００μｍの範囲が好ましい。砲弾型ＬＥＤで用いられているチップは０．３ｍｍ角程度であり、金属細線を接続するパッドは１００μｍ角程度であるため、数十μｍ太さの金属細線が用いられ、一方、パワーモジュール用途の数ｍｍサイズのチップには数百μｍ太さの金属細線が使われるからである。またコーティング層の厚さは１ｎｍ〜金属細線直径の１０％の範囲が好ましい。１ｎｍ未満では反射率を向上させるには薄すぎ、金属細線直径の１０％超ではワイヤーボンディング時の密着性を損なうからである。コーティング方法は真空蒸着法、化学蒸着法(ＣＶＤ法)、スパッタ法、溶融法、プラズマスプレー法、超音波法、金属粉入り樹脂塗布法、還元法、イオンプレーティング法、などを用いることが出来る。
図において２は発光素子、３は封止樹脂、４は樹脂成形体、５はリード、６はＡｇをコーティングしたＡｕ線である。
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、を初めとしたワイヤーボンディングを行うあらゆる発光装置に適用可能である。
本発明は、Ａｕ線やＣｕ線の吸収が顕著な紫外〜緑の短波長域で発光するＡｌＧａＩｎＮ系を初めとする窒化物化合物半導体系、ＺｎＯ系を初めとする酸化物化合物半導体系、ＣｄＺｎＳＳｅ系を初めとするセレン化物系、硫化物系化合物半導体系の発光素子に適用する事が望ましい。緑〜赤に発光するＡｌＧａＩｎＰ系を初めとする燐化物系、ＡｌＧａＡｓ系を初めとするヒ素化物系の発光素子に対しても適応に何ら問題はないどころか、青色、緑色発光素子と隣接して配置される、いわゆる３ｉｎ１パッケージ（３色のチップが１つのパッケージに入っているＬＥＤパッケージ）における赤色発光素子に対して好ましく本発明を適用できる。
本発明は、導電性基板上に積層され、エピ（エピタキシャル）面側と基板裏面に電極を配置し、エピ面側からは１本または複数本のボンディングワイヤーにて、基板側からは導電性接着剤等を介してパッケージの外部リード５に接続するタイプの発光素子に対しても有効である。
本発明の発光装置において、発光素子が載置されるリードの一部あるいは大部分がＡｇ、Ａｌ、Ｒｈの少なくとも一種あるいはこれらを含む金属でコーティングされていることが好ましい。これらの金属を含む場合は５０質量％以上含むのがよい。これによって光の反射率が高まり、発光出力が増大する。
また、本発明は、発光素子をサブマウントに載置し、サブマウントから１本または２本以上のワイヤーにてパッケージの外部リードに接続した場合にも有効である。
また、チップサイズは０．２ｍｍ角以下〜１ｍｍ角を超えるものまで、形状も正方形、長方形、円、楕円などあらゆる大きさ・形の発光素子に効果を発揮する。
本発明は、蛍光体と組み合わせても良い。青色の発光素子に対し、黄色発光の蛍光体を塗布した白色発光素子や、紫外光の発光素子に対し、赤、緑、青の蛍光体を塗布した白色発光素子について適用しても効果が高い。前記塗布の代わりに封止樹脂の中に蛍光体を分散配置することも出来る。この例を図３に示す。図で７が蛍光体を含有させた封止樹脂である。
本発明におけるパッケージは、砲弾型パッケージ（ＤＯＭＥ）、ＰＣＢ基板を利用した表面実装ダイオードパッケージ（ＳＭＤ）、ＴＯＰタイプやＳＩＤＥビュータイプを初めとする横型のリードフレームを利用したＳＭＤ、パワーＬＥＤパッケージ、カンタイプパッケージ、その他カスタムパッケージなどの単体パッケージや、チップ・オン・ボード（ＴＯＢ）、チップ・オン・フィルム（ＴＯＦ）等、ワイヤーボンディングを利用するあらゆるパッケージ、モジュールに適用可能である。
以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明による反射率を高めるためＡｇでコーティングしたＡｕ線を表面実装型ＬＥＤに適用した例を図２に示す。
ＬＥＤチップはサファイア基板上に積層されたＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体結晶からなり、エピ膜表面側にｎ電極とｐ電極が形成されているタイプである。サイズは０．３５ｍｍ角、高さ０．１ｍｍである。ｐ型透明電極としてＩＴＯが形成されており、その一部に不透明なワイヤーボンディング用のパッドが形成されている。ｎ電極はエッチングにより表出させたｎ型コンタクト層上に形成されており、ここにもワイヤーボンディング用のパッドが形成されている。これらｐ電極、ｎ電極のパッドの最表面はＡｕである。
表面実装ＬＥＤのパッケージのサイズは３．５ｍｍ×２．８ｍｍ、高さ１．８ｍｍである。リードフレームには反射率の高い白色の樹脂によるカップが形成されており、一対のインナーリードがカップ底面に表出する構造となっている。これらインナーリードの最表面はＡｇでコーティングされており、カップ底面のほぼ全面がＡｇ表面となる様、一対のリードのギャップは最小にされている。一対のインナーリードの形状は非対称であり、片方のインナーリードがパッケージ中心軸付近を占有する様に張り出している。
ＬＥＤチップは中心軸付近に張り出した片方のインナーリード上に熱硬化樹脂を用いて設置される。オーブンにて熱硬化樹脂を硬化させた後、ワイヤーボンダーにてＬＥＤチップと表面実装型ＬＥＤパッケージのインナーリードの間を１対のボンディングワイヤーにて接続した。この際、ボンディングワイヤーは純度４ＮのＡｕ線の表面を純度４ＮのＡｇでコーティングしたワイヤーを使用した。Ａｕ線のサイズは直径２５μｍであり、Ａｇコーティングの厚さは約０．５μｍであった。Ａｕ線へのＡｇコーティングは電気メッキにより実施した。
Ａｕに対してＡｇの量が無視できる程である為、ボールボンディングしたチップ上のボールシェア強度はＡｇコーティングしていないＡｕ線に比べて、有意差は見られなかった。パッケージのインナーリードへのボンディングに対してもＡｇコーティングしていないＡｕ線に比べて、有意差が観測されなかった。
次に、熱硬化性の透明シリコン樹脂にてカップ内を樹脂封止した。オーブンにて樹脂硬化し、表面実装型ＬＥＤのサンプルを完成させた。
２０ｍＡ印加時のＡｇコーティング無しとＡｇコーティング有りの光出力の比較を行った。サンプル数は各２０点である。Ａｇコーティング無しが平均値１５．３ｍＷに対し、Ａｇコーティング有りが１６．０ｍＷであった。Ａｇコーティング有りの方が４．６％程、出力が高い。発光波長の平均値はそれぞれ４６０．１ｎｍ、４５９．９ｎｍであり、波長による差ではない。
また、Ａｇコーティング無しとＡｇコーティング有りについて、シリコン樹脂に黄色蛍光体を混入した試料を作製した。サンプル数は各２０点である。Ａｇコーティング無しが色度座標平均値（ｘ、ｙ）＝（０．３２０，０．３２６）、全光束平均値４．１２ｌｍに対し、Ａｇコーティング有りが色度座標平均値（ｘ、ｙ）＝（０．３２１、０．３２７）、全光束平均値４．２８ｌｍであり、３．９％の全光束増が確認された。ちなみに発光効率は、それぞれ５８．９ｌｍ／Ｗ、６１．１ｌｍ／Ｗであり、効率ロスの低減が可能となった。
本発明はＡｕやＣｕでワイヤーボンディングしている発光素子の出力ロスを抑制し、発光効率を高めた光源を提供できる。本発明の発光素子は、省エネルギーに貢献し、産業上の利用価値は極めて大きい。
従来における表面実装型ＬＥＤの断面構造を模式的に示した図である。 本発明における表面実装型ＬＥＤの断面構造を模式的に示した図である。 本発明における蛍光体入りの表面実装型ＬＥＤの断面構造を模式的に示した図である。
符号の説明
１ Ａｕ線
２ 発光素子
３ 封止樹脂
４ 成型体
５ リード
６ ＡｇをコーティングしたＡｕ線
７ 蛍光体含有封止樹脂

Claims (7)

  1. 発光素子にワイヤーボンディングを有する発光装置において、ワイヤーボンディングのワイヤーに発光素子の発光波長に対して反射率を高める物質でコーティングされた金または銅を主成分とする金属細線を用いたことを特徴とする発光装置。
  2. コーティング物質が、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈの少なくとも一種あるいはこれらの少なくとも一種を含む金属であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 金属細線の太さが１０μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
  4. コーティングが電解メッキ法、無電解メッキ法、真空蒸着法、化学蒸着法(ＣＶＤ法)、スパッタ法、溶融法、プラズマスプレー法、超音波法、金属粉入り樹脂塗布法、還元法、イオンプレーティング法、のいずれかで形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
  5. コーティング層の厚さが１ｎｍ〜金属細線直径の１０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。
  6. 発光素子が載置されるリード面の一部または大部分がＡｇ、Ａｌ、Ｒｈの少なくとも一種あるいはこれらを含む金属でコーティングされている事を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の発光装置に発光素子の発光の一部あるいは全部を長波長光に変換する蛍光体を含むことを特徴とする発光装置。
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