JP5724183B2

JP5724183B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5724183B2
Application number: JP2010041208A
Authority: JP
Inventors: 武夫栗本; 祐樹宮浦
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011176247A

Description

本発明は、発光素子が搭載された発光装置に関し、特に、ＬＥＤディスプレイなどの表示装置に用いられる発光装置に関する。

今日、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）の各色を発光可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）や、白色を高輝度に発光可能なＬＥＤが開発された結果、複数のＬＥＤを配列して構成されるＬＥＤ表示装置が種々の分野に応用されつつある。例えば、ＬＥＤは電球と比較して極めて寿命が長く、高効率、且つ振動にも強いため、これらの特性を活かして、広告、行き先案内や道路情報等の表示用、信号機の光源、小型乃至大型ディスプレイとして用いられてきている。

このようなＬＥＤとしては、表示コントラストの低下を抑制するために、白色樹脂の外面に黒色や紺色等の暗色系の塗装または樹脂層を設けたＬＥＤが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。このようなＬＥＤの一例としては、白色樹脂からなる凹部を有するパッケージ本体と、凹部の底面に実装された半導体発光素子と、凹部内に充填された封止樹脂と、パッケージ本体の上面に形成された暗色系の樹脂層と、を有する発光装置がある。これにより、複数のＬＥＤを並設した場合、消灯中のＬＥＤが外光や点灯中の別のＬＥＤの光を受けて点灯しているように見えることによる表示コントラストの低下を抑制できる。

また、光の取り出し効率を向上させるために、ＬＥＤチップを覆う封止樹脂の内部にシリカなどの比較的粒径の小さい光拡散部材を含有させた発光装置や、パッケージの表面に粒子状の光拡散部材を含有する層を形成した発光装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平０６−２７４３７８号公報特開２０００−１８３４０５号公報特開２００６−１０８６４０号公報特開２００３−８６８４６号公報

現在におけるＬＥＤ或いは複数のＬＥＤを使用したＬＥＤ表示装置においては、その利用分野の拡大或いはより高い表示品位が要求されることに伴い、屋外、屋内を問わず、表示コントラストの低下を軽減することに対して、さらなる改良が求められている。

すなわち、ＬＥＤが点灯している場合、太陽光、照明などの外来光がある角度において当たることにより、主に、ＬＥＤにおける封止樹脂の表面にて光の反射が起こり、表示コントラストが低下するという問題があった。また、ＬＥＤが点灯していない場合においても、視認側となるＬＥＤの上面および側面に外来光が当たることにより、その表面にて光の反射が起こり、所謂ギラつきが発生し、見た目に白っぽく映ってしまう。もちろん、複数のＬＥＤが基板に配置されたＬＥＤ表示装置の場合も、上記した同様の理由で、表示コントラストが低下してしまう。

これらの結果、図４に示すように、本来であれば視認側となるＬＥＤの上面が暗色系であることによって表示品位が保たれていたＬＥＤまたはＬＥＤ表示装置が、その表面にて光を反射することにより表示コントラストが低下するばかりでなく、ギラつきや白っぽく映ることにより、ＬＥＤまたはＬＥＤ表示装置としての品質が損なわれるという問題があった。さらに、暗色系の層の上に封止樹脂が這い上がると、封止樹脂表面で光が反射され、表示コントラストが低下する。

図４は、従来の発光装置を示す模式的な断面図である。図４に示す従来の発光装置は、凹部を有するパッケージ本体３１と、パッケージ本体３１に一部が被覆され、一部が露出した第１リード端子３２ａおよび第２リード端子３２ｂと、凹部の底面で露出したリード端子３２ａに実装された半導体発光素子３３と、半導体発光素子３３とリード端子３２ａ、３２ｂを電気的に接続する金属ワイヤ３４と、を有する。さらに、パッケージ本体３１の上面には暗色系の層３６が形成されている。パッケージ本体３１の凹部内には、半導体発光素子３３を被覆し、半導体発光素子３３の発光を散乱する粒子を含有する封止樹脂３５が充填されている。封止樹脂３５は暗色系の層３６の形成後に充填されるため、暗色系の層３７の上に封止樹脂３５の一部が這い上がり、封止樹脂３５によって被覆された樹脂被覆部３７が形成される場合がある。暗色系の層３６が露出している部分では光の反射が抑制されるが、樹脂被覆部３７の表面において光が反射されるため、表示コントラストが低下する。

また、封止樹脂を充填した後でその表面に光拡散部材を含有する層を形成する方法は、製造工程が増加するため、コストが増大する。また、半田付けのためにリードフレームを露出させる必要があり、半田付け不良を回避するために基板への半田実装後にコーティングすると、コーティングに失敗した場合には基板ごと不良品となるため、歩留まりが大きく低下する。

上記課題を解決するために、発光装置は、凹部を有するパッケージ本体と、前記凹部の底面に実装された半導体発光素子と、前記凹部内に充填された透光性の封止樹脂と、を備え、前記封止樹脂は、粒子を含有し、前記凹部から前記パッケージ本体の上面にかけて形成されており、少なくとも前記パッケージ本体の上面において、その表面に前記粒子の形状に沿った凸部を有し、前記パッケージ本体の上面に、前記封止樹脂を介して、暗色系の層が形成されたことを特徴とする。

上記の発光装置には以下の構成を組み合わせることができる。
前記上面の一部に、前記封止樹脂から露出した露出部を有し、前記暗色系の層は、前記露出部と前記封止樹脂の境界を少なくとも被覆する。
前記上面は、前記封止樹脂によって被覆された下段部と、前記封止樹脂から露出した上段部と、からなる段差を有する。
前記封止樹脂は、前記凹部上の表面に前記粒子の形状に沿った凸部を有する。
前記粒子は破砕状である。
前記パッケージ本体は白色樹脂からなり、前記暗色系の層は黒色樹脂からなる。

本発明によれば、外来光が照射された際、発光装置の上面における所謂ギラつきを減少させることができ、見る人に不快感を与えず、また表示コントラストの低下を大幅に軽減することができる発光装置を、容易に得ることができる。さらに、発光素子内部からの光を均一に散乱し外部に発光させることができると共に、発光素子内部からの光の混色性を向上させることができる。

図１は本発明の実施の形態１の発光装置を示す模式的な断面図である。図１に示す発光装置の一部を拡大した模式的な断面図である。図３は本発明の実施の形態２の発光装置を示す模式的な断面図である。図４は従来の発光装置を示す模式的な断面図である。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置およびその形成方法を例示するものであって、本発明は、発光装置およびその形成方法を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

［実施の形態１］
図１に、本発明の実施の形態１に係る発光装置の模式的な断面図を示す。発光装置は、凹部を有するパッケージ本体１と、パッケージ本体１に一部が被覆され、一部が露出した第１リード端子２ａ、第２リード端子２ｂと、凹部の底面で露出した第１リード端子２ａに実装された半導体発光素子３と、半導体発光素子３を被覆するように凹部内に充填された封止樹脂４と、を有する。半導体発光素子３とリード端子２ａ、２bとは、金属ワイヤ６によって電気的に接続されている。封止樹脂４は粒子を含有し、その表面は粒子に沿った凸部を有する。封止樹脂４の一部はパッケージ本体１の上面１ａにも形成されており、その封止樹脂４の上に暗色系の層５が形成されている。

図１に示す発光装置の一部を拡大した模式図を図２に示す。図２に示すように、封止樹脂４の表面には粒子７の形状に沿った凸部が形成されており、パッケージ本体１の上面１ａに形成された封止樹脂４の表面を覆うように暗色系の層５が形成されている。これによって、暗色系の層５への封止樹脂４の這い上がりを防止できると共に、封止樹脂４表面の凸部によって形成された暗色系の層５表面の凸部によって光を散乱させることができ、表示コントラストの低下を抑制できる。暗色系の層５表面の凸部は、封止樹脂４に含有される粒子７の形状に沿った凸部となる。封止樹脂４表面の凸部は、少なくとも暗色系の層５が形成される領域に設けることが好ましく、さらに好ましくは凹部上の封止樹脂４の表面にも凸部を設ける。このように封止樹脂４の表面全体に粒子７の形状に沿った凸部を配置することで、外来光の照り返しを抑制でき、コントラストの低下を低減できる。

（パッケージ本体）
パッケージを構成する樹脂の具体的な材料としては絶縁性部材が好ましい。また、半導体発光素子からの光や外光などが透過しにくい部材が好ましい。また、ある程度の強度を有するもので、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などを用いることができ、より具体的には、フェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ＢＴレジンや、ＰＰＡなどが挙げられる。パッケージ本体は、半導体発光素子を載置可能な凹部を有することが好ましい。この凹部は側面と底面を有しており、底面にはリード端子が露出されており、露出されたリード端子に半導体発光素子が載置される。また、パッケージ本体を白色樹脂で構成することで、凹部の壁面における光の反射率を向上でき、光取り出し効率を向上できる。

（リード端子）
リード端子の形状は、特に限定されるものではない。半導体発光素子と電気的に接続可能で、かつ、一部が基体に内包されるとともに基体の外部から突出するように延設され、この延設部によって外部と電気的な接続がとれるような機能を有していればよい。リード端子の材料としては、熱伝導率の比較的大きな材料を用いることが好ましい。このような材料で形成することにより、半導体素子で発生する熱を効率的に逃すことができる。例えば、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以上の熱伝導率を有しているものが好ましい。さらに、比較的大きい機械的強度を有するもの、あるいは打ち抜きプレス加工又はエッチング加工等が容易な材料が好ましい。具体的には、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、りん青銅、鉄入り銅等が挙げられる。

リード端子は第１リード端子と第２リード端子を有する。図１に示すように、第１リード端子２ａに半導体発光素子３を載置し、金属ワイヤ６によって半導体発光素子３と第１リード端子２ａ及び第２リード端子２ｂとを接続する。

（半導体発光素子）
半導体発光素子は、任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、ＺｎＳｅや窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いたものを用いることができる。また、赤色の発光素子としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどを用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる半導体発光素子を用いることもできる。用いる発光素子の組成や発光色、大きさや、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。また、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子とすることができる。さらには、半導体発光素子とともに、受光素子などを搭載することができる。また、半導体発光素子の周囲に半導体発光素子の発光を波長変換する蛍光体を配置して、任意の発光を得ることができる。例えば、青色発光の半導体発光素子と黄色発光の蛍光体を組み合わせて、白色を得ることができる。

（封止樹脂）
半導体発光素子が載置された凹部の内部は、封止樹脂によって封止される。封止樹脂は、パッケージに載置された半導体発光素子や金属ワイヤを、塵芥、水分や外力などから保護する部材であり、半導体発光素子からの光を透過可能な透光性を有する部材が用いられる。具体的な材料としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂を挙げることができる。封止部材は、半導体発光素子を完全に被覆する量を用いることが好ましい。

（粒子）
粒子の形状は、球形や破砕状とすることができる。球形の粒子は沈降し易く、封止樹脂表面に粒子の形状に対応した凸部が形成され難い。このため、封止樹脂からの光の取り出し効率を向上できるが、平坦な封止樹脂表面は外来光を反射し易く、所謂ギラツキが発生する。ギラツキを抑制するためには、破砕状の粒子とすることが好ましい。破砕状の粒子とすることで、同程度の大きさの球形の粒子より表面積が大きくでき、粒子の沈降を抑制できるので、封止樹脂の上部に粒子が存在する状態で樹脂硬化させることができる。図２に示す粒子７は、破砕状の粒子の一例である。このように粒子７を封止樹脂４の表面近傍に配置することで、粒子７の形状に沿った凸部を封止樹脂４の表面に分散して配置することができ、外来光の照り返しを抑制してコントラストの低下を低減できる。

粒子の濃度は、２０％より大きくすることが好ましく、これにより、封止樹脂の表面近傍に粒子を滞留させ、粒子の形状に沿った凸部を形成することができる。一方、粒子の濃度を大きくすると封止樹脂から光が取り出され難く、光度の低下や配光の偏りが生じるため、粒子の濃度は６０％以下が好ましく、さらに好ましくは４０％以下とし、より好ましくは３０％以下とする。粒子の大きさは、例えば０．５〜１０μｍ程度とすることができる。

粒子は、特に限定されるものではないが、酸化ケイ素（シリカ）、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化アルミニウムなどの無機部材や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂などの有機部材を好適に用いることができる。また、顔料や蛍光物質の粉末を用いることもできる。粒子は、光散乱剤として利用できる部材であることが好ましく、このような粒子を封止樹脂中に分散させて半導体発光素子の発光を散乱させることで、発光装置の色むらを改善できる。表示コントラストの低下抑制と光取り出し効率の両立のためには、粒子は、無着色の透光性部材であることが好ましい。

（暗色系の層）
暗色系の層は、例えばフッ素樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等に暗色系の顔料を含有させることで形成できる。暗色系の顔料としては、例えばカーボンブラックを主成分とする無機顔料を用いることができる。カーボンブラックを主成分とする無機顔料は、染料などの有機顔料に比較して光劣化に対して優れた耐久性を有するため、劣化による色変化を最小限に抑えることができる。パッケージ本体を樹脂で構成する場合は、密着性の点から暗色系の層も樹脂で構成することが好ましく、例えば黒色樹脂を用いる。また、暗色系の層を形成する手段としては、スクリーン印刷など公知の方法を用いることができる。暗色系の層は、少なくともパッケージ本体の上面と封止樹脂を被覆する。パッケージ本体を白色樹脂のような暗色系の層より外来光に対する反射率の高い材料で形成する場合は、暗色系の層によってパッケージ本体の上面を完全に被覆することで、外来光の照り返しを低減できる。製造精度を考慮すると、暗色系の層は、パッケージ本体の上面より内側、つまりパッケージ本体の凹部上に位置する封止樹脂表面まで連続して形成することが好ましい。一方、光取り出し効率向上のためには、図１及び図２に示すように、発光装置の発光面となる凹部上の封止樹脂表面を除いた領域に暗色系の層を形成し、凹部上の封止樹脂表面を暗色系の層から露出させることが好ましい。

暗色系の層は、外来光に対する反射率が低い材料で形成されるが、これに加えて、封止樹脂に含有された粒子に沿った凸部を有する構造とすることで、さらに外来光の照り返しを低減することができる。暗色系の層の膜厚を、粒子の平均の大きさより小さくすることで、暗色系の層に粒子に沿った凸部を容易に形成することができる。具体的には、例えば１〜１０μｍの膜厚とする。なお、ここでいう膜厚とは、凸部が形成されていない領域における暗色系の層の膜厚を示す。さらに、暗色系の層を粒子の形状に沿った凸部が形成される程度に薄く形成することにより、半導体発光素子からの光の吸収を低減でき、光取り出し効率の低下を抑制できる。

封止樹脂をパッケージ本体の上面にまで形成することで、図１に示すように、封止樹脂の周縁部が盛り上がってしまう。外来光が照射されると、この盛り上がり部周辺が特にギラついて見えるため、暗色系の層は、少なくとも封止樹脂の周縁部の盛り上がり部を含む領域に形成することが好ましい。これにより、発光装置上面のギラつきを効果的に軽減することができる。

また、暗色系の層は、封止樹脂とパッケージ本体との境界を覆うように形成することが好ましい。これにより、封止樹脂とパッケージ本体の界面からの水分の浸入を防止でき、防湿性が向上された信頼性の高い発光装置とできる。防湿性をさらに高めるためには、暗色系の層の膜厚を厚くすることが好ましい。具体的には、暗色系の層の膜厚を粒子の平均の大きさより厚くすることが好ましく、例えば１０〜１００μｍの膜厚とすることができる。

［実施の形態２］
図３に、本発明の実施の形態２に係る発光装置の模式的な断面図を示す。実施の形態２の発光装置は、パッケージ本体２１の上面２１ａに、下段部２８と上段部２９とを有する段差を備え、凹部から下段部２８にかけて粒子を含有する封止樹脂２４が形成されたこと以外は、実施の形態１の発光装置と同様である。下段部２８は封止樹脂２４によって被覆され、上段部２９は封止樹脂２４から露出しており、下段部２８から上段部２９にかけて暗色系の層２５が形成されている。

下段部２８と上段部２９を設け、下段部２８内に封止樹脂２４を形成することで、封止樹脂２４の這い上がりが低減でき、容易に製造でき、歩留まりが向上できる。また、暗色系の層２５によって封止樹脂とパッケージ本体の界面を被覆し、水分の浸入を防止することにより、経年劣化でパッケージ本体２１と封止樹脂２４の剥離が発生した場合においても湿度が発光装置内に進入することを抑制する効果も期待できる。

下段部２８内に入り込んだ光は、暗色系の層２５やパッケージ本体２１に吸収される傾向にあり、封止樹脂２４の外部へ取り出され難い。このため、光取り出し効率の低下を抑制するためには、下段部２８に形成される封止樹脂２４の膜厚は、上述の実施の形態１と同様の範囲とすることが好ましい。

一方、製造精度を考慮すると、下段部２８と上段部２９との段差、下段部２８の深さは０．１〜０．５mｍ程度とすることが好ましい。下段部２８における封止樹脂２４の膜厚は、下段部２８の深さの５０〜１００％程度とすることで、暗色系の層２５を形成し易く、暗色系の層２５との密着力を向上できる。封止樹脂２４の這い上がりを防止するためには、封止樹脂２４の膜厚を下段部２８の深さの９０％以下とすることが好ましい。下段部２８の封止樹脂２４の膜厚が粒子の大さより大きい場合は、粒子の形状を破砕状とすることが好ましく、これによって、封止樹脂２４の表面に粒子の形状に沿った凸部を容易に形成することができる。

本発明に係る半導体装置は、広告、行き先案内や道路情報等の表示用、信号機の光源、小型乃至大型ディスプレイなどに用いられる発光装置に利用することができる。

１、２１パッケージ本体、１ａ、２１ａパッケージ本体の上面
２ａ、２２ａ第１リード端子、２ｂ、２２ｂ第２リード端子
３、２３半導体発光素子
４、２４封止樹脂
５、２５暗色系の層
６、２６金属ワイヤ
７粒子
２８下段部、２９上段部
３１パッケージ本体
３２ａ、３２ｂリード端子
３３半導体発光素子
３４金属ワイヤ
３５封止樹脂
３６暗色系の層
３７樹脂被覆部

Claims

凹部を有するパッケージ本体と、前記凹部の底面に実装された半導体発光素子と、前記凹部内に充填された透光性の封止樹脂と、を備え、
前記封止樹脂は、粒子を含有し、前記凹部から前記パッケージ本体の上面にかけて形成されており、少なくとも前記パッケージ本体の上面において、その表面に前記粒子の形状に沿った凸部を有し、
前記パッケージ本体の上面に、前記封止樹脂を介して、暗色系の層が形成され、
前記暗色系の層の膜厚は前記粒子の平均の大きさより厚く、
前記暗色系の層は、前記パッケージ本体の上面において、前記封止樹脂と前記パッケージ本体との境界を覆うように形成され、
前記凹部上の封止樹脂表面が、前記暗色系の層から露出した発光装置。
前記上面は、前記封止樹脂によって被覆された下段部と、前記封止樹脂から露出した上段部と、からなる段差を有する請求項１に記載の発光装置。
前記封止樹脂は、前記凹部上の表面に前記粒子の形状に沿った凸部を有する請求項１または２に記載の発光装置。
前記粒子は破砕状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記パッケージ本体は白色樹脂からなり、前記暗色系の層は黒色樹脂からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。