JP5848114B2

JP5848114B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5848114B2
Application number: JP2011278026A
Authority: JP
Inventors: 小川　昭雄; 昭雄小川; 俊美上川; 昭文落合; 瞬一佐藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: JP2013131519A

Description

本発明は、発光装置に関し、特にＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を搭載した発光装置に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯ランプに代わりＬＥＤ素子等の発光素子を利用した発光装置が照明器具や車両用の灯具等に利用されている。このような発光装置においては、発光素子を外部から封止して保護するために、発光素子の周囲を透光性の樹脂等で覆う構造が多く用いられている。

特許文献１には、蛍光体を含む透明なエポキシ注型樹脂を基材とするエレクトロルミネセンス素子用の注型材料がＬＥＤ素子パッケージの凹部内に充填され、ＬＥＤ素子の周囲を覆っている発光装置が開示されている。

特開平１１−５００５８４号公報

特許文献１に示されている発光装置等の従来の発光装置では、凹部全体にエポキシ樹脂を充填してＬＥＤ素子を封止している。しかし、このように凹部全体をエポキシ樹脂で充填した場合、製造における半田リフロー時または実際の使用時等の温度変化に伴い、エポキシ樹脂内部に応力が発生し、樹脂内部に、特にＬＥＤ素子の上面角部に端を発するクラックが生じてしまうことを本願発明者は見出した。ＬＥＤ素子付近に発生するクラックは、ＬＥＤ素子を破壊したり、ボンディングワイヤを破断させたりする。従って、クラックの発生により、発光装置の製造時の歩留まりが低下したり、発光装置の信頼性が損なわれたりしていた。
また、発光素子近傍のクラック発生により、発光素子から発せられた光が反射または減衰させられ、発光装置の光取り出し効率が低下する等の問題が発生していた。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、発光装置の製造時の歩留まりを向上させ、かつ信頼性を向上させることが可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、光放射面側に凹部を備えたハウジングと、凹部の底面に配された素子搭載領域に搭載された発光素子と、凹部内に発光素子を埋設するように充填されている樹脂からなる素子埋設部と、を有し、素子埋設部は、発光素子を包含する封止部、及び封止部の樹脂よりも硬度の小さい樹脂からなる緩衝部からなり、緩衝部は、発光素子と凹部の内側面との間の領域に、発光素子と離間して配されていることを特徴とする。

本発明の発光装置では、発光素子の周囲を覆う樹脂よりも硬度の低い樹脂を発光素子とハウジングの凹部側面との間に配置する。それによって、発光装置の製造時または使用時の温度変化において封止樹脂内部に発生するクラックを防止し、発光装置製造時の歩留まり及び使用時の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の実施例１に係る発光装置の平面図である。本発明の実施例１に係る発光装置の断面図である。本発明の実施例２に係る発光装置の断面図である。本発明の実施例３に係る発光装置の断面図である。本発明の実施例３に係る発光装置の断面図である。本発明の実施例３に係る発光装置の断面図である。本発明の変形例に係る発光装置の断面図である。本発明の変形例に係る発光装置の平面図である。本発明の変形例に係る発光装置の断面図である。

以下に、本発明の実施例１に係る発光装置１について、図１ａ、ｂを参照しつつ説明する。図１ａは、本発明の実施例１に係る発光装置１の光放射面側からみた平面図である。図１ｂは、図１ａにおける１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。

ハウジング１１は、例えばナイロン６等の熱可塑性のポリアミド樹脂をリードフレーム１３とともに一体成形した矩形の平面形状を有する樹脂基板である。当該樹脂基板には、光反射性を持たせるために二酸化チタン等の白色顔料が混合されている。ハウジング１１は、発光素子であるＬＥＤ素子１５を搭載する光放射面側の面（すなわち、ハウジングの上面）の中央に、押し出し成形または射出成形等によってハウジングと一体に成形された凹部１７を有している。尚、凹部１７は、穴の空いた基板等を複数重ね合わせることで形成されてもよい。また、ハウジング１１を形成する樹脂は、ナイロン１１、ナイロン６６、ナイロン４Ｔ、ナイロン６Ｔ等の他のポリアミド、または、ポリエチレン、ポリエチレンテレフラタートもしくはポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂でもよい。また、ハウジング１１を形成する樹脂に混合される白色顔料は、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素または酸化亜鉛等であってもよい。

凹部１７は、底面１７Ａと光放射方向（すなわち、底面１７Ａに垂直な方向）に向かって広がっていく内側面１７Ｂとからなる円錐台形状を有しており、ＬＥＤ素子１５から射出された光を光放射方向に向けて反射するリフレクタの役割を果たしている。凹部１７の底面１７Ａには、ＬＥＤ素子１５への電力供給のためにリードフレーム１３の一部が露出している。リードフレーム１３は、銅の表面に導体メッキ（銀メッキ、アルミニウムメッキまたは金メッキ等）を施した導電性の構造体であり、凹部１７の底面１７Ａからハウジング１１の内部及び側部を通ってハウジング１１の光放射面と反対の面（すなわち、ハウジングの裏面）まで至っている。すなわち、ＬＥＤ素子１５がハウジング１１の裏面側から電力供給を受け得る構造になっている。

ＬＥＤ素子１５は、凹部１７の底面１７Ａの中央に設けられた素子搭載領域１８Ａに搭載されている。ＬＥＤ素子１５は、例えば、一辺が３５０μｍの正方形を底辺とする高さＨ１が１００μｍの直方体であり、赤色光（波長６６０ｎｍ程度）を発する赤色発光ダイオードである。ＬＥＤ素子１５は、リードフレーム表面に塗布したＡｇペースト等の導電性ペースト上に載置して、当該ペーストを硬化させるダイボンディングによって固定されている。ＬＥＤ素子１５は、例えば、上面にＰ電極、下面にＮ電極を有しており、Ｐ電極は、金（銅、白金、アルミウムの導電体等でもよい）のボンディングワイヤ１９を介してリードフレーム１３に接続されており、Ｎ電極は上述のＡｇペーストを介したダイボンディングによってリードフレーム１３に電気的に接続されている。

凹部１７内には、ＬＥＤ素子１５を埋設するように樹脂が充填された素子埋設部２０が設けられている。より詳細には、凹部１７内には、比較的硬度の低い緩衝樹脂からなる緩衝部２１及び比較的硬度の高い封止樹脂からなる封止部２３が形成されている。緩衝部２１は、ＬＥＤ素子１５及びボンディングワイヤ１９から離間し、かつ凹部１７の底面１７Ａの周縁及び内側面１７Ｂの下部を覆うように形成されている。すなわち、緩衝部２１は、ＬＥＤ素子１５及びボンディングワイヤ１９の周囲を囲むリング体を形成している。

緩衝部２１は、硬化後に比較的低い硬度（例えば、ＪＩＳ−Ａ硬度が２０−５０程度）を有する樹脂、例えば、無色透明のシリコーン樹脂を、例えば、シリンジ等によって、凹部１７の底部周縁に沿って滴下・塗布し、加熱硬化させることによって形成される。尚、緩衝部２１を形成する緩衝樹脂には、白色顔料またはＬＥＤ素子１５の発光色と同色に着色した顔料を含有させてもよい。当該顔料には、例えば、二酸化チタン、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素または酸化亜鉛等を使用してもよい。

封止部２３は、ＬＥＤ素子１５、ボンディングワイヤ１９及び緩衝部２１を埋設するように凹部１７のほぼ全体に形成されている。封止部２３は、ＬＥＤ素子１５及びボンディングワイヤを外部衝撃等から保護するために、緩衝部２１を形成する緩衝樹脂よりも高い硬化後の硬度（例えば、ＪＩＳ−Ｄ硬度が６０−９０程度）を有し、かつ透光性を有する樹脂、例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂を凹部１７内に充填して硬化することによって形成されている。

緩衝部２１を形成する緩衝樹脂は、封止部２３を形成する封止樹脂よりも低い硬度を有しているので、発光装置１０に温度変化が生じて、封止部２３を形成する封止樹脂が膨張または収縮した場合に発生する応力が緩衝部２１を形成する緩衝樹脂の弾性的柔軟性故に緩和される。この緩和効果により、封止部２３内のＬＥＤ素子近傍に発生するクラックの発生が防止される。この結果、ＬＥＤ素子近傍に発生するクラックによるＬＥＤ素子１５及びボンディングワイヤ１９の破損、並びに光取り出し効率の低下が防止される。

尚、応力集中を生じやすいＬＥＤ素子の上面角部における応力集中をさらに緩和するために、緩衝部２１は、素子搭載面からＬＥＤ素子１５の上面までの高さＨ１以上の高さＨ２を有しているのが好ましい。また、ＬＥＤ素子１５及びボンディングワイヤ１９に緩衝部２１を形成する緩衝樹脂が接したり付着したりすると、ＬＥＤ素子１５の表面上やボンディングワイヤ１９の表面上に、緩衝樹脂が這い上がり、ＬＥＤ素子１５上及びボンディングワイヤ１９上に、緩衝樹脂と封止樹脂との界面が形成される。この界面は温度上昇時に剥離を生じ、光取り出し効率を著しく低下させる恐れがある。従って、緩衝部２１が形成するリング体の内側面は、ＬＥＤ素子の側面から適度に離して形成するのが好ましく、５００−７００μｍ（例えば、６００μｍ）の距離にあるのが好ましい。

よって、緩衝樹脂は、滴下または塗布後、硬化前に凹部１７底部中央に向かって広がってしまわないように、適当なチキソ性を有する樹脂で形成されることが好ましい。例えば、このようなチキソ性を有する樹脂として、ＪＩＳ−Ａ硬度が３０程度のシリコーン樹脂等が使用可能である。

以下に、本発明の実施例２に係る発光装置２について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施例２に係る発光装置２の断面図である。

実施例２に係る発光装置２は、凹部１７の底面１７Ａに、緩衝部２１を形成する緩衝樹脂の流出を防止する構造として突起２５が形成されている以外の構成に関しては、実施例１の発光装置１の構成と同一である。

突起２５は、凹部１７の底面１７Ａに、ＬＥＤ素子１５及びボンディングワイヤ１９の周囲を囲むようリング状に形成されている突起構造である。この突起２５は、ハウジング１１と一体に形成されてもよいし、凹部１７の底面１７Ａにスタンプまたはシリンジによる滴下によって塗布されて硬化させられた樹脂材料、例えばシリコーン樹脂によって形成されてもよい。

この突起２５によって、硬化前の液状の緩衝樹脂が、凹部１７の底面１７Ａの中央部に向かって流出するのを抑制することが可能となる。従って、実施例１の発光装置１の緩衝部２１に使用される緩衝樹脂よりも、硬化前のチキソ性が低い緩衝樹脂を緩衝部２１に使用することが可能となる等、製造が容易になる。

尚、突起２５の代わりにリング状の溝を形成してもよい。この溝によっても、突起２５と同様の流出抑制効果が得られる。また、突起または溝は全体としてリング状を形成している断続的な構造であってもよい。

以下に、本発明の実施例３に係る発光装置３について、図３ａ−ｃを参照して説明する。図３ａ−ｃは、本発明の実施例３に係る発光装置３の断面図である。

実施例３に係る発光装置３は、凹部１７の底部の周縁に緩衝樹脂充填用のリセス１８Ｂが形成されている以外の構成に関しては、実施例１の発光装置１の構成と同一である。すなわち、凹部１７の底面１７Ａから突出し、その頂部表面が素子搭載領域１８Ａとなる素子搭載部２２が設けられている。

リセス１８Ｂは、素子搭載領域１８Ａを囲む溝状の凹部である。リセス１８Ｂは、緩衝部２１を形成する緩衝樹脂のための液だまりを形成している。

発光装置３においては、緩衝部２１は、リセス１８Ｂ内を緩衝樹脂で充填することによって形成されている。このようにすることで、緩衝部２１の体積を増大させて、緩衝部２１による応力緩和効果をさらに増大させることが可能である。また、発光装置１及び２よりも緩衝樹脂の滴下量の調整が容易になり、緩衝樹脂がＬＥＤ素子側に流出する可能性が低減する。

尚、リセス１８Ｂによる体積増大効果を十分に得るために、リセス１８Ｂの深さは、ＬＥＤ素子１５の搭載面から少なくとも３００μｍ以上（例えば４００μｍ）であるのが好ましく、５００μｍ以上の深さであるのが更に好ましい。また、図３ｂのように、発光装置３においても、応力集中を生じやすいＬＥＤ素子の上面角部における応力集中を緩和するために、緩衝部２１は、素子搭載面以上の高さまで設けられているのが好ましく、素子搭載面からＬＥＤ素子１５の上面までの高さＨ１以上の素子搭載面からの高さＨ２′を有しているのが更に好ましい。

尚、図３ｃに示すように、発光装置３において、実施例２の発光装置２と同様に、緩衝樹脂がＬＥＤ素子１５の方向に流れ出すことを防止するために、素子搭載領域１８Ａの周縁部に突起２５を設けてもよい。

［実施例１及び比較例の評価］
実施例１の発光装置１の評価のため、比較例の発光装置を製造して、これらの比較評価を行った。

比較例の発光装置の構造は、図１ｂに示す緩衝部２１を設けていない点を除いて、発光装置１の構造と同一である。評価は、リフロー処理の実施を想定して、比較例の発光装置及び発光装置１を温度が常温から２６０℃まで上昇する環境下におき、発光素子を封止している樹脂の状態をリアルタイムで確認することによって行った。

比較例の発光装置においては、温度が２５０℃付近に達した際にＬＥＤ素子の上面端部にクラックが発生し、その後の温度上昇とともにクラックが面状に成長していった。発光装置１においては、緩衝部２１の上述の応力緩和効果によりクラックは発生しなかった。

上述の実施例において、緩衝部２１は、凹部１７の内側面１７Ｂに接している場合を例に説明したが、緩衝部２１と内側面１７Ｂとは必ずしも接している必要はない。例えば、図４のように緩衝部２１を内側面１７Ｂと離間させて配置してもよい。

また、上述の実施例において、緩衝部２１が単一樹脂から形成されている場合を例に説明したが、緩衝部２１は、封止樹脂よりも硬度が低い２種類以上の複数の樹脂から形成されていてもよい。例えば、封止部２３に接している樹脂は比較的硬度が高く、封止部から離れるにつれて樹脂の硬度が低くなるように複数の樹脂で緩衝部２１を形成してもよい。

また、上述の実施例において、緩衝部２１は、リング状の構造として示したが、必ずしもリング状の構造を有している必要は無い。例えば、図５に示すように、断続的に緩衝部２１が存在して、全体としてリング形状を形成していてもよい。その場合、実施例２の突起２５及び実施例３のリセス１８Ｂは、少なくとも緩衝部２１がある場所に存在すればよい。

また、上述の実施例において、緩衝部２１が凹部１７の底面１７Ａに接している場合を例に説明したが、必ずしも底面１７Ａに接している必要は無い。例えば、図６に示すように、緩衝部２１が底面１７Ａから離間するように設けられていてもよい。このような構造は、まず、凹部内に任意の量の封止樹脂を注入し、次に、その上から緩衝樹脂を滴下し、最後に、緩衝樹脂を覆うように、さらに封止樹脂を注入した後に硬化を行う方法で形成されてもよい。

また、上述の実施例において、凹部１７は円錐台状として説明したが、凹部１７は四角錐台状、三角錐状台状等、ＬＥＤ素子１５から射出された光を光取り出し方向に反射する形状であればどんな形状でもよい。その場合、緩衝部２１の配置、突起２５またはリセス１８Ｂの形状は、凹部１７の形状に合わせて、四角いリング状等としてもよい。

上述の実施例において、発光素子は赤色ＬＥＤ素子としたが、青色または緑色等の他の色を発するＬＥＤ素子、またはＬＥＤ素子以外の他の発光素子を使用してもよい。また、ＬＥＤ素子１５は、２本のボンディングワイヤによって電気的接続を得るタイプでもよく、ボンディングワイヤを用いないフリップチップ型の素子であってもよい。

また、緩衝部２１または封止部２３に蛍光体や光散乱材を分散させてもよい。例えば、白色光を得るために、ＬＥＤ素子１５を青色ＬＥＤ素子として、緩衝部２１または封止部２３にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット：Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）に付活剤としてＣｅ（セリウム）を導入したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を分散させてもよい。

さらに、上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び使用される発光素子、封止樹脂等に応じて、適宜選択することができる。

１、２、３発光装置
１１ハウジング
１３リードフレーム
１５ＬＥＤ素子
１７凹部
１７Ａ底面
１７Ｂ内側面
１８Ａ素子搭載領域
１８Ｂリセス
１９ボンディングワイヤ
２０素子埋設部
２１緩衝部
２２素子搭載部
２３封止部
２５突起

Claims

光放射面側に凹部を備えたハウジングと、
前記凹部の底面に配された素子搭載領域に搭載された発光素子と、
前記凹部内に前記発光素子を埋設するように充填されている樹脂からなる素子埋設部と、を有し、
前記素子埋設部は、前記発光素子を包含する封止部、及び前記封止部の樹脂よりも硬度の小さい樹脂からなる緩衝部からなり、
前記緩衝部は、前記発光素子と前記凹部の内側面との間の領域に、前記発光素子と離間して配されていることを特徴とする発光装置。
前記緩衝部は前記素子搭載領域の上面以上の高さまで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記凹部の底部は、前記凹部の底面から突出する素子搭載部と、前記素子搭載部を囲堯するリセス部とからなり、
前記素子搭載領域は、前記素子搭載部上に設けられ、前記緩衝部は前記リセス部を充填するように形成されてい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。
前記緩衝部の少なくとも一部が、前記発光素子の上面を含む平面内に存在していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記素子搭載領域の周縁部に設けられた突起を有し、前記緩衝部は前記発光素子に対し、前記突起の外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光蔵置。
前記発光素子は前記ハウジング表面に形成された電極にボンディングワイヤによって接続され、前記封止部は前記発光素子及び前記ボンディングワイヤを包含することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記緩衝部が、前記凹部の前記底面及び前記内側面に接しているリング構造を形成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記緩衝部は、ＪＩＳ−Ａ硬度規格において２０〜５０の範囲の硬度を有するシリコーン樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。