JP2007201028A - 発光デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 LEDチップからの熱は逃げ易く、半田からの熱はLEDチップへ到達し難いという矛盾する機能を両立させた発光デバイスを提供する。
【解決手段】 発光デバイスはLEDチップなどの発光素子1と、発光素子がマウントされたカソード側の導電性リードフレーム11と、発光素子及び導電性リードフレーム11を封止した透明樹脂材料からなるパッケージ30と備えている。パッケージ30は、導電性リードフレーム11及び/又は12に達する少なくとも1つの矩形の開口部81、82が発光素子1の周辺部に形成され、開口部81、82にはパッケージ1より熱抵抗の小さいダイアモンドなどの粒子状フィラを含む樹脂が充填されている。全体の熱抵抗を下げると共に放熱経路の分岐によって熱が分散し、半田の熱がLEDチップに伝わり難くなる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、LED(Light Emitting Diode)等の発光素子を搭載した発光デバイスに関するものである。
LED等の発光素子は、パッケージ(外囲器)に収納されて用いられる。例えば、大型SMD(Surface Mount Device)パッケージがある。大型SMDパッケージの従来構造を図9及び図10の斜視図に示す。図9は、リードフレームの構造を説明するために分解してパッケージ上部を除去している。図10は、発光デバイスの全体構造である。
二極のリードフレームの一極211上にLEDチップ201を銀ペースト等の導電材料でマウントする。LEDチップ201の上側の電極からリードフレームの他方の極212上に金ワイヤ203を接続する。リードフレーム211、212とLEDチップ201の外側には、白色のPPA(ポリフラルアミド)樹脂の外囲器(筐体)220が形成配置されている。この外囲器220の上面開口部221よりLEDチップ201のマウントされている凹部に透明なエポキシ樹脂230を充填し、LEDチップ201を封止する。透明なエポキシ樹脂230は、液状の状態でポッティングし、その後加温して硬化させる。透明エポキシ樹脂230の表面はほぼ平坦である。
外囲器220の内側の斜面は、光を拡散反射させる反射面240である。LEDチップ201から放射された直接光は、上面開口部221、つまり、透明エポキシ樹脂230と空気との境界面で全反射を起こして外に取り出されない角度が存在する。これが入射臨界角(垂直入射を基準)である。反射面240の水平面からの傾斜角は、この入射臨界角の余角付近に最適化すると反射面からの光取り出し効率を最大にできる。この傾斜角は、透明エポキシ樹脂の屈折率が約1.5であるので、約48゜(θc=cos−1(1.0/1.5)=48゜)である。しかし、この傾斜角をLEDチップ201近傍の全水平方向で実現できない。リードフレーム212に金ワイヤ203を張る必要があるからである。これをワイヤボンディングといい、このワイヤボンディングのために反射面に切れ込み部250を設ける。この構造は特許文献1に開示されている。
このようなLEDパッケージ構造は、熱抵抗の大きい樹脂に囲まれているため放熱経路は主にLEDチップ201の載っているリードフレームの一極211からである。つまり、放熱の効率が悪い。そのためLEDチップ201に流す電流を増やして光出力を大きくしようとするとチップ自身の発熱で輝度が低下すると共に熱のために樹脂も劣化する。この放熱を良くするために図11に示す構造がある(非特許文献1)。
エポキシ樹脂230は、外囲器220の上面開口部221で平坦になるようにポッティングされる(図示しない)。この例ではエポキシ樹脂230に熱抵抗の小さい透明なダイアモンドの粒子(フィラ)200を混入させてシリンジ(注射器)に入れ、LEDチップ201の真上の位置でシリンジから硬化前の透明エポキシ樹脂230を滴下する。その結果、LEDチップ201周辺にダイアモンドフィラ200が緻密に沈降堆積する。フィラ堆積の工程は従来のエポキシポッティング工程で行えるので材料費を除く工程コストは大きく増加しない。
同時に、LEDチップ201の載っているリードフレームの一方211とLEDチップ201から離れている他方212とを熱抵抗の小さいダイアモンドフィラ200で連結して覆われるようにする。
この時のLEDチップ201からの熱の逃げ方を図12に矢印で示す。熱は熱抵抗の小さいリードフレーム211を通り、さらに、半田260を通って実装基板270に放熱される。LEDチップ201がフィラ200で囲まれることにより実効的にLEDチップ201自身の熱抵抗が小さくなる。また、放熱効果が非常に小さかった他方のリードフレーム212も放熱に寄与することができ、半田261を通って実装基板270に放熱される。
この結果、85℃で50mA以下が限界であった限界電流値を30%程度上昇させることができる。
特開2005−167174号公報 「発光デバイス」越智統彦著、LP019
前記ダイアモンドフィラ等の低熱抵抗フィラは、充填が容易で放熱に極めて効果的である。しかし、LEDパッケージは、安価でありながらより一層の放熱効果の向上が発光デバイスにおけるパッケージの課題である。
また、さらに単に熱抵抗を小さくするだけでは次のような問題(図13参照)がある。半田260が鉛フリー半田である場合、半田付けの際に270℃の高温まで温度が上昇する。この場合、半田付けの時間を短時間に止めて、半田の熱がLEDチップ201をヒートアップしないように注意している。リードフレーム211を通る半田260からLEDチップ201への熱経路の熱抵抗が小さくなると、逆に、鉛フリー半田付けの際にLEDチップの温度を上げてしまう。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、LEDチップからの熱は逃げ易く、半田からの熱はLEDチップへ到達し難いという矛盾した機能を有する発光デバイスを提供する。
本発明の発光デバイスの一態様は、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、前記発光素子及び前記導電性リードフレームを封止した透明樹脂材料からなるパッケージとを具備し、前記パッケージは、前記導電性リードフレームに達する少なくとも1つの開口部が前記発光素子の周辺部に形成され、前記開口部には前記パッケージより熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴としている。
また、本発明の発光デバイスの一態様は、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に第1の開口部を有し、前記第1の開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記筐体には前記リードフレームに達する少なくとも1つの第2の開口部が前記発光素子の周辺に形成され、且つ前記第2の開口部には前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴としている。
また、本発明の発光デバイスの一態様は、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に開口部を有し、前記開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記開口部の側面に反射面を有し、前記反射面の一部に前記リードフレームに達する少なくとも1つの切れ込み部が形成され、前記切れ込み部から前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴としている。
本発明は、熱抵抗が小さくて放熱性の良いダイアモンドのような粒子状のフィラの充填部をLEDチップ周辺に限定しないで、放熱フィンのように拡張することにより、全体の熱抵抗を下げると共に放熱経路の分岐によって熱が分散し、半田の熱がLEDチップに伝わり難くなる。
本発明は、上記のような機能を実現するために、熱抵抗が小さくて放熱性の良いダイアモンドのような粒子状のフィラの充填部をLEDチップ周辺に限定しないで、さらに拡張することにより、全体の熱抵抗を下げると共に放熱経路の分岐によって熱が分散し、半田の熱がLEDチップに伝わり難くなるようにしたものである。
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図1乃至図3を参照して実施例1を説明する。
図1は、この実施例の発光デバイスの斜視図、図2は、放熱経路を説明するこの実施例の発光デバイスの他の例を示す断面図、図3は、図2の発光デバイスを実装基板に取り付けた時の放熱経路を説明する断面図である。
この実施例の発光デバイスは、パッケージとして透明なエポキシ樹脂封止体30から構成されている。この様に全体が透明なエポキシ樹脂封止体30で構成される構造は、シンプルであり安価でもあるので、一般的に使用されている。
発光デバイスは、1対のリードフレーム11、12を有する。二極のリードフレームの一極11上に発光素子としてLEDチップ1を銀ペースト等の導電材料でマウントする。LEDチップ1の上側の電極からリードフレームの他極12上に金ワイヤ3を接続する。リードフレーム11、12とLEDチップ1の外側には、方形の透明なエポキシ樹脂封止体30が形成配置されている。このエポキシ樹脂封止体30の対向する1対の面上に外部電極を構成するリードフレーム11、12の一部が露出している。
LEDチップ1とリードフレーム11、12とをエポキシ樹脂封止体30で樹脂封止して全体構造を完成させてから、LEDチップ1の上面が対向するエポキシ樹脂封止体30の上面からリードフレーム11、12に達する矩形の開口部81、82をLEDチップ1の周辺部に開ける。そして開口部81、82中にエポキシ樹脂に混ぜたダイアモンドフィラ101、102を注入し充填する。
ダイアモンドフィラ101、102は、エポキシ樹脂封止体30に埋め込まれたリードフレーム11、12の上面側に形成配置されている。しかし、図2、3にも示されているように、LEDチップ1の周囲からリードフレーム11、12の下面側にもダイアモンドフィラ110が沈降している。このダイアモンドフィラ110は、ダイアモンドフィラ100と同じ様に開口部をエポキシ樹脂封止体30に設けてそこにダイアモンドフィラを注入して充填しても良いし、エポキシ樹脂封止体30を形成する際に沈降堆積させても良い。
この様にして形成された動作しているときの発光デバイスの放熱経路を図2を参照して説明する。この図では、エポキシ樹脂封止体30のリードフレーム11、12に達する矩形の開口部を更に増やして(81〜84)、その中にエポキシ樹脂に混ぜたダイアモンドフィラ101〜104を注入し充填して更に放熱効果を上げている。LEDチップ1から発生した熱は、矢印で示すように、リードフレーム11もしくはリードフレーム12から逃げるかリードフレーム11,12の途中にある複数のダイアモンドフィラ101〜104にも分岐して、これらが放熱フィンのように、空気中にも放熱される。このようにして放熱効果が従来と比べて著しく向上する。
次に、図3を参照して発光デバイスを実装基板に実装する際の放熱経路を説明する。発光デバイスは、実装基板70に載置されてから、リードフレーム11と実装基板70の配線(図示しない)とは鉛フリー半田60により接続され、リードフレーム12と実装基板70の配線(図示しない)とは鉛フリー半田61により接続される。この例では、270℃という高温の半田60、61からの熱も、矢印に示すように、リードフレーム11、12の途中にあるダイアモンドフィラ101〜104にも分岐し、これらが放熱フィンのように、空気中に放熱される。このように実装中の放熱にも効果がある。したがって、LEDチップ1への熱的ダメージを防ぐことができる。
粒子状のダイアモンドフィラは、エポキシ樹脂に混ぜてシリンジにいれ、LEDチップ1の真上の位置でシリンジから硬化前の透明エポキシ樹脂封止体30に滴下させる。この工程は技術的には確立されており、工程は比較的簡単である。
次に、図4を参照して実施例2を説明する。
図4は、この実施例における発光デバイスの斜視図である。エポキシ樹脂(図示しない)は、筐体(外囲器)20の上面開口部21で平坦になるようにポッティングされる(図示しない)。この例ではエポキシ樹脂に熱抵抗の小さい透明なダイアモンドの粒子(フィラ)100を混入させてシリンジ(注射器)に入れ、LEDチップ1の真上の位置でシリンジから硬化前の透明エポキシ樹脂を滴下する。その結果、LEDチップ1周辺にダイアモンドフィラ100が緻密に沈降堆積する。フィラ堆積の工程は従来のエポキシポッティング工程で行えるので材料費を除く工程コストは大きく増加しない。同時に、LEDチップ1の載っているリードフレームの一方11とLEDチップ1から離れている他方のリードフレームとを熱抵抗の小さいダイアモンドフィラ100で連結して覆われるようにする。
この実施例は、従来例の図11と基本構造は同じである。
図11と異なるところは、この実施例がワイヤボンディングを行うための切れ込み部50の真上からエポキシ樹脂に混ぜたダイアモンドフィラ100をシリンジから滴下させることにより生じる。即ち、切れ込み部50ではダイアモンドフィラ100を高く堆積させることができる。LEDチップ1の周辺には硬化前のエポキシ樹脂内をダイアモンドフィラ100が拡散して到達して低く滞積する。
このような構成による効果は、切り込み部50を埋めたダイアモンドフィラ100が高く堆積されているため実施例1と同様に熱経路の分岐しこれが放熱フィンの役割を果たしている。また、実質的に切れ込み部を50を埋めたダイアモンドフィラ100の表面は、ダイアモンドフィラの屈折率が約2.4と、エポキシ樹脂の屈折率(約1.5)よりも高いため散乱拡散反射を起こし、反射面40が連続するのと同様の効果を生じる。そのため、反射効率が向上してデバイスの光取り出し効率も向上する。また、光取り出し面であるLEDチップ1上部へのダイアモンドフィラ100の堆積を抑制できる。したがって、上部に堆積したダイアモンドフィラ100による光学的散乱ロスも低く抑えることができる。
次に、図5及び図6を参照して実施例3を説明する。
図5及び図6は、この実施例における発光デバイスの斜視図である。図5は、ダイアモンドフィラを充填する前の状態であり、図6は、充填後の状態を示している。図4のものと同様に、エポキシ樹脂(図示しない)は、筐体(外囲器)20の上面開口部21で平坦になるようにポッティングされる(図示しない)。この例ではエポキシ樹脂に熱抵抗の小さい透明なダイアモンドの粒子(フィラ)100を混入させてシリンジ(注射器)に入れLEDチップ1の真上の位置でシリンジから硬化前の透明エポキシ樹脂を滴下する。その結果、LEDチップ1周辺にダイアモンドフィラ100が緻密に沈降堆積する。フィラ堆積の工程は従来のエポキシポッティング工程で行えるので材料費を除く工程コストは大きく増加しない。同時に、LEDチップ1の載っているリードフレームの一方11とLEDチップ1から離れている他方12のリードフレームとを熱抵抗の小さいダイアモンドフィラ100で連結して覆われるようにする。
この実施例では、実施例2において形成した切れ込み部50が同様に形成されると共に、更に切れ込み部51、52が形成されている。切れ込み部50は、リードフレーム12とボンディングワイヤである金ワイヤ3との接合部を露出し、切れ込み部51は、リードフレーム11を露出し、切れ込み部52は、リードフレーム12を露出している。
これら切れ込み部は、側面が垂直もしくは垂直より外向きにやや広くなっている。これはPPA樹脂より形成される外囲器(筐体)20を成形する際に金型を上にスムーズに抜くためである。垂直より狭ければ、通常の工程では金型が抜け図に製作が困難になる。
また、反射面40は、より外側で位置が上の方が反射に寄与する。そのため、外側で反射面40の上部に該当する部分で広くしてある。リードフレーム11、12とLEDチップ1に接触する部分の面積が広いためより大きな放熱効果が得られる。
更にダイアモンドフィラ100も切れ込み部から滴下させた場合に自然と内側の下部に沈降拡散し易い構造であり、再現性の良い製造が容易となる。
次に、図7及び図8を参照して実施例3を説明する。
図7及び図8は、この実施例における発光デバイスの斜視図である。図7は、ダイアモンドフィラを充填する前の状態であり、図8は、充填後の状態を示している。この実施例は、実施例1の矩形開口部と実施例3の複数の切れ込み部を併用したことに特徴がある。図4のものと同様に、エポキシ樹脂(図示しない)は、筐体(外囲器)20の上面開口部21で平坦になるようにポッティングされる(図示しない)。この例ではエポキシ樹脂に熱抵抗の小さい透明なダイアモンドの粒子(フィラ)100を混入させてシリンジ(注射器)に入れLEDチップ1の真上の位置でシリンジから硬化前の透明エポキシ樹脂を滴下する。その結果、LEDチップ1周辺にダイアモンドフィラ100が緻密に沈降堆積する。フィラ堆積の工程は従来のエポキシポッティング工程で行えるので材料費を除く工程コストは大きく増加しない。同時に、LEDチップ1の載っているリードフレームの一方11とLEDチップ1から離れている他方12のリードフレームとを熱抵抗の小さいダイアモンドフィラ100で連結して覆われるようにする。
この実施例は、切れ込み部50、51、52に加え、更にPPA樹脂外囲器(筐体)20の上面開口部21のLEDチップ1が配置されている領域より外側に矩形開口部81、82が形成されている。この実施例では、図7に示す切れ込み部51、52は、図8に示すように、矩形開口部81、82と外囲器上面開口部21とを繋ぐ連結部としても機能している。その構造は、図7に示すと同様に、側面が垂直もしくは垂直より外向きにやや広くなっている。これは、前述のように、金型を上にスムーズに抜くためである。また、反射面40は外側の上の方で反射に寄与するために外側で反射面40の上部に該当する部分で狭く、内側で反射面40の下部に該当する部分で広くしてある。
この実施例では、矩形開口部81、82にダイアモンドフィラ101、102を滴下させることにより、実施例1と同様の効果を得ることができる。即ち、LEDチップ1からの発熱がリードフレーム11もしくはリードフレーム12から逃げる他に、リードフレーム11、12の途中にある複数のダイアモンドフィラ101、102の存在する領域にも分岐し、これらが放熱フィンの役割をして空気中にも放熱されるので放熱効果が向上する。
また、実装の際に、高温鉛フリー半田からの熱もリードフレームの途中の領域にあるダイアモンドフィラ101、102にも分岐し、これらが放熱フィンの働きをして空気中に放熱される。したがって、LEDチップ1への熱的ダメージを有効に防ぐことができる。
以上、本発明の実施の形態は次のようにまとめられる。
(1) 発光デバイスは、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、前記発光素子及び前記導電性リードフレームを封止した透明樹脂材料からなるパッケージとを具備し、前記パッケージは、前記導電性リードフレームに達する少なくとも1つの開口部が前記発光素子の周辺部に形成され、前記開口部には前記パッケージより熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする(請求項1)。
(2) 発光デバイスは、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に第1の開口部を有し、前記第1の開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記筐体には前記リードフレームに達する少なくとも1つの第2の開口部が前記発光素子の周辺部に形成され、且つ前記第2の開口部には前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする(請求項2)。
(3) 発光デバイスは、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に開口部を有し、前記開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記開口部の側面に反射面を有し、前記反射面の一部に前記リードフレームに達する少なくとも1つの切れ込み部が形成され、前記切れ込み部から前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする(請求項3)。
(4) 発光デバイスは、発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に第1の開口部を有し、前記第1の開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記第1の開口部の側面に反射面を有し、前記筐体には少なくとも1つの第2の開口部が形成され、前記第1の開口部は、前記第2の開口部と前記反射面の一部を除去して連結され、前記第2の開口部から前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする。
(5) (3)又は(4)の発光デバイスにおいて、前記切れ込み部もしくは前記反射面の一部を除去して連結された前記連結部は、側面が垂直から垂直より外向きに広角であり、且つ前記反射面の上部で幅が狭く下部で幅が広くなっていることを特徴とする。
(6) (3)乃至(5)のいずれかの発光デバイスにおいて、前記第1の開口部が熱抵抗の大きな透明樹脂材料で充填され、且つ前記反射面の傾斜角が前記発光素子から放射された直接光が前記第1の開口部の熱抵抗の大きな透明樹脂材料と空気との境界面に対して全反射を起こす入射臨界角(余角)の±15度の範囲にあることを特徴とする。
(7) (1)乃至(6)のいずれかの発光デバイスにおいて、前記樹脂に含まれる前記熱抵抗の小さい粒子状フィラは、ダイアモンドであることを特徴とする。
本発明の一実施例である実施例1の発光デバイスの斜視図。 放熱経路を説明する実施例1の発光デバイスの他の例を示す断面図。 図2の発光デバイスを実装基板に取り付けた時の放熱経路を説明する断面図。 本発明の一実施例である実施例2の発光デバイスの斜視図。 本発明の一実施例である実施例3のダイアモンドフィラを充填する前の発光デバイスの斜視図。 図5のダイアモンドフィラを充填した後の発光デバイスの斜視図。 本発明の一実施例である実施例4のダイアモンドフィラを充填する前の発光デバイスの斜視図。 図7のダイアモンドフィラを充填した後の発光デバイスの斜視図。 従来のSMD−LEDパッケージに収納された発光デバイスのリードフレーム部を露出させた斜視図。 従来のSMD−LEDパッケージに収納された発光デバイスの斜視図。 従来のSMD−LEDパッケージに収納され、ダイアモンドフィラをLEDチップ周辺に堆積させた発光デバイスの斜視図。 従来のSMD−LEDパッケージに収納された発光デバイスにおいて、LEDチップからの放熱経路を示す断面図。 従来のSMD−LEDパッケージに収納され、実装基板に搭載された発光デバイスにおいて、半田からLEDチップへの放熱経路を示す断面図。
符号の説明
1・・・LEDチップ(発光素子)
3・・・金ワイヤ(ボンディングワイヤ)
11・・・リードフレーム(カソード側)
12・・・リードフレーム(アノード側)
20・・・外囲器(筐体)
21・・・外囲器(筐体)の上面開口部
30・・・透明エポキシ樹脂封止体
40・・・反射面
50、51、52・・・反射面の切れ込み部
60、61・・・半田
70・・・実装基板
81、82、83、84・・・矩形開口部
91、92・・・連結部(反射面の切れ込み部)
100、101、102、103、104、110・・・ダイアモンドフィラ

Claims (3)

  1. 発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、前記発光素子及び前記導電性リードフレームを封止した透明樹脂材料からなるパッケージとを具備し、前記パッケージは、前記導電性リードフレームに達する少なくとも1つの開口部が前記発光素子の周辺部に形成され、前記開口部には前記パッケージより熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする発光デバイス。
  2. 発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に第1の開口部を有し、前記第1の開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記筐体には前記リードフレームに達する少なくとも1つの第2の開口部が前記発光素子の周辺部に形成され、且つ前記第2の開口部には前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする発光デバイス。
  3. 発光素子と、前記発光素子がマウントされた導電性リードフレームと、上面に開口部を有し、前記開口部底面に前記発光素子が露出する不透明な筐体とを具備し、前記開口部の側面に反射面を有し、前記反射面の一部に前記リードフレームに達する少なくとも1つの切れ込み部が形成され、前記切れ込み部から前記筐体より熱抵抗の小さい粒子状フィラを含む樹脂が充填されていることを特徴とする発光デバイス。

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