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JP2005079329A - 表面実装型発光ダイオード - Google Patents

表面実装型発光ダイオード Download PDF

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智明 阿部
Hisashi Suwa
壽志 諏訪
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Stanley Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】本発明は、携帯電話等の光源として使用され、電子機器の小型化に寄与する表面実装型発光ダイオードを実現する。
【解決手段】表面に金属膜５、６、７が形成された光透過性樹脂１８でＬＥＤチップ１２及びワイヤ１６、１７を封止し、ＬＥＤチップ１２を導電性接着剤を介して金属膜５上に載設してＬＥＤチップ１２の下部電極と金属膜５との電気的導通を図り、ＬＥＤチップ１２の上部電極に一方の端部を接続したワイヤ１６、１７の他の端部を金属膜６、７に接続してＬＥＤチップ１２の上部電極と金属膜６、７との電気的導通を図った。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードに関するものであり、詳しくはプリント基板を使用しない構成にして携帯電話などの小型、軽量機器の照明用光源として使用できる表面実装型発光ダイオードに関する。
近年の電子機器の小型・軽量化に伴い、発光ダイオード（ＬＥＤ）に於いても小型化を狙った表面実装化への取組みが積極的に展開されている。従来の表面実装型ＬＥＤの構成は、絶縁基板の両面にそれぞれ形成された一対の金属導体パターンをスルーホールを介して電気的に導通させた両面スルーホールプリント基板の、一方の金属導体パターン上に導電性接着剤を介してＬＥＤチップを載設し、ＬＥＤチップを両面スルーホールプリント基板に固定すると同時にＬＥＤチップの下部電極と金属導体パターンとを電気的に導通させている。また、ＬＥＤチップの上部電極はＬＥＤチップが載設された両面スルーホールプリント基板の同一面に形成された他方の金属導体パターンにワイヤを介して電気的に導通されている。
そして、ＬＥＤチップ及びワイヤは、機械的振動や衝撃などの外部応力及び水分や塵埃等の外部環境から保護すると同時に、ＬＥＤチップから放射される光の配光を制御するレンズ効果を持たせるように光透過性樹脂で封止されている。
このような表面実装型ＬＥＤは、ＬＥＤチップが載設された両面スルーホールプリント基板の反対面及び側面に形成された金属導体パターンを実装基板に半田付けし、外部からＬＥＤチップに順方向電圧を印加することにより電気エネルギーを光エネルギーに変換させて光を発生させるものである（例えば、特許文献１参照。）。
また、半導体素子を封止した樹脂パッケージと一体化された突起部に金属膜を形成し、半導体素子上面に設けられた電極パットと金属膜を電気的に接続した構成のものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開平９−１８１３５９号公報（第２頁、図１２） 特許第３００７８３３号公報（第５−６頁、図１）
上述した「特許文献１」に記載された表面実装型ＬＥＤは、ＬＥＤチップを固定するために両面スルーホールプリント基板を使用することが必須条件であるが、両面スルーホールプリント基板は少なくとも０．１ｍｍ程度以上の厚みがあり、これが表面実装型ＬＥＤの徹底した薄型化を阻害する要因となっている。
また、表面実装型ＬＥＤを回路部品として実装する場合、表面実装型ＬＥＤと表面実装型ＬＥＤを含む表面実装型部品との間に表面実装型ＬＥＤを実装基板に半田付けするときの半田フィレットのスペース確保が必要となり、このフィレットの約累積面積によって実装基板における部品実装密度の向上に制約が加えられることになる。
また、表面実装型ＬＥＤの封止樹脂の熱硬化・冷却時あるいは半田リフローの加熱・冷却時などの急激な温度変化によって熱膨張率の異なる両面スルーホールプリント基板と封止樹脂との間に応力が発生し、ＬＥＤチップの破損、ワイヤの切断、あるいは両面スルーホールプリント基板と封止樹脂との界面の剥離など、品質に係わる不具合が発生することにもなる。
さらに、このような表面実装型ＬＥＤは一般的には個別に作製されるものではなく、両面スルーホールプリント基板に多数のＬＥＤチップを載設し、それぞれのＬＥＤチップに設けられた電極と両面スルーホールプリント基板に配設された導通パターンとをワイヤで接続して電気的導通を図り、光透過性樹脂で一体に樹脂封止し、最後に裁断して個片化するものである。その場合、個片化された個々の表面実装型ＬＥＤの金属導体パターンに裁断バリが発生し、このバリによって半田が表面実装型ＬＥＤの金属導体パターンまで上がるのが阻止され、表面実装型ＬＥＤと実装基板との半田接続が不十分なものとなる。
また、「特許文献２」に記載された半導体装置は、樹脂パッケージで封止される半導体素子が発光素子を対象とした構成になっておらず、半導体発光素子を搭載した場合の光の取り出し効率の向上、および光の配光を制御する光学系に係わる仕組みが施されていない。従って、光学特性が不十分な光源とならざるを得ない。
本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、薄型、高品質で高実装密度が可能な光学特性に優れた表面実装型発光ダイオードを提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、表面に複数の金属膜が形成された光透過性樹脂で発光ダイオードチップを封止し、前記発光ダイオードチップに設けられた各電極を前記金属膜に一対一に接続して電気的導通を図ったことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記発光ダイオードチップを前記金属膜のうちの第一金属膜に載設して前記発光ダイオードチップの下部電極と前記第一金属膜との電気的導通を図り、前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極にそれぞれの端部を接続したワイヤの他の端部を前記金属膜のうちの第二金属膜、若しくは、第二及び第三金属膜に接続して前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極と前記第二金属膜、若しくは、前記第二及び第三金属膜との電気的導通を図ったことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記金属膜のうち少なくとも前記第一金属膜を擂鉢状に形成して内側面を反射面とし、底面に前記発光ダイオードチップを載設したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項３において、前記擂鉢状の内側に前記発光ダイオードチップを覆うように蛍光体が分散された光透過性樹脂の層を設けたこと特徴とするものである。
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項３において、前記擂鉢状の内側に前記発光ダイオードチップを覆うように拡散剤が分散された光透過性樹脂の層を設けたこと特徴とするものである。
また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項２から４の何れか１項において、前記発光ダイオードチップの上方に光透過性樹脂レンズを形成したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項２において、前記金属膜のうち少なくとも前記第一金属膜を平面状に形成したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項１において、前記発光ダイオードチップを絶縁部材の上に載設し、前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極にそれぞれの端部を接続したワイヤの他の端部を前記金属膜のうちの第二金属膜、若しくは、第二及び第三金属膜に接続して前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極と前記第二金属膜、若しくは、前記第二及び第三金属膜との電気的導通を図ったことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項９に記載された発明は、請求項７または８の何れか１項において、前記発光ダイオードチップの上方に光透過性樹脂レンズを形成したことを特徴とするものである。
また、本発明の請求項１０に記載された発明は、請求項７から９の何れか１項において、前記金属膜が形成された前記光透過性樹脂面と同一面の前記金属膜が形成された部分を除く部分にレジスト層を形成したことを特徴とするものである。
表面実装型発光ダイオードの薄型化の目的を、プリント基板を使用しない構成にして実現した。
以下、この発明の好適な実施例を図１から図９を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。
本発明の実施例を説明する前に、本発明を実現するための製造工程の一例を図１の（ａ）から（ｆ）を参照しながら説明し、その後に実施例１から実施例５について説明する。まず（ａ）に示すように例えば銅などの金属性の基板１に例えばケミカルエッチングや機械的切削加工、金型を用いたプレス加工などによって凹部２、３及び４を形成する。次に（ｂ）のように凹部２、３、４の内周面に例えばメッキ、蒸着などの手法によって例えば金などの金属膜５，６、７を形成する。次に（ｃ）のように金属膜５が形成された凹部２の底面８に導電性接着剤１１を介してＬＥＤチップ１２を載設し、ＬＥＤチップ１２の下部電極１３と金属膜５との電気的接続を図る。次に（ｄ）のようにＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５に一方の端部を接続したワイヤ１６、１７の他の端部をＬＥＤチップ１２が載設された凹部２とは別の凹部３、４の底面９、１０の金属膜６、７に接続し、ＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５と金属膜６、７との電気的接続を図る。次に（ｅ）のように基板１上面に光透過性樹脂１８の成形を施し、凹部３、４への充填、ワイヤ１６、１７の包囲及びレンズ１９の形成を行なう。そして最後に基板１と接する金属膜５、６、７及び光透過性樹脂１８とを基板１から分離して（ｆ）のような製品が完成する。
なお、（ｆ）は本発明の実施例１に関する断面図であり、図２はそれを上方から見た斜視図、図３は下方からみた斜視図である。ＬＥＤチップ１２及びワイヤ１６、１７が光透過性樹脂１８によって封止され、ＬＥＤチップ１２が導電性接着剤１１を介して載設されてＬＥＤチップ１２の下部電極１３と電気的接続が施された金属膜５と、ＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５に一方の端部を接続したワイヤ１６、１７の他の端部を接続してＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５と電気的導通が施された金属膜６、７とが光透過性樹脂１８の表面に形成されている。
このような表面実装型ＬＥＤは、従来の表面実装型ＬＥＤのようなプリント基板にＬＥＤチップを載設した構造ではなく、プリント基板を使用しないでＬＥＤチップを光透過性樹脂で包み込んだ構造になっており、その分従来の表面実装型ＬＥＤに比べて薄型化が可能な構造になっている。
また、基板１のＬＥＤチップ１２を載設する凹部２を擂鉢状にし、その内側面を例えば金、銀、アルミニウムなどの反射部材による反射面２０にすることにより、ＬＥＤチップ１２の側面から出射して反射面２０に向かった光は反射面２０で反射されてＬＥＤチップ１２の上方に設けられた光透過性樹脂レンズ１９に向かい、ＬＥＤチップ１２から放射されて直接光透過性樹脂レンズ１９の内面に向かった光と混合されてレンズの放出面でＬＥＤチップの光軸方向に屈折されてレンズ外に放出される。
図４は本発明の実施例２を示す断面図である。本実施例の基本構成は前述した実施例１と同様であるが異なる点は、ＬＥＤチップ１２を載設した擂鉢状の凹部２にＬＥＤチップ１２が浸漬するように蛍光体２１を光透過性樹脂に分散した波長変換層２２を設けている。これにより、ＬＥＤチップ１２から放射される光が青色光の場合には、青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光体２１を用いることにより、ＬＥＤチップ１２から放射された青色光が蛍光体２１を励起することによって波長変換された黄色光と、ＬＥＤチップ１２から放射された青色光との加法混色によって白色光を放出させるものである。また、ＬＥＤチップ１２から放射される光が青色光であっても、青色光に励起されて緑色光及び赤色光に夫々波長変換する２種類の蛍光体２１を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップ１２から放射された青色光が蛍光体２１を励起することによって波長変換された緑色光及び赤色光と、ＬＥＤチップ１２から放射された青色光との加法混色によって白色光を放出させることもできる。さらに、ＬＥＤチップ１２から放射される光が紫外光の場合には、紫外光に励起されて青色光、緑色光及び赤色光に夫々波長変換する３種類の蛍光体２１を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップ１２から放射された紫外光が蛍光体２１を励起することによって波長変換された青色光、緑色光及び赤色光の加法混色によって白色光を放出させることもできる。
図５は本発明の実施例３を示す断面図である。本実施例は上述した実施例２の波長変換層２２に替わって、ＬＥＤチップ１２を載設した凹部２にＬＥＤチップ１２が浸漬するように拡散剤２３を光透過性樹脂に分散した光拡散層２４を設けたもので、ＬＥＤチップ１２から放射された光を略均等に拡散させ、略均一分布を示すように光を放出させるものである。なお、この場合は光透過性樹脂の光放出面はレンズ状ではなく平面の方が拡散効果は良好である。
図６は本発明の実施例４を示す断面図、図７は上方から見た斜視図、図８は下方からみた斜視図である。ＬＥＤチップ１２及びワイヤ１６、１７が光透過性樹脂１８によって封止され、ＬＥＤチップ１２が導電性接着剤１１を介して載設されてＬＥＤチップ１２の下部電極１３と電気的接続が施された金属膜２５と、ＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５に一方の端部を接続したワイヤ１６、１７の他の端部を接続してＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５と電気的導通が施された金属膜２６、２７とが光透過性樹脂１８の表面に形成されている。
本実施例の場合、金属膜２５、２６、２７はそれぞれ平面状に形成されており、ＬＥＤチップ１２から放射された光は直接光透過性樹脂から外部に出射するようになっている。このとき、光透過性樹脂１８による封止は、ＬＥＤチップ１２の上方のレンズ１９を形成してＬＥＤチップ１２から放射された光を集光させながら外部に放出してもよいし、光透過性樹脂１８の放射面を平面にしてＬＥＤチップ１２から放射されて光透過性樹脂１８の出射面に至った光をそのまま屈折させて外部に放出すようにしてもよい。
図９は本発明の実施例５を示す断面図である。本実施例はＬＥＤチップ１２の底面２８に絶縁部材２９を配設し、光透過性樹脂１８の表面に形成される金属膜をＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５に一方の端部を接続したワイヤ１６、１７の他の端部を接続してＬＥＤチップ１２の上部電極１４、１５と電気的導通が施された金属膜２６、２７のみ
としたものである。この場合も、光透過性樹脂１８による封止は、ＬＥＤチップ１２の上方のレンズ１９を形成してＬＥＤチップ１２から放射された光を集光させながら外部に放出してもよいし、光透過性樹脂１８の放射面を平面にしてＬＥＤチップ１２から放射されて光透過性樹脂１８の出射面に至った光をそのまま屈折させて外部に放出すようにしてもよい。
なお、本発明の実施例１から実施例４の構成においては、ＬＥＤチップの下部にグランド電極、上部にアノード及びカソード電極が設けられていることを前提にしているため、ＬＥＤの上部電極と金属層を接続するワイヤはアノード用及びカソード用の２本設けられている。しかしながらＬＥＤチップには、ＬＥＤチップの下部及び上部にアノードあるいはカソード電極がそれぞれ設けられているものがあり、その場合は、ＬＥＤチップの上部電極と金属膜とを接続するワイヤは１本となる。その場合、ＬＥＤチップの電極に接続されない金属膜はそのまま光透過性樹脂の表面に形成されていてもよいし、形成されなくてもよい。光透過性樹脂の表面に不必要な金属膜が形成されないときは、光透過性樹脂の表面に形成される金属膜の数はＬＥＤチップの下部電極及び上部電極に電気的に導通された２つとなる。
さらに、金属膜が形成された光透過性樹脂面と同一面の金属膜が形成された部分を除く部分に反射部材を使用したレジスト層を形成することもできる。その場合、ＬＥＤチップから放射された光をレジスト層で反射させて効率良く光透過性樹脂面の出射方向に向けることができる。特に、ＬＥＤチップを載設する部分に擂鉢状の反射面を設けない構成の場合には有効である。
以上、実施例１から実施例５で述べたように、本発明の表面実装型発光ダイオードは、（１）プリント基板を使用しないため、薄型化が可能となり、携帯電話等の電子機器の光源に使用する場合に機器の薄型化、設計の自由度が向上する。
（２）プリント基板を使用しないため、熱膨張率の異なる光透過性樹脂との界面を構成することがなく、界面における応力が要因となって発生する不具合がなく、品質の向上に寄与するものである。
（３）擂鉢状の反射面を有する擂鉢状の底面にＬＥＤチップを載設し、あるいは、金属膜が形成された光透過性樹脂面と同一面の金属膜が形成された部分を除く部分に反射部材を使用したレジスト層を形成することにより、ＬＥＤチップから放射されて直接出射方向に向かわない光を反射させて出射方向に向かわせ、ＬＥＤから放射され光を効率良く外部に出射させて光取り出し効率を高めることができる。
（４）表面実装型ＬＥＤに外部から電力を供給するための電極となる金属層が表面実装型ＬＥＤの外周よりも内側に設けられているため、実装時に他の部品と密着して実装でき、高実装密度が可能となる。
（５）多数の表面実装型ＬＥＤを一括形成して最後に切断して個々の表面実装型発光ダイオードに個片化するときに金属部分を切断することがないため、プリント基板に多面取りで形成した多数の表面実装型ＬＥＤを個々の表面実装型ＬＥＤに個片化するときの切断で発生する銅パターンのバリの発生によるバリ取り工程の設置、バリ取り工程による個片化された製品の寸法安定性の欠如、銅パターン切断によるダイサーの歯の寿命の短縮、バリによる導体パターンへの半田上がりの阻止等の問題点が回避され、低コスト、高品質の表面実装型ＬＥＤが実現できる。などの優れた効果を奏するものである。
本発明の実施例１に係わる表面実装型発光ダイオードの製造工程の一例を示すもので、（ａ）は基板に凹部を形成した図、（ｂ）は（ａ）の凹部の内側面に金属膜を形成した図、（ｃ）は（ｂ）の凹部の一つの底面にＬＥＤチップを載設した図、（ｄ）はＬＥＤチップの上面電極と凹部の金属層とをワイヤで接続した図、（ｅ）は基板凹部内及び上面を光透過性樹脂で封止した図、（ｆ）は基板から封止樹脂を離型した図であって、本発明の実施例１に係わる表面実装型発光ダイオードの断面図である。 本発明の実施例１に係わる表面実装型発光ダイオードを上方から見た斜視図である。 本発明の実施例１に係わる表面実装型発光ダイオードを下方から見た斜視図である。 本発明の実施例２に係わる表面実装型発光ダイオードの断面図である。 本発明の実施例３に係わる表面実装型発光ダイオードの断面図である。 本発明の実施例４に係わる表面実装型発光ダイオードの断面図である。 本発明の実施例４に係わる表面実装型発光ダイオードを上方から見た斜視図である。 本発明の実施例４に係わる表面実装型発光ダイオードを下方から見た斜視図である。 本発明の実施例５に係わる表面実装型発光ダイオードの断面図である。
符号の説明
１ 基板
２、３、４ 凹部
５、６、７ 金属膜
８、９、１０ 底面
１１ 導電性接着剤
１２ ＬＥＤチップ
１３ 下部電極
１４、１５ 上部電極
１６、１７ ワイヤ
１８ 光透過性樹脂
１９ レンズ
２０ 反射面
２１ 蛍光体
２２ 光変換層
２３ 拡散剤
２４ 光拡散層
２５、２６、２７ 金属層
２８ ＬＥＤ底面
２９ 絶縁部材

Claims (10)

  1. 表面に複数の金属膜が形成された光透過性樹脂で発光ダイオードチップを封止し、前記発光ダイオードチップに設けられた各電極を前記金属膜に一対一に接続して電気的導通を図ったことを特徴とする表面実装型発光ダイオード。
  2. 前記発光ダイオードチップを前記金属膜のうちの第一金属膜に載設して前記発光ダイオードチップの下部電極と前記第一金属膜との電気的導通を図り、前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極にそれぞれの端部を接続したワイヤの他の端部を前記金属膜のうちの第二金属膜、若しくは、第二及び第三金属膜に接続して前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極と前記第二金属膜、若しくは、前記第二及び第三金属膜との電気的導通を図った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。
  3. 前記金属膜のうち少なくとも前記第一金属膜を擂鉢状に形成して内側面を反射面とし、底面に前記発光ダイオードチップを載設した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。
  4. 前記擂鉢状の内側に前記発光ダイオードチップを覆うように蛍光体が分散された光透過性樹脂の層を設けたこと特徴とする請求項３に記載の表面実装型発光ダイオード。
  5. 前記擂鉢状の内側に前記発光ダイオードチップを覆うように拡散剤が分散された光透過性樹脂の層を設けたこと特徴とする請求項３に記載の表面実装型発光ダイオード。
  6. 前記発光ダイオードチップの上方に光透過性樹脂レンズを形成したことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の表面実装型発光ダイオード。
  7. 前記金属膜のうち少なくとも前記第一金属膜を平面状に形成した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。
  8. 前記発光ダイオードチップを絶縁部材の上に載設し、前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極にそれぞれの端部を接続したワイヤの他の端部を前記金属膜のうちの第二金属膜、若しくは、第二及び第三金属膜に接続して前記発光ダイオードチップの１個若しくは２個の上部電極と前記第二金属膜、若しくは、前記第二及び第三金属膜との電気的導通を図った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。
  9. 前記発光ダイオードチップの上方に光透過性樹脂レンズを形成したことを特徴とする請求項７または８の何れか１項に記載の表面実装型発光ダイオード。
  10. 前記金属膜が形成された前記光透過性樹脂面と同一面の前記金属膜が形成された部分を除く部分にレジスト層を形成したことを特徴とする請求項７から９の何れか１項に記載の表面実装型発光ダイオード。
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