(57)【要約】【課題】リードフレーム上に固定した発光ダイオード素子をガラス管の中に封止する際、ガラス管の軸と発光ダイオード素子の光軸との間に、ズレが生じないようにする。【解決手段】リードフレーム１の素子設置部２の下方に、ガイド部７を固定し、これと中空ガラス部５とが接するようにした。この結果、中空ガラス部５に対するリードフレーム１の相対的位置が固定されるため、中空ガラス部５の封止作業時の軸のズレを抑制することができた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレームと、
前記リードフレームの上端に形成された素子設置部と、
前記素子設置部に固定された発光ダイオード素子と、
前記リードフレームと前記発光ダイオード素子とを電気的に接続する電気的接続手段と、
前記発光ダイオード素子と、前記素子設置部と、前記電気的接続手段と、それら周辺の前記リードフレームの一部を覆う中空ガラス部と、
前記一対のリードフレームに貫通され、かつ、前記中空ガラス部下部と融着しているガラスビードと、
前記リードフレームの前記ガラスビードより上方に位置する場所に固定され、かつ、前記中空ガラス部の内壁に接したガイド部とを含むことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記ガイド部は、前記ガラス部の内壁に対して少なくとも３箇所以上で接していることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記中空ガラス部は、内壁が上方へ向かうに従って内側に傾斜していることを特徴とする請求項１また２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記ガイド部は、上方に広がる反射面を持つことを特徴とする請求項１から３に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記ガイド部は、その周辺にバネ構造を持つことを特徴とする請求項１から４に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記ガイド部は、前記中空ガラス部内の水平方向の断面積に対して７０％以上９０％以下の面積を持つことを特徴とする請求項１から５に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記ガイド部は、前記発光ダイオード素子の側を向いた面が白色か、金、銀、アルミニウム、光学多層膜によってコーティングされていることを特徴とする請求項１から６に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記発光ダイオード素子は、青色から近紫外の光を発することを特徴とする請求項１から７に記載の発光デバイス。
【請求項９】
更に、前記発光ダイオード素子が前記中空ガラス部を介して光が放出される際の光路の一部に蛍光体層を備えることを特徴とする請求項８に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記中空ガラス部は、蛍光ガラスで構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
素子設置部を有するリードフレームの下方にガラスビードを固定する工程（１）と、
前記リードフレームの素子設置部より下方であって前記ガラスビードより上方にガイド部を固定する工程（２）と、
前記素子設置部上に発光ダイオード素子を固定する工程（３）と、
前記リードフレームを前記中空ガラス部に挿入し、前記ガイド部と前記中空ガラス部内壁とを接触させる工程（４）と、
前記ガラスビードの位置に当たる前記中空ガラス部側壁を加熱して融着し、前記発光ダイオード素子を封止する工程（５）と、を含むことを特徴とする発光デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記工程（５）の前に、前記ガラスビード下方に当たる前記中空ガラス部側壁を加熱して前記リードフレームを仮止めする工程を行うことを特徴とする請求項１１に記載の発光デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記工程（４）は、中空ガラス部の開口部を上方に向け、前記リードフレームを挿入する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の発光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関する。より詳しくは、中空のガラスで発光ダイオード素子を覆った構造の発光ダイオードデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードとは、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との接合間に電流を注入することによって、赤外、可視、紫外光などを放出する光半導体素子の一種である。このような発光ダイオードデバイスは、一般的には発光ダイオード素子と、これに電気的に接続されたワイヤやリードフレームを樹脂で覆って保護した構造をとっている。
【０００３】
近年、発光ダイオードの発光波長の短波長化、高出力化や高信頼性への要求が高まるに従って、発光ダイオード素子周辺を封止樹脂で覆う構造には問題がある、との指摘がされるようになってきた。短波長光に長時間晒され続けると、封止樹脂は劣化し、当初透明であった樹脂が黄変又は黒変するのである。この結果、不透明になった樹脂に発光を遮られ、本来期待される寿命よりはるかに短い時間で発光ダイオードデバイスの発光強度は低下する。
【０００４】
更には、封止樹脂は水分をさほど遮断することができず、湿度の高い条件下で使用された発光ダイオードデバイスは、封止された発光ダイオード素子自体が劣化することを防止できない。
【０００５】
これらの問題を解決するため、樹脂をガラスに代えた発光ダイオードデバイスの封止構造とその製造方法が特許文献１に提案されている。
【０００６】
かかる文献の製造方法は、まずガラス管の一端を略半球面状の形状とし、次に他端の開口側からガラスビーズによって結束した一対のリードフレームを挿入し、その後ガラス管とガラスビーズとをバーナで加熱して融着している。この製造方法により、リードフレーム状に固定された発光ダイオード素子は、ガラス管とガラスビーズによって気密に封止される。
【特許文献１】特開２００４−０７１７７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記の製造方法を実際に適用した場合、発光ダイオード素子の光軸がガラス管の軸に対してズレを生じるという問題がある。この問題を図６によって説明する。
【０００８】
図６は、発光ダイオード素子をその上部に固定したリードフレームを、一端を封じたガラス管とリードフレームに固定したガラスビードの融着によって封止する工程を示したものである。工程（ａ）において、リードフレームをガラス管に挿入し、ガラスビード下方のガラス管側壁にバーナを当てて加熱し、仮止めを行う。工程（ｂ）において、仮止めをしたガラスビードの位置にガラス管側壁からバーナを当てて、ガラスビードとガラス管とを加熱し、融着させる。工程（ｃ）において、余ったガラス管下方の部分を除去し、ガラス封止した発光ダイオードデバイスが完成する。
【０００９】
ここで、工程（ａ）の仮止め及び工程（ｂ）の融着のいずれも、工程中に発光ダイオード素子の光軸とガラス管の軸との間にズレが生じやすい。これは、この工程を通じてリードフレームのガラス管に対する相対的な位置を固定する手段をとらないことによる。このため、特に大量生産を行う場合には、製品ごとの指向特性がばらつき、問題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記問題の解決を意図してなされたものである。本発明の特徴的な点は、発光ダイオード素子を固定したリードフレームを中空ガラス部内に封止する際、リードフレームに更にガイド部を設け、中空ガラス部の内壁に接触させてズレを防ぐことである。
【発明の効果】
【００１１】
この構成及び製造方法により、中空ガラス内に発光ダイオード素子を封止する構造の発光デバイスにおいて、製品ごとの軸方向のズレが抑制される。この結果、製品ごとのばらつきが少なくなり、製造歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明を図に沿って説明する。なお、説明のために「上」又は「上方」、「下」又は「下方」等の方向の表記を用いるが、これは本発明の発光デバイスにおける光軸方向を便宜的に「上」とし、その反対側を「下」としたものである。
【００１３】
図１（ａ）は、本発明による発光デバイスの第一の実施形態の側面図である。正極と負極の端子として用いられる一対のリードフレーム１の一方１ａには素子設置部２が設けられ、そこに発光ダイオード素子３が固定されている。発光ダイオード素子３は、リードフレーム１ａと電気的に接続されている一方で、他方のリードフレーム１ｂと発光ダイオード素子３との間もワイヤ４を通じて電気的に接続されている。
【００１４】
中空ガラス部５は、発光ダイオード素子３の発光波長において光を透過する材料で構成される。また、中空ガラス部５は、発光ダイオード素子３を覆っており、中空ガラス部５の内壁下部周囲において融着しているガラスビード６と合わせて、発光ダイオード素子３を密封している。
【００１５】
ここで、ガイド部７は、素子設置部２の下に、リードフレーム１ａから水平方向へ張り出すようにして固定される。そして、ガイド部７は中空ガラス部５の内壁に接触し、そのことによってリードフレーム１ａ及び発光ダイオード素子３の中空ガラス部５に対する相対的な位置を限定するように働く。その結果、中空ガラス部５の軸方向に対する発光ダイオード素子３の光軸方向のズレを抑制することができる。
【００１６】
上記のように組み立てた後、リードフレーム１ａ、１ｂ間に電流を流すと、発光ダイオード素子３が作動し、光を発する。発光ダイオード素子３からの発光は、主として光軸方向に所定の配光を形成しつつ中空ガラス部５を透過して本デバイス外部へ放射されることになる。
【００１７】
以下、各部材について説明する。発光ダイオード素子３は、一般的には化合物半導体単結晶層の積層構造によって構成される。具体的にはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等である。この積層構造は、ｎ型層とｐ型層を含み、かつ、この間にＭＱＷ等の発光層が挟み込まれる。ｎ型層上とｐ型層上にはそれぞれオーミック接続した電極層が形成され、リードフレーム１ａ、１ｂと各電極層とは電気的に接続されている。電気的に接続するための手段は、例えばワイヤ４や、導電性接着剤（図示せず）、共晶ハンダ（図示せず）などである。
【００１８】
リードフレーム１は、ガラス封着線や、例えばジュメット線（銅被覆されたＦｅ−Ｎｉ合金）やコバール線などの、２本の棒状又は細い板状の金属によって構成される。２本のうち一方は一方の極（例えば負極）の端子として、もう一方は他方の極（例えば正極）の端子として機能する。図１（ａ）のリードフレーム１ａ上部には発光ダイオード素子３を固定できるように素子設置部２が形成されている。素子設置部２は、発光ダイオード素子３からの光を上方へ反射するよう凹状に形成されていても、平坦であっても良い。
【００１９】
中空ガラス部５は、半球形状や砲弾形状であって、内部が中空のガラスによって構成される。このような形状は、例えばガラス管の一端を加熱して加工する等の一般的な方法で得ることができる。また、ガラスビード６は、ガラス管と同じ材料が好ましい。熱膨張係数が一致するため、融着時においてクラックの発生が無いためである。無論、融着時においてクラック等の問題がなければ、他の材料であってよい。具体的な材料としては、珪酸塩ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、燐酸塩ガラスなどを挙げることができる。ガラスビード６は、一対のリードフレーム１が貫通するように固定し、その後、中空ガラス部５と共に加熱融着される。
【００２０】
中空ガラス部５の内壁や発光ダイオード素子３の表面など、発光ダイオード素子３からの発光が中空ガラス部５を介して外部へ放出される経路のいずれかの部分に蛍光体層（図示せず）を配置することもできる。発光ダイオード素子３として青色に発光するものを選択し、蛍光体としてＹＡＧ：Ｃｅなど青色光を吸収して黄色蛍光を発するものを選択した場合、本デバイス全体として白色発光を得ることができる。その他、発光ダイオード素子３と蛍光体との選択次第で、発光ダイオード素子３が発する以外の発光色を得ることが可能である。また、中空ガラス部５自体を、通常のガラスではなく、蛍光ガラスによって構成することもできる。この場合も、発光ダイオード素子３と蛍光ガラス材料との選択次第で、発光ダイオード素子３が発する以外の発光色を得ることが可能である。
【００２１】
ガイド部７は、耐熱性、形状を保つ強度、加工がしやすい、という性質を満足する材料であれば良い。具体的には、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルとその合金などの金属やセラミックスなどである。ただし、導電性材料を使用した場合、一方のリードフレーム１ａと、他方とのリードフレーム１ｂとがショートしないよう形状をデザインする必要がある。ガイド部７は、金型による成形、冶具による折り曲げ成形など一般的な方法を適用して製造できる。ガイド部７を製造後、リードフレーム１との接合は、溶接、接着等により形成される。また、はめ込み等により形成してもよい。
【００２２】
次に、ガイド部７の形状について説明する。図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１（ａ）中の点線Ａ−Ａ’で本発光デバイスを切断した場合の断面図を示す。ガイド部７の平面形状は、中空ガラス部５の内壁の形状に一致する形状、例えば円形であって良い。しかし、中空ガラス部５とガラスビード６とで密封される空間を、真空にする場合又は化学的に不活性なガス（Ｎ２、Ａｒ、Ｎｅ等）で満たす場合、ガイド部７より上方の空間の空気を排出するためにガイド部７と中空ガラス部５との間に隙間があったほうが良い。（ｂ）のようにリードフレーム１ａから３方向へ張り出すようにした形状であれば軸方向のズレを最小限にしつつ、ガイド部７の隙間から空気を排出しやすいため好ましい。また、（ｃ）や（ｄ）のように、中空ガラス部５内の断面に対して広い面積を占める構成とすることもできる。特に、ガイド部７を白色とした場合や、反射率の高い材料をコーティングした場合、発光ダイオード素子３からの発光が中空ガラス部５の内面で反射されて光軸方向とは反対の方向へ戻ってくる光を再度反射し、外部へ取り出すことができるようになるため、好ましい。コーティングに用いる材料は、発光ダイオード素子３の発光色によるが、金、銀、アルミニウムや、光学多層膜であってよい。なお、デザイン上、有色であってもよい。空気の排出と、光の反射のバランスから、ガイド部７の中空ガラス部５内の断面積に対する広さは、７０〜９０％程度が適当である。
【００２３】
図２は、本発明による第二の実施形態である。なお、図２において第一の実施形態と同様の部分については同一の符号を付す。図２（ａ）にある第二の実施形態において特徴的な点は、中空ガラス部５の内壁が、上方へ行くにしたがって内側に傾斜している点である。このような構造の中空ガラス部５を使うことによって、ガイド部７が確実に所定の位置で中空ガラス部５の内壁に接触する。この結果、より確実に軸ズレを解消できると同時に、上下方向の位置も精度よく位置決めが可能となる。また、図２（ｂ）は、ガイド部７端部を、中空ガラス部５の先端の曲面に接するまで押し込んだ上で密封したものである。即ち、中空ガラス部５上方の曲面部分を内側に傾斜した部分として用いたものである。この変形例でも同様の効果が得られる。図２（ａ）、（ｂ）の実施形態とも、製造に当たっては中空ガラス部５を上下反転させて下（重力が働く方向）へ向け、リードフレーム１をガイド部７が中空ガラス部５の曲面に突き当たるまで挿入した上で密封する、という工程をとることができる。このような工程は、量産が簡単に行えるという利点がある。
【００２４】
図３は、本発明による第三の実施形態である。第三の実施形態において特徴的な点は、ガイド部７の構造が平板ではなく、上方に向かって開いた形状の反射面８を内面に持つことである。このような構造のガイド部７を使うことによって、軸ズレの解消と同時に反射面８による本発光デバイスの配光を制御し、更に、軸方向への発光強度を高める効果を奏する。
【００２５】
図４は、本発明による第四の実施形態である。本実施形態においては、本発光デバイスの製造方法を説明する。最初に工程（ａ）において、ガラスビード６を一対のリードフレーム１の下方に固定する。ガラスビード６は珪酸塩ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、燐酸塩ガラスなどの材料を用いる。これを固定する方法としては、所定の長さにカットした円筒状のガラスをリードフレームの所定の位置にバーナーにより加熱し、溶着させる。
【００２６】
次に、工程（ｂ）において、ガイド部７を固定する。ガイド部７に用いる材料として、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルとその合金などを用いる。これを形成し、固定する方法としては、金型による成形や冶具による折り曲げ成形などによりガイド部を形成し、融着、接着、かしめなどにより固定し、形状を作製する。
【００２７】
次に、工程（ｃ）において、発光ダイオード素子３をリードフレーム１ａ上の素子設置部２に固定する。
【００２８】
次に、工程（ｄ）において、一対のリードフレーム１を中空ガラス部５の中に挿入する。この際、ガイド部７を中空ガラス部５の内壁に接触するようにして、発光ダイオード素子３が、中空ガラス部５の軸上に位置するようにする。
【００２９】
次に、工程（ｅ）において、ガラスビード６より下方の中空ガラス部５側面をバーナで加熱し、凹ませる。これによってリードフレーム１を仮止めする。
【００３０】
最後に、工程（ｆ）において、ガラスビード６と同じ高さにある中空ガラス部５の側面をバーナで加熱し、ガラスビード６と中空ガラス部５を融着する。融着は中空ガラス部５の全周にわたって行い、中空ガラス部５と、ガラスビード６とによって形成される空間を密封する。そして、余分な長さの中空ガラス部（５）下方を切り離す。
【００３１】
なお、工程（ｄ）において、ガイド部７の外周にバネ９を形成し、バネ９と中空ガラス部５との間の弾性力によって位置が固定できるようにした場合（図５の工程（ｄ’））、仮止めを行う工程（ｅ）を行わなくてもよい。また、工程（ｄ）において、中空ガラス部５の開口部を上方に向け、ガイド部７が下向きになるようにリードフレーム１を挿入した場合（図５の工程（ｄ’’））、中空ガラス部５の閉口部にガイド部７が突き当たる様にできる。この場合、仮止めを行う工程（ｅ）は行わなくともよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の第三の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第四の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の第四の実施形態の変形例を示す図である。
【図６】従来技術とその問題点を示す図である。
【００３３】
１          リードフレーム
１ａ        リードフレーム（正極又は負極）
１ｂ        リードフレーム（負極又は正極）
２          素子設置部
３          発光ダイオード素子
４          電気的接続手段（ワイヤ）
５          中空ガラス部
６          ガラスビード
７          ガイド部
８          反射面
９          バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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