(57)【要約】【課題】使用環境温度差が大きい場合においてバンプの疲労破断を防止できる発光素子を提供する。【解決手段】ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間の空間に、透明樹脂９の替わりに、線膨張係数が透明樹脂９よりも小さい、より望ましくは、線膨張係数がＡｕバンプと同等であるようなアンダーフィル７を充填している。これにより、発光素子１の使用中において環境温度が大きく変化しても、Ａｕバンプ６の線膨張係数とアンダーフィル７の線膨張係数との差によりＡｕバンプ６に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを、従来の発光素子の場合より小さくして、Ａｕバンプ６が疲労破断することを確実に防止可能な発光素子１を提供できる。【選択図】        図１
2004172160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤチップと、
導電部材とを備え、
前記ＬＥＤチップの電極と前記導電部材とはバンプ構造により電気的に接続され、
前記ＬＥＤチップと前記導電部材間に前記バンプを覆うように樹脂が充填され、
前記ＬＥＤチップおよび前記樹脂が透明樹脂で覆われる発光素子であって、
前記バンプの線膨張係数は前記透明樹脂の線膨張係数より小さく、且つ前記樹脂の線膨張係数は前記透明樹脂の線膨張係数より小さいことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記樹脂の線膨張係数は前記バンプの線膨張係数と同等であること特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ＬＥＤチップの発光面の外周に光反射ケースを配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記樹脂にフィラーを含有させたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記導電部材は金属製リードフレームまたはプリント基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子に関するものであり、たとえば車両の計器等の照明用光源として用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の発光素子は、通電により発光するＬＥＤチップと、導電部材であるリードフレームとを備え、ＬＥＤチップの電極がリードフレームにハンダバンプあるいはＡｕバンプ等より電気的に接続され、ＬＥＤチップ、リードフレームおよびハンダバンプが透明樹脂内に封入される構造になっている。そして、リードフレームの一部は透明樹脂の外側に延出され、これを介して、ＬＥＤチップが外部と電気的に接続される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発光素子において、透明樹脂として、一般にはエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂の線膨張係数は７０ＰＰＭ／℃〜１４０ＰＰＭ／℃である。一方、ＬＥＤチップとリードフレームとの接続している、たとえばＡｕバンプの線膨張係数は１４ＰＰＭ／℃である。すなわち、Ａｕバンプの線膨張係数と、それを覆うエポキシ樹脂の線膨張係数との間に大きな差がある。
【０００４】
たとえば、発光素子が車両の計器盤の照明用光源として用いられた場合、計器盤の温度は、真夏の炎天下駐車中、あるいは冬季暖房使用中にはかなりの高温になる。一方、冬季夜間駐車中においては０℃以下になることもあり得る。したがって、車両に用いた場合の環境温度差は１００℃以上となることもある。
【０００５】
このため、発光素子の使用中において環境温度が大きく変化する場合、周囲のエポキシ樹脂の膨張・収縮によってＡｕバンプに圧縮応力あるいは引っ張り応力が発生し、さらに、この応力が繰返し作用すると、Ａｕバンプが疲労破断する可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、使用環境温度差が大きい場合においてバンプの疲労破断を防止できる発光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
本発明の請求項１に記載の発光素子は、ＬＥＤチップと、導電部材とを備え、ＬＥＤチップの電極と導電部材とはバンプ構造により電気的に接続され、ＬＥＤチップと導電部材間にバンプを覆うように樹脂が充填され、ＬＥＤチップおよび樹脂が透明樹脂で覆われる発光素子であって、バンプの線膨張係数は透明樹脂の線膨張係数より小さく、且つ樹脂の線膨張係数は透明樹脂の線膨張係数より小さい構成としている。すなわち、従来の発光素子においては、バンプは直接透明樹脂に覆われているが、本発明の請求項１に記載の発光素子では、バンプを樹脂で覆い、さらにその外側を透明樹脂で覆っている。これにより、バンプの線膨張係数とバンプを直接覆う部材の線膨張係数との差を従来の発光素子の場合よりも小さくして、発光素子の周囲温度が変化した場合にバンプに生じる圧縮あるいは引っ張り応力を低減することができる。したがって、使用環境温度差が大きい場合においてもバンプの疲労破断を防止できる発光素子を実現できる。
【０００９】
請求項２に記載の発光素子は、樹脂の線膨張係数はバンプの線膨張係数と同等としている。これにより、バンプの線膨張係数とバンプを直接覆う樹脂の線膨張係数との差をほとんどなくして、発光素子の周囲温度が変化した場合にバンプに生じる圧縮あるいは引っ張り応力をほとんど０とすることができる。したがって、使用環境温度差が大きい場合においてもバンプの疲労破断を確実に防止できる発光素子を実現できる。
【００１０】
請求項３に記載の発光素子は、ＬＥＤチップの発光面の外周に光反射ケースを配置する構成としている。これにより、ＬＥＤチップから発射される光を高効率出所定方向に向けて照射することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発光素子は、樹脂にフィラーを含有させた構成としている。これにより、容易に樹脂の線膨張係数を小さくすることができる。また、フィラーの含有率を変えることにより樹脂の線膨張係数を所望の値に調整することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発光素子は、導電部材は金属製リードフレームまたはプリント基板である構成としている。これにより、発光素子を容易に外部と電気的に接続することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による発光素子を、図面に基づいて説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による発光素子１の断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【００１５】
図２は、本発明の第１実施形態による発光素子１の平面図であり、図１中のＩＩ矢視図である。
【００１６】
発光素子１は、たとえば自動車のコンビネーションメータ（図示せず）の文字盤（図示せず）あるいは指針（図示せず）を発光表示させるための光源として用いられている。
【００１７】
以下、発光素子１の構成について詳細に説明する。
【００１８】
ＬＥＤチップ２は、半導体からなり、Ｐ−Ｎ接合部（図示せず）を有している。また、図１、図２に示すように、ＬＥＤチップ２のＰ型領域（図示せず）には電極２１が、Ｎ型領域（図示せず）には電極２２がそれぞれ設けられている。電極２１を直流電源の＋極に、電極２２を−極に接続すると、Ｐ型領域とＮ型領域の接合面が発光して、図１の上方に光が照射される。
【００１９】
導電部材であるリードフレーム３、４は、たとえば燐青銅の薄板よりなり、その厚さは、たとえば０．２ｍｍ程度である。リードフレーム３、４のＬＥＤチップ側（図１における上側）表面３１、４１にはＡｇ（銀）メッキが施され、リードフレーム３、４の表面３１、４１を除く全面にはＳｎ（錫）メッキが施されている。リードフレーム３、４は、図１に示すように、それぞれ表面３１、４１において、ＬＥＤチップ２の電極２１、２２にＡｕ（金）バンプ６を介して電気的に接続されて、ＬＥＤチップ２を外部と接続するための配線の機能を果たしている。また、リードフレーム３、４は、絶縁材料、たとえば樹脂からなるリードフレームホルダ５に保持固定されている。
【００２０】
ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間の空間には、樹脂であるアンダーフィル７がＡｕバンプ６を覆うように充填されている。アンダーフィル７は、たとえばエポキシ樹脂にフィラーとしてたとえば粉末状のガラス（図示せず）を均一に混入させたものである。
【００２１】
光反射ケースである反射筒８は、たとえば樹脂等から両端が開口する略筒状に形成されている。反射筒８は、図１に示すように、その一端側においてリードフレーム３、４の上面にＬＥＤチップ２を取囲むように取り付けられている。反射筒８は、ＬＥＤチップ２から放射状に出射される光を図１の上方に向けて反射して、図１の上方向における照度を高める機能を果たしている。
【００２２】
反射筒８の内側には、図１に示すように、ＬＥＤチップ２およびアンダーフィル７を覆うように透明樹脂９が充填されている。透明樹脂９は、たとえばエポキシ樹脂が用いられ、これによりＬＥＤチップ２を埃や水分等から保護している。
【００２３】
次に、本発明の第１実施形態による発光素子１の特徴である、アンダーフィル７の作用・効果について説明する。
【００２４】
従来の発光素子の場合、アンダーフィル７は無く、ＬＥＤチップとリードフレームとの間の空間には、ＬＥＤチップの発光面側に充填される透明樹脂、たとえばエポキシ樹脂が回り込んで充填されている。したがって、ＬＥＤチップの電極とリードフレームとを接続しているＡｕバンプも透明樹脂により覆われている。
【００２５】
ところで、エポキシ樹脂の線膨張係数は７０ＰＰＭ／℃〜１４０ＰＰＭ／℃であり、Ａｕバンプの線膨張係数は１４ＰＰＭ／℃である。すなわち、Ａｕバンプの線膨張係数と、それを覆うエポキシ樹脂の線膨張係数との間に大きな差がある。
【００２６】
このため、発光素子の使用中において環境温度が大きく変化すると、周囲のエポキシ樹脂の膨張・収縮によってＡｕバンプに圧縮応力あるいは引っ張り応力が発生し、さらに、この応力が繰返し作用するとＡｕバンプが疲労破断する可能性があるという問題があった。
【００２７】
これに対し、本発明の第１実施形態による発光素子１においては、ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間の空間には、透明樹脂９に替えてアンダーフィル７が充填されている。このアンダーフィル７は、エポキシ樹脂にフィラーとして粉末状のガラス（図示せず）を均一に混入させたものである。ガラスの線膨張係数は略１ＰＰＭ／℃とエポキシ樹脂に比べて遥かに小さいため、フィラーを添加することによりアンダーフィル７の線膨張係数を小さくすることができる。
【００２８】
本発明の第１実施形態による発光素子１の場合、体積で５０％のフィラーを添加し、それにより、アンダーフィル７の線膨張係数は約２５ＰＰＭ／℃に低下している。すなわち、Ａｕバンプ６の線膨張係数と、それを覆うアンダーフィル７の線膨張係数との差を、従来の発光素子に比べて小さくしている。したがって、発光素子１の使用中において環境温度が大きく変化しても、Ａｕバンプ６の線膨張係数とアンダーフィル７の線膨張係数との差によりＡｕバンプ６に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを従来の発光素子の場合より小さくできるので、Ａｕバンプ６が疲労破断することを確実に防止することができる。
【００２９】
なお、以上説明した、本発明の第１実施形態による発光素子１においては、アンダーフィル７に添加するフィラーとして粉末状のガラスを用いているが、粉末状のガラスに限る必要は無く、線膨張係数が小さく且つ非導電性の材料であれば他の材質であってもよい。たとえば、各種セラミックス等でもよい。さらに、アンダーフィル７のベースとなる樹脂をエポキシ樹脂としているが、他の材質を用いてもよい。
【００３０】
また、Ａｕバンプ６に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを小さくする、あるいはほとんど生じさせないためには、アンダーフィル７の線膨張係数をＡｕバンプ６の線膨張係数にできるだけ近づける、あるいはほぼ等しくすればよい。一方、フィラーの添加量を多くすればアンダーフィル７の線膨張係数は小さくできるが、アンダーフィル７の流動性も悪化する、つまり生産工程においてＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間への流れ込み性が悪化する。したがって、線膨張係数および流動性の両者が適切な値となるように、フィラーの添加割合、フィラー材質が設定される。
【００３１】
次に、本発明の第１実施形態による発光素子１の製造方法について簡単に説明する。
【００３２】
先ず、ＬＥＤチップ２の電極２１、２２を、Ａｕバンプ６を介してリードフレーム３、４にそれぞれ接続する。
【００３３】
次に、反射筒８をリードフレーム３、４に接着等により固定する。
【００３４】
次に、ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４を水平にセットして、ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間へアンダーフィル７をポッティングする。このとき、アンダーフィル７は、毛細管現象によりＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間へ浸入してＡｕバンプ６を覆う。ここで、ポッティングされるアンダーフィル７量は、ポッティング完了後においてアンダーフィル７の上面７１の図１における上下方向位置がＬＥＤチップ２の上面２３と下面２４の中間となるように設定される。アンダーフィル７量が多すぎると、ＬＥＤチップ２の上面２３を部分的に覆い、発光面積が減少してしまい、一方、少なすぎるとＡｕバンプ６が部分的に露出し、その部分が透明樹脂９で覆われてＡｕバンプ６に圧縮応力あるいは引っ張り応力が生じてしまう。
【００３５】
最後に、反射筒８の内側に、ＬＥＤチップ２およびアンダーフィル７を覆うように透明樹脂９を注入する。以上で、本発明の第１実施形態による発光素子１が完成する。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１実施形態による発光素子１においては、ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４との間の空間に、透明樹脂９の替わりに、線膨張係数が透明樹脂９よりも小さい、より望ましくは、線膨張係数がＡｕバンプと同等であるようなアンダーフィル７を充填している。これにより、発光素子１の使用中において環境温度が大きく変化しても、Ａｕバンプ６の線膨張係数とアンダーフィル７の線膨張係数との差によりＡｕバンプ６に生じる圧縮応力あるいは引っ張り応力の大きさを、従来の発光素子の場合より小さくして、Ａｕバンプ６が疲労破断することを確実に防止することができる。
【００３７】
図３には、本発明の第１実施形態による発光素子１の変形例の部分斜視外観図を示す。なお、図３においては、分かり易さのために、アンダーフィル７、反射筒８、透明樹脂９を省略している。
【００３８】
上述の、本発明の第１実施形態による発光素子１においては、ＬＥＤチップ２の個数を１個としているが、図３に示すように、複数個としてもよい。この場合、複数個のＬＥＤチップ２を、図３に示すように直線状に配置すれば、たとえば、指針計器における指針に適用して、自発光指針を容易に実現することができる。
【００３９】
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態による発光素子１の断面図を示す。
【００４０】
本発明の第２実施形態による発光素子１においては、導電部材として、リードフレーム３、４に替えてプリント基板１０を用いている。
【００４１】
ＬＥＤチップ２の電極２１、２２は、図４に示すように、プリント基板１０の導電パタン１０１、１０２にＡｕバンプ６を介してそれぞれ接続されている。そして、ＬＥＤチップ２とプリント基板１０の間には、第１実施形態の場合と同様に、アンダーフィル７が充填されている。
【００４２】
本発明の第２実施形態による発光素子１においても、第１実施形態の場合と同様に、Ａｕバンプ６が疲労破断することを確実に防止することができる。
【００４３】
なお、以上説明した、本発明の第１実施形態および第２実施形態による発光素子においては、ＬＥＤチップ２とリードフレーム３、４、あるいはプリント基板１０との接続にＡｕバンプ６を用いているが、他のバンプ構造、たとえば、はんだバンプを使用してもよい。この場合も、アンダーフィル７へのフィラーの添加割合を調整してアンダーフィル７の線膨張係数を使用するバンプの線膨張係数に近い値に、またはほぼ同等な値に設定すれば、使用過程においてバンプが疲労破断することを確実に防止できる発光素子を提供できる。
【００４４】
また、以上説明した、本発明の第１実施形態および第２実施形態による発光素子においては、発光素子１の光照射方向に指向性を与えるために反射筒８を設けているが、反射筒８を設けない構成としてもよい。
【００４５】
また、本発明の第１実施形態および第２実施形態による発光素子１において、透明樹脂９にエポキシ樹脂を用いているが、他の樹脂であってもよい。
【００４６】
また、本発明の第１実施形態および第２実施形態による発光素子１において、ＬＥＤチップ２の発光色は何色であってもよい。また、ＬＥＤチップ２を複数個配置する場合には、複数個のＬＥＤチップ２の発光色を同色で統一しても、あるいは複数種類を混在させてもどちらでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による発光素子１の断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による発光素子１の平面図であり、図１中のＩＩ矢視図である。
【図３】本発明の第１実施形態による発光素子１の変形例の部分斜視外観図である。
【図４】本発明の第２実施形態による発光素子１の断面図である。
【符号の説明】
１    発光素子
２    ＬＥＤチップ
２１    電極
２２    電極
２３    上面
２４    下面
３    リードフレーム（導電部材）
４    リードフレーム（導電部材）
５    リードフレームホルダ
６    Ａｕバンプ（バンプ）
７    アンダーフィル（樹脂）
７１    上面
８    反射筒（光反射ケース）
９    透明樹脂
１０    プリント基板（導電部材）
１０１    導電パタン（導電部材）
１０２    導電パタン（導電部材）
【図１】
2004172160.tif 000003
【図２】
2004172160.tif 000004
【図３】
2004172160.tif 000005
【図４】
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