(57)【要約】【課題】本発明は、従来の砲弾形の光透過性樹脂レンズを備えた発光ダイオードに匹敵するレンズ効果を、砲弾形レンズを有しない発光ダイオードで実現する。【解決手段】内側面１を反射面とする擂鉢状の凹部を有する基板２の底面３にＬＥＤチップを載置し、第１光透過性樹脂に蛍光体８を分散した波長変換部材９を擂鉢状の凹部に充填する。そして、ＬＥＤチップ６から出射された光が外部に放出される波長変換部材９の光放出面１３に多数のマイクロビーズ１７を覆設する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面は連続する凸凹で形成されていることを特徴とする高輝度発光ダイオード。
【請求項２】
基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面から多数の不定形な透明拡散片の夫々の一部分を前記波長変換部材に埋設させたことを特徴とする高輝度発光ダイオード。
【請求項３】
基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面に多数の不定形な透明拡散片を分散した第２光透過性樹脂を覆設したことを特徴とする高輝度発光ダイオード。
【請求項４】
基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面に多数のマイクロビーズを分散した第２光透過性樹脂を覆設したことを特徴とする高輝度発光ダイオード。
【請求項５】
前記発光ダイオードチップから出射される光は青色光であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の高輝度発光ダイオード。
【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ものであり、詳しくは発光ダイオードチップから出射した光と、発光ダイオードチップから出射して蛍光体によって波長変換された光との加法混色によって任意の発光色を発する高輝度発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は半導体を材料とする発光素子であり、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合させて順方向にバイアス電圧を印加することにより接合部（活性層）で電気エネルギーが光エネルギーに変換されて光を発するという原理のものである。ＬＥＤのピーク発光波長は半導体材料によって異なるが、近紫外〜可視光〜近赤外の領域にあり、発光スペクトルは急峻な特性を有している。
【０００３】
また、ＬＥＤの発光体（ＬＥＤチップ）は、１辺の長さが０．５ｍｍ程度の６面体（サイコロ状）の形状をしており、小さくて発光光量が少なく、点光源に近い光学特性を有している。したがって、このような特性のＬＥＤチップを光源にした表示素子を設計・製作するに当たっては、ＬＥＤチップの活性層で発光された光の量に対するＬＥＤチップの光出射面からＬＥＤチップ外に出射される光の量の割合（外部量子効率）を高め、且つＬＥＤチップから出射される光を一方向に集めてＬＥＤの軸上光度を上げるような手法が施されている。
【０００４】
具体的には、基板上に配設された一対の電極の一方に導電性接着剤を介してＬＥＤチップを載置して電気的導通を図り、他方の電極には一方の端部がＬＥＤチップに接続されたワイヤの他方の端部を接続して同様に電気的導通を図る。そしてＬＥＤチップから光を出射する光出射面を形成する半導体材料より屈折率の高い光透過性樹脂によってＬＥＤチップの上方にレンズを形成してＬＥＤチップ及びワイヤを樹脂封止する。ここでＬＥＤチップ及びワイヤを光透過性樹脂によって封止する目的は、ＬＥＤチップ及びワイヤを振動、衝撃等の機械的応力や水分等の環境条件から保護し、ＬＥＤチップの活性層で発光された光の量に対するＬＥＤチップの光出射面からＬＥＤチップ外に出射される光の量の割合（外部量子効率）を高め、ＬＥＤチップの光出射面から出射されて光透過性樹脂内部を導光してレンズ内面に至った光を、レンズの光出射面で屈折させて一方向に集めるように出射させることによってＬＥＤの光軸方向の輝度を上げるためのものである。
【０００５】
このようなＬＥＤの基本構成に基づいて、一対の電極を介してＬＥＤチップに順方向電圧を印加することによってＬＥＤチップで発光されてＬＥＤチップから出射された光を蛍光体に照射して励起し、照射された光の波長よりも長波長に波長変換された光とＬＥＤチップから出射された光との加法混色によって白色系の光色を呈するようなＬＥＤが提案されている。具体的な構造は、外部からＬＥＤチップに電力を供給するための一対の電極の一方にエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等のバインダに金、銀、銅、アルミニウム等の無機部材を分散した接着剤を介してＬＥＤチップを載置すると同時に、ＬＥＤチップの上面に設けられた一対の電極（アノード及びカソード）夫々に接続された一対のワイヤの一方の端部を同一の電極に接続して電気的導通を図り、他方のワイヤの端部を他方の電極に接続して同様に電気的導通を図る。そして、エラストマー或いはゲル状シリコーン樹脂、アモルファスフッ素樹脂、ポリイミド樹脂等のバインダに蛍光体を分散させた波長変換部材でＬＥＤチップを被覆し、更にそれを覆うように光透過性樹脂からなるモールド部材で封止するものである。そしてこのよう構成のＬＥＤの外観形状は、一対のリードの一方の端部にＬＥＤチップを載置して砲弾形の光透過性樹脂レンズで封止し、プリント基板のスルーホールにリードを挿入して部品面の反対方向から半田付固定して実装するタイプ（縦型ＬＥＤ）と、平面基板上にＬＥＤチップを載置して光透過性樹脂で封止し、プリント基板の部品面に半田付固定して実装するタイプ（表面実装型ＬＥＤ）との２つに大別される。
（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１０−２２８２４９号公報（第２−７頁、図１−図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した白色系の光色を発するＬＥＤは、蛍光体を分散したバインダの材質とバインダと接触して界面を形成するモールド部材との材質が異なるため（モールド部材となる光透過性樹脂の材質はエポキシ樹脂或いはガラスが一般的である）モールド部材が加熱硬化されて冷却するときの収縮率の違いによってバインダとモールド部材との界面に剥離が生ずることになる。その結果、バインダとモールド部材との間に間隙が発生し、ＬＥＤチップから出射された光及びＬＥＤチップから出射されて蛍光体で波長変換された光とがモールド部材の入射面に至る光路で間隙によって低減されレンズの内面に至るまでに光量が減少することになる。また、バインダーとモールド部材との界面の剥離によって機械的強度が弱くなり、使用環境によっては破損の要因となる可能性もあり、信頼性を損なうものとなる。
【０００７】
また、発光ダイオードの性能を評価する光学特性として光度、輝度、光束発散度等がある。これらの測光量は光源から放射された光束が一定の範囲内（光度、輝度については単位立体角当たり、光束発散度については単位面積当たり）にどれほど存在するかを表すもので、光源から放射される光束が同じであれば、これらの測光量の値が大きいほど光源から放射された光が効率良く集められたことになる。これを上述した白色系光色の縦型ＬＥＤに当て嵌めてみると、ＬＥＤチップから出射される光の出射方向はＬＥＤチップの光出射面の上方全域に亘っており、内側面を反射面とする擂鉢状の凹部の底面にＬＥＤチップを載置することによって、ＬＥＤチップの光軸に略垂直な方向（略横方向）に出射されて擂鉢状の反射面に向かう光を反射面で反射させてレンズ方向に向かうようにしてＬＥＤから外部に放出される光の取り出し効率を上げるようにするのが一般的な手法である。
【０００８】
この場合、ＬＥＤチップから出射されて直接レンズ内面に至り、レンズと空気の界面で屈折されてレンズの光放出面から外部に放出された光は光軸を中心にした略線対称の分布になっている。一方、ＬＥＤチップから出射されて擂鉢状の反射面で反射されてレンズの光放出面から外部に放出された光は光軸とは無関係に様々な方向に向かう。従って、ＬＥＤチップから出射された光の取り出し効率は上がっているものの、ＬＥＤチップから出射された光に光軸方向の輝度或いは光束発散度に寄与しないものがあるため輝度或いは光束発散度は不十分なものと言わざるを得ない。
【０００９】
また、球面レンズ或いは非球面レンズによって効率良く光を集めるためには、光源が点光源であることが求められ、光学系が０．５ｍｍ程度の６面体（サイコロ状）のＬＥＤチップを点光源と見なすためには、光源となるＬＥＤチップからレンズまでの距離の限界が０．５ｍｍの１０倍以上の５ｍｍ以上必要であると言われており、またレンズにおいてはＬＥＤチップからの距離が長くなるにつれてレンズ表面積を大きくし、曲率半径も集光を効率良く確保するだけの大きさが必要である。従って、ＬＥＤに求められるこのような条件を確保するためには、ＬＥＤの小型化に逆行せざるを得ないことになる。
【００１０】
一方、表面実装型のＬＥＤにおいては、縦型ＬＥＤに比べて寸法が非常に小さいためＬＥＤチップの上方に樹脂レンズを形成したとしてもＬＥＤチップからレンズまでの距離や曲率半径を光学系として満足するほどには確保できない。従って、集光のレンズ効果も少なく、光度、輝度、光束発散度等の測光量も不十分なものになってしまう。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、光取り出し効率が良く、集光率の高い発光ダイオードを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面は連続する凸凹で形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面から多数の不定形な透明拡散片の夫々の一部分を前記波長変換部材に埋設させたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面に多数の不定形な透明拡散片を分散した第２光透過性樹脂を覆設したことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、基材上に載置された発光ダイオードチップを第1光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材で封止し、前記波長変換部材の少なくとも光出射面に多数のマイクロビーズを分散した第２光透過性樹脂を覆設したことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１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から出射される光は青色光であることを特徴とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
小型の白色発光ダイオードの光取り出し効率及び集光率を向上させる目的を、発光ダイオードチップを封止した蛍光体が分散された光透過性樹脂の光放出面に多数のマイクロビーズを覆設して実現した。
【実施例１】
【００１８】
以下、この発明の好適な実施形態を図１から図８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、以下に述べる実施形態は、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、これらの態様に限られるものではない。
【００１９】
図１は本発明の第１実施例を示す断面図である。内側面１を反射面とする擂鉢状の凹部を有する基板２の底面３にＬＥＤチップに電力を供給するための一対の電極４の一方に導電性接着剤５を介してＬＥＤチップ６を載置して電気的導通を図り、他方の電極（図示せず）には一方の端部がＬＥＤチップ６に接続されたワイヤ７の他方の端部を接続して同様に電気的導通を図る。そして、ＬＥＤチップ６で発光された光を出射する光出射面１１を形成する半導体材料により近い屈折率を持つ第１光透過性樹脂のバインダに蛍光体８を分散させた波長変換部材９をＬＥＤチップ６を載置した擂鉢状の凹部に充填してＬＥＤチップ６及びワイヤ７を封止してＬＥＤ１２を形成する。このとき、ＬＥＤチップ６から出射された光が波長変換部材９内を導光されて外部に放出される光放出面１３は連続する凹凸で形成されている。
【００２０】
このようなＬＥＤ１２において、ＬＥＤチップ６に設けられた一対の（アノード及びカソード）電極に電気的導通された一対の電極４を介してＬＥＤチップ６に方向電圧を印加することにより、ＬＥＤチップ６の活性層で発光して光出射面１１に至った光は、光出射面１１と光出射面１１を形成する半導体材料により近い屈折率を持つ第１光透過性樹脂との界面で屈折されて効率良く第１光透過性樹脂内に出射され、その多くは第１光透過性樹脂に分散された蛍光体８を励起し、波長変換されて波長変換部材９の光放出面１３に至る。一方ＬＥＤチップ６から第１光透過性樹脂内に出射されて蛍光体の励起に寄与しない光は、第１光透過性樹脂内を導光されて波長変換部材９の光放出面１３に至る。ここで、波長変換部材９の光放出面１３は第１光透過性樹脂と空気とで界面が形成されており、屈折率は第１光透過性樹脂が空気よりも大きい。従って、波長変換部材９の光放出面１３が平面の場合はＬＥＤチップ６から出射されて光放出面１３に至った入射光線のうち入射点における界面の法線との交角（入射角）が臨界角以上のときは屈折光線は光放出面１３で全反射してＬＥＤ１２からは放出されず、光取り出し効率が良くないものとなる。それに対し、本発明の第１実施例では、波長変換部材９の光放出面１３が連続する凸凹で形状されており、ＬＥＤチップ６から出射されて光放出面１３に至った光の殆んどは光放出面１３からＬＥＤ１２の外部に放出される。従って光取り出し効率が良いＬＥＤを可能にするものである。
【００２１】
なお、全ての実施例に共通することであるが、ＬＥＤチップ６から出射される光が青色光の場合、ＬＥＤチップ６から出射されて蛍光体８で波長変換された光と、波長変換されない光との加法混色によってＬＥＤ１２から放出される光色は白色を呈するものとなる。ただし、本発明ではこれに限らず、ＬＥＤチップ６から出射される光が他の色の可視光や、赤外、紫外であっても良く、蛍光体８の材料との組み合わせにより種々な発光色を得るようにしても良いものである。
【実施例２】
【００２２】
図２は本発明の第２実施例を示す断面図である。本実施例の基本構成は上記第１実施例と同様であるが、第１実施例と異なる点は、第１光透過性樹脂のバインダに蛍光体８を分散した波長変換部材９の光放出面１３にガラス、シリコーン樹脂等の光透過性部材からなる粉末やフレーク等の不定形の透明拡散片１５を直接覆設したことである。この場合、透明拡散片１５は光放出面１３上に覆設してもよいし、透明拡散片１５の一部分を光放出面１３から波長変換部材９内に埋設させた状態で覆設してもよいが、透明拡散片１５を覆設する目的を考慮すると後者のほうが望ましい。これによって、ＬＥＤチップ６から出射されて蛍光体８に励起されて波長変換された光と、ＬＥＤチップ６から出射されて第１光透過性樹脂内を導光された光とが透明拡散片１５内に入射し、屈折されてＬＥＤ１２の外部に放出されるものである。したがって、平面の光放出面１３に至った光が光放射面１１で全反射される割合が少ないため光取り出し効率が良いＬＥＤ１２が可能となるものである。この場合、第１光透過性樹脂と透明拡散片１５との屈折率が近いほど光取り出し効率は良くなる。
【実施例３】
【００２３】
図３は本発明の第３実施例を示す断面図である。本実施例は上記第２実施例の透明拡散片１５をシリコーン樹脂等の第２光透過性樹脂１６のバインダに分散したものを第１光透過性樹脂バインダに蛍光体８を分散した波長換部材９の光放出面１３に覆設したものである。この場合、波長変換部材９を構成する第１光透過性樹脂と透明拡散片１５のバインダとなる第２光透過性樹脂１６と透明拡散片１５との屈折率が近いほど光取り出し効率が良くなる。本実施例の構成は、透明拡散片１５を波長変換部材９の光放出面１３に直接覆設することが困難な場合に有効な手法である。
【実施例４】
【００２４】
図４は本発明の第４実施例を示す断面図である。本実施例は上記第３実施例の透明拡散片１５に替えてガラス、シリコーン樹脂等の光透過性部材からなる略球状レンズ（マイクロビーズ）１７を多数第２光透過性樹脂１６のバインダに分散したものである。この場合、不定形の透明拡散片１５と違って多数のマイクロビーズに一定の角度で入射した光は一定の方向に屈折されて放出されるため光取り出し効率が良好であると同時に集光効率も向上するものである。なおこの場合も、波長変換部材９を構成する第１光透過性樹脂とマイクロビーズ１７のバインダとなる第２光透過性樹脂１６とマイクロビーズ１７との屈折率が近いほど光取り出し効率が良くなる。
【００２５】
図５、図６及び図７は本実施例の構造に基づいて、マイクロビーズ１７のバインダとなる第２光透過性樹脂１６に対するマイクロビーズ１７の空気中への露出量と光取り出し効率との関係をシミュレージョンした条件及びその結果を示したものである。図５はシミュレーションの条件を示すもので、蛍光体８を分散する第１光透過性樹脂の屈折率を１．５０、マイクロビーズを分散する第２光透過性樹脂１６の屈折率を同じく１．５０として、（ａ）は直径１００μｍのマイクロビーズの直径の２５％を第２光透過性樹脂１６から空気中に露出させた状態、（ｂ）は直径１００μｍのマイクロビーズの直径の５０％を第２光透過性樹脂１６から空気中に露出させた状態、（ｃ）は直径１００μｍのマイクロビーズの直径の７５％を第２光透過性樹脂１６から空気中に露出させた状態を示すものである。
【００２６】
図６は光取り出し効率のシミュレーション結果（１）を示すもので、マイクロビーズ１７を覆設しない場合の光取り出し効率を１．０とし、マイクロビーズ１７の空気中への露出量をパラメータにしてマイクロビーズの屈折率を横軸に、光取り出し効率を縦軸に取ったものである。なお、パラメータの凸５０％、凸２５％、凸７５％はマイクロビーズ１７の空気中への露出量がマイクロビーズ１７の直径の夫々５０％、２５％、７５％であることを示す。この結果、マイクロビーズ１７の直径の５０％を空気中への露出した場合が最も光取り出し効率が良く、そのなかでも第１光透過性樹脂、及び第２光透過性樹脂１６の屈折率よりもマイクロビーズ１７の屈折率が小さいほうが光取り出し効率が良いことがわかる。
【００２７】
図７はシミュレーション結果（２）を示すもので、マイクロビーズ１７を覆設しない場合の光取り出し効率を１．０、マイクロビーズ１７の空気中への露出量をマイクロビーズ１７の直径の５０％（凸５０％）とし、マイクロビーズの屈折率を横軸に、光取り出し効率を縦軸に取り、マイクロビーズ１７の屈折率に対するマイクロビーズ１７から放出される光束及び最大輝度の関係を示したものである。なお、最大輝度としたのは、光源を観測する方向によって輝度が異なるためである。この結果、マイクロビーズ１７の屈折率が第１光透過性樹脂、及び第２光透過性樹脂１６の屈折率よりも小さい方がマイクロビーズ１７から放出される光束が多いことがわかる。これは、図６のマイクロビーズ１７の露出量（凸５０％）をパラメータにしたグラフと同一の内容を示している。但し、最大輝度はマイクロビーズ１７の屈折率が１．４５で最大を示している。これは、最大輝度を示すマイクロビーズ１７の屈折率が絶対値で決まるものではなく、第１光透過性樹脂及び第２光透過性樹脂１６の屈折率との相対関係で決まることを示している。
【００２８】
いずれにしても、蛍光体８を分散した波長変換部材９の光放出面１３にマイクロビーズ１７を覆設することによって、ＬＥＤ１２から放出される全光量（光束）及び集光量（輝度）が、マイクロビーズ１７を覆設しない場合の１０％以上増加することが検証されたことになる。
【実施例５】
【００２９】
図８は本発明の第５実施例を示す断面図である。本実施例は、フリップチップ型のＬＥＤチップ６の外周部にマイクロビーズ１７を覆設した場合のＬＥＤ１２の構成を示している。この構造は、ＬＥＤ１２の実装基板２０に配設された一対の電極４にＬＥＤチップ６に設けられた一対の電極（バンプ）２１を接続固定して電気的導通を図る。そしてＬＥＤチップ６の外周部を第１光透過性樹脂に蛍光体８を分散した波長変換部材９で封止し、更にその外側に第２光透過性樹脂１６に分散されたマイクロビーズ１７が、マイクロビーズ１７の直径の５０％が空気中に露出するように覆設されている。
【００３０】
以上、実施例１から実施例５で述べたように、本発明の高輝度ＬＥＤは、光透過性樹脂をバインダとして蛍光体を分散した波長変換部材と熱収縮率が異なるモール樹脂レンズとが界面を形成していないため、界面で発生する剥離が要因となる光取り出し効率の低下及び機械的振動、衝撃等によって生じる信頼性の低下が回避される。また、ＬＥＤの小型化を推進するうえで、従来のように光取り出し効率の向上及び集光性の向上のために曲率半径が大きいレンズを、光源となるＬＥＤチップからの距離を設けて配置することが困難な場合、例えば表面実装型ＬＥＤが該当するが、ＬＥＤを本発明の構成にすることで従来の構成のＬＥＤに匹敵する光取り出し効率及び集光性を確保するものである。などの優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施例に係わる高輝度発光ダイオードの断面図である。
【図２】本発明の第２実施例に係わる高輝度発光ダイオードの断面図である。
【図３】本発明の第３実施例に係わる高輝度発光ダイオードの断面図である。
【図４】本発明の第４実施例に係わる高輝度発光ダイオードの断面図である。
【図５】シミュレーションの条件を示す部分断面図であり、（ａ）はマイクロレンズの直径の２５％が空気中に露出した状態を示し、（ｂ）はマイクロレンズの直径の５０％が空気中に露出した状態を示し、（ｃ）はマイクロレンズの直径の７５％が空気中に露出した状態を示す。
【図６】シミュレーション結果（１）を示す。
【図７】シミュレーション結果（２）を示す。
【図８】本発明の第５実施例に係わる高輝度発光ダイオードの断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    内側面
２    基板
３    底面
４    電極
５    導電性接着剤
６    ＬＥＤチップ
７    ワイヤ
８    蛍光体
９    波長変換部材
１１    光出射面
１２    ＬＥＤ
１３    光放出面
１５    透明拡散片
１６    第２光透過性樹脂
１７    マイクロビーズ
２０    実装基板
２１    バンプ    
【図１】
2005064111.tif 000003
【図２】
2005064111.tif 000004
【図３】
2005064111.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005064111.tif 000007
【図６】
2005064111.tif 000008
【図７】
2005064111.tif 000009
【図８】
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