(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射ホーンを形成したリードフレームと、該反射ホーン内に載置した発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップからの放射光を波長変換する波長変換素子とを有し、これらを透光性材料により覆って封止した発光ダイオードであって、
前記反射ホーン内には、前記透光性基板が反射ホーン上面側に位置し、前記電極が反射ホーン底面側にてリードフレームと電気的に接続するように配設した少なくとも１個以上の発光ダイオードチップを有し、
前記波長変換素子は、波長変換物質とそれを保持する透光性基体とを含み、予め所定の密度、厚みとなるように調整されて層状に形成されており、
前記反射ホーンには係合爪が形成され、前記発光ダイオードチップの上部となる位置にて、該係合爪により前記波長変換素子を固定していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
反射ホーンを形成したリードフレームと、該反射ホーン内に載置した発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップからの放射光を波長変換する波長変換素子とを有し、これらを透光性材料により覆って封止した発光ダイオードであって、
前記反射ホーン内には少なくとも１個以上の発光ダイオードチップが電気的に接続するように配設され、
前記波長変換素子は、波長変換物質とそれを保持する透光性物質とを含み、予め所定の密度、厚みとなるように調整されて層状に形成されており、
前記反射ホーンには係合爪が形成されており、該係合爪により前記発光ダイオードチップの透光性基板と密接するように該基板上部に配設した波長変換素子が固定されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
前記波長変換素子は、波長変換物質が相対的に高密度に含まれる波長変換素子層と低密度に含まれる波長変換素子層とを有し、高密度な波長変換素子層側がＬＥＤチップ側に位置するように配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記波長変換素子は、分散媒樹脂に波長変換物質を混合分散した後に、型に流入して前記分散媒樹脂と波長変換物質との比重差により、波長変換物質が相対的に高密度に含まれる波長変換素子層と低密度に含まれる波長変換素子層を有するようにして硬化させた波長変換素子であることを特徴とする請求項３記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記発光ダイオードチップは異なる発光波長を放射する２個以上の発光ダイオードチップを前記反射ホーン内に有し、
該発光ダイオードチップの上には波長変換素子と拡散板とが順に積層されると共に、反射ホーンに形成した係合爪により固定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか記載の発光ダイオード。
【請求項６】
前記発光ダイオードチップは、発光波長に対し透光性の基板上に発光層を形成し、且つ発光層と同一面側に電極を形成したものとされると共に、
前記透光性の基板側が反射ホーンの上側となるようにして反射ホーン内に配設され、反射ホーン底面側とされた電極とリードフレームとがワイヤーを用いることなく電気的に接続されていることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光ダイオード（以下、ＬＥＤと称す）に関するものであり、詳細には、発光ダイオードチップ（以下、ＬＥＤチップと称す）からの放射光の色変換を目的とする波長変換物質を使用したＬＥＤに係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、この種の波長変換物質を使用したＬＥＤの例として、例えば特開平７−９９３４５号が知られている。図６に示すようにリードフレーム９１に形成した反射ホーン９２内にＬＥＤチップ９３を載置し、ＬＥＤチップ９３の一方の電極は反射ホーン９２に接続され、他方の電極はリードフレーム９４にワイヤー９５によりボンディング接続されている。反射ホーン９２内にはＬＥＤチップの発光波長を他の波長に変換する蛍光物質、または発光波長の一部の光を吸収するフィルター物質等の変換物質を含有する第１の樹脂９６をプレディップして硬化させている。その後、第１の樹脂より屈折率の小さなものとし、空気の屈折率と近くなるようにした第２の樹脂９７を、これらを覆うようにして硬化させてＬＥＤ９０を形成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来のＬＥＤ９０においては、蛍光物質等の波長変換物質を含有した第１の樹脂９６をワイヤーボンデイング接続しているＬＥＤチップ９３を覆うように反射ホーン９２内にプレディップをした後に硬化して形成しているため、第１の樹脂９６は複雑な凸形状を覆う不均一な厚みのものとなる。また、波長変換物質をプレディップする場合に波長変換物質は比重が樹脂の比重に比べて大きいため、硬化するまで間に波長変換物質が沈降し、塗布後の波長変換物質分布が不均一になり易い。そのため、ＬＥＤチップから放射された光は様々な厚みに形成されている第１の樹脂９６内でより一層不均一に波長変換されることとなる。したがって、変換効率が低下するという問題点、および位置によって変換効率が異なるものとなり、その結果ＬＥＤは色ムラを生じるという問題点を生じるものとなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記した従来の課題を解決するための具体的手段として、反射ホーンを形成したリードフレームと、該反射ホーン内に載置した発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップからの放射光を波長変換する波長変換素子とを有し、これらを透光性材料により覆って封止した発光ダイオードであって、前記反射ホーン内には、前記透光性基板が反射ホーン上面側に位置し、前記電極が反射ホーン底面側にてリードフレームと電気的に接続するように配設した少なくとも１個以上の発光ダイオードチップを有し、前記波長変換素子は、波長変換物質とそれを保持する透光性基体とを含み、予め所定の密度、厚みとなるように調整されて層状に形成されており、前記反射ホーンには係合爪が形成され、前記発光ダイオードチップの上部となる位置にて、該係合爪により前記波長変換素子が固定されている発光ダイオードを提供することで上記した課題を解決するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明について、図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明にかかる発光ダイオード１０を示す。一対のリードフレーム１、１には夫々反射ホーン２、２が形成され、ＬＥＤチップ３は反射ホーン２、２の底面２ａ、２ｂと該チップに設けた電極３ｃ、３ｄとが夫々接続するように配設され、透光性基板３ａが反射ホーン２の上側に位置するように配置されている。
【０００６】
さらに、ＬＥＤチップ３の上方には波長変換素子４が該チップ３の透光性基板３ａと接するように配設されている。波長変換素子４は波長変換物質と、波長変換物質を保持する樹脂結合剤とを均一に混合したものを、シート状の基体フィルム４ｂ上に塗布硬化させた波長変換素子層４ａを設けたものとされ、該波長変換素子層４ａがＬＥＤチップ３の透光性基板３ａと接するようにして反射ホーン２内に配設されている。また、反射ホーン２の反射枠内周縁の略全周には波長変換素子４を固定するための係合爪２ｃが形成されており、波長変換素子４の基体フィルム４ｂの部分を係合爪２ｃにより押さえつけることにより確実に固定するものとしている。
【０００７】
ＬＥＤチップ３としては、例えば青色および／または紫外光（λ＝３７０〜５００ｎｍ）を出射するＧａＮ系のＬＥＤを用いることができる。発光波長に対して透過性のサファイア等からなる透光性基板３ａの上にＧａＮ系の発光層３ｂを形成し、同一面側にｐ電極３ｃおよびｎ電極３ｄを形成する。また、本実施例においては従来例のようにワイヤーボンディング接続するものではなく、ＬＥＤチップ３の電極とリードフレーム１の反射ホーン２との電気的接続にワイヤーを用いていない。即ち、ｐ電極３ｃおよびｎ電極３ｄの一対の電極の夫々にはボンディング用バンプを形成し、該バンプを介して一対のリードフレーム１、１の各反射ホーン底面２ａ、２ｂとを電気的に接続している。
【０００８】
次に波長変換素子４を固定した後に、これらを覆うようにリードフレーム１、１の外周を、透光性のエポキシ樹脂などにより成形して硬化させた透光性封止材料５により覆うものとしてＬＥＤ１０を得ている。なお、波長変換素子４はＬＥＤチップ３と接する側に波長変換物質が多く存在するように波長変換素子層４ａをＬＥＤチップ３側とし、且つ図に示したように反射ホーン２の全面を覆うように載置すると変換効率および均一性の面から好ましい。
【０００９】
上記したように波長変換素子４を反射ホーン２内にプレディップして硬化させたものではなく、波長変換物質を層状に形成したものとしているので波長変換物質層の厚みを制御することができ、波長変換効率の均一化と効率の向上を図ることができる。また、均一な波長変換が可能となるので、変換効率の差に起因する色ムラを著しく低減することができる。また、波長変換素子４をＬＥＤチップ３の真上に配設して係合爪２ｃにより固定しているので、ＬＥＤチップからの放射光、即ち波長変換素子４に入射する光のロスを最小に押さえるようにして固定することができる。さらにまた、波長変換素子４を反射ホーン２の略全面を覆う大きさのものとすることで、ＬＥＤチップ３の側面から放射された光に対しても波長変換が可能となり、より一層均一な発光とすることができる。
【００１０】
ここで、前記波長変換素子４について更に説明する。波長変換素子４は、前記したように基体フィルム４ｂ上に波長変換素子層４ａを塗布形成したものを用いているが、これに限るものではない。例えば、以下に示す方法により得ることができる。
【００１１】
図２（Ａ）から（Ｃ）は波長変換素子４１の製造方法を工程順に説明するための概略図である。あらかじめ波長変換物質４２を熱硬化型樹脂よりなる分散媒４３に分散させ、十分に攪拌させる。次に所望の形の開孔を形成したパターンマスク４５と支持体４６とを重ねあわせ、開孔に前記分散媒を所定量流し込んで、一定時間静置する。その後分散媒を硬化させ、パターンマスク４５から離型させると、比重差により下部側には波長変換物質４２が高密度に均一分散した高密度波長変換素子層４１ａが、上側には低密度もしくは波長変換物質が分散していない低密度波長変換素子層４１ｂが形成された波長変換素子４１が得られる。高密度波長変換素子層４１ａと低密度波長変換素子層４１ｂの厚みおよび波長変換物質の密度は、使用する材料の比重、粘度、開孔に注入し放置している時間、混合比率等を適宜変更することで調整することができる。
【００１２】
具体的には、波長変換物質４２として比重４．１のＺｎＳ系蛍光体１１．２ｇを分散媒４３である比重１．１の透光性エポキシ樹脂１００ｇに混合し、マグネチックスターラーにより５００ｒｐｍで３０分間攪拌させる。次にこの攪拌懸濁液をディスペンサー４４にてパターンマスク４５の外形２ｍｍ、深さ１ｍｍの開孔に所定量流し込み、３０分間放置した。これにより比重の大きい波長変換物質４２は下部に沈降する。その状態のまま熱処理を行いエポキシ樹脂４３を硬化させ、パターンマスク４５を支持体４６から離すと、外形２ｍｍの円形ペレット状の波長変換素子４１を得ることができた。
【００１３】
波長変換物質４２としては、例えばＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ蛍光体、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ蛍光体、ＺｎＳ：Ａｇ蛍光体、ＺｎＳ：Ａｇ＋（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ、Ａｌ蛍光体等のＺｎＳにＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｌなどの種々の不純物を付活させたものや、（Ｚｎ、Ｃｄ）ＳにＣｕ、Ａｌ、Ａｇ等の不純物を付活させたものなどを用いて青、白、黄緑等の色に変換するもの、およびその他の主として紫外域〜青色の波長光を変換する蛍光体など様々な蛍光体を単独で、もしくは複数の蛍光体を組み合わせて用いることができる。また、分散媒４３としては発光波長および変換波長に対して高い透過率を有するエポキシ樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテフタレート）、シリコン樹脂、ポリカーボネート、アクリル系樹脂等の熱硬化性の樹脂や、ＵＶ硬化樹脂など、様々なものを用いることができる。
【００１４】
なお、波長変換素子は前記した製造方法により製造したものに限られるものではなく、先に記したようにシート状の透光性基体上に波長変換物質層を塗布もしくは印刷したものとし、波長変換物質層を形成した後に所定形状に切断するものとしたり、低密度もしくは波長変換物質が分散していない低密度波長変換素子層と波長変換物質を高密度に均一分散した高密度波長変換素子層とを射出成形などの手法により所定形状に積層成形もしくは成形後切断するものであっても良い。
【００１５】
次いで、前記した実施形態のＬＥＤ１０の波長変換素子４の代わりに上記波長変換素子４０を図１に示したＬＥＤ１０に用いることによる作用および効果について説明を行う。波長変換の効率は、ＬＥＤチップからの照射光により励起される波長変換物質の密度および厚みに大きく依存する。先に記した実施形態における波長変換素子４を用いた場合に比べて、本実施形態にて製造した波長変換素子４０を用いると、先の実施形態の場合よりもより高密度に波長変換物質を設けた高密度波長変換物質層４１ａを簡単に且つ均一に効率よく製造することができる。そのため、該高密度波長変換物質層４１ａをＬＥＤチップ３と密接するように設けることで、ＬＥＤチップ３の出射光が波長変換物質４２に達する際のロスをより一層最小限に押さえることができる。
【００１６】
続いて他の実施形態について説明する。先の実施形態においては、ＬＥＤチップ３の透光性基板３ａを波長変換素子４側として、波長変換素子４を前記基板３ａと密接するようにして固定するものとして設けていたが、本実施形態においては図３に示したように、波長変換素子３４をＬＥＤチップ３３と密接しないように、且つ反射ホーンに設けた係合爪３２ｃにより反射枠段差３２ｄとで挟むようにして固定したものとしている。また、ＬＥＤチップ３３はチップ基板３３を一方のリードフレーム３１に形成した反射ホーン３２の底面上に設置し、ＬＥＤチップ基板３３の上面に形成した一対の電極と、該反射ホーン３２の底面及び他方のリードフレームに形成した反射ホーン３２の底面とを夫々ワイヤ３５により電気的に接続している。なお、波長変換素子３４は波長変換物質が高密度に存在する高密度波長変換素子層３４ａがＬＥＤチップ３３側に、低密度波長変換素子層３４ｂが反対側に位置するように配設している。
【００１７】
このようにＬＥＤチップ３３をワイヤ３５にて接続する場合には、ワイヤ３５がＬＥＤチップ３５と波長変換素子３４との間に存在するため、密着するように設けることができない。そこで、反射ホーン３２に段差３２ｄ等を設け、該段差３２ｄと係合爪３２ｃにより波長変換素子３４を固定することで、先の実施形態と同様に均一な波長変換ができるものとなる。なお、本発明のようにワイヤがＬＥＤチップと波長変換素子との間に存在すると、ワイヤがあるために発光層にて放射された光をワイヤ及びワイヤを設けるための電極により遮光し、また、両者の距離を適宜設けなければならなくなるため、ＬＥＤ発光層より外部に取り出す放射光の利用効率が劣るものとなる。そこで、ワイヤ接続する場合には、ＬＥＤチップと波長変換素子との間の距離をできるだけ短いものとし、且つその間に存在するＬＥＤチップ電極及びワイヤ等の遮光物質の面積を小さくすることが好ましい。
【００１８】
続いて更に他の実施形態について説明する。先の実施形態においては、リードフレーム１、１の双方に反射ホーン２、２を形成していたが。本実施形態においては図４に示したように一方のリードフレーム１１ａにのみ反射ホーン１２を形成し、該反射ホーン１２の底面には開口１４が設けてある。そして、他方のリードフレーム１１ｂは、前記した反射ホーン１２の開口１４に位置するものとしている。ＬＥＤチップ１３は反射ホーン１２の底面に載置され、ＬＥＤチップ１３の一対の電極は反射ホーン１２と該反射ホーン１２の開口１４に位置するリードフレーム１１ｂの夫々に電気的に接続されている。なお、波長変換素子は図面をわかりやすくするために図示しないが、ＬＥＤチップ１３の上面に密接するように波長変換素子を設置すると共に、反射ホーン１２の全周に形成した係合爪１２ｃにて固定するものとされ、前の実施形態と同様にＬＥＤチップ１３からの出射光の波長を変更するものとしている。
【００１９】
このようにすることで、波長変換素子を固定する係合爪１２ｃを反射ホーン１２の反射枠外周縁内面の全周に設けることができ、波長変換素子を固定した際に反射ホーンと波長変換素子との間に一切隙間が生じないようにすることが可能となる。これにより、隙間から波長変換されていないＬＥＤチップ１３からの出射光が漏れることがなく、波長の均一性が更に向上する。なお、開口１４は図示したような円形形状に限るものではなく、Ｕ字状の切り欠き等とすることもできる。
【００２０】
図５は、更に他の実施形態のＬＥＤ２０の要部を示すものであり、本実施形態においては発光波長の異なる２個のＬＥＤチップ２５、２６を用いている。開口及び反射ホーン２２を有するリードフレーム２１ａと、２１ａの開口に位置するリードフレーム２１ｂ、２１ｃの３本のリードフレームを有し、反射ホーン２２の底面には２個のＬＥＤチップ２５、２６が載置されている。ＬＥＤチップ２５の電極２５ａ、２５ｂは夫々反射ホーン２２、リードフレーム２１ｂにワイヤーを用いることなく接続されている。ＬＥＤチップ２６の電極２６ａ、２６ｂもまた夫々反射ホーン２２、リードフレーム２１ｃにワイヤーを用いることなく接続されている。また、これらのＬＥＤチップ２５、２６の上には波長変換素子２４が密接するように配設され、その上に更に拡散板２７が配設されており、反射ホーン２２の全周に設けた係合爪２２ｃにより固定されている。
【００２１】
このような構成としたことにより、一方のＬＥＤチップ２５の出射光は係合爪２２ｃにより間接的に固定されている波長変換素子２４により波長変換され、その光は拡散板２７にて拡散される。他方のＬＥＤチップ２６の出射光は発光波長が波長変換素子と合わないので、波長変換素子２４による波長変換を受けずに透過して、係合爪２２ｃにより直接的に固定されている拡散板２７に到達し、拡散する。拡散板２７においては両ＬＥＤチップからの光が拡散され、均一化する。これにより、波長変換素子２４による波長変換色と波長変換されないＬＥＤチップからの放射光色により、ＬＥＤ２０の発光色を波長変換素子のみを用いた場合に比べて更に任意に変更することができるようになる。なお、異なる波長を照射するＬＥＤチップを２個用いる例にて説明したが、２個以上の複数のＬＥＤチップとしてもよく、同じ波長を照射するＬＥＤチップであってもよい。更に、拡散板２７若しくは波長変換素子の表面にレンズ効果を持たせて、より一層均一な発光のＬＥＤ２０が得られるようにする等の変更を加えることもできる。
【００２２】
今までに説明した実施形態においては、青色および／または紫外光を出射するＧａＮ系のＬＥＤチップを用い、その出射光により波長変換物質である蛍光体を励起して波長変換する例にて説明したが、これに限るものではなく、ＬＥＤチップとしてＳｉＣ系ＬＥＤ、ＺｎＳｅ系ＬＥＤ、ＧａＡｓ系ＬＥＤ（λ＝６３０〜８５０ｎｍ）、ＧａＡｌＡｓ系ＬＥＤ、ＺｎＯ系ＬＥＤ等を用いたり、波長変換物質も前記した主として青色および／または紫外光を他の波長に変換するものに限らず、例えばＮｄＰ５Ｏ１４、ＬｉＮｄＰ４Ｏ１２、Ｎａ５Ｎｄ（ＷＯ４）４、Ａｌ３Ｎｄ（ＢＯ３）４、Ｃｓ２ＮａＮｄＣｌ６、ＳｒＳなどや、各種の赤外励起蛍光体等により、異なる波長に変換するものとすることができる。また、波長変換物質として蛍光体ではなく、染料等の特定波長吸収物質を用いて波長変換するなどとすることもできる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のようにＬＥＤチップを載置していることで凸形状となっている反射ホーンの内部に波長変換物質をディップするものではなく、予め波長変換物質の厚み、密度を所望の値に設定した波長変換素子を別途設けることで、均一な波長変換が可能となり、変換効率の差に起因する色ムラを著しく低減することができる。また、本発明においては波長変換素子をＬＥＤチップ真上に配設しているので、更にＬＥＤチップからの出射光ロス、即ち波長変換素子に入射する光の減衰を最小に押さえることができる。さらにまた、波長変換素子は反射ホーンの略全面を覆うようにして係合爪にて固定されていることで、ＬＥＤチップの側面から放射された光に対しても波長変換が可能となり、より一層均一な発光とすることができる。また、波長変換素子と反射ホーンとの間に僅かな隙間が開いていても、その個所に係合爪が存在することで係合爪によりＬＥＤ正面方向による漏れ光を防ぐことができるなどの優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明のＬＥＤを説明する概略模式断面図である。
【図２】    本発明の波長変換素子の製造方法を示す概略工程図である。
【図３】    本発明の別の実施形態を説明する概略断面図である。
【図４】    本発明の他の実施形態を説明する概略斜視図である。
【図５】    本発明の更に別の実施形態を説明する要部断面図である。
【図６】    従来のＬＥＤを説明する概略図である。
【符号の説明】
１        リードフレーム
２        反射ホーン
３        ＬＥＤチップ
４        波長変換素子
４ａ      波長変換素子層
４ｂ      シート状フィルム
５        透光性封止材料
１０        ＬＥＤ
１１ａ、１１ｂ    リードフレーム
１２        反射ホーン
１２ｃ      係合爪
１３        ＬＥＤチップ
１４        開口
３０        ＬＥＤ
３１        リードフレーム
３２        反射ホーン
３２ｃ      係合爪
３２ｄ      反射枠段差
３３        基板
３４        波長変換素子
３４ａ      高密度波長変換素子層
３４ｂ      低密度波長変換素子層
３５        ワイヤ
９０        ＬＥＤ
９１        リードフレーム
９２        反射ホーン
９３        ＬＥＤチップ
９４        リードフレーム
９５        ワイヤー
９６        第１の樹脂
９７        第２の樹脂
【図１】
0004109756.tif 000002
【図２】
0004109756.tif 000003
【図３】
0004109756.tif 000004
【図４】
0004109756.tif 000005
【図５】
0004109756.tif 000006
【図６】
0004109756.tif 000007