(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同色系が発光可能であり、発光観測面側から見て発光素子の略中心に円状の電極を備えた複数の発光素子と、略楕円形状であり該発光素子を被覆するモールド部材とを有し、前記複数の発光素子が、発光観測面側から見て、前記円状の電極が前記モールド部材からなるレンズの光軸からずれるように、前記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に沿って、カップの中心に対して略対称に配置されており、前記発光素子が配置されるカップは、発光観測面側から見て、前記モールド部材の楕円長径方向と略平行な方向が略垂直な方向よりも長く、前記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に、正負一対のリード電極が配置されている発光ダイオードであって、
上面側のｐ電極および基板側のｎ電極を有する第一の発光素子と、上面側のｎ電極および基板側のｐ電極を有する第二の発光素子と、が配置され、導電性接着材により前記基板側の電極をそれぞれ接続させた前記カップを有する放熱リードと、
前記第一の発光素子のｐ電極がワイヤボンディングされた正のリード電極と、
前記第二の発光素子のｎ電極がワイヤボンディングされた負のリード電極と、を備えており、
前記放熱リードが、前記正のリード電極および前記負のリード電極から電気的に中立とさせてあることを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水平方向に視野角が広く、垂直方向に視野角が狭い発光ダイオードに関わり、特に正面光度が高く、指向特性の優れた発光ダイオードを提供することにある。
【０００２】
【従来技術】
今日、ＲＧＢとも超高輝度に発光可能な発光ダイオードが開発されたことに伴い、フルカラーディスプレイなどの表示装置に利用され始めている。表示装置に利用される発光ダイオードは、視認者の位置などの関係から垂直方向よりも水平方向の配光特性にすぐれることが好ましい。そのため、発光ダイオードを構成する透光性レンズの形状を発光観測面側から見て楕円形状として形成させている。
【０００３】
より具体的には、図６に示す如き発光ダイオード６００は、マウントリード６０５となるリード電極のカップ内にＬＥＤチップ６０１が配置されている。半導体を介して一対の電極が設けられたＬＥＤチップは、一方の電極をＡｇペーストなどを利用してマウントしているリード電極と電気的に接続させている。ＬＥＤチップの他方の電極は、インナーリード６０６となるリード電極と金線などのワイヤ６０３を利用して電気的に接続させてある。ＬＥＤチップ６０１の各電極と各リード電極６０５、６０６とを電気的に接続させたものをエポキシ樹脂などを利用した透光性モールド部材６０２で被覆することで発光ダイオードを形成させる。ＬＥＤチップ６０１から放出された光は、透光性モールド部材のレンズ形状によって指向特性を変えることができる。したがって、一方の方向に指向角が狭く且つ他方の方向に指向角を広くさせるため、発光観測面側から見て略楕円形状の透光性モールド部材でＬＥＤチップを被覆させることが行われている。これによって、ディスプレイに好適に用いられる発光ダイオードとすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の半導体を介して一対の電極が設けられた発光素子６０１の場合、発光層で発光した光を発光素子の上面側から容易に取り出し、電流密度を均一にするために発光素子の上面の略中央部に円形金属電極部を設けている。また、表面層の抵抗が高い場合においては、電流密度を均一にするために電極部面積を増やす目的で電極部形状を×型にしている。このような発光素子上の電極は、発光層から発光した光が上部に設けられた電極に反射され発光素子内部に向かう。そのため発光素子自体の配光特性は軸上発光強度がピーク値とならず、光軸上で凹な配光特性になってしまう。
【０００５】
同様に、発光ダイオードは光放射の対称性のため、発光素子を光軸上にマウントする。そのため、発光素子の電極が光軸上に配置されることになり、発光ダイオードからの光は図７及び図８に示す波線の如く、光軸上で凹状な配光特性になる。これは発光ダイオードの配光特性にも影響し、発光観測面側から見て真円形状のモールド部材を持った発光ダイオードにおいても同様に光軸上の光度が低下する場合もあるが、発光素子とレンズ頂点との距離を長くすることによって上記問題を解決することができる。他方、発光観測面側から見て楕円状のモールド部材を持った発光ダイオードにおいては、発光素子とレンズとなるモールド部材の頂点との距離を長くすると、光軸上で発光強度をピークとすることができるものの楕円の長軸方向における配光特性が狭くなるというトレードオフの関係にある。また、パッケージ外観寸法の制約も生ずるという問題が生ずる。
【０００６】
さらに、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）の発光ダイオードを用いたマルチカラーを発光可能な表示装置では、青色系及び緑色系を発光する発光ダイオードは窒化物系化合物半導体からなる発光素子を用いて形成させてある。窒化物半導体を用いた発光素子の１つには、サファイア基板上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させ、表面側の窒化物半導体にその矩形状の隅部に一対の電極を設けるものがある。そのため、同一面側に一対の電極をもった発光素子では、上述のごとき問題は実質的に生じない。しかしながら、高輝度な赤色系の発光素子を窒化物半導体で形成させることは極めて難しく、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等の半導体材料を介して一対の電極を持った発光素子を利用することが考えられる。
【０００７】
表示装置に用いられる発光ダイオードは、単色発光ダイオード間で所望の配光特性を満たすだけでなく、ＲＧＢ各発光ダイオードの配光特性を揃える必要がある。そのため上述の半導体を介して一対の電極をもった発光ダイオードを利用した場合は、各色を発光する発光ダイオード間の配光特性を合わせることができないという問題が生ずる。したがって、本発明は比較的に簡単な構造で一方の方向に視野角が狭く他方の視野角が広い、且つ光軸上に発光ピークがある発光ダイオードを提供することにある。また、異なる構造の発光素子を用いても指向特性を合わせ色ズレなどの極めて少ない表示装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発光ダイオードは、同色系が発光可能であり、発光観測面側から見て発光素子の略中心に円状の電極を備えた複数の発光素子と、略楕円形状であり上記発光素子を被覆するモールド部材とを有し、上記複数の発光素子が、発光観測面側から見て、上記円状の電極が上記モールド部材からなるレンズの光軸からずれるように、上記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に沿って、カップの中心に対して略対称に配置されており、上記発光素子が配置されるカップは、発光観測面側から見て、上記モールド部材の楕円長径方向と略平行な方向が略垂直な方向よりも長く、上記モールド部材の楕円長径方向と略平行方向に、正負一対のリード電極が配置されている発光ダイオードである。特に、本発明は、上面側のｐ電極および基板側のｎ電極を有する第一の発光素子と、上面側のｎ電極および基板側のｐ電極を有する第二の発光素子と、が配置され、導電性接着材により上記基板側の電極をそれぞれ接続させた上記カップを有する放熱リードと、上記第一の発光素子のｐ電極がワイヤボンディングされた正のリード電極と、上記第二の発光素子のｎ電極がワイヤボンディングされた負のリード電極と、を備えており、上記放熱リードが、上記正のリード電極および上記負のリード電極から電気的に中立とさせてあることを特徴とする。
【０００９】
これにより、一方の方向に視野角が狭く他方の視野角が広い、且つ光軸上に発光ピークがある発光ダイオードとすることができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発光ダイオードについて具体的に詳述するが、これのみに限られないことはいうまでもない。
（発光素子１０１）
発光素子の具体的材料としてはＡｌＩｎＧａＰのほか、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮなどが挙げられ、発光スペクトルによってその組成比を種々選択することができる。また、その構造もホモ構造やダブルへテロ構造のｐｎ接合など種々とることもできる。本発明の発光ダイオードに利用される発光素子として、具体的には発光層にＡｌＩｎＧａＰを用いた赤色系が発光可能なものが挙げられる。例えば、一辺が約３０５μｍ角のＬＥＤチップが形成されている。ＬＥＤチップはｎ型ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、クラッド層として働くｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層、活性層として働くＡｌＩｎＧａＰ層、ｐ型のクラッド層として働くＡｌＧａＩｎＰ層、ｐ型のコンタクト層として働くＩｎＧａＰを積層形成されてある。ｎ型ＧａＡｓ基板のほぼ全面にはＡｕからなる負極の電極が設けられている。他方、ｐ型コンタクト層として働くＩｎＧａＰの略中心には発光観測面側から見て直径が約４０μｍの円状の電極と円状の電極から対角線上に電極の枝が延びている。各発光素子を直列接続させるためには、基板側がｎ型導電性を有するものと基板側がｐ型導電性を有する発光素子を用いマウントリードの導電性を利用して比較的簡単に直列接続させることもできる。
【００１０】
また、これまで発光素子の上部側に設けられた電極２０１は、発光素子上面への発光効率を上げるため必要以上に大きくできなかったが、本発明のごとく、光軸上から電極をずらして配置することにより、電極の大きさを大きくしても光軸上の光を稼ぐことができる。そのため発光ダイオードから放出される配光特性は、凹にならない。しかも電極部を大きくすることで電流密度が良好になり、発光効率を向上させることもできる。さらに、楕円の長軸方向における光量が増えるため滑らかな配光特性を得ることもできる。
【００１１】
（リード電極１０５、１０６）
リード電極として鉄入り銅を打ち抜き及び押し圧により、タイバーで接続された一対のリードフレームを形成させる。リードフレームの一方は、ＬＥＤチップが配置されるようにカップが形成されたマウントリード１０５として機能し、他方は、ＬＥＤチップの他方の電極とワイヤによって電気的に接続させるインナーリード１０６として機能する。マウントリード１０５のカップは、底面が略縁なしの長方形に形成されている。また、リード電極の少なくとも一方に発光素子１０１を配置させる場合は、発光素子１０１からの光を有効に発光ダイオードから取り出すために側壁が形成されたカップを有することが好ましい。カップの形状や側壁の高さを調節することで配光特性を調整することができる。本発明においては、複数の発光素子が配置されるため発光素子の放熱性に優れたリード電極を用いることが好ましい。特に、発光材料にＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等を使用した発光素子は、温度上昇に伴い発光効率が低下する傾向にある。また、発光スペクトルが長波長側へシフトするため、視感度が低下し光度が下がる。発光素子が複数マウントされているカップリード部を放熱リードとして作用させることが好ましい。
【００１２】
（発光素子の配置）
形成されたマウントリード１０５上に上述のＬＥＤチップ１０１を２個用いてそれぞれＡｇを含有させたエポキシ樹脂であるＡｇペースト１０４により、ダイボンド固着させる。ダイボンド固着されたＬＥＤチップ１０１はカップの中心に対して、それぞれほぼ左右対称に配置される。各ＬＥＤチップ間の距離が短くなればなるほど正面光度が高くなる。並列接続の場合は、各チップ間が接触しても電気的に損傷はないが、量産性よく実装することが難しいため、５μｍ以上離しておくことが好ましい。直列接続させる場合はＬＥＤチップ間の短絡を考慮して５０μｍ以上離すことがより好ましい。他方、各ＬＥＤチップ間が離れすぎると、曲率半径の小さい楕円モールド部材の長径方向における正面光度が急激に低下する傾向にある。そのため、各ＬＥＤチップ間の距離は３５０μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下がより好ましい。さらに好ましくは２７０μｍ以下である。
【００１３】
（発光素子の電気的接続）
次に、直径約３５μｍの金線１０３を用いて各ＬＥＤチップ１０１の電極と、同一のインナーリード１０６とをワイヤボンディングさせる。この場合、各ＬＥＤチップから延びるワイヤは互いに接触しても極性が同じであるため実質的に問題となることがない。
【００１４】
（モールド部材１０２）
発光素子１０１とリード電極１０５、１０６とが電気的に接続されたものに発光観測面側から見て楕円状レンズを形成すべく、楕円状の凹形状をしたキャスティングケース内を用いる。キャスティングケース内には、エポキシ樹脂を流し込むと共にＬＥＤチップが配置された上述のリードフレーム先端を差し込み、１５０℃１時間で仮硬化させる。キャスティングケースからリードフレームを取り出し１２０℃５時間で本硬化させ発光ダイオードを形成させる。なお、モールド部材１０２は、エポキシ樹脂、イミド樹脂などの透光性、耐光性に優れた樹脂のほか、低融点ガラスなどを利用することもできる。また、モールド部材には、所望に応じて発光素子から放出される波長の一部をカットするフィルター効果を持つ着色剤や、劣化を防止させるための紫外線吸収剤、配光特性を滑らかにする拡散剤など種々の添加剤を含有させることもできる。
【００１５】
図１及び図２の如き、形成された発光ダイオードは発光観測面側から見て楕円状のレンズを持ち、楕円の長径方向と平行方向が垂直方向よりも長いカップ内に２個のＬＥＤチップが配置されている。各ＬＥＤチップは共にワイヤを用いてインナーリードとそれぞれ電気的に接続されている。同じＬＥＤチップ６０１をカップ内の略中心に１つだけ設けた以外は本発明の発光ダイオードと同様にして図６に示す比較のための発光ダイオード６００を形成させた。こうして形成された本発明と比較のための発光ダイオードについて、その配光特性を図７及び図８に示す。図４及び図５より本発明の発光ダイオードの方が光軸上で発光強度が最大となっており、且つ滑らかな配光特性を示すのに対し、図７及び図８に示す比較のための発光ダイオードは光軸上で十分集光されておらず、光軸上で凹状となる配光特性となっている。なお、本発光ダイオードはフルカラー表示装置以外にも実装スペースに制約のある時にも有用である。また砲弾型発光ダイオードに限らず、表面実装型発光ダイオードにも利用できることはいうまでもない。
【００１６】
次に、上述の如き形成された赤色系（Ｒ）が発光可能な発光ダイオードと、発光素子がサファイア基板上にバッファ層を介して形成され、活性層がＩｎＧａＮからなる窒化物半導体を用いた発光ダイオードとを利用して表示装置を形成させた。窒化物半導体を用いた発光素子は、サファイア基板上に形成された半導体上に一対の電極が形成されている。正極及び負極の電極は発光観測面から見て略矩形状の隅部に設けられているため、上述と同様の楕円形状を持ったモールド部材で封止した発光ダイオードを形成させても光軸上の正面光度が低下することは少ない。発光層のＩｎの組成を変えることにより、緑色系（Ｇ）が発光可能な発光ダイオードと、青色系（Ｂ）が発光ダイオードとを形成させてある。ＲＧＢを近接配置させたものを一画素としてドットマトリックス状に配置させてドットマトリックスディスプレイとしてある。このような発光ダイオードはＲＧＢとも配光特性を合わせることができるため、視認性の優れた表示装置とすることができる。
【００１７】
続いて、直列接続させた本発明の発光ダイオードを示す。図３に示す、発光ダイオード３００は、２本のリード電極３０５、３０７及び１本の放熱リード３０６から形成されている。放熱リード先端３０６には、発光素子３０１、３１１から発光された光を上面に放射させる目的で楕円カップ部が形成されており、楕円カップ部長手方向に２個の発光素子３０１、３１１が並ぶようにダイボンドされる。２個の発光素子は各々ｐ型半導体、ｎ型半導体が基板上面にエピタキシャル成長されており、前者は発光素子上面の金属電極部がｐ電極、後者はｎ電極になっている。同カップ部内にＡｇペーストなどを利用した導電性接着剤によってダイボンドされた２個の発光素子は、上面の金属電極部がｐ電極である発光素子３０１がアノードリード電極にワイヤ３０３でワイヤボンディングされると共に上面の金属電極部がｎ電極である発光素子３１１がカソードリード電極にワイヤ３１３でワイヤボンディングされ、電気的に直列接続される。その上に楕円形状のモールド部材３０２で被覆させてある。この発光ダイオードを基板実装する際には、例えば基板上に発光ダイオード１個につき３個のスルーホールが設けてあり、両端のリードははんだを介して電気的に接続される。しかしながら、先端にカップ部を形成したリードは、はんだを介して基板上に接続されるものの電気的には中立とさせてある。そのためこのリードが放熱対策用リード電極として機能する。更に基板上に放熱リード電極下に放熱専用ランドを形成すれば、より一層の放熱効果が期待することができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の発光ダイオードの構成とすることによって、光軸上の正面光度を高くさせると共にモールド部材の曲率の小さいレンズ形状方向に対しても滑らかな配光特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明とは別の発光ダイオードの模式的断面図である。
【図２】  本発明とは別の発光ダイオードの模式的平面図である。
【図３】  本発明の発光ダイオードの模式的斜視図である。
【図４】  本発明の水平方向における配光特性を示す図である。
【図５】  本発明の垂直方向における配光特性を示す図である。
【図６】  本発明と比較のために示す発光ダイオードの模式的斜視図である。
【図７】  本発明の発光ダイオードと比較のために示す発光ダイオードの水平方向における配光特性を示す図である。
【図８】  本発明の発光ダイオードと比較のために示す発光ダイオードの垂直方向における配光特性を示す図である。
【符号の説明】
１００・・・発光ダイオード
１０１・・・ＬＥＤチップ
１０２・・・透光性モールド部材
１０３・・・ワイヤ
１０４・・・ダイボンド樹脂
１０５・・・インナーリード
１０６・・・マウントリード
２０１・・・発光素子の中心に設けられた電極
３００・・・発光ダイオード
３０１・・・上面の金属電極部がｐ電極の発光素子
３０２・・・モールド部材
３０３・・・ワイヤ
３０４・・・ダイボンド樹脂
３０５・・・リード電極
３０６・・・放熱リード
３０７・・・リード電極
３１１・・・上面の金属電極部がｎ電極の発光素子
３１３・・・ワイヤ
６００・・・発光ダイオード
６０１・・・ＬＥＤチップ
６０２・・・透光性モールド部材
６０３・・・ワイヤ
６０５・・・マウントリード
６０６・・・インナーリード
【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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【図７】
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【図８】
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