JP5073972B2 - 発光ダイオードパッケージ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードパッケージに関する。

発光ダイオードは、基板上に搭載された発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを樹脂で封止してパッケージ化されていることが一般的である。特に、白色発光ダイオードとして、青色の光を発する青色発光ダイオードのチップを使用するとともに、封止樹脂中にこのチップからの光により励起されて青色の補色である黄色の蛍光を発する蛍光体を分散しておき、青色発光ダイオードからの青色と蛍光体からの黄色を混色することによって白色光を発光させるものが開発されている（例えば特許文献１）。
特開２００１−１９６６４５公報

ところで、近年の発光ダイオードはハイパワー化によって単位面積あたりの発熱量が増大している。しかし、チップの周囲が樹脂で封止されていると、発生した熱が容易に放熱されず、熱応力によってチップと基板との接続部分にクラック等が生じてしまうおそれがある。

さらに、製造工程において、ある程度粘度の高い樹脂中へ蛍光体を均一に分散させることが難しいこと、樹脂中へ蛍光体を分散させてから硬化させるまでの間に樹脂内において蛍光体が沈降してしまうこと等の理由で、蛍光体の分散は不均一となりがちであり、安定した色変換および透過光量を確保しにくいという問題があった。
また、使用される封止樹脂が熱や紫外線によって劣化し、黄変や透光性減衰を惹起し、発光ダイオードパッケージの初期性能の寿命を短くしているという問題があった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率の放熱が可能であり、かつ安定した色変換および透過光量を確保できる発光ダイオードパッケージを提供することにある。

本発明の発光ダイオードパッケージは、基板と、前記基板上に実装された発光ダイオードチップと、前記基板上に設けられて前記発光ダイオードチップを覆うものであって、前記発光ダイオードチップからの光を透過可能な透光部を備えるケース部材と、前記ケース部材の内部に封入されるとともに、前記発光ダイオードチップからの光を受けて蛍光を放つ蛍光体が分散された液状の冷媒と、を備えるものであって、前記透光部のうち前記冷媒と接する面にＩＴＯ膜が設けられているところに特徴を有する。

本発明によれば、発光ダイオードチップを覆うケース部材の内部に冷媒が封入されている。そして、冷媒中に蛍光体が分散されている。このような構成によれば、発熱する発光ダイオードチップとその周囲に存在する冷媒との間で熱交換が起こり、冷媒に熱対流が生じる。そして、この熱対流に乗って熱がケース部材まで伝えられ、ケース部材を介して大気中に放散される。これにより、高効率の放熱が可能となる。また、熱対流により蛍光体の冷媒中での分散が均一化されるから、安定した色変換および透過光量を確保できる。さらに、製造工程において蛍光体の均一な分散のために特別な対応策を講じる必要がないため、製造工程を簡素化できる。

以下、本発明を具体化した実施形態について、図１を参照しつつ詳細に説明する。

図１には、本発明を具体化したＬＥＤパッケージ１を示す。このＬＥＤパッケージ１は、白色ＬＥＤパッケージであって、プリント基板１０（本発明の基板に該当する）にＬＥＤチップ２０を実装し、ＬＥＤチップ２０の周囲をケース部材３０で封止した構造のものである。

プリント基板１０は、絶縁層１１の両面に所定の導体回路が形成された周知の構造のものであって、ＬＥＤチップ２０の外形よりも一回り大きく形成されている。導体回路の一部はランド１２とされている。表裏のランド１２のうち、ＬＥＤチップ２０が搭載される側の面（図１の上面）に設けられた表面側ランド１２Ａは、ＬＥＤチップ２０に設けられた電極２３との接続のためのものである。一方、これとは逆側の面（図１の下面）に設けられた裏面側ランド１２Ｂは、外部基板（図示せず）との接続のためのものである。表面側ランド１２Ａと裏面側ランド１２Ｂとの間は、絶縁層１１に貫通形成されたビアホール１３によって電気的に接続されている。また、裏面側ランド１２Ｂ上には、外部基板（図示せず）との接続のための基板側バンプ１４が形成されている。

このプリント基板１０上に搭載されるＬＥＤチップ２０は、青色発光ダイオードのチップであって、例えばサファイア基板、窒化ガリウム基板等の半導体基板２１の一面側（図１の下面側）にｎ型、ｐ型の半導体層の複数を積層した発光素子層２２が設けられた周知の構造のものを使用できる。ＬＥＤチップ２０において発光素子層２２が形成された側の面には電極２３が形成されており、この電極２３上にはチップ側バンプ２４が形成されている。

このＬＥＤチップ２０は、プリント基板１０上にフリップチップ実装されており、チップ側バンプ２４を介して、電極２３とプリント基板１０における表面側ランド１２Ａとが電気的に接続されている。ＬＥＤチップ２０はチップ側バンプ２４の高さ分だけプリント基板１０から浮かせて実装されている。

なお、１枚のプリント基板１０上にはただ１つのＬＥＤチップ２０が実装されている。加えて、プリント基板１０においてＬＥＤチップ２０側の電極２３と接続される表面側ランド１２Ａ、およびこの表面側ランド１２Ａとビアホール１３を介して接続されて外部基板との接続に使用される裏面側ランド１２Ｂの配列は、電極２３の配列と同一とされている。

このＬＥＤチップ２０は、ケース部材３０によって覆われている。ケース部材３０は、プリント基板１０上にＬＥＤチップ２０の外周を囲うように立設される矩形枠状のダム部３１を備えている。ダム部３１は、例えばダム印刷によってプリント基板１０上に形成することができ、その高さはＬＥＤチップ２０よりもやや高くされている。なお、ダム部３１の材質としては、内部に封入される冷媒Ｒ（詳細は後述）の熱による膨張圧に耐えうる程度の剛性を有するものであることが好ましく、例えばシリコンを使用できる。ダム部３１の対辺となる２辺を金属製とすれば、放熱性が良好となるので、さらに好ましい。

また、ダム部３１における天井部の開口には、薄板状の窓板部３２（本発明の透光部に該当する）が覆い付けられている。窓板部３２の材質としてはＬＥＤチップ２０および蛍光体Ｐからの発光を透過可能なものであることを要し、さらに、放熱効率を考慮すれば、ある程度の熱伝導性を有するものであることが好ましい。具体的には、蛍光体膜、ガラス、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）膜を上側（図１における上側）から順番に積層した板状体等を使用することが好ましい。上側に積層する蛍光体膜としては、蛍光体の粒子を透光性の樹脂（例えばエポキシ樹脂）に分散して膜状に形成したものを使用することができる。蛍光体膜に使用する蛍光体の材料としては、ＬＥＤチップ２０から発せられる青色の光によって励起されて黄色の光を発光するものであればよく、例えばＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）系の蛍光体を使用することができる。

このケース部材３０の内部は、液状の冷媒Ｒで満たされている。冷媒Ｒは、絶縁性でＬＥＤチップ２０やプリント基板１０の材料と反応しない液体であれば特に制限はなく、例えば、住友スリーエム（株）製「フロリナート（登録商標）」、ソルベイソレクシス（株）製「ガルデン（登録商標）」等の不燃性であるフッ素系不活性液を使用できる。
なお、冷媒Ｒは、沸点１５０℃以上の液体が好ましく、沸点２００℃以上の液体であればさらに好ましい。

この冷媒Ｒには、蛍光体Ｐの粒子が分散されている。蛍光体Ｐの材料としては、ＬＥＤチップ２０から発せられる青色の光によって励起されて黄色の光を発光するものであればよく、例えばＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）系の蛍光体を使用することができる。使用する蛍光体Ｐの粒子は、粒子径がナノ（ｎｍ）スケールの微細なナノ粒子であることが好ましい。粒子の表面で励起が起こるため、表面積が大きいほど効率的な色変換が可能となる。なお、使用する蛍光体Ｐの粒子径は、１００μｍ以下が好ましい。ナノスケールの微細なナノ粒子であれば更に好適である。

次に、上記のように構成された本実施形態の作用および効果について説明する。

このＬＥＤパッケージ１は、基板側バンプ１４を介して外部基板等に接続され、使用される。ＬＥＤパッケージ１に給電がなされると、ＬＥＤチップ２０の発光素子層２２からは青色の光が発せられる。また、蛍光体Ｐは、ＬＥＤチップ２０からの光によって励起され、黄色の光を発する。これら青色の光と黄色の光が混色されることにより、ＬＥＤパッケージ１の窓板部３２から投光される光は白色となる。

ＬＥＤチップ２０が動作している間、発光素子層２２からは熱が発生する。ここで、ケース部材３０の内部には冷媒Ｒが封入されているので、この冷媒ＲがＬＥＤチップ２０から熱を受け取る。本実施形態では、ＬＥＤチップ２０はチップ側バンプ２４の高さ分だけプリント基板１０から浮かせて実装されているから、冷媒ＲがＬＥＤチップ２０とプリント基板１０との隙間に入り込んで、ＬＥＤチップ２０における発光素子層２２側の面に直接に接触し、冷却する。

ＬＥＤチップ２０の周囲に存在する冷媒Ｒは熱を受け取って温まり、これにより、冷媒Ｒに熱対流が生じる。そして、この熱対流に乗って熱がケース部材３０まで伝えられ、ケース部材３０を介して大気中に放散される。これにより、高効率の放熱が可能となる。この放熱により、ＬＥＤチップ２０で発生した熱が電極を通じて基板側に伝熱されていた現象が軽減される。

また、この熱対流に乗って蛍光体Ｐの粒子は冷媒Ｒの全体に均一に拡散する。これにより、蛍光体Ｐによる色変換、および青色光との混色が、ＬＥＤパッケージ１の内部全体で均一に行われる。また、冷媒Ｒを透過して外部に放出される光の光量が、ＬＥＤパッケージ１の内部全体で平均化される。これにより、ＬＥＤパッケージ１から発せられる光の量及び色の分布が安定する。

また、１枚のプリント基板１０上にはただ１つのＬＥＤチップ２０が実装されている。加えて、プリント基板１０においてＬＥＤチップ２０側の電極２３と接続される表面側ランド１２Ａ、およびこの表面側ランド１２Ａとビアホール１３を介して接続されて外部基板との接続に使用される裏面側ランド１２Ｂの配列は、ＬＥＤチップ２０側の電極２３の配列と同一とされている。これにより、ＬＥＤパッケージ１の実装面積をチップサイズに近いサイズにまで小型化でき、ＬＥＤパッケージ１をＬＥＤチップ２０と同様に取り扱うことができる。また、外部基板側のランド構造を、ＬＥＤチップ２０を直接に実装する場合とＬＥＤパッケージ１を実装する場合とで変更する必要がないから、設計を汎用化できる。表面側ランド１２Ａ及び裏面側ランド１２Ｂの配列は、ＬＥＤチップ２０側の電極２３の配列と同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。

以上のように、本実施形態のＬＥＤパッケージ１においては、ＬＥＤチップ２０を覆うケース部材３０の内部に冷媒Ｒが封入されている。そして、冷媒Ｒ中に蛍光体Ｐが分散されている。このような構成によれば、発熱するＬＥＤチップ２０とその周囲に存在する冷媒Ｒとの間で熱交換が起こり、冷媒Ｒに熱対流が生じる。そして、この熱対流に乗って熱がケース部材３０まで伝えられ、ケース部材３０を介して大気中に放散される。これにより、高効率の放熱が可能となる。また、熱対流により蛍光体Ｐの冷媒Ｒ中での分散が均一化されるから、安定した色変換および透過光量を確保できる。さらに、製造工程において蛍光体Ｐの均一な分散のために特別な対応策を講じる必要がないため、製造工程を簡素化できる。

本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）ＬＥＤパッケージとして、上記実施形態では青色発光ダイオードのチップ２０とＹＡＧ系の蛍光体Ｐとの組み合わせによる白色ＬＥＤパッケージを例示したが、ＬＥＤチップ２０と蛍光体Ｐとの組み合わせには特に制限はなく、いかなる組み合わせであっても良い。

（２）上記実施形態では、プリント基板１０は絶縁層１１の両面に所定の導体回路が形成された単層の基板であったが、複数の絶縁性基板と導体層とが積層された多層プリント配線板であっても構わない。プリント基板１０は、ガラス基板あるいはセラミックス基板に貫通電極を設けた構造であれば、放熱効果が高く、機械剛性も向上するため、更に好適である。

（３）上記実施形態では、ＬＥＤパッケージ１は１枚のプリント基板１０上にはただ１つのＬＥＤチップ２０が実装されているものであったが、例えば２つ以上の発光ダイオードチップがケース部材中に封入されていても構わない。

（４）上記実施形態では、蛍光体として１種類が使用されていたが、２種以上の互いに異なる蛍光を発する蛍光体が冷媒中に分散されていても構わない。

ＬＥＤパッケージの概略側断面図

符号の説明

１…ＬＥＤパッケージ
１０…プリント基板（基板）
２０…ＬＥＤチップ
３０…ケース部材
３２…窓板部（透光部）
Ｐ…蛍光体
Ｒ…冷媒

Claims (1)

1. 基板と、
   前記基板上に実装された発光ダイオードチップと、
   前記基板上に設けられて前記発光ダイオードチップを覆うものであって、前記発光ダイオードチップからの光を透過可能な透光部を備えるケース部材と、
   前記ケース部材の内部に封入されるとともに、前記発光ダイオードチップからの光を受けて蛍光を放つ蛍光体が分散された液状の冷媒と、
   を備える発光ダイオードパッケージにおいて、
   前記透光部のうち前記冷媒と接する面にＩＴＯ膜が設けられていることを特徴とする発光ダイオードパッケージ。

Images