JP5196107B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子を用いた発光装置に関し、特に、静電耐圧向上のための保護素子を搭載した発光装置に関する。

近年、高輝度、高出力の半導体発光素子を利用した発光装置が開発され、種々の分野に利用されている。このような発光装置は、小型、低消費電力や軽量等の特徴を生かして、例えば、携帯電話および液晶バックライトの光源、各種メータの光源、信号、照明用途等に利用されている。

このような発光素子として用いられるＧａＮやＧａＰ等をはじめとする化合物半導体は、大電圧や逆電圧に対して弱く、静電気や交流電圧の印加により、半導体発光素子が破損、特性が劣化する。

この問題を解決し、発光装置の内部に保護素子を搭載するために、第１のリードの先端部に湾曲面を有する凹部が形成され、凹部の底面に発光素子チップがマウントされ、凹部の上面の一部に鍔部が設けられ、鍔部の表面に発光素子を保護する保護素子が設けられてなる発光装置がある。

また、保護素子を接合するボンディング材がリード上に流れ、ワイヤボンディングの信頼性の低下を防止するために、第２のリードの先端部が分離溝により２つの領域に分離され、発光素子チップが第１のリードの先端部にマウントされると共に、発光素子チップに接続される電極が第２のリードの一方の領域に電気的に接続され、保護素子が第２のリードの先端部の他方の領域にマウントされて発光素子チップを保護するように第１および第２のリードの間に電気的に接続されてなる発光装置がある（特許文献１）。

特開平１０−２５６６１０号公報

しかし、上記のような発光装置では、保護素子を接合する接着部材が鍔部の上から流れ出すことがある。また、狭いリードの先端部に、接着部材の流れ出しを十分に防止できる深さおよび幅を有する分離溝を設けることは、設計上、困難なことがある。

接着部材が流れ出すと、発光素子が載置される第1のリードに保護素子を載置する場合においては、接着部材ないしは劣化し着色した接着部材に発光素子からの発光が吸収され、光出力に影響を与える等の不具合を生じるおそれがあり、また、第2のリードに保護素子を載置する場合においては、第2のリードに接続されるワイヤの不着が発生するなどして、発光装置の歩留まりが悪化する。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、接着部材の流れ出しを容易に低減し、歩留まりのよい発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明の発光装置は、第１のリードに載置される発光素子と、第２のリードに接着部材を介して載置される保護素子と、発光素子と第２のリードとを接続するワイヤとを備えており、前記ワイヤが接続される面と、前記保護素子が載置される面とは、第２のリードに設けられた段差による高低差を有している。

さらに、ワイヤが接続される面よりも低い面に保護素子が載置されていることが好ましい。

また、第1のリードに発光素子および保護素子が接着部材を介して載置され、発光素子が載置される面と、保護素子が載置される面とは、段差により高低差を有しており、発光素子が載置される面よりも低い面に保護素子が載置されていることを特徴とする。

また、第1のリードに発光素子および保護素子が接着部材を介して載置され、第1のリードは、発光素子が載置される凹部を有し、凹部の上端の面と、保護素子が載置される面とは、段差による高低差を有しており、段差は凹部の外に設けられていることを特徴とする。

これに加え、保護素子の上面は、凹部の上端の面よりも低くなるよう設けられていることが好ましい。

本発明によれば、接着部材の流れ出しを容易に低減でき、歩留まりのよい発光装置とすることができる。

本発明の発光装置の一つの形態では、第１のリードに発光素子を、第２のリードに接着部材を介して保護素子を載置し、発光素子および保護素子と第１および／または第２のリードとを、それぞれワイヤで接続して構成されており、接着部材の流れ出しによるワイヤの不着を防止するため、ワイヤが接続される面と、保護素子が載置される面とは、段差による高低差を有している。この段差により、接着部材の流れ出しを低減することができ、歩留まりの低下を防止することができる。

また、保護素子は、ワイヤが接続される面よりも低い面に載置されることが好ましい。これにより、ワイヤの接続される面に接着部材が流れ出すことを確実に防止することができる。

また、本発明の別の形態の発光装置では、発光素子および保護素子が接着部材を介して第1のリードに載置され、発光素子が載置される面と、保護素子が載置される面とは、段差により高低差を有しており、発光素子が載置される面よりも低い面に保護素子が載置されている。これにより、保護素子の接着部材が発光素子の方向へ流れ出すことを確実に防止することができる。

第1のリードには、発光素子が載置される凹部が設けられており、凹部の外に段差が設けられていることが好ましい。このとき、凹部の上端の面は、凹部内側よりも高くなるため、ここに段差を設け、保護素子を載置する。

本発明において、段差は、通常、リードの上面（例えば、発光装置の発光方向）の一部に設けられている。

ワイヤが接続される面および発光素子または保護素子が載置される面は、それぞれ適当な面積と平坦度を有していればよい。また、これらの面を必要に応じて、スタンピングや研磨等を行い、平坦度を高め、ワイヤ、保護素子および発光素子の接合性を高めることができる。

段差の高さの差は、接着部材の厚みや表面張力の強さ、保護素子等に接続されるワイヤの長さや角度等を考慮して適宜決定され、特に限定されるものではない。また、第1のリードに保護素子を載置する場合には、保護素子が発光に影響することを確実に防止するため、保護素子の上面が、発光素子が載置される面または凹部の上端の面よりも低くなるよう設けられることが好ましい。

また、後述する封止部材を用いた発光装置に保護素子を搭載する場合、保護素子または発光素子とリードを接続するワイヤが長くなり、発光装置の周囲の温度環境の変化によって、ワイヤが断線しやすくなることがある。つまり、保護素子を発光装置内の高い位置に実装すると、ワイヤの長さが長くなるとともにワイヤの高さが高くなり、ワイヤの下方に配置される封止部材の量が増大する。このため、封止部材が温度変化により膨張、収縮する際、ワイヤにかかる負荷が大きくなり、ワイヤの断線が発生するが、本発明のように、リードに段差を設けることで、ワイヤの高さを低くすることができるため、ワイヤの断線が少なく、信頼性の高い発光装置とすることができる。

段差が設けられる位置は、特に限定されず、リードのどの部分に設けられていてもよい。

また、保護素子と、保護素子からのワイヤが接続されるリードとの間には、ワイヤをさえぎる壁等が設けられておらず直接に対向していることが、ワイヤの短絡、断線防止等の観点から好ましいが、種々の目的に応じ、適宜変更することができる。同様の理由で、第2のリードに保護素子が載置されている場合には、保護素子からのワイヤは、第2のリードの上面から適当な高さを経由し、第1のリードの上面に接続されることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態の各構成について詳述する。

（発光素子）
本発明における発光素子は、半導体発光素子であり、発光ダイオードやレーザダイオード等を用いることができる。

発光素子の組成としては、例えば、基板上に、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を活性層として形成させた物が挙げられる。半導体材料およびその混晶度等によって発光波長を紫外光から赤外光まで選択することができる。

このような発光素子は、第１のリードに直接的または間接的に載置される。発光素子をリードに接合、載置するためには、後述する接着部材が用いられる。

また、発光素子は、必要に応じて、サブマウントのような補助的な支持体を介して間接的に載置されてもよい。

（保護素子）
保護素子は、過電圧、サージ電流等から発光素子を保護するものである。

保護素子は、特に限定されるものではなく、発光装置に搭載される公知のもののいずれでもよい。例えば、発光素子に印加される逆方向の電圧を短絡したり、発光素子の動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧を短絡したりさせることができる素子、つまり、過電圧、過電流、保護回路、静電保護素子等が挙げられる。具体的には、ツェナーダイオード、トランジスタのダイオード等が利用できる。保護素子は、上面と下面に電極を有していてもよく、一面側に二つの電極を有していてもよい。

保護素子は、後述する接着部材によってリードに接合、載置される。

本発明の発光装置では、発光素子または保護素子は２つ以上搭載されていてもよい。

また、発光素子および保護素子は、別々の工程で接着してもよいが、接着の際の熱履歴等の影響を低減するため、同時に接着されることが好ましい。例えば、発光素子および保護素子を、Ａｕ−Ｓｕ粒子とフラックスを混合したペースト状の接着部材上にそれぞれ仮固定し、リフローすることにより、発光素子および保護素子を同時に接着することができる。

（接着部材）
接着部材は、はじめ液状ないしペースト状等の流動性を有し、熱や光等によって硬化する、ないしは加熱溶融後に硬化する材料で、保護素子または発光素子をリードに接合、載置するための部材である。その材料は、具体的には、エポキシやシリコーン等の樹脂、Ａｕ−Ｓｎ等の共晶、はんだ、低融点金属等を用いることができる。保護素子または発光素子の上下両面に電極が形成されている場合には、樹脂にＡｇ、Ａｕ、Ｐｄ等の導電性部材を含有させたペースト、はんだ、共晶等の導電性の材料を用い、リードと導通をとることもできる。

（リード）
第1および第２のリードは、発光素子と保護素子とを載置する機能ならびに発光装置外部と発光素子とを電気的に接続する機能を果たす。従ってこれらの機能を果たすことができるものであれば、その材料は特に限定されないが、熱伝導率の比較的大きな材料で形成することが好ましい。例えば、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以上の熱伝導率を有しているもの、比較的大きい機械的強度を有するもの、あるいは打ち抜きプレス加工またはエッチング加工等が容易な材料が好ましい。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属またはこれらの合金、燐青銅、Ｆｅ入りＣｕ等あるいはこれらの表面にＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等のメッキが施されたもの等が挙げられる。

第1のリードには、凹部が形成され、凹部内に発光素子が載置されていることが好ましい。凹部は、少なくとも発光素子が載置できる底面積を有していればよく、その深さは、発光素子の高さ以上であることが好ましい。また、側面は、垂直であってもよいが、底面に向かって狭くなるように傾斜していることが好ましい。例えば、底面に対する法線方向に０〜４５°程度、２０〜４０°程度で傾斜していることが適している。これにより、発光素子からの光を効率的に上方に導くことができる。また、凹部内には後述する透光性部材が充填されていることが好ましい。

上記第１および第２のリードは、例えば、ＦｅまたはＣｕからなる厚さが０.４〜０.５ｍｍ程度の板状体を、打ち抜いて成形することができる。その際、一方のリードの上部を段差を有する形状に打ち抜くことで、段差を容易に形成することができる。

その後、任意の形状に成形したリードフレームを、第１のリードの上面側から円錐状のポンチによりスタンピングすることにより、その上面に凹部が形成される。通常、製造段階においては、第１および第２のリードの下端部はリードフレームの枠部で連結されている。

また、第１および第２のリードは、板状体を屈曲して形成されていてもよい。このとき、第１のリードに凹部が設けられ、その凹部の外周全部または一部を取り囲む平坦な領域が形成されていてもよい。その場合、平坦な領域の一部を屈曲またはスタンピングすることで、段差を容易に形成することができる。

なお、第１および第２のリードの上面は、同じ高さであってもよいが、ワイヤのループを低くできるよう、また種々の目的に応じて適宜変更することができる。

（ワイヤ）
発光素子および保護素子は、ワイヤによって、各リードと電気的な接続を有している。

ワイヤの材料としては、発光素子の電極とのオーミック性が良好であるか、機械的接続性が良好であるか、電気伝導性および熱伝導性が良好なものであることが好ましい。作業性等を考慮し、ワイヤの直径は、１０μｍ〜４５μｍ程度であることが好ましい。このようなワイヤとしては、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌ等の金属およびそれらの合金が挙げられる。

第１のリードに保護素子が載置されている場合には、保護素子からのワイヤのループトップ（ワイヤの最も高い部分）は、第２のリードより第１のリードに近い位置に設けられていることが好ましく、保護素子の直上に設けられていることがさらに好ましい。発光素子からのワイヤは、発光素子の上面の電極に接続され、発光素子上方において、第２のリードに接続される位置よりも高い位置にループトップを形成した後、第２のリードに接続されるため、ワイヤの高さは、発光素子に近いほど高く、第２のリードに近づくにつれて低くなる。よって、保護素子からのワイヤのループトップを、発光素子に近く、発光素子からのワイヤが高い位置に設けることにより、保護素子からのワイヤが最も高い部分においても、発光素子からのワイヤとの距離を十分にとることができるため、ワイヤ同士の接触や短絡を有効に防止できる。

なお、保護素子からのワイヤは、第1のリードの発光素子が載置される面または発光素子からのワイヤが接続される第2のリードの面と、異なる高さに接続されていてもよい。このことにより、ワイヤ同士の接触、短絡を有効に防止できる。さらに、保護素子および保護素子からのワイヤが接続される面を、ともに低い位置に設けることで、ワイヤを低くすることができ、信頼性の高い発光装置とできる。この場合、ワイヤが接続される面は、上述したものと同様の段差を形成すること、第1または第2のいずれかのリードを切り欠くこと、スタンピングすること等によって形成することができる。

本発明の発光装置は、その他の部材を備えていてもよい。

（封止部材）
封止部材は、発光素子や保護素子等を外部から保護するために設けられる、透光性の部材である。封止部材は、発光素子、保護素子、ワイヤ、第1および第2のリードの一部を封止するよう、形成される。

その材料としては、具体的には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶質ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、硝子等が挙げられる。なお、透光性とは、発光素子から出射された光を７０％程度以上、８０％程度以上、９０％程度以上、９５％程度以上透過させる性質を意味する。封止部材の大きさおよび形状は特に限定されるものではなく、例えば、円柱、楕円柱、球、卵形、三角柱、四角柱、多角柱又はこれらに近似する形状等どのような形状であってもよい。

また、封止部材には、視野角の調整、指向性の緩和、発光の収束、拡散等種々の目的に応じて、拡散剤、蛍光物質、染料、顔料等を含有させてもよく、二種類以上の含有物、例えば拡散剤と蛍光物質を共に含有させてもよい。拡散剤は、光を拡散させるものであり、発光素子からの指向性を緩和させ、視野角を増大させることができる。蛍光物質は、発光素子からの光を変換させるものであり、発光素子から発光装置の外部へ出射される光の波長を変換することができる。例えば青色光を発する発光素子を利用する場合には、ＹＡＧ：Ｃｅ、Ｅｕおよび／またはＣｒで賦活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２等の蛍光物質が種々好適に用いられる。

（透光性部材）
透光性部材は、第1のリードに設けられた凹部内に充填され、発光素子を被覆する透光性の部材である。前述した封止部材と同じ材料であってもよいが、ワイヤにかかる応力を緩和し、ワイヤの断線を少なくするため、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等のフィラーを添加してもよい。

透光性部材は発光素子の近傍に位置するため、耐光性の高い材料を用いることが好ましい。具体的には、シリコーン樹脂や無機樹脂等の材料が挙げられる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。

（実施例１）
この実施例の発光装置１１０は、図１（ａ）に示すように、封止部材１０７の下方から第１のリード１０３および第２のリード１０４が突出するように構成された砲弾型の発光装置である。

青色光を発する発光素子１０１は、Ｆｅ入りＣｕにＡｇメッキを施した第１のリード１０３に形成された凹部内に、Ａｕ−Ｓｎ共晶を介して載置され、一つの電極はＡｕからなるワイヤ１０９ａにより、第２のリード１０４と電気的に接続されている。発光素子１０１は絶縁性のサファイア基板上にＧａＮを積層して形成され、上面に二つの電極を有しており、もう片方の電極は別のワイヤにより第１のリード１０３の上面に接続されている。

第２のリード１０４は、その上面の一部に段差１０５が設けられ、発光素子１０１からのワイヤ１０８が接続される面１０５ａと、それより低い、保護素子１０２が載置される面１０５ｂとを有している。保護素子１０２は、接着部材である導電性のＡｇペースト１０６を介して載置されている。保護素子１０２は、ツェナーダイオードであり、電極が上下両面にあるものを用いている。保護素子１０２の第２のリード１０３に接する底面は電極であり、接着部材１０６により第２のリード１０３と電気的に接続されている。保護素子１０２の上面の電極は、ワイヤによって第１のリード１０３の上面と電気的に接続されている。保護素子が載置される面１０５ｂと、ワイヤが接続される面１０５ａに近接するリードの側面が接する段差の隅部１０５ｃは、段差を形成する打ち抜きの際に、バリが発生すること防止するため、丸みを帯びている。

本実施例で使用した保護素子１０２の高さは約１４０μｍであり、段差の高さの差は約１５０μｍである。なお、保護素子１０２の底面に配置された接着部材１０６の厚みは約１０μｍである。

保護素子１０２からのワイヤは、保護素子１０２の直上１５０μｍ程度の位置でループトップを形成し、第１のリード１０３の上面に接続されている。発光素子１０１からのワイヤ１０８は、第２のリード１０４に接続されている。

この発光装置１１０は、次のようにして形成できる。

まず、金属板を打ち抜き、第１のリード１０３および第２のリード１０４を形成する。その際、第２のリード１０４の上面を、第１のリード１０３に近接する側が高く、かつその隅部が丸みを帯びている段差を有する形状に打ち抜き、ワイヤが接続される面１０５ａと保護素子が載置される面１０５ｂとを形成する。その後、第1のリード１０３の上面を円錐形のポンチにてスタンピングして凹部を形成した後、ワイヤが接続される面１０５ａをスタンピングし、平坦度を向上させる。

次に、凹部の底面に、発光素子１０１をＡｕ−Ｓｕ共晶を介して載置し、その後、保護素子が載置される面１０５ｂに、保護素子１０２を、接着部材１０６を介して載置する。

そして、発光素子１０１とワイヤが接続される面１０５a、保護素子１０２と第1のリード１０３の上面をそれぞれＡｕのワイヤ１０８ａおよび１０８ｂで接続し、電気的に接続する。

その後、発光素子１０１が収容されている凹部に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体およびＳｉＯ_２のフィラーを含有する透光性部材としてのシリコーン樹脂（図示せず）を充填、硬化させる。その後、このリードフレームを透光性のエポキシ樹脂が充填された樹脂製のキャスティングケースに挿入、熱硬化させ、封止部材１０７を形成する。

本実施例では、青色光を発する発光素子と、発光素子から放出された青色光を吸収、波長変換し黄色光を発する蛍光物質を用いることにより、白色系に発光する発光装置としている。

本実施例では、ワイヤが接続される面１０５ａより低い面に保護素子１０２を載置することで、接着部材１０６が、ワイヤ１０８ａの接続される面１０５ａに流れ出すことがなく、ワイヤの不着を防止することができる。

（実施例２）
本実施例の発光装置は、図２に示すように、第1のリード２０３に発光素子２０１および保護素子２０２が載置されている。第１のリード２０３に設けられた凹部内に発光素子２０１が載置されており、凹部の外に凹部の上端の面２０５ｄよりも低い、保護素子が載置される面２０５ｂを有している。保護素子２０２は、実施例１と同様に上下両面に電極を有し、Ａｕ−Ｓｕ共晶の接着部材２０６により下面の電極と第１のリード２０３が電気的に接続され、上面の電極と第２のリード２０４の上面が、ワイヤによって接続されている。この場合でも、実施例１と同様に、接着部材の流れ出しを防止することができる。

実施例３
本実施例の発光装置３１０は、図３に示すように、第１のリード３０３および第２のリード３０４は、金属板を屈曲して形成されている。凹部の上端の面３０５ｄおよび保護素子が載置される面３０５ｂは、第1のリード３０１の一部を屈曲して形成され、凹部の上端の面３０５ｄより低い保護素子が載置される面３０５ｂに、接着部材３０６を介して保護素子３０２が載置されるとともに、これらが封止部材３０７により一体に封止されている。

この場合も、実施例１および２と同様の効果が得られる。

本発明の発光装置は、照明用光源、各種インジケーター用光源、車載用光源、ディスプレイ用光源、液晶のバックライト用光源、信号機、車載部品、看板用チャンネルレター等、種々の光源に使用することができる。

本発明にかかる発光装置の一例を示す概略断面図である。 本発明にかかる発光装置の一例を示す部分拡大図である。 本発明にかかる発光装置の一例を示す部分断面図である。 本発明にかかる発光装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１ 発光素子
１０２、２０２、３０２ 保護素子
１０３、２０３、３０３ 第１のリード
１０４、２０４、３０４ 第２のリード
１０５ 段差
１０５ａ ワイヤが接続される面
１０５ｂ、２０５ｂ、３０５ｂ 保護素子が載置される面
１０５ｃ 隅部
２０５ｄ、３０５ｄ 凹部の上端の面
１０６、２０６、３０６ 接着部材
１０７、３０７ 封止部材
１０８ ワイヤ
１１０、３１０ 発光装置

Claims (1)

1. 第１のリードに載置される発光素子と、
   第２のリードに接着部材を介して載置される保護素子と、
   前記発光素子と前記第２のリードとを接続する第１のワイヤと、
   前記保護素子と前記第１のリードとを接続する第２のワイヤと、を備えており、
   前記第１のワイヤが接続される面と、前記保護素子が載置される面とは、前記第２のリードに設けられた段差による高低差を有し、
   前記第１のワイヤが接続される面よりも低い面に前記保護素子が載置され、前記保護素子からの第２のワイヤの最も高い部分が、前記保護素子の真上に設けられ、
   前記第２のリードに設けられた段差の高い面は、前記第１のリードに近接する側に設けられ、
   前記段差の低い面、前記段差の高い面、前記発光素子が略直線上に配置されることを特徴とする発光装置。

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