JP2005093601A

JP2005093601A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2005093601A
Application number: JP2003323225A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Kimura; 能子木村; Kazuhiko Ueno; 一彦上野; Takashi Ebitani; 崇戎谷; Mitsunori Harada; 光範原田; Yoshiori Tachibana; 佳織立花; Masao Aoyama; 雅生青山
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: JP4366154B2

Abstract

【課題】本発明は、色むらの少ない光源となる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】基板１上にＬＥＤチップ２を載設し、ＬＥＤチップ２を囲むようにＬＥＤチップ２の外周面７から等間隔を保って光透過性部材から成る堰堤３を設け、堰堤３で囲まれた部分に蛍光体４を充填してＬＥＤチップ２を封止した。さらに、堰堤３の外周面に接して反射面が形成された反射枠５を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関するものであり、詳しくは半導体発光素子（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組み合わせの加法混色によって任意の発光色の光を発する半導体発光装置に関する。

急峻なスペクトル分布特性を持った光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを光源にして白色光を放出するＬＥＤを実現するためには、ＬＥＤチップから出射された光と、ＬＥＤチップから出射された光が蛍光物質を励起して波長変換された光との加法混色によって可能になる。例えば、ＬＥＤチップから出射される光が青色光の場合には、青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光物質を用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光物質を励起することによって波長変換された黄色光と、ＬＥＤチップから放射された青色光との加法混色によって白色光を作り出すことができる。また、ＬＥＤチップから出射される光が青色光であっても、青色光に励起されて緑色光及び赤色光にそれぞれ波長変換する２種類の蛍光物質を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光物質を励起することによって波長変換された緑色光及び赤色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光との加法混色によって白色光を作り出すこともできる。また、ＬＥＤチップから出射される光が紫外光の場合には、紫外光に励起されて青色光、緑色光及び赤色光にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光物質を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された紫外光が蛍光物質を励起することによって波長変換された青色光、緑色光及び赤色光の加法混色によって白色光を作り出すこともできる。さらに、ＬＥＤチップから出射される光の発光色と蛍光物質とを適宜組み合わせることによって白色光以外の種々な発光色を作り出すことができる。

このように、光源から出射された光で蛍光物質を励起して波長変換し、光源から出射された光とは異なる発光色の光を放出するようなＬＥＤには、例えば、図５に示すように、一対のリード・フレームの一方の端部に内側面を反射面とした擂鉢状の凹部を形成して凹部の底面にＬＥＤチップ５０を載設し、蛍光物質５１を凹部に充填してＬＥＤチップ５０を封止した構造のものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−７７７２３号公報（第２−３頁、図２）

上述したような構造のＬＥＤにおいては、図５のＡ部詳細図となる図６で示すように、ＬＥＤチップ５０から出射して蛍光物質５１内を導光されて蛍光物質５１の光出射面５２に至る光の光路および光路長が、ＬＥＤチップ５０から出射する光の出射方向によって異なるものとなる。具体的には、ＬＥＤチップ５０の光軸方向（上方）に出射して蛍光物質５１の光出射面５２に至る光路を辿る光をＬ１、ＬＥＤチップ５０の斜め方向に出射して蛍光物質５１の光出射面５２に至る光路を辿る光をＬ２、ＬＥＤチップ５０の光軸に垂直な方向（側方）に出射して反射面に至り、反射面で反射されて蛍光物質５１の光出射面５２に至る光路を辿る光をＬ３とすると、Ｌ１、Ｌ２及びＬ３が蛍光物質５１内を導光される距離が夫々異なることが分かる。

また擂鉢状の凹部に充填された蛍光物質５１の光出射面５２の平坦度が悪い場合、ＬＥＤチップ５０の上面の光出射面５３から蛍光物質５１の光出射面５２までの光軸方向の距離が光出射面５３全面に亘って均一にはならない。従って、ＬＥＤチップ５０の光出射面５３から光軸方向に出射した光が蛍光物質５１内を導光されて蛍光物質５１の光出射面５２に至る距離は、ＬＥＤチップ５０から出射された光がＬＥＤチップ５０の光出射面５３のどの場所から出射したものかによって異なることになる。

このような、蛍光物質５１内を導光される光の光路長の違いは、光が蛍光物質５１内を導光される間に蛍光物質によって波長変換される割合に差が生じることになり、その結果、発光色に色むらの多い半導体発光装置になってしまう。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、発光色に色むらの少ない光源となるような半導体発光装置を提供するものである。

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、発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップから出射された光で励起されて波長変換した光を放射する蛍光体とを有し、前記発光ダイオードチップは前記発光ダイオードチップの外周面からの厚みが略均一になるように前記蛍光体で封止されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記蛍光体の外周面に光透過性部材から成る堰堤が覆設されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記堰堤が波長選択性のフィルタ機能を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項２において、前記堰堤の表面の一部もしくは全面が波長選択性のフィルタ機能を有する膜で被覆されていること特徴とするものである。

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が青色光であり、前記蛍光体が前記発光ダイオードチップから出射された光で励起されて黄色光を放出することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６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が紫外光であり、前記蛍光体が前記発光ダイオードチップから出射された光で励起されて赤色光、緑色光および青色光を放出する３種類の蛍光体から成ることを特徴とするものである。

発光色に色むらの少ない光源となるような半導体発光装置を実現する目的を、発光ダイオードチップを発光ダイオードチップの外周面からの厚みが略均一になるように蛍光体で封止した構成にして実現した。

以下、この発明の好適な実施例を図１から図４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、以下に述べる実施例は、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、これらの実施例に限られるものではない。

図１は本発明の半導体発光装置の実施例１の構造を示す部分断面図である。基板１上にＬＥＤチップ２が載設され、ＬＥＤチップ２を囲むように光透過性部材から成る堰堤３が設けられている。そして、堰堤３で囲まれた部分に蛍光体４が充填され、ＬＥＤチップ２が蛍光体４で封止された状態になっている。さらに、堰堤３の外側には堰堤３の外周面に接して反射枠５が設けられている。

堰堤３は、堰堤３の内周面６とＬＥＤチップ２の外周面７との間隔が略均一になるように設けられており、堰堤３で囲まれた部分に充填された蛍光体４はＬＥＤチップ２の外周面７から略均一の厚みで形成されていることになる。また、反射枠５は、上方に向かってＬＥＤチップ２の光軸８に対して外側に傾斜する反射面９を有しており、反射面９は反射率の高いアルミニウム、銀などを蒸着や塗装などの手法で形成されるが、反射枠５が高反射部材から成る場合は特別に反射処理することなく反射効果を得ることができる。

なお、ＬＥＤチップ２を発光させるためには、ＬＥＤチップ２のアノード電極とカソード電極の間に順方向電圧を印加することが必要であり、そのためにアノード電極及びカソード電極と外部から電圧を印加するための電極との電気的導通を図るための接続手段が設けられるが、本発明の実施例を示す図においてはこれを省略する。

このような構成の半導体発光装置においては、ＬＥＤチップ２から出射されて略光軸８方向に向かう光は蛍光体４内を導光されて蛍光体４の光出射面１０に至り、光出射面１０から外部に放出される。また、ＬＥＤチップ２の側面１１から出射されて略横方向に向かう光は蛍光体４内を導光されて蛍光体４の光出射面１２に至り、光出射面１２から堰堤３に入射して反射枠５の反射面９に向かい、反射面９で反射された光はさらに堰堤３内を導光されて堰堤３の光出射面１３に至り、光出射面１３から外部に放出される。

このように、ＬＥＤチップ２から出射されて外部に放出されるまでの光が辿る２つの光路の夫々において、ＬＥＤチップ２から出射された光が蛍光体４内を導光されて蛍光体４の光出射面１０および１２に至るまでの光路長は略同一であり、従って、蛍光体４内を導光されている間に波長変換される割合も略同一となる。その結果、ＬＥＤチップ４から出射されて２つの光路を辿って外部に放出される夫々の光に発光色の差異は少なく、色むらの少ないＬＥＤ光源が実現できることになる。

また、ＬＥＤチップ２の側面１１から略横方向に出射した光も反射枠５の反射面９で反射されて上方に向かい、堰堤３の光出射面１３から外部に放出されるため、ＬＥＤチップ２から出射した光の取り出し効率を高めることができる。更に、反射枠５の反射面９の傾斜角度および形状を適宜設定することによって反射後の光が向かう方向を調整できるため、反射枠５の反射面９で反射されて堰堤３内を導光されて光出射面１３から外部に放出される光の配光を制御することもできる。

図２は本発明の半導体発光装置の実施例２の構造を示す部分断面図である。基板１上にＬＥＤチップ２が載設され、ＬＥＤチップ２を囲むように光透過性部材から成る堰堤３が設けられている。そして、堰堤３で囲まれた部分に蛍光体４が充填され、ＬＥＤチップ２が蛍光体４で封止された状態になっている。さらに、堰堤３の外側には空気層１４を挟んで基板１と一体化した反射枠５が設けられている。

堰堤３は堰堤３の内周面６とＬＥＤチップ２の外周面７との間隔が略均一になるように設けられており、堰堤３で囲まれた部分に充填された蛍光体４はＬＥＤチップ２の外周面７から略均一の厚みで形成されていることになる。また、反射枠５は、上方に向かってＬＥＤチップ２の光軸８に対して外側に傾斜する反射面９を有しており、反射面９は反射率の高いアルミニウム、銀などを蒸着や塗装などの手法で形成されるが、反射枠５が一体に形成される基板１が高反射部材から成る場合は特別に反射処理することなく反射効果を得ることができる。

このような構造の本実施例と上述した実施例１との構成上の違いは、実施例１の場合は堰堤３の外周面が独立して設けられた反射枠５の反射面９に直接接しているのに対して、本実施例の場合は堰堤３の外周面と、基板１に一体化された反射枠５の反射面９との隙間に空気層１４が設けられていることである。従って、両実施例においては、ＬＥＤチップ２から出射されて略光軸８方向に向かう光が蛍光体４内を導光される距離と、ＬＥＤチップの側面１１から出射されて略横方向に向かう光が蛍光体４内を導光される距離とは略同一であり、２つの光路を辿って外部に放出される夫々の光に発光色の差異はなく、色むらの少ないＬＥＤ光源が実現できるものである。

但し、本実施例の場合は、反射枠５が基板１に一体化されるため基板１の製造工程で一括形成が可能であり、工数低減による製造コストの削減を図ることができる。

図３は本発明の半導体発光装置の実施例３の構造を示す部分断面図である。本実施例は上述した実施例２の構成から反射枠５を取り去ったものとなっている。よって、ＬＥＤチップ２の側面１１から出射されて略横方向に向かう光は堰堤３内を導光されてそのまま外部に放出される。従って、堰堤３の光入射面１５および光出射面１３の形状を適宜設定してレンズ効果を持たせることにより外部に放出される光の配光を制御することができる。

図４は本発明の半導体発光装置の実施例４の構造を示す部分断面図である。本実施例は、基板１上に載設されたＬＥＤチップ２を囲むように光透過性部材から成る堰堤３が、堰堤３の内周面６とＬＥＤチップ２の外周面７との間隔が略均一になるように設けられ、堰堤３で囲まれた部分に蛍光体４が充填されてＬＥＤチップ２が蛍光体４で封止された構成は上述した実施例１から実施例３と同様であるが、本実施例では、堰堤３がＬＥＤチップ２の光軸８方向の上面の一部分まで覆い、堰堤３の内周面および外周面ともに縦と横の面を曲面１６で結んだ形状になっており、堰堤３の内側に充填される蛍光体４も縦と横の面は曲面１６で結んだ形状になっている。

本実施例の半導体発光装置においては、特にＬＥＤチップ２の斜め方向に出射される光が多い出射パターンの場合、ＬＥＤチップ２から略光軸８方向に向かった光が蛍光体４内を導光される距離と、ＬＥＤチップから放射されて斜め方向に向かう光が蛍光体４内を導光される距離とが略同一になり、放出される光に発光色の差異が少なく、色むらの少ないＬＥＤ光源となる。

なお、上述した実施例１から実施例４において、堰堤３を形成する光透過性部材に顔料を混入させ或いは光透過性部材を染料で染色し、或いは堰堤３の表面の一部もしくは全面を不要な波長の光を吸収し、必要な波長を透過する部材で被覆することによって波長選択性のフィルタ機能を持たせることができる。また、実施例１および実施例２において、反射枠５の反射面９を不要な波長の光を吸収し、必要な波長を透過する部材で被覆することにより波長選択性のフィルタ機能を持たせることができる。これにより、不必要な波長の光が外部に放出されるのを阻止し、濁りのない鮮やかな色合いの光を放出するＬＥＤ光源が実現できる。

また、堰堤３と、堰堤３の光入射面１５および光出射面１３と接する面を構成する部材との屈折率の違いを利用し、堰堤３の光入射面１５および光出射面１３を適当な形状に形成することによって光の反射および屈折を利用して外部に放出される光の配光を制御することができる。

以上説明したように、本発明の半導体発光装置はＬＥＤチップを封止した蛍光体がＬＥＤチップの外周面から均一の厚みで形成されているため、ＬＥＤチップから出射されて略光軸方向上方に向かう光と、斜め方向に向かう光と、略横方向に向かう光とが蛍光体内を導光される距離が略同一になり、その結果、蛍光体によって波長変換される割合が略同一になり、放出される光の色むらが少ないものとなる。

また、蛍光体の外周部に設ける堰堤および反射枠の反射面に波長選択性を持たせることにより無駄な波長の光が外部に放出されるのを阻止し、鮮やかな色合いの光を放出することができる。また、堰堤の光入射面や光出射面を適当な形状に形成したり、反射枠の反射面の傾斜角度及び形状を適当に設定することによって外部に放出される光の配光を制御することができる。などの優れた効果を奏するものである。

本発明の実施例１に係わる半導体発光装置の部分断面図である。本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の部分断面図である。本発明の実施例３に係わる半導体発光装置の部分断面図である。本発明の第施例４に係わる半導体発光装置の部分断面図である。従来の半導体発光装置の例を示す部分断面図である。図５のＡ部詳細図である。

符号の説明

１基板
２ＬＥＤチップ
３堰堤
４蛍光体
５反射枠
６内周面
７外周面
８光軸
９反射面
１０光出射面
１１側面
１２光出射面
１３光出射面
１４空気層
１５光入射面
１６曲面

Claims

発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップから出射された光で励起されて波長変換した光を放射する蛍光体とを有し、前記発光ダイオードチップは前記発光ダイオードチップの外周面からの厚みが略均一になるように前記蛍光体で封止されていることを特徴とする半導体発光装置。
前記蛍光体の外周面に光透過性部材から成る堰堤が覆設されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記堰堤が波長選択性のフィルタ機能を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
前記堰堤の表面の一部もしくは全面が波長選択性のフィルタ機能を有する膜で被覆されていること特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
前記発光ダイオードチップから出射される光が青色光であり、前記蛍光体が前記発光ダイオードチップから出射された光で励起されて黄色光を放出することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光装置。
前記発光ダイオードチップから出射される光が紫外光であり、前記蛍光体が前記発光ダイオードチップから出射された光で励起されて赤色光、緑色光および青色光を放出する３種類の蛍光体から成ることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光装置。