JP2006287265A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の発光する光を蛍光体により効率よく波長変換するとともに放射強度を高くし、軸上光度や輝度，演色性等の光特性に優れた発光装置を提供すること。
【解決手段】本発明の発光装置は、発光素子５と、貫通孔を有する基体１と、貫通孔に挿入されているとともに基体１に固定され、基体１の上面から上方に突出した発光素子５の載置部材１ｂと、発光素子５の上方に配置された波長変換層とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子から発光される光を蛍光体で波長変換し外部に発光する発光装置に関する。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子15から発光される近紫外線光や青色光等の光を赤色，緑色，青色，黄色等の複数の蛍光体で長波長変換して白色発光する発光装置を図３に示す。図３において、発光装置は、上側主面の中央部に発光素子15を載置するための載置部11ａを有し、載置部11ａやその周辺から発光装置の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体（図示せず）が形成された絶縁体からなる基体11と、基体11上面に接着固定され、上側開口が下側開口より大きい貫通孔12ａが形成されているとともに、内周面が発光素子15が発光する光を反射する反射面12ｂとされている枠状の反射部材12と、反射部材12の内側に充填され発光素子15が発光する光を励起し長波長変換する蛍光体を含有した透明樹脂13と、載置部11ａに載置固定された発光素子15とから主に構成されている。

基体11は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。基体11がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体がタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体11が樹脂から成る場合、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子がモールド成型されて基体11の内部に設置固定される。

また、反射部材12は、上側開口が下側開口より大きい貫通孔12ａが形成されるとともに内周面に光を反射する反射面12ｂが設けられた枠状となっている。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。

さらに、反射部材12の反射面12ｂは、貫通孔12ａの内周面を研磨して平坦化することにより、あるいは、貫通孔12ａの内周面にＡｌ等の金属を蒸着法やメッキ法により被着することにより形成される。そして、反射部材12は、半田，銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、載置部11ａを反射部材12の内周面で取り囲むように基体11の上面に接合される。

そして、載置部11ａの周辺に配置した配線導体と発光素子15とをボンディングワイヤや金属ボール等の電気接続手段16を介して電気的に接続し、しかる後、蛍光体を含有するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂13をディスペンサー等の注入機で発光素子15を覆うように反射部材12の内部に充填しオーブンで熱硬化させることで、発光素子15からの光を蛍光体により長波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置となし得る。
特開2003-37298号公報

近年、発光装置の放射強度をさらに高めることが望まれている。しかしながら、上記従来の発光装置においては、放射強度を高めるために発光素子15に入力する電流値をより大きくすると、発光素子15の発光強度が限界に近づいてばらつき易くなり、安定した放射強度が得られないという問題点を有していた。

また、発光素子15から下方に発光される光は反射部材12に良好に照射されず、光反射率の比較的低い基体11の上面や基体11と反射部材12との接合部に照射されるため、これらの部位で光が吸収されて発光素子15から発光される光の全てを高い反射率で反射させることができず、発光装置からの放射強度や軸上光度、輝度、演色性が低下しやすいという問題点を有していた。

また、発光素子15を被覆するとともに発光素子15からの光を波長変換するための蛍光体14を含有した透明樹脂13において、蛍光体14の含有率を上げて波長変換の効率を向上させようとすると、光が蛍光体14によって妨害され易くなるため、放射強度を向上できないという問題点を有していた。

また逆に、蛍光体14の含有率を下げると、蛍光体で変換されずに透過する光が多くなって所望の波長の光が得られず、その結果、放射強度の向上ができないという問題点を有していた。

さらに、発光素子15から発生した熱が基体11を伝達して反射部材12に伝わり易く、反射部材12と基体11との熱膨張差によって反射部材12が熱膨張して変形し、放射角度がばらついたり放射強度が低下するという問題点も有していた。

したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子の発光する光を蛍光体により効率よく波長変換するとともに放射強度を高くすることにより、軸上光度や輝度，演色性等の光特性に優れた発光装置を提供することである。

本発明の発光装置は、発光素子と、貫通孔を有する基体と、前記貫通孔に挿入されているとともに前記基体に固定され、前記基体の上面から上方に突出した前記発光素子の載置部材と、前記発光素子の上方に配置された波長変換層と、を有することを特徴とする。

本発明の発光装置は、前記発光素子を囲んで配置されており、前記発光素子により発生した光を前記波長変換層の方向へ導く光反射面を有することを特徴とする。

本発明の発光装置は、発光素子と、貫通孔を有する基体と、貫通孔に挿入されているとともに基体に固定され、基体の上面から上方に突出した発光素子の載置部材と、発光素子の上方に配置された波長変換層とを有することから、発光素子が基体の上面よりも高い載置部に位置するので、発光素子から下方に発光される光を反射部材の反射面に良好に照射させることができ、この反射面できわめて良好に外部に反射させることができる。その結果、発光素子から発光される光の全てを高い反射率で反射させることができ、発光装置からの放射強度を極めて高いものとすることができる。

また、発光素子から上方に発光される光が透過する蛍光体を含む透光性部材の上層部における行路長と、発光素子から下方に発光され反射部材で反射する光が透過する蛍光体を含む透光性部材の上層部における行路長とを近似させることができ、発光素子から発光されるすべての光に対する波長変換効率を一定にして色むらや強度むらが生じるのを有効に防止できる。

さらに、発光素子から下方に発光された光は透光性部材中を透過する光路長が長くなるものの、透光性部材の下層部においては蛍光体を含有しないので、光が蛍光体によって妨害されるのを防止でき、発光装置からの放射強度が低下するのを防止でき、放射強度をきわめて高くすることができる。

また、発光素子から発生した熱が基体に伝わっても、載置部が突出しているため、載置部と反射部材との間の距離が大きくなるとともに突出した基体と透光性部材との接触面積が大きくなって放熱性が向上し、反射部材に熱が伝達されるのを有効に抑制することができる。その結果、反射部材と基体との熱膨張差によって反射部材が変形するのを有効に抑制することができる。

以上の結果、軸上光度や輝度，演色性等の光特性を良好なものとし得る。

本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、１は基体、２は反射部材、３は透光性部材、４は蛍光体であり、主としてこれらで発光素子５の発光を方向性をもって外部に発光させ得る発光装置が構成される。

本発明の発光装置は、上側主面から突出した発光素子５の載置部１ａを有する基体１と、基体１の上側主面に載置部１ａを囲繞するように接合された、内周面が発光素子５が発光する光を反射する反射面とされている枠状の反射部材２と、反射部材２の内側に発光素子５を覆うように設けられる透光性部材３とを具備しており、発光素子５は、その発光部が反射面の下端よりも上側に位置しており、透光性部材３は、発光部よりも上側に位置する上層部３ａと発光部よりも下側に位置する下層部３ｂとの二層から成り、上層部３ａに発光素子５が発光する光を波長変換する蛍光体４を含有している。

本発明における基体１は、アルミナセラミックスや窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る。また、基体１は、上側主面に、発光素子５を載置する、上側主面から突出した載置部１ａを有している。

このような載置部１ａは、基体１の上側主面に、アルミナセラミックスや窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ等の金属、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る凸部１ｂを基体１の上面にロウ材や接着剤等の接合材により取着することによって、または、基体１の上面に凸部１ｂを基体１と一体として形成しておいてもよい。さらには基体１の中央部に設けた貫通孔に、上記のセラミックス，金属または樹脂から成る凸部（載置部材）１ｂをその上側が基体１の上面から突出するように嵌着して取着することによって設けてもよい。

このように基体１に凸部１ｂを設けることによって、発光素子５から下方に発光される光を反射部材２の反射面に良好に照射させることができ、この反射面できわめて良好に外部に反射させることができる。また、発光素子５から発生した熱が基体１に伝わっても、載置部１ａが突出しているため、載置部１ａと反射部材２との間の距離が大きくなるとともに突出した基体１と透光性部材３との接触面積が大きくなって放熱性が向上し、反射部材２に熱が伝達されるのを有効に抑制することができる。その結果、反射部材２と基体１との熱膨張差によって反射部材２が変形するのを有効に抑制することができる。

好ましくは、凸部１ｂと基体１とを同じ材質にするのがよい。これにより、載置部1ａと基体1との熱膨張差を小さくすることができ、載置部１ａに歪みが生じて発光素子５の位置がずれ、発光効率が低下するのを有効に抑制できる。

また、凸部１ｂが基体１と一体となっている場合、例えば、凸部１ｂや基体１と成るセラミックグリーンシートを積層して同時焼成することによって、切削加工等の金属加工方法によって、または、射出成型等で樹脂をモールド成型することによって作製することができる。

載置部１ａには、発光素子５が電気的に接続されるための電気接続用パターン（図示せず）が形成されている。この電気接続用パターンが基体１内部に形成された配線層（図示せず）を介して発光装置の外表面に導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、発光素子５と外部電気回路とが電気的に接続されることとなる。

発光素子５を電気接続用パターンに接続する方法としては、ワイヤボンディングを介して接続する方法、または、発光素子５の下面で半田バンプ等の電気接続手段６により接続するフリップチップボンディング方式を用いた方法等が用いられる。好ましくは、フリップチップボンディング方式により接続するのがよい。これにより、電気接続用パターンを発光素子５の直下に設けることができるため、発光素子５の周辺の基体１の上面に電気接続用パターンを設けるためのスペースを設ける必要がなくなる。よって、発光素子５から発光された光がこの基体１の電気接続用パターン用のスペースで吸収されて軸上光度が低下するのを有効に抑制することができる。

この電気接続用パターンは、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末のメタライズ層を基体１の表面や内部に形成することによって、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のリード端子を基体１に埋設することによって、または、配線導体が形成された絶縁体から成る入出力端子を基体１に設けた貫通孔に嵌着接合させることによって設けられる。

なお、電気接続用パターンの露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、電気接続用パターンの酸化腐食を有効に防止し得るともに、発光素子５と電気接続用パターンとの接続を強固にし得る。したがって、電気接続用パターンの露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのがより好ましい。

また、基体１の上面には、反射部材２が半田，Ａｇロウ等のロウ材やエポキシ樹脂等の接着剤等の接合材により取着される。反射部材２は、中央部に貫通孔２ａが形成されているとともに内周面が発光素子５が発光する光を反射する反射面２ｂとされている。

反射部材２は、反射部材２に対して切削加工や金型成形等を行うことにより形成される。あるいは、貫通孔２ａの内周面に、例えば、メッキや蒸着等によりＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），Ｃｕ等の高反射率の金属薄膜を形成することにより反射面２ｂを形成してもよい。なお、反射面２ｂがＡｇやＣｕ等の酸化により変色し易い金属からなる場合には、その表面に、例えば厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのが良い。これにより反射面２ｂの耐腐食性が向上する。

また、反射面２ｂ表面の算術平均粗さＲａは、0.004〜４μｍであるのが良く、これにより、反射面２ｂが発光素子５や蛍光体４の光を良好に反射し得る。Ｒａが４μｍを超えると、発光素子５の光を均一に反射させ得ず、発光装置の内部で乱反射する。一方、0.004μｍ未満では、そのような面を安定かつ効率良く形成することが困難となる傾向にある。

反射面２ｂは、例えば、縦断面形状が、上側に向かうにともなって外側に広がった図１，２に示すような直線状の傾斜面、上側に向かうにともなって外側に広がった曲面状の傾斜面、あるいは矩形状の面等の形状が挙げられる。

反射部材２は、基体１の上面の凸部１ｂ以外のいかなる部位に取着されてもよいが、発光素子５の周囲に所望の面精度、例えば、発光装置の縦断面において、発光素子５を間に挟んで発光素子５の両側に設けられた反射面２ｂが対称になっている状態で反射面２ｂが設けられるように取着されるのがよい。これにより、発光素子５からの光を蛍光体４で波長変換して外部へ直接放射させるだけでなく、発光素子５から横方向等に発光された光や蛍光体４から下側に放出された光を反射面２ｂで均一にむらなく反射させることができ、軸上光度および輝度さらには演色性等を効果的に向上させることができる。

特に図２に示すように、反射部材２が凸部１ｂに近接しているほど上記の効果が顕著に現れる。これにより、載置部１ａを有する凸部１ｂの周囲を反射部材２で取り囲むことによって、より多くの光を反射させることができ、より高い軸上光度を得ることが可能となる。

また、載置部１ａに搭載された発光素子５の発光部は、反射面２ｂの下端２ｃよりも高い位置になるように設けられている。すなわち、発光素子５の発光部の基体１の上側主面からの高さは、貫通孔２ａの下側開口部の周囲の反射部材２の厚さＬよりも大きい。これにより、発光素子５が発光した光が、反射部材２の加工時に反射面２ｂの下端２ｃに発生したバリ等や反射部材２を基体１に接合する際にはみ出したロウ材によって、乱反射したり吸収されたりするのを有効に防止できるとともに、発光素子５が発光する光を透光性部材３の表面近傍の多量の蛍光体４に照射することができ、波長変換効率を非常に良好なものとし得る。

本発明の透光性部材３は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂から成る。透光性部材３は、ディスペンサー等の注入機で発光素子５を覆うように反射部材２の内部に充填され、オーブン等で熱硬化されることで、発光素子５からの光を蛍光体４により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出すことができる。

ここで、透光性部材３は、発光部よりも上側に位置する上層部３ａと発光部よりも下側に位置する下層部３ｂとの二層から成り、上層部３ａに発光素子５が発光する光を波長変換する蛍光体を含有している。

これにより、発光素子５から上方に発光される光が透過する蛍光体４を含む透光性部材３の上層部３ａにおける行路長と、発光素子５から下方に発光され反射部材２で反射する光が透過する蛍光体４を含む透光性部材３の上層部３ａにおける行路長とを近似させることができ、発光素子５から発光されるすべての光に対する波長変換効率を一定にして色むらや強度むらが生じるのを有効に防止できる。

さらに、発光素子５から下方に発光された光は透光性部材３中を透過する光路長が長くなるものの、透光性部材３の下層部３ｂにおいては蛍光体４を含有しないので、光が蛍光体４によって妨害されるのを防止でき、発光装置からの放射強度が低下するのを防止でき、放射強度をきわめて高くすることができる。

また、発光素子５の発光部と載置部１ａの上面との間の距離が0.1ｍｍ以下である場合、載置部１ａの上面に透光性部材３の上層部３ａと下層部３ｂとの境界が位置していても、発光部と載置部１ａの上面との間に位置する上層部３ａの厚みは非常に薄く、この部分を透過する光が上層部３ａの蛍光体４による波長変換率は非常に小さい。よって、発光部に透光性部材３の上層部３ａと下層部３ｂとの境界が位置している場合と同様の効果を得ることができ、載置部１ａの上面に透光性部材３の上層部３ａと下層部３ｂとの境界が位置していてもよい。この構成により、透光性部材３の注入の作業性を効率の良いものとすることができる。

また、透光性部材３の上面は図１，２に示すように上に凸の形状になっているのがよい。これにより、発光素子５から斜め上方に放出された光に対しても発光部と透光性部材３の表面との間隔が長くなるのを防止することができ、より放射強度を高めることができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。

例えば、放射強度の向上のために基体１に発光素子５を複数設けてしても良い。また反射面２ｂの角度や、反射面２ｂ上端から透光性部材３の上面までの距離を任意に調整することも可能であり、これにより、補色域を設けることによりさらに良好な演色性を得ることができる。

本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
１ａ：載置部
２：反射部材
２ｂ：反射面
２ｃ：反射面の下端
３：透光性部材
３ａ：上層部
３ｂ：下層部
４：蛍光体
５：発光素子

Claims (2)

1. 発光素子と、
   貫通孔を有する基体と、
   前記貫通孔に挿入されているとともに前記基体に固定され、前記基体の上面から上方に突出した前記発光素子の載置部材と、
   前記発光素子の上方に配置された波長変換層と、
   を有することを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子を囲んで配置されており、前記発光素子により発生した光を前記波長変換層の方向へ導く光反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。

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