JP2007080863A

JP2007080863A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007080863A
Application number: JP2005262918A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tanaka; 健一郎田中; Yoji Urano; 洋二浦野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: JP4742761B2

Abstract

【課題】指向性および信頼性を高めることができる発光装置を提供する。
【解決手段】青色光を放射するＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板たる金属基板２０と、当該金属基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止した封止部５０と、当該封止部５０に重ねて配置されたレンズ６０とを備える。封止部５０が弾性を有する透明樹脂であるシリコーン樹脂により形成されるとともにレンズ６０が両凸レンズからなり、レンズ６０の光入射面６０ａの全域が封止部５０と密着している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用した発光装置に関するものである。

従来から、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該回路基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止したエポキシ樹脂からなる封止部とを備え、封止部の一部を凸レンズ状の形状とすることで指向性を高めた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１）。なお、上記特許文献１には、青色光ないし紫外光を放射するＬＥＤチップと当該ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体とを組み合わせることにより、白色を含めＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの混色光を得る技術が開示されている。
特開２００３−２４３７２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発光装置のように封止部の材料としてエポキシ樹脂を用いたものでは、封止部の耐候性が低く、しかも、ＬＥＤチップが青色光を放射する青色ＬＥＤチップの場合には封止部が青色光により劣化しやすいという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、指向性および信頼性を高めることができる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止した封止部と、当該封止部に重ねて配置されたレンズとを備え、封止部が弾性を有する透明樹脂により形成されるとともにレンズが両凸レンズからなり、当該両凸レンズの光入射面の全域が封止部と密着していることを特徴とする。

この発明によれば、封止部が弾性を有する透明樹脂により形成されるとともにレンズが両凸レンズからなり、当該両凸レンズの光入射面の全域が封止部と密着しているので、指向性および信頼性を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ＬＥＤチップから放射された光によって励起されて前記ＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって前記実装基板の前記実装面側で前記両凸レンズおよび前記封止部を覆い前記両凸レンズの光出射面および前記封止部との間に空気層が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材とを備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、色変換部材と前記両凸レンズの光出射面および前記封止部との間に空気層が形成される形で配設される色変換部材を備えていることにより、前記ＬＥＤチップから放射される光と色変換部材の蛍光体から放射される光との混色光を得ることができるだけでなく前記両凸レンズおよび前記封止部を保護することができ、しかも、色変換部材に外力が作用したときに色変換部材に発生した応力が前記平凸レンズおよび前記封止部を通して前記ＬＥＤチップに伝達されるのを抑制でき、上記外力に起因した前記ＬＥＤチップの発光特性の変動を抑制できるから、信頼性をより高めることができる。

請求項１の発明では、指向性および信頼性を高めることができるという効果がある。

本実施形態の発光装置は、図１に示すように、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板たる金属基板２０と、金属基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止した封止部５０と、当該封止部５０に重ねて配置されたレンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であってレンズ６０の光出射面６０ｂ側にレンズ６０を覆い光出射面６０ｂおよび封止部５０との間に空気層８０が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材７０とを備えている。

金属基板２０は、金属板２１上に絶縁層２２を介して対となる導体パターン２３，２３が形成されており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が金属板２１に伝熱されるようになっている。なお、金属板２１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１から離れた側となるように金属板２１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１に近い側となるように金属板２１に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２を金属板２１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２を金属板２１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。

また、ＬＥＤチップ１０は、上述の金属板２１に、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と金属板２１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０を介して実装されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を金属板２１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される電極パターン（図示せず）および金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４を介して一方の導体パターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して他方の導体パターン２３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合されている。

サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。

上述の封止部５０は、弾性を有する透明樹脂により形成されている。ここで、本実施形態では、封止部５０を形成する透明樹脂として、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、アクリル樹脂などを用いてもよい。なお、封止部５０は、ゲル状ないしゴム状の性状のもので弾性を有していればよい。

レンズ６０は、封止部５０側の光入射面６０ａおよび光出射面６０ｂそれぞれが凸曲面状に形成された両凸レンズにより構成されている。ここにおいて、レンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品により構成してあり、封止部５０と屈折率が同じ値となっているが、レンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品に限らず、例えば、アクリル樹脂の成形品により構成してもよい。

ところで、レンズ６０は、光出射面６０ｂが、光入射面６０ａから入射した光を光出射面６０ｂと上述の空気層８０との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、レンズ６０は、光出射面６０ｂが球面の一部により形成されており、当該球面の中心がＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った発光部１２の中心線上に位置するように配置されている。したがって、ＬＥＤチップ１０において金属基板２０側とは反対側の表面（本実施形態では、発光部１２の表面）から放射された光が光出射面６０ｂと空気層８０との境界で全反射されることなく色変換部材７０まで到達しやすくなり、全光束を高めることができる。なお、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０および空気層８０を伝搬して色変換部材７０まで到達し色変換部材７０の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材７０を透過したりする。

色変換部材７０は、シリコーン樹脂のような透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、本実施形態の発光装置は、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材７０の外面７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材７０の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材７０の材料として用いる透明材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。

ここで、色変換部材７０は、内面７０ａのうちレンズ６０に対向する部位の形状がレンズ６０の光出射面６０ｂに沿った形状（つまり、レンズ６０の光出射面６０ｂに対応した上記球面よりも直径が大きな球面の一部からなる形状）に形成されている。したがって、レンズ６０の光出射面６０ｂの位置によらず法線方向における光出射面６０ｂと色変換部材７０の内面７０ａとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材７０は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。また、色変換部材７０は、開口部の周縁を金属基板２０に対して、接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて固着されている。

ところで、本実施形態の発光装置の製造にあたっては、まず、金属基板２０の金属板２１にサブマント部材３０を介してＬＥＤチップ１０を実装してボンディングワイヤ１４，１４のボンディングを行うことで図２（ａ）に示す構造を得る（なお、図２（ａ）では各導体パターン２３および各ボンディングワイヤ１４の図示を省略してある）。その後、図２（ｂ）に示すように金属基板２０におけるＬＥＤチップ１０の上記実装面側にＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を囲むように封止部５０の成形用の一対の半円筒状の成形金型９１，９２を両成形金型９１，９２で円筒状の枠体をなすように配置して、上記枠体の内側に液状の透明樹脂材料（シリコーン樹脂）１０１を入れた容器１００から上記透明樹脂材料１０１の注入を開始する。そして、図２（ｃ）に示すように上記透明樹脂材料１０１が上記枠体の内側に充填された状態でレンズ６０を用意し、図２（ｄ）に示すようにレンズ６０を上記枠体に充填された上記透明樹脂材料１０１上に載置してから、上記透明樹脂材料１０１を熱硬化させることにより封止部５０を形成するとともに封止部５０とレンズ６０とを固着する。続いて、成形金型９１，９２を離型することにより、図２（ｅ）に示す構造を得てから、色変換部材７０を上記接着剤などを用いて金属基板２０に固着すればよい。

以上説明した本実施形態の発光装置では、封止部５０が弾性を有する透明樹脂により形成されるとともにレンズ６０が両凸レンズからなり、レンズ６０の光入射面６０ａの全域が封止部５０と密着しているので、指向性および信頼性を高めることができる。

また、本実施形態の発光装置では、色変換部材７０とレンズ６０の光出射面６０ｂおよび封止部５０との間に空気層８０が形成される形で配設される色変換部材７０を備えていることにより、ＬＥＤチップ１０から放射される光と色変換部材７０の蛍光体から放射される光との混色光を得ることができるだけでなくレンズ６０および封止部５０を保護することができ、しかも、色変換部材７０に外力が作用したときに色変換部材７０に発生した応力がレンズ６０および封止部５０を通してＬＥＤチップ１０に伝達されるのを抑制でき、上記外力によるＬＥＤチップ１０の発光特性の変動が起こりにくくなるから、信頼性が向上するという利点がある。また、色変換部材７０とレンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップ１０に到達しにくくなるという利点がある。

また、本実施形態の発光装置では、色変換部材７０はレンズ６０の光出射面６０ｂおよび封止部５０との間に空気層８０が形成される形で配設すればよく、色変換部材７０をレンズ６０および封止部５０に密着させる必要がないので、色変換部材７０の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの低下を抑制できる。また、本実施形態の発光装置では、組立時に色変換部材７０の組付けが最終工程となるので、ＬＥＤチップ１０の発光波長に応じて透明材料に対する蛍光体の配合を調整した色変換部材７０を用いることで色ばらつきを低減することもできる。

また、色変換部材７０とレンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部５０およびレンズ６０を通して色変換部材７０に入射し当該色変換部材７０中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうちレンズ６０側へ散乱されてレンズ６０を透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。

ここで、図３（ａ），（ｂ）に示すように、色変換部材７０の光軸とＬＥＤチップ１０の光軸とが一致しており、色変換部材７０における光軸方向の中央の位置ＰでＬＥＤチップ１０からの青色光が全方位に散乱されたとし、色変換部材７０と空気層８０との界面での全反射角をφａ、色変換部材７０と当該色変換部材７０の外側の媒質である空気との界面での全反射角をφｂ、位置Ｐで散乱された光に関して色変換部材７０の内面７０ａ側のエスケープコーンＥＣａの広がり角を２θａ、位置Ｐで散乱された光に関して色変換部材７０の外面７０ｂ側のエスケープコーンＥＣｂの広がり角を２θｂとすれば、図３（ａ）に示すように全反射角φａ，φｂが４０°のときには２θａ＝６０°、２θｂ＝９８°となり、図３（ｂ）に示すように全反射角φａ，φｂが５０°のときには２θａ＝７６°、２θｂ＝１３４°となる。

ここにおいて、色変換部材７０に用いている透明材料の屈折率をｎ、位置Ｐで散乱され内面７０ａ側のエスケープコーンＥＣａを通して放出される青色光の最大放出効率をηとすれば、η＝（１／４ｎ²）×１００〔％〕で表されるので、上述のように透明材料としてシリコーン樹脂を用いている場合には、ｎ＝１．４として、η≒１３％となる。したがって、色変換部材７０とレンズ６０との間に空気層８０が形成されていない場合には、位置Ｐで散乱された青色光の５０％がレンズ６０に戻ってしまうのに対して、空気層８０を形成したことにより、位置Ｐで散乱された青色光の１３％しかレンズ６０に戻らなくなるので、青色光による封止部５０の劣化を抑制できる。なお、エスケープコーンＥＣａを通して放出される青色光を少なくするには、色変換部材７０の厚みを大きくすることが望ましい。

ところで、上述の実施形態では、実装基板たる金属基板２０に１つのＬＥＤチップ１０を実装してあるが、金属基板２０に実装するＬＥＤチップ１０の数は１つに限らず、複数でもよく、ＬＥＤチップ１０ごとに、封止部５０、レンズ６０および色変換部材７０を設ければよい。

また、上述の実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には上記特許文献１のように結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。

実施形態を示す概略断面図である。同上の製造方法の説明図である。同上の要部説明図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ
１４ボンディングワイヤ
２０金属基板
２１金属板
２２絶縁層
２３導体パターン
３０サブマウント部材
５０封止部
６０レンズ
６０ａ光入射面
６０ｂ光出射面
７０色変換部材

Claims

ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止した封止部と、当該封止部に重ねて配置されたレンズとを備え、封止部が弾性を有する透明樹脂により形成されるとともにレンズが両凸レンズからなり、当該両凸レンズの光入射面の全域が封止部と密着していることを特徴とする発光装置。
前記ＬＥＤチップから放射された光によって励起されて前記ＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって前記実装基板の前記実装面側で前記両凸レンズおよび前記封止部を覆い前記両凸レンズの光出射面および前記封止部との間に空気層が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材とを備えてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。