JP2007080870A - 発光装置 - Google Patents

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を収納する収納凹所２１が一表面に設けられＬＥＤチップ１０が収納凹所２１の内底面にフリップチップ実装された実装基板２０と、実装基板２０の上記一表面側でＬＥＤチップ１０に重ねて配置された凸レンズ状の光学部材３０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蛍光体をシリコーン樹脂と成形したドーム状の色変換部材５０とを備える。色変換部材５０は、光学部材３０の光出射面３０ｂとの間に空気層４０が介在する形（つまり、光学部材３０よりも屈折率の小さい媒質である空気が介在する形）で光学部材３０を覆うように実装基板２０の上記一表面側に封着されている。
【選択図】 図１

Description

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

従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体や光吸収体とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。この種の発光装置としては、例えば、発光層の材料に窒化ガリウム系化合物半導体が用いられ青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を出す発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。なお、白色ＬＥＤは、小型電球（白熱電球、ハロゲン電球など）の代替の光源、携帯電話の液晶パネル用光源（液晶パネル用バックライト）などとして広く用いられている。

ところで、観察角度による色むらを抑制した白色ＬＥＤとしては、例えば、図８に示すように、青色光を放射するＬＥＤチップを封止する透光性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）を砲弾形に成形したモールド部８０と、上記ＬＥＤチップに電気的に接続されたリード端子９１，９２と、モールド部８０に装着されＬＥＤチップからの青色光によって励起されて黄色系の光を放射する黄色蛍光体を含有した色変換部材１００とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、図８に示した構成の白色ＬＥＤはモールド部８０に色変換部材１００を装着したものであるが、黄色蛍光体が分散された透明樹脂をモールド部８０の表面に塗布することで色変換層を形成した構成のものも提案されている。

上述のように色変換部材１００や色変換層の厚みを均一に形成することで、色変換部材１００の位置によらず青色光と黄色光との混色割合が略等しくなり、観察角度による色むらを抑制できるという利点がある。
特開平１１−８７７８４号公報（図１）

ところで、図８に示した構成の白色ＬＥＤからなる発光装置では、モールド部８０を砲弾形に成形することで、モールド部８０の先端部を凸レンズ状の形状としてあるが、モールド部８０の表面に色変換部材１００が密着または密接しているので、モールド部８０の先端部での集光作用が得られずに指向性が低くなってしまい、より高い指向性が要求される照明用途には使用できないという不具合があった。

また、図８に示した構成の発光装置では、色変換部材１００とモールド部８０とが密着または密接しているので、色変換部材１００に外力が作用したときに色変換部材１００に発生した応力がモールド部８０を通して上記ＬＥＤチップに伝達されて上記ＬＥＤチップの発光特性が変動してしまうという不具合や、上記ＬＥＤチップから放射されモールド部８０を通して色変換部材１００に入射し当該色変換部材１００中の蛍光体の粒子により散乱された光のうちモールド部８０側へ散乱された光の大部分がモールド部８０に戻ってしまい、装置全体としての外部への光取り出し効率が低下するとともに、モールド部８０の劣化原因になって発光装置の寿命が短くなってしまうという不具合があった。

また、図８の構成の発光装置を当該発光装置から放射される光の配光を制御する配光レンズ（例えば、集光レンズ）などのレンズと組み合わせて使用する場合、色変換部材１００のうちレンズの光入射面側において集光可能な領域に位置する部位の面積が小さいので、レンズにより集光された光の強度（つまり、レンズにより配光制御された光の強度）が低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チップを収納する収納凹所が一表面に設けられＬＥＤチップが収納凹所の内底面に実装された実装基板と、実装基板の前記一表面側でＬＥＤチップに重ねて配置された凸レンズ状の光学部材と、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を透明材料とともに成形した成形品であって光学部材の光出射面との間に光学部材よりも屈折率の小さい媒質が介在する形で光学部材を覆った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、ＬＥＤチップに重ねて配置された凸レンズ状の光学部材と、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を透明材料とともに成形した成形品からなる色変換部材とが離間して配置されるとともに両者の間に光学部材よりも屈折率の小さい媒質が介在しているので、ＬＥＤチップから放射され光学部材を通して出射される光の指向性を高めることができ、色変換部材を通して出射される光の指向性が高くなり、しかも、ＬＥＤチップから放射され光学部材を通して色変換部材に入射し当該色変換部材中の蛍光体の粒子により散乱された光のうち光学部材側へ散乱されて光学部材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り、また、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光学部材を通してＬＥＤチップに伝達されるのを抑制できるという利点や、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップに到達しにくくなるという利点があって、信頼性が高くなる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部材は、頂部を平坦にしてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記色変換部材の頂部を平坦にしてあるので、前記色変換部材から出射される光の配光を制御する配光レンズなどのレンズと組み合わせて使用する場合、前記色変換部材のうちレンズの光入射面側においてレンズへの入射光束を増加させ、かつ頂部の中央をレンズの焦点近傍に配置することで、前記色変換部材の頂部が曲面である場合に比べてレンズの光軸に直交しかつ焦点を含む平面における発光面積が増加するため、レンズにより配光制御された光の強度が高くなる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記媒質は、空気であることを特徴とする。

この発明によれば、前記光学部材および前記色変換部材それぞれと前記媒質との屈折率差をより大きくできる。また、前記色変換部材に作用した外力が空気で吸収されるため前記ＬＥＤチップが保護される。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記ＬＥＤチップが前記実装基板の前記収納凹所の内底面に設けた配線にバンプを介して接続されており、前記ＬＥＤチップを封止した封止樹脂からなる封止部を備えるとともに、前記色変換部材が前記実装基板の前記一表面側に気密的に封着されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの点灯中は前記ＬＥＤチップの発熱によって前記封止部が熱膨張して前記ＬＥＤチップを前記収納凹所の内底面から離す向きの力が作用する一方で、前記媒質である空気の圧力が高まって前記ＬＥＤチップを前記収納凹所の内底面に近づける向きの力が大きくなるので、前記ＬＥＤチップと前記配線との間の接続信頼性が向上する。

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。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置は、図１（ａ）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２０と、ＬＥＤチップ１０に重ねて配置された凸レンズ状の光学部材３０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光学部材３０の光出射面３０ｂとの間に空気層４０が介在する形で光学部材３０を覆うように実装基板２０に気密的に封着されたドーム状の色変換部材５０とを備えており、実装基板２０と色変換部材５０とでパッケージを構成している。

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、結晶成長用基板であるサファイア基板の一表面側に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）により成長されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、発光部が当該発光部にて発光する光に対して透明なサファイア基板の一表面側に形成されている。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０を収納する収納凹所２１が一表面に設けられ且つＬＥＤチップ１０のアノード側およびカソード側それぞれのパッド（図示せず）がバンプ１６，１６を介して電気的に接続される配線（図示せず）が収納凹所２１の内底面に設けられたセラミック基板により構成してある。要するに、ＬＥＤチップ１０は、上記発光部を収納凹所２１の内底面に対向させた形でフリップチップ実装されており、上記発光部にて発光した光が上記サファイア基板を通して図１（ａ）の上面側へ取り出される。なお、実装基板２０における収納凹所２１は、内底面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなっている。

各バンプ１６，１６は、金などの金属材料により形成されている。また、上記各配線はそれぞれ、実装基板２０における収納凹所２１の内底面と実装基板２０の他表面（図１（ａ）における下面）との間の部分に貫設された貫通配線（図示せず）を介して、実装基板２０の上記他表面に設けられた外部接続電極（図示せず）と電気的に接続されている。

なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０のチップサイズが１ｍｍ□であり、実装基板２０のサイズを８ｍｍ□、厚みを１ｍｍ、収納凹所２１の内底面のサイズを５ｍｍ□としてあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。

上述の光学部材３０は、ＬＥＤチップ１０側の光入射面３０ａが平面状に形成されるとともにＬＥＤチップ１０とは反対側の光出射面３０ｂが凸曲面状に形成されている。ここにおいて、光学部材３０は、屈折率が１．８のガラスにより構成してあるが、光学部材３０は、ガラスに限らず、例えば、シリコーン樹脂により形成してもよい。

ところで、光学部材３０は、光出射面３０ｂが、光入射面３０ａから入射した光を光出射面３０ｂと上述の空気層４０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、光学部材３０とＬＥＤチップ１０とが互いの光軸が一致するように配置されている。また、実装基板２０の収納凹所２１内には、ＬＥＤチップ１０を封止した封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂など）からなる封止部２５が設けられており、光学部材３０は、上記封止樹脂により実装基板２０に接着されている。

色変換部材５０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５０の外表面５０ｂ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５０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５０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５０は、肉厚が一様になるように形成されており、実装基板２０の上記一表面側に封着されている。具体的には、色変換部材５０は、開口部の周縁が全周に亘って実装基板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）を用いて接着されている。

以上説明した本実施形態の発光装置では、青色光を放射するＬＥＤチップ１０に重ねて配置された凸レンズ状の光学部材３０と、黄色蛍光体を透明材料とともに成形した成形品からなる色変換部材５０とが離間して配置されるとともに両者の間に空気層４０が介在している、つまり、両者の間に光学部材３０よりも屈折率の小さい媒質である空気が介在しているので、ＬＥＤチップ１０から放射された光が図１（ｂ）中に一点鎖線で例示しているように屈折するから、ＬＥＤチップ１０から放射され光学部材３０を通して出射される青色光の指向性を高めることができ、色変換部材５０を通して出射される光の指向性が高くなる。

また、色変換部材５０と光学部材３０との間に上記空気層４０が形成されていることにより、ＬＥＤチップ１０から放射され光学部材３０を通して色変換部材５０に入射し当該色変換部材５０中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうち光学部材３０側へ散乱されて光学部材３０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２（ａ），（ｂ）に示すように、色変換部材５０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５０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５０と空気層４０との界面での全反射角をφａ、色変換部材５０と当該色変換部材５０の外表面５０ｂ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５０の内表面５０ａ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５０の外表面５０ｂ側のエスケープコーンＥＣｂの広がり角を２θｂとすれば、図２（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２（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５０に用いている透明材料の屈折率をｎ、位置Ｐで散乱され内表面５０ａ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５０と光学部材３０との間に空気層４０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％が光学部材３０に戻ってしまうのに対して、空気層４０を形成したことにより、位置Ｐで散乱された青色光の１３％しか光学部材３０に戻らなくなるので、青色光による封止部２５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５０の厚みを大きくすることが望ましい。

また、本実施形態の発光装置では、色変換部材５０は光学部材３０の光出射面３０ｂとの間に空気層４０が形成される形で配設すればよく、色変換部材５０を光学部材３０に密着させる必要がないので、色変換部材５０に外力が作用したときに色変換部材５０が変形して光学部材３０に当接する可能性が低くなって上記外力により色変換部材５０に発生した応力が光学部材３０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り、しかも、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップ１０に到達しにくくなるから、信頼性が向上する。また、光学部材３０と色変換部材５０との間に介在する媒質が空気なので、光学部材３０および色変換部材５０それぞれと上記媒質との屈折率差をより大きくでき、また、色変換部材５０に作用した外力が空気で吸収されるためＬＥＤチップ１０がより確実に保護される。

ところで、本実施形態の発光装置では、上述のように色変換部材５０の外表面５０ｂから出射される光の指向性が高くなるので、図３に示すように発光装置から出射される光の配光を制御する配光レンズ６０と組み合わせて使用する場合に、配光レンズ６０により配光制御された光の指向性および強度が高くなるから、より高い指向性が要求される照明用途に用いることができる。

ここにおいて、図３における配光レンズ６０は、色変換部材５０側の凹所６１の内側面６１ｂから入射した光を外側面６０ｂで全反射して当該配光レンズ６０の光出射面６０ａに導く機能および凹所６１の内底面６１ａから入射した光を平面状の光出射面６０ａ側に導く機能を有するハイブリッドレンズであり、配光レンズ６０の光出射面６０ａから出射される光の指向性を高めるには凹所６１の内底面６１ａへの入射光量を増加させればよいが、本実施形態の発光装置では、図８に示した従来構成の発光装置に比べて凹所６１の内底面６１ａへの入射光量を多くでき、配光レンズ６０の光出射面６０ａから出射される光の指向性を高めることができる。なお、配光レンズ６０における収納凹所６１の内底面６１ａは色変換部材５０側に凸となる凸曲面状に形成されている。また、配光レンズ６０の外径は光学部材３０の光軸方向において光学部材３０から離れるにつれて徐々に大きくなっている。

また、本実施形態の発光装置では、色変換部材５０と実装基板２０との間の空間が密閉されるように色変換部材５０を実装基板２０の上記一表面側に封着してあるが、色変換部材５０を接着剤により実装基板２０へ封着する際に図４（ａ）に示すようにＬＥＤチップ１０を点灯させる際のＬＥＤチップ１０のジャンクション温度よりも低い温度（例えば、室温）Ｔ１の環境下で接着するようにしている。したがって、ＬＥＤチップ１０の点灯中はＬＥＤチップ１０の発熱によって封止部２５が熱膨張してＬＥＤチップ１０を収納凹所２１の内底面から離す向きの力が作用する一方で、上記媒質である空気の温度がＴ１よりも高温のＴ２となって圧力が高まりＬＥＤチップ１０を収納凹所２１の内底面に近づける向き（図４（ｂ）中の矢印の向き）の力が大きくなるので、ＬＥＤチップ１０と実施基板２０における収納凹所２１の内底面に設けられた上記配線との間の接続信頼性が向上する。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、色変換部材５０の開口部の周縁から側方に連続一体に突出したフランジ部５２を備え、実装基板２０の上記一表面の周部に、フランジ部５２を囲み色変換部材５０を位置決めする環状の位置決めリブ２２が突設されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態では、実装基板２０に対して色変換部材５０を高精度に位置決めすることができ、結果的に光学部材３０と色変換部材５０との相対的な位置精度を高めることが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、色変換部材５０の頂部を平坦にしてある点が相違する。要するに、本実施形態では、色変換部材５０の外表面（つまり、パッケージにおける光取り出し面）５０ａの中央部が平坦になっている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態１にて説明したハイブリッドレンズなどの配光レンズ６０を用いて配光を制御する場合、配光レンズ６０の光入射面（凹所６１の内底面６１ａ）側の焦点Ｆにおける光が最も効率良く配向制御効果を得ることができ、焦点Ｆから遠ざかるにしたがって配光制御効果が低下する。

これに対して、本実施形態の発光装置では、色変換部材５０の頂部を平坦にしてあるので、色変換部材５０から出射される光の配光を制御する配光レンズ６０と組み合わせて使用する場合、色変換部材５０のうち配光レンズ６０の光入射面（凹所６１の内底面６１ａ）側において焦点Ｆを含む平面上に色変換部材５０の頂部が位置するように色変換部材５０と配光レンズ６０との相対的な位置を決める。一般に、配光制御性は、焦点から発光面が離れるほど低下し、かつその変化は光軸に直交する面内方向よりも光軸方向へのずれに敏感であるため色変換部材５０のうち配光制御性の大きい領域に位置する部位の面積を大きくでき、配光レンズ６０により配光制御された光の強度が高くなる。

また、色変換部材５０の頂部を平坦にしてあることにより、図７（ｂ）中に一点鎖線の矢印で示すように色変換部材５０の外表面５０ｂから法線方向へ出射される光のうち配光レンズ６０において配光制御効果が得られる光入射面に向う光が、実施形態１の例を示した図７（ａ）の場合に比べて多くなり、配光レンズ６０において配光制御効果が得られる光入射面への入射光量が増加するので、配光レンズ６０の光出射面６０ａから出射される光の指向性および強度を高めることができる。また、色変換部材５０の外表面５０ａの中央部が平坦になっていることで、配光レンズ６０と上記パッケージとの位置ずれが生じても、それによる配光制御効果の低下を抑制できる。

ところで、上記各実施形態では、色変換部材５０と光学部材３０との間に介在する媒質が空気となっているが、両者の間に介在する媒質は空気に限らず、光学部材３０よりも屈折率の低い物質であればよく、上述のように屈折率が１．８のガラスにより光学部材３０が形成されている場合には、色変換部材５０と光学部材３０との間にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などを介在させるようにしてもよい。

実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は動作説明図である。 同上の要部説明図である。 同上の発光装置と配光レンズとを組み合わせた状態の概略断面図である。 同上の要部説明図である。 実施形態２を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。 実施形態３を示し、発光装置と配光レンズとを組み合わせた状態の概略断面図である。 同上の要部説明図である。 従来例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤチップ
２０ 実装基板
２１ 収納凹所
２５ 封止部
３０ 光学部材
３０ａ 光入射面
３０ｂ 光出射面
４０ 空気層
５０ 色変換部材

Claims (4)

1. ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを収納する収納凹所が一表面に設けられＬＥＤチップが収納凹所の内底面に実装された実装基板と、実装基板の前記一表面側でＬＥＤチップに重ねて配置された凸レンズ状の光学部材と、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を透明材料とともに成形した成形品であって光学部材の光出射面との間に光学部材よりも屈折率の小さい媒質が介在する形で光学部材を覆った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発光装置。
2. 前記色変換部材は、頂部を平坦にしてあることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記媒質は、空気であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。
4. 前記ＬＥＤチップが前記実装基板の前記収納凹所の内底面に設けた配線にバンプを介して接続されており、前記ＬＥＤチップを封止した封止樹脂からなる封止部を備えるとともに、前記色変換部材が前記実装基板の前記一表面側に気密的に封着されてなることを特徴とする請求項３記載の発光装置。

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