JP2007088076A

JP2007088076A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007088076A
Application number: JP2005272842A
Authority: JP
Inventors: Sakuo Kamata; 策雄鎌田; Yoji Urano; 洋二浦野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: JP4742772B2

Abstract

【課題】ＬＥＤチップから放射された光を効率よく取り出す。
【解決手段】ＬＥＤチップ１は、実装基板２の絶縁性基材２１の表面２１０に対してレンズ４側に突出するように配置されている。ＬＥＤチップ１の発光部１１の上面１１０から垂直方向に放射された青色光、及び発光部１１の側面１１１，１１１から平行方向に放射された青色光は、封止部３、レンズ４及び空気層６を順に伝搬して色変換部材５に到達し、発光部１１の上面１１０から平行方向に放射された青色光、及び発光部１１の側面１１１，１１１から平行方向に放射された青色光は、封止部３及び空気層６を順に伝搬して色変換部材５に到達する。続いて、色変換部材５に到達した青色光によって、蛍光体が励起されて黄色光を放射する。最後に、ＬＥＤチップ１から放射された青色光と、色変換部材５の蛍光体から放射された黄色光との組み合わせによって、白色光が色変換部材５から放射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤチップから光を放射する発光装置に関するものである。

従来、この種の発光装置は、特許文献１に開示されているように、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが窪みに実装された基板（実装基板）と、ＬＥＤチップ及び上記ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止するように充填された透明樹脂（例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂など）からなる封止部とを備えている。上記特許文献１に開示されている発光装置は、ＬＥＤチップから放射された光が封止部を透過して外部を照射するものである。
特開２００１−１４８５１４号公報

しかしながら、上記従来の発光装置では、実装基板の窪みにＬＥＤチップが実装されているので、ＬＥＤチップの側面から放射された光の大部分が実装基板の窪みの側面によって遮断されて外部を照射することができないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ＬＥＤチップから放射された光を効率よく取り出すことができる発光装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、一の面及び前記一の面に延設される側面から光を放射するＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの前記一の面と対向する他の面で前記ＬＥＤチップが実装される実装基板と、透明樹脂を充填して形成されて前記ＬＥＤチップ及び前記ＬＥＤチップに接続されるボンディングワイヤを封止するとともに弾性を有する封止部と、前記ＬＥＤチップ側に光入射面及び光出射面が凸曲面状に形成され前記封止部に重ねて配置されるレンズと、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含むとともに前記レンズ及び前記封止部を覆い前記レンズの前記光出射面及び前記封止部との間に空気層が形成される形で配置されるドーム状の色変換部材とを備え、前記ＬＥＤチップが、前記実装基板の前記レンズと対向する面に対して前記レンズ側に突出することを特徴とする。

この構成では、ＬＥＤチップの一の面から平行方向に放射された光や側面から垂直方向に放射された光が実装基板に遮断されることなく封止部を透過して外部を照射することができるので、ＬＥＤチップから放射された光を効率よく取り出すことができる。ＬＥＤチップから放射された光が凸曲面状の光入射面からレンズに入射するので、指向性を向上させることができる。また、ＬＥＤチップから放射された光と、色変換部材の蛍光体から放射された光との混色光の取り出し効率を高めることができるので、光出力の向上をさらに図ることができる。色変換部材がレンズに密着していないので、色変換部材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することができるとともに、色変換部材に外力が作用した場合に、色変換部材に発生した応力がレンズ及び封止部を通してＬＥＤチップに伝達されることを抑制することができる。また、外部雰囲気中の水分をＬＥＤチップに到達しにくくすることができる。

本発明によれば、ＬＥＤチップから放射された光を効率よく取り出すことができる。

本発明の実施形態について図１〜３を用いて説明する。図１は、本実施形態の発光装置の構成を示す断面図である。図２は、本実施形態の発光装置の要部構成を示す上面図である。図３は、本実施形態の発光装置の構成を示す分解斜視図である。図４は、本実施形態の発光装置の製造方法を説明する斜視図である。

先ず、本実施形態の基本的な構成について説明する。本実施形態の発光装置は、図１に示すように、ＬＥＤチップ１と、実装基板２と、封止部３と、レンズ４と、色変換部材５とを備えている。

ＬＥＤチップ１は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、導電性基板１０と、発光部１１とを備えている。導電性基板１０は、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に近くかつ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなるものである。上記導電性基板１０は、後述する発光部１１の上面１１０と対向する下面１００においてサブマウント部材１２と接合することにより、後述する金属板２０に実装されている。一方、発光部１１は、導電性基板１０の上面１０１側にＧａＮ系化合物半導体材料によって形成されて、例えばダブルヘテロ構造を有する積層構造部からなり、エピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長されたものである。上記発光部１１は、上面１１０及び上面１１０に延設される複数の側面１１１，１１１から青色光を放射する。また、導電性基板１０の下面１００には、カソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）（図示せず）が形成されているとともに、発光部１１の上面１１０には、アノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）（図示せず）が形成されている。上記カソード電極及び上記アノード電極はＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜によって構成されているが、上記カソード電極及び上記アノード電極の材料は特に限定されるものではなく、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などであってもよい。

サブマウント部材１２は、ＬＥＤチップ１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ているものであり、ＬＥＤチップ１と金属板２０との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１に働く応力を緩和する。また、サブマウント部材１２は、ＬＥＤチップ１で発生した熱を金属板２０においてＬＥＤチップ１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１２の材料として熱伝導率が比較的高くかつ絶縁性を有するＡｌＮを採用しているが、サブマウント部材１２の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１０の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く、か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。また、サブマウント部材１２は、電極パターンの周囲に、ＬＥＤチップ１から放射された光を反射する反射膜（例えば、Ｎｉ膜とＡｇ膜との積層膜）（図示せず）を備えている。

ＬＥＤチップ１では、図２に示すように、カソード電極（図示せず）がサブマウント部材１２の表面１２０に設けられ上記カソード電極と接続する電極パターン（図示せず）、及び金属細線（例えば金細線やアルミニウム細線など）などのボンディングワイヤ１３を介して一方のリードパターン２３（図２の下側）と電気的に接続し、アノード電極（図示せず）がボンディングワイヤ１３を介して他方のリードパターン２３（図２の上側）と電気的に接続している。なお、ＬＥＤチップ１とサブマウント部材１２は、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。

また、図１に示すように、ＬＥＤチップ１をサブマウント部材１２に接合することにより、ＬＥＤチップ１は、後述する実装基板２の絶縁性基材２１におけるレンズ４と対向する面である表面２１０に対してレンズ４側（図１の上側）に突出するように配置されている。

実装基板２は、金属板２０と、絶縁性基材２１とを積層して備えている。金属板２０と絶縁性基材２１とは、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材２２により固着されている。上記金属板２０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。また、金属板２０には、ＬＥＤチップ１が実装されたサブマウント部材１２が実装されている。一方、絶縁性基材２１は、例えばガラスエポキシ基板などである。上記絶縁性基材２１の表面２１０には、ＬＥＤチップ１の両電極それぞれ（図示せず）と電気的に接続する一対のリードパターン２３が設けられている。各リードパターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜であり、色変換部材５により覆われていない部位がアウターリード部２３０，２３０（図２参照）となっている。また、絶縁性基材２１の表面２１０には、ＬＥＤチップ１に対応する部位に窓孔２４が設けられ、ＬＥＤチップ１で発生した熱が絶縁性基材２１を介さずに金属板２０に伝熱できるようになっている。

封止部３は、弾性を有し、例えばシリコーン樹脂などの透明樹脂を充填（ポッティング）して形成されるものであり、ＬＥＤチップ１及びボンディングワイヤ１３，１３を封止している。本実施形態では、成形金型９０，９１（図４参照）の内側に透明樹脂を充填して熱硬化させることで封止部３を形成する。なお、封止部３としては、シリコーン樹脂に限定されるものではなく、アクリル樹脂などを用いてもよい。シリコーン樹脂は、エポキシ樹脂やアクリル樹脂よりも耐熱性及び熱伝導率が高いので、高温でも変形することがなく、またＬＥＤチップ１からの熱に対する放熱効果を高めることができる。

レンズ４は、例えばシリコーン樹脂などの成形品であり、ＬＥＤチップ１側（図１の下側）に凸曲面状に形成される光入射面４０と、凸曲面状に形成される光出射面４１とを備え、封止部３に重ねて配置されている。つまり、上記レンズ４は両凸レンズである。また、レンズ４は、光軸がＬＥＤチップ１の厚み方向に沿った発光部１１の中心線上に位置するように配置されている。上記のように、レンズ４は、光出射面４１が凸曲面状に形成されるので、光入射面４０から入射した光を光出射面４１と上記空気層６との境界で全反射させないようになっている。なお、レンズ４は、封止部３と屈折率が同じ値となっているが、シリコーン樹脂の成形品に限定されるものではなく、例えば、アクリル樹脂の成形品であってもよい。

色変換部材５は、透明材料と、蛍光体とを混合した混合物によって、ドーム状に形成された成形品であり、封止部３及びレンズ４を覆い、封止部３及び光出射面４１との間に空気層６が形成される形で配置されている。上記色変換部材５は、内面５０がレンズ４の光出射面４１に沿った形状に形成されている。したがって、レンズ４の光出射面４１の位置によらず法線方向における光出射面４１と色変換部材５の内面５０との間の距離が略一定値となっている。また、色変換部材５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。さらに、色変換部材５は、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて、開口部の周縁を実装基板２の絶縁性基材２１に接着されている。透明材料は、例えばシリコーン樹脂などである。なお、上記透明材料は、シリコーン樹脂に限定されるものではなく、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。一方、蛍光体は、粒子状であり、ＬＥＤチップ１から放射された青色光によって励起されて、ＬＥＤチップ１の発光色とは異なる色であるブロードな黄色系の光を放射する。なお、上記蛍光体は、黄色蛍光体に限定されるものではなく、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体であってもよい。

このような色変換部材５は、レンズ４に密着していないので、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する。また、色変換部材５に外力が作用した場合に、色変換部材５に発生した応力がレンズ４及び封止部３を通してＬＥＤチップ１に伝達されることを抑制する。さらに、外部雰囲気中の水分をＬＥＤチップ１に到達しにくい構成になっている。

このような本実施形態の発光装置は、例えばグリーンシートなどの絶縁層７を介して金属（例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属）製の器具本体８に実装されることで、ＬＥＤチップ１から器具本体８までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上し、ＬＥＤチップ１のジャンクション温度の温度上昇を抑制することできるので、入力電力を大きくすることができ、光出力の高出力化を図ることができる。

次に、本実施形態の発光装置の製造方法について図３，４を用いて説明する。図３には、製造前の各構成部品を示している。また、図４は、図３の範囲Ａを示している。先ず、図４（ａ）に示すように、金属板２０と絶縁性基材２１とが積層された実装基板２に、サブマウント部材１２を介してＬＥＤチップ１を実装してボンディングワイヤ１３，１３（図２参照）のボンディングを行う（第１工程）。なお、図３，４ではボンディングワイヤ１３，１３の図示を省略している。第１工程後、図４（ｂ）に示すように、一対の半円筒状の成形金型９０，９１を両成形金型９０，９１で円筒状の枠体をなすように、絶縁性基材２１の表面２１０にＬＥＤチップ１及びボンディングワイヤ１３，１３を囲むようにして取り付ける（第２工程）。第２工程後、液状の透明樹脂（シリコーン樹脂）９２を入れた容器９３から上記透明樹脂９２を成形金型９０，９１の内側に注入する（第３工程）。そして、図４（ｃ）に示すように、上記透明樹脂９２が成形金型９０，９１の内側に充填された状態でレンズ４を用意し、図４（ｄ）に示すように、上記レンズ４を透明樹脂９２上に載置してから、透明樹脂９２を熱硬化させて封止部３を形成するとともに封止部３とレンズ４とを固着する（第４工程）。続いて、図４（ｅ）に示すように、成形金型９０，９１を離型する（第５工程）。最後に、接着剤などを用いて、図３に示す色変換部材５を絶縁性基材２１の表面２１０に固着する（第６工程）。

続いて、本実施形態の発光装置においてＬＥＤチップ１から放射された光の光路について図１を用いて説明する。先ず、ＬＥＤチップ１の発光部１１の上面１１０から放射された青色光について説明する。上記発光部１１の上面１１０から垂直方向（図１の上方向）に放射された青色光は、封止部３、レンズ４及び空気層６を順に伝搬して色変換部材５に到達し、上記発光部１１の上面１１０から平行方向（図１の左右方向）に放射された青色光は、封止部３及び空気層６を順に伝搬して色変換部材５に到達する。続いて、色変換部材５に到達した青色光によって、蛍光体が励起されて黄色光を放射する。最後に、ＬＥＤチップ１から放射された青色光と、色変換部材５の蛍光体から放射された黄色光との組み合わせによって、白色光が色変換部材５の外面５１から放射される。

一方、ＬＥＤチップ１の発光部１１の側面１１１，１１１から放射された青色光について説明する。上記発光部１１の側面１１１，１１１から垂直方向（図１の左右方向）に放射された青色光は、封止部３及び空気層６を順に伝搬して色変換部材５に到達し、上記発光部１１の側面１１１，１１１から平行方向（図１の上方向）に放射された青色光は、封止部３、レンズ４及び空気層６を順に伝搬して色変換部材５に到達する。続いて、発光部１１の上面１１０から放射された場合と同様に、色変換部材５に到達した青色光によって、蛍光体が励起されて黄色光を放射し、上記青色光と黄色光との組み合わせによって、白色光が色変換部材５の外面５１から放射される。

上記より、ＬＥＤチップ１の発光部１１から図１の上方向に放射された青色光だけでなく、ＬＥＤチップ１の発光部１１から図１の左右方向に放射された青色光も実装基板２に遮断されることなく、色変換部材５に到達することができ、白色光を外部に放射することができる。なお、色変換部材５の蛍光体が赤色蛍光体と緑色蛍光体の場合であっても、同様に白色光を放射することができる。

次に、本実施形態の発光装置においてＬＥＤチップ１からの熱の流れについて説明する。先ず、ＬＥＤチップ１からの熱の一部は、サブマウント部材１２を介して金属板２０に伝導する。続いて、高い熱伝導性を有する金属板２０が放熱を行う。一方、ＬＥＤチップ１からの熱の残部は、封止部３に伝導し、封止部３によって放熱が行われる。

上記より、ＬＥＤチップ１及び発光装置全体の温度が異常に高くなることを防止することができる。

以上、本実施形態によれば、ＬＥＤチップ１の発光部１１の上面１１０から平行方向（図１の左右方向）に放射された光や側面１１１，１１１から垂直方向（図１の左右方向）に放射された光が実装基板２で遮断することなく封止部３を透過して外部を照射することができるので、ＬＥＤチップ１から放射された光を効率よく取り出すことができる。

ＬＥＤチップ１から放射された光が凸曲面状の光入射面４０からレンズ４に入射するので、指向性を向上させることができる。また、ＬＥＤチップ１から放射された青色光と、色変換部材５の蛍光体から放射された黄色光との混色光である白色光の取り出し効率を高めることができるので、光出力の向上をさらに図ることができる。

色変換部材５がレンズ４に密着していないので、色変換部材５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することができるとともに、色変換部材５に外力が作用した場合に、色変換部材５に発生した応力がレンズ４及び封止部３を通してＬＥＤチップ１に伝達されることを抑制することができる。また、外部雰囲気中の水分をＬＥＤチップ１に到達しにくくすることができる。

なお、本実施形態の変形例として、ＬＥＤチップを、発光部が導電性基板よりも金属板に近い側となるように、金属板に実装してもよい。このような構成にしても、導電性基板と発光部が同程度の屈折率を有している場合、光の取り出し損失が大きくなりすぎることがなく、本実施形態と同様の動作を行うことができる。

本発明による実施形態の発光装置の構成を示す断面図である。同上の発光装置の要部構成を示す上面図である。同上の発光装置の構成を示す分解斜視図である。同上の発光装置の製造方法を説明する斜視図である。

符号の説明

１ＬＥＤチップ
１１発光部
１１０上面
１１１側面
２実装基板
２１絶縁性基材
２１０表面
３封止部
４レンズ
５色変換部材
６空気層

Claims

一の面及び前記一の面に延設される側面から光を放射するＬＥＤチップと、
前記ＬＥＤチップの前記一の面と対向する他の面で前記ＬＥＤチップが実装される実装基板と、
透明樹脂を充填して形成されて前記ＬＥＤチップ及び前記ＬＥＤチップに接続されるボンディングワイヤを封止するとともに弾性を有する封止部と、
前記ＬＥＤチップ側に光入射面及び光出射面が凸曲面状に形成され前記封止部に重ねて配置されるレンズと、
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含むとともに前記レンズ及び前記封止部を覆い前記レンズの前記光出射面及び前記封止部との間に空気層が形成される形で配置されるドーム状の色変換部材と
を備え、
前記ＬＥＤチップが、前記実装基板の前記レンズと対向する面に対して前記レンズ側に突出する
ことを特徴とする発光装置。