JP2007088081A

JP2007088081A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007088081A
Application number: JP2005272851A
Authority: JP
Inventors: Sakuo Kamata; 策雄鎌田; Yasushi Nishioka; 恭志西岡; 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: JP3963188B2

Abstract

【課題】所望の配光特性を得ることができ且つ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】ＬＥＤチップ１０を囲むリフレクタ４０と、封止部５０およびリフレクタ４０に重ねて配置されたレンズ６０と、レンズ６０の光出射面６０ｂ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とを備える。ＬＥＤチップ１０と金属板２１との間に、両者の線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和し且つ両者を熱結合させるサブマウント部材３０を介在させてある。サブマウント部材３０には、ＬＥＤチップ１０の一表面側の各電極それぞれがバンプ１３，１３を介して接続される導体パターンが設けられ、各導体パターンと実装基板２０の絶縁性基材２２に設けられたリードパターン２３，２３とがボンディングワイヤ１４，１４により接続されている。
【選択図】図１

Description

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

従来から、複数個のＬＥＤチップが直接実装された金属ベース板と、金属ベース板に積層され各ＬＥＤチップの両電極それぞれがボンディングワイヤを介して接続される配線パターンが形成されたプリント配線板と、金属ベース板における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エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などにより封止した封止部とを備え、封止部をレンズ状の形状とすることで所望の配光特性を得るようにした発光装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、従来から、結晶成長用基板としてサファイア基板が用いられ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広く知られている。
特開２００３−１５２２２５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発光装置では、ＬＥＤチップを金属ベース板に直接実装しているので、金属ベース板とＬＥＤチップとの線膨張率差に起因してＬＥＤチップが破損してしまう恐れがあり、また、外力が作用したときに当該外力が封止部を通してＬＥＤチップおよび各ボンディングワイヤに伝達され、ＬＥＤチップの発光特性が変動したり各ボンディングワイヤが断線してしまう恐れがあった。

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、所望の配光特性を得ることができ且つ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チップを囲みＬＥＤチップから放射された光を反射するリフレクタであって前記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されたリフレクタと、リフレクタの内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止した封止部と、封止部およびリフレクタに重ねて配置されたレンズと、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レンズを覆いレンズの光出射面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、実装基板は、金属板と、金属板側とは反対の表面にＬＥＤチップの両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターンが設けられるとともにＬＥＤチップに対応する部位に窓孔が設けられ金属板に積層された絶縁性基材とからなり、ＬＥＤチップは、両電極が一表面側に形成されており、当該ＬＥＤチップと金属板との間に両者の線膨張率差に起因して当該ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップのチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップと金属板とを熱結合させるサブマウント部材を介して金属板に前記一表面が対向する形で実装され、各電極それぞれがサブマウント部材に設けた導体パターンおよびボンディングワイヤを介して互いに異なるリードパターンと接続されてなることを特徴とする。

この発明によれば、実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲むリフレクタと、封止部およびリフレクタに重ねて配置されたレンズと、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を備えていることにより、ＬＥＤチップから放射された光と蛍光体から放射された光との混色光について所望の配光特性を得ることができ、また、ＬＥＤチップと金属板との間に、両者の線膨張率差に起因して当該ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップのチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップと金属板とを熱結合させるサブマウント部材を介在させてあるので、前記線膨張率差に起因してＬＥＤチップが破損するのを防止することができ、信頼性を高めることができる。また、色変換部材をレンズの光出射面との間に空気層が形成される形で配設すればよくレンズに密着させる必要がないので、外力が作用したときに色変換部材に発生した応力がレンズおよび封止部を通してＬＥＤチップおよび各ボンディングワイヤに伝達されるのを抑制できるから、ＬＥＤチップの発光特性が変動したり各ボンディングワイヤが断線したりするのを抑制でき、より信頼性を高めることができる。また、ＬＥＤチップから放射され封止部およびレンズ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レンズ側へ散乱されてレンズ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や、外部雰囲気中の水分が前記ＬＥＤチップに到達しにくくなるという利点がある。

請求項１の発明では、所望の配光特性を得ることができ且つ信頼性を高めることができるという効果がある。

以下、本実施形態の発光装置について図１〜図５を参照しながら説明する。

本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲みＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する枠状のリフレクタ４０と、リフレクタ４０の内側に透明樹脂材料を充填して形成されて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を封止し且つ弾性を有する封止部５０と、封止部５０およびリフレクタ４０に重ねて配置されるレンズ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。なお、本実施形態の発光装置１は、例えばスポットライトなどの照明器具の光源として用いるものであり、例えばグリーンシートからなる絶縁層９０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１００に実装することで、ＬＥＤチップ１０から器具本体１００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１０のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。ここで、照明器具の場合には、所望の光出力が得られるように、器具本体１００に複数個の発光装置１を実装して（なお、図５では、１０個の発光装置１を有底円筒状の器具本体１００の底壁の内底面において周方向に沿って等間隔で配置した例を示してある）、複数個の発光装置１を直列接続したり並列接続したりすればよい。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が搭載される金属板２１と、金属板２１に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材２２とで構成されており、当該絶縁性基材２２における金属板２１側とは反対側の表面にＬＥＤチップ１０の図示しない両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターン２３が設けられるとともに、絶縁性基材２２においてＬＥＤチップ１０に対応する部位に窓孔２４が設けられており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が絶縁性基材２２を介さずに金属板２１に伝熱できるようになっている。ここにおいて、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。なお、金属板２１と絶縁性基材２２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２５により固着されている。また、各リードパターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、色変換部材７０により覆われていない部位がアウターリード部２３ｂとなっている。また、絶縁性基材２２は、窓孔２４の周囲に、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する反射膜２７が形成されている。ここで、反射膜２７は、Ｎｉ膜とＡｇ膜との積層膜により構成されている。

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、サファイア基板からなる結晶成長用基板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）により成長されている。また、ＬＥＤチップ１０は、一表面側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）および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。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が結晶成長用基板１１よりも金属板２１に近い側となる形で金属板２１に実装されている（つまり、フェースダウンで実装されている）。

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、サブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側には、ＬＥＤチップ１０の上記カソード電極および上記アノード電極それぞれが金属材料（例えば、金、半田など）からなるバンプ１３，１３を介して電気的に接続される導体パターン（図示せず）が設けられている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極および上記アノード電極それぞれがバンプ１３および上記導体パターンおよび金属細線（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を介して互いに異なるリードパターン２３と電気的に接続されている。なお、上記アノード電極および上記カソード電極それぞれと上記導体パターンとの間に介在するバンプ１３の数は特に限定するものではないが、バンプ１３の数が多いほどＬＥＤチップ１０と金属板２１との間の熱抵抗を低減できて放熱性を高めることができる。また、サブマウント部材３０は、ＬＥＤチップ１０の実装部位の周囲に、ＬＥＤチップ１０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）が形成されている。

サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が結晶成長用基板１１の材料であるサファイア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の透明樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いており、封止部５０がゲル状であって弾性を有している。なお、封止部５０の透明樹脂材料としては、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。

リフレクタ４０は、円形状に開口した枠状の形状であって、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光がレンズ６０側へ反射されるように内側面４０ａの形状が設計されている。すなわち、リフレクタ４０は、ＬＥＤチップ１０の厚み方向においてＬＥＤチップ１０から離れるに従って開口面積が大きくなる形状（つまり、上記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状）に形成されている。ここにおいて、リフレクタ４０の材料としては、ＬＥＤチップ１０から放射される光（ここでは、青色光）に対する反射率が比較的大きな材料（例えば、Ａｌなど）を採用し、リフレクタ４０の内側面４０ａを鏡面とすればよく、リフレクタ４０は例えばアルミニウムの基材を絞り加工して形成すればよい。また、リフレクタ４０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２６により実装基板２０に固着されている。なお、本実施形態では、リフレクタ４０を実装基板２０に固着した後でリフレクタ４０の内側に上記透明樹脂材料を充填（ポッティング）して熱硬化させることで封止部５０を形成してある。

レンズ６０は、封止部５０側の光入射面６０ａが平面状に形成されるとともに光出射面６０ｂが凸曲面状に形成された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とリフレクタ４０とは互いの光軸が一致し且つ各光軸がＬＥＤチップ１０を通るように配置されており、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から放射された光（ＬＥＤチップ１０から放射されリフレクタ４０に反射されることなくレンズ６０の光入射面６０ａに入射された光およびＬＥＤチップ１０から放射されリフレクタ４０の内側面４０ａで反射されてレンズ６０の光入射面６０ａに入射した光）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。

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１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がレンズ６０の光出射面６０ｂに沿った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。色変換部材７０は、開口部の周縁をリフレクタ４０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着すればよい。

ところで、上述のリフレクタ４０は、実装基板２０側とは反対の表面の周部に、色変換部材７０を囲み色変換部材７０を位置決めする環状の位置決めリブ４１が連続一体に突設されている。しかして、本実施形態では、リフレクタ４０に対して色変換部材７０を高精度に位置決めすることができる。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の上記実装面側でＬＥＤチップ１０を囲むリフレクタ４０と、封止部５０およびリフレクタ４０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シリコーン樹脂のような透明材料とともに成形した成形品からなる色変換部材７０とを備えているので、ＬＥＤチップ１０から放射された光と蛍光体から放射された光との混色光について所望の配光特性を得ることができる。

また、本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０と実装基板２０の金属板２１との間に、両者の線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップ１０のチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップ１０と金属板２１とを熱結合させるサブマウント部材３０を介在させてあるので、上記線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０が破損するのを防止することができ、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１では、色変換部材７０をレンズ６０の光出射面６０ｂとの間に空気層８０が形成される形で配設すればよくレンズ６０に密着させる必要がないので、色変換部材７０へ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および各ボンディングワイヤ１４，１４に伝達されるのを抑制できるから、上記外力によるＬＥＤチップ１０の発光特性の変動や各ボンディングワイヤ１４，１４の断線が起こりにくくなり、信頼性が向上する。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１では、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６（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６（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６（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、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、結晶成長用基板１１としてサファイア基板を採用しているが、サファイア基板に限らず、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを用いてもよい。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、結晶成長用基板１１もサファイア基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、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。同上を示し、一部破断した概略分解斜視図である。同上を示す要部概略平面図である。同上における絶縁性基材を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上を用いた照明器具を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は要部概略断面図である。同上の要部説明図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ
１３バンプ
１４ボンディングワイヤ
２０実装基板
２１金属板
２２絶縁性基材
２３リードパターン
２４窓孔
３０サブマウント部材
４０リフレクタ
５０封止部
６０レンズ
６０ａ光入射面
６０ｂ光出射面
７０色変換部材
８０空気層

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チップを囲みＬＥＤチップから放射された光を反射するリフレクタであって前記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されたリフレクタと、リフレクタの内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止した封止部と、封止部およびリフレクタに重ねて配置されたレンズと、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レンズを覆いレンズの光出射面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、実装基板は、金属板と、金属板側とは反対の表面にＬＥＤチップの両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターンが設けられるとともにＬＥＤチップに対応する部位に窓孔が設けられ金属板に積層された絶縁性基材とからなり、ＬＥＤチップは、両電極が一表面側に形成されており、当該ＬＥＤチップと金属板との間に両者の線膨張率差に起因して当該ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップのチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップと金属板とを熱結合させるサブマウント部材を介して金属板に前記一表面が対向する形で実装され、各電極それぞれがサブマウント部材に設けた導体パターンおよびボンディングワイヤを介して互いに異なるリードパターンと接続されてなることを特徴とする発光装置。