JP2007116123A

JP2007116123A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007116123A
Application number: JP2006254804A
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: 2006-09-20
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】実装基板上でレンズを覆う色変換部材の品質が安定した発光装置を提供する。
【解決手段】色変換部材７０は、レンズ６０の光出射面６０ｂに対向する円盤状の底部７０ｃと、底部７０ｃの周縁からＬＥＤチップ１０を実装した実装基板２０の実装面に向かって広がるように延設された側壁部７０ｄとからなり、実装基板２０の実装面側の一面を開口した箱型に形成される。
【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、実装基板上にＬＥＤチップを実装した発光素子があり、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波長変換材料としての蛍光体（蛍光顔料、蛍光染料など）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。（例えば、特許文献１参照）
この技術を用いた発光装置としては、例えば、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）を得る白色発光装置（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。この種の発光装置として、例えば図５に示すように、青色光を放射するＬＥＤチップ１１０と、ＬＥＤチップ１１０がサブマウント部材１３０を介して実装された金属基板１２０と、当該金属基板１２０におけるＬＥＤチップ１１０の実装面側でＬＥＤチップ１１０を囲むアルミニウム製の枠体１４０と、枠体１４０の内側に充填されＬＥＤチップ１１０および当該ＬＥＤチップ１１０に接続されたボンディングワイヤ１１４，１１４を封止した封止部１５０と、封止部１５０に重ねて配置されるレンズ１６０と、ＬＥＤチップ１１０から放射された光によって励起されて発光する黄色蛍光体を含有しレンズ１６０を覆う形で枠体１４０に固着されるドーム状の色変換部材１７０とを備え、白色光の発光スペクトルを得ることができる発光装置が提案されている。また、金属基板１２０は、金属板１２１上に絶縁層１２２を介して対となる導体パターン１２３，１２３が形成され、導体パターン１２３，１２３とＬＥＤチップ１１０とはボンディングワイヤ１１４，１１４で接続される。
特開２００３−２４３７２４号公報

しかしながら、図５に示す従来の発光装置においては、色変換部材１７０をドーム状に形成しているため、色変換部材１７０に関して製造時の外形のバラツキ、厚さのバラツキを抑えることが難しく、品質の安定化が困難であった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、実装基板上でレンズを覆う色変換部材の品質が安定した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透明樹脂材料から形成されてＬＥＤチップを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたレンズと、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透光性材料からなり実装基板の前記実装面側で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箱型の色変換部材とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、色変換部材を箱型に形成するので、ドーム状に形成する場合に比べて製造精度を容易に高くでき、色変換部材の製造時の外形、厚さのバラツキが小さくなって、品質が安定する。また、色変換部材が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ているので、色変換部材をレンズに密着させる必要がなく、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できるとともに、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レンズおよび封止部を通してＬＥＤチップに伝達されるのを抑制できるという利点や、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や、色変換部材の蛍光体で発生した熱がＬＥＤチップへ伝熱されるのを抑制することができるという利点がある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記色変換部材が、前記ＬＥＤチップのうちの前記実装基板との対向面を除く各面それぞれに対向する各壁が各面に沿った形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、色変換部材は、ＬＥＤチップのうちの実装基板との対向面を除く各面それぞれに対向する各壁が各面に沿った形状に形成されてなるので、ＬＥＤチップからの光は色変換部材の各壁に対してそれぞれ略垂直に入射する。そのため、色変換部材の各壁がＬＥＤチップの各面それぞれに沿って形成されていない場合に比べて、色変換部材を通して取り出される光に色むらが生じにくいという利点がある。

以上説明したように、本発明では、実装基板上でレンズを覆う色変換部材の品質を安定させることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
以下、本実施形態の発光装置について図１〜図３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を囲む枠体４０と、枠体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含む透光性材料からなり実装基板２０の上記実装面側でレンズ６０を覆いレンズ６０の光出射面６０ｂおよび枠体４０の外側面との間に空気層８０が形成される形で配設される箱型の色変換部材７０とを備えている。なお、発光装置１は、例えば、シリカやアルミナなどのフィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シート（例えば溶融シリカを高充填したエポキシ樹脂シートのような有機グリーンシート）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を介して実装することで、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。

実装基板２０は、熱伝導率の比較的高い材料からなりＬＥＤチップ１０が搭載される伝熱板（例えば金属板）２１と、伝熱板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における伝熱板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を介さずに伝熱板２１に伝熱できるようになっている。ここにおいて、伝熱板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、伝熱板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。

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よりも伝熱板２１から離れた側となるように伝熱板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よりも伝熱板２１に近い側となるように伝熱板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を伝熱板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を伝熱板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、上述の伝熱板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と伝熱板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で発生した熱を伝熱板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を介して一方のリードパターン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を介して他方のリードパターン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、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、サブマウント部材３０は、電極パターンの周囲に、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の透明樹脂材料としては、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。

これに対して、枠体４０は、円筒状の形状であって、透明樹脂の成形品により構成されているが、当該成形品に用いる透明樹脂としては、シリコーン樹脂を採用している。要するに、本実施形態では、封止部５０の透明樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有する透光性材料により枠体４０を形成してある。ここに、本実施形態では、枠体４０を実装基板２０に固着した後で枠体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。なお、上記透明樹脂材料としてシリコーン樹脂に代えてアクリル樹脂を用いている場合には、枠体４０をアクリル樹脂の成形品により構成することが望ましい。

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、当該レンズ６０の光軸が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。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、レンズ６０の光出射面６０ｂに対向する円盤状の底部７０ｃと、底部７０ｃの周縁からＬＥＤチップ１０を実装した実装基板２０の実装面に向かって広がるように延設された側壁部７０ｄとからなり、実装基板２０の実装面側の一面を開口した箱型に形成されている。

また、色変換部材７０は、開口部の周縁を実装基板２０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）を用いて接着している。したがって、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０および枠体４０を伝搬した後、色変換部材７０の側壁部７０ｄを通過して外部へ出力され、発光装置１のレンズ６０側だけでなく、発光装置１の側面からも発光を確認できる。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０が箱型に形成されているので、従来のドーム状に成形する場合に比べて、成形の精度を容易に高くでき、色変換部材７０に関して製造時の厚さのバラツキ、外形のバラツキが小さくなり、品質が安定する。例えば、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るのである。

また、本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０はレンズ６０の光出射面６０ｂおよび枠体４０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および枠体４０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１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、本実施形態の発光装置１では、上述のように色変換部材７０とレンズ６０との間に空気層８０が形成されているので、色変換部材７０に外力が作用したときに色変換部材７０が変形してレンズ６０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や各ボンディングワイヤ１４，１４に伝達されるのを抑制でき、上記外力によるＬＥＤチップ１０の発光特性の変動や各ボンディングワイヤ１４，１４の断線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や、色変換部材７０の蛍光体で発生した熱がＬＥＤチップ１０へ伝熱されるのを抑制することができるという利点もある。

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、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。

（実施形態２）
図４に示す本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態１と略同じであって、色変換部材７０を構成する底部７０ｃおよび側壁部７０ｄが、ＬＥＤチップ１０のうちの実装基板２０との対向面を除く各面それぞれに沿って形成されている点が相違する。図４では色変換部材７０とＬＥＤチップ１０以外の部材（枠体４０やレンズ６０等）の図示を省略している。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。

ＬＥＤチップ１０は、実装基板２０の実装面に沿う断面が矩形状であって、各側面が実装基板２０の実装面に向かって広がる形状に形成されている。一方、色変換部材７０においては、レンズ６０の光出射面６０ｂに対向する平面状の底部７０ｃが矩形状に形成されており、底部７０ｃの各辺からそれぞれ側壁部７０ｄがＬＥＤチップ１０を実装した実装基板２０の実装面に向かって広がるように延設されている。色変換部材７０の各壁（底部７０ｃおよび各側壁部７０ｄ）はいずれも均一な厚さ寸法に形成されている。

ここで、色変換部材７０は、底部７０ｃがＬＥＤチップ１０の表面（レンズ６０の光入射面６０ａとの対向面）に略平行し、且つ各側壁部７０ｄがＬＥＤチップ１０の各側面にそれぞれ略平行するように配置される。そのため、本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０の各側面からそれぞれ放射された光は色変換部材７０の各側壁部７０ｄに略垂直に入射する。側壁部７０ｄはいずれも均一な厚さ寸法を有するので、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光の色変換部材７０中での光路長は全ての側壁部７０ｄにおいて略均一となる。したがって、ＬＥＤチップ１０の側面からの光は全ての側壁部７０ｄにおいて均一に色変換（波長変換）され、色変換部材７０の全ての側壁部７０ｄから同色の混色光を取り出すことができる。その結果、発光装置１から放射される光について放射方向ごとの色むらが生じにくくなる。

なお、本実施形態のＬＥＤチップ１０とは別形状のＬＥＤチップ１０を採用してもよく、この場合でも、色変換部材７０についてＬＥＤチップ１０のうちの実装基板２０との対向面を除く各面それぞれに対向する各壁（底部７０ｃや側壁部７０ｄ）がＬＥＤチップ１０の各面に沿った形状に構成すれば、本実施形態と同様に色むらが生じにくくなるという効果が期待できる。

ところで、上述の各実施形態では、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１の発光装置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。実施形態２の発光装置を示す一部を破断した要部概略斜視図である。従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ
１４ボンディングワイヤ
２０実装基板
２１伝熱板
２２絶縁性基材
２３リードパターン
３０サブマウント部材
４０枠体
５０封止部
６０レンズ
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透明樹脂材料から形成されてＬＥＤチップを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたレンズと、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透光性材料からなり実装基板の前記実装面側で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箱型の色変換部材とを備えることを特徴とする発光装置。
前記色変換部材は、前記ＬＥＤチップのうちの前記実装基板との対向面を除く各面それぞれに対向する各壁が各面に沿った形状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。