JP2007116124A

JP2007116124A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007116124A
Application number: JP2006254805A
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】部材数が少なく、外部への光取り出し効率が高い発光装置を提供する。
【解決手段】レンズ６０は、シリコーン樹脂と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蛍光体６５とを混合した混合物の成形品により構成されており、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と蛍光体６５から放射された光とがレンズ６０の光出射面６０ｂを通して放射されることで、白色光となる。
【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２００４−３４９６４７号公報

図５に示す従来の発光装置においては、ＬＥＤチップ１１０から放射された光は、封止部１５０，レンズ１６０，色変換部材１７０を伝播して外部へ出力されるのであるが、その様々な部材の中を伝播していく際に光損失が発生し、装置全体としての外部への光取り出し効率が低下していた。また、部材数が多いことでコストアップの要因にもなっていた。

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、部材数が少なく、外部への光取り出し効率が高い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チップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップを封止し且つ弾性を有する封止部と、前記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含有し封止部に重ねて配置されたレンズとを備えることを特徴とする。

この発明によれば、レンズに蛍光体を含有させることで、従来の色変換部材が不要となり、部材数を削減でき、低コスト化を図ることができる。さらに、ＬＥＤチップから放射された光は、封止部，レンズを伝播するだけで外部へ出力されるので、従来の色変換部材による光損失が発生せず、光損失が従来に比べて低減して、装置全体としての外部への光取り出し効率が向上する。

以上説明したように、本発明では、部材数を少なくして、外部への光取り出し効率を高くす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、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６５を含有し封止部５０に重ねて配置されたレンズ６０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、アウターリード部２３ｂが外側に向かって形成されている。

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、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蛍光体（黄色蛍光体）６５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蛍光体６５から放射された光とがレンズ６０の光出射面６０ｂ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、レンズ６０の材料として用いるシリコーン樹脂に混合する蛍光体６５は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。また、レンズ６０はシリコーン樹脂を用いることで、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と外部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。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、レンズ６０に粒子状の蛍光体６５を含有させることで、従来のドーム状の色変換部材が不要となり、部材数を削減でき、低コスト化を図ることができる。さらに、ＬＥＤチップ１０から放射された光は、封止部５０，レンズ６０を伝播するだけで外部へ出力されるので、従来の色変換部材による光損失が発生せず、光損失が従来に比べて低減して、装置全体としての外部への光取り出し効率が向上する。

また、ＬＥＤチップ１０の側面からも光が放射される場合には、枠体４０をレンズ６０と同様にシリコーン樹脂と蛍光体６５とを混合した混合物の成形品により構成することが望ましい。この構成によれば、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０を伝搬して枠体４０まで到達し枠体４０の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに枠体４０を透過したりする。したがって、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。なお、枠体４０の材料として用いるシリコーン樹脂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。

（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、レンズ６０と枠体４０とが一体成形されている（言い換えれば、レンズ６０と枠体４０とを連続一体に形成してある）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。

すなわち、枠体４０をレンズ６０と同一材料（ここでは、シリコーン樹脂と蛍光体６５とを混合した混合物）の成形品とする場合には、本実施形態のようにレンズ６０と枠体４０とを一体成形品とすることができる。この構成によれば、レンズ６０と枠体４０とが別部材である場合に比べて部材数を削減できるとともに、枠体４０およびレンズ６０の組立精度によりＬＥＤチップ１０とレンズ６０との光軸がずれてしまうことはなくＬＥＤチップ１０とレンズ６０との光軸のずれに起因した光出力の低下を防止することができるという利点がある。

本実施形態の発光装置１の製造方法としては、実装基板２０にＬＥＤチップ１０を実装してＬＥＤチップ１０とボンディングワイヤ１４，１４とを接続した後、ＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を封止部５０の一部となる液状の第１の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）により覆ってから、レンズ６０と枠体４０とで囲まれる空間に第１の封止樹脂材料と同一材料からなり封止部５０の他の部分となる液状の第２の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）を注入し、その後、レンズ６０を実装基板２０との間に枠体４０が介在する形で実装基板２０に対向配置して各封止樹脂材料を硬化させることにより封止部５０を形成する製造方法などが考えられる。

なお、図４に示す例ではレンズ６０の光入射面６０ａが平面状に形成されているが、実施形態１のレンズ６０と同様に光入射面６０ａを凸曲面状としてもよい。

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の発光装置を示す概略断面図である。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
６５蛍光体

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チップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップを封止し且つ弾性を有する封止部と、前記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含有し封止部に重ねて配置されたレンズとを備えることを特徴とする発光装置。