JP2008084908A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、蛍光体の使用量を低減しつつ光取り出し効率の向上を図ることのできる発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】請求項１記載の発明は、複数の凹部及び平面部を有する基体４と；凹部及び平面部に形成された反射層５と；反射層に形成された回路パターン３と；透光性素子基板及び発光層を有し、透光性素子基板と発光層との境界が前記回路パターンの側面に対向するように前記凹部に配設された半導体発光素子２と；前記半導体発光素子の透光性素子基板と反射層とを接着する透光性接着層２１と；前記半導体発光素子の放射光により励起されて発光する蛍光体を含有し、前記半導体発光素子を覆うように配置された蛍光体含有樹脂層９と；を具備することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオードランプなどの発光装置に関する。

従来、この種の発光装置は特開２００２−２９９６９４号公報に開示されている。図３において、この照明用ＬＥＤ光源デバイスにおいては、金属基板９に複数個のＬＥＤチップ２がダイボンデイングされ、その周囲に蛍光体４を含有した透明樹脂層５が一体的にモールドされている。発光面６ａを有する紫外線カット透光部材６は透明樹脂層５の表面に設けられ、ＬＥＤチップ２から発光した紫外線を遮断するものである。そして、金属基板９にはＬＥＤチップ２が装着される凹部９ａが形成され、ＬＥＤチップ２の表面と金属基板９の表面９ｂの表面を同一面となるように配設されている。

このような構成において、ＬＥＤチップ２の可視光は直接透明樹脂層５の方向に放射された光により、透明樹脂層５に含有する蛍光体４が励起されて可視光を発光し、蛍光体４により拡散され発光面６ａから照射されるが、蛍光体４に到達した光の一部は蛍光体４の表面で反射され、金属基板９の表面９ｂに到達し、さらに、前方に反射して、発光面６ａから外部に光を放射する。

そうすると、ＬＥＤチップ２の表面と金属基板９の表面９ｂの表面を同一面としたので、蛍光体４により拡散され発光面６ａから照射される光と、蛍光体４の表面で反射され、金属基板９の表面９ｂに到達し、さらに、前方に反射して、発光面６ａから照射される光の光路差が少なくなり照明用ＬＥＤ光源デバイスから放射される光の明暗の差を少なくすることができるというものである。また、透光性樹脂５を充填するとき、段差がないので気泡が生じなく作業をし易くすることができ、さらに、ＬＥＤチップ２の底面と側面が金属基板９の凹部９ａの底面と側面に接触しているので放熱を向上させることができるというものである（特許文献１参照）。
特開２００２−２９９６９４号公報

しかしながら、ＬＥＤチップ２からの光はチップ上面からだけではなく背面や側面からも放射されるため、凹部９ａ内に上面を除いてＬＥＤチップ２を配設する構造では上述した背面や側面から放射された光を有効に利用することができず、いわゆる光取り出し効率が低下するものである。一方、凹部９ａではなく平面上にＬＥＤチップ２が配設された場合には、光取り出し効率の低下を抑制することはできるが、ＬＥＤチップ２上面には１ｍｍ弱の蛍光体層を形成する必要があり、発光装置全体としてその蛍光体の量が過剰になる問題もある。

本発明は、蛍光体の使用量を低減しつつ光取り出し効率の向上を図ることのできる発光装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、複数の凹部及び平面部を有する基体と；凹部及び平面部に形成された反射層と；反射層に形成された回路パターンと；透光性素子基板及び発光層を有し、透光性素子基板と発光層との境界が前記回路パターンの側面に対向するように前記凹部に配設された半導体発光素子と；前記半導体発光素子の透光性素子基板と反射層とを接着する透光性接着層と；前記半導体発光素子の放射光により励起されて発光する蛍光体を含有し、前記半導体発光素子を覆うように配置された蛍光体含有樹脂層と；を具備することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発光装置において、前記反射層は白色の絶縁体であり、厚さ９０μｍ〜３０μｍの酸化チタンを含む樹脂で形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発光装置において、半導体発光素子の放射光は青色光であり、蛍光体は黄色系蛍光体であって平均粒径（Ｄ５０）は１０μｍ以上３０μｍ以下であり、前記蛍光体含有樹脂層を形成する樹脂の硬化前の粘度は１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする。

上述した発明において、特に指定しない限り、用語の定義および技術的意味は以下の通りである。基体は、基板上に直接凹部を形成して基体としてもよいし、また、回路パターンやリード端子のような配線部を有する基板とこの基板上に設けられ外部に開口した凹部を形成するフレームから構成してもよい。

半導体発光素子には、窒化物半導体を好適に用いることができるが、この他に、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、ＩＩ−ＩＶ族系化合物半導体、ＩＶ−ＶＩ族系化合物半導体等を用いることも可能であり、半導体発光素子の透光性素子基板には、例えば、サファイア、石英、ＳｉＣ、ＧａＩＮ等の結晶基板を用いることができる。半導体発光素子の発光色は、青色、赤色、緑色のいずれであってもよく、使用する各半導体発光素子の発光色は、半導体発光素子毎に異なっていても、全てが同じであってもよい。

蛍光体含有樹脂層は、半導体発光素子の放射光である例えば青色光により励起されて主として黄色光を発光する黄色系蛍光体を透明樹脂に混合し分散させた層であり、半導体発光素子を覆うように基体の凹部内に塗布・充填される。透明樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などを適用することができる。また、蛍光体含有樹脂層の形成に用いられる蛍光体粒子は、発光効率を考慮すれば大きい方がよく、しかし大きすぎると製造時ノズルの目詰まりが発生しやすくなることから、平均粒径（Ｄ５０）が１０μｍ以上３０μｍ以下のものが好適である。なお、平均粒径（Ｄ５０）は、例えばレーザー回折法で測定したものであり、低粒子径から積算し全体の蛍光体量の５０容量％に至る粒子の大きさを示すものである。

さらに、蛍光体含有樹脂層の形成に用いられる液状の透明樹脂は、粘度が１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下の範囲である。なお、この粘度は２５℃で測定される粘度である。液状透明樹脂は、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等であり、これらのうちの１種のみからなるものであってもよいし、２種以上からなるものであってもよい。液状透明樹脂が２種以上の液状透明樹脂からなる場合、粘度は２種以上の液状透明樹脂を混合した際の混合物の粘度とする。

反射層は、白色を呈する絶縁体で形成するのがよいが、銀メッキなどでもよい。その反射率が４００ｎｍ〜７４０ｎｍの波長領域で８５％以上であれば１００％に近いほど好ましい。この種の白色系絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム、酸化ケイ素等の白色粉末の内の少なくとも一種が混入された熱硬化性樹脂を、紙や布等のシート基体に含浸させてなる接着シートを挙げることができる。

透光性接着層には、例えばエポキシ樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂系のダイボンド材を用いることができる。接着層は、その厚みが５μｍ以下で、光の透過率が７０％以上であれば１００％に近いほど好ましい。この種の接着層としては、特にシリコーン樹脂系の接着層を好適に用いることができる。シリコーン樹脂系の接着層は、紫外線から可視光の略全ての波長範囲の光に対して高い光透過率を有し、比較的短波長の光を長時間照射されても変色など劣化をし難い点で優れている。なお、以上の高分子接着剤に代えて低融点ガラスを透光性の接着層として用いることも可能である。

回路パターンは、反射層上にエッチング処理等によって設けられた銅箔等の金属箔や接着剤によって貼り付けられた導電体等で好適に形成できる。この回路パターンは、複数の半導体発光素子とワイヤボンディングなどにより電気的に接続され、複数の半導体発光素子を、直列、又は並列、若しくは直並列に接続して設けられる。更に、この発明で、複数の半導体発光素子が実装された反射層の一面を覆って各半導体発光素子を封止する透光性の封止部材を設けることは好ましいが、この封止部材は必要不可欠ではない。

請求項１記載の発明によれば、半導体発光素子は凹部の所定位置に配設されるので、蛍光体の使用量を低減しつつ光取り出し効率を向上させることができる。請求項２の発明の照明装置によれば、放熱、光の取出し効率及び絶縁性を向上させることができる。請求項３記載の発明によれば、黄色系蛍光体の平均粒径（Ｄ５０）は１０μｍ以上３０μｍ以下であり、前記蛍光体含有樹脂層を形成する樹脂の硬化前の粘度は１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下であるので、白色の反射層上へ注入してから硬化させるまでの間に蛍光体粒子が沈降、堆積することを抑制でき、発光効率の低下を抑制でき、さらに均一に発光することができる。

以下、本発明の一実施の形態を示す発光装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態を示す発光装置の平面図であり、図２は、図１のＦ２−Ｆ２断面図である。図１に示すように発光装置１は、凹部を有する基体としての基板４、基板４上に形成された反射層５、反射層に形成された回路パターン３、凹部に配設された半導体発光素子としてのＬＥＤチップ２、ＬＥＤチップ２を反射層５に接着する透光性接着層２１、ＬＥＤチップ２を覆うように配置された蛍光体含有樹脂層９及びリフレクタ８で構成されている。

基板４は、複数の凹部４ａ及び平面部４ｂを有する金属又は絶縁材例えば合成樹脂製の平板からなるとともに、発光装置１に必要とされる発光面積を得るために所定形状例えば長方形状をなしている。基板４を合成樹脂製とする場合、例えばガラス粉末入りのエポキシ樹脂等で形成できる。基板４を金属製とする場合、この基板４の裏面からの放熱性がよく、基板４の各部の温度を均一にできるに伴い、同じ波長域の光を発するＬＥＤチップ２の発光色のばらつきを抑制する上で好ましい。前記ばらつき抑制のためには、熱伝導性に優れた材料例えば熱伝導率が１０Ｗ/ｍ・Ｋ以上の材質で基板４を形成するとよく、そうした材料として金属材料例えばアルミニウム又はその合金を挙げることができる。

反射層５は、前記複数の凹部４ａ及び平面部４ｂに形成され、所定数のＬＥＤチップ２を配設し得る大きさであって、例えば基板４の表面全体に被着されている。反射層５は、４００ｎｍ〜７４０ｎｍの波長領域で８５％以上の反射率を有した白色の絶縁材で形成されている。反射層５をなす白色の絶縁体は、例えば酸化アルミニウム等の白色粉末が混入された熱硬化性樹脂をシート基体に含浸させてなる。反射層５はそれ自体の接着性により基板４の表面となる一面に接着される。なお、白色系絶縁体は、厚さ９０μｍ〜３０μｍの酸化チタンを含む熱硬化性樹脂で形成されているものが好適である。白色系絶縁体の厚みと反射率と半導体発光素子１個当りの熱抵抗（℃／Ｗ）を調査すると、白色系絶縁体の厚み３０μｍでの反射率は波長４６０ｎｍで８０．５６％，波長５５０ｎｍで８５．７９％であり、このときの熱抵抗は５５０（℃／Ｗ）であり、白色系絶縁体の厚み９０μｍでの反射率は波長４６０ｎｍで８３．４４％，波長５５０ｎｍで８６．６９％であり、このときの熱抵抗は６００（℃／Ｗ）であり、白色系絶縁体の厚み１２０μｍでの反射率は波長４６０ｎｍで８４．８８％，波長５５０ｎｍで８７．１４％であり、このときの熱抵抗は７００（℃／Ｗ）であった。膜厚が厚いほど反射率、熱抵抗とも高くなっている。

ここで、一般的な発光ダイオードの仕様は、半導体発光素子のジャンクション温度を１００℃で使用した場合の寿命が４００００ｈ（時間）であるので、ジャンクション温度を１００℃以下で使用する必要がある。そうすると、半導体発光素子１個当り、０．０６Wの投入で点灯させた場合の温度上昇は、白色系絶縁体の厚み３０μｍでは３３℃、厚み９０μｍでは３６℃、厚み１２０μｍでは４２℃となった。

一方、５０００ｌｍ（ルーメン）の光束が得られる密閉形LED照明器具の周囲温度は６０〜７０℃になる。この温度に、上記温度上昇を足した値が、ジャンクション温度となるので、このジャンクション温度を１００℃以下とするためには、９０μm以下で使用する必要がある。

また、半導体発光素子の厚みを薄くした場合は、半導体発光素子からの光が透過してしまうために、反射率が低下する。厚みと半導体発光素子１個当りの全光束（ｌｍ）の関係は、厚み３０μｍで５．７４（ｌｍ）（相対比９３．３％）、厚み９０μｍで６．０１（ｌｍ）（相対比９７．７％）、厚み１２０μｍで６．１５（ｌｍ）（１００．０％）であった。なお、実使用においては、全光束（ｌｍ）の低下については、１０％程度に抑制する必要があり、厚み３０μｍ以上の膜厚が必要である。以上より、白色系絶縁体の厚さは９０μｍ〜３０μｍが適当である。

回路パターン３は、各ＬＥＤチップ２への通電要素として、反射層５の基板４が接着された面とは反対側の平面部４ｂに接着されている。この回路パターン３は、例えば各ＬＥＤチップ２を直列に接続するために、図１に示すように基板４及び反射層５の長手方向に所定間隔ごとに点在して２列形成されている。一方の回路パターン３列の一端側に位置された端側回路パターン３ａには給電パターン部３ｃが一体に連続して形成され、同様に他方の回路パターン３列の一端側に位置された端側回路パターン３ａには給電パターン部３ｄが一体に連続して形成されている。給電パターン部３ｃ，３ｄは反射層５の長手方向一端部に並べて設けられ、互いに離間して反射層５により絶縁されている。これらの給電パターン部３ｃ，３ｄの夫々に電源に至る図示しない電線が個別に半田付け等で接続されるようになっている。

各ＬＥＤチップ２は、透光性素子基板としてのサファイア基板２ａ及び発光層２ｂを有し、例えば、窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型のＬＥＤチップからなり、反射膜を有しておらず、厚み方向の双方に光を放射できる。各ＬＥＤチップ２は、基板４の長手方向に隣接した回路パターン３間に設けられた凹部４ａ内に夫々配置されて、白色の反射層５の同一面上に透光性接着層２１により接着されている。

このとき、ＬＥＤチップ２のサファイア基板２ａと発光層２ｂとの境界２ｃが前記回路パターン３の側面３ａに対向するように、ＬＥＤチップ２の上下位置を位置決めする。このようにすると、発光層２ｂからＬＥＤチップ２側方に放射された光は、凹部４ａによって遮断されることなく蛍光体含有樹脂層９方向に照射される。また、発光層２ｂからサファイア基板２ａ方向に放射された光は、透光性接着層２１を透過して反射層５に到達し反射層５で蛍光体含有樹脂層９方向に反射される。したがって、光取り出し効率の低下を抑制できる。さらに、サファイア基板２ａを含みＬＥＤチップ２はできるだけ凹部４ａに入り込んで設けられているので、その分、発光装置全体として使用する蛍光体量を低減することができる。すなわち、蛍光体含有樹脂層９は蛍光体の発光効率を低下させないためＬＥＤチップ２表面から所定厚み必要とし、ＬＥＤチップ２が基板４の平面部４ｂから突出していれば、その分、平面部４ｂ側には余剰の蛍光体が設けられることになる。本実施形態ではＬＥＤチップ２はできるだけ凹部４ａに入り込んで設けられているので、光取り出し効率の低下を抑えつつ、上記余剰の蛍光体を極力低減することができる。

また、回路パターン３及びＬＥＤチップ２は反射層５の同一面上で直線状に並べられるので、この並び方向に位置したＬＥＤチップ２の側面と回路パターン３とは近接して対向するように設けられている。透光性接着層２１の厚みは５μｍ以下である。この透光性接着層２１には、例えば５μｍ以下の厚みで光透過率が７０％以上の透光性を有した接着剤、例えばシリコーン樹脂系の接着剤を好適に使用できる。

各ＬＥＤチップ２の電極とＬＥＤチップ２の両側に近接配置された回路パターン３とは、ボンディングワイヤ６で接続されている。更に、前記二列の回路パターン３列の他端側に位置された端側回路パターン同士も、ワイヤボンディングにより接続されている。したがって、本実施形態の場合、各ＬＥＤチップ２は直列に接続されている。

リフレクタ８は、一個一個又は数個のＬＥＤチップ２ごとに個別に設けられるものではなく、反射層５上の全てのＬＥＤチップ２を包囲する単一のものであり、枠、例えば図１に示すように長方形の枠で形成されている。リフレクタ８は反射層５に接着止めされていて、その内部に複数のＬＥＤチップ２及び回路パターン３が収められているとともに、前記一対の給電パターン部３ｃ，３ｄはリフレクタ８の外部に位置されている。リフレクタ８は、例えば合成樹脂で成形されていて、その内周面は反射面となっている。リフレクタ８の反射面は、ＡｌやＮｉ等の反射率が高い金属材料を蒸着又はメッキして形成できる他、可視光の反射率の高い白色塗料を塗布して形成することができる。或いは、リフレクタ８の成形材料中に白色粉末を混入させてリフレクタ８自体を可視光の反射率が高い白色とすることもできる。前記白色粉末としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム等の白色フィラーを用いることができる。なお、リフレクタ８の反射面は発光装置１の照射方向に次第に開くように形成することが望ましい。

黄色系蛍光体は、例えば、ＲＥ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ蛍光体（ＲＥは、Ｙ、ＧｄおよびＬａから選ばれる少なくとも1種を示す。）などのＹＡＧ蛍光体、ＡＥ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ蛍光体（ＡＥは、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａなどのアルカリ土類元素を示す。）などの珪酸塩蛍光体の中から選択される。このような黄色系蛍光体として、主波長が異なる２種類の蛍光体を使用することができる。上述した黄色系蛍光体含有樹脂層９は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの液状透明樹脂に黄色系蛍光体を混合し分散させた黄色系蛍光体含有樹脂を、ＬＥＤチップ２が配置された反射層５上にディスペンサなどを用いて充填し、熱硬化させることにより形成される。これによって、ＬＥＤチップ２を封止することができる。

蛍光体含有樹脂層９は、透光性材料、例えば透明シリコーン樹脂や透明ガラス等からなる。蛍光体含有樹脂層９を形成するために用いる蛍光体粒子として上記したような平均粒径（Ｄ５０）が１０μｍ以上３０μｍ以下のものを用いると共に、液状透明樹脂として粘度が１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下のものを用いる。蛍光体を含む液状透明樹脂は、反射層５表面及び一直線上に配列された各ＬＥＤチップ２及びボンディングワイヤ６等を満遍なく埋めてリフレクタ８内に固化される。反射層５表面とボンディングワイヤ６との間に流れ込んだ液状透明樹脂は毛細管現象等により各ＬＥＤチップ２及びボンディングワイヤ６に行き渡っているものと考えられる。なお、蛍光体含有樹脂層９を形成するために用いられる液状透明樹脂が２種以上の液状透明樹脂からなるものである場合には、これら２種以上の液状透明樹脂を混合した際の混合物の粘度が１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下であればよい。例えば、各ＬＥＤチップ２を青色ＬＥＤチップとした本実施形態では、これらの素子から発光された一次光（青色）を波長変換して異なる波長の二次光として黄色の光を出す蛍光体（図示しない）が、好ましい例として略均一に分散した状態に混入されている。

本実施形態の発光装置では、蛍光体含有樹脂層９は、白色の反射層５上の同一面上に並べて配列された半導体発光素子２を満遍なく覆うことができるため、基板上の複数の凹部内に１個ずつ半導体発光素子及び蛍光体含有樹脂層を配設したものと比較して発光装置１全体としての色温度の変化が抑制でき発光装置１を歩留まり良く製造することができる。また、各蛍光体の平均粒径（Ｄ５０）は１０μｍ以上３０μｍ以下であり、前記透明樹脂の硬化前の粘度は１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下としているので、白色の反射層５上へ注入してから硬化させるまでの間に蛍光体粒子が沈降、堆積することを抑制でき、発光効率を低下させ、さらに均一に発光することができる。この組み合わせにより、ＬＥＤチップ２から放出された青色の光の一部が蛍光体に当たることなく蛍光体含有樹脂層９を透過する一方で、ＬＥＤチップ２から放出された青色の光が当たった蛍光体が、青色の光を吸収し黄色光を発光して、これら補色関係にある二色の混合によって発光装置１の白色光を実現できる。

前記発光装置１と組み合わされる光拡散部材２２は平板状であってリフレクタ８の前方に配置されている。なお、リフレクタ８にその前方に突出する延長部を設けてそこに光拡散部材２２を支持してもよく、或いは、発光装置１を収めた図示しない照明器具本体に支持させてもよい。光拡散部材２２には、４００ｎｍ〜４８０ｎｍの青色の光の透過率と、５４０ｎｍ〜６５０ｎｍの黄色の光の透過率との差が１０％以内であって、可視光の透過率が９０％以上１００％未満の光拡散性能を有するものを好適に使用できる。こうした光拡散部材２２を用いることにより、前記青色の一次光と黄色の二次光とを光拡散部材２２で混色させて、光拡散部材２２を色むらが抑制された白色を得ることができる。

本発明の一実施の形態を示す発光装置の平面図である。 図１のＦ２−Ｆ２断面図である。 従来の照明用ＬＥＤ光源デバイスの断面図である。

符号の説明

１…発光装置、２…ＬＥＤチップ、３…回路パターン、４…基板、６…ボンディングワイヤ、８…フレーム、９…蛍光体含有樹脂層。

Claims (3)

1. 複数の凹部及び平面部を有する基体と；
   凹部及び平面部に形成された反射層と；
   反射層に形成された回路パターンと；
   透光性素子基板及び発光層を有し、透光性素子基板と発光層との境界が前記回路パターンの側面に対向するように前記凹部に配設された半導体発光素子と；
   前記半導体発光素子の透光性素子基板と反射層とを接着する透光性接着層と；
   前記半導体発光素子の放射光により励起されて発光する蛍光体を含有し、前記半導体発光素子を覆うように配置された蛍光体含有樹脂層と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 前記反射層は白色の絶縁体であり、厚さ９０μｍ〜３０μｍの酸化チタンを含む樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 半導体発光素子の放射光は青色光であり、蛍光体は黄色系蛍光体であって平均粒径（Ｄ５０）は１０μｍ以上３０μｍ以下であり、前記蛍光体含有樹脂層を形成する樹脂の硬化前の粘度は１Ｐａ・ｓ以上３Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。

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