JP2008235827A

JP2008235827A - 発光装置

Info

Publication number: JP2008235827A
Application number: JP2007077367A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Yamazaki; 圭一山崎; Naoko Takei; 尚子竹井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】色むらの発生を抑制でき且つ光取り出し効率の向上を図れる発光装置を提供する。
【解決手段】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に実装されたＬＥＤチップ１０を封止した封止材からなる封止部３０と、封止部３０の光出射面３０ｂ側に設けられＬＥＤチップ１０から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１０よりも長波長の可視光を放射する蛍光体を分散した透光性材料により形成された色変換層４０と、封止部３０と色変換層４０との間に設けられＬＥＤチップ１０から放射される光を透過し且つ色変換層４０の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層５０とを備える。封止部３０の光出射面３０ｂおよび色変換層４０の光入射面それぞれがフラット面であり、波長選択フィルタ層５０は、色変換層４０のフラット面に成膜された光学多層膜により構成されている。
【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、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する蛍光体とを組み合わせ所望の混色光（例えば、白色光）を得るようにした発光装置の研究開発が各所で行われている（例えば、特許文献１，２参照）。

ここにおいて、上記特許文献１には、図５に示すように、青色光を放射するＬＥＤチップ１０’と、当該ＬＥＤチップ１０’が実装された実装基板２０’と、ＬＥＤチップ１０’における実装基板２０’側とは反対の表面側に積層されＬＥＤチップ１０’から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１０’よりも長波長の可視光（黄色光）を放射する蛍光体および透光性材料により形成された色変換層４０’と、ＬＥＤチップ１０’と色変換層４０’との間に設けられＬＥＤチップ１０’から放射される光を透過し且つ色変換層４０’の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層５０’と、実装基板２０’におけるＬＥＤチップ１０’の実装面側においてＬＥＤチップ１０’、波長選択フィルタ層５０’および色変換層４０’を覆うレンズ６０’とを備えた発光装置が記載されている。

また、上記特許文献２には、図６に示すように、青色光を放射するＬＥＤチップ１０’と、リードフレームの一部からなりＬＥＤチップ１０’が内底面上に実装されたカップ部１２０’と、ＬＥＤチップ１０’を封止した封止材からなる半球状の封止部３０’と、封止部３０’の表面側に積層されＬＥＤチップ１０’から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１０’よりも長波長の可視光（黄色光）を放射する蛍光体および透光性材料により形成されたドーム状の色変換層４０’と、封止部３０’と色変換層４０’との間に設けられＬＥＤチップ１０’から放射される光を透過し且つ色変換層４０’の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層５０’と、カップ部１２０’におけるＬＥＤチップ１０’の実装面側において色変換層４０’を覆うレンズ６０’とを備えた発光装置が記載されている。なお、波長選択フィルタ層５０’は、相対的に屈折率の高いＴｉＯ_２膜と相対的に屈折率の低いＳｉＯ_２膜とが交互に積層されている。
米国特許第５８１３７５２号明細書（第２欄第６６行−第３欄第６５行、ＦＩＧ．１）米国特許第６１５５６９９号明細書（第５欄第１１行−第４０行、第５欄第６２行−第６欄第９行、ＦＩＧ．２）

ところで、図５や図６に示した発光装置は、ＬＥＤチップ１０’と色変換層４０’との間に波長選択フィルタ層５０’が設けられているので、色変換層４０’の蛍光体から放射された可視光の一部がＬＥＤチップ１０’側に戻って光取り出し効率が低下するのを抑制することができる。

しかしながら、図５に示した構成の発光装置では、ＬＥＤチップ１０’の側面から放射された青色光が色変換層４０’を通らずにレンズ６０’へ入射して外部へ出射されるので、色むらが生じやすかった。

これに対して、図６に示した構成の発光装置は、色変換層４０’がドーム状に形成されているので、図５に示した構成の発光装置に比べて色むらの発生を抑制することができるが、波長選択フィルタ層５０’を半球状の封止部３０’の表面上（つまり、曲面上）に形成する必要があり、波長選択フィルタ層５０’の膜厚の面内ばらつきに起因してフィルタ特性の面内ばらつきが生じやすく、光取り出し効率が低下するという問題があった。

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、色むらの発生を抑制でき且つ光取り出し効率の向上を図れ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、当該ＬＥＤチップが実装された実装基板と、実装基板におけるＬＥＤの実装面側でＬＥＤチップを封止した封止樹脂からなる封止部と、封止部の光出射面側に設けられＬＥＤチップから放射される光によって励起されてＬＥＤチップよりも長波長の可視光を放射する蛍光体を分散した透光性材料により形成された色変換層と、封止部と色変換層との間に設けられＬＥＤチップから放射される光を透過し且つ色変換層の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層とを備え、封止部の光出射面および色変換層の光入射面それぞれがフラット面であり、波長選択フィルタ層は、封止部と色変換層との一方のフラット面に成膜された光学多層膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、色変換層が封止部の光出射面側に設けられているので、色むらの発生を抑制でき、しかも、封止部の光出射面および色変換層の光入射面それぞれがフラット面であり、波長選択フィルタ層が、封止部と色変換層との一方のフラット面に成膜された光学多層膜からなるので、波長選択フィルタ層の膜厚の面内ばらつきに起因したフィルタ特性の面内ばらつきを小さくでき、色変換層の蛍光体から放射された可視光がＬＥＤチップ側に戻って実装基板などに吸収されるのを抑制できるから、光取り出し効率の向上を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記透光性材料は、ガラスからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記透光性材料が、ガラスからなるので、前記透光性材料として、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂を用いる場合に比べて、前記透光性材料の熱膨張率が小さく、前記ＬＥＤチップの点灯時と消灯時とでの前記色変換層の温度変化に起因した前記色変換層の膨張収縮が起こりにくいから、波長選択フィルタ層にかかる熱応力を低減でき、波長選択フィルタ層の耐久性が向上する。

請求項１の発明では、色むらの発生を抑制でき且つ光取り出し効率の向上を図れるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置１は、図１に示すように、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に実装されたＬＥＤチップ１０を封止した封止材（例えば、シリコーン樹脂など）からなる封止部３０と、封止部３０の光出射面３０ｂ側に設けられＬＥＤチップ１０から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１０よりも長波長の可視光を放射する蛍光体を分散した透光性材料により形成された色変換層４０と、封止部３０と色変換層４０との間に設けられＬＥＤチップ１０から放射される光を透過し且つ色変換層４０の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層５０とを備えている。

本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０として、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップを用い、色変換層４０の蛍光体として、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を用いており、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部３０、波長選択フィルタ層５０および色変換層４０を透過した青色光と、色変換層４０の黄色蛍光体から放射された黄色光とが色変換層４０の光出射面４０ｂから出射されることとなり、白色光を得ることができる。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０を収納する収納凹所２０ａが一表面側に設けられ且つＬＥＤチップ１０のアノード電極およびカソード電極それぞれが電気的に接続される導体パターン（図示せず）が収納凹所２０ａの内底面に設けられたセラミック基板により構成されている。ここにおいて、ＬＥＤチップ１０は、実装基板２０に対して、フェースダウンで実装してもよいし、フェースアップで実装してもよい。なお、実装基板２０は、上記導体パターンと電気的に接続される外部接続用電極（図示せず）が他表面に設けられており、対応する導体パターンと外部接続用電極とが貫通孔配線（図示せず）を介して電気的に接続されている。

上述の実装基板２０の外周形状は矩形状であり、実装基板２０における収納凹所２０ａは、円形状に開口され且つ内底面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなっている。なお、実装基板２０の収納凹所２０ａの内底面および内側面には、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する金属膜からなる反射膜が形成されている。

上述の封止部３０の材料である封止材としては、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、例えばエポキシ樹脂などを用いてもよい。ここにおいて、封止部３０は、実装基板２０にＬＥＤチップ１０を実装した後で、実装基板２０の収納凹所２０ａに封止材を充填して硬化させることにより形成されており、光出射面３０ｂが実装基板２０の上記一表面と略面一のフラット面となっている。

色変換層４０は、半球状の形状に形成されており、封止部３０側とは反対側が凸曲面となるように配置されている。したがって、色変換層４０は、光入射面がフラット面となっている。ここにおいて、色変換層４０は、ガラスのような透光性材料に、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を分散させた混合物の成形品により構成されている。なお、色変換層４０の材料として用いる透光性材料は、ガラスに限らず、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、有機成分と無機成分とがｎｍレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料などを採用してもよい。また、色変換層４０の材料として用いる透光性材料に分散させ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分散させて白色光を得ることができる。

また、波長選択フィルタ層５０は、相対的に屈折率の高い高屈折率材料からなる第１の誘電体膜と相対的に屈折率の低い低屈折率材料からなる第２の誘電体膜とが交互に積層された光学多層膜により構成されている。ここにおいて、波長選択フィルタ層５０は、高屈折率材料として、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２などを採用し、低屈折率材料として、例えば、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２などを採用すればよく、各誘電体膜をイオンプレーティング法やイオンビームアシスト蒸着法などによって容易に成膜することができる。一例として、高屈折率材料としてＴａ_２Ｏ_５、低屈折率材料としてＳｉＯ_２を採用した波長選択フィルタ層５０の光学特性を図２に示す。なお、高屈折率材料および低屈折率材料は、上述の材料に限るものではない。また、波長選択フィルタ層５０の各誘電体膜の積層数や膜厚は、当該波長選択フィルタ層５０に接する封止部５０および色変換層４０それぞれの屈折率、各誘電体膜の屈折率、ＬＥＤチップ１０の発光ピーク波長と色変換層４０の蛍光体の発光ピーク波長との間のカットオフ波長、などに応じて適宜設定すればよい。

ところで、本実施形態の発光装置１では、封止部３０の光出射面３０ｂおよび色変換層４０の光入射面それぞれがフラット面であり、波長選択フィルタ層５０を色変換層４０のフラット面に成膜してあり、波長選択フィルタ層５０を封止部３０と固着してある。ここで、波長選択フィルタ層５０は、周部が実装基板２０の上記一表面に固着されている。したがって、色変換層４０の蛍光体で発生した熱を、波長選択フィルタ層５０を介して実装基板２０へ放熱させることができ、色変換層４０中の蛍光体の温度上昇を抑制でき、光取り出し効率の向上を図れる。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、色変換層４０が封止部３０の光出射面３０ｂ側に設けられているので、ＬＥＤチップ１０の光取り出し面１１から放射された光およびＬＥＤチップ１０の側面から放射された光のいずれも封止部３０、波長選択フィルタ５０を透過して色変換層４０へ入射することとなるから、色むらの発生を抑制でき、しかも、封止部３０の光出射面３０ｂおよび色変換層４０の光入射面それぞれがフラット面であり、波長選択フィルタ層５０が、色変換層４０のフラット面に成膜された光学多層膜からなるので、波長選択フィルタ層５０の膜厚の面内ばらつきに起因したフィルタ特性の面内ばらつきを小さくでき、色変換層４０の蛍光体（本実施形態では、黄色蛍光体）から放射された可視光がＬＥＤチップ１０側に戻って実装基板２０などに吸収されるのを抑制できるから、光取り出し効率の向上を図れる。なお。波長選択フィルタ層５０は、色変換層４０のフラット面ではなく、封止部３０のフラット面に成膜し、色変換層４０と固着するようにしてもよい。

また、本実施形態の発光装置１では、色変換層４０のフラット面に波長選択フィルタ層５０が成膜されており、色変換層４０の透光性材料としてガラスを採用しているので、色変換層４０の透光性材料として、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂を用いる場合に比べて、透光性材料の熱膨張率が小さく、ＬＥＤチップ１０の点灯時と消灯時とでの色変換層４０の温度変化に起因した色変換層４０の膨張収縮が起こりにくいから、波長選択フィルタ層５０にかかる熱応力を低減でき、波長選択フィルタ層５０の耐久性が向上する。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、色変換層４０がシート状に形成されている点が相違する。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。

本実施形態では、色変換層４０の厚み方向の両面がフラット面となっており、色変換層４０の厚み方向の一面であって封止部３０側となる光入射面に、波長選択フィルタ層５０を成膜してある。

しかして、本実施形態の発光装置１は、実施形態１と同様、色むらの発生を抑制でき且つ光取り出し効率の向上を図れる。なお。本実施形態においても、波長選択フィルタ層５０は、色変換層４０のフラット面ではなく、封止部３０のフラット面に成膜し、色変換層４０と固着するようにしてもよい。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置１は、図４に示すように、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の実装面側においてＬＥＤチップ１０を封止した封止材からなる封止部３０と、封止部３０の光出射面３０ｂ側に設けられＬＥＤチップ１０から放射される可視光によって励起されてＬＥＤチップ１０よりも長波長の可視光を放射する蛍光体および透光性材料により形成された色変換層４０と、封止部３０と色変換層４０との間に設けられＬＥＤチップ１０から放射される光を透過し且つ色変換層４０の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層５０とを備えている。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適宜省略する。

ＬＥＤチップ１０は、厚み方向の一表面側（図４における下面側）にアノード電極（図示せず）が形成されるとともに、厚み方向の他表面側（図４における上面側）にカソード電極（図示せず）が形成されており、上記他表面側を光取り出し面１１側としている。ここにおいて、アノード電極およびカソード電極は、下層側のＮｉ膜と上層側のＡｕ膜との積層膜により構成されている。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が一表面側に搭載される矩形板状のサブマウント部材２７と、熱伝導性材料により形成されサブマウント部材２７が一面側の中央部に固着される矩形板状の伝熱板２１と、伝熱板２１の一面側（図４における上面側）に例えばポリオレフィン系の固着シート（図示せず）を介して固着される矩形板状のフレキシブルプリント配線板により形成され中央部にサブマウント部材２７を露出させる矩形状の窓孔２４を有する配線基板２２とで構成されている。したがって、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が配線基板２２を介さずにサブマウント部材２７および伝熱板２１に伝熱されるようになっている。

上述の伝熱板２１は、Ｃｕからなる金属板２１ａを基礎とし、当該金属板２１ａの厚み方向の両面にＡｕ膜からなるコーティング膜２１ｂが形成されている。

一方、配線基板２２は、ポリイミドフィルムからなる絶縁性基材２２ａの一表面側に、ＬＥＤチップ１０への給電用の一対の配線パターン２３，２３が設けられるとともに、各配線パターン２３，２３および絶縁性基材２２ａにおいて配線パターン２３，２３が形成されていない部位を覆う白色系の樹脂からなるレジスト層２６が積層されている。ここにおいて、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がボンディングワイヤ１４を介して一方の配線パターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がサブマウント部材２７の電極パターン２８およびボンディングワイヤ１４を介して他方の配線パターン２３と電気的に接続されている。要するに、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０として厚み方向の両面に電極が設けられたＬＥＤチップを採用しており、ＬＥＤチップ１０を実装基板２０にフェースアップで実装してあるが、ＬＥＤチップ１０として一表面側に両電極が設けられたＬＥＤチップを採用して、フェースアップあるいはフェースダウンで実装するようにしてもよい。なお、各配線パターン２３，２３は、絶縁性基材２２ａの外周形状の半分よりもやや小さな外周形状に形成されている。また、絶縁性基材２２ａの材料としては、ＦＲ４、ＦＲ５、紙フェノールなどを採用してもよい。

レジスト層２６は、配線基板２２の窓孔２４の近傍において各配線パターン２３，２３の２箇所が露出し、配線基板２２の周部において各配線パターン２３，２３の１箇所が露出するようにパターニングされており、各配線パターン２３，２３は、配線基板２２の窓孔２４近傍において露出した部位が、ボンディングワイヤ１４が接続される端子部２３ａを構成し、配線基板２２の周部において露出した円形状の部位が外部接続用の電極部２３ｂを構成している。なお、配線基板２２の配線パターン２３，２３は、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成され、最上層がＡｕ膜となっている。

また、サブマウント部材２７は、熱伝導率が比較的高く且つ電気絶縁性を有するＡｌＮにより形成されており、平面サイズをＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きく設定してあり、伝熱板２１とＬＥＤチップ１０と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応力緩和機能と、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とを有している。したがって、本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０と伝熱板２１と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ことができるとともに、ＬＥＤチップ１０で発生した熱をサブマウント部材２７および伝熱板２１を介して効率良く放熱させることができる。

本実施形態では、サブマウント部材２７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を採用しているが、サブマウント部材２７の材料はＡｌＮに限らず、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２７の一表面側には、ＬＥＤチップ１０におけるサブマウント部材２７側の電極である上記アノード電極と接合される上述の電極パターン２８が形成され、当該電極パターン２８の周囲に可視光を反射する反射膜２９が形成されている。したがって、ＬＥＤチップ１０から放射された光がサブマウント部材２７に吸収されるのを防止することができ、外部への光取出し効率をさらに高めることが可能となる。ここにおいて、電極パターン２８は、Ａｕを主成分とするＡｕとＳｎとの合金（例えば、８０Ａｕ−２０Ｓｎ、７０Ａｕ−３０Ｓｎなど）により形成されている。また、反射膜２９は、Ａｌにより形成されているが、Ａｌに限らず、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕなどにより形成してもよい。

また、本実施形態の発光装置１では、サブマウント部材２７の厚み寸法を、当該サブマウント部材２７の表面が配線基板２２のレジスト層２６の表面よりも伝熱板２１から離れるように設定してあり、ＬＥＤチップ１０や黄色蛍光体から放射された光が配線基板２２の窓孔２４の内周面を通して配線基板２２に吸収されるのを防止することができる。

ところで、本実施形態では、封止部３０が角錐台状の形状であり、封止部３０の光出射面３０ｂが、ＬＥＤチップ１０の光取り出し面１１に平行でありＬＥＤチップ１０の光取り出し面１１から放射された光が出射するフラット面と、当該フラット面と隣り合いＬＥＤチップ１０の側面から放射された光が出射する複数のフラット面とで構成されている。

これに対して、色変換層４０は、実施形態１と同様に半球状の形状に形成されており、光入射面が封止部３０の光出射面３０ｂと実装基板２０における封止部３０周辺部の形状とに沿った形状に形成されている点が相違する。要するに、本実施形態における色変換層４０は、光入射面が複数のフラット面により構成されており、波長選択フィルタ層５０が、色変換層４０の複数のフラット面の全体に亘って積層されている。

実施形態１の発光装置の概略断面図である。同上における波長選択フィルタ層の一例の光学特性図である。実施形態２の発光装置の概略断面図である。実施形態３の発光装置の概略断面図である。従来例の発光装置の概略断面図である。他の従来例の発光装置の概略断面図である。

符号の説明

１発光装置
１０ＬＥＤチップ
１１光取り出し面
２０実装基板
３０封止部
３０ｂ光出射面
４０色変換層
５０波長選択フィルタ層

Claims

ＬＥＤチップと、当該ＬＥＤチップが実装された実装基板と、実装基板におけるＬＥＤの実装面側でＬＥＤチップを封止した封止樹脂からなる封止部と、封止部の光出射面側に設けられＬＥＤチップから放射される光によって励起されてＬＥＤチップよりも長波長の可視光を放射する蛍光体を分散した透光性材料により形成された色変換層と、封止部と色変換層との間に設けられＬＥＤチップから放射される光を透過し且つ色変換層の蛍光体から放射される可視光を反射する波長選択フィルタ層とを備え、封止部の光出射面および色変換層の光入射面それぞれがフラット面であり、波長選択フィルタ層は、封止部と色変換層との一方のフラット面に成膜された光学多層膜からなることを特徴とする発光装置。
前記透光性材料は、ガラスからなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。