JP2009054897A - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a light emitting device using an LED chip (light emitting diode chip).
従来から、複数個のLEDチップが1個の被搭載部材(例えば、サブマウント部材、回路基板など)上に搭載された発光装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1に開示された発光装置では、LEDチップと被搭載部材に設けられた導体パターンとを半田により接合する場合、適宜の荷重を印加することによりLEDチップの厚み方向への投影領域内からはみ出した半田によって隣り合うLEDチップ間が短絡されてしまう可能性があり、また、荷重の印加によりLEDチップが位置ずれしてしまう可能性があった。
However, in the light emitting device disclosed in
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、隣り合うLEDチップ間の間隔を狭くしながらも半田によるLEDチップ間の短絡を防止可能な発光装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a light emitting device capable of preventing a short circuit between LED chips due to solder while narrowing the interval between adjacent LED chips. .
請求項1の発明は、複数個のLEDチップと、絶縁性材料により形成され複数個のLEDチップが搭載された1個の被搭載部材とを備え、被搭載部材は、各LEDチップが各別に半田により接合される導体パターンが形成された複数の島状のチップ搭載部を有し、チップ搭載部の先端面の平面サイズがLEDチップの平面サイズよりも小さく設定されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、被搭載部材は、各LEDチップが各別に半田により接合される導体パターンが形成された複数の島状のチップ搭載部を有し、チップ搭載部の先端面の平面サイズがLEDチップの平面サイズよりも小さく設定されているので、各チップ搭載部の導体パターンにLEDチップを接合する際に、導体パターン上に適量の半田を塗布した後、半田の表面張力を利用してLEDチップを位置決めするプロセスを採用することにより、LEDチップの位置決め精度を高めることができるとともに、LEDチップの厚み方向への投影領域内から半田がはみ出すのを防止することができ、隣り合うLEDチップ間の間隔を狭くしながらも半田によるLEDチップ間の短絡を防止可能となる。 According to the present invention, the mounted member has a plurality of island-shaped chip mounting portions each having a conductor pattern on which each LED chip is joined by solder, and the planar size of the tip surface of the chip mounting portion is Since it is set smaller than the planar size of the LED chip, when bonding the LED chip to the conductor pattern of each chip mounting portion, after applying an appropriate amount of solder on the conductor pattern, using the surface tension of the solder Adopting the process of positioning the LED chip can increase the positioning accuracy of the LED chip and can prevent the solder from protruding from within the projection area in the thickness direction of the LED chip. It is possible to prevent a short circuit between the LED chips due to soldering while narrowing the interval between them.
請求項1の発明では、隣り合うLEDチップ間の間隔を狭くしながらも半田によるLEDチップ間の短絡を防止可能になるという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, there is an effect that it is possible to prevent a short circuit between the LED chips due to the solder while narrowing the interval between the adjacent LED chips.
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。 Hereinafter, the light-emitting device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態の発光装置1は、複数個(本実施形態では、9個)のLEDチップ10と、一表面側に上述の複数個のLEDチップ10の直列回路への給電用の導体パターン23,23を有し各LEDチップ10が上記一表面側に実装された矩形板状の実装基板20と、各LEDチップ10から放射された光の配光を制御する光学部材であって実装基板20との間に各LEDチップ10を収納する形で実装基板20の上記一表面側に固着された透光性材料からなるドーム状の光学部材60と、光学部材60と実装基板20とで囲まれた空間に充実され各LEDチップ10および各LEDチップ10に電気的に接続されたボンディングワイヤ(図示せず)を封止した封止樹脂からなり透光性および弾性を有する封止部50と、各LEDチップ10から放射され封止部50および光学部材60を透過した光によって励起されて各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および透光性材料により形成されたものであって実装基板20の上記一表面側において実装基板20との間に各LEDチップ10などを囲む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。ここにおいて、色変換部材70は、実装基板20の上記一表面側において光学部材60の光出射面60bとの間に空気層80が形成されるように配設されている。また、実装基板20は、上記一表面において光学部材60の外側に、光学部材60を実装基板20に固着する際に上記空間から溢れ出た封止樹脂を堰き止める環状の堰部27が突設されている。
The
また、本実施形態の発光装置1は、実装基板20の他表面側に、シート状の接合用部材90として、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)を備えている。しかして、本実施形態の発光装置1を照明器具の光源として用いる場合には、例えば、照明器具における金属(例えば、Al,Cuなどの熱伝導率の高い金属)製の器具本体100(図2参照)と実装基板20とを接合用部材90により接合することができる。ここにおいて、上記樹脂シートからなる接合用部材90は、電気絶縁性を有するとともに熱伝導率が高く加熱時の流動性が高く凹凸面への密着性が高いので、実装基板20を金属製の器具本体100に接合用部材90を介して接合する(実装基板20と器具本体100との間に接合用部材90を介在させた後で接合用部材90を加熱することで実装基板20と器具本体100とを接合する)際に接合用部材90と実装基板20および器具本体100との間に空隙が発生するのを防止することができて、密着不足による熱抵抗の増大やばらつきの発生を防止することができ、従来のように発光装置を回路基板に実装して回路基板と器具本体との間にサーコン(登録商標)のようなゴムシート状の放熱シートなどを挟む場合に比べて、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するとともに熱抵抗のばらつきが小さくなり、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。なお、本実施形態の発光装置1を照明器具の光源として用いる場合には、器具本体100に複数個の発光装置1を実装して複数個の発光装置1を直列接続したり並列接続したりすればよい。
In addition, the
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、一表面側(図1(a),(b)における上面側)にアノード電極(図示せず)およびカソード電極(図示せず)が形成されている。
The
実装基板20は、熱伝導性材料からなりLEDチップ10が実装される外周形状が矩形状のサブマウント部材30と、サブマウント部材30が実装される矩形板状の伝熱板21と、伝熱板21の一面側(図1(a),(b)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29(図2参照)を介して固着された矩形板状のフレキシブルプリント配線板からなる配線基板22とで構成され、配線基板22の中央部に伝熱板21におけるサブマウント部材30の実装面(上記一面の一部)を露出させる矩形状の窓孔24が形成されており、各LEDチップ10が窓孔24の内側に配置されるサブマウント部材30に搭載されている。したがって、各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30および伝熱板21に伝熱されるようになっている。ここにおいて、伝熱板21の上記一面には、サブマウント部材30の位置決め精度を高めるためのアライメントマーク21cが形成されている。なお、本実施形態では、伝熱板21の熱伝導性材料としてCuを採用しているが、Cuに限らず、例えば、Alなどを採用してもよい。
The
上述の配線基板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、上述の複数個のLEDチップ10の直列回路への給電用の一対の導体パターン23,23が設けられるとともに、各導体パターン23,23および絶縁性基材22aにおいて導体パターン23,23が形成されていない部位を覆う白色系のレジスト(樹脂)からなる保護層26が積層されている。したがって、各LEDチップ10の側面から放射され保護層26の表面に入射した光が保護層26の表面で反射されるので、各LEDチップ10から放射された光が配線基板22に吸収されるのを防止することができ、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。なお、各導体パターン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。
The
保護層26は、配線基板22の窓孔24の近傍において各導体パターン23,23の2箇所が露出し、配線基板22の周部において各導体パターン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、各導体パターン23,23は、配線基板22の窓孔24近傍において露出した2つの矩形状の部位が、ボンディングワイヤ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電極部23bを構成している。なお、配線基板22の導体パターン23,23は、Cu膜とNi膜とAu膜との積層膜により構成されている。また、2つの外部接続用電極部23bのうち上述の直列回路の高電位側のLEDチップ10の上記アノード電極が電気的に接続される外部接続用電極部23b(図2における右側の外部接続用電極部23b)には「+」の表示が形成され、上述の直列回路の低電位側のLEDチップ10の上記カソード電極が電気的に接続される外部接続用電極部23b(図2における左側の外部接続用電極部23b)には「−」の表示が形成されているので、発光装置1における両外部接続用電極部23b,23bの極性を視認することができ、誤接続を防止することができる。
The
ところで、上述の複数個のLEDチップ10は、各LEDチップ10と伝熱板21との線膨張率の差に起因して各LEDチップ10に働く応力を緩和する上述のサブマウント部材30を介して伝熱板21に搭載されている。ここで、サブマウント部材30は、全体として、複数個のLEDチップ10を合わせた平面サイズよりも大きな平面サイズの矩形状に形成されている。
By the way, the above-mentioned plurality of
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、各LEDチップ10で発生した熱を伝熱板21において各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。要するに、本実施形態の発光装置1では、各LEDチップ10がサブマウント部材30を介して伝熱板21に搭載されているので、各LEDチップ10で発生した熱をサブマウント部材30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とともに、各LEDチップ10と伝熱板21との線膨張率差に起因して各LEDチップ10に働く応力を緩和することができる。
The
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が、絶縁性材料により形成され複数個のLEDチップ10が搭載された被搭載部材を構成している。ここにおいて、サブマウント部材30は、矩形板状の基台部30aと、基台部30aの一表面に突設され各LEDチップ10が各別に半田(例えば、AuSn、SnAgCuなどの鉛フリー半田)により接合される導体パターン31が形成された複数の島状のチップ搭載部30bとを有している。ここで、サブマウント部材30は、基台部30aと各チップ搭載部30bとが連続一体に形成されているので、各チップ搭載部30aの相対的な位置精度を高めることができる。
In the present embodiment, AlN having a relatively high thermal conductivity and insulating property is employed as the material of the
また、本実施形態の発光装置1では、サブマウント部材30の厚み寸法を、当該サブマウント部材30の表面が配線基板22の保護層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から側方に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。なお、導体パターン31は、例えば、密着層たるTi層と拡散防止層たるPt層とAu層との積層膜により構成すればよい。また、上述の密着層の材料は、Tiに限らず、例えば、Ta、Ni、W、Zr、Hf、Crなどでもよく、上述の拡散防止層の材料は、Ptに限らず、例えば、Ni、Pd、Rh、Ru、Wなどでもよい。
In the
上述の封止部50の材料である封止樹脂としては、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、例えばアクリル樹脂などを用いてもよい。
As the sealing resin that is the material of the sealing
光学部材60は、透光性材料(例えば、シリコーン樹脂、ガラスなど)の成形品であってドーム状に形成されている。ここで、本実施形態では、光学部材60をシリコーン樹脂の成形品により構成しているので、光学部材60と封止部50との屈折率差および線膨張率差を小さくすることができる。なお、封止部50の材料がアクリル樹脂の場合には、光学部材60もアクリル樹脂により形成することが好ましい。
The
ところで、光学部材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。したがって、各LEDチップ10から放射され光学部材60の光入射面60aに入射された光が光出射面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。なお、各LEDチップ10の側面から放射された光は封止部50および光学部材60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。また、光学部材60は、位置によらず法線方向に沿って肉厚が一様となるように形成されている。
By the way, the
色変換部材70は、シリコーン樹脂のような透光性材料と各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(つまり、色変換部材70は、蛍光体を含有している)。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光性材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、ガラス、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、色変換部材70の材料として用いる透光性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。
The
ここで、色変換部材70は、内面70aが光学部材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、光学部材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。また、色変換部材70は、実装基板20側の端縁(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)を用いて固着すればよい。
Here, the
ところで、本実施形態の発光装置1を光源として用いた上述の照明器具は、図示していないが、各発光装置1の接続関係を規定する配線パターンが絶縁性基材の一表面側に形成された回路基板を備えている。なお、本実施形態では、複数の発光装置1を直列接続しているが、複数の発光装置1の接続関係は特に限定するものではなく、例えば、並列接続するようにしてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。また、上記回路基板は、例えば浅い有底円筒状の器具本体100内において当該器具本体100の底壁から離間して配置されるものであり、各発光装置1それぞれに対応する部位に各発光装置1の一部を通す開孔窓が形成されている。また、器具本体100の形状は特に限定するものではなく、例えば、平板状でもよい。
By the way, although the above-mentioned lighting fixture which used the light-emitting
また、本実施形態における発光装置1では、シート状の接合用部材90の平面サイズを伝熱板21の平面サイズよりも大きく設定してあるので、接合用部材90と伝熱板21とが同じ平面サイズに形成されている場合に比べて、伝熱板21と金属部材である器具本体100との間の沿面距離を長くすることができ、照明器具用の光源として用いる場合の耐雷サージ性を高めることができる(ただし、一般的に屋内用の照明器具と屋外用の照明器具とで要求される発光装置と金属部材との沿面距離は異なり、屋外用の照明器具の方がより長い沿面距離を要求される)。ここにおいて、シート状の接合用部材90の厚みについては、耐雷サージ性の要求耐圧に応じて厚みを設計する必要があるが、熱抵抗を低減する観点からはより薄く設定することが望ましい。したがって、接合用部材90に関しては、厚みを設定した上で、沿面距離の要求を満足できるように平面サイズを設定すればよい。
Moreover, in the light-emitting
ところで、上述の発光装置1の製造方法にあたっては、例えば、サブマウント部材30に各LEDチップ10を搭載してから、ワイヤボンディング工程を行うことによりLEDチップ10の直列回路を形成した後、配線基板22の窓孔24に連続して形成されている樹脂注入孔28からサブマウント部材30と配線基板22との隙間に封止部50の一部となる液状の封止樹脂(例えば、シリコーン樹脂)を注入した後に硬化させ、その後、ドーム状の光学部材60の内側に上述の封止部50の残りの部分となる液状の封止樹脂(例えば、シリコーン樹脂)を注入してから、光学部材60を実装基板20における所定位置に配置して封止樹脂を硬化させることにより封止部50を形成するのと同時に光学部材60を実装基板20に固着し、その後、色変換部材70を実装基板20に固着するような製造方法が考えられるが、このような製造方法でも、製造過程において封止部50に気泡(ボイド)が発生する恐れがあるので、光学部材60に液状の封止樹脂を多めに注入する必要がある。
By the way, in the manufacturing method of the light-emitting
そこで、本実施形態の発光装置1では、上述のように、実装基板20の上記一表面において光学部材60の外側に、光学部材60を実装基板20に固着する際に上記空間(光学部材60と実装基板20とで囲まれた空間)から溢れ出た封止樹脂を堰き止める環状(本実施形態では、円環状)の堰部27を突設してある。ここにおいて、堰部27は、白色系のレジストにより形成されている。また、堰部27は、当該堰部27の内周面から内方へ延出し当該堰部27の中心と光学部材60の中心軸とをセンタリングする複数(本実施形態では、4つ)のセンタリング用爪部27bが周方向に離間して等間隔で設けられ、且つ、色変換部材70の位置決め部を兼ねている。ここで、上述のセンタリング用爪部27bの数は4つに限定するものではないが、少なくとも3つ設けることが望ましく、堰部27と光学部材60との間に溜めることが可能な封止樹脂の許容量を多くするためにセンタリング用爪部27bの幅寸法は小さいほうが望ましい。
Therefore, in the
しかして、本実施形態における発光装置1では、製造過程で封止部50にボイドが発生しにくくなり、信頼性が高く且つ光出力が大きな発光装置1を提供することができる。なお、図1(a)において光学部材60と堰部27との間に介在している樹脂部50bは、実装基板20の上記一表面側において光学部材60と堰部27と保護層26とで囲まれた空間に溜まった封止樹脂を硬化させることにより形成されている。
Therefore, in the
また、色変換部材70は、実装基板20側の端縁に、堰部27に係合する切欠部71が全周に亘って形成されている。したがって、本実施形態における発光装置1では、実装基板20に対する色変換部材70の位置決め精度を高めることができ、また、色変換部材70と光学部材60との間隔を短くすることができる。なお、切欠部71は、色変換部材70の端縁側と内面70a側とが開放されている。
Further, the
以上説明した本実施形態の発光装置1は、実装基板20の上記一表面側に上述の複数個のLEDチップ10の直列回路への給電用の導体パターン23,23を有しているので、実装基板20を回路基板に実装することなく照明器具の器具本体100と熱結合させることが可能となり、各LEDチップ10から器具本体100までの熱抵抗を小さくできて放熱性が向上し、各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。また、上述の発光装置1では、実装基板20の上記一表面に堰部27が設けられていることにより、製造時に封止部50にボイドが発生するのを抑制することができる。
Since the
ところで、サブマウント部材30は、上述のように、各LEDチップ10が各別に半田により接合される導体パターン31が形成された複数の島状のチップ搭載部30bを有しており、チップ搭載部30bの矩形状の先端面の平面サイズがLEDチップ10の平面サイズよりも小さく設定されている。また、チップ搭載部30bの平面視における形状は、LEDチップ10の形状と同形状(相似形状)であることが好ましい。なぜなら、相似形状とすることにより回転方向のアライメント精度が向上するからである。なお、導体パターン31は、例えば、スパッタ法、蒸着法、めっき法などにより形成すればよい。
By the way, as described above, the
しかして、本実施形態の発光装置1では、サブマウント部材30が、各LEDチップ10が各別に半田により接合される導体パターン31が形成された複数の島状のチップ搭載部30bを有し、チップ搭載部30bの先端面の平面サイズがLEDチップ10の平面サイズよりも小さく設定されているので、各チップ搭載部30bの導体パターン31にLEDチップ10を接合する際に、導体パターン31上に適量の半田15a(図4参照)を塗布した後、加熱して溶融させた半田の表面張力を利用してLEDチップ10を位置決めするセルフアライメントのプロセスを採用することにより、LEDチップ10の位置決め精度を高めることができるとともに、LEDチップ10と導体パターン31とを接合した半田よりなる接合部15(図1(c)参照)がLEDチップ10から導体パターン31に近づくにつれて先細りした形状となって、LEDチップ10の厚み方向への投影領域内から半田がはみ出すのを防止することができ、隣り合うLEDチップ10間の間隔を狭くしながらも半田によるLEDチップ10間の短絡を防止可能となる。また、LEDチップ10と導体パターン31との間からはみ出した半田が半田ボールになってLEDチップ10のジャンクションを短絡するのを防止することができるという利点もある。
Thus, in the
なお、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チップを採用しているが、LEDチップ10から放射される光は青色光に限らず、例えば、赤色光、緑色光、紫色光、紫外光などでもよい。また、LEDチップ10として、色変換部材70と同じ材料からなる色変換層が積層されたものを用いてもよく、この場合には、色変換部材70が不要となる。また、上述の実施形態では、被搭載部材であるサブマウント部材30に搭載する全てのLEDチップ10の発光色を同じとしてあるが、発光色の異なる複数種のLEDチップ10を搭載するようにしてもよく、例えば、発光色が赤色、緑色、青色それぞれのLEDチップ10を搭載するようにしてもよく、この場合にも、色変換部材70が不要となる。また、被搭載部材は、サブマウント部材に限らず、例えば、回路基板やセラミックパッケージでもよい。
In the above-described embodiment, a blue LED chip whose emission color is blue is adopted as the
1 発光装置
10 LEDチップ
15 接合部
30 サブマウント部材(被搭載部材)
30a 基台部
30b チップ搭載部
31 導体パターン
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