JP2009081349A

JP2009081349A - 照明装置

Info

Publication number: JP2009081349A
Application number: JP2007250747A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Izumi; 昌裕泉; Tomohiro Sanpei; 友広三瓶; Kiyoshi Otani; 清大谷; Kiyoshi Yokokura; 清横倉
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】本発明の目的は、半導体発光素子を所定位置に配設することを容易にし、発光効率の低下を抑制できる照明装置を提供することにある。
【解決手段】請求項１記載の発明は、半導体発光素子の外形とほぼ同一の開口を有してなり前記半導体発光素子を収容できる凹部が複数形成されてなる装置基板２と；前記凹部に設けられた接着層１１ａと；素子基板及び半導体発光層を有してなり、前記接着層が素子基板の側面を覆うように接着層に接着されて前記凹部に配設される半導体発光素子５と；前記半導体発光素子を電気的に接続するワイヤ６，７と；前記半導体発光素子及びワイヤを埋設してなる蛍光体樹脂層１０と；を具備することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のＬＥＤ(発光ダイオード)チップ等の半導体発光素子を有して、例えば照明器具やディスプレイ等に使用される照明装置に関する。

従来、ＬＥＤ照明装置は、基板上に複数の単色のＬＥＤが配設されたものがある。基板は、ＬＥＤの発熱を効率よく拡散し放熱するために金属製基板が望ましく、この基板には窪みが形成され、各ＬＥＤは窪みの底面部にベアチップ実装されている。そして、窪みの傾斜部および底面部に金属メッキを施すことにより、ＬＥＤの発光を効率よく前面に向けて放射することができるものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３４４０３１号公報（図２Ｂ等）

各ＬＥＤは窪みの底面部にベアチップ実装されているが、一般的には接着剤等により行われるものである。この接着剤にベアチップを載せた後、接着剤が硬化する時にこのチップが樹脂の表面張力や粘度変化で動くことにより、チップが所定位置に位置決めできず、装置としての光学特性が低下するおそれがある。

本発明の目的は、半導体発光素子を所定位置に配設することを容易にし、発光効率の低下を抑制できる照明装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、半導体発光素子の外形とほぼ同一の開口を有してなり前記半導体発光素子を収容できる凹部が複数形成されてなる装置基板と；前記凹部に設けられた接着層と；素子基板及び半導体発光層を有してなり、前記接着層が素子基板の側面を覆うように接着層に接着されて前記凹部に配設される半導体発光素子と；前記半導体発光素子を電気的に接続するワイヤと；前記半導体発光素子及びワイヤを埋設してなる蛍光体樹脂層と；を具備することを特徴とする。

請求項１の発明で、装置基板は、合成樹脂又はガラス或いはセラミックスの絶縁板を用いることができ、この場合、一枚であっても複数枚積層してなるものでもよく、又、装置基板は絶縁板の裏面に放熱促進用の金属板を積層してなるものであってもよい。又、凹部は装置基板に一体に形成されてもよいし別体でもよく、凹部の開口は半導体発光素子を配設できる程度に開口していればよい。あまり広く開口すると従来例のようになり、半導体発光素子の面積に対して接着層の面積が大きくなるため、接着層の表面張力や粘度変化が半導体発光素子の位置に変化を及ぼしやすくなる。したがって、接着層の変化を抑制するために凹部の開口は半導体発光素子が入る程度に小さいほうが望ましい。なお、半導体発光素子には例えばＬＥＤ（発光ダイオード）チップを好適に用いることができる。ワイヤは金属細線で形成されるが、Ａｕの細線を好適に用いることができ、その線径は２０μｍ〜３０μｍとすることが好ましい。又、接着層は、半導体発光素子の素子基板側面までであって半導体発光層までには到達しない方が望ましい。当該発光層からの放射光を低下させる恐れがあるからである。蛍光体樹脂層には、好適にはシリコーン樹脂を用いることができるがその他エポキシ系の透光性樹脂も用いることが可能である。

又、ワイヤボンディングについては、隣接する半導体発光素子間に中継電極を介在させて一旦この導電部材にワイヤボンディングしてもよし、列をなして配設されて列が延びる方向に隣接した半導体発光素子同士の第１の素子電極と第２の素子電極とに両端をワイヤボンディングにより直接接続してもよい。この場合、装置基板の半導体発光素子が取付けられた一面から遠ざかるように湾曲して設けられたボンディングワイヤの半導体発光素子に対する高さを５０μｍ以上１５０μｍ以下としている。このようにボンディングワイヤのボンディング高さは最も高い場合でも１５０μｍであることにより、ボンディングワイヤを十分に埋設するのに必要な蛍光体樹脂層の使用量が削減されて蛍光体樹脂層の厚みが薄くなる。

それに伴い、封止をする際にボンディングワイヤに作用する未硬化の蛍光体樹脂層の重さが軽減されて、装置基板側へのボンディングワイヤの変形を抑制できる。又、ボンディングワイヤのボンディング高さは最も低い場合でも５０μｍであることにより、ワイヤボンディングに伴って、半導体発光素子の素子電極に近いボンディングワイヤの端部が急激に曲げられることを抑制できる。

請求項２の発明は請求項１記載の照明装置において、前記凹部の開口端は、前記半導体発光素子の素子基板側面側に位置することを特徴とする。すなわち、開口端は半導体発光素子の素子基板側面までであって半導体発光層までには到達しないため、当該発光層からの放射光を前記凹部で遮って低下させる恐れがなくなるものである。

請求項１及び２の照明装置によれば、半導体発光素子を所定位置に配設することを容易にし、発光効率の低下を抑制できる。

図１及び図２中符号１はＬＥＤモジュールを含む照明装置を示している。この照明装置１は、装置基板２、複数の給電端子３，４、複数の半導体発光素子例えばＬＥＤチップ（以下ＬＥＤと略称する。）５、ボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂ、リフレクタ９、及び蛍光体樹脂層１０を備えて形成されている。

図２に示すように装置基板２には、例えば積層基板好ましくは樹脂板１１の裏面に金属板１２を積層してなる金属ベースド基板が用いられている。この樹脂板１１は良好な光の反射性能を得るために白色を呈するガラス粉末入りのエポキシ樹脂からなる。そして、樹脂板１１の表面には、ＬＥＤの外形とほぼ同一の開口１１ｂを有してなりＬＥＤを収容できる凹部１１ｃが複数形成されている。また、上述したように凹部１１ｃの底面及び側面は白色を呈し光反射特性を向上させるようになっている。

ここで、接着層１１ａは例えば透明なシリコーン樹脂であり、複数の凹部１１ｃ内にそれぞれ設けられ、その上にＬＥＤ５を配設して仮固定し、その後、キュア工程において接着層１１ａを高温にして硬化させる。これにより、ＬＥＤ５の底面及び側面は接着層１１ａにより夫々固着されているので、ＬＥＤ５の接着性能、位置決め精度を低下させることない。また、接着層１１ａである透明シリコーンを通過した光は樹脂板１１で反射されるため発光効率を低下させることがない。すなわち、接着層１１ａが凹部１１ｃによって限られた面積となり、かつＬＥＤ５の面積に対して接着層１１ａの面積がほぼ同じになるため、接着層の表面張力や粘度変化の程度が小さくなり、ＬＥＤ５の位置変化をあまり生じさせなくなる。又、接着層１１ａは、ＬＥＤ５の素子基板１５側面までであって半導体発光層１６までには到達しない方が望ましい。当該発光層１６からの放射光を低下させる恐れがあるからである。

次に、点灯された状態でのＬＥＤ５の熱を外部に放出する金属板１２は例えばアルミニウム又はその合金からなる。図１に示すように装置基板２は、照明装置１に必要とされる発光面積を得るために、所定形状例えば四角形状具体的には長方形状をなしている。

各給電端子３，４は、金属層例えば銅の上にＡｕ又はＮｉのめっき層を積層してなり、後述する半導体発光素子列をなしたＬＥＤ列の一端及び他端に電気的に接続されるものであって、装置基板２に設けられている。具体的には、図１に例示したように装置基板２の一辺２ａに寄せて、この一辺２ａが延びる方向に、交互に、かつ、互いに平行に各給電端子３，４が配設されている。

各ＬＥＤ５には例えば窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型のものが採用されている。これらＬＥＤ５は、例えば図４（Ｂ）に示すようにサファイア等からなる透光性の素子基板１５の一面に半導体発光層１６を積層して形成されている。半導体発光層１６は例えば青色の光を発光する。ここで、凹部１１ｃの開口端はＬＥＤ５の素子基板１５側面までであって半導体発光層１６までには到達しないようになっている。前記半導体発光層１６からの放射光を低下させる恐れがあるからである。更に、各ＬＥＤ５は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように第１の素子電極１７と第２の素子電極１８を有しており、第２の素子電極１８上には例えば半田からなるバンプ１９が予め設けられている。第１の素子電極１７と第２の素子電極１８との内の一方は正極用であり、他方は負極用である。

図１に示すように各ＬＥＤ５は、縦横に列をなして二次元的に配設されている。各ＬＥＤ５の装置基板２への装着は、透光性の半導体発光層１６が積層された面と平行でかつ半導体発光層１６が積層されていない素子基板１５の他面が接着層１１ａに接着されることによりなされる。この装着は、例えばバンプ１９を有しない第１の素子電極１７が装置基板２の一辺２ａと平行な他辺２ｂ側に位置されるとともに、バンプ１９を有した第２の素子電極１８が装置基板２の一辺２ａ側に位置されるように、各ＬＥＤ５の向きを揃えてなされている。これによって、各ＬＥＤ５の第１の素子電極１７と第２の素子電極１８とが、次に述べる縦列が延びる方向に交互に並べられるように各ＬＥＤ５が配設されている。

装置基板２の一辺２ａおよび他辺２ｂと直角な辺２ｃ，２ｄが延びる方向に並べられた複数のＬＥＤ５の列（この列を、図１を基準にして便宜上縦列と称する。）内でのＬＥＤ５の配設ピッチＡは、例えば０．５ｍｍ〜４．０ｍｍである。装置基板２の一辺２ａ及び他辺２ｂが延びる方向に並べられた複数のＬＥＤ５の列（この列を、図１を基準にして便宜上横列と称する。）内でのＬＥＤ５の配設ピッチＢは、前記配設ピッチＡ以上である。

各ボンディングワイヤ６，７は、例えばＡｕの線材からなり、その線径は２０μｍ〜３０μｍである。前記縦列をなした各ＬＥＤ５同士はボンディングワイヤ６で接続されている。詳しくは、ボンディングワイヤ６のファーストボンディングされた一端が、縦列が延びる方向に隣接したＬＥＤ５の第１の素子電極１７にボールボンディングにより接続されているとともに、ボンディングワイヤ６のセカンドボンディングされた他端が、前記縦列が延びる方向に隣接したＬＥＤ５の第２の素子電極１８にバンプ１９を介して高周波溶接によるワイヤボンディングで接続されている。ここに、ファーストボンディングとは、セカンドボンディングよりも先行して行われるボンディングを指している。

このようにボンディングワイヤ６で電気的に接続された複数のＬＥＤ５の縦列と、この縦列に対して前記一辺２ａ及び他辺２ｂが延びる方向に隣接して、同じくボンディングワイヤ６で電気的に接続された複数のＬＥＤ５の縦列とは、給電端子３，４と反対側の他辺２ｂに最も近い位置のＬＥＤ５にわたって設けられたボンディングワイヤ７で電気的に接続されている。このボンディングワイヤ７の両端は、他辺２ｂに最も近い位置のＬＥＤ５の第１の素子電極１７にボンディングされている。この接続により、前記一対の縦列は、電気的に直列接続されたＬＥＤ列（半導体発光素子列）をなしている。このようなＬＥＤ列は少なくとも一列あればよいが、本実施形態では図１に示すように５列設けられている。

各ＬＥＤ列の一端に位置されたＬＥＤ５の第２の素子電極１８と、これに近接して配置されている給電端子３とは、これらにわたってボンディングされたボンディングワイヤ８ａにより電気的に接続されている。同様に、各ＬＥＤ列の他端に位置されたＬＥＤ５の第２の素子電極１８と、これに近接して配置されている給電端子４とは、これらにわたってボンディングされたボンディングワイヤ８ｂにより電気的に接続されている。ボンディングワイヤ８ａ，８ｂは、給電端子３，４にファーストボンディングされるとともに、ＬＥＤ５の第２の素子電極１８にセカンドボンディングして設けられている。

リフレクタ９は、一個一個又は複数個のＬＥＤ毎に対応して設けられるものではなく、装置基板２上の全てのＬＥＤ５を包囲する単一の枠部材であり、例えば図１に示すように四角い枠形状をなしている。リフレクタ９は、酸化マグネシウム等からなる白色フィラーが混入された合成樹脂で成形されている。図１に示す平面視においてリフレクタ９は、その一部を形成した枠部９ａを、給電端子３，４に交差させて接着されている。それにより、後述する蛍光体樹脂層１０の注入量のばらつきに拘わらず確実にボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂが蛍光体樹脂層１０に埋設されるようになっている。

蛍光体樹脂層１０は、リフレクタ９内に略満杯状態に充填されていて、このリフレクタ９に収容された全てのＬＥＤ５及びボンディングワイヤ６，７，８ａ，８ｂ等を封止して、これらを湿気や外気等から保護して照明装置１の寿命低下を防止している。蛍光体樹脂層１０は、透光性材料、例えば透光性樹脂、具体的には熱硬化性のシリコーン樹脂からなる。この蛍光体樹脂層１０は未硬化の液状状態でリフレクタ９内に所定量注入された後に加熱炉で加熱されることにより硬化されて設けられる。

この蛍光体樹脂層１０内には図示しない蛍光体が好ましくは均一に分散された状態に混入されている。蛍光体は、各ＬＥＤ５から放出された光の一部により励起されてＬＥＤ５から放出された光の色とは異なる色の光を放射し、それによって照明装置１から出射される照明光の色を規定するために用いられている。本実施形態では、照明装置１から出射される照明光の色を白色光とするために、各ＬＥＤ５が放出する青色の光に対して補色の関係にある黄色の光を放射する蛍光体が使用されている。

各ＬＥＤ列は、それに接続されている給電端子３，４を通じて給電されることにより発光する。そのため、各ＬＥＤ５から放出される青色の光と、その一部により蛍光体樹脂層１０内で励起された蛍光体から放射された黄色の光とが混合されることにより生成された白色光が、照明装置１から被照明対象に向けて出射される。

又、前記構成の照明装置１は、以上のように設けられたボンディングワイヤ６，７で、ＬＥＤ列が延びる方向に隣接しているＬＥＤ５同士を電気的に直接接続しているので、電気的な中継をするための中継電極としてのパッドを装置基板２上に設けてはいない。即ち、中継電極を設けた構成は、この電極によって有効反射面積が減少するからである。加えて、中継電極はその表面にＡｕのめっき層を有していることが多く、この場合、中継電極で反射された光が、照明装置１から投射される白色光に混じるので、照明光の色が微妙に変わる可能性もある。

更に、既述のように中継電極を要しないので、照明装置１の発光量をより多く確保する必要がある場合には、ＬＥＤ５の配設ピッチＡを狭めることが可能である。ちなみに、隣接するＬＥＤ５相互間に中継電極を設けて、この電極にボンディングワイヤをセカンドボンディングして接続して隣接したＬＥＤ５同士を電気的に直列接続する場合、ＬＥＤ５の配設ピッチは１００μｍ以上必要とする。この構成に比較して、発光量が同じである条件では、ＬＥＤ５の配設ピッチＡを狭められる方が照明装置１を小形に構成でき、この逆に装置の大きさを同じとした条件では、ＬＥＤ５の配設ピッチＡを狭められる照明装置１の方がＬＥＤ５の実装密度が高いので、発光量が増えて器具効率を向上できる利点がある。

以上のように中継電極を用いない照明装置１は、そのＬＥＤ５の第２の素子電極１８にボンディングワイヤ６の端部が高周波溶接によるワイヤボンディングで接続される。この接続においては、予め第２の素子電極１８に付着されたバンプ１９を高周波で溶かしてボンディングがなされるので、このボンディングに伴い図示しないボンディングツールによりＬＥＤ５に加えられる圧力は小さい。又、ＬＥＤ５の第１の素子電極１７に対してはボールボンディングによりボンディングワイヤ６が接続されるので、その際に図示しないボンディングツールによりＬＥＤ５に対して加えられる圧力は小さい。したがって、ワイヤボンディングに伴うＬＥＤ５の損傷が抑制されるに伴い、ＬＥＤ５の損傷を原因とするＬＥＤ列の点灯不良を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る照明装置を一部切欠いて示す正面図。図１中矢印Ｆ２−Ｆ２線に沿って示す照明装置の断面図。図２の一部を拡大して示す断面図。（Ａ）は図１の照明装置が備えるＬＥＤチップを示す正面図。（Ｂ）は同ＬＥＤチップを示す側面図。

符号の説明

１…照明装置、２…装置基板、５…ＬＥＤ（半導体発光素子）、６，７…ボンディングワイヤ、１０…蛍光体樹脂層、１１…樹脂板、１１ａ…接着層、１５…素子基板、１６…半導体発光層、１７…第１の素子電極、１８…第２の素子電極、１９…バンプ。

Claims

半導体発光素子の外形とほぼ同一の開口を有してなり前記半導体発光素子を収容できる凹部が複数形成されてなる装置基板と；
前記凹部に設けられた接着層と；
素子基板及び半導体発光層を有してなり、前記接着層が素子基板の側面を覆うように接着層に接着されて前記凹部に配設される半導体発光素子と；
前記半導体発光素子を電気的に接続するワイヤと；
前記半導体発光素子及びワイヤを埋設してなる蛍光体樹脂層と；
を具備することを特徴とする照明装置。
前記凹部の開口端は、前記半導体発光素子の素子基板側面側に位置することを特徴とする請求項１記載の照明装置。