JP2009141219A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体の温度上昇を抑制できて光束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を封止した透光性封止部５０と、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よりも長波長の光を放射する蛍光体を含有した透光性無機材料（ガラス）により形成され透光性封止部５０との間に空気層８０が存在する形で実装基板２０に固着されたドーム状の色変換部材７０とを備える。実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が電気的に接続される配線パターン２３，２３が形成された絶縁性基板２０ａと、絶縁性基板２０ａよりも熱伝導率の高い材料（Ｃｕ）により形成され絶縁性基板２０ａの厚み方向に貫設された伝熱部２０ｂ，２０ｂとを備え、色変換部材７０は、伝熱部２０ｂ，２０ｂに熱結合されている。
【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１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１には、図４に示すように、ＬＥＤチップ１１０と、当該ＬＥＤチップ１１０が実装された実装基板１２０と、第１の透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）により形成され実装基板１２０におけるＬＥＤチップ１１０の実装面側でＬＥＤチップ１１０を封止した半球状の透光性封止部１５０と、ＬＥＤチップ１１０から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１１０よりも長波長の光を放射する蛍光体を含有した第２の透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）により形成され透光性封止部１５０との間に空気層１８０が介在する形で実装基板１２０に固着されたドーム状の色変換部材１７０とを備えた発光装置１０１が記載されている。なお、上記特許文献１には、ＬＥＤチップ１１０として青色光を放射する青色ＬＥＤチップを用い、蛍光体として黄色蛍光体を用いる例の他に、ＬＥＤチップ１１０として紫外光を放射する紫外ＬＥＤチップを用い、蛍光体として赤色蛍光体と緑色蛍光体と青色蛍光体とを用いる例が記載されている。

ところで、上述の発光装置１０１を例えば照明用途に用いる場合（例えば、照明器具の光源として用いる場合）、高い輝度を得るために発光装置１０１に流す電流を大きくすると、色変換部材１７０の第２の透光性材料が蛍光体からの光や熱によって経時的に劣化して透過率が低下するので、発光装置１０１から出力される光量が低下するという問題や、ＬＥＤチップ１１０から放射される光と蛍光体から放射される光とのバランスが崩れ、色度がずれてしまうという問題や、色変換部材１７０の熱劣化に起因して寿命が短くなってしまうことなどが考えられる。

そこで、上述の発光装置１０１の構成において、色変換部材１７０の第２の透光性材料として、シリコーン樹脂などの透光性有機材料に比べて、熱伝導性、耐熱性、耐光性、および耐湿性に優れたガラスのような透光性無機材料を採用することで、色変換部材１７０の熱伝導性を向上させることが考えられる。
特許第３９７８４５１号公報

しかしながら、上述の発光装置１０１では、実装基板１２０として、セラミックス基板からなる絶縁性基板に配線パターンが形成されたものを用いているので、色変換部材１７０で発生した熱を効率良く放熱することができず、蛍光体の温度消光によって量子効率が低下し、光束低下の原因となってしまい、近年のＬＥＤチップ１１０の高出力化に対応するのが難しくなってきており、特に、実装基板１２０にＬＥＤチップ１１０を複数個実装して用いるマルチチップ型の発光装置の場合に色変換部材１７０の温度上昇が顕著になる。

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、蛍光体の温度上昇を抑制できて光束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チップの実装面側でＬＥＤチップを封止した透光性封止部と、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光を放射する蛍光体を含有した透光性無機材料により形成され透光性封止部との間に空気層が存在する形で実装基板に固着されたドーム状の色変換部材とを備え、実装基板は、ＬＥＤチップが電気的に接続される配線パターンが形成された絶縁性基板と、絶縁性基板よりも熱伝導率の高い材料により形成され絶縁性基板の厚み方向に貫設された伝熱部とを備え、色変換部材は、伝熱部に熱結合されてなることを特徴とすることを特徴とする。

この発明によれば、実装基板が、ＬＥＤチップが電気的に接続される配線パターンが形成された絶縁性基板と、絶縁性基板よりも熱伝導率の高い材料により形成され絶縁性基板の厚み方向に貫設された伝熱部とを備え、色変換部材が、伝熱部に熱結合されているので、色変換部材で発生した熱を実装基板において絶縁性基板よりも熱伝導率の高い伝熱部を通して効率的に放熱させることができるから、蛍光体の温度上昇を抑制できて光束の向上を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記透光性封止部は、ガラスにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記透光性封止部がシリコーン樹脂などの有機材料により形成されている場合に比べて、前記色変換部材の熱伝導性が向上して前記色変換部材の温度上昇をより抑制できて光束のより一層の向上を図れるとともに、耐透湿性および耐久性を向上できる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記色変換部材の光入射面側に、前記ＬＥＤチップから放射される光を透過し且つ前記色変換部材の前記蛍光体から放射される光を反射する波長選択フィルタ層が積層されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記色変換部材の前記蛍光体から放射された光の取り出し効率が向上し、光束を更に向上させることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記実装基板に前記ＬＥＤチップが複数個実装され、当該複数個の前記ＬＥＤチップが１つの前記透光性封止部により封止されてなることを特徴とする。

この発明によれば、発光装置全体としての光束の向上を図れる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記ＬＥＤチップは、紫外光を放射する紫外ＬＥＤチップであることを特徴とする。

この発明によれば、色調の設計の自由度が高くなり、また、演色性の高い白色光を得ることが可能となる。

請求項１の発明では、蛍光体の温度上昇を抑制できて光束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、当該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を封止した透光性封止部５０と、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よりも長波長の光を放射する蛍光体を含有した透光性無機材料により形成され透光性封止部５０との間に空気層８０が存在する形で実装基板２０に固着されたドーム状の色変換部材７０とを備えている。なお、本実施形態の発光装置１は、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側で色変換部材７０よりも内側に位置しＬＥＤチップ１０を囲む形で配設されたドーム状の光学部材４０を備えており、当該光学部材４０の内側に透光性封止部５０が充実され、当該光学部材４０と色変換部材７０との間に上述の空気層８０が形成されている。

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、色変換部材７０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黄色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から放射され透光性封止部５０、光学部材４０、空気層８０、および色変換部材７０を通過した青色光と、色変換部材７０の黄色蛍光体から放射された黄色光との混色光からなる白色光を得ることができる。

ＬＥＤチップ１０は、厚み方向の一表面側に各電極が形成されており、各電極は、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が電気的に接続される配線パターン２３，２３が形成された絶縁性基板（例えば、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板などの電気絶縁性を有し且つ熱伝導率の高いセラミックス基板や、ホーロー基板、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板など）２０ａと、絶縁性基板２０ａよりも熱伝導率の高い材料（例えば、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属材料）により形成され絶縁性基板２０ａの厚み方向に貫設された伝熱部２０ｂ，２０ｂとで構成されている。また、本実施形態におけるＬＥＤチップ１０は、上述のように厚み方向の一表面側に各電極が形成されており、両電極それぞれがボンディングワイヤ１４を介して配線パターン２３，２３の端子部２３ａ，２３ａと直接接続されている。ここで、各配線パターン２３，２３は、一端側に上述の端子部２３ａ，２３ａが形成され、他端側に外部接続用電極部２３ｂが形成されている。なお、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。

上述の透光性封止部５０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やガラスなどを用いてもよい。

光学部材４０は、透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）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４０をシリコーン樹脂により形成してあるので、光学部材４０と透光性封止部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、透光性封止部５０の材料である封止材がエポキシ樹脂の場合には、光学部材４０もエポキシ樹脂により形成し、透光性封止部５０の材料である封止材がガラスの場合には、光学部材４０もガラスにより形成することが好ましい。また、光学部材４０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、低融点ガラスなど）を用いて固着すればよい。

ところで、上述の透光性封止部５０の形成にあたっては、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とを電気的に接続した後、ＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を透光性封止部５０の一部となる未硬化の第１の封止材により覆ってから、第１の封止材と同一材料からなり透光性封止部５０の他の部分となる未硬化の第２の封止材を内側に入れた光学部材４０を実装基板２０に対して位置決めして各封止材を硬化させることにより透光性封止部５０を形成するようにすればよい。このようにして透光性封止部５０を形成することによって、製造過程で封止部５０にボイドが発生するのを抑制できる。

色変換部材７０は、ＬＥＤチップ１０から放射される光（ここでは、青色光）によって励起されてＬＥＤチップ１０よりも長波長の光（ここでは、黄色光）を放射する蛍光体を含有した透光性無機材料（ここでは、ガラス）によりドーム状に形成されている。なお、色変換部材７０は、肉厚が一様となるように形成されている。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、例えば低融点ガラスなどを用いて固着すればよい。

ところで、本実施形態の発光装置１は、実装基板２０の伝熱部２０ｂ，２０ｂが平面視において色変換部材７０の端縁に沿った形状に形成されており、色変換部材７０が、伝熱部２０ｂ，２０ｂに熱結合されている。なお、色変換部材７０における実装基板２０側の端縁において配線パターン２３，２３に対応する部位に切欠部を設けておけば、実装基板２０に対する色変換部材７０のアライメントが容易になり、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可能となる。

また、本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０と透光性封止部５０との間に空気層８０が存在している（ここでは、色変換部材７０と光学部材４０との間に空気層８０が形成されている）ので、ＬＥＤチップ１０から放射され透光性封止部５０、光学部材４０、空気層８０を通して色変換部材７０に入射し当該色変換部材７０中の蛍光体の粒子により散乱された光のうち光学部材４０側へ散乱されて光学部材４０を透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点や、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップ１０に到達しにくくなるという利点がある。

以上説明した本実施形態の発光装置１は、実装基板２０が、ＬＥＤチップ１０が電気的に接続される配線パターン２３，２３が形成された絶縁性基板２０ａと、絶縁性基板２０ａよりも熱伝導率の高い材料により形成され絶縁性基板２０ａの厚み方向に貫設された伝熱部２０ｂ，２０ｂとを備え、色変換部材７０が、伝熱部２０ｂ，２０ｂに熱結合されているので、色変換部材７０で発生した熱を実装基板２０において絶縁性基板２０ａよりも熱伝導率の高い伝熱部２０ｂ，２０ｂを通して効率的に放熱させることができるから、蛍光体の温度上昇を抑制できて光束の向上を図れる。

また、本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０が、蛍光体を含有した無機透光性材料（ここでは、ガラス）により形成されているので、色変換部材７０が蛍光体を含有した透光性有機材料（例えば、シリコーン樹脂など）により形成される場合に比べて、色変換部材７０の熱伝導性が向上するので、蛍光体の温度上昇をより抑制できて光束を向上させることができ、しかも、水蒸気やＮＯ_ｘなど対するガスバリア性や耐透湿性が向上するとともに、蛍光体の吸湿劣化を抑制でき、信頼性および耐久性が向上する。

また、本実施形態の発光装置１では、透光性封止部５０をガラスにより形成すれば、透光性封止部５０がシリコーン樹脂などの有機材料により形成されている場合に比べて、色変換部材７０で発生した熱を色変換部材７０−空気層８０−光学部材４０−透光性封止部５０−実装基板２０を通る経路の熱伝導性が向上し、色変換部材７０の温度上昇をより抑制することが可能となる。なお、色変換部材７０の蛍光体で発生した熱は、主に色変換部材７０−伝熱部２０ｂの経路で放熱されるが、それ以外にも、色変換部材７０−空気層８０−光学部材４０−透光性封止部５０−実装基板２０を通る経路で放熱される成分や、大気中への輻射や対流により放熱される成分などもある。

（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２に示すように、色変換部材７０の光入射面側に、ＬＥＤチップ１０から放射される光を透過し且つ色変換部材７０の蛍光体から放射される光を反射する波長選択フィルタ層９０が積層されており、波長選択フィルタ層９０と光学部材４０との間に空気層８０が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。

波長選択フィルタ層９０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９０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、ラジカルアシストスパッタリング法などの薄膜形成技術によって容易に形成することができるとともに、波長選択フィルタ層９０の耐久性を高めることができる。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９０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９０に接する色変換部材７０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部材７０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。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０の光入射面側にＬＥＤチップ１０から放射される光を透過し且つ色変換部材７０の蛍光体から放射される光を反射する波長選択フィルタ層９０が積層されているので、色変換部材７０の蛍光体から放射された光の取り出し効率が向上し、光束を更に向上させることができる。

また、本実施形態の発光装置１では、ドーム状の波長選択フィルタ層９０と光学部材４０との間に空気層８０が形成されていることにより、波長選択フィルタ層９０と光学部材４０との間の媒質がシリコーン樹脂などの透光性樹脂により形成されている場合に比べて、波長選択フィルタ層９０のフィルタとしての分光特性の入射角依存性を小さくでき、発光装置１全体としての外部への光取り出し効率を向上できるとともに色むらを小さくできるという利点がある。

なお、実施形態１，２では、ＬＥＤチップ１０として厚み方向の一表面側に電極が形成されたものを用いているが、ＬＥＤチップ１０として厚み方向の両面に電極が形成されたものを用いてもよい。

（実施形態３）
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、実装基板２０に複数個（図示例では、４個）のＬＥＤチップ１０が実装されており、これら複数個のＬＥＤチップ１０が１つの透光性封止部５０により封止されている点などが相違する。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適宜省略する。

本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０として厚み方向の両面に電極が形成されたものを用いており、実装基板２０における各ＬＥＤチップ１０の実装面側に、各ＬＥＤチップ１０それぞれが接合される複数の導体パターン（ダイパッド）２４が設けられており、複数個のＬＥＤチップ１０が導体パターン２４およびボンディングワイヤ１４を介して直列接続されており、当該複数個のＬＥＤチップ１０の直列回路の一端側のＬＥＤチップ１０（図３（ａ）における左下のＬＥＤチップ１０）の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、上記直列回路の他端側のＬＥＤチップ１０（図３（ａ）における右下のＬＥＤチップ１０）が接合された導体パターン２４が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。ここにおいて、ＬＥＤチップ１０のチップサイズは特に限定するものではないが、例えば実施形態１におけるＬＥＤチップ１０のチップサイズが１ｍｍ□であるとすれば、本実施形態では０．３ｍｍ□のものを用いることにより、発光装置１全体の大型化を抑えながらも発光装置１全体としての光束の向上を図れる。

なお、本実施形態では、複数個のＬＥＤチップ１０として発光色が同じものを用いているが、発光色の異なる複数種のものを用いてもよい。また、ＬＥＤチップ１０の数も特に限定するものではなく、ＬＥＤチップ１０の数や接続形態などに応じて実装基板２０の導体パターン２４および配線パターン２３を適宜設計すればよい。また、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形成されたものを用いているが、ＬＥＤチップ１０として厚み方向の一表面側に各電極が形成されたものを用いてもよい。

ところで、上記各実施形態１〜３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、色変換部材７０における蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば色調整や演色性を高めるなどの目的で複数種類の蛍光体を用いてもよく、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを用いることで演色性の高い白色光を得ることができる。ここで、複数種類の蛍光体を用いる場合には必ずしも発光色の異なる蛍光体の組み合わせに限らず、例えば、発光色はいずれも黄色で発光スペクトルの異なる複数種類の蛍光体を組み合わせてもよい。また、ＬＥＤチップ１０として、紫外光を放射する紫外ＬＥＤチップを用いれば、色調の設計の自由度が高くなるとともに、演色性の高い白色光を得ることが可能となる。ここにおいて、ＬＥＤチップ１０として紫外ＬＥＤチップを用いた場合、色変換部材７０の透光性材料としてシリコーン樹脂を採用していると、紫外光によってシリコーン樹脂が劣化してしまうが、透光性材料として透光性無機材料であるガラスを採用していることにより、紫外光によって透光性材料が劣化するのを防止することができる。

また、上記各実施形態１〜３では、配線パターン２３，２３の外部接続用電極部２３ｂ，２３ｂを実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側に設けてあるが、実装基板２０の裏面と側面とに跨って設けるようにしてもよい。

実施形態１の発光装置を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面に対応する発光装置全体の概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面に対応する発光装置全体の概略断面図である。 実施形態２の発光装置を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面に対応する発光装置全体の概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面に対応する発光装置全体の概略断面図である。 実施形態２の発光装置を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は発光装置全体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。

符号の説明

１ 発光装置
１０ ＬＥＤチップ
２０ 実装基板
２０ａ 絶縁性基板
２０ｂ 伝熱部
２３ 配線パターン
４０ 光学部材
５０ 透光性封止部
７０ 色変換部材
８０ 空気層
９０ 波長選択フィルタ層

Claims (5)

1. 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チップの実装面側でＬＥＤチップを封止した透光性封止部と、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光を放射する蛍光体を含有した透光性無機材料により形成され透光性封止部との間に空気層が存在する形で実装基板に固着されたドーム状の色変換部材とを備え、実装基板は、ＬＥＤチップが電気的に接続される配線パターンが形成された絶縁性基板と、絶縁性基板よりも熱伝導率の高い材料により形成され絶縁性基板の厚み方向に貫設された伝熱部とを備え、色変換部材は、伝熱部に熱結合されてなることを特徴とすることを特徴とする発光装置。
2. 前記透光性封止部は、ガラスにより形成されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記色変換部材の光入射面側に、前記ＬＥＤチップから放射される光を透過し且つ前記色変換部材の前記蛍光体から放射される光を反射する波長選択フィルタ層が積層されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。
4. 前記実装基板に前記ＬＥＤチップが複数個実装され、当該複数個の前記ＬＥＤチップが１つの前記透光性封止部により封止されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記ＬＥＤチップは、紫外光を放射する紫外ＬＥＤチップであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。

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