JP2010147445A

JP2010147445A - 発光装置

Info

Publication number: JP2010147445A
Application number: JP2008326531A
Authority: JP
Inventors: Yoji Urano; 洋二浦野; Takanori Akeda; 孝典明田; Tomoya Iwahashi; 友也岩橋
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】発光効率の向上を図れるとともに輝度むらを小さくできる発光装置を提供する。
【解決手段】実装基板２０との間にＬＥＤチップ１０を囲む形で実装基板２０に固着されＬＥＤチップ１０から放射された光を実装基板２０側へ反射するドーム状のリフレクタ４０と、蛍光体を含有した透光性材料により形成された色変換部５０と備える。ＬＥＤチップ１０は、ＬＥＤ薄膜部１２、カソード電極１８およびアノード電極１７が六角錘状の透明基体１１の下面１１ａ側に形成され、当該透明基体１１よりもＬＥＤ薄膜部１２が実装基板２０に近くなる形で実装されている。実装基板２０は、透光性基板２１の一表面側にＬＥＤチップ１０のカソード電極１８およびアノード電極１７それぞれとバンプ３０，３０を介して接合される導体パターン２３，２３が形成され、色変換部５０は、透光性基板２１の他表面に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を備えた発光装置に関するものである。

従来から、図３に示すように、平板状のＬＥＤチップ１０’と、ＬＥＤチップ１０’が搭載される平面視十字状の放熱部材１２０’と、放熱部材１２０’におけるＬＥＤチップ１０’の搭載面側に配置された一対のリード端子２４’，２４’と、ＬＥＤチップ１０’の光取り出し面１０ａ’側に形成されたアノード電極（図示せず）およびカソード電極（図示せず）それぞれとリード端子２４’，２４’とを電気的に接続したボンディングワイヤ３５’，３５’と、ＬＥＤチップ１０’および各ボンディングワイヤ３５’，３５’を封止した透光性材料からなる封止部（図示せず）と、放熱部材１２０’におけるＬＥＤチップ１０’の搭載面側に配置されＬＥＤチップ１０’から放射される光を反射するリフレクタ４０’とを備えた発光装置Ａ’が提案されている（特許文献１参照）。ここにおいて、図３に示した構成の発光装置Ａ’におけるリフレクタ４０’の反射面は、ＬＥＤチップ１０’を焦点とする回転放物面状に形成されている（図３中の一点鎖線の矢印は、ＬＥＤチップ１０’の光取り出し面１０ａ’から放射されリフレクタ４０’の反射面で反射された光の進行経路を模式的に示している）。なお、上述の発光装置Ａ’は、各リード端子２４’，２４’が金属により形成され、放熱部材１２０’は、熱伝導性材料（例えば、Ｃｕ、Ａｌなどの金属、アルミナやサーメットなどのセラミック）により形成されている。

また、従来から、発光層が窒化物半導体材料（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど）により形成された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チップよりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの混色光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置が広く知られている。

そこで、図３に示す構成の発光装置Ａ’においても、封止部に蛍光体を分散させておくことにより、所望の混色光を得ることが考えられる。
特開２００６−１７９７７７号公報

しかしながら、図３に示した構成の発光装置Ａ’において封止部に蛍光体を分散させた場合、ＬＥＤチップ１０’および蛍光体それぞれから放射されリフレクタ４０’の反射面で反射された光がＬＥＤチップ１０’、各リード端子２４’，２４’、および各ボンディングワイヤ３５’，３５’により遮られるので、ＬＥＤチップ１０’、各リード端子２４’，２４’、および各ボンディングワイヤ３５’，３５’が影になってしまい、発光効率が低下してしまうとともに輝度むらが大きくなってしまう。また、蛍光体がＬＥＤチップ１０’を封止している封止部に分散されているので、蛍光体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、発光効率低下の原因となってしまう。

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、発光効率の向上を図れるとともに輝度むらを小さくでき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、実装基板との間にＬＥＤチップを囲む形で実装基板に固着されＬＥＤチップから放射された光を実装基板側へ反射するドーム状のリフレクタと、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材料により形成された色変換部と備え、ＬＥＤチップは、ｎ形半導体層とｐ形半導体層とを有するＬＥＤ薄膜部、ｎ形半導体層に電気的に接続されたカソード電極およびｐ形半導体層に電気的に接続されたアノード電極が六角錘状の透明基体の下面側に形成され、当該透明基体よりもＬＥＤ薄膜部が実装基板に近くなる形で実装基板に実装されてなり、実装基板は、透光性基板の一表面側にＬＥＤチップのカソード電極およびアノード電極それぞれとバンプを介して接合される導体パターンが形成され、色変換部は、透光性基板の他表面に設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤチップの透明基体が六角錘状に形成されているので、従来の平板状のＬＥＤチップに比べてＬＥＤチップの光取り出し効率を高めることができ、また、ＬＥＤチップは、透明基体よりもＬＥＤ薄膜部が実装基板に近くなる形で実装基板に実装され、実装基板は、透光性基板の一表面側にＬＥＤチップのカソード電極およびアノード電極それぞれとバンプを介して接合される導体パターンが形成され、色変換部は、透光性基板の他表面に設けられているので、蛍光体の温度消光による量子効率の低下を抑制でき、しかも、ＬＥＤチップにおいてＬＥＤ薄膜部を保持している六角錘状の透明基体が透明であること、ＬＥＤ薄膜部と色変換部との距離を比較的長くすることができること、および蛍光体の光拡散効果により、ＬＥＤチップやバンプの影が発生するのを抑制でき、且つ、光取り出し効率の向上による発光効率の向上を図れるとともに輝度むらを小さくできる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記実装基板は、前記導体パターンが透明導電膜により構成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記導体パターンが金属層により構成されている場合に比べて、前記導体パターンによる光の反射や減衰を抑制できるので、光取り出し効率を向上できる。

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ＬＥＤチップと前記実装基板との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップと前記実装基板との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部が設けられていることにより、前記ＬＥＤチップにおいて前記ＬＥＤ薄膜部から前記透明基体側とは反対側に放射される光が前記ＬＥＤ薄膜部の表面で反射されるのを抑制して効率良く取り出すことができ、光取り出し効率の向上を図れる。

請求項１の発明では、発光効率の向上を図れるとともに輝度むらを小さくできるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の発光装置について図１を参照しながら説明する。

本実施形態の発光装置Ａは、図１に示すように、ＬＥＤチップ１０と、当該ＬＥＤチップ１０が一表面側に実装された矩形板状の実装基板２０と、実装基板２０との間にＬＥＤチップ１０を囲む形で実装基板２０に固着されＬＥＤチップ１０から放射された光を実装基板２０側へ反射するドーム状のリフレクタ４０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材料により形成された色変換部５０と備えている。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系の青色ＬＥＤチップであり、それぞれ窒化物半導体材料により形成されたｎ形半導体層１４と発光層１５とｐ形半導体層１６との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部１２、ｎ形半導体層１４に電気的に接続されたカソード電極１８およびｐ形半導体層１６に電気的に接続されたアノード電極１７がｎ形のＺｎＯ結晶からなる六角錘状の透明基体１１の下面１１ａ側に形成されている。

ＬＥＤチップ１０のＬＥＤ薄膜部１２は、ｎ形半導体層１４をｎ形ＧａＮ層により構成し、発光層１５をＩｎＧａＮ層により構成し、ｐ形半導体層１６を発光層１５側のｐ形ＡｌＧａＮ層と当該ｐ形ＡｌＧａＮ層における発光層１５側とは反対側のｐ形ＧａＮ層とで構成してあるが、ＬＥＤ薄膜部１２の積層構造は特に限定するものではなく、発光層１５は単層構造に限らず、多重量子井戸構造ないし単一量子井戸構造でもよい。

また、ＬＥＤチップ１０は、ＬＥＤ薄膜部１２の平面視形状を透明基体１１の下面１１ａよりもやや小さな正六角形状の形状に形成してあり、カソード電極１８が、ＬＥＤ薄膜部１２のｎ形半導体層１４に接する形で形成されて当該ｎ形半導体層１４と電気的に接続され、アノード電極１７が透明基体１１の下面１１ａに接する形で形成され当該透明基体１１を介してｐ形半導体層１６と電気的に接続されている。したがって、ｎ形半導体層１４と発光層１５とｐ形半導体層１６との平面サイズを同じにすることができる。ここで、ＬＥＤチップ１０のアノード電極１７およびカソード電極１８は、下層側のＴｉ膜と上層側のＡｕ膜との積層膜により構成されている。ただし、アノード電極１７およびカソード電極１８それぞれの形状、サイズ、個数および配置は特に限定するものではない。

上述のＬＥＤチップ１０は、主表面がｃ面のサファイアウェハの主表面側に上記積層構造を有するＬＥＤ薄膜部１２をエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長し、その後、ＬＥＤ薄膜部１２を透明基体１１の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハに接合してから、サファイアウェハを除去し、続いて、塩酸系のエッチング液（例えば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングを行うことによりｎ形ＺｎＯウェハの一部からなる六角錘状の透明基体１１を形成している。なお、ｎ形ＺｎＯウェハとしては、水熱合成法を利用して製造したものを用いている。六角錘状の透明基体１１の高さは、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さで規定することができ、本実施形態では、ｎ形ＺｎＯウェハとして厚さが５００μｍのものを用いているので、透明基体１１の高さは５００μｍとなっているが、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さは特に限定するものではない。また、透明基体１１の下面１１ａに対する各斜面１１ｂそれぞれの傾斜角は、ｎ形ＺｎＯウェハの結晶軸方向で規定され、ｎ形ＺｎＯウェハにおいて透明基体１１の下面１１ａとなるＺｎ極性面である（０００１）面とは反対側のＯ極性面である（０００−１）面に適宜パターニングされたマスクを設けてｎ形ＺｎＯウェハをＯ極性面側から異方性エッチングすることにより透明基体１１を形成しているので、下面１１ａに対する各斜面１１ｂそれぞれの傾斜角が６０°となっている。なお、上記マスクのサイズを適宜設定すれば、透明基体１１を、六角錘の頂部を切り欠いた六角錘状の形状（六角錘台状の形状）とすることもできる。

また、ＬＥＤチップ１０は、ＬＥＤ薄膜部１２における透明基体１１側とは反対側の表面（ここでは、ｎ形半導体層１４の表面）に光取り出し効率向上用の微細凹凸構造１４ａが形成されている。

上述のＬＥＤチップ１０は、アノード電極１７とカソード電極１８との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、トンネル電流注入によりアノード電極１７からｐ形半導体層１６へホールが注入されるとともに、カソード電極１８からｎ形半導体層１４へ電子が注入され、発光層１５に注入された電子とホールとが再結合することで発光し、透明基体１１の各斜面１１ｂおよびＬＥＤ薄膜部１２におけるｎ形半導体層１４の透明基体１１側とは反対側の表面から光が放射される。なお、波長が４５０ｎｍの光に対するＺｎＯの屈折率は２．１、ＧａＮの屈折率は２．４である。

ところで、実装基板２０は、透光性基板２１の一表面側にＬＥＤチップ１０のカソード電極１８およびアノード電極１７それぞれとバンプ３０，３０を介して接合される導体パターン２３，２３が形成されている。

要するに、ＬＥＤチップ１０は、透明基体１１よりもＬＥＤ薄膜部１２が実装基板２０に近くなる形で実装基板２０の上記一表面側に実装されている。なお、実装基板２０の平面視形状は、矩形状（本実施形態では、正方形状）となっているが、正方形状に限らず、例えば、長方形状、円形状、六角形状でもよい。

ここにおいて、透光性基板２１の材料としては、例えば、パイレックス（登録商標）や硼珪酸ガラス（ＢＫ７）などのガラスを採用すればよいが、ガラスに限らず、ＬＥＤチップ１０から放射される光に対して透光性を有する材料であればよく、例えば、６Ｈ−ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、サファイアなどを採用してもよい。ただし、ＬＥＤチップ１０と実装基板２０とのバンプ３０，３０を介した電気的接続の長期的な信頼性を高めるとともに、ＬＥＤチップ１０および色変換部５０で発生した熱を伝熱させて効率的に放熱させるために、ＬＥＤチップ１０との線膨張係数差が小さく熱伝導率が大きな材料が好ましい。これらの材料の線膨張係数および熱伝導率を下記表１に示す。

また、各導体パターン２３は、ＩＴＯ膜からなる透明導電膜により構成されているが、透明導電膜は、ＩＴＯ膜に限らず、例えば、ＧＺＯ（ＧａをドープしたＺｎＯ）膜、ＡＺＯ（ＡｌをドープしたＺｎＯ）膜、ＩＺＯ（ＩｎをドープしたＺｎＯ）膜などにより構成してもよい。

また、上述のリフレクタ４０の材料としては、例えば、ＬＥＤチップ１０や色変換部５０の蛍光体から放射される光の反射率が高い（例えば、Ａｌ、Ｃｕ）などを採用すればよく、本実施形態では、Ａｌを採用している。なお、リフレクタ４０の材料としてＣｕを採用する場合には、内面にＮｉ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｌなどの反射層をメタライズすることが望ましい。なお、リフレクタ４０の材料は金属に限らず、樹脂やセラミックを採用してもよく、例えば樹脂を採用する場合には、例えば内面にＮｉ／Ａｇ、Ｎｉ／Ａｌなどの反射層をメタライズすればよい。

また、リフレクタ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、接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて固着してある。ここにおいて、リフレクタ４０と実装基板２０とで囲まれる空間は、ドライエア雰囲気としてあるが、Ｎ_２雰囲気や真空雰囲気としてもよい。ここにおいて、リフレクタ４０は、内面が半球面状の形状に形成されており、ＬＥＤチップ１０の光軸と光軸が一致するように配置されているが、リフレクタ４０の内面の形状は所望の配光特性に応じて適宜設計すればよい。なお、図１中の一点鎖線の矢印は、ＬＥＤチップ１０から放射された光の進行経路を模式的に示している。

また、上述の色変換部５０は、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含有した透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）により形成されている。したがって、本実施形態の発光装置Ａ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５０における透光性基板２１側とは反対側の表面から出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５０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。ここで、色変換部５０の透光性材料としてガラスを採用すれば、シリコーン樹脂を採用している場合に比べて、色変換部５０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量子効率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、色変換部５０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。

以上説明した本実施形態の発光装置Ａによれば、ＬＥＤチップ１０の透明基体１１が六角錘状に形成されているので、従来の平板状のＬＥＤチップ１０’（図３参照）に比べてＬＥＤチップ１０の光取り出し効率を高めることができ、また、ＬＥＤチップ１０は、透明基体１１よりもＬＥＤ薄膜部１２が実装基板２０に近くなる形で実装基板２０に実装され、実装基板２０は、透光性基板２１の上記一表面側にＬＥＤチップ１０のカソード電極１８およびアノード電極１７それぞれとバンプ３０，３０を介して接合される導体パターン２３，２３が形成され、色変換部５０は、透光性基板２１の上記他表面に設けられているので、色変換部５０で発生した熱を外部への輻射に加えて透光性基板２１への伝熱により放熱させることができるとともにＬＥＤチップ１０からの熱の影響を受けにくくなって蛍光体の温度消光による量子効率の低下を抑制でき、しかも、ＬＥＤチップ１０においてＬＥＤ薄膜部１２を保持している六角錘状の透明基体１１が透明であること、ＬＥＤ薄膜部１２と色変換部５０との距離を比較的長くすることができること、および蛍光体の光拡散効果により、ＬＥＤチップ１０やバンプ３０の影が発生するのを抑制でき、且つ、光取り出し効率の向上による発光効率の向上を図れるとともに輝度むらを小さくできる。

また、本実施形態の発光装置Ａでは、実装基板２０の各導体パターン２３，２３が透明導電膜により構成されているので、各導体パターン２３，２３が金属層により構成されている場合に比べて、各導体パターン２３，２３による光の反射や減衰を抑制できるので、光取り出し効率を向上でき、また、図３に示した従来構成のようにＬＥＤチップ１０’が電気的に接続されるリード端子２４’，２４’を金属により形成してある場合に比べても、光の反射や減衰を抑制できるので、光取り出し効率を向上できる。

（実施形態２）
図２に示す本実施形態の発光装置Ａの基本構成は実施形態１と略同じであり、ＬＥＤチップ１０と実装基板２０との間の隙間に透光性樹脂（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）からなるアンダーフィル部６０が設けられている点が相違するだけである。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。

本実施形態の発光装置Ａでは、ＬＥＤチップ１０と実装基板２０との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部６０が設けられているので、ＬＥＤチップ１０のアノード電極１７およびカソード電極１８と透光性基板２１の上記一表面側の導体パターン２３，２３との接続信頼性を高めることができ、しかも、ＬＥＤチップ１０においてＬＥＤ薄膜部１２から透明基体１１側とは反対側に放射される光（発光層１４から透明基体１１側とは反対側に放射される光）がＬＥＤ薄膜部１２の表面で反射されるのを抑制して効率良く取り出すことができ、光取り出し効率の向上を図れる。

なお、上述の各実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光色を青色光としてあるが、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色光に限らず、緑色光、赤色光、紫色光、紫外光などでもよい。また、ｎ形半導体層１４、発光層１５、およびｐ形半導体層１６の材料は窒化物半導体材料に限定するものではなく、他の化合物半導体材料でもよい。また、ＬＥＤ薄膜部１２は、少なくともｎ形半導体層１４とｐ形半導体層１６とを備えていればよく、発光層１５は必ずしも備えている必要はない。

実施形態１の発光装置を示す概略断面図である。実施形態２の発光装置を示す概略断面図である。従来例の発光装置を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ
１１透明基体
１１ａ下面
１２ＬＥＤ薄膜部
１４ｎ形半導体層
１６ｐ形半導体層
１７アノード電極
１８カソード電極
２０実装基板
２１透光性基板
２３導体パターン
４０リフレクタ
５０色変換部
６０アンダーフィル部

Claims

ＬＥＤチップと、当該ＬＥＤチップが実装された実装基板と、実装基板との間にＬＥＤチップを囲む形で実装基板に固着されＬＥＤチップから放射された光を実装基板側へ反射するドーム状のリフレクタと、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材料により形成された色変換部と備え、ＬＥＤチップは、ｎ形半導体層とｐ形半導体層とを有するＬＥＤ薄膜部、ｎ形半導体層に電気的に接続されたカソード電極およびｐ形半導体層に電気的に接続されたアノード電極が六角錘状の透明基体の下面側に形成され、当該透明基体よりもＬＥＤ薄膜部が実装基板に近くなる形で実装基板に実装されてなり、実装基板は、透光性基板の一表面側にＬＥＤチップのカソード電極およびアノード電極それぞれとバンプを介して接合される導体パターンが形成され、色変換部は、透光性基板の他表面に設けられてなることを特徴とする発光装置。
前記実装基板は、前記導体パターンが透明導電膜により構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。
前記ＬＥＤチップと前記実装基板との間の隙間に透光性樹脂からなるアンダーフィル部が設けら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。