JP2011138843A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取り出される光の発光効率を向上させることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発光装置であって、一対の貫通孔と、一対の貫通孔で挟まれる実装領域とを有する基台と、実装領域に設けられる発光素子と、凸部を有するとともに、凸部が発光素子とワイヤを介して電気的に接続される一対の導電台であって、それぞれの凸部が一対の貫通孔の下方から上方に向かって突出するように基台に設けられた、一対の導電台と、を備え、基台は、発光素子及び導電台を取り囲むとともに、発光素子が発光する光を反射する内壁面を有する枠体を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を含む発光装置に関するものである。

近年、発光素子を含む光源を有している発光装置の開発が進められている。発光素子を有する発光装置は、消費電力または製品寿命に関して注目されている。この発光素子を有する発光装置は、例えば住宅用照明分野などにおいて、発光輝度を向上させる機能が求められている。

なお、発光装置として、発光素子から発せられる光を反射させて、外部に取り出すものがある（下記特許文献１参照）。

特開２００６−８６３９１号公報

発光装置は、発光装置から取り出される光の発光効率の向上が求められている。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る光電変換装置は、一対の貫通孔と、前記一対の貫通孔で挟まれる実装領域とを有する基台と、実装領域に設けられる発光素子と、凸部を有するとともに、凸部が前記発光素子とワイヤを介して電気的に接続される一対の導電台であって、それぞれの凸部が一対の貫通孔の下方から上方に向かって突出するように基台に設けられた、一対の導電台と、を備え、基台は、発光素子及び導電台を取り囲むとともに、発光素子が発光する光を反射する内壁面を有する枠体を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、取り出される光の発光効率を向上させることが可能な発光装置を提供することができる。

本実施形態に係る発光装置の概観を示す概観斜視図である。 本実施形態に係る発光装置の平面図である。 図２に示すＸ−Ｘ’に沿った発光装置の断面図である。 図２に示すＹ−Ｙ’に沿った発光装置の断面図である。 一変形例に係る発光装置の概観を示す概観斜視図である。 一変形例に係る発光装置の平面図である。 図６に示すＺ−Ｚ’に沿った発光装置の断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる発光装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

＜光電装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る発光装置１の概観斜視図である。また、図２は、図１に示す発光装置の平面図である。図３は、図２に示すＸ−Ｘ’に沿った発光装置の断面図である。図４は、図２に示すＹ−Ｙ’に沿った発光装置の断面図である。なお、図１及び図２では、枠体で囲まれる領域に充填される樹脂及び波長変換部材を取り除いた状態を示している。

本実施形態に係る発光装置１は、一対の貫通孔Ｐを有する基台２と、基台２上に実装される発光素子３と、一対の貫通孔Ｐに設けられ、発光素子３と電気的に接続される一対の導電台４と、発光素子３及び一対の導電台４を取り囲むとともに、発光素子３が発光する光を反射する内壁面Ｓを有する枠体５と、を含んで構成されている。なお、発光素子３は、例えば、発光ダイオードであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって励起光として放出される。

基台２は、一対の貫通孔Ｐを有するとともに、発光素子３が実装される実装領域Ｒを有している。基台２は、絶縁性の基板であって、例えば酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム又は酸化イットリウム等の多孔質材料からなる。基台２が多孔質材料からなるため、基台２の表面は微細な孔が多数形成される。そして、発光素子３から発せられる励起光が、基台２の表面にて照射されて乱反射する。そして、発光素子３が発する励起光を乱反射によって多方向に放射し、発光素子３から発せられる励起光が特定箇所に集中するのを抑制することができる。

また、基台２は、例えば、アルミナ、ムライト又はガラスセラミック等のセラミック材料、或いはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から構成することができる。また、基台２は、金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂を用いることができる。なお、基台２の熱伝導率は、例えば、１［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上２５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下に設定されている。

一対の貫通孔Ｐのそれぞれには、一対の導電台４が設けられている。一対の導電台４は、発光素子３に電圧を印加する一対の電極として機能する。導電台４は、上方に突出する凸部４ａを有し、凸部４ａが発光素子３とワイヤ６を介して電気的に接続される。また、導電台４の一部は、枠体５の下方にまで延在され、且つ枠体５の下面と接している。

また、導電台４は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン又は銅等の導電材料からなる。導電台４の熱伝導率は、例えば、１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下であって、導電台４の熱伝導率は基台２の熱伝導率よりも大きく設定されている。

発光素子３は、発光時に熱が発生する。その熱は、ワイヤ６を介して発光素子３から導電台４に伝わる。導電台４は、発光素子３で発した熱を外部に放散する機能を備えている。導電台４が基台２よりも熱伝導率の優れた材料から構成されることで、発光素子３発生する熱を基台２又はワイヤ６を介して伝わり、その熱を外部に効率良く放散することができる。

導電台４の一部は、枠体５の下方にまで延在され、且つ枠体５の下面と接するように形成されている。導電台４の下面を枠体５の下方にまで広がるように延在させることで、導電台４の下面の露出する面積を広くすることができる。そして、導電台４の下面の面積を大きくすることで、導電台４が外部に放散する熱量を増やすことができる。つまり、
発光素子３は、励起光を発する際に熱が発生するが、導電台４の一部を枠体５の下面にまで形成することにより、熱が導電台４の一部に集中するのを抑制し、導電台４にクラックが発生するのを効果的に抑えることができる。

凸部４ａは、凸部４ａの上面の高さ位置が発光素子３の上面の高さ位置よりも下方に位置するように形成されている。発光素子３の上面の高さ位置を凸部４ａの上面の高さ位置よりも上方に位置させることで、発光素子３から外方に向かって発する光が凸部４ａによって遮られにくくすることができる。なお、凸部４ａの上下方向の厚みは、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。また、凸部４ａの平面視したときの一辺の長さは、例えば０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下に設定されている。

基台２上には、発光素子３が実装される。発光素子３は、例えば樹脂等を介して基台２の実装領域Ｒに実装される。発光素子３は、実装基板と、実装基板上に形成される光半導体層とを有している。実装基板は、有機金属気相成長法又は分子線エピタキシャル成長法等の化学気相成長法を用いて、光半導体層を成長させることが可能なものであればよい。実装基板に用いられる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコン又は二ホウ化ジルコニウム等を用いることができる。なお、実装基板の厚みは、例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

光半導体層は、実装基板上に形成される第１半導体層と、第１半導体層上に形成される発光層と、発光層上に形成される第２半導体層と、から構成されている。

第１半導体層、発光層及び第２半導体層は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐又はガリウムヒ素等のＩＩＩ−Ｖ族半導体、或いは、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又は窒化インジウム等のＩＩＩ族窒化物半導体などを用いることができる。なお、第１半導体層の厚みは、例えば１μｍ以上５μｍ以下であって、発光層の厚みは、例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、第２半導体層の厚みは、例えば５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。また、このように構成された発光素子３では、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発する素子を用いることができる。

凸部４ａが、発光素子３とワイヤ６を介して電気的に接続される。ワイヤ６が凸部４ａに接続され、凸部４ａの周囲の高さ位置が凸部４ａの上面の高さ位置よりも低く設定されることにより、発光素子３から放射される光の一部が、凸部４ａの周囲に位置する枠体５の内壁面Ｓにて乱反射しやすくなる。その結果、本発明の発光装置１は、ワイヤ６と接続される一端に凸部４ａを設けることにより、その周囲の高さ位置を低くすることで、照射ムラを抑制することができる。

特に、発光素子３から放射される光が青色光より波長が短く、ワイヤ６が金から成る場合、金は青色光より波長が短い光に対する反射率が急激に低下するため、ワイヤ６での光損失の影響が大きい。そのため、発光装置１を駆動させる際に発生する照射面における照射強度のムラ、具体的にはワイヤ６の影による照射ムラが鮮明に現れる。発光素子３から放射される光が青色光より波長が短く、ワイヤ６が金から成る場合において、特に照射面における照射強度のムラ、具体的にはワイヤ６の影を薄くすることができ、照射面をムラなく照射することができる。

枠体５は、基台２と同一組成のセラミック材料から成り、導電台４の延在される一部の上面に接着剤を介して積層する。枠体５は、基台２上の発光素子３を取り囲むように設けられている。なお、枠体５と基台２とは、一体物であってもよい。基台２と枠体５とが一体となる型枠に、両者を構成する材料を充填し、それを固化して取り出すことで、一体物とすることができる。

枠体５は、基台２と同様に多孔質材料からなり、枠体５の表面は微細な孔が多数形成される。そして、発光素子３から発せられる光が、枠体５の内壁面Ｓにて乱反射する。そして、発光素子３から発せられる光が特定箇所に集中するのを抑制することができる。

また、断面視して枠体５の内壁面Ｓは、下部から上部に向かって幅広に傾斜するとともに、枠体５の内壁面の上部には段差５ａが設けられている。また、枠体５の外壁面の上部には、切欠き５ｂが設けられている。

また、枠体５の傾斜する内壁面には、例えば、タングステン、モリブデン、銅又は銀等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケル又は金等から成る鍍金金属層を形成してもよい。この鍍金金属層は、発光素子３の発する光を反射分散させる機能を有する。なお、枠体５の内壁面の傾斜角度は、基台２の上面に対して例えば５５度以上７０度以下の角度に設定されている。

枠体５の段差５ａは、波長変換部５を支持するためのものである。段差５ａは、枠体５の上部の一部を内側に向けて切欠いたものであって、後述する波長変換部７の端部を支持することができる。

枠体５で囲まれる領域には、封止樹脂８が充填されている。封止樹脂８は、発光素子３を封止するとともに、発光素子３から発せられる光が透過する機能を備えている。封止樹脂８は、枠体５の内方に発光素子３を収容した状態で、枠体５で囲まれる領域であって、段差５ａの高さ位置よりも低い位置まで充填される。なお、封止樹脂８は、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂又はエポキシ樹脂等の透光性の絶縁樹脂が用いられる。

波長変換部７は、枠体５上に支持されるとともに、発光素子３と間を空けて対向するように設けられる。つまり、波長変換部７は、発光素子３を封止する封止樹脂８と空隙を介して枠体５上に設けられている。

また、波長変換部７は、例えば接着材を介して枠体５の段差５ａに固定されている。波長変換部７の端部は、枠体５の段差上に位置しており、枠体５によって波長変換部７の端部側面が囲まれている。そのため、発光素子３から波長変換部７の内部に進入した光が、波長変換部７の内部で端部にまで達することがある。その波長変換部７の端部から枠体５に向かって進行する光を枠体５にて反射することで、反射された光を再び波長変換部７内に戻すことができる。その結果、波長変換部７内に再び戻った光によって蛍光体が励起され、発光装置１の光出力を向上させることができる。

波長変換部７は、発光素子３から発せられる光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体が励起されて、光を発するものである。波長変換部７は、発光素子３から発せられる励起光に起因して、励起光よりも長波長の可視光を発する機能を備えている。ここで、波長変換部７には、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂又はエポキシ樹脂等から成り、その樹脂中に、例えば４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の蛍光を発する青色蛍光体、例えば５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の蛍光を発する緑色蛍光体、例えば５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の蛍光を発する黄色蛍光体、例えば５９０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光を発する赤色蛍光体が含有されている。なお、蛍光体は、波長変換部５中に均一に分散するように偏在している。なお、波長変換部５の厚みは、例えば０．３以上１ｍｍ以下に設定されている。

また、波長変換部７の端部の厚みは一定に設定されている。なお、波長変換部７の厚みは、例えば０．７ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。ここで、厚みが一定とは、厚みの誤差が０．１ｍｍ以下のものを含む。波長変換部７の厚みを一定にすることにより、波長変換部７にて励起される光の量を一様になるように調整することができ、波長変換部７における輝度ムラを抑制することができる。

また、枠体５の外側面の上部には、切欠き５ｂが形成されている。切欠き５ｂは、枠体５の外側面の上部に沿って形成されている。なお、切欠き５ｂは、枠体５の外壁面の対向する両辺に形成されている。

切欠き５ｂには、枠体５を外部に取り付ける支持台９が嵌合される。支持台９は、枠体５の一対の外壁面及び下面を支持するように設けられる。支持台９は、例えばＣｕ（銅）、またはＣｕ合金、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ（コバルト）合金又はステンレス等の熱伝導性が高い材料からなる。支持台９は、支持台９の内部に枠体５をスライドさせて嵌め合わせて、枠体５と接続することができる。

波長変換部７から発生した熱は、波長変換部７の周囲に近接された支持台９に伝熱され、支持台９を介して発光装置１が実装される実装基板に放熱される。これにより、波長変換部９は、熱による蛍光体の波長変換効率の低下が抑制されるとともに、熱による波長変換部９の透過率の低下や、機械的な特性劣化が抑制される。よって、発光素子３は、長期間にわたって効率よく、安定した動作を実現できる。

本実施形態によれば、発光素子３が発する励起光をワイヤにて阻害される影響を低減し、枠体５にて効率良く反射することで、波長変換部７全体に向かって照射することができ、波長変換部７の波長変換効率が向上し、発光装置１の発光効率を向上させることができる。

また、波長変換部７の全体に励起光を照射させることができ、波長変換部７内で蛍光体を励起する量を、平面視して波長変換部７の全面で略均一になるように調整することができる。その結果、波長変換部７から取り出される光の均一性を向上させることができる。

なお、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

＜発光装置の製造方法＞
ここで、図１乃至図４に示す発光装置の製造方法を説明する。

まず、一対の貫通孔Ｐを有する枠体５を備えた基台２を準備する。基台２が、例えばアルミナから成る場合、バインダーに含有した粉体状のアルミナを基台２の型枠に充填して固化する。そして、基台２の型枠から固化した基台２を取り出し、焼成すことで、枠体５と一体の基台２を得ることができる。

また、凸部４ａを有する導電台４と支持台９とを一体的に形成した凹状のリードフレームを準備する。導電台４および支持台９が、例えばＦｅ−Ｎｉ合金から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ合金が短冊状の板部材に形成され、その中央部に凸部４ａが形成されるようにリードフレームが研磨され、このリードフレームの両端部が折り曲げられることにより、凹状のリードフレームが形成される。

そして、基台２の貫通孔Ｐに下方から上方に向け、導電台４と支持台９とが一体的に形成されたリードフレームを基台２に嵌め合わせる。もしくは、支持台９内に枠体５の切欠き５ｂが嵌め合わさるように、基台２をスライドさせて、支持台９と基台２とを嵌合させて、発光装置１を作製することができる。好ましくは、導電台４は、基台２に対して、例えばアクリル接着剤を介して接続することができる。

次に、基台２の実装領域Ｒに例えば銀ペーストを介して発光素子３を実装する。そして、発光素子３と導電台４の凸部４ａとをワイヤ６を介して電気的に接続する。

さらに、枠体５で囲まれる領域に、例えばシリコーン樹脂から成る充填樹脂８を充填する。このとき、基台２は、多孔質材料から成るため、基台２にシリコーン樹脂が浸透し、充填樹脂８と基台２とが接続される。

次に、波長変換部７を準備する。波長変換部７は、未硬化の樹脂に蛍光体を混合して、例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法、押し出し法、スピンコート法又はディップ法等のシート成形技術を用いて、作製することができる。例えば、波長変換部７は、未硬化の波長変換部７を型枠に充填し、硬化して取り出すことによって、得ることが出来る。そして、準備した波長変換部７を枠体５の段差５ａ上に、例えば樹脂を介して接着する。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る発光装置１のうち、本実施形態に係る発光装置１と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。なお、変形例の図面では、電子部品３を搭載した状態を示している。

＜変形例＞
図５は、一変形例に係る発光装置１の概観斜視図である。また、図６は、図５に示す発光装置の平面図である。図７は、図５に示すＺ−Ｚ’に沿った発光装置の断面図である。なお、図５及び図６では、枠体で囲まれる領域に充填される樹脂及び波長変換部材を取り除いた状態を示している。

上記実施形態に係る発光装置１は、基台２の実装領域Ｒの上面の高さ位置が、枠体５の内壁面で囲まれる領域に位置する平らな面の高さ位置と同じ高さ位置であったが、これに限られない。例えば、図５及び図７に示すように、基台２の実装領域Ｒの上面の高さ位置を、枠体５の内壁面で囲まれる領域に位置する平らな面の高さ位置よりも低くしてもよい。基台２の実装領域Ｒの上面の高さ位置を高くすることで、発光素子３から発する光が、貫通孔Ｐから露出する枠体５側の内壁面においても効率良く乱反射することができる。その結果、発光装置１の発光効率を向上させることができる。

また、上記実施形態に係る発光装置１は、基台２と枠体５とを一体に形成したものであったが、これに限られない。基台２と枠体５とを別体に形成し、その後、両者を例えばアクリル接着剤又はシリコーン接着剤で接着することで、両者を接合したものであってもよい。両者を別体で形成することで、製品形状の設計について自由度を向上させることができる。

また、上記実施形態に係る発光装置１は、発光装置１を平面視したときに矩形状の長辺に、支持台９を嵌合させたが、これに限られない。発光装置１を平面視したときに矩形状の短辺に、支持台９を嵌合させても良い。

発光装置１を平面視したときに、矩形状の短辺に支持台９を設けることで、支持台９の大きさを小さく設計することができる。また、支持台９と基台２との接続箇所が小さくなるため、支持台９と基台２とを接続する工程が短時間化することができ、生産性を向上させることができる。

また、上記実施形態に係る発光装置１は、支持台９を枠体５に接続するために、枠体５の外壁面の上部に切欠き５ｂを設けたが、これに限られない。枠体５の上部の一辺に沿った凹部５ｃを設けてもよい。

枠体５の上部に凹部５ｃを設ける場合、図７に示すように、凹部５ｃに突入する支持台９の端部を形成する。そして、枠体５の上部の凹部５ｃに支持台９の端部をかみ合わせることができ、枠体５に対する支持台９の接合力を向上させることができる。

１ 発光装置
２ 基台
３ 発光素子
４ 導電台
４ａ 凸部
５ 枠体
５ａ 段差
５ｂ 切欠き
６ ワイヤ
７ 波長変換部
８ 封止樹脂
９ 支持台
Ｐ 貫通孔
Ｓ 内壁面
Ｒ 実装領域

Claims (7)

1. 一対の貫通孔と、前記一対の貫通孔で挟まれる実装領域とを有する基台と、
   前記実装領域に設けられる発光素子と、
   凸部を有するとともに、前記凸部が前記発光素子とワイヤを介して電気的に接続される一対の導電台であって、それぞれの凸部が前記一対の貫通孔の下方から上方に向かって突出するように前記基台に設けられた、一対の導電台と、を備え、
   前記基台は、前記発光素子及び前記導電台を取り囲むとともに、前記発光素子が発光する光を反射する内壁面を有する枠体を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、
   前記導電台の熱伝導率は、前記基台の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする発光装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の発光装置であって、
   前記導電台の一部は、前記枠体の下方にまで延在され、且つ前記枠体の下面と接することを特徴とする発光装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記発光素子の上面の高さ位置は、前記凸部の上面の高さ位置よりも上方に位置することを特徴とする発光装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記枠体の内壁面は、下部から上部に向かって内方から外方に広がるように形成されていることを特徴とする発光装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記枠体で囲まれる領域に樹脂が充填されており、当該樹脂が前記枠体内に含浸されていることを特徴とする発光装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発光装置であって、
   前記枠体の上部には、前記発光素子を被覆するように波長変換部材が設けられていることを特徴とする発光装置。

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