JP2012069749A

JP2012069749A - 発光モジュール

Info

Publication number: JP2012069749A
Application number: JP2010213421A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsutsumi; 康章堤; Masanori Mizuno; 正宣水野; Kazuhiro Ito; 和弘伊藤; Takashi Onishi; 孝大西
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: JP5851680B2; WO2012039105A1

Abstract

【課題】半導体発光素子が発する光の利用効率を向上する技術を提供する。
【解決手段】発光モジュール４０は、ＬＥＤチップ４２と、ＬＥＤチップ４２が搭載される実装基板４６と、備える。実装基板４６は、ＬＥＤチップ４２が搭載される側に、ＬＥＤチップ４２が出射した光を反射する反射膜５０が成膜されており、反射膜５０は、全体が絶縁性の無機材料からなる。反射膜５０は、屈折率が１．４以上の無機材料からなっていてもよい。反射膜は、屈折率が１．４以上の第１の無機材料と、第１の無機材料よりも屈折率の高い第２の無機材料とが交互に積層された多層膜であってもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光モジュールに関する。

近年、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を用いた車両用前照灯が提案され始めている（例えば、特許文献１参照。）。車両用前照灯においては、自動車用前照灯規格（ＪＩＳＤ５５００）で規定される白色光領域の白色光を照射する必要がある。

半導体発光素子を用いて白色光を発生させる方法としては、蛍光体を用いる方法が多く採用されている。例えば、青色ＬＥＤから出射された青色光を励起光としてＹＡＧ蛍光体に照射すると、蛍光として得られた黄色光と、蛍光体を透過した青色光とが混色して白色光を得ることができる。

特開２００４−２４１１４２号公報

ところで、ＬＥＤは、投入された電力が発光層で等方的に発光する。また、ＬＥＤの光が蛍光体に到達すると、その光は波長変換されて蛍光として等方的に発光する。つまり、ＬＥＤの光や蛍光体が発する蛍光は、全ての光が所望の照射方向に向けて出射されるわけではない。そのため、ＬＥＤの光や蛍光体が発する蛍光のうち、所望の照射方向とは反対側に向けて放射された光は、照明に寄与しないことになる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体発光素子が発する光の利用効率を向上する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子が搭載される実装基板と、備える。実装基板は、半導体発光素子が搭載される側に、半導体発光素子が出射した光を反射する反射膜が成膜されており、反射膜は、全体が絶縁性の無機材料からなる。

この態様によると、半導体発光素子が出射した光のうち実装基板に向かう光は、反射膜で反射されて所定の照射方向に照射される。そのため、光の利用効率を向上することができる。また、反射膜は、全体が絶縁性の無機材料からなるため、半導体発光素子が出射した光による劣化が抑制される。例えば、半導体発光素子が高輝度のＬＥＤの場合であっても劣化が抑制される。また、ＬＥＤが発する光が紫外光や短波長可視光であっても、反射膜が主として無機材料で構成されているため、反射膜が樹脂成分を多く含む場合と比較して劣化が抑制され、発光モジュールの信頼性が向上する。また、反射膜の劣化が抑制されることで、所望の輝度を満たした範囲での発光モジュールの連続点灯時間が延び、長寿命化が図られる。なお、「全体が絶縁性の無機材料からなる」とは、完全に無機材料のみからなる場合だけでなく、原料製造や成膜プロセスにおいて混入する不純物が無機材料に含まれている場合であってもよい。

反射膜は、屈折率が１．４以上の無機材料からなってもよい。これにより、半導体発光素子から実装基板へ向かう光が反射膜で反射されやすくなる。反射された光は半導体発光素子の出射面から出射するため、光の利用効率が向上する。

反射膜は、屈折率が１．４以上の第１の無機材料と、第１の無機材料よりも屈折率の高い第２の無機材料とが少なくとも積層されている多層膜であってもよい。これにより、半導体発光素子から実装基板へ向かう光が反射膜でより反射されやすくなる。反射された光は半導体発光素子の出射面から出射するため、光の利用効率が向上する。また、反射膜は、出射する光の１／４波長程度の厚みに制御した多層膜であってもよい。この場合、飛躍的に光利用効率を上げることができる。また、多層膜は、第１の無機材料および第２の無機材料とは異なる屈折率の材料からなる層を更に含んでいてもよい。

反射膜は、半導体発光素子と対向する側の表面粗さＲａが０．１μｍ〜８０μｍであってもよい。これにより、半導体発光素子から実装基板へ向かう光が粗化された反射膜の表面で乱反射される。反射された光は半導体発光素子の出射面から出射するため、光の利用効率が向上する。

半導体発光素子は、実装基板にフリップチップ接続されていてもよい。実装基板にフリップチップ接続された半導体発光素子は、実装基板との間にバンプなどの突起電極が設けられている。そのため、半導体発光素子で生じる光の一部は、突起電極の間の隙間から実装基板に向かって出射しやすい。そこで、上述した反射膜を実装基板に成膜することで、実装基板に向かう光は、再度半導体発光素子に向かって反射され、半導体発光素子の出射面から前方へ照射される。したがって、このような構成の場合、半導体発光素子が発する光の利用効率向上の効果がより顕著となる。

実装基板の反射膜と半導体発光素子との間に充填されている透光性のアンダーフィルを更に備えていてもよい。実装基板と半導体発光素子との間に隙間（空気層）があると、半導体発光素子から光が外部へ引き出されにくい。そこで、隙間に透光性のアンダーフィルを充填することで、半導体発光素子から光が外部へ引き出されやすくなる。

本発明によれば、半導体発光素子が発する光の利用効率を向上することができる。

本実施の形態に係る車両用前照灯装置を構成する灯具本体ユニットの概略構造図である。本実施の形態の灯具本体ユニットに含まれる第２灯具ユニットの構成を示す図である。各実施例および各比較例に係る発光モジュールの構成および輝度を表にまとめた図である。実施例１−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。実施例４−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。実施例５−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。実施例６−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。実施例７−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。本実施の形態に係る発光モジュールを採用しうる照明器具の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

近年、ＬＥＤやＬＤを用いた各種の照明装置の開発がすすんでいる。このような照明装置の中には、特性として高い輝度が求められるものがある。例えば、ＬＥＤやＬＤを光源とした発光モジュールを車両のヘッドライトや照明器具に用いる場合、更なる高輝度化が求められることになる。そこで、本発明者らは、発光モジュールの高輝度化を実現すべく鋭意検討した結果、以下に述べる実施の形態に代表される発光モジュールを考案した。

［車両用前照灯装置］
はじめに、後述する実施の形態に係る発光モジュールが好適な用途として、高輝度化が求められている車両用前照灯装置（車両用灯具）の概略について説明する。本実施の形態の車両用前照灯装置は、ハイビーム用配光パターンの一部領域を形成可能な光を照射する灯具ユニットと、この灯具ユニットの光の照射状態を制御する照射制御部とを備える。そして、照射制御部は、ハイビーム用配光パターンの一部領域が少なくとも車幅方向に複数に分割された部分領域により形成されるように光の照射状態を制御する。また、各部分領域に対応する照射光の光度を個別に調整してハイビーム照射モードと昼間点灯照射モードを切り替えてハイビーム照射モードに適した光度分布と昼間点灯照射モードに適した光度分布を形成する。なお、各実施の形態に係る発光モジュールは、ハイビーム用配光パターンを形成する灯具ユニットだけではなく、ロービーム用配光パターンを形成する灯具ユニットにも適用できる。

図１は、本実施の形態に係る車両用前照灯装置を構成する灯具本体ユニットの概略構造図である。本実施の形態の車両用前照灯装置は、車両の前部の車幅方向左右両端に一対の灯具本体ユニットを含む。そして、左右の灯具本体ユニットから照射される配光パターンを車両の前方で重畳させることにより車両用前照灯装置としての照射を完成させる。図１は、左右の灯具本体ユニットのうち右側に配置される灯具本体ユニット１０の構成を示す。図１では、理解を容易にするために灯具本体ユニット１０を水平面で切断して上方から見た断面図を示している。なお、左側に配置される灯具本体ユニットは右側に配置される灯具本体ユニット１０と左右対称の構造であり基本構造は同一である。したがって、右側に配置される灯具本体ユニット１０を説明することで左側に配置される灯具本体ユニットの説明は省略する。また、以下では、便宜上、灯具の光が照射する方向を車両前方（前側）、その反対側を車両後方（後側）として説明する場合がある。

灯具本体ユニット１０は、透光カバー１２、ランプボディ１４、エクステンション１６、第１灯具ユニット１８、および第２灯具ユニット２０を有する。ランプボディ１４は、樹脂などによって細長い開口部を有するカップ型に成形されている。透光カバー１２は、透光性を有する樹脂などによって成形され、ランプボディ１４の開口部を塞ぐようにランプボディ１４に取り付けられる。こうしてランプボディ１４と透光カバー１２とによって実質的に閉鎖空間となる灯室が形成され、この灯室内にエクステンション１６、第１灯具ユニット１８、および第２灯具ユニット２０が配置される。

エクステンション１６は、第１灯具ユニット１８および第２灯具ユニット２０からの照射光を通すための開口部を有し、ランプボディ１４に固定される。第１灯具ユニット１８は、第２灯具ユニット２０より車両の車幅方向の外側に配置される。第１灯具ユニット１８は、いわゆるパラボラ型の灯具ユニットであり、後述するロービーム用配光パターンを形成する。

第１灯具ユニット１８は、リフレクタ２２、光源バルブ２４、およびシェード２６を有する。リフレクタ２２は、カップ型に形成され、中央に挿通孔が設けられている。本実施の形態では、光源バルブ２４はハロゲンランプなどフィラメントを有する白熱灯によって構成されている。なお、光源バルブ２４は、放電灯等他のタイプの光源が採用されてもよい。光源バルブ２４は、内部に突出するようリフレクタ２２の挿通孔に挿通されてリフレクタ２２に固定される。リフレクタ２２は、光源バルブ２４が照射した光を車両前方に向けて反射させるよう、内面の曲面が形成されている。シェード２６は、光源バルブ２４から車両前方へ直接進行する光を遮断する。第１灯具ユニット１８の構成は公知であるため、第１灯具ユニット１８に関する詳細な説明は省略する。なお、第１灯具ユニット１８の光源として後述の発光モジュールを用いてもよい。

図２は、本実施の形態の灯具本体ユニット１０に含まれる第２灯具ユニット２０の構成を示す図である。図２では、第２灯具ユニット２０を水平面で切断して上方から見た断面図を示している。第２灯具ユニット２０は、ホルダ２８、投影レンズ３０、発光モジュール３２、およびヒートシンク３８を備える。第２灯具ユニット２０は、ハイビーム用配光パターンの全部または一部領域を形成可能な光を照射する灯具ユニットである。すなわち、第２灯具ユニット２０は、ハイビーム照射モード時に、第１灯具ユニット１８により形成されるロービーム用配光パターンの上部にハイビーム用配光パターンを形成する。ハイビーム用配光パターンがロービーム用配光パターンに追加されることで、全体として照射範囲が広くなり、遠方視認性能も向上する。また、第２灯具ユニット２０は、昼間点灯照射モード時に単独で光を照射することにより、昼間など対向車や歩行者などに自車の存在を認識しやすくするための昼間点灯照射ランプ、いわゆるデイタイムランニングランプ（ＤＲＬ）として機能する。

投影レンズ３０は、前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後側焦点面上に形成される光源像を、反転像として灯具前方の仮想鉛直スクリーン上に投影する。投影レンズ３０は筒状に形成されたホルダ２８の一方の開口部に取り付けられる。なお、発光モジュール３２は、以下に示す実施の形態や実施例に係る発光モジュールに対応するものである。

［発光モジュール］
次に、本実施の形態に係る発光モジュールの構成について詳述する。本実施の形態に係る発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子が搭載される実装基板と、備える。実装基板は、半導体発光素子が搭載される側に、半導体発光素子が出射した光を反射する反射膜が成膜されており、反射膜は、全体が絶縁性の無機材料からなる。反射膜上には銅の配線パターンが形成されている。配線パターンの一部は電極として機能し、その電極と半導体発光素子とがバンプやボンディングワイヤにより接続されている。

また、半導体発光素子の周囲または出射面上には蛍光体層が設けられており、半導体発光素子から出射された光により励起され可視光を発光する。このように構成された発光モジュールは、半導体発光素子から出射された光と、その光により励起された蛍光体層からの光とが混色されることで、例えば白色光を前方へ照射する。

次に発光モジュールを構成する各部材について詳述する。

［実装基板］
本実施の形態に係る実装基板は、その表面または上部または内部に電気配線を設けることができるものであれば、特定の種類や材質に限られない。例えば、樹脂基板、樹脂複合基板、酸化物系セラミック基板、窒化物系セラミック基板、炭化物系セラミック基板、ケイ化物系セラミック基板、ホウ化物系セラミック基板、金属基板、または、これらの材料を組み合わせた基板を実装基板として採用することができる。

樹脂基板としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、アラミド、ポリカーボネート、ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、天然ゴム、等の材料からなる基板が挙げられる。

樹脂複合基板としては、紙にフェノール樹脂やエポキシ樹脂を含浸させた紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスクロスやカーボンファイバークロスなどにエポキシ樹脂などを含浸させた基板、等が挙げられる。

酸化物系セラミック基板としては、ガラス、石英、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化鉛、二酸化鉛、五酸化タンタル、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、酸化マグネシウム、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）、ＴｈＯ_２、ＢｅＯ、Ｃｒ_２Ｏ_３、等の材料からなる基板が挙げられる。

窒化物系セラミック基板としては、チッ化タンタル、チッ化ジルコニウム、チッ化チタニウム、チッ化ケイ素、窒化アルミニウム、ＨｆＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＡｌＯＮ、等の材料からなる基板が挙げられる。また、炭化物系セラミック基板としては、炭化ケイ素、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、Ｂ_４Ｃ、ＷＣ、などの材料からなる基板が挙げられる。また、ケイ化物系セラミック基板としては、ＭｏＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＳｉＢ_６、などの材料からなる基板が挙げられる。

ホウ化物系セラミック基板としては、ＴａＢ_２、ＮｂＢ_２、ＴｉＢ_２、ＵＢ_２、ＺｒＢ_２、ＴｈＢ_６、ＨｆＢ_２、ＵＢ_４、ＶＢ_２、ＣａＢ_６、ＳｒＢ_６、ＢａＢ_６、ＴｈＢ_４、ＷＢ、などの材料からなる基板が挙げられる。また、金属基板としては、鉄、銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属基板、又は以上の材料を組み合わせた基板が挙げられる。

以上の各種基板から選択された実装基板を用いて本実施の形態に係る発光モジュールを作製する場合、放熱性という観点では、厚みの薄い樹脂基板（フィルム基板）、セラミック基板、金属基板が好ましい。また、絶縁性という観点では、セラミック基板が特に好ましい。

上述の実装基板は、半導体発光素子や蛍光体層が発した光を乱反射させるため、あるいは、接着性を上げるために表面が粗化されていてもよい。実装基板の表面の粗化は、例えば、機械研磨、研削、エッチングにより行われる。機械研磨や研削には、例えば、サンドブラスト、砥粒、やすり、ドリルなどが用いられる。エッチングには、酸素、チッ素、アルゴン、塩素などのプラズマエッチング、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ、塩酸、硫酸、クロム酸などの酸、を含んだ薬品によるエッチングが挙げられる。

これら実装基板の表面には、電極、絶縁膜、ソルダーレジスト、エッチングレジスト、アンダーフィル、反射材、半田ペーストなどの部材や層が、単層および／または多層で成膜されている。

［絶縁層（反射膜）］
本実施の形態に係る反射層は、電気的に絶縁性を示し、その表面に電気配線を設けることができるものがよい。特に、反射層は、全体が絶縁性の無機材料であることが好ましい。無機材料としては、例えば、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック、ケイ化物系セラミック、ホウ化物系セラミック、または、これらの材料を組み合わせた複合材料が挙げられる。

酸化物セラミックとしては、ガラス、石英、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化鉛、二酸化鉛、五酸化タンタル、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、酸化マグネシウム、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）、ＴｈＯ_２、ＢｅＯ、Ｃｒ_２Ｏ_３、等の材料が挙げられる。

窒化物系セラミックとしては、チッ化タンタル、チッ化ジルコニウム、チッ化ケイ素、窒化アルミニウム、ＨｆＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＡｌＯＮ、等の材料が挙げられる。また、炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、Ｂ_４Ｃなどの材料が挙げられる。また、ケイ化物系セラミックとしては、ＭｏＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＳｉＢ_６、等の材料が挙げられる。

ホウ化物系セラミックとしては、ＴａＢ_２、ＮｂＢ_２、ＴｉＢ_２、ＵＢ_２、ＺｒＢ_２、ＴｈＢ_６、ＨｆＢ_２、ＵＢ_４、ＶＢ_２、ＣａＢ_６、ＳｒＢ_６、ＢａＢ_６、ＴｈＢ_４、ＷＢ、等の材料が挙げられる。

そして、これらの物質を実装基板表面に単層および／または多層で成膜することで無機材料からなる絶縁性の反射膜が形成される。なお、反射膜は、完全に無機材料のみからなる場合だけでなく、原料製造や成膜プロセスにおいて混入する不純物が無機材料に含まれている場合であってもよい。また、反射膜全体として絶縁性を満たすことができれば、電気導電性の膜や電子部品が内部に設けられていてもよい。このような無機材料からなるシート状やフィルム状の反射膜を、実装基板と熱ラミネートや接着材を用いたラミネートなどによって接合することで、実装基板表面に絶縁物である反射膜を形成できる。

また、これら絶縁物は、水やケトン類などの適当な溶剤に溶解したり、加熱によって溶融しながら基板に塗布する方法で基板表面に絶縁性の反射膜を形成できる。このような成膜方法としては、ロールアプリケーター、液だまりアプリケーター、液浸アプリケーター、ファウンテンアプリケーター、押し出しアプリケーター、エアドクタコーター、ブレードコーター、ロッドコーター、ナイフコーター、スクイズコーター、含浸コーター、リバースロールコーター、トランスファロールコーター、グラビアコーター、キスロールコーター、キャストコーター、スプリコーター、カーテンコーター、カレンダコーター、押し出しコーター、静電コーター、スプレイコーター、スロットオリフィスコーター、電着コーター、等の方法が挙げられる。

また、真空蒸着、熱蒸発、スパッタ、イオンプレーティング、めっき、化学気相成長法（ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、エアロゾルディポジション法（ＡＤ）、プラズマイオンアシスト法（ＰＩＡ）、等を用いて基板表面に絶縁性の反射膜を形成することもできる。

反射膜は、可視光を反射するという観点からナトリウムのＤ線（波長５８９ｎｍ）での屈折率が１．４以上が好ましい。屈折率が低いと、半導体発光素子や蛍光層から実装基板に向かう光は、絶縁層（反射膜）や実装基板を透過して損失してしまう。一方、反射膜の屈折率が１．４以上の場合、半導体発光素子から実装基板へ向かう光が反射膜で反射されやすくなる。反射された光は半導体発光素子の出射面から出射するため、光の利用効率が向上する。

また、反射膜は、半導体発光素子と対向する側の表面粗さＲａが約０．１μｍから約８０μｍの範囲で粗化されていることが好ましい。粗化は、反射膜の表面を直接粗化してもよいし、下地の実装基板を粗化することでその上に設けられる反射膜の表面が間接的に粗化されていてもよい。

表面粗さＲａが０．１μｍより小さい場合、半導体発光素子からの光は、ほとんど乱反射されず、そのまま反射膜や実装基板を透過し、損失してしまう。一方、表面粗さＲａが８０μｍより大きい場合、反射膜の表面に電気配線を形成することが困難であり、また、電気配線を形成できたとしても剥離しやすくなる。一方、反射膜の表面粗さＲａが約０．１μｍから約８０μｍであれば、半導体発光素子から実装基板へ向かう光が反射膜の表面で乱反射される。反射された光は半導体発光素子の出射面から出射するため、光の利用効率が向上する。

成膜された反射膜の表面の粗化は、例えば、機械研磨、研削、エッチングにより行われる。機械研磨や研削には、サンドブラスト、砥粒、やすり、ドリルなどが用いられる。エッチングには、酸素、チッ素、アルゴン、塩素などのプラズマエッチング、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ、塩酸、硫酸、クロム酸などの酸、を含んだ薬品によるエッチングが挙げられる。

また、反射膜は、可視光の反射の観点から、それぞれ半導体発光素子の光の１／４波長程度の層厚の高屈折率膜と低屈折率膜の多層膜が好ましい。低屈折率の膜としてフッ化カルシウム、クライオライト（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）、フッ化ランタン、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化トリウムなどのフッ化物や三酸化シリコン、二酸化シリコンが挙げられる。

組み合わせる高屈折率の膜としては、三酸化アンチモン、酸化ベリリウム、三フッ化ビスマス、酸化セリウム、二酸化ハフニウム、酸化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、酸化マグネシウム、酸化ネオジウム、酸化プラセオジウム、五酸化タンタル、二酸化チタン、塩化タリウム、酸化トリウム、酸化イットリウム、硫化亜鉛、二酸化ジルコニウムなどが挙げられる。

［アンダーフィル］
透光性のアンダーフィルは、半導体発光素子と実装基板間の隙間に浸透して形状を保持し、透光性を有するものであれば、特定の種類や材質に限られない。アンダーフィルのない発光モジュールの場合、半導体発光素子の空気との界面では光が外部へ出にくいため、半導体発光素子で生じた光の一部は内部に閉じこもったまま熱などとして消失していた。しかしながら、アンダーフィルの屈折率は空気よりも高いため、半導体発光素子の実装基板側の面をアンダーフィルが覆うことにより、半導体発光素子から光が出射されやすくなる。

アンダーフィルとしては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、シリカ系ゾル・ゲル材、チタニア系ゾル・ゲル材、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ＴＰＸ、塩化ビニール、ポリカーボネート、ナイロン、ポリエステル、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリシクロオレフィン、シルセスキオキサン、等が挙げられる。特に、光劣化性に優れるシリコーン樹脂、シリカ系ゾル・ゲル材、チタニア系ゾル・ゲル材、シルセスキオキサンがアンダーフィルとして好適である。

［半導体発光素子］
本実施の形態に係る半導体発光素子は、可視光発光、紫外線発光、赤外線発光などいずれの波長範囲で発光してもかまわない。半導体発光素子としては、ＬＥＤやＬＤなどが挙げられる。ＬＥＤは、例えば、サファイヤ基板にｎ−ＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層／ｐ−ＧａＮの順に結晶成長させ、ｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層にそれぞれ電極パッドを作製することで製造される。

［蛍光体層］
本実施の形態に係る蛍光体層としては、粉末の蛍光体を分散させた樹脂組成物やガラス組成物、蛍光セラミックが挙げられる。蛍光体としては、青色光によって励起されるＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）粉末を用いることができる。蛍光体は、青色光によって励起される蛍光体に限られず、例えば、近紫外光、紫外光によって励起される蛍光体であってもよい。

蛍光体層の厚みは、発光モジュールとして必要とされる光の色や輝度、組み合わせる半導体発光素子（例えば、ＬＥＤチップ）の種類などを考慮して適宜設定すればよい。例えば、厚みが１μｍ以上であれば、ＬＥＤチップが発する光を十分波長変換することが可能となる。また、厚みが１０００μｍ以下であれば、ＬＥＤチップの光を十分透過させることができる。

以下、上述の種々の構成を組み合わせた発光モジュールの輝度について各実施例および各比較例を参照して説明する。図３は、各実施例および各比較例に係る発光モジュールの構成および輝度を表にまとめた図である。なお、以下の各実施例で作製した発光モジュールのユニットの光学特性は、比較例１−１で作製した発光ユニットの値を１００として、相対値で示した。自動車用灯具では１００ｍ〜２００ｍ先を照らす必要があり、輝度、光束とも比較例よりも高いことが好ましい。

光学特性の測定は、発光モジュールをアルミダイキャスト製ヒートシンクに取り付けて、７００ｍＡの定電流駆動を行って、安定化するまで１０分間点灯させた。その後、（株）トプコン製分光放射計ＳＲ−３を用いて発光モジュール上面の輝度を測定した。全光束は、発光モジュールをφ１５０の積分球内で７００ｍＡの電流を１０ミリ秒流して点灯させ、大塚電子（株）製分光光度計ＭＣＰＤ−１０００を用いて測定した。

信頼性は、ＬＥＤパッケージを連続点灯させた際に、全光束が初期値の７０％に低下する時間とした。自動車用灯具として十分な信頼性としては、３０００時間以上であることが好ましい。３０００時間とは自動車の実使用時に換算すると１０年間に相当する。

（実施例１−１、比較例１−１、比較例１−２）
図４は、実施例１−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。図４に示す発光モジュール４０は、半導体発光素子としてのＬＥＤチップ４２と、ＬＥＤチップ４２を覆うように設けられ、ＬＥＤチップ４２が発する光を変換する蛍光体層４４と、ＬＥＤチップ４２が実装される実装基板４６と、配線層４８と、を備える。実装基板４６のＬＥＤチップ４２が搭載される側の面には、前述の反射膜５０が成膜されている。

反射膜５０の表面に形成されている配線層４８の一部は、電極５２，５４として加工されている。電極５２は、ＬＥＤチップ４２の底面と導通されており、電極５４は、ＬＥＤチップ４２の上面にある電極と金ワイヤ５６により導通されている。ＬＥＤチップ４２は、いわゆる縦（ＶＣ）型ＬＥＤである。

実施例１−１に係る発光モジュール４０は、アルミニウムの実装基板４６上に絶縁性の反射膜５０としてシリカ膜が形成されている。シリカ膜は、テトラエトキシシランを原料としてＣＶＤ（化学気相成長）法で成膜されている。そして、このシリカ膜の上に銅配線が施されている。ＬＥＤチップ４２は、４５０ｎｍに発光波長の中心があり、１ｘ１ｍｍの大きさの青色ＬＥＤであり、導電性基板を下にして銀ペーストで電極５２に固定されている。そして、ＬＥＤチップ４２は、ジメチルシリコーン樹脂にＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）蛍光体粉末を練り込んだペースト状の蛍光体層４４で覆われている。蛍光体層４４の厚みは２００μｍである。また、蛍光体層４４は、図４に示すＡ方向から見た場合の投影面積が、ＬＥＤチップ４２の約１．２倍の面積となるように、ＬＥＤチップ４２の周囲を覆っている。実施例１−１に係る発光モジュールでは、信頼性は３０００時間に達した。

一方、比較例１−１においては、アルミニウム基板上に絶縁膜としてポリイミド樹脂（東レ（株）セミコファインＳＰ−３００）を塗布し、その上に銅配線を施して実装基板を作製した。この実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。比較例１−１に係る発光モジュールでは、信頼性は１０００時間であった。

一方、比較例１−２においては、アルミニウム基板上に絶縁膜として白色ソルダーレジスト（太陽インキ製造（株）製ＰＳＲ−４０００）を塗布し、その上に銅配線を施して実装基板を作製した。この実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。比較例１−２に係る発光モジュールでは、信頼性は１００時間であった。

このように、実施例１−１に係る発光モジュール４０では、ＬＥＤチップ４２が出射した光のうち実装基板４６に向かう光は、反射膜５０で反射されて所定の照射方向に照射される。そのため、光の利用効率を向上することができる。また、反射膜５０は、全体が絶縁性の無機材料からなるため、ＬＥＤチップ４２が出射した光による劣化が抑制される。また、ＬＥＤチップ４２が発する光が紫外光や短波長可視光であっても、反射膜５０が主として無機材料で構成されているため、反射膜が樹脂成分を多く含む場合と比較して劣化が抑制され、発光モジュールの信頼性が向上する。また、実施例１−１に係る発光モジュールの評価結果から明らかなように、反射膜（絶縁膜）に無機物のシリカを用いることにより、信頼性が大幅に向上した。

（実施例２−１〜２−４、比較例２−１〜２−３）
実施例２−１〜２−４、比較例２−１〜２−３に係る発光モジュールは、実施例１−１に係る発光モジュールと比較して、反射膜の表面粗さが異なっている点が大きな構成の相違である。また、比較例２−１に係る発光モジュールは、反射膜の屈折率が他の発光モジュールと異なっている。

実施例２−１、実施例２−２の実装基板では、チッ化アルミニウム基板の表面をサンドブラスト法により表面粗さＲａがそれぞれ０．１、１０μｍとなるように調整されており、その上に反射膜として、テトラエトキシシランを原料としたＣＶＤ（化学気相成長）法でシリカ膜が成膜されている。そして、反射膜の表面粗さが０．１、１０μｍであることを確認した実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。

実施例２−３、実施例２−４の実装基板では、チッ化アルミニウム基板の表面をサンドブラスト法により表面粗さＲａがそれぞれ０．１、１０μｍとなるように調整されており、その上に反射膜として、テトライソプロポキシチタンを原料としたＣＶＤ（化学気相成長）法で酸化チタン膜が成膜されている。そして、反射膜の表面粗さが０．１、１０μｍであることを確認した実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。

比較例２−１の実装基板では、チッ化アルミニウム基板の表面をサンドブラスト法により表面粗さＲａが０．１μｍとなるように調整されており、その上に反射膜として、フッ化マグネシウムがスパッタ法を用いて成膜されている。そして、反射膜の表面粗さが０．１μｍであることを確認した実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。

比較例２−２、比較例２−３の実装基板では、チッ化アルミニウム基板の表面をサンドブラスト法により表面粗さＲａがそれぞれ０．０５、１００μｍとなるようにされており、その上に反射膜として、テトラエトキシシランを原料としたＣＶＤ（化学気相成長）法でシリカ膜が製膜されている。そして、反射膜の表面粗さが０．０５、１００μｍであることを確認した実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。

比較例２−１の発光モジュールは、反射膜がフッ化マグネシウム（屈折率１．３８）であるため、ＬＥＤチップから実装基板に向かう光を十分反射することができなかった。一方、実施例２−１に係る発光モジュールは、反射膜がシリカ（屈折率１．４５）であるため、ＬＥＤチップ４２から実装基板に向かう光が十分反射され、輝度、全光束が向上した。

比較例２−２と実施例２−１の比較では表面粗さが重要なことを示唆している。すなわち可視光に対し透明な絶縁膜では、ＬＥＤチップの光の波長の１／４波長以下の凹凸では乱反射せずにチッ化アルミニウム基板の下側に透過するので、輝度、全光束共に向上しない。しかし、実施例２−１、実施例２−２に係る発光モジュールでは、反射膜表面で可視光が乱反射するので、輝度、全光束共に向上した。

一方、比較例２−３に係る発光モジュールでは、表面粗さが大きすぎるため、ＬＥＤチップを実装基板に搭載した後にＬＥＤチップが剥離した。

（実施例３−１、実施例３−２）
実施例３−１に係る実装基板では、アルミニウム基板の表面に反射膜として、それぞれＬＥＤチップの光の１／４波長程度の厚みのシリカ（屈折率１．４５）と酸化チタン（屈折率約２．２〜２．３）を交互に積層した多層膜が成膜されている。この実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。

実施例３−２に係る実装基板では、アルミニウム基板の表面をサンドブラスト法により表面粗さＲａが１０μｍとなるように調整されており、その上に反射膜として、それぞれＬＥＤチップの光の１／４波長程度の厚みのシリカと酸化チタンを交互に積層した多層膜が成膜されている。この実装基板を用いて実施例１−１と同様の構成の発光モジュールを作製した。

このように、実施例３−１の反射膜は、屈折率が１．４以上の第１の無機材料と、第１の無機材料よりも屈折率の高い第２の無機材料とが交互に積層された多層膜である。そのため、ＬＥＤチップから実装基板へ向かう光が反射膜でより反射されやすくなる。反射された光は半導体発光素子の出射面から出射するため、光の利用効率が向上する。また、多層膜である反射膜のそれぞれの層の厚みを前述のように設定することで反射効率が増し、飛躍的に発光モジュールの光利用効率を上げることができる。

以上のように、実施例３−１に係る発光モジュールは、反射膜自身が可視光を反射するので、表面が平滑でも輝度、全光束が大幅に上昇した。さらに、実施例３−２に係る発光モジュールのように、表面を粗化すると更に輝度、全光束が上昇した。

（実施例４−１、比較例４−１）
図５は、実施例４−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。図４に示した実施例１−１に係る発光モジュールと同様の構成や作用については、説明を適宜省略する。図５に示す発光モジュール６０は、いわゆるフリップチップ（ＦＣ）型のＬＥＤチップ６２と、チッ化アルミニウムの実装基板６４と、銅の配線層６６と、ＬＥＤチップ６２と銅の配線層６６の電極部とを接続する金ボール６８と、ＬＥＤチップ６２が発する光を変換する蛍光体層７０と、を備える。実装基板６４のＬＥＤチップ６２が搭載される側の面には、前述の反射膜７２が成膜されている。

実施例４−１に係る発光モジュール６０は、チッ化アルミニウムの実装基板６４上に実施例３−１の多層膜と同様の反射膜が形成されている。この多層膜の上には銅の配線層６６が形成されている。ＬＥＤチップ６２は、４５０ｎｍに発光波長の中心があり、１ｘ１ｍｍの大きさの青色ＬＥＤであり、サファイヤ基板を上にして実装基板に固定されている。ＬＥＤチップ６２と実装基板６４とは、金ボール６８を介してそれぞれの電極同士が電気接続されるとともに、互いが固定される。そして、ＬＥＤチップ４２は、その上面が、ジメチルシリコーン樹脂にＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）蛍光体粉末を練り込んだペースト状の蛍光体層７０で覆われている。蛍光体層４４の厚みは２００μｍである。また、蛍光体層７０は、図５に示すＢ方向から見た場合の投影面積が、ＬＥＤチップ４２と同等の面積となるように、加工されている。

比較例４−１に係る発光モジュールは、反射膜が形成されていない点を除いて実施例４−１に係る発光モジュール６０と同様の構成である。

実施例４−１に係る発光モジュールは、フリップチップ構造のため、ＬＥＤチップ６２の上面に電極が無く、すべての電極が実装基板側に存在するので、蛍光体層７０で覆う面積を小さくでき、高輝度にできる。例えば、図３に示すように、実施例３−１に係る発光モジュールの輝度に対して１．５倍程度まで高輝度化されている。

また、実装基板６４にフリップチップ接続されたＬＥＤチップ６２は、実装基板６４との間に金ボール６８が設けられている。そのため、ＬＥＤチップ６２で生じる光の一部は、金ボール６８の間の隙間から実装基板６４に向かって出射しやすい。そこで、上述した反射膜７２を実装基板６４に成膜することで、実装基板６４に向かう光は、再度ＬＥＤチップ６２に向かって反射され、ＬＥＤチップ６２の出射面６２ａから前方へ照射される。したがって、このような構成の場合、ＬＥＤチップ６２が発する光の利用効率向上の効果がより顕著となる。

（実施例５−１）
図６は、実施例５−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。図５に示した実施例４−１に係る発光モジュールと同様の構成や作用については、説明を適宜省略する。実施例５−１に係る発光モジュール８０では、ＬＥＤチップ６２と反射膜７２との間の空間にアンダーフィル８２として透明なジメチルシリコーン樹脂を流し込み、１５０℃で１時間加熱し、ジメチルシリコーン樹脂を熱硬化した。

実施例５−１に係る発光モジュールは、フリップチップ構造のため、ＬＥＤチップ６２の上面に電極が無く、すべての電極が実装基板側に存在するので、蛍光体層７０で覆う面積を小さくでき、高輝度にできる。加えて、透光性のアンダーフィル８２の作用により、ＬＥＤチップ６２の下側に漏れ出る光を効率よく実装基板側に向けて取り出せるため、その光を反射膜で反射させることによって輝度、全光束を向上できる。

（実施例６−１）
図７は、実施例６−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。図５に示した実施例４−１に係る発光モジュールと同様の構成や作用については、説明を適宜省略する。実施例６−１に係る発光モジュール９０は、チッ化アルミニウムの実装基板９２の一部が凹状に加工されており、その形状に沿って実装基板９２上に反射膜９４が形成されている。凹状に加工された部分には、ＬＥＤチップ６２が搭載されている。反射膜９４は、実施例３−１で説明した多層膜である。

実施例６−１に係る発光モジュール９０は、ＬＥＤチップ６２の側面から漏れ出る光も実装基板９２の凹部斜面に形成された反射膜９４ａで反射させることで光を上方に向かわせ、輝度、全光束を向上することができる。そのため発光モジュール９０は、特に、車両用灯具や照明機器に好適である。

（実施例７−１）
図８は、実施例７−１に係る発光モジュールの要部を模式的に示した断面図である。図７に示した実施例６−１に係る発光モジュールと同様の構成や作用については、説明を適宜省略する。実施例７−１に係る発光モジュール１００は、チッ化アルミニウムの実装基板１０２に４つの凹部１０４が形成されており、その形状に沿って実装基板１０２上に反射膜１０６が形成されている。それぞれの凹部１０４には、ＬＥＤチップ６２が搭載されている。反射膜１０６は、実施例３−１で説明した多層膜である。

実施例７−１に係る発光モジュール１００は、ＬＥＤチップ６２の側面から漏れ出る光も実装基板１０２の凹部１０４の斜面に形成された反射膜１０６ａで反射させることで光を上方に向かわせ、輝度、全光束を向上することができる。また、銅の配線層１０８は、ＬＥＤチップ６２を個別に調光できるような配線パターンを有する。そのため発光モジュール１００は、特に、配光を可変できる車両用灯具や、明るさを調節できる照明機器に好適である。

図９は、本実施の形態に係る発光モジュールを採用しうる照明器具の断面図である。照明器具１１０は、発光モジュール１１２と、放熱基板１１４と、前面カバー１１６と、筐体１１８と、制御回路ユニット１２０と、取付部材１２２と、を備える。発光モジュール１１２は、前述の実施の形態や実施例で述べた種々の構成を取りうる。放熱基板１１４は、金属などの放熱性の高い材料で構成されており、発光モジュール１１２の発熱を吸収し外部へ放熱する役割を果たす。前面カバー１１６は、発光モジュール１１２を覆うように設けられており、発光モジュール１１２を保護する。また、前面カバー１１６は、発光モジュール１１２の光を前方へ透過させたり、拡散させたりできるように透明または半透明の材質で構成されている。

筐体１１８は、主に樹脂材料で構成され、制御回路ユニット１２０を収容している。制御回路ユニット１２０は、発光モジュール１１２の点灯を制御する。取付部材１２２は、制御回路ユニット１２０を放熱基板１１４や筐体１１８に固定する。

以上、本発明を各実施の形態や各実施例をもとに説明した。これら実施の形態や実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０灯具本体ユニット、４０発光モジュール、４２ＬＥＤチップ、４４蛍光体層、４６実装基板、４８配線層、５０反射膜、５２，５４電極、５６金ワイヤ、６２ＬＥＤチップ、６２ａ出射面。

Claims

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が搭載される実装基板と、備え、
前記実装基板は、前記半導体発光素子が搭載される側に、半導体発光素子が出射した光を反射する反射膜が成膜されており、
前記反射膜は、全体が絶縁性の無機材料からなることを特徴とする発光モジュール。
前記反射膜は、屈折率が１．４以上の無機材料からなることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
前記反射膜は、屈折率が１．４以上の第１の無機材料と、前記第１の無機材料よりも屈折率の高い第２の無機材料とが少なくとも積層されている多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
前記反射膜は、前記半導体発光素子と対向する側の表面粗さＲａが０．１μｍ〜８０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光モジュール。
前記半導体発光素子は、前記実装基板にフリップチップ接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光モジュール。