JP2012094678A

JP2012094678A - 発光装置

Info

Publication number: JP2012094678A
Application number: JP2010240585A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Mori; 督享森
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-05-17

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】発光素子２を実装した光透過性のセラミック基板３と、セラミック基板３の下面に設けられ、光透過性の放熱グリース４を介して接続された放熱フィン５を備えた、発光装置１であって、放熱フィン５の表面は、セラミック基板３の下面と対向する箇所の第１領域Ｆ１の放射率が、第１領域Ｆ１を除く第２領域Ｆ２の放射率よりも小さい。
【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おり、例えば住宅用照明分野などにおいて用いられている。この発光素子を有する発光装置は、温度によっては視認する光の色が異なるため、温度の影響を低減する技術が考えられている。

なお、例えば、放熱フィンを備えた発光装置が開示されている（下記特許文献１参照）。

特表２００４−０９８２５５号公報

発光装置は、視認する光の色を良好に維持するとともに、発光効率を向上させる技術が求められている。

本発明の一実施態様に係る発光装置は、発光素子を実装した光透過性のセラミック基板と、前記セラミック基板の下面に設けられ、光透過性の放熱グリースを介して接続された放熱フィンを備えた、発光装置であって、前記放熱フィンの表面は、前記セラミック基板の下面と対向する箇所の第１領域における熱の放射率が、前記第１領域を除く第２領域における熱の放射率よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、視認する光の色を良好に維持するとともに、発光効率を向上させた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断面斜視図である。本実施形態に係る発光装置の断面図である。本実施形態に係る発光装置の平面図であって、上方から下方に向かって発光装置を見たものである。放熱フィンの平面図であって、放熱フィンの上面を示している。

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である。

＜発光装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る発光装置１の概観斜視図であって、その一部を断面視している。また、図２は、図１に示す発光装置の断面図である。また、図３は、発光装置の平面図であって、発光素子の一部である波長変換部および封止樹脂を取り除いた状態を示して
いる。また、図４は、放熱フィンの上面図であって、発光装置が実装される領域と発光装置が実装されない領域を示している。

本実施形態に係る発光装置１は、発光素子２を実装した光透過性のセラミック基板３と、セラミック基板３の下面に設けられ、光透過性の放熱グリース４を介して接続された放熱フィン５と、を備えている。なお、発光素子２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、外部に向かって光を放出する。

セラミック基板３は、発光素子２が実装される実装領域Ｒを有している。セラミック基板３は、発光素子２の発する光を透過することができる材料からなる絶縁性の基板である。セラミック基板３は、例えば酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化イットリウムまたはガラスセラミックスなどのセラミック材料、あるいはこれらの材料のうち複数の材料を混合した複合系のセラミック材料から構成されている。

また、セラミック基板３には、セラミック基板３の内外を電気的に導通する配線導体が形成されている。配線導体は、タングステン、モリブデン、マンガンまたは銅などの導電材料からなる。配線導体は、例えばタングステンなどの粉末に有機溶剤を添加した金属ペーストを、セラミック基板３の上面の一部に対して、所定パターンで印刷して形成することができる。なお、セラミック基板３の内外に露出する配線導体の表面には、酸化防止のためにニッケルまたは金などのめっき層が被着されている。

また、セラミック基板３には、発光素子２からの光によって励起される蛍光材料が含まれていてもよい。この結果、蛍光材料から発生される光が、第１領域Ｆ１で上方向に反射されて発光装置１の光出力に寄与することから、発光装置１の光出力が向上する。

発光素子２は、セラミック基板３上であって実装領域Ｒに実装される。具体的には、発光素子２は、セラミック基板３上に形成される配線導体上に、例えば半田または導電性接着剤を介して電気的に接続される。

発光素子２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、有機金属化学気相成長法などの化学気相成長法または分子線エピタキシャル成長法を用いて、光半導体層を成長させることが可能なものである。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、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなど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、発光層および第２半導体層は、例えば、III族窒化物半導体、ガリウム
燐またはガリウムヒ素などのIII−Ｖ族半導体、あるいは、窒化ガリウム、窒化アルミニ
ウムまたは窒化インジウムなどの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２は、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発することができる。

セラミック基板３上には、発光素子２を取り囲むように枠体６が設けられている。枠体６は、発光素子２を保護するものである。枠体６は、セラミック基板３上に例えば半田ま
たは接着剤を介して接続される。

枠体６は、セラミック材料であって、例えば酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウムなどの多孔質材料からなる。枠体６は、多孔質材料からなり、枠体６の表面は微細な孔が多数形成される。そして、発光素子２から発せられる光が、枠体６の内壁面にて拡散反射する。そして、発光素子２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。

枠体６は、発光素子２と間を空けて、発光素子２の周りを取り囲むように形成されている。そして、枠体６の内壁面が、発光素子２から発せられる光の反射面として機能する。

枠体６は、上端内側には段差Ｂが設けられている。段差Ｂは、波長変換部７を支持するためのものである。段差Ｂは、枠体６の上部の一部を内側に向けて切欠いたものであって、波長変換部７の端部を支持することができる。

枠体６で囲まれる領域は、段差Ｂを除く箇所においては下端から上端に従い外方に向かって広がるように形成されている。そして、枠体６の内壁面は、段差Ｂを除く箇所においては傾斜するように設定されている。枠体６は、セラミック基板３上に発光素子２を取り囲むように設けられ、段差Ｂを除く箇所における内壁面の上端の高さ位置が発光素子２の上面の高さ位置よりも高く設定されている。そして、枠体６の内壁面の上端の高さ位置が発光素子２の上面の高さ位置よりも高く設定されることで、発光素子２が斜め上方に向かって発する励起光を枠体６の傾斜する内壁面にて拡散反射させることができ、励起光の進行する方向を拡散させることができる。その結果、発光素子が発する励起光が、波長変換部７の下面全面に向かって照射される。

また、枠体６の傾斜する内壁面は、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀などから成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金などから成るめっき金属層を形成してもよい。このめっき金属層は、発光素子２の発する光を反射、吸収させる機能を有する。なお、枠体６の傾斜する内壁面の傾斜角度は、セラミック基板３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６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２を封止するとともに、発光素子２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６の内方に発光素子２を収容した状態で、枠体６で囲まれる領域であって、段差Ｂ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、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂などの透光性の絶縁樹脂が用いられる。

波長変換部７は、枠体６の段差Ｂ上に支持されるとともに、発光素子２と間を空けて対向するように設けられる。そして、波長変換部７は、発光素子２を封止する封止樹脂８と空隙を介して枠体６上に設けられる。

波長変換部７は、発光素子２から発せられる励起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。ここで、波長変換部７には、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂などから成り、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７中に均一に分散している。なお、波長変換部７の厚みは、例えば０．３以上１ｍｍ以下に設定されている。

波長変換部７の端部は、枠体６の段差Ｂ上に位置しており、枠体６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２から波長変換部７の内部に進入した光が、波長変換部７の側面にまで達することがある。その波長変換部７の側面から枠体６に向かって進行する光を枠体６の内壁面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、接着部９を介して枠体６に接合されている。接着部９は、波長変換部７の下面の端部から波長変換部７の側面、さらに波長変換部７の上面の端部にかけて被着している。

接着部９が、波長変換部７の下面の端部にまで被着することで、接着部９が被着する面積を大きくし、枠体６と波長変換部７とを強固に接続することができる。その結果、枠体６と波長変換部７との接続強度を向上させることができ、波長変換部７の撓みが抑制される。そして、発光素子２と波長変換部７との間の光学距離が変動するのを効果的に抑制することができる。

接着部９は、例えば、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シアネート樹脂、シリコーン樹脂またはビスマレイミドトリアジン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。また、接着部９は、例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂またはポリフェニレンエーテル樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。

接着部９の材料は、枠体６の熱膨張率と波長変換部７の熱膨張率との間の大きさの熱膨張率の材料が選択される。接着部９の材料として、このような材料を選択することで、枠体６と波長変換部７とが熱膨張するときに、両者の熱膨張率の差に起因して、両者が剥離しようとするのを抑制することができる。

なお、発光素子２は、蛍光体が含有された封止樹脂８によって封止されてもよい。この場合、波長変換部７を作製するとともに、接着部９によって波長変換部７を段差Ｂ上に接着するという工程が省かれることにより、発光装置１の製造コストを減らすことができる。

放熱フィン５は、放熱グリース４を介してセラミック基板３の下面に設けられている。放熱グリース４は、発光素子２から発生する熱をセラミック基板３から放熱グリース４を介して放熱フィン５に伝達するものである。発光素子２は、発光する際に熱が発生する。その熱の一部が、セラミック基板３に伝わる。そして、放熱グリース４は、セラミック基板３に伝わった熱を放熱フィン５に向かって伝えることができる。また、放熱グリース４は、発光素子２が発する光を透過することができ、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂または低融点ガラスなどの光透過性の材料からなる。

放熱グリース４の下面には、放熱フィン５が設けられている。放熱フィン５は、発光素子２が高温になるのを抑制し、発光素子２から放射される光のピーク波長が変化することともに、発光素子２から放射される光のピーク波長に依存し、波長変換部７から放射される光の波長スペクトルが変動することが抑制され、発光装置１の外部に取り出される光の色が変化するのを抑制するものである。さらに、放熱フィン５は、発光素子２の作動温度に依存し、発光素子２の発光効率が低下することが抑制される。なお、放熱フィン５は、セラミック基板３と接合するための矩形状の板部と、表面積を大きくするための複数のフィン部とを有している。

波長変換部７は、温度によって蛍光体が励起した可視光の波長帯が変化したり、波長変換効率が低下したりする。そのため、放熱フィン５を発光素子２の下方に設けることで、発光素子２の熱が枠体６や封止樹脂８を介して波長変換部７に伝達することによって波長変換部７の温度が大きく変化しにくくすることができ、外部に取り出される光の色が変化するのを抑制することができる。

放熱フィン５の表面は、セラミック基板２の下面と対向する第１領域Ｆ１における熱の放射率が、セラミック基板２の下面と対向する箇所を除く第２領域Ｆ２における熱の放射率よりも小さくなるように設定されている。なお、第１領域Ｆ１および第２領域Ｆ２は、酸化処理や化学研磨やブラスト研磨による表面粗化、化学研磨による鏡面処理、着色された樹脂や塗料を塗布したり、光を透過する透明性の樹脂にセラミック粉末が含有された被覆層を形成したりすることで、熱の放射率を調整することができる。第１領域Ｆ１における熱の放射率は、例えば０．１以上０．６以下であり、第２領域Ｆ２における熱の放射率は、例えば０．７以上０．９以下であって、第１領域Ｆ１における熱の放射率が第２領域Ｆ２における熱の放射率よりも小さくなるように設定されている。なお、放射率とは、ＪＩＳＡ１４２３に準拠して測定した値であり、値が小さいほど熱を蓄積し、放射しない傾向にあることを示す。なお、ここで放射率は、黒体を１としたときの比率で、例えば、表面を酸化した鉄板の放射率は０．７程度である。

放熱フィン５は、例えばアルミニウムまたは銅などの放熱性の優れた金属材料から構成されている。そして、放熱フィン５の第１領域Ｆ１に対応する箇所は、放熱フィン５の地金が露出するように形成されている。また、放熱フィン５の第２領域Ｆ２に対応する箇所は、例えば、酸化処理によって第１領域Ｆ１の自然酸化膜の厚さより厚くされるとともに、黒色の塗料または黒色の樹脂などが塗布された黒色酸化膜が形成されている。黒色酸化膜は、例えばアルミニウムまたは銅などの放熱性の優れた金属材料の表面を酸化処理して酸化膜を形成し、その表面に黒色の塗料または黒色の樹脂などを塗布することによって、第２領域Ｆ２に設けることができる。

また、第１領域Ｆ１は、アルミニウムなどの白色の地金を露出させることで、発光素子２の発する光に対して反射性を向上させることができる。または、第１領域Ｆ１に、透明性のシリコーン樹脂やアクリル樹脂に白色のセラミック粉末が含有された樹脂を塗布することにより、発光素子２からの光を効率よく反射するとともに、第１領域Ｆ１における熱の放射率を小さくすることができる。また、第２領域Ｆ２は、酸化処理されることによって熱の放射率が大きくなり、放熱フィン５の内部の熱を電磁波として効率よく大気中に放射することができ、放熱フィン５の温度を下げるとともに、表面の色を黒色にすることで、黒体放射を用いることで放熱フィン５の温度を下げるとともに、外部に向かって熱を放射することができる。仮に、第１領域Ｆ１についても、第２領域Ｆ２と同様に熱の放射率を大きくし、黒体放射を用いる構成にしたと仮定した場合は、発光素子２が発する光を第１領域Ｆ１において反射せずに、発光素子２の発する光を吸収し、発光効率が低下してしまう。さらに、放熱フィン５内部の熱が電磁波として第１領域Ｆ１から放射され、第１領域Ｆ１の上側に位置する発光素子２、封止樹脂８および波長変換部７に吸収され、発光素子２、封止樹脂８および波長変換部７が温度上昇することによって発光装置１から放射される光の波長スペクトルが変化したり、封止樹脂８または波長変換部７の透過率が劣化したり、発光素子２の発光効率または波長変換部７の波長変換効率が変化したりする。

放熱フィン５の第１領域Ｆ１は、金属材料の地金が露出されたり、透明性のシリコーン樹脂に白色のセラミック粉末が含有された樹脂を塗布されたりすることにより、発光素子２が発する光の反射面として機能する。放熱フィン５の第１領域Ｆ１と発光素子２との間には、セラミック基板２および放熱グリース４が介在されているものの、両者は発光素子２の発する光を透過する透過性材料からなるため、発光素子２の発する光が第１領域Ｆ１
にまで到達することができる。そして、発光素子２の発した光が、反射面として機能する第１領域Ｆ１にて反射して、上方に向かって進行することができる。そして、発光素子２の発した光のうち上方に向かって進行する光と、発光素子２の発した光のうち下方に向かって進行するが、第１領域Ｆ１にて反射して再度上方に向かって進行する光が合わさる。その結果、波長変換部７に進入する光量を多くすることができ、波長変換部７内にて蛍光体が励起する量を増やすことができる。そして、波長変換部７内から外部に取り出される可視光の量を多くすることができ、発光装置１の発光効率を向上させることができる。

本実施形態によれば、発光素子２を実装したセラミック基板３の下面に放熱フィン５を設けることで、発光素子２高温になるのを抑制することができる。さらに、放熱フィン５の上面であって、発光素子２と対向する第１領域Ｆ１における熱の放射率をその箇所を除いた第２領域Ｆ２における熱の放射率よりも小さくすることで、放熱フィン５の上面にて発光素子２の発する光を反射させることができ、発光効率を向上させることができる。さらに、放熱フィン５内部の熱が電磁波として第１領域Ｆ１から放射され、この電磁波が第１領域Ｆ１の上側に位置する発光素子２、封止樹脂８および波長変換部７に吸収され、発光素子２、封止樹脂８および波長変換部７が温度上昇することによって発光装置１から放射される光の波長スペクトルが変化したり、封止樹脂８または波長変換部７の透過率が劣化したり、発光素子２の発光効率または波長変換部７の波長変換効率が変化したりすることが抑制される。

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に示す発光装置の製造方法を説明する。まず、セラミック基板３および枠体６を準備する。セラミック基板３および枠体６が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウムの原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤などを添加混合して混合物を得る。

そして、周知のセラミック加工技術を用いて、混合物からセラミック基板３となるセラミックグリーンシートを準備することができる。また、枠体６は、枠体６の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の枠体６を取り出す。

また、タングステンまたはモリブデンなどの高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤などを添加混合して金属ペーストを得る。そして、セラミック基板３となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成することによってセラミック基板３が作製される。

また、枠体６は、焼結前の枠体６を所望の温度で焼成されることによって枠体６が作製される。

次に、セラミック基板３上の配線導体の表面上に、発光素子２を半田を介して電気的に接続するとともに、発光素子２を取り囲むように枠体６が接着材によって接着される。そして、枠体６で囲まれた領域に、例えばシリコーン樹脂を充填して、シリコーン樹脂を硬化させることで、封止樹脂８を形成する。

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、スピンコート法またはディップ法などのシート成形技術を用いて、作製することができる。

そして、準備した波長変換部７を枠体６の段差Ｂ上に、例えば樹脂からなる接着部９を介して接着する。

次に、放熱フィン５を準備する。放熱フィン５は、例えば放熱フィン５の鋳型に溶けたアルミニウムを注入して、それを固化して取り出すことで得ることができる。

そして、セラミック基板３の下面と対向する箇所は、研磨することで、アルミニウムの地金を露出させる。さらに、セラミック基板３の下面と対向しない箇所には、酸化処理を施すとともに黒色塗料を塗布することで、黒色酸化膜を形成することができる。

最後に、放熱フィン５は、発光素子２を実装した状態のセラミック基板２の下面に対して、放熱グリース４を介して接合することで、発光装置１を作製することができる。

１発光装置
２発光素子
３セラミック基板
４放熱グリース
５放熱フィン
６枠体
７波長変換部
８封止樹脂
９接着部
Ｒ実装領域
Ｂ段差
Ｆ１第１領域
Ｆ２第２領域

Claims

発光素子を実装した光透過性のセラミック基板と、
前記セラミック基板の下面に設けられ、光透過性の放熱グリースを介して接続された放熱フィンとを備えた、発光装置であって、
前記放熱フィンの表面は、前記セラミック基板の下面と対向する第１領域における熱の放射率が、前記第１領域を除く第２領域における熱の放射率よりも小さいことを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
前記第１領域は、前記発光素子が発して前記セラミック基板および前記放熱グリースを透過する光を反射する反射面を有していることを特徴とする発光装置。
請求項１または請求項２に記載の発光装置であって、
前記放熱フィンは金属材料から構成されており、前記第２領域に黒色酸化膜が設けられていることを特徴とする発光装置。