JP2013247340A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光取出効率が高く、かつ製造コストが抑えられた発光装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様に係る発光装置１０は、平面視形状が長方形のフェイスアップ型のＬＥＤチップ１２と、ＬＥＤチップ１２を封止する直方体形状の封止部１３と、を有する。ＬＥＤチップ１２の側面１２ｂと封止部１３の側面１３ｂとのなす角度は、４５±１７°である。ＬＥＤチップ１２から発せられた光の少なくとも一部が封止部１３の側面１３ｂから放出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。
従来、ドーム状の封止樹脂により発光素子を封止した発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載されるような発光装置によれば、封止樹脂がドーム形状を有するため、発光素子から放射状に発せられる光の封止樹脂の表面への入射角度が広範囲で小さくなる。そのため、封止樹脂と空気の界面における全反射を抑え、発光素子の光取出効率を向上させることができる。
特開２０００−２８６４５７号公報
しかし、ドーム状の封止樹脂は、その形状故に、直方体等の単純な形状の封止樹脂と比較して、製造工程が複雑である。そのため、発光装置の製造コストが高くなるという欠点がある。
そこで、本発明の目的の一つは、光取出効率が高く、かつ製造コストが抑えられた発光装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一態様は、平面視形状が長方形のフェイスアップ型のＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを封止する直方体形状の封止部と、を有し、前記ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度が、４５±１７°であり、前記ＬＥＤチップから発せられた光の少なくとも一部が前記封止部の側面から放出される発光装置を提供する。
また、本発明の他の態様は、平面視形状が長方形のフリップチップ型のＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを封止する直方体形状の封止部と、を有し、前記ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度が、４５±１４°であり、前記ＬＥＤチップから発せられた光の少なくとも一部が前記封止部の側面から放出される発光装置を提供する。
上記発光装置において、前記封止部の屈折率は１．４１よりも大きくてもよい。
上記発光装置において、前記ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度が４５°であってもよい。
本発明によれば、光取出効率が高く、かつ製造コストが抑えられた発光装置を提供することができる。
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置の上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分Ａ−Ａで切断した発光装置の垂直断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る発光装置のＬＥＤチップから発せられる光の強度と方向の関係を模式的に示す平面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、比較例としての発光装置のＬＥＤチップから発せられる光の強度と方向の関係を模式的に示す平面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。 図５（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。 図６（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤチップの発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。 図７は、図４〜図６の発光強度分布の測定範囲を説明するための図である。 図８（ａ）は、第２の実施の形態に係る発光装置の上面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の線分Ｂ−Ｂで切断した発光装置の垂直断面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るＬＥＤチップの発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。 図１０（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るＬＥＤチップの発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。 図１１（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るＬＥＤチップの発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。
〔第１の実施の形態〕
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光装置１０の上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の線分Ａ−Ａで切断した発光装置１０の垂直断面図である。発光装置１０は、リードフレーム１１と、リードフレーム１１上に搭載された平面視形状が長方形（正方形含む）のＬＥＤチップ１２と、リードフレーム１１上に形成され、ＬＥＤチップ１２を封止する直方体形状の封止部１３を有する。
発光装置１０は、ＬＥＤチップ１２の側部にリフレクター等の光を反射する部材を含まず、ＬＥＤチップ１２から発せられた光を封止部１３の側面１３ｂからも放出する。
ＬＥＤチップ１２と封止部１３は、ＬＥＤチップ１２の上面１２ａと封止部１３の上面１３ａが平行になるように設置される。ＬＥＤチップ１２の側面１２ｂと、封止部１３の側面１３ｂとのなす角度θ１は、４５±１７°である。
ＬＥＤチップ１２は、チップ基板１２０と結晶層１２１を有する。ＬＥＤチップ１２は、結晶層１２１が上方を向いたフェイスアップ型のＬＥＤチップである。チップ基板１２０は、例えば、サファイア基板である。結晶層１２１は、チップ基板１２０上にエピタキシャル結晶成長により形成された、例えばＧａＮ系半導体からなる層であり、ｎ型半導体層とｐ型半導体層に挟まれた発光層を有する。結晶層１１２のｎ型半導体層とｐ型半導体層は、それぞれワイヤー１４によりリードフレーム１１に接続される。
リードフレーム１１は、例えば、Ａｇからなる。また、リードフレーム１１の代わりに、表面に配線を有する基板等、他の部材を用いてもよい。
封止部１３は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の透明樹脂からなる。また、封止樹脂１３は、蛍光体粒子を含んでもよい。例えば、青色光を発するＬＥＤチップをＬＥＤチップ１２として用いて、黄色の蛍光を発する蛍光体粒子を封止部１３に含める場合、青色と黄色の混色による白色光をＬＥＤチップ１２から取り出すことができる。
図２（ａ）は、ＬＥＤチップ１２から発せられる光の強度と方向の関係を模式的に示す平面図である。図２（ａ）の白抜きの大きい矢印は強度の高い光を表し、黒塗りの小さい矢印は強度の低い光を表す。なお、図２においては、ＬＥＤチップ１２及び封止部１３以外の部材の図示を省略する。
図２（ａ）に示されるように、ＬＥＤチップ１２の隣り合う側面１２ｂの境界（平面図における角部）から側面１２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる光（白抜きの大きい矢印）は、側面１２ｂから側面１２ｂと垂直な方向に発せられる光（黒塗りの小さい矢印）よりも強度が高い。なお、図２は、上面１２ａの形状が正方形である場合の模式図であるが、上面１２ａの形状が正方形でない長方形であっても、このＬＥＤチップ１２から発せられる光の強度と方向の関係は成り立つ。
図２（ｂ）に示されるように、ＬＥＤチップ１２の隣り合う側面１２ｂの境界から側面１２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる強い光は、封止部１３の側面（封止部１３と空気との界面）に小さい入射角（１７°以下。θ１＝４５°のとき０°）で入射するため、ほとんど内面反射せずに外部へ透過する。このため、発光装置１０は光取出効率に優れる。
図３（ａ）は、比較例としての発光装置５０のＬＥＤチップ５２から発せられる光の強度と方向の関係を模式的に示す平面図である。ＬＥＤチップ５２は、従来の通常のＬＥＤチップのように、側面５２ｂと、封止部１３の側面１３ｂとのなす角度が直角（または平行）になるように設置される。
この比較例においては、図３（ｂ）に示されるように、ＬＥＤチップ５２の隣り合う側面５２ｂの境界から側面５２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる強い光は、封止部１３の側面に大きい入射角（４５°）で入射する。この入射角は臨界角に近いため、多くが透過せずに反射し、さらに、封止部１３の屈折率によっては、臨界角を超え、全反射が起きる。このため、この比較例に係る発光装置は、本実施の形態の発光装置１０よりも光取出効率が劣る。
図４〜図６は、ＬＥＤチップ１２の発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。図４〜図６のＬＥＤチップ１２は、上面１２ａの形状がいずれも正方形であり、チップ基板１２０の厚さがそれぞれ１００μｍ、１４０μｍ、１８０μｍである。
図４〜図６に示される発光強度分布は、発光強度測定装置の受光素子をＬＥＤチップ１２の周りに一定の間隔を保ったまま相対的に移動させて測定した。図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）の横軸は角度α、縦軸は角度βを表す。図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）では等強度線により発光強度が表され、等強度線の頂点を含む塗られた領域は、最高値を基準としたときの発光強度が９５％以上の領域である。図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）を三次元的に表したグラフであり、曲面の高さが発光強度の高さを表す。
以下に、図７を用いて、角度α及び角度βについて説明する。ここで、ＬＥＤチップ１２の上面の中心を中心Ｏとし、中心Ｏを通り、ＬＥＤチップ１２の上面の一辺に平行な方向に延びる軸をｘ軸とし、中心Ｏを通り、ＬＥＤチップ１２の上面内でｘ軸に直交する軸をｙ軸とし、中心Ｏを通り、ＬＥＤチップ１２の上面に垂直に延びる軸をｚ軸とする。
ｚ軸上の受光素子の中心Ｒと中心Ｏを結ぶ線分ＯＲがｘ軸方向に角度αだけ傾くように受光素子を相対的に移動させ、さらに、線分ＯＲがｙ軸方向に角度βだけ傾くように受光素子を相対的に移動させ、その位置において発光強度を測定する。この測定を、−９０≦α≦９０、−９０≦β≦９０の範囲で行った。
図４〜図６は、ＬＥＤチップ１２の隣り合う側面１２ｂの境界から側面１２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる光の強度が特に高く、側面１２ｂから側面１２ｂと垂直な方向に発せられる光よりも高いことを示している。
次に、図４〜図６から、ＬＥＤチップ１２の隣り合う側面１２ｂの境界から、どの程度の範囲の角度で発せられた光の強度が高い（９５％以上）のか、すなわち、強度の高い光が発せられる範囲を側面１２ｂに対して４５°±ω１傾いた方向と表した場合のω１の値、を導く。なお、側面１２ｂに対して４５°傾いた方向を角度範囲の中心とするのは、この方向に発せられる光の強度が特に高いことと、この方向が封止部１３の側面１３ｂに垂直に交わる（入射角が０°）ときのＬＥＤチップ１２の側面１２ｂと封止部１３の側面１３ｂとのなす角度θ１が４５°となり、ＬＥＤチップ１２の設置角度の調整が比較的容易になることによる。
発光強度が最も高い領域を基準にして強度の高い光が発せられる範囲を定めるため、図４（ａ）の中心の左上にある塗られた領域、図５（ａ）の中心の左下にある塗られた領域、及び図６（ａ）の中心の左上にある塗られた領域の中心からの角度範囲を調べる。なお、図４〜図６から求められるこの強度の高い光が発せられる角度範囲は、ＬＥＤチップ１２を真上から見たときの強度の高い光が発せられる角度範囲とほぼ等しい。
ＬＥＤチップ１２の隣り合う側面１２ｂの境界を通り、側面１２ｂに対して４５°傾いた方向を基準とした反時計回り方向の角度範囲をφ１、時計回り方向の角度範囲をφ２とし、図４〜図６から求められるφ１とφ２の６つの値の最小値をω１とする。
図４におけるφ１、φ２は、それぞれ１３°、４３°である。図５におけるφ１、φ２は、それぞれ２３°、２２°である。図６におけるφ１、φ２は、それぞれ２１°、１７°である。これらの値の最小値である１７°をω１とすれば、図４〜図６のＬＥＤチップ１２において、ＬＥＤチップ１２の隣り合う側面１２ｂの境界から、側面１２ｂに対して４５°±１７°傾いた方向に強度の高い光が発せられるということができる。
そのため、ＬＥＤチップ１２の側面１２ｂと、封止部１３の側面１３ｂとのなす角度θ１が４５±１７°であるときに、強度の強い光が封止部１３の側面に小さい入射角で入射し（強度の強い光の一部が封止部１３の側面に入射角０°で入射する）、ほとんど内面反射せずに外部へ透過する。
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、ＬＥＤチップの形態において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
図８（ａ）は、第２の実施の形態に係る発光装置２０の上面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の線分Ｂ−Ｂで切断した発光装置２０の垂直断面図である。発光装置２０は、リードフレーム２１と、リードフレーム２１上に搭載された平面視形状が長方形（正方形含む）のＬＥＤチップ２２と、リードフレーム２１上に形成され、ＬＥＤチップ２２を封止する直方体形状の封止部１３を有する。
発光装置２０は、ＬＥＤチップ２２の側部にリフレクター等の光を反射する部材を含まず、ＬＥＤチップ２２から発せられた光を封止部１３の側面１３ｂからも放出する。
ＬＥＤチップ２２と封止部１３は、ＬＥＤチップ２２の上面２２ａと封止部１３の上面１３ａが平行になるように設置される。ＬＥＤチップ２２の側面２２ｂと、封止部１３の側面１３ｂとのなす角度θ２は、４５±１４°である。
ＬＥＤチップ２２は、チップ基板２２０と結晶層２２１を有する。ＬＥＤチップ２２は、結晶層１２１が下方を向いたフリップチップ型のＬＥＤチップである。チップ基板２２０は、例えば、サファイア基板である。結晶層２２１は、チップ基板２２０上にエピタキシャル結晶成長により形成された、例えばＧａＮ系半導体からなる層であり、ｎ型半導体層とｐ型半導体層に挟まれた発光層を有する。結晶層２１２のｎ型半導体層とｐ型半導体層は、それぞれバンプ２４によりリードフレーム２１に接続される。
ＬＥＤチップ２２においては、第１の実施の形態のＬＥＤチップ１２と同様に、ＬＥＤチップ２２の隣り合う側面２２ｂの境界から側面２２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる光は、側面２２ｂから側面２２ｂと垂直な方向に発せられる光よりも強度が高い。なお、図８は、上面２２ａの形状が正方形である場合の模式図であるが、上面２２ａの形状が正方形でない長方形であっても、このＬＥＤチップ２２から発せられる光の強度と方向の関係は成り立つ。
また、ＬＥＤチップ２２の隣り合う側面２２ｂの境界から側面２２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる強い光は、封止部１３の側面に小さい入射角（１４°以内。θ２＝４５°のときは０°）で入射するため、ほとんど内面反射せずに外部へ透過する。このため、発光装置２０は光取出効率に優れる。
図９〜図１１は、ＬＥＤチップ２２の発光強度の方位依存性の例を表すグラフである。図９〜図１１のＬＥＤチップ２２は、上面２２ａの形状がいずれも正方形であり、チップ基板２２０の厚さがそれぞれ１００μｍ、２００μｍ、３７５μｍである。図９〜図１１に示される発光強度分布は、第１の実施の形態と同様の方法で測定した。
図９（ａ）、図１０（ａ）、図１１（ａ）の横軸は角度α、縦軸は角度βを表す。図９（ａ）、図１０（ａ）、図１１（ａ）では等強度線により発光強度が表され、等強度線の頂点を含む塗られた領域は、最高値を基準としたときの発光強度が９５％以上の領域である。図９（ｂ）、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）は、それぞれ図９（ａ）、図１０（ａ）、図１１（ａ）を三次元的に表したグラフであり、曲面の高さが発光強度の高さを表す。
図９〜図１１は、ＬＥＤチップ２２の隣り合う側面２２ｂの境界から側面２２ｂに対して４５°傾いた方向に発せられる光の強度が特に高く、側面２２ｂから側面２２ｂと垂直な方向に発せられる光よりも高いことを示している。
次に、図９〜図１１から、ＬＥＤチップ２２の隣り合う側面２２ｂの境界から、どの程度の範囲の角度で発せられた光の強度が高い（９５％以上）のか、すなわち、強度の高い光が発せられる範囲を側面２２ｂに対して４５°±ω２傾いた方向と表した場合のω２の値、を導く。
発光強度が最も高い領域を基準にして強度の高い光が発せられる範囲を定めるため、図９（ａ）の中心の左上にある塗られた領域、図１０（ａ）の中心の左上にある塗られた領域、及び図１１（ａ）の中心の左上にある塗られた領域の中心からの角度範囲を調べる。ＬＥＤチップ２２の隣り合う側面２２ｂの境界を通り、側面２２ｂに対して４５°傾いた方向を基準とした反時計回り方向の角度範囲をφ３、時計回り方向の角度範囲をφ４とし、図９〜図１１から求められるφ１とφ２の６つの値の最小値をω２とする。
図９におけるφ３、φ４は、それぞれ３８°、３５°である。図１０におけるφ３、φ４は、それぞれ１５°、２７°である。図１１におけるφ３、φ４は、それぞれ２２°、１４°である。これらの値の最小値である１４°をω２とすれば、図９〜図１１のＬＥＤチップ２２において、ＬＥＤチップ２２の隣り合う側面２２ｂの境界から、側面２２ｂに対して４５°±１４°傾いた方向に強度の高い光が発せられるということができる。
そのため、ＬＥＤチップ２２の側面２２ｂと、封止部１３の側面１３ｂとのなす角度θ２が４５±１４°であるときに、強度の強い光が封止部１３の側面に小さい入射角で入射し（強度の強い光の一部が封止部１３の側面に入射角０°で入射する）、ほとんど内面反射せずに外部へ透過する。
（実施の形態の効果）
上記第１及び第２の実施の形態は、ＬＥＤチップの封止部に対する平面方向の設置角度を特徴とし、これによって、安価に形成することのできる直方体形状の封止部を用いて光取出効率に優れた発光装置を得ることができる。
上記第１及び第２の実施の形態に係る発光装置は、従来の直方体形状の封止部が用いられた発光装置よりも光取出効率に優れるが、特に、封止部の屈折率が高い場合に優位性が高まる。封止部の屈折率が高いほど、封止部と空気との界面への入射角に対する反射率が高まるためである。
例えば、封止部の屈折率が１．４１を超えると封止部と空気との界面の臨界角が４５°より小さくなり、図３（ａ）に示されるような角度でＬＥＤチップが設置された場合、ＬＥＤチップの隣り合う側面の境界から側面に対して４５°傾いた方向に発せられる強度の高い光が、封止部と空気との界面で全反射し、発光装置の光取出効率が著しく低下する。そのため、上記第１及び第２の実施の形態は、封止部の屈折率が１．４１よりも大きい場合に、特に顕著な効果を発揮するといえる。
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１０、２０ 発光装置
１２、２２ ＬＥＤチップ
１２ｂ、２２ｂ 側面
１３ 封止部
１３ｂ 側面
θ１、θ２ ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度

Claims (4)

  1. 平面視形状が長方形のフェイスアップ型のＬＥＤチップと、
    前記ＬＥＤチップを封止する直方体形状の封止部と、
    を有し、
    前記ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度が、４５±１７°であり、
    前記ＬＥＤチップから発せられた光の少なくとも一部が前記封止部の側面から放出される発光装置。
  2. 平面視形状が長方形のフリップチップ型のＬＥＤチップと、
    前記ＬＥＤチップを封止する直方体形状の封止部と、
    を有し、
    前記ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度が、４５±１４°であり、
    前記ＬＥＤチップから発せられた光の少なくとも一部が前記封止部の側面から放出される発光装置。
  3. 前記封止部の屈折率は１．４１よりも大きい、
    請求項１又は２に記載の発光装置。
  4. 前記ＬＥＤチップの側面と前記封止部の側面とのなす角度が４５°である、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
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