JP2014017303A - Led光源装置及び光反射性基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光中心波長が380nm〜420nmの近紫外LED素子を実装した場合にも、その発光光を効率よく利用して、出力光量を増加することができるようにする。
【解決手段】基材10の一表面に電極12,13を配置し、その基材10の上面の電極12,13が配置されていない領域全体に、無機バインダに白色無機顔料が分散又は混合された白色無機レジストによって白色無機レジスト層11を形成して、光反射性基板1′を構成する。その白色無機レジスト層11は、白色無機顔料がチタン酸バリウムである第1層11aと、アルミナである第2層11bとが基材10側から積層して形成する。その光反射性基板1′上にLED素子2を搭載し、その第1、第2バンプ23,24を電極12,13と接合して、互いに電気的に接続すると共に機械的に固着する。そのLED素子2を覆うように封止体3を設けている。
【選択図】 図8

Description

この発明は、光反射性基板にLED素子を実装したLED光源装置と、それに使用する光反射性基板に関する。ここで、「LED」はLight Emitting Diodeすなわち「発光ダイオード」である。
LED素子は、消費電力が極めて少なく長寿命で、熱の発生も少ない極めて小型の光源素子であり、液晶表示パネルのバックライトを含む各種表示用や装飾用、計器等の照明用などの光源として多用されていた。さらに、最近は特にその節電効果と長寿命で安全性が高い点に着目され、白熱電球や蛍光灯などに代わる一般の照明用や車両の前照灯などの各ランプにまで、LED素子を実装したLED光源装置を所要数搭載した照明装置が製品化され、広く使用されるようになってきた。
そのため、近年LED素子の発光輝度は益々高くなってきているが、照明用光源の場合には、明るさとともに自然で演色性がよくソフトな白色光が好まれるため、色純度が高く点発光的な光源素子であるLEDによって、直接その要求を満たすのは難しかった。
そこで、電極を形成した基板上にLED素子を実装し、蛍光体を分散させた封止体で封止してLEDパッケージを構成し、LED素子が発光する狭い波長帯域の光を蛍光体に当てて一旦吸収させ、広い波長帯域の光に変換させることによって、演色性がよい白色光あるいは擬似白色光を放射するようにしたLED光源装置が種々開発されている。
その場合、LED素子が発光する光を基板に吸収されることなく効率よく蛍光体に当て、ロス無く利用できるように、基板表面の電極が形成された部分以外を反射性の高い膜あるいは層で覆う技術も知られている。
例えば、特許文献1には、回路基板の上面に電極と酸化チタンの微粒子を含む白色インク層とを形成し、その回路基板上にLED素子をフリップチップ実装して、その全面を蛍光体を含有した樹脂層で覆った半導体発光装置(LED装置)が開示されている。
また、特許文献2にも、絶縁性及び耐熱性を有する基材の上面に電極を形成するとともに、その電極を除く領域に白色無機レジスト層を形成し、その電極上にLED素子を接合してワイヤボンド実装し、そのLED素子を覆うように全面を蛍光体が混入された透明性を有する樹脂によって封止したLED光源装置が開示されている。
その白色無機レジスト層は、例えば無機バインダとして機能するシリカゾル、オルガノポリシロキサン等に白色無機微粒子である酸化チタン等のフィラーを分散又は混合させた、セラミックインクとも称される白色無機レジストで形成される。特許文献1で使用される白色インクも同様なものである。このようなLED光源装置によれば、LED素子が発光する光を効率よく利用して明るい白色光を得ることができる。
特開2012−15437号公報(図14、図15、段落0035〜0039) 国際公開第2012/002580号パンフレット(図1、第7〜10頁)
このような従来のLED光源装置において、基板上に形成される白色インク層や白色無機レジスト層は、その白色無機微粒子(顔料)として一般に酸化チタン(TiO)が使用されており、波長が420nm程度までの可視光域の光に対しては高い反射特性を有している。そのため、LED素子の発光中心波長が450nm程度の青色光であれば、高い反射性が得られる。ところが、近年、発光中心波長が380nm〜420nmの紫あるいはそれより短波長の近紫外光を発光する高効率のLED素子(NUV−LED又は近紫外LEDと称される素子)が開発され、そのLED素子と赤色、緑色、青色の3波長型の蛍光体とを組み合わせることによって、より演色性に富んだ白色光が得られるLED光源装置が実現可能になった。
しかしながら、顔料として酸化チタン等を使用した従来の白色インク層や白色無機レジスト層では、光の波長が420nm程度より短くなるとその反射率が急激に低下し、上述した近紫外LEDが発光する光を効率よく反射して利用することができないという問題が発生した。
この発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、発光中心波長が380nm〜420nmの近紫外LED素子を実装した場合にも、その発光光を効率よく利用して、出力光量を増加することができるLED光源装置及び光反射性基板を提供することを目的とする。
この発明は、基材の一表面に電極と白色無機レジスト層とが形成された光反射性基板と、その光反射性基板の上記白色無機レジスト層が形成された面側に、上記電極と少なくとも電気的に接続されて実装されたLED素子とを有するLED光源装置において、
上記の目的を達成するため、上記白色無機レジスト層を、無機バインダに白色無機顔料が分散又は混合されたもので形成し、上記基材の表面側から第1層と第2層とによって構成する。
そして、上記第1層の白色無機顔料は、上記第2層の白色無機顔料よりも可視光域全域の光に対して大きい屈折率を有し、上記第2層は、上記第1層に比べて少なくとも近紫外光に対する全反射率が高く、可視光域から近紫外光域までの全域に亘って全反射率が均一であることを特徴とする。
上記第1層の白色無機顔料を、チタン酸バリウム又は酸化チタンあるいはその両方とし、上記第2層の白色無機顔料を、アルミナ、タルク、水酸化アルミニウム、べーマイト、硫酸バリウム、焼成カオリンのうちのいずれかあるいは複数の組合せにするとよい。
上記第1層の白色無機顔料をチタン酸バリウムとし、上記第2層の白色無機顔料をアルミナにすると特によい。
上記基材の一表面全体に上記白色無機レジスト層を形成し、その白色無機レジスト層の上面に上記電極を配置してもよい。
あるいは、上記電極を上記基材の一表面に直接配置し、上記白色無機レジスト層を上記基材の一表面における電極が配置されていない領域に形成するようにしてもよい。
上記LED素子を近紫外LED素子とし、上記光反射性基板の近紫外LED素子を搭載
した側に、その近紫外LED素子を覆う封止体を備え、その封止体を蛍光体が分散された透光性を有する樹脂材料によって形成するとよい。
この発明はまた、上記LED光源装置に使用する光反射性基板も提供する。
すなわち、基材の一表面に白色無機レジスト層が形成された光反射性基板において、前述した目的を達成するため、上記白色無機レジスト層を、無機バインダに白色無機顔料が分散又は混合されたもので形成し、上記基材の表面側から第1層と第2層とによって構成する。その第1層の白色無機顔料は、第2層の白色無機顔料よりも可視光域全域の光に対して大きい屈折率を有し、上記第2層は、第1層に比べて少なくとも近紫外光に対する全反射率が高く、可視光域から近紫外光域までの全域に亘って全反射率が均一であることを特徴とする。
その第1層と第2層の白色無機顔料を、それぞれ前述したLED光源装置における白色無機レジスト層の場合と同様に選択するとよい。
また、上記基材の一表面における上記白色無機レジスト層と電極の配置も、前述したLED光源装置の場合と同様にするとよい。
この発明によるLED光源装置及び光反射性基板は、基材上の白色無機レジスト層が、可視光域から近紫外光域までほぼ均一な高い反射率を有するので、発光中心波長が380nm〜420nmの近紫外LED素子を実装しても、その発光光を効率よく利用して、出力光量を増加することができる。それによって、演色性に富んだ明るい白色光を効率よく得ることも可能になる。
この発明による光反射性基板の基本的な実施形態を示す概略断面図である。 一般的な青色LED素子の発光光及びそれを蛍光体によって波長変換した光の輝度分布特性例と、従来の白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層の全反射率特性例とを示す線図である。 一般的な近紫外LED素子の発光光及びそれを蛍光体によって波長変換した光の輝度分布特性例と、従来の白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層の全反射率特性例とを示す線図である。 基材表面とそれに従来の各種白色無機顔料による一層の白色無機レジスト層を形成した場合の波長域360nm〜740nmにおける全反射率特性例を示す線図である。 同じくその波長域380nm〜450nmにおける全反射率特性例を波長のスケールを拡大して示す線図である。 基材表面とそれに白色無機顔料に酸化チタンとチタン酸バリウムを個別に用いた二層(この発明)と、混合して用いた一層の白色無機レジスト層をそれぞれ形成した場合の波長域360nm〜740nmにおける全反射率特性例を示す線図である。 同じくその波長域380nm〜450nmにおける全反射率特性例を波長のスケールを拡大して示す線図である。 この発明によるLED光源装置の第1の実施形態を示す概略断面図である。 LED素子の内部構造の一例を示す概略断面図である。 この発明によるLED光源装置の第2の実施形態を示す概略断面図である。 この発明によるLED光源装置の第3の実施形態を示す概略断面図である。 この発明によるLED光源装置の第4の実施形態を示す概略断面図である。 この発明によるLED光源装置の第5の実施形態を示す概略断面図である。 この発明によるLED光源装置の第6の実施形態を示す概略断面図である。 この発明によるLED光源装置の第7の実施形態を示す概略断面図である。
以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
〔光反射性基板の基本的な実施形態〕
先ず、この発明による光反射性基板の基本的な実施形態について説明する。図1はその光反射性基板の基材の厚さ方向に沿う概略断面図である。
この図1に示す光反射性基板1は、板状の基材10の一表面(図では上面)の全面に白色無機レジスト層11を形成したものである。
その白色無機レジスト層11は、無機バインダに白色無機顔料が分散又は混合された白色無機レジストで形成され、基材10の表面側から第1層11aと第2層11bとによって構成されている。なお、図示の都合上、白色無機レジスト層11の厚さを大幅に拡大して示しているが、基材10の厚さが数百μmから1mm程度であるのに対して、白色無機レジスト層11の厚さは2層で100μm以下、好ましくは30〜40μm程度である。
その第1層11aの白色無機顔料は、第2層11bの白色無機顔料よりも可視光域全域の光に対して大きい屈折率を有し、第2層11bは、第1層11aに比べて少なくとも近紫外光に対する全反射率が高く、可視光域から近紫外光域までの全域に亘って全反射率が均一である。
ここで均一とは、±数%程度の全反射率の変化は誤差範囲として含むものとする。
また、入射角=反射角となる正反射する光の割合である正反射率(%)と、それ以外の反射光の割合である拡散反射率(%)との合計を全反射率(%)という。一般にはこの全反射率を反射率と称している。
基材10には、例えばガラスクロスと無機フィラーにより熱安定性と寸法安定性を強化したエポキシ樹脂(ガラスエポキシ樹脂)を使用するとよい。しかし、絶縁性と耐熱性を有する他の材料、例えば一般に配線基板用基材として使用されているベークライト、通常のエポキシ樹脂よりも耐熱性に優れているBTレジン基材やシリコーン基材、セラミックス基材であるアルミナや窒化アルミ等を使用してもよい。さらに、基材として放熱性に優れた金属基材であるアルミや銅等を使用してもよい。
また、LED素子を搭載する側の表面全体に隠蔽性と反射率が高い白色無機レジスト層11を形成するので、下地基材として反射率が低い有色系エポキシ樹脂、シリコーン、窒化アルミ(反射率40%程度)や、透明なガラス等も利用することができる。
白色無機レジスト層11の第1層11a及び第2層11bはいずれも、無機バインダとして機能するシリカゾルやオルガノポリシロキサンに、白色無機顔料の微粒子のフィラーを分散又は混合させた白色無機レジスト(「白色セラミックインク」とも称される)によって形成する。
すなわち、その白色無機レジストを基材10の一表面にスクリーン印刷等によって配置した後、150℃程度の雰囲気下で硬化させて第1層11aを形成し、その第1層11a全表面に再び白色無機レジストをスクリーン印刷等によって配置した後、150℃程度の雰囲気下で硬化させて第2層11bを形成する。
その第1層11aの白色無機顔料は、第2層11bの白色無機顔料よりも可視光域全域の光に対して大きい屈折率を有する必要がある。白色無機顔料の屈折率が大きい方がバインダとの屈折率差が大きくなり、反射率が高くなる。それによって隠蔽性も高くなり、基材10が有色の場合は基材の表面(下地)の色が見えなくなる。基材10が透光性の場合は基材内部への光の侵入を防ぐことが出来る。
第1層11aの白色無機顔料としては、可視光域の光に対する屈折率が2.0以上の顔料が望ましく、チタン酸バリウム(2.4)又は酸化チタン(2.7)あるいはその両方を使用することができる。括弧内の数値は、各物質の可視光域の光に対する代表的な屈折率を示している。
また、第2層11bの白色無機顔料としては、可視光域の光に対する屈折率が2.0未満の顔料が望ましく、アルミナ(1.76)、タルク(1.62)、水酸化アルミニウム(1.57)、べーマイト(1.65)、硫酸バリウム(1.64)、焼成カオリン(1.62)のうちのいずれか、あるいはこれらの複数を組合せて使用するとよい。括弧内の数値は、同じく可視光域の光に対する屈折率を示している。
可視光域とは通常、紫色光から赤色光までの波長が約380nm〜約770nmの光域を云い、近紫外光域とは、紫外光のうちで可視光(紫色光)に近い波長域で、一般には約315nm〜約380nmの光域とされている。この明細書中での可視光域と近紫外光域もこれに準じている。
しかし、近年開発された近紫外LED(NUV−LED)素子は、その発光中心波長が380nm〜420nmにあり、可視光のうち紫外光に最も近い紫色光を発光するものが多く、従来の青色LED素子よりは発光中心波長が短波長になっている。しかし、必ずしも一般に定義されている近紫外光域に発光中心波長を有するものではない。
ここで、一般的な青色LED素子の発光光及びそれを蛍光体によって波長変換した光の輝度分布特性例と、従来の白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層の全反射率特性例とを図2に示す。
この図2において、2つのピークを有する曲線がLED光源装置の出力光の輝度分布特性を示し、その輝度の単位は任意であり、その出力光の波長ごとの相対的な輝度を示している。
そして、波長約450nmをピークとするピーク曲線aは、青色LED素子の発光光の輝度分布であり、発光中心波長の約450nmに鋭いピークを有する狭い波長帯域の青色光であることが分かる。また、波長約550nmをピークとするピーク曲線bは、蛍光体によって波長変換された光の輝度分布であり、LED素子の青色光と蛍光体により変換された黄色光からなる擬似白色光であることが分かる。
一方、×印でプロットした実線の曲線eは、白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層の全反射率特性例を示している。これは波長750nmから約430nmまで全反射率が約90%で一定の高い値を示しており、青色LED素子の発光域でも充分高い全反射率を有している。したがって、青色LED素子を実装したLED光源装置の場合は、基材の表面に白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層を形成するだけで、青色LED素子の発光光及びそれを蛍光体によって波長変換した出力光の全波長域の光を殆ど反射して、効率よく利用することができる。
これに対して、図3は一般的な近紫外LED素子の発光光及びそれを蛍光体によって波長変換した光の輝度分布特性例と、従来の白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層の全反射率特性例とを示す。
この図3において、波長約415nmをピークとするピーク曲線cは、近紫外LED素子の発光光の輝度分布であり、発光中心波長の約415nmに高く鋭いピークを有し、青色LED素子の場合より狭い波長帯域の紫色光であることが分かる。また、波長約625nmをピークとするピーク曲線dは、蛍光体によって波長変換された光の輝度分布であり、赤色から青色に亘るより広い波長域の光に変換されていることが分かる。
一方、×印でプロットした実線の曲線eは、図2と同じ白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層の全反射率特性例を示している。これは波長750nmから約430nmまでは全反射率が約90%で一定の高い値を示しているが、それより短い波長域では全反射率が急激に低下し、この近紫外LED素子の発光中心波長の約415nmでは70%程度に低下する。近紫外LED素子の発光中心波長がさらに短い場合には、全反射率の低下が一層大きくなる。
したがって、近紫外LED素子を実装したLED光源装置の場合は、基材の表面に白色無機顔料を酸化チタンとした一層の白色無機レジスト層を形成しただけでは、近紫外LED素子の発光光を無駄なく反射して効率よく利用することはできないことが明らかである。
ここで、図4に基材表面とそれに従来の各種白色無機顔料による一層の白色無機レジスト層を形成した場合の波長域360nm〜740nmにおける全反射率特性例を示す。図5には、その波長域380nm〜450nmにおける全反射率特性例を波長のスケールを拡大して示す。
これらの図から明らかなように、実線fで示す基材表面の特性は、波長が700nm程度の光(赤色光)に対しては70%以上の全反射率を有するが、光の波長が短くなる程全反射率が低下し、波長が400nmの光(紫色光)に対しては30%程度の全反射率しかない。
その基材表面に、白色無機顔料が酸化チタン(TiO)である一層の白色無機レジスト層を形成した場合(破線gで示す)と、白色無機顔料がチタン酸バリウムである一層白色無機レジスト層を形成した場合(二点鎖線hで示す)の全反射率特性は、いずれも可視光域の750nm(赤色光)から420nm(青色光)程度までは、ほぼ均一で90%近い高い全反射率を有する。しかし、破線gで示す前者は波長が約420nmより短い短波長域で、二点鎖線hで示す後者でも波長が約400nmより短い短波長域では、いずれも全反射率が急激に低下する。
これに対して、白色無機顔料がアルミナである一層の白色無機レジスト層を形成した場合(点線iで示す)の全反射率特性は、可視光域の750nmから400nm位までは、前述した白色無機顔料が酸化チタン又はチタン酸バリウムである場合よりも全反射率が幾分低いが、それでも80%以上の高い値でほぼ均一である。さらに、波長が約400nmより短い紫色光や近紫外光の光域でも全反射率が殆ど低下せず、約80%を維持している。
そこで、基材表面とそれに白色無機顔料に酸化チタンとチタン酸バリウムを個別に用いた二層(この発明)、および混合して用いた一層の白色無機レジスト層をそれぞれ形成した場合の波長域360nm〜740nmにおける全反射率特性例を図6に示す。図7には
、同じくその波長域380nm〜450nmにおける全反射率特性例を波長のスケールを拡大して示す。
基材表面の全反射率特性(実線fで示す)は、図4及び図5に示した例と同様である。一方、その基材表面に、白色無機顔料にチタン酸バリウムを用いた下層(第1層)と、白色無機顔料にアルミナを用いた上層(第2層)の白色無機レジスト層を積層して形成した場合(二点鎖線jで示す)の全反射率特性は、可視光域の750nmから400nm位までは、全反射率がほぼ90%の一定値を維持し、400nmより短い波長域では全反射率が徐々に低下はするが、波長380nmの光に対しても約85%の高い全反射率を有している。
白色無機顔料に酸化チタンを用いた下層(第1層)と、白色無機顔料にアルミナを用いた上層(第2層)の白色無機レジスト層を積層して形成した場合(点線kで示す)の全反射率特性は、可視光域の750nmから420nm位までは、二点鎖線jで示した上述の場合とほぼ同じで、全反射率がほぼ90%の一定値を維持し、420nmより短い波長域では全反射率が徐々に低下はするが、波長390nmの光に対しても約80%の高い全反射率を有している。
したがって、基材表面にこれらの二層の白色無機レジスト層を形成すれば、図3に示したような発光中心波長が約415nmの近紫外LED素子を実装した場合でも、その発光光のうちこれらの層(膜)に入射する光のほぼ90%を反射して利用可能にすることができる。
これに対して、白色無機顔料としてアルミナとチタン酸バリウムを混合して使用した一層の白色無機レジスト層を形成した場合(破線mで示す)の全反射率特性も、可視光域の750nmから420nm位までは、85%程度の全反射率を有し、波長が550nmから420nmの光域では短波長になるに連れて全反射率が若干高くなるが、420nmより短い波長域では全反射率が低下し始め、400nm以下の波長域では全反射率が急激に低下する。
そのため、発光中心波長が約415nmの近紫外LED素子を実装した場合には、その発光光のうちこれらの層(膜)に入射する光のほぼ85%程度を反射して利用可能にすることはできるが、上述の二層の白色無機レジスト層を形成した場合と比べるとその反射率が低い。さらに、発光中心波長が400nm以下の近紫外LED素子を実装した場合には、その発光光に対する反射率がかなり低下してしまうため、その発光光を効率よく利用することができなくなる。
そのため、図1に示した光反射性基板1では、基材10の一表面(LED素子を実装する側の面)に、基材10の表面側から第1層11aと第2層11bの白色無機レジスト層を積層した白色無機レジスト層11を、無機バインダに下記の白色無機顔料が分散又は混合された白色無機レジストによって形成している。
その第1層11aの白色無機顔料には屈折率が大きいチタン酸バリウム(屈折率2.4)を使用し、第2層11bの白色無機顔料には可視光域から紫外光域まで吸収域を持たず屈折率が可視光域全域の光に対してそれより小さいアルミナ(屈折率1.76)を使用する。それによって、図4及び図5に示したように、第2層11b(白色無機顔料がアルミナ)は、第1層11a(白色無機顔料がチタン酸バリウム)に比べて、少なくとも近紫外光に対する全反射率が高く、可視光域から近紫外光域までの全域に亘って全反射率が均一でしかも約80%の高さを有する。
そして、白色無機レジスト層11全体の全反射率特性は、図6及び図7に二点鎖線jで示したように、可視光域の750nmから400nm位までは、全反射率がほぼ90%の一定値を維持し、400nmより短い波長域では全反射率が徐々に低下はするが、波長380nmの光に対しても約85%の全反射率を有する。
したがって、この光反射性基板1に近紫外LED素子を実装してLED光源装置を構成すれば、その近紫外LED素子の発光中心波長が約415nmの場合はその発光光の入射成分をほぼ90%を反射して利用可能にし、発光中心波長が約380nmの場合でも、その発光光の入射成分をほぼ85%を反射して利用可能にすることができる。
しかし、第1層11aの白色無機顔料に酸化チタンを使用しても、図6及び図7に点線kで示したように、可視光域の紫色光域まで85%以上の高い全反射率を有するので、近紫外LED素子を実装した場合でも、その発光光の入射成分の殆どを反射して利用可能にすることができる。
また、第1層11aの白色無機顔料として、チタン酸バリウムと酸化チタンを混合して使用したり、第2層11bの白色無機顔料としてアルミナに代えて、前述したタルク、水酸化アルミニウム、べーマイト、硫酸バリウム、焼成カオリンのうちのいずれか、あるいはこれらとアルミナのうちの複数を組合せて使用するようにしても、上述した例とほぼ同様な全反射率特性を得ることができ、近紫外LED素子を搭載するのに適した光反射性基板を作製することができる。
〔LED光源装置の実施形態〕
以下、この発明によるLED光源装置の各種実施形態を図8〜図15によって説明するが、これらの図において、図1と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの詳細な説明は省略する。また、図8〜図15の相互においても、形状が多少相違しても対応する部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
また、LED光源装置の各種実施形態の説明において、それに使用する光反射性基板の各種実施形態も説明することになる。
(1)フリップチップ両面実装タイプ
光反射性基板にLED素子を実装したLED光源装置には種々のタイプるが、先ず、フリップチップ両面実装タイプのLED光源装置である第1、第2の実施形態を図8〜図10によって説明する。
図8はその第1の実施形態の構成を示す概略断面図である。このLED光源装置は、電極12,13を設けた光反射性基板1′上にLED素子2を実装しており、LEDパッケージとも称される。また、LED素子はLEDチップとも称される。以下の各実施形態においても同様である。
その光反射性基板1′には、基材10の一表面(LED素子2を搭載する側の面である上面)に一対の電極12,13を直接配置している。その電極12,13の基材10の表面上に配置された部分は30〜50μmの厚さを有し、基材10に形成されたスルーホール内に充填されたポスト部12a,13aを介して、基材10の下面に形成した薄い下面電極部12b,13bと一体になっている。このような電極を配線層と称する場合もある。
この電極12,13は導電性のよい金属によって、例えば銅メッキ法によって銅(Cu)で形成される。この実施形態では、その電極12,13の基材10の表面上の部分の上面に、ニッケル(Ni)メッキ層上に銀(Ag)メッキ層を重ねたNi−Agメッキ層な
どの導電性がよく反射率も高いメッキ層12c,13cが形成さらている。しかし、このメッキ層12c,13cは必須ではない。
そして、基材10の上面の電極12,13が配置されていない領域全体に、図1によって前述した第1層11aと第2層11bとが基材10側から積層された白色無機レジスト層11が、電極12,13の基材10の表面上に配置された部分の厚さとほぼ同じ厚さに形成されている。したがって、第1層11aと第2層11bの厚さがそれぞれ15〜25μmで、白色無機レジスト層11全体の厚さが30〜50μmになる。
このように構成した光反射性基板1′上に、LED素子2の第1バンプ23と第2バンプ24をそれぞれ電極12,13上に位置合わせして配置し、その第1バンプ23と第2バンプ24をそれぞれ電極12,13と金属共晶接合や半田リフロー接合などによって接合し、互いに電気的に接続するとともに、LED素子2を光反射性基板1′上に機械的に固着する。
そのLED素子2は、図9に内部構造の一例を示す概略断面図で示すように構成されている。すなわち、サファイア基板25の下面にn型半導体層21があり、さらにその下面にp型半導体層22が設けられており、そのn型半導体層21とp型半導体層22とのpn接合部が発光層となっている。そして、n型半導体層21の下面の一部にはn側電極として第1バンプ23が、p型半導体層22の下面の一部にはp側電極として第2バンプ24がそれぞれ設けられている。
このLED素子2を、前述のように光反射性基板1′上に搭載し、その第1バンプ23と第2バンプ24をそれぞれ電極12,13と接合して、互いに電機的に接続すると共に機械的に固着する。
その光反射性基板1′のLED素子2を搭載した側に、そのLED素子2を覆うように封止体3を設けている。この実施形態では、その封止体3は蛍光体が分散された透光性を有する樹脂材料を、隙間無く充填して所定の外形形状に形成している。図では模式的に外周が角形になっているが、球面状など任意の形状に形成することができる。
その蛍光体として、黄色蛍光体を青色LED素子と組み合わせて使用したり、赤色、緑色、青色の3波長型の蛍光体を近紫外LED素子と組み合わせて使用することによって、その青色光や紫色光を白色光に変換して出力することができる。しかし、蛍光体はそれに限らず、任意の色のものを選択したり、それらを適宜混合して使用してもよく、それによって用途に応じた任意の色の発光出力を得ることができる。また、蛍光体を使用せずに、透明な封止体内での内面反射の繰り返しによって、LED素子2による発光光を拡散及び波長変換して出力させるようにしてもよい。
この実施形態のLED光源装置は、光反射性基板1′のLED素子2を搭載する側の面における電極12,13が配置されていない領域には、二層からなる白色無機レジスト層11が形成されている。その白色無機レジスト層11が前述したように、可視光域から紫色光域まで高い全反射率を有するので、LED素子2として発光中心波長が約415nmあるいはそれ以下の近紫外LED素子を実装しても、その発光光の白色無機レジスト層11への入射成分の殆どを反射して利用可能にすることができる。
したがって、赤色、緑色、青色の3波長型の蛍光体を分散させた透光性を有する樹脂材料による封止体3を通して、演色性が高い白色光を高輝度で出力することが可能である。また、他の蛍光体を分散させた封止体や、蛍光体を使用しない封止体などと組み合わせても、用途に応じた色の明るい出力光を得ることが可能である。
なお、電極12,13の上面にも反射率が高いメッキ層12c,13cを形成しておけば、LED素子2の発光光のうちそのメッキ層12c,13cへの入射成分も殆ど反射されるため、一層その利用効率を高めることができる。
このLED光源装置を図示していない装置側の回路基板に搭載する際には、電極12,13の下面電極部12b,13bを回路基板上の給電回路等の配線パターンに直接接合させて、電気的な接続及び機械的な固定を行うことができる。
電極12,13は導電性がよいだけでなく熱伝導率も高いので、LED素子2が発光時に発生する熱を効率よく伝導して回路基板側へ放熱することができる。また、白色無機レジスト層11も熱伝導率が高いので、LED素子2が発生する熱を効率よく基材10全体に分散させ、そこから回路基板側へ放熱させることができる。
そのため、LED素子2を長時間に亘って高輝度で発光させても、熱によって劣化するのを防止することができる。
次に第2の実施形態を図10によって説明する。図10はそのLED光源装置の構成を示す概略断面図である。
この第2の実施形態が上述した第1の実施形態と異なるのは、電極14,15の形状だけである。この実施形態における電極14,15は、基材10の表面上に配置される部分を、図8における電極12,13のポスト部12a,13aと同じ平面形状にして、ポスト部12a,13aを基材10の表面から30〜50μmだけ突出させるように形成したものに相当する。その電極14,15の上面形状は、LED素子2の第1バンプ23及び第2バンプ24の各下面形状とも同じである。基材10の下面側には下面電極部14b,15bを一体に形成している。
その電極14,15の上面にも、Ni−Agメッキ層などの導電性がよく反射率も高いメッキ層14c,15cを形成するとよい。
そして、基材10の上面の電極14,15が配置されていない領域全体に、前述した第1層11aと第2層11bとが基材10側から積層された白色無機レジスト層11が、電極14,15の基材10の表面上に出た部分の高さとほぼ同じ厚さ(30〜450μm)に形成されている。
したがって、この実施形態によれば、電極14,15の平面形状を必要最小限度に小さくした分だけ、基材10の表面における全反射率が高い白色無機レジスト層11の面積比率が大きくなり、実装したLED素子2の発光光を一層有効に利用できる。
この光反射性基板1′上にLED素子2を搭載し、その第1バンプ23と第2バンプ24をそれぞれ電極14,15と金属共晶接合や半田リフロー接合などによって接合させ、互いに電気的に接続するとともに、LED素子2を光反射性基板1′上に機械的に固着することは、前述した第1の実施形態と同様である。但し、電極14,15の上面形状とLED素子2の第1バンプ23及び第2バンプ24の各下面形状とが同じで、面積も同じなので、必要な接合面積を確保するために位置合わせ精度をよくする必要がある。
その光反射性基板1′のLED素子2を搭載した側に、そのLED素子2を覆うように封止体3を設けることは、前述した第1の実施形態と同様である。
(2)ワイヤボンド両面実装タイプ
次に、この発明によるワイヤボンド両面実装タイプのLED光源装置である第3、第4の実施形態を図11及び図12によって説明する。
図11はその第3の実施形態の構成を示す概略断面図である。
このLED光源装置は、光反射性基板1′の上面の中央部に、LED素子2′の下面全体より大きい面積と平面形状を有する電極16を配置し、基材10に形成された比較的大きいスルーホール内に充填されたポスト部16aを介して、基材10の下面に形成した下面電極部16bと一体になっている。その電極16の上面にも、Ni−Agメッキ層などの導電性がよく反射率も高いメッキ層14c,16cを形成するとよい。
その電極16に対して図11で右側に間隔を置いて、図10に示した第2の実施形態における電極14と同様な電極14を配置している。
これらの電極14,16も、例えば銅メッキ法によって銅(Cu)で形成される。
そして、基材10の上面の電極14,16が配置されていない領域全体に、前述した第1層11aと第2層11bとが基材10側から積層された白色無機レジスト層11が、電極14,16の基材10の表面上にある部分とほぼ同じ厚さ(30〜50μm)に形成されている。
この光反射性基板1′に実装するLED素子2′は、図9に示したLED素子2を上下反転したようなもので、上面に第1バンプ23と第2バンプ24に代わるn側電極とp側電極が設けられている。
そのLED素子2′の下面に接着剤を塗布して、光反射性基板1′の電極16上に載置して接着し、LED素子2′を光反射性基板1′に機械的に固定する。
その後、n側電極をボンディングワイヤ4によって電極14に接続し、p側電極をボンディングワイヤ5によって電極16に接続する。このようにして、LED素子2′と光反射性基板1′の電極14,16とをワイヤボンディングによって電気的に接続する。
その光反射性基板1′のLED素子2′を搭載した側に、そのLED素子2′を覆うように封止体3を設けることは、前述した各実施形態と同様である。
この第3の実施形態による作用効果は、第1の実施形態と同様である。
図12は第4の実施形態の構成を示す概略断面図である。
このLED光源装置は、光反射性基板1′の図12で左右両側に間隔を置いて、図10に示した第2実施形態における電極14,15と同様な、基材10の上面に配置される部分の平面形状が小さい電極14,15を配置している。
そして、基材10の上面の電極14,15が配置されていない領域全体に、前述した第1層11aと第2層11bとが基材10側から積層された白色無機レジスト層11が、電極14,15の基材10の表面上にある部分とほぼ同じ厚さ(30〜50μm)に形成されている。
その後、LED素子2′の下面に接着剤を塗布して、光反射性基板1′の白色無機レジスト層11上に載置して接着し、LED素子2′を光反射性基板1′に機械的に固定する
そして、n側電極をボンディングワイヤ4によって電極14に接続し、p側電極をボンディングワイヤ5によって電極15に接続する。このようにして、LED素子2′と光反射性基板1′の電極14,15とをワイヤボンディングによって電気的に接続する。
その光反射性基板1′のLED素子2′を搭載した側に、そのLED素子2′を覆うように封止体3を設けることは、前述した各実施形態と同様である。
この第4の実施形態による作用効果は、第2の実施形態と同様である。
これらの第3、第4の実施形態のLED光源装置も、図示していない装置側の回路基板に搭載する際には、電極14と電極16又は15の下面電極部14bと16b又は15bを回路基板上の給電回路等の配線パターンに直接接合させて、電気的な接続及び機械的な固定を行うことができる。
しかし、図12に示した第4の実施形態の場合には、LED素子2′が発光時に発生する熱を電極14,15を通して回路基板側へ伝導させて放熱させることはできない。但し、LED素子2′の下面全体が熱伝導率が高い白色無機レジスト層11に接着されているので、LED素子2′が発生する熱を効率よく基材10全体に分散させ、基材10の下面あるいは電極14,15を通して回路基板側へ放熱させることができる。
(3)フリップチップ上面実装タイプ
次に、この発明によるフリップチップ上面実装タイプのLED光源装置である第5の実施形態を図13によって説明する。図13はその第5の実施形態の構成を示す概略断面図である。
この第5の実施形態のLED光源装置は、図1に示したように光反射性基板1のように、基材10の上面全体に第1層11aと第2層11bとが基材10側から積層された白色無機レジスト層11を形成し、その第2層11bの表面に一対の電極17,18を、銅メッキ法などによって銅(Cu)で10μm程度の厚さに形成して光反射性基板1″を構成している。
その電極17,18は、LED素子2の第1バンプ23と第2バンプ24と対応する位置に配置するだけでなく、外部と接続するためのリード線となる配線パターン(例えば図13の紙面に垂直な方向に延びる)も一体に形成している。
また、その電極17,18の上面にも、Ni−Agメッキ層などの導電性がよく反射率も高いメッキ層17c,18cを形成するとよい。
このように構成した光反射性基板1″上に、LED素子2をその第1バンプ23と第2バンプ24をそれぞれ電極17,18上に位置合わせして配置し、その第1バンプ23と第2バンプ24をそれぞれ電極17,18と金属共晶接合や半田リフロー接合などによって接合し、互いに電気的に接続するとともに、LED素子2を光反射性基板1″上に機械的に固着する。
その光反射性基板1″のLED素子2を搭載した側に、そのLED素子2を覆うように封止体3を設けることは、前述した各実施形態と同様である。
このLED光源装置は、光反射性基板1″の上面の白色無機レジスト層11の面積比率を大きくすることができるので、LED素子2が発光する光を一層効率よく利用すること
ができる。
このLED光源装置を図示していない装置側の回路基板に搭載する際には、光反射性基板1″の下面を回路基板に接着などによって固定し、光反射性基板1″上に電極17,18と一体に形成した配線パターンと、回路基板上の給電回路等の配線パターンとを、ワイヤボンドや専用のコネクタ等によって電気的に接続する必要がある。
また、LED素子2が発光時に発生する熱は、電極17,18及び白色無機レジスト層11を通して基材10に伝導されて拡散し、さらに接着された回路基板側へ放熱される。(4)ワイヤボンド上面実装タイプ
次に、この発明によるワイヤボンド上面実装タイプのLED光源装置である第6、第7の実施形態を図14及び図15によって説明する。
図14はその第6の実施形態の構成を示す概略断面図である。
この第6の実施形態のLED光源装置は、上述した第5の実施形態と同様な光反射性基板1″を使用するが、白色無機レジスト層11の第2層11bの表面の中央部に、LED素子2′の下面より大きい面積及び形状の電極19を形成する。その図14において右側に間隔を置いて、電極17を図13の電極17より小さく形成する。
これらの電極17,19も、外部と接続するためのリード線となる配線パターン(例えば図14の紙面に垂直な方向に延びる)を一体に形成している。
また、その電極17,19の上面にも、Ni−Agメッキ層などの導電性がよく反射率も高いメッキ層17c,19cを形成するとよい。
その後、LED素子2′の下面に接着剤を塗布し、電極19上に載置して接着し、LED素子2′を光反射性基板1″に機械的に固定する。
そして、LED素子2′のn側電極をボンディングワイヤ4によって電極17に接続し、p側電極をボンディングワイヤ5によって電極19に接続する。このようにして、LED素子2′と光反射性基板1″の電極17,19とをそれぞれワイヤボンディングによって電気的に接続する。
その光反射性基板1″のLED素子2′を搭載した側に、そのLED素子2′を覆うように封止体3を設けることは、前述した各実施形態と同様である。
この第6の実施形態による作用効果も第4の実施形態とほぼ同様である。
このLED光源装置を図示していない装置側の回路基板に搭載する際には、光反射性基板1″の下面を回路基板に接着などによって固定し、光反射性基板1″上に電極17,19と一体に形成した配線パターンと、回路基板上の給電回路等の配線パターンとを、ワイヤボンド等によって電気的に接続する必要がある。
また、LED素子2′が発光時に発生する熱は、電極19及び白色無機レジスト層11を通して基材10に伝導されて拡散し、さらに接着された回路基板側へ放熱される。
図15は第7の実施形態の構成を示す概略断面図である。
この第7の実施形態では、光反射性基板1″の白色無機レジスト層11の第2層11b
の表面に、上述した第6の実施形態における電極17と同様な小さめの電極17,18を間隔を広く開けて配置している。
その後、LED素子2′の下面に接着剤を塗布し、光反射性基板1″の白色無機レジスト層11上に載置して接着し、LED素子2′を光反射性基板1″に機械的に固定する。
そして、LED素子2′のn側電極をボンディングワイヤ4によって電極17に接続し、p側電極をボンディングワイヤ5によって電極18に接続する。このようにして、LED素子2′と光反射性基板1″の電極17,18とをそれぞれワイヤボンディングによって電気的に接続する。
その光反射性基板1″のLED素子2′を搭載した側に、そのLED素子2′を覆うように封止体3を設けることは、前述した各実施形態と同様である。
この第7の実施形態による作用効果も第5、第6の実施形態とほぼ同様であるが、光反射性基板1″に露出する白色無機レジスト層11の面積を大きくすることができるので、LED素子2′が発光する光を一層効率よく利用することができる。
このLED光源装置を図示していない装置側の回路基板に搭載する際には、光反射性基板1″の下面を回路基板に接着などによって固定し、光反射性基板1″上に電極17,18と一体に形成した配線パターンと、回路基板上の給電回路等の配線パターンとを、ワイヤボンドや専用のコネクタ等によって電気的に接続する必要がある。
また、LED素子2′が発光時に発生する熱は、白色無機レジスト層11を通して基材10に伝導されて拡散し、さらに接着された回路基板側へ放熱される。
以上、この発明の各種の実施形態について説明してきたが、これらの構成は特許請求の範囲の各請求項に規定した事項を満たす範囲で、適宜変更及び追加したり、組み合わせたりすることが可能である。例えば、光反射性基板上に複数のLED素子を実装したり、保護素子としてツェナーダイオードを一緒に搭載するような場合にも当然利用できる。
この発明は、LED素子として近紫外LEDを実装する場合に特に有効であるが、青色LED素子などの他のLED素子を搭載してもよい。そして、各種照明用、表示用、装飾用などのLED光源装置に広く利用できる。
1,1′,1″:光反射性基板 2,2′:LED素子 3:封止体
4,5:ボンディングワイヤ 10:基材 11:白色無機レジスト層
11a:第1層 11b:第2層 12〜19:電極
12a,13a,16a:ポスト部 12b〜16b: 下面電極部
12c〜19c: メッキ層 21:n型半導体層 22:p型半導体層
23:第1バンプ(n側電極) 24:第2バンプ(p側電極)
25:サファイア基板

Claims (11)

  1. 基材の一表面に電極と白色無機レジスト層とが形成された光反射性基板と、
    該光反射性基板の前記白色無機レジスト層が形成された面側に、前記電極と少なくとも電気的に接続されて実装されたLED素子とを有するLED光源装置において、
    前記白色無機レジスト層は、無機バインダに白色無機顔料が分散又は混合されたもので形成され、前記基材の表面側から第1層と第2層とによって構成されており、
    前記第1層の白色無機顔料は、前記第2層の白色無機顔料よりも可視光域全域の光に対して大きい屈折率を有し、
    前記第2層は、前記第1層に比べて少なくとも近紫外光に対する全反射率が高く、可視光域から近紫外光域までの全域に亘って全反射率が均一である
    ことを特徴とするLED光源装置。
  2. 前記第1層の白色無機顔料は、チタン酸バリウム又は酸化チタンあるいはその両方であり、
    前記第2層の白色無機顔料はアルミナ、タルク、水酸化アルミニウム、べーマイト、硫酸バリウム、焼成カオリンのうちのいずれかあるいは複数の組合せである
    ことを特徴とする請求項1に記載のLED光源装置。
  3. 前記第1層の白色無機顔料はチタン酸バリウムであり、
    前記第2層の白色無機顔料はアルミナである
    ことを特徴とする請求項2に記載のLED光源装置。
  4. 前記基材の一表面全体に前記白色無機レジスト層が形成され、該白色無機レジスト層の上面に前記電極が配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のLED光源装置。
  5. 前記電極が前記基材の一表面に直接配置され、前記白色無機レジスト層が、前記基材の一表面における前記電極が配置されていない領域に形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のLED光源装置。
  6. 前記LED素子が近紫外LED素子であり、
    前記光反射性基板の該近紫外LED素子を搭載した側に、該近紫外LED素子を覆う封止体を備え、該封止体は蛍光体が分散された透光性を有する樹脂材料によって形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のLED光源装置。
  7. 基材の一表面に白色無機レジスト層が形成された光反射性基板において、
    前記白色無機レジスト層は、無機バインダに白色無機顔料が分散又は混合されたもので形成され、前記基材の表面側から第1層と第2層とによって構成されており、
    前記第1層の白色無機顔料は、前記第2層の白色無機顔料よりも可視光域全域の光に対して大きい屈折率を有し、
    前記第2層は、前記第1層に比べて少なくとも近紫外光に対する全反射率が高く、可視光域から近紫外光域までの全域に亘って全反射率が均一である
    ことを特徴とする光反射性基板。
  8. 前記第1層の白色無機顔料は、チタン酸バリウム又は酸化チタンあるいはその両方であり、
    前記第2層の白色無機顔料はアルミナ、タルク、水酸化アルミニウム、べーマイト、硫酸バリウム、焼成カオリンのうちのいずれかあるいは複数の組合せである
    ことを特徴とする請求項7に記載の光反射性基板。
  9. 前記第1層の白色無機顔料はチタン酸バリウムであり、
    前記第2層の白色無機顔料はアルミナである
    ことを特徴とする請求項8に記載の光反射性基板。
  10. 前記基材の一表面全体に前記白色無機レジスト層が形成され、該白色無機レジスト層の上面に電極が配置されていることを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載の光反射性基板。
  11. 前記基材の一表面に電極が直接配置され、前記白色無機レジスト層が、前記基材の一表面における前記電極が配置されていない領域に形成されていることを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載の光反射性基板。
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