JP2014027156A - Ｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤチップを分散させて配置した場合にはレンズを通して集光した光に面輝度ムラが生じ、レンズを通して面輝度ムラを有する光がそのまま結像してしまうという問題があった。
【解決手段】本発明のＬＥＤパッケージは、パッケージ基板と、パッケージ基板上に実装され、半導体積層構造を有する複数のＬＥＤチップと、複数のＬＥＤチップを封止する樹脂と、を有し、複数のＬＥＤチップは互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成している、ことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤパッケージに関し、特に発光面の面輝度ムラを改善したＬＥＤパッケージに関する。

近年、ＬＥＤは従来のハロゲン電球等を代替する発光装置として用いられるようになってきている。また均一で高輝度の光を出力するために複数のＬＥＤチップを実装した発光装置が報告されている（例えば特許文献１）。

図１は従来の発光装置のＬＥＤパッケージの平面図である。従来のＬＥＤパッケージ１００は、パッケージ基板１上に複数のＬＥＤチップ２が配置され、ＬＥＤチップ同士は、一方のＬＥＤチップの正極側端子２６と隣接する他のＬＥＤチップの負極側端子２７とが配線３２により電気的に接続されている。パッケージ基板１上にはＬＥＤチップ２に電流を供給するための正極側プレート２０１と負極側プレート２０２とが設けられており、それぞれＬＥＤチップ２の正極側端子２６及び負極側端子２７とプレート側配線３１を介して接続されている。

ＬＥＤチップ２は略円形状となるように分散させて複数配置されており、ＬＥＤチップ２は封止樹脂３により封止されている。

一方、ＬＥＤをハロゲン電球の代替品としてスポットライトの光源として用いる場合、ＬＥＤチップを実装したＬＥＤパッケージにレンズを配置して集光する。

特開２０１２−７９８５５号公報

しかしながら、従来のようにＬＥＤチップを分散させて配置した場合にはレンズを通して集光した光に不均一性（面輝度ムラ）が生じ、レンズを通して面輝度ムラを有する光がそのまま結像してしまうという問題があった。即ち、それぞれのＬＥＤチップが発光した際に、ＬＥＤチップ間に隙間があることによって、光の明暗が交互に繰り返されることから、照明装置に組み込んだ際に光の明暗がくっきり浮かび上がってしまうという問題があった。

さらに、上記のような面輝度ムラを抑制するためにレンズに散乱剤を含ませることも考えられる。しかしながら、この場合はＬＥＤチップから出射した光の一部は散乱剤に反射されてＬＥＤチップ側に戻されてしまうため光取り出し効率が低下するという問題が生じていた。

そこで、本発明は、複数のＬＥＤチップを配置しながらも面輝度ムラを低減した均一な光を照射することができるＬＥＤパッケージを提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤパッケージは、パッケージ基板と、パッケージ基板上に実装され、半導体積層構造を有する複数のＬＥＤチップと、複数のＬＥＤチップを封止する樹脂と、を有し、複数のＬＥＤチップは互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成している、ことを特徴とする。

本発明のＬＥＤパッケージは、集合体の周辺部に光散乱剤を含む光散乱樹脂をさらに設けることが好ましい。

本発明のＬＥＤパッケージは、隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に光散乱剤を含む光散乱樹脂をさらに設けることが好ましい。

本発明のＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップを構成するＬＥＤ基板の外周部に凹凸が形成されていることが好ましい。

本発明のＬＥＤパッケージは、集合体の周辺部及び隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に設けられ、集合体の表面に平坦な面を形成する平坦化層と、平坦化層上に形成された蛍光体層と、をさらに有することが好ましい。

本発明のＬＥＤパッケージを用いることにより複数のＬＥＤチップを配置しながらも均一な光を照射することができる。

従来のＬＥＤパッケージの平面図である。 本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージの平面図である。 本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージに実装されるＬＥＤチップの平面図及び断面図である。 本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図である。 本発明の実施例２に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図である。 本発明の実施例２の変形例に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図である。 本発明の実施例３に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図である。 本発明の実施例４に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図である。 本発明の実施例５に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るＬＥＤパッケージについて説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

〔実施例１〕
まず、本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージについて説明する。図２に本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージの平面図を示す。実施例１に係るＬＥＤパッケージ１０１は、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に実装され、半導体積層構造を有する複数のＬＥＤチップ２と、複数のＬＥＤチップ２を封止する樹脂３と、を有し、複数のＬＥＤチップ２は互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成している点を特徴としている。

パッケージ基板１上にはＬＥＤチップ２に電流を供給するための正極側プレート２０１と負極側プレート２０２とが設けられており、それぞれＬＥＤチップ２の正極側端子２６及び負極側端子２７とプレート側配線３１を介して接続されている。

図２に示した実施例１に係るＬＥＤパッケージ１０１はＬＥＤチップ２を１８個実装した例を示している。これらのＬＥＤチップは直列接続されており、ＬＥＤチップ同士は、一方のＬＥＤチップの正極側端子２６と隣接する他のＬＥＤチップの負極側端子２７とが配線３２により電気的に接続されている。

なお、後述するように図２においてＬＥＤチップ２上には半導体積層構造が形成されているが、半導体積層構造を構成する半導体層のうち最外部に位置するのが、ＬＥＤチップを構成するＬＥＤ基板の端部よりも内側に形成されているｎ型半導体層２２であるので、隣接するＬＥＤチップ間の半導体積層構造が互いに接していないことを明確にするために最外部に存在するｎ型半導体層２２を代表して示している。

次に、ＬＥＤチップの構成について説明する。図３は実施例１に係るＬＥＤパッケージに実装されるＬＥＤチップの平面図及び断面図である。図３（ａ）はＬＥＤチップ２の平面図を示しており、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａでの断面図を示す。図３（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ２はサファイアからなるＬＥＤ基板２１上に発光層を含む半導体積層構造２０を備えている。半導体積層構造２０は、ｎ型半導体層２２、発光層２３、及びｐ型半導体層２４からなる。ｎ型半導体層２２には負極側端子２７が設けられており、ｐ型半導体層２４にはＩＴＯからなる透明導電層２５を介して正極側端子２６が設けられている。

図３（ｂ）の断面図から明らかなように、実施例１に係るＬＥＤパッケージ１０１に実装されるＬＥＤチップ２において、半導体積層構造２０を構成するｎ型半導体層２２の端部はＬＥＤ基板２１の端面から所定の距離ｄだけ内側に形成されている。このような構成とすることにより、複数のＬＥＤチップ同士を密着させても半導体積層構造２０は隣接する他のＬＥＤチップの半導体積層構造とは接触しないため正常に動作することができる。

また、ＬＥＤチップ２の正極側端子２６及び負極側端子２７に電圧を印加すると、発光層２３から光が放出されるが、光はＬＥＤチップ２の垂直方向ＬＶだけでなく水平方向ＬＨにも放出される。なお、後述する他の実施例においても図３に示した構造を有するＬＥＤチップ２を実装した場合を例にとって説明している。

本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図を図４に示す。図４（ａ）に示した実施例１に係るＬＥＤパッケージの構成は図２と同様であるが説明を簡単化するために正極側プレート２０１及び負極側プレート２０２を省略し、パッケージ基板１の境界線も省略している。

図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂでの断面図を示している。ＬＥＤチップ２を構成する半導体積層構造２０及びパッケージ基板１上には蛍光体層４が形成されている。蛍光体層４は、蛍光体が均一に練り込まれた樹脂からなり、ＬＥＤチップとして青色光を発光する窒化物系化合物半導体を用いる場合には、蛍光体としてセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を用いることにより擬似白色光が得られる。ＹＡＧ蛍光体の濃度は約４．５ｗｔ％とすることが好ましい。ＬＥＤチップの発光色と蛍光体の組み合わせは上記のものに限定されるものではない。

次に、密着させたＬＥＤチップの詳細な構成について説明する。図４（ａ）に示すようにＢ−Ｂ線上に５個のＬＥＤチップ２ａ〜２ｅが配置されているとする。このときのＬＥＤチップ２ａ〜２ｅを構成するＬＥＤ基板２１ａ〜２１ｅ及び半導体積層構造２０ａ〜２０ｅの配置に着目すると、図４（ｂ）に示すようにＬＥＤ基板２１ａ〜２１ｅは互いに隙間なく密着しているのに対して、半導体積層構造２０ａ〜２０ｅは互いに密着しておらず間隙を有している。このような構成とすることにより、ＬＥＤチップ２ａ〜２ｅを密着させても隣接する半導体積層構造２０ａ〜２０ｅは接していないので、隣接する半導体積層構造同士は電気的に絶縁されており正常に動作することができる。

本発明の実施例１に係るＬＥＤパッケージによれば、複数のＬＥＤチップを隙間なく密着させて実装することにより、１つの集合体（ＬＥＤチップグループ）を構成しているので、面輝度ムラが少ない均一な輝度を有する光を照射することができる。

さらに、複数のＬＥＤチップを互いに隙間なく密着させているため、ＬＥＤチップの配置を変更することにより光源の形状を所望の形状することができる。例えば、ＬＥＤチップの集合体の形状を円または楕円とすることにより、光源の形状を円または楕円とすることができる。

また、本発明によればＬＥＤチップを隙間なく密着させて集合体とすることにより、ＬＥＤチップから出射される光の面輝度ムラが少なくなるため、レンズに光散乱剤を含有させる必要がなく、クリアなレンズを用いることができる。その結果、散乱剤をレンズに含有させていた従来のＬＥＤ照射装置に比べて光取り出し効率を高めることができる。

〔実施例２〕
次に本発明の実施例２に係るＬＥＤパッケージについて説明する。図５に、本発明の実施例２に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図を示す。図５（ａ）に示すように実施例２に係るＬＥＤパッケージ１０２は、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に実装され、半導体積層構造２０を有する複数のＬＥＤチップ２と、複数のＬＥＤチップ２を封止する樹脂３と、を有し、複数のＬＥＤチップ２は互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成しており、集合体の周辺部に光散乱剤５１を含む光散乱樹脂５をさらに設けている点を特徴としている。

光散乱樹脂５を設けない場合には、ＬＥＤチップ２の形状が長方形であるために、集合体の周辺部の形状が凹凸を有したものとなる。その結果、集合体から発光されレンズを通して結像した光の周辺部の形状も凹凸を有したものとなる。これに対して、集合体の周辺部に光散乱剤５１を含む光散乱樹脂５を設けることにより、光散乱樹脂からの散乱光とＬＥＤチップの集合体からの光を合わせた光がレンズを通して結像されることになり、得られる光の形状を周辺部に凹凸がない円または楕円等とすることができるようになる。

図５（ｂ）に図５（ａ）のＣ−Ｃでの断面図を示す。図５（ａ）に示すようにＣ−Ｃ上に３つのＬＥＤチップ２ｆ〜２ｈが配置されているとすると、ＬＥＤ基板２１ｆ〜２１ｈは互いに隙間なく密着しているのに対して半導体積層構造２０ｆ〜２０ｈは互いに接していない点は実施例１と同様である。

実施例２に係るＬＥＤパッケージにおいては集合体の周辺部に光散乱剤５１を含む光散乱樹脂５を設けているためにＬＥＤチップから放出される横方向の光の一部を垂直方向に反射することができる。具体的には、図５（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ２ｈを構成する半導体積層構造２０ｈから放出された水平方向の光ＬＨが光散乱樹脂５に含まれる光散乱剤５１によって反射されて垂直方向の光ＬＶ１となってパッケージ基板１の垂直方向に反射される。その結果、ＬＥＤチップの水平方向に放出された光を有効に利用することができるため、光の取り出し効率を向上させることができ、さらに光源の形状を円または楕円等の所望の形状に近づけることができる。

次に、実施例２に係るＬＥＤパッケージの変形例について説明する。図６に実施例２に係るＬＥＤパッケージの変形例を示す。図６（ａ）は実施例２の変形例に係るＬＥＤパッケージ１０２´の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄにおける断面図である。実施例２の変形例に係るＬＥＤパッケージ１０２´が上記の実施例２に係るＬＥＤパッケージ１０２と異なる点は、光散乱剤６１を含有する光散乱樹脂６の外周の形状を円または楕円とした点である。

実施例２の変形例に係るＬＥＤパッケージによれば光散乱剤を含んだ光散乱樹脂をＬＥＤチップの集合体の周辺に配置し光散乱樹脂の外周部の形状を円または楕円とすることにより、実施例２に係るＬＥＤパッケージと同様に光源の形状を円または楕円に近づけることができる。

〔実施例３〕
次に本発明の実施例３に係るＬＥＤパッケージについて説明する。図７に、本発明の実施例３に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図を示す。図７（ａ）に示すように実施例３に係るＬＥＤパッケージ１０３は、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に実装され、半導体積層構造２０を有する複数のＬＥＤチップ２と、複数のＬＥＤチップ２を封止する樹脂３と、を有し、複数のＬＥＤチップ２は互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成しており、隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に光散乱剤を含む光散乱樹脂７をさらに設けている点を特徴としている。

図７（ｂ）に図７（ａ）のＤ−Ｄでの断面図を示す。図７（ａ）に示すようにＤ−Ｄ上に５つのＬＥＤチップ２ａ〜２ｅが配置されているとすると、ＬＥＤ基板２１ａ〜２１ｅは互いに隙間なく密着しているのに対して半導体積層構造２０ａ〜２０ｅは互いに接していない点は実施例１と同様である。実施例３に係るＬＥＤパッケージ１０３においては、半導体積層構造２０ａと２０ｂとの間等、隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に光散乱剤７１を含む光散乱樹脂７が配置されている点を特徴としている。

ＬＥＤチップ２は垂直方向ＬＶに光を放出するだけでなく、水平方向ＬＨにも光を放出する。水平方向ＬＨに放出された光は光散乱樹脂７内に含まれる光散乱剤７１によって散乱され、水平方向ＬＨに放出された光の一部が垂直方向ＬＶ２に向かって放出される。光散乱剤を含む光散乱樹脂７を設けない場合には、半導体積層構造２０ｃから水平方向ＬＨに放出された光は隣接する半導体積層構造２０ｄに入射した後吸収されてしまい外部に取り出すことができなかったが、実施例３に係るＬＥＤパッケージ１０３によれば、これまでは利用できなかった水平方向に放出された光を取り出すことができるため、従来に比べて光取り出し効率を高めることができる。

〔実施例４〕
次に本発明の実施例４に係るＬＥＤパッケージについて説明する。図８に、本発明の実施例４に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図を示す。図８（ａ）に示すように実施例４に係るＬＥＤパッケージ１０４は、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に実装され、半導体積層構造２０を有する複数のＬＥＤチップ２と、複数のＬＥＤチップ２を封止する樹脂３と、を有し、複数のＬＥＤチップ２は互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成しており、さらに、ＬＥＤチップ２を構成するＬＥＤ基板の外周部に凹凸２８が形成されている点を特徴としている。凹凸２８は例えばドライエッチング法により形成することができる。

図８（ｂ）に図８（ａ）のＥ−Ｅでの断面図を示す。図８（ａ）に示すようにＥ−Ｅ上に２つのＬＥＤチップ２ｉ、２ｊが配置されているとすると、ＬＥＤ基板２１ｉ、２１ｊは互いに隙間なく密着しているのに対して半導体積層構造２０ｉ、２０ｊは互いに接していない点は実施例１と同様である。実施例４に係るＬＥＤパッケージ１０４においては、ＬＥＤチップ２ｉ、２ｊを構成するＬＥＤ基板２１ｉ、２１ｊの外周部に凹凸２８ｉ、２８ｊが形成されている点で実施例１に係るＬＥＤパッケージ１０１と相違している。

図８（ｂ）に示すように、半導体積層構造２０ｉからは垂直方向ＬＶだけでなく、ＬＥＤ基板２１ｉの方向Ｌ１にも光が放出される。Ｌ１方向に放出された光はＬＥＤ基板２１ｉとパッケージ基板１との界面で反射されて一部はＬＥＤ基板２１ｉに形成された凹凸２８ｉに入射する。凹凸２８ｉでは光が散乱されやすいため、凹凸２８ｉを設けることにより垂直方向ＬＶ３に放出される光を増加させることができる。

以上のように、実施例４に係るＬＥＤパッケージによれば、ＬＥＤチップを構成するＬＥＤ基板２１の外周部に設けられた凹凸２８により、半導体積層構造２０からＬＥＤ基板に入射した光の一部を外部に取り出すことができるため、光の取り出し効率を増加させることができる。

〔実施例５〕
次に本発明の実施例５に係るＬＥＤパッケージについて説明する。図９に、本発明の実施例５に係るＬＥＤパッケージの平面図及び断面図を示す。図９（ａ）に示すように実施例５に係るＬＥＤパッケージ１０５は、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に実装され、半導体積層構造２０を有する複数のＬＥＤチップ２と、複数のＬＥＤチップ２を封止する樹脂３と、を有し、複数のＬＥＤチップ２は互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成しており、集合体の周辺部及び隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に設けられ、集合体の表面に平坦な面を形成する平坦化層８と、平坦化層上に形成された蛍光体層４と、をさらに有する点を特徴としている。

図９（ｂ）に図９（ａ）のＦ−Ｆでの断面図を示す。図９（ａ）に示すようにＦ−Ｆ上に５つのＬＥＤチップ２ａ〜２ｅが配置されているとすると、ＬＥＤ基板２１ａ〜２１ｅは互いに隙間なく密着しているのに対して半導体積層構造２０ａ〜２０ｅは互いに接していない点は実施例１と同様である。実施例５に係るＬＥＤパッケージ１０５においては、集合体の周辺部及び隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に設けられ、集合体の表面に平坦な面を形成する平坦化層８と、平坦化層８上に形成された蛍光体層４と、をさらに有する点で実施例１に係るＬＥＤパッケージ１０１と相違している。

ＬＥＤチップ２から放出された光の波長を変換して利用するために蛍光体材料を用いる場合がある。例えばＬＥＤチップから放出される光が青色である場合、黄色の蛍光体層をＬＥＤチップに設けることにより白色光を得ることができる。ここで、蛍光体層は樹脂中に蛍光体材料を添加して形成するが、蛍光体材料は沈降しやすいという問題がある。従って、ＬＥＤチップの集合体に凹凸が存在すると、蛍光体材料は凹部に沈降してしまい蛍光体材料の発光層表面での密度を所望の密度とすることが難しくなり、光の色ムラが生じてしまう場合がある。そこで、実施例５に係るＬＥＤパッケージにおいては、図９（ｂ）に示すように、まず、集合体の周辺部及び隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に、集合体の表面に平坦な面を形成する平坦化層８を形成し、その後平坦な平坦化層８の上に蛍光体材料４２を含有する蛍光体層４を形成するようにしている。なお、図９（ｂ）に示すように、本実施例では蛍光体層４を形成する前に側壁４１を形成した例を示しているが、側壁がなくても蛍光体層を平坦化できる場合には側壁は必ずしも必要ではない。

実施例５に係るＬＥＤパッケージによれば、ＬＥＤチップの集合体の表面を平坦化し、その上に蛍光体層を配置しているため、蛍光体層の中で蛍光体材料が沈降する場合であってもＬＥＤチップの発光層表面での蛍光体材料の濃度を所望の濃度とすることができる。

以上の実施例においては、ＬＥＤチップにおいてＬＥＤ基板の端部よりも半導体積層構造の端部が内側に形成され、ＬＥＤチップ同士を密着させても半導体積層構造は接触しない構造を例に挙げて説明したが、このような構造には限られない。即ち、複数のＬＥＤチップを互いに密着させても隣接する半導体積層構造と電気的に接触しないようにできればよい。例えば、半導体積層構造の周辺に絶縁層を設けるようにしてもよい。

また、上記の実施例においてはフェイスアップ型のＬＥＤチップを例に挙げて説明したがフェイスダウン型のＬＥＤチップを用いてもよい。

また、上記の実施例においてはＬＥＤチップを１８個密着させた例を示したがこれには限られず、光源の仕様に合わせて密着させるＬＥＤチップの数を増減させることができる。

１ パッケージ基板
２ ＬＥＤチップ
３ 封止樹脂
４ 蛍光体層
５ 光散乱樹脂
６ 光散乱樹脂
７ 光散乱樹脂
８ 平坦化層
１０１〜１０５ ＬＥＤパッケージ
２０ 半導体積層構造
２１ ＬＥＤ基板

Claims (5)

1. パッケージ基板と、
   前記パッケージ基板上に実装され、半導体積層構造を有する複数のＬＥＤチップと、
   前記複数のＬＥＤチップを封止する樹脂と、を有し、
   前記複数のＬＥＤチップは互いに隙間なく密着し１つの集合体を形成している、
   ことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
2. 前記集合体の周辺部に光散乱剤を含む光散乱樹脂をさらに設けた、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
3. 隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に光散乱剤を含む光散乱樹脂をさらに設けた、請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。
4. 前記ＬＥＤチップを構成するＬＥＤ基板の外周部に凹凸が形成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤパッケージ。
5. 前記集合体の周辺部及び隣接する半導体積層構造間に形成された間隙に設けられ、前記集合体の表面に平坦な面を形成する平坦化層と、
   前記平坦化層上に形成された蛍光体層と、
   をさらに有する、請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。

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