JP2014032981A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】広範囲に光を出射することが可能であり、かつ、面内均一性の高い放熱を実現できる発光装置を提供する。
【解決手段】この発光装置200は、複数の発光素子100と、これら複数の発光素子100が搭載される透明基体210と、この透明基体210が固定される反射板230と、蛍光体を含有し、透明基体210を覆うように形成された封止樹脂層250とを含む。上記反射板230には、開口部232が形成されている。この開口部232は、複数の発光素子100と対向する領域に設けられている。
【選択図】図2

Description

本発明は、発光装置及びその製造方法に関し、特に、発光素子を搭載した発光装置及びその製造方法に関する。
近年、照明装置の光源としてLED(Light Emitting Diode)が多く用いられるようになってきている。LED(発光素子)を用いた照明装置の白色光を得る方法として、赤色LED、青色LED及び緑色LEDの三種類のLEDを用いる方法、青色LEDから発した励起光を変換して黄色光を発する蛍光体を用いる方法等がある。照明用光源としては、十分な輝度の白色光が要求されているために、LEDチップを複数個用いた照明装置が商品化されている。こうした照明装置は、通常、LEDを搭載した発光装置を備えている。
近年では、種々のタイプの照明装置が求められており、特に、より広範囲において光を出射する電球等のタイプの照明装置が求められるようになってきている。例えば、全方位型電球等がこれに当たる。このような照明装置を実現するためには、より広範囲に光を出射する発光装置が必要となる。
こうした発光装置として、従来、透明基板上に発光素子を実装した発光装置が知られている。この発光装置において、発光素子から出射された光は透明基板を透過して当該透明基板の裏面側にも出射されるため、広範囲に光が出射される。
しかし、透明基板は熱伝導が悪いため、従来知られている発光装置では放熱性が不十分であるという問題がある。特に、高い光出力を必要とする発光装置の場合は、透明基板上に複数の発光素子が実装されるため放熱の問題が大きくなる。
このような問題に対して後掲の特許文献1は透明基板の両側に金属プレートを配置した発光装置を提案している。この発光装置は、LEDチップが実装された透明基板を含み、透明基板におけるLEDチップの両側に導電体を介して金属プレートが固定されている。透明基板上に実装されたLEDチップは、蛍光体を含有する透光性部材によって封止されている。特許文献1の発光装置では、透明基板の両側に導電体を介して金属プレートが固定されているため、この金属プレートを介してLEDチップで生じた熱が放熱される。
特開2007−165811号公報
特許文献1の発光装置はLEDチップが1つのみ実装されている場合であれば放熱性に関して大きな問題はない。しかし、本願発明者が検討を行なったところ、例えば透明基板上に複数のLEDチップを実装した場合等では、金属プレートが固定されている、透明基板の両側のみ放熱が進むため、透明基板の中心部分に熱がこもるという不都合が生じることが分かった。さらに、LEDチップが搭載された場所により、LEDチップの温度が異なる、温度ムラが生じることも分かった。
上記特許文献1はさらに、LEDチップを実装するためのダイボンド部材に蛍光体を含有させた構成も開示している。ダイボンド部材に蛍光体を含有させることにより、LEDチップから透明基板側に出射された光はダイボンド部材中の蛍光体によって波長変換される。
ダイボンド部材に蛍光体を含有した場合、ダイボンド部材の厚みが大きくなり放熱性が著しく低下する場合がある。放熱性の改善のためには、ダイボンド部材に蛍光体を含有しないことが好ましい。この場合、LEDチップから透明基板側に出射された光は、ダイボンド部材を透過して透明基板中に入射するため、LEDチップの発光色のままの光が透明基板中を伝播して外部に出射されるおそれがある。これにより、LEDチップの発光色のままの光が多く出射されてしまうため色むらを引起こすという新たな問題が生じる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の1つの目的は、広範囲に光を出射することが可能であり、かつ、面内均一性の高い放熱を実現できる発光装置及びその発光装置の製造方法を提供することである。
本発明のもう1つの目的は、均一な発光色の光を広範囲に、かつ、効率よく出射できる発光装置及びその発光装置の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の第1の局面に係る発光装置は、複数の発光素子と、これら複数の発光素子が搭載される透明基体と、透明基体が固定される反射板と、蛍光体を含有し、透明基体を覆うように形成された透明樹脂層とを含む。反射板は、複数の発光素子から出射された光が透過する光透過部を有する。光透過部は、複数の発光素子と対向する領域に設けられている。
複数の発光素子は透明基体上に搭載されており、この透明基体が反射板上に固定されている。発光素子で生じた熱はこの反射板を介して放熱される。反射板上に透明基体を固定することにより、複数の発光素子の駆動によって発生した熱を面内で均一に広げて効率よく放熱できる。すなわち、面内均一性の高い放熱を実現できる。そのため、例えば透明基体の中心部分に熱がこもったり、複数の発光素子において温度が異なる、温度ムラが生じたりするのを抑制できる。透明基体が固定される反射板には、複数の発光素子と対向する領域に光透過部が設けられている。発光素子から出射された光は、例えば透明基体を透過して光透過部からも出射される。これにより、本発光装置は広範囲に光を出射できる。
本発光装置はまた、蛍光体を含有する透明樹脂層で透明基体が覆われている。そのため、発光素子の発光色のままの光が透明基体中を伝播して外部に出射されるのを抑制できる。したがって、発光素子の発光色のままの光が多く出射されてしまうのを抑制できるので、色むらの発生を抑制できる。さらに、透明基体を固定する反射板を含むことによって、発光素子及び蛍光体から出射された光を反射板で効率よく反射できる。これにより、光を有効に発光装置の外部に取出すことができる。
このように、本発光装置によれば、面内均一性の高い放熱を実現できるとともに、均一な発光色の光を広範囲に、かつ、効率よく出射できる。
好ましくは、光透過部の形成領域は透明基体の平面積より小さい。これにより、容易に、発光素子が搭載された透明基体を、その発光素子が光透過部と対向するようにして反射板に固定できる。
より好ましくは、発光装置は、発光素子を透明基体上に固定する、蛍光体を含有しない接着層をさらに含み、接着層は透光性を有している。
蛍光体を含有しない接着層を介して発光素子を固定することにより、接着層の厚みが大きくなり過ぎるのを抑制できるので、放熱性をより向上できる。本発光装置は、蛍光体を含有する透明樹脂層で透明基体が覆われているので、このように構成した場合でも、発光素子の発光色のままの光が透明基体中を伝播して外部に出射されるのを抑制できる。
さらに好ましくは、透明基体は端部を有するとともに、透明樹脂層は透明基体の端部に対応する端部を有し、透明基体の端部から透明樹脂層の端部までの距離をdとし、透明基体における発光素子が搭載されている搭載面から当該透明樹脂層における搭載面と対向する外表面までの距離をtとした場合に、距離dと距離tとはd≧tの関係を有する。
透明基体の端部から透明樹脂層の端部までの距離dを透明基体の搭載面から透明樹脂層の外表面までの距離t以上とすることにより、透明基体の側面を、容易に、適切な量の蛍光体を含有する透明樹脂層で覆うことができる。透明基体中を伝播して当該透明基体の側面から出射される光は、透明基体の側面を覆う透明樹脂層中の蛍光体を十分に励起できるため、発光素子の発光色のままの光が多く出射されてしまうのを容易に抑制できる。その結果、外部に出射される光を容易に均一な発光色の光にできる。
さらに好ましくは、透明基体は端部を有するとともに、透明樹脂層及び反射板はそれぞれ透明基体の端部に対応する端部を有し、透明基体の端部から透明樹脂層の端部までの距離をdとし、透明基体の端部から反射板の端部までの距離をAとした場合に、距離dと距離AとはA≧dの関係を有する。
透明基体の端部から反射板の端部までの距離Aを透明基体の端部から透明樹脂層の端部までの距離d以上とすることにより、容易に、蛍光体を含有する透明樹脂層で透明基体を覆うことができる。加えて、容易に、透明基体の側面を適切な量の蛍光体を含有する透明樹脂層で覆うことができる。
さらに好ましくは、光透過部は端部を有し、光透過部の端部から複数の発光素子のうち最も当該端部側の発光素子までの距離をCとした場合に、距離CはC>0である。
このように構成すれば、発光素子から出射された光を光透過部から効率よく外部に取出すことができるので、発光素子からの光を広範囲に、かつ、効率よく外部に出射できる。
さらに好ましくは、反射板は金属材料から構成されている。
反射板を金属材料から構成することにより、より一層、発光素子で生じた熱を面内で均一に広げて効率よく放熱できる。これにより、発光装置の放熱性をより一層向上できる。
さらに好ましくは、透明基体は200μm以上6000μm以下の厚みを有する。
透明基体の厚みをこのような厚みにすることによって、発光装置の放熱特性をさらに向上できる。加えて、透明基体の機械的強度の低下を抑制して、当該透明基体を破損しにくくできる。
本発明の第2の局面に係る発光装置の製造方法は、透明基体上に複数の発光素子を実装する工程と、光透過部を有する反射板を形成する工程と、反射板上に、透明基体を複数の発光素子が光透過部と対向するようにして固定する工程と、透明基体を覆うように、蛍光体を含有した透明樹脂層を形成する工程とを含む。
複数の発光素子を透明基体上に搭載し、この透明基体を反射板上に固定する。発光素子で生じた熱はこの反射板を介して放熱される。反射板上に透明基体を固定することにより、複数の発光素子の駆動によって発生した熱を面内で均一に広げて効率よく放熱できる。すなわち、面内均一性の高い放熱を実現できる。反射板に透明基体を固定する際に、複数の発光素子が反射板に形成された光透過部と対向するようにして、透明基体を反射板に固定する。そのため、発光素子から出射された光は、例えば透明基体を透過して反射板の光透過部からも出射される。これにより、本製造方法により製造された発光装置は広範囲に光を出射できる。
さらに、発光素子が搭載された透明基体を覆うように、蛍光体を含有した透明樹脂層を形成する。透明基体は蛍光体を含有した透明樹脂層で覆われるため、発光素子の発光色のままの光が透明基体中を伝播して外部に出射されるのを抑制できる。したがって、発光素子の発光色のままの光が多く出射されてしまうのを抑制できるので、色むらの発生を抑制できる。さらに、反射板に透明基体を固定することによって、発光素子及び蛍光体から出射された光を反射板で効率よく反射できるので、光を有効に取出すことができる。
このように、本製造方法によれば、面内均一性の高い放熱を実現できるとともに、均一な発光色の光を広範囲に、かつ、効率よく出射できる発光装置を製造できる。
以上より、本発明によれば、広範囲に光を出射することが可能であり、かつ、面内均一性の高い放熱を実現できる発光装置及びその発光装置の製造方法を容易に得ることができる。
また本発明によれば、均一な発光色の光を広範囲に、かつ、効率よく出射できる発光装置及びその発光装置の製造方法を容易に得ることができる。
本発明の第1の実施の形態に係る照明装置の全体構成を示す図である。 図1に示す発光装置の断面図(図3の2−2線に沿った断面に対応する図)である。 図1に示す発光装置の平面図(上面側から見た状態の図)である。 図1に示す発光装置の透明基体の平面図である。 図4の5−5線に沿った断面図である。 図1に示す発光装置の透明基体の断面図(金属柱が固定された状態を示す図)である。 図1に示す発光装置の反射板の平面図である。 図1に示す発光装置の平面図(下面側から見た状態の図)である。 図1に示す発光装置に搭載される発光素子の断面図(図10の9−9線に沿った断面に対応する図)である。 図1に示す発光装置に搭載される発光素子の平面図である。 図1に示す発光装置の一部を拡大して示す断面図である。 図1に示す発光装置の製造方法を説明するための図(発光装置を側面側から見た図)である。 図1に示す発光装置の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る照明装置の全体構成を示す図である。 図14に示す発光装置の断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係る発光装置の断面図である。 本発明の第1の変形例に係る発光装置の反射板を示す平面図である。 本発明の第1の変形例に係る発光装置を一部省略して示す平面図である。 本発明の第2の変形例に係る発光装置の反射板を示す平面図である。 本発明の第2の変形例に係る発光装置を一部省略して示す平面図である。 本発明の第3の変形例に係る発光装置の断面図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明及び図面においては、同一の部品又は構成要素には同一の参照符号及び名称を付してある。それらの機能も同様である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
(第1の実施の形態)
[全体構成]
図1を参照して、本実施の形態に係る照明装置50は、電球型のLEDランプである。照明装置50は、透光性のバルブ60と、白熱電球のフィラメントに代えて、バルブ60の内部に配設された発光装置200と、発光装置200を支持(保持)する金属柱300及び補助金属柱310と、給電用の口金部70とを含む。
バルブ60は例えばプラスチック、ガラス等の透光性を有する材料から構成された電球状の部材である。口金部70は、例えば照明器具のソケット(図示せず。)と接続する部分である。この口金部70がソケットと接続されることにより、口金部70を介して発光装置200に電力が供給される。
照明装置50はさらに、発光装置200からの光を反射する反射基体80を含む。反射基体80は、例えばAl合金等の反射率の高い材料から構成されている。この反射基体80はその反射面82が発光装置200側を向くようにして口金部70の上部側(バルブ60側)に取付けられている。反射基体80はまた、バルブ60の開口部分(図示せず。)を覆うように配置されており、発光装置200から下部方向(下方側:口金部70の方向)に出射された光を反射する。この反射基体80は、発光装置200からの熱を放熱するためのヒートシンクとしての機能をも有している。
本照明装置50は、1つの金属柱300と2つの補助金属柱310とを含む。金属柱300及び補助金属柱310は、例えば反射率の高いAl合金から構成されている。金属柱300及び補助金属柱310はまた、発光装置200を支持(保持)する機能に加えて、後述する発光素子100(図2参照)で生じた熱を放熱するためのヒートシンクとしての機能、及び、発光素子100を口金部70と電気的に接続するためのリード端子(導入線)としての機能を有する。
発光装置200は、金属柱300及び補助金属柱310が反射基体80側の部分(マウント部)に取付けられることによって照明装置50の内部において浮かせたような状態で固定されている。
《発光装置200の構成》
図2を参照して、本実施の形態に係る発光装置200は、複数の発光素子100と、これら複数の発光素子100が搭載される透明基体210と、透明基体210が固定される反射板230と、複数の発光素子100を封止する透明樹脂層である封止樹脂層250とを含む。封止樹脂層250には、発光素子100からの光を波長変換する蛍光体が含有されている。
透明基体210は、搭載される発光素子100からの光を70%以上透過することが可能な支持基板である。透明基体210は、発光素子100から発生した熱を金属柱300及び補助金属柱310まで伝導することが可能な熱伝導性の高い材料から構成されている。具体的には、透明基体210は絶縁性のサファイアから構成されている。
透明基体210はまた、一方の主面(以下「表面」と記す。)212と、表面212の反対側の面である他方の主面(以下「裏面」と記す。)214と、側面216とを有する。表面212は、発光素子100が搭載される搭載面でもある。透明基体210の裏面214は、非平滑面とされている。透明基体210の厚みxは、放熱特性等を考慮した場合、200μm以上であるのが好ましい。さらに、透明基体210の厚みxを200μm以上とすることにより、透明基体210の機械的強度の低下を抑制して、当該透明基体210を破損しにくくできる。一方、透明基体210の厚みxが大きくなりすぎると、コストが上昇するとともに発光装置200の重量が増加する。こうした点を考慮すると、透明基体210の厚みxは6000μm以下であるのが好ましい。
図3及び図4を参照して、透明基体210は、平面図的に見て一方向に延びる略矩形状に形成されている。そのため、透明基体210は4つの辺210a〜210dを有している。各辺210a〜210dは、透明基体210の側面216と一致している。側面216は、4つの辺210a〜210dにそれぞれ対応する側面216a〜216dを含む。透明基体210はさらに、4つの辺210a〜210dにそれぞれ一致する端部210e〜210hを有している。
図4を参照して、透明基体210の中央部分には貫通孔218が形成されている。透明基体210の表面212上であって、貫通孔218の周囲の領域には電極パッド220が形成されている。図5を参照して、透明基体210の裏面214上にも、表面212上に形成された電極パッド220と同様の電極パッド222が形成されている。さらに、貫通孔218の内側面上には、電極パッド220と電極パッド222とを接続する接続部224が形成されている。電極パッド220、電極パッド222及び接続部224は同一材料で一体的に形成されている。そのため、電極パッド220、電極パッド222及び接続部224は互いに電気的に接続された状態となっている。これら電極パッド220、電極パッド222及び接続部224は、電気伝導性に優れた金属材料から構成されている。
図6を参照して、透明基体210の貫通孔218には金属柱300(図2参照)が挿入される。貫通孔218内に金属柱300が挿入されることによって、例えば接続部224と金属柱300とが接触する。これにより、金属柱300と電極パッド220とが電気的に接続される。金属柱300は、透明基体210の貫通孔218に挿入されることによって透明基体210に固定される。この場合、金属柱300が抜けないように接着剤等で固定されているのが好ましい。
図2及び図3を参照して、発光素子100は発光装置200の光源として機能する。複数の発光素子100は、いずれも、窒化物半導体を用いて形成された発光ダイオード素子(LED)からなる。これら複数の発光素子100はいずれも透明基体210の表面212上に搭載されている。発光素子100の具体的な搭載数は例えば30個である。発光素子100の詳細については後述する。
複数の発光素子100はダイボンドペーストからなる接着層240(図2参照)を介して透明基体210上に実装されている。ダイボンドペーストには透光性を有するシリコーン樹脂が使用されている。接着層240には蛍光体が含有されていない。
接着層に蛍光体を含有させる場合、通常、その蛍光体の平均粒径は5μm〜15μm程度と大きい。このような粒径の大きな蛍光体を接着層に分散させると接着層の厚みが大きくなり放熱性が著しく低下する。本実施の形態では、放熱性を向上させるために、接着層240は蛍光体を含有しない構成とされている。
複数の発光素子100はまた、金線等からなるワイヤ242によって例えば直並列に接続されている。直列接続された発光素子100の接続数はいずれも等しくなるように構成されているのが好ましい。
透明基体210上に実装された複数の発光素子100の一方の電極は、ワイヤ242等を介して電極パッド220と電気的に接続されている。複数の発光素子100の他方の電極は、ワイヤ242等を介して反射板230と電気的に接続されている。本実施の形態では、例えば、透明基体210の電極パッド220は正電極として機能し、反射板230は負電極として機能する。なお、発光素子100の接続を逆にすることによって、電極パッド220が負電極として機能し、反射板230が正電極として機能するように構成してもよい。
反射板230は熱伝導性の高い金属材料から構成されている。具体的には、反射板230はAl合金から構成されている。Al合金は反射率が高いため、反射板230を構成する材料として好適に用いることができる。
図7を参照して、反射板230は平面図的に見て一方向に延びる略矩形状に形成されている。そのため、反射板230は4つの辺230a〜230dを有している。反射板230はまた、4つの辺230a〜230dにそれぞれ一致する端部230e〜230hを有している。この反射板230の外形寸法は透明基体210の外形寸法より大きい。反射板230の厚みは耐久性を高める等の観点から100μm以上であるのが好ましい。なお、反射板230の厚みが大きくなり過ぎると、発光装置200が重くなるとともに、反射板の陰が強くなる。反射板の陰が強くなると放射特性が低下するおそれがあるため、均一な放射特性を得ることが困難となる。均一な放射特性を得るためには反射板230の厚みは10mm未満であるのが好ましい。さらに、反射板の陰が強くなるのを抑制して均一な放射特性を得るためには反射板230の厚みは透明基体210の厚みxより小さい厚みであるのが好ましい。
反射板230の中央部分には、当該反射板230を厚み方向に貫通する開口部232が形成されている。この開口部232は、発光素子100からの光を透過(通過)させて反射板230の下面側に出射させるための光透過部(光通過部)として機能する。開口部232は平面図的に見て略矩形状に形成されている。例えば開口部232の平面形状は透明基体210に対して相似形状とされている。そのため、開口部232は、反射板230の端部230e〜230hにそれぞれ対応する4つの端部232a〜232dを有している。
開口部232はさらに、反射板230における透明基体210が固定される部分に、透明基体210の平面積よりも小さい平面積で形成されている。反射板230の延び方向における両端部分には、補助金属柱310が固定される貫通孔234が形成されている。補助金属柱310はこれら貫通孔234を用いてネジ止め固定される。補助金属柱310が貫通孔234にネジ止め固定されることによって、補助金属柱310と反射板230とが電気的に接続される。そして、金属柱300及び補助金属柱310により、発光素子100に外部からの電流印加が可能となり、素子を発光させることができる。
再び図2及び図3を参照して、透明基体210は反射板230の上面上に、開口部232を覆うように固定されている。具体的には、透明基体210の辺210a〜210d(端部210e〜210h)がそれぞれ反射板230の辺230a〜230d(端部230e〜230h)と対応するようにして、透明基体210が反射板230の上面上に配置されている。開口部232の形成領域は透明基体210の平面積よりも小さいため、透明基体210は開口部232を塞ぐように固定されている。この状態において、透明基体210の4つの辺210a〜210dは反射板230における開口部232の周囲の領域に支持されている。すなわち、透明基体210の4つの辺210a〜210dの部分が、反射板230における開口部232の周囲の領域と重なった状態となっている。
透明基体210に搭載された複数の発光素子100は、透明基体210が反射板230に固定された状態において、開口部232と対向している。換言すると、光透過部として機能する開口部232は、複数の発光素子100と対向する領域に設けられている。そのため、各発光素子100の直下の領域には開口部232が位置している。
透明基体210は図示しない接着剤によって反射板230上に固定されている。この接着剤は透光性を有する樹脂材料からなる。具体的には、透明基体210と反射板230とを固定する接着剤は、例えばシリコーン樹脂からなる。反射板230と透明基体210とが固定された状態で、透明基体210の電極パッド220は反射板230と絶縁分離されている。
図2を参照して、透明基体210は上記封止樹脂層250で覆われている。封止樹脂層250は、反射板230の上面上に形成される第1の封止樹脂層252と、反射板230の下面上に形成される第2の封止樹脂層254とを含む。第1の封止樹脂層252は、透明基体210の表面212及び側面216を覆うように形成されている。第2の封止樹脂層254は、透明基体210の裏面214(開口部232から露出された部分)を覆うように形成されている。封止樹脂層250は、耐熱性及び耐光性に優れた透明樹脂であるシリコーン樹脂からなる。封止樹脂層250中には複数の蛍光粒子260(蛍光体)が分散されている。
図3を参照して、第1の封止樹脂層252は平面図的に見て略矩形状に形成されている。そのため、第1の封止樹脂層252は4つの辺252a〜252dを有している。第1の封止樹脂層252はまた、4つの辺252a〜252dにそれぞれ一致する端部252e〜252hを有している。第1の封止樹脂層252は、4つの辺252a〜252dが、反射板230の辺230a〜230d(端部230e〜230h)と対応するように反射板230の上面上に形成されている。
図8を参照して、第2の封止樹脂層254は平面図的に見て略矩形状に形成されている。そのため、第2の封止樹脂層254も4つの辺254a〜254dを有している。第2の封止樹脂層254は、4つの辺254a〜254dが、反射板230の辺230a〜230d(端部230e〜230h)と対応するように反射板230の下面上に形成されている。第2の封止樹脂層254における中央部の領域には、透明基体210の貫通孔218を露出させるための開口256が形成されている。第2の封止樹脂層254は放熱特性に直接影響を与えるため、その厚みは50μm以下であるのが好ましい。より好ましくは、第2の封止樹脂層254の厚みは10μm以下である。
蛍光体は、白色LEDにおいてよく用いられているYAG(イットリウム・アルミ・ガーネット)蛍光体等を用いてもよい。さらに蛍光体としては、例えば、Ce:YAG(セリウム賦活イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体(YAl12:Ce,(Y,Gd)Al12:Ce等)、Eu:BOSE(ユーロピウム賦活バリウム・ストロンチウム・オルソシリケート)蛍光体、Eu:SOSE(ユーロピウム賦活ストロンチウム・バリウム・オルソシリケート)蛍光体、ユーロピウム賦活αサイアロン蛍光体、Ce:TAG(セリウム附活テルビウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体(TbAl12:Ce等)、アルカリ土類(Eu附活MSi:Eu,MSi12:Eu等、Ce附活CaSCSi12)、カズン−Eu(Eu附活CaAlSi)、及び、La酸窒化物−Ce Ce附活LaAl(Si−zAl)N10−z0、βサイアロン系等を適用できる。(Sr,Ba,Mg)SiO:Eu、Ca(Sc,Mg)Si12:Ce等からなる緑色蛍光体、(Sr,Ca)AlSiN:Eu、CaAlSiN:Eu等からなる赤色蛍光体、(Si,Al)(O,N):Eu、(Ba,Sr)SiO:Eu等からなる黄色蛍光体等を用いてもよい。ナノ蛍光体等も好適に用いることができる。
上述した反射板230は、本発光装置200において3つの大きな役割を果たす。1つ目の役割は、発光素子100及び蛍光体から出射された光を効率よく反射する役割である。この役割を果たすことによって、光を有効に発光装置(以下「パッケージ」と記す場合がある。)から取出すことが可能となる。2つ目の役割は、発光素子100を駆動する際に発生する熱を面内で均一に広げ、効率よく放熱する役割である。この役割を果たすことによって、面内均一性の高い放熱が実現される。3つ目の役割は、封止樹脂層250を形成する際の土台としての役割である。この役割を果たすことによって、後述するように、簡便に透明基体210の側面216(216a〜216d)を、蛍光体を含有した封止樹脂層250で覆うことが可能となる。これにより、透明基体210の表面212、裏面214及び側面216(216a〜216d)を封止樹脂層250で容易に覆うことが可能となるため、透明基体210から発光素子100の発光色のままの光が多く出射されるような領域を簡単になくすことができ、均一な発光色の発光装置を容易に実現できる。
《発光素子100の構成》
図9を参照して、本実施の形態に係る発光素子100は、自身が発する光に対して透光性を有する成長基板110を備えている。成長基板としては、一般的にサファイア基板及び窒化物半導体基板(例えば、GaN基板、AlInGaN基板、AlGaN基板、AlN基板等)、SiC基板、石英基板等の透光性を有する基板が好ましい。成長基板110は、主面110aを有する。成長基板110の主面110a上には、半導体多層膜を含む多層構造体150が形成されている。この多層構造体150は、成長基板110側から順に形成された、n型層120、MQW(Multiple Quantum Well)構造を有するMQW発光層130、及び、p型層140を含む。
本実施の形態では、成長基板110にサファイア基板を用いている。この成長基板110の厚みは例えば約120μmである。n型層120は、成長基板110の主面110a上に、バッファ層、下地層、n型窒化物半導体層、低温n型GaN/InGaN多層構造、及び、中間層である超格子層(以上、いずれも図示せず。)が主面110a側からこの順に形成されることによって構成されている。本実施の形態において、超格子層とは、非常に薄い結晶層を交互に積層することにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる層を意味する。p型層140は、MQW発光層130上に、p型AlGaN層、p型GaN層及び高濃度p型GaN層(以上、いずれも図示せず。)がMQW発光層130側からこの順に形成されることによって構成されている。
バッファ層は、例えばAls0Gat0N(0≦S0≦1、0≦t0≦1、s0+t0≠0)からなる。バッファ層は、AlN層又はGaN層から構成されているとより好ましい。N(窒素)の極一部(例えば0.5%〜2%程度)をO(酸素)に置き換えてもよい。そうすることにより、成長基板110の主面110aの法線方向に伸張するようにバッファ層が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層が得られる。バッファ層の厚みは、特に限定されないが、3nm以上100nm以下であるのが好ましく、5nm以上50nm以下であればより好ましい。
下地層は、例えばAls1Gat1Inu1N(0≦s1≦1、0≦t1≦1、0≦u1≦1、s1+t1+u1≠0)からなる。下地層は、Als1Gat1N(0≦s1≦1、0≦t1≦1、s1+t1≠1)から構成されているとより好ましく、GaN層から構成されているとさらに好ましい。下地層の厚みは、1μm以上8μm以下であるのが好ましい。
n型窒化物半導体層は、例えばAls2Gat2Inu2N(0≦s2≦1、0≦t2≦1、0≦u2≦1、s1+t1+u1≒1)にn型不純物がドーピングされた層からなる。n型窒化物半導体層は、Als2Ga1−s2N(0≦s2≦1、好ましくは0≦s2≦0.5、より好ましくは0≦s2≦0.1)にn型不純物がドーピングされた層から構成されているとより好ましい。n型不純物にはSiが用いられている。n型ドーピング濃度(キャリア濃度とは異なる)は、特に限定されないが、1×1019cm−3以下であるのが好ましい。
低温n型GaN/InGaN多層構造は、MQW発光層130に対する成長基板110及び下地層からの応力を緩和する機能を有する。この低温n型GaN/InGaN多層構造は、約7nmの厚みを有するn型InGaN層、約30nmの厚みを有するn型GaN層、約7nmの厚みを有するn型InGaN層、及び、約20nmの厚みを有するn型GaN層を交互に積層した多層構造からなる。
超格子層は、ワイドバンドギャップ層とナローバンドギャップ層とが交互に積層された超格子構造を有している。その周期構造は、ワイドバンドギャップ層を構成する半導体材料の基本単位格子及びナローバンドギャップ層を構成する半導体材料の基本単位格子よりも長い。超格子層の一周期の長さ(ワイドバンドギャップ層の厚みとナローバンドギャップ層の厚みとの合計厚み)は、MQW発光層130の一周期の長さよりも短い。超格子層の具体的な厚みは、例えば1nm以上10nm以下である。各ワイドバンドギャップ層は、例えばAlGaIn(1−a−b)N(0≦a<1、0<b≦1)からなる。各ワイドバンドギャップ層は、GaN層から構成されていると好ましい。各ナローバンドギャップ層は、ワイドバンドギャップ層よりバンドギャップが小さく、かつ、MQW発光層130の各井戸層(図示せず。)よりもバンドギャップが大きい半導体材料から構成されているのが好ましい。各ナローバンドギャップ層は、例えばAlGaIn(1−a−b)N(0≦a<1、0<b≦1)からなる。各ナローバンドギャップ層は、GaIn(1−b)N(0<b≦1)から構成されていると好ましい。なお、ワイドバンドギャップ層及びナローバンドギャップ層の両方がアンドープであると駆動電圧が上昇するため、ワイドバンドギャップ層及びナローバンドギャップ層の少なくとも一方は、n型不純物がドーピングされているのが好ましい。
MQW発光層130は、バリア層及び井戸層(いずれも図示せず。)が交互に積層された多重量子井戸構造を有している。MQW発光層130の一周期(バリア層の厚みと井戸層の厚みとの合計厚み)の長さは、例えば5nm以上100nm以下である。各井戸層の組成は、半導体発光素子に求められる発光波長に合わせて調整される。例えば、各井戸層の組成は、AlGaIn(1−c−d)N(0≦c<1、0<d≦1)とすることができる。各井戸層の組成は、Alを含まない、InGa(1−e)N(0<e≦1)であればより好ましい。各井戸層の組成は同じであるのが好ましい。そうすることにより、各井戸層において、電子とホールとの再結合により発光する波長を同じにできる。そのため、半導体発光素子の発光スペクトル幅を狭くできるため好ましい。各井戸層の厚みは、1nm以上7nm以下であるのが好ましい。
バリア層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい方が好ましい。各バリア層の組成は、AlGaIn(1−f−g)N(0≦f<1、0<g≦1)とすることができる。各バリア層の組成は、Alを含まないInGa(1−h)N(0<h≦1)、又は、井戸層との格子定数をほぼ一致させたAlGaIn(1−f−g)N(0≦f<1、0<g≦1)であればより好ましい。各バリア層の厚みは、小さいほど駆動電圧が低下する一方、極端に小さくすると発光効率が低下する傾向にある。そのため、各バリア層の厚みは、1nm以上10nm以下であるのが好ましく、3nm以上7nm以下であればより好ましい。
井戸層及びバリア層には、n型不純物がドーピングされている。ただし、井戸層及びバリア層には、n型不純物がドーピングされていなくてもよい。
p型層140は、例えばAls4Gat4Inu4N(0≦s4≦1、0≦t4≦1、0≦u4≦1、s4+t4+u4≠0)にp型不純物がドーピングされた層からなる。p型層140は、Als4Ga1−s4N(0<s4≦0.4、好ましくは0.1≦s4≦0.3)にp型不純物がドーピングされた層から構成されていればより好ましい。p型層140におけるキャリア濃度は、1×1017cm−3以上であるのが好ましい。ここで、p型不純物の活性率は0.01程度であることから、p型層140におけるp型ドーピング濃度(キャリア濃度とは異なる)は1×1019cm−3以上であるのが好ましい。ただし、MQW発光層130に近い層(例えばp型AlGaN層)では、p型ドーピング濃度はこれより低くてもよい。p型層140の厚み(3層の合計厚み)は、特に限定されないが、例えば50nm以上1000nm以下とすることができる。p型層140の厚みを小さくすれば、その成長時における加熱時間を短縮できるため、p型不純物のMQW発光層130への拡散を抑制できる。
上記多層構造体150はさらに、n型層120の一部が露出された領域である露出部と、露出部の外側の領域であるメサ部とを含む。
図9及び図10を参照して、露出部の上面上(n型層120上)には、n側電極160が形成されている。このn側電極160は、ワイヤボンド領域であるパッド部160aと、このパッド部160aと一体に形成された電流拡散を目的とする細長い突出部160b(枝電極)とを含む。メサ部の上面上(p型層140上)には、透光性電極170を介してp側電極180が形成されている。透光性電極170は、メサ部上において、比較的広い範囲にわたって広面積に形成されている。p側電極180は、透光性電極170上の一部の領域に形成されている。このp側電極180は、ワイヤボンド領域であるパッド部180aと、このパッド部180aと一体に形成された電流拡散を目的とする細長い突出部180b(枝電極)とを含む。
n側電極160は、n型層120上に、例えばチタン層、アルミニウム層及び金層がこの順に積層された多層構造を有する。n側電極160の厚みは例えば約1μmである。ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると、n側電極160は1μm程度の厚みを有していればよい。
透光性電極170は、例えばITO(Indium Tin Oxide)から構成されている。その厚みは、例えば20nm以上200nm以下である。p側電極180は、透光性電極170上に、例えばニッケル層、アルミニウム層、チタン層及び金層がこの順に積層された多層構造を有する。p側電極180の厚みは例えば約1μmである。p側電極180においても、ワイヤボンドを行なう場合の強度を想定すると、その厚みは1μm程度であればよい。
発光素子100の上面には、SiOからなる絶縁性の透明保護膜190が設けられている。この透明保護膜190は、発光素子100の上面のほぼ全体を覆うように形成されている。ただし、透明保護膜190は、p側電極180のパッド部180a及びn側電極160のパッド部160aを露出させるようにパターニングされている。
[発光素子100から出射された光の経路]
図2を参照して、発光素子100から出射された光の経路について説明する。透明基体210を含む本発光装置200は、発光素子100から出射された光が主として以下の3つのルート(Pルート、Qルート及びRルート)を経てパッケージの外部に出射される。
Pルートは、発光素子100から上部方向に出射された光が第1の封止樹脂層252を通って外部に出射されるルートである。発光素子100から上部方向に出射された光の一部は第1の封止樹脂層252中に分散された蛍光体に吸収されて当該蛍光体から波長変換された光が外部に出射される。蛍光体から出射された光と、発光素子100から出射された発光色のままの光とが一緒に出射されることにより、発光装置200から例えば白色光として外部に出射される。
Qルートは、発光素子100の下面から下部方向に出射された光が、接着層240及び透明基体210を透過して反射板230の開口部232から外部に出射されるルートである。透明基体210を透過した光は開口部232を介して第2の封止樹脂層254に入射する。第2の封止樹脂層254に入射した光の一部は、第2の封止樹脂層254中に分散された蛍光体に吸収されて当該蛍光体から波長変換された光が外部に出射される。蛍光体から出射された光と、発光素子100から出射された発光色のままの光とが一緒に出射されることにより、発光装置200から例えば白色光として外部に出射される。
Rルートは、発光素子100の下面から下部方向に出射された光が、接着層240を透過して透明基体210に入射し、透明基体210中を伝播して透明基体210の側面216から外部に出射されるルートである。
本実施の形態のように、接着層240に蛍光体が含有されていない場合、接着層240を透過して透明基体210に入射した光は発光素子100から出射された発光色のままの光である。Rルートでは、発光素子100の発光色のままの光が透明基体210中を伝播して透明基体210の側面216から出射される。
このとき、透明基体210の側面216の近傍に適切な量の蛍光体がないと、透明基体210の側面216から発光素子100の発光色のままの光が多く出射されてしまう。発光素子100から出射される光の色が例えば青色の場合、青い筋状の発光パターンとなり、電球等の光源として用いた場合に非常に問題となる。
本実施の形態では、上述したように、透明基体210の表面212及び裏面214に加えて、4つの側面216(216a〜216d)も蛍光体を含有した封止樹脂層250で覆われている。すなわち、透明基体210の表面212及び裏面214のみならず、側面216についても適切な蛍光体を含有した封止樹脂層250できっちりと覆われている。そのため、透明基体210中を伝播して透明基体210の側面216から出射した光は、第1の封止樹脂層252に入射する。第1の封止樹脂層252に入射した光の一部は、第1の封止樹脂層252中に分散された蛍光体に吸収されて当該蛍光体から波長変換された光が外部に出射される。蛍光体から出射された光と、発光素子100から出射された発光色のままの光とが一緒に出射されることにより、発光装置200から例えば白色光として外部に出射される。
このように、本発光装置200では、発光素子100の発光色のままの光が多く出射される領域(例えば、発光素子100の発光色のままの光のみが出射される領域)がないため、広範囲にわたって均一な発光色の光(例えば白色光)が出射される。
[封止樹脂層250と透明基体210との関係]
図2及び図3を参照して、第1の封止樹脂層252と透明基体210との関係について説明する。透明基体210の各端部210e〜210hから第1の封止樹脂層252における対応する各端部252e〜252hまでの距離をそれぞれ距離dとする。透明基体210の表面212から第1の封止樹脂層252の上面(透明基体210の表面212と対向する外表面)までの距離を距離tとする。この場合、距離dと距離tとは以下の式(1)の関係を有しているのが好ましい。
d≧t ・・・・ (1)
発光素子100から出射される光が例えば波長450nmの青色光の場合、距離dが距離tに対してd<tとなっていると、透明基体210中を伝播して透明基体210の側面216から出射される青色光が十分に蛍光体を励起できず、Pルートの光に比べて青色の光が強く出射されてしまう。この場合、均一な光源(例えば白色光源)が得られず、電球等の照明装置に搭載した場合にこの青色の光がライン状に見えることがある。
上記した式(1)の関係を満たすことにより、青色の光がライン状に見える問題が解消される。したがって、距離dと距離tとが上記した式(1)の関係を満たすように、第1の封止樹脂層252が形成されているのが好ましい。
[反射板230と透明基体210との関係]
図2及び図3を参照して、反射板230と透明基体210との関係について説明する。透明基体210の各端部210e〜210hから反射板230における対応する各端部230e〜230hまでの距離をそれぞれ距離Aとする。この場合、距離Aと距離dとは以下の式(2)の関係を有しているのが好ましい。
A≧d ・・・・ (2)
すなわち、第1の封止樹脂層252の端部252e〜252hは、それぞれ、透明基体210の端部から反射板230の端部までの間に位置するように形成するのが好ましい。上記した式(2)の関係を満たすことにより、簡便に透明基体210の側面216(216a〜216d)を、蛍光体を含有した第1の封止樹脂層252で覆うことが可能となる。
なお、距離dと距離tとは、d≧tの関係を有しているのが好ましいため、距離A、距離d及び距離tは、以下の式(3)の関係を有しているのが好ましい。
A≧d≧t ・・・・ (3)
図3及び図11を参照して、反射板230に形成された開口部232の各端部232a〜232dから透明基体210における対応する各端部までの距離をそれぞれ距離Bとする。距離Bは、反射板230と透明基体210との重なり合った領域の幅でもある。透明基体210と反射板230の固定(接着)の状況は、距離Bによって決定される。透明基体210と反射板230とを十分に固定するために、距離Bは500μm以上であるのが好ましい。一方、距離Bが大きくなると、開口部232を介して下方に抜ける光の量が減少する。このため、距離Bを適宜調整することで、下方へ出射する光の量を制御できる。
さらに、開口部232の各端部232a〜232dから当該端部232a〜232dの最も近傍に位置する発光素子100の端までの距離をそれぞれ距離Cとする。距離Cは、発光素子100から出射される光の効率に影響を与える。そのため、距離Cは、以下の式(4)を満たしているのが好ましい。
C>0 ・・・・ (4)
すなわち、複数の発光素子100の全てが平面図的に見て開口部232の内側の領域に位置するように透明基体210上に搭載されているのが好ましい。なお、距離Cは、透明基体210の厚みxとの関係において以下の式(5)を満たしていれば、光取出し効率がより高くなるため、より好ましいことが分かった。
x≧C ・・・・ (5)
[製造方法]
図2、図4、図5、図7、図8、図12及び図13を参照して、本実施の形態に係る発光装置200の製造方法について説明する。まず、図4に示すような透明基体210を準備する。透明基体210の少なくとも裏面214を非平滑面とする。例えば、透明基体210の裏面214を研磨せずに、凹凸を残したままの面とする。その他、意図的にストライプ及びディンプル等の凹凸を設けてもよい。透明基体210の裏面214を非平滑面とすることにより、透明基体210の裏面214に別途透光性部材等を設けなくても発光素子100の下面から透明基体210に導光された光を効率よく外部に取出すことができる。
次に、透明基体210の所定の領域に金属柱300を固定するための貫通孔218を形成する。貫通孔218が形成された領域に、電極パッドを形成する。図12(a)を参照して、電極パッドは、透明基体210の両面に形成する。貫通孔218の内側面には電極パッドと同一材料で形成された接続部224(図5参照)を形成する。電極パッドと接続部224とは例えば同一工程で一体的に形成することができる。なお、貫通孔218を形成する工程の前に電極パッドを形成する工程を行ない、電極パッドを形成した後に、電極パッドの形成領域に貫通孔218を形成するようにしてもよい。
その後、透明基体210の表面212上に複数の発光素子100をダイボンドペーストにより実装する。具体的には、発光素子100をシリコーン樹脂からなるダイボンドペーストを用いて載置し、150℃で2〜3時間加熱することでダイボンドペーストを硬化させて発光素子100を透明基体210の表面212上に接着する。
図12(b)を参照して、複数の発光素子100が搭載された透明基体210を反射板230の上面上に接着剤等で固定する。反射板230は、図7に示すような形状及び寸法に加工する。具体的には、Al合金からなる金属板を略矩形状に加工し、その中央部分に開口部232を形成する。反射板230の延び方向における両端部分には、補助金属柱310(図2参照)が固定される貫通孔234を形成する。図13を参照して、透明基体210を反射板230に固定する際に、透明基体210で開口部232を塞ぐように当該透明基体210を固定する。このとき、透明基体210に搭載された複数の発光素子100が、反射板230の開口部232と対向するように調整する。なお、平面図的に見た場合に、複数の発光素子100の全てが開口部232の内側の領域に位置するように透明基体210を反射板230の上面上に固定するのが好ましい。
図12(c)及び図13を参照して、透明基体210を反射板230に固定した後、各発光素子100をワイヤ242で結線する。
続いて、図12(d)を参照して、反射板230の上面上及び透明基体210上に、透明基体210の側面216をも含めて透明基体210の外面を覆うように、蛍光体を含有した透明樹脂を例えばポッティング法により塗布する。このとき、透明基体210の貫通孔218が透明樹脂で埋まらないようにする。そして、オーブンにて150℃程度の温度で2〜3時間程度加熱して透明樹脂を硬化させる。さらに、図12(e)に示すように、透明基体210が搭載されていない、反射板230の下面上にも、蛍光体を含有した透明樹脂を例えばポッティング法により塗布し、同様に、オーブンにて150℃程度の温度で2〜3時間程度加熱して透明樹脂を硬化させる。このときも、透明基体210の貫通孔218が透明樹脂で埋まらないようにする。また、図8に示すように、透明基体210の貫通孔218が反射板230の下面から露出するように透明樹脂を塗布する。
このように、透明基体の片面ずつ透明樹脂を塗布して硬化させることにより、ポッティング法等の非常に容易な方法で透明基体210の両面上に蛍光体を含有した透明樹脂(封止樹脂層250)を形成できる。このとき、透明基体210の側面216に蛍光体を含有した透明樹脂(封止樹脂層250)が十分に回りこむことが重要である。これは、透明樹脂(封止樹脂層250)の土台となる反射板230を透明基体210より大きく形成することで、非常に簡便に透明基体210を覆うように透明樹脂を形成できる。そのため、透明基体210の側面216に蛍光体を含有した透明樹脂(封止樹脂層250)を十分に回りこませた状態で封止樹脂層250を形成できる。
なお、透明樹脂を塗布する際に、透明樹脂が反射板230上で流れださないように、図12(d)及び図12(e)に示すようなダム30及び32を反射板230上に設けてもよい。このダム30及び32は、例えばシリコーン樹脂及びエポキシ樹脂等を用いて形成できる。
これにより、本実施の形態に係る発光装置200が製造される。こうして製造された発光装置200に金属柱300及び補助金属柱310を固定する。具体的には、図2に示すように、透明基体210の貫通孔218に金属柱300を挿入して金属柱300を透明基体210に固定する。さらに、反射板230の貫通孔234に補助金属柱310をネジ止め固定する。
図1を参照して、金属柱300及び補助金属柱310が固定された発光装置200を照明装置の本体部分に固定してバルブ60を取付けることにより、電球型のLEDランプに組立てる。これにより、本実施の形態に係る照明装置50が製造される。
[本実施の形態の効果]
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係る発光装置200及び照明装置50は、以下に述べる効果を奏する。
複数の発光素子100は透明基体210上に搭載されており、この透明基体210が反射板230上に固定されている。発光素子100で生じた熱はこの反射板230を介して放熱される。反射板230上に透明基体210を固定することにより、複数の発光素子の駆動によって発生した熱を面内で均一に広げて効率よく放熱できる。すなわち、面内均一性の高い放熱を実現できる。そのため、例えば透明基体210の中心部分に熱がこもったり、複数の発光素子において温度が異なる、温度ムラが生じたりするのを抑制できる。
透明基体210が固定される反射板230には、複数の発光素子100と対向する領域に開口部232が設けられている。発光素子100の下面から出射された光は、透光性を有する接着層240及び透明基体210を透過して反射板230の開口部232から出射される。すなわち、反射板230の下面側にも光を出射できる。そのため、発光装置200の上方のみならず下方にも光を出射できるので、広範囲に光を出射できる。
本発光装置200はまた、蛍光体を含有する封止樹脂層250で透明基体210が覆われている。そのため、発光素子100の発光色のままの光が透明基体210中を伝播して外部に出射されるのを抑制できる。したがって、発光素子100の発光色のままの光が多く出射されてしまうのを抑制できるので、色むらの発生を抑制できる。さらに、透明基体210を固定する反射板230を含むことによって、発光素子100及び蛍光体から出射された光を反射板230で効率よく反射できるので、光を有効にパッケージの外部に取出すことができる。
このように、本発光装置200によれば、面内均一性の高い放熱を実現できるとともに、均一な発光色の光を広範囲に、かつ、効率よく出射できる。
さらに、反射板230における開口部232の形成領域を透明基体210の平面積より小さくすることによって、容易に、発光素子100が搭載された透明基体210を、その発光素子100が開口部232と対向するようにして反射板230に固定できる。
蛍光体を含有しない接着層240を介して発光素子100を透明基体210上に固定することにより、接着層240の厚みが大きくなり過ぎるのを抑制できるので、放熱性をより向上できる。本発光装置200は、蛍光体を含有する封止樹脂層250で透明基体210が覆われているため、このように構成した場合でも、発光素子100の発光色のままの光が透明基体210中を伝播して外部に出射されるのを抑制できる。これより、放熱特性をより向上させながら、例えば、青色の光がライン状に見えるという問題が生じるのを抑制できる。
第1の封止樹脂層252を形成する際に、透明基体210の端部から封止樹脂層250の端部までの距離dを透明基体210の表面212から第1の封止樹脂層252の上面までの距離t以上とすることによって、透明基体210の側面216を、容易に、適切な量の蛍光体を含有する第1の封止樹脂層252で覆うことができる。透明基体210中を伝播して当該透明基体210の側面216から出射される光は、透明基体210の側面を覆う第1の封止樹脂層252中の蛍光体を十分に励起できるため、発光素子100の発光色のままの光が多く出射されてしまうのを容易に抑制できる。その結果、外部に出射される光を容易に均一な発光色の光にできる。
透明基体210の端部から反射板230の端部までの距離Aを透明基体210の端部から封止樹脂層250の端部までの距離d以上とすることにより、容易に、蛍光体を含有する第1の封止樹脂層252で透明基体210を覆うことができる。加えて、容易に、透明基体210の側面216を適切な量の蛍光体を含有する封止樹脂層250で覆うことができる。
さらに、開口部232の端部から複数の発光素子100のうち最も当該端部側の発光素子100までの距離をCとした場合に、距離CをC>0となるように構成することによって、発光素子100から出射された光を開口部232から効率よく反射板230の下面側に取出すことができる。そのため、発光素子100からの光を広範囲に、かつ、効率よく外部に出射できる。
なお、反射板230を金属材料から構成することにより、より一層、発光素子100で生じた熱を面内で均一に広げて効率よく放熱できる。これにより、発光装置200の放熱性をより一層向上できる。
本実施の形態に係る照明装置50は、上記発光装置200を光源として搭載することによって、広範囲に光を放射する電球型のLEDランプとすることができる。このとき、発光装置200を放熱部材としても機能する金属柱300及び補助金属柱310で支持することによって、発光素子100で発生した熱をさらに効率よく放熱できる。
(第2の実施の形態)
図14を参照して、本実施の形態に係る照明装置500は、第1の実施の形態に係る照明装置50と同様、電球型のLEDランプである。この照明装置500は、照明装置50の発光装置200に代えて、発光装置600を含む。
図15を参照して、本実施の形態に係る発光装置600は、上記第1の実施の形態に係る発光装置200において、封止樹脂層250を被覆する透明封止樹脂層650をさらに含む。
本実施の形態では、封止樹脂層250が透明封止樹脂層650で被覆されているため、発光素子100を封止する封止樹脂層(透明樹脂層)が2層構造となっている。外側の透明封止樹脂層650は、例えばシリコーン樹脂によって形成されている。この透明封止樹脂層650には蛍光体が含有されていない。
透明封止樹脂層650の表面は、球状又は凸形状とされている。透明封止樹脂層650の表面をこのような形状とすることにより、発光素子100から発する光、及び封止樹脂層250に含まれる蛍光体から発する光を、球状又は凸形状の透明封止樹脂層650で周囲に無指向に放出できる。
透明封止樹脂層650は光学レンズとして機能させることも可能である。これにより全方向へ均等な光を放出することが可能な発光装置600が得られる。透明封止樹脂層650は、例えばトランスファー成型等により形成できる。透明封止樹脂層650の形成にトランスファー成型等の成型方法を用いることにより、透明封止樹脂層650の表面をあらゆる光学レンズ状の曲面に成型することが可能である。
なお、透明封止樹脂層650の屈折率は、蛍光体を含有する封止樹脂層250と同等かそれより小さい屈折率であるのが光取出しの観点からは好ましい。
(第3の実施の形態)
図16を参照して、本実施の形態に係る発光装置700は、透明基体210が反射板230の下面上に固定されている。具体的には、透明基体210の表面212と反射板230の下面とが図示しない接着剤によって固定されている。複数の発光素子100は、反射板230の開口部232の内側の領域に位置している。
発光装置700は、封止樹脂層250と同様の封止樹脂層750によって透明基体210が覆われている。封止樹脂層750は、反射板230の上面上に形成される第1の封止樹脂層752と、反射板230の下面上に形成される第2の封止樹脂層754とを含む。第1の実施の形態と同様、第1の封止樹脂層752及び第2の封止樹脂層754には蛍光体が含有されている。
本実施の形態では、透明基体210が反射板230の下面に固定されているため、透明基体210の側面216は第2の封止樹脂層754によって覆われている。すなわち、第2の封止樹脂層754は、透明基体210の裏面214及び側面216を覆うように反射板230の下面上に形成されている。一方、第1の封止樹脂層752は、透明基体210の表面212、複数の発光素子100及びワイヤ242を封止するように反射板230の上面上に形成されている。
このような構成を有する発光装置700は、第1の実施の形態に係る発光装置200と同様の効果を有する。
(変形例)
上記実施の形態では、電球型のLEDランプに本発明を適用した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。電球型のLEDランプ以外の照明装置に本発明を適用することもできる。
上記実施の形態では、反射板に光透過部(光通過部)としての開口部を形成した例について示したが、光透過部(光通過部)は、開口部以外に例えば切欠き状のものであってもよい。そのような反射板の一例を図17及び図18に示す。図17を参照して、反射板1230は、反射板230を2つに分割した形状を有する。反射板1230は一方側の反射板1240と他方側の反射板1250とを含む。反射板1240は切欠部1242を有しており、反射板1250は切欠部1252を有している。切欠部同士を向かい合わせて、反射板1240と反射板1250とをつき合わせると、反射板230と同様の形状となる。図18を参照して、反射板1240及び反射板1250は、透明基体210が固定されることによって、一体化される。このような反射板1250を用いた場合も、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
上記実施の形態では、反射板に光透過部(光通過部)としての開口部を1つ形成した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。反射板の光透過部は複数の開口部によって形成されていてもよい。そのような反射板の一例を図19及び図20に示す。図19及び図20を参照して、反射板1330は、複数の開口部1332〜1334を有している。開口部1332〜1342は、発光素子100と対向する領域に形成されている。すなわち、発光素子100の直下の領域に位置するように複数の開口部1332〜1342が反射板1330に形成されている。開口部1344は、透明基体210の貫通孔218を露出させるために形成されている。この開口部1344によって、金属柱を透明基体210に固定することができる。このように、反射板の光透過部は複数の開口部1332〜1342によって形成した場合でも、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
上記実施の形態では、反射板に略矩形状の開口部を形成した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。開口部の平面形状は矩形状以外の形状であってもよい。開口部の平面形状は、例えば円形状及び楕円形状等であってもよい。
上記実施の形態において、金属柱の固定方法はネジ止め固定等であってもよい。例えば、図21に示す発光装置800のように、金属柱300Aをネジ810によって固定するようにしてもよい。なお、金属柱及び補助金属柱の固定方法は、ネジ止め以外に、例えばリベット、かしめ、溶接、接着、係止、係合及び嵌合等の他の固定方法を適宜用いることもできる。
上記実施の形態では、サファイアからなる透明基体を用いた例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明基体の構成材料はサファイア以外であってもよい。ただし、透明基体の構成材料は、光透過性を有することに加えて、高い熱伝導性を有しているのが好ましい。このような熱伝導性の高い材料としては、例えば、サファイア、GaN、酸化ベリリウム(ベリリア)、ZnO、SiC、Si、ZnS、AlN、SiC、ダイヤモンド及びルビー等の単結晶材料又は多結晶材料等、若しくはそれらの結晶体で形成されたセラミック材料等を用いることができる。
特に透明基体として導電性を有する部材を使用すると、発光素子の搭載面でも導通を得ることができるので、ワイヤボンディングは一方の電極のみで足りる。そのため、ワイヤの数を減らして製造コストの削減及び歩留まりを向上できる。したがって、透明基体に導電性を有する部材を用いることにより、信頼性の向上に寄与できる。特にワイヤは、これを封止する樹脂中で熱膨張係数の違い等によって断線するおそれがあるため、ワイヤの使用本数を減らすことでこのようなリスクを低減できる。この場合、透明基体と反射板とを固定する接着剤に絶縁性の接着剤等を用いて、透明基体と反射板とが短絡しないように構成するのが好ましい。
また、発光素子と透明基体との界面における反射を低減するために、これらの間の屈折率を調整することが好ましい。発光素子が成長基板上に素子構造体が支持されている場合、成長基板と透明基体との屈折率差が小さいことが好ましく、又は成長基板の屈折率が透明基体の屈折率より大きくなるように両者の材質を決定することにより、光の反射を少なくすることができる。例えば、成長基板としてのサファイア基板上に半導体層を成長させた発光素子を用いる場合、透明基体はサファイアからなる透明基体を使用することが好ましい。サファイアの透明基体よりも屈折率の低い石英の透明基体を用いてもよい。成長基板を有さないGaN系半導体素子であれば、GaNからなる透明基体を用いることが好ましく、GaNより屈折率の低いサファイア及び石英の透明基体を用いることが好ましい。
上記実施の形態では、透明基体の表面上に搭載された発光素子の成長基板側から出射された光は、透明基体を通り、さらに透明基体の裏面上に形成された、蛍光体を含有する第2の封止樹脂層中に入射し、そのまま透過してパッケージ下方に出射されたり、第2の封止樹脂層中の蛍光体によって、緑又は赤色の波長に波長変換されたりして、パッケージ下方に出射される。このため、透明基体の屈折率と封止樹脂層の屈折率差が小さいことが好ましい。そのため、封止樹脂層を構成する透明樹脂としては、屈折率が1.35〜1.58程度のシリコーン樹脂が、透明基体としては、酸化アルミニウム(例えばサファイア等)の焼結体であるセラミック基体、サファイアの透明基体、石英の透明基体等が好適であると考えられる。屈折率の関係として、成長基板≧透明基体≧透明樹脂(封止樹脂層)の関係性が好ましい。
上記実施の形態では、透明基体の裏面を非平滑面とした例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明基体の裏面は平滑面としてもよいし、透明基体の表面及び裏面の両方を非平滑面としてもよい。さらに、透明基体の表面及び裏面を曲面にしてもよい。このようにすれば、透明基体の表面及び裏面で全反射される光の成分を低減できるので、透明基体の内部に光が閉じ込められて光取出しが抑制されるのを防ぐことができる。
上記実施の形態では、発光素子を固定するためのダイボンドペーストにシリコーン樹脂を用いた例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。上記実施の形態におけるダイボンドペーストとして、発光素子と透明基体とを固定するとともに、発光素子からの光を透過することが可能な材料であれば、特に限定されず、例えば、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂等の有機材料、無機材料、並びにこれらのハイブリッド材料を用いることができる。具体的には、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、熱可塑性樹脂であるアクリル樹脂及びポリイミド樹脂、熱安定性が高いシリコーン樹脂等からなるダイボンドペーストが挙げられる。ダイボンドペースト(接着層)が、光及び熱等による劣化で着色すると光の取出し効率が低下するため、耐熱性、耐光性及び熱伝導性を備えることが望ましい。さらに、ダイボンドペーストの熱膨張率を調整するため、又は導電性を高めるために、これらの樹脂にフィラーを含有させることもできる。フィラーを入れることで、ダイボンドペースト内の光散乱効果をあげることができるため、光取出しに関して好ましい。
上記実施の形態では、金属柱及び補助金属柱をAl合金から構成した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。例えば、熱伝導性と導電性に優れた素材の表面に発光素子からの光を反射することが可能な金属メッキを施した金属柱及び補助金属柱を用いることもできる。金属柱の構成材料(素材)であって、熱伝導性に優れた素材として、例えば銅、鉄・ニッケル・コバルトの合金であるコバール(登録商標)及、コバールと銅の合金等が挙げられる。これらの素材は、通常の導電体よりも熱伝導性に優れているため、放熱性を向上して更なる高出力にも対応できる。特に、金属柱及び補助金属柱の素材として、耐食性、耐摩耗性、メッキ性、ろう付け性、耐応力腐食割れ性、導電性、熱伝導性に優れ、プレス、曲げ、絞り等の加工性にも優れたりん青銅を用いることが好ましい。また、上記の素材の表面にメッキを施す前に、予め銅ストライクメッキを施すことが好ましい。このように、素材の酸化物を除去し、活性化とメッキを同時に行なうことにより、素材が密着性のよい銅皮膜で覆われ、この後のメッキの付き回りが改善されると同時に、耐食性も向上することができる。さらに、メッキ浴中への素材金属の溶解も防ぐことができ、浴の汚染を防止することもできる。このように表面処理された素材に、発光素子からの光を反射することが可能なメッキを有していることが好ましい。特にメッキとして、光沢度が90以上である導電性膜が設けられていることが好ましい。上記光沢度は、JIS規格に基づき発光素子からの光を60°で入射したときの鏡面反射率が80%となる、屈折率1.567のガラス面を光沢度0と規定し、日本電色工業株式会社製VSR300A微小面色差計にて測定した値を用いることができる。具体的なメッキ主材料として、Au,Ag,及びAl等が挙げられる。
上記実施の形態では、反射板をAl合金から構成した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。反射板はAl合金以外の材料から構成されていてもよい。例えば、反射板についても、上記した金属柱に用いることが可能な材料を用いることができる。
上記実施の形態では、シリコーン樹脂からなる接着剤を用いて透明基体を反射板上に固定する例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明基体を反射板上に固定する接着剤は、透光性を有するもの、又は高い光反射率を有するものであればよい。このような接着剤としては、耐熱、耐光性に優れたシリコーン樹脂が好適に使用できるが、シリコーン樹脂以外に、例えば熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、熱可塑性樹脂であるアクリル樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることもできる。さらに、接着剤中に熱伝導をよくするためのフィラー等を入れたものであってもよい。フィラーとしては、一般的に粒径の小さいAlN等を用いることができる。
上記実施の形態では、1つの金属柱と2つの補助金属柱とを用いて発光装置を支持する例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。例えば、2つの金属柱で発光装置を支持するようにしてもよい。また、1つの金属柱のみで発光装置を支持するようにしてもよい。
上記実施の形態では、同じ種類の複数の発光素子を用いた例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。発光装置に搭載される複数の発光素子は異なる種類の素子が含まれていてもよい。なお、発光装置に搭載される発光素子の数は適宜変更できる。
上記実施の形態では、透明基体に搭載される複数の発光素子を、透明基体の表面において直並列に接続した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。例えば、複数の発光素子を全て直列接続にしてもよいし、全て並列接続にしてもよい。
上記実施の形態では、発光素子を、蛍光体を含有しないダイボンドペースト(接着層)によって透明基体上に実装した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。例えば、蛍光体を含有する透光性のダイボンドペーストを用いて発光素子を実装するようにしてもよい。その場合、ダイボンドペーストに分散させる蛍光体には、平均粒径が200nm以下の蛍光体を用いるのが好ましい。このような粒径の小さい蛍光体を分散させることで放熱性の低下を効果的に抑制できる。なお、「平均粒径」とは、レーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径(平均粒径d50)を意味する。
上記実施の形態では、金属柱及び補助金属柱にリード端子(導入線)としての機能を持たせた例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。金属柱及び補助金属柱にリード端子としての機能を持たさずに、別途リード線(導入線)等を設けるようにしてもよい。さらに、例えば反射板上に当該反射板と絶縁された配線層を形成するようにしてもよい。この場合、反射板と金属柱とを直接接触するように構成するのが好ましい。金属柱は透明基体及び反射板の熱を照明装置の下部に放熱する役割を果たすため、金属柱と反射板とを直接接触することにより放熱性をさらに向上できる。
上記実施の形態では、透明基体及び反射板等を平面図的に見て略矩形状に形成した例について示したが本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明基体及び反射板等の形状は矩形状以外の形状であってもよい。透明基体及び反射板等の形状は、例えば円形状及び楕円形状等であってもよい。封止樹脂層の平面形状についても透明基体等と同様、略矩形状以外の形状であってもよい。なお、透明基体及び反射板は互いに同じ形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。
上記実施の形態において、第1の封止樹脂層に分散される蛍光体と第2の封止樹脂層に分散される蛍光体は同じであってもよい。さらに、意図的に、第1の封止樹脂層と第2の封止樹脂層とに含まれる蛍光体の量を変えて、発光装置の上部方向と下部方向に出射される光の色度変えてもよい。第1の封止樹脂層と第2の封止樹脂層とに含まれる蛍光体が異なっていてもよい。例えば、上述した蛍光体群から選ばれた異なる蛍光体が含まれ、第1の封止樹脂層には緑色蛍光体、第2の封止樹脂層には赤色蛍光体等の異なる種類の蛍光体を含有させてもよい。なお、赤色蛍光体としては、例えばEu附活CaAlSiを用いることができる。緑色蛍光体としては、例えば(Sr,Ba,Mg)SiO:Eu、Ca(Sc,Mg)Si12:Ceを用いることができる。
また上記実施の形態において、距離A、距離B、距離C及び距離dは、透明基体及び反射板等の各端部において必ずしも互いに同じ距離となるように構成する必要はないが、各端部のいずれにおいても距離A、距離B、距離C及び距離dが、上記した式(1)〜式(5)の関係を満たすように構成されているのが好ましい。
上記実施の形態において、発光素子の素子構成は適宜変更することができる。例えば、第1の実施の形態では、発光素子の透明電極にITOからなる透明電極を用いた例について示したが、透明電極はITO以外に例えばIZO(Indium Zinc Oxide)等の透明導電膜を用いることもできる。また、発光素子のn側電極は上記以外に例えばW/Al、Ti/Al、Ti/Al/Ni/Au、W/Al/WPt/Au及びAl/Pt/Au等であってもよい。
上記第2の実施の形態では、透明封止樹脂層を蛍光体が含有しない構成とした例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明封止樹脂層に蛍光体を含有させた構成とすることもできる。さらに透明封止樹脂層の一部(例えば透明基体の表面側及び裏面側の一方)に蛍光体を分散させた構成としてもよい。
上記第2の実施の形態では、透明封止樹脂層をシリコーン樹脂から構成した例について示したが、本発明はそのような実施の形態には限定されない。透明封止樹脂層は、シリコーン樹脂以外の材料から構成されていてもよい。シリコーン樹脂以外の材料としては、例えばエポキシ樹脂、ガラス等が挙げられる。
上記で開示された技術を適宜組合せて得られる実施の形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
今回開示された実施の形態は単に例示であって、この発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。この発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。
50、500 照明装置
60 バルブ
70 口金部
80 反射基体
100 発光素子
110 成長基板
200、600、700、800 発光装置
210 透明基体
210e〜210h、230e〜230h、
232a〜232d、252e〜252h 端部
212 表面
214 裏面
216 側面
218 貫通孔
220 電極パッド
230、1230、1330 反射板
232 開口部
240 接着層
250、750 封止樹脂層
252、752 第1の封止樹脂層
254、754 第2の封止樹脂層
300、300A 金属柱
310 補助金属柱
650 透明封止樹脂層

Claims (8)

  1. 複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子が搭載される透明基体と、
    前記透明基体が固定される反射板と、
    蛍光体を含有し、前記透明基体を覆うように形成された透明樹脂層とを含み、
    前記反射板は、前記複数の発光素子から出射された光が透過する光透過部を有し、
    前記光透過部は、前記複数の発光素子と対向する領域に設けられている、発光装置。
  2. 前記発光素子を前記透明基体上に固定する、蛍光体を含有しない接着層をさらに含み、
    前記接着層は透光性を有している、請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記透明基体は端部を有するとともに、前記透明樹脂層は前記透明基体の前記端部に対応する端部を有し、
    前記透明基体の前記端部から前記透明樹脂層の前記端部までの距離をdとし、前記透明基体における前記発光素子が搭載されている搭載面から当該透明樹脂層における前記搭載面と対向する外表面までの距離をtとした場合に、前記距離dと前記距離tとはd≧tの関係を有する、請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
  4. 前記透明基体は端部を有するとともに、前記透明樹脂層及び前記反射板はそれぞれ前記透明基体の前記端部に対応する端部を有し、
    前記透明基体の前記端部から前記透明樹脂層の前記端部までの距離をdとし、前記透明基体の前記端部から前記反射板の前記端部までの距離をAとした場合に、前記距離dと前記距離AとはA≧dの関係を有する、請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
  5. 前記光透過部は端部を有し、
    前記光透過部の前記端部から前記複数の発光素子のうち最も当該端部側の発光素子までの距離をCとした場合に、前記距離CはC>0である、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の発光装置。
  6. 前記反射板は金属材料からなる、請求項1〜請求項5のいずれかに記載の発光装置。
  7. 前記透明基体は200μm以上6000μm以下の厚みを有する、請求項1〜請求項6に記載の発光装置。
  8. 透明基体上に複数の発光素子を実装する工程と、
    光透過部を有する反射板を形成する工程と、
    前記反射板上に、前記透明基体を前記複数の発光素子が前記光透過部と対向するようにして固定する工程と、
    前記透明基体を覆うように、蛍光体を含有した透明樹脂層を形成する工程とを含む、発光装置の製造方法。

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