JP2014041993A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光装置において、蛍光体粒子からの発熱を良好にすること。
【解決手段】表面に外部と接続する導体層を有する基材に搭載された発光素子を封止した発光装置であって、発光素子の上方に配置された蛍光体層と、蛍光体層と前記導体層の双方に接し、熱伝導率が100W/m・K以上であって、絶縁体又は半導体特性を有する熱伝導性粒子が分散されている樹脂層とを有している。発熱体である蛍光体層と放熱経路である導体層との間に熱伝導性粒子を分散させて配置することにより、蛍光体粒子と導体層との間の熱抵抗が低下するため、蛍光体粒子からの放熱が促進される。これにより、発光装置を構成する部材の熱による劣化を抑制することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、蛍光体と発光素子を用いた発光装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、蛍光体と発光素子を用いて白色光を発する発光装置及びその製造方法に関するものである。
いわゆる、セラミック基板や金属基板等の汎用基板上に複数のLEDチップ等の発光素子を搭載したCOB(Chip−On−Board)モジュールや、樹脂製やセラミック製のパッケージに発光素子を搭載したLEDランプ等の発光素子では、紫外光〜青色光を発するLEDチップと、これを封止する封止部中に蛍光体を含有させている。発光素子を駆動させた際に発せられる発光光により、蛍光体粒子を励起させて、青〜赤の所望の波長変換光を発せさせて、発光素子の発光光と波長変換光との混合光、又は、波長変換光のみの混合光により白色光を得ている。このように、近年では、発光素子を利用して白色光を得る場合、蛍光体を用いることが主流になっている。
封止部中に蛍光体粒子を含有させる手法としては、以下の3つの代表的なものが知られている。ここでは、これらの手法をLEDランプに適用した例について、説明する。
1つ目の手法は、図1(a)に示すように、蛍光体粒子3aを封止部3中のパッケージ1に搭載されたLEDチップ2の搭載側に配置する方法である(以下、沈降配置という。)。沈降配置では、LEDチップ2の近傍に蛍光体粒子3aが配置されるため、蛍光体粒子3aを高効率に波長変換させることができる利点がある(例えば、特許文献1〜4参照。)。
2つ目の手法は、図1(b)に示すように、蛍光体粒子3aを封止部3中に均一に分散させて配置する方法である(以下、分散配置という。)。この方法では、発光装置の色制御が容易になる利点がある(例えば、特許文献5参照。)。
3つ目の手法は、図1(c)に示すように、蛍光体粒子3aを封止部3中のパッケージ1に搭載されたLEDチップ2から離れた位置に配置する方法である(以下、離隔配置という。)。離隔配置では、LEDランプを観測者側から見た視野角の変化による色むらを防止できる利点がある(例えば、特許文献6参照。)。
LEDランプを発光させる際には、LEDチップ2の駆動による発熱と、蛍光体粒子3aの波長変換による発熱により、LEDランプ内に熱がこもる。これにより、LEDランプを構成する封止部3やその他のLEDチップ2等の構成部材が劣化し、LEDランプの輝度及び信頼性を低下させることが問題となっている。そのため、LEDランプの発熱に対しては、LEDチップ2の搭載部であるリード1aを介して、LEDランプの実装面より放熱する手法が一般的に用いられている。この手法は、COBモジュールの場合においても同様であり、COBモジュールを構成するセラミック基板上の配線や金属基板の実装面より放熱する手法が一般的に用いられている。
特開平11−040858号公報 特開2007−227791号公報 特開2009−016779号公報 特開2012−114416号公報 特表2005−524737号公報 特表平11−500584号公報
特に、上記の離隔配置の場合においては、LEDチップ2からの発熱は、リード1aを介して放熱しやすいが、蛍光体粒子3aからの発熱は、リード1aと蛍光体粒子3aとが離隔しているため、リード1aを介して放熱しにくい。そのため、離隔配置の場合においては、蛍光体粒子3aからの発熱に対して放熱が十分に図られず、封止部3の劣化を生じやすいという問題があった。
本発明は、上記の従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、蛍光体粒子からの発熱を良好にすることを目的とする。
上記の課題を解決すべく、本発明は、以下の構成の発光装置を提供する。
即ち、表面に外部と接続する導体層を有する基材に搭載された発光素子を封止した発光装置であって、前記発光素子の上方に配置された蛍光体層と、前記蛍光体層と前記導体層の双方に接し、熱伝導率が100W/m・K以上であって、絶縁体又は半導体特性を有する熱伝導性粒子が分散されている樹脂層とを有することを特徴とする発光装置である。
ここでいう「発光素子の上方」とは、発光素子に上面に接した状態又は上面から離れた状態を指す。
また、「蛍光体層」とは、蛍光体粒子が層状に高密度に母材に分散されているか、蛍光体層自体が蛍光体を形成している状態を指す。
前記熱伝導性粒子としては、例えば、CNT、ダイアモンド、c−BN、SiC、BeO、AlNの少なくとも一つが挙げられる。
前記樹脂層は前記基材であることが好ましい。また、前記発光素子と前記基材との間に白色樹脂部を有することが好ましい。更に、前記発光素子と前記蛍光体層が接して配置されることが好ましい。また、前記発光素子と前記白色樹脂部との間に発光素子と接して封止する封止部を有していてもよい。
前記樹脂層は前記発光素子に接して封止する樹脂からなる封止部であって、前記封止部の前記発光素子と接する下部より該発光素子より離れた上部の方が蛍光体粒子の濃度が高くなるように封止され、前記封止部の少なくとも前記下部に前記熱伝導性粒子が分散されていてもよい。
また、上記の課題を解決すべく、本発明は、以下の構成の発光装置の製造方法を提供する。
即ち、前記発光装置を製造するにあたり、前記熱伝導性粒子を含有させた第1の封止材を前記発光素子に接するように供給して前記封止部の前記下部とし、前記蛍光体粒子を含有させた第2の封止材を前記第1の封止材の表面に供給して前記封止部の上部とすることを特徴とする発光装置の製造方法である。
また、前記発光装置を製造するにあたり、前記熱伝導性粒子と該熱伝導性粒子より比重の大きい前記蛍光体粒子を含有させた熱硬化性封止材を前記発光素子に接するように供給し、前記熱硬化性封止材の表面側に向かって重力が働くように前記発光装置を保持しつつ、第1の温度にて過熱して前記熱硬化性封止材の粘度を低下させて前記蛍光体粒子を該熱硬化性封止材の表面側に沈降させ、前記第1の温度より高い第2の温度にて加熱して前記熱硬化性封止材を硬化させることを特徴とする発光装置の製造方法である。
本発明によれば、発光素子の上方に配置された蛍光体層と、蛍光体層と導体層の双方に接し、熱伝導率が100W/m・K以上であって、絶縁体又は半導体特性を有する熱伝導性粒子が分散されている樹脂層とを有する。
すなわち、発熱体である蛍光体層と放熱経路である導体層との間に熱伝導性粒子を分散させて配置することにより、蛍光体粒子と導体層との間の熱抵抗が低下するため、蛍光体粒子からの放熱が促進される。
従って、発光装置を構成する部材の熱による劣化を抑制することができる。
尚、通常、封止部に光を拡散させるためのSiO、TiO、Al等の光拡散粒子を充填材として含有させることがあるが、これらの熱伝導率は、各々、1.5W/m・K、10W/m・K、30W/m・K程度であり、熱伝導を向上させる効果は小さい。
本発明は、光拡散性の向上に重点を置くものではなく、熱伝導性の向上に重点を置くものであり、従来、封止部に含有させていた充填材とは、その構成も効果も異なるものであり、蛍光体粒子の配置と充填材の配置との位置関係とこれに起因する効果も異なるものである。
また、本発明でいう「外部と接続する導体層」とは、LEDランプにおける外部接続用リードや、COBモジュールにおける配線や金属基板を指し、外部と電気的又は熱的に接続する導体であればよい。
図1(a)〜(c)は、従来の発光装置を示す断面図であり、図1(a)は、蛍光体粒子の沈降配置を示す断面図であり、図1(b)は、蛍光体粒子の分散配置を示す断面図であり、図1(c)は、蛍光体粒子の沈降配置を示す断面図である。 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 図3は、本発明の第2の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。 図4は、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る発光装置を示す断面図である。 図5は、本発明の第3の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の第1の実施の形態について説明する。
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るLEDランプの断面図である。
本発明の実施の形態に係るLEDランプは、凹部の底面の表面に一対のリード1aを有するパッケージ1と、一対のリード1の片側に搭載された紫外光〜青色を発する無機化合物半導体からなるLEDチップ2と、LEDチップ2と接して封止しつつ、パッケージ1の凹部を充填する封止部3からなる。
LEDチップ2は、所謂、フェイスアップ搭載されており、その正負の電極(図示せず。)の各々が一対のリード1aの各々とAu等からなるワイヤ2aを介して電気的に接続されている。そして、一対のリード1aは、パッケージ1の側面から外部に突出しており、その突出部は外部接続端子として機能する。この一対のリード1aの突出部を介して、一対のリード1aは外部と電気的及び熱的に接続する。
パッケージ1は、ポリアミド樹脂又は液晶ポリマー樹脂等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、アルミナ等のセラミックからなる。パッケージ1が樹脂材料からなる場合、パッケージ1には、光を反射させるために、TiO等の白色顔料粒子が含有されており、LEDチップ2から発せられる発光光を反射させて、パッケージ1の凹部の開口方向に導光するようになっている。
封止部3は、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、ゾルゲルガラス等の無機材料からなり、その上部に蛍光体粒子3aが下部よりも高濃度に配置されており、その下部には、熱伝導性粒子3bが均一に分散されている。
本実施の形態にて使用する蛍光体粒子3aを、以下に例示する。
(青色蛍光体)
BaMgAl1017:Eu2+
(緑〜橙色蛍光体)
Al12:Ce3+
(Ba、Sr)SiO:Eu2+
Ca(Si、Al)12(O、N)16:Eu2+
SrSi:Eu2+
(赤色蛍光体)
CaAlSiN:Eu2+
SiF:Mn4+
本発明の実施の形態に使用する熱伝導性粒子3bは、熱伝導率が100W/m・K以上の特性を有する材料である。このような特性を有する熱伝導性粒子3bについて、以下に例示する。
CNT(Carbon−Nano−Tube(熱伝導率:3000W/m・K))
ダイアモンド(熱伝導率:2100W/m・K)
c−BN(立方晶窒化硼素(熱伝導率:1300W/m・K))
SiC(炭化珪素(熱伝導率:270W/m・K))
BeO(酸化ベリリウム(熱伝導率:260W/m・K))
AlN(窒化アルミニウム(熱伝導率:230W/m・K))
尚、これらの材料は、絶縁体又は半導体であり、封止部の下部に分散状態で配置するため、LEDチップ2やワイヤ2aと接して配置しても短絡しにくい。
このような構成を有する本発明の実施の形態に係るLEDランプによれば、封止部3のLEDチップ2の接する下部よりもLEDチップ2より離れた上部の方が蛍光体粒子3aを高濃度となるように封止した離間配置をした場合においても、封止部3の下部に熱伝導率が100W/m・K以上の熱伝導性粒子3bであって、絶縁体又は半導体特性を有する熱伝導性粒子3bが分散されている。
従って、発熱体である蛍光体粒子3aが高密度である封止部3の上部と放熱経路であるリード1aとの間に熱伝導性粒子3bを分散させて配置することにより、蛍光体粒子3aからリード1aとの間の熱抵抗が低下するため、蛍光体粒子3aからの発熱を封止部3の下部を介して放熱を促進することができる。
これにより、封止部3の劣化を抑制することができる。
尚、熱伝導性粒子3bは、パッケージ1に含有させてもよい。この場合、蛍光体粒子3aからの発熱を、封止部3の下部だけでなくパッケージ1からも放熱できるので、更に、LEDランプの下部方向への熱抵抗が小さくなる。
次に、図1に示すLEDランプの製造方法について、例示として、2つの手法に関して説明する。
1つ目の手法は、封止部3の上部と下部を各々別個にパッケージ1の凹部に供給する方法である。
すなわち、熱伝導性粒子3bを第1の封止材をLEDチップ2に接するように供給した後、蛍光体粒子3aを含有させた第2の第2の封止材を第1の封止材の表面に供給する。その後、第1の封止材と第2の封止材とを加熱等により同時に硬化させることにより、図1に示す封止部3を有するLEDランプを得ることができる。
2つ目の手法は、封止部3の上部と下部を同時にパッケージ1の凹部に供給する方法である。
すなわち、比較的比重の小さい熱伝導性粒子3bと比較的比重の大きい蛍光体粒子3aの双方を含有させたエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の熱硬化性封止材を、パッケージ1の凹部の底面に搭載したLEDチップ2に接し、且つ、パッケージ1の凹部を充填するように供給するLEDチップ2に接するように供給する。その後、熱硬化性封止材の表面側に向かって重力が働くように、パッケージ1を樹脂の供給方向(重力の作用する方向とは逆方向)と逆向き(重力の作用する方向と同一方向)に保持しつつ、比較的低温であって、熱硬化性封止材の粘度が一旦低下する温度にて、蛍光体粒子を封止材の表面側に沈降させる。
この際、一般的に、蛍光体粒子3aは比重が大きいので、封止材の表面に沈降するが、一般的に、熱伝導性粒子3bは比重が小さいので、殆ど沈降しない。この状態で、熱硬化性樹脂の硬化温度まで温度を上昇させて、熱硬化性樹脂を硬化させることにより、図1に示す封止部3を有するLEDランプを得ることができる。
図3は、本発明の第2の実施の形態に係るLEDランプの断面図である。
本実施の形態では、第1の実施の形態に係る熱伝導性粒子1bを封止部3には含有させずにパッケージ1に分散して含有させた上で、蛍光体粒子3aが高密度である封止部3と重ならないように、白色樹脂部4を形成した点において、第1の実施の形態と異なる。
白色樹脂部4には、TiO等の白色顔料粒子が含有されており、熱伝導性粒子1bが含有されたパッケージ1よりも、LEDチップ2から発せられる光に対して反射率が高くなるように形成されている。
本実施の形態の白色樹脂部4は、例えば、パッケージ1を射出成形又はトランスファー成形等の金型成形により形成した後、TiO等の白色顔料粒子が含有された未硬化のエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂をディスペンス等によりパッケージ1の凹部に相当するリフレクタ部の内壁に沿って塗布した後、加熱して硬化させることにより形成することができる。
このような構成を有する本発明の実施の形態に係るLEDランプによれば、発熱体である蛍光体粒子3aが高密度である封止部3の上部と放熱経路であるリード1aとの両方に接するパッケージ1のリフレクタ部に熱伝導性粒子1bを分散させて配置することにより、蛍光体粒子3aからリード1aとの間の熱抵抗が低下するため、蛍光体粒子3aからの発熱を封止部3の下部を介して放熱を促進することができる。
これにより、封止部3の劣化を抑制することができる。
また、パッケージ1のリフレクタ部の内壁に沿って白色樹脂部4を形成することにより、LEDチップから発せられた光がパッケージ1よりも反射率の高い白色樹脂部4で反射される。
これにより、LEDランプの光取り出し効率を向上させることができる。
図4は、本実施の形態の変形例に係るLEDランプの断面図である。
本変形例では、パッケージ1のリフレクタ部の内壁に頂面まで白色樹脂部4を形成した点、及び、蛍光体粒子5bを封止部3とは別途に形成した板材5に分散して含有させた点において、図3に示すLEDランプと異なる。
本変形例の白色樹脂部4は、上述の通り、ディスペンス塗布により形成できる他、例えば、パッケージ1の外形に対応する金型を用いて射出成形又はトランスファー成形等の金型成形により形成した後、パッケージ1及び白色樹脂部4に対応する金型を用いて再度、TiO等の白色顔料粒子が含有された未硬化のポリアミド樹脂又は液晶ポリマー樹脂等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂の射出成形又はトランスファー成形等の金型成形により形成することもできる。
また、蛍光体粒子5bを含有させた板材5は、例えば、蛍光体粒子5bを含有させた未硬化のエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂を板状に硬化させた後に、パッケージ1、白色樹脂部4及び封止部3の頂面に貼付して形成することができる。
また、蛍光体粒子5bを含有させた未硬化のエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂を、パッケージ1、白色樹脂部4及び封止部3の帳面にスクリーン印刷した後に、硬化させて形成することもできる。
このような構成を有する本変形例に係るLEDランプによれば、上述の効果に加え、高密度の蛍光体粒子5bを容易に形成することができ、製造工程の簡略化が図られる。
尚、板材自体が、蛍光体を形成していてもよい。このような場合、蛍光体の材料を焼結させた後、粉砕して粒子状にすることなく、焼結体をスライスすることにより板材5を形成することができるので、更に、製造工程の簡略化が図られる。
図5は、本発明の第3の実施の形態に係るLEDランプの断面図である。
本実施の形態では、LEDチップ2の電極形成面と反対側をパッケージと接合させてワイヤを介してリードと電気的に接続する所謂フェイスアップ搭載ではなく、LEDチップ2の電極形成面をパッケージと接合させてAu等からなるバンプ2bを介してリード1aと電気的に接続する所謂フリップチップ搭載し、封止部3を形成しない点において、第1及び第2の実施の形態と異なる。
即ち、白色樹脂部4及び板材5をLEDチップ2に接しさせて封止する。
本実施の形態の白色樹脂部4は、例えば、パッケージ1を射出成形又はトランスファー成形等の金型成形により形成した後、バンプ2bを介してLEDチップ2をフリップチップ搭載し、LEDチップ2とパッケージ1との空隙部にTiO等の白色顔料粒子が含有された未硬化のエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂をディスペンス等により塗布して充填することにより形成する。
パッケージ1の凹部に相当するリフレクタ部の内壁に沿って塗布した後、加熱して硬化させることにより形成することができる。
また、板材5は、白色樹脂部4を形成した後、パッケージ1、白色樹脂部4及びLEDチップ2の頂面を平坦化するために、研磨した後に、第2の実施の形態の変形例と同様の手法により形成することができる。研磨することにより、板材5と、パッケージ1、白色樹脂部4及びLEDチップ2との間の接合性がアンカー効果により増す。
このような構成を有する本実施の形態に係るLEDランプによれば、熱伝導性粒子1bを含有させたパッケージ1からだけではなくLEDチップ2も蛍光体粒子5aを含有した板材5と接することになり、パッケージ1及びLEDチップ2の双方からリード1aへの放熱が促進されるため、放熱性が向上する。
本発明の実施の形態においては、LEDランプについての本発明の適用例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、所謂、COBモジュールやその他のLEDチップと蛍光体を用いた発光装置全般に適用することができる。また、本発明の実施の形態では、LEDチップを用いた本発明の適用例を示したが、発光サイリスタチップやレーザーダイオードチップ等のその他の発光素子についても適用することができる。
1 パッケージ
1a リード
2 LEDチップ
2a ワイヤ
2b バンプ
3 封止部
3a,5a 蛍光体粒子
1b,3b 熱伝導性粒子
4 白色樹脂部
5 板材

Claims (9)

  1. 表面に外部と接続する導体層を有する基材に搭載された発光素子を封止した発光装置であって、
    前記発光素子の上方に配置された蛍光体層と、
    前記蛍光体層と前記導体層の双方に接し、熱伝導率が100W/m・K以上であって、絶縁体又は半導体特性を有する熱伝導性粒子が分散されている樹脂層と
    を有することを特徴とする発光装置。
  2. 前記樹脂層は前記基材であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記発光素子と前記基材との間に白色樹脂部を有することを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
  4. 前記発光素子と前記蛍光体層が接して配置されることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
  5. 前記発光素子と前記白色樹脂部との間に発光素子と接して封止する封止部を有することを特徴とする請求項4に記載の発光装置。
  6. 前記樹脂層は前記発光素子に接して封止する樹脂からなる封止部であって、
    前記封止部の前記発光素子と接する下部より該発光素子より離れた上部の方が蛍光体粒子の濃度が高くなるように封止され、
    前記封止部の少なくとも前記下部に前記熱伝導性粒子が分散されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
  7. 前記熱伝導性粒子は、CNT、ダイアモンド、c−BN、SiC、BeO、AlNの少なくとも一つからなることを特徴とする請求項2又は5に記載の発光装置。
  8. 請求項6又は7に記載の発光装置を製造するにあたり、
    前記熱伝導性粒子を含有させた第1の封止材を前記発光素子に接するように供給して前記封止部の前記下部とし、
    前記蛍光体粒子を含有させた第2の封止材を前記第1の封止材の表面に供給して前記封止部の上部とする
    ことを特徴とする発光装置の製造方法。
  9. 請求項6又は7に記載の発光装置を製造するにあたり、
    前記熱伝導性粒子と該熱伝導性粒子より比重の大きい前記蛍光体粒子を含有させた熱硬化性封止材を前記発光素子に接するように供給し、
    前記熱硬化性封止材の表面側に向かって重力が働くように前記発光装置を保持しつつ、
    第1の温度にて過熱して前記熱硬化性封止材の粘度を低下させて前記蛍光体粒子を該熱硬化性封止材の表面側に沈降させ、
    前記第1の温度より高い第2の温度にて加熱して前記熱硬化性封止材を硬化させる
    ことを特徴とする発光装置の製造方法。
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