JP2014138176A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光装置の輝度を低下させることなく色むら及び輝度むらを低減する。
【解決手段】基板と、基板上に搭載された複数の半導体発光素子２０と、複数の半導体発光素子２０の上に固定された透明板材３０と、複数の半導体発光素子及び透明板材を覆う蛍光体含有樹脂層とを備え、透明板材３０は、少なくとも複数の半導体発光素子２０に対向する面３０ａに、微細な切り込みが形成されている。切り込みの形状は、透明板材３０に入射した光がＬＥＤ素子間に向くように制御されている。また透明板材３０の反対側の面３０ｂは凹凸面であり、蛍光体含有樹脂層との界面で光が全反射するのを防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた半導体発光装置に係り、特に複数の半導体発光素子を用いた半導体発光装置に関する。

半導体発光素子（以下、ＬＥＤ素子という）と蛍光体とを組み合わせた半導体発光装置は種々の構造のものが知られており、代表的なものとして、セラミックやプラスチック基板のキャビティ内にＬＥＤ素子を配置し、蛍光体含有樹脂層で覆った構造の半導体発光装置がある（特許文献１）。

上述した構造の発光装置には、一つの基板上に複数のＬＥＤ素子を配置した、所謂マルチチップタイプの発光装置があり、このようなタイプでは、ＬＥＤ素子の直上とＬＥＤ素子間とでは、蛍光体含有樹脂層の厚みが異なるため、色むらを生じやすいという問題がある。色むらは、蛍光体含有樹脂層に光拡散剤を添加することにより緩和することができ、上述した特許文献１でも光拡散剤を添加する技術が記載されている。

特開２００１−７７４３３号公報

しかし素子直上と素子の周囲とでは光路差があるため、光拡散剤で光を拡散させても十分に色むらを解消することはできない。半導体発光装置は種々の照明装置の光源として多用されているが、光源からの光を光学レンズ等を通して出射する照明装置などでは、光源である発光装置に色むらがあると、その色むら目立って表れ、照明装置に求められる色度などを満たさない可能性がある。

また蛍光体含有樹脂層に、色むらを解消するに十分な光拡散剤を添加した場合には、発光装置本来の明るさを低下させるという問題がある。

そこで本発明は、発光装置の輝度を低下させることなく色むらの問題を解決することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置は以下のような構成を備える。
基板と、前記基板上に搭載された複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子の上に固定された透明板材と、前記複数の半導体発光素子及び前記透明板材を覆う蛍光体含有樹脂層とを備え、前記透明板材は、少なくとも前記複数の半導体発光素子に対向する面に、微細な切り込みが形成されている。

透明板材に形成された微細な切り込みは、半導体発光素子に対面する領域と、半導体発光素子と半導体発光素子との間の領域とで密度が異なる。例えば、半導体発光素子に対面する領域における切り込みの密度より、半導体発光素子と半導体発光素子との間の領域における切り込みの密度のほうが高い。

また透明板材は、好適には、切り込みが形成された面と反対側の面に、凹凸形状が形成されている。さらに透明板材の屈折率は、蛍光体含有樹脂層の屈折率と異なる。

本発明によれば、複数のＬＥＤ素子に密着して、微細な切り込みが形成された透明板材を配置することにより、ＬＥＤ素子からの光は透明板材内に導かれ、透明板材内で均一化されて透明板材全体からの光として出射される。これにより色むらが改善されるとともに、発光エリアの拡大化を図ることができる。

本発明の半導体発光装置の一実施形態を示す断面図 本発明の半導体発光装置の他の実施形態を示す断面図 図１及び図２の半導体発光装置の要部を示す断面図 ３個以上のＬＥＤ素子を備えた半導体発光装置の要部を示す断面図 透明板材の斜視図

以下、本発明の半導体発光装置の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体発光装置１００は、図１に示すように、基板１０上に複数のＬＥＤ素子２０を配列した半導体発光装置であって、複数のＬＥＤ素子２０に１枚の透明板材３０を接着し、それらを覆うように蛍光体含有樹脂層４０を形成したものである。透明板材３０はＬＥＤ素子２０と対向する面３０ａに微細な切り込みが形成されているとともに、その反対側の面３０ｂすなわち光出射面には光取り出し性を向上するための凹凸形状が形成されている。以下、本実施形態の半導体発光装置の各要素について詳述する。

基板１０は、例えば、Ａｕなどの配線パターンが形成されたセラミックの板からなり、その外周に沿って壁部５０が形成されている。壁部５０は、蛍光体含有樹脂層４０を注入する時の枠体となるもので、基板１０に接着剤等により固定される。もしくは基板１０と一体焼成される。壁部５０は、また、発光装置の側面に向かう光を光出射面に向ける反射板としても機能する。従って、壁部５０は遮光性があり且つ光を反射する材料からなることが好ましい。具体的には白色のセラミック等が用いられる。なお図１では壁部５０は、基板１０の上面に対し垂直に設けられているが、図２に示すように、少なくとも内側の面が、基板１０上面から上に向かって開くように傾斜していてもよい。

ＬＥＤ素子２０の構造としては、上面から光を発する構造のものであれば種類は特に限定されないが、２つの電極端子部が下面に形成されたフリップ素子を用いることを基本とする。ただし、透明板材３０と阻止へ供給するためのＡｕワイヤーとの干渉を逃がす形状とすることで、２つの電極端子部が上面に形成されたフェイスアップ素子、もしくは２つの電極端子部が下面に形成されたフリップ素子、２つの電極端子部が上面と下面に形成されたＭＢ（メタルボンド）素子等の公知の発光素子などを使って、蛍光体と組み合わせて所望の発光が得られるものを選択して用いることもできる。ＬＥＤ素子２０の結晶構造は、青色光や紫外光を発光するＩｎＧａＮ系、ＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系などのＬＥＤ素子が用いられる。ＬＥＤ素子２０は、基板１０の配線パターンにＡｕバンプ等の導電性材料により機械的且つ電気的に接続されている。

なお図１及び図２では２個のＬＥＤ素子２０を配置した発光装置を示しているが、ＬＥＤ素子の数は２個に限らず、３個以上でもよい。また一次元方向の配列のみならず、二次元方向に配列していてもよい。

透明板材３０は、ＬＥＤ素子２０が発する光を透過する材料からなり、複数のＬＥＤ素子２０を覆うように、接着剤で固定されている。ＬＥＤ素子２０の材料として具体的にはガラスや耐熱性の良好なプラスチック板が挙げられ、特にガラスが好適である。透明板材３０は、後述する蛍光体含有樹脂層４０を構成する樹脂と屈折率が異なることが好ましく、特に屈折率が、ＬＥＤ素子２０の屈折率（ＧａＮで２．０以上）と蛍光体含有樹脂層（１．４３〜１．６）の屈折率との間であることが好ましい。接着剤としては、シリコーン系の接着剤を使用することができる。特に後述する蛍光体含有樹脂層４０を構成する樹脂と同様の材料を用いることが好ましい。

透明板材３０は、図３に示すように、ＬＥＤ素子２０に対向する面３０ａ全面に、微細な切り込みが形成されている。図示する例では、切り込みはＬＥＤ素子２０の一辺に平行な多数の線状の切り込みで、その断面は三角形である。より具体的には、切り込みは、ＬＥＤ素子２０の表面に対しほぼ垂直な面と、ＬＥＤ素子２０の表面に対し傾斜した面とで囲まれた溝状で、溝の断面は直角三角形状である。２つのＬＥＤ素子２０を配列した発光装置では、図示するように、直角三角形の向きがＬＥＤ素子間の中心Ｃに対し対称となり、１本の切り込み（溝）を形成する垂直面と傾斜面のうち傾斜面が中心側に位置するように配列している。これによりＬＥＤ素子から多くの光が発光装置の中央部に向かうように制御される。透明板材３０の表面にこのような微細な切り込みを設けることにより、複数のＬＥＤ素子２０から透明板材３０に光が確実に入射される構造とするとともに、透明板材３０への入射光を均一化し、色むらの発生を防止している。

さらに本実施形態では、三角形の密度がＬＥＤ素子直上からＬＥＤ素子間の中心Ｃに向かうにつれて高くなるように形成されている。これにより、入射光をさらに均一化し、入射光が少ない発光装置の中央部における輝度の低下と色むら発生を防止する。なお、図４に示すように、ＬＥＤ素子２０の数が３以上であって、一つのＬＥＤ素子２０の両側に他のＬＥＤ素子２０が配置される場合には、切り込みの密度をＬＥＤ素子２０の中央で最も低く、ＬＥＤ素子間で最も高くなるようにすることにより、ＬＥＤ素子間における輝度の低下と色むらの発生を防止することができる。

切り込みの深さやピッチは、限定されるものではないが、深さが数μｍ〜数１００μｍ程度、ピッチが数１０μｍ〜１ｍｍ程度である。ピッチは上述したように密度が変化する場合には、密度に応じて変化する。

透明板材３０の光出射面３０ｂには、微細な凹凸が形成されていることが好ましい。微細な凹凸は、透明板材３０の光出射面３０ｂと蛍光体含有樹脂層４０との界面を臨界角以下とするために設けられるものであり、Ｖ溝状、曲面状凹凸など種々の形状を採用することができる。溝状の凹凸の場合、溝に沿った方向とその反対側の面３０ａの切り込みの方向との関係は互いに平行としてもいが、図５に示すように、溝に沿った方向がその反対側の面３０ａの切り込みの方向と直交する方向に形成してもよい。

透明板材３０の厚みは、その上に蛍光体含有樹脂層４０の厚みを確保するために、薄ければ薄いほどよいが、製造上の制約から１ｍｍ程度とする。透明板材３０の大きさ（面積）は、基板１０上に搭載された複数のＬＥＤ素子全体を覆う大きさであって、壁部５０の内径よりも小さいものとする。蛍光体含有樹脂４０の注入を容易にするためには、壁部５０と透明板材３０との間にある程度クリアランスがあることが好ましい。

蛍光体含有樹脂層４０は、ＬＥＤ素子２０が発する光により励起されて所定波長の蛍光を発する蛍光体の粒子を、ＬＥＤ素子２０が発する光及び蛍光に対して透明な樹脂に分散させた層である。一例として、ＬＥＤ素子がＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの青色から紫色の光を発する発光素子の場合、ＹＡＧ系やＳｉＡｌＯＮなどの蛍光体が用いられ、これにより白色の光を取り出すことができる。なおＬＥＤ素子と蛍光体との組み合わせは、発光装置に要求される色味に応じて任意に変更できることは言うまでもない。

樹脂としては例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の透光性の硬化型樹脂が用いられる。樹脂に含まれる蛍光体の含有量は、製造時の蛍光体含有樹脂の粘度や蛍光体層の厚みとの関係で適切な量に調整される。配合比については適宜デバイス毎に最適配合比とする。

蛍光体層１４は、蛍光体のほかに、ＬＥＤ素子２０の発光波長の光に対し微量な励起発光しかしない蛍光体（以下、無輝度蛍光体と呼ぶ）を含んでいてもよい。このような無輝度蛍光体を含むことにより、透明板材３０によって均一化された光をさらに均一化することができる。無輝度蛍光体としては、例えば、ＹＡＧ系、ＳｉＡｌＯＮなどを用いることができる。無輝度蛍光体の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、蛍光体の平均粒子径（１０〜４０μｍ）よりも小さいことが好ましい。

無輝度蛍光体の含有量は、樹脂１００重量部に対し、５重量部〜１０重量部であることが好ましい。本実施形態の発光装置では、表面に切り込みが形成された透明板材３０を用いることによって光の均一化が達成され、色むらが大幅に解消されるので、色むら解消を目的として添加する光拡散剤や無輝度蛍光体の含有量を大幅に減らすことができる。これにより、これら添加物による光の吸収とそれに伴う発光効率の低下を防止することができる。

本実施形態の半導体発光装置は、特に限定されるものではないが、例えば、次のような製造方法により製造することができる。まず配線パターンが形成された基板１０上に、複数のＬＥＤ素子２０をワイヤボンディング或いは金属バンプを介した接合などにより搭載する。一方、片面に切り込み加工、他方の面に凹凸加工を施した透明板材３０を用意する。切り込みは、透明板材３０がガラスプレートの場合には、微細切削加工、レーザー加工、エッチングなどにより形成することができる。凹凸は微細切削加工やエッチングの他、ブラスト処理などで形成することも可能である。また透明板材３０がプラスチック板の場合には上述した手法に加え、成型時に切り込みや凹凸を形成することができる。

次いで透明板材３０の切り込み加工された面を、接着剤を介してＬＥＤ素子２０に貼着する。この場合、予め透明板材３０の切り込み加工された面に接着剤を塗布しておき、ＬＥＤ素子２０に貼着する、もしくはＬＥＤ素子２０上に撹拌・脱泡を十分に施した接着剤をディスペンス塗布し、その後透明部材３０をマウントする。これによって接着剤と透明板材３０との間のボイドが低減（空気層の低減）でき、界面（接着剤と空気層との界面や空気層と透明板材との界面）での光の全反射を防止できる。

透明板材３０をＬＥＤ素子２０に貼着した後、壁部５０に囲まれたキャビティ内に、蛍光体粒子及び必要に応じて無輝度蛍光体粒子を分散させた未硬化の樹脂を注入し、ＬＥＤ素子２０間及びＬＥＤ素子２０と透明板材３０の側面及び上面を樹脂で覆った後、樹脂を硬化させる。図１及び図２に示す実施形態では、壁部５０と同じ高さまで蛍光体含有樹脂を注入して、蛍光体含有樹脂層４０を形成しているが、蛍光体含有樹脂層４０の上面の高さが壁部５０より低くてもよいし、メニスカスによって壁部５０から中央部に向かって膨らんだ上面とすることもできる。

本実施形態の発光装置は、複数のＬＥＤ素子２０を覆って、微細切り込みが形成された透明板材３０を設けたことにより、光を拡散させることができ、発光効率を低下させることなく色むらを改善できる。光を拡散させる他の手段、例えば光拡散剤や無輝度蛍光体を併用する場合にもその濃度を低減することができ、発光効率の低下を抑制できる。

また本実施形態の発光装置は、切り込みに異方性を持たせ、入射光の少ないＬＥＤ素子間に光が向かうように、切り込み形状及び配列を制御することにより、光の均一度をより高くし、色むら改善効果を向上できる。

さらに本実施形態の発光装置は、切り込みを設けた面とは反対側の面に凹凸形状を設けたことにより、ＬＥＤ素子２０から透明板材３０に入射した光を蛍光体含有樹脂層４０側に取り出しやすくすることができる。また凹凸形状を設けることにより、切り込みのパターンが発光装置から発光される光に影響を与えるのを防止できる。

また本実施形態の発光装置は、複数の、比較的安価なレギュラーサイズのＬＥＤ素子２０（一辺が５００μｍ程度以下）に対し１枚の透明板材３０を配置することで、発光面を一辺が８００μｍ程度以上のラージサイズの素子と同等にすることができる。

以上、本発明の発光装置の一実施形態を説明したが、本発明の発光装置は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、図１及び図２では、基板１０の周囲に壁部５０が設けられた発光装置を示したが、用途によって壁部はなくてもよい。また図３〜図４では、透明板材３０の片面３０ａに切り込み、他方の面３０ｂに凹凸を設けたものを示したが、他方の面３０ｂに凹凸がなくフラットな透明板材を用いることも可能である。ただし透明板材と蛍光体含有樹脂層の屈折率が近い場合には、界面での反射を防止するため凹凸を設けることが好ましい。

本発明の発光装置は、自動車用前照灯、信号灯機能を持つ自動車用灯具、自動車用インテリア照明などの自動車用照明装置、その他一般照明の光源として用いることができ、発光効率を低下させることなく面内の色むらや輝度むらを改善することができる。

１０・・・基板、２０・・・ＬＥＤ素子、３０・・・透明板材、４０・・・蛍光体含有樹脂層、５０・・・壁部

Claims (6)

1. 基板と、前記基板上に搭載された複数の半導体発光素子と、前記複数の半導体発光素子の上に固定された透明板材と、前記複数の半導体発光素子及び前記透明板材を覆う蛍光体含有樹脂層とを備え、前記透明板材は、少なくとも前記複数の半導体発光素子に対向する面に、微細な切り込みが形成されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記透明板材に形成された微細な切り込みは、前記半導体発光素子に対面する領域と、前記半導体発光素子と前記半導体発光素子との間の領域とで密度が異なることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項２に記載の半導体発光装置であって、前記透明板材に形成された微細な切り込みは、前記半導体発光素子に対面する領域における切り込みの密度より、半導体発光素子と半導体発光素子との間の領域における切り込みの密度のほうが高いことを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体発光装置であって、前記透明板材は、前記切り込みが形成された面と反対側の面に、凹凸形状が形成されていることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の半導体発光装置であって、前記透明板材の屈折率は、前記蛍光体含有樹脂層の屈折率と異なることを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の半導体発光装置であって、前記基板は、その周囲に壁部が立設されていることを特徴とする半導体発光装置。

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