JP2014225600A - Ｌｅｄモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤダイの側面に接するよう白色反射部材を設けると発光効率が下がる。そこでモジュール基板上に実装した多数のＬＥＤダイの間に白色反射部材があっても発光効率が高いＬＥＤモジュールを提供する。
【解決手段】モジュール基板１１上には複数のパッケージＬＥＤ１５，１６が実装されている。このパッケージＬＥＤ１５，１６は、ＬＥＤダイ３１の上面と側面が蛍光樹脂３２，３３で被覆されたものである。このパッケージＬＥＤ１５，１６の間隙には白色反射部材１４が充填されている。ＬＥＤダイ３１の側面から出射した光は、側部の蛍光樹脂３２，３３で導光され上方に向かう。
【選択図】図３

Description

本発明は、モジュール基板上に複数個のＬＥＤを搭載したＬＥＤモジュールに関する。

ＬＥＤ光源の高輝度化にあたり、モジュール基板上にベアチップのＬＥＤを多数搭載したＬＥＤモジュールが知られている。なおＬＥＤは様々な形態をとるので、これ以降ベアチップ状態のＬＥＤをＬＥＤダイと呼び、一個のＬＥＤダイの上面及び側面を樹脂で被覆したＬＥＤをパッケージＬＥＤと呼び、さらに複数のＬＥＤダイ又はパッケージＬＥＤを基板（モジュール基板）に実装したＬＥＤをＬＥＤモジュールと呼ぶ。

前述のＬＥＤモジュールは、ＣＯＢ（チップオンボード）モジュールとも呼ばれ、セラミックや表面を絶縁処理した金属基板など放熱特性の高い材料からなるモジュール基板に、多数のＬＥＤダイをダイボンディングすることが多い。このＣＯＢモジュールは、ＬＥＤダイをワイアボンディングで相互に接続し、その実装領域を囲むダム材の内側の領域に蛍光樹脂を充填しＬＥＤダイを被覆している。

ＣＯＢモジュールにおいてＬＥＤダイは、モジュール基板に対し垂直な方向ばかりでなく水平な方向にも光を出射する。このときＬＥＤダイから垂直方向に進む光が蛍光樹脂を通過しＣＯＢモジュールの外部に出射するまでの径路長と、水平方向に出射した光が蛍光樹脂を通り外部に出射するまでの径路長が異なるため、ＬＥＤダイの発光は出射方向により波長変換される度合いが異なってしまう。つまり出射角度によってＣＯＢモジュールの発光色が変化することがある（色むら）。この色むらを解消するため、ＬＥＤダイ及び蛍光樹脂の周囲に白色反射部材を充填し、モジュール基板の垂直方向にだけ光を出射させることがある（例えば特許文献１の図１）。

そこで特許文献１の図１を図６に再掲示し、その構造と作用について説明する。なお後述する実施形態等の符号と区別するため、図６の説明にあたり符号に括弧をつけた。また本明細書の用語を括弧内に記載した。

図６において発光装置（１）（ＬＥＤモジュール）は、配線基板（９）（モジュール基板）と、発光素子（１０）（ＬＥＤダイ）と、光透過部材（１５）（蛍光樹脂）と、被覆部材（２６）（白色反射部材）とから構成される。配線基板（９）上には発光素子（１０）が導電部材（２４）を介して実装されている。発光素子（１０）の上面には光透過部材（１５）が積層し、配線基板（９）の上面と光透過部材（１５）の側面と発光素子（１０）の周囲とを被覆部材（２６）が被覆している。光透過部材（１５）は蛍光体を混練したシート状の樹脂であり、発光面（１５ａ）、受光面（１５ｂ）、側面（１５ｃ）を有し、被覆部材（２６）は光反射性材料（２）を混練した樹脂である。

発光素子（１０）の出射光は、側部に反射性の被覆部材（２６）があるため全て上方に向かう。その一部の光は波長変換される。波長変換された光は等方的に放射するが、光透過層（１５）の側面も被覆部材（２６）により被覆されているので、損失を除けば波長変換された光は全て上方に向かう。この結果、発光装置（１）は色むらが減る。

ＷＯ２００９／０６９６７１号公報 （図１）

図６に示した発光装置（１）（ＬＥＤモジュール）では、発光素子（１０）（ＬＥＤダイ）の側部から出射した光は、被覆部材（２６）（白色反射部材）で反射し発光素子（１０）の内部に戻ってくる。この戻ってきた光は、発光素子（１０）内の発光層で再吸収されたり、迷光になったりすることが多い。すなわち発光装置（１）のようにＬＥＤダイの側面に直接的に白色反射部材が接する構造をもったＬＥＤモジュールは発光効率が低いという課題がある。

そこで本発明は、この課題に鑑みて為されたものであり、モジュール基板上に実装された多数のＬＥＤダイの間に白色反射部材があっても発光効率が高いＬＥＤモジュールを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため本発明のＬＥＤモジュールは、
モジュール基板と前記モジュール基板上に実装された複数のパッケージＬＥＤとを備え、
前記パッケージＬＥＤは、ＬＥＤダイと、前記ＬＥＤダイの上面と側面を被覆する蛍光樹脂とを含み、
前記パッケージＬＥＤの間隙には白色反射部材が充填されている
ことを特徴とする。

本発明のＬＥＤモジュールは、モジュール基板上にパッケージＬＥＤを多数搭載している。このパッケージＬＥＤは、ベアチップＬＥＤであるＬＥＤダイの側面を薄く蛍光樹脂で被覆したものであり、その平面サイズはＬＥＤダイの平面サイズよりも若干大きくなっている。このＬＥＤモジュールは、多数のパッケージＬＥＤをモジュール基板上に配列し、そのパッケージＬＥＤの間隙に白色反射部材を充填している。このときＬＥＤダイからモジュール基板に対し水平方向に出射した光は、ＬＥＤダイの側面に存在する蛍光樹脂を通り抜け白色反射部材で反射し、その多くの成分が側面の蛍光樹脂よって導光されＬＥＤモジュールの上方に向かう。このためＬＥＤダイ内部に戻る光が少なくなるため、損失が減り発光効率が向上する。

前記パッケージＬＥＤの実装領域を囲み、前記白色反射部材の流れ止め用のダム材を有していても良い。

前記パッケージＬＥＤの側部において前記蛍光樹脂の一部に斜面があっても良い。

前記パッケージＬＥＤの実装領域には、一の発光色で発光するパッケージＬＥＤと他の発光色で発光するパッケージＬＥＤが混在していても良い。

前記一の発光色で発光するパッケージＬＥＤと前記他の発光色で発光するパッケージＬＥＤが千鳥配列していても良い。

前記一の発光色で発光するパッケージＬＥＤと前記他の発光色で発光するパッケージＬＥＤが別々に輝度を調整できても良い。

前記モジュール基板が窒化アルミニウムベースであっても良い。

前記モジュール基板がチタンベースであっても良い。

以上のように本発明のＬＥＤモジュールは、ＬＥＤダイと白色反射部材の間に存在する蛍光樹脂を伝播して光が上方に向かうので、モジュール基板上に実装された多数のＬＥＤダイの間に白色反射部材があっても発光効率が高い。

本発明の実施形態におけるＬＥＤモジュールの斜視図。 図１に示すＬＥＤモジュールの平面図。 図１に示すＬＥＤモジュールの断面図 図１に示すＬＥＤモジュールに含まれるパッケージＬＥＤの断面図。 図１に示すＬＥＤモジュールの回路図。 従来例におけるＬＥＤモジュールの断面図。

以下、添付図１〜５を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。

まず図１と図２により本発明の実施形態として示すＬＥＤモジュール１０の外観を説明する。図１と図２はＬＥＤモジュール１０の斜視図と平面図である。図１，２では、モジュール基板１１と、モジュール基板上に形成された給電電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、モジュール基板１１上に形成された円環状のダム材１３と、ダム材１３の内側の領域に充填された白色反射部材１４と、白色反射部材１４中で配列した２種類のパッケージＬＥＤ１５，１６が観察される。パッケージＬＥＤ１５，１６は発光色が異なり、その配列が市松模様（千鳥配列）となっている。なお給電電極１２ａ〜ｄにはパッケージＬＥＤ１５，１６の実装領域に向かう配線が接続しているが図示していない。

モジュール基板１１の基板材料は、熱伝導性の高い絶縁材から選ぶ。本実施形態では熱伝導率が良く反射率の高いアルミナを使用した。しかしながらＬＥＤモジュール１０ではパッケージＬＥＤ１５，１６の周囲に白色反射部材１４が充填されているためモジュール基板１１の反射率の影響が発光効率に現れにくい。このため反射率の低い窒化アルミニウムも使用できる。この窒化アルミニウムはアルミナに比べ熱伝導率の良好であるため、高効率な熱設計が必要な場合に有効である。同様に、表面に絶縁層を形成した金属ベースの基板材料をモジュール基板１１に採用する場合、反射率を高くするためＡｇや高純度のＡｌからなる表面をもつ金属ベース基板材料でも良いが、反射率の低いＡｌやＴｉ（チタン）からなる金属ベース基板も使用できる。とくにＴｉは軽量で硬質なためＬＥＤモジュールの軽量化に貢献できる。また樹脂材料でも同様に熱伝導性に配慮しながら耐熱性や耐光性等を考慮し適当な材料を選択する。

給電電極１２ａ〜ｄは、モジュール基板１１の配線電極であり、Ｃｕ上にＮｉ，Ａｕを積層したものである。ダム材１３はシリコーン樹脂からなり、太さが０．７〜１．０ｍｍであり、高さが０．５〜０．８ｍｍである。白色反射部材１４はシリコーンやオルガノポリシロキサンのようなバインダーにアルミナや酸化チタンなどの反射性微粒子を混練したものである。なおダム材１３、白色反射部材１４はモジュール基板１１上に配置したら加熱して硬化させる。またダム材１３は白色反射部材１４の流れ止めであるので、他の枠材などが代用できる。ダム材１３又は枠材は白色反射部材１４が硬化したら除去しても良い。

次に図３によりＬＥＤモジュール１０の積層構造と発光効率が向上する理由について説
明する。図３は、図２のＡＡ線に沿って描いたＬＥＤモジュール１０の断面である。図３に示すように、モジュール基板１１上に２種類のパッケージＬＥＤ１５，１６が実装され、パッケージＬＥＤ１５，１６の間に白色反射部材１４が充填されている。パッケージＬＥＤ１５とパッケージＬＥＤ１６は、ＬＥＤダイ３１が等しく、蛍光樹脂３２，３３が異なっている。ＬＥＤダイ３１の下部には２個の接続電極３４がある。接続電極３４は、図示していないモジュール基板１１上の配線に、図示していないハンダ等の接続部材を介して接続している。

例えばパッケージＬＥＤ１５において、ＬＥＤダイ３１の横方向に出射した光は側面の蛍光樹脂３２を通り抜け白色反射部材１４で反射する。この反射光の多くの成分は側面の蛍光樹脂３２により導光され図の上方に向かう。このためＬＥＤダイ３１の内部に戻る光が少なくなるため、発光層で吸収されたり迷光なったりして損失される割合が減り、結果的にＬＥＤモジュール１０の発光効率が向上する。なお蛍光樹脂３２に含まれる蛍光体による発光も同様に側部の蛍光樹脂３２により導光され上方に向かう。またパッケージＬＥＤ１６においても発光効率を向上させる過程は同様である。

また蛍光樹脂３２，３３の下側の角部には斜面３１ａ，３２ａが形成されている。この斜面３２，３３ａが無くてもＬＥＤダイ３１の側面から出射した光は図の上方に向かう。しかしながらＬＥＤモジュール１０は、蛍光樹脂３２，３３の下側角部に斜面３２ａ，３３ａを設け、ＬＥＤダイ３１の側面側で導光される光が上方へ向かい易くしたことにより、斜面３２，３３ａがない場合に比べいっそう発光効率が改善した。

前述のようにパッケージＬＥＤ１５とパッケージＬＥＤ１６は発光色が異なる。これはパッケージＬＥＤ１５とパッケージＬＥＤ１６で蛍光樹脂３２，３３が異なるためである。例えば、ＬＥＤダイ３１が青色発光するものとし、パッケージＬＥＤ１５を昼光色で発光させるとき、蛍光樹脂３２にＹＡＧなど黄色に発光する蛍光体を採用する。同時にパッケージＬＥＤ１６は、発光色が暖色となるように蛍光樹脂３３にはさらに赤色に発光する蛍光体を追加される。

次に図４によりパッケージＬＥＤ１５，１６をさらに詳しく説明する。なお図４では、パッケージＬＥＤ１５，１６を一体的に説明するため、パッケージＬＥＤ４０を示し、符号を変えている。図４はパッケージＬＥＤ４０の断面図である。ＬＥＤダイ４１は、透明絶縁基板４３と、透明絶縁基板４３の下面に形成された半導体層４４と、さらに半導体層４４の下面に形成された接続電極４５からなる。透明絶縁基板４３はサファイヤからなり厚さが１５０μｍ程度である。半導体層４４はｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を含み、厚さが１０μｍ程度である。発光層はｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層の境界部となる。接続電極４５は、アノードとカソードであり、層間絶縁膜及び多層配線を使って２個にまとめられている。接続電極４５の厚さは数１００ｎｍから数十μｍに設定される。

ＬＥＤダイ４１を被覆する蛍光樹脂４２はシリコーン樹脂に蛍光体微粒子を混練し硬化させたものであり、ＬＥＤダイ４１上部の厚さが３００μｍ、側部の厚さが１００〜２００μｍである。例えばＬＥＤダイ４１の平面サイズが０．５ｍｍｘ１．０ｍｍ程度であれば、パッッケージＬＥＤ４０の平面サイズが０．８ｍｍｘ１．３ｍｍ程度になる。このようにＬＥＤダイとそのパッケージの平面サイズがほぼ等しいとき、そのパッケージをチップサイズパッケージ（ＣＳＰともいう）と呼ぶことがある。また蛍光樹脂４２の斜面４２ａは、個片化すると多数のパッケージＬＥＤ４０が得られる大判のウェハーに対し形成する。

前述のようにモジュール基板１１の材料として反射率の低い窒化アルミやＴｉベースを使用するとき、発光層から下に向かう光を反射するため半導体層４４が下面に反射層を備
えると良い。また接続電極４５を厚くして、パッケージＬＥＤ４０の下面にも白色反射部材１４（図３参照）が十分存在するようにすると良い。このときパッケージＬＥＤ４０の下面にも蛍光樹脂４２が存在すると良い。なお下面の蛍光樹脂で波長変換された光は発光層で再吸収されないので低損失で外部に出射する。

最後に図５によりＬＥＤモジュール１０の回路を説明する。図５はＬＥＤモジュール１０の回路図である。図５において、（ａ）では多数のパッケージＬＥＤ１５が直列接続し、この回路のアノード側とカソード側にそれぞれ給電電極１２ａ，１２ｂが接続している。（ｂ）では多数のパッケージＬＥＤ１６が直列接続し、この回路のアノード側とカソード側にそれぞれ給電電極１２ｃ，１２ｄが接続している。ＬＥＤモジュール１０は、（ａ）の回路と（ｂ）の回路に異なった電流を流すことにより、発光色を調整できる。例えば前述のようにパッケージＬＥＤ１５を昼光色、パッケージＬＥＤ１６を暖色で発光させるものとすると、ＬＥＤモジュール１０を昼光色から暖色の間の様々な発光色にすることが可能になる。

なおＬＥＤモジュール１０では、第１の発光色で点灯するパッケージＬＥＤ１５と第２の発光色で点灯するパッケージＬＥＤ１６を備えていた。しかしながら本発明のＬＥＤモジュールに含まれるパッケージＬＥＤの発光色は２種類に限定されず、１種類でも３種類以上であっても良い。パッケージＬＥＤの発光色が１種類の場合は、給電電極は２個で良く、例えば図５なら、ＬＥＤモジュールは（ａ）で示すような一つの直列回路からなるようにすれば良い。またパッケージＬＥＤの発光色が３種類ある場合は、ＬＥＤモジュールが発光色毎の３個の直列回路からなるようにし、アノード又はカソードの一方を共通の給電電極とすることにより、４個の給電電極で調色ができる。また電気的に調色制御を行わない場合には、一本の直列回路に発光色の異なるパッケージＬＥＤを混在させ発光色を調整しても良い。

またＬＥＤモジュール１０では、第１の発光色で点灯するパッケージＬＥＤ１５と第２の発光色で点灯するパッケージＬＥＤ１６が千鳥配置していた。しかしながらパッケージＬＥＤの発光色が２種類である場合、本発明のＬＥＤモジュールではそれぞれの発光色のパッケージＬＥＤの配列が千鳥配置に限られず、例えば発光色毎に一列状に配列させたり、ジグザグに配列させたり、ランダムに配列させたりしても良い。なお一列に配列させる場合に比べ、千鳥配置した方が混色性が向上する。

１０…ＬＥＤモジュール、
１１…モジュール基板、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…給電電極、
１３…ダム材、
１４…白色反射部材、
１５，１６，４０…パッケージＬＥＤ、
３１，４１…ＬＥＤダイ、
３２，３３，４２…蛍光樹脂、
３４，４５…接続電極、
３２ａ，３３ａ，４２ａ…斜面。
４３…透明絶縁基板、
４４…半導体層。

Claims (8)

1. モジュール基板と前記モジュール基板上に実装された複数のパッケージＬＥＤとを備え、
   前記パッケージＬＥＤは、ＬＥＤダイと、前記ＬＥＤダイの上面と側面を被覆する蛍光樹脂とを含み、
   前記パッケージＬＥＤの間隙には白色反射部材が充填されている
   ことを特徴とするＬＥＤモジュール。
2. 前記パッケージＬＥＤの実装領域を囲み、前記白色反射部材の流れ止め用のダム材を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤモジュール。
3. 前記パッケージＬＥＤの側部において前記蛍光樹脂の一部に斜面があることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤモジュール。
4. 前記パッケージＬＥＤの実装領域には、一の発光色で発光するパッケージＬＥＤと他の発光色で発光するパッケージＬＥＤが混在し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モジュール。
5. 前記一の発光色で発光するパッケージＬＥＤと前記他の発光色で発光するパッケージＬＥＤが千鳥配列していることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤモジュール。
6. 前記一の発光色で発光するパッケージＬＥＤと前記他の発光色で発光するパッケージＬＥＤが別々に輝度を調整できることを特徴とする請求項４又は５に記載のＬＥＤモジュール。
7. 前記モジュール基板が窒化アルミニウムベースであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＥＤモジュール。
8. 前記モジュール基板がチタンベースであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＥＤモジュール。

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