JP2016111179A - Light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の取り出し効率を向上させた発光装置に関するものであり、特に照明用の発光装置に関するものである。 The present invention relates to a light emitting device with improved light extraction efficiency, and more particularly to a light emitting device for illumination.
従来、発光ダイオード等の発光素子を用いた発光装置では、発光素子を基板上に直接実装していた。このように発光素子を基板上に直接実装すると、発光素子の底面側に向かう光がダイボンド用の接着剤に吸収される等、有効に利用することができず、光の取り出し効率が低下するという問題があった。 Conventionally, in a light emitting device using a light emitting element such as a light emitting diode, the light emitting element is directly mounted on a substrate. When the light-emitting element is directly mounted on the substrate in this way, the light toward the bottom surface side of the light-emitting element cannot be effectively used, such as being absorbed by the adhesive for die bonding, and the light extraction efficiency is reduced. There was a problem.
そこで、発光素子を支持台あるいは凸部上に実装することが提案されていた(例えば、特許文献1又は特許文献2参照)。 Therefore, it has been proposed to mount the light emitting element on a support base or a convex portion (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2).
上記特許文献1又は特許文献2の発光装置では、凹所あるいはカップ部の底に支持台あるいは凸部を設け、その上に発光素子を実装することで、発光素子の底面からの光を凹所あるいはカップ部によって反射し、所定の方向へ照射するように構成していた。このように、上記発光装置では、凹所やカップ部の焦点位置に応じて支持台や凸部の高さが設定されると共にその形状が設定されていた。このため、支持台や凸部は、凹所やカップ部と共に形成されなければならず、また、凹所やカップ部を変更する場合にはそれに応じて変更することが必要であった。従って、発光装置毎に支持台、凸部、凹所、カップ部を適合するように変更しなければならなかった。
In the light emitting device described in Patent Document 1 or
また、凹所やカップ部を形成することができる基板を用いることも必要であり、基板の構造が制限されるという問題もあった。また、複数の発光素子を集合して実装する発光装置では、発光素子毎に凹所あるいはカップ部を形成することが必要となり、基板が大型化するという問題もあった。 In addition, it is necessary to use a substrate on which a recess or a cup portion can be formed, and there is a problem that the structure of the substrate is limited. Further, in a light emitting device in which a plurality of light emitting elements are assembled and mounted, it is necessary to form a recess or a cup portion for each light emitting element, which causes a problem that the substrate becomes large.
本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を解決し、凹所やカップ部を用いることなく基板表面による反射を有効に利用することができるサブマウントを用いることで、光取り出し効率を高め、多数の発光素子を集合させて実装する場合にも適応する発光装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to use a submount that can effectively utilize reflection from the substrate surface without using a recess or a cup portion, thereby extracting light. It is an object of the present invention to provide a light-emitting device that is highly efficient and adapts even when a large number of light-emitting elements are assembled and mounted.
本発明の発光装置は、基板と、該基板上に取り付けられた柱体からなるサブマウントと、該サブマウント上に実装された発光素子と、前記発光素子を封止する封止樹脂と、を備え、前記サブマウントの高さtを0<t≦0.5mmに設定し、前記発光素子を実装する前記サブマウントの実装面を前記発光素子の底面に対する面積比が70%以下となる面積で且つ前記発光素子の底面にある実装用のパッドが乗る大きさ以上に設定したものである。 A light-emitting device of the present invention includes a substrate, a submount made of a column attached to the substrate, a light-emitting element mounted on the submount, and a sealing resin that seals the light-emitting element. The submount height t is set to 0 <t ≦ 0.5 mm, and the mounting surface of the submount on which the light emitting element is mounted has an area ratio of 70% or less with respect to the bottom surface of the light emitting element. In addition, the size is set to be larger than the size of the mounting pad on the bottom surface of the light emitting element.
この発光装置における前記発光素子のパッドは、前記面積比が少なくとも40%の場合に前記パッドが前記実装面上に乗るように位置と大きさが設定されている。また、この発光装置における前記サブマウントは直方体をなすものである。また、この発光装置における前記サブマウントは反射率の高い外面を有している。更に、この発光装置における前記サブマウントは透明体からなる。 The pad of the light emitting element in this light emitting device is set in position and size so that the pad rides on the mounting surface when the area ratio is at least 40%. Further, the submount in this light emitting device is a rectangular parallelepiped. Further, the submount in the light emitting device has an outer surface having a high reflectance. Further, the submount in the light emitting device is made of a transparent body.
また、上記発光装置において、前記基板は金属基板と該金属基板上に固着され発光エリアに対応する部分に孔が設けられた樹脂基板とからなり、前記樹脂基板の孔内の前記金属基板上に前記サブマウントが取り付けられ、該サブマウント上に前記発光素子がダイボンドされ、前記樹脂基板の孔の周囲に配線パターンが設けられ、該配線パターンに前記発光素子がワイヤボンドされ、前記孔を囲う枠状樹脂を備え、該枠状樹脂の内側に前記封止樹脂が設けられて前記発光素子、サブマウント及びワイヤを封止するものとなっている。この発光装置における前記サブマウント及び発光素子は前記発光エリア内に複数設けられている。 Further, in the light emitting device, the substrate includes a metal substrate and a resin substrate fixed on the metal substrate and provided with a hole in a portion corresponding to the light emitting area, on the metal substrate in the hole of the resin substrate. The submount is attached, the light emitting element is die-bonded on the submount, a wiring pattern is provided around the hole of the resin substrate, the light emitting element is wirebonded to the wiring pattern, and a frame surrounding the hole The sealing resin is provided inside the frame-shaped resin to seal the light emitting element, the submount, and the wire. A plurality of the submounts and light emitting elements in the light emitting device are provided in the light emitting area.
本発明の発光装置では、最適条件を満たすように形成された柱体のサブマウントを用いることで、発光素子の底面からの光を基板表面で反射して周囲に照射することができ、光の取り出し効率を向上させることができる。特に、照明用の発光装置では、特定の方向のみに光を照射するだけでなく、周囲にも光を照射することで全体を明るく照明することが必要であり、本発明の発光装置は照明用として好ましい特性を得ることができる。 In the light-emitting device of the present invention, by using a columnar submount formed so as to satisfy the optimum condition, light from the bottom surface of the light-emitting element can be reflected by the substrate surface and irradiated to the surroundings. The extraction efficiency can be improved. In particular, in a light emitting device for illumination, it is necessary not only to irradiate light only in a specific direction but also to illuminate the entire area by illuminating the surroundings, and the light emitting device of the present invention is used for illumination. As a result, preferable characteristics can be obtained.
また、本発明におけるサブマウントは、その高さを所定の範囲内に設定すると共に発光素子の底面との面積比により形成されているため、基板の構造に関わらず、予めサブマウントを用意しておくことができる。そして、そのサブマウントを使用するだけで、どのような基板にでも最適条件で適応させることができる。 In addition, since the height of the submount in the present invention is set within a predetermined range and the area ratio to the bottom surface of the light emitting element, the submount is prepared in advance regardless of the structure of the substrate. I can leave. And by using only the submount, it can be adapted to any substrate under optimum conditions.
また、基板上に多数の発光素子を集合させて実装する場合、多数の発光素子が実装されることで利用できなかった基板表面を有効に利用することができるようになり、基板等の構造を変更することなく光の取り出し効率を高めることができる。 In addition, when a large number of light emitting elements are assembled and mounted on a substrate, the surface of the substrate that could not be used due to the mounting of a large number of light emitting elements can be used effectively. The light extraction efficiency can be increased without change.
図1及び図2に示すように、本発明の一実施形態に係る発光装置1は、基板2の中央の発光エリアEAに複数の発光素子3とサブマウント4を設けたものとなっている。基板2は、熱伝導率が高く放熱性に優れた金属、合金からなる金属基板2Aと、その上に重ねて固着されたガラスエポキシ等の樹脂からなる樹脂基板2Bとからなる。金属基板2Aは矩形状の板からなり、中央に複数の発光素子3とサブマウント4が取り付けられている。また、樹脂基板2Bは、金属基板2Aにおける発光素子3が設けられた発光エリアEAに対応する部分に孔2aを有している。この樹脂基板2Aには、図3及び図4に示すように、孔2aの周囲に配線パターン5,6が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a light emitting device 1 according to an embodiment of the present invention is provided with a plurality of
サブマウント4は、樹脂、金属、セラミック等からなるもので、直方体、円柱等の柱体をなすものとなっている。本実施形態におけるサブマウント4は、図5及び図6に示すように、金属基板2Aにおける発光素子3が取り付けられる位置に接着等により取り付けられている。このサブマウント4は、その高さtが0<t≦0.5mmに設定されており、発光素子3が実装される実装面4a(図中上方の端面)が発光素子3の底面3aに対する面積比が70%以下となる面積で且つ発光素子3の底面3aにあるダイボンド用のパッドが乗る大きさ以上に設定されている。また、サブマウント4は白色の樹脂やセラミックで形成するか又は金属で形成することで、その外面が反射率の高い面で構成される。また、サブマウント4を透明な樹脂等で構成することで透明体とする場合もある。なお、この最適条件については後述する。
The
発光素子3は、図7及び図8に示すように、サブマウント4の上にダイボンドされ、図9及び図10に示すように、幾つかのグループに分かれて配線パターン5,6間に直列にワイヤ7で接続されている。
The
配線パターン5,6の上には、図11及び図12に示すように、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等からなる枠状樹脂8が設けられている。この枠状樹脂8は、発光エリアEAを囲う環状に形成されている。
As shown in FIGS. 11 and 12, a frame-
図1及び図2に示すように、枠状樹脂8の内側には、蛍光体を含有するエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の樹脂からなる封止樹脂9が設けられている。この封止樹脂9により発光素子3、ワイヤ7及びサブマウント4は封止されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a sealing
上記構成からなる発光装置1では、サブマウント4を設けたことにより、発光素子3を金属基板2Aの表面から一定の高さに持ち上げている。このときに、サブマウント4の実装面4aが発光素子3の底面3aよりも一定の割合で面積が小さくなるように設定しているため、発光素子3の底面からの光がサブマウント周囲の金属基板2Aの表面で反射され、上方に広がるように照射される。これにより、この発光装置1は、上方の照射方向及び周辺に光を照射することになり、光取り出し効率が向上する。特に、この発光装置1では照射する光が周辺に広がり、光の広がりを必要とする照明として好ましい状態になる。
In the light emitting device 1 having the above-described configuration, the
次に、図13乃至図16に基づいて、サブマウント4に関する最適条件を求める実験を説明する。はじめに、サブマウントの高さtを変化させたときの光取り出し効率の変化を図13に示す発光装置11により計測した例を説明する。この発光装置11は、基板12上にサブマウント14を取り付け、その上に発光素子13をダイボンドし、ワイヤ17で発光素子13を基板12上の配線パターン等に接続して、封止樹脂19で封止したものである。この発光装置11におけるサブマウント14の高さtを0.1mmから0.1mm刻みで増加させたときの光束を計測し、サブマウント14を設けなかった場合(高さtが0mm)の光束と比較した。なお、サブマウント14の実装面14a(上方の端面)は、発光素子13の底面13a(下方の端面)と同一形状(同じ面積)となるように設定してある。また、発光素子13の上面から封止樹脂19の上面までの距離dを250μで一定に設定してある。更に、この計測では、白色の樹脂で形成したサブマウント14を使用した。
Next, an experiment for obtaining an optimum condition for the
その結果、サブマウント14を設けなかったときの光束を100%とすると、図14に示すように、高さtを0.1mmにすると光束が増して光取り出し効率が1%以上向上し、それ以上高くすると封止樹脂19等の樹脂による光の吸収によって徐々に低下する。このような光取り出し効率の低下は、図1に示す発光装置1では、封止樹脂9だけでなく、枠状樹脂8や樹脂基板2B等によってより顕著に生じる可能性がある。そして、高さtが0.6mmを越えると、サブマウント14を設けなかった場合と同等あるいはそれよりも低下する。上記より、サブマウント14の高さtは0.1mm前後に設定することが好ましく、0<t≦0.5mmに設定することで、光取り出し効率の向上が可能であることが確認できた。
As a result, assuming that the light flux when the
一方、図15に示すように、サブマウント14の実装面14aと発光素子13の底面13aとの面積比を0〜100%(0%は発光素子13が宙に浮いている状態、100%は実装面14aと底面13aの面積が同一の状態)まで変化した場合の光取り出し効率を計測した。なお、ここではサブマウント14の高さを0.1mmで一定に設定した。
On the other hand, as shown in FIG. 15, the area ratio between the mounting
その結果、図16に示すように、そのグラフから変曲点が面積比70%の場合と見て取れ、サブマウント14の実装面14aを発光素子13の底面13aの面積比70%以下に設定することが好ましいことが確認できた。ただし、サブマウント14の実装面14aが小さい程、光取り出し効率の向上が望めるものの、面積比が60%以下では0%とほとんど変わらず、それ以上小さくする必要がないことが分かった。また、あまりに面積比を小さくすると、発光素子13のボンディング時の強度が低下することにもなる。そこで、面積比が70%以下で、発光素子13の底面13aにあるダイボンド用のパッドが乗る大きさを最小限とすることで、ボンディング強度を確保しつつ、光取り出し効率を向上させることが可能となることが確認できた。なお、上記のように、面積比が60%以下ではほとんど光取り出し効率に変化がないが、面積比が40%でわずかにピークが認められるので、少なくとも面積比が40%の場合に発光素子13のダイボンド用のパッドが実装面14a上に乗るように、パッドの位置と大きさが設定されていることが好ましい。
As a result, as shown in FIG. 16, it can be seen from the graph that the inflection point is an area ratio of 70%, and the mounting
上記何れの実験においても、サブマウント14を反射率の高い白色樹脂で形成しており、白色のセラミック、あるいは反射率の高い金属で形成した場合も同様の結果が得られる。これを、透明樹脂等の透明体で形成した場合、サブマウント14の高さtが0.1mmのときに光取り出し効率が2%向上することが確認されている。また、透明体でサブマウント14を形成した場合、その実装面14aと発光素子13の底面13aとの面積比を考慮する必要性が低くなるとも考えられるが、透明体の場合であってもサブマウント14が樹脂製であると、微細ではあっても光が吸収され、また接着剤等で吸収されることもあるため、面積比も上記と同様に設定することが最も好ましい。
In any of the above experiments, the same result can be obtained when the
また、前述したように、光取り出し効率の低下は、図1に示す発光装置1では、封止樹脂9だけでなく、枠状樹脂8や樹脂基板2B等による光の吸収によってより顕著に生じる可能性がある。特に、発光装置1のように複数の発光素子3を集合させて実装したものでは、発光素子3が多数実装されることで金属基板2Aの表面における光を反射する部分が減少していることも影響する。そこで、このような発光装置1にサブマウント4を使用すると、樹脂等により吸収された分を補い、基板表面をより有効に使用して光を反射することができる。従って、発光装置1のような構成の場合、サブマウント4を使用することは、光取り出し効率を高める極めて有効な手段となる。
Further, as described above, in the light emitting device 1 shown in FIG. 1, the light extraction efficiency can be significantly reduced by light absorption not only by the sealing
次に、図3乃至図12に基づいて上記発光装置1の製造方法を説明する。図3及び図4に示すように、この発光装置1における基板2は、中央に発光素子3を実装する発光エリアEAが設けられた金属基板2Aに、発光エリアEAに適合する孔2aと、その縁にそれぞれ半円形状に形成された配線パターン5,6とを有する樹脂基板2Bを重ねて固着したものである。はじめに、図5及び図6に示すように、金属基板2A上に柱体をなす複数のサブマウント4を固着する。そして、図7及び図8に示すように、このサブマウント4の上に複数の発光素子3をそれぞれダイボンドすることで実装する。その後、図9及び図10に示すように、ワイヤ7で発光素子3を配線パターン5,6に接続すると共に隣接する発光素子3を接続する。その後、図11及び図12に示すように、ポッティング等により、配線パターン5,6の上に枠状樹脂8を環状に形成する。そして、この枠状樹脂8の内側に蛍光体等を混入した封止樹脂9を充填することで、図1及び図2に示したような発光装置1が完成する。
Next, a method for manufacturing the light emitting device 1 will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 3 and 4, the
上記のように、サブマウント4を用いても、構造の変更等を伴わず、また、製造工程の追加も最小限に抑えつつ光取り出し効率を向上させることができる。
As described above, even if the
1,11 発光装置
2,12 基板
2A 金属基板
2B 樹脂基板
3,13 発光素子
3a,13a 底面
4,14 サブマウント
4a,14a 実装面
5,6 配線パターン
7,17 ワイヤ
8 枠状樹脂
9,19 封止樹脂
EA 発光エリア
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該基板上に取り付けられた柱体からなるサブマウントと、
該サブマウント上に実装された発光素子と、
前記発光素子を封止する封止樹脂と、
を備え、
前記サブマウントの高さtを0<t≦0.5mmに設定し、前記発光素子を実装する前記サブマウントの実装面を前記発光素子の底面に対する面積比が70%以下となる面積で且つ前記発光素子の底面にある実装用のパッドが乗る大きさ以上に設定したことを特徴とする発光装置。 A substrate,
A submount consisting of pillars mounted on the substrate;
A light emitting device mounted on the submount;
A sealing resin for sealing the light emitting element;
With
The height t of the submount is set to 0 <t ≦ 0.5 mm, the mounting surface of the submount on which the light emitting element is mounted is an area where the area ratio with respect to the bottom surface of the light emitting element is 70% or less, and A light-emitting device characterized in that it is set to be larger than a mounting pad on the bottom surface of the light-emitting element.
前記樹脂基板の孔内の前記金属基板上に前記サブマウントが取り付けられ、
該サブマウント上に前記発光素子がダイボンドされ、
前記樹脂基板の孔の周囲に配線パターンが設けられ、該配線パターンに前記発光素子がワイヤボンドされ、
前記孔を囲う枠状樹脂を備え、
該枠状樹脂の内側に前記封止樹脂が設けられて前記発光素子、サブマウント及びワイヤを封止する請求項1〜5の一つに記載の発光装置。 The substrate is composed of a metal substrate and a resin substrate fixed on the metal substrate and provided with a hole in a portion corresponding to a light emitting area,
The submount is mounted on the metal substrate in the hole of the resin substrate,
The light emitting element is die-bonded on the submount,
A wiring pattern is provided around the hole of the resin substrate, and the light emitting element is wire-bonded to the wiring pattern,
A frame-shaped resin surrounding the hole;
The light emitting device according to claim 1, wherein the sealing resin is provided inside the frame-shaped resin to seal the light emitting element, the submount, and the wire.
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