JP2017069394A - Led照明器具およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高輝度化図ることが可能なLED照明器具を提供すること。
【解決手段】 光源としてのLEDチップ200を備えたLED照明器具101であって、LEDチップ200は、支持基板210と、支持基板210上に積層された半導体層220と、支持基板210のうち半導体層220が積層されている面とは反対側の面に形成されている電極230とを有しており、支持基板210の半導体層220が積層されている面である上面の外周端縁が露出した角部210aによる段差を備えており、上面につながる側面の少なくとも一部を覆い且つ上面を露出させる、半導体層220からの光を透過しない白色樹脂280を備える。
【選択図】 図3

Description

本発明は、光源としてLEDチップを備えるLED照明器具およびその製造方法に関する。
図10は、従来のLED照明器具の一例を示している。同図に示されたLED照明器具110は、基板111にLEDチップ112が搭載されている。LEDチップ112は、枠状のリフレクタ113によって囲まれている。リフレクタ113によって囲まれた空間には、封止樹脂114が充填されている。LED照明器具においては、LEDチップ112からの光をできるだけ効率的に外部に射出できるように、様々な工夫がなされている。たとえば、基板111やリフレクタ113の反射率を向上させたり、基板111上に形成された配線パターンの劣化による光の吸収を抑制するために配線パターンを覆う保護層を設けたりしている(たとえば特許文献1参照)。
しかしながら、LEDチップ112から発せられ、乱反射によってLEDチップ112の側面へと進行した光の一部は、LEDチップ112に吸収されてしまう。したがって、LED照明器具110の高輝度化が妨げられていた。
特開2014−67846号公報
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高輝度化図ることが可能なLED照明器具を提供することをその課題とする。
本発明の第1の側面によって提供されるLED照明器具は、光源として1以上のLEDチップを備えたLED照明器具であって、上記LEDチップは、支持基板と、上記支持基板上に積層された半導体層と、上記支持基板のうち上記半導体層が積層されている面とは反対側の面に形成されている第1の電極とを有し、上記支持基板の上記半導体層が積層されている面である上面の外周端縁が露出した角部による段差を備えており、上記上面につながる側面の少なくとも一部を覆い且つ上記上面を露出させる、上記半導体層からの光を透過しない不透明樹脂を備えることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記支持基板は、全体が電気を導通させる。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記角部は、積層後のエッチングにより半導体層の一部が除去されたことで形成されている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記不透明樹脂は、白色である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記不透明樹脂は、シリコン樹脂に酸化チタンを配合したものである。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記不透明樹脂における、酸化チタンの配合比率は5〜50%である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記不透明樹脂における、酸化チタンの配合比率は20%である。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記不透明樹脂は、上記支持基板の側面のすべてを覆っている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記半導体層は、赤色光を発する。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記LED照明器具は、基材および配線パターンを有する基板をさらに備えており、上記LEDチップは、上記基板に搭載されている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第1の電極は、上記配線パターンと導通接合されている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記半導体層のうち上記支持基板とは反対側の面には、第2の電極が形成されており、上記第2の電極と上記配線パターンとは、ワイヤによって導通接合されている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記LED照明器具は、上記LEDチップを複数備えており、上記LEDチップが搭載される位置に対する、当該LEDチップのワイヤがボンディングされる位置の配置方向は、上記LEDチップ毎に異なっている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記基板に取り付けられており、かつ上記LEDチップを囲む反射面を有するリフレクタと、上記LEDチップを覆い、かつ上記LEDチップからの光を透過させる封止樹脂とを、上記LED照明器具がさらに備えている。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記LED照明器具は、上記配線パターンに導通接続されている端子をさらに備えている。
本発明の第1の側面によって提供されるLED照明器具の製造方法は、光源として1以上のLEDチップを備えたLED照明器具の製造方法であって、上記LEDチップは、支持基板と、上記支持基板上に積層された半導体層と、上記支持基板のうち上記半導体層が積層されている面とは反対側の面に形成されている第1の電極と、を有し、上記支持基板の上記半導体層が積層されている面である上面の外周端縁が露出した角部による段差を備えており、基板に上記LEDチップをボンディングする第1の工程と、上記基板にリフレクタを取り付ける第2の工程と、上記半導体層からの光を透過しない液体の不透明樹脂を、上記リフレクタの開口部から注入して、上記上面につながる側面の少なくとも一部を覆い且つ上記上面を露出させる上記不透明樹脂の層を形成する第3の工程とを備えることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第3の工程で注入される上記液体の不透明樹脂の量は、上記角部を超えないように調整されている。
このような構成によれば、上記半導体層からの光のうち、上記支持基板の側面へと向かう光は、上記不透明樹脂によって遮蔽される。これにより、これらの光が上記支持基板に吸収されることを抑制することが可能である。したがって、上記LED照明器具の高輝度化を図ることができる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
本発明の第1実施形態に基づくLED照明器具を示す平面図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 図1のLED照明器具を示す要部拡大断面図である。 図1のLED照明器具を示す要部拡大図である。 図1のLED照明器具の製造方法の一例を示す図である。 図1のLED照明器具の製造方法の一例を示す図である。 本発明の第2実施形態に基づくLED照明器具を示す斜視図である。 図7のLED照明器具を示す平面図である。 図8のIX−IX線に沿う断面図である。 従来のLED照明器具の一例を示す断面図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
図1〜図4は、本発明の第1実施形態に基づくLED照明器具を示す図である。図1は、当該LED照明器具を示す平面図である。図2は、図1のII−II線に沿う断面図である。図3は、図1のLED照明器具を示す要部拡大断面図である。図4は、図1のLED照明器具を示す要部拡大図である。本実施形態のLED照明器具101は、たとえば車載用の照明器具であって、基板300、LEDチップ200、ワイヤ500、白色樹脂280、リフレクタ600、封止樹脂700、端子800、電子部品810〜830、およびソケット900を備えている。なお、理解の便宜上、図1においては、封止樹脂700を省略している。また、図1および図2においては、ワイヤ500を省略している。
基板300は、基材310および基材310に形成された配線パターン320を有している。基材310は、矩形状であり、たとえばガラスエポキシ樹脂からなる。配線パターン320は、たとえばCuまたはAgなどの金属からなり、ボンディング部321,322を有する。ボンディング部321,322は、基材310の上面に形成されている。なお、図1および図2においては、配線パターン320の記載を省略している。基板300の上面には、抵抗810、ダイオード820およびコンデンサ830などの電子部品が搭載されている。各電子部品810〜830は、配線パターン320によって接続されて回路を構成しており、LEDチップ200を所望の発光状態で点灯させるためのものである。なお、電子部品810〜830の種類、個数および配置場所は限定されない。
リフレクタ600は、たとえば白色樹脂からなり、LEDチップ200を囲むようにして、基板300に固定されている。リフレクタ600は、LEDチップ200から側方に発せられた光を上方に向けて反射するためのものである。リフレクタ600には、反射面601が形成されている。反射面601は、LEDチップ200を囲んでいる。本実施形態においては、反射面601は、基板300の厚さ方向において基板300から離間するほど、基板300の厚さ方向に対して直角である方向においてLEDチップ200から遠ざかるように傾斜している。つまり、反射面601は、基板300の厚さ方向に直交する断面が、リフレクタ600の開口側に向かうほど大きくなるテーパ形状になっている。
LEDチップ200は、LED照明器具101の光源であり、たとえば赤色光を発する。本実施形態では、5つのLEDチップ200が、リフレクタ600に囲まれるようにして、基板300に搭載されている。図3に示すように、LEDチップ200は、支持基板210、半導体層220、電極230および電極240を有する構造とされている。LEDチップ200は、たとえばGeからなる成長用基板としての支持基板210上に、たとえばAlGaInPからなるn型半導体層、活性層およびp型半導体層が積層された半導体層220が積層されている。また、支持基板210の半導体層220が積層される面とは反対側の面(図3においては下側の面)に、電極230が形成されており、半導体層220の支持基板210とは反対側の面(図3においては上側の面)に、電極240が形成されている。支持基板210は全体が電気を導通させるので、電極230と半導体層220とは電気的に接続されている。なお、「電極230」が本発明の「第1の電極」に相当し、「電極240」が本発明の「第2の電極」に相当する。
なお、LEDチップ200の積層構造は、上記に限定されない。たとえば、支持基板210となる基板上にエピタキシャル成長によって半導体層220になる層を形成するのではなく、支持基板210となる基板とは別に形成された半導体層220になる層を、支持基板210となる基板に熱圧着により貼り合わせるようにして形成されていてもよい。また、支持基板210を構成する材料としては、Geの他に、GaAs、Si、SiC、GaPなどを採用することも可能である。また、半導体層220を構成する材料としては、AlGaInPの他に、GaN,GaP、AlInP、InGaP、などを採用することも可能である。
LEDチップ200の製造工程において、エピタキシャル成長法による半導体層の積層後のエッチング処理により、隣接するLEDチップ200との境界線上の半導体層が除去され、当該境界線でのダイシングによって、各LEDチップ200に分割される。したがって、LEDチップ200は、ダイシングされた支持基板210の側面より半導体層220の側面の方が、平面視で内側に位置する形状になっており、全体を側面から見ると、上面側に突出部がある凸形状(図3参照)になっている。つまり、LEDチップ200の側面は、支持基板210の上面の各端縁が露出した角部210aによる段差を備えている。なお、支持基板210の上面は、全面にわたって平らな形状であってもよいし、エッチングによって外周部分がわずかに凹んだ形状であってもよい。
LEDチップ200は、基板300の上面に搭載されており、図3に示すように、電極230が導電性ペースト(図示略)によってボンディング部321に接合されている。電極240には、ワイヤ500の一端がボンディングされており、ワイヤ500の他端は、ボンディング部322にボンディングされている。すなわち、LEDチップ200は、いわゆる1ワイヤタイプとして構成されている。図4は、図1に示す平面図のリフレクタ600内部を拡大した図であり、白色樹脂280を省略している。図4に示すように、LEDチップ200が搭載されるボンディング部321に対する、当該LEDチップ200にボンディングされたワイヤ500がボンディングされるボンディング部321の配置方向は、LEDチップ200毎に異なっている。
なお、本実施形態においては、LEDチップ200が赤色光を発する場合について説明したが、これに限られない。側面が上述した角部210aを有する段差を備えているものであれば、その他の光を発するものであってもよい。
白色樹脂280は、LEDチップ200からの光を透過しない、白色を呈する樹脂材料からなり、本発明で言う不透明樹脂の一例に相当する。図3に示すように、白色樹脂280は、支持基板210の側面のすべてを覆っている。一方、半導体層220は、白色樹脂280によっては覆われていない。硬化して白色樹脂280となる前の液体の白色樹脂材料は、後述する様に、適度な粘度を有するので、製造工程において、リフレクタ600の反射面601で囲まれた領域に注入された場合、表面張力によって、角部210aを超えにくい。したがって、注入する白色樹脂材料の量を適切に調整することで、支持基板210の側面のすべてを覆いつつ、半導体層220の側面は覆わないようにすることができる。また、図1および図2から理解されるように、白色樹脂280は、LEDチップ200を囲んでおり、その外周縁がリフレクタ600の反射面601に到達している。このため、図1において、LEDチップ200から反射面601へと図中上下方向および左右方向に広がる領域は、白色樹脂280によって埋められている。
本実施形態では、白色樹脂280として、シリコン樹脂に酸化チタンを20%配合した樹脂を用いている。なお、酸化チタンの配合比率は20%に限定されない。液体の白色樹脂材料の粘度は、シリコン樹脂の粘度と酸化チタンの配合比率によって変化する。粘度が高すぎると、全面に均一に行き渡らせるのが難しくなり、粘度が低すぎると、LEDチップ200の支持基板210の角部210aを超えて、半導体層220に達する場合がある。酸化チタンの配合比率が高くなるほど液体の白色樹脂材料の粘度は高くなるので、シリコン樹脂の粘度に応じて配合比率を調整する必要がある。本実施形態では、中程度の粘度を有するシリコン樹脂を用いるので、配合比率を20%としている。なお、この場合、配合比率を15〜25%としてもよい。また、低い粘度を有するシリコン樹脂を用いる場合は、配合比率を30〜50%とした場合に適切な粘度になり、高い粘度を有するシリコン樹脂を用いる場合は、配合比率を5〜25%とした場合に適切な粘度になる。つまり、シリコン樹脂の粘度に応じて、配合比率を5〜50%の範囲で調整することで、適切な粘度とすることができる。また、白色樹脂280の材質は、上記したものに限定されない。
封止樹脂700は、LEDチップ200を覆っており、反射面601によって囲まれた空間を埋めている。封止樹脂700は、たとえば透明なエポキシ樹脂からなる。なお、本実施形態においては、封止樹脂700は、リフレクタ600の開口部から突出しないように形成されているが、これに限られない。たとえば、封止樹脂700をリフレクタ600の開口部から盛り上がった状態で硬化させ、レンズとして機能させるようにしてもよい。
端子800は、電極となる金属線であって、基板300およびソケット900を貫通して設けられている。端子800の一方端は、配線パターン320の一部に、たとえばハンダによって接続されている。
ソケット900は、基板300を搭載して、たとえば自動車などに取り付けるための部品である。ソケット900は、たとえば合成樹脂からなり、たとえば射出成形によって形成される。ソケット900は、基板300を搭載するための搭載部910および取り付けるための取付部920を備えている。搭載部910は、一方(図2においては上方)が開口した円筒形状をなしており、搭載部910の内側底面に基板300が搭載される。搭載部910の内側底面には、たとえばアルミニウム製の円形の板である放熱板950が固定されている。基板300は、下面を放熱板950の上面に接着剤で接着することで、ソケット900の搭載部910に搭載される。
次に、図5および図6を参照して、LED照明器具101の製造方法の一例を説明する。なお、図5および図6は簡略化して記載したものであり、LEDチップ200を拡大して、1つだけ搭載した状態で記載している。
まず、基材310に配線パターン320を形成して、基板300を作成する(図5(a)参照)。ついで、基板300にLEDチップ200を搭載する(図5(b)参照)。この時、図示しない電子部品も搭載される。ついで、LEDチップ200にワイヤ500をボンディングする(図5(c)参照)。ついで、LEDチップ200を囲むようにして、基板300にリフレクタ600を形成する(図5(d)参照)。なお、基板300にLEDチップ200を搭載する前に、リフレクタ600を形成するようにしてもよいし、リフレクタ600を形成してから、LEDチップ200にワイヤ500をボンディングするようにしてもよい。
ついで、液体の白色樹脂材料を注入して硬化させることにより、白色樹脂280を形成する(図5(e)参照)。注入する白色樹脂材料の粘度および量を適切に調整することで、LEDチップ200の支持基板210の角部210aを超えないようにして、かつ、リフレクタ600で囲まれる基板300の上面に均一に行き渡らせることができる。なお、LEDチップ200の4つの側面のすべてにおいて、角部210aまで白色樹脂材料が達することが望ましいが、白色樹脂材料が角部210aまで達していなくても、支持基板210の側面の一部を白色樹脂280によって遮蔽することができる。なお、白色樹脂材料を注入する前に、白色樹脂材料の濡れ広がり性を向上させるために、アルゴンプラズマを照射するようにしてもよい。
ついで、封止樹脂700を形成する(図5(f)参照)。ついで、基板300をソケット900に搭載する(図6(a)参照)。そして、配線パターン320の所定の位置に、基板300およびソケット900を貫通する孔を設け、当該孔から端子800を挿入して、端子800の一方端を、配線パターン320に接続する(図6(b)参照)ことにより、LED照明器具101が完成する。なお、基板300にソケット900を貼り付けてから孔を設けるのではなく、基板300およびソケット900の所定の位置にあらかじめ孔を設けておくようにしてもよい。
次に、LED照明器具101の作用について説明する。
本実施形態によれば、半導体層220からの光のうち、支持基板210の側面へと向かう光は、白色樹脂280によって遮蔽される。これにより、これらの光が支持基板210に吸収されることを抑制することができる。しかも、白色樹脂280は、たとえばGeと比べて反射率が高いため、半導体層220からの光を好適に反射する。したがって、LEDチップ200から発せられた光のうち封止樹脂700から出射される割合を高めることが可能であり、LED照明器具101の高輝度化を図ることができる。
白色樹脂280として、中程度の粘度を有するシリコン樹脂に酸化チタンを20%配合した樹脂を用いているので、製造工程の注入工程における粘度が適切である。したがって、リフレクタ600で囲まれる基板300の上面に均一に行き渡らせやすく、かつ、LEDチップ200の支持基板210の角部210aを超えないように注入しやすい。これにより、注入工程を容易にすることができ、また、不良品の発生を抑制することができる。
白色樹脂280は、LEDチップ200の支持基板210からリフレクタ600の反射面601にいたる環状領域のすべてを覆っている。したがって、反射面601に囲まれた領域は、LEDチップ200が占める領域を除き、白色樹脂280によって覆われている。これにより、LEDチップ200の半導体層220からの光をより多く反射することが可能である。これは、LED照明器具101の高輝度化に好適である。また、基板300の反射面601に囲まれた領域に、光を好適に反射させる処理を別途施しておく必要がない。
反射面601を有するリフレクタ600を備えることにより、LED照明器具101の直上方向をより明るく照らすことができる。
LEDチップ200が搭載されるボンディング部321に対する、対応するボンディング部322の配置方向がLEDチップ200毎に異なっているので(図4参照)、製造工程において、リフレクタ600内部に液体の白色樹脂材料を注入する際に、注入のためのノズルが各ワイヤ500に接触してしまうことを抑制することができる。
図7〜図9は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
図7〜図9は、本発明の第2実施形態に基づくLED照明器具を示している。図7は、当該LED照明器具を示す斜視図である。図8は、当該LED照明器具を示す平面図である。図9は、図8のIX−IX線に沿う断面図である。なお、理解の便宜上、図7および図8においては、封止樹脂700を省略している。
本実施形態のLED照明器具102は、たとえばLEDモジュールとして回路基板に実装されるものであり、ソケット900や他の電子部品810〜830を備えておらず、配線パターン320の形状を変更して、その一部を端子800に代わる実装端子325,326とした点が、上述したLED照明器具101と異なる。また、本実施形態では、基板300にLEDチップ200を1つだけ搭載した場合について記載している。なお、搭載されるLEDチップ200の数は限定されない。
配線パターン320は、ボンディング部321,322につながっており、基材310の両側面に形成されている迂回部323,324と、迂回部323,324につながっており、基材310の下面に形成されている実装端子325,326とを備えている。実装端子325,326は、LED照明器具102をたとえば回路基板に実装するために用いられる。
このような実施形態によっても、LED照明器具102の高輝度化を図ることができる。
本発明に係るLED照明器具およびその製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るLED照明器具およびその製造方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
101〜102 LED照明器具
200 LEDチップ
210 支持基板
210a 角部
220 半導体層
230,240 電極
280 白色樹脂
300 基板
310 基材
320 配線パターン
321,322 ボンディング部
323,324 迂回部
325,326 実装端子
500 ワイヤ
600 リフレクタ
601 反射面
700 封止樹脂
800 端子
810 抵抗(電子部品)
820 ダイオード(電子部品)
830 コンデンサ(電子部品)
900 ソケット
910 搭載部
920 取付部
950 放熱板

Claims (17)

  1. 光源として1以上のLEDチップを備えたLED照明器具であって、
    上記LEDチップは、支持基板と、上記支持基板上に積層された半導体層と、上記支持基板のうち上記半導体層が積層されている面とは反対側の面に形成されている第1の電極と、を有し、上記支持基板の上記半導体層が積層されている面である上面の外周端縁が露出した角部による段差を備えており、
    上記上面につながる側面の少なくとも一部を覆い且つ上記上面を露出させる、上記半導体層からの光を透過しない不透明樹脂を備えることを特徴とする、LED照明器具。
  2. 上記支持基板は、全体が電気を導通させる、請求項1に記載のLED照明器具。
  3. 上記角部は、積層後のエッチングにより半導体層の一部が除去されたことで形成されている、請求項1または2に記載のLED照明器具。
  4. 上記不透明樹脂は、白色である、請求項1ないし3のいずれかに記載のLED照明器具。
  5. 上記不透明樹脂は、シリコン樹脂に酸化チタンを配合したものである、請求項1ないし4のいずれかに記載のLED照明器具。
  6. 上記不透明樹脂における、酸化チタンの配合比率は5〜50%である、請求項5に記載のLED照明器具。
  7. 上記不透明樹脂における、酸化チタンの配合比率は20%である、請求項6に記載のLED照明器具。
  8. 上記不透明樹脂は、上記支持基板の側面のすべてを覆っている、請求項1ないし7のいずれかに記載のLED照明器具。
  9. 上記半導体層は、赤色光を発する、請求項1ないし8のいずれかに記載のLED照明器具。
  10. 基材および配線パターンを有する基板をさらに備えており、
    上記LEDチップは、上記基板に搭載されている、請求項1ないし9のいずれかに記載のLED照明器具。
  11. 上記第1の電極は、上記配線パターンと導通接合されている、請求項10に記載のLED照明器具。
  12. 上記半導体層のうち上記支持基板とは反対側の面には、第2の電極が形成されており、
    上記第2の電極と上記配線パターンとは、ワイヤによって導通接合されている、
    請求項10または11に記載のLED照明器具。
  13. 上記LEDチップを複数備えており、
    上記LEDチップが搭載される位置に対する、当該LEDチップのワイヤがボンディングされる位置の配置方向は、上記LEDチップ毎に異なっている、
    請求項12に記載のLED照明器具。
  14. 上記基板に取り付けられており、かつ上記LEDチップを囲む反射面を有するリフレクタと、
    上記LEDチップを覆い、かつ上記LEDチップからの光を透過させる封止樹脂と、をさらに備えている、請求項10ないし13のいずれかに記載のLED照明器具。
  15. 上記配線パターンに導通接続されている端子をさらに備えている、請求項10ないし14のいずれかに記載のLED照明器具。
  16. 光源として1以上のLEDチップを備えたLED照明器具の製造方法であって、
    上記LEDチップは、支持基板と、上記支持基板上に積層された半導体層と、上記支持基板のうち上記半導体層が積層されている面とは反対側の面に形成されている第1の電極と、を有し、上記支持基板の上記半導体層が積層されている面である上面の外周端縁が露出した角部による段差を備えており、
    基板に上記LEDチップをボンディングする第1の工程と、
    上記基板にリフレクタを取り付ける第2の工程と、
    上記半導体層からの光を透過しない液体の不透明樹脂を、上記リフレクタの開口部から注入して、上記上面につながる側面の少なくとも一部を覆い且つ上記上面を露出させる上記不透明樹脂の層を形成する第3の工程と、
    を備えることを特徴とする、LED照明器具の製造方法。
  17. 上記第3の工程で注入される上記液体の不透明樹脂の量は、上記角部を超えないように調整されている、請求項16に記載のLED照明器具の製造方法。
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