JP2023000816A - 発光装置、車両用灯具、および、発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の側面を光反射性の封止材材料で封止した構造でありながら、小型で放熱特性のよい発光装置を提供する。【解決手段】基板１０の周縁に沿って導電性の第１および第２枠体４１，４２を配置する。第１枠体４１と第２枠体４２との間には、間隙４３が設けられ、絶縁されている。発光素子３０は、第１電極２１および第２電極とそれぞれに接続されている。第１枠体４１の下面と基板１０の上面との間には、第１電極２１の一部が配置され、第２枠体４２の下面と基板１０の上面との間には、第２電極の一部が配置されている。第１枠体４１の上面および側面の一部は、外部回路から発光素子３０に電流を流入させるアノードとして用いられ、第２枠体４２の上面及び側面の一部は、外部回路へ電流を流出させるカソードとして用いられる。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の周囲を光反射性の材料で封止した発光装置に関する。

発光素子（ＬＥＤ）の正面輝度を高めるために、基板上に実装された発光素子の周囲を、光反射性の粒子等が分散された樹脂等の封止材料で充填した装置が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の装置では、基板上の電極にフリップチップ実装された発光素子の周囲を取り囲むように枠体を配置し、枠体と発光素子の側面との間を封止樹脂で充填している。

一方、特許文献２には、スリットで２つに分けられた金属基板（リードフレーム）の上に、金属製の枠体を非導電性の接着剤層で固定し、枠体の内側の金属基板の上に発光素子が固定された装置が開示されている。発光素子は、スリットで２つに分けられた金属基板に対してそれぞれワイヤボンディングされている。金属性の枠体の内側は、発光素子の上面及び側面を覆うように封止樹脂が充填されている。特許文献２の装置は、金属性の枠体を用いることにより、枠体からの放熱効果を高めている。

特開２０１５－１７３２８７号公報 特開２０１０－２１２３５２号公報

特許文献１の装置では、封止樹脂によって発光素子の周囲が覆われるため、枠体の外側まで基板上の電極を延ばし、枠体の外側において基板の電極に給電を行う必要がある（特許文献１の図１参照）。そのため、基板サイズを枠体よりも大きくする必要があり、小型化に限界がある。

特許文献２の装置のようにリードフレームを用いる構成の場合、リードフレームの裏面側から給電できるため、必ずしも枠体の外側までにリードフレームを引き出す必要はない。しかしながら、リードフレームは、導電体であるため、給電部位以外の裏面には、プリント基板等の絶縁領域を配置する必要があり、リードフレームを直接ヒートシンクに搭載することはできない。そのため、発光素子の発する熱をリードフレームの裏面からヒートシンクに伝導させて放熱することができず、放熱特性の改善に限界がある。

本発明の目的は、発光素子の側面を光反射性の封止材材料で封止した構造でありながら、小型で放熱特性のよい発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁性の基板と、基板の上面に間隔をあけて配置された第１および第２電極と、基板の周縁部に沿って配置された導電性の枠体と、枠体で囲まれた領域内に配置された発光素子と、発光素子の側面の少なくとも一部と前記枠体との間を充填する封止材とを有する発光装置が提供される。枠体は、第１および第２枠体に分割され、第１枠体と第２枠体との間には、間隙が設けられている。発光素子は、第１および第２電極とそれぞれ電気的に接続されている。第１枠体の下面と前記基板の上面との間には、第１電極の一部が配置されている。第２枠体の下面と基板の上面との間には、第２電極の一部が配置されている。第１枠体の上面および側面の一部は、外部回路から発光素子に電流を流入させるアノードとして用いられ、第２枠体の上面及び側面の一部は、外部回路へ電流を流出させるカソードとして用いられる。

本発明によれば、発光素子の側面を光反射性の封止材材料で封止した構造でありながら、枠体の外側に電極を延在させる必要がなく、小型で放熱特性のよい発光装置を提供することができる。

本発明の実施形態の発光装置の（ａ）断面図、（ｂ）上面図。 図１の発光装置の基板１０の上面の第１および第２電極２１，２２の形状を示す上面図。 図１の発光装置をヒートシンク８０上に搭載した装置を示す（ａ）上面図、（ｂ）側面図。 （ａ）～（ｃ）は、変形例の発光装置のアノード電極６１とカソード電極６２の形状を示す上面図。 （ａ）～（ｆ）は、図１（ａ）、（ｂ）の発光装置の製造方法を示す図である。

本発明の一実施形態の発光装置について図面を用いて以下に説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の発光装置の断面図および上面図である。図２は、基板１０上の電極２１，２２の配置を示す図である。図３（ａ）および（ｂ）は、ヒートシンク８０を備えた発光装置の上面図および側面図である。

図１（ａ），（ｂ）および図２のように、本実施形態の発光装置では、絶縁性の基板１０の上面に、間隔をあけて第１および第２電極２１，２２が配置されている。基板１０の周縁部に沿って、導電性の枠体４０が配置され、枠体４０で囲まれた領域内には発光素子３０が配置されている。発光素子３０の側面の少なくとも一部と枠体４０との間は、光反射性の封止材５０によって充填されている。

枠体４０は、第１および第２枠体４１，４２に分割されている。ここでは、枠体４０を、基板１０の主平面に垂直な分割面４４によって第１および第２枠体に分割している。第１枠体４１と第２枠体４２との間には、間隙４３が設けられている。間隙４３は、ここでは封止材５０によって充填されているが、第１および第２枠体４１，４２が互いに絶縁されていればよい。よって、間隙４３内は何も充填されていなくてもよいし、封止材５０とは異なる絶縁材が配置されていてもよい。

発光素子３０は、一対の素子電極（不図示）を備えたＬＥＤであり、第１および第２電極２１、２２とそれぞれ電気的に接続されている。これにより、発光素子３０は、第１および第２電極２１，２２から電流の供給を受けて発光する。図２の発光素子３０の例では、素子電極として上面電極と裏面電極とを有し、裏面電極は、はんだ等の導電性の接合材により第１電極２１に接合され、上面電極は、ボンディングワイヤ３３により第２電極２２に接続されている。なお、発光素子３０と第１および第２電極２１、２２の接続方法は、図２の構成に限られるものではない。例えば、発光素子３０の上面に一対の素子電極を配置して、ボンディングワイヤ３３により第1および第２電極２１，２２にそれぞれ接続してもよい。また、発光素子３０の裏面に一対の素子電極を配置して、バンプ等により第１および第２電極２１，２２にそれぞれ接続してもよい。よって、第１および第２電極２１，２２が発光素子３０と接続される部分の形状は、発光素子３０の電極構造に合わせて設計されている。

発光素子３０の上面には、本実施形態では蛍光体層３１が配置されている。蛍光体層３１は、発光素子３０が発する光によって励起され、蛍光を発する。これにより、発光素子３０が発する光の波長を変換する。なお、蛍光体層３１は、配置されていなくてもよい。

本実施形態では、図１（ａ）、図２に示すように、第１電極２１は、第１枠体４１の下面と基板１０の上面との間にその一部が位置する形状である。同様に、第２電極２２は、第２枠体４２の下面と基板１０の上面との間にその一部が位置する形状である。

第１枠体４１の下面と第１電極２１の上面、および、第２枠体４２の下面と第２電極２２の上面は、それぞれ導電性の接合材７０により接合されている。

このように導電性の第１および第２枠体４１，４２は、互いに絶縁され、かつ、第１枠体４１は第１電極２１と、第２枠体４２は第２電極２２とそれぞれ導電性の接合材７０により電気的に接続されているため、第１枠体４１および第２枠体４２を介して、発光素子３０に給電することができる。

そこで、本実施形態では、第１枠体４１の上面および側面の一部を、外部回路から発光素子３０に電流を流入させるアノードとして用い、第２枠体４２の上面及び側面の一部を、外部回路へ電流を流出させるカソードとして用いる。

電流を供給された発光素子３０は、上面から発光し、発光した光は、蛍光体層３１によって波長を変換されて上方へ発せられる。発光素子３０の側面から発せられた光は、光反射性の封止材５０により反射され、発光素子３０の上面から発せられる。これにより、発光面のサイズの小さな発光装置を提供することができる。

しかも、本実施形態の発光装置は、第１枠体４１および第２枠体４２から第１および第２電極２１，２２に給電することができるため、第１および第２枠体４１，４２より外側まで第１および第２電極２１，２２を延設する必要がない。よって、基板１０のサイズを第１および第２枠体４１，４２よりも大きくする必要がなく、発光装置を小型化することができる。

また、第１および第２枠体４１，４２から第１および第２電極２１，２２に給電することにより、第１および第２電極２１，２２の下面には絶縁性の基板１０を配置することができる。よって、図３（ａ），（ｂ）に示したように、基板１０を直接ヒートシンク８０の上に搭載することができるため、発光素子３０の発する熱を、ヒートシンクに効率よく熱伝導させて冷却できる。したがって、発光素子３０に第１および第２枠体４１，４２から大電流を供給し、発光素子３０を大光量で発光させることが可能になる。

図１（ａ）のように、第１枠体４１の上面および側面のうちの一部領域には、アノード電極６１を配置し、第２枠体４２の上面及び側面のうちの一部領域には、カソード電極６２を配置することが、外部回路との電気的な接続を良好にするために好ましい。

図１（ａ）、（ｂ）の例では、アノード電極６１およびカソード電極６２は、それぞれ第１枠体４１および第２枠体４２の上面に配置されている。アノード電極６１およびカソード電極６２は、枠体４０を第１および第２枠体４１，４２に分割する分割面４４を挟んで対称な位置に配置されている。これにより、例えば図３（ａ），（ｂ）のように、２本の給電ワイヤ９１，９２を並べて配置して、アノード電極６１およびカソード電極６２を、外部回路を搭載した回路基板９０の電極パッド９３，９４に容易に接続することができる。

＜材質等＞
第1および第２枠体４１，４２は、材質は基本的に導電体であればいいが、できるだけ電気抵抗の低いものを使うことが好ましい。例えば、ＡｌやＣｕ等の金属、もしくは、ＡｌおよびＣｕの少なくとも一方を含む合金、あるいはＳｉ等の半導体に不純物を高濃度にドープしたものを用いることができる。半導体の場合は、キャリア濃度が１０^１９ｃｍ^－３以上になるように不純物をドーピングしたものであることが望ましい。

アノード電極６１およびカソード電極６２は、例えば最表面を給電用のワイヤ材料と接合性、電気的な接触に優れるＡｕ、Ａｌ等によって形成する。

第１および第２枠体４１、４２と第１および第２電極２１，２２を接合する接合材７０は、例えばＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等のはんだを用いることができる。

封止材５０としては、酸化チタン粒子を分散させたシリコン樹脂等の樹脂を用いることができる。

第１および枠体４１，４２間の間隙４３のサイズに制限はないが、枠体４１，４２を配置したのちに未硬化の流動性の封止材５０を枠体４１，４２と発光素子３０との間に封入する場合は、未硬化の封止材５０の表面張力により封止材５０が枠体４１，４２の外に流出しない間隔および長さの間隙４３であることが好ましい。適切な間隙４３の間隔及び長さは、未硬化の封止材５０の材料の粘度や、枠体４１，４２に対する吸着性等の特性によって変わるが、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下、である。また、発光素子３０の素子サイズや、枠体４１，４２の全体のサイズとのバランス等も考慮して、間隙４３の間隔及び長さを設計することが好ましい。

２つの枠体４１，４２は、絶縁性材料によって間隙４３を充填（接着）した後に、基板１０上に実装しても良い。この場合、未硬化の封止材５０は、間隙４３の絶縁性材料によって、枠体４１，４２の外側へ流出するのが防止される。

基板１０は、絶縁性で熱伝導性に優れる材料で構成されることが好ましく、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミック材料が用いられる。また、基板１０は、上面が絶縁性であればよいため、金属基板１０上に絶縁性材料の層を配置したものでもよい。

＜＜変形例＞＞
第１および第２枠体４１，４２は、基板の中央を中心に回転対称な形状を有することが好ましい。第１および第２枠体４１，４２は、基板の中央を中心に回転対称な形状を有することにより、製造工程において、第１枠体４１と第２枠体４２とを区別することなく、第１枠体４１と第２枠体４２を入れ替えて基板１０上に搭載しても、同じ構造の発光装置を組み立てることができる。よって、発光装置が誤って組み立てられることを防止でき、歩留まり及びスループットを向上させることができる。

そのため、アノード電極６１およびカソード電極６２となる電極も、基板の中央を中心に回転対称な形状を有することが好ましい。これにより、第１枠体４１と第２枠体４２を入れ替えて基板１０上に搭載しても、アノード電極６１およびカソード電極６２となる電極が同じ位置に配置されるため、同じ構造の発光装置を組み立てることができる。

このため、下記変形例１～３のようなアノード電極６１およびカソード電極６２の構造にすることができる。

＜変形例１＞
図４（ａ）は、変形例１の発光装置のアノード電極６１およびカソード電極６２の配置を示す図である。アノード電極６１は、第１枠体４１の上面の両端部にそれぞれ配置されている。カソード電極６２は、第１枠体４２の上面の両端部にそれぞれ配置されている。

すなわち、アノード電極６１とカソード電極６２は、それぞれ２つ配置された構成であるため、第１枠体４１と第２枠体４２を入れ替えて基板１０上に搭載しても、同じ位置に電極６１または６２が配置される。

なお、それぞれ２つのアノード電極６１とカソード電極６２は、両方を外部回路を搭載した回路基板９０の電極パッド９３，９４に接続してもよいし、一方のみを接続してもよい。

＜変形例２＞
図４（ｂ）は、変形例２の発光装置のアノード電極６１およびカソード電極６２の配置を示す図である。変形例２では、アノード電極６１およびカソード電極６２は、第１枠体４１および第２枠体４２の上面全体にそれぞれ配置されている。これにより、第１枠体４１と第２枠体４２を入れ替えて基板１０上に搭載しても、同じ位置に電極６１または６２が配置される。

＜変形例３＞
図４（ｃ）は、変形例３の発光装置のアノード電極６１およびカソード電極６２の配置を示す図である。変形例３では、アノード電極６１およびカソード電極６２は、第１枠体４１および第２枠体４２の上面中央の一か所にそれぞれ配置されている。これにより、第１枠体４１と第２枠体４２を入れ替えて基板１０上に搭載しても、同じ位置に電極６１または６２が配置される。

＜＜製造方法＞＞
ここで、図１（ａ）、（ｂ）の発光装置の製造方法について図５（ａ）～（ｆ）を用いて説明する。

図５（ａ）のように基板１０を用意し、図５（ｂ）のように、上面に第１および第２電極２１，２２を形成する。形成方法は、どのような方法でもよいが、例えばメッキや気相成長法により金属膜を形成した後、第１および第２電極２１，２２の形状にパターニングする方法を用いることができる。

図５（ｃ）のように、基板１０の中央に発光素子３０を実装する。実装方法は、第１および第２電極２１，２２との電気的な接続方法に応じて、はんだ付け、バンプによる接合、ダイボンディング、および、ワイヤボンディング等のうち適切な方法を用いる。

図５（ｄ）のように、必要に応じて、発光素子３０の上に蛍光体層３１を搭載する。蛍光体層３１の形成方法は、蛍光体粒子が分散された溶媒を発光素子３０の上に塗布またはスプレーする方法や、予めプレート状に成形された蛍光体を発光素子３０の上面に貼り付ける方法を用いてもよい。

図５（ｅ）のように、アノード電極６１およびカソード電極６２が予め形成されている第１および第２枠体４１，４２を、基板１０の周縁に沿って搭載し、溶融したＡｕＳｎ等の接合材７０により、第１および第２電極２１，２２の上に接合する。

このとき、第１および第２枠体４１，４２の間に所定の間隔の間隙４３が形成されるように、位置合わせする。

図５（ｆ）のように、第１および第２枠体４１，４２と、発光素子３０の側面の間に、未硬化の封止材５０を充填する。未硬化の封止材５０は、第１および第２枠体４１，４２の間の間隙４３にも充填されるが、表面張力により第１および第２枠体の外側には流出せず、間隙４３内に留まる。その後、封止材５０を、樹脂に応じた硬化方法（例えば、加熱や紫外線照射）により硬化させる。

以上により、図１（ａ），（ｂ）の発光装置を製造することができる。

なお、図５（ｃ）において、発光素子３０を基板１０に実装する工程の前に、図５（ｅ）の枠体４１，４２を実装する工程を行ってもよい。

なお、図３（ａ）、（ｂ）のように基板１０の裏面にヒートシンク８０が接合された発光装置を製造する場合には、図５（ｆ）の工程で完成した発光装置を熱伝導性のよい接着剤によりヒートシンク８０の上に固定すればよい。また、ヒートシンク８０の上には、外部回路を搭載した回路基板９０も固定し、回路基板９０の電極パッド９３，９４と、アノード電極６１，カソード電極とを給電ワイヤ９１，９２により接続する。

これにより、図１（ａ），（ｂ）の発光装置と、回路基板９０とを、ヒートシンク８０により冷却することのできる装置を製造することができる。

図３の装置は、ヒートシンク８０の同一面上に、給電のための回路基板９０と図１（ａ），（ｂ）の発光装置とを横並びに搭載し、給電ワイヤ９１，９２で接続できるため、ヒートシンク８０と発光装置との間に、回路基板９０を挟む必要がない。すなわち、図１（ａ），（ｂ）の発光装置を、直にヒートシンク８０に実装することができ、放熱性が高い。よって、図３（ａ）、（ｂ）の装置は、高い放熱性と、省スペースをいずれも達成できる。

上述してきた本実施形態の各発光装置は、車両用灯具、プロジェクター、投光器、照明装置の光源として、好適に用いることができる。

１０…基板、２１…第１電極、２２…第２電極、３０…発光素子、３１…蛍光体層、３３…ボンディングワイヤ、４０…枠体、４１…第１枠体、４２…第２枠体、４３…間隙、４４…分割面、５０…封止材、６１…アノード電極、６２…カソード電極、７０…接合材、８０…ヒートシンク、９０…回路基板、９１、９２…給電ワイヤ、９３、９４…電極パッド

Claims (16)

1. 絶縁性の基板と、前記基板の上面に間隔をあけて配置された第１および第２電極と、前記基板の周縁部に沿って配置された導電性の枠体と、枠体で囲まれた領域内に配置された発光素子と、前記発光素子の側面の少なくとも一部と前記枠体との間を充填する封止材とを有し、
   前記枠体は、第１および第２枠体に分割され、前記第１枠体と第２枠体との間には、間隙が設けられ、
   前記発光素子は、前記第１および第２電極とそれぞれ電気的に接続され、
   前記第１枠体の下面と前記基板の上面との間には、前記第１電極の一部が配置され、
   前記第２枠体の下面と前記基板の上面との間には、前記第２電極の一部が配置され、
   前記第１枠体の上面および側面の一部は、外部回路から前記発光素子に電流を流入させるアノードとして用いられ、前記第２枠体の上面及び側面の一部は、前記外部回路へ電流を流出させるカソードとして用いられることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、前記第１枠体の上面および側面のうちの一部領域には、アノード電極が配置され、前記第２枠体の上面及び側面のうちの一部領域には、カソード電極が配置されていることを特徴とする発光装置。
3. 請求項１または２に記載の発光装置であって、前記第１および第２枠体は、前記基板の中央を中心に回転対称な形状を有することを特徴とする発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記アノード電極およびカソード電極は、それぞれ前記第１枠体および第２枠体の上面に配置されていることを特徴とする発光装置。
5. 請求項２または４に記載の発光装置であって、前記アノード電極およびカソード電極は、前記基板の中央を中心に回転対称な位置に配置されていることを特徴とする発光装置。
6. 請求項４に記載の発光装置であって、前記アノード電極およびカソード電極は、前記第１枠体および前記第２枠体の上面全体にそれぞれ配置されていることを特徴とする発光装置。
7. 請求項５に記載の発光装置であって、前記アノード電極は、前記第１枠体の上面の両端部にそれぞれ配置され、前記カソード電極は、前記第１枠体の上面の両端部にそれぞれ配置されていることを特徴とする発光装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記枠体を前記第１および第２枠体に分割する分割面は、前記基板の主平面に垂直であることを特徴とする発光装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記第１および第２枠体の分割面の間の空隙には、前記封止材が充填されていることを特徴とする発光装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記第１枠体の下面と前記第１電極の上面、および、前記第２枠体の下面と前記第２電極の上面は、それぞれ導電性の接合材により接合されていることを特徴とする発光装置。
11. 請求項９に記載の発光装置であって、前記基板の外周と、前記枠体の外周は一致していることを特徴とする発光装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記第1および第２枠体は、金属、または、不純物をドープした半導体によって構成されることを特徴とする発光装置。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発光装置であって、前記基板の裏面には、ヒートシンクが固定されていることを特徴とする発光装置。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の発光装置を含む車両用灯具。
15. 上面に間隔をあけて配置された第１および第２電極を備えた絶縁性基板の前記基板上に発光素子を搭載し、前記第１および第２電極をそれぞれ前記発光素子と電気的に接続する工程と、
    前記基板の周縁部に沿って、第１枠体と第２枠体とを、前記第１枠体と第２枠体との間に間隙が生じるように搭載し、前記第１枠体の下面と前記第１電極の一部とを導電性接合材により接合し、前記第２枠体の下面と前記第２電極の一部とを導電性接合材により接合する工程と、
    前記第1枠体および第２枠体と、前記発光素子の側面との間に、未硬化の流動性のある封止材によって封止する工程と
    を有する発光装置の製造方法。
16. 請求項１５に記載の発光装置の製造方法であって、前記封止する工程は、未硬化の流動性のある封止材を、前記第１および第２枠体の間の間隙に流入させ、かつ、前記流動性のある封止材の表面張力により、前記流動性のある封止材を前記枠体外に流出させないことを特徴とする発光装置の製造方法。

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