JP3881653B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から発光される光を蛍光体で波長変換し外部に発光する発光装置に関する。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子15から発光される近紫外光や青色光等の光を赤色，緑色，青色，黄色等の複数の蛍光体14で長波長変換して白色発光する発光装置を図２に示す。図２において、発光装置は、上面の中央部に発光素子15を載置するための載置部11ａを有し、載置部11ａおよびその周辺から発光装置の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体（図示せず）が形成された絶縁体からなる基体11と、基体11上面に接着固定され、上側開口が下側開口より大きい貫通孔が形成されているとともに、内周面12ａが発光素子15が発光する光を反射する反射面とされている枠体12と、枠体12の内部に充填され発光素子15が発光する光を励起し長波長変換する蛍光体14を含有した透光性部材13と、載置部11aに載置固定された発光素子15とから主に構成されている。

基体11は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。基体11がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体がタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体11が樹脂から成る場合、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子がモールド成型されて基体11の内部に設置固定される。

また、枠体12は、上側開口が下側開口より大きい貫通孔が形成されるとともに内周面12ａに光を反射する反射面が設けられる枠状となっている。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。

さらに、枠体12の反射面は、貫通孔の内周面12ａを研磨して平坦化することにより、あるいは、貫通孔の内周面12ａにＡｌ等の金属を蒸着法やメッキ法により被着することにより形成される。そして、枠体12は、半田，銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、載置部11ａを枠体12の内周面12ａで取り囲むように基体11の上面に接合される。

そして、載置部11ａの周辺に配置した配線導体と発光素子15とをボンディングワイヤや金属ボール等の電極16を介して電気的に接続し、しかる後、蛍光体14を含有するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透光性部材13をディスペンサー等の注入機で発光素子15を覆うように枠体12の内部に充填しオーブンで熱硬化させることで、発光素子15からの光を蛍光体14により長波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置となし得る。

また、図２に示す発光装置の構成に加え、図３に示すように発光素子25を覆うように設けられている透光性部材23の上部に、発光素子25が発光する光を励起し長波長側に変換する蛍光体24を透明樹脂27に含有した蛍光体層23を形成する構成が提案されている（下記の特許文献１参照）。

この構成によれば、発光素子から発光される光が蛍光体層23を通過する行路長を一定に近づけることができるために蛍光体層23における波長変換効率を均一にして発光むらを低減することができる。
特許第3065263号公報

近年、発光装置は発光強度をより高めることが求められている。しかしながら、発光強度を高めるために電流値を高めると、発光素子の発熱が大きくなり、発光素子が高温となる結果、発光効率が低下するという問題点があった。

また、発光素子25を被覆するとともに発光素子25からの光を波長変換するための蛍光体24を含有した透明樹脂27において、蛍光体24の含有率を上げて波長変換の効率を向上させようとすると、光が蛍光体24によって妨害され易くなるため、放射光強度を向上できないという問題点を有していた。

また逆に、蛍光体24の含有率を下げると、発光素子25の光によって照射される蛍光体24の割合が減少し、蛍光体24の発光する確率が著しく劣化するとともに波長変換の効率が低下して所望の波長の光が得られず、その結果、放射光強度の向上ができないという問題点を有していた。

さらに、蛍光体24を含有する蛍光体層27の中央部と縁部における光強度の差が大きくなり、発光面における色むらや、照射面における照度分布のむらが生じるという問題点を有していた。

さらにまた、波長変換されない光は、外部へそのままの波長で出射されることになり、発光素子25の光が紫外光の場合、人体への影響も心配されるという問題点も有していた。

従って、本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、発光素子の発光する光を蛍光体により効率よく波長変換するとともに放射光強度を高くすることにより、軸上光度や輝度，演色性等の光特性に優れた発光装置を提供することである。

本発明の発光装置は、基体と、基体上に搭載された発光素子と、発光素子の上方に配置された蛍光体層と、蛍光体層の下方に配置された透光性部材とを備えているものである。

透光性部材は、発光素子の表面を覆って蛍光体層の下方に配置されているとともに、粗面化された上面を有している。

本発明の発光装置は、透光性部材はその上面が粗面とされていることから、発光素子から発光された光を透光性部材の上面で散乱させることにより、この光によって照射される蛍光体層中の蛍光体の割合を増加させることができる。その結果、蛍光体の発光する確率を著しく向上させることができ、蛍光体によって波長変換される光の出力を向上させることができる。また、蛍光体層はその上面が粗面とされていることから、蛍光体によって波長変換された光が蛍光体層の外部の空気との界面で全反射されて蛍光体層中に閉じ込められる光を、蛍光体層の上面の様々な角度を有する粗面によって全反射を有効に低減することができ、非常に効率よく光を外側に取り出すことができる。さらに、光を透光性部材の上面および蛍光体層の上面に形成した粗面で適度に散乱させることにより、蛍光体層の中央部と外周部との光強度の差をより小さくすることができる。その結果、発光面における色むらや、照射面における照度分布のむらを抑制することができる。

本発明の発光装置は、透光性部材および蛍光体層の上面は、算術平均粗さがそれぞれ0.1乃至0.8μｍであることから、透光性部材の上面で乱反射してより効率よく蛍光体層に照射させ、発光素子から波長変換されずに蛍光体層を透過する光を非常に抑制することできる。よって、例えば発光素子の光が紫外光の場合、紫外光を可視光に効率よく波長変換し、波長変換されずに放射される紫外光を有効に低減して人体への影響が小さい環境性に優れる発光装置を作製することができる。また、発光面における色むらや、照射面における照度分布のむらをより抑制することができる。

本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、１は基体、２は枠体、３は発光素子を覆うように設けられている透光性部材、７は透明樹脂に蛍光体４を含有した蛍光体層である。主としてこれらで発光素子５の発光を方向性をもって外部に発光させ得る発光装置が構成される。

本発明における基体１は、アルミナセラミックスや窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る。また、基体１は、上側主面に発光素子５を載置する載置部１ａを有している。

載置部１ａには、発光素子５が電気的に接続されるための配線導体（図示せず）が形成されている。この配線導体が基体１内部に形成された配線層（図示せず）を介して発光装置の外表面に導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、発光素子５と外部電気回路基板とが電気的に接続されることとなる。

発光素子５を配線導体に接続する方法としては、ワイヤボンディングを介して接続する方法、または、図１に示す発光素子５の下面で半田バンプ等の電極６により接続するフリップチップボンディング方式を用いた方法等が用いられる。好ましくは、フリップチップボンディング方式により接続するのがよい。これにより、配線導体を発光素子５の直下に設けることができるため、発光素子５の周辺の基体１の上面に配線導体を設けるためのスペースを設ける必要がなくなる。よって、発光素子５から発光された光がこの基体１の配線導体のスペースで吸収されて軸上光度が低下するのを有効に抑制することができる。

この配線導体は、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末のメタライズ層を基体１の表面や内部に形成することによって、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のリード端子を基体１に埋設することによって、または、配線導体が形成された絶縁体から成る入出力端子を基体１に設けた貫通孔に嵌着接合させることによって設けられる。

なお、配線導体の露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、配線導体の酸化腐食を有効に防止し得るともに、発光素子５と配線導体との接続を強固にし得る。したがって、配線導体の露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのがより好ましい。

また、基体１の上面には、枠体２が半田，Ａｇロウ等のロウ材やエポキシ樹脂等の接着剤等の接合材により取着される。枠体２は、中央部に貫通孔が形成されているとともに内周面２ａが発光素子５が発光する光を反射する反射面とされている。

枠体２は、切削加工や金型成形等を行うことにより形成される。あるいは、内周面２ａに、例えば、メッキや蒸着等によりＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），Ｃｕ等の高反射率の金属薄膜を形成することにより反射面を形成してもよい。なお、反射面がＡｇやＣｕ等の酸化により変色し易い金属からなる場合には、その表面に、例えば厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのが良い。これにより反射面の耐腐食性が向上する。

また、枠体２の内周面２ａの表面の算術平均粗さＲａは、0.1μｍ以下であるのが良く、これにより発光素子５から発光された光を良好に発光装置の上側に反射することができる。Ｒａが0.1μｍを超える場合、発光素子５から発光された光を枠体２の内周面２ａで良好に発光装置の上側に反射するのが困難になるとともに発光装置の内部で乱反射し易くなる。その結果、発光装置の内部における光の損失が大きく成り易いとともに、所望の放射角度で光を発光装置の外部に放射することが困難になる。

さらに、内周面２ａは、例えば、縦断面形状が、上側に向かうにともなって外側に広がった図１に示すような直線状の傾斜面、上側に向かうにともなって外側に広がった曲面状の傾斜面等の形状が挙げられる。

さらにまた、枠体２は、基体１上面の載置部１ａ以外のいかなる部位に取着されてもよいが、発光素子５の周囲に所望の面精度、例えば、発光装置の縦断面において、発光素子５を間に挟んで発光素子５の両側に設けられた内周面２ａが対称になっている状態で取着されるのがよい。これにより、発光素子５から透光性部材３を透して横方向等に発光された光や蛍光体４から下側に放出された光を内周面２ａで均一にむらなく反射させることができ、透光性部材３の上部に形成する蛍光体層７に均一に入射させることができ、軸上光度および輝度さらには演色性等を効果的に向上させることができる。

透光性部材３は、発光素子５との屈折率差が小さく、紫外領域から可視光領域の光に対して透過率の高いものから成るのがよい。例えば、透光性部材３は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはユリア樹脂等の透明樹脂、あるいは低融点ガラスやゾル−ゲルガラス等から成る。これにより、発光素子５と透光性部材３との屈折率差により光の反射損失が発生するのを有効に抑制することができ、発光装置の外部へ高効率で所望の放射強度や角度分布で光を放射することのできる発光装置を提供できる。また、このような透光性部材３は、ディスペンサー等の注入機で発光素子５を覆うように枠体２の内側に充填されオーブン等で熱硬化され形成される。

本発明の蛍光体層７は、発光素子５からの光を波長変換することのできる蛍光体４を含有するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂から成る。蛍光体層７は、ディスペンサー等の注入機で透光性部材３を覆うように枠体２の内部に充填され、オーブン等で熱硬化されることで、発光素子５からの光（第１の光）を蛍光体４により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光（第２の光）を取り出すことができる。

また、透光性部材３の上面および蛍光体層７の上面は粗面とされている。これにより、発光素子５から発せられた光が、透光性部材３を透過して、蛍光体層７に含まれる蛍光体４に入射する。そのときに、透光性部材３の上面が粗面であるので、入射される光は散乱光となり、この光によって照射される蛍光体４の割合を増加させることができる。また、透光性部材３の上面で光を散乱させることで、蛍光体４に当たる割合が増え、波長変換されずに透過する光を抑制することができる。よって、高効率に波長変換し、その結果、発光装置の波長変換後の放射光強度を高められ、軸上光度や輝度等の光特性を良好なものとし得る。さらに、蛍光体層７の上面を粗面にすることにより、蛍光体層７の内部に閉じ込められる蛍光体４により波長変換された光が空気との界面において全反射することを抑制することができる。

また、透光性部材３の上面で光を散乱させることで、蛍光体層７の中央部と縁部における光強度差を小さくすることができる。その結果、外部へ出射する光の波長を制御し、演色性等の色特性を良好なものとし得る。

透光性部材３の上面および蛍光体層７の上面に形成される粗面とは、算術平均粗さが
0.02μｍ以上のことであり、好ましくは、透光性部材３の上面および蛍光体層７の上面は、算術平均粗さがそれぞれ0.1乃至0.8μｍであるのが望ましい。0.8μｍを超える場合、粗面の隙間で光が閉じ込められ、光が透光性部材３から蛍光体層７へ入射する割合や、蛍光体層７から空気中に出射される割合が減少しやすくなり、発光装置の軸上光度を良好なものとし難い。一方、0.1μｍ未満の場合、散乱光となる割合が低減しやすく、軸上光度や輝度，演色性等の光特性を良好なものとし難い。

透光性部材３の上面および蛍光体層７の上面の算術平均粗さは、同じであってもよく、異なっていてもよい。より好ましくは、透光性部材３の上面に形成される粗面の算術平均粗さが、蛍光体層７の上面に形成される粗面の算術平均粗さよりも大きくされているのがよい。これにより、透光性部材３の上面では散乱効果を大きくして波長変換効率を良好にするとともに、蛍光体層７の上面では散乱効果を適度にすることにより放射角が大きくなるのを抑制し、光の指向性を高めて軸上光度を向上させることができる。

なお、蛍光体層７は、発光素子５から発光された光で励起された蛍光体４の電子の再結合によって青色，赤色、緑色または黄色等に発光する無機系または有機系の蛍光体４が任意の割合で配合、充填されているので、所望の発光スペクトルと色とを有する光を出力することができる。

また、発光素子５は、放射するエネルギーのピーク波長が紫外線域から赤外線域までのいずれのものでもよいが、白色光や種々の色の光を視感性よく放出させるという観点から300乃至500nmの近紫外系から青色系で発光する素子であるのがよい。例えば、サファイア基板上にバッファ層，ｎ型層，発光層およびｐ型層を順次積層した、ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体、あるいはシリコンカーバイド系化合物半導体やＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）等で発光層が形成されたものが挙げられる。

本発明の発光装置について図１にもとづき以下に実施例を示す。

まず、基体１となるアルミナセラミックス基板を準備した。なお、基体１は載置部１ａを有しており、発光素子５が載置される載置部１ａに、発光素子５と外部電気回路基板とを基体１の内部に形成した内部配線を介して電気的に接続するための配線導体を形成した。配線導体は、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層により直径が0.1ｍｍの円形パッドに成形されており、その表面に厚さ３μｍのＮｉメッキ層と厚さ２μｍのＡｕメッキ層とが順次被着された。また、基体１内部の内部配線は、貫通導体からなる電気接続部、いわゆるスルーホールによって形成された。このスルーホールについても配線導体と同様にＭｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ導体で成形された。

さらに、基体１の上面外周部に、枠体２をＡｕ−錫（Ｓｎ）ロウにより接合するための接合用メタライズ層を形成した。この接合用メタライズ層は、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層の表面に厚さ３μｍのＮｉメッキ層と厚さ２μｍのＡｕメッキ層とが被着されたものであった。

さらにまた、アルミニウムから成る枠体２を用意した。この枠体２は、図１に示すような縦断面において、縦断面形状が、上側に向かうにともなって外側に広がったような直線状の傾斜面を有する貫通孔を有しており、この貫通孔の内周面２ａの表面をＲａが0.1μｍの反射面とされた。

また、枠体２は、外形の直径が8ｍｍで高さが5ｍｍとされ、上側開口の直径が6ｍｍ、下側開口の直径が3ｍｍの円柱状とされた。

次に、載置部１ａ上の配線導体にＡｕ−Ｓｎ半田を設けておき、このＡｕ−Ｓｎ半田を介して近紫外光を発する厚さ0.08ｍｍの発光素子５を配線導体に接合するとともに、枠体２を基体１の上面の接合用メタライズ層にＡｕ−Ｓｎロウで接合した。

次に、シリコーン樹脂（透光性部材３）をディスペンサーにて基体１と枠体２に囲まれた領域の枠体２の内周面２ａの中段（基体１の上面からの高さが４ｍｍ）まで充填した。そして、透光性部材３の表面にアルミナの粒子を吹きつけて粗化することにより、算術平均粗さが種々の値である粗面を形成した（表１参照）。

次に、赤色発光，緑色発光，青色発光を行なう３種類の蛍光体４を含有するシリコーン樹脂（蛍光体層７）をディスペンサーにて枠体２の内周面２ａの最上端から0.2ｍｍ程度を残して透光性部材３を覆うように充填し（蛍光体層７の厚みが0.8ｍｍ）、更にアルミナの粒子を吹きつけて、蛍光体層７の表面を種々の粗さの粗面（表１参照）にすることにより、サンプルとしての発光装置を作製した。

このサンプルについて、発光させた際の軸上強度を測定することにより、発光強度の比較を行なった。また、評価結果を表１に示す。

表１の結果より、透光性部材３および蛍光体層７の上面をどちらも粗面としていないサンプル１に比べ、透光性部材３および蛍光体層７の上面を粗面とすることで軸上光度が向上することがわかった（サンプル２〜６）。さらに、透光性部材３および蛍光体層７の上面の算術平均粗さがそれぞれ0.1〜0.8μｍの範囲のものは、900ｍｃｄ以上もの強度を有しているとともに発光装置の中央部と外周部との色むらは観察されず優れていることがわかった。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。例えば、放射光強度の向上のために基体１に発光素子５を複数設けてしても良い。また、内周面２ａの角度や、蛍光体層７の厚さを任意に調整することも可能であり、また、蛍光体４を含む蛍光体層７の上面に更にガラス基板等の透明部材を設けることも可能であり、これにより、外部環境から保護されるために、信頼性の向上へとつながる。

本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。 従来の発光装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：内周面
３：透光性部材
４：蛍光体
５：発光素子
７：蛍光体層

Claims (6)

1. 基体と、
   前記基体上に搭載されており、第１の光を発生する発光素子と、
   前記発光素子の上方に配置されており、前記第１の光に応じて該第１の光の波長と異なる波長を有する第２の光を放射する蛍光体層と、
   前記発光素子の表面を覆って前記蛍光体層の下方に配置されているとともに、粗面化された上面を有する透光性部材と、を備えた発光装置。
2. 前記発光素子は、フリップチップ接続されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記発光素子は、ワイヤボンディングされていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記透光性部材は、全面的に粗面化された前記上面を有していることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
5. 前記発光素子が、近紫外光または青色光を発生する発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
6. 前記透光性部材は、紫外領域から可視領域の光が透過できるシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。

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