JP3921200B2

JP3921200B2 - 発光装置

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Publication number: JP3921200B2
Application number: JP2003423444A
Authority: JP
Inventors: 智也田淵
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: JP2005183727A

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放射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104を収容するための発光装置を図３に示す。図３に示すように、発光装置は、上面の中央部に発光素子104を載置するための搭載部102aを有し、搭載部102a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成る基体102と、基体102の上面に接着固定され、中央部に発光素子104を収納するための貫通孔が形成された、金属、樹脂またはセラミックス等から成る枠体103とから主に構成される。

基体102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102がセラミックスから成る場合、その上面にメタライズ配線層がタングステン（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102が樹脂から成る場合、基体102をモールド成型する際に、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子が基体102の内部に一端部が突出するように固定される。

また、枠体103は、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナ質焼結体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、押し出し成型等により形成される。さらに、枠体103の中央部には上方に向かうに伴って外側に広がる貫通孔が形成されており、貫通孔の内周面の光の反射率を向上させる場合、この内周面にＡｌ等の金属が蒸着法やメッキ法により被着される。そして、枠体103は、半田、銀ロウ等のロウ材または樹脂接着剤により、基体102の上面に接合される。

そして、基体102表面に形成した配線導体（図示せず）と発光素子104の電極とをボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続し、しかる後、発光素子104の表面に蛍光体層107を形成した後に、枠体103の内側に透明樹脂105を充填し熱硬化させることで、発光素子104からの光を蛍光体層107により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成すことができる。また、発光素子104として発光波長が300〜400ｎｍの紫外領域を含むものを選び、蛍光体層107に含まれる赤、青、緑の３原色の蛍光体粒子の混合比率を調整することで色調を自由に設計することができる。

また一般的に蛍光体粒子は紛体であり、蛍光体単独では蛍光体層107の形成が困難なため、樹脂もしくはガラスなどの透明部材中に蛍光体粒子を混入して発光素子104の表面に塗布し蛍光体層107とするのが一般的である。
特開2003-37298号公報

しかし、従来の発光装置の場合、蛍光体層で波長変換された後に蛍光体層の下側に発光される光や、発光素子から発光された後に蛍光体層の下面で下側に反射される光は、枠体内側で光乱反射するとともに基体や発光素子によって吸収され光損失が著しく増加するという問題点を有していた。

また、発光素子から斜め上方向に発光された光は、枠体に反射されることなく発光装置の外側に大きな放射角度で放射されるため、放射角度が大きくなって軸上光度が低いという問題点も有していた。

したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光取り出し効率を向上させ、放射光強度、軸上光度および輝度が高い発光装置を提供することである。

本発明の発光装置は、第１の透光性部材の屈折率より大きい屈折率を有しており、光反射面の内側において第１の透光性部材上に設けられた第２の透光性部材を備えており、第１の透光性部材と第２の透光性部材との界面が平坦であり、第２の透光性部材の厚みが全面的に一様であることを特徴とするものである。

本発明の発光装置は、第１の透光性部材の屈折率より大きい屈折率を有しており、光反射面の内側において第１の透光性部材上に設けられた第２の透光性部材を備えていることにより、第２の透光性部材から第１の透光性部材へ進行する光の臨界角を小さくすることができる。よって、蛍光体層から下側に発光された光や、蛍光体層の下面で下側に反射された光が、第１の透光性部材と第２の透光性部材との界面で上側に反射され易くなり、基体や発光素子に吸収されるのを有効に抑制することができ、光取り出し効率を向上させることができる。

また、発光素子から斜め上方向に発光される光を、第１の透光性部材と第２の透光性部材との界面で屈折させてより基体に垂直な方向、即ち、軸上方向に光の進行方向を変えることができ、発光装置から放射される光の放射角度を小さくして軸上光度を高めることができる。

本発明の発光装置１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１の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、２は基体、３は枠体、４は発光素子、５は第１の透光性部材、６は第２の透光性部材、７は蛍光体層であり、主としてこれらで発光装置１が構成される。

本発明における基体２は、アルミナセラミックス，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、エポキシ樹脂等の樹脂、または金属から成り、発光素子４を支持する支持部材として機能する。また、その上面に発光素子４を搭載するための搭載部２ａを有している。

基体２がセラミックスの場合、発光素子４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２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４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４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（図示せず）を介して接続する方法、または、発光素子４の下面で半田バンプ（図示せず）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４の直下に設けることができるため、発光素子４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４から発光された光がこの基体２の配線導体用のスペースで吸収されて放射光強度が低下するのを有効に抑制することができるとともに発光装置１を小型にすることができる。

この配線導体は、基体２がセラミックスから成る場合、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，銀（Ａｇ）等の金属粉末のメタライズ層により形成される。また、基体２が樹脂から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のリード端子を埋設することによって形成される。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２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４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、本発明における枠体３はＡｌやＦｅ−Ｎｉ−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、金型成型、押し出し成型等により形成される。

また、枠体３の内周面の表面は、その表面の算術平均粗さＲａが、0.1μｍ以下であるのが良く、これにより発光素子４の光を良好に発光装置１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４の枠体３の内周面で光を上側に反射し難くなるとともに発光装置１の内部で乱反射し易くなる。その結果、発光装置１の内部における光の伝搬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１の外部に出射することが困難になる。

また、本発明における蛍光体層７は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、もしくはガラス等の透光性部材中に、例えば、赤、青、緑の３原色の蛍光体を混入して、透光性部材の上面に塗布または載置することで形成される。蛍光体としては様々な材料が用いられており、例えば、赤はＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（ＥｕドープＬａ_２Ｏ_２Ｓ）の蛍光体、緑はＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌの蛍光体、青は（ＢａＭｇＡｌ）_１０Ｏ_１２：Ｅｕの蛍光体を用いる。さらに、蛍光体粒子を任意の割合で配合することにより、所望の発光スペクトルと色を有する光を出力することができる。

また、本発明の第１の透光性部材５は、発光素子４を覆うように枠体３の内側に充填され、熱硬化される。第１の透光性部材５は、発光素子４との屈折率差が小さく、紫外線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く、例えば、第１の透光性部材５は、シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，ユリア樹脂等の透明樹脂や、低融点ガラス、ゾル−ゲルガラス等から成る。これにより、発光素子４と第１の透光性部材５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るとともに、発光装置１の外部へ高効率で所望の放射強度，角度分布で光を出射する発光装置１を製造できる。

また、第２の透光性部材６は、第２の透光性部材６を覆うように枠体３の内側に充填され、熱硬化される。第２の透光性部材６は、紫外線領域から可視光領域の光に対して透過率が高いものから成るのがよく、第１の透光性部材５よりも屈折率が大きい。これにより、第２の透光性部材６から第１の透光性部材５へ進行する光の臨界角を小さくすることができ、蛍光体層７から下側に発光された光や、蛍光体層７の下面で下側に反射された光が、第１の透光性部材５と第２の透光性部材６との界面で上側に反射され易くなり、基体２や発光素子４に吸収されるのを有効に抑制することができ、光取り出し効率を向上させることができる。また、発光素子４から斜め上方向に発光される光を、第１の透光性部材５と第２の透光性部材６との界面で屈折させてより基体２に垂直な方向、即ち、軸上方向に光の進行方向を変えることができ、発光装置１から放射される光の放射角度を小さくして軸上光度を高めることができる。

第２の透光性部材６の屈折率は、第１の透光性部材５の屈折率の1.05倍以上であるのがよい。これにより、より波長が短く屈折し難い光に対してもより良好に、第１および第２の透光性部材の界面での上側への光反射、および、軸上方向への屈折を行なうことができ、光取り出し効率および軸上光度をより高めることができる。1.05倍未満であると、特に波長の短い光に対して、上側への光反射、および、軸上方向への屈折を行なうことが困難となる。

また、第１の透光性部材５と第２の透光性部材６の各厚みは、第１の透光性部材５と第２の透光性部材６の界面における反射効率を考慮して、適切に選択すれば良い。

また、図２に示すように、枠体３の上面に、ガラス、サファイア、石英、またはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂（プラスチック）などの透明部材から成る蓋体８を載置固定しても良い。この場合、枠体３の内側に設置された、発光素子４、配線導体、ボンディングワイヤ、第１の透光性部材５、第２の透光性部材６を保護するとともに、発光装置１内部を気密に封止し、発光素子４を長期に安定した動作をさせることができる。また、蓋体８をレンズ状に形成して光学レンズの機能を付加することによって、光を集光または分散させて所望の放射角度、強度分布で光を発光装置１の外部に取りだすことができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。

本発明の発光装置１について以下に実施例を示す。

まず、基体２となるアルミナセラミックス基板を準備した。基体２は、幅８ｍｍ×奥行き８ｍｍ×厚さ0.5ｍｍの直方体とした。

また、基体２の発光素子４が搭載される搭載部２ａから基体２の外表面にかけて配線導体を形成した。搭載部２ｂの配線導体は、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層により直径0.1ｍｍの円形パッドに成形され、その表面には厚さ３μｍのＮｉメッキ層が被着された。また、基体２内部の配線導体は、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搭載部２ｂの配線導体と同様に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２と枠体３を接着剤で接合し、しかる後、屈折率が1.43のシリコーン樹脂から成る第１の透光性部材５を、発光素子４を覆うように枠体３の内部に厚さ0.5ｍｍで充填し、さらに、屈折率が1.56のエポキシ樹脂から成る第２の透光性部材６を、第１の透光性部材５を覆うように枠体３の内部に厚さ0.5ｍｍで充填した。そして、第２の透光性部材６の上面に、赤はＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、緑はＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、青は（ＢａＭｇＡｌ）_１０Ｏ_１２：Ｅｕから成る蛍光体をシリコーン樹脂から成る透光性部材に含有して成る蛍光体層７を被覆させることで本発明の発光装置１を構成した。

一方、比較例として、枠体３の内部に、第２の透光性部材６は使用せず、第１の透光性部材５のみを厚さ1.0ｍｍで充填して構成したこと以外は、本発明の発光装置１と同一条件のものを構成した。

このようにして作製した本発明の発光装置１と比較例について、おのおの全光束量を測定したところ、本発明の発光装置１の全光束量が、比較例に対し約６％から約10％多くなり、本発明の発光装置１の方が優れていることが分かった。

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。

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。本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。従来の発光装置の断面図である。

符号の説明

１：発光装置
２：基体
２ａ：搭載部
３：枠体
４：発光素子
５：第１の透光性部材
６：第２の透光性部材
７：蛍光体層
８：蓋体

Claims

発光素子と、
前記発光素子から放射された光を上方へ導く光反射面と、
前記光反射面の内側に設けられており、前記発光素子を覆う第１の透光性部材と、
前記第１の透光性部材の屈折率より大きい屈折率を有しており、前記光反射面の内側において前記第１の透光性部材上に設けられた第２の透光性部材と、
前記発光素子により発生された光の波長を変換する蛍光体が含有されており、前記第２の透光性部材上に配置された蛍光体層とを備え、
前記第１の透光性部材と前記第２の透光性部材との界面が平坦であり、
前記第２の透光性部材の厚みが全面的に一様であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記蛍光体層上に配置されたレンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記発光素子は、配線導体に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または請求項２記載の発光装置。