JP3941826B2

JP3941826B2 - Ｌｅｄ照明器具の製造方法

Info

Publication number: JP3941826B2
Application number: JP2005272881A
Authority: JP
Inventors: 洋二浦野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: JP2007087669A

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用したＬＥＤ照明器具の製造方法に関するものである。

従来より、実装基板に青色ＬＥＤチップを実装するとともに、青色ＬＥＤチップの実装部位に、青色ＬＥＤチップからの青色系の光を吸収して黄色系の光を発する蛍光体を分散保持させた透光性の樹脂を充填して凸レンズを形成した照明器具が提供されている（例えば特許文献１参照）。

この照明器具では、青色ＬＥＤチップが発光すると、青色系の光の一部が蛍光体に吸収されて黄色系の光に変換され、蛍光体に吸収されなかった青色系の光と混色することで、白色系の発光を得るようになっている。

ところで、上記文献に示される照明器具では、青色ＬＥＤチップを封止する樹脂に蛍光体を分散保持させているので、樹脂に対する蛍光体の配合比率が予め決定されており、ＬＥＤチップの発光波長に応じて、蛍光体の配合比率を調整することができないため、発光色のばらつきを低減することができなかった。

そこで、蛍光体を担持させていない透光性の樹脂で青色ＬＥＤチップを封止して凸形状のレンズを形成するとともに、蛍光体を配合した透光性の樹脂によりドーム状に形成された色変換部材をレンズの上側から被せるようにし、青色ＬＥＤチップの発光波長に応じて蛍光体の配合が調整された色変換部材を用いることで、発光色のばらつきを低減した照明器具が従来より提案されている。このような照明器具では、レンズと色変換部材との間に空気層が形成される形で色変換部材を取り付けるのが好ましく、色変換部材をレンズに密着させる必要がないので、色変換部材の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの悪化を抑制することができる。
特開２００１−１４８５１４号公報

ところで、上述の照明器具を製造するに当たっては、実装基板に青色ＬＥＤチップを実装し、透光性の樹脂で青色ＬＥＤチップを封止してレンズを形成し、さらに色変換部材を被せて発光素子を形成した後、照明器具の器具本体に実装基板を固定している。ここで、器具本体と実装基板との間にボイドが発生するのを防止するために、真空減圧下で加圧及び加熱を行うことにより実装基板を器具本体に対して熱圧着しているが、色変換部材がレンズとの間に空気層を形成した状態で取り付けられているため、真空熱圧着を行う際に空気層が膨張して色変換部材が変形したり、破損するために、歩留まりが悪化するという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、実装基板を器具本体に対してボイドレスで固着でき、且つ、歩留まりの悪化を抑制したＬＥＤ照明器具の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、真空減圧下で実装基板を器具本体に対して熱圧着し、器具本体に固着された実装基板にＬＥＤチップを実装した後、ＬＥＤチップを透明樹脂材料で樹脂封止して封止部を形成するとともに、封止部に重ねてレンズを実装した後、ＬＥＤチップからの照射光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を発する蛍光体を透明材料とともに成形したドーム状の色変換部材を、封止部およびレンズとの間に空気層を設けた状態で実装基板に実装することを特徴とする。

本発明によれば、真空減圧下で実装基板を器具本体に対して熱圧着しているので、実装基板をボイドレスで器具本体に固着できるという効果がある。さらに、実装基板を器具本体に対して真空熱圧着する際には封止部や色変換部材が形成されていないので、封止部を形成する透明樹脂材料の内部に分散している気泡が真空引きにより粗大化するのを防止でき、且つ、封止部およびレンズと色変換部材との間の空気層が膨張することによって色変換部材が変形したり破損したりすることはなく、製品の歩留まりを良くできるという効果がある。

以下、本実施形態のＬＥＤ照明器具について図１〜図５を参照しながら説明する。

図１はＬＥＤ照明器具Ａの製造工程を説明する説明図であり、ボディ１０１と配光レンズ１０４とで構成される器具本体１００の内部に、複数個（本実施形態では例えば３個）の発光モジュール１と、配線基板１１０とを収納して構成される。

ボディ１０１は例えばＡｌやＣｕなどの熱伝導率の高い金属により形成され、円板形の底壁１０２と、底壁１０２の周縁部から全周に亘って立設された側壁１０３とを一体に備えている。

配光レンズ１０４は透光性の合成樹脂により円板状に形成されており、ボディ１０１の開口部に被着される。また配光レンズ１０４には、発光モジュール１に対応する部位に凸レンズ部１０５を形成してある。

配線基板１１０は、直径がボディ１０１の内径よりも若干小さい円板形に形成されており、発光モジュール１に対応する部位に後述の色変換部材７０を露出させる窓孔１１１が貫設されている。また、ボディ１０１の底壁１０２と対向する配線基板１１０の面には複数の発光モジュール１を電気的に直列接続するための導体パターン（図示せず）が形成されており、ボディ１０１内に配線基板１１０を取り付けて、各発光モジュール１を配線基板１１０に設けた導体パターンに電気的に接続すると、複数個の発光モジュール１が直列的に接続される。而して、図示しない直流電源部から複数個の発光モジュール１に対して直流電圧が印加されると、複数個の発光モジュール１に駆動電流が供給されて、発光モジュール１が発光する。なお、本実施形態では複数個の発光モジュール１を直列接続しているが、複数個の発光モジュール１の接続関係を特に限定するものではなく、例えば並列接続するようにしてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。

発光モジュール１は、図２〜図４に示すように、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲む枠体４０と、枠体４０の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止し且つ弾性を有する封止部５０と、封止部５０に重ねて配置されるレンズ６０と、レンズ６０の光出射面６０ｂおよび枠体４０との間に空気層８０を形成した状態で、レンズ６０の光出射面６０ｂを覆うようにして実装基板２０に実装されるドーム状の色変換部材７０とを備えている。なお色変換部材７０は、ＬＥＤチップ１０からの放射光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を、透明材料とともにドーム形に樹脂成形して形成される。また発光モジュール１は、例えば、グリーンシートからなる絶縁層９０を介してボディ１０１の底壁１０２に実装することで、ＬＥＤチップ１０からボディ１０１までの熱抵抗が小さくなって、放熱性が向上する。従って、ＬＥＤチップ１０のジャンクション温度の温度上昇を抑制でき、入力電力を大きくできるから、光出力の高出力化を図ることができる。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が搭載される金属板２１と、金属板２１におけるＬＥＤチップ１０の非搭載部位に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材２２とで構成される。絶縁性基材２２における金属板２１と反対側の表面には、ＬＥＤチップ１０の図示しない両電極（アノード電極およびカソード電極）にそれぞれ電気的に接続される一対のリードパターン２３が形成される。また絶縁性基材２２においてＬＥＤチップ１０に対応する部位に窓孔２４が設けられており、窓孔２４から露出する金属板２１の表面に後述のサブマウント部材３０を介してＬＥＤチップ１０が搭載されているので、ＬＥＤチップ１０で発生した熱は絶縁性基材２２を介さずに金属板２１に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板２１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。なお、金属板２１と絶縁性基材２２とは、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材２５により固着されている。また、各リードパターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、色変換部材７０により覆われていない部位がアウターリード部２３ａとなっている。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１から離れた側となるように金属板２１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１に近い側となるように金属板２１に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２を金属板２１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２を金属板２１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。

またＬＥＤチップ１０は、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されたサブマウント部材３０を介して金属板２１に実装されている。サブマウント部材３０は、ＬＥＤチップ１０と金属板２１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和する機能を備えるとともに、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を金属板２１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を備えている。サブマウント部材３０の材料としては、線膨張率がＬＥＤチップ１０の線膨張率と略同じで熱伝導率が比較的高く、且つ、絶縁性を有する材料を用いており、本実施形態ではＬＥＤチップ１０の材料であるＳｉＣの線膨張率に比較的近い線膨張率を有するＡｌＮを用いている。なお、サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば複合ＳｉＣやＳｉなどを採用してもよい。また導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて例えばＧａＡｓ基板やＧｓＰ基板などから適宜選択すれば良いので、サブマウント部材３０の材料も導電性基材１１の材料に合わせて適宜選択すれば良い。

また、図４はサブマウント部材３０の外観斜視図を示しており、サブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面にはＬＥＤチップ１０の上記カソード電極が接続される電極パターン３１が形成されている。電極パターン３１は平面視の形状が矩形状であって、１つの角にはボンディングワイヤ１４が接続されるパッド３１ａが連続して形成されている。而して、サブマウント部材３０の電極パターン３１にＬＥＤチップ１０を実装し、金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４の一端をパッド３１ａに接続するとともに、ボンディングワイヤ１４の他端を一方のリードパターン２３に接続することで、ＬＥＤチップ１０のカソード電極が、電極パターン３１およびボンディングワイヤ１４を介して一方のリードパターン２３に電気的に接続される。またＬＥＤチップ１０のアノード電極はボンディングワイヤ１４を介して他方のリードパターン２３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、例えばＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。また、サブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面には、電極パターン３１の周囲にＮｉ膜とＡｇ膜との積層膜からなる反射膜３２を形成してあり、この反射膜３２はＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する機能を有している。

上述の封止部５０の透明樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、アクリル樹脂などを用いてもよい。

これに対して、枠体４０は、円筒状の形状であって、透明樹脂の成形品により構成されているが、当該成形品に用いる透明樹脂としては、シリコーン樹脂を採用している。要するに、本実施形態では、封止部５０の透明樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有する透光性材料により枠体４０を形成してある。ここに、本実施形態では、枠体４０を実装基板２０に固着した後で枠体４０の内側に上記透明樹脂材料を充填（ポッティング）して熱硬化させることで封止部５０を形成してある。なお、上記透明樹脂材料としてシリコーン樹脂に代えてアクリル樹脂を用いている場合には、枠体４０をアクリル樹脂の成形品により構成することが望ましい。

レンズ６０は、封止部５０側の光入射面６０ａおよび光出射面６０ｂそれぞれが凸曲面状に形成された両凸レンズにより構成されている。ここにおいて、レンズ６０はシリコーン樹脂の成形品により構成してあり、封止部５０と屈折率が同じ値となっているが、レンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品に限らず、例えばアクリル樹脂の成形品により構成してもよい。

ところで、レンズ６０は、光出射面６０ｂが、光入射面６０ａから入射した光を光出射面６０ｂと上述の空気層８０との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、レンズ６０は、当該レンズ６０の光軸がＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った発光部１２の中心線上に位置するように配置されている。なお、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０および空気層８０を伝搬して色変換部材７０まで到達し色変換部材７０の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材７０を透過したりする。

色変換部材７０は、シリコーン樹脂のような透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、発光モジュール１では、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材７０の外面７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材７０の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材７０の材料として用いる透明材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。

ここで、色変換部材７０は、内面７０ａがレンズ６０の光出射面６０ｂに沿った形状に形成されている。したがって、レンズ６０の光出射面６０ｂの位置によらず法線方向における光出射面６０ｂと色変換部材７０の内面７０ａとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材７０は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。色変換部材７０は、開口部の周縁を実装基板２０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着すればよい。

以上説明したように本実施形態の発光モジュール１では、金属板２１におけるＬＥＤチップ１０の搭載部位に、ＬＥＤチップ１０の材料と線膨張率が略同じ材料で形成されたサブマウント部材３０を設けているので、熱膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に加わる応力を低減できる。またサブマウント部材３０の材料としては熱伝導率の良好な材料を用いているので、ＬＥＤチップ１０の放熱性を向上させることができる。またサブマウント部材３０の厚みは、絶縁性基材２２よりも厚めに形成されているので、サブマウント部材３０に搭載されたＬＥＤチップ１０が、絶縁性基材２２の表面よりも上方に位置することになり、ＬＥＤチップ１０から側方に照射された光が絶縁性基材２２に遮光されてケラレ（光取り出し効率の低下）が発生するのを防止でき、光取り出し効率が向上するという利点があり、さらに色変換部材７０の実装基板２０接着層から青色光が洩れることも防止できる。

次に本実施形態のＬＥＤ照明器具Ａの製造方法を図１（ａ）〜（ｋ）に基づいて説明する。先ずボディ１０１を開口側が上側となるように載置し（図１（ａ）参照）、真空減圧下で底壁１０２の所定の位置に絶縁層９０を介して実装基板２０を熱圧着する（図１（ｂ）参照）。一方、図１（ｃ）に示すようにＬＥＤチップ１０をサブマウント部材３０の電極パターン３１上にＡｕＳｎのような鉛フリー半田を用いて半田接合した後、ＬＥＤチップ１０が実装されたサブマウント部材３０を実装基板２０に対して半田実装し（図１（ｄ）参照）、ＬＥＤチップ１０のアノード電極、および、サブマウント部材３０に設けたパッド３１ａにそれぞれボンディングワイヤ１４，１４の一端をワイヤボンドし、さらの各ボンディングワイヤ１４，１４の他端をそれぞれ実装基板２０に設けたリードパターン２３，２３にワイヤボンドして、ＬＥＤチップ１０の両電極をリードパターン２３，２３に電気的に接続する（図１（ｅ）、図２および図４参照）。なお図１（ｅ）では図示を簡単にするためボンディングワイヤ１４，１４を省略して図示してある。次に各実装基板２０の表面にＬＥＤチップ１０を囲むようにして枠体４０を接着などの方法で固着し（図１（ｆ）参照）、枠体４０内に透明樹脂材料を充填（ポッティング）し、熱硬化させることで封止部５０を形成する（図１（ｇ）参照）。その後、封止部５０に重ねて両凸レンズ形状のレンズ６０を実装し（図１（ｈ）参照）、枠体４０およびレンズ６０との間に空気層８０を形成した状態でレンズ６０を覆うようにして色変換部材７０を実装基板２０に接着などの方法で実装した後（図１（ｉ）参照）、ボディ１０１内に配線基板１１１を取り付けて、配線基板１１１に形成された導体パターン（図示せず）に各発光モジュール１の実装基板２０に設けたアウターリード部２３ａ，２３ａを接続することで、各発光モジュール１の間を電気的に接続する（図１（ｊ）参照）。この時、各発光モジュール１の色変換部材７０が配線基板１１０に設けた窓孔１１１を通して上側に突出しており、発光モジュール１の発光は色変換部材７０を通してボディ１０１の開口側に放射されるようになっている。その後、凸レンズ部１０５と発光モジュール１の位置を合わせて配光レンズ１０４をボディ１０１の開口部に固着することで、器具本体１００が形成され、ＬＥＤ照明器具Ａの組立を終了する。

以上説明したようにＬＥＤ照明器具Ａは、真空減圧下で実装基板２０をボディ１０１の底壁１０２（器具本体）に対して熱圧着し、ボディ１０１の底壁１０２に固着された実装基板２０にＬＥＤチップ１０を実装した後、ＬＥＤチップ１０を透明樹脂材料で樹脂封止して、封止部５０を形成するとともに、封止部５０に重ねてレンズ６０を実装した後、ＬＥＤチップ１０からの照射光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を発する蛍光体を透明材料とともに成形したドーム状の色変換部材７０を、封止部５０およびレンズ６０との間に空気層を設けた状態で実装基板２０に実装しているので、実装基板２０をボイドレスでボディ１０１の底壁１０２（器具本体）に固着することができ、且つ、実装基板２０を底壁１０２に対して真空熱圧着する際には色変換部材７０が実装基板２０に実装されていないので、封止部５０およびレンズ６０と色変換部材７０との間の空気層８０が膨張することによって色変換部材７０が変形したり破損したりすることはなく、製品の歩留まりを良くできる。同様に実装基板２０を底壁１０２に対して真空熱圧着する際には封止部５０が形成されていないので、封止部５０を形成する透明樹脂材料の内部に分散している気泡が真空引きにより粗大化するのを防止できるという利点もある。

ところで、上述の実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。

なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。

（ａ）〜（ｋ）は実施形態の製造工程を説明する説明図である。同上を示す概略断面図である。同上を示し、一部破断した概略分解斜視図である。同上を示す要部概略平面図である。同上に用いるサブマウント部材の概略斜視図である。

符号の説明

Ａ照明器具
１発光モジュール
１０ＬＥＤチップ
２０実装基板
５０封止部
６０レンズ
７０色変換部材
１０１ボディ
１０２底壁
１０４配光レンズ
１１０配線基板

Claims

真空減圧下で実装基板を器具本体に対して熱圧着し、器具本体に固着された実装基板にＬＥＤチップを実装した後、前記ＬＥＤチップを透明樹脂材料で樹脂封止して封止部を形成するとともに、前記封止部に重ねてレンズを実装した後、前記ＬＥＤチップからの照射光によって励起されて前記ＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を発する蛍光体を透明材料とともに成形したドーム状の色変換部材を、前記封止部および前記レンズとの間に空気層を設けた状態で前記実装基板に実装することを特徴とするＬＥＤ照明器具の製造方法。