JP3948488B2

JP3948488B2 - 発光装置

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Publication number: JP3948488B2
Application number: JP2006244575A
Authority: JP
Inventors: 洋二浦野; 卓也中谷; 策雄鎌田; 恭志西岡
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2007165840A

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用した発光装置に関するものである。

従来から、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された回路基板と、当該回路基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲む金属製（例えば、アルミニウム製）の枠体と、枠体の内側に充填されＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止した透明樹脂（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など）からなる封止部とを備えた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。ここにおいて、上記特許文献１，２に記載された枠体は、回路基板から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されるとともに内側面が鏡面となっており、ＬＥＤチップから放射された光を反射するリフレクタを兼ねている。

また、上述の発光装置の応用例として、図１４に示すように、青色光を放射するＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０がサブマウント部材３０を介して実装された実装基板２０と、当該実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲むＡｌ製の枠体４０’と、枠体４０’の内側に充填されＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に電気的に接続された２本のボンディングワイヤ１４，１４を封止した封止部５０’と、封止部５０’に重ねて配置されるレンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されて発光する黄色蛍光体を含有しレンズ６０を覆う形で枠体４０’に固着されるドーム状の色変換部材７０’とを備え、白色光の発光スペクトルを得ることができる発光装置が提案されている。

図１４の構成の発光装置では、実装基板２０として、金属板からなる伝熱板２１上に絶縁層２２ｂを介して導電膜（例えば、Ｃｕ膜など）からなる導体パターン２３，２３が形成されたもの（例えば、金属基板）を用いている。また、サブマウント部材３０は、ＬＥＤチップ１０と実装基板２０との線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するための部材であってＡｌＮにより形成されており、伝熱板２１側とは反対側の表面に、ＬＥＤチップ１０の裏面側の電極が接合される導電パターン（図示せず）を設けてあり、当該導電パターンが上述の２本のボンディングワイヤ１４のうちの１本のボンディングワイヤ１４を介して一方の導体パターン２３と接続されている。また、図１４の構成の発光装置では、色変換部材７０’とレンズ６０とは密着している。
特開２００１−８５７４８号公報特開２００１−１４８５１４号公報

ところで、上述の図１４に示した構成の発光装置では、ＬＥＤチップ１０で発生した熱をサブマウント部材３０および伝熱板２１を通して放熱することができるが、封止部５０’の材料としてエポキシ樹脂を用いたものでは、−４０℃の低温期間と８０℃の高温期間とを交互に繰り返すヒートサイクル試験（温度サイクル試験）を行うと、高温時に導体パターン２３，２３の熱膨張に起因してボンディングワイヤ１４，１４が断線してしまうことがあった。また、封止部５０’の材料としてエポキシ樹脂を用いたものでは、シリコーン樹脂を用いたものに比べて耐候性が低いという不具合があった。

これに対して、図１４に示した構成の発光装置において、封止部５０’の材料としてシリコーン樹脂を用いたものでは、封止部５０’がゲル状であって弾性を有しており、ヒートサイクル試験の高温時にボンディングワイヤ１４，１４が断線するのを防止することができるが、封止部５０’の材料であるシリコーン樹脂の線膨張率が枠体４０’の材料であるＡｌの線膨張率の１０倍以上の値であり、両者の線膨張率差に起因してヒートサイクル試験の低温時に封止部５０’中にボイドが発生してしまうという不具合があった。

また、上述の発光装置においては、枠体４０’の内側面４０ａ’を鏡面とすることでＬＥＤチップ１０からの光を効率的に封止部５０’の外部へ取り出すようにしているが、枠体４０’の内側面４０ａ’での反射時に光損失が生じてしまうという不具合があった。また、図１４に示した構成の発光装置では、ＬＥＤチップ１０の側面から放射される光がボンディングワイヤ１４により遮られて光取り出し効率が低下してしまうという不具合もあった。

また、図１４に示した構成の発光装置では、色変換部材７０’とレンズ６０とが密着しているので、色変換部材７０’に外力が作用したときに色変換部材７０’に発生した応力がレンズ６０および封止部５０’を通してＬＥＤチップ１０に伝達されてＬＥＤチップ１０の発光特性が変動してしまうという不具合や、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部５０’およびレンズ６０を通して色変換部材７０’に入射し当該色変換部材７０’中の蛍光体の粒子により散乱された光のうちレンズ６０側へ散乱された光の大部分がレンズ６０に再入射して封止部５０’へ戻ってしまい、装置全体としての外部への光取り出し効率が低下するとともに、封止部５０’の劣化原因になって発光装置の寿命が短くなってしまうという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続されたボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部とを備え、枠体が透明樹脂により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部を備え、枠体が透明樹脂により形成されているので、従来のように枠体が金属材料により形成されている場合に比べて枠体と封止部との線膨張率差を小さくすることができ、ヒートサイクル試験の低温時に封止部にボイドが発生するのを抑制することができるから、信頼性を高めることができ、しかも、枠体で光の反射損失が生じるのを抑制することができるから、光出力の向上を図れる。

また、請求項１の発明は、封止部に重ねて配置されたレンズと、ＬＥＤチップから放射された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放射する蛍光体および透明材料により形成されてなり実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されたドーム状の色変換部材とを備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、ドーム状の色変換部材が実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されているので、ＬＥＤチップから放射される光と色変換部材の蛍光体から放射される光との混色光の取り出し効率を高めることができ、光出力の向上を図れる。また、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低下を抑制できるとともに、色変換部材に外力が作用したときに色変換部材に発生した応力がレンズおよび封止部を通してＬＥＤチップに伝達されるのを抑制できるという利点や、ＬＥＤチップから放射され封止部およびレンズを通して色変換部材に入射し当該色変換部材中の蛍光体の粒子により散乱された光のうちレンズ側へ散乱されてレンズを透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点や、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップに到達しにくくなるという利点がある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記レンズと前記枠体とが前記透明樹脂により一体成形されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記レンズと前記枠体とが別部材である場合に比べて部品点数を少なくできるとともに、前記ＬＥＤチップと前記レンズとの光軸のずれに起因した光出力の低下を防止することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記実装基板は、熱伝導性材料からなり前記ＬＥＤチップが実装される伝熱板と、一表面側に前記ＬＥＤチップへの給電用の導体パターンを有し伝熱板における前記ＬＥＤチップの実装面側に固着された配線基板であって伝熱板における前記ＬＥＤチップの実装面を露出させる窓孔が厚み方向に貫設された配線基板とからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップで発生した熱が配線基板を通らずに伝熱板へ伝熱されるので、放熱性を高めることができ、光出力の向上を図れる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記ＬＥＤチップのチップサイズよりも大きく且つ前記ＬＥＤチップと前記伝熱板との間に介在して両者の線膨張率差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップと前記伝熱板との線膨張率差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和することができ、信頼性を高めることができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記サブマウント部材は、前記ＬＥＤチップの接合部位の周囲に前記ＬＥＤチップの側面から放射された光を反射する反射膜が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの各側面から前記サブマウント部材側へ放射された光が前記サブマウント部材に吸収されるのを抑制することができ、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記ＬＥＤチップおよび前記サブマウント部材は、平面形状がそれぞれ正方形状であり、前記ＬＥＤチップは、平面視における各辺それぞれが前記サブマント部材の一対の対角線のいずれか一方の対角線に交差する形で前記サブマウント部材の中央部に配置されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの側面から前記サブマウント部材側へ放射された光を前記反射膜により効率良く反射することができ、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。

請求項７の発明は、請求項４ないし請求項６の発明において、前記サブマウント部材は、前記反射膜の表面が前記色変換部材における前記配線基板側の端縁よりも前記伝熱板から離れて位置するように厚み寸法が設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの側面から放射された光が前記配線基板に吸収されるのを防止することができて外部への光取り出し効率を向上することができ、また、前記ＬＥＤチップの側面から放射された光が前記色変換部材と前記配線基板との接合部を通して出射されるのを防止することができ、色むらを低減できるとともに、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。

請求項８の発明は、請求項４ないし請求項７の発明において、前記ＬＥＤチップは、一表面側に一方の電極が形成されるとともに他表面側に他方の電極が形成されており、両電極のうち前記サブマウント部材側の電極である第１の電極が当該第１の電極に電気的に接続されるボンディングワイヤと前記サブマウント部材に設けた導電パターンを介して接続されてなり、前記サブマウント部材側とは反対側の電極である第２の電極が当該第２の電極に電気的に接続されるボンディングワイヤと直接接続されてなり、第２の電極に接続されたボンディングワイヤは、前記ＬＥＤチップの１つの対角線に沿った方向へ延出されてなることを特徴とする。

この発明によれば、第２の電極に接続されたボンディングワイヤが前記ＬＥＤチップの１つの対角線に沿った方向へ延出されているので、前記ＬＥＤチップの側面から放射される光がボンディングワイヤにより遮られにくくなり、ボンディングワイヤに起因した光取り出し効率の低下を抑制できる。

請求項１の発明では、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れるという効果がある。また、請求項１の発明では、ＬＥＤチップから放射される光と色変換部材の蛍光体から放射される光との混色光の取り出し効率を高めることができ、光出力の向上を図れるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置１は、図１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、ＬＥＤチップ１０から放射された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成形した成形品であってレンズ６０の光出射面６０ｂ側にレンズ６０を覆い光出射面６０ｂおよび枠体４０との間に空気層８０が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材７０とを備えている。

実装基板２０は、熱伝導性材料からなる伝熱板２１上に絶縁層２２ｂを介して導電膜（例えば、Ｃｕ膜など）からなる導体パターン２３，２３が形成され、絶縁層２２ｂの中央部に伝熱板２１におけるＬＥＤチップ１０の実装面を露出させる矩形状の窓孔２４が形成されており、ＬＥＤチップ１０が窓孔２４の内側に配置された後述のサブマウント部材３０を介して伝熱板２１に実装されている。したがって、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が絶縁層２２ｂを介さずにサブマウント部材３０および伝熱板２１に伝熱されるようになっている。なお、本実施形態では、実装基板２０として金属基板を用いており、当該金属基板における金属板が伝熱板２１を構成している。また、本実施形態では、伝熱板２１の材料としてＣｕを採用しているが、伝熱板２１の熱伝導性材料は絶縁層２２ｂに比べて熱伝導率の高い材料であればよく、Ｃｕに限らず、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。

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よりも伝熱板２１から離れた側となるように伝熱板２１に実装されており、上記カソード電極がサブマウント部材３０側の電極である第１の電極を構成し上記アノード電極がサブマウント部材３０側とは反対側の電極である第２の電極を構成しているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも伝熱板２１に近い側となるように伝熱板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を伝熱板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を伝熱板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、上述の伝熱板２１に、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ＬＥＤチップ１０と伝熱板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サブマウント部材３０を介して実装されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を伝熱板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有している。本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される導電パターンからなる電極パターン（図示せず）および金属細線（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を介して一方の導体パターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４と直接接続され当該ボンディングワイヤ１４を介して他方の導体パターン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の上記電極パターンとは、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。

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、Ｓｉなどを採用してもよい。

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、透明樹脂により形成されている（本実施形態では、透明樹脂の成形品により構成されている）が、枠体４０を形成す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を形成しており、封止部５０の表面は平面状に形成されている。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をアクリル樹脂により形成する（例えば、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が平面状に形成されるとともに光出射面６０ｂが凸曲面状に形成されている。ここにおいて、レンズ６０は、シリコーン樹脂により形成してあり（本実施形態では、シリコーン樹脂の成形品により構成してあり）、上記透明樹脂材料と屈折率が同じ値となっているが、レンズ６０は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂により形成してもよい。

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、光出射面６０ｂが球面の一部により形成されており、当該球面の中心が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。したがって、ＬＥＤチップ１０において実装基板２０側とは反対側の表面（本実施形態では、発光部１２の表面）から放射された光が光出射面６０ｂと空気層８０との境界で全反射されることなく色変換部材７０まで到達しやすくなり、全光束を高めることができる。なお、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０および枠体４０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（要するに、色変換部材７０は、蛍光体および透明材料により形成されている）。したがって、本実施形態の発光装置１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および枠体４０の外側面に沿った形状に形成されている（つまり、レンズ６０の光出射面６０ｂに対応した部位は上記球面よりも直径が大きな球面の一部からなる形状）。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。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、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を備え、枠体４０が透明樹脂により形成されているので、図１４に示した構成の発光装置のように枠体４０’が金属材料により形成されている場合に比べて、枠体４０と封止部５０との線膨張率差を小さくすることができ、ヒートサイクル試験の低温時に封止部５０にボイドが発生するのを抑制することができるから、信頼性を高めることができ、しかも、枠体４０で光の反射損失が生じるのを抑制することができるから、光出力の向上を図れる。また、本実施形態の発光装置１では、封止部５０に重ねて配置されたレンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された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および透明材料により形成されレンズ６０および枠体１０を覆う形で配設されるドーム状の色変換部材７０とを備えているので、ＬＥＤチップ１０から放射される光と色変換部材７０の蛍光体から放射される光との混色光の取り出し効率を高めることができ、光出力の向上を図れる。

また、本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０はレンズ６０の光出射面６０ｂおよび枠体４０の外側面との間に空気層８０が形成される形で配設すればよく、色変換部材７０をレンズ６０および枠体４０に密着させる必要がないので、色変換部材７０の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの低下を抑制できる。また、本実施形態の発光装置１では、組立時に色変換部材７０の組付けが最終工程となるので、ＬＥＤチップ１０の発光波長に応じて透明材料に対する蛍光体の配合を調整した色変換部材７０を用いることで色ばらつきを低減することもできる。

また、本実施形態の発光装置１では、上述のように色変換部材７０とレンズ６０との間に空気層８０が形成されているので、色変換部材７０に外力が作用したときに色変換部材７０が変形してレンズ６０に当接する可能性が低くなって上記外力により色変換部材７０に発生した応力がレンズ６０および封止部５０を通してＬＥＤチップ１０に伝達されるのを抑制でき、上記外力によるＬＥＤチップ１０の発光特性の変動が起こりにくくなるから、信頼性が向上するという利点がある。また、色変換部材７０とレンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップ１０に到達しにくくなるという利点がある。

また、色変換部材７０とレンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部５０およびレンズ６０を通して色変換部材７０に入射し当該色変換部材７０中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうちレンズ６０側へ散乱されてレンズ６０を透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。

ここで、図２（ａ），（ｂ）に示すように、色変換部材７０の光軸とＬＥＤチップ１０の光軸とが一致しており、色変換部材７０における光軸方向の中央の位置ＰでＬＥＤチップ１０からの青色光が全方位に散乱されたとし、色変換部材７０と空気層８０との界面での全反射角をφａ、色変換部材７０と当該色変換部材７０の外側の媒質である空気との界面での全反射角をφｂ、位置Ｐで散乱された光に関して色変換部材７０の内面７０ａ側のエスケープコーンＥＣａの広がり角を２θａ、位置Ｐで散乱された光に関して色変換部材７０の外面７０ｂ側のエスケープコーンＥＣｂの広がり角を２θｂとすれば、図２（ａ）に示すように全反射角φａ，φｂが４０°のときには２θａ＝６０°、２θｂ＝９８°となり、図２（ｂ）に示すように全反射角φａ，φｂが５０°のときには２θａ＝７６°、２θｂ＝１３４°となる。

ここにおいて、色変換部材７０に用いている透明材料の屈折率をｎ、位置Ｐで散乱され内面７０ａ側のエスケープコーンＥＣａを通して放出される青色光の最大放出効率をηとすれば、η＝（１／４ｎ²）×１００〔％〕で表されるので、上述のように透明材料としてシリコーン樹脂を用いている場合には、ｎ＝１．４として、η≒１３％となる。したがって、色変換部材７０とレンズ６０との間に空気層８０が形成されていない場合には、位置Ｐで散乱された青色光の５０％がレンズ６０に戻ってしまうのに対して、空気層８０を形成したことにより、位置Ｐで散乱された青色光の１３％しかレンズ６０に戻らなくなるので、青色光による封止部５０の劣化を抑制できる。なお、エスケープコーンＥＣａを通して放出される青色光を少なくするには、色変換部材７０の厚みを大きくすることが望ましい。

（実施形態２）
以下、本実施形態の発光装置について図３〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１では実装基板２０として金属基板を用いていたのに対して、実装基板２０が、熱伝導性材料からなりＬＥＤチップ１０が実装される矩形板状の伝熱板２１と、一表面側にＬＥＤチップ１０への給電用の導体パターン２３，２３を有し伝熱板２１におけるＬＥＤチップ１０の実装面側に固着された配線基板２２であって伝熱板２１におけるＬＥＤチップ１０の実装面を露出させる矩形状の窓孔２４が厚み方向に貫設された配線基板２２とで構成されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の発光装置１は、実装基板２０においてＬＥＤチップ１０が実装される一表面側とは反対の他表面側に、シート状の接合用部材９０として、シリカやアルミナなどのフィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シート（例えば、溶融シリカを高充填したエポキシ樹脂シートのような有機グリーンシート）を備えている。しかして、本実施形態の発光装置１を照明器具の光源として用いる場合には、例えば、照明器具における金属（例えば、Ａｌ，Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属）製の器具本体１００と実装基板２０とを接合用部材９０により接合することができる。ここにおいて、上記樹脂シートからなる接合用部材９０は、電気絶縁性を有するとともに熱伝導率が高く加熱時の流動性が高く凹凸面への密着性が高いので、実装基板２０を金属製の器具本体１００に接合用部材９０を介して接合する（実装基板２０と器具本体１００との間に接合用部材９０を介在させた後で接合用部材９０を加熱することで実装基板２０と器具本体１００とを接合する）際に接合用部材９０と実装基板２０および器具本体１００との間に空隙が発生するのを防止することができて、密着不足による熱抵抗の増大やばらつきの発生を防止することができ、ＬＥＤチップ１０から器具本体１００までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上するとともに熱抵抗のばらつきが小さくなり、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るから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。なお、本実施形態の発光装置１を照明器具の光源として用いる場合には、器具本体１００に複数個の発光装置１を実装して複数個の発光装置１を直列接続したり並列接続したりすればよい。

上述の配線基板２２は、ガラスエポキシ樹脂からなる絶縁性基材２２ａの一表面側に、ＬＥＤチップ１０への給電用の導体パターン２３，２３が設けられ、上述の窓孔２４が絶縁性基材２２ａの厚み方向に貫設されている。したがって、本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が配線基板２２を介さずにサブマウント部材３０および伝熱板２１に伝熱されるようになっている。ここにおいて、伝熱板２１の熱伝導性材料としてはＣｕを採用しているが、絶縁性基材２２ａに比べて熱伝導率の高い材料であればよく、Ｃｕに限らず、例えばＡｌなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、配線基板２２の絶縁性基材２２ａが実施形態１における絶縁層２２ｂ（図１参照）に対応している。

本実施形態では、伝熱板２１と配線基板２２とは、絶縁性を有するシート状の接着フィルム（例えば、ポリオレフィン系の固着シートなど）からなる固着材２５により固着されている。また、各導体パターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。ここで、各導体パターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜に限らず、例えば、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｇ膜との積層膜により構成してもよい。また、上述の固着材２５の代わりに、絶縁性基材２２ａの伝熱板２１側に接合用金属層を設けておき、絶縁性基材２２ａと伝熱板２１とを接合用金属層を介して固着するようにしてもよい。なお、本実施形態では、各導体パターン２３がリードパターンを構成しており、枠体４０よりも内側に設けられている部位がインナーリード部２３ａを構成し、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２３ｂを構成している。ここにおいて、色変換部材７０は、開口部の周縁を絶縁性基材２２ａ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）からなる接合部（図示せず）を介して固着されている。

また、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０およびサブマウント部材３０の平面形状がそれぞれ正方形状であり、図５に示すように、ＬＥＤチップ１０と電気的に接続された各ボンディングワイヤ１４，１４が、ＬＥＤチップ１０の１つの対角線に沿った方向に延出されており、ＬＥＤチップ１０の側面から放射される光がボンディングワイヤ１４，１４により遮られにくくなり、ボンディングワイヤ１４，１４に起因した装置全体の光取り出し効率の低下を抑制できる。

また、サブマウント部材３０は、図６に示すように、ＬＥＤチップ１０が接合される導電パターンからなる電極パターン３１の周囲に、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光を反射する反射膜（例えば、Ｎｉ膜とＡｇ膜との積層膜、Ａｌ膜など）３２が形成されている。したがって、本実施形態の発光装置１では、サブマウント部材３０がＬＥＤチップ１０よりも平面サイズが大きな平板状に形成されるとともに、電極パターン３１の周囲にＬＥＤチップ１０の側面から放射された光を反射する反射膜３２が設けられているので、ＬＥＤチップ１０の側面からサブマウント部材２０側へ放射された光がサブマウント部材３０に吸収されるのを抑制することができ、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。ここにおいて、ＬＥＤチップ１０は、平面視における各辺それぞれがサブマント部材３０の一対の対角線のいずれか一方の対角線に交差する形でサブマウント部材３０の中央部に配置されているので、ＬＥＤチップ１０の各側面それぞれからサブマウント部材３０側へ放射された光を反射膜３２により効率良く反射することができ、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０とサブマント部材３０とを厚み方向に沿った中心軸が略一致し、且つ、ＬＥＤチップ１０の平面視における各辺それぞれがサブマウント部材３０の上記一方の対角線と略４５度の角度をなすように配置してある。

ところで、本実施形態の発光装置１では、反射膜３２の表面が色変換部材７０における配線基板２２側の端縁よりも伝熱板２１から離れて位置するようにサブマウント部材３０の厚み寸法が設定されているので、枠体４０が、絶縁性基材２２ａにおける伝熱板２１側とは反対側でＬＥＤチップ１０およびサブマウント部材３０を囲む形で配設されている。また、実施形態１におけるレンズ６０は平凸レンズにより構成されていたが、本実施形態におけるレンズ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。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、反射膜３２の表面が色変換部材７０における配線基板２２側の端縁よりも伝熱板２１から離れて位置するようにサブマウント部材３０の厚み寸法が設定されているので、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光が配線基板２２における窓孔２４の内周面を通して配線基板２２に吸収されるのを防止することができて外部への光取り出し効率を向上することができ、しかも、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光が色変換部材７０と配線基板２２との上記接合部を通して出射されるのを防止することができ、色むらを低減できるとともに、外部への光取り出し効率を向上による光出力の向上を図れる。

（実施形態３）
以下、本実施形態の発光装置について図７〜図９に基づいて説明する。

本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態２と略同じであって、レンズ６０と枠体４０とが同一の透明樹脂（透光性材料）により一体成形されている点などが相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

また、本実施形態における配線基板２２は、絶縁性基材２２ａにおける伝熱板２１側とは反対の表面側に、導体パターン２３，２３および絶縁性基材２２ａにおいて導体パターン２３，２３が形成されていない部位を覆う白色系の樹脂からなるレジスト層２６（図７および図９参照）が積層されている。したがって、ＬＥＤチップ１０の側面から放射されレジスト層２６の表面に入射した光がレジスト層２６の表面で反射されるので、ＬＥＤチップ１０から放射された光が配線基板２２における伝熱板２１側とは反対の表面を通して吸収されるのを防止することができ、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図れる。

ここにおいて、レジスト層２６は、配線基板２２の窓孔２４の近傍において各導体パターン２３，２３のインナーリード部２３ａ，２３ａを露出させる円形状の開口窓２６ａが形成され、配線基板２２の周部において各導体パターン２３，２３のアウターリード部２３ｂ，２３ｂそれぞれを露出させる円形状の開口窓２６ｂ，２６ｂが形成されている。

また、本実施形態におけるレンズ６０は、封止部５０側の光入射面６０ａが平面状に形成され光出射面６０ｂが凸曲面状に形成された平凸レンズ状に形成されている。

ここにおいて、レンズ６０と枠体４０とは上述のように、同一の透明樹脂（例えば、シリコーン樹脂など）により一体成形されており（言い換えれば、レンズ６０と枠体４０とが連続一体に形成されており）、封止部５０と屈折率および線膨張率が同じ値となっている。なお、レンズ６０と枠体４０とは封止部５０の封止樹脂材料の屈折率および弾性率を下回らない透明樹脂により一体成形すればよく、例えば、封止樹脂材料がアクリル樹脂である場合には、レンズ６０と枠体４０とをアクリル樹脂により一体成形してもよい。また、レンズ６０および枠体４０の透明樹脂は、封止樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有していればよい。

また、本実施形態の発光装置は、ＬＥＤチップ１０が、実装基板２０の最表面（レジスト層２６の表面）を含む平面から当該平面の法線方向に離間した位置に配置されており、レンズ６０と枠体４０とで構成されるレンズブロックにおいてレンズ６０と枠体４０とで囲まれた空間がＬＥＤチップ１０を収納する収納凹部を構成している。

本実施形態の発光装置の製造方法としては、図１１に示すように、ＬＥＤチップ１０とボンディングワイヤ１４，１４とを電気的に接続した後、レンズ６０と枠体４０とで囲まれる空間に上述の封止部５０となる液状の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）５０ｃを注入してから、レンズ６０を実装基板２０との間に枠体４０が介在する形で実装基板２０に対向配置して封止樹脂材料５０ｃを硬化させることにより封止部５０を形成するような製造方法が考えられる。しかしながら、このような製造方法では、製造過程において封止部５０にボイドが発生する恐れがある。

そこで、本実施形態の発光装置１の製造にあたっては、図１０に示すように、実装基板２０にＬＥＤチップ１０を実装してＬＥＤチップ１０とボンディングワイヤ１４，１４とを電気的に接続した後、ＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を封止部５０の一部となる液状の第１の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）５０ａにより覆ってから、レンズ６０と枠体４０とで囲まれる空間に第１の封止樹脂材料５０ａと同一材料からなり封止部５０の他の部分となる液状の第２の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）５０ｂを注入し、その後、レンズ６０を実装基板２０との間に枠体４０が介在する形で実装基板２０に対向配置して各封止樹脂材料５０ａ，５０ｂを硬化させることにより封止部５０を形成するようにしている。このような製造方法によれば、製造過程で封止部５０にボイドが発生しにくくなり、信頼性が高く且つ光出力が大きな発光装置１を提供することができる。ここで、第２の封止樹脂材料５０ｂを注入する前に、第１の封止樹脂材料５０ａを硬化させておけば、第１の封止樹脂材料５０ａの粘度が低下し上記収納凹部内に閉じ込められたボイドが抜けやすくなるという利点がある。なお、本実施形態では、実装基板２０のレジスト層２６の中央部に形成された円形状の開口窓２６ａの内径を色変換部材７０の最大外径よりもやや大きな寸法に設定してあり、第１の封止樹脂材料５０ａをポッティングした際に開口窓２６ａの内周面近傍まで流れ込んだ第１の封止樹脂材料５０ａを、色変換部材７０と実装基板２０とを接合する接着剤として利用している。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、レンズ６０と枠体４０とが同一の透明樹脂により一体成形されているので、レンズ６０と枠体４０とが別部材である場合に比べて部品点数を少なくできるとともに、ＬＥＤチップ１０とレンズ６０との光軸のずれに起因した光出力の低下を防止することができる。

（実施形態４）
以下、本実施形態の発光装置１について図１２に基づいて説明する。

本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態３と略同じであって、レジスト層２６の中央部の開口窓２６ａの内径を色変換部材７０の最大内径よりもやや小さく設定してあり、色変換部材７０における実装基板２０側の端縁とレジスト層２６における開口窓２６ａの周部とを全周に亘って接着剤からなる接合部７５により接合している点が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

したがって、本実施形態の発光装置１の製造にあたっては、実施形態３と同様、図１３に示すように、実装基板２０にＬＥＤチップ１０を実装してＬＥＤチップ１０とボンディングワイヤ１４，１４とを電気的に接続した後、ＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を封止部５０の一部となる液状の第１の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）５０ａにより覆ってから、レンズ６０と枠体４０とで囲まれる空間に第１の封止樹脂材料５０ａと同一材料からなり封止部５０の他の部分となる液状の第２の封止樹脂材料（例えば、シリコーン樹脂）５０ｂを注入し、その後、レンズ６０を実装基板２０との間に枠体４０が介在する形で実装基板２０に対向配置して各封止樹脂材料５０ａ，５０ｂを硬化させることにより封止部５０を形成するようにしている。ここにおいて、本実施形態の発光装置１の製造にあたっては、レジスト層２６により、色変換部材７０の接合部位まで第１の封止樹脂材料５０ａが流出するのを防止しており、色変換部材７０の実装基板２０側の端縁と実装基板２０とを接着剤により接合しているので、色変換部材７０と実装基板２０との間に介在する接合部７５の厚みの制御が容易になるとともに、色変換部材７０と実装基板２０との接合の信頼性が向上する。なお、接合部７５の接着剤としては、色変換部材７０と同じ材料を用いるのが望ましい。

ところで、上述の各実施形態では、実装基板２０に１つのＬＥＤチップ１０を実装してあるが、実装基板２０に実装するＬＥＤチップ１０の数は１つに限らず、複数でもよく、ＬＥＤチップ１０ごとにサブマウント部材３０、枠体４０、封止部５０、レンズ６０および色変換部材７０を設けてもよいし、複数のＬＥＤチップ１０を１つの枠体４０で囲むようにし、当該枠体４０で囲まれた複数のＬＥＤチップ１０に対して、サブマウント部材３０、封止部５０、レンズ６０および色変換部材７０を共通で設けるようにしてもよい。

また、上述の各実施形態では、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。

実施形態１を示す概略断面図である。同上の要部説明図である。実施形態２の発光装置を用いた照明器具の要部概略断面図である。同上の発光装置を用いた照明器具の一部破断した要部概略分解斜視図である。同上の発光装置の要部概略平面図である。同上の発光装置におけるサブマウント部材の概略斜視図である。実施形態３の発光装置を用いた照明器具の要部概略断面図である。同上の発光装置を用いた照明器具の一部破断した要部概略分解斜視図である。同上の発光装置における配線基板を示す概略平面図である。同上の発光装置の製造方法の説明図である。同上の発光装置の製造方法の説明図である。実施形態４の発光装置を用いた照明器具の要部概略断面図である。同上の発光装置の製造方法の説明図である。従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１発光装置
１０ＬＥＤチップ
１４ボンディングワイヤ
２０実装基板
２１伝熱板
２２配線基板
２２ｂ絶縁層
２３導体パターン
３０サブマウント部材
３１電極パターン（導電パターン）
３２反射膜
４０枠体
５０封止部
６０レンズ
６０ｂ光出射面
７０色変換部材
８０空気層

Claims

ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続されたボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部とを備え、枠体が透明樹脂により形成されてなり、封止部に重ねて配置されたレンズと、ＬＥＤチップから放射された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放射する蛍光体および透明材料により形成されてなり実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されたドーム状の色変換部材とを備えてなることを特徴とする発光装置。
前記レンズと前記枠体とが前記透明樹脂により一体成形されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記実装基板は、熱伝導性材料からなり前記ＬＥＤチップが実装される伝熱板と、一表面側に前記ＬＥＤチップへの給電用の導体パターンを有し伝熱板における前記ＬＥＤチップの実装面側に固着された配線基板であって伝熱板における前記ＬＥＤチップの実装面を露出させる窓孔が厚み方向に貫設された配線基板とからな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。
前記ＬＥＤチップのチップサイズよりも大きく且つ前記ＬＥＤチップと前記伝熱板との間に介在して両者の線膨張率差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材を備えてなることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
前記サブマウント部材は、前記ＬＥＤチップの接合部位の周囲に前記ＬＥＤチップの側面から放射された光を反射する反射膜が設けられてなることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
前記ＬＥＤチップおよび前記サブマウント部材は、平面形状がそれぞれ正方形状であり、前記ＬＥＤチップは、平面視における各辺それぞれが前記サブマント部材の一対の対角線のいずれか一方の対角線に交差する形で前記サブマウント部材の中央部に配置されてなることを特徴とする請求項５記載の発光装置。
前記サブマウント部材は、前記反射膜の表面が前記色変換部材における前記配線基板側の端縁よりも前記伝熱板から離れて位置するように厚み寸法が設定されてなることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記ＬＥＤチップは、一表面側に一方の電極が形成されるとともに他表面側に他方の電極が形成されており、両電極のうち前記サブマウント部材側の電極である第１の電極が当該第１の電極に電気的に接続されるボンディングワイヤと前記サブマウント部材に設けた導電パターンを介して接続されてなり、前記サブマウント部材側とは反対側の電極である第２の電極が当該第２の電極に電気的に接続されるボンディングワイヤと直接接続されてなり、第２の電極に接続されたボンディングワイヤは、前記ＬＥＤチップの１つの対角線に沿った方向へ延出されてなることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光装置。