JP4458008B2

JP4458008B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4458008B2
Application number: JP2005272849A
Authority: JP
Inventors: 洋二浦野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: JP2007088080A

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実装基板とを備え、実装基板の表面に設けられたリードパターンとＬＥＤチップの電極とがボンディングワイヤを介して電気的に接続された発光装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを搭載するチップ搭載部材と、チップ搭載部材とともにＬＥＤチップが実装される実装基板とを備え、それぞれボンディングワイヤを介してＬＥＤチップの一対の電極と電気的に接続される一対のリードパターンが前記実装基板の表面に形成された発光装置も提供されている。かかる後者の発光装置においては、光の取り出し効率を上げるためにチップ搭載部材の搭載面を覆う反射層を設けてＬＥＤチップの光を反射層で反射させるようにしていた。
特開２００２−２９９６９８号公報

しかしながら、上記後者の従来例においては、チップ搭載部材の搭載面に導電性材料（例えば、銀ペーストなど）を塗布あるいは蒸着等することで膜状の反射層を形成しているため、何らかの原因でＬＥＤチップの電極に接続されているボンディングワイヤが反射層と接触した場合に反射層を介してＬＥＤチップの電極間が短絡してしまう虞があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、ボンディングワイヤが反射層に接触してもＬＥＤチップの電極間が短絡しない発光装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを搭載するチップ搭載部材と、チップ搭載部材とともにＬＥＤチップが実装される実装基板と、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と、封止部に重ねて配置されるレンズと、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を透明材料とともに成形した成形品であってレンズの光出射面側にレンズを覆い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るドーム状の色変換部材とを備え、前記実装基板は、それぞれ前記ボンディングワイヤを介してＬＥＤチップの一対の電極と電気的に接続される一対のリードパターンが表面に形成され、前記チップ搭載部材は、ＬＥＤチップが搭載された面を覆ってＬＥＤチップの光を反射する反射層が形成され、該反射層は、前記ボンディングワイヤの一方と立体的に交差する部位と、前記ボンディングワイヤの他方と立体的に交差する部位とに分断されていることを特徴とする。

本発明によれば、反射層が、ボンディングワイヤの一方と立体的に交差する部位と、ボンディングワイヤの他方と立体的に交差する部位とに分断されているため、これら２つの部位にボンディングワイヤが接触してもＬＥＤチップの電極間が反射層を介して短絡することがない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図１は本実施形態の発光装置の平面図、図２は分解斜視図、図３は断面図、図４はチップ搭載部材たるサブマウント部材３０の斜視図をそれぞれ示している。

本実施形態の発光装置は、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が搭載されるチップ搭載部材たるサブマウント部材３０と、サブマウント部材３０とともにＬＥＤチップ１０が実装される実装基板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、扁平な略矩形板状の金属板２１と、金属板２１の表面（図１，２における上面）に接合された略矩形平板状の絶縁部材２２とを具備する。絶縁部材２２は、例えば、難燃性のガラス布基材エポキシ樹脂を使い、一般的な耐熱性を備えた銅張り積層板（いわゆるＦＲ−４基板）からなり、表面に対となるリードパターン２３，２３が形成されるとともに、中央には厚み方向に貫通する略矩形の窓孔２４が設けられている。金属板２１は、熱伝導率が比較的高い金属材料（ＣｕやＡｌなど）によって絶縁部材２２よりも十分に厚みの大きい略矩形平板状に形成されている。ここで、絶縁部材２２の窓孔２４内において、後述するサブマウント部材３０が金属板２１に接合されており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱がサブマウント部材３０を介して金属板２１に伝熱されるようになっている。なお、金属板２１と絶縁部材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、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。

上述のように、ＬＥＤチップ１０は、金属板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電極パターン３１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を介して一方のリードパターン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、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合されている。

ここで、サブマウント部材３０の表面（ＬＥＤチップ１０が搭載されている面）においては、電極パターン３１とその周囲を除く部位が反射率の高い導電性材料からなる反射層（例えば、蒸着又はスパッタによって形成されるＡｇやＡｌなどの薄膜）３２で覆われており、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射層３２で反射して前方へ効率よく放射するようになっている。また、この反射層３２は、図１及び図４に示すように一対の溝３３，３３によってボンディングワイヤ１４の一方と立体的に交差する部位（以下、第１の反射領域と呼ぶ。）Ｍ１と、ボンディングワイヤ１４の他方と立体的に交差する部位（以下、第２の反射領域と呼ぶ。）Ｍ２とに分断されている。したがって、第１及び第２の反射領域Ｍ１，Ｍ２にボンディングワイヤ１４が接触しても、これら２つの反射領域Ｍ１，Ｍ２が一対の溝３３，３３により分断されて電気的に絶縁されているから、第１及び第２の反射領域Ｍ１，Ｍ２（反射層３２）を介してＬＥＤチップ１０のアノード電極とカソード電極が短絡するのを防ぐことができる。しかも、本実施形態では、反射層３２を分断する一対の溝３３，３３がＬＥＤチップ１０の角と対向する位置に設けられているため、この溝３３，３３を通してサブマウント部材３０の地肌が露出しても、ＬＥＤチップ１０の角から放射する光が少ないことから光の取り出し効率の低下が抑制できる。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、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並びに光出射面６０ｂが凸曲面状に形成された両凸レンズからなる。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、上記透明樹脂材料と屈折率が同じ値となっているが、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、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。したがって、本実施形態の発光装置は、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。但し、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に沿ったドーム形状（つまり、レンズ６０の光出射面６０ｂに対応した上記球面よりも直径が大きな球面の一部からなる形状）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、開口部の周縁を絶縁部材２２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。

ところで、本実施形態の発光装置を照明器具の光源に用いる場合、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にグリーンシートからなる絶縁層９０を介して実装される。絶縁層９０は、実装基板２０と器具本体１００との両者を電気的に絶縁し且つ熱結合させる機能を有している。但し、絶縁層９０は、グリーンシートのようなシート状に成形したセラミックスの未燒結体に限らず、例えば、熱硬化性の固着材（例えば、エポキシ樹脂など）を用いてもよい。

上述のように本実施形態の発光装置では、サブマウント部材３０に形成される反射層３２が、ボンディングワイヤ１４の一方と立体的に交差する部位（第１の反射領域Ｍ１）と、ボンディングワイヤ１４の他方と立体的に交差する部位（第２の反射領域Ｍ２）とに分断されているため、これら２つの部位（第１及び第２の反射領域Ｍ１，Ｍ２）にボンディングワイヤ１４が接触してもＬＥＤチップ１０の電極間が反射層３２を介して短絡することがないものである。なお、本実施形態では、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。

実施形態を示す平面図である。同上の分解斜視図である。同上の断面図である。同上におけるサブマウント部材の斜視図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ
２０実装基板
２１金属板
２２絶縁部材
２３リードパターン
３０サブマウント部材
３２反射層
３３溝
４０枠体
５０封止部
６０レンズ
７０色変換部材

Claims

ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを搭載するチップ搭載部材と、チップ搭載部材とともにＬＥＤチップが実装される実装基板と、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と、封止部に重ねて配置されるレンズと、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を透明材料とともに成形した成形品であってレンズの光出射面側にレンズを覆い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るドーム状の色変換部材とを備え、前記実装基板は、それぞれ前記ボンディングワイヤを介してＬＥＤチップの一対の電極と電気的に接続される一対のリードパターンが表面に形成され、前記チップ搭載部材は、ＬＥＤチップが搭載された面を覆ってＬＥＤチップの光を反射する反射層が形成され、該反射層は、前記ボンディングワイヤの一方と立体的に交差する部位と、前記ボンディングワイヤの他方と立体的に交差する部位とに分断されていることを特徴とする発光装置。