JP4582773B2

JP4582773B2 - Ｌｅｄ装置

Info

Publication number: JP4582773B2
Application number: JP2004266917A
Authority: JP
Inventors: 真樹栗山
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006086193A

Description

本発明は、ＬＥＤ装置に関するものであり、詳しくはＬＥＤチップから発せられた光と、ＬＥＤチップから発せられて蛍光体によって波長変換された光との組み合わせの加法混色によって任意の色調の光を発するＬＥＤ装置に関する。

急峻なスペクトル分布を有する光を発するＬＥＤチップを光源にして白色光を放出するＬＥＤ装置を実現するためには、ＬＥＤチップから発せられた光と、ＬＥＤチップから発せられた光によって励起された蛍光体が発する波長変換された光との加法混色によって可能になる。

例えば、ＬＥＤチップが発する光が青色光の場合は、青色光に励起されて青色の補色となる黄色の光に波長変換する蛍光体を使用することにより、ＬＥＤチップから発せられた青色光と、ＬＥＤチップから発せられた青色光によって励起された蛍光体が発する波長変換された黄色光との加法混色によって白色光を得ることができる。

同様に、ＬＥＤチップが発する光が青色光の場合、青色光に励起されて夫々緑色光及び赤色光に波長変換する２種類の蛍光体を混合して使用することにより、ＬＥＤチップから発せられた青色光と、ＬＥＤチップから発せられた青色光によって励起された２種類の蛍光体が発する波長変換された緑色光及び赤色光との加法混色によって白色光を得ることができる。

また、ＬＥＤチップが発する光が紫外線の場合、紫外線に励起されて夫々青色光、緑色光及び赤色光に波長変換する３種類の蛍光体を混合して使用することにより、ＬＥＤチップから発せられた紫外線によって励起された３種類の蛍光体が発する波長変換された青色光、緑色光及び赤色光との加法混色によって白色光を得ることができる。

更に、ＬＥＤチップから発せられる発光色と波長変換部材となる蛍光体とを適宜組み合わせることによって白色光以外の種々な色調の光を得ることができる。

上記のように、光源から発せられた光で蛍光体を励起して波長変換し、光源から発せられた光とは異なる色調の光を放出するようなＬＥＤ装置には、例えば図６に示すようなものがある。それは、絶縁基板５０の表面に、分離された複数の導電パターン５１が形成されたプリント基板５２と、擂鉢形状の凹部５３が形成された高反射率を有する非透光性樹脂からなるランプハウス５４とが一体化されてパッケージが構成され、ランプハウス５４の凹部５３の底部５５のプリント基板５２上にＬＥＤチップ５６が接着固定されている。そしてＬＥＤチップ５６の上方に形成された陽極及び陰極の一対の電極とランプハウス５４の凹部５３の底部５５のプリント基板５２の導電パターン５１との夫々をボンディングワイヤ５７を介して接続することによって電気的導通を図り、透光性樹脂に蛍光体を分散した封止樹脂５８をランプハウス５４の凹部５３内に充填することによってＬＥＤチップ５６及びボンディングワイヤ５７を封止したものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、図７に示すように、絶縁基板５０の表面に、分離された複数の導電パターン５１が形成されたプリント基板５２上にＬＥＤチップ５６が接着固定され、ＬＥＤチップ５６の上方に形成された陽極及び陰極の一対の電極とプリント基板５２の導電パターン５１との夫々をボンディングワイヤ５７を介して接続することによって電気的導通を図っている。そして、媒体に蛍光体を分散した蛍光物質５９をＬＥＤチップ５６の周面に均一に一定量塗布し、更に透光性樹脂６０によってＬＥＤチップ５６及びボンディングワイヤ５７を封止したものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−１７９２５９号公報特開２００３−２５８３１０号公報

上述したような従来のＬＥＤ装置において、前者は、凹部内に充填された封止樹脂を加熱硬化する際に、封止樹脂を構成する透光性樹脂と蛍光体との比重差によって透光性樹脂よりも比重が大きい蛍光体が沈降してしまい、封止樹脂内の蛍光体を均一に分散させることが困難であった。また、封止樹脂を構成する透光性樹脂と蛍光体との混合比率を高精度で再現性良く確保することも困難であった。その結果、ＬＥＤ装置単体においては外部（大気中）への放射面内での色調の均一性が損なわれ（放射面内における色調バラツキ）、ＬＥＤ装置の製品間においても色調バラツキが生じていた。

一方、後者は、上記問題を解決するには有効な手法ではあるが、ＬＥＤチップの周面に塗布された蛍光物質を構成する蛍光体が、ＬＥＤチップから発せられた光によって励起されて波長変換した光を放出するときに熱を発生し、その熱によってＬＥＤチップの温度が上昇して発光効率が低下し、ＬＥＤの輝度を低下させる要因となっていた。

また、前者と後者に共通する点として、ボンディングワイヤがＬＥＤチップから発せられた光を遮り、陰となった部分が輝度ムラ及び色調バラツキの原因となっていた。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、輝度ムラ及び色調バラツキが少なく、光取り出し効率が良好で高輝度のＬＥＤ装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、少なくとも１つ以上のＬＥＤチップを実装した第一の電極と、該第一の電極の上部にあって前記ＬＥＤチップを囲むように設けられた凹形状の第１のキャビティと該１のキャビティの上方に連設された第２のキャビティを有するランプハウスとを具備し、前記ランプハウスは両先端部を夫々第１のキャビティと第２のキャビティとの境界部及びランプハウス外に位置させた少なくとも１つ以上の第二の電極を有し、第１のキャビティと第２のキャビティとの境界平面近傍には導電性を有すると共に波長変換機能を備えた導電性波長変換層が形成され、前記ランプハウスの第１のキャビティ内と第２のキャビティ内は前記導電性波長変換層を挟んで透光性樹脂が充填され、前記導電性波長変換層は第二の電極の一方の先端部とＬＥＤチップの上側電極の両方に接触していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記導電性波長変換層は、少なくとも１種類以上の蛍光体を夫々透明導電膜でコーティングした導電性蛍光体の稠密な層であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１において、前記導電性波長変換層は、少なくとも１種類以上の蛍光体と、導電性粒子との混合物の稠密な層であることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ装置は、光源となるＬＥＤチップの上側電極と、外部の電源に接続するために導出された電極とを、導電性を有すると共に波長変換機能を備えた導電性波長変換層で接続して電気的導通を図った。その結果、ボンディングワイヤが不要となり、ボンディングワイヤの影による輝度ムラ及び色調バラツキを解消することができる。

また、ボンディングワイヤが原因で生じる不具合を解消でき、信頼性の向上を図ることができる。

また、ワイヤボンディング工程及びワイヤボンダ（装置）が不要となり、生産効率の向上及び設備投資の削減によって製造コストを低減することができる。

また、導電性波長変換層は比較的均一な厚みで形成できるため、均一な波長変換による色調バラツキの改善が可能となる。

更に、一般的に導電性を有する物質は導電性のない物質に比べて熱伝導性にも優れており、ＬＥＤチップを導電性物質で覆うことによりＬＥＤチップに対する放熱効果が改善され、発光効率の向上に寄与することになる。などの利点を有する。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図５を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明に係わるＬＥＤ装置の実施形態を示す上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。本実施形態は表面実装型と呼ばれるＬＥＤ装置であり、その構成はランプハウス１、第一の電極２、第二の電極３、導電性接着剤４、ＬＥＤチップ５、導電性蛍光体６及び透光性樹脂７からなっている。

そしてこれら構成要素を使用したＬＥＤ装置の構造は以下の通りである。まず、導電性部材からなる第一の電極２に導電性接着剤４を介してＬＥＤチップ５が固定され、ＬＥＤチップ５の下側電極と第一の電極２との電気的導通を図っている。

第一の電極２の上方には高反射率を有する非透光性樹脂からなるランプハウス１が配置されている。このランプハウス１にはＬＥＤチップ５の光軸に対してＬＥＤチップ５の出射方向に開いた内側面８を有する第一のキャビティ９及び第二のキャビティ１０の２つのキャビティが連設され、ＬＥＤチップ５を囲む第一のキャビティ９と、その上方（ＬＥＤチップの出射方向）に位置する第二のキャビティ１０との境界部には一方の先端部を外部に導出された一対の第二の電極３が他方の先端部を第一のキャビティ９の略周縁端部１１まで延ばした状態で設けられている。

そして、第一のキャビティ９と第二のキャビティ１０との境界平面近傍にはＬＥＤチップ５の上側電極と第二の電極３とに接触して導電性蛍光体６の層が稠密に形成され、その層を挟んで第一のキャビティ９内及び第二のキャビティ１０内には透光性樹脂７が充填されている。なお、導電性蛍光体６は蛍光体を透明導電膜でコーティングしたものである。

このような構造のＬＥＤの製造工程を図３（ａ）〜（ｅ）に示す。まず、（ａ）第一の電極２の上部に第二の電極３を設けたランプハウス１を一体化してＬＥＤパッケージ１２を作成する。そして（ｂ）このＬＥＤパッケージ１２の第一の電極２に導電性接着剤４を介してＬＥＤチップ５を接着固定し、（ｃ）ＬＥＤチップ５の上側電極１３及び第二の電極３が覆われない程度まで第一のキヤビティ９内に透光性樹脂７を充填して加熱硬化し、ＬＥＤチップ５の大部分を封止する。

次に、（ｄ）この透光性樹脂７の上に導電性蛍光体６を塗布してＬＥＤチップ５の上側電極１３及び第二の電極３を覆い加熱硬化させ、導電性蛍光体６の稠密な膜を形成する。この場合、導電性蛍光体６層はエポキシ系等の透光性接着剤を溶剤で希釈した中に導電性蛍光体６を混入させたものを使用する。

そして最後に、（ｅ）導電性蛍光体６層の上（第二のキャビティ１０内）に透光性樹脂７を充填して加熱硬化させて完成する。

ところで、（ｃ）の工程ではＬＥＤチップ５の活性層を透光性樹脂７によって完全に覆うことが重要である。なぜならば、ＬＥＤチップ５の活性層が露出した状態で（ｄ）の工程に送られると、（ｄ）の導電性蛍光体６の塗布によって活性層に導電性蛍光体６が接触してショート状態となり、ＬＥＤチップ５が発光しなくなるためである。

図４はＬＥＤチップの上側電極１３と導電性蛍光体６層の接触状態を示したものである。上記した導電性蛍光体６は蛍光体１４をＩＴＯ等の透明導電膜１５でコーティングしたものであり、稠密に配置すると透明導電膜同士が接触して電気的導通状態となる。同様に、導電性蛍光体６が稠密に配置された層とＬＥＤチップの上側電極１３とが接触すると透明導電膜１５を介して両者が電気的導通状態となる。

従って、図２において、導電性蛍光体６が稠密に配置された導電性蛍光体６層がＬＥＤチップ５の上側電極１３と第二の電極３とに接触しているため、両電極が電気的に導通状態にあることになる。

次に、上記ＬＥＤ装置の動作について説明する。第一の電極２と第二の電極３の間に電圧を印加すると、ＬＥＤチップ５の下側電極と第一の電極２を電気的に接続する導電性接着剤４と、上述のようにＬＥＤチップ５の上側電極１３と第二の電極３を電気的に接続する導電性蛍光体６層とを介してＬＥＤチップ５に電圧が印加され、ＬＥＤチップ５が発光する。

ＬＥＤチップ５から発せられて上方に配置された導電性蛍光体６に向かう光の一部は、蛍光体１４を閉じ込めた透明導電膜１５を通して蛍光体１４に至って蛍光体１４を励起し、蛍光体１４で波長変換された光は第二のキャビティ１０内を導光されて外部（大気中）に出射される。

同様に、ＬＥＤチップ５から発せられて上方に配置された導電性蛍光体６に向かう光の一部は、蛍光体１４によって波長変換されることなくＬＥＤチップ５から発せられた光がそのまま第二のキャビティ１０内を導光されて外部に出射される。

そして、蛍光体１４によって波長変換された光とＬＥＤチップ５から発せられた光との加法混色の光がＬＥＤの発光色として知覚される。

そこで、光源となるＬＥＤチップは、励起された蛍光体が放出する光よりも短い波長の光を発することが必要である。よって、光源は紫外線〜緑色光に対応する波長範囲内の光を発するＬＥＤチップであることが望ましい。更に、上記波長範囲内において発光色の異なる複数のＬＥＤチップを光源とすることも可能である。

また、導電性蛍光体層を構成する蛍光体は一種類に限定されるものではなく、複数種の蛍光体を夫々透明導電膜でコーティングしたものを混合して導電性蛍光体層を形成することも可能である。

更に、一種類又は複数種のＬＥＤチップと一種類又は複数種の蛍光体との組み合わせによって所望する光色のＬＥＤを実現することができる。

本実施形態では、ＬＥＤチップ５から発せられた光を波長変換する働きと、ＬＥＤチップの上側電極と第二の電極とを電気的に接続する働きの２つの機能を有する層を、蛍光体を透明導電膜でコーティングした導電性蛍光体を稠密に塗布することによって形成した。

これと同様の機能を持たせる他の方法として、図５に示すように蛍光体１４と銀等の導電性粒子１６を一定の割合で均一に混合したものを稠密に塗布しても良い。この場合も、エポキシ系等の透光性接着剤を溶剤で希釈した中に蛍光体と導電性粒子とを混入させて使用する。

ここで、本発明のＬＥＤ装置の効果について説明する。まず、ＬＥＤチップの上側電極と外部に導出された電極とを蛍光体を透明導電膜でコーティングした導電性蛍光体の稠密層で電気的に接続した。その結果、

（１）従来、ＬＥＤチップの上側電極と外部に導出された電極との接続に使用していたボンディングワイヤが不要となり、ボンディングワイヤの影による輝度ムラ及び色調バラツキを解消することができた。
（２）同じくボンディングワイヤが不要なため、ボンディングワイヤが原因で生じる不具合を解消でき、信頼性の向上に繋がるものである。（ボンディングワイヤが原因で起こる不具合とは、例えばボンディングワイヤの封止樹脂がＬＥＤチップの点灯・消灯時の温度変化によって膨張・収縮を繰り返し、そのときの封止樹脂の応力を受けてボンディングワイヤが切断されたり、ボンディングワイヤと電極との接続部が剥離したりしてＬＥＤが不点灯になる状態）
（３）同じくボンディングワイヤが不要なため、ワイヤボンディング工程及びワイヤボンダ（装置）が不要となり、生産効率の向上及び設備投資の削減によって製造コストを低減することができる。
（４）導電性蛍光体の稠密層は比較的均一な厚みで形成できるため、色調バラツキの改善が可能となった。
（５）一般的に導電性を有する物質は導電性のない物質に比べて熱伝導性にも優れており、ＬＥＤチップを蛍光体を透明導電膜でコーティングした導電性蛍光体で覆うことによりＬＥＤチップに対する放熱効果が改善され、発光効率の向上に寄与することになる。

また、ＬＥＤチップの上側電極と外部に導出された電極とを蛍光体と導電性粒子との混合物の稠密層で電気的に接続した。その結果、
（１）上記（１）〜（３）と同様の効果を生じる。
（２）蛍光体と導電性粒子との混合物の稠密層は比較的均一な厚みで形成できるため、色調バラツキの改善が可能となった。
（３）一般的に導電性を有する物質は導電性のない物質に比べて熱伝導性にも優れており、ＬＥＤチップを導電性粒子で覆うことによりＬＥＤチップに対する放熱効果が改善され、発光効率の向上に寄与することになる。
（４）蛍光体と導電性粒子との混合物は比較的容易に作製できるため製造コストの上昇を殆んど招かない。
などの優れた効果を奏するものである。

本発明のＬＥＤ装置に係わる実施形態を示す上面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明のＬＥＤ装置に係わる実施形態の製造工程を示す工程図である。導電性蛍光体とＬＥＤチップの上側電極との接触状態を示す拡大概略図である。蛍光体と導電性粒子の混合物とＬＥＤチップの上側電極との接触状態を示す拡大概略図である。従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。従来の他のＬＥＤ装置を示す断面図である。

符号の説明

１ランプハウス
２第一の電極
３第二の電極
４導電性接着剤
５ＬＥＤチップ
６導電性蛍光体
７透光性樹脂
８内側面
９第一のキャビティ
１０第二のキャビティ
１１周縁端部
１２ＬＥＤパッケージ
１３上側電極
１４蛍光体
１５透明導電膜
１６導電性粒子

Claims

少なくとも１つ以上のＬＥＤチップを実装した第一の電極と、該第一の電極の上部にあって前記ＬＥＤチップを囲むように設けられた凹形状の第１のキャビティと該１のキャビティの上方に連設された第２のキャビティを有するランプハウスとを具備し、前記ランプハウスは両先端部を夫々第１のキャビティと第２のキャビティとの境界部及びランプハウス外に位置させた少なくとも１つ以上の第二の電極を有し、第１のキャビティと第２のキャビティとの境界平面近傍には導電性を有すると共に波長変換機能を備えた導電性波長変換層が形成され、前記ランプハウスの第１のキャビティ内と第２のキャビティ内は前記導電性波長変換層を挟んで透光性樹脂が充填され、前記導電性波長変換層は第二の電極の一方の先端部とＬＥＤチップの上側電極の両方に接触していることを特徴とするＬＥＤ装置。
前記導電性波長変換層は、少なくとも１種類以上の蛍光体を夫々透明導電膜でコーティングした導電性蛍光体の稠密な層であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。
前記導電性波長変換層は、少なくとも１種類以上の蛍光体と、導電性粒子との混合物の稠密な層であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ装置。