JP4936169B2 - 発光装置 - Google Patents

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チップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する蛍光体とを組み合わせ所望の混色光（例えば、白色光）を得るようにした発光装置の研究開発が各所で行われている。

ところで、上述のようにＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせた発光装置においては、投入電力を大きくすると、ＬＥＤチップから放射される青色光あるいは紫外光の放射エネルギが大きくなって、蛍光体でのストークスシフトによるエネルギ損失に起因した発熱量の総量が大きくなり、温度消光による蛍光体の発光効率が低下するので、蛍光体の発光効率の低下を抑制することが望まれていた。

これに対して、図４や図５に示すように、可視光を放射するＬＥＤチップ１０’と、ＬＥＤチップ１０’を収納する収納凹所２０ａ’が形成され収納凹所２０ａ’の内底面にＬＥＤチップ１０’が実装された実装基板２０’と、実装基板２０’の収納凹所２０ａ’に収納されたＬＥＤチップ１０’を封止した封止部７０’とを備え、封止部７０’が、透明樹脂により形成されＬＥＤチップ１０’を覆った透明樹脂層７１’と、ＬＥＤチップ１０’から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１０’よりも長波長の可視光を放射する蛍光体を含有した透明樹脂により形成され透明樹脂層７１’に積層された色変換層７２’とで構成され、実装基板２０’と熱結合する放熱用部材７３’を色変換層７２’に埋設してなる発光装置が提案されている（特許文献１参照）。

ここで、図４に示した構成の発光装置は、放熱用部材７３’として、金属材料からなる放熱用線材が色変換層７２’に埋設され、図５に示した構成の発光装置は、放熱用部材７３’として、金属材料からなる放熱用メッシュが色変換層７２’に埋設されている。
特開２００５−３１１１７０号公報

ところで、図４や図５に示した構成の発光装置では、色変換層７２’中の蛍光体で発生した熱の一部が放熱用部材７３’を通して実装基板２０’へ放熱されるので、蛍光体の発光効率の低下を抑制することができるが、近年のＬＥＤチップ１０’単体の光出力の高出力化に伴い、蛍光体の温度上昇のより一層の抑制が望まれている。また、図４や図５に示した構成の発光装置では、放熱用部材７３’の金属材料と色変換層７２’の透明樹脂との線膨張率差に起因して透明樹脂により形成された部分の一部が放熱用部材７３’から剥離して多数のボイドが発生する可能性があり、このようなボイドが発生してしまうと、放熱性が低下し、光出力が低下してしまう。

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、蛍光体の温度上昇をより抑制でき且つ信頼性の高い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、ＬＥＤチップから放射される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放射する蛍光体を含有した透光性材料により形成されてなりＬＥＤチップを実装基板との間に囲む形で配設されたドーム状の色変換部材とを備え、色変換部材は、前記透光性材料よりも熱伝導率の高い材料により形成され前記実装基板に熱結合された伝熱部材が少なくとも当該色変換部材の外表面側に露出する形で設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、色変換部材は、当該色変換部材の透光性材料よりも熱伝導率の高い材料により形成され実装基板に熱結合された伝熱部材が少なくとも当該色変換部材の外表面側に露出する形で設けられているので、色変換部材の蛍光体で発生した熱を伝熱部材を通して実装基板だけでなく空気中へ放熱させることができるから、蛍光体の温度上昇をより抑制でき且つ信頼性を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記伝熱部材は、前記色変換部材の外表面に貼着されてなることを特徴とする。

この発明によれば、製造コストの低コスト化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記伝熱部材は、前記色変換部材に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、前記蛍光体で発生した熱をより速やかに前記実装基板へ伝熱させることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記色変換部材の周部を全周に亘って囲む形で配設され前記伝熱部材からなる第１の伝熱部材および前記実装基板と熱結合された第２の伝熱部材を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記蛍光体で発生した熱をより速やかに前記実装基板へ伝熱させることが可能となる。

請求項１の発明では、蛍光体の温度上昇をより抑制でき且つ信頼性を高めることができ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、ＬＥＤチップ１０から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１０とは発光色の異なる色の光を放射する蛍光体を含有した透光性材料により形成されＬＥＤチップ１０を実装基板２０との間に囲む形で配設されたドーム状の色変換部材４０とを備えている。

本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０として、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップを用い、色変換部材４０の蛍光体として、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されて黄色光を放射する粒子状の黄色蛍光体を用いており、ＬＥＤチップ１０から放射され色変換部材４０を透過した青色光と、色変換部材４０の黄色蛍光体から放射された黄色光との混色光からなる白色光を得ることができる。

ＬＥＤチップ１０は、厚み方向の一表面側（図１（ｂ）における下面側）にアノード電極（図示せず）が形成されるとともに、厚み方向の他表面側（図１（ｂ）における上面側）にカソード電極（図示せず）が形成されている。ここにおいて、アノード電極およびカソード電極は、下層側のＮｉ膜と上層側のＡｕ膜との積層膜により構成されている。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が一表面側に搭載される矩形板状のサブマウント部材３０と、熱伝導性材料（例えば、Ｃｕなど）により形成されサブマウント部材３０が一面側の中央部に固着される矩形板状の伝熱板２１と、伝熱板２１の一面側（図１（ｂ）における上面側）に固着され中央部にサブマウント部材３０を露出させる矩形状の窓孔２４を有する配線基板２２とで構成されている。したがって、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。

上述の配線基板２２は、ポリイミドフィルムからなる絶縁性基材２２ａの一表面側に、ＬＥＤチップ１０への給電用の一対の配線パターン２３，２３が設けられるとともに、各配線パターン２３，２３および絶縁性基材２２ａにおいて配線パターン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が積層されている。ここにおいて、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がボンディングワイヤ１４を介して一方の配線パターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がサブマウント部材３０の電極パターン３１およびボンディングワイヤ１４を介して他方の配線パターン２３と電気的に接続されている。なお、絶縁性基材２２ａの材料としては、ＦＲ４、ＦＲ５、紙フェノールなどを採用してもよい。

レジスト層２６は、配線基板２２の窓孔２４の近傍において各配線パターン２３，２３の２箇所が露出し、配線基板２２の周部において各配線パターン２３，２３の１箇所が露出するようにパターニングされており、各配線パターン２３，２３は、配線基板２２の窓孔２４近傍において露出した部位が、ボンディングワイヤ１４が接続される端子部２３ａを構成し、配線基板２２の周部において露出した円形状の部位が外部接続用の電極部２３ｂを構成している。なお、配線基板２２の配線パターン２３，２３は、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成され、最上層がＡｕ膜となっている。

また、サブマウント部材３０は、熱伝導率が比較的高く且つ電気絶縁性を有するＡｌＮにより形成されており、平面サイズをＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きく設定してあり、伝熱板２１とＬＥＤチップ１０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応力緩和機能と、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とを有している。したがって、本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０と伝熱板２１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ことができるとともに、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を介して効率良く放熱させることができる。

ここにおいて、サブマウント部材３０の一表面側には、ＬＥＤチップ１０におけるサブマウント部材３０側の電極である上記アノード電極と接合される上述の電極パターン３１が形成され、当該電極パターン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が形成されている。したがって、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された可視光がサブマウント部材３０に吸収されるのを防止することができ、外部への光取出し効率をさらに高めることが可能となる。なお、電極パターン３１は、Ａｕを主成分とするＡｕとＳｎとの合金（例えば、８０Ａｕ−２０Ｓｎ、７０Ａｕ−３０Ｓｎなど）により形成されている。また、反射膜３２は、Ａｌにより形成されているが、Ａｌに限らず、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕなどにより形成してもよい。

また、本実施形態では、サブマウント部材３０の厚み寸法を、当該サブマウント部材３０の表面が配線基板２２のレジスト層２６の表面よりも伝熱板２１から離れるように設定してあり、ＬＥＤチップ１０から側方に放射された光が配線基板２２の窓孔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る。なお、サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、例えば、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。

また、色変換部材４０は、シリコーン樹脂からなる透光性材料にＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されて黄色光を放射する粒子状の黄色蛍光体を分散させた混合材料を用いてドーム状に形成されている。なお、色変換部材４０の材料として用いる透光性材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、ガラス、有機成分と無機成分とがｎｍレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料などを採用してもよい。また、色変換部材４０の材料として用いる透光性材料に含有させる蛍光体も黄色蛍光体に限らず、色調整や演色性を高めるなどの目的で複数種類の蛍光体を用いてもよく、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを用いることで演色性の高い白色光を得ることができる。ここで、複数種類の蛍光体を用いる場合には必ずしも発光色の異なる蛍光体の組み合わせに限らず、例えば、発光色はいずれも黄色で発光スペクトルの異なる複数種類の蛍光体を組み合わせてもよい。

また、色変換部材４０は、実装基板２０側の端縁（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）を用いて固着すればよい。また、本実施形態では、実装基板２０と色変換部材４０とで囲まれた空間がＬＥＤチップ１０を封止した封止材（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）からなる封止部により充実されているが、上記空間を空気雰囲気や不活性ガス雰囲気や真空雰囲気としてもよい。

ところで、上述の色変換部材４０は、上記透光性材料よりも熱伝導率の高い材料（例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなど金属）により形成され実装基板２０に熱結合された伝熱部材５０が色変換部材４０の外表面側に露出する形で設けられている。伝熱部材５０は、平面視形状が十字状であり、当該十字状の中央部が色変換部材４０の頂部に重なる形で色変換部材４０の外表面に貼着されており、当該十字状の４つの端部それぞれが伝熱板２１の上記一面から突設された４つの突台部２１ａそれぞれに熱結合されている。ここにおいて、色変換部材４０における実装基板２０側の端縁は円環状の形状であり、各突台部２１ａは平面視形状が円弧状に形成されており、配線基板２２には、各突台部２１ａそれぞれが挿入される複数の貫通孔２５が形成されている。なお、貫通孔２５は複数の突台部２１ａが挿入される円弧状の形状に形成してもよい。また、突台部２１ａは、必ずしも複数設ける必要はなく、例えば、平面視形状をＣ字状としてもよい。また、伝熱部材５０としては、例えば、金属テープを用いればよい。また、貫通孔２５には、上記接着剤の一部が充填されるので、色変換部材４０と実装基板２０とで囲まれた空間を気密空間とすることができる。

以上説明した本実施形態の発光装置では、色変換部材４０は、当該色変換部材４０の透光性材料よりも熱伝導率の高い材料により形成され実装基板２０に熱結合された伝熱部材５０が当該色変換部材４０の外表面側に露出する形で設けられているので、色変換部材４０の蛍光体で発生した熱を伝熱部材５０を通して実装基板２０だけでなく空気中へ放熱させることができるから、ＬＥＤチップ１０への投入電力を大きくして光出力の高出力化を図りつつも、蛍光体の温度上昇をより抑制できて蛍光体の発光効率の低下を抑制でき且つ信頼性を高めることができる。また、本実施形態では、伝熱部材５０が色変換部材４０の外表面に貼着されているので、製造コストの低コスト化を図れる。

また、本実施形態では、伝熱部材５０の平面視形状が十字状であり、色変換部材４０の頂部に重なる部位から他の部位が放射状に延長されているので、色変換部材４０において温度の最も上昇しやすい頂部の温度上昇を効果的に抑制することができるとともに、ＬＥＤチップ１０からの光や蛍光体からの光が伝熱部材５０により遮られるのを抑制することができる。なお、本実施形態では、伝熱部材５０の平面視形状が十字状の形状となっているが、十字状に限らず、頂部に重なる部位から他の部位が放射状に延長されていればよく、当該他の部位の数は４つ以外でもよい。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態１と略同じであり、図２に示すように、伝熱部材５０が色変換部材４０に一体成形されており、伝熱部材５０が色変換部材４０の外表面側だけでなく内表面側にも露出している点などが相違する。また、本実施形態では、伝熱部材５０における実装基板２０側の端縁が実装基板２０における伝熱板２１の突台部２１ａと直接接触している。ここにおいて、伝熱部材５０における実装基板２０側の端縁と色変換部材４０における実装基板２０側の端縁とは１つの円上で略面一になっている。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。

しかして、本実施形態の発光装置では、色変換部材４０の蛍光体で発生した熱をより速やかに実装基板２０へ伝熱させることが可能となる。また、色変換部材４０の頂部に伝熱部材５０が配置されていないので、色変換部材４０の頂部から出射される混色光が伝熱部材５０により遮られるのを防止することができる。

なお、伝熱部材５０におけるＬＥＤチップ１０側とは反対の表面（つまり、色変換部材４０の外表面と略面一となっている面）に金属に比べて熱放射性の高い材料（例えば、セラミックスなど）からなる膜をコーティングしておけば、放熱性を高めることができる。また、伝熱部材５０におけるＬＥＤチップ１０側の面を鏡面としておけば、ＬＥＤチップ１０から放射された光が乱反射するのを防止することができる。

（実施形態３）
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、図３に示すように、色変換部材４０の周部を全周に亘って囲む形で配設され上述の伝熱部材５０（以下、第１の伝熱部材５０と称す）および実装基板２０と熱結合された第２の伝熱部材６０を備えている点が相違する。ここにおいて、第２の伝熱部材６０は、第１の熱伝導部材５０と同じ材料により形成してあるが、色変換部材４０の上記透光性材料よりも熱伝導率の高い材料であれば、必ずしも第１の熱伝導部材５０と同じ材料により形成する必要はない。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適宜省略する。

第２の伝熱部材６０は、色変換部材４０の周部の形状に沿った球帯状の形状に形成されており、内側面が第１の伝熱部材５０の外表面の一部と接触し、実装基板２０側の端縁が突台部２１ａと接触している。

しかして、本実施形態の発光装置では、上述の第２の伝熱部材６０を備えていることにより、実施形態２に比べて、色変換部材４０の蛍光体で発生した熱をより速やかに実装基板２０へ伝熱させることが可能となる。なお、第２の伝熱部材６０におけるＬＥＤチップ１０側とは反対の表面に金属に比べて熱放射性の高い材料（例えば、セラミックスなど）からなる膜をコーティングしておけば、放熱性を高めることができる。また、第２の伝熱部材６０におけるＬＥＤチップ１０側の面を鏡面としておけば、ＬＥＤチップ１０から放射された光が乱反射するのを防止することができる。また、実施形態１の発光装置に上述の第２の伝熱部材６０を設けても同様の効果が得られる。

ところで、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チップを採用しているが、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、紫外光でもよい。また、各実施形態では、ＬＥＤチップ１０におけるベース基板としてサファイア基板を採用しているが、ベース基板はサファイア基板に限らず、ＳｉＣ基板などでもよい。また、ベース基板は、結晶成長用基板に限らず、結晶成長後に発光部と接合したＳｉ基板などでもよい（この場合には結晶成長用基板を除去する）。また、各実施形態では、ＬＥＤチップ１０が実装基板２０に対してフリップ実装されているが、ボンディングワイヤを用いた実装構造を採用してもよい。また、上述の各実施形態では、実装基板２０が、伝熱板２１と配線基板２２とサブマウント部材３０とで構成されているが、ＬＥＤチップ１０と伝熱板２１との線膨張率差が比較的小さく且つＬＥＤチップ１０の各電極が実装基板２０側とは反対側に配置される場合にはサブマウント部材３０は必ずしも設ける必要はなく、サブマウント部材３０の代わりに、ＬＥＤチップを搭載するチップ搭載部を伝熱板２１の上記一面から連続一体に突設するようにしてもよい。また、実装基板２０は、熱伝導率の高いセラミック基板により形成してもよい。

実施形態１の発光装置を示し、（ａ）は概略分解斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態２の発光装置を示し、（ａ）は概略分解斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態３の発光装置を示し、（ａ）は概略分解斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 従来例を示す発光装置の概略断面図である。 他の従来例を示す発光装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤチップ
２０ 実装基板
３０ サブマウント部材
４０ 色変換部材
５０ 伝熱部材（第１の伝熱部材）
６０ 第２の伝熱部材

Claims (4)

1. ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、ＬＥＤチップから放射される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放射する蛍光体を含有した透光性材料により形成されてなりＬＥＤチップを実装基板との間に囲む形で配設されたドーム状の色変換部材とを備え、色変換部材は、前記透光性材料よりも熱伝導率の高い材料により形成され前記実装基板に熱結合された伝熱部材が少なくとも当該色変換部材の外表面側に露出する形で設けられてなることを特徴とする発光装置。
2. 前記伝熱部材は、前記色変換部材の外表面に貼着されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記伝熱部材は、前記色変換部材に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。
4. 前記色変換部材の周部を全周に亘って囲む形で配設され前記伝熱部材からなる第１の伝熱部材および前記実装基板と熱結合された第２の伝熱部材を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。

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