JP5179311B2 - 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、図１０および図１１に示すように、矩形板状のＬＥＤチップ１’と、ＬＥＤチップ１’が一表面側に実装された矩形板状の実装基板２’と、実装基板２’の上記一表面側においてＬＥＤチップ１’を囲むように配置されＬＥＤチップ１’から側方へ放射された光をＬＥＤチップ１’における実装基板２’側とは反対側へ反射する反射面３１’を有する反射部３’とを備えた発光装置Ａ’が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、実装基板２’は、絶縁性基板２１’の一表面側にＬＥＤチップ１’への給電用の導体パターン２２’，２２’が形成されており、上記一表面側の中央部においてＬＥＤチップ１’のアノード電極（図示せず）およびカソード電極（図示れず）それぞれが導体パターン２２’，２２’とバンプ（図示せず）を介して接合され電気的に接続されている。要するに、ＬＥＤチップ１’は実装基板２’にフリップチップ実装されている。なお、上記特許文献１には、ＬＥＤチップ１’の上記アノード電極および上記カソード電極をボンディングワイヤを介して導体パターン２２’，２２’と電気的に接続する実装構造を採用してもよいことが記載されている。

また、反射部３’は、円形状に開口した枠状の形状であって、実装基板２’の上記一表面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ている。反射部３’は、樹脂や金属などにより形成され、内側面にＬＥＤチップ１’から放射される光に対する反射率の高い金属膜が被着されており、当該金属膜の表面が反射面３１’を構成している。なお、反射部３’の外周形状は矩形状に形成されている。

また、上記特許文献１には、実装基板２’と反射部３’とで囲まれる空間にＬＥＤチップ１’を覆う透明樹脂からなる封止部を設けることも記載されており、例えば、ＬＥＤチップ１’として青色光を放射する青色ＬＥＤチップを採用し、封止部にＬＥＤチップ１’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蛍光体を分散させておけば、青色光と黄色光との混色光として白色光を得ることができる。

上述の発光装置Ａ’は、ＬＥＤチップ１’の配光特性が例えば拡散配光であっても、実装基板２’の上記一表面側に反射部３’が配置されていることにより、ＬＥＤチップ１’から側方へ放射された光が反射部３’の反射面３１’で反射されるので、発光装置Ａ’から放射される光の配光が制御され、発光装置Ａ’から放射される光の指向性を強めることができる。
特開２００５−２９４２９２号公報

ところで、上述の発光装置Ａ’を例えば配光制御用部材（例えば、レンズ、反射鏡など）を有する照明器具に組み込んで使用する場合、光利用効率および配光制御用部材での配光制御性を向上させるために発光装置Ａ’の実効的な光源サイズを小さくすることが要求されている。

しかしながら、上述の発光装置Ａ’では、ＬＥＤチップ１’の外周形状が矩形状である一方で反射部３’の開口形状が円形状なので、ＬＥＤチップ１’と反射部３’とで決まる実効的な光源サイズ（ここでは、反射部３’の開口サイズが実効的な光源サイズとなる）がＬＥＤチップのチップサイズよりも大きくなりすぎてしまう。

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、ＬＥＤチップと反射部とで決まる実効的な光源サイズの小型化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、矩形板状のＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一表面側に実装された実装基板と、ＬＥＤチップから側方へ放射された光をＬＥＤチップにおける実装基板側とは反対側へ反射する反射面を有する反射部とを備え、反射部の反射面が、実装基板の前記一表面におけるＬＥＤチップの投影領域の外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されてなり、反射部は、前記外周線の周方向において離間した複数の反射エレメントにより構成され、実装基板は、前記一表面側においてＬＥＤチップに電気的に接続される導体パターンが、前記周方向において隣り合う反射エレメント間に配設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、反射部の反射面が、実装基板の一表面におけるＬＥＤチップの投影領域の外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されているので、ＬＥＤチップと反射部とで決まる実効的な光源サイズの小型化を図れる。

また、この発明によれば、反射部は、前記外周線の周方向において離間した複数の反射エレメントにより構成され、実装基板は、前記一表面側においてＬＥＤチップに電気的に接続される導体パターンが、前記周方向において隣り合う反射エレメント間に配設されてなるので、実装基板の前記一表面側にＬＥＤチップに電気的に接続される導体パターンを設けながらも、実効的な光源サイズの小型化を図れる。

本願の別の発明は、矩形板状のＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一表面側に実装された実装基板と、ＬＥＤチップから側方へ放射された光をＬＥＤチップにおける実装基板側とは反対側へ反射する反射面を有する反射部とを備え、反射部の反射面が、実装基板の前記一表面におけるＬＥＤチップの投影領域の外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されてなり、実装基板は、ＬＥＤチップに電気的に接続される給電用の貫通孔配線が形成されてなることを特徴とする。

上記別の発明によれば、反射部の反射面が、実装基板の一表面におけるＬＥＤチップの投影領域の外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されているので、ＬＥＤチップと反射部とで決まる実効的な光源サイズの小型化を図れる。また、上記別の発明によれば、例えば照明器具などの器具本体に収納する回路基板に実装して用いる場合に、ワイヤボンディング工程が不要となるという利点がある。また、前記実装基板において貫通孔配線を前記ＬＥＤチップの投影領域の外側に形成すれば、前記実装基板の他表面側における前記ＬＥＤチップの投影領域の全面を回路基板などに半田などにより接合することが可能となり、放熱性を向上できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記反射部は、前記実装基板と連続一体に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記反射部と前記実装基板とが別部材であって両者を固着する必要がある場合に比べて製造工程の簡略化による低コスト化を図れる。

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、前記反射部および前記実装基板は、シリコン基板を用いて形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、シリコン基板を結晶異方性エッチングすることにより前記反射部を形成することができ、前記反射面の立ち上がり角度の再現性を高めることが可能となる。

請求項１の発明では、ＬＥＤチップと反射部とで決まる実効的な光源サイズの小型化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Ａは、図１に示すように、矩形板状のＬＥＤチップ１と、ＬＥＤチップ１が一表面側に実装された矩形板状の実装基板２と、実装基板２の上記一表面側に配置されＬＥＤチップ１から側方へ放射された光（ＬＥＤチップ１の側面から放射された光や、ＬＥＤチップ１における実装基板２側とは反対の表面から当該表面に対して低角度の斜め方向へ放射された光など）をＬＥＤチップ１における実装基板２側とは反対側へ反射する反射面３１を有する反射部３とを備えている。

ＬＥＤチップ１は、青色光を放射するＧａＮ系の青色ＬＥＤチップであって、厚み方向の一表面側にアノード電極（図示せず）およびカソード電極（図示せず）が形成されており、実装基板２にフリップチップ実装してある。なお、ＬＥＤチップ１は、青色ＬＥＤチップに限定するものではなく、例えば、紫外ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップなどでもよい。

また、実装基板２は、シリコン基板２０を用いて形成されており、上記一表面側にＬＥＤチップ１への給電用の一対の導体パターン２２，２２が形成され、上記一表面側の中央部においてＬＥＤチップ１の上記アノード電極および上記カソード電極それぞれが導体パターン２２，２２とバンプ４，４を介して接合され電気的に接続されている。ここで、実装基板２の上記一表面側には両導体パターン２２，２２とシリコン基板２０とを電気的に絶縁するシリコン酸化膜からなる絶縁膜２３が形成されている。要するに、両導体パターン２２，２２は絶縁膜２３上に形成されている。なお、導体パターン２２，２２は、Ｔｉ膜からなる密着性改善膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。また、バンプ４は、Ａｕバンプにより構成されている。

ここにおいて、導体パターン２２，２２は、実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍ内にＬＥＤチップ１が接合され電気的に接続される接続部２２ａ，２２ａが形成されているが、ＬＥＤチップ１の上記アノード電極の平面サイズがカソード電極の平面サイズに比べて大きくなっているので、一対の接続部２２ａ，２２ａのうち上記アノード電極に対応する接続部（以下、第１の接続部と称する）２２ａの平面サイズが上記カソード電極に対応する接続部（以下、第２の接続部と称する）２２ａの平面サイズに比べて大きくなっており、第１の接続部２２の方が第２の接続部２２に比べて多数のバンプ４と接合されている。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１としてチップサイズが１ｍｍ□のものを用いており、第１の接続部２２が２５個のバンプ４を介して上記アノード電極と接合され、第２の接続部２２が１個のバンプ２３を介して上記カソード電極と接合されているが、ＬＥＤチップのチップサイズおよびバンプ４の数は特に限定するものではない。

本実施形態の発光装置Ａは、ＬＥＤチップ１が実装基板２にフリップチップ実装されているが、ＬＥＤチップ１の上記アノード電極および上記カソード電極をボンディングワイヤを介して導体パターン２２，２２と電気的に接続する実装構造を採用してもよい。なお、ＬＥＤチップ１は、厚み方向の上記一表面側に上記アノード電極および上記カソード電極が形成されているが、厚み方向の上記一表面側に上記アノード電極が形成され、他表面側に上記カソード電極が形成されたものを用いてもよく、この場合には、上記アノード電極と上記カソード電極との２つの電極のうちの一方の電極を一方の導体パターン２２に例えばＡｕＳｎ層からなる導電性接合層を介して電気的に接続し、他方の電極を他方の導体パターン２２にボンディングワイヤを介して電気的に接続すればよい。

また、反射部３は、反射面３１が、実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されている。なお、ＬＥＤチップ１の投影領域Ｍは正方形状である。

ここにおいて、反射部３は、上記投影領域Ｍの外周線の周方向において離間した複数（本実施形態では、４つ）の反射エレメント３０により構成され、実装基板２は、導体パターン２２，２２における接続部２２ａ，２２ａ以外の部位が、上記周方向において隣り合う反射エレメント３０間に配設されており、導体パターン２２，２２において接続部２２ａ，２２ａ側とは反対側の端部が外部接続用電極２２ｂ，２２ｂを構成している。上述の反射部３は、４つの反射エレメント３０が実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれに対して独立して形成されており、上記周方向における反射エレメント３０の長さを全て同じ値に設定してある。なお、本実施形態の発光装置Ａは、平面視において、反射部３の反射面３１がＬＥＤチップ１の辺と平行となっている。

ところで、反射部３は、上述のシリコン基板２０を用いて形成されている。要するに、反射部３と実装基板２とで構成される構造体が１つのシリコン基板２０を用いて形成されており、反射部３は、実装基板２と連続一体に形成されている。しかして、反射部３と実装基板２とが別部材であって両者を固着する必要がある場合に比べて製造工程の簡略化による低コスト化を図れる。ここで、シリコン基板２０としては、主表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。

ここにおいて、反射部３は、シリコン基板２０を結晶異方性エッチングすることにより形成されており、反射面３１の立ち上がり角度の再現性を高めることが可能となる。なお、本実施形態では、反射面３１の立ち上がり角度が５４．７°となるように結晶異方性エッチングを行う際のマスクをパターン設計してある。

なお、本実施形態では、反射部３を４つの反射エレメント３０により構成してあるが、図２に示すように、反射部３を上記投影領域Ｍの外周線に沿った矩形枠状に形成してもよいし、図３に示すように、上記投影領域Ｍの外周線の隣り合う２辺に沿った平面視Ｌ字状の２つの反射エレメント３０により構成してもよい。また、図４に示すように、反射部３をシリコン基板２０とは別のシリコン基板３０ａを用いて実装基板２とは別に形成し、実装基板２０に固着するようにしてもよい。また、反射部３の反射面３１の立ち上がり角度も５４．７°に限らず、例えば、図５に示すように、略４５°にしてもよい。また、実装基板２および反射部３の材料はＳｉに限らず、例えば、セラミックスなどを用いてもよく、反射部３については、金属材料（例えば、Ａｌなど）や高耐熱の樹脂（例えば、ＰＢＴなど）などを採用してもよい。

以上説明した本実施形態の発光装置Ａでは、反射部３の反射面３１が、実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されているので、ＬＥＤチップ１と反射部３とで決まる実効的な光源サイズの小型化を図れる。しかして、本実施形態の発光装置Ａを例えば配光制御用部材（例えば、レンズ、反射鏡など）を有する照明器具に組み込んで使用する場合、光利用効率および配光制御用部材での配光制御性を向上させることが可能となる。

ここで、図６に示すように発光装置Ａの構造パラメータとして実装基板２におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線から反射部３までの距離Ｗ、反射部３の高さＨ、反射部３の反射面３１の立ち上がり角度φを設定し、Ｗ＝０μｍ、Ｈ＝２５０μｍ、φ＝５４．７°とした実施例１と、Ｗ＝１５０μｍ、Ｈ＝２５０μｍ、φ＝５４．７°とした比較例１と、Ｗ＝０μｍ、Ｈ＝２５０μｍ、φ＝４５°とした実施例２と、Ｗ＝１５０μｍ、Ｈ＝２５０μｍ、φ＝４５°とした比較例２に関し、ＬＥＤチップ１の光軸上に受光面の中心が位置するように受光器（図示せず）を配置して、上記受光器の受光角２θを１２８°とし、上記投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれから立ち上がる反射面３１の上記周方向の長さを種々変化させた場合について、発光装置Ａからの全光束に対して上記受光器で検出される光束割合（チップ直上方向の光束割合）を図７に示す。ここで、図７では、「イ」が実施例１のチップ直上方向の光束割合を、「ロ」が比較例１のチップ直上方向の光束割合を、「ハ」が実施例２のチップ直上方向の光束割合を、「ニ」が比較例１のチップ直上方向の光束割合を、それぞれ示している。図７における実施例１と比較例１との比較、実施例２と比較例２との比較から、反射部３の反射面３１を実装基板２におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線から立ち上げることにより（つまり、Ｗ＝０とすることにより）、指向性を強められることが分かる。また、平面視におけるＬＥＤチップ１の４辺それぞれの長さは１ｍｍ（１０００μｍ）であり、図７から、反射面３１の長さをＬＥＤチップ１の各辺の８割程度（つまり、８００μｍ程度）としても大きな効果が得られることが分かる。

また、本実施形態の発光装置Ａでは、反射部３が、上記投影領域Ｍの外周線の周方向において離間した複数の反射エレメント３０により構成され、実装基板２は、上記一表面側においてＬＥＤチップ１に電気的に接続される導体パターン２２，２２が、前記周方向において隣り合う反射エレメント３０間に配設されているので、実装基板２の上記一表面側にＬＥＤチップ１に電気的に接続される導体パターン２２，２２を設けながらも、実効的な光源サイズの小型化を図れる。

ところで、実装基板２において、ＬＥＤチップ１に電気的に接続される給電用の貫通孔配線をＬＥＤチップ１の投影領域に形成するようにすれば、図１に示した構成のようにＬＥＤチップ１への給電用の導体パターン２２，２２をＬＥＤチップ１の側方に設ける必要がなく、ＬＥＤチップ１から放射される光を効率良く外部へ取り出すことができる。また、実装器版２に上記貫通孔配線を形成しておけば、例えば照明器具などの器具本体に収納する回路基板に実装して用いる場合に、ワイヤボンディング工程が不要となるという利点がある。また、実装基板２において上記貫通孔配線をＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外側に形成するようにすれば、実装基板２の他表面側におけるＬＥＤチップ１の投影領域の全面を照明器具などの器具本体などに収納する回路基板の放熱用の導体パターンなどに半田などにより接合することが可能となり、放熱性を向上できる。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置Ａの基本構成は、実施形態１と略同じであり、図８に示すように、実装基板２が一表面側に搭載されるユニット基板５と、ＬＥＤチップ１から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１よりも長波長の光（つまり、ＬＥＤチップ１から放射される光とは異なる色の光）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１をユニット基板５との間に囲む形でユニット基板５の上記一表面側に配設されたドーム状の色変換部材（波長変換部材）６とを備えている点が相違する。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Ａでは、ＬＥＤチップ１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６の蛍光体として、ＬＥＤチップ１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を用いており、ＬＥＤチップ１から放射され色変換部材６を透過した青色光と、色変換部材６の黄色蛍光体から放射された黄色光とが色変換部材６の光出射面から出射されることとなり、白色光を得ることができる（なお、図８中の矢印は、ＬＥＤチップ１から放射される光の進行経路を模式的に示している）。

上述のユニット基板５は、熱伝導性材料（例えば、Ｃｕなど）からなる伝熱板５１と、絶縁性基材の一表面側に実施形態１で説明した導体パターン２２，２２（図１参照）にボンディングワイヤを介して電気的に接続される配線パターンが形成されるとともに実装基板２が内側に離間して配置される窓孔５３が厚み方向に貫設されてなり伝熱板５１に固着された配線基板５２とで構成されており、ＬＥＤチップ１で発生した熱を実装基板２および伝熱板５１を介して放熱させることができる。

また、色変換部材６は、シリコーン樹脂からなる透光性材料にＬＥＤチップ１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６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６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。

以上説明した本実施形態の発光装置Ａにおいても、実施形態１と同様、反射部３の反射面３１が、実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されているので、ＬＥＤチップ１と反射部３とで決まる実効的な光源サイズの小型化を図れる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置Ａの基本構成は実施形態１と略同じであり、図９に示すように、実装基板２に実施形態１にて説明した導体パターン２２，２２（図１参照）それぞれに電気的に接続されシリコン基板２０の厚み方向に貫通した貫通孔配線２２ｃ，２２ｃが形成され、実装基板２の他表面側に各貫通孔配線２２ｃ，２２ｃそれぞれと電気的に接続される金属材料（例えば、Ｃｕなど）からなるリード端子７，８が固着されている点が相違する。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。

ここで、各貫通孔配線２２ｃ，２２ｃは、図示しない絶縁膜によりシリコン基板２０と電気的に絶縁されている。また、リード端子７，８は、リードフレームを用いて形成してあり、シリコン基板２０とは図示しない絶縁層によって電気的に絶縁されている。

以上説明した本実施形態の発光装置Ａにおいても、実施形態１と同様、反射部３の反射面３１が、実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されているので、ＬＥＤチップ１と反射部３とで決まる実効的な光源サイズの小型化を図れる。また、本実施形態の発光装置Ａは、実装基板２において貫通孔配線２２ｃ，２２ｃをＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外側に形成してあるので、実装基板２の他表面側におけるＬＥＤチップ１の投影領域の全面に一方のリード端子７の一部を配置することができ、当該リード端子７を照明器具などの器具本体などに収納する回路基板などに半田などにより接合することが可能となり、放熱性を向上できる。

なお、上記各実施形態１〜３では、反射部３の反射面３１が、実装基板２の上記一表面におけるＬＥＤチップ１の投影領域Ｍの外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されているが、ＬＥＤチップ１の設置公差などを考慮して上記外周線よりもやや外側から反射面３１が立ち上がるようにしてもよい。

実施形態１の発光装置を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は要部概略平面図である。 同上の他の構成例を示す要部概略斜視図である。 同上の他の構成例を示す要部概略斜視図である。 同上の他の構成例の要部分解斜視図である。 同上の他の構成例を示す要部概略斜視図である。 同上の発光装置の構造パラメータの説明図である。 同上の発光装置の特性説明図である。 実施形態２の発光装置を示す概略断面図である。 実施形態３の発光装置を示す概略断面図である。 従来例の発光装置の概略分解斜視図である。 同上を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤチップ
２ 実装基板
３ 反射部
２０ シリコン基板
３０ 反射エレメント
３１ 反射面
Ａ 発光装置
Ｍ 投影領域

Claims (3)

1. 矩形板状のＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一表面側に実装された実装基板と、ＬＥＤチップから側方へ放射された光をＬＥＤチップにおける実装基板側とは反対側へ反射する反射面を有する反射部とを備え、反射部の反射面が、実装基板の前記一表面におけるＬＥＤチップの投影領域の外周線の４辺それぞれから立ち上がる形で形成されてなり、反射部は、前記外周線の周方向において離間した複数の反射エレメントにより構成され、実装基板は、前記一表面側においてＬＥＤチップに電気的に接続される導体パターンが、前記周方向において隣り合う反射エレメント間に配設されてなることを特徴とする発光装置。
2. 前記反射部は、前記実装基板と連続一体に形成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. 前記反射部および前記実装基板は、シリコン基板を用いて形成されて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。

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