JP5433399B2

JP5433399B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5433399B2
Application number: JP2009290918A
Authority: JP
Inventors: 威中筋; 一功葛原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP2011134786A

Description

本発明は、リフレクタを備えた発光装置に関する。

従来の、この種の発光装置の例を図６（ａ）、（ｂ）に示す。発光装置１は、導電性の基板４に形成され凹部４０内に配置されたＬＥＤ２と、凹部壁面に絶縁層７を介して形成された反射率の高い反射膜からなるリフレクタ３と、凹部４０の開口を覆うレンズ５とを備える。レンズ５は該開口に接着材１０で接合されることにより、ＬＥＤ２とリフレクタ３は凹部４０内に封止される。この反射膜には銀やアルミニウム等が使用される。

レンズ５及び接着材１０にはシリコーン樹脂材料が用いられ、絶縁層７には、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）又はエポキシ樹脂やポリエチレン等の絶縁材料が用いられている。しかしながら、これらの各材料は大気中のガス、例えば、硫黄、酸素、又は水蒸気等を透過するため、大気ガスが矢印ａ、ｂ、ｃで示す通気ルートにより、凹部４０内に進入する。このため、大気中の硫黄、酸素ガス等により、リフレクタ３は反射膜が腐食され変色し、例えば銀反射膜の場合は硫黄ガスにより硫化銀となり黒色化し反射率が低下する。また、凹部４０内で形成される回路配線が腐食し易い。

図７は、他の例を示す。この発光装置１においては、基板４はエポキシ基板やガラスエポキシ系基板などの絶縁性部材からなり、凹部４０内にはリフレクタ３と共に、ＬＥＤ２への電源供給用の銀メッキされたリードフレーム２０が設けられている。この発光装置１においては、大気ガスが矢印ａ、ｂで示す通気ルートの他に、ガラス基板が低い気密性のためピンホールを有する場合や、リードフレーム２０と基板４間で密着性が弱く隙間が生じる場合には、それぞれ矢印ｄ、ｅで示す通気ルートにより、凹部４０内へ進入する。このため、上記と同様の問題が発生する。

図８は、さらに他の例を示す。この発光装置１においては、エポキシ樹脂製の基板４上に平面的に銀層のリフレクタ３が形成され、その上にＬＥＤ２が実装されると共に、ＬＥＤ２とリフレクタ３が半球形状のシリコーン樹脂製のレンズ５で覆われ、レンズ５と基板４とが接着材１０で接合されている。この場合も、大気ガスがレンズ５や接着材１０、及び基板４を透過して凹部４０内へ進入し、上記と同様の問題が発生する。

ところで、発光素子の封止剤としてシリコーン樹脂を用いた発光装置において、発光素子を搭載する銀めっきが施されたリードフレームの変色を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この技術は特殊なシリコーン樹脂を必要とすると共に、リフレクタへの対処ではない。

特開２００９−８１４３０号公報

本発明は、上記の問題を解決するものであり、発光部と、発光部からの光を反射するリフレクタとを備え、それらが樹脂等で封止される発光装置において、大気ガスによるリフレクタの反射率の劣化を抑制することができる発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、発光部と、前記発光部からの光を反射するリフレクタと、を備えた発光装置であって、前記リフレクタの前記発光部に臨まない面に配置された基板を含むリフレクタ側気密層と、前記発光部と前記リフレクタとを覆う光透過部材を含む発光部側気密層と、を有し、前記リフレクタは、銀またはアルミニウムにより形成された反射膜からなり、この反射膜の最下層には、前記基板と前記反射膜とを絶縁するための絶縁層が形成されており、前記光透過部材と前記発光部及び前記リフレクタとの間に樹脂製の充填材が充填され、前記リフレクタ側気密層と前記発光部側気密層と前記充填材との隙間にそれらの界面を埋める界面気密層を設け、前記リフレクタを気密空間内に収容し、前記リフレクタ側気密層に設けた孔部を貫通して該孔部を埋めると共に、該気密層の発光部と反対側の面側から該発光部に給電する孔部気密電極層を有し、前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層との隙間にそれらの界面を埋める界面気密層を設け、前記発光部の表面側の電極がボンディングワイヤで前記リフレクタに電気接続されており、前記リフレクタが外部電源に接続されている、ものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発光装置において、前記孔部気密電極層とリフレクタ側気密層との界面を埋める界面気密層は、前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層とを外部電源から電力が供給される回路基板に固定するための接着用材料を兼ねているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光装置において、前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層の界面を埋める界面気密層は、前記界面に塗布又は印刷が可能な低温硬化材料でなるものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光装置において、前記界面気密層は、大気ガスに対して気密で、硬化後にバルクとなるナノ粒子ペーストである。

請求項１の発明によれば、リフレクタ側気密層と発光部側気密層とで囲まれる領域の外側に、それら気密層の隙間を埋める界面気密層が配置されるので、リフレクタが大気ガスにより酸化や硫化することが防止され、このため、リフレクタは高い反射率を維持することができる。また、孔部気密電極層とリフレクタ側気密層との間の密着性が悪く通気することがあっても、界面気密層により大気ガスの流れを阻止することができるので、リフレクタの酸化や硫化によるリフレクタの反射率低下を防止し、孔部気密電極層を介して外部から発光部に給電することができる。また、正、負電極が短絡することを避け易くできる。

請求項２の発明によれば、リフレクタ側気密層と孔部気密電極層間の気密保持と、リフレクタ側気密層と孔部気密電極層との回路基板への固定とを同時に行うことができ、製造工程を簡略化できる。

請求項３の発明によれば、低い温度状態でリフレクタ側気密層と孔部気密電極層間との界面に界面気密層を埋めることができるので、ＬＥＤへの熱の影響を少なくできると共に、塗布又は印刷による塗り付けが可能なので、フレクタ側気密層と孔部気密電極層との界面の様々な形状に対して気密封止することが可能となる。
請求項４の発明によれば、界面気密層は、塗布又は印刷による塗り付けが可能な密着性の良いナノ粒子ペーストで、硬化後に気密性が高くなるため、良好な気密封止を行うことができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置の断面図、（ｂ）は同発光装置のガラスキャップを透視した平面図。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の断面図。本発明の第３の実施形態に係る発光装置の断面図。上記実施形態の変形例の断面図。本発明の第４の実施形態に係る発光装置の断面図。（ａ）は従来の発光装置の断面図、（ｂ）は同発光装置のレンズを透視した平面図。従来の他の発光装置の断面図。従来のさらに他の発光装置の断面図。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る発光装置について図１（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の発光装置１はＬＥＤ（発光部）２と、ＬＥＤ２からの光を反射するリフレクタ３と、ＬＥＤ２とリフレクタ３に臨まない面に配置された気密部材からなる基板（リフレクタ側気密層）４と、ＬＥＤ２とリフレクタ３とを覆う気密部材からなるガラスキャップ（光透過部材、発光部側気密層）５と、基板４に貫通して挿入される気密部材からなる導電部材（孔部気密電極層）６と、を有している。基板４は、ＬＥＤ２、リフレクタ３及びガラスキャップ（以下、キャップという）５を支持するための凹部４０を有し、キャップ５はＬＥＤ２とリフレクタ３に対面して配置されている。導電部材６は、ＬＥＤ２の給電端子２１と外部電源（不図示）とを接続する。リフレクタ３は、例えば、銀を成分とする反射膜を有するものが望ましい。

基板４とキャップ５との隙間１２に、大気ガスを透過しない気密部材から成る界面気密部材（界面気密層）９が配置されている。ここでは、ＬＥＤ２及びリフレクタ３は、導電部材６が装着された凹部４０を気密性のキャップ５で覆った気密空間内に収容される。また、ＬＥＤ２は導電部材６に支持され、この導電部材６が基板４に固定されることにより基板４に支持される。

ＬＥＤ２は、サファイア基板上にバッファ層、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層が順に積層されて形成される。また、ＬＥＤ２は、ｎ型半導体層の表面にｎ型電極が形成され、ｐ型半導体層の表面に電流拡散膜とｐ型電極とが形成され、ｐ型電極とｎ型電極とを電源に接続することにより電流が流れ発光する。電流拡散膜は光の反射率の高い金属で形成されている。ＬＥＤ２のサイズは１ｍｍ角、厚さ０．２ｍｍである。

ＬＥＤ２は、発光面を表面とする表裏両面にｐ型電極とｎ型電極とに接続され正、負電極となる給電端子２１をそれぞれ有し、基板４を貫通して凹部４０内に突出された導電部材６上にマウントされる。ＬＥＤ２は、その表面側の給電端子２１がボンディングワイヤ２２でリフレクタ３と電気接続され、裏面側の給電端子２１が接合用の導電バンプ６４により導電部材６と直接接続され、リフレクタ３と導電部材６が外部電源に接続されることにより、電力が供給される。なお、ＬＥＤ２の基板はサファイアに限らず、ＧａＮ基板など他の材料を用いてもよい。

基板４は、例えば、銅やアルミニウム等の導電部材からなり、凹部４０の傾斜壁面に形成された反射率の高い銀からなるリフレクタ３と、導電部材６を埋め込むための貫通孔（孔部）４１と、凹部４０の開口周縁にキャップ５の周縁部を保持するための階段状の保持台４２とを有する。リフレクタ３は、蒸着等により銀層が形成された反射膜からなり、この反射膜の最下層には、基板４と銀層とを絶縁するための絶縁層７が形成されている。また、凹部４０は、シリコーン樹脂等による充填材１１により充填されている。なお、リフレクタ３の反射膜は、銀以外に、アルミニウム等、反射率の高い金属であればよく、また、リフレクタ３は基板４と独立した別体構造であってもよい。

基板４は、凹部４０以外の上面４３に絶縁層７を介し形成された銀層からなる回路パターン（不図示）と、この回路パターン上に形成された絶縁性の保護膜８とを有する。なお、回路パターンの部分は、銀以外に、別途、銅、金、アルミニウム、タングステン、ニッケル、ロジウム、パラジウム、白金などを用いて形成してもよい。ここでは、基板４は、例えば、気密性を有する金属基板に凹部４０が設けられた金属筐体となり、ＬＥＤ２を収納するための金属パッケージとなる。

絶縁層７は、気密性に優れた絶縁部材からなり、例えば、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、石英ガラス（ＳｉＯ２）、カーボン含有ＳｉＯ２膜（ＳｉＯＣ）などによる無機薄膜により無機絶縁層として形成される。これにより、大気ガスが絶縁層７を透過して凹部４０内へ進入することを阻止できる。

キャップ５は、平面板状を成し、ＬＥＤ２からの光を透過する気密性の高い珪ホウ酸系ガラスから成る。キャップ５は、充填材１１で充填された状態の凹部４０を覆い、封止する。このとき、キャップ５の周縁部と凹部４０の開口周縁との隙間１２に、大気ガスの透過を阻止するための界面気密部材９が配置される。なお、キャップ５は、珪ホウ酸系に限らず石英など透光性、気密性を有するガラスであればよく、また、レンズ形状であってもよい。

導電部材６は、ここでは、銅部材が使用され、基板４に密着される平板部６１と、平板部６１から突出しＬＥＤ２を支持するための台部６２とを有する。導電部材６は、基板４との絶縁のために基板４と接触する面に窒化珪素などの無機薄膜よる絶縁膜６５を有する。なお、導電部材６は、タングステン、アルミニウム、銀、ロジウム、金なども使用でき、ＬＥＤ２を実装する材料として放熱性、電気特性に優れたものであればよい。

導電部材６は、台部６２が基板４の貫通孔４１に貫通して埋め込まれ、平板部６１がＬＥＤ２と反対側の基板４に密着して固定される。台部６２はその天面上に金属層６３が形成され、この金属層６３上にＬＥＤ２の裏面側の給電端子２１が導電バンプ６４によりバンプ接合される。これにより、ＬＥＤ２の電極の一つが導電部材６と電気的に接続される。なお、ＬＥＤ２と導電部材６とを接続する材料には、Ａｕバンプ、ＡｕＳｎ、Ａｇペースト、及び鉛フリー半田等の導電性部材が使用される。

界面気密部材９は、例えば、密着性が良く、硬化後にＡｇのバルクとなるＡｇナノ粒子ペーストが使用され、塗布又は印刷による塗り付け、及び低温硬化が可能な部材である。Ａｇナノ粒子ペーストは、硬化後バルクとなることにより、気密性が高くなる。なお、界面気密部材９は、Ａｇナノ粒子ペースト以外、低温鉛フリー半田など低温接合で気密性が得られる部材であればよい。鉛フリー半田の場合は、キャップ５の周縁のガラス上に予め蒸着で金属膜を半田付け面用として形成しておけばよい。また、基板４が導電性でない場合も同様に基板と、キャップ５又は導電部材６と接合する場所に半田付け面に設ければよい。

界面気密部材９は、Ａｇナノ粒子ペーストがキャップ５と凹部４０との隙間１２の境界を塞いで埋めるように塗布された後、加熱されて固まる。このとき、キャップ５の周辺に亘ってキャップ５と凹部４０との隙間１２の境界上に盛り上がったＡｇバルクによる気密な封止部分が形成される。これにより、大気ガスが、キャップ５と凹部４０との隙間１２を通過して凹部４０内へ進入することを阻止できる。また、大気ガス中の硫黄ガスは、Ａｇナノ粒子ペーストのＡｇ成分と反応して硫化銀となるので、阻止され易い。

発光装置１の製造に際しては、例えば、ＬＥＤ２と導電部材６との接合はＡｕバンプを介して超音波接合により行い、そのバンプのサイズは、径９０μｍ×３０μｍｔであり、超音波接合条件は１５０℃、５０ｇ、５秒である。また、Ａｇナノ粒子ペーストはキャップ５と基板４との界面に塗布して加熱され、その加熱条件は２５０℃、１５分である。なお、凹部４０への充填材１１の充填は、例えば、キャップ５で凹部４０を蓋し、界面気密部材９でキャップ５と凹部４０との隙間１２を密封した状態で、予めキャップ５に設けた注入孔から行い、その後、注入孔を別途界面気密部材で埋めてもよい。

本実施形態の発光装置１によれば、基板４とキャップ５との隙間１２を通る大気ガスが界面気密部材９により、その透過が阻止されるので、凹部４０内のリフレクタ３はその反射膜が大気中の酸素や硫黄ガスにより酸化、硫化することを防止でき、反射率の劣化が抑制され、高い反射率を維持することができる。また、導電部材６により、ＬＥＤ２の正、負電極の一端の給電端子２１を基板４の下方より取り出し、他端を基板４の表面側から取り出せるので、正、負電極が短絡することを避け易くできる。なお、リフレクタ３の反射膜が銀以外の物質の場合も、上記と同様に、大気ガスによる腐食を防止でき、反射率の低下を抑制できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る発光装置について図２を参照して説明する。本実施形態の発光装置１においては、基板４は、気密材料よりなる絶縁性基板からなり、基板４とリフレクタ３間の絶縁層及び導電部材６の基板４との絶縁用の絶縁膜を不要とした点が、前記実施形態と異なる。

本実施形態においては、基板４は、気密性を有するセラミック部材からなり、このセラミック部材で形成された凹部４０がＬＥＤ２を収納するためのセラミックパッケージと成っている。基板４は、その表面上に直接蒸着等により銀層が形成され、凹部４０内の傾斜側面や底面上に直接形成された銀層によりリフレクタ３が構成され、基板４の上面４３上に銀層の回路パターンが形成される。導電部材６は基板４と絶縁される必要はなく、そのまま凹部４０の貫通孔４１に埋め込まれて固定される。なお、基板４は、セラミック以外に、気密性の優れたプラスチックや、ピンホールのない絶縁基板などが使用される。

本実施形態によれば、基板４が絶縁部材なので、前記実施形態に比べ、リフレクタ３と基板４とを絶縁するための絶縁層７（図１参照）、及び導電部材６の表面を絶縁するために覆う絶縁膜６５が不要となり、構成が簡単となる。なお、基板４の凹部４０は、例えばセラミックの焼成等により形成される。また、基板４に、エポキシ基板のような吸水性、通気性を有する基板部材を使用する場合は、その表面を金属薄膜などの気密性を保つことができる材料で覆うことにより適用することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る発光装置について図３を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、基板４とキャップ５との間に設けられる界面気密部材９に加え、基板４の貫通孔４１に埋め込まれた導電部材６と基板４との隙間６６にそれらの界面を埋める界面気密部材９ａがさらに設けられた点で前記実施形態と異なる。

本実施形態の発光装置１は、界面気密部材９ａは、導電部材６と基板４間の隙間６６における界面のＬＥＤ２側に設けられたＡｇナノ粒子ペーストで成る。界面気密部材９ａは、凹部４０内の底面と導電部材６の台部６２上とに跨り、台部６２の回りに沿って隙間６６を埋め、大気ガスが導電部材６と基板４との隙間６６を通って凹部４０内に出る前に、その透過を阻止する。

この構成により、リフレクタ３に大気ガスによる影響を与えることなく、導電部材６を介して外部からＬＥＤ２に給電することができる。なお、導電部材６と基板４との隙間６６に、それらを接着するためのシリコーン樹脂等の接着部材を設けた場合は、界面気密部材９ａを隙間６６の入口側を塞ぐようにシリコーン樹脂の上から配置することにより、シリコーン樹脂を透過する大気ガスを阻止することができる。

また、界面気密部材９ａは、導電部材６と基板４との界面に塗布又は印刷が可能な低温硬化部材のＡｇナノ粒子ペーストを用いるので、低い温度状態で前記界面を埋めることができ、ＬＥＤへの熱の影響を少なくできると共に、塗布又は印刷により導電部材６と基板４との界面の様々な形状に対応して気密封止することができる

上記実施形態の変形例について図４を参照して説明する。本変形例においては、導電部材６と基板４との隙間６６に設けられる界面気密部材９ｂが、基板４のＬＥＤ２と反対側に配置されるものである。

界面気密部材９ｂは、基板４と凹部４０を覆うキャップ５とが形成するＬＥＤ２用のパッケージの外側面に位置される。このため、界面気密部材９ｂの基板４への取付作業は、凹部４０内でなく外側から行えるので、取付作業が簡単になり、取付作業中に、取付治具の接触や熱などによりＬＥＤ２が破損や劣化の影響を受けないようにできる。また、この界面気密部材９ｂは、凹部４０外側に配置されるので、基板４とキャップ５間の界面気密部材９と同時に凹部４０の外から形成でき、製造時の界面気密部材の基板への形成工程が簡単になり、また、界面気密の補修や追加作業も容易となる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る発光装置について図５を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、基板４とキャップ５間でそれらの接触する部位が重なり合っており、その重なり合った領域に、界面気密部材９ｃが配置される。さらに、発光装置１においては、導電部材６と基板４との隙間６６にその界面を埋めるために配置され界面気密部材９ｄが、導電部材６と基板４とを外部電源から電力が供給される回路基板１３に固定するための接着用材料を兼ねるものである。

本実施形態においては、キャップ５は、その周縁部が基板４の凹部４０の開口周縁の保持台４２上に重なるように保持される。キャップ５は保持台４２上に塗られた界面気密部材９ｃとなるＡｇナノ粒子ペースト上に支持され、加熱接合により基板４に固定される。Ａｇナノ粒子ペーストは、基板４とキャップ５の隙間１２の内部に位置されるので、隙間１２内を透過する大気ガスが確実に界面気密部材９ｃで阻止され、大気ガスの透過を阻止する効率が良くなる。また、Ａｇナノ粒子ペーストは、硫黄阻止作用と共に接着作用を持つので、大気ガスを阻止できると共に、キャップ５を基板４に堅固に保持できる。

さらに、界面気密部材９ｄは、Ａｇナノ粒子ペーストで成り、基板４に密着された導電部材６が回路基板１３に装着された状態で、導電部材６と基板４との隙間６６を覆い、かつ、基板４の側面に沿って導電部材６と回路基板１３との接触する周辺に塗られる。基板４と一体の導電部材６は、Ａｇナノ粒子ペーストによる加熱接合により、回路基板１３と密着固定される。これにより、導電部材６と基板４との隙間６６を透過する大気ガスを阻止できると共に、導電部材６と基板４とを回路基板１３に固定することができる。したがって、基板４とキャップ５が成すパッケージを回路基板１３に固定するための部材を別途と必要としないので、低コスト化できる。

なお、本発明は上記各種実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、基板４の凹部４０及び導電部材６を矩形や角柱形状ではなく、円形や円柱形状等にしてもよい。また、キャップ５の代わりに、青色ＬＥＤの光を黄色光に部分変換する気密性を有する波長変換素子部材を設け、白色ＬＥＤを形成してもよい。また、凹部４０内にシリコーン樹脂を充填せず、凹部４０の開口周縁とキャップ５の周縁部とを界面気密部材９で接合してもよい。また、ＬＥＤ２の導電部材６へのマウントは、正、負電極面を共に、光照射方向に向けるフェイスアップタイプとしてもよい。また、ＬＥＤ２を導電部材６に装着する構成としたが、導電部材６を使用せず、基板４の凹部４０内の底面にＬＥＤマウント用パターンを設け直接装着してもよい。

１発光装置
２ＬＥＤ（発光部）
３リフレクタ
４基板（リフレクタ側気密層）
４１貫通孔（孔部）
５キャップ（ガラスキャップ、光透過部材、発光部側気密層）
６導電部材（孔部気密電極層）
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ界面気密部材
１２隙間
１３回路基板

Claims

発光部と、前記発光部からの光を反射するリフレクタと、を備えた発光装置であって、
前記リフレクタの前記発光部に臨まない面に配置された基板を含むリフレクタ側気密層と、
前記発光部と前記リフレクタとを覆う光透過部材を含む発光部側気密層と、を有し、
前記リフレクタは、銀またはアルミニウムにより形成された反射膜からなり、この反射膜の最下層には、前記基板と前記反射膜とを絶縁するための絶縁層が形成されており、
前記光透過部材と前記発光部及び前記リフレクタとの間に樹脂製の充填材が充填され、前記リフレクタ側気密層と前記発光部側気密層と前記充填材との隙間にそれらの界面を埋める界面気密層を設け、前記リフレクタを気密空間内に収容し、
前記リフレクタ側気密層に設けた孔部を貫通して該孔部を埋めると共に、該気密層の発光部と反対側の面側から該発光部に給電する孔部気密電極層を有し、
前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層との隙間にそれらの界面を埋める界面気密層を設け、
前記発光部の表面側の電極がボンディングワイヤで前記リフレクタに電気接続されており、
前記リフレクタが外部電源に接続されている、ことを特徴とする発光装置。
前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層との界面を埋める界面気密層は、前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層とを外部電源から電力が供給される回路基板に固定するための接着用材料を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記孔部気密電極層と前記リフレクタ側気密層の界面を埋める界面気密層は、前記界面に塗布又は印刷が可能な低温硬化材料でなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置。
前記界面気密層は、大気ガスに対して気密で、硬化後にバルクとなるナノ粒子ペーストであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光装置。