JP5683352B2 - 発光装置及びこれを用いた照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードに代表される発光素子を備えた発光装置に関するものである。発光装置は、例えば、電子ディスプレイ用のバックライト電源、室内照明として好適に用いることができる。

近年、ＬＥＤ素子を備えた発光装置の開発が進められている。ＬＥＤ素子を備えた発光装置としては、例えば、特許文献１に開示された半導体発光装置が知られている。特許文献１に記載の発光装置は、絶縁性樹脂またはセラミックスからなる基板および枠体と、基板上であって枠体に囲まれた部分に実装されたＬＥＤチップとを備えている。また、ＬＥＤチップの電極が接続されるＣｕ配線およびＬＥＤチップからの光を反射するＡｇ反射層のような金属部材が基板の上面に配設されている。

特開２００７−２０１４２０号公報

基体および枠体は、樹脂からなる接合部材を介して互いに接合される。しかしながら、基体および枠体がセラミックスからなっている場合、これらの部材を構成するセラミックスの熱膨張係数が、一般的に基体および枠体の間に位置する金属部材および樹脂からなる接合部材の熱膨張係数よりも小さい。そのため、発光素子からの放熱によって金属部材および接合部材が熱膨張した場合に、基体と金属部材の接合面および枠体と接合部材の接合面に熱膨張差に起因する大きな内部応力が生じる。このような熱応力によって金属部材の基体からの剥離あるいは接合部材の枠体からの剥離が生じる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基体と金属部材との接合性および枠体と接合部材との接合性を良好に保つことによって、耐久性の良好な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る発光装置は、セラミックスからなる基体と、該基体の上面に配設された発光素子と、前記基体の前記上面に配設された金属層と、前記基体の前記上面および前記金属層の上面からなる領域を平面視した場合に前記発光素子を取り囲むように配設されたガラス層と、セラミックスからなり、平面視した場合に前記発光素子を取り囲むように前記ガラス層上に位置する枠体と、前記ガラス層の上面および外側面と接合され、前記枠体との間に位置して前記ガラス層と前記枠体とを接合する樹脂層とを備えている。

上記の態様に基づく発光装置は、基体の上面に配設された金属層と枠体に接合された樹脂層との間に、平面視した場合に発光素子を取り囲むように配設されたガラス層を備えている。このように、金属層および樹脂層の熱膨張係数よりも小さいガラスからなるガラス層を備えていることから、基体と金属層の接合面および枠体と樹脂層の接合面にそれぞれ生じる内部応力を、ガラス層と金属層との接合面およびガラス層と樹脂層との接合面に分散させることができる。従って、金属層の基体からの剥離あるいは樹脂層の枠体からの剥離を抑制することができるので、耐久性の良好な発光装置とすることができる。

第１の実施形態の発光装置を示す分解斜視図である。 図１に示す発光装置の平面透視図である。 図１に示す発光装置のＸ−Ｘ断面図である。 図３に示す発光装置の領域Ａを拡大した拡大断面図である。 図４に示す発光装置の変形例を示す拡大断面図である。 一実施形態にかかる照明装置を示す斜視断面図である。

以下、本発明の一実施形態の発光装置について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係る発光装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１〜４に示すように、本実施形態の発光装置１は、セラミックスからなる基体３と、基体３の上面に配設された発光素子５と、基体３の上面に配設された金属層７と、基体３の上面および金属層７の上面からなる領域を平面視した場合に発光素子５を取り囲むように配設されたガラス層９と、平面視した場合に発光素子５を取り囲むように位置して、樹脂層１１を介して下面がガラス層９に接合された、セラミックスからなる枠体１３とを備えている。

このように、本実施形態の発光装置１は、基体３の上面に配設された金属層７と枠体１３の下面に配設された樹脂層１１との間に、平面視した場合に発光素子５を取り囲むように配設されたガラス層９を備えている。金属層７および樹脂層１１の熱膨張係数よりも熱膨張係数の小さいガラスからなるガラス層９が金属層７と樹脂層１１との間に位置して、金属層７および樹脂層１１とそれぞれ接合していることから、基体３と金属層７の接合面および枠体１３と樹脂層１１の接合面にそれぞれ生じる内部応力を小さくすることができる。

これは、基体３と金属層７の接合面および枠体１３と樹脂層１１の接合面にそれぞれ生じる内部応力をガラス層９と金属層７との接合面およびガラス層９と樹脂層１１との接合面に分散させることができるからである。そのため、金属層７の基体３からの剥離あるいは樹脂層１１の枠体１３からの剥離を抑制することができるので、発光装置１の耐久性を良好なものとすることができる。

本実施形態の発光装置１は、セラミックスからなる平板形状の基体３を備えている。基体３を構成するセラミックスとしては、例えば、アルミナおよびムライトに代表されるセラミック材料、ならびにガラスセラミック材料が挙げられる。また、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料を用いてもよい。また、本実施形態の発光装置１における基体３は、セラミック材料を主成分とすることを意味しており、セラミックスのみからなることを意味するものではない。すなわち、例えば金属粒子のようなセラミック材料以外の添加物が混入していてもよい。

基体３の上面には金属層７が配設されている。本実施形態の発光装置１における金属層７は、発光素子５からの光を反射する反射層１５および発光素子５に電気的に接続された電極部材１７を有している。

本実施形態の発光装置１における電極部材１７は、一方の端部が基体３の上面の中央部分に位置するとともに他方の端部が基体３の上面の周縁部に位置するように基体３の上面に配設されている。電極部材１７は、発光素子５と外部の配線（不図示）とを電気的に接続する部材である。そのため、電極部材１７の一方の端部は発光素子５に電気的に接続されている。また、電極部材１７の他方の端部は外部の配線に電気的に接続される。

電極部材１７は、上述の通り、発光素子５と外部の配線とを電気的に接続する部材であって、一方の端部が基体３の上面の中央部分に位置するとともに他方の端部が基体３の上面の周縁部に位置している。そのため、電極部材１７の一部が、基体３と枠体１３との間に位置することとなる。

電極部材１７としては、導電性の良好な金属材料を用いることができる。具体的には、電極部材１７としてアルミニウム、タングステン、モリブデン、マンガンおよび銅のような金属材料を用いることができる。電極部材１７は、例えば、粉末状の上記金属材料に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基体３となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷して焼成することにより得られる。なお、電極部材１７の表面には、酸化防止のためにニッケルまたは金のようなめっき層が被着されていてもよい。

また、基体３の上面には反射層１５が配設されている。反射層１５は、電極部材１７と電気的な短絡が生じないように電極部材１７に対して所定の間隔が開けられている。このような反射層１５を金属層７として備えていることによって、発光素子５から基体３の上面に入射する光を良好に反射することができるので、発光装置１の発光効率を向上させることができる。

本実施形態の発光装置１における反射層１５は、図２に示すように、電極部材１７に対して所定の間隔をあけて基体３の上面全体に配設されていることから、反射層１５の一部が、基体３と枠体１３との間に位置することになる。なお、本実施形態の発光装置１においては、反射層１５が基体３の上面全体に配設されているが、一例であって基体３の上面全体に配設されていなくてもよい。

反射層１５としては、反射率の良好な金属層７を用いることができる。具体的には、反射層１５としてアルミニウム、銀、金、銅およびプラチナのような金属材料を用いることができる。とくに、発光素子５として紫外光を発する発光ダイオードを用いている場合には、この紫外光に対する反射率の高いアルミニウムまたは銀を用いることが好ましい。なお、本実施形態における反射層１５は、単層からなる構造であるが、反射層１５が複数の層からなる積層構造であってもよい。

発光素子５は、基体３の上面であって電極部材１７の一方の端部の上に位置するように配設されている。発光素子５は、いわゆるフリップチップ実装によって電極部材１７上に載置されるとともに、電極部材１７と電気的に接続されている。なお、本実施形態の発光装置１においては、発光素子５が電極部材１７にフリップチップ実装されることによって電気的に接続されているが、電極部材１７と発光素子５とは、例えば、ワイヤーボンディングによって電気的に接続されていてもよい。

また、本実施形態の発光装置１のように金属層７として反射層１５を有している場合には、発光素子５と反射層１５の絶縁性を確保するため、反射層１５と発光素子５との間に絶縁部材（不図示）を配設することが好ましい。また、発光素子５と反射層１５の絶縁性を確保するための部材として別途、絶縁部材を設けても良いが、ガラス層９を用いて発光素子５と反射層１５の絶縁性を確保してもよい。なお、本実施形態の発光装置１では、一つの発光素子５を備えた構成となっているが、複数の発光素子５を備えた構成であっても
何ら問題ない。

発光素子５は、透光性基体３と、透光性基体３上に形成される光半導体層とを有している。透光性基体３は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシャル成長法等の化学気相成長法を用いて、光半導体層を成長させることが可能なものであればよい。透光性基体３に用いられる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウム等を用いることができる。なお、透光性基体３の厚みは、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下である。

光半導体層は、透光性基体３上に形成される第１半導体層と、第１半導体層上に形成される発光層と、発光層上に形成される第２半導体層とから構成されている。

第１半導体層、発光層および第２半導体層は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素等のＩＩＩ−Ｖ族半導体、あるいは、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは窒化インジウム等のＩＩＩ族窒化物半導体などを用いることができる。なお、第１半導体層の厚みは、例えば１μｍ以上５μｍ以下であって、発光層の厚みは、例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、第２半導体層の厚みは、例えば５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。また、このように構成された発光素子５では、例えば３７０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の波長範囲の励起光を発する素子を用いることができる。

また、本実施形態の発光装置１は、平面視した場合に発光素子５を取り囲むように位置し、セラミックスからなる枠体１３を備えている。本実施形態における枠体１３は、平面視した場合に、内周面の形状が発光素子５を中心とする円形となっている。このように、枠体１３が配設されていることによって、発光素子５が発光する光を満遍なく反射させて外部に極めて均一に放出することができる。

本実施形態の発光装置１における枠体１３は、下端側における内周の径よりも上端側における内周の径が大きくなるように内周面が傾斜した形状となっている。このとき、枠体１３の内周面の傾斜角度は、基体３の主面に対して例えば５５度以上７０度以下の角度に設定されている。

枠体１３としては、下面の表面粗さが、基体３の上面の表面粗さよりも大きいことが好ましい。基体３の上面に配設された金属層７と樹脂層１１とを比較した場合、樹脂層１１の方が金属層７よりも熱膨張係数が大きい。そのため、基体３と金属層７の接合面よりも枠体１３と樹脂層１１の接合面により大きな内部応力が加わりやすい。

しかしながら、枠体１３の下面の表面粗さが、基体３の上面の表面粗さよりも大きい場合には、相対的に大きな内部応力が加わりやすく、剥離が生じやすい枠体１３と樹脂層１１との接合性を向上させることができるので、発光装置１の耐久性を良好なものとすることができるからである。

枠体１３としては、基体３と同様の材料を用いることができ、例えば、アルミナおよびムライトに代表されるセラミック材料、あるいはガラスセラミック材料を用いることができる。また、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料を用いてもよい。

枠体１３は、樹脂層１１を介して下面がガラス層９に接合されている。樹脂層１１としては、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂のような絶縁樹脂を用いることができる。なお、樹脂層１１としては、波長変換前の発光素子５からの放射光が直接に漏れることを抑制するため、黒色のような有色の部材とすることが好ましい。

本実施形態の発光装置１は、基体３の上面および金属層７の上面からなる領域を平面視した場合に発光素子５を取り囲むように配設されたガラス層９を備えている。金属層７および樹脂層１１の熱膨張係数よりも熱膨張係数の小さいガラスからなる、このようなガラス層９を備えていることから、ガラス層９と金属層７の接合面およびガラス層９と樹脂層１１の接合面に内部応力を分散させることができるので、基体３と金属層７の接合面および枠体１３と樹脂層１１の接合面にそれぞれ生じる内部応力を小さくすることができる。

ガラス層９は、金属層７の上面の全体を被覆していることが好ましい。ガラス層９自体は透明であるので、金属層７における光の反射量を大きく低下させることなく、金属層７が露出して変性するとともに反射率が低下することを抑制することができるからである。

また、平面視した場合に、金属層７およびガラス層９の少なくとも一部が、枠体１３の内周面よりも内側に配設されていることが好ましい。本実施形態の発光装置１における金属層７は、発光素子５からの光を反射する反射部材および発光素子５に電気的に接続された電極部材１７であることから、金属層７の一部が、枠体１３の内周面よりも内側に位置している。

この枠体１３の内周面よりも内側に位置している金属層７の部分における基体３と金属層７の接合面に加わる内部応力を分散させるため、ガラス層９の少なくとも一部が、枠体１３の内周面よりも内側に配設されて、金属層７の、枠体１３の内周面よりも内側に位置している部分を被覆していることが好ましい。

また、枠体１３と樹脂層１１の接合面に加わる内部応力を小さくするとともにガラス層９と樹脂層１１の接合性を高めるため、樹脂層１１が、ガラス層９の上面内に配設されていることが好ましい。

また、図５に示すように、樹脂層１１が、ガラス層９の外側面に回り込んでいることが好ましい。樹脂層１１がガラス層９の外側面と接合していることによって、樹脂層１１とガラス層９との接合面積を増やすことができるので樹脂層１１とガラス層９との接合性を向上させることができる。さらに、単に接合面積が増えるだけでなく、ガラス層９の上面および外側面という２つの方向から樹脂層１１がガラス層９に接合されていることによって、ガラス層９の上面に平行な方向への内部応力だけでなく、ガラス層９の上面に垂直な方向への内部応力に対する耐久性を向上させることができる。

本実施形態の発光装置１は、基体３の上に位置して発光素子５を被覆する透光性の封止樹脂１９を備えている。このような封止樹脂１９は発光素子５が外気に触れて劣化することを抑制するとともに発光素子５が発する光に起因した熱を吸収し、封止樹脂１９の中にて拡散させる機能を備えている。

封止樹脂１９としては、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂のような透光性の絶縁樹脂が用いられる。また、封止樹脂１９の熱伝導率は、例えば０．１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。なお、本実施形態における封止樹脂１９は上面が平坦な形状となっているが、特にこれに限られるものではない。たとえば、上面が球曲面である形状であってもよい。

本実施形態の発光装置１は、枠体１３および封止樹脂１９の上に位置して封止樹脂１９を被覆するように配設された波長変換部材２１をさらに備えている。波長変換部材２１は、発光素子５から発せられる光が内部に入射して、内部に含有される蛍光体が励起されて、光を発するものである。

波長変換部材２１は、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂から成り、その樹脂中に、例えば４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の蛍光を発する青色蛍光体、例えば５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の蛍光を発する緑色蛍光体、例えば５４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の蛍光を発する黄色蛍光体、例えば５９０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の蛍光を発する赤色蛍光体が含有されている。

また、蛍光体は、波長変換部材２１の中に均一に分散するようにしている。なお、波長変換部材２１の熱伝導率は、例えば０．１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、波長変換部材２１の厚みは、例えば最も厚みの大きい部分が５ｍｍ以下であるとともに最も厚みの小さい部分が０．１ｍｍ以上に設定されている。

次に、上記実施形態にかかる発光装置１の製造方法について説明する。

まず、基体３および枠体１３を準備する。基体３および枠体１３が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得る。そして、基体３および枠体１３の型枠内に、混合物を充填して乾燥させた後、焼結前の基体３および枠体１３を取り出す。

次に、アルミニウムまたは銀のような反射率の高い金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合することで反射層１５となる金属ペーストを得る。また、タングステンまたはモリブデンのような導電性の良好な高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合することで電極部材１７となる金属ペーストを得る。

そして、取り出した基体３となるセラミックグリーンシートの上面の中央部にこれらの金属ペーストを所定パターンで印刷する。この金属ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートの上面における、発光素子５が配設される領域を囲むように環状にガラス層９を配設する。このように金属ペーストおよびガラス層９が配設された、セラミックグリーンシートを焼成する。このようにして、基体３、反射層１５、電極部材１７およびガラス層９を作製することができる。

なお、上記の製造方法においては金属ペーストを印刷することによって反射層１５および電極部材１７を作製していたが、特にこれに限られるものではない。たとえば、金属材料を基体３の上面に蒸着させることによって、反射層１５および電極部材１７を作製しても何ら問題ない。また、基体３の上面に配設された電極部材１７の表面に、酸化防止用にめっき層を形成してもよい。

そして、発光素子５を電極部材１７にフリップチップ実装することによって、発光素子５と電極部材１７とを電気的に接続する。

枠体１３は、所望の温度で焼結されて多孔質の焼結体とされるとともに、シリコーン樹脂からなる樹脂層１１によってガラス層９の上面に発光素子５を取り囲むように接着される。そして、枠体１３で囲まれた領域に、例えばシリコーン樹脂を充填して、シリコーン樹脂を硬化させることで、封止樹脂１９を形成する。

次に、波長変換部材２１を準備する。波長変換部材２１は、未硬化の樹脂に蛍光体を混合して、例えば、未硬化の波長変換部材２１を型枠に充填し、硬化して取り出すことによって、得ることができる。

上記の方法によって作製された波長変換部材２１を枠体１３の上に接着剤を介して接着する。その後、接着剤を硬化させることにより、接着剤を介して波長変換部材２１を封止樹脂１９または枠体１３の上に接着させることができる。以上により、上述の実施形態の発光装置１を作製することができる。

次に、一実施形態にかかる照明装置について説明する。

図６に示すように、本実施形態の照明装置１０１は、上記の実施形態に代表される発光装置１と、発光装置１が搭載される搭載板１０３と、発光装置１に通電する電気配線１０５と、発光装置１から出射される光を反射する光反射手段１０７とを備えている。

本実施形態の照明装置１０１における発光装置１は搭載板１０３上に載置される。このとき、図６に示すように、本実施形態の照明装置１０１は、下方を照明するように形成されているため、発光装置１は発光素子５が基体３よりも下方に位置するようにして、搭載板１０３上に載置される。本実施形態の照明装置１０１においては、電気配線１０５を通じて発光装置１に通電することにより、発光素子５が光を射出する。そして、光反射手段１０７により、上記射出された光を反射させることで所望の方向を照らす照明装置１０１として機能する。

照明装置１０１は、発光装置１を一つのみ備えていてもよく、また、図６に示すように、複数備えていても良い。また、発光装置１を複数備えている場合には、各発光装置１を電気配線１０５により、直列配置としても、並列配置としても良い。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。

１・・・発光装置
３・・・基体
５・・・発光素子
７・・・金属層
９・・・ガラス層
１１・・・樹脂層
１３・・・枠体
１５・・・反射層
１７・・・電極部材
１９・・・封止樹脂
２１・・・波長変換部材
１０１・・・照明装置
１０３・・・搭載板
１０５・・・電気配線
１０７・・・光反射手段

Claims (6)

1. セラミックスからなる基体と、
   該基体の上面に配設された発光素子と、
   前記基体の前記上面に配設された金属層と、
   前記基体の前記上面および前記金属層の上面からなる領域を平面視した場合に前記発光素子を取り囲むように配設されたガラス層と、
   セラミックスからなり、平面視した場合に前記発光素子を取り囲むように前記ガラス層上に位置する枠体と、
   前記ガラス層の上面および外側面と接合され、前記枠体との間に位置して前記ガラス層と前記枠体とを接合する樹脂層とを備えた発光装置。
2. 前記ガラス層が、前記金属層の前記上面の全体を被覆していることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 平面視した場合に、前記金属層および前記ガラス層の少なくとも一部が、前記枠体の内周面よりも内側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 前記枠体の前記下面の表面粗さが、前記基体の前記上面の表面粗さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
5. 前記樹脂層が、前記ガラス層の外側面に回り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光装置と、
   前記発光装置が搭載される搭載板と、
   前記発光装置に通電する電気配線と、
   前記発光装置から出射される光を反射する光反射手段とを備えた照明装置。
   

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