JP5697091B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は蛍光体含有樹脂を被覆したＬＥＤ発光装置に関するものであり、詳しくは青色ＬＥＤと波長変換粒子を混入した蛍光体含有樹脂とを組み合わせた白色発光装置におけるイエローリングを解消した半導体発光装置に関する。

近年、半導体素子であるＬＥＤ素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。

特にＬＥＤ素子と波長変換粒子を混入した蛍光体含有樹脂による白色発光装置として、青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体との組み合わせによる白色発光装置が開発されるに至り、これらの白色発光装置として色々な提案がされている（例えば特許文献１、特許文献２）。

以下、特許文献1における従来のＬＥＤ発光装置について説明する。図１２は、特許文献１におけるＬＥＤ発光装置の断面図であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲において図面の簡素化を行い、部品名称も本発明と同じにしている。図１２においてＬＥＤ発光装置１００は複数のＬＥＤ１０１を実装したサブマウント基板１１２を放熱用の金属ベース１１１に搭載している。そしてサブマウント基板１１２の周囲には電源供給端子を有する配線電極１０３が設けられ、サブマウント基板１１２上で直並列に接続された（図示せず）複数のＬＥＤ１０１の端部はワイヤー１０４によって配線電極１０３に接続されている。さらにサブマウント基板１１２上のＬＥＤ１０１群及びワイヤー１０４は蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂１０５によって被覆されている。

上記構成におけるＬＥＤ発光装置１００は、ＬＥＤ１０１として青色ＬＥＤを用い、蛍光体含有樹脂１０５には波長変換部材としてＹＡＧ蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂を事例として説明する。前記ＬＥＤ発光装置１００は配線電極１０３に設けられた電源供給端子に電源を供給すると、青色ＬＥＤ１０１の青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色による疑似白色光を放射する。

図１３は、特許文献２におけるＬＥＤ発光装置の断面図であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲において図面の簡素化を行い、部品名称も本発明と同じにしている。図１３においてＬＥＤ発光装置２００は２本のリード２０３ａ，２０３ｂの一方のリード２０３ａにＬＥＤ２０１を搭載し、ＬＥＤ２０１の２個の電極をワイヤー２０４によって、それぞれ２本のリード２０３ａ，２０３ｂに接続している。さらにＬＥＤ２０１と２本のリード２０３ａ，２０３ｂの実装部分を透明樹脂２０６で砲弾形に被覆し、砲弾形の透明樹脂２０６の表面に一定厚みを有する蛍光体含有樹脂２０５のキャップで被覆している。

ＬＥＤ発光装置２００もＬＥＤ２０１として青色ＬＥＤを用い、蛍光体含有樹脂２０５には波長変換部材としてＹＡＧ蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂を事例として説明する。前記２本のリード２０３ａ，２０３ｂの透明樹脂２０６より突出した部分を電源供給端子とし、この電源供給端子に電源を供給すると、ＬＥＤ発光装置２００は青色ＬＥＤ２０１の青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色による疑似白色光を放射する。

特開２０１０−１７０９４５号公報（図６参照） 特開平１０−２００１６５号公報（図1参照）

上記ＬＥＤとして青色ＬＥＤを用い、蛍光体含有樹脂には波長変換部材としてＹＡＧ蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂を用いて、青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色による疑似白色光を放射するＬＥＤ発光装置においては、以下のことが要求されている。
明るい放射光を得るために放熱特性が良く、形状的には薄型化されていること、さらに発光色度を良くするために蛍光体含有樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングを解消することである。

このイエローリングの発生理由に付いて図１４、図１５を用いて説明する。図１４は図１２に示すＬＥＤ発光装置１００の放射光の状態を示した断面図であり、構成は図１２のＬＥＤ発光装置１００と同じなので、重複する説明は省略する。すなわち青色のＬＥＤ１０１から上方に出射される出射光Ｐｈは矩形形状に被覆された蛍光体含有樹脂１０５を通過する距離が短いので、青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色が適切に行われ、白色に近い放射光となる。これに対しＬＥＤ１０１から斜め横方向に出射される出射光Ｐｙは蛍光体含有樹脂１０５を通過する距離が長くなるので、ＹＡＧ蛍光粒子との衝突回数が多くなり、黄色味を帯びた出射光となる。

この状態を示したのが図１５である。すなわち図１５は図１４における蛍光体含有樹脂１０５の部分の上面図であり、その中央部分は白色光Ｐｈが出射されているが、周辺部分は黄色味を帯びた黄色光Ｐｙがリング状に出射されている。この周辺のリング状の黄色光Ｐｙがイエローリングであり、照明装置としても見難いばかりでなく、カメラのフラッシュに使用する場合には、カラー写真に色変化が生じるため致命傷となる。

上記疑似白色光を放射するＬＥＤ発光装置における、３つの条件を考慮すると、図１２に示すＬＥＤ発光装置１００は、放熱特性と、薄型化の点についての条件は良いが、イエローリングが発生するという問題がある。また図１３に示すＬＥＤ発光装置２００は透明樹脂２０６の周囲に一定厚さの蛍光体含有樹脂層２０５が設けられているため、ＬＥＤ２０１の放射光が全ての方向で、一定厚さの蛍光体含有樹脂層２０５を通過するため、蛍光体含有樹脂層２０５を通過する距離が全ての方向で一定の短さとなり、青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色が適切に行われ、白色に近い放射光となり、イエローリングの解消がなされている。しかし形状が砲弾型になっているため、放熱特性や薄型化の点において問題がある。

本発明の目的は上記問題点を解決しようとするものであり、放熱特性が良く、形状的に薄型化が達成されると同時に、蛍光体含有樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングの解消を行ったＬＥＤ発光装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明における構成は、複数の半導体発光素子を、サブマウント基板に実装した発光素子群と、開口を有する回路基板と、概回路基板の下面に積層した金属ベースを備え、前記回路基板の開口内に前記発光素子群を実装したサブマウント基板を配設すると共に、前記回路基板上の開口の外側に封止枠を設けて、前記発光素子群を蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂で充填封止する半導体発光装置において、前記回路基板の開口を前記サブマウント基板より大きく形成することによって、前記回路基板の開口の内縁と前記サブマウント基板の外縁との間に所定の幅を有する凹部を形成し、前記充填封止された蛍光体含有樹脂に混入された蛍光粒子を前記凹部内に沈殿させることにより、前記発光素子群の斜め横方向の蛍光体の濃度を下げたことを特徴とする。

上記構成によれば、開口を有する回路基板を金属ベースに積層し、前記回路基板の開口内に発光素子群を実装したサブマウント基板を配設すると共に、前記回路基板上の開口の外側に封止枠を設けて、前記発光素子群を蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂で充填封止する構成において、前記回路基板の開口の内縁と前記サブマウント基板の外縁との間に所定の幅を有する凹部を形成し、前記充填封止された蛍光体含有樹脂に混入された蛍光粒子を前記凹部内に沈殿させることにより、前記発光素子群の斜め横方向の蛍光体の濃度を下げたので、放熱特性が良く、形状的に薄型化が達成されると同時に、蛍光体含有樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングの解消を行うことができた。

前記サブマウント基板にセラミック基板等の絶縁性基板を使用し、前記絶縁性基板の上面に実装された複数の半導体発光素子をフリップチップボディングすると良い。

上記の如く本発明によれば、開口を有する回路基板を金属ベースに積層し、前記回路基板の開口内に発光素子群を実装したサブマウント基板を配設すると共に、前記回路基板上の開口の外側に封止枠を設けて、前記発光素子群を蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂で充填封止する構成において、前記回路基板の開口の内縁と前記サブマウント基板の外縁との間に所定の幅を有する凹部を形成し、前記充填封止された蛍光体含有樹脂に混入された蛍光粒子を前記凹部内に沈殿させることにより、前記発光素子群の斜め横方向の蛍光粒子の濃度を薄くしたので、放熱特性が良く、形状的に薄型化が達成されると同時に、蛍光体含有樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置を提供できる。

本発明におけるＬＥＤ発光装置の第１実施形態を示す平面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置のＡ−Ａ断面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置の金属基板の平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置の回路基板の平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図４に示す回路基板に、配線電極の一部をのこして反射層を形成し、封止枠を取り付けた状態を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図５に示す回路基板の裏面に図３に示す金属板を積層した状態を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図１に示すＬＲＤブロックの拡大平面図及びＡ−Ａ断面図である。 図６に示す回路基板に図７に示すＬＥＤブロックを実装した状態を示す平面 図及び各断面図である。 図８（ｂ）に示す完成ＬＥＤ発光装置１０の蛍光体含有樹脂５の蛍光粒子５ ａが沈殿した状態を示す断面図である。 図９に示すＬＥＤ発光装置の点線で示すＢ部分の拡大断面図である。 本発明におけるＬＥＤ発光装置の第２実施形態を示す断面図である。 引用文献１に示す従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。 引用文献２に示す従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。 図１３に示す従来のＬＥＤ発光装置の発光状態を示す断面図である。 図１４に示す蛍光体含有樹脂面の発光状態を示す平面図である。

（第１実施形態）
以下図面により、本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を説明する。
図１から図１０は第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の構成を示すものであり、図１はＬＥＤ発光装置の蛍光体含有樹脂を充填する前の平面図を示し、図２は図１に示すＬＥＤ発光装置に蛍光体含有樹脂を充填した完成状態におけるＡ−Ａ断面図である。図１及び図２においてＬＥＤ発光装置１０の構成は後述する如く中心に実装開口２ａを有する回路基板２には、実装開口２ａの周辺に２個の接続電極３ａ，３ｂと、回路基板２の対角位置に２個の端子電極に３ｃ、３ｄを備えると共に、回路基板２の端子電極３ｃ，３ｄと逆の対角位置には２個の取付孔１６が設けられている。また回路基板２の上面側の接続電極３ａ，３ｂ、端子電極３ｃ，３ｄを除く全面には絶縁性の反射層７が形成され、さらに回路基板２の中心に設けられた実装開口２ａ周辺の接続電極３ａ，３ｂの外側に封止枠８が設けられている。

また回路基板２の下面には金属ベース１１が積層されており、前記回路基板２の実装開口２ａ内に露出した金属ベース１１には、複数のＬＥＤ１を実装したサブマウント基板１２より構成された発光素子群１３（以下ＬＥＤブロック１３とする）が配設されており、サブマウント基板１２の対角位置に設けられたサブマウント電極１２ａ、１２ｂが回路基板２に設けられた接続電極３ａ，３ｂにワイヤー４によって接続されている。この状態において図１に示す如く回路基板２の実装開口２ａをＬＥＤブロック１３を構成するサブマウント基板１２より十分に大きく形成しておくことにより、前記回路基板２の実装開口２ａの内縁と前記サブマウント基板１２の外縁との間に所定の幅Ｗを有する凹部１４が形成される。

次に、前記回路基板２の実装開口２ａの外側に設けられた封止枠８の内部に蛍光粒子５ａ（後述する図１０参照）を混入した蛍光体含有樹脂５を充填封止してＬＥＤ発光装置１０が完成する。このとき、回路基板２の実装開口２ａの内縁と前記サブマウント基板１２の外縁との間に所定の幅Ｗを有する凹部１４が形成されているため、前記充填封止された蛍光体含有樹脂５に混入された蛍光粒子５ａが前記凹部１４内に沈殿させることにより、梨地模様の濃淡で示す如くＬＥＤブロック１３の周囲に高濃度部分５ｃ（濃い梨地で示す）と低濃度部分５ｄ（薄い梨地で示す）の層を形成することができる。この蛍光粒子５ａの濃度を下げることの効果については後述する。

次の図３〜図８によりＬＥＤ発光装置１０を構成する各エレメント及び組み立て手順を説明する。図３は金属ベース１１を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す金属ベース１１のＡ−Ａ断面図である。金属ベース１１は放熱用のベース部材であり、図１のＬＥＤ発光装置１０に示す如く２個の取付孔１６を有する金属板である。

図４は回路基板２であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す回路基板２のＡ−Ａ断面図である。回路基板２はガラスエポキシ等の基板材料に銅箔を張り付けた胴張り樹脂基板であり、中心に実装開口２ａが設けられると共に、上面側の銅箔がエッチング加工により２個の接続電極３ａ，３ｂと２個の端子電極３ｃ，３ｄが２本の配線電極３ｅ、３ｆで接続されている。

図５は回路基板２の途中工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す回路基板２のＡ−Ａ断面図である。回路基板２の上面側の接続電極３ａ，３ｂ、端子電極３ｃ，３ｄを除く全面には絶縁性の反射層７が形成され、さらに回路基板２の中心に設けられた実装開口２ａ周辺の接続電極３ａ，３ｂの外側に封止枠８が設けられている。

図６は回路基板２と金属ベース１１の積層構成を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す回路基板２と金属ベース１１の積層体のＡ−Ａ断面図である。すなわち回路基板２の実装開口２ａの部分に積層された金属ベース１１の露出面がみえている。

図７はＬＥＤブロック１３の拡大図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示ＬＥＤブロック１３のＡ−Ａ断面図である。すなわちセラミック等の熱伝導性の良い絶縁材料で構成され、図示しない配線電極を有するサブマウント基板１２に複数のＬＥＤ１がフリップチップ実装によって直並列に接続さらており、電力を供給するための電源電極１２ａ，１２ｂが対角位置のコーナにもうけられている。

図８（ａ）は回路基板２の実装開口２ａに露出した金属ベース１１の露出面にＬＥＤブロック１３を実装した実装回路基板を示す平面図であり、図１に示すＬＥＤ発光装置１０の平面図と同じものであり、ワイヤー４によって回路基板２の接続電極３ａ，３ｂとサブマウント基板１２の電源電極１２ａ，１２ｂが接続された状態を示している。この回路基板２の接続電極３ａ，３ｂとサブマウント基板１２の電源電極１２ａ，１２ｂとの接続は、図８に示す如く回路基板２に設けられた円形の実装開口２ａの内部に矩形形状のサブマウント基板１２を配設し、サブマウント基板１２のコーナに電源電極１２ａ，１２ｂが設けられているので、ワイヤー４による回路基板２の接続電極３ａ，３ｂとサブマウント基板１２の電源電極１２ａ，１２ｂとの接続は最短距離の位置で行われることになる。なお、この状態ではまだ蛍光体含有樹脂５の充填は行われていない。
図８（ｂ）（ｃ）は（ａ）に示す実装回路基板に蛍光体含有樹脂５の充填を行ったＬＥＤ発光装置１０のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。

図９は図８（ｂ）に示す完成ＬＥＤ発光装置１０の蛍光体含有樹脂５の充填を行った後に、蛍光体含有樹脂５が硬化して行く過程において蛍光粒子５ａが凹部１４内に沈殿した状態を示す断面図であり、回路基板２の実装開口２ａに露出した金属ベース１１の露出面にＬＥＤブロック１３を実装した状態における実装開口２ａの内縁と、サブマウント基板１２の外縁との間に形成された凹部１４内に蛍光粒子５ａが沈殿することで、ＬＥＤブロック１３に実装された発光素子群の斜め横方向の蛍光粒子５ａの濃度が下がっていることを梨地模様の濃淡で示している。

図１０は図９に示す完成ＬＥＤ発光装置１０の部分拡大断面図であり、図９の点線で示したＢ部分の拡大断面を示している。すなわち封止枠８の内部に充填された蛍光体含有樹脂５の蛍光粒子５ａは（黒点で示す）硬化する過程において、全体として沈殿していくが、ＬＥＤ１の周辺の蛍光粒子５ａはＬＥＤ１の近傍に残るに対し、回路基板２の実装開口２ａとサブナウント基板１２によって構成された凹部１４の部分では、凹部１４内に蛍光粒子５ａが沈殿して高濃度部分５ｃ（濃い梨地で示す）と低濃度部分５ｄ（薄い梨地で示す）の層を形成するので、発光素子群の斜め横方向の蛍光粒子５ａの濃度が下がり、ＬＥＤブロック１３から斜め横方向に出射され出射光もＹＡＧ蛍光粒子５ａとの衝突の確率が減少することで、ＬＥＤ１から上方に出射される出射光と同様に、青色の放射光とＹＡＧ蛍光粒子５ａによって波長変換された黄色の放射光との混色が適切に行われ、全体として白色光Ｐｈに近い放射光となりイエローリングが解消される。

（第２実施形態）
図１１は本発明におけるＬＥＤ発光装置の第２実施形態を示す断面図であり、図２に示す第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と基本的構成は同じなので、同一要素には同一番号を付し、重複する説明は省略する。図１１に示す第２実施形態のＬＥＤ発光装置２０が第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、以下の点である。
第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０のＬＥＤブロック１３がサブナウント基板１２として絶縁性の基板を使用し、複数のＬＥＤ１をフリップチップ実装していたのに対し、第２実施形態のＬＥＤ発光装置２０はＬＥＤブロック２３のサブナウント基板２２として金属性の基板を使用し、複数のＬＥＤ１をフェースアップに実装すると共に、上面のＩＣ端子をワイヤー２４によって接続していることである。このＬＥＤ発光装置２０の構成ではサブナウント基板２２を金属で構成し、金属ベース１１に密着させているため、ＬＥＤ発光装置２０の放熱特性は著しく向上している。

上記の如く、本発明においては回路基板の実装開口とサブマウント基板との間に所定の幅を有する凹部を形成することで、蛍光体含有樹脂封止のＬＥＤ発光装置に特有なイエローリングを解消することができ、また回路基板の実装開口に露出した金属ベースにＬＥＤブロックを密着させることによって放熱特性の改善を同時に達成することができた。なお、本実施形態においては、回路基板に設けた円形の実装開口に矩形のサブマウント基板を用いたＬＥＤブロックを配設したが、これに限定されるものではなく、例えば円形のサブマウント基板を用いてリング状の凹部を形成しても良い。

１，１０１，２０１ ＬＥＤ
２，１０２，２０２ 回路基板
２ａ 実装開口
３， ３ａ，３ｂ，１０３ａ，１０３，２０３ａ，２０３ｂ 接続電極
３ｃ，３ｄ 端子電極
３ｅ，３ｆ，１０３，２０３ 配線電極
４，２４，１０４，２０４ ワイヤー
５，１０５，２０５ 蛍光体含有樹脂
５ａ 蛍光粒子
５ｃ 高濃度部分
５ｄ 低濃度部分
６，２０６ 透明樹脂
７ 反射層
８ 封止枠
１０，２０，１００，２００ ＬＥＤ発光装置
１１，１１１ 金属ベース
１２，２２，１１２ サブマウント基板
１２ａ，１２ｂ 電源電極
１３，２３ ＬＥＤブロック
１４ 凹部
１６ 取付孔
１０５ａ 白色光
１０５ｂ イエローリング

Claims (5)

1. 複数の半導体発光素子を、サブマウント基板に実装した発光素子群と、開口を有する回路基板と、該回路基板の下面に積層した金属ベースを備え、前記回路基板の開口内に前記発光素子群を実装したサブマウント基板を配設すると共に、前記回路基板上の開口の外側に封止枠を設けて、前記発光素子群を蛍光粒子を混入した蛍光体含有樹脂で充填封止する半導体発光装置において、前記回路基板の開口は円形形状で、前記サブマウント基板は四角形状であり、前記回路基板の開口をサブマウント基板より大きく形成することによって、前記回路基板の開口の内縁と前記サブマウント基板の外縁との間に所定の幅を有する凹部を形成し、前記充填封止された蛍光体含有樹脂に混入された蛍光粒子を前記凹部内に沈殿させることにより、前記発光素子群の斜め横方向の蛍光体の濃度を下げたことを特徴とする半導体発光装置。
   
2. 前記サブマウント基板に絶縁性基板を使用し、前記絶縁性基板の上面に四角形状に並べて実装された複数の半導体発光素子をフリップチップボンディングにて接続した請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記絶縁性基板がセラミック基板である請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記サブマウント基板に金属基板を使用し、前記金属基板の上面に四角形状に並べて実装された複数の半導体発光素子をワイヤーボンディングにて接続した請求項１に記載の半導体発光装置。
5. 前記回路基板の上面に反射層を形成した請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光装置。
   

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