JP5748575B2

JP5748575B2 - 発光装置

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Publication number: JP5748575B2
Application number: JP2011136135A
Authority: JP
Inventors: 草野　民男; 民男草野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-06-20
Also published as: JP2013004840A

Description

本発明は、発光素子を含む発光装置に関するものである。

近年、発光素子を有する発光装置の開発が進められている。当該発光装置は、消費電力または製品寿命に関して注目されている。なお、発光装置として、発光素子から発せられる光を波長変換部で特定の波長帯の光に変換して、外部に取り出すものがある（下記特許文献１参照）。

特開２００４−３４３１４９号公報

発光素子の開発において、発光素子の発光する光に起因して発生する熱が、波長変換部材の端部に集中すると、端部が接続個所から剥離する虞がある。

本発明は、波長変換部材を接続個所に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る発光装置は、基板と、前記基板上に設けられた発光素子と、前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲み、上端内側には段差が設けられた枠体と、前記枠体上に支持されるとともに前記発光素子と間を空けて設けられた、蛍光体を含有する波長変換部材とを備え、前記波長変換部材は、前記枠体に当接する端部が二層構造であって、前記端部の下層内には前記蛍光体が含有されておらず、前記下層の屈折率は、前記端部の上層の屈折率よりも小さく、前記端部が前記段差上に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、波長変換部材を接続個所に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置を提供することができる。

本実施形態に係る発光装置の概観を示す断面斜視図である。本実施形態に係る発光装置の断面図である。図２に示す発光装置の一部を拡大した拡大断面図である。本実施形態に係る発光装置の透過平面図である。一変形例に係る発光装置の断面図である。一変形例に係る発光装置の断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる発光装置の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとである。

＜発光装置の概略構成＞
図１は、本実施形態に係る発光装置１の概観斜視図であって、その一部を断面視している。図２は、図１に示す発光装置の断面図である。図３は、図２に示す発光装置の一部Ａ
を拡大した拡大断面図である。図４は、発光装置の透過平面図であって、波長変換部材および樹脂を取り除いた状態を示している。

発光装置１は、基板２と、基板２上に設けられた発光素子３と、基板２上に設けられた、発光素子３を取り囲む枠体４と、枠体４上に支持されるとともに発光素子３と間を空けて設けられた波長変換部材５とを備えている。なお、発光素子３は、例えば、発光ダイオードであって、半導体を用いたｐｎ接合中の電子と正孔が再結合することによって、外部に向かって光を放出する。

基板２は、絶縁性の基板であって、例えば、アルミナまたはムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。また、基板２は、基板２の熱膨張を調整することが可能な金属酸化物微粒子を分散させた高分子樹脂を用いることができる。

基板２は、基板２の内外を電気的に導通する配線導体が形成されている。配線導体は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガンまたは銅等の導電材料からなる。配線導体は、例えば、タングステン等の粉末に有機溶剤を添加して得た金属ペーストを、基板２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、複数のセラミックグリーンシートを積層して、焼成することにより得られる。なお、配線導体の表面には、酸化防止のために、例えば、ニッケルまたは金等の鍍金層が被着されている。

また、基板２の上面には、基板２上方に効率良く光を反射させるために、配線導体および鍍金層と間を空けて、例えば、アルミニウム、銀、金、銅またはプラチナ等の金属反射層を形成する。

発光素子３は、基板２上に実装される。発光素子３は、基板２上に形成される配線導体の表面に被着する鍍金層上に、例えば、ろう材または半田を介して電気的に接続される。

発光素子３は、透光性基体と、透光性基体上に形成される光半導体層とを有している。透光性基体は、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、或いは、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３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。

枠体４は、基板２と同一組成のセラミック材料から成り、基板２上面に積層されて一体焼成されている。枠体４は、基板２上の発光素子３を取り囲むように設けられている。なお、平面視して、枠体４の内壁面の形状を円形とすると、発光素子３が発光する光を全方
向に反射させて外部に放出することができる。また、枠体４は、基板２の上面に別体として接着されてもよい。

また、枠体４は、例えば、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料を所望の形状に形成して焼結された多孔質材料から構成されてもよい。その結果、枠体４は、発光素子３から発せられる光エネルギーによる反射率の低下や、機械的な強度劣化が抑制される。さらに、発光素子３からの光が、多孔質材料から成る枠体４の表面で拡散して反射される。よって、発光素子３から発せられる光は、波長変換部材５の一部に集中することなく、波長変換部材５に入射される。その結果、波長変換部材５は、波長変換部材５の一部が温度上昇することによる波長変換効率の低下や、波長変換部材５の一部が温度上昇することによる透過率や機械的強度の劣化が抑制される。

また、枠体４で囲まれる領域は、下部から上部に向かって幅広に傾斜するとともに、枠体４の上端内側には段差４ａが設けられている。また、枠体４の傾斜する内壁面には、例えば、タングステン、モリブデン、銅または銀等から成る金属層と、金属層を被覆するニッケルまたは金等から成る鍍金金属層が形成されてもよい。この鍍金金属層は、発光素子３の発する光を反射させる機能を有する。

また、枠体４の内壁面の傾斜角度は、基板２の上面に対して例えば５５度以上７０度以下の角度に設定されている。また、鍍金金属層の表面粗さは、算術平均粗さＲａが例えば、１μｍ以上３μｍ以下に設定されている。

枠体４の段差４ａは、波長変換部材５を支持するためのものである。段差４ａは、枠体４の上部の一部を内側に向けて切欠いたものであって、波長変換部材５の端部を支持することができる。なお、段差４ａの表面にまで、鍍金金属層が形成されてもよい。

枠体４で囲まれる領域に、光透過性の樹脂６が充填されている。樹脂６は、発光素子３を封止するとともに、発光素子３から発せられる光が透過する機能を備えている。樹脂６は、枠体４の内方に発光素子３を収容した状態で、枠体４で囲まれる領域であって、波長変換部材５が樹脂６によって枠体４に傾いて接合されないよう、段差４ａの高さ位置よりも低い位置まで充填される。なお、樹脂６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等の透光性の絶縁樹脂が用いられる。なお、樹脂６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。

波長変換部材５は、発光素子３の発する光の波長を変換する機能を有している。波長変換部材５は、枠体４と当接する端部が、下層５ａと上層５ｂの二層構造に形成されている。また、波長変換部材５の中央部５ｃは、波長変換部材５の端部の上層５ｂと同じ材料から構成されている。

波長変換部材５は、発光素子３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７が励起されて、光を発するものである。しかし、波長変換部材５の端部の下層５ａ内には、発光素子３の発する光の波長を変換する蛍光体７が含有されていない。

波長変換部材５の端部の下層５ａは、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂等からなる。また、波長変換部材５の端部の上層５ｂ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等から成り、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７は、端部の下層５ａを除いた波長変換部材５中に均一に分散するようにしている。なお、波長変換部材５の端部の下層５ｂ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５の中央部５ｃおよび波長変換部材５の端部の上層５ｂ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５の端部の下層５ａにおける屈折率は、例えば、１．３以上１．５以下に設定されている。また、波長変換部材５の端部の上層５ｂにおける屈折率は、例えば、１．４以上１．６以下に設定されている。そして、波長変換部材５は、下層５ａの屈折率が、上層５ｂの屈折率よりも小さく設定されている。例えば、波長変換部材５の下層５ａと上層５ｂとの材料を異ならせたり、材料の組成比を調整することで、波長変換部材５の端部の屈折率を調整することができる。

波長変換部材５は、枠体４上に支持されるとともに、発光素子３と間を空けて設けられている。また、波長変換部材５の端部は、枠体４の段差４ａ上に位置しており、枠体４によって波長変換部材５の端部側面が囲まれている。

また、波長変換部材５の全体の厚みは、例えば、０．７ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されており、且つ一定に設定されている。なお、波長変換部材５の端部は、下層５ａの厚みが、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定されている。また、上層５ｂの厚みが、例えば、０．２ｍｍ以上２．９ｍｍ以下に設定されている。そして、波長変換部材５の端部は、下層５ａの厚みと上層５ｂの厚みを足し合わせた厚みが、波長変換部材５の全体の厚みとなる。

ここで、厚みが一定とは、厚みの誤差が０．５μｍ以下のものを含む。波長変換部材５の厚みを一定にすることにより、波長変換部材５内で励起される光の量を一様になるように調整することができ、波長変換部材５における輝度ムラを抑制することができる。

枠体４の段差４ａ上に、波長変換部材５の端部が接合材８を介して固定されている。接合材８の熱伝導率は、波長変換部材５の熱伝導率よりも大きく設定されている。接合材８は、枠体４から波長変換部材５の端部上にかけて設けられている。そして、接合材８は、波長変換部材５の上面の端部位置から波長変換部材５の下面の端部位置にかけて形成される。また、接合材８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等の透光性の絶縁樹脂が用いられる。なお、接合材８の熱伝導率は、例えば、０．１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。接合材８の屈折率は、例えば、１．４以上１．６以下に設定されている。なお、接合材８の屈折率は、上層５ｂの屈折率より小さくてもよく、発光素子３や蛍光体７からの光が上層５ｂと接合材８との界面における屈折率差によって反射されることにより、段差４ａにおける反射損失の影響を小さくすることができる。

接合材８が波長変換部材５の下面のうち、断面視して、波長変換部材５の端部から枠体４の段差４ａより枠体４の中心側に向かって被着することで、接合材８が被着する面積を大きくし、枠体４と波長変換部材５とを強固に接続することができる。その結果、枠体４と波長変換部材５の接続強度を向上させることができ、波長変換部材５の撓みが抑制される。そして、発光素子３と波長変換部材５との間の光学距離が変動するのを効果的に抑制することができる。

また、接合材８の熱伝導率は、波長変換部材５の熱伝導率よりも大きく設定されている
。接合材８の熱伝導率を、波長変換部材５の熱伝導率よりも大きくすることで、波長変換部材５から枠体４に伝わる熱を接合材８を介して伝達しやすくすることができる。波長変換部材５には、発光素子３が発する光を蛍光体７によって波長変換する際の変換損失に起因した熱が発生し、この熱によって波長変換部材５の温度が上昇する。その熱を波長変換部材５から接合材８に吸収しやすくすることで、波長変換部材５が高温になるのを抑制することができる。波長変換部材５が高温になると、発光素子３の発する励起光によって励起される光の色温度が変化し、所望する色温度の光色になりにくくなるが、波長変換部材５の温度が高温になるのを抑制することで、所望する光色を取り出すことができる。

また、波長変換部材５は、端部の下層５ａには蛍光体７が含有されていないため、温度が上昇しにくくなっている。一方、端部の上層５ｂには蛍光体７が含有されているため、温度が端部の下層５ｂよりも上昇しやすいが、上層５ｂは発光装置１の外部に露出されているため、上層５ｂで発生した熱を外部に放散することができる。また、接合材８の熱伝導率が波長変換部材５の端部よりも大きいため、端部の上層５ｂで発生する熱を集中的に接合材８に吸収することができる。その結果、波長変換部材５の端部が高温になりにくくすることができ、波長変換部材５の端部が接合材８または枠体４から剥離するのを抑制することができる。そして、波長変換部材５を接続個所に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置１を提供することができる。

発光素子３からの光や波長変換部材５内で蛍光体７によって波長変換された光は、進行する方向によっては波長変換部材５の上面または下面にて内部に向かって繰り返し反射されて、波長変換部材５の端部に向かって進行することがある。波長変換部材５の端部の下層５ａの屈折率は、端部の上層５ｂの屈折率および中央部５ｃの屈折率よりも小さく設定されているため、波長変換部材５の端部の下層５ａには光が進入しにくくなる。波長変換部材５内では、光の一部が熱になって、波長変換部材５の温度が上昇するが、波長変換部材５の端部の下層５ａ内には光が進入しにくく、また、下層５ａには蛍光体７が含有されていないため、波長変換部材５の端部の下層５ａの温度が上昇するのを抑制することができる。その結果、枠体４の段差４ａと当接することがある下層５ａが熱膨張することで、接合材８または枠体４から剥離するのを効果的に抑制することができる。

接合材８の屈折率を波長変換部材５の屈折率よりも小さく設定した場合は、波長変換部材５から接合材８内にむかって光が進入しにくくすることができる。波長変換部材５から接合材８に向かって進行する光は、波長変換部材５と接合材８の界面にて反射されて、波長変換部材５に向かって反射される。その結果、波長変換部材５の中央部５ｃにて蛍光体７によって波長変換される光の量を多くすることができ、発光輝度を向上させることができる。

また、接合材８の屈折率を波長変換部材５の屈折率よりも大きく設定した場合は、接合材８が波長変換部材５の端部上に設けられることにより、波長変換部材５から接合材８内に向かって光が進行しやすくなり、波長変換部材５の端部上から接合材８を介して外部に放射される光の量を多くすることができ、発光輝度を向上させることができる。

また、波長変換部材５で波長変換された光は、波長変換部材５の上方に向かって進行させて外部に取り出される。そのため、波長変換部材５の下層５ａでなく、波長変換部材５の下層５ａよりも外部との距離が近い、波長変換部材５の端部の上層５ｂに蛍光体７を含有することで、波長変換部材５の端部の上層５ｂにて波長変換された光をすぐに外部に取り出すことができる。

また、波長変換部材５は、中央部５ｃを単層として、中央部５ｃに蛍光体７を万遍なく混入されている。中央部５ｃを単層として多くの蛍光体７を含有させることができ、中央
部５ｃを複数層として、その一層にのみ蛍光体７を含有させる場合に比べて、波長変換部材５の中央部５ｃでの波長変換効率を向上させることができる。

本実施形態によれば、波長変換部材５の端部において二層に構成するとともに、下層５ａ内に蛍光体７を含有させず、上層５ｂにのみ蛍光体７を含有させることで、波長変換部材５の端部において蛍光体７が光の波長を変換する際に発生する熱を低減することができ、波長変換部材５の端部が枠体４から剥離するのを抑制することができる。その結果、波長変換部材５を枠体４に対して良好に固着し続けることが可能な発光装置１を提供することができる。

なお、本発明は上述の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において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上述した実施形態によれば、波長変換部材５の端部のみを二層として、その下層５ａにのみ蛍光体７を含有させない構成としたが、製造工程を単純化する場合は、波長変換部材５全体を二層としてもよい。図５に示すように、波長変換部材５全体を二層として、蛍光体７が含有されない下層５ａと、蛍光体７が含有される上層５ｂとすることで、製造歩留まりを向上させることができる。また、図６に示すように、波長変換部材５の端部が、枠体４と全周にわたって当接する構成としてもよい。波長変換部材５の端部の下面を直接枠体４と当接させることで、波長変換部材５の熱を枠体４に伝達しやすくすることができ、枠体４に伝わった熱は外部に向かって放熱し、波長変換部材５の温度が上昇するのを効果的に抑制することができる。

また、段差４ａは、表面が拡散面に形成されてもよく、接合材８を介した波長変換部材５と枠体４との接合強度が向上されるとともに、下層５ａから接合材８を介して透過した発光素子３や蛍光体７からの光が段差４ａの表面で拡散反射される。その結果、段差４ａで拡散反射された光は下層５ａに集中せず、下層５ａは透過率や機械強度の低下が抑制される。

また、波長変換部材５は、下層４ａおよび上層４ｂの側面が上方向に広がる傾斜面に形成されてもよく、下層４ａおよび上層４ｂの側面で上方向に反射される蛍光体７からの光が増加する。その結果、発光装置１は、接合材８や段差４ａにおける光吸収や反射損失が抑制され、光出力を向上することができる。

また、下層４ａは、波長変換部材５の端部の全周にわたって形成されてもよく、発光素子３や蛍光体７からの光や、蛍光体７から発生する熱が下層４ａの一部に集中することが抑制される。その結果、下層４ａの一部に光や応力が集中することによる接合強度の低下や波長変換部材５の枠体４からの剥離が抑制される。

また、波長変換部材５の端部を二層に限定せずに、波長変換部材５を一層とし、波長変換部材５に含有される蛍光体を上部から下部に向かって漸次少なくなるようにしてもよい。波長変換部材５に含有される蛍光体の含有量は、波長変換部材５を作製するときに蛍光材量の散布量を徐々に多くするか、少なくするかして調整することができる。

＜発光装置の製造方法＞
ここで、図１に示す発光装置１の製造方法を説明する。まず、基板２を準備する。基板２が、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、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、混合物から複数のグリーンシートを作製する。

また、タングステンまたはモリブデン等の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して金属ペーストを得る。そして、基板２となるセラミックグリーンシートに配線導体となるメタライズパターンおよび必要に応じて枠体４を接合するためのメタライズパターンをそれぞれ所定パターンで印刷し、複数のセラミックグリーンシートを積層した状態で焼成することで、基板２を準備することができる。

枠体４を準備する。枠体４は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック材料を準備する。そして、枠体４の型枠内に、セラミック材料を充填して乾燥させた後に、焼成することで枠体４を準備することができる。この枠体４にも、基板２を接合する面に必要に応じてメタライズパターンを形成しておく。

次に、基板２上に、枠体４を、両者のメタライズパターン同士を例えば半田を介して接合することによって設ける。そして、基板２の上面であって枠体４で囲まれた領域に発光素子３を実装する。

そして、基板２上の枠体４で囲まれた領域に、例えば樹脂６としてのシリコーン樹脂を充填する。その後、例えば１５０℃以上の温度にシリコーン樹脂を熱して、シリコーン樹脂を硬化させることで、樹脂６を形成して発光素子３を封止する。

次に、波長変換部材５を準備する。波長変換部材５は、未硬化の樹脂に蛍光体７を混合して、例えばドクターブレード法、ダイコーター法、押し出し法、スピンコート法またはディップ法等のシート成形技術を用いて作製することができる。また、波長変換部材５は、未硬化の波長変換部材５を型枠に充填し、硬化して取り出すことによっても得ることができる。

具体的には、波長変換部材５の端部において、下層５ａがない形状の型枠を準備して、その型枠にて波長変換部材５の中央部５ｃと、波長変換部材５の端部の上層５ｂが一体となった部材を作製する。そして、この部材に対して、あいている下層５ａとなる部分に、蛍光体７が含有されていない樹脂を被着させ、当該樹脂を硬化させることで、波長変換部材５の端部の下層５ａを形成することができる。このようにして、端部が二層の波長変換部材５を作製することができる。

そして、準備した波長変換部材５の端部を枠体４の段差４ａ上に、接合材８としてのシリコーン樹脂を介して接着する。このようにして、発光装置１を製造することができる。

１発光装置
２基板
３発光素子
４枠体
４ａ段差
５波長変換部材
５ａ端部の下層
５ｂ端部の上層
５ｃ中央部
６樹脂
７蛍光体
８接合材

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた発光素子と、
前記基板上に設けられた、前記発光素子を取り囲み、上端内側には段差が設けられた枠体と、
前記枠体上に支持されるとともに前記発光素子と間を空けて設けられた、蛍光体を含有する波長変換部材とを備え、
前記波長変換部材は、前記枠体に当接する端部が二層構造であって、前記端部の下層内には前記蛍光体が含有されておらず、前記下層の屈折率は、前記端部の上層の屈折率よりも小さく、前記端部が前記段差上に位置していることを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、
前記枠体から前記波長変換部材の端部上にかけて、前記波長変換部材と前記枠体とを接合する接合材が設けられており、前記接合材の屈折率は、前記波長変換部材の前記端部の両層の屈折率よりも大きいことを特徴とする発光装置。
請求項１または請求項２に記載の発光装置であって、
前記波長変換部材の前記端部は、前記枠体に全周にわたって当接していることを特徴とする発光装置。