JP5750538B1

JP5750538B1 - Ｌｅｄ発光装置

Info

Publication number: JP5750538B1
Application number: JP2014178763A
Authority: JP
Inventors: 村上　昭二; 昭二村上; 正人島; 秀樹正岡; 朋樹安野
Original assignee: Shikoku Instrumentation Co Ltd
Current assignee: Shikoku Instrumentation Co Ltd
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: JP2016054176A

Abstract

【課題】透光性樹脂部の上面側と底面側とで温度差が大きくなり、基板と熱膨張の違い等により界面剥離やワイヤ断線が生じるという課題を解消できるＬＥＤ発光装置を提供する。【解決手段】基板２と、基板２上に形成されたダム４と、ダム４内に配置された複数個のＬＥＤベアチップ３と、ダム４内に充填された透光性樹脂部５と、配線層とを備えるＬＥＤ発光装置１において、透光性樹脂部５が、基板２上面と接し、蛍光体を含有する第一の樹脂層５１と、第一の樹脂層５１の上に形成され、蛍光体を含有しない第二の樹脂層５２とを備える。第一の樹脂層５１が、硬化時に蛍光体の沈降を防止する樹脂からなり、樹脂内で蛍光体が実質的に均一に分散されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＯＢ（Chip On Board）構造のＬＥＤ発光装置に関し、全光束が、例えば３〜１５万ルーメン（ｌｍ）の大光量ＬＥＤ発光装置に関する。

近年、発光部をＬＥＤ（Light Emitting Diode:発光ダイオード）に代替した照明器具が多数提案されている。ＬＥＤの実装方法としては、ＣＯＢ実装と、パッケージ実装とが知られている。ＣＯＢ実装は、例えば、表面にリード電極のパターンが金属膜で形成された平板形状の基板に、半導体素子を搭載してリード電極に電気的に接続し、樹脂で封止することにより行われる。

ＣＯＢ構造のＬＥＤ発光装置は、実装基板に搭載したＬＥＤ素子と実装基板上の配線とをワイヤボンディングあるいはフリップチップ実装で電気的に接続し、ＬＥＤ素子実装領域を透光性樹脂で封止して製造される。樹脂封止の前に、基板上の実装領域の周囲に環状の枠体を設けて、この枠体の内側に透光性樹脂を充填して封止した製造手法も知られている（例えば特許文献１）。

一般にＬＥＤパッケージは、ＬＥＤ素子やボンディングワイヤを保護するために蛍光体が混入された封止樹脂が設けられている構造である。この封止樹脂としては、例えば無溶媒で室温でも液状で流動し、１００〜１５０℃程度の温度で数時間の加熱で硬化する透明な液状熱硬化型のシリコーン樹脂が知られている。この封止樹脂には蛍光体が混入されており、例えば、青色ＬＥＤで白色を実現する場合は、黄色、黄色と赤色の二色、または緑と赤色の二色の蛍光体を用いて励起する。透光性樹脂中の蛍光体濃度が演色性に影響することが知られている。そして、混入された蛍光体の比重は、透光性のモールド部材に比べ大きいため、時間の経過と共にモールド部材の下方に沈降してしまうため、当初設計した演色性が得られないという問題が知られている。そこで、特許文献２では、本体がシリコーン樹脂からなるモールド部材に、蛍光物質の沈降を防止させるシリコーン微粒子として、モールド部材本体の比重に対して０．５〜１．１倍の比重を有すると共に、モールド部材本体の弾性率より弾性率が低く、かつモールド部材本体との屈折率差が±５０％以内である、平均粒径が０．１〜１００μｍのシリコーンゴム球状微粒子にポリオルガノシルセスキオキサン樹脂を被覆してなるコア−シェル型のシリコーン微粒子を分散させたＬＥＤ発光装置が提案されている。

ところで、昨今、ＬＥＤ発光装置の大光量化の要請がある。しかし、多数のＬＥＤチップを基板にＣＯＢ実装するに際し、ガラスエポキシ樹脂のような熱伝導性が低い材料からなる基板を用いると、放熱性の悪くなる発光中心部の光量が特に低下するドーナツ化現象が生じるという課題がある。そこで、出願人等は、特許文献３において、少なくとも表面が金属である基板の表面に平均粒径が数ｎｍ〜数百ｎｍであるＳｉＯ_２粒子及び白色無機顔料を含む液材を塗布し、焼成することにより、白色絶縁層と金属層の積層構造を形成することにより、ドーナツ化現象を解決することができる半導体装置を提案した。

特開２００９−１６４１５７号公報特許第４５９１６９０号公報特許第５４５６２０９号公報

ＬＥＤ発光装置においては、温度と寿命との間に相関関係があるため、効率よい放熱構造を採用することが重要である。ここで、発熱源としてはＬＥＤ素子が一次的には重要となるが、透光性樹脂中の蛍光体も光と共に熱を発するため、蛍光体からの発熱を効率よく放熱することも重要である。
発明者は、熱を基板から逃がす構造のＬＥＤ発光装置においては、蛍光体を含有する透光性樹脂部の上面側と底面側とで温度差が大きくなり、基板との熱膨張の違い等により界面剥離やワイヤ断線が生じるという課題があることを発見した。かかる温度差は、ＬＥＤ発光装置の寿命にも影響すると推察される。

そこで、本発明は、上記課題が解消されたＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、透光性樹脂の上面側の蛍光体濃度を低くする濃度勾配を設けることが考えられる。しかしながら、蛍光体を含んだ樹脂の充填後、オーブンで硬化させるまでの時間や雰囲気環境等の条件を緻密に制御しないと蛍光体の沈降量が変わり、色調や光量のバラツキが生じるという課題があった。また、水平度のバラツキによっても蛍光体の沈降量が変わるため水平微調整が可能な高価な加熱装置が必要であるという課題があった。そのため、蛍光体の分布に濃度勾配を設ける手法には、製造コストが高止まりするという課題があり、特にＬＥＤ素子を多数個ＣＯＢ実装した発光装置において顕著であった。

発明者は、蛍光体を含有する第一の樹脂層を基板上面と接して設け、第一の樹脂層の上に蛍光体を含有しない第二の樹脂層を設けることにより、基板との熱膨張等の違いによる界面剥離の課題を解決することを可能とした。すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。

本発明のＬＥＤ発光装置は、基板と、基板上に形成されたダムと、ダム内に配置された複数個のＬＥＤベアチップと、ダム内に充填された透光性樹脂部と、配線層とを備えるＬＥＤ発光装置において、前記透光性樹脂部が、基板上面と接し、蛍光体を含有する第一の樹脂層と、第一の樹脂層の上に形成され、蛍光体を含有しない第二の樹脂層とを備えることを特徴とする。
上記ＬＥＤ発光装置において、前記第一の樹脂層が、硬化時に蛍光体の沈降を防止する樹脂からなり、当該樹脂内で蛍光体が実質的に均一に分散されていることを特徴とすることが好ましく、ここでより好ましくは前記第一の樹脂層が、蛍光体と比重が実質的に同等の分散剤を含有する樹脂からなることを特徴とする。
上記ＬＥＤ発光装置において、前記ＬＥＤベアチップが、ＣＯＢ実装された１００個以上のＬＥＤベアチップからなることを特徴としてもよい。
上記ＬＥＤ発光装置において、前記第一の樹脂層が、前記第二の樹脂層よりも肉薄であることを特徴としてもよく、ここでより好ましくは前記ＬＥＤベアチップの少なくとも一部が、前記配線層とワイヤでボンディングされており、前記第一の樹脂層が、前記ワイヤが前記第一の樹脂層に僅かに埋もれる厚みに構成されることを特徴とし、さらに好ましくは前記第一の樹脂層の厚みが４００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、蛍光体を含有する透光性樹脂部の上面側と底面側とで生じる温度差を従来よりも小さくすることが可能となるので、熱膨張の違い等による界面剥離やワイヤ断線の課題を解決することができる。

第一実施形態例に係るＬＥＤ発光装置の側面断面図である。サンプルＡ〜Ｇの評価方法を説明する側面断面図である。第二実施形態例に係るＬＥＤ発光装置の平面図である。

本発明のＬＥＤ照明モジュールは、多数個（例えば１００〜２０００個）の数Ｗクラス（例えば、０．５〜４Ｗ）のＬＥＤベアチップ（ＬＥＤダイス）をＣＯＢ実装し、数百Ｗ以上（例えば、２００〜１０００Ｗ）の光源を構成するものである。このＬＥＤ照明モジュールは、後述するように、ヒートスプレッダを介して実装基板の裏面からヒートシンクに放熱する構造を設け、リフクレタ（および／またはレンズ）を取り付けてＬＥＤ照明装置を構成する。以下、例示に基づき本発明を説明する。

［第一実施形態例］
図１は、第一実施形態例に係るＬＥＤ発光装置１の側面断面図である。このＬＥＤ発光装置１は、実装基板２と、多数個のＬＥＤベアチップ３と、ダム材４と、透光性樹脂部５とを備えている。
実装基板２は、ドーナツ化現象が生じない熱伝導性に優れる材料であり、例えば、銅板またはアルミ板により構成される。実装基板２は少なくとも表面が金属材料からなるものであれば足り、例えば表面が銅からなる水冷構造のヒートスプレッダ（上板、中板、下板の３種類の銅板からなる積層構造体）を用いてもよい。実装基板２のＬＥＤ実装領域の表面には、反射層（図示せず）が形成されており、ＬＥＤベアチップ３からの発光を図示の上方向に反射する。この反射層は、例えば、銀めっき層、或いは、白色無機粉末（白色無機顔料）と二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を主要な成分とし、有機リン酸を含むジエチレングリコールモノブチルエーテルの溶剤でこれらを混ぜたインクを塗布、焼成して形成される無機系白色絶縁層である。

ＬＥＤベアチップ３は、例えば窒化ガリウム系半導体を用いたＬＥＤ素子であり、ピーク発光波長は４５０〜４６２．５ｎｍである。ＬＥＤベアチップ３は実装基板２にＣＯＢ実装されており、図示の上方向（実装基板２と反対方向）に光を発する。ＬＥＤベアチップ３の底面は高熱伝導性接着材、半田接続等により実装基板２の上面に固着されている。実装基板２の上面に熱伝導性が基板本体よりも悪い反射層が形成されている場合には、基板本体が露出する凹状の載置部または基板本体と実質的に同等以上の熱伝導率を有する凸状の載置部を設け、この載置部とＬＥＤベアチップ３の底面とを当接させるようにしてもよい。隣り合うＬＥＤベアチップ３はワイヤ７でワイヤボンディング接続されており、端部に位置するＬＥＤベアチップ３は実装基板２上の配線層ともワイヤボンディングされている。

実装基板２のＬＥＤ実装領域には、同一仕様のＬＥＤベアチップ３が多数個配置される。１０〜数十個のＬＥＤベアチップ３を直列接続してなるＬＥＤモジュールを数個〜数十個設け、各ＬＥＤモジュールを並列に接続する。各ＬＥＤモジュールで直列に接続されたＬＥＤベアチップ３の配置間隔は実質的に等間隔であり、金ワイヤでワイヤボンディング接続されている。
実装基板２のＬＥＤ実装領域は、少なくとも表面に光反射性が付与されたダム材４により囲まれている。ダム材４は、製造時において封止樹脂の流動を防ぐもので、樹脂や金属材料などで構成する。ダム材４の内側には、透光性樹脂を充填および硬化してなる透光性樹脂部５が設けられている。

透光性樹脂部５は、蛍光体を含有する第一の樹脂層５１と、蛍光体を含有しない第二の樹脂層５２とから構成される。第一の樹脂層５１と第二の樹脂層５２とは、いずれも上面および底面がフラットに構成されている。第一の樹脂層５１および第二の樹脂層５２のベース材料は、例えば、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂である。第一の樹脂層５１には、所望の発光色を得るための蛍光体が含有されており、例えば、ＬＥＤチップが紫外ＬＥＤであり蛍光体が青・緑・赤の混合体である場合、ＬＥＤチップが青色ＬＥＤであり蛍光体が緑・赤の混合体である場合、ＬＥＤチップが青色ＬＥＤであり蛍光体が黄のみの場合、または、黄・赤の混合体である場合が開示される。本発明の蛍光体には、窒化物系、酸窒化物系、酸化物系、硫化物系の蛍光体が含まれ、いわゆるＹＡＧ、ＬｕＡＧ、ＳＣＡＳＮ、ＣＡＳＮと呼称される蛍光体も含まれる。

好ましい態様の第一の樹脂層５１は、蛍光体の沈降を防止する樹脂（例えば、蛍光体と比重が実質的に同等の分散剤を含有する樹脂）からなり、当該樹脂内で蛍光体が実質的に均一に分散された状態が長時間（例えば、４時間以上）にわたり維持される。このような樹脂からなる第一の樹脂層５１では、樹脂充填後の放置時間や加熱硬化時間等の微細な制御を行うことなくチップ上の蛍光体量を安定化することができ、また、樹脂硬化の際に多少の傾きがあっても樹脂の粘性により蛍光体の分布に問題のある偏りは生じない。

第一の樹脂層５１の厚みは、放熱性を向上させるためにできるだけ薄く構成することが好ましい。他方で、第一の樹脂層５１の厚みが薄すぎると蛍光体量が少なくなり、所望の色調や光量を得られなくなる。好ましくは、第一の樹脂層５１を前記ワイヤが第一の樹脂層に僅かに埋もれる厚みであって、第一の樹脂層５１の上面がワイヤの高さと実質的に同じ高さとなる厚みに構成することが開示される。別の観点からは、好ましくは第一の樹脂層５１の厚みを４００μｍ以下とすること、より好ましくは５０μｍ〜３５０μｍとすること、さらに好ましくは１００μｍ〜３００μｍとすることが開示される。

第二の樹脂層５２は、第二の樹脂層５２の上面がダム４の上面と実質的に同じ高さになるように（すなわち、フラットに）形成される（図１参照）。好ましい態様の第二の樹脂層５２は、第一の樹脂層５１のベース材料と同じベース材料により構成する。第一の樹脂層５１および第二の樹脂層５２の屈曲率の違いによる界面反射や熱膨張率の違いによる界面剥離の問題が生じ難いからである。蛍光体を含有しない第二の樹脂層５２では蛍光体からの発熱は生じないため、実装基板２への放熱作用は弱いが、気中への放熱により表面温度は相対的に低く保たれる。第二の樹脂層５２の厚みは、例えば第一の樹脂層５１の厚みの０．５〜１０倍であり、好ましくは１．１〜３倍である。

異なる構造の透過性樹脂層を有するＬＥＤ発光装置Ａ〜Ｇにおける表面温度と基板温度の測定結果を実験した。サンプルＡ〜Ｅは比較例であり、サンプルＦ〜Ｇは本発明の実施例である。実験結果を表１に示す。
［表１］

サンプルＡは単層７００μｍ厚の透光性樹脂部５を有し、ＬＥＤベアチップ側の濃度が濃く、表面側の濃度が薄くなるように濃度勾配を設けている。
サンプルＢは単層７００μｍ厚の透光性樹脂部５を有し、蛍光体が実質的に均等に分散するように分散剤を導入している。
サンプルＣは単層４００μｍ厚の透光性樹脂部５を有し、蛍光体が実質的に均等に分散するように分散剤を導入している。
サンプルＤは単層３００μｍ厚の透光性樹脂部５を有し、蛍光体が実質的に均等に分散するように分散剤を導入している。

サンプルＥは４５０μｍ厚の第一の樹脂層５１と２５０μｍ厚の第二の樹脂層５２とを有し、第一の樹脂層５１は蛍光体を含有しない透明の樹脂層により構成し、蛍光体を含有する第二の樹脂層５２においてサンプルＡと同様の濃度勾配を設けている。
サンプルＦは２００μｍ厚の第一の樹脂層５１と５００μｍ厚の第二の樹脂層５２とを有し、蛍光体を含有する第一の樹脂層５１はサンプルＢと同様の分散剤を導入し、第二の樹脂層５２は蛍光体を含有しない透明の樹脂層により構成している。
サンプルＧは３００μｍ厚の第一の樹脂層５１と４００μｍ厚の第二の樹脂層５２とを有し、蛍光体を含有する第一の樹脂層５１はサンプルＢと同様の分散剤を導入し、第二の樹脂層５２は蛍光体を含有しない透明の樹脂層により構成している。

サンプルＡ〜Ｇにおいては、透光性樹脂部５（第一および第二の樹脂層）のベース材料にはいずれもシリコーン樹脂を用い、蛍光体はいずれも黄と赤の二色を用いた。
実装基板２のＬＥＤ実装領域（７０ｍｍ×７０ｍｍ）には、１６６６個の同一仕様のＬＥＤベアチップ３が配置され、発光出力は６００Ｗである。１６６６個のＬＥＤベアチップ３は全て同一の仕様であり、１７直列×９８並列の配線パターンで接続されている。直列に接続された１７個のＬＥＤベアチップ３の配置間隔は実質的に等間隔であり、金ワイヤでワイヤボンディング接続されている。ＬＥＤベアチップ３の最大定格電流は２４０ｍＡであり、順電流が１２０ｍＡの場合の順電圧は３Ｖ、発光出力は３６０ｍＷである。

実装基板２は銅製の薄型ヒートパイプからなり、図２に示すように、裏面にはヒートシンク８が固着されている。自然空冷型のヒートシンク８には中央部分に開口が設けられており、当該開口にはＫ型熱電対１１が設けられており、実装基板２の温度を測定することが可能となっている。透光性樹脂部５の表面側には、サーモカメラ１２が設置されており、透光性樹脂部５の表面温度を測定することが可能となっている。
なお、図２では、透光性樹脂部５がサンプルＧの態様で図示されているが、他のサンプルにおいても同じ条件で評価を行っている。

サンプルＡ〜Ｇの評価結果について説明する。
透光性樹脂部５の表面温度と実装基板２の温度との差（以下、「温度差Ｄ」という。）は、サンプルＡでは３６．７度、サンプルＢでは５８度、サンプルＣでは４３．７度、サンプルＤでは３４．４度となった。
サンプルＡ〜Ｄの評価結果から、蛍光体の分布に濃度勾配を設けた方が温度差Ｄが小さくなることが確認できた。また、温度差Ｄは、透光性樹脂部５の厚みが厚くなるほど顕著になることが確認できた。

温度差Ｄは、サンプルＥでは６９．３度、サンプルＦでは２５．２度、サンプルＧでは３１度となった。透光性樹脂部５を二層構造とし、ＬＥＤベアチップ３側の層にのみ蛍光体を含有させることにより、温度差Ｄを小さくできることが確認できた。また、蛍光体を含有する第一の樹脂層５１の厚みが蛍光体を含有しない第二の樹脂層５２よりも薄くなるほど温度差は小さくなることが確認できた。

以上の実験結果より、透光性樹脂部５を蛍光体を含有する第一の樹脂層５１と、蛍光体を含有しない第二の樹脂層５２とから構成することにより、単層の透光性樹脂５に蛍光体を沈降させて濃度勾配を設けた場合と同様の温度差Ｄを実現できることが確認できた。

［第二実施形態例］
図３は、図１のＬＥＤ発光装置を応用したＬＥＤ発光装置１０の平面図である。実装基板２は銅製の薄型ヒートパイプからなる。１，６６６個のＬＥＤベアチップ３は全て同一の仕様であり、１７直列×９８並列の配線パターンで接続されている。直列に接続された３７個のＬＥＤベアチップ３の配置間隔は実質的に等間隔であり、金ワイヤ７でワイヤボンディング接続されている。ＬＥＤベアチップ３の最大定格電流は２４０ｍＡであり、順電流が１２０ｍＡの場合の順電圧は３．０Ｖ、発光出力は３６０ｍＷである。各ＬＥＤベアチップ３は、ＬＥＤ実装領域の外側に設けられた外部電極端子１８ａ〜１８ｈと電気的に接続されている。

外部電極端子１８ａ〜１８ｄと外部電極端子１８ｅ〜１８ｈとは分離線２１を挟んで線対称に配置されており、外部電極端子１８ａ，１８ｃ，１８ｅ，１８ｇと外部電極端子１８ｂ，１８ｄ，１８ｆ，１８ｈとは横断方向中心線２３を挟んで線対称に配置されている。保護ダイオード装置１９は、ペアとなる外部電極端子１８を電気的に接続する逆流防止装置であり、ペアとなる外部電極端子間に逆電圧がかかったときに、ＬＥＤチップ群に逆電圧が印加され破壊されることを防止する。

第二実施形態例においても、透光性樹脂部５は、蛍光体を含有する第一の樹脂層５１と、蛍光体を含有しない第二の樹脂層５２とから構成されている。透光性樹脂部５（第一および第二の樹脂層）のベース材料にはいずれもシリコーン樹脂を用い、蛍光体はいずれも黄と赤の二色を用いた。第一の樹脂層５１は、蛍光体と比重が実質的に同等の分散剤を含有している。その他の構成は、第一実施形態例と同様である。第二実施形態例においても、単層の透光性樹脂５に蛍光体を沈降させて濃度勾配を設けた場合と同様の温度差Ｄを実現できることが確認できた。

以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

１発光装置
２実装基板
３ＬＥＤベアチップ
４ダム材
５透光性樹脂部
５１第一の樹脂層
５２第二の樹脂層
７ワイヤ
８ヒートシンク
１０発光装置
１１熱電対
１２サーモカメラ
１８外部電極端子
１９保護ダイオード装置
２１分離線
２３横断方向中心線

Claims

基板と、基板上に形成されたダムと、ダム内に配置され、同一平面にＣＯＢ実装された１００個以上のＬＥＤベアチップと、ダム内に充填された透光性樹脂部と、配線層とを備えるＬＥＤ発光装置であって、
前記透光性樹脂部が、基板上面と接し、蛍光体を含有する第一の樹脂層と、第一の樹脂層の上に形成され、蛍光体を含有しない第二の樹脂層とを備え、
前記第一の樹脂層の厚みが４００μｍ以下であり、
前記第一の樹脂層が、蛍光体と比重が実質的に同等の分散剤を含有し、硬化時に蛍光体の沈降を防止する樹脂からなり、当該樹脂内で蛍光体が実質的に均一に分散されている
ことを特徴とするＬＥＤ発光装置。
前記第一の樹脂層が、前記第二の樹脂層よりも肉薄であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
前記ＬＥＤベアチップの少なくとも一部が、前記配線層とワイヤでボンディングされており、
前記第一の樹脂層が、前記ワイヤが前記第一の樹脂層に僅かに埋もれる厚みに構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤ発光装置。