JP6173794B2 - 半導体発光装置およびそれを用いた照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置およびそれを用いた照明装置に関する。

ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子を備えた発光体を有する照明装置は、従来の白熱電球や蛍光灯などと比較して長寿命化、省エネルギ化を図ることができるため、近年注目が集まっている。一方、ＬＥＤは、光の直進性が強いことが知られており、照明機器として期待される光の放射性能を生み出すためには、ＬＥＤからの光の放射角を拡げたり狭くしたり、あるいは、途中の経路に拡散部材や反射部材や集光部材を配置して配光を制御する必要がある。とくに、ＬＥＤ電球、ＬＥＤシーリングライトなどの照明装置では、基板平面上にＬＥＤを配置して発光体を構成しており、ＬＥＤの発光面が基板の法線方向に向いているため基板の法線方向への光の放射量は多くなっている。これに対して、基板の水平方向への光の放射量は少なくなってしまう。そこで、光拡散材を含有した光透過性の樹脂で成形されたカバー材によって配光を制御し、基板の水平方向における照明装置の光の放射量を改善している。配光の改善方法の一つとして、基板上に側面発光型のＬＥＤを混載する方法がある。

そこで、このような技術に関連して、例えば特許文献１および特許文献２には、側面発光型ＬＥＤの構造が記載されている。

特開２００３−３７２９３号公報 特開２００９−２０６２２８号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の技術においては、サイドライト方式と呼ばれている導光板を用いた液晶バックライトユニット向けに導光板の端面の入光面に側面発光型ＬＥＤからの光を入光させるためにＬＥＤからの放射光の広がりを抑えている。したがって、照明装置の発光体に特許文献１，２に記載の側面発光型ＬＥＤを採用した場合には放射角が狭いために照明装置のカバー上での光ムラの原因となってしまう恐れがある。本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来よりも放射角を拡げた半導体発光装置および、それを用いて放射特性と光ムラを改善した照明装置を提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、基板に搭載される略直方体形状の本体と、該本体の外部に設けられた凹み部である第１キャビティと、第１キャビティの底面に載置される発光素子と、前記第１キャビティ周りの一部に設けられる壁部と、前記発光素子を覆い前記第１キャビティよりも盛り上がるように設けられる第１の封止樹脂と、前記第１の封止樹脂と前記壁部とで構成される凹みを埋め、かつ前記壁部寄りに盛り上がるように設けられる第２の封止樹脂と、を有し、前記本体は、前記第１キャビティの底面が前記基板と略垂直となり、かつ前記壁部が前記基板側に位置するように、前記基板に搭載されることにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。

本発明に拠れば、放射角を拡げた半導体発光装置、および、それを用いて放射特性と光ムラを改善した照明装置を提供することができる。

第１実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。 第１実施形態に係る樹脂塗布工程前の半導体発光装置の斜視図である。 従来の側面発光型の半導体発光装置の断面図である。 第１実施形態に係る第２の樹脂塗布工程前の半導体発光装置の断面図である。 第１実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。 第１実施形態に係る半導体発光装置を搭載した照明装置の側面図である。 （ａ）従来の半導体発光装置を搭載した場合の半導体発光装置を搭載した照明装置の断面拡大図である。（ｂ）第１実施形態に係る半導体発光装置を搭載した場合の半導体発光装置を搭載した照明装置の断面拡大図である。 第２実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。 第２実施形態に係る樹脂塗布工程前の半導体発光装置の斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。
［１．第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。図２は、第１実施形態に係る樹脂が塗布されていない状態の半導体発光装置の斜視図である。

図１および図２に示すように、半導体発光装置１１は、略直方体形状の本体１１ａと、後述する第１キャビティ１２内に設けられる発光素子１と、発光素子１を覆うように設けられる第１の封止樹脂３と、第１の封止樹脂３の一部を覆うように設けられる第２の封止樹脂４と、から構成されている。

半導体発光装置１１は、基板１０に搭載される。

図１のような状態における半導体発光装置１１の方向を、基板側方向、照射側方向とする。

本体１１ａは略直方体形状の部材である。本体１１ａには凹み部である第２キャビティ１３と、第２キャビティ１３内に設けられた凹み部である第１キャビティ１２と、が設けられている。第２キャビティ１３は本体１１ａの連続する２面の角部を略直方体形状に凹ませるように設けられている。半導体発光装置１１は、第２キャビティ１３が基板１０を向くことのないように基板１０に搭載される。半導体発光装置１１を基板１０に搭載した状態で、第２キャビティ１３の基板１０側の壁面を第２基板側壁面１３ａとする。第２基板側壁面（壁部）１３ａと略垂直で、かつ前記連続する２面のうちの１面と対向する面を第２底面１３ｂとする。第２基板側壁面１３ａと略垂直な残りの２面のうちの一方の面を第２右側面１３ｃ,他方の面を第２左側面１３ｄとする。

第１底面１３ｂには、第１キャビティ１２が設けられている。半導体発光装置１１を基板１０に搭載した状態で、第１キャビティ１２の基板１０側の壁面を第１基板側壁面１２ａとする。第２基板側壁面１２ａと略垂直で、かつ前記連続する２面のうちの１面と対向する面を第１底面１２ｂとする。第１基板側壁面１２ａと略垂直な残りの２面のうちの一方の面を第１右側面１２ｃ,他方の面を第１左側面１２ｄとする。第１基板側壁面１２ａと対向する面を第１照射側面１２ｅとする。残る１面を第１開口面１２ｆとする。

発光素子１は、照射面が開口面１２ｆを向くように第１底面１２ｂに設けられる。第１基板側壁面１２ａと第１右側面１２ｃと第１左側面１２ｄと第１照射側面１２ｅは、第１底面１２ｂから開口面１２ｆに向けて面積が広がるように傾斜して設けられている。これにより発光素子１の照射面からの光を妨げる恐れが少なくなる。

なお、半導体発光装置１１は、外部電極パターン（図示せず）を有している。半導体発光装置１１の外部電極パターンと基板１０とは、はんだ部１４を介して給電されるとともに固定される。また、半導体発光装置１１は、外部電極パターンから内部電極パターン５まで導通しており、内部電極パターン５から発光素子１までは金属ワイヤー２によって結線され、給電されている。

本実施形態では、図２に示すように発光素子１が複数配列されている。複数配列される場合は、それぞれの発光素子１の間を金属ワイヤー２で結線する。なお、発光素子１は１個でも良い。

半導体発光装置１１において、発光素子１が搭載されている面（第１底面１２ｂ）から基板側の面までの長さ(Ｌ１)は、発光素子１が搭載されている面から照射側の面までの長さ（Ｌ２）よりも長い。

発光素子１としては、例えば青色光を発するＬＥＤが使用される。

第１の封止樹脂３は、例えばシリコーン樹脂等の透明樹脂に発光素子１から発せられる光を色変換する蛍光体が混合されているものである。このような蛍光体によって発光素子１からの青色光が色変換され、半導体発光素子１１の外部へは合成された白色光を発することができるようになっている。また、樹脂内を拡散しやすくするために散乱粒子を混合してもよい。

第１の封止樹脂３は、発光素子１を覆い、第１キャビティ１２を埋め、さらに盛り上がるように設けられる。

第２の封止樹脂４についてもシリコーン樹脂等の透明の封止樹脂を用い、蛍光体を混合してもよい。

第２の封止樹脂４は、盛り上がるように設けられた第１の封止樹脂３と第２基板側壁面１３ａなどとで構成される凹みを埋め、さらに盛り上がるように設けられる。この際、第２の封止樹脂４が第２基板壁面１３ａ寄りに盛り上がるように設けられる。第１の封止樹脂３を被覆しただけの段階では、矢印２１、２２に示す方向への光の放射量が矢印２３に示す方向への光の放射量よりも多くなっているが、第２の封止樹脂４を設けることによって矢印２３に示す方向への光の放射量も多くなり、基板１０に平行な方向から基板１０に垂直方向まで放射角が広がる。

図３は、従来の側面発光型の半導体発光装置の断面図である。第１の封止樹脂３のみである。図３では、発光素子１から放出される光（たとえば青色光）の一部は第１の封止樹脂３を透過する。また、光の一部は、第１の封止樹脂３の中に混合されている蛍光体や散乱粒子により光の進路方向を変えて半導体発光素子４５の外部へ放射される。さらに、蛍光体によって色変換されて半導体発光素子４５の外部へ放射され、合成された白色光を発することができるようになっている。半導体発光装置４５の発光面の正面空間Ａへは放射光４１のように光が出やすい配置構造になっている。半導体発光装置４５が搭載されている基板１０の法線方向に及ぶ斜め空間Ｂへの光は、半導体発光装置４５から直接の放射光４２ａと基板１０からの反射光４２ｂで構成され、空間Ａへの光よりも光が出にくい構造になっている。基板１０の法線方向から半導体発光装置４５の背後空間Ｃへは光が出にくい構造になっている。

図４は、第１実施形態に係る第２の樹脂４塗布工程前の半導体発光装置５５の断面図である。正面空間Ａへ放出されていた光の一部が第１の封止樹脂３の盛り上がりにより第１の封止樹脂３内での拡散効果が増強され、斜め空間Ｂへ光が放出されやすくなる。斜め空間Ｂへの光は直接光５２ａと第２基板側壁面１３ａでの反射光５２ｂで構成される。背後空間ｃへもわずかに直接光５３が出る。

図５は、第１実施形態に係る半導体発光装置１１の断面図である。第２の封止樹脂４の盛り上がりにより、発光素子１から放出される光が第１の封止樹脂３および第の封止樹脂４の内部を正面空間Ａに向かって拡散するが、拡散距離が長くなるために光の一部が斜め空間Ｂおよび背後空間Ｃに進路を変えるために正面空間Ａに向かう放射光６１が減少し、封止樹脂３および４からの直接光が斜め空間Ｂおよび背後空間Ｃに放出される。これにより、放射角を拡げることができる。

次に、半導体発光装置１１を搭載した照明装置について説明する。

図６は、第１実施形態に係る半導体発光装置を搭載した照明装置の側面図である。照明装置７０は、本体ケース７１の中に基板１０、電源回路、駆動回路等（図示せず）を収納し、基板１０は給電され、基板１０上に複数搭載されている半導体発光装置１１を駆動している。基板１０および本体ケース７１は半透明カバー７２で覆われている。各々の半導体発光装置１１から半透明カバー７２の内面側に光が照射される。図７は、半導体発光装置を搭載した照明装置の断面拡大図である。（ａ）は従来の半導体発光装置を搭載した場合の半導体発光装置を搭載した照明装置の断面拡大図である。（ｂ）は第１実施形態に係る半導体発光装置を搭載した場合の半導体発光装置を搭載した照明装置の断面拡大図である。図７（ａ）は、基板１０の法線方向に放射角４８を有する半導体発光装置４６を配置し、基板１０の外周部に側面側に放射角４７を有する半導体発光装置４７を配置している。半導体発光装置４６および４７から照射された光を半透明カバー７２の内面に受けるが、照射を受けにくい部分が発生し暗部４９となり、光ムラの原因となる。図７（ｂ）では、基板１０の外周部に第１実施形態に係る半導体発光装置１１を配置している。半導体発光装置１０の放射角６７が広いため、導体発光装置４６からの照射光とともに半透明カバー７２の内面全体に暗部を生じにくくすることができる。

次に、半導体発光装置１１の製造方法について説明する。

半導体発光装置１１は、通常の積層セラミック基板の製造プロセスで製作できる。セラミック基板の材料としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどの高温焼成のものや、アルミナやシリカを含有したガラスセラミックのような低温焼成のものがあげられる。第１キャビティ１２，第２キャビティ１３は積層プレス前にグリーンシートを金型などにより抜いたものを積層プレス・焼成処理することによって形成される。配線はグリーンシートにビア加工を施し、印刷技術により導電性ペーストにてパターン形成する。外部に露出している外部電極パターンには金属めっき処理が施される。個片をマトリックス状に配置した集合基板として一括で製作される。本体１１ａの第２キャビティ１３における高さの異なる内壁は、集合基板において隣接する２個の個片上に１つのキャビティを構成するように形成し、発光素子１の搭載、樹脂封止の工程の後の分割工程で半割にすることによって簡単に製作することができる。また、詳細な説明は省略するが、セラミック基板のかわりに、たとえば銅合金の板材をプレス加工で打ち抜いて金属めっき処理を施したリードフレームにナイロン系樹脂やエポキシ系樹脂などをプリモールド処理することによって同様の構造を製作することが可能である。第１キャビティ１２の底面である第１底面１２ｂ上への発光素子１の固定には例えばシリコン系やエポキシ系のダイボンド材や金錫合金やはんだ材を使用する。金属ワイヤー２には、金・銀等のワイヤーを使用する。発光素子１がフリップチップタイプの発光素子の場合には、第１キャビティ１２の底面である第１底面１２ｂ上に電極パターンを形成し、銀シリコンペーストやはんだなどの導電性材料、あるいは、異方導電性樹脂にて電気的に接合する。このあとに第１の封止樹脂３をディスペンサなどを用いた定量塗布により発光素子１を覆い、加熱処理により第１の封止樹脂３を仮硬化させる。つぎに同様にディスペンサなどを用いた定量塗布により第２キャビティ１３の内壁と第１の封止樹脂３で構成される凹みを第２の封止樹脂４で埋め、さらに盛り上がらせる。加熱処理により本硬化させる。封止工程後の集合基板をダイシング装置によって個片に分割する。この個片を基板１１に例えばハンダリフロー搭載を実施して発光体として照明装置内に組み込む。

但し、半導体発光装置１１の製造方法は、前記した方法に限定されるものではなく適宜変更が可能である。
［２．第２実施形態］
図８は、第２実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。図９は、第２実施形態に係る樹脂塗布工程前の半導体発光装置の斜視図である。以下、第１実施形態と異なる部分を詳述する。特に断らない部分については第１実施形態と同じ機能を備える。第１実施形態の第２キャビティ１３の第１基板側壁面（壁部）１３ａの代わりに発光素子１の搭載後にシリコーン系樹脂にシリカや酸化チタンを含有して高反射化した樹脂にてダム（壁部）３５をディスペンサを用いて塗布し、加熱硬化処理にて形成する。発光素子１を覆うように第１の封止樹脂３３が設けられ、さらにダム３５と第１の封止樹脂３３で構成される凹みを埋めて盛り上がるように第２の封止樹脂３４が設けられ、該第２の封止樹脂３５がダム３５寄りに盛り上がるように形成する。この偏心形状によって光の放射角を拡げることができる。

１ 発光素子
２ 金属ワイヤー
３，３３ 第１の封止樹脂
４，３４ 第２の封止樹脂
５ 内部電極パターン

１０ 基板
１１ 半導体発光素子
１１ａ 本体
１２ 第１キャビティ
１２ａ 第１基板側壁面
１２ｂ 第１底面
１２ｃ 第１右側面
１２ｄ 第１左側面
１２ｅ 第１照射側面
１２ｆ 第１開口面
１３ 第２キャビティ
１３ａ 第２基板側壁面
１３ｂ 第２底面
１３ｃ 第２右側面
１３ｄ 第２左側面
１４ はんだ部
２１，２２，２３ 光線
３５ ダム

Claims (4)

1. 基板に搭載される略直方体形状の本体と、該本体の外部に設けられた凹み部である第１キャビティと、第１キャビティの底面に載置される発光素子と、前記第１キャビティ周りの一部に設けられる壁部と、前記発光素子を覆い前記第１キャビティよりも盛り上がるように設けられる第１の封止樹脂と、前記第１の封止樹脂と前記壁部とで構成される凹みを埋め、かつ前記壁部寄りに盛り上がるように設けられる第２の封止樹脂と、を有し、
   前記本体は、前記第１キャビティの底面が前記基板と略垂直となり、かつ前記壁部が前記基板側に位置するように、前記基板に搭載されることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置において、
   前記本体および前記壁部は、セラミック基板により成形されることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項１に記載の半導体発光装置において、
   前記本体は、セラミック基板により成形され、
   前記壁部は、酸化チタンを含有する樹脂の塗布により成形されることを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体発光装置と、複数の前記半導体発光装置を搭載する前記基板と、前記半導体発光装置を点灯させるために前記基板と接続される点灯装置と、を有する照明装置において、
   前記半導体発光装置は、前記発光素子からの照射光が前記基板の水平方向からも照射されるように、前記基板の外周部に搭載されていることを特徴とする照明装置。