JP6291734B2

JP6291734B2 - 発光装置

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Publication number: JP6291734B2
Application number: JP2013137499A
Authority: JP
Inventors: 大典岩倉
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2015012194A

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来、発光素子が実装されたパッケージの凹部内に蛍光体を設ける発光装置が提案された（特許文献１参照）。

特開２００８−１０３６８８号公報

しかしながら、上記従来の発光装置には、発光素子の上方に分布する蛍光体の量が多いため、発光素子の上面から出射する光をパッケージの凹部開口から取り出し難いという問題があった。

また、上記従来の発光装置には、発光素子の側方に分布する蛍光体の量が少ないため、発光素子の側面から出射した光が蛍光体の励起に用いられることなくパッケージの凹部側壁を通り抜けてパッケージの外に出てしまい易いという問題があった。

そこで、本発明は、発光素子の上方よりも発光素子の側方に蛍光体が多く分布し発光素子の側面から出射した光を蛍光体の励起に効率的に用いることができる発光装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。

凹部を有するパッケージと、前記パッケージの凹部内に実装された発光素子と、前記発光素子の上方に設けられた透光性部材と、前記パッケージの凹部を封止する封止樹脂と、前記封止樹脂に含まれた蛍光体と、を備えた発光装置であって、前記蛍光体が前記発光素子の上方よりも前記発光素子の側方に多く分布するとともに、前記発光素子の側面が前記封止樹脂に対して露出していることを特徴する発光装置。

本発明の実施形態１に係る発光装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態２に係る発光装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態３に係る発光装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態１〜３を好ましく適用することができるサイドビュー型発光装置の模式図である。本発明の実施形態１〜３を好ましく適用することができるトップビュー型発光装置の模式図である。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について説明する。

［本発明の実施形態１に係る発光装置］
図１は、本発明の実施形態１に係る発光装置の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の実施形態１に係る発光装置は、凹部Ｘを有するパッケージ１０と、パッケージ１０の凹部Ｘ内に実装された発光素子２０と、発光素子２０の上方に設けられた透光性部材３０と、パッケージ１０の凹部Ｘを封止する封止樹脂４０と、封止樹脂４０に含まれた蛍光体５０と、を備えた発光装置であって、蛍光体５０が発光素子２０の上方よりも発光素子２０の側方に多く分布するとともに、発光素子２０の側面が封止樹脂４０に対して露出している発光装置である。

以下、順に説明する。

（パッケージ１０）
パッケージ１０には、例えば、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、液晶ポリマー、またはナイロンなどの熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、またはアクリレート樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができるほか、ガラスエポキシ樹脂、セラミックス、ガラスなどを用いることができる。なお、セラミックスとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素などを用いることが好ましい。特に、高反射で安価なアルミナとムライトが好ましい。

パッケージ１０が有する凹部Ｘは、発光素子２０を載置可能な程度に平坦な底面Ｘ３を有するとともに、封止樹脂４０を充填可能な形状を有している。このような凹部Ｘの一例としては、例えば、断面台形の凹部（図１参照）を挙げることができる。断面台形の凹部を有するパッケージ１０（図１参照）によれば、発光素子２０から出射した光が凹部側壁Ｘ２にて凹部開口Ｘ１に向けて反射されるため、発光装置の光取り出し効率が向上する。

（発光素子２０）
発光素子２０には、例えば、発光ダイオードを用いることができる。発光ダイオードには、例えば、絶縁性且つ透光性の成長用基板（例：サファイア基板）と、この成長用基板上に形成された活性層を含む積層構造と、を備えたものを用いることができる。なお、活性層を含む積層構造は、種々の半導体（例：ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体）によって形成することができる。

発光素子２０の実装方法は特に限定されないが、発光素子２０は、例えば、成長用基板側を載置面としてパッケージ１０の凹部Ｘに実装することができる。この場合、発光素子２０は、例えばワイヤボンディングによりパッケージ１０の外部電極に電気的に接続される。他方、発光素子２０は、活性層を含む積層構造側を載置面としてパッケージ１０の凹部Ｘに実装することができる。この場合、発光素子２０は、例えばフリップチップ実装によりパッケージ１０の外部電極に電気的に接続される。

発光素子２０の側面は、封止樹脂４０に対して露出している。発光素子２０の上方よりも発光素子２０の側方に蛍光体５０を多く分布させたとしても、透光性部材３０が発光素子２０の側面を覆ってしまうと、発光素子２０の側面から出射した光が透光性部材３０で反射（特に全反射）されてしまうため、発光素子２０の側面から出射した光を蛍光体５０の励起に効率的に用いることはできない。しかしながら、発光素子２０の側面を封止樹脂４０に対して露出させれば、発光素子２０の側面が透光性部材３０に覆われないため、発光素子２０の側面から出射した光を蛍光体５０の励起に効率的に用いることが可能になる。

（透光性部材３０）
透光性部材３０には、発光素子２０からの光を透過する性質を有する部材を用いる。透過の程度は特に限定されないが、透光性部材３０には、例えば、発光素子２０から出射される光を１００％透過させる部材のほか、７０％程度以上、８０％程度以上、９０％程度以上、または９５％程度以上透過させる性質を有する部材を用いることが好ましい。

透光性部材３０は、発光素子２０からの光を透過する性質に加えて、耐光性や絶縁性を有するものを用いることが好ましい。このような性質を有する部材の一例としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂及びこれらの樹脂を少なくとも１種以上含むハイブリッド樹脂などの有機物（例：シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物）などを挙げることができる。

透光性部材３０は、発光素子２０の上方に設けられていればよいが、発光素子２０の上方のなかでも、透光性部材３０と発光素子２０とに挟まれた領域に分布する蛍光体５０の量が少なくなる位置に設けられていることが好ましく、図１に示すように発光素子２０の上面に設けられていることがより好ましい。これにより、発光素子２０の上方に分布する蛍光体５０の量が少なくなるため（あるいは０になるため）、発光素子２０の上面から出射する光が蛍光体５０に反射される頻度が低下し、発光素子２０の上面から出射する光をパッケージ１０の凹部開口Ｘ１から取り出し易くなる。

透光性部材３０には、蛍光体５０の堆積を妨げる表面を有する部材を用いることが好ましい。これにより、発光素子２０の上方に分布する蛍光体５０の量が少なくなるため（あるいは０になるため）、発光素子２０の上面から出射する光が蛍光体５０に反射される頻度が低下し、発光素子２０の上面から出射する光をパッケージ１０の凹部開口Ｘ１から取り出し易くなる。

また、透光性部材３０には、パッケージ１０の凹部開口Ｘ１に対して凸となる部材（図１参照）やパッケージ１０の凹部開口Ｘ１に近接する高さを有する部材（図２参照）や発光素子２０に対して凸になる部材（例：逆台形形状）などのほか、これらの形状が組み合わされた部材を用いることが好ましい。

パッケージ１０の凹部開口Ｘ１に対して凸となる部材には、台形形状、ドーム形状、半円柱形状（二等分された円柱の曲面側をパッケージ１０の凹部開口Ｘ１に向け、平面側を発光素子２０に向けた形状）などの部材を用いることができるが、中でも、発光素子２０からの光を全反射させにくい形状を有する部材を用いることが好ましい。このような部材の一例としては、封止樹脂４０の高さが約１００μｍである場合に、曲率半径が長手で０．６６ｍｍ、短手で０．１６ｍｍとなるレンズ型の部材を挙げることができる。

パッケージ１０の凹部開口Ｘ１に対して凸となる部材は、例えば、発光素子２０の上面に熱硬化性樹脂をポッティングし硬化させることにより設けることが好ましい。このようにすれば、熱硬化性樹脂の表面張力により、凸の表面が蛍光体５０の堆積を妨げる形状となる。

透光性部材３０の表面には、凹凸やマイクロレンズなどの微細構造が設けられていることが好ましい。このようにすれば、透光性部材３０と封止樹脂４０との界面での反射が減るため、発光装置の光取り出し効率が向上する。なお、封止樹脂４０は、その形成過程においてはまだ硬化しておらず周囲に拡がり易いため、透光性部材３０に凹凸が形成されていても、これに蛍光体５０が溜まることはない（あるいは少量しか溜まらない）。

（封止樹脂４０）
封止樹脂４０には、例えば、上述した透光性部材３０と同様の材料を用いることができる。

封止樹脂４０は、例えば、パッケージ１０の凹部Ｘ内にポッティングした樹脂を硬化することにより設けられる。

なお、発光素子２０の高さ、透光性部材３０の高さ、及び封止樹脂４０の高さは、（封止樹脂４０の高さ−発光素子２０の高さ−透光性部材３０の高さ）≦３００μｍという関係を有していることが好ましく、（封止樹脂４０の高さ−発光素子２０の高さ−透光性部材３０の高さ）≦１５０μｍという関係を有していることがより好ましく、（封止樹脂４０の高さ−発光素子２０の高さ−透光性部材３０の高さ）≦５０μｍという関係を有していることがさらに好ましい。これにより、発光素子２０の上方に分布する蛍光体５０の量が少なくなるため（あるいは０になるため）、発光素子２０の上面から出射する光が蛍光体５０に反射される頻度が低下し、発光素子２０の上面から出射する光をパッケージ１０の凹部開口Ｘ１から取り出し易くなる。

（蛍光体５０）
蛍光体５０は、発光素子２０の上方よりも発光素子２０の側方に多く分布している。これにより、発光素子２０の上方に分布する蛍光体５０の量が発光素子２０の側方に分布する蛍光体５０の量よりも少なくなるため（あるいは０になるため）、発光素子２０の上面から出射する光が蛍光体５０に反射される頻度が低下し、発光素子２０の上面から出射する光をパッケージ１０の凹部開口Ｘ１から取り出し易くなる。また、発光素子２０の側方に分布する蛍光体５０の量が発光素子２０の上方に分布する蛍光体５０の量よりも多くなるため、発光素子２０の側面から出射した光を蛍光体５０の励起に効率的に用いることが可能となる。なお、発光素子２０の側面から出射した光が蛍光体５０の励起に効率的に用いられる場合は、発光素子２０の側面から出射した光がパッケージ１０の凹部側壁Ｘ２に達し難くなるため、発光素子２０の側面から出射した光がパッケージ１０の凹部側壁Ｘ２を通り抜けてパッケージ１０の外に出てしまうことを抑制することが可能となる。

上記分布の一例としては、図１に示すような、蛍光体５０がパッケージ１０の凹部底面Ｘ３に堆積している形態を挙げることができる。このような形態は、例えば、封止樹脂４０の硬化前にパッケージ１０の凹部Ｘ内において蛍光体５０を沈降させることにより形成することができる。

蛍光体５０には、発光素子２０から出射される光により励起されて発光する蛍光物質を用いることができる。蛍光物質には、発光素子２０から出射される光より短波長の光を発するものを用いることができるが、長波長の光を発するものを用いることがより好ましい。このようにすれば、効率良く蛍光体を発光させることができるため、発光装置の光取り出し効率が向上する。

発光素子２０から出射される光より長波長の光を発する蛍光物質としては、例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、より具体的には、Ｅｕ賦活されたα又はβサイアロン型蛍光体、各種アルカリ土類金属窒化シリケート蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系の元素、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類のハロシリケート蛍光体、アルカリ土類金属シリケート蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類金属ケイ酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩又はＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体などを用いることができる。もっとも、これら蛍光物質と同様の性能や効果を有する蛍光物質も用いることができる。なお、発光素子２０に窒化物半導体系の発光素子を用いる場合には、例えばＹＡＧ系蛍光体（黄色蛍光物質）やＬＡＧ系蛍光体（黄色蛍光物質）などの蛍光体（蛍光物質）を用いることが好ましい。

蛍光体５０が発光素子２０の側方において発光素子２０の活性層よりも低く堆積している場合は、発光素子２０における活性層よりも下方領域（例：成長用基板）の側面から出射した光が出射後すぐに蛍光体５０に入射するため、発光素子２０における活性層よりも下方領域（例：成長用基板）の側面から出射した光を蛍光体５０の励起に効率的に用いることが可能となる。

他方、蛍光体５０が発光素子２０の側方において発光素子２０の活性層よりも高く堆積している場合は、発光素子２０における活性層よりも下方領域（例：成長用基板）の側面から出射した光に加えて、発光素子２０の活性層の側面から出射した光が出射後すぐに蛍光体５０に入射するため、発光素子２０における活性層よりも下方領域（例：成長用基板）の側面から出射した光と発光素子２０の活性層の側面から出射した光とを蛍光体５０の励起に効率的に用いることが可能となる。

［本発明の実施形態２に係る発光装置］
図２は、本発明の実施形態２に係る発光装置の概略構成を示す模式図である。

図２に示すように、本発明の実施形態２に係る発光装置は、発光素子２０がフリップチップ実装されている点及び透光性部材３０がパッケージ１０の凹部開口Ｘ１に近接する高さを有する点で、本発明の実施形態１に係る発光装置と相違する。

本発明の実施形態２に係る発光装置においても、本発明の実施形態１に係る発光装置と同様に、蛍光体５０が発光素子２０の上方よりも発光素子２０の側方に多く分布するとともに、発光素子２０の側面が封止樹脂４０に対して露出している。

（透光性部材３０）
透光性部材３０は、パッケージ１０の凹部開口Ｘ１に近接する高さを有する。これにより、発光素子２０の上方に分布する蛍光体５０の量が少なくなるため（あるいは０になるため）、発光素子２０の上面から出射する光が蛍光体５０に反射される頻度が低下し、発光素子２０の上面から出射する光をパッケージ１０の凹部開口Ｘ１から取り出し易くなる。

なお、透光性部材３０の上面とパッケージ１０の凹部開口Ｘ１との距離が１００μｍ程度になる場合や、透光性部材３０とパッケージ１０の凹部開口Ｘ１との距離が透光性部材３０の厚みよりも短い場合や、透光性部材３０とパッケージ１０の凹部開口Ｘ１との距離が発光素子２０の厚みよりも短い場合などは、透光性部材３０がパッケージ１０の凹部開口Ｘ１に近接する高さを有する場合の一例である。

透光性部材３０は、発光素子２０の上面に貼り付けられたものであることが好ましい。例えば同一面側に正負の電極を有する発光ダイオードを用いる場合は、発光素子２０の上面に透光性部材３０を容易に貼り付けることができる。

［本発明の実施形態３に係る発光装置］
図３は、本発明の実施形態３に係る発光装置の概略構成を示す模式図である。

図３に示すように、本発明の実施形態３に係る発光装置は、蛍光体５０がパッケージ１０の凹部底面Ｘ３に堆積していない点で、本発明の実施形態１に係る発光装置と相違する。

本発明の実施形態３に係る発光装置においても、本発明の実施形態１に係る発光装置と同様に、蛍光体５０が発光素子２０の上方よりも発光素子２０の側方に多く分布するとともに、発光素子２０の側面が封止樹脂４０に対して露出している。

以上のとおり、本発明の実施形態１〜３に係る発光装置では、蛍光体５０が発光素子２０の上方よりも発光素子２０の側方に多く分布するとともに、発光素子２０の側面が封止樹脂４０に対して露出しているため、発光素子２０の上面から出射する光がパッケージ１０の凹部開口Ｘ１から取り出し易くなり、また、発光素子２０の側面から出射した光を蛍光体５０の励起に効率的に用いることができる。したがって、本発明の実施形態１〜３によれば、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

なお、本発明の実施形態１〜３は、パッド電極やＩＴＯなどの電極が発光素子２０の上面に設けられる発光装置に特に好ましく適用することができる。本発明の実施形態１〜３によれば、発光素子２０の上面から出射する光が蛍光体５０に反射される頻度が低下するため、発光素子２０の上方の蛍光体５０により反射した光がパッド電極やＩＴＯなどの電極で吸収されてしまうことを抑制して、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

また、本発明の実施形態１〜３は、たとえ反射部材を設けたとしても光が凹部側壁Ｘ２を通り抜けてしまうほどにパッケージ１０の凹部側壁Ｘ２の厚みが薄い発光装置（例：パッケージ１０の凹部側壁Ｘ２の厚みが０．１ｍｍ程度の発光装置）に特に好ましく適用することができる。本発明の実施形態１〜３によれば、発光素子２０の側面から出射した光がパッケージ１０の凹部側壁Ｘ２を通り抜けてパッケージ１０の外に出てしまうことを抑制することができるため、パッケージ１０の凹部側壁Ｘ２の厚みが薄い発光装置において、光取り出し効率を向上させることができる。

また、本発明の実施形態１〜３は、パッケージ１０にセラミックスを用いた発光素子２０にも好ましく適用することができる。セラミックスは、無機材料であるため劣化が少なく信頼性が高いが、光反射性部材を含有する樹脂材料よりも反射率が低く、発光素子２０からの光を透過させやすいが、本発明の実施形態１〜３によれば、発光素子２０の側面から出射した光がパッケージ１０の凹部側壁Ｘ２を通り抜けてパッケージ１０の外に出てしまうことを抑制することができるため、パッケージ１０にセラミックスを用いた発光装置において、光取り出し効率を向上させることができる。

図４は、本発明の実施形態１〜３を好ましく適用することができるサイドビュー型発光装置の模式図であり、図４（ａ）は模式的平面図、図４（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面の模式図、図４（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断面の模式図である。

本発明の実施形態は、例えば図４に示すようなサイドビュー型発光装置にも適用することができる。図４に示すサイドビュー型発光装置において、透光性部材３０は、ワイヤ６０を用いたワイヤボンディングにより発光素子２０をパッケージ１０の外部電極に電気的に接続した後に、発光素子２０の上面にポッティングすることにより設けられており、ワイヤ６０は、透光性部材３０から突き出ている。

図５は、本発明の実施形態１〜３を好ましく適用することができるトップビュー型発光装置の模式図であり、図５（ａ）は模式的平面図、図５（ｂ）は（ａ）中のＣ−Ｃ断面の模式図、図５（ｃ）は（ａ）中のＤ−Ｄ断面の模式図である。

本発明の実施形態は、例えば図５に示すようなトップビュー型発光装置にも適用することができる。図５に示すトップビュー型発光装置は、複数の発光素子２１、２２を備えており、各発光素子２１、２２には、透光性部材３１、３２がそれぞれ設けられている。発光素子２１、２２は、ワイヤ６０を用いて直列接続されており、発光素子２１と発光素子２２とを繋ぐワイヤ６０の両端は、透光性部材３１、３２にそれぞれ被覆されている。蛍光体５０は、発光素子２１、２２とパッケージ１０の側壁Ｘ２との間のみならず、発光素子２１と発光素子２２との間にも分布している。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの説明は、本発明の一例に関するものであり、本発明は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。

１０パッケージ
２０発光素子
２１発光素子
２２発光素子
３０透光性部材
３１透光性部材
３２透光性部材
４０封止樹脂
５０蛍光体
６０ワイヤ
Ｘ凹部
Ｘ１凹部開口
Ｘ２凹部側壁
Ｘ３凹部底面

Claims

凹部を有するパッケージと、前記パッケージの凹部を封止する封止樹脂と、前記パッケージの凹部内に実装され、側面が前記封止樹脂に対して露出する発光素子と、前記発光素子の上面に貼り付けられている透光性部材と、前記封止樹脂に含まれた蛍光体と、を備えた発光装置であって、
前記蛍光体は、前記発光素子の上方よりも前記発光素子の側方に多く分布するとともに、前記パッケージの凹部底面に堆積する発光装置。
前記透光性部材は、前記蛍光体の堆積を妨げる表面を有していることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記透光性部材は、前記パッケージの凹部開口に対して凸となる形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記透光性部材は、前記パッケージの凹部開口に近接する高さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記蛍光体は、前記パッケージの凹部底面において、前記発光素子の活性層よりも低く堆積していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。
前記蛍光体は、前記パッケージの凹部底面において、前記発光素子の活性層よりも高く堆積していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。