JP6318495B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
このような発光装置の中には、例えば、実装基板の上面側方向等の特定の方向により多くの光量を得るために、半導体チップからの光を所望の方向に屈折させるレンズ(レンズとして機能する封止部)を有するものがある。レンズを備えたこの種の発光装置は、照明やバックライトをはじめとする多くの用途で用いられている。
しかし、このようにレンズを配置すると、レンズの下面の大部分は、実装基板の表面と接触することになる。この結果、発光素子を出た光の一部、とりわけ、下方に向かう光は、レンズを出て実装基板に達する。これは、レンズを形成するガラスまたは樹脂等の透光性材料の屈折率n1と基板を形成する材料の屈折率n2について、n1よりn2の方が大きいため全反射が起こらない、またはn1の方がn2より大きくてもその差が小さいため全反射が起こる臨界角が大きくなることによる。
そこで、例えば、特許文献1に示されるように、平面視において基板の外側までレンズ(特にレンズの底面)を延在させた発光装置が知られている。図15は、レンズの底面を実装基板の外側まで延在させた既知の発光装置500の断面を模式的に示す断面図である。
これにより、発光装置500は高い取り出し効率、とりわけレンズ上面からの高い取り出し効率を得ることができる。
そこで、本発明は、平面視において、発光素子(半導体チップ)を実装している実装基板の外側までレンズを延在させた発光装置であって、実装面側への光漏れがより抑制された発光装置を提供することを目的とする。
前記発光素子と前記基板の上面を封止するレンズと、を含み、前記レンズは上面が曲面であり、底面から前記基板の下面が露出し、前記基板の上面に垂直な方向からの上面視において前記底面が前記基板の外側にまで延在してなる外側延在部と、前記外側延在部の端部に、前記基板の上面に平行な方向に対して傾斜している傾斜部とを有することを特徴とする。
すなわち、このレンズ502の上面と底面の境界から少しずれた部分(すなわち、レンズ底面またはレンズ上面の境界部に近い部分)に達した光は、その多くがレンズ502内面で反射するため、レンズ502の外にはほとんど光が出ていかない。このため、実装基板4の下面側に、例えば、発光装置500を実装するための2次基板の上面等の平面部(または曲面部)が存在すると、当該平面部上でかつレンズ502の外周の近傍部分にレンズ502の境界部を透過した光が到達し、2次基板に吸収されるため、光取り出し効率が低下する。
以下に、図面を参照して本発明に係る発光装置について詳述する。
発光装置100は、実装基板4と、実装基板4の上に実装された発光素子10と、レンズ2とを含む。
発光素子10は、半導体層6を含み、必要に応じて半導体層6の外面を覆う蛍光体層8を含んでいる。半導体層6は、p型半導体層とn型半導体層とを含み、その間で発光する。また、半導体層6は必要に応じてp型半導体層とn型半導体層の間に活性層(発光層)を含んでよい。
実装基板4の配線パターンは少なくとも2つの配線パターンを含み、例えば実装基板の上面において、2つの配線パターンの一方が、半導体層6のp型半導体層と電気的に接続され、他方が、半導体層6のn型半導体層と電気的に接続されている。また、当該配線パターンは、それぞれ、発光装置100の外部に設けた配線等と電気的に接続可能である。
このような外部の配線として、図示しない二次基板(第2の基板)に設けた配線パターンを挙げることができる。例えば、実装基板4の配線パターンをビア等を用いて実装基板4の上面から下面まで延在させ、二次基板の上面に配線パターンを設け、二次基板の上面に実装基板4の下面を実装することで、実装基板4の配線パターンを二次基板の配線パターンと電気的に接続することができる。これにより、発光素子10に外部電源から電力を供給することが可能となる。
なお、好ましい配線パターンの例について、図9および図10(a)、(b)を用いて後述する。
このような構成を有することにより、発光素子10からの発光を確実にレンズ2の内部に導くことができる。さらに、例えば、実装基板4の下面を2次基板の上面等の平面部に載置した場合(すなわち、発光装置100を広い基板等の平面部上に配置した場合)でも、レンズ2の底面28のうち、上面視において実装基板4の外側にまで延在している部分(以下に詳述)を、確実に、基板材料等と比べて屈折率の低い空気に接触させることができる。
好ましくは、図1(a)、(b)に示すように、実装基板4の横方向(図1(a)、(b)のX方向)の長さL1および縦方向(同Y方向)の長さL2をレンズ2の外径DL1より短くすることにより、実装基板4の外周全体において、レンズ2の底面28が実装基板4の外側まで延在している(すなわち、実装基板4の外周全体にレンズ2の底面28の外側延在部が形成されている。)。
しかし、これに限定されるものではなく、例えば、実装基板4の横方向の長さL1および縦方向の長さL2の一方をレンズ2の外径DL1より長くし、他方をレンズ2の外径DL1より短くする等により、実装基板4の外周の一部分において、レンズ2の底面28が実装基板4の外側まで延在してもよい。
これにより、高い取り出し効率を得ることができる。
なお、実装基板4および発光素子10は、上面視(例えば、図1(a)に示す状態)において、レンズ2の略中央に位置することが好ましい。レンズ2(とりわけ、レンズ2の上面22)から外に出る光が均一になるからである。
図1(b)に示す実施形態では、レンズ2の底面28は、実装基板4の上面に平行な水平部26と、実装基板4の上面に平行な方向に対して角度α1で傾斜している傾斜部24とを有している。
また、この結果、レンズ2の外周部分(最外部)は、レンズ2の底面28と実装基板4との境界(図1(b)では、実装基板4と水平部26との境界)に対して、高さh1だけ高くなっている。
なお、通常、h1は正の値を有する。
すなわち、本発明に係る発光装置では、その傾斜部(例えば傾斜部24)は、通常、その内側の端部(横方向(図1(b)のX方向)において、実装基板4に近い方の端部)と比べて、その外側の端部(横方向において、実装基板4から遠い方の端部)の方が、上部(図1(b)のZ方向)に位置している。
角度α1は、0°より大きく90°より小さい。角度α1は、好ましくは発光素子10の上面の端部から傾斜部24と水平部26の境界部に向かう光が傾斜部24で全反射される角度である。
なお、全反射が起こるためには傾斜部24に入射する光の入射角が下記(1)式で示され臨界角θc以上である必要がある。
θc=ARC・sin(nair/n1) (1)
ここで、nairは空気の屈折率であり、n1はレンズ2を形成する材料の屈折率である。
レンズ2に用いる材料と実装基板4に用いる材料との間の濡れ性等の条件や、レンズ2の成形方法により、レンズ2は、実装基板4との境界部に下垂部62を有する場合がある。
下垂部62とは、実装基板4の側面に沿って水平部26よりも下向きに(図2の−Z方向)延在したレンズ2の部分である。
発光素子10から出射される光が下垂部62に入射しないように、下記(2)式を満足することが好ましい。
HOFF≧(b/a)×HEM (2)
ここで、HOFFは、レンズ2の水平部26から実装基板4の上面までの高さであり、HEMは、実装基板4の上面から発光素子10の上面までの高さであり、bは、下垂部62の幅(横方向の長さ)であり、aは、発光素子10の上面の端部から実装基板4の上面の端部までの横方向(図2のX方向)の距離である。
しかし、レンズ2の底面の形態はこれに限定されるものではない。
図3は、レンズの別の形態の底面を有する発光装置100Aの断面図である。
発光装置100Aのレンズ2Aの底面28Aの実装基板4の外側に延在している部分は、傾斜部24Aのみからなる。
すなわち、レンズ2Aと実装基板4の側面との境界部26Aからレンズ2Aの最外周部まで傾斜部24Aが形成されている。
発光装置100のレンズ2と同様に、レンズ2Aに用いる材料と実装基板4に用いる材料との間の濡れ性等の条件により、レンズ2Aは、実装基板4との境界部に下垂部62Aを有する場合がある。
下垂部62Aとは、実装基板4の側面に沿って傾斜部24Aよりも下向きに(図4の−Z方向)延在したレンズ2の部分である。
さらに、本明細書において「レンズ2Aと実装基板4の側面との境界部26Aからレンズ2Aの最外周部まで傾斜部24Aが形成されている。」とは、下垂部62Aが形成されている場合を含む概念である。
角度α2は、0°より大きく90°より小さい。角度α2は、好ましくは、発光素子10(蛍光体層8を有する場合は蛍光体層8)上面の端部(端辺)から実装基板4の端部(端辺)に向かう光を傾斜部24Aで全反射できる角度以下である。
tan α2=h2/((DL2−L1)/2) (3)
ここで、DL2は、レンズ2Aの外径であり、L1は実装基板の横方向の長さである。
また、レンズ2Aは傾斜部24Aを有することにより、光の取り出し効率、とりわけレンズ上面側での光の取り出し効率を向上できる。
しかし、傾斜部24または傾斜部24Aを設けるとことで、半田の接合部を容易に視認できる。特に、レンズ2Aの底面のうち、実装基板4の外側に延在している部分が全て傾斜部24Aである発光装置100Aでは、より容易に半田接合部を視認できる。
図5は、そのレンズ2Bがバッドウイング配光レンズである発光装置100Bの断面模式図である。
また、図1(a)、(b)および図3に示す実施形態では、レンズ2、2Aの底面28、28Aは、断面上において、直線から構成されている。しかし、これに限定されるものではなく、本願発明に係る発光装置のレンズの底面は、断面において、曲線(曲線部を有するまたは曲線部のみから形成される)であってよい。
図6は、そのレンズ2Cの底面が、断面上において曲線である発光装置100Cの断面模式図である。
発光装置100Cでは、その底面の傾斜部24Cは、実装基板4との境界部から、レンズ上面22Cとの境界部まで、断面上において、連続した曲線を形成している。
また、図6から判るように、傾斜部24もその内側の端部(横方向(図6のX方向)において、実装基板4に近い方の端部)と比べて、その外側の端部(横方向において、実装基板4から遠い方の端部)の方が、上部(図6のZ方向)に位置している。
例えば2次基板の配線パターン等を介して、実装基板4の配線パターンに電流が供給される。実装基板4の配線パターンから更に発光素子10のp型半導体層、n型半導体層へと電流が流れ、発光素子10が発光する。
発光素子10が蛍光体層8を有する場合、発光素子からの発光の一部は蛍光体層8の蛍光体により吸収され、より波長の長い光に変換される。
・発光素子と実装基板4
発光素子10は、例えば、LEDチップ等の半導体素子である。半導体層6の具体的な例として、サファイア等の基板側から順に、n型半導体層、活性層(発光層)及びp型半導体層が積層された構成を挙げることができる。用いる半導体として、例えば窒化物半導体であるGaN系化合物半導体を例示できる。
なお、発光素子10は、これらの構成に限定されるものではなく、他の半導体材料を用いて構成してもよく、適宜、保護層や反射層などを備えてよい。
しかし、この実施形態に限定されるものではない。
図7は、蛍光体層8の側面側の厚みが上面側の厚みより大きい発光装置100Dの模式断面である。
図8は、蛍光体層8の上面側の厚みが側面側の厚みより大きい発光装置100Eの模式断面である。
同様に、発光装置100Eでは、蛍光体層8の上面側の厚みが側面側の厚みより大きいことから、蛍光体層8の上面から出た光(例えば矢印30B)の方が、蛍光体層8の側面から出た光よりも、発光素子10から出て蛍光体層8により波長変換された光の成分の割合が高い。しかし、図8に矢印30B、30Cで例示するように、レンズ2Aの上面22Aの外側で蛍光体層8の上面から出た光と蛍光体層8の側面から出た光が混じり合うため、この割合の差は緩和される。
実装基板4は上面および下面に配線パターンを有してよい。配線パターンに用いる金属膜としては、導電性がよく、発光素子10が発光する波長の光の反射率が高い材料が好ましい。例えば、導電性を確保するためにTi/Pt/Auなどを用いて配線パターンを形成し、反射率を向上させるために、更に表層にAg、Al、Rhなどを有する、単層膜又は多層膜を設けるようにしてもよい。
また、実装基板4は、その上面の配線パターンと下面の配線パターンとを電気的に接続するビアを内部に有してよい。ビアは例えば銅メッキ等により形成してよい。
発光素子10は、例えばフリップチップ実装により、実装基板4に実装されてよい。
なお、図10(a)では、発光素子10とバンプ42a、42bの記載は省略している。
図9および図10(a)、(b)に示す実施形態では、実装基板4は、上面に上面配線パターン44a、44bを有し、下面に下面配線パターン48a、48bを有している。上面配線パターン44aと下面配線パターン48aとは、ビア46aを介して電気的に接続されている(すなわち、上面配線パターン44aとビア46aと下面配線パターン48aとによりp側配線パターン45aを形成している)。上面配線パターン44bと下面配線パターン48bとは、ビア46bを介して電気的に接続されている(すなわち、上面配線パターン44bとビア46bと下面配線パターン48bとによりn側配線パターン45bを形成している)。
p型半導体層と電気的に接続されている発光素子10のp側電極(不図示)は、バンプ42aと電気的に接続されている。n型半導体層と電気的に接続されている発光素子10のn側電極(不図示)と、は、バンプ42bと電気的に接続されている。
そして、上面配線パターン44aの上面に設けた共晶用パッド43aとバンプ42aとが、例えば共晶合金等を用いて電気的に接続されている。同様に、上面配線パターン44bの上面に設けた共晶用パッド43bとバンプ42bとが、例えば共晶合金等を用いて電気的に接続されている。
これにより、発光装置100を二次基板に実装して、下面配線パターン48a、48bをそれぞれ二次基板の異なる配線パターンと電気的に接続することにより、発光素子10に電力を供給できる。
好ましい配線パターンの材料としCu/Ni/Au(積層構造)を挙げることができる。
また、好ましいバンプ材料としてAuSn(Au−Sn合金)を挙げることができ、好ましい共晶用パッド材料としてTi/Pt/Au(積層構造)を挙げることができる。
反射層41は、好ましくは、多層膜であり、より好ましくは多層膜が分布ブラッグ反射鏡(DBR)を形成している。具体的な分布ブラッグ反射鏡(DBR)を形成する多層膜として、SiO2膜とNb2O5膜が交互に積層した構造を例示できる。
このような反射層41を設けることで、発光素子10から実装基板4に向かう光を反射して、より確実に、レンズ2内に導くことで、光取り出し効率を更に高くすることができる。
なお、保護素子用パッド50a、50bを設けた場合、この上面に反射層41は形成されない。
また、あらかじめ半導体層の周囲に蛍光体層が設けられた発光素子を用いてもよい。
レンズ2は、発光素子10が発する光、および蛍光体層8が発する光(蛍光体層8を用いる場合)に対して、透光性を有する任意の材料により形成してよい。例えば、レンズ2は、透明な樹脂またはガラス等からなる。このような樹脂として、例えば、硬質シリコーン樹脂およびエポキシ樹脂を例示できる。
また、傾斜部24および発光装置100Aの傾斜部24Aは、例えば、レンズ2またはレンズ2Aを形成する金型に、傾斜部24または傾斜部24Aに対応する凸部を設けることにより形成してよい。
(1)シミュレーション1
図12は、発光装置100Aにおいて、上面光の光量を求めた範囲を示す模式図である。図12に示すように、発光装置100Aの直上部でレンズ2Aの底面から5mm高い位置にあり実装基板4の上面に平行な、直径200mmの円40内の光量をシミュレーションにより求めた。
レンズ2Aの外径(図2のDL2)を4mm、4.5mm、6mmおよび7.5mmの4種とし、実装基板4の縦方向および横方向の長さを2.5mm、発光素子10の縦方向および横方向の長さを1.4mmとし、発光素子10の外周部には15μmの厚みの蛍光体層8を設けた。
そして、高さh2を、レンズの外径が4mmおよび4.5mmの場合は0〜0.5mmまで変化させ、レンズの外径が6mmの場合は0〜0.8mmまで変化させ、レンズの外径が7.5mmの場合は0〜1.3mmまで変化させた。h2が0mmの場合が従来の発光装置500に相当する。
シミュレーションは、ソフトLightToolsを用いて行った。光源の波長(発光素子10の発光波長)は450nm、蛍光体層8はMie散乱モデルでモデル化した。レンズの屈折率はフェニル系シリコーン樹脂の屈折率を用い、実装基板4の反射率はDBR形成部が99.8%、その他の面を0%とした(DBR形成部については、図9および図10(a)を参照されたい。)。発光素子10は、サファイア基板上にGaN系の半導体層が積層されたものであり、サファイアの厚みを140μm、半導体層の厚みを10μmとした。
それぞれのレンズの外径についてh2が0の場合の光量を100%として、相対的な光量を求めた。
図13から判るように、レンズの外径が6mmおよび7.5mmでは高さh2が0より大きい全ての領域で相対的な光量が100%を超えている。レンズの外径が4.5mmの場合は、高さh2が約0.45mmまでは相対的な光量が100%を超えている。レンズの外径が4mmの場合は、高さh2が約0.41mmまでは相対的な光量が100%を超えている。
このことは、本発明にかかる発光装置100Aでは、従来の発光装置500と同程度の取り出し効率を維持するという本発明の目的を十分に達成し、さらに広い範囲に亘り従来の発光装置500を上回る光取り出し効率を得ることができることを示している。
図11は、シミュレーション2で用いた複数の発光装置100Aの配列パターンを示す模式平面図である。
シミュレーション2では、図11に示すように9個の発光装置100Aを縦方向および横方向の両方について隣接する発光装置100A同士の距離dを1mmとなるようにした。
そして、レンズ2Aの外径(図2のDL2)を4mm、4.5mm、6mmおよび7.5mmの4種とし、実装基板4の縦方向および横方向の長さを2.5mm、発光素子10の縦方向および横方向の長さを1.4mmとし、発光素子10の外周部には蛍光体層8を設けた。
そして、高さh2は、レンズの外径が4mmの時は0.1mm、レンズの外径が4.5mmの時は0.2mm、レンズの外径が6mmの時は0.6mm、レンズの外径が7.5mmの時は0.8mmとした。さらにそれぞれのレンズの外径について、比較のためにh2を0mmとした場合(従来の発光装置500に相当)の光量も求めた。
図11に示す9つの発光装置100Aのうち、中央に位置する発光装置100Aの直上部でレンズ2の底面から5mm高い位置にあり実装基板4の上面に平行な、直径200mmの円内の光量をシミュレーションにより求めた。
図14の「水平」は高さh2が0mmであること示し、「角度付き」は、高さh2を上述のように0.1〜0.8mmとした場合(すなわち、本発明に該当)を意味する。
縦軸の相対的な光量は、h2が0mmでレンズ外径が6mmの場合100%として示している。
図14から判るように本発明にかかる発光装置100Aは複数を配列した場合、従来の発光装置よりも高い取り出し効率を得ることができる。
4 実装基板
6 半導体層
8 蛍光体層
10 発光素子
22、22B、22C レンズ上面
24、24A、24B、24C 傾斜部
26、26B 水平部
26A レンズ2Aと実装基板4の側面との境界部
28、28A、28B レンズ底面
100、100A、100B、100C、100D、100E 発光装置
Claims (7)
- 発光素子と、
上面に前記発光素子が載置された基板と、
前記発光素子と前記基板の上面を封止するレンズと、
を含み、
前記レンズは上面が曲面であり、
前記レンズの底面が前記基板の外側にまで延在してなる外側延在部を含み、
前記外側延在部が、前記基板の上面に平行な方向に対して傾斜している傾斜部を有し、
前記外側延在部は空気と接し、
前記レンズの前記外側延在部が、前記基板の上面と平行な水平部を有し、
前記基板の中心を通り、かつ前記基板の上面に垂直な断面において、前記レンズの前記底面の前記水平部と前記傾斜部の境界が、前記発光素子の上面の端部と前記基板の上面の端部とを結ぶ直線が前記底面と交わる点より、前記基板に近い側に位置することを特徴とする発光装置。 - 前記レンズの前記外側延在部が前記傾斜部のみから成ることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記外側延在部が前記基板の外周全体に亘り形成されてい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。
- 前記基板の上面が多層膜より成る反射層により覆われていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記多層膜より成る反射層がブラッグ反射鏡であることを特徴とする請求項4に記載の発光装置。
- 前記レンズの前記上面と前記傾斜部との境界が前記発光素子の上面よりも上部に位置することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記発光素子が蛍光体層を有し、該蛍光体層の側面側の厚みが上面側の厚みより大きいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光装置。
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