JP6521017B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
図1(a)及び(c)は其々実施の形態1に係る発光装置100の概略前面図及び概略下面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A断面における概略断面図である。
封止部材30は、凹部10a内に充填されている。封止部材30は、発光素子21,22が発する光を異なる波長の光に変換する波長変換物質40を含有している。波長変換物質40は、緑色光乃至黄色光を発する第1蛍光体41と、赤色光を発する第2蛍光体42と、を含んでいる。この場合、発光素子21,22は、青色光を発する素子であると良い。
このような構成により、色再現性又は演色性に優れる発光が可能となる。しかしながら、その反面、波長変換物質40の使用量が比較的多くなり、それに伴いストークスロスによる発熱が増大する。したがって、素子収容器の成形体15及び/又は封止部材30の変形を生じやすくなるため、本実施の形態の発光装置100の構成が効果を奏しやすい。
さらに、この銀合金は、銀75%以上/金15%以上又は銀85%以上/金5%以上(残りの成分は例えばパラジウム等)の構成とするのが良い。なお、ワイヤ50は、一対のリード電極11,12の少なくとも一方と発光素子21,22を接続していればよい。
射出成形法では、溶融粘度の比較的高い樹脂をゲートから金型のキャビティ内に勢いよく注入する。このため、樹脂の圧力により、一対のリード電極11,12の前面、特に素子実装部11a,12aが金型に押し付けられ、素子実装部11a,12a上へのバリの発生が抑制される。また、このように、成形体15が一対のリード電極11,12の前面及び後面の両方を覆うことで、一対のリード電極11,12を成形体15によって強固に保持することができる。例えば、熱可塑性樹脂及び不飽和ポリエステル系樹脂は、リード電極との密着性が比較的得られにくいため、このような成形体15の構成が好適である。なお、「ゲート痕」とは、金型のキャビティ内への樹脂の注入口であるゲートの痕跡として成形体15に形成される突起である。また、成形体15の前方成形部は、主として、凹部10a周囲の側壁を構成する。
図2(a)及び(c)は其々実施の形態2に係る発光装置200の概略前面図及び概略下面図であり、図2(b)は図2(a)のB−B断面における概略断面図である。
また、第1リード電極11の機械的強度等の観点から、穴11dの前面視における大きさは、穴11dの全てが補強部17の内側にある大きさであることが好ましく、中間領域17mの内側にある大きさであることがより好ましい。さらに、同観点から、穴11dの前面視における形状は円形状であることが好ましい。なお、この穴11dは、第1リード電極11の前面から後面に貫通しているが、非貫通即ち窪みであってもよい。
発光装置は、発光素子が素子収容器に収容され一対のリード電極と電気的に接続されて構成され、好ましくは更に封止部材により封止されて構成される。発光装置は、例えば「発光ダイオード(LED)」等と呼ばれるものであってよい。また、発光装置は、側面発光型だけでなく、上面発光型(トップビュー型)も含む。
素子収容器は、発光素子を収容し、その発光素子に外部から給電するための電極(端子)を有する容器である。素子収容器は、少なくとも、一対のリード電極と、成形体と、により構成される。素子収容器は、例えば「パッケージ」等と呼ばれるものであってよい。
また、側面発光型発光装置用の素子収容器だけでなく、上面発光型(トップビュー型)発光装置用の素子収容器も含む。
一対のリード電極は、素子収容器における正負一対の電極(端子)を構成する。1つの素子収容器において、リード電極は、少なくとも一対あればよいが、複数対あってもよい。リード電極は、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル、コバルト、モリブデン、又はこれらの合金の平板に、プレス(打ち抜き含む)、エッチング、圧延など各種の加工を施したものが母体となる。リード電極は、これらの金属又は合金の積層体で構成されてもよいが、単層で構成されるのが簡便で良い。特に、銅を主成分とする銅合金(燐青銅、鉄入り銅など)が好ましい。また、その表面に、銀、アルミニウム、ロジウム又はこれらの合金などの光反射膜が設けられていてもよく、なかでも光反射性に優れる銀又は銀合金が好ましい。特に、硫黄系光沢剤を用いた銀又は銀合金の膜(例えばめっき膜)は、膜の表面が平滑で、極めて高い光反射性が得られる。なお、この光沢剤中の硫黄及び/又は硫黄化合物は、銀又は銀合金の結晶粒中及び/又は結晶粒界に散在することになる(硫黄の含有量としては例えば50ppm以上300ppm以下)。光反射膜の光沢度は、特に限定されないが、1.5以上であることが好ましく、1.8以上であることがより好ましい。なお、この光沢度は、GAM(Graphic Arts Manufacturing)社製のdigital densitometer Model 144を用いて測定される値とする。リード電極の厚さは、特に限定されないが、例えば0.05mm以上1mm以下が挙げられ、0.07mm以上0.3mm以下が好ましく、0.1mm以上0.2mm以下がより好ましい。リード電極は、例えばリードフレームの小片であってもよい。
成形体は、素子収容器における容器の母体をなす。成形体は、素子収容器の外形の一部を構成している。成形体は、光反射性の観点から、発光素子の発光ピーク波長における光反射率が、75%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。さらに、成形体は、白色であることが好ましい。成形体は、硬化前には流動性を有する状態つまり液状(ゾル状又はスラリー状を含む)を経る。成形体は、射出成形法、トランスファ成形法などにより成形することができる。
成形体の母材は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いることができる。なお、以下に示す樹脂は、その変性樹脂、及びハイブリッド樹脂も含むものする。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリビスマレイミドトリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。なかでも、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂のうちのいずれか1つが好ましい。特に、不飽和ポリエステル系樹脂は、熱硬化性樹脂の優れた耐熱性及び耐光性を有しながら、射出成形法により成形可能であり量産性にも優れている。不飽和ポリエステル系樹脂は、不飽和ポリエステル樹脂、並びにその変性樹脂及びハイブリッド樹脂のうちの少なくとも1つを用いることができる。具体的には、特開2013−153144号公報、特開2014−207304号公報、特開2014−123672号公報等に記載されている樹脂が挙げられる。また、成形体の母材としては、熱可塑性樹脂も好ましい。一般的に、熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べ、安価であるが、耐熱性及び耐光性に劣っており、変形しやすいためである。熱可塑性樹脂としては、脂肪族ポリアミド樹脂、半芳香族ポリアミド樹脂、芳香族ポリフタルアミド樹脂、ポリシクロへキシレンジメチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンテレフタレート、液晶ポリマー、ポリカーボネート樹脂、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂などが挙げられる。なかでも、芳香族ポリフタルアミド樹脂、脂肪族ポリアミド樹脂、ポリシクロヘキサンテレフタレート、ポリシクロへキシレンジメチレンテレフタレートのうちのいずれか1つが好ましい。成形体は、光反射性、機械的強度、熱伸縮性などの観点から、母材中に、以下のような白色顔料と充填剤を含有することが好ましいが、これに限定されない。
白色顔料は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、珪酸カルシウム、珪酸マグネシウム、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどが挙げられる。白色顔料は、これらのうちの1種を単独で、又はこれらのうちの2種以上を組み合わせて用いることができる。なかでも、酸化チタンは、屈折率が比較的高く、光隠蔽性に優れるため、好ましい。白色顔料の形状は、特に限定されず、不定形(破砕状)でもよいが、流動性の観点では球状が好ましい。白色顔料の粒径(以下「粒径」は例えば平均粒径D50で定義される)は、特に限定されず、例えば0.01μm以上1μm以下であり、好ましくは0.1μm以上0.5μm以下である。成形体中の白色顔料の含有量は、特に限定されず、成形体の光反射性の観点では多いほうが良いが、流動性への影響を考慮して、20wt%以上70wt%以下が好ましく、30wt%以上60wt%以下がより好ましい。なお、「wt%」は、重量パーセントであり、全構成材料の総重量に対する各材料の重量の比率を表す。
充填剤は、シリカ、酸化アルミニウム、ガラス、チタン酸カリウム、珪酸カルシウム(ワラストナイト)、マイカ、タルクなどが挙げられる。充填剤は、これらのうちの1種を単独で、又はこれらのうちの2種以上を組み合わせて用いることができる。但し、充填剤は、上記の白色顔料とは異なるものとする。特に、成形体の熱膨張係数の低減剤としては、シリカ(粒径は例えば5μm以上100μm以下、好ましくは5μm以上30μm以下)が好ましい。強化剤としては、ガラス、チタン酸カリウム、珪酸カルシウム(ワラストナイト)が好ましい。中でも、珪酸カルシウム(ワラストナイト)、又はチタン酸カリウムは比較的径が小さく、薄型又は小型の成形体に好適である。具体的には、強化剤の平均繊維径は、特に限定されず、例えば0.05μm以上100μm以下であり、0.1μm以上50μm以下が好ましく、1μm以上30μm以下がより好ましく、2μm以上15μm以下がよりいっそう好ましい。強化剤の平均繊維長は、特に限定されず、例えば0.1μm以上1mm以下であり、1μm以上200μm以下が好ましく、3μm以上100μm以下がより好ましく、5μm以上50μm以下がよりいっそう好ましい。強化剤の平均アスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)は、特に限定されず、例えば2以上300以下であり、2以上100以下が好ましく、3以上50以下がより好ましく、5以上30以下がよりいっそう好ましい。充填剤の形状は、特に限定されず、不定形(破砕状)でもよいが、強化剤としての機能の観点では繊維状(針状)又は板状(鱗片状)が好ましく、流動性の観点では球状が好ましい。成形体中の充填剤の含有量は、特に限定されず、成形体の熱膨張係数、機械的強度等を考慮して適宜決めればよいが、10wt%以上80wt%以下が好ましく、30wt%以上60wt%以下がより好ましい(うち強化剤は5wt%以上30wt%以下が好ましく、5wt%以上20wt%以下がより好ましい)。
発光素子は、LED素子などの半導体発光素子を用いることができる。発光素子は、多くの場合に基板を有するが、少なくとも、種々の半導体で構成される素子構造と、正負(pn)一対の電極と、を有するものであればよい。特に、紫外〜可視域の発光が可能な窒化物半導体(InxAlyGa1−x−yN、0≦x、0≦y、x+y≦1)の発光素子が好ましい。発光素子の発光ピーク波長は、発光効率、他の光源の光との混色関係、波長変換物質の励起効率などの観点から、445nm以上465nm以下の範囲が好ましい。
このほか、緑色〜赤色発光のガリウム砒素系、ガリウム燐系半導体の発光素子を含んでいてもよい。正負一対の電極が同一面側に設けられている発光素子の場合、各電極をワイヤで一対のリード電極と接続される(フェイスアップ実装)。また、各電極を導電性接着剤で一対のリード電極と接続されてもよい(フリップチップ実装(フェイスダウン実装))。正負一対の電極が互いに反対の面に各々設けられている対向電極構造の発光素子の場合、下面電極が導電性接着剤で一方のリード電極に接着され、上面電極がワイヤで他方のリード電極と接続される。1つの素子収容器に搭載される発光素子の個数は1つでも複数でもよい。複数の発光素子は、ワイヤにより直列又は並列に接続することができる。また、1つの素子収容器に、例えば青色・緑色・赤色発光の3つの発光素子が搭載されてもよい。
封止部材は、発光素子を封止して、埃や水分、外力などから保護する部材である。封止部材は、電気的絶縁性を有し、発光素子から出射される光に対して透光性(好ましくは発光素子の発光ピーク波長における光透過率が70%以上、より好ましくは85%以上)を有する部材であればよい。封止部材は、これらの母材中に、少なくとも波長変換物質を含有することが好ましいが、これに限定されない。
封止部材の母材は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、TPX樹脂、ポリノルボルネン樹脂、又はこれらの変性樹脂若しくはハイブリッド樹脂が挙げられる。特に、フェニル基を含むシリコーン系樹脂は、メチル・フェニルシリコーン樹脂、ジフェニルシリコーン樹脂、並びにその変性樹脂及びハイブリッド樹脂のうちの少なくとも1つを用いることができる。フェニル基を含むシリコーン系樹脂中のケイ素原子に結合した全有機基のうちフェニル基の含有率は、例えば5mol%以上80mol%以下であり、20mol%以上70mol%以下であることが好ましく、30mol%以上60mol%以下であることがより好ましい。
波長変換物質は、発光素子から出射される一次光の少なくとも一部を吸収して、一次光とは異なる波長の二次光を出射する。これにより、可視波長の一次光及び二次光の混色光(例えば白色光)を出射する発光装置とすることができる。波長変換物質は、以下に示す具体例のうちの1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
第1蛍光体は、緑色光乃至黄色光を発する。第1蛍光体の発光ピーク波長は、発光効率、他の光源の光との混色関係などの観点から、緑色域(500nm以上560nm以下の範囲)が好ましく、520nm以上560nm以下の範囲がより好ましい。具体的には、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えばY3(Al,Ga)5O12:Ce)、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えばLu3(Al,Ga)5O12:Ce)、シリケート系蛍光体(例えば(Ba,Sr)2SiO4:Eu)、クロロシリケート系蛍光体(例えばCa8Mg(SiO4)4Cl2:Eu)、βサイアロン系蛍光体(例えばSi6−zAlzOzN8−z:Eu(0<Z<4.2))などが挙げられる。
第2蛍光体は、赤色光を発する。第2蛍光体の発光ピーク波長は、発光効率、他の光源の光との混色関係などの観点から、620nm以上670nm以下の範囲が好ましい。具体的には、窒素含有アルミノ珪酸カルシウム(CASN又はSCASN)系蛍光体(例えば(Sr,Ca)AlSiN3:Eu)などが挙げられる。また、マンガンで賦活されたフッ化物蛍光体は、一般式A2[M1−aMnaF6]で表される蛍光体である(但し、上記一般式(I)中、Aは、K、Li、Na、Rb、Cs及びNH4からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、Mは、第4族元素及び第14族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、aは0<a<0.2を満たす)。このフッ化物蛍光体の代表例としては、フッ化珪酸カリウム系蛍光体(例えばK2SiF6:Mn)がある。
封止部材の充填剤は、シリカ、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛などが挙げられる。封止部材の充填剤は、これらのうちの1種を単独で、又はこれらのうちの2種以上を組み合わせて用いることができる。特に、封止部材の熱膨張係数の低減剤としては、シリカが好ましい。封止部材の充填剤の形状は、特に限定されず、不定形(破砕状)でもよいが、流動性の観点では球状が好ましい。封止部材中の充填剤の含有量は、特に限定されず、封止部材の熱膨張係数、流動性等を考慮して適宜決めればよいが、0.1wt%以上50wt%以下が好ましく、1wt%以上30wt%以下がより好ましい。また、封止部材の充填剤として、ナノ粒子(粒径が1nm以上100nm以下の粒子)を用いることで、発光素子の青色光など短波長の光の散乱(レイリー散乱を含む)を増大させ、波長変換物質の使用量を低減することもできる。このナノ粒子の充填剤としては、例えばシリカ又は酸化ジルコニウムが好ましい。
接着剤は、発光素子をリード電極に接着する部材である。絶縁性接着剤は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、又はこれらの変性樹脂若しくはハイブリッド樹脂などを用いることができる。導電性接着剤としては、銀、金、パラジウムなどの導電性ペーストや、錫−ビスマス系、錫−銅系、錫−銀系、金−錫系の半田などを用いることができる。
ワイヤは、発光素子の電極と、リード電極と、を接続する導線である。具体的には、金、銅、銀、白金、アルミニウム、パラジウム又はこれらの合金の金属線を用いることができる。ワイヤの線径は、特に限定されないが、例えば5μm以上50μm以下が挙げられ、10μm以上40μm以下が好ましく、15μm以上30μm以下がより好ましい。
実施例1の発光装置は、図1(a)〜(c)に示す例の発光装置100の構造を有する側面発光型のLEDである。この発光装置(素子収容器)の大きさは、横幅(左右方向の幅)3.8mm、奥行き(前後方向の幅)0.85mm、厚さ(上下方向の幅)0.4mmである。
実施例1の発光装置について、固着性試験と抗折強度試験により、機械的強度を評価する。固着性試験は、発光装置を回路基板上にはんだ実装し、発光装置の後方中央を基板面に平行に治具で押圧して、発光装置が破壊する荷重を計測する。また、抗折強度試験は、1mmの間隔がある支持治具上に発光装置の上面側を載せて、発光装置の下面中央を鉛直方向に治具で押圧して、発光装置が破壊する荷重を計測する。比較例1の発光装置としては、実施例1の発光装置において、2つの端部領域17e1,17e2をなくし、中間領域17mを側壁151,152まで延長した形状の補強部に置換したものである。実施例1の発光装置は、固着性試験及び抗折強度試験において、比較例1の発光装置に対して、2.5%の機械的強度の向上を確認できる。
11,12…リード電極(11a,12a…素子実装部、11b,12b…外部接続端子部、11d…穴)
15…成形体(15a…ゲート痕、15g…離間領域、151,152…側壁、17…補強部(17e1,17e2…端部領域、17m…中間領域))
21,22…発光素子
30…封止部材
40…波長変換物質(41…第1蛍光体、42…第2蛍光体)
50…ワイヤ
100,200…発光装置
Claims (17)
- 凹部を有し横方向に長い素子収容器であって、前記横方向に並び前記凹部の底を構成する一対のリード電極と、前記一対のリード電極と一体に成形され前記凹部の側壁を構成する成形体と、を含む素子収容器と、
前記凹部の底の前記一対のリード電極の少なくとも一方の上に配置された第1発光素子と、
前記凹部の底の前記一対のリード電極の少なくとも他方の上に配置された第2発光素子と、
前記第1発光素子と前記第2発光素子とを接続するワイヤと、を備え、
前記成形体は、前記凹部の縦方向に向かい合う2つの側壁同士を結ぶ補強部を有し、
前記補強部は、前記2つの側壁の其々に接続した2つの端部領域と、前記2つの端部領域の間の中間領域と、からなり、
前記2つの端部領域の高さは、前記中間領域の高さより高く、
前記中間領域の高さは、前記凹部の底の前記一対のリード電極の表面より高く、
前記ワイヤは中間領域を跨ぐ、発光装置。 - 前記2つの端部領域の前記横方向の幅は、前記中間領域の前記横方向の幅より大きい請求項1に記載の発光装置。
- 前記2つの端部領域における、それぞれの端部領域の前記縦方向の幅は、前記中間領域の前記縦方向の幅より小さい請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記2つの端部領域の表面は、前記凹部の底の前記一対のリード電極の表面に対して傾斜する傾斜面で構成されている請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記2つの端部領域の高さは、前記第1発光素子及び前記第2発光素子の上面の高さ以上である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記補強部は、前記一対のリード電極を隔てる離間領域上にある請求項1乃至5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記2つの端部領域の前記横方向の幅は、前記離間領域の前記横方向の幅より大きい請求項6に記載の発光装置。
- 前記中間領域の前記横方向の幅は、前記離間領域の前記横方向の幅以下である請求項6又は7に記載の発光装置。
- 前記補強部は、前記凹部の前記横方向の略中央にある請求項1乃至8のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記成形体の外形の前記縦方向の幅は、1mm以下である請求項1乃至9のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記成形体の母材は、熱可塑性樹脂である請求項1乃至10のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記成形体の母材は、不飽和ポリエステル系樹脂である請求項1乃至10のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記凹部内に充填された封止部材を備え、
前記封止部材は、前記第1発光素子及び前記第2発光素子が発する光を異なる波長の光に変換する波長変換物質を含有し、
前記波長変換物質は、緑色光乃至黄色光を発する第1蛍光体と、赤色光を発する第2蛍光体と、を含む請求項1乃至12のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記第2蛍光体は、マンガンで賦活されたフッ化物蛍光体を含む請求項13に記載の発光装置。
- 前記封止部材の母材は、フェニル基を含むシリコーン系樹脂である請求項13又は14に記載の発光装置。
- 当該発光装置は、側面発光型である請求項1乃至15のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記中間領域は断面視形状が台形状である請求項1乃至16のいずれか一項に記載の発光装置。
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