JP6628739B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置に関する。
セラミック基板または金属基板などの汎用基板の上にＬＥＤ（発光ダイオード）素子などの発光素子が実装されたＣＯＢ（Chip On Board）の発光装置が知られている。こうした発光装置では、蛍光体を含有する樹脂により例えば青色光を発光するＬＥＤ素子を封止し、ＬＥＤ素子からの光により蛍光体を励起させて得られる光を混合させることにより、用途に応じて白色光などを得ている。
一般的な照明用途に用いられる発光装置の発光素子としては、白色系の発光色が作りやすいことから、青色光を発光する青色ＬＥＤまたはＵＶ素子などが適している。また、これらの発光素子を封止する樹脂材としては、使用する発光素子の発光色との関係で、シリコーンが使用される場合が多い。
電球および蛍光灯に代わる照明用の光源として、複数の発光素子（ＬＥＤ素子）を用いた照明装置が近年採用されている。ＬＥＤ素子は電球などに比べて消費電力が少ないが、点状光源であるため指向性が狭いので、ＬＥＤ照明装置では、数十〜数百個程度のＬＥＤ素子が実装され、これらの素子を透光性の樹脂で封止することで、均一な明るさの発光面が形成される。例えば、特許文献１，２には、基板上に実装された複数の発光素子を透光性の樹脂材によって封止して形成された発光面を有する発光装置が記載されている。
また、特許文献３には、表面に外部と接続する導体層を有する基材に搭載された発光素子を封止した発光装置であって、発光素子の上方に配置された蛍光体層と、蛍光体層と導体層の双方に接し熱伝導性粒子が分散されている樹脂層とを有することにより、蛍光体粒子からの発熱を良好にした発光装置が記載されている。
また、こうした発光装置については、例えば色度のバラつきを抑えるために、樹脂内に分散させた蛍光体を沈降させてから樹脂を硬化させる製造方法が知られている。例えば、特許文献４には、基板に撥液剤パターンを形成する工程と、基板における撥液剤パターンの内側にＬＥＤチップを実装する工程と、撥液剤パターンの内側に蛍光体を混練した封止樹脂を塗布する工程と、無風状態にて封止樹脂内の蛍光体を沈降させる工程とを含む発光素子パッケージの製造方法が記載されている。
特開２０１３−０２１０４２号公報 特開２００９−１６４１５７号公報 特開２０１４−０４１９９３号公報 特開２０１２−０４４０４８号公報
蛍光体を分散させた封止樹脂により発光素子を封止した発光装置では、発光素子からの光により蛍光体が発熱し、その熱によって発光素子の発光強度が低下する。発光素子の実装基板として放熱性に優れた金属基板を使用したとしても、それだけでは、実装基板から離れた位置にある蛍光体による熱は実装基板に十分に伝わらないため、封止樹脂に熱がこもりやすくなり、依然として発光強度の低下を防ぐことは難しい。
そこで、本発明は、発光素子の発光により生じる熱を効果的に放出させて、発光素子の発光強度を向上させた発光装置を提供することを目的とする。
実装領域を有する実装基板と、実装領域に実装された複数の発光素子と、蛍光体を含有し複数の発光素子を一体的に封止する封止樹脂と、実装領域上で複数の発光素子の間に配置され、封止樹脂に埋め込まれており、封止樹脂よりも熱伝導率が高い熱伝導部材とを有することを特徴とする発光装置が提供される。
上記の発光装置では、複数の発光素子は実装領域上で格子状に配列し、熱伝導部材は、複数の発光素子が構成する各格子内にそれぞれ配置された複数の柱状部材であることが好ましい。また、熱伝導部材の下端は実装基板に埋め込まれていることが好ましい。
上記の発光装置では、封止樹脂の内部で複数の発光素子を相互に電気的に接続するワイヤをさらに有し、熱伝導部材は、封止樹脂よりも硬質の材料で構成され、上端がワイヤの上端よりも高い位置にあることが好ましい。
上記の発光装置では、複数の発光素子は、それぞれバンプを介して実装領域に実装され、熱伝導部材は、封止樹脂よりも硬質の材料で構成され、上端が複数の発光素子のいずれの上面よりも高い位置にあることが好ましい。
上記の発光装置では、熱伝導部材は金属材料で構成されているか、あるいは、熱伝導部材は透光性または光拡散性を有する材料で構成され、蛍光体を含有することが好ましい。
上記の発光装置では、熱伝導部材は複数の発光素子の周囲を取り囲む垣根状の周面を有することが好ましい。
上記の発光装置では、熱伝導部材の周面に反射面が設けられていることが好ましい。
上記の発光装置では、封止樹脂の内部で複数の発光素子を相互に電気的に接続するワイヤをさらに有し、熱伝導部材は、封止樹脂よりも硬質の材料で構成され、上端がワイヤの上端よりも高い位置にあり、熱伝導部材の上端の一部に、ワイヤを通すための切欠き部が設けられていることが好ましい。
上記の発光装置では、封止樹脂は、蛍光体の濃度が互いに異なる第１の層と第２の層を実装基板に近い側から順に有し、第１の層における蛍光体の濃度は、第２の層における蛍光体の濃度よりも高いことが好ましい。
また、周囲に枠体が設けられた基板と、この基板上に配置された複数の発光素子と、枠体内に充填され複数の発光素子を封止する封止樹脂とを備えた発光装置において、封止樹脂が上からの押圧によって凹んだ際に、その凹みが所定の深さ以上になるのを阻止する変形阻止部材が基板上に設けられていることを特徴とする発光装置が提供される。
上記の発光装置では、複数の発光素子がワイヤによって電気的に接続され、封止樹脂によって封止された場合には、変形阻止部材は、封止樹脂の凹みがワイヤに及ばないような高さ以上に形成されることが好ましい。
上記の発光装置では、複数の発光素子がバンプを介して基板上に実装され、封止樹脂によって封止された場合には、変形阻止部材は、封止樹脂の凹みが発光素子に及ばないような高さ以上に形成されることが好ましい。
上記の発光装置では、変形阻止部材が封止樹脂より硬質の材料によって形成されていることが好ましい。
上記の発光装置では、変形阻止部材は、透光性または拡散性を有するとともに硬質性を有する樹脂またはガラスによって形成され、所定量の蛍光剤が含有されていることが好ましい。
上記の発光装置では、封止樹脂はシリコーン樹脂からなり、変形阻止部材は封止樹脂よりも硬質なシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂からなることが好ましい。
上記の発光装置では、変形阻止部材は、金属材料によって形成されることが好ましい。
上記の発光装置では、変形阻止部材は、基板上に配置された複数の発光素子の周囲に設けられることが好ましい。
上記の発光装置では、変形阻止部材は、基板上に複数配置された各発光素子の対角する４か所に設けられることが好ましい。
上記の発光装置によれば、発光素子の発光により生じる熱を効果的に放出させて、発光素子の発光強度を向上させることが可能となる。
発光装置１の斜視図である。 発光装置１の断面図である。 発光装置１の製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置１の製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置１の製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置１の製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置１の製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置１の製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置２の断面図である。 発光装置３の断面図である。 発光装置４の断面図である。 発光装置５の断面図である。 発光装置６の断面図である。 発光装置６のＬＥＤ素子３０と熱伝導部材６６の配置を示す平面図である。 熱伝導部材６６に設けられた切欠き部６６Ａを示す斜視図である。 発光装置７の斜視図である。 発光装置７の断面図である。 発光装置８の斜視図である。 発光装置８の断面図である。 発光装置１Ａの斜視図である。 発光装置１Ａの断面図である。 発光装置１Ａの製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１Ａの製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１Ａの製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１ＡのＬＥＤ素子３０と変形阻止部材６０の配置を示す平面図である。 発光装置１Ａにおける変形阻止部材６０の作用効果を示す断面図である。 発光装置１Ｂの斜視図である。 発光装置１Ｂの断面図である。 発光装置１Ｂの製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１Ｂの製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１Ｂの製造工程を説明するための斜視図である。 発光装置１Ｂにおける変形阻止部材６０の作用効果を示す断面図である。 発光装置１Ｃの斜視図である。 発光装置１Ｃの断面図である。
以下、図面を参照しつつ、発光装置について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。
図１Ａは完成品としての発光装置１の斜視図であり、図１Ｂは図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った発光装置１の断面図である。発光装置１は、発光素子としてＬＥＤ素子を含み、例えば照明用ＬＥＤ、ＬＥＤ電球などの種々の照明装置として利用される。発光装置１は、主要な構成要素として、実装基板１０、回路基板２０、ＬＥＤ素子３０、樹脂枠４０、封止樹脂５０および熱伝導部材６１を有する。
実装基板１０は、一例として正方形の形状を有し、その上面の中央にＬＥＤ素子３０が実装される円形の実装領域１１を有する金属基板である。実装基板１０は、ＬＥＤ素子３０および後述する蛍光体の粒子により発生した熱を放熱させる放熱基板としても機能するため、例えば、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムで構成される。ただし、実装基板１０の材質は、耐熱性と放熱性に優れたものであれば、例えば銅など、別の金属でもよい。
回路基板２０は、一例として、実装基板１０と同じ大きさの正方形の形状を有し、その中心部に円形の開口部２１を有する。回路基板２０は、その下面が例えば接着シートにより実装基板１０の上に貼り付けられて固定される。回路基板２０の上面には、開口部２１を取り囲むように、ＬＥＤ素子３０の配線パターン２３（後述する図２Ａを参照）が形成されている。また、回路基板２０の上面で対角に位置する２つの角部には、発光装置１を外部電源に接続するための接続電極２４が形成されている。接続電極２４は一方がアノード電極で他方がカソード電極となり、これらが外部電源に接続されて電圧が印加されることによって、発光装置１は発光する。
ＬＥＤ素子３０は、発光素子の一例であり、例えば発光波長帯域が４５０〜４６０ｎｍ程度の青色光を発光する青色ＬＥＤである。発光装置１では、複数のＬＥＤ素子３０が、回路基板２０の開口部２１から露出している実装基板１０の実装領域１１に、格子状に配列して実装される。図１Ａでは、特に１６個のＬＥＤ素子３０が実装された場合の例を示している。ＬＥＤ素子３０の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤などにより、実装基板１０の上面に固定される。また、ＬＥＤ素子３０は上面に一対の素子電極を有し、図１Ｂに示すように、隣接するＬＥＤ素子３０の素子電極は、ボンディングワイヤ（以下、単にワイヤという）３１により相互に電気的に接続される。開口部２１の外周側に位置するＬＥＤ素子３０から出たワイヤ３１は、回路基板２０の配線パターン２３に接続される。これにより、各ＬＥＤ素子３０には、ワイヤ３１を介して電流が供給される。
樹脂枠４０は、回路基板２０の開口部の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された円形の枠体であり、回路基板２０の上面で、開口部２１を縁取るように形成された配線パターン２３と重なる位置に固定される。樹脂枠４０は、封止樹脂５０の流出しを防止するためのダム材であり、また、ＬＥＤ素子３０から側方に出射された光を、発光装置１の上方（ＬＥＤ素子３０から見て実装基板１０とは反対側）に向けて反射させる。
封止樹脂５０は、開口部２１内に注入されて、複数のＬＥＤ素子３０、ワイヤ３１および後述する熱伝導部材６１を一体的に被覆し保護（封止）する。例えば、封止樹脂５０としては、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの無色かつ透明な樹脂を、特に２５０℃程度の耐熱性がある樹脂を使用するとよい。封止樹脂５０は、図１Ａに示した例では円板状に硬化され、例えば樹脂枠４０により実装基板１０上に固定される。
また、封止樹脂５０には、例えばＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）などの黄色蛍光体が分散混入されている。発光装置１は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子３０からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。
あるいは、封止樹脂５０には、例えば緑色蛍光体および赤色蛍光体などの複数種類の蛍光体が分散混入されていてもよい。この場合、発光装置１は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子３０からの青色光と、それによって緑色蛍光体および赤色蛍光体を励起させて得られる緑色光および赤色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。緑色蛍光体は、ＬＥＤ素子３０が出射した青色光を吸収して緑色光に波長変換する、例えば（ＢａＳｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋などの粒子状の蛍光体材料である。赤色蛍光体は、ＬＥＤ素子３０が出射した青色光を吸収して赤色光に波長変換する、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋などの粒子状の蛍光体材料である。なお、封止樹脂５０には、例えば緑色蛍光体と赤色蛍光体に加えて黄色蛍光体をさらに混入させてもよいし、黄色蛍光体と赤色蛍光体などの上記とは異なる組合せの蛍光体を混入させてもよい。
発光装置１では、一例として、封止樹脂５０は内部の蛍光体の粒子が層状に沈降した状態で硬化している。図１Ｂに示した例では、封止樹脂５０は、蛍光体の濃度が互いに異なる第１の層５１と第２の層５２を実装基板１０に近い側から順に有し、第１の層５１における蛍光体の濃度は、第２の層５２における蛍光体の濃度よりも高い。そして、第１の層５１の厚さは、ＬＥＤ素子３０の高さとほぼ一致している。第１の層５１は、例えば緑色蛍光体の濃度が高い層と赤色蛍光体の濃度が高い層など、蛍光体の種類ごとに分かれた複数の層で構成されていてもよい。あるいは、封止樹脂５０は、蛍光体の濃度が明確に異なる複数の層を有さず、実装基板１０の側に近付くにつれて蛍光体の濃度が徐々に高くなる濃度勾配を有してもよい。
このように蛍光体の粒子を層状に沈降させることで、放熱性の高い実装基板１０の近くに蛍光体が配置されるため、ＬＥＤ素子３０からの光により蛍光体が発熱したときに、その熱が実装基板１０を介して発光装置１の外部に逃げやすくなる。したがって、熱によるＬＥＤ素子３０の発光強度の低下を防ぐことができるため、発光強度の向上のために有利になる。
なお、上記の通り、蛍光体の粒子を層状に沈降させると発光装置の放熱性は向上するが、蛍光体を封止樹脂５０内に均一に分散させた方が、蛍光体による発光効率が高くなるため、より明るい出射光が得られる。このため、図１Ｂに示す形態とは異なり、蛍光体を封止樹脂５０の全体に均一に分散させてもよい。
熱伝導部材６１は、例えば実装基板１０と同じアルミニウムなどの、封止樹脂５０よりも熱伝導率が高く放熱性に優れた金属（導電性部材）で構成された複数の柱状部材である。熱伝導部材６１は、実装領域１１における複数のＬＥＤ素子３０の間に配置されており、封止樹脂５０内に埋め込まれている。図１Ａでは、特に１６本の熱伝導部材６１が実装された場合の例を示している。図１Ａに示すように、個々の熱伝導部材６１は、近接した４つのＬＥＤ素子３０で形成される矩形（格子）の中心（対角線の交点）に配置されている。また、図１Ｂに示すように、熱伝導部材６１の下端は実装基板１０の上面に接着されており、熱伝導部材６１の上端の位置は、ワイヤ３１が設けられている位置よりも高い。
発光装置１では、実装基板１０上に配置された放熱性の高い柱状の熱伝導部材６１により、封止樹脂５０内の蛍光体からの熱を、熱伝導部材６１を介して実装基板１０に効率よく逃がすことができるので、放熱特性が向上する。特に、熱伝導部材６１があることにより、蛍光体の粒子を層状に沈降させず封止樹脂５０内に均一に分散させる場合でも、封止樹脂５０にこもる熱を実装基板１０に効率よく逃がすことが可能になる。また、発光装置１では、近接した４つのＬＥＤ素子３０で形成される矩形の中心に熱伝導部材６１がそれぞれ配置されているため、どのＬＥＤ素子３０からの発熱についても均等に放熱効果が得られる。
また、封止樹脂５０として用いられる耐熱性のシリコーン樹脂は、押圧力がかけられると簡単に変形する柔らかいものであるため、外力により封止樹脂５０が変形したときにワイヤ３１が切断される恐れがある。しかしながら、発光装置１では、金属製で硬度があり上端の位置がワイヤ３１の位置よりも高い熱伝導部材６１が封止樹脂５０内に均一に配置されているため、外力による封止樹脂５０の変形は熱伝導部材６１により阻止される。すなわち、熱伝導部材６１は変形阻止部材としても機能する。このため、発光装置１では、耐熱性を有するが硬度は低い樹脂を封止樹脂５０として用いる場合でも、熱伝導部材６１によりワイヤ３１を保護し、その切断の発生を抑制することが可能になる。
図２Ａ〜図７Ｂは、発光装置１の製造工程を示す斜視図および断面図である。図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂおよび図７Ｂは、それぞれ、図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線、図３ＡのＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線、図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線、図５ＡのＶＢ−ＶＢ線、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線および図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿った断面を示す。
発光装置１の製造時には、まず、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、実装基板１０と開口部２１を有する回路基板２０とが、重ね合わされて貼り合わされる。そして、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、回路基板２０の開口部２１から露出している実装基板１０の実装領域１１に、複数のＬＥＤ素子３０が実装される。次に、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、近接するＬＥＤ素子３０同士がワイヤ３１で互いに電気的に接続され、開口部２１の外周側のＬＥＤ素子３０から出たワイヤ３１は、回路基板２０の配線パターン２３に接続される。
続いて、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、実装領域１１において、近接した４つのＬＥＤ素子３０で形成される矩形の中心に、柱状の熱伝導部材６１が接着される。さらに、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、回路基板２０の配線パターン２３の上に樹脂枠４０が固定される。そして、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、開口部２１内に、蛍光体を比較的高濃度に含むシリコーン樹脂などが充填されて、封止樹脂５０の第１の層５１が形成される。第１の層５１が硬化した後で、さらに開口部２１内に、蛍光体を比較的低濃度に含むシリコーン樹脂などを充填して封止樹脂５０の第２の層５２を形成することにより、図１Ａおよび図１Ｂに示す発光装置１が完成する。
なお、蛍光体の濃度が異なる封止樹脂５０を２段階で充填するのではなく、蛍光体を含有する封止樹脂５０を一度に樹脂枠４０の上端まで充填させてもよい。この場合には、環境温度を封止樹脂５０が硬化しない温度に保って蛍光体の粒子を自重により沈降させ、その後で封止樹脂５０を硬化させることにより、第１の層５１および第２の層５２が形成される。
図８Ａ〜図８Ｅは、それぞれ発光装置２〜６の断面図である。これらの図では、図１Ｂと同様に、発光装置２〜６の縦断面を示す。発光装置２〜６は熱伝導部材の形状のみが発光装置１とは異なり、発光装置２〜６の他の部材は発光装置１のものと同一である。このため、以下では、発光装置２〜６について、それらの熱伝導部材を中心に説明する。発光装置１と重複する部分には発光装置１のものと同一の符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。
図８Ａに示す発光装置２は、実装領域１１において実装基板１０の上面から底面まで貫通するように差し込まれた柱状の熱伝導部材６２を有する。また、図８Ｂに示す発光装置３は、実装領域１１において実装基板１０の上面から厚さ方向に途中まで差し込まれた柱状の熱伝導部材６３を有する。発光装置１の熱伝導部材６１は実装基板１０の上面に接着されていたが、熱伝導部材６２，６３のように、熱伝導部材の下端は実装基板１０に埋め込まれていてもよい。熱伝導部材の下端を実装基板１０に埋め込めば、熱伝導部材を実装基板１０に接着するための接着剤は不要になり、また、熱伝導部材と実装基板１０との接触面積が広くなって熱伝導部材から実装基板１０に熱が伝わりやすくなるため、放熱特性がさらに向上する。
図８Ｃに示す発光装置４は、第１の層５１の上端付近およびＬＥＤ素子３０の上端付近の高さに段差が形成された、下部よりも上部の方が細い柱状の熱伝導部材６４を有する。柱状の熱伝導部材は、太さが均一なものに限らず、下端から上端に向かって太さが細くなってもよい。上端が細い熱伝導部材６４であれば、熱伝導部材６１よりも光の通過を阻害しにくいという利点がある。また、蛍光体の濃度が異なる封止樹脂５０を２段階で充填して発光装置４を製造する場合には、熱伝導部材６４の段差は、蛍光体を比較的高濃度に含む第１の層５１を最初に形成するときの封止樹脂５０の充填量の目印にもなる。
図８Ｄに示す発光装置５は、高さが第１の層５１の上端付近およびＬＥＤ素子３０の上端付近までの柱状の熱伝導部材６５を有する。封止樹脂５０の内部で蛍光体の粒子を沈降させる場合には、蛍光体を比較的高濃度に含む第１の層５１と同程度の、比較的高さが低い熱伝導部材を設けてもよい。また、このように高さが低い柱状部材の場合には、金属基板を加工して、実装基板１０と熱伝導部材６５を一体に形成してもよい。熱伝導部材６５は、ワイヤ３１よりも低い位置にあるためワイヤ３１を保護する効果は有しないが、蛍光体が第１の層５１に集中していれば、放熱特性の観点では、熱伝導部材６１〜６４と同等の効果を有する。
図８Ｅに示す発光装置６は、上端が尖った形状の熱伝導部材６６を有する。熱伝導部材６６は、今まで例示してきたような柱状部材ではなく、実装領域１１において同心円状に形成された複数の円環状の部材である。
図９Ａは、発光装置６のＬＥＤ素子３０と熱伝導部材６６の配置を示す平面図である。図９Ａでは、封止樹脂５０の図示は省略している。なお、図８Ｅは、図９ＡのＶＩＩＩＥ−ＶＩＩＩＥ線に沿った断面に相当する。図９Ａに示すように、熱伝導部材６５は、ＬＥＤ素子３０の周囲を取り囲む垣根状の周面を有する部材であり、その周面（側面）には、例えば反射性の白色の樹脂を被膜するなどの方法により反射面６６Ｂ（図８Ｅを参照）が設けられている。熱伝導部材６６は、上端が尖っていることにより傾斜した側面を有するため、ＬＥＤ素子３０または蛍光体からの光をその側面により発光装置６の上方に反射させる機能を有する。これにより、熱伝導部材６６は、放熱特性を向上させる機能とともに、発光装置６からの出射光を上方に集光するリフレクタの機能も有するため、発光装置６では、装置の正面における発光強度をさらに向上させることが可能になる。
図９Ｂは、熱伝導部材６６に設けられた切欠き部６６Ａを示す斜視図である。図９Ｂでは、２つのＬＥＤ素子３０と熱伝導部材６６の一部分を拡大して示す。熱伝導部材６６の周面の上端には、熱伝導部材６６を跨いで２つのＬＥＤ素子３０を接続するワイヤ３１を通すために、部分的に切欠き部（凹部）６６Ａが設けられている。このため、熱伝導部材６６の上端の位置はワイヤ３１の位置よりも高いので、発光装置６でも、熱伝導部材６６によりワイヤ３１を保護し、その切断の発生を抑制することが可能になる。
図１０Ａは完成品としての発光装置７の斜視図であり、図１０Ｂは図１０ＡのＸＢ−ＸＢ線に沿った発光装置７の断面図である。発光装置７は、主要な構成要素として、実装基板１０’、ＬＥＤ素子３０、樹脂枠４０、封止樹脂５０および熱伝導部材６７を有する。発光装置７は、発光装置１にあった開口部２１を有する回路基板２０がないという点が発光装置１とは異なる。
実装基板１０’は、例えばセラミックスで構成された絶縁基板であり、その上面の中央にＬＥＤ素子３０が実装される円形の実装領域１１’を有する。発光装置７でも、発光装置１と同じ複数のＬＥＤ素子３０が、実装基板１０’の実装領域１１’に例えば格子状に配列して実装される。実装基板１０’の上面には、ＬＥＤ素子３０の配線パターンが形成されており、実装基板１０’の上面で対角に位置する２つの角部には、発光装置７を外部電源に接続するための接続電極２４が形成されている。
樹脂枠４０は、実装基板１０’の実装領域１１’の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された、発光装置１のものと同じ円形の枠体（ダム材）である。封止樹脂５０は、実装領域１１’上の樹脂枠４０で囲われた部分に注入されて、複数のＬＥＤ素子３０と、ＬＥＤ素子３０を相互に接続するワイヤ３１と、熱伝導部材６７とを一体的に被覆し保護（封止）する。封止樹脂５０は、発光装置１のものと同じように、蛍光体が分散混入された、シリコーン樹脂などの耐熱性を有する樹脂である。図１０Ｂに示す例では、封止樹脂５０は、蛍光体の濃度が比較的高い第１の層５１と蛍光体の濃度が比較的低い第２の層５２とを有するが、封止樹脂５０には蛍光体が均一に分散していてもよい。
熱伝導部材６７は、熱伝導部材６１と同じように、封止樹脂５０よりも熱伝導率が高く放熱性に優れた金属（導電性部材）で構成された複数の柱状部材である。熱伝導部材６７は、実装領域１１’における複数のＬＥＤ素子３０の間に配置されており、封止樹脂５０に埋め込まれている。図１０Ｂに示すように、熱伝導部材６７の下端は実装基板１０の上面に接着されており、熱伝導部材６７の上端の位置は、ワイヤ３１が設けられている位置よりも高い。発光装置７でも、熱伝導部材６７により、封止樹脂５０内の蛍光体からの熱を実装基板１０’に効率よく逃がすことができるとともに、封止樹脂５０が押圧されたときのワイヤ３１の切断を防ぐことができる。
図１１Ａは完成品としての発光装置８の斜視図であり、図１１Ｂは図１１ＡのＸＩＢ−ＸＩＢ線に沿った発光装置８の断面図である。発光装置８は、熱伝導部材の形状を除いて発光装置７と同一の構成を有する。
図１１Ｂに示すように、発光装置８の熱伝導部材６８は、図８Ｄに示した発光装置５の熱伝導部材６５と同じ、比較的高さが低い柱状の熱伝導部材である。このように、実装基板１０’がセラミックスなどで構成された絶縁基板である場合にも、熱伝導部材６７とは形状が異なる柱状部材を用いてもよい。また、発光装置８の熱伝導部材６８に代えて、図８Ａ〜図８Ｃおよび図８Ｅに示した熱伝導部材６２〜６４，６６のいずれかと同じものを用いてもよい。これらの場合でも、放熱特性とワイヤ３１の保護の点で発光装置２〜６と同じ効果が得られる。
なお、熱伝導部材として、熱伝導部材６１〜６６の形状の特徴を組み合わせたものを使用してもよい。例えば、段差が形成され下部よりも上部の方が細い柱状の熱伝導部材６４、比較的高さが低い柱状の熱伝導部材６５、および上端が尖った円環状の熱伝導部材６６でも、熱伝導部材６２，６３と同様に、それらの下端は実装基板１０，１０’に埋め込まれていてもよい。
また、発光装置５以外の熱伝導部材については、光の通過を阻害しないように、光透過性を有する柱状部材を使用してもよい。これにより、発光強度の低下を防ぎつつ、放熱性を向上させるとともにワイヤを保護する効果が得られる。
一般に、上記のような発光装置では、高出力タイプのものほど実装される発光素子の個数が多くなるとともに、透光性の樹脂が充填される封止領域も広くなるため、封止領域を満たす封止樹脂が外部からの影響を受けやすくなる。
また、発光装置が各種の照明器具などに取り付けられる際には、封止樹脂の表面に作業者の指などが触れる場合がある。一般に、封止樹脂は軟質性の樹脂であるため、人の指などが接触すると封止樹脂に凹み変形が生じやすい。封止樹脂に凹み変形が生じると、封止されている発光素子の位置ずれまたは破損などが生じるおそれがある。また、各発光素子間をワイヤで電気的に接続する場合には、封止樹脂の凹み変形によりワイヤが圧迫されたり、ワイヤに人の指などが接触したりすることで、断線などの電気的不具合が生じるおそれもある。
そこで、以下では、実装基板上に実装された複数の発光素子を封止する封止樹脂に凹みなどの変形が生じにくくなり、検査時および各種電気器具への装着時などに損傷が発生する可能性が低い別の発光装置について説明する。
図１２Ａは完成品としての発光装置１Ａの斜視図であり、図１２Ｂは図１２ＡのＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線に沿った発光装置１Ａの断面図である。また、図１３〜図１５は、発光装置１Ａの製造工程を説明するための斜視図である。
発光装置１Ａは、主要な構成要素として、実装基板１０、回路基板２０、ＬＥＤ素子３０、樹脂枠４０、封止樹脂５０’および変形阻止部材６０を有する。発光装置１Ａは、発光素子としてＬＥＤ素子を含み、種々の照明装置として利用されるＬＥＤ照明装置であり、例えば、一般照明用として白色系の光を出射する。なお、発光装置１Ａの構成要素のうち発光装置１と共通するものには、発光装置１で用いたものと同一の符号を使用する。
実装基板１０は、一般的なエポキシ樹脂もしくはＢＴレジンなどの絶縁材料または放熱性を有する金属材料で構成される。実装基板１０はその中央部に円形状の実装領域１１を有し、実装領域１１に複数のＬＥＤ素子３０が実装される。実装基板１０のサイズは、例えば十数ｍｍ〜数十ｍｍ四方であり、必要な発光量に応じて定められる。
回路基板２０は、実装基板１０上に固定された絶縁性の基板（枠体）であり、図１３に示すように、その中央部に円形状の開口部２１を有する。開口部２１を通して露出した実装基板１０上の領域が、実装領域１１に相当する。回路基板２０の上面には、開口部２１の縁部に沿って一対の配線パターン（電極帯）２３ａ，２３ｂが形成されている。また、回路基板２０の上面で対角に位置する２つの角部には、発光装置１Ａを外部電源に接続するための接続電極（電極端子）２４ａ，２４ｂが形成されている。配線パターン２３ａは接続電極２４ａに、配線パターン２３ｂは接続電極２４ｂにそれぞれ接続されており、接続電極２４ａ，２４ｂは、一方がアノード電極、他方がカソード電極となる。
複数のＬＥＤ素子３０は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体で構成される同一種類かつ同一サイズの青色発光素子（青色ＬＥＤ）である。この青色発光素子は、サファイアガラスからなるサブストレートと、このサブストレートの上にｎ型半導体、ｐ型半導体を拡散成長させて得られた拡散層とで構成される。ｎ型半導体はｎ型電極を、ｐ型半導体はｐ型電極をそれぞれ上面に有し、各ＬＥＤ素子３０のｎ型電極およびｐ型電極は、ワイヤ３１を介して互いに電気的に接続されている。なお、発光装置１ＡのＬＥＤ素子３０は、互いに並列接続された複数のグループで構成され、各グループ内では、ＬＥＤ素子３０は互いに直列接続されている。各グループの両端に位置しているＬＥＤ素子３０は、ワイヤ３１により配線パターン２３ａ，２３ｂのいずれかに接続されており、各グループのＬＥＤ素子３０には、一対の接続電極２４ａ，２４ｂを介して所定の電流が印加される。
樹脂枠（封止枠）４０は、封止樹脂５０’の流出しを防止するためのダム材であり、回路基板２０上の配線パターン２３ａ，２３ｂに沿って例えば絶縁性の樹脂材を円環状に盛り上げて形成される。
封止樹脂５０’は、開口部２１の内部およびその上で樹脂枠４０により囲まれる領域に充填された樹脂材であり、複数のＬＥＤ素子３０、ワイヤ３１および後述する変形阻止部材６０を一体的に被覆し保護（封止）する。封止樹脂５０’は、透明な樹脂基材に所定分量の蛍光剤（蛍光体）を含有させて成形したものである。封止樹脂５０’は、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂の基材に、蛍光体粒子の原料となるイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）または色素粒子の原料となる染料などからなる蛍光剤を適量混入させることにより構成される。なお、封止樹脂５０’も、上記の封止樹脂５０と同様に、蛍光体の濃度が互いに異なる複数の層を有してもよい。
変形阻止部材６０は、封止樹脂５０’よりも硬質の樹脂材、ガラス材または金属材料によって形成された複数の柱状部材であり、実装領域１１上において複数のＬＥＤ素子３０の間に立設され、封止樹脂５０’に埋め込まれている。変形阻止部材６０は、図１７を用いて後述するように、封止樹脂５０’が上側から押圧されたときに封止樹脂５０’の変形を阻止（抑制）する。
図１３〜図１５を用いて、発光装置１Ａの製造工程を説明する。発光装置１Ａの製造時には、まず、図１３に示すように、回路基板２０が貼り合わされた実装基板１０の実装領域１１に複数のＬＥＤ素子３０が実装され、近接するＬＥＤ素子３０同士がワイヤ３１で互いに電気的に接続される。実装領域１１の外周側のＬＥＤ素子３０から出たワイヤ３１は、回路基板２０の配線パターン２３ａまたは配線パターン２３ｂに接続される。続いて、図１４に示すように、実装領域１１において、複数のＬＥＤ素子３０の間に所定の間隔で複数の変形阻止部材６０が接着される。次に、図１５に示すように、回路基板２０の配線パターン２３ａ，２３ｂに沿って樹脂枠４０が形成される。なお、樹脂枠４０は、その上端の位置が変形阻止部材６０の上端よりも高くなるように形成される。そして、開口部２１内に、蛍光体を含有するシリコーン樹脂などが充填されて封止樹脂５０’が形成される。以上の工程により、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す発光装置１Ａが完成する。
図１２Ｂに示すように、変形阻止部材６０の上端（上面６０ａ）は、各ＬＥＤ素子３０の上面３０ａよりも高く、かつＬＥＤ素子３０同士を接続するワイヤ３１の上端よりも高い位置にある。各ワイヤ３１は隣接するＬＥＤ素子３０の間で山なりに架け渡され、その略中間点が最も高い位置になるので、変形阻止部材６０の高さは、この最大架設点Ｐよりも高くなるように定められる。なお、隣接するＬＥＤ素子３０間の距離、ワイヤ３１の種類、ボンディング時の製造環境、および封止樹脂５０’に掛かる外部からの押圧力などによってワイヤ３１の架設態様が異なるので、変形阻止部材６０の高さは、最大架設点Ｐよりもある程度の余裕を持った高さにすることが好ましい。
変形阻止部材６０の材料としては、例えば、透光性または光拡散性を有する樹脂材またはガラス材などが用いられ、この樹脂材としては、例えば、封止樹脂５０’を構成するシリコーン樹脂よりも硬度が高いシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂などが用いられる。また、変形阻止部材６０を金属材料で形成する場合には、アルミニウム、または反射率を向上させるための反射処理が表面に施された銅などが適している。特に、変形阻止部材６０をアルミニウム、銅またはガラスなどの封止樹脂５０’よりも熱伝導率が高い材料で構成する場合には、変形阻止部材６０は熱伝導部材としても機能する。
図１６は、発光装置１ＡのＬＥＤ素子３０と変形阻止部材６０の配置を示す平面図である。図１６に破線Ｌで示すように、ＬＥＤ素子３０は、実装領域１１上で格子状に配列しており、変形阻止部材６０は、それぞれ、複数のＬＥＤ素子３０が構成する各格子内に均等に配置されている。すなわち、変形阻止部材６０は、実装領域１１の外周部を除き、個々のＬＥＤ素子３０から見て、複数のＬＥＤ素子３０が構成する格子の対角線方向の４か所に配置されている。このため、各ＬＥＤ素子３０は、その対角線上の変形阻止部材６０、または変形阻止部材６０と樹脂枠４０によって、四方が囲われている。
図１７は、発光装置１Ａにおける変形阻止部材６０の作用効果を示す断面図である。この図は、発光装置１Ａが電子機器などに取り付けられる際に、作業者の指である突起物７０が封止樹脂５０’に触れた場合の例を示す。
上記の通り、変形阻止部材６０は封止樹脂５０’よりも硬質であり、変形阻止部材６０の上面６０ａは、封止樹脂５０’内で、各ＬＥＤ素子３０の上面３０ａよりも高く、かつワイヤ３１の最大架設点Ｐよりも高い位置にある。また、図示した例では、変形阻止部材６０は、突起物７０の幅よりも狭い間隔で配置されている。このため、突起物７０が封止樹脂５０’の表面に接触したり、封止樹脂５０’に押し込まれたりして凹み変形が生じたとしても、その変形は、変形阻止部材６０があることにより、ワイヤ３１に接触しない深さまでで阻止される。したがって、封止樹脂５０’の表面に外部から押圧力が掛かっても、封止樹脂５０’が所定の深さ以上に凹むことが阻止される。これにより、ＬＥＤ素子３０およびワイヤ３１に外圧の影響が直接及ぶ可能性が低くなるので、発光装置１Ａの組立ておよび取付けの作業時などにおける取扱いが容易となり、発光装置１Ａの製造時および出荷時における破損の発生率が低下する。また、ＬＥＤ素子３０とワイヤ３１が外部から衝撃を受けにくくなるので、耐久性が高まり、安定した発光を長期間維持することも可能になる。
変形阻止部材６０の配置数およびサイズ（太さ）は、実装領域１１の広さおよび各ＬＥＤ素子３０の配置間隔に応じて定められる。変形阻止部材６０は、少なくとも実装領域１１の中央部に設けられていれば、封止樹脂５０’の凹み量をある程度抑えることができる。しかしながら、変形阻止部材６０を実装領域１１の全体にバランスよく配置する方が、封止樹脂５０’のどの部分に押圧力が掛かった場合でも封止樹脂５０’の変形が阻止され、封止されているＬＥＤ素子３０とワイヤ３１を確実に保護することができるので好ましい。
なお、変形阻止部材６０が樹脂材またはガラス材で形成される場合は、封止樹脂５０’に含有されているものと同じ蛍光剤および散乱剤を変形阻止部材６０に含有させてもよい。この場合には、変形阻止部材６０に含有させる蛍光剤および散乱剤の濃度を封止樹脂５０’と同程度にするとよい。これにより、ムラのない均一な発光になり、変形阻止部材６０を設けたことによる光量および輝度の低下が防止されるともに、光散乱効果も得られる。
また、発光装置１Ａの変形阻止部材６０は円柱状であるが、角柱状などの他の形状でもよい。あるいは、変形阻止部材を、柱状ではなく、ＬＥＤ素子３０の間を仕切るように延びる壁状に形成してもよい。
図１８Ａは完成品としての発光装置１Ｂの斜視図であり、図１８Ｂは図１８ＡのＸＶＩＩＩＢ−ＸＶＩＩＩＢ線に沿った発光装置１Ｂの断面図である。また、図１９〜図２１は、発光装置１Ｂの製造工程を説明するための斜視図である。
発光装置１Ｂは、発光装置１Ａの実装基板１０と回路基板２０が実装基板１０’に置き換えられている点が発光装置１Ａとは異なるが、この他の点では発光装置１Ａと同じ構成を有する。このため、発光装置１Ａと重複する部分には発光装置１Ａのものと同一の符号を使用し、それらの詳細な説明は省略する。
実装基板１０’は、実装基板１０と同様に、一般的なエポキシ樹脂もしくはＢＴレジンなどの絶縁材料または放熱性を有する金属材料で構成された基板でもよいし、あるいは、セラミック材料で構成された基板でもよい。実装基板１０’の上面には、図１９に示すように、一対の円弧状の配線パターン（電極帯）２３ａ，２３ｂが形成されている。実装基板１０’上の配線パターン２３ａ，２３ｂで囲われた円形状の領域が実装領域１１’に相当し、実装領域１１’に複数のＬＥＤ素子３０が実装される。実装基板１０’がセラミック基板の場合には、実装領域１１’として露出する面がセラミック材料の素地であってもよい。
また、実装基板１０’の上面で対角に位置する２つの角部には、発光装置１Ｂを外部電源に接続するための接続電極（電極端子）２４ａ，２４ｂが形成されている。発光装置１Ａと同様に、発光装置１Ｂの複数のＬＥＤ素子３０は、互いに並列接続された複数のグループで構成され、各グループ内では、ＬＥＤ素子３０は、ワイヤ３１により互いに直列接続されている。各グループの両端に位置しているＬＥＤ素子３０は、ワイヤ３１により配線パターン２３ａ，２３ｂのいずれかに接続され、各グループのＬＥＤ素子３０には、一対の接続電極２４ａ，２４ｂを介して所定の電流が印加される。
発光装置１Ｂでは、樹脂枠４０は、実装基板１０’上の配線パターン２３ａ，２３ｂに沿って例えば絶縁性の樹脂材を円環状に盛り上げて形成され、封止樹脂５０’は、樹脂枠４０により囲まれる領域に充填される。
図１９〜図２１を用いて、発光装置１Ｂの製造工程を説明する。発光装置１Ｂの製造時には、まず、図１９に示すように、実装基板１０’の実装領域１１’に複数のＬＥＤ素子３０が実装され、近接するＬＥＤ素子３０同士がワイヤ３１で互いに電気的に接続される。実装領域１１’の外周側のＬＥＤ素子３０から出たワイヤ３１は、実装基板１０’の配線パターン２３ａまたは配線パターン２３ｂに接続される。続いて、図２０に示すように、実装領域１１’において、複数のＬＥＤ素子３０の間に所定の間隔で変形阻止部材６０が接着される。発光装置１Ｂの変形阻止部材６０の形状および配置は、発光装置１Ａのものと同じである。次に、図２１に示すように、実装基板１０’上の配線パターン２３ａ，２３ｂに沿って樹脂枠４０が形成される。なお、樹脂枠４０は、その上端の位置が変形阻止部材６０の上端よりも高くなるように形成される。そして、樹脂枠４０により囲まれる領域に、蛍光体を含有するシリコーン樹脂などが充填されて封止樹脂５０’が形成される。以上の工程により、図１８Ａおよび図１８Ｂに示す発光装置１Ｂが完成する。
図２２は、発光装置１Ｂにおける変形阻止部材６０の作用効果を示す断面図である。発光装置１Ｂでも、発光装置１Ａと同様に、指などの突起物７０が封止樹脂５０’の表面に接触したり、封止樹脂５０’に押し込まれたりしても、封止樹脂５０’の変形は、変形阻止部材６０があることにより妨げられる。このため、封止されているＬＥＤ素子３０とワイヤ３１に外圧の影響が直接及ぶ可能性が低くなるので、破損の発生率を低下させることができる。また、発光装置１Ｂでは、発光装置１Ａに比べて封止樹脂５０’の外形強度は低下するものの、部品点数および製造コストを低下させることができる。封止樹脂５０’よりも硬質の材料で構成された変形阻止部材６０が心材として実装領域１１’に設けられているので、発光装置１Ｂでも、封止樹脂５０’は十分な外形強度を有する。
また、発光装置１Ｂでも、変形阻止部材６０が透光性の樹脂材であれば、発光装置１Ａと同様に、変形阻止部材６０に蛍光剤および散乱剤を含有させてもよい。これにより、光拡散性が向上し、変形阻止部材６０を設けたことによる光量および輝度の低下が防止される。また、変形阻止部材６０を金属材料で形成すれば、変形阻止部材６０を樹脂材またはガラス材で形成した場合よりも外部からの押圧による封止樹脂５０’の凹み変形がさらに抑制されるとともに、光反射効果および光散乱効果も得られる。特に、変形阻止部材６０を封止樹脂５０’よりも熱伝導率が高い材料で構成すれば、変形阻止部材６０は熱伝導部材としても機能する。
図２３Ａは完成品としての発光装置１Ｃの斜視図であり、図２３Ｂは図２３ＡのＸＸＩＩＩＢ−ＸＸＩＩＩＢ線に沿った発光装置１Ｃの断面図である。発光装置１Ａ，１Ｂでは、各ＬＥＤ素子３０がワイヤにより電気的に接続されているが、発光装置１Ｃでは、各ＬＥＤ素子３０は、実装基板１０’’の実装領域１１’’に形成された電極パターンの上に、バンプ３２を介して実装されている。この他の点では、発光装置１Ｃは発光装置１Ｂと同じ構成を有する。変形阻止部材６０は、発光装置１Ｃのように表面実装型のＬＥＤ素子を有する発光装置にも適用可能である。
発光装置１Ｃでも、封止樹脂５０’が押圧されたときの変形が変形阻止部材６０により妨げられるので、外圧による破損の発生率が低下する。発光装置１Ｃのように発光素子として表面実装型のＬＥＤ素子のみを含む発光装置では、ＬＥＤ素子３０の配線用のワイヤがないので、変形阻止部材６０の上端（上面６０ａ）は、各ＬＥＤ素子３０の上面３０ａよりも高い位置にあればよい。このため、発光装置１Ｃでは、発光装置１Ａ，１Ｂよりも変形阻止部材６０の高さを低くすることができ、封止樹脂５０’全体の高さも低く抑えられる。

Claims (4)

  1. 実装領域を有する実装基板と、
    前記実装領域に実装された複数の発光素子と、
    蛍光体を含有し前記複数の発光素子を一体的に封止する封止樹脂と、
    前記実装領域上で前記複数の発光素子の間に配置され、前記封止樹脂に埋め込まれており、前記封止樹脂よりも熱伝導率が高い熱伝導部材と、を有し、
    前記熱伝導部材は前記複数の発光素子の周囲を取り囲む垣根状の周面を有する
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 前記熱伝導部材の前記周面に反射面が設けられている、請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記封止樹脂の内部で前記複数の発光素子を相互に電気的に接続するワイヤをさらに有し、
    前記熱伝導部材は、前記封止樹脂よりも硬質の材料で構成され、上端が前記ワイヤの上端よりも高い位置にあり、
    前記熱伝導部材の上端の一部に、前記ワイヤを通すための切欠き部が設けられている、請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記封止樹脂は、前記蛍光体の濃度が互いに異なる第１の層と第２の層を前記実装基板に近い側から順に有し、
    前記第１の層における前記蛍光体の濃度は、前記第２の層における前記蛍光体の濃度よりも高い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光装置。
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