JP6646969B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置に関する。
セラミック基板や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）とも称される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。また、ＬＥＤ素子などの発光素子が実装された発光装置の上にレンズなどの光学素子を搭載して出射光を集光することが知られる。
例えば、特許文献１には、実装基板の表面に実装された複数の発光素子と、発光素子から放射された光を波長変換する波長変換部を備えた発光装置の上にレンズを配置することが記載される。特許文献１に記載される発光装置では、発光装置の上に配置されるレンズを発光装置から放射された光を所定の方向に配光制御する配光制御部として機能させて、発光装置とレンズとにより照明装置を形成する。
特開２０１１−１１４０９４号公報
特許文献１に記載される発光装置では、実装基板に実装された複数の発光素子は、等間隔で実装されることにより、必要な発光強度を確保しつつ装置の小型化を図ることができる。しかしながら、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場合、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おそれがある。特に、発光強度をより大きくするために、発光素子の実装間隔を狭くして発光素子の実装密度を大きくすると、発光装置の発熱量の増加することにより発光素子の温度が上昇して発光素子の発光強度が低下するおそれがある。一方、発光装置の発熱量の増加を抑制するために、発光素子の実装間隔を広くした場合、レンズの光軸に近い位置に配置される発光素子の数が減少して、発光装置の発光強度が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、大きな発光強度を有し且つ発熱量の増加を抑制可能な発光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、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、複数の発光素子を封止する封止樹脂と、を有し、複数の発光素子は、実装領域の中心部を含む第１実装領域に実装された発光素子と、第１実装領域の周囲を囲む第２実装領域に実装された発光素子とを含み、第１実装領域に実装された発光素子の実装密度は、第２実装領域に実装された発光素子の実装密度よりも高い。
さらに、本発明に係る発光装置では、第１実装領域に実装された発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が第１間隔になるように格子状に配置され、第２実装領域に実装された発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が第１間隔よりも広い第二間隔となるように配置されることが好ましい。
さらに、本発明に係る発光装置出では、実装基板は金属基板であることが好ましい。
さらに、本発明に係る発光装置出は、記封止樹脂を覆うように実装基板上に載置され、複数の発光素子から出射された光を集光する光学素子を更に有することが好ましい。
本発明では、大きな発光強度を有し且つ発熱量の増加を抑制可能な発光装置を提供することが可能となる。
（Ａ）は実施形態に係る発光装置の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す発光装置の断面図である。 図１に示す発光装置の拡大平面図である。 レンズを付けた図１に示す発光装置の断面図である。 （Ａ）は図１（Ａ）に示す発光装置の第１製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に対応する断面図である。 （Ａ）は図１（Ａ）に示す発光装置の第２製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に対応する断面図である。 （Ａ）は図１（Ａ）に示す発光装置の第３製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に対応する断面図である。 （Ａ）は図１（Ａ）に示す発光装置の第４製造工程を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に対応する断面図である。 第１変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。 第２変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
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、本発明は図面又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。
（実施形態に係る発光装置の概要）
実施形態に係る発光装置では、複数の発光素子は、実装領域の中心部を含む第１実装領域に密集して実装される発光素子と、第１実装領域の周囲を囲む第２実装領域に、第１実装領域の発光素子より粗に実装される発光素子とに分けて配置される。実施形態に係る発光装置では、実装領域の中心部に実装される発光素子を密集して配置し且つ中心部から離れた位置に実装される発光素子を比較的粗に配置することにより、大きな発光強度と発熱量の抑制との両立を実現する。
（実施形態に係る発光装置の構成）
図１（Ａ）は完成品としての第１実施形態に係る発光装置の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のIA-IB線に沿った断面図である。
発光装置１は、発光素子として複数の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、実装基板１０と、回路基板２０と、複数のＬＥＤ素子３０と、樹脂枠４０と、封止樹脂５０とを有する。
実装基板１０は、一例として略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及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、耐熱性及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と同じ大きさの略正方形の形状を有し、その中心部に略矩形の開口部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、＋電極側の配線パターン２２Ａと−電極側の配線パターン２２Ｂ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２３Ａ及び２３Ｂが形成されている。接続電極２３Ａは、＋電極、すなわちアノードであり、接続電極２３Ｂは、−電極、すなわちカソードである。発光装置１は、接続電極２３Ａ及び２３Ｂが不図示の外部電源に接続されて電圧が印加されることによって、発光する。また、回路基板２０の上面には、開口部２１の外周部分及び接続電極２３Ａ、２３Ｂの部分を除いて配線パターン２２Ａ、２２Ｂを覆う白色レジスト２４が形成されている。
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略正方形の青色ＬＥＤである。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、実装領域１１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１（Ａ）に示すように、隣接するＬＥＤ素子３０の素子電極は、ワイヤ３３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３３は、回路基板２０の配線パターン２２Ａ、２２Ｂに接続される。これにより、各ＬＥＤ素子３０にはワイヤ３３を介して電流が供給される。
図２は、発光装置１の実装領域１１の部分拡大平面図である。
発光装置１では、複数のＬＥＤ素子３０は、図２において一点鎖線で示される第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０と、図２において二点鎖線で示される第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０とに分けて、実装領域１１に実装される。
第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０は、実装領域１１の中心部を含む領域に、格子状に等間隔に配列して実装される。第１実装領域３１には、２５個のＬＥＤ素子３０が実装される。第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０の間の間隔である第１実装間隔は、ＬＥＤ素子３０の一辺の長さの０．２５倍よりも狭い。
第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０は、第１実装領域３１の周囲を囲むように実装領域１１の外縁部に実装される。第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０は、縦方向に隣接するＬＥＤ素子３０との間の実装間隔及び横方向に隣接するＬＥＤ素子３０との間の実装間隔の少なくとも一方の実装間隔が等間隔になるように実装される。第２実装領域３２には、３８個のＬＥＤ素子３０が実装される。第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０の間の最小間隔である第２実装間隔は、ＬＥＤ素子３０の一辺の長さの０．２５倍よりも広い。すなわち、第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０の間の第２実装間隔は、第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０の間の第１実装間隔よりも広い。
樹脂枠４０は、回路基板２０の開口部２１の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された略矩形の枠体であり、回路基板２０の上面における開口部２１の外周部分に固定される。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及びワイヤ３３の全体を一体にして、保護し且つ封止する。例えば、封止樹脂５０としては、エポキシ樹脂又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。
また、封止樹脂５０には、黄色蛍光体などの蛍光体が分散混入される。黄色蛍光体は、ＬＥＤ素子３０が出射した青色光を吸収して黄色光に波長変換する、例えばＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）などの粒子状の蛍光体材料である。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。
また、封止樹脂５０は、例えば緑色蛍光体と赤色蛍光体などの複数種類の蛍光体を含有してもよい。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。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及び赤色蛍光体を励起させて得られる緑色光及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。
図３は、レンズ８０付きの発光装置１’の側面図である。発光装置１を照明装置として利用するときには、図３に示すように、例えば封止樹脂５０を覆うように、レンズ８０が回路基板２０の上面に載置される。レンズ８０の光軸は、実装領域１１の中心と略一致する。レンズ８０は光学素子の一例であり、発光装置１内の複数のＬＥＤ素子３０から出射された光を集光して、発光装置１’の上方に出射する。レンズ８０を搭載し易くするためには、回路基板２０上において封止樹脂５０で覆われていない領域の面積を広げて、レンズ８０が載置される平面領域を確保するとよい。
なお、発光装置１の用途によっては、例えばフィルタなど、レンズ８０以外の光学素子を回路基板２０の上に載置してもよい。例えば、レンズ８０ではなく平板形状の光学素子を通して、発光装置１内の複数のＬＥＤ素子３０からの光を出射させてもよい。
第１実装領域３１に実装された複数のＬＥＤ素子３０の間の実装間隔は、レンズ８０で集光するための発光点が小さくなるので、狭いほど好ましい。しかしながら、第１実装領域３１に実装された複数のＬＥＤ素子３０の間の実装間隔は、例えば隣接するＬＥＤ素子３０の間で短絡が発生しないように、最低でも５μｍ程度は確保する必要がある。また、第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０の間の実装間隔が広過ぎると、レンズ８０の光軸に近い位置に配置されるＬＥＤ素子３０の数が減少して、発光装置１’からの出射光の強度は低下する。
第１実装領域３１及び第２実装領域３２のそれぞれに実装されるＬＥＤ素子３０の間の間隔は、実装領域１１の面積、実装するＬＥＤ素子３０の数、及びレンズ８０の光学特性により決定される。一例では、実装領域１１の面積の３０％〜５０％が、第１実装領域３１で、残りが、第２実装領域３２となる。また、第１実装領域３１に実装されるＬＥＤ素子３０の実装間隔はMAX５０μｍであり、第２実装領域３２に実装されるＬＥＤ素子３０の実装間隔は２００μｍである。
（実施形態に係る発光装置の製造工程）
図４〜７は、発光装置１の製造工程を示す図である。図４（Ａ）は第１工程の平面図であり、図５（Ａ）は第１工程に続く第２工程の平面図であり、図６（Ａ）は第２工程に続く第３工程の平面図であり、図７（Ａ）は第３工程に続く第４工程の平面図である。図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIIA-IIB線に沿った断面であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のIIIA-IIIB線に沿った断面であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のIVA-IVB線に沿った断面であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のVA-VB線に沿った断面である。
発光装置１の製造時には、まず、図４（Ａ）及び４（Ｂ）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。次いで、図５（Ａ）及び５（Ｂ）に示すように、６３個のＬＥＤ素子３０が実装される。このとき、２５個のＬＥＤ素子３０は実装領域１１の中心部の近傍の第１実装領域３１に格子状に実装され、残りの３８個のＬＥＤ素子３０は第１実装領域３１の周囲を囲む第２実装領域３２に実装される。第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０の間の第２実装間隔は、第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０の間の第１実装間隔よりも広い。次に、図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すように、近接するＬＥＤ素子３０の間がワイヤ３３で互いに電気的に接続され、開口部２１の外周に隣接するＬＥＤ素子３０から出たワイヤ３３が配線パターン２２Ａ、２２Ｂに接続される。
続いて、図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示すように、回路基板２０の上面における開口部２１の外周部分に樹脂枠４０が固定される。そして、蛍光体を含有する封止樹脂５０で複数のＬＥＤ素子３０の全体を封止する。以上の工程により、図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示す発光装置１が完成する。
（実施形態に係る発光装置の作用効果）
発光装置１では、実装領域１１の中心部を含む第１実装領域３１に実装されたＬＥＤ素子３０の間の第１実装間隔が、第１実装領域３１の周囲を囲む第２実装領域３２に実装されたＬＥＤ素子３０の間の第２実装間隔よりも狭い。発光装置１は、実装領域１１の中心部に近接する第１実装領域３１に実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔を狭くして、レンズの光軸に近接するＬＥＤ素子３０の数を増加させて発光装置の発光強度を大きくする。また、発光装置１は、第２実装領域３２に実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔を第１実装領域３１に実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔よりも広くすることで実装密度を低くして、発光装置１の全体としての発熱量を抑制する。発光装置１は、第１実装領域３１に実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔を第１実装領域３１の周囲を囲む第２実装領域３２に実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔よりも狭くして、大きな発光強度を有し且つ発熱量の増加を抑制可能にする。
また、発光装置１では、実装基板は熱伝導率が大きい金属基板で形成されるので、第１実装領域３１及び第２実装領域３２のそれぞれに実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔が相違しても発光装置１内部の熱分布を比較的均一にすることができる。
（実施形態に係る発光装置の第１変形例）
発光装置１は、第１実装領域３１に実装されるＬＥＤ素子３０は、格子状に第１実装間隔で実装されるが、第１実装領域３１及び第２実装領域３２に実装されるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔は全て同一でなくてもよい。実施形態に発光装置では、第１実装領域３１に実装されるＬＥＤ素子３０の間の平均間隔が、第１実装領域３１の周囲を囲む第２実装領域３２に実装されるＬＥＤ素子３０の間の平均間隔よりも狭ければよい。
図８は、第１変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
第１変形例に係る発光装置では、複数のＬＥＤ素子３０は、一点鎖線で示される第１実装領域２３１に実装されたＬＥＤ素子３０と、二点鎖線で示される第２実装領域２３２に実装されたＬＥＤ素子３０とに分けて、実装領域２１１に実装される。
第１実装領域２３１に実装されたＬＥＤ素子３０は、実装領域１１の中心部を含む領域に、円形状に配列して実装される。第１実装領域２３１には、４１個のＬＥＤ素子３０が実装される。第２実装領域２３２に実装されたＬＥＤ素子３０は、第１実装領域３１の周囲を囲むように実装領域２１１の外縁部に実装される。第２実装領域２３２には、２２個のＬＥＤ素子３０が実装される。
（実施形態に係る発光装置の第２変形例）
発光装置１では、ＬＥＤ素子３０は第１実装領域及び第２実装領域の２つの実装領域に分けて実装されるが、実施形態に発光装置では、ＬＥＤ素子３０は３つ以上の実装領域に分けて配置されてもよい。ＬＥＤ素子３０が３つ以上の実装領域に分けて配置される場合、実装領域が実装領域１１の中心部から離れるに従って、実装領域に含まれるＬＥＤ素子３０の間の実装間隔は広くなるように実装される。また、実施形態に発光装置では、発光素子３０の実装密度が実装領域１１の中心部から離れるに従って粗になるように、発光素子３０を実装してもよい。
図９は、第２変形例に係る発光装置の実装領域の部分拡大平面図である。
実施形態の第２変形例に係る発光装置では、複数のＬＥＤ素子３０は、第１実装領域３３１と、第２実装領域３３２と、第３実装領域３３３と分けて実装領域３１１に実装される。図９において、第１実装領域３３１は破線で示され、第２実装領域３３２は一点鎖線で示され、第３実装領域３３３は二点鎖線で示される。
第１実装領域２３１に実装されたＬＥＤ素子３０は、実装領域１１の中心部を含む領域に、格子状に等間隔に配列して実装される。第１実装領域２３１には、９個のＬＥＤ素子３０が実装される。第２実装領域２３２に実装されたＬＥＤ素子３０は、第１実装領域３３１の周囲を囲むように等間隔に配列して実装される。第２実装領域３３２には、１６個のＬＥＤ素子３０が実装される。第３実装領域３３３に実装されたＬＥＤ素子３０は、第２実装領域３３２の周囲を囲むように実装領域３１１の外縁部に実装される。第３実装領域３３３には、２２個のＬＥＤ素子３０が実装される。
１ 発光装置
１０ 実装基板
２０ 回路基板
３０ ＬＥＤ素子（発光素子）
３１、２３１、３３１ 第１実装領域
３２、２３２、３３２ 第２実装領域
３３３ 第３実装領域
４０ 樹脂枠
５０ 封止樹脂
８０ レンズ

Claims (4)

  1. 正方形状の平面形状を有すると共に、正方形状の平面形状を有する実装領域を有する実装基板と、
    正方形状の平面形状を有すると共に、前記実装領域に対応する開口部が形成され、裏面が前記実装基板の表面に接合された回路基板と、
    前記開口部の外周部分に固定された矩形の枠体と、
    前記実装領域に実装された正方形状の平面形状を有する複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子を封止する封止樹脂と、
    前記実装基板上に配置されたレンズと、を有し、
    前記複数の発光素子は、前記実装領域の中心部を含む第１実装領域に実装された発光素子と、前記第１実装領域の周囲を囲む第２実装領域に実装された発光素子とを含み、
    前記第１実装領域に実装された前記発光素子の実装密度は、前記第２実装領域に実装された前記発光素子の実装密度よりも高く、
    前記レンズの光軸は、前記実装領域の中心と一致し、
    前記第１実装領域に実装された前記発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が均等な第１間隔になるように格子状に配置され、
    前記第２実装領域に実装された前記発光素子は、前記実装領域の辺のそれぞれに平行に配列される、ことを特徴とする発光装置。
  2. 前記第２実装領域に実装された前記発光素子のそれぞれは、隣接する発光素子との間の間隔が前記第１間隔よりも広い第２間隔となるように配置される、請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記実装基板は、金属基板である、請求項１又は２に記載の発光装置。
  4. 前記第１実装領域に実装された前記発光素子の実装間隔は、前記発光素子の一辺の長さの０．２５倍よりも狭く、
    前記第２実装領域に実装された前記発光素子の実装間隔は、前記発光素子の一辺の長さの０．２５倍よりも広く、
    前記第１実装領域に実装された前記発光素子の実装間隔は、５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１〜３の何れか一項に記載の発光装置。
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