JP7011411B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種照明器具に搭載されるＬＥＤ照明装置に関するものである。

近年、電球や蛍光灯に代わる照明用の光源として、発光素子（ＬＥＤ）を用いた照明装置が採用されている。基板と、基板上に実装されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップと基板を接合するダイボンド接合剤と、沈降した蛍光体層を下部に含有する封止樹脂を備える白色発光のＬＥＤパッケージが知られている（特許文献１、図７）。このＬＥＤパッケージでは、ＬＥＤチップの外周の隅肉部がＬＥＤチップの上面に達するように、ダイボンド接合剤が傾斜して設けられている。

ダイボンド接合剤がＬＥＤチップの外周に傾斜して設けられているので、ＬＥＤチップの周辺の蛍光体の堆積量が均一になる。このため、このＬＥＤパッケージは、どの方向から見ても白色発光であることが特許文献１に記載されている。しかしながら、ＬＥＤチップが青色ＬＥＤで、蛍光体が黄色蛍光体である場合、特許文献１の図７に記載されたＬＥＤパッケージ構造では、ＬＥＤチップからの横方向の青色光は、蛍光体層を伝播した後に、ＬＥＤチップ同士の間から発光される。このため、ＬＥＤチップ間からの発光は、ＬＥＤチップ上からの発光と比べてより黄色に励起される。これがＬＥＤパッケージの発光の色ムラの原因となる。

特開２０１２－４４０４８号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、発光の色ムラを抑えたＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤ照明装置は、発光領域を上面に備える放熱基板と、前記発光領域に実装された複数の青色発光素子であって、隣接する素子同士の間隔が３０μｍ～２ｍｍである前記複数の青色発光素子と、透光性を備え、個々の青色発光素子の側面や上面に沿うようにして前記発光領域となる放熱基板上に被覆されるコート層と、下部に蛍光体層を備え、前記コート層の上面を覆う封止樹脂と、を有し、前記封止樹脂内で蛍光体が沈降して生じる前記蛍光体層が前記コート層の上面を覆うようにして前記個々の青色発光素子の間に形成される。

本発明のＬＥＤ照明装置では、発光素子および放熱基板と、蛍光体層との間に、透光性を備えるコート層が設けられている。このため、発光素子からの横方向の光は、コート層を伝播した後に蛍光体層を通過して、発光素子同士の間から発光される。したがって、発光素子同士の間からの発光が蛍光体で励起され過ぎない。その結果、ＬＥＤ照明装置の発光の色ムラが抑えられる。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の上面図。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置の断面図（ａ）と部分拡大断面図（ｂ）。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を製造する被覆材形成工程を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を製造する実装工程を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を製造する配線工程を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を製造する枠体形成工程を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）。 本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置を製造するコート層形成工程を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）。 本発明の変形例に係るＬＥＤ照明装置の断面図。

以下、本発明のＬＥＤ照明装置について、図面を参照しながら実施形態に基づいて説明する。なお、図面は、ＬＥＤ照明装置、ＬＥＤ照明装置の構成部材、およびＬＥＤ照明装置の周辺部材を模式的に表したものであり、これらの実物の寸法および寸法比は、図面上の寸法および寸法比と必ずしも一致していない。また、特にことわらない限り、本明細書では便宜上、図２（ａ）に示すＬＥＤ照明装置の向きを基準に「上」、「下」、および「横」などの方向を表す。重複説明は適宜省略し、同一部材には同一符号を付与することがある。

図１は、本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０の上面を示している。図２（ａ）は、ＬＥＤ照明装置１０の中央部付近の鉛直断面を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の左側の一部を拡大して示している。ＬＥＤ照明装置１０は、放熱基板１２と、複数の発光素子１４と、配線基板１６と、枠体１８と、コート層２０と、封止樹脂２２とを備えている。

放熱基板１２は、熱伝導性が高いアルミニウムまたはアルミニウム合金等から作製され、ほぼ正方形の板状部材である。発光素子１４の発光に伴う熱は、放熱基板１２を介して外部に放出される。放熱基板１２の上面の中央には、円形の発光領域１２ａが設けられている。本実施形態では、発光領域１２ａは枠体１８の内側の領域である。放熱基板１２の発光領域１２ａには、４０個の発光素子１４が実装されている。この４０個の発光素子１４の配置については後述する。なお、発光素子１４の個数４０個は例示であり、複数の発光素子１４の個数は特に制限がない。

一般照明用として白色系の発光を得るため、各発光素子１４は、窒化ガリウム系化合物半導体を備える同一種類かつ同一サイズの青色発光素子である。この青色発光素子は、サファイアガラスからなる基材と、ｎ型半導体およびｐ型半導体を基材上に拡散成長させた拡散層と、ｎ型半導体およびｐ型半導体の上面にそれぞれ設けられたｎ型電極およびｐ型電極を備えている。

放熱基板１２の上面には、配線基板１６が設けられている。配線基板１６は、ガラスエポキシ樹脂製のほぼ正方形の板状部材である。配線基板１６の中央には、円形の孔である開口部１６ａが設けられている。すなわち、開口部１６ａは発光領域１２ａを開口している。配線基板１６は、第一電極２４と第二電極２６をその上面に備えている。第一電極２４と第二電極２６は、開口部１６ａを挟むように対向して設けられている。

第一電極２４と第二電極２６には、外部から電力を供給する一対の電線が電気的に接続される。また、第一電極２４と第二電極２６には、ワイヤ２８を介して発光素子１４が電気的に接続されている。すなわち、ある発光素子１４のｎ型電極とｐ型電極の一方と、これに隣接する発光素子１４のｎ型電極とｐ型電極の他方とが、ワイヤ２８を介して順次電気的に接続されている。そして、発光領域１２ａの端部に配置されたワイヤ２８が、第一電極２４または第二電極２６に電気的に接続されている。こうして、図１に示すように、第一電極２４と第二電極２６との間に、８個の発光素子１４が直列接続された発光グループが、並列に５列設けられている。

隣接する発光素子１４，１４の間隔は３０μｍ～２ｍｍであることが好ましい。発光素子１４，１４の間隔が３０μｍ以上であれば、蛍光体が封止樹脂２２内で沈降して生じる蛍光体層２２ａは、発光素子１４，１４の間に十分形成されるからである。発光素子１４，１４の間に蛍光体層２２ａが形成されることによって、発光素子１４からの発光に伴う熱を、放熱基板１２を介して外部に放出できる。また、発光素子１４，１４の間隔が２ｍｍ以下であれば、発光素子１４からの横方向の光は、コート層２０内を伝播して発光素子１４，１４の中間地点付近まで到達できるからである。発光素子１４，１４の中間地点付近までコート層２０内を伝播した光は、蛍光体層２２ａの下面から上面に導かれ、白色光として外部に放出される。

第一電極２４と第二電極２６は、例えば金メッキ等によって、配線基板１６の上面に形成されている。第一電極２４と第二電極２６は、開口部１６ａの外側に沿った円環の一部と、長方形（正方形を含む）の一つの角が、開口部１６ａの一部からなる扇形状に切り欠かれたような形状を合わせた形状を備えている（後述する図３の破線部参照）。

図２（ｂ）に示すように、コート層２０は、複数の発光素子１４および発光素子１４の周囲のダイボンドペースト２９の上から発光領域１２ａを覆っている。コート層２０は透光性を備えている。コート層２０は、例えばシリコーン樹脂から構成されている。本実施形態のようにコート層２０は単層でもよし、下層と上層とを備える積層構造であってもよい。コート層が積層構造の場合、上層の屈折率は、下層の屈折率より低いことが好ましい。発光素子１４からの横方向の光がコート層２０内を伝播するとき、屈折率が低い上層によって、コート層２０内を伝播する光が蛍光体層２２ａに放出されるのを抑えられるからである。

封止樹脂２２はコート層２０を覆っている。例えば、エポキシ樹脂母材またはシリコーン樹脂母材に、蛍光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である染料等からなる蛍光剤を混入することによって、封止樹脂２０が作製される。封止樹脂２２の下部には、蛍光粒子や蛍光剤等の蛍光体が沈降して生じた蛍光体層２２ａが形成されている。蛍光体層２２ａの厚さは、例えば３０～５０μｍである。

このように、放熱基板１２の発光領域１２ａおよび発光素子１４と、蛍光体層２２ａとの間に、透光性を備えるコート層２０が設けられているため、発光素子１４からの横方向の光は、コート層２０を伝播した後、蛍光体層２２ａの下面から上面に向かって進み、白色光として発光素子１４，１４の間から外部に放出される。したがって、発光素子１４からの光が蛍光体層２２ａで励起され過ぎることがなく、ＬＥＤ照明装置１０の発光の色ムラが抑えられる。特に発光素子１４が７個以上あるＬＥＤ照明装置では、コート層２０を設けることによる発光の色ムラの抑制効果が顕著である。本実施形態では、蛍光体が黄色蛍光体である。なお、蛍光体は、黄色蛍光体、緑色蛍光体、および赤色蛍光体を組み合わせたものであってもよい。

コート層２０は透明であることが好ましい。発光素子１４からの横方向の光の波長がほとんど変化することなく、発光素子１４，１４の間の蛍光体層２２ａの下面に伝播するからである。コート層２０の厚さは１～１０μｍであることが好ましい。コート層２０の厚さが１μｍ以上であれば、発光素子１４からの横方向の光がコート層２０内を十分に伝播するからである。また、コート層２０の厚さが１０μｍ以下であれば、発光に伴って生じる発光素子１４の熱を、放熱基板１２を介して外部に十分放出できるからである。コート層２０の上面２０ａは、粘着性（タック性）を備えていることが好ましい。蛍光体が封止樹脂２２内で沈降して生じる封止樹脂２２の下部の蛍光体層２２ａが、発光素子１４の側方に斜めで存在するコート層２０上にも形成されるからである。

図３から図７は、ＬＥＤ照明装置１０を製造するときの各工程を示している。ＬＥＤ照明装置１０の製造方法は、被覆材形成工程と、実装工程と、配線工程と、枠体形成工程と、コート層形成工程と、封止工程とを備えている。図３（ａ）は、ＬＥＤ照明装置１０を製造するときの被覆材形成工程を説明するための上面を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）の中央部付近の鉛直断面を示している。被覆材形成工程では、接着剤等を介して放熱基板１２上に固定された配線基板１６が、被覆材３０で被覆される。

このとき、第一電極２４の一部および第二電極２６の一部が露出される。本実施形態では、被覆材３０がフォトレジスト性樹脂から構成されている。このため、第一電極２４および第二電極２６の上面の露出部が簡易で正確に形成できる。第一電極２４および第二電極２６の上面の外側の露出部には、外部から電力を供給するための一対の電線がそれぞれにはんだ付けされる。また、第一電極２４および第二電極２６の上面の内側の露出部には、発光素子１４に接続されているワイヤ２８が接続される（後述する図５参照）。

図４（ａ）は、ＬＥＤ照明装置１０を製造するときの実装工程を説明するための上面を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の中央部付近の鉛直断面を示している。実装工程では、ダイボンドペースト（不図示）によって、放熱基板１２の発光領域１２ａ上に複数の発光素子１４が実装される。図５（ａ）は、ＬＥＤ照明装置１０を製造するときの配線工程を説明するための上面を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）の中央部付近の鉛直断面を示している。配線工程では、複数の発光素子１４が、ワイヤ２８を介して相互に接続される。また、複数の発光素子１４を接続したときの端部のワイヤ２８は、第一電極２４または第二電極２６に接続される。

図６（ａ）は、ＬＥＤ照明装置１０を製造するときの枠体形成工程を説明するための上面を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）の中央部付近の鉛直断面を示している。枠体形成工程では、第一電極２４の内側および第二電極２６の内側の露出部を覆うように、配線基板１６の内周に沿って、枠体１８が円形状に形成される。このとき、発光素子１４とワイヤ２８より高くなるように枠体１８が形成される。枠体１８は、例えば白色系の遮光性を有する樹脂から構成されている。

図７（ａ）は、ＬＥＤ照明装置１０を製造するときのコート層形成工程を説明するための上面を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）の中央部付近の鉛直断面を示している。コート層形成工程では、シリコーン樹脂等の前駆体溶液が発光領域１２ａに塗布および硬化される。封止工程では、コート層２０を覆うように、枠体１８の内側に封止樹脂２０が充填される。封止樹脂２０は、透明な樹脂母材に所定量の蛍光体を含有させたものである。封止樹脂２０の充填によりワイヤ２８も封止される。そして、封止樹脂２０に含まれる蛍光体が沈降して、封止樹脂２０の下部に蛍光体層２０ａが形成される。こうして、図１および図２に示すＬＥＤ照明装置１０が得られる。

図８は、本発明の変形例に係るＬＥＤ照明装置４０の中央部付近の鉛直断面を示している。ＬＥＤ照明装置４０は絶縁性の放熱基板４２を備えている。放熱基板４２は、熱伝導性が高いセラミックス、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または窒化ケイ素等から作製されている。放熱基板４２の上面の中央には、円形の発光領域４２ａが設けられている。第一電極２４と第二電極２６は、発光領域４２ａの外側で、放熱基板４２の上面に直接形成されている。他の構成部品については、実施形態のＬＥＤ照明装置１０と同様である。このように、本変形例では絶縁性の放熱基板４２を用いるので、発光素子１４への給電電極を放熱基板４２上に直接設けることができる。このため、ＬＥＤ照明装置４０の薄型化が可能となる。

１０ ＬＥＤ照明装置
１２ 放熱基板
１２ａ 発光領域
１４ 発光素子
１６ 配線基板
１６ａ 開口部
１８ 枠体
２０ コート層
２０ａ コート層の上面
２２ 封止樹脂
２２ａ 蛍光体層
２４ 第一電極
２６ 第二電極
２８ ワイヤ
２９ ダイボンドペースト
３０ 被覆材
４０ ＬＥＤ照明装置
４２ 放熱基板
４２ａ 発光領域

Claims (5)

1. 発光領域を上面に備える放熱基板と、
   前記発光領域に実装された複数の青色発光素子であって、隣接する素子同士の間隔が３０μｍ～２ｍｍである前記複数の青色発光素子と、
   透光性を備え、個々の青色発光素子の側面や上面に沿うようにして前記発光領域となる放熱基板上に被覆されるコート層と、
   下部に蛍光体層を備え、前記コート層の上面を覆う封止樹脂と、を有し、
   前記封止樹脂内で蛍光体が沈降して生じる前記蛍光体層が前記コート層の上面を覆うようにして前記個々の青色発光素子の間に形成されるＬＥＤ照明装置。
2. 請求項１において、
   前記コート層は、シリコーンによって形成されているＬＥＤ照明装置。
3. 請求項１において、
   前記蛍光体層は、黄色蛍光体によって形成されているＬＥＤ照明装置。
4. 請求項１において、
   前記複数の青色発光素子及び前記放熱基板上を覆う前記コート層の厚さが１～１０μｍであり、前記コート層の上面を覆う前記蛍光体層の厚さが３０～５０μｍであるＬＥＤ照明装置。
5. 請求項１、２、４のいずれかにおいて、
   前記コート層が下層と上層とを備え、
   前記上層の屈折率が、前記下層の屈折率より低いＬＥＤ照明装置。

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