JP7027129B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に関する。

特許文献１には、基板と、基板上に配置された複数の発光部と、複数の発光部のそれぞれに対応して設けられその発光部からの出射光を集光する複数のレンズを含み複数の発光部の上に配置されたレンズアレイとを有し、互いに直並列接続され基板上に格子状に実装された複数の発光素子を各発光部が有する発光装置が記載されている。

特許文献２には、ユニット基板に搭載されるパッケージ光源であって、基板と、この基板上に配置されるＲＧＢ毎に対を成すＬＥＤ（発光ダイオード）素子と、このＬＥＤ素子を封止する透明樹脂とを有し、ＬＥＤ素子を配線上に実装するダイボンディング材にサブミクロンの白色粒子を含有させて拡散反射率を高く設定するとともに、発光分布における上方向の強度を大きくして放射角分布を制御したものが記載されている。

国際公開第２０１７／０３８２０９号 特開２００９－３８３０２号公報

高い出射光量を得るためには、それぞれがＬＥＤ素子を含む複数の発光部が共通の回路基板に形成された発光装置が求められる。こうした発光部では、発光時にＬＥＤ素子が発熱するので、その熱を装置外部に効率よく排出する必要があり、また、発光部からの光取出し効率を向上させるために、ＬＥＤ素子の実装面における光の損失の発生を防ぐ必要もある。

そこで、本発明は、製造コストの上昇を抑えつつ、発光部の放熱性と光取出し効率を向上させた発光装置を提供することを目的とする。

複数の開口部を有する回路基板と、回路基板の裏面側に配置されて複数の開口部の底を塞ぐ複数の基台部と、回路基板の裏面側における複数の基台部同士の間に配置されたスペーサと、複数の開口部に形成された複数の発光部であって、各開口部の基台部の上面に実装されたＬＥＤ素子およびその開口部内に充填されてＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有する複数の発光部とを有し、複数の基台部は、銀を含む増反射膜が上面に設けられたアルミニウム製の部材であることを特徴とする発光装置が提供される。

複数の発光部のそれぞれにおいて、ＬＥＤ素子はボンディングワイヤを介して回路基板の上面の配線パターンと電気的に接続され、複数の基台部のそれぞれは、回路基板の裏面側において、回路基板上のボンディングワイヤの接続位置の直下を覆うように配置されていることが好ましい。

複数の基台部のそれぞれは、その基台部のＬＥＤ素子の直下からそのＬＥＤ素子の中心を通る鉛直線に対して斜め４５度の方向に広がる円錐状の領域の全体をその基台部の厚さ方向の全域で含むように、回路基板の裏面側において側方に広がって配置されていることが好ましい。

スペーサは、複数の開口部にそれぞれ対応する第２の複数の開口部を有し、絶縁材料で構成された板状部材であり、複数の基台部は、第２の複数の開口部内にそれぞれ収納されていることが好ましい。

上記の発光装置は、増反射膜が設けられておらず回路基板の裏面側に配置されたアルミニウム製の金属基板をさらに有し、複数の基台部は回路基板と金属基板の間に配置され、スペーサは、回路基板と金属基板の間において複数の基台部同士の間に配置された樹脂製の部材であることが好ましい。

スペーサは、増反射膜が設けられていないアルミニウム製の部材であることが好ましい。スペーサは、複数の開口部にそれぞれ対応する複数の凹部が形成された板状部材であり、複数の基台部は、スペーサ上の複数の凹部内にそれぞれ収納されていることが好ましい。

上記の発光装置によれば、製造コストの上昇が抑えられるとともに、発光部の放熱性と光取出し効率が向上する。

発光装置１の上面図および断面図である。 発光装置１の分解斜視図である。 発光装置１の拡大断面図および発光部１０の上面図である。 別の発光装置１Ａ，１Ｂの部分断面図である。

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１（Ａ）は発光装置１の上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）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、回路基板２、スペーサ３、高反射アルミ板４、放熱基板６、レンズアレイ７および発光部１０を有する。発光装置１では、放熱基板６の上にスペーサ３および高反射アルミ板４が配置され、さらにその上に回路基板２および８個の発光部１０が配置され、さらにその上に、発光部１０にそれぞれ対応する８個のレンズ７１を有するレンズアレイ７が配置されている。この８個という個数は一例であり、発光部１０とレンズ７１の個数は８個より多くても少なくてもよく、１個であってもよい。発光装置１とレンズアレイ７との組合せが、例えば、投光器、高天井照明、スタジアム照明またはイルミネーションなどのＬＥＤ光源として使用される。

図２は、発光装置１の分解斜視図である。図３（Ａ）は、図１（Ａ）のＩＩＩＡ－ＩＩＩＡ線に沿った発光装置１の拡大断面図である。図２では、回路基板２、スペーサ３および高反射アルミ板４を示している。図２以降の各図では、説明に必要がないため、レンズアレイ７の図示を省略している。

回路基板２（配線基板、マザーボード）は、例えばガラスエポキシ基板などで構成された矩形の絶縁基板である。回路基板２は、ほぼ等間隔に配置された８個の矩形の開口部２１を有し、発光部１０は、開口部２１内にそれぞれ形成される。図２および図３（Ａ）に示すように、回路基板２の上面には、発光部１０の駆動用の回路として、発光部１０を外部電源に電気的に接続するための配線パターン２３ａ，２３ｂおよび接続電極２４ａ，２４ｂが形成されている。回路基板２の上面における開口部２１および接続電極２４ａ，２４ｂ以外の領域は、レジスト２５で覆われている。接続電極２４ａ，２４ｂが外部電源に接続されて電圧が印加されることにより、各発光部１０は発光する。

スペーサ３は、絶縁材料で構成された板状部材であり、回路基板２の開口部２１にそれぞれ対応するように形成された８個の矩形の開口部３１を有する。図３（Ａ）に示すように、スペーサ３は、接着層２７を介して、回路基板２の下面に固定されている。開口部３１の位置は、開口部２１の位置と重なっているが、開口部３１の方が開口部２１よりも一回り大きい。スペーサ３は、例えば、ガラスエポキシ基板またはセラミック基板などでもよく、あるいは、樹脂で成形されたものであってもよい。

高反射アルミ板４は、複数の基台部の一例であり、回路基板２の裏面側におけるスペーサ３の開口部３１内にそれぞれ収納されて、回路基板２の開口部２１の底を塞ぐ。発光装置１は、開口部２１および開口部３１の個数と同じ８枚の高反射アルミ板４を有する。高反射アルミ板４が開口部３１内に配置されることで、スペーサ３は、回路基板２の裏面側における高反射アルミ板４同士の間に配置されている。図３（Ａ）に示した例では、スペーサ３と高反射アルミ板４の間に隙間が空いているが、この隙間はなくてもよく、スペーサ３と高反射アルミ板４の側面同士が接触していてもよい。

高反射アルミ板４は、銀（Ａｇ）を含む増反射膜が上面に設けられたアルミニウム製の矩形の板状部材である。「高反射アルミ」とは、一般的には、その表面における光反射率が９５％以上のものを指す。アルミニウムだけの金属基板では光反射率は高々８０％程度であるが、高反射アルミは、表面処理により増反射膜が表面に設けられることで、９５％以上の光反射率を有する。高反射アルミ板４としては、ＭＩＲＯ－ＳＩＬＶＥＲ（ミロシルバー）およびＶＬＢなどの商品名で市販されているものが用いられる。発光部１０からの光取出し効率を向上させるためには、高反射アルミ板４として、特に、光反射率９９％以上のものを用いることが好ましい。

放熱基板６は、スペーサ３および高反射アルミ板４の裏面側に配置された矩形の金属基板である。放熱基板６は、各発光部１０で発生した熱を装置外部に放出させるヒートシンクとして機能するため、例えば、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムまたは銅で構成される。ただし、放熱基板６の材質は、耐熱性と放熱性に優れたものであれば、アルミニウムおよび銅以外のものであってもよい。

レンズアレイ７は、発光部１０の個数と同じ８個のレンズ７１が一体に形成されたレンズの集合体である。各レンズ７１は、発光部１０と同じピッチで配置されており、互いに同じ形状および大きさを有する。図１（Ｂ）に示すように、各レンズ７１の光軸Ｚは、回路基板２の法線方向に一致している。各レンズ７１は、対応する発光部１０からの出射光を集光して、発光装置１から充分に離れた位置で各発光部１０からの出射光が重なって照射されるように設計されている。

図３（Ｂ）は発光部１０の上面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、各発光部１０は、ＬＥＤ素子１１、樹脂枠１２および封止樹脂１３を有する。図３（Ｂ）では、樹脂枠１２を破線で示し、封止樹脂１３の図示を省略している。

ＬＥＤ素子１１は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体などで構成された、発光波長帯域が４５０～４６０ｎｍ程度の青色光を出射する青色ＬＥＤである。ただし、ＬＥＤ素子１１の発光波長帯域は特に限定されず、ＬＥＤ素子１１は、例えば、緑色光を出射する緑色ＬＥＤまたは赤色光を出射する赤色ＬＥＤであってもよい。また、例えば、ある発光部１０のＬＥＤ素子１１は青色ＬＥＤであり、他の発光部１０のＬＥＤ素子１１は緑色ＬＥＤであるというように、発光部１０ごとにＬＥＤ素子１１の発光波長帯域が異なっていてもよい。

ＬＥＤ素子１１は、回路基板２の開口部２１内で露出した高反射アルミ板４の上面に、例えば透明な絶縁性の接着剤などで固定されている。ＬＥＤ素子１１は、上面に１対の素子電極を有し、隣接するＬＥＤ素子１１の素子電極は、ワイヤ（ボンディングワイヤ）１５を介して相互に電気的に接続されている。図３（Ｂ）に示すように、発光部１０では、１６個のＬＥＤ素子１１が、縦横４個ずつの正方格子状に配列して実装されており、直列数４個、並列数４個で、配線パターン２３ａと配線パターン２３ｂの間に直並列接続されている。これにより、各ＬＥＤ素子１１には、ワイヤ１５を介して電流が供給される。上記したＬＥＤ素子１１の個数、配置および接続関係は一例であり、これらは図示したものとは異なっていてもよい。

樹脂枠１２は、回路基板２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矩形の枠体であり、開口部２１を縁取るように回路基板２の上面に固定されている。樹脂枠１２は、封止樹脂１３の流出を防止するためのダム材であり、ＬＥＤ素子１１から側方に出射された光を発光部１０の上方（回路基板２の上面側）に向けて反射させる。開口部２１の形状は矩形に限らず、例えば円形であってもよく、この場合には、樹脂枠１２もその開口部に合わせて円形の形状を有してもよい。

封止樹脂１３は、例えば、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熱硬化性樹脂で構成され、樹脂枠１２および開口部２１により囲まれた高反射アルミ板４上の空間に充填されて、ＬＥＤ素子１１およびワイヤ１５を一体に被覆し保護（封止）する。封止樹脂１３は、例えば、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子１１によって励起されるＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）などの黄色蛍光体を含有する。この場合、発光部１０は、ＬＥＤ素子１１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。封止樹脂１３は、例えば、黄色蛍光体と赤色蛍光体などの２種類以上の蛍光体を含有してもよいし、発光部１０ごとに異なる種類の蛍光体を含有してもよい。

図３（Ａ）に示すように、各発光部１０の高反射アルミ板４は、回路基板２の一方の配線パターン２３ａへのワイヤ１５の接続位置から、開口部２１を挟んで反対側における他方の配線パターン２３ｂへのワイヤ１５の接続位置までの幅ｗ１よりも長い横幅を有する。これにより、高反射アルミ板４は、回路基板２の裏面側において、回路基板２上のワイヤ１５の接続位置の直下を覆うように配置されている。発光装置１の製造時にワイヤボンディングが行われる際、回路基板２には上方から力が加えられるので、それに対する回路基板２の強度を確保するために、ワイヤ１５の接続位置の直下に高反射アルミ板４が配置されていることが好ましい。

また、図３（Ａ）に矢印で示すように、ＬＥＤ素子１１からの熱は、ＬＥＤ素子１１の下方に斜め４５度で広がる領域内を伝わっていくので、高反射アルミ板４は、これらの矢印で示される領域をすべて含むだけの十分な横幅を有することが好ましい。図３（Ａ）において、左端のＬＥＤ素子１１の左側側面から右端のＬＥＤ素子１１の右側側面までの幅をｗ０とし、高反射アルミ板４の厚さをｄとすると、図３（Ａ）の矢印で示される領域は、高反射アルミ板４の下端において、ｗ２＝ｗ０＋２ｄの幅を有する。このため、高反射アルミ板４は、少なくともこの幅ｗ２よりも長い横幅を有することが好ましい。言い換えると、各高反射アルミ板４は、ＬＥＤ素子１１の直下からそのＬＥＤ素子１１の中心を通る鉛直線Ｌに対して斜め４５度の方向に広がる円錐状（正確には、円錐台）の領域の全体を、厚さ方向の全域で含むことが好ましい。

図３（Ａ）の例では幅ｗ１よりも幅ｗ２の方が大きいが、ワイヤ１５の接続位置と高反射アルミ板４の厚さｄの大きさによっては、幅ｗ１，ｗ２の大小関係は逆になる場合もある。

図４（Ａ）は、別の発光装置１Ａの部分断面図である。発光装置１Ａは、発光装置１のスペーサ３が汎用アルミ板５に置き換えられている点と、発光装置１の放熱基板６に相当するものがない点が発光装置１とは異なり、その他の点では発光装置１と同じ構成を有する。

汎用アルミ板５は、増反射膜が設けられていないアルミニウム製の板状部材であり、発光装置１のスペーサ３と同様に、回路基板２の裏面側における高反射アルミ板４同士の間を埋める働きをする。図４（Ａ）では２個しか示していないが、汎用アルミ板５は、回路基板２の開口部２１にそれぞれ対応するように形成された８個の矩形の凹部５１を有する。凹部５１の高さは高反射アルミ板４の厚さと同じであり、発光装置１Ａの高反射アルミ板４は、凹部５１内にそれぞれ収納されている。凹部５１の横幅は、図示した例では開口部２１の横幅と同じであるが、発光装置１の開口部３１のように、開口部２１の横幅よりも大きくてもよい。

図４（Ｂ）は、別の発光装置１Ｂの部分断面図である。発光装置１Ｂは、発光装置１のスペーサ３がスペーサ３’に、放熱基板６が汎用アルミ板５’にそれぞれ置き換えられている点が発光装置１とは異なり、その他の点では発光装置１と同じ構成を有する。汎用アルミ板５’は、汎用アルミ板５と同様に増反射膜が設けられておらず、回路基板２の裏面側に配置されたアルミニウム製の金属基板である。発光装置１Ｂでは、高反射アルミ板４は回路基板２と汎用アルミ板５’の間に配置され、スペーサ３’は、回路基板２と汎用アルミ板５’の間に配置されている。スペーサ３’は、例えば、回路基板２、高反射アルミ板４および汎用アルミ板５’の間にある隙間を埋めるように樹脂を充填することで構成される。この場合、樹脂の充填量に応じて、汎用アルミ板５’に対する回路基板２の高さを調整することが可能である。

発光装置１Ａのように、発光装置１のスペーサ３および放熱基板６の位置に、それらの形状に合わせて形成された汎用アルミ板５が配置されていてもよいし、発光装置１Ｂのように、回路基板２と汎用アルミ板５’の間には樹脂が充填されていてもよい。発光装置１Ａ，１Ｂでは、汎用アルミ板５，５’が放熱基板６と同様にヒートシンクとして機能するため、発光装置１の放熱基板６を省略してもよい。また、図示した例とは異なり、発光装置１Ａ，１Ｂでも、高反射アルミ板４は開口部２１の幅よりも側方に広がって配置されていてもよい。

発光装置１，１Ａ，１Ｂでは、ＬＥＤ素子１１が実装される各発光部１０の直下のみに高反射アルミ板４が配置され、発光部１０以外の部分における回路基板２の下面には、スペーサ３，３’または汎用アルミ板５が配置されている。一般に、高反射アルミ板は高反射でない汎用のアルミ板と比べて高価であるため、回路基板２の裏面側の全域に高反射アルミ板を配置した場合と比べて、発光装置１，１Ａ，１Ｂでは製造コストが削減される。また、発光装置１，１Ａ，１Ｂでは、高反射アルミ板４の周囲にスペーサ３，３’または汎用アルミ板５が配置されているので、これらがない場合と比べて、回路基板２が変形しにくくなる。特に、発光装置１では、スペーサ３が絶縁材料で構成されているので、スペーサ３により絶縁耐性も確保される。

１，１Ａ，１Ｂ 発光装置
２ 回路基板
３，３’ スペーサ
４ 高反射アルミ板
５，５’ 汎用アルミ板
６ 放熱基板
７ レンズアレイ
１０ 発光部
１１ ＬＥＤ素子
１２ 樹脂枠
１３ 封止樹脂

Claims (6)

1. 複数の開口部を有する回路基板と、
   前記回路基板の裏面側に配置されて前記複数の開口部の底を塞ぐ複数の基台部と、
   前記回路基板の裏面側における前記複数の基台部同士の間に配置されたスペーサと、
   前記複数の開口部に形成された複数の発光部であって、各開口部の前記基台部の上面に実装されたＬＥＤ素子および当該開口部内に充填されて前記ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有する複数の発光部と、を有し、
   前記複数の基台部は、銀を含む増反射膜が前記上面に設けられたアルミニウム製の部材であり、
   前記複数の発光部のそれぞれにおいて、前記ＬＥＤ素子はボンディングワイヤを介して前記回路基板の上面の配線パターンと電気的に接続され、
   前記複数の基台部のそれぞれは、前記回路基板の裏面側において、前記回路基板上の前記ボンディングワイヤの接続位置の直下を覆うように配置されている、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記複数の基台部のそれぞれは、当該基台部の前記ＬＥＤ素子の直下から当該ＬＥＤ素子の中心を通る鉛直線に対して斜め４５度の方向に広がる円錐状の領域の全体を当該基台部の厚さ方向の全域で含むように、前記回路基板の裏面側において側方に広がって配置されている、請求項１に記載の発光装置。
3. 複数の開口部を有する回路基板と、
   前記回路基板の裏面側に配置されて前記複数の開口部の底を塞ぐ複数の基台部と、
   前記回路基板の裏面側における前記複数の基台部同士の間に配置されたスペーサと、
   前記複数の開口部に形成された複数の発光部であって、各開口部の前記基台部の上面に実装されたＬＥＤ素子および当該開口部内に充填されて前記ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有する複数の発光部と、を有し、
   前記複数の基台部は、銀を含む増反射膜が前記上面に設けられたアルミニウム製の部材であり、
   前記スペーサは、前記複数の開口部にそれぞれ対応する第２の複数の開口部を有し、絶縁材料で構成された板状部材であり、
   前記複数の基台部は、前記第２の複数の開口部内にそれぞれ収納されている、
   ことを特徴とする発光装置。
4. 複数の開口部を有する回路基板と、
   前記回路基板の裏面側に配置されて前記複数の開口部の底を塞ぐ複数の基台部と、
   前記回路基板の裏面側における前記複数の基台部同士の間に配置されたスペーサと、
   前記複数の開口部に形成された複数の発光部であって、各開口部の前記基台部の上面に実装されたＬＥＤ素子および当該開口部内に充填されて前記ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有する複数の発光部と、を有し、
   前記複数の基台部は、銀を含む増反射膜が前記上面に設けられたアルミニウム製の部材であり、
   増反射膜が設けられておらず前記回路基板の裏面側に配置されたアルミニウム製の金属基板をさらに有し、
   前記複数の基台部は前記回路基板と前記金属基板の間に配置され、
   前記スペーサは、前記回路基板と前記金属基板の間において前記複数の基台部同士の間に配置された樹脂製の部材である、
   ことを特徴とする発光装置。
5. 前記スペーサは、増反射膜が設けられていないアルミニウム製の部材である、
   請求項１又は２に発光装置。
6. 前記スペーサは、前記複数の開口部にそれぞれ対応する複数の凹部が形成された板状部材であり、
   前記複数の基台部は、前記スペーサ上の前記複数の凹部内にそれぞれ収納されている、請求項５に記載の発光装置。

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