JP7092474B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置に関する。
基板上にLED(発光ダイオード)素子が実装され、蛍光体を含有する透光性の樹脂によりそのLED素子が封止された発光装置(LEDパッケージ)が知られている。こうした発光装置では、LED素子からの光と、LED素子からの光により蛍光体を励起させて得られる光とを混合させることにより、用途に応じて白色光などが得られる。
特許文献1には、発光素子と、その発光素子を配置する凹部を有するパッケージと、蛍光体とフィラーが含有された樹脂とを備える発光装置が記載されている。この発光装置では、比重の大小関係が(蛍光体)>(フィラー)>(樹脂)であり、凹部の底面側および発光素子の上面を覆う蛍光体堆積層の上にフィラー堆積層が配置され、凹部の底面側に配置された蛍光体堆積層は発光素子の発光層の高さよりも低く、凹部の底面側に配置された蛍光体堆積層の上に配置されたフィラー堆積層が発光層の側面を被覆している。
特許文献2には、基体と、基体の上面にマウント部を介して実装された発光素子と、発光素子を封止する封止樹脂とを含む発光装置であって、封止樹脂は、マウント部上で発光素子を覆う蛍光体含有第1層と、マウント部の周りの基体上面に形成された蛍光体含有第2層と、マウント部の周りの蛍光体含有第2層上に形成されたフィラー含有層と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、蛍光体粒子を分散して含有するガラスからなる光変換部材であって、蛍光体粒子の表面に50%粒径が50nm以下のナノフィラーが吸着されており、ガラス中にさらに50%粒径D50が5~30μmである耐熱フィラーを分散して含有する光変換部材が記載されている。
特開2016-026404号公報 国際公開第2012/029695号 特開2015-046579号公報
封止樹脂内の蛍光体はLED素子からの光によって励起されることで発熱するため、封止樹脂内に蛍光体を分散させると、発光時に封止樹脂の温度が上昇し、封止樹脂の寿命およびLED素子の発光効率の低下につながる。このため、製造時に封止樹脂内で蛍光体を自然沈降させてから封止樹脂を硬化させることで、蛍光体をLED素子の実装基板に近い側に配置して、蛍光体からの熱を実装基板側に放出し易くすることが望ましい。
しかしながら、封止樹脂内で蛍光体を完全に沈降させると、実装基板の上面およびLED素子の上面には蛍光体が堆積するが、LED素子の側方および上面の外周部(斜め上方)には蛍光体層が形成されにくい。この場合、LED素子の斜め上方への出射光に対する蛍光体による波長変換が不十分になるため、その方向ではLED素子の発光波長に対応する色が強くなり、発光装置の発光面に色ムラが生じる(すなわち、出射光の色度に角度指向性が生じる)。例えば、特許文献1の発光装置では、発光素子の側面のうちでフィラー堆積層により覆われている部分から、発光素子の光が蛍光体により波長変換されずに出て行くので、その部分で発光素子の発光色が目立ち、色ムラが発生する。
封止樹脂の過熱と発光面の色ムラの両方を防止するためには、封止樹脂内で蛍光体が分散した状態と沈降した状態との中間状態を実現できるとよい。蛍光体の沈降状態は、発光装置の製造時に、封止樹脂を未硬化の状態に保ったまま例えば数時間放置することで得られるため、原理的には、沈降途中に封止樹脂を硬化させればその中間状態になると考えられる。しかしながら、沈降時間を短くして中間状態を実現しようとすると、製品ごとのバラつきが大きくなり、安定した生産ができないため、こうした方法をとることは、現実的には難しい。
そこで、本発明は、歩留まりを低下させることなく製造でき、LED素子からの光を波長変換する蛍光体が発した熱が実装基板を通じて放出され易く、かつ出射光の色度の角度指向性が生じにくい発光装置を提供することを目的とする。
実装基板と、実装基板上に実装されたLED素子と、LED素子からの出射光により励起される第1および第2の蛍光体、および平均粒径が1nm~100nmの範囲内であるナノフィラーを含有し、実装基板上に充填されてLED素子を封止する透光性の封止樹脂とを有し、第1の蛍光体の粒子の比重は第2の蛍光体の粒子の比重よりも小さく、封止樹脂は、LED素子の側方および斜め上方を覆う第1の蛍光体の粒子の分散層、ならびに実装基板およびLED素子の上面上に形成された第2の蛍光体の粒子の沈降層を有し、分散層では、ナノフィラーの粒子が形成する凝集体の間に第1の蛍光体の粒子が分散し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、第1の蛍光体の粒子の粒度分布の中央値は、第2の蛍光体の粒子の粒度分布の中央値よりも小さいことが好ましい。
上記の発光装置では、LED素子は出射光として青色光を生成し、第1の蛍光体は出射光により励起されて赤色光を生成し、第2の蛍光体は出射光により励起されて緑色光または黄色光を生成することが好ましい。
上記の発光装置は、歩留まりを低下させることなく製造でき、LED素子からの光を波長変換する蛍光体が発した熱が実装基板を通じて放出され易く、かつ出射光の色度の角度指向性が生じにくい。
発光装置1の断面図および上面図である。 発光装置1の封止樹脂30内の一部を示す拡大写真である。 発光装置1と比較例の発光装置100,200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1(A)および図1(B)は、それぞれ発光装置1の断面図および上面図である。図1(A)では、図1(B)のIA-IA線に沿った発光装置1の断面を示している。発光装置1は、発光素子としてLED素子を含み、蛍光体による波長変換を利用して白色光を出射する発光装置(LEDパッケージ)であり、例えば各種の照明装置、投光器、またはイルミネーションなどのLED光源として利用される。発光装置1は、主要な構成要素として、実装基板10、LED素子20および封止樹脂30を有する。なお、LED素子20の個数は1個に限らず、発光装置1は、共通の実装基板10上に複数のLED素子20が実装されたCOB(Chip On Board)の発光装置であってもよい。
実装基板10は、LED素子20を外部電源に接続するための図示しない2つの接続電極を有し、上面にLED素子20が実装される基板である。例えば、実装基板10は、セラミック基板であってもよいし、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムまたは銅などの金属基板と、LED素子20の配線パターンおよび接続電極が形成された絶縁性の回路基板とを貼り合わせたものであってもよい。あるいは、実装基板10は、LED素子20が実装され封止樹脂30が充填される凹部を有し、LED素子20を外部電源に接続するための2つのリード電極が設けられたLEDパッケージの基体であってもよい。
LED素子20は、例えば、紫外域から青色領域にわたる波長の光を出射する窒化ガリウム系化合物半導体などで構成された発光素子である。LED素子20は、例えば、出射光として発光波長帯域が450~460nm程度の青色光を出射する青色LED素子であるが、他の波長の光を出射する素子であってもよい。LED素子20は実装基板10の上面にダイボンディングによって実装され、LED素子20の正負の電極は、2本のボンディングワイヤ21(以下、単にワイヤ21という)により、実装基板10上の接続電極に電気的に接続されている。発光装置が複数のLED素子20を有しそれらが直列接続される場合には、LED素子20同士もワイヤ21によって電気的に接続される。なお、LED素子20の実装方法は、ワイヤボンディングに限らず、フリップチップであってもよい。
封止樹脂30は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの透光性の樹脂であり、実装基板10上のLED素子20の周囲に充填されて、LED素子20およびワイヤ21を一体的に封止する。また、封止樹脂30は、赤色蛍光体、黄色蛍光体、フィラーおよびナノフィラーを含有する。このうち、図1(A)では、赤色蛍光体の粒子51と黄色蛍光体の粒子52のみを示しており、フィラーとナノフィラーの図示は省略している(フィラーとナノフィラーについては、後述する図2(A)~図2(C)を参照)。発光装置1は、封止樹脂30の流れ出しを防止するダム材である樹脂製の枠体を有してもよく、その場合、その枠体で囲まれた内側領域に封止樹脂30を充填してLED素子20およびワイヤ21を封止してもよい。
赤色蛍光体は、第1の蛍光体の一例であり、例えばCaAlSiN:Eu2+で構成され、LED素子20からの青色光を吸収して赤色光に波長変換する。黄色蛍光体は、第2の蛍光体の一例であり、例えばYAG(Yttrium Aluminum Garnet)で構成され、LED素子20からの青色光を吸収して黄色光に波長変換する。発光装置1は、LED素子20からの青色光と、黄色蛍光体および赤色蛍光体からの黄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。
例えば、赤色蛍光体の粒子51の比重は2~4g/cm程度、黄色蛍光体の粒子52の比重は5~7g/cm程度であり、赤色蛍光体の粒子51の比重は黄色蛍光体の粒子52の比重よりも小さい。メジアン径D50(粒度分布の中央値)については、赤色蛍光体の粒子51が5~15μm程度、黄色蛍光体の粒子52が18~30μm程度であり、赤色蛍光体の粒子51のメジアン径D50は黄色蛍光体の粒子52のものよりも小さい。
封止樹脂30が含有する蛍光体は、上記の組合せに限らず、例えば赤色蛍光体と緑色蛍光体であってもよい。緑色蛍光体は、第2の蛍光体の一例であり、例えば(BaSr)SiO:Eu2+で構成され、LED素子20からの青色光により励起されて緑色光を生成する。この場合も、発光装置1は、LED素子20からの青色光と、緑色蛍光体および赤色蛍光体からの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。あるいは、封止樹脂30は、赤色蛍光体、黄色蛍光体および緑色蛍光体といった3種類以上の蛍光体を含有してもよい。緑色蛍光体の比重およびメジアン径D50は黄色蛍光体のものと同程度であり、封止樹脂30が黄色蛍光体に代えて(あるいは黄色蛍光体に加えて)緑色蛍光体を含有する場合でも、赤色蛍光体の粒子の方が、緑色蛍光体よりも比重およびメジアン径D50は小さい。
封止樹脂30が含有するフィラーは、平均粒径が1μm~100μmの範囲内であるミクロンサイズの粒子状の無機材料である。フィラーは、封止樹脂30内で光を拡散させて、LED素子20および封止樹脂30で構成される発光装置1の発光領域全体を一様に発光させる散乱材として機能する。フィラーとしては、例えば、二酸化ケイ素(シリカ)、アルミナ、チタニア、ジルコニアまたはマグネシアなどを使用してもよい。
封止樹脂30が含有するナノフィラーは、平均粒径(凝集していない状態における個々の1次粒子の粒径)が1nm~100nmの範囲内であるナノサイズの粒子状の無機材料である。ナノフィラーは、比重の軽い蛍光体粒子の封止樹脂30における沈降を抑制する働きをする。フィラーとナノフィラーは、粒径が3桁程度異なるが、同じ物質であってもよい。ナノフィラーとしては、例えば、二酸化ケイ素(シリカ)、アルミナ、チタニア、ジルコニアまたはマグネシアなどを使用してもよい。なお、ナノフィラーは、耐熱性を有し、蛍光体粒子に吸着し易いものであることが好ましい。
図2(A)~図2(C)は、発光装置1の封止樹脂30内の一部を示す拡大写真である。図2(A)~図2(C)の写真は、それぞれ、2千倍、3千倍、2万倍の倍率で撮影されたものであり、各写真の下端に示す白色の線の長さが、それぞれ、10μm、1μm、1μmに相当する。図2(B)は図2(A)の一部を、図2(C)は図2(B)の一部を、それぞれ拡大したものに相当する。
図2(A)における符号51~53は、それぞれ、赤色蛍光体、黄色蛍光体およびフィラーの粒子であり、図2(A)では、封止樹脂30内に混入しているミクロンサイズの粒子が見られる。一方、ナノフィラーについては、蛍光体やフィラーよりも粒径が3桁程度小さいため、図2(A)では粒子そのものは見えないが、多数の粒子が集まって凝集体を形成しており、符号54で示す縞模様がその凝集体に相当する。図2(C)に符号55で示したものがナノフィラーの粒子である。ナノフィラーの濃度がある程度高ければ、その凝集体によって、図2(B)および図2(C)に示すように、封止樹脂30内で網目のように入り組んだ層構造(網目構造)が形成される。このため、比重が軽い赤色蛍光体の粒子51は、その網目構造によって封止樹脂30内に保持されるので、未硬化の封止樹脂30が充填されたときに、時間が経過しても下方に沈降しにくくなると考えられる。
図1(A)に示すように、封止樹脂30は、LED素子20の側方および上面上において、実装基板10から遠い側から順に、赤色蛍光体の粒子51の分散層31と、黄色蛍光体の粒子52の沈降層32とを有する。すなわち、封止樹脂30内では、赤色蛍光体の粒子51は分散し、黄色蛍光体の粒子52は実装基板10およびLED素子20の上面に沈降している。
分散層31は、沈降層32よりも上側に配置され、フィラーおよびナノフィラーの粒子とともに、赤色蛍光体の粒子51がほぼ一様な濃度で分散している。上記の通り、封止樹脂30内ではナノフィラーの粒子55が凝集体54を形成しており、赤色蛍光体の粒子51は、比較的比重が小さいため、その凝集体同士の間に保持されて、下方に沈降せずに分散した状態になっている。図1(B)に示すように、分散層31は、LED素子20の前後左右のどの方向にも一様に広がり、LED素子20の発光層22の側方および斜め上方(上面の4方の周囲)を等方的に覆っている。発光装置1では、LED素子20の発光層22は赤色蛍光体の粒子51により取り囲まれている。分散層31内では、場所によって赤色蛍光体の粒子51の濃度差があってもよいが、特に厚さ方向の濃度差は実質的に無視できるほど小さい。
沈降層32は、実装基板10の上面におけるLED素子20の周辺およびLED素子20の上面に配置され、黄色蛍光体の粒子52を分散層31よりも高い濃度で含有する。言い換えると、封止樹脂30内における黄色蛍光体の粒子52の濃度は、下方に行くにつれて急激に高くなる。封止樹脂30では、主として、赤色蛍光体の粒子51は分散層31に含まれ、黄色蛍光体の粒子52は沈降層32に含まれている。赤色蛍光体の粒子51の一部は沈降層32に、黄色蛍光体の粒子52の一部は分散層31に、それぞれ含まれていてもよいが、それらの濃度は無視できるほど小さい。
発光装置1の製造時には、まず、LED素子20が実装基板10の上面にダイボンディングにより固定され、LED素子20の正負の電極が実装基板10上の接続電極にワイヤボンディングにより接続される。続いて、LED素子20の周囲に、赤色蛍光体、黄色蛍光体、フィラーおよびナノフィラーを含有する透光性の封止樹脂30が充填されて、LED素子20およびワイヤ21が封止される。
そして、封止樹脂30を未硬化の状態に保って数時間経過すると、比重が小さい赤色蛍光体の粒子51は封止樹脂30内に分散したままである一方で、比重が大きい黄色蛍光体の粒子52は実装基板10およびLED素子20の上面に自然沈降する。こうして、封止樹脂30内に赤色蛍光体の分散層31と黄色蛍光体の沈降層32が形成されたら、例えば加熱により封止樹脂30を硬化させる。これにより、図1(A)および図1(B)に示す発光装置1が完成し、その後は、赤色蛍光体の分散状態と黄色蛍光体の沈降状態は不変に保たれる。
図3(A)は、封止樹脂へのナノフィラーの添加量が0.3wt%以下である比較例の発光装置100の断面図である。図3(B)は、その添加量が0.5~1.0wt%である発光装置1の断面図であり、図1(A)に示したものと同じである。図3(C)は、その添加量が1.0wt%よりも多い比較例の発光装置200の断面図である。発光装置100,200は、封止樹脂(シリコーン樹脂)へのナノフィラーの添加量、ならびにその添加量に応じた黄色蛍光体および赤色蛍光体の沈降状態のみが発光装置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。なお、図3(A)~図3(C)では、簡単のため、ボンディングワイヤの図示を省略している。
図3(A)の発光装置100では、赤色蛍光体の粒子51と黄色蛍光体の粒子52は両方とも封止樹脂130内で実装基板10およびLED素子20の上面に沈降しており(完全沈降)、蛍光体の分散層がない。発光装置100の封止樹脂130内では、実装基板10およびLED素子20の上面に黄色蛍光体および赤色蛍光体の沈降層132が形成され、その上側は、蛍光体粒子を実質的に含有しない樹脂層131になっている。発光装置100では、図3(A)に破線134で示したLED素子20の上面の外周部(LED素子20の発光層22の側方)には、蛍光体の沈降層132が形成されていない。このため、発光装置100では、上記の通り、LED素子20の斜め上方への出射光に対する蛍光体による波長変換が不十分になり、色ムラが目立つという不具合がある。
図3(C)の発光装置200では、赤色蛍光体の粒子51と黄色蛍光体の粒子52は両方とも封止樹脂230内で一様に分散しており(完全分散)、蛍光体の沈降層がない。発光装置200の封止樹脂230の状態は、発光装置1の製造時における充填直後の未硬化の封止樹脂30のものと同じである。発光装置200では、すべての蛍光体が封止樹脂内に分散したままであるため、放熱性が悪く、上記の通り、発光時に封止樹脂の温度が上がり過ぎるおそれがある。
図3(B)の発光装置1では、上記の通り、封止樹脂30内において、赤色蛍光体の粒子51は分散し、黄色蛍光体の粒子52は沈降しており、発光装置100の完全沈降と発光装置200の完全分散の中間状態が実現されている。ナノフィラーの添加量を適切に調整すると、このように、比重が大きい黄色蛍光体だけが沈降し、比重が小さい赤色蛍光体の分散状態が維持される。このため、発光装置1では、時間が経過しても完全沈降にはならず、比重差のある複数種類の蛍光体が封止樹脂30内で分離され、LED素子20の斜め上方にも薄い蛍光体層が形成される。一般に、赤色蛍光体よりも黄色蛍光体と緑色蛍光体の方が比重が大きいため、黄色蛍光体に代えて(あるいは、赤色蛍光体と黄色蛍光体に加えて)緑色蛍光体を使用しても、赤色蛍光体を分散させたまま、緑色蛍光体を黄色蛍光体と同様に沈降させることができる。
発光装置1では、蛍光体が完全沈降せず、LED素子20の斜め上方も含めて赤色蛍光体の分散層31が形成されるので、LED素子20の斜め上方への出射光も、他の方向への出射光と同様に封止樹脂30内の赤色蛍光体によって波長変換される。したがって、発光装置1では、出射光の色度に角度指向性が生じにくくなるので、発光面の色ムラが生じにくい。また、発光装置1では、黄色蛍光体の粒子52の沈降層32が実装基板10に接するように形成されているため、黄色蛍光体からの熱は実装基板10側に放出され易く、封止樹脂30の過熱も生じにくい。
また、封止樹脂30内のナノフィラーの濃度を同じにすれば、未硬化の封止樹脂30を充填したときに、最終的には同じ沈降状態が得られ、その状態は時間が経過しても変化しない。このため、発光装置1では、製造時に図3(B)に示す定常状態になってから封止樹脂30を硬化させることで、ナノフィラーを用いずに沈降途中で封止樹脂を硬化させる場合と比べて、製品ごとの色度のバラつきは小さくなり、歩留まりも向上する。さらに、発光装置1には、赤色蛍光体を分散させることで赤色光が他の蛍光体に吸収されにくくなるため、出射光の色味が設計したものからずれにくくなるという利点もある。
封止樹脂30内がナノフィラーを含有しても、その濃度が0.3wt%以下であると、図3(A)に示した発光装置100と同じ沈降状態(完全沈降)になる。また、封止樹脂30内のナノフィラーの濃度が1.0wt%を超えると、十分長い時間が経過しても、いずれの蛍光体も十分に沈降せず、図3(C)に示した分散状態(完全分散)が維持される。封止樹脂30内のナノフィラーの濃度が高いほど、蛍光体は沈降しにくくなる。
封止樹脂30としてシリコーン樹脂を、ナノフィラーとして二酸化ケイ素を、赤色蛍光体として比重が2~4g/cmのものを、黄色蛍光体として比重は5~7g/cmのものを使用する場合には、ナノフィラーの添加量が0.5~1.0wt%であれば、封止樹脂30を未硬化に保ったまま数時間が経過すると、図3(B)に示した状態になる。したがって、出射光の色ムラの程度および封止樹脂30の耐熱温度の観点から、ナノフィラーの添加量は、0.5~1.0wt%の範囲内であることが好ましい。この最適な範囲は、封止樹脂、蛍光体およびナノフィラーの材質によって決まる値である。
なお、ナノフィラーを一定量含有すれば、フィラーの種類や濃度を変えても、図3(B)に示した状態が得られる。上記の通り、フィラーは主に散乱材として機能するものであるため、蛍光体粒子の沈降状態を制御するためには、封止樹脂30は必ずしもフィラーを含有しなくてもよい。
1 発光装置
10 実装基板
20 LED素子
30 封止樹脂
31 分散層
32 沈降層
51,52 蛍光体の粒子
55 ナノフィラーの粒子

Claims (4)

  1. 実装基板と、
    前記実装基板上に実装されたLED素子と、
    前記LED素子からの出射光により励起される第1および第2の蛍光体、および平均粒径が1nm~100nmの範囲内であるナノフィラーを含有し、前記実装基板上に充填されて前記LED素子を封止する透光性の封止樹脂と、を有し、
    前記第1の蛍光体の粒子の比重は前記第2の蛍光体の粒子の比重よりも小さく、
    前記封止樹脂は、前記LED素子の側方および斜め上方を覆う前記第1の蛍光体の粒子の分散層、ならびに前記実装基板および前記LED素子の上面上に形成された前記第2の蛍光体の粒子の沈降層を有し、
    前記封止樹脂の材質はシリコーン樹脂であり、前記ナノフィラーの材質は二酸化ケイ素であり、
    前記第1の蛍光体の比重は2~4g/cm 3 であり、前記第2の蛍光体の比重は5~7g/cm 3 であり、
    前記封止樹脂への前記ナノフィラーの添加量は、0.5~1.0wt%であり、
    前記分散層では、前記ナノフィラーの粒子が形成する凝集体の間に前記第1の蛍光体の粒子が分散している、
    ことを特徴とする発光装置。
  2. 前記第1の蛍光体の粒子の粒度分布の中央値は、前記第2の蛍光体の粒子の粒度分布の中央値よりも小さい、請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記LED素子は前記出射光として青色光を生成し、
    前記第1の蛍光体は前記出射光により励起されて赤色光を生成し、
    前記第2の蛍光体は前記出射光により励起されて緑色光を生成する、請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記LED素子は前記出射光として青色光を生成し、
    前記第1の蛍光体は前記出射光により励起されて赤色光を生成し、
    前記第2の蛍光体は前記出射光により励起されて黄色光を生成する、請求項1に記載の発光装置。
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