JP7378686B2 - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＬＥＤ発光装置に関する。
発光ダイオード（Light Emitting Diode、ＬＥＤ）ダイを発光素子として使用するＬＥＤ発光装置において、信頼性を向上させる種々の技術が知られている。
国際公開第２０２１／０６０５３１号に記載されるＬＥＤ発光装置は、アルミニウム実装基板の表面に配置される増反射膜の表面を平坦化することにより、増反射膜におけるピンホールを低減することで、所望の反射率を維持すると共に、信頼性を向上させることができる。
米国特許第９，８６５，７８３号には、底面に１層の低屈折率層を有するＬＥＤ素子を、８００ｎｍ厚の１層の低屈折率層に４００ｎｍ厚の１層の高屈折率層を積層した基板上に配置した発光装置が記載されている。
しかしながら、ＬＥＤダイを発光素子として使用するＬＥＤ発光装置の用途が拡大するに従って、ＬＥＤ発光装置の信頼性を更に向上させることが望まれている。
本開示は、信頼性を向上させることが可能なＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。
本開示に係るＬＥＤ発光装置は、基台と、銀を含有し基台上に積層された反射層、及び、反射層上に積層された多層反射膜とを有する実装基板と、青色光を出射し実装基板上の発光領域に実装されるＬＥＤダイと、蛍光体粒子を含みＬＥＤダイ及び発光領域内の実装基板の表面を封止する封止樹脂と、ＬＥＤダイの下面に配置されＬＥＤダイから出射される青色光の少なくとも一部を遮断するＤＢＲ層とを有し、
多層反射膜は１層のＴｉＯ2層及び１層のＳｉＯ2層を含み、ＤＢＲ層は高屈折率層及び低屈折率層から構成される誘電体が複数組積層された層であり、蛍光体粒子は封止樹脂内で沈降して、ＬＥＤダイの側面の一部及び発光領域内で多層反射膜の表面の一部を覆う蛍光体層を形成する。
多層反射膜は１層のＴｉＯ2層及び１層のＳｉＯ2層を含み、ＤＢＲ層は高屈折率層及び低屈折率層から構成される誘電体が複数組積層された層であり、蛍光体粒子は封止樹脂内で沈降して、ＬＥＤダイの側面の一部及び発光領域内で多層反射膜の表面の一部を覆う蛍光体層を形成する。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、蛍光体層は、蛍光体粒子が凝集した凝集層を含む、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、蛍光体層は、蛍光体粒子が凝集した凝集層、及び、蛍光体粒子が浮遊した浮遊層を含む、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、実装基板の上に固定された回路基板と、回路基板の上に配置された配線パターンと、を更に有し、ＬＥＤダイは、透明基板、前記透明基板に積層された発光層を有する半導体積層体、及び、半導体積層体に接続された一対の電極を有し、一対の電極の間に配線パターンを介して所定の電圧が印加されることに応じて発光層から青色光を出射し、蛍光体層の少なくとも一部は、発光層と多層反射膜との間に形成されている、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、蛍光体粒子は、第１蛍光体粒子と、第１蛍光体粒子より平均粒径の小さい第２蛍光体粒子を含み、第２蛍光体粒子の一部は、第１蛍光体粒子の間に配置される、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、高屈折率層は、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＺｎＳｅ、Ｓｉ3Ｎ4、Ｎｂ2Ｏ5、ＴａＯ5、ＨｆＯ2からなる群より選択され、低屈折率層は、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＦからなる群より選択される、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、ＬＥＤダイの下面と多層反射膜との間に配置された金属膜を更に有する、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、多層反射膜と封止樹脂との間に配置された透明材を更に有する、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、ＬＥＤダイを実装基板に実装するためのダイボンド材を更に有し、ダイボンド材は、反射材粒子を含有する、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、封止樹脂は、封止樹脂に対して０～１０ｗｔ％のフィラーを含有する、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、多層反射膜は、１層のＴｉＯ2層及び１層のＳｉＯ2層を含む、ことが好ましい。
さらに、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、多層反射膜を構成するＴｉＯ2層及びＳｉＯ2層の膜厚は、それぞれ３０～１００ｎｍである、ことが好ましい。
また、本開示に係るＬＥＤ発光装置は、実装基板、銀を含有し且つ実装基板上に積層された反射層、及び屈折率の異なる複数の酸化膜により形成され且つ反射層上に積層された増反射膜を有する実装基板と、実装基板の上に固定された回路基板と、回路基板の上に配置された配線パターンと、透明基板、透明基板に積層されたｎ型半導体層及びｐ型半導体層を有する半導体積層体、並びに配線パターン及び半導体積層体に接続された一対の電極を有し、一対の電極の間に所定の電圧が印加されることに応じて、青色光を出射するＬＥＤダイと、蛍光体を含み、ＬＥＤダイを封止する封止樹脂と、増反射膜と半導体積層体との間に配置され、青色光の少なくとも一部を遮断する遮光層とを有する。
また、本開示に係るＬＥＤ発光装置は、遮光層は、透明基板の半導体積層体が積層された面と反対の面に積層された反射膜又は金属反射膜、若しくは反射膜及び金属反射膜の双方であることが好ましい。
また、本開示に係るＬＥＤ発光装置は、ＬＥＤダイは、合成樹脂を含む接着部材で実装基板に接着され、増反射膜は、反射層の上方に積層されたＳｉＯ2層を有することが好ましい。
また、本開示に係るＬＥＤ発光装置は、蛍光体は、実装基板の表面、並びにＬＥＤダイの表面及び側面の少なくとも一部を覆うように沈降して配置されることが好ましい。
本開示に係るＬＥＤ発光装置は、信頼性を向上させることができる。
本発明によるＬＥＤ発光装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図１は本発明の発明者らが見出した銀の移動を説明する概念図であり、図１（ａ）は第１の状態を示し、図１（ｂ）は第２の状態を示し、図１（ｃ）は第３の状態を示す。いずれの状態も、ＬＥＤ発光装置において、ＬＥＤダイは、多層反射膜の上面に配置されている。多層反射膜は、バッファ層、バッファ層に積層された銀を含有した反射層、反射層上に積層されたシリカ（ＳｉＯ2）層、及び、シリカ層上に積層されたチタニア（ＴｉＯ2）層から構成される。
第１の状態では、ＬＥＤダイからチタニア層及びシリカ層を介して青色光が反射層に照射してはいるが、まだ反射層に含有される銀は移動していない。第１の状態から時間が経過すると、銀がチタニア層に移動を開始する（第２の状態参照）。第２の状態からさらに時間が経過すると、銀の移動が継続して、反射層の一部において銀が消失した空隙が形成され、反射層の下層のバッファ層が露出する（第３の状態参照）。
第３の状態に示す様に、反射層に空隙が形成されバッファ層が露出すると、反射層の反射率が低下して、ＬＥＤ発光装置から出射される光の光量が減少する。また、銀がチタニア層に移動することで、シリカ層とチタニア層とにより形成される増反射膜が有する増反射機能が低下して、ＬＥＤ発光装置から出射される光の光量が更に減少する。
図２は銀の移動状態を示す図であり、図２（ａ）は反射率が比較的高いときの多層反射膜の断面像であり、図２（ｂ）は反射率が低下したときの多層反射膜の断面像であり、図２（ｃ）は反射率が更に低下したときの多層反射膜の断面像である。図２（ｄ）は図２（ａ）に示す多層反射膜の上面像であり、図２（ｅ）は図２（ｃ）に示す多層反射膜の上面像である。
図２（ａ）～図２（ｃ）では、図１に示すようなＬＥＤ発光装置を複数作成し、ＬＥＤダイを点灯させながら、時間の経過と共に、多層反射膜の一部を切断して断面を撮影した。図２（ｄ）及び図２（ｅ）では、図２（ａ）及び図２（ｃ）の断面を撮影する前に、ＬＥＤダイを取り除いた多層反射膜の上面を撮影したものである。なお、実際のＬＥＤ発光装置では蛍光体粒子を含む封止樹脂を備えているが、図２（ａ）～（ｅ）の撮影のためのＬＥＤ発光装置は封止樹脂を備えていない。
図２（ａ）及び２（ｄ）は初期の光束を１００％としたときの光束の変化を示す指標である光束残存率が９６．４％である状態を示し、図２（ｂ）は光束残存率が９３．０％である状態を示し、図２（ｃ）及び２（ｅ）は、光束残存率が８９．３％である状態を示す。また、図２（ｄ）及び２（ｅ）において、破線は、ＬＥＤダイが実装されたＬＥＤ実装領域を示す。
図２（ａ）及び２（ｄ）（光束残存率が比較的高い状態）では、チタニア層の銀の濃度を測定した結果は１．０ａｔ％であり、反射層からチタニア層への銀の移動はほとんど生じていないと考えられる。図２（ｄ）における黒点は、銀が移動したことによる反射層の空隙を示しており、破線で示すＬＥＤ実装領域の面積に対して３．２％の領域で発生している。
図２（ｂ）（光束残存率が低下した状態）では、チタニア層の銀の濃度を測定した結果は２．９ａｔ％であり、反射層からチタニア層への銀の移動を確認することがでる。銀の移動により反射層の機能が低下した事によって、光束残存率が低下したと考えられる。
図２（ｃ）及び２（ｅ）（光束残存率が更に低下した状態）では、チタニア層の銀の濃度を測定した結果は３．８ａｔ％であり、反射層からチタニア層への銀の移動量が増加したことを確認することができる。銀の移動により反射層の機能が大きく低下した事によって、光束残存率が更に低下したと考えられる。図２（ｅ）における黒点（反射層の空隙）は、破線で示すＬＥＤ実装領域の面積に対して１１．３％の領域で発生している。
図３は、多層反射膜の上面像である。図３は、図２（ａ）～（ｅ）の撮影のために作成したＬＥＤ発光装置の内の１つを利用し、光束残存率が図２（ｃ）と同程度に低下した状態で、多層反射膜からＬＥＤダイを取り除き、ＬＥＤダイ実装領域を含む広範囲で多層反射膜の上面を撮影した。図３において、破線は、ＬＥＤダイが実装されたＬＥＤ実装領域を示す。
図３における黒点（反射層の空隙）は、例えば点α１の様に破線の内側であるＬＥＤ実装領域に多く発生しているが、例えば点α２の様にＬＥＤ実装領域の外側にもある程度は発生している。ＬＥＤダイから出射される青色光に最も照射される領域がＬＥＤ実装領域であることから、ＬＥＤ実装領域において黒点（反射層の空隙）が多く発生するものと考えられる。一方、ＬＥＤダイから出射した青色光は、ＬＥＤ実装領域の外側も照射することから、ＬＥＤ実装領域の外側においても黒点（反射層の空隙）が発生するものと考えられる。
上述したように、多層反射膜に含まれる反射層に含有される銀は、ＬＥＤダイから出射される青色光に照射されることに応じて、反射層の積層された増反射膜に含まれるチタニア層に移動する。したがって、銀を含有する反射層とＬＥＤダイの半導体積層体との間に青色光の少なくとも一部を遮断する遮光層を配置すれば、ＬＥＤ実装領域における青色光の照射に応じた銀の移動を抑制することが可能となる。
ＬＥＤ発光装置から出射される光の一部は、ＬＥＤダイの発光層から出射され、発光領域内の基板表面に反射された後に、ＬＥＤ発光装置の外部へ出射する。したがって、ＬＥＤ発光装置の信頼性を向上させるためには、ＬＥＤ実装領域における多層反射膜の保護も重要であるが、発光領域におけるＬＥＤ実装領域外における多層反射膜の保護も重要である。
米国特許第９，８６５，７８３号の図４には、下面に１層の低屈折率層を有するＬＥＤ素子を、８００ｎｍ厚の１層の低屈折率層に４００ｎｍの１層の高屈折率層を積層した基板上に配置した例が記載されている。しかしながら、このような厚い層を基板全体に均一に配置することは、製造上非常に困難且つ高コストとなってしまう。また、米国特許第９，８６５，７８３号の図５には、２０～２００ｎｍの高屈折率層と２０～２００ｎｍの低屈折率層の組を表面全体に複数組積層した基板が記載されている。しかしながら、このような複数組の高屈折率層及び低屈折率層を基板全体に均一に配置することは、製造上非常に困難且つ高コストとなってしまう。
そこで、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、多層反射膜での光の反射を増強しつつ、簡単且つ低コストで製造可能な様に、基板の表面全体には、比較的薄い（各層の厚さが３０～１００ｎｍ）１層のＴｉＯ2層及び１層のＳｉＯ2層から構成される多層反射膜を形成し、ＬＥＤダイの底面には高屈折率層及び低屈折率層から構成される誘電体が複数組積層されたＤＢＲ層を配置している。これによって、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、ＤＢＲ層によってＬＥＤ実装領域における多層反射膜を保護すると共に、発光領域におけるＬＥＤ実装領域外における多層反射膜の表面は蛍光体層によって保護するようにしている。このため、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、多層反射膜での光の反射を増強しつつ、長期間に渡って光束残存率を高く維持することが可能となる（図１１参照）。
なお、本開示に係るＬＥＤ発光装置では、蛍光体粒子は、封止樹脂に含有されて反射枠の内部に配置され、その後所定の時間静置されることによって多層反射膜の表面に沈降して、蛍光体層を形成する。蛍光体層が形成されると、ＬＥＤダイの発光層から出射された青色光の一部は蛍光体層で他の色光に変換されるので、多層反射膜を照射する青色光は減少する。したがって、青色光が直接多層反射膜の表面を照射する場合と比較して、多層反射膜の表面に蛍光体層が形成されていると、多層反射膜における黒点（反射層の空隙）の発生を抑制することが可能となる。なお、一般にＤＢＲ層は入射角度に対する指向性が強い。言い換えると、ＬＥＤダイの発光層からＬＥＤ実装領域外へ向けて出射さえる青色光の入射角度は大きいため、ＬＥＤ実装領域外にＤＢＲ層を配置しても、効率よく青色光が反射されず、ＬＥＤ実装領域外における多層反射膜における黒点（反射層の空隙）の発生をそれほど抑制することはできない。
図４（ａ）は実施形態に係るＬＥＤ発光装置１の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＡ－Ａ線に沿う断面図である。
ＬＥＤ発光装置１は、実装基板１０と、回路基板１１と、一対の配線パターン１２及び１３と、一対の電極１４及び１５と、複数のＬＥＤダイ１６と、ボンディングワイヤ１７と、ソルダーレジスト１８と、反射枠１９と、封止樹脂２０等を有する。ＬＥＤ発光装置１は、チップオンボード（Chip on Board、ＣＯＢ）型のＬＥＤ発光装置である。
実装基板１０は、矩形の平面形状を有し、表面にＬＥＤダイ１６が実装される平面領域を有する基板である。
回路基板１１は、実装基板１０と同一の平面形状を有し、実装基板１０の表面に接着され、中心部には円形の開口部１１ａが形成される。回路基板１１の上面には、開口部１１ａを取り囲むように一対の配線パターン１２及び１３が形成され、対角線上で向かい合う二つの角の近傍に一対の電極１４及び１５がそれぞれ形成される。
電極１４はアノード電極であり、電極１５はカソード電極である。一対の電極１４及び１５は、不図示の外部電源に接続され、一対の電極１４及び１５の間に所定の電圧が印加されることに応じて、ＬＥＤ発光装置１は光を出射する。
ＬＥＤダイ１６は、絶縁性の接着剤等を介して、開口部１１ａから露出している実装基板１０の上に実装される。図４において、ＬＥＤ発光装置１が４０個のＬＥＤダイ１６を有する場合の例を示す。
ボンディングワイヤ１７は、金等の導電性部材で形成され、隣接するＬＥＤダイ１６のカソード３２とアノード３３との間を接続する。また、ボンディングワイヤ１７は、開口部１１ａの外縁に隣接するＬＥＤダイ１６と配線パターン１２及び１３との間を接続する。ＬＥＤ発光装置１では、８個のＬＥＤダイ１６がボンディングワイヤ１７を介して直列接続された列が、５列に亘って配線パターン１２及び１３に並列接続される。しかしながら、実施形態に係るＬＥＤダイでは、直列接続されるＬＥＤダイ１６の数及び、並列接続される列の数は適宜決定されてもよい。
ソルダーレジスト１８は、エポキシ樹脂等の耐熱性絶縁樹脂であり、開口部１１ａの外側を、一対の電極１４及び１５を除く一対の配線パターン１２及び１３の表面を全体に亘って覆うように、回路基板１１上に配置される。
反射枠１９は、シリコーン樹脂等の合成樹脂にシリカ等のフィラーが含有された樹脂であり、開口部１１ａの外縁に沿って、配線パターン１２及び１３を覆うように配置される。反射枠１９は、ＬＥＤダイ１６から出射された青色光を反射して、ＬＥＤ発光装置１の上方、すなわちＬＥＤダイ１６の実装基板１０の反対の方向に向けて出射する。反射枠１９の内側の領域を発光領域１９ａとする。
封止樹脂２０は、エポキシ樹脂及びシリコーン樹脂等の無色且つ透明な合成樹脂であり、反射枠１９の内側に配置され、ＬＥＤダイ１６及びボンディングワイヤ１７を一体的に被覆する。封止樹脂２０には、Y3Al5O12:Ce（Yttrium Aluminum Garnet、ＹＡＧ）等の第１蛍光体とも称される緑色蛍光体粒子及びCaAlSiN3:Eu（ＣＡＳＮ）等の第２蛍光体とも称される赤色蛍光体粒子が混合される。緑色蛍光体粒子及び赤色蛍光体粒子は、実装基板１０の表面及びＬＥＤダイ１６の表面及び側面の少なくとも一部を覆うように沈降して配置される。ＬＥＤ発光装置１は、ＬＥＤダイからの青色光と、一部の青色光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白色光を出射する。なお、封止樹脂２０に混合される蛍光体は、上記の２種類の蛍光体に限定されず、組成及び粒径の少なくとも一方が異なる蛍光体を任意に組み合わせて選択することが可能である。
図５は、ＬＥＤダイ１６の断面図である。
ＬＥＤダイ１６は、透明基板３０と、半導体積層体３１と、カソード３２と、アノード３３を有し、下面にＤＢＲ層（ブラッグ反射鏡：Distributed Bragg Reflector）３４が配置されている。透明基板３０は、サファイヤ及びスピネル等の光を透過する透明な材料で形成され、半導体積層体３１が積層された第１面３０ａと、ＤＢＲ層３４が積層された第２面３０ｂとを有する。透明基板３０の基板厚は、例えば２００μｍであるが、１００μｍ以上であることが好ましい。透明基板３０の膜厚を厚くすることで、封止樹脂２０に含有される蛍光体に入射する青色光の光量が増加し、実装基板１０に入射する青色光の光量が減少する。
半導体積層体３１は、ｎ型半導体層３５と、発光層３６と、ｐ型半導体層３７とを有する。ｎ型半導体層３５は、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされた窒化ガリウム（ＧａＮ）を有する。また、発光層３６は、窒化ガリウムにアルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）がドープされた井戸層及び障壁層を有する。また、ｐ型半導体層３７は、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされた窒化ガリウムを有する。
カソード３２及びアノード３３は、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ及びＴｉの何れかの金属又はこれらの合金並びにこれらの金属及び合金の組み合わせから成る金属電極層である。カソード３２はｎ型半導体層３５上に積層され、アノード３３はｐ型半導体層３７上に積層される。発光層３６は、カソード３２とアノード３３との間に所定の順方向電圧が印加されることにより、青色光を出射する。ＬＥＤダイ１６が出射する青色光のピーク波長は、４３０ｎｍ～４７０ｎｍである。
ＤＢＲ層３４は、高屈折率層及び低屈折率層からなる１組の誘電体が複数組積層された多層構造を有し、発光層３６から出射される青色光を高効率に反射する。高屈折率層は、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＺｎＳｅ、Ｓｉ3Ｎ4、Ｎｂ2Ｏ5、ＴａＯ5、ＨｆＯ2からなる群より選択され、低屈折率層は、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＦからなる群より選択される。ＤＢＲ層３４を構成する各層の膜厚は、２０～１５０ｎｍであることが好ましい。なお、ＤＢＲ層３４では、高屈折率層及び低屈折率層からなる１組の誘電体が５～３０組程度積層されることが好ましい。また、ＬＥＤダイ１６は、ＤＢＲ層３４と共に、Ａｌ、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄからなる群より選択される金属膜を有していても良い。
ＬＥＤダイ１６が、実装基板１０に実装されてボンディングワイヤ１７により接続される場合、カソード３２及びアノード３３はＬＥＤダイ１６の最上部に位置し、発光層３６もほぼＬＥＤダイ１６の最上部に位置することとなる。具体的には、ｐ型半導体層３７、発光層３６、及び、ｎ型半導体層３５は非常に薄いので、発光層３６の高さは、ほぼ透明基板３０の基板厚と同じと考えて良い。
図６は、図４（ｂ）のＢ部の拡大図である。
図６において、実装基板１０及び回路基板１１の一部、並びに実装基板１０の上に実装される４０個のＬＥＤダイ１６の１つを示す。図６において、各構成要素の位置関係は、模式的に示され、各構成要素の大きさの関係は必ずしも正確ではない。また、図６において、反射枠１９及び封止樹脂２０の記載は省略している。
ＬＥＤ発光装置１は、回路基板１１を実装基板１０に接着する接着材２１と、ＬＥＤダイ１６を実装基板１０に実装するダイボンド材２２と、実装基板１０の表面及びＬＥＤダイの表面及び側面の少なくとも一部を覆うように配置される透明材２３とを有する。接着材２１は、例えばシリコーン樹脂系又はエポキシ樹脂系の接着部材である。また、ダイボンド材２２は、例えばシリコーン樹脂系又はポリイミドシリコーン樹脂系等の合成樹脂を含む接着部材である。透明材２３は、アクリル成分、フッ素成分、シリコーン成分、金属酸化物等で形成された光透過部材であり、透明材２３の剛性は封止樹脂２０よりも高くてもよい。また、透明材２３は封止樹脂２０と同じ合成樹脂材であってもよい。
図６に示すように、実装基板１０は、基台４１と、基台４１の一方の面に形成される多層反射膜４２とを有する。基台４１は、アルミニウム、銅などを含む金属でもよいし、アルミナ、窒化アルミニウムなどを含むセラミックスでもよい。
多層反射膜４２は、基台４１側から少なくともバッファ層４２ａ、Ａｇ層４２ｂを含む反射層、接着層４２ｃ、ＳｉＯ2層４２ｄ、及び、ＴｉＯ2層４２ｅを有する。ＳｉＯ2層４２ｄ及びＴｉＯ2層４２を増反射膜と称する場合がある。なお、接着層４２ｃは、Ａｇ層４２ｂとＳｉＯ2層４２ｄとの接着性を高めるために配置されている。
バッファ層４２ａは、基台４１とＡｇ層４２ｂの間で、絶縁、銀の拡散防止および接着等の機能を有し、少なくともアルマイト層を含む多層膜である。
接着層４２ｃは、Ａｇ層４２ｂとＳｉＯ2層４２ｄとを接着させるための接着層として機能する。接着層４２ｃの層厚は、例えば５ｎｍであり、０．５ｎｍ以上であり且つ１０ｎｍ以下であることが好ましい。
ＳｉＯ2層４２ｄ及びＴｉＯ2層４２ｅは、Ａｇ層４２ｂの上方に積層され、Ａｇ層４２ｂに含まれる銀の硫化を防止するための保護層としても機能する。また、ＳｉＯ2層４２ｄの屈折率はＴｉＯ2層４２ｅより低く、低屈折率層であるＳｉＯ2層４２ｄと高屈折率層であるＴｉＯ2層４２ｅと間の屈折率差により、ＬＥＤダイ１６から実装基板１０の側に出射される光のＬＥＤ発光装置１の上方に向けた反射を増強する。したがって、ＳｉＯ2層４２ｄ及びＴｉＯ2層４２ｅは、ＬＥＤダイ１６から実装基板１０の側に出射される光のＬＥＤ発光装置１の上方に向けた反射を増強させるための増反射膜として機能する。ＳｉＯ2層４２ｄの層厚は、例えば６５ｎｍであり、３０ｎｍ以上であり且つ１００ｎｍ以下である。ＴｉＯ2層４２ｅの層厚は、例えば５０ｎｍであり、３０ｎｍ以上であり且つ１００ｎｍ以下である。多層反射膜４２では、一対のＳｉＯ2層４２ｄ及びＴｉＯ2層４２ｅを有する。
図７は、ＬＥＤダイと蛍光体層との関係を説明するための模式図である。図７（ａ）はＬＥＤ発光装置１における蛍光体層の状態を示し、図７（ｂ）はＬＥＤ発光装置１の変形例であるＬＥＤ発光装置１０１における蛍光体層の状態を示す。図７（ａ）及び（ｂ）において、図５に示すＬＥＤダイ１６のカソード３２及びアノード３３、図６に示すダイボンド材２２及び透明材２３の記載は省略している。ＬＥＤ発光装置１０１は、蛍光体粒子の沈降状態以外はＬＥＤ発光装置１と同一である。
ＬＥＤ発光装置１では、前述したように、緑色蛍光体粒子と赤色蛍光体粒子が封止樹脂２０に混合されている。また、封止樹脂２０には、フィラーが封止樹脂２０に対して５ｗｔ％混合されている。このため、平均粒径が大きい緑色蛍光体粒子は下方へほぼ沈降するが、平均粒径が緑色蛍光体粒子と比べて小さい赤色蛍光体粒子の一部は、完全には沈降せず、若干浮遊した状態となっている。なお、赤色蛍光体粒子の一部は、緑色蛍光体粒子の間に配置される。赤色蛍光体粒子の一部が緑色蛍光体粒子の間に配置されることで、平均粒径が大きい緑色蛍光体粒子の隙間を赤色蛍光体粒子が塞ぎ、ＬＥＤダイ１６から出射された青色光が多層反射膜４２に到達する確率を低減することができる。
したがって、ＬＥＤ発光装置１では、図７（ａ）に示す様に、封止樹脂２０内で蛍光体粒子が沈降し蛍光体層５０が形成されている。詳細には、蛍光体層５０の下部には、ほとんどの緑色蛍光体粒子及び一部の赤色蛍光体粒子が凝集した凝集層５１が形成され、ＬＥＤダイ１６の表面と、ＬＥＤダイ１６の側面の一部を含んで実装基板１０の多層反射膜４２の表面を覆っている。さらに、凝集層５１の上部には、一部の緑色蛍光体粒子と多くの赤色蛍光体粒子が若干浮遊しながら存在する浮遊層５２が形成されている。
図７（ｂ）に示す変形例のＬＥＤ発光装置１０１では、封止樹脂２０には、フィラーがほとんど混合されていない。そのため、ほとんどの緑色蛍光体粒子及び赤色蛍光体粒子が完全に沈降し、且つ、それらの粒子が凝集された蛍光体層５０が、ＬＥＤダイ１６の表面と、ＬＥＤダイ１６の側面の一部を覆うように実装基板１０の表面に形成されている。すなわち、蛍光体層５０が凝集層として形成されており、浮遊層５２はほとんど存在しない。ＬＥＤ発光装置１０１における蛍光体層５０の凝集度は、ＬＥＤ発光装置１の凝集層５１における蛍光体粒子の凝集度より更に高い。
なお、図７（ｂ）において、蛍光体層５０の凝集度合いを示すために、大径の蛍光体粒子（緑色蛍光体粒子）、小径の蛍光体粒子（赤色蛍光体粒子）、及び、矩形のフィラーを記載した。なお、実際のＬＥＤ発光装置１及び１０１では、蛍光体層５０として示していない封止樹脂２０の部分にも多少は沈降しきれない蛍光体粒子が浮遊する場合もある。
図７（ａ）に示す様に、発光層３６から真下に出射された青色光は、ＤＢＲ層３４により効率的に反射されて、多層反射膜４２を照射する光量が低減されるので、図１に示す様にＡｇ層４２ｂの銀が移動してバッファ層４２ａが露出することを抑制している。一方、発光層３６からＬＥＤダイ１６の周囲に出射された青色光の一部は、蛍光体粒子が凝集して形成された蛍光体層５０の特に凝集層５１を構成する蛍光体粒子（ｂ１）で吸収され、波長変換されて青色以外の色光となって蛍光体粒子（ｂ１）から出射される。したがって、最終的に多層反射膜４２を照射する青色光の光量が低減するので、図１に示す様にＡｇ層４２ｂの銀が移動してバッファ層４２ａが露出することを抑制できる。
このように、ＬＥＤ発光装置１では、ＬＥＤダイ１６の下面に配置されたＤＢＲ層３４と、ＬＥＤダイ１６の周囲で多層反射膜４２の表面に配置された蛍光体層５０により、発光領域１９ａ全体において、図１に示す様にＡｇ層４２ｂの銀が移動してバッファ層４２ａが露出することを抑制している。
一方、図７（ｂ）に示す変形例のＬＥＤ発光装置１０１では、ＬＥＤ発光装置１における凝集層５１よりも更に凝集度が高い蛍光体層５０が形成されている。したがって、ＬＥＤ発光装置１と同様に、発光領域１９ａ全体において、図１に示す様にＡｇ層４２ｂの銀が移動してバッファ層４２ａが露出することを抑制できる。
図８（ａ）はＬＥＤ発光装置１の断面像を示し、図８（ｂ）はＬＥＤ発光装置１の変形例であるＬＥＤ発光装置１０２の断面像を示している。
図８（ａ）に示す様に、ＬＥＤ発光装置１では、ＬＥＤダイ１６が近接して配置されていることから、蛍光体層５０は、複数のＬＥＤダイ１６間と、各ＬＥＤダイ１６の表面に形成されている。蛍光体層５０の下部の凝集層５１は、実装基板１０の表面側に形成され、浮遊層５２は、凝集層５１の上方に形成されている。
図８（ｂ）は、ＬＥＤ発光装置１の変形例であるＬＥＤ発光装置１０２の断面画像である。ＬＥＤ発光装置１０２は、封止樹脂２０へのフィラーの混合比以外合は、ＬＥＤ発光装置１と同一である。ＬＥＤ発光装置１では、前述した様に、封止樹脂２０に対して５ｗｔ％のフィラーを混合しているが、図８（ｂ）に示すＬＥＤ発光装置１０２では、１０ｗｔ％のフィラーを混合している。
ＬＥＤ発光装置１０２では、フィラーの混合比が異なることから、一部の緑色蛍光体粒子と多くの赤色蛍光体粒子が浮遊するように含まれる浮遊層５２の幅が広がっているように観察できる。しかしながら、ほとんどの緑色蛍光体粒子及び一部の赤色蛍光体粒子が沈降し、且つ、それらの蛍光体粒子が凝集された凝集層５１が、実装基板１０の表面側にしっかり形成されているように観察できる。
未硬化の封止樹脂２０が反射枠１９内に配置された後、そのまま所定時間静置されると、封止樹脂２０のバインダーである透明な合成樹脂より比重の重い蛍光体粒子が下方に沈降する。したがって、所定時間の静置後に、封止樹脂２０を硬化させると、図８（ａ）及び（ｂ）の蛍光体層５０の状態が維持される。なお、封止樹脂２０内に混合されるフィラーの含有ｗｔ％と蛍光体層５０の形成には相関がある。所望の蛍光体層５０を形成するためには、封止樹脂２０に対して、０～１０ｗｔ％のフィラーを混合することが好ましい。
封止樹脂２０が含有するフィラーは、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１μｍ～２５μｍ程度が好ましく、更には５μｍ～１０μｍ程度が好ましい。フィラーの形状は、破砕形状、又は、球状であり、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等により構成されている。また、フィラーには、ミクロンオーダーのフィラーの他に、封止樹脂２０の粘度調整、蛍光体粒子の沈降状態調整等の為に、ナノサイズの粒子径のフィラーを含んでいても良い。なお、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９（ａ）はＬＥＤ発光装置１、（ｂ）は第３比較例に係るＬＥＤ発光装置１０５、（ｃ）は第２比較例に係るＬＥＤ発光装置１０４、及び、（ｄ）は第１比較例に係るＬＥＤ発光装置１０３のそれぞれで使用される実装基板及びＬＥＤダイを示す模式図である。
図９（ａ）～図９（ｄ）では、封止樹脂２０及び蛍光体層５０等は省略されているが、各ＬＥＤ発光装置では、図７（ａ）に示すような蛍光体層５０が形成されているものとする。
図９（ｄ）に示す第１比較例に係るＬＥＤ発光装置１０３と図９（ａ）に示すＬＥＤ発光装置１とは、使用される実装基板及びＬＥＤダイのみが相違する。ＬＥＤ発光装置１０３が有するＬＥＤダイ１１２は、ＬＥＤダイ１６からＤＢＲ層３４を取り除いたものであり、ＬＥＤ発光装置１０３が有する実装基板は、図１０に示す実装基板１１０である。
図９（ｃ）に示す第２比較例に係るＬＥＤ発光装置１０４と図９（ａ）に示すＬＥＤ発光装置１とは、使用される実装基板のみが相違する。ＬＥＤ発光装置１０４が有する実装基板は、図１０に示す実装基板１１０である。
図９（ｂ）に示す第３比較例に係るＬＥＤ発光装置１０５と図９（ａ）に示すＬＥＤ発光装置１とは、使用されるＬＥＤダイのみが相違する。ＬＥＤ発光装置１０５が有するＬＥＤダイ１１２は、ＬＥＤダイ１６からＤＢＲ層３４を取り除いたものである。
図１０は、比較例に係るＬＥＤ発光装置１０３及び１０４が有する実装基板１１０を示す図である。図１０に示す様に、実装基板１１０は、基台４１の一方の面に形成され、光反射システムとして機能する多層反射膜１１１を有する。基台４１はＬＥＤ発光装置１と同様であり、多層反射膜１１１は、基台４１側から少なくともバッファ層１１１ａ、Ａｇ層１１１ｂ、Ａｌ2Ｏ3層１１１ｃ、及び、ＴｉＯ2層１１１ｄを有する。
多層反射膜１１１では、ＬＥＤ発光装置１における多層反射膜４２のＳｉＯ2層４２ｄの代わりに、Ａｇ層との間の密着性が高いが、銀の侵入性がある程度高いＡｌ2Ｏ3層１１１ｃを利用している。そのため、多層反射膜１１１では、ＬＥＤ発光装置１における多層反射膜４２の接着層４２ｃに相当する層を有していない。しかしながら、多層反射膜１１１では、多層反射膜４２と比較して、青色光の照射によって、Ａｇ層１１１ｂからＡｌ2Ｏ3層１１１ｃへの銀の移動が発生し易く、バッファ層１１１ａの露出が起こりやすい。
図１１は、ＬＥＤ発光装置１、第１比較例に係るＬＥＤ発光装置１０３、第２比較例に係るＬＥＤ発光装置１０４、及び、第３比較例に係るＬＥＤ発光装置１０５の光束残存率を示す図である。図１１に示す光束残存率は、カソード電極である電極１５の温度が１０５℃であり且つ投入電力が１７０Ｗである条件下で試験された結果である。
実施形態に係るＬＥＤ発光装置１では、６０００時間経過後の光束残存率は、９９．５％である。一方、第１比較例に係るＬＥＤ発光装置１０３では、６０００時間経過後の光束残存率は７８．９％であり、第２比較例に係るＬＥＤ発光装置１０４では、６０００時間経過後の光束残存率は８０．１％である。また、第３比較例に係るＬＥＤ発光装置１０５では、６０００時間経過後の光束残存率は、９５．７％である。
使用する実装基板が相違するＬＥＤ発光装置１とＬＥＤ発光装置１０４との間の６０００時間経過後の光束残存率の差は、１９．４％であった。
使用する実装基板が相違するＬＥＤ発光装置１とＬＥＤ発光装置１０５との間の６０００時間経過後の光束残存率の差は、３．８％であった。ＬＥＤ発光装置１とＬＥＤ発光装置１０５との間の６０００時間経過後の光束残存率の差は、ＬＥＤ発光装置１とＬＥＤ発光装置１０４との間の６０００時間経過後の光束残存率の差である１９．４％よりも低い。しかしながら、ＬＥＤ発光装置１とＬＥＤ発光装置１０５との間の６０００時間経過後の光束残存率の差は、同様に使用する実装基板が相違するＬＥＤ発光装置１０３とＬＥＤ発光装置１０４との間の光束残存率の差である１．２％の３倍以上である。
なお、図７で示したＬＥＤ発光装置１０１及び図８で示したＬＥＤ発光装置１０２についての光束残存率を測定した結果も、図１１に示すＬＥＤ発光装置１と同様であった。図示はしていないが、ＬＥＤ発光装置１で図７（ａ）に示すような蛍光体層５０を形成しない比較例に係るＬＥＤ発光装置の６０００時間経過後の光束残存率は、第３比較例に係るＬＥＤ発光装置１０５における６０００時間経過後の光束残存率よりも低かった。
図１１等から理解できるように、ＬＥＤダイ１６の下面に配置されたＤＢＲ層３４、及び、ＬＥＤダイ１６の周囲で多層反射膜４２の表面に配置された蛍光体層５０を有するＬＥＤ装置１、１０１、及び、１０２のみが、信頼性要求項目の１つである光束残存率の特性を向上させることができた。これは、ＬＥＤ発光装置１、１０１、及び、１０２では、ＤＢＲ層３４、及び、蛍光体層５０が、発光領域１９ａ全体において、図１に示す様にＡｇ層４２ｂの銀が移動してバッファ層４２ａが露出することを抑制しているからである。
（他の変形例）
図６に示した様に、ＬＥＤ発光装置１では、実装基板１０の表面及びＬＥＤダイ１６の表面及び側面の少なくとも一部を覆うように、透明材２３が配置されている。透明材２３に青色光が照射されると、多層反射膜４２と接している透明材２３が収縮することにより多層反射膜４２に応力が発生し、Ａｇ層４２ｂとＳｉＯ2層４２ｄとの間が剥離するおそれがある。しかしながら、ＬＥＤ発光装置１では、蛍光体層５０によって、透明材２３に照射される青色光の光量が低減されるので、Ａｇ層４２ｂからＴｉＯ2層４２ｅへの銀の侵入が抑制されている。一方、透明材２３が存在すると封止樹脂２０の実装基板１０の表面への付着性が高くなる。実装基板１０の表面への封止樹脂２０の付着性が高まれば、蛍光体層５０の実装基板１０の表面への付着性も高まるので、バッファ層４２ａの露出を抑制する上で好ましい。
図６に示した様に、ＬＥＤ発光装置１では、実装基板１０の表面及びＬＥＤダイ１６の表面及び側面の少なくとも一部を覆うように、透明材２３が配置されている。透明材２３に青色光が照射されると、多層反射膜４２と接している透明材２３が収縮することにより多層反射膜４２に応力が発生し、Ａｇ層４２ｂとＳｉＯ2層４２ｄとの間が剥離するおそれがある。しかしながら、ＬＥＤ発光装置１では、蛍光体層５０によって、透明材２３に照射される青色光の光量が低減されるので、Ａｇ層４２ｂからＴｉＯ2層４２ｅへの銀の侵入が抑制されている。一方、透明材２３が存在すると封止樹脂２０の実装基板１０の表面への付着性が高くなる。実装基板１０の表面への封止樹脂２０の付着性が高まれば、蛍光体層５０の実装基板１０の表面への付着性も高まるので、バッファ層４２ａの露出を抑制する上で好ましい。
図６に示した様に、ＬＥＤ発光装置１では、ダイボンド材２２でＬＥＤダイ１６を実装基板１０に実装している。ここで、ダイボンド材２２に、チタニア、アルミナ、シリカ等の酸化物を反射材の粒子として含有させても良い。この場合、ＤＢＲ層３４とダイボンド材２２の両方で、更に青色光を反射させることが可能となる。また、ダイボンド材２２に、蛍光体粒子を含有させても良い。ダイボンド材２２に、蛍光体粒子を含有させることで、ダイボンド材２２は蛍光体層として形成され、ＤＢＲ層３４ダイボンド材２２の両方で、多層反射膜４２に照射される青色光の光量を更に低減することが可能となる。
図７（ａ）に示した様に、ＬＥＤダイ１６の発光層３６から青色光が出射される。そのために、多層反射膜４２の表面を効率よく保護するためには、ＬＥＤダイ１６の発光層３６よりも下方に蛍光体層５０の少なくとも一部、特に凝集層５１が形成されている事が、バッファ層４２ａの露出を抑制する上で好ましい。
Claims (12)
- 基台と、銀を含有し前記基台上に積層された反射層、及び、前記反射層上に積層された多層反射膜とを有する実装基板と、
青色光を出射し、前記実装基板上の発光領域に実装されるＬＥＤダイと、
蛍光体粒子を含み、前記ＬＥＤダイ及び前記発光領域内の前記実装基板の表面を封止する封止樹脂と、
前記ＬＥＤダイの下面に配置され、前記ＬＥＤダイから出射される青色光の少なくとも一部を遮断するＤＢＲ層と、
前記実装基板の表面並びに前記ＬＥＤダイの表面及び側面の少なくとも一部を覆うように、前記多層反射膜と前記封止樹脂との間に配置された透明材と、を有し、
前記ＤＢＲ層は、高屈折率層及び低屈折率層から構成される誘電体が複数組積層された層であり、
前記蛍光体粒子は、前記封止樹脂内で沈降して、前記ＬＥＤダイの側面の一部及び前記発光領域内で前記多層反射膜の表面の一部を覆う蛍光体層を形成する、
ことを特徴とするＬＥＤ発光装置。 - 前記蛍光体層は、蛍光体粒子が凝集した凝集層を含む、請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記蛍光体層は、蛍光体粒子が凝集した凝集層、及び、蛍光体粒子が浮遊した浮遊層を含む、請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記実装基板の上に固定された回路基板と、
前記回路基板の上に配置された配線パターンと、を更に有し、
前記ＬＥＤダイは、透明基板、前記透明基板に積層された発光層を有する半導体積層体、及び、前記半導体積層体に接続された一対の電極を有し、前記一対の電極の間に前記配線パターンを介して所定の電圧が印加されることに応じて前記発光層から青色光を出射し、
前記蛍光体層の少なくとも一部は、前記発光層と前記多層反射膜との間に形成されている、請求項１～３の何れか一項に記載のＬＥＤ発光装置。 - 前記蛍光体粒子は、第１蛍光体粒子と、前記第１蛍光体粒子より平均粒径の小さい第２蛍光体粒子を含み、前記第２蛍光体粒子の一部は、前記第１蛍光体粒子の間に配置される請求項４に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記高屈折率層は、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｎｂ２Ｏ５、ＴａＯ５、ＨｆＯ２からなる群より選択され、前記低屈折率層は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＦからなる群より選択される、請求項１～３の何れか一項に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記ＬＥＤダイの下面と前記多層反射膜との間に配置された金属膜を更に有する、請求項１～３の何れか一項に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記ＬＥＤダイを前記実装基板に実装するためのダイボンド材を更に有し、
前記ダイボンド材は、反射材粒子を含有する、請求項１～３の何れか一項に記載のＬＥＤ発光装置。 - 前記封止樹脂は、前記封止樹脂に対して５～１０ｗｔ％のフィラーを含有する、請求項１～３の何れか一項に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記多層反射膜は、１層のＴｉＯ２層及び１層のＳｉＯ２層を含む、請求項１～３の何れか一項に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記多層反射膜を構成するＴｉＯ２層及びＳｉＯ２層の膜厚は、それぞれ３０～１００ｎｍである、請求項１０に記載のＬＥＤ発光装置。
- 前記ＬＥＤダイは複数であり、前記蛍光体層の少なくとも一部は、複数の前記ＬＥＤダイの間に形成されている請求項４に記載のＬＥＤ発光装置。
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