JP7400675B2

JP7400675B2 - 発光装置

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Publication number: JP7400675B2
Application number: JP2020155017A
Authority: JP
Inventors: 貴文林; 正太下西; あや川岡; 和也立花
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: CN114188463A; CN114188463B; JP2023165803A; JP2022048933A

Description

本明細書の技術分野は、発光素子を有する発光装置に関する。

発光装置には、半導体発光素子を基板に実装したものが多く存在する。このような発光装置では一般に、半導体発光素子から発せられる光を基板の反対側に取り出す。そして、紫外発光する発光装置に対して、光取り出し面側に石英等からなるレンズ体を配置する発光装置が研究開発されてきている。

例えば、特許文献１には、実装基板１６に光学素子１４を実装し、透明封止部材１０により封止する技術が開示されている。実装基板１６には光学素子１４を収容する凹部２２が形成されている。透明封止部材１０は、レンズ体２８を有する（特許文献１の請求項３）。

国際公開第２０１９／００３５３５号

ところで、レンズ体等と実装基板とで囲まれる領域内に発光素子を封止する場合には、レンズ体または実装基板の延長上の側壁が紫外光を出射させる光軸に対して鈍角側に屈折させることがある。

このようにレンズ体等または基板の側壁が紫外光を光軸側でない方向に屈折させてしまうと発光装置の光出力が低下する。

本明細書の技術が解決しようとする課題は、発光素子を収容する部材の側壁において光取り出し側の反対側に向かう光の屈折を抑制する発光装置を提供することである。

第１の態様における発光装置は、基板と、レンズと、基板に実装され、発光波長が２６０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である発光素子と、基板とレンズとを接着する接着剤層と、を有する発光装置において、レンズは発光素子を収容する凹部と、接着剤層を介して基板と接着される平坦面と、を有し、凹部は内側面を有し、レンズの内側面は基板に近づくにつれて広がっており、レンズの内側面と基板の板面とがなす角の角度が６０°以上７５°以下であり、基板は、内側面と平坦面の成す角部よりも発光素子側であってその角部近傍の領域に溝を有し、基板のうち溝よりも外側の領域と、レンズの平坦面とが接着されていて、接着剤層は、フィレットを有し、フィレットは、基板の表面のうち溝よりも外側の領域の所定位置からレンズの内側面にかけて形成されている。

この発光装置においては、光軸に対して比較的大きな角度方向に進行する光の成分が減少し、光軸に対して比較的小さな角度方向に進行する光の成分が増加する。その結果、この発光装置の光出力は大きい。

本明細書では、発光素子を収容する部材の側壁において光取り出し側の反対側に向かう光の屈折を抑制する発光装置が提供されている。

第１の実施形態の発光装置１００の概略構成図である。第１の実施形態の発光装置１００のレンズ１３０を示す断面図である。第１の実施形態の発光装置１００のレンズ１３０を示す平面図である。第１の実施形態の発光装置１００における発光素子１２０の上面１２１とレンズ１３０の天井面１３４との間の距離を示す図である。第１の実施形態の発光装置１００の接着面の周辺を示す拡大図である。第１の実施形態の発光装置１００のキャビティ１５０の形状および発光素子１２０の配置を示す平面図である。第１の実施形態の変形例における発光装置２００のキャビティ２５０の形状および発光素子１２０の配置を示す平面図（その１）である。第１の実施形態の変形例における発光装置３００のキャビティ３５０の形状および発光素子１２０の配置を示す平面図（その２）である。実験に用いたレンズのサイズを示す図である。上面長Ｗ１と底面長Ｗ２とを変えた場合の光の放射強度の出射角度依存性を示すグラフである。発光素子の上面とレンズの天井面との間の距離と出射角度２０°以内の光出力との間の関係を示すグラフである。

以下、具体的な実施形態について、発光装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。実施形態とは異なる構造を有していても構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。

（第１の実施形態）
１．発光装置
図１は、第１の実施形態の発光装置１００の概略構成図である。図１に示すように、発光装置１００は、基板１１０と、発光素子１２０と、レンズ１３０と、接着剤層１４０と、キャビティ１５０と、を有する。

基板１１０は、発光素子１２０を実装するための基板である。発光素子１２０は、紫外光を発する半導体発光素子である。発光素子１２０の発光波長は、例えば、２６０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である。発光素子１２０は基板１１０に実装されている。レンズ１３０は、発光素子１２０からの光を外部に好適に取り出すための光学部品である。レンズ１３０は、例えば、ガラスである。接着剤層１４０は、基板１１０とレンズ１３０とを接着する。キャビティ１５０は、基板１１０とレンズ１３０と接着剤層１４０とにより囲まれた閉空間である。

キャビティ１５０には、気体が存在する。気体は、例えば、大気である。発光素子１２０は紫外光を発する。一般に、樹脂は紫外線により結合を断ち切られ、劣化する。このため、キャビティ１５０は樹脂で封止されていない。このように、キャビティ１５０には気体が充填されている。

２．レンズ
図２は、第１の実施形態の発光装置１００のレンズ１３０を示す断面図である。図２に示すように、レンズ１３０は、凸面１３１と平坦面１３２と内側面１３３と天井面１３４と基部１３５とを有する。レンズ１３０は、凹部Ｕ１を有する。凹部Ｕ１は、内側面１３３と天井面１３４とを有する。キャビティ１５０は、レンズ１３０の凹部Ｕ１と基板１１０とで囲まれている。

凸面１３１は発光装置１００の外部に面する面である。凸面１３１は回転放物面を有する。また、発光装置１００は、凸面１３１から紫外光を発する（図１の矢印Ｌ１参照）。

平坦面１３２は基板１１０との接着面である。このため、発光装置１００を製造後には平坦面１３２は接着剤層１４０と接触している。

内側面１３３は、天井面１３４とともにキャビティ１５０を構成する。内側面１３３は、レンズ１３０の開口部である。内側面１３３は、基板１１０に向かうにつれて広がっている。内側面１３３は、基板１１０の板面Ｓ１に垂直な方向に対して１５°以上３０°以下の範囲内で傾斜している。

レンズ１３０は発光素子１２０を収容する凹部Ｕ１を有する。凹部Ｕ１は内側面１３３と天井面１３４とを有する。レンズ１３０の内側面１３３は基板１１０に近づくにつれて広がっている。レンズ１３０の内側面１３３と基板１１０の板面Ｓ１とがなす角αの角度が６０°以上７５°以下である。

天井面１３４は、基板１１０との接着後には基板１１０および発光素子１２０と対面する面である。天井面１３４は、内側面１３３とともにキャビティ１５０を構成する。天井面１３４は、基板１１０の板面Ｓ１と平行な面である。天井面１３４は、内側面１３３と交差する面である。

基部１３５は、レンズ１３０の根本に位置する部分である。基部１３５は、接着剤層１４０と接着するための平坦面１３２を有する。

端部Ｂ１は、平坦面１３２と内側面１３３とが交差する領域である。端部Ｂ１は、後述するように、実際には、四角形の環状に存在している。

図３は、第１の実施形態の発光装置１００のレンズ１３０を示す平面図である。図３に示すように、凸面１３１は、回転放物面であるため、平面視では円形である。基部１３５は、平面視では正方形である。

３．発光素子とレンズとの間の距離
図４は、第１の実施形態の発光装置１００における発光素子１２０の上面１２１とレンズ１３０の天井面１３４との間の距離を示す図である。発光素子１２０の上面１２１は、発光素子１２０における基板１１０の実装面の反対側の面である。図４に示すように、発光素子１２０の上面１２１とレンズ１３０の天井面１３４との間の距離Ｈ１は、５０μｍ以上２５０μｍ以下である。好ましくは、５０μｍ以上２３０μｍ以下である。より好ましくは、５０μｍ以上２００μｍ以下である。

発光素子１２０の上面１２１とレンズ１３０の天井面１３４との間の距離Ｈ１は、小さいほどよい。発光素子１２０の上面１２１とレンズ１３０の天井面１３４との間の距離Ｈ１が小さいほど、光出力は大きい。しかし、クリアランスの観点から、発光素子１２０の上面１２１とレンズ１３０の天井面１３４との間の距離Ｈ１は、５０μｍ以上であるとよい。

４．フィレット
図５は、第１の実施形態の発光装置１００の接着面の周辺を示す拡大図である。基板１１０は、ＡｌＮ層１１１と、表面層１１２と、溝１１３とを有する。ＡｌＮ層１１１はＡｌＮからなる層である。表面層１１２は基板１１０の表面の層である。表面層１１２はＡｌＮ層１１１の側から順にＮｉ、Ｐｂ、Ａｕを積層した層である。溝１１３は、表面層１１２からＡｌＮ層１１１の表面まで達する微小な溝である。この溝１１３は、メタライズ領域の端を示している。つまり、メタライズ領域の端である溝１１３は、端部Ｂ１より内側に位置している。

図５に示すように、接着剤層１４０は、フィレットＦ１を有する。フィレットＦ１は、基板１１０の表面からレンズ１３０の内側面１３３にかけて形成されている。フィレットＦ１は、キャビティ１５０に対面する領域であってレンズ１３０の内側面１３３と基板１１０の表面１１０ａとに挟まれた位置に形成されている。

フィレットＦ１は、基板１１０の表面１１０ａからレンズ１３０の内側面１３３の一部（下部）にわたって形成されている。図５に示すように、フィレットＦ１は、溝１１３の手前まで形成されている。溝１１３の箇所で表面張力が働き、フィレットＦ１は溝１１３の手前の位置で停止する。溝１１３を端部Ｂ１より内側の位置に配置することにより、フィレットＦ１の形成領域を決定することができる。

フィレットＦ１を形成するために、フィレットＦ１の形成予定領域に接着剤を多く供給すればよい。

５．キャビティの形状および発光素子の配置
図６は、第１の実施形態の発光装置１００のキャビティ１５０の形状および発光素子１２０の配置を示す平面図である。図６は、キャビティ１５０を基板１１０の板面Ｓ１に射影した場合を示している。キャビティ１５０の形状を規定する端部Ｂ１は、正方形形状である。また、端部Ｂ１は、基板１１０の端面に平行である。発光素子１２０の端面は、端部Ｂ１および基板１１０の端面に平行である。

このとき、フィレットＦ１は、四角形の環状に形成されている。

６．第１の実施形態の効果
６－１．レンズの内側面
第１の実施形態の発光装置１００は、レンズ１３０を有する。レンズ１３０は内側面１３３を有する。内側面１３３は、基板１１０の板面Ｓ１に向かうにつれて広がっている。内側面１３３は、基板１１０の板面Ｓ１に垂直な方向に対して１５°以上３０°以下の範囲内で傾斜している。このため、光軸に対して比較的大きな角度方向に進行する光の成分が減少し、光軸に対して比較的小さな角度方向に進行する光の成分が増加する。その結果、この発光装置１００の光出力は大きい。

６－２．発光素子とレンズとの間の距離
発光装置１００においては、発光素子１２０とレンズ１３０との間の距離は十分に小さい。このため、発光素子１２０からみて基板１１０の反対側の方向に発せられる光出力は向上する。

６－３．フィレット
接着剤層１４０がフィレットＦ１を有するため、基板１１０とレンズ１３０との接着力は高い。このため、平坦面１３２の面積を狭く設計することができる。

７．変形例
７－１．レンズの形状および基板の形状
レンズの基体の形状は多角形形状または円形であってもよい。その場合には、基板の形状は多角形形状または円形であってもよい。

７－２．キャビティの形状および発光素子の配置
図７は、第１の実施形態の変形例における発光装置２００のキャビティ２５０の形状および発光素子１２０の配置を示す平面図（その１）である。図７は、キャビティ２５０を基板１１０の板面Ｓ１に射影した場合を示している。キャビティ１５０の形状を規定する端部Ｂ１は、正方形形状である。また、端部Ｂ１は、基板１１０の端面に平行である。発光素子１２０の端面は、端部Ｂ１および基板１１０の端面に対して４５°だけ傾いている。このように、発光素子１２０の端面は、基板１１０の端面に対して傾斜していてもよい。

このとき、フィレットＦ１は、四角形の環状に形成されている。また、フィレットＦ１は、多角形の環状に形成されていてもよい。

図８は、第１の実施形態の変形例における発光装置３００のキャビティ３５０の形状および発光素子１２０の配置を示す平面図（その２）である。図８は、キャビティ３５０を基板１１０の板面Ｓ１に射影した場合を示している。キャビティ３５０の形状を規定する端部Ｂ１は、円形である。発光素子１２０の端面は、基板１１０の端面に平行である。

このとき、フィレットＦ１は、円環形状に形成されている。

７－３．天井面
天井面１３４は基板１１０の板面Ｓ１に平行な平面である。しかし、天井面１３４は基板１１０の板面Ｓ１に平行でなくてもよい。また、天井面１３４は曲面であってもよい。

７－４．境界
図２は、凸面１３１の回転中心を通る断面を示している。図２に示すように、凸面１３１の回転中心を通る断面において、内側面１３３と平坦面１３２との境界Ｂ１は、曲率を有する曲線を有していてもよい。

７－５．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。

１．レンズの製作
図９は、実験に用いたレンズのサイズを示す図である。図９に示すように、レンズにおける天井面までの高さＨ２と、天井面長（上面長）Ｗ１と、底面長Ｗ２と、を変えて発光装置を製作した。

レンズにおける天井面までの高さＨ２を５５０μｍに固定した。このようにしてレンズの内側面が基板の板面に垂直な方向に対してなす角の角度θを変えた発光装置を製作した。そして、レンズの側に石英ガラスを配置した。このとき、レンズは石英ガラスと基板との間に位置している。

２．レンズの内側面の角度と光出力
表１は、上面長Ｗ１と底面長Ｗ２とを変えた場合における石英透過後の光出力を示す表である。レンズの内側面が基板の板面に垂直な方向に対してなす角の角度θが０°の場合には、石英透過後の光出力は３６．６ｍＷであった。角度θが１５．３°の場合には、石英透過後の光出力は３９．７ｍＷであった。角度θが２０．０°の場合には、石英透過後の光出力は４１．０ｍＷであった。角度θが２４．４°の場合には、石英透過後の光出力は４１．４ｍＷであった。角度θが２８．６°の場合には、石英透過後の光出力は４１．１ｍＷであった。

したがって、レンズの内側面が基板の板面に垂直な方向に対してなす角の角度θが１５°以上３０°以下の場合には、発光装置の光出力は十分に高い。

［表１］
上面長底面長角度θ 光出力
（ｍｍ）（ｍｍ）（°）（ｍＷ）
２．１２．１０３６．６
２．０２．３１５．３３９．７
１．９２．３２０．０４１．０
１．９２．４２４．４４１．４
２．０２．６２８．６４１．１

図１０は、上面長Ｗ１と底面長Ｗ２とを変えた場合の光の放射強度の出射角度依存性を示すグラフである。図１０の横軸は出射角度である。図１０の縦軸は放射強度である。図１０に示すように、レンズの内側面が基板の板面に垂直な方向に対してなす角の角度θが１５°以上３０°以下の場合には、出射角度が３０°より大きい光の成分が内側（前方）に寄っている。つまり、出射角度の大きい光の成分が減少し、出射角度の小さい光の成分が増加している。したがって、発光装置の光出力は向上している。なお、図１０においては、各データは上面長と底面長との組み合わせにより示されている。

３．発光素子とレンズとの間の距離と光出力
図１１は、発光素子の上面とレンズの天井面との間の距離と出射角度２０°以内の光出力との間の関係を示すグラフである。図１１の横軸は発光素子の上面とレンズの天井面との間の距離である。図１１の縦軸は出射角度２０°以内の光出力である。このときの内側面と基板の板面に垂直な方向との間の角度θは０°である。

図１１に示すように、発光素子の上面とレンズの天井面との間の距離が大きくなるにつれて光出力は低下する。また、発光素子の上面とレンズの天井面との間の距離が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内では、光出力はそれほど変化していない。光出力の観点から、発光素子の上面とレンズの天井面との間の距離は２５０μｍ以下であるとよい。好ましくは２３０ｎｍ以下である。

４．キャビティの形状
図６から図８のキャビティの形状および発光素子を製作し、光出力を測定した。上面長は２ｍｍであり、底面長は２．５ｍｍであった。レンズの内側面が基板の板面に垂直な方向に対してなす角の角度θは２４．４°であった。

表２に示すように、キャビティの形状や発光素子の配置を変更しても、これらの変更の範囲内では、光出力は大きく変化しなかった。つまり、いずれの形状であっても、光出力を向上させることができる。

［表２］
形状光出力（ｍＷ）
形状１（図６）９．３０
形状２（図７）９．３０
形状３（図８）９．３０

（付記）
第１の態様における発光装置は、基板と、レンズと、基板に実装された発光素子と、基板とレンズとを接着する接着剤層と、を有する。レンズは発光素子を収容する凹部を有する。凹部は内側面を有する。レンズの内側面は基板に近づくにつれて広がっている。レンズの内側面と基板の板面とがなす角の角度が６０°以上７５°以下である。

第２の態様における発光装置においては、凹部は天井面を有する。レンズの天井面と発光素子との間の距離が５０μｍ以上２５０μｍ以下である。

第３の態様における発光装置においては、接着剤層は、フィレットを有する。フィレットは、基板の表面からレンズの内側面にかけて形成されている。

第４の態様における発光装置においては、フィレットは、円環形状に形成されている。

第５の態様における発光装置においては、フィレットは、多角形の環状に形成されている。

１００…発光装置
１１０…基板
１２０…発光素子
１３０…レンズ
１３１…凸面
１３２…接着面
１３３…内側面
１３４…天井面
１３５…基部
１４０…接着剤層
１５０…キャビティ

Claims

基板と、
レンズと、
前記基板に実装され、発光波長が２６０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下である発光素子と、
前記基板と前記レンズとを接着する接着剤層と、
を有する発光装置において、
前記レンズは前記発光素子を収容する凹部と、前記接着剤層を介して前記基板と接着される平坦面と、を有し、
前記凹部は内側面を有し、
前記レンズの前記内側面は前記基板に近づくにつれて広がっており、
前記レンズの前記内側面と前記基板の板面とがなす角の角度が６０°以上７５°以下であり、
前記基板は、前記内側面と前記平坦面の成す角部よりも前記発光素子側であってその角部近傍の領域に溝を有し、
前記基板のうち前記溝よりも外側の領域と、前記レンズの前記平坦面とが接着されていて、
前記接着剤層は、
フィレットを有し、
前記フィレットは、
前記基板の表面のうち前記溝よりも外側の領域の所定位置から前記レンズの前記内側面にかけて形成されている、発光装置。
請求項１に記載の発光装置において、
前記接着剤層の内周端が前記溝よりも外側の領域にある、ことを含む発光装置。
請求項１または請求項２に記載の発光装置において、
前記接着剤層は、前記溝の位置で表面張力により停止した形状である、ことを含む発光装置。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記凹部は天井面を有し、
前記レンズの前記天井面と前記発光素子との間の距離が
５０μｍ以上２５０μｍ以下であること
を含む発光装置。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記フィレットは、前記基板の表面のうち前記溝の外周端から前記レンズの前記内側面にかけて形成されている、ことを含む発光装置。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記フィレットは、
円環形状に形成されていること
を含む発光装置。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発光装置において、
前記フィレットは、
多角形の環状に形成されていること
を含む発光装置。