JPWO2009145141A1 - 発光装置 - Google Patents

Abstract

歩留まりの低下を抑えることにより、製造コストを低減できる発光装置を提供する。発光素子（１１）と、発光素子（１１）を封止するキャップ（２０）と、キャップ（２０）の上面を被覆する光変換構造部（１６）とを備え、キャップ（２０）は、発光素子（１１）より射出される光を取り出すための穴を有する基部（１４）と、穴に被せられるガラス部（１５）とを含み、ガラス部（１５）は、基部（１４）の外側に設けられ、光変換構造部（１６）は、ガラス部（１５）の外側に設けられた発光装置に関する。

Description

本発明は、発光素子と光変換構造部とを組み合わせた発光装置に関する。

現在、蛍光灯に代わる照明デバイスとして、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ素子等を用いた固体照明の研究が盛んになっている。これらの固体照明は、人体に有害な水銀を用いることがない水銀フリーの発光装置であることから、環境に配慮したデバイスとして注目を集めている。

図１１は、従来の半導体レーザ素子を用いた発光装置の一形態を示す断面図である。
従来の発光装置は、図１１に示されるように、半導体レーザ素子３１を実装したサブマウント３２をステム３３上にマウントし、その上からステム３３にキャップ３４を溶接し、封止することにより作製される。キャップ３４は、光取り出しのための穴を有する基部と該穴をふさぐガラス部３５とを有し、ガラス部３５は、基部の内側に取り付けられている。

図１２は、従来の半導体レーザ素子を用いた発光装置の別の一形態を示す断面図である。図１２に示される発光装置は、図１１の発光装置にさらに波長変換素子機能等を付与した発光装置である。つまり、図１２に示される発光装置は、ガラス部の表面に波長変換素子機能等の機能を有する機能性膜を設けた構造である。この発光装置は、半導体レーザ素子６１を実装したサブマウント６２をベース６３上に半田付けして、当該ベース６３上にキャップ６４を溶接することにより、半導体レーザ素子６１を封止して作製される。

当該キャップ６４は、光取り出しのための穴を有する基部と該穴をふさぐガラス部６５とを有し、ガラス部６５は、キャップ６４の基部の内側に取り付けられている。さらに、ガラス部６５の表面には、波長変換素子６６および機能性膜６７が配されており、この機能性膜６７は特定波長の光が入射することにより光触媒効果を有するものである。

上記のような構造にすることにより、半導体レーザ素子６１から出射された光６８の一部が、波長変換素子６６により波長変換されて、波長変換された光により機能性膜６７の表面で、光触媒効果が得られる。この光触媒効果により発光装置のパッケージの表面に異物が付着して、発光装置の特性が劣化することを抑制することができる。

国際公開第２００５／０８８７８７号パンフレット

しかしながら、上記の発光装置は、ガラス部上に蛍光体を含んだ樹脂モールド、波長変換素子、および機能性膜といった構造物を取り付ける際に、ガラス部に圧力が掛かることにより、ガラス部が半導体レーザ素子上に落下してしまうことがあり、これにより発光装置の製造工程で歩留まりが低下するという問題があった。従来の発光装置は、キャップ中の気密性を保ち、キャップを簡便に製造する上で、基部の下にガラス部を設ける必要があった。

本発明は、上述のような現状に鑑みてなされたものであり、製造工程における歩留まりの低下を抑えることにより、製造コストを低減した発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、発光装置においてガラス部を設ける位置およびキャップの構造に着目し、これらの構造について鋭意研究を行なうことにより、本発明を完成させた。

本発明は、発光素子と、発光素子を封止するキャップと、キャップの上面を被覆する光変換構造部とを備え、キャップは、発光素子より射出される光を取り出すための穴を有する基部と、穴に被せられるガラス部とを含み、ガラス部は、基部の外側に設けられ、光変換構造部は、ガラス部の外側に設けられた発光装置に関する。

また、上記の光変換構造部は、蛍光体を含む樹脂モールドであり、発光素子は、蛍光体を励起する励起光を発することが好ましい。

また、上記の発光素子は、半導体レーザ素子であることが好ましい。

本発明によれば、光変換構造部およびガラス部の位置を工夫することにより、ガラス部に圧力が掛かっても、該ガラス部が発光素子の上に落下を抑制することができ、以って歩留まりが低下しにくい発光装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の発光装置を示す模式的な斜視図である。 本発明の発光装置に用いられるキャップの製造工程を示す図である。 発光素子をサブマウントの上に設置し、サブマウントをステムに設置する工程を示す図である。 キャップをステム上に設置する工程を示す図である。 光変換構造部をキャップ上に設置する工程を示す図である。 本発明の第２の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第４の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第５の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図である。 従来の半導体レーザ素子を用いた発光装置の一形態を示す断面図である。 従来の半導体レーザ素子を用いた発光装置の別の一形態を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅等の寸法関係は、図面の明瞭化および簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表すものではない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図であり、図２は、本発明の第１の実施形態の発光装置を示す模式的な斜視図である。

図１および図２に示される発光装置は、発光素子１１と、発光素子１１を封止するキャップ２０と、キャップ２０の上面を被覆する光変換構造部１６とを備えている。この発光素子１１はサブマウント１２上に半田付けされており、サブマウント１２は、ステム１３上に備えられている。そして、ステム１３とキャップ２０の基部１４とは溶接部１７で溶接されている。基部１４の外側にはガラス部１５は設けられており、当該ガラス部１５の上面には光変換構造部１６が設けられている。なお、基部１４の「外側」とは、キャップ２０により発光素子１１が封止されている空間（基部の内側）とは反対の側のことを意味する。このように基部１４の外側にガラス部１５を設けることにより、発光装置の製造の歩留まりを向上させることができ、低コストで作製することができる。

（キャップ）
キャップ２０は、発光素子１１から射出される光を取り出すための穴を有する基部１４と、当該穴に被せられるガラス部１５とを含むものである。このようなキャップ２０は、発光素子１１が固定された部材（サブマウント１２およびステム１３など）と基部１４の足とを接着したときに、発光素子１１を密閉する空間を形成できる形状であれば、特に限定されることなくいかなる形状にすることもできる。

すなわち、キャップ２０の形状は、その内部に空洞を有する立体形状のものであればその外形は特に限定されず、円柱状、柱状、および半球状のいずれの形状であってもよい。また、このようなキャップの外径およびキャップの内部の空洞の内径は、必ずしも一定でなくてもよい。

（基部）
キャップ２０に含まれる基部１４は、ガラス部１５を安定して設置するという観点から、基部１４の上面とステム１３の底面とが平行になることが好ましい。また、キャップ２０に含まれる基部１４上面の穴の周辺は、平面であることが好ましい。ここで、基部１４の「上面」とは、基部１４の表裏の面のうち光が放出される側の面のことをいう。このように基部１４上面の穴の周辺を平面にすることにより、ガラス部１５の材料が可撓性を有しないものを用いたときであっても、穴の周辺にガラス部１５を設置することができる。

このような基部１４は、図１および図２に示されるように、その外形が円柱であってその内部に空洞を有し、基部１４の上面が平面であり、そのふもとは、平面状のつばが備えられているようなトップハット形状であることが好ましい。このように基部１４をトップハット形状にすることにより、基部１４のふもと部分がステム１３等と固定されることとなり、キャップ２０をステム１３上に強固に固定することができ、キャップ２０内に発光素子１１をより確実に密閉することができる。

基部１４の材料は、ガラスとの接着を強固にするという観点から、広い温度範囲にわたりガラス部の材料の熱膨張係数と近似している材料を用いることが好ましい。このような基部１４の材料は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金（以下においては「コバール」とも称する）、インバー−黄銅、ニッケル−チタニウム、銅−アルミニウム−ニッケル、リン青銅、ベリリウム銅、ＳＵＳ、チタン等からなることが好ましく、ガラスの熱膨張係数と実質的に一致している材料という観点から、コバールからなることがより好ましい。また、コバールは６５０℃以上の加熱で黒灰色の酸化皮膜を生じ、この酸化皮膜がガラスと溶け合うことにより基部１４とガラス部１５との接着をさらに強固にすることができる。

基部１４の上面の厚みａは、ガラス部１５と光変換構造部１６とを支える強度を備えるという観点から、３００〜６００μｍであることが好ましい。また、基部１４のふもとの厚みは、キャップ２０とステム１３とが固定できる厚みであれば、その厚みは特に限定されず薄いものであってもよい。

また、基部１４の上面以外の部分の厚みはその材料にもよるが、１００〜４００μｍであることが好ましい。基部１４の材料として、コバールを選択する場合、その厚みは１００〜４００μｍにすることがより好ましい。基部１４にコバールを用いることにより、基部１４が軽く、かつ頑丈なものとなり、ガラス部１５および光変換構造部１６の体積および質量が向上した場合であっても、基部１４がその内部に割れることなく発光素子１１を保護することができる。

基部１４の穴は、発光素子１１から効率よく光を取り出すために位置、形状、大きさ等を適宜設定することができる。すなわち、基部１４の穴は、発光素子１１が射出する光が直接取り出せるように設計されることが好ましい。図２においては、キャップ２０に含まれる基部１４の上面の中央に穴が設置されたものが示されているが、このような位置に穴を設けることに限定されるものではなく、発光素子１１が設けられる位置により基部１４の穴の位置を適宜設定することができる。基部１４の穴の形状は円形に限られるものではなく、たとえば、長方形、楕円形等であってもよい。ただし、穴が小さすぎると、発光素子１１から出射する光の進行を妨げるため、発光素子１１から出射される光の進行を妨げない程度の穴の大きさであることが好ましい。

また、キャップ２０に含まれる基部１４の穴を形成する面をコーティングして補強してもよい。このように基部１４をコーティングすることにより、穴の強度を向上させることができ、ガラス部１５および光変換構造部１６の重みによる圧力がかかっても、キャップ２０が破壊されるのを防ぐことができる。

（ガラス部）
ガラス部１５の形状は、キャップ２０に含まれる基部１４の穴よりも大きい面積を有するものであればいかなる形状であってもよい。すなわち図１および図２においては、該ガラス部１５の形状は、キャップ２０に含まれる基部１４の上面と同じ面積であって同一の形状のものを示しているが、この形状のみに限られるものではなく異なる形状であってもよい。ガラス部１５の厚みは、２００〜３００μｍ程度であることが好ましい。

また、ガラス部１５の材質は、透光性が高く、かつ低融点ガラスのように物性的に安定しているものであれば、その材質は一般的な低融点ガラスのみに限られるものではなく、その他のガラスを用いてもよいし、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等のような透明な樹脂を用いてもよい。キャップ２０に含まれる基部１４の外側の形状が半球状であったり、基部１４に設けられた穴の周辺が湾曲している場合、該ガラス部１５の材質にアクリル樹脂、エポキシ樹脂等の透明な樹脂を用いることにより、穴の周辺にフィットするように設置することができる。

（光変換構造部）
光変換構造部１６は、発光素子１１から出射した光の波長や進行方向を変換（変更）したり、発光素子１１から出射した光により様々な波長の光を励起発光したりする機能を有するものである。このような光変換構造部１６としては、たとえば発光素子１１から出射した光により励起されて様々な波長の光を発する蛍光体を含む樹脂モールド、発光素子１１から出射した光の振動方向を変換する偏光板、発光素子１１から出射した光を拡散させる拡散板、発光素子１１から出射した光を屈折させて拡散や集束させるレンズといった光学部品、光を伝送させる光ファイバ等を挙げることができる。

また、光変換構造部１６の大きさ、形態および質量は、ガラス部１５上に光変換構造部１６を設けたときに、光変換構造部１６の大きさ、形態および質量により、ガラス部１５が基部１４から剥離しないものであれば、発光装置の大きさにより適宜した大きさ、形態および質量を選択することができる。

光変換構造部１６は、蛍光体を含む樹脂モールドであることが好ましい。そして、発光素子１１が蛍光体を励起する励起光を発する場合、発光素子１１の励起光と蛍光体の発光波長とを適宜選択することにより、発光装置が所望の色の光を発するように設定することができる。光変換構造部１６の形態は、基部１４の穴を被覆し接着できるものであればその形状は球形、円柱等のいかなる形状であってもよい。ただし、発光素子１１からの励起光を効率よく放射状に射出させるという観点から、球体を半分に切断した半球型とすることが好ましい。

光変換構造部１６に樹脂モールドを用いる場合、樹脂モールドの材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の透明な樹脂を例示することができる。照明デバイスとして用いるのに適するという観点から、シリコーン樹脂を選択することがより好ましい。当該シリコーン樹脂は、エポキシ樹脂で見られるような短波長（４００ｎｍ付近）の光吸収が少ないため、照明デバイスとして用いるのに適している。

そして、光変換構造体の樹脂モールドに含まれる蛍光体の種類を適宜選択することにより、所望の光を発する発光装置を作製することができる。たとえば、発光素子１１としての半導体レーザ素子が４０５ｎｍの波長の光を発する場合には、赤色、青色、および緑色のそれぞれの光を発する蛍光体の体積比、質量比等を適宜調整することにより、所望の色の光を発する発光装置を形成することができる。

また、蛍光体が発する光の波長と発光素子が発する光の波長とを適宜組み合わせることにより、白色光をはじめとする様々な色の光を発し、照明デバイスとして利用可能な発光装置を歩留まり良く低コストで製造することができる。

＜発光素子＞
本発明の発光装置に用いられる発光素子１１は、高いエネルギーを有する光を発し、かつ蛍光体を励起する光を発するという観点から、半導体レーザ素子であることが好ましい。このような半導体レーザ素子は、発光する光の波長が３９０〜４６０ｎｍのものを用いることが好ましい。

≪製造方法≫
本実施形態の発光装置の製造方法を図３〜図６により説明する。

図３は、本実施形態の発光装置に用いられるキャップの製造工程を示す図である。図３に示されるように、基部１４上に、低融点ガラス１８を挿みつつ、ガラス部１５を設置することにより、基部１４に設けられた穴を覆うことができる。そして、基部１４を６５０℃以上に加熱することにより基部１４の表面が酸化皮膜となり、当該酸化皮膜と低融点ガラス１８とが溶け合うことにより、ガラス部１５と基部１４とを強固に接着することができる。このようにしてキャップ２０を作製する。

図４は、発光素子をサブマウントの上に設置し、サブマウントをステムに設置する工程を示す図である。図４（ａ）に示されるように、発光素子１１として、たとえば半導体レーザ素子をサブマウント１２の上に半田付けする。次に、図４（ｂ）に示されるように、発光素子１１が半田付けされたサブマウント１２を、ステム１３上に半田付けする。そして、図４（ｃ）に示されるように発光素子１１およびサブマウント１２をワイヤー２１を介して、リード１９に結線する。

図５は、キャップをステムに設置する工程を示す図である。キャップ２０とステム１３とを溶接部１７で溶接した上で、発光素子１１をキャップ２０により封止する。本実施形態では、ドライエア中でキャップ２０内に発光素子１１を封止する。

図６は、キャップ上に光変換構造部を設置する工程を示す図である。図６に示されるように、ガラス部１５上に光変換構造部１６としての蛍光体を含んだ樹脂モールドを接着することにより、本実施形態の発光装置を作製することができる。

本実施形態の発光装置の製造工程において、光変換構造部１６を接着する際に、ガラス部１５に圧力が加わり、ガラス部１５が発光素子１１の上に落下する、または、ガラス部１５と基部１４との接着部が少し剥がれることにより、封止がやぶれレーザチップの性能が低下するといった不具合を解消することができる。これにより発光装置を歩留まりよく製造することができ、以って製造コストを低下させることができる。このようにして作製した発光装置は、高輝度の照明デバイスとして利用することができる。

＜第２〜第５の実施形態＞
図７〜図１０は、本発明における第２〜５の実施形態の発光装置を示す模式的な断面図である。ただし、図７〜図１０のいずれの発光装置においてもキャップ２０と基部１４との接着に用いる低融点ガラス１８は省略している。

本発明の第２の実施形態の発光装置は、図７に示されるように、基部１４上に穴を覆う程度の寸法のガラスを設置し、その上から光変換構造部１６でカバーするといったような形状でもよい。

本発明の第３の実施形態の発光装置は、図８に示されるように、光変換構造部１６として円柱の先端を半球状に加工した砲弾型のものを用いてもよい。光変換構造部１６の形状が砲弾型である場合、発光素子１１からの励起光をもっとも強い光束（ｌｍ）で射出させることができる。

本発明の第４の実施形態の発光装置は、図９に示されるように、光変換構造部１６がキャップ２０全体を覆うような形状であってもよい。このように光変換構造部１６がキャップ２０全体を覆うことにより、より高い機密性が得られ、かつガラス部１５を強く固定することができる。

本発明の第５の実施形態の発光装置は、図１０に示されるように、光変換構造部１６にレンズを用いてもよい。光変換構造部１６にレンズを用いることにより、ファイバとの結合に適した発光装置の構造にすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明よれば、歩留まりの低下を抑えることにより、製造コストを低減する発光装置を提供することができる。

１１ 発光素子、１２，３２，６２ サブマウント、１３，３３，６３ ステム、１４ 基部、１５，３５，６５ ガラス部、１６ 光変換構造部、１７ 溶接部、１８ 低融点ガラス、１９ リード、２０，３４，６４ キャップ、２１ ワイヤー、３１，６１ 半導体レーザ素子、６６ 波長変換素子、６７ 機能性膜、６８ 光。

Claims (3)

1. 発光素子（１１）と、
   前記発光素子（１１）を封止するキャップ（２０）と、
   前記キャップ（２０）の上面を被覆する光変換構造部（１６）とを備え、
   前記キャップ（２０）は、前記発光素子（１１）より射出される光を取り出すための穴を有する基部（１４）と、前記穴に被せられるガラス部（１５）とを含み、
   前記ガラス部（１５）は、前記基部（１４）の外側に設けられ、
   前記光変換構造部（１６）は、前記ガラス部（１５）の外側に設けられた発光装置。
2. 前記光変換構造部（１６）は、蛍光体を含む樹脂モールドであり、
   前記発光素子（１１）は、前記蛍光体を励起する励起光を発する請求の範囲第１項に記載の発光装置。
3. 前記発光素子（１１）は、半導体レーザ素子である請求の範囲第１項に記載の発光装置。

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