JPWO2020137762A1 - 蛍光体基板、発光基板及び照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、「蛍光体の相関色温度」とは、当該蛍光体の発光色の相関色温度という意味である(以下、同じ)。
以下、本実施形態の発光基板10の構成及び機能について図1A〜図1C、2A、2Bを参照しながら説明する。次いで、本実施形態の発光基板10の製造方法について図3A〜図3Eを参照しながら説明する。次いで、本実施形態の発光基板10の発光動作について図4を参照しながら説明する。次いで、本実施形態の効果について図4〜図7等を参照しながら説明する。なお、以下の説明において参照するすべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図1Aは本実施形態の発光基板10の平面図(表面31から見た図)、図1Bは本実施形態の発光基板10の底面図(裏面33から見た図)である。図1Cは、図1Aの1C−1C切断線により切断した発光基板10の部分断面図である。
本実施形態の発光基板10は、表面31及び裏面33から見て、一例として矩形とされている。また、本実施形態の発光基板10は、複数の発光素子20と、蛍光体基板30と、コネクタ、ドライバIC等の電子部品(図示省略)とを備えている。すなわち、本実施形態の発光基板10は、蛍光体基板30に、複数の発光素子20及び上記電子部品が搭載されたものとされている。
本実施形態の発光基板10は、リード線の直付けにより又はコネクタを介して外部電源(図示省略)から給電されると、発光する機能を有する。そのため、本実施形態の発光基板10は、例えば照明装置(図示省略)等における主要な光学部品として利用される。
複数の発光素子20は、それぞれ、一例として、フリップチップLED22(以下、LED22という。)が組み込まれたCSP(Chip Scale Package)とされている(図1C参照)。CSPとして、図1Cに示すように、LED22の底面を除く全周囲(5面)が蛍光体封止層24により覆われていることが好ましい。蛍光体封止層24には蛍光体が含まれ、LED22の光は蛍光体封止層24の蛍光体により色変換されて外部に出射する。複数の発光素子20は、図1Aに示されるように、蛍光体基板30の表面31(一面の一例)に、表面31の全体に亘って規則的に並べられた状態で、蛍光体基板30に搭載されている。なお、本実施形態の各発光素子20が発光する光の相関色温度は、一例として3,018Kとされている。また、複数の発光素子20は、発光動作時に、ヒートシンク(図示省略)や冷却ファン(図示省略)を用いることで、蛍光体基板30を一例として常温から50℃〜100℃に収まるように放熱(冷却)されるようになっている。ここで、本明細書で数値範囲に使用する「〜」の意味について補足すると、例えば「50℃〜100℃」は「50℃以上100℃以下」を意味する。そして、本明細書で数値範囲に使用する「〜」は、「『〜』の前の記載部分以上『〜』の後の記載部分以下」を意味する。
図2Aは、本実施形態の蛍光体基板30の図であって、蛍光体層36を省略して図示した平面図(表面31から見た図)である。図2Bは、本実施形態の蛍光体基板30の平面図(表面31から見た図)である。なお、本実施形態の蛍光体基板30の底面図は、発光基板10を裏面33から見た図と同じである。また、本実施形態の蛍光体基板30の部分断面図は、図1Cの部分断面図から発光素子20を除いた場合の図と同じである。すなわち、本実施形態の蛍光体基板30は、表面31及び裏面33から見て、一例として矩形とされている。
なお、図2Aには、後述する複数の電極対34Aと、複数の電極対34A以外の部分である配線部分34Bとの範囲が図示されているが、実際のところ、両者は同じ平面を有するため、図2Aのように蛍光体層36を除いた図面において、両者の境界は存在しない。しかしながら、両者の位置関係を明確化するために、図2Aは、複数の電極対34A及び配線部分34Bの符号を入れた図としている。
以下、本実施形態の絶縁層32の主な特徴について説明する。
形状は、前述のとおり、一例として表面31及び裏面33から見て矩形である。
材質は、一例としてビスマレイミド樹脂及びガラスクロスを含む絶縁材である。
厚みは、一例として100μm〜200μmである。
縦方向及び横方向の熱膨張係数(CTE)は、それぞれ、一例として、50℃〜100℃の範囲において10ppm/℃以下である。また、別の見方をすると、縦方向及び横方向の熱膨張係数(CTE)は、それぞれ、一例として、6ppm/Kである。この値は、本実施形態の発光素子20の場合とほぼ同等(90%〜110%、すなわち±10%以内)である。
ガラス転移温度は、一例として、300℃よりも高い。
貯蔵弾性率は、一例として、100℃〜300℃の範囲において、1.0×1010Paよりも大きく1.0×1011Paよりも小さい。
本実施形態の電極層34は、絶縁層32の表面31側に設けられた金属層とされている。本実施形態の電極層34は一例として銅箔層(Cu製の層)とされている。別言すれば、本実施形態の電極層34は、少なくともその表面(絶縁層32の厚み方向外側に向く面)が銅を含んで形成された平面とされている。
なお、絶縁層32の表面31における電極層34が配置されている領域(電極層34の専有面積)は、一例として、絶縁層32の表面31の60%以上の領域(面積)とされている(図2A参照)。
本実施形態の蛍光体層36は、図2Bに示されるように、一例として、絶縁層32及び電極層34の表面31における、複数の電極対34A以外の部分に配置されている。すなわち、蛍光体層36は、電極層34における複数の電極対34A以外の領域に配置されている。別言すると、蛍光体層36の少なくとも一部は、表面31における、各接合部34A1以外の部分である各接合面34A1の周囲に配置されている(図1C及び図2B参照)。さらに、別の見方をすると、蛍光体層36の少なくとも一部は、表面31側から見て、各接合面34A1の周りを全周に亘って囲むように配置されており、結果的には、蛍光体層36の各開口部により複数の接合部34A1が設定されている。そして、本実施形態では、絶縁層32の表面31における蛍光体層36が配置されている領域は、一例として、絶縁層32の表面31における80%以上の領域とされている。
なお、蛍光体層36における絶縁層32の厚み方向外側の面は、電極層34の接合面34A1よりも当該厚み方向外側に位置している(図1C及び図3D参照)。
ここで、本実施形態の蛍光体層36に含まれる蛍光体は、一例として、Euを含有するα型サイアロン蛍光体、Euを含有するβ型サイアロン蛍光体、Euを含有するCASN蛍光体及びEuを含有するSCASN蛍光体からなる群から選ばれる少なくとも一種以上の蛍光体とされている。なお、前述の蛍光体は、本実施形態の一例であり、YAG、LuAG、BOSその他の可視光励起の蛍光体のように、前述の蛍光体以外の蛍光体であってもよい。
本実施形態の裏面パターン層38は、絶縁層32の裏面33側に設けられた金属層とされている。本実施形態の裏面パターン層38は一例として銅箔層(Cu製の層)とされている。
裏面パターン層38は、図1Bに示されるように、絶縁層32の長手方向に沿って直線状に並べられている複数の矩形部分の塊が短手方向において位相をずらしたよう隣接して並べられている層とされている。
なお、裏面パターン層38は、一例として、独立フローティング層とされている。また、裏面パターン層38は、絶縁層32(蛍光体基板30)の厚み方向において、一例として、表面31に配置されている電極層34の80%以上の領域と重なっている。
次に、本実施形態の発光基板10の製造方法について図3A〜図3Dを参照しながら説明する。本実施形態の発光基板10の製造方法は第1工程、第2工程、第3工程及び第4工程を含んでおり、各工程はこれらの記載順で行われる。
図3Aは、第1工程の開始時及び終了時を示す図である。第1工程は、マザーボードMBの表面31に厚み方向から見て電極層34と同じパターン34Cを、裏面33に裏面パターン層38を形成する工程である。本工程は、例えばマスクパターン(図示省略)を用いたエッチングにより行われる。
図3Bは、第2工程の開始時及び終了時を示す図である。第2工程は、絶縁層32の表面31、すなわち電極層34が形成された面の全面に蛍光体塗料36Cを塗布する工程である。本工程では、例えば、印刷により蛍光体塗料36Cを塗布する。この場合、蛍光体塗料36Cを電極層34よりも厚く塗布する。
図3Cは、第3工程の開始時及び終了時を示す図である。第3工程は、蛍光体塗料36Cが硬化した蛍光体層36の一部を除去して、すべての接合面34A1を露出させる工程である。ここで、蛍光体塗料36Cのバインダーが例えば熱硬化性樹脂である場合は、加熱により蛍光体塗料36Cを硬化させた後に2次元レーザー加工装置(図示省略)を用いて蛍光体層36における各接合面34A1上の部分に選択的にレーザー光を照射する。その結果、蛍光体層36における各接合面34A1上の部分がアブレーションされて、各接合面34A1が露出する。以上の結果、本実施形態の蛍光体基板30が製造される。
なお、本工程は、上記の方法の他に、例えば、以下の方法により行ってもよい。蛍光体塗料36Cのバインダーが例えばUV硬化性樹脂(感光性樹脂)である場合、各接合面34A1と重なる部分(塗料開口部)にマスクパターンをかけて、UV光を露光し、当該マスクパターン以外をUV硬化させ、非露光部(未硬化部)を樹脂除去液により取り除くことで、各接合面34A1を露出させる。その後、一般的には、熱をかけてアフターキュアを行う(写真現像法)。
また、第2工程及び第3工程に換えて、予め開口部が設定されたスクリーンマスク(図示省略)を用いたスクリーン印刷により蛍光体層36を形成してもよい(スクリーン印刷法)。この場合、スクリーンマスクにおける接合面34A1に重なる部分の蛍光体塗料開口部を根づまりさせておけばよい。
図3Dは、第4工程の開始時及び終了時を示す図である。第4工程は、蛍光体基板30に複数の発光素子20を搭載する工程である。本工程は、蛍光体基板30の各接合面34A1にはんだペーストSPを印刷し、各接合面34A1に複数の発光素子20の各電極を位置合わせした状態ではんだペーストSPを溶かす。その後、はんだペーストSPが冷却された固化すると、各電極対34A(各接合面34A1)に各発光素子20が接合される。すなわち、本工程は、一例としてリフロー工程により行われる。
次に、本実施形態の発光基板10の発光動作について図4を参照しながら説明する。ここで、図4は、本実施形態の発光基板10の発光動作を説明するための図である。
これに対して、蛍光体層36に含まれる蛍光体の発光波長と、発光素子20(CSP)におけるLED22を封止した(又は覆う)蛍光体(蛍光体封止層24)の発光波長とが同じ場合(同じ相関色温度の場合)、本実施形態の発光基板10は、各発光素子20が出射した際の光Lの束を、各発光素子20が出射した際の光Lの波長と同じ波長の光Lを含む光Lの束として上記励起光とともに照射する。
次に、本実施形態の効果について図面を参照しながら説明する。
第1の効果については、本実施形態を以下に説明する比較形態(図5参照)と比較して説明する。ここで、比較形態の説明において、本実施形態と同じ構成要素等を用いる場合は、その構成要素等に本実施形態の場合と同じ名称、符号等を用いることとする。図5は、比較形態の発光基板10Aの発光動作を説明するための図である。比較形態の発光基板10A(複数の発光素子20を搭載する基板30A)は、蛍光体層36を備えていない点以外は、本実施形態の発光基板10(蛍光体基板30)と同じ構成とされている。
第1試験は、相関色温度が2200K〜2300K相当である複数の発光素子20を備えた発光基板10に給電して発光させた場合における、複数の発光素子20に電流(mA)と、相関色温度(K)との関係を調べて結果である。ここで、FLT(1)及びFLT(2)は電極層34の構造が本実施形態と同じ構造の場合を示し、HE(1)及びHE(2)は電極層34の構造において本実施形態と異なり各接合面34A1が非接合面34B1よりも突出している形態(参考例)の場合を示す。図6の結果のとおり、いずれの場合であっても、発光基板10が発光する光Lの相関色温度は、複数の発光素子20の相関色温度よりも低くなっている。すなわち、本実施形態(上記参考例も含む)の場合、蛍光体層36を備えることで相関色温度をシフトさせることができていた。
また、第2試験は、相関色温度が2900K〜3000K相当である複数の発光素子20を備えた発光基板10に給電して発光させた場合における、複数の発光素子20に電流(mA)と、相関色温度(K)との関係を調べて結果である。ここで、FLT(1)及びFLT(2)は電極層34の構造が本実施形態と同じ構造の場合を示し、HE(1)は電極層34の構造において本実施形態と異なり各接合面34A1が非接合面34B1よりも突出している形態(参考例)を示す。図7の結果のとおり、いずれの場合であっても、発光基板10が発光する光Lの相関色温度は、複数の発光素子20の相関色温度よりも低くなっている。すなわち、本実施形態(上記参考例も含む)の場合、蛍光体層36を備えることで相関色温度をシフトさせることができていた。
また、蛍光体層36に含まれる蛍光体の発光波長と、発光素子20(CSP)におけるLED22を封止した(又は覆う)蛍光体(蛍光体封止層24)の発光波長とが同じ場合(同じ相関色温度の場合)、本実施形態の発光基板10は、各発光素子20が出射した際の光Lの束を、各発光素子20が出射した際の光Lの波長と同じ波長の光Lを含む光Lの束として上記励起光とともに照射する。この場合、搭載される発光素子20の色度ばらつきを蛍光体層36により緩和する効果も発現できる。
比較形態の場合、図5に示されるように、各発光素子20の配置間隔に起因して外部に照射される光Lに斑が発生する。ここで、光Lの斑が大きいほど、グレアが大きいという。
これに対して、本実施形態の場合、図2Bに示されるように、各接合面34A1の周囲を(全周に亘って)蛍光体層36に囲まれたうえで、さらに隣接する発光素子20同士の間にも蛍光体層36が設けられている。そのため、各接合面34A1の周囲(各発光素子20の周囲)からも励起光が発光される。
したがって、本実施形態によれば、比較形態に比べて、グレアを小さくすることができる。
特に、本効果は、蛍光体層36が絶縁層32の全面に亘って設けられている場合、具体的には、絶縁層32の表面31における蛍光体層36が配置されている領域が表面13の80%以上の領域のような場合に有効である。
また、本実施形態では、前述の説明のとおり、隣接する発光素子20同士の間に蛍光体層36が設けられている(図2B)。また、蛍光体層36のバインダーは、例えばソルダーレジストに含まれるバインダーと同等の絶縁性を有する。すなわち、本実施形態の場合、蛍光体層36がソルダーレジストの機能を果たす。
また、本実施形態の場合、例えば、蛍光体層36に含まれる蛍光体をEuを含有するCASN蛍光体とし、蛍光体層36をCu製の配線部分34B上に設けている。そのため、例えば、各発光素子20が白色系の光Lを出射した場合に、例えば、蛍光体層36に含まれるCASN蛍光体による励起光の発生と、光LのCuによる反射の影響により、白色系の光Lをより暖かい色系の光L(相関色温度が低温側にシフトした色)に調整することができる(図6及び図7参照)。
Claims (15)
- 一面に少なくとも一つの発光素子が搭載される蛍光体基板であって、
絶縁基板と、
前記絶縁基板の一面に配置され、前記発光素子に接合される電極層と、
前記絶縁基板の一面に配置され、前記発光素子の発光を励起光としたときの発光ピーク波長が可視光領域にある蛍光体を含む蛍光体層と、
を備え、
前記電極層の前記絶縁基板の厚み方向外側に向く面は、平面とされ、
前記蛍光体層の少なくとも一部は、前記電極層における発光素子との接合部分の周囲に配置されている、
蛍光体基板。 - 一面に複数の発光素子が搭載される蛍光体基板であって、
絶縁基板と、
前記絶縁基板の一面に配置され、前記複数の発光素子にそれぞれ接合される電極層と、
前記絶縁基板の一面に設けられ、前記複数の発光素子の発光を励起光としたときの発光ピーク波長が可視光領域にある蛍光体を含む蛍光体層と、
を備え、
前記電極層の前記絶縁基板の厚み方向外側に向く面は、平面とされ、
前記蛍光体層の少なくとも一部は、前記電極層における前記発光素子との接合部分の周囲に配置されている、
蛍光体基板。 - 前記蛍光体層の少なくとも一部は、前記絶縁基板の一面における前記電極層が配置されている領域以外の領域に配置されている、
請求項2に記載の蛍光体基板。 - 前記蛍光体層の少なくとも一部は、前記電極層における前記接合部分以外の部分に配置されている、
請求項2又は3に記載の蛍光体基板。 - 前記蛍光体層における前記厚み方向外側の面は、前記平面よりも前記厚み方向外側に位置している、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の蛍光体基板。 - 前記発光素子は、LEDが組み込まれ、チップサイズにパッケージされたCSPとされている、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の蛍光体基板。 - 前記蛍光体の相関色温度は、前記CSPに含まれる蛍光体の相関色温度と異なる相関色温度とされている、
請求項6に記載の蛍光体基板。 - 前記蛍光体の相関色温度は、前記CSPに含まれる蛍光体の相関色温度と同じ相関色温度とされている、
請求項6に記載の蛍光体基板。 - 前記電極層は、銅製又は少なくとも表面に銅を有し、
前記蛍光体層が発光する光の波長は、600nm以上とされている、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の蛍光体基板。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の蛍光体基板と、
前記接合部分に接合する少なくとも一つの発光素子と、
を備える発光基板。 - 前記発光素子は、LEDが組み込まれ、チップサイズにパッケージされたCSPとされている、
請求項10に記載の発光基板。 - 前記蛍光体の相関色温度は、前記CSPに含まれる蛍光体の相関色温度と異なる相関色温度とされている、
請求項11に記載の発光基板。 - 前記蛍光体の相関色温度は、前記CSPに含まれる蛍光体の相関色温度と同じ相関色温度とされている、
請求項11に記載の発光基板。 - 前記電極層は、銅製又は少なくとも表面に銅を有し、
前記蛍光体層が発光する光の波長は、600nm以上とされている、
請求項10〜13のいずれか1項に記載の発光基板。 - 請求項10〜14のいずれか一項に記載の発光基板と、
前記発光素子を発光させるための電力を供給する電源と、
を備える照明装置。
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