JP2006269986A

JP2006269986A - 発光装置

Info

Publication number: JP2006269986A
Application number: JP2005089643A
Authority: JP
Inventors: Toshibumi Ogata; 俊文緒方; Noriyasu Tanimoto; 憲保谷本; 清 ▲高▼橋; Kiyoshi Takahashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】ワイヤを介して実装基板に実装された発光素子を含む発光装置において、ワイヤへ加わる内部応力の緩和と、外力による機械的損傷の防止とを両立させることができる上、光の取り出し効率の低下を防止できる発光装置を提供する。
【解決手段】凹部(26a)を有する実装基板(10)と、凹部(26a)に収容され、かつワイヤ(36)を介して実装基板(10)に実装された発光素子(33)と、発光素子(33)を覆って形成された、発光素子(33)から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発する蛍光体層(34)と、ワイヤ(36)を覆って凹部(26a)内に充填された低弾性樹脂からなる第１封止層(12)と、第１封止層(12)上に形成された高弾性樹脂からなる第２封止層(13)とを含み、蛍光体層(34)と第２封止層(13)とが接触している発光装置(1)とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤを介して実装基板に実装された発光素子を含む発光装置に関する。

半導体多層膜を含む発光素子として、発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ、以下「ＬＥＤ」と称する）が知られている。このうち、青色光を発するＧａＮ系ＬＥＤは、青色光により励起して黄色光や赤色光を発する蛍光体と組み合わせることによって、白色光を発する発光装置を構成することができる（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に提案された発光装置の断面図である。図５に示すように、発光装置１００は、凹部１１２ａを有する実装基板１０１と、凹部１１２ａに収容され、かつワイヤ１０２を介して実装基板１０１に実装された発光素子１０３と、発光素子１０３を覆って形成された、発光素子１０３から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発する蛍光体層１０４と、ワイヤ１０２及び蛍光体層１０４を覆って形成された封止層１０５とを含む。また、実装基板１０１は、基材１１０と、基材１１０上に順次設けられた配線層１１１及び反射板１１２とを含む。発光装置１００では、蛍光体層１０４の全てが凹部１１２ａ内に収容されているため、外部から入射する光により蛍光体層１０４内の蛍光体が励起されるおそれがなく、上記蛍光体の励起源を凹部１１２ａ内の発光素子１０３のみに制限できる。
特開２００１−５７４４７号公報

通常、上述した発光装置１００の構成において、ワイヤ１０２へ加わる内部応力を緩和するためには、封止層１０５の構成材料として低弾性樹脂が用いられる。しかし、外力による機械的損傷を防止するためには、封止層１０５の構成材料として高弾性樹脂を用いる必要があるため、上述した発光装置１００の構成では、ワイヤ１０２へ加わる内部応力の緩和と、外力による機械的損傷の防止とを両立させることが困難であった。

また、上述した課題を解決するために、図６に示すように、低弾性樹脂からなる封止層１０５上に高弾性樹脂からなる第２封止層２０１を設けた発光装置２００とすることも考えられるが、この場合、発光素子１０３から発せられた光は、蛍光体層１０４と封止層１０５との界面、及び封止層１０５と第２封止層２０１との界面の２つの界面を通過しなければならないため、光の取り出し効率が低下する。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ワイヤを介して実装基板に実装された発光素子を含む発光装置において、ワイヤへ加わる内部応力の緩和と、外力による機械的損傷の防止とを両立させることができる上、光の取り出し効率の低下を防止できる発光装置を提供する。

本発明の発光装置は、凹部を有する実装基板と、前記凹部に収容され、かつワイヤを介して前記実装基板に実装された発光素子とを含む発光装置であって、
前記発光素子を覆って形成された、前記発光素子から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発する蛍光体層と、
前記ワイヤを覆って前記凹部内に充填された低弾性樹脂からなる第１封止層と、
前記第１封止層上に形成された高弾性樹脂からなる第２封止層とを含み、
前記蛍光体層と前記第２封止層とが接触していることを特徴とする。

本発明の発光装置によれば、ワイヤを覆って凹部内に充填された低弾性樹脂からなる第１封止層と、この第１封止層上に形成された高弾性樹脂からなる第２封止層とを含むため、ワイヤへ加わる内部応力の緩和と、外力による機械的損傷の防止とを両立させることができる。また、蛍光体層と第２封止層とが接触しているため、蛍光体層から発せられた光の少なくとも一部を、第１封止層を介さずに直接第２封止層側へ出射させることができる。これにより、発光装置の光の取り出し効率の低下を防止できる。

本発明の発光装置は、凹部を有する実装基板と、凹部に収容され、かつワイヤを介して実装基板に実装された発光素子とを含む。

実装基板を構成する基材は特に限定されず、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ等からなるセラミック基材や、無機フィラ５〜６０体積％と熱硬化性樹脂４０〜９５体積％とを含むコンポジット基材等を使用できる。また、実装基板の放熱性を高めるために、アルミニウム等からなる金属層上に上記コンポジット基材を貼り合せた積層基材を使用することもできる。また、本発明に使用される実装基板は、上述した基材と、この基材上に貼り合わされた反射板とを含む実装基板であってもよい。この場合、基材と反射板とを貼り合わす前に、予め反射板に発光装置を収容することができる孔部を設けておくのが好ましい。基材と反射板とを貼り合わすことにより、上記凹部を形成することができるからである。上記反射板の構成材料としては、例えば、アルミニウム等の金属材料や、ポリフタルアミド樹脂等の樹脂材料が使用できる。上記基材と上記反射板とを含む実装基板を使用する場合、上記基材の厚みは、例えば０．５〜３ｍｍ程度であり、上記反射板の厚みは、例えば０．５〜５ｍｍ程度である。

発光素子は、上記凹部に収容され、かつＡｕ等からなるワイヤを介して上記実装基板に実装されている。発光素子としては、例えばＬＥＤ等を使用できる。具体的には、第１導電型層と発光層と第２導電型層とがこの順に積層された半導体多層膜からなるＬＥＤが好適に使用できる。ここで、「第１導電型」とは、ｐ型又はｎ型の導電型のことであり、「第２導電型」とは、第１導電型と逆の導電型のことである。例えば、第１導電型層がｐ型半導体層の場合、第２導電型層はｎ型半導体層となる。第１導電型層としては、例えば、ｐ型半導体層であるｐ−ＧａＮ層や、ｎ型半導体層であるｎ−ＧａＮ層等を使用することができる。第２導電型層としては、第１導電型層と同様に、例えば、ｐ型半導体層であるｐ−ＧａＮ層や、ｎ型半導体層であるｎ−ＧａＮ層等を使用することができる。発光層としては、４５０〜４７０ｎｍの光を発することができる発光層が好ましく、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸発光層等が挙げられる。なお、発光層として、４１０ｎｍ以下の光を発することができる発光層を用いてもよい。また、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層の厚みは、例えばそれぞれ０．１〜０．５μｍ、０．０１〜０．１μｍ及び０．５〜３μｍとすればよい。また、上記発光素子は、上記半導体多層膜を結晶成長させる際に使用したＧａＮ基板等の単結晶基板（厚み：０．０１〜０．５ｍｍ程度）を含んでいてもよい。

そして、本発明の発光装置は、上述した構成に加え、上記発光素子を覆って形成された、上記発光素子から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発する蛍光体層と、上記ワイヤを覆って上記凹部内に充填された低弾性樹脂からなる第１封止層と、この第１封止層上に形成された高弾性樹脂からなる第２封止層とを含み、上記蛍光体層と上記第２封止層とが接触していることを特徴とする。本発明の発光装置によれば、第１封止層と第２封止層とを含むため、ワイヤへ加わる内部応力の緩和と、外力による機械的損傷の防止とを両立させることができる。また、蛍光体層と第２封止層とが接触しているため、蛍光体層から発せられた光の少なくとも一部を、第１封止層を介さずに直接第２封止層側へ出射させることができる。これにより、発光装置の光の取り出し効率の低下を防止できる。

蛍光体層は、上記発光素子から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光（例えば黄色光や赤色光の蛍光）を発する蛍光体を含む。黄色光を発する蛍光体としては、（Ｓｒ、Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺や（Ｙ、Ｇｄ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺等が例示でき、赤色光を発する蛍光体としては、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ²⁺やＳｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺等が例示できる。なお、蛍光体層の厚みは、例えば０．０３〜１ｍｍ程度である。また、蛍光体層は、例えば、上記蛍光体とシリコーン樹脂等を含む樹脂組成物とからなる蛍光体ペーストを、上記発光素子を覆うようにして塗布することにより形成することができる。この際の塗布方法は、例えばスクリーン印刷法等の手段を用いることができる。

第１封止層を構成する低弾性樹脂としては、引張弾性率（ＪＩＳＫ７１６１〜７１６５に準拠）が、１０ＭＰａ以下である樹脂が好ましく、３ＭＰａ以下である樹脂がより好ましい。引張弾性率が上記範囲内であれば、ワイヤへ加わる内部応力を確実に緩和できるからである。このような低弾性樹脂としては、例えば、硬度が低いゴム状シリコーン樹脂（例えばＧＥ東芝シリコーン社製ＴＳＥ３０３３）やゲル状シリコーン樹脂（例えば信越化学工業社製ＫＳＲ９０１０）等が挙げられる。なお、第１封止層の機械的強度を確保するためには、第１封止層を構成する低弾性樹脂の引張弾性率が０．１ＭＰａ以上であることが好ましい。また、第１封止層の厚みは、ワイヤを覆うことができる限り特に限定されないが、例えば０．２〜１ｍｍの範囲である。

第２封止層を構成する高弾性樹脂としては、曲げ弾性率（ＪＩＳＫ７１７１に準拠）が、０．３〜４ＧＰａである樹脂が好ましく、１〜４ＧＰａである樹脂がより好ましい。曲げ弾性率が上記範囲内であれば、外力による機械的損傷を確実に防止できるからである。このような高弾性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やポリカーボネート樹脂等が挙げられる。第２封止層の厚みは、上記蛍光体層と接触することができる限り特に限定されないが、例えば０．２〜５ｍｍの範囲である。

また、本発明の発光装置は、上記蛍光体層における上記凹部の開口側に位置する主面が平坦化されており、上記第２封止層が、上記蛍光体層の少なくとも上記主面に接触している発光装置であってもよい。蛍光体層の厚みが均一化されるため、蛍光体層の厚みムラに起因する出射光の色ムラの発生を防止できるからである。また、上記主面から発せられる光は、後述する凹部の反射面等を介さずに取り出すことができるため、第２封止層が上記主面に接触している場合、発光装置の光の取り出し効率の低下を効果的に防止できる。なお、上記主面の平坦化は、例えば公知の機械研磨手段（回転式研磨機等）を用いて研磨することにより行うことができる。また、本発明の発光装置が上記構成を有する場合、上記第２封止層が、上記蛍光体層の上記主面と、上記蛍光体層の側面の少なくとも一部とに接触している発光装置であってもよい。上記蛍光体層の上記主面から発せられる光に加え、上記蛍光体層の側面の少なくとも一部から発せられる光についても、第１封止層を介さずに直接第２封止層側へ出射させることができるため、発光装置の光の取り出し効率の低下をより効果的に防止できるからである。上記効果を確実に発揮させるためには、上記蛍光体層のうち上記第２封止層で覆われた領域の厚みが、上記蛍光体層の厚みの８０％以上であることが好ましい。

また、本発明の発光装置においては、上記ワイヤの直径が３０μｍ以下であることが好ましい。上記ワイヤの直径が３０μｍ以下の場合は、第１封止層の厚みを薄くできるため、その分、第２封止層と接触できる蛍光体層の表面の領域が増加する。これにより、発光装置の光の取り出し効率の低下をより効果的に防止できる。なお、上記ワイヤの直径は、通常１５μｍ以上である。

また、本発明の発光装置は、上記発光素子が実装されたサブマウント基板を更に含み、上記サブマウント基板が、上記ワイヤを介して上記実装基板に実装されている発光装置であってもよい。この構成によれば、発光素子をサブマウント基板上に実装した段階で、発光素子の電気的又は光学的な特性を検査することができるため、良品の発光素子のみを選別して実装基板に搭載することが可能となる。これにより、発光装置の製造工程上の無駄を省き、歩留まりを向上させることができる。なお、サブマウント基板を構成する基材は特に限定されず、例えば上述した実装基板を構成する基材と同様のものを使用できる。また、サブマウント基板の厚みは、例えば５０〜３００μｍの範囲である。

また、本発明の発光装置は、上記凹部が開口側に広がる斜面を有している発光装置であってもよい。上記斜面が上記発光素子から発せられた光の一部を反射する反射面となるため、発光装置の光の取り出し効率を向上させることができるからである。また、上記発光素子から発せられた光をより効率良く反射させるには、凹部の上記斜面と凹部の底面とがなす角度が、１２０〜１４０°であることが好ましい。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明の一実施形態に係る発光装置について図面を参照して説明する。参照する図１は、本発明の一実施形態に係る発光装置の部分断面図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る発光装置１は、凹部２６ａを有する実装基板１０と、凹部２６ａに収容された発光ユニット１１と、凹部２６ａ内に充填された低弾性樹脂からなる第１封止層１２と、第１封止層１２上に形成された高弾性樹脂からなる第２封止層１３とを含む。

実装基板１０は、多層基板２５と、多層基板２５上に貼り合わされた反射板２６とを含む。多層基板２５は、金属層２０と、金属層２０上に積層された第１コンポジット基材２１と、第１コンポジット基材２１上に形成された第１配線層２２と、第１コンポジット基材２１上及び第１配線層２２上に積層された第２コンポジット基材２３と、第２コンポジット基材２３上に形成された第２配線層２４とを含む。また、第１配線層２２と第２配線層２４とは、図示しないビア導体で電気的に接続されている。

発光ユニット１１は、第２配線層２４上に実装されたサブマウント基板３０と、サブマウント基板３０上に、導体パターン３１及びＡｕバンプ３２を介して実装された発光素子３３と、発光素子３３を覆ってサブマウント基板３０上に形成された、発光素子３３から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発する蛍光体層３４とを含む。また、導体パターン３１と第２配線層２４とは、ワイヤ３６を介して電気的に接続されている。

第１封止層１２は、ワイヤ３６を覆って凹部２６ａ内に充填されている。また、蛍光体層３４は、凹部２６ａの開口側に位置する主面３４ａが平坦化されている。そして、第２封止層１３は、蛍光体層３４の主面３４ａと、蛍光体層３４の側面の一部３４ｂとに接触している。これにより、ワイヤ３６へ加わる内部応力の緩和と、外力による機械的損傷の防止とを両立させることができる上、蛍光体層３４の主面３４ａと、蛍光体層３４の側面の一部３４ｂとから発せられた光を、第１封止層１２を介さずに直接第２封止層１３側へ出射させることができる。よって、発光装置１の光の取り出し効率の低下を防止できる。

また、凹部２６ａは開口側に広がる斜面２６１ａを有している。これにより、斜面２６１ａが発光素子３３から発せられた光の一部を反射する反射面となるため、発光装置１の光の取り出し効率を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態に係る発光装置について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、図１に示すように、第１封止層１２と第２封止層１３とが直に接触している例について説明したが、第１封止層１２と第２封止層１３との間に介在する緩衝層を更に含む発光装置としてもよい。緩衝層の構成材料としては、その引張弾性率が、第１封止層１２を構成する低弾性樹脂の引張弾性率と、第２封止層１３を構成する高弾性樹脂の引張弾性率との間の値となる樹脂が好ましい。第２封止層１３の剥離を防止することができるからである。

また、上記実施形態では、サブマウント基板を含む発光装置について説明したが、本発明は、発光素子がワイヤを介して実装基板に実装されていればよく、例えば背景技術で説明した発光装置１００（図５参照）のように、発光素子を実装基板に直接実装してもよい。

次に、上述した本発明の一実施形態に係る発光装置１の製造方法の一例について図面を参照して説明する。参照する図２、図３及び図４Ａ〜Ｃは、本発明の一実施形態に係る発光装置１の製造方法の一例を示す工程図である。このうち、図２及び図３は上記製造方法の一部を説明するための斜視図であり、図４Ａ〜Ｃは、上記製造方法の一部を説明するための断面図である。なお、図４Ａは、図３のI-I線断面図である。また、図２、図３及び図４Ａ〜Ｃにおいて、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

まず、図２に示すように、複数の孔部４０が設けられた反射板２６と、複数の発光ユニット１１が実装された多層基板２５とを用意する。そして、複数の孔部４０のそれぞれに、対応する発光ユニット１１が収容されるように、反射板２６と多層基板２５とを接着剤等により貼り合せる（図３及び図４Ａ参照）。

次に、図４Ｂに示すように、ワイヤ３６を覆うようにして第１封止層１２を凹部２６ａ内に形成する。例えば、ＧＥ東芝シリコーン社製ＴＳＥ３０３３を凹部２６ａ内にポッティングした後、これを硬化させることにより第１封止層１２を形成することができる。

続いて、図４Ｃに示すように、蛍光体層３４及び第１封止層１２を覆うようにして第２封止層１３を形成する。例えば、東レ・ダウコーニング・シリコーン社製ＳＲ７０１０を蛍光体層３４上及び第１封止層１２上にポッティングした後、これを硬化させることにより第２封止層１３を形成することができる。以上の方法により、本発明の一実施形態に係る発光装置１が得られる。

本発明の発光装置は、例えば、一般照明、演出照明（サイン灯等）、自動車用照明（特に前照灯）等に使用される照明装置や、街頭用大型ディスプレイ、バックライト、プロジェクタ等に使用される表示装置等に有用である。

本発明の一実施形態に係る発光装置の部分断面図である。本発明の一実施形態に係る発光装置の製造方法の一例を示す工程図である。本発明の一実施形態に係る発光装置の製造方法の一例を示す工程図である。Ａ〜Ｃは、本発明の一実施形態に係る発光装置の製造方法の一例を示す工程図である。従来の発光装置の断面図である。図５の発光装置の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１発光装置
１０実装基板
１１発光ユニット
１２第１封止層
１３第２封止層
２０金属層
２１第１コンポジット基材
２２第１配線層
２３第２コンポジット基材
２４第２配線層
２５多層基板
２６反射板
２６ａ凹部
３０サブマウント基板
３１導体パターン
３２Ａｕバンプ
３３発光素子
３４蛍光体層
３４ａ主面
３４ｂ側面の一部
３６ワイヤ
４０孔部
２６１ａ斜面

Claims

凹部を有する実装基板と、前記凹部に収容され、かつワイヤを介して前記実装基板に実装された発光素子とを含む発光装置であって、
前記発光素子を覆って形成された、前記発光素子から発せられた光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発する蛍光体層と、
前記ワイヤを覆って前記凹部内に充填された低弾性樹脂からなる第１封止層と、
前記第１封止層上に形成された高弾性樹脂からなる第２封止層とを含み、
前記蛍光体層と前記第２封止層とが接触していることを特徴とする発光装置。
前記蛍光体層は、前記凹部の開口側に位置する主面が平坦化されており、
前記第２封止層は、前記蛍光体層の少なくとも前記主面に接触している請求項１に記載の発光装置。
前記第２封止層は、前記蛍光体層の前記主面と、前記蛍光体層の側面の少なくとも一部とに接触している請求項２に記載の発光装置。
前記蛍光体層のうち前記第２封止層で覆われた領域の厚みが、前記蛍光体層の厚みの８０％以上である請求項３に記載の発光装置。
前記低弾性樹脂は、引張弾性率が１０ＭＰａ以下である請求項１に記載の発光装置。
前記高弾性樹脂は、曲げ弾性率が０．３〜４ＧＰａである請求項１に記載の発光装置。
前記ワイヤは、直径が３０μｍ以下である請求項１に記載の発光装置。
前記発光装置は、サブマウント基板を更に含み、
前記発光素子は、前記サブマウント基板上に実装されており、
前記サブマウント基板は、前記ワイヤを介して前記実装基板に実装されている請求項１に記載の発光装置。
前記凹部は、開口側に広がる斜面を有している請求項１に記載の発光装置。