JP2006303547A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子と、発光素子を収容された凹部と少なくとも1つの貫通孔を有するベース部とからなる金属パッケージと、絶縁部材によって前記金属パッケージと電気的に分離されかつその先端部がベース部の底面から突出するように貫通孔内に挿入されたリード電極とを有する発光装置であって、発光素子が載置された面に対向する外表面である凹部底面には、金属パッケージを構成する金属の表面が露出されており、実装基板に実装されたときに、露出された金属の表面が前記実装基板に接している。
【選択図】図1B
Description
凹部を有し且つリード電極2が挿入されて一体成形されたプラスチック・パッケージ5を用い、前記凹部内底面から露出されたリード電極2上に発光素子としてLEDチップ1をダイボンドすると共にLEDチップの各電極とパッケージに設けられたリード電極2とを金線4などにより電気的に接続させる。このようにして凹部内に配置されたLEDチップは透光性のモールド樹脂9等によって封止される。これにより、パッケージ内部に配置されたLEDチップやワイヤなどを、水分、外力など外部環境から保護することができ、極めて高い信頼性を有する発光装置が得られる。
また発光素子は、電力消費により熱を発する。上記の構成を有する発光装置は、発光素子から発生する熱をリード電極を介して基板側に逃すことができる。
例えば、図12に示す如き、凸形状の金属ベース10と、該金属ベース10の厚さ方向に形成された貫通孔にガラス等の絶縁体3を介して気密絶縁的に封着されたリード電極2とを有する半導体装置用ステムが用いられる。このようなステムの上面に発光素子1を電気的に接続させる。これを底部側に鍔部を有する窓付き缶11にて気密封止する。
また、前記ベース部の膜厚は、前記凹部の底面厚より厚いことを特徴とする。
これにより、高い放熱性と強い強度を共有することができ、歩留まりの優れた発光装置が得られる。
また、前記凹部の内壁は、テーパー形状であることが好ましく、これにより発光素子からの光取り出し効率が更に向上される。
また、前記透光性窓部は、前記発光素子の一側面と対向する前記凹部内壁の立ち上がり地点である屈曲点と、該屈曲点と前記発光素子を介して向かい合う前記凹部内壁の最上端点とを結ぶ直線の延長線と交わることを特徴とする。これにより、前記内壁にて反射散乱され大きく方向転換された光をも前記透光性窓部から外部へ取り出すことができる。
図5に、本発明の実施の形態に係る発光装置を示す。
パッケージ5は金属からなり、中央部に発光素子を収納するための凹部aを有する。また、前記凹部の周辺部であるベース部bは、厚さ方向に貫通された貫通孔を2つ有し、それぞれの貫通孔は前記凹部を挟んで対向している。該貫通孔内には、絶縁部材3である硬質ガラスを介して正及び負のリード電極2がそれぞれ挿入されている。
尚、前記リード電極2の両端部は前記ベース部表面から突出しており、且つ前記リード電極の底面は前記凹部の底面と略同一平面上に位置している。本明細書では、前記パッケージの凹部開口方向の各部材表面を主面とし、該主面と対向する反対側の表面を背面または底面と表現する。
<発光素子1>
本発明において発光素子1は特に限定されないが、蛍光物質を用いた場合、該蛍光物質を励起可能な発光波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子が好ましい。このような半導体発光素子としてZnSeやGaNなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。また所望に応じて、前記窒化物半導体にボロンやリンを含有させることも可能である。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
本実施の形態の発光装置に用いられる金属パッケージ5は、発光素子を収納する凹部aと、リード電極が配置されたベース部bとからなる。前記凹部の底面と前記リード電極の底面はほぼ同一面上に位置している。
以下、それぞれの構成部材について詳述する。
本実施の形態の発光装置に用いられるパッケージは、中央部に、発光素子を収納し前記発光素子からの発熱を良好に放熱することが可能な凹部を有する。前記凹部底面は、発光装置の実装面、つまりリード電極の底面とほぼ同一平面上に位置しており、実装用基板27の表面と接するように構成されている。このように構成することにより、実装用基板27の表面に配線29とは別途高熱伝導性領域28を設け、該高熱伝導性領域28と前記凹部底面とを導電性部材にて固着することにより、発光素子からの発熱を直接実装基板へと放熱することができ、発光素子への電流投下量を増大させ出力向上を図ることができる。また、金属パッケージの背面に導電性を有する支持体を設ける場合は、前記支持体も前記凹部底面と同様に前記高熱伝導性領域28と導電性部材にて固着することが好ましい。
また凹部は、前記発光素子全体を収納することが可能な容積を有することが好ましい。これにより、発光素子の四方側面から発光される光を前記凹部内壁にて良好に正面方向へ取り出すことができる。これにより、特に窒化物半導体からなる発光素子にみられる発光ムラや色むらを改善することができ好ましい。また、色変換層を用いて発光素子の波長を変換させる場合、前記凹部内に配置された前記発光素子全体を色変換層で容易に被覆することが可能となる。また、前記凹部内に前記発光素子を被覆する透光性部材を設けると、光の取り出し効率が向上され好ましい。本実施の形態では、前記透光性部材に前記発光素子から発光される光の一部を吸収し他の波長を発光することが可能な蛍光物質を含有されてなる色変換層にて前記発光素子を被覆している。本発明に用いられる金属パッケージは、特に発光素子が配置される凹部の放熱性が優れているため、前記色変換層の各部材は無機物に限らず有機物を用いることも可能であり、大電流投下による前記有機物の劣化はほとんどおこらず、良好な光学特性が得られる。また、前記凹部の内壁は、容積が開口側へいくほど大きくなるようにがテーパー形状であることが好ましく、これにより更に高輝度に発光することが可能な発光装置が得られる。
本明細書では、金属パッケージにおいて前記凹部aを囲む平板部分をベース部bとする。前記ベース部は、厚さ方向に貫通された貫通孔を少なくとも1つ有する。前記貫通孔はリード電極を固定するためのものであり、本実施の形態の発光装置は、前記貫通孔を2つ有する。それぞれの貫通孔は、凹部aを挟んで対向して設けられ、各内部に絶縁体を介して正又は負のリード電極がそれぞれ挿入されている。このように構成することにより、各リード電極間の中心に発光素子を配置させることができ、良好な指向特性が得られる。
またそれぞれの熱膨張率は、0.05×10−4/deg以上0.20×10−4/deg以下の範囲であることが好ましい。
本発明で用いられる金属パッケージは、上記のように構成され、これにより高い信頼性を有する発光装置を安価に得ることができる。
本発明の発光装置は、正及び負のリード電極を有し、そのうちの少なくとも一方は、金属パッケージのベース部と絶縁部材を介して一体的に設けられる。例えば、前記ベース部に貫通孔を設け、該貫通孔内に絶縁部材を介して挿入されている。前記リード電極の先端部は、前記ベース部の表面から突出しており、且つ前記リード電極の底面は前記凹部の実装面側底面と略同一平面上に位置している。
また、リード電極の実装面側である底面が前記ベース部背面から突出している場合、前記底面は前記上面より広い面積を有するように構成することができる。このように構成すると、前記リード電極が発光装置の支持体の役割を兼ね合わせ、安定して表面実装することが可能となると共に、実装基板との接触面積が広くなるため放熱性が向上される。このような形状のリード電極は、例えば柱状に形成されたリード電極の底面側をプレス加工することにより得ることができる。リード電極の底面側の好ましい形状として、逆T字型、末広がり型、逆テーパ型等が挙げられる。
本実施の形態の発光装置は、金属パッケージの主面側に、透光性窓部7と金属部とからなるリッド6を有する。前記窓部7は、発光装置の発光面であり中央部に配置されることが好ましい。
リッドの基材は、パッケージ本体及び窓部の透光性部材と熱膨張係数が近似していることが好ましい。また、リッドの材質の表面は基材の保護膜としてNiメッキ層を有することが好ましい。
リッドの形状は、パッケージの溶接部と密接可能な滑らかな平面を有し且つパッケージを気密封止できれば特に限定されるものではない。中央部が凸形状のリッドを用いると、前記リッドの窓部の背面に色変換部材を良好にバインダーさせることができ、歩留まり良く発光装置を形成することができる。また、凸形状のリッドに柔軟性を有する部材を注入し、金属パッケージに電気的に接続された発光素子を挿入して一体化させると、耐熱応力に優れた発光装置が得られる。
本発明の発光装置は、発光素子と該発光素子から発光される光の少なくとも一部を吸収し他の光を発光することが可能な蛍光物質とを組み合わせることにより、所望の色調を有する光を得ることができる。また、蛍光物質は、拡散剤や顔料等他の部材と互換性を有しており、またこれらを組み合わせて用いることも可能である。これらの配置例として、前記リッドの窓部の部材に、蛍光物質8等の他物質を含有させてもよいし、前記窓部の内部表面にバインダーを用いて前記他物質層を塗布してもよい。また金属パッケージの凹部内に樹脂等に含有させて配置させてもよい。
本実施例の発光装置では、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとした蛍光物質を用いている。
本明細書において、Ceで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Lu、Sc、La、Gd及びSmからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素に置換され、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をBa、Tl、Ga、Inの何れが又は両方で置換され蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
また、リッドの窓部の背面や発光素子の表面にバインダーにて蛍光物質を付着させる場合、前記バインダーの材質は特に限定されず、有機物及び無機物のいずれをも用いることができる。
これらの結着剤は、単独、若しくは互いに混合して用いることができる。
更に、本発明において、上記の色変換部材中に蛍光物質に加えて拡散剤を含有させても良い。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。
更に、本発明において、色変換部材中に蛍光物質に加えてフィラーを含有させても良い。具体的な材料は拡散剤と同様であるが、拡散剤と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が5μm以上100μm以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。これにより高温下での使用においても、発光素子と外部電極とを電気的に接続しているワイヤーの断線や前記発光素子底面とパッケージの凹部底面と剥離等を防止することができる信頼性の高い発光装置が得られる。更には樹脂の流動性を長時間一定に調整することが可能となり所望とする場所内に封止部材を形成することができ歩留まり良く量産することが可能となる。
図1に示すような表面実装型の発光装置を形成する。LEDチップは、発光層として単色性発光ピークが可視光である475nmのIn0.2Ga0.8N半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より具体的にはLEDチップは、洗浄させたサファイヤ基板上にTMG(トリメチルガリウム)ガス、TMI(トリメチルインジウム)ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、MOCVD法で窒化物半導体を成膜させることにより形成させることができる。ドーパントガスとしてSiH4とCp2Mgを切り替えることによってn型窒化物半導体やp型窒化物半導体となる層を形成させる。
このようにして得られた発光措置に対して信頼性試験を行うと、If=500mA下において500時間経過した後に発光出力を測定すると、相対出力とほとんど差が見られず、多くの電流を印可しても長時間高い出力を維持できる発光装置が得られる。
金属パッケージを鉄にて構成し、ベース部の膜厚を凹部の底面厚より厚くする以外は、実施例1と同様にして発光装置を形成すると、実施例1よりも放熱性に優れ且つ強度の強い発光装置が得られる。これにより信頼性及び歩留まりが共に向上され、高出力を長時間に渡って維持できる発光装置が歩留まり良く得られる。
図4の如く、金属パッケージの凹部内壁側のみをテーパー形状とする以外は実施例2と同様にして発光装置を形成すると、実施例2より発光出力及び機械的強度が15%向上される。
透光性窓部を凸レンズ形状とする以外は実施例3と同様にして発光装置を形成すると、実施例3より正面光度が50%向上される。
図5の如く、リッドの窓部に蛍光物質を含有させる以外は実施例3と同様にして発光装置を形成する。
ここで蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させる。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化バリウムを混合して坩堝に詰め、空気中1400°Cの温度で3時間焼成して焼成品を得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が22μmである(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を形成する。
ニトロセルロース90wt%とγ−アルミナ10wt%からなるスラリーに対して上記蛍光物質を50wt%含有させ、リッドの透光性窓部の背面に塗布し、220℃にて30分間加熱硬化させることにより色変換部材を構成する以外は実施例3と同様にして発光装置を形成すると、実施例5と同様の効果が得られる。
前記色変換部材を、蛍光物質が50wt%含有されたシリコーン樹脂にて構成する以外は実施例6と同様にして発光装置を形成すると、実施例6と同様な効果が得られる。
前記色変換部材を、蛍光物質が50wt%含有されたシリカ−ゲルを塗布して色変換部材を形成する以外は実施例6と同様にして発光装置を形成したところ、実施例6と同様の効果が得られる。
パッケージの凹部内に蛍光物質含有のシリコーン樹脂を充填させて色変換部材を形成する以外は実施例3と同様に発光装置を形成すると、実施例5より正面光度の高い発光装置が得られる。また、発光素子を樹脂にて被覆することにより、点光源を面光源とすることができ、光の混色性に優れているので、角度による色バラツキがなく均一な発光が得られる。また前記シリコーン樹脂として、エラストマー状シリコーン樹脂またはゲル状シリコーン樹脂を用いると、耐熱応力に優れた発光装置が得られ、信頼性が向上される。
図9に示すような表面実装型の発光装置を形成する。鉄からなるベース状平板の中心を、背面側にテーパー形状の金型を設置した状態にて、主面方向から絞り加工を施して金属を背面および主面へと流し、ベース部の膜厚より薄い底面厚を有し且つ主面側において隣接するベース部より突出した縁部を有し内壁がテーパ−形状である凹部を一体成形する。このように形成することにより、信頼性および光取り出し効率に優れた発光装置を量産性良く得ることができる。
次に、前記凹部を囲むベース部において、一端面に沿って2つの貫通孔を厚さ方向に形成する。
ここで、前記ガラス窓部は、前記凹部の内壁の延長線と交わることが好ましく、さらには、前記発光素子の側面と対向する前記内壁の立ち上がり地点と前記発光素子を介して向かい合った前記内壁の最上端点とを結ぶ直線と交わることが好ましい。このように窓部の面積を設計することにより、前記内壁にて反射散乱された光を効率よく外部へ取り出すことができる。
このようにして得られた発光装置は、実施例3よりさらに高い発光出力および機械的強度を有する。
図10の如く、発光素子であるLEDチップの表面および凹部内の平面上に実施例5と同様の蛍光物質8(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250とSiO2を有する連続した色変換層を、スプレーコーティングにより形成する以外は、実施例10と同様にして発光装置を形成する。ここで、前記色変換層の形成方法について詳述する。
アルキルシリケートとしてメチルシリケート、エチルシリケート、N−プロピルシリケート、N−ブチルシリケート、が使用できるが、本実施例では、SiO2を40wt%含むエチルシリケートを縮合させた無色透明のオリゴマー液体を使用する。また、エチルシリケートは、予め触媒存在下において水と反応させて加水分解反応を起こしゾル化させたものを使用する。
上記塗布液を容器18に入れ、循環ポンプ20によって塗布液を容器からノズル17に搬送する。塗布液の流量はバルブ19によって調節する。ここで、ノズル17から噴出される霧状の塗布液は、霧状で且つ螺旋状に回転されながら吹き付けられることを特徴とする。具体的には、ノズルの付近では円錐状に噴霧が広がり、ノズルから離れるにつれて円柱状に広がる。これにより、発光素子の上面、側面、および角部の全てを、膜厚がほぼ等しく且つ蛍光物質が均一に分散されてなる連続した色変換層にて覆うことができ、ブルーリング等の色むらを改善することができる。また、前記色変換層は一粒子層からなることが好ましく、これにより光の取り出し効率が向上される。本実施例では、発光素子の上面からノズル下端までの距離を40〜50mmとして円柱状に噴霧が広がった状態の所に発光素子の表面がくるように設置し、図11の如く、塗布液とガスとを発光素子の上面、側面および角、さらに凹部内平面上にほぼ均一な膜厚を有し連続した色変換層を形成する。
手順2を行った後、室温で放置し、ゾル状エチルシリケートと空気中の水分とが反応し、SiO2により蛍光物質が固着される。
次に、300℃の温度で2時間乾燥させる。窒化物系発光素子は350℃以上の温度下に置かれると、発光素子としての性能が低下するため、300℃の温度下で発光素子表面への固着が可能なアルキルシリケートは、蛍光物質の固着剤として好ましく用いることができる。
蛍光物質として、第一の蛍光物質(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250と第二の蛍光物質Ca1.8Eu0.2Si5N8とを混合分散させたものを用いる以外は、実施例11と同様にして発光装置を形成すると、実施例11より演色性に優れた発光装置が得られる。本実施例で用いることができる前記第二の蛍光物質は特に限定されないが、前記第一の蛍光物質と励起波長が類似であり且つ黄色から赤色の蛍光を発光することが可能なMxSiyNx:Eu(但し、MはCa、Sr、Ba、およびZnの群から選択されたアルカリ土類金属の少なくとも一種、z=2/3x+4/3y)を用いると、優れた演色性を有する光が得られ好ましい。
エチルシリケートの代わりに、フッ素樹脂(PTFE=ポリテトラフルオロエチレン)を用いて塗布液を調整して蛍光体をバインドする以外は、実施例11と同様の方法により発光装置を形成すると、実施例11と同等の性能が得られ、かつ良好な製造歩留まりが得られる。
発光素子として、主波長が400nmであるLEDチップを用い、蛍光物質として(Sr0.96,Eu0.01,Mn0.03)10(PO4)6Cl2を用いる以外は実施例11と同様にして発光装置を形成する。
このようにして得られた蛍光物質を実施例11と同様にして発光素子周囲及び凹部内平面に塗布し色変換層を形成すると、高輝度に発光可能な発光装置が得られる。
原料としてCaHPO4、CaCO3、Eu2O3、MnCO3、NH4Cl、およびNH4Brを用い(Ca0.93,Eu0.05,Mn0.02)10(PO4)6Br1.0Cl1.0の組成比となるように調整、混合する。
上記原料を秤量しボールミル等の混合機によって乾式で充分に混合する。この御合原料をSiC、石英、アルミナなどの坩堝に詰め、N2,H2の還元雰囲気中にて960℃/hrで1200℃まで昇温し、恒温部1200℃で3時間焼成する。得られた焼成品を水中で粉砕、分散、篩過、分離、水洗、乾燥して目的の蛍光体粉末を得る。この蛍光物質を用いた以外は実施例14と同様にして発光素子周囲及び凹部内平面に塗布し色変換層を形成すると、高輝度に発光可能な発光装置が得られる。
蛍光物質として、第一の蛍光物質(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250と第二の蛍光物質(Ca0.93,Eu0.05,Mn0.02)10(PO4)6Br1.0Cl1.0とを混合分散させたものを用いる以外は、実施例14と同様にして発光装置を形成すると、高輝度に発光可能な白色光源が得られる。
(Ca0.93,Eu0.05,Mn0.02)10(PO4)6Br1.0Cl1.0蛍光物質とAl2O3からなる塗布液を発光素子周囲及び凹部内平面に上記スプレーにて塗布し第一色変換層を形成した後、前記前記第一色変換層上に接してY0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を実施例11と同様の方法にてゾル状エチルシリケートを用いSiO2により固着されてなる第二色変換層を形成する以外は、実施例14と同様にして発光装置を形成する。このようにして形成することにより、第二色変換層の光屈折率<第一色変換層の光屈折率<窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率とすることができ、発光素子からの光の取り出し効率が高まり高出力で発光することが可能な発光装置が得られる。
Claims (6)
- 発光素子と、
前記発光素子を収容された凹部と少なくとも1つの貫通孔を有するベース部とからなる金属パッケージと、
絶縁部材によって前記金属パッケージと電気的に分離されかつその先端部が前記ベース部の底面から突出するように前記貫通孔内に挿入されたリード電極とを有する発光装置であって、
前記発光素子が載置された面に対向する外表面である凹部底面には、前記金属パッケージを構成する金属の表面が露出されており、実装基板に実装されたときに、前記露出された金属の表面が前記実装基板に接することを特徴とする発光装置。 - 前記ベース部の膜厚は、前記凹部の底面厚より厚いことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記凹部の底面は、逆凸形状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記凹部の内壁は、テーパー形状であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記ベース部の背面側に支持体を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の発光装置。
- 前記凹部の底面とリード電極の底面との間に溝を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の発光装置。
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