JP2007088095A

JP2007088095A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007088095A
Application number: JP2005272872A
Authority: JP
Inventors: Sakuo Kamata; 策雄鎌田; Yasushi Nishioka; 恭志西岡; Yoji Urano; 洋二浦野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】放熱性および信頼性が高く、且つ、混色光の指向性が強い発光装置を提供する。
【解決手段】実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を囲むリフレクタ４０を備える。ＬＥＤチップ１０と金属板２１との間に、両者の線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和し且つ両者を熱結合させるサブマウント部材３０を介在させて、ＬＥＤチップ１０の両電極のうちサブマント部材３０側の電極を当該サブマウント部材３０に設けた導体パターンを介して一方のボンディングワイヤ１４と接続するとともにサブマウント部材３０側とは反対側の電極を他方のボンディングワイヤ１４と直接接続してある。封止部５０は、シリコーン樹脂により形成され、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されて黄色系の光を放射する黄色蛍光体を含有するとともに、凸レンズ状の形状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用した発光装置に関するものである。

従来から、複数個のＬＥＤチップがフェースアップで直接実装された金属ベース板と、金属ベース板に積層され各ＬＥＤチップの両電極それぞれがボンディングワイヤを介して接続される配線パターンが形成されたプリント配線板と、金属ベース板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに接続されたボンディングワイヤをエポキシ樹脂により封止した封止部とを備え、封止部を凸レンズ状の形状とすることで指向性を強く（言い換えれば、封止部を通して放射される光の立体角を小さく）した発光装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、従来から、青色光ないし紫外光を放射するＬＥＤチップと当該ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体とを組み合わせることにより、白色を含めＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの混色光を得る技術が広く知られている。
特開２００３−１５２２２５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発光装置では、ＬＥＤチップを金属ベース板に直接実装しているので、放熱性に優れているが、金属ベース板とＬＥＤチップとの線膨張率差に起因してＬＥＤチップが破損してしまう恐れがあった。また、封止部の材料としてエポキシ樹脂を用いた場合には、封止部の耐候性が低く、しかも、封止部がＬＥＤチップから放射される光により経時的に劣化し、特にＬＥＤチップが青色光を放射する青色ＬＥＤチップの場合には封止部が劣化しやすいという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、放熱性および信頼性が高く、且つ、混色光の指向性が強い発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲みＬＥＤチップから放射された光を反射するリフレクタであって前記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されたリフレクタと、ＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止した封止部とを備え、実装基板は、金属板と、金属板側とは反対の表面にＬＥＤチップの両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターンが設けられるとともにＬＥＤチップに対応する部位に窓孔が設けられ金属板に積層された絶縁性基材とからなり、ＬＥＤチップは、一表面側に一方の電極が形成されるとともに他表面側に他方の電極が形成されており、当該ＬＥＤチップと金属板との間に両者の線膨張率差に起因して当該ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップのチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップと金属板とを熱結合させるサブマウント部材を介して金属板に実装され、両電極のうちサブマント部材側の電極が当該サブマウント部材に設けた導体パターンを介して一方のボンディングワイヤと接続されるとともにサブマウント部材側とは反対側の電極が他方のボンディングワイヤと直接接続され、封止部は、シリコーン樹脂により形成され、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有するとともに、凸レンズ状の形状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤチップと金属板との間に、両者の線膨張率差に起因して当該ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップのチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップと金属板とを熱結合させるサブマウント部材を介在させてあるので、放熱性が高く、且つ、前記線膨張率差に起因してＬＥＤチップが破損するのを防止することができて信頼性を高めることができる。また、実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップおよび各ボンディングワイヤを封止する封止部が、シリコーン樹脂により形成されているので、エポキシ樹脂により形成されている場合に比べて、耐候性を高めることができるとともにＬＥＤチップから放射される光による劣化が起こりにくくなり、信頼性がより一層高くなる。また、封止部が、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有するとともに、凸レンズ状の形状に形成されているので、ＬＥＤチップから放射される光と蛍光体から放射される光との混色光の指向性を強めることができる。

請求項１の発明では、放熱性および信頼性が高く、且つ、混色光の指向性が強いという効果がある。

以下、本実施形態の発光装置について図１〜図５を参照しながら説明する。

本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲みＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する枠状のリフレクタ４０と、ＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止し且つ弾性を有する封止部５０とを備えている。なお、本実施形態の発光装置１は、例えばスポットライトなどの照明器具の光源として用いるものであり、例えばグリーンシートからなる絶縁層９０を介して金属（例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属）製の器具本体１００に実装することで、ＬＥＤチップ１０から器具本体１００までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上し、ＬＥＤチップ１０のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。ここで、照明器具の場合には、所望の光出力が得られるように、器具本体１００に複数個の発光装置１を実装して（なお、図５では、１０個の発光装置１を有底円筒状の器具本体１００の底壁の内底面において周方向に沿って等間隔で配置した例を示してある）、複数個の発光装置１を直列接続したり並列接続したりすればよい。

実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が搭載される金属板２１と、金属板２１に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材２２とで構成されており、当該絶縁性基材２２における金属板２１側とは反対側の表面にＬＥＤチップ１０の図示しない両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターン２３が設けられるとともに、絶縁性基材２２においてＬＥＤチップ１０に対応する部位に窓孔２４が設けられており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が絶縁性基材２２を介さずに金属板２１に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板２１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。なお、金属板２１と絶縁性基材２２とは、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材２５により固着されている。また、各リードパターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、色変換部材７０により覆われていない部位がアウターリード部２３ｂとなっている。また、絶縁性基材２２は、窓孔２４の周囲に、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する反射膜２７が形成されている。ここで、反射膜２７は、Ｎｉ膜とＡｇ膜との積層膜により構成されている。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１から離れた側となるように金属板２１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１に近い側となるように金属板２１に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２を金属板２１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２を金属板２１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。

また、ＬＥＤチップ１０は、上述の金属板２１に、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と金属板２１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０を介して実装されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を金属板２１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される導体パターン３１（図２参照）および金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４を介して一方のリードパターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して他方のリードパターン２３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。

サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。

上述の封止部５０の透明樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いており、封止部５０がゲル状であって弾性を有している。

リフレクタ４０は、円形状に開口した枠状の形状であって、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光がレンズ６０側へ反射されるように内側面４０ａの形状が設計されている。すなわち、リフレクタ４０は、ＬＥＤチップ１０の厚み方向においてＬＥＤチップ１０から離れるに従って開口面積が大きくなる形状（つまり、上記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状）に形成されている。ここにおいて、リフレクタ４０の材料としては、ＬＥＤチップ１０から放射される光（ここでは、青色光）に対する反射率が比較的大きな材料（例えば、Ａｌなど）を採用し、リフレクタ４０の内側面４０ａを鏡面とすればよく、リフレクタ４０は例えばアルミニウムの基材を絞り加工して形成すればよい。また、リフレクタ４０は、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材２６により実装基板２０に固着されている。

ところで、封止部５０は、ＬＥＤチップから放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体を含有している。したがって、本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが封止部５０の光出射面５０ａから出射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、本実施形態では、封止部５０に黄色蛍光体を含有させてあるが、封止部５０に含有させる蛍光体は黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。

また、封止部５０は、ＬＥＤチップ１０およびリフレクタ４０に光軸が一致する凸レンズ状の形状に形成されている。なお、本実施形態の発光装置１では、封止部５０の光出射面が当該光出射面と空気との境界で全反射させない凸曲面状に形成されているので、ＬＥＤチップ１０から放射された光（ＬＥＤチップ１０から放射されリフレクタ４０に反射されることなく封止部５０の光出射面５０ａに到達した光およびＬＥＤチップ１０から放射されリフレクタ４０の内側面４０ａで反射されて光出射面５０ａに到達した光）が光出射面５０ａと空気との境界で全反射されることなく放射されやすくなり、全光束を高めることができる。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、ＬＥＤチップ１０と金属板２１との間に、両者の線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップ１０のチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップ１０と金属板２１とを熱結合させるサブマウント部材３０を介在させてあるので、放熱性が高く、且つ、上記線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１０が破損するのを防止することができて信頼性を高めることができる。

また、本実施形態の発光装置１では、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の上記実装面側でＬＥＤチップ１０および各ボンディングワイヤ１４，１４を封止する封止部５０が、シリコーン樹脂により形成されているので、エポキシ樹脂により形成されている場合に比べて、耐候性を高めることができるとともにＬＥＤチップ１０から放射される光による劣化が起こりにくくなり、信頼性がより一層高くなる。

また、本実施形態の発光装置１では、封止部５０が、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有するとともに、凸レンズ状の形状に形成されているので、ＬＥＤチップ１０から放射される光と蛍光体から放射される光との混色光の指向性を強めることができる。

ところで、上述の実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。

実施形態を示す概略断面図である。同上を示し、一部破断した概略分解斜視図である。同上を示す要部概略平面図である。同上における絶縁性基材を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上を用いた照明器具を示し、（ａ）は要部概略平面図、（ｂ）は要部概略断面図である。

符号の説明

１０ＬＥＤチップ
１４ボンディングワイヤ
２０実装基板
２１金属板
２２絶縁性基材
２３リードパターン
２４窓孔
３０サブマウント部材
４０リフレクタ
５０封止部
５０ａ光出射面

Claims

ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲みＬＥＤチップから放射された光を反射するリフレクタであって前記実装面から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されたリフレクタと、ＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止した封止部とを備え、実装基板は、金属板と、金属板側とは反対の表面にＬＥＤチップの両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターンが設けられるとともにＬＥＤチップに対応する部位に窓孔が設けられ金属板に積層された絶縁性基材とからなり、ＬＥＤチップは、一表面側に一方の電極が形成されるとともに他表面側に他方の電極が形成されており、当該ＬＥＤチップと金属板との間に両者の線膨張率差に起因して当該ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材であってＬＥＤチップのチップサイズよりもサイズが大きくＬＥＤチップと金属板とを熱結合させるサブマウント部材を介して金属板に実装され、両電極のうちサブマント部材側の電極が当該サブマウント部材に設けた導体パターンを介して一方のボンディングワイヤと接続されるとともにサブマウント部材側とは反対側の電極が他方のボンディングワイヤと直接接続され、封止部は、シリコーン樹脂により形成され、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有するとともに、凸レンズ状の形状に形成されてなることを特徴とする発光装置。