JP2007110060A

JP2007110060A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007110060A
Application number: JP2005364340A
Authority: JP
Inventors: Ryoma Suenaga; 良馬末永
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】発光素子を利用して、均一かつ高輝度発光する発光装置を提供する。
【解決手段】本発明は、発光素子と、その発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質が含有された波長変換部材と、凹部を有する支持体と、を備えた発光装置であって、凹部は、発光素子の平面形状に相似な開口形状と、発光素子を配置する底面と、その底面に垂直な側壁とを有し、凹部に配置された波長変換部材の少なくとも一部は、側壁の上面まで達しており、凹部の開口部から底面までの深さは、発光素子の厚みの１．２倍から３０倍であり、かつ、凹部の側壁面と発光素子の側面との間隔は、発光素子の厚みの１倍から５倍であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源などに利用できる発光装置に関し、特に、高輝度かつ配光色度ムラが抑制された発光装置に関する。

例えば、特開２００５−１６６９３７号公報に開示されるように、発光素子と蛍光物質とを備えた発光装置において、蛍光物質は、発光素子を被覆する封止部材に含有される。発光素子は、その発光素子に電力を供給する導体配線が施された支持体の凹部に配置されている。さらに、蛍光物質は、その凹部に充填された封止部材中に含有されている。より具体的には、凹部の側壁は、発光素子からの光取り出し効率を向上させるために、凹部の開口方向に向かって内径が大きくなっている。このような擂り鉢状の凹部に、透光性樹脂を材料とする封止部材が発光素子を被覆するように充填されている。さらに、蛍光物質は、その封止部材の材料に混合されて凹部に充填され、蛍光物質が封止部材で結着された波長変換部材が形成されている。

特開２００５−１６６９３７号公報。

しかしながら、発光素子の周辺における蛍光物質の配置は、凹部の形状により型取りされた封止部材の形状の影響を受けることとなる。そのため、従来の発光装置について、各発光観測方位において、蛍光物質が良好な分布状態となるように封止部材に含有させることは困難である。したがって、発光観測方位ごとに発光装置の色度に差が生じる。また、蛍光物質による波長変換効率をさらに向上させ、高輝度な波長変換光が得られる発光装置が求められるようになってきている。

そこで、本発明は、高輝度かつ発光観測方位ごとに均一な色度で発光する発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明に係る発光装置は、発光素子と、その発光素子と異なる波長を発光する蛍光物質が含有された波長変換部材と、凹部を有する支持体と、を備えた発光装置であって、上記凹部は、上記発光素子の平面形状に相似な開口形状と、上記発光素子を配置する底面に垂直な側壁面とを有し、上記凹部の開口部から底面までの深さは、上記発光素子の厚みの１．２倍から３０倍であり、かつ、上記凹部の側壁面と上記発光素子の側面との間隔は、上記発光素子の厚みの１倍から５倍であり、上記凹部に配置された波長変換部材の最表面の少なくとも一部は、上記凹部の側壁の上面まで達していることを特徴とする。

上記発光素子の形状は、矩形であることが好ましい。

上記支持体は、セラミックスを材料としており、上記凹部の側壁面は、銀、アルミニウム、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含む金属層を有することが好ましい。

上記発光素子の電極は、上記支持体の凹部の外側に設けられた導体配線に、導電性ワイヤを介して接続されていることが好ましい。

上記発光装置は、上記導電性ワイヤを被覆する透光性部材をさらに備えていることが好ましい。さらに、透光性部材は、発光観測方向に凸な形状を有することが好ましい。

上記発光素子とは別の半導体素子は、上記発光素子が配置された凹部の外側に配置されていることが好ましい。

本発明は、発光観測方位による色度ずれを抑制し、高輝度な発光装置とすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

発光素子と、その発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質が含有された波長変換部材と、発光素子および波長変換部材を配置するための凹部を有する支持体と、を備えた発光装置について、発光観測方位について色度の差が生じることなく、高輝度な光を発する発光装置とするため、本発明者は、種々の検討を行った。その結果、少なくとも以下の構成（Ａ）から（Ｃ）を有する発光装置とすることにより、上述の課題を解決するにするに至った。
（Ａ）支持体に設けられた凹部は、発光素子の平面形状に相似な開口形状と、発光素子を配置する底面と、その底面に垂直な側壁面とから形成されている。

例えば、凹部の開口形状が長方形のときには、発光素子の平面形状も開口形状と相似な長方形とする。このとき、凹部の開口形状の長軸方向と、発光素子の平面形状の長軸方向とを一致させることが好ましい。凹部に充填された波長変換部材の分布状態を良好にするためである。
（Ｂ）凹部に配置された発光素子を被覆する波長変換部材の少なくとも一部は、凹部の側壁の上面まで達している。

「凹部に配置された波長変換部材の少なくとも一部が凹部の側壁の上面まで達する」とは、凹部に配置された波長変換部材の最表面の全体が凹部の側壁の上面と同一平面となるものに限定されることはない。すなわち、波長変換部材の最表面の中央部が発光素子の方向に窪み、かつ、波長変換部材の最表面の周辺部が凹部の側壁の上面まで達する波長変換部材も含む。このうち特に、凹部に配置された波長変換部材の最表面が凹部の側壁の上面と同一平面とすることが好ましい。これは、波長変換部材の最表面を凹部の側壁の上面と同一平面とすることにより、蛍光物質の分布状態を良好にすることができるからである。また、これにより、発光素子の周囲に、蛍光物質を高密度に配置することができる。
（Ｃ）凹部の開口部から底面までの深さは、発光素子の厚みの１．２倍から３０倍であり、かつ、凹部の側壁面と発光素子の側面との間隔は、発光素子の厚みの１倍から５倍である。

発光素子の周囲に、蛍光物質を高密度に配置させるため、凹部の開口形状の大きさを発光素子の平面形状の大きさに対して大きくし過ぎることなく、凹部の側壁面と発光素子の側面との間隔は、発光素子の厚みの１倍から５倍とすることが好ましい。また、凹部の開口部から底面までの深さは、光取り出し効率をさらに向上させることを考慮すると、発光素子の厚みの１．２倍から５倍とすることがより好ましい。以下、図面を参照しながら本発明について詳述する。

図１は、本形態における発光装置の斜視図であり、図２は、断面図である。また、図４は、本形態における支持体の凹部の断面を拡大した図である。

図４に示されるように、本形態における発光素子の厚みｔとは、発光素子が配置された凹部の底面から発光素子の最上面までの高さをいう。また、発光素子と凹部の側壁との間隔とは、凹部に配置された発光素子の側面と凹部の側壁面との距離Ｗをいうものとする。ここで、発光素子は、樹脂や共晶半田などの接着材により凹部の底面に接着されているものとする。また、凹部の深さＤとは、凹部の底面から凹部の側壁上面までの鉛直距離をいう。また、凹部の内壁面に金属層を配置するとき、凹部の側壁面、底面および側壁上面は、それぞれ金属層の最表面とするものとする。また、発光素子は、凹部の中央に配置されることが好ましい。これにより、発光素子の周囲に含有される蛍光物質の分布状態が良好になるからである。

以下、本発明の効果について詳述する。例えば、発光素子の厚みと、凹部の深さが同じとき、すなわち凹部の側壁上面と発光素子の上面が同一平面上となるときには、発光素子の上方に良好な分布状態で波長変換部材を配置することができない。また、発光素子の周囲で波長変換部材が厚過ぎると、発光装置の光出力が低下するため、発光素子を包囲する波長変換部材の厚みは薄い方が好ましい。支持体の凹部と発光素子との関係を上述の構成（Ａ）から（Ｃ）とすることにより、発光素子の周囲に蛍光物質が密集するため、蛍光物質による波長変換効率が向上する。したがって、高輝度な光を発する発光装置とすることができる。

また、上述の構成（Ａ）から（Ｃ）とすることにより、従来のように、開口方向に内径が大きくなるような擂り鉢状の凹部とすることなく、光取り出し効率を向上させ、高輝度かつ均一発光する発光装置とすることができる。すなわち、蛍光物質の分布状態を良好にするため、波長変換部材の形状を考慮して、凹部の底面に垂直な側壁とすると、側壁の反射を利用した光取り出し効率が低下してしまう。しかしながら、本発明の構成（Ｃ）を有する凹部の大きさとすることにより、光取り出し効率を向上させつつ各発光観測方位で均一な色度の発光をする発光装置とすることができる。

また、発光素子の平面形状は、矩形、六角形のような多角形など、半導体素子の製造工程において形成することができる形状を全て含む。特に、発光素子の平面形状は、正方形や長方形などの矩形であることが好ましい。これらの形状は、発光素子を製造する工程において、半導体ウエハを個片化して発光素子とする工程が容易であるため、量産性の高い発光装置とすることができるからである。

また、支持体は、セラミックスを材料としており、凹部の側壁面に露出されるセラミックス素地面は、銀、アルミニウム、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含む金属層により被覆されていることが好ましい。このような反射率の高い金属を含有する金属層とすることにより、多孔質なセラミックスを透過する光を抑制して発光装置からの光取り出し効率を向上させ、さらに高輝度な発光装置とすることができる。

また、発光素子の電極は、導電性ワイヤにより凹部の外側の導体配線と接続されていることが好ましい。すなわち、凹部内に導電性ワイヤを接続する領域を設けることなく、凹部の外側に支持体の導体配線との接続させる。これにより、導電性ワイヤをワイヤーボンディングする領域を凹部内にて考慮することなく、凹部と発光素子との関係を本発明の構成とすることが容易にできる。

また、発光装置は、上記導電性ワイヤを被覆する透光性部材をさらに備えていることが好ましい。透光性部材の材料は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性樹脂やガラスのような透光性無機部材から選択することができる。また、透光性部材は、それらを材料として、圧縮成型、射出成型あるいはトランスファーモールドなどの種々の成型方法により形成することができる。本形態の発光装置に透光性部材を設けることにより、凹部の外側に露出された導電性ワイヤを、透光性部材により外部環境から保護して、信頼性の高い発光装置とすることができる。また、上記透光性部材を、発光観測方向に凸な形状を有することにより、凹部からの出射光を集光させ、高輝度な発光装置とすることができる。以下、本形態の各構成について詳述する。

（支持体）
本形態の支持体とは、発光素子を搭載する凹部を有し、光反射壁や導体配線としての金属層を配置することができる部材である。したがって、本形態の支持体は、アルミ、鉄入り銅を主な材料とするリードフレームや、そのようなリードフレームを樹脂にインサート成型させたパッケージとすることができる。

本形態における基材の材料は、ガラスエポキシ樹脂、セラミックスあるいはガラスを挙げることができる。特に、セラミックスを材料とすることにより、耐熱性の高い支持体とすることができる。

セラミックスは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素などが好ましい。特に、原料粉末の９０〜９６重量％がアルミナであり、焼結助剤として粘度、タルク、マグネシア、カルシア及びシリカ等が４〜１０重量％添加され１５００から１７００℃の温度範囲で焼結させたセラミックスや原料粉末の４０〜６０重量％がアルミナで焼結助剤として６０〜４０重量％の硼珪酸ガラス、コージュライト、フォルステライト、ムライトなどが添加され８００〜１２００℃の温度範囲で焼結させたセラミックス基板などが挙げられる。

セラミックスの粉体と、バインダー樹脂を混合して得られる材料をシート状に成型して得られるセラミックスグリーンシートを積層させて焼成することにより、板状の支持体とすることができる。あるいは、セラミックスグリーンシートに種々の大きさのスルーホールを形成して積層することにより、凹部を有する支持体とすることができる。このような支持体に配される第一の金属の下地層は、未焼成のセラミックスグリーンシートの段階で、タングステン、モリブデンのような高融点金属の微粒子を含む導体ペーストを所定のパターンに塗布したものを焼成することにより得ることができる。さらに、セラミックスグリーンシートを焼成した後、予め形成させておいた下地層に、ニッケル、金あるいは銀を順に鍍金して凹部の側面に配される金属層や導体配線とすることができる。

なお、セラミックスを材料とする支持体は、上述のように、導体配線と絶縁部を一体的に形成する他、予め焼成されたセラミックスの板材に、導体配線を配置することにより形成することもできる。

（発光素子）
本形態における発光素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなど、発光装置の光源となり得るものである。本形態における支持体には、発光素子とともに、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子（例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー）、あるいはそれらを組み合わせたものを搭載することができる。

本形態において、波長変換部材にて被覆させない半導体素子は、波長変換部材への照射光を出力する発光素子が配置された凹部の外側に配置することが好ましい。このような半導体素子として、例えば、波長変換部材によって波長を変換させることなく、出射光をそのまま発光装置の光の一部として利用する発光素子、あるいは、本形態の発光素子とともに支持体に搭載され得る受光素子や保護素子が挙げられる。これらの素子は、波長変換部材へ照射させる光を出力する発光素子が配置された凹部内に配置される領域を設けられることなく、その凹部の外側に配置されて、支持体に設けられた導体配線と接続される。さらに、これらの素子は、上記凹部の外側に設けられた別の凹部内に配置させてもよい。これにより、波長変換部材への照射光を出力する発光素子以外の素子は、波長変換部材により波長変換される光の光学特性に影響を与えることがなくなる。したがって、波長変換部材への照射光を出力する発光素子以外の素子の大きさや、それをダイボンディングする領域を、同一の凹部について考慮する必要がなくなる。そのため、波長変換部材への照射光を出力する発光素子が配置される凹部と、その発光素子との関係を本発明の構成とすることが容易にできる。

本形態では、発光素子の一例として、ＬＥＤチップについて説明する。ＬＥＤチップを構成する半導体発光素子としては、ＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を有する発光装置とする場合には、その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（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。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。例えば、ＬＥＤチップは、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子とすることができる。

半導体素子は、その電極がバンプと呼ばれる導電性材料を介して支持体や、サブマウントと呼ばれる補助部材の導体配線に電気的および機械的に接続することもできる。

（導電性ワイヤ）
本形態において、半導体素子の電極と、支持体の導体配線とを接続する導電性ワイヤは、導体配線とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／(ｓ)(ｃｍ^２)(℃／ｃｍ)以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／(ｓ)(ｃｍ^２)(℃／ｃｍ)以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤの直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤとして具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤが挙げられる。このような導電性ワイヤは、導体配線に形成させたワイヤーボンディング領域と、半導体素子の電極と、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。

（波長変換部材）
本形態における波長変換部材は、発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質を含有する部材である。このような波長変換部材は、蛍光物質と、その蛍光物質を固着させるための結着剤となるエポキシ樹脂やシリコーン樹脂のような透光性樹脂、ガラスなどの透光性無機部材とともに支持体の凹部内に充填され成型されて波長変換部材とされる。

本形態に利用することができる蛍光物質は、発光素子の光を変換させるものであり、発光素子からの光をより長波長に変換させるものの方が効率がよい。発光素子からの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるＹＡＧ：Ｃｅが好適に用いられる。特に、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、その含有量によってＬＥＤチップからの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するため、白色系の混色光を発する高出力な発光ダイオードを、比較的簡単に形成することができる。なお、蛍光物質は、波長変換部材に含有されるものの他、導電性ワイヤを被覆する透光性部材に含有させることもできる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

図１は、本実施例にかかる発光装置１００の斜視図であり、図２は、本実施例にかかる発光装置の断面図である。また、図４は、本実施例の凹部の断面を拡大して示す図である。

本実施例における発光装置１００は、ＬＥＤチップ１０１および波長変換部材１０８を配置するための凹部を有する支持体と、凹部の底面にダイボンディングされたＬＥＤチップ１０１の電極を支持体に施された導体配線１０３に接続するための導電性ワイヤ１０４と、波長変換部材１０８や導電性ワイヤ１０４を被覆する透光性部材１０２とを備える。

本実施例における支持体は、セラミックスを材料とする基材１０５に、導体配線を施したものである。この導体配線は、凹部の側壁の上面に露出されたワイヤーボンディング領域１０３から、基材１０５に設けられたスルーホールを介して、支持体の背面側に設けられた電極１０６まで電気的に接続されている。

本実施例のＬＥＤチップ１０１は、寸法が６００μｍ四方の正方形の平面形状を有する。ＬＥＤチップ１０１の厚みｔは、８５μｍである。

本実施例における支持体の凹部の開口形状は、ＬＥＤチップ１０１の平面形状と相似な正方形である。また、この開口形状は、凹部の開口部から底面まで同じ大きさおよび形状である。さらに、凹部の側壁は、最表面が銀となるような金属層１０７が配置されている。

凹部は、その深さＤが１０２μｍ（厚みｔの１．２倍）であり、ＬＥＤチップ１０１の側面と金属層１０８の最表面との間隔Ｗは、８５μｍ（厚みｔの１．０倍）である。

波長変換部材１０７は、シリコーン樹脂にアルミニウム酸化物系蛍光体が含有された混合物が凹部に充填されることにより形成されている。凹部内に形成された波長変換部材１０８の最表面は、凹部の側壁上面と同一平面とさせてある。

本実施例により、発光観測方位による色度ずれが抑制され、高輝度な発光装置とすることができる。

本実施例のＬＥＤチップ１０１は、寸法が８００μｍ四方の正方形の平面形状を有する。ＬＥＤチップ１０１の厚みｔは、８５μｍである。

本実施例における支持体の凹部の開口形状は、ＬＥＤチップ１０１の平面形状と相似な正方形である。本実施例の凹部の深さＤは、１３６０μｍ（厚みｔの１６倍）であり、ＬＥＤチップ１０１の側面と金属層１０８の最表面との間隔Ｗは、２１２．５μｍ（厚みｔの２．５倍）である。

その他は、実施例１と同様に発光装置を形成する。本実施例により、発光観測方位による色度ずれが抑制され、高輝度な発光装置とすることができる。

本実施例のＬＥＤチップ１０１は、寸法が２４０μｍ×４２０μｍの長方形の平面形状を有する。ＬＥＤチップ１０１の厚みｔは、８５μｍである。

本実施例における支持体の凹部の開口形状は、ＬＥＤチップ１０１の平面形状と相似な長方形である。また、ＬＥＤチップ１０１は、ＬＥＤチップ１０１の平面形状と相似な長方形の凹部底面の中央に配置させる。本実施例の凹部の深さＤは、２５５０μｍ（厚みｔの３０倍）であり、ＬＥＤチップ１０１の側面と金属層１０８の最表面との間隔Ｗは、４２５μｍ（厚みｔの５．０倍）である。

本実施例のＬＥＤチップ１０１は、寸法が６００μｍ四方の正方形の平面形状を有する。ＬＥＤチップ１０１の厚みｔは、１２０μｍである。

本実施例における支持体の凹部の開口形状は、ＬＥＤチップ１０１の平面形状と相似な正方形である。その凹部の深さＤは、３００μｍ（厚みｔの２．５倍）であり、ＬＥＤチップ１０１の側面と金属層１０８の最表面との間隔Ｗは、２００μｍ（厚みｔの１．６７倍）である。

図３は、本実施例にかかる発光装置２００の断面図を示す。本実施例の発光装置２００は、実施例１の透光性部材１０２の形状を、発光観測方位に凸なレンズ形状としたものである。これにより、高輝度な発光装置とすることができる。

本発明は、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源などに利用できる。

図１は、本発明の発光装置の一実施例を示す斜視図である。図２は、本発明の発光装置の一実施例を示す断面図である。図３は、本発明の発光装置の一実施例を示す断面図である。図４は、本発明の発光装置の一実施例の断面を拡大して示す図である。

符号の説明

１００、２００・・・発光装置
１０１・・・発光素子
１０２・・・透光性部材
１０３・・・導体配線
１０４・・・導電性ワイヤ
１０５・・・基材
１０６・・・電極
１０７・・・金属層
１０８・・・波長変換部材

Claims

発光素子と、その発光素子と異なる波長を発光する蛍光物質が含有された波長変換部材と、凹部を有する支持体と、を備えた発光装置であって、
前記凹部は、前記発光素子の平面形状に相似な開口形状と、前記発光素子が配置された底面に垂直な側壁面とを有し、前記凹部の開口部から底面までの深さは、前記発光素子の厚みの１．２倍から３０倍であり、かつ、前記凹部の側壁面と前記発光素子の側面との間隔は、前記発光素子の厚みの１倍から５倍であり、
前記凹部に配置された前記波長変換部材の最表面の少なくとも一部は、前記凹部の側壁の上面まで達していることを特徴とする発光装置。
前記発光素子の形状は、矩形である請求項１に記載の発光装置。
前記支持体は、セラミックスを材料としており、前記凹部の側壁面は、銀、アルミニウム、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含む金属層を有する１または２に記載の発光装置。
前記発光素子の電極は、前記支持体の凹部の外側に設けられた導体配線に、導電性ワイヤを介して接続されている請求項１から３のいずれか一項に記載の発光装置。
前記発光装置は、前記導電性ワイヤを被覆する透光性部材をさらに備えている請求項４に記載の発光装置。
前記透光性部材は、発光観測方向に凸な形状を有する請求項５に記載の発光装置。
前記発光素子とは別の半導体素子は、前記発光素子が配置された凹部の外側に配置されている請求項１から６のいずれか一項に記載の発光装置。