JP2007201392A - 発光素子搭載用基体ならびにこれを用いた発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性に優れ、発光装置の発光輝度を向上させる発光素子搭載用基体およびこれを用いた高輝度の発光装置を提供すること。
【解決手段】発光素子搭載用基体Aは、環状金属体1と、環状金属体1の内側に設置され、上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体2と、支持金属体2および環状金属体1の間に配置された封止部材3とを具備している。支持金属体2を介して良好な放熱性を得ることができ、支持金属体2の周囲に光反射率の大きい封止部材3を用いることにより発光輝度を向上させることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光素子が搭載される発光素子搭載用基体と、この発光素子から発せられる光を外部に放射することによって、表示や照明を行なう発光装置に関する。
従来の発光ダイオード(LED)等の発光素子から発せられる近紫外線光や青色光等の光によって赤色,緑色,青色,黄色等の長波長側の蛍光を発する複数の蛍光体で波長変換して白色発光する発光装置を図13に示す。図13において、発光装置は、上側主面の中央部に発光素子15を搭載するための搭載部11aを有し、搭載部11aやその周辺から発光装置の外面へ導出された、発光装置の内外を電気的に導通接続するためのリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体(図示せず)が形成された絶縁体からなる基体11と、基体11の上側主面に接着固定され、上側開口が下側開口より大きい貫通孔12aが形成されているとともに、貫通孔12aの内周面が発光素子15が発する光を反射する反射面12bとされている枠状の反射部材12と、反射部材12の内側に充填され、発光素子15が発する光を長波長側に波長変換する蛍光体14を含有した透光性部材13と、搭載部11aに搭載固定された発光素子15とから主に構成されている。
基体11は、酸化アルミニウム質焼結体(アルミナセラミックス)や窒化アルミニウム質焼結体,ムライト質焼結体,ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。基体11がセラミックスから成る場合、その上側主面に配線導体がタングステン(W),モリブデン(Mo)−マンガン(Mn)合金等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体11が樹脂から成る場合、銅(Cu)や鉄(Fe)−ニッケル(Ni)合金等から成るリード端子が樹脂と一体にモールド成型されて基体11の内部に設けられる。
また、反射部材12は、上側開口が下側開口より大きい貫通孔12aが形成されるとともに内周面に光を反射する反射面12bが形成された枠状となっている。具体的には、アルミニウム(Al)やFe−Ni−コバルト(Co)合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。
さらに、反射部材12の反射面12bは、貫通孔12aの内周面を平滑化することにより、あるいは、貫通孔12aの内周面にAl等の金属を蒸着法やメッキ法により被着することにより形成される。そして、反射部材12は、半田,銀(Ag)ロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、搭載部11aを反射部材12の内周面で取り囲むように基体11の上側主面に接合される。
そして、搭載部11aの周辺に配置した配線導体と発光素子15とをボンディングワイヤや金属ボール等の電気接続手段16を介して電気的に接続し、しかる後、蛍光体14を含有するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透光性部材13をディスペンサー等の注入機で発光素子15を覆うように反射部材12の内側に注入しオーブンで熱硬化させることで、発光素子15からの光を蛍光体により長波長側に波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置となし得る(下記の特許文献1参照)。
特開2003-37298号公報
近年、上記の発光装置を照明用として利用する動きが活発化しており、放射輝度、放熱特性のよい発光装置が要求されている。
しかしながら、近年になって大きな放射輝度を実現できる発光素子15が登場し、これに伴って発光素子15の発熱が増大しているが、上記従来の発光素子15が発する熱を絶縁体から成る基体11を介して基板に放熱する発光装置においては、熱伝導性に優れる好適な絶縁体は少なく、放熱特性のよい発光装置としにくいという問題点があった。
また、より有効な放熱対策が施されないと、発光素子15が温度上昇して熱劣化を来たし、発光素子15の光放射効率が低下したり放射光の色調にムラが発生したりするなどの不具合が発生する場合があった。
また、基体11の上側主面の光の反射率が小さく、発光素子15から基体11の上側主面に向けて放射された光の一部が基体11によって上側に反射されなかったり、また透光性部材13中に含まれる蛍光体14によって発光された光の一部が基体11の上側主面に届いた場合に、基体11によって反射されなかったりして、発光装置から放射される光の輝度が小さくなってしまうという問題点を有していた。
したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、放熱特性が良好で発光素子の温度上昇を抑えて効率よく発光素子を発光させることができるとともに、基体の光反射が高く発光効率の良好な発光装置が得られる発光素子搭載用基体ならびにこれを用いた発光装置および照明装置を提供することである。
本発明の発光素子搭載用基体は、環状金属体と、この環状金属体の内側に設置され、上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体と、この支持金属体および前記環状金属体の間に配置された封止部材とを具備することを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記封止部材は、透明樹脂とこの透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体とを含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体と、透明樹脂中にこの透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体が含有されて成るとともに、その表面が発光素子の発する光に照射されるように発光素子から離間させて前記支持金属体の外周に配置された封止部材とを具備することを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記封止部材の表面に前記粒状体が存在することを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、酸化チタンを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、酸化亜鉛を主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、酸化ジルコニウムを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、硫酸バリウムまたは酸化アルミニウムを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、酸化チタンを主成分とする粒状体,酸化亜鉛を主成分とする粒状体,硫酸バリウムを主成分とする粒状体,酸化ジルコニウムを主成分とする粒状体,ダイアモンド,酸化アルミニウムを主成分とする粒状体,酸化カルシウムを主成分とする粒状体,酸化マグネシウムを主成分とする粒状体から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記支持金属体および前記環状金属体の少なくとも一方に、周方向に設置され、前記封止部材中に埋設された突起を有していることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記封止部材は、少なくとも前記発光素子搭載部の周囲に配される搭載面側が多孔質な無機材料から成ることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記封止部材は、その気孔率が15〜43%であることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記封止部材の前記搭載面側に透明部材が被着されていることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記透明部材と前記無機材料との間に空隙が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記無機材料は、酸化チタン,酸化ジルコニウム,酸化アルミニウム,酸化亜鉛,酸化カルシウム,酸化マグネシウム,硫酸バリウムから選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記無機材料は、酸化アルミニウム,酸化珪素,酸化カルシウム,酸化マグネシウムの混合物を主成分とすることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記環状金属体は、その上面外周部に全周にわたって突出部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記突出部は、その内側面が下端から上端に向かうに伴って外側に広がる傾斜面とされていることを特徴とする。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記環状金属体は、その外周面の下端から上方に向けて螺条が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子搭載用基体と、前記発光素子搭載部に搭載されるとともに前記支持金属体および前記環状金属体に電気的に接続された発光素子と、この発光素子を覆うように設けられた透明樹脂層とを具備していることを特徴とする。
また、本発明の発光装置は、上記構成において好ましくは、前記透明樹脂層を覆うように配置されるとともに、蛍光体を含有して成る透光性樹脂層が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の発光装置は、上記構成において好ましくは、前記透光性樹脂層は、その表面が上方に向けて凸の曲面であることを特徴とする。
また、本発明の発光装置は、上記構成において好ましくは、前記透光性樹脂層は、その中央部が外周部よりも厚いことを特徴とする。
本発明の発光素子搭載用基体は、環状金属体と、この環状金属体の内側に設置され、上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体と、この支持金属体および環状金属体の間に配置された封止部材とを具備することから、支持金属体の上面に発光素子が搭載されることによって、発光素子が発する熱をこの支持金属体を介して効率よく発光素子搭載用基体の下面側に導出することが可能となる。よって発光素子の温度上昇に起因する発光効率の低下や、発光の色調にムラが発生することを抑えることができるものとなる。
また、支持金属体および封止部材の周囲を取り囲むように環状金属体が配置されるので、支持金属体の上端面に搭載された発光素子が発する光が封止部材を透過して環状金属体の側面から漏出することがない。これによって、本発明の発光素子搭載用基体を用いた発光装置とその周囲とのコントラストを向上させて視認性をよくすることができる。
また、この支持金属体と、封止部材を介して支持金属体の周囲に配置された環状金属体とを発光装置の内外を電気的に導通接続するための導体として機能させることができる。また、支持金属体と環状金属体との間に封止部材が配置されることによって発光装置の内外を良好に封止することができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、封止部材は、透明樹脂と、この透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体とを含むことにより、封止部材の表面で反射されずに内部に進入した発光素子からの光は、透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体の表面で反射され、また、粒状体の内部に入射した光は粒状体と周囲の透明樹脂との界面でほとんどエネルギーを失うことなく全反射され、発光素子搭載用基体の上面側へと放出されることにより、封止部材は、発光素子の発する光を効率的に反射する反射部材として機能し、発光効率のよい発光装置の発光素子搭載用基体を提供することができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体と、透明樹脂中にこの透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体が含有されて成るとともに、その表面が発光素子の発する光に照射されるように発光素子から離間させて支持金属体の外周に配置された封止部材とを具備することから、支持金属体の上端面に搭載された発光素子から周囲に放射される光を、その外周に配置された封止部材の表面で反射させて発光素子搭載用基体の上面側へ放出することができる。しかも、封止部材は、透明樹脂中にこの透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体が含有されたものであるので、効率的な反射部材として機能する。従って、発光効率のよい発光装置の発光素子搭載用基体を提供することができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記封止部材の表面に前記粒状体が存在することから、透明樹脂の表面に存在する粒状体によって封止部材の表面が平坦面でなくなり、封止部材の表面で反射される反射光は乱反射されるので、発光装置の色むらや照射面の照度むらを小さくすることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、粒状体は、酸化チタンを主成分とするとともに、透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことから、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂またはシリコーン樹脂の屈折率に対して屈折率が非常に大きい酸化チタンを主成分とする粒状体によって、封止部材の反射特性を良好なものとすることができる。また、酸化チタンは可視光または紫外光を吸収することがないので、良好な反射特性を発揮させることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、粒状体は、酸化亜鉛を主成分とするとともに、透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことから、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂またはシリコーン樹脂の屈折率に対して屈折率が非常に大きい酸化亜鉛を主成分とする粒状体によって、封止部材の反射特性を良好なものとすることができる。また、酸化亜鉛は可視光から青色光の波長範囲の光を吸収することがないので、良好な反射特性を発揮させることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、酸化ジルコニウムを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことから、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂またはシリコーン樹脂の屈折率に対して屈折率が非常に大きい酸化ジルコニウムを主成分とする粒状体によって、封止部材の反射特性を良好なものとすることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記粒状体は、硫酸バリウムまたは酸化アルミニウムを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことから、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂またはシリコーン樹脂の屈折率に対して屈折率が大きい粒状体によって、封止部材の反射特性を良好なものとすることができる。また、硫酸バリウムまたは酸化アルミニウムは可視光から青色光の波長範囲の光を吸収することがないので、良好な反射特性を発揮させることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、粒状体は、酸化チタンを主成分とする粒状体,酸化亜鉛を主成分とする粒状体,硫酸バリウムを主成分とする粒状体,酸化ジルコニウムを主成分とする粒状体,ダイアモンド,酸化アルミニウムを主成分とする粒状体,酸化カルシウムを主成分とする粒状体,酸化マグネシウムを主成分とする粒状体から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むとともに、透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことから、封止部材に進入した光が屈折率の大きい反射率のよい粒状体の表面で効率的に反射され、それ以上封止部材の下方に侵入せずに発光素子搭載用基体の上面側へ反射されるので、発光素子の発する光の反射率が大きく、発光効率のよい発光装置の発光素子搭載用基体とすることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、支持金属体および環状金属体の少なくとも一方に、周方向に設置され、封止部材中に埋設された突起を有していることから、支持金属体または環状金属体からの封止部材の剥脱を防止することができる。また、突起により支持金属体または環状金属体と封止部材との接触面積が増大することから支持金属体または環状金属体と封止部材との固定が確実なものとなり、さらに封止部材を介しての放熱性を大きくすることができ、発光素子の温度上昇を抑制することを可能とする。また、封止部材を透過して外部に漏れる光が突起によって遮光され、光漏れを少なくすることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、封止部材は、少なくとも発光素子搭載部の周囲に配される搭載面側が多孔質な無機材料から成ることにより、無機材料は、樹脂に比して特定波長の光を吸収することが少なく、光エネルギーの減衰が少なくなる。
また、封止部材は、例えば複数の無機粒子を互いに一部分で一体化させて無機粒子間に気孔(間隙)を設けて多孔質に形成されていることから、光などの波成分を封止部材の表面で反射させるばかりでなく、封止部材の内部に進入した波成分を、無機材料の内面と間隙との界面において全反射させることが可能となる。すなわち、空気などの気体や無機粒子よりも屈折率の低い透明材料を間隙に充填させることにより、無機材料の内面と間隙の充填物との間の屈折率差によって、それらの界面(反射面)において、入射した波成分を全反射させることができる。また、封止部材を適度な気孔率の多孔質に形成することによって、封止部材の内部に適度な間隙(気孔)が形成され、封止部材の内部における反射面を多く確保することが可能となる。これにより、封止部材は、封止部材の内部に進入した波成分を効率よく反射させることができるようになる。その結果、封止部材の表面および内部において、極めて高い反射効率を達成することができる。
また、反射層を無機物によって形成した封止部材は、有機物を主成分とする反射層を有する反射部材に比べて、耐光性および耐熱性が高くなる。そのため、本発明の発光素子搭載用基体の封止部材は、材料劣化による反射効率の低下が少なく封止性も高い。
さらに、無機粒子を互いに一体化することで反射層を形成すれば、無機粒子が剥がれ落ちることのない十分な強度を有する封止部材(反射部材)を得ることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、封止部材は、搭載面側の気孔率が15〜43%であることにより、間隙(気孔)が不当に多く存在することもないために封止部材の強度を十分に確保できるとともに、無機材料の内面と間隙との界面(反射面)の面積が不当に小さくなってしまうこともない。その結果、封止部材は、高強度および高反射効率なものとなる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、封止部材の搭載面側に透明部材が被着されていることがより好ましい。これにより、上記の多孔質な無機材料をその搭載面側で封止することができる。これによって、例えば、発光素子を覆うように塗布された未硬化の透明樹脂層が多孔質な無機材料に浸透することを抑制できる。そして、多孔質な無機材料の気孔内に浸透した透明樹脂層によって、多孔質な無機材料と気孔との屈折率差が小さくなってしまい、透明樹脂層と多孔質な無機材料との界面で光が効率よく上方に反射されにくくなるのに対し、発光素子から発せられ、封止部材によって反射されて発光装置の外部に放射される光が減少してしまうことがなく発光装置の光出力および発光効率は向上する。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、透明部材と多孔質な無機材料との間に空隙が設けられていることがより好ましい。これにより、発光素子から下方に放射された光は透明部材に入射し、一部の光は空隙との界面でスネルの法則によって上方に全反射される。さらに、空隙に入射した光は、無機材料表面の反射率に応じて上方に反射されて発光装置の外部に放射される。このように、透明部材と多孔質の無機材料との間に空隙が設けられていることにより、発光素子から下方に放射される光に対する反射率が向上し、発光装置の光出力および発光効率は向上する。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、無機材料は、酸化チタン,酸化ジルコニウム,酸化アルミニウム,酸化亜鉛,酸化カルシウム,酸化マグネシウム,硫酸バリウムから選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことにより、反射すべき光に対する吸収が少なく、また屈折率が大きいので大きな全反射角を確保できる。したがって、高反射率の封止部材とすることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、前記無機材料は、酸化アルミニウム,酸化珪素,酸化カルシウム,酸化マグネシウムの混合物を主成分とすることから、多孔質な無機材料を仮焼成させた仮焼体を容易に形成することができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、環状金属体は、その上面外周部に全周にわたって突出部が設けられていることにより、発光装置からの放射光を一定の方向に揃えて放射させやすくすることができる。また、発光素子搭載用基体の上面に透光性樹脂層等を設けるときに、突出部によって樹脂層を保持することができるので、発光装置の製造が容易になる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、突出部は、その内側面が下端から上端に向かうに伴って外側に広がる傾斜面とされていることから、傾斜面を光の反射面として機能させることにより、集光性を高め、発光装置の輝度を向上させることができる。
また、本発明の発光素子搭載用基体は、上記構成において好ましくは、環状金属体は、その外周面の下端から上方に向けて螺条が形成されていることにより、本発明の発光素子搭載用基体を電球のようにソケットに螺着させて用いることができ、半田付けで発生するような熱的または機械的衝撃による剥離およびこれに伴う導通不良が改善される。
また、本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子搭載用基体と、発光素子搭載部に搭載されるとともに支持金属体および環状金属体に電気的に接続された発光素子と、この発光素子を覆うように設けられた透明樹脂層とを具備していることから、発光素子の温度上昇を低くできるとともに、輝度の高い、発光装置を得ることが可能となる。
また、本発明の発光装置を光源として用いるとともに支持金属体および支持金属体に搭載された発光素子を所定の配置に設置し、発光装置の周囲に所要の形状に光学設計した反射具や光学レンズ、光拡散板等を設置することにより、所望の配光分布の光を放射する発光装置とすることができる。
また、本発明の発光装置は、上記構成において好ましくは、透明樹脂層を覆うように配置されるとともに、蛍光体を含有して成る透光性樹脂層が設けられていることから、発光素子の発する光を透光性樹脂層の蛍光体によって所望の波長の光に変換し、この変換光を発光装置から放射させることにより、または、この変換光と発光素子の発する光とを混合して発光装置から放射させることにより、所望の発光色を有する発光装置を得ることができる。
また、本発明の発光装置は、上記構成において好ましくは、透光性樹脂層は、その表面が上方に向けて凸の曲面であることから、発光装置から放射状に放射される光の配光分布を良好なものとできる。
また、本発明の発光装置は、上記構成において好ましくは、透光性樹脂層は、その中央部が外周部よりも厚いことから、発光素子近辺の発光素子の発する光が強く照射される透光性樹脂層の中央部において、厚い透光性樹脂層に含まれる多くの蛍光体によって光を蛍光に変換することができる。その結果、発光装置の発光色が均質なものとなる。
本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図1は本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の一例を示す断面図である。同図において、1は環状金属体、2は環状金属体1の内側に上下方向に設置され、上端面が発光素子6の搭載部とされた支持金属体、3は支持金属体2および環状金属体1の間に配置された封止部材、3aは封止部材3に混合される透明樹脂、3bは透明樹脂3aに混合されるとともに透明樹脂3aの屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体であり、主としてこれらで本発明の発光素搭載用基体Aが構成される。
環状金属体1は、AlやAl合金,Cu,Cu合金,マグネシウム(Mg),ステンレス鋼(SUS),Fe等の金属から成る。環状金属体1は、円筒状,多角筒状等の金属部材の上下面間に貫通孔が設けられた筒状体である。また、環状金属体1の下側外周部に必要に応じて螺条C(図9参照)を設けることにより、本発明の発光素子搭載用基体Aを電球のようにソケットに螺着させて用いることができるものとなる。この目的から、環状金属体1の少なくとも下側外周は円筒状とすることが好ましい。
螺条Cによって螺着させることにより、半田付け等による接合方法に比して、接合部に衝撃が加わった場合に発光装置が外れてしまう、あるいは接合する際の雰囲気のバラツキによって半田の流れ性等が阻害され、これによる接続不良で歩留まりが低下するなどといった不具合が解消される。また、工具を用いる必要の無い交換容易な発光装置とすることができる。
環状金属体1は、発光素子6に電流を供給する導電路としても機能し、発光素子6の一方の電極と環状金属体1の上面とがボンディングワイヤ7等によって電気的に接続される。ボンディングワイヤ7による接続工程をより効率的に行なうために、環状金属体1の上面は、支持金属体2の上面より発光素子6の電極の高さ分上方に高い位置にするとよい。
また、環状金属体1の上面は、光が良好に反射される反射面とするのが好ましい。良好な反射面とするためには、環状金属体1の上面を研磨したり、金型を押し付ける等によって平滑化したり、あるいは、環状金属体1の上面に、例えば、メッキや蒸着等によりAl,Ag,金(Au),白金(Pt),チタン(Ti),クロム(Cr),Ni,Cu、またはこれらの合金等の高反射率の金属薄膜層を形成すればよい。
また、図3に示すように、環状金属体1の上面外周部に全周にわたって突出部1aを設けてもよい。これにより、発光装置Bからの放射光を一定の方向に揃えて放射させやすくすることができる。また、発光素子搭載用基体Aの上面に透光性樹脂層5等を設けるときに、突出部1aによって樹脂層を保持することができるので、発光装置Bの製造が容易になる。
さらに、突出部1aは、図4に示すように、その内側面が下端から上端に向かうに伴って外側に広がる傾斜面1bとするのがよい。傾斜面1bを光の反射面として機能させることにより、発光装置Bの輝度を向上させることができる。そして、発光素子6の一方の電極は、傾斜面1bの内側の肩部1b−Aにボンディングワイヤ7等を介して電気的に接続される。
なお、傾斜面1bの下端から内側方向に突出する肩部1b−Aは、環状金属体1の貫通孔の周囲の全周に形成されていても、あるいは、部分的に形成されていてもよく、部分的に形成されている場合は、封止部材3の面積をより大きくすることができ、封止部材3による光の反射面積を大きくすることができる。
そして、この環状金属体1の貫通孔の内側、例えば中央の上下方向に、Cu,Cu合金,Mg,AlやAl合金,SUS,Fe等の良好な熱伝導体から成る円柱状,角柱状等の支持金属体2を設置し、その周囲に封止部材3が注入される等して配置される。この支持金属体2の上下面は、封止部材3に覆われずに露出されており、上面には発光素子6が搭載される。
また、支持金属体2は、その外周面の太さを変化させたものとするとよい。例えば、図2に示すように、封止部材3に埋設される外周面に鍔状の突起2aが設けられ、突起2aは封止部材3に埋設されているのがよい。これにより、支持金属体2は封止部材3によってしっかり保持され、支持金属体2がその長さ方向にずれることがない。また支持金属体2がその中心線に垂直な方向にぶれにくくなる。また、支持金属体2と封止部材3とがしっかり保持されるので、支持金属体2と封止部材3との間が剥離しにくく、さらに支持金属体2の上下間沿面距離が長くなるので支持金属体2と封止部材3との間の封止が破れにくくなる。さらに、封止部材3を透過して封止部材3の下面から漏れる光を遮光する機能も果たせる。または、例えば、支持金属体2の中央部を細いものとしたり上半分と下半分とを太さの異なるものとしたりしてもよいし、円柱状部と角柱状部とを組み合わせたものとしてもよい。
同様に環状金属体1の内周面においてもその上下位置の平面視形状を変化させたものとするとよい。例えば、内周面に突出する突起(図示せず)を設けたり、内周面に沿って溝状の凹部を設けたり、または、円形状と多角形状とのように異なる断面を組み合わせた形状としてもよい。
さらに鍔部2aや支持金属体2の外周面、環状金属体1の貫通孔の内周面には、貫通孔の周方向と直交する溝を形成しておくと、本発明の発光装置Bをソケットに螺着させる際に、封止部材3と支持金属体2または環状金属体1の内周面とが螺着時の外力によって剥離しにくくなる。
また、支持金属体2により、発光素子6が発する熱を効率よく発光素子搭載用基体Aの下面から外部に放散させることができる。そして、発光素子6の温度上昇が抑制され、発光素子6の性能を長期間に亘って安定させることができる。
支持金属体2は、必要に応じて、貫通孔の内側に複数本配置してもよい。そして、それぞれの支持金属体2の上面に発光素子6を搭載したり、2本をペアにして用いて、その一方の支持金属体2の上面に発光素子6を搭載し、もう一方の支持金属体2をこの発光素子6に電流を供給する線路導体として用いたりしてもよい。また、支持金属体2の上面は、発光素子6の下面形状と同じか少し小さい形状に加工することによって、発光素子6の側面から下方向に放射される光を支持金属体2の上面が遮らないようにしたり、支持金属体2の下端側が上面側よりも太い形状に加工することによって、支持金属体2の伝熱性が良好になるようにしたりしてもよい。
また、支持金属体2の下端は、それぞれの支持金属体2同士を電気的に接続するような金属板に接続し、発光素子6が並列に接続されるようにしてもよい。
封止部材3は、例えば高耐熱のシリコーン樹脂から成る透明樹脂3aに、平均粒径が0.5μm乃至3μmの、酸化チタン(チタニア:TiO),酸化亜鉛(ZnO),硫酸バリウム(BaSO),酸化ジルコニウム(ZrO),ダイアモンド,酸化アルミニウム(Al),酸化カルシウム(CaO),酸化マグネシウム(MgO)から選ばれた無機物質を主成分とする結晶体状または多結晶体状粒状体3bを1種またはこれら粒状体3bの混合物を分散させたものである。封止部材3の表面は、反射に寄与する粒状体3bが封止部材3の表面近くに存在することで平坦面でなくなり、粒状体3bが存在しない表面に比して封止部材3の表面積が実質的に格段に大きくなる。これによって、封止部材3の表面の反射光は乱反射されて、発光装置Bの色むらの発生を小さくできる。この場合、透明樹脂3aのみから成る表面メニスカス形状が、粒状体3bが表面に存在することによって凹凸面に変化されておればよく、必ずしも粒状体3bが透明樹脂3aから露出している必要はない。
また、封止部材3は、支持金属体2と環状金属体1とを絶縁する絶縁材としても機能する。
このような封止部材3は、粒状体3bと透明樹脂3aとをニーダーなどの混練手段によって混練し、得られた混合物を環状金属体1の貫通孔の内面と支持金属体2の外周面との間にシリンジなどの供給手段によって流し込み、その後、所定の加熱温度で加熱して固化させて形成される。もちろん、予め所定形状に成形したものを支持金属体2と環状金属体1との間に挿入して配置してもよい。粒状体3bの混合量は、封止部材3の反射率が最適となるようにその粒形等に応じて適宜決められる。
なお、粒状体3bの平均粒径は、遠心沈降光透過法(粒状体を懸濁化して放置させた懸濁液中における粒状体の濃度分布の変化を光の透過量の経時変化として検出し、ストークスの式によって粒度分布を測定する方法)や、レーザー回折散乱法(粒状体にレーザー光を当てたときに散乱される光の強度と散乱角度からMieの理論によって粒度分布を測定する方法)や、レーザードップラー(微粒子のブラウン運動の速度を検出し、粒度分布によって粒度分布を測定する方法)によって測定された粒状体の粒度分布から、粒状体の累積率が50%となる粒状体の粒径を平均粒径とすることによって決められる。
粒状体3bの屈折率は、その周囲の透明樹脂3aの屈折率よりもはるかに大きいために、粒状体3bに入射した光は、その入射面と反対側の粒状体3bの表面でスネルの法則によって粒状体3b内側へ高効率に全反射される。全反射された光は、発光素子搭載用基体Aの上面側へ出射されて、発光装置Bの輝度を大きくすることに寄与する。つまり、粒状体3b内に入射して吸収されてしまったり、粒状体3bを透過して発光素子搭載用基体Aの下面方向へ進行してしまったりする光が少なくなり、発光素子6から出射される光が効率よく利用されて、発光装置Bの放射光となる。
このような理由により、粒状体3bは、TiO(屈折率n=2.8),ZnO(n=2.0)、ZrO(n=2.1)、ダイヤモンド(n=2.4)等の屈折率が透明樹脂3aの屈折率(例えば、シリコーン樹脂の屈折率n=1.4)より大きい屈折率を有する材料から成るのが、大きな全反射角を確保することができる点で好適である。酸化チタンは、屈折率が大きい点で最適である。また屈折率がやや大きな材料としては上記のAl(n=1.7),BaSO(n=1.6)などがあり、これらの材料を用いることもできる。その他にも、粉末が光を反射し易い色調の白色や,白色に近い色調を有している粒状体3bでもよい。
ここで、全反射角とは、粒状体3b側から透明樹脂3aとの界面に入射する光が、透明樹脂3aに進行しなくなったときの界面に垂直な線と入射光とのなす角度(臨界角)より大きい角度またはその角度の範囲を意味する。臨界角は透明樹脂3aと粒状体3bとの屈折率差で決まり、透明樹脂3aと粒状体3bとの屈折率差が大きいほど入射する光を全反射できる臨界角が小さくなる。よって、上記にて透明樹脂3aと粒状体3bとの界面で光が全反射されやすくするためには、粒状体3bの屈折率が大きく、透明樹脂3aの屈折率が小さいほど反射率の高い封止部材3を得ることができる。
また、入射した光が全反射する確率を上げるためには、粒状体3bは球形状よりも板形状や柱形状などの不定形である方がよい。さらに、粒状体3bは、粒径が入射する光の波長の1/4より大きく、かつできるだけ小さい方が反射率の良い封止部材3を得ることができる。粒状体3bの大きさが光の波長の1/4より小さい場合、粒径が小さくなりすぎて、透明樹脂3aと粒状体3bとの混合物内部での光の乱反射の回数が多くなり過ぎるので、透明樹脂3aと粒状体3bとの混合物において光が反射しにくくなるためである。また、粒状体3bの大きさが大きすぎると、透明樹脂3aに含まれる粒状体3bの個数が少なくなるので、封止部材3の体積あたりの粒状体3bの量が少なくなり、その結果、粒状体3bと透明樹脂3aとの間に生じる反射面の量が少なくなる。従って、粒状体3bの大きさは、光の波長の1/4より大きく、かつできるだけ小さい方がよい。
また、粉末状のTiOは白色であるとともに、屈折率も大きいので、発光素子6が発する光が良好に反射され、発光装置Bの輝度を高くするのに好適である。さらに粉末状のZnOは光の吸収スペクトルが420〜720nmの範囲であるために青色発光素子6が発する光(380〜400nm)が良好に反射され、発光装置Bの輝度を高くするのに好適である。また、BaSOも同様に青色発光素子6が発する光(380〜400nm)を良好に反射し、発光装置Bの輝度を高くするのに好適である。その他、ZrO,ダイアモンド,Al,CaO,MgOについても、同様である。
また、無機材料は、光吸収(透過率)の観点からは反射すべき光の波長に応じて選択することができる。例えばTiOは屈折率の観点からは好ましいが、光の波長350nm前後の近紫外領域で光を吸収する特性を有する。また、ZrOは400nm以下の短波長帯で顕著な光吸収特性を有する。そのため、封止部材3を波長が350nm前後の近紫外光を反射するように構成するためには、近紫外光を吸収しにくいAl(酸化アルミニウム)を使用するのが好ましい。
粒状体3bの屈折率は、屈折率ベッケ線法によって求められる。屈折率ベッケ線法は、プレパラート上に粒状体3bをセットし、分散液を滴下した後、顕微鏡により粒状体3bの縁の内側と外側に生じるベッケ線を目視により観察する。この時、鏡筒を上下させ、ベッケ線が確認できるまで、分散液の屈折率を調節し、分散液の屈折率から粒状体3bの屈折率を求める方法である。
また、透明樹脂3aの屈折率は、プラスチックの屈折率測定方法(JISK7142)によって計測される。また、上述のベッケ線法、または、浸液の屈折率を変えて物質の屈折率を測定する浸液検査法によってもよい。
封止部材3に混合される透明樹脂3aとしては、シリコーン樹脂,エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。透明樹脂3aには、通常透明な樹脂を用いるのであるが、上記目的を達成するできるものであれば必ずしも透明でなくてもよい。例えば、光吸収性が少ないが光散乱性を有するために透明でない樹脂や光散乱性の物質が混合された樹脂を用いてもよい。
封止部材3に混合される透明樹脂3aがシリコーン樹脂である場合は、例えば、シリコーン樹脂が未硬化の封止部材3を支持金属体2および筒状部材1の間に注入し、150℃で40分間程度加熱処理することによってシリコーン樹脂を硬化させる。その結果、封止部材3は、支持金属体2を円環状金属体1の内側において強固に保持する。なお、支持金属体2の上面および環状金属体1の上面には封止部材3が被着されないようにする。好ましくは、封止部材3の表面は、図1に示されるように、凹面になっていると、反射面積が増大できるとともに、反射光を分散させないようにすることができるので、反射光の輝度を大きくすることができる。
発光素子搭載用基体Aの支持金属体2の上面に発光素子6を接合するに際しては、金錫(Au−Sn)ロウ材(ロウ付け温度が280℃程度)等が用いられるが、ロウ付け時間が短いために、シリコーン樹脂等が変質することはなく、初期の密着輝度を維持することに問題はない。
なお、透明樹脂3aがエポキシ樹脂である場合においては、加熱処理温度は例えば100℃であって、耐熱温度が最大でも230℃程度なので、発光素子6を支持金属体2上面に接合する接合材としては、溶融温度が200〜210℃程度の低温半田を用いると良い。
また、本発明の発光素子搭載用基体の封止部材3は、図6に示すように少なくとも発光素子搭載部の周囲に配される搭載面側が多孔質な無機材料3Bから成る筒状のものであってもよい。より具体的には、封止部材3は、複数の無機粒子3Bを互いに一部分で一体化させることで多数の間隙3A(以下、気孔3Aともいう)を有する多孔質に形成されている。間隙3Aは、気体(例えば空気)または無機材料3Bより屈折率の小さい透明部材により満たされている。好ましくは、間隙3Aは気体(空気)に満たされている。また、好ましくは、無機材料3Bは非金属の無機材料3Bであるのがよい。金属であれば無機材料3B中を光が透過しにくいので、光が間隙の中に閉じ込められて損失が大きくなりやすい。
このような多孔質な無機材料3Bから成る封止部材3は、例えば、無機材料3Bを仮焼成した仮焼体によって実現される。なお、仮焼成とは、無機粒子の間に間隙がほとんど存在しない状態(気孔率が0.001〜1%程度)の焼結体(セラミック)とは異なり、適度な気孔率を有する多孔質体を形成するための不完全な焼成を意味している。
または、封止部材3は、粒子状の無機材料3Bが接着剤により相互に結合された多孔質体として形成することもできる。このような多孔質体は、粒子状の無機材料3B、接着剤および溶剤を含む材料を、所定形状に成形の後に、溶剤を揮発させることにより形成することもできる。この場合に使用する接着剤は、多孔質体に残存するため、接着剤における光吸収に起因した反射率の低下を抑制するために、接着剤としては透光性を有するものを使用するのが好ましい。このような接着剤としては、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ユリア樹脂、メタクリル樹脂およびポリカーボネート樹脂などの樹脂系接着剤、あるいは低融点ガラス、ゾル−ゲルガラスおよびシリコン(Si)−Mg−Al−O系などのガラス系接着剤を使用することができる。また、多孔質でない部材の表面の搭載面側に粒子状の無機材料3B、接着剤および溶剤を含む材料を塗布することによって封止部材3としてもよい。
このような無機材料3Bとしては、具体的には、例えば平均粒径が0.5乃至3μmのTiO,ZrO,Al,ZnO,CaO,MgO,BaSOを主成分とする粉体から選ばれた1種またはこれら粉体の混合物からなるものがよい。
すなわち、例えば、白色の光を発する照明装置に用いる発光装置および発光素子搭載用基体とする場合、無機材料3Bは白色、すなわち所要領域の光に対して吸収性が少ないものが好ましく、例えば可視光領域の光に対し光吸収率が5%以下であるものがよい。また、紫外光や近紫外光、青色光を光源としてその光の全部、あるいは一部を蛍光体等で波長変換して白色の光を発する照明装置に用いる場合、無機材料3Bは白色のものが好ましく、光源から発せられる紫外光や近紫外光、青色光に対しても、蛍光体等で波長変換された光に対しても光吸収率が5%以下であるのがよい。
光吸収率は、分光測色計(ミノルタ製:CM−3700d、基準光源:D65、波長範囲:360〜740nm、視野:10℃、マスク:MAV)を用いて測定した反射率の補数として求めることができる。すなわち、100%から上記の無機材料の全反射率(%)を減算することによって求めることができる。
また、多孔質な無機材料3Bから成る封止部材3を備えた本発明の発光素子搭載用基体Aでは、光の一部が無機材料3Bの表面で反射され、残りの無機材料3Bを透過して無機材料3Bと間隙3Aとの界面に入射する光が臨界角より大きい場合、入射した光は界面で全反射される。無機材料3Bと間隙3Aとの界面が臨界角より小さい場合、入射した光は間隙3Aを透過して一部はその先の無機材料3Bの表面で反射され、残りは無機材料3Bを透過するが、この透過した光の光路の先にさらに無機材料3Bと間隙3Aとの界面が存在し、かつその界面が光入射角度に対し臨界角より大きい角度で存在すると、この入射した光はこの界面で全反射される。封止部材3内部においては、この様な現象、すなわち上述の透明樹脂3aおよび粒状体3bの混合物の場合と同様の現象が生じることによって、反射現象が生じているものと考えられ、これによって高反射率な封止部材3が得られる。
また、無機材料3Bと間隙3Aとの界面における全反射現象を利用する封止部材3を作製する場合、無機材料3Bに対して光の透過が繰り返されることになるため、無機材料3Bは光に対しできるだけ透明な材料で構成されている必要がある。例えば、TiOは屈折率が高いために入射した光を全反射する角度領域が大きくなり、封止部材3に使用すると高い反射率を得やすいが、光の波長410〜350nm前後の近紫外領域で光を吸収する特性を有するため、光の波長410〜350nm前後の近紫外領域を反射する封止部材3として用いた場合は、光反射効率の向上効果は小さい。一方、Alは光の波長350nm前後の光を吸収し難いため、光の波長350nm前後の近紫外領域を反射する封止部材3として適している。なお、無機材料3Bの特性については、上記粒状体3bの場合と共通するものが多いため、重複説明を避ける。
封止部材3を仮焼体によって作成する場合、無機材料3Bは、高屈折率でありかつ高透過性であるが粘性を有しないため、それぞれの無機材料3Bを繋いでおくために無機材料3B粒子を仮焼体として形成するのがよい。仮焼体は、以下のようにして作製される。
先ず、樹脂等の母材に適度な粒径および形状に整えられた粒子状の無機材料3Bを混入する。例えば、無機材料3Bにアクリル樹脂やパラフィン樹脂、ポリエチレン樹脂を加えたものを金型に入れ、圧力を加えて成形する工程により、仮焼体となる形状を作製する。
その後、仮焼体中の樹脂は、温度をかけて蒸散させるか、燃焼させることにより、除去する。一般的にアクリル樹脂やパラフィン樹脂、ポリエチレン樹脂などは500℃前後で蒸散する。
次に、無機材料3B同士を一部固溶させて、複数の粒子状の無機材料3Bを互いに一部分で一体化させるために、無機材料3Bを完全に焼結しない温度で短時間焼成する。なお、焼結温度を低温、かつ短時間にするには無機材料3Bの成分と固溶、もしくは化合することで焼結温度を下げる酸化珪素(SiOまたはSiO),CaO、MgOなどの焼結助剤を添加すればよい。例えば、無機材料3BにAlを使用する場合、焼結助剤としての二酸化珪素(SiO),CaO,MgOを0.1〜10質量%程度添加すればよい。
一般的なセラミックスは、無機材料3Bを間に間隙3Aがほとんど存在しない状態にまで完全に焼成し、一体化したものをいうが、本発明ではこのように完全に焼成するのではなく、図6,図7,図8,図9に示すように、無機材料3B同士が括れまたはネック状の固溶部3Cで結合し、隣接しあう無機材料3B同士の間に間隙3Aができた多孔質状態で焼成を終了しており、このような不完全な焼成を仮焼成という。なお、図6,図7,図8,図9において、判りやすくするために、封止部材3中の無機材料3B部分の一部分にのみクロスハッチングを付した。
無機材料3Bが酸化アルミニウムである場合、無機材料3B同士を一部固溶させるには1000〜1400℃程度で焼成すればよい。1000℃未満で焼成した場合は、無機材料3B同士の固溶が進行し難いため、非常にもろい仮焼体となりやすく、JIS R 1601で規格化されたファインセラミックスの曲げ強さ試験方法によって計測した抗折強度(曲げ強さ)は1MPa未満となり、仮焼体の表面を擦ると粒子が剥落しやすくなる。そのため、光反射率は高いものの、仮焼体として発光装置に使用することは別途工夫が必要となる。
また1400℃以上で焼成した場合、無機材料3B同士の焼結が進み、間隙3Aがほとんど存在しない状態に近づく結果、光反射に寄与する界面の量が少なくなり、仮焼体の反射率が低下しやすくなる。なお、この場合の抗折強度は300MPaであり、強度はあるものの仮焼体に透明性を帯びるようになって、反射効率が低下しやすくなる。
よって、1000℃〜1400℃で焼成した場合、無機材料3B同士は程よく固溶しかつ間隙3Aも存在する状態になるので、照明装置に使用する際に十分な強度を持ち、かつ反射率も高い仮焼体を得ることができる。この場合の抗折強度は1MPa〜300MPaであり、仮焼体8の表面を擦っても粒子が剥落することなく、表面は白色であり、また間隙3Aとの屈折率差が大きいために無機材料3Bとの界面での全反射角を広くすることができ、より多くの光が反射され、透過し難くなる。
なお、無機材料3BがCaOやMgOである場合は、その一部が焼結助剤として消費されるが、残分が光反射用の多孔質な無機材料3Bとして機能するために光反射作用には影響は無い。
また、仮焼体の反射率を支配する要因の一つは反射界面の数であるから、できるだけ多くの反射界面が単位体積あたりに存在する方が都合がよい。つまり単位体積あたりに多くの無機材料3Bおよび間隙3Aから成る界面を存在させる方が反射率の良い仮焼体を得ることができる。
これらの封止部材3は、内部に進入した透過光を、高確率で反射・出射させるために、気孔率が15〜43%となるように形成するのが好ましい。これは、気孔率が不当に小さい場合には、間隙3A(または気孔3A)が少なくなるために、光反射に寄与する反射界面の数が少なくなり(内表面積が小さくなり)、反射率が低下するからであり、気孔率を不当に大きくした場合には、封止部材3の強度が低下するからである。
また、図14(a)および図14(b)から分かるように、アルミナ粒子を使用した反射部材は、測定波長に拘わらず、気孔率が10〜45%の範囲において高い反射率を示している。とくに、気孔率が15〜43%の範囲では、比較例として用いたラブスフェア社製の標準反射板(商品名「スペクトラロン」)よりも高い反射率を示している。したがって、アルミナを用いて反射部材を形成する場合には、気孔率を15〜43%の範囲に設定するのが好ましいといえる
なお、反射率は、分光測色計(ミノルタ製CM−3700D)により測定した。得られたサンプルにキセノンランプの光を入射してサンプル表面で反射させ、その反射光の強度を測定波長400nmまたは600nmについて測定し入射光と反射光の強度比を取り反射率としている。
ここで、気孔率は、下記数式1により定義されるものである。
Figure 2007201392
数式1における嵩密度はアルキメデス法により、真密度は気相置換法(ピクノメータ法)により測定することができる。また、多孔質部分が薄い場合、反射層の断面を顕微鏡により観察し、その断面における気孔3Aの面積率(気孔の面積の総和を総面積で割ることにより求められる)を求め、この気孔3Aの面積率を3/2乗することにより気孔率を求めることができる。
そして、封止部材3は、多孔質な無機材料3Bから成るため、長時間光に晒されても反射率がほとんど劣化することがなく、例えばLED素子6を光源として用いた照明装置において、長期間にわたって安定して機能する光反射部材として使用することができる。また、無機材料3BをAlにすることで、波長350nm前後の近紫外領域まで反射率の高い仮焼体を得ることができるので、とくに近紫外発光LED素子6を用いたLED発光装置に使用すると、高効率なLED照明装置を得ることができる。
また、仮焼体の表面は、反射に寄与する無機材料3Bが封止部材3の発光素子搭載面側の表面近くに存在することで、発光素子6の発する光が効率よく仮焼体の表面で乱反射され、発光装置Bの色むらの発生を小さくできる。
このように環状金属体1および支持金属体2の間に配置可能な形状に形成された仮焼体等の多孔質な無機材料3Bから成る封止部材3は、例えば図6に示すように、環状金属体1と支持金属体2との間に挿入され、樹脂接着剤8で固定される。また、多孔質な無機材料3Bの発光素子搭載面側と反対の面は、同じ樹脂接着剤8または異なる封止樹脂で覆っておくと、封止部材3の封止性を高めることができる。なお、樹脂接着剤8には、多孔質な無機材料3Bと、環状金属体1および支持金属体2とに良好な接着性を有するエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂等の適当な有機樹脂が用いられる
また、多孔質な無機材料3Bは、図10に示す断面図のように、封止部材3の搭載面側に透明部材8Aが被着されていることがより好ましい。これにより、上記の多孔質な無機材料3Bをその搭載面側で封止することができる。これによって、例えば、発光素子6を覆うように塗布された未硬化の透明樹脂層4が、多孔質な無機材料3Bに浸透することを抑制できる。その結果、多孔質な無機材料3Bの間隙3A内に浸透した透明樹脂層4によって、多孔質な無機材料3Bと間隙3Aとの屈折率差が小さくなってしまい、透明樹脂層4と多孔質な無機材料3Bとの界面で光が効率よく上方に反射されにくくなるのに対し、発光素子6から発せられ、封止部材3によって反射されて発光装置の外部に放射される光が減少してしまうことがない。したがって、封止部材3の搭載面側に透明部材8Aが被着されていることにより、封止部材3によって反射される光が増加し、発光装置の光出力および発光効率は向上する。
また、透明部材8Aと多孔質な無機材料3Bとの間には、図11に示す断面図のように空隙9が設けられていることがより好ましい。これにより、発光素子6から下方に放射された光は透明部材8Aを透過し、一部の光は空隙9との界面でスネルの法則によって上方に全反射される。
例えば、透明部材8Aとして屈折率が1.46程度の石英ガラスを用い、空隙9として屈折率が1程度の空気を用いる場合、透明部材8Aと空隙9との界面における臨界角θは、約43°(θ=sin−1(1/1.46))となる。この臨界角より大きな角度で透明部材8Aと空隙9との界面に入射する光は界面で全反射され発光装置の放射光として外部に放射される。このように、本発明の発光素子搭載用基体においては、透明部材8Aと無機材料3Bとの間に空隙9が設けられることにより、発光素子6から下方に放射される光に対する反射率が向上し、発光装置の光出力および発光効率は向上する。
なお、図11に示す発光装置においては、多孔質の無機材料3Bから成る場合を例に説明したが、図1乃至図5に示す透明樹脂3aに粒状体3bを含有した封止部材3の搭載面側に本透明部材8Aを配置してもよく、上記と同様の効果を発揮させることができる。
また、透明部材8Aは、発光素子6からの光に対して透過率が高く、空隙9との屈折率差が大きくなる材料を適宜選択することが好ましい。例えば、紫外領域から青色領域の範囲内の光を含む、短波長でエネルギーの高い光が発光素子6から放射される場合、このような光に対して透過率が高く、耐候性や長期信頼性に優れた石英ガラス,硼酸と珪酸とを含む光学ガラス等の透明ガラスや、水晶,サファイアあるいは螢石等から成る透明無機材料や、シリコーン樹脂,エポキシ樹脂,フッ素系樹脂等の透明ポリマーを用いてもよい。
または、青色領域から赤色領域の範囲内の光を含む、長波長でエネルギーの低い光が発光素子6から放射される場合、この様な光に対して透過率が高く、耐候性や長期信頼性に優れたシリコーン樹脂,エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,アクリル樹脂,フッ素系樹脂等の透明ポリマーや、石英ガラス,硼酸と珪酸とを含む光学ガラス等の透明ガラスや、水晶,サファイアあるいは螢石等から成る透明無機材料を用いてもよい。
また、透明部材8Aは、屈折率が透明樹脂層4より小さいことがより好ましい。これによって、発光素子6から放射された一部の光は、透明樹脂層4と透明部材8Aとの界面でスネルの法則によって上方に全反射される。さらに、透明部材8Aを透過した発光素子6からの一部の光は、図10に示す透明部材8Aと多孔質な無機材料3Bとの界面や、図11に示す透明部材8Aと空隙9との界面および無機材料3Bとの界面または粒状体3bと透明樹脂3aとが混合された封止部材3との界面で上方に反射される。その結果、それぞれの界面で上方に反射された光は、効率よく発光装置の上方外部に放射され、発光装置の光出力および発光効率が向上する。
透明部材8Aは、支持金属体2が挿入固定される貫通孔が中央部に形成されるように、トランスファーモールド成型やインジェクション成型等の金型成型によって樹脂を成形したり、板状に成形した透明部材8Aを切削加工または打抜加工することによって形成されたりする。そして、透明部材8Aは、支持金属体2または環状金属体1に接着固定され、多孔質な無機材料3Bまたは粒状体3bと透明樹脂3aとが混合された封止部材3の上方に設けられる。透明部材8Aが透明な接着樹脂から成る場合は、樹脂接着剤8と共用してもよい。
また、空隙9は、不活性ガスから構成されることが好ましく、例えばアルゴンや窒素やヘリウム等から成る不活性ガスを封入することにより、金属材料から成る環状金属体1,支持金属体2の酸化反応が抑制されるとともに反射率の低下が抑制され、発光装置を長期間にわたって効率よく作動させることができる。
なお、封止部材3は、仮焼体が金属やセラミック、樹脂などから成る部材の表面に接着等によって層状に形成されていてもよい。
さらに、仮焼体を封止部材3として用いる発光素子搭載用基体Aにおいても図7、図8に示すように環状金属体1の上面外周部に突出部1a、あるいはその内側面が下端から上方に向かうに伴って外側に広がる傾斜面1bが形成された突出部1aであっても良く、封止部材3として透明樹脂3aおよび粒状体3bを用いた場合と同様の効果を有することは勿論である。
次に本発明の発光装置Bについて説明する。図5は封止部材3として透明樹脂3aおよび粒状体3bから構成された本発明の発光装置Bの断面図を示し、図9は封止部材3として多孔質な無機材料3Bから構成された本発明の発光装置Bの断面図を示す。これらの図において、6は支持金属体2の上面に搭載される発光素子、4は発光素子6を覆うように設けられた透明樹脂層、5は蛍光体5aを含有し、透明樹脂層4を覆うように設けられた透光性樹脂層である。その他の図1〜図5と共通する部分には同じ符合を付している。なお、7は発光素子6の電極と環状金属体1とを電気的に接続するボンディングワイヤを示す。
発光素子6は、例えばガリウムナイトライド(Ga−N)やインジウムガリウムナイトライド(In−Ga−N)等から成るLED等の所謂縦型構造を有する半導体発光素子であり、素子の上下面に電極が形成されている。発光素子6がこの構造を有していることにより、片側(下側)の電極を支持金属体2に接合することによって支持金属体2と電気的に接続させることができ、発光素子6に電流を供給することができることに加えて、発光素子6が発する熱を支持金属体2を介して外部に効率よく放散させることが可能になる。
発光素子6を支持金属体2の上端面に接合する方法としては、Au−SnやSn−Ag,Sn−Ag−Cu,Sn−鉛(Pb)等のロウ材や半田を介して接合するのが一般的であるが、これ以外にも半田やAgエポキシ樹脂(Ag粒子を含有させて導電性とされたエポキシ樹脂)などによってもよい。発光素子6のもう一方の電極は、周知のワイヤボンディング法により円筒状等の環状金属体1に電気的に接合される。従来のLED搭載用基体では、発光素子6の表面(上面)側に2つの電極が形成され、この電極を2本のワイヤボンディングによってLED搭載用基体上の所定の電極に接続されていたが、本発明の発光素子搭載用基体では1本のボンディングワイヤ7で接続すればよいので、ボンディングワイヤ7によって発光素子から出力された光が遮られることが無く発光装置Bの発光輝度を大きくすることができる。
また、支持金属体2の上面に搭載される発光素子6の下側電極(正電極)は支持金属体2にロウ材または導電性の樹脂接着材によって直接接続されているためにボンディングワイヤ7を用いる必要が無く、よって生産性に寄与するところ大である。
なお、発光素子6の実装方法はこれに限らず、例えば、支持金属体2と環状金属体1との間に封止部材3をまたがるように発光素子6を配置し、その電極を下側にしてフリップチップ実装してもよい。
そして、発光素子6の下面側端子を支持金属体2の上端面に導電性接合材などで電気的に接続して発光素子6を支持金属体2の上端面に搭載した後、発光素子6を覆うように透明樹脂層4を設けることにより本発明の照明装置となる。なお、発光素子6から発せられる光を所望の色に変換するために、発光素子6の光を波長変換することが可能な蛍光体5aなどを含有させた透光性樹脂層5を発光素子6を覆うように設けてもよい。
透光性樹脂層5は、シリコーン樹脂,エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,アクリル樹脂,フッ素系樹脂等の透明ポリマーや、石英ガラス,硼酸と珪酸とを含む光学ガラス等の透明ガラス等の透明部材に蛍光体5aを含有させたものであり、例えば、図5,図9,図10,図11に示すように、透明樹脂層4の表面に中央部が厚くなるように塗布した後に透明部材を硬化させることによって透明樹脂層4を覆うように形成される。
蛍光体5aには、様々な蛍光体材料を用いることができるが、例えば、赤色光への変換にはLaS:Eu(EuドープLaS)やLiEuW、緑色光への変換にはZnS:Cu,AlやSrAl:Eu、青色光への変換には(BaMgAl)1012:EuやBaMgAl1017:Eu等の粒子状のものを用いることができる。さらに、このような蛍光体5aは1種類に限らず、複数のものを任意の割合で配合することにより、所望の発光スペクトルと色を有する光を出力することができる。
発光素子6は、放射するエネルギーのピーク波長が紫外線域から赤外線域までのいずれのものでもよいが、白色光や種々の色の光を視感性よく放出させるという観点から300乃至500nmの近紫外系から青色系で発光する素子であるのがよい。例えば、サファイア基板上にGa−N,Al−Ga−N,In−GaN等から構成されるバッファ層,N型層,発光層,P型層を順次積層した窒化ガリウム系化合物半導体やシリコンカーバイト系化合物半導体が用いられる。
さらに、また、図3に示すように、環状金属体1の突出部1aの内側にワイヤボンディングを可能にする段差(肩部1b−A)があることで、発光素子6の上面の高さと環状金属体1aの肩部1b−Aとの高さの差を小さくすることが出来るので、ワイヤボンディング工程を容易かつ確実なものにすることができる。
なお、発光素子3から発生する光の紫外領域とは、可視光の短波長端360〜400nmを下限とし、上限は1nmくらいまでの波長範囲の電磁波とする(理化学事典第5版/岩波書店)。また、青色領域とは、可視光の短波長端360〜400nmを上限とし、下限は495nmくらいまでの波長範囲とする(JIS Z8701 XYZ表色系の色度座標)。
また、本発明の発光装置Bは、1個の発光素子6を光源として用いる場合以外に、発光素子搭載用基板Aの支持金属体2を複数本設けることによって、複数個の発光素子6を所定の配置となるように設置してもよく、これによって、発光装置Bを大光量の照明装置に用いることができる。例えば、発光装置Bの平面視において、発光素子6を縦横に格子状に配置したり、一列に配置された複数個の発光素子6の間に隣り合う列の発光素子6が配置された配置、いわゆる千鳥状配置にしたり、放射状配置,あるいは円状や多角形状等の配置となるように配置したりすることにより、大きな輝度が得られる照明装置とすることができる。
この場合の各発光素子6間の接続は、例えば、発光素子6を6個配置する場合には、図12の発光装置Bの平面図に示すように、6個の発光素子6の上面の各電極同士をボンディングワイヤ7で相互に接続し、最後の発光素子6の電極を環状金属体1に接続することで、極めて容易にこれらの発光素子6どうしを直列接続することができる。発光素子6を直列接続すると、それぞれの発光素子6に流れる電流値が同じになり、各発光素子6の発光強度が同じになるのでよい。また、各発光素子6の各電極をそれぞれ環状金属体1にボンディングワイヤ7を介して接続する並列接続にしてもよいことは言うまでもなく、これによって1個の発光素子6が故障しても、全ての発光素子6が作動しなくなることはない。
本発明の発光装置Bは、発光素子6を用いることによって従来の蛍光放電管を用いた照明装置よりも低消費電力かつ長寿命な発光装置Bとすることが可能であり、さらに、本発明の発光素子搭載用基体Aによって熱を外部に速やかに導出することが出来るために発光素子6の温度上昇の少ない、かつ小型の発光装置Bとすることができる。そして、発光素子6の温度上昇が少ない結果、発光素子6から発生する光の中心波長の変動を抑制することができ、長期間にわたり安定した放射光輝度で光を照射することができるとともに、照射面における色むらや照度分布の偏りが抑制された発光装置Bとすることができる。
このような発光装置Bとしては、例えば、室内や室外で用いられる、一般照明用器具、シャンデリア用照明器具、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装,展示用照明器具、街路灯用照明器具、誘導灯器具および信号装置、舞台およびスタジオ用の照明器具、広告灯、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、電柱等に埋め込む防犯用照明、非常用照明器具、懐中電灯、電光掲示板等や、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、動画装置、装飾品、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。例えば、発光装置Bの透光性樹脂層5の表面に保護用の透明樹脂を追加するとともに、中央部の厚みが厚い透明樹脂を被着させたり、透明樹脂をフレネルレンズ形状に成形し、光軸中央方向に集光される発光装置Bとしたり、各部を所定の厚みに変化させて、所要の分散光を得る発光装置Bとしてもよい。
本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光素子搭載用基体の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光素子搭載用気体の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す平面図である。 従来の発光装置の例を示す断面図である。 気孔率と反射率との測定結果を示すグラフであり、(a)は測定波長が400nm、(b)は測定波長が600nmのときの結果を示すものである。
符号の説明
1:環状金属体
1a:突出部
1b:傾斜面
1b−A:肩部
2:支持金属体
2a:突起
3:封止部材
3a:透明樹脂
3b:粒状体
3A:間隙(気孔)
3B:無機材料
4:透明樹脂層
5:透光性樹脂層
5a:蛍光体
6:発光素子
7:ボンディングワイヤ
A:発光素子搭載用基体
B:発光装置
C:螺条
8A:透明部材
9:空隙

Claims (23)

  1. 環状金属体と、該環状金属体の内側に設置され、上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体と、該支持金属体および前記環状金属体の間に配置された封止部材とを具備することを特徴とする発光素子搭載用基体。
  2. 前記封止部材は、透明樹脂と該透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体とを含むことを特徴とする請求項1記載の発光素子搭載用基体。
  3. 上端面が発光素子搭載部とされた支持金属体と、透明樹脂中に該透明樹脂の屈折率よりも大きな屈折率を有する粒状体が含有されて成るとともに、その表面が発光素子の発する光に照射されるように発光素子から離間させて前記支持金属体の外周に配置された封止部材とを具備することを特徴とする発光素子搭載用基体。
  4. 前記封止部材の表面に前記粒状体が存在することを特徴とする請求項2または請求項3記載の発光素子搭載用基体。
  5. 前記粒状体は、酸化チタンを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  6. 前記粒状体は、酸化亜鉛を主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  7. 前記粒状体は、酸化ジルコニウムを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  8. 前記粒状体は、硫酸バリウムまたは酸化アルミニウムを主成分とするとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  9. 前記粒状体は、酸化チタンを主成分とする粒状体,酸化亜鉛を主成分とする粒状体,硫酸バリウムを主成分とする粒状体,酸化ジルコニウムを主成分とする粒状体,ダイアモンド,酸化アルミニウムを主成分とする粒状体,酸化カルシウムを主成分とする粒状体,酸化マグネシウムを主成分とする粒状体から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むとともに、前記透明樹脂は、エポキシ樹脂,ポリカーボネート樹脂,シリコーン樹脂から選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  10. 前記支持金属体および前記環状金属体の少なくとも一方に、周方向に設置され、前記封止部材中に埋設された突起を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  11. 前記封止部材は、少なくとも前記発光素子搭載部の周囲に配される搭載面側が多孔質な無機材料から成ることを特徴とする請求項1記載の発光素子搭載用基体。
  12. 前記封止部材は、その気孔率が15〜43%であることを特徴とする請求項11記載の発光素子搭載用基体。
  13. 前記封止部材の前記搭載面側に透明部材が被着されていることを特徴とする請求項11または請求項12記載の発光素子搭載用基体。
  14. 前記透明部材と前記無機材料との間に空隙が設けられていることを特徴とする請求項13記載の発光素子搭載用基体。
  15. 前記無機材料は、酸化チタン,酸化ジルコニウム,酸化アルミニウム,酸化亜鉛,酸化カルシウム,酸化マグネシウム,硫酸バリウムから選ばれた1種またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項11乃至請求項14のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  16. 前記無機材料は、酸化アルミニウム,酸化珪素,酸化カルシウム,酸化マグネシウムの混合物を主成分とすることを特徴とする請求項11乃至請求項14のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  17. 前記環状金属体は、その上面外周部に全周にわたって突出部が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項16のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  18. 前記突出部は、その内側面が下端から上端に向かうに伴って外側に広がる傾斜面とされていることを特徴とする請求項17記載の発光素子搭載用基体。
  19. 前記環状金属体は、その外周面の下端から上方に向けて螺条が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項18のいずれかに記載の発光素子搭載用基体。
  20. 請求項1乃至請求項19のいずれかに記載の発光素子搭載用基体と、前記発光素子搭載部に搭載されるとともに前記支持金属体および前記環状金属体に電気的に接続された発光素子と、該発光素子を覆うように設けられた透明樹脂層とを具備していることを特徴とする発光装置。
  21. 前記透明樹脂層を覆うように配置されるとともに、蛍光体を含有して成る透光性樹脂層が設けられていることを特徴とする請求項20記載の発光装置。
  22. 前記透光性樹脂層は、その表面が上方に向けて凸の曲面であることを特徴とする請求項21記載の発光装置。
  23. 前記透光性樹脂層は、その中央部が外周部よりも厚いことを特徴とする請求項21または請求項22記載の発光装置。
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