JP2008251664A

JP2008251664A - 照明装置

Info

Publication number: JP2008251664A
Application number: JP2007088435A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Sanpei; 友広三瓶; Shinji Nogi; 新治野木; Yumiko Hayashida; 裕美子林田
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】本発明は、全体としての発光面積を大きくしつつボンディングワイヤが断線する虞を低減できる照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】請求項１記載の発明は、平面状の表面を有する装置基板２と；この装置基板の表面側において間隔を存し配設された複数の半導体発光素子１１と；前記半導体発光素子を電気的に接続するボンディングワイヤ１７と；蛍光体および樹脂を含み膜厚が０．３〜１．５ｍｍであるとともに前記蛍光体の充填率が０．０４〜０．６ｇ／ｃｍ^３を有してなり前記半導体発光素子の発光色と前記蛍光体の発光色により２８５０〜７０００Ｋの色温度となるように構成され、前記半導体発光素子および前記ボンディングワイヤを覆うように前記装置基板上に配設される蛍光体層１９と；を具備することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のＬＥＤ(発光ダイオード)チップなどの半導体発光素子を光源とした照明装置に関する。

従来、発光効率を向上させて光出力を増大させ、長寿命化を図ると共に、機械的強度を高めた光源装置は、特許文献１等に記載されている。この光源装置は、熱伝導性を有する基板と、基板の一方の面に接合された絶縁部材と、基板と対向する絶縁部材の部位に絶縁部材を貫通して設けられた貫通孔と、この貫通孔から露出する基板の部位に実装されたＬＥＤチップと、貫通孔における基板側の開口縁から内側に突出する張出部と、絶縁部材に設けられ絶縁部材によって基板と電気的に絶縁された配線パターンと、張出部に延設された配線パターンの部位とＬＥＤチップの電極との間を電気的に接続するボンディングワイヤと、貫通孔内に充填されＬＥＤチップ及びボンディングワイヤの全体を封止する透光性を有する封止樹脂とを備えている。
特開２００２−９４１２２号公報（段落００１６、図１等）

特許文献１の技術では、発光効率を向上させて光出力を増大させるために、基板上の絶縁部材に設けた複数の貫通孔内のそれぞれにＬＥＤチップを設けている。したがって、複数の貫通孔部分からの発光はあるが、貫通孔以外の絶縁部材からの発光はなく光源装置全体としての発光面積が小さい。このため、特許文献１の技術は、照明の明るさが必要とされる照明装置として実用上十分な光の取出しを得るには改善の余地がある。例えば、貫通孔を形成する絶縁部材を使用しない場合には、全体としての発光面積が増加すると考えられるが、特許文献１において使用される、貫通孔内に充填されＬＥＤチップ及びボンディングワイヤの全体を封止する透光性を有する封止樹脂に比較して封止樹脂が増加し、この樹脂の弾性等の特性によりボンディングワイヤに応力がかかることがあり、場合によってはボンディングワイヤが断線する虞もある。

本発明は、全体としての発光面積を大きくしつつボンディングワイヤが断線する虞を低減できる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の照明装置は、平面状の表面を有する装置基板と；この装置基板の表面側において間隔を存し配設された複数の半導体発光素子と；前記半導体発光素子を電気的に接続するボンディングワイヤと；蛍光体および樹脂を含み膜厚が０．３〜１．５ｍｍであるとともに前記蛍光体の充填率が０．０４〜０．６ｇ／ｃｍ^３を有してなり前記半導体発光素子の発光色と前記蛍光体の発光色により２８５０〜７０００Ｋの色温度となるように構成され、前記半導体発光素子および前記ボンディングワイヤを覆うように前記装置基板上に配設される蛍光体層と；を具備することを特徴とする。

蛍光体層の膜厚は０．３〜１．５ｍｍである。２８５０〜７０００Ｋの色温度を有するためには、所定の蛍光体を蛍光体層に混入させるが、膜厚が０．３mm未満では蛍光体層の体積に対する蛍光体の重量割合が大きくなり、蛍光体層の弾性力が低下して硬くなりクラックが生じ易くなる。このクラックが生じるときにボンディングワイヤに引張り力が発生し、場合によっては、このときボンディングワイヤの断線となることがある。このため、蛍光体層の体積に対する蛍光体の重量割合である充填率が０．６ｇ／ｃｍ^３が上限である。また膜厚が１．５ｍｍを超える場合には、２８５０〜７０００Ｋの色温度を有するための所定の蛍光体の充填率は低下するが、樹脂の断面積が大きくなることから、断面積に比例して膨張・収縮等の変形率も大きくなることからボンディングワイヤに引っ張り力が発生し、場合によっては、このときボンディングワイヤの断線となることがある。このため、蛍光体の充填率０．０４ｇ／ｃｍ^３が下限である。

請求項２記載の照明装置は、請求項１記載の照明装置において、前記蛍光体層の樹脂は線膨張係数が２．０×１０^−５〜７．０×１０^−４／Ｋ、硬度（ＪＩＳタイプＡ）が８０以下のシリコーン樹脂であることを特徴とする。線膨張係数及び硬度は前記蛍光体層の膜厚が０．３〜１．５ｍｍである場合に好適である。

半導体発光素子の発光色は、青色、赤色、緑色のいずれであってもよく、使用する各半導体発光素子の発光色は、半導体発光素子ごとに異なっていても、或いは全てが同じであってもよい。

装置基板には、各種の絶縁基板や金属基板を用いることができ、金属基板には、金属ベースに他の層を積層した複合基板が含まれる。装置基板の光反射面として機能する面には、この装置基板をなす板材自体の地肌面を利用することもできるが、反射性能を高めるために積極的に光反射層を設けることが好ましい。光反射層としては、装置基板をなす板材自体の表面の反射率よりも高い反射率を有する高反射材料、例えば白色の塗装からなる塗膜の層、又は金属層好ましくは銀の層等を挙げることができ、金属の光反射層の場合には、蒸着又はめっき等で設けることができる。

請求項１および２の発明によれば、全体としての発光面積を大きくしつつボンディングワイヤが断線する虞を低減できる。

図１及び図２を参照して本発明の一実施形態を説明する。符号１はＬＥＤパッケージを形成する照明装置を示している。この照明装置１は、平面状の表面を有する装置基板２と、装置基板２の表面側において間隔を存し配設された複数の半導体発光素子１１と、半導体発光素子１１を電気的に接続するボンディングワイヤ１７と、蛍光体層１９とを具備する。

装置基板２は、照明装置１に必要とされる発光面積を得るために所定形状例えば長方形状をなしている。装置基板２は、金属ベース３と、光反射層４と、コーテング層５とで形成されている。金属ベース３はＡｌ製である。光反射層４は、銀製であり、金属ベースの一面にその全面にわたり例えばメッキ処理により積層されている。光反射層４は金属ベース３より薄い。コーテング層５は透明樹脂であるアクリル樹脂からなる。コーテング層５は光反射層４の表面に被着されている。このコーテング層５の厚みは光反射層４より薄く数μｍである。装置基板の反射面として機能する面が絶縁性を有している場合、素子用接着剤及びパッド用接着剤には、半田等の導電性接着剤又はエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の絶縁性接着剤を使用すればよく、装置基板の反射面として機能する面が導電性を有している場合、素子用接着剤及びパッド用接着剤には、絶縁性接着剤を使用すればよい。パッド用接着剤に白色フィラーを混入する等によりこの接着剤を白色とすることは、パッドの周囲にはみ出したパッド用接着剤で、半導体発光素子から放射された光を反射させて、光の取出し効率を促進させ得る点で好ましい。

各半導体発光素子１１は例えば窒化物半導体を用いてなるＬＥＤチップである。半導体発光素子１１は、透光性を有する素子基板の一面に半導体発光層を積層して形成されている。図示の半導体発光素子１１は青色ＬＥＤでありその素子基板はサファイア基板からなる。半導体発光層１３は、バッファ層、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型クラッド層、ｐ型半導体層を素子基板に積層して形成されている。発光層は、バリア層とウエル層とを交互に積層した電子井戸構造をなしている。ｎ型半導体層にはｎ型電極が設けられ、ｐ型半導体層にはｐ型電極が設けられている。

半導体発光素子１１は、装置基板２の光反射層４及びコーテング層５が設けられて反射面として機能する面２ａに、間隔的に並べて透光性の素子用接着剤１４により接着されている。この場合、図１に示すように各半導体発光素子１１は装置基板２の長手方向に所定間隔ごとに点在して二列配列されるパターンで配置されている。素子用接着剤１４には例えば絶縁性を有する透明シリコーン樹脂系のダイボンド材を用いることができる。素子用接着剤１４は、装置基板２の反射面として機能する面２ａと半導体発光素子１１の素子基板１２との間に介在して、素子基板１２の周囲にはみだしている。この接着による装置基板２の反射面として機能する面２ａへの各半導体発光素子１１の実装は、図示しないチップマウンターを用いて行われる。

各パッド１５の表側部位は導電部をなしている。導電部は、パッド１５をなす導電性材料又は酸化物の表側部位に、金属例えばＡｕをメッキして形成されている。各パッド１５の厚みは、半導体発光素子１１の厚みの２倍以下でかつ１０μｍ以上に設定されている。各パッド１５は平面視四角形をなしその大きさは、半導体発光素子１１の素子面積の４倍以下でかつボンディングワイヤ１７の線径以上に設定されている。図示の例では、各パッド１５は、表側部位に金メッキを施した厚み１００μｍのアルミナ製であって、正方形をなし、縦横３００μｍの大きさに形成されている。

これらのパッド１５は、光反射層４及びコーテング層５が設けられた装置基板２の面２ａに、間隔的に並べてパッド用接着剤１６により接着され、各半導体発光素子１１と交互に配設されている。したがって、各パッド１５は各半導体発光素子１１とともに装置基板２の長手方向に所定間隔ごとに点在して二列配列されるパターンで配置されている。パッドは、それ全体が導電性材料で形成されていてもよく、或いは、アルミナで代表されるセラミックのような酸化物の表側部位に導電部を担う金属メッキを施して形成されていてもよい。しかも、全体が導電性材料で形成されたパッドであつても、その表側部位に導電部を担う金属メッキを施すことは妨げない。金属メッキの材料としては、例えばＡｕ又はＮｉを挙げることができる。

パッド用接着剤１６には例えば絶縁性を有するシリコーン樹脂系のダイボンド材を用いることができる。パッド用接着剤１６は、装置基板２の面２ａとパッド１５の母材との間に介在して、パッド１５の周囲にはみだしている。この接着による装置基板２の面２ａへの各パッド１５の実装は、図示しないチップマウンターを用いて行われる。なお、符号１５ｃ、１５ｄは夫々装置電極を示している。装置電極パッド１５ｃ、１５ｄは、半導体発光素子１１とパッド１５とがなす２列のいずれかに対応して、その列が延びる方向に並べて配置されている。これらの装置電極パッド１５ｃ、１５ｄは、パッド１５と同じく母材上にＡｕメッキの層からなる導電部を有してなり、パッド用接着剤１６により装置基板２の長手方向一端部に接着されている。これらの装置電極パッド１５ｃ、１５ｄの装置基板２上への実装も、図示しないチップマウンターを用いて行われる。これらの装置電極パッド１５ｃ、１５ｄには、電源に至る図示しない電線が個別に半田付けなどにより接続されるようになっている。

図１及び図２に示すように互いに隣接して交互に配置されている半導体発光素子１１の電極とパッド１５とは、ワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１７で接続されている。更に、前記二列の一端側に配置された装置電極パッド１５ｃ、１５ｄとこれに隣接した半導体発光素子１１の電極も、ワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１７で接続されているとともに、前記二列の他端側に配置されたパッド１５同士もワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１７で接続されている。したがって、本実施形態の場合、各半導体発光素子１１は各パッド１５を中継して直列に接続されている。

ボンディングワイヤ１７には例えば線径が２５μｍ〜３０μｍのＡｕワイヤが使用されている。ボンディングワイヤ１７をボンディングするに当り、半導体発光素子１１の電極に対してはボールボンディングによる接合が行われ、パッド１５及び装置電極パッド１５ｃ、１５ｄに対してはウェッジボンディングによる接合が行われている。半導体発光素子１１の電極に対してボールボンディングによる接合をすることにより、電極がボンディングワイヤ１７の一端との接続の信頼性を確保することができる。又、パッド１５等に対してウェッジボンディングによる接合をすることにより、ボンディングワイヤ１７の他端もボールボンディングによる接合をする場合に比較して、ボンディングの作業速度を高めることができる。しかも、既述のようにパッド１５の導電部の大きさを、半導体発光素子１１の素子面積の４倍以下でかつボンディングワイヤ１７の線径以上にしたので、ウェッジボンディングによる接合のための面積が十分に確保されるに伴い、ボンディングワイヤ１７とパッド１５等との接続の信頼性を確保できる。更に、パッド１５の厚みを１０μｍ以上としたので、パッド１５に対してウェッジボンディングが施されるに伴って、ボンディングツールでパッドが押圧されるにも拘わらず、アルミナ製のパッド１５が割れることを抑制できる。なお、パッド１５が金属製である場合には変形することを抑制できる。

ボンディングワイヤ１７をなすリード細線には例えばＡｕ又はＡｌの線を好適に使用できる。このボンディングワイヤ１７は、ボンディング装置によって半導体発光素子１１の電極とパッド１５の導電部に、ボールボンディング又はウェッジボンディングによりボンディング接合されるものである。半導体発光素子１１の電極に対してボールボンディングを施し、パッド１５の導電部に対してウェッジボンディングを施すことは、ボンディングの処理速度を低下させないとともに、半導体発光素子１１に対する熱圧着に伴う加圧負荷を低減できる点で好ましい。ボンディングワイヤ１７は、複数のパッド１５を中継して複数の半導体発光素子１１を、直列、又は並列、若しくは直並列に接続するために使用される。

リフレクタ１８は、一個一個又は数個の半導体発光素子１１ごとに個別に設けられるのではなく、前記面発光源に組み付けられ装置基板２上の全ての半導体発光素子１１、パッド１５、及びボンディングワイヤ１７を包囲する単一のもので、枠、例えば図１に示すように平面長方形の枠で形成されている。リフレクタ１８は装置基板２の反射面として機能する面２ａに接着止めされている。したがって、このリフレクタ１８の内部には全ての半導体発光素子１１、パッド１５、及びボンディングワイヤ１７が収容されている。なお、前記一対の装置電極パッド１５ｃ、１５ｄの一端部はリフレクタ１８の内部に配置されているが、電線が半田付けされる他端部はリフレクタ１８の外部に配置されている。

リフレクタ１８は、例えば合成樹脂で作られていて、その内周面は反射面となっている。リフレクタ１８の反射面は、ＡｌやＮｉ等の反射率が高い金属材料を蒸着又はメッキして形成できる他、可視光の反射率の高い白色塗料を塗布して形成することができる。或いは、リフレクタ１８の成形材料中に白色粉末を混入させてリフレクタ１８自体を可視光の反射率が高い白色とすることもできる。前記白色粉末としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム等の白色フィラーを用いることができる。なお、リフレクタ１８の反射面は照明装置１の照射方向に次第に開くように形成することが望ましい。

蛍光体層１９は、各半導体発光素子１１、各パッド１５、及びボンディングワイヤ１７等を埋めてリフレクタ１８内に注入して固化されている。この蛍光体層１９は、透光性材料例えば透明シリコーン樹脂や透明ガラス等からなり、この蛍光体層１９内には半導体発光素子１１の発光色と蛍光体の発光色により２８５０〜７０００Ｋの色温度となるように所定の蛍光体が含まれている。また、蛍光体層１９の膜厚は蛍光体および樹脂を含み膜厚が０．３〜１．５ｍｍであり、蛍光体の充填率は０．０４〜０．６ｇ／ｃｍ^３である。なお、膜厚及び充填率の規定理由は課題を解決するための手段で説明したとおりである。

例えば、各半導体発光素子１１を青色ＬＥＤチップとした本実施形態では、これらの素子から発光された一次光（青色）を波長変換して異なる波長の二次光として黄色の光を出す蛍光体（図示しない）が、好ましい例として略均一に分散した状態に混入されている。この組み合わせにより、半導体発光素子１１から放出された青色の光の一部が蛍光体に当たることなく蛍光体層１９を透過する一方で、半導体発光素子１１から放出された青色の光が当たった蛍光体が、青色の光を吸収し黄色の光を発光して、この黄色の光が蛍光体層１９を透過するので、これら補色関係にある二色の混合によって白色光をつくることができる。

前記構成の面発光源を備えた照明装置１では、図２中矢印で示した光の取出し方向とは逆に、各半導体発光素子１１の半導体発光層から装置基板２に向けて放射された光は、装置基板２の光反射層４に対する半導体発光素子１１の投影面積部分に透光性の素子用接着剤１４を通って入射し、前記投影領域部分において光の取出し方向に反射される。それだけではなく、半導体発光素子１１から光反射層４に向けて放射された光の内で、素子基板１２を斜めに通過した光、つまり、素子基板１２の側面を通って出射した光は、半導体発光素子１１の周囲に広がっている光反射層４で光の取出し方向に反射される。勿論、前記出射光が蛍光体層１９内の蛍光体に当たって得られる二次光の内で光反射層４方向に放出された光も、光反射層４で光の取出し方向に反射される。

このように各半導体発光素子１１の個々に対応する面積だけで反射するのではなく、各半導体発光素子１１及び各パッド１５を所定の配置で配設する上で必要な面積を有した光反射層４の略全領域、詳しくは、リフレクタ１８の内側において各パッド１５で覆われた部位を除く全領域で、各半導体発光素子１１から放射された光を光の取出し方向に反射することができる。したがって、照明装置１の光の取出し効率を向上できる。

しかも、半導体発光素子１１からその側方向に向けて光が放出される他、光反射層４で反射されて素子用接着剤１４を通って素子基板１２に再入射した光の一部も、半導体発光素子１１の側面から放出される。ところで、この光の放出方向には半導体発光素子への電力供給の中継をなすパッド１５が近接して配置されている。しかし、パッド１５の厚みは半導体発光素子１１の厚みの２倍以下であるので、既述のように半導体発光素子１１の側方に放出された視感度が悪い青色の光が、その進行方向においてパッド１５に当たることにより吸収されて損失することが抑制される。この点においても光の取出し効率が向上されるので、照明装置１により照射される照射面の輝度が低下することを抑制できる。

その上、光反射層４は銀からなる高反射層であるので、照明面を明るく照明できる。そして、銀製の光反射層４はコーテング層５で覆われているから、コーテング層５により銀製の光反射層４の硫化及び酸化が防止されて、光反射層４の反射性能の低下を抑制できる。そのため、照明装置１は高い照明効率を長期にわたって維持できる。加えて、前記照明装置１は複数の半導体発光素子１１の全てを包囲する単一のリフレクタ１８を備えている。このため、個々の半導体発光素子１１から光の取出し方向に放射された光の内で、リフレクタ１８で反射されることなく、出射される光量が増加する。したがって、リフレクタ１８での反射に伴う光の損失が少なく、この点でも光の取出し効率を向上できる。

又、各半導体発光素子１１はその点灯に伴い発熱する。これら半導体発光素子１１と装置基板２の金属ベース３との間には、金属ベース３にメッキされた銀の光反射層４と、これに被着されたコーテング層５と、このコーテング層５に半導体発光素子１１を実装する素子用接着剤１４が互いに積層して介在している。そして、絶縁物製のコーテング層５及び素子用接着剤１４の層は極めて薄いので、それらを通して半導体発光素子１１が発した熱は、熱伝導性が極めてよい銀製の光反射層４に容易に伝えられ、この光反射層４からの金属ベース３全体に伝えられて、この金属ベース３から外部に放出される。したがって、こうした放熱によって、複数の半導体発光素子１１の温度上昇が抑制されて、各半導体発光素子１１の温度のばらつきを生じ難くできるので、各半導体発光素子１１の発光色が微妙に異ならないようにできる。

本発明の一実施形態に係る照明装置を一部切欠いて示す正面図。図１中Ｆ２−Ｆ２線に沿う断面図。

符号の説明

１…照明装置、２…装置基板、２ａ…装置基板の反射面として機能する面、３…金属ベース、４…光反射層、５…コーテング層、１１…半導体発光素子、１４…素子用接着剤、１５…パッド、１６…パッド用接着剤、１７…ボンディングワイヤ。

Claims

平面状の表面を有する装置基板と；
この装置基板の表面側において間隔を存し配設された複数の半導体発光素子と；
前記半導体発光素子を電気的に接続するボンディングワイヤと；
蛍光体および樹脂を含み膜厚が０．３〜１．５ｍｍであるとともに前記蛍光体の充填率が０．０４〜０．６ｇ／ｃｍ^３を有してなり前記半導体発光素子の発光色と前記蛍光体の発光色により２８５０〜７０００Ｋの色温度となるように構成され、前記半導体発光素子および前記ボンディングワイヤを覆うように前記装置基板上に配設される蛍光体層と；
を具備することを特徴とする照明装置。
前記蛍光体層の樹脂は線膨張係数が２．０×１０^−５〜７．０×１０^−４／Ｋ、硬度（ＪＩＳタイプＡ）が８０以下のシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。