JP2010062427A

JP2010062427A - 発光装置

Info

Publication number: JP2010062427A
Application number: JP2008228156A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Kobayashi; 光裕小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】所望の指向性を保ちつつ、光取り出し効率の改善が可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子と、前記発光素子が接着された第１のリード、および第２のリードと、底面に前記第１のリードの少なくとも一部と前記発光素子とが露出し且つ前記発光素子からの放出光を上方に放出可能とした凹部を有し、前記第１のリードと前記第２のリードとが埋め込まれた成型体と、前記凹部内に充填された封止樹脂層と、を備え、前記凹部は、前記発光素子の高さよりも大きい前記底面からの高さを有し、且つ前記底面の側に設けられ上方に向かって拡開する第１の反射面と、前記第１の反射面と連続して前記凹部の開口端の側に設けられ上方に向かってさらに拡開する第２の反射面と、を有し、前記第２の反射面と前記封止樹脂層の光取り出し面との交角は、９０度から前記封止樹脂層と空気層との間の界面における臨界角を減算した角度よりも小さく且つゼロよりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

照明、自動車のストップランプ、及び表示装置バックライト光源などに用いる発光装置には、高輝度及び広い指向性が要求される。また、機器小型化のために、フラットな形状であり、小型化、薄型化、及び高密度実装が容易なＳＭＤ（Surface Mounted Device）型パッケージが要求される。

ＳＭＤ型パッケージは、成型体に設けられた凹部内に発光素子が接着され、透光性を有する封止樹脂を凹部内に充填し発光素子を保護する構造とすることが一般的である。封止樹脂層の屈折率は空気層の屈折率よりも高いので、発光素子からの放出光が封止樹脂層と空気層との界面へ入射する場合、その入射角が界面における臨界角よりも大きいと放出光が外部に取り出せず高輝度化が困難となる。すなわち、所望の指向性を保ちつつ、高い光取り出し効率が得ることが容易な凹部を有するＳＭＤ型パッケージが要求される。

発光ダイオードの光出力の低下を招くことなく、パッケージの耐光性を向上させるパッケージ成形体及び半導体装置に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、底部と底部を囲う側部とを備えるパッケージ成形体において、底部に半導体素子の載置領域の外縁から離れた位置に壁部を有し、この壁部の外側における底部と側部とが、コーティング部材によって被覆されており、高い光出力を得ることができる。
しかしながら、この技術開示例を用いても、所望の指向性を保ちつつ、高い光取り出し効率を得るのに十分とは言えない。
特開２００５−１３６３７８号公報

所望の指向性を保ちつつ、光取り出し効率の改善が可能な発光装置を提供する。

本発明の一態様によれば、発光素子と、一方の端部に前記発光素子が接着された第１のリードと、一方の端部が前記第１のリードの前記一方の端部と対向する第２のリードと、底面に前記第１のリードの少なくとも一部と前記発光素子とが露出し且つ前記発光素子からの放出光を上方に放出可能とした凹部を有し、前記第１のリードの他方の端部と前記第２のリードの他方の端部とが互いに反対方向にそれぞれ突出するように前記第１のリードと前記第２のリードとが埋め込まれた成型体と、前記凹部内に充填された封止樹脂層と、を備え、前記凹部は、前記発光素子の高さよりも大きい前記底面からの高さを有し、且つ前記底面の側に設けられ上方に向かって拡開する第１の反射面と、前記第１の反射面と連続して前記凹部の開口端の側に設けられ上方に向かってさらに拡開する第２の反射面と、を有し、前記第２の反射面と前記封止樹脂層の光取り出し面との交角は、９０度から前記封止樹脂層と空気層との間の界面における臨界角を減算した角度よりも小さく且つゼロよりも大きいことを特徴とする発光装置が提供される。

所望の指向性を保ちつつ、光取り出し効率の改善が可能な発光装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。すなわち、図１（ａ）はＪ曲げ構造、図１（ｂ）はＺ曲げ構造を表す。
図１（ａ）において、紫外光〜赤外光の波長範囲の光を放出可能な発光素子１０が、接着剤を用いてインナーリード１２ａの露出面に接着されている。

熱可塑性樹脂などからなる成型体２０の凹部２０ａは、第１の反射面２０ｂと、第２の反射面２０ｃと、及び底面２０ｄと、から構成される。なお、底面２０ｄには、第１のリード１２の一部であり、発光素子１０が接着されるインナーリード部１２ａが露出している。また、発光素子１０の上面の電極１０ａは、第２のリード１４のインナーリード部１４ａとボンディングワイヤ１１により接続されている。

第１の反射面２０ｂは、凹部２０ａの底面２０ｄから上方に向かって拡開している。また第２の反射面２０ｃは、第１の反射面２０ｂと連続しており上方に向かってさらに拡開している。発光素子１０の中心軸と、第１の反射面２０ｂの中心軸と、第２の反射面２０ｃの中心軸と、は放出光の光軸５と略一致する。

アウターリード部１２ｂとアウターリード部１４ｂとが互いに反対方向に突出するように、第１のリード１２と第２のリード１４とは成型体２０に埋め込まれている。また、成型体２０の凹部２０ａ内には、シリコーンやエポキシなどのように透光性を有する樹脂が充填され、発光素子１０を保護可能な封止樹脂層３０を構成する。このようなパッケージは、ＳＭＤ（Surface Mount Device)型と呼ばれ小型化、薄型化、及び高密度実装が容易であり、電子機器の小型化にとって重要である。

図１（ａ）は、第１のリード１２のアウターリード部１２ｂ及び第２のリード１４のアウターリード部１４ｂが内側に曲げられたＪ曲げ構造を表す。他方、図１（ｂ）は第１及び第２のリード１３、１５のアウターリード部１３ｂ、１５ｂが外側に曲げられたＺ曲げ（またはガルウィング）構造を表す。

図２は、本実施形態にかかる発光装置の作用を説明する図である。
また、図３は、封止樹脂層３０を充填する前の発光装置の模式平面図である。すなわち、上方から見た凹部２０ａの内壁が、図３（ａ）では略同心円形状であり、図３（ｂ）では略楕円形状である。なお、図２は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った模式断面図である。

封止樹脂層３０により覆われた発光素子１０からの放出光は、凹部２０ａの内部において反射されることなしに封止樹脂層３０から外部に放出される光Ｇ１、Ｇ２と、発光素子１０の側面方向に放出され第１の反射面２０ｂにより反射され、外部へ放出される光Ｇ４と、発光素子１０の斜め上方に向かって放出され空気層と封止樹脂層３０との界面（光取り出し面）３０ａで全反射され、第２の反射面２０ｃで反射されたのち外部へ放出される光Ｇ５と、を含む。

この他に、例えば底面２０ｄで反射する光、インナーリード部１２ａ、１４ａでそれぞれ反射する光、第１の反射面２０ｂで反射され、界面３０ａで反射され、さらに第２の反射面２０ｃで反射される光なども少ないが存在する。

発光素子１０の側面方向への光Ｇ４を、第１の反射面２０ｂにより上方へ折り曲げると高輝度にすることが容易となる。この場合、第１の反射面２０ｂと凹部２０ａの底面２０ｄとの交角θｒ１を急峻にしすぎると、指向性が狭くなりすぎる。このために、交角θｒ１は、例えば３０〜６０度の範囲などとする。なお、第１の反射面２０ｂは上方に向かって拡開しているので、０°＜θｒ１＜９０°である。

本実施形態では、第１の反射面２０ｂと連続するように、第２の反射面２０ｃを設けている。図２において、封止樹脂層３０の屈折率を略１．５とすると、空気層との界面３０ａにおける臨界角θｃは略４５度となり（Ｇ３）、臨界角θｃよりも大きな入射角θを有する発光素子１０からの放出光は界面３０ａにおいて全反射を生じる。この全反射した光は、通常封止樹脂層３０内で多重反射するなどにより外部に有効に取り出すことが困難なことが多く、輝度を低下させる。

図２の断面において、第２の反射面２０ｃと封止樹脂層３０の光取り出し面３０ａを含む面との交角θｒ２は、式（１）の範囲内とすることが好ましい。

０°＜θｒ２＜θｃ式（１）

なお、第２の反射面２０は上方に向かって拡開しているので、０°＜θｒ２＜９０°である。

交角θｒ２がゼロであると、光取り出し面３０ａで全反射された光が、第２の反射面２０ｃで再び全反射されるので、外部に有効に取り出すことが困難となる。他方、θｒ２＞θｃであると、光取り出し面３０ａで全反射された光のうち、第２の反射面２０ｃで再び全反射されたのち外部に取り出し可能な光が減少する。これらから、封止樹脂層３０の屈折率が略１．５の場合、５°≦θｒ２≦３０°の範囲がより好ましい。

θ＞θｃである光Ｇ５は、光取り出し面３０ａにおいて全反射され第２の反射面２０ｂにおいて２回目の全反射がされたのち、スネルの法則に従って屈折して外部に取り出される。この場合、第１の反射面２０ｂの高さＨＲを、発光素子１０の高さＨＣよりも大きくすると、第１の反射面２０ｂにより一度反射したのち外部に取り出される光Ｇ２と、光取り出し面３０ａ及び第２の反射面２０ｃで合計２回全反射される光Ｇ５と、の分離が容易となる。また、θｒ１＞θｒ２とすると、光軸５近傍における光強度を高めることが容易となる。

このように、交角θｒ１と、交角θｒ２と、を適正に制御することにより、目標とする指向性を保ちつつ光取り出し効率を改善することが容易となる。

また、上方から見て凹部２０ａの反射面は楕円形状であってもよい。この場合、反射面の傾斜角が最大となるＢ−Ｂ線に沿った断面における交角θｒ２が、式（１）を満たすようにすればよい。

また、熱可塑性樹脂の材料としては、例えばポリフタルアミド（ＰＰＡ）などのナイロン系樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、などの耐熱性材料を挙げることができる。これら熱可塑性樹脂の種類に合わせて、インサート成型、射出成型、押し出し成型などのなかから適正な成型法が選択され、第１の反射面２０ｂ及び第２の反射面２０ｃを、それぞれ所望の曲面に形成できる。なお、成型体２０の材質は、熱硬化性樹脂などであってもよい。

熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂などに、反射率が高いチタン酸カリウム及び酸化チタンなどを混合すると、第１の反射面２０ｂ及び第２の反射面２０ｃの反射率を高め光取り出し効率を高めることが容易となる。

第１のリード１２及び第２のリード１４に、例えば銅系合金を用いると高い熱伝導性が得られるので好ましい。また、その表面にメッキなどの方法によりコーティングを施すと、光反射率を高め且つ半田との接合強度を高めることができる。コーティング材料としては、例えば銀、ニッケル／パラジウム／金をこの順序で積層したものなどとすることができる。

図４は、比較例にかかる発光装置の模式断面図である。
比較例において、反射面１２０ｂと、凹部１２０ａの底面１２０ｄと、の交角θｒｒを略６０度とする。発光素子１１０から放出され、臨界角θｃの４５度よりも大きい角度で光取り出し面１３０ａに入射した光Ｇ１１は全反射し、反射面１２０ｂで再び反射される。しかしながら、交角θｒｒは９０度から臨界角θｃを減算した４５度よりも大きいので、上方へ向かう光は少ない。例えば光Ｇ１２は、光取り出し面１３０ａ、反射面１２０ｂ、再び光取り出し面１３０ａのように、封止樹脂層１３０内で多重反射するなど外部へ取り出される光が減少する。このため、高輝度化は容易ではない。

図５は、第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
本実施形態では、第２の反射面２０ｃと連続して、第３の反射面２０ｅが設けられている。上方に向かって拡開する第３の反射面２０ｅと光取り出し面３０ａとの交角θｒ３の範囲は、式（２）で表される。

θｒ２＜θｒ３＜θｃ式（２）

発光素子１０から斜め上方へ放出された光Ｇ６は、臨界角θｃよりも大きな入射角θにおいて光取り出し面３０ａで全反射され、第３の反射面２０ｅで再び全反射され外部に取り出される。第３の反射面２０ｅの交角θｒ３をより大きくすると、光取り出し効率を高く保ちつつ、パッケージの小型化が可能となる。

図６は、第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
第１の反射面２０ｂ及び第２の反射面２０ｃは、発光素子１０の光軸５を通る断面において曲線であってもよい。本図は、第１の反射面２０ｂ及び第２の反射面２０ｃが、共に上方に向かって凹となる曲面により構成されている。

この場合、点Ｐにおいて第１の反射面２０ｂに接する平面Ｓ１と凹部２０ａの底面２０ｄとの交角をθｒ１とする。また、点Ｑにおいて第２の反射面２０ｂに接する平面Ｓ２と成型体２０の上面２０ｆを含む面との交角をθｒ２とする。図６のように、曲面を上方に向かって凹とすると集光が容易となり、高輝度とすることができる。また、凹部２０ａの内壁となる反射面を曲面とすると、指向性の制御が容易となる。

以上の第１〜第３の実施形態において、発光素子１０として、例えば黄〜赤色（発光波長範囲が５６０〜７００ｎｍ）であるＩｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系半導体を用いると、自動車のストップランプや計器盤用ランプとして、所望の指向性を保ちつつ高輝度化が可能となる。

図７は、第４の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
発光素子１０として、発光波長が略４５０ｎｍ近傍の青色光を放出可能な窒化物系半導体とする。窒化物系半導体とは、Ｉｎ_ｚ（Ｇａ_ｗＡｌ_１−ｗ）_１−ｚＮ（但し、０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１）からなる半導体をいい、さらにＶ族元素としてＡｓやＰなどを含むものや、ｐ型あるいはｎ型の不純物を含むものも包含されるものとする。

また、封止樹脂層３０には、例えば黄色蛍光体３２が分散配置されている。すなわち、例えば液状のシリコーン樹脂溶液に所定量の蛍光体粒子３２を混合し、凹部２０ａ内に充填する。比重の重い蛍光体粒子３２の沈降を抑制して、封止樹脂層３０を熱硬化すると均一に蛍光体粒子３２を分散配置させることができる。

このような黄色蛍光体としては、例えば（Ｍｅ_１−ｙＥｕ_ｙ）_２ＳｉＯ_４（但し、Ｍｅは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇの少なくとも１つを含み、且つ０＜ｙ≦１）なる化学組成式で表される珪酸塩蛍光体が挙げられる。

発光素子１０からの青色光は、主として上方及び側方に放出される。上方に向かう光のうち、蛍光体粒子３２（ＰＨ１）に吸収された光は、蛍光体粒子３２を励起し、波長変換光として、例えば波長が５６０ｎｍ近傍の黄色光Ｙ１を放出する。発光素子１０から上方に向かって放出された青色光Ｂ１と、黄色光Ｙ１と、の混合光４０が外部に向かって放出される。もし、青色光が強いと青味を帯びた白色光、黄色光が強いと黄色味を帯びた白色光となる。すなわち、青色光と、黄色光と、の強度を適正に設定することにより、ＣＩＥ（国際照明協会）規格の色度図上で所望の白色光とすることができる。

本実施形態において、第２の反射面２０ｃの上方の蛍光体粒子３２（ＰＨ２）は発光素子１０からの青色光を吸収し、黄色光を放出する。他方、光取り出し面３０ａで全反射された青色光Ｂ２は、第２の反射面２０ｃにより反射され、封止樹脂層３０を介して外部へ放出された青色光Ｂ２となる。青色光Ｂ２の方向へ向かう黄色光Ｙ２と、青色光Ｂ２と、の混合色４１が取り出し可能となる。

もし、第２の反射面２０ｃの交角θｒ２が、光取り出し面３０ａでの青色光の全反射光を外部に向かって反射困難な角度である場合、凹部２０ａの外周部近傍では蛍光体粒子３２からの波長変換光Ｙ２が放出されるが、青色光の放出強度が弱くなる。すなわち、外周部の混合色４１は黄色味を帯び、発光素子１０の光軸５近傍の白色光との間に色度ずれを生じる。

一般に、凹部２０ａは、発光素子２０よりも大きく内部のほぼ全領域に蛍光体粒子３２が分散される。青色光は光軸５の近傍に発光強度のピークを有しているが、光軸５から離れるに従い光強度が弱まる。他方、蛍光体粒子３２は凹部２０ａ内に広く分散しているので、発光素子１０からの放出光による指向性と、蛍光体粒子３２からの波長変換光による指向性と、は通常異なる。このために光軸５の近傍において所望の色度に設定すると、周辺部では混合色の色度ずれを生じることになる。

本実施形態では、青色光が直接には到達しにくい凹部２０ａの周辺部にも、光取り出し面３０ａにおける全反射光が到達可能であり、第２の反射面２０ｃの交角θｒ２を適正に設定することにより、凹部２０ａの外周部の封止樹脂層３０の上方においても、青色光と黄色光とを所定の比率で混合することが容易となる。このために、色度ずれが抑制可能となる。

なお、黄色蛍光体に加えて、橙色蛍光体を分散すると、より演色性に富む白色光が得られる。
また、蛍光体としてＹＡＧ（Yttrium Alminum Garnet)を材料とした赤色蛍光体、緑色蛍光体などであってもよい。この場合、３つの波長光を混合させると演色性の改善が容易となる。

第４の実施形態にかかる発光装置は、白色光または白熱電球色の照明及び表示装置用バックライト光源などの用途に応用可能であり、所望の指向性を保ちつつ高輝度白色光を放出可能な発光装置が提供される。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、発光装置を構成する発光素子、成型体、反射面、封止樹脂層、蛍光体、及びリードの材質、サイズ、形状、配置などに関して、当業者が各種の設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

第１の実施形態にかかる発光装置の模式断面図図１の発光装置の作用を説明する図発光装置の模式平面図比較例にかかる発光装置の模式断面図第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図第４の実施形態にかかる発光装置の模式断面図

符号の説明

５光軸、１０発光素子、１２、１３第１のリード、１４、１５第２のリード、２０成型体、２０ａ凹部、２０ｂ第１の反射面、２０ｃ第２の反射面、２０ｄ底面、２０ｆ上面、３０封止樹脂層、３２蛍光体粒子、４０、４１混合光、θｃ臨界角 θｒ１、θｒ２、θｒ３交角

Claims

発光素子と、
一方の端部に前記発光素子が接着された第１のリードと、
一方の端部が前記第１のリードの前記一方の端部と対向する第２のリードと、
底面に前記第１のリードの少なくとも一部と前記発光素子とが露出し且つ前記発光素子からの放出光を上方に放出可能とした凹部を有し、前記第１のリードの他方の端部と前記第２のリードの他方の端部とが互いに反対方向にそれぞれ突出するように前記第１のリードと前記第２のリードとが埋め込まれた成型体と、
前記凹部内に充填された封止樹脂層と、
を備え、
前記凹部は、前記発光素子の高さよりも大きい前記底面からの高さを有し、且つ前記底面の側に設けられ上方に向かって拡開する第１の反射面と、前記第１の反射面と連続して前記凹部の開口端の側に設けられ上方に向かってさらに拡開する第２の反射面と、を有し、
前記第２の反射面と前記封止樹脂層の光取り出し面との交角は、９０度から前記封止樹脂層と空気層との間の界面における臨界角を減算した角度よりも小さく且つゼロよりも大きいことを特徴とする発光装置。
前記封止樹脂層に分散配置され、前記放出光を吸収し波長変換光を放出可能な蛍光体粒子をさらに備え、
前記波長変換光と、前記放出光と、の混合光を放出可能としたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記第１の反射面と前記底面との交角は、記第２の反射面と前記光取り出し面との前記交角よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記第２の反射面は、前記発光素子からの前記放出光のうち前記光取り出し面において全反射された光の一部を前記封止樹脂層の上方に向かって反射可能としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
前記第２の反射面は、前記発光素子の光軸を通る断面において、上方に向かって凹となる曲線であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。