JP2011071349A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】放射される光の色調の均一性を高めつつ、より発光効率の高い発光装置を提供する。
【解決手段】実装基板4上に実装されたLEDチップ(発光素子)1と、該LEDチップ1の主発光面上にLEDチップ1から放射された光を拡散させる光拡散層2と、該光拡散層2を備えたLEDチップ1を被覆し、LEDチップ1が放射した光の少なくとも一部を吸収して波長変換した光を発する光変換部材3と、を有する発光装置10であって、
LEDチップ1は、前記主発光面の中央部1aで光拡散層2が接して設けられ、前記主発光面の中央部1aを囲む周辺部1bで光変換部材3が接して設けられている。
【選択図】図1
【解決手段】実装基板4上に実装されたLEDチップ(発光素子)1と、該LEDチップ1の主発光面上にLEDチップ1から放射された光を拡散させる光拡散層2と、該光拡散層2を備えたLEDチップ1を被覆し、LEDチップ1が放射した光の少なくとも一部を吸収して波長変換した光を発する光変換部材3と、を有する発光装置10であって、
LEDチップ1は、前記主発光面の中央部1aで光拡散層2が接して設けられ、前記主発光面の中央部1aを囲む周辺部1bで光変換部材3が接して設けられている。
【選択図】図1
Description
本発明は、発光素子を用いた発光装置に関するものである。
近年、実装基板に実装されるチップ状の半導体からなる発光素子と、該発光素子を被覆し、該発光素子からの青色光の少なくとも一部を吸収し波長変換して黄色光を発する光変換部材とを備え、発光素子からの青色光と光変換部材からの黄色光との混色光(たとえば、白色光など)を放射する発光装置が開発されている。
この種の発光装置は、発光素子や光変換部材などの光出力が急激に高効率化されるのに伴い照明器具にまで利用されつつある。
ところで、発光素子は、発光素子の材料や構造、発光素子の電極の配置や電極の形状などにもよるが、一般に、できるだけ効率よく光を取り出すため、実装基板に実装されたチップ状の発光素子の上面を、できるだけ大きな面になるように主発光面としている。このような発光素子は、等方的に均一な光が放出されるわけではなく、発光素子の主発光面における中央部の青色光の光密度が、前記主発光面の中央部を囲む周辺部やチップ状の発光素子における側面部の光密度より高くなる傾向にある。
また、光変換部材は、吸収した光に対して波長変換した光を常にリニアに放射するわけではなく、所定の値で飽和することも知られている。
そのため、発光装置から放射される混色光は、発光素子の主発光面における中央部で、青色光の光密度が高く、発光素子を被覆する光変換部材では、発光素子の中央部上の発光効率が低下する。また、発光素子の主発光面における周辺部や側面部では、青色光の光密度が発光素子の中央部と比較して相対的に低い。そのため、発光装置から放射される混色光は、発光素子からの青色光と光変換部材からの黄色光との割合が場合によって異なり、発光素子の中央部上において青白く光って見える。また、発光装置から放射される混色光は、発光素子の中央部上と比較して発光素子の周辺部上において黄色に光って見える色むらが生ずることになる。特に、補色となる混色光を放射する発光装置からの光の色ずれは、少しの色ずれが色度図上で補色方向にずれるため、人間の目に視認され易い傾向にある。そのため、発光装置からの放射光を、単に反射鏡やレンズで集光すると、被照射面における照射パターンは、中央部が青白く、中央部の外側の周辺部が黄色い色むらが顕著に目立つことになる。
また、図6に示すリードフレームたる実装基板4’のカップ4a’の内底面に実装された発光素子たるLEDチップ1と、LEDチップ1の全体を覆う光拡散層2’と、該光拡散層2’を覆いLEDチップ1からの光を吸収し波長変換した光を発する光変換部材3と、を備えた発光装置10’も知られている(たとえば、特許文献1参照)。
図6に示す発光装置10’は、LEDチップ1を覆う光拡散層2’を設けることにより、LEDチップ1からの直接光のような光密度の高い状態で、光変換部材3に光が入射される確率を低くし、LEDチップ1からの光が分散した状態で光変換部材3に入射されるので、光変換部材3の全体を発光させることとなり、効率のよい発光が可能になるとされている。これにより、発光装置10’は、LEDチップ1からの光を明るくしても光変換部材3が所定の値で飽和し光変換部材3の発光効率の上昇が得られないことを抑制している。
図6に示す発光装置10’の構成を利用して白色光などの混色光が発光可能とさせた場合、発光装置10’は、光拡散層2’により、LEDチップ1からの光のうち、光密度の高いLEDチップ1の主発光面における中央部からの光だけでなく、光密度の低いLEDチップ1の主発光面における中央部の周辺部やLEDチップ1の側面から放射する光も拡散させ、外部に光を均一に放射させることができる。
しかしながら、光拡散層2’は、光の反射散乱に伴い光拡散層2’での光の吸収も生ずる。そのため、発光装置10’は、LEDチップ1から放射された光密度の低い光が光変換部材3に十分に届かず、発光装置10’の発光効率を向上させることが難しい場合がある。
特に、照明用途にまで利用する発光装置10’は、より高い光出力が求められており、上述の発光装置10’の構成だけでは十分ではなく更なる改良が求められている。
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、放射される光の色調の均一性を高めつつ、より発光効率の高い発光装置を提供することにある。
請求項1の発明は、実装基板上に実装された発光素子と、該発光素子の主発光面上に前記発光素子から放射された光を拡散させる光拡散層と、該光拡散層を備えた前記発光素子を被覆し、前記発光素子が放射した光の少なくとも一部を吸収して波長変換した光を発する光変換部材と、を有する発光装置であって、前記発光素子は、前記主発光面の中央部で前記光拡散層が接して設けられ、前記主発光面の前記中央部を囲む周辺部で前記光変換部材が接して設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、発光素子は、該発光素子の主発光面の中央部で、光拡散層が接して設けられ、前記中央部を囲む周辺部で前記光変換部材が接して設けられている。前記発光素子は、前記光変換部材に覆われているので、前記中央部の光が前記光拡散層によって、直接的に前記光変換部材に放射されず、前記光変換部材における発光効率の低下を抑制することができる。また、前記発光素子は、前記周辺部で前記光拡散層における光拡散がないため、前記周辺部での光取出し効率を維持できる。そのため、発光装置は、略全域にわたって前記発光素子からの光が均一化され、混色光を用いた場合においては色むらを低減することができる。
請求項2の発明は、請求項1に記載の発明において、前記光拡散層は、前記主発光面の中央部に接して設けられ、該中央部の中心領域に設けられた第一の光拡散部と、前記中心領域を囲む周辺領域に設けられた第二の光拡散部とを有し、前記第一の光拡散部は、前記第二の光拡散部よりも前記発光素子からの光を拡散させる光拡散性が高いことを特徴とする。
この発明によれば、前記光拡散層を、前記中央部において中心領域と周辺領域とに分け、前記中心領域を前記周辺領域の光拡散性よりも大きくすることで、光密度がより高い前記中心領域の光を拡散させることができ、放射される混色光の色調の均一性を高めつつ発光効率を、より改善することができる。
請求項3の発明は、請求項2に記載の発明において、前記光拡散層は、光を拡散させる粒子状の拡散材が透光性部材に含有されており、該透光性部材における前記拡散材の含有量、前記透光性部材と前記拡散材との屈折率差および前記拡散材の平均粒径の少なくとも1つが調整されてなることで、前記第一の光拡散部が、前記第二の光拡散部よりも前記光拡散性を高くされてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記光拡散部を構成する拡散材や透光性部材を調整させた比較的簡単な構成で、放射される混色光の色調の均一性を高めつつ発光効率を、より改善することができる。
請求項1の発明では、発光素子が、主発光面の中央部で光拡散層と接して設けられ、主発光面の前記中央部を囲む周辺部で光変換部材と接して設けられていることにより、放射される光の色調の均一性を高めつつ、より発光効率の高い発光装置を提供できるという顕著な効果がある。
(実施形態1)
以下、本実施形態の発光装置を図1に基づいて説明し、発光装置10の製造工程を図2で説明する。
以下、本実施形態の発光装置を図1に基づいて説明し、発光装置10の製造工程を図2で説明する。
本実施形態の図1に示す発光装置10は、実装基板4の一表面側に実装され青色光を放射する発光素子たるLEDチップ1と、該LEDチップ1の主発光面上に該LEDチップ1から放射された光を拡散させる光拡散層2と、光拡散層2を備えたLEDチップ1を被覆し、LEDチップ1が放射した青色光を吸収して黄色光を発する光変換部材3と、を有している。特に、LEDチップ1は、該LEDチップ1の主発光面における中央部1aで、光拡散層2が接して設けられ、前記主発光面の中央部1aを囲む周辺部1bで光変換部材3が接して設けられている。
より具体的には、発光装置10は、大きさが約3mm角、厚みが0.3mmの矩形平板状のアルミナセラミック基板上に表面がAuでメッキされた一対の導体パターン(図示していない)が形成された実装基板4を用いている。実装基板4の一対の導体パターンには、それぞれ直径が0.07mmで、高さが0.05mmのAuバンプ5を複数個(ここでは、5個)設けている。LEDチップ1は、サファイア基板上にp型およびn型の窒化ガリウム系化合物半導体層がpn接合を備えて形成され、p型およびn型の各窒化ガリウム系化合物半導体と電気的に接続される正負の各電極が同一面側に設けられている。LEDチップ1は、正負の各電極が形成された窒化ガリウム系化合物半導体層側を実装基板4側と対向して、LEDチップ1の同一平面側に設けられた正負の各電極を、実装基板4の一対の導体パターン上のAuバンプ5にフリップチップ実装により実装している。
LEDチップ1は、通電によりピーク波長が、たとえば、450nm〜470nmの範囲内にある青色光を放射する。このようなLEDチップ1の外形は、たとえば、大きさが約1mm角で、厚みが約100μmである。
本実施形態の発光装置10は、LEDチップ1の前記主発光面となるサファイア基板の中央部1a上に、平均粒径が1μmであり、屈折率が1.76となる酸化アルミニウムの拡散材をジメチル系シリコーン樹脂に含有させた光拡散層2が接して形成させている。
また、青色光を吸収して黄色光が発光可能な希土類金属で付活された珪酸塩系の黄色蛍光体として、(Ba0.05Sr0.93Eu0.02)2SiO4が均一に含有されたジメチル系シリコーン樹脂を光変換部材3として、光拡散層2が形成されたLEDチップ1を覆うように形成させている。これにより、LEDチップ1の主発光面となるサファイア基板の中央部1aを囲む周辺部1bで光変換部材3が接して設けられる。
次に、本実施形態の発光装置10を製造する製造工程について、図2を用いて詳述する。
本実施形態の発光装置10は、スクリーンとなる複数種類のマスクを対象物上に順に重ねて、各マスク上からそれぞれ塗布物を供給しながらスキージで各マスクに押し当て、各マスクの開口部分に供給した塗布物を塗布させるスクリーン印刷法の多色印刷を利用して製造している。
より具体的には、本実施形態の発光装置10は、スクリーン印刷法を利用して製造するため、予め表面に一対の導体パターン(図示していない)が形成された実装基板4の導体パターン上に複数個のAuバンプ5を形成する。次に、実装基板5の複数個のAuバンプ5上にLEDチップ1をフリップチップ実装させる。なお、LEDチップ1は、サファイア基板上に、pn接合を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層が形成され、LEDチップ1の同一面側にp型およびn型の窒化ガリウム系化合物半導体層とそれぞれ電気的に接続された一対の電極を形成させた平面視矩形状に形成している。実装基板4にフリップチップ実装された平面視矩形状のLEDチップ1のサファイア基板側が主発光面となる。発光装置10は、LEDチップ1のサファイア基板が光取り出し面側となる主発光面の中央部1aに、光拡散層2と光拡散層2を備えたLEDチップ1とを被覆する光変換部材3をスクリーン印刷の多色印刷を用いて製造する。
まず、LEDチップ1は、平面視がLEDチップ1の光取り出し面側の主発光面と相似形で前記主発光面よりも小さい開口部12aを備えた第一のマスク12を、LEDチップ1の前記主発光面上に密着して重ねた後、拡散材たる酸化アルミニウムが均一に含有されたシリコーン樹脂からなる樹脂材料2aaを第一のマスク12上に配置させる。第一のマスク12の上から樹脂材料2aaをLEDチップ1の主発光面上に均一に塗布させるスキージ11で、図2(a)の矢印の方向に擦りつけ、余分な樹脂材料2aaを除去する(図2(a)を参照)。
これにより、LEDチップ1の平面視矩形状の前記主発光面の中央部1aにのみに樹脂材料2aaを塗布する。第二のマスク12を取り除いた後、LEDチップ1の前記主発光面の一部に塗布された樹脂材料2aaを加熱硬化して、LEDチップ1の前記主発光面の中央部1a上に、LEDチップ1の前記主発光面と略平行な平面を備えた平面視矩形状の光拡散層2を形成させる。
続いて、光拡散層2が形成されたLEDチップ1を備えた実装基板4上に、実装基板4の表面からLEDチップ1の前記主発光面に形成された光拡散層2の表面までの厚さに略等しい厚さの第二のマスク13を重ねる。第二のマスク13には、光拡散層2が形成されたLEDチップ1の平面視における外形と相似形で、LEDチップ1よりも大きい開口部13aを備えている。そのため、第二のマスク13の開口部13aと、LEDチップ1が実装された実装基板4との間で形成される窪み内に、光拡散層2を備えたLEDチップ1が収納されることになる。続いて、(Ba0.05Sr0.93Eu0.02)2SiO4の黄色蛍光体が均一に含有されたシリコーン樹脂からなる樹脂材料3aaを第二のマスク13の上に配置させる。第二のマスク13の上から樹脂材料3aaをスキージ11で、図2(b)の矢印の方向に擦りつけ、光拡散層2を備えたLEDチップ1上に均一に塗布させて、余分な樹脂材料3aaを第二のマスク13の開口部13a上から除去する(図2(b)を参照)。
これにより、樹脂材料3aaは、実装基板4上にフリップチップ実装されたLEDチップ1の側面部1cと、LEDチップ1の光取り出し面側となる前記主発光面であって光拡散層2が形成された中央部1aの周囲となる周辺部1bとを覆うように塗布される。第二のマスク13を取り除いた後に、LEDチップ1の側面部1cおよびLEDチップ1の主発光面の周辺部1bを覆う樹脂材料3aaを加熱硬化して、LEDチップ1の主発光面上の周辺部1bおよびLEDチップ1の側面1cに光変換部材3の一部3aを形成させる。
さらに、平面視形状が第一のマスク12の開口部12aと相似形で開口部12aよりも大きく、第二のマスク13の開口部13aより小さい開口部14aを備えた第三のマスク14を、LEDチップ1の主発光面の周辺部1bを覆う光変換部材3の一部3a上で、光拡散層2を囲むように重ね合わせる。ここで、第三のマスク14の厚みは、第一のマスク12の厚みより厚く、第二のマスク13の厚みより薄くしている。
第二のマスク13で用いたものと同種の黄色蛍光体を含有するシリコーン樹脂からなる樹脂材料3baを第三のマスク14の上に配置させる。第三のマスク14の上から樹脂材料3baが光拡散層2を覆うように、スキージ11で図2(c)の矢印の方向に擦りつけ、LEDチップ1上に均一に塗布させ、余分な樹脂材料3baを開口部14a上から除去する(図2(c)を参照)。
実装基板4上にフリップチップ実装されたLEDチップ1の光取り出し面側となる主発光面であって中央部1aに形成された光拡散層2を覆うように樹脂材料3baが塗布される。樹脂材料3baを加熱硬化して、光変換部材3の一部3aおよび光拡散層2上に光変換部材3の他部3bを形成する。
これにより、実装基板4にフリップチップ実装されたLEDチップ1の外形が、光変換部材3により全て覆われ、LEDチップ1の発光面側の中央部1aにだけ、光拡散層2が接して配置されることになる(図2(d)を参照)。
以下、本実施形態の発光装置10に用いられる各構成について詳述する。
本実施形態1の発光装置10に用いられる発光素子は、半導体からなり通電により光を発光可能なものである。発光素子が放射する光は、たとえば、可視光のうちエネルギーの強い青色光とすることができるが、青色光のみに限定するものではなく、光変換部材3を効率よく励起させるために紫外線や他の波長の光を用いてもよい。発光素子たるLEDチップ1は、たとえば、サファイア基板、スピネル基板、窒化ガリウム基板、酸化亜鉛基板や炭化シリコン基板などの結晶成長基板上にpn接合を備えた窒化ガリウム系化合物半導体層を有し、青色光を放射することが可能なものが挙げられる。
なお、LEDチップ1は、絶縁性基板上に半導体層が形成され、半導体層の同一面側に正負の各電極がそれぞれ形成されたLEDチップ1を用いてもよいし、導電性基板を用いLEDチップ1の厚み方向の両面側に正負の各電極がそれぞれ形成されたLEDチップ1を用いてもよい。
同一面側に正負の各電極が設けられたLEDチップ1は、Auバンプ5などの金属バンプを用い、表面に一対の導電パターンが形成された実装基板4上にフリップチップ実装させることができる。また、LEDチップ1の厚み方向の両面側に正負の各電極が設けられたLEDチップ1は、LEDチップ1が実装される実装基板4の表面に形成された一対の導体パターンのうちの一方の導体パターンと、LEDチップ1の前記一方の電極とを導電性部材(たとえば、AuSnやAgペーストなど)を介してダイボンディングして電気的に接続させる。また、LEDチップ1の光取り出し面側の他方の電極と、ワイヤ(たとえば、アルミニウム線や金線など)を介して他方の導体パターンと電気的に接続させればよい。
なお、本実施形態の発光装置10では、実装基板4上に一個のLEDチップ1を実装しているが、LEDチップ1は、一個だけに限らず複数個用いることができる。この場合、各LEDチップ1は、適宜に直列、並列や直並列に電気的に接続させればよい。また、LEDチップ1は、同種のものを用いてもよいし、異なる発光波長を発光する複数個のLEDチップ1を用いてもよい。たとえば、発光色を調整するなどの目的で赤色光、青色光がそれぞれ発光可能な2種類のLEDチップ1を備えた発光装置10の構成とすることもできる。
なお、発光素子たるLEDチップ1は、外部から機械的電気的に保護するため、半導体表面上に、酸化珪素やエポキシ樹脂などの透光性の保護膜を設けてもよい。
次に、本実施形態の発光装置10に用いられる光拡散層2は、発光素子たるLEDチップ1の主発光面上に設けられLEDチップ1が放射した光を拡散させて、LEDチップ1から放射された光が高い光密度で光変換部材3に放射されることを抑制するものである。このような光拡散層2としては、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂やガラスなどの透光性部材中に、LEDチップから放射された光を拡散させる拡散材を含有させた混合部材を用いることができる。拡散材の材料としては、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ケイ素などを用いることができる。
このような、光拡散層2の厚みは、たとえば、約100μmの厚みに形成することができるが、混合する拡散材の種類や量などによって調整することができる。また、LEDチップ1の主発光面上に設けられる光拡散層2の大きさや形状は、LEDチップ1を構成する材料や構造、LEDチップ1の電極の配置や電極の形状などを考慮して変更してもよい。また、光拡散層2に含有される拡散材の含有量は、LEDチップ1から放射される光密度や光拡散層2の厚みによって適宜に設定すればよい。
LEDチップ1における前記主発光面の中央部1aの形状や大きさを設定するには、たとえば、本実施形態の光拡散層2を形成させる前に、実装基板4上にフリップチップ実装させたLEDチップ1に通電して点灯させ、LEDチップ1上に設けた画像装置(図示せず)から測定視野内の発光強度分布を画素ごとの数値データとして取り込む。次に、数値データの中からLEDチップ1の前記主発光面における光出力が予め設定した値以上の領域を、光密度が高い領域としてLEDチップ1の前記主発光面における中央部1aと擬似的に見做すことで中央部1aの形状や大きさを設定することができる。これにより、LEDチップ1の前記主発光面の形状が、LEDチップ1の電極の形状や配置などにより、複雑な形状となった場合であっても、LEDチップ1の前記主発光面における中央部1aや周辺部1bを比較的簡単に設定することができる。
ここで、発光装置10に光拡散層2を設けない場合、LEDチップ1の中央部1a上に被覆される光変換部材3は、LEDチップ1から多くの青色光が入射して、波長変換に伴い発熱する。光変換部材3の発熱は、LEDチップ1の前記主発光面における周辺部1b上やLEDチップ1の側面部1c上を覆う光変換部材3の発熱より大きく、LEDチップ1の主発光面における中央部1a上の光変換部材3の温度が高くなる傾向にある。光変換部材3は、温度上昇に伴い光出力が低下する温度消光の特性があるため、光変換部材3は、全体に均一に発光することができず、光密度の高い光変換部材3の中央部1a上の発光効率が低下する傾向にある。
本実施形態の発光装置10は、LEDチップ1の主発光面における中央部1aの青色光の光密度が中央部1a付近よりも高い部分にのみ光拡散層2を配置している。LEDチップ1の主発光面における中央部1aから放射された青色光は、光拡散層2で任意の方向に拡散されるため、LEDチップ1の中央部1a上に配置される光変換部材3に入射する青色光の光密度が下がる。
その結果、LEDチップ1の主発光面における中央部1aの光変換部材3の温度上昇が小さくなり、光変換部材3の温度分布がより均一になることで、光変換部材2の発光効率が改善されると考えられる。また、LEDチップ1の主発光面における中央部1aの周辺部1bや側面部1cには、光拡散層2が配置されておらず直接、光変換部材3によってLEDチップ1が被覆されているので、LEDチップ1から放射された青色光が直接的に光変換部材3に入射する。発光装置10は、光拡散層2の内部でLEDチップ1から放射された光の吸収がなく、発光効率が低下することを抑制することができる。
また、発光装置10は、LEDチップ1の前記主発光面に直接、光変換部材3が形成され光拡散層2を設けていないものと比較して、LEDチップ1の前記主発光面における中央部1aから放射される青色光の光密度が低下し、過剰な光密度に伴う光変換部材3の変換光率が低下することがない。さらに、LEDチップ1の周辺部1bでは、光拡散層2による光吸収がなく青色光を光変換部材3に放射する。そのため、発光装置10から放射される混色光は、LEDチップ1における主発光面上の中央部1aと周辺部1bとの発光色の色調差が小さく、色調の均一性を高めることができる。これにより、発光装置10から放射された光を反射鏡やレンズで集光しても、発光装置10から放射された光は、被照射面において色むらを低減させることができる。
本実施形態に用いられる光変換部材3は、発光素子たるLEDチップ1が放射する光の少なくとも一部を吸収して波長変換した光を発するものである。光変換部材3は、たとえば、LEDチップ1からの青色光の一部を吸収して黄色光を放射する蛍光体が含有されたシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やガラスなどの透光性材料により構成することができる。
光変換部材3の厚みは、発光装置10から放射する光の目標とする色温度やLEDチップ1から放射される青色光の強さによって異なるが、たとえば、約200μmの厚みに形成することができる。また、光変換部材3の透光性材料中に含有される蛍光体は、蛍光体の発光効率、光変換部材3の厚み、発光装置10から放射された光の目標とする色温度やLEDチップ1から放射される青色光の強さによって異なるが、たとえば、50重量%以下とすることができる。
また、光変換部材3に用いられる蛍光体としては、たとえば、Ceで付活されたY3Al5O12、Ceで付活されたTb3Al5O12などのアルミネート系の蛍光体のほか、Euで付活されたBa2SiO4、Euで付活された(CapSi12−(m+n)Al(m+n)OnN16-n)やEuで付活された(Sr1-s-tBasCat)2SiO4(0≦s≦0.3、0≦t≦0.8)などの珪酸塩系の蛍光体やCa2BO3Cl2などのファロボレート系の蛍光体を採用することもできる。また、光変換部材3に用いられる前記蛍光体は黄色蛍光体に限らず、たとえば、赤色蛍光体と緑色蛍光体を添加しても、白色光を得ることができる。
次に、本実施形態の発光装置10に用いられる実装基板4は、発光素子たるLEDチップ1が実装可能なものである。実装基板4は、表面上に一対の導体パターンが設けられたものを利用し、LEDチップ1の通電経路を構成してもよい。このような実装基板4は、Fe材料、Cu材料やAl材料などを用いた金属基板、アルミナセラミック基板、やガラスエポキシ樹脂基板などを用いることができる。実装基板4としてアルミナセラミック基板を用いた場合は、導体パターンを形成しやすく、ガラスエポキシ樹脂基板などと比較して熱伝導率も高く、LEDチップ1の点灯で生じた熱を外部に効率よく放熱させ発光装置10の放熱性を高めることができる。
なお、本実施形態の発光装置10は、平板状の実装基板4を用いているが、実装基板4の周部にLEDチップ1や光変換部材3からの光を反射させるリフレクターを備えた実装基板4を用いてもよく、カップを備えたリードフレームを用いて形成させてもよい。また、発光装置10は、LEDチップ1を覆う光変換部材3を保護する封止部材(たとえば、透光性のシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂やガラスなど)を光変換部材3上に別途設けても良い。
(実施形態2)
本実施形態は、図1で示した実施形態1の発光装置10におけるLEDチップ1の主発光面の中央部1aに単一の光拡散層2を接して設ける代わりに、図3のLEDチップ1の主発光面における中央部1aにおいて、拡散材の濃度が異なる第一の光拡散層2aおよび第二の光拡散層2bの2種類の光拡散層2を接して設けた点が異なる。なお、実施形態1と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態は、図1で示した実施形態1の発光装置10におけるLEDチップ1の主発光面の中央部1aに単一の光拡散層2を接して設ける代わりに、図3のLEDチップ1の主発光面における中央部1aにおいて、拡散材の濃度が異なる第一の光拡散層2aおよび第二の光拡散層2bの2種類の光拡散層2を接して設けた点が異なる。なお、実施形態1と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
以下、本実施形態の発光装置10を図3に示す概略断面図で説明する。
本実施形態の発光装置10は、実装基板4上にAuバンプ5を用いてLEDチップ1がフリップチップ実装されている。光拡散層2は、LEDチップ1の主発光面の中央部1aに設けられ、中央部1aの中心領域1aaに設けられた第一の光拡散層2aと、中心領域1aaを囲む周辺領域1abに設けられた第二の光拡散層2bとで形成されている。
第一の光拡散層2aおよび第二の光拡散層2bは、それぞれ平均粒径が1μmで、屈折率が1.76となる酸化アルミニウムからなる拡散材をジメチル系シリコーン樹脂中に含有させたものである。ここで、第一の光拡散層2aは、LEDチップ1からの青色光を第二の光拡散層2bと比較して、より光拡散できるように、第二の光拡散層2bに含有させる拡散材よりも多く含有させて光拡散性を高めている。
第一の光拡散層2aは、たとえば、拡散材たる酸化アルミニウムをジメチル系シリコーン樹脂中に第二の光拡散層2bよりも多い10重量%以下で均一に含有させている。また、第二の光拡散層2bは、拡散材たる酸化アルミニウムをジメチル系シリコーン樹脂中に数重量%以下で含有させている。
このような第一の光拡散層2aおよび第二の光拡散層2bの大きさや厚みは、LEDチップ1の材料、構造や電極の形状などにより異なるが、それぞれ約100μmとして形成している。発光装置10は、第一の光拡散材2aおよび第二の光拡散材2bを覆うように光変換部材3を設けている。
以下、本実施形態の発光装置10を製造する製造工程について、図4を用いて詳述する。
本実施形態の発光装置10は、図2で示す実施形態1の発光装置10の製造工程で用いられた複数種類のマスク12,13,14に、マスク15を用いた工程を一つ追加し、スクリーン印刷法の多色印刷を利用して製造している。
本実施形態の発光装置10は、スクリーン印刷法を利用して製造するため、実施形態1と同様に、予め実装基板5の複数個のAuバンプ5上にLEDチップ1をフリップチップ実装させたものを形成する。次に、LEDチップ1は、平面視がLEDチップ1の光取り出し面側の主発光面と相似形で前記主発光面よりも小さい開口部12aを備えた第一のマスク12を、LEDチップ1の前記主発光面上に密着して重ねた後、拡散材たる酸化アルミニウムが均一に含有されたシリコーン樹脂からなる樹脂材料2aaを第一のマスク12上に配置させ、第一のマスク12の上から樹脂材料2aaをLEDチップ1の主発光面上に均一に塗布させるスキージ11で、図4(a)の矢印の方向に擦りつけ、余分な樹脂材料2aaを除去する(図4(a)を参照)。
これにより、LEDチップ1の平面視矩形状の前記主発光面の中央部1aの中心領域1aaにのみ樹脂材料2aaを塗布する。第一のマスク12を取り除いた後、LEDチップ1の主発光面の一部に塗布された樹脂材料2aaを加熱硬化して、LEDチップ1の前記主発光面の中心領域1aa上に、LEDチップ1の主発光面と略平行な平面を備えた平面視矩形状の第一の光拡散層2aを形成させる。
続いて、前記主発光面の中心領域1aa上に第一の光拡散層2aが形成されたLEDチップ1に、開口部15aの形状がLEDチップ1の光取り出し面側となる主発光面の第一の光拡散層2aと相似形で、第一の光拡散層2aよりも大きく、第一のマスク12と同じ厚みの第四のマスク15を、LEDチップ1の第一の光拡散層2aを囲むように、LEDチップ1の前記主発光面上に密着して重ねた後、第一の光拡散層2aの樹脂中に含有される拡散材よりも少ない量の拡散材が含有された樹脂材料2baを第四のマスク15上に配置させる。第四のマスク15の上から樹脂材料2baをLEDチップ1上に均一に塗布させるスキージ11で、図4(b)の矢印の方向に擦りつけ、余分な樹脂材料2baをスキージ11で除去する(図4(b)を参照)。第一の光拡散層2aの周囲に形成された樹脂材料2baを加熱硬化させる。
これにより、平面視矩形状のLEDチップ1の主発光面における中央部1aの中心領域1aaに第一の光拡散層2aと、中心領域1aaを囲む周辺領域1bに第一の光拡散層2aの周囲に略同じ膜厚で第一の光拡散層2aよりも拡散材の含有量の少ない第二の光拡散層2bとが形成されることになる。
次に、第一の光拡散層2aおよび第二の光拡散層2bが形成されたLEDチップ1を備えた実装基板4上に、実装基板4からLEDチップ1の前記主発光面に形成された第一および第二の光拡散層2a,2bの表面までの厚さに略等しい厚さの第二のマスク13を重ねる。第二のマスク13には、第一および第二の光拡散層2a,2bが形成されたLEDチップ1の平面視における外形と相似形で、LEDチップ1よりも大きい開口部13aを備えている。そのため、第二のマスク13の開口部13aと、LEDチップ1が実装された実装基板4との間で形成される窪み内に、第一および第二の光拡散層2a,2bを備えたLEDチップ1が収納されることになる。続いて、(Ba0.05Sr0.93Eu0.02)2SiO4の黄色蛍光体が均一に含有されたシリコーン樹脂からなる樹脂材料3aaを第二のマスク13の上に配置させる。第二のマスク13の上から樹脂材料3aaをスキージ11で図4(c)の矢印の方向に擦りつけ、第一および第二の光拡散層2a,2bを備えたLEDチップ1上に均一に塗布させ、余分な樹脂材料3aaを第二のマスク13の開口部13a上から除去する(図4(c)を参照)。
これにより、樹脂材料3aaは、実装基板4上にフリップチップ実装されたLEDチップ1の側面部1cと、LEDチップ1の光取り出し面側となる主発光面であって第一および第二の光拡散層2a,2bが形成された中央部1aを囲む周辺部1bとを覆うように塗布される。第二のマスク13を取り除いた後に、LEDチップ1の側面部1cおよびLEDチップ1の前記主発光面の周辺部1bを覆う樹脂材料3aaを加熱硬化して、LEDチップ1の主発光面上の周辺部1bおよびLEDチップ1の側面1cに光変換部材3の一部3aを形成させる。
さらに、平面視形状が第四のマスク15の開口部15aと相似形で開口部15aよりも大きく、第二のマスク13の開口部13aより小さい開口部14aを備えた第三のマスク14を、LEDチップ1の主発光面の周辺部1bを覆う光変換部材3の一部3a上に、第一および第二の光拡散層2a,2bを囲むように重ね合わせる。ここで、第三のマスク14の厚みは、第一のマスク12の厚みより厚く、第二のマスク13および第四のマスク15の厚みより薄くしている。
第二のマスク13で用いたものと同種の黄色蛍光体を含有するシリコーン樹脂からなる樹脂材料3baを第三のマスク14の上に配置させる。第三のマスク14の上から樹脂材料3baが第一および第二の光拡散層2a,2bを覆うように、スキージ11で図4(d)の矢印の方向に擦りつけ、LEDチップ1上に均一に塗布させ、余分な樹脂材料3baを開口部14a上から除去する(図4(d)を参照)。
実装基板4上にフリップチップ実装されたLEDチップ1の光取り出し面側となる主発光面であって中央部1aに形成された第一および第二の光拡散層2a,2bを覆うように樹脂材料3baが塗布される。樹脂材料3baを加熱硬化して、光変換部材3の一部3a、第一および第二の光拡散層2a,2b上の光変換部材3の他部3bを形成する。
これにより、実装基板4にフリップチップ実装されたLEDチップ1の外形が、光変換部材3により全て覆われ、LEDチップ1の発光面側の中央部1aにのみ、第一および第二の光拡散層2a,2bが接して配置されることになる(図4(e)を参照)。
本実施形態では、LEDチップ1の中央部1aを中心領域1aaと、中心領域1aaを囲む周辺領域1abとに分けして、LEDチップ1の前記主発光面における中央部1aの中心領域1aaに配置される第一の光拡散層2aは、拡散材の濃度がLEDチップ1の主発光面における中央部1aの周辺領域1abに形成される第二の光拡散層2bの拡散材の濃度よりも高くしている。これにより、本実施形態の発光装置10は、LEDチップ1の中央部1aから放射される青色光のより均一な拡散と、LEDチップ1の周辺部1bから放出される青色光の利用効率向上と、を図ることにより、放射される混色光の色調の均一性を高めつつ、さらに発光効率を高くすることができる。
(実施形態3)
本実施形態は、図3で示した実施形態2の発光装置10における光拡散層2を拡散材の濃度を変えた2種類の光拡散層2a,2bとする代わりに、図5に示す拡散材の種類を変えた2種類の光拡散層2a,2cとする点が異なる。なお、実施形態2と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態は、図3で示した実施形態2の発光装置10における光拡散層2を拡散材の濃度を変えた2種類の光拡散層2a,2bとする代わりに、図5に示す拡散材の種類を変えた2種類の光拡散層2a,2cとする点が異なる。なお、実施形態2と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
以下、本実施形態の発光装置10を図5に示す概略断面図で説明する。
本実施形態の発光装置10は、実装基板4上にAuバンプ5を用いてLEDチップ1がフリップチップ実装されている。光拡散層2は、LEDチップ1の主発光面の中央部1aに設けられ、中央部1aの中心領域1aaに設けられた第一の光拡散層2aと、中心領域1aaを囲む周辺領域1abに設けられた第三の光拡散層2cと、で形成されている。
第一の光拡散層2aは、平均粒径が1μmで、屈折率が1.76となる酸化アルミニウムからなる拡散材をジメチル系シリコーン樹脂中に含有させたものである。また、第三の光拡散層2cは、平均粒径が1μmで、屈折率が1.45となる酸化珪素からなる拡散材をジメチル系シリコーン樹脂中に含有させたものである。
ここで、第一の光拡散層2aは、LEDチップ1からの青色光を第三の光拡散層2cと比較して、より光拡散できるように、第三の光拡散層2cに含有させる拡散材よりも屈折率の大きい拡散材を含有させて光拡散性を高めている。
第一の光拡散層2aは、たとえば、酸化アルミニウムをジメチル系シリコーン樹脂中に10重量%以下とし、第三の光拡散層2cは、たとえば、酸化珪素を同様にジメチル系シリコーン樹脂中に10重量%以下で含有させている。
このような第一の光拡散層2aおよび第三の光拡散層2cの大きさや厚みは、LEDチップ1の電極形状などにより異なるが、それぞれ約100μmとして形成することができる。発光装置10は、第一の光拡散材2aおよび第三の光拡散材2cを覆うように光変換部材3を設けている。
なお、本実施形態の発光装置10は、図4に示す実施形態2と実質的に同様の作り方で、第一および第二の光拡散層2a,2bを拡散材の濃度を変えた樹脂材料2aa,2baで形成させる代わりに、拡散材の種類を変えた樹脂材料を第一のマスク12と第四のマスク15で塗布して、第一の光拡散層2aおよび第三の光拡散層2cを同様に形成すれば良い。
本実施形態は、LEDチップ1の主発光面における中央部1aをさらに中心領域1aaと、中心領域1aaを囲む周辺領域1abとに分け、拡散材の種類を変えLEDチップ1の主発光面における中央部1aの中心領域1aaが、LEDチップ1の主発光面における中央部1aの周辺領域1abでの屈折率差よりも高くする。これにより、本実施形態の発光装置10は、LEDチップ1の中央部1aから放射される青色光のより均一な拡散と、LEDチップ1の周辺部1bから放出される青色光の利用効率の向上と、を図ることにより、放射される混色光の色調の均一性を高めつつ、さらに発光効率を高くすることができる。
1 LEDチップ(発光素子)
1a 中央部
1aa 中心領域
1ab 周辺領域
1b 周辺部
2 光拡散層
2a 第一の拡散部
2b 第二の拡散部
3 光変換部材
4 実装基板
10 発光装置
1a 中央部
1aa 中心領域
1ab 周辺領域
1b 周辺部
2 光拡散層
2a 第一の拡散部
2b 第二の拡散部
3 光変換部材
4 実装基板
10 発光装置
Claims (3)
- 実装基板上に実装された発光素子と、該発光素子の主発光面上に前記発光素子から放射された光を拡散させる光拡散層と、該光拡散層を備えた前記発光素子を被覆し、前記発光素子が放射した光の少なくとも一部を吸収して波長変換した光を発する光変換部材と、を有する発光装置であって、
前記発光素子は、前記主発光面の中央部で前記光拡散層が接して設けられ、前記主発光面の前記中央部を囲む周辺部で前記光変換部材が接して設けられていることを特徴とする発光装置。 - 前記光拡散層は、前記主発光面の中央部に接して設けられ、該中央部の中心領域に設けられた第一の光拡散部と、前記中心領域を囲む周辺領域に設けられた第二の光拡散部とを有し、前記第一の光拡散部は、前記第二の光拡散部よりも前記発光素子からの光を拡散させる光拡散性が高いことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記光拡散層は、光を拡散させる粒子状の拡散材が透光性部材に含有されており、該透光性部材における前記拡散材の含有量、前記透光性部材と前記拡散材との屈折率差および前記拡散材の平均粒径の少なくとも1つが調整されてなることで、前記第一の光拡散部が、前記第二の光拡散部よりも前記光拡散性を高くされてなることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
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-
2009
- 2009-09-25 JP JP2009221490A patent/JP2011071349A/ja not_active Withdrawn
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