JP2013077684A - 発光装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】青色ＬＥＤチップと蛍光体とを用いて白色光を得る発光装置において、直接光を見たときのＬＥＤ特有の眩しさを低減し、不快グレアを抑制する発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１１００は、複数の青色ＬＥＤチップ１１４と、複数の青色ＬＥＤチップ１１４をボンディングするボンディング基板１１３と、蛍光体を含有すると共に青色ＬＥＤチップ１１４を封止する封止樹脂とを備える。封止樹脂層は、円錐台形状をなすと共に面積の小さいほうの面が青色ＬＥＤチップ１１４に対向する円錐台形状の封止樹脂層１１１と、封止樹脂層１１１の残余の部分となる封止樹脂層１１２とから構成される。この構成において、封止樹脂層１１１は、封止樹脂層１１２よりも、含有される蛍光体の濃度が高いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用した発光装置に関するものである。

近年、白色ＬＥＤは照明用途としても広く用いられるようになってきている。ＬＥＤ自体の大光量化も進んではいるが、大きな光量を必要とする器具では、多数のＬＥＤパッケージを用いて１つのモジュールとする。多数のＬＥＤチップをひとつの基板に実装し、パッケージ単位ではなくモジュール単位で光を得るものがＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ Ｂｏａｒｄ）であるが、ＣＯＢは、ＬＥＤパッケージに比べ放熱面積が広く取れるため、放熱性が良好であり、光の取り出し効率が高いという利点がある。

一方、ＬＥＤの白色は、一般的に青色ＬＥＤの光が黄色蛍光体を励起、発光させ、青色の光と黄色の光との混色によって得られる。従来では黄色蛍光体を封止樹脂に均一分散させ、その混色光として白色を得る。しかし、従来のように黄色蛍光体を封止樹脂に均一分散させると光の強い部分と弱い部分が存在し、この光の強い部分と弱い部分との差が、照明として光を直接見たときにまぶしいと感じるグレアの原因や、ＬＥＤ特有の「つぶつぶ感」となっている。

そこで、不快グレアを抑制しつつ照明できるとともに、発光する複数のＬＥＤチップが「つぶつぶ」に視認され難くした技術がある（例えば特許文献１）。

特開２００８−１１７５３８号公報

特許文献１は、不快グレアを抑制し、複数の青色ＬＥＤチップが視認し辛くするために、チップ同士の間隔を５ｍｍないし１０ｍｍ間隔で縦横に配列したことを特徴とする。しかし、特許文献１では、白色を得るために、やはり青色ＬＥＤチップの上に均一に蛍光体を分散させた樹脂で封止する構造をとる。この構造の場合、チップ真上とチップ横では、光が樹脂から空気中にでるまでの距離が異なるため、チップ真上に青色の光が出やすく、見た目のまぶしさが生じる課題を依然として有している。

この発明は、青色ＬＥＤチップの真上の部分と、横部分とで封止樹脂に含有する蛍光体を異なる含有量とすることで、ＬＥＤ特有の直接光を見たときの眩しさを低減し、不快グレアを抑制することを目的とする。

この発明の発光装置は、
発光面を有する青色ＬＥＤチップと、
実装面を有し、前記実装面に前記青色ＬＥＤチップがボンディングされるボンディング基板と、
蛍光体を含有すると共に、前記青色ＬＥＤチップを前記ボンディング基板の前記実装面側で封止する封止樹脂と
を備えた発光装置において、
前記封止樹脂は、
前記実装面の２方向の法線方向のうち前記ボンディング基板にボンディングされた前記青色ＬＥＤチップが光を出射する側を上方向としたときに、前記青色ＬＥＤチップの前記発光面に対応する円形状の面を前記発光面の位置から前記封止樹脂と大気との境界面まで上方向に移動してできる仮想的な円柱形状の内部領域に含有される前記蛍光体の濃度が、前記仮想的な円柱形状の内部領域以外の残余領域に含有される前記蛍光体の濃度よりも、高いことを特徴とする。

この発明の発光装置によれば、不快グレアを抑制した発光装置を得ることができる。

実施の形態１における発光装置１１００の構造図（Ａ−Ａ断面図）。 実施の形態１における発光装置１１００の斜視図。 実施の形態１における封止樹脂層１１１、１１２の構成例を示す図。 実施の形態１における封止樹脂層１１１、１１２の形成過程を示す図。 実施の形態１における青色ＬＥＤチップ１１４からの光の出方を示す図。 実施の形態２における発光装置１２１０あるいは発光装置１２２０の上面図。 実施の形態２における発光装置１２１０のＣ−Ｃ断面図。 実施の形態２における発光装置１２２０のＣ−Ｃ断面図。

実施の形態１．

図１は、実施の形態１における発光装置１１００の構造図（断面図）である。
図２は、発光装置１１００の斜視図である。図２の封止樹脂層１１１の下に青色ＬＥＤチップ１１４が存在する。つまり、図２では、個々の封止樹脂層１１１と青色ＬＥＤチップ１１４とが一対一に対応している。図１は、図２のＡ−Ａ断面である。なお図２の長手方向のＢ−Ｂ断面は示していないが、Ｂ−Ｂ断面はＡ−Ａ断面と同様であり、Ｂ−Ｂ断面では青色ＬＥＤチップ１１４が５個現れることなる。また、封止樹脂層１１１は、下側の定面の方が小さい円錐台形状（回転体形状）である。

図１、図２に示すように、発光装置１１００は、発光面（後述の接合部１２４）を有し、発光源となる複数の青色ＬＥＤチップ１１４と、青色ＬＥＤチップ１１４を実装面１１３−１にボンディングし実装するボンディング基板１１３と、蛍光体を含有し、青色ＬＥＤチップ１１４をボンディング基板の実装面１１３−１側で封止する封止樹脂層１１１、１１２とを備える。ここで、封止樹脂層１１１は、封止樹脂層１１２よりも濃い濃度で蛍光体を含有している。

図１のように、発光装置１１００は、青色ＬＥＤチップ１１４と、それを覆うように透過性の高い蛍光体含有の封止樹脂層１１１、１１２とが設けられている。封止樹脂層１１１、１１２は、メチル系シリコーンの樹脂が好ましい。青色ＬＥＤチップ１１４はボンディング基板１１３に直接ダイボンドされており、一般的にはＣＯＢ（チップオンボード）と呼ばれるＬＥＤの構成をとり、電極から供給される電力により発光する。

蛍光体含有の封止樹脂層１１１、１１２に混入される蛍光体は、例えばＹＡＧ（イットリウム アルミニウム ガーネット）蛍光体であり、青色ＬＥＤが発する光によって励起され、４８０〜７８０ｎｍの間にスペクトルを持ち、５６０ｎｍ付近を主波長とする光を発する。この二つの波長の合成光は補色関係にあるため、擬似的に白色を呈することとなる。

青色ＬＥＤチップ１１４の封止樹脂は、青色ＬＥＤチップ１１４の真上の封止樹脂層１１１と、横の封止樹脂層１１２とでは、蛍光体の含有量（蛍光体の濃度）が異なることを特徴とする。例えば、真上（上部）の封止樹脂層１１１は、蛍光体含有量（蛍光体の濃度）がｗｔ６％であり、横（周囲）の封止樹脂層１１２はｗｔ３％である。

図３は、封止樹脂層１１１、１１２の構成例を示す図である。青色ＬＥＤチップ１１４の真上、横とは、図３（ａ）のように青色ＬＥＤチップ１１４に対して９０°に蛍光体含有の封止樹脂層１１２と、封止樹脂層１１２より蛍光体含有量を増やした、つまり蛍光体の濃度の高い封止樹脂層１１１とに分かれてもよいし、図３（ｂ）のように青色ＬＥＤチップ１１４に対して４５°に蛍光体含有の封止樹脂層１１２と、封止樹脂層１１２より蛍光体含有量を増やした、つまり蛍光体の濃度の高い封止樹脂層１１１とに分かれてもよい。

さらに詳しく図３の封止樹脂層の構成を説明すれば以下の様である。図３では、ボンディング基板１１３の実装面１１３−１の法線におけるＸ方向（青色ＬＥＤチップ１１４の光の出射側）を上方向とする（後述の図７、図８も同様である）。図３の封止樹脂層において、青色ＬＥＤチップ１１４の発光面（図４の接合部１２４）に対応する円形状の面１１５を発光面の位置から封止樹脂と大気との境界面まで上方向に移動してできる仮想的な円柱形状１１６（二点鎖線）を想定する。発光装置１１００では、仮想的な円柱形状１１６の内部領域に含有される蛍光体の濃度が、仮想的な円柱形状１１６の内部領域以外の残余領域に含有される蛍光体の濃度よりも、高いことが特徴である。仮想的な円柱形状１１６の内部領域が、青色ＬＥＤチップ１１４の「真上」を意味する。また、封止樹脂層のうち、仮想的な円柱形状１１６の内部領域以外の残余領域が、青色ＬＥＤチップ１１４の「横」（周囲）を意味する。ここで、「青色ＬＥＤチップ１１４の発光面（図４の接合部１２４）に対応する円形状の面１１５」とは、その面積が、青色ＬＥＤチップ１１４の発光面（接合部１２４）の程度、あるいは青色ＬＥＤチップ１１４のチップ上面１１４−１（図１）の程度の大きさである。図３（ａ）では、仮想的な円柱形状１１６は封止樹脂層１１１と略一致しており、封止樹脂層１１２が残余領域である。図３（ｂ）では、封止樹脂層１１１の中心領域が仮想的な円柱形状１１６であり、封止樹脂層１１１における仮想的な円柱形状１１６の残りの部分と、封止樹脂層１１２とが残余領域である。

また、図３における封止樹脂層は、以下のように理解することもできる。図３（ｂ）を参照して説明する。発光面の位置にある下面（面１１５）から封止樹脂と大気との境界面となる上面まで上方向に向かうに従って円形状の横断面の面積が増加する仮想的な円錐台形状１１７（図３（ｂ）の二点鎖線）を想定する。この場合、仮想的な円錐台形状１１７の上面の直径を増加させることにより、図３（ｂ）のように側面でみたときの母線１１８の水平線に対する角度を９０度（９０度の場合は仮想的な円錐台形状１１７は、仮想的な円柱形状１１６）から次第に小さくしていくと、仮想的な円錐台形状１１７の内部領域に含有される蛍光体の濃度が次第に低くなることを特徴とする。図３（ｂ）の場合は、母線が４５度を超えて水平に近づくと、その仮想的な円錐台形状１１７の内部領域に含有される蛍光体の濃度は次第に低くなる。これは、仮想的な円錐台形状１１７の内部領域に対する封止樹脂層１１１の比率が減ってくるからである。同様に図３（ｂ）の場合でも、母線が９０度から水平に近づくにつれて、図３（ｂ）と同じ理由で、その仮想的な円錐台形状１１７の内部領域に含有される蛍光体の濃度は次第に低くなる。

図３では、図３（ａ）において、封止樹脂層１１１が、仮想的な円柱形状１１６に一致する場合を示し、図３（ｂ）では、封止樹脂層１１１が、母線１１８が水平線に対して４５度である仮想的な円錐台形状１１７に一致する場合を示したがこれらは例示である。封止樹脂層は、円錐台形状の母線が側面でみたときに水平線に対して４５度以上、９０度（９０度の場合は前記円錐台形状は円柱形状）以下である円錐台形状をなす封止樹脂層１１１（第１の封止樹脂層）と、封止樹脂層１１１（第１の封止樹脂層）の残余の部分となる封止樹脂層１１２（第２の封止樹脂層）とからなる構成でもよい。この場合、当然、封止樹脂層１１１（第１の封止樹脂層）は、封止樹脂層１１２（第２の封止樹脂層）よりも、含有される蛍光体の濃度が高い。

図４は、濃度の異なる蛍光体含有の封止樹脂層１１１，１１２の形成過程を示す。図４において、
（１）図４（ａ）のように、ボンディング基板１１３の実装面１１３−１に青色ＬＥＤチップ１１４をダイボンドし、
（２）図４（ｂ）のように、封止樹脂層１１１に比べて蛍光体含有量の少ない封止樹脂層１１２が青色ＬＥＤチップ１１４の真上に乗らないように型などを用いて樹脂形成し、
（３）図４（ｃ）のように、蛍光体含有量の多い封止樹脂層１１１を、青色ＬＥＤチップ１１４の真上の開いた空洞に流し込む形で形成する。

図５は、青色ＬＥＤチップ１１４からの光の出方を示す。青色ＬＥＤチップ１１４は、素子基板１２０と、Ｎ型半導体１２１、Ｐ型半導体１２２、電極１２３により構成されるのが一般的である。青色ＬＥＤチップ１１４の発光は、Ｐ型半導体１２２とＮ型半導体１２１の接合部１２４で起こる。よって、光は上下に出力され、図５の矢印で描いた光線のように、真上にでる光（実線の矢印）と、ダイボンド部あるいは青色ＬＥＤチップ１１４に反射部がある場合は、発光部（接合部１２４）から出た光線がダイボンド部あるいは反射部に反射して上部に戻る光（破線の矢印）とに分かれる。このため、青色ＬＥＤチップ１１４の光は、青色ＬＥＤチップ１１４上部のほうが強く、横に出る光は、上部にでる光に比べ減衰した弱い光となっている。加えて、樹脂から空気中に出て行く距離も青色ＬＥＤチップ１１４の真上より横側の光のほうが長いため、真上のほうが青く強い光がでやすく、グレアの原因となりやすい。この対策のため、発光装置１１００では、蛍光体を含有する封止樹脂は、青色ＬＥＤチップ１１４真上の封止樹脂層１１１のほうが、横部分の封止樹脂層１１２よりも蛍光体含有量（蛍光体の濃度）を高くする。このように、封止樹脂から空気中までの距離が短い（青い光が蛍光体に当たる確率が低い）真上部分の蛍光体濃度を、封止樹脂から空気中までの距離が長い（蛍光体に当たる確率が高い）横部分の蛍光体濃度よりも高くすることで、真上から青く強い光が直接でるのを抑制し、不快グレアを抑制することができる。

このように青色ＬＥＤチップ１１４の真上と横とで、蛍光体含有量（蛍光体濃度）の異なる封止樹脂層を配置する構成とした。よって、樹脂から空気中に出て行く距離が短くて強い光が蛍光体に当たる確率を高め、青色の光が黄色の光に多く変換される構成を提供できる。よって、グレアを低減し、ＬＥＤの「つぶつぶ感」を見えづらくすることができる。

実施の形態２．
図６〜図８を参照して実施の形態２の発光装置１２１０、１２２０を説明する。
図６は、発光装置１２１０、１２２０を真上から見た図である。発光装置１２１０、１２２０は、真上から見た状態は同じであるが、次のように断面形状が異なる。
図７は、発光装置１２１０の図６のＣ−Ｃ断面である。
図８は、発光装置１２２０の図６のＣ−Ｃ断面である。

（発光装置１２１０）
まず図６、図７を参照して発光装置１２１０を説明する。発光装置１２１０の封止樹脂では、青色ＬＥＤチップ１１４の横側から真上にかけて蛍光体の濃度がグラデーション式にだんだんと濃くなっていき、青色ＬＥＤチップ１１４の真上の濃度が一番高くなっている。つまり、図７における蛍光体濃度は、封止樹脂層１１２＜１３１＜１３２＜１３３＜１３４であり、封止樹脂層１１２が最も低く、封止樹脂層１３４が最も高い。図では５層となっているが、５層に限らずもっと層を増やしてもよい、５層より少なくてもよい。なお、封止樹脂層１３１〜１３４は、回転体の形状である。例えば、封止樹脂層１３４は半球形状であり、封止樹脂層１３１〜１３３は、いずれも下半分の球殻の形状である。封止樹脂層１１２の上に封止樹脂層１３１、１３２、１３３が層状に形成され、封止樹脂層１３３の内部に半球形状の封止樹脂層１３４が形成された構成である。このように発光装置１２１０では、封止樹脂は、青色ＬＥＤチップ１１４の上部に複数の封止樹脂層を有する。そして、複数の封止樹脂層は、上方向の封止樹脂層ほど、含有される蛍光体の濃度が高い。

図７の場合も図３の場合と同様に、仮想的な円柱形状１１６の内部領域に含有される蛍光体の濃度が、仮想的な円柱形状１１６の内部領域以外の残余領域に含有される蛍光体の濃度よりも、高いことが特徴である。また、仮想的な円錐台形状１１７の上面の直径を増加させることにより、側面でみたときの母線１１８の水平線に対する角度を９０度から次第に小さくしていくと、仮想的な円錐台形状１１７の内部領域に含有される蛍光体の濃度が次第に低くなることも図３の場合と同じである。

（発光装置１２２０）
図６、図８を参照して発光装置１２２０を説明する。発光装置１２１０では縦断面でみて円形のくぼみ型の封止樹脂層としたが、発光装置１２２０では、図８のように直線的なテーパーを持たせた。図８では、図７の場合と同様に、封止樹脂層１１２＜１３１＜１３２＜１３３＜１３４の順に、蛍光体の濃度が高い。封止樹脂層１３１とボンディング基板１１３との角度は４５°程度となっており、封止樹脂層１３４とボンディング基板１１３との角度は９０°程度である。

図８の場合も図３の場合と同様に、仮想的な円柱形状１１６の内部領域に含有される蛍光体の濃度が、仮想的な円柱形状１１６の内部領域以外の残余領域に含有される蛍光体の濃度よりも、高いことが特徴である。また、仮想的な円錐台形状１１７の上面の直径を増加させることにより、側面でみたときの母線１１８の水平線に対する角度を９０度から次第に小さくしていくと、仮想的な円錐台形状１１７の内部領域に含有される蛍光体の濃度が次第に低くなることも図３の場合と同じである。

なお、図８では、各封止樹脂層１１１をテーパー形状としたが、封止樹脂層１３４の周囲を囲む封止樹脂層１１１は、中空円筒を層状に重ねた構成でも構わない。すなわち、封止樹脂は、面１１５を発光面の位置から封止樹脂と大気との境界面まで上方向に移動してできる柱形状の封止樹脂層である封止樹脂層１３４（柱形状樹脂層）と、封止樹脂層１３４の周囲を層状に取り囲む複数の封止樹脂層である複数の封止樹脂層１１３３，１３２，１３１とを備え、封止樹脂層１３４は、封止樹脂層１３３，１３２、１３１のどれよりも含有される蛍光体の濃度が高く、封止樹脂層１３３，１３２、１３１は、内側の封止樹脂層ほど、含有される前記蛍光体の濃度が高い構成でもよい。

このように、ＬＥＤチップの真上から真横へと順に光の出力が弱くなっていくのに対し、蛍光体濃度は真横から真上へと順に濃くしていくことにより、光の強いところでは濃度を濃く、弱いところでは濃度を薄く、光の強さに合わせて細かく対処することができる。
すなわち、実施の１、２の発光装置１１００、１２１０、１２２０では、封止樹脂は、青色ＬＥＤチップ１１４から出射される出射光のうち強い光出力の出射光が通過する領域に配置され、所定の濃度の蛍光体を含有する高出力封止樹脂（例えば封止樹脂層１１１）と、高出力封止樹脂を通過する出射光よりも弱い光出力の出射光が通過する領域に配置され、高出力封止樹脂よりも低濃度の蛍光体を含有する低出力封止樹脂（例えば封止樹脂層１１２）とを備えることを特徴とする。

以上の実施の形態では、ＬＥＤのＣＯＢに関するものとしたが、白色ＬＥＤとしての一般的な構成をとるものであれば、砲弾型でも、ＬＥＤパッケージにおいても同様の効果を得ることができる。

本実施の形態の発光装置１１００，１２１０，１２２０の適用例として、ＬＥＤを利用した照明器具（ダウンライト、グリッドライトなど）が考えられる。

１１１，１１２ 封止樹脂層、１１３ ボンディング基板、１１３−１ 実装面、１１４ 青色ＬＥＤチップ、１１４−１ チップ上面、１１５ 面、１１６ 仮想的な円柱形状、１１７ 仮想的な円錐台形状、１１８ 母線、１２０ 素子基板、１２１ Ｎ型半導体、１２２ Ｐ型半導体、１２３ 電極、１２４ 接合部、１３１，１３２，１３３，１３４ 封止樹脂層、１１００，１２１０，１２２０ 発光装置。

Claims (7)

1. 発光面を有する青色ＬＥＤチップと、
   実装面を有し、前記実装面に前記青色ＬＥＤチップがボンディングされるボンディング基板と、
   蛍光体を含有すると共に、前記青色ＬＥＤチップを前記ボンディング基板の前記実装面側で封止する封止樹脂と
   を備えた発光装置において、
   前記封止樹脂は、
   前記実装面の２方向の法線方向のうち前記ボンディング基板にボンディングされた前記青色ＬＥＤチップが光を出射する側を上方向としたときに、前記青色ＬＥＤチップの前記発光面に対応する円形状の面を前記発光面の位置から前記封止樹脂と大気との境界面まで上方向に移動してできる仮想的な円柱形状の内部領域に含有される前記蛍光体の濃度が、前記仮想的な円柱形状の内部領域以外の残余領域に含有される前記蛍光体の濃度よりも、高いことを特徴とする発光装置。
2. 前記封止樹脂は、
   前記青色ＬＥＤチップの前記発光面に対応する円形状の面を下面とし、前記発光面の位置にある前記下面から前記封止樹脂と大気との境界面となる上面まで上方向に向かうに従って円形状の横断面の面積が増加する仮想的な円錐台形状を想定した場合に、前記仮想的な円錐台形状の前記上面の直径を増加させることにより側面でみたときの母線の水平線に対する角度を９０度から次第に小さくしていくと、前記仮想的な円錐台形状の内部領域に含有される前記蛍光体の濃度が次第に低くなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記封止樹脂は、
   前記青色ＬＥＤチップの前記発光面に対応する円形状の面を下面とし、前記発光面の位置にある前記下面から前記封止樹脂と大気との境界面となる上面まで上方向に向かうに従って円形状の横断面の面積が増加する円錐台形状であって、前記円錐台形状の母線が側面でみたときに水平線に対して４５度以上、９０度以下である前記円錐台形状をなす第１の封止樹脂層と、
   前記第１の封止樹脂層の残余の部分となる第２の封止樹脂層とからなり、
   前記第１の封止樹脂層は、
   前記第２の封止樹脂層よりも、含有される前記蛍光体の濃度が高いことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記封止樹脂は、
   前記青色ＬＥＤチップの上部に複数の封止樹脂層を有し、
   前記複数の封止樹脂層は、
   上方向の封止樹脂層ほど、含有される前記蛍光体の濃度が高いことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
5. 前記封止樹脂は、
   前記青色ＬＥＤチップの前記発光面に対応する円形状の面を前記発光面の位置から前記封止樹脂と大気との境界面まで上方向に移動してできる柱形状の封止樹脂層である柱形状樹脂層と、
   前記柱形状樹脂層の周囲を層状に取り囲む複数の封止樹脂層である複数の周囲樹脂層とを備え、
   前記柱形状樹脂層は、
   前記複数の周囲樹脂層よりも含有される前記蛍光体の濃度が高く、
   前記複数の周囲樹脂層は、
   内側の前記周囲樹脂層ほど、含有される前記蛍光体の濃度が高いことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
6. 青色ＬＥＤチップと、
   前記青色ＬＥＤチップをボンディングするボンディング基板と、
   蛍光体を含有すると共に、前記青色ＬＥＤチップを封止する封止樹脂と
   を備えた発光装置において、
   前記封止樹脂は、
   前記青色ＬＥＤチップから出射される出射光のうち強い光出力の出射光が通過する領域に配置され、所定の濃度の前記蛍光体を含有する高出力封止樹脂と、
   前記高出力封止樹脂を通過する出射光よりも弱い光出力の出射光が通過する領域に配置され、前記高出力封止樹脂よりも低濃度の前記蛍光体を含有する低出力封止樹脂とを備えることを特徴とする発光装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の発光装置を備えたことを特徴とする照明器具。

Images