JP2016092016A

JP2016092016A - 発光体

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Publication number: JP2016092016A
Application number: JP2014220381A
Authority: JP
Inventors: 真司斎藤; Shinji Saito
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】光束密度を高めても熱的および電気的に安定した動作を確保できる発光体を提供する。【解決手段】発光体11は、金属基板16と、発光素子15と、絶縁体18と、封止樹脂19とを有する。発光素子15は、絶縁性基板21と、発光層22とを備える。絶縁性基板21は、金属基板16上に熱的に接続された状態で設置される。発光層22は、絶縁性基板21上に接合される。絶縁体18は、金属基板16上の少なくとも発光素子15間の位置を覆う。封止樹脂19は、透光性を有し、発光素子15の発光により励起されて発光する蛍光体が混入され、発光素子15を封止して金属基板16上に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、基板上に実装された発光素子を備えた発光体に関する。

従来、窒化物半導体を用いた半導体発光素子である発光ダイオード(ＬＥＤ)は、省電力化や小型化などの観点から、照明などに用いられてきている。このような発光素子を備えた発光モジュールでは、高効率化が求められるとともに、安定した動作、特に高光束密度(発散度)な発光モジュールを用いた照明装置の場合には効率的な放熱性と絶縁耐性とが求められる。

このような高光束密度の発光モジュールでは、放熱性と高密度実装との両立が必要であるだけでなく、電気的には落雷など電気的な外的要因に対しても故障しない絶縁性が求められる。このため、一般には、発光素子を実装する基板を、熱伝導性が良好なセラミックにすることで熱伝導性と絶縁性とを確保する。しかしながら、セラミック基板は、金属と比較して熱伝導性が低く、光束密度を向上する際に限界がある。

特開２０１３−１０５８２４号公報

本発明が解決しようとする課題は、光束密度を高めても熱的および電気的に安定した動作を確保できる発光体を提供することである。

実施形態の発光体は、金属基板と、発光素子と、絶縁体と、封止樹脂とを有する。発光素子は、絶縁性基板と、発光部とを備える。絶縁性基板は、金属基板上に熱的に接続された状態で設置される。発光部は、絶縁性基板上に接合される。絶縁体は、金属基板上の少なくとも発光素子間の位置を覆う。封止樹脂は、透光性を有し、発光素子の発光により励起されて発光する蛍光体が混入され、発光素子を封止して金属基板上に設けられる。

本発明によれば、金属基板に対して熱的に接続された絶縁性基板上に発光部を接合して発光素子を構成し、金属基板上の少なくとも発光素子間を絶縁体により覆うことで、発光素子の発光時の発熱を絶縁性基板により確実に金属基板に伝達して放熱性を確保するとともに、発光素子と金属基板との絶縁性を絶縁性基板および絶縁体により確保し、光束密度を高めても熱的および電気的に安定した動作を確保することが期待できる。

第１の実施形態の発光体を示す断面図である。同上発光体の製造工程を(a)ないし(c)の順に示す平面図である。第２の実施形態の発光体を示す断面図である。第３の実施形態の発光体を示す断面図である。第４の実施形態の発光体を示す断面図である。第５の実施形態の発光体を示す断面図である。

以下、第１の実施形態の構成を図１および図２を参照して説明する。

図１において、11は発光体を示し、この発光体11は、図示しない装置本体に配置されるとともに図示しない電源装置から給電されることで発光する照明装置を構成する、いわゆるＣＯＢ(Chip On Board)モジュールである。

この発光体11は、発光素子15が金属基板16上に複数配置され、各発光素子15間が配線17により電気的に接続され、これら発光素子15間に絶縁体18が配置され、かつ、これら発光素子15が絶縁体18と一体的に封止樹脂19により覆われて構成されている。

各発光素子15は、絶縁性基板21と、この絶縁性基板21上に実装されたベアチップである発光部である発光層22とを一体的に備えている。

絶縁性基板21は、発光素子15(発光層22)と金属基板16とを熱的に接続するとともに、充分な絶縁抵抗で絶縁するものであり、例えば珪素(Ｓｉ)、アルミナイトライド(ＡｌＮ)、シリコンナイトライド(ＳｉＮ)、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)、窒化ガリウム(ＧａＮ)、あるいはダイヤモンドなどにより構成されている。この絶縁性基板21は、例えば１００μｍ程度の厚みを有し、発光素子15の光の出射方向から見て平面視で四角形状に形成されている。さらに、この絶縁性基板21と発光層22は金属により接合されており、その金属と発光層22は０．２μｍ以内の厚みのマグネシウム(Ｍｇ)不純物を含んだ窒化ガリウムで隔てられている。さらに、発光素子15は、全体の厚みが１０μｍ以下である。これにより絶縁性基板21への放熱が良好で、絶縁性基板21とは反対側からの光取り出しが向上する。発光素子15単体では、非常に薄いために取り扱いが困難であり、素子製造時にウエハー状態で発光素子15の基板と絶縁性基板21とを貼り合わせた後、結晶成長に用いた基板を除去し、チップ化する方法が用いられる。つまり、本実施形態の発光素子15と絶縁性基板21とを１組として発光素子と称する場合が一般的にはありえる。

上記マグネシウム不純物を含んだ窒化ガリウムの厚みについては、通常、発光素子15として青色ＬＥＤを２０ｍＡで駆動した場合２．８Ｖの動作電圧であるところ、０．２μｍより大きいと４Ｖと非常に高い動作電圧となる。このため、マグネシウム不純物を含んだ窒化ガリウムの厚みは、０．２μｍ以内とすることが望ましい。また、本実施形態の発光素子15の厚みは１０μｍより大きいと結晶成長時に発光層22に欠陥が入るために良好な性能が得られない。このため、発光素子15の厚みは、１０μｍ以下とすることが望ましい。

発光層22は、半導体発光層であり、絶縁性基板21の上面を覆ってそれぞれ接合されている。これら発光層22は、発光面となる上面に光の取り出しの向上用に微細な凹凸が設けられ、全体として例えば数μｍ程度の厚みを有している。すなわち、これら発光層22は、絶縁性基板21よりも薄膜に形成されている。また、これら発光層22には、これら発光層22に定電流を供給するための電極パッド22a，22aが設けられている。これら電極パッド22a，22aは、絶縁性基板21の対角の角部にそれぞれ配置されている。そして、これら発光層22は、電極パッド22a，22a間に供給される定電流により、青色に発光するようになっている。

金属基板16は、例えばアルミニウムなどの、放熱性に優れた金属により形成されている。この金属基板16には、発光素子15の絶縁性基板21を実装する部分が所定の接着層24、例えば金錫合金(ＡｕＳｎ)、半田、あるいは銀(Ａｇ)などの導電性を有する金属部材により鍍金されている。なお、この金属基板16上での発光素子15の配置は、所望の光学特性を得ることができる任意の配置とすることができるが、本実施形態では、例えば所定方向(図２中の左右方向)に発光素子15が複数ずつ略等間隔に配置されて１つのグループを構成し、複数のグループが、所定方向と直交する方向(図２中の上下方向)に複数、略等間隔に配置されている。

配線17は、ボンディングワイヤとも呼ばれるもので、本実施形態では、金(Ａｕ)により形成され、発光素子15のグループ毎に、隣接する発光素子15，15の発光層22，22の電極パッド22a，22a間、および、端部に位置する発光素子15，15の電極パッド22aと外部の図示しない点灯回路とを電気的に接続することで、各グループ中の発光素子15を電気的に直列に接続するように配置されている。この配線17は、絶縁体18に対して上方に離間された位置に山状に湾曲して配置されている。なお、この配線17は、全ての発光素子15を電気的に直列に接続してもよい。

絶縁体18は、例えば合成樹脂、あるいはガラスなどの、封止樹脂19よりも絶縁性が大きい絶縁部材により構成されている。本実施形態では、この絶縁体18は、合成樹脂、例えば白色粒子を含有したシリコン樹脂(シリコーン)により形成されており、発光素子15，15間の金属基板16の上面を覆っている。すなわち、この絶縁体18は、発光素子15の発光層22からの光を反射する白色反射体である。この絶縁体18の発光素子15の波長に対する反射率としては、例えば８０％以上とすることが好ましい。また、この絶縁体18は、金属基板16の上面からの最大厚みが、絶縁性基板21の厚みより大きく設定されており、例えば１１０μｍとなっている。すなわち、この絶縁体18は、表面張力により膨らむ上部の頂点の位置が、金属基板16の上面に対して、絶縁性基板21の上面よりも上方に位置している。

封止樹脂19は、発光層22の発光色と補色の関係を有する蛍光体、本実施形態では黄色の蛍光体を内部に所定の濃度で混入した透明樹脂により構成されている。この封止樹脂19は、例えば全ての発光素子15の全体を囲む例えば円環状の壁部27により囲まれた部分に充填されて、全ての発光素子15全体を埋没させて封止している。この壁部27は、例えば白色粒子を含む合成樹脂である反射部材により形成されている。この壁部27の発光素子15の波長に対する反射率としては、例えば８０％以上とすることが好ましい。

次に、上記第１の実施形態の製造方法を説明する。

まず、金属基板16上の発光素子15を実装する部分に、予め金錫合金などを鍍金によりパターニングする。この鍍金の前に、ニッケル金(ＮｉＡｕ)鍍金を形成してもよい。

次いで、この金属基板16の鍍金上に、予め絶縁性基板21上に発光層22を実装した発光素子15を配置し、窒素雰囲気中で例えば３２０℃に加熱することで接着層24を形成して発光素子15を金属基板16上に実装する。

この後、各グループの隣接する発光素子15，15の電極パッド22a，22a間、および、各グループの端部の発光素子15の電極パッド22aと点灯回路間を、配線17により電気的に接続する(図２(a))。

さらに、これら発光素子15全てを囲むように白色粒子を含むペースト状の合成樹脂を円環状に塗布し、例えば１００℃で２時間、硬化処理を行い、壁部27を形成する(図２(b))。

次いで、壁部27の内方の位置で、図示しないディスペンサを用いて白色粒子を含むペースト状の絶縁部材を発光素子15間の金属基板16の上面全体に、発光素子15を埋め込むまで塗布した後、例えば１５０℃で１時間、硬化処理を行い、絶縁体18を形成する(図２(b))。

そして、壁部27の内方に、蛍光体を含んだ透明樹脂を充填して硬化し、封止樹脂19を構成する(図２(c))ことで、発光体11が完成する。

この発光体11は、電源装置から点灯回路を介して定電流が供給されることで各発光素子15が青色光を発光し、これら発光素子15の発光により励起された蛍光体が黄色光を発光することで、これら発光が混ざり合い、白色の光が封止樹脂19の上面全体から面状に出射される。発光素子15は、接着層24を介して金属基板16に熱的に接続されているため、充分な熱伝導性が得られ、発光素子15(発光層22)の発熱は、絶縁性基板21および接着層24を介して金属基板16に伝達され、この金属基板16を介して効果的に放熱される。また、発光素子15は、通電部分である発光層22および電極パッド22a，22aが絶縁性基板21上に設置され、かつ、発光素子15間に絶縁体18が埋め込まれているため、導電性を有する金属基板16に対して充分な絶縁特性が得られている。

このように、上記第１の実施形態によれば、金属基板16に対して熱的に接続された絶縁性基板21上に発光層22を接合して発光素子15を構成し、金属基板16上の少なくとも発光素子15間を絶縁体18により覆うことで、発光素子15(および封止樹脂19の蛍光体)の発光時の発熱を絶縁性基板21により確実に金属基板16に伝達して放熱性を確保するとともに、発光素子15と金属基板16との絶縁性を絶縁性基板21および絶縁体18により確保し、発光体11の光束密度を高めても熱的および電気的に安定した動作を確保できる。

すなわち、発光素子15の発光による発熱に対して充分な放熱性を考慮すると、金属基板16上に発光素子15を実装することが好ましい一方で、単に金属基板16上に発光素子15を実装した場合には、発光素子15と金属基板16との充分な絶縁性を得ることができない。そこで、絶縁性基板21上に発光層22を実装した発光素子15を金属基板16に実装して絶縁性基板21により熱的接続を得るとともに、発光素子15間の金属基板16上を絶縁体18によって覆うことにより、金属基板16による放熱性を得つつ発光素子15と金属基板16との絶縁性を確保した発光体11を構成できる。

特に、封止樹脂19は、混入された蛍光体が発光素子15に対して接触することでリークが生じやすく、絶縁体18を設けない場合には発光素子15間の部分に充填された封止樹脂19中の蛍光体により充分な絶縁性を確保することができない。そこで、絶縁体18によって封止樹脂19を金属基板16から離間することで、蛍光体によるリークを防止し、金属基板16に対して発光素子15の充分な絶縁性を確保できる。

絶縁性基板21の材料としてシリコンを用いる場合には、熱伝導性を確保しつつ、発光素子15を安価に構成できる。また、絶縁性基板21の材料としてアルミナイトライドを用いる場合には、熱伝導性がより向上する。同様に、絶縁性基板21の材料としてシリコンナイトライドを用いる場合には、機械的強度が強く、熱伝導性が良好になる。さらに、絶縁性基板21の材料としてシリコンカーバイドやダイヤモンドを用いる場合には、熱伝導をさらに向上できる。したがって、これらの材料の絶縁性基板21を用いることで、セラミック基板上に発光素子15を実装する場合と比較して、より高光束密度(発散度)の発光体11を提供できる。

絶縁体18は、白色反射体とすることで、発光素子15(発光層22)からの発光を効果的に反射させて、光の取り出し効率をより向上できる。

配線17は、絶縁体18の上方に配線することで、金属基板16に対してより確実に絶縁性を得ることができる。

なお、上記第１の実施形態において、絶縁体18は、絶縁性基板21の側部が隠れる程度の厚みに設定することが光取り出し効率の面で最も効果的であるものの、それより多少薄く設定しても電気的な絶縁に充分有効であり、例えば図３に示す第２の実施形態のように発光層22の側部まで絶縁体18により埋められている場合でも、発光素子15(発光層22)の側部は非常に薄く光取り出しにおいて問題になることはない。特に、発光素子15(発光層22)の側部からの光取出しを向上するために発光層22の表面(光出射面)に凹凸構造を設けている場合には、側部からの光取り出しは実質的に無視できるので、この発光層22の側部を覆う厚みの絶縁体18を設ける場合でも、光取り出し効率が低下することはない。

上記各実施形態において、絶縁体18は、例えば水ガラスを用いて構成してもよい。この場合には、２５０℃で１時間の硬化処理を行うことが好ましく、さらに好ましくは、１２０℃で１時間、２５０℃で３０分と、２段階に硬化処理を行うとよい。なお、水ガラスは、金属基板16を構成するアルミニウムと熱膨張係数が異なるため、シラノール系の合成樹脂を水ガラスに添加することで可塑性を向上し、クラックなどの欠陥を生じさせないようにすることもできる。

次に、第３の実施形態を、図４を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第３の実施形態は、上記第１の実施形態の絶縁体18に代えて、誘電体多層膜である絶縁体31を用いるものである。

この絶縁体31は、例えば二酸化珪素(Ｓｉ０₂)と、酸化アルミニウム(Ａｌ₂Ｏ₃)を交互に例えば２層積層して形成されている。この絶縁体31は、例えば発光素子15の波長に対して８０％以上の反射率を有している。

発光素子15と金属基板16とを固定する接着層24としては、例えば銀が用いられている。

そして、この発光体11を製造する際には、まず、金属基板16上の発光素子15を実装する部分に、予め銀ペーストなどをパターニングする。

次いで、この金属基板16の銀ペーストなどの上に、予め絶縁性基板21上に発光層22を実装した発光素子15を配置して例えば２２０℃に加熱し、銀ペーストを固化させることで接着層24を形成して、発光素子15を金属基板16上に実装する。

この後、各グループの隣接する発光素子15，15の電極パッド22a，22a間、および、各グループの端部の発光素子15の電極パッド22aと点灯回路間を、配線17により電気的に接続する。

次いで、この金属基板16を真空蒸着器に導入することで、誘電体多層膜である絶縁体31を蒸着する。このとき、酸化珪素と酸化アルミニウムとを交互に２層蒸着する。この蒸着により、金属基板16の上面の発光素子15の波長に対する反射率が、アルミニウム自体の反射率である８７％を増強し、９７％まで反射率を上げることができる。また、このとき発光素子15の発光層22の表面に対しても酸化珪素と酸化アルミニウムとが蒸着される(蒸着体32)ものの、発光素子15の発光層22の表面には、光取り出しのための微小な凹凸が設けられているため、この構造により反射率が大きく変化することはない。

そして、この工程以降は、上記第１の実施形態と同様の工程を行うことで、発光体11が完成する。

このように、第３の実施形態によれば、発光素子15が銀ペーストを用いた接着層24を介して金属基板16に熱的に接続されているため、充分な熱伝導性が得られ、通電部分である発光層22および電極パッド22a，22aが絶縁性基板21上に設置され、かつ、発光素子15間に誘電体多層膜である絶縁体31が埋め込まれているため、導電性を有する金属基板16に対して充分な絶縁特性が得られている。

しかも、絶縁体31は、発光素子15の波長に対して８０％以上の反射率を有するので、この絶縁体31での発光素子15からの発光の吸収を抑制でき、より光取り出し効率を向上できる。

なお、上記第３の実施形態において、接着層24を形成する銀ペーストは、金ペーストや半田ペーストなどでもよく、実装時の金属基板16の温度を変えることで容易に実現できる。

次に、第４の実施形態を、図５を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第４の実施形態は、絶縁体31に代えて、屈折率が互いに異なる複数の絶縁性の合成樹脂の多層膜により形成された絶縁体33を備えるものである。この絶縁体33を構成する合成樹脂は、本実施形態では例えば２種類であり、これらの合成樹脂が順次交互に重ねられて構成されている。また、この絶縁体33は、例えば発光素子15の波長に対して８０％以上の反射率を有している。

そして、この絶縁体33を形成する際には、金属基板16上に発光素子15を実装した後、例えばスピンコートやスプレーを用いて合成樹脂を順次層状に形成する。

このように、屈折率が互いに異なる絶縁性の合成樹脂により構成した絶縁体33が発光素子15間に埋め込まれているため、導電性を有する金属基板16に対して充分な絶縁特性が得られているとともに、絶縁体33は、発光素子15の波長に対して８０％以上の反射率を有し、かつ、屈折率が層状に変形することにより、この絶縁体33での発光素子15からの発光の吸収を抑制でき、より光取り出し効率を向上できる。

次に、第５の実施形態を、図６を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第５の実施形態は、上記第１の実施形態の絶縁体18上に、被覆層35を設けたものである。

この被覆層35は、例えば封止樹脂19と同一の透明樹脂および蛍光体の混合物からなり、この封止樹脂19よりも透明樹脂に混入されている蛍光体の質量濃度が大きく設定されている。また、この被覆層35は、蛍光体が透明樹脂よりも質量比が高くなっている。

そして、金属基板16上に発光素子15を実装し、配線17を施すとともに絶縁体18により発光素子15間の金属基板16上を埋めた状態で、壁部27の内方に、蛍光体を相対的に高濃度に含んだ透明樹脂を充填して硬化し被覆層35を構成した後、蛍光体を相対的に低濃度に含んだ透明樹脂を充填して硬化し封止樹脂19を構成することで、発光体11が完成する。

この結果、発光素子15間の金属基板16上を覆う絶縁体18上を被覆層35により覆うことで、発光素子15の側部に蛍光体を高濃度に含む被覆層35が位置するので、発光素子15の特に側部への光により被覆層35中の蛍光体が励起されることにより、光の取り出し効率を向上できる。

この第５の実施形態の被覆層35は、上記第３の実施形態の絶縁体31上および第４の実施形態の絶縁体33上にも適用できる。

上記第３ないし第５の実施形態に対して、上記第２の実施形態のように、絶縁体31、絶縁体33、および被覆層35を、発光層22の側部まで埋めてもよい。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、光束密度を高めても熱的および電気的に安定した動作を確保できる発光体11により、この発光体11を用いた高光束密度で高信頼性の照明装置を提供できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 発光体
15 発光素子
16 金属基板
18，31，33 絶縁体
19 封止樹脂
21 絶縁性基板
22 発光部である発光層
35 被覆層

Claims

金属基板と；
この金属基板上に熱的に接続された状態で設置された絶縁性基板、および、この絶縁性基板上に接合された発光部を備えた発光素子と；
前記金属基板上の少なくとも前記発光素子間の位置を覆う絶縁体と；
透光性を有し、前記発光素子の発光により励起されて発光する蛍光体が混入され、前記発光素子を封止して前記金属基板上に設けられた封止樹脂と；
を具備していることを特徴とする発光体。
絶縁体は、発光素子の発光部からの光を反射する白色反射体である
ことを特徴とする請求項１記載の発光体。
絶縁体は、誘電体多層膜である
ことを特徴とする請求項１記載の発光体。
絶縁体は、互いに屈折率が異なる複数の樹脂の多層膜である
ことを特徴とする請求項１記載の発光体。
透光性を有し、封止樹脂に混入されている蛍光体よりも蛍光体の質量濃度が大きく、絶縁体を覆って設けられた被覆層を具備した
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の発光体。
絶縁体は、金属基板上から絶縁性基板の厚みを超える最大厚みを有している
ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一記載の発光体。
絶縁体と発光部とは、金属により接合され、その金属と発光部とは０．２μｍ以内の厚みのマグネシウム不純物を含んだ窒化ガリウムによって隔てられており、
発光部は、全体の厚みが１０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１ないし６いずれか一記載の発光体。