JP2018186110A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂を母材とする蛍光体層を有する発光装置において蛍光体層からの放熱の効率が良い発光装置を提供する。【解決手段】基板に実装される発光素子と、発光素子の光取出面を覆う蛍光体層と、発光素子の光取出面以外の面を覆う反射材と、を有する発光装置において、蛍光体層は樹脂を母材として蛍光体と無機フィラーを含有する。これにより蛍光体層の熱伝導率が高められるため、蛍光体からの発熱が発光素子および基板に伝わりやすくなり、蛍光体からの放熱効率を向上させることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

近年、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）素子を用いた発光装置が広く用いられるようになっている。そのような発光装置の中には、ＬＥＤチップを基板やケースにフリップチップ実装し、ＬＥＤチップの光取出面側に、蛍光体を含む蛍光体層を配置したものがある。蛍光体層の蛍光体が、ＬＥＤチップからの発光光により励起されて発光光と波長の異なる蛍光（すなわち波長変換光）を発し、発光光と蛍光との合成色光、あるいは蛍光色主体の光が外部に取り出される。そのような発光装置の例が特許文献１（特開２００７−１９０９６号公報）に記載されている。特許文献１に記載の蛍光体層は樹脂を母材としている（引用文献１の明細書の段落［００１５］参照）。

特開２００７−１９０９６号公報 特開２０１４−１４００１４号公報

このような発光装置に大電流を流して高輝度な光を得る場合、蛍光体が波長変換する際のエネルギーロスにより発熱し、蛍光体層からの発熱量が大きくなる。そこで、蛍光体層の信頼性を考慮し、特許文献１のような樹脂を母材とする蛍光体層に代えて、無機物（ガラス、アルミナ、蛍光体の焼結体等）を母材とする蛍光体板が使用される場合がある（例えば、特許文献２の段落［００２０］参照）。
ただし、無機物を母材とする蛍光体板は比較的高価であり、しかも、蛍光体板とＬＥＤチップの接合のために接着材を塗布し、蛍光体板をＬＥＤチップに対して搭載し、接着材を硬化させるといった工程を必要とする。そのため、発光装置の製造コストが高くなる一因となっていた。

本発明は上記に鑑み、樹脂を母材とする蛍光体層を有する発光装置において、蛍光体からの放熱の効率を向上させ得る発光装置を提供することを一つの目的とし、そのような発光装置からの光の取り出し効率を向上させることを別の一つの目的とする。

本発明の発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下のように本発明の各局面に想到した。
すなわち、本発明の第１の局面に係る発光装置は、基板に実装される発光素子と、発光素子の光取出面を覆う蛍光体層と、発光素子の光取出面以外の面を覆う反射材と、を有する発光装置であって、蛍光体層は樹脂を母材として蛍光体と無機フィラーを含有する、発光装置である。

上記局面に係る発光装置においては、蛍光体層が樹脂を母材とし、熱伝導率の高い蛍光体に加えて、熱伝導率の高い無機フィラーを含有することで、蛍光体層の熱伝導率が高められている。これにより蛍光体からの発熱が発光素子および基板に伝わりやすくなり、蛍光体からの放熱の効率を向上させられる。特に、蛍光体層の温度上昇を、蛍光体層を形成する樹脂の耐熱温度より低く抑えることが容易となり、発光素子に長時間にわたり通電する際に蛍光体層にクラック等が発生することを抑制できるため信頼性が向上し、また、大電流を投入する際においても蛍光体層の信頼性が向上する。蛍光体層の母材を樹脂としたことで、蛍光体層を発光素子に接着するための接着材を省略でき、発光装置の製造コストの低減に貢献し得る。

また、本発明の第２の局面によれば、上記発光装置において、反射材は蛍光体を含有する。これにより、発光素子の光取出面以外の面から発光される光の一部を、反射材に含有される蛍光体により長波長光に変換し、発光素子への光の再吸収や基板への光の吸収を抑制することが可能である。結果として、高光束な発光装置を提供できる。

また、本発明の第３の局面によれば、上記発光装置において、発光素子は接合部を介して基板に実装され、反射材に含有される蛍光体のメジアン径は、接合部の厚さより小さい。これにより、反射材に含有される蛍光体が発光素子と基板の間の隙間に入り込みやすくなる。もって、発光素子から基板へ向かって進む光の一部を蛍光体により長波長光に変換し、発光素子への光の再吸収や基板への光の吸収を抑制することが可能である。結果として、高光束な発光装置を提供できる。

本発明の第４の局面によれば、上記発光装置において、蛍光体層に含有される蛍光体のメジアン径は反射材に含有される蛍光体のメジアン径より大きい。蛍光体は粒径が大きいほど波長変換効率および伝熱効率が高い傾向があるため、蛍光体層に含まれる蛍光体の粒径を反射材に含まれる蛍光体の粒径より大きく設定することが有利である。

図１は本発明の第１実施形態に係る発光装置の断面図である。 図２は本発明の第２実施形態に係る発光装置の断面図である。 図３は本発明の第３実施形態に係る発光装置の断面図である。 図４は蛍光体層に占める蛍光体および無機フィラーの体積率と蛍光体層の熱伝導率との関係の例を表すグラフである。

以下、本発明の複数の実施形態に係る発光装置を、添付の図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態に係る発光装置１の断面図を示す。図１に示す発光装置１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の基板１０と、基板１０上に接合、実装されるＬＥＤチップ（発光素子）２０と、基板１０とは反対側のＬＥＤチップ２０の上面（光取出面）を覆う蛍光体層３０と、ＬＥＤチップ２０の外面であって光取出面以外の面（側面と下面）を覆う反射材４０とを有する。ＬＥＤチップ２０は接合部５０を介して基板１０の表面の電極（図示せず）と電気的に接続される態様で基板１０に実装される。発光装置１は更に、蛍光体層３０や反射材４０の外周を囲むダム等の部材を有していてもよい。

（ＬＥＤチップ２０）
ＬＥＤチップ２０はフリップチップタイプのものが好ましく、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体層（エピタキシャル層）が、サファイア基板上に形成されているものを採用できる。ただし、本発明の実施態様はこれに限らず、ＬＥＤチップ２０の半導体層として上記の他、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）系、炭化珪素（ＳｉＣ）系等を用いることができ、基板としてそれぞれに適したものを用いることができる。ＬＥＤチップ２０の発光色としては、蛍光体を励起して蛍光との合成により白色を取り出すことができる青色、紫色または紫外光が好ましいが、これらに限定されない。本実施形態の以下の記載においては青色光を発するＬＥＤチップ２０を例に取り説明する。

（蛍光体層３０）
蛍光体層３０は、光取出側に露出する光出射面を有し、ＬＥＤチップ２０の光取出面全体を覆うように構成されている。蛍光体層３０は主として、高耐熱性のシリコーン樹脂等の樹脂からなる母材３１と、母材３１中に分散される粒子状の蛍光体３２および無機フィラー３３からなる。
蛍光体層３０に含まれる蛍光体３２としては任意の蛍光体を用いることができるが、青色光を発するＬＥＤチップ２０に対しては、ＬＥＤチップ２０からの放射光（青色光）を受けて励起されることにより、波長変換光（黄色光）を放射するＹＡＧ、ＢＯＳ等の黄色系蛍光体を用いることにより、発光装置１を、ＬＥＤチップ２０の青色光と蛍光体３２による波長変換光の混色により白色光を発する白色ＬＥＤパッケージとして構成できる。蛍光体３２は母材３１を構成する樹脂よりも熱伝導率が高い。
蛍光体層３０に含まれる無機フィラー３３としては、母材３１よりも熱伝導率が高いアルミナ、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、二酸化珪素、窒化珪素などを用いることができる。また、他の無機フィラー３３として、ユーロピウムやセリウムなどの付活剤を含有しない蛍光体の母体結晶を用いることができる。母体結晶としては、ＹＡＧ、α−サイアロン、β−サイアロン、ＣａＡＩＳｉＮ_３、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８などを使用できる。

（反射材４０）
反射材４０を形成する反射材料は樹脂に光反射粒子を含有させたものとすることができ、光反射粒子は、ＬＥＤチップ２０の発光層の発光によってＬＥＤチップ２０の側面および下面から出射される漏洩光を受けてＬＥＤチップ２０内に反射する機能を有する。樹脂としてはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等を用いることができる。光反射粒子としてはチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）等の酸化物や、窒化アルミニウム、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）等の粒子を用いることができる。特に、ＬＥＤチップ２０で生じた熱に対する耐熱性、光の反射性の観点から、シリコーン樹脂と酸化チタン（ＴｉＯ_２）の組み合わせが好ましい。

（発光装置１の動作）
電源からＬＥＤチップ２０に電圧が印加されると、発光層において発光し、この放射光がＬＥＤチップ２０の光取出面から蛍光体層３０を介して第１放射光として光取出側に、またＬＥＤチップ２０から第２放射光（漏洩光）として反射材４０中にそれぞれ出射される。これら放射光のうちＬＥＤチップ２０から反射材４０中に出射される第２放射光はＬＥＤチップ２０近傍の光反射粒子で反射され、これら反射光のうち大部分の反射光がＬＥＤチップ２０内に戻り、第１放射光と共に光取出面から蛍光体層３０を介して出射される。この場合、蛍光体層３０においては、ＬＥＤチップ２０から放射される第１放射光及び第２放射光（共に青色光）を受けて蛍光体３２が励起されることにより黄色の波長変換光を放射する。このため、ＬＥＤチップ２０から放射される青色の放射光と蛍光体層３０から放射される黄色の波長変換光とが混合して白色光となる。

本実施形態では、フリップチップ型のＬＥＤチップ２０を備えた発光装置１である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、フェイスアップ型のＬＥＤチップを備えた発光装置であってもよい。ただし、フリップチップ型のＬＥＤチップ２０の方が、光取出面を蛍光体層３０で覆う構成を形成し易い。

（発光装置の製造方法）
以下に、本実施形態の発光装置１の製造方法の一例について説明する。
まず、基板１０の表面の電極と、ＬＥＤチップ２０の電極とを、金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）の合金により接合（Ａｕ−Ｓｎ接合）して接合部５０を形成し、フリップチップ実装する。例えば、基板１０の表面のＡｕ電極と、ＬＥＤチップ２０のＡｕＳｎ電極とを熱圧着により合金化し、もって接合する方法を採用することができる。
基板１０の表面の電極とＬＥＤチップ２０の電極とを接合する方法としては、従来公知の接合方法から適宜かつ任意の方法を選択し得る。

次に、基板１０上に設けられたダムの内側に、ＬＥＤチップ２０の側面および下面を覆うように反射材４０を形成する。反射材４０は、ポッティング等により形成される。
反射材４０の硬化後、ＬＥＤチップ２０の光取出面を覆うように蛍光体層３０を形成する。蛍光体層３０は、蛍光体３２および無機フィラー３３を分散させた母材３１をＬＥＤチップ２０および反射材４０上にポッティング等により塗布することで形成される。
次に、ダイシング等により製品サイズに分割する。

（第１実施形態の効果）
以上のような構成の発光装置１において、蛍光体層３０に蛍光体３２を含有させることに加えて無機フィラー３３も含有させることで、蛍光体層３０の熱伝導率が高くなり、蛍光体３２からの発熱をＬＥＤチップ２０、基板１０に伝えやすくなり、放熱に有利な発光装置１とすることができる。そのような効果を奏するための蛍光体３２および無機フィラー３３の含有量の例については、後に実施例を参照して説明する。なお、無機フィラー３３として蛍光体３２と同じ母体結晶のものを採用すれば、両者の比重が実質同一となるため、両者を母材３１中に均一に分散させやすくなる。また、蛍光体層３０の母材３１を樹脂としたことで、蛍光体層３０をＬＥＤチップ２０に接着するための接着材を省略でき、発光装置１の製造コストの低減に貢献し得る。

（第２実施形態）
図２に本発明の第２実施形態に係る発光装置１Ａの断面図を示す。第２実施形態に係る発光装置１Ａは第１実施形態に係る発光装置１との比較においては、ＬＥＤチップ２０の側面を覆う反射材４０に蛍光体４１の粒子が均一に分散されている点で異なる。これにより、ＬＥＤチップ２０の側面から発光される青色光の一部を反射材４０に含有される蛍光体４１により長波長光に変換でき、これにより、ＬＥＤチップ２０での光の再吸収を抑制できる。また、窒化アルミニウムからなる基板１０での光の吸収も抑制できる。結果として、高光束な発光装置１Ａを提供できる。

（第３実施形態）
図３に本発明の第３実施形態に係る発光装置１Ｂの断面図を示す。第３実施形態に係る発光装置１Ｂは第１実施形態に係る発光装置１との比較においては、ＬＥＤチップ２０の側面並びに下面を覆う反射材４０中に蛍光体４２が均一に分散されている点で異なる。ＬＥＤチップ２０の下（すなわち、ＬＥＤチップ２０と基板１０の間）に蛍光体４２を入れるために、蛍光体４２の粒径は接合部５０の厚さよりも小さいことが望ましい。これにより、ＬＥＤチップ２０の下方に進む光の一部を蛍光体４２により長波長光に変換することができ、ＬＥＤチップ２０への再吸収や基板１０による光吸収を抑制でき、高光束な発光装置１Ｂを提供できる。また、接合部５０の厚さは薄いほうがＬＥＤチップ２０からの熱を基板１０側に伝えやすく、放熱に有利な発光装置１Ｂとなる。なお、蛍光体は粒径が大きいほど波長変換効率および伝熱効率が高い傾向があるため、蛍光体層３０に含まれる蛍光体３２の粒径は反射材４０に含まれる蛍光体４２の粒径より大きく設定することが有利である。一例として、接合部５０の厚さが約５μｍのとき、反射材４０に含まれる蛍光体４２のメジアン径（ｄ５０）を３μｍ程度とし、蛍光体層３０に含まれる蛍光体３２のメジアン径を１０μｍ程度とすることができる。例えば、蛍光体層３０に含まれる蛍光体３２のメジアン径を約６μｍ〜約２０μｍ、反射材４０に含まれる蛍光体４２のメジアン径を約３μｍ〜約５μｍの範囲内とすることが、発光装置１Ｂの高光束化の点で好ましい。

（実施例）
次に、本発明の第１実施形態に係る発光装置１の実施例について説明する。以下に本実施例の諸条件を示す。

狙いの混合色（発光装置１の発光色）：アンバー色
母材３１の材料：高耐熱シリコーン樹脂、熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ
蛍光体３２の材料：α−サイアロン蛍光体、発光中心波長５９７〜６０３ｎｍ、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ
無機フィラー３３の材料：二酸化珪素（ＳｉＯ_２）
無機フィラー３３の含有量：蛍光体層３０全体の１ｗｔ％
蛍光体層３０の厚さ：６０μｍ〜１６０μｍ
反射材４０の材料：シリコーン樹脂＋酸化チタン

図４は、本実施例の蛍光体層３０に占める蛍光体３２と無機フィラー３３を合わせた体積率Φ（ｖｏｌ％）と蛍光体層３０の熱伝導率λｃ（Ｗ／ｍ・Ｋ）との関係を表すグラフである。このグラフは、次のＢｒｕｇｇｅｍａｎの式（１）により算出された値をプロットしたものである。

上記式（１）における各記号の定義は次の通りである。
Φ：蛍光体３２と無機フィラー３３の体積充填率（体積率）
λｃ：蛍光体層３０の熱伝導率
λｆ：蛍光体３２と無機フィラー３３の平均の熱伝導率
λｍ：母材３１の熱伝導率

図４から、蛍光体３２と無機フィラー３３の含有量が多いほうが蛍光体層３０の熱伝導率が高くなり、蛍光体３２からの発熱をＬＥＤチップ２０、基板１０に伝えやすくなり、放熱に有利となることが分かる。そこで、蛍光体３２と無機フィラー３３の含有量と蛍光体層３０の温度の関係についてシミュレーションにより確認した。シミュレーションに用いたモデルは平板の熱伝導モデルであり、蛍光体層３０の表面から蛍光体３２の発熱が生じる場合を仮定した。蛍光体層３０の厚さを１００μｍ、蛍光体層３０の発熱量を０．５６３Ｗ／ｍｍ^２、ジャンクション温度Ｔｊを１５０℃とした。シミュレーションの結果を下表に示す（表中では、蛍光体３２と無機フィラー３３とを併せて「蛍光体等」と表す）。樹脂の耐熱温度が高温のもので２５０℃であることを考慮すると、蛍光体３２と無機フィラー３３の体積率を３５ｖｏｌ％以上とすることが望ましいと考えられる。

ただし、蛍光体３２と無機フィラー３３の体積率が５０ｖｏｌ％以上となると蛍光体層３０となる樹脂（母材３１）と蛍光体３２および無機フィラー３３の混合物はスラリー状態とはならず、蛍光体層３０を形成することができなかった。

なお、発光装置１の発光色として白色光を狙う場合に、蛍光体層３０からの放熱性を向上させるために上記実施例に基づき蛍光体層３０における蛍光体３２と無機フィラー３３の体積率を３５ｖｏｌ％以上とすべく蛍光体３２を多く含有させようとすると、混合色が黄色を帯び過ぎ、白色光が得られなくなることが考えられる。そのような場合には、蛍光体層３０に含まれる蛍光体３２の一部を更に無機フィラー３３に置き換えることで色度を調節するという対応が考えられる。
第２実施形態、第３実施形態において、反射材４０に含まれる蛍光体４１、４２の一部または全部を、第１実施形態の無機フィラー３３の材料として説明したものからなる無機フィラーにより置き換えてもよい。

以上において説明した本発明の異なる実施形態の要素を、実現不可能な場合を除き、互いに組み合わせて実施してもよく、そのような実施の態様も本発明の範囲に含まれる。
本発明は上記発明の各局面や実施形態やその変形例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

１、１Ａ、１Ｂ 発光装置
１０ 基板
２０ ＬＥＤ素子
３０ 蛍光体層
３１ 母材
３２ 蛍光体
３３ 無機フィラー
４０ 反射材
４１ 蛍光体
４２ 蛍光体
５０ 接合部

Claims (4)

1. 基板に実装される発光素子と、
   前記発光素子の光取出面を覆う蛍光体層と、
   前記発光素子の前記光取出面以外の面を覆う反射材と、を有する発光装置であって、
   前記蛍光体層は樹脂を母材として蛍光体と無機フィラーを含有する、発光装置。
2. 前記反射材は蛍光体を含有する、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記発光素子は接合部を介して前記基板に実装され、
   前記反射材に含有される前記蛍光体のメジアン径は、前記接合部の厚さより小さい、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記蛍光体層に含有される前記蛍光体のメジアン径は前記反射材に含有される前記蛍光体のメジアン径より大きい、請求項２または請求項３に記載の発光装置。
   
   

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