JP4206334B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から発光される光を蛍光体で波長変換し外部に発光する発光装置に関する。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子16から発光される近紫外光や青色光等の光を赤色，緑色，青色，黄色等の複数の蛍光体15で長波長変換して白色発光する発光装置11を図４に示す。図４において、発光装置11は、上面の中央部に発光素子16を載置するための載置部12ｂを有し、載置部12ｂおよびその周辺から発光装置11の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体12ａが形成された絶縁体からなる基体12と、基体12上面に接着固定され、上側開口が下側開口より大きい貫通孔が形成されているとともに、内周面が発光素子16から発光する光を反射する反射面とされている枠状の反射部材13と、反射部材13の内部に充填され発光素子16が発光する光を励起し長波長変換する蛍光体15を含有した透光性部材14と、載置部12ｂに載置固定された発光素子16とから主に構成されている。

基体12は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。基体12がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体12ａがタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体12が樹脂から成る場合、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子がモールド成型されて基体12の内部に設置固定される。

また、反射部材13は、上側開口が下側開口より大きい貫通孔が形成されるとともに内周面に光を反射する反射面が設けられる枠状となっている。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。

さらに、反射部材13の反射面は、貫通孔の内周面を研磨して平坦化することにより、あるいは、貫通孔の内周面にＡｌ等の金属を蒸着法やメッキ法により被着することにより形成される。そして、反射部材13は、半田，銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、載置部12ｂを反射部材13の内周面で取り囲むように基体12の上面に接合される。

そして、載置部12ｂの周辺に配置した配線導体12ａと発光素子16とをボンディングワイヤ17を介して電気的に接続し、しかる後、蛍光体15を含有するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透光性部材14をディスペンサー等の注入機で発光素子16を覆うように反射部材13の内部に充填しオーブンで熱硬化させることで、発光素子16からの光を蛍光体15により長波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置11となし得る。
特開2003-37298号公報

近年、発光装置11の放射光強度をさらに高めることが望まれている。しかしながら、上記従来の発光装置11は、発光素子16が基体12に載置固定されているため、例えば、基体12がセラミックスや樹脂から成る場合、発光素子16または蛍光体15から発生した光が基体12を透過し、発光装置11の放射光強度が劣化するという問題点を有していた。

また、発光素子16または蛍光体15から発生した光が基体12と反射部材13との接合部においても吸収されやすく光損失が大きいという問題点を有していた。

また、反射部材13の内周面を発光素子16により近づけて発光素子16または蛍光体15から発生した光を反射部材13で反射させようとしても、基体12上には発光素子16が配線導体12ａにボンディングワイヤ17で接続されており、反射部材13の内周面を発光素子16に近づけるのは困難である。特に、反射部材13が金属から成る場合、載置部12ｂおよび配線導体12ａと反射部材13との絶縁性を十分に確保するために載置部12ｂおよび配線導体12ａと反射部材13との間隔を大きくする必要があり、発光装置11の小型化が困難になるという問題点があった。

したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子16から発生した光を効率よく蛍光体15により波長変換し、発光装置11の放射光強度を向上させるとともに小型化することにある。

本発明の一つの態様によれば、発光装置は、平板状の基体、配線導体および反射部材を有している。発光装置は、発光素子およびボンディングワイヤをさらに有している。配線導体は、基体に設けられており、基体の上面および外面に導出されている。反射部材は、反射面とされた内周面を含む側壁部を外周部に有しているとともに、側壁部の内側に設けられた貫通孔を有している。反射部材は、基体上に設けられている。発光素子は、側壁部の内側に配置されており、反射部材上に載置されている。ボンディングワイヤは、発光素子の電極および配線導体を電気的に接続しており、貫通孔内に配置されている。貫通孔の内周面は、上端から下端に向かうに伴って外側に広がるように傾斜している。発光装置は、前記貫通孔に充填された透明部材をさらに有している。透明部材は、絶縁性の光反射性粒子を含有している。

本発明の他の態様によれば、発光装置は、平板状の基体、配線導体および反射部材を有している。発光装置は、発光素子およびボンディングワイヤをさらに有している。配線導体は、基体に設けられており、基体の上面および外面に導出されている。反射部材は、反射面とされた内周面を含む側壁部を外周部に有しているとともに、側壁部の内側に設けられた複数の貫通孔を有している。反射部材は、基体上に設けられている。発光素子は、側壁部の内側に配置されており、反射部材上に載置されている。発光素子は、四角形の平面視形状を有している。ボンディングワイヤは、発光素子の電極および配線導体を電気的に接続しており、複数の貫通孔内に配置されている。複数の貫通孔は、発光素子の対角線上に対向して配置されている。

発光装置は、上記構成において、絶縁性の光反射性粒子を含有しており、貫通孔に充填された透明部材をさらに備えている。

本発明の発光装置は、平板状の基体と、一端が基体の上面に形成されて他端が基体の外面に導出された配線導体と、基体の上面に接合され、上側主面の中央部に発光素子の載置部が形成されるとともに上側主面の外周部に内周面が発光素子が発光する光を反射する反射面とされた側壁部が載置部を囲繞するように形成された反射部材と、載置部に載置された発光素子と、側壁部の内側に発光素子を覆うように設けられ、発光素子が発光する光を波長変換する蛍光体を含有する透光性部材とを具備しており、反射部材は、載置部の周囲に上下主面間を貫通する貫通孔が形成されており、発光素子の電極と基体の上面の配線導体とが貫通孔を通してボンディングワイヤで電気的に接続されていることにより、発光素子または蛍光体から発生した光を、基体と反射部材との接合部や基体の露出部がなく、上側主面全面が連続した金属面となっている反射部材で効率よく反射させることができる。その結果、発光素子または蛍光体から発生した光が基体を透過したり吸収されたりすることを有効に防ぎ、発光装置の放射光強度を高めることができる。

さらに、発光素子の熱が反射部材全体に拡散されることから、熱は反射部材の下側主面より効率よく基体に伝達され、発光素子のチップ温度の上昇を抑制できる。その結果、発光素子の熱による発光効率の劣化や波長のズレを抑制することができる。さらにまた、反射部材と配線導体との電気的な絶縁性を確保するとともに発光装置を小型化にすることができる。

本発明の発光装置において、好ましくは、貫通孔は、その内周面が上端から下端に向かうに伴って外側に広がるように傾斜していることにより、基体の上面に対して斜めになった状態でボンディングワイヤを接合しても貫通孔の内周面はボンディングワイヤに対して平行となるように形成されているので、貫通孔の内周面をよりボンディングワイヤに近づけても絶縁性を十分維持することができ、その結果、貫通孔の開口径を小さくして、発光装置を小型化することが可能となる。さらに、このようにボンディングワイヤを基体の上面に対して斜めになった状態で接合した場合、ボンディングワイヤの長さを短くすることができる。即ち、ボンディングワイヤを基体に対して垂直に延ばした後に湾曲させて発光素子と接続させるよりも、ボンディングワイヤを基体の上面から発光素子に向かって斜め上に延ばして発光素子に接続させる方がより短い距離で発光素子と基体上面の配線導体とをボンディングワイヤで電気的に接続することができる。よって、発光素子や蛍光体から発せられる光がボンディングワイヤで吸収されるのをより有効に抑制できる。

さらに、基体の貫通孔の上側の開口径を小さくすることができるので、発光素子または蛍光体から発生した光が貫通孔内に進入することを抑制し、光損失が生じるのを有効に防止できる。その結果、発光装置の放射光強度を高めることができる。

本発明の発光装置において、好ましくは、発光素子は平面視形状が四角形であり、貫通孔は発光素子の四角形の対角線上に対向して形成されていることから、光吸収が生じるボンディングワイヤ部分を互いに遠ざけて光吸収の相乗効果が生じないようにすることができ、ボンディングワイヤの光吸収によって生じる光の弱い部分が認識されるのを有効に防止して発光むらが生じるのを有効に抑制できる。

本発明の発光装置において、好ましくは、貫通孔は、その内部に絶縁性の光反射性粒子を含有する透明部材が充填されていることにより、発光素子または蛍光体から発生した光が貫通孔の内部に進入することをきわめて有効に防ぎ、光損失が生じるのを有効に防止できる。その結果、発光装置の放射光強度をより高めることができる。

本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、２は基体、３は反射部材、４は蛍光体５を含有した透光性部材であり、主としてこれらで発光素子６の発光を方向性をもって外部に発光させ得る発光装置１が構成される。

基体２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、上側主面に発光素子６を載置する載置部３ｂを有する反射部材３を載置固定する機能を有する。また、基体２の上面には、反射部材３が半田，Ａｇロウ等のロウ材やエポキシ樹脂等の接着剤等の接合材により取着される。

また、本発明の反射部材３は、上側主面の中央部に発光素子６の載置部３ｂが形成されるとともに上側主面の外周部に内周面が発光素子６が発光する光を反射する反射面とされた側壁部が載置部３ｂを囲繞するように形成される。これにより、発光素子６からの光を蛍光体５で波長変換して外部へ直接放射させるだけでなく、発光素子６から横方向等に発光された光や蛍光体５から下側に放出された光を反射面で均一にむらなく反射させることができ、軸上光度および輝度さらには演色性等を効果的に向上させることができる。

また、反射部材３は、載置部３ｂの周囲に上下主面間を貫通する貫通孔３ａが形成されており、発光素子６の電極と基体２の上面の配線導体２ａとが貫通孔３ａを通してボンディングワイヤ７で電気的に接続されていることにより、反射部材３と配線導体２ａとの電気的な絶縁性を確保することができる。

また、反射部材３は、基体２上面に接着されていることにより、発光素子６の発する熱が反射部材３全体に拡散される。その結果、熱は反射部材３の下側主面より効率よく基体２に伝達され、発光素子６のチップ温度の上昇を抑制できる。従って、発光素子６の熱による発光効率の劣化や波長のズレを抑制し、発光素子６の作動性を良好とし得る。

さらに、発光素子６または蛍光体５から発生した光がそのまま基体２を透過することを有効に防ぎ、発光装置１の放射強度を高めて、軸上光度や輝度，演色性等の光特性を良好なものとし得る。

また、貫通孔３ａは、その形状が反射部材３の上側主面から下側主面に向かうに伴って外側に広がるように傾斜しているのがよい。これにより、基体２の上面に対して斜めになった状態でボンディングワイヤ７を接合しても貫通孔３ａの内周面はボンディングワイヤ７に対して平行となるように形成されているので、貫通孔３ａの内周面をよりボンディングワイヤ７に近づけても絶縁性を十分維持することができ、その結果、貫通孔３ａの開口径を小さくして、発光装置１を小型化することが可能となる。さらに、このようにボンディングワイヤ７を基体２の上面に対して斜めになった状態で接合した場合、ボンディングワイヤ７の長さを短くすることができる。即ち、ボンディングワイヤ７を基体２に対して垂直に延ばした後に湾曲させて発光素子６と接続させるよりも、ボンディングワイヤ７を基体２の上面から発光素子６に向かって斜め上に延ばして発光素子６に接続させる方がより短い距離で発光素子６と基体２上面の配線導体２ａとをボンディングワイヤ７で電気的に接続することができる。よって、発光素子６や蛍光体５から発せられる光がボンディングワイヤ７で吸収されるのをより有効に抑制できる。

さらに、基体２の貫通孔３ａの上側の開口径を小さくすることができるので、発光素子６または蛍光体５から発生した光が貫通孔３ａ内に進入することを抑制し、光損失が生じるのを有効に防止できる。その結果、発光装置１の放射光強度を高めることができる。

さらに、貫通孔３ａは、図２に示す透光性部材４を充填していない状態の発光装置１の平面図のように、平面視形状が四角形である発光素子６に対して、その四角形の対角線上に対向するように成形するのがよい。これにより、光吸収が生じるボンディングワイヤ７部分を互いに遠ざけて光吸収の相乗効果が生じないようにすることができ、ボンディングワイヤ７の光吸収によって生じる光の弱い部分が認識されるのを有効に防止して発光むらが生じるのを有効に抑制できる。従って、発光装置１の放射強度を高めて、軸上光度や輝度，演色性等の光特性を良好なものとし得る。

また、貫通孔３ａは図３に示すように、その内部に絶縁性の光反射性粒子を含有する透明部材３ｃが充填されているのがよい。これにより、発光素子６または蛍光体５から発生した光が貫通孔３ａの内部に進入することをきわめて有効に防ぎ、光損失が生じるのを有効に防止できる。その結果、発光装置１の放射光強度をより高めることができる。

このような光反射粒子は、発光素子６や蛍光体５から発生される光に対する光反射率が80％以上の絶縁性のものであり、例えば、硫酸バリウムや炭酸カルシウム，アルミナ，シリカ等の組成に、カルシウム（Ｃａ），チタン（Ｔｉ），バリウム（Ｂａ），Ａｌ，ケイ素（Ｓｉ），マグネシウム（Ｍｇ），カリウム（Ｋ），酸素（Ｏ）等を含む無機材料が挙げられる。また、透明部材３ｃは、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂、または、ゾルゲルガラス等のガラス部材等の発光素子６や蛍光体５から発生される光を透過するものが挙げられる。

ここで、反射部材３は、金属部材や絶縁部材を切削加工や金型成形等を行うことにより形成される。また、反射部材３は、その内周面や上側主面に、例えば、メッキや蒸着等によりＡｌ，Ａｇ，金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），Ｔｉ，クロム（Ｃｒ），Ｃｕ等の高反射率の金属薄膜を形成することにより反射面を形成してもよい。なお、反射面がＡｇやＣｕ等の酸化により変色し易い金属からなる場合には、その表面に、例えば厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのが良い。これにより反射面の耐腐食性が向上する。

また、反射部材３は、その内周面の算術平均粗さＲａは、0.004〜４μｍであるのが良く、これにより、反射面が発光素子６や蛍光体５の光を良好に反射し得る。Ｒａが４μｍを超えると、発光素子６の光を均一に反射させ得ず、発光装置１の内部で乱反射する。一方、0.004μｍ未満では、そのような面を安定かつ効率良く形成することが困難となる傾向にある。

なお、反射部材３の側壁部は、例えば、縦断面形状が、上側に向かうにともなって外側に広がった図１に示すような直線状の傾斜面、上側に向かうにともなって外側に広がった円弧状等の曲面、あるいは矩形状の面等の形状が挙げられる。また、円弧状とする場合、発光素子６の光を万遍なく反射させて指向性の高い光を外部に均一に放射することができる。

また、透光性部材４は、発光素子６からの光を波長変換することのできる蛍光体５を含有しており、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明材料から成る。透光性部材４は、ディスペンサー等の注入機で発光素子６を覆うように反射部材３の内部に充填され、オーブン等で熱硬化されることで、発光素子６からの光を蛍光体５により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出すことができる。

発光素子６は、発光する光のエネルギーのピーク波長が紫外線域から赤外線域までのいずれのものでもよいが、白色光や種々の色の光を視感性よく放出させるという観点から300乃至500nmの近紫外系から青色系で発光する素子であるのがよい。例えば、サファイア基板上にバッファ層，ｎ型層，発光層およびｐ型層を順次積層した、ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体、あるいはシリコンカーバイド系化合物半導体やＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）等で発光層が形成されたものが挙げられる。

かくして、本発明の発光素子収納用パッケージおよび発光装置１は、反射部材３の載置部３ｂに発光素子６を搭載するとともに、発光素子６の電極をボンディングワイヤ７により配線導体２ａに電気的に接続し、この配線導体２ａを介して外部電気回路基板に電気的に導通させ得るものとし、しかる後、反射部材３の内側で発光素子６の周囲や表面に蛍光体５もしくは蛍光体５を混入した透光性部材４を充填し熱硬化させることにより、発光素子６の光を蛍光体５により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出すことができる発光装置１となる。

本発明の発光装置１について図１にもとづき以下に実施例を示す。

まず、基体２として、６×６ｍｍで厚さ0.5ｍｍの四角状の板からなるアルミナセラミックス基板を準備した。また、反射部材３として、Ａｌからなるとともに断面視形状が凹状であり、外壁部の内周面（算術平均粗さＲａは0.1μｍ）は基体２上面に対して60°に形成され、上側主面の中央部に載置部３ｂを有したものを準備した。ここで、反射部材３の上側主面の内径を0.75ｍｍとし、反射部材３の載置部３ｂと側壁部との間には、発光素子６と基体２上面の配線導体２ａとを電気的に接続するボンディングワイヤ７を挿通するための貫通孔３ａを、平面視形状が四角形である発光素子６の対角線上に対して２箇所設けた。ここで、反射部材３底部の厚さを0.2ｍｍ、貫通孔３ａ上端部の直径0.52mm、下端部の直径0.7mm、反射部材３の厚さを2.5ｍｍ、外形を直径６ｍｍとした。

また、貫通孔３ａ底面（基体２上面）に、発光素子６と外部電気回路基板とを基体２の内部に形成した内部配線を介して電気的に接続するための配線導体２ａを形成した。配線導体２ａは、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層により直径が0.6ｍｍの円形パッドに成形されており、その表面に厚さ３μｍのＮｉメッキ層と厚さ２μｍのＡｕメッキ層とが順次被着された。また、基体２内部の内部配線は、貫通導体からなる電気接続部、いわゆるスルーホールによって形成された。このスルーホールについても配線導体２ａと同様にＭｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ導体で成形された。

さらに、基体２上面の貫通孔３ａに相当する周辺部以外の全面に、Ａｇペーストを塗布し基体２と反射部材３とを接合した。

次に、近紫外光を発する厚さ0.08ｍｍの発光素子６をＡｇペーストで載置部３ｂに接合するとともに、発光素子６と貫通孔３ａ底面に形成された配線導体２ａとをボンディングワイヤ７にてワイヤボンディングし電気的に接続した。

次に、赤色発光，緑色発光，青色発光を行なう３種類の蛍光体５を含有するシリコーン樹脂（透光性部材４）をディスペンサーにて基体２と反射部材３に囲まれた領域の反射部材３の内周面の最上端まで充填することにより、サンプルとしての発光装置１を作製した。

また、比較例として、反射部材３を中央部に発光素子６を収納するための貫通孔が形成された枠状のものを用いること以外は上記サンプルと同様に比較用の発光装置１を作製した。

ここで、上記サンプルと比較例としての発光装置とをそれぞれ２０ｍＡの電流を印加し、点灯させて全光束量を測定した。その結果、本発明の発光装置１であるサンプルは９ｌｍ／Ｗ、従来のパッケージから成る発光装置は３ｌｍ／Ｗと、全光束量において３倍もの効果が得られることが判明した。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。

例えば、反射部材３の上面に発光素子６より出射される光を任意に集光したり拡散させる光学レンズや平板状の透光性の蓋体を半田や接着剤等で接合することにより、所望とする放射角度で光を取り出すことができるとともに発光装置１の内部への耐浸水性が改善され長期信頼性が向上する。また、反射部材３の側壁部の内周面は、その断面形状が平坦（直線状）であってもよく、また、円弧状（曲線状）であってもよい。円弧状とする場合、発光素子６の光を万遍なく反射させて指向性の高い光を外部に均一に放射することができる。

本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 図１の発光装置の透光性樹脂を設けていない状態の平面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１：発光装置
２：基体
２ａ：配線導体
３：反射部材
３ａ：貫通孔
３ｂ：載置部
３ｃ：透明部材
４：透光性部材
５：蛍光体
６：発光素子
７：ボンディングワイヤ

Claims (3)

1. 平板状の基体と、
   前記基体に設けられており、前記基体の上面および外面に導出された配線導体と、
   反射面とされた内周面を含む側壁部を外周部に有しているとともに、前記側壁部の内側に設けられた貫通孔を有しており、前記基体上に設けられた反射部材と、
   前記側壁部の内側に配置されており、前記反射部材上に載置された発光素子と、
   前記貫通孔内に配置されており、前記発光素子の電極および前記配線導体を電気的に接続しているボンディングワイヤと、
   絶縁性の光反射性粒子を含有しており、前記貫通孔に充填された透明部材と、
   を備えており、
   前記貫通孔の内周面が、上端から下端に向かうに伴って外側に広がるように傾斜していることを特徴とする発光装置。
2. 平板状の基体と、
   前記基体に設けられており、前記基体の上面および外面に導出された配線導体と、
   反射面とされた内周面を含む側壁部を外周部に有しているとともに、前記側壁部の内側に設けられた複数の貫通孔を有しており、前記基体上に設けられた反射部材と、
   四角形の平面視形状を有しており、前記側壁部の内側に配置されており、前記反射部材上に載置された発光素子と、
   前記複数の貫通孔内に配置されており、前記発光素子の電極および前記配線導体を電気的に接続しているボンディングワイヤと、
   を備えており、
   前記複数の貫通孔が、前記発光素子の対角線上に対向して配置されていることを特徴とする発光装置。
3. 絶縁性の光反射性粒子を含有しており、前記複数の貫通孔に充填された透明部材をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の発光装置。

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