JP4221649B2 - Wavelength conversion element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換素子に関し、特に家庭用照明や灯体等の光源に使用される例えば白色ＬＥＤ等の波長変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような波長変換素子は、例えば図７に示すように構成されている。図７において、波長変換素子１は、二つのリードフレーム２，３と、一方のリードフレーム２の上端に形成された凹陥部２ａ内に取り付けられたＬＥＤチップ４と、上記凹陥部２ａ内にＬＥＤチップ４を包囲するように充填された透明スペーサ層５と、透明スペーサ層５の上面に形成された波長変換層６と、上記二つのリードフレーム２，３の上端及びＬＥＤチップ４を覆うように樹脂モールドにより形成されたレンズ７と、から構成されている。
【０００３】
上記リードフレーム２，３は、例えば鉄に銀メッキをほどこしたものから形成されており、一方のリードフレーム２の上端に形成された凹陥部２ａは、図８に詳細に示すように、底面から上方に向かって拡大するように、一定の傾斜角を備えており、さらに内面が反射面として構成されている。
【０００４】
上記ＬＥＤチップ４は、例えば窒化ガリウム系のＬＥＤチップとして構成されており、その発光部から後述する波長変換層に対する励起光、例えば３００乃至５００ｎｍの波長の光を出射するようになっている。
尚、ＬＥＤチップ４は、そのｐｎ構造を構成するｐ層及びｎ層が、それぞれボンディングワイヤ４ａ，４ｂにより、リードフレーム２，３の上端にそれぞれ電気的に接続されている。
【０００５】
上記透明スペーサ層５は、例えばＬＥＤチップ４からの励起光に対して透明な材料、例えばシリコーン樹脂から構成されており、リードフレーム２の凹陥部２ａ内に充填された後、硬化されることにより、図８に示すように、その上面が、ＬＥＤチップ４の上面から所定距離に位置するようになっている。
【０００６】
上記波長変換層６は、蛍光体から構成されており、上記透明スペーサ層５の上面に形成されている。
そして、上記波長変換層６は、上記ＬＥＤチップ４からの光が励起光として入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【０００７】
上記レンズ７は、例えば透明エポキシ樹脂から構成されており、その形状に基づいて、波長変換層６からの蛍光を外部に適宜の配光特性で導くようになっている。
【０００８】
このような構成の波長変換素子１によれば、二つのリードフレーム２，３からＬＥＤチップ４のｐ層及びｎ層間に駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップ４のｐ層及びｎ層の接合部にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部２ａの内面即ち反射面により反射され、透明スペーサ層５を通って、波長変換層６に入射する。これにより、波長変換層６は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
かくして、波長変換素子１は、例えば白色光を出射するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の波長変換素子１においては、ＬＥＤチップ４の高さが１００μｍ程度であると想定されており、これにより、凹陥部２ａの形状と相まって、波長変換層６からの蛍光の色むらが発生しないように設計されている。
しかしながら、近年、ＬＥＤチップにおける光取出し効率を向上させるために、チップの一部を傾斜させるようにしたＬＥＤチップが開発されており、このようなＬＥＤチップは、その高さが１５０μｍ以上のものもある。
【００１０】
このため、前述した構成の波長変換素子１にて、ＬＥＤチップの高さが１５０μｍ以上になると、以下のような問題が生ずる。
即ち、励起光源であるＬＥＤチップ４の上端と下端から波長変換層６までの光路差が大きくなってしまうので、波長変換層６に入射する励起光の光量にむらが発生することになる。
これにより、波長変換層６から出射する蛍光の光量にもむらが発生することから、励起光と蛍光の混合による外部への出射光は、ＬＥＤチップ４の中心と周辺部とで、色が異なってしまい、色むらが発生することになる。
従って、このような波長変換素子は、例えば家庭用照明や灯体等の色むらや色のばらつきが問題視されるような光源として使用するには、不適であった。
【００１１】
本発明は、以上の点から、色むらや色のばらつきが低減され得るようにした、波長変換素子を提供することを目的としている。
【００１２】
上記目的は、本発明の構成によれば、少なくとも１つ以上のＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの周囲にて上方に向かって拡大するように形成された反射面と、この反射面内にてＬＥＤチップを包囲するように充填された透明スペーサ層と、透明スペーサ層の表面に形成された、波長変換層と、を含む波長変換素子であって、上記反射面が、下方からＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と、第一の部分から上方に延びる第二の部分とから構成されており、上記第二の部分が、上記第一の部分より小さい傾斜角を有し、上記透明スペーサ層は、上記第一の部分と上記第二の部分との境界まで充填され、上記透明スペーサ層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする、波長変換素子により、達成される。
【００１３】
本発明による波長変換素子は、好ましくは、上記波長変換層の上面が、上方に向かって凸状に形成されている。
【００１４】
本発明による波長変換素子は、好ましくは、上記波長変換層は、上記第二の部分の上端まで充填されている。
【００１５】
上記目的は、本発明の構成によれば、ＬＥＤチップを、該ＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と該第一の部分から該第一の部分より小さい傾斜角で上方に延びる第二の部分とからなる反射面を有する凹陥部内の底面に配置する工程と、透明樹脂を上記第一の部分と上記第二の部分の境界まで充填して硬化させ、上面が凸状の透明スペーサ層を形成する工程と、上記凹陥部内の上記透明スペーサ層上に、蛍光体を含有した樹脂により波長変換層を形成する工程と、を含む波長変換素子の製造方法により、達成される。
【００１６】
本発明による波長変換素子の製造方法は、好ましくは、上記波長変換層を形成する工程は、蛍光体を含有した樹脂を上記第二の部分の上端まで充填して、上面が凸状の上記波長変換層を形成する。
【００１８】
上記第一の構成によれば、ＬＥＤチップに駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップから励起光が発生し、この励起光の一部が、波長変換層に入射する。
そして、励起光が波長変換層に入射することになり、波長変換層は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００１９】
この場合、波長変換層が上方に向かって凸状に形成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の側面から出射する光は、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
【００２０】
また、上記第二の構成によれば、ＬＥＤチップに駆動電圧を印加することにより、ＬＥＤチップから励起光が発生し、この励起光の一部が、透明スペーサ層を通って、反射面の第一の部分及び第二の部分で反射され、他の一部が透明スペーサ層を通って直接に波長変換層に入射する。
そして、励起光が波長変換層に入射することになり、波長変換層は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２１】
この場合、波長変換層が上方に向かって凸状に形成されていると共に、反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の上端付近から出射する光は、反射面の第二の部分で反射され、より拡散されて、凸状の波長変換層の周縁付近に入射し、またＬＥＤチップの周縁の下端付近から出射する光は、反射面の第一の部分で反射され、より狭い範囲で、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。
【００２２】
これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
【００２３】
上記ＬＥＤチップの上面が、１５０μｍ以上の高さ位置に在る場合には、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されていることにより、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られる。
【００２４】
上記ＬＥＤチップが、サブマウントを介して実装されている場合には、サブマウントによりＬＥＤチップの高さが実質的に１５０μｍ以上になったとしても、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されていることにより、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られる。
【００２５】
上記ＬＥＤチップが、波長３００乃至５００ｎｍの波長の光を出射する場合には、ＬＥＤチップからの光が励起光として波長変換層に入射し、波長変換層から蛍光が発生することにより、励起光と蛍光の混合により、例えば白色光が外部出射することになる。
【００２６】
上記反射面が、放熱材上に形成されており、この放熱材が、１５０Ｗ／ｍｋ以上の熱伝導率を有する材料から構成されている場合には、このような放熱材により波長変換層の放熱が確実に行なわれることになるので、波長変換層が熱膨張により変形してしまうようなことがない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２８】
図１は、本発明による波長変換素子の第一の実施形態の構成を示している。
図１において、波長変換素子１０は、放熱材１１と、放熱材１１の上面中央付近に設けられた凹陥部１２内に取り付けられたＬＥＤチップ１３と、この凹陥部１２内にてＬＥＤチップ１３を包囲するように充填された透明スペーサ層１４と、透明スペーサ層１４の表面に形成された上方に向かって凸状の波長変換層１５と、凹陥部１２付近の上方全体を覆うように形成されたレンズ１６と、から構成されている。
【００２９】
上記放熱材１１は、凸状の波長変換層１５の熱膨張による変形を生じさせないように、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上の材料から構成されている。尚、この材料は、絶縁性材料でも金属製材料でもよく、例えばベリリア（熱伝導率２７２Ｗ／ｍＫ）や窒化アルミニウムＡｌＮ（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ）等のセラミックス材料や、銅（熱伝導率３９８Ｗ／ｍＫ）やアルミニウム（熱伝導率２３７Ｗ／ｍＫ）等が使用され得る。
【００３０】
さらに、上記放熱材１１の上面に形成された凹陥部１２は、上方に向かって拡大するように形成されており、その内面が反射面として使用され得る。
尚、放熱材１１は、凹陥部１２の内面の光学的特性を改善するために、少なくとも凹陥部１２の内面に高反射率の薄膜を形成してもよい。
【００３１】
ここで、凹陥部１２は、図２に詳細に示すように、二段構成になっており、下部（第一の部分）１２ａと上部（第二の部分）１２ｂから構成されている。
下部１２ａは、その高さｈ１が後述するＬＥＤチップ１３の高さより高く、好ましくはＬＥＤチップ１３の高さに二倍以下に選定されており、傾斜角θ１を備えている。
また、上部１２ｂは、波長変換層１５の最適化の観点から、その高さｈ２が下部１２ａの高さｈ１より低く選定されており、さらに波長変換層１５を凸状にするために、下部１２ａの傾斜角θ１より小さい傾斜角θ２を備えている。
ここで、下部１２ａの傾斜角θ１は、透明スペーサ層１４が凸状であることから、任意に設定され得、例えば９０乃至３０度、好ましくは６０乃至４５度に選定されている。
【００３２】
上記ＬＥＤチップ１３は、上記凹陥部１２の底面１２ｃ上にダイボンディング等により取り付けられており、その上面にｎ層及びｐ層の電極部（図示せず）が形成されている。そして、これらの電極部が例えば金線から成るボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂにより、前記放熱材１１の上面にて凹陥部１２に隣接して形成された引出し電極１１ａ，１１ｂと電気的に接続されている。
尚、上記ＬＥＤチップ１３は、基板側（下面）から光を取り出す所謂フリップチップ型素子として構成され、サブマウントを介して凹陥部１２の底面１２ｃ上に取り付けられていてもよい。
また、上記ＬＥＤチップ１３は、その基板側に形成された電極部がワイヤボンディングによらずに直接に凹陥部１２の底面１２ｃに露出した引出し電極に接続されるようにしてもよい。
【００３３】
ここで、上記ＬＥＤチップ１３は、その発光波長が後述する波長変換層１５に対して励起光となるような波長であればよく、具体的には例えば３００乃至５００ｎｍ程度の波長である。
さらに、上記ＬＥＤチップ１３は、その上面の高さが、サブマウントの有無にかかわらず、例えば１００μｍ以上、好ましくは１５０μｍ以上に選定されている。
【００３４】
上記透明スペーサ層１４は、凹陥部１２の内面及びＬＥＤチップ１３と波長変換層１５とを分離するためのものであり、ＬＥＤチップ１３から出射する励起光に対して透明であればよく、好ましくは、短波長光源による樹脂の黄色化を考察して、例えばシリコーン樹脂等から構成されている。
この場合、透明スペーサ層１４は、その上面が上方に向かって凸状に形成されている。
【００３５】
上記波長変換層１５は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、ＬＥＤチップ１３からの励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっており、透明スペーサ層１４の上面に凸状に成形されている。
このような凸状の波長変換層１５は、例えば成形樹脂の表面張力を利用したり、あるいは金型による樹脂成形により、容易に成形され得る。
【００３６】
上記レンズ１６は、例えば透明エポキシ樹脂から構成されており、その形状に基づいて、波長変換層１５からの蛍光を外部に適宜の配光特性で導くようになっている。
ここで、レンズ１６は、放熱材１１と一体に形成されてもよく、また放熱材１１と別体に構成され、嵌合，接着等の適宜の方法により放熱材１１に固定されてもよい。
【００３７】
本発明実施形態による波長変換素子１０は、以上のように構成されており、引出し電極１１ａ，１１ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂを介して、ＬＥＤチップ１３のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部１２の内面により反射され、透明スペーサ層１４を介して、その上方の波長変換層１５に入射する。
これにより、波長変換層１５は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。このようにして、波長変換素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００３８】
この場合、放熱材１１の凹陥部１２が二段構成になっていると共に、透明スペーサ層１４及び波長変換層１５の上面が凸状に形成されていることから、ＬＥＤチップ１３の上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層１５の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップ１３の周縁の上端付近から出射する光は、凹陥部１２の上部１２ｂで反射されるので、傾斜角θ２で比較的広い範囲に拡散されて、凸状の波長変換層１５の周縁付近に入射し、またＬＥＤチップ１３の周縁の下端付近から出射する光は、凹陥部１２の下部１２ａで反射されるので傾斜角θ１で比較的狭い範囲で、凸状の波長変換層１５の周縁付近に入射する。
【００３９】
従って、ＬＥＤチップ１３の上端及び下端から出射する光の波長変換層１５までの光路差が小さくなるので、ＬＥＤチップの高さが例えば１５０μｍ以上と比較的高くても、波長変換層１５に入射するＬＥＤチップ１３からの励起光の光量のむらが低減される。これにより、波長変換層１５から出射する蛍光の光量のむらも低減される。
【００４０】
図３は、本発明による波長変換素子の第二の実施形態の構成を示している。
図３において、波長変換素子２０は、基本的に図１に示した波長変換素子１０とほぼ同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
波長変換素子２０は、放熱材１１の凹陥部１２が二段構成ではなく、全体として同じ傾斜角θを備えていると共に、透明スペーサ層１４の上面が平坦に形成されており、透明スペーサ層１４の上面に形成される波長変換層１５のみが凸状に形成されている点で、図１に示した波長変換素子１０とは異なる構成になっている。
ここで、波長変換層１５は、凸状に形成されていればよく、具体的には中央部と端部との厚さの差が、ＬＥＤチップ１３の高さに対して、０．５乃至２．０倍の範囲が最適である。
【００４１】
このような構成の波長変換素子２０によれば、引出し電極１１ａ，１１ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ボンディングワイヤ１３ａ，１３ｂを介して、ＬＥＤチップ１３のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、凹陥部１２の内面により反射され、透明スペーサ層１４を介して、その上方の波長変換層１５に入射する。
これにより、波長変換層１５は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。このようにして、波長変換素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００４２】
この場合、波長変換層１５が上方に向かって凸状に形成されていることから、ＬＥＤチップ１３の上面から上方に出射する光は、直接に凸状の波長変換層１５の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップ１３の周縁の側面から出射する光は、波長変換層１５の周縁付近に入射する。
従って、ＬＥＤチップ１３の上端及び下端から出射する光の波長変換層１５までの光路差が小さくなるので、ＬＥＤチップの高さが例えば１５０μｍ以上と比較的高くても、波長変換層１５に入射するＬＥＤチップ１３からの励起光の光量のむらが低減される。これにより、波長変換層１５から出射する蛍光の光量のむらも低減される。
【００４３】
次に、上記波長変換素子１０，２０の具体的な実験例について説明する。
先づ、上記波長変換素子２０及び従来の波長変換素子として、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す白色ＬＥＤ３１，３２を作製して、その色むらの発生を比較した。
各白色ＬＥＤ３１，３２としては、それぞれ銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角６０度の凹陥部１２内に、厚さ１００μｍのサブマウント４３を介して、チップ高さ７５μｍの窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４５０ｎｍ）を搭載した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、上記サブマウント３３には、ｐ層／ｎ層の各電極用の配線が備えられており、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａ，１１ｂと電気的に接続され得るようになっている。
また、各ＧａＮ系層に形成された電極とサブマウントとは、Ａｕ／Ｓｎ系共晶材料により電気的接続が行なわれると共に、固定され得るようになっている。
その後、ＬＥＤチップ１３の高さ付近まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００４４】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を用意する。
そして、白色ＬＥＤ３１については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
また、白色ＬＥＤ３２については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内にて平坦になるように充填し、硬化させて、平坦な波長変換層１５’を形成した。
何れの白色ＬＥＤ３１，３２も、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５，１５’からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ３１，３２を作製した。
【００４５】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ３１と、従来の白色ＬＥＤ３２について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ３１，３２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ３１，３２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ３１の色むら発生は５０個中０個であったのに対して、従来の白色ＬＥＤ３２の色むら発生は５０個中３５個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ３１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生が効果的に抑制されていることが確認された。
【００４６】
次に、上記波長変換素子１０及び従来の波長変換素子として、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す白色ＬＥＤ４１，４２を作製して、その色むらの発生を比較した。
各白色ＬＥＤ４１，４２としては、それぞれ銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角４５度の凹陥部１２内に、チップ高さ２５０μｍの端面傾斜型窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４６０ｎｍ）をＡｕ／Ｓｎ共晶材料により固定した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、ＳｉＣ基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、ＬＥＤチップ１３は、ｐｎ接合部が凹陥部１２の底面１２ｃに接近するように配置され、ｐ型電極は凹陥部１２の底面１２ｃに対して共晶材料により電気的に接続され、またｎ型電極は、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａと電気的に接続され得るようになっている。
その後、ＬＥＤチップ１３の高さ付近まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００４７】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を用意する。
そして、白色ＬＥＤ４１については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
また、白色ＬＥＤ４２については、上記シリコーン樹脂を凹陥部１２内にて平坦になるように充填し、硬化させて、平坦な波長変換層１５’を形成した。
何れの白色ＬＥＤ４１，４２も、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５，１５’からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ４１，４２を作製した。
【００４８】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ４１と、従来の白色ＬＥＤ４２について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ４１，４２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ４１，４２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ４１の色むら発生は５０個中５個であったのに対して、従来の白色ＬＥＤ４２の色むら発生は５０個中４０個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ４１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生が効果的に抑制されていることが確認された。
【００４９】
次に、上記波長変換素子１０として、図６に示す白色ＬＥＤ５１を作製して、その色むらの発生を比較した。
白色ＬＥＤ５１としては、銅製放熱材内に形成された底面１２ｃの直径１．１ｍｍ，深さ０．５ｍｍ，端面傾斜角９０度の下部１２ａと、深さ０．３ｍｍ，端面傾斜角４５度の上部１２ｂから成る凹陥部１２内に、チップ高さ２５０μｍの窒化ガリウム系青色ＬＥＤチップ１３（発光波長４６０ｎｍ）をＡｕ／Ｓｎ共晶材料により固定した。ここで、このＬＥＤチップ１３は、ＳｉＣ基板上にｎ型ＧａＮ系層，ｐ型ＧａＮ系層を順次に成長させることにより形成されている。
ここで、ＬＥＤチップ１３は、ｐｎ接合部が凹陥部１２の底面１２ｃに接近するように配置され、ｐ型電極は凹陥部１２の底面１２ｃに対して共晶材料により電気的に接続され、またｎ型電極は、ボンディングワイヤにより引出し電極１１ａと電気的に接続され得るようになっている。
その後、凹陥部１２の下部１２ａ及び上部１２ｂの界面まで、凹陥部１２内に透明シリコーン樹脂を凸状になるように充填して硬化させ、透明スペーサ層１４を形成した。
【００５０】
続いて、この透明スペーサ層１４の上に、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光が入射したとき、補色である黄色光の蛍光を発生させるＣｅを添加したＹＡＧ系蛍光体を含有したシリコーン樹脂を凹陥部１２内に、塗布量を制御しながら、凹陥部１２の上端面と中央部分との高さが０．２ｍｍになるように調整して充填し、硬化させることにより、凸状の波長変換層１５を形成した。
その際、ＬＥＤチップ１３からの青色励起光と波長変換層１５からの黄色蛍光とが適宜の割合で混合されて、レンズ１６から白色光が照射されるようになっている。
最後に、銅製放熱材１１に対して、嵌め込み式レンズ１６を圧入して、白色ＬＥＤ５１を作製した。
【００５１】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換素子としての白色ＬＥＤ５１と、前記白色ＬＥＤ４１について、駆動して得られた白色光を比較したところ、どちらも色座標Ｘ＝０．３，Ｙ＝０．３であった。そして、各白色ＬＥＤ５１，４２から１ｍ離れた位置に置かれた白色板に対して、各白色ＬＥＤ５１，４２からの光を照射して、励起光源である青色ＬＥＤチップ１３からの青色と、ＹＡＧ系波長変換層１５からの蛍光の黄色が分離して見えるか否かを目視により観測したところ、本発明実施形態による白色ＬＥＤ５１の色むら発生は５０個中０個であったのに対して、前記白色ＬＥＤ４１の色むら発生は５０個中５個であった。
これにより、本発明による白色ＬＥＤ５１では、凸状の波長変換層１５の作用により、色むらの発生がより一層効果的に抑制されていることが確認された。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、波長変換層が上方に向かって凸状に形成され、さらに好ましくは反射面が第一の部分と第二の部分とから構成されているので、ＬＥＤチップの上面から上方に出射する光は、凸状の波長変換層の中央付近に入射すると共に、ＬＥＤチップの周縁の側面から出射する光は、反射面の第一の部分及び第二の部分で反射されて、凸状の波長変換層の周縁付近に入射する。これにより、ＬＥＤチップの上端及び下端から出射する光の波長変換層までの光路差が低減されることになる。
従って、ＬＥＤチップの高さが高くても、波長変換層に入射するＬＥＤチップからの励起光の光量のむらが低減されるので、波長変換層から出射する蛍光の光量のむらも低減され、より均一で色のばらつきの少ない蛍光光源が得られることになる。
このようにして、本発明によれば、色むらや色のばらつきが低減され得るようにした、極めて優れた波長変換素子が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長変換素子の第一の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の波長変換素子における要部の詳細な構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】本発明による波長変換素子の第二の実施形態の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３の波長変換素子の第一の具体的構成例と従来の構成例を示す概略断面図である。
【図５】図３の波長変換素子の第二の具体的構成例と従来の構成例を示す概略断面図である。
【図６】図１の波長変換素子の具体的構成例を示す概略断面図である。
【図７】従来の波長変換素子の一例の構成を示す概略断面図である。
【図８】図７の波長変換素子の要部を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１０，２０ 波長変換素子
１１ 放熱材
１２ 凹陥部
１２ａ 下部（第一の部分）
１２ｂ 上部（第二の部分）
１３ ＬＥＤチップ
１４ 透明スペーサ層
１５ 波長変換層
１６ レンズ
３１，３２，４１，４２，５１ 白色ＬＥＤ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength conversion element, and more particularly to a wavelength conversion element such as a white LED used for a light source such as a home illumination or a lamp.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, such a wavelength conversion element is configured as shown in FIG. 7, for example. In FIG. 7, the wavelength conversion element 1 includes two lead frames 2 and 3, an LED chip 4 attached in a recessed portion 2 a formed at the upper end of one lead frame 2, and an LED in the recessed portion 2 a. A transparent spacer layer 5 filled so as to surround the chip 4, a wavelength conversion layer 6 formed on the upper surface of the transparent spacer layer 5, and the upper ends of the two lead frames 2 and 3 and the LED chip 4 are covered. And a lens 7 formed by a resin mold.
[0003]
The lead frames 2 and 3 are made of, for example, iron plated with silver, and a recessed portion 2a formed at the upper end of one lead frame 2 is formed from the bottom as shown in detail in FIG. A constant inclination angle is provided so as to expand upward, and the inner surface is configured as a reflecting surface.
[0004]
The LED chip 4 is configured as, for example, a gallium nitride LED chip, and emits excitation light, for example, light having a wavelength of 300 to 500 nm, to a wavelength conversion layer described later from the light emitting portion.
In the LED chip 4, the p layer and the n layer constituting the pn structure are electrically connected to the upper ends of the lead frames 2 and 3 by bonding wires 4a and 4b, respectively.
[0005]
The transparent spacer layer 5 is made of, for example, a material transparent to excitation light from the LED chip 4, for example, a silicone resin, and is filled into the recessed portion 2 a of the lead frame 2 and then cured. As shown in FIG. 8, the upper surface is located at a predetermined distance from the upper surface of the LED chip 4.
[0006]
The wavelength conversion layer 6 is made of a phosphor and is formed on the upper surface of the transparent spacer layer 5.
When the light from the LED chip 4 is incident as excitation light, the wavelength conversion layer 6 generates fluorescence having a wavelength different from that of the excitation light and emits the light toward the outside.
[0007]
The lens 7 is made of, for example, a transparent epoxy resin, and guides fluorescence from the wavelength conversion layer 6 to the outside with appropriate light distribution characteristics based on the shape of the lens 7.
[0008]
According to the wavelength conversion element 1 having such a configuration, the drive voltage is applied between the two lead frames 2 and 3 between the p layer and the n layer of the LED chip 4, thereby joining the p layer and the n layer of the LED chip 4. Excitation light is generated at the portion, and this excitation light is reflected by the inner surface, that is, the reflection surface of the recessed portion 2 a, passes through the transparent spacer layer 5, and enters the wavelength conversion layer 6. Thereby, the wavelength conversion layer 6 generates light of different wavelengths by the incident excitation light and emits the light upward.
Thus, the wavelength conversion element 1 emits white light, for example.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the wavelength conversion element 1 of such a structure, it is assumed that the height of the LED chip 4 is about 100 μm, and this causes the fluorescence of the wavelength conversion layer 6 to be coupled with the shape of the recess 2a. Designed to prevent uneven color.
However, in recent years, in order to improve the light extraction efficiency of the LED chip, an LED chip in which a part of the chip is inclined has been developed, and such an LED chip has a height of 150 μm or more. is there.
[0010]
For this reason, when the height of the LED chip is 150 μm or more in the wavelength conversion element 1 having the above-described configuration, the following problems occur.
That is, since the optical path difference from the upper end and the lower end of the LED chip 4 serving as the excitation light source to the wavelength conversion layer 6 becomes large, unevenness in the amount of excitation light incident on the wavelength conversion layer 6 occurs.
As a result, the amount of fluorescent light emitted from the wavelength conversion layer 6 is also uneven. Therefore, the light emitted to the outside by the mixture of excitation light and fluorescent light has different colors at the center and the peripheral portion of the LED chip 4. As a result, color unevenness occurs.
Therefore, such a wavelength conversion element is unsuitable for use as a light source in which color unevenness or color variation is considered a problem, for example, for home lighting or lamps.
[0011]
In view of the above, an object of the present invention is to provide a wavelength conversion element that can reduce color unevenness and color variation.
[0012]
  The above object is achieved according to the configuration of the present invention.At least one LED chip, a reflective surface formed to expand upward around the LED chip, and a transparent spacer layer filled to surround the LED chip in the reflective surface And a wavelength conversion element including a wavelength conversion layer formed on the surface of the transparent spacer layer, wherein the reflection surface extends from below to a position higher than the upper surface of the LED chip, A second portion extending upward from the first portion, wherein the second portion has an inclination angle smaller than that of the first portion, and the transparent spacer layer includes the first portion and the second portion. Filled up to the boundary with the second part, the upper surface of the transparent spacer layer is formed in a convex shape upwardThis is achieved by a wavelength conversion element.
[0013]
  In the wavelength conversion element according to the present invention, the upper surface of the wavelength conversion layer is preferably formed in a convex shape upward.
[0014]
  In the wavelength conversion element according to the present invention, preferably, the wavelength conversion layer is filled up to an upper end of the second portion.
[0015]
  According to the configuration of the present invention, the object is to extend the LED chip upward with a first portion extending to a position higher than the upper surface of the LED chip and an inclination angle smaller than the first portion from the first portion. A step of arranging on the bottom surface in the recessed portion having a reflecting surface composed of the second portion, filling the transparent resin up to the boundary between the first portion and the second portion, and curing the transparent resin with a convex upper surface; This is achieved by a method of manufacturing a wavelength conversion element including a step of forming a spacer layer and a step of forming a wavelength conversion layer with a resin containing a phosphor on the transparent spacer layer in the recess.
[0016]
  In the method of manufacturing a wavelength conversion element according to the present invention, preferably, in the step of forming the wavelength conversion layer, a resin containing a phosphor is filled up to an upper end of the second part, and the upper surface has the convex wavelength. A conversion layer is formed.
[0018]
According to the first configuration, excitation light is generated from the LED chip by applying a driving voltage to the LED chip, and a part of the excitation light enters the wavelength conversion layer.
Then, the excitation light enters the wavelength conversion layer, and the wavelength conversion layer generates light having different wavelengths by the incident excitation light and emits the light upward.
[0019]
In this case, since the wavelength conversion layer is formed in a convex shape upward, the light emitted upward from the upper surface of the LED chip is incident near the center of the convex wavelength conversion layer and the periphery of the LED chip. The light emitted from the side faces enters the vicinity of the periphery of the convex wavelength conversion layer. Thereby, the optical path difference to the wavelength conversion layer of the light radiate | emitted from the upper end and lower end of an LED chip will be reduced.
Therefore, even if the LED chip is high, unevenness in the amount of excitation light from the LED chip incident on the wavelength conversion layer is reduced, so that unevenness in the amount of fluorescence emitted from the wavelength conversion layer is also reduced and more uniform. A fluorescent light source with little color variation can be obtained.
[0020]
Further, according to the second configuration, excitation light is generated from the LED chip by applying a driving voltage to the LED chip, and a part of the excitation light passes through the transparent spacer layer and is reflected on the reflection surface. The light is reflected by one part and the second part, and the other part is directly incident on the wavelength conversion layer through the transparent spacer layer.
Then, the excitation light enters the wavelength conversion layer, and the wavelength conversion layer generates light having different wavelengths by the incident excitation light and emits the light upward.
[0021]
In this case, the wavelength conversion layer is formed in a convex shape upward, and the reflection surface is composed of the first portion and the second portion, so that the light emitted upward from the upper surface of the LED chip. Is directly incident near the center of the convex wavelength conversion layer, and light emitted from the vicinity of the upper end of the peripheral edge of the LED chip is reflected by the second portion of the reflection surface, is more diffused, and is convex. Light that enters the vicinity of the periphery of the wavelength conversion layer and exits from the vicinity of the lower end of the periphery of the LED chip is reflected by the first portion of the reflecting surface, and in a narrower range, near the periphery of the convex wavelength conversion layer. Incident.
[0022]
Thereby, the optical path difference to the wavelength conversion layer of the light radiate | emitted from the upper end and lower end of an LED chip will be reduced.
Therefore, even if the LED chip is high, unevenness in the amount of excitation light from the LED chip incident on the wavelength conversion layer is reduced, so that unevenness in the amount of fluorescence emitted from the wavelength conversion layer is also reduced and more uniform. A fluorescent light source with little color variation can be obtained.
[0023]
When the upper surface of the LED chip is at a height of 150 μm or more, the wavelength conversion layer is formed in a convex shape upward, and more preferably, the reflection surface is formed of the first portion and the second portion. Since the non-uniformity in the amount of excitation light from the LED chip incident on the wavelength conversion layer is reduced, the non-uniformity in the amount of fluorescence emitted from the wavelength conversion layer is also reduced, resulting in a more uniform and uneven color variation. Fewer fluorescent light sources can be obtained.
[0024]
When the LED chip is mounted via a submount, the wavelength conversion layer is formed in a convex shape upward even if the LED chip height is substantially 150 μm or more due to the submount. More preferably, the unevenness of the amount of excitation light from the LED chip incident on the wavelength conversion layer is reduced because the reflecting surface is composed of the first portion and the second portion. Unevenness of the amount of fluorescent light emitted from the light source is reduced, and a fluorescent light source with more uniform and less color variation can be obtained.
[0025]
When the LED chip emits light having a wavelength of 300 to 500 nm, the light from the LED chip is incident on the wavelength conversion layer as excitation light, and fluorescence is generated from the wavelength conversion layer. By mixing the fluorescence, for example, white light is emitted to the outside.
[0026]
When the reflection surface is formed on a heat radiating material and the heat radiating material is made of a material having a thermal conductivity of 150 W / mk or more, the heat radiating of the wavelength conversion layer is performed by such a heat radiating material. Therefore, the wavelength conversion layer is not deformed by thermal expansion.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6.
The embodiments described below are preferable specific examples of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. As long as there is no description of the effect, it is not restricted to these aspects.
[0028]
FIG. 1 shows a configuration of a first embodiment of a wavelength conversion element according to the present invention.
In FIG. 1, the wavelength conversion element 10 includes a heat dissipating material 11, an LED chip 13 attached in a recessed portion 12 provided near the center of the upper surface of the heat dissipating material 11, and the LED chip 13 in the recessed portion 12. The transparent spacer layer 14 filled so as to be surrounded, the upwardly convex wavelength conversion layer 15 formed on the surface of the transparent spacer layer 14, and the entire upper portion in the vicinity of the recessed portion 12 were formed. And a lens 16.
[0029]
The heat dissipation material 11 is made of a material having a thermal conductivity of 150 W / mK or more so as not to cause deformation due to thermal expansion of the convex wavelength conversion layer 15. This material may be an insulating material or a metal material. For example, ceramic materials such as beryllia (thermal conductivity 272 W / mK) and aluminum nitride AlN (thermal conductivity 170 W / mK), copper (thermal conductivity 398 W). / MK), aluminum (thermal conductivity 237 W / mK), or the like can be used.
[0030]
Furthermore, the recessed part 12 formed in the upper surface of the said heat radiating material 11 is formed so that it may expand toward upper direction, The inner surface can be used as a reflective surface.
In addition, in order to improve the optical characteristics of the inner surface of the recessed portion 12, the heat dissipation material 11 may form a thin film having a high reflectance on at least the inner surface of the recessed portion 12.
[0031]
Here, as shown in detail in FIG. 2, the recessed portion 12 has a two-stage configuration, and is composed of a lower portion (first portion) 12a and an upper portion (second portion) 12b.
The lower portion 12a has a height h1 higher than the height of the LED chip 13, which will be described later, and is preferably selected to be twice or less the height of the LED chip 13, and has an inclination angle θ1.
Further, from the viewpoint of optimizing the wavelength conversion layer 15, the upper portion 12b is selected such that its height h2 is lower than the height h1 of the lower portion 12a. Further, in order to make the wavelength conversion layer 15 convex, The inclination angle θ2 is smaller than the inclination angle θ1.
Here, the inclination angle θ1 of the lower portion 12a can be arbitrarily set because the transparent spacer layer 14 is convex, and is selected, for example, 90 to 30 degrees, preferably 60 to 45 degrees.
[0032]
The LED chip 13 is attached to the bottom surface 12c of the recessed portion 12 by die bonding or the like, and n-layer and p-layer electrode portions (not shown) are formed on the upper surface. These electrode portions are electrically connected to lead electrodes 11a and 11b formed adjacent to the recessed portion 12 on the upper surface of the heat dissipating material 11 by bonding wires 13a and 13b made of, for example, gold wires. .
The LED chip 13 may be configured as a so-called flip chip type element that extracts light from the substrate side (lower surface), and may be attached to the bottom surface 12c of the recessed portion 12 via a submount.
Further, the LED chip 13 may be connected to the lead electrode exposed on the bottom surface 12c of the recessed portion 12 directly without using the wire bonding for the electrode portion formed on the substrate side.
[0033]
Here, the LED chip 13 may have any wavelength as long as the emission wavelength becomes excitation light with respect to the wavelength conversion layer 15 to be described later. Specifically, the LED chip 13 has a wavelength of about 300 to 500 nm, for example.
Furthermore, the LED chip 13 is selected such that the height of the upper surface thereof is, for example, 100 μm or more, preferably 150 μm or more, regardless of the presence or absence of the submount.
[0034]
The transparent spacer layer 14 is for separating the inner surface of the recessed portion 12 and the LED chip 13 from the wavelength conversion layer 15, and may be transparent to the excitation light emitted from the LED chip 13, preferably Considering the yellowing of the resin by a short wavelength light source, it is made of, for example, a silicone resin.
In this case, the transparent spacer layer 14 is formed such that its upper surface is convex upward.
[0035]
The wavelength conversion layer 15 is configured by combining, for example, a YAG phosphor or a ZnS phosphor, and generates fluorescence having a wavelength different from that of the excitation light when the excitation light from the LED chip 13 is incident. And is emitted outward and is formed in a convex shape on the upper surface of the transparent spacer layer 14.
Such a convex wavelength conversion layer 15 can be easily molded, for example, by utilizing the surface tension of a molding resin or by resin molding using a mold.
[0036]
The lens 16 is made of, for example, a transparent epoxy resin, and guides fluorescence from the wavelength conversion layer 15 to the outside with appropriate light distribution characteristics based on its shape.
Here, the lens 16 may be formed integrally with the heat radiating material 11, or may be formed separately from the heat radiating material 11 and fixed to the heat radiating material 11 by an appropriate method such as fitting or bonding.
[0037]
The wavelength conversion element 10 according to the embodiment of the present invention is configured as described above. By applying a drive voltage between the extraction electrodes 11a and 11b, the pn junction of the LED chip 13 via the bonding wires 13a and 13b. Then, excitation light is generated, and this excitation light is reflected by the inner surface of the recess 12 and enters the wavelength conversion layer 15 thereabove via the transparent spacer layer 14.
Thereby, the wavelength conversion layer 15 generates light having different wavelengths by the incident excitation light and emits the light upward. In this way, the wavelength conversion element 10 emits white light, for example.
[0038]
In this case, the recessed portion 12 of the heat dissipation material 11 has a two-stage configuration, and the upper surfaces of the transparent spacer layer 14 and the wavelength conversion layer 15 are formed in a convex shape. The emitted light is directly incident near the center of the convex wavelength conversion layer 15, and the light emitted from the vicinity of the upper end of the peripheral edge of the LED chip 13 is reflected by the upper portion 12 b of the recessed portion 12. Light that is diffused over a relatively wide range by θ2 and enters the vicinity of the peripheral edge of the convex wavelength conversion layer 15 and is emitted from the vicinity of the lower end of the peripheral edge of the LED chip 13 is reflected by the lower portion 12a of the recessed portion 12. Therefore, the light is incident on the vicinity of the peripheral edge of the convex wavelength conversion layer 15 within a relatively narrow range at the inclination angle θ1.
[0039]
Accordingly, since the optical path difference of the light emitted from the upper end and the lower end of the LED chip 13 to the wavelength conversion layer 15 becomes small, the light enters the wavelength conversion layer 15 even if the height of the LED chip is relatively high, for example, 150 μm or more. Unevenness in the amount of excitation light from the LED chip 13 is reduced. Thereby, unevenness in the amount of fluorescent light emitted from the wavelength conversion layer 15 is also reduced.
[0040]
FIG. 3 shows a configuration of a second embodiment of the wavelength conversion element according to the present invention.
In FIG. 3, the wavelength conversion element 20 has basically the same configuration as the wavelength conversion element 10 shown in FIG. 1, and therefore the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In the wavelength conversion element 20, the recessed portion 12 of the heat radiating material 11 is not a two-stage structure, and has the same inclination angle θ as a whole, and the upper surface of the transparent spacer layer 14 is formed flat, and the transparent spacer layer 14. 1 is different from the wavelength conversion element 10 shown in FIG. 1 in that only the wavelength conversion layer 15 formed on the upper surface is formed in a convex shape.
Here, the wavelength conversion layer 15 only needs to be formed in a convex shape. Specifically, the thickness difference between the central portion and the end portion is 0.5 to 0.5 with respect to the height of the LED chip 13. A range of 2.0 times is optimal.
[0041]
According to the wavelength conversion element 20 having such a configuration, excitation light is generated at the pn junction of the LED chip 13 via the bonding wires 13a and 13b by applying a drive voltage between the extraction electrodes 11a and 11b. Then, this excitation light is reflected by the inner surface of the recess 12 and enters the wavelength conversion layer 15 thereabove via the transparent spacer layer 14.
Thereby, the wavelength conversion layer 15 generates light having different wavelengths by the incident excitation light and emits the light upward. In this way, the wavelength conversion element 10 emits white light, for example.
[0042]
In this case, since the wavelength conversion layer 15 is formed in a convex shape upward, the light emitted upward from the upper surface of the LED chip 13 is directly incident near the center of the convex wavelength conversion layer 15. At the same time, the light emitted from the peripheral side surface of the LED chip 13 enters the vicinity of the peripheral edge of the wavelength conversion layer 15.
Accordingly, since the optical path difference of the light emitted from the upper end and the lower end of the LED chip 13 to the wavelength conversion layer 15 becomes small, the light enters the wavelength conversion layer 15 even if the height of the LED chip is relatively high, for example, 150 μm or more. Unevenness in the amount of excitation light from the LED chip 13 is reduced. Thereby, unevenness in the amount of fluorescent light emitted from the wavelength conversion layer 15 is also reduced.
[0043]
Next, specific experimental examples of the wavelength conversion elements 10 and 20 will be described.
First, as the wavelength conversion element 20 and the conventional wavelength conversion element, white LEDs 31 and 32 shown in FIGS. 4A and 4B were manufactured, and the occurrence of color unevenness was compared.
Each of the white LEDs 31 and 32 has a submount 43 having a thickness of 100 μm in a recessed portion 12 having a diameter of 1.5 mm, a depth of 0.5 mm, and an end surface inclination angle of 60 ° formed in a copper radiator. Then, a gallium nitride blue LED chip 13 (emission wavelength: 450 nm) having a chip height of 75 μm was mounted. Here, the LED chip 13 is formed by sequentially growing an n-type GaN-based layer and a p-type GaN-based layer on a sapphire substrate.
Here, the submount 33 is provided with wiring for each electrode of the p layer / n layer, and can be electrically connected to the extraction electrodes 11a and 11b by bonding wires.
The electrodes and submounts formed on each GaN-based layer are electrically connected by an Au / Sn-based eutectic material and can be fixed.
Thereafter, the recessed portion 12 was filled with a transparent silicone resin and cured to the vicinity of the height of the LED chip 13 to form a transparent spacer layer 14.
[0044]
Subsequently, on this transparent spacer layer 14, a silicone resin containing a YAG phosphor added with Ce that generates fluorescence of yellow light which is a complementary color when blue excitation light from the LED chip 13 enters is prepared. To do.
For the white LED 31, the silicone resin is filled in the recessed portion 12 while adjusting the coating amount so that the height between the end surface and the central portion of the recessed portion 12 is 0.2 mm. By curing, a convex wavelength conversion layer 15 was formed.
For the white LED 32, the silicone resin was filled so as to be flat in the recessed portion 12 and cured to form a flat wavelength conversion layer 15 '.
In any of the white LEDs 31 and 32, the blue excitation light from the LED chip 13 and the yellow fluorescence from the wavelength conversion layers 15 and 15 ′ are mixed at an appropriate ratio, and the white light is emitted from the lens 16. ing.
Finally, the fitting lens 16 was press-fitted into the copper heat dissipating material 11 to produce white LEDs 31 and 32.
[0045]
When white light 31 obtained by driving the white LED 31 as the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention thus manufactured and the conventional white LED 32 is compared, the color coordinate X = 0.3, Y = 0.3. The white plate placed at a position 1 m away from each of the white LEDs 31 and 32 is irradiated with light from each of the white LEDs 31 and 32, and the blue color from the blue LED chip 13 as an excitation light source and the YAG system Whether or not the fluorescent yellow color from the wavelength conversion layer 15 appears to be separated is visually observed. The occurrence of uneven color in the white LED 31 according to the embodiment of the present invention was 0 out of 50, whereas in the past The occurrence of uneven color of the white LED 32 was 35 out of 50.
Thereby, in white LED31 by this invention, it was confirmed by the effect | action of the convex wavelength conversion layer 15 that generation | occurrence | production of color irregularity is suppressed effectively.
[0046]
Next, as the wavelength conversion element 10 and the conventional wavelength conversion element, white LEDs 41 and 42 shown in FIGS. 5A and 5B were manufactured, and the occurrence of color unevenness was compared.
Each of the white LEDs 41 and 42 has an end surface inclined with a chip height of 250 μm in a recessed portion 12 having a diameter of 1.5 mm, a depth of 0.5 mm, and an end surface inclination angle of 45 degrees formed in a copper heat dissipation material. Type gallium nitride blue LED chip 13 (emission wavelength 460 nm) was fixed with Au / Sn eutectic material. Here, the LED chip 13 is formed by sequentially growing an n-type GaN-based layer and a p-type GaN-based layer on a SiC substrate.
Here, the LED chip 13 is disposed such that the pn junction portion approaches the bottom surface 12c of the recessed portion 12, and the p-type electrode is electrically connected to the bottom surface 12c of the recessed portion 12 by a eutectic material. The n-type electrode can be electrically connected to the extraction electrode 11a by a bonding wire.
Thereafter, the recessed portion 12 was filled with a transparent silicone resin and cured to the vicinity of the height of the LED chip 13 to form a transparent spacer layer 14.
[0047]
Subsequently, on this transparent spacer layer 14, a silicone resin containing a YAG phosphor added with Ce that generates fluorescence of yellow light which is a complementary color when blue excitation light from the LED chip 13 enters is prepared. To do.
And about white LED41, adjusting the amount of application | coating to the said recessed part 12 and controlling the coating amount, the said resin is adjusted so that the height of the end surface and center part of the recessed part 12 may be 0.2 mm, By curing, a convex wavelength conversion layer 15 was formed.
For the white LED 42, the silicone resin was filled so as to be flat in the recessed portion 12, and cured to form a flat wavelength conversion layer 15 '.
In any of the white LEDs 41 and 42, the blue excitation light from the LED chip 13 and the yellow fluorescence from the wavelength conversion layers 15 and 15 ′ are mixed at an appropriate ratio, and the white light is emitted from the lens 16. ing.
Finally, the fitting type lens 16 was press-fitted into the copper heat dissipating material 11, and white LEDs 41 and 42 were produced.
[0048]
When white light obtained by driving the white LED 41 as the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention thus manufactured and the conventional white LED 42 is compared, the color coordinate X = 0.3, Y = 0.3. Then, the white plate placed at a position 1 m away from each of the white LEDs 41 and 42 is irradiated with light from each of the white LEDs 41 and 42, and the blue color from the blue LED chip 13 as an excitation light source and the YAG system Whether or not the fluorescent yellow color from the wavelength conversion layer 15 appears to be separated by visual observation, the occurrence of color unevenness of the white LED 41 according to the embodiment of the present invention was 5 out of 50, whereas in the past The occurrence of uneven color of the white LED 42 was 40 out of 50.
Thereby, in the white LED 41 by this invention, it was confirmed by the effect | action of the convex wavelength conversion layer 15 that generation | occurrence | production of the color nonuniformity is suppressed effectively.
[0049]
Next, as the wavelength conversion element 10, white LEDs 51 shown in FIG. 6 were produced, and the occurrence of color unevenness was compared.
As the white LED 51, a bottom surface 12c formed in a copper heat dissipating material has a diameter of 1.1 mm, a depth of 0.5 mm, a lower portion 12a having an end surface inclination angle of 90 degrees, and an upper portion having a depth of 0.3 mm and an end surface inclination angle of 45 degrees. A gallium nitride blue LED chip 13 (emission wavelength: 460 nm) having a chip height of 250 μm was fixed with a Au / Sn eutectic material in the recess 12 made of 12b. Here, the LED chip 13 is formed by sequentially growing an n-type GaN-based layer and a p-type GaN-based layer on a SiC substrate.
Here, the LED chip 13 is disposed such that the pn junction portion approaches the bottom surface 12c of the recessed portion 12, and the p-type electrode is electrically connected to the bottom surface 12c of the recessed portion 12 by a eutectic material. The n-type electrode can be electrically connected to the extraction electrode 11a by a bonding wire.
Thereafter, up to the interface between the lower portion 12 a and the upper portion 12 b of the recessed portion 12, the recessed portion 12 was filled with a transparent silicone resin in a convex shape and cured to form a transparent spacer layer 14.
[0050]
Subsequently, when the blue excitation light from the LED chip 13 is incident on the transparent spacer layer 14, a silicone resin containing a YAG phosphor added with Ce that generates fluorescence of yellow light which is a complementary color is recessed. A convex wavelength conversion layer is formed by adjusting and filling the portion 12 so that the height between the upper end surface and the central portion of the recessed portion 12 is 0.2 mm while controlling the coating amount, and curing. 15 was formed.
At that time, blue excitation light from the LED chip 13 and yellow fluorescence from the wavelength conversion layer 15 are mixed at an appropriate ratio, and white light is emitted from the lens 16.
Finally, a fitting type lens 16 was press-fitted into the copper heat dissipation material 11 to produce a white LED 51.
[0051]
When white light obtained by driving the white LED 51 as the wavelength conversion element according to the embodiment of the present invention thus manufactured and the white LED 41 is compared, the color coordinates are X = 0.3, Y = 0.3. Then, the white plate placed at a position 1 m away from each white LED 51, 42 is irradiated with light from each white LED 51, 42, and the blue color from the blue LED chip 13 serving as an excitation light source and the YAG system Whether or not the fluorescent yellow color from the wavelength conversion layer 15 appears to be separated by visual observation, the occurrence of uneven color in the white LED 51 according to the embodiment of the present invention was 0 out of 50. The occurrence of uneven color of the white LED 41 was 5 out of 50.
Thereby, in the white LED 51 by this invention, it was confirmed by the effect | action of the convex wavelength conversion layer 15 that generation | occurrence | production of the color nonuniformity is suppressed more effectively.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the wavelength conversion layer is formed in a convex shape upward, and more preferably, the reflection surface is composed of the first portion and the second portion. The light emitted upward from the upper surface of the chip is incident near the center of the convex wavelength conversion layer, and the light emitted from the side surface of the peripheral edge of the LED chip is emitted from the first portion and the second portion of the reflecting surface. Reflected and incident near the periphery of the convex wavelength conversion layer. Thereby, the optical path difference to the wavelength conversion layer of the light radiate | emitted from the upper end and lower end of an LED chip will be reduced.
Therefore, even if the LED chip is high, unevenness in the amount of excitation light from the LED chip incident on the wavelength conversion layer is reduced, so that unevenness in the amount of fluorescence emitted from the wavelength conversion layer is also reduced and more uniform. A fluorescent light source with little color variation can be obtained.
Thus, according to the present invention, it is possible to provide an extremely excellent wavelength conversion element that can reduce color unevenness and color variation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a first embodiment of a wavelength conversion element according to the present invention.
2 is a partial enlarged cross-sectional view showing a detailed configuration of a main part of the wavelength conversion element in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a second embodiment of a wavelength conversion element according to the present invention.
4 is a schematic cross-sectional view showing a first specific configuration example and a conventional configuration example of the wavelength conversion element of FIG. 3; FIG.
5 is a schematic cross-sectional view showing a second specific configuration example and a conventional configuration example of the wavelength conversion element in FIG. 3; FIG.
6 is a schematic cross-sectional view showing a specific configuration example of the wavelength conversion element in FIG. 1. FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an example of a conventional wavelength conversion element.
8 is a partial enlarged cross-sectional view showing a main part of the wavelength conversion element in FIG. 7;
[Explanation of symbols]
10, 20 Wavelength conversion element
11 Heat dissipation material
12 Recess
12a Lower part (first part)
12b Upper part (second part)
13 LED chip
14 Transparent spacer layer
15 Wavelength conversion layer
16 lenses
31, 32, 41, 42, 51 White LED

Claims (5)

少なくとも１つ以上のＬＥＤチップと、このＬＥＤチップの周囲にて上方に向かって拡大するように形成された反射面と、この反射面内にてＬＥＤチップを包囲するように充填された透明スペーサ層と、透明スペーサ層の表面に形成された波長変換層と、を含む波長変換素子であって、At least one LED chip, a reflective surface formed to expand upward around the LED chip, and a transparent spacer layer filled to surround the LED chip in the reflective surface A wavelength conversion element including a wavelength conversion layer formed on the surface of the transparent spacer layer,
上記反射面が、下方からＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と、第一の部分から上方に延びる第二の部分とから構成されており、The reflective surface is composed of a first part extending from below to a position higher than the upper surface of the LED chip, and a second part extending upward from the first part,
上記第二の部分が、上記第一の部分より小さい傾斜角を有し、上記透明スペーサ層は、上記第一の部分と上記第二の部分との境界まで充填され、The second part has a smaller inclination angle than the first part, and the transparent spacer layer is filled to the boundary between the first part and the second part;
上記透明スペーサ層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする、波長変換素子。The wavelength conversion element, wherein an upper surface of the transparent spacer layer is convex upward. 上記波長変換層の上面が、上方に向かって凸状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。The wavelength conversion element according to claim 1, wherein an upper surface of the wavelength conversion layer is formed in a convex shape upward. 上記波長変換層は、上記第二の部分の上端まで充填されていることを特徴とする請求項２に記載の波長変換素子。The wavelength conversion element according to claim 2, wherein the wavelength conversion layer is filled up to an upper end of the second portion. ＬＥＤチップを、該ＬＥＤチップの上面より高い位置まで延びる第一の部分と該第一の部分から該第一の部分より小さい傾斜角で上方に延びる第二の部分とからなる反射面を有する凹陥部内の底面に配置する工程と、A recess having a reflective surface comprising an LED chip having a first portion extending to a position higher than the upper surface of the LED chip and a second portion extending upward from the first portion at an inclination angle smaller than the first portion. A step of placing on the bottom in the part;
透明樹脂を上記第一の部分と上記第二の部分の境界まで充填して硬化させ、上面が凸状の透明スペーサ層を形成する工程と、Filling and curing the transparent resin up to the boundary between the first part and the second part, and forming a transparent spacer layer having a convex upper surface;
上記凹陥部内の上記透明スペーサ層上に、蛍光体を含有した樹脂により波長変換層を形成する工程と、Forming a wavelength conversion layer with a resin containing a phosphor on the transparent spacer layer in the recessed portion;
を含む波長変換素子の製造方法。The manufacturing method of the wavelength conversion element containing this. 上記波長変換層を形成する工程は、蛍光体を含有した樹脂を上記第二の部分の上端まで充填して、上面が凸状の上記波長変換層を形成することを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子の製造方法。5. The step of forming the wavelength conversion layer includes filling the resin containing a phosphor to the upper end of the second portion to form the wavelength conversion layer having a convex upper surface. The manufacturing method of the wavelength conversion element of description.
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