JP4534513B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、LED素子を光源として白色、昼白色、昼光色、電球色等の白色系の光を生じる波長変換型の発光装置に関し、特に、LED素子から放射される光の発光波長ずれが生じたとしても、白色光の色ずれを生じることのない発光装置に関する。
従来の発光装置として、光源にLED素子を使用し、このLED素子から放射される白色、昼白色、昼光色、電球色等の白色系の光(以下、「白色光」という。)を波長変換することによってLED素子本来の発光色と異なる色の光、例えば、白色光を得る波長変換型の発光装置が実用化されている。このような白色光を放射する発光装置では、中心波長が約450nm付近の青色光を放射するGaN系LED素子を用いるのが一般的である。
係る波長変換型の発光装置として、青色光によって励起される黄色系蛍光体に3価のセリウム付活アルミン酸イットリウム(YAG)蛍光体を使用し、青色光の照射に基づいて励起されることにより生じた黄色光と青色光とを混合することによって白色光を得るようにしたものがある(例えば、特許文献1参照。)。
特開2000−183408号公報(図1)
しかし、従来の発光装置によると、蛍光体から放射される励起光は、LED素子から放射される光の波長特性に依存する。また、LED素子に供給される電流やLED素子の電気的特性は環境条件や経年変化等により変動することがあるため、係る変動要因によってLED素子の発光波長が中心波長からシフトすると蛍光体の励起効率が変化し、青色光と黄色光の混合バランスが崩れて白色光の色ずれが生じるという問題がある。
従って、本発明の目的は、LED素子から放射される光の発光波長ずれが生じたとしても、白色光の色ずれを生じることのない発光装置を提供することにある。
本発明は、上記の目的を達成するため、青色光を放射する発光素子を収容する本体部と、前記本体内に収容された前記発光素子を封止し、異なった色度特性の第1の蛍光体および第2の蛍光体を含む封止体とを有し、前記発光素子は、GaN系のLED素子であり、前記第1の蛍光体は、化学式(Y,Gd,Ce) (Al,Ga) 12 で表される化合物を主体にしてなるガーネット系蛍光体であり、前記第2の蛍光体は、化学式(Sr 1−a−b−x Ba Ca Eu SiO 、(0≦a≦0.3,0≦b≦0.8,0<x<1)で表される化合物を主体にしてなる珪酸塩蛍光体であり、前記第1の蛍光体および前記第2の蛍光体は、前記青色光により励起されると黄色光を放射し、前記発光素子が第1の注入電流と第2の注入電流によって駆動されるとき、前記発光素子は第1のドミナント波長の光と第2のドミナント波長の光を発光するように変動し、前記第1の蛍光体は、第1の発光波長の光によって励起されて第1の光を放射するとともに前記第2の発光波長の光によって前記第1の光より色度の小なる第2の光を放射し、前記第2の蛍光体は、第1の発光波長の光によって励起されて第3の光を放射するとともに前記第2の発光波長の光によって前記第3の光より色度の大なる第4の光を放射し、前記発光素子から放射された光の発光波長に偏差があっても前記第1の蛍光体および前記第2の蛍光体から放射された光の色度の偏差は相殺され、青色光と黄色光の混合による白色光の色ずれが抑制されることを特徴とする発光装置を提供する。
前記第1の蛍光体は、Y、Lu、Sc、La、GdおよびSmからなる群から選ばれた少なくとも1つの元素と、Al、GaおよびInからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素と含んでなるセリウムで賦活されたガーネット系蛍光体を用いることができる。
前記第1の蛍光体は、化学式(Y,Gd,Ce)(Al,Ga)12で表される化合物を主体にしてなるガーネット系蛍光体を用いることができる。
前記第2の蛍光体は、Euで賦活されたアルカリ土類金属珪酸塩蛍光体を用いることができる。
前記第2の蛍光体は、化学式(Sr1−a−b−xBaCaEuSiO、(0≦a≦0.3,0≦b≦0.8,0<x<1)で表される化合物を主体にしてなる珪酸塩蛍光体を用いることができる。
前記発光素子は、青色光を放射するLED素子を用いた構成とすることができる。
前記本体部は、一対のリードフレームの一方の末端に形成されており、前記末端はカップ状に形成された窪みを有して前記封止体で満たされている構成とすることができる。
前記本体部は、カップ状に形成された窪みを有する絶縁部であり、前記カップ状に形成された窪みは封止体で満たされている構成とすることができる。
前記発光素子の電極は、それぞれの電極が一対のリードフレームに電気的に接続され、前記発光素子、前記一対のリードフレーム、および前記封止体は光放射部がレンズ状に形成された他の封止体によって覆われている構成とすることができる。
前記発光素子の電極は、バンプによって絶縁部のカップ状に形成された窪みの底部に設けられるリードに接続される構成とすることができる。
本発明によれば、LED素子から放射される光の励起スペクトルの変化に対して異なる励起特性を有する第1および第2の蛍光体を封止体に有するようにしたため、LED素子の発光波長が中心波長からシフトして一方の蛍光体の励起特性が変化したとしても他方の蛍光体の励起特性によって黄色光の発光が補償されるので、色度の偏差が相殺されて白色光の色ずれが抑制される。
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子パッケージを示す断面図である。この発光素子パッケージ1は、樹脂ハウジング103と、その上にマウントされたGaN系半導体発光素子106と、GaN系半導体発光素子106を覆うように設けられたエポキシ樹脂封止体111とを有する。
樹脂ハウジング103は、リードフレームから形成したリード101、102と一体的に成形されている。リード101、102は、それぞれの一端が近接対向するように配置されている。リード101、102の他端は、互いに反対方向に延在し、樹脂ハウジング103から外部に導出されている。
樹脂ハウジング103にはすり鉢状反射面104が設けられ、GaN系半導体発光素子106は、その底面にマウントされている。すり鉢状反射面104の平面形状は、例えば、略楕円形あるいは円形とすることができる。
GaN系半導体発光素子106は、サファイア(Al)基板上にエピタキシャル成長したGaN系半導体層(例えば、n−GaN層、n−GaN層、MQW層(GaN障壁層とInGaN井戸層の多重量子井戸構造を有し、ピーク発光波長は460nm)、p−AlGaN層、p−GaN層)と、n−GaN層上に形成されたn−電極と、p−GaN層上に形成されたp−電極を有して構成されており、Al基板側を銀(Ag)ペーストなどの接着剤107によって、すり鉢状反射面104の底面のリード101上にマウントされている。GaN系半導体発光素子106は、n−電極およびp−電極(図示せず)を有し、金(Au)線などのボンディングワイヤ108、109によって、リード101、102と、それぞれ接続されている。
すり鉢状反射面104内に充填されたエポキシ樹脂封止体111は、YAG系蛍光体110Aと珪酸塩蛍光体110Bとを含有している。YAG系蛍光体110Aは、Y、Lu、Sc、La、GdおよびSmからなる群から選ばれた少なくとも1つの元素と、Al、GaおよびInからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素と含んでなるセリウムで賦活されたガーネット系蛍光体で、例えば、YAl12:Ceである。また、珪酸塩蛍光体110Bは、化学式(Sr1−a−b−xBaCaEuSiO、(0≦a≦0.3,0≦b≦0.8,0<x<1)で表される化合物を主体にしてなり、例えば、Sr1.9Ba0.02Ca0.08SiO:Euである蛍光体である。この蛍光体は樹脂中に均一に分散しやすいという特性を有している。
本発明においては、GaN系半導体発光素子106の発光ピーク波長を、例えば460nmとし、YAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bも460nmの1次光により励起されるものを用いることができる。また、蛍光体は、上記したYAG系蛍光体110Aと珪酸塩蛍光体110Bとの他に、例えば、赤色に発光する蛍光体、緑色に発光する蛍光体、あるいは青色に発光する蛍光体とを組み合わせても良い。
以上の構成において、GaN系半導体発光素子106から放出される1次光をそのまま外部に取り出さずに、YAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bによって波長変換してから取り出す。つまり、GaN系半導体発光素子106から放出された青色光は、YAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bを励起し、そのことによってYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bから放射される黄色光と混合されることによって白色光を生じる。この白色光がエポキシ樹脂封止体111から外部に放射される。
第1の実施の形態におけるGaN系半導体発光素子106は、順方向電流が1mAから30mAに変化することによりドミナント波長が約475nmから約469nmに変化する傾向を示す。また、ドミナント波長の変化に伴って色度は2次元座標空間におけるX方向に0.005ほど大になる傾向を有し、Y軸方向に−0.07ほど小になる傾向を示す。
図2は、発光素子パッケージのGaN系半導体発光素子への電流値を変化させたときの相対色度変化を示す図である。ここでは、エポキシ樹脂75wt%に対してYAG系蛍光体110Aを2wt%、珪酸塩蛍光体110Bを23wt%の配合からなるエポキシ樹脂封止体111を用いて発光素子パッケージ1を形成している。GaN系半導体発光素子106に供給する電流を1mAから30mAに変化させたとき、YAG系蛍光体110Aについては、色度がX軸方向に−0.005、Y軸方向に−0.05ほど小になる傾向を示しており、珪酸塩蛍光体110Bについては、色度がX軸方向に0.02、Y軸方向に0.01ほど大になる傾向を示すが、2つの蛍光体を混合することによる色度の変化は、X軸方向に0.005、Y軸方向については殆ど変化が見られない状態であり、これら2つの蛍光体を混合して用いた本実施の形態では、色度の変化がほぼ無視できるレベルに抑制されている。
上記した第1の実施の形態の発光素子パッケージによると、色度変化特性の異なる複数の蛍光体をエポキシ樹脂封止体111に混合したことによって、GaN系半導体発光素子106の発光波長に偏差があってもYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bから放射される励起光の色度の偏差は相殺されるので、青色光と黄色光の混合性を安定化させることができ、白色光の色ずれの発生を抑制することができる。
なお、上記したエポキシ樹脂封止体111は、光透過性および加工性を阻害するものでなければ他の樹脂材料、例えば、シリコン樹脂材料等で形成することも可能である。
〔第2の実施の形態〕
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子パッケージを示す断面図である。なお、第1の実施の形態と同一の構成を有する部分については同一の引用数字を付している。この発光素子パッケージは、セラミックス(Al)ハウジング40と、Alハウジング40に収容されてフリップチップ接合されるGaN系半導体発光素子20と、GaN系半導体発光素子20を封止するエポキシ樹脂封止体111より構成されている。
Alハウジング40は、メタライズされたすり鉢状の反射面41を形成されており、その底面にタングステン配線15、16がプリント配線によって形成されている。タングステン配線15、16は、ビアホールの壁面に形成されているタングステン配線13、14を介してAlハウジング40の底面のリード11,12に電気的に接続されている。
GaN系半導体発光素子20は、第1の実施の形態で説明したGaN系半導体発光素子106と同様の構成を有し、Al基板21上にエピタキシャル成長したGaN系半導体層22と、n−GaN層上に形成されたn−電極23と、p−GaN層上に形成されたp−電極24を有して構成されており、半田バンプ25、26を介してn−電極23をタングステン配線16に接続するとともにAlハウジング40のすり鉢状反射面41の底面にマウントされている。
エポキシ樹脂封止体111は、第1の実施の形態と同様にYAG系蛍光体110Aと珪酸塩蛍光体110Bとを含有している。
以上の構成において、リード11、12を図示しない電源部に接続して通電することにより、半田バンプ25,26を介してGaN系半導体発光素子20に通電される。GaN系半導体発光素子20は、図示しないMQW層において発光し、Al基板側から発光波長460nmの青色光を放射する。エポキシ樹脂封止体111に含有されたYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bは、青色光によって励起されて黄色光を放射する。この青色光と黄色光とがエポキシ樹脂封止体111において混合されることにより白色光を生じてAlハウジング40の外部に放射される。
上記した第2の実施の形態によると、第1の実施の形態の好ましい効果に加えてフリップチップ型のGaN系半導体発光素子20を用いているので、MQW層において生じた青色光をGaN系半導体層から効率良く取り出すことができ、高輝度化を実現することができる。
〔第3の実施の形態〕
図4は、本発明の第3の実施の形態に係るLEDランプを示す断面図である。なお、第2の実施の形態と同一の構成を有する部分については同一の引用数字を付している。このLEDランプ50は、銅からなるリードフレーム51A、51Bと、リードフレーム51Aの末端に反射面52Bを有した窪みとして設けられるカップ52と、Agペースト等の導電性接着剤54によってカップ52の底面52Aに接着されるサブマウント53と、サブマウント53と金バンプ55を介して電気的に接続されるフリップチップ型のGaN系半導体発光素子20と、サブマウント53とリードフレーム51Bとを電気的に接続するワイヤ56と、YAG系蛍光体110Aと珪酸塩蛍光体110Bとを含有してカップ52に充填されることによりGaN系半導体発光素子20を封止する光透過性を有したエポキシ樹脂封止体57と、エポキシ樹脂封止体57によって封止されたリードフレーム51A、リードフレーム51B、およびワイヤ56を一体的に封止する透明なエポキシ樹脂封止体58とを有し、エポキシ樹脂封止体58の表面は凸レンズ状の光学形状部58Aが形成されている。
GaN系半導体発光素子20およびエポキシ樹脂封止体111は、図3に示す第2の実施の形態と同一である。サブマウント53は、熱伝導性に優れる窒化アルミニウム(AlN)によって形成されている。また、サブマウント53は、金バンプ55との接合面および導電性接着剤54による接着面に図示しないタングステン配線が形成されており、p−電極側のタングステン配線は、接着面側のタングステン配線とビアホールによって電気的に接続されている。また、n−電極側のタングステン配線は、ワイヤ56によってリードフレーム51Bと電気的に接続されている。
以上の構成において、リードフレーム51A、51Bを図示しない電源部に接続して通電することにより、サブマウント53を介してGaN系半導体発光素子20に通電される。GaN系半導体発光素子20は、図示しないMQW層において発光し、Al基板側から発光波長460nmの青色光を放射する。エポキシ樹脂封止体111に含有されたYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bは、青色光によって励起されて黄色光を放射する。この青色光と黄色光とがエポキシ樹脂封止体111において混合されることにより白色光を生じてカップ52の外部に放射され、エポキシ樹脂封止体58を介して光学形状部58Aから所定の放射方向に放射される。
上記した第3の実施の形態によると、第2の実施の形態の好ましい効果に加えてGaN系半導体発光素子20の発光に伴って生じる熱をAlNからなるサブマウント53およびリードフレーム51Aを介して効率良く放熱させることができ、熱による発光波長の変化を小にすることができる。また、発光波長に変化が生じたとしても、色度変化特性の異なるYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bを樹脂封止体に混合しているので励起光の色度の偏差は相殺され、白色光の色ずれの発生を抑制することができる。
なお、第3の実施の形態では、カップ52を封止するエポキシ樹脂封止体57にYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bを混合した構成を説明したが、変形例としてエポキシ樹脂封止体57にこれら蛍光体を含有せずにエポキシ樹脂封止体58の外周を覆うキャップ状の蛍光体含有樹脂部を設け、これにYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bを含有させるようにしても良い。
この構成によれば、YAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bを含有した蛍光体含有樹脂部を薄く形成することができるので、白色光の外部放射効率を向上させることができる。
〔第4の実施の形態〕
図5は、本発明の第4の実施の形態に係る発光装置の全体図である。この発光装置60は、GaN系半導体発光素子20を光源とするLEDランプ62と、LEDランプ62から放射された光を直角方向に反射する光反射器61によって構成されている。
LEDランプ62は、GaN系半導体発光素子20をエポキシ樹脂封止体58でモールドして形成されており、所望の方向に光を集光するようにドーム状の光学形状部58Aを有している。
光反射器61は、YAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bを含有して平板状に構成されるエポキシ樹脂部材61Aと、エポキシ樹脂部材61Aに薄膜形成方法によって形成されたアルミニウムの蒸着部61Bとを有する。
この第4の実施の形態の発光装置60は、LEDランプ62から放射された青色光が光反射器61に入射すると、エポキシ樹脂部材61AにおいてYAG系蛍光体110Aおよび珪酸塩蛍光体110Bが青色光によって励起されて黄色光を生じる。黄色光は蒸着部61Bで反射されて直角方向に反射する。また、蛍光体に達しない青色光は蒸着部61Bで直角方向に反射される。この黄色光と青色光の混合に基づいて白色光が生成される。
上記した第4の実施の形態によると、GaN系半導体発光素子106の発光波長が中心波長からシフトしたとしても、第1の実施の形態で説明したように励起光の色度の偏差は相殺されるので、蛍光体を含有した波長変換部が光源と別体となる構成であっても、青色光と黄色光の混合性を安定化させることができ、白色光の色ずれの発生を抑制することができる。
なお、第4の実施の形態では、波長変換部として光反射器61を設けた構成を説明したが、例えば、光透過型の波長変換部を光源と別体で設ける構成であっても良い。
本発明の第1の実施の形態に係る発光素子パッケージを示す断面図である。 発光素子パッケージのGaN系半導体発光素子への電流値を変化させたときの相対色度変化を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る発光素子パッケージを示す断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係るLEDランプを示す断面図である。 本発明の第4の実施の形態に係る発光装置の全体図である。
符号の説明
1、発光素子パッケージ 11,12、リード 13、タングステン配線
15、タングステン配線 16、タングステン配線
20、GaN系半導体発光素子 21、セラミックス(Al)基板
22、GaN系半導体層 23、n−電極 24、p−電極
25,26、半田バンプ 40、セラミックス(Al)ハウジング
41、すり鉢状反射面50、LEDランプ 51A、リードフレーム
51B、リードフレーム 52、カップ 52A、底面 52B、反射面
53、サブマウント 54、導電性接着剤 55、金バンプ
56、ワイヤ 57、エポキシ樹脂封止体 58、エポキシ樹脂封止体
58A、光学形状部 60、発光装置 61A、エポキシ樹脂部材
61、光反射器 61B、蒸着部 62、LEDランプ
101,102、リード 103、樹脂ハウジング
104、鉢状反射面 106、GaN系半導体発光素子
107、導電性接着剤 108、ボンディングワイヤ
110A、YAG系蛍光体 110B、珪酸塩蛍光体
111、エポキシ樹脂封止体

Claims (5)

  1. 青色光を放射する発光素子を収容する本体部と、
    前記本体内に収容された前記発光素子を封止し、異なった色度特性の第1の蛍光体および第2の蛍光体を含む封止体とを有し、
    前記発光素子は、GaN系のLED素子であり、
    前記第1の蛍光体は、化学式(Y,Gd,Ce) (Al,Ga) 12 で表される化合物を主体にしてなるガーネット系蛍光体であり、
    前記第2の蛍光体は、化学式(Sr 1−a−b−x Ba Ca Eu SiO 、(0≦a≦0.3,0≦b≦0.8,0<x<1)で表される化合物を主体にしてなる珪酸塩蛍光体であり、
    前記第1の蛍光体および前記第2の蛍光体は、前記青色光により励起されると黄色光を放射し、
    前記発光素子が第1の注入電流と第2の注入電流によって駆動されるとき、前記発光素子は第1のドミナント波長の光と第2のドミナント波長の光を発光するように変動し、
    前記第1の蛍光体は、第1の発光波長の光によって励起されて第1の光を放射するとともに前記第2の発光波長の光によって前記第1の光より色度の小なる第2の光を放射し、
    前記第2の蛍光体は、第1の発光波長の光によって励起されて第3の光を放射するとともに前記第2の発光波長の光によって前記第3の光より色度の大なる第4の光を放射し、
    前記発光素子から放射された光の発光波長に偏差があっても前記第1の蛍光体および前記第2の蛍光体から放射された光の色度の偏差は相殺され、青色光と黄色光の混合による白色光の色ずれが抑制されることを特徴とする発光装置。
  2. 前記本体部は、一対のリードフレームの一方の末端に形成されており、前記末端はカップ状に形成された窪みを有して前記封止体で満たされていることを特徴とする請求項に記載の発光装置。
  3. 前記本体部は、カップ状に形成された窪みを有する絶縁体であり、前記カップ状に形成された窪みは前記封止体で満たされていることを特徴とする請求項に記載の発光装置。
  4. 前記発光素子の電極は、それぞれの電極が一対のリードフレームに電気的に接続され、
    前記発光素子、前記一対のリードフレーム、および前記封止体は光放射部がレンズ状に形成された他の封止体によって覆われていることを特徴とする請求項に記載の発光装置。
  5. 前記発光素子の電極は、バンプによって絶縁部のカップ状に形成された窪みの底部に設けられるリードに接続されることを特徴とする請求項に記載の発光装置。
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