JP6076796B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は実装基板上に配設された複数の半導体発光素子を、蛍光粒子を含有した蛍光樹脂で被覆した半導体発光装置に関する。
近年、半導体発光素子であるＬＥＤ素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。なお本発明においても半導体発光素子としてＬＥＤ素子（以後ＬＥＤと略記する）を事例とし、半導体発光装置としてＬＥＤ発光装置を事例に説明する。
特にＬＥＤと波長変換用の蛍光粒子を混入した蛍光樹脂による白色発光装置として、青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体との組み合わせによる白色発光装置が開発されるに至り、これらの白色発光装置として色々な提案がされている（例えば特許文献１、特許文献２）。
以下、特許文献1における従来のＬＥＤ発光装置について説明する。図１２は、特許文献１におけるＬＥＤ発光装置の断面図であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲において図面の簡素化を行い、部品名称も本発明と同じにしている。図１２においてＬＥＤ発光装置１００は複数のＬＥＤ１０１を実装したサブマウント基板１１２を放熱用の金属ベース１１１に搭載している。そしてサブマウント基板１１２の周囲には電源供給端子を有する配線電極１０３が設けられ、サブマウント基板１１２上で直並列に接続された（図示せず）複数のＬＥＤ１０１の端部はワイヤー１０４によって配線電極１０３に接続されている。さらにサブマウント基板１１２上のＬＥＤ１０１群及びワイヤー１０４は蛍光粒子を混入した蛍光樹脂１０５によって被覆されている。
上記構成におけるＬＥＤ発光装置１００は、ＬＥＤ１０１として青色ＬＥＤを用い、蛍光樹脂１０５には波長変換部材としてＹＡＧ蛍光粒子を混入した蛍光樹脂を事例として説明する。前記ＬＥＤ発光装置１００は配線電極１０３に設けられた電源供給端子に電源を供給すると、青色ＬＥＤ１０１の青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色による白色光を放射する。
図１３は、特許文献２におけるＬＥＤ発光装置の断面図であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲において図面の簡素化を行い、部品名称も本発明と同じにしている。図１３においてＬＥＤ発光装置２００は２本のリード２０３ａ，２０３ｂの一方のリード２０３ａにＬＥＤ２０１を搭載し、ＬＥＤ２０１の２個の電極をワイヤー２０４によって、それぞれ２本のリード２０３ａ，２０３ｂに接続している。さらにＬＥＤ２０１と２本のリード２０３ａ，２０３ｂの実装部分を透明樹脂２０６で砲弾形に被覆し、砲弾形の透明樹脂２０６の表面に一定厚みを有する蛍光樹脂２０５のキャップで被覆している。
ＬＥＤ発光装置２００もＬＥＤ２０１として青色ＬＥＤを用い、蛍光樹脂２０５には波長変換部材としてＹＡＧ蛍光粒子を混入した蛍光樹脂を事例として説明する。前記２本のリード２０３ａ，２０３ｂの透明樹脂２０６より突出した部分を電源供給端子とし、この電源供給端子に電源を供給すると、ＬＥＤ発光装置２００は青色ＬＥＤ２０１の青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色による白色光を放射する。
特開２０１０−１７０９４５号公報（図６参照） 特開平１０−２００１６５号公報（図1参照）
上記ＬＥＤとして青色ＬＥＤを用い、蛍光樹脂には波長変換部材としてＹＡＧ蛍光粒子を混入した蛍光樹脂を用いて、青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色による白色光を放射するＬＥＤ発光装置においては、以下のことが要求されている。
明るい放射光を得るために放熱特性が良く、形状的には薄型化されていること、さらに発光色度を良くするために蛍光樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングを解消することである。
このイエローリングの発生理由に付いて図１４、図１５を用いて説明する。図１４は図１２に示すＬＥＤ発光装置１００の放射光の状態を示した断面図であり、ＬＥＤ１０１のワイヤー１０４による配線に付いては図示を省略してある。また構成は図１２のＬＥＤ発光装置１００と同じなので、重複する説明は省略する。すなわち青色のＬＥＤ１０１から上方に出射される出射光Ｐｈは矩形形状に被覆された蛍光樹脂１０５を通過する距離が短いので、青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色が適切に行われ、白色に近い放射光となる。これに対しＬＥＤ１０１から斜め横方向に出射される出射光Ｐｙは蛍光樹脂１０５を通過する距離が長くなるので、ＹＡＧ蛍光粒子との衝突回数が多くなり、黄色味を帯びた出射光となる。
この状態を示したのが図１５である。すなわち図１５は図１４における蛍光樹脂１０５の部分の上面図であり、その中央部分は白色光Ｐｈが出射されているが、周辺部分は黄色味を帯びた黄色光Ｐｙがリング状に出射されている。この周辺のリング状の黄色光Ｐｙがイエローリングであり、照明装置としても見難いばかりでなく、カメラのフラッシュに使用する場合には、カラー写真に色変化が生じるため致命傷となる。
上記白色光を放射するＬＥＤ発光装置における、３つの条件を考慮すると、図１２に示すＬＥＤ発光装置１００は、放熱特性と、薄型化の点についての条件は良いが、イエローリングが発生するという問題がある。また図１３に示すＬＥＤ発光装置２００は透明樹脂２０６の周囲に一定厚さの蛍光樹脂層２０５が設けられているため、ＬＥＤ２０１の放射光が全ての方向で、一定厚さの蛍光樹脂層２０５を通過するため、蛍光樹脂層２０５を通過する距離が全ての方向で一定の長さとなり、青色の放射光とＹＡＧによって波長変換された黄色の放射光との混色が適切に行われ、白色に近い放射光となり、イエローリングの解消がなされている。しかし形状が砲弾型になっているため、放熱特性や薄型化の点において問題がある。
本発明の目的は上記問題点を解決しようとするものであり、放熱特性が良く、形状的に薄型化が達成されると同時に、蛍光樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングの解消を行ったＬＥＤ発光装置を提供することである。
上記目的を達成するための本発明における構成は、複数の段差部を有する実装基板と、前記実装基板の各段差部に実装された複数の半導体発光素子と、各半導体発光素子を電気的に接続する接続手段と、前記実装基板の各段差部に実装された複数の半導体発光素子を封止する蛍光樹脂とを有し、前記実装基板の段差部は同心形状に形成され、内側の段差に対して周辺の段差が順次低くなっており、前記半導体発光素子を封止する蛍光樹脂の形状が、前記実装基板の段差形状に合わせた段差形状を有することを特徴とする。
上記構成によれば、実装基板の各段差部に実装された複数のＬＥＤが蛍光樹脂で被覆されているため、各ＬＥＤの発光が隣接するＬＥＤによってブロックされないため明るい放射光が得られ、また各段差上に実装されたＬＥＤからの発光は段差上に被覆された蛍光樹脂を通過するため、その通過距離の差が少なくなることによって、イエローリングが解消される。
前記実装基板の各段差部の接続部分が傾斜していると良い。
前記実装基板の外周部には接続電極を有する回路基板を有し、前記各段差部に実装されたＬＥＤの間及び前記回路基板上の接続電極との間をワイヤーボンディングによって接続すると良い。
前記回路基板は中央に開口部を有し、前記開口部の周辺に前記接続電極を設け、前記回路基板の開口部に前記実装基板が配置されていると良い。
前記実装基板が金属基板またはセラミック基板であると良い。
前記実装基板が樹脂成型体の表面に金属層を形成した構成であると良い。
上記の如く本発明によれば、複数の段差部を有する実装基板と、前記実装基板の各段差部に実装された複数のＬＥＤと、各ＬＥＤを電気的に接続する接続手段と、前記実装基板の各段差部に実装された複数のＬＥＤを封止する蛍光樹脂とを有することにより、複数のＬＥＤが実装基板の各段差部に実装されているため、各ＬＥＤの発光が隣接するＬＥＤによってブロックされないため明るい放射光が得られ、また各段差上に実装されたＬＥＤからの発光は段差上に被覆された蛍光樹脂を通過するため、その通過距離の差が少なくなることによって、蛍光樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置を提供できる。
本発明におけるＬＥＤ発光装置の第１実施形態を示す平面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置のＡ−Ａ断面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置のＢ−Ｂ断面図である。 図１に示す回路基板の平面図及び断面図Ｌである。 図１に示す実装基板の平面図及び断面図Ｌである。 図１に示すＬＥＤ発光装置の発光特性を示す断面図である。 本発明におけるＬＥＤ発光装置の第２実施形態を示す平面図である。 図７に示すＬＥＤ発光装置のＡ−Ａ断面図である。 図８に示すＬＥＤ発光装置の発光特性を示す断面図である。 本発明におけるＬＥＤ発光装置の第３実施形態を示す断面図である。 本発明におけるＬＥＤ発光装置の第４実施形態を示す断面図である。 引用文献１に示す従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。 引用文献２に示す従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。 図１２に示す従来のＬＥＤ発光装置の発光状態を示す断面図である。 図１４に示す蛍光樹脂面の発光状態を示す平面図である。
（第１実施形態）
以下図面により、本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置の構成を説明する。
図１から図６は第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の構成を示すものであり、図１はＬＥＤ発光装置の平面図を示し、図２は図１に示すＬＥＤ発光装置のＡ−Ａ断面図、図３は図１に示すＬＥＤ発光装置のＢ−Ｂ断面図である。図１及び図２、図３においてＬＥＤ発光装置１０の構成は後述する如く中心に開口部２ａを有する回路基板２には、開口部２ａの周辺に２個の接続電極３ａ，３ｂと、回路基板２の対角位置に２個の端子電極に３ｃ、３ｄを備えると共に接続電極３ａ，３ｂと端子電極に３ｃ、３ｄとは電気的の接続されている。
また回路基板２の下面には複数の段差部を有する実装基板５が積層されており、この実装基板５は同心形状の段差部５ａ〜５ｄを有すると共に、この段差部は最も内側の段差部５ａから周辺の段差部５ｄに向かって順次低くなっている。そして周辺の段差部５ｄが回路基板２と積層されることにより、段差部５ａ〜５ｃが回路基板２の開口部２ａより露出している。
また回路基板２の開口部２ａ内に露出した実装基板５の段差部５ａ〜５ｃには、複数のＬＥＤ１が実装されており、各ＬＥＤ１の間、及びＬＥＤ１と回路基板２上の接続電極３ａ，３ｂとの間をワイヤー６によって電気的に接続している。そして実装されたＬＥＤ１の上部には蛍光樹脂７が被覆されており、この蛍光樹脂７の形状は実装基板５の段差部５ａ〜５ｃの形状に合わせた段差形状となっている。
なお図１に示す実施形態おいては実装基板５の各段差部５ａ〜５ｃに渡って３６個のＬＥＤ１が実装されており、この３６個のＬＥＤ１が１２個づつ直列接続された３組のグループが接続電極３ａ，３ｂ間に接続されており、全体としてはＬＥＤ１を１２個直列接続したグループを３組並列接続している。
次に、図４、図５により図１に示すＬＥＤ発光装置１０を構成している回路基板２と、実装基板５の構成について説明する。図４ａは回路基板２の平面図、図４ｂは図４ａに示す回路基板２のＡ−Ａ断面図である。矩形の回路基板２の中央部には開口部２ａが設けられ、この開口部２ａの周辺に２個の接続電極３ａ，３ｂと、回路基板２の対角位置に２個の端子電極に３ｃ、３ｄを備えると共に接続電極３ａ，３ｂと端子電極に３ｃ、３ｄとは電気的の接続されている。
図５ａは実装記載５の平面図、図５ｂは図５ａに示す実装基板５のＡ−Ａ断面図である。図５ａに示す如く、実装基板５の実装部を構成する段差部５ａ〜５ｃは同心円形状に形成され、回路基板２との積層部を構成する段差部５ｄは回路基板２の外形と同じ矩形形状に構成されている。そしてこの実装記載５は実装されるＬＥＤ１の放熱性を考慮して、放熱性に優れたアルミ等の金属基板や、セラミック基板が望ましい。
次に図６により、ＬＥＤ発光装置１０の発光動作及び発光特性について説明する。図６は図１及び図２に示すＬＥＤ発光装置１０の発光特性を示す断面図で、その構成は図２に示すＬＥＤ発光装置１０の断面図とおなじであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図１に示すＬＥＤ発光装置１０の端子電極に３ｃ、３ｄに所定の電圧を供給することによって接続電極３ａ，３ｂに接続されたＬＥＤ１の各グループは発光を開始する。
実装基板５の各段差部５ａ〜５ｃに実装されたＬＥＤ１は、それぞれ段差部５ａに実装されたＬＥＤ１ａ、段差部５ｂに実装されたＬＥＤ１ｂ、段差部５ｃに実装されたＬＥＤ１ｃは順次高さが低くなる３次元配置になっており、その上に被覆された蛍光樹脂７も段差形状に形成されている。このため各ＬＥＤ１からの発光は垂直発光Ｐｓ、傾斜発光Ｐｋともに隣接するＬＥＤ１に邪魔されずに有効な放射光として出射される。しかも蛍光樹脂７の段差形状によって各垂直発光Ｐｓ、傾斜発光Ｐｋともに通過する蛍光樹脂７の距離の差が少なくなり、均一な発光色となってイエローリングが解消された発光装置となる。
（第２実施形態）
次に図７〜図９により、本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置について説明する。図７、図８は本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０の平面図及びＡ−Ａ断面図であり、基本的構成は図１、図２に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明を省略する。
図７、図８に示す第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０が、図１、図２に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、実装基板２５の段差部が２５ａ〜２５ｅの５段階になっており、実装部を構成する段差部５ａ〜５ｄの接続部分が傾斜面２５ｋとなっていることである。そして段差部２５ｅが回路基板２との積層部を構成している。
次に図９により、ＬＥＤ発光装置２０の発光特性について説明する。図９におけるＬＥＤ発光装置２０の発光特性と、図６に示すＬＥＤ発光装置１０の発光特性との違いは、垂直発光Ｐｓ、傾斜発光Ｐｋに加えて各段差部２５ａ〜２５ｃの傾斜面２５ｋにおける反射光Ｐｈが有効出射光となることによってさらに明るい放射光が得られる。
（第３実施形態）
次に図１０により、本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置について説明する。図１０は本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０の断面図であり、基本的構成は図１、図２に示す第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明を省略する。またＬＥＤ発光装置３０の平面図は図１に示すＬＥＤ発光装置１０と同一なので図示も省略する。
図１０に示す第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０が、図２に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、ＬＥＤ発光装置１０の実装基板５がアルミ等の金属基板であったのに対し、ＬＥＤ発光装置３０の実装基板３５はアルミナ等のセラミック基板となっていることである。このセラミックによる実装基板３５は放熱性に優れると共に、絶縁性がよいためＬＥＤを実装する上で短絡によるトラブルを防止することができる。
（第４実施形態）
次に図１１により、本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置について説明する。図１１は本発明の第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０の断面図であり、基本的構成は図１、図２に示す第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と同じであり、同一部材には同一番号を付し、重複する説明を省略する。またＬＥＤ発光装置４０の平面図も図１に示すＬＥＤ発光装置１０と同一なので図示も省略する。
図１１に示す第４実施形態におけるＬＥＤ発光装置４０が、図２に示す第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、ＬＥＤ発光装置１０の実装基板５がアルミ等の金属基板であったのに対し、ＬＥＤ発光装置４０の実装基板４５は、段差部５ａ〜５dの形状に成型された樹脂基板４５Ａの上面に金属層４５Ｂを形成してものである。この実装基板４５は表面の金属層４５Ｂによって放熱を行っているので、金属製の実装基板５に比べて放熱性の点において少し劣るが、樹脂基板４５Ａの成型によって段差形状を作成することができるため製造が容易で価格が安く、さらに重量を軽くできるというメリットがある。
上記の如く、本発明においては実装基板の各段差部に実装された複数のＬＥＤが蛍光樹脂で被覆されているため、各ＬＥＤの発光が隣接するＬＥＤによってブロックされないため明るい放射光が得られ、また各段差上に実装されたＬＥＤからの発光は段差上に被覆された蛍光樹脂を通過するため、その通過距離の差が少なくなることによって、蛍光樹脂を用いたＬＥＤ発光装置に特有のイエローリングを解消したＬＥＤ発光装置を提供できる。
なお、本実施形態においては、ＬＥＤ同士の接続にワイヤーを用いる構成を示したが、これに限定されるものではなく、実装基板としてセラミックのような絶縁基板を用いる場合や、金属基板の上面に絶縁層を設けることによって、実装基板上に電極パターン形成すれば、ＬＥＤ同士の接続をフリップチップ実装とすることができる。
１，１０１，２０１ ＬＥＤ
２， 回路基板
２ａ 開口部
３ａ，３ｂ 接続電極
３ｃ，３ｄ 端子電極
５、２５，３５，４５ 実装基板
５ａ〜５ｅ 、２５ａ〜２５ｅ 段差部
６， ワイヤー
７、１０５，２０５ 蛍光樹脂
１０，２０，３０，４０、１００，２００ ＬＥＤ発光装置
２５ｋ 傾斜面
４５Ａ 樹脂基板
４５Ｂ 金属層
ＰＳ 垂直発光
Ｐｋ 傾斜発光
Ｐｈ 反射発光

Claims (7)

  1. 複数の段差部を有する実装基板と、前記実装基板の各段差部に実装された複数の半導体発光素子と、各半導体発光素子を電気的に接続する接続手段と、前記実装基板の各段差部に実装された複数の半導体発光素子を封止する蛍光樹脂とを有し、前記実装基板の段差部は同心形状に形成され、内側の段差に対して周辺の段差が順次低くなっており、
    前記半導体発光素子を封止する蛍光樹脂の形状が、前記実装基板の段差形状に合わせた段差形状を有することを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記実装基板の各段差部の接続部分が傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記実装基板の外周部には接続電極を有する回路基板を有し、前記各段差部に実装された半導体発光素子の間及び前記回路基板上の接続電極との間をワイヤーボンディングによって接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記回路基板は中央に開口部を有し、前記開口部の周辺に前記接続電極を設け、前記回路基板の開口部に前記実装基板が配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体発光装置。
  5. 前記実装基板が金属基板であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体発光装置。
  6. 前記実装基板がセラミック基板であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体発光装置。
  7. 前記実装基板が樹脂成型体の表面に金属層を形成したことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体発光装置。
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