JP7157331B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
これに対して、光照射面における光の強度分布を均一にするために、発光素子をその光軸の回りに90°異なる角度で配置し、個々の発光素子から出力される一定のパターンの強度分布をもつ光を重ね合わせて平均化する方法が提案されている(例えば、特許文献1)。
本願発明は、特定の立体形状を有し、特定の配光特性を有する発光素子が等ピッチで複数行列状に配列された発光装置において、連続した輝度ムラが視認されない又は視認されにくい発光装置を提供することを目的とする。
配線を有し、光反射性を有する配線基板と、
下面に対して傾斜した一対の第1側面と、前記下面に対して垂直な一対の第2側面とを有するサファイア基板と、前記サファイア基板の下面に設けられた半導体積層体とを有し、前記配線基板の上面に行列状に実装された複数の発光素子と、
該発光素子の上面に配置された光反射膜と、
前記複数の発光素子の上方に配置された光拡散部材とを備え、
前記複数の発光素子のうち所定の領域内に配置された複数の発光素子は、行方向および列方向のうち少なくとも一方の方向に互いに近接する発光素子の前記第1側面と前記第2側面とが向かい合って配置されている発光装置。
本願における一実施形態の発光装置10は、図1Aに示すように、複数の発光素子12が配線基板11の上面に行列状に配置されて構成される。この発光装置10では、図1B及び図1Cに示すように、配線基板11は、基板11b上に配線11aを有し、光反射性を有する。発光素子12の上面には、光反射膜13が配置されており、複数の発光素子12の上方に光拡散部材14が配置されている。発光素子12は、サファイア基板21と、半導体積層体22とを有し、サファイア基板21は、その下面21cに対して傾斜した一対の第1側面21aと、下面21cに対して垂直な一対の第2側面21bとを有する。そして、複数の発光素子12のうち所定の領域内、例えば、図1における領域Mに配置された複数の発光素子12は、行方向および列方向のうち少なくとも一方の方向に互いに近接する発光素子12のサファイア基板21の第1側面21aと第2側面21bとが向かい合って配置されている。ここで、向かい合ってとは、側面が互いに実質的に平行に対面する状態でもよいし、一方の側面が他方の側面に対して傾斜して対向していてもよい(例えば、図4等参照)ことを含む。
このような構成を有することにより、サファイア基板の劈開面に起因する傾斜する一対の第1側面によって影響を受ける発光素子の出射光の光の向きを、行又は列方向に隣接する発光素子において異ならせることができる。これによって、上方から見て相対的に明るい又は暗い辺を有する1つの発光素子を、複数規則正しく並べる場合に表れる、発光装置の光出射面における連続する明るい又は暗いパターンを効果的に回避することができる。その結果、発光装置において、光出射面における光の強度分布を均一とすることができ、輝度ムラの視認をなくすことができる。このような効果は、特に発光素子の上面に光反射膜を有することで、その上面に対して垂直方向にはほとんど光を通さない発光素子を大量に配置する用途、特に直下型のバックライト光源として用いる場合に顕著である。
配線基板11は、少なくともその一面(例えば、上面)に配線11aを有する。配線11aは、発光素子の正負電極に対応した一対のパターンを複数含む。これらの正負電極に対応したパターンは、それぞれ、配線基板11の一面、内部及び/又は一面とは反対側の他面(例えば、下面)において、それぞれ電気的に接続され、外部からの電流(電力)を供給することができる。
配線11aは、基板11bとして用いられる材料、その製造方法等によって適宜選択することができる。例えば、基板11bの材料としてセラミックスを用いる場合は、配線11aは、セラミックスシートの焼成温度に耐え得る高融点を有する材料が好ましく、例えば、タングステン、モリブデンのような高融点の金属が挙げられる。また、その上に鍍金、スパッタリング、蒸着などにより、ニッケル、金、銀など他の金属材料が被覆されたものでもよい。
基板11bは、例えば、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、BTレジン、ポリフタルアミド(PPA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の樹脂、金属等によって形成することができる。
基板11bの厚さは適宜選択することができる。
樹脂を用いる場合は、ガラス繊維、SiO2、TiO2、Al2O3等の無機フィラーを樹脂に混合し、機械的強度の向上、熱膨張率の低減、光反射率の向上等を図ることもできる。
金属としては、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン又はこれらの合金等が挙げられる。
配線基板11は、光反射性を有するが、この光反射性は、配線基板11に形成された配線11aによって付与されるものであってもよいし、基板11b自体を構成する材料が光反射性を有するものであってもよいし、発光素子と電気的に接続される配線以外の配線基板11の上面における領域が、光反射性の被覆層11cによって被覆されたものであってもよい。なかでも、光反射性の被覆層11cによって被覆されたものが好ましい。
発光素子12は、図1Cに示すように、サファイア基板21と、その下面21cに積層された半導体積層体22とを有する。半導体積層体22の下面には、一対の正負の電極23、24が形成されている。また、サファイア基板21の下面21cとは反対側の面に光反射膜13が配置されている。
発光素子12は、平面視、四角形又はこの四角形の角が丸みを帯びるなどの四角形に近似した形状であるものが挙げられるが、その他の種々の平面形状とすることができる。
サファイア基板21は、その下面21cに対して傾斜した一対の第1側面21aと、下面21cに対して垂直な一対の第2側面21bとを有する。つまり、下面21aと一対の第1側面21aとを通る断面において、一対の第1側面21aの一方は下面21aと鋭角をなし、他方は下面21aと鈍角をなす。これらの側面を有する限り、例えば、六方晶のAl2O3からなる基板、つまり、C面、A面、R面、M面のいずれか又はこれらの面から±5°でオフ角を有する面を主面とするサファイアによる基板を用いることができる。例えば、下面21cは、C面(0001)又はC面に対して±5°のオフ角を有する面であるものが挙げられる。なお、サファイアは完全には六方晶ではないが、近似的に六方晶(六方晶系)として理解されている。
半導体積層体22は、任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、窒化物系半導体(InxAlyGa1-x-yN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いることができる。用いる発光素子の大きさ、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。
電極23、24は、導電材料によって任意の形状で形成することができる。
一対の電極23、24は、図1Cに示すように、接合部材を介して配線基板11の上面の配線11aに接続されている。つまり、発光素子12が、一対の配線11aに跨るようにフリップチップ実装されている。
接合部材としては、金、銀、銅などのバンプ、これらの金属粉末と樹脂バインダを含む金属ペースト、錫-ビスマス系、錫-銅系等の半田、低融点金属等のろう材等を用いることができる。
光反射膜13は、発光素子12において、サファイア基板21の下面21cとは反対側の上面に形成されている。光反射膜13は、発光素子12から出射される光に対して、光透過率が入射角依存性を有する膜であることが好ましい。この光反射膜13の光透過率の入射角依存特性は、図2Aに示すように、発光素子12の上面に対して垂直方向には殆ど光を通さないが、垂直方向から傾斜した光は、その透過率が増加する。例えば、光の入射角が、-30°~30°の範囲内では透過率が10%程度であるのに対して、光の入射角が-30°より小さくなると徐々に透過率が大きくなり、-50°より小さくなると急激に透過率が大きくなる。同様に、光の入射角が30°より大きくなると徐々に透過率が大きくなり、50°より大きくなると急激に透過率が大きくなる。つまり、光反射膜13の発光素子12からの光に対する光透過率は、入射角の絶対値が大きくなるにしたがって高くなる。従って、光反射膜13を備える発光素子12のサファイア基板21の第2側面21bに実質的に平行な方向(図1Cの発光素子12Tの紙面に実質的に平行な方向)においては、図2Bに示すようなバットウイング配光特性を有し、第2側面21bに垂直な方向(図1Cの発光素子12Qの紙面に実質的に平行な方向)においては、図2Cに示すような、バットウイング配光特性を有する。
なお、バットウイング配光特性とは、配光角が90°以下の第1領域に配光角が90°のときの強度より大きい強度の第1ピークを有し、配光角が90°以上の第2領域に配光角が90°のときの強度より大きい強度の第2ピークを有するような配光特性を指す。
このようなバットウイング配光特性の光を採用することにより、発光装置における発光素子の行列方向のピッチを大きくすることができ、用いる発光素子数を低減等することができる。
誘電体多層膜を用いる場合には、吸収の少ない反射膜を得ることができ、膜の設計で反射率を任意に調整することが容易となる。また、光の入射角度により反射率を精度よく制御することができる。特に、光取り出し面に垂直方向(光軸方向ともいう)の反射率を上げ、光軸に対して角度が大きくなるところで反射率を下げる、すなわち透過率を上げることにより、上述したバットウイング配光特性を制御よく得ることができる。
このような発光素子12は、図1Aに示すように、配線基板11の上面に、複数行及び/又は列状に実装されているが、複数の発光素子12のうち所定の領域内(例えば、領域M内)に配置された複数の発光素子12は、行方向および列方向のうち少なくとも一方の方向に互いに近接する発光素子12のサファイア基板21の第1側面21aと第2側面21bとが向かい合って配置されている。特に、行方向および列方向の双方向に互いに近接する発光素子のサファイア基板の第1側面21aと第2側面21bとが向かい合って配置されていることが好ましい。
特に、特定の領域内の発光素子のみでなく、配線基板11上に配置される全領域の発光素子が上述したような配置により、より顕著に、光出射面における光の強度分布を均一とすることができ、輝度ムラの視認をなくすことが可能となる。
また、45°、90°、180°等の発光素子の回転に限らず、任意の角度で回転させて規則的に又はランダムに配置してもよい。
配線基板11の上面に実装された発光素子12は、その周辺及び/又は発光素子12と配線基板11との間に、アンダーフィル材料15が形成されていることが好ましい。アンダーフィル材料15は、熱膨張率を発光素子に近づけることと、発光素子12からの光が配線基板11で散乱反射することを防止すること、発光素子12からの光を配線基板11とは反対側に効率的に取り出すことを目的として、フィラー、色素、光反射材等が含有されていてもよい。
アンダーフィル材料15は、発光素子からの光による劣化が少ない材料であればよい。例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。フィラー及び色素としては、発光波長の光を吸収するものであれば光がより反射されにくくなり、光の散乱を防ぐことができる。また、光による劣化を防ぐため、光吸収材料には無機化合物を用いるのが好ましい。
配線基板11の上面に実装された発光素子12は、封止部材16によって封止されていることが好ましい。
封止部材16は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はそれらを混合させた樹脂、ガラスなどの透光性材料を用いて形成することができる。なかでも、耐光性及び成形のしやすさを考慮して、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。
封止部材16は、発光素子12を被覆するように圧縮成型、射出成型等によって形成することができる。また、封止部材16の材料の粘度を最適化して、発光素子12の上に滴下又は描画するなどして、材料自体の表面張力によって、形状を制御することもできる。
複数の発光素子12の上方には、光拡散部材14が配置されている。光拡散部材14は、例えば、複数の発光素子12群ごとに複数配置されてもよいし、発光装置を構成する全ての発光素子12の上方に1つのみ配置されていてもよい。光拡散部材14は、発光素子12の上面と略平行に配置することが好ましい。このような光拡散部材により、複数の発光素子12から出射された光を、より拡散させながら透過させ、輝度ムラを低減することができる。
特に、上述した第1側面21aを有するサファイア基板を備えた発光素子12を用いた場合には、光拡散部材14を用いると、発光素子を上方から見て相対的に明るい辺と暗い辺とのコントラストが強調される傾向があるが、この実施形態では、行列状の発光素子の配置を、隣接する発光素子において、第1側面21aと第2側面21bとが向かい合うように配置されることにより、発光装置の光出射面における連続する明るい又は暗いパターンを均一として、効果的に回避することができる。
光拡散部材14は、例えば、ポリカーボネイト樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂等、可視光に対して光吸収の少ない材料であればよい。光を拡散させる方法としては、光拡散部材14中に屈折率の異なる材料を含有させる方法、表面の形状を加工して光を散乱させる方法等を採用することができる。
11 配線基板
11a 配線
11b 基板
11c 被覆層
12、12P、12Q、12R、12S、12T、12W、12V 発光素子
13 光反射膜
14 光拡散部材
15 アンダーフィル材料
16 封止部材
21 サファイア基板
21a 第1側面
21b 第2側面
21c 下面
22 半導体積層体
23、24 電極
M 領域
Claims (7)
- 配線を有し、光反射性を有する配線基板と、
下面に対して傾斜した一対の第1側面と、前記下面に対して垂直な一対の第2側面とを有するサファイア基板と、前記サファイア基板の下面に設けられた半導体積層体とを有し、前記配線基板の上面に行列状に実装された複数の発光素子と、
該発光素子の上面に配置された光反射膜と、
前記複数の発光素子の上方に配置された光拡散部材とを備え、
前記複数の発光素子のうち所定の領域内に配置された複数の発光素子は、行方向および列方向のうち少なくとも一方の方向に互いに隣接する発光素子の前記第1側面と前記第2側面とが向かい合って配置され、かつ、前記発光素子の上面側から見て、隣接する前記発光素子は、前記一対の第1側面のうち一方の側面に着目すると、行方向および列方向のうち少なくとも一方に、右回り又は左回りに45°又は90°ずつ回転するように配置されていることを特徴とする発光装置。 - 行方向および列方向のそれぞれの方向に互いに隣接する発光素子の前記第1側面と前記第2側面とが向かい合って配置されている請求項1に記載の発光装置。
- 前記サファイア基板の下面と前記一対の第1側面とを通る一断面において、前記一対の第1側面の一方は前記下面と鋭角をなし、前記一対の第1側面の他方は前記下面と鈍角をなす請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記所定の領域は、前記複数の発光素子のすべてを含む領域である請求項1~3のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記上面に光反射膜を備えた発光素子は、それぞれ、バットウイング配光特性を有する請求項1~4のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記発光素子は、前記半導体積層体の下面側に正負の電極を有し、前記配線基板に対してフリップチップ実装されている請求項1~5のいずれか1つに記載の発光装置。
- 直下型のバックライト光源用に用いられる請求項1~5のいずれか1つに記載の発光装置。
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