JP7506328B2 - 光源および光源を備える発光装置 - Google Patents
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Description
特に液晶テレビに使用されるバックライトや一般照明器具等では、デザイン製が重要視され、薄型化の要望が高い。
また特許文献2には、モールド形状を工夫してバットウイング配光を実現することが開示されている。
特許文献2に記載の方式では、蛍光体含有層の厚みが角度により異なり、配光色ムラが生じるため、色ムラの改善が望まれていた。
さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
図1(A)および図1(B)は、第1実施形態の発光装置の一例を示す概略構造図であり、図1(A)は上面図、図1(B)は図1(A)のI-I線における断面図である。
図1に示されるように、本実施形態における基体101は、基体の表面に設けられた一対の導体配線102に跨がるように、接続部材103を介してフリップチップ実装により発光素子105が実装されている。導体配線102の上面のうち、発光素子105との電気的に接続される領域は、絶縁部材104から露出されている。
図2では、光軸方向の封止部材の高さAを、封止部材の底面の半径Bで割ったアスペクト比(A/B)を、2.8、3.2、3.5とする場合をそれぞれ示している。アスペクト比が大きいほど0°付近の相対光度が低下し、配光が広がっていることがわかる。光を均一に拡散させるために、アスペクト比は2.0以上であることが好ましい。
また、発光素子105は、基体の上面から0.5mm以内の高さに配置されることが好ましい。
これは発光素子105から観て光軸方向の光路長が光軸の垂直方向の光路長より長いため発光素子105からの光が散乱し減衰していくからである。
よって光拡散材の濃度を調整する事で、アスペクト比をそれほど大きくしなくても光軸方向の光量を下げてバットウイング配光にすることが可能となり、樹脂量も少なく済み生産性が向上する。
(基体101)
基体101は、発光素子105を載置するための部材である。基体101はその表面に、発光素子105に電力を供給するための導体配線102を有している。
基体101の材料としては、例えば、セラミックス、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)等の樹脂が挙げられる。なかでも、低コストと、成型容易性の点から、樹脂を絶縁性材料に選択することが好ましい。あるいは、耐熱性及び耐光性に優れた発光装置とするためには、セラミックスを基体101の材料として選択することが好ましい。
また、基体101を構成する材料に樹脂を用いる場合は、ガラス繊維や、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。また、基体101としては、一対の導体配線102を絶縁分離できるものであればよく、金属部材に絶縁層を形成している、いわゆる金属基板を用いてもよい。
導体配線102は、発光素子105の電極と電気的に接続され、外部からの電流(電力)を供給するための部材である。すなわち、外部から通電させるための電極またはその一部としての役割を担うものである。通常、正と負の少なくとも2つに離間して形成される。
接続部材103は、発光素子105を基体101または導体配線102に固定するための部材である。絶縁性の樹脂や導電性の部材が挙げられ、図1Bに示すようなフリップチップ実装の場合は導電性の部材が用いられる。具体的にはAu含有合金、Ag含有合金、Pd含有合金、In含有合金、Pb-Pd含有合金、Au-Ga含有合金、Au-Sn含有合金、Sn含有合金、Sn-Cu含有合金、Sn-Cu-Ag含有合金、Au-Ge含有合金、Au-Si含有合金、Al含有合金、Cu-In含有合金、金属とフラックスの混合物等を挙げることができる。
導体配線102は、発光素子105や他材料と電気的に接続する部分以外は絶縁部材104で被覆されている事が好ましい。すなわち、各図に示されるように、基体上には、導体配線102を絶縁被覆するためのレジストが配置されていても良く、絶縁部材104はレジストとして機能させることができる。
絶縁部材104の材料は、発光素子からの光の吸収が少ない材料であり、絶縁性であれば特に限定されない。例えば、エポキシ、シリコーン、変性シリコーン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネイト、ポリイミド等を用いることができる。
基体に搭載される発光素子105は、特に限定されず、公知のものを利用できるが、本形態においては、発光素子105として発光ダイオードを用いるのが好ましい。
発光素子105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、ZnSeや窒化物系半導体(InxAlyGa1-x-yN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)、GaPを用いたものを用いることができる。また、赤色の発光素子としては、GaAlAs、AlInGaPなどを用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる半導体発光素子を用いることもできる。用いる発光素子の組成や発光色、大きさや、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。
発光素子105をフリップチップ実装する場合には、発光素子105と基体101の間にアンダーフィル106が形成されていることが好ましい。アンダーフィル106は、発光素子105からの光を効率よく反射できるようにすることと、熱膨張率を発光素子105に近づけることを目的として、フィラーを含有している。
アンダーフィル106の材料は、発光素子からの光の吸収が少ない材料であれば、特に限定されない。例えば、エポキシ、シリコーン、変性シリコーン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネイト、ポリイミド等を用いることができる。
封止部材108は、発光素子105を外部環境から保護するとともに、発光素子から出力される光を光学的に制御するため、発光素子105を被覆するように基体上に配置させる部材である。本実施形態においては、発光素子105は封止部材108で直接被覆されている。
光拡散材としては、具体的には、SiO2、Al2O3、Al(OH)3、MgCO3、TiO2、ZrO2、ZnO、Nb2O5、MgO、Mg(OH)2、SrO、In2O3、TaO2、HfO、SeO、Y2O3、CaO、Na2O、B2O3などの酸化物、SiN、AlN、AlONなどの窒化物、MgF2のようなフッ化物などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。あるいは、複数の層に分けてこれらを積層させるようにしてもよい。
例えば、発光素子自体は、通常、光軸方向への光強度が最も強くなる。そのため拡散材の濃度が低すぎると、発光素子を点灯して光軸方向から観察したときに、中心部が外周部よりも暗い輝度分布にならない場合がある。よって、中心部が外周部よりも暗い輝度分布になるように、拡散材の濃度を調整することが好ましい。
図3は、第2実施形態の発光装置の一例を示す断面図である。
本実施形態では、発光素子105に接して波長変換部材109が配置されており、波長変換部材109を被覆するように光拡散材の含有された封止部材108が形成されている。
波長変換部材としては、例えば、窒化物系半導体を発光層とする発光素子からの光を吸収し、異なる波長の光に波長変換するものであればよい。蛍光物質は、例えば、Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される、窒化物系蛍光体、酸窒化物系蛍光体を用いることができる。より具体的には、大別して下記(D1)~(D3)にそれぞれ記載された中から選ばれる少なくともいずれか1以上であることが好ましい。
(D1)Eu等のランタノイド系、Mn等の遷移金属系の元素により主に賦活される、アルカリ土類ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素、ゲルマン酸塩等の蛍光体
(D2)Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される、希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類金属希土類ケイ酸塩等の蛍光体
(D3)Eu等のランタノイド系元素で主に賦活される、有機または有機錯体等の蛍光体
(D21)Y3Al5O12:Ce
(D22)(Y0.8Gd0.2)3Al5O12:Ce
(D23)Y3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce
(D24)(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce
なお、本明細書で「粒径」とする場合は、平均粒径のことを指すものとし、その値は、空気透過法又はF.S.S.S.No(Fisher-SubSieve-Sizers-No.)によるものとする(いわゆるDバー(Dの上にバー)で表される値)。
本実施形態では、波長変換部材109は、封止部材108と同様に、光軸L方向に凸形状とされている。発光素子から封止部材108へ至るまでの間に波長変換が行われるように発光素子105の表面が露出されている部分に波長変換部材109が接するように配置されている。図3に示す例では、波長変換部材109は発光素子105を被覆する略半球状に形成されている。
図4は、第2実施形態の発光装置200の変形例を示す断面図である。本変形例の発光装置300は、発光素子105として、発光素子に波長変換部材と反射部材203を備えた小型のLEDパッケージ品を用いたものである。具体的には、発光素子105の側面及び下面を反射部材203で被覆し、発光素子105の上面に波長変換部材109を備えたLEDパッケージ201を、基体101に載置している。LEDパッケージ201の端子204と、導体配線102が、接続部材103により電気的に接続されている。
図5は、第3実施形態の発光装置400の一例を示す断面図である。
本実施形態では、封止部材108と基体101とが接する領域(封止部材108の底面)の半径が、封止部材108の幅方向の最大半径よりも小さくなるよう形成されている。このように、封止部材108が基体101近傍において逆テーパー部205を有することにより、発光素子から光軸(L)に対して真横方向に出た光が、屈折により基体上面方向に向きが変わることで、基体に当たる事無く全面を照らす光量を増やすことができる。封止部材108が、基体101近傍において逆テーパー状となる以外は、第1実施形態の発光装置100または第2実施形態の発光装置200と同様の構成を有してよい。
[実施例1]
本実施例は、図1Aおよび図1Bに示すように、基体101としてガラスエポキシ基材を用い、導体配線として35μmのCu材を用いる。
発光素子は、平面視が1辺600μmの正方形で、厚みが150μmの窒化物系青色LEDを用い、絶縁部材104にはエポキシ系の白色ソルダーレジストを用いる。アンダーフィル106として、酸化チタンをフィラーとして30wt%含有したシリコーン樹脂を用い、発光素子105の下面及び側面をアンダーフィル106で被覆している。封止部材108は、光拡散材としてSiO2フィラーを30wt%含有したシリコーン樹脂を用い、図1Aおよび図1Bに示すように、上面視の外形が円形である、略半長球状である。光軸方向の高さAが5.5mm、封止部材108の底面の半径Bは1.7mmとし、アスペクト比(A/B)が3.2である。
本実施例は、図3に示すように、波長変換部材109を含有する封止部材108が発光素子105の周囲に形成されている以外は実施例1と同様である。
本実施例の波長変換部材109はYAG系蛍光体を含有するシリコーン樹脂を使用し、封止部材108は光拡散材としてSiO2フィラーを含有するシリコーン樹脂を使用している。
この様な構成とすることで、発光素子105の青色光と波長変換部材109で波長変換された黄色光とで白色光が合成され、封止部材108内で更に拡散されることにより全方向に色ムラの少ないバットウイング配光が得られる。
また、基体としてガラスエポキシ基材を用い、導体配線として35μmのCu材を用いる。発光素子は、平面視が1辺600μmの正方形で、厚みが150μmの窒化物系青色LEDを用い、絶縁部材にはエポキシ系の白色ソルダーレジストを用いる点が共通している。
実施例3の封止部材108は、図7(A)に示すように、光軸近傍の曲率が、その他の部分の曲率よりも大きく、円錐型に近い形状とされている。封止部材の側面も曲率を有している。実施例3では、図3で示したように、発光素子上に蛍光体を塗布する方式で蛍光体層を形成している。蛍光体はYAG系の蛍光体を用い、白色発光装置とされている。
実施例4の封止部材108は、図7(B)に示すように、光軸近傍の曲率が、その他の部分の曲率よりも小さく、光軸近傍の表面が平坦に近い形状とされている。また、封止部材の側面に、基体の上面(発光素子の上面)に対して略垂直となる面を有しており、円柱状に近い形状とされている。
まず、ナノフィラーを添加して高チキソ化した樹脂に拡散材を分散させて調合した樹脂を用い、ディスペンサの上下方向(z方向)を制御して引き上げながら樹脂を塗布し、必要な高さまで引き上げたら引き上げを止めて、垂直断面が長方形に近い形になるまで樹脂を供給する。所望の形状になったら樹脂の供給を終了し、上面を擦りきるようにして樹脂の糸切りを行う。なお、ここでは、封止部材の上面が曲率を持った例を示したが、上面が平坦とされていてもよい。
実施例4では、実施例3と同様に発光素子上に蛍光体を塗布する方式で蛍光体層が形成されており、白色発光装置とされている。
実施例5の封止部材108は、図7(C)に示すように、上部10と下部20とを有しており、上部10は、下部20の径Hよりも大きい径Gを有するきのこ型とされている。また、上部10において、実施例4と同様に光軸近傍の曲率がその他の部分の曲率よりも小さく、光軸近傍の表面が平坦に近い形状とされている。下部20の側面は、基体の上面(発光素子の上面)に対して略垂直となる面を有して略円柱状に形成されており、上部10は、略球状に形成されている。
また、封止部材の側面は、下方から上方にいくに従ってその径が大きくなり、径Gの点で最大となった後、さらに上方にいくに従って徐々に小さくなる。このように、発光装置を上面視したときに、上部10が下部20を包含するように重なることで、輝度が高くなる封止部材の底部の周囲が上面視した際に直接見えなくなるため、後述するように、均一性を向上させることができる。
実施例5では、図4で示したようなLEDパッケージ201を用いて蛍光体層を形成することで白色発光装置とされている。
図8に示すように、各発光装置の配光特性は、全てバットウイング配光となる。実施例5の発光装置は、実施例3及び実施例4の発光装置に比べて光軸近傍の明るさが平坦になっている以外は、略同じような配光特性を示す。
一方、図9は実施例3~5の発光装置の封止部材108とその周囲の上面視の輝度分布を示すグラフであり、図10は上面視での面内輝度分布である。図10(A)は実施例3、図10(B)は実施例4、図10(C)は実施例5の輝度分布を示している。
図9及び図10の輝度分布をみると、実施例5の発光装置が最も均一性が良い結果となる。ここで、均一性とは、光軸近傍の最も暗い部分(暗部)の輝度と最も明るい部分(明部)の輝度の明暗比(暗部/明部)のことをいう。この値が大きいほど、明部と暗部の差が小さいということであり、均一性がよいものとする。なお、実施例3の明暗比は0.157、実施例4の明暗比は0.557、実施例5の明暗比は0.717である。
照射面である光拡散板等が発光装置に対して非常に近い場合、図8に示す配光特性には現れない発光装置自体の輝度分布の影響が現れるため、実施例3の発光装置では照射面に光軸上が暗く、その周囲が明るいドーナツ状の明暗形状が現れる。これに対し、実施例4および5では発光装置の輝度均一性が良いため、照射面光軸近傍の明暗形状の発生を抑制することが可能となるためである。
また、実施例5の発光装置で均一性が最も良い理由は、実施例4において最も輝度の高い、封止部材底部周囲の白色ソルダーレジストからの反射光を、封止部材自体によって遮蔽、散乱させるためだと考えられる。
この時の上部10と下部20の直径の差は、例えば下部20の直径に対して上部10の直径が1.1~2.0倍程度、好ましくは1.2~1.5倍程度である。なお、この直径比は封止部材のアスペクト比や配光特性によって変化するため、前述の範囲に限定されるものではない。
101 基体
102 導体配線
103 接続部材
104 絶縁部材
105 発光素子
106 アンダーフィル
108 封止部材
109 波長変換部材
L 光軸
201 LEDパッケージ
203 反射部材
204 端子
205 逆テーパー部
Claims (12)
- 発光素子と、
前記発光素子を被覆する封止部材と、を有する光源であって、
前記封止部材は、含有量が0.01~30wt%である光拡散材を含有し、
前記封止部材の形状は、底面を有し、前記発光素子の中心を通る法線を光軸(L)としたときの前記光軸(L)方向の高さが、前記光軸(L)方向から見たときの前記底面の最大幅となる位置の幅よりも長く、
前記発光素子の周囲に波長変換部材を有し、
前記波長変換部材は、前記発光素子から発した光が前記封止部材へ至るまでの間に波長変換が行われるように前記発光素子の表面が露出されている部分に接するように配置され、
バットウィング型の配光特性を有する、ことを特徴とする光源。 - 前記波長変換部材の、前記光軸(L)方向の高さが、前記封止部材の、前記光軸(L)方向の高さの1/2以下である、請求項1に記載の光源。
- 前記発光素子の下面にフィラーを含有するアンダーフィルを有する請求項1に記載の光源。
- 前記フィラーの反射率は、前記発光素子の発光波長の光に対して50%以上である、請求項3に記載の光源。
- 基体を有し、
前記基体上に、前記請求項1に記載の光源を複数有する発光装置。 - 基体を有し、
前記基体上に、前記請求項2に記載の光源を複数備える発光装置。 - 基体を有し、
前記基体上に、前記請求項3に記載の光源を複数備える発光装置。 - 基体を有し、
前記基体上に、前記請求項4に記載の光源を複数備える発光装置。 - 前記複数の光源は、それぞれの光源の前記発光素子において、隣接する前記発光素子の間隔が20mm以上である請求項5に記載の発光装置。
- 前記複数の光源は、それぞれの光源の前記発光素子において、隣接する前記発光素子の間隔が20mm以上である請求項6に記載の発光装置。
- 前記複数の光源は、それぞれの光源の前記発光素子において、隣接する前記発光素子の間隔が20mm以上である請求項7に記載の発光装置。
- 前記複数の光源は、それぞれの光源の前記発光素子において、隣接する前記発光素子の間隔が20mm以上である請求項8に記載の発光装置。
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