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JP4678392B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

発光装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、LEDチップ(発光ダイオードチップ)を利用した発光装置およびその製造方法に関するものである。
従来から、LEDチップと、LEDチップが実装された回路基板と、当該回路基板におけるLEDチップの実装面側でLEDチップを囲む金属製(例えば、アルミニウム製)の枠体と、枠体の内側に充填されLEDチップおよび当該LEDチップに接続されたボンディングワイヤを封止した透明樹脂(例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など)からなる封止部とを備えた発光装置が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。ここにおいて、上記特許文献1,2に記載された枠体は、回路基板から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されるとともに内側面が鏡面となっており、LEDチップから放射された光を反射するリフレクタを兼ねている。
また、上記特許文献2には、LEDチップとして青色光を放射する青色LEDチップを用い、青色LEDチップを封止する透明樹脂に青色LEDチップから放射された光によって励起されて発光する黄色蛍光体を分散させておくことで白色光の発光スペクトルを得ることができる発光装置が提案されている。
特開2001−85748号公報 特開2001−148514号公報
ところで、上述の発光装置において、封止部の材料としてエポキシ樹脂を用いたものでは、−40℃の低温期間と80℃の高温期間とを交互に繰り返すヒートサイクル試験(温度サイクル試験)を行うと、高温時に回路基板からなる実装基板の導体パターンの熱膨張に起因してボンディングワイヤが断線してしまうことがあった。また、封止部の材料としてエポキシ樹脂を用いたものでは、シリコーン樹脂を用いたものに比べて耐候性が低いという不具合があった。
これに対して、上述の発光装置において、封止部の材料としてシリコーン樹脂を用いたものでは、封止部がゲル状であって弾性を有しており、ヒートサイクル試験の高温時にボンディングワイヤが断線するのを防止することができるが、封止部の材料であるシリコーン樹脂の線膨張率が枠体の材料であるアルミニウムの線膨張率の10倍以上の値であり、両者の線膨張率差に起因してヒートサイクル試験の低温時に封止部中にボイドが発生してしまうという不具合があった。
また、上述の発光装置においては、枠体の内側面を鏡面とすることでLEDチップからの光を効率的に封止部の外部へ取り出すようにしているが、枠体の内側面での反射時に光損失が生じてしまうという不具合があった。
また、上記特許文献1に記載の発光装置において、LEDチップから放射された光の配光を制御するレンズを封止部上および枠体上に跨って配置する構成を採用した場合には、枠体およびレンズの寸法精度や組立精度によりLEDチップとレンズとの光軸がずれて光出力が低下してしまうことがあった。
また、上記特許文献2には、LEDチップおよびLEDチップに接続されたボンディングワイヤを封止する封止部の一部を凸レンズ状の形状とした発光装置が記載されているが、封止部に外力が作用したときに封止部に発生した応力がLEDチップおよび各ボンディングワイヤに伝達されてLEDチップの発光特性の変動やボンディングワイヤの断線が起こる恐れや、外部雰囲気中の水分がLEDチップに到達してしまう恐れがあった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れる発光装置およびその製造方法を提供することにある。
請求項1の発明は、LEDチップと、LEDチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるLEDチップの実装面側でLEDチップを囲んだ枠体と、枠体の内側でLEDチップを封止した封止樹脂材料からなる封止部と、封止部に重なる形で配置されたレンズとを備え、レンズと枠体とが同一の透明樹脂材料により一体成形されてなり、レンズと枠体とで構成されるレンズブロックは、レンズブロックと実装基板との間の空間に前記封止樹脂材料を注入する注入孔および前記封止樹脂材料の余剰分を排出する排出孔が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、レンズと枠体とが同一の透明樹脂材料により一体成形されているので、従来のように枠体が金属材料により形成されている場合に比べて枠体と封止部との線膨張率差を小さくすることができ、ヒートサイクル試験の低温時に封止部にボイドが発生するのを抑制することができるから、信頼性を高めることができ、しかも、枠体で光の反射損失が生じるのを抑制することができるから、光出力の向上を図れる。また、レンズと枠体とが別部材である場合に比べて部品点数を削減できるとともに、LEDチップとレンズとの光軸のずれに起因した光出力の低下を防止することができる。また、この発明によれば、レンズと枠体とで構成されるレンズブロックは、レンズブロックと実装基板との間の空間に前記封止樹脂材料を注入する注入孔および前記封止樹脂材料の余剰分を排出する排出孔が形成されているので、実装基板にレンズブロックを固着した後でレンズブロックと実装基板とで囲まれた空間に前記封止樹脂材料を注入する製造方法を採用することが可能となる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記LEDチップから放射された光によって励起されて前記LEDチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有し前記レンズの光出射面側に配設されるドーム状の色変換部材を備え、色変換部材と前記レンズの光出射面および前記枠体の外側面との間に空気層が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記LEDチップから放射された光によって励起されて前記LEDチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有し前記レンズの光出射面側に配設されるドーム状の色変換部材を備えているので、前記LEDチップから放射された光と蛍光体から放射された光との混色光を得ることができ、例えば、白色光を得ることができる。また、この発明によれば、色変換部材がドーム状に形成されているので、色変換部材の肉厚を均一にすることで色むらを低減できる。また、この発明によれば、色変換部材と前記レンズの光出射面および前記枠体の外側面との間に空気層が形成されており、色変換部材を前記レンズに密着させる必要がないので、色変換部材の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの低下を抑制できるとともに、色変換部材に外力が作用したときに色変換部材に発生した応力が前記レンズおよび前記封止部を通して前記LEDチップに伝達されるのを抑制できるという利点や、前記LEDチップから放射され前記封止部および前記レンズを通して色変換部材に入射し色変換部材中の蛍光体の粒子により散乱された光のうち前記レンズ側へ散乱されて前記レンズを透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点や、外部雰囲気中の水分が前記LEDチップに到達しにくくなるという利点がある。
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記レンズは、前記光出射面が、前記封止部側の光入射面から入射した光を前記光出射面と前記空気層との境界で全反射させない凸曲面状に形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記LEDチップから放射された光が前記光出射面と前記空気層との境界で全反射されることなく前記色変換部材まで到達しやすくなり、全光束を高めることができる。
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記実装基板は、熱伝導性材料からなり前記LEDチップが実装される伝熱板と、前記LEDチップと伝熱板との間に介在し前記LEDチップと伝熱板との間に両者の線膨張率差に起因して前記LEDチップに働く応力を緩和するサブマウント部材と、伝熱板側とは反対の表面に前記LEDチップの両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターンが設けられるとともにサブマウント部材を露出させる窓孔が厚み方向に貫設され伝熱板に積層された絶縁性基板とからなることを特徴とする。
この発明によれば、前記LEDチップで発生した熱をサブマウント部材および伝熱板を介して効率良く放熱させることができるとともに、前記LEDチップと伝熱板との線膨張率差に起因して前記LEDチップに働く応力を緩和することができる。
請求項5の発明は、請求項4の発明において、前記サブマウント部材は、前記LEDチップにおける前記サブマウント部材側の表面が、前記色変換部材における前記実装基板側の端縁よりも前記伝熱板から離れて位置するように厚み寸法が設定されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記LEDチップから側方に放射された光が前記色変換部材と前記実装基板との接合部を通して出射されるのを防止することができる。
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法であって、実装基板にLEDチップを実装した後、レンズブロックを実装基板に固着してから、レンズブロックと実装基板とで囲まれた空間へレンズブロックの注入孔を通して未硬化の封止樹脂材料を充填し、その後、封止樹脂材料を硬化させることにより封止部を形成することを特徴とする。
この発明によれば、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れ、且つ低コスト化が可能な発光装置を提供することが可能となる。また、LEDチップを実装基板に実装した後、レンズブロックの内側に封止部となる封止樹脂材料を注入してから、レンズブロックを実装基板に対して位置決めして封止樹脂材料を硬化させることにより封止部を形成するような製造方法を採用する場合に比べて、製造過程で封止部にボイドが発生しにくくなるという利点がある。
請求項7の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法であって、実装基板にLEDチップを実装した後、LEDチップを封止部の一部となる未硬化の第1の封止樹脂材料により覆い、その後、レンズブロックを実装基板に固着してから、レンズブロックと実装基板とで囲まれた空間へ第1の封止樹脂材料と同一材料からなり封止部の他の部分となる未硬化の第2の封止樹脂材料をレンズブロックの注入孔を通して充填し、その後、各封止樹脂材料を硬化させることにより封止部を形成することを特徴とする。
この発明によれば、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れ、且つ低コスト化が可能な発光装置を提供することが可能となる。また、請求項6の発明に比べて、製造過程で封止部にボイドが発生しにくくなるという利点がある。
請求項1の発明では、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れるという効果がある。また、請求項1の発明では、実装基板にレンズブロックを固着した後でレンズブロックと実装基板とで囲まれた空間に封止樹脂材料を注入する製造方法を採用することが可能となるという効果がある。
請求項6,7の発明では、信頼性が高く且つ光出力が大きな発光装置を提供することができるという効果がある。
まず、発光装置の参考例について説明してから、実施形態の発光装置について説明する。
(参考例1)
以下、本参考例の発光装置について図2〜図6を参照しながら説明する。
本参考例の発光装置1は、LEDチップ10と、LEDチップ10が実装された実装基板20と、実装基板20におけるLEDチップ10の実装面側でLEDチップ10を囲んだ枠体40と、枠体40の内側でLEDチップ10およびLEDチップ10に接続されたボンディングワイヤ14,14を封止した封止樹脂材料からなり弾性を有する封止部50と、封止部50に重なる形で配置されたレンズ60と、LEDチップ10から放射された光によって励起されてLEDチップ10の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であってレンズ60の光出射面60b側にレンズ60を覆い光出射面60bおよび枠体40との間に空気層80が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材70とを備えており、レンズ60と枠体40とが同一の透明樹脂材料により一体成形されている。
なお、本参考例の発光装置1は、例えば照明器具の光源として用いるものであり、例えばグリーンシートからなる絶縁層90を介して金属(例えば、Al、Cuなどの熱伝導率の高い金属)製の器具本体100に実装することで、LEDチップ10から器具本体100までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上し、LEDチップ10のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。ここで、照明器具の場合には、所望の光出力が得られるように、器具本体100に複数個の発光装置1を実装して複数個の発光装置1を直列接続したり並列接続したりすればよい。
実装基板20は、金属板21と、金属板21側とは反対の表面にLEDチップ10の図示しない両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターン23,23が設けられ金属板21に積層されたガラスエポキシ(FR4)基板からなる絶縁性基板22と、後述のサブマウント部材30で構成され、絶縁性基板22にはサブマウント部材30を露出させる窓孔24が厚み方向に貫設されており、LEDチップ10で発生した熱が絶縁性基板22を介さずにサブマウント部材30および金属板21に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板21の材料としてはCuを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Cuに限らず、Alなどを採用してもよい。なお、本参考例では、金属板21が熱伝導性材料からなりLEDチップ10が実装される伝熱板を構成している。また、金属板21と絶縁性基板22とは、絶縁性基板22における金属板21との対向面に形成された金属材料(ここでは、Cu)からなる接合用金属層25(図2および図6参照)を介して固着されている。また、各リードパターン23,23は、Cu膜とNi膜とAg膜との積層膜により構成されている。絶縁性基板22における金属板21側とは反対の表面側には、各リードパターン23,23を覆う形で白色系の樹脂からなるレジスト層26(図2および図6参照)が積層されており、レジスト層26は、中央部に両リードパターン23,23のインナーリード部23a,23aを露出させる円形状の開口窓26aが形成され、周部に各リードパターン23,23のアウターリード部23b,23bそれぞれを露出させる円形状の開口窓26b,26bが形成されている。
LEDチップ10は、青色光を放射するGaN系青色LEDチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がGaNに近く且つ導電性を有するn形のSiC基板からなる導電性基板11を用いており、導電性基板11の主表面側にGaN系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部12がエピタキシャル成長法(例えば、MOVPE法など)により成長され、導電性基板11の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極(n電極)が形成され、発光部12の表面(導電性基板11の主表面側の最表面)に図示しないアノード側の電極であるアノード電極(p電極)が形成されている。要するに、LEDチップ10は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ni膜とAu膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Alなどを採用してもよい。なお、本参考例では、LEDチップ10の発光部12が導電性基板11よりも金属板21から離れた側となるように金属板21に実装されているが、LEDチップ10の発光部12が導電性基板11よりも金属板21に近い側となるように金属板21に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部12を金属板21から離れた側に配置することが望ましいが、本参考例では導電性基板11と発光部12とが同程度の屈折率を有しているので、発光部12を金属板21に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。
また、LEDチップ10は、上述の金属板21に、LEDチップ10のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されLEDチップ10と金属板21との線膨張率の差に起因してLEDチップ10に働く応力を緩和するサブマウント部材30を介して実装されている。サブマウント部材30は、上記応力を緩和する機能だけでなく、LEDチップ10で発生した熱を金属板21においてLEDチップ10のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本参考例では、サブマウント部材30の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するAlNを採用しており、LEDチップ10は、上記カソード電極がサブマウント部材30におけるLEDチップ10側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される導体パターン31(図5参照)および金属細線(例えば、金細線、アルミニウム細線など)からなるボンディングワイヤ14を介して一方のリードパターン23と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ14を介して他方のリードパターン23と電気的に接続されている。なお、LEDチップ10とサブマウント部材30とは、例えば、SnPb、AuSn、SnAgCuなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、AuSn、SnAgCuなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。また、サブマウント部材30は、導体パターン31の周囲に、LEDチップ10から放射された光を反射する反射膜(例えば、Ni膜とAg膜との積層膜)が形成されている。
サブマウント部材30の材料はAlNに限らず、線膨張率が導電性基板11の材料である6H−SiCに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合SiC、Siなどを採用してもよい。本参考例では、LEDチップ10をサブマウント部材30を介して金属板21に実装してあるので、LEDチップ10で発生した熱をサブマウント部材30および金属板21を介して効率良く放熱させることができるとともに、LEDチップ10と金属板21との線膨張率差に起因してLEDチップ10に働く応力を緩和することができる。
上述の封止部50の封止樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、例えばアクリル樹脂などを用いてもよい。
枠体40は、図4に示すように円環状の形状に形成されており、レンズ60は、封止部50側の光入射面60aが平面状に形成され光出射面60bが凸曲面状に形成された平凸レンズ状に形成されている。
ここにおいて、レンズ60と枠体40とは上述のように、同一の透明樹脂材料(ここでは、シリコーン樹脂)により一体成形されており(言い換えれば、レンズ60と枠体40とが連続一体に形成されており)、封止部50と屈折率および線膨張率が同じ値となっている。なお、レンズ60と枠体40とは封止部50の封止樹脂材料の屈折率および弾性率を下回らない透明樹脂材料により一体成形すればよく、例えば、封止樹脂材料がアクリル樹脂である場合には、レンズ60と枠体40とをアクリル樹脂により一体成形してもよい。また、レンズ60および枠体40の透明樹脂材料は、封止樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有していればよい。
ところで、レンズ60は、光出射面60bが、光入射面60aから入射した光を光出射面60bと上述の空気層80との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、レンズ60は、光出射面60bが球面の一部により形成されており、当該球面の中心がLEDチップ10の厚み方向に沿った発光部12の中心線上に位置するように配置されている。言い換えれば、レンズ60は、当該レンズ60の光軸がLEDチップ10の厚み方向に沿った発光部12の中心線上に位置するように配置されている。したがって、LEDチップ10から放射されレンズ60の光入射面60aに入射された光が光出射面60bと空気層80との境界で全反射されることなく色変換部材70まで到達しやすくなり、全光束を高めることができる。なお、LEDチップ10の側面から放射された光は封止部50および空気層80を伝搬して色変換部材70まで到達し色変換部材70の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材70を透過したりする。
色変換部材70は、シリコーン樹脂のような透明材料とLEDチップ10から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている(つまり、色変換部材70は、蛍光体を含有している)。したがって、本参考例の発光装置1は、LEDチップ10から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材70の外面70bを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材70の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材70の材料として用いる透明材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。
ここで、色変換部材70は、内面70aがレンズ60の光出射面60bに沿った形状に形成されている。したがって、レンズ60の光出射面60bの位置によらず法線方向における光出射面60bと色変換部材70の内面70aとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材70は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。色変換部材70は、開口部の周縁を実装基板20に対して、例えば接着剤(例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など)を用いて接合すればよい。
ところで、本参考例の発光装置1では、上述のサブマウント部材30の厚み寸法を、LEDチップ10におけるサブマウント部材30側の表面が色変換部材70における実装基板20側の端縁よりも金属板21から離れて位置するように設定してあり、LEDチップ10から側方に放射された光が色変換部材70と実装基板20との接合部を通して出射されるのを防止することができる(つまり、LEDチップ10から放射された青色光が色変換部材70を通らずに外部へ出射されるのを防止することができる)。ここで、本参考例の発光装置1は、LEDチップ10が、実装基板20の最表面(レジスト層26の表面)を含む平面から当該平面の法線方向に離間した位置に配置されており、レンズ60と枠体40とで構成されるレンズブロックLBにおいてレンズ60と枠体40とで囲まれた空間がLEDチップ10を収納する収納凹部を構成している。
本参考例の発光装置1の製造方法としては、図8に示すように、LEDチップ10とボンディングワイヤ14,14とを接続した後、レンズ60と枠体40とで囲まれる空間に上述の封止部50となる液状の封止樹脂材料(例えば、シリコーン樹脂)50cを注入してから、レンズ60を実装基板20との間に枠体40が介在する形で実装基板20に対向配置して封止樹脂材料50cを硬化させることにより封止部50を形成するような製造方法が考えられる。しかしながら、このような製造方法では、製造過程において封止部50にボイドが発生する恐れがある。
そこで、本参考例の発光装置1の製造にあたっては、図7に示すように、実装基板20にLEDチップ10を実装してLEDチップ10とボンディングワイヤ14,14とを接続した後、LEDチップ10およびボンディングワイヤ14,14を封止部50の一部となる液状の第1の封止樹脂材料(例えば、シリコーン樹脂)50aにより覆ってから、レンズ60と枠体40とで囲まれる空間に第1の封止樹脂材料50aと同一材料からなり封止部50の他の部分となる液状の第2の封止樹脂材料(例えば、シリコーン樹脂)50bを注入し、その後、レンズ60を実装基板20との間に枠体40が介在する形で実装基板20に対向配置して各封止樹脂材料50a,50bを硬化させることにより封止部50を形成するようにしている。このような製造方法によれば、製造過程で封止部50にボイドが発生しにくくなり、信頼性が高く且つ光出力が大きな発光装置1を提供することができる。ここで、第2の封止樹脂材料50bを注入する前に、第1の封止樹脂材料50aを硬化させておけば、第1の封止樹脂材料50aの粘度が低下し上記収納凹部内に閉じ込められたボイドが抜けやすくなるという利点がある。なお、本参考例では、実装基板20のレジスト層26の中央部に形成された円形状の開口窓26aの内径を色変換部材40の最大外径よりもやや大きな寸法に設定してあり、第1の封止樹脂材料50aをポッティングした際に開口窓26aの内周面近傍まで流れ込んだ第1の封止樹脂材料50aを、色変換部材70と実装基板20とを接合する接着剤として利用している。
以上説明した本参考例の発光装置1では、レンズ60と枠体40とが同一の透明樹脂材料により一体成形されているので、従来のように枠体が金属材料により形成されている場合に比べて枠体40と封止部50との線膨張率差を小さくすることができ、ヒートサイクル試験の低温時に封止部50にボイドが発生するのを抑制することができるから、信頼性を高めることができ、しかも、枠体40で光の反射損失が生じるのを抑制することができるから、光出力の向上を図れる。また、レンズ60と枠体40とが別部材である場合に比べて部品点数を削減できるとともに、LEDチップ10とレンズ60との光軸のずれに起因した光出力の低下を防止することができる。
また、本参考例の発光装置1では、色変換部材70はレンズ60の光出射面60bおよび枠体40との間に空気層80が形成される形で配設すればよく、色変換部材70をレンズ60および枠体40に密着させる必要がないので、色変換部材70の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの低下を抑制できる。また、本参考例の発光装置1では、組立時に色変換部材70の組付けが最終工程となるので、LEDチップ10の発光波長に応じて透明材料に対する蛍光体の配合を調整した色変換部材70を用いることで色ばらつきを低減することもできる。また、色変換部材70がドーム状に形成されているので、色変換部材70の肉厚を均一にすることで色むらを低減できる。
また、本参考例の発光装置1では、上述のように色変換部材70とレンズ60との間に空気層80が形成されているので、色変換部材70に外力が作用したときに色変換部材70が変形してレンズ60に当接する可能性が低くなって上記外力により色変換部材70に発生した応力がレンズ60および封止部50を通してLEDチップ10や各ボンディングワイヤ14,14に伝達されるのを抑制でき、上記外力によるLEDチップ10の発光特性の変動や各ボンディングワイヤ14,14の断線が起こりにくくなるから、信頼性が向上するという利点がある。また、色変換部材70とレンズ60との間に上記空気層80が形成されていることにより、外部雰囲気中の水分がLEDチップ10に到達しにくくなるという利点がある。
また、色変換部材70とレンズ60との間に上記空気層80が形成されていることにより、LEDチップ10から放射され封止部50およびレンズ60を通して色変換部材70に入射し当該色変換部材70中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうちレンズ60側へ散乱されてレンズ60を透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。
ここで、図9(a),(b)に示すように、色変換部材70の光軸とLEDチップ10の光軸とが一致しており、色変換部材70における光軸方向の中央の位置PでLEDチップ10からの青色光が全方位に散乱されたとし、色変換部材70と空気層80との界面での全反射角をφa、色変換部材70と当該色変換部材70の外側の媒質である空気との界面での全反射角をφb、位置Pで散乱された光に関して色変換部材70の内面70a側のエスケープコーンECaの広がり角を2θa、位置Pで散乱された光に関して色変換部材70の外面70b側のエスケープコーンECbの広がり角を2θbとすれば、図9(a)に示すように全反射角φa,φbが40°のときには2θa=60°、2θb=98°となり、図9(b)に示すように全反射角φa,φbが50°のときには2θa=76°、2θb=134°となる。
ここにおいて、色変換部材70に用いている透明材料の屈折率をn、位置Pで散乱され内面70a側のエスケープコーンECaを通して放出される青色光の最大放出効率をηとすれば、η=(1/4n2)×100〔%〕で表されるので、上述のように透明材料としてシリコーン樹脂を用いている場合には、n=1.4として、η≒13%となる。したがって、色変換部材70とレンズ60との間に空気層80が形成されていない場合には、位置Pで散乱された青色光の50%がレンズ60に戻ってしまうのに対して、空気層80を形成したことにより、位置Pで散乱された青色光の13%しかレンズ60に戻らなくなるので、青色光による封止部50の劣化を抑制できる。なお、エスケープコーンECaを通して放出される青色光を少なくするには、色変換部材70の厚みを大きくすることが望ましい。
(参考例2)
図10に示す本参考例の発光装置1の基本構成は参考例1と略同じであって、レジスト層26の中央部の開口窓26aの内径を色変換部材70の最大内径よりもやや小さく設定してあり、色変換部材70における実装基板20側の端縁とレジスト層26における開口窓26aの周部とを全周に亘って接着剤からなる接合部75により接合している点が相違する。なお、参考例1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
したがって、本参考例の発光装置1の製造にあたっては、参考例1と同様、図11に示すように、実装基板20にLEDチップ10を実装してLEDチップ10とボンディングワイヤ14,14とを接続した後、LEDチップ10およびボンディングワイヤ14,14を封止部50の一部となる液状の第1の封止樹脂材料(例えば、シリコーン樹脂)50aにより覆ってから、レンズ60と枠体40とで囲まれる空間に第1の封止樹脂材料50aと同一材料からなり封止部50の他の部分となる液状の第2の封止樹脂材料(例えば、シリコーン樹脂)50bを注入し、その後、レンズ60を実装基板20との間に枠体40が介在する形で実装基板20に対向配置して各封止樹脂材料50a,50bを硬化させることにより封止部50を形成するようにしているが、レジスト層26により、色変換部材70の接合部位まで第1の封止樹脂材料50aが流出するのを防止しており、色変換部材70の実装基板20側の端縁とを接着剤により接合しているので、色変換部材70と実装基板20との間に介在する接合部75の厚みの制御が容易になるとともに、色変換部材70と実装基板20との接合の信頼性が向上する。なお、接合部75の接着剤としては、色変換部材70と同じ材料を用いるのが望ましい。
(実施形態)
図1に示す本実施形態の発光装置1の基本構成は参考例1と略同じであって、レンズ60と枠体40とで構成されるレンズブロックLBに、レンズブロックLBと実装基板20との間の空間に封止樹脂材料を注入する注入孔41および封止樹脂材料の余剰分を排出する排出孔42が形成されている点が相違し、実装基板20にレンズブロックLBを固着した後で実装基板20とレンズブロックLBとで囲まれた空間に封止樹脂材料を注入する製造方法を採用することが可能となる。なお、参考例1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の発光装置1の製造にあたっては、例えば、実装基板20にLEDチップ10を実装してLEDチップ10とボンディングワイヤ14,14とを接続した後、レンズブロックLBを介して実装基板20に固着してから、レンズブロックLBと実装基板20とで囲まれた空間へレンズブロックLBの注入孔41を通して未硬化の封止樹脂材料を充填し、その後、封止樹脂材料を硬化させることにより封止部50を形成し、その後、色変換部材70を実装基板20に固着すればよく、このような製造方法を採用することで、信頼性を高めることができるとともに光出力の向上を図れ、且つ低コスト化が可能な発光装置1を提供することが可能となる。また、LEDチップ10とボンディングワイヤ14,14とを接続した後、レンズブロックLBの内側に封止部50となる封止樹脂材料を注入してから、レンズブロックLBを実装基板20に対して位置決めして封止樹脂材料を硬化させることにより封止部50を形成するような製造方法を採用する場合に比べて、製造過程で封止部50にボイドが発生しにくくなるという利点がある。
また、本実施形態の発光装置1の製造にあたっては、例えば、実装基板20にLEDチップ10を実装してLEDチップ10とボンディングワイヤ14,14とを接続した後、LEDチップ10およびボンディングワイヤ14,14を封止部50の一部となる未硬化の第1の封止樹脂材料により覆い、その後、レンズブロックLBを実装基板20に固着してから、レンズブロックLBと実装基板20とで囲まれた空間へ第1の封止樹脂材料と同一材料からなり封止部50の他の部分となる未硬化の第2の封止樹脂材料をレンズブロックLBの注入孔41を通して充填し、その後、第1の封止樹脂材料および第2の封止樹脂材料を硬化させることにより封止部50を形成するようにしてもよく、製造過程で封止部50にボイドがより発生しにくくなるという利点がある。
ところで、上述の各参考例および実施形態では、LEDチップ10として、発光色が青色の青色LEDチップを採用しており、導電性基板11としてSiC基板を採用しているが、SiC基板の代わりにGaN基板を用いてもよく、SiC基板やGaN基板を用いた場合には結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、LEDチップ10の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、LEDチップ10の発光部12の材料はGaN系化合物半導体材料に限らず、LEDチップ10の発光色に応じて、GaAs系化合物半導体材料やGaP系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板11もSiC基板に限らず、発光部12の材料に応じて、例えば、GaAs基板、GsP基板などから適宜選択すればよい。また、LEDチップ10と実装基板20との線膨張率の差が比較的小さい場合には各参考例および実施形態で説明したサブマウント部材30は必ずしも設ける必要はない。また、実装基板20についても各参考例および実施形態で説明した構造以外の構造を採用してもよい。
実施形態の発光装置の概略断面図である。 参考例1の発光装置の概略断面図である。 同上の発光装置の一部破断した概略分解斜視図である。 同上の発光装置の要部概略平面図である。 同上の発光装置におけるサブマウント部材の概略斜視図である。 同上の発光装置における絶縁性基板を示し、(a)は概略平面図、(b)は(a)のA−B−C−D概略断面図、(c)は一部破断した概略下面図である。 同上の発光装置の製造方法の説明図である。 同上の発光装置の製造方法の説明図である。 同上の発光装置の要部説明図である。 参考例2の発光装置の概略断面図である。 同上の発光装置の製造方法の説明図である。
符号の説明
1 発光装置
10 LEDチップ
14 ボンディングワイヤ
20 実装基板
21 金属板(伝熱板)
22 絶縁性基板
23 リードパターン
26 レジスト層
30 サブマウント部材
40 枠体
41 注入孔
42 排出孔
50 封止部
60 レンズ
70 色変換部材
80 空気層
LB レンズブロック

Claims (7)

  1. LEDチップと、LEDチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるLEDチップの実装面側でLEDチップを囲んだ枠体と、枠体の内側でLEDチップを封止した封止樹脂材料からなる封止部と、封止部に重なる形で配置されたレンズとを備え、レンズと枠体とが同一の透明樹脂材料により一体成形されてなり、レンズと枠体とで構成されるレンズブロックは、レンズブロックと実装基板との間の空間に前記封止樹脂材料を注入する注入孔および前記封止樹脂材料の余剰分を排出する排出孔が形成されてなることを特徴とする発光装置。
  2. 前記LEDチップから放射された光によって励起されて前記LEDチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有し前記レンズの光出射面側に配設されるドーム状の色変換部材を備え、色変換部材と前記レンズの光出射面および前記枠体の外側面との間に空気層が形成されてなることを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  3. 前記レンズは、前記光出射面が、前記封止部側の光入射面から入射した光を前記光出射面と前記空気層との境界で全反射させない凸曲面状に形成されてなることを特徴とする請求項2記載の発光装置。
  4. 前記実装基板は、熱伝導性材料からなり前記LEDチップが実装される伝熱板と、前記LEDチップと伝熱板との間に介在し前記LEDチップと伝熱板との間に両者の線膨張率差に起因して前記LEDチップに働く応力を緩和するサブマウント部材と、伝熱板側とは反対の表面に前記LEDチップの両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターンが設けられるとともにサブマウント部材を露出させる窓孔が厚み方向に貫設され伝熱板に積層された絶縁性基板とからなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の発光装置。
  5. 前記サブマウント部材は、前記LEDチップにおける前記サブマウント部材側の表面が、前記色変換部材における前記実装基板側の端縁よりも前記伝熱板から離れて位置するように厚み寸法が設定されてなることを特徴とする請求項4記載の発光装置。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法であって、実装基板にLEDチップを実装した後、レンズブロックを実装基板に固着してから、レンズブロックと実装基板とで囲まれた空間へレンズブロックの注入孔を通して未硬化の封止樹脂材料を充填し、その後、封止樹脂材料を硬化させることにより封止部を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
  7. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法であって、実装基板にLEDチップを実装した後、LEDチップを封止部の一部となる未硬化の第1の封止樹脂材料により覆い、その後、レンズブロックを実装基板に固着してから、レンズブロックと実装基板とで囲まれた空間へ第1の封止樹脂材料と同一材料からなり封止部の他の部分となる未硬化の第2の封止樹脂材料をレンズブロックの注入孔を通して充填し、その後、各封止樹脂材料を硬化させることにより封止部を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
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