JP5738257B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＬＥＤ照明等に用いられる発光装置に係り、特に青色光、紫色光、紫外光を発する半導体発光素子とその光を白色光に変換する蛍光体から構成された発光装置に関する。
近年、ＬＥＤを用いた照明装置が実用化され、白熱電球や蛍光灯をはじめ水銀灯やハロゲン灯にも置き換わりつつある。その理由は、低消費電力で同等輝度が得られ、地球温暖化の原因である二酸化炭素の排出量を大幅に削減できるエコ商品の切り札となるからである。例えば、６０Ｗ級の白熱電球の同等輝度は、９ＷのＬＥＤ電球で実現できている。このように、すべての照明がＬＥＤ照明に代われば、二酸化炭素排出量の削減目標は容易に達成できるのであるが、これを阻んでいるのが、２つの照明装置の価格差がまだ大きいことである。寿命を考慮すれば、その価格差はかなり小さくなっているので、特殊な場所の照明は、それを交換する人件費も削減できるため、ＬＥＤ照明に置き換えられつつあるが、最もニーズの多い一般照明には、初期の価格差がまだ大きいため、普及を妨げている。
ＬＥＤ電球を高価にしている原因は、大きく分けると２つあり、その一つは、ＬＥＤ電球の駆動電源は、直流の定電流電源で、交流からの変換機が必要になること、二つめは、発光装置（白色ＬＥＤデバイスとも記する）自体が高価であることである。白色ＬＥＤデバイスを高価にしている原因は、材料費が高いことと、歩留が悪いことである。白色ＬＥＤデバイスの材料費は、占有率が高いほうから、パッケージ、ＬＥＤ素子、蛍光体、樹脂の順であり、白色ＬＥＤデバイスの歩留を悪くしている主要因は、色度（または色温度）の歩留（つまり目標の色度を出すための良品率が、蛍光体の量のバラツキなどで、悪くなること）である。白色ＬＥＤデバイスを販売している各社は、この観点から価格を下げるために努力を払っている。
その１つの例が、特許文献１に示されているような、ＣＲＥＥ社の取り組みである。従来は、パッケージに半導体発光素子（ＬＥＤ素子、またはＬＥＤチップとも記す）を実装した後に、蛍光体粉末を混ぜた樹脂でパッケージ内を封じることにより、発光装置が製造されていたが、これでは、発光装置の色度検査でＮＧとなった時は、パッケージも含めた発光装置全体がＮＧとなり、一番高価なパッケージまでが捨てられることになる。これに対して、特許文献１では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子１３９のワイヤーボンドパッド１３１を除く光取り出し面（もしくはＬＥＤ素子１３９の側面まで含めて）に、蛍光体層１３８を形成した白色ＬＥＤ素子１３０としている。この場合、色度検査は、ＬＥＤ素子１３９の段階で行うことができ、図５（ｃ）において参照符号１３４で示す高価なパッケージは、捨てられることはなくなる。さらに、ＬＥＤ素子１３９の表面の範囲でしか、蛍光体が使用されていないので、蛍光体の節約にもなる。さらに、ＬＥＤ素子１３９の点光源で色度が決定されるため、白色ＬＥＤデバイスの指向角による色度のバラツキも改善される。
同じような取り組みは、特許文献２や３でも行われている。
特許文献２では、図６（ａ）に示すように、蛍光体チップ１４１をＬＥＤチップに透明樹脂で接着させたチップ組立体１４２として、パッケージにフリップチップ方式で実装したり、また別の例では、ワイヤーボンディング方式（電極面を上にして実装し、基板との結線はワイヤーボンディングで行う方式）で実装したりしている。また、特許文献３では、図６（ｂ）に示すように、実装部（電極部）にバンプ１４６を有するＬＥＤチップのバンプ先端部以外を、蛍光体粉末を混ぜた樹脂で被覆して、構造体１４７にし、バンプ部に導電性接着剤を用いて、反射壁１４８をもつキャビティに実装し、透明樹脂で封止している。この２つの例も特許文献１と同様な改善を目的とした例である。
特許文献２では、図６（ａ）に示すように、蛍光体チップ１４１をＬＥＤチップに透明樹脂で接着させたチップ組立体１４２として、パッケージにフリップチップ方式で実装したり、また別の例では、ワイヤーボンディング方式（電極面を上にして実装し、基板との結線はワイヤーボンディングで行う方式）で実装したりしている。また、特許文献３では、図６（ｂ）に示すように、実装部（電極部）にバンプ１４６を有するＬＥＤチップのバンプ先端部以外を、蛍光体粉末を混ぜた樹脂で被覆して、構造体１４７にし、バンプ部に導電性接着剤を用いて、反射壁１４８をもつキャビティに実装し、透明樹脂で封止している。この２つの例も特許文献１と同様な改善を目的とした例である。
特許文献１、２、及び３で示すように、蛍光体の節約や色度の歩留改善、及び白色の点発光体とすることにより、指向角による色度のバラツキ改善を目的として、言わば、白色発光素子（白色ＬＥＤ素子とも記す）の概念が登場した。その白色発光素子１３０を、図５（ｃ）に示すように、熱伝導率が中程度に良くて板状のパッケージ基板１３３（具体的には、セラミックの酸化アルミ基板）に実装し、樹脂レンズ１３４で封止して、目的の方向に光を集光させる構造の発光装置１３２が、安く作れて、輝度、放熱、及び信頼性も兼ね備えた照明用発光装置として、その構造を確立しつつある。しかし、部品構成上、最も高いパッケージ基板は、可能な限り特性を損なうことなく、可能な限り安くという考えで小型化され、反射壁の構造をなくし、樹脂レンズ１３４による集光に置き換えられているが、まだ、高いパッケージ基板１３３は、構成要素の中で一番大きなサイズとなっている。
図５（ｃ）の場合で、具体的に言うと、パッケージ基板（セラミックの酸化アルミ基板または窒化アルミ基板）を大きくしなければならない主な原因は、白色ＬＥＤ素子１３０からの光を一定方向に集光させるためにはレンズ形成は不可欠で、従来の方法では、パッケージ基板１３３上に形成されるため、パッケージ基板を一番大きくしなければ形成できないのである。
また、図６（ｂ）のような、反射壁を形成する場合でも、基板上に形成されるため、パッケージ基板のサイズは一番大きくなる。
光の有効利用の観点から言うと、一定方向に光を向ける機能は、エコな照明には重要な要素であり、しかも、この機能は、発光源の近くに置けば置くほど効果的である。つまり、発光装置から離れてその周囲に反射壁を置くより、発光装置の中に置くほうが効果的なのである。そのため発光装置内のパッケージに集光機能を持たせるのである。
また、図６（ｂ）のような、反射壁を形成する場合でも、基板上に形成されるため、パッケージ基板のサイズは一番大きくなる。
光の有効利用の観点から言うと、一定方向に光を向ける機能は、エコな照明には重要な要素であり、しかも、この機能は、発光源の近くに置けば置くほど効果的である。つまり、発光装置から離れてその周囲に反射壁を置くより、発光装置の中に置くほうが効果的なのである。そのため発光装置内のパッケージに集光機能を持たせるのである。
また、放熱性の観点からパッケージ基板１３３の大きさを評価するとセラミックの酸化アルミ基板や窒化アルミ基板の熱伝導率は等方的であるので、厚みと同じ距離だけ周りに熱が広がると考えれば、ＬＥＤ素子の放熱電極のサイズを一辺が１ｍｍの正方形とした場合、基板の厚みを０．５ｍｍとすると、放熱に必要なパッケージ基板のサイズは、一辺が２．０ｍｍの正方形の大きさで十分である。しかし、図５に示す発光装置のパッケージ基板１３３の大きさは、一辺が３．４５ｍｍの正方形と大きくなっている。
このように、パッケージ基板は、ＬＥＤ素子をモールドしている樹脂構造（すなわち、ＬＥＤ素子を被覆する蛍光体粉末を混ぜた蛍光体含有樹脂、反射壁内に充填される透明樹脂や蛍光体含有樹脂、反射壁を形成する白色顔料を混ぜた白色樹脂、さらにレンズを形成する透明樹脂など）よりも大きくとる必要があるのである。
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、特に、材料費の占有率が高いパッケージ基板の大きさを（放熱性を満足する範囲で）できるだけ小さくし、かつ、ＬＥＤ素子をモールドしている樹脂構造は、パッケージ基板より大きく形成し、ＬＥＤ素子で発した光を、一定方向に集光させる機能や光取り出し効率も従来と同等以上に良い構造とすることにより、特性も向上し、さらに安価な、発光装置を提供することを目的とする。
本発明は、半導体発光素子を基板にフリップチップ実装した発光装置において、前記半導体発光素子は、光取り出し面が前記基板に対向する電極形成面より小さい台形状に形成されて側面が傾斜しており、前記半導体発光素子の光取り出し面上には、前記基板より大きな蛍光体含有フィルム片の略中央部分が貼付けられ、前記蛍光体含有フィルム片における前記半導体発光素子からはみ出た周辺部分から前記基板の間は、前記半導体発光素子の発光光に対して透明な樹脂が充填されて逆四角錐形状の構造体に形成され、前記構造体の外側には白色樹脂が充填されることで、前記構造体と該白色樹脂との界面には反射壁が形成されていることを特徴とする発光装置である。
これによって、材料費の占有率が高いパッケージ基板の大きさを（放熱性を満足する範囲で）できるだけ小さくし、かつ、ＬＥＤ素子をモールドしている樹脂構造は、パッケージ基板より大きく形成し、ＬＥＤ素子で発した光を、一定方向に集光させる機能も従来と同等以上に備えた構造とすることにより、特性も向上し、さらに安価な、発光装置とすることができる。
これによって、材料費の占有率が高いパッケージ基板の大きさを（放熱性を満足する範囲で）できるだけ小さくし、かつ、ＬＥＤ素子をモールドしている樹脂構造は、パッケージ基板より大きく形成し、ＬＥＤ素子で発した光を、一定方向に集光させる機能も従来と同等以上に備えた構造とすることにより、特性も向上し、さらに安価な、発光装置とすることができる。
半導体発光素子を用いた白色光を得る方法として、初期の頃は、青色光で青色と補色の関係にある黄色の光を発するＹＡＧ系の蛍光体粉末が用いられていた。しかし、この半導体発光素子の青色光とＹＡＧ蛍光体の黄色光で作られる疑似の白色光は、平均演色評価数Ｒａの値が７０台程度と低く、その照明で物の自然な色を再現するには無理があった。そこで、第２ステップとして、青色光で光の３原色である緑色と赤色の光を発する蛍光体粉末が用いられるようになり、半導体発光素子の青色光と２種の蛍光体からのブロードな光スペクトルを持つ緑色光と赤色光により、白色光を構成し、その平均演色評価指数Ｒａの値は９３と改善され、その照明による色再現性もかなり良くなっている。この先、紫色光や紫外光を発する半導体発光素子の高輝度化が進めば、紫色光や紫外光で光の３原色を発する３種の蛍光体粉末が用いられる。また、それに色再現性をよくするため、複数の蛍光体が混合されても良い。
照明用白色発光装置とするためには、上記した蛍光体を含有する樹脂の部分を前記樹脂構造の中に入れればよいのである。
もちろん、蛍光体を用いずに半導体発光素子の光をそのまま出す発光装置であっても良いのである。
照明用白色発光装置とするためには、上記した蛍光体を含有する樹脂の部分を前記樹脂構造の中に入れればよいのである。
もちろん、蛍光体を用いずに半導体発光素子の光をそのまま出す発光装置であっても良いのである。
ところで、半導体発光素子をモールドしている樹脂構造は、さまざまなものがある。例えば、図１の場合は、ＬＥＤチップ２の上面にある蛍光体含有樹脂（蛍光体含有フィルム片）３と側面にある透明樹脂７、及びその外側に酸化チタン微粉末を混ぜた白色樹脂（反射壁）６で構成されている。また、図２では、ＬＥＤチップ２の上面の蛍光体含有フィルム片１３と側面の反射壁１６、及び上には透明樹脂からなる樹脂レンズ１８で構成されている。また、図３では、台形状のＬＥＤチップ３２の上面に蛍光体含有フィルム片３３と傾斜面に透明樹脂３７、その外側に反射壁３６（図４では、上には透明樹脂レンズ３８）で構成されている。
特に、本発明に係る図３および図４では、前記半導体発光素子をモールドする樹脂構造は、逆四角錐形状の透明樹脂の部分および白色顔料を混ぜた白色樹脂の部分の組み合わせからなる。このような樹脂構造は、基板３４をはみ出して形成さており、反射壁や透明樹脂レンズは基板３４に制限されることなく大きく形成することができるため、光の取り出し効率をよくすることができる。
特に、本発明に係る図３および図４では、前記半導体発光素子をモールドする樹脂構造は、逆四角錐形状の透明樹脂の部分および白色顔料を混ぜた白色樹脂の部分の組み合わせからなる。このような樹脂構造は、基板３４をはみ出して形成さており、反射壁や透明樹脂レンズは基板３４に制限されることなく大きく形成することができるため、光の取り出し効率をよくすることができる。
詳しくは、フリップチップ実装は、青色光、紫色光、または紫外光を発光し、対向する２つの主面を持ち、一方の主面を光取り出し面とし、他方の主面を電極形成面とし、該電極形成面上にバンプを有する半導体発光素子が、前記電極形成面と同等もしくは大きな対向する２つの主面を持ち、一方の主面上に１対のチップ搭載電極（＋電極および−電極）、他方の主面上に１対の外部基板実装電極（＋電極および−電極）が形成され、各主面上の前記＋電極間および前記−電極間はスルーホールで導通接続されている基板の前記チップ搭載電極上に、前記バンプを介して実装された２重構造体からなるものである。そこで本発明では、前記２重構造体の前記光取り出し面より大きな対向する２つの主面を持ち、一方の主面を入光面とし、他方の主面を出光面とする蛍光体粉末を混ぜた蛍光体含有樹脂（蛍光体含有フィルム片と記する）が、前記光取り出し面と前記入光面を対向するように重ねて配置され、該蛍光体含有フィルム片における前記半導体発光素子からはみ出た周辺部分から前記基板の間は、前記半導体発光素子の発光光に対して透明な樹脂が充填されて逆四角錐形状の構造体に形成され、さらにその構造体の外側で、前記２重構造体の前記外部基板実装電極が形成された主面（または該主面とその近傍）、および前記蛍光体含有フィルム片の前記出光面（または該出光面とその近傍）以外の露出面が前記白色顔料を混ぜた白色樹脂（反射壁と記する）で覆われ、前記構造体と該白色樹脂との界面には反射壁が形成されている。このような構造にすることにより、高価な基板を最小サイズにすることができ、また反射壁は基板サイズに制限されることなく、光取り出し効率を良くすることができる。
そして、２重構造体のＬＥＤチップのｐ−ｎジャンクションで発光した光は、その大部分が光取り出し面から出て、その面と重ねて配置されている蛍光体含有フィルム片の入光面から、蛍光体含有フィルム片内に入り、蛍光体を発光させ、そのトータルの光が出光面から出て行き、照明用の白色光として利用される。また、蛍光体含有フィルム片の蛍光体の濃度を適切にし、ＬＥＤチップで発光した光の大部分を蛍光体特有の発光に変換し、蛍光体発光特有のブロードなスペクトルを持つ緑色や黄色やオレンジ色や赤色を発する発光装置とすることもできる。
また、本発明では、 前記蛍光体含有フィルム片の前記出光面の上に該出光面の外形を内包する径を持つ樹脂レンズを形成することを特徴とする。この構成によれば、光取り出し効率が更に良くなり、光束値として７から８％程度高く、高輝度にすることができる。
さらにまた、本発明では、 前記蛍光体含有フィルム片の代わりに透明樹脂フィルム片を用いることを特徴とする。この構成によれば、ＬＥＤチップの光の色をそのまま発光する発光装置とすることができ、ＬＥＤチップの発光色を適切に選ぶことにより、さまざまな用途に使用できる高出力で、ＬＥＤチップ発光特有のシャープなスペクトルを持つ紫外光や可視光や赤外光の安価な発光装置とすることができる。高出力の赤外光を発する発光装置は、消費電力の少ない暖房装置としても利用できる。
また、本発明では、前記蛍光体含有フィルム片の領域を分割し、分割した領域ごとに、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体、黄色蛍光体のうち、いずれかの蛍光体を１つ割り当てて、該蛍光体含有フィルム片を構成することを特徴とする。
上記の構成によれば、ＬＥＤ素子が青色光の場合、前記蛍光体含有フィルム片に、緑色蛍光体と赤色蛍光体を混合して製作した場合、これらの蛍光体間で相互作用が生じる。すなわち、ＬＥＤ素子からの光で励起された緑色蛍光体からのブロードなスペクトルを持つ緑色の光は、再度赤色蛍光体に吸収されて、その強度が大きく減少する。これを防ぐために、例えば図７のように、前記蛍光体含有フィルム片の領域を複数に分割し、緑色蛍光体の領域７２と赤色蛍光体の領域７１を分けて形成する（分離型蛍光体フィルム片と記する）ことにより、前記相互作用は防ぐことができ、その分、発光装置の演色性（ＲａやＲ９）を向上することができ、輝度も向上することができる。ＬＥＤ素子が紫外光や紫色光の場合は、青色蛍光体も使用するので、青色蛍光体と緑色蛍光体や黄色蛍光体や赤色蛍光体などとの相互作用が顕著になるので、分離型の効果が一段と高まる。
上記の構成によれば、ＬＥＤ素子が青色光の場合、前記蛍光体含有フィルム片に、緑色蛍光体と赤色蛍光体を混合して製作した場合、これらの蛍光体間で相互作用が生じる。すなわち、ＬＥＤ素子からの光で励起された緑色蛍光体からのブロードなスペクトルを持つ緑色の光は、再度赤色蛍光体に吸収されて、その強度が大きく減少する。これを防ぐために、例えば図７のように、前記蛍光体含有フィルム片の領域を複数に分割し、緑色蛍光体の領域７２と赤色蛍光体の領域７１を分けて形成する（分離型蛍光体フィルム片と記する）ことにより、前記相互作用は防ぐことができ、その分、発光装置の演色性（ＲａやＲ９）を向上することができ、輝度も向上することができる。ＬＥＤ素子が紫外光や紫色光の場合は、青色蛍光体も使用するので、青色蛍光体と緑色蛍光体や黄色蛍光体や赤色蛍光体などとの相互作用が顕著になるので、分離型の効果が一段と高まる。
本発明の発光装置は、材料費の占有率が高いパッケージ基板の大きさを（放熱性を満足する範囲で）できるかぎり小さくし、かつ、ＬＥＤチップをモールドしている樹脂構造は、パッケージ基板より大きく形成し、発光素子で発した光を、一定方向に集光させる機能や光取り出し効率も従来と同等以上に良い構造とすることができるので、特性も向上し、さらに安価な、発光装置を提供することができる。
また、半導体発光素子の光取り出し面上には、蛍光体含有フィルム片が重ねて配置された白色発光素子であり、余分の蛍光体の使用が節約されるとともに、白色の点発光体であるため指向角による色度のバラツキも改善できる。
さらに、２重構造体の基板の外部基板実装電極の形成面と蛍光体含有フィルム片の出光面以外の露出面は、反射壁で覆われており、出光面方向以外に行く光（特に、半導体発光素子の側面に行く光、蛍光体含有フィルム片の側面に行く光、等）は、反射壁で分散反射され、一定方向に集光される。さらに、この反射壁は、発光源に密接して（つまり近い距離で）形成されているので、効率よく反射集光でき、高輝度にすることができる。また、樹脂レンズで更に光取り出し効率が良くなる。
また、蛍光体含有フィルム片の領域を、数分割し、各分割領域ごとに青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体、黄色蛍光体を分離して形成する（分離型蛍光体フィルム片とする）ことにより、各蛍光体の相互作用を防ぎ、発光装置の演色性や輝度を向上することができる。
また、半導体発光素子の光取り出し面上には、蛍光体含有フィルム片が重ねて配置された白色発光素子であり、余分の蛍光体の使用が節約されるとともに、白色の点発光体であるため指向角による色度のバラツキも改善できる。
さらに、２重構造体の基板の外部基板実装電極の形成面と蛍光体含有フィルム片の出光面以外の露出面は、反射壁で覆われており、出光面方向以外に行く光（特に、半導体発光素子の側面に行く光、蛍光体含有フィルム片の側面に行く光、等）は、反射壁で分散反射され、一定方向に集光される。さらに、この反射壁は、発光源に密接して（つまり近い距離で）形成されているので、効率よく反射集光でき、高輝度にすることができる。また、樹脂レンズで更に光取り出し効率が良くなる。
また、蛍光体含有フィルム片の領域を、数分割し、各分割領域ごとに青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体、黄色蛍光体を分離して形成する（分離型蛍光体フィルム片とする）ことにより、各蛍光体の相互作用を防ぎ、発光装置の演色性や輝度を向上することができる。
また、白色発光装置に限らず、本発明の構造を単色発光の半導体発光装置に応用することにより、蛍光体発光特有なブロードなスペクトルをもつ光の三原色に対応した高出力の発光装置や、ＬＥＤチップ発光特有のシャープなスペクトルを持つ紫外光や可視光や赤外光の高出力の発光装置の製造が可能となる。
以下、本発明の発光装置の実施形態について、第１から第６実施形態の順に、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１実施形態の発光装置を図１に示す。
この発光装置１は、青色光を発光し、ｎ側電極（−電極）とｐ側電極（＋電極）上に１０μｍの厚みのメッキバンプ（１０μｍ厚のＮｉメッキ上にＡｕストライクメッキをしたもの）を形成した３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子２を、セラミックの酸化アルミ基板（または窒化アルミ基板）４のチップ搭載電極（Ｅ１、Ｆ１）上にメッキバンプを介して実装し、２重構造体にする。この基板４のサイズは、放熱を考慮して、厚みは約０．５ｍｍ、大きさは（コストも考慮して）一辺が約２ｍｍの正方形でＬＥＤチップよりやや大きくする。２重構造体の基板に形成されたチップ搭載電極（Ｅ１、Ｆ１）と外部基板実装電極（Ｅ２、Ｆ２）のＥ１−Ｅ２間、およびＦ１−Ｆ２間は、スルーホールで導通接続されている。
この２重構造体の青色ＬＥＤ素子２の上面（光取り出し面）に、シリコン樹脂に蛍光体粉末を混ぜて矩形状にした蛍光体含有フィルム片３の入光面をシリコン樹脂で接着する。蛍光体含有フィルム片３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは、一辺が約２．４ｍｍの正方形である。
青色ＬＥＤ素子２の側面には、シリコン樹脂で、蛍光体含有フィルム片３を底面とする逆四角錐形状の構造体７を形成する。
さらに、２重構造体の基板４の外部基板実装電極形成面と蛍光体含有フィルム片３の出光面以外の露出面を酸化チタン微粉末をシリコン樹脂に混ぜた白色樹脂６で被覆し、反射壁を形成し発光装置１とする。
この構造は、基板４を白樹脂内に埋め込んだ形状で、従来の基板上に樹脂構造を形成するものとは異なっている。基板４は、ＬＥＤ素子２を搭載し、ＬＥＤ素子２で発生する熱を放熱するために必要な最小の大きさに止めており、高価な基板の材料費を抑えることができる。
また、この構造の発光装置１の輝度（光束：ルーメン値）は、蛍光体含有フィルム片３の大きさ（広さ）に大きく依存する。例えば、３Ｗ級のＬＥＤ素子２の場合は、蛍光体含有フィルム片３の大きさは、一辺が２．４ｍｍから３．０ｍｍの正方形の時に最も光の取り出し効率が良くなり明るく（ルーメン値が大きく）なる。それ以下では、光の取り出し効率が悪くなり暗く（ルーメン値が小さく）なる。つまり、蛍光体含有フィルム片３は、基板より大きくする必要があり、本発明の構造であればそれが可能となり、輝度やその他の光特性も従来の構造に比べ同等以上にすることができるのである。
この発光装置１は、青色光を発光し、ｎ側電極（−電極）とｐ側電極（＋電極）上に１０μｍの厚みのメッキバンプ（１０μｍ厚のＮｉメッキ上にＡｕストライクメッキをしたもの）を形成した３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子２を、セラミックの酸化アルミ基板（または窒化アルミ基板）４のチップ搭載電極（Ｅ１、Ｆ１）上にメッキバンプを介して実装し、２重構造体にする。この基板４のサイズは、放熱を考慮して、厚みは約０．５ｍｍ、大きさは（コストも考慮して）一辺が約２ｍｍの正方形でＬＥＤチップよりやや大きくする。２重構造体の基板に形成されたチップ搭載電極（Ｅ１、Ｆ１）と外部基板実装電極（Ｅ２、Ｆ２）のＥ１−Ｅ２間、およびＦ１−Ｆ２間は、スルーホールで導通接続されている。
この２重構造体の青色ＬＥＤ素子２の上面（光取り出し面）に、シリコン樹脂に蛍光体粉末を混ぜて矩形状にした蛍光体含有フィルム片３の入光面をシリコン樹脂で接着する。蛍光体含有フィルム片３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは、一辺が約２．４ｍｍの正方形である。
青色ＬＥＤ素子２の側面には、シリコン樹脂で、蛍光体含有フィルム片３を底面とする逆四角錐形状の構造体７を形成する。
さらに、２重構造体の基板４の外部基板実装電極形成面と蛍光体含有フィルム片３の出光面以外の露出面を酸化チタン微粉末をシリコン樹脂に混ぜた白色樹脂６で被覆し、反射壁を形成し発光装置１とする。
この構造は、基板４を白樹脂内に埋め込んだ形状で、従来の基板上に樹脂構造を形成するものとは異なっている。基板４は、ＬＥＤ素子２を搭載し、ＬＥＤ素子２で発生する熱を放熱するために必要な最小の大きさに止めており、高価な基板の材料費を抑えることができる。
また、この構造の発光装置１の輝度（光束：ルーメン値）は、蛍光体含有フィルム片３の大きさ（広さ）に大きく依存する。例えば、３Ｗ級のＬＥＤ素子２の場合は、蛍光体含有フィルム片３の大きさは、一辺が２．４ｍｍから３．０ｍｍの正方形の時に最も光の取り出し効率が良くなり明るく（ルーメン値が大きく）なる。それ以下では、光の取り出し効率が悪くなり暗く（ルーメン値が小さく）なる。つまり、蛍光体含有フィルム片３は、基板より大きくする必要があり、本発明の構造であればそれが可能となり、輝度やその他の光特性も従来の構造に比べ同等以上にすることができるのである。
ＬＥＤ素子２は、透光性結晶基板（例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板など）の面上に、ＧａＮ系化合物半導体膜を基板側から、バッファ層、ｎ型層、青色光を発する発光層、およびｐ型層の順に積層し、ｐ型層の面上にｐ側電極を、ｐ型層及び発光層を部分的に選択エッチングしｎ型層を露出した部分にｎ側電極を形成したもので、ｐ側電極とｎ側電極は、数μｍの段差はあるが、ほぼ同一面上に形成されている。これらの電極の表面は、Ａｕ膜であり、ウエハー状態の時に、これら電極上にＰｄ，Ｎｉ，Ａｕ（表面保護用）の順に無電解メッキが可能で、高さほぼ１０μｍ（好ましくは２０μｍ）のバンプを形成しておく。高さのほとんどはＮｉである。
蛍光体含有フィルム片３は、例えば、２種類の蛍光体粉末をレジンタイプのシリコーンに混ぜ合わせて、フィルム状に成型し硬化させたものを矩形状に分割したものであり、１種の蛍光体は、青色光で励起され、緑色光を発する蛍光体（例えば、ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ）で、他の１種の蛍光体は、青色光で励起され、赤色光を発する蛍光体（例えば、（ＳｒＣａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ）である。配合量は例えば電球色に近い色温度３０００Ｋ程度に合わせる。色温度は、配合量を変えることにより選択できる。レジンタイプのシリコーンは、高屈折率（１．５〜１．５５）で、硬さがＳｈｏｒｅＤ（４０〜７０、好ましくは６０〜７０）で、透明性の良い（例えば、光透過性が波長４５０ｎｍの青色光に対し、樹脂の厚みが1ｍｍの場合、９５％以上、好ましくは９９％以上）ものを使用する。
反射壁６は、例えば、粒子径が０．２１μｍの酸化チタン微粉末をレジンタイプのシリコーンに混ぜ合わせて硬化させたものである。酸化チタンは、誘電率が大きく光反射率が高いので、反射壁によく利用されるが、光触媒の性質があるため、紫外光や青色光により励起され、周囲の水分や酸素に作用し、Ｏ２ＨラジカルやＯＨラジカルを作り、シリコン樹脂を劣化変色させる。そのため青色ＬＥＤ素子の周囲の反射壁が白色から変色し、数十時間で８０％以下に輝度劣化してしまう。そのためここで使用する酸化チタン微粒子は、その表面をシリカやアルミナでコートしたりシロキサン処理により、光触媒の性質を防いだものを使用する。また、シリコン樹脂との配合比は、顔料体積濃度で５〜３０％程度とし、密集効果による反射率の低下を防ぐことも必要である。また、レジンタイプのシリコーンは、高屈折率（１．５〜１．５５）で、硬さがＳｈｏｒｅＤ（５０〜７０、好ましくは６０〜７０）で、透明性の良い（例えば、光透過性が波長４５０ｎｍの青色光に対し、樹脂の厚みが1ｍｍの場合、９５％以上、好ましくは９９％以上）ものを使用する。また、この反射壁の厚みは、蛍光体含有フィルム片３の側面は６０μｍ程度以上で、ＬＥＤ素子２の側面側はそれより厚く１００μｍ程度以上にする。これらの値は一例でこれに限ったものではない。
ＬＥＤ素子２と蛍光体含有フィルム片３との接着は、蛍光体含有フィルム片に使用したレジンタイプのシリコーンを用いる。このシリコン樹脂の中に色度や色温度補正用の前記蛍光体を適量混ぜても良い。
次に、第２実施形態の発光装置を図２に示す。
この発光装置１０は、２重構造体は第１実施形態と同じであるが、光の取り出し効率を上げるために樹脂レンズ１８を用いている。
第１実施形態の場合は、光の取り出し効率を良くするために錐形の反射壁５と広めの蛍光体含有フィルム片３を用いていたが、第２実施形態の場合は、錐形の反射壁は用いずに、蛍光体含有フィルム片１３のサイズもＬＥＤ素子２より僅かに大ものを用いているが、その分広めの凸状の樹脂レンズ１８を用いることにより、光の取り出し効率を第１実施形態の発光装置１以上に良くしている。
この発光装置１０は、２重構造体は第１実施形態と同じであるが、光の取り出し効率を上げるために樹脂レンズ１８を用いている。
第１実施形態の場合は、光の取り出し効率を良くするために錐形の反射壁５と広めの蛍光体含有フィルム片３を用いていたが、第２実施形態の場合は、錐形の反射壁は用いずに、蛍光体含有フィルム片１３のサイズもＬＥＤ素子２より僅かに大ものを用いているが、その分広めの凸状の樹脂レンズ１８を用いることにより、光の取り出し効率を第１実施形態の発光装置１以上に良くしている。
第１実施形態と同様に、３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子２を基板４上に実装して、前記２重構造体とした後、この青色ＬＥＤ素子２の上面（光取り出し面）に、蛍光体含有フィルム片１３の入光面をシリコン樹脂で接着する。蛍光体含有フィルム片１３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは、一辺が約１．５ｍｍの正方形である。
さらに、２重構造体の基板４の外部基板実装電極形成面と蛍光体含有フィルム片１３の出光面以外の露出面を白色樹脂で被覆し、反射壁１６を形成する。この時、反射壁１６の上面は、蛍光体含有フィルム片１３の出光面と同じ面一の面にする。
さらに、この面一の面上に、蛍光体含有フィルム片１３の出光面を内包する径を持つ凸状の樹脂レンズ１８を形成する。この凸状の樹脂レンズ１８の直径は、約２ｍｍから約３ｍｍ程度と蛍光体含有フィルム片１３より大きくし、光の取り出し効率を良くする。
この樹脂レンズ１８の効果で、この構造の発光装置１０の輝度（光束：ルーメン値）は、第１実施形態の発光装置１よりも、明るくなる。
樹脂レンズ１８の大きさで、発光装置１０のサイズが決まり、例えば、樹脂レンズ１８の直径が約２．０ｍｍの時、発光装置１０の大きさは、一辺が約２．４ｍｍの正方形になり、直径が約３ｍｍの時、一辺が約３．４ｍｍ程度となる。光の取り出し効率は、後者の方が良くなる。
さらに、２重構造体の基板４の外部基板実装電極形成面と蛍光体含有フィルム片１３の出光面以外の露出面を白色樹脂で被覆し、反射壁１６を形成する。この時、反射壁１６の上面は、蛍光体含有フィルム片１３の出光面と同じ面一の面にする。
さらに、この面一の面上に、蛍光体含有フィルム片１３の出光面を内包する径を持つ凸状の樹脂レンズ１８を形成する。この凸状の樹脂レンズ１８の直径は、約２ｍｍから約３ｍｍ程度と蛍光体含有フィルム片１３より大きくし、光の取り出し効率を良くする。
この樹脂レンズ１８の効果で、この構造の発光装置１０の輝度（光束：ルーメン値）は、第１実施形態の発光装置１よりも、明るくなる。
樹脂レンズ１８の大きさで、発光装置１０のサイズが決まり、例えば、樹脂レンズ１８の直径が約２．０ｍｍの時、発光装置１０の大きさは、一辺が約２．４ｍｍの正方形になり、直径が約３ｍｍの時、一辺が約３．４ｍｍ程度となる。光の取り出し効率は、後者の方が良くなる。
次に、第３実施形態の発光装置の断面図を図３に示す。この断面図は、第１実施形態の線Ａ−Ａに相当する位置の断面図である。
この発光装置３０は、第１実施形態の発光装置1とほぼ同じであるが、使用されている３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子３２が異なっている。該青色ＬＥＤ素子３２は、光取り出し面が電極形成面より小さい台形状で、側面が傾斜しており、この面からの光取り出しも考慮されている。そのため、第1実施形態の発光装置１の逆四角錐形状の構造体７と同じように構造体３７を形成し、傾斜面からの光の取り出しを良好にしている。
この場合の蛍光体含有フィルム片３３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは一辺が約２．４ｍｍから約３．０ｍｍ程度にする。
この発光装置３０は、第１実施形態の発光装置1とほぼ同じであるが、使用されている３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子３２が異なっている。該青色ＬＥＤ素子３２は、光取り出し面が電極形成面より小さい台形状で、側面が傾斜しており、この面からの光取り出しも考慮されている。そのため、第1実施形態の発光装置１の逆四角錐形状の構造体７と同じように構造体３７を形成し、傾斜面からの光の取り出しを良好にしている。
この場合の蛍光体含有フィルム片３３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは一辺が約２．４ｍｍから約３．０ｍｍ程度にする。
次に、第４実施形態の発光装置の断面図を図４に示す。この断面図は、第２実施形態の線Ｂ−Ｂに相当する位置の断面図である。
この発光装置４０は、第３実施形態の発光装置３０と同じように、台形状の３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子３２を用いている。発光装置３０の蛍光体含有フィルム片３３の上に、該蛍光体含有フィルム片より大きなレンズ径をもつ凸状の樹脂レンズ３８を形成し、光の取り出し効率をさらに向上している。
この発光装置４０に使用される蛍光体含有フィルム片３３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは一辺が約２．４ｍｍの正方形であり、樹脂レンズの直径は約３．４ｍｍである。
この発光装置４０は、第３実施形態の発光装置３０と同じように、台形状の３Ｗ級の青色ＬＥＤ素子３２を用いている。発光装置３０の蛍光体含有フィルム片３３の上に、該蛍光体含有フィルム片より大きなレンズ径をもつ凸状の樹脂レンズ３８を形成し、光の取り出し効率をさらに向上している。
この発光装置４０に使用される蛍光体含有フィルム片３３のサイズは、厚みが約０．１ｍｍで、大きさは一辺が約２．４ｍｍの正方形であり、樹脂レンズの直径は約３．４ｍｍである。
次に、第５実施形態の発光装置は、図１から図４までの発光装置において、蛍光体含有フィルム片３や１３や３３の代わりに図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）で示すような分離型蛍光体フィルム片を用いた発光装置である。
この発光装置は、蛍光体相互の干渉がほとんどなく、（例えば、緑色蛍光体と赤色蛍光体を混合した蛍光体含有フィルムの場合、緑色蛍光体が発する光を赤色蛍光体が再度吸収するといった干渉がなく）演色性を示す演色評価数ＲａやＲ９を高くすることができるし、緑色蛍光体の発した光を再度赤色蛍光体が吸収するといった２段階の吸収がないので、発光効率もよくなる。
蛍光体の分離形状は、図７に示しているが、（ａ）や（ｂ）のように一つの丸や四角でも良いし、複数の丸や四角でも良いし、丸や四角以外の形でも良い。また、（ｃ）や（ｄ）のように十字の線や横や縦の線で分割しても良い。
この発光装置は、蛍光体相互の干渉がほとんどなく、（例えば、緑色蛍光体と赤色蛍光体を混合した蛍光体含有フィルムの場合、緑色蛍光体が発する光を赤色蛍光体が再度吸収するといった干渉がなく）演色性を示す演色評価数ＲａやＲ９を高くすることができるし、緑色蛍光体の発した光を再度赤色蛍光体が吸収するといった２段階の吸収がないので、発光効率もよくなる。
蛍光体の分離形状は、図７に示しているが、（ａ）や（ｂ）のように一つの丸や四角でも良いし、複数の丸や四角でも良いし、丸や四角以外の形でも良い。また、（ｃ）や（ｄ）のように十字の線や横や縦の線で分割しても良い。
次に、第６実施形態の発光装置は、図１から図４までの発光装置において、蛍光体含有フィルム片３や１３や３３の代わりに、蛍光体を混ぜていないシリコン樹脂からなる透明樹脂フィルムを使用した発光装置である。
この発光装置は、使用するＬＥＤ素子自体の発光色（紫外光、可視光、赤外光）で、ＬＥＤ素子特有の狭い半値幅をもつスペクトルの光が特徴である。
この発光装置は、使用するＬＥＤ素子自体の発光色（紫外光、可視光、赤外光）で、ＬＥＤ素子特有の狭い半値幅をもつスペクトルの光が特徴である。
１，１０，３０，４０ 発光装置
２，３２ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子またはＬＥＤチップ）
３，１３，３３ 蛍光体含有フィルム片
４，３４ 基板
５ 反射壁の斜面
６，１６，３６，７６ 反射壁
１８，３８ 樹脂レンズ
７１，７２ 蛍光体含有フィルム片の分割領域
Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２，Ｇ１，Ｈ１，Ｇ２，Ｈ２ 電極
２，３２ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子またはＬＥＤチップ）
３，１３，３３ 蛍光体含有フィルム片
４，３４ 基板
５ 反射壁の斜面
６，１６，３６，７６ 反射壁
１８，３８ 樹脂レンズ
７１，７２ 蛍光体含有フィルム片の分割領域
Ｅ１，Ｆ１，Ｅ２，Ｆ２，Ｇ１，Ｈ１，Ｇ２，Ｈ２ 電極
Claims (4)
- 半導体発光素子を基板にフリップチップ実装した発光装置において、
前記半導体発光素子は、光取り出し面が前記基板に対向する電極形成面より小さい台形状に形成されて側面が傾斜しており、
前記半導体発光素子の光取り出し面上には、前記基板より大きな蛍光体含有フィルム片の略中央部分が貼付けられ、
前記蛍光体含有フィルム片における前記半導体発光素子からはみ出た周辺部分から前記基板の間は、前記半導体発光素子の発光光に対して透明な樹脂が充填されて逆四角錐形状の構造体に形成され、
前記構造体の外側には白色樹脂が充填されることで、前記構造体と該白色樹脂との界面には反射壁が形成されていることを特徴とする発光装置。 - 前記蛍光体含有フィルム片の出光面の上に、該出光面の外形を内包する径を持つ樹脂レンズを形成することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有フィルム片の代わりに、透明樹脂フィルム片を用いることを特徴とする請求項１または２記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有フィルム片の領域を分割し、分割した領域ごとに、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体、黄色蛍光体のうち、いずれかの蛍光体を１つ割り当てて、該蛍光体含有フィルム片を構成することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発光装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012228835A JP5738257B2 (ja) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | 発光装置 |
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