JP6201617B2

JP6201617B2 - 発光装置

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Publication number: JP6201617B2
Application number: JP2013216101A
Authority: JP
Inventors: 祐太岡
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-10-17
Also published as: JP2015079854A; US20150109790A1; US9831402B2

Description

本発明は、発光素子を備える発光装置に関する。

従来LEDやLD等の半導体発光素子が、小型で電力効率が良いことから各種光源として利用されており、発光素子からの光を効率良く取り出す研究が進められている。
その中で、光の出射方向に所望の指向性を与えるために、レンズとして機能する透光性封止部材を一体成形した発光装置が創案されている。このような発光装置においては、更なる光取り出しの効率化やレンズ形状に関する検討が進められている。

レンズ一体成形の発光装置は、発光素子の大きさとレンズとなる封止部材の大きさとが相対的に近づくと、発光素子から出射した光の内で、封止部材の内面における全反射の臨界角を超える成分が増加し、外部へ取り出される光が減少するという問題があることが分かっている。

一方で、発光素子の大きさは変更せず、発光素子を載置する支持基材と封止部材の大きさを大きくしていくと、発光素子からの出射光や反射された光の一部が支持基材の上面に吸収され、光の取り出し効率が低下してしまう。

そこで、封止部材の内面で全反射する成分を減らし、支持基材の上面で吸収される光を減らすために、支持基材よりも十分に大きな封止部材を備える発光装置が考案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００７−２７３７６４号公報特開２００９−８８２３５号公報

しかし、支持基材よりも十分に大きな封止部材を備える発光装置では、支持基材よりも外側に延在している封止部材の延在部に、外部からの衝撃が加わりやすく、封止部材と支持基材の接合面が剥離を起こす可能性が高い。

このような剥離の問題は、光取り出し効率の低下や製品の寿命の低下、そして製品自体の品質や信頼性を脅かす要因となってしまう。

本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、剥離を抑制する発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、外部電極を備える支持基材と、前記支持基材の上面の少なくとも一部に設けられた発光素子と、前記発光素子を内包し、平面視において前記支持基材よりも大きな最大外周を有する封止部材とを備え、前記支持基材は、表面に少なくとも一つの切り欠きを有し、前記封止部材が、前記切り欠きの少なくとも一部に埋め込まれ、かつ前記外部電極の電極面を露出するように形成されていることを特徴とする。

本発明により、支持基材と封止部材との剥離を抑制する発光装置を実現することが出来る。

本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面における概略断面図（ｂ）である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略底面図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の底面斜視図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の一部を示す部分断面図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略部分断面図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の一部を示す部分断面図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略部分断面図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面における概略断面図（ｂ）である。本発明の一実施の形態に係る全反射の概略を説明する図である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の概略上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ’断面における概略断面図（ｂ）である。本発明の一実施の形態に係る発光装置の一部を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は以下に限定されるものではない。

（第一実施形態）
[発光装置の構成の概要]
本発明の第一実施形態に係る発光装置１００は、図１から図３に示すように、主として半導体発光素子（以下、単に「発光素子５」と記す）と、支持基材２と、平面視において支持基材２よりも大きな最大外周を有する封止部材１で構成される。図１(a)は、平面視における発光装置１００を示しており、図１(b)は図１(a)におけるA−A’線で切ったときの発光装置１００の断面図を示し、図２は底面視における発光装置１００を示し、図３は発光装置１００の底面斜視図である。

（発光素子）
発光素子５は、例えば青色光を出射するものである。発光素子５は、支持基材２の上面に電気的に接続されて実装されており、好ましくはフリップチップボンディング又はワイヤーボンディングによって接続される。なお、発光素子５は、支持基材２の上面に直接的に設けることもできるし、支持基材２の上面に載置されたサブマウント等に間接的に設けることもできる。発光素子５は、少なくとも発光層を有し、より好適には第１導電型半導体、発光層及び第２導電型半導体がこの順に形成される半導体積層構造を備え、この半導体積層構造に電流を供給する電極が設けられた半導体発光素子構造を有している。例えば、窒化物半導体であるGaN系化合物半導体を用い、サファイア基板上に、１〜２μｍ程度の厚さのｎ型半導体層、５０〜１５０ｎｍ程度の厚さの発光層、１００〜３００ｎｍ程度の厚さのｐ型半導体層を形成する半導体発光素子構造とすることが出来る。サファイア基板は、効率良く光を取り出すために、リフトオフ等により半導体層から剥離等をしても良い。
なお、発光素子５は、これらの構成に限定されるものではなく、他の半導体材料を用いて構成してもよい。

また発光素子５は、発光素子５から出射された光によって励起されて、発光素子５よりも長波長の光を出射する色変換部材を備えても良い。例えば図４に示すように、白色発光素子９の場合には、青色発光する発光素子５の外側を、蛍光体若しくは蛍光体を含む樹脂等からなる蛍光体層８で覆う構成としてもよい。例えば、青色発光する発光素子５には、黄色発光する、セリウムで賦活されたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体や（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ等のシリケート系蛍光体等と組み合わせて白色発光素子９とすることができる。
更に、発光素子５は、複数の発光素子５を互いに離間して、例えば２×２個のマトリクス状に配置し、これらの複数の発光素子５を、一括して蛍光体層８で覆うように構成してもよい。
このように、発光素子５を蛍光体層８により被覆する構成であれば、発光素子５の近傍で白色光に変換することにより、蛍光体による散乱に起因した封止部材１内面での反射を抑制して、高い光取り出し効率を実現することができる。なお、この他には蛍光体を封止部材１内に混合させて設けることもできるし、蛍光体層８を発光素子５から離間して配置することも出来る。具体的な形成方法としては、例えば電気泳動沈着、印刷、噴霧、ブラッシング、流し塗り、浸漬、ポッティング等によって形成することができる。

（支持基材）
支持基材２は、図１及び図２に示すように、上面の少なくとも一部に発光素子５を設け、外部電極７と、表面に少なくとも一つの切り欠き３を備えている。支持基材２は、図５(a)で示すように、配線が設けられた絶縁性基板や、図５(b)、(c)で示すように、パッケージ樹脂を備えたリードフレームを用いることが出来る。リードフレームを用いる場合は、支持基材２はパッケージ樹脂のことを指し、パッケージ樹脂に切り欠き３が設けられることになる。この場合の外部電極７とは、リードフレームのアウターリード部を指し、封止部材１はリードフレームのアウターリード部の少なくとも一部を露出するように形成される。また、支持基材２の形状としては封止部材１を支えることができ、かつ二次基板等に安定して実装が出来るように重心が安定した形状であれば良く、例えば、直方体や円錐台等の形状でも良い。

絶縁性基板は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等のセラミック基板を用いることができ、内層にＣｕやＡｇ等を含んだ導体からなる配線パターンを有していても良い。また、樹脂基板や、有機物に無機物が含有されてなるガラスエポキシ基板等を用いても良い。さらに、高いコントラストが要求される発光装置を形成する場合は、絶縁性基板の母材自体にＣｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３等を含有させることにより、暗色系の絶縁性基板とすることが好ましい。

リードフレームは、発光素子５と電気的に接続されるとともに外部接続端子として機能するものであり、リードフレームの材料としては、熱伝導率の比較的大きな材料を用いることが好ましい。このような材料で形成することにより、発光素子５で発生する熱を効率的に逃すことができる。例えば、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度以上の熱伝導率を有しているものが好ましい。さらに、比較的大きい機械的強度を有するもの、あるいは打ち抜きプレス加工又はエッチング加工等が容易な材料が好ましい。具体的には、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、りん青銅、鉄入り銅等が挙げられる。また、二種類以上の金属を張り合わせたクラッド材であっても良い。

（外部電極）
支持基材２に備えられた外部電極７は、半田等を介して二次基板等に電気的に接続されるものであり、少なくとも外部電極７は封止部材１から露出される領域を有し、この領域が外部電極７の電極面である。外部電極７の電極面は、電極面の全てが封止部材１から露出していても良いし、一部だけが露出していても良い。図５で示すように、外部電極７は、例えば支持基材２の側面又は底面に備えられている。また外部電極７の形状は電極面を備えていることにより、少なくとも面を有する形状であれば良い。

（切り欠き）
切り欠き３は、支持基材２の表面に備えられており、切り欠き３の少なくとも一部に封止部材１が埋め込まれており、封止部材１と支持基材２の接合性を高めるアンカー効果を有する。支持基材２の表面とは、支持基材２の上面、側面、底面の全てを含む。切り欠き３は支持基材２の側面又は底面に形成されていることがより好ましく、高いアンカー効果を得ることが出来る。この形態によると、側面又は底面の切り欠き３に埋め込まれた封止部材１が支持基材２を支える応力を生み、外部からの衝撃に対して剥離を抑制することが出来る。具体的には、支持基材２と発光素子５を接合しているワイヤー等の断線や、封止部材１と発光素子５との間に隙間が生じる問題を防止することが出来る。

切り欠き３は、図１(b)で示すように、幅・深さが均一な切り欠き３が連続的に形成されていることに限らず、切り欠き３の幅、深さは任意に決めることができ、切り欠き３は支持基材２の表面上に幅、深さが不均一に形成されていてもよい。また、切り欠き３は一つに限らず複数個設けられていても良い。切り欠き３の総表面積が大きくなる程、アンカー効果が高くなるだけではなく、封止部材１と支持基材２の接触面積が増え封止部材１の熱を支持基材２に逃がしやすいという効果を有する。なお、切り欠き３は支持基材２に略対称に設けられることが好ましく、この形態によれば、封止部材１が支持基材２を支える応力の偏りを少なくすることが出来る。

また、切り欠き３はその全てに封止部材１が埋め込まれていても良いし、一部に埋め込まれていても良い。切り欠き３の全てに封止部材１が充填されている場合は、封止部材１と支持基材２の密着性が良く、高いアンカー効果を得ることが出来る。封止部材１が切り欠き３の一部だけに埋め込まれている場合は、例えば高温下において封止部材１が膨張したとしても、切り欠き３の隙間に膨張した封止部材１の一部を逃がすことが出来る。

前述したように、切り欠き３は支持基材２の上面に設けずに支持基材２の側面又は底面にのみ備えることが出来る。この形態は、封止部材１が支持基材２よりも十分に大きく支持基材２の外周を容易に被覆することが出来ることが寄与している。支持基材２の上面に切り欠き３を設けた場合は、上面の切り欠き３に光が閉じ篭り光取り出し効率が下がってしまうが、この形態によればそのような問題を防ぐことが出来る。また、側面又は底面に設けられた切り欠き３は貫通・非貫通を問わない。

図６は図１(b)の支持基材２をR方向から見た図であるが、切り欠き３の形状は、図１(b)のように長方形の断面が連続して形成されたものに限らず、図６で示すように、断面が略円形やｎ角形（ｎは３以上）の形状であっても良い。また、切り欠き３の内壁に複数の層を積層して、各層で異なる形状を設けても良い。複数の層を積層することによって、封止部材１が接触する表面積が増え、より高いアンカー効果を得ることができ、また封止部材１で蓄積する熱を支持基材２に放出することが出来るので放熱性も上がる。

別の切り欠き３の形態においては、切り欠き３は支持基材２の角又は辺、又はそれに相当する部分に設けることが出来る。図７(a)で示すように、例えば支持基材２を、正面視において上面から底面に向かって先細りの形となるように切り欠き３を設けたｎ面体（ｎは４以上）や円錐台の形状とすることが出来る。この形態においては、支持基材２の側面の傾斜部が封止部材１と支持基材２のアンカーの役割を担い、封止部材１と支持基材２の接合性が良くなる効果を有する。
また切り欠き３は、図７(b)で示すように、支持基材２の上面の角又は辺、又はそれに相当する部分に設けることが出来る。この形態においては発光素子５からの出射光が支持基材２の上面で吸収されにくく光が直接外に出射されるので、光の取り出し効率を上げる効果を有する。また、この形態においては支持基材２の側面の傾斜部に別途アンカー用の切り欠き３を設けることによって、封止部材１と支持基材２の接合性を高めることが出来る。
さらに切り欠き３は、図７(c)で示すように、支持基材２の上面を傾斜させるように設けてあってもよい。この形態によると、発光素子５から出射される光の光軸を任意の方向に決めることが出来る。

（切り欠きの製造工程）
切り欠き３の製造工程としては、例えばダイシングカット等によって物理的に切り欠き３を設ける方法と、セラミック基板等で複数のシートに予め切り欠き３を形成して、それを積層することによって設ける方法がある。ダイシングカット等によって物理的に切り欠き３を設ける方法では、一枚の絶縁性基板やリードフレームに複数のパッケージを備えている場合、少ない工数で一度に大量に製造することが可能であり、生産性が高い。また、セラミック基板等の積層型基板で切り欠き３を設ける場合は、任意に切り欠き３の形状や位置を決めることが可能であるので、切り欠き３を複数の層で積層形成する場合により適している。

（封止部材）
図１で示す封止部材１は、平面視において支持基材２よりも大きい最大外周を有し、上部に光を出射するレンズ部６と、レンズ部６から連続して支持基材２に沿って下方に伸びる下垂部４を備えている。レンズ部６とはレンズの表面のことを指す。下垂部４は、封止部材１と支持基材２の接合面積が増えるので、接合性・放熱性を高める役割を持つ。下垂部４の形状、長さは任意であり、少なくとも切り欠き３に埋め込まれるだけの形状、長さであれば良い。さらに下垂部４は、下垂部４の底面が支持基材２の底面よりも下の位置になる形態を取ることができ、この形態によると、二次基板等に実装したときに下垂部４の底面によって半田等の這い上がりを防止することが出来る。また、図２で示すように、封止部材１は外部電極７の電極面は少なくとも露出するように形成される。封止部材１は、発光素子５を内包するように、少なくとも発光素子５を載置している支持基材２の上面を被覆していれば良いが、好適には封止部材１の底面が支持基材２の上面よりも下側に位置することが好ましい。封止部材１の底面が支持基材２の上面と同じ位置である場合、支持基材２の上面の切り欠き３のみに封止部材１が埋め込まれることになるが、この形態によれば、支持基材２の側面又は底面の切り欠き３にも封止部材１を埋め込むことができ、本発明の効果としてより高い効果を得ることが出来る。本明細書でいう封止部材１の底面とは、レンズ部６と対面し、かつ発光装置を正面視から見た時の高さ方向において、封止部材１が支持基材２の外周を覆っている部分の一番低い面を言い、切り欠き３に埋め込まれた封止部材１は含まない。図１の発光装置１００の場合、封止部材１の底面とは下垂部４の底面のことであり、光を上方に出射するレンズ部６と対面している。
封止部材１の材料は、発光素子５からの光を透過可能な透光性を有するものであり、具体的な材料としてはシリコン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂等が挙げられる。また、封止部材１は、このような材料に加えて着色材、光拡散材、フィラー、蛍光材等を含有させることもできる。

（封止部材のレンズ部）
封止部材１のレンズ部６の形状は、平面視において図１(a)で示すような略円形だけではなく、ｎ次の多項式曲線（ｎは１以上）、又はその組み合わせの形状であっても良く、例えばレンズ部６の形状は、平面視においてn角形（nは３以上）や花形のような形状にすることが出来る。また正面視においても、図１(b)で示すような略円形だけではなく、ｎ次の多項式曲線（ｎは１以上）、又はその組み合わせの形状であっても良い。具体的には、扇型、ドーム型の凸レンズ形状や、ウイング型の凹レンズ形状、さらにはフレネルレンズ、フタコブレンズ等のレンズ形状があるが、これらは例に過ぎずレンズ形状はこれらに限定されるものではない。

（第二実施形態）
[発光装置の構成の概要]
本発明の第二実施形態に係る発光装置２００は、図８(a)、(b)に示すように、主として発光素子５と、支持基材２と、平面視において支持基材２よりも大きな最大外周を有しかつ反射部１２を有する封止部材１で構成される。封止部材１の構成以外は第一実施形態と同様であるので、その他の詳細を省略する。図８(a)は、平面視における発光装置２００を示しており、図８(b)は図８(a)におけるA―A’線で切ったときの発光装置２００の断面図を示す。

本発明の第二実施形態に係る発光装置２００は、支持基材２の側面と底面に連続した切り欠き３を有し、封止部材１が切り欠き３に埋め込まれている。また、封止部材１はレンズ部６、反射部１２、下垂部４によって形成され、図示されていないが支持基材２の外部電極７の電極面を露出するように形成されている。

（封止部材）
図８(b)で示すように、封止部材１は上部にレンズ部６と、レンズ部６から連続して形成された反射部１２と、反射部１２から連続して支持基材２に沿って下方に伸びる下垂部４を備えている。封止部材１のその他の形態、材質等は第一実施形態と同様である。

（封止部材の反射部）
反射部１２は、発光素子５から側方又は下方に出射された光の一部を反射部１２で上方に全反射させ、上方へ出射される光の成分を増やす役割を持つ。発光素子５から側方又は下方に出射された光を反射部１２で全反射させるためには、図９で示すように、封止部材１の屈折率ｎは空気の屈折率１よりも大きければ良く、屈折率ｎが大きいほど反射部１２で全反射する光の成分が増えて上方への光の取り出し効率が良くなる。反射部１２の形状は、図８(b)で示すように正面視において直線に限らず、ｎ次の多項式曲線（ｎは１以上）又はその組み合わせでも良い。また、反射部１２の空気層と接する面に、反射を生じさせる反射膜を別途備えても良い。この形態によると、反射部１２で全反射を起こさない範囲の深い角度で入射する光についても、その一部をこの反射膜で反射させることができ、封止部材１の屈折率に限らず発光素子５からの光を効率よく反射させることが出来る。

（第三実施形態）
[発光装置の構成の概要]
本発明の第三実施形態に係る発光装置３００は、図１０(a)、(b)に示すように、主として発光素子５と、支持基材２と、平面視において支持基材２よりも大きな最大外周を有しかつ水平方向において上方に傾斜する反射部１２を有する封止部材１で構成される。反射部１２の形態以外は第一実施形態、第二実施形態と同様であるので、その他の詳細を省略する。図１０(a)は、平面視における発光装置３００を示しており、図１０(b)は図１０(a)におけるA―A’線で切ったときの発光装置３００の断面図を示している。

本発明の第三実施形態に係る発光装置３００は、支持基材２の側面と底面に連続した切り欠き３を有し、封止部材１が切り欠き３に埋め込まれている。また、封止部材１はレンズ部６、水平方向において傾斜する反射部１２、下垂部４によって形成され、図示されていないが支持基材２の外部電極７の電極面を露出するように形成されている。

（封止部材）
図１０(b)で示すように、封止部材１は上部にレンズ部６と、レンズ部６から連続して形成され、かつ水平方向において上方に傾斜する反射部１２と、反射部１２から連続して支持基材２に沿って下方に伸びる下垂部４を備えている。封止部材１のその他の形態、材質等は第一実施形態、第二実施形態と同様である。

（封止部材の反射部）
反射部１２は、図１０(b)に示すように、水平方向に対して上方に傾斜（０<θ<９０°）するように形成される。この形態にすることによって、発光素子５から側方又は下方に出射された光のうち、延在された封止部材１の端部、つまり反射部１２とレンズ部６の交点から外部に漏れる光の成分を減らすことが出来る。好適には、図１１で示すように、反射部１２とレンズ部６の交点は発光素子５よりも上に形成されることが好ましい。これによって、反射部１２で反射された光が下方向に抜けず二次基板等に吸収されることなく、上方から効率よく光を取り出すことが出来る。

１…封止部材
２…支持基材
３…切り欠き
４…下垂部
５…発光素子
６…レンズ部
７…外部電極
８…蛍光体層
９…白色発光素子
１２…反射部
１００，２００，３００…発光装置

Claims

外部電極を備える支持基材と、
前記支持基材の上面の少なくとも一部に設けられた発光素子と、
前記発光素子を内包し、平面視において前記支持基材よりも大きな最大外周を有する封止部材と、を備え、
前記支持基材は、表面に少なくとも一つの切り欠きを有し、
前記封止部材は、
前記切り欠きの少なくとも一部に埋め込まれ、かつ前記外部電極の電極面を露出するように形成されており、
上部に形成されたレンズ部と、
前記レンズ部から連続して形成され、前記発光素子から側方または下方に出射された光を上方に反射させる反射部と、
前記反射部から連続して前記支持基材に沿って下方に伸びる下垂部と、を有することを特徴とする発光装置。
前記封止部材の底面が、前記支持基材の上面よりも下側に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記切り欠きが、前記支持基材の側面又は底面にのみ備えられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
正面視において前記反射部が水平方向に対して上方に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光装置。
前記発光素子から出射された光によって励起されて、前記発光素子よりも長波長の光を出射する色変換部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の発光装置。