JP2008071955A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光にともなう熱による悪影響を排除し、しかも光の取り出し効率を良好にした発光装置を提供すること。
【解決手段】絶縁基板２１と、該絶縁基板をその厚み方向に貫通する正負の各電極２２，２３と、該電極の一方の電極２２上に、素子面を上に向けて、ダイボンディングにより接合されるとともに、他方の電極に対して、ワイヤボンディング２６，２７により電気的に接続された発光素子２４とを有し、前記発光素子２４が、蛍光体３１を介して光を射出させるように透明な封止部材２８で封止されていることを特徴とする発光装置。
【選択図】図２

Description

この発明は、液晶のバックライト光源や、各種表示装置（ディスプレイ）、センサ光源などに利用される発光装置の改良に関するものである。

各種光源として使用される発光装置には、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という）や半導体レーザなどの発光素子が利用されている。
この発光素子を駆動するために所定の基板やパッケージ内に実装する場合、フェイスダウン実装、すなわち、素子面を下にしてその電極部に接するようにバンプなどを配置して、前記基板などに実装したフェイスダウン実装が行われている。フェイスダウン実装は、ワイヤボンディングを行う必要がなく、狭隘なスペースに、機械的な接合と電気的な接合を兼用して行うことができる利点を有している。
例えば、特許文献１では、発光素子を反射性のカップ（パッケージに形成したカップ）内にフェイスダウン実装した例が記載されている。

また、このようなＬＥＤは、通電により発光する際に熱を生じる。特に高精細な表示装置などを得ようとする場合に、これら発光素子を搭載した発光装置を基板等に高密度に実装すると、発光素子が生成する熱により装置自体の特性が悪化したり、周囲の部材や部品に熱的悪影響を与えることになる。

そこで、図４に示すような発光装置１も考えられる。
図４において、発光装置１は、セラミックス製の絶縁基板２と、互いに間隔を設けて、絶縁基板２の表裏を貫通して設けた正負の電極３，４とを有している。
各電極３，４は、絶縁基板２の表面側に電極パッド３ａ，４ａを備え、下面には実装端子３ｂ，４ｂを有している。
電極パッド３ａ，４ａには、それぞれ金属バンプ６，６を介して、発光素子５が、その電極部を下面に向けるようにして、フェイスダウン実装（フリップチップボンディング）されている。
さらに、発光素子５はモールド樹脂７により被覆されている。

このような発光装置１にあっては、比較的大きく形成した電極３，４が絶縁基板を貫通して設けられているので、発光素子５が発光することにより生成される熱は、金属バンプ６，６を介して、大きな電極３，４に伝達され、絶縁基板２に放熱される。
これにより、発光にともなう熱による発光素子５の動作不良などの悪影響を防止することができるものである。

特開２００３−６９０８６

ところで、図４の発光装置１においては、発光素子５の素子面上に設けられた電極配置に対応するように、正負の電極３，４が互いにＷ１の間隔を開けて設けられているので、該発光素子５の発光による光Ｌ１の一部が、正負の電極３，４の間隔Ｗ１を抜けて、下方に向かう。
ここで、絶縁基板２を構成するセラミックスは多孔質材料であるから、発光素子５の発光による光が、正負の電極３，４の間隔Ｗ１から下方に逃げるために、光の取り出し効率が悪化する。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、発光にともなう熱による悪影響を排除し、しかも光の取り出し効率を良好にした発光装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、第１の発明にあっては、平面に正負の各電極を有する絶縁基板と、該絶縁基板の厚み方向に形成された各貫通孔と、前記正負の各電極から前記各貫通孔内に形成された電極延長部と、該電極の一方の電極の平面内に接合された発光素子とを有し、前記一方の電極から延長された前記電極延長部の水平断面積が、前記発光素子の底面積よりも大きく、かつ前記発光素子が、蛍光体を介して光を射出させるように透明な封止部材で封止されている発光装置により、達成される。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記電極延長部の水平断面の縦寸法をＴ１、横寸法をＮ１とし、前記発光素子の縦寸法Ｔ２、横寸法をＮ２とした場合に、Ｔ２＞Ｔ１および／またはＮ２＞Ｎ１とされていることを特徴とする。

第３の発明は、第１または２のいずれかの発明の構成において、前記絶縁基板が、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）により形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、発光にともなう熱による悪影響を排除し、しかも光の取り出し効率を良好にした発光装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

図１は実施形態に係る発光装置の概略斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線切断概略端面図、図３は図１の概略上面図である。
これらの図において、発光装置２０は、絶縁基板２１と、該絶縁基板２１を厚み方向に貫通して設けたもので、正負に分極された第１の電極２２と、第２の電極２３を有している。
図１に示されているように、少なくとも第１の電極２２は、絶縁基板２１の表面（上面）３２において、広い面積の電極パッド２２ａを有している。この実施形態では、第２の電極２３の絶縁基板２１の表面に露出した電極パッド２３ａは第１の電極２２の電極パッド２２ａよりも小さい。

電極パッド２２ａの上には、発光素子２４がダイボンディングにより接合されている。特に、発光素子２４は、その素子面を上に向けて、例えば、樹脂系の接着部材を用いて、ダイボンディングにより接合されるとともに、該発光素子２４の上方に露出した電極部は、ボンディングワイヤ２６，２７により、それぞれ電極パッド２２ａと電極パッド２３ａに対して、電気的に接続されている。また、第１の電極２２と第２の電極２３は絶縁基板２１の下面に露出されて、それぞれ実装端子２２ｂ，２３ｂとされている。そして、発光素子２４は、後述する手法により、蛍光体３１により被覆されている。

発光素子２４が接合された電極パッド２２ａは絶縁基板２１を貫通する延長部２２ｄを有し、この延長部２２ｄが絶縁基板２１の裏面で上記実装端子２２ｂと一体に接続されている。
延長部２２ｄの水平断面積、すなわち図３で点線で示す面積は、発光素子２４の底部の面積より大きい。

また、好ましくは、第１の電極２２の延長部２２ｄの外形は、発光素子２４の外形よりも大きくされている。
具体的には、図３に示すように、第１の電極２２の延長部２２ｄの水平断面の縦寸法をＴ１、横寸法をＮ１とし、前記発光素子の縦寸法Ｔ２、横寸法をＮ２とした場合に、Ｔ２＞Ｔ１および／またはＮ２＞Ｎ１とされている。

このような構成によれば、発光素子２４が、広い面積でなる電極パッド２２ａに接合されている。電極パッド２２ａは、通常、光反射性の金属膜、すなわち反射金属膜で形成されているから、該発光素子２４の下面から出る光は、この電極パッド２２ａで上方に向かって反射される。このため下方側、すなわち、絶縁基板２１側に光が透過して進行することがなく、光取り出し効率が向上する。
しかも発光素子２４が、該発光素子２４からの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体などの蛍光物質を含有する塗料などにより覆われていることにより、白色系の光で発光することができ、透明な封止部材２８を介して、明るい白色の照明光を射出させることができる。

しかも、発光素子２４は、第１の電極２２の広い面積で形成した電極パッド２２ａに接合されているので、該発光素子２４が発光して生成された熱は、電極パッド２２ａに効率よく伝達される。そして、第１の電極２２は、絶縁基板２１を貫通して延長部２２ｄとなり、裏面に露出されているので、その熱は絶縁基板２１に伝達・放熱されることになる。
特に、第１の電極２２の延長部２２ｄの水平断面積を発光素子２４の底面積よりも大きくすることにより、きわめて多量の熱を迅速に伝達できるとともに、実装端子２２ｂを介して、図示しない二次基板側に、あるいは絶縁基板２１に対して、効率よく放熱することができる。
以上により、発光素子である発光素子２４およびその周辺部材へ熱がこもり熱的悪影響が及ぶことを防止することができる。

次に、本実施形態の好ましい構成について、より詳細に説明する。
絶縁材料でなる絶縁基板２１は、通常基板として広く用いられているガラスエポキシ基板の他、セラミックスもしくは合成樹脂、有機物に無機物が含有されたハイブリッド材料、もしくはセラミックスで形成することができる。
この本実施形態では、セラミックスが選択されている。

絶縁基板２１を、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成する場合には、熱伝達率が７０乃至８０（Ｗ／ｍ２ｈ℃）と、比較的高く、放熱性に優れるとともに、可撓性があることで、成形性、加工性に優れている点を利用して製造が容易となる。
また、絶縁基板２１を、窒化アルミニウム（ＡｌN）により形成すると、その２００（Ｗ／ｍ２ｈ℃）を超える良好な熱伝導率により、特に放熱機能に優れた発光装置を得ることができる。

さらに、絶縁基板２１を、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）により形成すると、３００（Ｗ／ｍ２ｈ℃）の良好な熱伝導率により、特に放熱機能に優れた発光装置を得ることができるという利点がある。
また、絶縁基板２１を、金属浸透複合材料（Ａｌ／Ｃ、Ａｌ／ＳｉＣ、Ｃｕ／Ｍｏなど）により形成すると、１５０−３５０（Ｗ／ｍ２ｈ℃）の高い熱伝達率を有するだけでなく、成形性・加工性にも優れているという利点がある。

ここで、絶縁基板２１は、上記各材料や、あるいは、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ_２Ｏ_３）によるセラミックスグリーンシートなどで形成することができ、その焼結前に電極などが貫通するための貫通孔を形成し、該貫通孔内にタングステンメタライズを形成するための導電ペーストを印刷などにより充填することができる。また、同時に導電ペーストは、電極パッド２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを形成すべき箇所にも塗布しておく。そして、上記焼結後に金メッキなどを施すことにより、各電極パッドと、実装端子とを形成することができるとともに、この電極パッドと実装端子とを絶縁基板２１を貫通して導通させることができる。

なお、導電ペーストは、タングステンやモリブデンなど高融点金属を樹脂バインダーに含有させたペースト状の材料であり、例えばスクリーン印刷などの手法により焼結前のグリーンシート成形物に塗布し、セラミックス材料の焼結とともに、メタライズ部を形成することができるものである。

さらに、絶縁基板２１は、耐熱樹脂により形成することができる。
耐熱樹脂にはガラスクロスを混入することが好ましい。すなわち、例えば、ガラスクロスを基材としたシリコーン樹脂や、ガラス繊維のフィラーを混入したエポキシ樹脂などを用いることができる。
このような材料を用いることで、安価で加工し易い絶縁基板を作製可能であるという利点がある。

さらに、図１ないし図３を参照して理解されるように、第１の電極２２の電極パッド２２ａは広い面積とするだけでなく、発光装置２０のほぼ中央部に形成している。これにより、電極パッド２２ａに接合される発光素子２４も発光装置２０のほぼ中心に位置させることができるので、発光装置２０はいずれかの方向に偏ることなくバランス良く照明光を照射することができるものである。
また、第１の電極２２の電極パッド２２ａは、その周囲に沿ってほぼＬ字状に回り込むように形成された引き回し部２２ｃを有しており、該引き回し部２２ｃであるパッドに保護素子が実装されている。これは発光素子２４に大きな電流が流れて破壊されることを防止するための例えば、ツェナーダイオード２５である。このツェナーダイオード２５は、発光素子２４への通電回路へ並列に介装されている。

ここで、発光装置２０で使用する発光素子２４としては、ひとつの素子が図示されているが、ひとつに限らず、複数個の発光素子を用いることができる。
この発光素子としては、広く用いられているものを利用することができるが、複数用いる場合は、赤色系発光素子と、緑色系発光素子とともに、発光波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍである青色系発光素子を用いることが必要である。また、好ましくは、発光素子２４を図１のように、同色発光の発光素子を複数個用いることもできる。場合には、青色系発光素子を含むようにすることが好ましい。
このような発光素子２４としては、広く用いられているものを利用することができるが、青色系発光素子としては、ＩｎＧａＮの半導体を発光層として形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）を好適に利用することができる。

このような発光素子２４からの光が下方へ漏れないように反射させるための反射金属膜としての電極パッド２２ａは、その光反射率が７０％以上となる反射金属膜を形成することが好ましい。
このような金属膜としては、金、アルミニウム、銀、パラジウム、ロジウムなどを主成分とする合金からなる反射金属膜を形成することが好ましい。金は波長４３０ｎｍから４９０ｎｍの光に対して、ほぼ７０％の反射率を有している。金による反射金属膜は、絶縁基板２１の上面に対して、スパッタリングで形成することができる。あるいは、タングステンメタライズ上に、ニッケルの下地を形成し、その後にメッキすることなどにより形成することができる。

電極パッド２２ａ表面の反射金属膜としてアルミニウムをスパッタリングなどで形成することもできる。このアルミニウムは波長４３０ｎｍから４９０ｎｍの光に対して、ほぼ９２％の反射率を有しており、金等よりも安価に形成できる利点がある。
また、銀は波長４３０ｎｍから４９０ｎｍの光に対して、ほぼ９６％の反射率を有しており、絶縁基板２１の上面３２に対して、スパッタリングやニッケルの下地を形成後にメッキすることなどにより形成することができる。あるいは銀ペーストなどによるメタライズを形成することによっても形成可能である。

また、前記反射金属膜としての電極パッド２２ａ上に図示しない硫化防止膜が形成されていることが好ましく、これにより、高温高湿下での使用による硫化に起因する反射性の低下を抑制することができる。硫化防止膜は、ＳｉＯ_２，ＳｉＣ，Ｓｉ，又はそれらのいずれかを主成分とする材料を用いることができる。ここで主成分とするとは、材料中にＳｉＯ_２，ＳｉＣ，又はＳｉを９０ｍｏｌ％以上含有することを意味し、好ましくは９５ｍｏｌ％以上である。
硫化防止膜の膜厚は、３〜２２ｎｍとすることが好ましい。３ｎｍ以上あれば、スパッタリングにより形成された膜がほぼ均一になるので硫化防止機能を発揮するが、これよりも薄いと、部分的に欠陥を生じる確率が急に高くなってしまう。また、２２ｎｍを超えると、膜厚の増加と共に反射金属膜の反射率が低下してしまう。

次に、図１および図２に示す封止部材２８について説明する。
封止部材２８は、発光素子２４を気密的および液密的に覆い保護するものであり、透明な合成樹脂が用いられる。このような樹脂としては、エポキシ樹脂や、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、ポリアミドなど半導体に用いる封止樹脂を好適に使用できる。また、樹脂以外にも透明なガラスなどを用いてもよい。樹脂を用いる場合には、耐熱性や耐光性に優れ、紫外線を含む短波長の高エネルギー光に曝されても着色劣化しにくいシリコーン樹脂や変性シリコーン樹脂を用いることが好ましい。
このような封止部材２８は、図示されているように、発光素子２４の表面だけでなく、電極パッド２２ａ，引き回し部２２ｃおよび、絶縁基板２１の表面が露出した領域である上面３２にも接触するように形成されている。これにより、封止部材２８はセラミック製の上面３２と強固に結合して、剥離したり、破壊されたりしにくくされている。

ここで、封止部材２８としての封止樹脂には、発光素子２４からの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体などの蛍光物質を含有させることにより、白色系の光を発光することが可能な高出力な発光装置２０を形成することができる。
さらに、透明な封止部材２８には、視野角を増加するためチタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等の拡散剤を混入してもよい。
また、封止部材２８には、特定の波長をカットするための着色料を混入させてもよい。

さらには、図２に示されているように、絶縁基板２１の電極パッド２２ａ上に、発光素子２４を接着部材などを用いて接合し、かつ発光素子２４の電極部をワイヤボンディング２６，２７により電気的に接続した後、絶縁基板２１の表面（上面３２）側に露出した全ての表面に対して、電着により蛍光体３１を付着させてもよい。この蛍光体３１としては、例えば、ＹＡＧに代表される一般的な蛍光体などを使用することができる。
その後で、封止部材２８をモールドすることにより、この電着した蛍光体３１が落剥することが好適に防止される。

本発明は上述の実施形態に限定されない。上述の実施形態における各構成は、必要により、その一部を省略したり、他の構成と入れ換えて、異なる構成の組み合わせのもとで実施されてもよい。

本発明の実施形態にかかる発光装置の概略斜視図。 図１のＡ−Ａ線切断端面図。 図１の発光装置の概略底面上面図。 従来の発光装置の一例を示す概略断面図。

符号の説明

２０・・・発光装置、２１・・・絶縁基板、２２・・・第１の電極、２２ａ・・・電極パッド、２２ｂ・・・実装端子、２３・・・第２の電極、２３ａ・・・電極パッド、２３ｂ・・・実装端子、２８・・・封止部材

Claims (3)

1. 平面に正負の各電極を有する絶縁基板と、
   該絶縁基板の厚み方向に形成された各貫通孔と、
   前記正負の各電極から前記各貫通孔内に形成された電極延長部と、
   該電極の一方の電極の平面内に接合された発光素子と
   を有し、
   前記一方の電極から延長された前記電極延長部の水平断面積が、前記発光素子の底面積よりも大きく、
   かつ前記発光素子が、蛍光体を介して光を射出させるように透明な封止部材で封止されている
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記電極延長部の水平断面の縦寸法をＴ１、横寸法をＮ１とし、前記発光素子の縦寸法Ｔ２、横寸法をＮ２とした場合に、Ｔ２＞Ｔ１および／またはＮ２＞Ｎ１とされていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記絶縁基板が、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）により形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光装置。

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