JP2008153466A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、ＬＥＤチップ１０から放射される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含有するドーム状の透光性部材からなり実装基板２０との間にＬＥＤチップ１０を囲む形で配設された色変換部材３０と、ＬＥＤチップ１０などを封止した封止材からなるゲル状の封止部４０とを備えている。色変換部材３０は、光入射面３０ａを曲率半径が一定の凹曲面により構成してあり、当該色変換部材３０の肉厚を一定と仮定した場合の一つの凸曲面からなる仮想光出射面よりも放熱面積を増大させる放熱用構造として、光出射面３０ｂに多数の半球状の凹部３１が設けられている。
【選択図】図１

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に関するものである。

従来から、青色光あるいは紫外光を放射するＧａＮ系のＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体や光吸収体とを組み合わせることにより、白色を含め、ＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている（例えば、特許文献１，２参照）。なお、この種の発光装置は、小型、軽量、省電力といった長所を有し、例えば、小型電球（白熱電球、ハロゲン電球など）の代替の光源、携帯電話の液晶パネル用光源（液晶パネル用バックライト）などとして広く用いられている。

ここにおいて、上記特許文献１には、図９に示すように、ＬＥＤチップ１０’と、ＬＥＤチップ１０’が実装された実装基板２０’と、ＬＥＤチップ１０’から放射される光によって励起されて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するドーム状の透光性部材からなり実装基板２０’との間にＬＥＤチップ１０’を囲む形で配設された色変換部材３０’とを備えた発光装置が提案されている。なお、図９に示した構成の発光装置は、色変換部材３０’がドーム状に形成されているので、観察角度による色むらを抑制できるという利点がある。

また、上記特許文献２には、図１０に示すように、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”および当該ＬＥＤチップ１０”に電気的に接続されたボンディングワイヤ１４”を封止した透光性樹脂（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など）からなる半球状の封止部４０”と、蛍光顔料を含有した透光性樹脂（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など）により形成され封止部４０”の表面を覆った色変換部１３０”とを備えた発光装置が提案されている。

なお、上記特許文献１，２に記載された発光装置のように白色光が得られる発光装置を照明用光源などに使用する場合には、発光装置の個数を増やすとともに、ＬＥＤチップのジャンクション温度が最大ジャンクション温度を超えないようにしつつ発光装置への投入電力を大きくして所望の明るさを得るのが一般的である。
特開２００３−１１０１４６号公報（段落〔００８１〕−〔００８６〕、および、図１７） 特開２００６−２９５２２８号公報（段落〔００４０〕−〔００４６〕、および、図３）

ところで、図９に示した構成の発光装置においては、投入電力を大きくすると、ＬＥＤチップ１０’から放射される青色光あるいは紫外光の放射エネルギが大きくなり、蛍光体でのストークスシフトによるエネルギ損失に起因した発熱量の総量が大きくなり、蛍光体を含有する透光性樹脂により形成されたドーム状の色変換部材３０’の温度が上昇する。

しかしながら、図９に示した構成の発光装置では、ドーム状の色変換部材３０’は実装基板２０’側の端部しか実装基板２０’と接していないので、色変換部材３０’の蛍光体で発生した熱を効率よく放熱させることができず、蛍光体の発光効率が低下し、発光装置から出力される光量が低下するという問題や、ＬＥＤチップ１０’から放射される光と蛍光体から放射される光とのバランスが崩れ、色度がずれてしまうという問題や、色変換部材３０’の熱劣化に起因して寿命が短くなってしまうという問題などがあった。

また、図１０に示した構成の発光装置においても、色変換部３０’における蛍光体での温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下などの問題があった。また、図１０に示した構成の発光装置では、ＬＥＤチップ１０”およびボンディングワイヤ１４”を封止した封止部４０”を備えているので、図９に示した構成の発光装置に比べて耐候性を高めることができるが、ＬＥＤチップ１０”で発生した熱が封止部４０”を経由して色変換部１３０”へ伝熱されるので、ＬＥＤチップ１０”からの熱によっても蛍光体の温度が上昇する。

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、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、当該ＬＥＤチップが実装された実装基板と、ＬＥＤチップから放射される光によって励起されて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するドーム状の透光性部材からなり実装基板との間にＬＥＤチップを囲む形で配設された色変換部材とを備え、色変換部材は、一つの凸曲面からなる仮想光出射面よりも放熱面積を増大させる放熱用構造が設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤチップから放射される光によって励起されて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するドーム状の透光性部材からなり実装基板との間にＬＥＤチップを囲む形で配設された色変換部材を備え、色変換部材に、一つの凸曲面からなる仮想光出射面よりも放熱面積を増大させる放熱用構造が設けられているので、色変換部材における蛍光体で発生した熱を色変換部材の光出射面側から大気中へ効率良く放熱させることができ、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記放熱用構造は、前記色変換部材の光出射面に設けた凹部からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記色変換部材の肉厚を厚くすることなく放熱面積を大きくすることができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記放熱用構造は、前記色変換部材の厚み方向に貫設した貫通孔からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記色変換部材の肉厚を厚くすることなく放熱面積を大きくすることができる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記放熱用構造は、前記色変換部材よりも熱伝導率の高い材料により形成され一部が前記色変換部材に埋設され残りの部分が前記色変換部材の光出射面から突出した多数の針状部材からなることを特徴とする。

この発明によれば、放熱面積を増大できるだけでなく、前記色変換部材において光入射面側に近い部位に存在する蛍光体で発生した熱をより効率良く放熱させることができる。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記放熱用構造は、透明材料により形成され前記色変換部材の光出射面から突設された多数の錘状突起からなることを特徴とする。

この発明によれば、請求項４の発明に比べて、放熱面積を増大させることができるとともに、前記放熱用構造に起因した光出力の低下を抑制することができる。

請求項１の発明では、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、ＬＥＤチップ１０から放射される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含有するドーム状の透光性部材からなり実装基板２０との間にＬＥＤチップ１０を囲む形で配設された色変換部材３０と、色変換部材３０と実装基板２０とで囲まれた空間に充実されＬＥＤチップ１０などを封止した封止材からなるゲル状の封止部４０とを備えている。

実装基板２０は、矩形板状のセラミックス基板（例えば、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板などの電気絶縁性を有し且つ熱伝導率の高いセラミックス基板）からなる絶縁性基板２１を用いて形成されており、ＬＥＤチップ１０の各電極とそれぞれ電気的に接続される２つの配線パターン２２，２２が形成されている。ここで、各配線パターン２２，２２は、絶縁性基板２１の一表面（図１（ａ）における上面）と側面と他表面（図１（ａ）における下面）とに跨って形成されており、各配線パターン２２，２２のうち側面と他表面とに跨って形成されている部位が外部接続用電極２２ｂ，２２ｂを構成している。また、各配線パターン２２，２２は、Ｃｕ膜と当該Ｃｕ膜上のＡｕ膜とで構成されている。なお、絶縁性基板２１は、セラミックス基板に限らず、エポキシ樹脂基板やホーロー基板などを用いてもよい。

また、本実施形態の発光装置は、実装基板２０における絶縁性基板２１の上記他表面の中央部に、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を放熱させるための矩形状の放熱用導体部２６が形成されているので、図示しない配線基板に実装する際に、放熱用導体部２６を半田からなる接合部を介して配線基板の導体パターンと固着して配線基板と熱結合させることにより、ＬＥＤチップ１０の温度上昇を抑制することができる。なお、放熱用導体部２６は、各配線パターン２２，２２と同じ材料により形成されている。また、放熱用導体部２６は、ＬＥＤチップ１０よりも平面サイズを大きく設定してある。

一方、ＬＥＤチップ１０は、青色の波長域の光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板であるサファイア基板からなるベース基板の一表面側にＧａＮ系化合物半導体材料からなる発光部が形成されており、各電極が金属材料（本実施形態では、Ａｕ）からなるバンプ１６，１６を介して実装基板２０の配線パターン２２，２２と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０におけるベース基板としてサファイア基板を採用しているが、ベース基板はサファイア基板に限らず、ＳｉＣ基板などでもよい。また、ベース基板は、結晶成長用基板に限らず、結晶成長後に発光部と接合したＳｉ基板などでもよい（この場合には結晶成長用基板を除去する）。また、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０が実装基板２０に対してフリップ実装されているが、ボンディングワイヤを用いた実装構造を採用してもよい。

色変換部材３０は、シリコーン樹脂のような透光性材料にＬＥＤチップ１０から放射される青色光を吸収することで励起されて青色光よりも低エネルギの黄色光を放射する粒子状の黄色蛍光体を含有する透光性部材により構成されている。したがって、本実施形態の発光装置は、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黄色光とが色変換部材３０の光出射面３０ｂ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３０の材料として用いる透光性材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、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３０の材料として用いる透光性材料に含有させる蛍光体も黄色蛍光体に限らず、色調整や演色性を高めるなどの目的で複数種類の蛍光体を用いてもよく、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを用いることで演色性の高い白色光を得ることができる。ここで、複数種類の蛍光体を用いる場合には必ずしも発光色の異なる蛍光体の組み合わせに限らず、例えば、発光色はいずれも黄色で発光スペクトルの異なる複数種類の蛍光体を組み合わせてもよい。

上述の色変換部材３０は、開口部の周縁が全周に亘って実装基板２０に対して接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着されている。

また、封止部４０の封止材としては、シリコーン樹脂を採用しているが、シリコーン樹脂に限らず、例えば、エポキシ樹脂や、ガラスなどを採用してもよい。なお、封止部４０は、ＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０の各電極に電気的に接続されたバンプ１６，１６を封止している。

ところで、色変換部材３０は、光入射面３０ａを曲率半径が一定の凹曲面により構成してあり、当該色変換部材３０の肉厚を一定と仮定した場合の一つの凸曲面からなる仮想光出射面よりも放熱面積を増大させる放熱用構造として、光出射面３０ｂに多数の半球状の凹部３１が設けられている。ここにおいて、色変換部材３０とＬＥＤチップ１０とは互いの光軸が一致するように配置されており、色変換部材３０は、光入射面３０ａの曲率中心と各凹部３１の曲率中心とを結ぶ多数の仮想直線のうち当該色変換部材３０の光軸を含む断面において隣り合う仮想直線同士のなす角度が所定角度になるように各凹部３１の形成位置を設定してある。

本実施形態では、ＬＥＤチップ１０のチップサイズが１ｍｍ□であり、実装基板２０のサイズを８ｍｍ□、厚みを０．３ｍｍとし、色変換部材３０の内径を４ｍｍ、外径を５ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとし、当該色変換部材３０の光出射面３０ｂにおける凹部３１の直径を０．５ｍｍ、上記所定角度を１８°としてあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。なお、本実施形態の発光装置では、ＬＥＤチップ１０として、高出力タイプのＧａＮ系青色ＬＥＤチップを用いているので、ＬＥＤチップ１０のジャンクション温度が最大ジャンクション温度を超えず且つ所望の光出力が得られるように、ＬＥＤチップ１０への投入電力を例えば１〜３Ｗ程度として用いることになる。

以上説明した本実施形態の発光装置では、色変換部材３０に、一つの凸曲面からなる仮想光出射面よりも放熱面積を増大させる放熱用構造が設けられているので、図９に示した構成の発光装置のように色変換部材３０’の光出射面が一つの凸曲面により構成されている場合に比べて、色変換部材３０の表面積を大きくすることができ、色変換部材３０における蛍光体で発生した熱を色変換部材３０の光出射面３０ｂ側から大気中へ効率良く放熱させることができ、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる。ここにおいて、本実施形態の発光装置では、色変換部材３０の光出射面３０ｂに設けた凹部３１が放熱用構造を構成しているので、色変換部材３０の肉厚を厚くすることなく放熱面積を大きくすることができる。

また、本実施形態の発光装置では、上述のように実装基板２０における絶縁性基板２１として熱伝導率の高いセラミックス基板を用いているので、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を効率よく放熱させることができ、ＬＥＤチップ１０で発生して封止部４０へ伝熱した熱も効率よく放熱させることができる。

なお、本実施形態では、実装基板２０と色変換部材３０とで囲まれた空間がＬＥＤチップ１０を封止した封止部４０により充実されているが、上記空間を不活性ガス雰囲気や真空雰囲気としてもよいし、ＬＥＤチップ１０を封止する封止部４０と色変換部材３０の光入射面３０ａとの間に空気層が形成されるようにしてもよい。また、色変換部材３０の形状はドーム状であれば、特に限定するものではない。

また、放熱用構造として設ける凹部３１の形状は半球状の形状に限らず、例えば、図２に示すように平面視形状が格子状の形状としてもよいし、図３に示すように平面視形状が放射状の形状としてもよい。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、色変換部材３０の光入射面３０ａにおいて、光出射面３０ｂの凹部３１に対応する位置に半球状の凸部３２を設けることで色変換部材３０の肉厚を均一にしてある点が相違する。すなわち、本実施形態における色変換部材３０は、ＬＥＤチップ１０から放射される光の放射角によらず色変換部材３０の肉厚が同じとなるように光入射面３０ａが光出射面３０ｂに沿った形状に形成されている。言い換えれば、色変換部材３０は、光入射面３０ａに凹凸構造を設けることで肉厚を均一にしてある。なお、実施形態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。

しかして、本実施形態の発光装置では、色変換部材３０の光出射面３０ｂに凹部３１が形成されていることにより、実施形態１の発光装置と同様に、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制でき、その上、色変換部材３０の光入射面３０ａに凸部３２を設けることで色変換部材３０の肉厚を均一にしてあるので、色斑の発生を抑制することができる。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５（ａ），（ｂ）に示すように、色変換部材３０における放熱用構造が、色変換部材３０の厚み方向に貫設した多数の円孔状の貫通孔３３により構成されている点が相違する。なお、実施形態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。

本実施形態では、貫通孔３３の内径寸法を０．５ｍｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。

本実施形態の発光装置では、色変換部材３０の肉厚を厚くすることなく放熱面積を大きくすることができ、色変換部材３０における蛍光体で発生した熱を色変換部材３０の光出射面３０ｂ側から大気中へ効率良く放熱させることができ、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる。

（実施形態４）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６（ａ），（ｂ）に示すように、色変換部材３０における放熱用構造が、色変換部材３０よりも熱伝導率の高い材料（例えば、Ｃｕなど）により形成され一部が色変換部材３０に埋設され残りの部分が色変換部材３０の光出射面３０ｂから突出した多数の針状部材３４により構成されている点が相違する。なお、実施形態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。

本実施形態では、針状部材３４として、直径が０．１ｍｍの銅線を用い、長手方向の一端面が色変換部材３０の光入射面３０ａと揃い、長手方向の他端側が色変換部材３０の光出射面３０ｂから０．５ｍｍだけ突出する形でＬＥＤチップ１０を中心として放射状に配置してある。なお、針状部材３４の材料や寸法は一例であり、特に限定するものではない。

本実施形態の発光装置では、放熱面積を増大できるだけでなく、色変換部材３０において光入射面３０ａ側に近い部位に存在する蛍光体で発生した熱をより効率良く放熱させることができ、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる。また、本実施形態の発光装置では、多数の針状部材３４がＬＥＤチップ１０を中心として放射状に配置されているので、針状部材３４により光が遮光されて光出力が低下するのを抑制することができる。

（実施形態５）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図７（ａ），（ｂ）に示すように、色変換部材３０における放熱用構造が、透明材料により形成され色変換部材３０の光出射面３０ｂから突設された多数の錘状突起３５により構成されている点が相違する。なお、実施形態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。

色変換部材３０における錘状突起３５は、ＬＥＤチップ１０を中心として放射状に配置してある。ここにおいて、錘状突起３５は、上述の透明材料として、色変換部材３０の透光性材料と同じシリコーン樹脂を採用しているが、蛍光体は分散させていない。

本実施形態では、錘状突起３５を円錐状の形状とし、色変換部材３０の光出射面３０ｂからの突出寸法を０．５ｍｍに設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではない。

しかして、本実施形態の発光装置では、色変換部材３０の光出射面３０ｂから突出する部分が錘状突起３５により構成されているので、実施形態４に比べて、放熱面積を増大させることができ、また、錘状突起３５の材料として採用しているシリコーン樹脂のほうが実施形態４において針状部材３４の材料として採用しているＣｕのような金属に比べて放射率が高いので、色変換部材３０の蛍光体で発生した熱をさらに効率良く放熱させることができ、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる。また、本実施形態の発光装置では、色変換部材３０の光出射面３０ｂから突出する錘状突起３５が透明材料により形成されているので、実施形態４に比べて、放熱用構造に起因した光出力の低下を抑制することができる。

（実施形態６）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態４と略同じであって、図８（ａ），（ｂ）に示すように、針状部材３４のうち色変換部材３０の光出射面３０ｂから突出した部分を芯とする形で実施形態５にて説明した錘状突起３５が色変換部材３０の光出射面３０ｂから突設されている点が相違する。なお、実施形態４，５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。

しかして、本実施形態の発光装置では、実施形態４，５に比べて、色変換部材３０の蛍光体で発生した熱をさらに効率良く放熱させることができ、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下、色ずれ、信頼性低下を抑制できる。

ところで、上述の各実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しているが、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、紫外光でもよい。

実施形態１の発光装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。 同上における色変換部材の他の構成例を示す概略平面図である。 同上における色変換部材の他の構成例を示す概略平面図である。 実施形態２の発光装置の概略断面図である。 実施形態３の発光装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。 実施形態４の発光装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。 実施形態５の発光装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。 実施形態６の発光装置を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。 従来例を示す発光装置の概略断面図である。 他の従来例を示す発光装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤチップ
２０ 実装基板
３０ 色変換部材
３０ａ 光入射面
３０ｂ 光出射面
３１ 凹部
３３ 貫通孔
３４ 針状部材
３５ 錘状突起
４０ 封止部

Claims (5)

1. ＬＥＤチップと、当該ＬＥＤチップが実装された実装基板と、ＬＥＤチップから放射される光によって励起されて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するドーム状の透光性部材からなり実装基板との間にＬＥＤチップを囲む形で配設された色変換部材とを備え、色変換部材は、一つの凸曲面からなる仮想光出射面よりも放熱面積を増大させる放熱用構造が設けられてなることを特徴とする発光装置。
2. 前記放熱用構造は、前記色変換部材の光出射面に設けた凹部からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記放熱用構造は、前記色変換部材の厚み方向に貫設した貫通孔からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記放熱用構造は、前記色変換部材よりも熱伝導率の高い材料により形成され一部が前記色変換部材に埋設され残りの部分が前記色変換部材の光出射面から突出した多数の針状部材からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
5. 前記放熱用構造は、透明材料により形成され前記色変換部材の光出射面から突設された多数の錘状突起からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。

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