JP2012009633A

JP2012009633A - 発光装置

Info

Publication number: JP2012009633A
Application number: JP2010144369A
Authority: JP
Inventors: Shinya Oda; 真也小田; Kenichiro Tanaka; 健一郎田中
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP5662064B2

Abstract

【課題】発光装置において、光変換部材に含まれる蛍光体の熱を、簡易な構成で、効率的に放熱する。
【解決手段】発光装置１は、発光素子３と、発光素子３から出射する光の波長を変換する蛍光体を含有する光変換部材４と、を備え、発光素子３の近傍に配置され、放熱性及び絶縁性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される絶縁性放熱部材５と、これと接し、放熱性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される金属含有放熱部材６と、を有し、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６の一方又は両方が光変換部材４と接している。この構成によれば、光変換部材４で発生した熱が、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６の一方又は両方といった複数の伝達経路を介して伝達されるので、簡易な構成で、効率的に放熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子から出射する光の波長を変換する蛍光体を含有する光変換部材を備えた発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、表示等や照明器具等の様々な電気機器の光源として使用されている。近年では、赤色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤに加えて、青色ＬＥＤが実用化され、これらＲＧＢ３色のＬＥＤを組み合わせたり、ＬＥＤと、ＬＥＤから出射する光の波長を変換する蛍光体と組み合わせることで、様々な光色を発光することができるようになった。

また、青色ＬＥＤの光を蛍光体に当てて黄色の光を出力し、青色光と黄色光とを混色させて白色光を作り出す発光装置が知られている。この種の白色光を発光する発光装置においては、青色ＬＥＤを封止するためのシリコーン樹脂等の樹脂材料に蛍光体が混錬されており、ＬＥＤから発する青色光の波長を変換する際に、蛍光体は励起されて発熱する。しかし、蛍光体は、周囲温度が高くなるに従って変換効率が低下することが知られている。そのため、蛍光体が長期間又は高出力の光に曝されると、発光装置の発光効率が低下するだけなく、発光波長が変化し、光色の色合いが変化してしまう虞がある。特に、近年では、ＬＥＤを用いた発光装置が、照明器具用光源として利用され、発光装置の高出力化が進んでおり、蛍光体に対する負荷も大きくなっている。そのため、蛍光体の周囲の温度上昇を抑制することが、発光装置の信頼性を確保する上で必要である。

そこで、封止樹脂中に酸化アルミニウム皮膜又は窒化アルミニウム皮膜で被膜されたアルミニウム粉末を充填することにより、樹脂の熱放散性を向上させた樹脂封止半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、蛍光体が混練されている光変換部材に、冷媒を還流させるための流路を有する放熱部材を設けた発光装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−１５６５５５号公報特開２００５−２９４１８５号公報

しかしながら、上記特許文献１には、蛍光体から封止樹脂に伝わった熱を、装置外へ放熱するための経路が示されていない。封止樹脂に伝わった熱が、封止樹脂から、空気中又は実装基板等の部材に効率的に伝達されなければ、封止樹脂内に熱が篭ってしまい、蛍光体の変換効率を低下させることになる。また、上記特許文献２に記載の発光装置は、放熱部材の構造が複雑になるので、装置の高コスト化の原因となり、また、例えば、流路に気泡等が混入すると、発光素子からの光の利用効率を低下させる虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、蛍光体の熱を、簡易な構成で、効率的に放熱することができる発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子から出射する光の波長を変換する蛍光体を含有する光変換部材と、を備えた発光装置であって、前記発光素子の近傍に配置され、放熱性及び絶縁性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される絶縁性放熱部材と、前記絶縁性放熱部材と接し、放熱性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される金属含有放熱部材と、を有し、前記絶縁性放熱部材及び金属含有放熱部材の一方又は両方が前記光変換部材と接していることを特徴とする。

また、前記絶縁性放熱部材は、前記発光素子の側面に接していることが望ましい。

好ましくは、前記発光素子は、基板に形成された凹部に実装され、前記発光素子と前記凹部との間に前記絶縁性放熱部材が配置されている。

また、前記凹部は、前記発光素子からの光が入射する面が光反射性を有することが望ましい。

前記発光素子は、複数個が基板上に実装されていてもよい。

本発明によれば、光変換部材に含有される蛍光体の熱が、絶縁性放熱部材及び金属含有放熱部材の一方又は両方といった複数の伝達経路を介して伝達されるので、簡易な構成で、効率的に放熱することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置の一部分解斜視図、（ｂ）は同発光装置の側断面図。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置の一部分解斜視図、（ｂ）は同発光装置の側断面図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の一部分解斜視図、（ｂ）は同発光装置の側断面図。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置について、図１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、実装基板２上に実装された発光素子３と、この発光素子３から出射する光の波長を変換する蛍光体を含有する光変換部材４と、を備える。発光素子３の近傍には、放熱性及び絶縁性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される絶縁性放熱部材５が配置される。また、放熱性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される金属含有放熱部材６が、絶縁性放熱部材５の外周と接するように配置される。

絶縁性放熱部材５は、発光素子３の側面に接していることが望ましい。また、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６は、いずれか一方が光変換部材４と接していればよいが、それらの上面が同一平面となるように形成され、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６の両方が光変換部材４と接していることが望ましい。なお、光変換部材４は、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６だけでなく、発光素子３とも接するように配置されることが望ましい。

実装基板２は、電気絶縁性を有し、且つ熱伝導率の高い基板であり、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の金属酸化物（セラミックスを含む）、金属窒化物、又は金属、樹脂等の材料から構成される。実装基板２の一表面には、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）等の導電性金属から成る配線パターン２１が設けられ、この配線パターン２１が発光素子３と電気的に接続される。配線パターン２１の一端側には、Ａｕ、半田等の金属材料から成るバンプ（不図示）を介して接合される素子端子部（不図示）が形成され、他端側に外部接続用端子部２１ａが形成される（図１（ａ）参照）。なお、図１（ｂ）は配線パターン２１の図示を省略している。配線パターン２１は、素子端子部及び外部接続用端子部２１ａを除き、絶縁層によって覆われている。外部接続用端子部２１ａは、発光装置１の平面視において、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６よりも外側の実装基板２上に配置される。なお、実装基板２中にビアホールを形成し、このビアホールに導電性金属等から成る配線を挿通させることにより、実装基板２表面ではなく、実装基板２裏面に配線パターン２１を設けてもよい（不図示）。

発光素子３は、光変換部材４へ光を出射することにより、発光装置１として所望の光色の発光を可能とする光源であれば特に限定されないが、好ましくは、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップが用いられる。本実施形態においては、発光素子３として矩形板状のチップを示すが、発光素子３の形状はこれに限られず、発光装置１の用途等に応じたものが用いられる。発光素子３は、具体構成として、ｐ形窒化物半導体層、発光層及びｎ形窒化物半導体層の積層構造から成る発光部と、ｎ形窒化物半導体層に電気的に接続されたカソード電極と、ｐ形窒化物半導体層に電気的に接続されたアノード電極とを備える。カソード電極及びアノード電極は、素子の下面側に形成され、これらカソード電極及びアノード電極がバンプを介して配線パターン２１の素子端子部に接合されることにより、発光素子３は実装基板２に実装される。なお、ここでは、発光素子３の実装方法として、フェイスダウン式の発光素子３をフリップチップ実装する例を示したが、発光素子３はフェイスアップ式のチップであってもよく、この場合、例えば、ダイスボンドとワイヤを用いて接続する方法等が用いられる。

光変換部材４は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂又はアクリル樹脂等の透光性を有する樹脂材料に蛍光体を混練させ、この蛍光体含有樹脂材料をシート状に形成された部材であり、発光素子３上に配置される。また、光変換部材４は、発光素子３上に上記樹脂材料を、例えば、印刷、インクジェット、ボッティング等の塗布方法により塗布することによって形成されてもよい。なお、樹脂材料には、熱伝導率を上げるために、フィラーを含有させてもよい。

蛍光体には、発光装置１に求められる演色性等の発光性能、及び発光素子３の発光波長等の発光特性に応じた種類のものが用いられ、所定の含有濃度となるよう樹脂材料に混練される。例えば、発光素子３がＧａＮ系青色ＬＥＤチップである場合、黄色蛍光体として汎用されるＹＡＧ系蛍光体が樹脂材料に混練され、所定形状の光変換部材４が作成される。なお、光変換部材４は、蛍光体の含有濃度を、例えば、発光素子３の近傍側ほど漸次濃くなるように形成されてもよい。また、蛍光体の含有濃度が異なる複数の樹脂層を積層させてもよい。更に、絶縁性放熱部材５の近傍の蛍光体の含有濃度が濃くなるようにしてもよく、こうすれば、波長変換時に生じる熱を効率的に絶縁性放熱部材５に伝達することができる。

絶縁性放熱部材５は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の絶縁性を有する金属酸化物又は金属窒化物等の粒状材料を、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂材料に含有させて作成される。なお、樹脂に含有される粒状材料又は粉状材料は、光反射性の高い材料が好ましい。こうすれば、発光素子３から出射された光を光変換部材４側へ反射することができるので、絶縁性放熱部材５に吸収又は拡散等して損失する光が少なくなり、光利用効率が向上する。

絶縁性放熱部材５は、予め発光素子３を実装基板２上に実装すると共に、発光素子３との間に隙間をあけて金属含有放熱部材６を配置しておき、発光素子３と金属含有放熱部材６との隙間に、上述の樹脂材料をポッティングすることにより配置される。また、金属酸化物等を含有させた樹脂材料から成るペーストを、スクリーン印刷を用いて塗布することにより、絶縁性放熱部材５を発光素子３上に配置してもよい。更に、絶縁性放熱部材５の形状を、その内周側面が発光素子３の外周側面に適合するように形成しておき、形成された絶縁性放熱部材５を発光素子３の外周に嵌め込んでもよい。

金属含有放熱部材６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）等の金属又はＡｌやＡｇの金属粒子を、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂又はアクリル樹脂等の樹脂材料に含有させて作成される。金属含有放熱部材６は、その内周面と発光素子３との間に隙間ができる形状となるように形成され、実装基板２上に配置される。また、予め発光素子３の外周側面に適合するように形成された絶縁性放熱部材５を実装基板２上に配置し、絶縁性放熱部材５の外周に、スクリーン印刷を用いてペースト状の金属粒子が混入された樹脂を塗布してもよい。

この発光装置１においては、発光素子３から出射する光の波長が、蛍光体を含有する光変換部材４によって変換され、波長を変換された光が光変換部材４から出射される。このとき、光変換部材４に含まれる蛍光体は、励起されて発熱する。この熱は、光変換部材４と接する絶縁性放熱部材５又は金属含有放熱部材６に伝達される。また、絶縁性放熱部材５又は金属含有放熱部材６のうちの一方の放熱部材に伝達された熱は、他方の放熱部材に熱を伝達され、それらの熱は実装基板２へ伝達される。

ここで、光変換部材４が、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６の両方並びに発光素子３に接する構成における熱の伝達経路について説明する。光変換部材４のうち、発光素子３の発光面に面する箇所は、蛍光体の励起に伴い、最も温度が高くなる。この箇所で発生した熱は、発光素子３に伝達され、更に、発光素子３から実装基板２に伝達される。また、発光素子３の発光面に面する箇所で発生した熱は、光変換部材４の外側へ放射状に広がると共に、絶縁性放熱部材５に伝達され、この熱は、直接的に実装基板２に、又は絶縁性放熱部材５の外周と接する金属含有放熱部材６を介して実装基板２に伝達される。また、光変換部材４から金属含有放熱部材６に伝達された熱は、直接的に実装基板２に、又は絶縁性放熱部材５を介して実装基板２に伝達される。金属含有放熱部材６に伝達された熱は、空気中へも放熱される。

このように、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６の２種類の放熱部材を備えたことにより、光変換部材４で発生した熱が、複数の伝達経路を介して伝達されるので、光変換部材４の熱が効率的に放熱される。従って、本実施形態の発光装置１によれば、光変換部材４に含まれる蛍光体の熱を、簡易な構成で、効率的に放熱することができ、光変換部材４の温度上昇を防ぐと共に、蛍光体の発光効率の低下を抑制することができる。

また、発光素子３の近傍に絶縁性放熱部材５が配置されているので、金属含有放熱部材６と発光素子３との間の絶縁性を確保することができる。更に、発光素子３と金属含有放熱部材６との間に、樹脂材料から成る絶縁性放熱部材５が配置され、この絶縁性放熱部材５が緩衝材として機能するので、発光装置１の寸法安定性を向上させることができる。また、金属含有放熱部材６に、ＡｌやＡｇのような光反射率の高い金属材料を用いることにより、絶縁性放熱部材５を透過して金属含有放熱部材６に入射した光を光変換部材４側へ反射することができるので、光利用効率を向上させることができる。

また、金属含有放熱部材６の熱伝導性が、絶縁性放熱部材５の熱伝導性よりも高くなるように、絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６に含有される金属材料等の種類及び濃度、樹脂の組成等が調整されていてもよい。こうすれば、光変換部材４の熱がより効率的に絶縁性放熱部材５から金属含有放熱部材６へ伝達されるので、放熱性能を向上させることができる。また、発光素子３の近傍に配置される絶縁性放熱部材５の温度上昇を抑制できるので、発光素子３で発生した熱も効率的に放熱することができる。更に、発光装置１の正面視における金属含有放熱部材６及び光変換部材４の形状が、略同形状となるよう、それらが形成されることが望ましい。こうすれば、金属含有放熱部材６上に光変換部材４を配置して固定することにより、発光装置１のパッケージングが容易となる。

次に、本実施形態の第２の実施形態に係る発光装置について、図２（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態に係る発光装置１は、発光素子３が、実装基板２に形成された凹部２２に実装され、発光素子３と凹部２２との間に絶縁性放熱部材５が配置されているものである。本実施形態においては、凹部２２が形成された実装基板２が、上記第１の実施形態における金属含有放熱部材６として機能する。

本実施形態の実装基板２は、発光素子３の厚みを収容できる凹部２２、発光素子３が実装される実装面２３及び配線パターン２１の形成することができるだけの厚みを有する。凹部２２は、光出射方向に形成される開口部２４が広く、実装面２３へ向けて狭くなるように形成されたテーパ状の傾斜面２５を有する。また、凹部２２は、実装面２３上に発光素子３を実装したときの発光素子３の上面の高さと、実装基板２の上面の高さとがほぼ等しくなるように形成される。これにより、発光素子３と凹部２２との間に絶縁性放熱部材５が配置（充填）され、発光素子３上に光変換部材４が配置されたときに、発光素子３、絶縁性放熱部材５及び実装基板２の上面が光変換部材４と接する。

また、本実施形態においては、凹部２２が形成された基板２を、金属含有放熱部材６として機能させるため、実装基板２には金属製又は金属を分散した絶縁材料から成る基板が用いられ、発光素子３の実装面２３には絶縁層２６が設けられる。なお、非金属製の基板を用いる場合、この基板に上述した凹部２２と略同形状の凹部を形成し、この凹部に金属材料から成る碗状部材を嵌め込む、又は非金属製の基板に形成された凹部に金属材料をコーティングすることにより、これらを金属含有放熱部材６として機能させてもよい。また、金属材料として、ＡｌやＡｇのような光反射率の高い材料を用いることにより、凹部２２の発光素子３からの光が入射する面が、光反射性を有するように構成することができる。こうすれば、凹部２２の傾斜面２５が、絶縁性放熱部材５を透過して傾斜面２５に入射した光を光変換部材４側へ反射する反射部材として機能するので、光利用効率を向上させることができる。

実装面２３には、発光素子３のカソード電極及びアノード電極に対応する位置に、ビアホール２７が形成され、また、実装基板２の裏面側に配線パターン２１を敷くための配線路２８が形成される（図２（ｂ）参照）。これらビアホール２７及び配線路２８には、実装面２３と同様に、絶縁層２６が被覆され、絶縁層２６で被覆されたビアホール２７及び配線路２８に配線パターン２１が施される。このように、配線パターン２１を立体的に設けることにより、発光装置１の小型化を実現することができる。

このように、金属製の実装基板２を加工して凹部２２を形成する、又は非金属製の実装基板２に形成された凹部２２を金属材料で加工することにより、実質的に金属含有放熱部材６を容易に形成することができる。また、発光素子３と凹部２２との間に樹脂材料を充填することにより、絶縁性放熱部材５を容易に形成することができる。更に、凹部２２を形成した実装基板２上に光変換部材４を配置して固定することにより、発光装置１のパッケージングも容易となる。従って、本実施形態の発光装置１によれば、蛍光体の発光効率の低下を抑制することができるだけでなく、発光装置１の製造効率を向上させることができると共に、製造コストを低減することができる。

次に、本実施形態の第３の実施形態に係る発光装置について、図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態に係る発光装置１は、発光素子３が、その複数個が基板上に実装されているものである。また、各発光素子３の側面には、個別に絶縁性放熱部材５が配置され、夫々の絶縁性放熱部材５の外周をカバーするように、金属含有放熱部材６が配置されている。なお、図例では、４個の発光素子３が実装されている構成を示しているが、発光素子３の個数は、発光装置１のパッケージサイズ及び所用出力等に応じて適宜に選択される。また、配線パターン２１も、発光素子３の個数、及び実装位置に応じた適宜のパターンに形成される。

光変換部材４は、図示したように、金属含有放熱部材６に対応する一部材であってもよいし、各発光素子３に対応する複数の部材であってもよい。なお、光変換部材４を一部材とすれば、複数の発光素子３から出射された光が、光変換部材４内で混光されるので、光変換部材４の出射面から面一な発光が可能となる。

本実施形態の発光装置１によれば、複数個の発光素子３を実装させることにより、発光装置１の用途等に応じた高出力化が可能になる。また、光変換部材４の蛍光体が高出力の光に曝されても、各発光素子３の側面に配置された絶縁性放熱部材５及び金属含有放熱部材６によって効率的に放熱されるので、光変換部材４の温度上昇を防ぐと共に、蛍光体の発光効率の低下を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、実装基板２に複数の凹部２２を形成し、各凹部２２に発光素子３を実装する共に、夫々の凹部２２と発光素子３との間に、絶縁性放熱部材５を配置してもよい。

１発光素子
２実装基板（基板）
２２凹部
３発光素子
４光変換部材
５絶縁性放熱部材
６金属含有放熱部材

Claims

発光素子と、前記発光素子から出射する光の波長を変換する蛍光体を含有する光変換部材と、を備えた発光装置であって、
前記発光素子の近傍に配置され、放熱性及び絶縁性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される絶縁性放熱部材と、
前記絶縁性放熱部材と接し、放熱性を有する金属又は金属粉を含有する樹脂から形成される金属含有放熱部材と、を有し、
前記絶縁性放熱部材及び金属含有放熱部材の一方又は両方が前記光変換部材と接していることを特徴とする発光装置。
前記絶縁性放熱部材は、前記発光素子の側面に接していることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記発光素子は、基板に形成された凹部に実装され、前記発光素子と前記凹部との間に前記絶縁性放熱部材が配置さ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。
前記凹部は、前記発光素子からの光が入射する面が光反射性を有することを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
前記発光素子は、複数個が基板上に実装されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光装置。