JP2012028501A

JP2012028501A - 発光装置

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Publication number: JP2012028501A
Application number: JP2010164876A
Authority: JP
Inventors: Chisato Furukawa; 千里古川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-09
Also published as: CN102347421A; US20120019123A1; US8164244B2; US20120217528A1

Abstract

【課題】光軸との交差角が大きい出射方向における色度ずれを低減することが容易な発光装置を提供する。
【解決手段】第１の面及び第２の面を有し、放出光の光軸が前記第２の面に対して垂直である発光素子と、前記発光素子の前記第１の面の側が配設される凹部を有する成型体と、前記凹部内において前記発光素子を覆い、第１の透明樹脂と、蛍光体粒子と、を含む第１の封止層と、前記第１の封止層の上面に設けられた集光レンズと、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。集光レンズは、光軸からの距離が増大するのに応じて屈折率が高くなり、前記第１の封止層の前記上面の外縁と接触する位置における屈折率が前記第１の透明樹脂の屈折率よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発光装置に関する。

発光素子からの放出光と、放出光の一部を吸収した蛍光体から放出された波長変換光と、を混合すると、混合色として、例えば白色光を得ることができる。

この場合、発光素子からの放出光の指向特性と、波長変換光の指向特性と、が一般的には異なる。

このために、例えば、発光素子の光軸近傍で混合色が所定の色度範囲となるように設定した場合、光軸から離れた斜めの出射方向では、色度が所定の範囲よりもずれることがある。特に、光軸と略一致した中心軸を有する集光レンズを設けた発光装置では、この色度ずれが強調されることがある。

特開２００２−２９９６９８号公報

光軸との交差角が大きい出射方向における色度ずれを低減することが容易な発光装置を提供する。

実施形態によれば、第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、放出光の光軸が前記第２の面に対して垂直である発光素子と、前記発光素子の前記第１の面の側が配設される凹部を有する成型体と、前記凹部内において前記発光素子を覆い、第１の透明樹脂と、蛍光体粒子と、を含む第１の封止層と、前記第１の封止層の上面に設けられた集光レンズと、を備えたことを特徴とする発光装置が提供される。集光レンズは、光軸からの距離が増大するのに応じて屈折率が高くなり、前記第１の封止層の前記上面の外縁と接触する位置における屈折率が前記第１の透明樹脂の屈折率よりも高い。

図１（ａ）は第１の実施形態の模式断面図、図１（ｂ）は屈折率の径方向距離に対する依存性を表すグラフ図、である。図２（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態の製造方法の工程断面図を示し、図２（ａ）は透明樹脂を塗布した模式断面図、図２（ｂ）は集光レンズの模式断面図、図２（ｃ）は組立後の模式断面図、である。比較例にかかる発光装置の模式断面図である。図４（ａ）は第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図４（ｂ）は模式平面図、図４（ｃ）はＡ−Ａに沿った封止層表面の屈折率分布、である第２の封止層の作用を説明する模式図である。図６（ａ）は第１の封止層を形成した模式断面図、図６（ｂ）は第２の封止層を形成した模式断面図、である。第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。図８（ａ）は接着樹脂を塗布する模式図、図８（ｂ）は集光レンズの模式断面図、図８（ｃ）は集光レンズを接着した模式断面図、である。第３の実施形態の変形例にかかる発光装置の模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図１（ｂ）は屈折率の径方向距離に対する依存性を表すグラフ図、である。
発光装置は、第１のリード１０、第２のリード１２、樹脂からなる成型体１４、第１のリード１０に設けられた発光素子２０、成型体１４の凹部１４ａ内に設けられ、第１の透明樹脂を含む第１の封止層１６、第１の封止層１６の中に分散配置された蛍光体粒子４０、および第１の封止層１６を覆う集光レンズ３０を有している。

なお、本願明細書において、「透明樹脂」とは、発光素子からの放出光に対して透光性を有する樹脂を意味する。放出光の透過率は必ずしも１００％である必要はない。すなわち、放出光の透過率がゼロではない樹脂は、「透明樹脂」に含まれるものとする。

ペアを構成する第１のリード１０および第２のリード１２は、銅系または鉄系材料からなるリードフレームに多数個連結されている。また、その厚さは、例えば０．１５〜０．４ｍｍとすることができる。

成型体１４は、ＰＰＡ（ポリフタールアミド）などナイロン系の熱可塑性樹脂やエポキシ系の熱硬化性樹脂とすることができる。また、第１の封止層１６は、シリコーンやエポキシなどとすることができる。なお、第１のリード１０および第２のリード１２は、成型体１４と一体に成型することができる。

発光素子２０の第１の面は、第１のリード１０の上に、接着剤２２などを用いて接着されている。また、発光素子２０の第１の面とは反対側の第２の面に設けられた上部電極と、第２のリード１２の一方の端部と、はボンディングワイヤ２４で接続されている。

蛍光体粒子４０は、第１の封止層１６内に分散配置する。発光素子２０からの放出光の波長や光出力に応じて、蛍光体粒子４０の種類、組成、重量比、などを選択すると所望の色度範囲の混合光を得ることができる。

さらに成型体１４の上面および第１の封止層１６の上面１６ａに集光レンズ３０を配設する。集光レンズ３０の中心軸は、発光素子２０の第２の面に対して垂直である放出光の光軸５０と略一致させる。

本実施形態では、図１（ｂ）のように、集光レンズ３０は、光軸５０からの径方向距離Ｒの増大に応じて増大する屈折率ｎを有するものとする。また、その屈折率ｎは、第１の封止層１６の上面の外縁の位置ＯＥにおいて、第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１以上とする。

ここで、発光素子２０は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる材料とし、その発光波長は、紫外〜緑色光範囲であるものとする。この場合、青色光を吸収した蛍光体粒子４０は、例えば珪酸塩系材料からなり、黄色光を波長変換光として放出可能である。なお、発光素子２０の材料、その発光波長、および蛍光体粒子４０の材料はこれらに限定されない。例えば、放出光が紫外光の波長範囲であるものとすると、赤、青、緑色の蛍光体粒子を用いて３色の波長変換光を生成しても白色光を得ることができる。

第１の封止層１６は、例えば屈折率が１．４のシリコーンを含む。また、集光レンズ３０は、例えば透明樹脂、ガラスなどの透光性材料と、これら材料の内部に分散されたフィラー３２と、を含む。フィラー３２は、第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１よりも高い屈折率を有するものとする。

集光レンズ３０が第２の透明樹脂からなる場合、その屈折率を第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１よりも高くすると、第１の封止層１６からの出射光は全反射されることなく集光レンズ３０に入射するのでより好ましい。この場合、フィラー３２は、第２の透明樹脂よりも高い屈折率を有することがより好ましい。

集光レンズ３０内において、フィラー３２は、径方向距離Ｒが大きいほどその重量組成比を高くなるように配置される。高い屈折率を有するフィラー３２の混合により集光レンズ３０の屈折率ｎは、図１（ｂ）のように、集光レンズ３０の周辺領域ＰＲにおいて増大する分布とすることができる。

フィラー３２は、発光素子２０からの放出光に対して透光性を有するものとし、二酸化ジルコニウム（屈折率：２．４）、酸化チタン（屈折率：２．８）、チタン酸カリウム（屈折率：２．７）などとすることができる。また、フィラー３２の形状は、例えば球、楕円体、リボン、細線、などとし、そのサイズは、例えば５０μｍ以下とすることができる。第１の封止層１６をシリコーンとすると、その屈折率は略１．４である。

微小サイズのフィラー３２を分散配置すると、個々のフィラー３２の近傍では、光の進行方向が様々に変化する。しかし、多数のフィラー３２が分散して配置された領域の全体としては、重量組成比に対応して屈折が強められる。すなわち、フィラー３２の重量組成比が高い領域では、重量組成比が低い領域よりも屈折が大きい。なお、フィラー３２の重量組成比に対する屈折率の依存性を、実験的またはシミュレーションなどにより求めることができる。

図２（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態の製造方法の工程断面図を示し、図２（ａ）は透明樹脂を塗布した模式断面図、図２（ｂ）は集光レンズの模式断面図、図２（ｃ）は組立後の模式断面図、である。
図２（ａ）のように、成型体１４には、凹部１４ａが形成される。凹部１４ａの底面には、第１のリード１０の一方の端部と、第２のリード１２の一方の端部と、がそれぞれ露出している。発光素子２０は、第１のリード１０の上に、金属半田や導電性接着剤などからなる接着剤２２を用いて接着される。ワイヤボンディングを行ったのち、蛍光体粒子４０が混合された第１の透明樹脂溶液を、凹部１４ａ内に充填する。

他方、フィラー３２が混合された液状の第２の透明樹脂を金型などに注入し、中心軸３０ａの回りに回転させる。第２の透明樹脂よりも比重が大きいフィラー３２を回転により周辺領域に集めることができる。遠心力により生じる第２の透明樹脂中のフィラー３２の沈降速度は、フィラー３２の比重、サイズ、形状、液状樹脂の粘度、などに依存する。本発明者らの実験によれば、比重およびサイズが大きいフィラー３２は、回転による遠心力などにより外側に集まることが判明した。すなわち、回転条件を適正に選択することにより、図２（ｂ）のように、周辺領域ＰＲにフィラー３２を多く分散配置することが容易となる。

さらに、図２（ｃ）のように、集光レンズ３０を、第１の封止層１６の上面１６ａに配置する。この場合、第１の封止層１６を半硬化とすると、集光レンズ３０の下面３０ｂと、第１の封止層１６の上面１６ａと、の界面に空間を生じることなく密着させることが容易となる。また、成型体１４に切り欠き１４ｂを設け、集光レンズ３０をはめ込み、カシメや接着剤による接着を行うと密着強度をさらに高めることができる。

図３は、比較例にかかる発光装置の模式断面図である。
発光素子１２０からの青色光の波長に応じて、黄色蛍光体粒子１４０の平均サイズ、必要重量、などを決定する。この場合、光軸１５０との交差角が大きい凹部１１４ａの周辺領域ＰＲＲで青色光ＧＢ１２は、光強度が低下するともに、光軸１５０から離れる方向に進む。また、外部が空気層であると、全反射を生じる臨界角は４２度となるので、入射角がこれよりも大きい青色光ＧＢ１３は外部へ出射できず、成型体１１４の側壁１１４ｓへ入射するなどする。他方、黄色蛍光体粒子１４０は、凹部１１４ａ内に広く分散配置されており、黄色光ＧＹ１２は、封止層１１６の上方へ向かって光軸１５０と平行な方向への成分を有する。このため、封止層１１６の周辺領域ＰＲＲからは黄色味を帯びた白色光が光軸１５０から離れる方向に向かって出射しやすい。

これに対して、本実施形態では、図１（ｂ）のように、周辺領域ＰＲにおいて集光レンズ３０の屈折率ｎを第１の封止層１６の屈折率である１．４よりも大きくできる。このため、第１の封止層１６と集光レンズ３０との界面で青色光ＧＢ２は光軸５０の側に折れ曲がり、無駄な出射光が低減される。一旦、集光レンズ３０内に導入された光ＧＹ１２は、レンズ曲面により集光され、有効に取り出し可能である。すなわち、青色光ＧＢ１２の出射方向と、黄色光ＧＹ１２の出射方向と、を近づけ、周辺領域ＰＲからの放出光の色度ずれを低減し、光軸５０近傍における青色光ＧＢ１と黄色光ＧＹ１との混合光の色度に近づけることが容易となる。

なお、二酸化ジルコニウムや酸化チタンなどからなる集光レンズを用いても、周辺領域における色度ずれを低減できる。しかし、液状の透明樹脂やガラスに高屈折率フィラーを分散してレンズを形成する工程は、所望の形状のレンズを容易に、かつ高い量産性で製造でき、結果として低価格とすることができる。

図４（ａ）は第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図４（ｂ）は模式平面図、図４（ｃ）はＡ−Ａに沿った封止層表面の屈折率分布、である。
成型体１４の凹部１４ａにおいて、発光素子２０およびボンディングワイヤ２４を覆うように第１の封止層１６が設けられている。第１の封止層１６には、蛍光体粒子４０が分散配置されている。また、凹部１４ａ内において、第１の封止層１６の上には、第３の透明樹脂を含む第２の封止層１７が設けられている。第２の封止層１７には、フィラー３２が分散配置されている。第３の透明樹脂は第１の透明樹脂と同一であってもよく、例えばシリコーンなどとできる。フィラー３２の屈折率は、第３の透明樹脂の屈折率よりも高いものとする。

フィラー３２は、光軸５０からの距離Ｒの増大とともに重量組成比を高くできる。このために、図４（ｃ）のように、第２の封止層１７の表面の実効的な屈折率は、光軸５０からの距離Ｒの増大とともに増大し、第２の封止層１７の上面の外縁ＯＥでは成型体１４の屈折率である１．６よりも高い最大屈折率ｎ_ｍを有する分布とすることができる。なお、第３の透明樹脂の屈折率を第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１以上とすると、これらの界面における全反射が抑制できるので、より好ましい。

図５は、このような第２の封止層の作用を説明する模式図である。
第２の封止層１７は、成型体１４の傾斜側壁１４ｓと接触する側において屈折率が成型体１４の屈折率よりも高い。成型体１４には、例えばガラス繊維やアルミニウムのような金属粉などの反射性フィラーが分散されているが、もしも封止層よりも屈折率が高いと傾斜側壁１４ｓに近い領域には光が入射し、上方に取り出せる青色光の量が減少する。しかし、傾斜側壁１４ｓに隣接する第２の封止層１７領域では、屈折率を成型体１４の屈折率よりも高くできるため、傾斜側壁１４ｓ近傍において全反射する青色光ＧＢ４を増加させることが容易となる。この結果、第１の封止層１６に分散された蛍光体粒子４０からの波長変換光ＧＹ４と、青色光ＧＢ４と、を所定の比率に近づけることができ、色度ずれが低減可能である。

図６（ａ）は第１の封止層を形成した模式断面図、図６（ｂ）は第２の封止層を形成した模式断面図、である。
図６（ａ）のように、凹部１４ａ内において、発光素子２０と、ボンディングワイヤ２４と、を蛍光体粒子４０が混合された第１の透明樹脂で覆い、熱硬化を行い蛍光体粒子４０が分散配置された第１の封止層１６を形成する。

続いて、図６（ｂ）のように、フィラー３２が混合された液状の第３の透明樹脂を凹部１４ａ内で、第１の封止層１６の上に塗布する。発光素子２０のパッケージをその中心軸１４ｂの回りに回転し、フィラー３２が所望の分布となるように分散して配置し、熱硬化を行う。このようにすると、図４（ｃ）のような屈折率分布を有する第２の封止層１７が形成できる。

図７は、第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
発光装置は、第１のリード１０、第２のリード１２、熱可塑性樹脂などからなる成型体１４、第１のリード１０に接着された発光素子２０、成型体１４の凹部１４ａ内に設けられ、第１の透明樹脂を含む第１の封止層１６、第１の封止層１６内に分散配置された蛍光体粒子４０、第１の封止層１６を覆う集光レンズ３４、および第１の封止層１６の上面１６ａおよび集光レンズ３４の下面３４ａがそれぞれ接着され、屈折率が第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１よりも高く、透明な接着樹脂層３６と、を備えている。

第１の封止層１６の上部の周辺領域ＰＲ１では、接着樹脂層３６の屈折率が第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１よりも高いので、青色光ＧＢ２は第１の封止層１６の上面１６ａにおいて接着樹脂層３６へ必ず入射し、しかも光軸５０へ近づくように屈折する。他方、黄色蛍光体粒子４０は、凹部１４ａ内に広く分散配置されており、黄色光ＧＹ２が第１の封止層１６の上方へ向かって出射する。一旦、集光レンズ３４へ入射した光は、レンズ曲面により集光されつつ出射する。すなわち、青色光ＧＢ２の出射方向と、黄色光ＧＹ２の出射方向と、を近づけ、周辺領域ＰＲ２での色度ずれの低減が容易となる。

また、光軸５０の近傍における接着樹脂層３６の厚さは、周辺領域ＰＲ１近傍における接着樹脂層３６の厚さよりも小さくしても、周辺領域ＰＲ１での青色光ＧＢ２の屈折方向に変化を生じない。すなわち、集光レンズ３４の下面３４ａは下に向かって凸であってもよい。

図８（ａ）は液状接着樹脂を塗布する模式図、図８（ｂ）は集光レンズの模式断面図、図８（ｃ）は集光レンズを接着した模式断面図、である。
図８（ａ）のように、第１の封止層１６の上面１６ａおよび成型体１４の上面に、第１の透明樹脂の屈折率ｎ_ｔ１よりも高い屈折率を有する液状の接着樹脂３５の所定量を塗布する。

予め成型した集光レンズ３４を、塗布した接着樹脂３５の上面から押し付ける。この場合、集光レンズ３４の下面３４ａが凸部３４ｂを有すると、これらの界面に間隙を生じることなく密着させることが容易となる。さらに接着樹脂３５を熱硬化し、接着樹脂層３６とする。

本実施形態では、接着樹脂層３６が高い屈折率を有するため、全反射が低減されて高い効率で入射した青色光を、集光レンズ３４により光軸５０の側に近づけることが容易となる。すなわち、接着樹脂層３６により、周辺領域ＰＲ１、ＰＲ２での青色光ＧＢ２の漏れが低減され、光軸５０との交差角が大きい斜めの出射方向における光度ずれが抑制される。高屈折率を有する二酸化ジルコニウムや酸化チタンは、接着層として用いることが困難である。これに対して、フィラーが混合された樹脂を用いると、高屈折率部材の接着が容易となり、量産が容易となる。

図９は、第３の実施形態の変形例にかかる発光装置の模式断面図である。
発光素子２１は、例えばサファイヤ基板、その上に順に設けられ、第１導電形層、発光層、及び第２導電形を含む積層体、第１導電形層に設けられた下部電極、及び第２導電形層の上に設けられた上部電極、を含む。発光素子２１の裏面側は、第１のリード１０に接着される。下部電極と第１のリード１０とがボンディングワイヤ２５により接続され、上部電極と第２のリード１２とがボンディングワイヤ２４により接続される。なお、第１及び第２の実施形態においても、このような発光素子２１を用いることができる。

以上、第１〜第３の実施形態及びそれらに付随する変形例にかかる発光装置によれば、光軸との交差角が大きい出射方向における色度ずれを低減することが容易な発光装置が提供される。このような発光装置は、各種照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができ、光度ずれや演色性が改善される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０第１のリード、１２第２のリード、１４成型体、１６第１の封止層、１７第２の封止層、２０、２１発光素子、２４、２５ボンディングワイヤ、３０、３４集光レンズ、３２フィラー、３６接着樹脂層、４０蛍光体粒子、５０光軸

Claims

第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、放出光の光軸が前記第２の面に対して垂直である発光素子と、
前記発光素子の前記第１の面の側が配設される凹部を有する成型体と、
前記凹部内において前記発光素子を覆い、第１の透明樹脂と、蛍光体粒子と、を含む第１の封止層と、
前記第１の封止層の上面に設けられ、光軸からの距離が増大するのに応じて屈折率が高くなり、前記第１の封止層の前記上面の外縁と接触する位置における屈折率が前記第１の透明樹脂の屈折率よりも高い集光レンズと、
を備えたことを特徴とする発光装置。
前記集光レンズは、前記第１の透明樹脂の前記屈折率よりも高い屈折率を有する第２の透明樹脂と、前記第２の透明樹脂の前記屈折率よりも高い屈折率を有するフィラーと、を含み、
前記フィラーは、前記光軸からの距離が増大するのに応じて重量組成比が増大するように前記第２の透明樹脂内に分散して配置されたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、放出光の光軸が前記第２の面に対して垂直である発光素子と、
前記発光素子の前記第１の面の側が配設される凹部を有する成型体と、
前記凹部内において前記発光素子を覆い、第１の透明樹脂と、蛍光体粒子と、を含む第１の封止層と、
前記凹部内において前記第１の封止層の上に設けられ、第３の透明樹脂を含む第２の封止層であって、前記第２の封止層の屈折率は前記光軸からの距離が増大するのに応じて高くなり、前記成型体と接触する側における屈折率が前記成型体の屈折率よりも高い第２の封止層と、
を備えたことを特徴とする発光装置。
前記第２の封止層は、前記第３の透明樹脂の屈折率よりも高い屈折率を有するフィラーをさらに含み、
前記フィラーは、前記光軸からの距離が増大するのに応じて重量組成比が高くなるように前記第２の封止層内に分散して配置されたことを特徴とする請求項３記載の発光装置。
第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、放出光の光軸が前記第２の面に対して垂直である発光素子と、
前記発光素子の前記第１の面の側が配設される凹部を有する成型体と、
前記凹部内において前記発光素子を覆い、第１の透明樹脂と、蛍光体粒子と、を含む第１の封止層と、
上面に凸部を有する集光レンズと、
前記第１の封止層の上面と前記集光レンズの下面とを接着し、前記第１の透明樹脂の屈折率よりも高い屈折率を有する接着樹脂層と、
を備えたことを特徴とする発光装置。