JP7041375B2

JP7041375B2 - 発光装置

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Publication number: JP7041375B2
Application number: JP2020161536A
Authority: JP
Inventors: 真樹大久保
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2020-09-26
Filing date: 2020-09-26
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2035-03-18
Also published as: JP2021010015A

Description

本開示は、発光装置に関する。

従来、青色光を発光する発光素子と、青色光の一部を吸収することにより励起され、より長波長の光を発する蛍光物質とを用いて白色発光するように構成された発光装置が知られている。このような発光装置において、複数の発光部を同心円状に設け、これらの発光部を同時に光らせることが可能な発光装置が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１４－８２２３６号公報

しかしながら、特許文献１では各発光部を発光させる際の配線については、明確に開示されていない。例えば、各発光部の発光量を調整して調色を行う場合には、２系統の独立した回路が必要となるため、基板の表面のみに配線を設けるいわゆる片面基板の場合、配線の形成が困難である。多層基板とすることもできるがコストの上昇を招くため、より一層のコストの低減が望まれている。

本発明に係る実施形態は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、片面基板を用いる場合であっても、複数の発光部を独立して駆動することが可能な発光装置を提供することを特徴とする。

本実施形態に係る発光装置は、基板と、前記基板上に形成された配線部と、前記基板または前記配線部上に配置された複数の発光素子と、を備え、前記複数の発光素子は、第１封止部材により被覆されて第１発光部を構成する第１発光素子群と、前記第１封止部材を囲むように形成された第２封止部材により被覆されて第２発光部を構成する第２発光素子群と、を有し、前記配線部は、前記第１発光素子群を駆動させる第１配線部と、前記第２発光素子群を駆動させる第２配線部と、を有し、前記第２配線部は、前記第１配線部を挟んで離間して形成されており、前記離間した第２配線部を接続するワイヤが、前記第１配線部を跨いで接続されていることを特徴とする発光装置である。

本発明に係る実施形態によれば、片面基板を用いる場合であっても、複数の発光部を独立して駆動することが可能な発光装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る発光装置の全体構成を示す正面図である。本発明の第１実施形態に係る発光装置の構成を示す正面図である。図２に示すＡ－Ａ線における断面図である。

以下、実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する発光装置は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。
各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。図中の「Ｘ」方向を「横」方向、「Ｙ」方向を「縦」方向、「Ｚ」方向を「上下」方向または「高さ（厚さ）」方向ともよぶ。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る発光装置１００について、図１～図３を参照しながら説明する。なお、説明の便宜上、図２における光反射性樹脂６は、外形のみを線で示して透過させた状態で図示しており、封止部材（第１封止部材７および第２封止部材８）も透過させた状態で図示している。

図１および図２に示すように、本実施形態の発光装置１００は、基板１と、基板１上に形成された配線部と、基板１上に配置された複数の発光素子２（ここでは６６個）を備える。発光素子２は、第１封止部材７により被覆されて第１発光部を構成する第１発光素子群１０（図２中に破線で囲った発光素子。ここでは３３個）と、第１封止部材７を囲むように形成された第２封止部材８により被覆されて第２発光部を構成する第２発光素子群１１（図２中に破線で囲った発光素子。ここでは３３個）と、を有している。

配線部は、図２に示すように同心円状に形成されており、第１発光素子群１０に沿って形成され、第１発光素子群１０を駆動させる第１配線部４ａ～４ｃと、第２発光素子群１１に沿って形成され、第２発光素子群１１を駆動させる第２配線部５ａ～５ｆを有している。第１配線部４ａ～４ｃと、第２配線部５ａ～５ｆは、それぞれ弧状の部分を有しており、第１配線部４ａ～４ｃで内側の円、第２配線部５ａ～５ｆで外側の円が形成されている。また、第２配線部５ａおよび５ｃは、第１配線部４ａを挟んで離隔して配置されており、第２配線部５ａと第２配線部５ｃとを接続するワイヤ１２が、第１配線部４ａを跨いで接続されている。さらに、第２配線部５ｅと第２配線部５ｆとを接続するワイヤ１２が、第１配線部４ｂを跨いで接続されている。

第１配線部４ａは、平面視において内側から外側へ引き出されるような形で第２配線部５ａと第２配線部５ｃの間を通り、基板１の端部まで延伸されている。第１配線部４ａは第１発光素子群１０の発光素子から遠いほうの端部にパッド部（給電部）を有しており、第１配線部４ｂも同様にパッド部（給電部）を有している。ワイヤ１２は、第２配線部５ａが引き出される方向と直交する方向に延びるように、第２配線部５ａおよび５ｃの端部同士を接続している。言い換えると、ワイヤ１２は、光反射樹脂６ｂが形成する枠体の形状に沿って延びている。
また、ワイヤの長さは、第１配線部４ａを跨いで第２配線部５ａと第２配線部５ｃとを接続することが可能な長さであれば特に限定されない。

第１発光素子群１０の３３個の発光素子は、１１個ずつ直列に接続され、直列接続されたこれらの発光素子が、３つ並列に接続されている（１１直３並列）。具体的には、隣接する発光素子２の電極同士がワイヤ１２により直列接続され、さらに直列接続された両端
（始点および終点）の発光素子２が、第１配線部４ａ、４ｂに、ワイヤ１２によりそれぞれ電気的に接続されている。

第１発光素子群１０は、基板１の中央領域に複数の発光素子２が円形状に載置されてなり、第１発光素子群１０を囲むように弧状の部分を有する第１配線部４ａ、４ｂが配置されている。第１配線部４ａと４ｂの間には、保護素子９が搭載される第１配線部４ｃが配置されており、第１発光素子群１０と保護素子９とが逆並列接続になるように、第１配線部４ａ及び４ｂとワイヤにより電気的に接続されている。

第１発光素子群１０は、前述のとおり第１封止部材７により被覆され、ここでは第１配線部４ａ、４ｂの弧状の部分と、第１配線部４ｃとを被覆するように光反射樹脂６ａが形成されている。第１発光素子群１０は光反射樹脂６ａで囲まれており、この囲まれた領域に第１封止部材７が充填されており、第１封止部材７により被覆された部分が第１発光部を構成する。

第２発光素子群１１は、第１封止部材７の周囲に沿って発光素子２が環状に配置されてなる。第２発光素子群１１も、第１発光素子群１０と同様に、１１個の発光素子が直列接続されたものが３つ並列に接続されている。具体的には、隣接する発光素子２の電極同士がワイヤ１２により直列接続され、さらに直列接続された両端（始点および終点）の発光素子２が第２配線部５ｃおよび５ｅ、５ｆおよび５ａ、５ｂおよび５ａと、それぞれワイヤにより電気的に接続されている。

第２発光素子群１１は、第１封止部材７を囲むように配置されている。また、第２発光素子群１１は、第２封止部材８により被覆されて第２発光部を構成している。ここでは第２配線部５ａ、５ｂの弧状の部分と、第２配線部５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆとを被覆するように光反射樹脂６ｂが形成されている。第２発光素子群１１は光反射樹脂６ｂで囲まれており、光反射樹脂６ａと６ｂとに囲まれた領域に第２封止部材８が充填されている。

言い換えると第１封止部材７と第２封止部材８は、図１に示すように、光反射樹脂６ａにより隔てられて、それぞれ第１発光部と第２発光部を構成しており、第１発光部と第２発光部は同心円状に形成されている。

第１配線部４ａ、４ｂと、第２配線部５ａ、５ｂは、外部端子電極としての役割を担うため、図１および図２に示すように平面視において基板１の四隅に、配線部が幅広となるように略矩形状のパッド部（給電部）が形成されている。正極として機能する第１配線部４ａおよび第２配線部５ａには、アノードであることを示すアノードマークＡＭが形成されている。第１配線部４ｂおよび第２配線部５ｂはカソードとなる。この構成により、発光装置１００は、第１配線部と第２配線部の２系統の回路を持ち、第１発光素子群１０と第２発光素子群１１の発光素子をそれぞれ別々に点灯させることができる。よって、配線を２層以上の構造とすることなく、片面基板を用いる場合であっても第１発光部と第２発光部をそれぞれ独立して点灯することができる。

第１発光部と第２発光部を同じ発光色とする場合には、いずれか一方の発光部のみ点灯させたり、双方の発光部を点灯させたりすることで、発光面積を選択することができる。例えば、小さい発光径で発光させたい場合は第１発光部のみを点灯させ、大きい発光径としたい場合は第１発光部および第２発光部を同時に点灯させる。

また、第１発光部と第２発光部の発光スペクトルや色温度を異ならせてもよい。この場合は、第１発光部と第２発光部が異なる発光色を呈し、これらの光を混色することで所望の色調を得ることができる。例えば、第１発光部と第２発光部をそれぞれ寒色系と暖色系のような２色とすることにより、電球色から昼光色の調色が可能な発光装置とすることが可能となる。第１発光部と第２発光部を異なる発光色とするために、第１発光素子群１０と第２発光素子群１１の発光色を異ならせてもよいし、第１封止部材７と第２封止部材８の波長変換部材の種類や配合比を異ならせてもよい。

平面視における第１発光部の面積と第２発光部の面積は、用途や色調にあわせて所望の面積比とすることができる。図１～３に示す例では、第１発光部の面積と第２発光部の面積が略同じになるように形成されている。
本実施形態では、第１発光部と第２発光部が同心円状に配置されるものについて説明したが、平面視において、第１発光部が内側、第２発光部が外側になるようなものであればその形状は特に限定されない。例えば、第１発光部および第２発光部の平面視における外形は、円形、楕円形、四角形、六角形等、どのような形状であってもよい。特に、第１発光部および第２発光部が、中心を同じくする相似形状であることが好ましい。

（基板）
基板１は、発光素子２や保護素子９等の電子部品を配置するためのものであり、その表面に配線部を有している。基板１は、図１や図３に示すように、矩形平板状に形成されている。コストを抑える観点から、平板状であることが好ましいが、発光素子を載置する部分に凹部を有するものであってもよい。基板１のサイズは特に限定されず、発光素子２の数や配列間隔、発光面積等、目的および用途に応じて適宜選択することができる。

基板１の材料としては、絶縁性材料を用いることが好ましく、かつ、発光素子から放出される光や外光等が透過しにくい材料を用いることが好ましい。またある程度の強度を有する材料を用いることが好ましい。具体的にはセラミックス（Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等）、あるいはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴレジン、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）等の樹脂が挙げられる。光反射性を高めるために、発光素子載置面に反射部材を設けても良い。反射部材は、例えば、ＴｉＯ_２等の反射性粒子と有機物ないし無機物のバインダーとを混錬したものである。いわゆる白色レジストや白色インク、セラミックスインク等が該当する。有機物のバインダーとしては、耐熱性・耐光性に優れたシリコーン樹脂を用いることが特に好ましい。これにより、基板表面で光を反射して、光取り出し効率の高い発光装置とすることができる。

（発光素子）
発光素子２は、電圧を印加することで発光する半導体素子である。発光素子２は図２に示すように、基板１の上面に複数配置され、当該複数の発光素子２が一体となって発光装置１００の発光部を構成している。発光素子は接合部材によって基板１または配線部に接合されており、その接合方法としては、例えば樹脂や半田ペーストを用いる接合方法を用いることができる。図２に示すように、ｐ電極およびｎ電極が上面に位置するように接合されていてもよいし、ｐ電極およびｎ電極が下面に位置するように接合される、いわゆるフリップチップ接合で接合されていてもよい。

発光素子のそれぞれは、図２に示すように矩形状に形成されている。発光素子としては、具体的には発光ダイオードを用いるのが好ましく、用途に応じて任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色（波長４３０ｎｍ～４９０ｎｍ）、緑色（波長４９０ｎｍ～５７０ｎｍ）の発光素子としてはＺｎＳｅ、窒化物半導体、ＧａＰ等を用いることができる。また、赤色（波長６２０ｎｍ～７５０ｎｍ）の発光素子としてはＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等を用いることができる。

また、第１封止部材７、第２封止部材８に波長変換部材を含有させる場合は、その波長変換部材を効率よく励起することができる短波長の発光が可能な窒化物半導体を用いることが好ましい。ただし、発光素子２の成分組成や発光色、サイズ等は上記に限定されず、目的に応じて適宜選択することができる。また、発光素子２は可視光領域の光だけではなく、紫外線や赤外線を出力する素子で構成することもできる。

第１発光素子群１０を構成する発光素子と、第２発光素子群１１を構成する発光素子は、同じ種類であってもよく、例えば発光色が異なる等、異なる種類であってもよい。

（配線部）
第１配線部４ａ～４ｃおよび第２配線部５ａ～５ｆは、基板上の複数の発光素子２や保護素子９等の電子部品と、図示しない外部電源とを電気的に接続し、これらの電子部品に対して外部電源からの電圧を印加するためのものである。すなわち、外部から通電させるための電極（端子）、またはその一部としての役割を担うものである。

配線部を構成する金属部材の素材は特に限定されない。例えば、セラミックスに形成する配線部の材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｓｎ等を主成分とする金属又は合金層を基板に配置することによって形成される。具体的には、蒸着、スパッタ、印刷法等により、さらに、その上にめっき等により形成することができる。劣化が少なく、接合部材との密着性の観点から、Ａｕを主成分とする金属を配線部の最表面に用いることが好ましい。配線部の厚みは特に限定されず、接続するワイヤの数、搭載する発光素子の数、投入電力等、目的および用途に応じて適宜選択することができる。

なお、配線部を形成する際に、合わせて位置決め用のマークや、極性を示すマーク、温度測定用のパターンを同時に形成してもよい。例えば、図１に示すアノードマークＡＭ、温度測定用パターンＴＰ等である。

ここで配線部の一部は図１および図２に示すように、光反射樹脂６ａ、６ｂによって覆われている。そのため、波長によっては光を吸収しやすいＡｕを用いる場合であっても、発光素子から出射された光が配線部には到達せずに光反射樹脂６ａ、６ｂによって反射される。したがって出射光のロスを軽減することができ、発光装置１００の光の取り出し効率を向上させることができる。

（ワイヤ）
ワイヤ１２は、配線部と発光素子２の電極、発光素子２の電極同士、配線部同士を電気的に接続する部材である。ワイヤ１２として、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌまたはこれらの合金の金属線を用いることができる。ワイヤ１２としては、特に、封止部材からの応力による破断が生じにくく、熱抵抗等に優れるＡｕが好ましい。あるいは、ワイヤ１２は、光の取り出し効率を高めるために、少なくとも表面がＡｇまたはその合金で構成されてもよい。また、ワイヤの径は、１８μｍ～３０μｍが好ましい。

（光反射樹脂）
光反射樹脂６ａ、６ｂは、例えば、絶縁性の樹脂に光反射部材を含有させたものを用いることが好ましい。ある程度の強度を確保するために、例えば熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を用いることができる。より具体的には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＢＴレジンや、ＰＰＡやシリコーン樹脂などが挙げられる。保護素子等の非発光デバイスを基板に実装する場合には、光吸収の原因となるため、光反射樹脂内に埋設することが好ましい。図１～３に示すように、光反射樹脂は、枠状とされていることが好ましく、この枠体の中に封止部材が充填される。このような枠体は、ディスペンサで樹脂を吐出しながら描画する方法や、樹脂印刷法、トランスファー成形、圧縮成形などで形成することができる。

光反射樹脂の光反射率が、配線部の光反射率よりも高い場合は、図２に示すように発光領域内の配線部の全てを覆うように光反射樹脂を形成することが好ましい。

第１配線部４ａを跨いで、第２配線部５ａと第２配線部５ｃとを接続するワイヤ１２は、光反射樹脂６ｂで被覆されていることが好ましく、完全に埋設されていることがより好ましい。これにより、ワイヤを塵芥、水分、外力等から保護することができるのみならず、配線部４ａとワイヤ１２とが接触してショートすることを抑制することができる。ワイヤ１２が光反射樹脂６ｂで埋設される場合は、ワイヤの最も高い位置の高さが光反射樹脂６ｂの高さよりも低くなる。
また、ワイヤの一部が光反射樹脂６ｂから露出される構成としてもよく、例えば光反射樹脂６ｂの高さよりもワイヤの最も高い位置の高さが高くなるようにしてもよい。第２配線部５ｅと第２配線部５ｆとを接続するワイヤ１２についても同様に光反射樹脂６ｂで被覆することが好ましい。

（封止部材）
第１封止部材７および第２封止部材８は、電気的絶縁性を有し、発光素子から出射される光を透過可能であり、かつ固化前は流動性を有する材料であることが好ましい。封止部材の光透過率は、好ましくは７０％以上である。光透過性樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ＴＰＸ樹脂、ポリノルボルネン樹脂、またはこれらの樹脂を１種以上含むハイブリッド樹脂等が挙げられる。中でも、シリコーン樹脂は、耐熱性や耐光性に優れ、固化後の体積収縮が少ないので好ましい。

（波長変換部材）
第１封止部材７および／または第２封止部材８は、発光素子が発する光の少なくとも一部により励起されて発光素子の発光波長とは異なる波長の光を発する波長変換部材を含んでもよい。代表的な波長変換部材としては蛍光体や量子ドットが挙げられる。

例えば、第１発光素子群１０と第２発光素子群として青色発光素子を用い、第１封止部材７に黄色蛍光体を含有させ、第２封止部材に黄色蛍光体と赤色蛍光体を含有させることで、第１発光部を白色に、第２発光部を電球色に発光させることができる。

（蛍光体）
波長変換部材として用いられる蛍光体は、１種類の蛍光体を用いてもよいし、２種類以上の蛍光体を用いてもよい。ＬＥＤ用の蛍光体として公知の蛍光体のいずれを用いてもよい。例えば、粒径及び発光色の異なる２種類の蛍光体を用いてもよい。このように、発光色の異なる蛍光体を複数種類用いることで、色再現性や演色性を向上させることができる。

蛍光体としては、例えば黄色～緑色蛍光体としては、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ系蛍光体）およびルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬＡＧ系蛍光体）を用いることができる。緑色蛍光体としては、例えばクロロシリケート蛍光体およびβサイアロン蛍光体を用いることができる。赤色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等のＳＣＡＳＮ系蛍光体、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等のＣＡＳＮ系蛍光体、ＳｒＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ蛍光体、およびＫ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎ等のＫＳＦ系蛍光体等を用いることができるが、これに限られない。

例えば照明用として、発光素子２に青色発光素子を用い、第１封止部材にＹＡＧ系蛍光体およびＳＣＡＳＮ系蛍光体、第２封止部材にＹＡＧ系蛍光体を含有させればよい。これにより、第１発光部は２７００Ｋ程度、第２発光部は５０００Ｋ程度の色温度の光を発光することができ、これらの混色で２７００～５０００Ｋ程度を発光可能な発光装置とすることができる。

封止部材は、上述の波長変換部材に加えて、フィラー、拡散材等の添加剤を更に含んでもよい。例えば、拡散材としては、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等を用いてもよい。

以上、発光部が２つの場合について述べたが、発光部がさらに多くてもよい。例えば、第２発光部の外側に、さらに第３発光部を有していてもよい。

本発明の発光装置は、各種照明器具、液晶ディスプレイのバックライト光源、大型ディスプレイ、広告、行き先案内等の各種表示装置、さらには、デジタルビデオカメラ、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等における画像読取装置、プロジェクタ装置などに利用することができる。

１００発光装置
１基板
２発光素子
４ａ、４ｂ、４ｃ第１配線部
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ第２配線部
６ａ、６ｂ光反射樹脂
７第１封止部材
８第２封止部材
９保護素子
１０第１発光素子群
１１第２発光素子群
１２ワイヤ
ＡＭアノードマーク
ＴＰ温度測定用パターン

Claims

基板と、
前記基板上に形成された第１配線部及び第２配線部を有する配線部と、
前記基板または前記配線部上に配置された複数の発光素子と、
前記基板または前記配線部上に配置された保護素子と、
前記複数の発光素子を囲む光反射樹脂と、
前記光反射樹脂にて囲まれた前記複数の発光素子を覆う封止部材と、を有し、
前記複数の発光素子は、前記第１配線部と接続される第１発光素子群と、前記第２配線部と接続される第２発光素子群と、からなり、
前記第１配線部と前記第２配線部は、それぞれ複数に分かれて離隔して形成されており、
前記保護素子は、一の前記第１配線部に配置され、第１ワイヤによって前記一の第１配線部に隣接する他の前記第１配線部に接続され、
前記第１ワイヤが接続された前記他の第１配線部は、前記第２配線部の離隔した配線部間に配置され、前記第２配線部の離隔した配線部間は第２ワイヤによって接続されており、
前記第１ワイヤ、前記第２ワイヤと前記保護素子は、前記光反射樹脂に被覆されている、発光装置。
前記封止部材は、前記第１発光素子群を覆う第１封止部材と、前記第２発光素子群を覆う第２封止部材と、である、請求項１に記載の発光装置。
前記第１発光素子群は、第１発光部を構成し、
前記第２発光素子群は、第２発光部を構成し、
前記第１発光部と前記第２発光部との発光スペクトルまたは色温度が異なっている、請求項１または請求項２に記載の発光装置。
前記第１発光素子群は、第１発光部を構成し、
前記第２発光素子群は、第２発光部を構成し、
前記第１発光部は前記基板の中央領域にあり、前記第２発光部は前記第１発光部の外側にあり、
前記配線部は、パッド部と、弧状部分と、を複数有しており、
前記第１配線部は前記第２配線部より内側にあり、前記第２配線部は前記第１配線部を囲むように同心円状に配置され、
前記第１配線部は、前記弧状部分から外側へ引き出されるように延伸して前記基板の端部に前記パッド部を有しており、
前記第２配線部は、前記引き出された第１配線部を挟んで離隔して弧状に延伸しており、
一の前記第２配線部にワイヤの一端が接続され、前記一の第２配線部から離隔して配置された他の前記第２配線部に前記ワイヤの他端が接続されている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光装置。