(57)【要約】【課題】放熱効率が高く、輝度の大きな蛍光を出射可能な光源装置を提供する。【解決手段】励起光束７を発する固体光源１と、固体光源１から離れた位置に配置され、表面に励起光束７が照射されて蛍光を発光する蛍光体層２とを備える反射型の光源装置である。本発明では、蛍光体層２の裏面に反射層３を配置する。蛍光体層２と反射層３との間には接合材を介在させない。基板５と反射層３との間には、所定の領域に複数の金属バンプ４を配置して、蛍光体層２および反射層３を基板５上に支持する。このとき、金属バンプ４が配置される領域は、蛍光体層２に励起光束７が照射される領域（照射領域）８に対応する領域とする。これにより、蛍光体層２の照射領域８の熱を、金属バンプ４を介して基板５に効率よく伝導して放熱することができる。【選択図】図１
2014137973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光束を発する固体光源と、該固体光源から離れた位置に配置され、表面に前記励起光束が照射されて蛍光を発光する蛍光体層と、前記蛍光体層の裏面側に配置され、前記蛍光および前記励起光束を反射する反射層と、前記蛍光体層および前記反射層を支持する基板とを有し、
前記固体光源は、前記蛍光体層の表面の予め定めた照射領域に前記励起光束を照射し、
前記基板と前記反射層の間には、前記照射領域に対応する領域に金属バンプが複数配置され、前記蛍光体層及び前記反射層を前記基板上で支持していることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光源装置において、前記金属バンプは、前記照射領域に対応する領域内にのみ配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光源装置において、前記基板と前記反射装置の間には、前記金属バンプの周囲を充填するように、接合材層が配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の光源装置において、前記蛍光体層は、樹脂成分を含まないことを特徴とする光源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光源装置において、前記蛍光体層は、蛍光体セラミックスであることを特徴とする光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度の照明光を得ることが可能な発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ等の固体光源と蛍光体層を組み合わせた光源は広く普及しているが、近年では高輝度化が進み、一般照明や自動車のヘッドランプなどその応用範囲が広がってきている。このような光源は今後も高輝度化することでさらに多様な用途での普及が進むと考えられている。
【０００３】
光源を高輝度化する方法として反射方式で蛍光体を利用することが提案されている（特許文献１）。この発明は、固体光源である光半導体と、蛍光体セラミックス等の蛍光体層を空間的に離して配置することを特徴とする。固体光源からの励起光によって励起された蛍光体層からの発光と、蛍光体層で反射された励起光の反射光の両方を利用する。反射方式を採用することで、励起光の反射光も照明光として利用できるため高輝度化が可能となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０６４４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光源では、蛍光体セラミックスは、樹脂性接着剤や金属のろう付け等の接合層により、光反射性基板に接合されている。光反射性基板は、励起光および蛍光を反射面する役割と、蛍光体セラミックスからの熱を外部へ放散させる役割と、蛍光体セラミックスの支持基板としての役割を担う。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の構成では、蛍光体セラミックスと光反射性基板とを接合する樹脂性接着剤や金属のろう付け等の接合層の熱伝導性により、蛍光体セラミックスから光反射基板への熱伝導の効率が決まる。このため、樹脂製の接着剤のように、金属と比較して熱伝導性が低い接合層を用いた場合には、レーザー光等の大光量の光を蛍光体セラミックスの狭い領域へ入射させて、輝度の大きな蛍光を得ようとしたときに、蛍光体セラミックスの熱を十分に光反射性基板に伝導することができず、蛍光体セラミックスが割れる恐れがある。一方、金属のろう付けにより接合層を形成した場合には、ろう付け材料が蛍光体セラミックスの側面に濡れ広がりやすく、側面に付着した接合材が蛍光体セラミックスの側面から出る光を吸収し、蛍光体セラミックスの出射光量を低下させる要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、放熱効率が高く、輝度の大きな蛍光を出射可能な光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、蛍光体層の裏面に反射層を配置する。基板と反射層との間には、所定の領域に複数の金属バンプを配置して、蛍光体層および反射層を基板上に支持する。このとき、金属バンプが配置される領域は、蛍光体層に励起光束が照射される領域（照射領域）に対応する領域とする。これにより、励起光束の照射により温度が上昇する蛍光体層の照射領域の熱を、金属バンプを介して基板に効率よく伝導して放熱することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、放熱効率が高く、輝度の大きな蛍光を出射可能な光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の光源装置の断面図と光束を示す説明図。
【図２】（ａ），（ｂ）および（ｃ）図１のＡ−Ａ’断面図。
【図３】本実施形態の光源装置の金属バンプ４の周囲に接合材層９を配置した例を示す断面図。
【図４】本実施形態の蛍光体層２の放熱経路を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
本発明の光源装置の断面図を図１に示す。本発明では、励起光束７を発する固体光源１と、固体光源１から離れた位置に配置され、表面に励起光束７が照射されて蛍光を発光する蛍光体層２とを備える反射型の光源装置である。本発明では、蛍光体層２の裏面に反射層３を配置する。蛍光体層２と反射層３との間には接合材を介在させない。基板（放熱基板）５と反射層３との間には、所定の領域に複数の金属バンプ４を配置して、蛍光体層２および反射層３を放熱基板５上に支持する。このとき、金属バンプ４が配置される領域は、蛍光体層２に励起光束７が照射される領域（照射領域）８に対応する領域とする。これにより、励起光束７の照射により温度が上昇する蛍光体層２の照射領域８の熱を、金属バンプ４を介して放熱基板５に効率よく伝導して放熱することができる。金属バンプ４は、放熱基板５および反射層３に接合される際の熱では溶融しないため、蛍光体層２の側面に這い上がることがなく、蛍光体層２の側面からの放射を妨げることがない。また、本発明では蛍光体層２の放熱効率が高いため、大光量の励起光束７を絞って、蛍光体層２の表面の狭い領域のみに照射することができるため、蛍光体層２から放射される蛍光および、反射層３で反射されて蛍光体層２の表面から放射される励起光の輝度を向上させることができる。
【００１３】
すなわち、本発明の光源装置は、励起光束７を発する固体光源１と、固体光源１から離れた位置に配置され、表面に励起光束７が照射されて蛍光を発光する蛍光体層２と、蛍光体層２の裏面側に配置され、蛍光および励起光束７を反射する反射層３と、蛍光体層２および反射層３を支持する放熱基板５とを備えて構成される。固体光源１は、蛍光体層２の表面の予め定めた照射領域８に励起光束７を照射する。放熱基板５と反射層３との間には、照射領域８に対応する領域に金属バンプ４が複数配置され、蛍光体層２および反射層３を放熱基板５上で支持する構成とする。
【００１４】
具体的な金属バンプ４の配置例を図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、固体光源１からの励起光束７の照射領域８が、円の場合、矩形の場合、楕円の場合を示している。金属バンプ４は、反射層３を放熱基板５側から見た場合に、蛍光体層２の表面の照射領域８に対応する領域内にのみ配置されている。ただし、金属バンプ４は、照射領域８に対応する領域内にのみ配置されていてもよいし、照射領域８に加えてその外側の領域にも配置されていてもよい。このように、照射領域８に対応する領域内に金属バンプ４を配置することにより、温度が上昇する照射領域８内の蛍光体層２の熱を、反射層３および金属バンプ４を介して放熱基板５に効率よく伝導して放熱することができるため、温度上昇による蛍光体層２の消光や、温度上昇により生じ得る蛍光体層２の割れ等を防止することができる。
【００１５】
図３のように、放熱基板５と反射層３の間には、金属バンプ４の周囲を充填するように、透明または高反射性の接合材層９を配置することも可能である。接合材層９を配置することにより、放熱基板５と反射層３との密着性および放熱性をさらに向上させることができる。接合材層９は、製造時に蛍光体層２の側面に這い上がって、図３のように蛍光体層２の側面を覆うことがあるため、励起光束７および蛍光体層２の蛍光に対して透明な材料または白色樹脂等の高反射性の材料を用いる。接合材層９として白色樹脂を用い、蛍光体層２の側面を白色樹脂が覆った場合には、白色樹脂が蛍光体層２の側面で蛍光および励起光を反射することにより、蛍光体層２の表面から出射させることができ、表面の輝度が向上する。
【００１６】
蛍光体層２は、樹脂成分を含まないことが望ましい。樹脂成分は、励起光束７の照射により温度が上昇した場合に、変色等して励起光束７や蛍光を吸収する光学特性に変化することがあるためである。樹脂成分を含まない蛍光体層２としては、蛍光体セラミックスを用いることが可能である。
【００１７】
以下、本実施形態の光源装置の各部について、より具体的に説明する。
【００１８】
本発明の固体光源１には、紫外光から青色光領域に発光波長をもつ発光ダイオードやレーザーダイオードなどが使用可能である。例えば、ＧａＮ系の材料を用いた約４５０ｎｍの青色光を発光するレーザーダイオードを用いることができる。出射光強度は、光源に必要とされる強度のものを用いるが、本発明は、励起光強度が高い光源を使用する場合にその効果が顕著に現れる。
【００１９】
蛍光体層２として使用する蛍光体としては、例えば、紫外光から青色光領域の光を吸収し、励起光より長波長の光を発するものを用いることが出来る。具体的には例えば、赤色用には、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋，Ｃａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋、（Ｃａ，Ｓｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ２＋，ＫＳｉＦ６：Ｍｎ４＋、ＫＴｉＦ６：Ｍｎ４＋を、黄色用には、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋，Ｃａｘ（Ｓｉ，Ａｌ）１２（Ｏ，Ｎ）１６：Ｅｕ２＋を，緑色用には、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，Ｙ３（Ｇａ，Ａｌ）５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，Ｃａ３Ｓｃ２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ３＋，ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｅｕ２＋，（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋，Ｂａ３Ｓｉ６Ｏ１２Ｎ２：Ｅｕ２＋，（Ｓｉ，Ａｌ）６（Ｏ，Ｎ）８：Ｅｕ２＋等を用いることができる。蛍光体層に含まれる蛍光体の種類は複数であってもよい。
【００２０】
蛍光体層２の材質としては、これらの蛍光体粉末をガラス中に分散させたものや、ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体、樹脂などの結合部材を含まない蛍光体セラミックス等を用いることができる。蛍光体粉末をガラス中に分散させたものの具体例としては、上に列挙した組成の蛍光体粉末をＰ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｂ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３などの成分を含むガラス中に分散したものが挙げられる。ガラス母体に発光中心イオンを添加したガラス蛍光体としては、Ｃｅ３＋やＥｕ２＋を賦活剤として添加したＣａ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系やＹ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系などの酸窒化物系ガラス蛍光体が挙げられる。蛍光体セラミックスとしては、上に列挙した組成の蛍光体組成からなり、樹脂成分を実質的に含まない焼結体が挙げられる。これらの中でも透光性を有する蛍光体セラミックスを使用することが望ましい。これは、焼結体中に光の散乱の原因となるポアや粒界の不純物がほとんど存在しないために透光性を有するに至った蛍光体セラミックスである。ポアや不純物は、熱拡散を妨げる原因にもなるため、透光性蛍光体セラミックスは高い熱伝導率を示す。このため、透光性蛍光体セラミックスは、蛍光体層２として利用した場合に、励起光や蛍光を拡散により失うことなく蛍光体層２から取り出して利用でき、さらに蛍光体層２で発生した熱を効率良く拡散することができる。透光性を示さない焼結体の蛍光体セラミックスでも出来るだけポアや不純物の少ないものが望ましい。ポアの残存量を評価する指標としては、蛍光体セラミックスの比重の値を用いることができ、その値が計算される理論値に対して９５％以上のものが望ましい。
【００２１】
蛍光体層２の表面の照射領域８のサイズは、必要とされる輝度や光量に応じて設定する。例えば、図２（ａ），（ｃ）のように数百μｍの径の円形や楕円形や、図２（ｂ）のように一辺数百μｍの矩形にすることができる。蛍光体層２は、これらの照射領域８よりも大きいものを用いる。例えば、一辺１ｍｍ〜数ｍｍ角の矩形のものを用いることができる。
【００２２】
反射層３としては、例えば、Ａｇ，Ａｇ合金，Ｐｔ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｓｉ等の金属反射膜及びＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｎＯ等の誘電体多層膜を用いることができる。反射層３が、金属バンプ４を接合するための接合層の機能を兼ねているため、反射層３を複数層で構成し、蛍光体層２側には光反射性に優れた膜を配置し、放熱基板５側には金属バンプ４との接合層を配置することも可能である。反射層３は、スパッタリング、真空蒸着、メッキ等の方法により、蛍光体層２の表面に直接形成することができる。
【００２３】
金属バンプ４は、金、銀、銅、錫、鉛などの熱伝導性に優れた金属で形成されたものを用いる。金属バンプ４は、励起光束７の照射領域８に対応する領域に集中的に配置することにより、励起光照射に伴う熱を効率良く放熱基板に伝えることができる。金属バンプ４の径は、一例としては数十μｍ程度、金属バンプ４のピッチは数十μｍ程度とすることができる。
【００２４】
金属バンプ４の周辺に接合材層９を配置する場合には、透明シリコーン樹脂や液体透明ガラスなどの透明接合材や、白色シリコーン樹脂などの高反射性の接合材を用いることが望ましい。
【００２５】
放熱基板５としては、金属基板や酸化物セラミックス、非酸化セラミックス等を使用可能であるが、特に高い伝熱特性、加工性を併せ持つ基板を使用するのが望ましい。金属としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐｄなどの単体や、それらを含む合金が使用可能である。放熱基板５の表面（金属バンプ４の搭載面）には、メッキ、スパッタ成膜、蒸着成膜などにより、必要に応じて金属バンプの接合性に優れた膜を配置することも可能である。放熱基板５の放熱性を高めるために、放熱基板５の表面の一部に複数のピンが備えられていても良い。
【００２６】
金属バンプ４から放熱基板５への放熱経路を図４に示した。励起光束７が照射される領域８の直下の蛍光体層２は、温度が上昇するが、その熱は、反射層３および照射領域８の直下の金属バンプ４を通じて放熱基板５に放熱される。このように、金属バンプ４を用いることにより、最短距離で蛍光体層２の熱を放熱基板５に伝導できるため、放熱効率を高めることができる。
【００２７】
ここで、光源装置の製造方法を説明する。蛍光体層２の裏面には反射層３を気相成長法やメッキ法により予め形成しておく。放熱基板５の表面の所定の領域内に金属バンプ４を搭載する。金属バンプ４の上に、金属バンプ４の配置領域が蛍光体層２の励起光束照射領域８が一致するように、位置合わせして蛍光体層２を搭載する。蛍光体層２を金属バンプ４に押しつけるように加圧しながら、金属バンプ４を加熱し、必要に応じて超音波を金属バンプ４に加える。これにより、金属バンプ４を溶融させることなく、反射層３と放熱基板５とを接合して光源装置を製造することができる。
【００２８】
本発明の光源装置は、照明用光源装置やプロジェクタ装置の光源等として利用できる。
【００２９】
（比較例）
比較例として、金属バンプ４に代えてＡｕＳｎペースト材を用いる場合を説明する。ＡｕＳｎペースト材を用いる場合、基板５との密着性を確保するために、蛍光体層の反射層３としては、例えばＡｕメッキなどのＡｕの濡れ性に優れた材質を用いる必要がある。そうすると、ＡｕＳｎペースト材は、接合時に反射層３の全面に濡れ広がるが、その濡れ広がりは蛍光体層２側面にも及ぶことになる。ＡｕＳｎは、光を吸収する性質を持つため、蛍光体層２側面にＡｕＳｎが存在すると、ＡｕＳｎは蛍光体層２側面からの発光を吸収してしまう。このため、蛍光体層２から出射される光量が減少する。
【００３０】
一方、接合材として、光透過性の樹脂を用いることが考えられる。しかし、樹脂は熱伝導率が低いためにＡｕＳｎなどの金属に比べると蛍光体層２の熱を効率良く放熱基板に伝えることができない。このため、蛍光体層２の温度が高くなり、蛍光体層２に割れが生じたり、温度消光が生じる恐れがある。また、樹脂は、耐熱温度が低いことから、接合材が変質する可能性がある。
【符号の説明】
【００３１】
１        固体光源
２        蛍光体層
３        反射層
４        金属バンプ
５        放熱基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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