(57)【要約】【課題】本発明はＬＥＤ１個当たりの消費電力が比較的大きなＬＥＤ光源においても、光束低下が少なく、長寿命を実現したＬＥＤ光源に関するものである。【解決手段】本発明は、基板上にＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ光源であって、前記ＬＥＤチップは第一の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は第二の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は、シリコーン樹脂であり、前記第二の樹脂のガラス転移点温度は、１００℃以上であり、前記ＬＥＤチップ１個あたりの消費電力が０．１Ｗ以上である構成により、光束が大きくかつ、小型なＬＥＤ光源において、寿命特性を改善したＬＥＤ光源を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ光源であって、
前記ＬＥＤチップは第一の透光性樹脂で覆われており、
前記第一の樹脂は第二の透光性樹脂で覆われており、
前記第一の樹脂は、透光性のシリコーン樹脂であり、
前記第二の樹脂のガラス転移点温度は、１０５℃以上であり、
前記ＬＥＤチップ１個あたりの消費電力が０．１Ｗ以上である
ことを特徴とするＬＥＤ光源。
【請求項２】
前記第一の樹脂の屈折率をｎ１とし、と前記第二の樹脂の屈折率をｎ２
としたとき、
ｎ１＜ｎ２の関係が成り立つことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源。
【請求項３】
前記第二の樹脂は、エポキシを主材料とした樹脂であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源。
【請求項４】
基板上にＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ光源であって、
前記ＬＥＤチップは第一の透光性樹脂で覆われており、
前記第一の樹脂は第二の透光性樹脂で覆われており、
前記第二の樹脂は第三の透光性樹脂で覆われており、
前記第一の樹脂は、シリコーン樹脂であり、
前記第二の樹脂は、ガラス転移点温度が１０５℃以上の樹脂であり、
前記ＬＥＤチップ１個あたりの消費電力が０．１Ｗ以上である
ことを特徴とするＬＥＤ光源。
【請求項５】
前記第一の樹脂の屈折率をｎ１とし、と前記第二の樹脂の屈折率をｎ２
とし、前記第三の樹脂の屈折率をｎ３としたとき、
ｎ１＜ｎ２＜ｎ３の関係が成り立つことを特徴とする請求項４記載のＬＥＤ光源。
【請求項６】
前記第二の樹脂は、エポキシを主材料とした樹脂であることを特徴とする請求項４から５記載のＬＥＤ光源。
【請求項７】
前記第三の樹脂は、エポキシを主材料とした樹脂であることを特徴とする請求項４から６記載のＬＥＤ光源。
【請求項８】
前記ＬＥＤチップ１個当たりの消費電力が１Ｗ以上であり、第三の樹脂のガラス転移点温度が１０５℃以上であることを特徴とする請求項４から７記載のＬＥＤ光源。
【請求項９】
前記第一の樹脂に、蛍光材料が含まれていることを特徴とする請求項４から８記載のＬＥＤ光源。
【請求項１０】
前記第一の樹脂の平均厚さは、０．０５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項９記載のＬＥＤ光源。
【請求項１１】
前記第一の樹脂の平均厚さは、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９記載のＬＥＤ光源。
【請求項１２】
前記ＬＥＤチップの発光中心波長は、３５０〜５００ｎｍであり、前記蛍光材料の発光と組み合わせて白色に点灯することを特徴とする請求項９から１１記載のＬＥＤ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤ１個当たりの消費電力が比較的大きなＬＥＤ光源においても、光束低下が少なく、長寿命を実現したＬＥＤ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
白色ＬＥＤは蛍光灯のように水銀を使用しないため、環境によりやさしい光源であることや、ガラスを用いないためガラス破損片が飛び散らないなどの理由のため、次世代照明光源として開発が進められている。従来のＬＥＤ光源の例として、ＬＥＤ（ＧａＮダイ）１２の周辺部に蛍光層２０を配置し、その上部にレンズ２４を配置するものが知られている。また、レンズを構成する部材は、透光性エポキシ樹脂が一般的と紹介されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−２４４０２１号公報（０００４段落を参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のようなＬＥＤは、一般的にＬＥＤチップの大きさが約０．３ｍｍ角程度であり、ＬＥＤ１個当たり０．０７Ｗ（＝３．５Ｖ×０．０２Ａ）の消費電力となるように設計されている。ところが、大光量を得るためにＬＥＤへの投入電力を増加させ、０．１Ｗ以上とすると、ＬＥＤの光束維持率が極端に低下することがわかった。その原因を、解析したところ、ＬＥＤ周辺部の樹脂が劣化し、黄変することが原因であることがわかった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、光束が大きくかつ、小型なＬＥＤ光源において、寿命特性を改善したＬＥＤ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記従来の課題を解決するため、本発明に係るＬＥＤ光源は、基板上にＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ光源であって、前記ＬＥＤチップは第一の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は第二の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は、シリコーン樹脂であり、前記第二の樹脂のガラス転移点温度は、１０５℃以上であり、前記ＬＥＤチップ１個あたりの消費電力が０．１Ｗ以上である構成を有している。
【０００６】
好適な実施形態において、前記第一の樹脂の屈折率をｎ１とし、と前記第二の樹脂の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＜ｎ２の関係が成り立つ構成を有している。
【０００７】
好適な実施形態において、前記第二の樹脂は、エポキシ樹脂である構成を有している。
【０００８】
好適な実施形態において、基板上にＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ光源であって、前記ＬＥＤチップは第一の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は第二の透光性樹脂で覆われており、前記第二の樹脂は第三の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は、シリコーン樹脂であり、前記第二の樹脂は、ガラス転移点温度が１０５℃以上の樹脂であり、前記ＬＥＤチップ１個あたりの消費電力が０．１Ｗ以上である構成を有している。
【０００９】
好適な実施形態において、前記第一の樹脂の屈折率をｎ１とし、と前記第二の樹脂の屈折率をｎ２とし、前記第三の樹脂の屈折率をｎ３としたとき、ｎ１＜ｎ２＜ｎ３の関係が成り立つ構成を有している。
【００１０】
好適な実施形態において、前記第二の樹脂は、エポキシを主材料とした樹脂であること構成を有している。
【００１１】
好適な実施形態において、前記第三の樹脂は、エポキシを主材料とした樹脂である構成を有している。
【００１２】
好適な実施形態において、前記ＬＥＤチップ１個当たりの消費電力が１Ｗ以上であり、第三の樹脂のガラス転移点温度が１０５℃以上である構成を有している。
【００１３】
好適な実施形態において、前記第一の樹脂に、蛍光材料が含まれている構成を有している。
【００１４】
好適な実施形態において、前記第一の樹脂の平均厚さは、０．０５〜２ｍｍである構成を有している。
【００１５】
好適な実施形態において、前記第一の樹脂の平均厚さは、０．５ｍｍ以下である構成を有している。
【００１６】
好適な実施形態において、前記ＬＥＤチップの発光中心波長は、３５０〜５００ｎｍであり、前記蛍光材料の発光と組み合わせて白色に点灯する構成を有している。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明は、基板上にＬＥＤチップが実装されたＬＥＤ光源であって、前記ＬＥＤチップは第一の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は第二の透光性樹脂で覆われており、前記第一の樹脂は、シリコーン樹脂であり、前記第二の樹脂のガラス転移点温度は、１０５℃以上であり、前記ＬＥＤチップ１個あたりの消費電力が０．１Ｗ以上である構成により、光束が大きくかつ、小型なＬＥＤ光源において、寿命特性を改善したＬＥＤ光源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるＬＥＤ光源１０４を示すものである。
【００２０】
図１において、基板１０１上にＬＥＤ１０２が配列されている。ＬＥＤ１０２は、２×２ｃｍの範囲内に８×８個、計６４個並べられている。１０３はＬＥＤ光源１０４に給電するための電極である。
【００２１】
このＬＥＤ光源１０４のＡ−Ａ‘面での断面拡大図を図２に示す。基板１０１上にＬＥＤチップ２０１がフリップチップ実装され、ＬＥＤチップ２０１を覆うように第一の樹脂２０２が形成されている。また、第一の樹脂２０２を覆うように第二の樹脂２０３が形成されており、さらに、第二の樹脂２０３を覆うように第三の樹脂２０４が形成されている。
【００２２】
また、基板上のＬＥＤ周辺部にはＬＥＤチップを取り囲むように、図中の上部の光の出射方向に向けて光が取り出せるように反射板２０５が設置されている。
【００２３】
ＬＥＤ素子２０１は、発光中心波長が３５０〜５００ｎｍであり、ＧａＮ系のＬＥＤ素子である。発光面の大きさは０．３〜５ｍｍ角である。本実施の形態において、発光中心波長が４６０ｎｍで、発光面の大きさが０．３ｍｍ角である。
【００２４】
基板１０１は、アルミニウムを主原料とした基板であり、絶縁層を含むコンポジット層とＡｌ層からできている。厚みはコンポジット層が０．０１〜０．５ｍｍ程度、Ａｌ層が０．５〜５ｍｍ程度である。なお、本実施の形態の基板は、コンポジット層が０．３ｍｍ、Ａｌ層が１ｍｍの厚みのものを用いた。この基板の２０ｍｍ角の範囲に６４個のＬＥＤ２０１が等間隔で並べられている。第一の樹脂は、青色光を吸収し黄色光を発光する蛍光体を混入させたシリコーン樹脂である。樹脂厚み（平均厚さ）は、０．０５〜２ｍｍの範囲であり、本実施の形態においては、０．２ｍｍである。この範囲に調整することによって、樹脂による光の吸収が比較的少なく、かつ蛍光体による波長変換が十分に行うことができるため好ましい。
【００２５】
蛍光体は、例えばＹＡＧの黄色蛍光体が用いられる。ＬＥＤの青色発光と蛍光体の黄色発光によって白色が出力されるＬＥＤ光源である。
【００２６】
第二の樹脂２０３は、エポキシを主材料とした樹脂であり、ガラス転移点が１０５℃である。また、樹脂の厚みは、０．５〜５ｍｍであり、本実施の形態では、０．８ｍｍである。
【００２７】
第三の樹脂２０４は、エポキシを主材料とした樹脂であり、第二の樹脂とは組成が異なっている。また、レンズ形状となっている。特にこれらのエポキシ樹脂は、従来のエポキシ樹脂と異なり、ガラス転移点が１０５℃以上であることが特徴である。ガラス転移点の測定は、ＤＳＣ法（＝Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）を用いた。
【００２８】
反射板２０５は、表面が反射率の高いものであり、例えば、アルミニウム板、樹脂板などのベースに反射加工として金属メッキ、たとえば銀メッキしたものなどを用いることが出来る。本実施の形態の場合は、アルミニウム板である。反射板の厚みは、チップの大きさによって異なるが、チップサイズの１０〜５０倍程度が適当である。本実施の形態の反射板は、０．３ｍｍ角チップであるので、厚さが１ｍｍのものを用いた。
【００２９】
上記のように構成された、ＬＥＤチップは、図示しないが３２個直列に接続され、２並列で計６４個の構成であり、約１００Ｖの直流電流で点灯するように設計されている。ここで、ＬＥＤ１個あたり、電圧３．５Ｖで８０ｍＡの電流を流すので、３．５Ｖ×０．０４Ａ＝０．１４Ｗの電力を投入する設計となっている。
【００３０】
本実施の形態のＬＥＤ光源１０４において、ＬＥＤが実装されている面とは反対側の基板面に、図示しないが１０ｃｍ×１０ｃｍ×１５ｃｍの大きさのＡｌ製ヒートシンクを装着し、周囲温度６０℃の環境下でライフ試験を行った。
【００３１】
また、比較例として、従来のＬＥＤ光源も数種類用意した。従来のＬＥＤ光源は、本実施の形態１のＬＥＤ光源と同様の構成であり、第二の樹脂２０３がエポキシ樹脂であり、ガラス転移点温度が１０５℃以下の、６０〜９５℃であることのみが異なっている。
【００３２】
これらのＬＥＤ光源を上記電力で連続点灯して、光束維持率を測定したところ、図４に示すように、従来のＬＥＤ光源は、本実施の形態のＬＥＤ光源と比較して、極端に光束維持率が低下することがわかった。また、詳細に調査していくと、第二の樹脂については、ガラス転移点温度が１０５℃以上の樹脂であれば良いことがわかった。エポキシ樹脂は、組成の異なるものが数多く開発、販売されており、熱膨張率、屈折率、比重、硬度、曲げ強度など数多くの特性がそれぞれ異なったものがある。エポキシ基にシリコーンを結合させ、シリコーン樹脂の特性に近づけたものなどが開発されている。ここで、エポキシ樹脂とは、エポキシを主材料とした樹脂であり、エポキシ基を持った樹脂全てを指す。また、ガラス転移点温度とは、樹脂の弾性率が急激に低下する温度である。これらの樹脂のガラス転移点温度は、数十℃のものから２００℃近いものまで数多くあるが、従来は樹脂の光束維持率に関係するとは考えられていなかった。樹脂は、さまざまな原因で分子中の結合が切れるなど黄変し劣化する。しかし、本実施の結果より、ガラス転移点温度を規定することによって、より光束維持率の高いＬＥＤ光源を得ることが出来ることがわかった。
【００３３】
ここで、本実施の形態のＬＥＤ光源の温度シミュレーションを行ったので以下に示す。
【００３４】
シミュレーション条件は、以下の通りである。各構成材料のサイズは、上記実施の形態通りである。第一の樹脂の２０２は、０．２ｍｍ厚で、第二の樹脂２０３は厚さ０．８ｍｍで、反射板と同じ高さまで注入されている。第三の樹脂２０４は、反射板２０５の開口部の大きさと等しいレンズ形状となっている。
【００３５】
また、物性値は表１に示すものを用いた。各樹脂の物性値は厳密には異なるが、他の構成材料（反射板、基板など）と比較すると相対的に差が小さいので、同一として扱った。
【００３６】
周囲温度は、６０℃の空気であり、基板背面は、上記同様の大きさのＡｌ製ヒートシンクに接続されている。ＬＥＤ１個当たり、３．５Ｖ×０．０４Ａ＝０．１４Ｗ投入し、そのうち９０％が熱として放出されるとしてシミュレーション計算を行った。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
図５に本実施の形態のＬＥＤ光源の断面部の温度分布シミュレーション結果を示す。その結果、ＬＥＤを熱源として、ＬＥＤを中心に等温度線が現れ、第一の樹脂部分は、等温度線が７０℃以上となっており、大半の部分が点灯中に７０℃以上になっていることがわかる。また、第二の樹脂部分は、最高で７０℃、最低で６３℃を下回る程度の温度範囲となっていることがわかる。第三の樹脂は、６３℃から周囲温度の６０℃程度である。また、基板は熱伝導率が高いため、温度勾配が急（等温度線の間隔が狭い）である。
【００３９】
以上の検討によって、第二の樹脂について、ガラス転移点が１０５℃以上樹脂であれば、樹脂の熱耐性が高くなり、寿命中の劣化が少なくなることを見出した。また、蛍光体を用いたＬＥＤの場合、実質的に、第一の樹脂の厚みは、蛍光体の濃度から決定されるため、第二の樹脂温度が高くなり、第二の樹脂の種類がＬＥＤの寿命を大きく決定することとなることがわかった。
【００４０】
以上の検討より、定格点灯時の第二の樹脂温度が７０℃以上となった場合に、ＬＥＤ光源に寿命に対する、第二の樹脂のガラス転移点温度の影響が大きくなる。
【００４１】
第二の樹脂温度が７０℃以上になるのは、ＬＥＤの消費電力が０．１Ｗ以上かつ第一の樹脂の厚みが、２ｍｍより薄い場合である。また、第一の樹脂の厚みは、一般的な製造工程の精度などから少なくとも０．０５ｍｍ程度は必要であるので、０．０５ｍｍから２ｍｍ程度が第一の樹脂の厚さ範囲として適当である。また、第一の樹脂中に蛍光体を含み、ＬＥＤからの発光を一部吸収し、波長変換した光と混ぜ合わせる構成の場合は、第一の樹脂厚は、０．５ｍｍ以下にすることによって、樹脂中での光吸収を少なく出来る効果を有するため、より好ましい。このような好ましい例として、ＬＥＤチップの発光中心波長が３５０〜５００ｎｍであり、第一の樹脂中に蛍光体を含み、白色点灯するものがある。
【００４２】
ＬＥＤチップと蛍光体の組み合わせの例として、チップの発光波長が３５０〜４００ｎｍ程度のものと、ＲＧＢの各色に発光する蛍光体を組み合わせたもの、もしくは、チップの発光波長が４００〜５００ｎｍ程度のものと、補色に当たる波長の蛍光を示す蛍光体との組み合わせ、もしくは、前記４００〜５００ｎｍ程度のチップと５００〜８００ｎｍの発光をする１種以上の蛍光体である例などがある。
【００４３】
本実施の形態では、第二の樹脂として、エポキシを主材料として含む樹脂の場合を説明したが、シリコーン樹脂であっても同様の効果が得られることを確認している。
【００４４】
また、このような効果は、ＬＥＤ１個当たりの電力が０．１Ｗ以上の場合について起こることがわかっている。電力が０．１Ｗ以下の場合は、ＬＥＤからの光、熱エネルギーともに小さいので、光束維持率の減退は顕著ではない。しかし、０．１Ｗを超えると急激に光束維持率の減退が大きくなる。従来のＬＥＤ光源は、０．１Ｗを超えると数百時間で黄変が始まり、光束劣化が始まったのに対し、本実施の形態のＬＥＤ光源は、５０００時間以上たっても黄変は見られなかった。
【００４５】
また、第三の樹脂は、外力などに対応するために硬いことが望ましいので、エポキシ樹脂などが好適である。なお、好ましくは、第三の樹脂も、ガラス転移点温度を１０５℃以上のものを使用することが好ましい。なぜならば、ＬＥＤ１個当たり１Ｗ以上といった大きな出力を持つＬＥＤの場合は、第三の樹脂も高温となるためガラス転移点温度を規定しなければ、第三の樹脂が黄変してしまうからである。
【００４６】
なお、エポキシ樹脂が実現しうる、ガラス転移点温度は実質的に２５０℃程度が上限である。
【００４７】
なお、本実施の形態では、第三の樹脂にエポキシ樹脂の場合を記載したが、他の樹脂であってもかまわない。
【００４８】
なお、本実施の形態では、ガラス転移点測定法として、ＤＳＣ法を用いたが、ＴＭＡ法でも良い。また、どちらか１つの方法でも、本請求範囲に入っている場合は、同様に効果を有するものである。
【００４９】
なお、本実施の形態において、第一の樹脂、第二の樹脂、第三の樹脂と３種の樹脂を使用する場合について説明したが、第三の樹脂が無い場合でも、同様の効果を得ることが出来る。ただし、各樹脂の屈折率が、第一の樹脂＜第二の樹脂＜第三の樹脂、となる場合においては、各樹脂間での屈折率差が小さくなるため、ＬＥＤチップからの光の取りだし効率が向上するため好ましい。また、本実施の形態の屈折率は、第一の樹脂：１．４１、第二の樹脂：１．４５、第三の樹脂：１．５０となっており第一の樹脂と第三の樹脂の屈折率差のおよそ中間的な屈折率を第二の樹脂が持っているため、より好ましい。
【００５０】
なお、本実施の形態ではＬＥＤチップを基板にフリップチップ実装した場合を記載したが、他の基板とＬＥＤの実装方法として、ワイヤボンドによって実装する方法もある。本実施の形態で示したように、フリップチップ実装の方が好ましいことがわかった。なぜならば、フリップチップ実装では、ワイヤがないため、ワイヤ切れの故障モードがないためである。種々の実験を行ったところ、特に第二の樹脂および第三の樹脂中がワイヤがある場合は、当該樹脂のガラス転移点が高い樹脂ほど、樹脂の熱による膨張収縮によって、ワイヤが切れる可能性があることがわかったからである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のＬＥＤ光源は、高出力でありながら、光束維持率の良好なＬＥＤ光源を得ることが出来るので、一般照明、アクセント照明などの照明用途として有用である。また、液晶などのバックライト光源、自動車用の各種光源などとしても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源の概略を示す図
【図２】本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源の断面を示す図
【図３】ＬＥＤ光源の光束維持率を示す図
【図４】従来のＬＥＤを示す図
【図５】本発明のＬＥＤ光源の温度シミュレーション結果を示す図
【符号の説明】
【００５３】
１０１    基板
１０２    ＬＥＤ
１０３    電極
１０４    ＬＥＤ光源
２０１    ＬＥＤチップ
２０２    第一の樹脂
２０３    第二の樹脂
２０４    第三の樹脂
２０５    反射板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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