(57)【要約】【課題】効率良く光を発生する発光装置１を提供する。【解決手段】配線板１０と、配線板１０の上に積層された青色ＬＥＤ２０、赤色ＬＥＤ３０および緑色ＬＥＤ４０と、青色ＬＥＤ２０、赤色ＬＥＤ３０および緑色ＬＥＤ４０の間に配設された、青色ＬＥＤ２０、赤色ＬＥＤ３０および緑色ＬＥＤ４０よりもサイズが大きい透明板５０、６０と、を具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に積層された複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の間に配設された、前記発光素子よりもサイズが大きい放熱部材と、を具備することを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記発光素子が、発光ダイオードであること特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記放熱部材の熱伝導率が、前記発光素子の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記放熱部材が、前記放熱部材の下に配設された前記発光素子が発生する光が透過する材料により、構成されていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記放熱部材が、前記放熱部材の下に配設された発光素子が発生する光が通過可能なフレーム構造であることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
【請求項６】
前記複数の発光素子が、反射防止膜を有することを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
前記複数の発光素子が、それぞれ異なる波長の光を発生することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項８】
前記複数の発光素子が、同じ波長の光を発生することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体発光素子を具備する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子を用いた発光装置は、小型で電力効率がよい。このため、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子を有する発光装置は、各種の光源として利用されている。半導体発光素子が発生する光は急峻なスペクトル分布を有する。このため、例えば白色光を発生する発光装置においては、異なる波長の光を発生する複数の半導体発光素子を用いる必要がある
【０００３】
特開２００８−１３０７７７号公報には、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤを組み合わせた、いわゆる三波長混合型の白色光を発生する発光装置１０１が、開示されている。図１および図２に示すように、発光装置１０１は、配線板１１０と、配線板１１０上にダイボンディングされている第１の発光素子１２０と、発光素子１２０上に透明樹脂層１５０を介して接着されている第２の発光素子１３０と、さらに、発光素子１３０上に透明樹脂層１６０を介して接着されている第３の発光素子１４０とを有する。
【０００４】
第１、２、３の発光素子１２０、１３０、１４０は、ともに同一サイズの発光素子チップからなる。各発光素子１２０、１３０、１４０の上面には、それぞれ一対のボンディングパッド１２１Ａ、１２１Ｂ、１３１Ａ、１３１Ｂ、１４１Ａ、１４１Ｂが配されている。なお、以下、同じ機能の複数の構成要素のそれぞれをいうときは符号末尾のアルファベット１文字を省略していうことがある。例えば、一対のボンディングパッド１２１Ａ、１２１Ｂをボンディングパッド１２１という。
【０００５】
配線板１１０には、ボンディングパッド１２１、１３１、１４１に対応して３対のボンディングリード１１２、１１３、１１４が配されている。ボンディングパッド１２１、１３１、１４１とボンディングリード１１２、１１３、１１４とは、ボンディングワイヤ１７０Ａ〜１７０Ｆにより接続されている。
【０００６】
発光装置１０１は、同一サイズの発光素子１２０、１３０、１４０を積層しているため、異なるサイズの発光素子を積層する発光装置に比較して、基板上の小面積内に発光素子を配置することができる。このため、よりサイズの大きい、すなわち発光面積の大きい発光素子を用いることができるため、より高輝度が得られる。
【０００７】
しかし、発光素子は発熱素子であるために、発光素子１２０、１３０、１４０を積層した発光装置１０１は、熱の影響により発光効率が低下することがあった。発光素子が発生した熱は、伝熱または熱放射により放熱される。しかし、発光装置１０１においては、透明樹脂層１５０、１６０の熱伝導率が発光素子１２０、１３０、１４０の熱伝導率よりも小さいために、放熱経路は発光素子の側面からの熱放射が中心となる。しかし、側面からの熱放射は、放熱面積が小さいために、放熱量は十分ではなかった。なお、ボンディングワイヤ１７０を介する伝熱経路もあるが、ボンディングワイヤ１７０は径が細いために、この伝熱経路からの放熱量も小さかった。このため、発光装置１０１は、熱の影響により効率良く光を発生できないおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１３０７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、効率良く光を発生する発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成すべく、本発明の発光装置は、基板と、前記基板の上に積層された複数の発光素子と、前記複数の発光素子の間に配設された、前記発光素子よりもサイズが大きい放熱部材と、を具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、効率良く光を発生する発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】公知の発光装置の構造を説明するための横方向から観察したときの図である。
【図２】公知の発光装置の構造を説明するための上面図である。
【図３】第１の実施の形態の発光装置の構造を説明するための分解斜視図である。
【図４】第１の実施の形態の発光装置の構造を説明するための横方向から観察したときの図である。
【図５】第１の実施の形態の透明板の構造を説明するための斜視図である。
【図６】第２の実施の形態の発光装置の構造を説明するための横方向から観察したときの図である。
【図７】第２の実施の形態の放熱板の構造を説明するための斜視図である。
【図８】第２の実施の形態の放熱板の構造を説明するための斜視図である。
【図９】第３の実施の形態の発光装置の構造を説明するための横方向から観察したときの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図３は第１の実施の形態の発光装置１の構造を説明するための分解図であり、図４は発光装置１の構造を説明するための断面図である。なお、図は説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっている。
【００１４】
図３および図４に示すように、発光装置１は、基板である配線板１０と、配線板１０の上に積層された同じサイズの３個の発光素子である青色ＬＥＤ（発光ダイオード）２０、赤色ＬＥＤ３０および緑色ＬＥＤ４０と、放熱部材である透明板５０、６０と、を具備する。なお、以下、青色ＬＥＤ２０、赤色ＬＥＤ３０、緑色ＬＥＤ４０の、それぞれを単にＬＥＤということがある。ここでサイズとは、ＬＥＤまたは透明板５０、６０の、例えば上面および下面の辺の長さである。また配線板側を下側、被照明体側を上側という。
【００１５】
発光装置１は、配線板１０と、配線板１０に第２の主面２０Ａが接合された第１の発光素子である青色ＬＥＤ２０と、第２の発光素子である赤色ＬＥＤ３０と、第３の発光素子である緑色ＬＥＤ４０と、青色ＬＥＤ２０の第１の主面２０Ａと赤色ＬＥＤ３０の第２の主面３０Ｂとの間に配設された透明板５０と、赤色ＬＥＤ３０の第１の主面３０Ａと緑色ＬＥＤ４０の第２の主面４０Ｂとの間に配設された透明板６０と、を具備する。なお、ＬＥＤと透明板５０、６０とは、例えば、薄い透明接着層（不図示）により接着されている。
【００１６】
また発光装置１は、それぞれのＬＥＤと配線板１０とを接続する６本のボンディングワイヤ７０Ａ〜７０Ｆを有する。配線板１０は、ボンディングワイヤ７０が接続される６個のボンディングリード１１Ａ〜１１Ｆを有する。ＬＥＤは、それぞれがボンディングワイヤ７０が接続される２個のボンディングパッド、２１、３１、４１を有する。そして、透明板５０には、ボンディングパッド２１、３１、４１にボンディングワイヤ７０を接続するための切り欠き部５１Ａ、５１Ｂが形成されている。透明板６０にも同様の切り欠き部（不図示）が形成されている。
【００１７】
透明板５０は、透明板５０の下に配設された青色ＬＥＤ２０が発生する青色光が透過する材料により構成されており、透明板６０は、透明板６０の下に配設された青色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０が発生する青色光および赤色光が透過する材料により構成されている。ここで光が透過するとは、透過率が５０％以上、好ましくは７５％以上、より好ましくは９０％以上である。前記範囲以上であれば、光の吸収による発光効率の低下が実用上、問題のないレベルとなる。
【００１８】
すなわち、透明板５０、６０は、それぞれ所定の波長の光に対して透明であればよく、例えば可視光線波長の全体にわたって高透過率である必要はない。また、例えば紫外光を発光する発光素子の上側に配される透明板の場合には、可視光線波長は吸収してもよいが紫外光を透過する材料を用いる。もちろん、透明板５０、６０は、所定の波長の光だけではなく、より広い波長の光を透過してもよく、同じ材料により構成してもよい。さらに透明板５０、６０は、光透過部５１Ｃには光透過材料を有し、それ以外の部分には不透明部材を有する構造でもよい。
【００１９】
発光装置１では、青色ＬＥＤ２０および赤色ＬＥＤ３０が発生した熱は透明板５０に伝熱され、赤色ＬＥＤ３０および緑色ＬＥＤ４０が発生した熱は透明板６０に伝熱される。透明板５０、６０は、ＬＥＤよりも熱伝導率の高い材料により構成されている。例えば、ＬＥＤが窒化ガリウム（熱伝導率：１３０Ｗ／ｍＫ）からなる場合には、透明板５０、６０として、例えば青色光および赤色光に対する透過率が９０％以上である窒化アルミニウム（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍＫ）を用いる。すなわち、放熱部材は、透明樹脂（熱伝導率：０．２Ｗ／ｍＫ）、またはガラス（熱伝導率：１Ｗ／ｍＫ）等に比べて、遙かに熱伝導率が高い材料により構成される。
【００２０】
さらに、図３から図５に示すように、透明板５０、６０は、略同じサイズの３個のＬＥＤよりも、サイズが大きい。透明板５０、６０のサイズはＬＥＤのサイズよりも大きければ、異なっていてもよい。サイズが小さいＬＥＤと積層されたときに、サイズが大きい放熱部材は、側面だけでなく、周辺部の表面および裏面も放熱面となる。このため、透明板５０、６０は、ＬＥＤから伝熱された熱を外部に放熱する放熱面積が広いために、放熱効率がよい。
【００２１】
なお、３個のＬＥＤが異なるサイズの場合には、透明板５０、６０は接合されている上下のＬＥＤのうちのサイズが大きいＬＥＤよりも大きいサイズであれば、周辺部の表面および裏面も放熱面となる。また透明板の形状は、その周辺部の少なくとも一部の表面および裏面が放熱面となるサイズであれば矩形に限られるものではなく、楕円形等であってもよい。
【００２２】
上記構成の発光装置１は、放熱効率がよいため、効率良く光を発生することができる。
【００２３】
次に、発光装置１の製造方法について説明する。最初に、青色ＬＥＤ２０の第２の主面２０Ｂが、配線板１０にダイボンディングされる。ダイボンディングには、銀ペースト、金属共晶接合、樹脂接着剤、または白色樹脂接着剤等を用いる。なお、青色ＬＥＤ２０の第２の主面２０Ｂには反射層が形成されていることが好ましい。また、配線板１０として、ＬＥＤを収容可能なパッケージを用いてもよい。
【００２４】
次に、青色ＬＥＤ２０の発光部が形成されている第１の主面２０Ａのボンディングパッド２１と、配線板１０のボンディングリード１１とが、ボンディングワイヤ７０により接続される。ボンディングワイヤ７０としては、金、アルミニウムまたは銅などの金属細線を用いる。なお、ボンディングパッド２１とボンディングリード１１と間を電気的に接続できる他の接続方法、例えばＴＡＢ（Tape Automated Bonding）方法でもよい。
【００２５】
そして、青色ＬＥＤ２０の第１の主面２０Ａに、透明板５０が接着剤により接合される。すなわち、接着剤が塗布された後、硬化処理が行われる。
【００２６】
接着剤としては、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、またはフェノール系の透明接着剤を用いる。接着剤の硬化方法は、熱硬化、紫外線硬化、または紫外線熱硬化併用等を用いる。なお、透明樹脂材料の熱伝導率は低いが、接着層の厚さは薄いために熱伝導に及ぼす影響は小さい。
【００２７】
次に、赤色ＬＥＤ３０の第２の主面３０Ｂが、透明板５０上に接着剤により接合される。そして、赤色ＬＥＤ３０の発光部が形成されている第１の主面３０Ａのボンディングパッド３１と、配線板１０のボンディングリード１１とが、ボンディングワイヤ７０により接続される。そして、赤色ＬＥＤ３０の第１の主面３０Ａに透明板６０が接着剤により接合される。
【００２８】
次に、緑色ＬＥＤ４０の第２の主面４０Ｂが、透明板６０上に接着剤により接合される。そして、緑色ＬＥＤ４０の発光部が形成されている第１の主面４０Ａのボンディングパッド４１と、配線板１０のボンディングリード１１とが、ボンディングワイヤ７０により接続されることで、発光装置１の基本構造が完成する。
【００２９】
なお、透明板５０と透明板６０とは異なる厚み、異なるサイズ、異なる材料でもよい。また、ＬＥＤ間のすべてに放熱部材を配設しないで、１か所以上のＬＥＤ間にのみ放熱部材を配設してもよい。また発光装置は仕様に応じて、発光素子を必要な個数だけ積層することが可能である。さらに、発光素子の発光波長は、すべて同一、あるいは、異なっていてもよい。
【００３０】
なお、人体を照明する発光装置においては緑色光が強いことが好ましいために、発光装置１ではＬＥＤの積層順序は、上記に示した順序となっているが、ＬＥＤの積層順序は目的に応じて適宜、変更が可能である。また発光素子としては、ＬＥＤが好ましいが、半導体発光素子であれば、ＬＤ等でも同様の効果を奏することができ、さらには有機ＥＬ素子であってもよい。
【００３１】
＜第２の実施の形態＞
次に第２の実施の形態の発光装置１Ａについて説明する。本実施の形態の発光装置１Ａは第１の実施の形態の発光装置１と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００３２】
図６および図７に示すように、本実施の形態の発光装置１Ａの放熱部材は、不透明材料からなる放熱板５０Ａ、６０Ａであり、放熱板５０Ａ、６０Ａの下に配設された発光素子が発生する光が通過可能な、略中央部に開口部５２のあるフレーム構造である。すなわち、図７に示すように、放熱板５０Ａ、６０Ａは下に配設されたＬＥＤが発生する光を取り出す開口部５２と、ボンディングパッド２１、３１とボンディングワイヤ７０とを接続するための切り欠き部５３Ａ、５３Ｂと、が形成されている。
【００３３】
第１の実施の形態の透明板５０、６０では開口部５２を形成する必要がなく、ＬＥＤとの接触面積が放熱板５０Ａ、６０Ａよりも大きいために、ＬＥＤが発生した熱を、より効率的に放熱部材に伝熱する。また、放熱板５０Ａ、６０Ａの切り欠き部５３Ａ、５３Ｂのサイズは上下のＬＥＤのサイズよりも小さいために、ＬＥＤが発生した光の一部は放熱板５０Ａ、６０Ａにより遮蔽される。しかし、透明板５０、６０として用いることのできる材料が高価であるのに対して、放熱板５０Ａ、６０Ａとして用いることのできる材料は比較的、安価であり、かつ加工が容易である。
【００３４】
すなわち、放熱板５０Ａ、６０Ａの材料としては、ＬＥＤが窒化ガリウム（熱伝導率：１３０Ｗ／ｍＫ）からなる場合には、窒化ガリウムよりも熱伝導率が高い、銅（熱伝導率：４０１Ｗ／ｍＫ）もしはアルミニウム（熱伝導率：２３６Ｗ／ｍＫ）等の金属、またはシリコン（熱伝導率：１６８Ｗ／ｍＫ）等のセラミック等を用いることができる。
【００３５】
なお、ＬＥＤが窒化ガリウムからなる場合には、窒化ガリウムよりも熱伝導率が低い、鉄（熱伝導率：８４Ｗ／ｍＫ）、真鍮（熱伝導率：１０６Ｗ／ｍＫ）または白金（熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ）等は放熱効率が良くはない場合がある。もちろん、前記材料で構成されていても、透明樹脂（熱伝導率：０．２Ｗ／ｍＫ）と比べると遙かに高熱伝導率であり、かつ、ＬＥＤよりも大きいサイズの放熱板５０Ａ、６０Ａを有する発光装置の放熱効率は悪くはない。またＬＥＤの熱伝導率が窒化ガリウムよりも低い材料の場合には、より多くの材料を放熱板５０Ａ、６０Ａの材料として好ましく用いることができる。
【００３６】
また、図８に示すように放熱性をさらに向上させるため、周囲にスリット５４を形成し、放熱面積を広くした放熱板５０Ｂ（６０Ｂ）を用いてもよい。また、放熱部材は板状の放熱板に限られるものではなく、周辺部から下側に延設部を有し、延設部が配線板１０と接合された形状にしてもよい。前記構造の放熱部材では、延設部を介して配線板１０に熱を伝熱することができる。
【００３７】
開口部５２の形状はＬＥＤが発生する光を過度に遮蔽せず、かつＬＥＤとの伝熱面積が適度であれば、よい。さらに開口部５２の内面に、アルミニウム、銀、金、または、白色塗料を用いて反射膜を形成してもよい。また、導電性がある放熱部材の場合は、アルマイト処理または塗装処理等の絶縁処理を行ってもよい。
【００３８】
導電性がある放熱部材の場合には、放熱部材により、ボンディングパッドとボンディングリードとを電気的に接続する部材として用いてもよい。すなわち、それぞれの放熱部材を電気的に２分割し、ＬＥＤの２箇所のボンディングパッドと配線板の２箇所のボンディングリードとを接続することで、ボンディングワイヤの替わりに、接続部材としての機能を付与することができる。
【００３９】
本実施の形態の発光装置１Ａは、第１の実施の形態の発光装置１が有する効果を有し、放熱部材により安価、かつ加工が容易な材料を用いることができる。
【００４０】
＜第３の実施の形態＞
次に第３の実施の形態の発光装置１Ｂについて説明する。本実施の形態の発光装置１Ｂは第１の実施の形態の発光装置１と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４１】
図９に示すように、発光装置１Ｂは、ＬＥＤ２２、３２、４２およびボンディングワイヤ７０を保護するために、発光装置１の全体を気密封止している。ＬＥＤ２２、３２、４２は後述するように、反射防止膜を有する青色ＬＥＤ（発光ダイオード）２０、赤色ＬＥＤ３０および緑色ＬＥＤ４０である。また、発光装置１Ｂは第２の実施の形態の発光装置１Ａと同じ不透明材料からなる放熱板５０Ａ、６０Ａを有し、さらに緑色ＬＥＤ４２の上に第１の実施の形態の発光装置１と同じ透明材料からなる放熱部材である透明板６５を有している。さらに、発光装置１Ｂは、配線板１０に接合された封止枠８１と、封止枠８１と接合された透明板８２とを有し、配線板１０と封止枠８１と透明板８２とで囲まれた内部空間８３が密閉されている。さらに、発光装置１Ｂは、ＬＥＤの側面光を反射するリフレクタ８４を、ＬＥＤの外周に配設し、より効率的に光を発生するようにしている。リフレクタ８４は、ＬＥＤの側面に形成し側面方向に出射する光を反射する反射膜と同様の効果を有し、リフレクタ８４の反射面には、アルミニウム、銀、金、白塗装などを用いる。
【００４２】
さらに、発光装置は、ＬＥＤが発生した光を、より長波長光に変換するＹＡＧ蛍光体等の波長変換層を形成してもよい。また、発光装置１Ｂにおいて内部空間８３を透明封止樹脂により封止してもよい。
【００４３】
本実施の形態の発光装置１Ｂは、第１の実施の形態の発光装置１が有する効果を有し、気密封止されているために、より信頼性が高い。
【００４４】
なお、開口部５２を有する放熱板５０Ａ、６０Ａ等を有する発光装置では、光路中に空気層が介在するために、ＬＥＤと空気層との界面で急激な屈折率の変化のため、光の反射が発生しやすい。このため、発光装置１Ｂでは、反射防止膜２２Ａ、３２Ａ、３２Ｂ、４２Ｂにより界面での反射を防止している。
【００４５】
反射防止膜には、一般に、光干渉の原理が利用される。すなわち、反射防止膜は、単層、多層構成によるものであり、基本的には光の干渉を利用して反射を打ち消す。より具体的には、単層反射防止膜の場合には振幅条件として膜の屈折率をｎ、ＬＥＤの屈折率をｎｇとしたとき、ｎ＝（ｎｇ）１／２、位相条件として物理膜厚をｄ、使用波長をλとしたときｎｄ＝λ／４をそれぞれ満足するとき、その波長において表面反射は０となる。また多層反射防止膜の場合には、例えば、中心波長をλとしたとき、ＬＥＤ側より中間屈折率材料をλ／４、高屈折率材料をλ／２、低屈折率材料をλ／４の膜厚で成膜することにより広い波長域で反射を抑えることができる。
【００４６】
具体的には、波長が４００〜６２０ｎｍの場合、単層膜としては、０．１〜０．１５５μｍ厚のＭｇＦ２、または３ＮａＦ・ＡｌＦ３などを用いることができる。また、多層膜としては、ＬＥＤ側に、０．１〜０．１５５μｍ厚のＣｅＦ３膜／中間に０．２〜０．３１μｍ厚のＺｒＯ２膜またはＣｅＯ２膜／最上層（空気側）に０．１〜０．１５５μｍ厚のＭｇＦ２膜を有する３層構造の膜等を用いることができる。
【００４７】
なお、反射防止膜は反射を防止できる膜であればよく、さらに反射防止膜の替わりに、ＬＥＤ表面に微細な錐体からなる反射防止構造を作製してもよい。
【００４８】
空気層との界面に反射防止膜を有する発光装置は、より強い光を発生することができる。
【００４９】
本発明は上述した実施の形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００５０】
１、１Ａ、１Ｂ…発光装置、１０…配線板、１１…ボンディングリード、２０、２２…青色ＬＥＤ、３０、３２…赤色ＬＥＤ、４０、４２…緑色ＬＥＤ、２０Ａ、３０Ａ、４０Ａ…第１の主面、２０Ｂ、３０Ｂ、４０Ｂ…第２の主面、２１、３１、４１…ボンディングパッド、２２Ａ、３２Ａ、３２Ｂ、４２Ｂ…反射防止膜、５０、６０、６５…透明板、５０Ａ、５０Ｂ、６０Ａ、６０Ｂ…放熱板、５１Ａ、５１Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ…切り欠き部、５１Ｃ…光透過部、５２…開口部、５４…スリット、７０…ボンディングワイヤ、８１…封止枠、８２…透明カバー、８３…内部空間、８４…リフレクタ、１０１…発光装置、１１０…配線板、１１２…ボンディングリード、１２０、１３０、１４０…発光素子、１２１…ボンディングパッド、１５０、１６０…透明樹脂層、１７０…ボンディングワイヤ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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