(57)【要約】【課題】光源外部に光を有効に取り出すことができる信頼性の高い発光ダイオード光源装置とその製造方法、それを用いた照明装置、表示装置及び交通信号機の提供。【解決手段】凹状部と基板電極とが設けられた絶縁基板と、前記凹状部を封止する透明樹脂と、該透明樹脂中央部に、電極が形成された両主面間の厚み方向を凹状部の深さ方向に対して４５度〜１３５度の範囲に向けて配置された発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップの電極と基板電極とを電気的に接続する電気配線とを有することを特徴とする発光ダイオード光源装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状部と基板電極とが設けられた絶縁基板と、前記凹状部を封止する透明樹脂と、該透明樹脂中央部に、電極が形成された両主面間の厚み方向を凹状部の深さ方向に対して４５度〜１３５度の範囲に向けて配置された発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップの電極と基板電極とを電気的に接続する電気配線とを有することを特徴とする発光ダイオード光源装置。
【請求項２】
前記発光ダイオードチップは、その厚み方向が凹状部の深さ方向に対して直交するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード光源装置。
【請求項３】
前記電気配線が銀配線であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード光源装置。
【請求項４】
前記透明樹脂は、発光ダイオードチップから出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置。
【請求項５】
凹状部と基板電極とが設けられた絶縁基板を用意し、この凹状部に透明樹脂を一部充填した後、これを硬化させる前に、電極が形成された両主面間の厚み方向を凹状部の深さ方向に対して４５度〜１３５度の範囲に向けて発光ダイオードチップを一部埋設し、該透明樹脂を硬化させた後、発光ダイオードチップの電極の透明樹脂から露出した部分と基板電極とを電気的に接続する電気配線を形成し、次いで凹状部の残りのスペースに透明樹脂を充填し、これを硬化して凹状部を封止し、発光ダイオード光源装置を得ることを特徴とする発光ダイオード光源装置の製造方法。
【請求項６】
凹状部に透明樹脂を充填して発光ダイオードチップを埋設する際に、まず凹状部深さの５％〜５０％の範囲内にある第１の深さまで透明樹脂を充填、硬化させて第１の透明樹脂層を形成し、次いで第１の透明樹脂層の上に、凹状部深さの１０％〜８０％の範囲内にある第２の深さまで透明樹脂を充填し、次いでこれをゲル状に半硬化させ、次いで該ゲル状の透明樹脂に発光ダイオードチップを一部埋設し、次いで該ゲル状の透明樹脂を硬化させて第２の透明樹脂層を形成し、次いで発光ダイオードチップの電極の透明樹脂から露出した部分と基板電極とを電気的に接続する電気配線を形成し、次いで凹状部の残りのスペースに透明樹脂を充填し、これを硬化して凹状部を封止することを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード光源装置の製造方法。
【請求項７】
前記発光ダイオードチップを、その厚み方向が凹状部の深さ方向に対して直交するように透明樹脂中に埋設することを特徴とする請求項５又は６に記載の発光ダイオード光源装置の製造方法。
【請求項８】
前記電気配線が、発光ダイオードチップの電極と基板電極とを電気的に接続するインクジェット法で印刷した銀ペーストを硬化させて得られた銀配線であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置の製造方法。
【請求項９】
前記透明樹脂は、発光ダイオードチップから出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含んでいることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の透明樹脂層上に設けられる３層目の樹脂層中に励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含むことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置を光源として有することを特徴とする照明装置。
【請求項１２】
請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置を光源として有することを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード光源装置を光源として有することを特徴とする交通信号機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードを基板に実装した発光ダイオード光源装置とその製造方法、この発光ダイオード光源装置を光源として有する照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、電気エネルギーを光エネルギーに変換する半導体光源である。発光ダイオードを照明装置、表示装置、及び信号機などに用いる場合は、１個の発光ダイオードが小型な発光光源であるため１個当たりの光量が少ないので、複数の発光ダイオードを集合させて必要となる光量を確保する。
【０００３】
しかし、発光ダイオードの数が増えると光源装置のサイズが大きくなってしまう問題があるため、１個の発光ダイオードから取り出される光量をできるだけ大きくする工夫がなされてきた。発光ダイオードチップは、サファイア基板など透明基板上に発光層を積層させて作製されたものが一般的であるため、発光ダイオードチップの発光は、発光ダイオードチップ全面だけではなく、裏面や側面など全方向に放射される。このため、一般に発光ダイオードチップを実装する基板またはパッケージは、発光ダイオードチップ側面から出た横方向の光を光源前方へ取り出すための反射面を備えるものとされてきた。
【０００４】
例えば、図１は特許文献１に開示された発光ダイオード光源装置を示す断面図である。図１中、符号１はガラスエポキシ基板、２は基板１の凹状部に実装された発光ダイオードチップであり、基板１上の回路パターン３に金ワイヤ４によって電気的に配線されており、樹脂５により封止されている。さらに基板１はマザーボード６に電気的に接続されている。また、上部にはレンズ部材７が形成されている。
このように構成された光源装置において、ガラスエポキシ基板１の凹状部内壁には、発光ダイオードチップ２の側面から出る光を前方へと反射して取り出すため、前方に近づくに従い凹状部断面の幅が広がるよう外側へ傾斜した反射面８が形成されている。この発光ダイオード光源装置は、発光ダイオードチップ２の側面から出た光が凹状部の反射面８で反射されて外部へ取り出されるので、発光ダイオードチップ２からの光を効率よく装置前面側に取り出すことができるという利点を有している。
【特許文献１】特開２００２−３２４９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の発光ダイオード光源装置は、発光ダイオードチップの裏面を接合材を用いて絶縁基板凹状部電極に接合する構造であるため、発光ダイオードチップ裏面から出た光は接合材によって反射されて発光ダイオードチップ内部へと戻されて、この光が発光ダイオードチップ内部に閉じ込められてしまい、光源外部に光が有効に取り出すことができず、発光効率が低下するという問題があった。
【０００６】
さらに、前述した従来の発光ダイオード光源装置では、発光ダイオードチップ表面の電極と基板電極とを金ワイヤを介して電気的に配線する構造となっていた。ここでワイヤ材料の金は、５００ｎｍの波長域の光に対して反射率が低いという特徴がある。そのため、発光ダイオードチップに青色発光ダイオードチップや近紫外発光ダイオードチップを用いた場合、発光ダイオードチップから出た光が金ワイヤに吸収され、光損失が大きくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、発光ダイオードチップ全体が透明樹脂に覆われるように実装されることで発光ダイオードチップから光を有効に取り出すことができ、発光ダイオードチップの電極と基板電極とを銀配線にて電気的に接続することで配線部材による光吸収を低減し、光源外部に光を有効に取り出すことができる信頼性の高い発光ダイオード光源装置とその製造方法、該光源装置を用いた照明装置、表示装置又は交通信号機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、凹状部と基板電極とが設けられた絶縁基板と、前記凹状部を封止する透明樹脂と、該透明樹脂中央部に、電極が形成された両主面間の厚み方向を凹状部の深さ方向に対して４５度〜１３５度の範囲に向けて配置された発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップの電極と基板電極とを電気的に接続する電気配線とを有することを特徴とする発光ダイオード光源装置を提供する。
【０００９】
本発明の発光ダイオード光源装置において、前記発光ダイオードチップは、その厚み方向が凹状部の深さ方向に対して直交するように配置されていることが好ましい。
【００１０】
本発明の発光ダイオード光源装置において、前記電気配線が銀配線であることが好ましい。
【００１１】
本発明の発光ダイオード光源装置において、前記透明樹脂は、発光ダイオードチップから出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含んでいてもよい。
【００１２】
また本発明は、凹状部と基板電極とが設けられた絶縁基板を用意し、この凹状部に透明樹脂を一部充填した後、これを硬化させる前に、電極が形成された両主面間の厚み方向を凹状部の深さ方向に対して４５度〜１３５度の範囲に向けて発光ダイオードチップを一部埋設し、該透明樹脂を硬化させた後、発光ダイオードチップの電極の透明樹脂から露出した部分と基板電極とを電気的に接続する電気配線を形成し、次いで凹状部の残りのスペースに透明樹脂を充填し、これを硬化して凹状部を封止し、発光ダイオード光源装置を得ることを特徴とする発光ダイオード光源装置の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法において、凹状部に透明樹脂を充填して発光ダイオードチップを埋設する際に、まず凹状部深さの５％〜５０％の範囲内にある第１の深さまで透明樹脂を充填、硬化させて第１の透明樹脂層を形成し、次いで第１の透明樹脂層の上に、凹状部深さの１０％〜８０％の範囲内にある第２の深さまで透明樹脂を充填し、次いでこれをゲル状に半硬化させ、次いで該ゲル状の透明樹脂に発光ダイオードチップを一部埋設し、次いで該ゲル状の透明樹脂を硬化させて第２の透明樹脂層を形成し、次いで発光ダイオードチップの電極の透明樹脂から露出した部分と基板電極とを電気的に接続する電気配線を形成し、次いで凹状部の残りのスペースに透明樹脂を充填し、これを硬化して凹状部を封止することが好ましい。
【００１４】
本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法において、前記発光ダイオードチップを、その厚み方向が凹状部の深さ方向に対して直交するように透明樹脂中に埋設することが好ましい。
【００１５】
本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法において、前記電気配線が、前記電気配線が、発光ダイオードチップの電極と基板電極とを電気的に接続するインクジェット法で印刷した銀ペーストを硬化させて得られた銀配線であることが好ましい。
【００１６】
本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法において、前記透明樹脂は、発光ダイオードチップから出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含んでいることが好ましい。
【００１７】
本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法において、前記第２の透明樹脂層上に設けられる３層目の樹脂層中に励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含むことが好ましい。
【００１８】
また本発明は、前述した本発明に係る発光ダイオード光源装置を光源として有することを特徴とする照明装置、表示装置又は交通信号機を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の発光ダイオード光源装置は、凹状部を封止した透明樹脂内に、電極が形成された両主面間の厚み方向を凹状部の深さ方向に対して４５度〜１３５度の範囲に向けて発光ダイオードを埋設した構成としたので、発光ダイオードチップから全方向に放射される光を透明樹脂内へと効率よく取り出すことができ、発光ダイオード光源装置１個からの光の取り出し量を大きくすることができる。
本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法によれば、前述した光の取り出し量が大きい高性能の発光ダイオード光源装置を効率よく製造することができる。
また、本発明の照明装置、表示装置及び交通信号機は、本発明の発光ダイオード光源装置を光源として用いたものなので、光の取り出し量が多くなり、従来の光源装置と比べて必要な光量を得るための発光ダイオードチップの個数を少なくすることができ、消費電力を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の発光ダイオード光源装置の一実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光ダイオード光源装置１０は、複数の凹状部１１と基板電極１２とが設けられた絶縁基板１３と、前記凹状部１１を封止する透明樹脂１４と、該透明樹脂１４の中央部に、電極１５が形成された両主面間の厚み方向Ｂを凹状部１１の深さ方向Ａに対して直交するように向けて埋設状態で設けられた発光ダイオードチップ１６と、発光ダイオードチップの電極１５と基板電極１２とを電気的に接続する銀配線１７とを備えて構成されている。
【００２１】
本実施形態の発光ダイオード光源装置１０に用いられる絶縁基板１３としては、発光ダイオードチップ１６を前述したように埋設配置することが可能な大きさの１個以上の凹状部１１を有していれば良く、その材質や形状、凹状部１１の個数等の詳細は特に限定されない。通常、この絶縁基板としては、例えば、コア金属の表面にホーロー層を焼結してなるホーロー基板、ガラスエポキシ基板、セラミック基板などを用いることが好ましい。また、光の取り出し効率を高めるため、凹状部１１の内面に反射率の高い材料（アルミニウム等）を蒸着した基板を用いてもよい。この絶縁基板１３の基板形状及び凹状部１１の個数や配置は、発光ダイオード光源装置１０の使用用途、例えば、照明装置、表示装置、交通信号機などに応じて適宜選択することができる。
【００２２】
この絶縁基板１３の凹状部１１に設けられる発光ダイオードチップ１６としては、赤色〜紫色の可視域の光、あるいは近紫外域の光を発光する各種の発光ダイオードチップの中から、前述した使用目的に応じて適宜選択して用いることができる。この発光ダイオードチップ１６は、サファイア基板など透明基板上に発光層を積層させて作製されており、その発光は、発光ダイオードチップの両主面だけではなく、側面を含む全方向に放射される。
【００２３】
本実施形態において、発光ダイオードチップ１６は、電極１５が形成された両主面間の厚み方向Ｂを凹状部１１の深さ方向Ａに対して直交するように向けて埋設状態で設けられているが、発光ダイオードチップ１６の厚み方向Ｂの角度は本例示にのみ限定されるものではなく、両主面間の厚み方向Ｂを凹状部の深さ方向Ａに対して４５度〜１３５度の範囲、より好ましくは６０度〜１２０度の範囲で配置することができる。この角度が前記範囲から外れると、銀配線１７が形成し難くなるなど、発光ダイオード光源装置１０の製造が困難になる。
【００２４】
この発光ダイオードチップ１６を埋設している透明樹脂１４としては、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂などが好ましい。この透明樹脂１４中には、発光ダイオードチップ１６から出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含めることができる。
【００２５】
発光ダイオードチップ１６の電極１５と基板電極１２とを電気的に接続している銀配線１７は、インクジェット印刷によって銀ペーストを所定位置に線描し、熱処理して形成することができる。
【００２６】
本実施形態の発光ダイオード光源装置１０は、凹状部１１を封止した透明樹脂１４内に、電極１５が形成された両主面間の厚み方向Ｂを凹状部１１の深さ方向Ａに対して直交するように向けて発光ダイオードチップ１６を埋設した構成としたので、発光ダイオードチップ１６から全方向に放射される光を透明樹脂内へと効率よく取り出すことができ、１個の発光ダイオード光源装置１０からの光の取り出し量を大きくすることができる。
また、発光ダイオードチップ１６の電極１５と基板電極１２とがインクジェット法により印刷された銀配線１７により電気的に接続されているので、発光ダイオードチップ１６に青色発光ダイオードチップや近紫外発光ダイオードチップを用いた場合にも配線部材による光吸収が少なく光損失を小さくすることができる。
また、透明樹脂１４中に、発光ダイオードチップ１６から出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含めることで、発光ダイオードチップ１６から出る光と、顔料又は蛍光体から出る光を混色して出射することができるため、発光ダイオードチップ１６の光と同じ色の光源以外にも様々な色の発光ダイオード光源装置１０を作製することができる。
【００２７】
次に、図３を参照して本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法の一例を説明する。
本例の製造方法では、まず、凹状部１１と基板電極１２とが設けられた絶縁基板１３を用意する。この絶縁基板１３の作製は、従来公知の各種基板作製手法を用いることができる。例えば、絶縁基板１３としてホーロー基板を用いる場合には、低炭素鋼板などの金属板にドリル研削加工、プレス加工などにより適当な凹状部を形成し、次に、該金属板の表面にガラス微粒子を電着させ、次にこれを焼成してホーロー基板を作製し、更に基板表面に銅ペーストや銀ペーストを印刷して焼き付ける方法、真空蒸着法、銅箔貼り付けなどの方法により基板電極１２を形成することにより作製する。
【００２８】
次に、凹状部深さの５％〜５０％の範囲内にある第１の深さまで透明樹脂を充填、硬化させて第１の透明樹脂層１８を形成する。この第１の深さは、凹状部深さの１／３程度が望ましい。
次に、第１の透明樹脂層１８の上に、凹状部深さの１０％〜８０％の範囲内にある第２の深さまで透明樹脂を充填し、次いでこれをゲル状に半硬化させる。この第２の深さ（第２の樹脂層１９の厚み）は、第１の透明樹脂層１８上に縦置きした発光ダイオードチップ１６を半分程度樹脂で埋める深さを目安とする。
次に、第１の透明樹脂層１８上に発光ダイオードチップ１６を縦置きし、ゲル状の透明樹脂に発光ダイオードチップ１６を一部埋設する。
次に、該ゲル状の透明樹脂を硬化させて、第２の透明樹脂層１９を形成する。
【００２９】
図３は、凹状部１１内に発光ダイオードチップ１６を実装するために第２の透明樹脂層１９を形成した状態を示している。第２の透明樹脂層１９の発光ダイオードチップ１６と接する上端縁には、樹脂の表面張力により、くぼみ２０が形成されている。
次に、インクジェット印刷装置を用いて、発光ダイオードチップ１６の電極１５のうち、第２の透明樹脂層１９から露出した部分と基板電極１２とを結ぶラインに沿って、銀ペーストを線描する。次に、熱処理を施し、線描した銀ペーストを熱硬化させ、電極１５と基板電極１２とを電気的に接続する銀配線１７を形成する。
【００３０】
次に、凹状部１１の残りのスペースに透明樹脂を充填し、これを硬化して凹状部１１を封止して、図２に示す発光ダイオード光源装置１０を製造する。
なお、透明樹脂、特に第２の透明樹脂層１９上に設けられる３層目の樹脂層中には、発光ダイオードチップ１６から出る光により励起され、励起光と異なる波長の光を発する顔料又は蛍光体を含めてもよい。
【実施例】
【００３１】
図２に示す発光ダイオード光源装置１０を製造した。
まず、絶縁基板１３として用いるホーロー基板を作製した。基板のコア金属には低炭素鋼板を用い、所望の形状・厚みに裁断し、同時に、凹状部１１など絶縁基板に必要な形状を機械加工やプレス加工で作製した。次に、適当な分散媒にガラス粉末を分散させた液中に前記金属板を吊し、さらにこの金属板と対向する位置に電極を配し、ガラスを金属板に電着させた。次に、ホーロー層の上に基板電極１２となる銀ペーストを印刷し、その後焼結して発光ダイオードチップに電力を供給するための回路パターン（基板電極１２）を形成し、ホーロー基板を作製した。
【００３２】
次に、ホーロー基板への発光ダイオードチップ１６の実装について説明する。ここで発光ダイオードチップ１６には、チップの両方の主面にそれぞれ電極１５をもつタイプのチップを使用した。
まず、発光ダイオードチップ１６をダイボンドする前に、凹状部１１に１層目の透明エポキシ樹脂を塗布し熱硬化させ、第１の透明樹脂層１８を形成した。このとき樹脂の塗布厚は、凹状部深さの１／３になることを目安とした。
次に、２層目の透明エポキシ樹脂を塗布し、樹脂がゲル状になるまで熱硬化させた。このゲル状の樹脂中に、電極１５が形成された両主面間の厚み方向Ｂを凹状部１１の深さ方向Ａに対して直交するように向けて縦置きにして発光ダイオードチップ１６を一部埋設し、次に、この樹脂を完全に熱硬化させて第２の透明樹脂層１９を形成した。ここで、第２の透明樹脂層１９の塗布厚は、両方の主面を水平に向けて縦置きした発光ダイオードチップ１６の高さの半分程度を目安とした。
次に、基板の上方からインクジェット印刷機を用い、ナノ銀ペーストを発光ダイオードチップの電極とホーロー基板表面電極とを結ぶようにライン状に印刷した。ここで、発光ダイオードチップ側面にナノ銀ペーストを塗布すると発光ダイオードチップ回路がショートしてしまうので、発光ダイオードチップ１６の手前で印刷を止めた。このとき、第２の透明樹脂層１９の発光ダイオードチップ１６と接する上端縁は、図３に示すように樹脂の表面張力によりくぼみ２０ができており、ここに銀ペーストが流れ込むことにより、発光ダイオードチップ１６の電極１５と基板電極１２とを結ぶ銀配線１７が形成できた。
次に、ナノ銀ペーストを熱硬化させ、最後に３層目の透明エポキシ樹脂を塗布し熱硬化させることで、透明樹脂中央部に発光ダイオードチップ１６が実装された、本発明の実装構造をもつ発光ダイオード光源装置を得た。
本実施例では、ホーロー基板凹状部の深さを１．０ｍｍとし、発光ダイオードチップのサイズを０．４ｍｍ角×厚さ０．１ｍｍとし、第１の透明樹脂層の樹脂厚を０．３ｍｍ、第２の透明樹脂層の樹脂厚を０．１５ｍｍ、３層目の樹脂厚を０．４ｍｍに設定した。
【００３３】
なお、比較のために、同等のホーロー基板、発光ダイオードチップ及び透明樹脂を用い、図１に示す従来の実装構造の発光ダイオード光源装置を製造した。
【００３４】
以上のように製造した本発明の実装構造をもつ発光ダイオード光源装置と、従来の実装構造をもつ発光ダイオード光源装置のそれぞれについて、定格２０ｍＡにて全光量の比較測定を行った。それぞれの光源装置に実装された発光ダイオードチップは１個であり、基板と透明樹脂はどちらも同じものを使用した。
【００３５】
測定の結果、従来の発光ダイオード光源装置に比べ、本実施形態の実装構造をもつ発光ダイオード光源装置は、２０％の光量増加が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の発光ダイオード光源装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の発光ダイオード光源装置の一実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の発光ダイオード光源装置の製造方法の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…発光ダイオード光源装置、１１…凹状部、１２…基板電極、１３…絶縁基板、１４…透明樹脂、１５…電極、１６…発光ダイオードチップ、１７…銀配線（電気配線）、１８…第１の透明樹脂層、１９…第２の透明樹脂層、２０…くぼみ。
【図１】
2007329155.tif 000003
【図２】
2007329155.tif 000004
【図３】
2007329155.tif 000005