(57)【要約】【課題】  生成した光の色ばらつきを低減し、さらに高さ寸法を抑えて低背化を図った発光装置を提供する。【解決手段】  ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲む枠体４０と、枠体４０の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップ１０およびボンディングワイヤ１４，１４を封止し且つ弾性を有する封止部５０と、封止部５０に重ねて配置されるフレネルレンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であってフレネルレンズ６０の光出射面６０ｂ側にフレネルレンズ６０を覆い光出射面６０ｂおよび枠体４０との間に空気層８０が形成される形で配設される円筒状の色変換部材７０とを備える。【選択図】図１
2007088072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたフレネルレンズと、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって実装基板の前記実装面側でフレネルレンズおよび枠体を覆いフレネルレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設される色変換部材とを備えることを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤチップ（発光ダイオードチップ）を利用した発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、実装基板上にＬＥＤチップを実装した発光素子があり、ＬＥＤチップと当該ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体（蛍光顔料、蛍光染料など）とを組み合わせることにより、白色を含めＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの混色光を得る技術が開示されている。
【０００３】
例えば、発光装置として、実装基板の略中央に凹部を設けて、当該凹部の底面の略中央にＬＥＤチップを配置するとともに当該凹部の内部には蛍光体を含有させた色変換部材が充填され、当該発光装置の光取出し面側に光学部材として凸レンズを配置したものがある。（例えば、特許文献１参照）
また、光学部材としてフレネルレンズを用いたものもある。（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】特開２００５−１３５９８３号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８６３５号公報（段落番号［０００８］，図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１のように光学部材として凸レンズを用いた場合、発光装置としての高さ寸法が大きくなるという問題があった。
【０００５】
また、上記特許文献２においても、ＬＥＤチップの発光波長のばらつきによって、生成した光に色ばらつきが発生していた。
【０００６】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、生成した光の色ばらつきを低減し、さらに高さ寸法を抑えて低背化を図った発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが実装された実装基板と、当該実装基板におけるＬＥＤチップの実装面側でＬＥＤチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップおよび当該ＬＥＤチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたフレネルレンズと、ＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって実装基板の前記実装面側でフレネルレンズおよび枠体を覆いフレネルレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設される色変換部材とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、組立時に色変換部材の組付けが最終工程となるので、ＬＥＤチップの発光波長に応じて透明材料に対する蛍光体の配合を調整した色変換部材を用いることで色ばらつきを低減することができる。さらに、フレネルレンズを用いることで従来の凸レンズに比べて高さ寸法を小さくすることができ、装置全体として高さ寸法を抑えて低背化を図ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明では、生成した光の色ばらつきを低減し、さらに高さ寸法を抑えて低背化を図ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（実施形態）
以下、本実施形態の発光装置について図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１２】
本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲む枠体４０と、枠体４０の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止し且つ弾性を有する封止部５０と、封止部５０に重ねて配置されるフレネルレンズ６０と、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であってフレネルレンズ６０の光出射面６０ｂ側にフレネルレンズ６０を覆い光出射面６０ｂおよび枠体４０との間に空気層８０が形成される形で配設される円筒状の色変換部材７０とを備えている。なお、発光装置１は、例えば、グリーンシートからなる絶縁層９０を介して金属（例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属）製の器具本体１００を介して実装することで、ＬＥＤチップ１０から器具本体１００までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上し、ＬＥＤチップ１０のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。
【００１３】
実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が搭載される金属板２１と、金属板２１に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材２２とで構成されており、当該絶縁性基材２２における金属板２１側とは反対側の表面にＬＥＤチップ１０の図示しない両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターン２３が設けられるとともに、絶縁性基材２２においてＬＥＤチップ１０に対応する部位に窓孔２４が設けられており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が絶縁性基材２２を介さずに金属板２１に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板２１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。なお、金属板２１と絶縁性基材２２とは、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材２５により固着されている。また、各リードパターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、色変換部材７０により覆われていない部位がアウターリード部２３ｂとなっている。
【００１４】
ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード側の電極であるカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード側の電極であるアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１から離れた側となるように金属板２１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１に近い側となるように金属板２１に実装するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２を金属板２１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２を金属板２１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。
【００１５】
また、ＬＥＤチップ１０は、上述の金属板２１に、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と金属板２１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０を介して実装されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を金属板２１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有している。本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される電極パターン３１（図４参照）および金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４を介して一方のリードパターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して他方のリードパターン２３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。また、サブマウント部材３０は、電極パターン３１の周囲に、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する反射膜（例えば、Ｎｉ膜とＡｇ膜との積層膜）が形成されている。
【００１６】
サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。
【００１７】
上述の封止部５０の透明樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、アクリル樹脂などを用いてもよい。
【００１８】
これに対して、枠体４０は、円筒状の形状であって、透明樹脂の成形品により構成されているが、当該成形品に用いる透明樹脂としては、シリコーン樹脂を採用している。要するに、本実施形態では、封止部５０の透明樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有する透光性材料により枠体４０を形成してある。ここに、本実施形態では、枠体４０を実装基板２０に固着した後で枠体４０の内側に上記透明樹脂材料を充填（ポッティング）して熱硬化させることで封止部５０を形成してある。なお、上記透明樹脂材料としてシリコーン樹脂に代えてアクリル樹脂を用いている場合には、枠体４０をアクリル樹脂の成形品により構成することが望ましい。
【００１９】
フレネルレンズ６０は、封止部５０側の光入射面６０ａを平面状に形成し、色変換部材７０の内面７０ａに対向した光出射面６０ｂを同心円状の複数の輪帯レンズに分けて構成されており、全体として略平板状に形成される。ここにおいて、フレネルレンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品により構成してあり、封止部５０と屈折率が同じ値となっているが、フレネルレンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品に限らず、例えば、アクリル樹脂の成形品により構成してもよい。
【００２０】
ところで、フレネルレンズ６０は、当該フレネルレンズ６０の光軸がＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った発光部１２の中心線上に位置するように配置されている。なお、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０および空気層８０を伝搬して色変換部材７０まで到達し色変換部材７０の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材７０を透過したりする。
【００２１】
色変換部材７０は、シリコーン樹脂のような透明材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材７０の外面７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材７０の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材７０の材料として用いる透明材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。
【００２２】
ここで、色変換部材７０は、一端を開口した円筒体に形成され、内面７０ａがフレネルレンズ６０の光出射面６０ｂに沿った平面状に形成されている。したがって、フレネルレンズ６０の光出射面６０ｂの位置によらず法線方向における光出射面６０ｂと色変換部材７０の内面７０ａとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材７０は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。色変換部材７０は、開口部の周縁を実装基板２０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着すればよい。
【００２３】
以上説明した本実施形態の発光装置１では、フレネルレンズ６０を用いることで、従来の凸レンズに比べて高さ寸法を小さくすることができ、装置全体として高さ寸法を抑えて低背化を図ることができる。
【００２４】
また、本実施形態の発光装置１では、枠体４０の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止し且つ弾性を有する封止部５０を備え、枠体４０が透明樹脂の成形品からなるので、枠体が金属材料により形成されている場合に比べて枠体４０と封止部５０との線膨張率差を小さくすることができ、ヒートサイクル試験の低温時に封止部５０にボイドが発生するのを抑制することができるから、信頼性を高めることができ、しかも、枠体４０で光の反射損失が生じるのを抑制することができるから、光出力の向上を図れる。
【００２５】
また、本実施形態の発光装置１では、色変換部材７０はフレネルレンズ６０の光出射面６０ｂおよび枠体４０との間に空気層８０が形成される形で配設すればよく、色変換部材７０をフレネルレンズ６０および枠体４０に密着させる必要がないので、色変換部材７０の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの低下を抑制できる。また、本実施形態の発光装置１では、組立時に色変換部材７０の組付けが最終工程となるので、ＬＥＤチップ１０の発光波長に応じて透明材料に対する蛍光体の配合を調整した色変換部材７０を用いることで色ばらつきを低減することもできる。
【００２６】
また、本実施形態の発光装置では、上述のように色変換部材７０とフレネルレンズ６０との間に空気層８０が形成されているので、色変換部材７０に外力が作用したときに色変換部材７０が変形してフレネルレンズ６０に当接する可能性が低くなって上記外力により色変換部材７０に発生した応力がフレネルレンズ６０および封止部５０を通してＬＥＤチップ１０や各ボンディングワイヤ１４，１４に伝達されるのを抑制でき、上記外力によるＬＥＤチップ１０の発光特性の変動や各ボンディングワイヤ１４，１４の断線が起こりにくくなるから、信頼性が向上するという利点がある。また、色変換部材７０とフレネルレンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップ１０に到達しにくくなるという利点がある。
【００２７】
また、色変換部材７０とフレネルレンズ６０との間に上記空気層８０が形成されていることにより、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部５０およびフレネルレンズ６０を通して色変換部材７０に入射し当該色変換部材７０中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうちフレネルレンズ６０側へ散乱されてフレネルレンズ６０を透過する光の光量を低減できて装置全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。
【００２８】
ところで、上述の実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態を示す概略断面図である。
【図２】同上を示し、一部破断した概略分解斜視図である。
【図３】同上を示す要部概略平面図である。
【図４】同上におけるサブマウント部材の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ＬＥＤチップ
１４  ボンディングワイヤ
２０  実装基板
２１  金属板
２２  絶縁性基材
２３  リードパターン
３０  サブマウント部材
４０  枠体
５０  封止部
６０  フレネルレンズ
６０ａ  光入射面
６０ｂ  光出射面
７０  色変換部材
８０  空気層
【図１】
2007088072.tif 000003
【図２】
2007088072.tif 000004
【図３】
2007088072.tif 000005
【図４】
2007088072.tif 000006