(57)【要約】【課題】ＬＥＤチップから放射される光を高い効率で外部に出射することができるＬＥＤ素子を提供する。【解決手段】本発明のＬＥＤ素子は、基板(10)と、この基板(10)の表面上に配置されたＬＥＤチップ(15)と、前記基板(10)の表面上に、少なくとも前記ＬＥＤチップ(15)の周辺領域を覆うよう形成された樹脂層(20)と、この樹脂層(20)上に積層され、前記ＬＥＤチップ(15)を覆うよう略半球状に形成された透明性樹脂よりなるレンズ層(25)とを具えてなることを特徴とする。  【選択図】図２
2012104546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板の表面上に配置されたＬＥＤチップと、
前記基板の表面上に、少なくとも前記ＬＥＤチップの周辺領域を覆うよう形成された樹脂層と、
この樹脂層上に積層され、前記ＬＥＤチップを覆うよう略半球状に形成された透明性樹脂よりなるレンズ層と
を具えてなることを特徴とするＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記レンズ層は、前記ＬＥＤチップの発光層を中心とする略半球状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
【請求項３】
前記樹脂層は前記基板の表面にポッティング加工を施すことによって形成されており、前記レンズ層は、前記樹脂層上にポッティング加工を施すことによって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤ素子。
【請求項４】
前記樹脂層は、前記レンズ層と同一の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＬＥＤ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にＬＥＤチップが配置されてなるＬＥＤ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ素子は、白熱電球や蛍光管などの他の光源に比較して、消費電力が小さく、しかも、使用寿命が長いことから、種々の分野において利用され始めている。
そして、ＬＥＤ素子としては、配線部を有する基板の表面上に配置されたＬＥＤチップが透明性樹脂よりなる略半球状のレンズ層によって封止されてなる構造のものが知られている（特許文献１参照。）。
このようなＬＥＤ素子におけるレンズ層は、ＬＥＤチップを含む基板の表面に、液状の熱硬化性樹脂によるポッティング加工を施すことによって形成されている（特許文献２参照）。具体的には、基板の表面に、液状の熱硬化性樹脂を滴下することにより、ＬＥＤチップを覆う略半球状の液滴よりなるレンズ用材料層を形成した後、加熱処理によってレンズ用材料層を硬化させることにより、基板の表面にレンズ層が形成される。
【０００３】
しかしながら、従来のＬＥＤ素子においては、以下のような問題がある。
図４は、ＬＥＤチップがレンズ層によって封止されてなる従来のＬＥＤ素子の構成を示す説明図である。
このＬＥＤ素子においては、図４の破線で示すように、基板９０の表面に形成されたレンズ層９５は、半球に近い形状、具体的には、基板９０の面方向におけるレンズ層９５の径ｘ１と、レンズ層９５におけるＬＥＤチップ９１の表面からの高さｙ１との比（ｘ１／ｙ１）の値が２に近いものであれば、ＬＥＤチップ９１から放射された光のうち、当該レンズ層９５の表面において反射する光の割合が小さいため、ＬＥＤチップ９１から放射された光を高い効率で外部に出射することが可能となる。
【０００４】
然るに、実際のＬＥＤ素子におけるレンズ層９５は、図４の実線で示すように、基板９０の面方向におけるレンズ層９５の径ｘ２と、レンズ層９５におけるＬＥＤチップ９１の表面からの高さｙ２との比（ｘ２／ｙ２）の値が２よりはるかに大きく、扁平な形状のものである。これは以下の理由によるものと考えられる。
ＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップ９１が発する熱を外部に放熱することが必要となることから、基板９０を構成する板状基体として、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属よりなるものが用いられている。そのため、レンズ層９５を形成するためのポッティング加工においては、基板９０の表面に形成されたレンズ用材料層に対して加熱処理を行ったときに、熱伝導性の高い基板９０が加熱されてその温度が急速に上昇する。そして、基板９０の熱がレンズ用材料層に伝達されることにより、当該レンズ用材料層の温度も急速に上昇するため、レンズ用材料層を構成する熱硬化性樹脂の硬化が進行する前に、当該熱硬化性樹脂の粘度が著しく低下する結果、レンズ用材料層はその形状が保持されずに扁平な形状に変化する。そして、この状態でレンズ用材料層が硬化することにより、得られるレンズ層は扁平な形状のものとなる。
以上のように、従来のＬＥＤ素子においては、レンズ層９５が扁平なものであるため、レンズ層９５の表面において反射する光の割合が大きく、従って、ＬＥＤチップ９１から放射された光を高い効率で外部に出射することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】２０１０−６２３０５号公報
【特許文献２】２００１−３６１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、ＬＥＤチップから放射される光を高い効率で外部に出射することができるＬＥＤ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＬＥＤ素子は、基板と、
この基板の表面上に配置されたＬＥＤチップと、
前記基板の表面上に、少なくとも前記ＬＥＤチップの周辺領域を覆うよう形成された樹脂層と、
この樹脂層上に積層され、前記ＬＥＤチップを覆うよう略半球状に形成された透明性樹脂よりなるレンズ層と
を具えてなることを特徴とする。
【０００８】
本発明のＬＥＤ素子においては、前記レンズ層は、前記ＬＥＤチップの発光層を中心とする略半球状に形成されていることが好ましい。
また、前記樹脂層は前記基板の表面にポッティング加工を施すことによって形成されており、前記レンズ層は、前記樹脂層上にポッティング加工を施すことによって形成されていることが好ましい。
また、前記樹脂層は、前記レンズ層と同一の材料によって形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のＬＥＤ素子においては、基板の表面上には、ＬＥＤチップの周辺領域を覆う樹脂層が形成されており、この樹脂層上にレンズ層が積層されているため、ポッティング加工によってレンズ層を形成する際には、樹脂層によって基板からの熱がレンズ用材料層に伝達されることが抑制されることにより、レンズ用材料層の粘度が著しく低下することがなく、当該レンズ用材料層の形状が保持される結果、得られるレンズ層は半球状に近い形状のものとなる。
従って、本発明のＬＥＤ素子によれば、レンズ層の表面において反射する光の割合が小さいため、ＬＥＤチップから放射される光を高い効率で外部に出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のＬＥＤ素子の一例における構成を示す説明図である。
【図２】図１に示すＬＥＤ素子における要部を拡大して示す説明図である。
【図３】比較例に係るＬＥＤ素子の要部の構成を示す説明図である。
【図４】ＬＥＤチップがレンズ層によって封止されてなる従来のＬＥＤ素子の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のＬＥＤ素子の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のＬＥＤ素子の一例における構成を示す説明図であり、図２は、図１に示すＬＥＤ素子における要部を拡大して示す説明図である。
このＬＥＤ素子は、表面に配線部１１が形成された基板１０を有し、この基板１０の表面上における中央位置には、ＬＥＤチップ１５が接着材１２によって固定されて配置されている。このＬＥＤチップ１５はボンディングワイヤ１３によって基板１０の配線部１１に電気的に接続されている。
また、基板１０の表面上には、平面の外形が略円形の扁平な樹脂層２０が、ＬＥＤチップ１５の周辺領域を覆うよう形成され、この樹脂層２０上には、透明性樹脂よりなるレンズ層２５がＬＥＤチップ１５の表面を覆うよう積層されている。
また、基板１０の表面には、当該基板１０の表面から離間するに従って拡径するテーパ状の光反射面３１が内周面に形成された筒状の光反射部材３０が、当該光反射面３１がＬＥＤチップ１５を包囲するよう配置され、この光反射部材３０の筒孔内には、当該光反射部材３０の光反射面３１に適合するテーパ状の周面を有するレンズ部材３５が、その光入射面がレンズ層２５に空気層Ｓを介して対向するよう配置されている。
【００１２】
基板１０は、金属よりなる板状基体上にレジストなどの樹脂よりなる絶縁層が積層されて構成され、この絶縁層上に配線部１１が形成されており、この配線部１１は、ＬＥＤチップ１５に電気を供給する電源（図示省略）に電気的に接続されている。
板状基体を構成する金属としては、銅、アルミニウムなどの熱電導率が高い金属を好適に用いることができる。また、基板１０の厚みは、例えば０．３〜５．０ｍｍである。
また、基板１０と光反射部材３０との間には、絶縁層（図示省略）が形成されている。このような絶縁層は、基板１０の表面に対してアルマイト処理を施したり、絶縁材料を塗装したりすることによって形成することができる。
接着材１２は、例えば銀ペースト、シリコーンペーストなどによって形成することができる。
ボンディングワイヤ１３は、例えば金によって構成され、その線径は例えば２５μｍである。
【００１３】
ＬＥＤチップ１５としては、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含む窒化ガリウム（ＧａＮ）系の発光層１６を有するものを用いることができる。
また、ＬＥＤチップ１５の発光波長は、特に限定されず、青色波長域、緑色波長域、赤色波長域などの可視光域の発光波長を有するもの、紫外線域に発光波長を有するもの、赤外線域に発光波長を有するもののいずれであってもよい。
ＬＥＤチップ１５の具体的な寸法を挙げると、表面の寸法が例えば３２５μｍ×３２５μｍ、厚みが１２０〜２７０μｍ、ＬＥＤチップ１５の裏面から発光層１６の表面までの厚みが１００〜２５０μｍである。
【００１４】
樹脂層２０は、基板１０の表面に液状の熱硬化性樹脂を用いたポッティング（樹脂盛り）加工を施すことによって形成されている。具体的には、基板１０の表面上に、液状の熱硬化性樹脂を滴下することにより、ＬＥＤチップ１５の周辺領域を覆う液状樹脂層を形成した後、加熱処理によって液状樹脂層を硬化させることにより、樹脂層２０がＬＥＤチップ１５の周辺領域を覆うよう形成される。
【００１５】
この樹脂層２０は、基板１０の表面におけるＬＥＤチップ１５の周辺領域のみを覆うよう形成されていてもよいが、樹脂層２０を透明性樹脂によって構成する場合には、基板１０の表面におけるＬＥＤチップ１５の周辺領域およびＬＥＤチップ１５の表面の両方を覆うよう形成されていてもよい。
樹脂層２０を形成するための熱硬化性樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。
また、樹脂層２０は、透明なものであっても不透明なものであってもよいが、透明なものであることが好ましく、特に、後述するレンズ層２５と同一の材料によって形成されていることが好ましく、これにより、樹脂層２０とレンズ層２５との間での屈折率の差を無くすことができるため、樹脂層２０からレンズ層２５へ光が進行していくときに、両者の境界面における光の反射をなくすことができる。
また、樹脂層２０の熱伝導率は、例えば０．２〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００１６】
樹脂層２０におけるレンズ層２５に接する部分の厚みｔは、０．０５〜０．６ｍｍであることが好ましい。この厚みｔが過小である場合には、レンズ層２５が、図４において実線に示すレンズ層９５とほぼ同等な形状となり、ＬＥＤチップ１５から放出された光を効率よく外部に出射することが困難となる。一方、この厚みｔが過大である場合には、反射する光の量が増加し、外部に出射される光の量が低下する。また、厚みｔが大きすぎると、樹脂層２０は光透過率が低いものとなって当該樹脂層２０を透過する光の量が低下するため、光の利用効率が低くなる。
また、樹脂層２０の径ｄは、後述するレンズ層２５の径Ｄより大きければよいが、レンズ層２５の径Ｄの２〜４倍であることが好ましい。樹脂層２０の径ｄの具体的な値を挙げると、例えば２〜５ｍｍである。なお、樹脂層２０の形状は、この実施の形態のものに限られず、例えば基板１０の表面全面に形成されていてもよい。
【００１７】
レンズ層２５は、樹脂層２０の表面に液状の熱硬化性樹脂を用いたポッティング（樹脂盛り）加工を施すことによって形成されている。具体的には、樹脂層２０の表面に、液状の熱硬化性樹脂を滴下することにより、ＬＥＤチップ１５を覆う略半球状の液滴よりなるレンズ用材料層を形成した後、加熱処理によってレンズ用材料層を硬化させることにより、樹脂層２０上にレンズ層２５が形成される。
【００１８】
レンズ層２５を形成するための熱硬化性樹脂としては、得られる硬化樹脂が透明なものであればよく、その具体例としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。
また、レンズ層２５を形成するための熱硬化性樹脂は、樹脂層２０の表面に滴下したときに略半球状の液滴が形成される程度の高い粘度を有するものであることが好ましく、例えば２５℃における粘度が２８Ｐａ・ｓである。
また、レンズ層２５を形成する透明性樹脂としては、屈折率が１．４１程度のものを用いることができる。
【００１９】
また、レンズ層２５は、ＬＥＤチップ１５の発光層１６を中心とする略半球状に形成されている。具体的には、基板１１の面方向におけるレンズ層２５の径Ｄと、レンズ層２５におけるＬＥＤチップ１５の発光層１６からの高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）が０．７５〜５であることが好ましく、より好ましくは１．６〜２．４である。
レンズ層２５の径Ｄおよび発光層１６からの高さＨの具体的な値を示すと、径Ｄが例えば１．５〜２．５ｍｍ、発光層１６からの高さＨが例えば０．５〜２ｍｍである。
【００２０】
光反射部材３０を構成する材料としては、アルミニウムなどの金属材料、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）などの樹脂材料を用いることができる。
光反射部材３０の寸法としては、基板１０に接する基端側の開口径が３．５〜４．５ｍｍ、先端側の開口径が７．０〜１０．３ｍｍ、軸方向の長さが３〜５ｍｍであり、光反射面３１のテーパ角度が例えば６０°である。
【００２１】
この例におけるレンズ部材３５は、レンズ層２５に対向する光入射面に凸面が形成され、光出射面が平面とされている。
レンズ部材３５を構成する材料としては、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂などの透明性の樹脂材料や、ガラス材料などの透明性材料を用いることができる。
また、レンズ部材３５とレンズ層２５との最短距離（空気層Ｓの最小厚み）は、例えば０．５〜１．０ｍｍである。
【００２２】
このようなＬＥＤ素子においては、基板１０の表面上には、ＬＥＤチップ１５の周辺領域を覆う樹脂層２０が形成されており、この樹脂層２０上にレンズ層２５が積層されているため、ポッティング加工によってレンズ層２５を形成する際には、樹脂層２０によって基板１０からの熱がレンズ用材料層に伝達されることが抑制されることにより、レンズ用材料層を構成する熱硬化性樹脂の粘度が著しく低下することがなく、当該レンズ用材料層の形状が保持される結果、得られるレンズ層２５は確実に半球状に近い形状のものとなる。
従って、本発明のＬＥＤ素子によれば、レンズ層２５の表面において反射する光の割合が小さいため、ＬＥＤチップ１５から放射される光を高い効率で外部に出射することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明のＬＥＤ素子の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２４】
〈実施例〉
図１および図２に示す構成に従い、下記の条件によりＬＥＤ素子を作製した。
［基板］
基板としては、厚みが０．３ｍｍのアルミニウムよりなる板状基体の表面に絶縁層を介して配線部が形成されてなるものを使用した。
［ＬＥＤチップ］
下記の仕様のＬＥＤチップを、銀ペーストによって基板の表面に固定配置し、線径が２５μｍの金よりなるボンディングワイヤによって、基板の配線部に電気的に接続した。
ＬＥＤチップの仕様：
ＬＥＤチップとしては、下記の発光色が青色のＬＥＤチップおよび発光色が赤色のＬＥＤチップを使用した。
発光色が青色のＬＥＤチップ：サファイア基板上に、インジウム（Ｉｎ）−ガリウム（Ｇａ）窒化物よりなる２元系材料を成長させたものであって、縦横のサイズが３２５μｍ×３２５μｍ、厚みが１２０μｍであり、ＬＥＤチップの裏面から発光層までの高さが約１００〜１１０μｍである。
発光色が赤色のＬＥＤチップ：ＧａＰ基板上に、アクミニウム（Ａｌ）−ガリウム（Ｇａ）−インジウム（Ｉｎ）−リン（Ｐ）窒化物よりなる４元系材料を成長させたものであって、縦横のサイズが３２５μｍ×３２５μｍ、厚みが２７０μｍであり、ＬＥＤチップの裏面から発光層までの高さが約２００〜２２０μｍである。
【００２５】
［樹脂層］
高粘度二液型液状シリコーン樹脂（母材と硬化剤とを質量比で１０：１で混合したもの，２５℃における粘度：２８Ｐａ・ｓ，硬化物の引張強度：２５ＭＰａ，硬化物の屈折率：１．４１，硬化物の熱伝導率：０．２〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）を用い、基板の表面に、以下のようにしてポッティング加工を施すことによって樹脂層を形成した。
高粘度二液型液状シリコーン樹脂５５ｍｇを、ＬＥＤチップおよびその周辺の基板表面上に滴下することにより、ＬＥＤチップの周辺領域を覆う液状樹脂層を形成した後、１５０℃で１５分間の条件で液状樹脂層の加熱処理を行って当該液状樹脂層を硬化させることにより、円板状の樹脂層を形成した。得られた樹脂層は、中心の厚みが０．４ｍｍで、径が３．５ｍｍのものであった。
【００２６】
［レンズ層］
高粘度二液型液状シリコーン樹脂（樹脂層を形成するために使用したものと同一のもの）を用い、樹脂層の表面に、以下のようにしてポッティング加工を施すことによってレンズ層を形成した。
高粘度二液型液状シリコーン樹脂４５ｍｇを、樹脂層の表面上に滴下することにより、ＬＥＤチップを覆う略半球状の液滴よりなるレンズ用材料層を形成した後、１５０℃で１５分間の条件でレンズ用材料層の加熱処理を行って当該レンズ用材料層を硬化させることにより、略半球状のレンズ層を形成した。得られたレンズ層は、基板の面方向における径Ｄが２ｍｍ、ＬＥＤチップの発光層からの高さが０．９〜１．０ｍｍのものであった。
【００２７】
［光反射部材］
筒状の光反射部材を、その光反射面がＬＥＤチップを包囲するよう基板の表面上に配置して固定した。この光反射部材は、アルミニウムよりなり、基端側の開口径が３．５ｍｍ、先端側の開口径が４．６４ｍｍ、軸方向の長さが５ｍｍであり、光反射面のテーパ角度が６０°のものである。
【００２８】
［レンズ部材］
光反射部材の筒孔内に、当該光反射部材の光反射面に適合するテーパ状の周面を有するレンズ部材を、その光入射面がレンズ層に空気層を介して対向するよう配置して固定した。このレンズ部材は、ポリカーボネート（ＰＣ）よりなり、光入射面に凸面が形成され、光出射面が平面のものである。
【００２９】
〈比較例〉
樹脂層を形成せずに、図３に示すように、基板およびＬＥＤチップの表面にレンズ層を形成したこと以外は、実施例１と同様の構成のＬＥＤ素子を作製した。このＬＥＤ素子のレンズ層は、基板の面方向における径Ｄが２．０ｍｍ、ＬＥＤチップの発光層からの高さが０．６〜０．７ｍｍのものであった。
【００３０】
〈参考例〉
樹脂層およびレンズ層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の構成のＬＥＤ素子を作製した。
【００３１】
〈ＬＥＤ素子の評価〉
実施例、比較例および参考例に係るＬＥＤ素子に、供給電流として４０ｍＡおよび６０ｍＡの電流を流して点灯し、放射される光の全放射束を測定し、参考例に係るＬＥＤ素子の全放射束を１００としたときの相対値を求めた。その結果は、４０ｍＡの電流を流したときには、実施例：参考例：比較例＝１２９：１００：７７、６０ｍＡの電流を流したときには、実施例：参考例：比較例＝１２７：１００：７７であり、実施例に係るＬＥＤ素子は、参考例に係るＬＥＤ素子より約３割弱明るいものであることが理解される。
【００３２】
以上の結果から明らかなように、実施例に係るＬＥＤ素子は、放射される光の全放射束が比較例に係るＬＥＤ素子に比べて高く、従って、実施例に係るＬＥＤ素子によれば、ＬＥＤチップから放射される光が高い効率で外部に出射されることが確認された。
【符号の説明】
【００３３】
１０  基板
１１  配線部
１２  接着材
１３  ボンディングワイヤ
１５  ＬＥＤチップ
１６  発光層
２０  樹脂層
２５  レンズ層
３０  光反射部材
３１  光反射面
３５  レンズ部材
９０  基板
９１  ＬＥＤチップ
９５  レンズ層
Ｓ  空気層
【図１】
2012104546.tif 000003
【図２】
2012104546.tif 000004
【図３】
2012104546.tif 000005
【図４】
2012104546.tif 000006