JP2011096876A - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面が反射面として形成された実装パッドにおいて、反射面の黒化を抑制し、光の取出し効率の低下を抑制できる発光装置及びその発光装置を用いた照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、表面に絶縁層を有する基板１０と、この基板１０の絶縁層上に設けられ、表面が反射面として形成されるとともに、前記絶縁層が介在するように互いに隣接して配設された実装パッド１５ａと、少なくとも１つ以上の実装パッド１５ａ上に実装された発光素子１１と、発光素子１１を覆うとともに、前記実装パッド１５ａ上の領域内であって実装パッド１５ａの外周よりも内側に配設された封止樹脂層１２とを備える発光装置１である。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた発光装置及び照明装置に関する。

近時、光源としてＬＥＤ等の発光素子を基板に複数配設して所定の光量を得るようにする照明装置が開発されている。この照明装置は、例えば、天井面等に直接的に取付けられる、いわゆる直付タイプのベース照明として用いられており、セラミックスの材料で成形された基板に、複数のＬＥＤをエポキシ樹脂等で固定した発光装置を並べて配置して構成されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、発光素子から出射される光の取出し効率を向上するため、発光素子が実装される実装パッドを基板上に設け、この実装パッドの表面に反射層を形成する発光装置が開発されている。

特開２００９−５４９８９号公報

しかしながら、前記実装パッドの表面に反射層を形成する発光装置においては、基板表面の絶縁層や発光素子を覆う蛍光体層等の作用によって反射層が黒化するという現象が生じる。実装パッドの反射層が黒化すると、発光素子から基板表面側に向かう光の反射光が減少し、光の取出し効率が低下してしまう問題が生じる。

本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、表面が反射面として形成された実装パッドにおいて、反射面の黒化を抑制し、光の取出し効率の低下を抑制できる発光装置及びその発光装置を用いた照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発光装置は、表面に絶縁層を有する基板と；この基板の絶縁層上に設けられ、表面が反射面として形成されるとともに、前記絶縁層が介在するように互いに隣接して配設された実装パッドと；少なくとも１つ以上の実装パッド上に実装された発光素子と；発光素子を覆うとともに、前記実装パッド上の領域内であって実装パッドの外周よりも内側に配設された封止樹脂層と；を具備することを特徴とする。

本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の技術的意味及び解釈は次による。基板は、例えば、ガラスエポキシ樹脂等の材料で形成されたものを用いるのが好ましいが、コアにアルミニウム製等の熱伝導性の良好な材料を用い表面に絶縁層を形成した基板を適用することができる。発光素子とは、ＬＥＤ等の固体発光素子である。また、発光素子の実装個数には特段制限はない。

実装パッドは、例えば、配線パターンとして用いられることが好ましいが、必ずしも配線パターンとして用いられる必要はない。つまり、反射面が形成されていれば、必ずしも電気的に接続されている必要はない。また、実装パッドの形状は、多角形や円形等が適用でき、特段その形状や寸法が限定されるものではない。

「少なくとも１つ以上の実装パッド上に実装された発光素子」とは、発光素子は、実装パッド上に実装されるが、発光素子が実装されない実装パッドの存在を許容する意味である。例えば、実装パッドにリード線等の配線手段が接続され発光素子が実装されない場合をもある。また、１つの実装パッドに複数の発光素子を実装することもできる。
封止樹脂層は、例えば、蛍光体層を意味するが、必ずしも蛍光体を含有している必要はない。発光素子を覆って封止する樹脂層であればよい。

また、「実装パッド上の領域内であって実装パッドの外周よりも内側に配設された封止樹脂層」とは、封止樹脂層が実装パッド上の領域をはみ出すことなく形成されていることを意味する。

請求項２に記載の照明装置は、装置本体と；装置本体に配設された請求項１に記載の発光装置と；を具備することを特徴とする。照明装置には、電球形の光源、屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等が含まれる。

請求項１に記載の発明によれば、実装パッドの反射面の黒化を抑制し、光の取出し効率の低下を抑制できる発光装置を提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果を奏する照明装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の発光装置を示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。 同拡大して示す断面図である。 基板における配線パターンを示す平面図である。 図４における基板の配線パターンに発光素子を実装し、蛍光体層を塗布した状態を示す平面図である。 図５の要部を拡大して示す平面図である。 照明装置を示す側面図である。 同下方から見た状態を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態の照明装置を示す斜視図である。 比較例を示す図６に相当する平面図である。 同比較例を示す図３に相当する断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。図１乃至図６は、発光装置１を示しており、図７及び図８は、この発光装置１を用いた照明装置２０を示している。なお、各図において同一部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。

発光装置１は、図１及び図２に示すように、基板１０と、複数の発光素子１１と、各発光素子１１を覆う蛍光体層１２と、この蛍光体層１２を覆う保護カバー１３とを備えている。

基板１０は、略四角形状に形成されている。基板１０は、絶縁材であり、表面に絶縁層を有する熱伝導性の低い合成樹脂材料のガラスエポキシ樹脂等で形成されている。なお、基板１０は熱伝導性の低い材料で形成されたものを用いるのが好ましいが、本発明は、コアにアルミニウム製等の熱伝導性の良好な材料を用い表面に絶縁層を形成した基板を適用してもよい。

基板１０の表面側には、詳細を後述する配線パターン１５が形成されている。図１に示すように、配線パターン１５は、各発光素子１１が配設されるほぼ四角形状の実装パッド１５ａと、これら実装パッド１５ａを電気的に接続する所定パターンの給電導体１５ｂと、給電端子１５ｃとから構成されている。実装パッド１５ａは、基板１０の表面上にマトリクス状に並べられて複数の列、例えば、６列をなして形成されている。

図３に代表して示すように、配線パターン１５は、三層構成であり、基板１０の表面上に第一層１５１として銅パターンがエッチングにより設けられている。この銅パターン層の上には、第二層１５２としてニッケル（Ｎｉ）が電解めっき処理されており、第三層１５３には、銀（Ａｇ）が電解めっき処理されている。配線パターン１５の第三層１５３、すなわち、表層は、いずれも銀（Ａｇ）めっきが施されており、全光線反射率は、９０％と高いものとなっている。したがって、実装パッド１５ａの表面は、銀（Ａｇ）めっきされて反射面として構成されている。

複数の発光素子１１は、ＬＥＤのベアチップからなる。ＬＥＤのベアチップには、例えば、白色系の光を発光部で発光させるために、青色の光を発するものが用いられている。このＬＥＤのベアチップは、シリコーン樹脂系の絶縁性接着剤１６を用いて、実装パッド１５ａ上に接着されている。これら複数の発光素子１１は、複数の発光素子列を形成し、マトリクス状に並べられて、具体的には、８個×６列で合計４８個が実装されている。

ＬＥＤのベアチップは、例えば、ＩｎＧａＮ系の素子であり、透光性のサファイア素子基板に発光層が積層されており、発光層は、ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ発光層と、ｐ型窒化物半導体層とが順次積層されて形成されている。そして、発光層に電流を流すための電極は、ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極パッドで形成されたプラス側電極と、ｎ型窒化物半導体層上にｎ型電極パッドで形成されたマイナス側電極とで構成されている。これら、電極は、ボンディングワイヤ１７によって配線パターン１５上に電気的に接続されている。ボンディングワイヤ１７は、金（Ａｕ）の細線からなっており、実装強度の向上とＬＥＤのベアチップの損傷低減のため金（Ａｕ）を主成分とするバンプを介して接続されている。

蛍光体層１２は、透光性合成樹脂、例えば、透明シリコーン樹脂製であり、蛍光体を適量含有している。蛍光体層１２は、側面形状が山形でドーム状をなし、各発光素子１１を個別に覆い封止樹脂層を形成している。蛍光体は、発光素子１１が発する光で励起されて、発光素子１１が発する光の色とは異なる色の光を放射する。発光素子１１が青色光を発する本実施形態では、白色光を出射できるようにするために、蛍光体には青色の光とは補色の関係にある黄色系の光を放射する黄色蛍光体が使用されている。そして、蛍光体層１２は、未硬化の状態で各発光素子１１に対応して塗布され、その後に加熱硬化又は所定時間放置して硬化されて設けられている。

保護カバー１３は、蛍光体層１２を含めて基板１０の表面側の全域を覆うようになっている。保護カバー１３は、透光性を有し、透明のアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂によって形成され、背面側に基板１０の収納凹所１３ａを有してほぼ四角形の皿状に成型されている。図示上、収納凹所１３ａの上面側には、各発光素子１１、すなわち、各蛍光体層１２と対向するように、円錐形状の凹部からなり、下方に円形の開口部１９ａを有する空気層形成手段１９が形成されている。なお、空気層形成手段は、保護カバー１３とは別部材で形成し、この部材を保護カバー１３に設けるようにして構成してもよい。

さらに、保護カバー１３の側周面には、外周に突出するフランジ１３ｅが形成されている。このフランジ１３ｅは、発光装置１を被取付部、すなわち、照明装置２０の本体やベースに固定手段としてのねじ等によって取付ける場合の取付部として機能する。

さらにまた、基板１０の裏面側には、断熱層１８が形成されるようになっている。この断熱層１８は、基板１０の裏面側と被取付部との間に空気層を形成するように構成されるものである。つまり、基板１０の裏面側と被取付部との間は、所定の間隔が空くように構成されている。具体的には、収納凹所１３ａの深さ寸法や基板１０を所定位置に固定する取付けねじ１３ｃによって、基板１０の裏面側と被取付部との間に所定の間隔が設けられ断熱層１８が形成されるようになっている。したがって、本実施形態においては、収納凹所１３ａや取付けねじ１３ｃが断熱層形成手段を構成しているものである。なお、この断熱層１８は、空気層によらず、例えば、この空気層の部分に断熱材を配設して構成するようにしてもよい。

基板１０と保護カバー１３とは、基板１０の表面側と保護カバー１３の収納凹所１３ａの内壁との間に介在された透明のシリコーン系接着剤１３ｂによって固着されている。接着剤１３ｂは、基板１０の表面側と保護カバー１３の空気層形成手段１９を除く領域との間に、ほぼ全域に亘って介在している。したがって、基板１０は、接着剤１３ｂと取付けねじ１３ｃによって保護カバー１３に確実に取付けられる。このように、基板１０が保護カバー１３に取付けられた状態では、各発光素子１１と対向する空気層形成手段１９と基板１０の表面側との間に円錐形の空気層Ａが形成されるようになる。

次に、このように構成された発光装置１において、図４乃至図６を参照して実装パッド１５ａ、発光素子１１及びこの発光素子１１を覆う蛍光体層１２との配置関係について説明する。

図４に示すように、基板１０の表面側には配線パターン１５が形成されている。配線パターン１５は、実装パッド１５ａと、給電導体１５ｂと、給電端子１５ｃとから構成されている。実装パッド１５ａは、基本的には四角形状をなし、一辺側には、この辺と直交する方向（図示上、水平方向）にボンディングワイヤ接続用の細幅の給電導体１５ｂ1が延出している。この給電導体１５ｂ1は、隣接する実装パッド１５ａ（左側の実装パッド１５ａ）に接近するように位置している。

これら実装パッド１５ａは、基板１０上に、基板１０表面上の絶縁層が介在するように互いに隣接してマトリクス状に並べられて形成され、全体としては基板１０の中央部を中心として、上下対称に配設されている。つまり、上側の３列と下側の３列とが対称に配設されている。また、この列の相互は給電導体１５ｂによって電気的に接続されるようになっている。なお、隣接する実装パッド１５ａの角部間等は給電導体１５ｂによって接続されているような状態となっているが、その中間部には、貫通孔１５ｄが形成されており、この貫通孔１５ｄによって給電導体１５ｂは切断されており、隣接する実装パッド１５ａ間は電気的に遮断されている。この給電導体１５ｂの部分は、各実装パッド１５ａを電解めっき処理する際に電位を加えるために使用されるものである。

給電端子１５ｃは、正極及び負極側の給電端子であり、左右両端側の給電導体１５ｂに接続されている。この給電端子１５ｃには、リード線が半田等によって接続され、図示しない電源回路から電力が供給されるようになっている。

このように形成された配線パターン１５の実装パッド１５ａ上のほぼ中央部に、図５に示すように、複数の発光素子１１を実装し、その上を蛍光体層１２で覆うように封止する。複数の発光素子列のうち、個々の発光素子列における発光素子１１のプラス側電極、マイナス側電極は、ボンディングワイヤ１７によって、それぞれ実装パッド１５ａ、隣接する実装パッド１５ａの給電導体１５ｂ1に順次接続されている。したがって、正極及び負極側の給電端子１５ｃを接続点として複数の発光素子１１が接続された２つの直列回路が並列に接続されるようになっている。つまり、図示上、上側の３列の発光素子列が直列に接続され、下側の３列の発光素子列が直列に接続され、これらが電源に対して並列に接続されるようになっている。

蛍光体層１２は、各発光素子１１に対応して個別に覆うように塗布される。この塗布にあたっては、未硬化の状態で塗布され、その後に加熱硬化又は所定時間放置して硬化される。具体的には、図６に代表して示すように、蛍光体層１２は、その形成範囲ａ（模式的に円形で示している）、すなわち、塗布範囲が実装パッド１５ａの形成領域Ａ内に収まるように実装パッド１５ａの形成領域Ａの内側に塗布される。これは、蛍光体層１２の塗布位置、塗布量や粘度等が調整されて達成可能となる。

ここで、例えば、図１０及び図１１に示すように、蛍光体層１２´の形成範囲ａが実装パッド１５ａの形成領域Ａ内に収まらないで、はみ出して塗布された場合、実装パッド１５ａの表面の反射層（Ａｇ）が黒化してくる現象が生じ、その進行が早いということが判明した。特に、実装パッド１５ａの端縁から黒化が始まるようである。この黒化現象は、点灯中の発光素子１１から発生する熱によって、基板１０表面の絶縁層や蛍光体層１２´が加熱されると、基板１０洗浄時の残留物や絶縁層からハロゲン化水素等の微量のガス成分が発生し、これが発光素子１１の放射光によって実装パッド１５ａの表面の反射層に作用して、反射層が光反応して黒化してくるものと考えられる。

そして、本例のように蛍光体層１２´が実装パッド１５ａからはみ出して塗布された場合には、蛍光体層１２´の内部で多重反射する発光素子１１の放射光によって、反射層の黒化が進行するものと推測される。

したがって、本実施形態では、蛍光体層１２は、実装パッド１５ａの領域内であって実装パッド１５ａの外周よりも内側に配設されるようになっているため、基板１０表面の絶縁層に起因する前記作用を受けるのを軽減でき、反射層の黒化を抑制することが可能となる。

また、図１０及び図１１に示す形態では、実装パッド１５ａの表面と基板１０の表面との間には、実装パッド１５ａの厚さ寸法分の段差があるため、蛍光体層１２´のドーム状の形状が安定せず、部分的に凹部が生じる等（図１１参照）、変形する率が高くなる。そのため、発光素子１１から出射される光の色むらや輝度むらが生じる可能性が高まる。

本実施形態では、上記のように蛍光体層１２は、実装パッド１５ａの領域内に形成されるので、蛍光体層１２のドーム状の形状の安定性を確保でき、発光素子１１から出射される光の色むらや輝度むらを抑制することが可能となる。

次に、図７及び図８を参照して上述の発光装置１を用いた照明装置２０について説明する。照明装置２０は、天井面Ｃに取付けられて使用されるもので、ベース本体２１と、このベース本体２１に配設された複数の発光装置１とを備えている。ベース本体２１はアルミニウム製であり、ほぼ長方形状に形成されている。このベース本体２１に発光装置１がねじ止め等によって固着されており、一方、ベース本体２１は天井面Ｃにボルト等の固定手段によって取付けられている。また、この発光装置１には、図示しない電源回路を内蔵した電源ユニットが接続されるようになっている。なお、発光装置１の個数は適宜選定して配設することができる。

上述した構成の発光装置１の作用を説明する。電源回路により通電されると、各発光素子１１が一斉に発光されて、発光装置１は白色の光を出射する面状光源として使用される。この発光中において、実装パッド１５ａは、各発光素子１１が発した熱を拡散するヒートスプレッダとして機能する。さらに、発光装置１の発光中、発光素子１１が放射した光のうちで基板１０側に向かった光は、実装パッド１５ａの反射層で主として光の利用方向に反射される。そのため、光の取出し効率を良好なものとすることができる。

各発光素子１１に対向して空気層形成手段１９が設けられており、これにより空気層Ａが形成されるので、各発光素子１１から出射した光は、それぞれ空気層Ａと保護カバー１３との界面で拡散されて保護カバー１３の外部へ照射される。したがって、発光装置１の保護カバー１３から照射される光の輝度が均一化され、輝度むらを抑制することができる。

各発光素子１１の発光中においては、発光素子１１から熱が発生するが、この熱は、主として発光素子１１、実装パッド１５ａ、基板１０、保護カバー１３へ伝導されて放熱される。つまり、発光素子１１からの熱は、前面側へ伝導され放熱されるようになっている。したがって、基板１０の裏面側への熱伝導は抑制され、天井面Ｃ等へ伝導される熱は低減される。

加えて、本実施形態においては、基板１０は、熱伝導性の低いガラスエポキシ樹脂等によって形成されており、また、基板１０の裏面側には、断熱層１８が形成されるようになっているので、発光装置１の背面側へ熱が伝導されることが抑制され、前面側への熱伝導を促進することが可能となる。

さらに、発光装置１として保護カバー１３を備えているので、照明装置２０としての前面カバー等を設ける必要がなく構成が簡素化できる。また、基板１０と保護カバー１３との間に塵埃が侵入することもなく、汚れにくく、防水機能を実現することも可能である。
さらにまた、蛍光体層１２は、各発光素子１１に対応して個別に覆うように塗布されているので、蛍光体の量を削減することができ、コスト的に有利となる。

以上のように本実施形態によれば、実装パッド１５ａの反射層の黒化を抑制し、光の取出し効率の低下を抑制できる発光装置を提供することができる。また、蛍光体層１２の形状の安定性を確保でき、発光素子１１から出射される光の色むらや輝度むらを抑制することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一又は相当部分には、同一符号を付し重複した説明は省略する。本実施形態では、天井面Ｃに設置して使用される天井直付タイプの照明装置３０を示している。照明装置３０は、ほぼ直方体形状の本体ケース３１を備えており、この本体ケース３１内には、前記発光装置１が複数個直線状に配設されている。また、電源ユニットは、本体ケース３１に内蔵されている。なお、本体ケース３１の下方開口部には、照明装置３０としての前面カバー等は設けられていない。
以上のように本実施形態によれば、第１の実施形態の発光装置１と同様な効果を奏する照明装置３０を提供することができる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、実装パッドは、配線パターンとして用いることが好ましいが、必ずしも配線パターンとして用いなくてもよい。つまり、反射面が形成されていれば、必ずしも電気的に接続されている必要はない。また、実装パッドの形状は、四角形、多角形や円形等が適用でき、特段その形状が限定されるものではない。

発光部には、例えば、蛍光体を用いることなく、発光素子から直接赤色光、緑色光、青色光を出射させるように構成してもよい。照明装置としては、電球形の光源、屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等に適用が可能である。

１・・・発光装置、１０・・・基板、１１・・・発光素子（ＬＥＤチップ）、
１２・・・封止樹脂層（蛍光体層）、１３・・・保護カバー、
１５・・・配線パターン、１５ａ・・・実装パッド、
１７・・・ボンディングワイヤ、１８・・・断熱層、１９・・・空気層形成手段、
２０、３０・・・照明装置、Ａ・・・空気層

Claims (2)

1. 表面に絶縁層を有する基板と；
   この基板の絶縁層上に設けられ、表面が反射面として形成されるとともに、前記絶縁層が介在するように互いに隣接して配設された実装パッドと；
   少なくとも１つ以上の実装パッド上に実装された発光素子と；
   発光素子を覆うとともに、前記実装パッド上の領域内であって実装パッドの外周よりも内側に配設された封止樹脂層と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 装置本体と；
   装置本体に配設された請求項１に記載の発光装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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