JP3969660B2

JP3969660B2 - 白色ｌｅｄランプ

Info

Publication number: JP3969660B2
Application number: JP2003287089A
Authority: JP
Inventors: 巌東海林
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-08-05
Also published as: JP2005057089A

Description

本発明はＬＥＤランプに関するものであり、詳細には、ＬＥＤチップに青色発光のものが採用されると共に、このＬＥＤチップの保護を兼ねて周囲を覆う樹脂中に、ＬＥＤチップからの光に励起され黄色発光を行う蛍光体を分散させておくことで、点灯時には青色と黄色との混合色である白色発光が得られるものとした白色ＬＥＤランプの構成に係るものである。

従来のこの種の白色ＬＥＤランプ９０の形成方法としては、図１１に示すように基板９１上にマウントされたＬＥＤチップ９２を保護するために、このＬＥＤチップ９２を覆うレンズ９３を形成するための、透明エポキシ樹脂９３ａ中に所定の割合（例えば２５重量％）で蛍光体９３ｂを混和しておき、印刷手段、注入手段など適宜な手段で所定位置に配置し、熱硬化などで固化させるものである。（例えば特許文献１参照。）
特開２０００−２２３７５０号公報（段落００３３〜段落００３７、図３）

ここで、前記ＬＥＤランプにおいては、白色発光が得られるものとなったことで、例えば、家庭用の照明器具、車両用の照明器具、携帯用の照明器具など新たな用途が検討されるものとなってきている。しかしながら、上記した従来のＬＥＤランプにおいては、錯乱損失の発生と、リフレクタを設けたときの有効性が低いことで現在以上の発光効率の向上が困難であるという問題点を生じている。

即ち、前記錯乱損失は、ＬＥＤチップを覆う樹脂全体に均一な状態で蛍光体が分散されていることにより、前記ＬＥＤチップから発せられた光が、蛍光体が存在する領域を通過する距離が長くなり、複数の蛍光体に当接することで必要以上に強く錯乱（拡散）が行われて生じる現象であり、また、同じ要因でＬＥＤチップの側方などにＬＥＤチップからの光を照射方向に向けて反射するリフレクタを設けても、過剰に錯乱が行われ方向性を失っている光には実質的な効果は期待できないものとなる。

本発明は、前記した従来の課題を解決するための具体的な手段として窒化ガリウム系化合物半導体(In_xAl_YGa_１-X-YN,0≦Y,X+Y≦１)から成る活性層を有するＬＥＤチップが、内面に銀メッキによるリフレクタが形成されたチップ取付凹部が設けられているセラミック部材で形成された表面実装タイプのパッケージの、前記チップ取付凹部内の配線パターンにボンディングにより取付けが行われており、前記ＬＥＤチップにはこのＬＥＤチップの周囲を適宜の肉厚で略円筒形に覆う蛍光体が分散されたモールド樹脂による内側モールド層と、この内側モールド層の外側を覆うように前記チップ取付凹部内に充填される透明モールド樹脂による外側モールド層とから成る複層のモールドが行われていることを特徴とする白色ＬＥＤランプを提供することで課題を解決するものである。

以上に説明したように本発明により、窒化ガリウム系化合物半導体(In_XAl_YGa_1-X-YN,0≦X,0≦Y,X+Y≦1)から成る活性層を有するＬＥＤチップが、内面にリフレクタが形成されたチップ取付凹部が設けられているパッケージの、前記チップ取付凹部内の配線パターンにボンディングにより取付けが行われており、前記ＬＥＤチップにはこのＬＥＤチップの周囲を適宜の肉厚で略円筒状に覆う蛍光体が分散されたモールド樹脂による内側モールド層と、この内側モールド層の外側を覆うように前記チップ取付凹部内に充填される透明モールド樹脂による外側モールド層とから成る複層のモールドが行われている白色ＬＥＤランプとしたことで、ＬＥＤチップから発せられた光が外部に放射されるまでの光路中で、蛍光体に接触する回数を適正化し、過剰な回数接触することで生じる過剰な拡散、錯乱により光量に内部損失が生じるのをなくして、この種の白色ＬＥＤランプの性能向上に極めて優れた効果を奏するものである。

また、上記のように過剰な拡散が行われなくなったことで、前記ＬＥＤチップから発せられる光は、蛍光体の層を透過した後にも方向性を有するものとなり、チップ収納凹部の内側面などにリフレクタを形成するときには、反射してパッケージ外部に放射させることが可能となる。従って、前記リフレクタにより白色ＬＥＤランプの出力光として回収される光も出力として加算することが可能となり、一層の性能向上が可能となるものである。

つぎに、本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。図１、図２に示すものは本発明に係る白色ＬＥＤランプ１の第一実施形態であり、本発明の白色ＬＥＤランプ１においては、例えば、セラミック、樹脂など絶縁性部材で形成されたパッケージ２には、上面からチップ収納凹部２ａが形成され、このチップ収納凹部２ａの底面には導電性部材により配線パターン２ｂが形成され、該配線パターン２ｂは前記パッケージ２の裏面に至り延長されて端子部２ｃとされている。

そして、前記配線パターン２ｂの一方にはＬＥＤチップ３がハンダ付け、導電接着剤などによりダイボンドされ、他の一方の配線パターン２ｂと金線４によりワイヤボンドが行われ、パッケージ２の裏面から端子部２ｃに給電を行うことで前記ＬＥＤチップ３の点灯が行えるものとされている。尚、本発明においては、前記チップ収納凹部２ａの側面には、銀メッキ（蒸着）などによる反射処理が行われ、リフレクタ５が形成されている。

次いで、透明シリコーン樹脂６ａ中に蛍光体６ｂを分散した部材で前記ＬＥＤチップ３を覆い内側モールド層６を形成する。このときに、前記内側モールド層６は、ＬＥＤチップ３が放射する青色光と、内側モールド層６中の蛍光体６ｂにＬＥＤチップ３からの光が当接して励起される黄色光とが混合され白色光を得るのに最適な量の蛍光体６ｂが保持されている。前記蛍光体６ｂとしては、セリウム賦活のイットリウム・アルミン酸塩系の蛍光体を使用する。

また、前記内側モールド層６の形成にあたっては、前記ＬＥＤチップ３からの光がこの内側モールド層６を透過するときの光路があまり長くならないように、例えば、頂上面が半球の円筒状などとされている。そして、前記内側モールド層６が形成された後には８０℃程度と硬化温度よりも低い温度の加熱を行い、反応基を残す状態で仮硬化を行わせる。

続いて、前記チップ収納凹部２ａの残りの部分に、蛍光体６ｂが添加されることのない透明シリコーン樹脂のみを注入し、外側モールド層７を形成する。しかる後に、全体を８０℃以上の温度で加熱し硬化処理を行う。このようにすることで、前記内側モールド層６中の残余していた反応基も反応するものとなり、内側モールド層６と外側モールド層７とは一体化して硬化する。

次いで、以上のようにして形成が行われた本発明の白色ＬＥＤランプ１の作用および効果について説明を行う。図３は本発明に係る白色ＬＥＤランプ１における配光特性Ｄｎｗ、Ｄｎｎを示すものであり、配光特性Ｄｎｗは前記パッケージ２の長径側、即ち、チップ収納凹部２ａの長径側に平行する方向への配光特性であり、配光特性Ｄｎｎは短径側に対応する配光特性である。

上記配光特性Ｄｎｗ、Ｄｎｎを観察すると、リフレクタ５の反射光も加算される左右３０〜４０°方向が、明らかにパッケージ２の正面方向よりも光量が増加しており、本発明の白色ＬＥＤランプ１からの光は、前記ＬＥＤチップ３を発光の中心とする方向性を有していて、それ故にリフレクタ５に達した光が照射方向に反射されているものであることが認められる。

これに対して、図４に示す配光特性Ｄｏｗ、Ｄｏｎは、チップ収納凹部２ａに注入されている透明樹脂の全体に均一に蛍光体を分散させた従来例の白色ＬＥＤランプにおける配光特性であり、配光特性Ｄｏｗはパッケージの長径側に対する配光特性であり、配光特性Ｄｏｎは短径側に対する配光特性である。

上記配光特性Ｄｏｗ、Ｄｏｎを観察すると、両配光特性Ｄｏｗ、Ｄｏｎはパッケージの正面方向に最高照度があり、実質的には両者が重なり合う略円形状の配光特性、即ち、完全拡散光的傾向を示す配光特性を示すものであり、何れの配光特性Ｄｏｗ、Ｄｏｎにもリフレクタ５による光量増加の効果が認められないものである。

即ち、チップ収納凹部２ａ内に充填される透明シリコーン樹脂の全体中に均一に蛍光体を分散させる従来の構成においては、ＬＥＤチップから放出された光はチップ収納凹部２ａ内に充填された樹脂中を通過している過程の時点ですでに必要以上の回数の蛍光体との衝突を行うものとなり、その衝突の度に拡散して損失となる部分を生じている。従って、リフレクタに達した時点では上記拡散により方向性を失っており、特定方向への反射は生ぜず、リフレクタは機能を生じないのである。

これに対して、本発明の構成とした白色ＬＥＤランプ１においては、蛍光体５が限定された厚みを有する内側モールド層６内にのみ配置されているものとしたことで、ＬＥＤチップ３から射出される光の蛍光体６ｂと衝突を行う回数が適正化され、過剰な衝突回数による過剰な拡散が行われないものとして、これに起因する内部での損失の発生も防止すると共に、光の方向性も失わないものとして、リフレクタ５による白色ＬＥＤランプ１としての照射方向への反射も可能とし、一層の光量増加を可能とするものである。

また、図５に示す光量曲線Ｂｎは、本発明における内側モールド層６内における蛍光体６ｂの添加量を変化させたときの光量変化の状態を示すものであり、図６は従来例におけるチップ収納凹部２ａ内に充填する透明シリコーン樹脂の全体中に均一に蛍光体を分散させる状態での、添加量を変化させたときの光量曲線Ｂｏの変化の状態を示すものである。

先ず、本発明のもの（図５参照）では、内側モールド層６の透明シリコーン樹脂６ａに対し混和、分散する蛍光体６ｂの割合を重量％で暫時に増加させていったときの状態を輝度の変化として捕らえたものであり、添加率を増すに従い輝度も向上し、約６０(重量％)の添加では、この状態でＬＥＤチップから放射されている光束の量、および、蛍光体からの波長変換された光量の和が、最大値と思われる約８０(lm/W)に達するものとなる。

これに対して、従来例のものでは、約１２(重量％)の蛍光体の添加で輝度の上昇値に飽和が認められ、そのときの輝度の最大値は約６８(lm/W)である。そして、両者の数値の相違は、従来例の構成ではより長い（厚い）蛍光体が存在する層を透過してＬＥＤチップからの光が外部に放射されるので、途上での光と蛍光体との衝突回数が増え、必要以上の拡散を生じて内部での損失を生じているものと考察できる。

尚、ここで、本発明と従来例との蛍光体の添加量を単純に比較すると、例えば同じ１０(重量％)においての効率は、従来例では約６６(lm/W)、本発明では約４７(lm/W)となり、従来例の方が効率が高いように見えるが、これは、基準となる透明シリコーン樹脂の総量が従来例が圧倒的に大量であるからであり、蛍光体の使用量では本発明の方が少量である。

以上、説明のように本発明により、透明シリコーン樹脂６ａと蛍光体６ｂとを適宜な比率で混和した内側モールド層６を形成し、更にその外側に透明シリコーン樹脂のみによる外側モールド層７を形成した白色ＬＥＤランプ１としたことで、第一には、ＬＥＤチップからの光に対して適正な量の蛍光体６ｂを適正な透過距離として配置することを可能とし、過剰な散乱を生じることをなくし、外部に取出し可能とする光量を増加させる。

また、第二には、上記したように過剰な散乱を生じないようにしたことで、チップ収納凹部２ａの側面などにリフレクタ５を設けたときには、白色ＬＥＤランプ１の照射方向に光を反射できるものとして、一層の光量増加を可能とするものである。

図７は本発明に係る白色ＬＥＤランプ１の第二実施形態を示すものであり、この第二実施形態におけるＬＥＤチップ３１は、サファイヤ基板上にInGaNの活性層を持ち、上面には一対の正、負電極が設けられている。前記サファイヤ基板側をパッケージ２のチップ収納凹部２ａ内に接着剤などで固定し、正、負電極をそれぞれの配線パターン２ｂに金線４によりワイヤーボンディングし、その後には、第一実施形態と同様にして内側モールド層６と、外側モールド層７とを形成する。

図８は本発明に係る白色ＬＥＤランプ１の第三実施形態を示すものであり、この第三実施形態におけるＬＥＤチップ３１は、サファイヤ基板上にInGaNの活性層を持ち、上面には一対の正、負電極が設けられている第二実施形態のものと同じものが用いられている。但し、パッケージ２への取付けにあたっては、上下面を反転させ、正、負電極の側で配線パターン２ｂに固定する、いわゆる、フェースダウンで行われている。そして、その後には、第一実施形態、第二実施形態と同様にして内側モールド層６と、外側モールド層７とを形成する。

図９は本発明に係る白色ＬＥＤランプ１の第四実施形態を示すものであり、上記説明の第一〜第三実施形態は、何れも１個のＬＥＤチップ３（３１）をパッケージ２内にマウントするものであったが、本発明はこれを限定するものではなく図９に示すように複数個をマウントしても良いものである。そして、ＬＥＤチップ３（３１）の形状も第一〜第三実施形態のものと何れを採用するのも自在である。

図１０は、本発明に係る白色ＬＥＤランプ１の第五実施形態を示すものであり、上記した第一実施形態〜第四実施形態は何れもＬＥＤチップの形状、数、あるいは、取付方法に相違があるものであったが、この第五実施形態においては、前記内側モールド層の構成に相違があるものである。

即ち、本発明においては、チップ収納凹部２ａ内に行われるモールドが、内側モールド層６１と外側モールド層７とで二層として形成されているが、この実施形態では更に加えて、内側モールド層６１がインナー層６１ａとアウター層６１ｂとの二層として構成されている。

そして、前記インナー層６１ａは、比較的に少ない重量％の蛍光体６ｂを混和した透明シリコーン樹脂６ａ、あるいは、透明シリコーン樹脂６ａのみで前記ＬＥＤチップ３を覆い、ドーム状などと称されている半球状の頂部を有する円筒状として形成されている。

また、アウター層６１ｂは、前記インナー層６１ａを一定の厚みで覆うようにして形成されるものであり、このときには、前記ＬＥＤチップ３（３１）からの直射光との混色で白色光を得られるのに必要充分な量の蛍光体６ｂの混和、分散が行われた透明シリコーン樹脂６ａが用いられる。

このようにしたことで、ＬＥＤチップ３（３１）から放射される光は、何れの方向へ向かうものも、ほぼ同じ距離のアウター層６１ｂを透過するものとなり、即ち、蛍光体６ｂに対しての衝突の回数などはほぼ同一条件のものとすることができる。従って、この実施形態により形成された白色ＬＥＤランプ１は見る方向により色相が異なるなど、色ムラを生じないものとすることができる。

尚、上記した第一実施形態〜第五実施形態のものは何れも樹脂部材などで形成された、いわゆる面実装型のパッケージ２を採用した例で示したが、本発明はこれを限定するものではなく、この種の白色ＬＥＤランプにおいては近年、例えば懐中電灯の光源など、白熱電球を代替する照明用の用途も検討されている。

この場合、光量が必要となり駆動電力が増加されるので、ＬＥＤチップ３の冷却が従来以上に必要となり、例えばＬＥＤチップ３がダイマウントされる部分を熱伝導に優れる金属ブロックとして形成される場合もある。本発明はこのようなケースでも当然に実施可能であり、即ち、パッケージ２の形状などを限定することはないものである。

本発明に係る白色ＬＥＤランプの第一実施形態を示す平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明に係る白色ＬＥＤランプの配光特性を示すグラフである。従来例の配光特性を示すグラフである。本発明に係る白色ＬＥＤランプにおける蛍光体の添加量と光量との関係を示すグラフである。従来例の蛍光体の添加量と光量との関係を示すグラフである。同じく本発明に係る白色ＬＥＤランプの第二実施形態を示す断面図である。同じく本発明に係る白色ＬＥＤランプの第三実施形態を示す断面図である。同じく本発明に係る白色ＬＥＤランプの第四実施形態を示す断面図である。同じく本発明に係る白色ＬＥＤランプの第五実施形態を示す断面図である。従来例を示す断面図である。

符号の説明

１……白色ＬＥＤランプ
２……パッケージ
２ａ……チップ収納凹部
２ｂ……配線パターン
２ｃ……端子部
３、３１……ＬＥＤチップ
４……金線
５……リフレクタ
６、６１……内側モールド層
６ａ……透明シリコーン樹脂
６ｂ……蛍光体
６１ａ……インナー層
６１ｂ……アウター層
７……外側モールド層

Claims

窒化ガリウム系化合物半導体(In_xAl_YGa_１-X-YN,0≦Y,X+Y≦１)から成る活性層を有するＬＥＤチップが、内面に銀メッキによるリフレクタが形成されたチップ取付凹部が設けられているセラミック部材で形成された表面実装タイプのパッケージの、前記チップ取付凹部内の配線パターンにボンディングにより取付けが行われており、前記ＬＥＤチップにはこのＬＥＤチップの周囲を適宜の肉厚で略円筒形に覆う蛍光体が分散されたモールド樹脂による内側モールド層と、この内側モールド層の外側を覆うように前記チップ取付凹部内に充填される透明モールド樹脂による外側モールド層とから成る複層のモールドが行われていることを特徴とする白色ＬＥＤランプ。
前記内側モールド層が、分散された蛍光体の濃度が異なる複層から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤランプ。