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JP4471356B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＥＤランプに関するものであり、詳細には、青色光が放出されるＬＥＤチップを採用すると共に、前記ＬＥＤチップから放出される光の光路には、青色光に励起されて黄色光を発光する蛍光体を配置しておき、外部にはＬＥＤチップからの青色光と、蛍光体からの黄色光との混合色である白色光で発光しているようにしている、いわゆる白色発光ＬＥＤランプの構成に係るものである。
旧来、青色の発光を行うＬＥＤチップと、このＬＥＤチップからの光に励起されて黄色の発光を行う蛍光体とで白色の発光を得ようとするときには、ベースに設けられて凹穴状のキャビティに上記ＬＥＤチップをダイマウントし、金線などにより必要な配線を行っ後に透明樹脂に一定の深さでモールドして透明スペーサを形成し、更に、前記透明スペーサ上に蛍光体が均一に分散された樹脂を均一な厚さとなるように流し込むなど適宜な方向で蛍光体を含む層を第二層として形成するものであった。
このようにすることで、ＬＥＤチップから放出される青色光は、何れの方向に向かうものも、ほぼ同じ厚みの第二層を透過するものとなる。従って、前記第二層の何れに部分でも、青色のままで透過する光量と、黄色に変換される光量との比率がほぼ同一のものとなり、よって、第二層の全面がほぼ均一の白色として観視されるものとなり、色ムラを生ぜず、品質感の高い発光が得られるものとなる。
特開２０００−７７７２３号公報
しかしながら、近年にいたり、いわゆる白色発光のＬＥＤランプに対する需要は、例えば携帯用照明器具用などとして、ますます拡がる傾向にあり、それに伴い大電力化も要求されてきている。よって、前記ＬＥＤチップの大型化と、大電力駆動とが推進されるものとなり、前記した第二層の蛍光体に当接し、これを励起しようとする青色光の密度は、一層に、向上する傾向にある。
ここで、前記蛍光体においては、当接した青色光の全てを黄色光に変換できる訳ではなく、当接する光の密度が高くなるほど波長変換効率は低下して行く傾向にある。そして、所定の色に変換されなかった残りのエネルギーは熱に変換されるものとなる。このときに、一般的に蛍光体は、高温になるほど低下する温度特性を有するものである。
よって、特許文献１に開示されたような、従来の構成のＬＥＤランプにおいては、ＬＥＤチップを大型化したり、ＬＥＤチップに対する駆動電力を増加させたりして、蛍光体に当接するＬＥＤチップからの光線の密度を増加させるほど、言い換えれば、ＬＥＤランプに対する消費電力を増すほどに光量が飽和したり、むしろ、低下するという現象を生じるものとなっていた。また、発熱も多量のＬＥＤランプを使用するときには無視できないものとなっていた。
本発明は、前記した課題を解決するための具体的手段として、ＬＥＤチップと樹脂スペーサーとを収納する第一キャビティー及びその上方の第二キャビティーが設けられたべースと、前記樹脂スペーサーが、前記第一キャビティー内の透明樹脂スペーサーと、蛍光体が混和されてほぼ一定の厚みとして形成された前記第二キャビティー内の波長変換スペーサーとの少なくとも２層のスペーサーで構成されて成る半導体発光装置であって、前記波長変換スペーサーの内部には、両端が前記べースにワイヤボンドにより接続された金属製の放熱用線材が配置されていることを特徴とする半導体発光装置を提供することで、前記波長変換スペーサー中の蛍光体の温度上昇を抑制し課題を解決するものである。
本発明により、波長変換スペーサー中に放熱性の良い金属で形成した放熱用メッシュ、又は、放熱用線材を設置したものとしたことで、上記したように異なる波長の光による励起においても、全てを所望の波長に変換できず、熱となった部分を前記放熱用メッシュ、又は、放熱用線材により蛍光体中に均等に拡散させて一部が高温となるなど、変換効率が低下する現象を防止する。
よって、前記波長変換スペーサーは、全体がほぼ同一の温度で維持されるものとなり、一部が高温化することで、その部分の変換効率が低下して部分的に暗い部分を生じて、いわゆる光ムラの状態となり、半導体発光装置としての見栄えを損なうなどの問題を防止するものとなる。また、一部の熱は放熱用メッシュを通じてベースに放熱し、一層に蛍光体の温度を下げ変換効率の低下を防止する。
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半導体発光装置１を形成するためのベース２であり、このベース２には、例えば青色光の発光源であるＬＥＤチップ３をダイマウントし、更に、前記ＬＥＤチップ３の周縁を防湿などの目的で透明樹脂スペーサー４で充填するための第一キャビティー２ａが略擂り鉢状の凹部として設けられている。
そして、前記第一キャビティー２ａの上方には、第一キャビティー２ａの最大径よりも大きな径とされ、これにより第一キャビティー２ａとの間に段差部２ｂを生じている第二キャビティー２ｃが適宜な深さを有し、前記第一キャビティー２ａとは同心円の凹穴状として形成されている。尚、前記ベース２は、取付けが行われるＬＥＤチップ３からの発熱を速やかに放散できるように熱伝導性の良い部材で形成されていることが好ましい。尚、、一部の実施形態では図示は省略するが、前記ベース２には前記ＬＥＤチップ３に配線９を行うためのパッド８などが適宜部分に設けられている。
図２は、本発明の第一実施形態における前記ＬＥＤチップ３と、前記第一キャビティー２ａに対する透明樹脂スペーサー４の取付け工程を示すものであり、まず、前記ＬＥＤチップ３はベース２に設けられた第一キャビティー２ａの底面にダイボンドされ、金線などにより適宜に配線３ａが行われた後に、前記第一キャビティー２ａ内を満たすように注入が行われ、加熱など適宜な手段により硬化が行われる。尚、この場合、前記段差部２ｂは透明樹脂スペーサー４で覆われることなく、ベース２面が露出している状態であることが好ましい。
図３は、上記のようにして注入が行われた透明樹脂スペーサー４の表面に沿い複数の放熱用線材５を平行状として設けた状態を示すものであり、金、銅、或いは、アルミニウムの線材を放熱用線材５として複数本を、前記段差部２ｂを利用してワイヤボンドなど適宜な手段で取付ける。尚、採用する放熱用線材５が金、銅である場合、この半導体発光装置１に発光させようとする白色に対して色が異なるので、例えばアルミ蒸着などで色を白色に近づけても良い。
このときに、前記放熱用線材５は、前記透明樹脂スペーサー４の表面を縦横にクロスするように取付けても良いものであるが、放熱用線材５は両端でベース２に密着し、熱をベース側に伝導するものとなるので、図３に示すように一方向のみに取付けても相応の効果が期待できるものである。そして、図４に示すように、前記透明樹脂スペーサー４、及び、放熱用線材５を覆い、青色光に励起されて黄色光を発光する蛍光体６ａを主成分とする波長変換スペーサー６が取付けられる。
尚、このときには前記波長変換スペーサー６は、蛍光体６ａ中に適宜な樹脂、バインダーなどが混和されていて、当初は適宜な粘度を有するものとしておき、取付け後の加熱、或いは、重力による垂下などで前記放熱用線材５が波長変換スペーサー６中に取り込まれるようにしておけば好都合であり、更には、上記加熱や、時間の経過後には硬化が行われるものとしておけば、一層に好都合である。
このようにすることで、確かに、波長変換スペーサー６中における蛍光体６ａの温度上昇が抑制されることは明らかであるが、不透明な放熱用線材５が透明樹脂スペーサー４、或いは、波長変換スペーサー６中に存在すると言うことは、その部分だけ光が遮蔽されて透過せず、いわゆる影となってみえるものとなる懸念を生じる。
ここで、発明者による試作の結果について述べれば、前記波長変換スペーサー６中の蛍光体６ａは、粒子状であり、且つ、励起により自ずから発光を行うものであるので、それらの粒体の集合である蛍光体６ａが層状として形成された波長変換スペーサー６からの光は、ほぼ完全な拡散光であり、前記ＬＥＤチップからの青色光とで白色光が得られる量の蛍光体が用いられ、且つ、前記放熱用線材５が波長変換スペーサー６の表面近傍に配置されるなどの不適切な構成とされていなければ、実質的に放熱用線材５が影状として見えることはない。
図５は、本発明に係る半導体発光装置の第二実施形態であり、この第二実施形態でも、第一キャビティー２ａと、段差部２ｂと、第二キャビティー２ｃとが設けられている第一実施形態とほぼ同様な形状としたベース２が採用されている。但し、後にも説明するが、段差部２ｂの部分には、略円形の網状として予めに形成された放熱用メッシュ７が取付けられるので、ＬＥＤチップ３に給電するための線材などを段差部２ｂの部分を経由して配線するのは困難となるので、そのためのパッド８などは、ベース２の底面側に設けることが好ましい。
尚、この第二実施形態においても、半導体発光装置１を形成するときの手順は、第一実施形態とほぼ同様であり、まず、最初の工程としてはベース２の第一キャビティー２ａの底面にＬＥＤチップ３をダイマウントし、そして、その周囲に透明樹脂スペーサー４を注入する。
このときに、前記透明樹脂スペーサー４の注入量は、前の実施例と同様に段差部２ｂが露出している状態としておくことが好ましく、このようにしておくことで、スポット溶接など適宜な手段で、第一キャビティー２ａの上部を覆うように前記放熱用メッシュ７の取付けが可能となり、且つ、放熱用メッシュ７は前記ベース２との接触面積も増えるものとなるので、両者間の熱伝導も良好なものとなる。
そして、前記放熱用メッシュ７を覆い、必要量の蛍光体で形成された波長変換スペーサー６が注入などの手段で取付けられ、加熱による硬化などが行われて所定位置に固定される。尚、このときにも、前記波長変換スペーサー６は加熱により硬化前に一旦軟化して放熱用メッシュ７間に入り込む、或いは、当初は適宜の粘度を有していて、重力により垂下、進入して放熱用メッシュ７の格子目の間に入り込むなどの動作が行われるようにしておく。
尚、前記放熱用メッシュ７を形成するに当たっては、近年、半導体用のパターンなどを生産するときに採用されるなど、非常に高い精度が得られるホトレジストを利用するなどしたホト・エッチング工程で形成しても良く、或いは、同様に高い精度が得られるとされているマイクロマシン（ＭＥＭＳ）加工などによって形成しても良い。
図６は上記に説明したように、本発明により前記波長変換スペーサー６中に放熱用線材５、或いは、放熱用メッシュ７を埋め込むと共に、その、放熱用線材５、或いは、放熱用メッシュ７の一部をベース２に接続することで、放熱用メッシュ７が励起され発光したことで生じた発熱を、より熱容量が大きく、放熱も容易なベース２に逃がして冷却するものとなり、蛍光体の特性の１つである温度が上がると発光効率が低下する点を解決する。
即ち、図中に曲線Ｎで示すように、波長変換スペーサー６中に放熱用線材５が設けられていない場合には、最初はＬＥＤチップ３に印加した駆動電流の量にほぼ比例して明るさ（光量）も増加するものとなっているが、駆動電流が８０％を超えたあたりから、駆動電流と光量の増加とが比例せず、光量側に低下の傾向が目立ってくる。
そして、駆動電流が１００〜１１０％の範囲では光量側に飽和の傾向が強く目立つものとなり、駆動電流が１２０％となった状態では光量側には減少の傾向が認められるものとなる。また、このときには、波長変換スペーサー６を目視した状態でも、温度の過剰な上昇により明らかに中央部が暗くなり、波長変換スペーサー６全体として発光ムラを生じていることが認識できるものとなっている。
一方、図中に曲線Ｙで示すように、波長変換スペーサー６中に放熱用線材５、又は、放熱用メッシュ７を取付けた状態の半導体発光装置１においては、駆動電流が、ほぼ１２０％までの範囲では光量もほぼ比例して上昇している。そして、１３０〜１４０％の範囲では光量は飽和の傾向を示すものの、未だ低下の傾向は現れていない。よって、当然に波長変換スペーサー６に光ムラを生じるものとはなっていない。
以上に説明したように、本発明によれば、ほぼ同じベース２と、ほぼ同じＬＥＤチップ３と、ほぼ同じ波長変換スペーサー４を用いた半導体発光装置１において、特に波長変換スペーサー６の部分の熱を重点的に放散する放熱用メッシュ７（又は、放熱用線材５）を付加するのみで、付加しない場合に比べて、ほぼ１２０〜１３０％程度の駆動電力を加えても光量の増加が追従するものとなり、同一のサイズで略２０％程度光量の多い大半導体発光装置１が得られるものとなる。
また、このときに、前記放熱用メッシュ７により、波長変換スペーサー６の温度がより低く、且つ、全面が均一な温度として保たれるものとなるので、発光面に光ムラも生じることもなく、半導体発光装置１としての品質も向上するものとなる。
本発明に係る半導体発光装置の要部であるベースを示す断面図である。 本発明に係る半導体発光装置の第一実施形態における、ベースに対するＬＥＤチップと透明樹脂スペーサーとの取付け工程を示す説明図である。 同じく第一実施形態における放熱用線材の取付け工程を示す説明図である 同じく第一実施形態における波長変換スペーサーの取付け工程を示す説明図である。 同じく本発明に係る半導体発光装置の第二実施形態を示す断面図である。 本発明により放熱用メッシュ（若しくは、放熱用線材）を設けた半導体発光装置を従来例の半導体発光装置と比較したときの駆動電力に対する光量の相違を示すグラフである。
符号の説明
１…半導体発光装置
２…ベース
２ａ…第一キャビティー
２ｂ…段差部
２ｃ…第二キャビティー
３…ＬＥＤチップ
３ａ…配線
４…透明樹脂スペーサー
５…放熱用線材
６…波長変換スペーサー
６ａ…蛍光体
７…放熱用メッシュ
８…パッド

Claims (3)

  1. ＬＥＤチップと樹脂スペーサーとを収納する第一キャビティー及びその上方の第二キャビティーが設けられたべースと、
    前記樹脂スペーサーが、前記第一キャビティー内の透明樹脂スペーサーと、蛍光体が混和されてほぼ一定の厚みとして形成された前記第二キャビティー内の波長変換スペーサーとの少なくとも２層のスペーサーで構成されて成る半導体発光装置であって、
    前記波長変換スペーサーの内部には、両端が前記べースにワイヤボンドにより接続された金属製の放熱用線材が配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記放熱用線材は、複数本が独立して前記ベースに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記ベースは、前記第一キャビティーと前記第二キャビティーとの間に段差部を有し、前記放熱用線材が前記段差部に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光装置。
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