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JP4715422B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源などに利用できる発光装置に関し、特に、信頼性の高い発光装置に関する。
照明器具、液晶ディスプレイのバックライトなどの発光装置として、半導体発光素子を利用したものがある。半導体発光素子は、従来の光源と比較して消費電力が低く、長寿命であり、発光装置を小型化することができるため、好適に利用されている。このような半導体発光素子を利用して、さらに高出力な光を発する発光装置が求められている。
例えば、特開2004−207672号公報に開示される従来の発光装置について、発光素子を搭載する支持体は、その発光素子に電力を供給するための導体配線や、発光素子の光を発光観測方向に反射させるための反射壁を有している。さらに、発光素子は、支持体に設けられた凹部の底面に配置されている。反射壁は、例えば、セラミックスを主な材料とする支持体の凹部の側壁面に、タングステン、ニッケルおよび銀などを積層させた金属部材として配置されている。
特開2004−207672号公報。
しかしながら、発光素子の高出力化により、支持体に施された金属部材は、発光素子からの光や熱によって着色劣化することがある。特に、発光素子からの光に対して高い反射率を有する銀は、発光装置の反射壁として好適に利用される一方、発光素子からの光や熱によって劣化しやすい。そのため、発光素子からの光の一部は、このような劣化した銀により吸収され、発光装置の発光出力の低下を招くこととなる。
また、発光装置の薄型化により、凹部の底面に配置された発光素子の側面と凹部の側壁面との間隔が小さくなることがある。これにより、発光素子から出力される光は、凹部の側壁面に配された金属部材に大きな影響を与えると考えられる。
そこで、本発明は、発光出力の低下を招くことなく高出力な発光装置を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために本発明に係る発光装置は、長方形の外形を有する発光素子と、その発光素子を底面に配置する凹部を有する支持体と、上記凹部の側壁面に配置させた金属部材と、上記発光素子を覆う被覆部材と、を備えた発光装置であって、上記凹部の側壁面は、上記発光素子との距離が最も近い第一の側壁面と、上記発光素子との距離が最も遠い第二の側壁面と、を有しており、上記発光素子は、上記凹部の開口方向から見て、その外形を成す辺のうち最も短い辺を、上記第一の側壁面に向けて、その短軸方向と、上記凹部の長方形の開口形状の長軸方向と、を一致させて配置されていることを特徴とする。
また、上記凹部の開口部において、上記第一の側壁面の一部が上記金属部材から露出され、上記第二の側壁面が上記被覆部材を保持する突出部を有していることが好ましい。
本発明は、発光素子の側面が直近の凹部の側壁に配置された金属部材に対向する面積をできるだけ小さくすることにより、発光素子からの光による金属部材への悪影響を小さくすることができる。したがって、凹部の側壁に配置された金属部材の劣化が抑制されることにより、高出力な発光装置とすることができる。
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下に限定するものではない。
また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
多角形の外形を有する発光素子と、その発光素子を底面に配置する凹部、および発光素子に接続する導体配線を有する支持体と、凹部の側壁面に配置させた金属部材と、を備えた発光装置において、本発明者は、上述の課題を解決すべく種々の検討を行った。この結果、凹部の側壁面のうち、発光素子に直近の側壁面は、発光素子の外形を成す辺のうち最も短い辺の側に設けられていることを特徴とすることにより、上述の課題を解決するに至った。言い換えると、本発明は、発光素子が配置される側から支持体を見て、発光素子が外形を成す辺のうち最も短い辺を直近の側壁面に向けて配置されていることを特徴とする。ここで、直近の側壁面とは、発光素子の側面に対向するように支持体に設けられた側壁面のうち、発光素子を載置する凹部の底面において、その発光素子の外形と同じ大きさを有する載置領域の中央部からの最短距離が最小となる側壁面とする。あるいは、発光素子を搭載したとき、その発光素子の外形中心からの最短距離が最小となる側壁面とする。
本発明により、発光素子の側面が、その発光素子に直近の凹部の側壁に配置された金属部材と対向する面積を小さくすることができる。すなわち、発光素子に直近の側壁に配置された金属部材に照射される光の量を小さくすることができる。そのため、発光素子からの光による凹部の側壁への影響が小さくなり、凹部の側壁に配置された金属部材の劣化が抑制されることにより、高出力な発光装置とすることができる。
図1は、本形態における発光装置を凹部の開口方向から見た上面図である。また、図2は、本形態における発光装置を、発光装置の背面の方向から見た背面図である。以下、図面を参照しながら本形態の発光装置について詳述する。
図1に示されるように、本形態の発光装置は、多角形の外形を有する発光素子と、その発光素子を底面に配置する凹部を有する支持体と、少なくとも凹部の側壁面に配置させた金属部材と、を備え、凹部の開口方向から見て、凹部の側壁面は、発光素子との距離がそれぞれ異なる第一の側壁面および第二の側壁面を少なくとも有しており、発光素子は、外形を成す辺のうち最も短い辺を、直近の第一の側壁面に向けて配置されている。ここで、本形態における第一の側壁面とは、凹部を開口方向から見て、X方向に延伸し互いに向かい合う一対の側壁面をいい、第二の側壁面とは、Y方向に延伸し互いに向かい合う一対の側壁面をいう。本形態における側壁面について、発光素子と第一の側壁面との距離は、発光素子と第二の側壁面との距離よりも小さくなっており、直近の側壁面は、第一の側壁面とする。
図1に示されるように、発光素子は、凹部の底面に設けられた第一の金属部材に配置されている。発光素子を金属部材に配置させることにより、発光素子からの光を発光観測方向に反射させることができるだけでなく、放熱性を向上させることができる。
本形態の支持体の凹部は、凹部の底面に設けられた第二の金属部材を備え、支持体に配置された複数の発光素子の電極の少なくとも一方は、導電性ワイヤにより第二の金属部材に接続されていることが好ましい。
例えば、凹部の底面に配置させた複数の発光素子の電極どうしを導電性ワイヤで直接に接続しようとすると、少なくとも一方の導電性ワイヤのボンディング領域を発光素子の発光面内で広くとる必要があるため、発光素子からの光取り出し効率を低下させることとなる。また、複数の発光素子の電極どうしを導電性ワイヤで接続させようとすると、導電性ワイヤが凹部の開口方向に大きく湾曲して突出してしまう。このように湾曲した導電性ワイヤの湾曲部は、凹部内を被覆する封止部材の熱応力の影響を受けやすい。
一方、本形態の発光装置は、搭載された複数の発光素子を電気的に接続するとき、それらの発光素子が配置される領域の間に配置された金属部材に一旦、導電性ワイヤを接続させている。つまり、導電性ワイヤは、金属部材を経由して発光素子の電極を電気的に接続するように張られている。これにより、発光素子の電極を接続する導電性ワイヤの湾曲部を小さくしている。したがって、本形態の発光装置は、封止部材の影響による導電性ワイヤの断線などの不具合を生じさせない発光装置とすることができる。
第一の金属部材または第二の金属部材は、直近の側壁の方向に延伸して支持体に一部が埋没された延伸部を有することが好ましい。これにより、支持体に配置された金属部材の剥離が抑制されるため、信頼性の高い発光装置とすることができる。ここで、延伸部とは、図1に示されるように、凹部の底面に短冊状に配された第一の金属部材または第二の金属部材のうち、発光素子や導電性ワイヤを載置する領域から凹部の側壁の方向に細く延びる部分をいう。なお、第一の金属部材または第二の金属部材は、それぞれ発光素子および導電性ワイヤを載置する領域にて、凹部の底面方向への広がりが大きくなるように配置されていることが好ましい。例えば、第一の金属部材は、配置される発光素子の形状および大きさに相応する形状および大きさを有していることが好ましい。これにより、発光素子および導電性ワイヤを安定に載置することができるため、発光装置の量産性を向上させることができる。
第一の金属部材および第二の金属部材は、凹部の底面において分離して設けられることにより、互いに、あるいは導体配線から電気的に絶縁されていることが好ましい。これにより、短絡を生じさせない発光装置とすることができる。あるいは、凹部内を被覆部材で封止する発光装置とする場合、第一の金属部材と第二の金属部材との間に、基材を露出させる。例えば、セラミックスを材料とする基材の露出面を第一の金属部材と第二の金属部材との間に設ける。これにより、被覆部材と支持体との密着性を向上させ、信頼性の高い発光装置とすることができる。
第一の金属部材あるいは第二の金属部材は、凹部の底面および支持体の背面に開口する貫通部を介して、支持体の背面に設けられた第三の金属部材に接続されていることが好ましい。図2は、本形態の発光装置の一例を背面から見た図である。支持体は、凹部の底面に設けられた第二の金属部材103a、103bと、支持体の背面に形成させた第三の金属部材202a、202bとをそれぞれ接続する貫通部104a、104bを有する。これらの貫通部には、金属部材が充填されている。これにより、発光装置の放熱性が向上され、高輝度に発光する発光装置とすることができる。
支持体の壁面は、第一の側壁面側の開口部において、金属部材から露出されていることが好ましい。凹部の開口部に設けられた金属部材は、発光素子に近い第一の側壁面側において劣化が生じやすい。したがって、金属部材の一部を配置することなく、支持体の壁面が露出されていることが好ましい。これにより、金属部材の劣化が抑制された高出力な発光装置とすることができる。
凹部の開口形状は、互いに対向する直線と、互いに対向する半円弧とからなるトラック状、楕円あるいは長方形など、長軸および短軸を有する形状とすることが好ましい。これにより、短軸方向に薄型化された発光装置とすることができる。さらに、長方形の外形を有する発光素子は、その短軸方向と、凹部の開口形状の長軸方向とを一致させて配置されていることが好ましい。これにより、薄型の発光装置において、金属部材の劣化が抑制された高出力な発光装置とすることができる。
支持体は、第二の側壁面の側に、凹部に配置された封止部材を保持する突出部を有することが好ましい。凹部の開口部に設けられた突出部は、凹部に配置された封止部材が凹部から脱落することを防止するための保持手段として機能する。このような突出部と側壁とにより形成された隅部において、金属部材の劣化が生じやすい。したがって、突出部は、発光素子から距離の遠い側壁の側に設けることが好ましい。これにより、金属部材の劣化が抑制された高出力な発光装置とすることができる。以下、本形態の各構成について詳述する。
(支持体)
本形態の支持体とは、発光素子を搭載する凹部を有し、光反射壁や導体配線としての金属部材を配置することができる部材である。したがって、本形態の支持体は、アルミ、鉄入り銅を主な材料とするリードフレームや、そのようなリードフレームを樹脂にインサート成型させたパッケージとすることができる。
本形態における基材とは、反射壁や導体配線などの金属部材が配置され、支持体を形成させるためのものである。基材の材料は、ガラスエポキシ樹脂、セラミックスあるいはガラスを挙げることができる。特に、セラミックスを材料とすることにより、耐熱性の高い支持体とすることができる。
セラミックスは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、炭化ケイ素あるいは窒化ケイ素などが好ましい。特に、原料粉末の90〜96重量%がアルミナであり、焼結助剤として粘度、タルク、マグネシア、カルシア及びシリカ等が4〜10重量%添加され1500から1700℃の温度範囲で焼結させたセラミックスや原料粉末の40〜60重量%がアルミナで焼結助剤として60〜40重量%の硼珪酸ガラス、コージュライト、フォルステライト、ムライトなどが添加され800〜1200℃の温度範囲で焼結させたセラミックス基板などが挙げられる。
セラミックスの粉体と、バインダー樹脂を混合して得られる材料をシート状に成型して得られるセラミックスグリーンシートを積層させて焼成することにより、板状の支持体とすることができる。あるいは、セラミックスグリーンシートに種々の大きさのスルーホールを形成して積層することにより、後述の保持手段や凹部を有する支持体とすることができる。このような支持体に配される金属の下地層は、未焼成のセラミックスグリーンシートの段階で、タングステン、モリブデンのような高融点金属の微粒子を含む導体ペーストを所定のパターンに塗布したものを焼成することにより得ることができる。さらに、セラミックスグリーンシートを焼成した後、予め形成させておいた下地層に、ニッケル、金あるいは銀を順に鍍金して凹部に配される金属部材や導体配線とすることができる。発光素子からの光に対して高い反射率を有する銀を最表面に配置することが好ましい。
なお、セラミックスを材料とする支持体は、上述のように、導体配線と絶縁部を一体的に形成する他、予め焼成されたセラミックスの板材に、導体配線を形成することにより形成することもできる。
(発光素子)
本形態における発光素子は、発光ダイオードやレーザダイオードなど、発光装置の光源となり得るものである。本形態における支持体には、発光素子とともに、受光素子、およびそれらの半導体素子を過電圧による破壊から守る保護素子(例えば、ツェナーダイオードやコンデンサー)、あるいはそれらを組み合わせたものを搭載することができる。
発光素子の平面的な外形は、三角形、矩形、六角形のような多角形など、半導体素子の製造工程において形成することができる形状を全て含む。特に、発光素子の平面形状は、正方形や長方形などの矩形であることが好ましい。これらの形状は、発光素子を製造する工程において、半導体ウエハを個片化して発光素子とする工程が容易であるため、量産性の高い発光装置とすることができるからである。
本形態について、発光素子の一例として、LEDチップについて説明する。LEDチップを構成する半導体発光素子としては、ZnSeやGaNなど種々の半導体を使用したものを挙げることができるが、蛍光物質を有する発光装置とする場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InAlGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。例えば、LEDチップは、可視光領域の光だけでなく、紫外線や赤外線を出力する発光素子とすることができる。
半導体素子は、その電極がバンプと呼ばれる導電性材料を介して支持体や、サブマウントと呼ばれる補助部材の導体配線に電気的および機械的に接続することもできる。
半導体素子と支持体との固定は、金ペーストや銀ペーストのような導電性接着材や、Au、Ag、Bi、Cu、In、Pb、SnおよびZnから選択された少なくとも一種を含む共晶材(例えば、Au−Sn)、あるいは、AuおよびAgから選択された少なくとも一種を含む鑞材や、エポキシ樹脂などの透光性樹脂を接着材とすることにより行うことができる。
(被覆部材)
本形態における被覆部材(「封止部材」と呼ぶこともある。)とは、支持体の凹部内に載置された半導体素子や導電性ワイヤなどを塵芥、水分や外力などから保護する部材である。本被覆部材の材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂やユリア樹脂が挙げられる。被覆部材は、所望に応じて着色剤、光安定化剤、蛍光物質など種々のものを含有させることもできる。具体的には、発光素子の発光波長や受光波長に応じて、不要な波長をカットする目的で顔料や染料などの着色剤を含有させる。
被覆部材に含有することができる蛍光物質は、発光素子の光を変換させるものであり、発光素子からの光をより長波長に変換させるものの方が効率がよい。発光素子からの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、アルミニウム酸化物系蛍光体の一種であるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(以下、「YAG:Ce」と呼ぶ。)が好適に用いられる。YAG:Ce蛍光体は、その含有量によってLEDチップからの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するため、白色系の混色光を発する高出力な発光ダイオードを、比較的簡単に形成することができる。
(保持手段)
本形態における保持手段とは、支持体に配された被覆部材が支持体から脱落しないように、その被覆部材を支持体に保持するためのものである。このような保持手段の具体的な形状は、支持体の凹部の内壁に突起、鈎がついているものなどが挙げられる。特に、支持体の凹部の開口方向に、その内径が狭くなるように、凹部の内壁面の一部を突出させた突出部を保持手段として好適に選択することができる。また、このような保持手段は、複数箇所に分設させることもできるし、種々の形状を複数組み合わせることもできる。
図1は、本形態にかかる発光装置を開口部の側から見た上面図を示す。本発光装置の発光素子は、トラック形状の開口部を有する凹部の底面に配置されている。本形態の保持手段は、凹部の開口部において、トラック形状の短軸方向に沿って互いに向かい合うように設けられることが好ましい。すなわち、保持手段は、発光素子を包囲する複数の側壁のうち、発光素子からの距離が大きい側壁の開口部に設けることが好ましい。これにより、金属部材の劣化が抑制された高出力な発光装置とすることができる。
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
図1は、本実施例の発光装置を凹部の開口方向から見た上面図である。また、図2は、本実施例の発光装置を、凹部が形成された側と反対側から見た背面図である。図3は、本実施例の発光装置のX軸方向に沿った断面図である。図4は、本実施例の発光装置のY軸方向に沿った断面図である。なお、図3および図4において、支持体の凹部の底面から開口部に向かう方向をZ軸方向としてある。
本実施例における発光装置は、長方形の外形を有するLEDチップと、そのLEDチップを底面に配置する凹部を有する支持体と、を備えた発光装置である。さらに、支持体は、セラミックスを材料とする基材と、その基材に形成させた凹部の側壁面に反射壁として形成させたタングステン、ニッケル、銀を材料とする金属部材と、同じ材料により凹部の底面に形成させた第一の金属部材102a、102b、102cと、第二の金属部材103a、103bと、支持体の外壁面に設けられた電極201a、201bとそれぞれ接続される導体配線101a、101bと、を備える。ここで、凹部の開口方向から見て、第一の金属部材102a、102b、102cは、第二の金属部材103a、103bを挟むように配置されている。つまり、第二の金属部材103a、103bは、第一の金属部材102a、102b、102cの間に配置されている。第一の金属部材102a、102b、102cは、導体配線101a、101bや第二の金属部材103a、103bから離間させて基材に配置されることにより電気的に絶縁されている。
本実施例の支持体は、図1、図3および図4に示されるように、X軸方向に延びてLEDチップを挟んで互いに向かい合う一対の第一の側壁面301と、Y軸方向に延びてLEDチップを挟んで互いに向かい合う一対の第二の側壁面302と、を有する。本実施例の支持体の外形は、寸法が縦4.3mm×横1.6mm×奥行き0.65mmの直方体である。第一の側壁面301は、凹部の開口部に段差109を有しており、その段差の部分でセラミックスを材料とする基材の一部が第一の側壁面301に配された金属部材から露出されている。
本実施例の支持体の凹部は、第一の側壁面301と、第二の側壁面302とにより形成される。凹部の開口形状は、トラック形状であり、そのトラック形状を形成する円弧を含む第二の側壁面302は、凹部の開口部において、凹部の内側方向に突出する突出部108を有する。凹部には、LEDチップや導電性ワイヤを被覆する封止部材が配置されており、突出部は、この被覆部材の保持手段として機能する。ここで、封止部材は、シリコーン樹脂にYAG:Ce蛍光体を含有させてある。これにより、発光装置は、LEDチップの光がYAG:Ce蛍光体により波長変換された光を出力することができる。特に、LEDチップが青色系の光を発する発光素子であるとき、発光装置は、LEDチップの光と、YAG:Ce蛍光体による蛍光との混色系の光を発することができる。
本実施例の各LEDチップの外形は、その寸法が240μm×420μmである。LEDチップ105a、105b、105cは、それぞれ、その短軸方向と、凹部の開口形状の長軸(図1に示すX軸方向)方向とを一致させて、第一の金属部材102a、102b、102cに接着材により固着される。つまり、LEDチップ105a、105b、105cは、長方形の外形を成す辺のうち最も短い短辺の側を、第一の金属部材102a、102b、102cの中央からの距離が最も近い第一の側壁面301の側に向けて配置されている。また、LEDチップ105a、105b、105cが第一の金属部材102a、102b、102cにそれぞれ配置される間隔は、約0.8mmの等間隔とさせてある。本実施例のように複数のLEDチップを支持体に配置するとき、LEDチップ相互間の間隔は、0.1mm以上とすることが好ましい。これにより、支持体の凹部からの光取り出し効率が向上し、凹部内の光密度が低下する。したがって、発光素子からの光が金属部材に与える影響は少なくなり、金属部材の劣化が抑制され、高出力な発光装置とすることができる。
さらに、LEDチップの電極は、導電性ワイヤにより導体配線101a、101bや第二の金属部材103a、103bに接続されている。より具体的には、LEDチップ105aの一方の電極は、導体配線101aに接続され、他方の電極は、第二の金属部材103aに接続されている。LEDチップ105bの一方の電極は、第二の金属部材103aに接続され、他方の電極は、第二の金属部材103bに接続されている。LEDチップ105cの一方の電極は、第二の金属部材103bに接続され、他方の電極は、導体配線101bに接続されている。これにより、上記3つのLEDチップは、電気的に直列に接続される。
図1および図2に示されるように、支持体は、凹部の底面に設けられた第二の金属部材103a、103bと、支持体の背面に形成させた第三の金属部材202a、202bとをそれぞれ接続する貫通部104a、104bを有する。これにより、発光装置の放熱性が向上され、高輝度に発光する発光装置とすることができる。
本実施例の発光装置は、凹部の側壁に配置された金属部材の劣化が抑制されることにより、高出力な発光装置とすることができる。
本発明は、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源などに利用できる。
図1は、本発明の一実施例にかかる発光装置の上面図である。 図2は、本発明の一実施例にかかる発光装置の背面図である。 図3は、本発明の一実施例にかかる発光装置のIII−III断面図である。 図4は、本発明の一実施例にかかる発光装置のIV−IV断面図である。
符号の説明
100・・・発光装置
101a、101b・・・導体配線
102a、102b、102c・・・第一の金属部材
103a、103b・・・第二の金属部材
104a、104b・・・貫通部
105a、105b、105c・・・発光素子
106・・・導電性ワイヤ
107・・・支持体
108・・・突出部
109・・・段差部
201a、201b・・・電極
202a、202b・・・第三の金属部材
301・・・第一の側壁面
302・・・第二の側壁面

Claims (2)

  1. 長方形の外形を有する発光素子と、その発光素子を底面に配置する凹部を有する支持体と、前記凹部の側壁面に配置させた金属部材と、前記発光素子を覆う被覆部材と、を備えた発光装置であって、
    前記凹部の側壁面は、前記発光素子との距離が最も近い第一の側壁面と、前記発光素子との距離が最も遠い第二の側壁面と、を有しており、
    前記発光素子は、前記凹部の開口方向から見て、その外形を成す辺のうち最も短い辺を、前記第一の側壁面に向けて、その短軸方向と、前記凹部の長方形の開口形状の長軸方向とを一致させて配置されていることを特徴とする発光装置。
  2. 前記凹部の開口部において、前記第一の側壁面の一部が前記金属部材から露出され、前記第二の側壁面が前記被覆部材を保持する突出部を有している請求項1に記載の発光装置。
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