JP4839687B2

JP4839687B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4839687B2
Application number: JP2005175599A
Authority: JP
Inventors: 良二横谷; 拓磨橋本; 正喜小林; 哲森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP2006351809A

Description

本発明は、発光素子チップの出射面に光取出増大部材を光結合し、光取出増大部材を通して発光素子チップからの光を取り出すようにした発光装置に関するものである。

近年、発光ダイオードや有機ＥＬのような発光素子チップにおいて白色系の発光色を得ることが可能になり、また取り出せる光束が大きくなってきたことから、この種の発光素子チップを照明や表示のための光源に用いることが考えられている。また、この種の発光素子チップは、小型かつ低電圧で駆動することができ、しかも長寿命であるという利点も有している。

この種の発光素子チップを照明や表示に用いるために、発光素子チップの出射面に光取出増大部材を光結合することが考えられている。たとえば、発光素子チップがサファイア基板を有しサファイア基板を通して出射側の媒質である空気中に光を取り出す構成である場合には、全反射を生じる臨界角が小さくなるから、サファイア基板と空気との中間の屈折率を有する光取出増大部材を設けることにより、空気中に直接光を取り出す場合よりも臨界角を大きくし、光の出射効率を高めている（たとえば、特許文献１参照）。
国際公開第０３／１００８７３号パンフレット

しかしながら、光取出増大部材を設けたとしても、発光素子チップから出射された光の一部は光取出増大部材の内部で全反射するから、光取出増大部材に入射した光の一部は利用できる光として出射されず、結果的に光エネルギに損失が生じる。すなわち、光取出増大部材を設けて発光素子チップからの出射光を増加させても、光取出増大部材の内部で光に損失が生じるから、高い効率を得られないという問題を有している。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光素子チップから出射された光を光取出増大部材で減衰させずに取り出し、光の利用効率を高めた発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、発光素子チップを収納するチップ収納凹所を有した実装基板と、発光素子チップの出射面と光結合され発光素子チップからの出射光が入射する入射面と入射面から入射した光を出射させる出射面とを有した光取出増大部材と、発光素子チップと光取出増大部材の一部とを封止する封止樹脂とを備え、光取出増大部材の材料は出射側の媒質よりも高屈折率であって、光取出増大部材の出射面上のすべての位置において、当該位置の法線を中心線とし臨界角を中心線と母線とのなす角度とする円錐内に発光素子チップの出射面およびチップ収納凹所の開口面が含まれるように、光取出増大部材の出射面の形状が設定され、さらに封止樹脂は光取出増大部材の屈折率以上の材料が選択され、チップ収納凹所の開口面は前記光取出増大部材の入射面に対向して光取出増大部材により閉塞され、チップ収納凹所の内側面は発光素子チップからの出射光を反射させて光取出増大部材の入射面に入射させるように底面から開口に向かって昇り傾斜する反射面を形成していることを特徴とする。

この構成によれば、光取出増大部材の出射面のどの位置においても、入射面から入射した光の進行方向が出射面の法線に対してなす角度が臨界角以下になるから、光取出増大部材の出射面において実質的に全反射を生じることがなく、多重反射による光の減衰や消滅を生じることがないから、光取出増大部材から光を取り出すことができ、結果的に光の利用効率が高くなる。また、光の利用効率が高いから、取り出す光束に対して発光素子チップのサイズを小型にすることができる。

さらに、この構成によれば、チップ収納凹所を設けたことにより発光素子チップから側方に出射した光を反射面で反射させて光取出増大部材に入射させることができ、結果的に効率の向上につながる。また、光取出増大部材をチップ収納凹所の開口の周囲に載せることができ、結果的に光取出増大部材をがたつかないように取り付けることができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記チップ収納凹所に形成した反射面は二次曲面であって、発光素子チップの側面付近に焦点が位置するように設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、チップ収納凹所の反射面で反射された光を光取出増大部材の入射面に対して略直交する方向から入射させることができ、光取出増大部材の入射面での全反射を抑制し、このことによっても光の取出効率が高くなる。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記チップ収納凹所は、底面が前記発光素子チップと相似形であることを特徴とする。

この構成によれば、発光素子チップとチップ収納凹所の底面とが相似形であることにより、発光素子チップと反射面との距離を小さくすることができ、発光素子チップの側面からの出射光をチップ収納凹所の底面で反射させることなく反射面で反射させ、大部分の光を１回の反射でチップ収納凹所から取り出すことが可能になる。その結果、発光素子チップから出射した光の利用効率が高くなる。

本発明の構成によれば、光取出増大部材の出射面において実質的に全反射を生じないから、多重反射による光の減衰や消滅を生じさせずに光取出増大部材から光を取り出すことができ、結果的に光の利用効率が高くなるという利点を有する。その上、チップ収納凹所を設けたことにより発光素子チップから側方に出射した光を反射面で反射させて光取出増大部材に入射させることができ、結果的に効率の向上につながる。また、光取出増大部材をチップ収納凹所の開口の周囲に載せることができ、結果的に光取出増大部材をがたつかないように取り付けることができる。

（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、実装基板を兼ねたパッケージ１に、発光ダイオードからなる発光素子チップ２と、発光素子チップ２の出射面に光結合され発光素子チップ２からの光の取出量を増加させるとともに屈折を利用して配光を制御する光取出増大部材３とを収納した構成を有する。パッケージ１の一面には、発光素子チップ２を収納する収納凹所１１が開口し、収納凹所１１の開口面は波長変換部材４で覆われる。

収納凹所１１の底面には薄膜形成技術または厚膜形成技術による配線パターンが形成されており、発光素子チップ２が配線パターンに対してフリップチップ実装される。収納凹所１１の内側面は、収納凹所１１の底面から開口面に向かって昇り傾斜するテーパ状であって、発光素子チップ２から出射した光は、光取出増大部材３で屈折するだけではなく収納凹所１１の内側面で反射されることによっても配光が制御される。

発光素子チップ２は、絶縁基板であるサファイア基板にＧａＮからなる半導体層を積層した発光ダイオードチップであって、サファイア基板を通して光を取り出す。ここに、サファイア基板の一面である出射面は正方形状に形成されている。

光取出増大部材３は、発光素子チップ２の出射面に密着する入射面３ａを平面とし、光を取り出す出射面３ｂを凸曲面とした平凸レンズの形状を有している。発光素子チップ２に用いるサファイア基板は屈折率が比較的大きく臨界角が小さいものであるから、発光素子チップ２から空気中に光を直接取り出すと、サファイア基板内での全反射により出射効率が低下する。そこで、光取出増大部材３を配置しているのであって、光取出増大部材３としてサファイア基板と空気との中間の屈折率を持つ材料を選択することにより、サファイア基板における臨界角を大きくし出射効率を高めている。本実施形態では、光取出増大部材３には屈折率が１．４１である透明なシリコン樹脂を用いている。また、光取出増大部材３の入射面３ａは円形であって、発光素子チップ２の出射面の対角線の寸法２Ｌに対して、光取出増大部材３の入射面３ａの直径φは１．５倍（φ＝３Ｌ）に設計されている。ここに、発光素子チップ２の出射面の中心Ｃ１と光取出増大部材３の入射面３ａの中心Ｃ２とは一致させてある。

波長変換部材４は、シリコン樹脂シートに蛍光物質を分散させたものであって、発光素子チップ２から出射された光の波長を蛍光物質により変換し、発光素子チップ２の発光色と波長変換部材４で変換された波長の光との混色光を取り出すために設けられている。たとえば、発光素子チップ２として青色系の発光色を有する発光ダイオードを用い、波長変換部材４に黄色系の蛍光物質を用いることにより白色光を取り出すことができる。ここに、光取出増大部材３と波長変換部材４との間には間隙を形成してあり、光取出部材３の出射面３ｂが略全面に亘って空気に接するようにしてある。

収納凹所１１の底部には封止樹脂５が充填されており、発光素子チップ２と光取出増大部材３の一部とが封止される。封止樹脂５には、屈折率が光取出増大部材３の屈折率以上の材料が選択される。

次に、本実施形態における光取出増大部材３の出射面３ｂの形状について説明する。光取出増大部材３の出射面３ｂは、発光素子チップ２から出射された光が光取出増大部材３の内面で全反射を生じないように設計される。ここに、光取出増大部材３には屈折率が１．４１のシリコン樹脂を用いているから、空気の屈折率を１とすれば、臨界角は略４５°（≒ｓｉｎ^−１（１／１．４１））になる。そこで、本実施形態では、出射面３ｂのすべての部位において、発光素子チップ２を見込む角が当該位置の法線に対して臨界角（つまり４５°）の範囲内になるように出射面３ｂの形状を設定している。

すなわち、図２に示すように、光取出増大部材３の出射面３ｂにおける任意の点Ｐに対して発光素子チップ２から入射する光の入射角（点Ｐに立てた法線に対して光が入射する角度）が臨界角θよりも小さければ、当該光は光取出増大部材３の外部に取り出すことができる。したがって、点Ｐに立てた法線Ｎを中心線として中心線と母線とのなす角度がθである円錐を設定し、この円錐内に発光素子チップ２が位置するように出射面３ｂを設計している。つまり、出射面３ｂの必要条件は、発光素子チップ２の対角線の両端から点Ｐを見込む角度αと臨界角θとの関係がα＜２θとなることである。

光取出増大部材３の出射面３ｂを球面とする場合について図３を用いて説明する。発光素子チップ２の中心Ｃ１と光取出増大部材３の入射面３ａの中心Ｃ２とは一致させているから、出射面３ｂが球面であって入射面３ａの中心Ｃ２が当該球面の中心であるときには、出射面３ｂの任意の点Ｐに立てた法線Ｎは、発光素子チップ２の中心Ｃ１（入射面３ａの中心Ｃ２）を通る。そこで、発光素子チップ２の出射面の対角線の延長方向をｘ軸方向とし、発光素子チップ２の出射面の中心Ｃ１に立てた法線の方向をｙ軸方向とするｘｙ平面を考える。

ｘｙ平面内で出射面３ｂの上の任意の点Ｐと中心Ｃ１とを通る直線を中心線とし、中心線と母線とのなす角度が臨界角θである円錐を設定し、ｘｙ平面内で当該円錐の母線が光取出増大部材３の入射面３ａと交差する点をＱ１，Ｑ２（図３の例ではＱ２は得られない）とする。点Ｑ１，Ｑ２のｘ座標をｘ１，ｘ２とすれば、設定した円錐の中に発光素子チップ２が含まれる条件は、｜ｘ１｜＞Ｌかつ｜ｘ２｜＞Ｌである。いま、点Ｐから発光素子チップ２の中心Ｃ１を見込む直線（つまり、法線Ｎ）とｘ軸とがなす角度をρとすれば、点Ｐの座標は（１．５Ｌ・ｃｏｓρ，１．５Ｌ・ｓｉｎρ）である。一方、点Ｐと点Ｑ１とを結ぶ直線の傾きは（ρ＋θ）であり、点Ｐと点Ｑ２とを結ぶ直線の傾きは（ρ−θ）であるから、点Ｐと点Ｑ１とを結ぶ直線の式と、点Ｐと点Ｑ２とを結ぶ直線の式とは、それぞれ次式で表される。
ｙ−（１．５Ｌ・ｓｉｎρ）＝（θ＋ρ）｛ｘ−（１．５Ｌ・ｃｏｓρ）｝
ｙ−（１．５Ｌ・ｓｉｎρ）＝（θ−ρ）｛ｘ−（１．５Ｌ・ｃｏｓρ）｝
点Ｑ１，Ｑ２についてはｘ座標が必要であるから、ｙ＝０とおけば、ｘ１，ｘ２は次式のように表される。
ｘ１＝（１．５Ｌ・ｃｏｓρ）−（１．５Ｌ・ｓｉｎρ）／（θ＋ρ）
ｘ２＝（１．５Ｌ・ｃｏｓρ）−（１．５Ｌ・ｓｉｎρ）／（θ−ρ）
この条件では、角度ρと座標ｘ１，ｘ２との関係は、それぞれ表１、表２のようになる。

すなわち、座標ｘ１，ｘ２の絶対値はすべての角度ρについてＬより大きいから、発光素子チップ２から出射し光取出増大部材３に入射した光は、光取出増大部材３の出射面３ｂにおいて全反射することなく外部に取り出すことができる。なお、座標ｘ２を求めるにあたっては、角度ρについてρ≦θの範囲では座標ｘ２を求めることができないから、図３の位置関係であれば座標ｘ２は９０°≧ρ＞θの範囲で求めればよい。

なお、座標ｘ１，ｘ２を求める式において１．５Ｌを未知数とし、すべての角度ρにおいて座標ｘ１，ｘ２の絶対値がＬより大きくなる条件を求めると、１．４１５Ｌになる。したがって、光取出増大部材３の入射面３ａの直径は１．４２Ｌ以上であればよいと言える。

上述の例では光取出増大部材３の入射面３ａと発光素子チップ２の出射面をともに平面として密着させているが、光取出増大部材３の入射面３ａが平面でなくとも、封止樹脂５として光取出増大部材３と屈折率が等しい材料を選択すれば、光取出増大部材３の入射面３ａと発光素子チップ２の出射面との隙間に封止樹脂５が充填されるから、上述した構成と同様に機能する。

（実施形態２）
実施形態１では、光取出増大部材３の出射面３ｂを球面とした例を示したが、本実施形態は、図４に示すように、光取出増大部材３の出射面３ｂのうち発光素子チップ２の出射面の中心線に立てた法線方向において発光素子チップ２の出射面から規定の距離範囲内については、前記中心線に直交する断面が同直径の円形になるように形成してある。つまり、光取出増大部材３の一部を円柱状とし、残りの部分を球の一部としたものである。さらに言い換えると、半球をなす球面の一部を円筒で切り取った形状の出射面３ｂを有している。以下では、出射面３ｂのうち球面の一部である部分を主面３ｃと呼び、円柱状の部分を補助面３ｄと呼ぶ。

補助面３ｄの範囲は、主面３ｃと補助面３ｄとの境界と発光素子チップ２の出射面の頂点（つまり、対角線の一端）とを結ぶ直線が入射面３ａに対してなす角度λが臨界角以下になるように設定する。したがって、発光素子チップ２の出射面の対角線の長さを２Ｌとし、光取出増大部材３の入射面３ａの直径を２．８８Ｌとすれば、発光素子チップ２の出射面に立てた法線の方向において主面３ｃと補助面３ｄとの境界と入射面３ａとの距離は０．４４Ｌになる。言い換えると、出射面３ｂにおいて入射面３ａから規定の距離範囲内の部位に補助面３ｄが形成される。

上述した条件では、発光素子チップ２からのすべての出射光が補助面３ｄに立てた法線に対して発光素子チップ２側から入射することになるから、出射面３ｄから出射する光は法線に対して発光素子チップ２から離れる向きに屈折する。また、発光素子チップ２から補助面３ｄに入射した光は必ず臨界角以下になるから、全反射による損失を防止できるのはもちろんのこと、発光素子チップ２から補助面３ｄに入射する光は、補助面３ｄに代えて球面を用いる場合に比較すると、入射角が臨界角に近くなり、結果的に発光素子チップ２の出射面における法線方向との角度差を小さくすることができる。また、補助面３ｄを設けない場合よりも入射面３ａのサイズが小さくなるから、小型化にもつながる。

言い換えると、光取出増大部材３において入射面３ａに近い領域では、発光素子チップ２から出射面３ｂに入射する光の入射角は小さくなるから、臨界角に対する角度の余裕が大きくなる。その一方で、入射角が小さくなれば出射角も法線方向に近くなるから、発光素子チップ２の前方ではなく収納凹所１１の内側面に向かう方向に反射される。これに対して本実施形態の構成を採用すれば、発光素子チップ２の前方に向かう光量が増加し、収納凹所１１の内側面で反射される光束が減少するから、反射損失が少なくなり、パッケージ１から取り出す光量を増加させることができる。つまり、パッケージ１に設けた収納凹所１１の開口面積を小さくすることができ、結果的にパッケージ１の小型化が期待できる。また、収納凹所１１の開口面積が小さくなるから、波長変換部材４のサイズも小さくすることができる。

なお、補助面３ｄは光取出増大部材３の入射面３ａに直交する面である必要はなく、発光素子チップ２の出射面における法線方向に直交する断面において、入射面３ａに近付くほど断面積が小さくなる形状であってもよい。この場合、断面積の変化率は一定（つまり、発光素子チップ２の出射面における法線を含む断面において直線となる形状）であってもよいし、また変化率が一定ではなく凸曲面になる形状であってもよい。

また、実施形態１，２において、光取出増大部材３の出射面３ｂである球面の中心を、入射面３ａの中心に一致させているが、この条件も必須ではない。たとえば、発光素子チップ２の出射面の法線方向において、入射面３ａと出射面３ｂとの距離を球面の半径以下に設定してもよい。

（実施形態３）
本実施形態は、図５に示すように、収納凹所１１の底面にチップ収納凹所１２を形成し、チップ収納凹所１２に発光素子チップ２を配置したものである。チップ収納凹所１２は、底面および開口面が発光素子チップ２の出射面と相似形状に形成される（図５（ｂ）参照）。とくに、チップ収納凹所１２の底面は発光素子チップ２の出射面と略等しいサイズに形成される。チップ収納凹所１２は正方形状に開口する。また、チップ収納凹所１２の開口面における最大寸法は、光取出増大部材３の入射面３ａの直径よりは小さくしてある。したがって、発光素子チップ２は封止樹脂５とともにチップ収納凹所１２に収納されるが、光取出増大部材３はチップ収納凹所１２の開口を閉塞するように配置される。ここに、チップ収納凹所１２の開口面の最大幅を２Ｌとするときに、光取出増大部材３の入射面３ａの直径が３Ｌとなるように寸法関係が設定されている。したがって、本実施形態の発光素子チップ２は、実施形態１，２の発光素子チップ２よりは小型になる。

チップ収納凹所１２は収納凹所１１と同様に内側面がテーパ状に形成されている。つまり、チップ収納凹所１２の内側面は底面から開口に向かって昇り傾斜する。この内側面は反射面１２ａであって、発光素子チップ２において出射面以外から出射した光を反射面１２ａにより前方に変向することができるようになっている。この構成では、チップ収納凹所１２の開口面が実質的な発光面であって、この発光面に対して実施形態１，２のように光取出増大部材３の入射面３ａが密着されるのである。チップ収納凹所１２の開口面を発光面（つまり、光の出射面）とみなすことにより、実質的に実施形態１，２と同様に機能する。

本実施形態では、発光素子チップ２において出射面以外から出射する光も光取出増大部材３に入力するから、光の利用効率が実施形態１，２よりも高くなる。しかも、実施形態１，２の構成よりも発光素子チップ２を小型化することが可能である。他の構成および動作は上述した実施形態と同様である。

チップ収納凹所１２の内側面である反射面１２ａの形状は、図５に示すようにチップ収納凹所１２の開口面に直交する方向を含む断面において直線状になる形状（円錐面の一部）のほか、図６のように同断面において放物線となる凹曲面（放物面の一部）や双曲面、球面、楕円面などの二次曲面を採用することができる。図６の形状では、反射面１２ａが放物面の一部を形成するから、発光素子チップ２から出射した光をほぼ同じ方向に変向することができ、円錐面を用いる場合よりも光の取出効率を高めることができる。要するに、発光素子チップ２の側面からの出射光を、光取出増大部材３の入射面３ａに略直交する向きに変向することができる形状を採用することにより、光取出増大部材３への光の入射効率を高めることができる。反射面１２ａとして放物面や楕円面のような二次曲面を採用する場合には、発光素子チップ２の側面が焦点の位置付近になるように設計する。

本実施形態の構成では、チップ収納凹所１２の開口面が発光素子チップ２の出射面と相似形状に形成されており、またチップ収納凹所１２の深さ方向の各部位においても開口面に平行な断面が発光素子チップ２の出射面と相似形状に形成されている。したがって、発光素子チップ２と反射面１２ａとの距離を近付けることができることにより、チップ収納凹所１２の中での多重反射を防止することができ、発光素子チップ２からチップ収納凹所１２の中に出射された光でも反射面１２ａで１回反射されるだけで光取出増大部材３に導入されるから、反射を繰り返すことによる光の損失を防止することができる。また、チップ収納凹所１２のサイズを発光素子チップ２のサイズに近付けることができるから、チップ収納凹所１２を小さくすることができ、結果的にパッケージ１のサイズの小型化につながる。

（実施形態４）
上述した各実施形態では、発光素子チップ２がフリップチップ実装される例を示したが、本実施形態は図７に示すように、実施形態３と同様にチップ収納凹所１２を形成するとともに、チップ収納凹所１２の底面にサファイア基板を固着したフェイスアップ実装を行い、ボンディングワイヤ１３を用いて配線パターン（図示せず）に電気的に接続したものである。チップ収納凹所１２の深さはボンディングワイヤ１３がチップ収納凹所１２の開口面から突出しないように設定される。発光素子チップ２から出射した光はチップ収納凹所１２に充填された封止樹脂５を通して光取出増大部材３の入射面３ａに導入される。つまり、チップ収納凹所１２の開口面は実施形態１における発光素子チップ２の出射面と実質的に同様の機能を持つ。他の構成および動作は上述した他の実施形態と同様である。

（実施形態５）
上述した各実施形態では、１個の発光素子チップ２に１個の光取出増大部材３を対応付けていたが、本実施形態は、図８に示すように、１個の光取出増大部材３に対して複数個の発光素子チップ２を配列したものである。図示例では９個の発光素子チップ２を縦横に３列ずつ配置してある。ただし、実施形態１と寸法関係は同様であって、光取出増大部材３の入射面３ａの直径を３Ｌとするとき、発光素子チップ２を配列する正方形の領域の対角線の長さは２Ｌになる。要するに、実施形態１における発光素子チップ２の出射面を９分割したことに相当する。なお、発光素子チップ２の個数は９個に限定されるものではなく、また発光素子チップ２を配置した領域が正方形ではなく他の形状になるようにしてもよい。他の構成および動作は上述した他の実施形態と同様である。

（ａ）は実施形態１を示す断面図、（ｂ）は同上の要部平面図である。同上の動作説明図である。同上の動作説明図である。実施形態２を示す要部断面図である。（ａ）は実施形態３を示す断面図、（ｂ）は同上の平面図である。同上の他の構成例を示す断面図である。実施形態４を示す断面図である。（ａ）は実施形態５を示す断面図、（ｂ）は同上の要部平面図である。

符号の説明

１パッケージ（実装基板）
２発光素子チップ
３光取出増大部材
３ａ入射面
３ｂ出射面
３ｃ主面
３ｄ補助面
１２チップ収納凹所
１２ａ反射面

Claims

発光素子チップを収納するチップ収納凹所を有した実装基板と、発光素子チップの出射面と光結合され発光素子チップからの出射光が入射する入射面と入射面から入射した光を出射させる出射面とを有した光取出増大部材と、発光素子チップと光取出増大部材の一部とを封止する封止樹脂とを備え、光取出増大部材の材料は出射側の媒質よりも高屈折率であって、光取出増大部材の出射面上のすべての位置において、当該位置の法線を中心線とし臨界角を中心線と母線とのなす角度とする円錐内に発光素子チップの出射面およびチップ収納凹所の開口面が含まれるように、光取出増大部材の出射面の形状が設定され、さらに封止樹脂は光取出増大部材の屈折率以上の材料が選択され、チップ収納凹所の開口面は光取出増大部材の入射面に対向して光取出増大部材により閉塞され、チップ収納凹所の内側面は発光素子チップからの出射光を反射させて光取出増大部材の入射面に入射させるように底面から開口に向かって昇り傾斜する反射面を形成していることを特徴とする発光装置。
前記チップ収納凹所に形成した反射面は二次曲面であって、発光素子チップの側面付近に焦点が位置するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記チップ収納凹所は、底面が前記発光素子チップと相似形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。