JP6380590B2

JP6380590B2 - Ｌｅｄモジュール

Info

Publication number: JP6380590B2
Application number: JP2017060500A
Authority: JP
Inventors: 智紀三次
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP2018011039A; JP2019009449A; JP6673410B2

Description

本開示はＬＥＤモジュールに関する。

基板上に、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）装置が配置されるＬＥＤモジュールが知られている（例えば、特許文献１）。このＬＥＤモジュールでは、ＬＥＤ装置の側面が蛍光部材又は反射部材で構成され、ＬＥＤ装置の蛍光部材と、他のＬＥＤ装置の反射部材とが対向するように複数のＬＥＤ装置が配置されている。

特開２０１４−１４３２４６号公報

しかしながら、特許文献１に係るＬＥＤモジュールにおいて、ＬＥＤ装置の反射部材がＬＥＤモジュールの最外周に位置するように配置された場合、ＬＥＤ装置の内部からの光がＬＥＤモジュールの最外周に位置する反射部材で反射され、ＬＥＤモジュールの配光が狭くなる。即ち、ＬＥＤ装置からの光がＬＥＤモジュールの最外周から外側に広がりにくく、配光が狭くなる。このようなＬＥＤモジュールは、室内照明等の広い配光が求められる用途には不向きである。また、１つのＬＥＤ装置の蛍光部材からなる側面が、隣接する別のＬＥＤ装置の反射部材からなる側面と面しているため、１つのＬＥＤ装置の蛍光部材から出射された光が、対向するＬＥＤ装置の反射部材に反射された後、他のＬＥＤ装置の蛍光部材に入射して吸収されることがある。これにより、光の取り出し効率が低下する。

本開示は、以下の発明を含む。基板と、前記基板上に互いに隣接して配置された複数のＬＥＤ装置とを備えるＬＥＤモジュールであって、前記複数のＬＥＤ装置は、それぞれ、発光ダイオード素子と、前記発光ダイオード素子の側方に配置された反射部材と、前記発光ダイオード素子の上方に配置された透光性部材とを備える第１のＬＥＤ装置及び第２のＬＥＤ装置を有し、前記第１のＬＥＤ装置は、全ての側面が他のＬＥＤ装置と隣接し、前記透光性部材の全ての側面に反射部材を有し、且つ上面が光取り出し面であり、前記第２のＬＥＤ装置は、他のＬＥＤ装置と隣接する側面と他のＬＥＤ装置と隣接しない側面とを有し、前記透光性部材の側面のうち、前記他のＬＥＤ装置と隣接する全ての側面に反射部材を有し、前記他のＬＥＤ装置と隣接しない側面が光取り出し面であり、且つ上面が光取り出し面であることを特徴とするＬＥＤモジュール。

上記の構成を備えることにより、広配光化及び高効率化されたＬＥＤモジュールを実現することができる。

実施の形態に係るＬＥＤモジュールを示す模式平面図である。図１中の第１のＬＥＤ装置のＡ―Ａ’線における模式断面図である。図１中の第２のＬＥＤ装置のＢ−Ｂ’線における模式断面図である。第２のＬＥＤ装置の変形例を示す模式断面図である。第１のＬＥＤ装置の製造方法を示す模式断面図である。第２のＬＥＤ装置の製造方法を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明を特定するものではない。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、詳細説明を適宜省略する。

本実施形態に係るＬＥＤモジュール１００では、図１に示すように、基板２０上に複数のＬＥＤ装置１０が互いに隣接して配置されている。そして、複数のＬＥＤ装置１０は、それぞれ発光ダイオード素子１１を有し、発光ダイオード素子１１の側方には反射部材１２が配置されている。さらに、それぞれの発光ダイオード素子１１の上方には、第１透光性部材１３が配置されている。ここでは、第１透光性部材１３に蛍光体が含まれている。そして、これら複数のＬＥＤ装置１０のうち、第１のＬＥＤ装置１０ａは、図１及び図２に示すように、全ての側面が他のＬＥＤ装置と隣接し、第１透光性部材１３の全ての側面には反射部材１２が配置されている。さらに、第１のＬＥＤ装置１０ａの上面が光取り出し面である。一方、第２のＬＥＤ装置１０ｂは、図１及び図３に示すように、他のＬＥＤ装置と隣接する側面と、他のＬＥＤ装置と隣接しない側面とを有し、第１透光性部材１３の側面のうち、他のＬＥＤ装置と隣接する全ての側面には反射部材１２が配置され、他のＬＥＤ装置と隣接しない側面が光取り出し面である。第２のＬＥＤ装置１０ｂではさらに、上面も光取り出し面である。これにより、図１に示すように、第２のＬＥＤ装置１０ｂはＬＥＤモジュール１００の最外周に配置され、第１のＬＥＤ装置１０ａは、ＬＥＤモジュール１００の最外周以外に配置されることとなる。そして第１のＬＥＤ装置１０ａは、全ての側面を他のＬＥＤ装置に囲まれる。このようなＬＥＤモジュール１００では、ＬＥＤモジュール１００の側面に光取り出し面があるため、ＬＥＤモジュール１００の側面に光取り出し面が無い場合と比較して、広配光とすることができる。即ち、第２のＬＥＤ装置１０ｂの光取り出し面が、ＬＥＤモジュール１００の側面に位置するため、光をＬＥＤモジュール１００の側方に出射することができ、広配光とすることができる。

また、第１のＬＥＤ装置１０ａの第１透光性部材１３が、全ての側面に反射部材１２を有することにより、第１のＬＥＤ装置１０ａの内部で発光する光は反射部材１２で反射され、第１のＬＥＤ装置１０ａの上方に取り出される。これにより、第１のＬＥＤ装置１０ａの内部で発光する光が他のＬＥＤ装置に入射して吸収される可能性を低くすることができる。同様に、第２のＬＥＤ装置１０ｂの第１透光性部材１３の側面のうち、他のＬＥＤ装置と隣接する全ての側面は反射部材１２を有するため、光が他のＬＥＤ装置に入射して吸収される可能性を低くすることができる。それだけでなく、第１のＬＥＤ装置１０ａ及び第２のＬＥＤ装置１０ｂからの光が、ＬＥＤモジュール１００の基板２０に入射して吸収される可能性も低くすることができる。反射部材１２は、反射部材１２が配置される第１透光性部材１３の側面において、第１透光性部材１３の側面を全て覆うように設けることが好ましい。なお、第２のＬＥＤ装置１０ｂは、側面に光取り出し面があるが、光取り出し面となる側面は他のＬＥＤ装置と隣接しないため、光が他のＬＥＤ装置に入射して吸収される可能性は低い。これらの結果、ＬＥＤモジュール１００の光の取り出し効率の低下を抑制することができる。

さらに、第１のＬＥＤ装置１０ａ及び第２のＬＥＤ装置１０ｂの第１透光性部材１３が、他のＬＥＤ装置と隣接する側面に反射部材１２を有することにより、反射部材１２がない場合と比較して、ＬＥＤモジュール１００の上方から光を取り出すまでに光が進行する経路を短くすることができる。これにより、光が基板２０等に吸収されるのを抑制することができるため、光の取り出し効率の低下を抑制することができる。即ち、第１のＬＥＤ装置１０ａ及び第２のＬＥＤ装置１０ｂの第１透光性部材１３の側面に反射部材１２がある場合、ＬＥＤ装置１０の内部で発光する光はすぐに反射部材１２にあたってＬＥＤ装置１０の上方から取り出される。このため、光の取り出し効率が低下する前にＬＥＤモジュール１００の上方から光を取り出すことができる。

また、図２及び図３に示すように、発光ダイオード素子１１の側方に反射部材１２が配置されているため、発光ダイオード素子１１から発生した光が、隣接する発光ダイオード素子に吸収される可能性を低減することができる。即ち、発光ダイオード素子１１の発光層で生じた光は、その光があたる材料の組成が発光層と似ているほど吸収されやすいが、反射部材１２を配置することで、光は隣接する発光ダイオード素子の発光層やその周辺に吸収されにくくすることができる。反射部材１２は、反射部材１２が配置される発光ダイオード素子１１の側方において、発光ダイオード素子１１の側方を全て覆うように設けることが好ましい。

以下、ＬＥＤモジュール１００における各部材について説明する。

（ＬＥＤ装置）
複数のＬＥＤ装置１０は、発光ダイオード素子１１を収納するハウジングを設ける代わりに、発光ダイオード素子１１の側方に反射部材１２が配置されるＣＳＰ（Chip Size Package又はChip Scale Package）型とすることが好ましい。ＣＳＰ型のＬＥＤ装置１０では、発光ダイオード素子１１の下方にも反射部材１２を配置してもよい。ＣＳＰ型のＬＥＤ装置１０は更に、発光ダイオード素子１１のｎ側電極１５ａ及びｐ側電極１５ｂに、金属バンプ、ポスト電極などの外部接続用の金属端子を設けていることが好ましい。これにより、基板２０上にＬＥＤ装置１０を密接配置することができるため、基板２０上に配置できるＬＥＤ装置１０の数が増え、ＬＥＤモジュール１００の発光強度を向上させることができる。それだけでなく、ＬＥＤ装置１０を密接配置することで、ＬＥＤモジュール１００を上面から見た場合、発光面をより均一に光らせることができる。また、ＬＥＤ装置１０の数が同一の場合、ＬＥＤ装置１０を密接配置することで、基板２０のサイズを小さくできるため、部材コストを下げることもできる。ＬＥＤ装置１０として具体的には、上面視において一辺を約１ｍｍ〜２ｍｍの略矩形状とすることができる。基板２０上にＬＥＤ装置１０を密接配置する際の実装精度を考慮すると、発光ダイオード素子１１同士の距離は、約０．４ｍｍ〜１．２ｍｍが好ましく、ＬＥＤ装置１０同士の距離は、約０．２ｍｍ〜１ｍｍが好ましい。

複数のＬＥＤ装置１０は、図１に示すように、上面視において、マトリクス状に配列されていることが好ましい。これにより、ＬＥＤ装置１０を実装しやすくなるとともに、ＬＥＤ装置１０を実装するための基板２０の配線の設計もしやすくなる。それだけでなく、複数のＬＥＤ装置１０は、上面視において矩形となるため、基板２０の最外周までＬＥＤ装置１０を密接配置することができる。また、複数のＬＥＤ装置１０は、直列接続されていることが好ましい。これにより、複数のＬＥＤ装置１０の電流値が略同一となるため、複数のＬＥＤ装置１０からの発光も略同一とすることができる。さらに、複数のＬＥＤ装置１０は、基板２０の上面及び下面に配置されていることが好ましい。これにより、ＬＥＤモジュール１００の下面からも発光するため、ＬＥＤモジュール１００を更に広配光とすることができる。

ＬＥＤモジュール１００では、第１のＬＥＤ装置１０ａ及び第２のＬＥＤ装置１０ｂを組み合わせて配置することで、所望のＬＥＤモジュール１００としている。第１のＬＥＤ装置１０ａ及び第２のＬＥＤ装置１０ｂは、例えば以下の方法により作製することができる。以下では第２のＬＥＤ装置１０ｂを例に挙げて説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、支持基板３０を用意し、発光ダイオード素子１１の電極１５側を上にして支持基板３０の上面に配置する。そして図５（ｃ）に示すように、発光ダイオード素子１１及び発光ダイオード素子１１の周囲を反射部材１２で埋め、発光ダイオード素子１１の電極１５が反射部材１２の上面から露出するようにする。反射部材１２は、例えば白色樹脂からなる。なお、図５（ｂ）に示すように、反射部材１２を配置する前に、後述する第２透光性部材１４を発光ダイオード素子１１の側方に形成してもよい。その後、図５（ｄ）及び図５（ｅ）に示すように、支持基板３０を除去し、除去した領域に第１透光性部材１３を配置する。第１透光性部材１３は、例えば蛍光体シートからなる。これにより、発光ダイオード素子１１の発光面側に第１透光性部材１３が配置される。次に、図５（ｆ）及び図５（ｇ）に示すように、発光ダイオード素子１１の発光面側に配置された第１透光性部材１３を一部除去し、除去した領域に反射部材１２を配置する。その後、図５（ｈ）に示すように、第１透光性部材１３及び反射部材１２を切断して発光ダイオード素子１１を個片化することで、第２のＬＥＤ装置１０ｂを得ることができる。

このとき、上面視において、隣接する二つの発光ダイオード素子１１を囲むようにして、第１透光性部材１３を一部除去して反射部材１２を配置することで、一つの側面に光取り出し面を有する第２のＬＥＤ装置１０ｂを同時に二つ得ることができる。同様に、上面視において、隣接する四つの発光ダイオード素子１１を囲むようにして、第１透光性部材１３を一部除去して反射部材１２を配置することで、隣接する二つの側面に光取り出し面を有する第２のＬＥＤ装置１０ｂを同時に四つ得ることができる。なお、図６（ａ）〜（ｈ）に示すように、同様の方法を用いて第１のＬＥＤ装置１０ａを得ることができる。この場合、上面視において、一つの発光ダイオード素子１１を囲むようにして、第１透光性部材１３を一部除去して反射部材１２を配置することで、第１のＬＥＤ装置１０ａを一つ得ることができる。

図５（ｆ）及び図６（ｆ）に示すように、第１透光性部材１３を一部除去する際、第１透光性部材１３と反射部材１２が接する領域近傍の反射部材１２も一部除去するのが好ましい。これにより、一部除去しようとした第１透光性部材１３が除去されずに残る可能性を低減することができる。この結果、第１のＬＥＤ装置１０ａ及び第２のＬＥＤ装置１０ｂの第１透光性部材１３の、他のＬＥＤ装置と隣接する側面から光が出射される可能性を低減することができる。また、反射部材１２を除去する深さは反射部材１２の厚みの半分より小さいことが好ましい。これにより、反射部材１２の大部分は除去されずに残るため、ＬＥＤ装置１０の強度を保つことができる。

それだけでなく、第１透光性部材１３を一部除去する際、第２透光性部材１４は除去しないようにするのが好ましい。これにより、第２透光性部材１４は、後述する傾斜を保つことができるため、発光ダイオード素子１１からの光を反射部材１２でより反射させやすくすることができる。

（発光ダイオード素子）
発光ダイオード素子１１としては、半導体発光素子を用いることができる。半導体発光素子は、透光性基板と、その上に形成された半導体積層体とを含むことができる。透光性基板には、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）のような透光性の絶縁性材料や、半導体積層体からの発光を透過する半導体（例えば、窒化物系半導体）を用いることができる。半導体積層体は、例えば、第１導電型半導体層（例えばｎ型半導体層）と、発光層と、第２導電型半導体層（例えばｐ型半導体層）とを含む。半導体層には、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体等の半導体材料から形成することができる。具体的には、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化物系の半導体（例えばＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等）を用いることができる。

（反射部材）
反射部材１２は、例えば金属層や白色樹脂により形成することができる。発光ダイオード素子１１の側方に配置される反射部材１２は、発光ダイオード素子１１側の面は、基板２０から遠ざかるほど発光ダイオード素子１１との距離が広がる傾斜を有することが好ましい。これにより、発光ダイオード素子１１からの光は反射部材１２の傾斜に当たり、主に上方に進行する。この結果、反射部材１２が傾斜を有しない場合と比較して、ＬＥＤ装置１０の光の取り出し効率を向上させることができる。また、反射部材１２の傾斜面は曲面とすることにより、発光ダイオード素子１１からの光をＬＥＤ装置１０の上方に反射させやすくすることができ、ＬＥＤ装置１０の光の取り出し効率をより向上させることができる。

（第２透光性部材）
反射部材１２と発光ダイオード素子１１との間には、第２透光性部材１４を配置することができる。これにより、発光ダイオード素子１１からの光を反射部材１２でより反射させやすくすることができる。このような材料としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。第２透光性部材１４は、反射部材１２側の面が、基板２０から遠ざかるほど発光ダイオード素子１１との距離が広がる傾斜を有することが好ましい。これにより、第２透光性部材１４の傾斜に沿って反射部材１２を形成することが可能となる。

このような傾斜を有する第２透光性部材１４は、例えば以下の方法により形成することができる。まず、支持基板３０の上に、発光ダイオード素子１１の電極１５側を上にして配置する。そして第２透光性部材１４が透光性樹脂材料から形成される場合には、第２透光性部材１４の原材料となる液状樹脂材料を、ディスペンサ等を用いて、発光ダイオード素子１１と支持基板３０との境界に沿って塗布する。これにより、液状樹脂材料は、支持基板３０の上に広がるとともに、表面張力によって発光ダイオード素子１１の側面を這い上がる。その後に、液状樹脂材料を加熱等によって硬化させて、第２透光性部材１４を得る。この結果、傾斜を有する第２透光性部材１４を得ることができる。反射部材１２は、このような第２透光性部材１４の傾斜面を覆うように形成すればよい。

液状樹脂材料が発光ダイオード素子１１を這い上がる距離は、液状樹脂材料の粘度および塗布量を調節することにより、制御することができる。液状樹脂材料の粘度は、フィラー等の添加によって調節することができる。

（第１透光性部材）
ＬＥＤ装置１０の光取り出し面は、第１透光性部材１３で構成されている。第１透光性部材１３は、例えば、透光性材料のみで構成することもできるし、透光性材料と蛍光体とを含むこともできる。第１透光性部材１３に蛍光体が含まれている場合、発光ダイオード素子１１からの光を変換し、その変換光を取り出すことができる。第１透光性部材１３は、発光ダイオード素子１１からＬＥＤ装置１０の光取り出し面までの経路のすべてを塞ぐ位置に設けられていることが好ましい。さらには、ＬＥＤ装置１０の光取り出し面は、全て第１透光性部材１３で構成されていることが好ましい。これにより、発光ダイオード素子１１からの光を外部に取り出しつつ、発光ダイオード素子１１を外部から保護することができる。また、第１透光性部材１３に蛍光体や光散乱剤が含まれている場合には、ＬＥＤ装置１０からの光の色ムラを低減することができる。図４に示すように、第２のＬＥＤ装置１０ｂの側面のうち、他のＬＥＤ装置１０と隣接しない側面に位置する、発光ダイオード素子１１の側方には、第１透光性部材１３が配置されることが好ましい。これにより、発光ダイオード素子１１の側方からも光が出射されるため、ＬＥＤモジュール１００を更に広配光とすることができる。透光性材料としては、透光性樹脂、ガラス等が使用できる。透光性樹脂としては、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、メチルペンテン樹脂、ポリノルボルネン樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。特に、耐光性、耐熱性に優れるシリコーン樹脂が好ましい。

蛍光体は、発光ダイオード素子１１からの発光で励起可能なものが使用される。例えば、青色光又は紫外線光で励起可能な蛍光体としては、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、ユウロピウムおよび／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム系蛍光体、ユウロピウムで賦活されたシリケート系蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＣＡＳＮ系蛍光体、ＳＣＡＳＮ系蛍光体等の窒化物系蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体、硫化物系蛍光体、量子ドット蛍光体などが挙げられる。これらの蛍光体と、青色発光ダイオード素子１１又は紫外線発光ダイオード素子１１とを組み合わせることにより、様々な色のＬＥＤ装置１０（例えば白色系のＬＥＤ装置１０）を製造することができる。第１透光性部材１３には、粘度を調整する等の目的で、各種のフィラー等を含有させてもよい。第１透光性部材１３の主材料としてシリコーン樹脂を用いる場合は、シリコーン樹脂よりもタック性の低いエポキシ樹脂などを主材料とするコート膜により第１透光性部材１３を被覆してもよい。

（基板）
基板２０には、複数のＬＥＤ装置１０が実装される。基板２０の表面には、複数のＬＥＤ装置１０に電流を供給するための配線パターンを形成することが好ましい。これにより、ＬＥＤ装置１０を配線パターン上に配置して、ＬＥＤ装置１０の電極１５を金属バンプや導電性接着剤等により配線パターンに接続することで、ＬＥＤ装置１０に電流を供給することができる。基板２０として具体的には、アルミ基板、銅基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板等を用いることができる。

１００ＬＥＤモジュール
１０ＬＥＤ装置
１０ａ第１のＬＥＤ装置
１０ｂ第２のＬＥＤ装置
１１発光ダイオード素子
１２反射部材
１３第１透光性部材
１４第２透光性部材
１５電極
１５ａｎ側電極
１５ｂｐ側電極
２０基板
３０支持基板

Claims

基板と、前記基板上に互いに隣接して配置された複数のＬＥＤ装置とを備えるＬＥＤモジュールであって、
前記複数のＬＥＤ装置は、それぞれ、発光ダイオード素子と、前記発光ダイオード素子の側方に配置された反射部材と、前記発光ダイオード素子の上方に配置された透光性部材とを備える第１のＬＥＤ装置及び第２のＬＥＤ装置を有し、
前記第１のＬＥＤ装置は、全ての側面が他のＬＥＤ装置と隣接し、前記透光性部材の全ての側面に反射部材を有し、且つ上面が光取り出し面であり、
前記第２のＬＥＤ装置は、他のＬＥＤ装置と隣接する側面と他のＬＥＤ装置と隣接しない側面とを有し、前記透光性部材の側面のうち、前記他のＬＥＤ装置と隣接する全ての側面に反射部材を有し、前記他のＬＥＤ装置と隣接しない側面が光取り出し面であり、且つ上面が光取り出し面であることを特徴とするＬＥＤモジュール。
前記発光ダイオード素子の側方に配置された反射部材は、前記発光ダイオード素子の側の面が、前記基板から遠ざかるほど前記発光ダイオード素子との距離が広がる傾斜を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤモジュール。
前記複数のＬＥＤ装置は、上面視において、マトリクス状に配列されている請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤモジュール。
前記複数のＬＥＤ装置は、直列接続されている請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のＬＥＤモジュール。
前記複数のＬＥＤ装置が、前記基板の上面及び下面に配置されている請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＬＥＤモジュール。