JP6925694B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は発光素子を有する発光装置に関する。

発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を有する発光装置は、例えば、スマートフォンなどの携帯端末に使用されている。発光素子としてＬＥＤ素子を有する発光装置は、例えば、撮影用のフラッシュ発光装置として利用されている。また、カラー表示装置のバックライト用の発光装置として、様々な表示装置に使用されている。さらに、ＬＥＤ素子を有する発光装置は、屋内照明器具や屋外照明器具にも実装されている。また、近年では、ＬＥＤ素子を有する発光装置は、高輝度が求められる車載用のランプやプロジェクタなどの照明器具にも使用されている。ＬＥＤ素子を含む高輝度発光が求められる発光装置では、ＬＥＤ素子が発光した際に生じる熱を如何に放熱させるか、が課題の一つとなり得る。また、発光装置の上方にレンズが配置される場合、レンズの大型化を抑えることが課題の一つとなり得る。

特許文献１の発光装置は、発光素子の上面に配置された反射層を有する。発光素子の上面に配置された反射層は、発光素子の上面の出射光を反射させて、発光素子の側面から出射される光とする。この発光装置の発光エリアは、天面に向かう光を反射させることにより、側面方向の、より面積の小さい発光エリアに制限されている。結果として、発光装置の上方にレンズを配置する場合、レンズの大型化を抑えることが出来る。

特許文献２の発光装置は、基板と、その上面に実装された複数のＬＥＤ素子と、基板の上面を被覆する透明カバーとを備える。ＬＥＤ素子の上面には反射層が設けられ、ＬＥＤ素子の側面には蛍光体層が設けられる。複数のＬＥＤ素子から出射された光は、反射層によって光の方向が制限される。また、ＬＥＤ素子から出射された光は、反射層と透明カバーとの間で反射を繰り返すことで、照明むらのない発光が実現される。

特許文献３の発光装置は、基板の上面に配置された発光素子と、発光素子を封止する樹脂封止体と、発光素子及び樹脂封止体を取り囲むように配置される反射カップと、を備える。反射カップは、発光素子から出射した光の指向性を高めている。

特許文献４の発光装置は、搭載部を有する基体と、搭載部に実装される発光素子と、搭載部を取り囲むように配置された反射枠体と、を備える。搭載部は基体の上側主面の中央部に突出するように形成されている。発光素子から出射した光は、反射枠体の内周面に反射することで放射強度が高められる。

特開２００４‐１５２８４０号公報（図１） 特開２０１５−９５４８８号公報（図４） 特開２００５−１０９１７２号公報(図１) 特開２００５−３１０９１２号公報（図１）

特許文献１−２の発光装置では、発光素子の上面に反射層が設けられている。この反射層は外部への放熱経路を有してないため、発光素子で生じた発熱を効率的に外部に放熱することができない。特許文献３−４の発光装置では、発光素子の上面が樹脂で被覆された構造となっているため、発光素子で生じた発熱が発光素子の上面から効率的に外部に放熱されない。

本発明に係る発光装置は、発光素子が発光した際に生じた熱を放熱するための放熱経路を発光素子の上面側と下面側に確保し、放熱効率が良くすることで発光素子の発光効率の低下を防ぐことを目的の一つとする。また本発明は、発光素子の周側面から出射光を出射させて、リフレクタで上方へ向かう平行光とする。本発明に係る発光装置は、レンズを含む光学エレメントの設計を容易にすることを目的の一つとする。

本発明の一実施形態に係る発光装置は、第１面と、第１面の反対側の第２面と、第１面の周縁と第２面の周縁の間の周側面と、を有する発光素子で、発光素子の第２面が、第１素子電極と第２素子電極を含む、発光素子と、第１電極と第２電極を含む基板と、発光素子の第１面上に接して配置される光反射層と、光反射層上に接して配置される第１放熱体と、基板の下方に配置されて、発光素子と熱的に連結される第２放熱体と、を有し、発光素子の第１素子電極と第２素子電極は、基板の第１電極と第２電極上に電気的に実装され、前記第１放熱体は直方体の形状からなり、前記発光素子の第１面と同じ大きさの底面を有する。

また、本発明の他の実施形態に係る発光装置は、第２放熱体の下部にベース基板を有し、第２放熱体はベース基板の接続電極と熱的に連結されていることが提案される。

また、本発明の他の実施形態に係る発光装置では、第１放熱体は上部に半球形のドーム形状を有することが提案される。

また、本発明の他の実施形態に係る発光装置では、第１放熱体の少なくとも上面に放熱フィンを有することが提案される。

また、本発明の実施形態に係る発光装置では、第２放熱体は直方体の形状を有することが提案される。

また、本発明の実施形態に係る発光装置では、第２放熱体は絶縁層を有し、基板の第１電極と第２電極を電気的に絶縁していることが提案される。

また、本発明の他の実施形態に係る発光装置では、第２放熱体の下部にベース基板を有し、第２放熱体はベース基板の接続電極と熱的に連結されていることが提案される。

また、本発明の実施形態に係る発光装置では、発光素子を取り囲むカップ形状を有するリフレクタを含むことが提案される。また、リフレクタは第２放熱体と一体に形成されていることが提案される。

また、本発明の実施形態に係る発光装置では、発光素子は、リフレクタの高さの４分の１から２分の１の範囲内の高さに位置することが提案される。

本発明に係る発光装置によれば、発光素子の発光によって生じる発熱が発光素子の第１面側に配置された第１放熱体と、発光素子の第２面側に配置された第２放熱体とを通じて放熱され、発光素子の上下面に放熱経路が確保される。発光素子からの発熱がこの上下の放熱経路を通して放熱されるので、放熱効率が良く、発光素子の発光効率の低下を防ぐことが可能となる。また、発光素子の第１面の発光面積に比べて、発光面積が小さい発光素子の周側面から横方向に向けて出射されるので、出射光を点光源化し易くなり、レンズ系の設計が容易となる。

また、第２放熱体の下部にベース基板を有する場合には、第２放熱体からベース基板にも放熱経路が確保されるので、放熱効率がより一層良くなる。

また、発光素子を取り囲むカップ形状を有するリフレクタと第２放熱体とが一体に形成される場合には、第２放熱体から体積の大きいリフレクタへの放熱経路が確保されるので、放熱効率がより一層良くなる。

本発明の第１実施形態に係る発光装置の斜視図である。 図１Ａで示す斜視図のIB−IB断面図である。 図１Ｂにおいて円で囲んだ部分の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る発光装置の斜視図である。 図２Ａで示す斜視図のIIB−IIB断面図である。 本発明の第３実施形態に係る発光装置において、上部に半球形のドーム形状を有する第１放熱体の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る発光装置において、少なくとも上面に放熱フィンが設けられた第１放熱体の斜視図である。 本発明に第５実施形態に係る発光装置において、発光素子の周側面に蛍光体層が設けられた発光装置の部分断面図である。

以下、本発明に係る発光装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面は、本発明の発光装置を模式的に表したものである。これらの実物の寸法および寸法比は、図面上の寸法および寸法比と必ずしも一致していない。また、重複説明は適宜省略させることがあり、同一部材には同一符号を付与することがある。さらに、本発明の技術的範囲は以下で説明する各実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

（第１実施形態）
図１Ａ〜図１Ｃには、本発明の第１実施形態に係る発光装置１００が示されている。この発光装置１００は、第１面１ａと、第１面１ａの反対側の第２面１ｂと、第１面１ａの周縁と第２面１ｂの周縁の間の周側面１ｃと、を有する発光素子１を含む。発光素子１の第２面１ｂには、第１素子電極１ｄと第２素子電極１ｅとが設けられる。また、発光装置１００は、第１面２ａに第１電極２ｃと第２電極２ｄを有し、第２面２ｂに第３電極２ｅと第４電極２ｆを有する基板２を含む。発光素子１の第１素子電極１ｄと第２素子電極１ｅは、基板２の第１電極２ｃと第２電極２ｄ上に電気的に実装される。また、基板２の第１電極２ｃと第２電極２ｄは、第１スルーホール電極２ｇと第２スルーホール電極２ｈを介して、第２面２ｂの第３電極２ｅと第４電極２ｆに電気的に接続されている。発光素子１の第２面１ｂの第１素子電極１ｄは、バンプ１ｄ’や導電性ペーストを介して、基板２の第１電極２ｃに電気的に接続することが出来る。発光素子１の第２面１ｂの第２素子電極１ｅは、バンプ１ｅ’や導電性ペーストを介して、基板２の第２電極２ｄに電気的に接続することが出来る。

本実施形態の発光装置１００において、図１Ａで示すように、上面視で、第１電極２ｃと第２電極２ｄを含む基板２のアウトラインと、発光素子１のアウトラインと、光反射層３のアウトラインは同じである。

発光装置１００は、発光素子１の第１面１ａ上に配置される光反射層３を含む。光反射層３は、金属板、金属フィルム、樹脂フィルムなどの表面に反射率の高いアルミニウムや銀の薄膜を形成したものであってもよい。薄膜は蒸着などによって形成することができる。光反射層３の反射面３ａは薄膜によって形成される。反射面３ａの面積は、発光素子１の第１面１ａと同じ大きさの面積を有する。したがって、光反射層３は、反射面３ａの全体が発光素子１の第１面１ａの全体に接する。

光反射層３の上には第１放熱体４が配置される。第１放熱体４は直方体の形状を有するものであってもよい。第１放熱体４の底面４ａの面積は、発光素子１の第１面１ａと同じ大きさの面積を有している。したがって、第１放熱体４の底面４ａと発光素子１の第１面１ａの間に位置する光反射層３は、発光素子１の第１面１ａを覆う。第１放熱体４は、熱伝導率の高いアルミニウム、銅、銀などのブロック状の金属素材によって作られていてもよい。ブロック状の第１放熱体４の全体に発光素子１から発生する熱が伝導される。

基板２の下方には発光素子１と熱的に連結される第２放熱体５が配置される。この実施形態において、第２放熱体５は、発光素子１を取り囲むカップ形状を有するリフレクタ６と一体に形成されていても良い。すなわち、リフレクタ６は、リフレクタ６の中心にカップ形状の凹部７を有する。また、リフレクタ６の外形は、ブロック状の立方体もしくは直方体を有していても良い。リフレクタ６の中心に位置する凹部７の中心には、リフレクタ６に連結された第２放熱体５が上方に向けて突出している。第２放熱体５は、第１放熱体４と同様、直方体の形状を有していても良い。第２放熱体５の上面５ａの面積は、発光素子１の第２面１ｂと同じ大きさの面積を有する。第２放熱体５の上面５ａに、発光素子１の第２面１ｂが電気的に実装された基板２が電気的に載置される。

リフレクタ６は、絶縁層８を挟んで面対称となる第１リフレクタ部６ａと第２リフレクタ部６ｂとを有する。第１リフレクタ部６ａは、カップ形状を中心に有する立方体もしくは直方体の第１の半分である。第２リフレクタ部６ｂは、カップ形状を中心に有する立方体もしくは直方体の第２の半分である。絶縁層８は、第１リフレクタ部６ａと第２リフレクタ部６ｂとの合わせ部分に設けられる。すなわち、絶縁層８はリフレクタ６を２分するように、リフレクタ６の中央部分に設けられ、第１リフレクタ部６ａと第２リフレクタ部６ｂとを電気的に絶縁している。これに対応して、発光素子１が搭載される第２放熱体５は、絶縁層８によって第１放熱部５ｂと第２放熱部５ｃとに電気的に分離され、第１放熱部５ｂの上面には第１上面電極５ｄが設けられ、第２放熱部５ｃの上面には第２上面電極５ｅが設けられる。そして、第１上面電極５ｄには基板２の第２面２ｂに設けられた第３電極２ｅが電気的に実装され、第２上面電極５ｅには基板２の第２面２ｂに設けられた第４電極２ｆが電気的に実装されている。なお、リフレクタ６の凹部７の内周側面７ａは反射塗料や反射材などによってコーティング又はめっきされた反射面である。また、第２放熱体５及びリフレクタ６は、熱伝導率の高いアルミニウム、銅、銀などの金属素材によって一体的に成形されたものでもよい。

この実施形態において、リフレクタ６の凹部７は円形の開口を有している。また、凹部７の内周側面７ａは放物線に近い曲面を有するカップ形状である。第１放熱体４の高さは特に規定されるものではなく、この実施形態のようにリフレクタ６の上面６ｃとほぼ同じ高さであってもよい。発光素子１から射出された光はリフレクタ６から平行光として放出されるので、第１放熱体４の高さが邪魔になることがない。したがって、第１放熱体４の高さを可能な範囲で高くすることで、より一層の放熱効率が得られる。また、発光素子１が実装される高さ位置は特に規定されるものではないが、リフレクタ６の高さ、すなわち凹部７の深さの４分の１から２分の１の範囲内の高さに設定されることで、リフレクタ６の反射効率が良いものとなる。

したがって、この実施形態に係る発光装置１００にあっては、発光素子１の第１面１ａが光反射層３を介して第１放熱体４の底面４ａと接触し、発光素子１の第２面１ｂが第２放熱体５の上面５ａと基板２を介して接触している。そのため、発光素子１の第１面１ａと第２面１ｂの両面から放熱経路が確保されることになり、発光素子１の発光によって生じる熱が両方の放熱経路から効率的に放熱されることになる。その結果、発光素子１の発光効率の低下を効果的に防ぐことが可能となる。

また、この実施形態に係る発光装置１００では、第２放熱体５が体積の大きいリフレクタ６と一体に形成されているため、発光素子１での発熱が第２放熱体５を介して体積に大きいリフレクタ６に広く伝わり、より効率的な放熱が得られる。

さらに、この実施形態に係る発光装置１００では、発光素子１の第１面１ａから出射する光が光反射層３によって反射され、発光素子１の周側面１ｃから横方向に向けて出射する。発光素子１の周側面１ｃから出射された光は、リフレクタ６の凹部７の内周側面７ａで上方に向けて反射され、平行光とされる。平行光はリフレクタ６の上部の上面６ｃの開口から放出される。このように、この実施形態に係る発光装置１００では、発光素子１の第１面１ａの発光面積に比べて、発光面積が小さい発光素子１の周側面１ｃから出射させているので、出射光を点光源化し易くなる。点光源化された光は、リフレクタ６によって平行光を容易に得られるなどリフレクタ６自体の小型化につながり、レンズ系の設計が容易となる。

（第２実施形態）
図２Ａ及び図２Ｂには、本発明の第２実施形態に係る発光装置２００が示されている。この発光装置２００は、第２放熱体５及びリフレクタ６の下部にベース基板１０が配置される以外は、第１実施形態における発光装置１００と同一の構造を有している。したがって、図面には同一の符号を用いることで、詳細な説明を省略する。

ベース基板１０は、リフレクタ６の平面形状と同じ大きさの四角形の平板形状とすることができる。ベース基板１０は、上面１０ａと、下面１０ｂと、上面１０ａの周縁と下面１０ｂの周縁との間の周側面１０ｃとを有する。ベース基板１０の上面１０ａ、下面１０ｂ、周側面１０ｃには一対の接続電極が形成されている。一対の接続電極は第１接続電極１１ａと第２接続電極１１ｂとからなり、マザーボード（図示せず）など外部との導通を図る。第１接続電極１１ａと第２接続電極１１ｂは、ベース基板１０の上面１０ａと下面１０ｂにおいて、電極間に隙間を有している。ベース基板１０の上面１０ａには上部隙間１２ａが設けられ、ベース基板１０の下面１０ｂには下部隙間１２ｂが設けられる。これらの隙間１２ａ，１２ｂによって、ベース基板１０の上面１０ａと下面１０ｂにおいて接続電極間の電気的絶縁を保っている。ベース基板１０の上面１０ａに設けられる上部隙間１２ａの幅は、第２放熱体５及びリフレクタ６に設けられた絶縁層８の幅と概ね同一であり、且つ上部隙間１２ａと絶縁層８は同一軸上に位置する。

したがって、リフレクタ６の下部にベース基板１０を配置したときに、ベース基板１０の第１接続電極１１ａの上にリフレクタ６の第１リフレクタ部６ａが載置され、ベース基板１０の第２接続電極１１ｂの上にリフレクタ６の第２リフレクタ部６ｂが載置される。また同時に、リフレクタ６の第１リフレクタ部６ａと一体形成された第２放熱体５の第１放熱部５ｂがベース基板１０の第１接続電極１１ａの上に載置され、リフレクタ６の第２リフレクタ部６ｂと一体形成された第２放熱体５の第２放熱部５ｃがベース基板１０の第２接続電極１１ｂの上に載置される。

このようにして、ベース基板１０の第１接続電極１１ａとリフレクタ６の第１リフレクタ部６ａと第２放熱体５の第１放熱部５ｂとが電気的に接続される。また、ベース基板１０の第２接続電極１１ｂとリフレクタ６の第２リフレクタ部６ｂと第２放熱体５の第２放熱部５ｃとが電気的に接続される。そのため、マザーボードなどの外部から供給された電源によって、ベース基板１０、第２放熱体５及び基板２に設けられた各電極を介して発光素子１に電流が供給されることになる。

この実施形態に係る発光装置２００では、第１実施形態に係る発光装置１００と同様の効果が得られる。加えて、第２放熱体５の下部にベース基板１０が配置されているので、第２放熱体５がベース基板１０に熱的にも連結される。そのため、第２放熱体５からベース基板１０の第１接続電極１１ａ及び第２接続電極１１ｂにも放熱経路が確保され、第１接続電極１１ａ及び第２接続電極１１ｂからリフレクタ６に効率的に放熱されることになる。

（第３実施形態）
図３には本発明の第３実施形態に係る発光装置３００の一部が示されている。この実施形態では第１放熱体１４が上部に半球形のドーム形状１４ａを有する以外は第１実施形態における発光装置１００と同一の構造を有している。したがって、図面には同一の符号を用いることで、詳細な説明を省略する。この実施形態に係る第１放熱体１４は上部の角が削られているので、リフレクタ６から発光された平行光の直線性が第１放熱体１４ａのドーム形状１４ａによって妨げられることがない。

（第４実施形態）
図４には本発明の第４実施形態に係る発光装置４００の一部が示されている。この実施形態では、第１放熱体２４の少なくとも上面に放熱フィン２４ａを配置しても良い。また、第１放熱体２４の上面だけでなく、周側面に複数の放熱フィン２４ｂを配置しても良い。なお、放熱フィン２４ａ，２４ｂを有する以外は、第４実施形態に係る発光装置４００は、第１実施形態における発光装置１００と同一の構造を有している。したがって、図面には同一の符号を用いることで、詳細な説明を省略する。この実施形態に係る第１放熱体２４は、本体の上面に設けたフィン２４ａと周側面に設けたフィン２４ｂによって、第１放熱体２４の表面積を大幅に増やすことができるので、その分放熱効率が格段に上がることになる。

（第５実施形態）
図５には、本発明の第５実施形態に係る発光装置５００が示されている。この実施形態では、第１実施形態における発光装置１００において、発光素子１の周側面１ｃの周囲に蛍光体層９を有している以外は、第１実施形態における発光装置１００と同一の構造を有している。したがって、図面には同一の符号を用いることで、詳細な説明を省略する。蛍光体層９は、蛍光体粒子を樹脂の中に均一に分散させた蛍光体含有樹脂であってもよい。蛍光体層９の樹脂は、光を通過するシリコーン樹脂であってもよい。また、蛍光体は、例えば白色光を得るために、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）を利用してもよい。さらに、この実施形態のように光反射層３の周側面の周囲にも蛍光体層９を設けることができる。

この実施形態に係る発光装置５００では、発光素子１の周側面１ｃから出射した光は蛍光体層９を通過する。蛍光体層９で波長変換された光は、リフレクタ６の凹部７の内周側面７ａで上方に向けて反射され、白色光としてリフレクタ６の上部の上面６ｃの開口から放出される。この実施形態では発光素子１からの発熱だけでなく、蛍光体層９が発光する際に生じる発熱も第１放熱体４及び第２放熱体５を通じて放熱される。その結果、発光素子１の発光効率の低下を防ぐだけでなく、蛍光体層９に含まれる蛍光体の劣化も効果的に防ぐことが可能となる。

なお、蛍光体層９の蛍光体については、様々な種類の蛍光体が利用可能である。上記の実施形態でＹＡＧ蛍光体を一例として挙げた。例えば、緑色に発光する蛍光体として、セリウム付活ルテチウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体が知られている。また、赤色に発光する蛍光体として、例えば、CaAlSiN₃:Euを基本組成とする蛍光体が知られている。これらは一例であって、本発明の実施形態における蛍光体層９に含まれる蛍光体として、様々な種類の蛍光体が利用可能である。

１ 発光素子
１ａ 発光素子の第１面
１ｂ 発光素子の第２面
１ｃ 発光素子の周側面
１ｄ 発光素子の第１素子電極
１ｄ’バンプ（導電性ペースト）
１ｅ 発光素子の第２素子電極
１e’バンプ（導電性ペースト）
２ 基板
２ａ 基板の第１面
２ｂ 基板の第２面
２ｃ 基板の第１電極
２ｄ 基板の第２電極
２ｅ 基板の第３電極
２ｆ 基板の第４電極
２ｇ 基板の第１スルーホール電極
２ｈ 基板の第２スルーホール電極
３ 光反射層
３ａ 光反射層の反射面
４，１４，２４ 第１放熱体
４ａ 第１放熱体の底面
５ 第２放熱体
５ａ 第２放熱体の上面
５ｂ 第２放熱体の第１放熱部
５ｃ 第２放熱体の第２放熱部
５ｄ 第２放熱体の第１上面電極
５ｅ 第２放熱体の第２上面電極
６ リフレクタ
６ａ リフレクタの第１リフレクタ部
６ｂ リフレクタの第２リフレクタ部
６ｃ リフレクタの上面
７ リフレクタの凹部
７ａ 凹部の内周側面
８ 絶縁層
９ 発光体層
１０ ベース基板
１０ａ ベース基板の上面
１０ｂ ベース基板の下面
１０ｃ ベース基板の周側面
１１ａ ベース基板の第１接続電極
１１ｂ ベース基板の第２接続電極
１２ａ 第１接続電極と第２接続電極との上部隙間
１２ｂ 第１接続電極と第２接続電極との下部隙間
１４ａ 第１放熱体のドーム形状
２４ａ 第１放熱体の上面の放熱フィン
２４ｂ 第１放熱体の周側面の放熱フィン
１００，２００，３００，４００，５００ 発光装置

Claims (10)

1. 第１面と、第１面の反対側の第２面と、第１面の周縁と第２面の周縁の間の周側面と、を有する発光素子で、発光素子の第２面が、第１素子電極と第２素子電極を含む、発光素子と、
   第１電極と第２電極を含む基板と、
   発光素子の第１面上に接して配置される光反射層と、
   光反射層上に接して配置される第１放熱体と、
   基板の下方に配置されて、発光素子と熱的に連結される第２放熱体と、を有し、
   発光素子の第１素子電極と第２素子電極は、基板の第１電極と第２電極上に電気的に実装され、
   前記第１放熱体は直方体の形状からなり、前記発光素子の第１面と同じ大きさの底面を有する、発光装置。
2. 第１放熱体は上部に半球形のドーム形状を有する、請求項１に記載の発光装置。
3. 第１放熱体は少なくとも上面に放熱フィンを有する、請求項１に記載の発光装置。
4. 第２放熱体は直方体の形状を有する、請求項１に記載の発光装置。
5. 第２放熱体は絶縁層を有し、基板の第１電極と第２電極を電気的に絶縁している、請求項１に記載の発光装置。
6. 第２放熱体の上面の面積は、発光素子の第２面と同じ大きさの面積を有する、請求項１に記載の発光装置。
7. さらに、第２放熱体の下部にベース基板を有し、第２放熱体はベース基板の接続電極と熱的に連結されている、請求項１に記載の発光装置。
8. さらに、発光素子を取り囲むカップ形状を有するリフレクタを含む、請求項１に記載の発光装置。
9. 第２放熱体は、リフレクタと一体に形成されている、請求項７又は８に記載の発光装置。
10. 発光素子は、リフレクタの高さの４分の１から２分の１の範囲内の高さに位置する、請求項８に記載の発光装置。

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