JP2010171340A

JP2010171340A - 発光装置

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Publication number: JP2010171340A
Application number: JP2009014612A
Authority: JP
Inventors: Yoji Urano; 洋二浦野
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-01-26
Also published as: JP5232027B2

Abstract

【課題】複数のＬＥＤチップの位置精度を高めることができ且つ各ＬＥＤチップの交換が容易な発光装置を提供する。
【解決手段】複数のＬＥＤチップ１への給電用の導体パターン２３，２３が一表面側に形成された基板２と、基板２との間に各ＬＥＤチップ１を保持した透光性基台３とを備える。透光性基台３は、各ＬＥＤチップ１それぞれの錐体１１が各別に挿入され各錐体１１を位置決めする複数の六角錘状の位置決め凹所３１が基板２に対向する上記一表面に形成されている。また、基板２が透光性基台３に着脱自在であり、且つ、各導体パターン２３，２３上に固着されたバンプ３０，３０がＬＥＤチップ１のアノード電極１７およびカソード電極１８それぞれに圧接されており、各ＬＥＤチップ１が交換可能となっている。位置決め凹所３１は、三角錘状の形状としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のＬＥＤチップを備えた発光装置に関するものである。

従来から、複数のＬＥＤチップが一面に配置された発光装置が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１参照）。ここにおいて、上記特許文献１には、この種の発光装置として、図５に示すように、アルミニウムからなるシャーシ１０１の一面に絶縁膜１０２を形成するとともに絶縁膜１０２上に複数のＬＥＤチップ１２５へ給電するための導体パターン１０３を形成し、複数のＬＥＤチップ１２５を絶縁膜１０２上に実装したＬＥＤユニット（バックライトユニット）が提案されている。

また、近年、平板状のＬＥＤチップに比べて光取り出し効率の向上を図れるＬＥＤチップとして、ｎ形ＺｎＯ結晶からなる六角錘状の錐体の下面側にＬＥＤ薄膜部、アノード電極およびカソード電極が形成されたＬＥＤチップが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００８−２１１２２１号公報

「松下電工とＵＣＳＢの新型ＬＥＤ，外部量子効率８０％を目指す」，日経エレクトロニクス，日経ＢＰ社，２００８年２月１１日，ｐ．１６−１７

しかしながら、図５に示した構成の発光装置では、個々のＬＥＤチップ１２５をマウンタにより位置決めして配置してからリフロー装置を利用してＬＥＤチップ１２５を接合するので、各ＬＥＤチップ１２５の位置精度を高めるのが難しく、特にＬＥＤチップ１２５として上記非特許文献１に開示されたＬＥＤチップを採用した場合には、ＬＥＤチップの規定の配置位置を中心とする直交座標のｘ方向、ｙ方向の位置ずれだけでなく、上記配置位置を中心とする極座標のθ方向のずれが生じやすい。

また、図５に示した構成の発光装置では、ＬＥＤチップ１２５とシャーシ１０１との線膨張率差に起因してＬＥＤチップ１２５やＬＥＤチップ１２５と絶縁膜１０２との接合部などが破損してしまうことがあるが、この場合には、発光装置全体を交換する必要があった。

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、複数のＬＥＤチップの位置精度を高めることができ且つ各ＬＥＤチップの交換が容易な発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、透明結晶からなる六角錘状の錐体の下面側にＬＥＤ薄膜部、アノード電極およびカソード電極が形成された複数のＬＥＤチップと、当該複数のＬＥＤチップへの給電用の導体パターンが一表面側に形成された基板と、透光性材料により形成され基板との間に各ＬＥＤチップを保持した透光性基台とを備え、透光性基台は、各ＬＥＤチップそれぞれの錐体が各別に挿入され各錐体を位置決めする複数の六角錘状もしくは三角錐状の位置決め凹所が基板に対向する一表面に形成されてなり、基板は、透光性基台に着脱自在であり、且つ、各導体パターン上に固着されたバンプがＬＥＤチップのアノード電極およびカソード電極それぞれに圧接されており、各ＬＥＤチップが交換可能であることを特徴とする。

この発明によれば、複数のＬＥＤチップへの給電用の導体パターンが一表面側に形成された基板と、透光性材料により形成され基板との間に各ＬＥＤチップを保持した透光性基台とを備え、透光性基台は、各ＬＥＤチップそれぞれの錐体が各別に挿入され各錐体を位置決めする複数の六角錘状もしくは三角錐状の位置決め凹所が基板に対向する一表面に形成されているので、複数のＬＥＤチップの位置精度を高めることができ、しかも、基板は、透光性基台に着脱自在であり、且つ、各導体パターン上に固着されたバンプがＬＥＤチップのアノード電極およびカソード電極それぞれに圧接されており、各ＬＥＤチップが交換可能であるので、各ＬＥＤチップの交換が容易である。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記透光性基台の前記一表面と前記基板との間の距離を規定するスペーサ部が前記透光性基台と前記基板との少なくとも一方から突設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップへの負荷を軽減でき、前記ＬＥＤチップの損傷を防止することができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記スペーサ部は、前記透光性基台の周部から突設されてなり、前記透光性基台は、前記スペーサ部の周部に、前記基板を囲み前記基板を位置決めする環状の位置決めリブが連続一体に突設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記透光性基台に対する前記基板の位置を精度良く管理することができるので、前記ＬＥＤチップの交換時に前記ＬＥＤチップの破損するのを防止することができる。

請求項１の発明では、複数のＬＥＤチップの位置精度を高めることができ且つ各ＬＥＤチップの交換が容易であるという効果がある。

実施形態１のＬＥＤモジュールの概略断面図である。実施形態２のＬＥＤモジュールの概略断面図である。実施形態３のＬＥＤモジュールの概略断面図である。各実施形態の他の構成例の要部説明図である。従来のＬＥＤモジュールの概略断面図である。

（実施形態１）
本実施形態の発光装置は、図１に示すように、複数のＬＥＤチップ１と、当該複数のＬＥＤチップ１への給電用の導体パターン２３，２３の対が一表面側に形成された基板２と、透光性材料により形成され基板２との間に各ＬＥＤチップ１を保持した透光性基台３とを備えている。

ＬＥＤチップ１は、青色光を放射するＧａＮ系の青色ＬＥＤチップであり、それぞれ窒化物半導体材料により形成されたｎ形半導体層１４と発光層１５とｐ形半導体層１６との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部１２、ｎ形半導体層１４に電気的に接続されたカソード電極１８およびｐ形半導体層１６に電気的に接続されたアノード電極１７が透明結晶（ここでは、ｎ形のＺｎＯ結晶）からなる六角錘状の錐体１１の下面１１ａ側に形成されている。

ＬＥＤチップ１のＬＥＤ薄膜部１２は、ｎ形半導体層１４をｎ形ＧａＮ層により構成し、発光層１５をＩｎＧａＮ層により構成し、ｐ形半導体層１６を発光層１５側のｐ形ＡｌＧａＮ層と当該ｐ形ＡｌＧａＮ層における発光層１５側とは反対側のｐ形ＧａＮ層とで構成してあるが、ＬＥＤ薄膜部１２の積層構造は特に限定するものではなく、発光層１５は単層構造に限らず、多重量子井戸構造ないし単一量子井戸構造でもよい。

また、ＬＥＤチップ１は、ＬＥＤ薄膜部１２の平面視形状を錐体１１の下面１１ａよりもやや小さな正六角形状の形状に形成してあり、カソード電極１８が、ＬＥＤ薄膜部１２のｎ形半導体層１４に接する形で形成されて当該ｎ形半導体層１４と電気的に接続され、アノード電極１７が錐体１１の下面１１ａに接する形で形成され当該錐体１１を介してｐ形半導体層１６と電気的に接続されている。したがって、ｎ形半導体層１４と発光層１５とｐ形半導体層１６との平面サイズを同じにすることができる。ここで、ＬＥＤチップ１０のアノード電極１７およびカソード電極１８は、下層側のＴｉ膜と上層側のＡｕ膜との積層膜により構成されている。ただし、アノード電極１７およびカソード電極１８それぞれの形状、サイズ、個数および配置は特に限定するものではない。

上述のＬＥＤチップ１０は、主表面がｃ面のサファイアウェハの主表面側に上記積層構造を有するＬＥＤ薄膜部１２をエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長し、その後、ＬＥＤ薄膜部１２を錐体１１の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハに接合してから、サファイアウェハを除去し、続いて、塩酸系のエッチング液（例えば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した異方性エッチングを行うことによりｎ形ＺｎＯウェハの一部からなる六角錘状の錐体１１を形成している。なお、ｎ形ＺｎＯウェハとしては、水熱合成法を利用して製造したものを用いている。六角錘状の錐体１１の高さは、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さで規定することができ、本実施形態では、ｎ形ＺｎＯウェハとして厚さが５００μｍのものを用いているので、錐体１１の高さは５００μｍとなっているが、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さは特に限定するものではない。また、錐体１１の下面１１ａに対する各斜面１１ｂそれぞれの傾斜角は、ｎ形ＺｎＯウェハの結晶軸方向で規定され、ｎ形ＺｎＯウェハにおいて錐体１１の下面１１ａとなるＺｎ極性面である（０００１）面とは反対側のＯ極性面である（０００−１）面に適宜パターニングされたマスクを設けてｎ形ＺｎＯウェハをＯ極性面側から異方性エッチングすることにより錐体１１を形成しているので、下面１１ａに対する各斜面１１ｂそれぞれの傾斜角が６０°となっている。なお、上記マスクのサイズを適宜設定すれば、錐体１１を、六角錘の頂部を切り欠いた六角錘状の形状（六角錘台状の形状）とすることもできる。

また、ＬＥＤチップ１は、ＬＥＤ薄膜部１２における錐体１１側とは反対側の表面（ここでは、ｎ形半導体層１４の表面）に光取り出し効率向上用の微細凹凸構造が形成されている。しかして、ＬＥＤチップ１においてＬＥＤ薄膜部１２から錐体１１側とは反対側に放射される光（ここでは、発光層１からｎ形半導体層１４側へ放射される光）がＬＥＤ薄膜部１２の表面で反射されるのを抑制して効率良く取り出すことができ、光取り出し効率の向上を図れる。

上述のＬＥＤチップ１は、アノード電極１７とカソード電極１８との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、トンネル電流注入によりアノード電極１７からｐ形半導体層１６へホールが注入されるとともに、カソード電極１８からｎ形半導体層１４へ電子が注入され、発光層１５に注入された電子とホールとが再結合することで発光し、錐体１１の各斜面１１ｂおよびＬＥＤ薄膜部１２におけるｎ形半導体層１４の錐体１１側とは反対側の表面から光が放射される。なお、波長が４５０ｎｍの光に対するＺｎＯの屈折率は２．１、ＧａＮの屈折率は２．４である。

ところで、上述の基板２は、平板状の透光性基材２１の一表面側に上述の導体パターン２３，２３の対が複数形成されており、対となる導体パターン２３，２３それぞれがバンプ３０，３０を介してＬＥＤチップ１のカソード電極１８およびアノード電極１７それぞれと電気的に接続されている。

要するに、各ＬＥＤチップ１は、錐体１１よりもＬＥＤ薄膜部１２が基板２に近くなる形で基板２の上記一表面側に配置されている。なお、基板２の平面視形状は、矩形状（本実施形態では、正方形状）となっているが、正方形状に限らず、例えば、長方形状、円形状、六角形状でもよい。

ここにおいて、透光性基材２１の材料としては、例えば、パイレックス（登録商標）や硼珪酸ガラス（ＢＫ７）、白色ガラスなどのガラスを採用すればよいが、ガラスに限らず、ＬＥＤチップ１から放射される光に対して透光性を有する材料であればよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂などを採用してもよい。ただし、ＬＥＤチップ１で発生した熱を伝熱させて効率的に放熱させるために、熱伝導率が大きな材料が好ましい。

ところで、本実施形態の発光装置は、基板２の各導体パターン２３，２３においてＬＥＤチップ１のアノード電極１７およびカソード電極１８それぞれに対応する部位にバンプ３０，３０が接合され固着されている一方で、各ＬＥＤチップ１は、後述のようにアノード電極１７およびカソード電極１８それぞれが対応するバンプ３０，３０に対して着脱自在に圧接されているのみである。

ここにおいて、本実施形態の発光装置では、透光性基台３は、各ＬＥＤチップ１それぞれの錐体１１が各別に挿入され各錐体１１を位置決めする複数の六角錘状の位置決め凹所３１が基板に対向する一表面に形成されてなり、基板２は、透光性基台３に着脱自在であり、且つ、各導体パターン２３，２３がＬＥＤチップ１のアノード電極１７およびカソード電極１８それぞれに圧接されており、各ＬＥＤチップ１が交換可能となっている。ここで、各位置決め凹所３１の深さ寸法は、ＬＥＤチップ１における錐体１１の高さ寸法よりも小さな値に設定してある。また、本実施形態の発光装置では、基板２を透光性基台３に対して着脱自在とするために、固定ねじ（図示せず）を挿通する複数のねじ挿通孔２４が基板２の周部に形成されており、透光性基台３の周部には、基板２の他表面側から基板２のねじ挿通孔２４に挿通された上記固定ねじの先端部が螺合するねじ孔３４が形成されている。

したがって、本実施形態の発光装置の組み立てにあたっては、透光性基台３の上記一表面に形成されている各位置決め凹所３１それぞれにＬＥＤチップ１を挿入することで位置決めした後、透光性基材２１の上記一表面側の各導体パターン２３，２３上にバンプ３０，３０を固着した基板２を透光性基台３との間に各ＬＥＤチップ１を挟持するように配置し、その後、上記固定ねじを基板２のねじ挿通孔２４に挿通させて透光性基台３のねじ孔３４に螺合させればよい。これに対して、ＬＥＤチップ１の交換時にあたっては、上記固定ねじを取り外して、基板２を透光性基台３から離れる向きに移動させてから、ＬＥＤチップ１を交換すればよい。なお、ＬＥＤチップ１を透光性基台３の位置決め凹所３１に挿入して位置決めする際には、例えば、錐体１１の形状に対応した六角錘状もしくは三角錘状のチップ吸着用凹所がコレット本体の先端部に形成され、当該コレット本体に、チップ吸着用凹所に連通する真空吸着孔が形成された吸着コレットと、ＬＥＤチップ１におけるＬＥＤ薄膜部１２の表面側のカソード電極１７を吸着可能な吸着コレットとを併用すればよい。

以上説明した本実施形態の発光装置によれば、複数のＬＥＤチップ１への給電用の導体パターン２３，２３が上記一表面側に形成された基板２と、基板２との間に各ＬＥＤチップ１を保持した透光性基台３とを備え、透光性基台３は、各ＬＥＤチップ１それぞれの錐体１１が各別に挿入され各錐体１１を位置決めする複数の六角錘状の位置決め凹所３１が基板２に対向する上記一表面に形成されているので、複数のＬＥＤチップ１の位置精度を高めることができる。要するに、ＬＥＤチップ１の規定の配置位置を中心とする直交座標のｘ方向、ｙ方向の位置ずれだけでなく、上記配置位置を中心とする極座標のθ方向のずれの発生を抑制することができる。しかも、本実施形態の発光装置によれば、基板２が透光性基台３に着脱自在であり、且つ、各導体パターン２３，２３上に固着されたバンプ３０，３０がＬＥＤチップ１のアノード電極１７およびカソード電極１８それぞれに圧接されており、各ＬＥＤチップ１が交換可能であるので、各ＬＥＤチップ１の交換が容易である。

また、本実施形態の発光装置では、各ＬＥＤチップ１を点灯させる点灯時に、各ＬＥＤチップ１における錐体１１の各斜面１１ｂおよびＬＥＤ薄膜部１２の表面それぞれから光が放射されることとなるから、点灯時の各ＬＥＤチップ１それぞれに起因した影の発生を防止できるとともに輝度むらを低減でき、また、各ＬＥＤチップ１の錐体１１がＺｎＯ結晶により構成されており透明なので、消灯時に各ＬＥＤチップ１が目立たず、消灯時の見栄えを良くすることが可能となる。

なお、本実施形態の発光装置では、導体パターン２３，２３がＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、例えば、ＩＴＯ膜、ＧＺＯ（ＧａをドープしたＺｎＯ）膜、ＡＺＯ（ＡｌをドープしたＺｎＯ）膜、ＩＺＯ（ＩｎをドープしたＺｎＯ）膜などにより構成すれば、光取り出し効率を高めることができる。

（実施形態２）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図２に示すように、透光性基台３の上記一表面と基板２との間の距離を規定する枠状のスペーサ部３２が透光性基台３の周部から連続一体に突設されており、スペーサ部３２にねじ孔３４が形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の発光装置では、組み立て時などにＬＥＤチップ１にかかる負荷を軽減でき、ＬＥＤチップ１の損傷を防止することができる。なお、本実施形態では、スペーサ部３２が透光性基台３から突設されているが、スペーサ部３２は、透光性基台３と基板２との少なくとも一方から突設されていればよい。また、スペーサ部３２は、透光性基台３や基板２と必ずしも連続一体に形成する必要はなく、別体で形成したものを固着するようにしてもよい。

（実施形態３）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態２と略同じであり、図３に示すように、透光性基台３におけるスペーサ部３２の周部に、基板２を囲み基板２を位置決めする環状の位置決めリブ３３が連続一体に突設されている点が相違するだけである。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の発光装置では、透光性基台３に上述の位置決めリブ３３が設けられていることにより、透光性基台３に対する基板２の位置を精度良く管理することができるので、ＬＥＤチップ１の交換時にＬＥＤチップ１の破損するのを防止することができる。

ところで、上述の各実施形態では、透光性基台３においてＬＥＤチップ１の錐体１１を位置決めする位置決め凹所３１を六角錘状の形状としてあるが、図４（ｂ）に示すように位置決め凹所３１を三角錐状の形状としてもよく、この場合も、複数のＬＥＤチップ１の位置精度を高めることができる。なお、三角錐状の位置決め凹所３１の深さ寸法は、ＬＥＤチップ１における錐体１１の高さ寸法よりも小さな値で、図４（ａ）に示すＬＥＤチップ１における錐体１１の６つの斜面１１ｂのうちの互いに隣接しない３つの斜面１１ｂ（図４（ｃ）においてハッチングを施した斜面１１ｂ）が位置決め凹所３１の３つの内側面３１ｂに面接触するように設定すればよい。

また、上述の各実施形態では、ＬＥＤチップ１から放射される光が青色光となるように発光層１５を設計してあるが、ＬＥＤチップ１から放射される光は青色光に限らず、例えば、赤色光、緑色光、紫色光、紫外光などでもよい。また、本実施形態の発光装置は、例えば、透光性基台３および基板２それぞれに、ＬＥＤチップ１から放射される光によって励起されてＬＥＤチップ１よりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体を含有した透光性材料からなる色変換層を設けて、ＬＥＤチップ１の発光色とは異なる色合いの混色光（例えば、白色光など）を出すようにしてもよい。ここで、上記色変換層は、例えば、透光性基台３、基板２それぞれの他表面や、透光性基台３、基板２それぞれの厚み方向の中間に設ければよい。また、上記色変換層を設ける代わりに、透光性基台３、基板２それぞれに上記蛍光体を分散させてもよい。なお、以上説明した発光装置は、バックライト用途、インテリア用途、サイン用途、照明用途など多様な用途がある。

１ＬＥＤチップ
２基板
３透光性基台
１１錐体
１１ａ下面
１１ｂ斜面
１２ＬＥＤ薄膜部
１４ｎ形半導体層
１６ｐ形半導体層
１７アノード電極
１８カソード電極
２１透光性基板
２３導体パターン
３０バンプ
３１位置決め凹所
３２スペーサ部

Claims

透明結晶からなる六角錘状の錐体の下面側にＬＥＤ薄膜部、アノード電極およびカソード電極が形成された複数のＬＥＤチップと、当該複数のＬＥＤチップへの給電用の導体パターンが一表面側に形成された基板と、透光性材料により形成され基板との間に各ＬＥＤチップを保持した透光性基台とを備え、透光性基台は、各ＬＥＤチップそれぞれの錐体が各別に挿入され各錐体を位置決めする複数の六角錘状もしくは三角錐状の位置決め凹所が基板に対向する一表面に形成されてなり、基板は、透光性基台に着脱自在であり、且つ、各導体パターン上に固着されたバンプがＬＥＤチップのアノード電極およびカソード電極それぞれに圧接されており、各ＬＥＤチップが交換可能であることを特徴とする発光装置。
前記透光性基台の前記一表面と前記基板との間の距離を規定するスペーサ部が前記透光性基台と前記基板との少なくとも一方から突設されてなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記スペーサ部は、前記透光性基台の周部から突設されてなり、前記透光性基台は、前記スペーサ部の周部に、前記基板を囲み前記基板を位置決めする環状の位置決めリブが連続一体に突設されてなることを特徴とする請求項２記載の発光装置。