JP6537259B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の取り出し効率を向上させた発光装置に関するものであり、特に照明用の発光装置に関するものである。

従来、発光ダイオード等の発光素子を用いた発光装置では、発光素子を基板上に直接実装していた。このように発光素子を基板上に直接実装すると、発光素子の底面側に向かう光がダイボンド用の接着剤に吸収される等、有効に利用することができず、光の取り出し効率が低下するという問題があった。

そこで、発光素子を支持台あるいは凸部上に実装することが提案されていた（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。

特開２００３−１６３３７９号公報 特開２００７−２８８０６７号公報

上記特許文献１又は特許文献２の発光装置では、凹所あるいはカップ部の底に支持台あるいは凸部を設け、その上に発光素子を実装することで、発光素子の底面からの光を凹所あるいはカップ部によって反射し、所定の方向へ照射するように構成していた。このように、上記発光装置では、凹所やカップ部の焦点位置に応じて支持台や凸部の高さが設定されると共にその形状が設定されていた。このため、支持台や凸部は、凹所やカップ部と共に形成されなければならず、また、凹所やカップ部を変更する場合にはそれに応じて変更することが必要であった。従って、発光装置毎に支持台、凸部、凹所、カップ部を適合するように変更しなければならなかった。

また、凹所やカップ部を形成することができる基板を用いることも必要であり、基板の構造が制限されるという問題もあった。また、複数の発光素子を集合して実装する発光装置では、発光素子毎に凹所あるいはカップ部を形成することが必要となり、基板が大型化するという問題もあった。

本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を解決し、凹所やカップ部を用いることなく基板表面による反射を有効に利用することができるサブマウントを用いることで、光取り出し効率を高め、多数の発光素子を集合させて実装する場合にも適応する発光装置を提供することにある。

本発明の発光装置は、基板と、該基板上に取り付けられた透明の柱体からなるサブマウントと、該サブマウント上に実装された発光素子と、前記発光素子を封止する封止樹脂と、を備え、前記サブマウントの高さｔを０＜ｔ≦０．５ｍｍに設定し、前記発光素子を実装する前記サブマウントの実装面を前記発光素子の底面に対する面積比が７０％以下となる面積で且つ前記発光素子の底面にある実装用のパッドが乗る大きさ以上に設定したものである。

この発光装置における前記発光素子のパッドは、前記面積比が少なくとも４０％の場合に前記パッドが前記実装面上に乗るように位置と大きさが設定されている。また、この発光装置における前記サブマウントは直方体をなすものである。

また、上記発光装置において、前記基板は金属基板と該金属基板上に固着され発光エリアに対応する部分に孔が設けられた樹脂基板とからなり、前記樹脂基板の孔内の前記金属基板上に前記サブマウントが取り付けられ、該サブマウント上に前記発光素子がダイボンドされ、前記樹脂基板の孔の周囲に配線パターンが設けられ、該配線パターンに前記発光素子がワイヤボンドされ、前記孔を囲う枠状樹脂を備え、該枠状樹脂の内側に前記封止樹脂が設けられて前記発光素子、サブマウント及びワイヤを封止するものとなっている。この発光装置における前記サブマウント及び発光素子は前記発光エリア内に複数設けられている。

本発明の発光装置では、最適条件を満たすように形成された柱体のサブマウントを用いることで、発光素子の底面からの光を基板表面で反射して周囲に照射することができ、光の取り出し効率を向上させることができる。特に、照明用の発光装置では、特定の方向のみに光を照射するだけでなく、周囲にも光を照射することで全体を明るく照明することが必要であり、本発明の発光装置は照明用として好ましい特性を得ることができる。

また、本発明におけるサブマウントは、その高さを所定の範囲内に設定すると共に発光素子の底面との面積比により形成されているため、基板の構造に関わらず、予めサブマウントを用意しておくことができる。そして、そのサブマウントを使用するだけで、どのような基板にでも最適条件で適応させることができる。

また、基板上に多数の発光素子を集合させて実装する場合、多数の発光素子が実装されることで利用できなかった基板表面を有効に利用することができるようになり、基板等の構造を変更することなく光の取り出し効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置を示す斜視図である。 図１に示す発光装置の断面図である。 図１に示す基板の斜視図である。 図３に示す基板の断面図である。 図３に示す基板にサブマウントを取り付けた状態を示す斜視図である。 図５に示す基板の断面図である。 図５に示す基板に発光素子をダイボンドした状態を示す斜視図である。 図７に示す基板の断面図である。 図７において発光素子と配線パターンをワイヤボンドした状態を示す斜視図である。 図９に示す基板の断面図である。 図９に示す基板の配線パターン上に枠状樹脂を形成した状態を示す斜視図である。 図１１に示す基板の断面図である。 サブマウントの高さによる光取り出し効率の変化を計測する発光装置の構成を示す断面図である。 図１３に示した発光装置で計測したサブマウントの高さと光取り出し効率との関係を示す図である。 サブマウントの実装面と発光素子の底面の面積比による光取り出し効率の変化を計測する発光素子とサブマウントの構成を示す側面図である。 図１５に示した構成で計測した場合のサブマウントの面積比と光取り出し効率との関係を示す図である。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る発光装置１は、基板２の中央の発光エリアＥＡに複数の発光素子３とサブマウント４を設けたものとなっている。基板２は、熱伝導率が高く放熱性に優れた金属、合金からなる金属基板２Ａと、その上に重ねて固着されたガラスエポキシ等の樹脂からなる樹脂基板２Ｂとからなる。金属基板２Ａは矩形状の板からなり、中央に複数の発光素子３とサブマウント４が取り付けられている。また、樹脂基板２Ｂは、金属基板２Ａにおける発光素子３が設けられた発光エリアＥＡに対応する部分に孔２ａを有している。この樹脂基板２Ａには、図３及び図４に示すように、孔２ａの周囲に配線パターン５，６が設けられている。

サブマウント４は、樹脂、金属、セラミック等からなるもので、直方体、円柱等の柱体をなすものとなっている。本実施形態におけるサブマウント４は、図５及び図６に示すように、金属基板２Ａにおける発光素子３が取り付けられる位置に接着等により取り付けられている。このサブマウント４は、その高さｔが０＜ｔ≦０．５ｍｍに設定されており、発光素子３が実装される実装面４ａ（図中上方の端面）が発光素子３の底面３ａに対する面積比が７０％以下となる面積で且つ発光素子３の底面３ａにあるダイボンド用のパッドが乗る大きさ以上に設定されている。また、サブマウント４は白色の樹脂やセラミックで形成するか又は金属で形成することで、その外面が反射率の高い面で構成される。また、サブマウント４を透明な樹脂等で構成することで透明体とする場合もある。なお、この最適条件については後述する。

発光素子３は、図７及び図８に示すように、サブマウント４の上にダイボンドされ、図９及び図１０に示すように、幾つかのグループに分かれて配線パターン５，６間に直列にワイヤ７で接続されている。

配線パターン５，６の上には、図１１及び図１２に示すように、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等からなる枠状樹脂８が設けられている。この枠状樹脂８は、発光エリアＥＡを囲う環状に形成されている。

図１及び図２に示すように、枠状樹脂８の内側には、蛍光体を含有するエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の樹脂からなる封止樹脂９が設けられている。この封止樹脂９により発光素子３、ワイヤ７及びサブマウント４は封止されている。

上記構成からなる発光装置１では、サブマウント４を設けたことにより、発光素子３を金属基板２Ａの表面から一定の高さに持ち上げている。このときに、サブマウント４の実装面４ａが発光素子３の底面３ａよりも一定の割合で面積が小さくなるように設定しているため、発光素子３の底面からの光がサブマウント周囲の金属基板２Ａの表面で反射され、上方に広がるように照射される。これにより、この発光装置１は、上方の照射方向及び周辺に光を照射することになり、光取り出し効率が向上する。特に、この発光装置１では照射する光が周辺に広がり、光の広がりを必要とする照明として好ましい状態になる。

次に、図１３乃至図１６に基づいて、サブマウント４に関する最適条件を求める実験を説明する。はじめに、サブマウントの高さｔを変化させたときの光取り出し効率の変化を図１３に示す発光装置１１により計測した例を説明する。この発光装置１１は、基板１２上にサブマウント１４を取り付け、その上に発光素子１３をダイボンドし、ワイヤ１７で発光素子１３を基板１２上の配線パターン等に接続して、封止樹脂１９で封止したものである。この発光装置１１におけるサブマウント１４の高さｔを０．１ｍｍから０．１ｍｍ刻みで増加させたときの光束を計測し、サブマウント１４を設けなかった場合（高さｔが０ｍｍ）の光束と比較した。なお、サブマウント１４の実装面１４ａ（上方の端面）は、発光素子１３の底面１３ａ（下方の端面）と同一形状（同じ面積）となるように設定してある。また、発光素子１３の上面から封止樹脂１９の上面までの距離ｄを２５０μで一定に設定してある。更に、この計測では、白色の樹脂で形成したサブマウント１４を使用した。

その結果、サブマウント１４を設けなかったときの光束を１００％とすると、図１４に示すように、高さｔを０．１ｍｍにすると光束が増して光取り出し効率が１％以上向上し、それ以上高くすると封止樹脂１９等の樹脂による光の吸収によって徐々に低下する。このような光取り出し効率の低下は、図１に示す発光装置１では、封止樹脂９だけでなく、枠状樹脂８や樹脂基板２Ｂ等によってより顕著に生じる可能性がある。そして、高さｔが０．６ｍｍを越えると、サブマウント１４を設けなかった場合と同等あるいはそれよりも低下する。上記より、サブマウント１４の高さｔは０．１ｍｍ前後に設定することが好ましく、０＜ｔ≦０．５ｍｍに設定することで、光取り出し効率の向上が可能であることが確認できた。

一方、図１５に示すように、サブマウント１４の実装面１４ａと発光素子１３の底面１３ａとの面積比を０〜１００％（０％は発光素子１３が宙に浮いている状態、１００％は実装面１４ａと底面１３ａの面積が同一の状態）まで変化した場合の光取り出し効率を計測した。なお、ここではサブマウント１４の高さを０．１ｍｍで一定に設定した。

その結果、図１６に示すように、そのグラフから変曲点が面積比７０％の場合と見て取れ、サブマウント１４の実装面１４ａを発光素子１３の底面１３ａの面積比７０％以下に設定することが好ましいことが確認できた。ただし、サブマウント１４の実装面１４ａが小さい程、光取り出し効率の向上が望めるものの、面積比が６０％以下では０％とほとんど変わらず、それ以上小さくする必要がないことが分かった。また、あまりに面積比を小さくすると、発光素子１３のボンディング時の強度が低下することにもなる。そこで、面積比が７０％以下で、発光素子１３の底面１３ａにあるダイボンド用のパッドが乗る大きさを最小限とすることで、ボンディング強度を確保しつつ、光取り出し効率を向上させることが可能となることが確認できた。なお、上記のように、面積比が６０％以下ではほとんど光取り出し効率に変化がないが、面積比が４０％でわずかにピークが認められるので、少なくとも面積比が４０％の場合に発光素子１３のダイボンド用のパッドが実装面１４ａ上に乗るように、パッドの位置と大きさが設定されていることが好ましい。

上記何れの実験においても、サブマウント１４を反射率の高い白色樹脂で形成しており、白色のセラミック、あるいは反射率の高い金属で形成した場合も同様の結果が得られる。これを、透明樹脂等の透明体で形成した場合、サブマウント１４の高さｔが０．１ｍｍのときに光取り出し効率が２％向上することが確認されている。また、透明体でサブマウント１４を形成した場合、その実装面１４ａと発光素子１３の底面１３ａとの面積比を考慮する必要性が低くなるとも考えられるが、透明体の場合であってもサブマウント１４が樹脂製であると、微細ではあっても光が吸収され、また接着剤等で吸収されることもあるため、面積比も上記と同様に設定することが最も好ましい。

また、前述したように、光取り出し効率の低下は、図１に示す発光装置１では、封止樹脂９だけでなく、枠状樹脂８や樹脂基板２Ｂ等による光の吸収によってより顕著に生じる可能性がある。特に、発光装置１のように複数の発光素子３を集合させて実装したものでは、発光素子３が多数実装されることで金属基板２Ａの表面における光を反射する部分が減少していることも影響する。そこで、このような発光装置１にサブマウント４を使用すると、樹脂等により吸収された分を補い、基板表面をより有効に使用して光を反射することができる。従って、発光装置１のような構成の場合、サブマウント４を使用することは、光取り出し効率を高める極めて有効な手段となる。

次に、図３乃至図１２に基づいて上記発光装置１の製造方法を説明する。図３及び図４に示すように、この発光装置１における基板２は、中央に発光素子３を実装する発光エリアＥＡが設けられた金属基板２Ａに、発光エリアＥＡに適合する孔２ａと、その縁にそれぞれ半円形状に形成された配線パターン５，６とを有する樹脂基板２Ｂを重ねて固着したものである。はじめに、図５及び図６に示すように、金属基板２Ａ上に柱体をなす複数のサブマウント４を固着する。そして、図７及び図８に示すように、このサブマウント４の上に複数の発光素子３をそれぞれダイボンドすることで実装する。その後、図９及び図１０に示すように、ワイヤ７で発光素子３を配線パターン５，６に接続すると共に隣接する発光素子３を接続する。その後、図１１及び図１２に示すように、ポッティング等により、配線パターン５，６の上に枠状樹脂８を環状に形成する。そして、この枠状樹脂８の内側に蛍光体等を混入した封止樹脂９を充填することで、図１及び図２に示したような発光装置１が完成する。

上記のように、サブマウント４を用いても、構造の変更等を伴わず、また、製造工程の追加も最小限に抑えつつ光取り出し効率を向上させることができる。

１，１１ 発光装置
２，１２ 基板
２Ａ 金属基板
２Ｂ 樹脂基板
３，１３ 発光素子
３ａ，１３ａ 底面
４，１４ サブマウント
４ａ，１４ａ 実装面
５，６ 配線パターン
７，１７ ワイヤ
８ 枠状樹脂
９，１９ 封止樹脂
ＥＡ 発光エリア

Claims (5)

1. 基板と、
   該基板上に取り付けられた透明の柱体からなるサブマウントと、
   該サブマウント上に実装された発光素子と、
   前記発光素子を封止する封止樹脂と、
   を備え、
   前記サブマウントの高さｔを０＜ｔ≦０．５ｍｍに設定し、前記発光素子を実装する前記サブマウントの実装面を前記発光素子の底面に対する面積比が７０％以下となる面積で且つ前記発光素子の底面にある実装用のパッドが乗る大きさ以上に設定したことを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子のパッドは、前記面積比が少なくとも４０％の場合に前記パッドが前記実装面上に乗るように位置と大きさが設定されている請求項１に記載の発光装置。
3. 前記サブマウントは直方体をなす請求項１に記載の発光装置。
4. 前記基板は金属基板と該金属基板上に固着され発光エリアに対応する部分に孔が設けられた樹脂基板とからなり、
   前記樹脂基板の孔内の前記金属基板上に前記サブマウントが取り付けられ、
   該サブマウント上に前記発光素子がダイボンドされ、
   前記樹脂基板の孔の周囲に配線パターンが設けられ、該配線パターンに前記発光素子がワイヤーボンドされ、
   前記孔を囲う枠状樹脂を備え、
   該枠状樹脂の内側に前記封止樹脂が設けられて前記発光素子、サブマウント及びワイヤーを封止する請求項１〜３の一つに記載の発光装置。
5. 前記サブマウント及び発光素子は前記発光エリア内に複数設けられている請求項４記載の発光装置。

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