JP5704207B2

JP5704207B2 - 発光装置

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Publication number: JP5704207B2
Application number: JP2013210467A
Authority: JP
Inventors: 祐一郎反田; 松下　俊雄; 俊雄松下
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: JP2014026988A

Description

本発明は、主に照明用途に用いられる発光ダイオード等の半導体素子を利用した発光装置及びその製造方法に関する。

発光素子を用いた発光装置は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、該発光素子は、半導体素子であるため球切れ等の心配がない。さらに初期駆動特性が優れ、振動やＯＮ／ＯＦＦ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。このような優れた特性を有するため、発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下「ＬＥＤ」ともいう）、半導体レーザ（Laser Diode、以下「ＬＤ」ともいう）等の半導体発光素子を用いる発光装置は、各種の光源として利用されている。例えば、サファイア基板やＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等の透光性を有する基体上に発光層が積層されてなる半導体発光素子は、略箱状に切り出される場合、略箱状の上面すなわち平坦な天面のみならず、下面すなわち底面や側面からも発光している。

そこで、上記のような発光素子を透明基板上に形成された透明導体部上に載置し、発光素子から引き出しリードが接続され、これらを透明または半透明樹脂体にて覆うことで、３６０度の方向に光を放射することが可能な照明装置が提案されている。

特許第３１７２９４７号

しかしながら、上記特許文献１で提案されている構成では放熱性が不十分であり、実用上の使用に耐え得る信頼性を提供できないという問題がある。特に近年の高出力化の要求のため、半導体発光素子を高出力にすると発熱量も大きくなるが、このような要求に対応することができないという問題があった。

そこで本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、信頼性が高く広範囲に発光可能することが可能な照明装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために本発明の第１の照明装置は、透明基板と、前記透明基板上に載置され、ワイヤによって直列に接続された、サファイア基板を備える複数の発光素子と、前記透明基板上に設けられた、前記複数の発光素子をワイヤボンディングにより配線するための共通のリード領域と、前記透明基板に、端部が固定された金属プレートと、前記金属プレートの一部が露出するよう、前記透明基板及び前記発光素子を被覆し、前記透明基板の外形とほぼ同一形状である被覆部材と、前記被覆部材を上から被覆し、前記発光素子からの光を吸収して波長変換する蛍光体を含む第二の透光性部材とを有する発光装置と、前記発光装置の前記金属プレートを支持する支持リードと、前記発光装置及び前記支持リードとを内包する透光性バルブとを備えることができる。

また、照明装置はさらに、前記透光性バルブと固定された、電極を備える口金を備え、前記口金に、前記支持リードを固定することもできる。
さらに照明装置は、前記発光素子の周囲に、前記蛍光体を配置することもできる。
さらにまた照明装置は、前記複数の発光素子を、前記透明基板上において直線状に配置させることもできる。
さらにまた照明装置は、隣接する発光素子を、前記ワイヤを介して電気的に接続することもできる。
さらにまた照明装置は、前記リード領域を、前記複数の発光素子を配置した方向に沿って延長することもできる。

本発明の照明装置によれば、視野角が広く信頼性の高い高品質な照明装置を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。図１に示す発光装置を示す平面図である。金属プレート端部の角部を面取りした発光装置を示す平面図である。透光性部材を球状に形成した発光装置を示す断面図である。透光性部材を矩形状に形成した発光装置を示す断面図である。波長変換部材と透光性部材を一体化した発光装置を示す断面図である。波長変換部材と被覆部材を一体化した発光装置を示す断面図である。透光性バルブにパッケージ状発光装置を横向きに固定した発光装置を示す断面図である。図８の支持リードにパッケージ状発光装置を固定する部分を示す拡大斜視図である。透光性バルブにパッケージ状発光装置を上向きに固定した発光装置を示す断面図である。図１０の支持リードにパッケージ状発光装置を固定する部分を示す拡大斜視図である。パッケージ状発光装置の導電体を延長して透光性バルブに固定した発光装置を示す断面図である。透明基板の下方向に光学レンズを設けた発光装置を示す断面図である。複数の発光素子をマトリクス状に配置した発光装置を示す平面図である。長手方向に複数の発光素子を配置した発光装置を示す平面図である。リード領域を離間して設けた発光装置を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。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。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（発光装置）

本発明の実施の形態１に係る発光装置１００を図１及び図２に示す。図１は発光装置１００の断面図、図２は平面図を、それぞれ示す。なお図２におけるＩ−Ｉ’線の断面図が、図１に相当する。これらの図に示す発光装置１００は、発光素子１０と、これを上面に載置する透明基板２０と、透明基板２０に固定された一対の導電体２２と、発光素子１０及び導電体２２を内部に含む被覆部材４６と、被覆部材４６の側面方向から一対の導電体２２上に挿入された一対の金属プレート３０とを備える。これにより、発光素子からの光の取り出しを広範囲に行えることに加えて、一対の金属プレートを異なる方向に突出させることで、電力供給のための電極で発光装置を安定して固定する。さらに金属プレートで放熱性を確保できるので、信頼性、安定性も向上する。発光素子１０はＬＥＤチップやＬＤチップ等が利用できる。図１のＬＥＤチップは、透光性のダイボンド部材５２で透明基板２０上にダイボンドされている。
（透明基板２０）

本発明の透明基板２０は、載置される発光素子１０からの光を７０％以上透過することが可能で、且つ、発光素子１０から発生した熱を金属プレート３０まで伝導することが可能な支持基板である。透明基板２０上に透光性のダイボンド部材５２を介して発光素子１０を固定することにより、発光素子１０の下面から発光される光を、ダイボンド部材５２内及び透明基板２０を透過させ、外部に放出させることができる。このような熱伝導性を備えた透明基板２０としては、サファイアやＧａＮ、酸化ベリリウム（ベリリア）、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＳ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、銅ダイヤモンド、ルビー等の単結晶または多結晶を用いることができる。

特に透明基板２０として、導電性を有する部材を使用すると、発光素子１０の載置面でも導通を得ることができるので、ワイヤボンディングは一方の電極のみで足り、ワイヤ４４の数を減らして製造コストの削減と歩留まりを向上でき、この点においても信頼性の向上に寄与できる。特にワイヤ４４は、これを被覆する樹脂中で熱膨張係数の違い等によって断線するおそれがあるため、ワイヤ４４の使用本数を減らすことでこのようなリスクを低減できる。

透明基板２０の下面は、光が放出されやすいように、非平滑面であることが好ましい。これにより透明基板の下面から光を放出されやすくできる。例えば、透明基板２０の下面を研磨せず、凹凸を残したままの面とする他、意図的にストライプやディンプル等の凹凸を設けてもよい。このような下面の形状を有する透明基板２０を用いることで、透明基板２０の下面側に別途透光性部材を設けなくとも発光素子１０下面から導光された光を効率良く外部へ取り出すことができる。さらに、透明基板２０の下面形状を曲面にすることも好ましい。このようにすることで、透明基板２０の下面で全反射される光の成分を低減させることができ、光の取り出し効率の高い発光装置が得られる。

また、発光素子１０と透明基板２０との界面における反射を低減するために、これらの間の屈折率を調整することが好ましい。発光素子１０が成長基板上に素子構造体が支持されている場合、成長基板と透明基板２０との屈折率差が小さいことが好ましく、または成長基板の屈折率が透明基板２０の屈折率より小さくなるように両者の材質を決定することにより、光の反射を少なくすることができる。たとえば、サファイア基板に半導体層を成長させた発光素子１０を用いる場合、サファイアからなる透明基板を使用することが好ましい。また成長基板を有さないＧａＮ系半導体素子であれば、ＧａＮからなる透明基板を用いることが好ましい。
（ダイボンド部材５２）

本実施形態におけるダイボンド部材５２として、発光素子１０と透明基板２０とを固定すると共に、発光素子１０からの光を透過することが可能な材料であれば、特に限定されず、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の有機材料、無機材料、およびこれらのハイブリッド材料を用いることができる。具体的には、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、熱可塑性樹脂であるアクリル樹脂やポリイミド樹脂等が挙げられる。また、ダイボンド部材５２は、光や熱等による劣化で着色すると、光の取り出し効率が低下するため、耐熱性、耐光性、および熱伝導性を備えることが望ましい。また、ダイボンド部材５２の熱膨張率を調整するため、あるいは導電性を高めるため、これらの樹脂にフィラーを含有させることもできる。
（金属プレート３０）

透明基板２０上には、導電体２２を介して被覆部材４６の側面方向から挿入された金属プレート３０の端部が固定されている。金属プレートの端部の角部は、図３の平面図に示す金属プレート３０Ｂのように丸みを帯びていることが好ましく、これにより透明基板２０と固定した後の残留応力を緩和することができる。金属プレート３０は、熱伝導性と導電性に優れた素材の表面に、発光素子１０からの光を反射することが可能な金属メッキを施すことが好ましい。

熱伝導性に優れた素材として、例えば銅、鉄・ニッケル・コバルトの合金であるコバール（商標）や銅、あるいはコバールと銅の合金等等が挙げられる。これらの素材は、通常の導電体よりも熱伝導性に優れているので、放熱性を向上して更なる高出力にも対応できる。特に本発明において、耐食性、耐摩耗性、メッキ性、ろう付け性、耐応力腐食割れ性、導電性、熱伝導性に優れ、プレス、曲げ、絞り等の加工性にも優れたりん青銅を用いることが好ましい。

また、上記の素材の表面にメッキを施す前に、予め銅ストライクメッキを施すことが好ましい。このように、素材の酸化物除去し、活性化とメッキを同時に行うことにより、素材が密着性のよい銅皮膜で覆われ、この後のメッキの付き回りが改善されると同時に、耐食性も向上することができる。更に、メッキ浴中への素材金属の溶解も防ぐことができ、浴の汚染を防止することもできる。

このように表面処理された素材に、発光素子１０からの光を反射することが可能なメッキを有していることが好ましい。特にメッキとして、光沢度が９０以上である導電性膜が設けられていることが好ましい。ここで本明細書における光沢度とは、ＪＩＳ規格に基づき、発光素子１０からの光を６０°で入射したときの鏡面反射率が％となる、屈折率１．５６７のガラス面を光沢度０と規定し、日本電色工業株式会社製ＶＳＲ３００Ａ微小面色差計にて測定した値である。具体的なメッキ主材料として、Ａｕ，Ａｇ，およびＡｌ等が挙げられる。また、金属プレート３０と発光素子１０とを金属製のワイヤ４４にて電気的に接続する場合、金属プレート３０の表面メッキの主材料は、金属ワイヤ４４との主材料と同一にすることが好ましい。

金属プレート３０は、ワイヤ４４等により発光素子１０と接続される略矩形形状の端部と、透光性部材から露出し外部に取り付けられる他方の端部とを有している。本実施の形態の発光装置において、他方の端部は、後述する図１４等に示す金属プレート３０Ｃのように、端部と同じ幅の略矩形形状と端部よりも幅広く形成された略正方形とからなる凸形状で構成されている。このように構成されることにより、外部への放熱性および実装性を向上させることができる。また、略凸形状の角部は、角取りされていることが好ましく、このような形状とすることにより、ハンドリングしやすい発光装置が得られる。また凸形状の面積の広い箇所には、外部へ固定するためのプレートねじ孔３１を設けることも可能であり、これにより熱伝導率の高い金属等に有機物を介さずに固定することが可能となる。

金属プレート３０は、発光素子１０の左右に離間して設けられて、被覆部材４６の向かい合う側面からそれぞれ露出している。これにより、発光素子１０から透明基板２０を介して左右へ熱引きをすることができ、外部へ効率よく放熱することができる。また、発光素子を多数載置する場合や、同一面側に両電極を有する発光素子をフリップチップ実装する場合等は、一対の金属プレートの間に、発光素子より幅の狭い導線を設けることも可能である。これにより、発光素子を下面から発光される光を遮ることなく、あらゆる方法にて実装することが可能となる。また、後述するように、左右に延長された金属プレート３０は、透光性バルブ６０内に固定する際の取り付け部となる。
（導電体２２）

透明基板２０上と金属プレート３０とは、透明基板２０上に予め形成された導電体２２を介して溶接される。導電体２２の塗布面積は、透明基板２０と金属プレート３０との接合面より広い、もしくは小さいことが好ましい。つまり、接合面と合金膜面との形状が異なっていることが好ましく、これにより溶接後の透明基板２０に発生する残留応力を小さくすることができ、信頼性の高い発光装置を得ることができる。特に、透明基板２０と金属プレート３０との接合面より広い場合、接合強度を保ちつつ上記残留応力を低下させることができ、好ましい。導電体２２は、透明基板２０と金属プレート３０との熱膨張差を緩和することが可能で熱伝導性を有するものが好ましく、具体的にはタングステンやモリブデン、およびこれらの少なくとも１種と銅との複合材料を用いることが好ましい。導電体２２は、印刷にて形成することが好ましい。

また、透明基板２０の表面において、一対の導電体２２の占有率は、２０％〜５０％であることが好ましい。５０％より大きい場合、光の取り出し効率が低下する他、透明基板２０と一対の導電体２２の接合時の残留応力が大きくなる。２０％より小さい場合、透明基板２０と一対の導電体との接合強度を得ることができない。また、一対の導電体２２の内部接合用端子部の厚みは、透明基板２０の厚みの２０％〜５０％であることが好ましく、２０％より薄い場合、透明基板２０と一対の導電体の接合時の残留応力が大きくなり、５０％より厚い場合、透明基板２０と一対の導電体との接合強度を得ることが困難となる。

なお、これら発光素子１０と透明基板２０とを接合するダイボンド部材５２、透明基板２０と導電体２２とを接合する接着材であるバインダ樹脂自体の熱伝導性を改善することで、これら接合界面での熱伝導性を維持できる。例えばバインダ樹脂に粉末状のアルミナやダイヤモンド等を混入することで、熱伝導性が向上する。
（被覆部材４６）

このようにして透明基板２０上に、発光素子１０、導電体２２が固定され、必要なワイヤ４４のボンディング等を行った後、周囲を透光性を有する樹脂等の被覆部材４６で被覆する。被覆部材４６としては耐熱、耐光性に優れたシリコーン樹脂が好適に使用できる。図１の例では、透明基板２０上の発光素子１０が、下方の透明基板２０の形状と外形がほぼ同一である矩形状のシリコーン樹脂にて覆われている。
（第二の透光性部材４０）

さらにこの上から、第二の透光性部材４０で被覆してもよい。図４に、第二の透光性部材４０で被覆した発光装置２００の断面図を示す。この図に示すように、第二の透光性部材４０の表面を球状とすれば、発光素子から発する光を球形の透光性部材で周囲に無指向に放出できる。特に第二の透光性部材４０を光学レンズとして機能させることも可能であり、これにより全方向へ均等な光を放出することが可能な発光装置が得られる。第二の透光性部材４０は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ガラス等にて形成することができる。また、第二の透光性部材４０は、トランスファー成型等によってあらゆる光学レンズ状の曲面に成型することができる。

一方、必ずしも第二の透光性部材４０を光学レンズ状あるいはその他の球状等の曲面状に形成する必要はない。例えば図５に示す発光装置３００のように、第二の透光性部材４０Ｂを矩形状に形成することもできる。矩形状であれば、成型を容易に行える利点がある。また後述するように発光装置を透光性バルブ６０内に保持する構成においては、透光性バルブ６０に光学レンズを持たせることができるので、透光性部材４０の構成を簡素化できる利点も得られる。

また、発光素子１０の周囲には、図４に示すように必要に応じて波長変換部材５０を配置できる。波長変換部材５０は、発光素子１０の発光を吸収して波長変換し、異なる光を発光することができる。このような波長変換部材５０は、蛍光体を含む樹脂層やガラス層等が好適に利用できる。例えば図５の例では、透光性部材４０の表面に、蛍光体を含む波長変換部材５０Ｂを層状にコーティングし、波長変換層を形成している。このように、光学レンズ状の曲面上に均一に波長変換層を形成することで、均一な混色が得られる。また、使用する発光素子の数や配置に応じて、波長変換層中の蛍光体の分布を偏らせることもできる。言い換えると、波長変換部材は発光素子の全周に配置する必要はなく、上面や下面といった光量が多くなる領域に重点的に配置することもできる。

また波長変換部材５０は、第二の透光性部材４０に含めることもできる。例えば図６に示す発光装置４００のように、透光性部材４０Ｃであるエポキシ樹脂中に蛍光体４８を混入することで、波長変換部材として機能させることができる。あるいは図７に示す発光装置４００Ｂのように、波長変換部材を被覆部材４６Ｂに含めることもできる。すなわち被覆部材４６Ｂを構成するシリコーン樹脂等に蛍光体４８を混入させることで、波長変換部材を兼用させ、製造工数やコストの削減といった効果が得られる。また、蛍光体４８は被覆部材４６Ｂのみならず、ダイボンド部材５２Ｂにも混入させる、もしくは透明基板２０の周囲を蛍光体層でラミネートコーティングする等によって、ＬＥＤチップの下面も含めた全面から放出される光を波長変換させることができる。あるいはまた、透光性バルブの内面に蛍光体を塗布した波長変換層を形成する構成も利用できる。
（透光性バルブ６０）

このようにして得られた発光装置５００は、単体で使用することもできるが、照明装置にセットすることで照明等として利用し易くできる。図８は、照明装置の一例として、白熱電球と同様の外形に設計された透光性バルブ６０内に、フィラメントに替わって本発明の発光装置５００を配置した状態の断面図を示している。透光性バルブ６０は、透光性のガラス等で構成された電球状の部材である。透光性バルブ６０は、内部に一対の支持リード６２が配置され、一対の支持リード６２の先端部は、発光装置の金属プレート３０の外部接続用端子部の受け口が形成されている。この例では、支持リード６２の先端部は図９の拡大斜視図に示すように、凹部６３を形成しており、この凹部６３に金属プレート３０を挿入し、ねじ止め等により固定される。ねじ止めのため、例えば図９に示すように発光装置５００の金属プレート３０にプレートねじ孔３１Ｂを開口させ、一方支持リード６２にも対応する位置にリードねじ孔６５を開口する。そして図８に示すように発光装置５００のＬＥＤチップが、発光装置５００の側面に面する姿勢で、金属プレート３０を凹部６３に挿入して位置決めし、水平方向からねじ６６をプレートねじ孔３１Ｂとリードねじ孔６５に挿入して螺合する。これによって、発光装置を確実に固定できる。また支持リード６２に凹部を設けることなく、リードねじ孔６５のみでも、ねじを直接プレートねじ孔とリードねじ孔に螺合して固定できる。さらに固定方法はねじ止めに限らず、リベットやかしめ、溶接、接着、係止、係合、嵌合など、他の手段も利用可能であることは言うまでもない。

またＬＥＤチップの上面が透光性バルブの側面を向く姿勢に固定することで、ＬＥＤチップの上面及び下面から発する光を直接外部に取り出せるという利点が得られる。すなわち、従来のＬＥＤでは一方向から光を取り出すため、反射層やリフレクタを設けており、このため指向性が強くなる傾向があり、広範囲への光放射が求められる照明用途としては不向きという問題があった。また、上記のように反射層やリフレクタにて光を全反射させて外部へ取り出すことは不可能であった。そこで、ＬＥＤチップの上面が照明装置の側面に面するような姿勢とすることで、上面及び下面からの光を直接光出力として取り出すことにより、ＬＥＤチップからの光を効率よく外部へ取り出すことができる。これによって反射板等の部材が不要となりコスト面で有利となる他、反射部材による光のロスや指向性が強くなる問題も回避できる。また、ＬＥＤチップは、上面や下面のみならず側面からも光を放射するものであり、このような発光素子の光を効率よく全面から取り出すことで、発光装置の側面周囲および上下への光出力を十分に確保することができる。

また、図１０に示すようにＬＥＤチップの上面を透光性バルブの上面側に指向させた姿勢で固定することも可能である。本実施の形態の発光装置においてＬＥＤチップは上面、下面、側面など周囲の全面から光を放出するので、発光装置をいずれの姿勢で配置しても、広範囲に光を照射できる。重要なことは、ＬＥＤチップからの光を遮る部材を極力排することであり、いわばＬＥＤチップを透光性バルブ等の発光装置内部で浮かせたような状態に近付け、ＬＥＤチップの周囲の全面から発される光を効率よく外部に取り出せる構造を採用したことであり、これによって広い範囲に照明可能な照明装置として好適に機能させることが可能となる。図１０の例では、図１１に示すように支持リード６２Ｂの先端部に凹部６３Ｂを形成しており、この凹部６３に金属プレート３０を挿入し、上方向からねじ６６による螺合等により固定される。

また透光性バルブ６０は、既存の白熱電球用のソケットに螺合可能な口金６４を設けている。口金６４の電極は、支持リード６２と接続されている。口金６４の電極に供給される電力で、パッケージ状発光装置５００の発光素子１０が駆動されるように設計することで、この発光装置を既存の白熱電球と同様に使用することができ、既存の白熱電球を使用した照明を発光素子に置き換えることが容易となる。特にＬＥＤチップ等を使用した発光装置は、白熱電球に比べて低消費電力で発熱も少なく長寿命であり、電球交換等のメンテナンスも省力化でき、省資源、省ゴミ化の要求にも適用可能な次世代照明として、極めて有用である。

さらに従来のＬＥＤ等の発光素子では、指向性が強いため広範囲に照明する用途には不適であったが、上述の通り発光素子１０を載置する透明基板２０を透光性とし、さらに発光素子１０の周囲全体をレンズ状に透光性部材４０で囲むことで、全周囲から光を取り出す構成により、広範囲に光を放出して一般照明用途にも利用可能な照明とすることが可能となった。

また、透光性バルブ６０の形状は、照明として種々のデザインが採用できる。既存の白熱電球と同様としてこれらを置換する他、専用の設計としても良いことは言うまでもない。例えば透光性バルブを円筒状としてもよい。また、この円筒状の透光性バルブの内面に波長変換部材として蛍光体層を塗布してもよい。この照明装置は、内部に配置したパッケージ状発光装置には波長変換部材を含まず、代わりに透光性バルブに波長変換部材として蛍光体を混入したコーティングを内面に塗布している。あるいは、パッケージ状発光装置と透光性バルブに、それぞれ波長変換部材を付加する構成とすることもできる。複数の蛍光体を混入する等した波長変換部材を組み合わせることで、２波長、３波長型の照明とする等、所望の発光色を得ることができる。

さらに、透光性バルブの内部を充填材で充填したり、透光性バルブ自体をモールドにより成型することもできる。モールドや充填によって、ＬＥＤチップや蛍光体を外部応力、水分および塵芥等から保護する。特に、比較的小型の照明装置においては、モールド量が少なく、重量の増加も問題とならないので、好適に利用できる。
（支持リード６２）

支持リード６２は、導電性及び熱伝導性に優れた金属製とし、例えばステンレス、鉄、銅、アルミニウム等が利用できる。また金属プレート３０と同じ部材とすることも好ましい。支持リード６２に発光装置５００を熱伝導及び導電可能に装着することで、発光装置５００に支持リード６２を介して電力が供給されるとともに、発光装置５００で発生した熱は支持リード６２に熱伝導されて放熱される。

あるいは図１２に示すように、パッケージ状発光装置６００の金属プレート３０Ｄ自体を延長し、折曲して口金６４の内部に固定する構成としてもよい。これによって、金属プレート３０Ｄを支持リードに兼用して、部品点数や製造工数を低減できる。

透光性バルブ６０の内部は、通常の空気とすることもできるが、内部を気密にして不活性ガスを封入したり、真空にすることもできる。例えば内部から酸素を排除することで、パッケージ状発光装置５００から突出した金属プレート３０が酸化して劣化する事態を抑制でき、信頼性の向上に繋がる。

一方、透光性バルブ６０内部の支持リード６２は、これで支持する発光装置５００を脱着式とすることもできる。これにより、出力の低下した発光装置を交換したり、発光色の異なるパッケージ状発光装置に交換することも可能となり、使い勝手がさらに広がる。

なお、以上のように透光性バルブに収納するパッケージ状発光装置とする場合は、発光素子を被覆する第二の透光性部材を形成する必要はない。

以上の例では、金属プレート３０をほぼ左右対称に透明基板２０に設け、ワイヤ４４でそれぞれ電気配線した構成を示したが、この構成に限られるものでない。図１等の例では発光素子１０として、下面を絶縁し、上面にｎ側電極、ｐ側電極を設けたため、２本のワイヤ４４を必要としているが、発光素子の下面を電極面（例えばｎ側電極）とし、さらに透明基板を導電性部材とすることで、上面に１本のワイヤのみで導通を得ることもできる。
（発光素子１０）

本明細書において発光素子１０とは、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子１０が利用できる。本発明の実施の形態においては、発光素子１０として波長が５５０ｎｍ以下、好ましくは４６０ｎｍ以下、さらに好ましくは４１０ｎｍ以下の発光素子１０を利用する。例えば紫外光として２５０ｎｍ〜３６５ｎｍの波長の光を発する紫外光ＬＥＤを利用できる。例えば発光素子１０として紫外光を出力するＬＥＤチップ等を利用し、波長変換部材５０で可視光に変換する構成とすることもできる。なお、本明細書においては光とは可視光、不可視光を含む意味で使用する。

ＬＥＤやＬＤを構成する各半導体層としては、種々の窒化物半導体を用いることができる。具体的には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等により成長基板上にＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の半導体を複数形成させたものが好適に用いられる。ＬＥＤは一般的には、特定の成長基板上に各半導体層を成長させて形成される。例えば成長基板として、サファイア、スピネル、ＳｉＣ、ＧａＮ、およびＧａＡｓ等公知の部材が用いることができる。サファイア等の絶縁性基板を用い、その絶縁性基板を最終的に取り除くことも可能である。

また、発光素子１０は、４２０ｎｍから４９０ｎｍの範囲において主発光ピークを変更することができる。また、発光波長は、上記範囲に限定されるものではなく、３６０〜５５０ｎｍに発光波長を有しているものを使用することができる。特に、発光装置を紫外光ＬＥＤ発光装置に適用した場合、励起光の吸収変換効率を高めることができ、透過紫外光を低減することができる。
（蛍光体）

蛍光体は、発光素子１０から放出された可視光や紫外光を他の発光波長に変換する。ここでは、吸収光の波長より長波長の光を放出する波長変換材料として蛍光体を使用し、発光素子１０の発光と蛍光体の変換光の混色により所望の光を外部に放出させる。蛍光体は透光性を備えており、例えばＬＥＤの半導体発光層から発光された光で励起されて発光する。好ましい蛍光体としては、ユーロピウムが附括されたＹＡＧ系、銀とアルミニウムによって共附括された硫化亜鉛、アルカリ土類窒化珪素蛍光体等のナイトライド系、アルカリ土類酸化窒化珪素蛍光体等のオキシナイトライド系の蛍光体が利用できる。また紫外光により励起されて所定の色の光を発生する蛍光体を用いてもよい。

これらの蛍光体は、発光素子１０の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができる他、これらの中間色である黄緑色、青緑色、橙色等に発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を種々組み合わせて使用することにより、種々の発光色を有する発光装置を製造することができる。

例えば、緑色から黄色に発光するＣａＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ、又はＳｒＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕと、蛍光体である青色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）₅（ＰＯ₄）₃Ｃｌ：Ｅｕ、赤色に発光する（Ｃａ，Ｓｒ）₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕとからなる蛍光体を使用することによって、演色性の良好な白色に発光する発光装置を提供することができる。これは、色の三源色である赤・青・緑を使用しているため、第１の蛍光体及び第２の蛍光体の配合比を変えることのみで、所望の白色光を実現することができる。

蛍光体は、平均粒径が３μｍ以上、好ましくは５μｍ〜１５μｍとする。微細な蛍光体は分級等の手段で分別し排除し、粒径が２μｍ以下の粒径の粒子は体積分布で１０％以下となるようにする。これによって発光輝度の向上を図ることができるとともに、２μｍ以下の粒径の粒子数を低減することによって光の配向方向の色度ばらつきを低減することができる。

ここで粒径は、空気透過法で得られる平均粒径を指す。具体的には、気温２５℃、湿度７０％の環境下において、１ｃｍ³分の試料を計り取り、専用の管状容器にパッキングした後、一定圧力の乾燥空気を流し、差圧から比表面積を読みとり、平均粒径に換算した値である。本発明で用いられる蛍光体の平均粒径は２μｍ〜８μｍの範囲であることが好ましく、さらに、この平均粒径値を有する蛍光体が、頻度高く含有されていることが好ましい。また、粒度分布も狭い範囲に分布していることが好ましく、特に粒径２μｍ以下の微粒子が少ないと好ましい。このように粒径及び粒度分布のバラツキが小さい蛍光体を用いることにより、より色ムラが抑制され、良好な色調を有する発光装置が得られる。
（波長変換部材５０）

以上のような蛍光体を樹脂に混入し、蛍光を含有する波長変換部材５０を構成する。波長変換部材５０を構成する蛍光含有樹脂には熱硬化性樹脂が利用できる。蛍光体は、蛍光含有樹脂中にほぼ均一の割合で混合されていることが好ましい。ただ、蛍光体が部分的に偏在するように配合することもできる。例えば、蛍光含有樹脂の外面側に蛍光体が多く含まれるよう偏在させ、発光素子１０と蛍光含有樹脂との接触面から離間させることにより、発光素子１０で発生した熱が蛍光体に伝達し難くして蛍光体の劣化を抑制できる。蛍光含有樹脂は、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることもできる。また蛍光含有樹脂中には、顔料、拡散剤等を混入することもできる。

蛍光含有樹脂は、硬化後でも軟質であることが好ましい。硬化前は、発光素子１０の周囲に蛍光含有樹脂を行き渡らせ、かつ、フリップチップ実装させる発光素子１０とリード電極とを電気的に接続する部分以外の隙間部分へ蛍光含有樹脂を浸入させるため、粘度の低い液状のものが好ましい。また蛍光含有樹脂は、接着性を有していることが好ましい。蛍光含有樹脂に接着性を持たせることにより、発光素子１０と透明基板２０との固着性を高めることができる。接着性は、常温で接着性を示すものだけでなく、蛍光含有樹脂に所定の熱と圧力を加えることにより接着するものも含む。また蛍光含有樹脂は、固着強度を高めるために温度や圧力を加えたり乾燥させたりすることもできる。
（拡散剤）

さらに、蛍光含有樹脂中に蛍光体の他に拡散剤を含有させてもよい。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。

ここで本明細書において拡散剤とは、中心粒径が１ｎｍ以上５μｍ未満のものをいう。１μｍ以上５μｍ未満の拡散剤は、発光素子１０及び蛍光体からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光体を用いることによって生じやすい色ムラを抑制することができるので、好適に使用できる。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。一方、１ｎｍ以上１μｍ未満の拡散剤は、発光素子１０からの光波長に対する干渉効果が低い反面、透明度が高く、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。
（フィラー）

さらに、蛍光含有樹脂中に蛍光体の他にフィラーを含有させてもよい。具体的な材料としては、拡散剤と同様のものが使用できる。ただ、拡散剤とフィラーとは中心粒径が異なり、本明細書においてはフィラーの中心粒径は５μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。これにより、高温下での使用においても、発光素子１０と外部電極とを電気的に接続しているワイヤ４４の断線や発光素子１０下面とパッケージの凹部底面と剥離等を防止可能な信頼性の高い発光装置とできる。さらには樹脂の流動性を長時間一定に調整することが可能となり、所望とする場所内に封止部材を形成することができ、歩留まり良く量産することが可能となる。

以上のような構成の発光装置を使用して、自由度の高い多様なデザイン設計が可能となる。例えば図１３のような形態の発光装置７００を構成でき、例えば照明として要求される機能やデザインに応じた仕様の発光装置を設計できる。図１３に示す発光装置７００は、透明基板２０の下方向のみに光学レンズ４０Ｄを設け、透明基板２０から取り出された光を発光素子１０Ｂ載置方向へ取り出すことができる。このように構成することにより、発光素子１０の多方向から取り出した光を一方向へ集光させることができ、高輝度に発光することが可能な発光装置を得ることができる。

なお、以上の例では波長変換部材５０を発光素子１０の周囲に配置する構成としたが、波長変換部材を配置せず、発光素子の光をそのまま出力する発光装置としても良い。例えば青色ＬＥＤを使用した青色の照明装置や、黄色、緑色等のＬＥＤを使用した黄色、緑色等の照明装置を得ることができる。

また以上の例では、１個のＬＥＤチップを使用した発光装置を説明したが、発光素子１０は複数利用することもできる。例えば図１４の平面図に示すように、ＬＥＤチップ１０Ｃを４個使用し、一対の金属プレート３０Ｃ同士の間で２個を直列に接続し、さらにこれを２組並列に電気接続したＬＥＤチップ１０Ｄを使用する発光装置１２００とすることで、発光出力を増加させることもできる。また図１５の平面図に示すように、フィラメントの長さ方向に、複数のＬＥＤチップ１０Ｄを配置したライン状の光源を使用することもできる。図１５の例では、１２個のＬＥＤチップ１０Ｄを水平に並べ、この内６個を一組として直列に接続し、さらにこれらの組を並列に接続している。またワイヤボンディングによる配線を容易にするため、各導電体２２Ｄから中央付近までリード領域２３を延長している。また図１６に示すように、ＬＥＤチップ１０Ｅのワイヤボンディングのための共通のリード領域２３Ｂを中央に独立して設けてもよい。

このように本実施の形態によれば、発光素子１０を利用した高性能な照明装置を得ることができる。従来の発光装置では、金属プレート３０上にＬＥＤチップを配置すると、導電体２２で下方向への光が遮られてしまうという問題があった。これに対して本実施の形態では、発光素子１０の下面発光領域を導電体２２上に直接配置しない。すなわち発光素子１０を構成するＬＥＤチップの一番広い面である上面や下面に面するようには導電体２２を配置せず、側面側に配置することで、下方向への光の取り出しを可能とした。

また一般に、発光素子１０を載置する基板は絶縁基板を使用しているため、熱伝導性が悪く、放熱性が不十分となる。さらにこのような発光素子１０をそのままガラス製バルブ中に封入すると、高温になり信頼性が低下する。そこで本実施の形態では、発光素子１０を透明基板２０上に配置し、熱伝導性及び放熱性を向上させている。さらに透明基板２０を導電性とすれば、熱伝導性が飛躍的に改善されるので、高出力の発光素子１０を安定して使用可能な高性能、高信頼性とできる。

本発明の発光装置及びその製造方法は、例えば青色発光ダイオード又は紫外線発光ダイオードを光源とする発光特性に極めて優れた白色の照明用光源、ＬＥＤデイスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。

１０、１０Ｂ…発光素子
１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ…ＬＥＤチップ
２０…透明基板
２２、２２Ｄ…導電体
２３、２３Ｂ…リード領域
３０、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ…金属プレート
３１、３１Ｂ…プレートねじ孔
４０、４０Ｂ…第二の透光性部材
４０Ｃ…透光性部材
４０Ｄ…光学レンズ
４４…ワイヤ
４６、４６Ｂ…被覆部材
４８…蛍光体
５０、５０Ｂ…波長変換部材
５２、５２Ｂ…ダイボンド部材
６０…透光性バルブ
６２、６２Ｂ…支持リード
６３、６３Ｂ…凹部
６４…口金
６５…リードねじ孔
６６…ねじ
１００、２００、３００、４００、４００Ｂ…発光装置
５００、６００、７００…パッケージ状発光装置

Claims

透明基板と、
前記透明基板上に載置され、ワイヤによって直列に接続された、サファイア基板を備える複数の発光素子と、
前記透明基板上に設けられた、前記複数の発光素子をワイヤボンディングにより配線するための共通のリード領域と、
前記透明基板に、端部が固定された金属プレートと、
前記金属プレートの一部が露出するよう、前記透明基板及び前記発光素子を被覆し、前記透明基板の外形とほぼ同一形状である被覆部材と、
前記被覆部材を上から被覆し、前記発光素子からの光を吸収して波長変換する蛍光体を含む第二の透光性部材と
を有する発光装置と、
前記発光装置の前記金属プレートを支持する支持リードと、
前記発光装置及び前記支持リードとを内包する透光性バルブと
を備えることを特徴とする照明装置。
請求項１に記載の照明装置であって、さらに
前記透光性バルブと固定された、電極を備える口金を備え、
前記口金に、前記支持リードが固定されてなることを特徴とする照明装置。
請求項１又は２に記載の照明装置であって、
前記発光素子の周囲に、前記蛍光体が配置されてなることを特徴とする照明装置。
請求項１〜３のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記複数の発光素子が前記透明基板上においてライン状に配置されてなることを特徴とする照明装置。
請求項１〜４のいずれか一に記載の照明装置であって、
隣接する発光素子が、前記ワイヤを介して電気的に接続されてなることを特徴とする照明装置。
請求項１〜５のいずれか一に記載の照明装置であって、
前記リード領域は、前記複数の発光素子を配置した方向に沿って延長されてなることを特徴とする照明装置。