JP2007165937A

JP2007165937A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007165937A
Application number: JP2007062213A
Authority: JP
Inventors: Yoji Urano; 洋二浦野; Takuya Nakatani; 卓也中谷; Yasuhiro Hidaka; 康博日高
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】ＬＥＤチップの温度上昇を抑制でき光出力の高出力化を図れる発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が一面側に搭載される導電性プレート（伝熱板）７１および当該導電性プレート７１の上記一面側に絶縁部７２を介して設けられＬＥＤチップ１０と電気的に接続される導体パターン７３，７３を有するチップ搭載部材７０と、チップ搭載部材７０を保持する金属部材である器具本体９０に対して導電性プレート７１を接合するために導電性プレート７１の他面側に配設されるシート状の接合用部材８０とを備えている。接合用部材８０として、フィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シートを採用しており、接合用部材８０が、電気絶縁性を有し且つ導電性プレート７１と器具本体９０とを熱結合させる機能を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関するものである。

従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体（蛍光顔料、蛍光染料など）とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。

また、最近の白色ＬＥＤの高出力化に伴い、白色ＬＥＤを照明用途に展開する研究開発が盛んになってきているが、上述の白色ＬＥＤを一般照明などのように比較的大きな光出力を必要とする用途に用いる場合、１つの白色ＬＥＤでは所望の光出力を得ることができないので、複数個の白色ＬＥＤを１枚の回路基板上に搭載したＬＥＤユニット（発光装置）を構成し、ＬＥＤユニット全体で所望の光出力を確保するようにしているのが一般的である（例えば、特許文献１）。

また、従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップを実装する回路基板とを備える発光装置において、ＬＥＤチップのジャンクション温度の上昇を抑制して入力電力を大きくすることで光出力の高出力化を図るために、ＬＥＤチップの発光部で発生した熱を効率良く外部に放熱させるための構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

上記特許文献２に開示された発光装置では、図１２に示すように、ＬＥＤチップ１０’を実装する回路基板２００として、金属板２０１上に絶縁樹脂層２０２を介して導体パターン２０３が形成された金属基板を採用しており、各ＬＥＤチップ１０’で発生した熱が熱伝達部材２１０を介して金属板２０１に伝熱されるようになっている。ここにおいて、各ＬＥＤチップ１０’は、ＧａＮ系化合物半導体材料からなる発光部が絶縁体であるサファイア基板からなる結晶成長用基板の一表面側に形成されたＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、回路基板２００にフリップチップ実装されており、結晶成長用基板の他表面が光取り出し面となっている。
特開２００３−５９３３２号公報特開２００３−１６８８２９号公報（段落〔００３０〕、および図６）

ところで、図１２に示した構成の発光装置を照明器具に用いる場合、ＬＥＤチップ１０’が搭載されている回路基板２００を保持する器具本体を金属製として、発光装置の回路基板２００における金属板２０１を器具本体に熱的に結合させることで発光装置の熱をより効率的に放熱させることが考えられるが、耐雷サージ性を確保するために、器具本体と回路基板２００の金属板２０１との間にシート状の絶縁層として例えばサーコン（登録商標）のようなゴムシート状の放熱シートを介在させる必要があり、各ＬＥＤチップ１０’の発光部から発光装置を保持する金属製の部材である器具本体までの熱抵抗が大きくなってしまい、各ＬＥＤチップ１０’のジャンクション温度が最大ジャンクション温度を超えないように各ＬＥＤチップ１０’への入力電力を制限する必要があり、光出力の高出力化が難しかった。

また、金属板２０１と器具本体との間に上述の放熱シートを介在させた場合には、金属板２０１と放熱シートとの密着不足により、両者の間に空隙が発生して熱抵抗が増大したり、発光装置ごとに器具本体までの熱抵抗がばらついていた。

また、上記特許文献２に開示された発光装置では、ＬＥＤチップ１０’の発光部で発生した熱をＬＥＤチップ１０’のサイズよりも小さな熱伝達部材２１０を介して金属板２０１へ伝熱させるのでＬＥＤチップ１０’から金属板２０１までの熱抵抗が比較的大きく、結晶成長用基板であるサファイア基板を金属板２０１に熱結合させるように実装した場合には、サファイア基板の熱抵抗が大きくなってしまうという不具合もあった。

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、ＬＥＤチップの温度上昇を抑制でき光出力の高出力化を図れる発光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一面側に搭載される熱伝導性材料からなる伝熱板および当該伝熱板の前記一面側に絶縁部を介して設けられＬＥＤチップと電気的に接続される導体パターンを有するチップ搭載部材と、チップ搭載部材を保持する金属部材に対して伝熱板を接合するために伝熱板の他面側に配設されてなり電気絶縁性を有し且つ伝熱板と金属部材とを熱結合させるシート状の接合用部材とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、チップ搭載部材を保持する金属部材に対して伝熱板を接合するために伝熱板の他面側に配設されてなり電気絶縁性を有し且つ伝熱板と金属部材とを熱結合させるシート状の接合用部材を備えているので、ゴムシート状の放熱シートを金属部材との間に介在させる形で配置する場合に比べて、ＬＥＤチップの発光部からチップ搭載部材を保持する金属部材までの熱抵抗を小さくできて放熱性が向上するとともに熱抵抗のばらつきを低減でき、ＬＥＤチップのジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。また、従来と同じ光出力で使用する場合には従来に比べてＬＥＤチップのジャンクション温度を低減できてＬＥＤチップの寿命が長くなるという利点がある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ＬＥＤチップは、ＳｉＣ基板もしくはＧａＮ基板からなる導電性基板の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成された発光部を備えたものであることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの結晶成長用基板の格子定数をＧａＮ系化合物半導体材料の格子定数に近づけることができ、且つ、結晶成長用基板が導電性を有するので結晶成長用基板への電極の形成が可能になる。また、結晶成長用基板としてサファイア基板を用いる場合に比べて結晶成長用基板の伝熱性が良く、結晶成長用基板の熱抵抗を低減することができるので、放熱性が向上する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記ＬＥＤチップのチップサイズよりも大きく且つ前記ＬＥＤチップと前記伝熱板との間に介在して両者の線膨張率の差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの前記導電性基板と前記伝熱板との線膨張率の差に起因して前記ＬＥＤチップが破損するのを防止することができ、信頼性を高めることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記接合用部材は、フィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シートからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記チップ搭載部材と前記接合用部材との密着不足により前記チップ搭載部材と前記接合用部材との間に空隙が発生して熱抵抗が増大したり、前記接合用部材の経年変化により前記チップ搭載部材と前記接合用部材との間に間隙が発生して熱抵抗が増大するのを防止することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記接合用部材は、前記伝熱板よりも平面サイズが大きく設定されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記接合用部材と前記伝熱板とが同じ平面サイズに形成されている場合に比べて、前記伝熱板と前記金属部材との間の沿面距離を長くすることができ、照明器具用の光源として用いる場合の耐雷サージ性を高めることができる。

請求項１の発明では、ＬＥＤチップの発光部からチップ搭載部材を保持する金属部材までの熱抵抗を小さくできて放熱性が向上するとともに熱抵抗のばらつきを低減でき、ＬＥＤチップのジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の発光装置について図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態の発光装置（ＬＥＤチップユニット）１は、照明器具の光源として用いるものであり、矩形板状のＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きな矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０が一面側に搭載される矩形板状の導電性プレート７１および当該導電性プレート７１の上記一面側に絶縁部７２を介して設けられＬＥＤチップ１０と電気的に接続される導体パターン（リードパターン）７３，７３を有するチップ搭載部材７０と、導電性プレート７１とＬＥＤチップ１０との間に介在して両者の線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０と、チップ搭載部材７０の一表面側においてＬＥＤチップ１０を囲むように配置されＬＥＤチップ１０の側面から放射された光をＬＥＤチップ１０の前方（図１における上方）へ反射させるリフレクタ（反射器）５０と、ＬＥＤチップ１０を覆う形でリフレクタ５０の前面側に取り付けられる保護カバー６０と、チップ搭載部材７０を保持する金属製の器具本体９０に対して導電性プレート７１を接合するために導電性プレート７１の他面側に配設されてなり電気絶縁性を有し且つ導電性プレート７１と器具本体９０とを熱結合させるシート状の接合用部材８０とを備えている。なお、本実施形態では、器具本体９０がチップ搭載部材７０を保持する金属部材を構成しているが、チップ搭載部材７０を保持する金属部材は器具本体９０以外でもよい。また、金属部材の材料としては、Ａｌ、Ｃｕなどの熱伝導率の高い材料を採用すればよい。また、本実施形態では、チップ搭載部材７０とリフレクタ５０と保護カバー６０とでＬＥＤチップ１０のパッケージを構成している。また、本実施形態では、導電性プレート７１が、ＬＥＤチップ１０が一表面側に搭載される熱伝導性材料からなる伝熱板を構成している。

本実施形態における照明器具は、例えばスポットライトとして用いられるものであり、支持台１００上に固定された回転基台１１０に一端部が軸ねじ１１１を用いて結合されたアーム１１２に対して器具本体９０が結合ねじ１１３を用いて結合されている。

また、本実施形態における照明器具は、図３および図４に示すように、器具本体９０の形状を一面が開口した有底筒状の形状としてあり、器具本体９０内に複数個の発光装置１が収納されている。ここで、本実施形態における照明器具は、器具本体９０の底壁９０ａに各発光装置１が接合用部材８０を介して実装され、器具本体９０の開口部分が前カバー９１により閉塞されている。前カバー９１は、円板状のガラス板からなる透光板９１ａと、透光板９１ａを保持する円環状の窓枠９１ｂとからなり、窓枠９１ｂが器具本体９０に対して取り付けられている。なお、透光板９１ａは、ガラス基板に限らず、透光性を有する材料により形成されていればよく、また、透光板９１ａに各発光装置１から放射された光の配光を制御するレンズを一体に設けてもよい。

器具本体９０内に収納された複数個の発光装置１は、複数のリード線９３（図１および図３参照）により直列接続されており、複数個の発光装置１の直列回路の両端のリード線９３が器具本体９０の底壁９０ａに貫設された挿通孔９０ｃに挿通され、図示しない電源回路から電力が供給されるようになっている。なお、電源回路としては、例えば、商用電源のような交流電源の交流出力を整流平滑するダイオードブリッジからなる整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサとを備えた構成のものを採用すればよい。また、本実施形態では、器具本体９０内の複数個の発光装置１を直列接続しているが、複数個の発光装置１の接続関係は特に限定するものではなく、例えば、並列接続するようにしてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。

ここにおいて、ＬＥＤチップ１０は、アノード電極がボンディングワイヤ１４（図１における左側のボンディングワイヤ１４）を介してチップ搭載部材７０の一方の導体パターン７３の一端部（インナリード部）に電気的に接続され、カソード電極がサブマント部材３０およびボンディングワイヤ１４（図１における右側のボンディングワイヤ１４）を介してチップ搭載部材７０の他方の導体パターン７３の一端部（インナリード部）に電気的に接続され、各導体パターン７３の他端部がそれぞれリード線９３に半田からなる接合部９５を介して電気的に接続されている。

チップ搭載部材７０は、導電性プレート７１の材料として、例えば、Ｃｕ、リン青銅などの導電性を有し熱伝導率が比較的高い材料を採用すればよく、導体パターン７３，７３の材料として、例えば、Ｃｕを採用すればよい。また、チップ搭載部材７０の絶縁部７２の材料としては、例えば、ＦＲ４のようなガラスエポキシ樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール樹脂などの絶縁性を有する樹脂を採用すればよい。ここにおいて、チップ搭載部材７０は、絶縁部７２の中央部に導電性プレート７１の一面の一部を露出させる窓孔７５が形成されており、ＬＥＤチップ１０が窓孔７５の内側に配置されたサブマウント部材３０を介して導電性プレート７１に搭載されている。なお、導電性プレート７１は、リードフレームと同様の厚みを有していればよいから、厚み寸法を上記特許文献１，２に開示された発光装置における回路基板の厚み寸法に比べて小さくすることができる。

なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも導電性プレート７１から離れた側となるように導電性プレート７１に搭載されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも導電性プレート７１に近い側となるように導電性プレート７１に搭載するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２を導電性プレート７１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２を導電性プレート７１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。

また、リフレクタ５０は、円形状に開口した枠状の形状であって、ＬＥＤチップ１０の厚み方向においてＬＥＤチップ１０から離れるに従って開口面積が大きくなる形状に形成されており、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材５５によりチップ搭載部材７０と固着されている。

リフレクタ５０の材料としては、ＬＥＤチップ１０から放射される光（ここでは、青色光）に対する反射率が比較的大きな材料（例えば、Ａｌなど）を採用すればよい。なお、固着材５５には、リフレクタ５０の開口部に対応する円形状の開口部５５ａが形成されている。また、リフレクタ５０の内側には、ＬＥＤチップ１０を封止する透明な封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂など）をポッティングすることが望ましい。

保護カバー６０は、ＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った中心線上に中心が位置するように配置されるドーム状のカバー部６２と、カバー部６２の開口部の周縁から側方に連続一体に突出したフランジ部６１とを備え、フランジ部６１におけるリフレクタ５０側の面の周部に環状の位置決めリブ６１ａが突設されており、リフレクタ５０に対して安定して位置決めすることができるようになっている。なお、保護カバー６０は、リフレクタ５０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着すればよい。

また、保護カバー６０は、シリコーンのような透光性材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、本実施形態の発光装置１は、保護カバー６０が、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を発光する色変換部を兼ねており、当該発光装置１全体として、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光との合成光からなる白色の光を出力する白色ＬＥＤを構成している。なお、保護カバー６０の材料として用いる透光性材料は、シリコーンに限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、保護カバー６０の材料として用いる透光性材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色が発光装置１の所望の発光色と同じ場合には透光性材料に蛍光体を混合する必要はない。

ところで、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、上述のように発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には下記表１から分かるように、上記特許文献２のように結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く熱抵抗が小さい。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。

また、ＬＥＤチップ１０は、上述のように、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０と導電性プレート７１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０を介して導電性プレート７１に搭載されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱を導電性プレート７１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有しており、導電性プレート７１におけるＬＥＤチップ１０側の表面の面積はＬＥＤチップにおけるチップ搭載部材７０側の表面の面積よりも十分に大きいことが望ましい。例えば、０．３〜１．０ｍｍ角のＬＥＤチップ１０から廃熱を効率良く行うためには、導電性プレート７１と接合用部材８０との接触面積を大きくし、且つ、ＬＥＤチップ１０の熱が広範囲に亘って均一に熱伝導するようにして熱抵抗を小さくすることが好ましく、導電性プレート７１におけるＬＥＤチップ１０側の表面の面積をＬＥＤチップ１０における導電性プレート７１側の表面の面積の１０倍以上とすることが望ましい。ここにおいて、サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能を有していればよく、厚み寸法を上記特許文献１，２に開示された発光装置における回路基板の厚み寸法に比べて小さくすることができるから、熱伝導率が比較的大きな材料を採用することにより、熱抵抗を小さくすることができる。

なお、本実施形態では、サブマウント部材３０の材料としてＣｕＷを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上述のように、アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して一方の導体パターン７３と電気的に接続され、カソード電極がサブマウント部材３０およびボンディングワイヤ１４を介して他方の導体パターン７３と電気的に接続されている。

サブマウント部材３０の材料はＣｕＷに限らず、例えば下記表２から分かるように、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、Ｗ、ＡｌＮ、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。ただし、サブマウント部材３０としてＡｌＮや複合ＳｉＣのような絶縁体を採用する場合には、例えば、サブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面にカソード電極と接合される適宜の電極パターンを設けておき、当該電極パターンと上記他方の導体パターン８３とをボンディングワイヤ１４を介して電気的に接続すればよい。

ここにおいて、導電性プレート７１の材料がＣｕである場合、サブマウント部材３０として、ＣｕＷもしくはＷを採用すれば、サブマウント部材３０と導電性プレート７１とを直接接合することが可能なので、例えば下記表３に示すように、サブマウント部材３０と導電性プレート７１とをろう材を用いて接合する場合に比べて、サブマウント部材３０と導電性プレート７１との接合面積を大きくできてサブマウント部材３０と導電性プレート７１との接合部の熱抵抗を低減できる。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎを用いて接合する場合には、サブマウント部材３０における接合表面にあらかじめＡｕまたはＡｇからなる金属層を形成する前処理が必要である。

また、サブマウント部材３０の材料としてＷを採用してサブマウント部材３０と導電性プレート７１とを直接接合した場合、下記表４から分かるように、サブマウント部材３０と導電性プレート７１とを銀ろうを用いて接合した場合に比べて熱伝導率が大きくなり、熱抵抗を低減できる。なお、導電性プレート７１の材料がＣｕであり、サブマウント部材３０の材料としてＡｌＮ、複合ＳｉＣなどを採用した場合には、導電性プレート７１とサブマウント部材３０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎを用いて接合する場合には、導電性プレート７１における接合表面にあらかじめＡｕまたはＡｇからなる金属層を形成する前処理が必要である。

ところで、本実施形態の発光装置１は、上述のように、チップ搭載部材７０を保持する金属製の器具本体９０に対して導電性プレート７１を接合するために導電性プレート７１の他面側に配設されてなり電気絶縁性を有し且つ導電性プレート７１と器具本体９０とを熱結合させるシート状の接合用部材８０を備えており、当該接合用部材８０を介して器具本体９０に接合されている。すなわち、本実施形態における照明器具では、各発光装置１のチップ搭載部材７０の導電性プレート７１と金属部材である器具本体９０との間にシート状の接合用部材８０が介在しており、接合用部材８０が、導電性プレート７１と器具本体９０との両者を電気的に絶縁し且つ熱結合させる機能を有している。

ここにおいて、導電性プレート７１と器具本体９０との間に従来のような放熱シートを介在させた場合には、導電性プレート７１と放熱シートとの密着不足により、両者の間に空隙が発生して熱抵抗が増大したり、発光装置１ごとに器具本体９０までの熱抵抗がばらついてしまう。

これに対して、本実施形態の発光装置１では、シート状の接合用部材８０として、シリカやアルミナなどのフィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シート（例えば、溶融シリカを高充填したエポキシ樹脂シートのような有機グリーンシート）を採用しており、電気絶縁性を有するとともに熱伝導率が高く加熱時の流動性が高く凹凸面への密着性が高いので、導電性プレート７１を金属製の器具本体９０に接合用部材８０を介して接合する（チップ搭載部材７０の導電性プレート７１と器具本体９０との間に接合用部材８０を介在させた後で接合用部材８０を加熱することで導電性プレート７１と器具本体９０とを接合する）際に接合用部材８０と導電性プレート７１および器具本体９０との間に空隙が発生するのを防止することができて、密着不足による熱抵抗の増大やばらつきの発生を防止することができ、従来のようにＬＥＤチップ１０を回路基板に実装して回路基板と器具本体９０との間にサーコン（登録商標）のようなゴムシート状の放熱シートなどを挟む場合に比べて、ＬＥＤチップ１０から器具本体９０までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上するとともに熱抵抗のばらつきが小さくなり、ＬＥＤチップ１０のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。なお、接合用部材８０に関して、例えば、器具本体９０への熱伝達のための有効接触面積を２５ｍｍ^２、接合用部材８０の厚みを０．１ｍｍとした場合、接合用部材８０の熱抵抗を１Ｋ／Ｗ以下に抑制するには、接合用部材８０の熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上である条件を満足する必要があるが、上述の溶融シリカを高充填したエポキシ樹脂シートを採用すれば、この条件を満足することもできる。

なお、ＬＥＤチップ１０と導電性プレート７１との間に介在させているサブマウント部材３０は、ＬＥＤチップ１０と導電性プレート７１との線膨張率の差が比較的小さい場合には必ずしも設ける必要はなく、ＬＥＤチップ１０と導電性プレート７１との間にサブマウント部材３０を介在させない場合の方が、ＬＥＤチップ１０と金属製の器具本体９０の底壁９０ａとの間の距離が短くなって、ＬＥＤチップ１０の発光部１２から器具本体９０までの熱抵抗をより小さくすることができ、放熱性がさらに向上するので、光出力のより一層の高出力化を図れる。

（実施形態２）
以下、本実施形態の発光装置について図５〜図１１を参照しながら説明する。

本実施形態の発光装置１の基本構成は実施形態１と略同じであり、ＬＥＤチップ１０から放射された光の配光を制御するドーム状の光学部材であってチップ搭載部材７０との間にＬＥＤチップ１０を収納する形でチップ搭載部材７０の一表面側（図５における上面側）に固着された透光性材料からなる光学部材１６０と、光学部材１６０とチップ搭載部材７０とで囲まれた空間でＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に電気的に接続された複数本（本実施形態では、４本）のボンディングワイヤ１４を封止した封止樹脂からなり透光性および弾性を有する封止部１５０と、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部１５０および光学部材１６０を透過した光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透光性材料とともに成形した成形品であってチップ搭載部材７０の上記一表面側で光学部材１６０の光出射面１６０ｂとの間に空気層１８０が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材１７０とを備えている点などが相違する。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。

また、本実施形態におけるチップ搭載部材７０は、ＬＥＤチップ１０がサブマウント部材３０を介して搭載される矩形板状の導電性プレート７１と、導電性プレート７１の一面側にポリオレフィン系の固着シート７９（図６参照）を介して固着された矩形板状のフレキシブルプリント配線板からなる配線基板７４とで構成されている。ここにおいて、チップ搭載部材７０は、配線基板７４における導電性プレート７１の一面側に絶縁性基材からなる絶縁部７２を介して設けられＬＥＤチップ１０と電気的に接続される導体パターン７３，７３を有しており、絶縁部７２の中央部に導電性プレート７１の一面の一部を露出させる窓孔７５が形成されており、ＬＥＤチップ１０が窓孔７５の内側に配置されたサブマウント部材３０を介して導電性プレート７１に搭載されている。なお、配線基板７４の絶縁部７２としては、ポリイミドフィルムを用いており、各導体パターン７３，７３は、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている。

また、配線基板７４は、導電性プレート７１側とは反対の表面側に、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する白色系の樹脂からなるレジスト層７６が積層されている。

また、本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮを採用しており、ＬＥＤチップ１０として一表面側において四隅のうちの隣り合う２箇所にアノード電極１３ａ（図７および図８（ａ）参照）が形成され、残りの２箇所にカソード電極１３ｂ（図７および図８（ａ）参照）が形成されたものを用いており、各アノード電極１３ａそれぞれがボンディングワイヤ１４を介して一方の導体パターン７３と電気的に接続され、各カソード電極１３ｂそれぞれがボンディングワイヤ１４を介して他方の導体パターン７３と電気的に接続されている。ここにおいて、配線基板７４のレジスト層７６は、窓孔７５の近傍において各導体パターン７３の２箇所が露出し、配線基板７４の周部において各導体パターン７３の１箇所が露出するようにパターニングされており、各導体パターン７３は、窓孔７５近傍において露出した２つの部位が、ボンディングワイヤ１４が接続される端子部７３ａを構成し、レジスト層７６の周部において露出した円形状の部位が外部接続用の電極部７３ｂを構成している。なお、２つの電極部７３ｂのうちＬＥＤチップ１０の各アノード電極１３ａが電気的に接続される電極部７３ｂ（図７における右側の電極部７３ｂ）には「＋」の表示が形成され、ＬＥＤチップ１０の各カソード電極１３ｂが電気的に接続される電極部７３ｂ（図７における左側の電極部７３ｂ）には「−」の表示が形成されているので、発光装置１における両電極部７３ａ，７３ｂの極性を視認することができ、誤接続を防止することができる。

ここにおいて、本実施形態では、配線基板７４における窓孔７５が矩形状であり、図８（ａ）に示すように、当該矩形状の窓孔７５の各辺の中央部近傍に端子部７３ａが設けられているが、図８（ｂ）に示すように、窓孔７５の各辺の一端近傍に端子部７３ａを設けることにより、ボンディングワイヤ１４の全長を長くすることができ、信頼性が向上する。

なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。

上述の封止部１５０の材料である封止樹脂としては、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、例えばアクリル樹脂などを用いてもよい。

光学部材１６０は、透光性材料（例えば、シリコーンなど）の成形品であってドーム状に形成されている。ここで、本実施形態では、光学部材１６０をシリコーンの成形品により構成しているので、光学部材１６０と封止部１５０との屈折率差および線膨張率差を小さくすることができる。なお、封止部１５０の材料がアクリル樹脂の場合には、光学部材１６０もアクリル樹脂により形成することが好ましい。

また、光学部材１６０は、光出射面１６０ｂが、光入射面１６０ａから入射した光を光出射面１６０ｂと上述の空気層１８０との境界で全反射させない凸曲面状に形成されており、ＬＥＤチップ１０と光軸が一致するように配置されている。したがって、ＬＥＤチップ１０から放射され光学部材１６０の光入射面１６０ａに入射された光が光出射面１６０ｂと空気層１８０との境界で全反射されることなく色変換部材１７０まで到達しやすくなり、全光束を高めることができる。なお、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部１５０および光学部材１６０および空気層１８０を伝搬して色変換部材１７０まで到達し色変換部材１７０の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材１７０を透過したりする。また、光学部材１６０は、位置によらず法線方向に沿って肉厚が一様となるように形成されている。

色変換部材１７０は、シリコーンのような透光性材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている（つまり、色変換部材１７０は、蛍光体を含有している）。したがって、本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光とが色変換部材１７０の外面１７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材１７０の材料として用いる透光性材料は、シリコーンに限らず、例えば、アクリル樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、色変換部材１７０の材料として用いる透光性材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。

ここで、色変換部材１７０は、内面１７０ａが光学部材１６０の光出射面１６０ｂに沿った形状に形成されている。したがって、光学部材１６０の光出射面１６０ｂの位置によらず法線方向における光出射面１６０ｂと色変換部材１７０の内面１７０ａとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材１７０は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。

本実施形態における発光装置１では、色変換部材１７０と光学部材１６０との間に空気層１８０が形成されているので、色変換部材１７０に外力が作用したときに色変換部材１７０が変形して光学部材１６０に当接する可能性が低くなって上記外力により色変換部材１７０に発生した応力が光学部材１６０および封止部１５０を通してＬＥＤチップ１０や各ボンディングワイヤ１４に伝達されるのを抑制でき、上記外力によるＬＥＤチップ１０の発光特性の変動や各ボンディングワイヤ１４の断線が起こりにくくなるから、信頼性が向上するという利点がある。また、色変換部材１７０と光学部材１６０との間に上記空気層１８０が形成されていることにより、外部雰囲気中の水分がＬＥＤチップ１０に到達しにくくなるという利点や、ＬＥＤチップ１０から放射され封止部１５０および光学部材１６０を通して色変換部材１７０に入射し当該色変換部材１７０中の黄色蛍光体の粒子により散乱された光のうち光学部材１６０側へ散乱されて光学部材１６０を透過する光の光量を低減できて発光装置１全体としての外部への光取り出し効率を向上できるという利点がある。

なお、本実施形態の発光装置１では、サブマウント部材３０の厚み寸法を、当該サブマウント部材３０の表面が配線基板７４の上記一表面（レジスト層７６の表面）よりも導電性プレート２１から離れるように設定してあり、ＬＥＤチップ１０から側方に放射された光が配線基板７４の窓孔７５の内周面を通して配線基板７４に吸収されるのを防止することができる。

ところで、上述の発光装置１の製造方法にあたっては、例えば、ＬＥＤチップ１０と各導体パターン７３，７３とをそれぞれ２本のボンディングワイヤ１４を介して電気的に接続した後、図７に示すようにディスペンサ４００のノズル４０１の先端部を配線基板７４の窓孔７５に連続して形成されている樹脂注入孔７８に合わせてサブマウント部材３０と配線基板７４との隙間に封止部１５０の一部となる液状の封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂）を注入してから硬化させ、その後、ドーム状の光学部材１６０の内側に上述の封止部１５０の残りの部分となる液状の封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂）を注入してから、光学部材１６０をチップ搭載部材７０における所定位置に配置して封止樹脂を硬化させることにより封止部１５０を形成するのと同時に光学部材１６０をチップ搭載部材７０に固着し、その後、色変換部材１７０をチップ搭載部材７０に固着するような製造方法が考えられるが、このような製造方法でも、製造過程において封止部１５０に気泡（ボイド）が発生する恐れがあるので、光学部材１６０に液状の封止樹脂を多めに注入する必要がある。しかしながら、このような製造方法を採用した場合、光学部材１６０をチップ搭載部材７０における上記所定位置に配置する際に液状の封止樹脂の一部が光学部材１６０とチップ搭載部材７０とで囲まれる空間から溢れ出てレジスト層７６の表面上に広がってしまい、当該溢れ出た封止樹脂からなる不要部での光吸収や当該不要部の凹凸に起因した光の乱反射などにより、発光装置１全体としての光取り出し効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態の発光装置１では、チップ搭載部材７０の上記一表面において光学部材１６０のリング状の端縁に重なる部位と色変換部材１７０のリング状の端縁に重なる部位との間に、光学部材１６０とチップ搭載部材７０とで囲まれる空間から溢れ出た封止樹脂を溜める複数の樹脂溜め用穴７７を光学部材１６０の外周方向に離間して形成してある。ここで、樹脂溜め用穴７７は、配線基板７４に形成した貫通孔７７ａと導電性プレート７１において貫通孔７７ａに対応する部位に形成された凹部７７ｂとで構成されている。また、本実施形態の発光装置１は、チップ搭載部材７０の上記一表面側において光学部材１６０のリング状の端縁に重なる部位と色変換部材１７０のリング状の端縁と重なる部位との間に配置されて各樹脂溜め用穴７７を覆うリング状の光吸収防止用基板４０を備えており、各樹脂溜め用穴７７内に溜まって硬化した封止樹脂からなる樹脂部による光吸収を、光吸収防止用基板４０によって防止することができる。ここにおいて、光吸収防止用基板４０は、チップ搭載部材７０側とは反対の表面側にＬＥＤチップ１０や色変換部材１７０などからの光を反射する白色系のレジスト層が設けられているので、上記光の吸収を防止することができる。なお、光吸収防止用基板４０は、光学部材１６０をチップ搭載部材７０における所定位置に配置する際に溢れ出た封止樹脂が各樹脂溜め用穴７７内に充填された後で、チップ搭載部材７０の上記一表面側に載置すればよく、その後で封止樹脂を硬化させる際に封止樹脂によりチップ搭載部材７０に固着されることとなる。ここで、リング状の光吸収防止用基板４０には、各樹脂溜め用穴７７の微小領域を露出させる複数の切欠部４２が形成されており、樹脂溜め用穴７７内の封止樹脂を硬化させる際にボイドが発生するのを防止することができる。

以上説明した本実施形態の発光装置１では、実施形態１と同様に、チップ搭載部材７０を保持する金属部材である器具本体９０に対して導電性プレート７１を接合するために導電性プレート７１の他面側に配設されてなり電気絶縁性を有し且つ導電性プレート７１と器具本体９０とを熱結合させるシート状の接合用部材８０を備えているので、ゴムシート状の放熱シートを器具本体９０との間に介在させる形で配置する場合に比べて、ＬＥＤチップ１０の発光部からチップ搭載部材を保持する金属部材までの熱抵抗を小さくできて放熱性が向上するとともに熱抵抗のばらつきを低減でき、ＬＥＤチップのジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。

また、本実施形態の発光装置１では、接合用部材８０の平面サイズを導電性プレート７１の平面サイズよりも大きく設定してあるので、接合用部材８０と導電性プレート７１とが同じ平面サイズに形成されている場合に比べて、導電性プレート７１と金属部材である器具本体９０との間の沿面距離を長くすることができ、照明器具用の光源として用いる場合の耐雷サージ性を高めることができる（ただし、一般的に屋内用の照明器具と屋外用の照明器具とで要求される発光装置と金属部材との沿面距離は異なり、屋外用の照明器具の方がより長い沿面距離を要求される）。ここにおいて、シート状の接合用部材８０の厚みについては、耐雷サージ性の要求耐圧に応じて厚みを設計する必要があるが、熱抵抗を低減する観点からはより薄く設定することが望ましい。したがって、接合用部材８０に関しては、厚みを設定した上で、沿面距離の要求を満足できるように平面サイズを設定すればよい。

ところで、実施形態１で説明した照明器具では、各発光装置１をリード線９３（図１および図４参照）により適宜接続してあるが、本実施形態における照明器具は、図１０および図１１に示すように、各発光装置１の接続関係を規定する配線パターン３０２が絶縁性基材３０１の一表面側に形成された回路基板３００を備えている。なお、本実施形態では、複数の発光装置１を直列接続しているが、複数の発光装置１の接続関係は特に限定するものではなく、例えば、並列接続するようにしてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。

回路基板３００は、器具本体９０内において当該器具本体９０の底壁９０ａから離間して配置されるものであり、各発光装置１それぞれに対応する部位に各発光装置１の一部を通す開孔窓３０４が形成されている。なお、回路基板３００の絶縁性基材３０１の材料としては、例えば、ＦＲ４のようなガラスエポキシ樹脂を採用すればよいが、ガラスエポキシ樹脂に限らず、例えば、ポリイミド系樹脂、フェノール樹脂などでもよい。

上述の回路基板３００は、器具本体９０の底壁９０ａに貫設されている挿通孔９０ｃに挿通された給電用のリード線が挿通される電線挿通孔３０６が貫設されており、電線挿通孔３０６に挿通された一対の電線が電気的に接続されるようになっている。また、回路基板３００は、器具本体９０の底壁９０ａ側とは反対の表面側に白色系のレジスト層からなる光反射層３０３が形成されており、配線パターン３０２の大部分が光反射層３０３により覆われている。

また、回路基板３００は、各開口窓３０４の開口サイズが発光装置１におけるチップ搭載部材７０の平面サイズよりもやや大きく設定されている。ここにおいて、本実施形態の発光装置１では、チップ搭載部材７０の平面視における四隅に面取り部を形成して丸みをもたせてあるが、各電極部７３ｂ近傍の面取り部（図７における左右の面取り部）に比べて残りの２つの面取り部（図７における上下の面取り部）の曲率半径を大きくしてあるので、回路基板３００の上記一表面側において配線パターン３０２の形成可能な領域の面積を大きくすることができる。なお、回路基板３００には、発光装置１のＬＥＤチップ１０へ過電圧が印加されるのを防止するために、過電圧防止用の表面実装型のツェナダイオード３３１（図１１参照）および表面実装型のセラミックコンデンサ３３２（図１１参照）が各開口窓３０４の近傍で実装されている。

ところで、本実施形態の発光装置１は、チップ搭載部材７０の各電極部７３ｂが端子板３１０を介して回路基板３００の配線パターン３０２と電気的に接続されている。ここにおいて、端子板３１０は、細長の金属板の一端部をＬ字状に曲成することにより配線パターン３０２に厚み方向が重なる形で接合される端子片３１１を形成するとともに、他端部をＪ字状に曲成することにより電極部７３ｂに厚み方向が一致する形で接合される端子片３１２を形成したものであり、器具本体９０と回路基板３００との線膨張率差に起因して接続端子３１０と電極部７３ｂおよび配線パターン３０２それぞれとの接合部に発生する応力を緩和可能となっており、各発光装置１と回路基板３００との間の接続信頼性を高めることができる。

なお、上述の各実施形態では、各発光装置１それぞれが接合用部材８０を備えているが、接合用部材８０の平面サイズを大きくして、１枚の接合用部材８０を複数個の発光装置１で共用してもよい。

実施形態１の発光装置を照明器具の器具本体に実装した状態の要部概略断面図である。同上における発光装置の概略分解斜視図である。同上における照明器具の一部破断した概略側面図である。同上における照明器具の要部概略斜視図である。実施形態２の発光装置の概略断面図である。同上の発光装置を用いた照明器具の要部概略分解斜視図である。同上の発光装置の製造方法の説明図である。同上の発光装置の要部説明図である。同上の発光装置の概略分解斜視図である。同上の発光装置を用いた照明器具の要部概略分解斜視図である。同上の発光装置を用いた照明器具の要部概略斜視図である。従来例を示す発光装置（ＬＥＤユニット）の概略断面図である。

符号の説明

１発光装置
１０ＬＥＤチップ
１１導電性基板
１２発光部
３０サブマウント部材
７０チップ搭載部材
７１導電性プレート（伝熱板）
７２絶縁部
７３導体パターン
８０接合用部材
９０器具本体（金属部材）

Claims

ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一面側に搭載される熱伝導性材料からなる伝熱板および当該伝熱板の前記一面側に絶縁部を介して設けられＬＥＤチップと電気的に接続される導体パターンを有するチップ搭載部材と、チップ搭載部材を保持する金属部材に対して伝熱板を接合するために伝熱板の他面側に配設されてなり電気絶縁性を有し且つ伝熱板と金属部材とを熱結合させるシート状の接合用部材とを備えることを特徴とする発光装置。
前記ＬＥＤチップは、ＳｉＣ基板もしくはＧａＮ基板からなる導電性基板の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成された発光部を備えたものであることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
前記ＬＥＤチップのチップサイズよりも大きく且つ前記ＬＥＤチップと前記伝熱板との間に介在して両者の線膨張率の差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。
前記接合用部材は、フィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シートからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記接合用部材は、前記伝熱板よりも平面サイズが大きく設定されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。