発光装置および照明装置
【課題】半導体発光素子の点灯及び消灯を繰り返しても半導体発光素子が基板から剥離することを抑制することができる発光装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】本実施形態の発光モジュール６のダイボンド材３９は、発光ダイオード３７を実装後のマルテンス硬さが８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％〜２０％の各範囲内となるように設けた。
【解決手段】本実施形態の発光モジュール６のダイボンド材３９は、発光ダイオード３７を実装後のマルテンス硬さが８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％〜２０％の各範囲内となるように設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、半導体発光素子を用いた発光装置およびこの発光装置を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表面側に樹脂層を有する金属ベース基板や絶縁性の基板の一面に半導体発光素子である発光ダイオード列を複数並設するとともに、蛍光体が混ぜられたシリコーン樹脂等の透光性封止樹脂を充填して、この封止樹脂で各チップ列を埋設したＣＯＢ（chip on board）型の発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この発光装置で発光ダイオード列の夫々は、例えば一対の素子電極を有した複数の発光ダイオードを、反射層上に透光性のダイボンド材によって接着して列をなして設けられるとともに、列が延びる方向に隣接された発光ダイオードの素子電極にボンディングワイヤの両端をワイヤボンディングにより接合して、各発光ダイオードを直列接続して形成されている。そして、各発光ダイオードは例えば青色の光を発するものであり、この青色の光で励起されて黄色の光を放射する蛍光体が封止樹脂に混ぜられている。このため、発光装置は、黄色の光と青色の光が混じることにより形成される白色の光で照明をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７７５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の発光装置では、光出力がより高いものが求められている。そこで、光出力を高める方法としては、より多くの発光ダイオードを実装する方法や発光ダイオードに供給する電流を高める方法等が考えられる。しかしながら、いずれの方法であっても、複数の発光ダイオードを反射層上に実装しているため、基板を構成する他の部材に対して複数の発光ダイオードから生じる熱影響が高くなる傾向になる。特に発光ダイオードが点灯から消灯した際又は消灯から点灯した際において、発光ダイオードの点灯時に生じる発熱に起因した熱収縮によって基板及び基板を構成する部材への負荷が掛かることになる。そして、このような熱収縮が生じると発光ダイオードを接着しているダイボンド材に各部材の熱収縮による応力負荷が掛かることになり発光ダイオードが剥離してしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、半導体発光素子の点灯及び消灯を繰り返しても半導体発光素子が基板から剥離することを抑制することができる発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の発光装置は、基板と、基板の一面側に設けられた光反射面と、光反射面に設けられる複数の半導体発光素子と、光反射面と半導体発光素子との間に設けられて半導体発光素子を光反射面上に接着して固定するダイボンド材であって、このダイボンド材は、主としてシリコーン樹脂から形成されており、半導体発光素子を実装後のマルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％から２０％の各範囲内であるダイボンド材と、光反射層及び半導体発光素子を覆うように設けられる透光性の封止材とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本実施形態によれば、半導体発光素子の点灯又は消灯した場合であってもダイボンド材が剥離することを抑制できる発光装置電およびこの発光装置を用いた照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係るＬＥＤ電球の斜視図
【図２】実施の形態に係る発光モジュールの平面図
【図３】実施の形態に係る発光モジュールの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態に係る発光装置は、半導体発光素子を実装するダイボンド材は、主としてシリコーン樹脂から形成されており、半導体発光素子を実装後のマルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％から２０％の各範囲内となっているものである。
【００１１】
ここで、本実施形態における光反射面とは、発光素子から基板の方向に放出された光を反射させて、光を発光装置の外に効率よく取り出すためのものである。光反射面は、複数
【００１２】
の発光素子を実装できる大きさとするとよい。光反射層は、単層でもよいし多層でもよいものであり、例えば銀、金等の金属やセラミック塗料等の高反射率の材料で形成されていればよい。また、光反射層は、例えば高反射率の基板と一体で形成されているものであってもよく、この場合は、セラミック基板等の絶縁性を有する基材が好適である。さらに、封止材としては例えば透明なシリコーン樹脂を用いることが望ましい。封止材は、シリコーン樹脂に限らず、その他の透光性樹脂材料を用いることができる。
【００１３】
また、他の実施形態に係る照明装置は、照明装置とは例えば白熱電球と類似した形状を有するＬＥＤ電球あるいはスポットライトのような照明用構造体のことであり、発光装置を光源としているものである。
【００１４】
以下、第1実施形態１照明装置について、図１ないし図３に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、照明装置の一例であるＬＥＤ電球１を開示している。ＬＥＤ電球１は、電球本体２、透光性カバー３、Ｅ２６型の口金４、点灯装置５およびＣＯＢ(chip on board)型の発光モジュール６を備えている。
【００１６】
電球本体２は、例えばアルミニウムのような金属材料で構成されている。電球本体２は、一端にフラットな図示しない支持面を有する筒形である。また、電球本体２は、複数の放熱フィン１２を有している。放熱フィン１２は、電球本体２の外周面から放射状に突出されているとともに、電球本体２の他端から一端の方向に進むに従い電球本体２の径方向に沿う外側に向けて張り出している。
【００１７】
透光性カバー３は、例えば乳白色の合成樹脂材料を用いて略半球形に形成されている。透光性カバー３は、電球本体２の支持面７に向けて開口する開口縁部１３を有している。透光性カバー３は、開口縁部１３を支持壁８の内側に嵌め込むことで電球本体２に結合されて、電球本体２の支持面を覆っている。そして、発光装置である発光モジュール６は、電球本体２の支持面に取り付けられて、透光性カバー３により覆われている。
【００１８】
図２および図３に示すように、発光モジュール６は、モジュール基板２５を備えている。モジュール基板２５は、四つの角部を有する矩形状である。モジュール基板２５は、角部の付近に四つの切り欠き２５ａを有している。
【００１９】
図３に示すように、モジュール基板２５は、金属製のベース２６と絶縁層２７とで構成されている。ベース２６は、例えばアルミニウム又はその合金で形成されている。ベース２６は、第１の面２６ａと第２の面２６ｂとを有している。第２の面２６ｂは、第１の面２６ａの反対側に位置されて、ベース２６の表面を構成している。第２の面２６ｂは、例えば顕微鏡下で見た時に多数の微細な凹凸を有する粗面となっている。
【００２０】
絶縁層２７は、ベース２６の第２の面２６ｂの上に積層されて、第２の面２６ｂを全面的に覆っている。絶縁層２７は、グリシジルエステル系、線状脂肪族エポキサイド系または脂環族エポキサイド系のエポキシ樹脂で構成されている。
【００２１】
モジュール基板２５は、電球本体２の支持面７の中央部に四本のねじ（図示せず）で固定されている。ねじは、モジュール基板２５の切り欠き２５ａを貫通して電球本体２にねじ込まれている。このねじ込みにより、ベース２６の第１の面２６ａが支持面７に密着されて、モジュール基板２５が電球本体２に熱的に接続されている。
【００２２】
また、図２および図３に示すように、光反射層２８、第１の給電導体２９および第２の給電導体３０がモジュール基板２５の絶縁層２７の上に積層されている。光反射層２８は、四つの辺を有する矩形状であり、絶縁層２７の中央部に位置されている。
【００２３】
光反射層２８は、例えば三種類の金属層を組み合わせた三層構造を採用している。具体的には、光反射層２８は、互いに積層された銅層Ｃ、ニッケル層Ｎおよび銀層Ａで構成されている。銅層Ｃは、絶縁層２７の上に積層された銅箔をエッチングすることにより形成されている。ニッケル層Ｎは、銅層Ｃの上に積層されている。ニッケル層Ｎは、銅層Ｃに無電解めっきを施すことにより形成されている。銀層Ａは、ニッケル層Ｎの上に積層されている。銀層Ａは、ニッケル層Ｎに無電解めっきを施すことにより形成されている。銀層Ａは、光反射層２８の表層を構成している。
【００２４】
そのため、光反射層２８の表面は、銀製の光反射面３２となっている。光反射面３２の光反射率は、絶縁層の光反射率よりも高い。光反射面３２の全光線反射率は、たとえば９０．０％である。
【００２５】
光反射面３２の下地となる銅層Ｃは、絶縁層２７に接する合面３３を有している。合面３３は、例えば顕微鏡下で見た時に多数の微細な凹凸を有する粗面となっている。そのため、銅層Ｃの基となる銅箔を絶縁層２７の上に積層した状態では、絶縁層２７が合面３３の上に存在する微細な凹凸に食い込むような形態となる。なお、光反射層２８は、三層構造に限らない。例えば、光反射層２８は、銀の単層でもよいし、下地となる銅層の上に銀層を積層した二層構造としてもよい。また、必ずしも本実施形態のようにベース２６と別体で設けられるものでなくてもよい。
【００２６】
第１および第２の給電導体２９，３０は、夫々光反射層２８の一辺に沿って延びる細長い長方形状であるとともに、互いに同じ大きさを有している。第１および第２の給電導体２９，３０は、光反射層２８と同様に、銅層Ｃ、ニッケル層Ｎおよび銀層Ａを有する三層構造であり、夫々の表層が銀により構成されている。
【００２７】
さらに、第１および第２の給電導体２９，３０は、光反射層２８を挟むように互いに間隔を存して平行に配置されている。光反射層２８と第１および第２の給電導体２９，３０とは、夫々隙間３４ａ，３４ｂにより電気的に隔てられている。隙間３４ａ，３４ｂは、光反射層２８と第１および第２の給電導体２９，３０との間に位置されている。
【００２８】
複数の発光ダイオード列３６は、光反射層２８の光反射面３２の上に実装されている。この発光ダイオード列３６は、第１および第２の給電導体２９，３０と直交する方向に直線状に延びているとともに、互いに間隔を存して平行に配列されている。
【００２９】
各発光ダイオード列３６は、複数の半導体発光素子である発光ダイオード３７と複数の第１のボンディングワイヤー３８とを備えている。発光ダイオード３７は、例えば青色の光を発する発光層３７ａを有するベアチップで構成されている。発光ダイオード３７は、平面的に見た時の形状が長方形であり、例えば長辺の長さが０．５ｍｍ、短辺の長さが０．２５ｍｍである。発光ダイオード３７は、発光層３７ａの上に一対の素子電極３７ｂを有している。素子電極３７ｂは、図３に一方のみが示されている。
【００３０】
さらに、発光ダイオード３７は、発光ダイオード列３６毎に第１および第２の給電導体２９，３０と直交する方向に間隔を存して一列に並んでいる。この結果、図２に示すように、数多くの発光ダイオード３７は、光反射面３２の広範囲に亘るようにマトリクス状に規則的に配列されている。
【００３１】
言い換えると、光反射面３２は、全ての発光ダイオード３７を一括して接着し得る大きさを有している。そのため、光反射面３２は、隣り合う発光ダイード３７の間で途切れることなく連続している。この結果、光反射面３２の下の絶縁層２７が隣り合う発光ダイード３７の間から露出することはない。
【００３２】
また、発光ダイオード３７は、夫々透光性のダイボンド材３９を用いて光反射面３２の上に接着されている。そして、このダイボンド材３９は、主としてシリコーン樹脂からなるものであり、耐熱性、耐光性及び透光性が高いものである。このため、発光ダイオード３７の長時間の点灯によっても熱や光による劣化が抑制されるとともに、発光ダイオード３７からの光を透過して光反射面３２で反射するように作用し、光取り出し効率が向上するものである。
【００３３】
第１のボンディングワイヤー３８は、発光ダイオード列３６が延びる方向に隣り合う発光ダイオード３７の間を電気的に直列に接続している。具体的には、第１のボンディングワイヤー３８は、隣り合う発光ダイオード３７の互いに異なる極性の素子電極３７ｂの間を接続するように、隣り合う発光ダイオード３７の間に跨っている。
【００３４】
各発光ダイオード列３６の一端は、第２のボンディグワイヤー４０ａを介して第１の給電導体２９に電気的に接続されている。同様に、各発光ダイオード列３６の他端は、第３のボンディングワイヤー４０ｂを介して第２の給電導体３０に電気的に接続されている。そのため、複数の発光ダイオード列３６は、第１および第２の給電導体２９，３０に対し電気的に並列に接続されている。
【００３５】
図２に示すように、一対の給電端子４２ａ，４２ｂがモジュール基板２５の絶縁層２７の上に配置されている。給電端子４２ａ，４２ｂは、光反射面３２から外れた位置に設けられている。一方の給電端子４２ａは、図示しない導体パターンを介して第１の給電導体２９に電気的に接続されている。他方の給電端子４２ｂは、図示しない導体パターンを介して第２の給電導体３０に電気的に接続されている。そして、コネクタ４３が給電端子４２ａ，４２ｂにリフロー半田付けされている。
【００３６】
図２および図３に示すように、枠体４５は、絶縁層２７の上に固定されている。この枠体４５は、例えば合成樹脂のような絶縁材で構成されて、光反射層２８、第１および第２の給電導体２９，３０を一括して取り囲んでいる。言い換えると、発光素子３７、第１ないし第３のボンディングワイヤー３８，４０ａ，４０ｂは、枠体４５で囲まれた四角い領域に収容されている。
【００３７】
封止材４６が枠体４５で囲まれた領域に充填されている。封止材４６は、例えば透明な
【００３８】
シリコーン樹脂のような光透過性を有する樹脂材料により構成されている。樹脂材料は、
【００３９】
液状の状態で枠体４５が取り囲む領域に注入される。
【００４０】
この結果、封止材４６は、光反射層２８、第１の給電端子２９、第２の給電端子３０、発光ダイオード３７、第１ないし第３のボンディングワイヤー３８，４０ａ，４０ｂを覆うよう絶縁層２７の上に積層されている。このため、封止材４６は、枠体４５で囲まれた領域に露出された絶縁層２７の一部を連続して覆っている。
【００４１】
本実施形態では、蛍光体が封止材４６に混ぜられている。蛍光体は、封止材４６の中に均等に分散されている。蛍光体としては、発光ダイオード３７が発する青色の光により励起されて黄色の光を放射する黄色蛍光体を用いている。なお、封止材４６に混ぜる蛍光体は、黄色蛍光体に限らない。
【００４２】
このようなＬＥＤ電球１では、点灯装置を通じて発光モジュール６に電圧が印加される。この結果、光反射層２８の上の発光ダイオード３７が一斉に発光する。発光ダイオード３７が発する青色の光は、封止材４６に入射される。封止材４６に入射された青色の光の一部は黄色蛍光体に吸収される。残りの青色の光は、黄色蛍光体に当たることなく封止材４６を透過する。
【００４３】
青色の光を吸収した黄色蛍光体は、励起されて黄色の光を発する。黄色の光は、封止材４６を透過する。この結果、黄色の光と青色の光が封止材４６の内部で互いに混じり合って白色光となる。したがって、枠体４５で囲まれた領域に充填された封止材４６が面状に光る発光部として機能する。
【００４４】
発光ダイオード３７からモジュール基板２５に向かう光は、光反射層２８の光反射面３２、第１および第２の給電導体２９，３０の表面で反射されて透光性カバー３に向かう。この結果、発光ダイオード３７が発する光の多くが透光性カバー３を透過して照明用途に供される。
【００４５】
発光ダイオード３７の発光時に生じる熱は、ダイボンド材３９を介して三種の金属を組み合せた光反射層２８に伝わる。光反射層２８は、発光ダイオード３７の熱を広範囲に亘って拡散させるヒートスプレッダとしての機能を果たす。さらに、光反射層２８で拡散された発光ダイオード３７の熱は、絶縁層２７を介して金属製のベース２６に伝わるとともに、ベース２６から電球本体２の支持面７に伝わる。電球本体２に伝達された熱は、放熱フィン１２からＬＥＤ電球１の外に放出される。
【００４６】
この結果、発光ダイオード３７の熱をモジュール基板２５から積極的に電球本体２に逃すことができる。よって、発光ダイオード３７の放熱性を高めて、発光ダイオード３７の発光効率を良好に維持することができる。
【００４７】
次に、本実施形態におけるダイボンド材３９の特性（マルテンス固さ、クリープ率、弾性率）について説明する。
【００４８】
マルテンス硬さは、ＩＳＯ１４５７７−１
Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and materials
parameters Part1:Test method「金属材料―硬さのためのインデンテーション試験テストと材料パラメータ」で規定されている測定方法で得られる物性値である。そして、この物性値は、荷重と、当該押し込み深さとを用いて計算した。
【００４９】
そして、発光ダイオード３７を光反射面２８に実装した後（硬化後）のダイボンド材３９のマルテンス硬さについて検討した結果、マルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２の範囲内であることが好ましいことが分かった。
【００５０】
また、クリープ率（押し込みクリープ率とも言う）は、ある一定時間荷重を一定にした場合における深度（くぼみ深さ）の変化率であり、クリープ率をＣとすると、以下の（１）式で表される。
【００５１】
Ｃ＝（（ｈ２−ｈ１）／ｈ１）×１００・・・（１）
【００５２】
（１）式のｈ１は設定試験荷重に達した時の深度、ｈ２は設定試験荷重を保持している時の深度である。
【００５３】
そして、発光ダイオード３７を光反射面２８に実装した後（硬化後）のダイボンド材３９のクリープ率について検討した結果、クリープ率は２〜４％の範囲内であることが好ましいことが分かった。
【００５４】
また、弾性率は、変形のしにくさを表す物性値であり、弾性変化内での、応力とひずみの間の比例定数である。そして、発光ダイオード３７を光反射面２８に実装した後（硬化後）のダイボンド材３９の弾性率について検討した結果、弾性率は１５〜２０％の範囲内であることが好ましいことが分かった。
【００５５】
そして、ダイボンド材３９のマルテンス硬さが８００Ｎ／ｍｍ２未満、クリープ率２％未満及び弾性率１５％未満となると、硬化後においても十分な接着強度が得られない状態となる。また、マルテンス硬さが１０００Ｎ／ｍｍ２より大きく、クリープ率が４％よりも大きくそして弾性率が２０％よりも大きくなると、硬化後の硬度が高くなりすぎて発光ダイオード３７が点灯状態から消灯状態へ移行した場合又は消灯状態から点灯状態に移行した場合に光反射層２８やベース２６の収縮に追従できなくなりダイボンド材３９が光反射面２８から剥離をしてしまいやすくなり、実使用において好適ではない。
【実施例】
【００５６】
次に、実施形態に係るダイボンド材の具体的実施例及びその評価結果について記載する。各実施例１〜２及び各比較例１〜２のマルテンス硬さ、クリープ率及び弾性率は、一般的な硬度測定機を用いて室温で測定したものであり、結果を以下の表１に示す。なお、測定条件は、発光ダイオード３７をダイボンド材３９によって光反射面２８に実装した状態によって、ヒートサイクル試験を実施したものであり、これにより発光ダイオード３７の剥離度合いについて検証を実施した。なお、ヒートサイクル試験の条件は、温度域を−２０度〜８０度の範囲で可変するサイクル時間を２ｍｉｎとし、このサイクルを所定回数繰り返すものである。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１から分かるようにマルテンス硬さが８５０Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が２％及び弾性率が１５％である実施例１と、マルテンス硬さが９５０Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が３％及び弾性率が２０％である実施例２の発光モジュールであればヒートサイクル試験を実施しても発光モジュールの剥離が無いものであった。
【００５９】
一方、マルテンス硬さが５００Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が１％及び弾性率が１０％である比較例１では、硬度が確保できないため発光ダイオードの固着力が弱く、ヒートサイクル試験中に多くの発光ダイオードが剥離する状態が見られ好適ではなかった。また、マルテンス硬さが１１００Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が５％及び弾性率が３０％である比較例２では、硬度が高すぎることによってヒートサイクル試験中に比較例１よりは割合は低いが、多くの発光ダイオードが剥離する状態が見られるため好適ではなかった。
【００６０】
そして、本実施例によれば、発光ダイオード３７を実装後におけるダイボンド材３９の特性である実施例１、２においては、ベース２６に設けられた金属性の光反射層２８に複数の発光ダイオード３７を実装して点灯消灯を繰り返した場合であっても、発光ダイオード３７の点灯時に生じる発熱の影響によって生じるベース２６及び光反射層２８の熱収縮にダイボンド材３９が十分に追従する、又はベース２６及び光反射層２８で熱収縮が生じてもダイボンド材３９が十分な耐力を有するものである。したがって、複数の発光ダイオード３７を特に高密度に実装しても発光ダイオード３７が光反射層２８から剥離することがない。このことは、発光ダイオード３７が点灯時に生じる熱がダイボンド材を介して光反射層２８に伝熱されることによって放熱効果を高めて発光効率を維持ないし向上する作用を経年において確保することができるため、放熱作用が低下することに起因する経年時における光出力の低下を抑制することができる。これにより、信頼性の高い発光モジュール６にすることができる。
【００６１】
そして、本実施例及び各実施例の照明装置によれば、発光モジュールからの光を長期に亘り効率よく取り出すことができ、照明装置の光束の低下を最小限に止めるといった優位性を期待できる。
【００６２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
1…照明装置であるＬＥＤ電球、6…発光装置である発光モジュール、25…基板であるモジュール基板、37…半導体発光素子である発光ダイオード、39…ダイボンド材、46…封止材
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、半導体発光素子を用いた発光装置およびこの発光装置を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表面側に樹脂層を有する金属ベース基板や絶縁性の基板の一面に半導体発光素子である発光ダイオード列を複数並設するとともに、蛍光体が混ぜられたシリコーン樹脂等の透光性封止樹脂を充填して、この封止樹脂で各チップ列を埋設したＣＯＢ（chip on board）型の発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この発光装置で発光ダイオード列の夫々は、例えば一対の素子電極を有した複数の発光ダイオードを、反射層上に透光性のダイボンド材によって接着して列をなして設けられるとともに、列が延びる方向に隣接された発光ダイオードの素子電極にボンディングワイヤの両端をワイヤボンディングにより接合して、各発光ダイオードを直列接続して形成されている。そして、各発光ダイオードは例えば青色の光を発するものであり、この青色の光で励起されて黄色の光を放射する蛍光体が封止樹脂に混ぜられている。このため、発光装置は、黄色の光と青色の光が混じることにより形成される白色の光で照明をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７７５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の発光装置では、光出力がより高いものが求められている。そこで、光出力を高める方法としては、より多くの発光ダイオードを実装する方法や発光ダイオードに供給する電流を高める方法等が考えられる。しかしながら、いずれの方法であっても、複数の発光ダイオードを反射層上に実装しているため、基板を構成する他の部材に対して複数の発光ダイオードから生じる熱影響が高くなる傾向になる。特に発光ダイオードが点灯から消灯した際又は消灯から点灯した際において、発光ダイオードの点灯時に生じる発熱に起因した熱収縮によって基板及び基板を構成する部材への負荷が掛かることになる。そして、このような熱収縮が生じると発光ダイオードを接着しているダイボンド材に各部材の熱収縮による応力負荷が掛かることになり発光ダイオードが剥離してしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、半導体発光素子の点灯及び消灯を繰り返しても半導体発光素子が基板から剥離することを抑制することができる発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の発光装置は、基板と、基板の一面側に設けられた光反射面と、光反射面に設けられる複数の半導体発光素子と、光反射面と半導体発光素子との間に設けられて半導体発光素子を光反射面上に接着して固定するダイボンド材であって、このダイボンド材は、主としてシリコーン樹脂から形成されており、半導体発光素子を実装後のマルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％から２０％の各範囲内であるダイボンド材と、光反射層及び半導体発光素子を覆うように設けられる透光性の封止材とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本実施形態によれば、半導体発光素子の点灯又は消灯した場合であってもダイボンド材が剥離することを抑制できる発光装置電およびこの発光装置を用いた照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係るＬＥＤ電球の斜視図
【図２】実施の形態に係る発光モジュールの平面図
【図３】実施の形態に係る発光モジュールの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態に係る発光装置は、半導体発光素子を実装するダイボンド材は、主としてシリコーン樹脂から形成されており、半導体発光素子を実装後のマルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％から２０％の各範囲内となっているものである。
【００１１】
ここで、本実施形態における光反射面とは、発光素子から基板の方向に放出された光を反射させて、光を発光装置の外に効率よく取り出すためのものである。光反射面は、複数
【００１２】
の発光素子を実装できる大きさとするとよい。光反射層は、単層でもよいし多層でもよいものであり、例えば銀、金等の金属やセラミック塗料等の高反射率の材料で形成されていればよい。また、光反射層は、例えば高反射率の基板と一体で形成されているものであってもよく、この場合は、セラミック基板等の絶縁性を有する基材が好適である。さらに、封止材としては例えば透明なシリコーン樹脂を用いることが望ましい。封止材は、シリコーン樹脂に限らず、その他の透光性樹脂材料を用いることができる。
【００１３】
また、他の実施形態に係る照明装置は、照明装置とは例えば白熱電球と類似した形状を有するＬＥＤ電球あるいはスポットライトのような照明用構造体のことであり、発光装置を光源としているものである。
【００１４】
以下、第1実施形態１照明装置について、図１ないし図３に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、照明装置の一例であるＬＥＤ電球１を開示している。ＬＥＤ電球１は、電球本体２、透光性カバー３、Ｅ２６型の口金４、点灯装置５およびＣＯＢ(chip on board)型の発光モジュール６を備えている。
【００１６】
電球本体２は、例えばアルミニウムのような金属材料で構成されている。電球本体２は、一端にフラットな図示しない支持面を有する筒形である。また、電球本体２は、複数の放熱フィン１２を有している。放熱フィン１２は、電球本体２の外周面から放射状に突出されているとともに、電球本体２の他端から一端の方向に進むに従い電球本体２の径方向に沿う外側に向けて張り出している。
【００１７】
透光性カバー３は、例えば乳白色の合成樹脂材料を用いて略半球形に形成されている。透光性カバー３は、電球本体２の支持面７に向けて開口する開口縁部１３を有している。透光性カバー３は、開口縁部１３を支持壁８の内側に嵌め込むことで電球本体２に結合されて、電球本体２の支持面を覆っている。そして、発光装置である発光モジュール６は、電球本体２の支持面に取り付けられて、透光性カバー３により覆われている。
【００１８】
図２および図３に示すように、発光モジュール６は、モジュール基板２５を備えている。モジュール基板２５は、四つの角部を有する矩形状である。モジュール基板２５は、角部の付近に四つの切り欠き２５ａを有している。
【００１９】
図３に示すように、モジュール基板２５は、金属製のベース２６と絶縁層２７とで構成されている。ベース２６は、例えばアルミニウム又はその合金で形成されている。ベース２６は、第１の面２６ａと第２の面２６ｂとを有している。第２の面２６ｂは、第１の面２６ａの反対側に位置されて、ベース２６の表面を構成している。第２の面２６ｂは、例えば顕微鏡下で見た時に多数の微細な凹凸を有する粗面となっている。
【００２０】
絶縁層２７は、ベース２６の第２の面２６ｂの上に積層されて、第２の面２６ｂを全面的に覆っている。絶縁層２７は、グリシジルエステル系、線状脂肪族エポキサイド系または脂環族エポキサイド系のエポキシ樹脂で構成されている。
【００２１】
モジュール基板２５は、電球本体２の支持面７の中央部に四本のねじ（図示せず）で固定されている。ねじは、モジュール基板２５の切り欠き２５ａを貫通して電球本体２にねじ込まれている。このねじ込みにより、ベース２６の第１の面２６ａが支持面７に密着されて、モジュール基板２５が電球本体２に熱的に接続されている。
【００２２】
また、図２および図３に示すように、光反射層２８、第１の給電導体２９および第２の給電導体３０がモジュール基板２５の絶縁層２７の上に積層されている。光反射層２８は、四つの辺を有する矩形状であり、絶縁層２７の中央部に位置されている。
【００２３】
光反射層２８は、例えば三種類の金属層を組み合わせた三層構造を採用している。具体的には、光反射層２８は、互いに積層された銅層Ｃ、ニッケル層Ｎおよび銀層Ａで構成されている。銅層Ｃは、絶縁層２７の上に積層された銅箔をエッチングすることにより形成されている。ニッケル層Ｎは、銅層Ｃの上に積層されている。ニッケル層Ｎは、銅層Ｃに無電解めっきを施すことにより形成されている。銀層Ａは、ニッケル層Ｎの上に積層されている。銀層Ａは、ニッケル層Ｎに無電解めっきを施すことにより形成されている。銀層Ａは、光反射層２８の表層を構成している。
【００２４】
そのため、光反射層２８の表面は、銀製の光反射面３２となっている。光反射面３２の光反射率は、絶縁層の光反射率よりも高い。光反射面３２の全光線反射率は、たとえば９０．０％である。
【００２５】
光反射面３２の下地となる銅層Ｃは、絶縁層２７に接する合面３３を有している。合面３３は、例えば顕微鏡下で見た時に多数の微細な凹凸を有する粗面となっている。そのため、銅層Ｃの基となる銅箔を絶縁層２７の上に積層した状態では、絶縁層２７が合面３３の上に存在する微細な凹凸に食い込むような形態となる。なお、光反射層２８は、三層構造に限らない。例えば、光反射層２８は、銀の単層でもよいし、下地となる銅層の上に銀層を積層した二層構造としてもよい。また、必ずしも本実施形態のようにベース２６と別体で設けられるものでなくてもよい。
【００２６】
第１および第２の給電導体２９，３０は、夫々光反射層２８の一辺に沿って延びる細長い長方形状であるとともに、互いに同じ大きさを有している。第１および第２の給電導体２９，３０は、光反射層２８と同様に、銅層Ｃ、ニッケル層Ｎおよび銀層Ａを有する三層構造であり、夫々の表層が銀により構成されている。
【００２７】
さらに、第１および第２の給電導体２９，３０は、光反射層２８を挟むように互いに間隔を存して平行に配置されている。光反射層２８と第１および第２の給電導体２９，３０とは、夫々隙間３４ａ，３４ｂにより電気的に隔てられている。隙間３４ａ，３４ｂは、光反射層２８と第１および第２の給電導体２９，３０との間に位置されている。
【００２８】
複数の発光ダイオード列３６は、光反射層２８の光反射面３２の上に実装されている。この発光ダイオード列３６は、第１および第２の給電導体２９，３０と直交する方向に直線状に延びているとともに、互いに間隔を存して平行に配列されている。
【００２９】
各発光ダイオード列３６は、複数の半導体発光素子である発光ダイオード３７と複数の第１のボンディングワイヤー３８とを備えている。発光ダイオード３７は、例えば青色の光を発する発光層３７ａを有するベアチップで構成されている。発光ダイオード３７は、平面的に見た時の形状が長方形であり、例えば長辺の長さが０．５ｍｍ、短辺の長さが０．２５ｍｍである。発光ダイオード３７は、発光層３７ａの上に一対の素子電極３７ｂを有している。素子電極３７ｂは、図３に一方のみが示されている。
【００３０】
さらに、発光ダイオード３７は、発光ダイオード列３６毎に第１および第２の給電導体２９，３０と直交する方向に間隔を存して一列に並んでいる。この結果、図２に示すように、数多くの発光ダイオード３７は、光反射面３２の広範囲に亘るようにマトリクス状に規則的に配列されている。
【００３１】
言い換えると、光反射面３２は、全ての発光ダイオード３７を一括して接着し得る大きさを有している。そのため、光反射面３２は、隣り合う発光ダイード３７の間で途切れることなく連続している。この結果、光反射面３２の下の絶縁層２７が隣り合う発光ダイード３７の間から露出することはない。
【００３２】
また、発光ダイオード３７は、夫々透光性のダイボンド材３９を用いて光反射面３２の上に接着されている。そして、このダイボンド材３９は、主としてシリコーン樹脂からなるものであり、耐熱性、耐光性及び透光性が高いものである。このため、発光ダイオード３７の長時間の点灯によっても熱や光による劣化が抑制されるとともに、発光ダイオード３７からの光を透過して光反射面３２で反射するように作用し、光取り出し効率が向上するものである。
【００３３】
第１のボンディングワイヤー３８は、発光ダイオード列３６が延びる方向に隣り合う発光ダイオード３７の間を電気的に直列に接続している。具体的には、第１のボンディングワイヤー３８は、隣り合う発光ダイオード３７の互いに異なる極性の素子電極３７ｂの間を接続するように、隣り合う発光ダイオード３７の間に跨っている。
【００３４】
各発光ダイオード列３６の一端は、第２のボンディグワイヤー４０ａを介して第１の給電導体２９に電気的に接続されている。同様に、各発光ダイオード列３６の他端は、第３のボンディングワイヤー４０ｂを介して第２の給電導体３０に電気的に接続されている。そのため、複数の発光ダイオード列３６は、第１および第２の給電導体２９，３０に対し電気的に並列に接続されている。
【００３５】
図２に示すように、一対の給電端子４２ａ，４２ｂがモジュール基板２５の絶縁層２７の上に配置されている。給電端子４２ａ，４２ｂは、光反射面３２から外れた位置に設けられている。一方の給電端子４２ａは、図示しない導体パターンを介して第１の給電導体２９に電気的に接続されている。他方の給電端子４２ｂは、図示しない導体パターンを介して第２の給電導体３０に電気的に接続されている。そして、コネクタ４３が給電端子４２ａ，４２ｂにリフロー半田付けされている。
【００３６】
図２および図３に示すように、枠体４５は、絶縁層２７の上に固定されている。この枠体４５は、例えば合成樹脂のような絶縁材で構成されて、光反射層２８、第１および第２の給電導体２９，３０を一括して取り囲んでいる。言い換えると、発光素子３７、第１ないし第３のボンディングワイヤー３８，４０ａ，４０ｂは、枠体４５で囲まれた四角い領域に収容されている。
【００３７】
封止材４６が枠体４５で囲まれた領域に充填されている。封止材４６は、例えば透明な
【００３８】
シリコーン樹脂のような光透過性を有する樹脂材料により構成されている。樹脂材料は、
【００３９】
液状の状態で枠体４５が取り囲む領域に注入される。
【００４０】
この結果、封止材４６は、光反射層２８、第１の給電端子２９、第２の給電端子３０、発光ダイオード３７、第１ないし第３のボンディングワイヤー３８，４０ａ，４０ｂを覆うよう絶縁層２７の上に積層されている。このため、封止材４６は、枠体４５で囲まれた領域に露出された絶縁層２７の一部を連続して覆っている。
【００４１】
本実施形態では、蛍光体が封止材４６に混ぜられている。蛍光体は、封止材４６の中に均等に分散されている。蛍光体としては、発光ダイオード３７が発する青色の光により励起されて黄色の光を放射する黄色蛍光体を用いている。なお、封止材４６に混ぜる蛍光体は、黄色蛍光体に限らない。
【００４２】
このようなＬＥＤ電球１では、点灯装置を通じて発光モジュール６に電圧が印加される。この結果、光反射層２８の上の発光ダイオード３７が一斉に発光する。発光ダイオード３７が発する青色の光は、封止材４６に入射される。封止材４６に入射された青色の光の一部は黄色蛍光体に吸収される。残りの青色の光は、黄色蛍光体に当たることなく封止材４６を透過する。
【００４３】
青色の光を吸収した黄色蛍光体は、励起されて黄色の光を発する。黄色の光は、封止材４６を透過する。この結果、黄色の光と青色の光が封止材４６の内部で互いに混じり合って白色光となる。したがって、枠体４５で囲まれた領域に充填された封止材４６が面状に光る発光部として機能する。
【００４４】
発光ダイオード３７からモジュール基板２５に向かう光は、光反射層２８の光反射面３２、第１および第２の給電導体２９，３０の表面で反射されて透光性カバー３に向かう。この結果、発光ダイオード３７が発する光の多くが透光性カバー３を透過して照明用途に供される。
【００４５】
発光ダイオード３７の発光時に生じる熱は、ダイボンド材３９を介して三種の金属を組み合せた光反射層２８に伝わる。光反射層２８は、発光ダイオード３７の熱を広範囲に亘って拡散させるヒートスプレッダとしての機能を果たす。さらに、光反射層２８で拡散された発光ダイオード３７の熱は、絶縁層２７を介して金属製のベース２６に伝わるとともに、ベース２６から電球本体２の支持面７に伝わる。電球本体２に伝達された熱は、放熱フィン１２からＬＥＤ電球１の外に放出される。
【００４６】
この結果、発光ダイオード３７の熱をモジュール基板２５から積極的に電球本体２に逃すことができる。よって、発光ダイオード３７の放熱性を高めて、発光ダイオード３７の発光効率を良好に維持することができる。
【００４７】
次に、本実施形態におけるダイボンド材３９の特性（マルテンス固さ、クリープ率、弾性率）について説明する。
【００４８】
マルテンス硬さは、ＩＳＯ１４５７７−１
Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and materials
parameters Part1:Test method「金属材料―硬さのためのインデンテーション試験テストと材料パラメータ」で規定されている測定方法で得られる物性値である。そして、この物性値は、荷重と、当該押し込み深さとを用いて計算した。
【００４９】
そして、発光ダイオード３７を光反射面２８に実装した後（硬化後）のダイボンド材３９のマルテンス硬さについて検討した結果、マルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２の範囲内であることが好ましいことが分かった。
【００５０】
また、クリープ率（押し込みクリープ率とも言う）は、ある一定時間荷重を一定にした場合における深度（くぼみ深さ）の変化率であり、クリープ率をＣとすると、以下の（１）式で表される。
【００５１】
Ｃ＝（（ｈ２−ｈ１）／ｈ１）×１００・・・（１）
【００５２】
（１）式のｈ１は設定試験荷重に達した時の深度、ｈ２は設定試験荷重を保持している時の深度である。
【００５３】
そして、発光ダイオード３７を光反射面２８に実装した後（硬化後）のダイボンド材３９のクリープ率について検討した結果、クリープ率は２〜４％の範囲内であることが好ましいことが分かった。
【００５４】
また、弾性率は、変形のしにくさを表す物性値であり、弾性変化内での、応力とひずみの間の比例定数である。そして、発光ダイオード３７を光反射面２８に実装した後（硬化後）のダイボンド材３９の弾性率について検討した結果、弾性率は１５〜２０％の範囲内であることが好ましいことが分かった。
【００５５】
そして、ダイボンド材３９のマルテンス硬さが８００Ｎ／ｍｍ２未満、クリープ率２％未満及び弾性率１５％未満となると、硬化後においても十分な接着強度が得られない状態となる。また、マルテンス硬さが１０００Ｎ／ｍｍ２より大きく、クリープ率が４％よりも大きくそして弾性率が２０％よりも大きくなると、硬化後の硬度が高くなりすぎて発光ダイオード３７が点灯状態から消灯状態へ移行した場合又は消灯状態から点灯状態に移行した場合に光反射層２８やベース２６の収縮に追従できなくなりダイボンド材３９が光反射面２８から剥離をしてしまいやすくなり、実使用において好適ではない。
【実施例】
【００５６】
次に、実施形態に係るダイボンド材の具体的実施例及びその評価結果について記載する。各実施例１〜２及び各比較例１〜２のマルテンス硬さ、クリープ率及び弾性率は、一般的な硬度測定機を用いて室温で測定したものであり、結果を以下の表１に示す。なお、測定条件は、発光ダイオード３７をダイボンド材３９によって光反射面２８に実装した状態によって、ヒートサイクル試験を実施したものであり、これにより発光ダイオード３７の剥離度合いについて検証を実施した。なお、ヒートサイクル試験の条件は、温度域を−２０度〜８０度の範囲で可変するサイクル時間を２ｍｉｎとし、このサイクルを所定回数繰り返すものである。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１から分かるようにマルテンス硬さが８５０Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が２％及び弾性率が１５％である実施例１と、マルテンス硬さが９５０Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が３％及び弾性率が２０％である実施例２の発光モジュールであればヒートサイクル試験を実施しても発光モジュールの剥離が無いものであった。
【００５９】
一方、マルテンス硬さが５００Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が１％及び弾性率が１０％である比較例１では、硬度が確保できないため発光ダイオードの固着力が弱く、ヒートサイクル試験中に多くの発光ダイオードが剥離する状態が見られ好適ではなかった。また、マルテンス硬さが１１００Ｎ／ｍｍ２、クリープ率が５％及び弾性率が３０％である比較例２では、硬度が高すぎることによってヒートサイクル試験中に比較例１よりは割合は低いが、多くの発光ダイオードが剥離する状態が見られるため好適ではなかった。
【００６０】
そして、本実施例によれば、発光ダイオード３７を実装後におけるダイボンド材３９の特性である実施例１、２においては、ベース２６に設けられた金属性の光反射層２８に複数の発光ダイオード３７を実装して点灯消灯を繰り返した場合であっても、発光ダイオード３７の点灯時に生じる発熱の影響によって生じるベース２６及び光反射層２８の熱収縮にダイボンド材３９が十分に追従する、又はベース２６及び光反射層２８で熱収縮が生じてもダイボンド材３９が十分な耐力を有するものである。したがって、複数の発光ダイオード３７を特に高密度に実装しても発光ダイオード３７が光反射層２８から剥離することがない。このことは、発光ダイオード３７が点灯時に生じる熱がダイボンド材を介して光反射層２８に伝熱されることによって放熱効果を高めて発光効率を維持ないし向上する作用を経年において確保することができるため、放熱作用が低下することに起因する経年時における光出力の低下を抑制することができる。これにより、信頼性の高い発光モジュール６にすることができる。
【００６１】
そして、本実施例及び各実施例の照明装置によれば、発光モジュールからの光を長期に亘り効率よく取り出すことができ、照明装置の光束の低下を最小限に止めるといった優位性を期待できる。
【００６２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
1…照明装置であるＬＥＤ電球、6…発光装置である発光モジュール、25…基板であるモジュール基板、37…半導体発光素子である発光ダイオード、39…ダイボンド材、46…封止材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；
基板の一面側に設けられた光反射面と；
光反射面に設けられる複数の半導体発光素子と；
光反射面と半導体発光素子との間に設けられて半導体発光素子を光反射面上に接着して固定するダイボンド材であって、このダイボンド材は、主としてシリコーン樹脂から形成されており、半導体発光素子を実装後のマルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％〜２０％の各範囲内であるダイボンド材と；
光反射層及び半導体発光素子を覆うように設けられる透光性の封止材と；
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
請求項１記載の発光装置と；
前記発光装置が設けられる本体と；
を具備することを特徴とする照明装置。
【請求項１】
基板と；
基板の一面側に設けられた光反射面と；
光反射面に設けられる複数の半導体発光素子と；
光反射面と半導体発光素子との間に設けられて半導体発光素子を光反射面上に接着して固定するダイボンド材であって、このダイボンド材は、主としてシリコーン樹脂から形成されており、半導体発光素子を実装後のマルテンス硬さは８００Ｎ／ｍｍ２〜１０００Ｎ／ｍｍ２、半導体発光素子を実装後のクリープ率は２〜４％および半導体発光素子を実装後の弾性率は１５％〜２０％の各範囲内であるダイボンド材と；
光反射層及び半導体発光素子を覆うように設けられる透光性の封止材と；
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
請求項１記載の発光装置と；
前記発光装置が設けられる本体と；
を具備することを特徴とする照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２０９２８０（Ｐ２０１２−２０９２８０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１２８２（Ｐ２０１１−７１２８２）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００３７５７）東芝ライテック株式会社 (2,710)
【Ｆターム（参考）】
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