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発明の名称 LED照明器具の製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−87669(P2007−87669A)
公開日 平成19年4月5日(2007.4.5)
出願番号 特願2005−272881(P2005−272881)
出願日 平成17年9月20日(2005.9.20)
代理人 【識別番号】100087767
【弁理士】
【氏名又は名称】西川 惠清
発明者 浦野 洋二
要約 課題
実装基板を器具本体に対してボイドレスで固着でき、且つ、歩留まりの悪化を抑制したLED照明器具の製造方法を提供する。

解決手段
照明器具Aを製造するに当たっては、真空減圧下で実装基板20をボディ101の底壁102に対して熱圧着した後、実装基板20にLEDチップ10を実装して、LEDチップ10を透明樹脂材料で樹脂封止して封止部50を形成する。次に封止部50の上側にレンズ60を実装するともに、封止部50およびレンズ60との間に空気層を形成した状態でドーム状の色変換部材70を実装基板20に実装して、個々の発光モジュール1の組立を完了する。その後、複数の発光モジュール1の間を電気的に接続する配線基板110をボディ101内に取り付けて、各発光モジュール1を配線基板110に電気的に接続した後、ボディ101の開口部に配光レンズ104を被着する。
特許請求の範囲
【請求項1】
真空減圧下で実装基板を器具本体に対して熱圧着し、器具本体に固着された実装基板にLEDチップを実装した後、前記LEDチップを透明樹脂材料で樹脂封止して封止部を形成するとともに、前記封止部に重ねてレンズを実装した後、前記LEDチップからの照射光によって励起されて前記LEDチップの発光色とは異なる色の光を発する蛍光体を透明材料とともに成形したドーム状の色変換部材を、前記封止部および前記レンズとの間に空気層を設けた状態で前記実装基板に実装することを特徴とするLED照明器具の製造方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、LEDチップ(発光ダイオードチップ)を利用したLED照明器具の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、実装基板に青色LEDチップを実装するとともに、青色LEDチップの実装部位に、青色LEDチップからの青色系の光を吸収して黄色系の光を発する蛍光体を分散保持させた透光性の樹脂を充填して凸レンズを形成した照明器具が提供されている(例えば特許文献1参照)。
【0003】
この照明器具では、青色LEDチップが発光すると、青色系の光の一部が蛍光体に吸収されて黄色系の光に変換され、蛍光体に吸収されなかった青色系の光と混色することで、白色系の発光を得るようになっている。
【0004】
ところで、上記文献に示される照明器具では、青色LEDチップを封止する樹脂に蛍光体を分散保持させているので、樹脂に対する蛍光体の配合比率が予め決定されており、LEDチップの発光波長に応じて、蛍光体の配合比率を調整することができないため、発光色のばらつきを低減することができなかった。
【0005】
そこで、蛍光体を担持させていない透光性の樹脂で青色LEDチップを封止して凸形状のレンズを形成するとともに、蛍光体を配合した透光性の樹脂によりドーム状に形成された色変換部材をレンズの上側から被せるようにし、青色LEDチップの発光波長に応じて蛍光体の配合が調整された色変換部材を用いることで、発光色のばらつきを低減した照明器具が従来より提案されている。このような照明器具では、レンズと色変換部材との間に空気層が形成される形で色変換部材を取り付けるのが好ましく、色変換部材をレンズに密着させる必要がないので、色変換部材の寸法精度や位置決め精度に起因した歩留まりの悪化を抑制することができる。
【特許文献1】特開2001−148514号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上述の照明器具を製造するに当たっては、実装基板に青色LEDチップを実装し、透光性の樹脂で青色LEDチップを封止してレンズを形成し、さらに色変換部材を被せて発光素子を形成した後、照明器具の器具本体に実装基板を固定している。ここで、器具本体と実装基板との間にボイドが発生するのを防止するために、真空減圧下で加圧及び加熱を行うことにより実装基板を器具本体に対して熱圧着しているが、色変換部材がレンズとの間に空気層を形成した状態で取り付けられているため、真空熱圧着を行う際に空気層が膨張して色変換部材が変形したり、破損するために、歩留まりが悪化するという問題があった。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、実装基板を器具本体に対してボイドレスで固着でき、且つ、歩留まりの悪化を抑制したLED照明器具の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために、本発明は、真空減圧下で実装基板を器具本体に対して熱圧着し、器具本体に固着された実装基板にLEDチップを実装した後、LEDチップを透明樹脂材料で樹脂封止して封止部を形成するとともに、封止部に重ねてレンズを実装した後、LEDチップからの照射光によって励起されてLEDチップの発光色とは異なる色の光を発する蛍光体を透明材料とともに成形したドーム状の色変換部材を、封止部およびレンズとの間に空気層を設けた状態で実装基板に実装することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、真空減圧下で実装基板を器具本体に対して熱圧着しているので、実装基板をボイドレスで器具本体に固着できるという効果がある。さらに、実装基板を器具本体に対して真空熱圧着する際には封止部や色変換部材が形成されていないので、封止部を形成する透明樹脂材料の内部に分散している気泡が真空引きにより粗大化するのを防止でき、且つ、封止部およびレンズと色変換部材との間の空気層が膨張することによって色変換部材が変形したり破損したりすることはなく、製品の歩留まりを良くできるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本実施形態のLED照明器具について図1〜図5を参照しながら説明する。
【0011】
図1はLED照明器具Aの製造工程を説明する説明図であり、ボディ101と配光レンズ104とで構成される器具本体100の内部に、複数個(本実施形態では例えば3個)の発光モジュール1と、配線基板110とを収納して構成される。
【0012】
ボディ101は例えばAlやCuなどの熱伝導率の高い金属により形成され、円板形の底壁102と、底壁102の周縁部から全周に亘って立設された側壁103とを一体に備えている。
【0013】
配光レンズ104は透光性の合成樹脂により円板状に形成されており、ボディ101の開口部に被着される。また配光レンズ104には、発光モジュール1に対応する部位に凸レンズ部105を形成してある。
【0014】
配線基板110は、直径がボディ101の内径よりも若干小さい円板形に形成されており、発光モジュール1に対応する部位に後述の色変換部材70を露出させる窓孔111が貫設されている。また、ボディ101の底壁102と対向する配線基板110の面には複数の発光モジュール1を電気的に直列接続するための導体パターン(図示せず)が形成されており、ボディ101内に配線基板110を取り付けて、各発光モジュール1を配線基板110に設けた導体パターンに電気的に接続すると、複数個の発光モジュール1が直列的に接続される。而して、図示しない直流電源部から複数個の発光モジュール1に対して直流電圧が印加されると、複数個の発光モジュール1に駆動電流が供給されて、発光モジュール1が発光する。なお、本実施形態では複数個の発光モジュール1を直列接続しているが、複数個の発光モジュール1の接続関係を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。
【0015】
発光モジュール1は、図2〜図4に示すように、LEDチップ10と、LEDチップ10が実装された実装基板20と、実装基板20におけるLEDチップ10の実装面側でLEDチップ10を囲む枠体40と、枠体40の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてLEDチップ10および当該LEDチップ10に接続されたボンディングワイヤ14,14を封止し且つ弾性を有する封止部50と、封止部50に重ねて配置されるレンズ60と、レンズ60の光出射面60bおよび枠体40との間に空気層80を形成した状態で、レンズ60の光出射面60bを覆うようにして実装基板20に実装されるドーム状の色変換部材70とを備えている。なお色変換部材70は、LEDチップ10からの放射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、透明材料とともにドーム形に樹脂成形して形成される。また発光モジュール1は、例えば、グリーンシートからなる絶縁層90を介してボディ101の底壁102に実装することで、LEDチップ10からボディ101までの熱抵抗が小さくなって、放熱性が向上する。従って、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、入力電力を大きくできるから、光出力の高出力化を図ることができる。
【0016】
実装基板20は、LEDチップ10が搭載される金属板21と、金属板21におけるLEDチップ10の非搭載部位に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材22とで構成される。絶縁性基材22における金属板21と反対側の表面には、LEDチップ10の図示しない両電極(アノード電極およびカソード電極)にそれぞれ電気的に接続される一対のリードパターン23が形成される。また絶縁性基材22においてLEDチップ10に対応する部位に窓孔24が設けられており、窓孔24から露出する金属板21の表面に後述のサブマウント部材30を介してLEDチップ10が搭載されているので、LEDチップ10で発生した熱は絶縁性基材22を介さずに金属板21に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板21の材料としてはCuを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Cuに限らず、Alなどを採用してもよい。なお、金属板21と絶縁性基材22とは、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25により固着されている。また、各リードパターン23は、Ni膜とAu膜との積層膜により構成されており、色変換部材70により覆われていない部位がアウターリード部23aとなっている。
【0017】
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側の電極であるカソード電極(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側の電極であるアノード電極(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。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よりも金属板21から離れた側となるように金属板21に実装されているが、LEDチップ10の発光部12が導電性基板11よりも金属板21に近い側となるように金属板21に実装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を金属板21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を金属板21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。
【0018】
またLEDチップ10は、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たサブマウント部材30を介して金属板21に実装されている。サブマウント部材30は、LEDチップ10と金属板21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機能を備えるとともに、LEDチップ10で発生した熱を金属板21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備えている。サブマウント部材30の材料としては、線膨張率がLEDチップ10の線膨張率と略同じで熱伝導率が比較的高く、且つ、絶縁性を有する材料を用いており、本実施形態ではLEDチップ10の材料であるSiCの線膨張率に比較的近い線膨張率を有するAlNを用いている。なお、サブマウント部材30の材料はAlNに限らず、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、例えば複合SiCやSi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基板やGsP基板などから適宜選択すれば良いので、サブマウント部材30の材料も導電性基材11の材料に合わせて適宜選択すれば良い。
【0019】
また、図4はサブマウント部材30の外観斜視図を示しており、サブマウント部材30におけるLEDチップ10側の表面にはLEDチップ10の上記カソード電極が接続される電極パターン31が形成されている。電極パターン31は平面視の形状が矩形状であって、1つの角にはボンディングワイヤ14が接続されるパッド31aが連続して形成されている。而して、サブマウント部材30の電極パターン31にLEDチップ10を実装し、金属細線(例えば、金細線、アルミニウム細線など)からなるボンディングワイヤ14の一端をパッド31aに接続するとともに、ボンディングワイヤ14の他端を一方のリードパターン23に接続することで、LEDチップ10のカソード電極が、電極パターン31およびボンディングワイヤ14を介して一方のリードパターン23に電気的に接続される。またLEDチップ10のアノード電極はボンディングワイヤ14を介して他方のリードパターン23と電気的に接続されている。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。また、サブマウント部材30におけるLEDチップ10側の表面には、電極パターン31の周囲にNi膜とAg膜との積層膜からなる反射膜32を形成してあり、この反射膜32はLEDチップ10から放射された光を反射する機能を有している。
【0020】
上述の封止部50の透明樹脂材料としては、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、アクリル樹脂などを用いてもよい。
【0021】
これに対して、枠体40は、円筒状の形状であって、透明樹脂の成形品により構成されているが、当該成形品に用いる透明樹脂としては、シリコーン樹脂を採用している。要するに、本実施形態では、封止部50の透明樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有する透光性材料により枠体40を形成してある。ここに、本実施形態では、枠体40を実装基板20に固着した後で枠体40の内側に上記透明樹脂材料を充填(ポッティング)して熱硬化させることで封止部50を形成してある。なお、上記透明樹脂材料としてシリコーン樹脂に代えてアクリル樹脂を用いている場合には、枠体40をアクリル樹脂の成形品により構成することが望ましい。
【0022】
レンズ60は、封止部50側の光入射面60aおよび光出射面60bそれぞれが凸曲面状に形成された両凸レンズにより構成されている。ここにおいて、レンズ60はシリコーン樹脂の成形品により構成してあり、封止部50と屈折率が同じ値となっているが、レンズ60は、シリコーン樹脂の成形品に限らず、例えばアクリル樹脂の成形品により構成してもよい。
【0023】
ところで、レンズ60は、光出射面60bが、光入射面60aから入射した光を光出射面60bと上述の空気層80との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、レンズ60は、当該レンズ60の光軸がLEDチップ10の厚み方向に沿った発光部12の中心線上に位置するように配置されている。なお、LEDチップ10の側面から放射された光は封止部50および空気層80を伝搬して色変換部材70まで到達し色変換部材70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70を透過したりする。
【0024】
色変換部材70は、シリコーン樹脂のような透明材料と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、発光モジュール1では、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70の外面70b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70の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、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、色変換部材70の材料として用いる透明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。
【0025】
ここで、色変換部材70は、内面70aがレンズ60の光出射面60bに沿った形状に形成されている。したがって、レンズ60の光出射面60bの位置によらず法線方向における光出射面60bと色変換部材70の内面70aとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材70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。色変換部材70は、開口部の周縁を実装基板20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。
【0026】
以上説明したように本実施形態の発光モジュール1では、金属板21におけるLEDチップ10の搭載部位に、LEDチップ10の材料と線膨張率が略同じ材料で形成されたサブマウント部材30を設けているので、熱膨張率の差に起因してLEDチップ10に加わる応力を低減できる。またサブマウント部材30の材料としては熱伝導率の良好な材料を用いているので、LEDチップ10の放熱性を向上させることができる。またサブマウント部材30の厚みは、絶縁性基材22よりも厚めに形成されているので、サブマウント部材30に搭載されたLEDチップ10が、絶縁性基材22の表面よりも上方に位置することになり、LEDチップ10から側方に照射された光が絶縁性基材22に遮光されてケラレ(光取り出し効率の低下)が発生するのを防止でき、光取り出し効率が向上するという利点があり、さらに色変換部材70の実装基板20接着層から青色光が洩れることも防止できる。
【0027】
次に本実施形態のLED照明器具Aの製造方法を図1(a)〜(k)に基づいて説明する。先ずボディ101を開口側が上側となるように載置し(図1(a)参照)、真空減圧下で底壁102の所定の位置に絶縁層90を介して実装基板20を熱圧着する(図1(b)参照)。一方、図1(c)に示すようにLEDチップ10をサブマウント部材30の電極パターン31上にAuSnのような鉛フリー半田を用いて半田接合した後、LEDチップ10が実装されたサブマウント部材30を実装基板20に対して半田実装し(図1(d)参照)、LEDチップ10のアノード電極、および、サブマウント部材30に設けたパッド31aにそれぞれボンディングワイヤ14,14の一端をワイヤボンドし、さらの各ボンディングワイヤ14,14の他端をそれぞれ実装基板20に設けたリードパターン23,23にワイヤボンドして、LEDチップ10の両電極をリードパターン23,23に電気的に接続する(図1(e)、図2および図4参照)。なお図1(e)では図示を簡単にするためボンディングワイヤ14,14を省略して図示してある。次に各実装基板20の表面にLEDチップ10を囲むようにして枠体40を接着などの方法で固着し(図1(f)参照)、枠体40内に透明樹脂材料を充填(ポッティング)し、熱硬化させることで封止部50を形成する(図1(g)参照)。その後、封止部50に重ねて両凸レンズ形状のレンズ60を実装し(図1(h)参照)、枠体40およびレンズ60との間に空気層80を形成した状態でレンズ60を覆うようにして色変換部材70を実装基板20に接着などの方法で実装した後(図1(i)参照)、ボディ101内に配線基板111を取り付けて、配線基板111に形成された導体パターン(図示せず)に各発光モジュール1の実装基板20に設けたアウターリード部23a,23aを接続することで、各発光モジュール1の間を電気的に接続する(図1(j)参照)。この時、各発光モジュール1の色変換部材70が配線基板110に設けた窓孔111を通して上側に突出しており、発光モジュール1の発光は色変換部材70を通してボディ101の開口側に放射されるようになっている。その後、凸レンズ部105と発光モジュール1の位置を合わせて配光レンズ104をボディ101の開口部に固着することで、器具本体100が形成され、LED照明器具Aの組立を終了する。
【0028】
以上説明したようにLED照明器具Aは、真空減圧下で実装基板20をボディ101の底壁102(器具本体)に対して熱圧着し、ボディ101の底壁102に固着された実装基板20にLEDチップ10を実装した後、LEDチップ10を透明樹脂材料で樹脂封止して、封止部50を形成するとともに、封止部50に重ねてレンズ60を実装した後、LEDチップ10からの照射光によって励起されてLEDチップの発光色とは異なる色の光を発する蛍光体を透明材料とともに成形したドーム状の色変換部材70を、封止部50およびレンズ60との間に空気層を設けた状態で実装基板20に実装しているので、実装基板20をボイドレスでボディ101の底壁102(器具本体)に固着することができ、且つ、実装基板20を底壁102に対して真空熱圧着する際には色変換部材70が実装基板20に実装されていないので、封止部50およびレンズ60と色変換部材70との間の空気層80が膨張することによって色変換部材70が変形したり破損したりすることはなく、製品の歩留まりを良くできる。同様に実装基板20を底壁102に対して真空熱圧着する際には封止部50が形成されていないので、封止部50を形成する透明樹脂材料の内部に分散している気泡が真空引きにより粗大化するのを防止できるという利点もある。
【0029】
ところで、上述の実施形態では、LEDチップ10として、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結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。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。
【0030】
なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】(a)〜(k)は実施形態の製造工程を説明する説明図である。
【図2】同上を示す概略断面図である。
【図3】同上を示し、一部破断した概略分解斜視図である。
【図4】同上を示す要部概略平面図である。
【図5】同上に用いるサブマウント部材の概略斜視図である。
【符号の説明】
【0032】
A 照明器具
1 発光モジュール
10 LEDチップ
20 実装基板
50 封止部
60 レンズ
70 色変換部材
101 ボディ
102 底壁
104 配光レンズ
110 配線基板




 

 


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