(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024123659
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】発光装置
(51)【国際特許分類】
H01L 33/54 20100101AFI20240905BHJP
H01L 33/56 20100101ALI20240905BHJP
H01L 23/29 20060101ALI20240905BHJP
H01L 33/58 20100101ALI20240905BHJP
【ＦＩ】
H01L33/54
H01L33/56
H01L23/30 F
H01L23/30 B
H01L33/58
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023031264
(22)【出願日】2023-03-01
(71)【出願人】
【識別番号】000241463
【氏名又は名称】豊田合成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002583
【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】谷山 嘉紀
(72)【発明者】
【氏名】松嶌 健史
【テーマコード（参考）】
4M109
5F142
【Ｆターム（参考）】
4M109AA02
4M109BA03
4M109CA04
4M109GA01
5F142AA05
5F142AA14
5F142BA32
5F142CA11
5F142CD02
5F142CG07
5F142CG13
5F142CG23
5F142CG24
5F142CG26
5F142CG32
5F142CG45
5F142DB12
5F142FA18
(57)【要約】
【課題】発光素子が液体に封止された発光装置であって、光取り出し効率を高めつつ、狭配光化を実現することのできる発光装置を提供する。
【解決手段】基板１０上に実装された発光素子１１と、発光素子１１を覆うように基板１０上に被せられたレンズ１２と、基板１０上の発光素子１１の周囲に設けられた環状の突起１６と、レンズ１２の内側の空間に収容され、発光素子１１を封止する封止液１３と、を備え、封止液１３が、前記空間において空気の層１５に周囲を囲まれるように、表面張力によって基板１０とレンズ１２の内面の発光素子１１の上方の領域１２１との間に形状が保たれ、封止液１３の基板１０に接する部分の形状が、突起１６により保持され、封止液１３が、下方から上方に向かって横方向に広がる、発光装置１を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】基板１０上に実装された発光素子１１と、発光素子１１を覆うように基板１０上に被せられたレンズ１２と、基板１０上の発光素子１１の周囲に設けられた環状の突起１６と、レンズ１２の内側の空間に収容され、発光素子１１を封止する封止液１３と、を備え、封止液１３が、前記空間において空気の層１５に周囲を囲まれるように、表面張力によって基板１０とレンズ１２の内面の発光素子１１の上方の領域１２１との間に形状が保たれ、封止液１３の基板１０に接する部分の形状が、突起１６により保持され、封止液１３が、下方から上方に向かって横方向に広がる、発光装置１を提供する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面に配線を有する基板と、
前記基板上に実装された発光素子と、
前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、
前記基板上の前記発光素子の周囲に設けられた環状の突起と、
前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、
を備え、
前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記基板と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、
前記封止液の前記基板に接する部分の形状が、前記突起により保持され、
前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、
発光装置。
前記基板上に実装された発光素子と、
前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、
前記基板上の前記発光素子の周囲に設けられた環状の突起と、
前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、
を備え、
前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記基板と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、
前記封止液の前記基板に接する部分の形状が、前記突起により保持され、
前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、
発光装置。
【請求項2】
前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域の少なくとも一部が下方に突出し、
前記領域の突出部の下端の少なくとも一部と前記発光素子の上面が対向する、
請求項１に記載の発光装置。
前記領域の突出部の下端の少なくとも一部と前記発光素子の上面が対向する、
請求項１に記載の発光装置。
【請求項3】
前記突起が前記配線の一部である、
請求項１又は２に記載の発光装置。
請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項4】
前記封止液がフッ素オイルである、
請求項１又は２に記載の発光装置。
請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項5】
前記封止液の粘度が０．３Ｐａ・ｓ以上である、
請求項１又は２に記載の発光装置。
請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項6】
前記突起の高さが１０μｍ以上である、
請求項１又は２に記載の発光装置。
請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項7】
表面に配線を有する基板と、
前記基板上に実装された発光素子と、
前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、
前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、
を備え、
前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記発光素子の側面及び上面と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、
前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、
発光装置。
前記基板上に実装された発光素子と、
前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、
前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、
を備え、
前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記発光素子の側面及び上面と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、
前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、
発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、発光素子が液体中によって封止された発光モジュールが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１の発光モジュールにおいては、パッケージの内部空間に液体が充填され、発光素子を封止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－２０７７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
発光素子の基板がサファイアなどの空気との屈折率差が大きい材料からなる場合、その基板と周囲の空気との界面で全反射が起こる。このような場合、レンズの内側の空間にフッ素オイルなどの低屈折率の液体を充填して発光素子を封止することにより、基板の表面での全反射を緩和して光取り出し効率を向上させることができる。
【0005】
しかしながら、一方で、発光素子の基板の側面から取り出される光も増えるため、広配光化が生じてしまう。
【0006】
本発明の目的は、発光素子が液体に封止された発光装置であって、光取り出し効率を高めつつ、狭配光化を実現することのできる発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記の発光装置を提供する。
【0008】
［１］表面に配線を有する基板と、前記基板上に実装された発光素子と、前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、前記基板上の前記発光素子の周囲に設けられた環状の突起と、前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、を備え、前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記基板と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、前記封止液の前記基板に接する部分の形状が、前記突起により保持され、前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、発光装置。
［２］前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域の少なくとも一部が下方に突出し、前記領域の突出部の下端の少なくとも一部と前記発光素子の上面が対向する、上記［１］に記載の発光装置。
［３］前記突起が前記配線の一部である、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［４］前記封止液がフッ素オイルである、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［５］前記封止液の粘度が０．３Ｐａ・ｓ以上である、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［６］前記突起の高さが１０μｍ以上である、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［７］表面に配線を有する基板と、前記基板上に実装された発光素子と、前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、を備え、前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記発光素子の側面及び上面と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、発光装置。
［２］前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域の少なくとも一部が下方に突出し、前記領域の突出部の下端の少なくとも一部と前記発光素子の上面が対向する、上記［１］に記載の発光装置。
［３］前記突起が前記配線の一部である、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［４］前記封止液がフッ素オイルである、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［５］前記封止液の粘度が０．３Ｐａ・ｓ以上である、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［６］前記突起の高さが１０μｍ以上である、上記［１］又は［２］に記載の発光装置。
［７］表面に配線を有する基板と、前記基板上に実装された発光素子と、前記発光素子を覆うように前記基板上に被せられたレンズと、前記レンズの内側の空間に収容され、前記発光素子を封止する封止液と、を備え、前記封止液が、前記空間において空気の層に周囲を囲まれるように、表面張力によって前記発光素子の側面及び上面と前記レンズの内面の前記発光素子の上方の領域との間に形状が保たれ、前記封止液が、下方から上方に向かって横方向に広がる、発光装置。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、発光素子が液体に封止された発光装置であって、光取り出し効率を高めつつ、狭配光化を実現することのできる発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
（発光装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置１の垂直断面図である。発光装置１は、表面に配線１４（１４ａ、１４ｂ）を有する基板１０と、基板１０上に実装された発光素子１１と、発光素子１１を覆うように基板１０上に被せられたレンズ１２と、基板１０上の発光素子１１の周囲に設けられた環状の突起１６と、レンズ１２の内側の空間に収容され、発光素子１１を封止する封止液１３と、を備える。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置１の垂直断面図である。発光装置１は、表面に配線１４（１４ａ、１４ｂ）を有する基板１０と、基板１０上に実装された発光素子１１と、発光素子１１を覆うように基板１０上に被せられたレンズ１２と、基板１０上の発光素子１１の周囲に設けられた環状の突起１６と、レンズ１２の内側の空間に収容され、発光素子１１を封止する封止液１３と、を備える。
【0012】
そして、発光装置１においては、封止液１３が、レンズ１２の内側の空間において空気の層１５に周囲を囲まれるように、表面張力によって基板１０とレンズ１２の内面の発光素子１１の上方の領域１２１との間に形状が保たれている。
【0013】
封止液１３の基板１０に接する部分は、表面張力によって環状の突起１６の内側に留まりやすい。すなわち、封止液１３の基板１０に接する部分の形状は、突起１６の外側に広がらないように、突起１６により保持されている。封止液１３の側面１３１は、主に突起１６とレンズ１２の内面との間に形成される。
【0014】
発光素子１１は、典型的にはＬＥＤチップである。また、発光素子１１は、典型的にはフリップチップ型の素子であるが、フェイスアップ型の素子であってもよい。発光素子１１の発光波長は特に限定されず、例えば、可視領域の波長であってもよく、紫外領域の波長であってもよい。なお、発光素子１１は、レーザーダイオード（ＬＤ）等のＬＥＤ以外の発光素子であってもよい。
【0015】
基板１０は、その表面にＣｕなどからなる配線１４（１４ａ、１４ｂ）を有する。配線１４ａ、１４ｂには、それぞれ発光素子１１のｎ電極とｐ電極が接続される。発光素子１１がフリップチップ型の素子である場合、ＡｕＳｎや半田などからなる導電性の接合部材により配線１４ａ、１４ｂに接続される。
【0016】
封止液１３は、下方から上方に向かって横方向に広がる逆テーパー形状を有する。これにより、封止液１３の側面１３１、すなわち封止液１３と空気の層１５との界面への発光素子１１から発せられた光の入射角が大きくなるため、封止液１３の側面１３１での反射率が大きくなり、また、全反射が生じやすくなる。全反射は、封止液１３の屈折率が空気の層１５の屈折率よりも大きいために生じ得る。その結果、発光素子１１の側方に取り出される光を減らして上方に取り出される光を増やし、狭配光化を実現することができる。
【0017】
なお、封止液１３の逆テーパー形状は、図１（ａ）に示されるような、垂直断面において側面が直線状になる線形逆テーパー形状であってもよいし、直断面において側面が曲線状になる非線形逆テーパー形状であってもよい。
【0018】
封止液１３の側面１３１のテーパー角度を制御することにより、側面１３１での光の反射方向を制御することができる。側面１３１のテーパー角度は、突起１６の平面パターンのサイズや、封止液１３の量、レンズ１２の内面の封止液１３と接する部分の形状などにより制御することができる。
【0019】
図１（ｂ）は、突起１６周辺の基板１０の上面図である。上述のように、突起１６は、環形状の平面パターンを有する。封止液１３の基板１０に接する部分の形状は、この環形状の突起１６の内側に保持される。ここで、平面パターンとは、基板１０の表面に平行な方向のパターンをいうものとする。
【0020】
図１（ｂ）に示される突起１６の平面パターンは円環形状であるが、これに限られず、多角環形状などの他の環形状であってもよい。また、封止液１３の形状を形成及び保持することができれば、突起１６の平面パターンは部分的に途切れた環形状であってもよいが、封止液１３の形状を安定して形成及び保持するためには、図１（ｂ）に示されるような途切れなく連続した環形状であることが好ましい。
【0021】
突起１６により封止液１３の基板１０に接する部分の形状をより安定して保持するためには、突起１６の高さが１０μｍ以上であることが好ましい。一方で、突起１６が高すぎると、突起１６による光の吸収が発光装置１の光取り出し効率に影響を及ぼすほど大きくなるおそれがある。このため、例えば、発光素子１１がフリップチップ型である場合、発光素子１１の高さの半分以下、例えば２００μｍ以下、であることが好ましい。
【0022】
突起１６は、典型的には、配線１４（１４ａ、１４ｂ）の一部として形成される。この場合、１枚の金属膜をパターニングすることにより、配線１４ａ、１４ｂと、突起１６が形成される。このため、配線１４ａ、１４ｂと同じ材料（例えばＣｕ）からなり、配線１４ａ、１４ｂと同じ厚さを有する。突起１６は、発光素子１１に接続される配線１４ａ、１４ｂとは接続されず、電流経路としては用いられない。なお、突起１６は配線１４の一部でなくてもよく、例えば、シリコーンなどの樹脂材料、アルミナなどのセラミック材料、又はＡｕ、Ａｌなどの金属材料からなり、基板１０の上面に固定された部材であってもよい。
【0023】
発光素子１１の上面とレンズ１２の内面との距離Ｄは、小さいほど封止液１３の形状を保持しやすくなり、距離Ｄがゼロ、すなわち発光素子１１の上面とレンズ１２の内面が接触していることが特に好ましい。
【0024】
図１（ａ）に示されるように、レンズ１２の内面の発光素子の上方の領域１２１を下方に湾曲して突出させることにより、発光素子１１の上面とレンズ１２の内面との距離Ｄを小さくすることができる。領域１２１の突出部の下端の少なくとも一部と発光素子１１の上面は対向している。すなわち、領域１２１の突出部の下端の少なくとも一部と発光素子１１の上面の水平方向の位置が重なっている。
【0025】
また、領域１２１の突出部のサイズにより、封止液１３の側面１３１のテーパー角度を制御することができる。例えば、突起１６の平面パターンのサイズと封止液１３の量を一定とした場合、領域１２１の突出部を大きくするほど側面１３１のテーパー角度が大きくなる。
【0026】
図２（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）に示される切断線Ａ－Ａで切断された発光装置１の断面図の例である。図２（ａ）、（ｂ）に示される空気の層１５の水平断面の形状は、窪み１２７の平面パターンに対応している。レンズ１２の内面の領域１２１が下方に突出している場合、典型的には、図１（ａ）、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、領域１２１の突出部の周りを環状の窪み１２７が囲む。窪み１２７は、レンズ１２の内面の上方に窪んだ部分である。この場合、領域１２１の形状により、封止液１３を発光素子１１の周りに保持しやすくなる。窪み１２７の平面パターンは、例えば、図２（ａ）に示されるような円環形状や、図２（ｂ）に示されるような多角環形状である。
【0027】
【0028】
図３（ａ）に示される例では、レンズ１２の内面の発光素子１１の上方の領域に平坦な領域１２３が設けられ、その周囲に窪み１２７が設けられている。領域１２３と窪み１２７の間には段差１２２が形成されており、封止液１３は表面張力によってこの段差１２２の内側に留まりやすい。すなわち、段差１２２によって、封止液１３のレンズ１２の内面に接する部分の形状を保持することができる。
【0029】
図３（ｂ）、（ｃ）に示される例では、平坦な領域１２３に、下方に湾曲して突出する突出部１２４が１つ又は複数設けられている。突出部１２４を設けることにより、発光素子１１の上面とレンズ１２の内面との距離Ｄを小さくすることができる。また、図４（ａ）に示されるように、階段状の突出部１２５を平坦な領域１２３に設けてもよい。突出部１２４、１２５の下端の少なくとも一部と発光素子１１の上面は対向している。
【0030】
図４（ｂ）に示される例では、平坦な領域１２３に発光素子１１の形状に合わせた窪み１２６が設けられ、レンズ１２の内面が発光素子１１の側面の上側の一部と上面を覆っている。この場合の平坦な領域１２３の位置は、発光素子１１の上面の位置よりも低い。この構造によれば、発光素子１１とレンズ１２の内面との距離を広範囲にわたって小さくし、それによって封止液１３の形状をより安定に保持することができる。
【0031】
レンズ１２の外形は、典型的には、図１（ａ）に示されるようなドーム状であるが、これに限定されるものではない。レンズ１２の材料としては、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂などを用いることができる。
【0032】
封止液１３は、フッ素オイル、水などの、発光素子１１が発する光を透過する液体からなる。また、封止液１３は、放熱性、防湿性、光をレンズ１２へ効率的に導入する性質や、レンズ１２を基板１０に固定するまでの間、表面張力によりレンズ１２を保持する性質を有することが好ましい。例えば、防湿性を備えたフッ素オイルは、封止液１３の材料として特に好ましい。
【0033】
封止液１３は、粘度が高いほどその形状を保持しやすくなる。このため、封止液１３の粘度は、例えば、０．３Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、２．５Ｐａ・ｓ以上であることがより好ましい。なお、フッ素オイルは濡れ性が悪く、粘度がある程度低くても形状を安定して保持することができるので、封止液１３の材料として好ましい。また、封止液１３がフィラーを含むと粘度は増加するが、光取り出し効率が低下するため、封止液１３はフィラーを含まないことが好ましい。
【0034】
逆テーパー型の封止液１３をレンズ１２内に形成するための典型的な手順は、次の通りである。まず、基板１０に実装された発光素子１１の上方から封止液１３を滴下する。これにより、発光素子１１がドーム状の封止液１３で覆われる。このとき、封止液１３を発光素子１１上に滴下する際に、突起１６の外側に封止液１３が濡れ広がらない程度の量の封止液１３を滴下する。次に、封止液１３で覆われた発光素子１１にレンズ１２を被せる。このとき、レンズ１２の内面によってドーム状の封止液１３が潰され、図１（ａ）等に示されるような逆テーパー形状に変形する。レンズ１２と基板１０は、例えば、シリコーンなどの樹脂材料や、はんだによって固定する。
【0035】
レンズ１２を基板１０に被せた後で、封止液１３が、空気の層１５に周囲を囲まれ、表面張力によって基板１０とレンズ１２の内面の発光素子１１の上方の領域１２１との間に形状が保たれるように、突起１６の平面パターンのサイズ、封止液１３の量、レンズ１２の内面の封止液１３と接する部分の形状などを調整する。
【0036】
また、逆テーパー形状の封止液１３のテーパー角度を、突起１６の平面パターンのサイズ、封止液１３の量、レンズ１２の内面の封止液１３と接する部分の形状などにより制御することができる。例えば、突起１６の平面パターンを小さくする、封止液１３の量を増やす、又はレンズ１２の内面の領域１２１の突出部のサイズを大きくすることにより、封止液１３のテーパー角度を大きくすることができる。
【0037】
図５は、発光装置１の変形例である発光装置２の垂直断面図である。発光装置２は、封止液１３の下側の形状を突起１６ではなく発光素子１１の側面１１１で保持している点において、発光装置１と異なる。この場合、封止液１３の側面１３１は、主に発光素子１１の側面１１１の下側（基板１０側）の縁とレンズ１２の内面との間に形成される。
【0038】
すなわち、発光装置２においては、封止液１３が、レンズ１２の内側の空間において空気の層１５に周囲を囲まれるように、表面張力によって発光素子１１の側面１１１及び上面１１２とレンズ１２の内面の発光素子１１の上方の領域１２１との間に形状が保たれている。また、封止液１３は、下方から上方に向かって横方向に広がる逆テーパー形状を有する。
【0039】
（実施の形態の効果）
上記の本発明の実施の形態に係る発光装置１によれば、逆テーパー形状を有する封止液１３で発光素子１１を封止し、封止液１３の周囲を空気の層１５で囲むことにより、封止液１３の側面１３１での反射によって発光素子１１の側方に取り出される光を減らして上方に取り出される光を増やすことができる。これにより、発光装置１の配光を狭くして、集光効率を向上させることができる。
上記の本発明の実施の形態に係る発光装置１によれば、逆テーパー形状を有する封止液１３で発光素子１１を封止し、封止液１３の周囲を空気の層１５で囲むことにより、封止液１３の側面１３１での反射によって発光素子１１の側方に取り出される光を減らして上方に取り出される光を増やすことができる。これにより、発光装置１の配光を狭くして、集光効率を向上させることができる。
【0040】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【0041】
また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【0042】
１ 発光装置
１０ 基板
１１ 発光素子
１２ レンズ
１２１ 領域
１３ 封止液
１３１ 側面
１４ａ、１４ｂ 配線
１５ 空気の層
１６ 突起
１０ 基板
１１ 発光素子
１２ レンズ
１２１ 領域
１３ 封止液
１３１ 側面
１４ａ、１４ｂ 配線
１５ 空気の層
１６ 突起
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
