JP2004172578A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子とパターン電極を接続するワイヤボンディング工程、および封止材により封止する工程を不要とし、歩留よく安価に薄型の発光装置を製造する。
【解決手段】支持基板１の上に、半導体発光素子２として、例えば青色に発光するＩｎＧａＮ系発光ダイオード２が搭載され、半導体発光素子を覆うように、透光性フィルム５が支持基板に固定されている。透光性フィルムの上面にはパターン電極７が形成され、パターン電極７と半導体発光素子の端子電極４とが、例えばスルーホールを介して導通している。透光性フィルム５には、半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有させることができる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、例えば半導体装置、照明装置、表示装置等に利用可能な発光ダイオード、面発光レーザ等の半導体発光素子の実装技術に関するものである。
近年、半導体技術の進展により、青色から紫外の短波長域で発光する発光ダイオードや面発光レーザが実現されるようになった。これらを用いて、蛍光体を励起した白色光源の開発が盛んに行われている。例えば、青色発光ダイオードの上に黄色に発光する蛍光体を塗布することにより、白色光を得ることがでる。それにより、各種表示や照明用として実用化が始まっている。また、光源として３００〜４００ｎｍの紫外域発光ダイオードを用い、これによって赤、緑、青の３原色蛍光体を励起することにより、より自然な白色を得る試みもなされている。これら、発光ダイオードと蛍光体による発光装置の実装形態に関しては、さまざまな方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２等）。
以下、図面を参照しながら、上述のような発光ダイオードと蛍光体を組み合わせた、従来例の白色発光装置の構成について説明する。
図８は従来の白色発光装置の構成の一例を示す断面図である。絶縁膜２１を挟んでパターン電極２２が表面に形成された支持基板１の上に、青色発光ダイオード２が銀ペースト３により実装されている。発光ダイオード２の表面には端子電極が形成されており、この端子電極と支持基板１上のパターン電極２２とが金ワイヤ２３によって電気的に接続されている。また、蛍光体を含有した封止材２４が、発光ダイオード２を覆うように形成されている。
パターン電極２２を介して発光ダイオード２に電力を供給すると、発光ダイオード２は青色に発光する。その光の一部は封止材２４の中の蛍光体によって吸収され、これによって蛍光体は黄色に発光する。蛍光体による黄色の発光と、封止材２４を透過して出てきた青色光の一部とが混ざり合い、白色の光源が得られる。
特開平１１−２９８０４８号公報 特開２００２−７６４４４号公報
しかしながら、この構成では以下に述べるような課題があった。すなわち、この構成では、金ワイヤ２３を形成するワイヤボンディング工程が必要であった。しかもワイヤボンディング時に、発光ダイオード２に過剰な応力がかかり劣化を招くことがあった。また、従来の構成では、ワイヤボンディング工程の後に封止材２４を形成する工程が必要であり、製造コストがかかるという問題があった。
さらに、封止材２４が硬化する際の応力により、金ワイヤ２３が端子電極あるいはパターン電極２２から外れるという不良を生じることがあった。これらの課題は特に、多数個の発光ダイオードをアレイ状に並べた構成の発光装置において、歩留を低下させる大きな要因であった。また、従来の構成では、金ワイヤ２３の存在により装置の厚みを薄くすることが困難であるという課題もあった。
上記課題に鑑み、本発明は、ワイヤボンディング工程や、蛍光体を含有した封止材を形成する工程を不要とし、歩留よく安価に製造可能な薄型の発光装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、支持基板と、前記支持基板の上に搭載された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を覆うように前記支持基板に固定された透光性のフィルムと、前記透光性フィルムの上面に形成されたパターン電極とを有し、前記パターン電極と前記半導体発光素子の端子電極とが導通している。
上記構成の発光装置によれば、製造工程において、半導体発光素子とパターン電極を接続するためのワイヤボンディング工程や、封止材により封止する工程を不要とし、歩留よく安価に薄型の発光装置を製造することができる。
本発明の発光装置において好ましくは、透光性フィルムは、半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有する。それにより、蛍光体を含有した封止材を形成する工程が省略され、安価に発光装置を製造することができる。
また好ましくは、透光性フィルムの少なくとも一方の面に、半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含む蛍光体膜が形成される。それにより、蛍光体を含有した封止材を形成する工程が省略され、安価に発光装置を製造することができる。しかも透光性フィルムに多量の蛍光体を含有させた場合に生じる強度の劣化を防ぐことができ、また、任意量の蛍光体を使用することができる。さらに好ましくは、蛍光体膜が透光性フィルムの半導体発光素子側の表面に形成される。それにより、特に、発光ダイオードの発光波長が紫外域であるとき、発光ダイオードからの光が透光性フィルムを通過する前に蛍光体によって可視光に変換されるので、透光性フィルムの吸収による光の損失を低減させて、発光効率を高めることができる。
また好ましくは、支持基板が凹部を有し、半導体発光素子が凹部内に搭載される。それにより、透光性フィルムの曲がりが少なくなり、歩留よく発光装置を製造することができる。凹部の側壁面は、底部から透光性フィルムに向かって広がるように形成されることが好ましい。それにより、発光素子の側面から出射された光が、凹部の側壁斜面によって反射され透光性フィルムの方向に導かれるので、光の取り出し効率が向上し、発光効率を高めることができる。凹部の側壁面が支持基板の上面に対してなす角度は、３０°〜６０°の範囲とすることが好ましい。
上記構成の発光装置において、半導体発光素子の少なくともひとつの端子電極が、支持基板または支持基板上に形成された電極に導通している構成とすることができる。それにより、発光ダイオードと透光性フィルム上の電極との接続は１箇所で済むので、透光性フィルム上の電極による光の遮りを最小限にして、発光効率を高めることができる。
また上記構成の発光装置は、支持基板の上に、複数の半導体発光素子がアレイ状に実装された構成とすることが可能である。それにより、大出力の発光装置を容易に構成することができる。
また上記構成の発光装置において、透光性フィルムを支持基板に接着剤によって固着することができる。それにより、透光性フィルムを強固に固定できると共に、発光ダイオードが外気と遮断され水分等の混入を最小限に防ぐことができるので、発光ダイオードの信頼性を高めることができる。好ましくは、接着剤は、半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有する。それにより、発光ダイオードの側面から出射し洩れてきた光も蛍光体によって可視光に変換できるので、発光効率を高めることができる。
上記構成の発光装置において、支持基板を金属で構成することができる。それにより、発光ダイオードの放熱特性が格段に向上し、動作可能な最高温度の向上や信頼性の向上を図ることができる。
また、上記構成の発光装置において好ましくは、支持基板と透光性フィルムとで囲まれた空間に、樹脂を封入する。それにより、樹脂が硬化収縮する際に、透光性フィルムを支持基板側に吸い寄せるので、実装状態が強固になり、信頼性の高い発光装置を実現することができる。さらに好ましくは、空間に封入された樹脂が、半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有する。それにより、発光ダイオードの側面から出射した光も蛍光体によって可視光に変換して、発光効率を高めることができる。また好ましくは、前記空間に封入された樹脂の屈折率が、前記半導体発光素子の発光部の屈折率よりも小さく、前記透光性フィルムの屈折率よりも大きい値に設定する。それにより、発光ダイオードからの光の取り出し効率が向上して、発光効率を高めることができる。
上記構成の発光装置において好ましくは、支持基板と透光性フィルムとで囲まれた空間に、大気圧よりも低い圧力で気体を封入する。それにより、透光性フィルムが支持基板側に吸い寄せられるので、実装状態が強固になり、信頼性の高い発光装置を実現することができる。
また、上記構成の発光装置において好ましくは、支持基板と透光性フィルムとで囲まれた空間に、窒素、アルゴン、ヘリウム、あるいはこれらの混合ガス等の不活性ガスを封入する。それにより、特に、発光ダイオードが紫外域で発光する場合、大気中の酸素や水分の存在により発光ダイオードの電極が劣化することを防止することができ、高信頼性の発光装置を実現することができる。
以下に、本発明の各実施の形態における発光装置について、図面を参照して具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る発光装置を示す断面図、図１Ｂはその平面図である。支持基板１の上に、青色に発光するＩｎＧａＮ系発光ダイオード２が、銀ペースト３によって固着されている。発光ダイオード２の上部を覆って、青色光に対して透光性の樹脂からなる透光性フィルム５が配置され、接着剤６によって支持基板１に固定されている。透光性フィルム５の表面には、パターン化されたパターン電極７が形成されている。パターン電極７は、発光ダイオード２の直上で、スルーホール８を介して透光性フィルム５の反対側の面に伸び、金バンプ９によって発光ダイオード２の端子電極４と電気的に接続されている。透光性フィルム５には、得ようとする白色光の水準に応じて、蛍光粉末顔料が一定の比率で混入されている。
このような構成により、ワイヤボンディング工程が不要となり、極めて能率よく実装ができる。また、ワイヤボンディングに起因するワイヤ剥がれや、歪による発光ダイオードの劣化による、歩留の低下を抑制することができる。また、蛍光体を塗布する工程が不要となるので、工程数も減り、安価に歩留よく発光装置を製造することができる。さらに、ワイヤが不要であるため、全体の厚みを薄くすることができる。
透光性フィルム５は、支持基板１との間に発光ダイオード２を挟んで固定されるので、発光ダイオード２に対応する部分が多少変形するが、発光ダイオード２の厚さは極めて小さいので、実質的に構造上の支障はない。
発光ダイオード２は、上記の例に限らず、目的に応じて種々選択可能である。透光性フィルム５の材質としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニリデン、ポリエステル、ポリビニルアルコール、１軸延伸ポリエステル、無軸ポリエステル、ポリアリレート、ポリエーテルサルホン、ポリカーボネート、環状非晶質ポリオレフィン、ポリイミド、その他のファインプラスチック材料等を用いることができる。透光性フィルム５に混入する蛍光粉末顔料は、発光ダイオード２との組み合わせで適宜選択することができる。赤色蛍光体としては、例えば、（Ｙ、Ｇｄ）ＢＯ3：Ｅｕ、Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ等を用いることができる。緑色蛍光体としては、例えば、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ、ＢａＡｌ12Ｏ19：Ｍｎ等を用いることができる。青色蛍光体としては、例えば、ＢａＭｇＡｌ14Ｏ23：Ｅｕ等を用いることができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る発光装置を示す断面図である。実施の形態１の発光装置との相違点は、透光性フィルム５ａには蛍光体顔料を含有せず、透光性フィルム５ａの表面に、蛍光体膜１０が薄膜状に形成されている点である。
このような構成により、透光性フィルム５ａに多量の蛍光体を含有させた場合に生じる透光性フィルム５ａの強度の劣化を防ぐことができる。また、任意量の蛍光体を使用することができる。
蛍光体膜１０は、透光性フィルム５ａの上面に設けることも可能であるが、図２に示したように、透光性フィルム５ａの下面、すなわち透光性フィルム５ａの発光ダイオード２側の表面に設けた場合は、次のような利点がある。すなわち、発光ダイオード２から出た光をまず蛍光体膜１０により、発光ダイオード２の発光ピークよりも長波長側の可視光に変換するように構成することができる。それにより、透光性フィルム５ａによる光の吸収損失が低減でき、発光効率を高めることができる。また、発光ダイオード２の発光スペクトルが紫外域にあるときには、紫外光による透光性フィルム５ａの経時劣化を抑制することができ、高信頼性の発光装置を実現することができる。
蛍光体膜１０の形成には、薄膜形成技術あるいは塗布等、どのような成膜方法を用いてもよい。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る発光装置を示す断面図である。実施の形態１との相違点は、支持基板１に凹部１１が形成され、凹部１１の底面に発光ダイオード２が実装されている点である。例えば、支持基板１としてアルミニウムを用い、プレス加工により、１辺が約１ｍｍ、深さが発光ダイオード２の厚みと同程度の１００μｍの凹部１１を形成した構成とすることができる。
このような構成により、発光ダイオード２から側方に出射された光を、凹部１１の側壁面により反射させて、透光性フィルム５の側に効果的に導くことができる。それにより、発光効率の高い発光装置を実現することができる。光の取り出し効率の観点からは、凹部１１の側壁が、図３に示すように底部から透光性フィルム５に向かって開いた形状であることが望ましい。支持基板１の上面に対して凹部１１の側壁面がなす角度θは、３０°〜６０°が適当である。さらに、凹部１１の側壁面に反射膜を設ければ、光の取り出し効率を、より高めることが可能である。
また、このような構成により、透光性フィルム５の曲げを最小限にしてほぼ平坦に固着することができる。それにより、曲げに伴う透光性フィルム５内の局所的な過剰応力による透光性フィルム５の劣化や、パターン電極７の剥がれを回避することが可能となる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る発光装置を示す断面図である。本実施の形態は、実施の形態３の構成に実施の形態２の着想を適用した例である。すなわち、実施の形態３との相違点は、透光性フィルム５ａには蛍光体顔料を含有せず、透光性フィルム５ａの表面に蛍光体膜１０が薄膜状に形成されている点である。
このような構成により、実施の形態２において述べたように、透光性フィルム５ａに多量の蛍光体を含有させた場合に生じる透光性フィルム５ａの強度の劣化を防ぐことができ、任意量の蛍光体を使用することができる。蛍光体膜１０を透光性フィルム５ａの下面に設ける場合の利点も、実施の形態２の場合と同様である。
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５に係る発光装置を示す断面図である。支持基板１はアルミニウム製であり、実施の形態３、４と同様に、プレス加工により形成した凹部１１を有する。
実施の形態３との相違点は、発光ダイオード２の２つの端子電極が、発光ダイオード２の上下両面に形成され、一方の端子電極４ａは支持基板１に接続され、他方の端子電極４ｂは透光性フィルム５上のパターン電極７に接続されている点である。
このような構成により、パターン電極７と発光ダイオード２の電気的接続が１箇所のみになる。それにより、実装歩留を向上させることができると共に、パターン電極７によって光が遮られる面積が半減するので、より効率の高い発光装置を実現することができる。
上述の発光装置は、支持基板１として導電性金属であるアルミニウムを用いることにより、端子電極４ａとの電気的な接続を可能とした例であるが、これに限定されるものではない。例えば、パターン電極を形成した絶縁性基板を用いて、端子電極４ａと電気的に接続してもよい。
端子電極４ａを支持基板１または支持基板１に設けられた電極と接続するためには、端子電極４ａを発光ダイオード２の下面に配置することは必須ではない。端子電極４ａを上面に設けた場合であっても、スルーホール等を介して支持基板１等と接続することは可能である。
また、上述の発光装置は、支持基板１に凹部１１を設けた構成の例であるが、これに限定されるものではない。実施の形態１と同様に平坦な支持基板を用いた場合であっても、本実施の形態の特徴である構成を適用して同様の効果を得ることは可能である。
また、蛍光体顔料を含有した透光性フィルム５ではなく、実施の形態２と同様に、表面に蛍光体膜１０を形成した透光性フィルム５ａを用いた場合でも、本実施の形態を適用して同様の効果を得ることが可能である。
（実施の形態６）
図６Ａは、本発明の実施の形態６に係る発光装置を示す断面図、図６Ｂは、その平面図である。支持基板１は、例えばアルミニウム製で導電性を有し、プレス加工により凹部１１がアレイ状に形成されている。アレイを構成する個々の発光部の構成は、実施の形態５の場合と同様である。
各発光ダイオード２の２つの端子電極のうち、発光ダイオード２の下面に形成された端子電極４ａは支持基板１に接続され、上面に形成された端子電極４ｂは透光性フィルム５上のパターン電極７に接続されている。
このような構成により、蛍光灯や白熱電灯等の一般照明装置と置き換え可能な大電力の発光装置を実現することができる。しかも、発光ダイオード２の端子電極４ａおよび端子電極４ｂとの接続は、各々、支持基板１および透光性フィルム５上のパターン電極７との接続により一括して行われ、各発光ダイオード２ごとのワイヤボンディングや蛍光体塗布工程が不要である。それにより、製造コストを飛躍的に低減できる。
以上の実施の形態１〜６で述べた構成において、支持基板１と透光性フィルム５により囲まれた発光ダイオード２の近傍の空間は、実用上の条件に応じて種々の雰囲気を適用可能である。例えば、大気圧の空気が封入されていてもよい。また、発光ダイオード２の近傍の空間に、大気圧よりも低い圧力、例えば１×１０3〜５×１０4Ｐａの範囲の圧力で気体を封入することもできる。それにより、透光性フィルム５が発光ダイオード２の上部で支持基板１の側に押さえつけられるので、透光性フィルム５の固着状態が安定し、長期信頼性を向上させることができる。また、封入する気体は、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスであることが望ましい。それにより、発光ダイオード２からの光の紫外成分によって、空気中の酸素や水分が発光ダイオードの電極や透光性フィルムの表面と反応を起こし、信頼性を低下させることを回避することができる。なお、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを封入する場合、大気圧あるいはそれ以上の圧力であってもよい。
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７に係る発光装置を示す断面図である。実施の形態６との相違点は、発光ダイオード２の周囲の空間に樹脂１２が封入されている点である。樹脂１２を封入することにより、支持基板１に対する発光ダイオード２の固定が安定する。
樹脂１２は、その屈折率が、発光ダイオード２の発光層の屈折率と透光性フィルム５の屈折率の中間の値であることが望ましい。それにより、発光ダイオード２からの光の取り出し効率を高めることができる。屈折率の関係は、例えば、発光ダイオード：２．６、樹脂：２．０、透光性フィルム：１．６とすればよい。また、樹脂１２に、透光性フィルム５と同様に蛍光体顔料を含有させてもよい。それにより、白色への変換効率を一層高めることができるので、高効率の発光装置を実現することができる。
なお、本実施の形態では、凹部１１を有する支持基板１の上に発光ダイオード２をアレイ状に配置した場合を示したが、これに限定されるものではない。例えば、実施の形態１〜５で示した構成において、発光ダイオード２の周囲の空間に樹脂を封入することにより、同様の効果を得ることができる。
以上の実施の形態に関して、支持基板１の材質は特に限定されるものではないが、特に、アルミニウム、銅等の金属を用いることが望ましい。それにより、優れた放熱性を確保することができ、動作可能温度を高めたり、信頼性を高めたりすることができる。
また、透光性フィルムの膜厚は特に限定されないが、機械的な安定性と実装時のフレキシブルさを両立させるために、約２５μｍ以上５００μｍ未満が望ましい。
また、透光性フィルム上の電極のパターンは、発光装置と外部駆動回路との接続の形態に応じて自由に設計可能である。但し、発光ダイオードおよび蛍光体からの光が透過する発光ダイオード直上およびその近傍では、光の遮りを最小限に抑えるためにできるだけ線幅を小さくする方がよい。線幅が１００μｍ未満であることが望ましい。
また、以上の実施の形態においては、例えば、波長４７０ｎｍ程度の青色の発光ダイオードを用いることができるが、これに限るものではない。例えば、波長４２０ｎｍ以下の紫外領域の発光ダイオードを用い、透光性フィルムに含有させる蛍光体として赤色、黄色、青色、緑色等に発光するものを適当な分量比で選定して混合することにより、自然光に一層近い白色光を得ることができる。
また、透光性フィルムを支持基板に固定する手段は、接着剤に限定されるものではなく、機械的な押さえ機構により固定することもできる。例えば、基板に溝を設け、当該溝に透光性フィルムをはめ込んで固定すればよい。発光ダイオードを実装する手段は、銀ペーストに限定されるものではなく、例えばＰｂＳｎやＡｕＳｎ等の共晶半田によって実装してもよい。半導体発光素子としては、発光ダイオードに限らず、例えば面発光レーザを適用することもできる。
本発明によれば、半導体発光素子とパターン電極を接続するためのワイヤボンディング工程や、封止材により封止する工程が不要となるので、歩留よく安価に薄型の発光装置を製造することができる。
本発明の第１実施の形態に係る発光装置の一断面図 同上面図 本発明の第２実施の形態に係る発光装置の一断面図 本発明の第３実施の形態に係る発光装置の一断面図 本発明の第４実施の形態に係る発光装置の一断面図 本発明の第５実施の形態に係る発光装置の一断面図 本発明の第６実施の形態に係る発光装置の一断面図 同上面図 本発明の第７実施の形態に係る発光装置の一断面図 従来の発光装置の一断面図
符号の説明
１ 支持基板
２ 青色発光ダイオード
３ 銀ペースト
４、４ａ、４ｂ 端子電極
５、５ａ 透光性フィルム
６ 接着剤
７ パターン電極
８ スルーホール
９ 金バンプ
１０ 蛍光体膜
１１ 凹部
１２ 樹脂
２１ 絶縁膜
２２ パターン電極
２３ 金ワイヤ
２４ 封止材

Claims (18)

  1. 支持基板と、前記支持基板の上に搭載された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を覆うように前記支持基板に固定された透光性のフィルムと、前記透光性フィルムの上面に形成されたパターン電極とを有し、前記パターン電極と前記半導体発光素子の端子電極とが導通している発光装置。
  2. 前記透光性フィルムは、前記半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有する請求項１記載の発光装置。
  3. 前記透光性フィルムの少なくとも一方の面に、前記半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含む蛍光体膜が形成されている請求項１記載の発光装置。
  4. 前記蛍光体膜が前記透光性フィルムの前記半導体発光素子側の表面に形成されている請求項３記載の発光装置。
  5. 前記支持基板が凹部を有し、前記半導体発光素子が前記凹部内に搭載されている請求項１記載の発光装置。
  6. 前記凹部の側壁面が、底部から前記透光性フィルムに向かって広がるように形成されている請求項５記載の発光装置。
  7. 前記凹部の側壁面が前記支持基板の上面に対してなす角度は、３０°〜６０°の範囲である請求項６記載の発光装置。
  8. 前記半導体発光素子の少なくともひとつの前記端子電極が、前記支持基板または前記支持基板上に形成された電極に導通している請求項１記載の発光装置。
  9. 前記支持基板の上に、複数の前記半導体発光素子がアレイ状に実装されている請求項１記載の発光装置。
  10. 前記透光性フィルムは前記支持基板に接着剤によって固着されている請求項１記載の発光装置。
  11. 前記接着剤は、前記半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有する請求項１０記載の発光装置。
  12. 前記支持基板が金属製である請求項１記載の発光装置。
  13. 前記支持基板と前記透光性フィルムとで囲まれた空間に、樹脂が封入されている請求項１記載の発光装置。
  14. 前記空間に封入された樹脂が、前記半導体発光素子から発せられた光によって励起される蛍光体を含有する請求項１３記載の発光装置。
  15. 前記空間に封入された樹脂の屈折率が、前記半導体発光素子の発光部の屈折率よりも小さく、前記透光性フィルムの屈折率よりも大きい請求項１３記載の発光装置。
  16. 前記支持基板と前記透光性フィルムとで囲まれた空間に、大気圧よりも低い圧力で気体が封入されている請求項１記載の発光装置。
  17. 前記支持基板と前記透光性フィルムとで囲まれた空間に不活性ガスが封入されている請求項１記載の発光装置。
  18. 前記不活性ガスが窒素、アルゴン、ヘリウムあるいはこれらの混合ガスである請求項１７記載の発光装置。
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