JP2006269757A - 発光素子実装用基板、発光素子パッケージ体、表示装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 白色ＬＥＤを製造する際に色度のばらつきが少なく、容易に高品質の発光素子パッケージ体を製造可能な発光素子実装用基板、該基板を用いた発光素子パッケージ体、該パッケージ体を用いた表示装置及び照明装置の提供。
【解決手段】 コア金属の表面の少なくとも発光素子実装部分が蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層により被覆されたことを特徴とする発光素子実装用基板。この発光素子実装用基板に発光素子が実装され、該発光素子が透明な封止樹脂により封止されていることを特徴とする発光素子パッケージ体。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を実装するための発光素子実装基板、該基板に発光素子を実装してパッケージした発光素子パッケージ体、この発光素子パッケージ体を用いた表示装置及び照明装置に関する。

発光素子は外力からの保護、発した光の指向角の制御、発光素子への電力の供給などの観点から、パッケージ化されるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
図４は、従来の発光素子パッケージ構造の一例を示す図であり、このパッケージ構造は、実装した発光素子１から出射した光を前方に効率よく放射させるための傾斜面を持つ反射凹部と発光素子通電用の一対の電極４とを有するパッケージ５と、このパッケージ５内に実装されたＬＥＤなどの発光素子１と、該一方の電極４上に固定された該発光素子１と他方の電極４とを電気的に接続している金属細線２と、発光素子１を外気から封止するためにパッケージ５の反射凹部に充填された透明な封止樹脂３とから構成されている。

また、白色ＬＥＤの場合は、ＩｎＧａＮのような窒化物系化合物半導体である青色発光素子にイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体のような青色光励起の黄色発光蛍光体を組み合わせて実装するのが一般的にとられる方法であり、図４に示した構造の場合、封止樹脂３に前記蛍光体を分散させて実装するのが一般的である。

一方、ＬＥＤ等の発光素子の発光強度を高めるために、パッケージの放熱性を高めることが有効である。発光素子は単位消費電力あたりの発光効率が現状の技術ではまだ低く、発光に寄与しない電力は熱に変換されて発光素子自体が発熱する。発光素子は半導体の一種であり、温度上昇に従い発光の効率は低下する。したがって、その発光素子を実装する基板などのパッケージの放熱性を向上させておくことにより、さらに大きな電流を発光素子に印加することが可能となり、その結果、発光素子１個当たりの発光強度を高くすることができる。放熱性の高い基板としては、窒化アルミニウム基板、コアに金属を用いたメタル基板などが挙げられる。
特開昭６２−２２４９８６号公報 特許第３５１１９８７号公報

青色発光素子に青色励起の黄色発光蛍光体を組み合わせる方式の白色ＬＥＤにおいて、前述したように封止樹脂に蛍光体を添加する従来の構造の場合、実装する蛍光体の添加量が一定でない場合、あるいは樹脂に対する添加量が一定であっても、蛍光体を含む樹脂の実装する量がばらつくことにより、発光素子から発する青色光と、蛍光体が発する黄色光のバランスが崩れ、その結果、色度が不安定となる。さらに蛍光体が樹脂中で沈降し、やはり発光色のばらつきが発生することがある。このように色度がばらつくことにより、大量生産時においては目標仕様から外れたものは不良とするか、あるいは色度毎に分別して販売するなどの対策が必要となり、製造工程の増加を招く問題があり、さらに所望の色度範囲の白色ＬＥＤを大量に生産することが困難となる問題がある。

一方で、樹脂への蛍光体の混ぜ方を工夫する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２では、色度のばらつきを抑えるために、ロールミル等の装置により十分に樹脂に蛍光体を混ぜ、このことにより樹脂中の蛍光体の分散状体が安定となり、結果として色度のばらつきは大きく低減されると記載されている。この方法で色度のばらつきの低減は図れるものと言えるが、しかし、この従来方式では混練に要する時間が長く、製造時間が延長されるため、製品の製造としては加工費の増大、また蛍光体を混ぜた樹脂を混練するための装置を購入する必要がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、白色ＬＥＤを製造する際に色度のばらつきが少なく、容易に高品質の発光素子パッケージ体を製造可能な発光素子実装用基板、該基板に発光素子を実装してパッケージした発光素子パッケージ体、この発光素子パッケージ体を用いた表示装置及び照明装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コア金属の表面の少なくとも発光素子実装部分が蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層により被覆されたことを特徴とする発光素子実装用基板を提供する。

本発明の発光素子実装用基板において、実装した発光素子から発する光を反射する傾斜面を持った反射凹部が設けられていることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板において、発光素子実装位置に延びる発光素子通電用の電極が前記蛍光ホーロー層上に設けられていることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板において、前記蛍光ホーロー層が、青色励起の黄色発光蛍光体を含むものであることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板において、前記蛍光ホーロー層が、セリウム賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体１５質量％〜６５質量％を含有してなることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子実装用基板に発光素子が実装され、該発光素子が透明な封止樹脂により封止されていることを特徴とする発光素子パッケージ体を提供する。

本発明の発光素子パッケージ体において、発光素子が青色発光ダイオードであり、前記蛍光ホーロー層が青色励起の黄色発光蛍光体を含有し、白色光を発することが好ましい。

本発明の発光素子パッケージ体において、前記発光素子実装用基板に多数の発光素子が実装されてなることが好ましい。

本発明に係る発光素子実装用基板は、コア金属の表面の少なくとも発光素子実装部分が蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層により被覆されたものなので、この発光素子実装用基板にＬＥＤなどの発光素子を実装して発光させることで、発光素子から発した光の一部は直接外部に照射され、残りの光は蛍光ホーロー基板に当たり、その蛍光が外部に照射されることで、発光素子から発した光と前記蛍光とが混ざり合った光が得られる発光素子パッケージ体を簡単に構成することができる。特に、青色ＬＥＤと青色励起の黄色発光蛍光体を組み合わせることで白色ＬＥＤパッケージ体を作製する場合に好適である。
この白色ＬＥＤパッケージ体の作製において、従来は封止樹脂に蛍光体を混ぜて実装していたため実装ばらつきなどにより作製されたパッケージ体に色度ばらつきが発生し易いが、本発明では、基板表面に蛍光体を含有した蛍光ホーロー層を設けた構成としたので、蛍光体の分散が一つの蛍光体のバッチ間でばらつくことは少なく、従来に比較して、色度のばらつきを大幅に低減できる。
また、基板に用いるコア金属はセラミックスなどと比較して、機械加工が容易であり、複数の発光素子を実装できるような基板構造のものも容易に作製できる。
また、発光素子を実装する反射凹部を設けることで、発光素子を実装する基板の構造として、反射カップを構成する基材を基板に重ねて作製する必要がないので、基板構造は単純であり、組立に係わるコストを抑制できるとともに、封止樹脂への基板と反射カップを構成する基材との隙間から発生する気泡の混入を防ぐことができる。

図１は、本発明の発光素子実装用基板及びそれを用いた発光素子パッケージ体の一実施形態を示す断面図であり、図１中、符号１０は発光素子パッケージ体、１１は発光素子実装用基板、１２はコア金属、１３は蛍光ホーロー層、１４は電極、１５は発光素子、１６は金属細線、１７は反射凹部、１８は反射凹部１７に充填された透明な封止樹脂である。

本実施形態の発光素子実装用基板１１は、反射凹部１７となる傾斜した壁面を持つ擂り鉢状の凹部を有するコア金属１２と、該コア金属１２の表面を覆う蛍光ホーロー層１３と、該蛍光ホーロー層１３上に設けられた発光素子実装位置に延びる発光素子通電用の電極１４とから構成されている。また、本実施形態の発光素子パッケージ体１０は、前記発光素子実装用基板１１に発光素子１５が実装され、該発光素子１５が透明な封止樹脂１８により封止された構成になっている。

コア金属１２を覆う蛍光ホーロー層１３は、発光素子１５から発する光を受けて反射する際に、含有する蛍光体が励起されて波長変換された蛍光を発する機能を有している。この蛍光ホーロー層１３を構成している蛍光体含有ガラスは、微細な蛍光体粉末をガラス質（ホーロー）によってコア金属１２表面に繋ぎ止めた構造になっており、蛍光体粉末は、ガラス質に少なくとも一部が固溶するものでも、あるいはガラス質に固溶せずガラス質に包囲された状態で存在しても良い。

この蛍光ホーロー層１３に含有せしめる蛍光体は、この発光素子パッケージ体１０に求められる発光色に応じて、従来公知の各種蛍光体の中から選択して１種又は２種以上を混合して用いることができる。本発明の好適な実施形態において、白色ＬＥＤパッケージ体を構成する場合には、発光素子１５として青色ＬＥＤを用い、蛍光体として青色励起の黄色発光蛍光体が用いられる。この黄色発光蛍光体としては、例えば、セリウム賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体（以下、ＹＡＧ：Ｃｅと記す。）が挙げられる。

本発明の好ましい実施形態において、蛍光体として前記ＹＡＧ：Ｃｅを用いる場合には、蛍光ホーロー層１３の原料（固体原料）全量に対して、前記ＹＡＧ：Ｃｅを１５質量％〜６５質量％、好ましくは２５質量％〜６０質量％、より好ましくは３５質量％〜６０質量％、最も好ましくは４５質量％〜６０質量％を配合する。ＹＡＧ：Ｃｅが１５質量％未満であると、青色ＬＥＤの色度を変えることが困難になる。ＹＡＧ：Ｃｅが６５質量％を超えると、蛍光ホーロー層１３が脆くなって焼成後に割れ等を生じる恐れがある。

コア金属１２の材質は、特に限定されないが、蛍光ホーロー層１３を強固に焼結でき、安価であり、かつ加工が容易な金属材料が好ましく、例えば、低炭素鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。また、蛍光ホーロー層１３を構成している蛍光体含有ガラスの密着性を向上させるため、金属表面を酸化処理してもよい。コア金属１２の形状も特に限定されず、例えば円板状、角板状などの種々の形状の金属板や凹凸を有する形状とすることができる。コア金属１２に反射凹部１７となる凹部を形成する方法も限定されず、ドリルなどによる切削加工法、研磨材による研磨加工などを用いて形成することができる。

コア金属１２の表面を蛍光ホーロー層１３で覆ったホーロー基板の作製方法の一例を説明すると、まず、低炭素鋼板などのコア金属１２にドリルなどによる切削加工やプレス加工などによって反射凹部１７となる傾斜面を持った擂り鉢状の凹部を作製する。一方、適当な分散媒にガラス粉末と蛍光体粉末を混ぜて蛍光ホーロー層形成用の分散液を作製する。次に、その分散液を前記コア金属１２の表面に塗布し、高温で焼結して蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層１３を作製する。コア金属１２に形成した凹部にも蛍光ホーロー層１３が積層され、平滑で蛍光体が含有された傾斜面を持った反射凹部１７が形成される。

ドリル加工など機械的に切削して傾斜面を持つ反射凹部１７を作製する場合、前述したように表面の平滑度を保つことが難しいと言えるが、低炭素鋼のような金属は加工がし易いことと、さらに、表面の平滑度が確保できなくても蛍光ホーロー層１３を積層させることにより、凹凸のある部分は凹凸が補正されて、焼結後に得られる蛍光ホーロー層１３表面の平滑度は一般に高い。従って、反射凹部１７の傾斜面の平滑度も高くなり、光反射率の高い反射凹部１７が容易に得られる。

本発明において用いる発光素子１５は特に限定されないが、ＬＥＤ、レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子、有機ＥＬ素子などが好適に用いられる。前述した通り白色ＬＥＤパッケージ体を構成する本発明の好ましい実施形態においては、窒化物系化合物半導体からなる青色ＬＥＤが用いられる。

発光素子１５に電力を供給する電極１４及び金属細線１６は、例えば以下の（１）〜（３）の方法により形成できる。
（１）反射凹部１７内に、厚膜銀ペースト層で電気回路を作製し、ギャップを介して対向した一方の電極１４に発光素子１５を実装し、他方の電極１４に金ワイヤなどの金属細線１６をボンディングする。
（２）金属箔などで電極１４を用意し、これを蛍光ホーロー層１３上に接着し、発光素子１５を前記（１）と同様に実装すると共に、電気的に接続する。
（３）反射凹部１７外に用意した電極と、反射凹部１７内の蛍光ホーロー層１３上に実装した発光素子１５とを金ワイヤなどの金属細線１６でボンディングして電気的に接続する。

本実施形態の発光素子パッケージ体１０において、反射凹部１７表面に蛍光ホーロー層１３を形成している関係上、前記電極１４は寸法的に細くすることが望ましい。この電極１４を銀で形成した場合、青色ＬＥＤなどの発光素子１５から発した光はこの電極１４で強く反射されるものの、その電極１４は蛍光体を含有していないので、見かけ上電極１４の部分は青色光のみ発光することになり、電極１４の横幅を広くした場合、綺麗に混色された白色が得られない。従って、電極１４の横幅は、０．８ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

反射凹部１７内に発光素子１５を実装後、反射凹部１７に透明な封止樹脂１８を充填し、発光素子１５を外気から封止する。この封止樹脂１８としては、例えば熱硬化型エポキシ樹脂などが用いられる。

本実施形態の発光素子実装用基板１１は、コア金属１２の表面の少なくとも発光素子実装部分が蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層１３により被覆されたものなので、この発光素子実装用基板１１に発光素子１５を実装して発光させることで、発光素子１５から発した光の一部は直接外部に照射され、残りの光は蛍光ホーロー基板１３に当たり、その蛍光が外部に照射されることで、発光素子１５から発した光と前記蛍光とが混ざり合った光が得られる発光素子パッケージ体１０を簡単に構成することができる。特に、青色ＬＥＤと青色励起の黄色発光蛍光体を組み合わせることで白色ＬＥＤパッケージ体を作製する場合に好適である。

この白色ＬＥＤパッケージ体の作製において、従来は封止樹脂に蛍光体を混ぜて実装していたため実装ばらつきなどにより作製されたパッケージ体に色度ばらつきが発生し易いが、本実施形態では、基板表面に蛍光体を含有した蛍光ホーロー層１３を設けた構成としたので、蛍光体の分散が一つの蛍光体のバッチ間でばらつくことは少なく、従来に比較して、白色ＬＥＤパッケージ体の色度ばらつきを大幅に低減できる。
また、基板に用いるコア金属１２はセラミックスなどと比較して、機械加工が容易であり、複数の発光素子１５を実装できるような基板構造のものも容易に作製できる。
また、発光素子１５を実装する反射凹部１７を設けることで、発光素子１５を実装する基板の構造として、反射カップを構成する基材を基板に重ねて作製する必要がないので、基板構造は単純であり、組立に係わるコストを抑制できるとともに、封止樹脂への気泡の混入を防ぐことができる。

なお、前記の構造において、発光面側に樹脂などにより光学的なレンズ体を成型し、指向角の制御などを行っても良い。また、前記（３）の構造の場合、金属細線１６をモールドするように樹脂を配置すると、信頼性の観点からも望ましい構造と言える。

図２は、本発明に係る発光素子実装用基板及びそれを用いた発光素子パッケージ体の別な実施形態を示す断面図であり、図２中、符号２０は発光素子パッケージ体、２１は発光素子実装用基板、２２はコア金属、２３は蛍光ホーロー層、２４は電極、２５は発光素子、２６は金属細線、２７は反射凹部、２８は透明な封止樹脂である。

本実施形態では、１つの基板上に複数の発光素子２５を実装可能とした発光素子実装用基板２１及びその発光素子実装用基板２１に複数の発光素子２５を実装し、それぞれ封止樹脂２８によって封止してなる発光素子パッケージ体２０を例示している。本実施形態において、コア金属２２、蛍光ホーロー層２３、電極２４、発光素子２５、金属細線２６、反射凹部２７及び封止樹脂２８の各構成要素は、形状や発光素子実装個数は異なるが、前述した図１に示すコア金属１２、蛍光ホーロー層１３、電極１４、発光素子１５、金属細線１６、反射凹部１７及び封止樹脂１８と同様のものを用いることができる。

コア金属として、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍの低炭素鋼板を用いた。擂り鉢状の反射凹部が形成されるよう、ドリルにより凹部を形成した。凹部底面の寸法は反射凹部底面で直径１ｍｍ、深さは０．５ｍｍ、４５°の角度の傾斜が形成されている。

蛍光ホーロー層の原料として、ガラス粉末と、セリウムを賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体を用いた。この二つの粉末を十分に混ぜ、２−プロパノールと水からなる分散媒に分散させた。これを前記コア金属の表面に塗布した。その後、大気中８５０℃で焼成し、蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層を形成した。蛍光ホーロー層の厚みは、１００μｍとなることを目標として試料を作製した。電極は銅ペーストを所定の電極パターンに塗布して焼成することにより作製した。その寸法は厚み０．１ｍｍ、横幅０．５ｍｍとなるように作製した。

ＬＥＤの実装について次に示す。蛍光ホーロー層原料中の蛍光体の量を変量して表１に示す実施例１〜６及び比較例１の発光素子実装用基板を作製し、それぞれの発光素子実装用基板に発光素子として青色ＬＥＤを実装して白色ＬＥＤパッケージ体を作製した。
最初に、窒化物系化合物半導体からなる青色ＬＥＤを一方の電極上に実装した。青色ＬＥＤは発光波長がピーク波長で４５０ｎｍのものを選択して使用した。さらにワイヤボンディング装置を用いて青色ＬＥＤと他方の電極とをボンディングした。さらに透光性のエポキシ樹脂を発光素子が実装された反射凹部内に充填し、加熱硬化してサンプルを作製し、評価した。

表１に、実施例１〜６及び比較例１の各白色ＬＥＤパッケージ体の色度、基板外観及び熱伝導率の測定結果を示す。測定は試料数１０個の平均値で示した（表１）。また、表２に実施例１〜６の各白色ＬＥＤパッケージ体における色度のばらつきについて、その実験値を示す。
表１中、ガラス粉末添加量と蛍光体粉末添加量を表す数値は質量％である。また、色度、基板外観及び熱伝導率は次のように測定した。

＜色度＞
作製した白色ＬＥＤパッケージ体の色度を色度計（横河電機社製、マルチメディアディスプレイテスタ３２９８Ｆ）を用いて測定した。

＜基板外観＞
実施例１〜６及び比較例１のそれぞれの発光素子実装用基板を目視確認し、割れなどの異常の有無を調べた。外観に異常のない試料は良好とし、目視で確認できる割れのあるものを一部割れ、として評価した。

＜熱伝導率＞
実施例１〜６及び比較例１のそれぞれの発光素子実装用基板のガラスの組成でそれぞれガラスのシートを作製してレーザーフラッシュ法で測定した（単位：Ｗ／ｍＫ）。測定はメルバック理工社製のレーザーフラッシュ法熱定数測定装置（ＴＣ−７０００）を用い、ホーローガラス材料のサイズがφ１０×１ｍｍ厚のものを作製して真空中で測定した。試験方法はＪＩＳ Ｒ１６１１−１９９１に準拠して行っている。

以上の試験結果から、１５質量％以上の蛍光体粉末を添加して蛍光ホーロー層を形成すると、ＬＥＤの色度が変わることがわかる。また実施例４〜６の範囲のものは、ＣＩＥで規定された昼白色の発光色を示していることがわかる。また、蛍光体の添加は、基板の放熱性には影響をほとんど与えないことが確認された。

本発明に係る発光素子実装用基板と発光素子パッケージ体の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る発光素子実装用基板と発光素子パッケージ体の別な実施形態を示す断面図である。 実施例５で作製した白色ＬＥＤパッケージ体の波長スペクトルを示すグラフである。 従来の発光素子パッケージ構造の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０…発光素子パッケージ体、１１，２１…発光素子実装用基板、１２，２２…コア金属、１３，２３…蛍光ホーロー層、１４，２４…電極、１５，２５…発光素子、１６，２６…金属細線、１７，２７…反射凹部、１８，２８…封止樹脂。

Claims (10)

1. コア金属の表面の少なくとも発光素子実装部分が蛍光体含有ガラスからなる蛍光ホーロー層により被覆されたことを特徴とする発光素子実装用基板。
2. 実装した発光素子から発する光を反射する傾斜面を持った反射凹部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用基板。
3. 発光素子実装位置に延びる発光素子通電用の電極が前記蛍光ホーロー層上に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子実装用基板。
4. 前記蛍光ホーロー層が、青色励起の黄色発光蛍光体を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用基板。
5. 前記蛍光ホーロー層が、セリウム賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体１５質量％〜６５質量％を含有してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子実装用基板。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子実装用基板に発光素子が実装され、該発光素子が透明な封止樹脂により封止されていることを特徴とする発光素子パッケージ体。
7. 発光素子が青色発光ダイオードであり、前記蛍光体含有ガラスが青色励起の黄色発光蛍光体を含有し、白色光を発することを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ体。
8. 前記発光素子実装用基板に多数の発光素子が実装されてなることを特徴とする請求項６又は７に記載の発光素子パッケージ体。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の発光素子パッケージ体を有する表示装置。
10. 請求項６〜８のいずれかに記載の発光素子パッケージ体を有する照明装置。
    
    

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