JP2007227791A - 発光装置の製造方法および発光装置 - Google Patents

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高宏 本郷
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雅史 蔵本
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直紀 西内
Daisuke Kishikawa
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Abstract

【課題】発光素子と蛍光体とを有する発光装置の配光特性を向上させる。
【解決手段】支持体４０５上に実装されて外部端子４０５，４０６に電気的に接続された発光素子４０９を透光性樹脂４１１により封止した発光装置の製造方法であって、樹脂封止に際して、透光性樹脂に発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質および拡散剤を予め含ませておき、液状の透光性樹脂をポッティング法により発光素子の周辺に供給する第１の工程と、透光性樹脂内において発光素子に近い部分に偏在するように蛍光物質を沈降させ、当該蛍光物質の沈降部分よりも発光素子から離れた部分に拡散剤を分散させた状態で透光性樹脂を硬化させる第２の工程とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置の製造方法および発光装置に係り、特に発光素子を透光性樹脂で封止する構造の発光装置の樹脂封止方法および透光性樹脂内の含有物分布構造に関する。
今日、半導体発光素子として種々の発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）が開発されている。このような半導体発光素子は低電圧駆動、小型、軽量、薄型、長寿命で信頼性が高く低消費電力という長所を生かして、ディスプレイやバックライト、インジケーターなど種々の光源として電球や冷陰極管の一部を代換えしつつある。
特に、紫外域から可視光の短波長側で効率よく発光可能な発光素子として窒化物半導体を用いたものが開発されている。窒化物半導体（例えば、ＩｎＧａＮ混晶）を発光（活性）層とした量子井戸構造を有し、青色あるいは緑色領域で１０カンデラ以上の発光をするＬＥＤが開発され製品化されている。このようなＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせ、ＬＥＤチップからの光と、その光により励起された蛍光体による光との混色により、白色系を含めた混色光が発光可能な発光装置とすることができる。
一方、特許文献１には、発光ダイオードの製造に際して、エポキシ樹脂にペリレン系蛍光体染料および二酸化チタン粒子を混合してエポキシ樹脂配合物を硬化させる点が開示されている。また、特許文献２には、発光ダイオードの製造に際して、平均粒径が５〜２０μｍの蛍光体と、平均粒径が蛍光体の平均粒径の１／１０以上である分散剤とを含有するエポキシ樹脂などのバインダーを用い、バインダー中で蛍光体の沈殿を抑制する点と、分散剤の一例として酸化チタンが開示されている。また、特許文献３には、蛍光体を選択して発光輝度を向上させる発光装置が開示されている。
特開２００３−２０４０８２号公報 特開２００５−６４２３３号公報 特開２００５−３０２７９７号公報
ところで、半導体発光素子の利点を活かし、照明までも含めた光源として利用されるには、従来の発光装置では十分でなく、配光色度（配光特性）および量産性の改良が求められている。なお、配光特性の制御は、通常はリフレクタの光反射面や発光素子の光を受けるレンズや遮蔽部材の形状を工夫しているが、リフレクタやレンズに依存しないで低コストで配光特性を制御し、しかも、光利用効率が良く、小電力駆動を可能とすることが望まれる。
かかる事情に鑑みて本発明者らは鋭意研究の結果、蛍光物質および拡散剤を含む透光性樹脂の硬化に際して、蛍光物質を発光素子に近い部分に偏在するように積極的に沈降させ、拡散剤を蛍光物質の沈降部よりも発光素子から離れた部分に分散させて光拡散層とするように、蛍光物質、拡散剤を含む透光性樹脂の組成、比重、粒径、粘度、硬化条件などを適切に設定することにより、樹脂封止部自体で上記要望に対処することができることを見出し、本発明を成すに至った。
本発明の目的は、配光特性および量産性に優れ、低コストで製造し得る発光装置の製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、配光特性および量産性に優れ、光利用効率が良く、小電力駆動が可能になる発光装置を提供することにある。
本発明の発光装置の製造方法は、支持体上に実装されて外部端子に電気的に接続された発光素子を透光性樹脂により封止した発光装置の製造方法であって、樹脂封止に際して、透光性樹脂に発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質および拡散剤を予め含ませておき、液状の透光性樹脂をポッティング法により発光素子の周辺に供給する第１の工程と、前記発光素子に近い部分に偏在するように前記蛍光物質を沈降させ、当該蛍光物質の沈降部分よりも前記発光素子から離れた部分に前記拡散剤を分散させた状態で透光性樹脂を硬化させる第２の工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の発光装置は、支持体上に実装されて外部端子に電気的に接続された発光素子が透光性樹脂により封止された発光装置であって、透光性樹脂は、発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質および拡散剤を含み、前記蛍光物質は発光素子に近い部分に偏在しており、前記拡散剤は前記蛍光物質が偏在する部分よりも発光素子から離れた部分に分散していることを特徴とする。
本発明の発光装置の製造方法によれば、配光特性および量産性に優れ、低コストで実現し得る発光装置を製造することができる。本発明の発光装置によれば、配光特性および量産性の向上を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。
＜第１の実施形態＞
支持体上に実装されて外部端子に電気的に接続された発光素子を透光性樹脂により封止した発光装置を製造する際、透光性樹脂に発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質および拡散剤を含ませておき、前記蛍光物質を前記発光素子に近い部分に偏在するように沈降させ、当該蛍光物質の沈降部分よりも前記発光素子から離れた部分に拡散剤を分散させることにより、配光特性および量産性に優れた発光装置を実現した。
図４は、第１の実施形態の樹脂封止方法により得られた発光装置の一例を概略的に示す側断面図である。図４中、発光素子（例えばＬＥＤチップ）４０９は、支持体上に実装され、外部端子に電気的に接続されている。本例では、支持体は上端部にカップ部を有するマウントリード４０５であり、外部端子としてマウントリード４０５およびインナーリード４０６が設けられている。そして、本例では、カップ部底部に発光素子４０９がフェースアップ状態でダイボンディングされ、発光素子４０９の２つの電極が導電性ワイヤ４０７によりマウントリード４０５の先端部とインナーリード４０６の先端部に接続されている。さらに、カップ部内の発光素子４０９および導電性ワイヤ４０７は、蛍光物質および拡散剤を含む透光性樹脂４１１により封止されている。
ここで、蛍光物質は透光性樹脂４１１内で主に発光素子に近い部分に偏在しており、拡散剤は蛍光物質が偏在する部分よりも発光素子４０９から離れた上方部分に分散して光拡散層を形成している。さらに、発光素子４０９の実装部を含むように樹脂モールドにより凸レンズ４０４が配設されることによってランプ型または砲弾型の発光装置が得られる。
第１の実施形態の樹脂封止方法においては、樹脂封止に際して、透光性樹脂に蛍光物質および拡散剤を予め含ませておき、液状の透光性樹脂をポッティング法により発光素子上に滴下して発光素子の周辺に供給する。そして、透光性樹脂内において発光素子に近い部分に偏在するように蛍光物質を沈降させ、当該蛍光物質の沈降部分よりも発光素子から離れた部分に拡散剤を分散させた状態で透光性樹脂を硬化させる。これにより、透光性樹脂内は、発光素子から離れた部分に拡散剤をほぼ均一に分散させた状態にすることができる。この際、蛍光物質は、液相中で自重によって沈降するので、液相中に分散させて均一に放出させた懸濁液を静置させることで、より均一性の高い蛍光体を持つ沈降層を形成させることができる。
上記樹脂封止工程においては、透光性樹脂、蛍光物質および拡散剤の組成、比重、粒径、粘度、硬化条件などを適切に設定する必要がある。例えば樹脂が反応しない程度の低熱で粘度が比較的低い状態で、主に蛍光物質をゆっくりと沈降させた後に硬化させる。硬化条件の一例は、室温〜６０℃の範囲／数時間→１００℃以上／数時間のシーケンスである。
次に、各構成の概要を説明する。発光素子は、４６０ｎｍ近傍に発光ピーク波長を持つ青色発光の発光素子、４１０ｎｍ近傍に発光ピーク波長を持つ青紫色発光の発光素子、３６５ｎｍ近傍に発光ピーク波長を持つ紫外線発光の発光素子などを使用することができる。 透光性樹脂は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変成シリコーン樹脂を用いることにより量産性よく形成することができる。一例として、（Ａ）ＳｉＨ基と反応性を有する炭素−炭素二重結合を１分子中に少なくとも２個含有する有機化合物、（Ｂ）１分子中に少なくとも２個のＳｉＨ基を含有するケイ素化合物、（Ｃ）ヒドロシリル化触媒、を含有する硬化性組成物を用いた。
なお、従来の発光装置に使用されている透光性樹脂は、硬化前の粘度が高いシリコーン樹脂である。例えば、この硬化前の粘度が高いシリコーン樹脂に、光拡散剤と蛍光物質とを混合すると、光拡散剤と蛍光物質とは沈降せずにシリコーン樹脂中に分散した状態となる。粘度によっては幾分、蛍光物質が沈降する場合もあるが、ほとんどはシリコーン樹脂中に分散されたままである。この粘度が高いシリコーン樹脂を硬化しても、依然として蛍光物質と光拡散剤とは分散されたままである。
これに対し、本発明に使用する透光性樹脂は、加熱時及び硬化中の粘度が従来ほどは高くない。この透光性樹脂に拡散剤と蛍光物質とを混合する。この拡散剤と蛍光物質とが混合された透光性樹脂を滴下した後に加熱及び硬化すると、大部分の蛍光物質は沈降するが、拡散剤は分散された状態になる。硬化すると、この状態がさらに顕著となり、大部分の蛍光物質は沈降し、拡散剤は分散されたままである。このような透光性樹脂としては、変成シリコーン樹脂やエポキシ樹脂を用いることが好ましいが、粘度調整したシリコーン樹脂やその他の樹脂を用いることもできる。また、硬化前の粘度が高い透光性樹脂であっても、加熱時及び硬化中の粘度が大きく低下することで、蛍光物質が沈降し、かつ拡散剤が分散した状態になるものであれば、本発明に使用することができるのは言うまでもない。
蛍光物質は、一例として、Ｃｅで付活されるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ）を用いることができる。拡散剤として、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、チタン酸バリウム、酸化アルミニウム、酸化珪素およびそれらの混合物が好適に用いられる。 表１は、前記樹脂封止に際して、透光性樹脂として変成シリコーン樹脂、蛍光物質としてＹＡＧを用い、拡散剤としてＴｉＯ2 の添加量を０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％に変化させた５つのサンプル（発光装置）について、それぞれ測定により得られた配光特性の変化を示す。このサンプルの硬化条件は、室温〜６０℃の範囲／数時間→１００℃以上／数時間のシーケンスである。
上記配光特性の測定は、発光素子４０３上でマウントリード４０５とインナーリード４０６を結ぶ直線上（０°方向）において、出射光の出射角度θの中心を０°として−９０°〜＋９０°の範囲において配光色度を測定した。そして、配光色度の変化（色ムラ）として色度図のｙ軸の数値の最大値と最小値との差Δｙを表１に示している。このΔｙが小さいほど色ムラが少ないといえる。
Figure 2007227791
表１によれば、ＴｉＯ2 を０．１％添加すると配光特性が改善され、ＴｉＯ2 の添加量をさらに増やすとさらに改善されることが分かる。
図１（ａ）〜（ｅ）は、変成シリコーン樹脂／ＹＡＧの重量を一定とし、ＴｉＯ2 の添加量を０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％に変化させた場合にそれぞれ硬化後の透光性樹脂中におけるＹＡＧの沈降状態（ＹＡＧ、ＴｉＯ2 の分布状態）を観察した結果を模式的に示した。ここで、１１はカップ部の側壁、１２は主にＹＡＧの沈降層を含む樹脂層、１３は樹脂層、１４はＴｉＯ2 、４０３はカップ部の凹部内に配置された発光素子、４０７は発光素子４０３とリードとの間をボンディング接続した導電性ワイヤである。
これらの結果から、透光性樹脂中において、ＹＡＧは、その重量により樹脂硬化前に沈降し、ＬＥＤチップ近傍の底部に偏在していることが分かる。また、ＴｉＯ2 は、ＹＡＧが偏在する部分よりもＬＥＤチップから離れた部分（上方）にほぼ均一に分散して光拡散層を形成していることが分かる。このような構造によれば、発光装置の配光特性が改善していることが判明した。また、透光性樹脂に蛍光物質および拡散剤を予め含ませておくだけで配光特性を改善できるので、量産性に優れ、低コストで発光装置を実現することができる。また、光利用効率が良く、小電力駆動が可能になる。
また、上記した樹脂封止工程によれば、透光性樹脂に蛍光物質および拡散剤を予め含ませておき、ポッティングにより発光素子上に滴下し、所定の硬化条件下で硬化させることにより配光特性を改善できるので、量産性も優れており、低コストで発光装置を製造することができる。
＜第２の実施形態＞
前述した第１の実施形態における蛍光物質および拡散剤を含む透光性樹脂に、さらに、シリカフィラーを添加することによって、配光特性を殆んど変化させることなく樹脂強度を高めることができる。また、硬化前の樹脂粘度を適切に調整するようにしてもよい。このシリカフィラーは、透光性樹脂中で蛍光物質の沈降部分の上部付近に偏在させることができる。
以下、上記した実施形態における各構成について詳述する。
（発光素子４０９） 発光素子の種類は特に制限されるものではないが、例えば、ＭＯＣＶＤ法等によって基板上にＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化物半導体を発光層として形成させたもの、一例として、サファイア基板上にｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順次に積層された構造のものを使用する。また、半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造、ヘテロ結合あるいはダブルヘテロ結合のものが挙げられる。半導体の材料やその混晶比によって発光波長を種々選択できる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることができる。また、活性層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のドナー不純物および／またはＺｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされる場合もある。発光素子の発光波長は、その活性層のＩｎＧａＮのＩｎ含有量を変えるか、または活性層にドープする不純物の種類を変えることにより、紫外領域から赤色まで変化させることができる。
白色発光の発光装置を実現する場合には、例えば青色発光の発光素子と、透光性被覆部材に含まれる蛍光物質として後述するＹＡＧ蛍光体（Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体）との組合せを使用することによって、発光素子による発光とＹＡＧ蛍光体による発光との混色によって白色発光が得られる。
本発明の発光素子は、サブマウントのような支持基板に対し、発光素子の電極が形成されている面を対向させて配置させ、バンプにて接合された複合的な半導体素子とすることもできる。さらに、該支持基板をツェナーダイオードとすることもできる。ツェナーダイオードは、正電極を有するｐ型半導体領域と、負電極を有するｎ型半導体領域とを有し、例えば発光素子のｐ側電極とｎ側電極に対して逆並列となるように接続される。即ち、発光素子のｎ側電極およびｐ側電極が、ツェナーダイオードのｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域の電極とそれぞれ接続される。ここで、発光素子のｎ側電極およびｐ側電極は、サブマウントの表面に露出されたツェナーダイオードのｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域の電極とそれぞれ電気的および機械的に接続される。ツェナーダイオードとされたサブマウントに設けられた正負両電極は、導電性ワイヤによってパッケージのリード電極と接続することができる。このように、サブマウントにツェナーダイオードの機能を持たせることにより、正負リード電極間に過大な電圧が印加された場合、その電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、発光素子の正負両電極間はツェナー電圧に保持され、このツェナー電圧以上になることはない。従って、発光素子間に過大な電圧が印加されるのを防止でき、過大な電圧から発光素子を保護し、素子破壊や性能劣化の発生を防止することができる。また、保護素子と発光素子を一体化させた複合素子とすることにより、半導体素子の数が増えるものの、その設置面積を小さくすることができる。
（蛍光物質） 蛍光物質は、発光素子からの光を吸収し、異なる波長の光に波長変換するものであり、ＹＡＧ蛍光体、窒化物蛍光体、その他の蛍光体を使用可能である。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、または、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩またはＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機および有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか１つ以上であることが好ましい。具体例として、下記の蛍光体を使用することができるが、これに限定されない。
（１）Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体は、Ｍ2 Ｓｉ5 Ｎ8 ：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。また、Ｍ2 Ｓｉ5 Ｎ8 ：ＥｕのほかＭＳｉ7 Ｎ10：Ｅｕ、Ｍ1.8 Ｓｉ5 Ｏ0.2 Ｎ8 ：Ｅｕ、Ｍ0.9 Ｓｉ7 Ｏ0.1 Ｎ10：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などもある。
（２）Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、ＭＳｉ2 Ｏ2 Ｎ2 ：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。
（３）Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体は、Ｍ5 （ＰＯ4 ）3 Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎのいずれか１以上である。）などがある。
（４）アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体は、Ｍ2 Ｂ5 Ｏ9 Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎのいずれか１以上である。）などがある。
（５）アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体は、ＳｒＡｌ2 Ｏ4 ：Ｒ、Ｓｒ4 Ａｌ14Ｏ25：Ｒ、ＣａＡｌ2 Ｏ4 ：Ｒ、ＢａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ27：Ｒ、ＢａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ12：Ｒ、ＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｒ（Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎのいずれか１以上である。）などがある。
（６）アルカリ土類硫化物蛍光体は、Ｌａ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ、Ｙ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕ、Ｇｄ2 Ｏ2 Ｓ：Ｅｕなどがある。
（７）Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体は、Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｃｅ、（Ｙ0.8 Ｇｄ0.2 ）3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｃｅ、Ｙ3 （Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 ）5 Ｏ12：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）3 （Ａｌ，Ｇａ）5 Ｏ12の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体などがある。また、Ｙの一部もしくは全部をＴｂ、Ｌｕ等で置換したＴｂ3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｃｅ、Ｌｕ3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｃｅなどもある。
（８）その他の蛍光体は、ＺｎＳ：Ｅｕ、Ｚｎ2 ＧｅＯ4 ：Ｍｎ、ＭＧａ2 Ｓ4 ：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。
上述した蛍光体は、必要に応じて、Ｅｕに代えてまたはＥｕに加えて、Ｔｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選択される１種以上を含有させることもできる。また、上記した蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、効果を有する蛍光体も使用することができる。
これらの蛍光体は、発光素子の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができるほか、これらの中間色である黄色、青緑色、橙色などに発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を様々と組み合わせて使用することにより、様々の発光色を有する発光装置を製造することができる。
例えば、青色に発光するＧａＮ系化合物半導体を用いて、Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｃｅもしくは（Ｙ0.8 Ｇｄ0.2 ）3 Ａｌ5 Ｏ12：Ｃｅの蛍光物質に照射し、波長変換を行うと、発光素子からの光と、蛍光物質からの光との混合色により白色に発光する発光装置を提供することができる。
例えば、緑色から黄色に発光するＣａＳｉ2 Ｏ2 Ｎ2 ：Ｅｕ、またはＳｒＳｉ2 Ｏ2 Ｎ2 ：Ｅｕと、蛍光体である青色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ：Ｅｕ、赤色に発光する（Ｃａ，Ｓｒ）2 Ｓｉ5 Ｎ8 ：Ｅｕとからなる蛍光物質１４０を使用することによって、演色性の良好な白色に発光する発光装置を提供することができる。これは、色の三原色である赤・青・緑を使用しているので、第１の蛍光体および第２の蛍光体の配合比を変えることのみによって所望の白色光を実現することができる。
［拡散剤］
本明細書において拡散剤とは、中心粒径が１ｎｍ以上５μｍ未満のものをいう。１ｎｍ以上５μｍ未満の拡散剤は、蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることにより生じやすい色ムラを抑制することができ好ましい。拡散剤の光拡散作用により、発光装置の色度ばらつきが改善される。１ｎｍ以上１μｍ未満が特に好ましい。また、本発明における拡散剤は、従来の拡散剤に比べて、透光性樹脂との屈折率差が大きいため拡散作用が高い。このため、本発明における拡散剤は、含有量を少量としても色ムラの少ない光を得ることができる。これに対し、従来の拡散剤が本発明の拡散剤と同等な拡散効果を得るには、光を屈折及び反射させる回数を増やす必要がある。このため、従来の拡散剤では含有量を増やすしかなく、光度も低下してしまう。本発明における拡散剤は、従来よりも含有量を大幅に減らすことが可能となり、光度の低下も抑制することが可能となる。また、一般的に拡散剤の含有量を増やすと透光性樹脂の粘度も上がってしまう。このため、含有量を少量とすることができる本発明の拡散剤は、透光性樹脂の粘度制御を容易にすることが可能となる。本発明における拡散剤としては特にＴｉＯ2を用いるのが好ましい。
［フィラー］
フィラーは、拡散剤と中心粒径が異なり、本明細書においてフィラーとは中心粒径が５μｍ以上１００μｍ以下のものをいう。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。これにより、高温下での使用においても、発光素子と外部電極とを電気的に接続しているワイヤの断線や、樹脂のクラック、発光素子底面とパッケージの凹部底面と剥離等を防止することができる信頼性の高い発光装置が得られる。更には樹脂の流動性を長時間一定に調整することが可能となり所望とする場所内に封止部材を形成することができ歩留まり良く量産することが可能となる。このようなフィラーとしては、シリカやアルミナを用いることが特に好ましいが、ガラス、カオリン、その他の無機フィラーやシリコンゴムなどの有機フィラーも用いることができる。
（導電性ワイヤ） 導電性ワイヤとしては、発光素子の電極とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性および熱伝導性が良いものが求められる。熱伝導率としては、0.01cal ／（S ）（cm2 ）（℃／cm）以上が好ましく、より好ましくは、0.5cal／（S ）（cm2 ）（℃／cm）以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤの直径は、好ましくは10μｍ以上、45μｍ以下である。このような導電性ワイヤとして、具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属およびそれらの合金を用いたワイヤが挙げられる。このような導電性ワイヤは、ワイヤボンデイング装置によって、発光素子と内部端子との間に容易にボンデイング接続させることができる。
以下、本発明の発光装置について複数の実施例を説明する。
（実施例１） 透光性樹脂として変成シリコーン樹脂、蛍光物質としてＹＡＧを用い、拡散剤としてＴｉＯ2 を用いた。樹脂の硬化前の粘度は２２００ｃＰｓ程度、硬化条件（昇温プロファイル）は、室温〜６０℃の範囲／数時間→１００℃以上／数時間のシーケンスである。
前記樹脂封止に際して、透光性樹脂として変成シリコーン樹脂、蛍光物質としてＹＡＧを用い、拡散剤としてＴｉＯ2 の添加量を０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％に変化させた場合にそれぞれ得られた発光装置の配光特性の変化を表１に示した。
表１によれば、ＴｉＯ2 を０．１％添加すると配光特性が改善され、ＴｉＯ2 の添加量をさらに増やすとさらに改善されることが分かる。この結果から、ＴｉＯの添加量を０．１％〜０．４％に設定することが望ましいことが判明した。この場合、ＴｉＯ2 の添加量は少量で済む利点がある。
実施例１においてＴｉＯ2 の添加量ｘを０％、０．１％、０．２％、０．３％、０．４％に変化させた場合にそれぞれ硬化後の透光性樹脂中におけるＹＡＧの沈降状態（ＹＡＧ、ＴｉＯ2 の分布状態）を観察した結果を図１に模式的に示した。この結果から、透光性樹脂中のＹＡＧは、その重量により樹脂硬化前に沈降し、ＬＥＤチップ近傍の底部に偏在していることが分かる。また、ＴｉＯ2 は、ＹＡＧが偏在する部分よりもＬＥＤチップから離れた部分（上方）にほぼ均一に分散して光拡散層を形成していることが分かる。
実施例１の樹脂封止工程を経て得られた発光装置の一例は、第１の実施形態で図５を参照して説明したような構造を有する。即ち、実施例１によれば、第１の実施形態で前述したような効果が得られる。
（実施例２） 前述した実施例１の樹脂に、蛍光物質、拡散剤のほかに、フィラーとしてシリカフィラーを添加した。そして、このシリカフィラーを４０％添加した場合（サンプル２）と、比較例として、さらにチクソ性を上げるための微小なシリカフィラーを添加した場合（サンプル３）と、シリカフィラーを添加しない場合（サンプル１）について、樹脂の硬化前の粘度とＹＡＧの沈降状態を調べた。なお、変成シリコーン樹脂／ＹＡＧ／ＴｉＯ2 の重量を１００／１４／０．３で一定とした。硬化条件は、室温〜６０℃の範囲／数時間→１００℃以上／数時間のシーケンスである。粘度の測定は、樹脂の硬化前（室温２５℃）においてＥ型粘度計を用いた。
図２（ａ）〜（ｃ）は、上記サンプル１〜３について硬化前粘度とＹＡＧの沈降状態の観察結果を模式的に示す。ここで、１１はカップ部の側壁、２１はＹＡＧ、２３は樹脂層、２４はＴｉＯ2、２５はフィラー、２６は微小フィラー、４０３はカップ部の凹部内に配置された発光素子、４０７は発光素子４０３とリードとの間をボンディング接続した導電性ワイヤである。
図２（ａ）〜（ｃ）において、サンプル１，２はＹＡＧが良く沈降している。サンプル３はＹＡＧがあまり沈降していない。これは、微小なシリカフィラーの添加によるチクソトロピー性の影響が大きいものと考えられる。これらの結果から、硬化前粘度は１００００ｃＰｓ程度以下が望ましく、さらに望ましくは６０００ｃＰｓ程度以下であり、温度による粘度の低下が大きい樹脂を使用できることが判明した。実施例２においても、実施例１とほぼ同様の効果が得られる。
（実施例３） 前述した実施例１の樹脂に、蛍光物質、拡散剤のほか、フィラーとして高純度結晶性石英フィラーを添加し、配光特性を調べた。
この高純度結晶性石英フィラーは、化学成分が、ＳｉＯ2 （９９．８％以上）、Ａｌ2 Ｏ3 （０．０５％以下）、Ｆｅ2 Ｏ3 （０．０１％以下）、ＴｉＯ2 ・ＣａＯ・ＭｇＯであり、レーザ法で粒度分布を測定した際の５０％重量平均径は５μｍである。なお、変成シリコーン樹脂／ＹＡＧ／ＴｉＯ2 の重量を一定とした。硬化条件は、室温〜６０℃の範囲／数時間→１００℃以上／数時間のシーケンスである。
表２は、実施例３における樹脂封止に際して、ＴｉＯ2 の添加量を０．３％で一定とし、フィラーの添加量を０部、１５部、３０部に変化させた場合にそれぞれ得られた発光装置の配光特性の変化を示す。ここでは、出射光の出射角度θ（°）の中心を０°として−９０°〜＋９０°の範囲において配光色度を測定し、測定結果の色度図ｙ軸数値の最大値と最小値との差Δｙを示している。このΔｙが小さいほど、色ムラが少ないといえる。
Figure 2007227791
表２によれば、表１中のＴｉＯ2 の添加量が０．３％の場合とほぼ同様であり、高純度結晶性石英フィラーを添加しても、配光特性に大きな影響は見られないことが分かる。
図３（ａ）〜（ｃ）は、実施例３の樹脂封止による樹脂硬化後の透光性樹脂中におけるＹＡＧ、ＴｉＯ2 、高純度結晶性石英フィラーの分布状態を観察した結果を模式的に示した。ここで、１１はカップ部の側壁、３２は主にＹＡＧの沈降層を含む樹脂層、３３は樹脂層、３４はＴｉＯ2、３５はフィラー、４０３はカップ部の凹部内に配置された発光素子、４０７は発光素子４０３とリードとの間をボンディング接続した導電性ワイヤである。実施例３においても、実施例１とほぼ同様の効果が得られる。
図５は、前記各実施例のいずれかによる樹脂封止工程を経て得られた発光装置の他の例を模式的に示す上面図、図６は図５中のＸ−Ｘにおける断面図を概略的に示す。この発光装置は、半導体素子に電力を供給するための正負一対のリード電極１０１、１０２を有し、半導体素子を収納するためのパッケージ１０３と、出射される光の配光特性を制御するためのレンズ１０４と、パッケージ１０３の凹部とレンズ１０４との間に充填された封止部材１０５とを少なくとも有する。封止部材１０５の一部１０５ａは、発光素子からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発光する蛍光物質および拡散剤を含有する波長変換部材となる。また、本実施例にかかる発光素子は、同一面側に正負一対の電極を有するＬＥＤチップ１０６であり、該ＬＥＤチップ１０６がフリップチップ実装されるサブマウント１０７と、該サブマウント１０７とＬＥＤチップ１０６とからなる複合的な半導体素子である。サブマウント１０６のＬＥＤチップ１０６と対向する面には、銀白色の金属を材料とする導電パターンが設けてあり、ＬＥＤチップ１０６の電極と該導電パターンとが金を主材料とするバンプを介して機械的および電気的に接続されている。
本実施例におけるパッケージ１０３は、成型用樹脂を材料とした射出成型により、金属基体１０８とリード電極１０１、１０２の一部が成型用樹脂に被覆されるように一体成型されている。また、金属基体１０８は、半導体素子を載置するための凹部底面を有し、熱伝導性のよい金属を材料とするため、発光装置の放熱性を向上させることができる。また、パッケージ１０３の凹部内壁面には、封止部材１０５より硬質であり樹脂からなるレンズ１０４を支持する凸部１０９が凹部内の三カ所に形成されている。このように構成することにより、凸部１０９の三点でレンズ１０４を安定に支持することができる。
本実施例においてＬＥＤチップ１０６が載置されたサブマウント１０７は、図に示されるように、銀ペーストにてパッケージ１０３の凹部底面に露出された金属基体１０８に固着される。導電性ワイヤ１１０は、サブマウント１０７の導電パターンと、パッケージ１０３の凹部底面近傍に露出されたリード電極１０１、１０２とを接続する。特に、リード電極における導電性ワイヤの接続部分は、ステッチボンディングされた導電性ワイヤの線形部分の少なくとも一部を含むようにボールボンディングされていることが好ましい。これにより、導電性ワイヤの断線を防止することができる。
なお、１０５ｂは導電性ワイヤの周囲を被覆したゲル状のシリコーン樹脂部であり、１０５ｃは前記部位１０５ｂとレンズ１０４とを接着するラバー状のシリコーン樹脂部であり、光取り出し効率を向上させることができる。
なお、本実施例における別の態様として、サブマウントに設けられる正負一対の電極の何れか一方と極性を同じくする裏面電極をサブマウントに設けることもできる。この場合、サブマウントの裏面電極は、リード電極と導通させた凹部底面に対向され導電性接着剤を介して固着される。このように裏面電極を有するサブマウントとすることにより、導電性ワイヤの本数を減らし、断線を生じない信頼性の高い発光装置とすることができる。
本実施例におけるＬＥＤチップは、発光層として発光ピーク波長が約４６０ｎｍのＩｎＧａＮ半導体を有する窒化物半導体素子を用いる。より具体的なＬＥＤの素子構造としてサファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ型電極が形成されｎ型コンタクト層となるＧａＮ層、アンドープの窒化物半導体であるｎ型ＧａＮ層、窒化物半導体であるｎ型ＡｌＧａＮ層、次に発光層を構成するＩｎＧａＮ層の単一量子井戸構造としてある。発光層上にはＭｇがドープされたｐ型クラッド層としてＡｌＧａＮ層、Ｍｇがドープされたｐ型コンタクト層であるＧａＮ層を順次積層させた構成としてある。（なお、サファイア基板上には低温でＧａＮ層を形成させバッファ層とさせてある。また、ｐ型半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、ｐｎ各コンタクト層表面を露出させる。各コンタクト層上に、スパッタリング法を用いて正負各台座電極をそれぞれ形成させる。こうして出来上がった半導体ウエハーに対してスクライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子としてＬＥＤチップとする。
本発明の発光装置は、信号灯、照明、ディスプレイ、インジケーター、液晶プロジェクタ、液晶のバックライトなどの各種光学装置の光源として利用可能であり、特に配光特性が良いので、例えば自転車のヘッドランプに使用して好適である。
本発明の第１の実施形態および実施例１の樹脂封止方法において透光性樹脂に添加するＴｉＯ2 量を変化させた場合に得られた発光装置について、硬化後の透光性樹脂中におけるＹＡＧの沈降状態を観察した結果を模式的に示す図。 本発明の実施例２の樹脂封止方法において透光性樹脂にＴｉＯ2 の添加量を０．３％で一定とし、シリカフィラーの添加条件を異ならせた場合に得られた発光装置について硬化後の透光性樹脂中におけるＹＡＧ、ＴｉＯ2 、フィラーの分布状態を観察した結果を模式的に示す図。 本発明の実施例３の樹脂封止方法において透光性樹脂にＴｉＯ2 の添加量を０．３％で一定とし、高純度結晶性石英フィラーの添加量を異ならせた場合に得られた発光装置について硬化後の透光性樹脂中におけるＹＡＧ、ＴｉＯ2 、フィラーの分布状態を観察した結果を模式的に示す図。 第１の実施形態の樹脂封止方法により得られた発光装置の一例を概略的に示す側断面図。 第１の実施形態の樹脂封止方法により得られた発光装置の他の例を模式的に示す上面図。 図５中のＸ−Ｘ沿う断面構造を概略的に示す断面図。
符号の説明
４０４…凸レンズ、４０５…マウントリード（支持体および外部端子）、４０６…インナーリード（外部端子）、４０７…導電性ワイヤ、４０９…発光素子（ＬＥＤチップ）、４１１…蛍光物質および拡散剤を含む透光性樹脂。

Claims (5)

  1. 支持体上に実装されて外部端子に電気的に接続された発光素子を透光性樹脂により封止した発光装置の製造方法であって、
    樹脂封止に際して、透光性樹脂に発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質および拡散剤を予め含ませておき、液状の透光性樹脂をポッティング法により前記発光素子の周辺に供給する第１の工程と、
    前記透光性樹脂内において前記発光素子に近い部分に偏在するように前記蛍光物質を沈降させ、当該蛍光物質の沈降部分よりも前記発光素子から離れた部分に前記拡散剤を分散させた状態で前記透光性樹脂を硬化させる第２の工程と、
    を具備することを特徴とする発光装置の製造方法。
  2. 支持体上に実装されて外部端子に電気的に接続された発光素子が透光性樹脂により封止された発光装置であって、
    透光性樹脂は、発光素子からの光を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光物質および拡散剤を含み、
    前記透光性樹脂内において前記蛍光物質は主に発光素子に近い部分に偏在しており、前記拡散剤は前記蛍光物質が偏在する部分よりも発光素子から離れた部分に分散していることを特徴とする発光装置。
  3. 前記拡散剤はＴｉＯ2 であることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
  4. 前記ＴｉＯ2 の添加量は０．１〜０．４重量％であることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
  5. 前記透光性樹脂は、さらにフィラーを含むことを特徴とする請求項３または４記載の発光装置。
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