JP2007242820A - 発光デバイス及び発光デバイスモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率に優れた発光デバイス及び発光デバイスモジュールを提供すること。
【解決手段】本発明の発光デバイス１２は、実装用接続部及び光出射領域を有する発光素子１２１と、少なくとも前記発光素子１２１の光出射領域を包埋すると共に前記光出射領域から光を所定方向に向けて出射する光路調整用部材１２２と、を具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光デバイス及び発光デバイスモジュールに関し、特に発光効率に優れた発光デバイス及び発光デバイスモジュールに関する。

発光デバイス、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）は、現在ＩＣカード、携帯電話などの小型・薄型のデバイスに使用されている。近年、このＬＥＤの用途が拡大してきており、ＬＥＤを多彩な照明用途に適用することが検討されている。従来の発光デバイスとしては、特開２０００−４０６７号公報（特許文献１）に開示しているものがある。この発光デバイスにおいては、リードフレーム上に光半導体素子（ＬＥＤ）が実装され、光半導体素子がワイヤボンディングされている。このリードフレーム、光半導体素子及びワイヤは透明樹脂で封止されて封止体を構成し、この封止体に反射面が設けられることにより光路が形成されている。このような発光デバイスにおいては、部品点数が削減され、薄型化を図ることができる。一方、液晶テレビのバックライトや照明などに適用されている、米国特許第６,２７４,９２４号（特許文献２）に記載された高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）では、ＬＥＤのダイスをサブマウント上にフェースダウン実装してなるＬＥＤ−サブマウント複合体を、ヒートシンクに形成された反射カップに収納し、レンズを被せることで光路を構成している。また、特開２００２−１４１５５６号公報（特許文献３）には、結合層を介して光学素子を発光素子に結合して、発光素子が出射する光の光路を構成し、発光素子から取り出す光量を増大し、光の出射する方向を調整することが開示されている。
特開２０００−４０６７号公報 米国特許第６,２７４,９２４号 特開２００２−１４１５５６号公報

しかしながら、上記特開２０００−４０６７号公報（特許文献１）記載の発光デバイスは、ＩＣカードのような薄型の媒体に組み込まれるものであるので、それほど輝度を必要としていない。したがって、光を有効に取り出す構成になっていない。上述したように、近年、発光デバイスを照明分野で使用しようとした場合、ＩＣカードや携帯電話などに使用するときに比べて光度を高くする必要があり、米国特許第６,２７４,９２４号（特許文献２）に記載されたパッケージなどの発光ダイオードが実用化されているが、ＬＥＤのダイスのサイズに比べて、かなり大きなパッケージサイズとなっている。また、特開２００２−１４１５５６号公報（特許文献３）の発光素子に光学素子を結合して、発光素子から取り出す光量を増大する方法では、発光素子と光学素子を結合する結合層が必要であり、結合層による光散乱を誘発することがある。また、この方法においては、結合のプロセスも煩雑で、別途パッケージも必要であるので、サイズも大きくなる傾向がある。このため、これらのパッケージの発光デバイスは、発光素子の高密度実装には適さない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、発光効率に優れたより小型の発光デバイス及び発光デバイスモジュールを提供することを目的とする。

本発明の発光デバイスは、実装用接続部及び光出射領域を有する発光素子と、少なくとも前記発光素子の光出射領域を包埋すると共に前記光出射領域から光を所定方向に向けて出射する光路調整用部材と、を具備することを特徴とする。

本発明の発光デバイスにおいては、前記発光素子は、前記実装用接続部と電気的に接続する配線を有する配線部と、前記配線部に接続された少なくとも一つの電極層と、前記電極層の間に配置された活性層と、前記電極層上に配置された透明基板と、を有することが好ましい。

本発明の発光デバイスにおいては、前記光路調整部材は、前記実装用接続部側から発光面側に向って徐々に幅が広がる形状を有することが好ましい。

本発明の発光デバイスにおいては、前記光路調整部材は、前記光出射領域近傍に光学部材を有することが好ましい。

本発明の発光デバイスモジュールは、上記少なくとも一つの発光デバイスと、前記少なくとも一つの発光デバイスが実装された配線基板と、を具備することを特徴とする。

本発明の発光デバイスモジュールにおいては、前記配線基板上に設けられ、前記配線基板との間に前記発光デバイスを収容する空間を有し、前記発光デバイスから出射された光を外側に出射する少なくとも一つの光学系を具備することが好ましい。

本発明の発光デバイスモジュールにおいては、前記配線基板が光反射層を有することが好ましい。

本発明の発光デバイスモジュールにおいては、前記配線基板は、放熱ユニットを有することが好ましい。

本発明の発光デバイスモジュールにおいては、前記光学系の前記空間を区画する内壁上に反射防止構造を有することが好ましい。

本発明の発光デバイスモジュールにおいては、前記発光デバイスの前記光出射領域上及び／又は前記空間を区画する内壁上に光波長変換層を有することが好ましい。

本発明によれば、実装用接続部及び光出射領域を有する発光素子と、少なくとも前記発光素子の光出射領域を包埋すると共に前記光出射領域から光を所定方向に向けて出射する光路調整用部材と、を具備するので、発光効率に優れたより小型の発光デバイス及び発光デバイスモジュールを提供することができる。

本発明者は、上述した従来技術の課題を検討した結果、発光デバイスでより明るい光源を実現するためには、光を有効に取り出す効率が高く、発光素子のサイズと同程度のサイズのパッケージに収納された発光デバイスを高密度に実装する必要があることに帰結した。そして、本発明者は、フェースダウンボンディング、もしくは、フリップチップボンディングを行うことが可能な発光デバイスにおいて、発光素子をＣＳＰ（チップスケールパッケージ）してなる構造を見出し本発明をするに至った。すなわち、本発明の骨子は、実装用接続部及び光出射領域を有する発光素子と、少なくとも前記発光素子の光出射領域を包埋すると共に前記光出射領域から光を所定方向に向けて出射する光路調整用部材と、を具備する構造により、発光効率に優れたより小型の発光デバイス及び発光デバイスモジュールを提供することである。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスを実装した発光デバイスモジュールの一部の概略構成を示す図である。図１に示す発光デバイスモジュール１は、配線層を有する配線基板１１と、配線基板１１上に実装された発光デバイス１２と、配線基板１１上に設けられ、発光デバイス１２から出射された光を外側に出射するレンズ１３とから主に構成されている。図１に示す構成が複数並設されて図４に示すような発光デバイスモジュールを構成する。

配線基板１１は、高い熱伝導性を有する相対的に厚いベース基材１１１と、ベース基材１１１上に形成された第１絶縁層１１２と、第１絶縁層１１２上に形成された配線層１１３と、配線層１１３上に形成された第２絶縁層１１４とから主に構成されている。

ベース基材１１１は、ヒートスプレッダとして機能するために十分な厚さ、例えば０．５ｍｍ以上を有することが好ましい。また、ベース基材１１１の材料としては、相対的に高い熱伝導率を有する材料、例えば、銅、アルミニウム、鋼、チタン、マグネシュウムなどの金属、及びそれらを主成分とする合金の金属材料類；グラファイト、ダイアモンドなどの炭素材料類；シリコン、炭化シリコンなどの半導体類；酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどのセラミック材料類；銅タングステン材、銅モリブデン材などの加工材などを用いることができる。この中でも、比較的に安価で、熱伝導率が高い銅、アルミニウムなどを主成分とする金属材料が特に好ましい。

第１絶縁層１１２は、相対的に高い熱伝導率、相対的に低い膨張率、相対的に低い応力を有し、薄いことが好ましい。このような第１絶縁層１１２の材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ｐ−キシレンポリマーなどの樹脂材料を用いることができるが、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ベリリウムなどの絶縁性微粒子とエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂材料とを複合化したハイブリッド材料が特に好ましい。また、第１絶縁層１１２として、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ベリリウム、低温焼結セラミクス（ＬＴＣＣ）などの絶縁材料で構成された薄膜を利用することもできる。第１絶縁層１１２の形成方法は、特に、限定されないが、塗布法、貼り合わせ法、電解重合法、気相反応法、電解酸化法、エアロゾルデポジション法、スパッタ法などを挙げることができる。

配線層１１３は、後述する発光デバイス１２の実装用接続部と電気的に接続するようにパターニングされる。配線層１１３の材料としては、銅、アルミニウム、ニッケル、金、銀、パラジウム、ロジウム、白金、チタンなどの金属材料、及びこれらを主成分とする合金材料などを用いることができる。配線層１１３は、単層で構成しても良く、前記材料の多層膜で構成しても良い。

第２絶縁層１１４は、配線層１１３を保護する役割があり、相対的に高い反射率、相対的に低い膨張率、相対的に低い応力を有し、薄いことが好ましい。このような第２絶縁層１１４の材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ｐ−キシレンポリマーなどの樹脂材料を用いることができるが、反射率を高めるために、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタンなどの絶縁性微粒子と、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材料とを複合化したハイブリッド材料が特に好ましい。また、第２絶縁層１１４として、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ベリリウム、低温焼結セラミクス（ＬＴＣＣ）などの絶縁薄膜を利用することもできる。さらに、第２絶縁層１１４として、異方性導電膜（ＡＣＦ）ような、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂材料中に、銀、金、銅、パラジウム、ニッケル、アルミニウムなどの金属もしくはこれらの合金微粒子を分散したフィルム、又は、微小樹脂球の表面に、銀、金、銅、パラジウム、ニッケル、アルミニウムなどの金属もしくはこれらの合金層を設けた微粒子を分散したフィルムを利用することもできる。また、第２絶縁層１１４として、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの樹脂フィルムなどにアルミニウム、金、銀、銅、プラチナ、ニッケル、クロム、ベリリウム銅などの金属、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ジルコニア、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、ゲルマニウム、シリコン、弗化マグネシウムなどの誘電体を積層してミラー状にしたフィルムをエポキシ樹脂などの接着剤で貼り付けて用いることができる。第２絶縁層１１４は、配線層１１３を保護すると共に光反射層の役割を果たし、後述する発光デバイス１２から配線基板１１側に漏れ出た光を反射してレンズ１３側に向ける。レンズ１３の側面は反射面となっており、この反射面により光路がレンズ１３の出射面１側に向けられる。これにより発光デバイス１２から出射された光を有効利用することができる。なお、配線基板１１の層構成についてはこれに限定されず適宜変更することができる。

配線基板１１のベース基材１１１における配線層１１３と反対側には、放熱ユニット１４が配置されている。この放熱ユニット１４としては、放熱フィン、ヒートパイプ、ヒートシンンク、放熱塗装層などを用いることができる。なお、この放熱ユニット１４は任意に配置される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの概略構成を示す図である。発光デバイス１２は、図２に示すように、発光素子１２１と、少なくとも発光素子１２１の光出射領域を覆うように設けられた光路調整部材１２２とから主に構成されている。ここでは、発光素子１２１はＬＥＤであるが、ＬＥＤに限定されるものではなく、半導体レーザ、無機ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができる。すなわち、発光素子であれば、特に限定されない。また、ＬＥＤは、活性層を多層構造とした直列構造のＬＥＤ、電極層と活性層を分割して、直列、並列、逆並列などに配線されたＬＥＤを含む。

発光素子１２１であるＬＥＤは、図３に示すように、配線層１２１１ａと、配線層１２１１ａ上に形成された一対の電極層１２１２，１２１４と、電極層１２１２，１２１４の間に配置された活性層１２１３と、一対の電極層１２１２，１２１４上に配置された透明基板１２１５とを有する。配線層１２１１ａは、後述する実装用接続部であるバンプ１２３とを電気的に接続する接続部１２１１ｂと、接続部１２１１ｂの周りに充填された絶縁部１２１１ｃとを有する。

配線１２１１ａの材料としては、銅、アルミニウム、ニッケル、金、銀、パラジウム、ロジウム、白金、チタンなどの金属材料及びこれらを主成分とする合金材料などを挙げることができる。配線１２１１ａは、単層構造であっても良く、多層構造であっても良い。

絶縁部１２１１ｃは、絶縁性材料であって、さらに、高反射性材料であることが好ましい。したがって、低屈折率材料を用いても良いが、そのままでは一般に機械的な性能に劣るので、例えば、表面をシリカでコーティングした酸化チタンなどの反射率の高いフィラーを含むエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、屈折率が比較的に小さいフッ素樹脂などで構成される。

この構成においては、一対の電極層１２１２，１２１４及び活性層１２１３により、発光機能を有する積層体を構成している。電極層１２１２，１２１４及び活性層１２１３の材料としては、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどのIII−Ｖ族半導体；ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなどのII−VI族半導体；Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅなどのIV族半導体；これらの混合物又はアロイなどを挙げることができる。

透明基板１２１５としては、活性層１２１３から発光する光の波長域における透過損失が概略５０％より小さければ、特に限定されるものではないが、発光波長を可視域と仮定すれば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、石英基板、ダイアモンド基板、窒化ガリウム基板、窒化アルミニウム基板などを挙げることができる。

なお、発光素子１２１の層構成については、図３に示す構成は一例であり、レンズ１３側もしくは端面側に発光できれば、他の構成であっても良い。例えば、透明基板１２１５としてサファイア基板やＳｉＣ基板を用いる際に、透明基板１２１５、電極層１２１４、活性層１２１３などの層間の格子定数の不整合をマッチングするために、各層間の界面に微細な凹凸構造を適宜設けてもよい。さらに、各層間にバッファ層を適宜設けても良い。さらに、活性層１２１３を複数設けて、配線部により複数の活性層を直列、並列、直並列、並直列に接続しても良く、活性層を逆並列に接続して、交流駆動にしても良い。さらに、電極層１２１４から配線層１２１１の間に反射層を設けても良く、ここに反射層を追加することにより、前述の絶縁部１２１１ｃには、一般的な絶縁材料を用いることができる。

図２に示すように、発光素子１２１は、実装用接続部であるバンプ１２３を介して実装され、配線基板１１の配線層１１３に電気的に接続されている。したがって、バンプ１２３は、配線層１２１１の配線１２１１ａを介して配線基板１１の配線層１１３と発光素子１２１の電極層１２１２，１２１４とを電気的に接続する。このバンプ１２３には、主に半田バンプもしくは金バンプが用いられるが、特に、これらの材料に限定されるものではない。図２においては発光素子１２１のみにバンプ１２３を形成する場合について説明しているが、配線基板側にもバンプを設けても良い。また、バンプ１２３の周りには、発光素子１２１と配線基板１１との間を充填するアンダーフィル層１２４が設けられている。このアンダーフィル層１２４は、バンプ１２３間やバンプ１２３と配線１２１１ａ，配線層１１３との間の絶縁性を確保する。このアンダーフィル層１２４は、必要に応じて設けるものであり、適宜省略が可能である。例えば、異方性導電膜（ＡＣＦ）のようなボンディングテープを用いて、バンプ１２３と配線基板１１との間の接続を行う場合には、アンダーフィル層１２４を省略する。同様に、第２絶縁層１１４を異方性導電膜（ＡＣＦ）のようなボンディングテープで代替することも可能であるが、電気的な接続だけではなく、熱抵抗の小さな構造をとることが重要である。

少なくとも発光素子１２１の光出射領域、すなわち発光素子１２１の主面及び端面には、その主面及び端面を覆うように光路調整部材１２２が設けられている。この光路調整部材１２２は、発光素子１２１からの光を出射する光出射面１２２ａを有する。また、光路調整部材１２２は、発光素子１２１の端面から出射された光を所定方向（ここでは上方）に向けるための傾斜面１２２ｂを有する。すなわち、光出射面１２２ａにそれぞれ傾斜面１２２ｂが連接している。したがって、光路調整部材１２２は、バンプ１２３側から発光面（図３において透明基板１２１５の表面１２１５ａ）側に向って徐々に幅が広がる形状を有する。このような形状を有することにより、発光素子１２１の端面から出射された光を所定方向（ここでは上方）に効率良く向けることができる。

光路調整部材１２２は、ほぼ透明な部材で構成する。ここで、ほぼ透明な部材としては、発光デバイスから発光する光の透過損失が５０％、好ましくは２０％より少ない部材が好ましい。したがって、透過損失率が大きな材料であっても、本発明のように極めてコンパクトに光路調整部材を形成することにより、光路が短くなるので利用が可能となる。さらに、ほぼ透明な部材は、透明基板１２１５を構成する材料の屈折率と同じ又はそれ以上の屈折率を有する透明材料で構成することが好ましい。これにより、発光素子１２１から出射された光を効率良く所定方向に向けることができる。ほぼ透明な部材を構成する材料としては、熱硬化性のポリマー材料を用いることができる。さらに、室温硬化性の材料、光硬化性の材料、熱可塑性材料も透明な硬化物を形成するものであれば、用いることができる。さらに、ポリマー材料に限られるものではなく、低融点ガラス等の無機材料を用いることもできる。このようなポリマーの例として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、及びこれらの混合物からなる材料などを挙げることができる。ここに例示したポリマーは、一般に、屈折率が１．５前後であり、透明基板１２１５、活性層１２１３などに比べて低い。したがって、さらに好ましくは、これらのポリマーに、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化セリウム、酸化ハフニウムなどの金属酸化物、チタン酸バリウム、ジルコン酸バリウムなどの金属複合酸化物、II−VI族化合物、III族窒化物、III族りん化合物などのIII−V族化合物、又はこれらの混合物のナノ粒子を分散することにより、硬化物の屈折率を高めても良い。この場合、光の散乱を少なく抑えるためには、ナノ粒子のサイズを、１００ｎｍ以下に抑えることが好ましく、さらに好ましくは、ナノ粒子のサイズを５０ｎｍ以下に抑える。この他に、硬化物の屈折率を高める方法としては、ナノ粒子を分散するだけではなく、高屈折率の組成物を、原子レベル、分子レベル、分子クラスターレベルで硬化性の組成物と複合化する方法などが挙げられる。

このような材料は、塗布工程及び硬化工程により成膜することができる。また、光路調整部材１２２は、光出射面１２２ａの近傍に光学部材１２２ｃを有することが好ましい。光学部材とは、マイクロレンズアレイ、フレネルレンズ、モスアイ構造などの反射防止体、回折格子、偏光子、フォトニック結晶の多次元周期性を利用したスーパープリズムなどを含む。これにより、発光デバイスの光出射面１１２ａから外部へ出射する光の取り出し効率を改善し、出射光の配向を調整することができる。なお、本実施の形態においては、光路調整部材１２２は、バンプ１２３側から発光面側に向って徐々に幅が広がる形状を有する場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、光路調整部材１２２が、発光素子１２１の主面及び端面から出射された光を所定方向に向けることができるすべての形状に適用することができる。このようにして本発明の発光デバイスが構成されている。

図２に示す発光デバイス１２においては、発光素子１２１の主面から発する光Ａは、光路調整部材１２２を通して上方に向けて光出射面１２２ａから出射される。一方、発光素子１２１の端面から発する光Ｂは、光路調整部材１２２の傾斜面１２２ｂで反射して光路が変えられて、すなわち光路が上方に向けられる。そして、光路が変えられた光は光路調整部材１２２の光出射面１２２ａから出射される。したがって、発光素子１２１の主面だけでなく、端面から出射された光も所定方向に向けることができるので、発光デバイス１２の発光効率を向上させることができる。一般に、傾斜面１２２ｂのように、反射面は誘電体の全反射を利用することが好ましいが、必ずしも、誘電体の全反射の利用に制約されるものではない。例えば、傾斜面１２２ｂに銀、アルミニウムなどで構成された金属箔、あるいは、誘電体多層膜を被着して、反射膜としても良い。あるいは、反射率の高いフィラーなどを分散した樹脂を傾斜面１２２ｂに被着して反射膜としても良い。

次に、上記構成を有する発光デバイスの製造方法について説明する。
まず、透明基板１２１５上に電極層１２１４を形成し、さらに電極層１２１４上に活性層１２１３を形成し、さらに活性層１２１３上に電極層１２１２を形成する。電極層１２１２，１２１４及び活性層１２１３は、ＭＯＣＶＤなどにより形成することができる。なお、成膜条件については、各層の厚さや材料に応じて適宜設定することができる。

次いで、電極層１２１２上に配線層１２１１用の絶縁膜を形成する。絶縁膜上に配線１２１１ａ用の材料を成膜し、パターニングする。さらに配線１２１１ａ上に絶縁膜を形成して配線層１２１１を形成する。絶縁膜の形成は通常のＣＶＤなどにより行うことができ、パターニングは通常のフォトリソグラフィ及びエッチングにより行うことができる。さらに、配線１２１１ａ上にバンプ１２３を形成する。バンプ１２３の形成は、メッキ工法、スタック工法、スクリーン印刷工法などにより行うことができる。

このようにして得られた発光素子１２１を図２に示す形状の発光デバイスモジュールにする方法について図５及び図６を用いて説明する。図５（ａ）〜（ｇ）及び図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの製造方法の工程を示す図である。

図５（ａ）に示すように、透明基板１２１５内に上述した発光素子１２１を所定の間隔をおいて複数作り込む。例えば、透明基板１２１５における発光素子形成領域を予め掘り込んでおき、その発光素子形成領域に上記のようにして発光素子１２１を形成する。このとき、バンプ面が上方に露出するようにして発光素子１２１が形成される。その後、図３に示す絶縁部１２１１ｃ用の材料を発光素子１２１上にコーティングする。次いで、図５（ｂ）に示すように、発光素子１２１を残存させるように、発光素子１２１間をハーフダイシングする。

次いで、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）に示す構造全体に光路調整部材用の材料を塗布し、硬化することにより成膜する。次いで、図５（ｄ）に示すように、光路調整部材１２２の層上にテープ１５を貼り付け、テープ１５を下側にして上面に配置された透明基板１２１５を研磨する。これにより、図５（ｅ）に示すように、発光素子１２１が光路調整部材１２２の層内で離間して配置された構造となる。

次いで、図５（ｆ）に示すように、研磨した透明基板１２１５上に光学素子用材料を塗布・乾燥して成膜して光学素子層１６を形成し、この光学素子層１６に光学素子（ここでは光学素子（マイクロレンズアレイ）１２２ｃ）を作り込む。光学素子層１６に光学素子を形成する方法としては、材料の熱軟化温度以上に昇温し、金型を圧接する熱インプリント法、光硬化材料に石英などの透明金型を介して光照射して成形する光インプリント法、フォトリソグラフィなどによりレジストパターンを形成し、エッチング成形するエッチング法、直接レーザビームで描画加工するレーザ加工法などを用いることができる。なお、光学素子層１６を構成する材料としては、光路調整部材の層を構成する材料と同等の屈折率を有する材料を用いることが好ましい。次いで、図５（ｇ）に示すように、光路調整部材の層上に貼り付けられたテープ１５を剥し、光学素子層１６にテープ１５を貼り付ける。

次いで、図６（ａ）に示すように、バンプ面１２３ａ側の光路調整部材の層を研磨し、バンプ面１２３ａ部分を露出させる。次いで、図６（ｂ）に示すように、光路調整部材の層に断面略Ｖ字形状の溝加工を施して、光路調整部材の層に溝１２２ｄを形成することにより、光路調整部材１２２に傾斜面１２２ｂを設ける。この溝１２２ｄの傾斜角度は、光路調整部材１２２の傾斜面１２２ｂの角度に応じて適宜設定する。その後、図６（ｃ）に示すように、露出したバンプ面１２３ａに実装用接続部材であるバンプ１２３を形成する。例えば、バンプ面１２３ａ上に半田ボールを形成する。

また、発光素子１２１を図２に示す形状の発光デバイスモジュールにする方法については別の方法も考えられる。図７（ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの製造方法の他の例の工程を示す図である。

図７（ａ）に示すように、透明基板１２１５内に上述した発光素子１２１を複数作り込む。このとき、バンプ面が上方に露出するようにして発光素子１２１が形成される。その後、図３に示す絶縁部１２１１ｃ用の材料を発光素子１２１上にコーティングする。次いで、図７（ｂ）に示すように、発光素子１２１間を分割するために、発光素子１２１間をハーフダイシングもしくはレーザスクライビングして発光素子１２１間にスリット１７を形成する。

次いで、図７（ｃ）に示すような金型１８を準備する。この金型１８は、図２に示す光路調整部材１２２の外形状と同じ形状の凹部１８ａを有する。この金型１８の凹部１８ａにハーフダイシングにより分割された発光素子１２１をそれぞれ配置する。このとき、バンプ面が金型１８の凹部１８ａの底部に対面するようにして発光素子１２１を金型に配置する。

次いで、図７（ｄ）に示すように、光路調整部材用材料を金型１８の凹部１８ａに充填して硬化させる。そして、光路調整部材用の層に光学部材（ここではマイクロレンズアレイ）１２２ｃを作り込む。次いで、図７（ｅ）に示すように、光学部材を有する光路調整部材用の層にテープ１５を貼り付ける。次いで、図７（ｆ）に示すように、バンプ面１２３ａ側の光路調整部材の層を研磨し、バンプ面１２３ａ部分を露出させる。その後、図７（ｇ）に示すように、露出したバンプ面１２３ａに実装用接続部材であるバンプ１２３を形成する。例えば、バンプ面１２３ａ上に半田ボールを形成する。

さらに、発光素子１２１を図２に示す形状の発光デバイスモジュールにする方法については別の方法も考えられる。図８（ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの製造方法の他の例の工程を示す図である。

図８（ａ）に示すように、透明基板１２１５内に上述した発光素子１２１を複数作り込む。このとき、バンプ面が上方に露出するようにして発光素子１２１が形成される。その後、図３に示す絶縁部１２１１ｃ用の材料を発光素子１２１上にコーティングする。次いで、図８（ｂ）に示すように、発光素子１２１間を分割するために、発光素子１２１間をハーフダイシングもしくはレーザスクライビングして発光素子１２１間にスリット１７を形成する。

次いで、図８（ｃ）に示すように、テープ１５上に所定の間隔をおいて発光素子１２１を配置する。このとき、バンプ面側がテープ１５に当接するようにして発光素子１２１をテープ１５上に配置する。次いで、図８（ｄ）に示すように、発光素子１２１上を光路調整部材用の材料で被覆して光路調整部材用の層を形成する。そして、光路調整部材用の層に光学部材（ここではマイクロレンズアレイ）１２２ｃを作り込む。次いで、図８（ｅ）に示すように、バンプ面側に貼り付けられたテープ１５を剥して、光学デバイスを有する光路調整部材用の層にテープ１５を貼り付ける。

次いで、図８（ｆ）に示すように、バンプ面１２３ａ側の光路調整部材の層を研磨し、バンプ面１２３ａ部分を露出させる。次いで、図８（ｇ）に示すように、露出したバンプ面１２３ａに実装用接続部材であるバンプ１２３を形成する。例えば、バンプ面１２３ａ上に半田ボールを形成する。その後、図８（ｈ）に示すように、光路調整部材の層に断面略Ｖ字形状の溝加工を施して、光路調整部材の層に溝１２２ｄを形成することにより、光路調整部材１２２に傾斜面１２２ｂを設ける。この溝１２２ｄの傾斜角度は、光路調整部材１２２の傾斜面１２２ｂの角度に応じて適宜設定する。傾斜面１２２の角度を、出射面に対して略４５°に設定することにより、光の取り出し効率が最大にすることができる。

このように、図５から図８に示す方法により、発光デバイス１２を得ることができるが、例えば、特許第３４４９７９６号に示された方法を適用することにより、金型の形状を適宜最適化することにより、本発明による発光デバイスを製造することは可能である。本発明において、製造プロセスについては、特に限定されない。

このようにして得られた図６（ｃ）、図７（ｇ）、図８（ｈ）に示す発光デバイスを配線基板１１上に実装する。これらの発光デバイスは、テープ１５上に所定の間隔をおいて配置されているが、通常は部材の利用効率を優先して設定することが多く、最大限近接して設定することが多い。したがって、配線基板１１に発光デバイスを最密に実装する場合に、配線基板１１上に実装するための配線層１１３のパターンを、このテープ１５上の発光デバイスの間隔に合わせて設定し、テープ１５上に配置された発光デバイス１２のバンプ１２３を配線基板１１の配線層１１３に実装することにより、配線基板１１と発光デバイス１２とが位置合わせされた状態で配線基板１１上に発光デバイスが搭載されることになる。この場合、テープ１５は、リフロー温度より低い温度で粘着性を消失し、発光デバイスから剥離するものを利用することが好ましい。このように、図５から図８に示す方法により得られた発光デバイスは、配線基板１１上に実装する際の位置合わせを容易にすることが可能となる。なお、配線基板１１上に発光デバイスを実装する条件については、実装用接続部材の材料などに応じて適宜設定する。なお、テープ１５から、逐次、発光デバイスを剥離し、マウンターを使って配線基板１１の所定の実装位置に実装しても良い。

このように、フリップチップ実装が可能な発光素子に直接、光路調整部材を形成し、発光デバイスを発光素子のサイズと同じオーダーでコンパクトに作り込むことができるので、高効率、高配向性の発光デバイスの小型化を可能にすることができる。

このような発光デバイスモジュールについて、配線基板１１上に、発光デバイス１２を収容する空間を有するレンズ１３を配置する。この場合、図１及び図４に示すように、発光デバイス毎に空間を設けても良く、複数の発光デバイスを一括してレンズの空間に収納しても良い。さらに、配線基板１１の発光デバイス１２と反対側に放熱ユニット１４を取り付ける。このようにして図１及び図４に示す発光デバイスモジュール１が得られる。なお、レンズ１３や放熱ユニット１４を配線基板１１に取り付ける方法としては、接着剤を用いた接着法などを用いることができる。

複数の発光デバイスを一括してレンズの空間に収納する場合、発光デバイスからの出射光の向きを一定方向に制御できるので、発光デバイスを高密度に実装しても、発光デバイス自身が他の発光デバイスの出射光を遮ることが少なくなり、光の利用効率の低下が少なくなる。このため、このような構成は、高光度、高輝度を示す光源の製作に適している。

レンズ１３の内側の表面（レンズ１３内の光学デバイスを収納する空間を区画する内壁）には、反射防止構造（図示せず）が設けられている。反射防止構造としては、反射防止膜、モスアイ構造体などを用いることができる。なお、反射防止構造は、レンズ１３の内側の表面でなく、発光デバイス１２の光出射面１２２ａ上に設けても良い。このように反射防止構造を設けることにより、発光デバイス１２から出射した光を効率良く外界に出射することができ、発光効率をより向上させることができる。レンズ１３の外側の表面（レンズ１３内の発光デバイスを収納しない空間）は、通常誘電体ミラーを構成する。なお、反射性の金属膜や、反射性の塗膜により、反射膜を形成しても良い。また、レンズ１３の内側の表面上に、蛍光体塗料、顔料などを被覆して、光波長変換層を形成しても良い。

このように本実施の形態に係る発光デバイス及び発光デバイスモジュールは、実装用接続部及び光出射領域を有する発光素子１２１と、少なくとも前記発光素子１２１の光出射領域を包埋すると共に前記光出射領域から光を所定方向に向けて出射する光路調整用部材１２２と、を具備するので、発光素子１２１の主面だけでなく、端面から出射された光も所定方向に向けることができ、したがって、発光デバイス１２の発光効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態は、光を横方向に出射するタイプの発光デバイスモジュールについて説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る発光デバイスの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面断面図であり、（ｂ）は平面図である。

図９（ａ）に示す発光デバイス１２は、鉛直方向に延在する光出射面１２２ａと、互いに連接した傾斜面１２２ｂとを有する光路調整部材１２２を備える。すなわち、図９（ａ）において、光路調整部材１２２は、ヨットの帆のような形状を有する。この場合、互いに連接する傾斜面１２２ｂのなす角はおよそ９０度であることが好ましい。これにより、効率良く光を光出射面１２２ａ側に向けることができる。

図９（ａ）に示す発光デバイス１２においては、発光素子１２１の主面から発する光Ｃは、光路調整部材１２２の傾斜面１２２ｂで反射して光路が変えられて、すなわち光路が横方向に向けられる。そして、光路が変えられた光は光路調整部材１２２の光出射面１２２ａから出射される。一方、発光素子１２１の紙面向って左の端面から発する光Ｄは、光路調整部材１２２の傾斜面１２２ｂで２度反射して光路が変えられて光路が横方向に向けられる。そして、光路が変えられた光は光路調整部材１２２の光出射面１２２ａから出射される。また、発光素子１２１の紙面向って右の端面から発する光は横方向にそのまま進み、光出射面１２２ａから出射される。したがって、本実施の形態においても、発光素子１２１の主面だけでなく、端面から出射された光も所定方向に向けることができるので、発光デバイス１２の発光効率を向上させることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態は、光を異なる方向に出射するタイプの発光デバイスモジュールについて説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る発光デバイスの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は平面図である。

図１０（ａ）に示す発光デバイス１２は、鉛直方向に延在する２つの光出射面１２２ａと、互いに連接した傾斜面１２２ｂとを有する光路調整部材１２２を備える。すなわち、図１０（ａ）において、光路調整部材１２２は、略Ｖ字形状を有する。この場合、互いに連接する傾斜面１２２ｂのなす角はおよそ９０度であることが好ましい。これにより、効率良く光を光出射面１２２ａ側に向けることができる。

図１０（ａ）に示す発光デバイス１２においては、発光素子１２１の主面から発する光Ｅは、光路調整部材１２２の傾斜面１２２ｂで反射して光路が変えられて、すなわち光路が横方向に向けられる。このとき、紙面向って左側の傾斜面１２２ｂで反射した光は左方向に光路が変えられ、紙面向って右側の傾斜面１２２ｂで反射した光は右方向に光路が変えられる。そして、光路が変えられた光はそれぞれ光路調整部材１２２の光出射面１２２ａから出射される。これにより、異なる方向に光を出射することができる。一方、発光素子１２１の端面から発する光Ｆは、横方向にそのまま進み、光出射面１２２ａからそれぞれ出射される。したがって、この実施の形態においても、発光素子１２１の主面だけでなく、端面から出射された光も所定方向に向けることができるので、発光デバイス１２の発光効率を向上させることができる。

次に、本発明の効果を明確にするための実施例について説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されない。
（実施例１）
実装用接続部であるバンプ又はＡｕボールを形成した発光ダイオードウエハを準備し、当該ウエハの実装用接続部であるバンプ又はＡｕボール側の面に、光反射性のフィラーを混合したエポキシ樹脂をコーティングして、当該実装接続部を樹脂中に埋設する。実装接続部を樹脂中に埋設したウエハをレーザスクライビングにより、発光ダイオードをダイスに切り分ける。

次いで、逆台形型ピラミッド形状を有する金型のキャビティの中央部に、ダイスを仮止め接着剤によりダイスの実装接続部側の面を固定する。発光ダイオードのダイスを仮止めする接着剤は加熱により接着性が低下するタイプのものを使う。逆台形型ピラミッド形状を有する金型のキャビティに透明な封止樹脂を注入し、加熱して透明な封止樹脂を硬化させる。次いで、光出射面にあたる上面に光硬化樹脂をコーティングし、石英ガラス製の金型を押し当て、紫外線を照射することにより、ピラミッド状の突起を光出射面に形成し、光出射特性を制御する光学素子とする。

次いで、光出射面をワックスで固定し、実装接続部側にあたる金型の底部を取り外し、発光ダイオードダイスの実装接続部側の表面を露出させる。この露出した発光ダイオードダイスの実装接続部側の表面を研磨することにより、実装用接続部であるバンプ又はＡｕボールの清浄な表面を得て、その上に半田ボールをマウントする。最後に、金型から完全に離型し、ワックスの残渣を洗浄して、本発明に係る発光デバイスを完成する。

本発明に係る発光デバイスの逆ピラミッド状の傾斜面は、発光ダイオードのダイス側面からの出射光に対して、全反射面になるように形成する。このため、パッケージ外部への光の取り出し効率が向上する。この発光デバイスにおいては、使用する透明な封止樹脂の屈折率、光透過率、発光ダイオードのダイスの構造、サイズなどにもよるが、ダイスのみの場合に比べて２０％〜２００％程度、光の取り出し効率が向上する。

（実施例２）
サファイア基板上にＩｎＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させて形成したフェースダウンボンディングタイプの実装接続部を有する１．０ｍｍ×１．０ｍｍ×厚さ１６０μｍのサイズの発光ダイオードのダイスを用意し、先に述べたプロセスにて本発明に係る発光デバイスを作製する。このようにして得られた逆台形型ピラミッド形状の発光デバイスの最大外形寸法は、１．６ｍｍ×１．６ｍｍ×厚さ０．３ｍｍである。次いで、メタルベースの配線基板を用意し、先に作製した発光デバイスを、１８ｍｍ×１８ｍｍのエリアに１００個を高密度実装して、高輝度薄型光源モジュールを作製する。このようにして得られた高輝度薄型光源モジュールは、１００Ｗクラスの光源になり、発熱量が大きいので、メタルベース配線基板の裏面に、水冷冷却ユニット、ペルチェ素子、ヒートパイプなどの冷却ユニットを配置する。また、高輝度薄型光源モジュールを収納するコリメーターレンズ、積分ロッドなどの光学系を前面に配置することにより、高品質の高輝度の小型光源を構成することができる。

本発明は上記実施の形態１〜３に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態１〜３においては、光学系が誘電ミラーとレンズとを複合してなる光学系である場合について説明しているが、本発明においては、光学系が、発光デバイスを収納する空間を側面に有する導光板、単純に配線基板と拡散板との間に発光デバイスを収納する空間を有する直下型バックライトの構造などであっても良い。上記実施の形態１〜３で説明した数値や材質、成膜方法については特に制限はない。また、上記実施の形態１〜３においては、傾斜面の数が２つである場合について説明しているが、本発明においては、所定方向に光を出射できれば、傾斜面の数は特に制限はない。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る発光デバイスを実装した発光デバイスモジュールの一部の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る発光デバイスにおける発光素子の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る発光デバイスを実装した発光デバイスモジュールの概略構成を示す図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの製造方法の工程を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの製造方法の工程を示す図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの他の製造方法の工程を示す図である。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の実施の形態１に係る発光デバイスの他の製造方法の工程を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る発光デバイスの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施の形態３に係る発光デバイスの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１ 発光デバイスモジュール
１１ 配線基板
１２ 発光デバイス
１３ レンズ
１４ 放熱ユニット
１５ テープ
１６ 光学素子層
１７ スリット
１８ 金型
１８ａ 凹部
１１１ メタルベース
１１２ 第１絶縁層
１１３ 配線層
１１４ 第２絶縁層
１２１ 発光素子
１２２ 光路調整部材
１２２ａ 光出射面
１２２ｂ 傾斜面
１２２ｃ 光学部材
１２２ｄ 溝
１２３ バンプ
１２３ａ バンプ面
１２４ アンダーフィル層
１２１１ａ 配線層
１２１１ｂ 接続部
１２１１ｃ 絶縁部
１２１２，１２１４ 電極層
１２１３ 活性層
１２１５ 透明基板
１２１５ａ 表面

Claims (10)

1. 実装用接続部及び光出射領域を有する発光素子と、少なくとも前記発光素子の光出射領域を包埋すると共に前記光出射領域から光を所定方向に向けて出射する光路調整用部材と、を具備することを特徴とする発光デバイス。
2. 前記発光素子は、前記実装用接続部と電気的に接続する配線を有する配線部と、前記配線部に接続された少なくとも一つの電極層と、前記電極層の間に配置された活性層と、前記電極層上に配置された透明基板と、を有することを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
3. 前記光路調整部材は、前記実装用接続部側から発光面側に向って徐々に幅が広がる形状を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発光デバイス。
4. 前記光路調整部材は、前記光出射領域近傍に光学部材を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の発光デバイス。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の少なくとも一つの発光デバイスと、前記少なくとも一つの発光デバイスが実装された配線基板と、を具備することを特徴とする発光デバイスモジュール。
6. 前記配線基板上に設けられ、前記配線基板との間に前記発光デバイスを収容する空間を有し、前記発光デバイスから出射された光を外側に出射する少なくとも一つの光学系を具備することを特徴とする請求項５記載の発光デバイスモジュール。
7. 前記配線基板が光反射層を有することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の発光デバイスモジュール。
8. 前記配線基板は、放熱ユニットを有することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の発光デバイスモジュール。
9. 前記空間を区画する内壁上に反射防止構造を有することを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載の発光デバイスモジュール。
10. 前記発光デバイスの前記光出射領域上及び／又は前記光学系の前記空間を区画する内壁上に光波長変換層を有することを特徴とする請求項５から請求項９のいずれかに記載の発光デバイスモジュール。

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