JP2009141051A - シリコーン樹脂を用いた発光ダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の技術では、表面に粘着性を有するシリコーン樹脂を封止樹脂として用いた発光ダイオード装置を製造する際、製品完成までのリードタイムが長く、また、シリコーン樹脂表面に薄く保護層を形成することが難しいという課題があった。
【解決手段】 本発明では、表面に粘着性を有するシリコーン樹脂表面に、ＳｉＯ_２等の微粒子を付着させた。この方法により、製品完成までのリードタイムを短くすることができ、また、樹脂表面の保護層を薄く形成できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード装置に関する。より詳しくは、シリコーン樹脂を封止樹脂として用いた発光ダイオード装置に関する。

近年、白色発光する発光ダイオードは、照明用途に使用しようとする要望に従って、高出力化しつつある。しかしながら、発光ダイオードが高出力になるに従い、従来、一般的に封止樹脂として使用されてきたエポキシ樹脂は、使用しつづけることが難しくなってきた。なぜなら、発光ダイオードチップ等とエポキシ樹脂との間の熱膨張係数の差を原因とする応力による損傷や、発光ダイオードチップが発する紫外線による劣化が著しいからである。そこで、発光ダイオードの高出力化に伴い、応力や紫外線による損傷・劣化の度合いが少ないシリコーン樹脂が封止樹脂として使用されるようになってきた。

一般に、軟質のシリコーン樹脂は、応力や紫外線の問題を解消又は軽減できるものの、製造過程で樹脂の表面にゴミが付着し易いという特有の問題点を有する。これは、シリコーン樹脂がその表面に粘着性を有しているからである。従って、軟質のシリコーン樹脂を用いて発光ダイオード素子を封止した後、その表面に硬質の樹脂層を形成して、ゴミが付着しないようにする必要がある。
特開２００７−０３６０３０

しかし、従来の方法では、シリコーン樹脂表面へ再度樹脂を配置し、硬化する工程を踏まなければならない。即ち、製品完成までのリードタイムが長くなるという課題があった。また、保護層を薄く形成することが技術的に難しく、より薄型化した発光ダイオード装置を求める市場ニーズに対応できないという別の課題があった。

上記課題は、特許請求の範囲に記載の発明によって解決される。本発明は、発光ダイオード素子を封止するシリコーン樹脂の表面のほぼ全面に、微粒子を付着させるものである。

また、このような発光ダイオード装置を製造するため、シリコーン樹脂による封止工程の後に、微粒子をシリコーン樹脂表面に付着させる工程を有している。

請求項１に記載の発光ダイオード装置は、表面に粘着性を有するシリコーン樹脂表面のほぼ全面に微粒子が付着するため、ゴミ等の付着による発光ダイオード装置の光度低下を低減できるという効果を有する。

請求項２に記載の発光ダイオード装置は、前述の効果に加え、発光ダイオード素子からの発光と、蛍光体からの蛍光との混色をより促進させる効果を有する。この結果、発光ダイオード装置の光軸から見た発光色と、光軸から傾いた方向から見た発光色がより均一となる。

請求項３に記載の発光ダイオード装置は、前述の効果に加え、発光ダイオード素子からの発光に色補正を行なうことができる効果を有する。この結果、発光ダイオード装置の量産を行う際、各装置間の色のばらつきを簡便に補正できる。

請求項４に記載の発光ダイオード装置の製造方法は、表面に粘着性を有するシリコーン樹脂で発光ダイオード素子を封止した後に、シリコーン樹脂表面のほぼ全面に微粒子が付着するため、製品完成までのリードタイムを従来に比べて短くできるという効果を有する。また、従来に比較して、シリコーン樹脂表面に形成する保護層を簡便に薄くできるという効果を有する。

以下、本発明を図に従って説明する。

図１は、本発明に係る発光ダイオード装置の第一の実施形態の概略図である。ハウジング１と基板２は凹部を形成し、その底面に配線３ａ、３ｂが露出している。発光ダイオード素子４は、その下面が、例えば導電性接着剤等を介して配線３ａに電気的に接続している。また、発光ダイオード素子４は、その上面が、例えばＡｕ線などの導電性ワイヤ５を介して配線３ｂに電気的に接続している。発光ダイオード素子４及び導電性ワイヤ５は軟質のシリコーン樹脂６によって覆われ、外部からの衝撃等から保護される。

ここで、シリコーン樹脂６は、軟質のものであって表面に粘着性を有する。例えばＳｉＯ_２等の微粒子７がこの表面のほぼ前面に付着することで、ゴミ等の付着を防止できる。

ハウジング１と基板２は、樹脂、セラミック、金属等、所定の目的に応じて選択し、使用することができる。例えば、セラミック基板に金属製のリングを接合したもの、金属基板に凹部を形成したもの、樹脂をインジョクションモールド法によって成型したもの等である。いずれを使用する場合であっても、発光ダイオード素子４の発光色に対し、反射率の高い材料を用いるか、又は、凹部内壁を反射率の高い材料でコーティングすることで、より高い出力を得ることができ、好適である。

発光ダイオード素子４は、例えば窒化ガリウム系化合物半導体によって構成された青色発光ダイオード素子や、ガリウム砒素系化合物半導体によって構成された赤色発光ダイオード素子などを目的に応じて自在に選択することができる。なお、図示しないが、複数の発光ダイオード素子を同一のハウジング内に収納しても良い。また、発光ダイオード素子をサブマウント上に載せることも自在である。

シリコーン樹脂は、軟質のものが好適に使用できる。ここで軟質とは、ゴム状弾性樹脂やゲル状樹脂であって、例えば硬度がショアＡで３０〜８０程度に調整されたものである。このような樹脂は、一般的に入手可能である。ただし、レジン系のシリコーン樹脂であっても本発明は適用しうる。

微粒子は、例えば平均粒径１〜２０μｍのものを用いることができる。この場合、揮発性の分散媒に微粒子を分散させ、シリコーン樹脂表面に吹きつける等の操作がし易く、好適である。更に、平均粒径１０μｍ以下の微粒子を用いることで、シリコーン樹脂表面に形成する保護層をより薄くできるため、好ましい。また、材質としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＴｉＯ_２、アクリル、ポリカーボネート等を用いることができる。特にＳｉＯ_２は、シリコーン樹脂との密着性が高く、透明性が高いため好ましい。

なお、微粒子は必ずしも透明である必要はない。上に挙げた材料の微粒子は、外観上は白色に見えるものの、使用することができる。また、赤色や緑色等に色のついた粒子、即ち顔料粒子や、染料によって着色された微粒子、発光ダイオード素子からの発光を吸収して異なる色の光を発する蛍光体粒子であっても使用することができる。このような着色した顔料粒子等を単独で、あるいは着色していない微粒子と混合して用いることで、発光ダイオード装置の発光色の色補正を行うことも可能である。

微粒子は、シリコーン樹脂表面のほぼ全面に付着し、シリコーン樹脂表面に微粒子でできた膜を形成する。この微粒子でできた膜は、シリコーン樹脂表面に直接付着している微粒子の上には、ほとんど他の粒子が載っていない、いわば単粒子膜を形成することができる。即ち、この膜の厚さは、概ね粒子の直径と同程度に薄く形成できる。

また、ハウジング１を持たない、図２のような発光ダイオード装置においても、シリコーン樹脂６表面に微粒子７を持つ限り、同様の効果がある。

図３は本発明の発光ダイオード装置の第二の実施形態に係る概略図である。なお、図１と共通する部分については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態においては、シリコーン樹脂６の内部に蛍光体８が含有されている。

蛍光体８は、発光ダイオード素子４から発する所定の波長の光を吸収し、別の波長の光を発するものである。例えば、発光ダイオード素子３が、波長４５０ｎｍ程度の光を中心として光を発する青色発光ダイオード素子であった場合、蛍光体８としては、例えばＹＡＧ：Ｃｅ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ等の材料を用いることができる。このような蛍光体をシリコーン樹脂６中に含有することで、発光ダイオード素子４を駆動した際に、発光ダイオード素子４からの発光と蛍光体８からの蛍光の混色発光、又は、蛍光体８からの蛍光のみを得ることができる。

本実施形態においては、第一の実施形態と同様に、シリコーン樹脂６の表面に微粒子７が付着していることで、ゴミ等の付着を防ぐことができる。これに加え、発光ダイオード素子４からの発光と蛍光体８からの蛍光の混色をより促進させることができる。この結果、発光ダイオード素子と蛍光体とを組み合わせた発光ダイオード装置において問題となっていた、光軸から見た発光色と光軸から傾いた方向から見た発光色が均一ではない、即ち色むらのある発光をしていた、という問題を低減できる。

図４は本発明の発光ダイオード装置の製造方法について説明した概略図である。

まず、工程１において、配線３ａ、３ｂとハウジング１を備えた基板２を準備する。ここに、発光ダイオード素子４を配線３ａ、３ｂに電気的に接続する。本図においては配線３ａ上にダイボンドし、次に発光ダイオード素子４と配線３ｂとの間を導電性ワイヤ５で電気的に接続している。ただし、配線３ａ、３ｂにフリップチップ形式で接続しても良い。

工程２において、上記工程１において形成された発光ダイオード素子４が固定された凹部内にシリコーン樹脂６を樹脂注入ノズル９を用いて注入し、発光ダイオード素子４と導電性ワイヤ５を覆う。

工程３において、シリコーン樹脂６の硬化を行うため、硬化炉にて、例えば１５０℃、４時間の条件で処理する。なお、この硬化工程は、シリコーン樹脂６全体を完全に硬化しても、表面のみ硬化しても良い。表面のみ硬化した場合は、下記微粒子吹き付けの工程後に再度硬化する。

工程４において、シリコーン樹脂６の表面に微粒子吹出しノズル１０を用いて微粒子７を吹き付ける。微粒子７は、揮発性の溶媒に分散したものを吹き付けても、微粒子７をそのままエアガン等で吹き付けても良い。なお、微粒子７が大量に付着しすぎた場合は、発光ダイオード装置の発光出力が多少落ちるが、この場合は付着しすぎた微粒子７をエアガン等で吹き飛ばすことで問題は解消する。

このような工程により、工具等に発光ダイオード装置が付着してしまうことによる作業の停滞が少なくなると同時に、シリコーン樹脂６の表面へ再度樹脂を配置し、硬化する工程を行う必要が無いため、製品完成までのリードタイムを短くできるという効果がある。

以下に、本発明の実施例を説明する。

図１に示すような、ガラスエポキシ基板２上にハウジング１を備えた発光ダイオードパッケージの凹部にドミナント波長が４５５〜４６０ｎｍの青色発光ダイオード素子４を実装し、赤色蛍光体と緑色蛍光体を混合した蛍光体８を混合した軟質のシリコーン樹脂６を注入した。なお、この際に使用したシリコーン樹脂６の硬度はショアＡで４５であった。次に、その表面に微粒子７として平均粒径４〜８μｍのＳｉＯ_２粒子を塗布し、刷毛でその表面を軽く撫でて樹脂表面全てに微粒子が行き渡るようにした。更に、エアガンを用いて余分な微粒子を吹き飛ばした。

上記のように構成した本発明に係る発光ダイオード装置（以下、本発明品）と、微粒子７の塗布を行わなかった発光ダイオード装置（以下、従来品）とを比較した。本発明品の表面にビニルシートを押し付けたところ、ビニルシートに貼り付くことは無かった。これに対し、従来品は、貼り付いてしまった。

次に、両者の光量を比較した。従来品の光量を１００とした場合、本発明品の光量は９６となった。すなわち、微粒子７の付着によって発光ダイオード装置としての出力はほとんど影響を受けないことが分かった。

更に、両者の色度の指向特性を比較した。測定は、ゴニオメーターによって行った。その結果が図５（Ａ）、図５（Ｂ）である。図において横軸は発光ダイオード装置の光軸を０°とした場合の傾き角である。例えば、３０°であれば、光軸から３０°傾いた方向から見た色度を示す。縦軸は、ＣＩＥ色度座標上の数値を示す。図５（Ａ）がＣＩＥ座標のｘ軸、図５（Ｂ）がＣＩＥ座標のｙ軸である。両者を比較したところ、角度に対する色度座標上の変化量が、本発明品の方がより緩やかになっている。即ち、角度が変化しても発光色があまり変わらない。

更に、本発明品をピーク温度が２６０℃に達する鉛フリー半田リフローにかけても、微粒子７の剥がれ落ちは見られず、製品の品質として問題のない水準であった。

本発明の一実施形態の概略図である。 本発明の別の実施形態の概略図である。 本発明の別の実施形態の概略図である。 本発明に係る製品の製造工程を説明する概略図である。 本発明に係る発光ダイオード装置と従来の発光ダイオード装置の角度に対する色度座標上の変化量を示すグラフである。

１ ハウジング
２ 基板
３ａ 配線
３ｂ 配線
４ 発光ダイオード素子
５ 導電性ワイヤ
６ シリコーン樹脂
７ 微粒子
８ 蛍光体
９ 樹脂注入ノズル
１０ 透明粒子吹出しノズル

Claims (4)

1. 発光ダイオード素子と、
   発光ダイオード素子を封止し、かつ、表面に粘着性を有するシリコーン樹脂と、
   シリコーン樹脂表面のほぼ全面に付着した微粒子と、
   を有することを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 前記シリコーン樹脂は、前記発光ダイオード素子からの発光を受けて蛍光を発する蛍光体を含有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード装置。
3. 前記微粒子は、顔料粒子、染料によって着色された粒子、蛍光体粒子のいずれか一つを含むこと、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード装置。
4. 配線を準備する工程と、
   発光ダイオード素子を配線に電気的に接続する工程と、
   表面に粘着性を有するシリコーン樹脂で発光ダイオード素子を覆う工程と、
   シリコーン樹脂を硬化させる工程と、
   シリコーン樹脂表面のほぼ全面に微粒子を付着させる工程と、
   を含む発光ダイオード装置の製造方法。

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