JP2010003777A - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】無機材料であるガラスで構成されたコーティング材の気泡及びクラックの発生を防止できる発光ダイオードの製造方法を実現する。
【解決手段】ＬＥＤチップ16を透光性を備えた水ガラスより成るコーティング材22で被覆して成る発光ダイオード10の製造方法であって、珪酸ナトリウムと、溶媒としての水より成る溶液状態の水ガラス材料に表面硬化遅延剤を添加し、該水ガラス材料でＬＥＤチップ16を被覆した後、溶媒である水を蒸発させて固化させることにより、水ガラスより成るコーティング材22を形成することを特徴とする。表面硬化遅延剤としては高沸点溶剤、又は、有機ポリマーが該当する。
【選択図】図１

Description

この発明は、紫外光等の短波長光を発光する発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）を、無機材料であるガラスより成るコーティング材で被覆した発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造方法に係り、特に、無機材料であるガラスで構成されたコーティング材の気泡及びクラックの発生を防止できる発光ダイオードの製造方法に関する。
紫外光等の短波長光を発光するＬＥＤチップをエポキシ樹脂等の有機材料で構成されたコーティング材で被覆・封止した場合、有機材料は、ＬＥＤチップから発光された短波長光の一部を吸収してしまい、その結果、エネルギーの大きい短波長光によってコーティング材が劣化・変色し、ＬＥＤの光度減少や色調の変化を生じさせることとなる。
そこで、本出願人は、先に、短波長光を発光するＬＥＤチップをガラス等の無機材料で構成されたコーティング材で被覆して成るＬＥＤを提案した（特開２００３−１９７９７６号）。
図３に示すように、このＬＥＤ60は、発光ダイオードチップ搭載用の第１のリードフレーム62に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ64を形成し、該リフレクタ64の底面に、紫外光を発光するＬＥＤチップ66をダイボンドすることにより、上記第１のリードフレーム62と、ＬＥＤチップ66底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。また、第２のリードフレーム68と、上記ＬＥＤチップ66上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ70を介して電気的に接続して成る。
上記ＬＥＤチップ66の上面及び側面は、リフレクタ64内に充填されたガラス等の無機材料より成るコーティング材72によって被覆・封止されており、また、上記コーティング材72中には、ＬＥＤチップ66から発光された短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体74が分散状態で混入されている。
さらに、上記ＬＥＤチップ66、コーティング材72、第１のリードフレーム62及び第２のリードフレーム68の上端部は、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部76を有する外装体78によって被覆・封止されている。
而して、上記第１のリードフレーム62及び第２のリードフレーム68を介してＬＥＤチップ66に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ66が発光して紫外光が放射され、該紫外光が上記コーティング材72中の蛍光体74に照射されることにより、紫外光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体78の凸レンズ部76によって集光されて外部へ放射されるようになっている。
上記ＬＥＤ60にあっては、ＬＥＤチップ66の上面及び側面を被覆・封止するコーティング材72を、ガラス等の無機材料で構成したことから、ＬＥＤチップ66から発光された短波長光を吸収することが殆どなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によるコーティング材72の劣化・変色が防止され、コーティング材72の劣化に起因したＬＥＤ60の光度減少や色調変化を生じることがないのである。
本出願人が提案した上記特開２００３−１９７９７６号のＬＥＤ60においては、コーティング材72をガラスで構成する場合には、比較的低温でのガラス合成が可能なゾルゲル法を用いて作製される、いわゆるゾルゲルガラスを用いることが適当である旨を開示した。
すなわち、ゾルゲル法は、例えば、金属アルコキシドや金属アセチルアセトネート、金属カルボキシレート等の金属有機化合物の加水分解、重合反応を利用して金属−酸素の結合からできた重合体を作るものである。例えば、一般式M(OR)n（M:金属元素、R:アルキル基、ｎ：金属の酸化数）の金属有機化合物、水（加水分解のため）、溶媒としてメタノール、DMF（ヂメチルフォルムアミド）、加水分解・重合反応の調整剤としてアンモニアなどを調合した均質な透明なゾル溶液を作り、このゾル溶液を加水分解、重合反応させることにより、ゲル化し、硬いガラス状の無機質膜形成が生じてゾルゲルガラスが形成される。アルキル基（Ｒ）等の組成を適宜選定することにより、コーティング材72に適したゾルゲルガラスが得られるのである。
特開２００３−１９７９７６号
ところで、上記したゾルゲル法によるゾルゲルガラスの形成過程においては、溶媒であるメタノールが蒸発することに起因して気泡を発生するが、ゾルゲルガラスの表面硬化が早いことから、溶媒であるメタノールが完全に蒸発せずに内部に残留してしまうため、形成後のコーティング材22内部で気泡を生じやすく、発生した気泡が形成後のコーティング材22にクラックを生じさせる原因となっていた。
この発明は、従来の上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、無機材料であるガラスで構成されたコーティング材の気泡及びクラックの発生を防止できる発光ダイオードの製造方法を実現することにある。
上記の目的を達成するため、この発明に係る発光ダイオードの製造方法は、ＬＥＤチップを透光性を備えたガラスより成るコーティング材で被覆して成る発光ダイオードの製造方法であって、珪酸ナトリウムと、溶媒としての水より成る溶液状態の水ガラス材料に表面硬化遅延剤を添加し、該水ガラス材料でＬＥＤチップを被覆した後、溶媒である水を蒸発させて固化させることにより、水ガラスより成るコーティング材を形成することを特徴とする。
上記表面硬化遅延剤としては、高沸点溶剤、又は、有機ポリマーが該当する。
上記高沸点溶剤としてはグリセリンが該当する。また、有機ポリマーとしては、メチルセルロース類又はポリビニールアルコール等の水溶性高分子が該当する。
本発明に係る発光ダイオードの製造方法にあっては、溶液状態の水ガラス材料中に表面硬化遅延剤を添加したことにより、水ガラスの表面硬化を遅らせることができる。このため、溶媒である水が完全に蒸発し、形成後のコーティング材内部に水の残留することがないので、形成後のコーティング材内部での気泡及びクラックの発生を防止することができる。
図１は、本発明に係る方法で製造された第１のＬＥＤ10を示す断面図であり、この第１のＬＥＤ10は、ＬＥＤチップ搭載用の第１のリードフレーム12に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ14を形成し、該リフレクタ14の底面上に、主発光波長が短波長光（４００ｎｍ以下の紫外光及び４１０ｎｍ程度の青色可視光）であるＬＥＤチップ16をダイボンドにより接続固定し、以て、上記第１のリードフレーム12と、ＬＥＤチップ16底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。また、第２のリードフレーム18と、上記ＬＥＤチップ16上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ20を介して電気的に接続して成る。上記ＬＥＤチップ16は、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶で構成することができる。
上記ＬＥＤチップ16の上面及び側面は、リフレクタ14内に充填された透明なコーティング材22によって被覆・封止されており、また、該コーティング材22中には、上記ＬＥＤチップ16から発光された紫外光等の短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体24が分散状態で混入されている。
上記蛍光体24としては、例えば以下の組成のものを用いることができる。
紫外光等の短波長光を赤色可視光に変換する赤色発光用の蛍光体24として、Ｍ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ（Ｍは、Ｌａ、Ｇｄ、Ｙの何れか１種）、0.5ＭｇＦ２・3.5ＭｇＯ・ＧｅＯ２：Ｍｎ、2ＭｇＯ・2ＬｉＯ２・Ｓｂ２Ｏ３：Ｍｎ、Ｙ（Ｐ，Ｖ）Ｏ4：Ｅｕ、ＹＶＯ4：Ｅｕ、（ＳｒＭｇ）3（ＰＯ4）：Ｓｎ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、ＣａＳｉＯ３：Ｐｂ，Ｍｎ等がある。
また、紫外光等の短波長光を緑色可視光に変換する緑色発光用の蛍光体24として、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ，Ｍｎ、Ｚｎ２ＳｉＯ4：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｔｂ，Ｍｎ）ＭｇＡｌ１１Ｏ１９、ＬａＰＯ4：Ｃｅ，Ｔｂ、（Ｃｅ，Ｔｂ）ＭｇＡｌ１１Ｏ１９、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｔｂ、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｔｂ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ等がある。
更に、紫外光等の短波長光を青色可視光に変換する青色発光用の蛍光体24として、(ＳｒＣａＢａ)５(ＰＯ４)３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、（ＳｒＭｇ）２Ｐ２Ｏ7：Ｅｕ、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ7：Ｅｕ、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ７：Ｓｎ、Ｓｒ５（ＰＯ4）３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、ＣａＷＯ4、ＣａＷＯ4：Ｐｂ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ、(Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ)１０(ＰＯ４)６Ｃｌ２：Ｅｕ等がある。
上記赤色発光用の蛍光体24、緑色発光用の蛍光体24、青色発光用の蛍光体24を適宜選択・混合して用いることで、種々の色の発色が可能である。
また、青色の可視光を放射するＬＥＤチップ16を用いて白色光を得る場合には、ＬＥＤチップ16から放射される光を補色としての黄色可視光に変換する黄色発光用の蛍光体24として、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＹＢＯ３：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）２Ｓ４：Ｅｕ、Ｂａ２ＳｉＯ４：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ等がある。
尚、蛍光体24は、有機、無機の蛍光染料や、有機、無機の蛍光顔料を含むものである。
上記コーティング材22は水ガラスで構成されている。無機材料である水ガラスは、エポキシ樹脂等の有機材料とは異なり、紫外光等のエネルギーの大きい短波長光を殆ど吸収することがなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。
水ガラスは、珪酸ナトリウムと、溶媒としての水より成る粘性の高い化合物であり、溶媒としての水が蒸発することにより、固化する性質を備えている。
ＬＥＤチップ16を被覆する上記コーティング材22は、以下の方法で製造される。
すなわち、珪酸ナトリウムと、溶媒としての水より成る溶液状態の水ガラス材料に、上記蛍光体24及び高沸点溶剤又は有機ポリマー等より成る透明な表面硬化遅延剤を分散・添加した後、上記リフレクタ１４内に水ガラス材料を充填して、ＬＥＤチップ16を溶液状態の水ガラス材料で被覆した後、溶媒である水を蒸発させて固化することにより形成可能である。尚、常温でも水が徐々に蒸発してガラス形成を行うことができる。
上記高沸点溶剤としてはグリセリンが該当する。また、上記有機ポリマーとしては、メチルセルロース類又はポリビニールアルコール等の水溶性高分子が該当する。
水ガラスの形成過程においては、溶媒である水が蒸発することに起因して気泡を発生するが、水ガラスの表面硬化が早いことから、溶媒である水が完全に蒸発せずに内部に残留してしまうため、形成後のコーティング材22内部で気泡を生じやすく、発生した気泡が形成後のコーティング材22にクラックを生じさせる原因となっていた。
本発明方法にあっては、溶液状態の水ガラス材料中に表面硬化遅延剤を添加したことにより、水ガラスの表面硬化を遅らせることができる。このため、溶媒である水が完全に蒸発し、形成後のコーティング材22内部に水の残留することがないので、形成後のコーティング材22内部での気泡及びクラックの発生を防止することができる。
尚、コーティング材22を構成する水ガラスに対する表面硬化遅延剤の添加割合は、表面硬化遅延剤が高沸点溶剤より成る場合、１〜５重量％、表面硬化遅延剤が有機ポリマーより成る場合、０．０１〜０．１重量％と成すのが、上記した気泡及びクラックの発生防止効果を十分に得る上で適当である。
上記ＬＥＤチップ16、コーティング材22、第１のリードフレーム12及び第２のリードフレーム18の上端部は、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部26を有する外装体28によって被覆・封止されている。
而して、上記第１のリードフレーム12及び第２のリードフレーム18を介してＬＥＤチップ16に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ16が発光して短波長光が放射され、該短波長光が上記コーティング材22中の蛍光体24に照射されることにより、短波長光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体28の凸レンズ部26によって集光されて外部へ放射されるのである。
上記第１のＬＥＤ10は、ＬＥＤチップ16の表面（上面及び側面）を被覆・封止するコーティング材22を、無機材料である水ガラスで構成したことから、ＬＥＤチップ16から発光された短波長光を吸収することが殆どなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によるコーティング材22の劣化・変色が防止され、コーティング材22の劣化に起因したＬＥＤ10の光度減少や色調変化を生じることがない。
図２は、本発明方法で製造された表面実装型の第２のＬＥＤ30を示すものである。
この第２のＬＥＤ30は、樹脂等より成る絶縁基板32の表面にＬＥＤチップ16を接続・固定して成る。また、上記絶縁基板32の表面から側面を経て裏面にまで延設された一対の外部電極34ａ，34ｂが相互に絶縁された状態で形成されている。絶縁基板32の表面及び裏面は平坦面と成されている。
上記ＬＥＤチップ16上面の一方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ20を介して、一方の外部電極34ａに接続されると共に、ＬＥＤチップ16上面の他方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ20を介して、他方の外部電極34ｂに接続されている。
上記ＬＥＤチップ16は、絶縁基板30の表面上に配置された金属又はガラス等より成る枠体36で囲繞され、ＬＥＤチップ16の上面及び側面は、枠体36内に充填された上記コーティング材22によって被覆・封止されていると共に、該コーティング材22中には、上記ＬＥＤチップ16から発光された紫外光等の短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体24が分散状態で混入されている。上記枠体36は、ＬＥＤチップ16をコーティング材22で封止する際に、溶液状態の水ガラス材料が絶縁基板30表面に拡散してしまうことを防止するために設けられたものである。
上記ＬＥＤチップ16、コーティング材22、蛍光体24、絶縁基板32表面に配置された外部電極34ａ，34ｂは、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部38を有する外装体40によって被覆・封止されている。
上記第２のＬＥＤ30にあっては、一対の外部電極34ａ，34ｂを介してＬＥＤチップ16に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ16が発光して短波長光が放射され、該短波長光が上記コーティング材22中の蛍光体24に照射されることにより、短波長光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体40の凸レンズ部38によって集光されて外部へ放射されるのである。
本発明の第２のＬＥＤ30にあっても、第１のＬＥＤ10と同じく、ＬＥＤチップ16の表面（上面及び側面）を被覆・封止するコーティング材22を、無機材料である水ガラスで構成したことから、ＬＥＤチップ16から発光された短波長光を吸収することが殆どなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によるコーティング材22の劣化・変色が防止され、コーティング材22の劣化に起因したＬＥＤ30の光度減少や色調変化を生じることがない。
また、この第２のＬＥＤ30は、絶縁基板32の裏面が平坦面であるため、絶縁基板32の裏面に配設された外部電極34ａ，34ｂをハンダ付けすることによって、図示しない回路基板への表面実装が可能である。
本発明に係る第１のＬＥＤの概略断面図である。 本発明に係る第２のＬＥＤの概略断面図である。 従来のＬＥＤの概略断面図である。
符号の説明
10 第１のＬＥＤ
12 第１のリードフレーム
14 リフレクタ
16 ＬＥＤチップ
18 第２のリードフレーム
22 コーティング材
24 蛍光体
28 外装体
30 第２のＬＥＤ
32 絶縁基板
34ａ外部電極
34ｂ外部電極
36 枠体
40 外装体

Claims (3)

  1. ＬＥＤチップを透光性を備えたガラスより成るコーティング材で被覆して成る発光ダイオードの製造方法であって、
    珪酸ナトリウムと、溶媒としての水より成る溶液状態の水ガラス材料に表面硬化遅延剤を添加し、該水ガラス材料でＬＥＤチップを被覆した後、溶媒である水を蒸発させて固化させることにより、水ガラスより成るコーティング材を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
  2. 上記表面硬化遅延剤が、高沸点溶剤、又は、有機ポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
  3. 上記高沸点溶剤がグリセリンであり、また、上記有機ポリマーが、メチルセルロース類又はポリビニールアルコール等の水溶性高分子であることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードの製造方法。
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