JP2010010261A - 色変換発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 発光素子からの光を蛍光体層に通すことによって色変換する色変換発光装置において、震動や衝撃による電極パッドからのワイヤ剥離の問題を解決するとともに、発光素子からの光が色変換されずに直接出射されるのを有効に防止する。
【解決手段】 発光素子２上および基板１上には、それぞれ電極パッド５，４が設置され、ワイヤ６とワイヤボンディング部８，７でそれぞれ電気的に接合されており、発光素子２上のワイヤボンディング部８、電極パッド５、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａ、ならびに、基板１上のワイヤボンディング部７、電極パッド４の一部の範囲を、光反射樹脂９で被覆している。
【選択図】 図５
【解決手段】 発光素子２上および基板１上には、それぞれ電極パッド５，４が設置され、ワイヤ６とワイヤボンディング部８，７でそれぞれ電気的に接合されており、発光素子２上のワイヤボンディング部８、電極パッド５、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａ、ならびに、基板１上のワイヤボンディング部７、電極パッド４の一部の範囲を、光反射樹脂９で被覆している。
【選択図】 図５
Description
本発明は、色変換発光装置に関する。
図１は特許文献１に示されている半導体発光デバイスを説明するための図である。図１の半導体発光デバイスでは、発光面１１０ａの露出部１２２上にボンドパッド（電極パッド）１３０を備える半導体発光素子１１０において、透過性シリコーン及び蛍光体を含む皮膜（蛍光体層）１２０を上記ボンドパッド１３０を除く発光面１１０ａ上に形成し、その後、ボンドパッド１３０にワイヤ１４０をボンディングして、半導体発光デバイスが作製されるようになっている。
このような半導体発光デバイスは、半導体発光素子（例えば青色ＬＥＤ）１１０からの発光（例えば青色光）を励起光として用い、蛍光体層（例えば黄色蛍光体を含有する蛍光体層）１２０により色変換して所定の色の光（例えば白色光）を出射するようになっている。
図２は特許文献１に示されている半導体発光デバイスの作製工程を示す図である。
この作製工程では、先ず、蛍光体含有皮膜（蛍光体層）１２０を形成する。すなわち、パターニング可能な皮膜１２０を素子全体に形成し（ステップ７１０）、フォトリソグラフィを利用して開口部１２２を形成する（ステップ７２０）。なお、印刷可能な皮膜を用いて、スクリーン印刷又はステンシル印刷を利用して開口を画定しながら皮膜をコーティングする方法も取ることもできる。
しかる後、蛍光体含有皮膜（蛍光体層）１２０の開口部１２２にボンドパッド１３０を形成し（ステップ７３０）、ボンドパッド１３０にワイヤ１４０をボンディングして（ステップ７４０）、半導体発光デバイスを作製できる。
ところで、特許文献１のように、半導体発光素子上に設けられたボンドパッド（電極パッド）にワイヤをボンディングする場合、震動や衝撃による電極パッドからのワイヤの剥離が問題となる。このようなワイヤ剥離を誘発させないようにするため、電極パッド上には蛍光体層を設置しないようにする必要が生じるが、それにより、電極パッド近傍から蛍光体により励起されない半導体発光素子（青色ＬＥＤ）からの青色光（すなわち、半導体発光素子からの色変換されていない直接光）が素子上面から直接出射されてしまい（これを以後、青抜けと称する）、色ムラを生じる。
また、震動や衝撃による電極パッドからのワイヤ剥離の問題を解決するために（ワイヤボンディング部を保護するために）、特許文献２に示されているような樹脂モールドを行うことができるが（図３を参照）、該樹脂モールドが透明なものである場合、青抜けを防止することはできない。なお、図３において、符号２０６，２０７は基板、２０１は硬いモールド剤、２０２は軟らかいモールド剤、２０３はワイヤ、２０４はワイヤボンディング部、２０５はドライバーテープである。
特表２００８−５１４０２７号公報
特開昭６２−１８６５５３号公報
本発明は、発光素子からの光を蛍光体層に通すことによって色変換する色変換発光装置において、震動や衝撃による電極パッドからのワイヤ剥離の問題を解決するとともに、発光素子からの光が色変換されずに直接出射されるのを有効に防止することの可能な色変換発光装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、所定の波長の光を出射する発光素子と、該発光素子の発光面上に形成されている電極パッドと、該電極パッドにワイヤボンディング部でボンディングされたワイヤと、前記発光素子の電極パッドを除く発光面上に形成される色変換用の蛍光体層とを有する色変換発光装置において、
少なくとも前記ワイヤボンディング部および前記発光素子の前記電極パッド近傍の発光面が、光反射樹脂で覆われていることを特徴としている。
少なくとも前記ワイヤボンディング部および前記発光素子の前記電極パッド近傍の発光面が、光反射樹脂で覆われていることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の色変換発光装置において、前記光反射樹脂は、所定の樹脂に、酸化チタン粒子、ＳｉＯ２粒子、Ａｌ２Ｏ３粒子、ＡｌＮ粒子の少なくとも１つが混入されたものであることを特徴としている。
請求項１乃至請求項２記載の発明によれば、所定の波長の光を出射する発光素子と、該発光素子の発光面上に形成されている電極パッドと、該電極パッドにワイヤボンディング部でボンディングされたワイヤと、前記発光素子の電極パッドを除く発光面上に形成される色変換用の蛍光体層とを有する色変換発光装置において、少なくとも前記ワイヤボンディング部および前記発光素子の前記電極パッド近傍の発光面が、光反射樹脂で覆われているので、震動や衝撃による電極パッドからのワイヤ剥離の問題を解決するとともに、発光素子からの光が色変換されずに直接出射されるのを有効に防止することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図４（ａ），（ｂ）は、１つの基板１上に１個の発光素子（例えばＬＥＤチップ）２を設置し、発光素子２の発光面に蛍光体層３を設けた色変換発光装置の模式図である。なお、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図である。図４（ａ），（ｂ）の色変換発光装置では、発光素子２上および基板１上には、それぞれ電極パッド５，４が設置されており、ワイヤ（例えばＡｕワイヤ）６とワイヤボンディング部８，７でそれぞれ電気的に接合されている。
ここで、発光素子２には、例えばＧａＮ系青色ＬＥＤチップを用いることができる。また、蛍光体層３には、例えば、黄橙色に蛍光発光するＹＡＧ系蛍光体を用いることができる。このように、ＧａＮ系青色ＬＥＤチップからの青色発光を励起光とし、青色発光する青色ＬＥＤチップと黄橙色に蛍光発光するＹＡＧ系蛍光体とを組み合わせることで、補色の関係で混色して白色光を得ることができる。すなわち、この場合、色変換発光装置は、白色ＬＥＤ装置として構成される。
ところで、図４（ａ），（ｂ）のような色変換発光装置では、発光素子２上の電極パッド５近傍には蛍光体層３によって被覆されていない発光素子２の発光面２ａが露出しており、発光の際には発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａから、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されてしまい、色ムラを生じる。
この問題を解決するため、本願の発明者は、図５（ａ），（ｂ）に示すような構造の色変換発光装置を案出した。なお、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は側面図であり、図４（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。図５（ａ），（ｂ）の色変換発光装置では、図４（ａ），（ｂ）の色変換発光装置に対して、発光素子（例えばＬＥＤチップ）２上のワイヤボンディング部８、電極パッド５、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａ、ならびに、基板１上のワイヤボンディング部７、電極パッド４の一部の範囲を、光反射樹脂９で被覆している。
ここで、光反射樹脂９は、所定の樹脂（例えば熱硬化型シリコーン樹脂）に、酸化チタン粒子、ＳｉＯ２粒子、Ａｌ２Ｏ３粒子、ＡｌＮ粒子の少なくとも１つが混入されたものである。
本発明では、図４（ａ），（ｂ）の色変換発光装置に対して、発光素子（例えばＬＥＤチップ）２上のワイヤボンディング部８、電極パッド５、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａ、ならびに、基板１上のワイヤボンディング部７、電極パッド４の一部の範囲を光反射樹脂９で被覆することによって、震動や衝撃による電極パッド４，５からのワイヤ剥離を防止するとともに（発光素子２上，基板１上にボンディングされるワイヤ６の保護を図るとともに）、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されてしまうのを、光束を低下させることなく有効に防止することができる。このことを以下に詳細に説明する。
図６（ａ）は本発明の色変換発光装置における出射光経路を示す図である。また、図６（ｂ），（ｃ），（ｄ）は後述の比較例１，比較例２，比較例３に対応した色変換発光装置における出射光経路を図６（ａ）との比較のために示す図である。すなわち、図６（ｂ）は本発明の色変換発光装置の光反射樹脂９が設けられている部分に何も設けられていない色変換発光装置を示す図であり、図６（ｃ）は本発明の色変換発光装置の光反射樹脂９のかわりに黒色グラブトップ材２０が設けられている色変換発光装置を示す図であり、図６（ｄ）は本発明の色変換発光装置の光反射樹脂９のかわりに透明樹脂２１が設けられている色変換発光装置を示す図である。なお、図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、ワイヤおよびワイヤボンディング部は図示を省略している。
本発明の色変換発光装置において、まず、発光素子２に光反射樹脂９が接している部分について説明する。図６（ａ）を参照すると、本発明の色変換発光装置では、発光素子２から出射された光は、光反射樹脂９との界面に到達しても、光反射樹脂９内には入り込まず、発光素子２内に反射される。これにより、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａから、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されてしまうのを防止することができる。また、本発明の色変換発光装置では、蛍光体層３と光反射樹脂９との界面においても、上記のような入射光の反射が起きる。この反射光が蛍光体層３のみを通過してきた出射光に加わるため、本発明の色変換発光装置では、蛍光体層３における蛍光を強める効果が得られ、光束の低下は生じない。
一方、図６（ｂ）の色変換発光装置では、図６（ａ）と比べて、発光素子２表面および蛍光体層３界面での反射がないため、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａから、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されてしまい、かつ、蛍光体層３における蛍光を強める効果も得られない。
また、図６（ｃ）の色変換発光装置では、図６（ａ）と比べて、発光素子２から出射された光は、直接に、もしくは、蛍光体層３を通過した後に、黒色グラブトップ材２０内に入射する。これらの入射光は、黒色グラブトップ材２０において全て吸収され、再び外部に出射されることはない。これにより、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａから、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されるのを防止することはできるものの、全体としての光束低下を生じてしまう。
また、図６（ｄ）の色変換発光装置では、図６（ａ）と比べて、発光素子２から出射された光は、直接に、もしくは、蛍光体層３を通過した後に、透明樹脂２１内に入射する。これらの入射光は、透明樹脂２１内を伝播し、一部が樹脂２１に吸収された後に、発光素子２上面より出射される。このため、発光素子２の電極パッド５近傍の発光面（蛍光体層３と電極パッド５との間の発光面）２ａから、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されるのを完全には防止できず、かつ、蛍光体層３における蛍光を強めることができないことから、光束低下も生じてしまう。
上記のことからわかるように、本発明の色変換発光装置では、光反射樹脂９を用いることによって、震動や衝撃による電極パッド５からのワイヤ剥離を防止するとともに（発光素子２上にボンディングされるワイヤ６の保護を図るとともに）、発光素子２からの光が色変換されずに直接出射されてしまうのを、光束を低下させることなく有効に防止することができる。
次に、より具体的に本発明を説明する。
実施例１では、一辺の長さが９８０μｍの青色ＬＥＤチップをセラミック製パッケージ（基板）上に配置した。この青色ＬＥＤチップ上にステンシル印刷（メタルマスク印刷）の手法を用いて黄色蛍光体を含有する蛍光体層を２００μｍの厚みで形成した。
蛍光体層の形成は、シリコーン系熱硬化樹脂に対して２７ｗｔ％のＹＡＧ系蛍光体と、粘度調整を目的として１３ｗｔ％のヒュームドシリカを混合した蛍光体分散液を使用し、厚み２００μｍのステンレス製ステンシル（メタルマスク）を使用して印刷を行った。形成される蛍光体層の厚みは、実質的にこのメタルマスクの厚みで規定できる。蛍光体層を印刷後、１５０℃で２時間加熱し、シリコーン樹脂を硬化させた。その後、青色ＬＥＤチップ上面の電極パッドに金線をワイヤボンディングした。
さらにその後、青色ＬＥＤチップ上のワイヤボンディング部と電極パッドと青色ＬＥＤチップの電極パッド近傍の発光面、および、基板上のワイヤボンディング部を被覆するように、光反射樹脂をディスペンサを用いて塗布した。光反射樹脂には、熱硬化型シリコーン樹脂に酸化チタン粒子を回転脱泡装置により撹拌したものを使用した。
比較例１では、一辺の長さが９８０μｍの青色ＬＥＤチップをセラミック製パッケージ（基板）上に配置した。この青色ＬＥＤチップ上にステンシル印刷（メタルマスク印刷）の手法を用いて黄色蛍光体を含有する蛍光体層を２００μｍの厚みで形成した。
蛍光体層の形成は、シリコーン系熱硬化樹脂に対して２７ｗｔ％のＹＡＧ系蛍光体と、粘度調整を目的として１３ｗｔ％のヒュームドシリカを混合した蛍光体分散液を使用し、厚み２００μｍのステンレス製ステンシル（メタルマスク）を使用して印刷を行った。形成される蛍光体層の厚みは、実質的にこのメタルマスクの厚みで規定できる。蛍光体層を印刷後、１５０℃で２時間加熱し、シリコーン樹脂を硬化させた。その後、青色ＬＥＤチップ上面の電極パッドに金線をワイヤボンディングした。
そして、比較例１では、青色ＬＥＤチップ上のワイヤボンディング部と電極パッドと青色ＬＥＤチップの電極パッド近傍の発光面、基板上のワイヤボンディング部は、樹脂によって被覆されておらず、露出している。
比較例２では、一辺の長さが９８０μｍの青色ＬＥＤチップをセラミック製パッケージ（基板）上に配置した。この青色ＬＥＤチップ上にステンシル印刷（メタルマスク印刷）の手法を用いて黄色蛍光体を含有する蛍光体層を２００μｍの厚みで形成した。
蛍光体層の形成は、シリコーン系熱硬化樹脂に対して２７ｗｔ％のＹＡＧ系蛍光体と、粘度調整を目的として１３ｗｔ％のヒュームドシリカを混合した蛍光体分散液を使用し、厚み２００μｍのステンレス製ステンシル（メタルマスク）を使用して印刷を行った。形成される蛍光体層の厚みは、実質的にこのメタルマスクの厚みで規定できる。蛍光体層を印刷後、１５０℃で２時間加熱し、シリコーン樹脂を硬化させた。その後、青色ＬＥＤチップ上面の電極パッドに金線をワイヤボンディングした。
さらにその後、青色ＬＥＤチップ上のワイヤボンディング部と電極パッドと青色ＬＥＤチップの電極パッド近傍の発光面、および、基板上のワイヤボンディング部を被覆するように、黒色グラブトップ材をディスペンサを用いて塗布した。黒色グラブトップ材には、ナミック社製Ｇ８３５４を用いた。
比較例３では、一辺の長さが９８０μｍの青色ＬＥＤチップをセラミック製パッケージ（基板）上に配置した。この青色ＬＥＤチップ上にステンシル印刷（メタルマスク印刷）の手法を用いて黄色蛍光体を含有する蛍光体層を２００μｍの厚みで形成した。
蛍光体層の形成は、シリコーン系熱硬化樹脂に対して２７ｗｔ％のＹＡＧ系蛍光体と、粘度調整を目的として１３ｗｔ％のヒュームドシリカを混合した蛍光体分散液を使用し、厚み２００μｍのステンレス製ステンシル（メタルマスク）を使用して印刷を行った。形成される蛍光体層の厚みは、実質的にこのメタルマスクの厚みで規定できる。蛍光体層を印刷後、１５０℃で２時間加熱し、シリコーン樹脂を硬化させた。その後、青色ＬＥＤチップ上面の電極パッドに金線をワイヤボンディングした。
さらにその後、青色ＬＥＤチップ上のワイヤボンディング部と電極パッドと青色ＬＥＤチップの電極パッド近傍の発光面、および、基板上のワイヤボンディング部を被覆するように、透明樹脂をディスペンサを用いて塗布した。透明樹脂としては２液性熱硬化型シリコーン樹脂を用いた。
樹脂による被覆を行ったいずれの例（実施例１、比較例２、比較例３）においても、ワイヤ剥離を抑制するなどのワイヤ保護効果が得られた。
また、青色ＬＥＤチップ上に電極パッドを設置し、これにステンシル印刷で蛍光体層を塗布する場合、電極パッドと青色ＬＥＤチップの上面（発光面）との界面部分を被覆するように蛍光体層を配置すると、電極パッド上に蛍光体ペーストが漏れ出し、後工程のワイヤボンディング時にボンディング強度を低下させ、素子の信頼性を低下させる。そのため、蛍光体層は電極パッドに接しないように配置することが望ましいが、この場合、電極パッド脇（電極パッド近傍）の発光面から青抜けが生じてしまう。これに対し、本発明のように、少なくともワイヤボンディング部および発光素子の電極パッド近傍の発光面を光反射樹脂で覆うことにより、ワイヤ保護が行なわれワイヤボンディングの信頼性を保持したまま、前記青抜けを防止することができる。
図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の色変換発光装置の青抜け改善効果を実証するための図である。すなわち、本願の発明者は、光反射樹脂を用いた実施例１の色変換発光装置と樹脂による被覆を行っていない比較例１の色変換発光装置とについて、図７（ａ），（ｂ）にそれぞれ測定部位として示した部分の色度（ｘ値）および輝度を測定した。図７（ｃ）には、光反射樹脂を用いた実施例１の色変換発光装置と樹脂による被覆を行っていない比較例１の色変換発光装置とについて、図７（ａ），（ｂ）にそれぞれ測定部位として示した部分の色度（ｘ値）および輝度の測定結果が示されている。
図７（ｃ）において、蛍光体層／電極パッド界面に着目すると、比較例１では界面部分に色度値の低い光、すなわち青色光が観測されているが、実施例１ではこのような青抜けは見られない。このことから、本発明が電極パッド近傍の発光面からの青抜けの防止に有効であることがわかる。
また、図８には、ＬＥＤチップ上のワイヤボンディング部と電極パッドとＬＥＤチップの発光面上の電極パッド近傍とを樹脂等で被覆した実施例１，比較例２，比較例３の色変換発光装置の光束測定例（具体的には、光束変化率）が示されている。
図８から、黒色の材料（黒色グラブトップ材）による被覆を行なうと（比較例２）、ＬＥＤチップおよび蛍光体層より出射された光が黒色グラブトップ材に吸収され、これによりＬＥＤ素子の光束が大きく低下する。また、透明樹脂による被覆を行った場合は（比較例３）、ＬＥＤチップおよび蛍光体層より出射された光が透明樹脂内を伝播して基板や電極面で反射・吸収されるため、やはり光束が低下する。これに対し、光反射樹脂による被覆を行った場合には（実施例１）、ＬＥＤチップおよび蛍光体層より出射された光が光反射樹脂の表面で反射されるために、光束の低下がほとんど起こらない。
また、図９には、実施例１，比較例１，比較例２，比較例３の色変換発光装置の輝度分布測定例が示されている。すなわち、図８の輝度分布測定例は、色変換発光装置直上から測定した発光面内の輝度分布を短手方向断面でプロットしたものである。
図９から、樹脂による被覆を行っていない比較例１や、黒色グラブトップ材や透明樹脂による被覆を行っている比較例２および比較例３に比べて、光反射樹脂による被覆を行っている実施例１では、ＬＥＤチップおよび蛍光体層から出射された光が反射されて再度蛍光体層内で蛍光体を励起することにより輝度が約１０％向上する効果が得られることがわかる。
以上のことから、下記のことが確認できた。
すなわち、発光素子（例えばＬＥＤチップ）上のワイヤボンディング部、電極パッド、発光素子（例えばＬＥＤチップ）の発光面上の電極パッド近傍、および、基板上のワイヤボンディング部に樹脂をコートすることで、ワイヤ剥離などを防止し、ワイヤの保護を行うことが出来る。
また、上記樹脂が光反射樹脂であることで、発光素子（例えばＬＥＤチップ）の電極パッド近傍の発光面（蛍光体層と電極パッドとの間の発光面）からの青抜けを防止できる。
また、上記樹脂が光反射樹脂であることで、発光素子（例えばＬＥＤチップ）の光束を低下させることなくワイヤの保護を行うことができる。
また、上記樹脂が光反射樹脂であることで、発光素子（例えばＬＥＤチップ）の輝度が向上する。
上述の例では、発光素子がＬＥＤチップであるとしたが、発光素子としてはＬＥＤ以外のものを用いることも可能であり、この場合にも本発明を適用できる。
また、上述の例では、発光素子が青色発光のものであるとし、蛍光体層には黄色蛍光体を含有するものを用いたが、発光素子としては青色発光以外のものでもよく、また、蛍光体層には黄色蛍光体以外のものを用いることができる。すなわち、本発明は、発光素子からの発光を蛍光体層により色変換するように構成されていれば良く、発光素子の発光色、蛍光体層の蛍光体色には、任意所望の色のものを用いることができる。
また、上述の例では、１つの基板（パッケージ）上に１個の発光素子（例えばＬＥＤチップ）を配置した構成を示したが、複数個の発光素子（例えばＬＥＤチップ）を基板上に配置した構成についても本発明を適用することができる。
また、上述の実施例１では、発光素子上のワイヤボンディング部と電極パッドと発光素子の電極パッド近傍の発光面（蛍光体層と電極パッドとの間の発光面）、および、基板上のワイヤボンディング部と電極パッドの一部の範囲を光反射樹脂で被覆したが、本発明において、光反射樹脂は、少なくとも発光素子上のワイヤボンディング部および発光素子の電極パッド近傍の発光面（蛍光体層と電極パッドとの間の発光面）を覆っていれば良い。
本発明は、白色ＬＥＤ、ＬＥＤヘッドランプ、ＬＥＤ街路灯、バックライト、ディスプレイ、一般照明などに利用可能である。
１ 基板
２ 発光素子
３ 蛍光体層
４，５ 電極パッド
５ 制御部
６ ワイヤ
７，８ ワイヤボンディング部
９ 光反射樹脂
２ 発光素子
３ 蛍光体層
４，５ 電極パッド
５ 制御部
６ ワイヤ
７，８ ワイヤボンディング部
９ 光反射樹脂
Claims (2)
- 所定の波長の光を出射する発光素子と、該発光素子の発光面上に形成されている電極パッドと、該電極パッドにワイヤボンディング部でボンディングされたワイヤと、前記発光素子の電極パッドを除く発光面上に形成される色変換用の蛍光体層とを有する色変換発光装置において、
少なくとも前記ワイヤボンディング部および前記発光素子の前記電極パッド近傍の発光面が、光反射樹脂で覆われていることを特徴とする色変換発光装置。 - 請求項１記載の色変換発光装置において、前記光反射樹脂は、所定の樹脂に、酸化チタン粒子、ＳｉＯ２粒子、Ａｌ２Ｏ３粒子、ＡｌＮ粒子の少なくとも１つが混入されたものであることを特徴とする色変換発光装置。
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