JP2010502000A

JP2010502000A - 発光光源及びその製造方法

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Publication number: JP2010502000A
Application number: JP2009508029A
Authority: JP
Inventors: 隆在植本; 恵司西本; 康晴上野; 智仕田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2010-01-21
Also published as: TWI407584B; TW200814379A; US20100244662A1; KR20090034995A; EP2059954B1; CN101507005A; EP2059954A1; KR101135740B1; WO2008026717A1; CN101507005B

Abstract

【課題】発光素子の上下の層において放熱性の差異を小さくすることができる発光光源及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板(10)と、基板(10)上に形成された端子(11)及びランド(12)と、ランド(12)上にバンプ(13)を介して実装された発光素子(14)と、発光素子(14)を覆い、かつ基板(10)の主面と発光素子(14)との間の空隙に充填された蛍光体層(15)とを含み、蛍光体層(15)は、蛍光体と透光性母材とを含み、蛍光体層(15)における前記空隙に充填された領域(15a)の蛍光体の体積含有率と、蛍光体層(15)における発光素子(14)を覆う領域(15b)の蛍光体の体積含有率とが略同一である発光光源(1)とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子が蛍光体層で覆われた発光光源と、その製造方法に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下「ＬＥＤ」と称する。）や半導体レーザ等の発光素子は、各種の発光デバイスに使用されている。中でもＬＥＤベアチップを用いた発光光源は、放電や輻射を使った既存光源に比べて小型で高効率であるだけでなく、近年では高光束化も進んできたことから、既存光源に取って代わる可能性がある。

ＬＥＤベアチップを用いた発光光源としては、例えば、ＬＥＤベアチップと、ＬＥＤベアチップに接続された基板と、蛍光体を含みＬＥＤベアチップを被覆した蛍光体層とを含む発光光源等がある。このような発光光源には、発光色が青色系のＬＥＤベアチップと、蛍光体層に含まれ黄色系の発光をする蛍光体とを用いて白色の出力光を得る発光光源もあり、特に注目されている。

一方、ＬＥＤベアチップと基板とを電気的に接続する方法としては、非導電性ペーストを介して基板に接着したＬＥＤベアチップと基板とを複数の金ワイヤで接続する方法、導電性ペースト又はＡｕ−Ｓｎの共晶接合を介して基板に接着したＬＥＤベアチップと基板とを金ワイヤで接続する方法、バンプを介してＬＥＤベアチップと基板とをフリップチップ接続する方法等がある。上述したＬＥＤベアチップを用いた発光光源を照明光源として使用する場合、ワイヤで電気的に接続する方法は照射面に対してワイヤの影が投影されやすいため、ワイヤを使用しないフリップチップ接続する方法がより適している。

このフリップチップ接続する方法としては、金やはんだで構成されたバンプを介して、ＬＥＤベアチップと基板上の配線パターンとを電気的に接続する方法が挙げられる。尚、このバンプは、ＬＥＤベアチップ、又は、基板上に形成された配線パターン（例えばランド）に直接形成されている。また、ＬＥＤベアチップと基板とを接続した後、さらにアンダーフィルをＬＥＤベアチップと基板との間の空隙に充填する方法もある（例えば、特許文献１参照）。アンダーフィルとは、一般に液状の材料であり、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂で構成されている。これにより、ＬＥＤベアチップと基板との接合を補強できる。

しかし、アンダーフィルは、ＬＥＤベアチップの側面に駆け上がる場合や、ＬＥＤベアチップと基板との間以外に広がる場合がある。これらの場合、蛍光体層の形状も安定せず、つまりＬＥＤベアチップを覆う蛍光体層の厚さが均一にならず、出力光の色度が均一にならないという問題がある。

さらに、アンダーフィルと蛍光体層との材料が異なる場合、特に蛍光体層が接着性に劣るシリコーン樹脂を含む場合、アンダーフィルと蛍光体層との界面が剥離しやすいという問題もある。

上記問題を解決するために、発光素子と基板との間に蛍光体層形成材料の透光性母材を配置することにより、アンダーフィルを用いずに発光光源を製造する方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００３−１０１０７５号公報ＷＯ２００６／０４１１７８Ａ３

しかし、特許文献２に記載の製造方法では、発光素子と基板との間に配置された透光性母材に分散される蛍光体の含有量が少なくなるため、発光素子を覆う蛍光体層中の蛍光体の含有量との間に大きな差異が生じる可能性があった。その結果、発光素子の上下の層で放熱性に大きな差異が生じることによって熱応力が加わり、蛍光体層が基板から剥離するおそれがあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、発光素子の上下の層において放熱性の差異を小さくすることができる発光光源及びその製造方法を提供する。

本発明の発光光源は、基板と、前記基板上に形成された端子及びランドと、前記ランド上にバンプを介して実装された発光素子と、前記発光素子を覆い、かつ前記基板の主面と前記発光素子との間の空隙に充填された蛍光体層とを含む発光光源であって、
前記蛍光体層は、蛍光体と透光性母材とを含み、
前記蛍光体層における前記空隙に充填された領域の前記蛍光体の体積含有率と、前記蛍光体層における前記発光素子を覆う領域の前記蛍光体の体積含有率とが略同一であることを特徴とする。

本発明の発光光源の製造方法は、端子及びランドが形成された基板上に、前記端子を覆うようにして剥離性樹脂コート層を配置する工程と、
前記ランド上にバンプを介して発光素子を実装する工程と、
蛍光体と透光性母材とを含む蛍光体層形成材料を、前記発光素子を覆い、かつ前記基板の主面と前記発光素子との間の空隙に充填されるように減圧しながら配置する工程と、
前記剥離性樹脂コート層を剥離する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の発光光源及びその製造方法によれば、発光素子の上下の層において放熱性の差異を小さくすることができるため、蛍光体層が基板から剥離する等の熱応力による不具合を解消することができる。

本発明の発光光源は、基板と、基板上に形成された端子及びランドと、ランド上にバンプを介して実装された発光素子とを含む。

基板を構成する基材は特に限定されず、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ等からなるセラミック基材や、無機フィラと熱硬化性樹脂とを含むコンポジット基材等を使用できる。あるいは、基板の放熱性を高めるために、アルミニウム等からなる金属基材上に電気絶縁層（例えば上記コンポジット基材）を形成した積層基材を使用することもできる。上記基材の厚みは、例えば０．５〜３ｍｍ程度である。

端子、ランド及びバンプについても一般的な材料が使用できる。例えば、端子及びランドについては、銅や銅にニッケル−金めっきを施したもの等が使用でき、バンプについては金やはんだ等が使用できる。

発光素子は、例えば、波長が４２０〜５００ｎｍの青色光を発する青色ＬＥＤや、３８０〜４２０ｎｍの青紫色光を発する青紫ＬＥＤ等を使用することができる。上記青色ＬＥＤや上記青紫ＬＥＤとしては、例えばＩｎＧａＡｌＮ系材料を用いたＬＥＤが使用できる。なお、基板上に配置される発光素子の個数は特に限定されず、要求される光量に応じて適宜設定すればよい。

そして、本発明の発光光源は、上記構成要素以外に、上記発光素子を覆い、かつ上記基板の主面と上記発光素子との間の空隙に充填された蛍光体層を含む。また、上記蛍光体層は、蛍光体と透光性母材とを含み、上記蛍光体層における上記空隙に充填された領域（以下、「第１領域」ともいう。）の上記蛍光体の体積含有率と、上記蛍光体層における上記発光素子を覆う領域（以下、「第２領域」ともいう。）の上記蛍光体の体積含有率とが略同一である。これにより、発光素子の光取り出し側に位置する第２領域と、その反対側の第１領域との間で、熱伝導率が略同等となるため、発光素子の上下の層において放熱性の差異を小さくすることができる。よって、蛍光体層が基板から剥離する等の熱応力による不具合を解消することができる。なお、上記「略同一」とは、第１領域と第２領域との間で、熱伝導率が略同等となる程度にそれぞれの領域内に蛍光体が含まれていることを指す。例えば、第１領域の蛍光体の体積含有率が、第２領域の蛍光体の体積含有率の８０％以上であればよく、好ましくは９０％以上１００％以下であればよい。

蛍光体層に含まれる蛍光体としては、例えば、赤色光を発する赤色蛍光体、黄色光を発する黄色蛍光体、緑色光を発する緑色蛍光体等が使用できる。上記赤色蛍光体としては、例えばニトリドシリケート系Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈:Ｅｕ²⁺、ニトリドアルミノシリケート系ＣａＡｌＳｉＮ₃:Ｅｕ²⁺、オクソニトリドアルミノシリケート系Ｓｒ₂Ｓｉ₄ＡｌＯＮ₇:Ｅｕ²⁺、ＬＯＳ系Ｌａ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ³⁺等を使用できる。上記黄色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ、Ｂａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、（Ｙ、Ｇｄ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺等を使用できる。上記緑色蛍光体としては、例えばＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｍｎ²⁺、ＳｒＡｌ₂Ｏ₄:Ｅｕ²⁺、シリケート系（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺等を使用できる。なお、発光素子として、波長が４２０ｎｍ以下の青紫色光や、波長が３８０ｎｍ以下の紫外光を発するＬＥＤを使用する場合は、蛍光体として、例えば上述した赤色蛍光体及び緑色蛍光体と、青色光を発する青色蛍光体とを併用すればよい。この青色蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺等のアルミン酸塩蛍光体や、Ｂａ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺等のシリケート蛍光体等が使用できる。

蛍光体層を構成する上記透光性母材は、蛍光体を分散させることができ、かつ出射光を透過させることができる限り特に限定されないが、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の透光性樹脂が好ましい。なかでも、シリコーン樹脂は耐光性が良好である上、硬化前の流動性が高いため、後述する製造工程において第１領域への充填を容易に行うことができるため好ましい。

本発明の発光光源においては、ランドの面積が、このランド上に実装される発光素子の面積より広いことが好ましい。特に、ランドの面積が発光素子の面積の１．３倍以上であることが好ましい。後述する製造工程において第１領域への充填を容易に行うことができるからである。

次に、本発明の発光光源の製造方法について説明する。なお、以下に説明する発光光源の製造方法は、上述した本発明の発光光源の好適な製造方法であるため、重複する内容については説明を省略する場合がある。

本発明の発光光源の製造方法は、端子及びランドが形成された基板上に、端子を覆うようにして剥離性樹脂コート層を配置する工程と、上記ランド上にバンプを介して発光素子を実装する工程と、蛍光体と透光性母材とを含む蛍光体層形成材料を、発光素子を覆い、かつ基板の主面と発光素子との間の空隙（即ち、第１領域）に充填されるように減圧しながら配置する工程と、上記剥離性樹脂コート層を剥離する工程とを含む。この方法によれば、蛍光体層形成材料を減圧しながら配置するため、蛍光体を含む蛍光体層形成材料を第１領域へ容易に充填することができる。よって、第１領域の蛍光体の体積含有率と、第２領域の蛍光体の体積含有率とが略同一となる本発明の発光光源を容易に製造できる。また、蛍光体層形成材料を配置する工程において、端子が剥離性樹脂コート層で覆われているため、蛍光体層形成材料が端子に付着することを防止できる。

上記剥離性樹脂コート層は、蛍光体層形成材料が端子に付着することを防止できる程度に端子に密着でき、かつ容易に剥離できる材料からなるものであればよく、例えばアクリル樹脂や塩化ビニール等の材料からなるものであればよい。

上記蛍光体層形成材料を配置する工程は、２０Ｐａ未満の雰囲気圧において行うことが好ましく、１Ｐａ以上１０Ｐａ以下の雰囲気圧において行うことがより好ましい。第１領域への充填を容易に行うことができるからである。

本発明の発光光源の製造方法では、ランド表面に対する蛍光体層形成材料の接触角（接触角θ₁）が、基板の主面に対する蛍光体層形成材料の接触角（接触角θ₂）より小さいことが好ましい。特に、θ₁／θ₂が２／３以下であることが好ましい。第１領域への充填を容易に行うことができるからである。例えば、基板の基材としてアルミナを使用し、ランド表面の材料として金を使用し、蛍光体層形成材料の透光性母材としてシリコーン樹脂を使用した場合は、ランド表面に対する蛍光体層形成材料の接触角が約６０度となり、基板の主面に対する蛍光体層形成材料の接触角が約９０度となるため、第１領域への充填を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、参照する図面においては、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の符号で示し、重複する説明を省略する場合がある。

図１Ａは本発明の一実施形態に係る発光光源の概略斜視図であり、図１Ｂは図１Ａに示す発光光源に使用される基板の平面図であり、図１Ｃは図１ＡのＩ−Ｉ線断面図である。

図１Ａ，Ｃに示すように、発光光源１は、基板１０と、基板１０上に形成された端子１１及びランド１２と、ランド１２上にバンプ１３を介して実装された発光素子１４と、発光素子１４を覆い、かつ基板１０の主面と発光素子１４との間の空隙である第１領域１５ａに充填された蛍光体層１５とを含む。また、基板１０上には、端子１１とランド１２とに跨るようにして静電気対策部材１６（例えばツェナーダイオードやバリスタ等）が実装されている。

図１Ｂに示すように、端子１１及びランド１２は、６×２＝１２個の発光素子１４が直列接続されるように配置されている。

蛍光体層１５は、蛍光体と透光性母材とを含む。そして、蛍光体層１５における第１領域１５ａの蛍光体の体積含有率と、蛍光体層１５における発光素子１４を覆う領域である第２領域１５ｂ（図１Ｃ参照）の蛍光体の体積含有率とが略同一である。これにより、発光素子１４の光取り出し側に位置する第２領域１５ｂと、その反対側の第１領域１５ａとの間で、熱伝導率が略同等となるため、発光素子１４の上下の層において放熱性の差異を小さくすることができる。よって、蛍光体層１５が基板１０から剥離する等の熱応力による不具合を解消することができる。

また、発光光源１においては、ランド１２の面積が、このランド１２上に実装される発光素子１４の面積より広い。これにより、後述する発光光源１の製造工程において第１領域１５ａへの蛍光体層形成材料の充填を容易に行うことができる。

次に、発光光源１の好適な製造方法について説明する。参照する図２Ａ〜Ｅは、発光光源１の好適な製造方法の工程別断面図である。

まず、図２Ａに示すように、端子１１及びランド１２が形成された基板１０上に、端子１１を覆うようにして剥離性樹脂コート層２０を配置する。これにより、蛍光体とシリコーン樹脂とを含む蛍光体層形成材料２１（図２Ｃ参照）を配置する工程において、蛍光体層形成材料２１が端子１１に付着することを防止できる。

次に、図２Ｂに示すように、ランド１２上にバンプ１３を介して発光素子１４及び静電気対策部材１６を実装する。

次に、図２Ｃに示すように、型２３内に蛍光体層形成材料２１を流し込み、この中に発光素子１４及び静電気対策部材１６が埋設されるようにして型２３上に基板１０を重ね、真空ポンプ２２により型２３内が２０Ｐａ未満となるように減圧する。これにより、発光素子１４が蛍光体層形成材料２１で覆われるとともに、蛍光体層形成材料２１が第１領域１５ａに充填される。また、同時に１００〜１８０℃で１〜５分間の加熱処理を行うことにより、蛍光体層形成材料２１の一次キュアを行う。

次に、型２３を外し、１００〜１６０℃で３０〜１８０分間の加熱処理を行うことにより、蛍光体層形成材料２１の二次キュアを行って、図２Ｄに示すように蛍光体層１５が形成される。

そして、剥離性樹脂コート層２０を剥離することにより、図２Ｅに示す発光光源１が得られる。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本発明の実施例として、図１Ａ，Ｃに示す発光光源を図２Ａ〜Ｅに示す方法により作製した。なお、図２Ｃの工程においては型２３内が５Ｐａとなるように減圧した。基板１０としては、Ａｌ₂Ｏ₃からなる基板（厚みＴ₁（図１Ｃ参照）：１ｍｍ）を用いた。発光素子１４としては、ＧａＮ系材料からなる青色ＬＥＤ（１ｍｍ×１ｍｍ、厚みＴ₃（図１Ｃ参照）：３００μｍ）を用いた。蛍光体層１５を構成する透光性母材にはシリコーン樹脂を用いた。なお、蛍光体は、蛍光体層１５の全体に対し１５ｗｔ％の含有率で含有されていた。また、基板１０の主面から発光素子１４までの距離Ｔ₂（図１Ｃ参照）は３０μｍで、発光素子１４の上面から蛍光体層１５の上面までの距離Ｔ₄（図１Ｃ参照）は１２００μｍであった。

上記実施例の発光光源を２５℃の室内にて１ｍＡの電流を投入して１時間放置し、定常状態となった後で、蛍光体層１５の上面の中央部Ｘ（図１Ｃ参照）、及び基板１０の下面の中央部Ｙ（図１Ｃ参照）の温度を赤外放射温度計（日本アビオニクス社製サーモビューアー）により測定し、その温度差（Ｙ−Ｘ）を算出した。また、比較例１及び２として、図２Ｃの工程において、型２３内がそれぞれ０．１Ｐａ及び０．５Ｐａとなるように減圧したこと以外は、上記実施例と同様に作製した発光光源を用意し、同様に温度差（Ｙ−Ｘ）を算出した。結果を図３に示す。なお、実施例、比較例１及び比較例２において、蛍光体の体積含有量比（第１領域１５ａ／第２領域１５ｂ）は、それぞれ０．９、０．６及び０．１であった。

図３に示すように、実施例の発光光源は、比較例１及び２の発光光源に比べ、温度差（Ｙ−Ｘ）が小さく、発光素子１４の上下の層において放熱性の差異を小さくすることができた。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本出願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。

本発明の発光光源は、例えば、一般照明、演出照明（サイン灯等）、自動車用照明（特に前照灯）等に使用される照明装置や、街頭用大型ディスプレイ、プロジェクタ等に使用される表示装置等に有用である。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る発光光源の概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示す発光光源に使用される基板の平面図である。図１Ｃは、図１ＡのＩ−Ｉ線断面図である。図２Ａは、本発明の一実施形態に係る発光光源の好適な製造方法の工程別断面図である。図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る発光光源の好適な製造方法の工程別断面図である。図２Ｃは、本発明の一実施形態に係る発光光源の好適な製造方法の工程別断面図である。図２Ｄは、本発明の一実施形態に係る発光光源の好適な製造方法の工程別断面図である。図２Ｅは、本発明の一実施形態に係る発光光源の好適な製造方法の工程別断面図である。図３は、本発明の実施例及び比較例の点灯時における、蛍光体層の上面の中央部と基板の下面の中央部との温度差を示すグラフである。

１発光光源
１０基板
１１端子
１２ランド
１３バンプ
１４発光素子
１５蛍光体層
１５ａ第１領域
１５ｂ第２領域
１６静電気対策部材
２０剥離性樹脂コート層
２１蛍光体層形成材料
２２真空ポンプ
２３型

Claims

基板と、前記基板上に形成された端子及びランドと、前記ランド上にバンプを介して実装された発光素子と、前記発光素子を覆い、かつ前記基板の主面と前記発光素子との間の空隙に充填された蛍光体層とを含む発光光源であって、
前記蛍光体層は、蛍光体と透光性母材とを含み、
前記蛍光体層における前記空隙に充填された領域の前記蛍光体の体積含有率と、前記蛍光体層における前記発光素子を覆う領域の前記蛍光体の体積含有率とが略同一であることを特徴とする発光光源。
前記蛍光体層における前記空隙に充填された領域の前記蛍光体の体積含有率は、前記蛍光体層における前記発光素子を覆う領域の前記蛍光体の体積含有率の８０％以上である請求項１に記載の発光光源。
前記透光性母材は、シリコーン樹脂である請求項１に記載の発光光源。
前記ランドの面積が、前記ランド上に実装される前記発光素子の面積より広い請求項１に記載の発光光源。
端子及びランドが形成された基板上に、前記端子を覆うようにして剥離性樹脂コート層を配置する工程と、
前記ランド上にバンプを介して発光素子を実装する工程と、
蛍光体と透光性母材とを含む蛍光体層形成材料を、前記発光素子を覆い、かつ前記基板の主面と前記発光素子との間の空隙に充填されるように減圧しながら配置する工程と、
前記剥離性樹脂コート層を剥離する工程とを含むことを特徴とする発光光源の製造方法。
前記蛍光体層形成材料を配置する工程は、２０Ｐａ未満の雰囲気圧において行う請求項５に記載の発光光源の製造方法。
前記ランド表面に対する前記蛍光体層形成材料の接触角が、前記基板の主面に対する前記蛍光体層形成材料の接触角より小さい請求項５に記載の発光光源の製造方法。