JP2011091257A - Ｌｅｄ光源装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子周囲の色変換層のＬＥＤ素子側面を覆う側部幅が均等であり、発光色のバラツキのないＬＥＤ光源装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に感光性樹脂層を形成し、感光性樹脂層をパターニングして、基板が露出した開口部を有しかつ上記開口部縁から内方へ突出してＬＥＤ素子を整列配置させる突起部を有する位置決め構造体を形成し、上記突起部をガイドとしてＬＥＤ素子を基板上の上記開口部内の所定の位置に載置し、蛍光体粒子を添加した樹脂を、上記開口部にＬＥＤ素子を埋設するように充填して、色変換層を形成する。
【選択図】図６

Description

発明の詳細な説明

本発明は、蛍光体粒子を添加した樹脂からなる色変換層を有するＬＥＤ光源装置の製造方法に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子の周囲に蛍光体粒子を添加した樹脂からなる色変換層を有するＬＥＤ光源が知られている。

特に近年では、液晶テレビのバックライト等に用いられる、複数のＬＥＤを一列に並べた光源、いわゆるバー光源の需要が高まっている。このようなバー光源では、複数のＬＥＤ素子を一体で覆う蛍光体粒子を添加した樹脂からなる色変換層を設けることで、ＬＥＤ素子からの放出光と、当該ＬＥＤ素子の放出光により励起された蛍光体から発せられる蛍光の加法混色により所望の発光色を実現している（特許文献１）。例えば、白色のＬＥＤ光源では青色の光を発するＬＥＤ素子と、励起によって黄色の光を発する蛍光体を含有する樹脂からなる色変換層を組み合わせて白色発光を実現している。

上記ＬＥＤバー光源の色変換層は、例えば、ＬＥＤ素子が配置された基板上に、貫通孔があいたマスクを当該ＬＥＤ素子が貫通孔内部に配置されるように密着させ、続いて、蛍光体を含む樹脂をマスク上から流し込んで、一列に並べられたＬＥＤ素子の全体を覆うように形成される（特許文献２）。

また、トランスファーモールド法により、基板上に枠体を形成し、当該枠体から各辺が等距離となるように、ＬＥＤ素子をボンディングし、ＬＥＤ素子と枠体の間隙に、スクリーン印刷、スプレー、ポッティング等の方法を用いて蛍光体を含有する樹脂を注入して硬化させて、色変換層を形成することも知られている（特許文献３）。

特開２００５−２０９７９４号公報 特許第３３６７０９６号公報 特開２００６−０４９５２４号公報

上述のように、白色ＬＥＤ光源においては、２色以上の加法混色により所望の色調を得ているため、ＬＥＤ素子の発光輝度と蛍光輝度とのバランスが崩れてしまうと、光源全体としての発光色調が変化してしまう。この光源発光色の変化の要因としてはＬＥＤ素子周囲に設けられる蛍光体粒子を添加した樹脂からなる色変換層のＬＥＤ素子側面を覆う側部幅の偏りが挙げられる。例えば、青色ＬＥＤ素子を使用した白色ＬＥＤ光源では、蛍光体粒子を添加した樹脂からなる色変換層の側部幅が厚くなると発光色は黄色味を帯びるようになり、逆に薄くなると発光色は青味を帯びるようになる。

上述したバー光源において、バー光源の短手方向（ＬＥＤ素子の配列方向に垂直な方向）において、ＬＥＤ素子の側面を覆う色変換層の側部幅の偏りが起きると、バー光源の長辺の各々から発せられる光がそれぞれ青色及び黄色に偏った光となり、自動車の前照灯のように拡大投影して使う場合や、液晶ＴＶのバックライトとして使用する場合に、特に深刻な問題を引き起こす。

しかし、一般的に使用されているメタルマスク印刷やトランスファーモールド法によって形成された枠体を用いて色変換層を形成する方法では、色変換層の形成精度が十分ではなく、ＬＥＤ素子の側部において、発光色が偏るほどの色変換層の側部幅の差異が発生してしまう。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、当該ＬＥＤ素子周囲の色変換層のＬＥＤ素子側面を覆う側部幅が均等であり、発光色のバラツキのないＬＥＤ光源装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の製造方法は、基板上に感光性樹脂層を形成するステップと、感光性樹脂層をパターニングして、基板が露出した開口部を有しかつ上記開口部縁から内方へ突出してＬＥＤ素子を整列配置させる突起部を有する位置決め構造体を形成するステップと、前記突起部をガイドとしてＬＥＤ素子を基板上の上記開口部内の所定の位置に載置するステップと、蛍光体粒子を添加した樹脂を、上記開口部にＬＥＤ素子を埋設するように充填して、色変換層を形成するステップと、を有することを特徴としている。

本発明に係るＬＥＤ光源装置の製造方法によれば、ＬＥＤ素子の周囲に配される色変換層のＬＥＤ素子側面を覆う側部幅を高精度に均一にすることができる。これにより、色のバラツキのない高品質のＬＥＤ光源装置を歩留まりよく製造することが可能となる。

本発明の実施例１であるＬＥＤ光源装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例１であるＬＥＤ光源装置の製造方法を示す断面図である。 実施例１であるＬＥＤ光源装置の製造過程で形成されるリブ構造体の平面図である。 リブ構造体の位置あわせ突起部を示す部分拡大図である。 実施例１に係るＬＥＤ光源装置の製造過程における上面図である。 実施例１に係るＬＥＤ光源装置の製造過程における上面図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６のＣ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿った断面図である。 実施例１の方法によって製造されたＬＥＤ光源装置の上面図である。 図８のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。 実施例１のＬＥＤ光源装置の配光特性を示す図である。 比較例のＬＥＤ光源装置の上面図である。 比較例のＬＥＤ光源装置の配光特性を示す図である。 実施例２であるＬＥＤ光源装置の製造過程における上面図である。 実施例３であるＬＥＤ光源装置の製造過程における上面図である。

以下に、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な構成要素あるいは部分には同一の参照符を付している。

図１及び図２は、本発明の実施例１であるＬＥＤ光源の製造方法を示す断面図である。また、図５及び図６は、当該製造方法の１ステップを示す平面図であり、図１（ｄ）、（ｅ）及び図２（ｄ）、図２（ｅ）は、図５及び図６のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。

まず、図１（ａ）、図２（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子１３への給電のための電極（図示せず）が設けられたセラミック材からなる基板１０を用意し、基板１０上に感光性樹脂（以下、レジストという。）１１を形成した。レジスト１１の厚さは、基板上部の蛍光体層の厚さ（後述する）に応じた１８０μmとした。なお、基板１０は、エポキシ材からなる基板でも良い。また、レジスト１１は、ネガ型又はポジ型のいずれでも用いることができるが、本実施例においては、ＪＳＲ社製のネガ型レジストを用いた。

次に、フォトリソグラフィによりレジスト１１のパターニングを行い（図１（ｂ）、図２（ｂ））、位置決め構造体（以下、リブ構造体という。）１１Ａを形成した。すなわち、フォトマスクを用いて露光を行った後、現像液を用いて、レジスト１１を現像し、感光性樹脂１１を部分的に除去して基板を露出させてリブ構造体１１Ａを形成した。なお、リブ構造体１１Ａの形成においては、レジスト１１のプリベーク、ポストベークなど、通常のフォトリソグラフィ技術を用いた。

図３は、リブ構造体１１Ａの構造を示す平面図である。本実施例において、リブ構造体１１Ａは、４個のＬＥＤ素子１３を一列に並べて収容する開口部１２を２つ有している。すなわち、基板１０上に一辺が１ｍｍの正方形形状を有するＬＥＤ素子１３を８個（各開口部１２内に４個）、位置決めして載置する構造を有している。より詳細には、リブ構造体１１Ａは、長辺の長さＬ１が４．４２ｍｍ、短辺の長さＬ２が１．１２ｍｍの長方形の開口部１２を２つ有する枠構造体である。そして、リブ構造体１１Ａの開口部１２の各々には、ＬＥＤ素子１３が所定間隔で一列に配列されるようにＬＥＤ素子１３を位置決め（アライメント）するための突起部１５が設けられている。より詳細には、開口部１２の短辺の各々の中央部と、長辺の各々の端部から０．５６ｍｍ、１．６６ｍｍ、２．７６ｍｍ、３．８６ｍｍの位置に開口部１２の開口部縁から内方に突出する計１０個の突起部１５が設けられている。

図４は、突起部１５の拡大図を示している。図示されているように、突起部１５は、底辺Ｗ１が６０μｍ、上辺Ｗ２が３０μｍ、突出長（台形の高さ）Ｐが６０μｍの台形を底面とする四角柱である。なお、突起部１５の平面形状は、ＬＥＤ素子１３を載置する際のガイドとなればどのような形状でも良く、例えば、矩形状または半円状等でも良い。

次に、図１（ｃ）、図２（ｃ）及び図５に示すように、リブ構造体１１Ａの突起部１５をガイドとして、開口部１２内の露出した基板１０上に、一辺の長さが１．０ｍｍ、厚さ１３０μｍのフリップチップ型青色ＬＥＤ素子１３を各々４個ずつ、１００μmの間隔でコレットを用いて載置し、ダイボンディングした。なお、必要であればＬＥＤ素子１３と基板１０上に設けられた電極とを電気的に接続するためにワイヤボンディングを行ってもよい。

この時、各開口部の１０個の突起部１５は、それぞれが各ＬＥＤ素子１３の側面のうちの１つを位置決めしている。ＬＥＤ素子は、少なくとも２辺が突起部によって位置決めされるのが好適である。すれ違い用ヘッドライトのカットオフライン（明暗境界線）のように、ＬＥＤ素子の光源像を投影することで所定の配光をなす場合には、配光パターンの所定位置に精度良くＬＥＤ素子の光源像を並べる必要がある。このように、光源の位置精度が要求される場合には、所定の方向で対向している突起部によって位置決めすることが好ましい。図５の場合では、全てのＬＥＤ素子１３が上下方向に対向している突起部によって位置決めされている。

次に、図１（ｄ）、図２（ｄ）及び図６に示すように、黄色の蛍光体粒子が添加されたシリコーン系熱硬化樹脂を、ディスペンス法により、ＬＥＤ素子１３が開口部１２内に埋設されるように開口部１２内に充填した。次に、基板全体を１５０℃の炉内に投入し、２時間加熱して当該樹脂を硬化させ、色変換層１４を形成した。なお、色変換層１４のＬＥＤ素子１３上の層厚は４５μｍ、色変換層１４のＬＥＤ素子１３の側面を覆う側部幅は６０μｍであった。当該蛍光体が添加された樹脂は、シリコーン系熱硬化樹脂に対して、蛍光体を４７wt%、粘度調整を目的としたヒュームドシリカ粒子を９wt%混合したペースト状のものとした。

次に、図１（ｅ）、図２（ｅ）に示すように、レジスト除去液を用いて、リブ構造体１１Ａを除去した。レジスト除去液には、ＪＳＲ社製のレジスト除去液を用いた。当該感光性樹脂の除去処理において、色変換層１４のシリコーン樹脂が侵されることはなかった。

図１（ｅ）及び図７（ａ）は開口部１２の突起部１５が形成されていない部分における断面を示し、図２（ｅ）、図７（ｂ）は突起部１５が形成されている部分における断面を示している。図１（ｅ）及び図７（ａ）に示すように、色変換層１４は、ＬＥＤ素子１３上及びＬＥＤ素子１３の側部を均等に覆っている。その一方、図２（ｅ）及び図７（ｂ）に示すように、色変換層１４は、ＬＥＤ素子１３上は覆っているものの、リブ構造体１１ＡとＬＥＤ素子１３との間にほとんど間隙が無いため、ＬＥＤ素子１３の側部には、色変換層１４がほとんど形成されない。

なお、図１（ｅ）、図２（ｅ）のステップにおいて、リブ構造体１１Ａが除去されるが、リブ構造体１１Ａを形成するレジストが、ＬＥＤ光源の発光に対して透過性を有する場合は、リブ構造体１１Ａの除去は必ずしも必要ではない。

最後に、図１（ｆ）、図２（ｆ）に示すようにＬＥＤ素子１３が載置された基板を所定の大きさに切断した。切断方法は、通常のダイシング手法を使用した。完成したＬＥＤ光源を発光面に対向する方向から見た上面図を図８に示す。図７（ａ）、図７（ｂ）及び図８に示すように、４個のＬＥＤ素子１３で形成される光源の周囲に色変換層１４がほぼ均一な側部幅で形成できた。完成したＬＥＤ光源装置のＬＥＤ素子１３の側面の色変換層の幅精度は１０μｍ以下であった。すなわち、ＬＥＤ素子１３側面を覆う色変換層１４の側部幅は６０μm±１０μｍであった。また、図９は、図８のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。図９では、他の断面図では省略している電極１６も含めて示している。なお、電極１６は、ＬＥＤ素子１３の載置面が平坦であるように、基板１０の上面内に形成されていてもよい。

図１０は、上記した方法により製造したＬＥＤ光源装置（例えば、自動車用前照灯）の、光源から３ｍ離れた位置における配光特性を表わす図である。図１（ｅ）及び図７（ａ）並びに図２（ｅ）及び図７（ｂ）を参照して説明したように、ＬＥＤ素子１３の位置決め用の突起部１５が存在する部分においては色変換層１４がほとんど存在しない。従って、その部分に対応した光照射部分には青白い領域が存在するが、照射領域全体としては色のバラツキは非常に視認されにくくなっていた。より詳細には、配光特性の確認実験において、図１０に示す配光特性の縦０．６３ｍ、横１．８３ｍの照射領域の中で、青白い部分の各々が、縦５ｃｍ以下、横１５ｃｍ以下であれば、色のバラツキはほとんど視認されなかった。本実施例の場合、突起部１５の底辺Ｗ１の長さを２００μｍ以下、上辺Ｗ２の長さを１００μｍ以下とすればよい。また、ＬＥＤ素子１３の大きさや、どのような光源として利用されるかにより異なるが、良好な光源であるためには、突起部１５の底辺Ｗ１の長さは、基板１０に載置されるＬＥＤ素子１３の一辺の１／５の長さ以下であるのが好ましい。突起部１５の平面形状を、台形形状以外とする場合においては、突起部１５の最大幅、すなわち、突起部１５が当接するＬＥＤ素子１３の辺に平行な方向における突起部１５の最大長が、ＬＥＤ素子１３の当該辺の１／５の長さ以下であるのが好ましい。また、突起部１５の突出している長さ（突出長；例えば、図４においてはＰ）は、ＬＥＤ１５の側面の色変換層１４の所望の側部幅（すなわち、ＬＥＤ１５の側面を被覆する厚さ）に応じて適宜定めればよい。

なお、本実施例では、ＬＥＤ素子１３が各々４個載置される長方形の開口部１２を有するリブ構造体１１Ａを用いたが、リブ構造体１１Ａは、１つの開口部にＬＥＤ素子１３を１個または複数載置するように構成されていればよい。また、リブ構造体は、上記実施例に示したものに限らず、１つまたは複数の開口部を有するように構成することができる。

ここで、比較例のＬＥＤ光源装置について以下に説明する。当該比較例では、本発明のリブ構造体を使用せずに、メタルマスク印刷を用いた点を除いては、上記実施例と同様にして製造を行った。

すなわち、ＬＥＤ素子への給電のための電極を有する基板上に一辺の長さが１．０mmのフリップチップ型青色ＬＥＤ素子を１００μmの間隔をおいて４個ダイボンディングした。次に、１８０μｍの厚さのステンレス製メタルマスクを使用したメタルマスク印刷法によって、蛍光体粒子を添加した樹脂からなる色変換層１４を、ＬＥＤ素子１３上の厚さを４５μｍ、ＬＥＤ素子１３側面の側部幅を６０μmとなるように形成した。色変換層１４を形成後、全体を１５０℃で２時間加熱し、シリコーン樹脂を硬化させた。なお、色変換層１４を形成する蛍光体含有樹脂には、実施例１に用いたものと同じものを使用した。

この方法で形成されたＬＥＤ光源のＬＥＤ素子１３と色変換層１４との位置関係を示す上面図を図１１に示す。図１１に示されているように、ＬＥＤ素子１３が短手方向（ＬＥＤ素子の配列方向に垂直な方向）に偏って配されており、ＬＥＤ光源のＬＥＤ素子１３側面の側部幅が小さい方の色変換層の側部幅は３０μｍであり、ＬＥＤ素子１３側面の側部幅の大きい方の色変換層の側部幅は９０μｍであった。

図１２は、当該比較例によって製造されたＬＥＤ光源装置（例えば自動車前照灯）の、光源から３ｍ離れた位置における配光特性を表わす図である。図示されているように、ＬＥＤ素子側面からの光が黄色味と青味を帯びてばらついてしまい、顕著な色バラツキとして視認された。当該ＬＥＤ光源装置の照射領域において、ＬＥＤ素子の色変換層が薄い側面に対応する部分に青色の帯状の色ムラが水平方向（Ｈ方向）に広がり、色変換層が薄い側面に対応する部分に黄色の帯状の色ムラが水平方向（Ｈ方向）に広がっていることが分かる。

本願発明のリブ構造を使用しない比較例の製造方法では、ＬＥＤ素子を載置するときの位置精度が約±２０μｍであり、色変換層を形成するメタルマスク印刷の位置精度が約±３０μmであった。ＬＥＤ素子の搭載位置精度とメタルマスク印刷の位置精度の両方を勘案すると、最も位置ズレが大きい場合でＬＥＤ素子の色変換層の側部幅が、それぞれ１０μｍと１１０μｍとなり、最大で１００μｍの側部幅差が生じることになるので、色変換層の所望の側部幅との差が非常に大きくなる。従って、比較例の製造方法では、色変換層のＬＥＤ素子側面を覆う側部幅の形成精度が低く、歩留まりも悪い。

実施例２のＬＥＤ光源装置の製造方法は、リブ構造体の形状が異なる以外は、実施例１と同様である。図１３は、図１（ｄ）及び図２（ｄ）に対応するステップにおける平面図である。

図１３に示されるように、実施例２のリブ構造体１１Ｂは、載置されるＬＥＤ素子１３同士の間に、さらに島状に位置決め構造１５Ａを有する。位置決め構造１５Ａは、実施例１の突起部１５の突出長Ｐを５０μｍとした突起部を２つ、台形の底辺側の側面において互いに結合させた六角形形状を有し、開口部１２Ｂの長辺に平行な中心線上に、短辺から、１．１１ｍｍ、２．２１ｍｍ、３．３１ｍｍの位置に設けられている。

図示されてはいないが、実施例１と同様に、開口部１２Ｂの突起部１５及び位置決め構造１５Ａが形成されていない部分においては、色変換層１４が、ＬＥＤ素子１３上及びＬＥＤ素子１３の側部を均等に覆っている。その一方で、突起部１５及び位置決め構造１５Ａが形成されている部分において、色変換層１４は、ＬＥＤ素子１３上は覆っているものの、突起部１５及び島状の位置決め構造１５ＡとＬＥＤ素子１３との間にはほとんど間隙が無く、ＬＥＤ素子１３の側部には、色変換層１４がほとんど形成されない。

実施例２で作製したＬＥＤ光源装置（例えば、自動車用前照灯）を照射してみたところ、実施例１の場合と同様に、ＬＥＤ素子１３の位置決め用の突起部１５及び位置決め構造１５Ａに対応した位置に青白い部分が存在するものの、全体として色のバラツキは非常に視認されにくいものとなっていた。

位置決め構造１５Ａを形成することにより、開口部１２の長手方向（ＬＥＤ素子の配列方向）におけるＬＥＤ１３の載置精度が向上し、ＬＥＤ光源装置の長手方向の色のバラツキも抑えることができた。

なお、本実施例において、ＬＥＤ素子が各々４個載置される長方形の開口部１２を有するリブ構造体１１Ｂを用いたが、リブ構造体１１Ｂは、１つの開口部にＬＥＤ素子１３を１個または複数載置するように構成されていればよい。また、リブ構造体は、上記実施例に示したものに限らず、１つまたは複数の開口部を有するように構成することができる。

実施例３のＬＥＤ光源装置の製造方法も、リブ構造体の形状が異なる以外は、実施例１と同様である。図１４は、図１（ｄ）及び図２（ｄ）に対応するステップにおける平面図である。

より詳細には、実施例３で使用されるリブ構造体１１Ｃは、図１４のように、一辺１．１２ｍｍの正方形開口部の各々にＬＥＤ素子１３が１つずつ配されるように形成されており、位置決め突起部１５が開口部１２の辺の各々の中点に設けられている。開口部１２の各々にＬＥＤ１３を配置後、上記実施例と同様に蛍光体含有樹脂を開口部１２内に注入し、ＬＥＤ１３が埋設されるように色変換層１４を形成した。色変換層１４を形成して、リブ構造１１Ｃを除去した後にダイシング切断を行い、各々が１つのＬＥＤ素子を有するＬＥＤ光源装置を製造した。

リブ構造体１１Ｃを使用することにより、ＬＥＤ素子を１つ有する光源装置を製造する場合においても、ＬＥＤ素子１３周囲の色変換層１４の側部幅を均一化することが可能である。

なお、本実施例では、ＬＥＤ素子が載置される開口部が２行３列に６個並んでいるリブ構造体１１Ｃを用いたが、リブ構造体１１Ｃの開口部は、任意の行数及び列数で配されてもよく、ジグザグ配置等の任意の配置も可能である。

また、実施例１〜３において、突起部１５は、ＬＥＤ素子各辺の中点を位置決めしていたがこれに限定されるものではなく、２つ以上の突起部で１つの辺が位置決めされてもよい。この場合、１つの突起部によって位置決めされるよりもθ方向に精度良く配置することが可能である。

１０ 基板
１１ レジスト
１１Ａ リブ構造体
１１Ｂ リブ構造体
１１Ｃ リブ構造体
１２ 開口部
１３ ＬＥＤ素子
１４ 色変換層
１５ 突起部
１５Ａ 位置決め構造
１６ 電極

Claims (4)

1. ＬＥＤ光源装置の製造方法であって、
   基板上に感光性樹脂層を形成するステップと、
   前記感光性樹脂層をパターニングして、前記基板が露出した開口部を有しかつ前記開口部縁から内方へ突出してＬＥＤ素子を整列配置させる突起部を有する位置決め構造体を形成するステップと、
   前記突起部をガイドとして前記ＬＥＤ素子を前記基板上の前記開口部内の所定の位置に載置するステップと、
   蛍光体粒子を添加した樹脂を、前記開口部に前記ＬＥＤ素子を埋設するように充填して、色変換層を形成するステップと、
   を有する製造方法。
2. 前記位置決め構造体は、複数のＬＥＤ素子が前記開口部内に一列に整列されるように形成されていることを特徴する請求項１に記載の製造方法。
3. 前記位置決め構造体は、複数のＬＥＤ素子を互いに離間させるとともに、前記複数のＬＥＤ素子を整列配置させる島状の位置決め構造部を前記開口部内に有することを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記位置決め構造体を除去するステップを、前記色変換層を形成するステップの後に行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の製造方法。

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