JP2011243712A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色度ばらつきが少なく大面積で高光束の発光素子を実現できる発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】蛍光体粒子１０５を含有した第１の樹脂部１０２によって発光ダイオードチップ１０１を被覆すると共に、第１の樹脂部１０２の表面に、蛍光体粒子１０５を含有する第２の樹脂部１０３を、第１の樹脂部１０２の蛍光体粒子１０５の偏りに応じて配置したことにより、色度ばらつきが少なく大面積で高光束の発光素子を実現できる発光素子及びその製造方法を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップからの光により励起される蛍光体を含有し、発光ダイオードチップを被覆する樹脂部とを備えた発光素子に関するものである。

半導体発光素子を用いた白色発光素子は、次世代の一般照明や液晶バックライトなどの電球、蛍光管および冷陰極管のような管球市場への応用が期待されている。この白色発光素子は、蛍光体を含有する樹脂等により発光ダイオードチップを被覆したものであり、発光ダイオードチップからの光と、発光ダイオードチップからの光により励起された蛍光体からの光とによって白色光を得るものである。

半導体素子を用いた白色発光素子は、一般照明用途の広がりと共に、高光束が求められるようになっており、多数の発光ダイオードチップを並べて一つのモジュールとするマルチチップモジュール型の発光素子が注目されている。

マルチチップモジュール型の発光素子の場合は、多数チップを内蔵する必要があるために、発光面が大面積化する。発光面の大面積化と同時に、発光ダイオードチップを被覆する樹脂も大面積で形成する必要がある。

白色発光素子の製造工程において、色度がばらつき、歩留まり低下の原因となることが知られている。その原因の一つとして、蛍光体を含有する樹脂の形成工程のばらつきが考えられている。

蛍光体を含有する樹脂の形成工程は、液体状態の樹脂を発光ダイオードチップの上に供給した後に、何らかの方法で特定の形状とし、ある一定温度以上の温度にして硬化させている。

液体状態の樹脂を特定の形状とする手法としては、カップを用いる方法（たとえば、特許文献１参照。）、孔版印刷を用いる方法（たとえば、特許文献２参照。）、トランスファーモールドを用いる方法（たとえば、特許文献３参照。）、コンプレッションモールドを用いる方法（たとえば、特許文献４参照。）などがある。

蛍光体を含有する樹脂の形成工程においてばらつきが発生する要因として、液体状態の蛍光体を含有する樹脂が、発光ダイオードチップの上に樹脂を供給するカップ内や装置内のシリンジ、ニードル、キャビティ内などにおいて、蛍光体粒子と樹脂の比重の違いにより、蛍光体が沈降を起こすことが挙げられる。

また、その他に、蛍光体を含有する樹脂の形成工程においてばらつきが発生する要因として、トランスファーモールドおよびコンプレッションモールドを用いる場合においては、液体状態の蛍光体を含有する樹脂がキャビティの内部を高速に流動するため、樹脂と蛍光体粒子の移動速度の違いにより、偏りが発生していることが挙げられる。

マルチチップモジュールの発光素子の場合には、蛍光体を含有する樹脂の形成面積が大きいために、同一の発光素子内でも上述の沈降や偏りが発生していると考えられる。
このような蛍光体を含有する樹脂の形成工程のばらつきによる色度のばらつきを抑える方法として、特許文献５，特許文献６が公開されている。

図８（ａ）に特許文献５に示された構成を示す。
特許文献５に示された構成は、蛍光体を含有する樹脂８０１を硬化させた後に、硬化した樹脂の表面に蛍光体を含まない透光性樹脂８０２を塗布する構成である。このような構成をとることによって、蛍光体を含まない透光性樹脂８０２中での、発光ダイオードチップからの光の吸収量を制御することができる。ここでは、蛍光体に照射される光量を制御することによって、色度のばらつきを調整している。

図８（ｂ）に特許文献６に示された構成を示す。
特許文献６に示された構成は、発光ダイオードチップを被覆する第一の蛍光体８０３の上面に、第二の蛍光体８０４を有する構成である。このような構成をとることによって、第二の蛍光体８０４の蛍光体濃度および供給量を調整することで、色度のばらつきを調整することができる。

特許第２９９８６９６号公報 特許第３３６７０９６号公報 特許第３７２４４９８号公報 特開２００９−０５１１０７号公報 特開２００４−１８６４８８号公報 特開２００９−２３１５６９号公報

しかしながら、特許文献５の構成では、色度を調整するために十分な量の透光性樹脂を供給すると、厚みがかなり増してしまう。その結果、透光性樹脂による発光ダイオードチップからの光の吸収量が増大するため、発光素子の光取り出し効率が低下してしまう。

また、特許文献６の構成では、発光ダイオードチップが一つもしくは少数しかない場合では十分に色度のばらつきを抑えることができる。だが、特許文献６の構成でマルチチップモジュール型の発光素子の場合、蛍光体を含有する樹脂部が大面積にわたるため、一部では適正な色度の補正することができても、全体を均一に適正な色度に補正することはできない。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、色度ばらつきが少なく大面積で高光束の発光素子を実現できる発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、発光ダイオードチップを被覆する第１の樹脂部と、前記第１の樹脂部の表面に形成され、内部に含有する蛍光体粒子の密度が前記第１の樹脂部と異なる第２の樹脂部と、を備えることを特徴とする。

本発明の発光素子の製造方法は、第１の樹脂部によって発光ダイオードチップを被覆し、前記第１の樹脂部に前記発光ダイオードチップの波長以下の励起光を照射した場合の前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度を測定し、前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度に基づいて、前記第１の樹脂部の表面に第２の樹脂部を配置することを特徴とする。

本発明の発光素子によれば、発光素子の厚みを増すことなく、光取り出し効率を高く維持できる。また、蛍光体を含有する樹脂部が大面積にわたるマルチチップモジュール型の発光素子においても均一な色度での発光が実現できる。

本発明の製造方法によれば、発光素子の製造工程における歩留まり低下を抑えることができる。

本発明の実施の形態１に係る発光素子の構成を示す拡大断面図 本実施の形態１に係る発光素子の概要を示す拡大斜視図 本実施の形態１の製造方法のフローチャート 本実施の形態１の第１の樹脂の形成装置の概略構成図 本実施の形態１の蛍光体粒子偏り測定工程の説明図 蛍光体粒子偏り測定工程によって得られる測定結果の一例を示す図 本実施の形態１の第２の樹脂部形成工程の説明図 （ａ）特許文献５の構成を示す断面図、（ｂ）特許文献６の構成を示す断面図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を図１〜図７に基づいて説明する。
図１と図２に示す本実施の形態１の発光素子は、発光ダイオードチップ１０１、蛍光体を含有する第１の樹脂部１０２、蛍光体を含有する第２の樹脂部１０３、基板１０４からなる。発光ダイオードチップ１０１は４５０ｎｍにピークを持つ青色発光素子である。

第１の樹脂部１０２は、透明樹脂と蛍光体粒子との混合物であり、発光ダイオードチップ１０１を完全に被覆している。なお、第１の樹脂部１０２を構成する透明樹脂は、シリコン樹脂、エポキシ樹脂のいずれかもしくは両方から選択できる。また第１の樹脂部１０２が含有する蛍光体粒子１０５は、発光ダイオードチップ１０１の波長によって励起する種類の蛍光体粒子から選択する。また、第１の樹脂部１０２は、蛍光体粒子１０５以外の混合物を含む場合がある。

基板１０４は、Ａｌ_２Ｏ_３を基材とし、発光ダイオードチップ搭載面にはＡｕによって電極が形成されている。なお、基板１０４の基材としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌおよびガラスエポキシのいずれかから選択できる。また、基板１０４の電極については、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎのいずれかもしくはいずれかを含む合金から選択できる。

発光ダイオードチップ１０１は、樹脂もしくは金属で基板１０４にダイボンディングされており、ワイヤーボンディング工法によって基板１０４の上の電極に電気的に接続されているが、図１では省略して示している。ダイボンディング材料については、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、金属フィラー入りペースト、金属ナノ粒子ペースト、ＡｕＳｎ系はんだ、ＳｕＡｇＣｕ系はんだ、Ｐｂ系はんだ、その他鉛フリーはんだから選択できる。また、ワイヤーボンディング工法については、フリップチップ工法も選択できる。

第２の樹脂部１０３は、透明樹脂と蛍光体粒子１０５との混合物であり、第１の樹脂部１０２よりも蛍光体粒子１０５の密度が高い。この第２の樹脂部１０３が、第１の樹脂部１０２の発光面の一部に形成されている。本実施の形態１では、第１の樹脂部１０２の発光面において、第１の樹脂部１０２の中の蛍光体粒子１０５の密度が相対的に低い箇所に、第２の樹脂部１０３が形成されている。

第２の樹脂部１０３を構成する材料は第１の樹脂部１０２と同一の選択肢から選択できる。ここで、第１の樹脂部１０２は大面積を被覆する必要があるために、その形成工程における流動性を確保する必要が生じる。そのため、第１の樹脂部１０２においては、蛍光体粒子１０５の密度はある一定以上に上げることはできない。それに対し、第２の樹脂部１０３においては、第２の樹脂部１０３として部分的に微少量を塗布すれば良いため、蛍光体粒子の密度を高くすることが可能となっている。

本実施の形態１の発光素子の製造方法の工程のフローチャートを図３に示す。
なお、本実施の形態１と関係がない前後の工程については省略して示している。
本実施の形態１の製造方法は、
ステップＳ１ 発光ダイオードチップ搭載工程
ステップＳ２ 第１の樹脂部形成工程
ステップＳ３ 蛍光体粒子偏り測定工程
ステップＳ４ 第２の樹脂部形成工程
を有する。

まず、ステップＳ１の発光ダイオードチップ搭載工程では、発光ダイオードチップ１０１、基板１０４が用意される。そして、発光ダイオードチップ１０１が基板１０４の上にダイボンディング材料によってダイボンディングされ、ワイヤーボンディング工法によって、基板１０４の上の配線と電気的に接続される。

ステップＳ２の第１の樹脂部形成工程では、発光ダイオードチップ１０１の上に第１の樹脂部１０２が形成される。第１の樹脂部１０２の形成装置について、図４にその概要を示す。

この図４は、コンプレッションモールドによる第１の樹脂部１０２の形成装置の概略構成を示している。この第１の樹脂部１０２の形成装置は、固定上型２０１、可動下型２０２、キャビティ底面部材２０３、キャビティ２０４を備えている。固定上型２０１の下面には、発光ダイオードチップ搭載工程で発光ダイオードチップ１０１が搭載された基板１０４を把持する機構が備えられている。この形成装置には、キャビティ２０４に第１の樹脂部の液体状態原料２０５を供給する機構が設けられている。

第１の樹脂部の液体状態原料２０５は、硬化前の透明樹脂および蛍光体粒子１０５を攪拌することで準備されている。基板１０４および第１の樹脂部の液体状態原料２０５が供給された後に、まず、真空ポンプ（図示せず）によってキャビティ２０４内が脱気される。キャビティ２０４内がある一定の真空度に達した段階で、可動下型２０２およびキャビティ底面部材２０３が動作して、キャビティ２０４内を加圧する。第１の樹脂部の液体状態原料２０５が硬化する温度までキャビティ２０４内の温度を上昇させ、加圧を継続する。硬化に必要な時間経過後に、キャビティ底面部材２０３、固定上型２０１、可動下型２０２を型開きすることで、第１の樹脂部１０２は形成される。

ステップＳ３の蛍光体粒子偏り測定工程では、形成された第１の樹脂部１０２が含有する蛍光体粒子１０５の密度の偏りを測定する。
図５に蛍光体粒子偏り測定装置の概要を示す。本実施の形態１の蛍光体粒子偏り測定装置は、半導体レーザー３０１、光ファイバ３０３、分光器３０４、ＸＹステージ３０５を備える。

半導体レーザー３０１からは、レーザー光３０２が放射される。レーザー光３０２は、蛍光体粒子１０５を励起させる波長を有し、代表的には４４５ｎｍである。なお、レーザー光３０２の波長は、発光ダイオードチップ１０１が放射する光のピーク波長を有するか、発光ダイオードチップ１０１が放射する光のピーク波長よりも短い波長を有する必要がある。また、レーザー光３０２は、蛍光体粒子１０５の直径よりも大きく、発光ダイオードチップ１０１よりも小さいスポット径で放射される。

第１の樹脂部１０２にレーザー光３０２を照射し、蛍光体粒子１０５を励起させる。蛍光体粒子１０５から放射された蛍光は、光ファイバ３０３に入射し、分光器３０４で放射強度が測定される。測定されたデータのうち、蛍光体粒子１０５が放射する蛍光のピーク波長の放射強度の値を記録する。記録された蛍光のピーク波長の放射強度から、別に定めた閾値を下回る値の箇所を特定し、蛍光体密度（蛍光体粒子１０５の密度）が低い箇所とする。蛍光体粒子偏り測定工程の測定結果の一例を図６に示す。この測定結果では、第１の樹脂部１０２の発光面１０２ａでは、左下Ｅ１は右上Ｅ２に比べて蛍光のピーク波長の放射強度が低く、第１の樹脂部１０２の蛍光体粒子１０５の密度が右上Ｅ２に比べて左下Ｅ１が低くなってしまっていることがわかる。

ステップＳ４の第２の樹脂部形成工程では、ステップＳ３での蛍光のピーク波長の放射強度に応じた量の第２の樹脂部の液体状態原料４０２を適宜設定された領域毎に塗布することで、第２の樹脂部１０３を形成し、蛍光体粒子１０５の偏りを補正する。図７に第２の樹脂部１０３の形成装置の概要を示す。

ステップＳ３の蛍光体粒子偏り測定工程によって測定された蛍光体密度が低い箇所である、図６に示した第１の樹脂部１０２の発光面１０２ａの左下Ｅ１のエリアに対して、ディスペンサーニードル４０１を用いて第２の樹脂部１０３を塗布する。ディスペンサーニードル４０１の口径は、レーザー光３０２のスポット径と同じか小さい。ディスペンサーニードル４０１には、第２の樹脂部の液体状態原料４０２が充填されている。第２の樹脂部の液体状態原料４０２は、硬化前の透明樹脂および蛍光体粒子１０５を攪拌することで準備されている。第２の樹脂部の液体状態原料４０２は、第１の樹脂部の液体状態原料２０５と比較して、蛍光体粒子１０５の密度が高い。

第２の樹脂部の液体状態原料４０２は、ディスペンサーニードル４０１を通じて、第１の樹脂部１０２の発光面１０２ａに塗布される。
このとき、第２の樹脂部の液体状態原料４０２を塗布する箇所は、上記のようにステップＳ３の蛍光体粒子偏り測定工程によって特定された、蛍光体密度が低い箇所である発光面１０２ａの左下Ｅ１のエリアである。第２の樹脂部の液体状態原料４０２の塗布完了後、第２の樹脂部の液体状態原料４０２の硬化温度まで雰囲気温度を上昇させ、第２の樹脂部１０３の形成が完了する。ここで、第２の樹脂部の液体状態原料４０２の塗布方法としては、条件を適宜設定すれば、インクジェット等他の工法を用いても実現可能である。

このように、発光素子において、第１の樹脂部１０２が含有する蛍光体粒子１０５の密度の偏りを第２の樹脂部１０３によって補正することができ、色度のばらつきを抑えることができる。

また、発光面積が大きい発光素子の場合でも、色度がばらつきが少なく面内で均一な発光が実現できる。
また、第２の樹脂部１０３の蛍光体粒子密度が第１の樹脂部１０２と比較して高いために、第２の樹脂部１０３が存在することによる発光素子の厚みの増大を抑制できる。

なお、蛍光体粒子１０５の密度が異なる第２の樹脂部の液体状態原料４０２を複数準備しておき、ステップＳ３の蛍光体粒子偏り測定工程での測定結果に応じた蛍光体粒子１０５の密度の第２の樹脂部の液体状態原料４０２を選択することで、第２の樹脂部の液体状態原料４０２の使用量を減らすことも可能である。

本発明の発光素子は、色度ばらつきが少なく大面積で高光束の発光素子を実現することができ、一般照明、車載用照明、液晶バックライト等に応用できる。

１０１ 発光ダイオードチップ
１０２ 第１の樹脂部
１０３ 第２の樹脂部
１０４ 基板
１０５ 蛍光体粒子
２０１ 固定上型
２０２ 可動下型
２０３ キャビティ底面部材
２０４ キャビティ
２０５ 第１の樹脂部の液体状態原料
３０１ 半導体レーザー
３０２ レーザー光
３０３ 光ファイバ
３０４ 分光器
３０５ ＸＹステージ
４０１ ディスペンサーニードル
４０２ 第２の樹脂部の液体状態原料

Claims (9)

1. 発光ダイオードチップを被覆する第１の樹脂部と、
   前記第１の樹脂部の表面に形成され、内部に含有する蛍光体粒子の密度が前記第１の樹脂部と異なる第２の樹脂部と、を備える
   発光素子。
2. 前記第２の樹脂部が、前記第１の樹脂部の発光面に形成された
   請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第２の樹脂部は、前記第１の樹脂部において前記蛍光体粒子の密度が低い領域に形成された
   請求項１または請求項２に記載の発光素子。
4. 前記蛍光体粒子の密度の異なる複数の第２の樹脂部が、前記第１の樹脂部の表面に形成された
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 第１の樹脂部によって発光ダイオードチップを被覆し、
   前記第１の樹脂部に前記発光ダイオードチップの波長以下の励起光を照射した場合の前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度を測定し、
   前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度に基づいて、前記第１の樹脂部の表面に第２の樹脂部を配置する
   発光素子の製造方法。
6. 前記第２の樹脂部が含有する蛍光体粒子の密度が、前記第１の樹脂部が含有する前記蛍光体粒子の密度より高い
   請求項５に記載の発光素子の製造方法。
7. 前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度に基づいて、前記第１の樹脂部の発光面に前記第２の樹脂部を配置する
   請求項５または請求項６に記載の発光素子の製造方法。
8. 前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度に応じて、前記第１の樹脂部に配置する前記第２の樹脂部の量を調整する
   請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記第１の樹脂部から放射される蛍光の強度に応じて、前記第２の樹脂部の蛍光体粒子の密度を選択する
   請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。

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