JP2012142428A - 発光装置および発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光装置1は、基材2と、基材2上に配置された複数の発光素子3と、発光素子3を被覆する封止部材4,5と、壁6,9とを備える。封止部材4は、蛍光体7を含有して基材2の中央に載置された一部の発光素子3を被覆する。封止部材5は、蛍光体7の発光波長と異なる波長の光を発光する蛍光体8を含有して、平面視において、封止部材4の外側に封止部材4と同心形状に形成されており、封止部材4の外側に載置された複数の発光素子3を被覆する。壁6は光反射性の部材からなり、基材2上に封止部材4を取り囲むように封止部材4と同心形状に形成されて封止部材4と封止部材5とを仕切る。壁9は、光反射性の部材からなり、基材2上において封止部材5の外側に封止部材4と同心形状に形成されている。
【選択図】図8
Description
本発明の実施形態に係る発光装置1について、図1〜図3を参照しながら詳細に説明する。以下の説明では、まず発光装置1の全体構成について説明した後に、各構成について説明する。なお、説明の便宜上、図2における壁6,9は、外形のみを線で示し、透過させた状態で図示している。他の実施形態で説明する図9についても、同様に透過させた状態で図示している。
発光装置1は、例えば、LED電球、スポットライト等の照明器具等に利用される装置である。発光装置1は、図1および図2に示すように、基材2と、基材2上に配置された複数の発光素子3と、一部の発光素子3を被覆する封止部材4と、残りの発光素子3を被覆する封止部材5と、光反射性の部材からなる壁6,9と、例えば配線パターン等の導電部材20とを主に備える。
封止部材(第2封止部材)5は、第2蛍光体を含有し、図1および図2に示すように、平面視において、基材2上の封止部材4の外側に封止部材4と同心形状に形成され、封止部材4の外側に載置された発光素子3を被覆している。このように、封止部材5の外縁の成す形状と、封止部材4の外縁の成す形状とが、ほぼ同じ位置にそれぞれの中心を有している。
発光素子3は、図2に示すように、実装エリア11上において、縦方向および横方向にそれぞれ等間隔で配列されており、ここでは、縦7個×横6個の合計42個配置されている。また、図2に示すように、実装エリア11上の最外周に配置された22個の発光素子3を取り囲むように、実装エリア12上において、30個の発光素子3が配設されて、内側の42個の発光素子3と合わせて9行×8列のマトリクスとなっており、かつ、実装エリア12上において、このマトリクスを1列9個ずつの発光素子3が両側から挟み込む位置に配設されている。つまり、実装エリア12には、発光素子3が合計48個配置されている。
<基材>
基材2は、発光素子3や図示を省略した保護素子等の電子部品を配置するためのものである。基材2は、図1および図2に示すように、矩形平板状に形成されている。また、基材2上には、図2に示すように複数の発光素子3を配置するための実装エリア11,12が区画されている。なお、基材2のサイズは特に限定されず、発光素子3の数や配列間隔等、目的および用途に応じて適宜選択することができる。
発光素子3は、電圧を印加することで自発光する半導体素子である。発光素子3は、図2に示すように、基材2の実装エリア11,12に複数配置されている。発光素子3は、図示しない接合部材によって実装エリア11,12に接合されており、その接合方法としては、例えば接合部材として樹脂や半田ペーストを用いる接合方法を用いることができる。
封止部材4は、蛍光体7を含有するものであり、基材2に配置された発光素子3およびワイヤ13等を、塵芥、水分、外力等から保護するための部材である。封止部材4は、図1、図2に示すように、基材2上において、壁6で囲った実装エリア11内に、例えば樹脂を充填することで形成される。
蛍光体7は、封止部材4中に含有させる波長変換部材であり、蛍光体8は、封止部材5中に含有させる波長変換部材である。
蛍光体7,8は、発光素子3からの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する。蛍光体7,8としては、発光素子3からの光をより長波長に変換させるものが好ましい。また、蛍光体7,8は1種の蛍光体(蛍光物質)を用いてもよいし、2種以上の蛍光体(蛍光物質)が混合されたものを用いてもよい。好ましくは、それぞれの蛍光体の発光が他の蛍光体に吸収されることを防止するために、蛍光体7,8はそれぞれ1種ずつの蛍光体(蛍光物質)を用いる。
光反射性の壁6,9は、発光素子3から出射された光を反射させるためのものである。
壁6は、図1および図2に示すように、基材2上において実装エリア11を囲うように四角枠状に形成されることが好ましい。このように実装エリア11の周囲を囲うように壁6を形成することで、基材2の実装エリア11の周囲に向う光が壁6によって反射することができる。従って、出射光のロスを軽減することができ、発光装置1の光の取り出し効率を向上させることができる。
実装エリア11,12上には、光を反射する金属膜を形成し、当該金属膜を介して複数の発光素子3を配置することが好ましい。この場合、出射光のロスを軽減することができ、発光装置1の光の取り出し効率を向上させることができる。
導電部材(金属部材)20は、図1および図2に示す正極23および負極24を構成するものであり、基材2上の複数の発光素子3や保護素子等の電子部品と、外部電源とを電気的に接続し、これらの電子部品に対して外部電源からの電圧を印加するためのものである。すなわち、導電部材20(正極23および負極24)は、外部から通電させるための電極、またはその一部としての役割を担うものである。
パッド部23a,24aは、図2に示すように、基材2上の角部における対角線の位置に、一対で形成されている。そして、パッド部23a,24aは、導電性のワイヤ13によって、図示しない外部電源と電気的に接続されている。
ワイヤ13は、発光素子3や保護素子等の電子部品と、正極23や負極24等を電気的に接続するための導電性の配線である。ワイヤ13の材料としては、Au、Cu(銅)、Pt(白金)、Al(アルミニウム)等の金属、および、それらの合金を用いたものが挙げられるが、特に、熱伝導率等に優れたAuを用いるのが好ましい。なお、ワイヤ13の径は特に限定されず、目的および用途に応じて適宜選択することができる。
次に、本発明の実施形態に係る発光装置の製造方法について、ここでは図1〜3の形態のものを例にとり、適宜、図面を参照しながら説明する。
また、本製造方法の前提として、ダイボンディング工程の前に、基材作製工程とを含む。さらにここでは、めっき工程、ワイヤボンディング工程、保護素子接合工程を含む。
以下、各工程について説明する。なお、発光装置1の構成については前記説明したとおりであるので、ここでは適宜、説明を省略する。
基材作製工程は、めっき用配線が形成された基材2を作製する工程である。基材作製工程では、基材2上の実装エリア11,12や、正極23および負極24となる部位を所定の形状にパターニングすることで形成する。また、基材作製工程では、電解めっきによって基材2上の実装エリア11,12に金属膜を形成するためのめっき用配線を形成する。
めっき工程は、前記めっき配線が形成された基材2上に、少なくとも正極23および負極24を構成する導電部材20を形成する工程であり、好ましくは無電解めっきにより正極23および負極24を構成する導電部材20を形成するとともに、基材2上の実装エリア11,12上に、電解めっきにより金属膜を形成する工程である。
ダイボンディング工程は、基材2上に発光素子3を載置する工程である。ダイボンディング工程は、発光素子載置工程と、加熱工程と、からなる。
発光素子載置工程は、基材2上(ここでは実装エリア11,12の金属膜上)に、接合部材(図示省略)を介して、発光素子3を載置する工程である。
発光素子3は、接合部材により、基材2上の実装エリア11,12の金属膜と接合する。なお、発光素子3の裏面には、予め、フラックスを塗布しておいてもよい。ここで、接合部材は、金属膜と発光素子3との間に介在するように設ければよいため、金属膜のうち、発光素子3を載置する領域に設けてもよく、発光素子3側に設けてもよい。あるいは、その両方に設けてもよい。
加熱工程は、発光素子3を載置した後に、接合部材を加熱し、発光素子3を基材2上(実装エリア11,12の金属膜上)に接合する工程である。
接合部材は絶縁性部材であってもよく、加熱工程における加熱は、接合部材の少なくとも一部が揮発する温度よりも高い温度で行う。また、接合部材が熱硬化性樹脂を含有する場合は、熱硬化性樹脂の硬化が起こる温度以上に加熱することが好ましい。このようにすることで、発光素子3を熱硬化性樹脂で接着固定することができる。さらに、接合部材として、例えばロジンを含有する樹脂組成物と、低融点の金属とを用いた場合において、金属膜上に、この低融点の金属が載置されている場合、この低融点の金属が溶融する温度以上に加熱することが好ましい。
例えば、接合部材に樹脂組成物を用いた場合、加熱により樹脂組成物の一部を揮発によって消失させた後に、残留した樹脂組成物を、さらに洗浄等によって除去してもよい(残留接合部材洗浄工程)。特に、樹脂組成物がロジン含有の場合には、加熱後に洗浄するのが好ましい。洗浄液としては、グリコールエーテル系有機溶剤等を用いるのが好ましい。
保護素子接合工程は、正極23の配線部23b上に、図1では図示を省略した保護素子(図9参照:以下、保護素子25と表記する)を載置して接合する工程である。保護素子25の接合は、発光素子3の接合と同時に行ってもよいが、発光素子3の接合よりも先、あるいは後に行ってもよい。保護素子25を載置、接合する方法は、前記ダイボンディング工程と同様であるので、ここでは説明を省略する。
ワイヤボンディング工程は、ダイボンディング工程の後に、発光素子3と、この発光素子3に電圧を印加する導電部材20とをワイヤ13によって電気的に接続する工程である。すなわち、導電部材20の正極23と、発光素子3上部にある電極端子(パッド電極)とを、ワイヤ13で電気的に接続する工程である。同じく、発光素子3上部にある電極端子(パッド電極)と導電部材20の負極24とを、ワイヤ13で電気的に接続する工程である。さらにこの工程では、複数の発光素子3を、それぞれ電極端子(パッド電極)を介して接続する。また、保護素子25と負極24との電気的な接続もこの工程で行えばよい。すなわち、保護素子25上部にある電極端子と負極24とをワイヤ13で接続する。ワイヤ13の接続方法は、特に限定されるものではなく、通常用いられる方法で行えばよい。
壁形成工程は、基材2上に一部の発光素子3を取り囲むように光反射性の部材からなる壁6を形成すると共に、基材2上に平面視において壁6と同心形状に、壁6の外側に載置された発光素子3を取り囲むように光反射性の部材からなる壁9を形成する工程である
なお、これらの壁6,9は、後から形成する封止部材4と同心形状に形成される。
ここでは、ワイヤボンディング工程の後に、実装エリア11の周縁に沿って、実装エリア11,12を跨いだ発光素子3のペアの間に張られたワイヤ13を被覆するように壁6を形成する。また、実装エリア12の周縁に沿って、導電部材20の一部、すなわち、少なくとも正極23および負極24の配線部23b,24bの一部である、導電部材20のワイヤ13との接続部分を被覆するように壁9を形成する。
すなわち、樹脂が充填された樹脂吐出装置をその先端のノズルから液体樹脂を吐出しながら移動させることで、実装エリア11の周縁に沿って壁6を形成し、かつ、実装エリア12の周縁の一部を覆うように壁9を形成していく。樹脂吐出装置の移動速度は、用いる樹脂の粘度や温度等に応じて適宜調整することができる。複数の発光装置1にそれぞれ形成された複数の壁6,9がそれぞれ略同じ幅となるようにするには、少なくとも樹脂を吐出中は一定の速度で移動させるのが好ましい。移動中に樹脂の吐出を一時中断する場合等は、その間の移動速度は変更することもできる。樹脂の吐出量についても、一定とするのが好ましい。さらに、樹脂吐出装置の移動速度と樹脂の吐出量ともに、一定とするのが好ましい。吐出量の調整は、吐出時にかかる圧力等を一定にする等により調整することができる。
封止部材被覆工程は、蛍光体7を含有した封止部材4を壁6の内側に載置された発光素子3の上に被覆するように設けると共に、蛍光体8を含有した封止部材5を壁6の外側に載置された発光素子3の上に被覆するように設ける工程である。
すなわち、発光素子3、実装エリア11,12上の金属膜およびワイヤ13等を被覆する透光性の封止樹脂を、基材2上に形成された壁6の内側と、基材2上に形成された壁6と壁9との間と、に注入し、その後加熱や光照射等によって硬化することで形成する工程である。
次に、本発明の実施形態に係る発光装置の性能について、ここでは図1〜3の形態のものを例にとり、従来の発光装置の性能と比較しながら説明する。
まず、従来の蛍光体分離型の発光装置と性能を比較する。
図4(a)に断面で示す発光装置は、図2の水平方向の中心線で切断した断面を簡略化して示したものである。ここでは、発光装置は、基材2と、基材2上に配置された3個の発光素子3と、中央の発光素子3を被覆する封止部材4と、両側の発光素子3を被覆する封止部材5と、封止部材4と封止部材5との間に設けられた光反射性の部材からなる壁6(2箇所)と、封止部材5の外側に設けられた壁9(2箇所)とを備える。
また、発光装置の上面から上方に距離L1からL2までの範囲では、放射された赤色の光と黄色の光とは一部で分離して残っているが、残りは赤色の光と黄色の光とが左右で混合している。
さらに、発光装置の上面から上方に距離L2からL3までの範囲では、放射された黄色の光は一部で分離して残っているが、残りの一部は赤色の光と黄色の光とが左右で混合し、さらに、その混合した光の領域に左右の黄色の光が混合している(ドットで表す領域)。なお、L3以上の範囲については以下同様である。
また、ドットで表す領域の外周の範囲には、赤色の光と黄色の光とが混合している領域が、ドットで表す領域と同心形状に現れる。
さらに、視野の外周縁に近い範囲には、両側の発光素子3を被覆する封止部材5が含有する蛍光体8の発光する黄色の光の領域が、ドットで表す領域と同心形状に現れる。
つまり、視野の中心ほど光が混合される割合が高くなっている。また、それぞれの光の領域が同心形状となる理由は、発光装置1の発光面において、封止部材5が封止部材4と同心形状であることを反映している。
また、発光装置の上面から上方に距離L1からL2およびL3までの範囲では、放射された赤色の光と黄色の光とは一部で分離して残っているが、残りは赤色の光と黄色の光とが左右で混合している。なお、L3以上の範囲については以下同様である。
また、視野の左側の領域には、縦長の帯状に、放射された黄色の光の領域が現れる。
さらに、視野の右側の領域には、縦長の帯状に、放射された赤色の光の領域が現れる。
ここで、図4に示すドットの領域が現れないことは、比較例の発光装置の上面から上方に距離L2の位置を越えた範囲においても、放射された赤色の光だけの領域が現れ続けていることを意味する。つまり、左側は、黄色光の強度が強く、右側は赤色光の強度が強いという偏りが生じる。そのため、比較例の発光装置の構造では、壁106の中心から左右に放射する方向に沿って、赤色と黄色とを混合した割合が異なり、左右均等に発光することができず、色ムラが生じる。特に、各封止部材に複数の発光素子を配置する場合には、各封止部材の面積が増大し、このような色ムラはさらに顕著となる。これに対して、図4(a)に示す発光装置は、蛍光体7を含有した封止部材4の両側に、蛍光体8を含有した封止部材5が封止部材4と同心形状に配置されているので、図4(b)に示すように、封止部材4の中心から放射する方向に沿って、赤色と、黄色とを混合した割合が等しく、均等に発光することができ、色ムラを低減することができる。このような構成は、特に、各封止部材に複数の発光素子を配置する発光装置に適している。
ここでは、発光装置1において、基材2の中央領域に配置された発光素子3を被覆する封止部材4が含有する蛍光体7を、赤色蛍光体の一例であるSCASNとする。また、基材2の周辺領域に配置された発光素子3を被覆する封止部材5が含有する蛍光体8を、黄色蛍光体の一例であるYAGとする。
また、蛍光体ブレンド型の比較例の発光装置として、SCASN、YAGおよびクロロシリケートの3種類をブレンドした封止部材で発光素子を被覆した発光装置が発光する光の発光スペクトル(実施例)を測定した。比較結果を図7に示す。
第2実施形態に係る発光装置1Aについて図8を参照して説明する。なお、前記した発光装置1と同一構成のものについては同一の符号を付して、以下では主に相違点についてのみ説明する。図1に示す発光装置1は、封止部材4,5を透過して平面で視た場合、複数の発光素子3の実装エリアを矩形であるものとして説明したが、封止部材4,5を透過して平面で視た場合、複数の発光素子3の実装エリアを円形としてもよい。この場合の発光装置1Aを平面視で簡略化して図8に示す。
なお、図9に示す符号29は、発光素子3のボンディング位置を認識するための認識マークであり、めっき等により形成される。
図示を省略するが、同様に、発光装置1を封止部材4,5を透過して平面で視た場合、複数の発光素子3の実装エリアを楕円形状としてもよい。この場合、封止部材4が基材2上に楕円形状に形成される。これに対応して、封止部材4で被覆される複数の発光素子3の実装エリアは楕円形状に形成される。また、壁6が基材2上において封止部材4を取り囲むように楕円の環形状に形成される。これに対応して、封止部材5で被覆される複数の発光素子3の実装エリアは楕円の環形状に形成される。また、壁9が基材2上において封止部材5を取り囲むように楕円の環形状に形成される。
第3実施形態は、第1実施形態と同様の構成なので同様な構成には同様の符号を付して図1および図2を用いて説明する。発光装置1が備える複数の発光素子3は、蛍光体7および蛍光体8を励起することができれば、必ずしも単一の素子である必要はない。第3実施形態の発光装置1は、例えば、蛍光体8(例えば黄色蛍光体)の波長よりも短い波長(例えば青色)を発光する複数の発光素子(第1発光素子)と、この第1発光素子の発光波長(例えば青色)と蛍光体8の発光波長(例えば黄色)との間の波長(例えば青緑色や緑色)を発光する複数の発光素子(第2発光素子)とを備えることとした。
また、各実施形態では、発光素子3として、フェースアップ(FU)素子を用いた場合について説明したが、フェースダウン(FD)素子や対向電極構造の素子であってもよい。なお、発光素子や発光装置の形態によっては、導電部材20、保護素子25、ワイヤ13、金属膜等は備えない構成のものであってもよく、また、基材作製工程、めっき工程、ワイヤボンディング工程、保護素子接合工程等を含まない製造方法であってもよい。
2 基材(基板)
3 発光素子
3a p電極
3b n電極
4 封止部材(第1封止部材)
5 封止部材(第2封止部材)
6 壁(光反射樹脂)
7 蛍光体(第1蛍光体)
8 蛍光体(第2蛍光体)
9 壁(第2の壁)
11,12 実装エリア
13 ワイヤ
20 導電部材
23 正極
23a パッド部
23b 配線部
24 負極
24a パッド部
24b 配線部
25 保護素子
28 温度計測ポイント
29 認識マーク
AM アノードマーク
CM カソードマーク
Claims (12)
- 基材と、前記基材上に配置された複数の発光素子と、前記発光素子を被覆する封止部材と、を備える発光装置であって、
前記封止部材は、
第1蛍光体を含有して一部の発光素子を被覆する第1封止部材と、
前記第1蛍光体の発光波長と異なる波長の光を発光する第2蛍光体を含有して、平面視において、前記第1封止部材の外側に前記第1封止部材と同心形状に形成された、前記第1封止部材の外側に載置された発光素子を被覆する第2封止部材と、を有し、
前記基材上に前記第1封止部材と前記第2封止部材とを仕切る光反射性の部材からなる壁を備えることを特徴とする発光装置。 - 前記壁が、前記第1封止部材を取り囲むように前記第1封止部材と同心形状に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記第1蛍光体の発光波長が前記第2蛍光体の発光波長よりも長いことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光装置。
- 前記第2封止部材で被覆された複数の発光素子の実装エリアは、前記第1封止部材で被覆された複数の発光素子の実装エリアよりも広いことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第2封止部材で被覆された発光素子の個数は、前記第1封止部材で被覆された複数の発光素子の個数よりも多いことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記壁を介して隣り合った発光素子のペアのうち少なくとも一部が前記壁を貫通したワイヤにて接続されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記複数の発光素子が前記基材上に縦列横列に整列して配置され、
前記縦列横列のいずれかの方向の列に沿って配置された複数の発光素子が直列接続されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記複数の発光素子の実装エリアが矩形であって、
前記第1封止部材が前記基材上に矩形状に形成され、
前記第2封止部材および前記壁が前記基材上に矩形の枠状に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記複数の発光素子の実装エリアが円または楕円形状であって、
前記第1封止部材が前記基材上に円または楕円形状に形成され、
前記第2封止部材および前記壁が前記基材上に円または楕円の環形状に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記基材上に、平面視において、前記第2封止部材の外側に前記第1封止部材と同心形状に形成された光反射性の部材からなる第2の壁をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記複数の発光素子は、
前記第2蛍光体の波長よりも短い波長を発光して前記第1蛍光体および前記第2蛍光体を励起する複数の第1発光素子と、
前記第1発光素子の発光波長と前記第2蛍光体の発光波長との間の波長を発光する複数の第2発光素子と、からなり、
前記第1封止部材は前記第1発光素子を被覆しており、
前記第2封止部材は前記第1発光素子および前記第2発光素子を被覆していることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の発光装置。 - 請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法であって、
基材上に、複数の発光素子を載置するダイボンディング工程と、
基材上に一部の発光素子を取り囲むように光反射性の部材からなる壁を形成する壁形成工程と、
第1蛍光体を含有した第1封止部材を前記壁の内側に載置された発光素子の上に被覆するように設けると共に、前記第1蛍光体の発光波長と異なる波長の光を発光する第2蛍光体を含有した第2封止部材を前記壁の外側に載置された発光素子の上に被覆するように設ける封止部材被覆工程と、を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
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