JP2012186103A

JP2012186103A - 発光装置及びその製造方法

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Publication number: JP2012186103A
Application number: JP2011049850A
Authority: JP
Inventors: Yoshiori Tachibana; 佳織立花
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: JP5694817B2

Abstract

【課題】LED素子と遮光部材との距離を小さくでき、遮光効率を向上した発光装置を提供する。
【解決手段】LED素子２上に、波長変換材料（蛍光体）を含有した樹脂層５を設ける。この場合、樹脂層５の遮光部材３側の最上面の位置は遮光部材３の上面の位置と同一であり、樹脂層５の厚さは遮光部材３から外縁部に向けて小さくなっている。この結果、たとえば、車両用ランプの光学系の焦点を樹脂層５の表面に合わせると明確な配光（カットオフライン）制御が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は車両用ランプ等として用いられる発光ダイオード（LED）素子を有する発光装置及びその製造方法に関する。

最近、車両用ランプ特にロービームはLED素子によって実現されている。このロービームは、対向車両が眩しくならないようにカットオフライン形成用シェード（遮光部材等）を設けた特別な配光制御を必要とする。

第１の従来の発光装置はLED素子の一部を覆う遮光部材をLED素子の照射方向の前方に配置するものである（参照：特許文献１）。これにより、LED素子の遮光部材で覆われていない部分の発光形状が照射方向に拡大投影され、明暗境界線（カットオフライン）を有する配光制御が行われることになる。この場合、遮光部材はレンズ部材もしくは窓ガラス部材と一体化されている。

第２の従来の発光装置は、穴がLED素子実装部から垂直方向に離れた位置に設計、ハウジング穴の出力開口部にて電流放射を遮蔽するスクリーニング層（遮光部材）を設けている（参照：特許文献２）。このスクリーニング層によって所定の光が遮られ、明暗境界線（カットオフライン）を有する配光制御が行われることになる。

第３の従来の発光装置はLED素子上に遮光電極を設けて明暗境界線（カットオフライン）を有する配光制御を行うものである（参照：特許文献３）。

特開２００５−００５１９３号公報特開２００９−５２６３７７号公報特開２００９−１９９８２４号公報

しかしながら、上述の第１、第２の従来の発光装置においては、LED素子と遮光部材との距離が大きいので、遮光効率が低いという課題があった。また、LED素子と遮光部材とは別個に配置されるので、遮光部材の位置精度が低いという課題もあった。たとえば、LED素子のボンディング公差、LED素子の厚さ公差、遮光部材の接着公差等から位置精度の公差は100μm程度と大きい。

また、上述の第３の従来の発光装置においては、遮光電極上に蛍光体が回り込み、遮光電極上においても発光して明確な配光（カットオフライン）制御が不可能であるという課題があった。

上述の課題を解決するために、本発明に係る発光装置は、配線基板と、配線基板上に実装されたLED素子と、LED素子上にバンプによって固定された遮光部材と、LED素子上に設けられた波長変換部材を含有した波長変換層とを具備し、波長変換層の遮光部材側の最上面の位置は遮光部材の上面の位置と同一であるものである。これにより、LED素子と遮光部材との距離はバンプによって定められる。また、光学系の焦点を波長変換層の表面に合わせると明確な配光（カットオフライン）制御が可能となる。

また、本発明に係る発光装置の製造方法は、配線基板上にLED素子を実装するLED素子実装工程と、LED素子上にバンプによって遮光部材を固定する遮光部材固定工程と、LED素子上に波長変換部材を含有した波長変換層を形成する波長変換層形成工程とを具備し、波長変換層の遮光部材側の最上面の位置は遮光部材の上面の位置と同一であるものである。

本発明によれば、LED素子と遮光部材との距離がバンプによって定まるので、小さくでき、従って、遮光効率を高めることができる。

本発明に係る発光装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。本発明に係る発光装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る発光装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図４の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。本発明に係る発光装置の第４の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る発光装置の第５の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図７の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。本発明に係る発光装置の第６の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る発光装置の第７の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図１は本発明に係る発光装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図１において、セラミック、樹脂、ＦＲ４（Frame Retardant Type 4）等よりなる配線基板１上にLED素子２が実装されている。LED素子２はシリコン等の素子基板２１及び素子基板２１上に設けられたｎ型層、活性層、ｐ型層等よりなるエピタキシャル層２２よりなる。尚、図１ではメタルボンディング（ＭＢ）素子を用いることを想定しているが、これに限らず、このLED素子２はフェイスアップ素子、ＭＢ素子、フリップ素子等を用いてもよい。

LED素子２のエピタキシャル層２２には、セラミック、樹脂、ＦＲ４、金属等よりなる遮光部材３が１つもしくは複数のバンプ４によって固定されている。遮光部材３は薄い方が好ましいが、加工、取扱を考慮して0.1〜0.3mm厚さとする。この場合、必要に応じて、より信頼性の高い固定を可能にするために、LED素子２のエピタキシャル層２２側に金属層２２ａを設け、遮光部材３側に金属層３ａを設ける。この金属層３ａは遮光部材３全面に設けてもよい。尚、バンプ４、金属層２２ａ及び３ａは好ましくは金（Au）よりなる。また、フリップ素子を用いた場合では素子基板２１がエピタキシャル層２２の上方になるように配線基板１に実装される。従って、金属層２２ａ、バンプ４はエピタキシャル層２２ではなく素子基板２１に設けられる。いずれにしても、LED素子２上面に金属層２２ａ、バンプ４は設けられる。

たとえば、LED素子２のサイズが1mm口であれば、バンプ４の直径は0.1mmであり、バンプ４が押圧されると、バンプ４の厚みは20μmとなる。LED素子２と遮光部材３との距離はバンプ４の厚さと金属層２２ａ、金属層３ａの厚さとの合計となるため、LED素子２と遮光部材３との距離は数10μmと小さくなる。従って、遮光効率が向上する。

さらに、LED素子２上に、波長変換材料（蛍光体）を含有した樹脂層５を設ける。この場合、樹脂層５の遮光部材３側の最上面の位置は遮光部材３の上面の位置と同一であり、樹脂層５の厚さは遮光部材３から外縁部に向けて小さくなり、遮光部材３上面の端部と接する位置からLED素子２上面の端部までを結ぶ曲面状になっている。この結果、たとえば、車両用ランプの光学系の焦点を樹脂層５の遮光部材３の上面と同一の高さの表面に合わせると明確な配光（カットオフライン）制御が可能となる。

樹脂層５は発光面を覆えばよいため、LED素子２側の端部はエピタキシャル層２２上面の端部でも素子基板２１上面の端部でもかまわない。ただし、図１において、LED素子２はＭＢ素子であり、素子基板２１とその上に素子基板２１上面よりも平面のサイズが小さいエピタキシャル層２２からなる。このようなLED素子２では素子基板２１の上面の端部がエピタキシャル層２２上面の端部よりも平面方向にて突出する形となる。従って、図１に示すように、樹脂層５は素子基板２１上面の端部まで広がり、エピタキシャル層２２側面まで覆うことによってエピタキシャル層２２側面方向から出る光も波長変換材料を含有した樹脂層５を通ることになるので、LED素子２の色むらを減少させることができる。

図１においては、遮光部材３の位置精度はバンプ４のボンディング公差のみに依存し、遮光部材３の位置精度の公差は10μm程度と非常に小さくでき、従来に比較して1/10となる。

図２は図１の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。

始めに、LED素子実装工程２０１を参照すると、配線基板１上にLED素子２を実装する。

次に、遮光部材固定工程２０２を参照すると、遮光部材３をバンプ４によってLED素子２上に固定する。

最後に、樹脂層ポッティング工程２０３を参照すると、ディスペンサを用いて、LED素子２上に波長変換材料（蛍光体）を含有したジメチルシリコーンよりなるシリコーン樹脂を滴下塗布して硬化させる。このとき、硬化する樹脂層５の表面張力によって硬化した樹脂層５の表面は遮光部材３の端面からLED素子２の端面に亘り、この結果、樹脂層５の遮光部材３側の最表面は遮光部材３の上面と一致することになる。しかしながら、この従来の発光装置には、蛍光体樹脂の高さと遮光部材の高さとの関係に関しては開示がない。

図３は本発明に係る発光装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図３においては、図１の遮光部材３を凹凸付遮光部材３’に差替えてある。すなわち、遮光部材３’のバンプ４と反対側に凹凸構造３’ａを設けてある。凹凸構造３’ａの厚さは凹凸付遮光部材３’のほぼ1/2である。これにより、LED素子２及び樹脂層５から発生した発熱を効率よく逃がすことができる。

尚、図３の発光装置の製造方法は、図２において、遮光部材３の代りに凹凸付遮光部材３’を用いる点を除いて同一である。

図４は本発明に係る発光装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図４においては、図１の発光装置に対してボンディングワイヤ６を付加してある。すなわち、LED素子２がフェイスアップ素子、ＭＢ素子等であれば、LED素子２のエピタキシャル層２２と配線基板１との間をボンディングワイヤ６によって電気的に接続する。

図５は図４の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。

始めに、LED素子実装工程５０１において、配線基板１上にLED素子２を実装する。

セカンドボンディングの衝撃を避けるために、ファーストボンディングはLED素子２に行うのが通常である。しかし、ファーストボンディング後ワイヤはファーストボンディング位置から上方にワイヤループを作られる。LED素子２上方にワイヤループがあると遮光部材３を設置するのに妨げとなってしまう。そのため、本発明においては、ファーストボンディングを配線基板１に対して行い、セカンドボンディングをLED素子２に対して行う。ワイヤは配線基板１上のファーストボンディング位置から上方に向かい、ワイヤループによって曲げられ、LED素子２平面方向とほぼ平行にセカンドボンディング位置に向かう。これによりワイヤループが遮光部材３の設置を妨げることはなくなる。従って、ワイヤループ位置の高さは遮光部材３の下面位置よりも配線基板１側にあることになる。

次に、図２の遮光部材固定工程２０２、樹脂層ポッティング工程２０３と同一の遮光部材固定工程５０３、樹脂層ポッティング工程５０４を行う。

尚、図５においては、ワイヤのセカンドボンディングによるLED素子２へのダメージを回避するために、セカンドボンディング前に遮光部材固定工程５０３のバンプ４を２度に分けて行ってもよい。第１のバンプを先に設け、その後セカンドボンディングを第１のバンプ上に行い、その後、第２のバンプをさらにその上に設け、遮光部材３を固定してもよい。この場合、第１のバンプがセカンドボンディングの衝撃を吸収する役割をもつ。

図６は本発明に係る発光装置の第４の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図６においては、図４の遮光部材３を遮光部材３”に差替えてある。この遮光部材３”はボンディングワイヤ６上まで延在させてボンディングワイヤ６を保護する。つまり、発光装置の使用中に何かがボンディングワイヤ６に接触し、破壊されて開放状態にならないようにする。

図７は本発明に係る発光装置の第５の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図７においては、図１の波長変換材料（蛍光体）を含有した樹脂層５の代りに波長変換部材（蛍光体）を含有した樹脂プレート５’を設けてある。尚、この樹脂プレート５’は予め遮光部材３に接着剤によって固定してある。この場合も、樹脂プレート５’の上面の位置は遮光部材３の上面の位置と同一となっている。この結果、たとえば、車両用ランプの光学系の焦点を樹脂プレート５’の表面に合わせると明確な配光（カットオフライン）制御が可能となる。

図８は図７の発光装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。尚、樹脂プレート５’は、波長変換材料（蛍光体）をシリコーン樹脂に分散させて板状に固め、適当なサイズで切り出すことによって形成でき、これを予め遮光部材３に接着剤によって接着しておくものとする。

始めに、LED素子実装工程８０１において、配線基板１上にLED素子２を実装する。

次に、遮光部材固定工程８０２において、予め樹脂プレート５’が固定された遮光部材３をバンプ４によってLED素子２上に固定する。尚、プレート状の光学部材であれば樹脂プレート５’の代りに波長変換材料（蛍光体）が含まれているガラスプレートなどの無機材料を用いてもかまわない。

このように、図８に示す発光装置の製造方法は図２に示す発光装置の製造方法に比較して樹脂層ポッティング工程が不要となる分、容易となる。

上述の第１、第２、第３、第４、第５の実施の形態は、１個のLED素子を実装する場合であるが、図９、図１０に示すごとく、本発明は複数のLED素子を実装した場合にも適用し得る。

図９は本発明に係る発光装置の第６の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図９においては、図１の発光装置を３つのLED素子２−１、２−２、２−３を実装する場合に拡張したものである。つまり、１つの共通の配線基板１、３つのLED素子２−１、２−２、２−３、３つの金属層２２ａ−１、２２ａ−２、２２ａ−３、１つの共通の遮光部材３、３つのバンプ４−１、４−２、４−３、３つの金属層３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３、及び１つの共通の樹脂層５を設けてある。この場合、金属層３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３の厚さを0.3μm程度の金属層２２ａ−１、２２ａ−２、２２ａ−３の厚さよりも十分大きく、たとえば50〜100μm程度にすると共に、金属層３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３は柔らかいCuによって構成する。これにより、LED素子２−１、２−２、２−３の配線基板１への固定ばらつきによる高さのばらつきを吸収し、LED素子２−１、２−２、２−３の配線基板１への固定を確実にすると共に、遮光部材３の傾きを抑制する。

尚、図９の発光装置は図３の発光装置において３つのLED素子を実装する場合にも適用し得る。また、図９の発光装置は実装するLED素子の数を２もしくは４以上になし得る。

図１０は本発明に係る発光装置の第７の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図１０においては、図４の発光装置を３つのLED素子２−１、２−２、２−３を実装する場合に拡張したものである。つまり、１つの共通の配線基板１、３つのLED素子２−１、２−２、２−３、６つの金属層２２ａ−１、２２ａ−２、２２ａ−３、２２ａ−４、２２ａ−５、２２ａ−６、１つの共通の遮光部材３、６つのバンプ４−１、４−２、４−３、４−４、４−５、４−６、４つの金属層３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３、３ａ−４、及び１つの共通の樹脂層５を設けてある。このように、金属層３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３、３ａ−４はLED素子２−１、２−２、２−３間で引き回しできる。この場合、遮光部材３上の金属層３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３、３ａ−４は１つもしくは２つのバンプに電気的に接続されている。これにより、LED素子２−１、２−２、２−３が直列に電気的に接続される。

尚、図１０の発光装置は図６の発光装置において３つのLED素子を実装する場合にも適用し得る。また、図１０の発光装置は実装するLED素子の数を２もしくは４以上になし得る。

尚、図示しないが、図７の発光装置を複数のLED素子を実装する場合に拡張した場合、１つの共通の配線基板１、複数のLED素子、複数の金属層、１つの共通の樹脂プレートが固定された遮光部材、複数のバンプ、及び複数の他の金属層を設ければよい。

１：配線基板
２：LED素子
２０１：LED素子実装工程
２０２：遮光部材固定工程
２０３：樹脂層ポッティング工程
２１：素子基板
２２：エピタキシャル層
２２ａ：金属層
３、３’、３”：遮光部材
３ａ：金属層
４：バンプ
５：樹脂層（波長変換層）
５’：樹脂プレート
５０１：LED素子実装工程
５０２：ワイヤボンディング工程
５０３：遮光部材固定工程
５０４：樹脂層ポッティング工程
６：ボンディングワイヤ
８０１：LED素子実装工程
８０２：遮光部材固定工程

Claims

配線基板と、
該配線基板上に実装されたLED素子と、
該LED素子上にバンプによって固定された遮光部材と、
前記LED素子上に設けられた波長変換部材を含有した波長変換層と
を具備し、
前記波長変換層の前記遮光部材側の最上面の位置は前記遮光部材の上面の位置と同一である発光装置。
前記波長変換層は樹脂で設けられ、前記遮光部材の端面上端と前記LED素子の端面上端を結ぶ面を形成している請求項１に記載の発光装置。
前記遮光部材の上面は凹凸構造となっている請求項１に記載の発光装置。
さらに、前記LED素子上に設けられた第１の金属層と、
前記遮光部材の裏面に設けられた第２の金属層と
を具備し、
前記バンプは前記第１、第２の金属層間に設けられた請求項１に記載の発光装置。
さらに、前記LED素子と前記配線基板との間に設けられたボンディングワイヤを具備し、前記遮光部材は前記ボンディングワイヤ上に延在する請求項１に記載の発光装置。
前記波長変換部材を含有した波長変換層は前記波長変換部材を含有したプレート状光学部材であり、
該プレート状光学部材の端面は前記遮光部材の端面に固定され、該遮光部材の上面の高さと前記プレート状光学部材の上面の高さと同一である
請求項１に記載の発光装置。
配線基板上にLED素子を実装するLED素子実装工程と、
該LED素子上にバンプによって遮光部材を固定する遮光部材固定工程と、
前記LED素子上に波長変換部材を含有した波長変換層を形成する波長変換層形成工程と
を具備し、
前記波長変換層の前記遮光部材側の最上面の位置は前記遮光部材の上面の位置と同一である発光装置の製造方法。
前記波長変換層形成工程は前記波長変換部材を含有した樹脂を滴下塗布して硬化させるポッティング工程であり、
前記硬化する樹脂の表面張力によって前記樹脂の表面は前記遮光部材の端面上端から前記LED素子の端面上端に亘る請求項７に記載の発光装置の製造方法。
さらに、前記LED素子上面と前記配線基板との間にボンディングワイヤを施すワイヤボンディング工程を具備し、
該ワイヤボンディング工程は前記配線基板に対しファーストボンディング、前記LED素子に対してセカンドボンディングを行い、
前記遮光部材は前記ボンディングワイヤ上に固定する請求項７に記載の発光装置の製造方法。
前記バンプは第１のバンプと第２のバンプで設けられ、
前記セカンドボンディングは前記第１のバンプ上に行われ、
前記第２のバンプは前記セカンドボンディング後に前記ボンディングワイヤ上設けられ、
前記遮光部材は前記第２のバンプ上に固定される請求項９に記載の発光装置の製造方法。