JP2013093495A - 発光装置 - Google Patents

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彰一 田中
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Abstract

【課題】発光ダイオード(LED:Light emitting diode)等の発光素子から出射された光を波長変換して外部に取り出す発光装置に関して、波長変換層の温度上昇を抑制し、発光効率を向上できる半導体装置を提供する。
【解決手段】基板と、基板に配置された凹部と、凹部内に配置された反射層と、反射層上に形成された波長変換層と、凹部内でかつ波長変換層よりも上方に配置された発光素子とを備えた発光装置において、波長変換層と発光素子とは直接接しないようにすることにより、発光素子から波長変換層への熱伝導を低減する。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオード(LED:Light emitting diode)等の発光素子から出射された光を波長変換して外部に取り出す発光装置に関するものであり、特に、電子ディスプレイ用のバックライト電源や、蛍光ランプに好適に用いられる発光装置に関する。
近年、上述のような発光装置に用いられる蛍光体として、従来用いられてきた希土類賦活蛍光体に代わり、半導体微粒子蛍光体が注目を集めている。半導体微粒子蛍光体には、従来蛍光体にはなかった、発光波長を任意に制御できるという特徴がある。そのため、このような半導体微粒子蛍光体を用いた発光装置は、様々な発光スペクトルを有することができる。この技術は、演色性が高く効率のよい発光装置の作製を可能にする技術として期待されている。
上述のような半導体発光素子と半導体微粒子蛍光体から構成される発光装置の作製は、現在検討が進められており、たとえば特開2007−103512公報(特許文献1)に開示されている。特許文献1には、青色および緑色蛍光体に希土類賦活蛍光体を、黄色および赤色蛍光体に半導体微粒子蛍光体を用いて作製された発光装置が開示されている。
特開2007−103512号公報
しかしながら、例えば半導体微粒子蛍光体のような蛍光体を含む波長変換層は熱に弱く、上記従来技術においては、図14に示すように発光素子103と波長変換層104とが直接接しているため、発光素子の発熱が波長変換層に直接伝達し、この熱によって波長変換層の発光効率が低下してしまうという課題があった。
上記の課題を解決するために、本発明に係る発光装置は、基板と、基板に配置された凹部と、凹部内に配置された反射層と、反射層上に形成された波長変換層と、凹部内でかつ波長変換層よりも上方に配置された発光素子とを備え、波長変換層と発光素子とは直接接していないことを特徴とする。
本発明の発光装置では、発光素子から出射され、凹部の開口方向とは反対方向に向かう光は、波長変換層で異なる波長の光に変換され、発光素子から出射された光と波長変換された光とが反射層で反射されて、発光装置の凹部の開口方向に取り出される。この構成では、発光素子は凹部の一部によって保持され、波長変換層と発光素子とは直接接していない。このため、発光素子からの発熱が、直接波長変換層には伝わらず、波長変換層の劣化が生じにくい。
特に、波長変換層が半導体微粒子蛍光体を含むことが好ましい。半導体微粒子蛍光体は、希土類賦活蛍光体よりも熱による劣化をしやすいため、本発明の発光装置の構成により、劣化が生じにくくなる。
また、波長変換層上に、発光素子を覆うようにバリア層が形成されていてもよい。
また、波長変換層と、発光素子との間に透光部材が配置されていてもよい。
また、発光素子は凹部の一部によって保持されていてもよい。
また、凹部は、凹部の開口方向に突出した凸部を有し、発光素子は凸部上に搭載されていてもよい。
また、基板凸部に上下に貫通する貫通穴を形成してもよい。
また、凹部は斜辺部を有し、発光素子の角部が斜辺部によって保持されていてもよい。
また、透光部材上に発光素子が搭載されていてもよい。
また、基板の凹部に波長変換層を注入する注入口を備えていてもよい。
また、基板底面に注入口を封止するシールドを備えていてもよい。
また、発光素子を搭載する基板凹部の底部に、波形のうねりを形成してもよい。
本発明に係る発光装置によれば、発光素子から波長変換層への熱の伝導を低減することができ、波長変換層の劣化が生じにくい発光装置を実現できる。
実施例1を示す概略図 実施例2を示す概略図 実施例3を示す概略図 実施例4を示す概略図 実施例5を示す概略図 実施例6を示す概略図 実施例7を示す概略図 実施例8を示す概略図 実施例9を示す概略図 実施例10を示す概略図 実施例11を示す概略図 実施例12を示す概略図 実施例13を示す概略図 従来技術を示す概略図
以下、本発明の発光装置について、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態では、発光素子と波長変換層との直接の接触を避けるため、発光素子は第1の基板凹部の一部によって保持されている。
(実施例1)
本実施形態の実施例1である発光装置の構成について、図1(a)及び図1(b)を用いて説明する。図1(a)は図1(b)のAA’線における断面図である。
図1(a)及び図1(b)に示すように、本実施例における発光装置は、基板2と、基板2に設けられた第1の基板凹部8とを備える。第1の基板凹部8は、側面8a及び底面8bから構成される。第1の基板凹部8内には、反射層6が配置されている。反射層6上には波長変換層7が形成されている。そして第1の基板凹部8内に発光素子1が配置されている。ここで、発光素子1は、波長変換層7と直接接しないように、第1の基板凹部の底面8bの一部によって保持されている。具体的には、図1に示すように、発光素子1は第1の基板凹部8の底面8bにおいて一部突出して形成された基板凸部11によって保持されている。このような構成を有することによって、発光素子1が発熱したとしても、発光素子1と波長変換層7とは直接接していないので、波長変換層7に直接熱が伝達することを防ぐことができる。
発光素子1としては、例えば、GaN系の青色LEDを用いることができるが、これに限られず、他の材料からなる青色LEDや他の色の発光をするLEDや有機EL等のLED以外の発光素子を用いてもよい。
なお本実施例では、基板凸部11は図1(b)に示すように円錐状の形態となっている。
なお、ここで基板2の材料については金属性のものが好ましい。発光素子1からの発熱をより効率的に逃がすためである。また基板2の材料としてはセラミック材料でも構わない。
なお、発光素子1と第1の基板凹部8とは接合部材10によって接着されることが好ましい。このような構成とすることで、発光素子1は第1の基板凹部8により確実に搭載される。また、接合部材10は、熱伝導効率が高いものが好ましい。
なお、本発明においては、発光素子1はその構成上、波長変換層7よりも上方に配置される。よって、発光素子1の上面や側面から出る光は、一部は波長変換層7を介さずに第1の基板凹部8開口面から取り出され、一部はバリア層16と外気との境界面で発光装置内方向へ反射され、波長変換層7に到達する。発光素子1の底面から出る光に関しては、そのまま波長変換層7まで到達する。そして、波長変換層7を通した光をさらに反射層6によって上方まで運び、第1の基板凹部8の開口から射出する。ここで、反射層6としては、第1の基板凹部上に設けられた金属めっきでもよい。
以上より、発光素子1からの発光光は波長変換層7の存在により、効率的に発光光とは異なる波長の光に変換される。
一方、発光素子1下面からの発熱に対しては、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、基板凸部11側に積極的に放熱することにより、波長変換層7の温度上昇を抑制できる。
その他、基板2の下面には電極3を露出するように配置することが好ましい。
また、基板2上面には電極3と接続したボンドエリア4を設けることが好ましい。
また、発光素子1とボンドエリア4をワイヤー5により接続することが好ましい。
また、発光素子1側面を包囲する第1の基板凹部8の側面まで反射層6で覆うことが好ましい。なお、反射層6を配置する位置は、ボンドエリア4より内側であることが更に好ましい。このような構成とすることにより、波長変換層7から発する励起光に対し、光路長を短くして反射できるので、光路中での光の減衰が少なくなり、所望の方向(例えば発光素子上面方向)に効率的に発光することができる。
またここで、波長変換層7の材料としては、バンド端光吸収・発光を直接利用することで高い量子効率を実現する半導体蛍光微粒子を含むことが好ましい。特に、直径が数nmから数十nmの微粒子からなるいわゆる量子ドット蛍光体を含むことが好ましい。量子ドット蛍光体は、量子サイズ効果によって同一材料の微粒子でも粒子径を制御することで可視光線領域において所望の波長帯の蛍光スペクトルを得ることが出来る。また、バンド端による光吸収・蛍光であるため、90%程度の高い外部量子効率を示すことから、高効率・高演色性を有する発光装置を提供することができる。
量子ドット蛍光体の材料としては、例えば、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTeのようなII−VI族化合物半導体ナノ結晶、GaN、GaP、GaAs、AlN、AlP、AlAs、InN、InP、InAsのようなIII−V族化合物半導体ナノ結晶、およびこれらの混合物よりなる群から選択されることが好ましい。また、前記混合物は、例えばCdSeS、CdSeTe、CdSTe、ZnSeS、ZnSeTe、ZnSTe、HgSeS、HgSeTe、HgSTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnTe、CdHgS、CdHgSe、CdHgTe、HgZnS、HgZnSe、HgZnTe、CdZnSeS、CdZnSeTe、CdZnSTe、CdHgSeS、CdHgSeTe、CdHgSTe、HgZnSeS、HgZnSeTeおよびHgZnSTeよりなる群から選択されるか、またはGaNP、GaNAs、GaPAs、AlNP、AlNAs、AlPAs、InNP、InNAs、InPAs、GaAlNP、GaAlNAs、GaAlPAs、GaInNP、GaInNAs、GaInPAs、InAlNP、InAlNAsおよびInAlPAsよりなる群から選択されることが好ましい。
ここで、量子ドット蛍光体は粒子径が小さいため、微粒子の表面を占める原子の割合が多くなることから、化学的安定性の低いものが多く、特に高温環境下での励起蛍光においては、量子ドット蛍光体表面の酸化反応が進行し、急激な発光効率の低下を引き起こすという課題を有する。
そこで、量子ドット蛍光体のような化学的安定性の低い波長変換層を用いる場合は、波長変換層7の上面に透光部材9を形成することが好ましい。このような構成を有することによって、波長変換層7が、量子ドット蛍光体に代表されるような、粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子を含み、水溶性または水分散性を有する材料で構成されている場合であっても、波長変換層7が第1の基板凹部8と透光部材9によって密閉されているため、酸化を抑制することができる。透光部材9の材料としては、ガラス、透明樹脂などでもよい。具体的には、例えば、ガラスは樹脂ガラス、モールドガラス、アクリルガラス、クリスタルガラスなど主に光学系に用いられるものでも良い。透明樹脂の場合は、アクリル樹脂、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)樹脂、ポリアセタール樹脂などの透過性を有する樹脂などでもよい。
なお、図1(a)に示すように、基板凸部11により、発光素子1下面と透光部材9との間に空間を有する構成とすることが好ましい。このような構成とすると、発光素子1と透光部材9とが直接接していないので、発光素子1からの発熱が波長変換層7に伝わることをより効率的に防ぐことができる。
また、基板凸部11の上面と透光部材9の上面とが面一になるように形成しても良い。このような構成とすると、発光素子1をより確実に安定した状態で搭載することができる。
また、第1の基板凹部8に波長変換層7を注入する注入口12を設けることが好ましい。第1の基板凹部8に形成した注入口12は透光部材9及び波長変換層7を注入する為のものである。注入口12を設ける位置は、第1の基板凹部8の底面でも側面でもよい。また注入口12は基板凸部11を囲うように複数個設けても良い。図1(b)では注入口を4つ設けている。
なお、さらに基板底面に注入口12を封止するシールド13を形成することが好ましい。
製造工程において、注入口12下側から透光部材9を充填後、波長変換層7を充填し、シールド13で封止することにより、耐酸化性の弱い波長変換層7が酸素に接触する時間を極めて短くすることができる。よって、耐酸化性の低い波長変換物質であっても、波長変換の特性劣化を抑制しつつ容易に本実施例の発光装置を製造することができる。シールド13としては、封止樹脂等を用いてもよい。具体的には、気密性をもたせる有機樹脂などが好ましく、例えばエポキシ系、アクリル系の樹脂を用いてもよい。
また、基板凸部11を上下に貫通する基板貫通穴14を形成することが好ましい。基板貫通穴14には熱伝導率の高い材料が封入されている。たとえば、基板2よりも熱伝導率の高い材料を封入することが好ましい。発光素子1下面からの発熱を、接合部材10を介し、基板貫通穴14を通じて大気中に放熱する。大気中への放熱を積極的に行うことで、波長変換層7の温度上昇を抑制できる。
また、第1の基板凹部8を取り囲むように、第2の基板凹部15を形成することが好ましい。さらに、第2の基板凹部15内に、バリア層16を充填することが好ましい。この場合、発光素子1が大気に露出することが無いため、発光素子1の劣化が抑制される。
なお、第1の基板凹部8と第2の基板凹部15を一体化させた形態の基板凹部としても良い。
バリア層16としては、蛍光体16bと有機樹脂16aを含む材料などを用いることが更に好ましい。この場合、発光素子1の上面や側面からの発光光を蛍光体16bで異なる波長の光に変換することができ、発光光と波長変換層7で変換された光と合わせて、第2の基板凹部15の開口部から光を取り出すことができ、波長変換層7の材料や蛍光体16bの材料を適宜選択することにより、優れた演色性を有する発光装置や高輝度な発光装置を実現することができる。具体的には、例えばYAG(イットリウムアルミニウムガーネット)系蛍光体、希土類(セリウム、ランタノイド)蛍光体を混合した蛍光体含有樹脂を用いても良い。
例として、発光素子1としてGaN系の青色LEDを、波長変換層7に含まれる半導体蛍光微粒子としてCdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTeのようなII−VI族化合物半導体ナノ結晶、GaN、GaP、GaAs、AlN、AlP、AlAs、InN、InP、InAsのようなIII−V族化合物半導体ナノ結晶を、バリア層16に含まれる蛍光体16bとしてYAG(イットリウムアルミニウムガーネット)系蛍光体や、希土類(セリウム、ランタノイド)蛍光体を用いた場合には、高輝度な白色光を得られる発光装置を実現できる。
(実施例2)
本実施形態の実施例2における発光装置の構成について、図2(a)及び図2(b)を用いて説明する。図2(a)は図2(b)のAA’線における断面図である。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1が第1の基板凹部8の傾斜した側面8aによって保持されていることを特徴とする。図2(b)に示すように、発光素子1の端面が第1の基板凹部8の傾斜した側面8a上に配置されている。この際、図2(a)に示すように、発光素子1の保持安定性を高めるために、発光素子1と第1の基板凹部8の傾斜した側面8aとを接合部材10で接着することが好ましい。
(実施例3)
本実施形態の実施例3における発光装置の構成について、図3(a)、図3(b)及び図3(c)を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を保持する基板凸部11の構造が異なることを特徴とする。
図3(a)は、図3(b)のA−0−B断面における断面図である。
図3(b)に示すように、本実施例では、基板2の各辺に平行な2本の基板凸部11aと基板凸部11bが基板2中心部で交差して形成された十字形状の基板凸部11となっている。結果として、基板凸部11a及び11bによって、4つの基板凹部81、82、83及び84が形成されている。基板凸凹部の実線は山形、破線は谷形を示す。発光素子1は十字形状の基板凸部11上に搭載されている。ここで、発光素子1の重心点と、基板凸部11の交差点が一致するように配置すると、より安定度が高まる。なお、注入口12は、上記4つの凹部に各1個ずつ配置することが好ましい。
図3(c)は、図3(b)のA−0−B断面における基板上面の高さ関係を示し、h0は基板凹部81の底面のZ軸方向の位置であり、h1は基板凸部11b上面のZ軸方向の位置である。h1は発光素子1下面のZ軸方向の位置とほぼ同一となる。図3(c)に示すように、発光素子1下面と基板凸部11上面とは接合されているものの、それ以外の部位は、発光素子1下面と波長変換層7との間に空間を有する。発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、発光素子1下面と基板凸部11上面の接点は実施例1や実施例2と比較して2次元的に広範囲であり、発光素子1の支持を安定的に保つことができる。
(実施例4)
本実施形態の実施例4における発光装置の構成について、図4(a)、図4(b)及び図4(c)を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を保持する基板凸部11の構造が異なることを特徴とする。
図4(a)は、図4(b)のA−0−B断面における断面図である。
図4(b)に示すように、本実施例では、基板2の対向角を結ぶ2本の基板凸部11aと基板凸部11bが基板2中心部で交差した十字形状の基板凸部11となっている。結果として、基板凸部によって、4つの基板凹部81、82、83及び84が形成されている。基板凸凹部の実線は山形、破線は谷形を示す。発光素子1は十字形状の基板凸部11上に搭載されている。ここで、発光素子1の重心点と、基板凸部11の交差点が一致するように配置すると、より安定度が高まる。なお、注入口12は、上記4つの凹部に各1個ずつ配置することが好ましい。
図4(c)は、図4(b)のA−0−B断面における基板上面の高さ関係を示し、h0は第1の基板凹部81の底面のZ軸方向の位置であり、h1は基板凸部11bの上面のZ軸方向の位置である。h1は発光素子1下面のZ軸方向の位置とほぼ同一となる。図4(c)に示すように、発光素子1下面と基板凸部11上面とは接合されているものの、それ以外の部位は、発光素子1下面と波長変換層7との間に空間を有する。発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、発光素子1下面と基板凸部11上面の接点は実施例1や実施例2と比較して2次元的に広範囲であり、発光素子1の支持を安定的に保つことができる。
(実施例5)
本実施形態の実施例5における発光装置の構成について、図5(a)、図5(b)及び図5(c)を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を保持する基板凸部11の構造が異なることを特徴とする。
図5(a)は、図5(b)のA−0−B断面における断面図である。
図5(b)に示すように、本実施例では、基板2の各辺に平行な2本の基板凸部11aと基板凸部11bが基板2中心部で交差して形成された十字形状の基板凸部11となっている。結果として、第1の基板凹部8は基板凸部によって、さらに4つの凹部81、82、83、84が形成されている。各凹部は、基板2の対向角を結ぶ2本の交線に対して傾斜しており、かつ基板外周方向に対し傾斜する構成である。基板凸凹部の実線は山形、破線は谷形を示す。発光素子1は十字形状の基板凸部11の稜線(実線)上に搭載されている。ここで、発光素子1の重心点と、基板凸部11a及び基板凸部11bの交差点が一致するように配置すると、より安定度が高まる。なお、注入口12は、上記4つの凹部に各1個ずつ配置することが好ましい。
図5(c)は、図5(b)のA−0−B断面における基板上面の高さ関係を示し、h0は第1の基板凹部81の底面のZ軸方向の位置であり、h1は基板凸部11bの上面のZ軸方向の位置である。h1は発光素子1下面のZ軸方向の位置とほぼ同一となる。図5(c)に示すように、発光素子1下面と基板凸部11上面とは接合されているものの、それ以外の部位は、発光素子1下面と波長変換層7との間に空間を有する。発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、発光素子1下面と基板凸部11上面の接点は2次元的に広範囲であり、発光素子1の支持を安定的に保つことができる。このような構成を有することにより、発光素子1下面からの発光に対し、波長変換層7が効率的に吸収し、波長変換物質から発する励起光の方向性を高めることができ、安定した光量の発光を実現できる。
(実施例6)
本実施形態の実施例6における発光装置の構成について、図6(a)、図6(b)及び図6(c)を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を保持する基板凸部11の構造が異なることを特徴とする。
図6(a)は、図6(b)のA−0−B断面における断面図である。
図6(b)に示すように、本実施例では、基板2の対向角を結ぶ2本の基板凸部11aと基板凹部11bが基板2中心部で交差した十字形状の基板凸部11となっている。結果として、第1の基板凹部8は基板凸部によって、さらに4つの凹部81、82、83及び84が形成されている。各凹部は、基板2の各辺に平行な2本の交線に対して傾斜しており、かつ基板外周方向に対し傾斜する構成である。基板凸凹部の実線は山形、破線は谷形を示す。発光素子1は十字形状の基板凸部11上に搭載されている。ここで、発光素子1の重心点と、基板凸部11の交差点が一致するように配置すると、より安定度が高まる。なお、注入口12は、上記4つの凹部に各1個ずつ配置することが好ましい。
図6(c)は、図6(b)のA−0−B断面における基板上面の高さ関係を示し、h0は第1の基板凹部81の底面のZ軸方向の位置であり、h1は基板凸部11aの上面のZ軸方向の位置である。h1は発光素子1下面のZ軸方向の位置とほぼ同一となる。図6(c)に示すように、発光素子1下面と基板凸部11上面とは接合されているものの、それ以外の部位は、発光素子1下面と波長変換層7との間に空間を有する。発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、発光素子1下面と基板凸部11上面の接点は2次元的に広範囲であり、発光素子1の支持を安定的に保つことができる。このような構成を有することにより、発光素子1下面からの発光に対し、波長変換層7が効率的に吸収し、波長変換物質から発する励起光の方向性を高めることができ、安定した光量の発光を実現できる。
(実施例7)
本実施形態の実施例7における発光装置の構成について、図7(a)、図7(b)及び図7(c)を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を保持する構造が異なることを特徴とする。
図7(a)は、図7(b)のA−0−B断面における断面図である。
図7(b)に示すように、本実施例における基板凹部8は、上面から見た際、4つの円を組み合わせたような形状となっており、さらに各円形の凹部の上面は、基板2の中心点に向かって傾斜している。基板凸凹部の実線は山形、破線は谷形を示す。発光素子1は4つの円状凹部の傾斜面によって保持されている。ここで、発光素子1の重心点と、第1の基板凹部8の中心点が一致するように配置すると、より安定度が高まる。なお、注入口12は、第1の基板凹部8の中心点に1個配置することが好ましい。
図7(c)は、図7(b)のA−0−B断面における基板上面の高さ関係を示し、h0は第1の基板凹部8の底面のZ軸方向の位置であり、h1は発光素子1下面のZ軸方向の位置とほぼ同一となる。図7(c)に示すように、発光素子1下面と第1の基板凹部8の底面とは接合されているものの、それ以外の部位は、発光素子1下面と波長変換層7との間に空間を有する。発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、発光素子1下面と基板凹部8の底面の接点は2次元的に広範囲であり、発光素子1の支持を安定的に保つことができる。
(実施例8)
本実施形態の実施例8における発光装置の構成について、図8(a)、図8(b)及び図8(c)を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を保持する構造が異なることを特徴とする。
図8(a)は、図8(b)のA−0−B断面における断面図である。
図8(b)に示すように、本実施例における基板凹部8は、上面から見た際、円形状となっており、さらに円形の凹部の上面は、基板2の中心点に向かって傾斜している。発光素子1は円状凹部の傾斜面によって保持されている。ここで、発光素子1の重心点と、第1の基板凹部8の中心点が一致するように配置すると、より安定度が高まる。なお、注入口12は、第1の基板凹部8の中心点に1個配置することが好ましい。
図8(c)は、図8(b)のA−0−B断面における基板上面の高さ関係を示し、h0は第1の基板凹部8底面のZ軸方向の位置であり、h1は発光素子1下面のZ軸方向の位置とほぼ同一となる。図8(c)に示すように、発光素子1下面と第1の基板凹部8底面とは接合されているものの、それ以外の部位は、発光素子1下面と波長変換層7との間に空間を有する。発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、発光素子1下面と基板凸部11上面の接点は2次元的に広範囲であり、発光素子1の支持を安定的に保つことができる。
図8(c)に示すように、発光素子1下面の一部は第1の基板凹部8の斜面の一部とのみ接合されているため、発光素子1下面からの発熱に対し、発光素子1下面と波長変換層7との空間が熱伝導を遮断すると共に、斜面を通じて基板外に積極的に放熱し、波長変換層7の温度上昇を抑制できる。また、発光素子1下面の一部と斜面との接合がピンポイントであるため、接合部で阻害される発光をさらに低減することができる。
(実施例9)
本実施形態の実施例9における発光装置の構成について、図9を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、発光素子1を搭載する第1の基板凹部8の底部に波形のうねりを形成した構造が特徴である。第1の基板凹部8底部のうねりは表面積を(例えば実施例1より)広げると共に、励起光の散乱を促進する。発光素子1下面からの発光を波長変換層7が広範囲に吸収し、波長変換物質から発する励起光の散乱効果を高める。反射層6の受ける励起光が増加し、発光素子1の上方に対し、安定した光量の発光を実現できる。
(実施例10)
本実施形態の実施例10における発光装置の構成について、図10を用いて説明する。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、透光部材9を波長変換層7の直上に形成するものではなく、基板2外枠上面に形成した構成である。この場合も実施例1と同様の効果が得られるが、波長変換層7の酸化を防ぐために、第1の基板凹部8への波長変換層7の形成および基板2外枠上面への透光部材9などをはじめとする本発明の製造過程は、酸素以外の気体で充填された環境下で実施されることが好ましい。また、本発光装置としても、第1の基板凹部8と波長変換層7とで密閉される空間には、酸素以外の気体が充填されていることが好ましい。
また、図10に示すように第1の基板凹部8の底面に注入口12を設けることが好ましい。この際、透光部材9で覆われた第1の基板凹部8に、酸素以外の気体を充満させた状態で、注入口12から波長変換層7を充填しても良い。
(第2の実施形態)
本実施形態では、発光素子と波長変換層との直接の接触を避けるため、発光素子は、発光素子と波長変換層の間に形成された透光部材によって保持されている。
(実施例11)
本実施形態の実施例11における発光装置の構成について、図11を用いて説明する。
図11は、本発明の実施例11を示す断面図である。
図11に示すように、本発明の実施例11における発光装置は、基板2と、基板2に設けられた第1の基板凹部8とを備える。第1の基板凹部8は、側面8a及び底面8bから構成される。第1の基板凹部8内には、波長変換層7が形成されている。波長変換層7上には、波長変換層7を覆うように透光部材9が配置されている。そして、発光素子1は、波長変換層7と直接接しないように、透光部材9上に配置されている。ここで、透光部材9は、図11に示すように第1の基板凹部の側面8aに設けられた段差部によって保持されていることが好ましい。また、側面8aを斜面とし、その斜面によって透光部材9を保持しても良い。このような構成を有することによって、発光素子1が発熱したとしても、発光素子1と波長変換層7とは直接接していないので、波長変換層7に直接熱が伝達することを防ぐことができる。
なお、透光部材9の材料としては、ガラス、透明樹脂などを用いればよい。具体的には、例えば、ガラスは樹脂ガラス、モールドガラス、アクリルガラス、クリスタルガラスなど主に光学系に用いられるものでも良い。透明樹脂の場合は、アクリル樹脂、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)樹脂、ポリアセタール樹脂などの透過性を有する樹脂などでもよい。
なお、ここで基板2の材料については金属性のものでもよい。発光素子1からの発熱をより効率的に逃がすことができる。具体的には、基板2の材料としては、Cu合金、Fe−Ni、ALなどが好ましい。凹部を有する形状を金属で形成するためには、プレス金型などで打ち抜く方法が好ましい。またその他基板2の材料としてはセラミック材料でもよい。また、後述の通り、基板2は枠部2aとベース部2bの二つのパーツから形成されていることが好ましい。
なお、発光素子1と透光部材9とは接合部材10によって接着されていることが好ましい。このような構成とすることで、発光素子1は透光部材9により確実に搭載される。また、接合部材10は、熱伝導効率が高いものがより好ましい。
なお、本発明においては、発光素子1はその構成上、波長変換層7よりも上方に配置される。よって、発光素子1の上面や側面から出る光は、一部は波長変換層7を介さずに第1の基板凹部8開口面から出て行き、一部はバリア層16と外気との境界面で発光装置内方向へ反射され、波長変換層7に到達する。発光素子1の底面から出る光に関しては、そのまま波長変換層7まで到達する。そして、波長変換層7を通した光をさらに反射層6によって上方まで運び、第1の基板凹部8の開口から射出する。ここで、反射層6としては、第1の基板凹部上に設けられた金属めっきでもよい。
以上より、発光素子1からの発光は波長変換層7の存在により、効率的に励起光に変換される。一方、発光素子1下面からの発熱に対しては、発光素子1下面と波長変換層7との間にある透光部材9が熱伝導を遮断することにより、波長変換層7の温度上昇を抑制できる。
その他、基板2の下面には電極3を露出するように配置することが好ましい。なお、電極3としてCu合金の上にNi−Auめっき、Agめっき、はんだめっきなどを適宜選択して適用してもよい。
また、基板2上面には電極3と接続したボンドエリア4を設けることが好ましい。
また、発光素子1とボンドエリア4をワイヤー5により接続することが好ましい。なお、発光素子1とボンドエリア4を電気的に接続する接続部材は、突起電極でもワイヤーでもよく、突起電極であればAuバンプ(めっきバンプ、スタッドバンプ)、はんだめっき(Sn−Ag−Cu)バンプなどが適用される。ワイヤーであれば、Auワイヤー、ALワイヤー、Agワイヤー、Cuワイヤーなどから選択すればよい。ただしAgワイヤー、Cuワイヤーなどは酸化に強くないのでワイヤーに被覆加工する、あるいは酸化に強い合金ワイヤーの方が好ましい。ワイヤー径は様々にあるが小型化が必要な電子部品はφ10〜20μmのワイヤー径を適用することが好ましい。
また、第1の基板凹部8の壁面を、底面から上面にかけて広くする形状とすることが好ましい。
このような構成にすることで、波長変換層7から発光面に対しより確実に反射することができる。
また、第1の基板凹部8を取り囲むように第2の基板凹部15を形成することが好ましい。第2の基板凹部15は枠部2aの内壁及び透光部材9の上面によって構成されている。枠部2aは樹脂によって形成してもよい。第2の基板凹部15の深さは発光素子1の厚みと電気的に接続する接続部材によって決まってくる。第2の基板凹部15の深さとしては、発光素子1の厚み50〜200μmプラス突起電極の厚み10〜20μmを確保できればよい。一方、ワイヤーの場合は、発光素子1の厚50〜200μmプラスワイヤー高さ100μmを確保できればよい。つまり第2の基板凹部の深さは100〜400μm以上が好ましい。
さらに、第2の基板凹部15内に、バリア層16を充填することが好ましい。バリア層16としては、蛍光体16bと有機樹脂16aを含む材料などを用いても良い。具体的には、例えばYAG(イットリウムアルミニウムガーネット)系蛍光体、希土類(セリウム、ランタノイド)蛍光体を混合した蛍光体含有樹脂を用いても良い。
また、発光素子1側面を包囲する第1の基板凹部8の側面8aまで反射層6で覆うことが好ましい。なお、反射層6を配置する位置は、ボンドエリア4より内側であることが好ましい。このような構成とすることにより、波長変換層7から発する励起光に対し、光路長を短くして反射できるので、光路中での光の減衰が少なくなり、所望の方向(例えば発光素子上面方向)に効率的に発光することができる。
またここで、波長変換層7は、有機樹脂と、バンド端光吸収・発光を直接利用することで高い量子効率を実現する半導体蛍光微粒子を含むことが好ましい。特に、直径が数nmから数十nmの微粒子からなるいわゆる量子ドット蛍光体を含むことが好ましい。量子ドット蛍光体は、量子サイズ効果によって同一材料の微粒子でも粒子径を制御することで可視光線領域において所望の波長帯の蛍光スペクトルを得ることが出来る。また、バンド端による光吸収・蛍光であるため、90%程度の高い外部量子効率を示すことから、高効率・高演色性を有する発光装置を提供することができる。
しかし、量子ドット蛍光体は粒子径が小さいため、微粒子の表面を占める原子の割合が多くなることから、化学的安定性の低いものが多く、特に高温環境下での励起蛍光においては、量子ドット蛍光体表面の酸化反応が進行し、急激な発光効率の低下を引き起こすという課題を有する。
そこで、量子ドット蛍光体のような化学的安定性の低い波長変換層を用いる場合は、波長変換層7の上面に透光部材9を配置することが好ましい。このような構成を有することによって、波長変換層7が、量子ドット蛍光体に代表されるような、粒子径によって異なる励起蛍光スペクトルを有する半導体微粒子を含み、水溶性または水分散性を有する材料で構成されている場合であっても、波長変換層7が第1の基板凹部8と透光部材9によって密閉されているため、酸化を抑制することができる。
また、第1の基板凹部8に波長変換層7を注入する注入口12を設けることが好ましい。第1の基板凹部8に形成した注入口12は透光部材9及び波長変換層7を注入する為のものである。注入口12を設ける位置は、第1の基板凹部8の底面でも側面でもよい。
なお、さらに基板底面に注入口12を封止するシールド13を設けることが好ましい。
製造工程は、注入口12下側から透光部材9を充填後、波長変換層7を充填し、シールド13で封止することにより、耐酸化性の弱い波長変換層7は酸素に接触することがなく形成することができる。よって、耐酸化性の低い波長変換物質であっても、波長変換の特性劣化なく容易に製造することができる。シールド13としては、封止樹脂等を用いてもよい。具体的には、気密性をもたせる有機樹脂などが好ましく、例えばエポキシ系、アクリル系の樹脂を用いてもよい。
(実施例12)
図12は本発明の第2の実施形態における製造ステップを示す断面図である。
まずは図12(a)に示すように、基板2に対しプレス金型によって、第1の基板凹部8及び第2の基板凹部15を形成する。なお、ここで基板2の材料については金属性のものが好ましい。発光素子1からの発熱をより効率的に逃がすためである。具体的には、基板2の材料としては、Cu合金、Fe−Ni、ALなどが好ましい。凹部を有する形状を金属で形成するためには、プレス金型などで打ち抜く方法が好ましい。また、第2の基板凹部15は枠部2aの側壁によって形成することが好ましい。枠部2aは樹脂封止金型を用いて樹脂によって形成してもよい。
次に図12(b)に示すように、基板2の金属が露出した部分に対しNi−Auめっき、Agめっき、はんだめっきなどを形成する。
次に図12(c)に示すように、透光部材9を第1の基板凹部8上に固定する。固定には接着剤を用いてもよい。接着剤は、気密性をもたせる有機樹脂、例えばエポキシ系、アクリル系の樹脂を用いる。
次に図12(d)に示すように、波長変換層7を第1の基板凹部8に充填する。ここで、波長変換層7は、基板2の底面に設けられ、第1の基板凹部8と接続された注入口12から充填することが好ましい。このようにすれば、波長変換層7として量子ドット蛍光体のような耐酸化性の弱い材料を用いた場合であっても、波長変換層7が酸素に接触する時間を極めて短くしながら、第1の基板凹部8内に充填することができる。
次に図12(e)に示すように、シールド13を用いて、注入口12を塞ぐ。シールド13として、封止樹脂を塗布し硬化させてもよい。もしくは、波長変換層7として耐酸化や耐湿性に弱い蛍光体(例えば量子ドット蛍光体)を混合した蛍光体含有樹脂と混ざらず、かつ硬化のゲル化時間が長い封止樹脂を用いることで蛍光体含有樹脂を注入後、封止樹脂を塗布し同時に硬化させることもできる。このとき、真空環境を用いてキャビティ内部の未充填、ボイドなどを防止する。また耐酸化や耐湿性に弱い蛍光体であるため窒素雰囲気など耐酸素、耐湿度を考慮した環境が必要となる。
最後に、図12(f)に示すように、透光部材9上に発光素子1を実装し、発光素子1とボンドエリア4をワイヤー5で接続する。ここで、発光素子1の実装温度は、蛍光体含有樹脂、封止樹脂と同等もしくは低い温度で硬化させてもよい。その後、バリア層16を第2の基板凹部15に充填し硬化させる。バリア層16として蛍光体含有樹脂を用いてもよい。硬化温度としては、バリア層16として用いられる蛍光体含有樹脂、封止樹脂と同等もしくは低い温度で硬化させる。
(実施例13)
本実施形態の実施例13における発光装置の構成について、図13を用いて説明する。
図13は、本発明の実施例13を示す断面図である。符号は、実施例11との差異を説明するために主要な構成のみに付している。
本実施例は実施例1と基本的な構造は同様であるが、ワイヤーを接続するボンドエリア4と発光素子を搭載するエリアに段差を備えることを特徴とする。具体的には、ボンドエリア4の高さが、透光部材9の表面よりも低い位置に形成されている。このような構成にすることで発光素子搭載時の接着剤のはみ出し、ブリードが、段差による表面張力によって抑えられるという効果を発揮する。
また、波長変換層7を注入する注入口12を囲うように第1の基板凹部8の底面8bに凸部を形成しても良い。凸部の形状は、底面から上面にかけて細くする形状にすることが好ましい。このような構成にすることで注入口12と注入ノズルの噛み合わせがより安定する。
また、第1の基板凹部8の底面にうねり形状を設けても良い。このような構成にすることで波長変換層7からの光反射面積を広くすることができる。うねり形状は実施例11に適用してもよい。
また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施形態における各構成要素を任意に組み合わせても良い。
本発明によれば、電子ディスプレイ用のバックライト電源や、蛍光ランプに好適に用いられる、波長変換層の劣化が少ない発光装置が実現できる。
1 発光素子
2 基板
3 電極
4 ボンドエリア
5 ワイヤー
6 反射層
7 波長変換層
8 第1の基板凹部
9 透光部材
10 接合部材
11 基板凸部
12 注入口
13 シールド
14 基板貫通穴
15 第2の基板凹部
16 バリア層

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板に形成された凹部と、
    前記凹部内に配置された反射層と、
    前記反射層上に配置された波長変換層と、
    前記凹部内でかつ前記波長変換層よりも上方に配置された発光素子とを備え、
    前記波長変換層と前記発光素子とは直接接していないことを特徴とする発光装置。
  2. 前記波長変換層は、半導体微粒子蛍光体を含むことを特徴とする請求項1記載の発光装置。
  3. 前記波長変換層上に、前記発光素子を覆うようにバリア層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の発光装置。
  4. 前記波長変換層と、前記発光素子との間に透光部材が配置されていることを特徴とする請求項1から3記載のいずれかの発光装置。
  5. 前記発光素子は前記凹部の一部によって保持されたことを特徴とする請求項1から4に記載のいずれかの発光装置。
  6. 前記凹部は、前記凹部の開口方向に突出した凸部を有し、
    前記発光素子は前記凸部上に搭載されていることを特徴とする請求項5に記載の発光装置。
  7. 前記基板凸部に上下に貫通する貫通穴を形成することを特徴とする請求項6に記載の発光装置。
  8. 前記凹部は斜辺部を有し、
    前記発光素子の角部が前記斜辺部によって保持されていることを特徴とする請求項5に記載の発光装置。
  9. 前記透光部材上に前記発光素子が搭載されていることを特徴とする請求項4に記載の発光装置。
  10. 前記基板の凹部に波長変換層を注入する注入口を備えることを特徴とする請求項1から9に記載のいずれかの発光装置。
  11. 前記基板底面に前記注入口を封止するシールドを備えることを特徴とする請求項1から10に記載のいずれかの発光装置。
  12. 前記発光素子を搭載する前記基板凹部の底部に、波形のうねりが形成されていることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の発光装置。
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JP2018032655A (ja) * 2016-08-22 2018-03-01 豊田合成株式会社 発光装置及びその製造方法

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