JP2013187311A - 発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子から出射した光に、所望の指向性を持たせることが可能なレンズを有する発光装置を容易に製造可能な製造方法を提供する。また、強い指向性を持たせた発光装置を製造可能な製造方法を提供する。
【解決手段】基板１１上に発光素子１３を搭載するステップと、発光素子を覆い基板に接する胴体部１５Ａと、胴体部上のドーム部１５Ｂとからなるレンズ体１５を形成するステップと、を有し、レンズ体を形成するステップは、コンプレッションモールド法によって発光素子を包含する透光性樹脂層及び透光性樹脂層から突出するドーム部を形成するドーム部形成ステップと、ドーム部の底面と前記基板との間の前記胴体部とすべき領域の周囲の前記透光性樹脂層を前記基板に達するまで除去し、胴体部を形成するステップと、を有する。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、発光装置の製造方法に関し、特にＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を搭載した光源を用いる発光装置の製造方法に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯ランプに代わりＬＥＤ素子を利用した光源を備える発光装置が照明器具、液晶ディスプレイのバックライト、及び車両用の灯具等に利用されている。このような発光装置には、ＬＥＤ素子を封止する樹脂を凸レンズ形状にして、ＬＥＤ素子から出射される光に指向性を与えている発光装置がある。

例えば、特許文献１のように、ＬＥＤ素子上方にコンプレッションモールド法で形成されたレンズを有する発光装置、または特許文献２のように、ＬＥＤ素子上にトランスファモールド法で形成されたレンズが配されている発光装置がある。

特開２００８−２０５４６２号公報 国際公開第ＷＯ／２００５／０２９５９７号

特許文献１に記載されているように、コンプレッションモールド法でレンズを形成する場合、レンズの周囲にレンズと連続してコンプレッションモールド由来の薄膜が形成されてしまっていた。よって、この薄膜部分にレンズ部からの光が伝播してしまうことでレンズ部から外に光が漏出してしまい、発光素子から出射した光に所望の指向性を持たせることが困難であった。

また、上述のコンプレッションモールド法に加えて、コンプレッションモールド法と同様に金型を使用する特許文献２のようなトランスファモールド法で砲弾型のレンズを形成する場合、金型からの抜けをよくするために、レンズの円柱部の側部に、光の放射方向とは逆の方向に向けて広がっていくようなテーパを有する側面を形成する必要があった。レンズの側部にこのようなテーパがあるとレンズ側部からの光の漏出が増加するため、テーパの存在が発光素子からの光の取り出し効率を低下させたり、発光素子から出射する光の指向性を低下させたりしていた。そのため、金型を利用しての強い指向性を持たせた発光装置の製造が困難であった。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、発光素子から出射した光に、所望の指向性を持たせることが可能なレンズを有する発光装置を容易に製造可能な製造方法を提供することを目的とする。また、強い指向性を持たせた発光装置を製造可能な製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光装置の製造方法は、基板上に発光素子を搭載するステップと、発光素子を覆い基板に接する胴体部と、胴体部上のドーム部とからなるレンズ体を形成するステップと、を有し、レンズ体を形成するステップは、コンプレッションモールド法によって発光素子を包含する透光性樹脂層及び透光性樹脂層から突出するドーム部を形成するドーム部形成ステップと、ドーム部の底面と前記基板との間の前記胴体部とすべき領域の周囲の前記透光性樹脂層を前記基板に達するまで除去し、胴体部を形成するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の発光装置の製造方法では、発光素子上に形成するレンズのうち、最初に先端のドーム部のみをコンプレッションモールドで形成し、その後、その周囲の樹脂を除去することでドーム部から下の胴体部を形成することでレンズを形成する。それにより、基板上にレンズと連続して形成される薄膜部が形成されない。また、金型の引き抜きを容易にするためにレンズの胴体部側面にテーパを有する側面を設ける必要が無いので、良好な光指向性を有する発光装置を形成することが可能である。

本発明の実施例１に係る製造方法によって製造される発光装置の平面図である。 本発明の実施例１に係る製造方法によって製造される発光装置の断面図である。 本発明の実施例１に係る製造方法の一工程の断面図である。 本発明の実施例１に係る製造方法の一工程の断面図である。 本発明の実施例１に係る製造方法の一工程の断面図である。 本発明の変形例に係る製造方法の断面図である。 本発明の変形例に係る製造方法に使用されるカッターの一例を示す斜視図である。 本発明の実施例２に係る製造方法の一工程の断面図である。 本発明の実施例２に係る製造方法の一工程の断面図である。

以下に、本発明の実施例１に係る発光装置の製造方法について、図１ａ、図１ｂ、及び図２ａ−ｃを参照しつつ説明する。図１ａは、実施例１に係る発光装置の製造方法にて製造される発光装置１０の平面図である。図１ｂは、図１ａの１ｂ−１ｂ線における断面図である。図２ａ−ｃは、実施例１に係る発光装置の製造方法の各工程における断面図である。

図１ａ、ｂに示すように、発光装置１０は、Ｃｕ等の導電体で配線（図示せず）が形成されている絶縁基板である基板１１の上面と垂直な方向に光軸ａｘを有する発光装置である。基板１１の上面には、例えば、上面にｐ電極及びｎ電極（図示せず）を有するＬＥＤである発光素子１３が搭載され、発光素子１３の電極と基板１１の配線とがＡｕ等のワイヤ１４によって接続されている。発光素子１３は、発光素子１３の中心と光軸ａｘとが一致するように配されている。発光素子１３の周囲には、発光素子１３及びワイヤ１４を埋設するように透光性の材料からなる砲弾型のレンズ体１５が形成されている。砲弾型のレンズ体１５は、基板１１の上面に垂直であり、発光素子１３から出射した光を内方に反射する側面を有する高さｈ、半径ｒの円柱状の胴体部１５Ａ、及び胴体部１５Ａ上に配されておりレンズ作用を有する半径ｒの半球状のドーム部１５Ｂからなっている。発光装置１０においては、発光素子１３から出射された光が胴体部１５Ａの基板１１の上面に垂直な側壁によって内方に反射され、ドーム部１５Ｂに達した光がそのレンズ効果の故に集光されることによって、ドーム部１５Ｂから、基板１１上面に垂直な方向に指向性の強い光が出射される。

以下、図２ａ−ｃを参照しつつ、本発明の実施例１に係る発光装置の製造方法について説明する。まず、図２ａに示すように、上面にＣｕ等の導電体で配線（図示せず）が形成されている基板１１の上面に、発光素子１３を搭載する。発光素子１３は、発光素子１３の中心が光軸ａｘ上にあるように搭載される。また、発光素子１３は、発光面が光軸ａｘに垂直になるように搭載される。基板１１は、例えば、厚さ０．４ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である、Ｃｕ、Ａｌ等を基材とするメタルコア基板、ガラスエポキシ基板、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ等のセラミック基板である。発光素子１３は、発光波長６６０ｎｍ程度の赤色ＬＥＤ素子であり、上面が０．５ｍｍ×０．３ｍｍ、厚さが０．１２ｍｍであり、Ｐ電極及びＮ電極の両方が光発光面である上面に設けられているフェイスアップ素子である。この搭載工程においては、基板１１上面の発光素子１３を搭載する領域に接着材等を用いて固定し、発光素子１３のＰ電極及びＮ電極（図示せず）の各々を基板１１に形成されている配線（図示せず）と、それぞれＡｕ等のワイヤ１４でワイヤボンディングする。

次に図２ｂに示すように、発光素子１３の上方にレンズ体１５のドーム部１５Ｂを成形する。このドーム部１５Ｂの成形工程は、透光性を有するシリコーン樹脂をモールド樹脂１７として用いて、当該樹脂をコンプレッションモールド法で成形することで行う。なお、成形に用いる透光性を有する樹脂は、エポキシ樹脂、ハイブリッド樹脂（エポキシ樹脂＋シリコーン樹脂）またはウレタン樹脂等でもよいが、信頼性が高いシリコーン樹脂を用いるのが好ましい。この工程においては、成形される樹脂のうちドーム部１５Ｂとなる部分（図中破線部）のみが形状が確定する程度に硬化され、ドーム部１５Ｂの周囲の部分は、後述する除去処理が可能なように半硬化させられる。このような成形を行うために、本工程においては、金型装置３０を使用する。

金型装置３０は、成形部３１及びヒータ３３からなっている。成形部３１は、ドーム部１５Ｂを成形するための凹部を有するドーム成形部３５、及びその周囲に配されている平坦な表面を有する平坦成形部３７を有している。ヒータ３３は、成形部３１を加熱するためのヒータであり、成形部の裏面（すなわち、凹部を有する表面とは反対側の面）に設けられている。上述のように、成形処理においては、ドーム成形部３５によって成形されるドーム部１５Ｂを形状が確定する程度に硬化し、平坦成形部３７によって成形されるドーム部１５Ｂの周囲の部分を半硬化させる。このような硬化を行うためには、ドーム成形部３５の方が平坦成形部３７よりも高い温度になるようになされなければならない。このような温度差を形成するために、ドーム成形部３５は、平坦成形部３７よりも熱伝導率が高い材料で形成されている。例えば、ドーム成形部３５がＣｕからなっており、平坦成形部３７がＡｌからなっていてもよい。

ドーム部成形工程においては、まず、モールド樹脂１７を、成形部３１上を覆うように所定量配置する。この際に、成形部３１上にモールド樹脂を配置する前に成形部３１表面に剥離フィルムとして、例えば、テフロンシートを配置して、その上からモールド樹脂を塗布する。剥離フィルムは、金型装置３０による成形の後に、成形部３１からモールド樹脂１７を容易に剥離することを可能にする。

次に、基板１１の上面と成形部３１の凹部を有する表面とを向き合わせ、ドーム成形部３５の凹部の底部の中心と光軸ａｘとが一致するようにし、発光装置１０の胴体部１５Ａの長さであるｈまで接近させ、成形部３１表面上のモールド樹脂１７により基板１１上面を覆う。その後、基板１１の上面と成形部３１の表面との間の領域を真空に引き、ヒータ３３によって成形部３１を加熱し、モールド樹脂１７を加圧しつつ加熱・硬化するコンプレッションモールド法にて成形を行う。この加熱硬化においては、例えば、ドーム成形部３５の凹部表面を１１０℃、平坦成形部３７の表面を８０℃として３〜５分加熱する。

このようにすることにより、成形されたドーム部１５Ｂ（図中破線部）は、形状が確定する程度に硬化され、ドーム部１５Ｂ以外の周囲の部分は、後述するモールド樹脂の除去処理が可能な程度に半硬化される。尚、成形処理における加熱硬化の際のドーム成形部３５の凹部表面の温度は、当該成形処理工程後の処理においてドーム部１５Ｂの形状が崩れることを防止すべく、ドーム部１５Ｂの硬化度合いを高めるために１１０℃以上（例えば、１５０℃）としてもよい。また、平坦成形部３７の表面の温度は、モールド樹脂が多少硬化する温度であればよく、約６０℃で硬化反応が開始するシリコーン樹脂であるならば、約７０℃以上から、樹脂の除去処理が行える程度に硬化する温度（例えば、１００℃）までの間の温度であればよい。モールド樹脂１７の加熱硬化後、金型装置３０が剥離フィルムとともに取り外される。

尚、胴体部１５Ａの高さ、すなわち基板１１の上面と成形部３１表面との距離ｈは、基板１１の上面から発光素子１３上面までの高さ以上であるのが好ましく、発光装置１０に必要な指向性や配光に応じて、約１００μｍ〜１０ｍｍの範囲で変更してもよい。

次に、図２ｃに示すように、モールド樹脂１７を除去して、胴体部１５Ａの形状を形成する胴体部形成工程を行う。この工程においては、例えば、ドーム部１５Ｂの半径ｒと同一の半径を有する円筒形のカッター４０を基板１１の上面と垂直な方向から下ろして回転させることで、ドーム部１５Ｂの周囲領域のモールド樹脂１７を除去する。例えば、金属の基材にテフロン加工等の樹脂の付着しにくい処理を施したヒータ付きのカッターをモールド樹脂１７が硬化する１８０℃程度に熱して、基板１１に垂直に、円筒形のカッター４０とドーム部１５Ｂの外周部とが重なるように（すなわち、円筒形カッター４０の中心軸と光軸ａｘが一致するように）基板１１に向けて下ろす。その後、カッター４０の先端が基板１１の上面に達したところで、カッター４０を光軸ａｘを中心として回転させることによって、モールド樹脂１７を除去する。当該除去と同時に、カッター４０の熱によって、カッター４０近傍の半硬化だったモールド樹脂が硬化されて、円柱形状の胴体部１５Ａと、胴体部１５Ａと連続した、すなわち胴体部１５Ａの円柱上面と一致した底面を有するドーム部１５Ｂが形成されて、レンズ体１５全体の形状が形成される。

尚、上記胴体部形成工程にて除去されるモールド樹脂は、樹脂除去後に胴体部１５Ａとその外側にある樹脂とが接することが無いように、５０μｍ以上の幅に亘って除去されるのが好ましい。

最後に、基板１１上面上のレンズ体１５以外のモールド樹脂を除去し基板１１ごと全体を高温槽内に入れ、約１５０℃、６０〜２４０分程度加熱してレンズ体１５の本硬化を行い、図１に示す発光装置１０が完成する。

実施例１に係る発光装置の製造方法によれば、発光素子を包含するように形成する砲弾型レンズ体を、最初に先端のドーム部１５Ｂのみコンプレッションモールド法で形成し、その後、その周囲の樹脂を除去しつつ、当該除去によって露出した樹脂面を加熱硬化することでドーム部から下の胴体部１５Ａを形成する。それにより、基板１１上のレンズ体１５の外側に、レンズ体１５と連続して形成される薄膜部がなく、当該薄膜部故の基板上面と平行な方向への光の伝播・漏出の無い、良好な光指向性を有する発光装置を形成することが可能である。また、レンズ体の円柱形の胴体部分を金型で形成する必要が無いので、レンズ体の胴体部側面に金型からの引き抜きを容易にするための下方に向かって広がるテーパをつける必要がなく、所望の指向性を有する理想的なレンズを有する発光装置を容易に製造することが可能である。

また、実施例に１に係る発光装置の製造方法によれば、発光装置のレンズ体１５の形状のうち、胴体部１５Ａの形状のみを変更したい場合には、ドーム部１５Ｂを形成する際の基板１１の上面と成形部３１の表面との距離を変更することで胴体部１５Ａの高さｈを変更することが可能である。さらに、胴体部１５Ａを円錐台状にしたい場合には、図３ａに示すように、例えば、円錐状の筒の一部からなる図３ｂの斜視図に示すようなカッター４０Ａを斜めから挿入してドーム部１５Ｂの周囲を回転させ、モールド樹脂を除去することによって胴体部１５Ａの側面にテーパを付けることが可能である。すなわち、実施例１に係る発光装置の製造方法によれば、レンズ体の寸法のうちドーム部の半径ｒを変更しないレンズ体形状の変更に対しては、金型を変更しないで対応可能である。従って、１つの金型で多種のレンズ体形状を有する発光装置を製造することが可能である。

尚、図３ａのように、胴体部１５Ａを基板１１から上方に向けて広がるような円錐台形状にすることで、胴体部１５Ａの側面において、ＬＥＤ素子１３からの発光をより多く反射して光放射方向に向かわせることができるので、発光装置の光取り出し効率を向上させることが可能である。

また、成形部３１の表面と基板１１の上面との距離を金型装置３０の位置合わせ設定限界以上に細かく変更したい場合には、剥離フィルムの厚さを変更することで対応可能である。

また、実施例１においては、図２ｃに示す胴体部１５Ａ形成工程の後に、レンズ体１５の外側にある、レンズ体１５以外のモールド樹脂を除去することとしたが、当該レンズ体１５以外の部分に存在するモールド樹脂は光の指向性には影響を与えないので除去しなくてもよい。

以下に、本発明の実施例２に係る発光装置の製造方法について、図４ａ及び図４ｂを参照しつつ説明する。図４ａ及び図４ｂは、実施例２に係る発光装置の製造方法の一工程を示す図である。実施例２に係る発光装置の製造方法は、実施例１の製造方法の図２ｃに示した胴体部形成工程の後に、樹脂が除去されて形成された胴体部１５Ａの周囲の溝部５１に、胴体部１５Ａの側壁に接するように反射体５３を形成する点において、実施例１の製造方法とは異なっている。

図４ａは、実施例１の製造方法の図２ｃに示す胴体部形成工程後の状態を示した図である。カッター４０による樹脂の除去により、胴体部１５Ａの周囲に溝部５１が形成されている。実施例２の製造方法においては、図４ｂに示すように、この溝部５１に反射体５３を形成する。反射体５３は、光反射性を有する材料、例えば、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＳｉＯ₂、ＺｎＯ等の白色フィラーを含有しているシリコーン樹脂、ハイブリッド樹脂、エポキシ樹脂またはウレタン樹脂からなる。このような光反射性材料を溝部５１に充填し、基板１１ごと全体を高温槽内に入れ、約１５０℃で６０〜２４０分程度加熱してレンズ体１５及び反射体５３を形成する樹脂を硬化し、発光装置５０が完成する。

なお、図４ａに示す胴体部形成工程後の状態において、溝部５１の樹脂表面（胴体部１５Ａの側面も含む）は、カッター４０による加熱によりある程度硬化されているので、溝部５１及び胴体部１５Ａの側壁は、反射体５３を形成する樹脂の充填によっては変形しない。

実施例２に係る製造方法では、胴体部１５Ａの側壁に接するように反射体５３を形成し、反射体５３により胴体部１５Ａの側壁から外方に漏出する光を胴体部１５Ａ内に反射して戻すことで、発光素子１３から出射する光の取り出し効率及び光の指向性をさらに高めることが可能な発光装置を製造することが可能である。

上記実施例においては、モールド樹脂を除去して硬化する際のカッターとして、円筒形のカッターを用いたが、円筒の一部からなるカッター（端面が円状ではなく円弧状）を用いて、モールド樹脂を除去して硬化を行ってもよい。その際は、カッターを、ドーム部の外周に沿って回転させて樹脂の除去を行う。

上記実施例においては、Ｐ電極及びＮ電極が上面に形成されているＬＥＤ素子を例に説明したが、Ｐ電極及びＮ電極が上面及び下面に１つずつ形成されている素子、またはＰ電極及びＮ電極の両方が下面に設けられているフリップチップ素子を用いてもよい。

また、上記実施例においては、発光素子として赤色ＬＥＤ素子を例に説明したが、青色ＬＥＤ素子等の他の色の光を発するＬＥＤ素子も使用可能である。白色光を発する発光装置を製造する場合には、青色ＬＥＤ素子を使用し、図２ｂに示すドーム部成形工程の前に、青色ＬＥＤ上に、例えば、青色光によって励起されて黄色蛍光を発するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）に付活剤としてＣｅ（セリウム）を導入したＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体が分散されている波長変換層を形成して白色光を得てもよい。

また、上記実施例においては、１つの発光素子を砲弾型のレンズ体内に配置することとしたが、複数の素子を１つの砲弾型レンズ体内に配置してもよい。また、上記実施例においては、円柱状の胴体部及び半球ドーム状の砲弾型のレンズ体を形成することとしたが、発光素子アレイ上にレンズ体を形成するときは、四角柱の胴体部とその上に形成されたシリンドリカルレンズとを組み合わせた形状のレンズ体を形成することとしてもよい。その場合は、例えば、半円柱状の凹部を有する金型を用いてレンズ体の上部の半円柱ドーム部を成形し、その後、半円柱ドーム部の周囲の樹脂を、矩形断面を有する板状カッターを直線に移動させて除去することで下部の四角柱である胴体部を形成して、レンズ体を形成する。

上述の実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び使用される発光素子、封止樹脂等に応じて、適宜選択することができる。

１０ 発光装置
１１ 基板
１３ 発光素子
１４ ワイヤ
１５ レンズ体
１５Ａ 胴体部
１５Ｂ ドーム部
１７ モールド樹脂
３０ 金型装置
３１ 成形部
３３ ヒータ
３５ ドーム成形部
３７ 平坦成形部
４０ カッター
５０ 発光装置
５１ 溝部
５３ 反射体

Claims (6)

1. 基板上に発光素子を搭載するステップと、
   前記発光素子を覆い前記基板に接する胴体部と、前記胴体部上のドーム部とからなるレンズ体を形成するステップと、を有し、
   前記レンズ体を形成するステップは、
   コンプレッションモールド法によって前記発光素子を包含する透光性樹脂層及び前記透光性樹脂層から突出するドーム部を形成するドーム部形成ステップと、
   前記ドーム部の底面と前記基板との間の前記胴体部とすべき領域の周囲の前記透光性樹脂層を前記基板に達するまで除去し、前記胴体部を形成するステップと、
   を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 前記ドーム部形成ステップは、前記ドーム部に対応する形状の凹部と前記凹部の周囲に配された平坦部とを有する金型を用いたコンプレッションモールドによって行われ、前記コンプレッションモールドにおいて、前記凹部表面の温度が前記平坦部表面の温度よりも高いことを特徴とする請求１に記載の製造方法。
3. 前記胴体部を形成するステップは、前記胴体部とすべき領域の周囲に溝部を形成するように前記透光性樹脂を除去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. 前記溝部に光反射性を有する樹脂を充填するステップを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
5. 前記胴体部は、前記ドーム部に連続に形成された円柱形状又は円錐台形状を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記胴体部は、基板から上方に向けて断面が大きくなる逆円錐台形状を有することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。

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