JP2014093435A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】鉛直方向が側方より発光強度が高い発光素子であっても、色ムラの発生を抑止することができる発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光装置10は、絶縁性基板21に電極が形成された基板20と、鉛直方向がピークとなる発光強度分布の発光素子30と、発光素子30からの光に励起されて波長変換した光を発生する蛍光体が含有された第1の波長変換層50と、第1の波長変換層50を被覆する半球状の光透過層60と、発光素子30の鉛直方向を含む光透過層60上の凹部60aに、第1の波長変換層50を通過した発光素子30からの光を、含有させた蛍光体により波長変換して色度を補正する第2の波長変換層70とを備えている。第1の波長変換層50と第2の波長変換層70とに含有させた蛍光体は、同じ種類のものとすると、第1の波長変換層50と第2の波長変換層70を成形する蛍光体を含有した樹脂を複数種類用意する必要がない。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光素子からの光に励起されて発光する蛍光体が含有された蛍光体層が、発光素子を被覆した発光装置およびその製造方法に関するものである。
発光素子からの光に励起され、波長変換する蛍光体を樹脂層に含有させて、発光素子を被覆することで、新たな発光色を得ることができる。例えば、発光素子からの青色光と、青色と補色の関係にある蛍光体からの黄色光を混色させることで、白色に発光する発光装置とすることが知られている。
このような発光装置として、特許文献1に記載されたものが知られている。
この特許文献1に記載の発光装置は、発光素子を覆う蛍光体層の上面部の外周端部を、ダイサーブレードで研磨して、少なくとも1段以上の階段状の段差部を形成したものである。特許文献1に記載の発光装置は、蛍光体層に段差部を設けることで、蛍光体層の外周端部を通過する斜め方向の青色光の光路長と、蛍光体層の上面部と側面部を通過する青色光の光路長とを、ほぼ等しくすることで、発光色の色ムラの発生を防止している。
特開2007−42749号公報
しかし、蛍光体層の上面部と、この上面部の外周端部を、ダイサーブレードや砥石で研磨して、蛍光体層の上面部と側面部を通過する青色光の光路長を等しくしても、発光素子の発光強度は、側方より斜め上方、更に、斜め上方より直上方向である鉛直方向の方が大きいため、鉛直方向の光は、側方への光より多く、蛍光体層から波長変換されずに抜けてしまう。従って、鉛直方向の蛍光層の発光色と、側方の蛍光層の発光色とで異なり、これが色ムラとなって観察されてしまう。
そこで本発明は、鉛直方向が側方より発光強度が高い発光素子であっても、色ムラの発生を抑止することができる発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、鉛直方向がピークとなる発光強度分布の発光素子を、前記発光素子からの光に励起されて波長変換した光を発生する蛍光体が含有された第1の波長変換層により被覆すると共に、前記第1の波長変換層を光透過層により被覆し、光透過層に、前記発光素子の鉛直方向を含む前記光透過層上の一部の範囲に、前記第1の波長変換層を通過した前記発光素子からの光を、含有させた蛍光体により波長変換して色度を補正する第2の波長変換層を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、第1の波長変換層を抜けた発光素子からの鉛直方向の光が、第2の波長変換層により波長変換されることにより、色度が補正され、色度ばらつきを抑えることができるので、鉛直方向が側方より発光強度が高い発光素子であっても、色ムラの発生を抑止することができる。
本発明の実施の形態1に係る発光装置を示す断面図 (A)〜(F)は、図1に示す発光装置の製造方法を説明するための各工程の断面図 本発明の発光装置(発明品)と従来の発光装置(比較品)とにおける、発光時の出射角度に対する色度Cx値の変化を示すグラフ (A),(B)は図1に示す発光装置の変形例の断面図 本発明の実施の形態2に係る発光装置を示す断面図 (A)〜(F)は、図5に示す発光装置の製造方法を説明するための各工程の断面図 (A)〜(C)は図5に示す発光装置の変形例の断面図
本願の第1の発明は、鉛直方向がピークとなる発光強度分布の発光素子と、前記発光素子からの光に励起されて波長変換した光を発生する蛍光体が含有された第1の波長変換層と、前記第1の波長変換層を被覆する光透過層と、前記発光素子の鉛直方向を含む前記光透過層上の一部の範囲に、前記第1の波長変換層を通過した前記発光素子からの光を、含有させた蛍光体により波長変換して色度を補正する第2の波長変換層とを備えたことを特徴とした発光装置である。
第1の発明によれば、第2の波長変換層が、発光素子の鉛直方向を含む光透過層上の一部の範囲に形成されているため、第1の波長変換層により波長変換されなかった発光素子からの鉛直方向の光が、第2の波長変換層に含有させた蛍光体により波長変換され、色度が補正されるので、色度ばらつきを抑えることができる。
本願の第2の発明は、第1の発明において、第1の波長変換層と前記第2の波長変換層とに含有させた蛍光体を、同じ種類のものとしたことを特徴とする発光装置である。
第2の発明によれば、第1の波長変換層と第2の波長変換層とに含有した蛍光体を、同じ種類のものとしているため、波長変換の度合いが、第1の波長変換層と第2の波長変換層とを通過する光路の長さにより決定される。従って、第1の波長変換層と第2の波長変換層との波長変換の度合いは、それぞれの層厚により調整することができるため、色度の補正を容易に行うことができる。
本願の第3の発明は、第1または第2の発明において、前記第2の波長変換層は、前記発光素子の鉛直方向が厚く、周縁部が薄く形成されていることを特徴とした発光装置である。
第3の発明によれば、第2の波長変換層は、前記発光素子の鉛直方向が厚く、周縁部が薄く形成されているので、鉛直方向の波長変換の度合いを高く、周縁部を低くすることができる。従って、発光強度が鉛直方向にピークがあり、鉛直方向から離れるに従って徐々に小さくなる発光素子に対して、最適な色度の補正を、効率的に行うことができる。
本願の第4の発明は、第1から第3のいずれかの発明において、光透過層の頭頂部に凹部が設けられ、第2の波長変換層は、前記凹部に形成されていることを特徴とした発光装置である。
第4の発明によれば、第2の波長変換層が、光透過層の頭頂部に設けられた凹部に形成されていることで、凹部の形状に合わせて第2の波長変換層を形成することができる。
本願の第5の発明は、第1から第4のいずれかの発明において、光透過層は、略半球状に形成されていることを特徴とした発光装置である。
第5の発明によれば、光透過層が略半球状に形成されていることで、光透過層に光取り出し効率を高める効果を持たせることができる。
本願の第6の発明は、第1から第4のいずれかの発明において、光透過層は、略直方体状に形成されていることを特徴とした発光装置である。
第6の発明によれば、光透過層が半球状であれば円弧面による光学特性を得ようとするためには、ある程度の大きさが必要となるが、光透過層を直方体状とすると、発光素子の鉛直方向や水平方向の長さを小さくしても、光学的な影響が小さいため、発光装置全体のサイズを小さくすることができる。
本願の第7の発明は、鉛直方向がピークとなる発光強度分布の発光素子に、前記発光素子からの光に励起されて波長変換した光を発生する蛍光体が含有された第1の波長変換層を被覆する工程と、前記第1の波長変換層に、光透過層を被覆する工程と、蛍光体が含有され、前記発光素子の鉛直方向を含む前記光透過層上の一部の範囲に、前記第1の波長変換層を通過した前記発光素子からの光を波長変換して色度を補正する第2の波長変換層を成形する工程とを含むことを特徴とした発光装置の製造方法である。
第7の発明によれば、第1の波長変換層により波長変換されなかった発光素子からの光を、第2の波長変換層に含有させた蛍光体により波長変換して色度を補正することができる発光装置を製造することができる。
本願の第8の発明は、第7の発明において、光透過層を前記第1の波長変換層に被覆する工程は、凹部の底部に凸部が形成された金型に、前記光透過層を成形する樹脂を充填すると共に、前記第1の波長変換層が被覆された発光素子を浸漬して、前記樹脂を硬化させ、第2の波長変換層を成形する工程は、前記凸部により形成された凹部に、ポッティングにより前記蛍光体を含有した樹脂を充填して硬化することを特徴とした発光装置の製造方法である。
第8の発明によれば、金型の底部に形成された凸部により光透過層に凹部を成形することができ、この凹部にポッティング法により蛍光体を含有した樹脂を充填して硬化させることで、容易に第2の波長変換層を成形することができる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る発光装置を図面に基づいて説明する。
図1に示す発光装置10は、基板20と、発光素子30と、反射層40と、第1の波長変換層50と、光透過層60と、第2の波長変換層70とを備えている。
基板20は、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックスから形成された絶縁性基板21と、絶縁性基板21のおもて面に形成された発光素子30が導通搭載されるおもて面電極22,23と、実装基板の端子に接続するための裏面電極24,25と、おもて面電極22,23および裏面電極24,25を接続するスルーホール電極26,27とを備えている。
発光素子30は、GaN基板やサファイア基板、SiC基板上に形成された窒化物半導体からなり、紫外光から青色光を発する特性を有したフリップチップ実装されるLEDである。発光素子30は、基板20にバンプBを介在させて搭載される。
反射層40は、発光素子30が側方へ出射する光を反射して、発光効率を向上させるものである。反射層40は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透光性樹脂に、酸化チタンなどの反射材を含有させたものとすることができる。
第1の波長変換層50は、発光素子30を被覆するものである。第1の波長変換層50は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透光性樹脂により形成することができる。第1の波長変換層50には、発光素子30からの光を受けることで励起され、波長変換した光を発生する蛍光体を含有している。蛍光体としては、発光素子30が青色光を発光するので、青色光と補色となる黄色光を発光するものとすることで、白色発光させている。また、緑色光、赤色光を発光する蛍光体を組み合わせることで、白色発光させてもよい。蛍光体は、YAG系蛍光体、シリケート系蛍光体、珪酸塩蛍光体、酸化物蛍光体、酸窒化物蛍光体を使用することができる。また、蛍光体は、1種類としてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。
光透過層60は、略半球状に形成され、頭頂部に凹部60aが形成され、下端部の周縁部になだらかに拡がる裾野部60bが形成されている。この凹部60aは、発光素子30の発光面中心の鉛直方向を中心として、球面の一部を切り取った円弧面に形成されている。本実施の形態1では、発光素子30の発光面の中心の鉛直方向を中心軸として、30°の角度の円形の範囲に形成されている。
光透過層60は、蛍光体を含有しておらず、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂による透明樹脂により形成することができる。光透過層60は、第1の波長変換層50または第2の波長変換層70の屈折率と同じ、または必要に応じて変えてもよい。
第2の波長変換層70は、発光素子30の鉛直方向を含む光透過層60上の一部の範囲とした、光透過層60の凹部60aに設けられている。第2の波長変換層70は、中央部が厚く、発光素子30の鉛直方向である中心部が厚く、周縁部が薄い両凸状の凸レンズに形成されている。蛍光体は、第1の波長変換層50と同様に、YAG系蛍光体、シリケート系蛍光体、珪酸塩蛍光体、酸化物蛍光体、酸窒化物蛍光体を使用することができる。また、蛍光体は、1種類としてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。本実施の形態1では、第1の波長変換層50に含有される蛍光体と、第2の波長変換層70に含有される蛍光体とは、同じ種類のものとしている。なお、第1の波長変換層50に含有される蛍光体と、第2の波長変換層70に含有される蛍光体とを同じ濃度としてもよい。
また、第2の波長変換層70が光透過層60の凹部60aの形状に応じて形成されるため、第2の波長変換層70は発光素子30の発光面中心の中心軸から30°の範囲に形成されている。
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る発光装置の製造方法を説明する。
まず、図2(A)に示すように、発光素子30を、絶縁性基板21におもて面電極22,23,裏面電極24,25およびスルーホール電極26,27などの所定の電極パターンが形成された基板20となる大判の基板に、バンプBを介在させて搭載する(搭載工程)。
次に、図2(B)に示すように、発光素子30の周囲に反射材を含有した樹脂を流し込み硬化させ、反射層40を成形する(反射層形成工程)。
次に、図2(C)に示すように、スクリーン印刷法により蛍光体を含有した樹脂を印刷版の開口に充填し、硬化させて第1の波長変換層50を成形する。もしくは蛍光体を含有したシート状の樹脂を配置し、固定する(第1の波長変換層形成工程)。
次に、図2(D)に示すように、光透過層60の外形を象った金型(凹型)Mを準備し、光透過性樹脂を充填し、第1の波長変換層50で被覆した発光素子30を光透過性樹脂中に浸漬して、コンプレッションモールド法により光透過層60を成形する。金型Mの底面に形成された凸部41が光透過層60の凹部60a(図1参照)となる。
次に、図2(E)に示すように、蛍光体を含有した樹脂を凹部60aにポッティング法により充填して硬化させ、第2の波長変換層70を成形する。
そして、ダイシングラインをダイサーにより分割して個片化することで、図2(F)に示すように発光装置10を形成することができる。
次に、本発明の実施の形態に係る発光装置の動作および使用状態を説明する。
発光装置10の裏面電極24,25に電圧を印加することで、スルーホール電極26,27およびおもて面電極22,23を介して発光素子30へ電流が流れる。発光素子30へ電流が流れることで、発光素子30が発光する。
発光素子30の発光により、まず第1の波長変換層50に発光素子30からの青色光が入射する。第1の波長変換層50にて青色光が黄色光に変換されて、青色光と共に黄色光が出射することで、混色して、混色光である白色光となる。
しかし、発光素子30の発光強度は、鉛直方向にピークがあるため、鉛直方向の方が、側方や斜め上方より大きい。従って、発光素子30から出射した鉛直方向の光のうちの一部が、第1の波長変換層50にて波長変換されずに抜けてしまう。しかし、第1の波長変換層50にて波長変換されずに抜けた青色光は、光透過層60を通過して第2の波長変換層70にて波長変換することができるので、第2の波長変換層70に含有させた蛍光体により波長変換され、色度が補正されるので、色度ばらつきを抑えることができる。
よって、発光装置10は、鉛直方向が側方より発光強度が高い発光素子30であっても、色ムラの発生を抑止することができる。
また、光透過層60の頭頂部の円弧面による凹部60aに、ポッティング法により第2の波長変換層70を成形しているので、発光素子30の鉛直方向の波長変換の度合いが高く、周縁部の波長変換の度合いを低くすることができる。従って、鉛直方向にピークがあり、中心軸との角度が大きくなるに従って徐々に発光強度が小さくなる発光素子30からの光の波長変換を効率よく行うことができる。
また、光透過層60が略半球状に形成されているため、第2の波長変換層70の外周側となる肩部60c(図1参照)が円弧面となる。また、第2の波長変換層70はポッティング法により成形されているため界面張力により出射方向に凸状となる。従って、光透過層60と第2の波長変換層70との外形は、全体で半球状をなすため、露出した光透過層60の肩部60cだけでなく、肩部60cと第2の波長変換層70とで凸レンズ形状であることから、空気層と樹脂層の屈折率の差で生じる全反射による戻り光を減らす効果を得ることができる。
また、第1の波長変換層50と第2の波長変換層70とに含有される蛍光体を同じものとすることで、第1の波長変換層50と第2の波長変換層70とによる波長変換が光路の長さで決定されるので、蛍光体の含有濃度、層厚を調整することで色度の補正を容易に行うことができる。
更に、光透過層60の頭頂部の凹部60aに第2の波長変換層70を設けているため、第2の波長変換層を光透過層の凹部に応じた形状にすることができ、この凹部は金型の底面に形成された凸部により簡単に形成することができるので、発光素子30の発光強度分布、波長変換の度合いに応じた形状に容易に形成することができる。
(実施例)
図1に示す発光装置10を作製して色度の補正度合いを確認した。比較のため、光透過層60に第2の波長変換層70の形状を含む半球状に光透過層を成形して、第2の波長変換層を省略した従来の発光装置を比較品として作製した。
図3に、本発明の発光装置(発明品)と従来の発光装置(比較品)とにおける、発光時の出射角度に対する色度Cx値の変化を示す。従来の発光装置では、図3に示すように、発光素子30の発光面の中心の鉛直方向を中心軸として、約60°の範囲(±30°)で色度が徐々にばらつき始めていることがわかる。
発明品である発光装置10では、第2の波長変換層70が中心軸から30°の範囲に形成されているため、蛍光体の粒子により発光素子30からの光が30°の範囲より広い範囲に拡散する。また、第2の波長変換層70が凸レンズ形状をしているため、更に広い範囲に拡散される。このようにして、図3に示すように、発明品である発光装置10では、色度のばらつきが、30°の範囲内で改善されるだけでなく、60°の範囲で改善され、平坦化して小さくなっていることがわかる。また、発光装置10では、鉛直方向での青色光が黄色光に変換され、中心部0°付近の色度Cx値が上昇し、全出射角度における色度変化が小さくなり、色ムラが改善されていることがわかる。
なお、本実施の形態1では、凹部60aを円弧面としているが、図4(A)に示すように、切り取り面を水平面とした光透過層60xとすることで、第2の波長変換層70xを球体の一部を切り取った平凸状としたり、図4(B)に示すように、凹部を円柱状とした光透過層60yとすることで、第2の波長変換層70yを円柱状としたりすることができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る発光装置を図面に基づいて説明する。なお、図5においては、図1と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態2に係る発光装置11は、光透過層61が略直方体状に形成されている。
この光透過層61の頭頂部に略直方体状の凹部61aが形成されており、凹部61aに第2の波長変換層71が形成されている。
この発光装置11の製造方法は、まず、図6(A)に示すように、発光素子30を、所定の電極パターンが形成された基板20となる大判の基板に、バンプBを介在させて搭載する(搭載工程)。
次に、図6(B)に示すように、発光素子30の周囲に反射材を含有した樹脂を流し込み硬化させ、反射層40を成形する(反射層形成工程)。
次に、図6(C)に示すように、スクリーン印刷法により蛍光体を含有した樹脂を印刷版の開口に充填し、硬化させて第1の波長変換層50を成形する。もしくは蛍光体を含有したシート状の樹脂の接着面にシリコーン樹脂を接着材として付与して配置し、固定する。また、加熱して軟化状態のシート状のシリコーン樹脂を発光素子30の天面に配置し、硬化させて固定する(第1の波長変換層形成工程)。ここまでは、実施の形態1に係る発光装置の製造方法(図2(A)〜同図(C)参照)と同じである。
次に、図6(D)に示すように、基板20となる大判の基板を囲う開口が形成された型枠に、光透過性樹脂を流し込み、第1の波長変換層50で被覆した発光素子30を含む基板20上全体に光透過層60となる樹脂層65を成形する。そして、発光素子30に対応させて、樹脂層65の上面に、凹部61aを切削により形成する。このとき凹部61aの切削形状により第2の波長変換層71(図5参照)の形状を決定することができる。本実施の形態2では、直方体状に凹部61aを掘り下げている。
次に、図6(E)に示すように、光透過層61の凹部61aに、蛍光体を含有した樹脂をポッティング法により充填して硬化させ、第2の波長変換層71を成形する。この第2の波長変換層71は、凹部61aの輪郭形状に形成したシート状の樹脂を配置することでもよい。例えば、シート状の樹脂の接着面にシリコーン樹脂を接着材として凹部61aに付与して配置し、固定したり、また加熱して軟化状態のシート状のシリコーン樹脂を凹部61aに配置し、硬化させて固定したりすることができる。
そして、ダイシングラインをダイサーにより分割して個片化することで、図6(F)に示すように発光装置11を形成することができる。
例えば、半球状とした図1に示す発光装置10の光透過層60であれば、円弧面による光学特性を得ようとするためには、ある程度の大きさが必要となるが、光透過層61を略直方体状とすることで、発光素子30の鉛直方向や水平方向の長さを小さくしても、光学的な影響が小さいため、発光装置全体のサイズを小さくすることができる。
なお、本実施の形態2では、光透過層61に直方体状の凹部61aを形成して、第2の波長変換層71を成形しているが、図7(A)に示すように、凹部を円錐状としたり、多角錐状としたりした光透過層61xとすることで、鉛直方向となる中心部を厚く、周縁部を薄く形成した第2の波長変換層71xとしてもよい。
また、図7(B)に示すように、直方体状に成形した光透過層61yの平面である上面に載せるようにして円柱状または直方体状の第2の波長変換層71yを成形してもよい。
更に、図7(C)に示すように、鉛直方向に凸の円錐状の第2の波長変換層71zとしてもよい。
以上、本発明の実施の形態1,2に係る発光装置10,11を説明した。本実施の形態1,2では、第1の波長変換層と第2の波長変換層とにそれぞれ含有される蛍光体を同じ種類としているが、1種類の異なる蛍光体としたり、組み合わせが異なる蛍光体としたりしてもよい。同じ蛍光体、または異なる蛍光体とする場合でも、同じ濃度としたり、異なる濃度としたりすることができる。第1の波長変換層50に含有される蛍光体と、第2の波長変換層70,70x〜71zに含有される蛍光体とを、同じ種類のもので、同じ濃度とすれば、より波長変換の度合いの調整が容易となるため、更に色度の補正を容易に行うことができる。
本発明は、鉛直方向が側方より発光強度が高い発光素子であっても、色ムラの発生を抑止することができるので、発光素子からの光に励起されて発光する蛍光体が含有された蛍光体層が、発光素子を被覆した発光装置およびその製造方法に好適である。
10,11 発光装置
20 基板
21 絶縁性基板
22,23 おもて面電極
24,25 裏面電極
26,27 スルーホール電極
30 発光素子
40 反射層
41 凸部
50 第1の波長変換層
60,60x,60y,61,61x,61y 光透過層
60a,61a 凹部
60b 裾野部
60c 肩部
65 樹脂層
70,70x,70y,71,71x,71y,71z 第2の波長変換層
B バンプ
M 金型

Claims (8)

  1. 鉛直方向がピークとなる発光強度分布の発光素子と、
    前記発光素子からの光に励起されて波長変換した光を発生する蛍光体が含有された第1の波長変換層と、
    前記第1の波長変換層を被覆する光透過層と、
    前記発光素子の鉛直方向を含む前記光透過層上の一部の範囲に、前記第1の波長変換層を通過した前記発光素子からの光を、含有させた蛍光体により波長変換して色度を補正する第2の波長変換層とを備えたことを特徴とする発光装置。
  2. 前記第1の波長変換層と前記第2の波長変換層とに含有させた蛍光体を、同じ種類のものとした請求項1記載の発光装置。
  3. 前記第2の波長変換層は、前記発光素子の鉛直方向が厚く、周縁部が薄く形成されている請求項1または2記載の発光装置。
  4. 前記光透過層の頭頂部に凹部が設けられ、
    前記第2の波長変換層は、前記凹部に形成されている請求項1から3のいずれかの項に記載の発光装置。
  5. 前記光透過層は、略半球状に形成されている請求項1から4のいずれかの項に記載の発光装置。
  6. 前記光透過層は、略直方体状に形成されている請求項1から4のいずれかの項に記載の発光装置。
  7. 鉛直方向がピークとなる発光強度分布の発光素子に、前記発光素子からの光に励起されて波長変換した光を発生する蛍光体が含有された第1の波長変換層を被覆する工程と、
    前記第1の波長変換層に、光透過層を被覆する工程と、
    前記蛍光体が含有され、前記発光素子の鉛直方向を含む前記光透過層上の一部の範囲に、前記第1の波長変換層を通過した前記発光素子からの光を波長変換して色度を補正する第2の波長変換層を成形する工程とを含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
  8. 前記光透過層を前記第1の波長変換層に被覆する工程は、凹部の底部に凸部が形成された金型に、前記光透過層を成形する樹脂を充填すると共に、前記第1の波長変換層が被覆された発光素子を浸漬して、前記樹脂を硬化させ、
    前記第2の波長変換層を成形する工程は、前記凸部により形成された凹部に、ポッティング法により前記蛍光体を含有した樹脂を充填して硬化する請求項7記載の発光装置の製造方法。
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