JP2014179384A

JP2014179384A - Ｌｅｄの製造方法

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Publication number: JP2014179384A
Application number: JP2013050950A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Matsunaga; 正文松永
Original assignee: Mtek Smart Corp
Current assignee: Mtek Smart Corp
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP6233872B2

Abstract

【課題】高品質のＬＥＤを大量にかつ製造コストを低く抑えることができるＬＥＤの製造方法を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ１１にバインダーまたはバインダーリッチの層を形成し基板との密着性を高め、その上からマスク１４をして蛍光体または蛍光体リッチの層１５を形成し、マスク１４上の蛍光体または蛍光体とバインダーの混合体を回収して再利用する。
【選択図】図２

Description

本発明はＬＥＤに蛍光体を施与してＬＥＤを製造する方法に関する。
特に、本発明は樹脂、溶液、蛍光体を含むスラーリーなどをＬＥＤに充填または塗布し乾燥硬化する方法に係わり、さらには白色発光ＬＥＤを製造するための方法に係わる。尚、本明細書中ＬＥＤ用部材とは完成品としてのＬＥＤを製造する途中の中間部品としての部材等を意味しており、また本発明の塗布とは、連続的又は断続的なディスペンス、インクジェット、マイクロカーテン施与、スロットノズル施与、スクリーンプリンティング方式、霧化施与、スプレイ等を含むがこれらに限定するものではない。

従来、白色発光ＬＥＤの製造方法として紫外光や青色発光ダイオードにＲＧＢや少なくとも一つのＹＡＧ、ＴＡＧ，シリカ(ｓｉｌｉｃａ)系などの蛍光体と2液反応熱硬化タイプシリコーンなどのバインダーを混合したスラーリー(slurry)をディスペンサー装置でディスペンス(dispense)したり、更に溶剤などを加えて粘度を低くし微粒子発生装置の一種であるスプレイ装置などを用いてＬＥＤに直接スプレイ(spray)し被覆していた。

特許文献１は本出願人により加熱したＬＥＤチップ(chip)に蛍光体（phosphor）とバインダーと溶媒を含むスラーリーを圧縮エア(air)を用いて薄膜で多層にスプレイ塗布し、一般的なスプレイ方法ではコーティング(coating)することが難しいとされるＬＥＤの側壁にも付着させてＬＥＤを製造する方法が提案されている。

特許文献２にはＬＥＤチップにシリコーン(silicon)などのバインダー(binder)を被覆し硬化させて、その上に蛍光体、バインダー、溶剤からなるスラーリー(slurry)を塗布し、必要により拡散材などをそれらに混合して積層する方法が提案されている。

非特許文献１などに開示されているようなディスペンサー(dispenser)を用いる方法はハイパワー(high power)でない砲弾型ＬＥＤやバックライト(back light)向けなどのカップ(cup)の内側に装着されたチップに前記スラーリーを充填して大量生産向けに多く採用されている。

しかし、特許文献１の方法ではパルス的にスラーリーを塗布できるのでＬＥＤチップの側壁もコーティングでき、また薄膜で多層に塗布するのでＬＥＤチップのエッジカバーもよく、塗着効率も極めて高くできるが、セラミックスなどのＬＥＤ基板に組み込まれたＬＥＤとＬＥＤの間まで塗布するか、不必要な個所はマスクをして塗布するので蛍光体の使用効率は低かった。特にＬＥＤ間の距離が離れている場合は極めて効率が悪かった。

特許文献２ではバインダーをLEDチップに被覆し硬化させた後、その上に蛍光体を含むスラーリーをエアスプレイ方法で塗布する方法が開示されているが、通常のエアスプレイで塗着効率も悪いうえに特許文献１よりも蛍光体の使用効率は更に低いことが容易に予想できる。

一方、非特許文献１などに開示されるような簡易装置を使用して無溶剤のシリコーンなどのバインダーと蛍光体からなるスラーリーをディスペンサーなどで塗布する場合はマスキングを必要とせず生産性も高いが、図７に示すようにＬＥＤチップの中央が盛り上がり、端部が薄くなって垂直光のみならず空間分布も悪く、ハイパワーの照明用としては不向きであった。
また仮にカップ状にしても膜厚が厚いため乱反射等で光のロスが生じ蛍光体のロスにつながっていた。

ＷＯ２０１１／０８３８４１Ａ１ＵＳ８０５８０８８Ｂ２

武蔵エンジニアリングカタログ

劣り、スクリーン印刷法ではバインダーのシリコーン樹脂などは２液硬化タイプを使用するのでポットライフの関係で長時間使用できず、しかしコーティング品質を安定させるために大量にスラーリーを作成する必要があったため、使用効率は極めて低かった。蛍光体膜を均一に形成できるＵＳ６５７６４８８Ｂ２の電気泳動方式は理想的であったがプロセスが複雑で業界では敬遠されがちであった。
ＬＥＤチップに可能な限り薄く均一に蛍光体膜を形成させ、蛍光体の使用効率を上げることが業界では求められていた。

本発明は前述の課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は性能が従来工法より遥かに優れ蛍光体の使用効率の高いＬＥＤ製造方法を提供することである。

本発明は、ＬＥＤにバインダーのみまたは第１の蛍光体とバインダーからなり、その重量比率が０．００：１乃至１：１の混合体を少なくとも１層充填または塗布する第一の工程と、前記塗布した層またはＬＥＤ部材の上に少なくともＬＥＤの部分が開口されているマスクをセットする第二の工程と、第２の蛍光体と溶媒のみのスラーリー又は第２の蛍光体とバインダーの重量比率が１：０．００乃至１：０．５の混合体と溶媒からなるスラーリーを少なくとも１層充填または塗布する第三の工程からなり、マスク上に付着した蛍光体を回収することを特徴とするＬＥＤの製造方法を提供する。

前記本発明の製造方法において、前記第２の蛍光体は赤、緑、青、黄色から選択される１種類以上の蛍光体を選択し、前記マスクはそれぞれの色に対応して用意されることを特徴とするＬＥＤの製造方法を提供する。

前記本発明の製造方法において、前記第１の蛍光体及び第２の蛍光体は同一種類であることが好ましい。

前記本発明の製造方法において、前記ＬＥＤはウェハーレベルＬＥＤまたはＬＥＤ実装基板であることが好ましい。

前記本発明の製造方法において、前記ウェハーレベルＬＥＤまたはＬＥＤ実装基板に少なくともＬＥＤ部が開口したマスクをセットする第一の工程と、３０乃至１２０℃に加温したＬＥＤにバインダーのみまたは第１の蛍光体とバインダーの重量比が０．００：１乃至１：１からなる混合体を少なくともＬＥＤの周囲に充填する第二の工程と、第２の蛍光体と溶媒からなるスラーリーまたは第２の蛍光体とバインダーの重量比が１：０．００乃至１：０．５の混合体と溶媒とからなるスラーリーを少なくとも１層充填または塗布する第三の工程とからなり、マスク上に付着した第２の蛍光体または第２の蛍光体とバインダーの混合体を回収することを特徴とするＬＥＤの製造方法を提供する。

前記本発明の製造方法において、前記少なくとも第２の蛍光体を含むスラーリーの塗布は圧縮ガスによるスプレイ流を、または微粒子生成装置で発生した微粒子をジェット流に乗せて搬送し塗布することを特徴とするＬＥＤの製造方法を提供する。

前記本発明の製造方法において、前記スプレイ流または微粒子をジェット流に乗せる搬送が５乃至２００Ｈｚのパルス的に行われることが好ましい。

前記本発明の製造方法において、前記マスクを取り外し少なくとも第２の蛍光体を含むスラーリーの層の上からバインダーを５マイクロメートル以下の乾燥硬化膜厚で塗布することを特徴とするＬＥＤの製造方法を提供する。

本発明の製造方法によれば第１のバインダー又は第１の蛍光体とバインダーの混合体層はバインダーリッチであるので最終工程のレンズモールドでの密着性も問題ない。最初の層のバインダーまたは第１の蛍光体とバインダーの混合体には溶媒を加えて流動性を上げ、充填や例えばパルス的スプレイなどの塗布を容易に行うことができる。第２の蛍光体を含むスラーリー層の蛍光体はパルス的スプレイにインパクトを与えることによって又はジェット流に乗せて移送するのでバインダーまたはバインダーリッチの層に潜り込むように付着させることができる。

上記のように本発明によればＬＥＤの側壁やエッジのカバーができる、またはそれと同じ効果を得ることができるうえに、高価な蛍光体を容易に回収できるので、付加価値の高い高品質なＬＥＤが低コストで製造できる。

従来の特殊スプレイ塗布方式による略断面図である。本発明の実施の形態に係る略断面図である。本発明の実施の形態に係る略断面図である。本発明の実施の形態に係る略断面図である。本発明の実施の形態に係るマスクである。本発明により得られるＬＥＤの略断面図である。従来のディスペンス方式による略断面図である。本発明の実施の形態に係る略断面図である。本発明の実施の形態に係る略断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は発明の理解を容易にするための一例にすぎず本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加、置換、変形等を施すことを排除するものではない。

図面は本発明の好適な実施の形態を概略的に示している。

図１においてＬＥＤはスラーリーのパルス的スプレイ流にインパクトを与えながら薄膜で積層することによって、より具体的には本出願人が権利を有する特願２０１１−２００３９５の方法や装置を使用して行うことにより側面も被覆でき塗着効率は９０％以上が可能であり、好適な塗膜形成を行うことができるが不必要な個所まで塗布するので蛍光体の使用効率が極めて悪かった。基板上のＬＥＤ間のピッチが広いと蛍光体の使用効率は１０％に満たないことが多々あった。

また性能を上げるためには薄膜が求められ蛍光体の比率をバインダーより多くする必要があり、蛍光体が多すぎると樹脂のレンズモールディングングの際に基板との密着性が悪くなるため一般的にはマスクが必要であった。
図２以降に示す本発明の形態の第１変形例においては図１に示すＬＥＤなどと対応する部分については図１の参照番号に順次１０，２０，３０，４０，５０，６０をプラスして表記し以下には図１との相違を主として説明する。

図２においてＬＥＤチップ１１やワイヤー１２に干渉しないようにマスク１４をセットする。そしてマスク開口からバインダーまたはバインダーリッチのスラーリーを充填又は塗布し、また必要によりバインダーの硬化を促進させた後その上に第２の蛍光体からなるスラーリーを充填又は塗布する。前記バインダーまたは第１の蛍光体とバインダーの混合体は充填又は塗布しやすくまた気泡が混入しにくいように溶媒で希釈したほうが好ましい。またより蛍光体を均一分散させるために第１蛍光体を含むスラーリーも第２の蛍光体を含むスラーリーも複数回に分けて充填又は塗布を行いうことが肝要である。バインダーまたは第１の蛍光体を含むスラーリーを充填する場合の乾燥硬化したスラーリーの充填レベルはＬＥＤの高さの±３０マイクロメートルにした方がエッジカバーを良くしトータル膜厚を少なくすることができ、空間的色温度を調整しやすくできるので好ましい。また充填後の蛍光体の沈降を防ぐためにも、いずれの混合体やスラーリーも充填又は塗布を行う都度バインダーの硬化は促進たさせた方が好ましい。

図３においてＬＥＤ又はそれを含む基板等はバインダーまたは第１の蛍光体を含む混合体でコーティングされる。混合体には溶媒や拡散材を加えても良い。塗布装置は問わないがインパクトを付加したパルス的スプレイが好適である。
基板全体をコーティングする場合は後工程のレンズモールド樹脂の密着性を考慮すると蛍光体の含有量は重量比で５０％以下が好ましく、理想的には３乃至３０％以下が好ましい。理由はバインダーのみより蛍光体が存在するとチクソトロピック性が向上し側壁の垂れやエッジの引けが起こりにくいからである。また含有量はＬＥＤの側面から発光する量と体積当たりの色変換により決定すべきである。またマスクをセットする際は指触乾燥程度にバインダーの硬化を促進させることが好ましい。
また第２の蛍光体とバインダーを含むスラーリーを塗布する際はマスクを基板より少し浮かせた方がマスク上のバインダーの硬化のスピードを抑えられるので回収の面からは都合がよい。通常ＬＥＤは吸着加熱テーブルで吸着して熱伝導を良くするので、吸着力を弱めることにより達成できる。充填または塗布後はすばやくマスクを除去し吸着させて３０乃至１２０℃に加熱したテーブルからの熱伝導を上げることでバインダーの硬化を急速に促進させることができる。

図４においてＬＥＤ３１の周辺、または必要によりＬＥＤ上部まで充填されたバインダーまたは第１の蛍光体を含むスラーリーの塗布層の少なくとも一部とＬＥＤの上部に第２のスラーリーを塗布器でスプレイ塗布し蛍光体層３５を形成させる。塗布器はトラバースしながら蛍光体粒度分布を考慮して薄膜で３乃至１５層スプレイ塗布したほうがより均一に蛍光体を分散できるので性能は向上する。ＬＥＤの色温度分布を理想的なものにするためにＬＥＤの上部にマスク３４をセットしマスク開口部と塗布領域はＬＥＤの構造、ＬＥＤ周囲または上部の蛍光体の比率などにより決定すべきである。
またフィリップチップタイプを除きマスクの位置はワイヤー３２より高い位置にセットすることによりハンドリングが容易になるため自動化が図れる。

図５はマスク４４でＬＥＤチップやワイヤ−が干渉しないように開口が形成してある。

図６は本発明により形成された塗膜である。バインダーまたは第１の蛍光体を含むスラーリー層５３は複数層でよくまた第２の蛍光体を含むスラーリー層５５も複数層にした方が好ましい。バインダーが実質的に０の第２蛍光体のみのスラーリーの塗布後は振動等で蛍光体が離脱しないようにバインダーのみで薄膜でカバーコート層５５の形成もできる。もちろんのこと基板全体を例えば５マイクロメートル以下にコートできる。

図７は従来のディスペンサーなどにおけるＬＥＤ６１に蛍光体が含まれるスラーリーを塗布した略図で中央部の膜厚が厚くエッジ(edge)がカバー(cover)できないので色温度にバラツキが生じる。又塗布量が少ないとリード線６２が接合されるパッド付近は陰になり塗布されにくい。

図８、図9はバインダーまたはバインダーリッチ層７８に第２の蛍光体または第２の蛍光体とバインダーからなる粒子７９がスプレイ流またはジェット流で衝突し潜り込むイメージを表している。

従来技術では、例えば平均粒度分布が８マイクロメートル前後で１マイクロメートル以下から３０マイクロメートルの分布をしている比重の高い蛍光体と、比重の比較的低いバインダーと、必要により加えた溶媒とからなるスラーリーを単位面積当たり±１．５％のバラツキをもって一回で薄膜塗布するのは至難の業であった。またミクロ的に見たら粒子の大きい部位と小さい部位は当然存在する。

本発明では特願２０１１−２００３９５の技術を第１のバインダーまたはスラーリーや第２の蛍光体を含むスラーリーの分散や充填、塗布に応用し図示しない例えばスラーリーが充填されたシリンジと塗布器と小型ポンプで循環回路を形成し、必要によりシリンジ内のスラーリーを撹拌して均一に分散させながら循環させ、又はスラーリーが充填されたシリンジを含む循環回路内に撹拌兼ポンプ機構を形成することにより塗布器に加圧流を経由させてシリンジ上流に戻して循環させ、又は二つのシリンジ間のスラーリーに差圧をもって交互に移動させ、片方のシリンジへの移動は１５ＫＰａ乃至４０Ｋｐａの液圧差で流速を上げ噴流を発生させながら均一に分散させたスラーリーを吐出して薄膜で可能な限り多層に塗布する。
特にバインダーが事実上０又は極端に少ないスラーリーの分散には流速をあげて分散することが重要である。

このようにすることにより確率の面からも塗布膜の粒度分布を均一にすることができる。更に循環回路の好ましい部位に超音波等の振動を付加することにより良好な分散状態を保つことができる。更に好適な塗膜形成ではＬＥＤの表面を電気泳動と同じく導電性を持たせることにより、例えばスプレイ塗布の場合、霧化された粒子を静電気などで帯電させることにより静電反発で霧化粒子同士の凝集を防ぎ微粒子も付着させることができるので理想的な蛍光体塗布ができる。

また本発明は、一種類のスラーリーを単一の塗布器で多層に塗布することに限定するものでなく、複数の塗布器で複数の蛍光体を多層塗布することも出来る。すなわち、本発明によれば、１つの塗装ブース内に複数の塗布器を設置した塗布装置を用い、種類の異なる複数の蛍光体をＬＥＤに積層し乾燥させてＬＥＤを製造することができる。上記少なくとも２種類の蛍光体の積層は少なくとも赤色、緑色、黄色、青色の蛍光体から選択することが出来る。

また、上記少なくとも第２の蛍光体を含むスラーリーの蛍光体は少なくともバインダ−を実質的に０にまた可能な限りバインダーを少なくするようにしたスラーリーとすると回収し蛍光体の再利用の面で好適である。

蛍光体の回収に適してさえいればマスクの寸法や形状、材質は問わないが、高性能のまま蛍光体を回収し再利用する場合は蛍光体で研磨されにくいセラミックス系材質が理想である。

またコンタミネーションの面からもＬＥＤ表面や蛍光体に使用される材質と同じか影響を与えない例えばセラミックなどの材質が好ましい。
特にマスクを再使用し回収効率を高めるためには、マスクを建築用の外壁ボードなどに施される汚染防止などのフッ素系やセラミックス系の処理剤で被覆するとゲル化が進んだマスク上の塗膜も剥離しやすい。また高速生産向けには、例えばフッ素系やポリイミドアミド樹脂に代表されるような予め耐熱、耐溶剤性のプラスチックフィルムを基板上に部分的に或いは前面に基板側にシリコーン系、架橋したアクリル系ウレタン系等の耐熱、耐溶剤性の粘着剤を施して予めラミネートすることもできる。

塗布器がエアスプレイあるいはエアアシストスプレイあるいは特に第２蛍光体からなるスラーリーを粒子製造装置で粒子化した後ジェット流で蛍光体粒子を搬送する場合、ＬＥＤ基板表面でのそれらのパターン幅は１乃至２０ｍｍ程度になるようにすることが好ましい。パターン幅はチップの形状や種類によりチップ全体の所望するそれぞれの部位の膜厚を考慮して選択すべきである。ＬＥＤチップのエッジや側壁を所望する膜厚にするには、特願２０１１−２００３９５によるインパクトを備えたパルス的スプレイ方法やジェット流で搬送する場合でも蛍光体粒子もジェット流もパルス的に行うとより効果的である。

スプレイする場合などフロー性やバインダーの硬化を促進させること、スプレイなどの塗膜形成時に発生する気化熱による温度低下などを考慮してＬＥＤを３０乃至１２０℃の範囲に加温し、ＬＥＤとスプレイヘッドとの距離を５乃至９０ｍｍに設定し、ＬＥＤに到達する際のスプレイパターン幅を１乃至２０ｍｍとし、スプレイエア圧を０．１乃至０．４ＭＰａでパルス的に噴出させ、パルス的にインパクトを与えながらスプレイすることが好適である。
更にシリコーンなどの濡れにくいバインダーからなるスラーリーを使用する場合には塗布材にインパクトを与えながらＬＥＤ用被塗物表面に衝突させなければ特に側壁やエッジ付近をカバーするのは難しい。

単色或いは複数色に関わらず特に第２蛍光体を含むスラーリーは層ごとに或いは必要とする層や最終層の一つ前の層で色温度や重量を測定し、必要により塗布量を補正しながら所望する品質にすることができる。

本発明によれば特に付加価値の高いＬＥＤを高品位に保ちながら高価な蛍光体を回収して再利用するので、従来プロセスより使用効率を１０倍以上も高くできることから、大幅なコストを低減ができる。

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１ＬＥＤチップ
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２ワイヤー
３，６３蛍光体層
１３，２３，３３，４３，５３バインダー、第１蛍光体層
１４，３４，４４マスク
１５，２５，３５，５５第２蛍光体層
５６バインダー（カバー層）
７８第１の蛍光体
７９第２の蛍光体

Claims

ＬＥＤにバインダーのみ又は少なくとも第１の蛍光体とバインダーからなり、その重量比率が０．００：１乃至１：１の混合体を少なくとも１層充填または塗布する第一の工程と、前記塗布した層またはＬＥＤ部材の上に少なくともＬＥＤの部分が開口されているマスクをセットする第二の工程と、第２の蛍光体と溶媒のみのスラーリー又は第２の蛍光体とバインダーの重量比が１：０．００乃至１：０．５の混合体と溶媒からなるスラーリーを少なくとも１層充填または塗布する第三の工程からなり、マスク上に付着した第２の蛍光体又は第２の蛍光体とバインダー混合体を回収することを特徴とするＬＥＤの製造方法。
前記第２の蛍光体は赤、緑、青、黄色から選択される１種類以上の蛍光体を選択し、前記マスクはそれぞれの色に対応して用意されることを特徴とする請求項１のＬＥＤの製造方法。
前記第１の蛍光体及び第２の蛍光体は同一種類であることを特徴とする請求項２のＬＥＤの製造方法。
前記ＬＥＤがウェハーレベルＬＥＤまたはＬＥＤ実装基板であることを特徴とする請求項１乃至３のＬＥＤの製造方法。
前記ウェハーレベルＬＥＤまたはＬＥＤ実装基板にＬＥＤ部が開口したマスクをセットする第一の工程と、３０乃至１２０℃に加温したＬＥＤにバインダーのみまたは第１の蛍光体とバインダーの重量比が０．００：１乃至１：１の混合体を少なくともＬＥＤの周囲に充填または塗布する第二の工程と、第２の蛍光体と溶媒とからなるスラーリーまたは第２の蛍光体とバインダーとの重量比が１：０．００乃至１：０．５の混合体と溶媒とからなるスラーリーを少なくとも１層充填または塗布する第三の工程とからなりマスク上に付着した第２の蛍光体または第２の蛍光体とバインダーの混合体を回収することを特徴とする請求項１乃至４のＬＥＤの塗布方法。
前記少なくとも第２の蛍光体を含むスラーリーの塗布は圧縮ガスによるスプレイ流を、または微粒子生成装置で発生した微粒子をジェット流に乗せて搬送し塗布することを特徴とする請求項１乃至５のＬＥＤの製造方法。
前記スプレイ流または微粒子をジェット流に乗せる搬送が５乃至２００Ｈｚのパルス的に行われることを特徴とする請求項６のＬＥＤの製造方法。
前記マスクを取り外し少なくとも第２の蛍光体を含むスラーリーの層の上からバインダーを５マイクロメートル以下の乾燥膜厚で塗布することを特徴とする請求項１乃至７のＬＥＤの製造方法。