JP2015012144A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のレンズ形状が容易に得られ、演色性と配光性とに優れた発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置（１０）を製造する方法は、蛍光体粒子（１５ａ）を含む透光性樹脂からなる第１の封止材（１５）を基体の凹部（１２）に充填する工程と、開口（３１）を有するマスク部材（３０）を凹部に対応させて設置する工程と、マスク部材の開口を通して、フィラーを分散させた透光性樹脂からなる第２の封止材（１６）を塗布する工程と、マスク部材を除去する工程と、その後第２の封止材が流動変形することにより凸状のレンズを形成する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（light emitting diode, LED）からなる発光素子を備える発光装置およびその製造方法に関する。

発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と略称する。）は、高い発光効率、低い消費電力および長寿命であるという観点から、照明用装置をはじめ、光通信装置、プリンタやスキャナなどの様々な応用製品の光源として採用されている。従来、ＬＥＤは、III−Ｖ族であるＡｌＧａＡｓやＧａＡｓＰなどの３元合金混晶の化合物半導体を中心に高輝度化および高効率化等が図られてきた。近年では、ＧａＮ系化合物を用いた青色ＬＥＤの実用化を端緒として、４元合金以上の多元合金の結晶製造技術や接合技術の研究および実用化が進められ、紫外から赤外領域までの広い波長範囲で発光色の制御が可能となっている。

一般に、発光装置の光源であるＬＥＤは、半導体にｐ型半導体層とｎ型半導体層とが活性層（発光層）を挟んで接合されている。現在主流とされる白色ＬＥＤは、波長のピークが４５０ｎｍ前後の青色ＬＥＤと、その青色光を５５０ｎｍ前後の波長に変換する黄色蛍光体との組み合わせに基づいて、単一のＬＥＤ素子（シングルチップ）のみによる白色光が実現されている。また、蛍光体の波長変換帯域を広くしまたは任意に選択し演色性に優れた良質の照明光を得ることが可能である。

このようなＬＥＤを用いた発光装置においては、発光装置の発光面となる表面近傍の透光性樹脂にフィラーを含有させ、ＬＥＤの直上に位置する発光面と他の発光面との間に発生する輝度差および色むらを低減させる手法が知られている。

従来、基板に取り付けたＬＥＤに対して液体状の透光性樹脂を滴下（ポッティング）し、これを硬化してＬＥＤを封止するとともに、透光性樹脂によってレンズを形成したものが知られている。さらにこのレンズの形成にマスクを用いる方法が既に提案されている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１のＬＥＤランプモジュールの製造方法によれば、マスクに形成した孔に流動性のある透光性樹脂を注入し、マスクを取り外した後に透光性樹脂を硬化させることで表面が略球面状のレンズを形成している。

また、基板に面実装されるタイプのＬＥＤチップにおいては、たとえば特許文献２に記載されるように、凹部となるキャビティ内に１つまたは複数のＬＥＤ素子が配置され、その凹部を覆うように封止する透光性樹脂がレンズを形成するものが知られている。また、特許文献２では、透光性樹脂である封止部材に蛍光体を混合してもよいことが示唆されている。蛍光体を混合した液状の透光性樹脂について、放置（硬化）時間に応じてレンズの高さおよび幅を調整する技術が、たとえば特許文献３に記載されている。

特開２００１−０１５８１６号公報 特開２００１−０３６１４５号公報 特開２０１２−１１９４１２号公報

ところで、一般にＬＥＤを備える発光装置において、発光面となる表面近傍にフィラーを含有させ、輝度むらや色むらを低減させる手法があるが、従来の透光性樹脂からなるレンズにフィラーを含有させた場合、十分な輝度むらや色むらを低減させることはできず、さらにはフィラーが発光装置からの光取出しを妨げ、発光装置からの光出力を低下させてしまうという問題があった。

本発明は、かかる従来の課題にかんがみてなされたものであり、光出力を低下させることなく、輝度むらや色むらを低減する発光装置を提供することを目的とする。また、所望のレンズ形状が比較的容易に得られ、光出力を低下させることなく、輝度むらや色むら等を低減する発光装置を得るための製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、発光装置の製造方法であって、ハウジングの凹部の底に発光素子を実装する工程と、蛍光体粒子を含む透光性樹脂からなる第１の封止材を前記凹部に充填する工程と、開口を有するマスク部材を前記ハウジングの凹部に対応させて設置する工程と、前記マスク部材の開口を通して、フィラーを分散させた透光性樹脂からなる第２の封止材を前記第１の封止材の表面に塗布する工程と、前記ハウジングから前記マスク部材を除去する工程と、前記マスク部材を除去した後、前記第２の封止材が流動変形することにより前記第２の封止材に凸状のレンズを形成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である。

また、本発明は、ハウジングの凹部の底に実装される発光素子が透光性の封止材により封止される発光装置であって、前記封止材が、前記凹部内に充填され蛍光体粒子を含む透光性樹脂からなる第１の封止材と、フィラーを含む透光性樹脂からなり前記第１の封止材の表面に積層して凸状のレンズを形成する第２の封止材とを含み、前記第２の封止材の凸状のレンズ表面が、その中心の曲率よりも周端部における曲率の方が大きいことを特徴とする、発光装置である。

本発明によれば、光出力を低下させることなく、輝度むらや色むら等を低減する発光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による発光装置の略断面図である。 図１に示した発光装置に実装される発光素子の略断面図である。 本発明の一実施形態による発光装置の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態による発光装置の製造方法をさらに説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、参照される各図を通し、同一の各構成要素および形態は異なるが対応関係がある各構成要素に対しては同一の符号が付されている。また、以下説明する実施形態はあくまでも例示であり、発明がこれらの具体的態様に限定されるものではない。

（発光装置の構造）
図１は、本発明の一実施形態による発光装置１０の略断面図である。発光装置１０のハウジング（基体）１１には、開口が円形の凹部１２が形成される。この凹部１２の底にはＬＥＤである発光素子２０が実装されている。凹部１２の底に実装される発光素子２０の個数は複数であってもよい。発光素子２０は、たとえば窒化物系化合物半導体（一般式がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１））のＧａＮ系の青色ＬＥＤからなる。また、発光素子２０は、他のたとえばＺｎＳｅ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧａＰ系などの化合物半導体からなるものであってもよい。

ここで、図２は、凹部１２に実装される発光素子２０の断面構造の一例を模式的に示す図である。発光素子２０は、ＬＥＤを構成する半導体層２１と、半導体層２１の光取り出し面側にそれぞれ形成されるｐ電極２２およびｎ電極２３とを備える。半導体層２１は、たとえば有機金属化学気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）法によって、ｎ型半導体層２１１、活性層２１２およびｐ型半導体層２１３が、サファイア等の成長基板２４上に順次積層して形成することができる。またその他の気相または液相成長法を用いて半導体層２１を形成してもよい。

ＬＥＤのアノードを構成するｐ電極２２は、透光性電極２５を介してｐ型半導体層２１３に電気的に接合して設けられる。一方、カソードを構成するｎ電極２３は、ｎ型半導体層２１１に電気的に接合して設けられる。ｐ電極２２およびｎ電極２３は、Ａｕなどの電気抵抗が小さく耐食性に優れた金属材料を蒸着して形成される。基体１１の電極１３、１４とのワイヤーボンディングを容易にするために、ｐ電極２２およびｎ電極２３をパッド状に形成することが好ましい。透光性電極２５は、たとえばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を電子ビーム蒸着法、物理気相成長法またはスパッタ蒸着法によりｐ型半導体層２１３の表面に成膜して形成することができる。

発光素子２０では、半導体層２１に順方向の電流が供給されることにより活性層２１２にキャリア（正孔および電子）が移動して閉じ込められ、そこでキャリアの再結合が効率良く起こり光が放出される。このため、活性層２１２は発光層ともいわれる。

高輝度のＬＥＤを実現するために、図２に示されるように半導体層２１と成長基板２４との間に光反射層２６を設け、これにより光取り出し効率を高めてもよい。光反射層２６は、たとえば、ｎ型半導体の一部として形成したＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いることができる。ＤＢＲは、空間周期がλ／２ｎの回折格子である（ここで、λは真空における光の波長、ｎは媒体（具体的にはｎ型半導体層）における屈折率である。）。すなわち、光反射層２６は、活性層（発光層）２１２から基板側へ放出された波長λの光を、反対側の上面である光取り出し面側に回折させることで、光の取り出し効率を向上させることができる。

図１に戻り、基体１１は、たとえば液晶ポリマー、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ガラスエポキシ樹脂などの高分子樹脂を含む白色材料、または窒化アルミニウムその他の焼結材料からなる白色のセラミックスにより形成することができる。図１に示されるように、基体１１の凹部１２は、その開口が広口となるように傾斜する側面を有している。この開口は発光装置としての発光面となり、これにより、発光素子２０が発光する光を凹部１２の側面に反射させて光を効率良く取り出すことができる。

また、基体１１の下部にはアノードおよびカソードに対応する一対の電極１３、１４が設けられ、この一対の電極が基体の凹部の底面に露出し、それぞれワイヤーボンディングされる。

発光装置１０に実装される発光素子２０は、基体１１の凹部１２内で、透光性を有する封止材１５、１６により封止される。図１に示されるように、封止材１５、１６は、凹部１２内に充填され蛍光体粒子１５ａを含む透光性樹脂からなる第１の封止材１５と、第１の封止材１５の表面に積層し、光拡散剤を含むフィラーを分散させた透光性樹脂からなる第２の封止材１６とからなる二層構造を有している。

蛍光体層としての第１の封止材１５および光拡散層としての第２の封止材１６は、たとえばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂などから選択される熱硬化性の透光性樹脂を用いて形成することができる。第１および第２の封止材１５、１６を同一の透光性樹脂を用いて形成してもよいが、互いに屈折率の異なる透光性樹脂を選択して組み合わせてもよい。

波長変換部材である蛍光体粒子１５ａの材料としては、たとえば、Ｃｅ、Ｅｕ等のランタノイド系元素で賦活される、窒化物系蛍光体または酸窒化物系蛍光体を用いることができる。
蛍光体粒子１５ａとして具体的には、たとえば、Ｃｅ等のランタノイド元素で賦活される希土類アルミン酸塩を用いることができ、そのうちＹＡＧ系蛍光体材料が好適に用いられる。また、ＹＡＧ系蛍光体材料のうちＹの一部または全部をＴｂ、Ｌｕで置換したものでもよい。また、Ｃｅで賦活される希土類ケイ酸塩等を蛍光体材料に用いることができる。
また、Ｅｕ等のランタノイド系元素で賦活される、アルカリ土類ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属硫チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素またはゲルマン酸塩、もしくはＥｕ等のランタノイド系元素で賦活される有機または有機錯体を蛍光体粒子１５ａの材料として用いることができる。

第１の封止材１５内において、蛍光体粒子１５ａは、発光素子２０の近くに偏在して分布することが好ましい。そのためには、流動性を有している状態の透光性樹脂に上述した蛍光体粒子１５ａを攪拌混合し、基体１１の凹部１２にこの透光性樹脂を注入して一定時間静置する。その後、一定時間静置することにより蛍光体粒子１５ａが沈降し、凹部１２内の底部の発光素子２０を覆うように蛍光体粒子１５ａが偏在して分布することとなる。たとえば波長のピークが４５０ｎｍ前後の青色の発光素子２０と、その青色光を５５０ｎｍ前後の波長に変換するＹＡＧ系の蛍光体粒子１５ａとの組み合わせにより、発光装置１０の発光色を白色とすることができる。

蛍光体粒子１５ａの平均粒径は６μｍ〜３０μｍであり、好ましくは１０μｍ〜２５μｍである。特に蛍光体粒子１５ａを沈降させるために、たとえば第１の封止材１５の透光性樹脂の粘度を２〜１５Ｐａｓとすることが好ましい。

なお、第１の封止材１５において、少なくとも蛍光体粒子１５ａよりも粒径が小さいフィラーを微量、すなわち透光性樹脂の粘性に影響を与えない程度の量だけ混合してもよい。極めて小さな粒径のフィラーは、一定時間静置しても沈降が進まず、透光性樹脂内で均一な分散状態が維持される。このため、蛍光体層としての第１の封止材１５に光拡散性を持たせることができる。

第１の封止材１５において凹部１２に注入した透光性樹脂を加熱する過程で透光性樹脂が硬化収縮し、通常は図１に示されるように中央部分の表面が窪んだ凹状となる。なお、基体１１と濡れ性が低い透光性樹脂材料を用い表面張力を利用して凹部１２の容積よりも多い量の透光性樹脂を注入することにより、中央部分の表面が平坦または凸状になるように硬化させてもよい。

次に、第２の封止材１６は、上述したように熱硬化性の透光性樹脂から形成され、凸状のレンズ表面を有している。また、第２の封止材１６は、光拡散剤を含むフィラーが透光性樹脂に均一に分散されることにより光拡散性を有している。このようなフィラーとしては、シリカ、アルミナ、ガラス、カリオンなどの無機フィラーが好適に用いられる。また、無機フィラーとともに、または無機フィラーを用いずに、シリコーン樹脂などの有機フィラーを用いてもよい。

また、光拡散層としての第２の封止材１６は、その周端部１６ｐが基体１１の上面を覆う位置（凹部１２よりも外側の基体１１を覆う位置）にあり、凹部１２の開口よりも広い部分を覆う形状を有している。これにより、エッジからの光漏れや色むらが生じないようにすることができる。また、上述した凸状のレンズ表面が、その中心の曲率よりも周端部１６ｐにおける曲率の方が大きいことが好ましい。このように周端部１６ｐにおける曲率を大きくすることで、高濃度のフィラーを含有した光拡散層を発光面上に薄く形成することができると共に、凹部１２のエッジからの光漏れや色むらが生じないようにすることができる。

第２の封止材１６のこのようなレンズ表面形状は、後述するようにマスク部材３０の開口３１を介して流動性を有する透光性樹脂を第１の封止材１５の表面にスプレーにより一定量塗布し、マスク部材３０を除去した後に一定時間静置することで得られる。第２の封止材１６の透光性樹脂が流動変形することにより、所望のレンズ表面を形成することができる。このマスク部材３０としては、たとえば金属からなるメタルマスクを用いることができる。

（発光装置の製造方法）
次に、本実施形態による発光装置１０の製造方法を図３および図４を参照しながら説明する。

はじめに、開口が円形の凹部１２が形成された基体１１の底に１つまたは複数の発光素子２０を実装する。発光素子２０は、Ａｕなどの導電ワイヤーを介して、そのｐ電極２２およびｎ電極２３が基体１１の電極１３、１４にワイヤーボンディングされる（図３（ａ）参照）。

次に、流動性を有する透光性樹脂に、予め濃度および組成を調整した蛍光体粒子１５ａを攪拌混合した第１の封止材１５を基体１１の凹部１２に充填する。第１の封止材１５に用いる透光性樹脂は、たとえばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂などから選択される熱硬化性の樹脂とすることができる。凹部１２への充填後、一定時間静置することにより、蛍光体粒子１５ａが沈降して凹部１２内の発光素子２０近くに偏在して分布することとなる（図３（ｂ）参照）。そして、第１の封止材１５を所定の温度および時間だけ加熱して硬化させる。

次に、基体１１の凹部１２の開口と同一形状寸法の開口３１を有する、所定の厚さのマスク部材３０を、それら凹部１２と開口３１とを対応させて設置する（図３（ｃ）、図４（ａ）参照）。ここで、図４（ａ）では、発光装置を製造する工程において、個々の基体１１を切り出す前の、複数の凹部１２がアレイ状に形成された基体プレート５０にマスク部材３０が設置される態様が示されている。

マスク部材３０を基体プレート５０に位置決めし設置した後、開口３１を通して、有機溶剤と透光性樹脂とフィラーとを攪拌させた溶媒を、第１の封止材１５の表面上にスプレー６０を用いて塗布する（図３（ｄ）、図４（ｂ）参照）。第２の封止材１６に用いる透光性樹脂は、たとえばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂などから選択される熱硬化性の樹脂とすることができる。

次に、基体１１からマスク部材３０を除去し、一定時間静置して第２の封止材１６の透光性樹脂を流動変形させる（図３（ｅ）、図４（ｃ）参照）。このとき、透光性樹脂の周端部１６ｐが基体１１の凹部１２の開口よりも外側の位置にまで広がる。これにより、第２の封止材１６は、その周端部１６ｐが凹部１２の開口よりも外側となる位置でドーム状となる。そして、第２の封止材１６が流動変形した後に当該第２の封止材１６を加熱して硬化と同時に有機溶剤が揮発し、凸状のレンズ表面を形成する。ここで図４（ｃ）に示すように、透光性樹脂の周端部１６ｐは基体１１の凹部１２の開口よりも外側の位置にまで広がる際、隣り合う開口から外側の位置にまで広がる透光性樹脂とつながってもよく、つながらなくてもよい。つながって形成する場合は基体の開口上の透光性樹脂をさらに薄く形成でき、光出力の高い発光装置を形成することができる点で好ましく、一方でつながらなく形成する場合はプレートを切断し発光装置を得る際に切断部に透光性樹脂がなく容易に切断することができる点で好ましい。

以上のような工程を経て、高濃度のフィラーを含有した光拡散層を薄く形成することができ、光出力を低下させることなく、輝度むらや色むら等を低減した発光装置１０を製造することができる。

また、光拡散層としての第２の封止材１６は、その周端部１６ｐが基体１１の凹部１２の開口よりも広い部分を覆う形状を有している。これにより、高濃度のフィラーを含有した光拡散層を発光面上に薄く形成することができるとともに、凹部１２のエッジからの光漏れや色むらが生じないようにすることができる。

なお、二層構造の第１の封止材１５の屈折率ｎ１と第２の封止材１６の屈折率ｎ２とを互いに異なるようにしてもよい。たとえば図１に示されるように、第１の封止材１５の中央部分が凹状に収縮した形状である場合に、各封止材の屈折率の関係をｎ２＞ｎ１とすることができる。ここで、ｎ０を空気の屈折率とすれば、ｎ１＞ｎ０であることが好ましい。これにより、発光素子２０からの放射光が第２の封止材１６を通過して、凸レンズの効果により略平行な光として外部に放出される。また、第１の封止材１５の中央部分が凸状に膨張した形状である場合に、各封止材の屈折率の関係をｎ０＜ｎ２＜ｎ１とすることができる。このようにして、発光素子２０からの放射光をより平行な光に近づけることができる。

また、発光装置１０は、発光素子２０が基体１１の凹部１２内にフリップチップ実装されるものでもよい。そのような構成では、凹部１２内にワイヤーボンディングするスペースが不要となり、また第１の封止材１５をその凹部１２内に充填する際に導電ワイヤーを損傷するおそれもなくなるので、小型かつ高信頼性の発光装置１０を得ることができる。また、基体の凹部の開口は円形でなくてもよい。また、第１封止材に含まれる蛍光体は沈降していなくてもよく、つまり第１封止材に分散配置していてもよい。また、ＬＥＤは図２のようにｐ電極とｎ電極とが同一面側にある必要はなく、ｎ電極が表面にありｐ電極が裏面にあるような対向電極構造であってもよい。

１０ 発光装置
１１ 基体
１２ 凹部
１３、１４ 電極
１５ 第１の封止材
１６ 第２の封止材
１６ｐ 周端部
２１ 半導体層
２２ ｐ電極
２３ ｎ電極
２４ 成長基板
２５ 透光性電極
２６ 光反射層
３０ マスク部材
３１ 開口
６０ スプレー

Claims (9)

1. ハウジングの凹部の底に発光素子を実装する工程と、
   蛍光体粒子を含む透光性樹脂からなる第１の封止材を前記凹部に充填する工程と、
   開口を有するマスク部材を前記ハウジングの凹部に対応させて設置する工程と、
   前記マスク部材の開口を通して、フィラーを分散させた透光性樹脂からなる第２の封止材を前記第１の封止材の表面に塗布する工程と、
   前記ハウジングから前記マスク部材を除去する工程と、
   前記マスク部材を除去した後、前記第２の封止材が流動変形することにより前記第２の封止材に凸状のレンズを形成する工程と
   を含むことを特徴とする、発光装置の製造方法。
2. 前記第２の封止材の周端部が前記ハウジングの上面を覆う位置にある、請求項１に記載の発光装置の製造方法。
3. 前記第２の封止材が流動変形した後に当該第２の封止材を硬化する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記蛍光体粒子が前記第１の封止材において前記発光素子の近くに偏在するように前記蛍光体粒子を沈降させる工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
5. 前記フィラーが光拡散剤を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
6. ハウジングの凹部の底に実装される発光素子が透光性の封止材により封止される発光装置であって、
   前記封止材が、前記凹部内に充填され蛍光体粒子を含む透光性樹脂からなる第１の封止材と、フィラーを含む透光性樹脂からなり前記第１の封止材の表面に積層して凸状のレンズを形成する第２の封止材とを含み、
   前記第２の封止材の凸状のレンズ表面が、その中心の曲率よりも周端部における曲率の方が大きいことを特徴とする、発光装置。
7. 前記第２の封止材の前記周端部が前記ハウジングの上面を覆う、請求項６に記載の発光装置。
8. 前記第１の封止材において前記蛍光体粒子が前記発光素子の近くに偏在して分布する、請求項６または７に記載の発光装置。
9. 前記フィラーが光拡散剤を含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載の発光装置。

Images