JP2015192038A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビア電極を持ったフェースアップタイプの発光素子と波長変換層とを、光学部材で挟んだ発光装置の色ムラを解消する。【解決手段】発光素子上に配置された波長変換層１３および粒子状のスペーサ２と、波長変換層の上に搭載された光学部材１４とを有した発光装置において、粒子状のスペーサは、発光素子の上面と光学部材の下面との間に挟まれることで波長変換層の膜厚が制御され、発光素子は複数のビア電極２２ｂを持っており、少なくとも１つの粒子状のスペーサが、ビア電極の上に配置されていることを特徴とする発光装置。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子からの光を波長変換層で波長変換する発光装置およびその製造方法に関する。

従来、発光素子からの光の一部を蛍光体で異なる波長の光に変換し、発光素子からの光と混合して出射する発光装置が知られている。

特許文献１に記載の発光装置１００の断面図と上面図を図８（ａ）と図８（ｂ）にそれぞれ示す。発光装置１００の波長変換層構造１１５の形成方法としては、蛍光体粒子１１３ａとガラスビースのスペーサ１１３ｂと透光性樹脂に分散した混合液を、ディスペンサなどで発光素子１１１の上面に塗布し、さらに波長変換層１１３の上に光学部材である透明な板ガラス１１４を配置し、３０μｍ程度の薄い波長変換層を備えた発光装置を提供している。

特許文献１に記載の発光装置１００に使用している発光素子１１１は、バンプ１１２で給電されるフリップチップタイプのため青色光の発光は発光素子１１１全体から出射される。波長変換層１１３の層厚は、スペーサ１１３ｂによって高精度に制御されており、層厚が一様になるため、製品間のばらつきも小さくし、かつ、同一製品内の色ムラを少なくしている。

特許文献２にはフェースアップタイプの発光素子の従来例が記載されている。この発光素子は、第１電極から複数のビア電極が突出しており、ビア電極は第２導電型半導体層、活性層および第１導電型半導体層を貫通し発光素子の表面まで形成された構造になっている。通電すると、発光素子表面から主に青色光を出射し、支持基板は不透明なため青色光が出射することない。

特開２０１２−０３３８２３ 特表２０１０−５０７２４６

特許文献２に記載のフェースアップタイプの発光素子１２４に、特許文献１の波長変換層構造１１５を形成した比較例の発光装置１１０の上面図を図９（ａ）に示す。図９（ｂ）に発光装置１１０のＡ−Ａ線上の断面図を示す。第１導電型半導体層１１７上に、波長変換層１１３、スペーサ１１３ｂが配置され、さらにその上に板ガラス１１４が実装されている。給電用ワイヤ１２７から通電されると、活性層１１８から青色の光が発生し、第１導電型半導体層１１７を通過し、波長変換層１１３の中の蛍光体粒子１１３ａに当たり黄色光に変換され、波長変換されずに波長変換層１１３を通過した一部の青色光と混ざり、白色光が発光装置１１０から外部へ出射される。

ビア電極１２２ｂは第１導電型半導体層１１７の表面まで貫通しているため、ビア電極表面１２２ａの周囲の青色発光は強く、発光装置１１０から外部へ出射する白色光も明るい。しかしながら、ビア電極表面１２２ａの直上は青色発光せず、ビア電極１２２ｂ周囲の入射角度６０°以上の弱い青色光が廻り込む程度で、波長変換層内を通る光路長も長くなり、ビア電極表面１２２ａの上の蛍光体粒子を十分励起することは不可能なり、通電時の発光装置１１０のビア電極表面１２２ａ上は暗部（ダークスポット）ができるため、同一製品内の色ムラが発生する。

また、板ガラス１１４を実装する際、給電用ワイヤ１２７と接触して、ワイヤの折れ曲りや断線を防ぐために、板ガラスの角部は矩形部１２６を持った板ガラス１１４を使用している。これは、給電用ワイヤ１２７の直径よりも波長変換層１１３の厚みが薄いためであるが、板ガラス個片の角部をさらに加工する必要があるため、コスト高の原因となる。

本発明は、ビア電極を持ったフェースアップタイプの発光素子と波長変換層とを、光学部材で挟んだ発光装置の色ムラを解消するための波長変換層構造と製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、フェースアップタイプの発光素子と、前記発光素子上に配置された波長変換層および粒子状のスペーサと、波長変換層の上に搭載された下面が平坦な光学部材とを有した発光装置において、前記波長変換層は、蛍光体粒子とバインダー部材とを含み、前記粒子状のスペーサは、前記発光素子の上面と前記光学部材の下面との間に挟まれており、前記発光素子は、導電性半導体積層構造と給電用電極からなり、前記給電用の電極は、第１電極と第２電極からなり、前記第１電極は、複数のビア電極を持ち、前記ビア電極は、前記発光素子表面まで貫通した孔の中に形成され、少なくとも１個の前記粒子状のスペーサは、前記ビア電極上に配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記スペーサは、全ての前記ビア電極上に配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１ないし２に記載の発明において、前記粒子状のスペーサの直径は、前記ビア電極の直径とほぼ同じであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記ビア電極表面には、凹部が形成されており、前記粒子状のスペーサは、前記凹部に嵌っていることを特徴とする。

本発明によれば、粒子状のスペーサを発光素子のビア電極表面に配置にすることにより、青色光の廻り込む量を増やすと共に、波長変換層の光路長を短くし、ビア電極表面上のダークスポットを消し、同一製品内の色ムラを改善することができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態における発光装置１の上面図であり、図１（ｂ）は、第１の実施の形態における発光装置１のＢ−Ｂ線の断面図 第１の実施の形態における発光装置１の白色光出射のイメージ図 図３（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態における発光装置１の製造方法 図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態における発光装置４の上面図であり、図４（ｂ）は、第２の実施の形態における発光装置４のＣ−Ｃ線の断面図 第２の実施の形態における発光装置４の白色光出射のイメージ図 第２の実施の形態における発光装置４のＤ−Ｄ線の断面図 図７（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施の形態における発光装置４の製造方法 図８（ａ）は、従来の発光装置１００の断面図であり、図６（ｂ）は、従来の発光装置１００の上面図 図９（ａ）は、比較例の発光装置１１０の上面図であり、図９（ｂ）は、比較例の発光装置１１０の断面図

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の発光装置１の上面図であり、図１（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線の断面図である。

図１（ａ）に示すように、発光装置１はフェースアップタイプの発光素子５を備えている。発光素子５は、支持基板２１上に第１電極１６、絶縁層２３、第２電極２０、第２導電型半導体層１９、活性層１８および第１導電型半導体層１７の順に形成されている。第１電極層１６から第１導電半導体層１７までの積層の厚みは、一般的な厚みの範囲で５μｍ程度である。第１電極１７から繋がっているビア電極は、第２電極２０、第２導電型半導体層１９、活性層１８および第１導電型半導体層１７を貫いた貫通孔２２ｃ（ビアホール）内に導電材を埋めて形成している。ビア電極２２ｂは発光素子５の表面まで平坦に形成しているが、ビア電極表面２２ａの位置は多少上下してよく表面付近まで形成されていればよい。

発光素子５の上に、蛍光体粒子１３ａ（不図示）とバインダーである透光性樹脂１３ｂ（不図示）が混ざった波長変換層１３、光学部材である少なくとも下面が平坦で透明な板ガラス１４の順に配置されている。波長変換層１３と板ガラス１４の間には、波長変換層１３の膜厚を制御するためのスペーサ２が、第１電極１６の全てのビア電極表面２２ａの上に少なくとも１個、最大で３個が載っている。スペーサ２は接着剤３で固定されている。

発光素子５は１ｍｍ角のサイズで、ＧａＮ系の青色発光ダイオードを使用した。ビア電極２２ｂは直径６０μｍで１２個配列されているが、発光素子５のサイズや所望の出力によってビア電極２２ｂのサイズや数は変わるため、特にこれらの数値にこだわる必要ない。波長変換層１３は、Ｃｅ等の付活剤が導入されたＹＡＧからなる蛍光体粒子１３ａと、シリコーン系透明樹脂１３ｂとを混合ものである。所望の白色の色度が得られるように、波長変換層１３の蛍光体濃度を適宜変更している。波長変換層１３の厚みは３０μｍ±１０μｍに制御できるように、ガラスビースでできた直径３０μｍのスペーサ２を用いた。蛍光体粒子１３ａはスペーサ２より小さいサイズを使用した。

波長変換層１３の透明樹脂１３ｂおよびスペーサ２の接着剤３の材料は、耐熱性や耐光性の高いジメチル系シリコーン樹脂を使用したが、エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂またはフェノール系シリコーン樹脂を使用してもよい。また、散乱材を混ぜてもよい。しかし、スペーサ２の接着剤３は、ビア電極表面２２ａの１個当たりに載せるスペーサ２の数が１個と少ない場合は、周囲の白色光を散乱させるために、散乱性のある白色系の反射性樹脂を用いてもよい。

図２に、発光装置１の白色光出射のイメージ図を示す。直流電圧が第１電極１６と第２電極２０の間に印加されると、活性層１８は青色に発光し、青色光は第１導電型半導体層１７を通過し、波長変換層１３内の蛍光体粒子１３ａに当たり黄色光を出し、波長変換せずに残った青色光と混ざることにより、白色光が外部に出射される。ビア電極表面２２ａの上にはスペーサ２が少なくとも１個載っており、ビア電極２２ｂ周囲からの入射角度６０°以上の弱い青色光が廻り込みやすくなり、さらに、波長変換層が薄くなることで光路長も短くなり、蛍光体粒子を十分励起することは可能になり、ビア電極表面２２ａの上のダークスポットは消え白色光が出射されるため、ビア電極２２ｂ周囲の発光色と同じになり、同一製品内の色ムラが改善される。

発光装置１の上面から見て、ビア電極表面２２ａに配置するスペーサの数は、最小は１個で、最大は３個載っている。ビア電極表面２２ａの面積に対するスペーサ２が占める面積の比率は、最小１個の占有率が２５％で、最大３個の占有率が７５％である。スペーサ２の占有率７５％を超えると、ビア電極表面２２ａの上方の波長変換層が極端に減り、青色光が直接外部へ漏れるため、色ムラが酷くなるため、従って、スペーサ２がビア電極表面２２ａを占める面積占有率は、２５％〜７５％がよい。第１の実施の形態ではスペーサの数は１個〜３個で、最小数は１個だが、最大数は占有率７５％以下になる数であればよいため、３個と限る必要はない。

図３の（ａ）〜（ｄ）に、本発明の第１の実施の形態の発光装置１の製造方法を示す。図３（ａ）に示すように、発光素子１をサブマウント基板（不図示）に実装し、Ａｕ線をワイヤボンディング（不図示）する。図３（ｂ）に示すように、スペーサ２と接着剤３を混合したスペーサ混合材を微量ディスペンサで各ビア電極２２ａ全てに滴下する。接着剤３の硬化は、ベーク炉よって、硬化温度１２０℃、硬化時間１０分で仮固化させた。硬化温度は透明樹脂が固化し始める温度以上で、硬化時間も接着剤の流動性が止まる程度のであればよい。図３（ｃ）に示すように、蛍光体粒子１３ａと透明樹脂の混合液９をディスペンサで発光素子５の表面に適量滴下する。図３（ｄ）に示すように板ガラス１４を載せ、板ガラスの自重でスペーサ２上に接地し、均一な膜厚が形成される。その後、硬化温度１５０℃、硬化時間４時間で波長変換層を本硬化させた。

図３（ｂ）のスペーサの接着剤の滴下に使用するディスペンサは、図１（ａ）に示す複数のビア電極位置に対応した複数本のノズルをもったニードルを使用してもよい。このニードルによって一度にスペーサ混合剤を全てのビア電極２２ａ上に滴下できるため、工数の時間を短縮できる。

図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態の発光装置４の上面図であり、図４（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線の断面図である。

発光装置４は、発光素子７、波長変換層１３、正方形の板ガラス１４ａおよびビア電極２２ｂのサイズ相当のスペーサ６から構成されている。発光素子７は、第１の実施の形態で使用された発光素子とほぼ同じ材料であり構成だが、発光素子７の製造工程において、ビア電極２２ｂの導電材をビアホール２２ｃで埋める際、第１導電型半導体層１７の表面まで埋めずに、０．５〜１μｍの深さの凹部８がビアホール２２ｃに形成されている。凹部８にはスペーサ６が嵌って、接着剤３（不図示）で仮固定されている。波長変換層１３とスペーサ６の上に板ガラス１４ａが実装されて、スペーサ６のサイズで波長変換層１３の膜厚が制御されている。板ガラスは、素子形状やサイズと同じ１ｍｍ角の正方形のものを使用したが、素子を覆えばよいため、四角形や長方形などでもよく特定する必要ない。第２電極２０用のパッド電極３０は、第１電極用のパッド電極２８よりも積層厚分低いエピ層２９に位置している。

波長変換層１３の蛍光体粒子１３ａ、透明樹脂１３ｂおよびスペーサ６の接着剤３の材料は、第１の実施形態と同じものを用いた。

ビア電極２２ｂの直径は６０μｍである。波長変換層１３の厚みを６０μｍ±１０μｍで制御できるように、スペーサ６の直径も６０μｍを使用した。

図５に、発光装置４の白色光出射のイメージ図を示す。第１の実施の形態と同様に、通電により白色光が外部に出射される。ビア電極表面２２ａの上には、スペーサ６が１個載っており、ビア電極２２ｂ周囲からの入射角度６０°以上の弱い青色光が廻り込みやすくなり、さらに、波長変換層１３が薄くなることで光路長も短くなり、蛍光体粒子を十分励起することは可能になり、ビア電極表面２２ａの上のダークスポットは消え白色光が出射されるため、ビア電極２２ｂ周囲の発光色と同じになり、同一製品内の色ムラが改善される。

図６に、本発明の第２の実施の形態の発光装置４のＤ−Ｄ線の断面図を示す。第１電極１６と繋がっているパッド電極２８の上に、給電用ワイヤ２７をボンディングしている。給電用ワイヤはＡｕ線で、直径は５０μｍのものを使用した。スペーサ６の直径は６０μｍで、凹部８の深さは１μｍ程度なので、波長変換層１３の厚みは５９μｍあり、給電ワイヤの直径を超える。板ガラスを実装する際、給電ワイヤ２７に接触することがなくなるため、加工しやすい四角形の板ガラスを使用することができ、発光装置のコスト低減できる。

四角形の板ガラス１４ａを使えるようにするためには、スペーサ６の直径は給電用ワイヤ２７の直径より大きければよい。ただ、ビア電極２２ｂの直径がスペーサ６の直径よりも半分しかない、つまり、極端に小さい場合は、スペーサ６を通して、青漏れ光が増えるため、ビア電極２２ｂとスペーサ６の直径はできるだけ小さい方が好ましい。逆に、ビア電極２２ｂの直径がスペーサ６の直径の２倍あるような、つまり、極端に大きい場合は、スペーサ６を通した青色光の回り込みが減るためダークスポットが改善できなくなる。

図７の（ａ）〜（ｄ）に、本発明の第２の実施の形態の発光装置４の製造方法を示す。 図７（ａ）に示すように、発光素子７をサブマウント基板（不図示）に実装し、給電ワイヤ２７をワイヤボンディング（不図示）する。図７（ｂ）に示すように、スペーサ６と接着剤３を混合したスペーサ混合材を微量ディスペンサで凹部８のある各ビア電極表面２２ａ全てに滴下し１個ずつ配置するする。ディスペンサのノズル径は、スペーサの直径より１０μｍ〜５０μｍ大きい程度の方が、スペーサ６を１個ずつ排出できるため都合がよい。接着剤３の硬化は、ベーク炉によって、硬化温度１２０℃、硬化時間１０分で仮固化させた。硬化温度は透明樹脂が固化し始める温度以上で、硬化時間も接着剤の流動性が止まる程度のであればよい。図７（ｃ）に示すように、所望の色度が得られるように蛍光体濃度を調整した混合液９ａをディスペンサで発光素子７の表面に適量滴下する。図７（ｄ）に示すように板ガラス１４を載せ、板ガラスの自重でスペーサ６上に接地し、均一な膜厚が形成される。その後、硬化温度１５０℃、硬化時間４時間で波長変換層を本硬化させた。

ビア電極２２ａ上の色ムラは素子内の青色光出力分布によるため、一概に全てビア電極２２ａ上にスペーサを配置する必要ない。例えば、外側のビア電極上だけ色ムラが大きければ、スペーサは外側だけ配置して、色ムラ改善すればよい。また、内側のビア電極上だけ色ムラが大きければ、スペーサは内側だけ配置して、色ムラ改善すればよい。また、ダークスポットの改善のため、白色の発光装置に限らず、他の色に波長変換するような発光装置でも応用可能である。

発光素子の表面まで貫通してビアホール２２ｃを形成したフェースアップタイプの発光装置の場合、ビアホール２２ｃ上はダークスポットができるため、凹部８の深さが数μｍともっと深くてもスペーサを配置すれば、ダークスポットを改善できる。

上記の実施の形態は、自動車等の車両の前照灯、ＤＲＬ（デイタイム・ランニング・ライト）の光源に適用できるが、一般照明、街路灯、液晶用バックライトにも適用可能である。

１、４…発光装置、２、６…スペーサ、３…接着剤、５、７…発光素子、８…凹部、１３…波長変換層、１４…板ガラス、１６…第１電極、１７…第１導電半導体層、１８…活性層、１９…第２導電半導体層、２０…第２電極、２１…支持基板、２２ｂ…ビア電極、２２ｃ…ビアホール、２３…絶縁層、２７…給電用ワイヤ

Claims (4)

1. フェースアップタイプの発光素子と、前記発光素子上に配置された粒子状のスペーサを含んだ波長変換層と、前記波長変換層の上に搭載された下面が平坦な光学部材とを有した発光装置において、
   前記波長変換層は、蛍光体粒子とバインダー部材とを含み、
   前記粒子状のスペーサは、前記発光素子の上面と前記光学部材の下面との間に挟まれており、
   前記発光素子は、導電性半導体積層構造と給電用電極からなり、
   前記給電用の電極は、第１電極と第２電極からなり、
   前記第１電極は、複数のビア電極を持ち、
   前記ビア電極は、前記発光素子表面まで貫通した孔の中に形成され、
   少なくとも１個の前記粒子状のスペーサは、前記ビア電極上に配置されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記スペーサは、全ての前記ビア電極上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記粒子状のスペーサの直径は、前記ビア電極の直径とほぼ同じであることを特徴とする請求項１から２に記載の発光装置。
4. 前記ビア電極表面には、凹部が形成されており、
   前記粒子状のスペーサは、前記凹部に嵌っていることを特徴とする請求項１から３に記載の発光装置。

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