JP2017188592A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1Aは、実施の形態1に係る発光装置100の概略斜視図である。図1Bは、実施の形態1に係る発光装置100の概略断面図である。
発光装置は、例えば、発光ダイオード(LED;Light Emitting Diode)である。上記実施の形態1の発光装置は、側面発光型(「サイドビュー型」とも呼ばれる)であるが、上面発光型(「トップビュー型」とも呼ばれる)にすることも可能である。側面発光型の発光装置は、実装方向と主発光方向が互いに垂直である。上面発光型の発光装置は、実装方向と主発光方向が互いに平行である。発光装置の前面視形状すなわち主発光方向から見た形状は、適宜選択できるが、矩形状が量産性において好ましい。特に、発光装置が側面発光型である場合の前面視形状は、長手方向と短手方向を有する長方形状が好ましい。一方、発光装置が上面発光型である場合の前面視形状は、正方形状が好ましい。なお、発光素子及び透光性部材も、発光装置と同様の前面視形状とするのが良い。また、発光装置は、配線基板を含まず、その代わりに、発光素子の正負電極又はその正負電極に接合した突起電極を外部接続用の端子として有する、チップ・サイズ・パッケージ(CSP;Chip Size Package)型であってもよい。この突起電極は、バンプ若しくはピラーなどが挙げられる。
発光素子は、少なくとも発光素子構造を構成する半導体積層体を備え、多くの場合に基板をさらに備える。発光素子としては、例えばLEDチップが挙げられる。発光素子の前面視形状は、矩形、特に正方形状若しくは一方向(図1A中ではX方向)に長い長方形状であることが好ましい。発光素子若しくはその基板の側面は、前面に対して、垂直であってもよいし、内側又は外側に傾斜していてもよい。発光素子は、同一面側に正負(p,n)電極を有することが好ましい。発光素子がフリップチップ(フェイスダウン)実装型の場合、発光面すなわち前面は正負電極形成面とは反対側の面である。発光素子は、正負電極及び/若しくは絶縁膜を含んでもよい。正負電極は、金、銀、錫、白金、ロジウム、チタン、アルミニウム、タングステン、パラジウム、ニッケル又はこれらの合金で構成することができる。絶縁膜は、珪素、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、アルミニウムからなる群より選択される少なくとも一種の元素の酸化物又は窒化物で構成することができる。1つの発光装置に搭載される発光素子の個数は1つでも複数でもよい。複数の発光素子は、直列又は並列に接続することができる。
半導体層の積層体は、少なくともn型半導体層とp型半導体層を含み、また活性層をその間に介することが好ましい。発光素子の発光ピーク波長は、半導体材料やその混晶比によって、紫外域から赤外域まで選択することができる。半導体材料としては、波長変換物質を効率良く励起できる短波長の光を発光可能な材料である窒化物半導体を用いることが好ましい。窒化物半導体は、主として一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)で表される。発光素子の発光ピーク波長は、発光効率、並びに波長変換物質の励起及びその発光との混色関係などの観点において、青色域にあることが好ましく、450nm以上475nm以下の範囲がより好ましい。このほか、InAlGaAs系半導体、InAlGaP系半導体、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、炭化珪素などを用いることもできる。
発光素子の基板は、主として発光素子構造を構成する半導体の結晶を成長可能な結晶成長用基板であるが、結晶成長用基板から分離した半導体積層体に接合させる接合用基板であってもよい。基板が透光性を有することで、フリップチップ実装を採用しやすく、また光の取り出し効率を高めやすい。基板としては、サファイア、スピネル、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、シリコン、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウム燐、インジウム燐、硫化亜鉛、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、ダイヤモンドなどが挙げられる。なかでも、サファイアが好ましい。基板の厚さは、適宜選択できるが、基板の強度及び/若しくは発光装置の厚さの観点において、0.02mm以上1mm以下であることが好ましく、0.05mm以上0.3mm以下であることがより好ましい。なお、発光素子の基板はなくてもよい。
透光性部材は、発光素子上に設けられ、発光素子から発せられる光を装置外部に透過させる部材である。透光性部材は、少なくとも、母材と、その母材中に含有される波長変換物質とにより構成され、波長変換部材として機能させることができる。また、透光性部材は、波長変換物質と例えばアルミナなどの無機物との焼結体、又は波長変換物質の板状結晶などを用いることもできる。
透光性部材の母材は、発光素子から出射される光に対して透光性を有するものであればよい。なお、「透光性」とは、第1発光素子及び第2発光素子の発光ピーク波長における光透過率が、好ましくは60%以上であること、より好ましくは70%以上であること、よりいっそう好ましくは80%以上であることを言う。透光性部材の母材は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、又はこれらの変性樹脂を用いて構成することができる。また、ガラスでもよい。なかでも、シリコーン系樹脂、すなわちシリコーン樹脂又はその変性樹脂は、耐熱性及び耐光性に優れ、好ましい。具体的なシリコーン樹脂としては、ジメチルシリコーン樹脂、フェニル−メチルシリコーン樹脂、ジフェニルシリコーン樹脂が挙げられる。透光性部材の母材は、これらの材料のうちの1種を単層で、若しくはこれらの材料のうちの2種以上を積層して構成することができる。なお、本明細書における「変性樹脂」は、ハイブリッド樹脂を含むものとする。
波長変換物質は、発光素子から出射される一次光の少なくとも一部を吸収して、一次光とは異なる波長の二次光を発する。これにより、可視波長の一次光及び二次光の混色光、例えば白色光を発する発光装置とすることができる。波長変換物質は、以下に示す具体例のうちの1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
第1蛍光体は、緑色光乃至黄色発光する。第1蛍光体の発光ピーク波長は、発光効率、他の光源の光との混色関係などの観点から、520nm以上560nm以下の範囲が好ましい。具体的には、緑色発光する蛍光体としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えばY3(Al,Ga)5O12:Ce)、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えばLu3(Al,Ga)5O12:Ce)、テルビウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体(例えばTb3(Al,Ga)5O12:Ce)系蛍光体、シリケート系蛍光体(例えば(Ba,Sr)2SiO4:Eu)、クロロシリケート系蛍光体(例えばCa8Mg(SiO4)4Cl2:Eu)、βサイアロン系蛍光体(例えばSi6−zAlzOzN8−z:Eu(0<z<4.2))、SGS系蛍光体(例えばSrGa2S4:Eu)などが挙げられる。黄色発光の蛍光体としては、αサイアロン系蛍光体(例えばMz(Si,Al)12(O,N)16(但し、0<z≦2であり、MはLi、Mg、Ca、Y、及びLaとCeを除くランタニド元素)などが挙げられる。このほか、上記緑色発光する蛍光体の中には黄色発光する蛍光体もある。また例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体は、Yの一部をGdで置換することで発光ピーク波長を長波長側にシフトさせることができ、黄色発光が可能である。また、これらの中には、橙色発光が可能な蛍光体もある。
第2蛍光体は、赤色発光する。第2蛍光体の発光ピーク波長は、発光効率、他の光源の光との混色関係などの観点から、620nm以上670nm以下の範囲が好ましい。具体的には、赤色発光する蛍光体としては、窒素含有アルミノ珪酸カルシウム(CASN又はSCASN)系蛍光体(例えば(Sr,Ca)AlSiN3:Eu)などが挙げられる。このほか、マンガン賦活フッ化物系蛍光体(一般式(I)A2[M1−aMnaF6]で表される蛍光体である(但し、上記一般式(I)中、Aは、K、Li、Na、Rb、Cs及びNH4からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、Mは、第4族元素及び第14族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、aは0<a<0.2を満たす))が挙げられる。このマンガン賦活フッ化物系蛍光体の代表例としては、マンガン賦活フッ化珪酸カリウムの蛍光体(例えばK2SiF6:Mn)がある。
被覆部材は、光反射性を有する。被覆部材は、前方への光取り出し効率の観点から、第1発光素子及び第2発光素子の発光ピーク波長における光反射率が、70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることがよりいっそう好ましい。さらに、被覆部材は、白色であることが好ましい。よって、被覆部材は、母材中に白色顔料を含有してなることが好ましい。また、被覆部材は、上記の透光性部材と同様のフィラーを含有してもよい。被覆部材は、硬化前には液状の状態を経る。被覆部材は、トランスファ成形、射出成形、圧縮成形、ポッティングなどにより形成することができる。
被覆部材の母材は、樹脂を用いることができ、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、又はこれらの変性樹脂が挙げられる。なかでも、シリコーン樹脂及び変性シリコーン樹脂は、耐熱性及び耐光性に優れ、好ましい。具体的なシリコーン樹脂としては、ジメチルシリコーン樹脂、フェニル−メチルシリコーン樹脂、ジフェニルシリコーン樹脂が挙げられる。また、被覆部材の母材は、上記の透光性部材の母材と同様のフィラーを含有してもよい。
白色顔料は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、珪酸カルシウム、珪酸マグネシウム、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムのうちの1種を単独で、又はこれらのうちの2種以上を組み合わせて用いることができる。白色顔料の形状は、適宜選択でき、破砕状若しくは不定形状でもよいが、流動性の観点では球状が好ましい。また、白色顔料の粒径は、例えば0.1μm以上0.5μm以下程度が挙げられる。被覆部材中の白色顔料の含有量は、適宜選択できるが、光反射性及び流動状態における粘度などの観点において、例えば10wt%以上70wt%以下が好ましく、30wt%以上60wt%以下がより好ましい。なお、「wt%」は、重量パーセントであり、被覆部材の全重量に対する白色顔料の重量の比率を表す。
導光部材は、発光素子と透光性部材を接着し、発光素子からの光を透光性部材に導光する部材である。導光部材の母材は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、並びにこれらの変性樹脂のうちの少なくとも1つを用いることができる。なかでも、シリコーン樹脂及び変性シリコーン樹脂は、耐熱性及び耐光性に優れ、好ましい。具体的なシリコーン樹脂としては、ジメチルシリコーン樹脂、フェニル−メチルシリコーン樹脂、ジフェニルシリコーン樹脂が挙げられる。また、導光部材の母材は、上記の透光性部材の母材と同様のフィラーを含有してもよい。また、導光部材は、省略することができる。
導電性接着部材は、錫−ビスマス系、錫−銅系、錫−銀系、金−錫系などの半田を用いることができる。また、導電性接着部材は、樹脂バインダの硬化物により結着された、銀、金、銅、プラチナ、アルミニウム、パラジウムなどの金属粉末の焼結体であってもよい。これらの導電性接着部材は、例えば、加熱前にはペースト状であって、加熱により溶融し、その後冷却されることで固化する。このほか、導電性接着部材は、金、銀、銅などのバンプなどを用いることもできる。
配線基板は、少なくとも、基体と、その基体に保持される配線と、により構成される。配線基板は、適宜、ソルダーレジスト、カバーレイなどの電気的絶縁性の保護膜を有していてもよい。配線基板は、発光装置の剛性の観点においてリジッド基板が好ましいが、可撓性基板であってもよい。
基体は、リジッド基板であれば、樹脂若しくは繊維強化樹脂、セラミックス、ガラス、金属、紙などを用いて構成することができる。樹脂若しくは繊維強化樹脂としては、エポキシ、ガラスエポキシ、ビスマレイミドトリアジン(BT)、ポリイミドなどが挙げられる。セラミックスとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化チタン、窒化チタン、若しくはこれらの混合物などが挙げられる。金属としては、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン、若しくはこれらの合金などが挙げられる。基体は、可撓性基板であれば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマーなどを用いて構成することができる。
配線は、基体の少なくとも前面に形成され、基体の内部及び/若しくは側面及び/若しくは後面にも形成されていてもよい。また、配線は、発光素子が実装される素子接続端子部すなわちランド部、外部回路と接続される外部接続端子部、及びこれら端子部間を接続する引き出し配線部などを有することが好ましい。配線は、銅、鉄、ニッケル、タングステン、クロム、アルミニウム、銀、金、チタン、パラジウム、ロジウム、又はこれらの合金で形成することができる。これらの金属又は合金の単層でも多層でもよい。特に、放熱性の観点においては銅又は銅合金が好ましい。また、配線の表層には、導電性接着部材の濡れ性及び/若しくは光反射性などの観点において、銀、白金、アルミニウム、ロジウム、金若しくはこれらの合金などの層が設けられていてもよい。
実施例1の発光装置は、図1A,1Bに示す例の発光装置100の構成を有する、横1.8mm、縦0.32mm、奥行き(厚さ)0.70mmの側面発光型のLEDである。
比較例1の発光装置は、実施例1の透光性部材20に代えて、ユーロピウム賦活βサイアロンの蛍光体とマンガン賦活フッ化珪酸カリウムの蛍光体が、フェニル−メチルシリコーン樹脂の硬化物である母材中の全域に均一に分散した透光性部材を使用すること以外は、実施例1の発光装置と同様に作製されている。
以上のような実施例1の発光装置と比較例1の発光装置のエージング試験、及びリフローパス試験における発光色度の変化を測定して、各発光装置の信頼性を評価する。エージング試験は、順電流20mA、温度60℃、常湿、大気雰囲気の条件下で、発光装置のエージングを500時間行う。リフローパス試験は、最高到達温度260℃、保持時間10秒、大気雰囲気の条件のリフローパスを3回行う。その結果を図3及び図4A,4Bに示す。
13…半導体積層体
15…基板
15a…第3主面
15b…第4主面
20…透光性部材
20a…第1主面
20b…第2主面
20c…側面
201…第1層
202…第2層
203…第3層
30…透光性部材の母材
31…第1母材
32…第2母材
33…第3母材
40…波長変換物質
41…第1蛍光体
42…第2蛍光体
50…被覆部材
51…被覆部材の母材
55…白色顔料
60…導光部材
70…導電性接着部材
80…配線基板
81…基体
85…配線
100…発光装置
200,220…波長変換シート
Claims (9)
- 青色発光する発光素子と、
前記発光素子に接合された第1主面と、前記第1主面の反対側の第2主面と、を有する透光性部材と、を備え、
前記透光性部材が、透光性の母材と、前記母材中に含有され前記発光素子の光を吸収して発光する波長変換物質と、を有し、
前記波長変換物質が、前記母材中において前記第1主面側に偏在しており、且つ、
赤色発光する第2蛍光体と、前記第2蛍光体より前記第1主面側に偏在した緑色乃至黄色発光する第1蛍光体と、を含み、
前記第2蛍光体が、マンガン賦活フッ化物蛍光体である発光装置。 - 前記透光性部材の前記第1主面と前記第2主面の間の側面を被覆する光反射性の被覆部材を更に備える、請求項1に記載の発光装置。
- 前記第2蛍光体が、マンガン賦活フッ化珪酸カリウムである、請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記第1蛍光体が、ユーロピウム賦活βサイアロンである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記透光性部材が、前記母材と前記第1蛍光体からなる第1層、前記母材と前記第2蛍光体からなる第2層、前記母材からなる第3層を、前記第1主面から前記第2主面に向かってこの順に含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記母材の全部が、同一の材料で構成されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記母材が、第1母材と、第2母材と、第3母材と、を含み、
前記第1層が、前記第1母材と前記第1蛍光体からなり、
前記第2層が、前記第2母材と前記第2蛍光体からなり、
前記第3層が、前記第3母体からなり、
前記第2母材が、前記第1母材の屈折率と同じ屈折率の材料、又は前記第1母材の屈折率より低い屈折率の材料で構成され、
前記第3母材が、前記第1母材の屈折率より低い場合の前記第2母材の屈折率と同じ屈折率の材料、又は前記第2母材の屈折率より低い屈折率の材料で構成されている、請求項5に記載の発光装置。 - 前記母材が、シリコーン系樹脂、又はフィラーを含有するシリコーン系樹脂で構成されている、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記発光素子が、半導体積層体と、
前記半導体積層体が設けられた第3主面と、前記第3主面の反対側の第4主面と、を有する電気的絶縁性で且つ透光性の基板と、を含み、
前記透光性部材の第1主面が、前記基板の第4主面に接合されている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の発光装置。
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