JP2020035910A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

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直樹 田古嶋
洋次郎 鑓水
Yojiro Yarimizu
洋次郎 鑓水
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Takeshi Abe
剛 阿部
田中 浩二
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浩二 田中
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Abstract

【課題】導体層とフィルムとの剥離を防ぎ、発光装置の信頼性を向上させる。【解決手段】実施形態にかかる発光装置は、可視光に対して透過性を有するフィルムと、フィルムの一方の面に形成された導体層と、導体層に、前記フィルムに向かって突出するバンプを介して電極が接続される発光素子とを備える。バンプに接触する導体層の接触部の外縁において湾曲するフィルムの曲率は、接触部の外縁において少なくとも3個の点で前記導体層に接触する円の半径により定義され、この円の半径は13μm以上である。【選択図】図22

Description

本発明の実施形態は、発光装置及び発光装置の製造方法に関する。
発光素子を用いた発光装置は、屋内用、屋外用、定置用、移動用などの表示装置、表示用ランプ、各種スイッチ類、信号装置、一般照明などの光学装置に幅広く利用されている。この種の発光装置では、発光素子として発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)が一般的に用いられる。発光ダイオードを用いた発光装置のうち、各種の文字列、幾何学的な図形や模様などを表示する表示装置及び表示用ランプなどに好適な装置として、光透過性を有する2枚のフィルムと、これらのフィルムの間に配置された複数の発光ダイオードを備える発光装置が知られている。複数の発光ダイオードそれぞれは、一対の電極を有している。そして、各電極は、バンプを介して、フィルムに設けられた導体層と電気的に接続されている。
上述した発光装置を製造する際には、例えば、発光ダイオードを挟むように配置された一対のフィルムを熱圧着することで、発光ダイオードの電極と導体層とをバンプを介して電気的に接続する。しかしながら、一対のフィルムを熱圧着すると、発光ダイオードのバンプに沿ってフィルムとフィルムに形成された導体層とが変形する。このとき、フィルムは弾性変形し、導体層は塑性変形するため、フィルムが変形した箇所では、時間の経過とともにフィルムと導体層が部分的に剥離してしまうことがある。
特開2012−084855号公報
本発明の実施形態は、上述した問題を解消するためになされ、発光装置の信頼性を向上させることを課題とする。
上記に記載された課題を解決するために、実施の形態にかかる発光装置は、可視光に対して透過性を有するフィルムと、フィルムの一方の面に形成された導体層と、導体層に、前記フィルムに向かって突出するバンプを介して電極が接続される発光素子とを備える。バンプに接触する導体層の接触部の外縁において窪むフィルムの曲率は、接触部の外縁において少なくとも3個の点で前記導体層に接触する円の半径により定義され、この円の半径は13μm以上である。
実施形態に係る発光モジュールの斜視図である。 発光モジュールの展開斜視図である。 発光パネルの側面図である。 発光モジュールの平面図である。 発光素子の斜視図である。 メッシュパターンを拡大して示す図である メッシュパターンに接続される発光素子を示す図である。 発光パネルを構成する発光素子の近傍を拡大して示す側面図である。 フレキシブルケーブルの側面図である。 発光パネルとフレキシブルケーブルの接続要領を説明するための図である。 メッシュパターンの製造要領を説明するための図である。 メッシュパターンの製造要領を説明するための図である。 メッシュパターンの製造要領を説明するための図である。 メッシュパターンの製造要領を説明するための図である。 メッシュパターンの製造要領を説明するための図である。 発光パネルの製造要領を説明するための図である。 発光パネルの製造要領を説明するための図である。 熱硬化性を有する熱硬化性樹脂の熱硬化前の動的粘度を示す図である。 熱硬化性樹脂が硬化して一体化することにより得られる樹脂層の引張貯蔵弾性率を示す図である。 メッシュパターンに接続された発光素子を拡大して示す図である。 発光モジュールのA−A断面を示す図である。 発光装置を構成する発光素子と、その周辺に位置する樹脂層、導体層、フィルムを示す断面図である。 発光パネルの発光素子のバンプと導体層との接触部付近に生じる間隙を示す図である。 発光素子のバンプとメッシュパターンとの接触部付近を拡大して示す図である。 実施形態にかかる発光モジュールが用いられるセキュリティゲートを例示する図である。 実施形態にかかる発光モジュールが用いられる自動ドアを例示する図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。説明には、相互に直交するX軸、Y軸、Z軸からなるXYZ座標系を用いる。
図1は本実施形態に係る発光モジュール10の斜視図である。また、図2は発光モジュール10の展開斜視図である。図1及び図2を参照するとわかるように、発光モジュール10は、長手方向をX軸方向とする長方形の発光パネル20、発光パネル20に接続されるフレキシブルケーブル40、フレキシブルケーブル40に実装されるコネクタ50、フレキシブルケーブル40に固定される補強板60を有している。
図3は、発光モジュール10を構成する発光パネル20の側面図である。図3に示されるように、発光パネル20は、1組のフィルム21,22、フィルム21,22の間に形成された樹脂層24、及び樹脂層24の内部に配置された8個の発光素子30〜30を有している。
フィルム21,22は、長手方向をX軸方向とする長方形のフィルムである。フィルム21は、可視光に対して透過性を有し、全光線透過率は5〜95%程度である。なお、全光線透過率とは、日本工業規格JISK7375:2008に準拠して測定された全光線透過率をいう。
フィルム21,22の厚さは50μm〜300μmの範囲であることが好ましい。フィルム21,22が厚すぎると、フィルム21,22に良好な屈曲性を付与することが困難となり、透光性も低下するおそれがある。
また、フィルム21,22は、可撓性を有し、その曲げ弾性率は、0〜320kgf/mm程度(ゼロを含まず)である。なお、曲げ弾性率とは、ISO178(JIS K7171:2008)に準拠する方法で測定された値である。
フィルム21,22の素材としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンサクシネート(PES)、環状オレフィン樹脂(例えばJSR社製のアートン(ARTON(商品名)))、アクリル樹脂などが考えられる。フィルム21,22の素材は同じであってもよいし、フィルム21の素材とフィルム22の素材が相互に異なっていてもよい。
フィルム21の下面には、メッシュ状の導体層23が形成される。導体層23は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)などの金属材料からなる。導体層23の厚さは、望ましくは、0.05μm〜2μm程度、又は0.05μm〜20μm程度である。
図4は、発光モジュール10の平面図である。図3及び図4を参照するとわかるように、導体層23は、フィルム21の+Y側外縁に沿って形成されるL字状のメッシュパターン23aと、フィルム21の−Y側の外縁に沿って配列される長方形のメッシュパターン23b〜23iからなる。発光モジュール10の発光パネル20において、メッシュパターン23a〜23i同士の距離Dは、約100μm以下である。
図3を参照するとわかるように、発光パネル20では、フィルム22の方が、フィルム21よりもX軸方向の長さが短い。このため、導体層23を構成するメッシュパターン23aとメッシュパターン23iの+X側端が露出した状態になっている。
導体層及びメッシュパターンの詳細な材質や構成については、国際公開第2015/083366号に詳細に開示されている。国際公開第2015/083366号に開示された内容を本願明細書の一部として引用し、導体層及びメッシュパターンに係る詳細な説明は省略する。
フィルム21,22の間には、発光素子30〜30が配置される部分を除き、可視光に対しする光透過性を有する樹脂層24が形成されている。樹脂層24は、例えば、熱硬化性樹脂としてのエポキシ系樹脂からなる。樹脂層24を構成する熱硬化性樹脂は、例えば、硬化前の最低溶融粘度VC1が80〜160℃の範囲で10〜10000Pa・sの範囲であることが好ましい。また、硬化前の最低溶融粘度VC1における温度T1(最軟化温度)に到達するまでの溶融粘度変化率VRが1/1000以下(千分の一以下)であることが好ましい。さらに、樹脂層24は、加熱されることにより最低溶融粘度に到達した後、すなわち、硬化した後のビカット軟化温度T2が80〜160℃の範囲であり、0℃から100℃の範囲での引張貯蔵弾性率EMが0.01〜1000GPaの範囲であることが好ましい。また、樹脂層24は、100〜160℃のガラス転移温度T3を有することが好ましい。
熱硬化性樹脂の好ましい物性値は、例えば、以下のとおりである。
最低溶融粘度VC1:10〜10000Pa・s
最低溶融粘度VC1における温度T1(最軟化温度):80〜160℃
温度T1に到達するまでの溶融粘度変化率VR:1/1000以下
ビカット軟化温度T2:80〜160℃
引張貯蔵弾性率EM:0〜100℃の間で0.01〜1000GPa
ガラス転移温度T3:100〜160℃
熱硬化性を有する樹脂としては、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、エステル系樹脂、ウレタン系樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が知られている。これらのうち、エポキシ系樹脂は、透光性、電気絶縁性、可撓性等に加えて、軟化時の流動性、硬化後の接着性、耐候性等に優れることから、樹脂層24の構成材料として好適である。もちろん、樹脂層24は、エポキシ系樹脂以外の他の樹脂から構成されていてもよい。樹脂層24は、熱硬化性を有する樹脂を主成分とする材料から構成されることが好ましいが、必要に応じて他の成分を含んでいてもよい。
熱硬化性樹脂からなる導体層の詳細な材質や構成については、国際公開第2016/047134号に詳細に開示されている。国際公開第2016/047134号に開示された内容を本願明細書の一部として引用し、熱硬化性樹脂からなる導体層に係る詳細な説明は省略する。
発光素子30は、一辺が0.3mm〜3mmの正方形の発光ダイオードチップである。図5に示されるように、発光素子30は、ベース基板31、N型半導体層32、活性層33、P型半導体層34からなる4層構造の発光ダイオードである。発光素子30の定格電圧は約2.5Vである。
ベース基板31は、サファイア基板又は半導体基板である。ベース基板31の上面には、当該ベース基板31と同形状のN型半導体層32が形成されている。そして、N型半導体層32の上面には、順に、活性層33、P型半導体層34が積層されている。N型半導体層32に積層される活性層33、及びP型半導体層34の、−Y側かつ−X側のコーナー部分には切欠きが形成され、この切欠きからN型半導体層32の表面が露出している。ベース基板31として光学的に透過性を有する材料を用いることにより、光は発光素子の上下両面から放射される。
N型半導体層32の、活性層33とP型半導体層34から露出する部分には、N型半導体層32と電気的に接続される電極36が形成されている。また、P型半導体層34の+X側かつ+Y側のコーナー部分には、P型半導体層34と電気的に接続される電極35が形成されている。電極35,36は、銅(Cu)、或いは金(Au)からなり、上面には、バンプ37が形成されている。バンプ37は、金(Au)、AuSn合金、銀(Ag)、銅(Cu)及びニッケル(Ni)またそれ以外の金属との合金などからなる。発光素子30では、電極36のバンプ37が、カソード電極として機能し、電極35のバンプ37が、アノード電極として機能する。
バンプ37の融点は、180℃以上が好ましく、より好ましくは200℃以上である。上限は、実用的な範囲として1100℃以下である。
バンプ37のダイナミック硬さDHVは3以上150以下で、好ましくは5以上100以下であり、より好ましくは5以上50以下である。
バンプ37の高さは、5μm以上80μm以下であることが好ましく、より好ましくは、10μm以上60μm以下である。
また、発光素子30の電極35,36とバンプ37との接触面積は100μm以上で15,000μm以下であることが好ましい。また、400μm以上で8,000μm以下であることがより好ましい。
発光素子の電極に設けられるバンプの材質や構成については、国際公開第2015/083365号に詳細に開示されている。国際公開第2015/083365号に開示された内容を本願明細書の一部として引用し、発光素子の電極に設けられるバンプに係る詳細な説明は省略する。
上述のように構成される発光素子30は、図6に示されるように、メッシュパターン23a,23bの間に配置され、一方のバンプ37がメッシュパターン23aに接続され、他方のバンプ37がメッシュパターン23bに接続される。
図7は、メッシュパターン23a,23bを拡大して示す図である。図7を参照するとわかるように、メッシュパターン23a,23bは、X軸に平行な複数のラインパターンLXと、Y軸に平行な複数のラインパターンLYとからなる。各メッシュパターン23a〜23iには、発光素子30のバンプ37が接続される接続パッドPが設けられている。ラインパターンLX,LYそれぞれの線幅は、約10μmであり、約300μmピッチで形成されている。
図7に示されるように、発光素子30は、メッシュパターン23a,23bにわたって、境界を横切るように配置されている。そして、メッシュパターン23aに設けられた接続パッドPに一方のバンプ37が接続され、メッシュパターン23bに設けられた接続パッドPに他方のバンプ37が接続されている。
メッシュパターン23c〜23iも、図7に示されるメッシュパターン23a,23bと同様に形成されている。また、他の発光素子30〜30も、発光素子30と同等の構成を有している。そして、図4に示されるように、発光素子30が、メッシュパターン23b,23cの間に配置され、一対のバンプ37がメッシュパターン23b,23cにそれぞれ接続される。以下同様に、発光素子30は、メッシュパターン23c,23dにわたって配置される。発光素子30は、メッシュパターン23d,23eにわたって配置される。発光素子30は、メッシュパターン23e,23fにわたって配置される。発光素子30は、メッシュパターン23f,23gにわたって配置される。発光素子30は、メッシュパターン23g,23hにわたって配置される。発光素子30は、メッシュパターン23h,23iにわたって配置される。これにより、メッシュパターン23a〜23i、及び発光素子30〜30が直列に接続される。発光モジュール10の発光パネル20では、発光素子30の配置間隔dは、約10mmである。
図8は、発光パネル20を構成する発光素子30〜30の近傍を拡大して示す側面図である。上述のように構成される発光パネル20の樹脂層24の大部分の厚さはT2となっており、発光素子30〜30が位置する部分の厚さがT1となっている。T1の値は、発光素子30〜30の高さとバンプ37の高さを合わせた大きさであり、T2の値よりも大きい。図8に示されるように、発光パネル20のフィルム21,22は、発光素子30〜30が位置するところが外側に突出し、発光素子30〜30の周囲が内側に窪むように湾曲した形状となる。このようにフィルム21,22が湾曲することで、フィルム21,22によって、導体層23がバンプ37に押し付けられた状態になっている。したがって、導体層23とバンプ37との電気的な接続性やその信頼性を高めることが可能になる。
図9は、フレキシブルケーブル40の側面図である。図9に示されるように、フレキシブルケーブル40は、基材41、導体層43、カバーレイ42から構成されている。
基材41は、長手方向をX軸方向とする長方形の部材である。この基材41は、例えばポリイミドからなり、上面に導体層43が形成されている。導体層43は、ポリイミドの上面に張り付けられた銅箔をパターニングすることにより形成される。本実施形態では、導体層43は、図4に示されるように、2つの導体パターン43a,43bからなる。
図9に示されるように、基材41の上面に形成された導体層43は、真空熱圧着されたカバーレイ42によって被覆されている。このカバーレイ42は、基材41よりもX軸方向の長さが短い。このため、導体層43を構成する導体パターン43a,43b(図4参照)の−X側端部は、露出した状態になっている。また、カバーレイ42には、開口部42aが設けられ、この開口部42aからは、導体層43の導体パターン43a,43bの+X側端部が露出している。
図4及び図10を参照するとわかるように、上述のように構成されたフレキシブルケーブル40は、カバーレイ42から露出する導体パターン43a,43bが、発光モジュール10の発光パネル20のメッシュパターン23a,23iの+X側端部に接触した状態で、発光パネル20に接着される。
図2に示されるように、コネクタ50は、直方体状の部品である。コネクタ50には、直流電源から引き回されるケーブルが接続される。コネクタ50は、フレキシブルケーブル40の+X側端部上面に実装される。コネクタ50がフレキシブルケーブル40に実装されると、図10に示されるように、コネクタ50の一対の端子50aそれぞれが、カバーレイ42に設けられた開口部42aを介して、導体層43を構成する導体パターン43a,43bに接続される。
図2に示されるように、補強板60は、長手方向をX軸方向とする長方形板状の部材である。補強板60は、例えばエポキシ樹脂やアクリルからなる。この補強板60は、図10に示されるように、フレキシブルケーブル40の下面に張り付けられる。このため、フレキシブルケーブル40は、補強板60の−X側端と発光パネル20の+X側端の間で屈曲させることが出来る。
次に、上述した発光モジュール10を構成する発光パネル20の製造方法について説明する。まずPETからなるフィルム21を用意する。そして、図11に示されるように、フィルム21の表明全体に、サブトラクト法又はアディティブ法などを用いて、メッシュ状の導体層23を形成する。そして、この導体層23を、レーザを用いて切断することにより、メッシュパターン23a〜23iを形成する。
導体層23の切断は、フィルム21の表面に形成された導体層23にレーザ光を照射する。そして、レーザ光のレーザスポットを、図12に示される点線に沿って移動させる。これにより、導体層23が、点線に沿って切断され、図13に示されるように、メッシュパターン23a〜23iが形成される。
図14は、導体層23を拡大して示す図である。図14に示されるように、レーザスポットを移動させて導体層23を切断する際には、図中に点線で示されるように、レーザスポットを、ラインパターンLX,LYの配列ピッチより小さい振幅でジグザグに移動させる。これにより、隣接するメッシュパターン同士の境界では、一方のメッシュパターンの端部と、他方のメッシュパターンの端部とが、境界に沿って交互に配列した状態になる。
本実施形態では、図14に示されるように、導体層23に接続パッドPがあらかじめ形成されている。接続パッドPは、導体層23が形成されるときに、発光素子30が実装される位置に対応して設けられる。図14に示される点線に沿って、導体層23の表面をレーザ光のレーザスポットが移動すると、レーザスポットの移動経路近傍にあるラインパターンLX,LYの一部が融解して昇華する。これにより、メッシュパターン23a〜23iが切り出されるとともに、電気的に相互に絶縁された1対の接続パッドPが形成される。発光モジュール10の発光パネル20では、図15の○印に示されるところに1対の接続パッドPが形成される。
次に、図16に示されるように、メッシュパターン23a〜23iが形成されたフィルム21の表面に熱硬化性を有する樹脂シート240を設ける。そして、発光素子30〜30を、樹脂シート240の上に配置する。このとき発光素子30〜30のバンプ37の直下に、メッシュパターン23a〜23iに形成された接続パッドPが位置するように、発光素子30〜30が位置決めされる。
次に、図17に示されるように、下面に樹脂シート240が設けられたフィルム22を、フィルム21の上面側に配置し、積層体200を形成する。そして、この積層体200を、真空雰囲気下で加熱及び加圧する。これにより、樹脂シート240が軟化し、導体層23及びフィルム21,22と、発光素子30との間に隙間なく充填される。また、発光素子30〜30に形成されたバンプ37が、樹脂シート240を突き抜けて、メッシュパターン23a〜23iに到達する。これにより、各発光素子30〜30のバンプ37がメッシュパターン23a〜23iに電気的に接続される。その後、熱硬化性を有する樹脂シート240は、引き続き加熱されることにより硬化する。これにより、樹脂シート240は、図3に示されるように、フィルム21,22の間で発光素子30を保持する樹脂層24となる。
樹脂層24を構成する樹脂は、樹脂シート240が軟化し、導体層23及びフィルム21,22と、発光素子30との間に隙間なく充填されるときに、バンプ37の側方を包囲するようにバンプ37の周囲に充填される。また、樹脂は、バンプ37の上面の端部にも一部充填された状態になる。
上述のように構成された発光パネル20に、図10に示されるように、コネクタ50が実装されるとともに補強板60が張り付けられたフレキシブルケーブル40を接続することで、図1に示される発光モジュール10が完成する。
図18は、熱硬化性を有する樹脂シート240の初期状態、即ち熱硬化前の動的粘度を示す図である。図18のグラフの横軸は温度(℃)を示し、縦軸は動的粘度(poise)を示す。図18の各曲線L1〜L5は、樹脂シート240の熱硬化前の粘弾性特性を示す。動的粘度は、動的粘弾性測定により得られる。動的粘弾性測定とは、樹脂シート240に対して一定の周期的な正弦波歪を与えたときの、当該樹脂シート240の応力を示す。一般に、動的粘度が大きくなるほど固く、動的粘度が小さくなるほど柔軟になる。
樹脂シート240には、例えば図17に示されるように、真空熱圧着前に発光素子30〜30が載置される。このため、樹脂シート240は、ある程度柔らかいことが好ましい。具体的には、例えばマウンタなどの装置を用いて、発光素子30〜30を樹脂シート240に載置した際に、発光素子30〜30のバンプ37が樹脂シート240に若干めり込む程度に、当該樹脂シート240が柔らかいことが好ましい。樹脂シート240がある程度柔軟であると、マウンタによって搭載された発光素子30〜30が、樹脂シート240に仮止めされた状態になる。これにより、発光素子30〜30が搭載されたフィルム21を移動させたり、フィルム21とフィルム22とを重ねたりする際にも、発光素子30〜30が樹脂シート240に対してずれることがなく、発光素子30〜30が精度よく位置決めされた状態になる。
一般に、マウンタなどによる発光素子30〜30の実装は室内温度(約20℃〜30℃)の下に行われるので、例えば樹脂シート240が25℃のときには、樹脂シート240の動的粘度が、点Aを通る破線より下の1.0E+06poise以下であることが好ましい。
フィルム21,22、樹脂シート240、発光素子30〜30などからなる積層体200の熱圧着は、樹脂シート240が最低溶融粘度になる温度より低い温度、すなわち、樹脂シート240が硬化を始めるときのビカット軟化温度Mpよりも低い温度で行われる。そして、熱圧着がなされた積層体200は、所望により、樹脂シート240が硬化するときのビカット軟化温度Mpになるまで加圧された状態が維持される。このため、動的粘度が小さくなりすぎると、樹脂シート240がフィルム21,22の間からフローしたり、フィルム21,22のフローとともに発光素子30〜30の位置がずれてしまったりすることが考えられる。したがって、樹脂シート240の動的粘度は、ビカット軟化温度Mpのときには、点Dを通る破線よりも上の500poise以上であることが好ましい。すなわち、樹脂シート240の最小動的粘度は、500poise以上であるとよい。
フィルム21,22が、例えば、厚さ100μmのPETからなる場合には、ビカット軟化温度Mpは、PETの軟化温度よりも低いことが好ましい。PETの軟化温度は約180℃であるため、ビカット軟化温度Mpは、例えば80〜160℃である。ビカット軟化温度Mpはより好ましくは80〜150℃、おおよそ100℃〜130℃である。このため、130℃のときに、動的粘度が500poise以上であるとよい。
フィルム21,22、樹脂シート240、発光素子30〜30などからなる積層体200が熱圧着されている間に、例えば図3に示されるように、発光素子30〜30の周囲に隙間なく樹脂シート240を回り込ませるための加熱処理(前加熱)が行われることがある。この前加熱において、樹脂シート240は、ビカット軟化温度Mpまで昇温された時にある程度軟化していなければならない。したがって、樹脂シート240の動的粘度は、ビカット軟化温度Mpのときに、点Cを通る破線より下の1.0E+04poise以下であることが好ましい。このため、130℃のときに、動的粘度が1.0E+04poise以下であるとよい。
本実施形態では、積層体200を熱圧着することにより、発光素子30〜30のバンプ37が樹脂シート240を貫通し、フィルム21に形成された導体層23に到達する。このため、前加熱においては、熱圧着が開始された後、積層体200に所望の圧力が加わるまでに、当該積層体200はおおよそ100〜110℃にまで加熱される。そのため、樹脂シート240の動的粘度は、温度約110℃のときに、点Eを通る破線より下の50000poise以下であることが好ましい。
上記条件を考慮すると、約25℃から約130℃までの動的粘度の推移が、図18において、点A,B,C,D,Eを結ぶ直線で規定された領域に含まれる曲線により示される動的粘弾性特性を有する樹脂シート240を用いて、発光モジュール10の樹脂層23を構成するのが好ましい。
例えば、図18に示される例では、曲線L3,L4で示される動的粘弾性特性を有する樹脂シート240を用いて、発光モジュール10の樹脂層24を構成するのがよい。また、曲線L2で示される動的粘弾性特性を有する樹脂シート240を用いることとしてもよい。動的粘弾性特性が曲線L2で示される樹脂シート240は、点A〜点Eのところで、樹脂層の形成にあたって必要な動的粘度の条件を満たすからである。
図19は、上述した樹脂シート240が硬化し、一体化することにより得られる樹脂層24の引張貯蔵弾性率を示す図である。図19に示されるように、例えば図18のL2〜L3に示される動的粘弾性を有する樹脂シート240は、硬化して樹脂層24となった後、常温以下の温度から100℃になるまでは、引張貯蔵弾性率が一定になり安定した特性を示す。また、軟化温度を超えて加熱された場合にも、一旦は急峻に粘度が低下するが、その後は引張貯蔵弾性率が一定になり安定な特性となる。このため、上述の樹脂シート240を用いることで、信頼性の高い発光モジュール10を提供することができる。
なお、熱硬化後の樹脂シート240の引張貯蔵弾性率は、−50〜100℃において、1〜10GPaの範囲にあり、引張貯蔵弾性率の変化は1桁(10倍)以内である。
上述したように積層体200を熱圧着して製造した発光パネル20は、図8に概略的に示されるように、発光素子30〜30に沿ってフィルム21,22が湾曲した形状となる。(以下、説明の便宜上、発光素子30〜30を、単に、発光素子30とも示すことがある。)これらのフィルム21,22は、樹脂層24によってその形状が維持されるが、ある一定の時間が経過すると、フィルム21の湾曲に起因する応力によって、当該フィルム21が導体層23から剥離することがある。フィルム21の剥離は、発光素子30のバンプ37の近傍でよくみられる。そのため、発光パネル20の製造過程では、フィルム21の導体層23がバンプ37の押圧によって、バンプ37の形状に沿って窪むがその窪み部の曲率半径を一定値以上とする。以下、その理由を説明する。
図20は、図1に示される発光パネル20のメッシュパターン23a,23bに接続された発光素子30を拡大して示す図である。図20に示されるように、発光素子30に形成されたバンプ37は、メッシュパターンの接続パッドPに接続される。図21は、図20に示される発光モジュール10のA−A断面の一部を示す図である。発光素子30のバンプ37が接続パッドPに接続されたときには、フィルム21の下面は、接続パッドPが形成された導体層23とともに、バンプ37に沿って窪んだ状態になる。
図22は、図21に示されるバンプ37及びその周囲を拡大して示す図である。図22を参照するとわかるように、発光モジュール10を構成する発光パネル20では、発光素子30のバンプ37に、フィルム21の下面から、導体層23及びフィルム21に向かって突出する突出部214が形成される。この突出部214が導体層23に接触する。これにより、バンプ37が導体層23と電気的に接続される。
また、発光モジュール10の発光パネル20では、バンプ37と導体層23との接触部210において、導体層23がバンプ37に沿って窪んだ状態になる。これにより、バンプ37と導体層23とが接触する接触面積が増加する。その結果、バンプ37と導体層23との間の抵抗が小さくなる。したがって、電気的な接続を確保する観点だけを考慮すると、フィルム21及び導体層23は、大きく窪んでいた方がよい。
図23は、導体層23から剥離したフィルム21を示す図である。図23に示されるように、フィルム21及び導体層23の双方が、バンプ37に沿って窪んだ場合には、導体層23は塑性変形するが、フィルム21は弾性変形する。このため、フィルム21には、図23の一点鎖線L21で示される位置まで、導体層23から離れて復元しようとする弾性力Fが作用する。したがって、フィルム21と接着する樹脂層24が経年劣化した場合などには、導体層23からフィルム21が剥離して、間隙7が形成されることがある。図24に着色して示されるように、間隙7は、バンプ37の周囲に形成される。この隙間7は窪んだフィルム21に生じる弾性力Fによって形成されるものである。そこで、発光パネル20の製造過程で、バンプ37に沿ったフィルム21の窪み度合を制限する。
具体的には、図22に示されるように、バンプ37に接触する導体層23の接触部210の外縁212において、導体層23に少なくとも3点で接触する円39を定義する。このように定義された円39の半径Rは、接触部210におけるフィルム21の曲率半径Rとほぼ等価であってもよい。また、バンプ37と導体層23との接触部210において、バンプ37が導体層23及びフィルム21側に入り込んだ長さを、バンプ37の食い込み量AB(Amount of Bite)と定義する。
発光パネル20を製造する際には、曲率半径Rを20μm以上とすることで、フィルム21と導体層23の剥離を防止することができる。また、この場合、食い込み量ABは、曲率半径Rとの関係から15μm以下となる。
発光パネル20の製造プロセスでは、フィルム21の曲率半径Rが予め設定された値となるように、図17に示される積層体200に対して真空熱圧着工程が実施される。真空熱圧着工程は、積層体200を加熱及び加圧して、積層体200を構成する各部を一体化するための工程である。
真空熱圧着工程は、プレス装置のプレートによって挟持した積層体200を、第1加熱条件で昇温する加熱パターンと、第2加熱条件で昇温する加熱パターンが考えられる。第1加熱条件は、例えば、比較的長い時間をかけて積層体200を温度Tまで昇温する加熱パターンを規定する条件である。また、第2加熱条件は、比較的短い時間で積層体200を温度Tまで昇温する加熱パターンを規定する条件である。熱圧着工程が実施されると積層体200は硬化温度以上の温度Tまで昇温される。温度Tまで昇温された積層体200は、室温まで冷却される。
なお、真空熱圧着における上記温度Tは、フィルム21,22のビカット軟化温度Mpより10(℃)低い温度と、フィルム21,22のビカット軟化温度Mpより30(℃)高い温度との間になるように設定される。
Mp−10≦T≦Mp+30
温度Tが、フィルム21,22のビカット軟化温度Mpより10(℃)低い温度未満(T<Mp−10)であると、フィルム21,22の軟化が不十分となり、フィルム21,22の発光素子30〜30に対する密着性が低下するおそれがあるからである。また、加熱温度Tがフィルム21,22のビカット軟化温度Mpより30(℃)高い温度を超える(Mp+30<T)と、フィルム21,22が軟化し、更に樹脂シート240が軟化しすぎて形状不良などが生じるおそれがあるからである。
フィルム21の曲率半径Rは、主として熱圧着工程において積層体200に印加される圧力の大きさに依存すると考えられる。そのため、発光パネル20を製造する際には、主として積層体200に印加される圧力を調整して、フィルム21の曲率半径Rを20μm以上とする。
フィルム21の曲率半径Rを20μm以上とすることで、発光パネル20、ひいては発光モジュール10の信頼性を向上することができる。以下、実施例を示して説明する。
《実施例》
上記実施形態に係る発光パネル20の実施例として、複数の発光パネル20を種々の条件で製造し、製造結果としての複数の発光パネル20についての信頼性試験を実施した。
信頼性試験に用いられる発光パネル20の真空熱圧着工程においては、積層体200に加圧するときの圧力を低圧及び高圧の2種類に設定した。また、積層体200を構成するフィルム21,22はPETを素材とし、導体層23は銅(Cu)を素材とする。また、信頼性試験に用いた発光パネル20では、9個の発光素子30が直列に接続されている。
信頼性試験では、気温85℃、湿度85%の環境下で、複数の発光パネル20の発光素子30それぞれに約10mAの電流を供給した。発光素子30に供給する電流は、例えば、当該発光素子30の温度が、耐熱温度まで昇温されるように規定される。発光素子30に電流を供給する時間は、168時間とした。そして、通電を終えた発光パネル20について、予め決められた位置の発光素子30のバンプ37を観察し、フィルム21と導体層23の剥離の有無を確認した。
以下の表1は、信頼性試験の結果を示す表である。表1に示されるように、積層体200の真空熱圧着条件として、(1)加熱条件1と印加圧力低圧、(2)加熱条件1と印加圧力高圧、(3)加熱条件2と印加圧力低圧、(4)加熱条件2と印加圧力高圧の4通りに対して、曲率半径Rの大きさ5〜40μmごとに、試験結果が示されている。試験結果における数値の分母は、サンプル数を示し、分子は、剥離が認められたサンプル数を示す。
例えば、(1)加熱条件1と印加圧力低圧に対する曲率半径が5μmの数値では、分母が、加熱条件1で印加圧力が低圧との条件のもとに製造され、曲率半径Rが5μmとなったサンプルの総数を示す。また、分子が、上記サンプルのうちフィルム21と導体層23の剥離が認められたサンプル数を示す。
また、試験結果における記号SG,G,S,Nについて、SG(Significantly Greater)は、フィルム21の窪み部から平面部への進行を伴う著しく大きな構造上の剥離が生じたことを意味する。G(Greater)は、フィルム21の窪み部から平面部に向かう構造上の大きな剥離が生じたことを意味する。S(Smaller)は、構造上小さな剥離が生じたことを意味する。N(None)は、剥離が認められなかったことを意味する。SG,Gに示される状態の剥離が発生した発光パネル20は、実使用が困難であるか不可能である。また、記号−は、信頼性試験が行われたサンプルが存在しないことを示す。
真空熱圧着の条件とバンプ屈曲部の曲率半径Rと剥離の状態を示す表
Figure 2020035910
表1に示されるように、屈曲半径Rが約5μmである場合には、記号SGに示される状態の剥離が生じたサンプルが多々確認された。屈曲半径Rが約10μmである場合には、記号SG,Sに示される状態の剥離が生じたサンプルが多々確認された。屈曲半径Rが約13μmである場合には、記号Sに示される状況の剥離が生じたサンプルが確認されたが、剥離が生じないサンプルは確認されなかった。屈曲半径Rが約15μmである場合には、剥離が生じない一部のサンプルが確認された。屈曲半径Rが約20μm或いはそれ以上である場合には、剥離が生じたサンプルがまったく確認されなかった。
以上の結果から、発光パネル20を製造する際には、曲率半径Rを20μm以上とすることが好ましいことがわかる。また、発光パネル20を備える発光モジュール10の用途等を考慮すると、曲率半径Rを25μm以上とすることが好ましいといえる。
以上説明したように、発光モジュール10を構成する発光パネル20においては、フィルム21がバンプ37によって窪んだときの曲率半径Rを20μm以上とすることで、フィルム21と導体層23との剥離を防止することができる。その結果、発光モジュール10の信頼性を向上することができる。
また、フィルム21がバンプ37によって窪んだときの曲率半径Rを25μm以上とすることで、フィルム21と導体層23との剥離を更に効果的に防止することができる。その結果、発光モジュール10の信頼性を向上することができる。
また、発光モジュール10においては、発光素子30〜30が、メッシュパターン23a〜23iによって接続される。これらのメッシュパターン23a〜23iは、線幅が約10μmの金属薄膜から構成される。銅(Cu)や銀(Ag)などの金属は不透明な金属材料であるが、メッシュパターンの開口部が光を透過する。このため、発光モジュール10の光透過性及び可撓性を十分に確保することができる。また、メッシュパターン23a〜23iは、平面状に形成されるので、発光素子30へ電力を供給する回路の抵抗値を小さくすることができる。これにより、発光素子30へ効率よく電力を供給することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、樹脂層24が熱硬化性樹脂であることとした。これに限らず、樹脂層24は、熱可塑性樹脂から構成されていてもよい。発光モジュールを構成する熱可塑性樹脂からなる樹脂層については、国際公開第2014/156159号に詳細に開示されている。国際公開第2014/156159号に開示された内容を本願明細書の一部として引用し、熱可塑性樹脂からなる樹脂層に係る詳細な説明は省略する。
上記実施形態では、メッシュ状の導体層23を形成してから、導体層23を、レーザを用いて切断することによりメッシュパターン23a〜23iを形成した。これに限らず、ソリッドな導体層を全面に形成してから、導体層のメッシュ加工と、メッシュパターン23a〜23iの切り出し加工を1回のフォトエッチングで同時に行ってもよい。また、1回の印刷プロセスによりメッシュパターン23a〜23iを形成してもよい。
メッシュパターン23a,23iの引出しは、発光パネル20の周辺部でメッシュパターン23a,23iと導体パターン43a,43bとを重ねて接触を得てもよい。また、メッシュパターン23a,23iの端にメッシュ加工しない導体層(ソリッド領域)を残しておきそこに導体パターン43a,43bを重ねて接触を得てもよい。
また、実施形態では、8個の発光ダイオードを直列接続し、その電源線、直列接続配線部をメッシュパターンとしたが、発光ダイオードの直列接続を更に並列接続した2次元アレイにしてもよい。
上記実施形態において、導体層23は、フィルム22の上面(図3における+Z側の面)に形成してもよく、フィルム21の下面(図3における−Z側の面)に形成してもよい。また、フィルム22の上面およびフィルム21の下面の両方に導体層23を形成してもよい。例えば、フィルム22の上面(図3における+Z側の面)のみに導体層23が形成されたときには、発光素子30〜30の電極は、フィルム22の上面に形成された導体層23に接続される。また、フィルム22の上面およびフィルム21の下面の両方に導体層23が形成されたときには、発光素子30〜30の電極は、フィルム22の上面およびフィルム21の下面の両方に形成された導体層23に接続される。
上記実施形態において、フィルム21,22は、透光性を有する絶縁樹脂(シート等)に限られず、例えばガラスのような絶縁性と透光性とを併せ持つ無機材料から構成されていてもよい。ただし、フィルム21,22としてガラス基板を用いた場合、発光モジュール10の屈曲性が失われる。発光モジュール10に屈曲性を付与する場合には、光透過性と屈曲性とを有する素材からなるフィルム21,22を用いることが好ましい。フィルム21,22の一方を絶縁樹脂のような屈曲性を有する材料で構成し、他方をガラス基板のようなリジッドな材料で構成してもよい。
発光モジュール10において、メッシュ状の導体層23のかわりに、酸化インジウム錫(ITO:Indium Tin Oxide)などの透明な導電性材料からなる導体層23を、スパッタリング法や蒸着法を用いてフィルム21の下全面に形成してもよい。ITOからなる導体層23も透明性及び可撓性が高いので、発光モジュール10の光透過性及び可撓性を十分に確保することができる。ITOからなる導体層の詳細な説明は、国際公開第2015/083366号に詳細に開示されている。国際公開第2015/083366号に開示された内容を本願明細書の一部として引用し、ITOからなる導体層に係る詳細な説明は省略する。
次に、図25及び図26を参照して発光モジュール10の用途を説明する。図25は、実施形態にかかる発光モジュール10が用いられるセキュリティゲート80を例示する図である。図26は、実施形態にかかる発光モジュール10が用いられる自動ドア82を例示する図である。
図25に示されるセキュリティゲート80において、発光モジュール10は、フラッパ800,800又は本体802,802,802に用いられる。フラッパ800,800又は本体802,802,802に配置された発光モジュール10は、青色又は赤色に発光する。カードリーダ804,804,804によるカードの読み取りの結果、カードの保持者がセキュリティゲート80を通過可能か否かが判断される。
カードの保持者が通過可能と判断されたときには、フラッパ800,800又は本体802,802,802に配置された発光モジュール10は青く光るように通電される。一方、カードの保持者が通過不可能と判断されたときには、発光モジュール10は赤く光るように通電される。あるいは、カードの保持者がセキュリティゲート80を通過可能と判断されたときには、フラッパ800,800に配置された発光モジュール10は、「Welcome」、「Thank You」などのメッセージを表示するように通電される。
また、図26に示される自動ドア82において、発光モジュール10は、防護柵820,820とドア822,822とに用いられる。防護柵820,820に用いられた発光モジュール10は、自動ドア82を通ろうとしている人が自動ドア82に近づいたときに予め決められたマークを表示するように通電される。また、ドア822,822に用いられた発光モジュール10は、自動ドア82を通ろうとしている人が自動ドア82に近づいたときに点灯し、ドア822,822が開いたら消灯し、ドア822,822が閉じたら再点灯するように通電される。
さらに、本実施形態の発光モジュールの別の用途として、その屈曲性、光透過性、両面が発光するという特徴を利用して、装飾器具に本実施形態の発光モジュールをその装飾器具のカーブ形状などに沿わせて組み込み、発光モジュールを様々なパターンや文字等で発光させてもよい。さらに、発光モジュールは光透過性を有するため、複数の発光モジュールを重ねあわせて、それぞれの発光モジュールを別のパターンで発光させてもよい。また、電車の尾灯、路面電車や自転車などの制動灯に本実施形態の発光モジュールをその器具の形状に沿わせて組み込んでもよい。
本発明の実施の形態が説明されたが、この実施の形態は、例として提示されたものであり、発明の範囲を限定することを意図されていない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることができ、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更され得る。これら実施の形態やその変形は、本発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
7 間隙
10 発光モジュール
20 発光パネル
21,22 フィルム
23 導体層
23a〜23i メッシュパターン
24 樹脂層
30 発光素子
31 ベース基板
32 N型半導体層
33 活性層
34 P型半導体層
35,36 電極
37 バンプ
39 円
40 フレキシブルケーブル
41 基材
42 カバーレイ
42a 開口部
43 導体層
43a,43b 導体パターン
50 コネクタ
50a 端子
60 補強板
80 セキュリティゲート
82 自動ドア
200 積層体
210 接触部
212 外縁
214 突出部
240 樹脂シート
800 フラッパ
802 本体
804 カードリーダ
820 防護柵
822 ドア
AB 食い込み量
LP,LX,LY ラインパターン
P 接続パッド

Claims (19)

  1. 可視光に対して透過性を有するフィルムと、
    前記フィルムの一方の面に形成された導体層と、
    前記導体層に、前記フィルムに向かって突出するバンプを介して電極が接続される発光素子と、
    を備え、
    前記バンプに接触する前記導体層の接触部の外縁において少なくとも3個の点で前記導体層に接触し、前記接触部の外縁において窪む前記フィルムの曲率を定義する円の半径が13μm以上である
    発光装置。
  2. 前記円の半径が20μm以上である
    請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記円の半径が25μm以上である
    請求項1に記載の発光装置。
  4. 前記接触部における前記バンプの前記導体層及び前記フィルムへの食い込み量が15μmである
    請求項3に記載の発光装置。
  5. 前記フィルムは、
    積層された第1のフィルム及び第2のフィルム
    を含み、
    積層された前記第1のフィルム及び前記第2のフィルムの間に形成された樹脂層
    をさらに含み、
    前記導体層は、積層された前記第1のフィルム及び前記第2のフィルムと、前記樹脂層との間の2つの面の少なくとも1つの面に形成され、
    前記発光素子の電極は、前記樹脂層の内部に配置され、前記2つの面の少なくとも1つの面に形成された前記導体層に接続される
    請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発光装置。
  6. 前記導体層が形成される前記第1のフィルム及び前記第2のフィルムの少なくとも1つの厚さは、50〜300μmである
    請求項5に記載の発光装置。
  7. 前記導体層が形成される前記第1のフィルム及び前記第2のフィルムの少なくとも1つの曲げ弾性率は、0〜320kgf/mm2である
    請求項1又は6に記載の発光装置。
    前記フィルムの材料はPETである
    請求項5又は6に記載の発光装置。
  8. 前記第1のフィルム及び前記第2のフィルムの厚さは50〜300μmである
    請求項5乃至7のいずれか1項に記載の発光装置。
  9. 前記樹脂層のビカット軟化温度は、80〜160℃である
    請求項5乃至8のいずれか1項に記載の発光装置。
  10. 前記樹脂層の引張貯蔵弾性率は、0.01〜10GPaである
    請求項5乃至9のいずれか1項に記載の発光装置。
  11. 前記樹脂層の厚さは0.05μm〜2μm
    である請求項5乃至10のいずれか1項に記載の発光装置。
  12. 前記バンプのダイナミック硬さDHVは、3〜150である
    請求項1乃至11のいずれか1項に記載の発光装置。
  13. 前記バンプの高さは、5〜80μmである
    請求項1乃至12のいずれか1項に記載の発光装置。
  14. 前記バンプと前記発光素子の電極との接触面積は、100〜15000μmである
    請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発光装置。
  15. 可視光に対して透過性を有し、表面上に導体層を有する第1基材と、
    可視光に対して透過性を有する第2基材と、
    前記第1基材及び前記第2基材の間に形成され、厚さT2を有する樹脂層と
    バンプを介して前記導体層に電気的に接続する電極と、
    前記第1基材と前記第2基材を通して光を発光し、前記バンプが位置する部分のT1が前記厚さT2より大きく、前記バンプの側方と上面端部に前記樹脂層を構成する樹脂が充填される発光素子と、を備え、
    前記バンプが接触する前記導体層の接触部の外縁に、少なくとも3個の点で前記導体層に接触し、前記接触部の外縁において湾曲する前記第1基材の曲率を定義する円の半径が13μm以上であることを特徴とする発光装置。
  16. 前記第1基材と前記第2基材は、前記発光素子が位置するところが外側に突出し、前記発光素子の周囲が内側に窪む形状を有する請求項15に記載の発光装置。
  17. 前記接触部における前記バンプの前記導体層及び前記第1基材への食い込み量が15μmである請求項15又は16に記載の発光装置。
  18. 前記バンプの高さは、10〜60μmである
    請求項15乃至17のいずれか1項に記載の発光装置。
  19. 可視光に対して透過性を有するフィルムの一方の面に導体層を形成し、
    前記導体層に、前記フィルムに向かって突出するバンプを介して発光素子の電極を接続し、
    前記接触部の外縁において少なくとも3個の点で前記導体層に接触し、前記バンプに接触する前記導体層の接触部の外縁において湾曲する前記フィルムの曲率を定義する円の半径を13μm以上とする
    発光装置の製造方法。
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