JP2020096022A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記封止部材が、(A)軟化点が600℃以下の低融点ガラスからなる母材と、(B)蛍光体と、(C)気泡と、(D)界面活性剤又は界面活性剤残留物と、を含む発光装置である。
基板上に載置された発光素子を前記原料組成物で覆うことと、
前記原料組成物を150℃以上300℃以下の範囲内で熱処理してなる、気泡を含有した封止部材を得ることと、を含む発光装置の製造方法である。
発光装置100は、基板1と、基板1上に形成された配線2と、この配線2上に接続用に形成されたバンプ3とを備え、このバンプ3に発光素子4がフリップチップボンディングで実装されている。発光素子4は、封止部材9によって被覆されている。封止部材9は、凸レンズ形状を有する。凸レンズ形状の封止部材9では、発光素子4から発せられた光を、封止部材9に含有された蛍光体6で波長変換し、無機充填材7及び気泡8が光の散乱を行う。封止部材9が凸レンズ形状であるため、発光素子4から発せられた光が封止部材9の表面に達するまでの光路長がどの方向においても同じであり、すなわち全方向へ均一な光を発することができる。凸レンズ形状は、半球ドーム型とも称する。凸レンズ形状の封止部材9は、凸レンズ形状の頂点が光軸L上に配置されるように形成されることが好ましい。
発光素子4は、発光装置100の励起光源として用いられる。発光装置において、発光素子4の実装形態は、正負一対の電極が同一面側に設けられた発光素子の場合は、各電極がワイヤで基板の導電部材と接続されるフェイスアップ実装でもよく、各電極が導電性接着剤等で基板に形成された回線等の導電部材と、発光素子に形成された接続用の突起電極、例えばバンプによって接続されるフェイスダウン(フリップチップ)実装でもよい。また、発光素子4は、正負一対の電極が2つの面に別々に設けられたものを用いてもよい。また、図1においては、封止部材9中に一つの発光素子4を配置した形態を示したが、一つの封止部材中に複数の発光素子を配置してもよい。
封止部材9は、(A)軟化点が600℃以下である低融点ガラスからなる母材5と、(B)蛍光体6、7と、(C)気泡8と、(D)界面活性剤又は界面活性剤残留物と、を含む。
封止部材は、軟化点が600℃以下の低融点ガラスを母材とし、母材が無機材料のガラスで形成されるため、母材が有機材料である樹脂から形成された封止部材と比較して、熱及び光による劣化を抑制できる。また、封止部材の母材が、ガラス化後の軟化点が600℃以下の低融点ガラスであると、その原料は300℃以下の比較的低い温度の熱処理によってガラス化させ、その後硬化させることができるため、発光素子にダメージを与えることなく、封止部材を形成できる。封止部材は、軟化点が600℃以下の低融点ガラスを母材とするものが好ましく、500℃以下の低融点ガラスを母材とするものがさらに好ましい。また、封止部材は、軟化点が120℃以上の低融点ガラスを母材とするものが好ましく、150℃以上の低融点ガラスを母材とするものがさらに好ましい。軟化点が120℃以上の低融点ガラスであると、駆動時の封止部材9の変形等を防ぐ事ができる。
封止部材に含まれる(B)蛍光体は、発光素子からの光を吸収し、異なる波長の光を放出する。(B)蛍光体によって、発光素子から照射された光と、発光素子によって励起され蛍光体で波長変換された光と、の混色することにより所望の色調にすることができる。所望の色調の混色光を得るために、(B)蛍光体は、一種類の蛍光体を単独で用いてもよく、複数の種類の蛍光体を組み合わせて用いてもよい。(B)蛍光体としては、(Y,Gd,Tb,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ceで表される組成を有する希土類アルミン酸塩蛍光体、CaAlSiN3:Eu又は(Sr,Ca)AlSiN3:Euで表される組成を有するシリコンナイトライド蛍光体等が挙げられる。これらの希土類アルミン酸塩蛍光体、シリコンナイトライド蛍光体は、耐熱性を有しており、低融点ガラスを用いる製造工程においても劣化し難い材料である。蛍光体の平均粒径は、特に限定されないが、例えば5.0μm以上40μm以下の範囲内であり、10μm以上35μm以下の範囲内であり、15μm以上30μm以下の範囲内であってもよい。蛍光体の平均粒径は、例えばレーザー回折散乱式粒度分布測定法やフィッシャーサブシーブサイザー(Fisher sub-sieve sizer、以下「FSSS」ともいう。)法により測定することができる。レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定する場合は、体積基準の粒度分布における小径側からの体積累積頻度が50%に達する粒径(メジアン径)を平均粒径とすることができる。
封止部材に含まれる(C)気泡は、光を散乱させる効果を有する。封止部材に(C)気泡が含まれることによって、発光装置から発せられる光の色調を均一にし、広い配光角度を得ることができる。封止部材に含まれる(C)気泡の好適な大きさは、封止部材が被覆する発光素子の大きさによって変化する。封止部材に含まれる(C)気泡の大きさは、光散乱効果を発揮させるために、発光素子の最も広い面の面積よりも気泡の断面の面積が小さくなる直径であることが好ましい。例えば、発光素子が□350μmのものである場合、封止部材に含まれる(C)気泡は、気泡の断面の直径が395μm以下であることが好ましい。発光素子の大きさが□350μmである場合、発光素子の面積は122.5×103μm2となり、気泡の断面の直径が395μmであれば、気泡の断面の面積は122.48×103μm2となり、(C)気泡の断面の面積が発光素子の面積よりも小さくなる。封止部材に含まれる(C)気泡の大きさは、封止部材が被覆する発光素子の大きさによって変化する。
封止部材に含まれる(D)界面活性剤は、光の散乱効果を発揮するサイズの気泡を封止部材に含有させることができる。(D)界面活性剤は、起泡作用を有するため、熱処理時に液状の原料組成物から発生するガス起因の気泡が偏在して巨大化する事を防ぎ、比較的小さな気泡を安定した状態で封止部材に含有させることができる。気泡は、原料組成物から発生するガスが液状の原料組成物の薄い液膜で包まれたものである。界面活性剤によって、気泡の破壊が抑制されるのは、空気を包む液膜が薄くなった場合に、内側の液膜側に配列された界面活性剤と外側の液膜側に配列された界面活性剤同士の静電反発によって、それ以上液膜が薄くなるのを阻止するである。封止部材中には、(D)界面活性剤、又は反応、あるいは分解した界面活性剤の残留物が残存する。
封止部材は、さらに(E)無機充填材を含むことが好ましい。封止部材は(E)無機充填材を含むことによって、(B)蛍光体とともに、封止部材を構成する液状の原料組成物の粘度及び表面張力を調整することができ、例えばディスペンサーを用いた滴下手段により、所望の形状の封止部材を形成することができる。また、(E)無機充填材は、熱処理時に液状の原料組成物に大きな気泡が発生した場合に、大きな気泡を割る作用があり、比較的粒径が小さく、光の分散効果の高い気泡を封止部材に含有させることができる。
本発明の第二の実施形態に係る発光装置の製造方法は、軟化点が600℃以下となる低融点ガラス原料と、蛍光体と、界面活性剤と、必要に応じて無機充填材と、を含む封止部材用の原料組成物を準備することと、基板上に載置された発光素子を前記原料組成物で覆うことと、前記原料組成物を150℃以上300℃以下の範囲内で熱処理してなる、気泡を含有した封止部材を得ることとを含む。
原料組成物は、軟化点が600℃以下となる低融点ガラス原料と、蛍光体と、界面活性剤と必要に応じて無機充填材とを含む。
得られた原料組成物で、基板上に配置された発光素子を被覆する。発光素子4は、基板1上に形成された配線2に、例えば接続用のバンプ3によって、フリップチップ実装されたものを用いることができる。原料組成物で発光素子を被覆する手段としては、ディスペンサーを用いた滴下手段を用いることが好ましい。ディスペンサーに入れた原料組成物を、好ましくは凸レンズ形状になるように発光素子上に滴下(ポッティング)して、原料組成物で発光素子を被覆する。
次いで、発光素子4と、この発光素子4を被覆した原料組成物を150℃以上300℃以下の範囲内の温度で熱処理する。熱処理によって低融点ガラス原料を硬化させて、(A)低融点ガラスからなる母材と、(B)蛍光体と、熱処理時に生成された(C)気泡と、(D)界面活性剤又は界面活性剤残留物と、必要に応じて(E)無機充填材を含む封止部材を形成する。
図1を参照に実施例1の発光装置の製造方法を説明する。
母材として窒化アルミニウムを用いた基板1と、この基板1上に表面が金である配線2とを準備する。配線2の上に、接続用の金を含むバンプ3を形成し、発光素子4をフリップチップボンディングで実装する。発光素子4は、発光ピーク波長が450nmである窒化物半導体を用いる。
(A)リン酸系低融点ガラス原料。
(B−1)Y3Al5O12:Ceで表される組成を有する希土類アルミン酸塩蛍光体(YAG蛍光体):日亜化学工業株式会社製、FSSS法により測定した平均粒径が22.0μm。
(B−2)(Sr,Ca)AlSiN3:Euで表される組成を有するシリコンナイトライド蛍光体(SCASN蛍光体):日亜化学工業株式会社製、FSSS法により測定した平均粒径が12.5μm。
(D)界面活性剤:日油株式会社、製品名:パーソフトSK、アルキル硫酸エステル−ナトリウム塩、25℃で液状。
(E)二酸化ケイ素粒子(無機充填材):株式会社トクヤマ製、製品名:エクセリカ(登録商標)。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体3.00gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体2.00gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体1.80gと、(Sr,Ca)AlSiN3:Euで表される組成を有するシリコンナイトライド蛍光体0.06gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体2.00gと、二酸化ケイ素粒子3.00gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体1.00gと、二酸化ケイ素粒子3.00gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体2.00gと、二酸化ケイ素粒子2.00gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体1.00gと、二酸化ケイ素粒子5.00gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。この原料組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、発光装置を得た。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体1.60gと、シリコンナイトライド蛍光体0.02gと、二酸化ケイ素粒子4.40gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体1.20gと、シリコンナイトライド蛍光体0.06gと、二酸化ケイ素粒子4.80gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体0.80gと、シリコンナイトライド蛍光体0.04gと、二酸化ケイ素粒子5.20gと、界面活性剤0.40gと、を用いること以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
リン酸系低融点ガラス原料5.00gと、希土類アルミン酸塩蛍光体3.00gと、二酸化ケイ素粒子3.00gと、を用い、界面活性剤を用いないこと以外は、実施例1と同様にして、原料組成物及び発光装置を製造する。
固形物量(蛍光体及び無機充填材の配合量)は、原料組成物の全体量を100質量部とした場合の、蛍光体及び無機充填材の配合量(質量部)を固形物量とする。また、蛍光体及び無機充填材の合計量(固形分量)100質量%とし、これに対する界面活性剤の量(質量%)を、固形物量に対する界面活性剤量とする。封止部材中の各成分の配合割合は、原料組成物中の配合割合とほぼ等しい。
図4を参照に比較例2の発光装置の製造方法を説明する。
母材として窒化アルミニウムを用いた基板101と、この基板101上に表面が金である配線102とを準備した。配線102の上に、接続用の金を含むバンプ103を形成し、次いで、発光ピーク波長が450nmである窒化物半導体を発光素子104として用い、フリップチップボンディングで実装した。
積分球を使用した全光束測定装置を用いて実施例11の発光装置及び比較例2の発光装置の発光スペクトルデータを測定し、この発光スペクトルデータからCIE(国際照明委員会:Commission international de l’eclarirage)1931に規定されるxy色座標上の色度x、色度yを求めた。
実施例11の発光装置及び比較例2の発光装置において、光軸Lを含む平面における光軸Lを0°とし、光軸Lからそれぞれプラスマイナス90°の範囲を指向角度(°)とし、各指向角度(°)における、各発光装置から発せられた光の発光強度を、CIEが推奨している「平均LED光度」測定であるConditionBの条件を用いて測定した。各指向角度における発光強度は、最も大きい発光強度となる配光角度0°の発光強度を1と規定し、この規定値に対する相対発光強度として表した。図2は、実施例11の発光装置及び比較例2の発光装置の配光特性(相対発光強度)を示し、各発光装置の各指向角度(°)における相対発光強度をプロットしたグラフである。1/2配光角度は、最大の発光強度の50%の値を示す発光強度となる2つの角度の絶対値の和をいう。表2に、実施例11及び比較例2の発光装置の1/2配光角度を記載した。1/2配光角度は、半値配光角度ともいう。
実施例11の発光装置及び比較例2の発光装置において、光軸Lを含む平面における光軸Lを0°とし、光軸Lからそれぞれプラスマイナス90°の範囲の指向角度(°)とし、各指向角度(°)における、各発光装置の発光色の相関色温度(Tcp;K)を、マルチチャンネル分光器と積分球を組み合わせた光計測システムを用い、JIS Z8725に準拠して測定した。図3は、実施例11の発光装置の配光特性(相関色温度)を示し、各発光装置の各指向角度(°)における相関色温度をプロットしたグラフである。相関色温度差は、各発光装置の発光色において、最も大きい相関色温度と、最も小さい相関色温度の差をいう。表2に、実施例11及び比較例2の発光装置の色温度差を記載した。
Claims (11)
- 基板と、前記基板上に載置される発光素子と、前記発光素子を被覆する封止部材と、を含み、
前記封止部材が、(A)軟化点が600℃以下の低融点ガラスからなる母材と、(B)蛍光体と、(C)気泡と、(D)界面活性剤又は界面活性剤残留物と、を含む、発光装置。 - 前記封止部材が、さらに(E)無機充填材を含む、請求項1に記載の発光装置。
- 前記封止部材中の前記蛍光体及び前記無機充填材の合計量が、前記封止部材の全体量100質量部に対して、20質量部以上60質量部以下の範囲内である、請求項2に記載の発光装置。
- 前記封止部材中の前記界面活性剤の量が、前記蛍光体及び前記無機充填材の合計量100質量%に対して、0.01質量%以上15質量%以下の範囲内である、請求項2又は3に記載の発光装置。
- 前記低融点ガラスが、リン酸系低融点ガラスである、請求項1から4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記界面活性剤がアニオン界面活性剤であり、
前記アニオン界面活性剤が硫酸エステル型界面活性剤又はスルホン酸塩型界面活性剤である、請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記無機充填材が、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、二酸化チタン、炭酸カルシウム及び二酸化ジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項2から7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記封止部材が、凸レンズ形状を有する、請求項1から7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 軟化点が600℃以下となる低融点ガラス原料と、蛍光体と、界面活性剤と、必要に応じて無機充填材と、を含む封止部材用の原料組成物を準備することと、
基板上に載置された発光素子を前記原料組成物で覆うことと、
前記原料組成物を150℃以上300℃以下の範囲内で熱処理してなる、気泡を含有した封止部材を得ることと、を含む、発光装置の製造方法。 - 前記熱処理する時間が、5秒以上1時間以内である、請求項9に記載の発光装置の製造方法。
- 前記原料組成物中の前記界面活性剤の量が、前記蛍光体及び前記無機充填材の合計量100質量%に対して、0.01質量%以上15質量%以下の範囲内である、請求項9又は10に記載の発光装置の製造方法。
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