JP2020141102A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents

発光装置及び発光装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性の高い発光装置を提供する。【解決手段】発光装置は、透光性を有する第１絶縁体２１と、第１絶縁体の表面に設けられる導体層２３と、透光性を有し、導体層に対向して配置される第２絶縁体２２と、第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置され、導体層に接続される発光素子３０１〜８と、透光性を有し、第１絶縁体と第２絶縁体の間に配置される第３絶縁体２４と、を備え、導体層と発光素子との間の接圧が、０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下である。【選択図】図３

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。
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子を備える発光装置は、屋内用、屋外用、定置用、移動用等の表示装置、表示用ランプ、各種スイッチ類、信号装置、一般照明等の光学装置に幅広く利用されている。この種の発光装置としては、透光性を有する２枚の絶縁基板と、絶縁基板の間に配置される複数のＬＥＤを備える発光装置が知られている。ＬＥＤを備える発光装置は、各種の文字列、幾何学的な図形や模様等を表示する表示装置や、表示用ランプ等に適している。
発光装置を構成する絶縁基板として、可撓性を有する樹脂製の基板等を用いることによって、自由に湾曲させたり、折り曲げたりすることが可能な発光装置を実現することができる。このような可撓性を有する発光装置を、表示装置や表示用ランプ等として用いることで、表示装置等の取り付け面に対する制約が軽減される。そのため、利便性や利用可能性が高い表示装置を提供することができる。
上述した発光装置は、室内で使用する際には充分な電気的信頼性、及び機械的信頼性を確保することが容易である。しかしながら、発光装置を、屋外の過酷な環境下や、自動車等の部品として使用する場合には、高温多湿の環境下で、長時間の使用に耐え得るような発光装置を提供する必要がある。このような発光装置を提供するためには、ＬＥＤの電極と導体層との接続信頼性を向上する必要がある。
特開２０１２−０８４８５５号 特願２０１８−１６４９４０号 特願２０１６−５４９９５５号 特願２０１８−１６４９４６号 特願２０１８−１６１６５６号
本発明は、上述の事情の下になされたもので、発光装置の信頼性を長期間にわたって確保することを課題とする。
上述の課題を達成するために、本実施形態に係る発光装置は、透光性を有する第１絶縁体と、第１絶縁体の表面に設けられる第１導体層と、透光性を有し、第１導体層に対向して配置される第２絶縁体と、第１絶縁体と第２絶縁体の間に配置され、第１導体層に接続される発光素子と、透光性を有し、第１絶縁体と第２絶縁体の間に配置される第３絶縁体と、を備え、導電回路層と発光素子との間の接圧が、０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下である。
発光装置の斜視図である。 発光装置の展開斜視図である。 発光モジュールの側面図である。 発光装置の平面図である。 導体層に接続される発光素子を示す図である。 発光素子の斜視図である。 フレキシブルケーブルの側面図である。 発光モジュー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。 発光モジュールの製造要領を説明するための図である。 発光モジュールの製造要領を説明するための図である。 発光モジュールの製造要領を説明するための図である。 発光素子近傍を模式的に示す図である。 発光素子の近傍の顕微鏡写真のスケッチを示す図である。 接圧の測定方法を説明するための図である。 接圧の測定結果を示す図である。 絶縁体の引張貯蔵弾性率の温度依存性を示す図である。 絶縁体の膨張率及びビカット軟化温度の測定結果を示す図である。 接圧の温度依存性を示す図である。 高温高湿試験の結果を示す図である。 温度サイクル試験の結果を示す図である。 発光素子の電流−電圧特性を示す図である。 発光モジュールの変形例を示す図である。 発光モジュールの変形例を示す図である。 発光モジュールの変形例を示す図である。 発光装置の使用例を示す図である。 発光装置の変形例を示す図である。 発光モジュールの変形例を示す図である。 発光モジュールの変形例を示す図である。 接圧の測定方法の変形例を説明するための図である。
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装置１０の斜視図である。また、図２は発光装置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、発光装置１０は、長手方向をＸ軸方向とする発光モジュール２０と、発光モジュール２０に接続されるフレキシブルケーブル４０と、フレキシブルケーブル４０に設けられるにコネクタ５０及び補強板６０を有している。
図３は、発光モジュール２０の側面図である。図３に示されるように、発光モジュール２０は、１組の絶縁体２１，２２、絶縁体２１，２２の間に形成された絶縁体２４、絶縁体２４の内部に配置された８個の発光素子３０１〜３０８を有している。絶縁体２１，２２は、長手方向をＸ軸方向とするフィルム状の部材である。絶縁体２１，２２は、厚さが５０〜３００μｍ程度であり、可視光に対して透光性を有する。絶縁体２１、２２の全光線透過率は、５〜９５％程度であることが好ましい。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透過率をいう。
絶縁体２１，２２は、可撓性を有し、その曲げ弾性率は、０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、３２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下である。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。絶縁体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（商品名））、アクリル樹脂などを用いることが考えられる。
上記１組の絶縁体２１，２２のうち、絶縁体２１の下面（図３における−Ｚ側の面）には、厚さが０．０５〜１０μｍ程度の導体層２３が形成されている。導体層２３は、例えば、蒸着膜や、スパッタ膜である。また、導体層２３は、金属膜を接着剤で貼り付けたものであってもよい。
導体層２３が、蒸着膜やスパッタ膜である場合は、導体層２３の厚さは０．０５〜２μｍ程度である。導体層２３が、接着された金属膜である場合は、導体層２３の厚さは２〜１０μｍ、或いは２〜７μｍ程度である。導体層２３は、金や銀、銅等の不透明導電材料の微粒子を、絶縁体２１に、メッシュ状に付着させたものであってもよい。例えば、絶縁体２１に、ハロゲン化銀のような不透明導電材料の感光性化合物を塗布して薄膜を形成し、この薄膜に露光・現像処理を施してメッシュ状の導体層を形成してもよい。また、金や銅などの不透明導電材料微粒子を含むスラリーをスクリーン印刷等でメッシュ状に塗布することによって導体層２３を形成してもよい。
また、導体層２３は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化亜鉛、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の透明導電材料を用いることもできる。導体層２３は、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法等によって絶縁体２１に形成された薄膜を、レーザ加工やエッチング処理を用いてパターニングすることにより形成することができる。導体層２３は、例えば平均粒子径が１０〜３００ｎｍの透明導電材料の微粒子と透明樹脂バインダとの混合物を、絶縁体２１にスクリーン印刷することによっても形成することができる。また、絶縁体２１に、上記混合物からなる薄膜を形成し、この薄膜をレーザ加工やフォトリソグラフィにより、パターニングすることによっても形成することができる。
導体層２３は、発光モジュール２０全体として、ＪＩＳ Ｋ７３７５で規定される全光線透過率が１％以上となるような透光性を有していることが好ましい。発光モジュール１全体としての全光線透過率が１％未満であると、発光点が輝点として認識されなくなる。導体層２３自体の透光性は、その構成によっても異なるが、全光線透過率が１０〜８５％の範囲であることが好ましい。
図４は、発光装置１０の平面図である。図４を参照するとわかるように、導体層２３は、絶縁体２１の＋Ｙ側の外縁に沿って形成されるＬ字状の導電回路２３ａと、絶縁体２１の−Ｙ側の外縁に沿って配列される長方形の導電回路２３ｂ〜２３ｉからなる。発光装置１０では、導電回路２３ａ〜２３ｉ同士の距離Ｄは、１０００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下である。
図５は、導電回路２３ａ，２３ｂの一部を拡大して示す図である。図５に示されるように、導電回路２３ａ〜２３ｉは、線幅が約５μｍのラインパターンからなるメッシュパターンである。Ｘ軸に平行なラインパターンは、Ｙ軸に沿って約１５０μｍ間隔で形成されている。また、Ｙ軸に平行なラインパターンは、Ｘ軸に沿って約１５０μｍ間隔で形成されている。各導電回路２３ａ〜２３ｉには、発光素子３０１〜３０８の電極が接続されるパッド２３Ｐが形成されている。
発光装置１０では、絶縁体２２の方が、絶縁体２１よりもＸ軸方向の長さが短い。このため、図３及び図４を参照するとわかるように、導体層２３を構成する導電回路２３ａと導電回路２３ｉの＋Ｘ側端が露出した状態になっている。
図３に示されるように、絶縁体２４は、絶縁体２１と絶縁体２２の間に形成された絶縁体である。絶縁体２４は、例えば、エポキシ系の熱硬化性樹脂からなる。絶縁体２４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（１０００分の１以下）であることが好ましい。さらに、絶縁体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０〜１６０℃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であることが好ましい。
溶融粘度は、ＪＩＳ Ｋ７２３３に記載の方法に従って、測定対象物の温度を５０℃〜１８０℃まで変化させて求められる値である。ビカット軟化温度は、ＪＩＳ Ｋ７２０６（ＩＳＯ ３０６：２００４）に記載のＡ５０に従って、試験荷重１０Ｎ、昇温速度５０℃／時間の条件で求められる値である。ガラス転移温度と融解温度は、ＪＩＳ Ｋ７１２１（ＩＳＯ ３１４６）に準拠した方法に従って、示差走査熱量測定により求められる値である。引張貯蔵弾性率、損失正接は、ＪｌＳ Ｋ７２４４−１（ＩＳＯ ６７２１）に準拠した方法に従って求められる値である。
引張貯蔵弾性率の測定は、発光モジュール２０の両面を、少しずつ注意深く研磨して、絶縁体２１、２２を除去して取り出した絶縁体２４を試験片として行った。この絶縁体２４の引張貯蔵弾性率は、ＪｌＳ Ｋ７２４４−１（ＩＳＯ ６７２１）に準拠した方法に従って求められる値である。具体的には、−１００℃から２００℃まで１分間に１℃ずつ等速昇温される測定対象物を、動的粘弾性自動測定器を用いて周波数１０Ｈｚでサンプリングすることにより得られる値である。
絶縁体２４の厚さＴ２は、導体層２３とバンプ３７，３８とが良好に接触するように、発光素子３０１〜３０８の高さＴ１より小さくなっている。絶縁体２４と密着している絶縁体２１，２２は、発光素子３０１〜３０８が配置されている部分が外側に突出し、発光素子３０１〜３０８同士の間の部分が窪むように湾曲した形状を有している。このように絶縁体２１，２２が湾曲することで、絶縁体２１，２２によって、導体層２３がバンプ３７，３８に押し付けられた状態になっている。
絶縁体２４の厚さＴ１は、１００〜２００μであり、厚さＴ２は、５０〜１５０μｍ程度である。また、絶縁体２４の厚さＴ１は、１３０〜１７０μｍであることが好ましく、厚さＴ２は、１００〜１４０μｍであることが好ましい。なお、厚さＴ１は、発光素子３０の厚さに起因した大きさになる。厚さＴ１は、概ね発光素子３０の厚さと、導体層２３の厚さの和にほぼ等しい。絶縁体２４の厚さは、概ね４０〜１１００μｍ程度の範囲になる。
また、絶縁体２４は、発光素子３０１〜３０８の上面と導体層２３との間の微小空間に、電極３５，３６やバンプ３７，３８に密着した状態で隙間なく充填されている。
したがって、導体層２３とバンプ３７，３８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。なお、絶縁体２４は、ＪＩＳ Ｋ７３７５で規定される全光線透過率が０．１％以上となる透光性もしくは遮光性材料からなる。
樹脂シート２４１は、熱硬化性を有する樹脂を主成分とし、以下に述べる適切な加工をすることで絶縁体２４となる。その際、絶縁体２４の原料は、必要に応じて他の樹脂成分等を含んでいてもよい。熱硬化性を有する樹脂原料としては、エポキシ系樹脂、熱硬化性アクリル系樹脂、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、尿素樹脂、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミド等を用いることができる。また、樹脂シート２４１は、熱可塑性樹脂を主成分もしくは副成分原料として用いることもできる。熱可塑性を有する樹脂原料としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、テフロン(登録商標)樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトルブダジエンスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が用いられる。
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、絶縁体２４の構成材料として最適な原料である。しかしながら、絶縁体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。
発光素子３０１は、ＬＥＤチップである。図６に示されるように、発光素子３０１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ＬＥＤチップである。発光素子３０１の定格電流は約５０ｍＡである。
ベース基板３１は、ＧａＡｓやＳｉやＧａＰやサファイア等からなる半導体基板である。ベース基板３１として光学的に透過性を有するものを用いることにより、光は発光素子３０の上下両面および横方向からも放射されうる。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。
活性層３３は、例えばＩｎＧａＮからなる。また、Ｐ型半導体層は、例えばｐ−ＧａＮからなる。なお、発光素子３０は、ダブルヘテロ（ＤＨ）構造、あるいは多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するものであってもよい。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は、−Ｙ側かつ−Ｘ側のコーナー部分に切欠きが形成され、Ｎ型半導体層３２の表面が露出している。
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）、金（Ａｕ）からなり、上面には、バンプ３７，３８が形成さている。バンプ３７，３８は、半田からなり、半球状に整形されている。田バンプのかわりに金（Ａｕ）や金合金などの金属バンプを用いてもよい。発光素子３０１では、バンプ３７が、カソード電極として機能し、バンプ３８が、アノード電極として機能する。
なお、発光素子３０の電極３５，３６のいずれか片方のみ、もしくは電極３５，３６の両方ともバンプ３７もしくはバンプ３８を介して、導電回路５と電気的に接続されていてもよいし、バンプ３７、３８を介することなく、電極３５、３６が直接、導体層２３に接続されていてもよい。
また、発光モジュール２０には、１対の電極３５，３６が発光素子の上下の面に別々に設けられている発光素子が用いられていてもよい。その際は絶縁体２２の表面にも導体層２３が設けられる。この場合には、絶縁体２１に接続される電極にバンプが形成されていてもよい。
上述のように構成される発光素子３０１は、図５に示されるように、導電回路２３ａ，２３ｂの間に配置され、バンプ３７が導電回路２３ａのパッド２３Ｐに接続され、バンプ３８が導電回路２３ｂのパッド２３Ｐに接続される。
他の発光素子３０２〜３０８も、発光素子３０１と同等の構成を有している。そして、発光素子３０２が、導電回路２３ｂ，２３ｃの間に配置され、バンプ３７，３８が導電回路２３ｂ，２３ｃにそれぞれ接続される。
以下同様に、発光素子３０３は、導電回路２３ｃ，２３ｄにわたって配置される。発光素子３０４は、導電回路２３ｄ，２３ｅにわたって配置される。発光素子３０５は、導電回路２３ｅ，２３ｆにわたって配置される。発光素子３０６は、導電回路２３ｆ，２３ｇにわたって配置される。発光素子３０７は、導電回路２３ｇ，２３ｈにわたって配置される。発光素子３０８は、導電回路２３ｈ，２３ｉにわたって配置される。これにより、導電回路２３ａ〜２３ｉ、及び発光素子３０１〜３０８が直列に接続される。発光モジュール２０では、発光素子３０１〜３０８が、約１０ｍｍ間隔で配置される。
図７は、フレキシブルケーブル４０の側面図である。図７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つの導電回路４３ａ，４３ｂからなる。
図７に戻り、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を構成する導電回路４３ａ，４３ｂ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、導電回路４３ａ，４３ｂの＋Ｘ側端部が露出している。
図４及び図８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から露出する導電回路４３ａ，４３ｂが、発光モジュール２０の導電回路２３ａ，２３ｉの＋Ｘ側端部に接触した状態で、発光モジュール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、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８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、フレキシブルケーブル４０の導体層４３を構成する導電回路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８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側端と発光モジュール２０の＋Ｘ側端の間で屈曲させることができる。
次に、上述した発光装置１０を構成する発光モジュール２０の製造方法について説明する。まず、図９に示されるように、ＰＥＴからなる絶縁体２１を用意する。そして、絶縁体２１の表面に、導電回路２３ａ〜２３ｉからなる導体層２３を形成する。導電回路２３ａ〜２３ｉの形成方法としては、例えばサブトラクト法又はアディティブ法等を用いることができる。
次に、図１０に示されるように、導電回路２３ａ〜２３ｉが形成された絶縁体２１の表面に樹脂シート２４１を設ける。この樹脂シート２４１の厚みは、発光素子３０の厚み、もしくは発光素子３０にバンプ３７，３８を加えた厚さとほぼ同等である。樹脂シート２４１は、例えば、熱硬化性を有する樹脂からなる。樹脂シート２４１には、必要に応じて他の樹脂成分等が含まれていてもよい。熱硬化性樹脂を用いる利点は高温多湿下での信頼性に優れている点である。
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、尿素樹脂、アルキド樹脂、熱硬化性ポリイミド等を用いることができる。
また、樹脂シート２４１として、熱可塑性樹脂を主成分とする材料を用いることもできる。熱可塑性樹脂を用いる利点は、機械的な衝撃に強く、高温多湿下や紫外線照射による変色が少なく、比較的安価である点である。
熱可塑性を有する材料としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、テフロン(登録商標)樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトルブダジエンスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。
したがって、用途や環境条件に応じて適切な樹脂シートを選択することになる。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、樹脂シート２４１の構成材料として好適な原料であるが、もちろん、樹脂シート２４１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。
次に、発光素子３０１〜３０８を、樹脂シート２４１の上に配置する。このとき発光素子３０のバンプ３７，３８の直下に、導電回路２３ａ〜２３ｉのパッド２３Ｐが位置するように、発光素子３０１〜３０８が位置決めされる。
次に、図１１に示されるように、絶縁体２２を、絶縁体２１の上面側に配置する。
次に、絶縁体２１，２２それぞれを、真空雰囲気下で加熱し圧着させる。これにより、まず、発光素子３０に形成されたバンプ３７，３８が、樹脂シート２４１を突き抜けて、導体層２３に達し、各導電回路２３ａ〜２３ｉに電気的に接続される。そして、加熱されることで柔らかくなった樹脂シート２４１が、発光素子３０の周囲に隙間なく充填され、絶縁体２４になる。これにより、発光モジュール２０が完成する。
上述のように製造された発光モジュール２０に、図８に示されるように、補強板６０が張り付けられたフレキシブルケーブル４０を接続し、このフレキシブルケーブル４０に、コネクタ５０を実装することで、図１に示される発光装置１０が完成する。発光装置１０では、コネクタ５０を介して、図４に示される導電回路４３ａ，４３ｂに直流電圧が印加されると、発光モジュール２０を構成する発光素子３０１〜３０８が発光する。
図１２は、発光素子近傍を模式的に示す図である。上述した加熱圧着工程により、樹脂シート２４１が熱収縮や硬化収縮する。このため、発光モジュール２０を構成する発光素子３０の近傍では、図１２の矢印ａ１に示される圧縮残留応力と、矢印ａ２に示される引張残留応力とが、絶縁体２４に作用する。これらの残留応力により、導体層２３と発光素子３０の間に圧縮力が働き、発光素子３０と導体層２３との電気的接続が強固になる。本発明はこの圧縮応力を接圧という形で実測して、接圧と発光モジュールの信頼性の関係を新たに定量的に見出したことを最大の特徴としている。
常温、常湿の環境下での接圧測定により、実際の過酷な環境下で長期間の信頼性試験を行わなくとも、発光素子と導電回路層の間の電気的接続の信頼性を予測できることを、発明者は新たに見出し、この発明の工業的意義は非常に大きいと考え、特許として公開することを決断するに至ったものである。
図１３は、発光素子３０の近傍の顕微鏡写真のスケッチを示す図である。図１３に示されるように、発光素子３０のバンプ３７，３８は、発光モジュール２０の製造工程において、導体層２３に食い込んだ状態になり、導体層２３はバンプ３７、３８に沿って湾曲するように変形する。このような状態で、絶縁体２４に圧縮残留応力と引張残留応力とが作用することで、導体層２３とバンプ３７との電気的な接続が維持される。
発光装置１０の発光モジュール２０は、ＰＥＴ等からなる絶縁体２１，２２が、絶縁体２４によって接着される構造になっている。発光装置１０を、屋外や高温多湿になるような過酷な環境下で使用すると、温度や湿度の影響で経年劣化が比較的早く進行する。そのため、高温で多湿な環境に耐性を有する原料を用い適切な加熱加圧工程を経て、絶縁体２４を構成する必要がある。
温度や湿度の変化が激しい場所などでは、温度の変化に応じて絶縁体２４の粘弾性が変化する。発光装置１０では、発光素子３０１〜３０８のバンプ３７，３８と、導電回路２３ａ〜２３ｉのパッド２３Ｐとの間で、数十μｍ以下オーダーの微小領域で電気的接合が得られているだけである。そのため、絶縁体２４の粘弾性が変化すると、絶縁体２４に保持される発光素子３０１〜３０８のバンプ３７，３８と、導電回路２３ａ〜２３ｉのパッド２３Ｐとの間で電気的接触が失われ、発光素子３０１〜３０８が消灯してしまうことがある。そこで、絶縁体２４を構成する樹脂として、最適な樹脂を選定する必要がある。
発光装置１０の発光モジュール２０では、発光素子３０１〜３０８の周囲が樹脂で固められることにより、発光素子３０１〜３０８のバンプ３７，３８と導電回路２３ａ〜２３ｉのパッド２３Ｐとが、数十μｍ以下のオーダーの微小領域で電気的に接合している。発光装置１０を構成する絶縁体２４が、湿度の影響を受けて吸湿して膨張すると、絶縁体２４に保持される発光素子３０１〜３０８のバンプ３７，３８と、導電回路２３ａ〜２３ｉのパッド２３Ｐとが離間して電気的接触が失われる。その結果、導体層２３とバンプ３７，３８の接触不良が生じる。
したがって、発光装置１０の信頼性を向上するためには、絶縁体２４の吸湿による膨張を所定の値以下とする必要がある。具体的には、湿度が８５％の環境下で吸水率が０％より大きく２．５％以下であることが望ましい。なお、樹脂の膨張率は、ＪＩＳ Ｋ ７１９７に準拠し、ネッチ・ジャパン社の湿度制御型熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって計測された値である。
温度が８５℃で、湿度が４０％以上８５％以下の環境下における膨張率が２１．３％未満となる樹脂を絶縁体２４として用いることで、信頼性の高い発光装置１０を提供することが可能となる。なお、樹脂の膨張率は、ＪＩＳ Ｋ ７１９７に準拠し、ネッチ・ジャパン社の湿度制御型熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって計測された値である。
また、発光素子３０１〜３０８の厚さは、３０〜１０００μｍ程度であることが考えられるが、発光素子３０１〜３０８の厚さが９０〜３００μｍである場合には、絶縁体２４は、厚さが９０〜３５０μｍであることが好ましい。絶縁体２４の線膨張率は４０ｐｐｍ／℃以上８０ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。絶縁体２４がポリエチレンやポリスチレンを素材とするときは、ヤング率が０．３〜１０ＧＰａであり、絶縁体２４が、エポキシを素材とするときは、ヤング率が２．４ＧＰａ程度であることが好ましい。絶縁体２４の弾性率は、１９００〜４９００ＭＰａであることが好ましい。絶縁体２４のヘイズは、１５％以下であることが好ましい。また、絶縁体２４のｂ＊は、５未満であることが好ましい。絶縁体２４の光線透過率は、３０％以上であることが好ましい。
高温（８５℃）環境下に置かれた発光装置１０に、発光装置１０を湾曲させるような応力が作用した場合、絶縁体２４の曲げ応力値が高いと、発光素子を保持するための接続安定性が担保される。一方、発光装置１０に過剰な応力が作用すると、絶縁体２４が塑性変形して接続安定性が失われる。また、絶縁体２４の曲げ応力値が低いと、絶縁体が応力によりすぐに塑性変形してしまい、接続安定性が失われる。
発光装置１０へ直接応力が作用する場合だけでなく、例えば、温度が低い室内から温度が高い屋外へ発光装置１０を持ち出した場合など、発光装置１０へサーマルショックが加わるような場合にも、低温環境下での曲げ応力と高温環境下での曲げ応力の変化率の絶対値が大きいと、接続安定性が低下する。逆に、低温環境下での曲げ応力と高温環境下での曲げ応力の変化率の絶対値が小さいと、接続安定性が高くなる。
絶縁体２１，２２の厚さは、３０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。また、絶縁体２１，２２の耐熱温度は、１００℃以上であることが好ましい。弾性率は、２０００ＭＰａ以上４１００ＭＰａ以下であることが好ましい。光線透過率は、９０％以上であることが好ましい。熱伝導率は、０．１〜０．４Ｗ／ｍ・ｋであることが好ましい。ヘイズは、２％以下であることが好ましい。また、ｂ＊は、２以下であることが好ましい。
発光素子３０１〜３０８としては、厚みが３０μｍ以上１０００μｍ以下であり、発光素子３０１〜３０８の一辺の長さは３０μｍ以上３０００μｍ以下であることが好ましい。
発光素子３０１〜３０８のバンプ３７，３８の高さは、発光装置１０の製造過程における熱圧着工程前においては、３０μｍ以上１００μｍ以下である。熱圧着工程後においては、バンプ３７，３８の高さは、１０μｍ以上９０μｍ以下である。バンプ３７，３８は、高さ及び幅が３０μ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
導体層２３が厚すぎると、発光装置１０の湾曲時に、導体層２３にクラックが生じることがある。一方、導体層２３が薄すぎると、導体層２３の電気抵抗が高くなる。そのため、導体層２３については、厚みが１０μｍ以下であることが好ましい。
導体層２３を構成するメッシュパターンは、線幅が広いと透過性が失われる。そのため、メッシュパターンは、線幅が２０μｍ以下であることが好ましい。また、光線透過率は、５０％以上であることが好ましい。一方、メッシュパターンは、線幅が狭いと電気抵抗が高くなり、断線しやすくなる。そのため、導体層２３のシート抵抗値は、３００Ω／□以下であることが好ましい。
また、上述した発光装置１０を構成する絶縁体２４の材料として、最適な樹脂の条件を求めるために、発光装置１０の実施例としてのサンプルを準備して種々の計測を行った。以下、発光装置１０の実施例について説明する。
《絶縁体の物性測定方法》
絶縁体２４の物性を計測するためには、まず、発光モジュール２０の両面を、注意深く研磨することで、絶縁体２１、２２を除去して絶縁体２４を取り出す。そして、引張貯蔵弾性率を測定するために、取り出した絶縁体２４を、１０ｍｍ×５０ｍｍの大きさにカットして試験片生成する。そして、試験片を−７５℃から２００℃まで１分間に５℃ずつ等速昇温させ、周波数１０Ｈｚでサンプリングすることにより、引張貯蔵弾性率を測定する。引張貯蔵弾性率の測定には、日立ハイテクサイエンス社製ＤＭＡ７１００型動的粘弾性自動測定器を用いる。
同様にして、絶縁体２４を取り出し、膨張率を測定するために、取り出した絶縁体２４を、１０ｍｍ×５０ｍｍの大きさにカットして試験片生成する。そして、ＪＩＳ Ｋ ７１９７に準拠した方法で線膨張を測定する。具体的には、試験片に、４９．０Ｎの荷重をかける引張りモードで、温度が８５℃の環境下で、湿度を４０％から８５％まで上昇させたときの線膨張を測定する。昇湿速度は１分あたり５％とする。また、線膨張の測定には、ネッチ・ジャパン社の湿度制御型熱機械分析装置を用いる。
同様に、絶縁体２４を取り出し、ビカット軟化温度を測定するために、取り出した絶縁体２４を、１０ｍｍ×５０ｍｍの大きさにカットして試験片生成する。そして、ＪＩＳ Ｋ７２０６（ＩＳＯ ３０６：２００４）に記載のＡ５０に従って、ビカット軟化温度を測定する。ビカット軟化温度は、試験荷重を１０Ｎ、昇温速度を５０℃／時間とする条件で求める。ビカット軟化温度の測定には、東洋精機製作所社製ＨＤＴ試験装置を用いる。
発光モジュール２０では、各発光素子３０の発光面と垂直な方向に、絶縁体２４の特性に起因する圧縮応力が作用している。発光装置１０は、絶縁体２４の圧縮応力により、曲げ応力が作用した状態で高温多湿環境下や、温度や湿度が変化する環境に置かれたときに、電気的・機械的信頼性が確保されることが必要である。そのための指標として、接圧という新規な特性値とその測定方法を開発した。
また、接圧がどの範囲にあればどのような環境条件下で発光装置を使用することができるかという観点から、発光装置が使用される環境条件と接圧との関係を見出した。これにより、発光装置が使用される環境に応じて、少なくとも最低限度の信頼性を有する発光モジュールを提供することが可能になった。
上述の接圧とは、発光素子３０に、当該発光素子３０の発光面と垂直な方向に引っ張り応力を加えながら、導体層２３と発光素子３０との間の接触抵抗を測定し、発光素子３０と導体層２３の電気的接触が不十分になる引っ張り応力の最小値を指す。後述する実施例では、７つの発光装置に関する「引っ張り応力」と「接触抵抗値」のデータから、発光素子３０と導体層２３の電気的接触の信頼性が損なわれるときの接触抵抗を閾値として見出した。この閾値としての接触抵抗はおおよそ１０ｍΩであった（図１５参照）。
接圧の測定は、図１４に示されるように、絶縁体２１を定盤２１０の平面に固定し、絶縁体２２に引っ張り応力を加える。そして、発光モジュール２０の抵抗値が１０ｍΩに達するときの引っ張り応力を接圧と定義した。
《接圧の試験方法》
接圧の測定法を図１４に従って説明する。まず、発光モジュール２０の絶縁体２１を、定盤２１０の上面に、接着剤を用いて接着する。定盤２１０は、４ｃｍ２あたりの変形量が０．５μｍで、上面の平坦度が０．３μｍ以内の剛体平板である。絶縁体２１が上下方向に０．１μｍ以上変位しないように、接着剤としてエポキシ樹脂を用いる。
次に、大きさが発光モジュール２０とほぼ同じで、厚さが１０ｍｍ程度の樹脂平板２２０を、接着剤を用いて発光モジュール２０の絶縁体２２に接着する。
次に、図１４の破線に示されるように、接圧の測定対象となる発光素子３０と、それに近接する発光素子との距離ｄの１／２以内の適切なところで、絶縁体２２，２４を樹脂平板２２０とともに切断する。これによって、例えば図５の仮想線に沿って、絶縁体２２，２４が切断され、仮想線の内側の絶縁体２２，２４が、周囲の絶縁体２２，２４から分離した状態になる。なお、絶縁体２２，２４，及び樹脂平板２２０の切断は、発光素子３０を中心とする円に沿って行ってもよい。この場合は、円の半径を１０００μｍ程度にすることが考えられる。
図１４に示されるように、切断された樹脂平板２２０に、内径０．３ｍｍ、深さ８ｍｍの穴を開ける。そして、この穴に、外径０．５ｍｍ、ピッチ０．１５ｍｍ、長さ２０ｍｍのマイクロねじ２２１を螺合する。マイクロねじ２２１は、樹脂平板２２０の上面に対して、９０±０．３度になるように螺合する。次に、螺合したマイクロねじ２２１を接着剤で樹脂平板２２０に接着する。
次に、アイコーエンジニアリング社製ＲＺ−１型デジタルフォースゲージを用いて、マイクロねじ２２１を、クロスヘッドスピード０．７μｍ／秒で上方へ引っ張る。並行して、発光素子３０に６ｍＡの電流を供給しながら、導体層２３と発光素子３０の間の抵抗値を測定する。
図１５は、上記測定を７つの発光装置１０に対して実施した結果を示す。図１５に示される結果から、発光装置１０に対しての応力が０．４Ｎ以上になると、接触抵抗の増加がみられると判断した。応力が０．４Ｎのときの発光素子３０と導体層２３の間の接触抵抗値は１０ｍΩである。そこで、接触抵抗が１０ｍΩまで増加したときの応力を接圧と定義した。
この事実は、以下に述べる実施例を含む、数々の実験の結果から導かれた。すなわち、周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下で測定した接圧は０．０２Ｎ以上、かつ６Ｎ以下であることが好ましく、接圧が０．０２Ｎ以上かつ６Ｎ以下であれば、周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下での、発光素子と導電回路層の間の電気的接続は概ね１００時間以上の信頼性が得られる。
周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下で測定した接圧のより好ましい値は０．１Ｎ以上かつ６Ｎ以下であり、接圧が０．１Ｎ以上かつ６Ｎ以下であれば、周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下での、発光素子と導電回路層の間の電気的接続は、概ね１０００時間程度の信頼性が得られる。
周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下で測定した接圧のさらに好ましい値は０．５以上かつ５Ｎ以下であり、周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下で測定した接圧が０．５Ｎ以上かつ５Ｎ以下であれば、周囲温度８５℃、湿度８５％の環境下での、発光素子と導電回路層の間の電気的接続は概ね５００時間以上の信頼性が得られる。
周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下で測定した接圧のさらに好ましい値は１．２Ｎ以上かつ４Ｎ以下であり、周囲温度２５℃、湿度４０％の環境下で測定した接圧が１．２Ｎ以上かつ４Ｎ以下であれば、周囲温度８５℃、湿度８５％の環境下において１０００時間以上の信頼性が得られる。
《実施例》
本実施例では、サンプルとしての発光装置１０Ａ〜１０Ｄを準備して、各種試験を行った。発光装置１０Ａを構成する絶縁体２４としては、熱硬化温度が比較的高い、エポキシ系熱硬化性樹脂Ａからなる樹脂シート２４１を用いた。発光装置１０Ｂを構成する絶縁体２４としては、エポキシ系熱硬化樹脂Ｂからなる樹脂シート２４１を用いた。発光装置１０Ｃを構成する絶縁体２４としては、エポキシ系熱硬化樹脂Ｃからなる樹脂シート２４１を用いた。発光装置１０Ｄを構成する絶縁体２４としては、ポリプロピレン（ＰＰ）系熱硬化樹脂Ｄからなる樹脂シート２４１を用いた。
また、比較例としての発光装置１０Ｅを構成する絶縁体２４としては、アクリル系熱可塑樹脂Ｅからなる樹脂シート２４１を用いた
上記発光装置１０Ａ〜１０Ｅを構成する絶縁体２１，２２の加熱加圧処理では、図１１に示される積層体が配置された作業空間を真空度が５ｋＰａの真空空間として、積層体を加熱しながら加圧した。積層体を真空雰囲気中で熱圧着することによって、絶縁体２１と絶縁体２２との間の空間に軟化した絶縁体２４が隙間なく充填された。なお、熱圧着時の真空雰囲気は５ｋＰａ以下とすることが好ましい。
また、発光装置１０Ａの絶縁体２１，２２の厚さは１００μｍである。導体層２３は、銅からなり厚さは２μｍである。導電回路２３ａ〜２３ｉは、線幅５μｍで配列ピッチが３００μｍのラインパターンからなるメッシュパターンである。樹脂シート２４１の厚さは１２０μｍである。
本実施例では、発光装置１０Ａ〜１０Ｅの５種類の発光装置を複数個ずつ準備した。そして、複数の発光装置からランダムに１つの発光装置を選んで、絶縁体２４の一部を取り出し、引張貯蔵弾性率の温度依存性、膨張率、ビカット軟化温度、接圧を測定した。
《引張貯蔵弾性率》
具体的には、発光装置１０Ａ〜１０Ｅを構成する発光モジュール２０の両面を、注意深く研磨することで、絶縁体２１、２２を除去して絶縁体２４を取り出した。次に、取り出した絶縁体２４を１０ｍｍ×５０ｍｍの大きさにカットして、発光装置１０Ａ〜１０Ｅそれぞれの試験片を作成した。そして、日立ハイテクサイエンス社製ＤＭＡ７１００型動的粘弾性自動測定器を用いて、試験片の引張貯蔵弾性率を測定した。
測定は、試験片を−７５℃から２００℃まで１分間に５℃ずつ等速昇温させながら、周波数１Ｈｚでサンプリングすることにより行った。図１６は、引張貯蔵弾性率の温度依存性を示す図である。図１６に示される曲線Ａ１〜Ｅ１は、発光装置１０Ａ〜１０Ｅに用いられる絶縁体２４Ａ〜２４Ｅの引張貯蔵弾性率の温度依存性を示す。
《膨張率》
同様に、複数の発光装置からランダムに１つの発光装置を選んで、絶縁体２４を取り出した。次に、取り出した絶縁体２４を２ｍｍ×２０ｍｍの大きさにカットして、発光装置１０Ａ〜１０Ｅそれぞれの試験片を作成した。そして、ネッチ・ジャパン社の湿度制御型熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用いて、温度が８５℃の環境下で、湿度を４０％から８５％まで上昇させたときの試験片の膨張率を測定した。
《ビカット軟化温度》
同様に、複数の発光装置からランダムに１つの発光装置を選んで、絶縁体２４を取り出した。次に、取り出した絶縁体２４を１０ｍｍ×５０ｍｍの大きさにカットして、発光装置１０Ａ〜１０Ｅそれぞれの試験片を作成した。そして、東洋精機製作所社製ＨＤＴ試験装置を用いて、試験片のビカット軟化温度を測定した。ビカット軟化温度はＪＩＳ Ｋ７２０６（ＩＳＯ ３０６：２００４）に記載のＡ５０に従って、試験荷重１０Ｎ、昇温速度５０℃／時間の条件で求めた。
図１７には、絶縁体２４Ａ〜２４Ｅの膨張率及びビカット軟化温度を表す表が示されている。
《接圧測定》
次に、複数個の発光装置１０Ａの中から７個の発光装置をランダムに選択して、上述した要領で導体層と発光素子の間の接圧を測定した。図１５は、接圧測定時における各発光装置１０Ａの抵抗値の推移を示す図である。図１５によれば、引張応力が０．４Ｎ近傍になると、接触抵抗値の低下がみられると判断できた。上述したように、引張応力の増加にともなって接触抵抗値が０ｍΩ近傍から１０ｍΩになったときの引張応力を接圧として測定した。
図１８は、発光装置１０Ａ〜１０Ｅにおける接圧の温度依存性を示す。発光装置１０Ａの接圧は●で示されている。発光装置１０Ｂの接圧は○で示されている。発光装置１０Ｃの接圧は◆で示されている。発光装置１０Ｄの接圧は◇で示されている。発光装置１０Ｅの接圧は△で示されている。
《高温高湿試験》
次に発光装置の高温高湿試験を行った。高温高湿試験では、２４個の発光装置１０Ａを準備し、それらの発光装置１０Ａを６つの発光装置からなる４つグループに区分した。そして、各グループの発光装置１０Ａのジャンクション温度Ｔｊをそれぞれ１００℃，１１０℃，１２０℃，１３０℃に設定した。次に、それぞれの発光装置１０Ａを温度が８５℃で湿度が８５％の環境下に置いて、１０００時間点灯させた。発光装置１０Ａを点灯させるときには、発光装置１０Ａを、絶縁体２２が外側に位置し、曲率半径が２０ｍｍになるように湾曲させた。
同様に、発光装置１０Ｂ〜１０Ｅについても、２４個ずつ選択し、それらの発光装置１０Ｂ〜１０Ｅを６つの発光装置からなる４つグループに区分した。そして、各グループの発光装置１０Ｂ〜１０Ｅのジャンクション温度Ｔｊをそれぞれ１００℃，１１０℃，１２０℃，１３０℃に設定した。次に、それぞれの発光装置１０Ａを温度が８５℃で湿度が８５％の環境下に置いて、１０００時間点灯させた。発光装置１０Ｂ〜１０Ｅを点灯させるときには、発光装置１０Ｂ〜１０Ｅそれぞれを、絶縁体２２が外側に位置し、曲率半径が２０ｍｍになるように湾曲させた。
上述のように２４個ずつの発光装置１０Ａ〜１０Ｅを１０００時間点灯させる高温高湿試験を行って、異常なく点灯を継続した発光装置１０Ａ〜１０Ｅの個数を調べた。図１９には、各発光装置１０Ａ〜１０Ｅの高温高湿試験の結果が示されている。図１９の表では、分母が試験対象となった発光装置１０Ａ〜１０Ｅの数を示し、分子が良品（点灯した発光装置）の数を示す。また、便宜上、温度が８５℃で湿度が８５％の環境を試験環境ともいう。
《温度サイクル試験》
また、発光装置１０Ａ〜１０Ｅを６個ずつ選択して、温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験では、６個ずつの発光装置１０Ａ〜１０Ｅを点灯していない状態で、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と、温度が−４０℃の環境下での５分間の暴露と、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と、温度が１１０℃の環境下での５分間の暴露とを１サイクルとする温度サイクル試験を行った。そして、予め決められたサイクルが終了するごとに、各発光装置の点灯を確認した。図２０は、温度サイクル試験の結果を表す表を示す図である。図２０の表では、分母が試験対象となった発光装置１０Ａ〜１０Ｅの数を示し、分子が良品（点灯した発光装置）の数を示す。
また、温度サイクル試験の際には、サイクルごとに点灯状態の確認をするだけでなく、発光装置１０の電流−電圧特性の測定も行った。電圧の測定は、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と並行して実施した。図２１は、１００４サイクルを経た温度サイクル試験における発光装置１０Ａ〜１０Ｃの電流−電圧特性を示す図である。
なお、上記試験では、発光装置１０Ａ〜１０Ｅそれぞれを、曲率半径が２０ｍｍになるように湾曲させた場合について述べたが、発光装置１０Ａ〜１０Ｅそれぞれを、曲率半径が５０ｍｍに湾曲させた場合も同様な結果が得られた。
《測定結果の検証》
高温高湿試験結果を示す図１９を参照するとわかるように、発光装置１０Ａ〜１０Ｃでは、ジャンクション温度Ｔｊが１３０℃であっても、全部の発光装置１０Ａ〜１０Ｃが故障することなく１０００時間駆動した。それに対して、発光装置１０Ｄでは、ジャンクション温度Ｔｊが１３０℃のときには、故障した固体が１つ見られた。発光装置１０Ｄを故障なく１０００時間駆動させるためには、発光素子の温度を１２０℃以下にする必要がある。
また、発光装置１０Ｅでは、ジャンクション温度Ｔｊが１１０℃のときには、半数以上の故障した固体が見られた。発光装置１０Ｄを故障なく１０００時間駆動させるためには、発光素子の温度を１００℃以下にする必要がある。
図１８に示されるように、温度が１３０℃のときの発光装置１０Ａ〜１０Ｃの接圧は０．０２Ｎであり、発光装置１０Ｄの接圧は０．０２Ｎ未満である。このため、発光素子３０と導体層２３の間の接圧が０．０２Ｎ未満であると、発光素子３０と導体層２３の接続の信頼性は確保できないと考えられる。一方、発光素子３０と導体層２３の間の接圧が０．０２Ｎ以上で６．０Ｎ以下であると、高温高湿環境下において発光装置１０の信頼性をある程度確保することができる。しかしながら、発光装置の輝度などを考慮すると、発光素子へ供給することが可能な電流には制限があることが判明した。
図２０に示されるように、発光装置１０Ａ〜１０Ｄは、温度サイクル試験において１０００回のサイクルを経た後も故障することなく、全サンプルが点灯を継続した。また、図２１に示されるように、発光装置１０Ａ〜１０Ｃについては、温度サイクル試験で１０００サイクルを経た後にも、電流−電圧特性を示す正常な曲線が観察された。
一方、発光装置１０Ｄでは、温度サイクル試験で１０００サイクルを経た後の電流−電圧特性を示す正常な曲線を観察することができなかった。発光装置１０Ｄでは、発光素子３０と導体層２３との電気的接続が不安定であることが推測される。
また、発光装置１０Ｅでは、温度サイクル試験で４０サイクルを経た後に故障することなく正常に点灯したサンプルは６個のうちの２つだけであり、８０サイクルを経た後では、すべてのサンプルが故障し点灯しなくなった。
以上の結果から、発光装置１０では、発光装置１０Ａ〜１０Ｃの接圧と同等の接圧を確保する必要があり、接圧が０．０２未満であると、高温高湿環境下での発光装置の信頼性を確保することができず、結果的に温度サイクル試験もクリアできないことが考えられる。
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、上記各実施形態では、８個の発光素子３０を備える発光装置１０について説明した。これに限らず、発光装置１０は、９個以上或いは７個以下の発光素子を備えていてもよい。また、発光素子３０は、相互に異なる色で発光するものなど、規格が異なるものを混在して用いることができる。
上記実施形態では、発光モジュール２０は、１組の絶縁体２１，２２、絶縁体２１，２２の間に形成された絶縁体２４、絶縁体２４の内部に配置された８個の発光素子３０１〜３０８を有していることとした。これに限らず、例えば図２２に示されるように、発光モジュール２０は、複数の絶縁体２１，２２や、ビアホールに形成されたビア２３０によって接続された絶縁体２１，２２それぞれの表面に形成された導体層２３からなる多層回路と、多層回路に電気的に接続される発光素子３０から構成されていてもよい。この場合において、発光素子３０として、上面と下面に電極を有する発光素子を用いることで、回路の多層化が容易になる。
また、上面と下面に電極を有する発光素子は、図１に示される発光装置１０のように、導体回路が単層の発光装置に用いることもできる。この場合には、絶縁体２２の表面に第２の導体層２３を形成する。
上記実施形態では、導体層２３が金属からなる場合について説明した。これに限らず、導体層２３は、ＩＴＯなどの透明導電材料から構成されていてもよい。
上記実施形態では、絶縁体２１，２２の間に隙間なく絶縁体２４が形成されている場合について説明した。これに限らず、絶縁体２４は、絶縁体２１，２２の間に部分的に形成されていてもよい。例えば、発光素子の周囲にのみ形成されていてもよい。また、例えば図２３に示されるように、絶縁体２４は、発光素子３０を包囲するスペーサを構成するように形成されていてもよい。
上記実施形態では、発光装置１０の発光モジュール２０が、絶縁体２１，２２と、絶縁体２４を備えている場合について説明した。これに限らず、図２４に示されるように、発光モジュール２０は、絶縁体２１と発光素子３０を保持する絶縁体２４のみから構成されていてもよい。
上記実施形態では、発光装置１０が、導体層２３が形成された絶縁体２１と、上面に一対の電極３５，３６が片面に形成された発光素子３０を備えていることとした。これに限らず、発光装置１０は、相互に対向する面にそれぞれ導体層が形成された絶縁体と、上面及び下面の両面にそれぞれ電極が形成された発光素子を備えていてもよい。
本実施形態に係る発光装置１０は、自動車のテールランプに用いることができる。透光性及び可撓性を有する発光モジュール２０を光源として用いることで、種々の視覚的な効果を実現することができる。図２５は、自動車のテールランプ６００について、水平面での樹脂筐体の断面と内部構造を模式的に示す図である。発光装置１０をテールランプ６００の樹脂筐体の内面に沿って配置するとともに、発光装置１０の背面にミラーＭを配置することで、発光装置１０からミラーへ射出された光は、ミラーＭで反射された後に発光モジュール２０を透過して、外部へ射出される。これにより、あたかもテールランプ６００の奥方向に発光装置１０とは別の光源があるようなユニットを形成することができる。
上記実施形態に係る発光装置１０は、図４に示されるように、発光素子３０が直線上に配置されていることとした。これに限らず、例えば、図２６に示されるように、発光素子３０が二次元平面上にマトリクス状に配置されていてもよい。
上記実施形態に係る発光装置１０の発光モジュール２０では、図４に示されるように、発光素子３０が相互に離間して配置されていることとした。これに限らず、例えば、図２７に示されるように、赤色に光る発光素子３０Ｒと、緑色に光る発光素子３０Ｇと、青色に光る発光素子３０Ｂを近接して配置することにより発光素子群Ｇを形成し、当該発光素子群Ｇを単一の輝点として認識されるように、相互に離間して配置することとしてもよい。
発光素子が発光群を形成する場合には、例えば図２８に実線で示される円に沿って、絶縁体２２，２４を切断することで、発光素子群の接圧を計測することができる。円の半径は、測定対象となる発光素子３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが形成する発光素子群と、それに近接する発光素子群との距離の１／２以内の適切な大きさである。この場合は、３つの発光素子の接圧が同時に計測されるため、計測された応力を発光素子の個数で除した値が接圧になると考えることができる。
上記実施形態では、図１４に示されるように、樹脂平板２２０を、発光モジュール２０の絶縁体２２に接着することとした。これに限らず、絶縁体２２を持たない発光モジュール２０の接圧を測定する場合や、絶縁体２２と発光素子３０との接着性の影響を受けないように、発光モジュール２０から絶縁体２２を除去して接圧を測定するような場合には、図２９に示されるように、発光素子３０に、樹脂平板２２０を直接接着して、接圧を測定することとしてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本実施形態に係る絶縁体２４の厚みについては、米国特許出願公開号明細書US2016/0155913（WO2014156159）にも詳細に開示されている。発光素子３０に設けられるバンプ３７，３８については、米国特許出願公開明細書US2016/0276561（WO/2015/083365）にも詳細に開示されている。導体層２３とフレキシブルケーブル４０と接続要領については、米国特許出願公開明細書US2016/0276321（WO/2015/083364）に詳細に開示されている。導体層２３を構成するメッシュパターンについては、米国特許出願公開明細書US2016/0276322（WO/2015/083366）に詳細に開示されている。発光モジュール２０の製造法については、米国特許出願公開明細書US2017/0250330（WO/2016/047134）に詳細に開示されている。図２３に示されるように、発光素子がマトリクス状に配置される発光装置については、日本国特許出願2018-164963に詳細に開示されている。発光装置におけるバンプ３７，３８と導体層２３と電気的な接続については、日本国特許出願2018-16165に詳細に開示されている。発光モジュール２０の絶縁体２４の機械的損失正接などの物性については、日本国特許出願2018-164946に詳細に開示されている。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や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。
１０ 発光装置
２０ 発光モジュール
２１，２２，２４ 絶縁体
２３ 導体層
２３Ｐ パッド
２３ａ〜２３ｉ 導電回路
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
３７，３８ バンプ
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 導電回路
５０ コネクタ
５０ａ 端子
６０ 補強板
２１０ 定盤
２２０ 樹脂平板
２２１ マイクロねじ
２３０ ビア
２４１ 樹脂シート
６００ テールランプ
Ｍ ミラー

Claims (24)

  1. 透光性を有する第１絶縁体と、
    前記第１絶縁体の表面に設けられる第１導体層と、
    透光性を有し、前記第１導体層に対向して配置される第２絶縁体と、
    前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置され、前記第１導体層に接続される発光素子と、
    透光性を有し、前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置される第３絶縁体と、
    を備え、
    前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧が、０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下である発光装置。
  2. 温度２５℃で湿度が４０％のときに、前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧は０．１Ｎ以上、６Ｎ以下である請求項１に記載の発光装置。
  3. 温度２５℃で湿度が４０％のときに、前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧は０．５Ｎ以上、５Ｎ以下である請求項１に記載の発光装置。
  4. 温度２５℃で湿度が４０％のときに、前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧は１．２Ｎ以上、４Ｎ以下である請求項１に記載の発光装置。
  5. 透光性を有する第１絶縁体と、
    前記第１絶縁体の表面に設けられる第１導体層と、
    透光性を有し、前記第１導体層に対向して配置される第２絶縁体と、
    前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置され、前記第１導体層に接続される発光素子と、
    透光性を有し、前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置される第３絶縁体と、
    を備え、
    周囲温度が８５℃のときに、前記発光素子に定格電流Ｉｆを流したときの前記発光素子のジャンクションの温度がＴｊｆ℃であるとき、測定環境温度をＴｊｆ℃にして測定した、前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧が、０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下である発光装置。
  6. 周囲温度が８５℃のときに、発光素子に定格電流Ｉｆの１／２の電流を流した際の前記発光素子のジャンクションの温度がＴｊｆ℃であるとき、測定環境温度をＴｊｆ℃にして測定した、前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧が、０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下である請求項５に記載の発光装置。
  7. 前記接圧は測定環境温度が１０５℃の環境下での接圧である請求項５又は６に記載の発光装置。
  8. 前記接圧は測定環境温度が６０℃の環境下での接圧である請求項５又は６に記載の発光装置。
  9. 前記接圧は測定環境温度が４０℃の環境下での接圧である請求項５又は６に記載の発光装置。
  10. 前記接圧は測定環境温度が２５℃の環境下での接圧である請求項５又は６に記載の発光装置。
  11. 透光性を有する第１絶縁体と、
    前記第１絶縁体の表面に設けられる第１導体層と、
    透光性を有し、前記第１導体層に対向して配置される第２絶縁体と、
    前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置され、前記第１導体層に接続される発光素子と、
    透光性を有し、前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間に配置される第３絶縁体と、
    を備え、
    前記発光素子を点灯しない状態で、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と、温度が−４０℃の環境下での５分間の暴露と、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と、温度が１１０℃の環境下での暴露とを５分ごとに実施する温度サイクル試験を１００回行った後に、前記発光素子の点灯が可能な発光装置。
  12. 前記発光装置の前記発光素子を点灯しない状態で、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と、温度が−４０℃の環境下での５分間の暴露と、温度が２５℃の環境下での１分間の暴露と、温度が１１０℃の環境下での暴露とを５分ごとに実施する温度サイクル試験を１０００回行った後に、前記発光素子の点灯が可能な請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光装置。
  13. 前記第１絶縁体と前記第２絶縁体の間には、複数の前記発光素子が配置される請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光装置。
  14. 複数の前記発光素子は、相互に規格が異なる第１発光素子及び第２発光素子を含む請求項１３に記載の発光装置。
  15. 前記第１発光素子及び前記第２発光素子を含む複数の発光素子群が形成され、
    前記発光素子群を構成する前記発光素子は、単一の輝点として認識されるように配置される請求項１４に記載の発光装置。
  16. 前記第２絶縁体の表面に設けられる第２導体層を備え、
    前記発光素子は、前記第１導体層及び前記第２導体層に接続される請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の発光装置。
  17. 前記発光素子は、電極と、前記電極上に形成された導電性バンプを有する請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の発光装置。
  18. 前記第３の絶縁体のビカット軟化温度が８０℃以上１６０℃以下である請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の発光装置。
  19. 前記第３の絶縁体は、
    −４０℃から２０℃の第１温度範囲の引張貯蔵弾性率が、１×１０８Ｎ以上１×１０１０Ｎ以下であり、前記第１温度範囲で１桁以上変化せず、かつ、
    １６０℃から２００℃の第２温度範囲の引張貯蔵弾性率が、１×１０６Ｎ以上１×１０８Ｎ以下であり、前記第２温度範囲で１桁以上変化しない請求項１乃至１８に記載の発光装置。
  20. 温度が８５℃で湿度が８５％の環境下において、半径が５０ｍｍの円に沿って湾曲させた状態で、１００時間以上前記発光素子が点灯を継続する請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の発光装置。
  21. 温度が８５℃で湿度が８５％の環境下において、半径が５０ｍｍの円に沿って湾曲させた状態で、５００時間以上前記発光素子が点灯を継続する請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の発光装置。
  22. 温度が８５℃で湿度が８５％の環境下において、半径が２０ｍｍの円に沿って湾曲させた状態で、１０００時間以上前記発光素子が点灯を継続する請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の発光装置。
  23. 透光性を有する絶縁体と、
    前記第１絶縁体の表面に設けられる導体層と、
    前記第１導体層に接続される発光素子と、
    透光性を有し、前記第１絶縁体に対して前記発光素子を保持する樹脂と、
    を備え、
    周囲温度が８５℃のときに前記発光素子に定格電流Ｉｆを流したときの前記発光素子のジャンクションの温度がＴｊｆ℃であるとき、測定環境温度をＴｊｆ℃にして測定した、前記導電回路層と前記発光素子との間の接圧が、０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下である発光装置。
  24. 透光性を有する第１絶縁体の一側に導体層を形成する工程と、
    前記第１絶縁体及び前記導体層の一側に絶縁性を有するシートを配置する工程と、
    前記導体層のパッドに、発光素子の電極を位置決めして、前記発光素子を、前記シート上にマウントする工程と、
    前記発光素子の一側に透光性を有する第２絶縁体を配置する工程と、
    前記導体層と前記発光素子との間の接圧が０．０２Ｎ以上、６Ｎ以下となるように、前記第１絶縁体、前記第２絶縁体、前記シート、前記発光素子の複合体を、真空下で加熱及び加圧する工程と、を含む発光装置の製造方法。
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