JP3783572B2

JP3783572B2 - 発光装置

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Publication number: JP3783572B2
Application number: JP2001109709A
Authority: JP
Inventors: 公司中野
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2021-04-09
Also published as: JP2002335019A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は大電流高輝度発光が可能な発光装置に係り、特に、リペアが可能で、安定駆動可能な発光装置を提供することにある。
【０００２】
【従来技術】
今日、発光装置としてＲＧＢ（赤・緑・青色）がそれぞれ高輝度に発光可能な発光ダイオードに加え紫外線が発光可能な発光ダイオード、白色（例えば、JIS8110で規定された白色を含む）が発光可能な発光ダイオードやレーザーダイオードが開発された。これらの半導体発光素子は高輝度、低消費電力且つ長寿命化という優れた特性を有している。そのため、屋外や屋内の各種ディスプレイ、交通や鉄道などの信号機、各種インジケータや標示や液晶装置のバックライトだけでなく、照明自体として利用されはじめている。
【０００３】
このような発光装置はガラスエポキシ樹脂の表面に銅箔のパターンが形成された基板上に複数のＳＭＤ型発光ダイオードや砲弾型発光ダイオードを配置すると共に電気的に接続させユニットを構成させる。照明や信号機などとして利用する場合は、各発光ダイオードを直列及び／又は並列に接続するとともに電源に接続させる。電源から電流を供給することによってユニットを構成する各発光ダイオードが発光する。信号機や照明として利用する場合は、発光ダイオード上にレンズを設け特定の領域の指向特性を向上させたり散乱させたりする。通常、半導体発光素子であるＬＥＤに電流を多く流すにしたがい、一定の電流までは比較的リニアに発光輝度が上昇する。他方、ＬＥＤの温度上昇に反比例して発光効率が低下する。また、温度上昇に伴い発光素子から放出される光のスペクトルがシフトする場合がある。
【０００４】
このような問題を解決し、より明るい発光装置を構成するためには図４に示す構成が考えられる。図４には樹脂と比較して比較的熱伝導率のよいアルミやセラミックス基板(402)上に絶縁層(405)、導電性パターン(403)を介してLEDチップ(401)を数多く密接配置させ実装させてある。このような構成とすることによって、光量を増大させつつ各発光素子に大電流を流しつつ安定した特性を有するＬＥＤパワーモジュールなどとすることができる。
【０００５】
しかしながら、高熱伝導基板は半導体発光素子の実装と、電気伝導、熱伝導を合わせた機能を有しているため総合的な効率が低く、信号機や照明用として発光ダイオードを利用するためには、さらなる高輝度化が求められる。また、ＬＥＤチップ(401)をアルミニウムやセラミック上にダイボンド配置すると、ＬＥＤチップの取り外しなど補修時にモジュール自体が損傷する可能性がある。さらに、熱伝導性がよいため実装後に不具合のあるＬＥＤチップだけを取り出すことが難しく、その過程において不具合のないＬＥＤチップにまで熱及び機械的損傷を与えることもある。特に、個別のＬＥＤチップを取り外し及び再実装する場合において、加熱すると高熱伝導基板(402)のため補修部分だけでなく、隣接する他の良好な部分までも加熱してしまい、モジュールがすべて破壊される可能性もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本願発明は高輝度に安定して発光可能な発光装置を提供すると共に発光素子を比較的簡単に個別に取り出しでき補修が容易である発光装置の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、貫通孔を持った基板と、貫通孔と勘合する支持部材と、支持部材上に配置された発光素子とを有する発光装置の製造方法である。これにより比較的簡単に発光装置を構成することができる。また、支持体を貫通孔に勘合させていることから極めて薄く発光装置を構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者は種々実験の結果、発光素子を実装する支持体とそれらを保持する特定形状の筐体との関係を定めることにより、発光特性や実装性が向上することを見出し本願発明をなすに至った。
【００１６】
即ち、本願発明は発光素子を保持実装する基板を貫通孔を持った基板と、この貫通孔に着脱可能で発光素子が実装される支持体とに分離することにより、実装後に発光素子の不具合により取り替える必要があるときでも発光素子ではなく、支持体を基板から抜き取るだけの極めて簡単な構成によって不具合のある発光素子を他の発光素子に悪影響を与えることなく取り替えることができる。本発明の実施態様を図１及び図3に示す。
【００１７】
あらかじめリード電極を構成する銅箔パターン(103)が絶縁膜(106)を介して表面に形成されたステンレス基板(102)にドリルなどを用いて複数の貫通孔(108)を形成させる。次に、平板状に突起が形成された銅板を支持体(105)として利用する（図３（Ａ）の工程）。突起は基板の貫通孔に勘合できるように複数設けられており、その先端にはＬＥＤチップ(101)が配置されるようにキャビティを構成している。支持体となる突起のついた平板を基板の貫通孔(108)に勘合させる（図３（Ｂ）の工程）。次に、各支持体を構成すべく、突起のついた平板をエッチングによって分離(310)する。これによって、複数の貫通孔に分離された支持体(105)が勘合した状態となる。次の工程でサファイア基板上にｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されたＬＥＤチップ(101)を基板に羽目合わされた支持体を構成するキャビティ内にエポキシ樹脂によってダイボンドする。
【００１８】
この場合、絶縁基板上に半導体が形成されているため、同一表面側から一対の電極を取り出すＬＥＤの構成となっている。ダイボンド樹脂を硬化後、ＬＥＤチップの各電極と基板の表面に設けられた銅パターン(103)とを金線(104)によって好適にワイヤーボンディングする。このようにして、ＬＥＤパワーモジュールを構成することができる（図３（Ｃ）の工程）。なお、複数の支持体が形成された場合について説明したが、一つだけ形成された発光ダイオードとして形成できることはいうまでもない。また、ＬＥＤパワーモジュール上には、透光性の樹脂を設けてもよいし、またはレンズを設けてもよい。レンズを設ける場合は、シリコンなどの樹脂を介してもよいし、気体を封入させてもよい。このようなレンズは、予め成形されたものを用いてもよいし、硬化性樹脂を用いて成形させても良く、成形には金型等を用いてもよい。また、これらレンズには、発光ダイオードからの発光波長によって励起されてそれよりも長波長の光を発する蛍光物質を設けることもできる。これにより、発光素子からの光だけでなく、蛍光物質からの光をも利用することができるので、様々な波長の光を有する発光装置とすることができる。
【００１９】
次に、リペア時の工程例について説明する。上述の如き形成された発光装置のリード電極に電流を流すことで発光検査を行うことができる（図３（Ｄ）の工程）。発光検査の結果不具合のある発光素子(301)がダイボンドされた支持部材を画像認識装置で位置を特定する。発光観測面側から支持部材だけ基板からピンで突き落とすことによって不具合の発光素子がダイボンドされた支持部材を取り除くことができる。続いて、不具合のあった発光素子と基板上の導電性パターンとを電気的に接続させていたワイヤーを機械的に除去した後、改めて発光素子付き支持部材(305)を貫通孔に挿入する（図３（Ｅ）の工程）。発光素子をワイヤーボンドすることによって比較的簡単な構成でリペアを容易に行うことができる(図３（Ｆ）の工程)。以下本発明の各構成について詳述する。
【００２０】
（発光素子１０１，２０１）
本発明の用いられる発光素子は各種半導体発光素子を利用することができる。具体的半導体発光素子としては、サファイヤ、ＳｉＣ、スピネル、ＧａＮなどの基板上にＭＯＣＶＤ法などを利用してｎ型窒化物半導体及びｐ型窒化物半導体を積層させたものを好適に利用することができる。ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＢＮなどの窒化物半導体だけでなくＩｎＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣなど各種半導体を発光層に用いた発光素子を好適に利用することができる。基板に導電性材料を用いた場合支持部材とＡｇペーストやハンダなどによってダイボンドし電気的に導通させてもよいし、間に絶縁層を介してもよい。
【００２１】
（基板１０２，２０２）
本願発明に用いられる基板としては、貫通孔を有し支持部材が嵌合可能なものである。基板自体は支持部材を保持可能なものであり、はめ込みによって固定されるものでもよく、突起によって固定されるもの。ネジ式で固定されるもの、発光素子などが破壊されない温度で溶融する金属やロウ材で固定するものなど種々利用することができる。本発明の基板は貫通孔を支持部材の嵌合に利用しているため比較的簡単に製造できると共に放熱性、機械的強度など目的に合わせて支持部材との機能分離することができる。また、基板に設けられる貫通孔はドリルで開けることもできるし、レーザーにより設けることもできる。また、打ち抜き加工によっても形成することができる。貫通孔の形状も円他、発光素子の指向特性に合わせた支持部材に合わせて楕円や四角形、三角形など種々選択することができる。このような基板の具体的材料として、あらかじめリード電極を構成する銅箔などの導電性パターンが表面に形成された硝子エポキシ樹脂や銅、アルミニウムや各種合金、セラミックなど種々のものを利用することができる。リード電極を表面に持つ基板として金属を用いた場合は、電気的に絶縁すべくＳｉＯ_２やＳｉＮｘなどの絶縁膜を形成後、銅、金、銀などの薄膜パターンやこれら金属を含む合金、これら金属を含む積層膜などＣＶＤやスパッタによって形成させたものを好適に利用することができる。
（支持部材１０５、２０５）
本発明の支持部材とは発光素子が配置されるものであり、基板の貫通孔と嵌合可能なものである。発光素子が配置される支持部材の表面は発光素子からの光を効率よく反射させるために、キャビティを設けリフレクター構造としてもよい。また、反射率の高い金属や合金などでメッキなどすることもできる。このような金属として金、銀、銅やニッケルや各種合金を好適に利用することできる。支持部材自体の材料としては発光素子からの熱を効率よく外部に取り出すために高熱伝導性材料としてＡｕ、Ｃｕ、Ａｌやこれら合金などを好適に利用することもできる。特に、銅やアルミニウムは加工のしやすさやなどから好適に利用することができる。
【００２２】
発光ダイオードを量産性よく形成させるためには平板状に発光素子が配置される複数の突起が形成されるものを利用することができる。基板との嵌合後にそれぞれの発光素子用支持部材として分離させることもできるし、そのまま利用することもできる。分離させる場合は、各突起部の間隔や作業性を考慮して突起部が１つずつ分離されるようにしてもよいし、２つ以上有するようなパーツに分離することもできる。また、支持持部材をリード電極の一部として利用することもできる。なお、支持部材と基板との位置決めや量産性を良くさせ支持部材の抜け防止のために、支持部材の突出部(107)を設けてもよい。基板には突出部対応する凹部を設けることが好ましい。
【００２３】
また、発光素子駆動時に発生する熱を効率よく放出させるために、支持体に熱放出手段を有することもできる。熱放出手段としては、平板を大きくしたり、裏面（突起部の反対側の面）に凹凸を設けるなど表面積を広げることにより放熱性を向上させる方法や、ヒートパイプ等の熱を移動させる手段を設けて熱を離れた位置に移動させる方法がある。
【００２４】
凹凸により表面積を広げる機構を有するものとしてはヒートシンクが挙げられる。ヒートシンクは、熱を吸収してから放出する機構を有するものであり、具体的には、図５に示すように、支持体の裏面に凸部が設けられた形状とする。このような構造とすることで、表面積を大きくすることができるので、発光素子から発生して支持体に蓄熱された熱を効率よく外部に放出させることができる。凸部を大きくしたり数を増やしたりすることで表面積は大きくなるが、支持体自体も大きくなるので、発光素子から放出される熱に応じて好ましい形状や材料等を選択することができる。
【００２５】
また、ヒートパイプは、熱を効率よく熱伝導させるもので、発光素子から離れた位置に効率よく熱を伝導させることにより放出させることができる。このようなヒートパイプは、管の内壁に毛細管構造を持たせた金属パイプの内部を真空にし、作動液として少量の水・代替フロンなどを密封して形成することができる。具体的には、ヒートパイプの一端を発光素子が配置された支持体に熱的に接続させ、他端はその支持体と離れた位置に配置させる。発光素子から放出された熱は支持体を通してヒートパイプの一端に達し、その加熱された部分の作動液が蒸発する。蒸気流となった作動液は発光素子が配置され加熱された一端よりも低温である他端へと移動する。蒸気流が低温部の管壁に接触し冷却されて凝縮されると毛細管現象または重力により発光素子と熱的に接触された支持体へと戻り、繰り返し熱を連続的に輸送することができる。このようにして発光素子の発熱を効率よく熱伝導させることができる。ヒートパイプの他端は、支持体と接続された一端から離れていれば、何も設けなくても低温部として機能するが、より効果的に熱を移動し放出させるには、冷却器や上記のようなヒートシンクを設けてもよい。このように、発光素子を配置させる支持体に、熱放出手段に加えて熱伝達手段も設けることにより、基板と離れた位置に熱放出手段を配置させることができるので、発光装置の形態に応じて様々な方法で用いることができる。
【００２６】
（蛍光物質）
本発明に利用可能な蛍光物質は、発光素子から発せられる発光波長によって励起され、その光よりも長波長の可視光を発光可能な蛍光物質ならば無機蛍光体でも有機蛍光体でもよく、また、発光色は紫色〜赤色までの全ての可視光のものが適用できる。具体的には、無機蛍光体としてはケイ酸塩系蛍光体、リン酸塩系蛍光体、アルミン酸系蛍光体、希土類系蛍光体、酸希土類系蛍光体、硫化亜鉛系蛍光体などが挙げられる。具体的には緑色系発光蛍光体では、Ｙ_２ＳｉＯ_５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＭｇＡｌ_１１Ｏ_１９：Ｃｅ，Ｔｂ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｍｎ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ、ＺｎＳ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、青色系発光蛍光体では（ＳｒＣａＢａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、（ＢａＣａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｅｕ、Ｓｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ、Ａｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ、ＺｎＳ：ＡｇＣｌ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、赤色系発光蛍光体ではＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（ｐｉｇｍｅｎｔｅｄ）、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕ、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２・ＧｅＯ_２：Ｍｎ、Ｙ（ＰＶ）Ｏ_４：Ｅｕ、５ＭｇＯ・３Ｌｉ_２Ｏ・Ｓｂ_２Ｏ_５：Ｍｎ、Ｍｇ_２ＴｉＯ_４：Ｍｎ等が挙げられる。比較的発光効率が高いものとしては、緑色系発光蛍光体ではＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、青色系発光蛍光体ではＳｒ_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色系発光蛍光体ではＹ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕが挙げられる。
【００２７】
以下本発明の具体的実施例について詳述するが、これのみに限られるものでないことは言うまでもない。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
本発明を図２を用いて説明する。あらかじめリード電極を構成する銅箔パターン(203)が表面に形成された硝子エポキシ樹脂(202)にドリル、エッチングやレーザなどを用いて貫通孔を形成させる。次に、平板状に突起が形成された金属板を支持体(205)として利用する。突起の先端にはＬＥＤチップ(201)が配置されＬＥＤチップからの光を有効に外部に取り出せれるようにキャビティを構成している。支持体(205)となる突起のついた平板を基板(202)の貫通孔に勘合させる。基板の貫通孔に支持部材が勘合した状態となる。次の工程でサファイア基板上にｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されたＬＥＤチップ(201)を支持体(205)を構成するキャビティ内にエポキシ樹脂によってダイボンドする。
【００２９】
この場合、ＬＥＤチップ(201)は絶縁基板上に半導体が形成されているため、同一表面側から一対の電極を取り出す構成となっている。ダイボンド樹脂を硬化後、ＬＥＤチップ(201)の各電極と基板(202)の表面に設けられた銅パターン(203)とを金線(204)によって好適にワイヤーボンディングする。次に、ＬＥＤチップ(201)からの光を効率よく集光するよう形成されたレンズ(209)が基板(202)と密着して設けられている。内部には不活性ガスやシリコン樹脂(210)などが封入されている。この構成の発光装置とすることで比較的簡単にリペアが容易な発光装置とすることができる。なお、絶縁層上にｐｎ接合が形成されたＬＥＤチップを用いているが、支持体自体をリード電極の一部として利用する場合や、絶縁スペーサを構成する場合などは半導体を介して一対の電極が設けられたＬＥＤチップを利用することができることは言うまでもない。
【００３０】
（実施例２）
支持体として、図６に示すような裏面（突起部が形成された面と対向する面）に凹凸を有する形状の支持体(511)を用いる。この支持体には、突起部が複数個形成されており、突起部の反対側の面（裏面）には凹凸が形成されている。また、本実施例では、レンズとして各突起部と対向する位置で光を集光出来るようにレンズ状に形成された連続型レンズを用いているが、各発光素子ごとにレンズを設けていても何ら問題はない。さらにこのレンズには、図に示すように、レンズの内側、即ち発光素子と対向する側に蛍光物質が設けられている。蛍光物質は、樹脂等に混入させて塗布し、硬化させることでレンズの内側に設けることができる。蛍光物質はレンズの材料に混入させておいてもよい。このような支持体とレンズを用いる以外は、実施例１と同様に行い、本発明の発光装置を得る。
【００３１】
（実施例３）
レンズとして、予め成形されたものを用いるのではなく、図７に示すようにシリコン樹脂(714)等の透光性樹脂をポッティングして硬化させることにより形成させるレンズを用いる以外は、実施例１と同様に行い、本発明の発光装置を得る。レンズとして機能させているシリコン樹脂(714)は、支持体の突起部及び発光素子、更には電極にボンディングされたワイヤーまでを覆うように設けられていればよく、金型等を用いずとも表面張力を利用してレンズ状に形成することができる。
【００３２】
（実施例４）
実施例３において、シリコン樹脂を硬化後、金型を用いて図８のようにレンズ材料を注入して２層構造のレンズを一体成形させて、本発明の発光装置を得る。
【００３３】
【発明の効果】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光装置を示す模式的断面図。
【図２】本発明の他の発光装置を示す模式的断面図。
【図３】本発明の発光装置の形成工程及びリペア工程を示す工程図。
【図４】本発明と比較のために示す発光装置の模式的断面図。
【図５】本発明の他の発光装置を示す模式的断面図。
【図６】本発明の他の発光装置を示す模式断面図。
【図７】本発明の他の発光装置を示す模式断面図。
【図８】本発明の他の発光装置を示す模式断面図。
【符号の説明】
１０１、２０１、５０１、６０１、７０１、８０１…発光素子としてのＬＥＤチップ
１０２、２０２、５０２、６０２、７０２、８０２…貫通孔が設けられた基板
１０３、２０３、５０３、６０３、７０３、８０３…リード電極を構成する導電性パターン
１０４，２０４、５０４、６０４、７０４、８０４…発光素子とリード電極とを電気的に接続させる電気的接続部材
１０５、２０５、７０５、８０５…支持体
１０６、５０６、６０６、７０６、８０６…金属基板と導電性パターンとを電気的に分離させる絶縁層
１０７、５０７、６０７、７０７、８０７…支持体に設けられた抜け防止用の突出部
１０８…貫通孔
２０９…レンズ
２１０…不活性ガス
３０１…不良のＬＥＤチップ
３０５…良好なＬＥＤチップが配置された支持体
３１０…エンチングされ電気的に分離された分離溝
４０１…ＬＥＤチップ
４０２…金属基板
４０３…銅パターン
４０４…金線
４０５…ＳｉＯ_２絶縁膜
５１１、６１２…凹凸を設けた支持体
６１３…連続型レンズ
６１６…蛍光物質
７１４、８１４…シリコン樹脂
８１５…一体成形されたレンズ

Claims

基板に複数の貫通孔を形成する第１の工程と、
複数の突起を有する平板の各突起を、前記基板の各貫通孔に勘合させる第２の工程と、
前記各突起を少なくとも１つ有するよう前記平板を分離する第３の工程と、
前記各突起を支持体として半導体発光素子を載置させる第４の工程と、
を有することを特徴とする発光装置の製造方法。