JP4606000B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード及びその製造方法に係り、詳しくは、発光素子から放出される光の少なくとも一部を蛍光物質で波長変換して放出する際に発光ムラ、色ムラを少なくした発光ダイオード及びこの発光ダイオードを歩留まり高く製造できる発光ダイオードの製造方法に関する。

発光素子を種々の物質が混入された透光性樹脂で覆った発光ダイオードが知られている。混入する物質は、その目的に応じて適宜選択されているが、発光素子の発光色を変換する場合、或いは色補正を行う場合には、無機顔料或いは有機顔料等が使用されている。

近年、また種々の蛍光物質を混入した透光性樹脂で発光素子を覆って、白色或いは太陽光に近い光を発させる発光ダイオードの研究・開発が進んでいる。この太陽光の発光スペクトルに近づける方法としては、青色発光素子と黄色蛍光物質とを組合わせて白色光を得る方法、或いは、紫外発光素子とＲＧＢ蛍光物質とを組合わせる方法、更には、紫外発光素子とＯＹＧＢ蛍光物質とを組合わせる方法等が知られている。

これらの方法を用いて白色或いは太陽光に近い光を出現する発光ダイオードは、白色ダイオードとして一部で実用化され、例えば、インジケータ或いは小型液晶パネルのバックライト等に使用されている。この種の白色発光ダイオードは、以前からその製品化が待望されていたものであることから、その需要が多く、今後、広い分野で使用されることが予想される。その一方でこれらの需要に応えるには、その品質向上が重要な課題となっている。

これらの状況を背景に、今後、この種の発光ダイオードの研究・開発が急速に進展するものと予想されるが、その成果の一部が特許公報でも紹介されている。（例えば、下記、特許文献１参照）。

下記特許文献１には、基板上に搭載された発光素子と、この発光素子の外周囲を覆った透光性樹脂とを備え、この透光性樹脂に蛍光物質が均一に分散された発光ダイオードが開示されている。この発光ダイオードは、蛍光物質を均一に透光性樹脂に分布させることにより、発光ムラ、色ムラや形成された発光ダイオード間における発光バラツキが少なく、歩留まりが高くなるようにしたものである。

しかし、下記記特許文献１に開示されている発光ダイオードでは、発光素子は基板の中央部に搭載されているが、この種の発光素子を基板の中央部に直接実装することは設計上難しくなっている。すなわち、通常、発光ダイオードを基板に直接実装する場合は、基板に窪みを形成し、この窪み内に発光素子を搭載しているが、この窪みはその内部のスペースが狭いので、発光素子を中央部に搭載しようとすると発光素子と電極との接続が極めて困難になるからである。
特開２０００−２２３７５０号公報（図２、第３頁右欄〜第４頁左欄）

通常、発光素子と電極との電気的接続は、窪み内に所定の形状を有する接続工具を挿入することによって行われる。このため、接続工具を挿入するスペースを窪み内に確保しなければならない。そうすると、どうしても発光素子は窪み内で一方端、例えば反射面寄りへ偏らざるを得ないことになる。

そうすると、白色発光ダイオードの製造に際しては、発光素子を窪み内に直接実装した後、この窪み内に蛍光物質を混入した透光性樹脂を充填して硬化させる必要があるが、発光素子の上部付近では一般的にその周囲よりも蛍光物質の分布量が少なくなる傾向がある。そのため、この部分において蛍光物質の分布にバラツキがあると、発光色に与える影響は大きくなる。

特に、透光性樹脂中に含まれている総蛍光物質量が少ない場合には、少しの分布量のバラツキでも発光色に大きな影響を与え、品質の低下を招くことになる。また、発光素子上部近辺の蛍光物質の分布量が少なくなると、色調や輝度のバラツキの発生原因となることも判明した。

この点、上記特許文献１には、発光素子が基板の中央部に搭載され、この発光素子を覆う透光性樹脂中に蛍光物質が均一に分散されている発光ダイオードが示されているが、この構造の発光ダイオードにおいても、発光素子の上部付近の面はその周囲の面より蛍光物質の分布量が少なくなる傾向があるので、前記の白色発光ダイオードと同じ課題を有していることになる。

そこで、本発明は、上記従来技術が抱える課題を解決するためになされたものであって、第１の目的は、透光性樹脂に混入する蛍光物質の分布を均一にせず、分布を変えることにより、発光色のバラツキを抑えた発光ダイオード提供することにある。また、本発明の第２の目的は、複数個の発光ダイオードを製造する際に、各発光ダイオード間の発光バラツキが少ない発光ダイオードを、歩留まり高く製造できる発光ダイオードの製造方法を提供することにある。

上記目的は、以下の手段によって達成される。すなわち、本願請求項１に記載の発光ダイオードの発明は、基板の表面に形成された窪み内に搭載された発光素子と、この発光素子の外周囲を覆った透光性樹脂とを備え、該透光性樹脂には蛍光物質が混入され、この蛍光物質の分布量は該発光素子の上部において一方の側から他方側へ順次増加しており、前記発光素子は前記他方側へ変位して配置されていることを特徴とする。

また、本願の請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の発光ダイオードにおいて、前記基板として、金属製基板、セラミック製基板から選択された熱伝導性が良好な基板であることを特徴とする。

また、本願の請求項３に係る発明は、前記請求項１又は２に記載の発光ダイオードにおいて、前記基板の表面は光反射部材からなることを特徴とする。

また、本願の請求項４に係る発明は、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオードにおいて、前記発光素子が、前記蛍光物質を励起可能な発光波長の光を発することができる半導体発光素子であり、前記蛍光物質は前記発光素子から発された光で励起されて蛍光を発する物質であることを特徴とする。

更に、本願の請求項５に記載の発光ダイオードの製造方法の発明は、以下の（１）〜（５）の工程からなることを特徴とする。
（１）基板に少なくとも１つの窪みを形成する工程、
（２）発光素子を、前記少なくとも１個の窪みの底部の一方側にずれた位置に搭載する工程、
（３）前記窪み内に蛍光物質を混入した透光性樹脂を前記発光素子の周囲を覆いかつ開口部まで充填する工程、
（４）前記（３）の工程で得られた部材の開口部を蓋体で覆い、該部材を１８０度反転させて前記発光素子が位置する側を下方にして所定の角度で傾斜させ、前記蛍光物質を沈降させて前記透光性樹脂を硬化させる工程、
（５）その後蓋体を取外す工程。

また、本願の請求項６に係る発明は、前記請求項５に記載の発光ダイオードの製造方法において、前記（４）の工程における所定の角度は、１０°〜４５°であることを特徴とする。

また、本願の請求項７に係る発明は、前記請求項５又は６に記載の発光ダイオードの製造方法において、更に、各発光ダイオード毎に分割する工程を有することを特徴とする。

本発明は、上述の構成を備えることにより以下のような優れた効果を奏する。すなわち、本願の請求項１に係る発光ダイオードによれば、発光素子の上部近辺の蛍光物質分布量がその周囲より多くなっているので、最も光強度の強い部分の発光色のばらつきが少なくなるため、全体として発光ムラ、色ムラを抑制することが可能になる。

また、本願の請求項２に係る発光ダイオードによれば、前記基板の材料を目的に応じて適宜選択することができ、複数の発光ダイオード素子が平面状に配置された発光ダイオードアレイとすることも、個別の発光ダイオードとすることも可能となる。

また、本願の請求項１に係る発光ダイオードによれば、前記窪みは、周知の基板に穴を穿って窪みとすることも、或いは平面状基板に壁部を設けて窪みとすることもできるので、透光性樹脂及び蛍光物質を充填することにより発光ダイオードの表面を平らにでき、容易に平面光源が得られるようになる。

また、本願の請求項２に係る発光ダイオードによれば、発光ダイオードの放熱性が良好となるので、高集積化した発光ダイオードアレイとしても使用することができるようになり、さらに高出力高輝度の発光ダイオードが得られるようになる。

また、本願の請求項３に係る発光ダイオードによれば、発光ダイオード内で乱反射した光は、全て光反射部材で反射されて一方向へ放射されるようになるので輝度が向上し、加えて光反射部材の構造によって光の放射角度を変えることも可能となるので、拡散光源としたり、スポット光源とすることもできるようになる。

また、本願の請求項４に係る発光ダイオードによれば、発光素子で発された光を種々の波長の光に変換できるので、容易に白色光や太陽光に近い色の光を生成させることができるようになる。

更に、本願の請求項５に係る発光ダイオードの製造方法によれば、容易に発光ムラ、色ムラや形成された発光ダイオード間における発光バラツキが少ない発光ダイオードを、歩留まり高く製造できるようになる。

また、本願の請求項６に係る発光ダイオードの製造方法によれば、前記限定された角度範囲内で、特に約３０°付近で最も発色のばらつきの少ない発光ダイオードを製造することができるようになる。

また、前記請求項７に係る発光ダイオードの製造方法によれば、使用目的に応じて製造された発光ダイオードを個別に分割して個別部品として使用することができるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、この図面に記載されたものに限定されるものではない。

図１は、本発明の発光ダイオードの一実施の形態を示す断面図、図２は、他の実施形態の発光ダイオードを示す断面図、図３は、図１の発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。

図１に示す発光ダイオード１０は、発光素子１５と、この発光素子の周囲を覆った透光性樹脂１７とを備え、この透光性樹脂１７には、蛍光物質１８が混入され、この蛍光物質１８は、上記発光素子１５の真上付近が周囲に比べて分布量が多くなされた構成を有する。

以下、上記発光ダイオード１０の個々の構成部品を詳述する。この発光ダイオード１０は、発光素子１５が絶縁材料からなる基板１１上にあって窪みを形成する一方の反射壁１４へ片寄ったところに配設され、この発光素子１５の底部の電極(図示省略)と基板上に設けた電極（図示省略）とが導電性接着剤１３により電気的に接続されている。また、発光素子１５の上面の電極１５aは、ボンディングワイヤ１６により基板１１上の電極１２に電気的に接続されている。

また、発光素子１５の周囲を囲むようにして、基板１１上に反射壁１４を設け、基板１１と反射壁１４とで形成された空間内に透光性樹脂が反射壁の上面まで充填されて発光素子１５を覆っている。

更に、透光性樹脂１７には、蛍光物質１８が混入されている。透光性樹脂１７内の蛍光物質の分布は、発光ダイオード１０の観察面に近いところで、反対側の反射壁側より多く分布している。すなわち、反射壁の一方から反対側の反射壁に向かって、図１の断面にみられるように、ほぼ三角形状をなすように分布されている。

この構成では、発光素子の真上近辺がその周辺より、蛍光物質の分布量が多くなっているので最も光強度の強い部分の発光色のばらつきが少なくなり、従来技術のような不都合は発生せず、発光色のバラツキを抑えることができる。

上記発光ダイオード１０は、絶縁材料からなる基板１１上に発光素子を搭載したものであるが、この基板に金属製基板、セラミック製基板等の熱伝導性が良好なものを使用し、この基板に直接実装してもよい。更には、絶縁材料からなる基板１１上に発光素子を搭載した発光ダイオード１０からなるいわゆる発光ダイオードモジュールの１個ないしは所定数を金属基板や熱伝導性の良好なセラミックス基板に装着して使用するようになすことも可能である。このような構成であれば、発光ダイオードモジュール１５で発生した熱を金属基板ないしは熱伝導性の良好なセラミック基板を介して直接ないしは間接的に放熱させることができるので、従来のガラス・エポキシ基板上に発光ダイオードのモジュールを実装するものと比べて、熱抵抗を大幅に下げることができるようになる。

また、図１に示した発光ダイオードでは、発光素子が一方の反射壁面に近いところに搭載されているが、図２に示すように、発光素子を基板１１aの中央部に設けてもよい。なお、基板１１aはＡｌ基板であり、符号１９はプリント配線板である。この場合、発光ダイオード１０Ａでは、蛍光物質１８の分布は、観察面に近いところで、発光素子１５の真上近辺が周囲に比べて多く分布されるように混入される。

次に、本発明の発光ダイオードを構成する材料について例示するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではないことは言うまでもない。

発光素子は、白色系を発光させる場合は、蛍光物質から発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮して発光素子の発光波長は４００ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲が好ましい。

蛍光物質は、発光素子から発された光で励起されて蛍光を発する蛍光物質であって、無機蛍光体、有機蛍光体、蛍光染料、蛍光顔料など種々のものを使用できる。具体的には、青色の発光素子との混合により白色を発光させるためには、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、ペリレン系誘導体、銅で付活されたセレン化亜鉛などがある。

透光性樹脂は、蛍光物質を内部に含有できるものであればよく、例えば、脂環式エポキシ樹脂、含窒素エポキシ樹脂等の熱硬化性エポキシ樹脂が好適である。なお、これらの透光性樹脂には、所望の波長をカットする着色剤、所望の光を拡散させる酸化チタン、酸化アルミニウムなどの無機拡散材やメラニン樹脂、グアナミン樹脂、ベンゾググアナミン樹脂などの有機拡散材、樹脂の耐光性を高める紫外線吸収剤、酸化防止剤や有機カルボン酸亜鉛、酸無水物、亜鉛キレート化合物などの硬化促進剤を種々の添加剤の一つとして含有させてもよい。その他の材料は、既に公知のものを使用するので、それらの説明を省略する。

次に、図３を参照して、図１の発光ダイオードの製造方法を説明する。先ず、金パターン（図示省略）と複数の反射枠１４を形成したガラス・エポキシ基板上１１の金パターン上に導電性接着剤１３にて青色発光素子１５を固定し、発光素子１５の上面の電極１５aをワイヤ１６により基板１１上の電極１２に電気的に接続する。

次いで、個々の反射枠１４で囲まれた室内に蛍光物質１８を数％混合した透光性樹脂１７を一定量流し込む。この流し込みは、各反射枠１４で囲まれた上面部２０a〜２０cまで行われる。なお、この蛍光物質１８の混合量は、発光ダイオードの使用用途等によって任意の量が選択される。

その後、各反射枠１４で囲まれた上面部２０a〜２０cを蓋体２５で覆い、そのまま上下反転させ、床面３０から全体を所定の角度θ、例えば約３０°傾けて所定の温度、例えば１２０℃でエポキシ樹脂を硬化させる。この角度には臨界的限度はないが約３０°付近で良好な結果が得られる。

エポキシ樹脂の硬化後に、エポキシ樹脂面と蓋体２５を剥がし、必要に応じてダイシングブレードにより個々に分割して、図１の発光ダイオードを作製する。

上記の方法で作製した発光ダイオードを特性検査機により色度測定を行った。その結果、傾けない場合の色度Ｘのバラツキ（標準偏差）が０．０６であった。これに対して、上記の方法で３０°傾けた場合は色度Ｘの標準偏差が０．０４５に改善された。

なお、図２に記載されている発光ダイオード１０Ａは、
（１）基板に少なくとも１つの窪みを形成する工程、
（２）発光素子を、前記少なくとも１個の窪みの底部の一方側にずれた位置に搭載する工程、
（３）前記窪み内に所定の高さまで透光性樹脂を前記発光素子の周囲を覆うように充填して硬化させる工程
（４）前記硬化した透光性樹脂を、前記発光素子の上部が最も深く、前記発光素子から離れるに従って順次浅くなるように穴開け加工する工程、
（５）前記穴開け加工された部分に蛍光物質を混入した透光性樹脂を充填して硬化させる工程、
を順次経ることにより製造することができ、その各工程における処理は当業者にとり自明であると思われるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の発光ダイオードの一実施の形態を示す断面図である。 本発明の発光ダイオードの他の実施の形態の示す断面図である。 図１の発光ダイオードの製造方法を示す工程断面図である。

符号の説明

１０ 発光ダイオード
１１ 基板
１２ 電極
１３ 導電性接着剤
１４ 反射枠
１５ 発光素子
１６ ワイヤ
１７ 透光性樹脂
１８ 蛍光物質
２５ 蓋体
３０ 床面

Claims (7)

1. 基板の表面に形成された窪み内に搭載された発光素子と、この発光素子の外周囲を覆った透光性樹脂とを備え、該透光性樹脂には蛍光物質が混入され、この蛍光物質の分布量は該発光素子の上部において一方の側から他方側へ順次増加しており、前記発光素子は前記他方側へ変位して配置されていることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記基板は、金属製基板、セラミック製基板から選択された熱伝導性が良好な基板であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード
3. 前記基板の表面は光反射部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
4. 前記発光素子は、前記蛍光物質を励起可能な発光波長の光を発することができる半導体発光素子であり、前記蛍光物質は前記発光素子から発された光で励起されて蛍光を発する物質であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
5. 以下の（１）〜（５）の工程からなる発光ダイオードの製造方法。
   （１）基板に少なくとも１つの窪みを形成する工程、
   （２）発光素子を、前記少なくとも１個の窪みの底部の一方側にずれた位置に搭載する工程、
   （３）前記窪み内に蛍光物質を混入した透光性樹脂を前記発光素子の周囲を覆いかつ開口部まで充填する工程、
   （４）前記（３）の工程で得られた部材の開口部を蓋体で覆い、該部材を１８０度反転させて前記発光素子が位置する側を下方にして所定の角度で傾斜させ、前記蛍光物質を沈降させて前記透光性樹脂を硬化させる工程、
   （５）その後蓋体を取外す工程。
6. 前記（４）の工程における所定の角度は、１０°〜４５°であることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオードの製造方法。
7. 更に、各発光ダイオード毎に分割する工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の発光ダイオードの製造方法。
   

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