JP5109226B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子から放射される光を波長変換して放射する波長変換型の発光装置に関し、特に、信頼性に優れ、長期にわたって安定した輝度が得られるとともに色むらを生じることのない発光装置に関する。
従来の発光装置として、LED(Light Emitting Diode)素子を光源に用いた発光装置が知られている。近年、このような発光装置の用途は、車載用の照明機器、液晶デバイスのバックライト光源、小型電子機器のランプ等に広く拡大しつつあり、これら以外にも様々な用途が見込まれている。
このようなLED素子から放射される光を蛍光体で波長変換することにより、白色光を放射させる半導体発光装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1の半導体発光装置は、レンズ形の樹脂封止体を備えたLEDと、樹脂封止体を包囲する透光性の蛍光カバーとを備えている。LEDは、430〜480nmに発光ピークを有するGaN系半導体発光素子である。蛍光カバーは、肉薄なフィルム状の樹脂からなり、樹脂封止体に密着する弾性力を有し、半導体発光素子の発光に基づいて励起されて蛍光を発する蛍光体が添加されている。
特許文献1の半導体発光装置によると、樹脂封止体の周囲に蛍光カバーを設けることで、半導体発光素子から放射される光と蛍光体によって波長変換された光との混合に基づいて所望の発光色を高輝度で得ることができる。
特開2004−221619号公報(〔0009〕、〔0014〕図1)
しかし、特許文献1の半導体発光装置によると、以下の問題がある。
(1)GaN系半導体発光素子から放射される光によって樹脂からなる封止体および蛍光カバーの劣化が生じるため、長期使用に対する信頼性を確保することが難しい。また、劣化が生じると発光装置の輝度を低下させるという問題がある。
(2)半導体発光装置の光放射性が樹脂封止体および蛍光カバーの成形性に依存するため、色むらや配光特性を重視すると蛍光カバーの形状精度や蛍光体の均一性を高度なレベルで成立させる必要があり、製造工程の煩雑化、コスト増加を招くという問題がある。
従って、本発明の目的は、信頼性に優れ、長期にわたって安定した輝度が得られるとともに色むらを生じることのない発光装置を提供することにある。
本発明は、上記の目的を達成するため、所定の回路パターンが形成された無機材料基板に複数の発光素子を搭載する素子搭載ステップと、ホットプレス加工が可能なガラスを前記基板上に配置するガラス配置ステップと、前記ガラスにホットプレス加工を施して前記複数の発光素子を封止する略半球形状のガラス封止部を形成する封止部形成ステップと、蛍光体粒子と前記ガラス封止部より大なる熱膨張率を有するガラス粒子の混合材料を、前記ガラス封止部上に静電塗装した後、所定の温度で加熱処理することにより蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成ステップと、前記無機材料基板、前記ガラス封止部、及び前記蛍光体膜を前記複数の発光素子毎に対応して分割する分割ステップと、を含むことを特徴とする発光装置の製造方法を提供する。
上記発光装置の製造方法において、前記複数の発光素子は、フリップチップ実装型で前記無機材料基板に搭載され、前記ガラス封止部は、半球状になっていることが好ましい。
また、無機材料基板は、Al 基板であることが好ましい。
本発明によると、無機材料で形成される発光素子と基板とを無機封止材料で封止することにより封止性が向上し、信頼性が向上する。また、発光素子から放射される光による劣化を生じにくくなるため、長期にわたって色むらを生じることなく安定した輝度が得られる。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光装置としてのLEDを示し、(a)は発光装置の縦断面図、(b)はガラス封止部の表面における光の放射を示す概略図である。
(全体の構成)
このLED1は、図1(a)に示されるようにフリップチップ型のLED素子2と、回路パターン4A、4B、およびビアパターン4Cとを有する無機材料基板であるAl基板3と、回路パターン4BとLED素子2の電極とを電気的に接続するAuバンプ5と、Al基板3およびLED素子2とを封止する無機封止材料であり、略半球形状の光学形状部が形成されたガラス封止部6とを有する。
(各部の構成)
LED素子2は、下地基板となるサファイア基板上にAlNバッファ層を介してn−GaN層と、発光層と、p−GaN層とを順次結晶成長させることによって形成したGaN系半導体層を有し、p−GaN層からエッチングを施すことによりn電極形成領域としてn−GaN層の一部を露出させた水平型の電極構造を有し、Auバンプ5を介して回路パターン4B上にフリップ実装されている。このLED素子2は、発光中心波長が470nmであり、熱膨張率は7×10−6/℃である。また、LED1の光学形状部の幅とLED素子2の幅(最大幅:正方形形状では対角)とのサイズ比は21/2以上で、かつ10以下となるように構成されている。
Al基板3は、熱膨張率が7×10−6/℃であり、LED素子2と略同等の熱膨張率を有し、タングステン(W)−ニッケル(Ni)−金(Au)で構成される回路パターン4A、4B、およびビアパターン4Cを有する。
ガラス封止部6は、600℃以下の低融点でホットプレス加工が可能な低融点ガラスからなり、LED素子2およびAl基板3の熱膨張率と略同等の熱膨張率(7×10−6/℃)を有する。また、表面には半球状に形成された光学形状部6Aと、光学形状部6Aの表面に蛍光体部として薄膜状に設けられる蛍光体薄膜6Bとを有する。
蛍光体薄膜6Bは、Ce:YAG(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体を含有するアクリルコート材を光学形状部6Aの表面に塗布し、乾燥させることによって薄膜状に形成されている。ガラス封止部6を透過して蛍光体薄膜6Bに至った光Lbは、図1(b)に示すように蛍光体に照射され、蛍光体からは黄色光Lb1〜lb3が放射される。
(LEDの製造工程)
以下に、第1の実施の形態のLEDの製造方法について説明する。
図2(a)から(e)は、第1の実施の形態のLEDの製造工程を示す概略図である。以下の説明においては、予め分離用のV溝3Aおよびビアホールが設けられたAl基板3を用いるものとする。
(配線形成工程)
まず、図2(a)に示すように、上記したAl基板3に対し、回路パターンに応じてWペーストをスクリーン印刷する。次に、Wペーストを印刷されたガラス含有Al基板3を1500℃で熱処理することによりWをAl基板3に焼き付け、さらにW上にNiめっき、Auめっきを施すことで回路パターン4A、4B、およびビアパターン4Cを形成する。
(LED素子実装工程)
次に、図2(b)に示すように、Al基板3の回路パターン4BにAuバンプ5を介してLED素子2をフリップ実装する。
(低融点ガラス準備工程)
次に、図2(c)に示すように、板状のP−ZnO−LiO系の低融点ガラス60をAl基板3に対して平行にセットする。
(ガラス封止工程)
次に、図2(d)に示すように、窒素雰囲気中で550〜600℃の温度で低融点ガラス60のホットプレス加工を行う。低融点ガラス60は、Al基板3とそれらに含まれる酸化物を介して基板表面に接着されるとともに、プレス金型の形状に応じて半球状の光学形状部6Aを有したガラス封止部6が成形される。
(蛍光体薄膜形成工程)
次に、図2(e)に示すように、複数のLED1が連続して形成された状態で、ガラス封止部6の表面に蛍光体含有アクリルコート材を塗布し、乾燥させることによって光学形状部6Aの表面に蛍光体薄膜6Bを設ける。この後、V溝3Aに沿ってAl基板3を分割することにより、LED1を分離する。
(LED1の動作)
以下に、第1の実施の形態の動作について説明する。図示しない電源部から回路パターン4Aを介して通電することにより、LED素子2の電極を介して発光層に通電される。発光層は、通電に基づいて発光して青色光を生じる。この青色光は、GaN系半導体層からサファイア基板を介してガラス封止部6に入射し、光学形状部6Aに至る。光学形状部6Aに至った青色光は蛍光体薄膜6Bに入射する。蛍光体薄膜6Bに含有された蛍光体は、青色光の照射に基づいて励起されて黄色光を放射する。この黄色光と青色光とが混合されることにより白色光を生じ、蛍光体薄膜6Bから外部放射される。
(第1の実施の形態の効果)
上記した第1の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)LED素子2は、半球状の光学形状部6Aを有したガラス封止部6で封止されるので、LED素子2の自発熱や自発光による封止部材の劣化を生じることなくLED素子2の封止性に優れ、長期にわたって輝度の安定したLED1が得られる。また、ガラス封止部6とAl基板3とは、樹脂封止する場合と異なり、熱膨張率が同等であるため接合性が高い。このため、高い信頼性を備えた小型のLED1を具現化することができる。
(2)LED素子2の光取り出し面から蛍光体薄膜6Bに適度な距離を持たせ、蛍光体薄膜6Bは均一な膜厚なので、小型LEDとしても蛍光体分散型のように蛍光体層内での光路長差による色むらの発生を抑制することができる。すなわち、蛍光体分散型では、光路長の大なる光は蛍光体層を透過する距離が大になるので黄色寄りに変化し、光路長の小なる光は蛍光体層を透過する距離が小なので青色が強くなるが、本実施の形態では光学形状部6Aの表面に薄膜状に均一な厚さの蛍光体層を設けることで上記した光路長の差を解消できる。
光学形状は、略半球形状とすることでLED素子2から蛍光体薄膜6Bまでの距離を適度に取り、LED素子2が発するどの方向の光に対しても光学形状部6Aへの入射角が垂直を中心に略均一となるようにしてある。このような構成によって光学形状部6Aでの界面反射損失を最も小さくすることができるので、光学形状部6Aの表面や蛍光体薄膜6Bで反射された光がLED素子2で再吸収されることがない。更に、蛍光体6Bへの入射角に大きな差が生ぜず、そのことによって色むらの発生を防止できる。また、LED1のサイズが小さくても、色むらや効率低下が生じないものとでき、蛍光体使用量を少なくできることから、部材費低減を図ることができる。
(3)基板上に形成された複数のLED1に対し、蛍光体を含有したアクリルコート材の塗布に基づいて蛍光体薄膜6Bを形成するので、複数のLED1に対し良質の蛍光体薄膜6Bを容易に形成でき、生産性に優れる。また、アクリルは耐光性に優れるため、蛍光体薄膜の劣化も生じない。
なお、第1の実施の形態の実施の形態では、V溝3Aを有したAl基板3を用いてLED1の形成後に分割するようにしたが、例えば、ダイサーによるダイシング加工によってLED1を分割するようにしても良い。また、Al基板3上に実装されるLED素子2についてもGaN系LED素子に限定されず、GaP系、GaAs系のLED素子であっても良い。蛍光体についても同様であり、使用するLED素子の発光波長に基づいて励起可能な蛍光体を選択して用いることができる。
光学形状部6Aは集光を目的としたものではなく、高効率で色むらなく外部放射するためのものである。集光特性が必要な場合には、LED1をさらに樹脂モールドするなどして集光光学系を設ければ良い。
LED1の光学形状部の幅とLED素子2の幅とのサイズ比は、封止材料、基板との接合強度および加工方法条件によるダメージ等とも関係するが、5以下で形成することが好ましい。
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る発光装置の縦断面図である。以下の説明において、第1の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については同一の符号を付している。
(全体の構成)
このLED1は、光学形状部6Aの表面に第1の実施の形態で説明した蛍光体薄膜6Bに代えて、蛍光体含有ガラス層6Cを設けた構成において第1の実施の形態と相違している。
(各部の構成)
蛍光体含有ガラス層6Cは、平均外径10μmの蛍光体粒子と、平均外径10μmのフッ化物低融点ガラス粒子とを混合した混合材料(融点約300℃)からなり、この混合材料を光学形状部6Aの形成されたガラス封止部6に対し、ガラス封止部6を300℃に加熱し、更に電圧印加して静電塗装した後に350℃で加熱処理することによってガラス封止部6の表面に一体的に形成されている。
(第2の実施の形態の効果)
上記した第2の実施の形態によると、ガラス封止状態であるので、加熱状態で電圧印加することによる静電塗装が可能となり、ガラス封止部6の表面に蛍光体粒子とフッ化物低融点ガラス粒子とを混合した混合材料を静電付着させるので、第1の実施の形態の好ましい効果に加えて、凹凸形状のあるガラス封止部6の表面に混合材料を均一な膜厚で付着させることができ、熱融着による均一な膜厚の蛍光体含有ガラス層6Cを容易に形成することができる。また、フッ化物低融点ガラスによるフッ化物コートがガラス封止部6の表面に形成されるので、LED1の耐湿性をより向上させることができる。
なお、ガラス材料は熱膨張率差によりクラックが生じ易いが、略半球形状のガラス封止部6表面に、ガラス封止部6より熱膨張率の大なるフッ化物低融点ガラスを融着させることで応力フリーになる溶融時から、常温にした際にクラックが生じ易い方向への応力が生じないようにしてある。つまり、圧縮方向への応力のみで、引っ張り応力、せん断応力が生じない形状としてある。この際、蛍光体粒子を含んだフッ化物低融点ガラスが、ガラス封止部6以上の熱膨張率である必要がある。
(第3の実施の形態)
図4は、本発明の第3の実施の形態に係る発光装置の縦断面図である。
(全体の構成)
このLED1は、光学形状部6Aの表面に蛍光体から放射された光のガラス封止部6への再入射を防ぐダイクロイックミラー6Dを設け、ダイクロイックミラー6Dの表面に蛍光体薄膜6Bを設けた構成において第1の実施の形態と相違している。
(各部の構成)
ダイクロイックミラー6Dは、TiO膜およびSiO膜を交互に積層して多層化することによって形成されており、500nm以下の光を透過し、500nm以上の光を反射する。このことよりダイクロイックミラー6DはLED素子2の発する470nmの青色光は透過するが、蛍光体薄膜6Bの蛍光体が発する黄色光については反射することにより、ガラス封止部6への入射を防ぐ。
(第3の実施の形態の効果)
上記した第3の実施の形態によると、蛍光体薄膜6Bと光学形状部6Aとの間にダイクロイックミラー6Dを設けているので、蛍光体薄膜6Bで生じた黄色光がガラス封止部6に再入射し、さらにLED素子2に吸収されることによるLED素子2の発光効率低下を防ぐことができ、第1の実施の形態の好ましい効果に加えて高輝度化を実現することができる。なお、TiO膜およびSiO膜は、耐湿コートとしての効果もあるので、耐湿性のやや劣る封止ガラス材料を用いたものでも耐湿性の高い発光装置とすることができる。
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態として、第3の実施の形態で説明したLED1の光学形状部6A上にスパッタリングで蛍光体薄膜6Bを形成した。
(第4の実施の形態の効果)
上記した第4の実施の形態によると、スパッタリングで蛍光体薄膜6Bを形成することにより、蛍光体濃度の高い蛍光体薄膜6Bを精度良く形成することができ、第3の実施の形態と同様の好ましい効果を得ることができる。特に、第3の実施の形態と比較し、蛍光体濃度が高いため、蛍光体薄膜6Bで生じた黄色光がガラス封止部6方向へ放射され易いが、蛍光体から黄色光がガラス封止部6側へ放射されてもダイクロイックミラー6Dで反射されるので、青色光との混合が促進されて色むらのない白色光を得ることができる。
(第5の実施の形態)
図5は、本発明の第5の実施の形態に係るLEDを示し、(a)はLEDの平面図、(b)は(a)のLEDをB−B部で切断した断面図である。
(全体の構成)
このLED1は、Al基板3上に発光中心波長が370nmの紫外光LED素子2を光源とする3列×3=9個の複数の発光部10を有し、複数の発光部10の表面を覆うようにダイクロイックミラー6Dを設け、さらにその表面に蛍光体薄膜6Bを設けた構成において第3の実施の形態と相違している。
(各部の構成)
Al基板3は、複数のLED素子2から発せられる熱を基板外へ放熱するための銅箔からなる放熱パターン4Dを有する。
蛍光体薄膜6Bは、LED素子2から放射される紫外光によって励起されるRGB蛍光体を所定の割合で含有しており、励起に基づいて生じたR,G,Bの可視光の混合に基づいて白色光を生じる。
ダイクロイックミラー6Dは、Ta膜およびSiO膜を交互に積層して多層化することによって形成されており、LED素子2から放射される紫外光を透過し、蛍光体薄膜6Bの蛍光体が発するR,G,Bの可視光については反射することにより、ガラス封止部6への入射を防ぐ。なお、紫外光の吸収を抑えるためにTaに代えてHfOを用いても良い。
(第5の実施の形態の効果)
上記した第5の実施の形態によると、発光効率に優れる紫外光LED素子2とRGB蛍光体を含有した蛍光体薄膜6Bとを用いて複数の発光部10をAl基板3上に形成したので、第3の実施の形態の好ましい効果に加えて演色性の付加された白色光を高輝度で放射させることができる。このように紫外光LED素子2を用いる構成であっても、ガラス封止部6によって封止されているので封止材の劣化が生じず、発光効率に優れる紫外光LED素子2を光源として、長期にわたって信頼性に優れるLED1が得られる。なお、第5の実施の形態では、9個の発光部10をAl基板3上に形成したLED1を説明したが、9個以外の個数で形成しても良い。
(第6の実施の形態)
図6は、本発明の第6の実施の形態に係るLEDランプを示し、(a)はLEDランプの縦断面図、(b)はLEDランプに搭載される発光部の縦断面図である。
(全体の構成)
このLEDランプ100は、ナイロン樹脂で形成されるケース20と、ケース20に設けられる凹部の底部の素子搭載面21に実装される発光部10と、ケース20の開口部を覆うとともにRGB蛍光体を含有した蛍光体薄膜22Aを積層されたダイクロイックミラー23とを有し、ダイクロイックミラー23は、可視光を透過し、紫外光を反射するように構成されている。発光部10は、光源としての紫外光LED素子2と、光学形状部6Aに紫外光を透過し、可視光を反射するダイクロイックミラー6Dとを有する。
ケース20は、素子搭載面21に連続して開口部方向に曲面で形成される反射面22と、ケース20の底面に設けられる外部回路接続用の回路パターン24Aと、素子搭載面21に設けられて発光部10の実装用回路パターン24Bと、回路パターン24Aと回路パターン24Bとを接続する内部配線パターン24Cとを有する。
(LEDランプ100の動作)
以下に、第6の実施の形態の動作について説明する。図示しない電源部から回路パターン24Aを介して通電することにより、LED素子2の電極を介して発光層に通電される。発光層は、通電に基づいて発光して紫外光を生じる。この紫外光は、GaN系半導体層からサファイア基板を介してガラス封止部6に入射し、光学形状部6Aに至る。光学形状部6Aに至った紫外光は、ダイクロイックミラー6Dを透過して発光部10の外部に放射される。発光部10の側面方向に放射された光は、反射面22の表面に設けられる蛍光体薄膜22Aに入射し、RGB蛍光体を励起するとともに反射面22の形状に応じた方向に反射される。このRGB蛍光体の反射光が発光部10のダイクロイックミラー6Dを透過した紫外光と混合されることによって生じた可視光は、ダイクロイックミラー23を透過してケース外部に放射される。
また、発光部10の上方に放射された紫外光は、ケース20を覆う蛍光体薄膜22Aに入射し、RGB蛍光体を励起する。RGB蛍光体から放射される励起光が、発光部10のダイクロイックミラー6Dを透過した紫外光と混合されることにより生じた可視光は、ダイクロイックミラー23を透過してケース外部に放射される。
(第6の実施の形態の効果)
上記した第6の実施の形態によると、蛍光体薄膜22Aを発光部10とは別のケース側に設ける構成としても、色むらを生じることなく信頼性に優れる高輝度のLEDランプ100が得られる。なお、第6の実施の形態で説明した紫外光LED素子2を青色光LED素子2とし、蛍光体薄膜22Aに含まれるRGB蛍光体をYAG等の黄色蛍光体として白色光を外部放射させる構成としても良い。
本発明の第1の実施の形態に係る発光装置としてのLEDを示し、(a)は発光装置の縦断面図、(b)はガラス封止部の表面における光の放射を示す概略図である。 (a)から(e)は、第1の実施の形態のLEDの製造工程を示す概略図である。 本発明の第2の実施の形態に係る発光装置の縦断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係る発光装置の縦断面図である。 本発明の第5の実施の形態に係るLEDを示し、(a)はLEDの平面図、(b)は(a)のLEDをB−B部で切断した断面図である。 本発明の第6の実施の形態に係るLEDランプを示し、(a)はLEDランプの縦断面図、(b)はLEDランプに搭載される発光部の縦断面図である。
符号の説明
1…LED、2…LED素子、3…Al基板、3A…V溝、4A…回路パターン、4B…回路パターン、4C…ビアパターン、4D…放熱パターン、5…Auバンプ、6…ガラス封止部、6D…ダイクロイックミラー、6A…光学形状部、6B…蛍光体薄膜、6C…蛍光体含有ガラス層、10…発光部、20…ケース、21…素子搭載面、22…反射面、22A…蛍光体薄膜、23…ダイクロイックミラー、24A…回路パターン、24B…回路パターン、24C…内部配線パターン、60…低融点ガラス、100…LEDランプ

Claims (3)

  1. 所定の回路パターンが形成された無機材料基板に複数の発光素子を搭載する素子搭載ステップと、
    ホットプレス加工が可能なガラスを前記基板上に配置するガラス配置ステップと、
    前記ガラスにホットプレス加工を施して前記複数の発光素子を封止する略半球形状のガラス封止部を形成する封止部形成ステップと、
    蛍光体粒子と前記ガラス封止部より大なる熱膨張率を有するガラス粒子の混合材料を、前記ガラス封止部上に静電塗装した後、所定の温度で加熱処理することにより蛍光体膜を形成する蛍光体膜形成ステップと、
    前記無機材料基板、前記ガラス封止部、及び前記蛍光体膜を前記複数の発光素子毎に対応して分割する分割ステップと、
    を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
  2. 前記複数の発光素子は、フリップチップ実装型で前記無機材料基板に搭載され、
    前記ガラス封止部は、半球状になっていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置の製造方法。
  3. 前記無機材料基板は、Al基板であることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の発光装置の製造方法。
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