JP5114311B2 - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、紫外光等の短波長光を発光する発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）を、無機材料であるガラスより成るコーティング材で被覆した発光ダイオード（ＬＥＤ）に係り、特に、無機材料であるガラスで構成されたコーティング材のクラック及び気泡の発生を防止できる発光ダイオードと、その製造方法に関する。
紫外光等の短波長光を発光するＬＥＤチップをエポキシ樹脂等の有機材料で構成されたコーティング材で被覆・封止した場合、有機材料は、ＬＥＤチップから発光された短波長光の一部を吸収してしまい、その結果、エネルギーの大きい短波長光によってコーティング材が劣化・変色し、ＬＥＤの光度減少や色調の変化を生じさせることとなる。
そこで、本出願人は、先に、短波長光を発光するＬＥＤチップをガラス等の無機材料で構成されたコーティング材で被覆して成るＬＥＤを提案した（特開２００３−１９７９７６号）。
図５に示すように、このＬＥＤ60は、発光ダイオードチップ搭載用の第１のリードフレーム62に、その底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗形状の凹部を設けると共に該凹部内面を反射面と成してリフレクタ64を形成し、該リフレクタ64の底面に、紫外光を発光するＬＥＤチップ66をダイボンドすることにより、上記第１のリードフレーム62と、ＬＥＤチップ66底面の一方の電極（図示せず）とを電気的に接続している。また、第２のリードフレーム68と、上記ＬＥＤチップ66上面の他方の電極（図示せず）とをボンディングワイヤ70を介して電気的に接続して成る。
上記ＬＥＤチップ66の上面及び側面は、リフレクタ64内に充填されたガラス等の無機材料より成るコーティング材72によって被覆・封止されており、また、上記コーティング材72中には、ＬＥＤチップ66から発光された短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体74が分散状態で混入されている。
さらに、上記ＬＥＤチップ66、コーティング材72、第１のリードフレーム62及び第２のリードフレーム68の上端部は、透光性エポキシ樹脂等より成り、先端に凸レンズ部76を有する外装体78によって被覆・封止されている。
而して、上記第１のリードフレーム62及び第２のリードフレーム68を介してＬＥＤチップ66に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ66が発光して紫外光が放射され、該紫外光が上記コーティング材72中の蛍光体74に照射されることにより、紫外光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が外装体78の凸レンズ部76によって集光されて外部へ放射されるようになっている。
上記ＬＥＤ60にあっては、ＬＥＤチップ66の上面及び側面を被覆・封止するコーティング材72を、ガラス等の無機材料で構成したことから、ＬＥＤチップ66から発光された短波長光を吸収することが殆どなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によるコーティング材72の劣化・変色が防止され、コーティング材72の劣化に起因したＬＥＤ60の光度減少や色調変化を生じることがないのである。
本出願人が提案した上記特開２００３−１９７９７６号のＬＥＤ60においては、コーティング材72をガラスで構成する場合には、比較的低温でのガラス合成が可能なゾルゲル法を用いて作製される、いわゆるゾルゲルガラスを用いることが適当である旨を開示した。
すなわち、ゾルゲル法は、例えば、金属アルコキシドや金属アセチルアセトネート、金属カルボキシレート等の金属有機化合物の加水分解、重合反応を利用して金属−酸素の結合からできた重合体を作るものである。例えば、一般式M(OR)n（M:金属元素、R:アルキル基、ｎ：金属の酸化数）の金属有機化合物、水（加水分解のため）、溶媒としてメタノール、DMF（ヂメチルフォルムアミド）、加水分解・重合反応の調整剤としてアンモニアなどを調合した均質な透明なゾル溶液を作り、このゾル溶液を加水分解、重合反応させることにより、ゲル化し、硬いガラス状の無機質膜形成が生じてゾルゲルガラスが形成される。アルキル基（Ｒ）等の組成を適宜選定することにより、コーティング材72に適したゾルゲルガラスが得られるのである。
特開２００３−１９７９７６号
しかしながら、ゾルゲルガラス等のガラスで構成した従来のコーティング材72は構造強度が必ずしも十分とはいえず、ＬＥＤチップ66発光時の熱衝撃等を受けてクラックを生じることがあった。
また、上記したゾルゲル法によるゾルゲルガラスの形成過程においては、溶媒であるメタノールが蒸発することに起因して、形成されたゾルゲルガラスより成るコーティング材72中に気泡が発生したり、溶媒蒸発後の収縮現象によりコーティング材72にクラックを生じることがあった。
この発明は、従来の上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、無機材料であるガラスで構成されたコーティング材のクラック及び気泡の発生を防止できるＬＥＤと、その製造方法を実現することにある。
上記の目的を達成するため、この発明に係る発光ダイオードは、
ＬＥＤチップを、無機材料より成り、多数の繊維が立体的に絡み合って形成された不織布で被覆すると共に、該不織布を構成する繊維の表面に、ゾルゲルガラスより成る透光性のコーティング材を薄膜状に担持させたことを特徴とする。
また、本発明に係る発光ダイオードの製造方法は、
請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法であって、溶液状態のゾルゲルガラス材料を、繊維の表面に薄膜状に塗布して成る不織布でＬＥＤチップを被覆した後、ゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させることにより、不織布を構成する繊維の表面に、ゾルゲルガラスより成る上記コーティング材を形成することを特徴とする。
本発明に係る発光ダイオードにあっては、ゾルゲルガラスより成るコーティング材を、多数の繊維が立体的に絡み合って形成された不織布を構成する繊維の表面に担持させたことにより、コーティング材の構造強度が不織布を構成する繊維によって補強されるので、ＬＥＤチップ発光時の熱衝撃等を受けてクラックが発生することを防止できる。
また、本発明に係る発光ダイオードの製造方法にあっては、溶液状態のゾルゲルガラス材料を、不織布を構成する繊維の表面に「薄膜状」に塗布した後、ゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させてコーティング材を形成することにより、気泡の発生を防止できると共に、溶媒蒸発後の収縮現象が抑制されてクラックの発生を防止できる。
以下、図面に基づき、本発明に係るＬＥＤの実施形態を説明する。
図１は、本発明に係るＬＥＤ10を示す断面図であり、この発光ダイオード10は、樹脂やセラミック等の絶縁材料より成る基板12上に、ＬＥＤチップ14を接続・固定して成る。該ＬＥＤチップ14は、窒化ガリウム系半導体結晶等で構成されており、後述する蛍光体を励起させる波長の紫外線や青色可視光等の短波長光を発光するものである。
また、上記基板12の表面から側面を経て裏面にまで延設された一対の外部電極16ａ，16ｂが相互に絶縁された状態で形成されている。
上記ＬＥＤチップ14上面の一方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ18を介して、一方の外部電極16ａに接続されると共に、ＬＥＤチップ14上面の他方の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ18を介して、他方の外部電極16ｂに接続されている。
また、上記ＬＥＤチップ14は、その表面に、ゾルゲルガラスより成る透光性のコーティング材20を薄膜状に担持した透光性の無機材料より成る不織布22（繊維の集合体）で被覆・封止されており、また、該コーティング材20中には、上記ＬＥＤチップ14から発光された紫外光等の短波長光を所定波長の可視光に変換する波長変換用の蛍光体23（図４参照）が分散状態で混入されている。
無機材料であるゾルゲルガラス及び無機材料より成る不織布22は、エポキシ樹脂等の有機材料とは異なり、紫外光等のエネルギーの大きい短波長光を殆ど吸収することがなく、また、短波長光を吸収したとしても、分子結合力が強いため劣化することが殆どない。従って、エネルギーの大きい短波長光によって、ゾルゲルガラスより成るコーティング材20及び不織布22の劣化・変色が防止され、ＬＥＤ10の光度減少や色調変化を生じることがない。
不織布22は、図２及び図３に示すように、多数の繊維24が立体的に絡み合って形成されるものであり、繊維24間には多数の空隙26（図３参照）が形成されており、また、多数の繊維24が立体的に絡み合っているため、単位体積当たりの繊維24の表面積が極めて大きいものである。
図４に示すように、不織布22を構成する繊維24の表面には、ゾルゲルガラスより成る上記コーティング材20が薄膜状に被着・担持され、該コーティング材20中に蛍光体23の粒子が多数混入されている。因みに、コーティング材20の膜厚は１０μｍ程度と成されている。
尚、不織布22を構成する繊維24の繊維密度や、不織布22の厚さ、目付等を適宜調整することにより、不織布22を構成する繊維24の総表面積を任意に増減可能である。
不織布22を構成する繊維24は、無機材料である透光性のガラス繊維等の短繊維から成り、その直径は５〜２０μｍ、長さは０．５〜〜２０mm程度である。
尚、長さが５０〜１００mm程度の長繊維から成る繊維24を用いることも勿論可能である。
上記蛍光体23としては、例えば以下の組成のものを用いることができる。
紫外光等の短波長光を赤色可視光に変換する赤色発光用の蛍光体23として、Ｍ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ（Ｍは、Ｌａ、Ｇｄ、Ｙの何れか１種）、0.5ＭｇＦ２・3.5ＭｇＯ・ＧｅＯ２：Ｍｎ、2ＭｇＯ・2ＬｉＯ２・Ｓｂ２Ｏ３：Ｍｎ、Ｙ（Ｐ，Ｖ）Ｏ4：Ｅｕ、ＹＶＯ4：Ｅｕ、（ＳｒＭｇ）3（ＰＯ4）：Ｓｎ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、ＣａＳｉＯ３：Ｐｂ，Ｍｎ等がある。
また、紫外光等の短波長光を緑色可視光に変換する緑色発光用の蛍光体23として、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ，Ｍｎ、Ｚｎ２ＳｉＯ4：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｔｂ，Ｍｎ）ＭｇＡｌ１１Ｏ１９、ＬａＰＯ4：Ｃｅ，Ｔｂ、（Ｃｅ，Ｔｂ）ＭｇＡｌ１１Ｏ１９、Ｙ２ＳｉＯ５：Ｃｅ，Ｔｂ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ｃｕ，Ａｌ、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｅｕ，Ｄｙ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｔｂ、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｔｂ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ等がある。
更に、紫外光等の短波長光を青色可視光に変換する青色発光用の蛍光体23として、(ＳｒＣａＢａ)５(ＰＯ４)３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、（ＳｒＭｇ）２Ｐ２Ｏ7：Ｅｕ、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ7：Ｅｕ、Ｓｒ２Ｐ２Ｏ７：Ｓｎ、Ｓｒ５（ＰＯ4）３Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、ＣａＷＯ4、ＣａＷＯ4：Ｐｂ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ｃｌ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ、(Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ)１０(ＰＯ４)６Ｃｌ２：Ｅｕ等がある。
上記赤色発光用の蛍光体23、緑色発光用の蛍光体23、青色発光用の蛍光体23を適宜選択・混合して用いることで、種々の色の発色が可能である。
また、青色の可視光を放射するＬＥＤチップ14を用いて白色光を得る場合には、ＬＥＤチップ14から放射される光を補色としての黄色可視光に変換する黄色発光用の蛍光体23として、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＹＢＯ３：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）２Ｓ４：Ｅｕ、Ｂａ２ＳｉＯ４：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ等がある。
尚、蛍光体23は、有機、無機の蛍光染料や、有機、無機の蛍光顔料を含むものである。
上記ＬＥＤチップ14、ボンディングワイヤ18及び不織布22は、基板12上に配置された所定高さを備えた枠部材28で囲繞されていると共に、該枠部材28内にエポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等の透光性材料を充填して形成された透光性の蓋部材30によって封止されている。
上記コーティング材20は、低温でのガラス合成が可能なゾルゲル法を用いて製造される。ゾルゲル法は、金属アルコキシドや金属アセチルアセトネート、金属カルボキシレート等の金属有機化合物を出発物質として、その加水分解、重合反応を利用してゾルゲルガラスを合成するものであり、溶液状態から出発するため、任意の形状のガラスに成形容易である。このゾルゲル法によるガラス形成は常温で行うことができる。
具体的には、蛍光体23を混入して成る溶液状態のゾルゲルガラス材料を、繊維24の表面に薄膜状に塗布して成る不織布22でＬＥＤチップ16を被覆した後、ゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させることにより形成可能である。
上記ゾルゲルガラス材料は、一般式M(OR)n（M:金属元素、R:アルキル基、ｎ：金属の酸化数）の金属有機化合物、水（加水分解のため）、溶媒としてメタノール、DMF（ヂメチルフォルムアミド）、加水分解・重合反応の調整剤としてアンモニアで構成することができ、このゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させることにより、ゲル化し、硬いガラス状の無機質膜形成が生じてゾルゲルガラスが形成されるのである。
本発明の上記方法にあっては、溶液状態のゾルゲルガラス材料を、繊維24の表面に「薄膜状」に塗布した後、ゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させてコーティング材20を形成することにより、気泡の発生を防止できると共に、溶媒蒸発後の収縮現象が抑制されてクラックの発生を防止できる。
本発明の発光ダイオード10にあっては、一対の外部電極16ａ，16ｂを介してＬＥＤチップ14に電圧が印加されると、ＬＥＤチップ14が発光して短波長光が放射され、、該短波長光が上記コーティング材20中の蛍光体23に照射されることにより、短波長光が所定色の可視光に波長変換され、該可視光が蓋部材30を透過して外部へ放射されるのである。
本発明のＬＥＤ10にあっては、ゾルゲルガラスより成るコーティング材20を、不織布22を構成する繊維24の表面に担持させたことにより、コーティング材20の構造強度が繊維24によって補強されるので、ＬＥＤチップ16発光時の熱衝撃等を受けてクラックが発生することを防止できる。
また、本発明のＬＥＤ10は、単位体積当たりの繊維24の表面積が極めて大きい不織布22を構成する繊維24の表面に蛍光体23が担持されるので、従来の発光ダイオード60の如く、リフレクタ64内に充填したコーティング材72中に蛍光体74を混入した場合に比べ、蛍光体23の量及び表面積が飛躍的に増大し、高輝度化を実現できる。
上記においては、繊維の集合体として、不織布22を用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、繊維を織り込んで形成した織布を用い、該織布を構成する繊維に蛍光体を担持させても良い。この織布も、不織布22には及ばないものの、単位体積当たりの繊維の表面積が大きいものである。
本発明に係る発光ダイオードを模式的に示す概略断面図である。 蛍光体を担持した不織布を模式的に示す部分拡大図である。 不織布を構成する繊維を模式的に示す拡大図である。 不織布を構成する繊維を模式的に示す断面図である。 従来の発光ダイオードを模式的に示す概略断面図である。
10 発光ダイオード
12 基板
14 ＬＥＤチップ
16ａ外部電極
16ｂ外部電極
18 ボンディングワイヤ
20 コーティング材
22 不織布
23 蛍光体
24 繊維
28 枠部材
30 蓋部材

Claims (2)

  1. ＬＥＤチップを、無機材料より成り、多数の繊維が立体的に絡み合って形成された不織布で被覆すると共に、該不織布を構成する繊維の表面に、ゾルゲルガラスより成る透光性のコーティング材を薄膜状に担持させたことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法であって、溶液状態のゾルゲルガラス材料を、繊維の表面に薄膜状に塗布して成る不織布でＬＥＤチップを被覆した後、ゾルゲルガラス材料を加水分解、重合反応させることにより、不織布を構成する繊維の表面に、ゾルゲルガラスより成る上記コーティング材を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
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