JP5161907B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光装置およびその製造方法に関する。
従来の発光装置は、実装基板などの支持体の一部に形成された凹型のカップ底面にＬＥＤチップ等の発光素子が搭載されており、さらに、カップ内に充填された透光性部材に蛍光物質を含有させて波長変換部材とし、その波長変換部材が発光素子を被覆して構成されている。このような波長変換材料は、例えばシリコーン樹脂やガラスのような透光性部材の材料中に蛍光物質を含有させた後、発光素子が搭載された凹部内にディスペンサなどで滴下注入し、熱硬化させることにより形成される（例えば、特許文献１参照）。
蛍光体の比重は、加熱硬化前の液状樹脂の数倍大きいため、樹脂中の蛍光体のほとんどは、ＬＥＤチップの周辺に密に凝集して沈降してしまう。ＬＥＤチップ表面近傍に位置する蛍光体は、ＬＥＤチップからの光を効率良く吸収するものの、多くの蛍光体は吸収せずに、逆に光を遮り、光のエネルギーを減衰させてしまう。その結果、発光ダイオードの発光出力の低下を引き起こす。小粒径の蛍光体を用いることにより、蛍光体の沈降を抑えることができるものの、小粒径の蛍光体は、大粒径蛍光体に比べ光取り出し効率、光吸収効率が低い。また、小粒径蛍光体が凝集すると光の散乱機構を増加させることになる。
一般に、蛍光体は、粒径が大きいほど光変換効率が高くなる。しかしながら、粒径が大きいほど沈降しやすくなり、蛍光体を均一に分散させた蛍光体層を形成することは困難である。
意図的に蛍光体を沈降させた構造の発光素子もまた、提案されている。（例えば、特許文献２参照）。こうした構造においても、発光に寄与しない蛍光体が多く存在し、それらの蛍光体は光を遮るため、光出力が低下する。また、チップやカップ形状、配線の位置によって、蛍光体の密度分布が異なるため、色むらの問題が生じる。蛍光体の分散性を制御できなければ、発光装置ごとに色度、光出力などの光学特性のばらつきが生じ、発光装置の製造歩留まりが低下する。
さらに、従来の塗布構造では使用する樹脂の量が多いので、パッケージカップ内に空気の泡が発生しやすく、色むらや断線クラックの原因となる。大粒径の蛍光体を均一な密度分布で適量にチップ周りに塗布する手法は、未だ確立されていないのが現状である。
本発明は、均一な光を高い出力で発する発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる発光装置は、容器と、前記容器の底部に配置された発光チップと、前記発光チップの上面に８０μｍ以上２４０μｍ以下の厚さで設けられた蛍光体層とを具備する発光装置であって、前記蛍光体層は、粒径２０μｍ以上４５μｍ以下の蛍光体粒子が、４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下の濃度で分散された樹脂からなり、前記蛍光体粒子の形状を反映した凹凸を表面に有し、前記蛍光体粒子は、イットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体、アルカリ土類金属シリケート系蛍光体、窒化物蛍光体、アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体、アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、およびアルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体からなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする。
本発明の一態様にかかる発光装置の製造方法は、前述の発光装置の製造方法であって、容器内に発光チップを収容する工程と、樹脂中に、イットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体、アルカリ土類金属シリケート系蛍光体、窒化物蛍光体、アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体、アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、およびアルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体からなる群から選択される少なくとも一種を含み、２０μｍ以上４５μｍ以下の粒径を有する蛍光体粒子を４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下の濃度で分散させて、蛍光体層原料を得る工程と、前記蛍光体層原料の粘度を下げて前記容器内の前記発光チップ上に滴下し、塗布層を設ける工程と、前記塗布層を加熱固化させて、８０μｍ以上２４０μｍ以下の厚さの蛍光体層を形成する工程とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、均一な光を高い出力で発する発光装置およびその製造方法が提供される。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる発光装置の断面図である。
図示する発光装置は、容器としてのパッケージカップ１の底部にＬＥＤチップ２が配置されてなる発光ダイオードであり、ＬＥＤチップ２の上面には、蛍光体（図示せず）が分散された透光性部材からなる蛍光体層３が配置されている。なお、参照符号４はボンディングワイヤーである。
なお、図１に示す例においては、蛍光体層３は、ＬＥＤチップ２と同様の厚さで、パッケージカップ１の凹部底にも設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、蛍光体層３は、図２に示すようにパッケージカップ１の凹部側面に延びて、配置されてもよい。この場合には、側面の反射板が有効に利用されるといった効果が得られるが、凹部側面に位置する高さは、５００μｍ程度にとどめることが望まれる。またさらに、図３に示すように、蛍光体層３は、ＬＥＤチップ２の上のみに設けることもできる。こうした構造の場合には、塗布形状がパッケージ構造に依存しない点で有利である。
ＬＥＤチップ２としては、蛍光体層３中に含有される蛍光体を励起可能な発光波長の光を発光するものが用いられる。例えば、窒化物半導体を用いることができ、白色系の光を発光させるためには、蛍光体からの発光波長との補色関係を考慮して、ＬＥＤチップの発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下に設定することが好ましい。より好ましくは、ＬＥＤチップの発光波長は４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。また、４００ｎｍ以下の紫外域の光を発光するＬＥＤチップを適用した光を得ても良い。
蛍光体層３は、蛍光体が分散された透光性部材から構成され、透光性部材としては、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、およびエポキシ樹脂などの各種樹脂を用いることができる。場合によっては、ＬＥＤチップをパッケージに固定するための絶縁性接着剤（例えば、硝子のような透光性無機部材）を透光性部材として用いることもできる。
本発明の実施形態にかかる発光装置においては、蛍光体層３の厚さは、８０μｍ以上２４０μｍ以下の範囲に規定される。８０μｍ未満の場合には、高い光変換効率を確保することができない。一方、２４０μｍを越えると、光取り出し効率が低下するおそれがある。蛍光体層３の厚さは、１００μｍ以上１５０μｍ以下の範囲がより好ましい。
蛍光体としては、半導体ＬＥＤチップから発光された光で励起されて発光する様々な種類の蛍光体を利用することができる。本発明では、青色ＬＥＤチップと黄色蛍光体を用いた場合には、白色光を得ることができる。こうした蛍光体に赤色蛍光体や黄緑色蛍光体を混ぜでもよく、これらの蛍光体を混ぜることによって、演色性が向上する。また、蛍光体の種類によって、紫外光のＬＥＤチップを用いることもできる。本発明の実施形態にかかる発光装置は、様々な発光波長を有する任意の蛍光体に適応可能である。
使用し得る蛍光体としては、以下のものが挙げられる。
黄色発光が可能な蛍光体としては、例えばＹを含み、かつＣｅあるいはＰｒで付活されたイットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体や、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）2ＳｉＯ4：Ｅｕで表わされるユウロピウム賦活アルカリ土類金属シリケート系蛍光体などが挙げられる。
黄色発光が可能な蛍光体としては、例えばＹを含み、かつＣｅあるいはＰｒで付活されたイットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体や、（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）2ＳｉＯ4：Ｅｕで表わされるユウロピウム賦活アルカリ土類金属シリケート系蛍光体などが挙げられる。
赤色発光が可能な蛍光体としては、例えば（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）2ＳｉＯ4：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類金属シリケート系蛍光体が挙げられる。Ｓｒの一部をＢａで置換することによって、発光スペクトルが低波長側へシフトし、Ｓｒの一部をＣａで置換することによって、発光スペクトルが長波長側へシフトする。このように組成を変化することで、発光色を連続的に調節することが可能である。または、Ｎを含み、かつＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、およびＺｎから選択された少なくとも一つの元素と、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆから選択された少なくとも一つの元素とを含み、希土類元素から選択された少なくとも一つの元素で付活された窒化物蛍光体が挙げられる。ほかには、赤色破断面を有する破断粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、規則的な結晶成長形状としてほぼ球形状を有する成長粒子から構成され、赤色領域の発光を行なう（Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ）2Ｏ2Ｓ：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体等が挙げられる。
緑色発光が可能なものとしては、例えば、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）Ｓｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、破断面を有する破断粒子から構成され、緑色領域の発光を行なう（Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）2ＳｉＯ4：Ｅｕで表されるユウロピウム賦活アルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体などが挙げられる。
上述したような蛍光体は、単独でも２種類以上を混合して用いてもよい。また、発光チップと組み合わせて任意の色調を得ることができる。例えば、青色を発光する半導体発光素子と、黄色蛍光体とを組み合わせることによって白色光を発光する発光装置が得られる。蛍光体を黄色蛍光体と赤色蛍光体との混合物に変更した場合には、暖色系の白色光となる。
２種類以上の蛍光体を混合調整させることによって、所望の白色系の混色光などを得ることができる。具体的には、発光チップの発光波長に合わせて色度点の異なる蛍光体の量を調整して、含有させることでその蛍光体間と発光チップで結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。
青色光源による励起強度を考慮すると、上述したような蛍光体のうちでも、黄色蛍光体として、ケイ酸塩化合物、組成式（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）2ＳｉＯ4：Ｅｕをベースとしたものを用いることが好ましい。その他の種類の黄色蛍光体として例えば、イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体、ＹＡＧ：Ｃｅや硫化物などの蛍光体を用いても白色を作製できる。
本発明の実施形態にかかる発光装置においては、蛍光体層中に含有される蛍光体の粒径は２０μｍ以上４５μｍ以下に規定される。粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下とは、顕微鏡などで蛍光体層を観察した際、面積０．０４ｍｍ2中の蛍光体数の３分の１以上の蛍光体粒子の粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下にわたって分布していることをさす。
蛍光体の粒径が上述した範囲を外れると、散乱もしくは沈降が著しくなるといった不都合が生じ、光変換効率も低下する。
また、粒度分布を揃えることによって、色むらを防止するといった効果が得られる。粒度分布は、例えば、分級といった手法によって揃えることができる。
こうした粒径範囲の蛍光体は、４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下の濃度で透光性部材中に分散される。４０ｗｔ％未満の場合には、青色発光部が強すぎるため白色化が困難となる。一方、６０ｗｔ％を越えると、光を遮蔽するおそれがある。蛍光体の濃度は５０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下の範囲内がより好ましい。
本発明の実施形態にかかる発光装置における蛍光体層は、上述したように特定の粒径の蛍光体が特定の濃度で含有されている。しかも、蛍光体層の厚さも特定の範囲内に規定されるので、発光出力が高められる。さらに、蛍光体および蛍光体層を規定したことによって、本発明の実施形態にかかる半導体装置における蛍光体層の表面には、蛍光体の形状を反映した凹凸が生じることとなる。こうした凹凸が存在することによって光は、透光性部材の外部との界面で効果的に拡散される。その結果、発光色の色むらを防止して均一な発光を得ることが可能となる。
本発明の実施形態にかかる発光装置は、以下のような方法によって作製される。
まず、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透光性部材の材料中に２０μｍ以上４５μｍ以下の蛍光体を所定の濃度で分散させて、蛍光体層原料を調製する。蛍光体の粒径は、分級によって予め所定の範囲内に調節しておく。蛍光体層原料中における蛍光体の濃度は、４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下に規定される。
まず、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透光性部材の材料中に２０μｍ以上４５μｍ以下の蛍光体を所定の濃度で分散させて、蛍光体層原料を調製する。蛍光体の粒径は、分級によって予め所定の範囲内に調節しておく。蛍光体層原料中における蛍光体の濃度は、４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下に規定される。
一方、常法によりパッケージカップの凹部内にＬＥＤチップ等の半導体発光素子を搭載し、ボンディングワイヤーにより接続しておく。
その後、蛍光体層原料を加熱して、パッケージカップに搭載されたＬＥＤチップの上面にディスペンサなどで滴下注入して塗布膜を形成する。ＬＥＤチップあるいはパッケージカップを加熱して、蛍光体層原料の粘度を低下させてもよい。
加熱温度は、透光性部材の熱硬化温度に応じて選択することができ、少なくとも蛍光体層原料が硬化する温度まで加熱することが必要である。例えば、透光性部材としてシリコーン樹脂を用いる場合には、１５０℃以上に加熱することが望まれる。
塗布に当たっては、固化後の蛍光体層の厚さが８０μｍ以上２４０μｍ以下となるように、量を調節して微量を滴下する。蛍光体は、液状樹脂のような透光性部材よりも比重が大きいため、凝集沈降しやすい。蛍光体の沈降を防止して蛍光体が均一に存在する蛍光体層を得るためには、滴下される蛍光体層原料は最低限の量であることが望まれる。
なお、滴下する蛍光体層原料の量を変更することによって、図１乃至図３に示したような形状の蛍光体層を形成することができる。
その後、例えばオーブン内に載置して、８０〜２００℃で３０分乃至３時間、透光性部材を加熱固化させる。蛍光体がＬＥＤチップ周辺に凝集すると、光出力の低下が引き起こされてしまう。凝集を防ぐため、滴下後には、直ちに透光性部材を硬化させる必要がある。これによって、蛍光体は、重なり合うことなく、ＬＥＤチップ周辺に分散される。
加熱固化の条件は、透光性部材の加熱硬化温度に応じて選択することができる。例えばシリコーン樹脂を透光性部材として用いる場合に、８０℃ないし２００℃で３０分ないし３時間の加熱により固化させることができる。
こうして、本発明の実施形態にかかる発光装置が得られる。
以下、本発明の具体例を示す。
（実施例１）
蛍光体として、（Ｓｒ1.84Ｂａ0.12）2ＳｉＯ4：Ｅｕで表わされる組成を有する黄色蛍光体を用意し、透光性部材原料としては、シリコーン樹脂を用意した。用いた蛍光体の粒径は２０μｍ以上４５μｍ以下であった。粒径の範囲は、面積０．０４ｍｍ2における蛍光体数を顕微鏡により観察した際に、３分の１以上の蛍光体粒子が分布している範囲である。すなわち、粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下とは、顕微鏡により蛍光体を観察した際、面積０．０４ｍｍ2中の蛍光体数の３分の１以上の蛍光体粒子の粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下にわたって分布していることをさす。以下の実施例においても、同様の粒径を有する蛍光体を用いる。この蛍光体を４０ｗｔ％の濃度でシリコーン樹脂に分散して、蛍光体層原料を得た。
蛍光体として、（Ｓｒ1.84Ｂａ0.12）2ＳｉＯ4：Ｅｕで表わされる組成を有する黄色蛍光体を用意し、透光性部材原料としては、シリコーン樹脂を用意した。用いた蛍光体の粒径は２０μｍ以上４５μｍ以下であった。粒径の範囲は、面積０．０４ｍｍ2における蛍光体数を顕微鏡により観察した際に、３分の１以上の蛍光体粒子が分布している範囲である。すなわち、粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下とは、顕微鏡により蛍光体を観察した際、面積０．０４ｍｍ2中の蛍光体数の３分の１以上の蛍光体粒子の粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下にわたって分布していることをさす。以下の実施例においても、同様の粒径を有する蛍光体を用いる。この蛍光体を４０ｗｔ％の濃度でシリコーン樹脂に分散して、蛍光体層原料を得た。
一方、ＬＥＤチップとしてはＩｎＧａＮ等からなる発光層を有するＧａＮ系青色ＬＥＤを用意し、パッケージカップの底にマウントした。さらに、ＬＥＤチップの電極とパッケージカップに具備された電極とをボンディングワイヤーにより接続して、発光装置を作製した。
前述の蛍光体層原料を、加熱しながらディスペンサを用いてＬＥＤチップ上に塗布した。その後、直ちにオーブン内に載置し、１５０℃で３時間加熱放置して、本実施例の発光装置を完成した。得られた発光装置の断面を顕微鏡により観察したところ、図４に示すようにＬＥＤチップ２を覆って蛍光体層３が配置されていた。ＬＥＤチップ２の上面および側面おける蛍光体層３の厚さは、約１２０μｍであった。
蛍光体層３は、図示するようにパッケージカップ１の凹部の底にも、同様の厚さで配置され、さらに、パッケージカップ１の凹部の側面にも５００μｍの高さまで同様の厚さで配置されていた。
ＬＥＤチップ２上に配置された蛍光体層３を顕微鏡により観察し、その結果を図５の拡大図に示す。図示するように蛍光体層３においては、図示するように蛍光体粒子５が２層積層され、蛍光体粒子５の間には透光性部材が存在する。蛍光体層３の表面には、蛍光体粒子５の形状を反映して微細な凹凸が存在した。
蛍光体の粒径を１０〜１９μｍに変更するとともに、濃度を６１ｗｔ％に変更した以外は前述と同様にして、蛍光体層原料を調製した。すでに説明したとおり、粒径が１０μｍ以上１９μｍ以下とは、顕微鏡により蛍光体を観察した際、面積０．０４ｍｍ2中の蛍光体数の３分の１以上の蛍光体粒子の粒径が１０μｍ以上１９μｍ以下であることをさす。蛍光体の粒径は、分級によって調節した。この蛍光体層原料を用いて、前述と同様のパッケージカップ内に配置されたＬＥＤチップの上に６０μｍの厚さで蛍光体層を設けて、比較例１の発光装置を作製した。蛍光体層の高さは、ディスペンサによって調節した。
実施例１および比較例１の発光装置の出力を、光束測定装置によりそれぞれ測定した。その結果、比較例１の発光装置の出力を１とすると、実施例１の発光装置の出力は、１.９であった。
なお、配光分布測定から、実施例１の発光装置から均一な発光が得られたことが確認された。これに対し、比較例１の発光装置における発光は不均一であった。
さらに、蛍光体の粒径、濃度、および蛍光体層の厚みを変更して発光装置を作製し、出力を調べた。その結果を、下記表１および２にまとめる。
次に、蛍光体を（Ｙ，Ｇｄ）3（Ａｌ，Ｇｄ）5Ｏ12：Ｃｅに変更した以外は前述と同様にして発光装置を作製し、出力を調べた。その結果を、下記表３にまとめる。
また、透光性部材原料をエポキシ樹脂に変更した以外は前述と同様にして発光装置を作製し、出力を調べた。その結果を、下記表４にまとめる。
実施例の発光装置は、いずれも高い相対出力で発光することが、上記表から明らかである。特に、粒径２０μｍ以上４５μｍ以下の蛍光体を５０ｗｔ％の濃度で含有した蛍光体層を１５０μｍの膜厚で形成した場合には、相対出力は２．３まで高めることが、実施例５として表１に示されている。
１…パッケージカップ； ２…ＬＥＤチップ； ３…蛍光体層
４…ボンディングワイヤー； ５…蛍光体。
４…ボンディングワイヤー； ５…蛍光体。
Claims (4)
- 容器と、
前記容器の底部に配置された発光チップと、
前記発光チップの上面に８０μｍ以上２４０μｍ以下の厚さで設けられた蛍光体層とを具備する発光装置であって、
前記蛍光体層は、粒径２０μｍ以上４５μｍ以下の蛍光体粒子が、４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下の濃度で分散された樹脂からなり、前記蛍光体粒子の形状を反映した凹凸を表面に有し、
前記蛍光体粒子は、イットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体、アルカリ土類金属シリケート系蛍光体、窒化物蛍光体、アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体、アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、およびアルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体からなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする発光装置。 - 前記イットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体は、賦活元素としてＣｅまたはＰｒを含有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記アルカリ土類金属シリケート系蛍光体、窒化物蛍光体、アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体、アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、およびアルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体からなる群から選択される少なくとも一種は、賦活元素としてユウロピウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 請求項１に記載の発光装置の製造方法であって、
容器内に発光チップを収容する工程と、
樹脂中に、イットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体、アルカリ土類金属シリケート系蛍光体、窒化物蛍光体、アルカリ土類シリコンナイトライド系蛍光体、希土類オキシカルコゲナイト系蛍光体、アルカリ土類シリコンオキシナイトライド系蛍光体、およびアルカリ土類マグネシウムシリケート系蛍光体からなる群から選択される少なくとも一種を含み、２０μｍ以上４５μｍ以下の粒径を有する蛍光体粒子を４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下の濃度で分散させて、蛍光体層原料を得る工程と、
前記蛍光体層原料の粘度を下げて前記容器内の前記発光チップ上に滴下し、塗布層を設ける工程と、
前記塗布層を加熱固化させて、８０μｍ以上２４０μｍ以下の厚さの蛍光体層を形成する工程とを具備することを特徴とする発光装置の製造方法。
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