JP5344149B2 - Ｌｅｄ装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数種類の青色ＬＥＤチップと、これら青色ＬＥＤチップの発光により励起される蛍光体とを備えたＬＥＤ装置の製造方法に関する。
従来、発光ダイオードすなわちＬＥＤ(Light Emitting Diode)は、液晶ディスプレイ、携帯電話、情報端末のバックライト、あるいは屋内外公告など、多方面への展開が飛躍的に進んでいる。そして、ＬＥＤは、その長寿命、低消費電力、耐衝撃性、高速応答性、高純度表示色、軽薄短小化の実現などの特徴から、産業分野のみならず一般照明用としても脚光を浴びている。
例えば、白色光を発光するＬＥＤ装置を構成する代表的な方式としては、(1)赤、緑および青などの原色を構成する３色のＬＥＤを用いる３ＬＥＤ方式、(2)青色ＬＥＤと、黄色蛍光体(ＹＡＧなど)および赤色蛍光体を配合した蛍光体とを用いる方式、および、(3)紫外ＬＥＤ(以下、ＵＶ−ＬＥＤという)と、青蛍光体、緑蛍光体および赤色蛍光体(以下、ＢＧＲ蛍光体という)を配合した蛍光体とを用いる方式の３つがある。
このようなＬＥＤ装置としては、例えばＳＭＤや砲弾型のようなカップ形状の中に青色ＬＥＤチップを備え、蛍光体含有樹脂を塗布するタイプに加え、高輝度化を目的に、基板(ボード)の上に複数の青色ＬＥＤチップを搭載したチップオンボ−ド(ＣＯＢ)の構成が開発され注目されている。
そして、このようなＬＥＤ装置に一般照明用として求められている特性としては、高効率に加え、現行のランプであるＨＩＤランプ、電球、蛍光ランプにより展開されている光源色として、相関色温度が６６００Ｋ，５０００Ｋ，４２００Ｋ，３０００Ｋ(２８００Ｋ)などのラインナップが必要とされる。またさらに、色の見え方の指標として演色性(例えば平均演色評価数Ｒａ)も重要であり、蛍光ランプなどをベンチマークにしたＲａ８０〜８５あるいはＲａ９０以上などのラインナップが求められている。これらの光特性の要求に対応するために、一般的に上記(2)および上記(3)の励起ＬＥＤと蛍光体を組合せる方式が採用されている。
通常、演色性を向上させるには、チップからの青色発光によって５４０ｎｍ〜５６０ｎｍの黄色に発光するＹＡＧなどの黄色系蛍光体に、６２０ｎｍの赤色蛍光体からの赤色発光を加えて、演色性に優れる白色光を調整する方法が取られる。近年では、緑色蛍光体(５００ｎｍ前後)も使用し、青色発光と蛍光体からの蛍光発光との間に生じる分光分布の谷間を埋めることにより、太陽光の分光スペクトルに近づけ、さらなる演色性の向上(Ra９５付近)を狙う方法も取られている(例えば、特許文献１参照。)。
特開２００６−３０３１４０号公報(第５−７頁、図１)
上述のように、照明用途を考慮したＬＥＤでは、高効率で、かつ、相関色温度および演色性のラインアップが多数要求される。したがって、これらに対応するため、蛍光体の配合に際しては、複数種の蛍光体が緻密にコントロールされた蛍光体仕様を、膨大に用意することが不可欠となる。
しかしながら、このような近年のＬＥＤに対する幅広い光特性に対応するためには、必然的に膨大な蛍光体仕様を用意しなければならず、複雑な情報管理と維持、製造時の蛍光体塗布液変え頻度による時間のロスといった、製造上の手間やコストの問題が生じる。
また、実際、蛍光体方式にて色特性と演色性とを両立して制御することは特に難しく、例えば演色性の向上を試みて単純に赤色蛍光体を添加すると、相関色温度も低色温度側へずれてしまう。そのため、黄色蛍光体あるいは緑色蛍光体も添加して調整することとなるが、赤色蛍光体と黄色蛍光体および緑色蛍光体との間には吸収の関係があり、単純に加算減算とはならない。したがって、蛍光体の配合に際しては、複数種の蛍光体を緻密にコントロールして調合しなくてはならない。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、製造性の向上および低コスト化を可能としつつ、色特性と演色性とを両立したＬＥＤ装置の製造方法を提供することを目的とする。
請求項１記載のＬＥＤ装置の製造方法は、基板に配置した複数種類の青色ＬＥＤチップ、および、これら青色ＬＥＤチップの発光により励起される複数の色に対応する蛍光体が所定の配合比で配合されてこれら青色ＬＥＤチップを覆う蛍光体部を備えたＬＥＤ装置の製造方法であって、蛍光体部の蛍光体の配合比を、４５０ｎｍ〜４６５ｎｍの範囲に互いに異なる主波長を有する複数種類の青色ＬＥＤチップのうち、主波長が中央値となる青色ＬＥＤチップに対して所定の色温度範囲となるように固定した状態で、青色ＬＥＤチップの最小の主波長と最大の主波長との差が１０ｎｍ以内となるように青色ＬＥＤチップの主波長を選択することにより演色性を調整するものである。
ＬＥＤチップは、４５０ｎｍ〜４６５ｎｍの主波長を有する青色ＬＥＤチップの中から、最小の主波長と最大の主波長との差が１０ｎｍ以内となるように複数種類が選択される。
蛍光体部に用いる蛍光体としては、例えば、緑色蛍光体、黄色蛍光体、あるいは赤色蛍光体などがある。
蛍光体の配合比とは、蛍光体を分散させる被分散体である樹脂などに対する各蛍光体の割合をいう。
互いに異なる複数の主波長を有する複数種類のＬＥＤチップのうち、主波長が中央値となるＬＥＤチップとは、例えば、その主波長が、複数種類のＬＥＤチップの主波長の最小値と最大値の間の値となるものをいう。
請求項１記載のＬＥＤ装置の製造方法によれば、蛍光体部の蛍光体の配合比を、４５０ｎｍ〜４６５ｎｍの範囲に互いに異なる主波長を有する複数種類の青色ＬＥＤチップのうち、主波長が中央値となる青色ＬＥＤチップに対して所定の色温度範囲となるように固定した状態で、青色ＬＥＤチップの最小の主波長と最大の主波長との差が１０ｎｍ以内となるように青色ＬＥＤチップの主波長を選択することで演色性を調整することにより、複数種類の青色ＬＥＤチップのいずれを用いても所望の色温度範囲内としつつ、膨大な蛍光体の配合比の仕様を用意することなく演色性のみを微調整することが可能になり、製造性の向上および低コスト化を可能としつつ、色特性と演色性とを両立できる。
本発明の一実施の形態を示すＬＥＤ装置の断面図である。 同上ＬＥＤ装置の平面図である。 同上実施例１〜３の特性を示す表である。 同上実施例１〜３の特性を示すグラフである。 同上実施例１〜３の分光分布を示すグラフである。 同上実施例１〜３のＬＥＤチップの波長と演色性との関係を示すグラフである。
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図１はＬＥＤ装置の断面図、図２はＬＥＤ装置の平面図、図３はＬＥＤ装置の実施例１〜３の特性を示す表、図４は実施例１〜３の特性を示すグラフは、図５は実施例１〜３の分光分布を示すグラフ、図６は実施例１〜３のＬＥＤチップの波長と演色性との関係を示すグラフである。
図１および図２において、11は例えば一般照明用などのＬＥＤ装置である白色ＬＥＤ装置を示し、この白色ＬＥＤ装置は、平面視で四角形状の基板12と、この基板12上に形成された蛍光体部13とを備えている。
基板12は、基板本体としての例えばアルミニウム層15と、このアルミニウム層15の一主面に形成される絶縁層16と、この絶縁層16上に形成される銅パターン17と、この銅パターン17を覆って形成されるめっき処理層18，19と、めっき処理層19上にそれぞれダイボンド材20を介して固定されるＬＥＤチップとしての複数のベアチップである青色ＬＥＤチップ21とを有している。そして、この基板12には、青色ＬＥＤチップ21が配置される平面視で円形状の配置部22と、この配置部22の周囲に位置する周辺部23とが形成され、この周辺部23に、コネクタ24，25が配置されている。
アルミニウム層15は、例えば１ｍｍ程度の厚みを有している。
絶縁層16は、例えば厚みが８０μｍで、かつ、熱伝導率が１．０Ｗ／ｍ・Ｋ程度の層である。
銅パターン17は、例えば３５μｍ程度の厚みを有しており、各青色ＬＥＤチップ21、および、周辺部23にはんだ実装されている図示しない保護回路部品(例えば抵抗器、ツェナダイオードあるいはコンデンサ)などを電気的に接続するものである。
めっき処理層18は、例えば無電解ニッケル(Ｎｉ)めっき層であり、３．０μｍ〜５．０μｍ程度の厚みを有している。
めっき処理層19は、例えば無電解銀(Ａｇ)めっき層であり、０．３μｍ〜０．７μｍ程度の厚みを有している。
ダイボンド材20は、例えば透明なシリコーンなどの樹脂によって構成された接着剤である。
青色ＬＥＤチップ21は、ダイボンド材20により固定されるサファイヤ基板などの素子基板上に青色の単色発光の半導体発光層が積層され、この半導体発光層上に電極が互いに離間されて配置された半導体チップであり、電極に接続された配線であるボンディングワイヤ26を介して、図示しない導体に電気的に接続され、例えば全ての青色ＬＥＤチップ21が電気的に直列に接続されている。そして、これら青色ＬＥＤチップ21は、互いに異なる主波長(好ましくは４５０ｎｍ〜４６５ｎｍ)を有する複数種類の青色ＬＥＤチップ21の中から、最小の主波長と最大の主波長との差が１０ｎｍ以内となるように数種類を選択することにより、白色ＬＥＤ装置11の相関色温度および演色性(例えば平均演色評価数Ｒａ)をそれぞれ所望の範囲に調整可能としている。なお、青色ＬＥＤチップ21は、同一の相関色温度において、長波長であるほど演色性が向上する。
コネクタ24，25は、青色ＬＥＤチップ21を図示しない外部回路と接続するためのものである。
また、蛍光体部13は、基板12の配置部22の周囲を囲む円環状の枠部31と、この枠部31内に充填されて配置部22全体(青色ＬＥＤチップ21)を覆う封止樹脂部32とを有している。
枠部31は、めっき処理層19上に、例えば１ｍｍ程度の厚みに形成されている。
封止樹脂部32は、例えば複数の色に対応する図示しない蛍光体が内部に混入された透明なシリコーンなどの樹脂により形成された蛍光体塗布液を用いて構成されている。
ここで、蛍光体は、青色ＬＥＤチップ21が発する光の一部により励起されることで所定の色の光を放射するもので、本実施の形態では、青色光に対して黄色光、赤色光、あるいは緑色光をそれぞれ放射する黄色蛍光体、赤色蛍光体、あるいは緑色蛍光体が、予め設定された所定の配合比で配合されて構成されている。
また、各蛍光体の配合比は、主波長範囲の中央値の主波長を有する青色ＬＥＤチップ21に対して目標とする所定の色温度範囲となるように設定されている。なお、青色ＬＥＤチップ21を互いに主波長が異なる４種類以上の偶数種類選択している場合には、それらの主波長のうち、主波長が中間値となる２種類のうちのいずれかを中間値として蛍光体の配合比を設定すればよい。例えば、主波長がａ〜ｄ(ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ)の４種類の青色ＬＥＤチップ21を選択する場合には、ｂ、あるいはｃのいずれかの主波長を有する青色ＬＥＤチップ21に対して、目標とする所定の色温度範囲となるように蛍光体の配合比を設定すればよい。
次に、上記一実施の形態の製造方法を説明する。
まず、アルミニウム層15上に絶縁層16および銅を形成し、各種めっき処理を施した後、パターニングを行って銅パターン17およびめっき処理層18，19を形成する。
次いで、めっき処理層19上に、ダイボンド材20を介して青色ＬＥＤチップ21を固定して配置する。このとき、青色ＬＥＤチップ21は、主波長の最小値と最大値との差を、１０ｎｍ以内とした互いに異なる複数種類の中から、所望の演色性に対応させた主波長のものを選択する。
この後、枠部31を配置部22の周囲に形成し、この枠部31の内部に、各種蛍光体を所定の配合比で内部に配合した透明な２液型のシリコーンなどの蛍光体塗布液を充填して硬化させることにより、封止樹脂部32を構成し、白色ＬＥＤ装置11を完成する。
そして、図３ないし図６には、実施例１〜３について色温度特性などを示す。
実施例１は、青色ＬＥＤチップ21の主波長(λｄ)として、４５４ｎｍ(最小値)、４５６ｎｍ(中央値)および４６１ｎｍ(最大値)のものをそれぞれ用い、蛍光体部13の蛍光体としては、例えば約５２０ｎｍにピーク波長を有する緑色蛍光体と、約５７０ｎｍにピーク波長を有する黄色蛍光体と、６５０ｎｍにピーク波長を有する赤色蛍光体とを所定の配合比で配合した蛍光体塗布液を用いて、相関色温度(Ｔｃ)が３２００Ｋ、演色性(Ｒａ)が８０の白色ＬＥＤ装置11をそれぞれ作成したものである。なお、この実施例１では、青色ＬＥＤチップ21の波長が４５６ｎｍのものを用いたときに所定の色温度範囲となるように、蛍光体部13の蛍光体の配合比を設定した。
また、実施例２は、青色ＬＥＤチップ21の主波長(λｄ)として、４５２ｎｍ(最小値)および４５５ｎｍ(最大値)のものをそれぞれ用い、蛍光体部13の蛍光体としては、黄色蛍光体と赤色蛍光体とを所定の配合比で配合した蛍光体塗布液を用いて、相関色温度(Ｔｃ)が５０００Ｋ、演色性(Ｒａ)が７０の白色ＬＥＤ装置11をそれぞれ作成したものである。なお、この実施例２では、青色ＬＥＤチップ21の波長が４５５ｎｍのもの、すなわち主波長が最大の青色ＬＥＤチップ21を用いたときに所定の色温度範囲となるように、蛍光体部13の蛍光体の配合比を設定したが、主波長が最小(ここでは４５２ｎｍ)の青色ＬＥＤチップ21を用いたときに所定の色温度範囲となるように蛍光体部13の蛍光体の配合比を設定してもよい。
さらに、実施例３は、青色ＬＥＤチップ21の主波長(λｄ)として、４５２ｎｍ(最小値)、４５５ｎｍ(中央値)および４５８ｎｍ(最大値)のものをそれぞれ用い、蛍光体部13の蛍光体としては、黄色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体を所定の配合比で配合した蛍光体塗布液を用いて、相関色温度(Ｔｃ)が５０００Ｋ、演色性(Ｒａ)が８０の白色ＬＥＤ装置11をそれぞれ作成したものである。なお、この実施例３では、青色ＬＥＤチップ21の波長が４５５ｎｍのものを用いたときに所定の色温度範囲となるように、蛍光体部13の蛍光体の配合比を設定した。
そして、これら実施例１ないし実施例３に対して、蛍光分光光度計(ＦＰ−６５００、日本分光株式会社製)により測色評価を行った。その結果を、図３ないし図５に示す。
これら実施例に示すように、同一の配合比で配合した蛍光体塗布液を用いて蛍光体部13を構成した場合、青色ＬＥＤチップ21の波長が長いほど演色性が向上した(図６)。このとき、相関色温度は若干変化するものの、特に使用状態において違和感のない範囲に留まっている。具体的に、相関色温度が３２００Ｋの場合には±２００Ｋ以内、相関色温度が５０００Ｋの場合には±３００Ｋ以内、相関色温度が６６００Ｋの場合には±５００Ｋ以内であれば、それぞれ使用状態において違和感がない範囲であり、上記各白色ＬＥＤ装置11は、このような色温度範囲内の変化に留まっているため、問題なく使用することができる。
このように、上記一実施の形態では、蛍光体部13の複数の色に対応する蛍光体の配合比を固定した状態で青色ＬＥＤチップ21の最小の主波長と最大の主波長との差が１０ｎｍ以内となるように青色ＬＥＤチップ21の主波長を選択することで演色性を調整する。すなわち、上記一実施の形態では、主波長範囲が１０ｎｍ以内となる複数種類の青色ＬＥＤチップ21を用意しておき、これら青色ＬＥＤチップ21の中からいずれかを選択して用いることにより所望の演色性を得る。このため、膨大な蛍光体の配合比の仕様を用意することなく演色性を平均演色評価数Ｒａの約５ポイント範囲で微調整することが可能になる。この結果、蛍光体の膨大な配合比仕様を用いる従来の場合では、演色性を平均演色評価数Ｒａの５ポイント程度の範囲で微調整することが容易でなく、また、配合比仕様の複雑な情報管理および維持などが必要で、かつ、蛍光体塗布液の変え頻度による時間のロスなどがあったのに対して、上記一実施の形態では、これらが必要なく、互いに主波長が異なる数種類の青色ＬＥＤチップ21を用意するのみで演色性が互いに異なる複数種類の白色ＬＥＤ装置11を効率よく製造できるので、製造性の向上および低コスト化を可能としつつ、色特性と演色性とを両立できる。
しかも、青色ＬＥＤチップ21を、主波長範囲を１０ｎｍ以内として選択することにより、いずれの青色ＬＥＤチップ21を用いた場合でも、白色ＬＥＤ装置11の相関色温度を所望の色温度範囲内に制御できる。
また、波長が４５０ｎｍ〜４６５ｎｍの青色ＬＥＤチップ21は、特性が良好であることに加え、例えばＹＡＧ系の蛍光体と組み合わせた際には、その励起特性の観点からも有意であるので、発光効率が高い白色ＬＥＤ装置11を得ることができる。
さらに、蛍光体部13の各蛍光体の配合比を、互いに異なる複数の主波長を有する複数種類の青色ＬＥＤチップ21のうち、主波長が中央値となる青色ＬＥＤチップ21、換言すれば、主波長範囲の中央値の主波長を有する青色ＬＥＤチップ21に対して所定の色温度範囲となるように設定することにより、複数種類の青色ＬＥＤチップ21のいずれを用いた白色ＬＥＤ装置11でも所望の色温度範囲内としつつ、演色性のみを調整できる。
なお、上記一実施の形態において、青色ＬＥＤチップ21の配置は、上記構成に限定されるものではない。
11 ＬＥＤ装置である白色ＬＥＤ装置
12 基板
13 蛍光体部
21 青色ＬＥＤチップ

Claims (1)

  1. 基板に配置した複数種類の青色ＬＥＤチップ、および、これら青色ＬＥＤチップの発光により励起される複数の色に対応する蛍光体が所定の配合比で配合されてこれら青色ＬＥＤチップを覆う蛍光体部を備えたＬＥＤ装置の製造方法であって、
    蛍光体部の蛍光体の配合比を、４５０ｎｍ〜４６５ｎｍの範囲に互いに異なる主波長を有する複数種類の青色ＬＥＤチップのうち、主波長が中央値となる青色ＬＥＤチップに対して所定の色温度範囲となるように固定した状態で、青色ＬＥＤチップの最小の主波長と最大の主波長との差が１０ｎｍ以内となるように青色ＬＥＤチップの主波長を選択することにより演色性を調整する
    ことを特徴とするＬＥＤ装置の製造方法。
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