JP5442554B2

JP5442554B2 - 発光ダイオードの製造方法

Info

Publication number: JP5442554B2
Application number: JP2010165195A
Authority: JP
Inventors: 福田　　匡広; 福島　　瑞惠; 信宏佐藤; 浩之塚田
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: JP2012028525A

Description

本発明は、発光ダイオードの製造方法に関する。

特許文献１には、発光半導体構造を蛍光体により被覆する方法として、溶液内の帯電した蛍光体粒子及びサブマウント上の導電性領域に印加することによる電気泳動付着によって、発光半導体構造の表面上に蛍光体粒子を層状に付着させるものが記載されている。付着した蛍光体粒子は、透明の結合材料を蛍光体粉末と共に相互付着させるか、或いは、蛍光体粉末が付着された後に、選択的な付着及び毛管作用によって蛍光体マトリクスを注入するとされている（段落００２４）。

特許第４３３６４８０号公報

特許文献１に記載された方法では、電気泳動を行う前に蛍光体粒子を帯電させる処理が必要となる。また、蛍光体粒子の層を固定するための処理（例えば、紫外線照射など）を行う前に、発光半導体構造を溶液から引き上げなければならないが、その際に付着した蛍光体粒子の層が剥離したり、乱れたりする恐れがある。さらに、電気泳動による被覆を行うと、溶液中の蛍光体粒子が減少し、溶液中の蛍光体粒子の濃度が変化するため、繰り返し被覆を行う際に蛍光体粒子の層の厚みを一定に保つのは難しい。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、電気泳動を用いた方法に比して簡単かつ低コストに発光ダイオード素子表面が蛍光体により覆われた発光ダイオードを製造することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードの製造方法は、発光ダイオード素子が実装され、前記発光ダイオード素子の少なくとも光を取り出す側の面が導電性を有する基板を用意するステップと、前記基板の前記発光ダイオード素子が実装された面に対向する対向電極を、少なくとも未硬化樹脂または樹脂前駆体及び蛍光体粒子を含む液体を挟んで配置するステップと、前記光を取り出す側の面及び前記対向電極間に電圧を印加し、前記光を取り出す側の面上に前記蛍光体粒子を含む硬化樹脂層を形成するステップと、を有する。

上記本発明によれば、電気泳動を用いた方法に比して簡単かつ低コストに発光ダイオード素子表面が蛍光体により覆われた発光ダイオードを製造することができる。

本発明の第１の実施形態に係る方法により製造される発光ダイオードの断面図である。本発明の第１の実施形態に係る方法を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係る方法を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係る方法により製造される発光ダイオードの平面図である。本発明の第２の実施形態に係る方法を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る方法により製造される発光ダイオードの断面図である。本発明の第２の実施形態に係る方法により製造される発光ダイオードの変形例を示す平面図である。本発明の第３の実施形態に係る方法を説明する図である。本発明の第４の実施形態に係る方法を説明する図である。本発明の第４の実施形態に係る方法により製造される発光ダイオードの断面図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る方法により製造される発光ダイオード１の断面図である。

発光ダイオード１は、基板２上に発光ダイオード素子３が実装されており、発光ダイオード素子３から放射される光を主として基板２に垂直であって発光ダイオード素子３が実装された側の方向に取り出す。以後、基板２に垂直であって発光ダイオード素子３が実装された側の方向を光を取り出す側の方向と呼び、かかる方向に面する面を、光を取り出す側の面と呼ぶ。

基板２の材質は特に限定されず、ガラスエポキシ等の繊維強化樹脂や、ガラス、セラミック、金属などを適宜用いて良い。基板２は絶縁性を要するので、金属を用いる場合にはその表面に絶縁性の被覆がなされる。また、基板２の光を取り出す側の面には発光ダイオード素子３と電気的に接続される導電層４が形成されており、スルーホール５を介して背面の端子６につながっている。導電層４、スルーホール５、端子６には適宜の金属、例えば、アルミニウム、銅、金等を用いて良い。なお、図１には表面実装用の端子６を備えた発光ダイオード１を示したが、これに限定されず、端子６としてリード線やその他の形式の端子を備えるようにしてもよい。また、スルーホール５及び端子６は必須のものではなく、導電層４を直接端子として利用する場合には省略して差し支えない。

発光ダイオード素子３は、素子基板７上に複数の半導体層８が積層された構造となっており、本実施形態では、素子基板７の表面から順に、ｎ型半導体層９、活性層１０、ｐ型半導体層１１が積層されている。ｐ型半導体層１１の表面及び、ｎ型半導体層９の一部露出した表面にはコンタクト層１２が設けられ、かかるコンタクト層１２に電圧を印加することにより発光ダイオード素子３は発光する。コンタクト層１２は、適宜の金属薄膜としたり、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）等の導電性薄膜としたりしてよい。コンタクト層１２と導電層４は電気的に接続される。本実施形態では、ハンダボール１３により両者が接続されている。また、本実施形態では、素子基板７が光を取り出す側を向くように配置される。そのため、素子基板７は光を透過する性質を有している。さらに、素子基板７は導電性を有する。このような素子基板の材質として、窒化ガリウムが挙げられるが、同様の性質を有する材料であれば他のものであってもよい。

そして、発光ダイオード素子３の光を取り出す面及び、基板の導電層４の表面は硬化樹脂層１４に被覆されている。硬化樹脂層１４は、蛍光体粒子を内部に含んでおり、発光ダイオード素子３から放射された光の波長を変換する作用を有する。また、硬化樹脂層１４は、蛍光体粒子同士が凝集するのを防ぐための分散材を含んでいて良い。ここでいう分散材とは、粒子状の物質であって、蛍光体粒子間に入り込むことにより蛍光体粒子同士の凝集を防ぐ働きをするものを指す。そのような分散材としては、ガラスビーズやポリスチレンビーズ等が挙げられる。かかる分散材を用いると、分散材が散乱材としても機能するため、発光ダイオード素子３から放射された光を散乱し、方向依存性の少ない光線が得られる。もちろん、分散材として散乱材としての機能を奏しないものを用いてもよく、その場合には得られる光線の方向依存性が強くなる。硬化樹脂層１４の母材となる樹脂は特に限定されないが、後述するように、いわゆる電解重合法により硬化される樹脂である。そのような樹脂の例として、エポキシ樹脂やエポキシとシリコーンのハイブリッド樹脂などが挙げられる。なお、本実施形態には示していないが、硬化樹脂層１４の上にさらに封止樹脂層を設けてもよい。

続いて、図２を参照して本実施形態の発光ダイオード１の製造方法を説明する。

まず発光ダイオード素子３が実装された基板２を用意する。この工程は、あらかじめ導電層４、スルーホール５及び端子６が形成された基板２上に、別途製造された発光ダイオード素子３を実装すればよい。このとき、発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面は素子基板７となっており、導電性を有している。

続いて、図２に示すように、基板２の発光ダイオード素子３が実装された面に対向するように、対向電極１５を配置し、対向電極１５と基板２間を液体１６で満たす。ここで、液体１６は、後述する電解重合により蛍光体粒子を含む硬化樹脂層を析出させるためのものであり、少なくとも、未硬化樹脂または樹脂前駆体、及び蛍光体粒子を含んでいる。ここでいう未硬化樹脂は、未硬化のポリマーあるいはモノマーであってよく、また未硬化樹脂と樹脂前駆体の双方を含んでいてもよい。さらに液体１６は、適宜の重合開始剤、分散剤、前述の分散材、触媒及び溶媒を含んでいてよい。本実施形態では、液体１６には未硬化樹脂としてエポキシ樹脂及びエポキシモノマー、重合開始剤としてカチオン系重合開始剤、分散剤、蛍光体粒子、分散材が含まれている。

そして、対向電極１５と発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面との間に電圧を印加する。図の例では、対向電極１５と導電層４間に電圧を印加しており、導電層４と素子基板７は導通しているので素子基板７にも電圧が印加される。この場合、対向電極１５が陰極、導電層４と素子基板７が陽極となっている。もちろん、使用する樹脂や重合開始剤の種類によっては、陰極と陽極を入れ替えても差し支えない。

このように電圧を印加することにより、陽極である導電層４と素子基板７の表面では、図３に示すように電解重合により硬化樹脂層１４が析出する。この際に、硬化樹脂層１４中には液体１６中に分散されていた蛍光体粒子および、あれば分散材が取りこまれる。印加する電圧の大きさ及び時間は、所望の厚さの硬化樹脂層１４が得られるよう適宜調節する。

この後、基板２を液体１６より引き上げると図１に示した発光ダイオード１が得られる。この際に、硬化樹脂層１４は既に硬化しているため、硬化樹脂層１４中に含まれる蛍光体粒子が剥離したり、乱れたりする恐れはない。また、硬化樹脂層１４を析出させる前後において、液体１６中の蛍光体粒子の濃度に変化はないため、連続で基板２を硬化樹脂層１４で被覆する際にも、プロセス条件、例えば、印加する電圧の大きさや時間を変化させなくともよい。なお、基板２を液体１６より引き上げた後、硬化樹脂層１４の硬化をより完全なものとするためキュアを行ってもよい。

図４は、本実施形態の製造方法によって得られる発光ダイオード１の平面図である。同図に示すように、基板２の光を取り出す側の面の大部分の領域に導電層４が形成されており、かかる導電層４の表面は、蛍光体粒子を含む硬化樹脂層１４に覆われる。このようにすると、発光ダイオード素子３から下方、すなわち基板２に向かって放射された光も硬化樹脂層１４中の蛍光体粒子にあたり、波長を変換され、反射して光を取り出す側に取り出されるため、光線の利用効率が良い。

続いて、図５を参照して本発明の第２の実施形態に係る発光ダイオードの製造方法を説明する。図５は、本実施形態に係る方法を説明する図であり、第１の実施形態における図２に対応している。図中、第１の実施形態と対応する部分には同符号を付し、重複する説明は省略することとする。

本実施形態では、発光ダイオード素子３が素子基板を有しておらず、複数の半導体層８のうち、光を取り出す側の方向に位置する層、この場合はｎ型半導体層９が露出している点が第１の実施形態と異なっている。このような発光ダイオード素子３は、素子基板上に複数の半導体層８が積層された素子を第１の実施形態と同様に基板２上に実装した後、素子基板を複数の半導体層８から剥離することにより得られる。このようにした場合にも、発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面は、ｎ型半導体層９であるから、導電性を有することとなる。この場合には、素子基板は透明である必要も、導電性を有する必要もない。また、発光ダイオード素子３が薄くなるため得られる発光ダイオード全体の厚さが薄くなるとともに、取り出される光の指向性が基板２に垂直な方向により強くなる。

この状態で、第１の実施形態と同様に、発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面と対向電極１５間に電圧を印加し、液体１６より蛍光体粒子を含んだ硬化樹脂層を析出させる。このとき、図示するように、基板２上の導電層４の表面にマスク１７を設けてもよい。マスク１７の材質は特に限定されないが、絶縁性の材料であれば、マスク１７の表面での電解重合が起こらないため、余分な硬化樹脂層は形成されない。

硬化樹脂層の析出後、基板２を液体１６より引き上げ、マスク１７を剥離すると、図６に示される発光ダイオード１８が得られる。この発光ダイオード１８では、導電層４の表面の大部分において蛍光体粒子を含んだ硬化樹脂層１４が形成されないため、発光ダイオード素子３から下方に、すなわち、基板２に向かって放射された光は蛍光体粒子に当たり取り出されることなく吸収されるか散逸する。そのため、この発光ダイオード素子３では取り出される光の指向性が強いものとなる。

あるいは、マスク１７（図５参照）を使用する代わりに、導電層４の平面的形状を工夫することにより指向性の強い発光ダイオードを得てもよい。図７は、そのような発光ダイオード１９を示す平面図である。

同図に示される通り、発光ダイオード１９では、導電層４は発光ダイオード素子３とスルーホール５を繋ぐわずかな領域に部分的に形成される。そして、基板２の光を取り出す側の面は、その大部分が露出している。このようにすると、硬化樹脂層１４は発光ダイオード素子３と導電層４上にのみ形成されるため、実質的に基板２の光を取り出す側の面のほとんどが、硬化樹脂層１４で覆われることなく露出する。この場合には、発光ダイオード素子３から下方に、すなわち、基板２に向かって放射された光は蛍光体粒子に当たり取り出されることなく吸収されるか散逸し、発光ダイオード１９は、取り出される光の指向性が強いものとなる。

次に、図８を用いて、本発明の第３の実施形態に係る発光ダイオードの製造方法を説明する。図８は、本実施形態に係る方法を説明する図であり、第１の実施形態における図２に対応している。図中、第１の実施形態と対応する部分には同符号を付し、重複する説明は省略することとする。

本実施形態では、素子基板７が導電性を有さない。そのため、発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面を含む基板２の光を取り出す側の面に導電性被覆層２０が設けられている。導電性被覆層は、透光性があり、かつ、導電性を有するものであれば特に限定はされないが、発光ダイオード素子３の側面にわたり連続的に形成される点から、液体状材料を塗布することにより得られるものであることが好ましい。そのような材料としては、例えば、酸化アンチモン錫の分散液が挙げられる。

図８に示すように、導電性被覆層２０を少なくとも発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面に形成することにより、当該面上に蛍光体粒子を含んだ硬化樹脂層が析出させられる。なお、本実施形態の方法により得られる発光ダイオードでは、発光ダイオード素子３のアノードとカソードとが導電性被覆層２０により短絡することになるが、導電性被覆層２０の電気抵抗値が導電層４やコンタクト層１２に比して大きいため、発光ダイオードの使用そのものには特段の問題は生じない。なお、導電性被覆層２０を形成するにあたり、発光ダイオード素子３と基板２とに挟まれる空間をあらかじめアンダーフィル材にて充填しておいてもよい。

次に、図９を用いて、本発明の第４の実施形態に係る発光ダイオードの製造方法を説明する。図９は、本実施形態に係る方法を説明する図であり、第１の実施形態における図２に対応している。図中、第１の実施形態と対応する部分には同符号を付し、重複する説明は省略することとする。

本実施形態では、発光ダイオード素子３の素子基板７が基板の側、すなわち、光を取り出す向きとは反対を向くように配置され、複数の半導体層８と導電層４とはボンディングワイヤー２１により電気的に接続される。このようにすると、複数の半導体層８が光を取り出す側の面に配置されるため、発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面は導電性を有することになる。この実施形態では、光を取り出す側の面は、複数の半導体層８の上に積層されたコンタクト層１２となっている。

この状態において、図９に示すように、第１の実施形態と同様に、発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面と対向電極１５間に電圧を印加し、液体１６より蛍光体粒子を含んだ硬化樹脂層を析出させる。この場合でも発光ダイオード素子３の光を取り出す側の面上には硬化樹脂層が形成される。さらに、図１０に示すように、ボンディングワイヤー２１の表面にも蛍光体粒子を含んだ硬化樹脂層１４が形成される。図１０は、本実施形態に係る方法により製造される発光ダイオード２２の断面図である。この場合、発光ダイオード素子３より放射され、ボンディングワイヤー２１の方向に向かう光は、ボンディングワイヤー２１の表面に形成された硬化樹脂層１４に含まれる蛍光体粒子にあたり、その波長を変換され散乱する。そのため、ボンディングワイヤー２１が存在することによる影の形成が緩和され、発光ダイオード２２から照射される光線の分布のムラが低減される。

なお、これまで説明した実施形態は、いずれも本発明を実施する上での例であり、これらの実施形態をさらに変形したり、複数の実施形態を組み合わせたりしてもよい。また、これまで説明した実施形態はいずれも、単一の基板に対し硬化樹脂層を被覆するものとして説明したが、複数の基板が接続された集合基板を用い、一度に多数の基板に対し硬化樹脂層を被覆し、その後個別の発光ダイオードに分離するものとしてもよい。

１発光ダイオード、２基板、３発光ダイオード素子、４導電層、５スルーホール、６端子、７素子基板、８複数の半導体層、９ｎ型半導体層、１０活性層、１１ｐ型半導体層、１２コンタクト層、１３ハンダボール、１４硬化樹脂層、１５対向電極、１６液体、１７マスク、１８発光ダイオード、１９発光ダイオード、２０導電性被覆層、２１ボンディングワイヤー、２２発光ダイオード。

Claims

発光ダイオード素子が実装され、前記発光ダイオード素子の少なくとも光を取り出す側の面が導電性を有する基板を用意するステップと、
前記基板の前記発光ダイオード素子が実装された面に対向する対向電極を、少なくとも未硬化樹脂または樹脂前駆体及び蛍光体粒子を含む液体を挟んで配置するステップと、
前記光を取り出す側の面及び前記対向電極間に電圧を印加し、前記光を取り出す側の面上に前記蛍光体粒子を含む硬化樹脂層を形成するステップと、
を有する発光ダイオードの製造方法。
導電性を有する素子基板上に複数の半導体層が積層された構造の前記発光ダイオード素子を、前記素子基板が光を取り出す側となるよう配置することにより、前記光を取り出す側の面が導電性を有する請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
素子基板上に複数の半導体層が積層された素子を、前記素子基板が光を取り出す側となるよう基板に実装した後、前記素子基板を剥離することにより、前記発光ダイオード素子の前記光を取り出す側の面が導電性を有する請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
素子基板上に複数の半導体層が積層された素子を、前記素子基板が光を取り出す側となるよう基板に実装した後、前記素子基板上に導電性の被覆層を形成することにより、前記発光ダイオード素子の前記光を取り出す側の面が導電性を有する請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
素子基板上に複数の半導体層が積層された素子を、前記複数の半導体層が光を取り出す側となるよう基板に実装することにより、前記発光ダイオード素子の前記光を取り出す側の面が導電性を有する請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
前記硬化樹脂層は、前記複数の半導体層に接続されるボンディングワイヤーの表面にも形成される請求項５記載の発光ダイオードの製造方法。
前記液体は、さらに分散材を含む請求項１乃至６のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
前記硬化樹脂層を形成するステップにおいて、前記基板の光を取り出す側の面の少なくとも一部分がマスクされる請求項１乃至７のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。
前記基板の光を取り出す側の面には、前記発光ダイオード素子と電気的に接続される導電層が部分的に形成される請求項１乃至７のいずれかに記載の発光ダイオードの製造方法。