JP5880566B2 - Led装置 - Google Patents
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Description
[1]特定波長の光を出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子からの特定波長の光を、他の特定波長の光に変換する波長変換部位とを有するLED装置であって、
前記波長変換部位は、蛍光体と、平板状粒子と、酸化物微粒子と、バインダとしてのセラミックとを含む、厚み150μm以下のセラミック層であり、
前記セラミック層における前記蛍光体の濃度は、60質量%〜95質量%以下である、LED装置。
[2]前記セラミック層における前記セラミックの濃度は、3質量%〜35質量%以下である、[1]に記載のLED装置。
[3]前記セラミックは、ポリシロキサンまたはポリシラザンから得られるセラミックである、[1]に記載のLED装置。
[4]蛍光体と、平板状粒子と、酸化物微粒子と、有機金属化合物からなるセラミック前駆体と、を含む蛍光体分散液であって、
前記蛍光体分散液における前記蛍光体の濃度は、前記蛍光体と前記平板状粒子と前記酸化物微粒子と前記有機金属化合物の硬化反応物であるセラミックとの合計質量に対して、60質量%〜95質量%である、蛍光体分散液。
[5]前記蛍光体分散液中の水分含有量が、3質量%未満である、[4]に記載の蛍光体分散液。
[6]パッケージと、前記パッケージに配置された発光面を有するLEDチップと、を含むLEDチップ実装パッケージを用意する工程と、
前記LEDチップ発光面に、[4]に記載の蛍光体分散液を塗布および乾燥して、セラミックを含む波長変換部位を成膜する工程と、を含む、LED装置の製造方法。
本発明のLED装置(半導体発光装置)は、LED発光素子と、波長変換部位とを有する。図1は、LED装置100の例を示す断面図である。LED発光素子は、凹部11を有するパッケージ(LED基板)1と、メタル部(メタル配線)2と、パッケージ1の凹部11に配置されたLEDチップ3と、メタル部2とLEDチップ3とを接続する突起電極4とを有する。このように、突起電極4を介してメタル部2とLEDチップ3とを接続する態様を、フリップチップ型という。
さらに、LED装置100は、LEDチップ3の発光面を覆う波長変換部位6を有する。波長変換部位6は、蛍光体粒子と、平板状粒子と、酸化物微粒子と、バインダとしてのセラミックとを含むセラミック層である。波長変換部位6は、LEDチップ3の発光面(少なくともLEDチップ3の上面)を覆っていればよく、図1に示されているように、LEDチップ3の上面と側面を覆っていることが好ましい。LEDチップ3の側面からも光が出射しうるからである。
波長変換部位6に含有される蛍光体粒子は、LEDチップのLEDからの出射光の波長(励起波長)により励起されて、励起波長と異なる波長の蛍光を発する。LEDチップから青色光が出射される場合には、蛍光体粒子が黄色の蛍光を発することによって、白色LED素子が得られる。黄色の蛍光を発する蛍光体の例には、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体が挙げられる。YAG蛍光体は、青色LEDチップから出射される青色光(波長420nm〜485nm)からなる励起光を受けて、黄色光(波長550nm〜650nm)の蛍光を発することができる。
波長変換部位6を構成するセラミック層に含有される平板状粒子の典型例には、層状粘土鉱物微粒子がある。層状粘土鉱物微粒子の主成分は層状ケイ酸塩鉱物であり、雲母構造、カオリナイト構造、スメクタイト構造などの構造を有する膨潤性粘土鉱物が好ましく、膨潤性に富むスメクタイト構造を有する膨潤性粘土鉱物がより好ましい。層状粘土鉱物微粒子は平板状を呈するため、波長変換部位6を構成するセラミック層の膜強度を向上させることもできる。
波長変換部位6に含有される酸化物微粒子は、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化亜鉛などの微粒子でありうる。特に、波長変化部位6におけるバインダを、シロキサンなどの含ケイ素有機化合物の硬化物であるセラミックとする場合には、形成されるセラミックに対する安定性の観点から、酸化物微粒子を酸化ケイ素とすることが好ましい。
波長変換部位6に含有されるセラミックは、蛍光体粒子同士を結着させるバインダとなる。セラミックは、ガラスなどの透明セラミックなどである。より具体的にセラミックは、ポリシロキサンまたはポリシラザンから得られるセラミックなどでありうる。透明セラミックをバインダとして用いることで、硬化樹脂をバインダとして用いる場合よりも、波長変換部位6の耐熱性などを高めることができる。
波長変換部位6を構成するセラミック層の厚みは、半導体発光素子が必要とする蛍光体の量に応じて設定されるため、特に限定されない。ただし、本発明におけるセラミック層中の蛍光体の濃度は高いため、セラミック層の厚みを150μm以下とすることができ、さらに100μm以下とすることができる。波長変換部位6を構成するセラミック層の厚みが150μmを超えると、通常は、波長変換部位6における蛍光体粒子の濃度が過剰に低くなるので(60質量%未満となり)、蛍光体粒子を均一に分散させにくかったり、膜強度が低かったりする。
LED装置(半導体発光装置)は、1)パッケージとLEDチップを含むLEDチップ実装パッケージを用意する工程と、2)蛍光体分散液を用意する工程と、3)LEDチップの発光面に蛍光体分散液を塗布して波長変換部位6となるセラミック層を成膜する工程と、を含むプロセスで製造されうる。
蛍光体分散液には、蛍光体微粒子と、平板状粒子と、酸化物微粒子と、セラミック前駆体である有機金属化合物と、溶媒と、が含まれる。蛍光体微粒子、平板状粒子および酸化物微粒子の種類は、前述した通りである。
蛍光体分散液は、セラミック前駆体および蛍光体を溶媒に混合して、これに平板状粒子および酸化物粒子を添加して調製されうる。
LEDチップ実装パッケージ90のLEDチップ3の発光面に蛍光体分散液を塗布する。塗布の手段は特に限定されないが、ブレード塗布、スピンコート塗布、ディスペンサー塗布、スプレー塗布などが例示される。特に、スプレー塗布は薄い塗布膜を成膜しやすく、従って薄いセラミックス層を形成しやすいために好ましい。
(1)基本的には、ノズル250の先端部をパッケージ1の直上に配置して蛍光体分散液220をLEDチップ3の真上から噴射する。LEDチップ3は直方体状である場合には、蛍光体分散液220をLED素子3の真上から噴射したり、LEDチップ3の斜上方から噴射したりしてもよい。斜め上方から噴射することで、LEDチップ3の角部に蛍光体分散液220を適切に塗布することができる。このようにして、LEDチップ3の側面に対しても蛍光体分散液220を均一に塗布することが好ましい。
図2に概念的に示されるLEDチップ実装パッケージ90を用意した。具体的には、円形パッケージ(開口径3mm,底面直径2mm、壁面角度60°)の収容部の中央に、1つの青色LEDチップ(直方体状;200μm×300μm×100μm)をフリップチップ実装し、LEDチップ実装パッケージを用意した。
以下の手順で黄色蛍光体粒子を作製した。下記に示す組成の蛍光体原料を十分に混合した混合物を、アルミ坩堝に充填し、これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合した。充填物を、水素含有窒素ガスを流通させた還元雰囲気中において1350〜1450℃の温度範囲で2〜5時間焼成して、焼成品((Y0.72Gd0.24)3Al5O12:Ce0.04)を得た。
Y2O3 ・・・ 7.41g
Gd2O3 ・・・ 4.01g
CeO2 ・・・ 0.63g
Al2O3 ・・・ 7.77g
7.0gのセラミック前駆体溶液A(テトラエトキシシラン14質量%,イソプロピルアルコール86質量%)中に、0.06gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)とを混合して、混合液を調製した。得られた混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度100mm/sで移動しながら0.1MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は、10質量%であり、セラミック層の層厚が100μmであった。
3.0gのセラミック前駆体溶液A中に、1.0gのエチレングリコールと、0.42gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.02gのスメクタイト(ルーセンタイトSWN、コープケミカル社製)とを混合して、混合液を調製した。得られた混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度70mm/sで移動しながら0.1MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を、150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は60質量%であり、セラミック層の層厚が160μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
3.0gのセラミック前駆体溶液A中に、1.0gのエチレングリコールと、0.28gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.02gのスメクタイト(ルーセンタイトSWN、コープケミカル社製)とを混合して、混合液を調製した。調製した混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度70mm/sで移動しながら0.1MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は50質量%であり、セラミック層の層厚が140μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
3.0gのセラミック前駆体溶液A中に、1.0gの1,3-ブタンジオールと、0.42gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.02gの合成雲母(ミクロマイカMK-100、コープケミカル社製)とを混合して、混合液を調製した。得られた混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度70mm/sで移動しながら0.15MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を、150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は60質量%であり、セラミック層の層厚が140μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
1.5gのセラミック前駆体溶液A中に、0.5gの1,3-ブタンジオールと、1.0gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.02gのスメクタイト(ルーセンタイトSWN、コープケミカル社製)とを混合して、混合液を調製した。得られた混合液をスプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度50mm/sで移動しながら0.15MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を、150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は85質量%であり、セラミック層の層厚が50μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
1.5gのセラミック前駆体溶液A中に、0.5gの1,3-ブタンジオールと、1.0gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.02gの合成雲母(ミクロマイカMK−100、コープケミカル社製)とを混合して、混合液を調製した。得られた混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度50mm/sで移動しながら0.15MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を、150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は85質量%であり、セラミック層の層厚が50μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
1.5gのセラミック前駆体溶液A中に、0.5gのプロピレングリコールと、1.0gの蛍光体粒子と、0.05gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.02gの合成雲母(ミクロマイカMK-100、コープケミカル社製)を混合して、混合液を調製した。得られた混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度50mm/sで移動しながら0.15MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を、150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は85質量%であり、セラミック層の層厚が50μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
2.5gのポリシラザン(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製NN120-20質量%、ジブチルエーテル80質量%)と、2.2gの蛍光体粒子と、0.08gの酸化ケイ素(SiO2 日本アエロジル株式会社製RX300,粒径7nm)と、0.05gのスメクタイト(ルーセンタイトSWN、コープケミカル社製)とを混合して、混合液を調製した。得られた混合液を、スプレー塗布方法を用いてパッケージ上に塗布した。常温常湿(25℃/30%)下、ノズルの真下にLEDチップを配置し、ノズルのみを移動速度60mm/sで移動しながら0.15MPaの圧力で1往復しながら混合液を吐出した。塗布膜を、150℃で1時間加熱して波長変換部位を作製した。セラミック層に占める蛍光体の濃度は85質量%であり、セラミック層の層厚が50μmであった。蛍光体の濃度は、比較例1と同様に算出した。
半導体発光装置に作製したセラミック層(波長変換部位)の厚さを、レーザホロゲージ(ミツトヨ社製)を用いて測定した。
まず、作製したそれぞれの半導体発光装置を点灯して色度を測定した。次に、半導体発光装置を、50cmの高さから落下させることを50回繰り返した。その後、それぞれの色度を測定した。劣化試験時に膜の剥離等が生じていれば、試験前後での色度にばらつきが生じる。そこで、試験前後での色度のばらつきに基づいて、膜強度を評価した。
色度変化が0.02より大きい・・・×
色度変化が0.01より大きく、0.02以下・・・○
色度変化が0.01以下・・・◎
各比較例および実施例で作製した半導体発光装置をそれぞれ5個ずつ用意し、それぞれについて発光の色度を測定した。色度の測定は、測定装置としてコニカミノルタセンシング社製分光放射輝度計CS-1000Aを用いた。色度は、色空間をXYZ座標系で表したCIE−XYZ表色系で表示され、ある点と原点を結ぶ直線が平面x+y+z=1と交わる点で定義される。
差が0.02より大きい・・・×
差が0.01より大きく、0.02以下・・・○
差が0.01以下・・・◎
実施例2において調製した混合液中の含有水分量を、京都電子工業株式会社製のカールフィッシャー水分計を用いて測定したところ、0.01質量%であった。この混合液に、0.09gの水を混合した。得られた混合液の含有水分量は、2.9質量%であった。
実施例2で得られた混合液に、水0.12gを混合した。得られた混合液中の含有水分量は、4質量%であった。
実施例2・・・◎(変化なし)
実施例6・・・○(わずかに沈殿物が発生しているが実害は無い)
比較例4・・・×(沈殿物が発生)
2 メタル部
3 LEDチップ
4 突起電極
6 波長変換部位
90 LEDチップ実装パッケージ
100 LED装置
200 塗布装置
210 塗布液タンク
220 蛍光体分散液
230 連結管
240 ヘッド
250 ノズル
270 吐出液
L セラミック層の厚み
Claims (6)
- 特定波長の光を出射するLED発光素子と、前記LED発光素子からの特定波長の光を、他の特定波長の光に変換する波長変換部位とを有するLED装置であって、
前記波長変換部位は、蛍光体と、平板状粒子と、酸化物微粒子と、バインダとしてのセラミックとを含む、厚み150μm以下のセラミック層であり、
前記セラミック層における前記蛍光体の濃度は、60質量%〜95質量%以下であり、
前記波長変換部位中の前記平板状粒子の量が0.5質量%以上20質量%以下である、LED装置。 - 前記セラミック層における前記セラミックの濃度は、3質量%〜35質量%以下である、請求項1に記載のLED装置。
- 前記セラミックは、ポリシロキサンまたはポリシラザンから得られるセラミックである、請求項1に記載のLED装置。
- 蛍光体と、平板状粒子と、酸化物微粒子と、有機金属化合物からなるセラミック前駆体と、を含む蛍光体分散液であって、
前記蛍光体分散液における前記蛍光体の濃度は、前記蛍光体と前記平板状粒子と前記酸化物微粒子と前記有機金属化合物の硬化反応物であるセラミックとの合計質量に対して、60質量%〜95質量%であり、
前記セラミック前駆体100質量部に対する前記平板状粒子の量が4.8〜10.0質量部である、蛍光体分散液。 - 前記蛍光体分散液中の水分含有量が、3質量%未満である、請求項4に記載の蛍光体分散液。
- パッケージと、前記パッケージに配置された発光面を有するLEDチップと、を含むLEDチップ実装パッケージを用意する工程と、
前記LEDチップ発光面に、請求項4に記載の蛍光体分散液を塗布および乾燥して、セラミックを含む波長変換部位を成膜する工程と、を含む、LED装置の製造方法。
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