JP6066253B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、発光装置の製造方法に関する。
発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)チップを用いた発光装置(LEDランプ)の一般照明用途への展開が急速に進む中、配線基板上にLEDチップを実装し、LEDチップの表面を個々に蛍光体層で被覆した構造のものが、高価な蛍光体の使用量が少なくてすむことから注目されている。
一方、LEDランプは、年々、ハイパワー化が進んでおり、蛍光体自身のストークス損による発熱も問題となるレベルになってきている。このような蛍光体自身のエネルギー損失による熱を効率よく逃がすためには、上記蛍光体層をLEDチップの表面形状に沿った被覆、いわゆるコンフォーマルコーティングとして、蛍光体からLEDチップへの熱伝導を良くすることが望ましい。また、コンフォーマルコーティングとすることにより、色ムラ等の発生も抑えられる。
しかしながら、LEDチップのような小さな素子の表面にコンフォーマルコーティングを施すことは非常に難しく、特に、0.2mm×0.2mmのような微小サイズのチップの場合、さらに困難であった。
特開平10−319877号公報
本発明が解決しようとする課題は、微小サイズのLEDチップであってもコンフォーマル性の高い蛍光体層を形成することができ、放熱性に優れ、また色ムラ等の少ない発光装置を製造することができる方法を提供することにある。
実施形態の発光装置の製造方法は、基板上に発光素子を搭載する第一工程と、前記発光素子から放射される光により励起されて発光するミクロンオーダの蛍光体粒子を液状透明樹脂に分散させ、この分散液を静電塗布または静電噴霧することにより、前記発光素子の上面に前記蛍光体粒子を含む層を形成する第二工程とを具備し、前記発光素子は絶縁性の素子基板上に半導体発光層を形成したLEDであり、LEDが実装された基板とノズルの間にパルス電圧をかけ、その静電力でノズル先端の液材を微小液滴として引き出し、電界によって基板に引き寄せ、かつ、ノズル先端の基板に対する位置を水平方向に相対的に移動させる又はその角度を相対的に変化させることによりLEDに塗布すると共に、前記LEDの半導体発光層上には1対の素子電極が形成されており、前記蛍光体粒子を含む層を、1対の素子電極形成部を除くLED上面とそれに続く半導体発光層の側面を含む角部のみに選択的に形成する。
本発明によれば、微小サイズのLEDチップであってもコンフォーマル性の高い蛍光体層を形成することができ、放熱性に優れ、また色ムラ等が少ない発光装置を製造することが可能となる。
実施形態により製造される発光装置の一例を示す断面図である。 図1に示す発光装置の要部を拡大して示す図で、(a)は断面図、(b)は上面図である。 実施形態に使用される静電塗布装置の一例を概略的に示す図である。 図1に示す発光装置の変形例を示す断面図である。 図1に示す発光装置の他の変形例を示す断面図である。 他の実施形態により製造される発光装置の一例を示す断面図である。 図7に示す発光装置の要部を拡大して示す断面図である。 比較例により製造された発光装置の例を示す断面図である。
以下、図面を参照して、実施形態を説明する。なお、以下の図面の記載において、特に断らない限り、同一要素または同一機能を有する要素には同一符号を付しており、重複する説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態により製造される発光装置の一例を示す断面図、図2はその要部を拡大して示す図で、(a)は断面図、(b)は平面図である。
図1および図2に示す発光装置10は、基板1と、その上に形成された配線層2と、発光素子としてのLEDチップ3と、蛍光体層4とを備えている。
基板1は、例えば、放熱性と剛性を有するアルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、ガラスエポキシ、セラミック等の平板からなる。
基板1は、0.5〜1.5mmの厚さを有することが好ましい。また、基板1は、25℃における熱伝導率が30W/m・K以上であることが好ましい。基板1の厚さが0.5mm未満の場合には、強度が不十分で、器具等への取り付けや動作中に割れが生じるおそれがある。また、基板1の厚さが1.5mmを超えると、熱伝導率が30W/m・K以上であっても基板1全体としての放熱性が不十分となるおそれがある。基板1の熱伝導率は、例えば、熱抵抗測定装置を用いて、ジャンクション温度と基板最冷点との温度差と構造から算出することができる。
配線層2は、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)等の導体金属を主体とする層である。配線層2は、例えば、Ag等の導電体粉末(微粒子)を含むペースト(インク)を、基板1の表面に所望のパターンで印刷(スクリーン印刷、インクジェット印刷等)した後、塗布層を乾燥・焼成することにより形成することができる。
発光素子であるLEDチップ3としては、例えば、主波長が420〜480nm(例えば460nm)の青色光を発するLEDチップ、紫外線を発するLEDチップ等が用いられる。ただし、これらに限定されるものではなく、光を放射し、その放射した光により蛍光体を励起して可視光を発光するものであればよく、発光装置10の用途や、目的とする発光色等に応じて、種々の発光素子を使用することができる。
LEDチップ3は、絶縁性の素子基板3a上に半導体発光層3bを形成し、さらにその上に1対の電極3c,3cを形成した構造を有する。LEDチップ3は、基板1上に接着剤5により接着(ダイボンド)されており、1対の電極3c,3cがそれぞれ配線層2と金線のようなボンディングワイヤ6を介して接続されている。すなわち、LEDチップ3は、基板1にフェイスアップ、つまり、半導体発光層3b形成側の表面を上に向けて搭載されている。
蛍光体層4は、このように基板1にフェイスアップで搭載されたLEDチップ3の上面およびそれに続く角部3dに、1種または2種以上の蛍光体粒子を液状透明樹脂に分散させた分散液を静電塗布し、その後、塗布した樹脂を硬化させることにより形成されている。静電塗布を用いることで、蛍光体層4は、図2に示すように、素子電極3c,3c形成部を除くLEDチップ3上面と、それに続く角部3d上に、均一乃至略均一な厚さに形成されている。なお、本明細書中、蛍光体層について「均一乃至略均一な厚さ」というときは、発光装置を発光させたときに、後述するような「色ムラ」が生じない厚さをいう。
図3は、蛍光体層4の形成に使用される静電塗布装置30の一例を概略的に示す図である。この静電塗布装置30は、LEDチップ3が実装された基板1と噴霧ノズル31との間にパルス電圧をかけ、その静電力で、噴霧ノズル31先端の液材(ここでは、蛍光体粒子を液状透明樹脂に分散させた分散液)32を微小液滴33、例えば50〜100μmの液滴として引き出し、電界によって基板1に引き寄せ、基板1上のLEDチップ3に塗布できるようにしたものである。このような静電塗布装置においては、噴霧ノズル31先端の基板1に対する位置を水平方向に相対的に移動させたり、その向き(角度)を相対的に変化させることにより、LEDチップ3上面から側面の所要の領域に液材32を塗布することができ、この塗布した液材を硬化させることで、均一乃至略均一な膜(ここでは、蛍光体層4)を形成することができる。本実施形態では、液材32を素子電極3c,3c形成部を除くLEDチップ3上面上、およびそれに続く角部3d上に塗布しており、それらの領域に、均一乃至略均一な厚さの蛍光体層4が形成されている。なお、図3中、符号34は、パルス電圧発生装置を示している。このパルス電圧発生装置34により基板1と噴霧ノズル31との間に印加されるパルス電圧で、LEDチップ3が破損したり、その機能が喪失したりすることはない。
上記静電塗布に用いる液状透明樹脂としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。なかでも、耐光性、耐熱性等の観点から、シリコーン樹脂の使用が好ましい。
蛍光体としては、LEDチップ3からの光により励起される各種蛍光体が使用される。例えば、青色光により励起される蛍光体としては、黄色光乃至橙色光を発する、例えばRE(Al,Ga)12:Ce蛍光体(REはY、GdおよびLaから選ばれる少なくとも1種を示す。以下同じ)等のYAG蛍光体、AESiO:Eu蛍光体(AEはSr、Ba、Ca等のアルカリ土類元素である。以下同じ)等のケイ酸塩蛍光体、サイアロン系蛍光体(例えば、CaSiAlON:Eu2+)等の黄色系蛍光体、演色性等の向上を図るために、そのような黄色系蛍光体とともに用いられる、例えばRE(Al,Ga)12:Ce蛍光体(REはY、GdおよびLaから選ばれる少なくとも1種を示す。以下同じ)等のYAG蛍光体、AESiO:Eu蛍光体(AEはSr、Ba、Ca等のアルカリ土類元素である。以下同じ)等のケイ酸塩蛍光体、サイアロン系蛍光体(例えば、CaSiAlON:Eu2+)、窒化物系蛍光体(CASN)(例えば、CaAlSiN:Eu)等の赤色発光体等が使用される。
また、紫外光により励起される蛍光体としては、例えばLaS:Eu3+蛍光体等の酸硫化物蛍光体、例えばマンガン付活マグネシウムフルオロジャーマネート(2.5MgO・MgF:Mn4+)等のジャーマネート系蛍光体、窒化物系蛍光体(例えば、AESi:EuやCaAlSiN:Eu)、酸窒化物系蛍光体(例えば、YSi:Ce)、サイアロン系蛍光体(例えばAE(Si,Al)12(N,O)16:Eu)等が使用される。これらの蛍光体は、目的とする発光装置10の発光色等に応じて適宜選択されて使用される。
蛍光体粒子は、ミクロンオーダ、すなわち、数μm〜数十μm程度の粒径のものが使用される。蛍光体粒子は、平均粒径が3〜20μmであることが好ましく、3〜10μmであることがより好ましい。蛍光体粒子の平均粒径が3μm未満では、蛍光体自身の外部量子効率が低下して発光効率が低下する。また、平均粒径が20μmを超えると、液滴の粒径が大きくなって、LEDチップ3のサイズによっては、上記のような均一な厚さで、所要の領域に選択的に塗布することが困難になるおそれがある。また、平均粒径が20μmを超える粒子を長時間、樹脂中に沈降させることなく分散させておくことは困難である。上記蛍光体の粒径および平均粒径は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置により求めることができ、平均粒径については、同装置で測定された粒度分布において積算重量が50%になる粒径である。
なお、図1および図2では、蛍光体層4は、1種または2種以上の蛍光体粒子を液状透明樹脂に均一に分散させた1種類の分散液を用いて全体が均質な層に形成されているが、組成の異なる2種類以上の分散液を用いて、例えば、図4や図5に示すように、領域によって異なる蛍光体等を含有するようにしてもよい。図4の例では、LEDチップ3の上面が2つの領域に分けられ、それぞれ互いに異なる蛍光体を含有する蛍光体層41,42が形成されている。また、図5の例では、異なる蛍光体を含有する蛍光体層41,42が上下に積層されるように設けられている。
また、蛍光体層4の熱伝導性を高める目的で、上記分散液には、蛍光体粒子とともに、熱伝導性が良好で光透過性を有する無機フィラーを含有させることができる。無機フィラーは、熱伝導性が良好で光透過性を有するものであればよく、例えば、シリカ、酸化タンタル(TaO)、酸化亜鉛(ZnO)等の粉末が使用される。これらの無機フィラーは、単独または2種以上混合して使用することができる。無機フィラーは、用いる蛍光体より粒径の小さいものを使用することが好ましい。このような蛍光体より粒径の小さい無機フィラーを用いることにより、蛍光体の粒子間の隙間を埋め、各蛍光体粒子が発した熱のLEDチップへの伝達性を高めることができる。無機フィラーの粒径は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置により求めることができる。無機フィラーは、サブミクロンオーダ、つまり数百nm程度の粒径を有するもの使用することがより好ましい。
このような発光装置10においては、蛍光体層4を静電塗布により形成したことで、蛍光体層4は、素子電極3c,3c形成部を除くLEDチップ3上面と、それに続く角部3d上に、略均一な厚さに形成されている。このため、蛍光体からLEDチップ3への熱伝導が良くなり、放熱性を向上させることができる。したがって、近年の発光装置のハイパワー化にも十分対応可能で、大光量で高効率の発光を実現することができる。また、蛍光体が過度に付着することがないので、蛍光体量を減らすことができる。
さらに、厚さが均一であるため、色ムラの発生を抑制することができる。また、厚さが不均一で、LEDチップ3の角部3d上に蛍光体層4が設けられていなかったり、あるいはその厚さが不十分であったりすると、LEDチップ3から放射される光が角部3dから外部に漏れて、例えば、青色光を発するLEDチップの場合にいわゆるブルーリング現象が生ずるおそれがある。本実施形態の発光装置10では、角部3dにも所要の、上面と略同じ厚さの蛍光体層が設けられているので、このようなブルーリング現象が生ずることはない。
本実施形態においては、特に、LEDチップ3が、例えば0.2mm×0.2mmのように面積0.04mmの微小サイズのものであっても、蛍光体層4を、均一な厚さに、しかも所要の領域に選択的に形成することができる利点を有する。すなわち、このような微小サイズのLEDチップでは、例えばジェットディスペンサ法を用いた場合、液滴の大きさが大きい(最小で200μm程度)ため、均一な厚さに、しかも所要の領域に選択的に形成することは略不可能である。また、スプレーコート法では、マスクを用いることで選択的領域への塗布が可能であるが、この方法は本来大面積に塗布する方法であり、1チップ毎に塗布する方法としては適していない。また、チップ側面への塗布も困難である。これに対し、静電塗布では、前述したように、50〜100μmの液滴で塗布できるため、LEDチップが微小サイズのものであっても、所要の領域に選択的に、かつ均一乃至略均一な厚さに塗布することができる。
なお、本実施形態に係る発光装置10では、蛍光体層4をLEDチップ3の上面および角部3dにのみ形成している。これは、本実施形態では、LEDチップ3をフェイスアップで基板1上に搭載しており、この場合、LEDチップ3の半導体発光層3bは上面側に存在し、LEDチップ3からの光は、LEDチップ3の上面と、それに続く角部3dからのみ放出されるからである。本実施形態においては、蛍光体層4の形成に静電塗布を用いたことで、かかる選択的塗布も容易に行うことができ、LEDチップ3の表面全体に蛍光体層を設ける場合に比べて、蛍光体の使用量を減らすことができ、しかも、良好な発光特性を有する発光装置10を得ることができる。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態により製造される発光装置の一例を示す断面図、図7はその要部を拡大して示す断面図である。なお、本実施形態においては、重複する説明を避けるため、第1の実施形態と共通する点については説明を省略または簡略化し、相違点を中心に説明する。
図6および図7に示す発光装置20は、基板1と、その上に形成された配線層(図示なし)と、発光素子としてのLEDチップ3と、蛍光体層4とを備えている。
この発光装置20においては、LEDチップ3は、基板1にフェイスダウンで、つまり、LEDチップ3の素子電極3cを基板1上の配線層の電極2aに直接接続するフリップチップ実装により搭載されている。この場合、LEDチップ3に形成された半導体発光層3bは基板1側に位置することになり、半導体発光層3bから出た光は、上面(ここでは、素子電極3cが形成されている面と反対側の面をいう)のみならず、側面からも放出されることになる。したがって、この発光装置20では、蛍光体層4は、LEDチップ3の表面全体を覆うように、つまり、LEDチップ3の上面上、側面上および角部3b上のすべてに設けられている。そして、本実施形態においても、蛍光体層4は、例えば、図3に示すような静電塗布装置30により静電塗布し、これを硬化させることにより形成されており、略均一な厚さに形成されている。
なお、図示は省略したが、本実施形態においても、第1の実施形態と同様、蛍光体層4を、組成の異なる2種類以上の分散液を用いて、領域によって異なる蛍光体等を含有するようにしてもよい。
また、蛍光体層4の熱伝導性を高める目的で、分散液には、蛍光体粒子とともに、熱伝導性が良好で光透過性を有する無機フィラー、例えば、シリカ、酸化タンタル(TaO)、酸化亜鉛(ZnO)等の粉末を含有させることができる。無機フィラーは、用いる蛍光体より粒径の小さいものを使用することが好ましい。
第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様、蛍光体層4を静電塗布により形成するので、略均一な厚さに形成することができ、蛍光体からLEDチップ3への熱伝導を良くし、放熱性を向上させることができる。したがって、近年の発光装置のハイパワー化にも十分対応可能で、大光量で高効率の発光を実現することができる。また、蛍光体が過度に付着することがないので、蛍光体量を減らすことができる。
さらに、厚さが均一であるため、色ムラの発生を抑制することができる。また、LEDチップ3の角部3d上に蛍光体層4が十分に設けられていなかったりした場合の、ブルーリング現象等の発生も防止することができる。
また、LEDチップ3が、例えば0.2mm×0.2mmのように面積0.04mmの微小サイズのものであっても、蛍光体層4を、均一な厚さに形成することができる。
以上説明した実施形態では、いずれも蛍光体層を蛍光体粒子を液状透明樹脂に分散させた分散液を静電塗布することによって形成しているが、静電塗布に代えて静電噴霧を用いることもできる。静電噴霧は液滴を帯電させることによって微小化して噴霧するもので、静電塗布と同様、均一乃至略均一な膜(蛍光体層)を形成することができる。
ただし、静電噴霧では、対象物(LEDチップ)の上方から下方に拡がるように噴霧されるため、その側面まで均一な膜を形成することはやや難しい。したがって、上記第2の実施形態のように、LEDチップの側面にまで蛍光体層を形成する必要がある場合には、静電塗布を用いることが好ましい。第1の実施形態のように、LEDチップの上面とそれに続く角部に蛍光体層を形成する場合には、静電塗布及び静電噴霧のいずれの方法であってもよい。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
次に、本発明の具体的実施例およびその評価結果について記載する。
(実施例1)
Ag配線層を設けたセラミックス基板上に、波長450〜460nmの青色光を発する青色LEDチップ(575μm×325μm×170μm、電極パッドφ70μm)を複数個、シリコーン系接着剤で接着するとともに、ワイヤーボンディングにより青色LEDチップとセラミック基板上のAg配線層とを電気的に接合した。
また、上記青色光で励起されて発光する平均粒径(D50)11μmのミクロンオーダの蛍光体をシリコーン樹脂中に混合し分散させた。
この分散液を図3に示す静電塗布装置(噴霧ノズル先端径:1.6mm)30を用いて、上記セラミックス基板上のLEDチップの上面及びそれに続く角部(電極パッド上を除く)に静電塗布し硬化させたところ、LEDチップ上面及びそれに続く角部(電極パッド上を除く)に略均一な厚さの蛍光体層を有する発光装置10が製造された。
得られた発光装置10を発光させたところ、色ムラのない光が得られ、ブルーリング現象も観察されなかった。
比較例1として、静電塗布装置30に代えてジェットディスペンサ(液滴径:約200μm)を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例1と同一構成の発光装置の製造を試みたが、LEDチップ上面及びそれに続く角部(電極パッド上を除く)に均一な厚さの蛍光体層を形成することはできなかった。
すなわち、LEDチップ3上面の電極パッド間に液滴を2回塗布した場合には、図8(a)に示すように、ボンディングワイヤ6部分にも分散液が付着し、断面凹状の蛍光体層4Aが形成された。また、LEDチップ3上面の電極パッド間に液滴を1回塗布した場合には、図8(b)に示すように、断面凸状の蛍光体層4Bが形成された。いずれの場合も、LEDチップ3の角部3dに蛍光体層4Bはほとんど形成されることはなかった。
これらの比較例1で得られた発光装置(図8(a)および図8(b)に示す発光装置)を発光させたところ、いずれも色ムラが認められ、さらにブルーリング現象も観察された。
(実施例2)
LEDチップ3として、青色LEDチップ(200μm×200μm×170μm、電極パッドφ70μm)を用いた以外は実施例1と同様にして、発光装置を製造したところ、実施例1と同様、セラミックス基板上のLEDチップの上面及びそれに続く角部(電極パッド上を除く)に均一な厚さの蛍光体層を形成することができた。また、得られた発光装置を発光させたところ、色ムラのない光が得られ、ブルーリング現象も観察されなかった。
(実施例3)
LEDチップ3として、青色LEDチップ(800μm×800μm×170μm、電極パッドφ150μm)を用い、このLEDチップをセラミックス基板1上にAuSnフリップチップ接合するとともに、図3に示す静電塗布装置(噴霧ノズル先端径:1.6mm)30を用いて、セラミックス基板上のLEDチップの上面、側面およびそれらの角部に、実施例1と同様に調製した蛍光体含有分散液を塗布し硬化させたところ、LEDチップ上面、側面および角部に略均一な厚さの蛍光体層を有する発光装置が製造された。得られた発光装置を発光させたところ、色ムラのない光が得られ、ブルーリング現象も観察されなかった。
1…基板、2…配線層、3…LEDチップ、3a…素子基板、3b…半導体発光層、3c…素子電極、3d…角部、4…蛍光体層、6…ボンディングワイヤ、10,20…発光装置、30…静電塗布装置。

Claims (4)

  1. 基板上に発光素子を搭載する第一工程と;
    前記発光素子から放射される光により励起されて発光するミクロンオーダの蛍光体粒子を液状透明樹脂に分散させ、この分散液を静電塗布または静電噴霧することにより、前記発光素子の上面に前記蛍光体粒子を含む層を形成する第二工程と;
    を具備し、
    前記発光素子は絶縁性の素子基板上に半導体発光層を形成したLEDであり、LEDが実装された基板とノズルの間にパルス電圧をかけ、その静電力でノズル先端の液材を微小液滴として引き出し、電界によって基板に引き寄せ、かつ、ノズル先端の基板に対する位置を水平方向に相対的に移動させる又はその角度を相対的に変化させることによりLEDに塗布すると共に、
    前記LEDの半導体発光層上には1対の素子電極が形成されており、前記蛍光体粒子を含む層を、1対の素子電極形成部を除くLED上面とそれに続く半導体発光層の側面を含む角部のみに選択的に形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
  2. 前記第一工程において、前記発光素子は前記基板上にフェイスアップで搭載されることを特徴とする請求項1記載の発光装置の製造方法。
  3. 前記第二工程において、前記分散液に前記蛍光体粒子とともにサブミクロンオーダの熱伝導性フィラーをさらに分散させることを特徴とする請求項1又は2項記載の発光装置の製造方法。
  4. 前記第二工程は、第1の蛍光体粒子を分散させた第1の分散液を静電塗布または静電噴霧する工程と、第2の蛍光体粒子を分散させた第2の分散液を静電塗布または静電噴霧する工程とを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の発光装置の製造方法。
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