JP6187277B2 - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光装置及びその製造方法に関する。
従来、蛍光体を含む蛍光体層を有する発光装置であって、発光素子の側面が光反射性部材で覆われた発光装置が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。このような発光装置によれば、発光素子の側方へ発せられる光を光反射性部材で反射することにより、輝度を向上させることができる。
特許文献１は、フリップチップ実装されたＬＥＤ素子の光取出面を除く部位が光反射粒子を含むコーティング材に覆われ、ＬＥＤ素子の光取出面上にシート状の蛍光体層が設けられた発光装置を開示している。
特許文献２、３は、フリップチップ実装された複数の発光素子上に蛍光体を含む板状の光透過部材が設けられ、発光素子と光透過部材の側面が光反射性材料を含む被覆部材に覆われた発光装置を開示している。
特開２００７−１９０９６号公報 国際公開第２００９／０６９６７１号 特開２０１１−１３４８２９号公報
特許文献１〜３に開示された発光装置においては、発光素子の周囲の光反射性部材の直上の領域が蛍光体を含む層に覆われている。蛍光体を含む層の光反射性部材の直上の領域には、発光素子から直接入射する光が少ないため、この領域から発せられる光は蛍光の割合が多く、他の領域から発せられる光と色度が異なる。このため、このような領域ごとの発光色度の違いが、色ムラとなって視認されるおそれがある。
本発明の目的の一つは、蛍光体層を有する発光装置であって、色ムラの少ない高輝度の発光装置、及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[１]及び[２]の発光装置の製造方法を提供する。
[１] 複数の発光素子を基板上に第１の間隙を有してフェイスダウン実装により搭載する工程と、一枚の透明板材の表面上に、前記複数の発光素子上に接着される複数の蛍光体含有膜を前記第１の間隙に応じた第２の間隙で形成する工程と、前記基板上の前記複数の発光素子上に、前記一枚の透明板材上の前記複数の蛍光体含有膜を、前記複数の蛍光体含有膜が前記複数の発光素子に直接又は透明接着層を介して接触するように、かつ、前記第１の間隙の直上の領域の少なくとも一部が前記蛍光体含有膜に覆われないように接着させる工程と、前記基板上に前記複数の発光素子を囲むダムを形成する工程と、前記ダムの内側に白色反射材を充填し、前記複数の発光素子の側面、及び前記複数の蛍光体含有膜の側面のうちの少なくとも前記第１の間隙に接しない側面を前記白色反射材で覆う工程と、を含む、発光装置の製造方法。
[２]前記複数の蛍光体含有膜を形成する工程は、前記複数の蛍光体含有膜の各々の面積が前記複数の発光素子の各々の面積より大きくなるように行う、前記[１]に記載の発光装置の製造方法。
本発明によれば、蛍光体層を有する発光装置であって、色ムラの少ない高輝度の発光装置、及びその製造方法を提供することができる。
図１は、第１の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る発光装置に含まれる１つの発光素子の周辺の垂直断面図である。 図３は、比較例に係る発光装置の垂直断面図である。 図４（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態に係る発光装置の製造工程を表す垂直断面図である。 図５は、第１の実施の形態に係る発光装置の変形例の垂直断面図である。 図６は、第２の実施の形態に係る発光装置の垂直断面図である。 図７は、第２の実施の形態において蛍光体含有膜の面積が発光素子の面積よりも小さい場合の発光素子の周辺の垂直断面図である。 図８（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施の形態に係る発光装置の製造工程を表す垂直断面図である。
〔第１の実施の形態〕
（発光装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る発光装置１の垂直断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、発光装置１に含まれる１つの発光素子１１の周辺の垂直断面図である。
発光装置１は、基板１０上にフェイスダウン実装された複数の発光素子１１と、複数の発光素子１１上に透明接着層１７を介して設けられた蛍光体含有膜１２と、蛍光体含有膜１２上に、蛍光体含有膜１２に直接接触するように設けられた透明板材１３と、複数の発光素子１１の側面、及び蛍光体含有膜１２の側面のうちの少なくとも複数の発光素子１１の間隙１１ｇ上に位置しない側面１２ｓを覆う白色反射材１５と、を有する。発光装置１において、間隙１１ｇの直上の領域の少なくとも一部が蛍光体含有膜１２に覆われていない。
図２（ａ）は、蛍光体含有膜１２の面積が発光素子１１の面積とほぼ等しい場合の発光素子１１の周辺の図である。この場合、間隙１１ｇの直上の領域には白色反射材１５がほとんど存在しない。
図２（ｂ）は、蛍光体含有膜１２の面積が発光素子１１の面積よりも大きい（ただし、隣接する蛍光体含有膜１２同士は接触しない）場合の発光素子１１の周辺の図である。この場合、間隙１１ｇの直上の一部の領域に白色反射材１５が存在するものの、間隙１１ｇの直上の領域の全てが白色反射材１５に覆われることはない。
発光装置１においては、蛍光体含有膜１２は、複数の発光素子１１の各々の上に１つずつ設けられる複数の蛍光体含有膜であり、透明板材１３は、複数の蛍光体含有膜１２上に設けられる一枚の透明板材である。また、複数の発光素子１１の間隙１１ｇの少なくとも一部にも白色反射材１５が設けられ、複数の発光素子１１の間隙１１ｇに面する側面の少なくとも一部を覆っている。
白色反射材１５は、発光素子１１の側面及び蛍光体含有膜１２の側面１２ｓを覆うように形成されているため、発光素子１１及び蛍光体含有膜１２から側方に発せられる光を反射し、発光装置１の光取出効率を向上させている。なお、発光装置１の光取出効率をより向上させるためには、白色反射材１５が間隙１１ｇをすべて埋めることが好ましく、また、蛍光体含有膜１２の間隙１１ｇ上の側面も覆うことが好ましい。
基板１０は、例えば、ＡｌＮからなる。基板１０は、図示しない配線を有する基板であり、例えば、表面に配線パターンを有する配線基板や、リードフレームインサート基板である。
発光素子１１は、図２（ａ）、（ｂ）に示されるような、チップ基板１１ａと、発光層及びそれを挟むクラッド層を含む結晶層１１ｂとを有するＬＥＤチップである。また、レーザーダイオード等のＬＥＤチップ以外の発光素子であってもよい。チップ基板１１ａは、例えば、サファイア基板、又はＧａＮ基板である。
発光素子１１は、フェイスダウン実装、例えばフリップチップ実装されるため、結晶層１１ｂが下側に位置し、チップ基板１１ａが上側に位置する。このため、蛍光体含有膜１２は発光素子１１のチップ基板１１ａに接触する。結晶層１１ｂ中のｎ型層とｐ型層にはそれぞれ電極１１ｃが接続され、発光素子１１は、電極１１ｃを介して基板１０の配線部分に接続される。
蛍光体含有膜１２は、例えば、蛍光体粒子を含むアルミナ等のセラミックス、蛍光体粒子を含むガラス、又は蛍光体粒子を含む樹脂からなる。特に、セラミックスは樹脂よりも耐熱性や耐光性に優れるため、蛍光体粒子を含むセラミックスが蛍光体含有膜１２の材料として好ましい。蛍光体粒子を含むセラミックスからなる蛍光体含有膜１２は、例えば、ＹＡＧ蛍光体粒子とアルミナ粉末の混合体を含むインクを透明板材１３の表面に塗布し、これを焼結することにより形成される。
蛍光体含有膜１２の厚さは、５０μｍ以下であることが好ましい。蛍光体含有膜１２の厚さを増すと、発光色度を保つために蛍光体粒子の濃度を減らすことになるが、蛍光体含有膜１２が５０μｍよりも厚い場合、蛍光体粒子の濃度の低下により熱伝導率が低下し、発光特性に悪影響を及ぼすおそれがある。また、蛍光体粒子の濃度の低下により、蛍光体粒子の分布に偏りが生じて、発光の色ムラが生じやすくなる。
また、蛍光体粒子の分布の偏りを減らすために、蛍光体粒子の粒径も小さい方が好ましい。例えば、蛍光体粒子の粒径は１５μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。
蛍光体含有膜１２に含まれる蛍光体粒子は、発光素子１１から発せられる光のエネルギーを吸収し、蛍光を発する。発光素子１１から発せられて蛍光体含有膜１２を透過して外部へ射出される光の色と、蛍光体粒子から発せられる蛍光の色との混色が発光装置１の発光色となる。例えば、発光素子１１の発光色が青色であり、蛍光体含有膜１２に含まれる蛍光体粒子の蛍光色が黄色である場合は、発光装置１の発光色は白色になる。
蛍光体含有膜１２は、発光素子１１上に透明接着層１７を介して接着される。透明接着層１７は、例えば、透明樹脂接着剤、透明無機接着剤、低融点ガラスからなる。なお、図１においては透明接着層１７の図示を省略する。
透明板材１３は、ガラス、サファイア、樹脂等の透明材料からなる。透明板材１３の材料として、熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））が小さい材料を用いることにより、透明板材１３が高温になることによる白色反射材１５の劣化を抑え、発光装置１の信頼性を向上させることができる。
また、透明板材１３に表面凹凸加工を施したり、光散乱材を添加したり、散乱材を含有するコーティング層を設けたりすることにより、発光装置１の発光の色ムラをより低減することができる。この光散乱材としては、透明板材１３と屈折率の異なる材料、例えば酸化チタンを用いることができる。
ダム１４は、例えば、樹脂、金属、セラミックス、ガラス等からなる。発光装置１においては、白色反射材１５がリフレクターとしての機能を果たすため、ダム１４が光反射性を有する必要はない。
白色反射材１５は、例えば、酸化チタン等の白色染料を含むシリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂等の樹脂や、低融点ガラスからなる。
図３は、比較例に係る発光装置５の垂直断面図である。発光装置５は、発光装置１の蛍光体含有膜１２及び透明板材１３の代わりに、平板状の蛍光体含有板５０を有する。蛍光体含有板５０は、例えば、蛍光体粒子を含む透明樹脂やガラス、又は単結晶蛍光体等からなる。
発光装置５においては、複数の発光素子１１の間隙の直上の領域の全てが蛍光体含有板５０に覆われている。蛍光体含有板５０の白色反射材１５の直上の領域５１には、発光素子１１から直接入射する光が少ないため、この領域５１から発せられる光は蛍光の割合が多く、他の領域から発せられる光と色度が異なる。具体的には、例えば、発光素子１１の発光色が青色であり、蛍光体含有板５０の蛍光色が黄色である場合は、領域５１から発せられる光は他の領域から発せられる光よりも黄色が強い。このため、発光装置５においては、このような領域ごとの発光色度の違いが、色ムラとなって視認されるおそれがある。
一方、発光装置１においては、複数の発光素子１１の間隙１１ｇに設けられる白色反射材１５の直上の領域の少なくとも一部は蛍光体含有膜１２に覆われないため、発光の色ムラが抑えられている。また、蛍光体含有膜１２は蛍光体含有板５０よりも薄く、白色反射材１５との接触面積が小さいため、蛍光体の発熱による白色反射材１５の熱膨張が少なく、また、白色反射材１５の熱劣化によるクラック等の損傷を抑えることもできる。なお、透明板材１３には発熱源である蛍光体が含まれないため、発光装置１の動作時に発熱することはない。熱伝導率の低い材料を透明板材１３の材料に用いることにより、蛍光体含有膜１２が発する熱で透明板材１３が高温にならないため、白色反射材１５が樹脂からなる場合に、白色反射材１５の劣化を抑えられる。
また、発光装置１の蛍光体含有膜１２は、発光装置５の蛍光体含有板５０よりも著しく薄く形成されるため、蛍光体含有膜１２の基材が熱伝導率の小さい樹脂等であっても、その基材の中を熱が移動する距離が短く、熱抵抗が低い。そして、蛍光体粒子から発せられた熱は発光素子１１を通って効率的に放熱される。このため、白色反射材１５等の周辺部材の熱劣化を抑えることができる。また、蛍光体含有膜１２の熱抵抗が低いことにより、蛍光体粒子の熱を効果的に下げることができるため、発光装置１の発光効率が向上し、光束が向上する。蛍光体含有板５０は厚いために熱抵抗値が高く、放熱経路となる発光素子１１から遠い部分が高温になり、周辺部材が劣化しやすい。
（発光装置の製造工程）
以下に、発光装置１の製造工程の一例を示す。
図４（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態に係る発光装置１の製造工程を表す垂直断面図である。
まず、図４（ａ）に示されるように、基板１０上に複数の発光素子１１をフェイスダウン実装する。一方で、一枚の透明板材１３の表面上に複数の蛍光体含有膜１２を形成する。
発光素子１１は、例えば、半田バンプやＡｕスタッドバンプによる接合、金属微粒子接合、又は金属表面活性化等により、基板１０上に実装される。
複数の蛍光体含有膜１２は、スクリーン印刷等の印刷や、スピンコーティングや静電塗布により、ＹＡＧ蛍光体粒子とアルミナ粉末の混合体を含むインク等の液状の前駆体を透明板材１３の表面上に塗布し、これを焼結することにより形成される。なお、スピンコーティングや静電塗布を用いる場合は、例えば、透明板材１３上の全面に蛍光体含有膜１２を塗布し、焼結した後、フォトリソグラフィを用いてこれをパターニングすることにより形成される。また、フォトレジストを用いたリフトオフ法を用いて形成されてもよい。
次に、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるように、基板１０上の複数の発光素子１１に透明板材１３上の複数の蛍光体含有膜１２を接着させる。まず、発光素子１１上に透明接着層１７を塗布した後、蛍光体含有膜１２を発光素子１１に接触させ、透明接着層１７により両者を接着させる。なお、蛍光体含有膜１２の基材として低融点ガラスを用いる場合は、蛍光体含有膜１２を接着層として用いて、加熱により蛍光体含有膜１２を発光素子１１に直接接着させてもよい。この場合、透明接着層１７は用いられない。
このとき、複数の発光素子１１の間隙１１ｇの直上の領域の少なくとも一部が蛍光体含有膜１２に覆われないように、発光素子１１と蛍光体含有膜１２が接着される。
次に、図４（ｄ）に示されるように、基板１０上に複数の発光素子１１を囲むダム１４を形成する。ダム１４は、例えば、液状の白色樹脂を基板１０上に環状に滴下し、これを硬化させることにより形成される。
次に、図４（ｅ）に示されるように、ダム１４の内側に白色反射材１５を充填する。白色反射材１５は、例えば、液状の白色樹脂をダム１４の内側に滴下により充填した後、これを硬化することにより形成される。
白色反射材１５は、複数の発光素子１１の側面、及び蛍光体含有膜１２の側面のうちの少なくとも間隙１１ｇ上に位置しない側面１２ｓを覆い、複数の発光素子１１の間隙１１ｇの少なくとも一部に充填されるように形成される。白色反射材１５は、透明板材１３の光取出面である上面は覆わない。なお、複数の発光素子１１の間隙内の白色反射材１５は、蛍光体含有膜１２を発光素子１１に接着させる前に充填されてもよい。
図５は、第１の実施の形態に係る発光装置１の変形例である発光装置２の垂直断面図である。発光装置２は、蛍光体含有膜１２が複数の発光素子１１上に設けられる一枚の蛍光体含有膜である点で、発光装置１と異なる。
また、発光装置２においては、図５に示されるように、複数の発光素子１１の間隙１１ｇには透明樹脂等の透明材１６が設けられ、複数の発光素子１１の側面のうちの間隙１１ｇに面しない側面１１ｓのみが白色反射材１５に覆われることが好ましい。これは、複数の発光素子１１の間隙１１ｇに白色反射材１５を設けた場合は、間隙１１ｇに設けられた白色反射材１５の直上の領域の全てが蛍光体含有膜１２に覆われることになり、発光装置５と同様の理由により発光の色ムラが生じるおそれがあるためである。ただし、蛍光体含有膜１２は発光装置５の蛍光体含有板５０よりも薄いため、複数の発光素子１１の間隙１１ｇに白色反射材１５を設けた場合であっても、発光装置５より色ムラは小さい。
複数の発光素子１１の間隙１１ｇに透明材１６を設ける場合は、蛍光体含有膜１２を発光素子１１に接着させる前に、複数の発光素子１１の間隙１１ｇに透明材１６を充填することが好ましい。また、蛍光体含有膜１２を発光素子１１に接着させる前に、複数の発光素子１１の上面に間隙１１ｇを充填できる量の透明材１６を塗布し、蛍光体含有膜１２を発光素子１１に接着させる際に塗布した透明材を間隙１１ｇ内へ流れ込ませてもよい。
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、発光装置の透明板材の構成において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
（発光装置の構成）
図６は、第２の実施の形態に係る発光装置３の垂直断面図である。発光装置３は、第１の実施の形態に係る発光装置１の一枚の透明板材１３の代わりに、複数の蛍光体含有膜１２の各々の上に１つずつ設けられる複数の透明板材１３を有する。
発光装置３によれば、透明板材１３が複数の蛍光体含有膜１２の各々の上に設けられるため、基板１０上に実装された複数の発光素子１１の高さにばらつきがある場合であっても、発光素子１１と蛍光体含有膜１２との間隔（透明接着層１７の厚さ）の均一性を高くすることができ、透明接着層１７の厚さのばらつきに起因する発光素子１１ごとの発光色度のばらつきを抑えることができる。また、透明接着層１７の厚さのばらつきに起因する領域ごとの放熱性のばらつきを低減することにより、温度のばらつきによる発光の色ムラを抑えることもできる。
また、複数に分割された透明板材１３は、一枚の板材である場合と比較して、透明板材１３内の水平方向の光の伝播を減らすことができるため、光取出効率を向上させることができる。
白色反射材１５は、第１の実施の形態に係る発光装置１と同様に、複数の発光素子１１の側面、及び蛍光体含有膜１２の側面のうちの少なくとも間隙１１ｇ上に位置しない側面１２ｓを覆う。そして、発光装置１の光取出効率をより向上させるために、間隙１１ｇをすべて埋めることが好ましく、また、蛍光体含有膜１２の間隙１１ｇ上の側面も覆うことが好ましい。
図７は、第２の実施の形態において蛍光体含有膜１２の面積が発光素子１１の面積よりも小さい場合の発光素子１１の周辺の垂直断面図である。この場合、間隙１１ｇの直上の領域には白色反射材１５が存在しない。
（発光装置の製造工程）
以下に、発光装置１の製造工程の一例を示す。
図８（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施の形態に係る発光装置３の製造工程を表す垂直断面図である。
まず、図８（ａ）に示されるように、基板１０上に複数の発光素子１１をフェイスダウン実装する。一方で、その表面上に複数の蛍光体含有膜１２の各々が１つずつ形成された複数の透明板材１３を形成する。すなわち、透明板材１３と蛍光体含有膜１２からなる複数のブロックを形成する。
透明板材１３と蛍光体含有膜１２からなる複数のブロックは、例えば、透明板材１３上の全面に蛍光体含有膜１２を形成した後、蛍光体含有膜１２ごと透明板材１３を分割することにより形成される。
次に、図８（ｂ）、（ｃ）に示されるように、基板１０上の複数の発光素子１１に透明板材１３上の複数の蛍光体含有膜１２を接着させる。まず、発光素子１１上に透明接着層１７を塗布した後、蛍光体含有膜１２を発光素子１１に接触させ、透明接着層１７により両者を接着させる。なお、蛍光体含有膜１２の基材として低融点ガラスを用いる場合は、蛍光体含有膜１２を接着層として用いて、加熱により蛍光体含有膜１２を発光素子１１に直接接着させてもよい。
このとき、複数の発光素子１１の間隙１１ｇの直上の領域の少なくとも一部が蛍光体含有膜１２に覆われないように、発光素子１１と蛍光体含有膜１２が接着される。
次に、図８（ｄ）に示されるように、基板１０上に複数の発光素子１１を囲むダム１４を形成する。
次に、図８（ｅ）に示されるように、ダム１４の内側に白色反射材１５を充填する。
白色反射材１５は、複数の発光素子１１の側面、及び蛍光体含有膜１２の側面のうちの少なくとも間隙１１ｇ上にない側面１２ｓを覆い、複数の発光素子１１の間隙１１ｇの少なくとも一部に充填されるように形成される。白色反射材１５は、透明板材１３の光取出面である上面は覆わない。
（実施の形態の効果）
上記の第１及び第２の実施の形態によれば、透明板材上に形成される蛍光体含有膜を蛍光体層として用いて、発光素子及び蛍光体層の周囲を白色反射材で囲むことにより、色ムラの少ない高輝度の発光装置を得ることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
また、上記の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１、２、３ 発光装置
１０ 基板
１１ 発光素子
１１ｇ 間隙
１１ｓ 側面
１２ 蛍光体含有膜
１２ｓ 側面
１３ 透明板材
１５ 白色反射材

Claims (2)

  1. 複数の発光素子を基板上に第１の間隙を有してフェイスダウン実装により搭載する工程と、
    一枚の透明板材の表面上に、前記複数の発光素子上に接着される複数の蛍光体含有膜を前記第１の間隙に応じた第２の間隙で形成する工程と、
    前記基板上の前記複数の発光素子上に、前記一枚の透明板材上の前記複数の蛍光体含有膜を、前記複数の蛍光体含有膜が前記複数の発光素子に直接又は透明接着層を介して接触するように、かつ、前記第１の間隙の直上の領域の少なくとも一部が前記蛍光体含有膜に覆われないように接着させる工程と、
    前記基板上に前記複数の発光素子を囲むダムを形成する工程と、
    前記ダムの内側に白色反射材を充填し、前記複数の発光素子の側面、及び前記複数の蛍光体含有膜の側面のうちの少なくとも前記第１の間隙に接しない側面を前記白色反射材で覆う工程と、を含む、発光装置の製造方法。
  2. 前記複数の蛍光体含有膜を形成する工程は、前記複数の蛍光体含有膜の各々の面積が前記複数の発光素子の各々の面積より大きくなるように行う、請求項１に記載の発光装置の製造方法。
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