JP6221387B2 - 発光装置とその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子とパッケージとを備える発光装置とその製造方法に関する。
従来、液晶テレビ用バックライト、照明器具、或いは光通信用デバイスなどの光源として発光装置が広く用いられている。発光装置は、発光素子と、発光素子を収容する凹部を有するパッケージと、を備える(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−153624号公報
ところで、発光装置の耐久性を向上させるために、光と熱の影響を受けやすい凹部の内周面を被覆膜で覆うことが有効だと考えられる。
しかしながら、被覆膜で内周面を被覆すると、光と熱によって樹脂材料が分解されて生成される物質がパッケージ内部にとどまりやすいため、パッケージが変色するおそれがある。また、被覆膜によってパッケージ内部への酸素の供給が遮られると、パッケージの構成材料の分解が進むことで一時的にパッケージが変色してしまうおそれもある。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、パッケージの耐久性を向上しつつ、パッケージの変色を抑制できる発光装置とその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る発光装置は、少なくとも一つの発光素子と、パッケージと、被覆膜と、リードと、を備える。パッケージは、発光素子が収容される凹部の内周面の少なくとも一部を形成する。被覆膜は、凹部の内周面を形成するパッケージの少なくとも一部を覆い、透光性と絶縁性を有する。リードは、凹部の底面に配置され、発光素子と電気的に接続される。パッケージの少なくとも一部は、樹脂を含む基材と、基材と異なる熱膨張係数を有する複数の粒子と、によって構成される。複数の粒子は、少なくとも凹部の内周面付近に配置される。
本発明によれば、パッケージの耐久性を向上しつつ、パッケージの変色を抑制できる発光装置とその製造方法を提供することができる。
発光装置の概略平面図 図1のA−A線における概略断面図 パッケージと被覆膜の概略断面図 被覆膜の表面のSEM画像 被覆膜の表面の拡大SEM画像 発光装置の製造方法を説明するための概略断面図 パッケージと被覆膜の概略断面図 パッケージと被覆膜の概略断面図
次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
(発光装置100の構成)
発光装置100の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、発光装置100の構成を示す概略平面図である。図2は、図1のA−Aにおける概略断面図である。
本実施形態の発光装置100は、発光素子10と、パッケージ20と、一対のリード30と、被覆膜40と、封止部材50と、を備える。
1.発光素子10
発光素子10は、パッケージ20が少なくともその一部を形成する凹部22C内に収容される。発光素子10は、凹部22Cの底面に載置され、図1に示すように、リード30上に載置されることができる。発光素子10は、接着材によって、リード30に固定される。発光素子10は、第1ワイヤ10aと第2ワイヤ10bを介して、リード30と電気的に接続される。
発光素子10は、その一部に発光を行う半導体層を備える。発光素子10としては、例えば、次の一般式(1)で表される窒化物半導体によって構成される青色や紫外発光のLEDを用いることができる。
AlXGaYInZN ・・・(1)
なお、一般式(1)において、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1、X+Y+Z=1、である。
このような発光素子10は、例えば、MOCVD法などの気相成長法によって、基板上にInN、AlN、InGaN、AlGaN、InGaAlNなどの窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで形成することができる。
発光素子10は、窒化物半導体のほか、ZnO、ZnS、ZnSe、SiC、GaP、GaAlAs、AlInGaP等の半導体によって構成されていてもよい。このような半導体は、n型半導体層、発光層(活性層)、p型半導体層が順に形成された積層構造を有していてもよい。発光層には、多重量子井戸構造や単一量子井戸構造をした積層半導体又はダブルへテロ構造の積層半導体を用いることが好ましい。なお、サファイア基板などの透光性基板を用いた場合、不透光性基板を用いた場合に比べて、発光層から側方に向かって光が出射されやすいため、パッケージ20に対する影響は強まる。
発光素子10の出射光のピーク波長は、半導体の材料やその混晶(組成比)に応じて、紫外光から赤外光まで選択することができる。出射光のピーク波長は、350nm〜800nmとすることができ、360nm〜520nmであることが好ましく、420nm〜480nm(すなわち、可視光の短波長領域)であることがより好ましい。なお、出射光のピーク波長が短いほど出射光のエネルギーが高まるため、パッケージ20に対する影響は強まる。
発光素子10の実装タイプは、フェイスアップ実装やフリップチップ実装のいずれであってもよい。また、発光素子10では、n側電極とp側電極が同一面側に形成されていてもよいし、n側電極とp側電極が半導体を挟んでそれぞれ反対側に形成されていてもよい。
2.パッケージ20
発光装置100は、発光素子10を収容するための凹部22Cを有する。パッケージ20は、この凹部22Cの内周面22Sの少なくとも一部を形成する。凹部22Cは、少なくとも基部21と、側壁部22と、を有する。本実施形態においては、パッケージ20は、発光装置100の側面を形成するとともに凹部22Cの内周面の全面を形成している。凹部22Cの基部21と側壁部22は、パッケージ20で一体成形されている。
発光素子10の出射光は、凹部22Cの内周面22Sに反射されることによって、凹部22Cから外部に放出される。凹部22Cは、略四角錐台形に形成されており、凹部22Cの開口側に向かって徐々に広がっている。これによって、発光素子10の出射光の効率的な発光装置100外部への放出が図られている。ただし、内周面22Sは、凹部22Cの底面に対して略垂直であってもよい。
凹部22Cの底面に平行な方向において、発光素子10と側壁部22(すなわち、内周面22S)との間隔DTは、0.05mm〜2mmとすることができる。間隔DTが0.5mm以下である場合、発光素子10の出射光が側壁部22に与える影響が大きくなり、側壁部22は熱と光によって分解されやすい。なお、内周面22Sが凹部22Cの底面に対して略垂直である場合には、発光素子10と内周面22Sの間隔DTが小さくなりやすいため、発光素子10の出射光が側壁部22に与える影響は特に大きくなる。
本実施形態において、パッケージ20の外形は、直方体形状であるが、これに限らず円柱、三角柱、五角柱以上の多角柱、或いはこれらに近似する形状であってもよい。パッケージ20は、下記の基材20aと粒子20bなどの材料を混合した後に、射出成型法やトランスファーモールド法で成形することによって形成することができる。
本実施形態において、パッケージ20は、樹脂と任意に含有されるフィラーによって構成される基材20aと、基材20aに混合される複数の粒子20bと、を含む。
基材20aの樹脂としては、どのような種類の樹脂でもよいが、耐光性が高い熱硬化性樹脂が好適である。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、トリアジン誘導体エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂などを用いることができる。パッケージ20に対する樹脂の含有率は、例えば10wt%〜30wt%とすることができる。
基材20aのフィラーには、光反射部材、無機充填材、硬化触媒、拡散剤、顔料、蛍光物質、反射性物質、遮光性物質、光安定剤、離形剤などが含まれうる。本実施形態に係るフィラーは、光反射部材としての二酸化チタンと、無機充填材としての二酸化ケイ素と、を含んでいる。パッケージ20全体に対する二酸化チタンの含有率は、例えば10wt%〜30wt%とすることができる。パッケージ20全体に対する二酸化ケイ素の含有率は、例えば50wt%〜80wt%とすることができる。
複数の粒子20bは、基材20aに混合されている。複数の粒子20bは、少なくとも凹部の内周面22S付近に配置されていればよく、パッケージ20の全体に含まれていなくてもよい。粒子20bは、基材20aと異なる熱膨張係数の材料によって構成される。このような粒子20bの材料としては、例えば、基材20がエポキシ樹脂である場合にはシリコーンゴムが好適であるが、これに限られるものではない。
粒子20bの断面形状は、円形や楕円形のほか様々な形状を取りうる。粒子20bの円相当径は、例えば1〜10μm程度とすることができる。後述するように、粒子20bが温度変化に応じて膨張収縮することによって、被覆膜40に微小クラック40aが形成される。パッケージ20全体に対する粒子20bの含有率は、例えば0.5wt%〜5wt%とすることができる。
3.リード30
本実施形態のように、リード30が凹部22Cの底面に配置されてもよい。リード30は、通常、第1リード部31と、第2リード部32と、を有する。
第1リード部31と第2リード部32は、外部電極と発光素子10を電気的に接続するための正負一対の電極である。第1リード部31と第2リード部32は、図1に示すように、凹部22Cの底面に配置され、それぞれが異なる方向に向かって延在する。第1リード部31と第2リード部32は、発光装置100の底面側に露出している。なお、第1リード部31と第2リード部32は、パッケージ20の側面から外部に突出していてもよい。この場合には、発光装置100の底面側に折り返されていてもよいし、発光装置100の側面から真っ直ぐ突出してもよい。
リード30は、例えば、鉄、リン青銅、銅合金などの電気良導体を用いて形成される。リード30の表面には、発光素子10の出射光の反射率を高めるためのメッキ層が形成されていることが好ましい。メッキ層は、銀、アルミニウム、銅及び金などを含む材料によって構成することができ、特に反射率の高い銀を含んでいることが好ましい。メッキ層は、リード30のうち凹部22C内に露出した露出面30だけにメッキ処理することで形成してもよいし、個片化前のリードフレームの表面全体にメッキ処理することで形成してもよい。
4.被覆膜40
被覆膜40は、少なくとも、パッケージ20によって形成された凹部22Cの内周面22Sの一部を被覆する。本実施形態においては、凹部22Cの内周面22Sの全面と、側壁部22の上面22Tと、リード30の露出面30Sと、発光素子10の表面と、を覆う。被覆膜40の厚みは、3nm〜100nmとすることができる。
被覆膜40は、透光性と絶縁性を有する材料によって構成される。このような材料としては、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化亜鉛などが挙げられる。本実施形態において、「透光性を有する」とは、発光素子10の出射光の吸収率が50%以下であることを意味しており、特に20%以下であることが好ましい。
被覆膜40は、従来知られている薄膜形成法によって形成することができる。薄膜形成法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタリング法を挙げることができる。特に、被覆膜40の緻密性を向上させたい場合には、CVD法のうちALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法が特に好適である。
被覆膜40は、パッケージ20で形成された凹部22Cの内周面22S、特に側壁部22を保護する保護膜として機能し、側壁部22の耐久性を向上させる。また、リード30の表面が銀メッキ層の場合であれば、被覆膜40は、リード30の硫化を抑制する硫化抑制膜としても機能しうる。ただし、被覆膜40がALD法によって緻密に形成されている場合やCVD法で厚めに形成されている場合には、銀の硫化を効果的に抑制できる一方でガス透過性は低くなる。そのため、パッケージ20が発光素子10からの出射光や熱によって分解された場合、分解生成物や酸素は被覆膜40を透過しにくくなる。
ここで、図3は、パッケージ20と被覆膜40の断面を模式的に示す概略断面図である。図4は、被覆膜40のうち内周面22Sを覆う部分のSEM(Scanning Electron Microscope)画像である。図5は、被覆膜40の拡大SEM画像である。図3では、内周面22Sに垂直な切断面が図示されている。
図3乃至図5に示すように、被覆膜40には、複数の微小クラック40aが形成されている。微小クラック40aは、少なくとも、パッケージ20で形成された凹部22Cの内周面22S付近に位置する粒子20b上に形成される。微小クラック40aの幅WDは、0.5μm〜30μm程度とすることができる。微小クラック40aの幅WDは、粒子20bのサイズに応じて調整できる。図3乃至図5では、被覆膜40がめくれて形成された孔状の微小クラック40aが図示されているが、封止部材50で押さえられている場合であれば、微小クラック40aはスリット状に形成される。微小クラック40aは、特別な工程で形成する必要はなく、後述するように、被覆膜40の成膜後の降温過程において自然に形成することができる。
複数の微小クラック40aの発生頻度は、被覆膜40の表面において直径5μm程度のものが500個/mm2以上であることが好ましい。また、被覆膜40の表面における微小クラック40aの面積占有率は、1.5%以上であることが好ましい。これによって、パッケージ20、特に側壁部22が出射光の光と熱によって分解された場合に、分解生成物を微小クラック40aから外部に効率的に放出できる。その結果、分解生成物によってパッケージ20が変色することを抑制できる。さらに、微小クラック40aを介して内部へ酸素を供給できるため、酸欠状態によって生じる構成材料の分解も抑制することができる。なお、微小クラック40aの発生頻度や面積占有率は、パッケージ20全体に対する粒子20bの含有率を変更することで容易に調整可能である。
また、複数の微小クラック40aの発生頻度は、被覆膜40の表面において、6000個/mm2以下であることが好ましい。また、被覆膜40の表面における微小クラック40aの面積占有率は、5%以下であることが好ましい。
5.封止部材50
本実施形態では、封止部材50は、凹部22Cに充填され、発光素子10を封止する。封止部材50の材料は特に限定されるものではないが、透光性、耐熱性、耐候性、耐光性に優れた樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂としては、前述した各種の熱硬化性樹脂が挙げられる。
封止部材50は、フィラー、拡散剤、顔料、蛍光物質、反射性物質などの公知の添加剤を含有していてもよい。拡散剤としては、例えばチタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素などが好適である。
封止部材50は、発光素子10の出射光を吸収して波長変換する蛍光物質を含有していてもよい。蛍光物質としては、例えば、Eu、Ceなどのランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体、酸窒化物系蛍光体、サイアロン系蛍光体、Euなどのランタノイド系、Mnなどの遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、Ceなどのランタノイド系元素で主に付活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩、Euなどのランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等が挙げられる。
このような封止部材50の一部は、微小クラック40aの中に入り込んで設けられてもよく、微小クラック40aの開口部を塞ぐように設けられてもよい。
(発光装置100の製造方法)
発光装置100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図6は、発光装置100の製造方法を説明するための概略断面図である。
まず、図6(a)に示すように、リード30を金型内にセットして、パッケージ20の材料を流し込んで固めることによって、パッケージ20とリード30を一体成形する。この際、パッケージ20には、発光素子10を収容するための凹部22Cが形成される。また、凹部22Cの底面には、リード30が露出する。
次に、図6(b)に示すように、接着材によって、発光素子10をリード30に機械的に接続する。
次に、第1ワイヤ10aと第2ワイヤ10bによって、発光素子10をリード30に電気的に接続する。
次に、図6(c)に示すように、薄膜形成法を用いて、凹部22Cの内周面22Sと、側壁部22の上面22Tと、リード30の露出面30Sと、発光素子10の表面と、を被覆膜40によって覆う。具体的に、ALD法を用いて酸化アルミニウム膜を形成する手法を説明する。まず、H2Oガスをチャンバー内に導入して、被覆する対象物(本実施形態においては、側壁部22、リード30及び発光素子10)表面にOH基を形成させる。次に余剰ガスを排気した後に、TMA(トリメチルアルミニウム)ガスをチャンバー内に導入して、被覆膜40で被覆する対象物(本実施形態においては、側壁部22、リード30及び発光素子10)表面のOH基とTMAを反応(第1反応)させる。次に、H2Oガスをチャンバー内に導入して、OH基と結合したTMAとH2Oを反応(第2反応)させる。次に、余剰ガスを排気した後に、第1反応と第2反応を繰り返して所望の厚みの緻密な酸化アルミニウム膜を形成する。この際、被覆膜40の成膜後に室温まで降温させる過程において、側壁部22内の粒子20bが膨張収縮することによって複数の微小クラック40aが形成される。
次に、凹部22Cに封止部材50を充填して、封止部材50を加熱することによって硬化させる。
以上によって発光装置100が完成する。
(その他の実施形態)
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記実施形態において、凹部22Cに1個の発光素子10が収容されることとしたが、これに限られるものではない。凹部22Cには、複数個の発光素子10が収容されていてもよい。この場合、全ての発光素子10が同種類であってもよく、発光素子10ごとに発光ピーク波長が異なっていてもよい。従って、凹部22Cには、例えば赤・緑・青の発光色を示す3個の発光素子を収容することもできる。
上記実施形態においては、凹部22Cの基部21と側壁部22との両方が粒子20bを含有するパッケージ20で一体に形成されることとしたが、これに限られない。例えば、凹部22Cのうち、側壁部22のみがパッケージ20によって構成され、基部21はそれと異なる部材で構成されてもよい。
上記実施形態において、微小クラック40aは、成膜後の降温過程で形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、封止部材50の硬化工程や発光装置100を二次実装する際のリフロー工程においても微小クラック40aを形成できる。また、硬化工程やリフロー工程のようにパッケージ20を加熱する工程だけでなく、パッケージ20を冷却する工程を入れることによっても微小クラック40aを形成できる。
また、上記実施形態において、粒子20bは、側壁部22を形成するパッケージ20の内部に一様に分散されることとしたが、粒子20bは、側壁部22のうち内周面22S付近にのみ存在していればよい。
上記実施形態において、被覆膜40は、パッケージ20で全面が形成された凹部22Cの内周面22Sおよび側壁部22の上面22Tと、リード30の露出面30Sと、発光素子10の表面と、を覆うこととしたが、凹部の内周面22Sの少なくとも一部を覆っていればよい。この場合であっても、パッケージ20の保護と変色抑制を図ることができる。
上記実施形態では、分解生成物や酸素が被覆膜40を通過できるように、被覆膜40に微小クラック40aを設けることとしたが、これに限られるものではない。図7に示すように、被覆膜40の厚みが、粒子20b付近において局所的に薄くなっていればよい。この場合には、被覆膜40のうち肉薄部40bにおいて分解生成物や酸素を透過させることによって、パッケージ20の変色抑制を図ることができる。なお、肉薄部40bは、ALD法で成膜する際に、TMAガスの一部をシリコーン粒子に吸収させることで形成することができる。そのため、粒子20bとしてシリコーン粒子を用いることによって、肉薄部40bを簡便に形成することができる。
上記実施形態では、被覆膜40の一部を破ることで微小クラック40aを形成したが、これに限られるものではない。例えば、図8に示すように、粒子20bに切り欠きが形成されている場合には、その切り欠きに沿って微小クラック40aを形成することができる。この場合には、昇温又は降温工程の有無によらず微小クラック40aを簡便に形成することができる。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
10…発光素子
20…パッケージ
20a…基材
20b…粒子
21…基部
22…側壁部
22C…凹部
22S…内周面
22T…上面
30…リード
30S…露出面
40…被覆膜
40a…クラック
40b…肉薄部
50…封止部材
100…発光装置

Claims (11)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子が収容される凹部の内周面の少なくとも一部を形成するパッケージと、
    前記凹部の底面に配置され、前記発光素子と電気的に接続されるリードと、
    前記凹部の内周面を覆い、透光性と絶縁性を有する被覆膜と、
    を備え、
    前記パッケージは、樹脂を含む基材と、前記基材と異なる熱膨張係数を有し、少なくとも前記内周面付近に配置される複数の粒子と、によって構成され、
    前記被覆膜は、前記複数の粒子上に形成された複数の微小クラックを有する、又は/及び、前記基材上に比べて前記複数の粒子上において厚みが薄く形成されている、
    発光装置。
  2. 前記基材は、エポキシ樹脂とフィラーによって構成され、
    前記複数の粒子は、シリコーンによって構成される、
    請求項1に記載の発光装置。
  3. 前記フィラーは、二酸化ケイ素と二酸化チタンの少なくとも一方を含む、
    請求項2に記載の発光装置。
  4. 前記被覆膜は、前記リードの表面を覆う、
    請求項1乃至のいずれかに記載の発光装置。
  5. 前記被覆膜は、主成分として酸化アルミニウムまたは二酸化ケイ素を含む、
    請求項1乃至のいずれかに記載の発光装置。
  6. 前記発光素子と前記パッケージが形成する前記内周面の間隔は、2mm以下である、
    請求項1乃至のいずれかに記載の発光装置。
  7. 前記発光素子の出射光のピーク波長は、360nm以上520nm以下である、
    請求項1乃至のいずれかに記載の発光装置。
  8. 発光素子を収容するための凹部の内周面の少なくとも一部を形成し、樹脂を含む基材と前記基材と異なる熱膨張係数を有する複数の粒子とによって構成されるパッケージと、前記凹部の底面に配置されるリードと、を一体成形する工程と、
    前記凹部の内周面を、透光性と絶縁性を有する被覆膜によって覆う工程と、
    前記複数の粒子の膨張収縮によって前記被覆膜のうち前記複数の粒子上に複数の微小クラックを形成する工程、又は/及び、前記基材上に比べて前記複数の粒子上において前記被覆膜の厚みを薄く形成する工程と、
    を備える発光装置の製造方法。
  9. 前記被覆膜によって前記内周面を覆う工程では、原子層堆積法によって前記被覆膜を形成する、
    請求項に記載の発光装置の製造方法。
  10. 前記被覆膜によって前記内周面を覆う工程では、前記リードの表面を前記被覆膜によって覆う、
    請求項又はに記載の発光装置の製造方法。
  11. 前記複数の微小クラックを形成する工程では、前記パッケージを加熱又は冷却する、
    請求項乃至10に記載の発光装置の製造方法。
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