JP6520482B2

JP6520482B2 - 発光装置

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Publication number: JP6520482B2
Application number: JP2015131739A
Authority: JP
Inventors: 統多留木; 有紀子大島
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP2017017162A

Description

本発明は、発光装置に関し、より詳細には、発光素子が基板上にダイボンド部材を介して接合されて構成された発光装置に関する。

従来、基板に発光素子が接合されてなる発光装置がある。このような発光装置においては、発光素子を基板に接続するために、種々のダイボンド部材が用いられる。ダイボンド部材は、たとえば、エポキシやポリイミド等の熱硬化性樹脂などの樹脂材料、それらの樹脂にＡｇやシリカ等のフィラーを含有させた複合材料、Ａｕ−ＳｎやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ等の金属材料が利用されている。

特開２００５−１９１１３５号公報

しかし、上述のような発光装置に利用されるダイボンド部材は、光反射率が低い材料が用いられる場合がある。たとえば、樹脂を含有するダイボンド部材は、発光素子からの光や熱により、変色することがあり、それによって光吸収率が上昇する場合がある。このように、従来の構成の発光装置では、発光素子の近傍に位置するダイボンド部材によって光が吸収されてしまい、十分に光が取り出せないという問題がある。

本実施形態は、以下の構成を含む。
基板と、
前記基板上に、ダイボンド部材を介して接続される、発光層を備えた発光素子と、
前記発光素子の周囲に載置される光反射部材と、
を備え、
前記ダイボンド部材は、前記発光素子の周囲に延在する延在部を備え、
前記光反射部材は、前記発光素子が挿通される開口部を備え、
該開口部の内側面の上端は、前記延在部の上方に位置すると共に、前記発光素子の発光層よりも下側に位置する。

このような構成により、光取り出し効率が高い発光装置を得ることができる。

図１Ａは、一実施形態に係る発光装置を示す模式的上面図である。図１Ｂは、図１ＡのＹ−Ｙ線における模式的断面図である。図１Ｃは、図１ＡのＸ−Ｘ線における模式的断面図である。図２（ａ）〜（ｆ）は、一実施形態に係る発光装置を示す模式的断面である。図３（ａ）〜（ｄ）は、実施形態に係る発光装置の製造方法を示す模式図である。

以下、本開示の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する発光装置は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態において説明する内容は、他の実施の形態にも適用可能である。

実施形態に係る発光装置を図１Ａ〜図１Ｃに示す。発光装置は、基板１０と、発光素子２０と、ダイボンド部材３０と、光反射部材４０と、を備える。発光素子２０はダイボンド部材３０を介して基板１０上に接続されている。光反射部材４０は、開口部４０ａを備えており、この開口部４０ａ内において露出された基板１０上に発光素子２０が載置されている。

ダイボンド部材３０は、発光素子２０の直下に設けられる部分と、発光素子２０の周囲に延在して設けられる延在部３０ａと、を有している。そして、この延在部３０ａの上方に光反射部材４０が配置されている。詳細には、光反射部材の開口部４０ａの内側面の上端が、ダイボンド部材の延在部３０ａの上方に位置し、かつ、発光素子の発光層２０ａよりも下側に位置している。これにより、発光素子２０からの光を効率よく取り出すことができる。
以下、各部材について詳説する。

（発光素子）
発光素子２０は、発光層を備えた半導体発光素子であればよく、いわゆる発光ダイオード等があげられる。たとえば、基板上に、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等、種々の半導体によって、発光層を含む半導体層の積層構造が形成されたものが挙げられる。基板としては、Ｃ面、Ａ面、Ｒ面のいずれかを主面とするサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）やスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、またＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、ＬｉＮｂＯ_３、ＮｄＧａＯ_３等の酸化物基板、窒化物半導体基板（ＧａＮ、ＡｌＮ等）等が挙げられる。半導体の構造としては、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造、多重量子井戸構造としてもよい。半導体層には、Ｓｉ、Ｇｅ等のドナー不純物および／またはＺｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされる場合もある。得られる発光素子の発光波長は、半導体の材料、混晶比、発光層のＩｎＧａＮのＩｎ含有量、半導体層にドープする不純物の種類を変化させる等によって、紫外領域から赤外領域まで変化させることができる。

発光素子２０は、特にその上面視形状は限定されず、たとえば、三角形、四角形、六角形等の多角形、円形、楕円形、またはこれに近い形状、及び、これらを組み合わせた形状を利用することができる。

発光素子２０の、ダイボンド部材３０と接する底面には、全面または一部において、金属膜が形成されていることが好ましく、特に、発光素子の底面全面に形成されていることが好ましい。これにより、発光素子の直下に形成されているダイボンド部材に吸収される光を減少させることができ、光の取り出し効率を高めることができる。金属膜は、発光素子から発せられる光に対して７０％以上、さらに８０％以上の反射率を有することが好ましい。この金属膜は、発光素子の底面に電極が形成されている場合には、その電極上に形成されることが好ましいが、金属膜が、電極としての機能を兼ね備えていてもよい。

金属膜は、たとえば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ等の単層膜または積層膜により形成することができる。金属膜の成膜方法は、公知の方法、たとえば、蒸着、スパッタ法、めっき法等、種々の方法を利用することができる。

なお、金属膜を積層膜とする場合、ダイボンド部材３０に近い側には、後述するダイボンド部材３０の拡散を防止する層（バリア層）を含むことが好ましい。バリア層は、たとえば、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｈ等の高融点金属の単層膜または積層膜により形成することができる。

また、金属膜のダイボンド部材に近い側は、後述するダイボンド部材３０との濡れ性が良いことが好ましい。

発光素子２０は、１つの発光装置に、１つ又は２以上の複数の発光素子２０を含むことができる。複数の発光素子２０を用いる場合は、各発光素子の半導体の組成、形状、発光波長等は同じであってもよく、あるいは、異なっていてもよい。

（基板）
基板１０は、発光素子２０を載置し、固定するために用いられるものであり、基板の上面には導電部材１０ａを備える。基板１０の母材となる材料は特に限定されず、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ等のセラミック、高融点ナイロン等のプラスチック、ガラスエポキシ、ガラス、金属等が挙げられる。

基板１０の上面には、発光装置１の外部電源と発光素子２０とを電気的に接続させるため、導電部材１０ａが設けられる。導電部材１０ａは、単層構造又は複数の層が積層された積層構造とすることができる。導電部材の最表面は、ＡｕまたはＡｇが好ましい。また、導電部材の最表面は、Ａｕ又はＡｇを含む合金であってもよい。

また、基板１０は、平板状、薄膜状、塊状、又は、上面に凹部を備えた形状のものを用いることができる。

（ダイボンド部材）
ダイボンド部材３０は、発光素子２０を基板１０に固定するために用いられる。

ダイボンド部材３０の具体的な材料としては、エポキシ、ポリイミド、シリコーン等の樹脂、これら樹脂にＡｇ、シリカ、ＴｉＯ_２等の無機フィラーを含有する複合材料、Ｓｕ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｕ−Ｃｕ系等の金属材料が挙げられる。また、金属材料の場合は、Ｂｉ、Ｉｎ等の添加物を含有してもよい。

本実施形態において、ダイボンド部材３０は、発光素子２０の下方から発光素子２０の周囲の基板上にまで広がって（延在して）配置される。このように、ダイボンド部材３０を発光素子２０の面積（底面の面積）よりも広い面積で形成することで、たとえば、ダイボンド部材３０が少ない場合や、塗布位置のバラツキが生じた場合でも、ダイボンド部材３０と発光素子２０の接合している面積を確保することができる。これにより、発光素子と基板との接合性を確保することができる。

基板１０上において、ダイボンド部材３０の面積は発光素子２０よりも大きい面積であればよい。その形状は、発光素子２０と略同一形状でもよく、あるいは、異なる形状であってもよい。例えば、例えば先端が円形の転写ピンを用いて基板上にダイボンド部材を転写する場合は、円形のダイボンド部材３０となる。そして、このような円形のダイボンド部材３０上に、一辺の長さがその円の直径よりも小さい四角形の発光素子２０を載置することで、発光素子２０の周囲の基板１０に広がった部分（延在部３０ａ）を備えたダイボンド部材３０とすることができる。このように、円形のダイボンド部材３０上に四角形の発光素子２０を接合する場合、発光素子２０の角部が、ダイボンド部材３０の外周に内接するよう設けられていることが好ましい。

（光反射部材）
光反射部材４０は、発光素子２０の周囲にはみ出したダイボンド部材である延在部３０ａの上部に形成される。このことにより、ダイボンド部材３０の延在部３０ａが、反射率が低い場合、または、劣化が発生した場合でも、延在部３０ａによる光の吸収を低減することができる。

光反射部材４０は、板状又はシート状であり、発光素子２０が挿通可能な開口部（貫通孔）４０ａを備える。また、発光素子２０の側面から放射される光を遮蔽しないためには、光反射部材の開口部４０ａの内壁面の上端が発光層２０ａよりも低い位置にあればよい。開口部４０ａの内壁の上端以外の上面の高さについては種々選択することができる。例えば、光反射部材の開口部４０ａの内壁面の上端は、発光層２０ａよりも低い位置であってもよく、同じ高さでもよく、高い位置にあってもよい。また、光反射部材４０は、発光素子２０を載置させる開口部４０ａと、後述のワイヤの接続領域を除いて、基板１０上の全面を覆う大きさとすることができる。また、凹部を備えた基板の場合は、凹部の底面を覆うように設けることができる。また、凹部を備えた基板の場合は、凹部の内壁に光反射部材を取り付けることができる。

光反射部材４０の形状は、たとえば図２（ａ）に示す略平板形状、があげられる。また、図２（ｂ）に示すような、発光素子から離れるほど上面が低くなるように傾斜した、図２（ｃ）に示すような、発光素子から離れるほど上面が高くなるように傾斜した形状とすることができる。また、図２（ｄ）に示すような、光反射部材４０が基板の端部よりも突出した形状とできる。更に基板１０の側面まで覆うように、基板の上面より下側に突出した形状、あるいは、図２（ｅ）に示すような、上面に凹部または凸部を設けた形状、のような形状をとることができる。また、光反射部材４０の裏面については、図２（ａ）などに示すような、基板の上面と略並行な平面としてもよく、あるいは、は図２（ｆ）に示すような、基板の上面に対して傾斜した形状としてもよい。

光反射部材４０はダイボンド部材３０の延在部３０ａの上にあればよく、１つの部材又は、複数の部材から構成される。複数の光反射部材４０を用いる場合は、各光反射部材は、一部又は全部が重なるように配置してもよく、又は、重ならないように配置してもよい。

光反射部材の開口部４０ａは、発光素子２０と相似形であることが望ましい。例えば、上面視が四角形の発光素子を用いる場合、開口部の形状を四角形とすることが好ましい。複数の発光素子２０が基板上に載置されている場合、複数の発光素子２０のそれぞれに対して光反射部材に開口部４０ａを設けてもよく、あるいは、複数の発光素子を挿通可能な大きさの開口部４０ａを設けてもよい。

光反射部材４０は、ダイボンド部材３０と接していてもよく、離れていてもよい。光反射部材４０とダイボンド部材３０が離れている場合、光反射部材４０とダイボンド部材３０の間は封止部材６０または接着剤で満たされていることが望ましい。

ワイヤ５０を用いて基板１０上の導電部材１０ａと発光素子２０を接続させる場合、、発光素子２０を載置させるための開口部４０ａの導電部材と、ワイヤを接続させることができる。あるいは、発光素子２０を載置するための開口部４０ａとは別に、ワイヤ５０を通すための開口部、または切り欠きを設けて、その開口部又は切欠き内の導電部材とワイヤとを接続してもよい。ワイヤ５０接続用の開口部は、ワイヤ５０接続時のキャピラリの先端が挿入可能な程度の大きさであることが好ましい。

光反射部材４０にワイヤ５０接続用の開口部、または切り欠きを設ける場合、ワイヤ５０の数に応じて、複数の開口部、切り欠きを設けてもよい。また、ワイヤ５０接続用の開口部を複数形成する場合、上面視において発光素子２０を中心にその開口部の形状を左右非対称とすれば、光反射部材４０の形状から発光素子２０の向きを視認することができる。

光反射部材４０の表面は、平坦な面であってもよいし、凹部又は凸部を有していてもよい。光反射部材の表面は平面または曲面、またはそれらも組み合わせであってもよい。平坦な面とすることで、発光素子からの光を効率よく反射することができる。また、凹凸を有することにより、光反射部材４０と封止部材６０との密着性または光反射部材４０と接着剤の密着性を向上することができる。

また、光反射部材４０の表面に略同心円状または略放射状の段差を設けてもよい。これにより、光反射の方向を変えることができる。また、光反射部材４０の表面に凹部又は凸部や段差をつけたり、粗面化したりすることで光反射の方向を変化させることができる。

光反射部材４０を基板１０に配置する際、光反射部材と基板とを接着剤を用いて接着することが好ましい。接着剤は、発光素子の周囲、又は、光反射部材の下面に設けることができる。基板１０の基材と光反射部材４０の間、または、基板１０上の導電部材１０ａと光反射部材４０の間、または、ダイボンド部材３０と光反射部材４０の間とすることが考えられる。

光反射部材４０を基板１０に配置する別の方法として、光反射部材４０を、基板１０や発光素子２０や導電部材１０ａに嵌め合わせる方法が挙げられる。

光反射部材４０の材料としては、絶縁性材料又は導電性材料のいずれでも用いることができる。例えば、絶縁性材料としては、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等の樹脂に、酸化チタンまたは酸化アルミニウムまたは酸化亜鉛等の白色の添加剤を添加した材料を挙げることができる。光反射部材の反射率は、添加剤の含有量によって調整することができる。

導電性材料としては、アルミニウムや銅などの導電性材料が挙げられる。また、樹脂材料に銀などの反射率の高い金属をコーティングしてもよい。

導電性材料を用いる場合は、基板１０上に配置された導電部材１０ａやワイヤ５０との短絡を避けるため、絶縁性材料で覆われていることが望ましい。

光反射部材４０の上面は発光素子２０からの発光に対して、ダイボンド部材３０より高い反射率を有することが望ましい。さらに、光反射部材４０の上面の反射率は、波長380nm〜780nmの光を50%以上、さらに70％以上、８０％以上であることが好ましい。また、光反射部材４０の上面に、蛍光体含有層を設けていてもよい。

また、光反射部材４０の表面はダイボンド部材３０よりも変色、又は、劣化しにくいことが好ましい。これにより、初期の段階で光反射部材の反射率がダイボンド部材３０よりも反射率が低い場合であっても、長期的にダイボンド部材の変色又は劣化を抑制することができる。

光反射部材４０は、ダイボンド部材３０の上方に加えて、その他の部材の上にあってもよい。たとえば、基板１０の上、基板の導電部材１０ａの上方に設けることができる。これにより、基板１０表面の反射率が低い場合には、発光素子２０の光取り出し効率を高めることができる。

（封止部材）
封止部材６０は、上述の発光素子等を被覆、封止し、発光素子等を保護する部材である。封止部材６０は、透光性部材であり、たとえば、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ樹脂等の樹脂、ガラス等が挙げられる。なかでも、透光性を有する部材であることが好ましい。これらの材料には、着色剤として、種々の染料または顔料等を混合して用いてもよい。たとえば、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、カーボンブラック等が挙げられる。なお、透光性とは、発光素子から出射された光を７０％程度以上、８０％程度以上、９０％程度以上、９５％程度以上透過させる性質を意味する。

封止部材６０には、拡散材や蛍光体を含有させてもよい。拡散材は、光を拡散させるものであり、発光素子からの指向性を緩和させ、視野角を増大させることができる。蛍光体は、発光素子からの光を変換させるものであり、発光素子から封止部材の外部へ出射される光の波長を変換することができる。発光素子からの光がエネルギーの高い短波長の可視光の場合、有機蛍光体であるペリレン系誘導体、ＺｎＣｄＳ：Ｃｕ、ＹＡＧ：Ｃｅ、Ｅｕおよび／またはＣｒで賦活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２等の無機蛍光体等、種々好適に用いられる。

上記のような、蛍光体を用いて所望の色調の発光を得る発光装置に、樹脂を含有するダイボンド部材３０を用いる場合、劣化、変色したダイボンド部材３０により特定の波長の光が吸収され、発光の色ずれが発生することがある。これは、蛍光体を用いると、発光装置の発光スペクトルの幅が広くなるため、変色したダイボンド部材３０による吸収の波長依存によって、色ずれが大きくなりやすいためである。しかし、本実施形態の発光装置においては、光反射部材４０が発光素子２０周囲のダイボンド部材３０の延在部３０ａの上部にあるため、ダイボンド部材３０の劣化、変色の影響が緩和され、色ずれが少ない発光装置とすることができる。

また、このような波長変換部材を用いる際には、光反射部材４０の表面は、波長変換された光に対しても高い反射率を有することが好ましい。

なお、封止部材６０は、ポッティング、印刷、トランスファーモールド等、公知のいずれの方法でも形成することができる。また、封止部材６０は二層以上に形成されていてもよい。本実施形態の発光装置１には、発光装置１の一部としてまたは封止部材６０表面に加えて、例えば、発光素子２０の光の出射部（たとえば、発光素子２０の上方）に、樹脂またはガラスを含むレンズ等が備えられていてもよい。また、反射部材、反射防止部剤、光拡散部材等、種々の部材を有していてもよい。さらには、発光素子２０に加え、保護素子等が備えられていてもよい。これにより、静電耐圧を向上させることができる。

（製造方法）図３を用いて本発明に係る発光装置の製造方法を説明する。図３は、図１（ａ）で図示した発光装置におけるＸ−Ｘ断面を表している。まず、図３（ａ）に図示するような、導電部材１０ａを有する基板１０を準備する。詳細には、発光素子よりも大きい面積で設けられたダイボンド部材を介して発光素子が接合された基板を準備する。ここで、発光素子を載置する位置の周囲に接着剤を形成する工程を含んでいてもよい。

次に、図３（ｂ）のように、発光層２０ａを有する発光素子２０を、ダイボンド部材３０を用いて基板１０に接合する。接合の際、ダイボンド部材３０の一部は、発光素子２０の周囲に延在部３０ａとして設けられる。

発光素子が挿通可能な開口部を備えた光反射部材を準備する。図３（ｃ）のように光反射部材４０を、開口部４０ａに発光素子２０を挿通させて、光反射部材４０の開口部４０ａの内壁面の上端が発光層２０ａよりも低い位置になるように配置する。詳細には、開口部の内壁面の上端が、発光素子の周辺のダイボンド部材の上方であって、かつ、発光素子の発光層よりも下側に位置するように配置する。尚、光反射部材を準備する工程は、該光反射部材の下面に接着剤を備えた光反射部材を準備する工程を含んでいてもよい。

光反射部材４０は接着剤により基板と接合する。接着剤は光反射部材４０と基板１０の間にあればよい。

次いで、ワイヤ５０で導電部材１０ａと発光素子２０を接続した後、図３（ｄ）のように発光素子２０やワイヤ５０を被覆する封止部材６０を設けることで、発光装置１の構造となる。

１…発光装置
１０…基板
１０ａ…導電部材
２０…発光素子
２０ａ…発光層
３０…ダイボンド部材
３０ａ…延在部
４０…光反射部材
４０ａ…開口部
５０…ワイヤ
６０…封止部材

Claims

上面に導電部材を備えた基板と、
前記基板上に、ダイボンド部材を介して接続される、発光層を備えた発光素子と、
前記発光素子と前記基板の導電部材とを電気的に接続する２つのワイヤと、
前記発光素子の周囲に載置される光反射部材と、
を備え、
前記ダイボンド部材は、前記発光素子の周囲に延在する延在部を備え、
前記光反射部材は、前記発光素子が挿通される開口部と、前記開口部を挟んで配置され、前記ワイヤを通す２つのワイヤ接続用の開口部とを備え、
上面視において、前記２つのワイヤ接続用の開口部のそれぞれの形状は、前記発光素子を中心に非対称であり、
該開口部の内側面の上端は、前記延在部の上方に位置すると共に、前記発光素子の発光層よりも下側に位置することを特徴とする発光装置。
前記光反射部材は、接着剤を介して前記基板の上面と接着されている請求項１に記載の発光装置。
前記光反射部材と前記ダイボンド部材とは離間しており、
前記光反射部材と前記ダイボンド部材との間に接着剤が位置する請求項１に記載の発光装置。
前記光反射部材は、ＴｉＯ２を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光素子と、前記光反射部材を覆う封止部材を備える請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光装置。
前記発光素子は平面形状が矩形状であり、
前記発光素子の角部は、前記ダイボンド部材の外周に内接する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光装置。
前記基板は凹部を有し、
前記光反射部材は、前記凹部の底面を覆う請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
前記光反射部材は、表面に略同心円状または略放射状の段差を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光装置。
上面に導電部材を有し、発光素子よりも大きい面積で設けられたダイボンド部材を介して発光素子が接合され、前記発光素子と前記導電部材とを電気的に接続する２つのワイヤを備えた基板を準備する工程と、
前記発光素子が挿通可能な開口部と、前記開口部を挟んで配置され、前記ワイヤを通す２つのワイヤ接続用の開口部とを備え、上面視において、前記２つのワイヤ接続用の開口部のそれぞれの形状は、前記発光素子を中心に非対称である光反射部材を準備する工程と、
前記光反射部材の開口部内に前記発光素子が配置され、前記ワイヤ接続用の開口部内に前記ワイヤが配置されるように、前記基板上に前記光反射部材を配置する工程と、を有し、
前記開口部の内壁面の上端が、前記発光素子の周辺のダイボンド部材の上方であって、かつ、前記発光素子の発光層よりも下側に位置するように配置すること、を特徴とする発光装置の製造方法。
前記基板を準備する工程は、前記発光素子の周囲に接着剤を形成する工程を含む請求項９に記載の発光装置の製造方法。
前記光反射部材を準備する工程は、下面に接着剤を備えた光反射部材を準備する工程を含む請求項９に記載の発光装置の製造方法。
前記光反射部材を配置する工程は、前記光反射部材と前記ダイボンド部材とを離間させ、かつ、前記光反射部材と前記ダイボンド部材との間に接着剤を配置する工程を含む請求項９に記載の発光装置の製造方法。
前記基板を準備する工程は、平面形状が矩形状である前記発光素子を準備する工程と、前記発光素子の角部が前記ダイボンド部材の外周に内接するように前記発光素子を配置する工程とを含む請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。