JP6547615B2 - パッケージの製造方法、発光装置の製造方法、パッケージ、及び発光装置 - Google Patents

Description

本開示は、パッケージの製造方法、発光装置の製造方法、パッケージ、及び発光装置に関する。

光反射性物質を含有する樹脂組成物は、発光装置のパッケージとして広く用いられている。また、近年の発光装置の小型化や薄型化に伴い、樹脂組成物の強度の向上が求められている。例えば、特許文献１には、ワラストナイトからなる繊維状のフィラーを添加することで、強度の向上を図った樹脂組成物が提案されている。

特開２００２−２９４０７０号公報

前記したワラストナイトは、天然鉱物である珪酸塩鉱物を粉砕することで繊維状にし、樹脂組成物の充填剤として使用される。したがって、珪酸塩鉱物の採掘中に、鉱物であるマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）が不可避的不純物として混入する場合がある。また、珪酸塩鉱物の採掘や粉砕に使用される工具が摩耗し、不可避的不純物として鉄が混入する場合もある。そして、珪酸塩鉱物において、いったん混入した鉄やマグネタイト（以下、「鉄成分」ともいう）を除去して純粋なワラストナイトを得ることは困難である。そうすると、例えば、不可避的不純物を含むワラストナイトを含有する樹脂組成物を発光装置のパッケージに用いると、次のようなことが生じる。すなわち、発光素子から照射された光が、ワラストナイトに含有されている鉄成分に吸収されやすくなり、前記した光が反射しにくくなる。その結果、発光装置の光取り出し効率の低下を招くという事情がある。

そこで、本開示に係る実施形態は、良好な光反射性を有するパッケージの製造方法、発光装置の製造方法、パッケージ、及び発光装置を提供することを課題とする。

本開示の実施形態に係る樹脂組成物の製造方法は、鉄成分が含有されているワラストナイトからなる第１充填剤を加熱する第１工程と、前記第１工程において加熱された後の前記第１充填剤と、光反射性物質からなる第２充填剤と、を樹脂中に分散することによって、樹脂組成物を製造する第２工程と、を含むこととした。

また、本開示の実施形態に係る樹脂組成物は、鉄成分が含有されているワラストナイトからなる第１充填剤と、光反射性物質からなる第２充填剤と、が樹脂中に分散しており、前記鉄成分は、前記第１充填剤に対して０．１重量％以上０．３重量％以下のα‐Ｆｅ_２Ｏ_３である構成とする。

本開示の実施形態に係る製造方法によれば、良好な光反射性を有するパッケージ、及び発光装置を製造することができる。また、本開示の実施形態にかかるパッケージ、及び発光装置では、良好な光反射性を有する。

実施形態に係る発光装置の斜視図である。 実施形態に係る発光装置のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 実施形態に係る発光装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。 発光装置の製造方法の実施例において、加熱中のワラストナイト等の温度変化を示す説明図である。 発光装置の製造方法の実施例において、ワラストナイトに含有されている鉄成分のラマン分析結果を示す説明図である。 発光装置の製造方法の比較例において、ワラストナイトに含有されている鉄成分のラマン分析結果を示す説明図である。 発光装置の製造方法の実施例及び比較例において、樹脂組成物からなる成形体の反射率を示す説明図である。

以下、実施形態に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係等が誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。さらに、各図において示す方向は、構成要素間の相対的な位置を示し、絶対的な位置を示すことを意図したものではない。

＜実施形態＞
［発光装置の構成］
実施形態に係る発光装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、実施形態に係る発光装置の斜視図である。図２は、実施形態に係る発光装置のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

実施形態に係る発光装置１００は、発光素子１によって光を照射する装置であり、液晶ディスプレイのバックライト光源や照明器具等に用いられる。発光装置１００は、光を発する発光素子１と、発光素子１等が設置されるパッケージ２と、発光素子１からの光を透過させる透光性部材３と、を備えている。

発光素子１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体発光素子である。発光素子１は、任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色、緑色の発光素子としては、窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＺｎＳｅ、ＧａＰなどを用いることができ、赤色の発光素子としては、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いることができる。なお、発光素子１は、前記した以外の材料からなる半導体発光素子を用いることもできる。発光素子１の組成や発光色、大きさや、個数などは目的に応じて適宜選択することができる。

パッケージ２は、発光素子１等が設置されるものであり、実施形態の例では、中央が凹状に形成され、その外形が略直方体状を呈している。パッケージ２は、樹脂２１ａ等を含有する樹脂部２１（樹脂組成物）と、導電性のリード２２と、を備えている。

樹脂部２１は、発光素子１が設置されるリード２２を保持する機能を有している。また、樹脂部２１は、設置した発光素子１から照射される光を外部に反射する機能も有している。樹脂部２１には、発光素子１を設置するための凹部２１ｖが形成されている。樹脂部２１は、樹脂２１ａと、第１充填剤２１ｂと、鉄成分２１ｃと、第２充填剤２１ｄと、を含有している（図２の部分拡大図参照）。

樹脂２１ａは、例えば、ポリアミド樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ変性樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリノルボルネン樹脂、及びポリフタルアミン樹脂から選ばれる少なくとも一つからなる樹脂である。なお、発光素子１から入射した光を樹脂２１ａが吸収しないように、樹脂２１ａは透光性を有することが好ましいが、これに限定されない。

第１充填剤２１ｂは、樹脂部２１の機械的強度を高めるための充填剤であり、樹脂２１ａ中に分散している。第１充填剤２１ｂとして、例えば、繊維状のワラストナイトを用いることができる。前記した「繊維状」とは、平均繊維径が０．００１μｍ以上１５μｍ以下であり、平均繊維長が１μｍ以上１００μｍ以下であることを意味している。なお、第１充填剤２１ｂとして用いられるワラストナイトは、繊維状に限定されず、例えば、粉状、針状であってもよい。
第１充填剤２１ｂは、樹脂部２１（樹脂組成物）の全量に対して、５重量％以上５０重量％以下の比率で含有されていることが好ましく、７重量％以上２０重量％以下の比率で含有されていることが特に好ましい。前記した比率は、樹脂部２１に要する機械的強度や分散性を考慮して決められる。ここで「樹脂部２１の全量」とは、樹脂部２１を構成する樹脂２１ａと第１充填剤２１ｂやその他の硬化促進剤、酸化防止剤、フィラー等の全てを含むものを言う。

鉄成分２１ｃは、不可避的不純物として第１充填剤２１ｂに含有されていた鉄やマグネタイトが、第１充填剤２１ｂとともに加熱されてα‐Ｆｅ_２Ｏ_３に化学変化したものである。前記したように、第１充填剤２１ｂ（例えば、ワラストナイト）の採掘中や粉砕中、鉄やマグネタイト等の鉄成分が不可避的不純物として混入することが多く、また、これらを除去することは困難である。
従来技術では、発光素子からの光が、パッケージに含有されている黒系統の色の鉄やマグネタイトに吸収されるため、光取り出し効率の低下を招いていた。そこで、本実施形態では、鉄成分を含有している第１充填剤２１ｂを加熱することによって鉄成分に化学変化を起こさせ、光反射性の良好なα‐Ｆｅ_２Ｏ_３に変えるようにしている。樹脂２１ａに鉄成分２１ｃとしてα‐Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する場合は、鉄成分２１ｃが光を吸収することが少ない赤系統の色に変化している。そのため、発光素子１からの光が樹脂部２１に照射されたときに、鉄成分２１ｃは、光を吸収することなく反射することとなり、パッケージ２から出射する光取り出し効率を上げることができる。なお、第１充填剤２１ｂの加熱については後記する。

第２充填剤２１ｄは、樹脂部２１に光反射性を付与する光反射性物質であり、樹脂２１ａ中に分散している。第２充填剤２１ｄは、例えば、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、及び酸化イットリウムから選ばれる少なくとも一つからなる。第２充填剤２１ｄは、光反射性物質の含有濃度、密度により光の反射量、透過量が異なるため、発光装置１００の形状、大きさに応じて、適宜濃度、密度を調整するとよい。また、第２充填剤２１ｄは、光反射性に加え、放熱性を併せ持つ材料とすると、光反射性を持たせつつ放熱性を向上させることができる。このような材料として、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや窒化ホウ素が挙げられる。第２充填剤２１ｄは、樹脂部２１の光反射性を考慮して、一例として、樹脂部２１（樹脂組成物）の全量に対して、１重量％以上５０重量％以下の比率で含有されていることが好ましい。

リード２２は、発光素子１と外部電源とを電気的に接続する導電性部材である。リード２２において少なくともアノード及びカソードは、凹部２１ｖの底面に露出し、その露出部分に発光素子１が接合されている。そして、外部電源からの電流がリード２２を介して発光素子１に供給されることで、発光素子１が発光するようになっている。

透光性部材３は、凹部２１ｖの底面に設置された発光素子１を封止するとともに、発光素子１からの光を透過して外部に放出することが可能な部材である。透光性部材３は、光拡散材や、入射された光の少なくとも一部を波長変換可能な蛍光体を含有させてもよい。具体的には、例えば、蛍光体の単結晶、多結晶もしくは蛍光体粉末の焼結体等の蛍光体インゴットから切り出したものや、樹脂、ガラス、無機物等に蛍光体粉末を混合して焼結したものが挙げられる。透光性部材３は、発光素子１が設置された後、凹部２１ｖに充填される。透光性部材３として、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ガラス等を用いることができる。なお、透光性部材３は、その厚みについて、特に限定されるものではなく、適宜変更可能であるが、例えば、５０〜３００μｍ程度である。

＜発光装置の製造方法＞
次に、実施形態に係る発光装置の製造方法について、図３を参照して説明する。図３は、実施形態に係る発光装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。

実施形態に係る発光装置１００の製造方法では、第１充填剤２１ｂを加熱する第１工程（Ｓ１０１）、第１充填剤２１ｂ及び第２充填剤２１ｄを樹脂２１ａ中に分散させて樹脂組成物を製造する第２工程（Ｓ１０２）、樹脂組成物を用いてパッケージ２を形成する第３工程（Ｓ１０３）、パッケージ２に発光素子１を設置する第４工程（Ｓ１０４）が順次行われる。

［第１工程］
第１工程は、第１充填剤２１ｂを加熱することによって、第１充填剤２１ｂに含有されている鉄やマグネタイト等の鉄成分を、新たな鉄成分２１ｃであるα‐Ｆｅ_２Ｏ_３に化学変化させる工程である。第１工程では、鉄やマグネタイトを含有する第１充填剤２１ｂをるつぼ（坩堝）に投入して加熱する。なお、第１工程後において、鉄成分２１ｃであるα‐Ｆｅ_２Ｏ_３は、第１充填剤２１ｂに対して、０．１重量％以上１．５重量％以下の比率で含有されていることが多いが、これに限定されない。

第１工程では、鉄成分を含有している第１充填剤２１ｂを７００℃以上９００℃以下の温度で、１時間以上５時間以下の時間で加熱することが好ましい。これらの温度・時間で加熱することによって、鉄やマグネタイト（黒色）に化学変化が生じ、これらがα‐Ｆｅ_２Ｏ_３（茶色）に変わるからである。なお、第１工程において鉄成分の略全てがα‐Ｆｅ_２Ｏ_３に変わることは必須ではなく、鉄成分の少なくとも一部がα‐Ｆｅ_２Ｏ_３に変わればよい。また、加熱中に鉄成分は変化するが、第１充填剤２１ｂはほとんど変化しない。

また、第１工程前の鉄成分である鉄やマグネタイトよりも、第１工程後の鉄成分２１ｃであるα‐Ｆｅ_２Ｏ_３のほうが、屈折率が高くなる。言い換えると、第１工程前における鉄成分と樹脂２１ａとの屈折率差よりも、第１工程後における鉄成分２１ｃ（α‐Ｆｅ_２Ｏ_３）と樹脂２１ａとの屈折率差のほうが大きくなるように、第１工程での加熱が行われる。その結果、第１工程後のほうが、鉄成分２１ｃ（α‐Ｆｅ_２Ｏ_３）と樹脂２１ａとの界面で光が反射しやすくなるため、良好な光反射性の樹脂組成物が得られる。

［第２工程］
第２工程は、第１充填剤２１ｂ及び第２充填剤２１ｄを樹脂２１ａ中に分散させて、樹脂組成物を製造する工程である。すなわち、第２工程では、第１工程において加熱された後の第１充填剤２１ｂと、光反射性物質からなる第２充填剤２１ｄと、を樹脂２１ａに混ぜ合わせ、樹脂２１ａの融点以上の温度で溶融混練する。これによって、第１充填剤２１ｂ及び第２充填剤２１ｄが、樹脂２１ａ中にほぼ均一に分散する。また、前記した加熱によってα‐Ｆｅ_２Ｏ_３となった鉄成分２１ｃも樹脂２１ａ中に分散する。

このようにして、鉄成分２１ｃが含有されているワラストナイトからなる第１充填剤２１ｂと、光反射性物質からなる第２充填剤２１ｄと、が樹脂２１ａ中に分散しており、鉄成分２１ｃが、第１充填剤２１ｂに対して０．１重量％以上０．３重量％以下のα‐Ｆｅ_２Ｏ_３である樹脂組成物が製造される。

［第３工程］
第３工程は、第２工程で得られた樹脂組成物を用いて、パッケージ２を形成する工程である。第３工程では、例えば、溶融した樹脂組成物を金型内に流し込んで冷却・固化する射出成形によってパッケージ２が形成される。なお、パッケージ２の形成方法（製造方法）はこれに限定されず、トランスファー成形、圧縮成形、押出成形等を用いてもよい。また、発光素子１と外部電源とを電気的に接続するリード２２が、例えば、インサート成形によってパッケージ２に保持される。

［第４工程］
第４工程は、パッケージ２に発光素子１を設置する工程である。すなわち、リード２２において、凹部２１ｖの底面に露出している箇所に発光素子１を接合することで、パッケージ２に発光素子１が設置される。そして、発光素子１の設置後、凹部２１ｖに透光性部材３が充填される。

＜発光装置における光の反射＞
発光素子１から凹部２１ｖに向かう光の多くは、凹部２１ｖの表面で反射する。また、樹脂部２１内に入射した光は、光反射性物質である第２充填剤２１ｄの界面で反射（散乱）したり、樹脂２１ａに分散しているα‐Ｆｅ_２Ｏ_３の界面で反射（散乱）したりする。前記したように、鉄成分２１ｃであるα‐Ｆｅ_２Ｏ_３と、樹脂２１ａと、の屈折率差が比較的大きいからである。その結果、樹脂部２１内に入射した光の多くが、第２充填剤２１ｄやα‐Ｆｅ_２Ｏ_３の界面で反射して凹部２１ｖに戻り、さらに外部に向けて照射される。したがって、実施形態によれば、良好な光反射性を有するパッケージ２を提供でき、ひいては、光取り出し効率の高い発光装置１００を提供できる。

＜実施例＞
次に、発光装置の実施例及び比較例について、図４〜図６を参照して説明する。
図４は、発光装置の製造方法の実施例において、加熱中のワラストナイト等の温度変化を示す説明図である。図５Ａは、発光装置の製造方法の実施例において、ワラストナイトに含有されている鉄成分のラマン分析結果を示す説明図である。図５Ｂは、発光装置の製造方法の比較例において、ワラストナイトに含有されている鉄成分のラマン分析結果を示す説明図である。図６は、発光装置の製造方法の実施例及び比較例において、樹脂組成物からなる成形体の反射率を示す説明図である。

実施例では、樹脂２１ａとしてポリアミド樹脂を用い、第１充填剤２１ｂとしてワラストナイトを用い、第２充填剤２１ｄとして酸化チタンを用いた。
第１工程として、まず、鉄やマグネタイト等の鉄成分を含むワラストナイト１ｋｇをアルミナるつぼに投入して蓋をし、４時間かけて常温から８００℃まで徐々に温度上昇させた（時刻ｔ１〜ｔ２、温度Ｔ_Ａから温度Ｔ_Ｂへの変化：図４参照）。そして、８００℃で２時間加熱した後（時刻ｔ２〜ｔ３）、４時間かけて８００℃から常温まで徐々に温度低下させた（時刻ｔ３〜ｔ４、温度Ｔ_Ｂから温度Ｔ_Ａへの変化）。このように徐々に温度上昇・温度低下させるのは、アルミナるつぼの耐性を考慮したものである。なお、鉄成分の化学変化が起こるのは、主として、８００℃で加熱した２時間である（時刻ｔ２〜ｔ３）。

次に、第２工程として、加熱後のワラストナイトと、酸化チタンと、をポリアミド樹脂中に分散させて、樹脂組成物を製造した。すなわち、１５０℃まで加熱して溶融したポリアミド樹脂に、ワラストナイト及び酸化チタンを混ぜ合わせて混練することで、樹脂組成物を作成した。なお、各物質の重量比率は、（ポリアミド樹脂）：（ワラストナイト）：（酸化チタン）＝４５：１５：４０である。そして、前記した樹脂組成物を金型に流し込んで、冷却・固化させた後、厚さ４ｍｍの成形体を作成した。

また、第１工程の前後における鉄成分を調べるために、前記した各工程とは別に、次のような実験を行った。すなわち、加熱する前のワラストナイトに純水を加えてスラリーを作成し、磁石を用いてスラリーから鉄成分を分離した。この鉄成分に光を照射して散乱光のスペクトル分布を調べるラマン分析を行ったところ、ワラストナイトに含有されている鉄成分は鉄（Ｆｅ）であることが判明した（図５Ａ参照）。
また、前記した鉄（Ｆｅ）を加熱（図４参照）した後の試料についてラマン分析を行ったところ、加熱後の試料はα‐Ｆｅ_２Ｏ_３であることが判明した（図５Ｂ参照）。つまり、ワラストナイトに含有されている鉄が、第１工程の加熱によってα‐Ｆｅ_２Ｏ_３に化学変化したことを確認できた。

＜比較例＞
比較例は、前記した第１工程の加熱を行わない点を除いて、実施例と同様である。すなわち、ワラストナイト（加熱せず）と、酸化チタンと、をポリアミド樹脂中に分散させて樹脂組成物を製造した。そして、この樹脂組成物を金型に流し込んで、厚さ４ｍｍの成形体を作成した。なお、ポリアミド樹脂、ワラストナイト、及び酸化チタンの重量比率は、実施例と同様である。

＜評価＞
実施例で得られた成形体に５８０ｎｍの光を照射したところ、反射率の平均値は９４．４％であった（図６の実線を参照）。一方、比較例で得られた成形体に５８０ｎｍの光を照射したところ、反射率の平均値は９４．０％であった（図６の破線を参照）。つまり、実施例のほうが、比較例よりも反射率が０．４％高く、反射率の向上を図ることができた。これは、加熱前の鉄成分である鉄よりも、加熱後の鉄成分であるα‐Ｆｅ_２Ｏ_３のほうが、ポリアミド樹脂との界面における屈折率差が大きく、光を反射しやすいためである。

本開示の実施形態に係る発光装置は、液晶ディスプレイのバックライト光源、各種照明器具、大型ディスプレイ、プロジェクタ、広告や行先案内等の各種表示装置の他、デジタルビデオカメラ、ファクシミリ、コピー機、スキャナ等における画像読取装置等、種々の光源として利用できる。

１００ 発光装置
１ 発光素子
２ パッケージ
２１ 樹脂部（樹脂組成物）
２１ａ 樹脂
２１ｂ 第１充填剤
２１ｃ 鉄成分
２１ｄ 第２充填剤
２１ｖ 凹部
２２ リード
３ 透光性部材

Claims (11)

1. 鉄成分が含有されているワラストナイトからなる第１充填剤を７００℃以上９００℃以下の温度で、１時間以上５時間以下の時間で加熱する第１工程と、
   前記第１工程において加熱された後の前記第１充填剤と、光反射性物質からなる第２充填剤と、を樹脂中に分散することによって、樹脂組成物を製造する第２工程と、
   前記樹脂組成物を用いて、発光素子を設置するためのパッケージを形成する第３工程と、を含むパッケージの製造方法。
2. 前記第１工程は、前記第１工程前における前記鉄成分と前記樹脂との屈折率差よりも、前記第１工程後における前記鉄成分と前記樹脂との屈折率差のほうが大きくなるように前記加熱を行う請求項１に記載のパッケージの製造方法。
3. 前記ワラストナイトは、繊維状である請求項１又は請求項２に記載のパッケージの製造方法。
4. 前記第２充填剤は、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、及び酸化イットリウムから選ばれる少なくとも１つからなる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパッケージの製造方法。
5. 前記樹脂は、ポリアミド樹脂、シリコーン樹脂、シリコーン変性樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ変性樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリノルボルネン樹脂、及びポリフタルアミン樹脂から選ばれる少なくとも１つからなる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパッケージの製造方法。
6. 前記第１工程後において、前記第１充填剤に対する前記鉄成分の比率は、０．１重量％以上１．５重量％以下である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパッケージの製造方法。
7. 前記樹脂組成物に対する前記第１充填剤の比率は、５重量％以上５０重量％以下であり、
   前記樹脂組成物に対する前記第２充填剤の比率は、１重量％以上５０重量％以下である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパッケージの製造方法。
8. 請求項１に記載の前記第３工程の後に前記発光素子を前記パッケージに設置する第４工程を含む発光装置の製造方法。
9. 前記第３工程において、発光素子と電気的に接続するためのリードを含む、請求項８に記載の発光装置の製造方法。
10. 鉄成分が含有されているワラストナイトからなる第１充填剤と、光反射性物質からなる第２充填剤と、が樹脂中に分散しており、
    前記鉄成分は、前記第１充填剤に対して０．１重量％以上０．３重量％以下のα‐Ｆｅ₂Ｏ₃である樹脂組成物を備える、発光素子を設置するためのパッケージ。
11. 請求項１０に記載のパッケージと、前記パッケージに設置される発光素子と、を備える発光装置。

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