JP6575576B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献2では、発光ダイオードパッケージの光出射面である波長変換層の上面は、発光ダイオードチップの上面よりも面積が小さいので、発光ダイオードパッケージの光出射面は発光ダイオードチップの発光面積よりも狭くなる。
しかしながら、特許文献2に開示された発光装置の製造方法では、光出射面を露出させることが困難である。すなわち、光出射面を露出させるために、波長変換層の側面及び発光ダイオードチップの側面を光反射層で被覆し、且つ平坦な波長変換層の上面が光反射層で被覆されないように、光反射層の充填を高い精度で制御する必要がある。
電極を備えた発光素子と、
前記発光素子の上面に、接着剤を介して配置された蛍光体含有層と、
前記発光素子の上面の一部である隅部及び側面と、前記蛍光体含有層の側面と、を被覆する光反射部材と、を含み、
前記蛍光体含有層の断面形状は、下面から上面に向かって一旦広がった後に狭くなった形状を備える。
このように、本発明の製造方法によれば、光出射面である蛍光体含有層の上面の面積を容易に制御することができる。
図1に示される本実施形態に係る発光装置11は、主に、導光板91と組み合わせてバックライト90を構成するのに適している(図6)。この発光装置11は、蛍光体含有層30及び光反射部材40の構成によって、発光装置11の光出射面(蛍光体含有層30の上面30aに相当)の面積が発光素子20の発光面の面積よりも小さくなっている。すなわち、発光素子20の発光面(より正確には、発光素子20内の活性層の面積)を大きくしつつ、発光装置11の光出射面の面積を小さくすることができる。これにより、光学レンズ等の光学機器を使用することなしに、発光装置11の光を薄型の導光板へ効率よく入射させることができる。
以下に本実施形態に係る発光装置11について詳述する。
図3では、上面視において、蛍光体含有層30の下面30bは発光素子20の上面20aと略同一寸法で略同一形状を有しており、蛍光体含有層30の下面30bと発光素子20の上面20aとは、互いに略全面を被覆している。このように、発光素子の上面20aと蛍光体含有層の下面30bとが、略同一寸法且つ略同一形状を有し、それらが略全面にわたって重なっていると、発光素子20の出射光が発光素子の上面20aの幅以上に広がることを抑制でき、且つ確実に波長変換できるため好ましい。
発光素子20の側面20cと蛍光体含有層30の側面30cとを光反射部材40で被覆することにより、発光素子20からの光は、主に、光反射部材40で被覆されていない「蛍光体含有層30の上面30a」から出射される。つまり、発光装置11の光出射面は、蛍光体含有層30の上面30aとなる。
また、光反射部材40の厚さが薄い場合、発光素子20からの光の一部が光反射部材40を透過して外部に漏れ出すことがある。しかし、発光の多くは光反射部材40を透過せずに反射されるので、発光装置11を使用する上では殆ど問題にならない。また、蛍光体含有層30の上面30aから出射される光のみならず、光反射部材40を透過する光も導光板91に取り込むことができると、発光装置11の出力を向上させることができる。さらに、光反射部材40から透過する光が導光板91に取り込まれることで、混色されて色むらが抑制される。
よって、蛍光体含有層30は、上面30aの表面粗さが側面30cの表面粗さよりも大きいと、側面30cを覆う光反射部材40の光反射面の光反射効率を高くしつつ、上面30aからの光取出しの効率を高くすることができる。
一方、蛍光体35を含む蛍光体層31を蛍光体含有層30の下面30b側に配置し、上面30a側には蛍光体35を実質的に含まない透明層32を配置することにより、蛍光体含有層30の下面30b側で光の波長変換を行うことができ、且つ上面30a側での光散乱を抑制することができる。これにより、発光装置11の光を効率的に波長変換できるとともに、導光板91へ効率よく入射させることができる。
なお、図2(c)では、蛍光体層31は、蛍光体含有層30の下面30b全体に存在する。しかし、蛍光体層31の外縁部が、蛍光体含有層30の外縁部から離間していても(すなわち、蛍光体含有層30の外縁部より内側までしか延在していなくても)よい。その場合には、蛍光体含有層30の下面30bの一部(外縁部)には、透明層32が配置される。
図2(c)のように、発光装置11に含まれる蛍光体層31の厚さが均一ではない場合、蛍光体層31の中央付近(蛍光体層31が相対的に厚い部分)を通過する光と、蛍光体層31の外縁部(蛍光体層31が相対的に薄い部分)を通過する光とでは、蛍光体35によって波長変換される光の割合が異なる。また、蛍光体含有層30の下面30bの一部(例えば外縁部)に透明層32が配置される場合には、その一部を通過した光は、蛍光体層31を通過しないので、波長変換されない。そのため、蛍光体含有層30の内部には、色むらが生じ得る。しかしながら、色むらのある光の一部は、蛍光体含有層30を覆う光反射部材40の内面で反射されて蛍光体層31を再度通過して、十分な波長変換が行われることにより、発光装置11の光出射面から出射される際には、色むらは緩和又は解消され得る。さらに、色むらのある光が光反射部材40の内面で反射されて混色されることにより、発光装置11の光出射面から出射される際には、色むらは緩和又は解消され得る。
図1(b)に示す発光装置11では、光反射部材40は、反射膜42と光反射性成形体41の2部材を積層して形成されている。反射膜42は、光の反射率の高い材料から形成することにより、薄膜であっても光を効率よく反射させることができる。反射膜42が絶縁性材料から成ると、発光素子20の側面20cに反射膜42を直接形成することができるので好ましい。反射膜42が金属材料から成ると、光の反射率の高い材料を使用できる点で好ましい。しかしながら、後述するように、反射膜42を発光素子20の側面20c及び蛍光体含有層30の側面30cを全て被覆するように形成する場合は、金属材料から成る反射膜42を発光素子20の側面20cに直接形成すると発光素子20を短絡させてしまう。金属材料から成る反射膜42を設ける場合には、発光素子20の側面20cを、例えば透光性の絶縁膜等(例えばSiO2等)で被覆してから設けると、発光素子20の短絡を防止することができる。
光反射部材40が、反射膜42及び光反射性成形体41を含んでいる場合、反射膜42は光反射性成形体41よりも高い光反射率を有していると、光反射性成形体41を比較的薄くしても、光漏れを十分に抑制することができる。
なお、光反射性成形体41が樹脂を含んでいる場合は、強い熱や光に比較的弱い。したがって、光反射性成形体41が発光素子20の側面20cに直接形成されると、発光素子20で発生した熱及び光により、光反射性成形体41が変色・劣化する可能性がある。ここで、発光素子20と光反射性成形体41との間に反射膜42を有することで、光反射性成形体41の変色や劣化を抑制することができる。
また、図5(b)に示す発光装置13では、光反射部材40は反射膜42のみから形成されている。この形態では、光反射部材40を薄くできるので、発光装置を小型化するのに有利である。
なお、本実施形態では、光反射部材40として1層構造(図5(a)、(b))及び2層構造(図1(b))を開示したが、これに限定されず、3層以上から構成された光反射部材40(例えば、2層の反射膜42の間に1層の光反射性成形体41を配置した3層構造や、2層の光反射性成形体41の間に1層の反射膜42を配置した3層構造等の積層構造を有する光反射部材40)とすることもできる。また、2層構造の光反射部材40の例示として、図1(b)には、発光素子20−反射膜42−光反射性成形体41の順に積層された構成(すなわち、発光素子20と光反射性成形体41との間に反射膜42が配置された構成)を示したが、発光素子20−光反射性成形体41−反射膜42の順に積層された構成(すなわち、発光素子20と反射膜42との間に光反射性成形体41が配置された構成)としてもよい。
発光素子20を支持基板80に実装するときは、発光素子20の基板側を支持基板80に実装する実装形態(いわゆるフェースアップ実装)とすることも、発光素子20の半導体積層体側を支持基板80に実装する実装形態(いわゆるフリップチップ実装)とすることもできる。
また、フェースアップ実装の場合、発光素子20の半導体積層体側が蛍光体含有層30で被覆されるので、発光素子20への通電のために、例えば、半導体積層体から、蛍光体含有層30を貫通してその上面30aまで達する導電部材を設けることができる。
まず、蛍光体含有層30を形成する前に、半導体積層体側に設けられた発光素子20の電極23上に、金属バンプを形成しておく。その後に蛍光体含有層30で半導体積層体及び金属バンプを被覆する。そして、金属バンプを覆う蛍光体含有層30の上部を除去(例えば研磨等)することにより、金属バンプを蛍光体含有層30の上面30aから露出させる。
このように蛍光体含有層30の上面30aから露出した金属バンプ(導電部材)と、支持基板の配線との間を、金属製のボンディングワイヤ等で接続することにより、発光素子20の電極23と支持基板の配線とを電気的に接続することができる。
発光素子20を支持基板80上に実装した後(図7のS10)、発光素子20の上面20aに、蛍光体含有層30を形成する(図7のS20)。
蛍光体含有層30の基材36に樹脂材料を用いる場合、硬化前の樹脂材料(すなわち、流動性を有している状態の樹脂材料)34を、蛍光体35を含有した状態で、発光素子20の上面20aに滴下することができる(図8(a))。硬化前の樹脂材料34の滴下量は、表面張力によって発光素子20の上面20a上に保持される量に調節する。その後、蛍光体35を含有する樹脂材料34を硬化させることにより、蛍光体含有層30(蛍光体35を含有する基材36)を形成する(図8(b))。このようにして得られた蛍光体含有層30は、硬化前の液状の樹脂材料34の表面張力を利用して形成しているので、発光素子20の上面20aを被覆し、且つ上面20aより外側には形成されない。また、表面張力を利用して形成した蛍光体含有層30の表面30sは、略ドーム形状の湾曲面となる。その湾曲面の一部を、最終的に蛍光体含有層30の側面30cとすることができるので、蛍光体含有層30の側面30cを、金型等を使用せずに容易に凸状の曲面とすることができる。側面30cの曲率等は、滴下する樹脂材料34の量や粘度等によって調節可能である。
また、透明層32の一部分を切削等で除去する場合、切削面(蛍光体含有層30の上面30a)に蛍光体35が存在しない点で有利である。蛍光体35が光出射面に露出すると、光が強く散乱されて、光の指向性が低下し得るので、バックライト用の発光装置では好ましくないとされている。よって、透明層32のみを除去し、蛍光体含有層30の上面30aに蛍光体35が実質的に存在しないようにすることにより、蛍光体35による散乱を抑制して、バックライト用に好適な発光装置11を提供することができる。
なお、蛍光体含有層30は滴下法以外の方法で形成されてもよい。例えば、前述のように予め所望の形状に形成した蛍光体含有層30を、発光素子20の上面20aに配置することができる。蛍光体含有層30が蛍光体層31と透明層32とを含む場合には、これらを別々に形成し、それらを積層することで蛍光体含有層30を形成することもできる。そうすることで、蛍光体層31及び透明層32の厚さや形状等を各々調整しやすい。また、蛍光体含有層30はスプレーによる噴霧等で形成してもよい。そうすることで、蛍光体含有層30を適宜所望の厚さで容易に形成することができる。特にスプレーによる噴霧では、滴下法に比べて、蛍光体含有層30の厚さが調節しやすく、また薄い蛍光体含有層30を形成するのが容易である。適度に薄い蛍光体含有層30を形成することにより、後述の「工程3」で除去される蛍光体含有層30の量を少なくし得る。よって発光装置11の製造に必要な材料量及び製造コストを削減することができる。
発光素子20の側面20c及び蛍光体含有層30の表面30sを全て被覆する光反射部材40を設ける。
光反射部材40が反射膜42と光反射性成形体41とから成る場合には、まず、発光素子20の側面20c及び蛍光体含有層30の表面30sを全て被覆する反射膜42を形成する(図7のS30、図8(c))。反射膜42は、例えばスパッタリング、CVD、塗布、スプレー等の成膜法により形成することができる。
次に、発光素子20、光反射部材40及び支持基板80を囲むモールド型70を配置し、モールド型70に、反射性物質を含有する樹脂材料34を注入する(図9(a))。その後、樹脂材料34を硬化させることにより、支持基板80の上面80aと反射膜42とを被覆する光反射性成形体41を成型する(図7のS40、図9(b))。
また、「光反射性成形体41の形成」工程(S40)の前と後に、「反射膜42の形成」工程(S30)を1回ずつ、合計で2回行ってもよい。これにより、2層の反射膜42の間に1層の光反射性成形体41を配置した3層構造の光反射部材40を形成することができる。前述の通り、反射膜42は反射率の高い金属材料等を利用できるので、反射膜42を2層含むことにより、発光素子20からの光がさらに透過しにくい光反射部材40を得ることができる。なお、光反射部材40の厚さは、適宜自由に選択することができるが、薄い小型の発光装置を形成する場合、発光素子からの光を透過しない程度の厚さで、出来るだけ薄く形成されることが好ましい。
最後に、工程S40でモールド成型したままの光反射性成形体41の未加工上面41xを、X−X線まで除去する(図7のS50)。これにより、光反射性成形体41の上部、反射膜42の上部及び蛍光体含有層30の上部を除去する。それらの除去は、例えば研磨や切削等で行うことができる。この除去工程により、光反射性成形体41の上面41a、反射膜42の上面42a及び蛍光体含有層30の上面30aが略面一の発光装置11を得ることができる(図1)。
蛍光体含有層30が蛍光体層31と透明層32とを含む場合、蛍光体含有層30を除去する際には、下側に配置された蛍光体35が実質的に除去されないように、上側に配置された透明層32の一部が除去されるのが望ましい。よって、X−X線の位置は蛍光体層31よりも高い位置に設定するのが望ましい。そうすることで、蛍光体35の存在に起因する切削・研磨の抵抗が生じないため、研磨や切削等が円滑に行うことができる。また、蛍光体含有層30の上面30aに蛍光体35が実質的に存在しないように、上面30aを形成することができる。その他、所望の発光が得られるように、X−X線の位置は適宜設定することができる。
よって、蛍光体含有層30は、上面30aの表面粗さが側面30cの表面粗さよりも大きいと、側面30cを覆う光反射部材40の光反射面の光反射効率を高くしつつ、上面30aからの光取出しの効率を高くすることができる。
その他、蛍光体含有層30の下面30bは、平坦でも凹凸を有していてもよい。
除去工程後、発光装置ごとに個片化することで、発光装置を完成させることができる。
<発光素子20>
発光素子20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、ZnSeや窒化物系半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)、GaPを用いたものを用いることができる。また、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。さらに、これ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20大きさ及び形状、1つの発光装置に含まれる発光素子20の個数などは、目的に応じて適宜選択することができる。なお、バックライトに適した薄型の発光装置(特に、サイドビュー型発光装置)を製造する場合には、発光素子20の発光面(上面20a)が一方向に長い長方形の発光素子20であるのが特に好ましい(図4参照)。上面視における発光素子20の短手方向(y方向)の寸法に対する長手方向(x方向)の寸法の比率が大きいほど、薄型の発光装置11にも使用でき且つ発光面積を比較的広くすることができるので好ましい。
発光素子20が実装される支持基板80は、絶縁性材料から成る基体(図12の符号81)と、基体の表面に形成された導電性材料から成る配線(図12の符号82)とを含むことができる。
基体の材料としては、ガラスエポキシ、樹脂、セラミックス等の絶縁性材料が挙げられる。特に、耐熱性及び耐候性の高いセラミックスから成る基体が好ましい。セラミックス材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト等が好ましく、LTCC(low Temperature Co-fired Ceramics)を用いてもかまわない。その他、金属材料の表面を絶縁性材料で被覆した絶縁性基体を利用することもできる。
なお、図12(b)の発光装置15では、支持基板80の配線82が基体81から分離されて、発光素子20の電極23上に残されており、この配線82は、発光装置11の延伸電極として機能して、外部電極との導通に使用できる。配線82(延伸電極)は、発光素子20の下面20bで発光素子20の電極と接続し、そこから側面20cよりも外側まで延在されている。配線82は発光素子20の電極23より面積が広いので、発光素子20で発生した熱を、電極23を通じて外部に放熱する際に、広い面積を有する配線82から効率的に放熱させることができる。
支持基板80の配線82及び発光素子20の電極23の形態は、任意に変更可能である。
蛍光体含有層30は、透光性の基材36と、基材36に混合された蛍光体35とを含んでいる。
基材36の材料としては、ガラス等の無機材料や、樹脂等の有機材料を用いることができる。特に、樹脂材料が好ましく、例えば、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂、また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等の樹脂を用いることができる。
蛍光体含有層30に含有される蛍光体35の濃度は、発光装置11が所望の発光色となるように調整される。蛍光体の濃度は、例えば約5〜50%とすることができ、蛍光体含有層30の下面側の濃度が高い方が、発光装置から出射する光が散乱しにくく、導光板に入射されやすいため好ましい。
なお、1つの支持基板80上に複数の発光素子20を搭載する場合は、蛍光体含有層30は、発光素子20のそれぞれに対して形成されると好ましい。
(反射膜42)
反射膜42は、金属材料又は絶縁性材料等のうち、光の反射率の高いもので形成することができる。なお、絶縁性材料としては、材料自体が反射率の高いもの以外に、絶縁体多層膜も含む。各材料について以下に詳述する。
・金属材料
反射膜42に適した金属材料としては、例えば銀、銀合金、アルミニウム、金等が挙げられる。特に、耐酸化性に優れた銀合金が好ましく、当該分野で公知の銀合金のいずれを用いてもよい。反射膜の厚さは、特に限定されるものではなく、発光素子から出射される発光を効果的に反射することができる厚さ(例えば、約20nm〜約1μm)とすることができる。
反射膜42に適した絶縁性材料としては、樹脂材料に反射性物質を添加した反射性樹脂材料を用いることができる。硬化前の液状樹脂材料に反射性物質を添加したものを、被膜対象表面に塗布した後に硬化させることにより、反射膜42を形成することができる。
樹脂材料としては、例えば、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂、また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等の樹脂を用いることができる。
反射性物質としては、例えば、二酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化亜鉛、二酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、酸化ニオブ、各種希土類酸化物(例えば、酸化イットリウム、酸化ガドリニウムなどを用いることができる。反射性物質の添加量を増加することにより、反射性樹脂材料の反射率を高めることができる。好ましくは、発光素子からの発光に対する反射率が60%以上、より好ましくは70%、80%又は90%以上となるように、反射性物質の添加量を調節することができる。これにより、発光素子からの光を効率よく反射させることができる。
反射膜に適した別の絶縁材料としては、反射性物質をバインダーに分散させたスラリーを用いることができる。スラリーを塗布又はスプレーにより被膜対象表面に適用した後に乾燥させることにより、反射膜42を形成することができる。
誘電体多層膜(DBR)は、所定波長の光を選択的に反射することができる反射膜であり、屈折率の異なる2種類の絶縁膜を所定の厚さで交互に積層した構造を有する。具体的には、任意に形成された酸化膜等からなる下地層の上に、低屈折率層と高屈折率層とを、反射すべき光の1/4波長の厚さで交互に積層することにより、当該所定波長の光を高効率で反射することができる。
絶縁膜には、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物又は窒化物を用いることができ、スパッタリング又はCVDにより成膜することができる。例えば、低屈折率層をSiO2、高屈折率層をNb2O5、TiO2、ZrO2又はTa2O5等とすることができる。具体的には、下地層側から順番に(Nb2O5/SiO2)n(n=2〜5)が挙げられる。
DBRの総膜厚は、約0.2〜1μm程度とすることができる。
光反射性成形体41は、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、アクリル樹脂、また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等の樹脂に反射性物質を含有させたものを用いると好ましい。
反射性物質の材料としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、二酸化ケイ素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、チタン酸カリウム、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライトなどを用いることができる。反射性物質の添加量は、光の反射率や樹脂材料の成型性を考慮して調節することができる。例えば、比較的小さい発光装置11の場合には、光反射性成形体41の厚さを薄くする必要があり、その薄肉部で光の漏れを抑制するために、反射性物質の添加量を多くするのが好ましい。一方で、反射性物質の添加量が多くなると成型性が低下するため、光反射性成形体41の成型性を考慮して添加量を適宜調整する。例えば、光反射性成形体41中の反射性物質の濃度を約30wt%以上、光反射性成形体41の厚さを約20μm以上とすると、光漏れを防ぎつつ成型性を維持することができる。
前述のように、本実施形態に係る製造方法では、薄い小型の発光装置を効率的に製造することができる。薄型の発光装置の寸法形状の例としては、図1のような直方体の発光装置11であって、例えば光出射面側からみて、長手方向の寸法(y方向の寸法)約1.0〜4.0mm、短手方向の寸法(x方向の寸法)約0.1〜0.5mm、奥行方向の寸法(z方向の寸法)約0.2〜1.0mmのものが挙げられる。
サイドビュー型発光装置は、発光装置の実装面に対して発光面が略垂直であり、バックライト用の光源として好適に用いることができる。しかし、それに限らず、トップビュー型発光装置(発光装置の実装面に対して発光面が略平行な発光装置)としてもよいし、適宜所望の発光装置を効率的に製造することが可能である。発光装置の形状は、略直方体、略立方体のほか、用途に合わせて適宜所望の形状とすることができる。
20 発光素子
20a 上面
20c 側面
23 電極
30 蛍光体含有層
30a 上面
30b 下面
30c 側面
31 蛍光体層
32 透明層
35 蛍光体
40 光反射部材
41 光反射性成形体
41a 上面
42 反射膜
42a 上面
34 液状樹脂材料
70 モールド型
80 支持基板
80a 上面
81 基体
82 配線
90 バックライト
91 導光板
Claims (13)
- 電極を備えた発光素子と、
前記発光素子の上面に、接着剤を介して配置された蛍光体含有層と、
前記発光素子の上面の一部である隅部及び側面と、前記蛍光体含有層の側面と、を被覆する光反射部材と、を含み、
前記蛍光体含有層の断面形状は、下面から上面に向かって一旦広がった後に狭くなった形状を備えることを特徴とする発光装置。 - 前記蛍光体含有層は、側面が粗面である、請求項1に記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有層は、下面が平坦な面である、請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有層は、蛍光体層と、透明層とを含む、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記蛍光体層は、略均一な厚さである、請求項4記載の発光装置。
- 前記蛍光体層は、外縁部で厚さが薄く、中心側で厚い、請求項4記載の発光装置。
- 前記蛍光体層は、前記蛍光体含有層の下面全体に存在する、請求項4〜請求項6のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記蛍光体層は、その外縁部が、前記蛍光体含有層の外縁部から離間している、請求項4〜請求項6のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有層は、YAG蛍光体を含む、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有層は、KSF蛍光体を含む、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記蛍光体含有層は、LAG蛍光体を含む、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記発光装置は、さらに、配線及び絶縁性材料からなる基体を備えた支持基板を備える、請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記発光装置は、前記電極よりも面積が広い配線を備える、請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の発光装置。
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