JP7174290B2 - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
本実施形態に係る発光装置1は、図1に示すように、発光素子4と、透光性部材6と、発光素子4を被覆する光反射性の被覆部材5と、を備える。
発光素子4は、半導体積層体2と、半導体積層体2の下面に設けられた一対の電極3と、を含む。
透光性部材6は、発光素子4の上面4aを覆って配置されている。透光性部材6の表面の一部が被覆部材5から露出しており、該透光性部材6の表面のうち被覆部材5から露出された表面が発光装置1の光出射面1aを含む。
被覆部材5は、発光素子4の側面及び底面の一部と、透光性部材6の側面及び底面の一部と、を覆って配置されている。被覆部材5は、板状の光反射材11、シリカ、及びアルカリ金属を含んでいる。光反射材11の平均粒径が0.6μm以上43μm以下であり、光反射材11の平均アスペクト比が10以上である。
発光素子4に含まれる半導体積層体2は、例えば、n型半導体層と、p型半導体層と、n型半導体層及びp型半導体層の間に配置される発光部と、を備える。発光素子4は、半導体積層体2における電極3が形成される面とは反対側の面に、半導体層を成長させるための成長用基板7(例えば、サファイア基板)を備える。但し、成長用基板は、半導体層を形成後に除去してもよい。半導体積層体2が出射する光のピーク波長は、例えば、260nm以上630nm以下の範囲である。発光素子4は、例えば、紫外光又は青色光を出射する。
半導体積層体2の下面に設けられた一対の電極3は、p電極とn電極である。成長用基板7において、成長用基板7の幅(上面視で多角形状の成長用基板7における最も長い辺の長さ)は、成長用基板7の厚みの2.5倍以上3.5倍以下であるのが好ましい。このような成長用基板7の厚みと幅との関係であれば、発光素子4からの光取り出し効率が向上する。
透光性部材6は、樹脂を含んでもよいし、無機材料でもよい。透光性部材6が無機材料であれば、樹脂を含む透光性部材よりも耐熱性が高いため、耐熱性の高い発光装置を作製することができる。無機材料として、例えば、ガラスを用いることができる。透光性部材6は、蛍光体のような波長変換材料を含有させることができる。透光性部材6が無機材料の母材に蛍光体を含有されたものである場合、例えば、蛍光体として、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)、母材としてアルミナや、シリカを用いることができる。なお、透光性部材6に波長変換材料を含有させなくてもよい。この場合は、発光素子からの光が波長変換されることなく外部に出射される。
本実施形態では、被覆部材5は、発光素子4の電極3の下面3aと、透光性部材6の上面6aとを露出させて、発光素子4と透光性部材6とを覆っている。ここで、「覆っている」とは、被覆部材5が発光素子4及び/又は透光性部材5と接して配置されている状態だけでなく、被覆部材5が発光素子4及び/又は透光性部材5との間に別の部材や空間(例えば空気層)を介して配置されている状態を含む。また、本明細書において、「覆う」、「被覆する」、「覆われている」等の表現も、「覆っている」と同様の状態を含む。なお、発光素子4の側面と被覆部材5との間に別の部材や空間(例えば空気層)が配置されている場合、発光素子4の側面と対向する被覆部材5の内面は、断面視において、発光素子の下面から上面に向かうにつれて発光素子4の側面から離れる傾斜面を備えることができる。この傾斜面は、断面視において、例えば、直線状でもよいし、湾曲状でもよい。。
被覆部材5から露出した透光性部材6の上面6aは、発光装置1の光出射面1aである。ただし、透光性部材6は、本実施形態に係る発光装置1に必須の構成部材ではない。透光性部材6が設けられていない場合、被覆部材5は、例えば、発光素子4の上面4aと電極3の下面3aとを露出させて配置される。この場合、発光素子4の上面4aが光出射面である。
被覆部材5は、光反射材11と、光反射材11を支持する支持部材12と、を含む。支持部材12は、シリカ及びアルカリ金属を含む。被覆部材5は、後述するように、光反射材11の粉末、シリカの粉末、及びアルカリ溶液を混合したものを加熱する加熱工程を経て形成される。
被覆部材5は、無機材料のみで構成されていてもよいし、主として無機材料で構成されていてもよい。
なお、ここでは、被覆部材5は、発光素子4及び透光性部材6を覆う部材として用いられているが、他の用途に用いることができる。本実施形態に係る被覆部材5は、例えば、実装基板の表面に配置され、発光素子から実装基板側に進行する光を反射するための光反射層として使用することができる。また、本実施形態に係る混合物50は、被覆部材5の材料として使用されることに限らず、例えば、LEDパッケージにおける発光素子を囲んで配置される反射壁を構成する材料にも使用することができる。
光反射材11の粉末は、例えば図3に示すように、対向する2つの主面11a、11bを有する板状の粒子である。光反射材11の対向する2つの主面11a、11bは、光反射材11の上面と下面とも呼べる。また、光反射材11の粉末は、鱗片状の粒子とも呼べる。なお、図3は、光反射材11の粉末の形状の説明を容易にするために、光反射材11の粉末を、例えば薄い円柱状と見なして、模式的に示した図にすぎない。
光反射材11は、例えば、窒化ホウ素又はアルミナである。これらの材料であれば、発光素子からのピーク波長の光を反射させることができる。
光反射材11の平均アスペクト比は、発光装置1の断面において、被覆部材5に含まれる光反射材11の厚さ及び横幅を測定することで算出される。
まず、発光装置1の光出射面1aの中心を通り、かつ光出射面1aに略直交する断面を露出させる。該断面は、発光装置1を切断加工することによって露出される。
光反射材11が窒化ホウ素の場合、光反射材11の平均アスペクト比は、例えば、16.5以上19.2以下である。光反射材11がアルミナの場合、光反射材11の平均アスペクト比は、例えば、10以上70以下である。
ここで、上記の加熱工程による光反射材11の粉末とシリカの粉末との融着、及び加熱工程による光反射材11の粉末のアルカリ溶液への溶出は、わずかなものである。従って、光反射材11の粉末の形状及び寸法と、加熱工程を経て形成された被覆部材5に含まれる光反射材11の形状及び寸法とは、実質同一である。そのため、上記の光反射材11の平均粒径は、以下の方法で光反射材11の粉末の粒径を測定することにより算出される。
光反射材11の粉末の粒径は、例えば、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の走査電子顕微鏡「TM3030Plus」を用いて算出される。
まず、カーボン製の両面テープの一方の面を該顕微鏡の試料台貼りつけ、その後、両面テープの他方の面に光反射材11の粉末を配置する。顕微鏡の画素数を123万画素に設定し、倍率を1000倍~2000倍に設定し、100個の光反射材11の粉末(粒子)の画像を取得する。その後、画像解析ソフトウェアにより各粒子の粒径を測定する。本明細書において、光反射材11の粉末の粒径は、光反射材11の主面11a又は11bから見たときの直径のうち最大の直径である。次に、測定した粒子のメジアン径を算出し、該算出値を光反射材11の平均粒径とする。また、光反射材11の粉末の粒径は、SEMにより被覆部材の断面を抽出し、画像解析ソフトウェアにより測定して算出してもよい。
被覆部材5に含まれるシリカと光反射材11との含有比率は重量比で、例えば、1:4以上1:1以下である。すなわち、被覆部材5に含まれる光反射材11の重量は、被覆部材5に含まれるシリカの重量の、例えば、1倍以上4倍以下である。この範囲であれば、混合物の硬化時の収縮を低減させることができる。光反射材の量が多すぎると、硬化性が低下する虞がある。一方、シリカの量が多すぎると、硬化による収縮が大きくなり、硬化時にクラックが生じる虞がある。
シリカの平均粒径は、例えば、0.1μm以上10μm以下である。この範囲内であれば、原料(光反射材やシリカ)の容量あたりの密度を向上させることができるため、被覆部材の強度を確保することができる。
シリカの粉末の平均粒径は、光反射材の平均粒径よりも小さい方が望ましい。これにより、シリカの粉末が、混合時に光反射材同士の間にできる空隙を埋めることができる。シリカの粉末の平均粒径は、レーザー回析法によりシリカの粉末の粒度分布を測定することにより算出される。シリカの平均粒径は、アルカリ溶液と混合する前に測定した値である。シリカの粉末は、アルカリ溶液と混合すると溶融されてしまうため、被覆部材5から粒径を確認することが困難であるためである。なお、被覆部材から、シリカと光反射材との含有比率を算出するには、例えば、SEMにより抽出された被覆部材の断面を観察し、シリカと光反射材の占有率に基づいて算出してもよい。
アルカリ金属は、上記のアルカリ溶液に含まれるアルカリ金属である。アルカリ金属は、例えば、カリウム及び/又はナトリウムである。
さらに、このように発光素子4の熱によって収縮が抑制される被覆部材5が得られることで、発光素子から生じる熱が大きい条件(例えば、発光素子に供給する電力量が大きい場合)でも発光装置1を使用することが可能になる。発光素子に供給する電力量を大きくできることで、発光装置あたりの光量を増やすことができる。また、紫外光を発する発光素子は、可視光を発する発光素子よりも光の持つエネルギー量が大きく、樹脂の光劣化が起こりやすいため、光エネルギーに対して耐久性が高いセラミック製のパッケージに搭載されている場合がある。しかしながら、本実施形態に係る被覆部材5を用いれば、セラミック製のパッケージを用いることなく、紫外光を発する発光素子を被覆部材5で被覆した発光装置を提供することができる。このように被覆部材5を備える発光装置は、セラミック製のパッケージを含む発光装置と比較して、製造コストを抑制することができ、また、小型化することができる。
また、光散乱材は、ジルコニア単体で用いてもよいし、ジルコニアの表面にシリカ、アルミナ、亜鉛、有機等の各種表面処理を行ったものを用いてもよい。また、カルシウムやマグネシウム、イットリウム、アルミニウム等が添加された安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアを用いてもよい。
<第1製造方法>
次に、図4A~図4Cを参照して、本実施形態に係る発光装置1の製造方法の一例(第1製造方法)を説明する。
まず、透光性部材6が上面4aに配置された複数の発光素子4を準備する。透光性部材には、蛍光体が含有されている。次に、該発光素子4を、図4Aに示すように、実装基板20に所定の間隔をあけて実装する。
次に、光反射材11の粉末、及びシリカの粉末を混合した混合粉をアルカリ溶液と混合し、混合物50を準備する。混合粉とアルカリ溶液との混合は、例えば、均一な粘性が得られる程度まで混合した後に、減圧して撹拌できる撹拌脱泡機によって脱泡及び撹拌させる。
光反射材11の粉末は、平均粒径が0.6μm以上43μm以下であり、かつ平均アスペクト比が10以上であり、望ましくは10以上70以下である。光反射材11の粉末は、例えば、窒化ホウ素の粉末またはアルミナの粉末である。
シリカの粉末は、例えば、平均粒径が0.1μm以上10μm以下である。
アルカリ溶液の濃度は、例えば、1mol/L以上5mol/L以下である。アルカリ溶液の濃度が低すぎると、硬化性が悪くなり、被覆部材5の強度低下や分解の生じる虞がある。一方、アルカリ溶液の濃度が高すぎると、余剰なアルカリ金属が析出し、発光素子の信頼性が低下する虞がある。アルカリ溶液は、例えば、水酸化カリウム溶液又は水酸化ナトリウム溶液である。
シリカの粉末と光反射材11の粉末とは、例えば、重量比が1:4以上1:1以下の範囲で混合される。すなわち、シリカの粉末と光反射材11の粉末とは、例えば、シリカの粉末の重量に対し、光反射材11の粉末の重量が1倍以上4倍以下で混合される。アルカリ溶液と混合粉とは、例えば、重量比が2:10以上8:10以下で混合される。すなわち、アルカリ溶液と混合粉とは、アルカリ溶液の重量に対し混合粉の重量が、例えば、1.25倍以上5倍以下で混合される。アルカリ溶液が少なすぎると、混合した時に細かなダマが複数個形成されてしまい、成形が困難となる。一方、アルカリ溶液が多すぎると、硬化時にクラックが発生したり、硬化して得られた被覆部材の強度が低下する虞がある。
本工程では、少なくとも発光素子4の側面に混合物50を塗布する。発光装置1を作製する本製造方法では、図4Bに示すように、発光素子4及び透光性部材6を覆うようにして、混合物50を実装基板20上に塗布する。混合物50を実装基板20上に塗布する最中及び/又は塗布した後に、実装基板を振動させるのが望ましい。これにより、混合物50を容易に広範囲に塗り広げることができる。なお、透光性部材6を設けない発光装置の場合、本工程では、発光素子4のみを覆うようにして、混合物50を実装基板20上に配置すればよい。また、実装基板を振動させる代わりに、混合物50を振動させながら塗布してもよい。
また、電極3及び/又は実装基板20の配線電極への保護膜は、混合物50を塗布した後に実施してもよいし、混合物50の塗布前及び塗布後に実施してもよい。なお、電極3及び/又は実装基板20の配線電極への保護膜を混合物50の塗布前及び塗布後に実施することで、発光装置1のガスバリア性をより向上させるこができる。
このように混合物50の上面を押圧して平坦にすることで、作製された発光装置1において、被覆部材5に含まれる光反射材のうち、発光素子4および透光性部材6の近傍領域R1(図9参照)に位置する光反射材11は、発光素子4及び透光性部材6の表面から0°以上45°以下の角度で配置されている。この光反射材11の配置状態は、後述する実施例で実証される。近傍領域R1(図9参照)は、例えば、発光素子4及び透光性部材6の表面から10μmの範囲にある領域である。さらに、発光素子4及び/又は透光性部材6の表面が、平坦でない場合は、該表面の凹凸を平均化した面を、透光性部材の平面とする。
このように、近傍領域R1に位置する光反射材11が発光素子4及び透光性部材6の表面から0°以上45°以下の角度で配置されると、光反射材11同士が互いの主面11a、11bを対向させて、近接した状態で配置され得る。つまり、近傍領域R1における、光反射材11の密度が高くなり得る。そのため、光反射材11が高熱伝導材料、例えば窒化ホウ素、アルミナ等である場合、発光素子4及び透光性部材6から生じる熱の放熱を促進させることができる。
次に、混合物50を加熱することで硬化させて光反射性の被覆部材5を形成する。この工程は、混合物50を第1温度T1で硬化させる仮硬化工程と、混合物50を第1温度T1よりも高い第2温度T2で硬化させる本硬化工程と、を含む。仮硬化工程は、例えば、80℃以上100℃以下の第1温度T1で、10分以上2時間以下行われる。本硬化工程は、例えば、150℃以上250℃以下の第2温度T2で、10分以上3時間以下行われる。
このように本硬化工程の前に、本硬化工程よりも低い温度で仮硬化工程を実施することで、形成される被覆部材5にクラックが生じにくくなる。
さらに、仮硬化工程、及び本硬化工程を加圧しながら行うことで、形成される被覆部材5の光の反射率が高くなる。これは、混合物が加圧されることで、混合物内の光反射材がより密集して配置された状態で硬化するためと考えられる。本硬化工程の間に加えられる圧力は、例えば、1MPaである。
次に、図4Cに示すように、被覆部材5を研削して、透光性部材6の上面6aを露出させる。このとき露出した透光性部材6の上面6aが、発光装置1の光出射面1aとなる。
次に、1つの発光素子4を含むように所定の切断位置CLに沿って個片化し、発光装置1を得る。個片化は、例えばブレードを用いて実施される。
次に、図6A~図6Dを参照して、本実施形態に係る発光装置1の製造方法の別の一例
(第2製造方法)を説明する。
光反射材11の粉末、及びシリカの粉末を混合した混合粉をアルカリ溶液と混合して、混合物50を準備する。本工程は、第1製造方法における光反射材の粉末と、シリカの粉末と、アルカリ溶液と、を混合し混合物50を形成する工程と同様である。
図6Aに示すように、側面に混合物50が配置される透光性部材6を準備する。側面に混合物50が配置される透光性部材6は、例えば、以下のように作製することができる。まず、準備した層状の混合物50に1又は複数の貫通孔を設け、貫通孔を備えた層状の混合物50を成形する。複数の貫通孔が設けられる場合、複数の貫通孔は、所定の間隔をあけて設けられることが望ましい。次に、貫通孔に透光性部材6を配置する。これにより、側面に混合物50が配置される透光性部材6を作製することができる。なお、透光性部材は、波長変換部材(例えば、蛍光体)を含んでもよいし、含んでいなくてもよい。
透光性部材6の側面に配置される混合物50は、この段階で加熱されてもよいし、後述する発光素子4に混合物50を被覆した後に加熱されてもよい。
貫通孔は、層状の混合物50を形成した後、パンチングによって形成してもよい。
次に、図6Bに示すように、複数の発光素子4を上面4aが透光性部材6に接するようにして載置する。なお、ここでは、発光素子4における電極が形成された面と反対側の面を上面4aとする。また、透光性部材6における発光素子側の面と反対側の面を上面6aとする。
次に、図6Cに示すように、発光素子4を覆うようにして、混合物50を層状の混合物50上に塗布する。第1製造方法と同様に、本製造方法においても、混合物50を塗布中又は/及び塗布後に実装基板を振動させるのが望ましい。また、第1製造方法と同様に、本製造方法においても、混合物50を塗布する前及び/又は後に、電極3表面に原子層体積法を用いて保護膜を配置してもよい。
次に、混合物50を加熱することで硬化させて被覆部材5を形成する。本工程は、第1製造方法における混合物を加熱して光反射性の被覆部材を形成する工程(加熱工程)と同様である。
次に、図6Dに示すように、被覆部材5を研削して、発光素子4の電極3の下面3aを露出させる。なお、ここでは、電極3における発光素子4側の面と反対側の面を下面3aとする。
次に、1つの発光素子4を含むように所定の切断位置CLに沿って個片化し、発光装置1を得る。個片化は、例えばブレードを用いて実施される。
実施形態1に係る発光装置1では、透光性部材6の上面6aが被覆部材5から露出しており、発光装置1の上面は透光性部材6の上面6a及び被覆部材5の上面を含んでいるが、これに限定されるものではない。例えば、図7に示すように、透光性部材106の上面106a及び側面106bが被覆部材5から露出しており、発光装置100の上面は、透光性部材106の上面106aのみであってもよい。透光性部材106の上面106aは発光装置100の光出射面100aである。なお、透光性部材106は、波長変換部材(例えば、蛍光体)を含んでもよいし、含んでいなくてもよい。
まず、図8Aに示すように、複数の発光素子4を所定の間隔をあけて透光性シート60上に載置する。発光素子4は、発光素子4の上面が透光性シート60と対向するように透光性シート60上に載置される。
次に、図8Bに示すように、発光素子4を覆うようにして、透光性シート60上に混合物50を配置する。その後、混合物50を加熱して光反射性の被覆部材5を形成する。該工程は、第1製造方法及び第2製造方法の混合物を加熱して光反射性の被覆部材を形成する工程(加熱工程)と同様に実施される。
次に、図8Cに示すように、電極3の下面3aを露出させて、所定の切断位置CLに沿って個片化する。これにより、発光装置100を作製することができる。
なお、本実施形態において、露出させた一対の電極3の下面3aそれぞれに、金属膜を配置することができる。このとき、金属膜は、該電極3の下面3aに加えて、該下面3aの周辺の被覆部材5の下面も覆って配置されることが望ましい。つまり、金属膜は、該金属膜の下面の面積が、露出した電極3の下面3aの面積よりも広くなるように設けられることが望ましい。これにより、発光装置1と配線基板との電気的接続が良好になる。さらに、電極3がCuを含み、Cuが露出する構成である場合、Cuの酸化により、配線基板に実装する際、実装不良が起こす虞があるが、電極3がCuより酸化されにくい金属膜で被覆されていることで、このような虞は生じない。このような金属膜としては、電極3側からNi、Ru、Auが順に積層したものを用いることができる。最表面がAuであれば、Cuより酸化されにくいので、金属膜が酸化するのを抑制することができる。また、金属膜において、電極3と接合する金属をNiとすることで、電極3と金属膜との密着性を良好にすることができる。金属膜は、例えば、以下のように形成することができる。電極3の下面3a及び被覆部材の下面に金属膜をスパッタし、レーザーアブレーションによって一対の電極3が電気的に分断されるように金属膜を除去する。
以下、実施例及び参考例について説明する。
参考例1、参考例2、実施例1~実施例9では、被覆部材を作製し、該被覆部材を1000℃で1時間加熱した時の収縮維持率を測定した。また、アルカリ溶液の添加量は、成形に適した粘度となるように適宜調整を行った。
まず、平均粒径が1μmでありかつ平均アスペクト比が4.6である光反射材11の粉末と、平均粒径がメジアン径で0.4μmのシリカの粉末とを、混合して混合粉を準備した。光反射材11の粉末は、窒化ホウ素の粉末であった。シリカの粉末と窒化ホウ素の粉末とは、重量比を4:5にして混合した。
該混合粉をと、濃度が3mol/Lのアルカリ溶液と、を混合して混合物を準備した。アルカリ溶液は、水酸化カリウム溶液であった。アルカリ溶液と混合粉とは、重量比を5.8:9にして混合した。
次に、混合物50を第1温度90℃、1MPaの圧力下で1時間加熱し、仮硬化させた。
次に、混合物50を第2温度200℃、1MPaの圧力下で2時間加熱し、本硬化させ、被覆部材5を作製した。
実施例10の発光装置を以下のようにして作製した。
粘着性のシート上に、YAGを含む板状の透光性部材6を接合した発光素子を、透光性部材6側が粘着性のシートに面した状態に配置した。発光素子4は、上面視における形状が1mm×1mmの矩形であり、ピーク波長が450nm~455nmであった。発光素子4は、X,Y方向(幅方向、奥行き方向)共に1.8mmのピッチで、粘着性のシート上に配置した。粘着シートとしては、ポリイミドを基材とした耐熱シートを使用したが、仮硬化温度以上の耐熱性がある粘着性のシートであれば他の素材のものでもよい。透光性部材6の上面視における形状は1.1mm×1.1mmの矩形であり、厚みは180umである。発光素子4の厚みは200umである。発光素子4の電極3は、高さが約50umのCuを含む。
平均粒径が10umであり、平均アスペクト比が17程度の窒化ホウ素と、平均粒径が0.4umのシリカと、を重量比1:1で混ぜ合わせた混合粉を作製した。その後、作製した混合粉10gに対して、3mol/Lの水酸化カリウム溶液を3.4g添加し、撹拌棒を用いて混ぜ合わせた後、減圧して撹拌できる撹拌脱泡機によって脱泡及び撹拌させることで、白色で均一な粘度状の混合物50を得た。
得られた混合物50を、発光素子4と透光性部材6とを覆うように塗布した。その後、ガラス板を用いて混合物50を押圧し、混合物50をおよそ1mmの厚さの平坦な形状に成形した。
このときの透光性部材6の上面6aの中心を通り、かつ該上面6aに略直交する断面を図9に示す。図9に示されるように、混合物50に含まれる光反射材11のうち発光素子4および透光性部材6の近くに位置する光反射材11は、光反射材11の長手方向が発光素子4及び透光性部材6の辺から0°以上45°以下の角度で配置される傾向にある。このような配置傾向は、板状の光反射材11のアスペクト比を高くするとともに、混合物50を発光素子4に塗布する際、発光素子4や透光性部材6の近傍を流れる混合物50の流速を遅くすることによって実現できたと考えられる。
次に、混合物50を加熱することで硬化させて光反射性の被覆部材5を得た。硬化条件としては、加圧オーブンを使用して、1MPaの加圧窒素雰囲気中で60分の仮硬化を行った。シート剥離後、再び加圧オーブンで、1MPaの加圧窒素雰囲気中で40分の本硬化を行った。本硬化時の温度は200℃である。
次に、被覆部材5を研削し、電極3を露出させた。
最後に、厚さ100umのブレードを用いて個片化した。個片化後、上面視における形状が1.7mm×1.7mmの矩形であり、厚さが約0.4mmである白色光を出射する発光装置を得た。
実施例11の発光装置を以下のようにして作製した。
平均粒径が10umであり、平均アスペクト比が17程度の窒化ホウ素と、平均粒径が0.4umであるシリカと、平均粒径が0.25umであるチタニアと、を重量比5:5:3で混ぜ合わせた粉体材料13gに対して、3mol/Lの水酸化カリウム溶液を4g添加した以外は実施例10と同様にして発光装置を得た。
この発光装置の断面をSEMで観察した。図10には、透光性部材6の上面6aの中心を通り、かつ該上面6aに略直交する断面における被覆部材5の一部を示す。図10より、被覆部材5中にボイド13が存在し、ボイド13の一部は、光反射材11に接していることが明らかである。このように、局所的にボイド13を生じさせることで、被覆部材5が加熱硬化された時に収縮することを抑制する効果がある。
また、本実施例に係る発光装置は、チタニアを散乱材14として添加することで、チタニアを添加していないものと比較して、反射率と遮光性の向上が実現できた。
実施例12の発光装置を以下のようにして作製した。
平均粒径が10umであり,平均アスペクト比が17程度の窒化ホウ素と、平均粒径が0.4μmであるシリカと,ジルコニアと、を重量比5:5:4で混ぜ合わせた粉体材料14gに対して、3mol/Lの水酸化カリウム溶液を4.8g添加した以外は実施例10と同様にして発光装置を得た。
本実施例に係る発光装置は、ジルコニアを散乱材として添加することで、ジルコニアを添加していないものと比較して、反射率と遮光性の向上が実現できた。特にジルコニアは紫外光を出射する発光素子の波長領域である250nm~420nmの波長領域で吸収が少なく反射特性が良いため、紫外光を出射する発光装置において特性の向上が得られた。
<光束>
実施例10~実施例12の発光装置に関して、積分球を用いて各発光装置の光束の評価を行った。実施例10の発光装置の光束は161[lm]であった。実施例11の発光装置の光束は162[lm]であった。実施例12の発光装置の光束は162[lm]であった。実施例10~実施例12の発光装置に供給する順方向電流は、350[mA]であった。
発光装置とレンズ等の光学系を組み合わせて使用する場合、特定の発光エリア(本開示の場合は透光性部材の光出射面)の輝度が重要となる。実施例10~実施例12の発光装置に関して、Radiant Vision Systems社製の2次元色彩輝度計を用いて透光性部材6の出射面(露出面)の輝度評価を行った。実施例10の発光装置の輝度は33.7[cd/cm2]であった。実施例11の発光装置の輝度は37.3[cd/cm2]であった。実施例12の発光装置の輝度は35.8[cd/cm2]であった。実施例10~実施例12の発光装置に供給する順方向電流は、350[mA]であった。
車のヘッドライト等においては、発光エリア外に漏れ出した光成分に対して、安全規格が適用されるため、発光エリア外の光成分の低減(見切り性)が求められる。透光性部材被覆部材から漏れ出る光の輝度を透光性部材6から出射される光の平均輝度で割った値を見切り性の指標とした場合、実施例10で7.2%、実施例11で2.2%,実施例12で3.6%の値が得られた。なお、被覆部材から漏れ出る光は、上面視において透光性部材と被覆部材の境界地点から外側に125um離れた地点で測定した光である。
実施例11及び実施例12の発光装置の発光装置に対して、85℃の高温環境下で、1.5Aの電流を印加し、1000時間のライフ試験を実施した。動作時のジャンクション温度は約175℃である。なお、「ジャンクション温度」とは、発光素子の光を発する領域である活性層の温度である。
700mAの電流を印加した時の、1000時間後の出力維持率は初期値に対して、実施例11の発光装置の出力維持率は102%であり、実施例12の発光装置の出力維持率は101%であった。
また、実施例11の発光装置及び実施例12の発光装置に関しては、試験でのクラックの発生及び進行は確認されなかった。
実施例13の発光装置を以下のようにして作製した。
粘着性のあるポリイミドシート上に、280nmのピーク波長を有し、上面視における形状が1mm×1mmの矩形である発光素子4を、2.2mmピッチでサファイア基板側をシート側にした状態で配列した。発光素子4の厚みは700μmである。発光素子4の電極3は、高さ約30umのAuバンプを含む。
平均粒径が10.5μmであり、平均アスペクト比が16.5の窒化ホウ素と、平均粒径が0.4μmのシリカと、を重量比1:1で混ぜ合わせた混合粉10gに対して、3mol/Lの水酸化カリウム溶液を3g添加し、容器内で混ぜ合わせた。その後、真空撹拌脱泡機で更に混錬し、混合物50を得た。
得られた混合物50を、発光素子4と透光性部材6を覆うように塗布した。その後、ガラス板を用いて、混合物50を押圧し、およそ2mmの厚みの平坦な形状に成形した。
次にオーブンを使用して、大気中60分の仮硬化を行った。仮硬化時の温度は95℃であった。その後、発光素子4を保持していたポリイミドの粘着シートを剥離した。シート剥離後、加圧オーブンを用いて、1MPaのN2雰囲気中で40分間、本硬化を行った。本硬化時の温度は200℃であった。
次に、被覆部材5を研削し、電極3を露出させた。
最後に厚さ100umのブレードを用いて個片化した。個片化後、上面視における形状が2.1mm×2.1mmの矩形であり、厚さが約720μmの紫外光を出射する発光装置を得た。
上記のように作製した発光装置に関して信頼性試験を行った。
25℃の室温環境下で、500mAの電流を印加し、1000時間のライフ試験を実施した。動作時のジャンクション温度は約100℃である。
350mAの電流を印加した時の、1000時間後の出力維持率は初期値に対して、92%であった。試験後の外観においても変色やクラック等の劣化は見られなかった。
1a、100a 光出射面2 半導体積層体3 電極
3a 下面4 発光素子
4a 上面5 被覆部材6、106 透光性部材
6a、106a 上面7 成長用基板
106b 側面11 光反射材
11a、11b 主面12 支持部材13 ボイド14 散乱材20 実装基板50 混合物60 透光性シート90 溝
Claims (22)
- 発光素子と、
板状の光反射材、シリカ、及びアルカリ金属を含み、前記発光素子を被覆する光反射性の被覆部材と、を備え、
前記光反射材の平均粒径が0.6μm以上43μm以下であり、
前記光反射材の平均アスペクト比が10以上である、発光装置。 - 前記光反射材は窒化ホウ素であり、
前記光反射材の平均粒径は、6μm以上43μm以下である、請求項1に記載の発光装置。 - 前記光反射材はアルミナであり、
前記光反射材の平均粒径は、0.6μm以上10μm以下である、請求項1に記載の発光装置。 - 前記シリカと前記光反射材との含有比率は重量比で、1:4以上1:1以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記アルカリ金属は、カリウム又はナトリウムである、請求項1~4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記被覆部材は散乱材を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記散乱材の平均粒径は、前記光反射材の平均粒径より小さい、請求項6に記載の発光装置。
- 前記散乱材は、主にジルコニア又はチタニアである、請求項6又は7に記載の発光装置。
- 前記発光素子上に透光性部材が配置され、前記透光性部材の表面の一部が前記被覆部材から露出しており、
前記透光性部材の表面のうち前記被覆部材から露出された表面が光出射面を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記透光性部材は、無機材料である、請求項9に記載の発光装置。
- 前記発光素子は、紫外光を出射する、請求項1~10のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記被覆部材は、40℃~300℃の温度範囲において、線形熱膨張係数が、0.5ppm/℃以上5ppm/℃以下である、請求項1~11のいずれか1項に記載の発光装置。
- シリカの粉末と、平均粒径が0.6μm以上43μm以下であり、かつ平均アスペクト比が10以上である板状の光反射材の粉末と、アルカリ溶液と、を混合し混合物を形成する工程と、
発光素子に前記混合物を塗布する工程と、
前記混合物を加熱することにより硬化させて光反射性の被覆部材を形成する工程と、を含む発光装置の製造方法。 - 前記光反射性の被覆部材を形成する工程は、
前記混合物を第1温度で硬化させる仮硬化工程と、
前記混合物を前記第1温度よりも高い第2温度で硬化させる本硬化工程と、を含む、請求項13に記載の発光装置の製造方法。 - 前記混合物を形成する工程において、前記シリカの粉末と前記光反射材の粉末とは、重量比が1:4以上1:1以下の範囲で混合される、請求項13又は14に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物を形成する工程において、前記アルカリ溶液と、前記シリカの粉末及び前記光反射材の粉末と、の重量比は、2:10以上8:10以下である、請求項13~15のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物を形成する工程において、濃度が1mol/L以上5mol/Lである前記アルカリ溶液を用いる、請求項13~16のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物を形成する工程において、窒化ホウ素又はアルミナである前記光反射材を用いる、請求項13~17のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物を形成する工程において、水酸化カリウム溶液又は水酸化ナトリウム溶液である前記アルカリ溶液を用いる、請求項13~18のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物に散乱材を混合させる工程を含む、請求項13~19のいずれか1項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物に散乱材を混合させる工程において、平均粒径が前記光反射材の粉末の平均粒径より小さい前記散乱材を用いる、請求項20に記載の発光装置の製造方法。
- 前記混合物に散乱材を混合させる工程において、主にジルコニア又はチタニアである前記散乱材を用いる、請求項20又は21に記載の発光装置の製造方法。
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