JP2007019096A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストの低廉化を図ることができるとともに、生産性を高めることができる発光装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 素子搭載面を内部に有し、光取出側に開口するケース３と、ケース３内の素子搭載面上に搭載され、発光層８を含む積層体４を有するＬＥＤ素子２とを備えた発光装置１において、積層体４の外面であって、ＬＥＤ素子２の光取出面５Ａを除く部位を覆うようなコーティング材１１がケース内３に充填され、コーティング材１１には、発光層８の発光によって積層体４からケース３内に出射される漏洩光を受けてＬＥＤ素子２内に反射するための光反射粒子１１Ａが含有されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光層を含む積層体を有する発光ダイオード素子を備えた発光装置及びその製造方法に関する。

近年、発光装置には、水銀ガスによる環境（人体）への悪影響をなくすという考えから、また紫外光の照射による構成部品の劣化を防止するとともに、消費電力コストを低減し、かつ良好な色再現性を得るという観点等から、水銀ガスを内封してなる冷陰極蛍光管に代わり、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子を備えたものが採用されている。

一般に、この種の発光装置には、発光部としての発光層及びこの発光層からの光を光取出側に出射するサファイア基板を有するＬＥＤ素子を備え、このＬＥＤ素子を素子搭載基板上にフリップ実装してなるものが知られている。

このような発光装置においては、発光層が発光すると、この光がサファイア基板を透過してその光取出面から大気中に出射される。

ところが、この種の発光装置においては、その放射光が光取出面のみならず、光取出面以外の部位（例えば発光層の外面）からも出射されるため、光取出側に取り出される放射光が様々な方向に散乱して良好な指向性が得られないばかりか、高い輝度が得られないという不都合がある。

そこで、上述した不都合を回避するために、ＬＥＤ素子の周面部及び素子搭載側部を光反射膜で被覆してなる発光装置が従来より提案されている（例えば特許文献１）。
特許第３３２６５４５号公報

しかしながら、従来の発光装置（特許文献１）によると、ＬＥＤ素子をパッケージングする工程より前の素子レベルの製造工程で光反射膜を形成するため、製造工程が複雑になり、コストが嵩むばかりか、生産性が低下するという問題があった。

従って、本発明の目的は、コストの低廉化を図ることができるとともに、生産性を高めることができる高輝度な発光装置及びその製造方法を提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、素子搭載面をケース内部に有し、光取出側に開口するケースと、前記ケース内部の素子搭載面上に搭載され、発光層を含む積層体を有する発光ダイオード素子とを備えた発光装置において、前記積層体の外面であって、前記発光ダイオード素子の光取出面を除く部位を覆うようなコーティング材が前記ケース内部に充填され、前記コーティング材には、前記発光層の発光によって前記積層体から前記ケース内部に出射される漏洩光を受けて前記発光ダイオード素子内に反射するための光反射粒子が含有されていることを特徴とする発光装置を提供する。

（２）本発明は、上記目的を達成するために、素子搭載面をケース内部に有し、光取出側に開口するケースと、前記ケース内部の素子搭載面上に搭載され、発光層を含む積層体を有する発光ダイオード素子とを備えた発光装置の製造方法において、前記ケース内部の素子搭載面上に前記発光ダイオード素子を搭載する工程と、前記積層体の外面であって、前記発光ダイオード素子の光取出面を除く部位を覆うようなコーティング材を前記ケース内部に充填する工程とを備え、前記コーティング材には、前記発光層の発光によって前記積層体から前記ケース内部に出射される漏洩光を受けて前記発光ダイオード素子内に反射するための光反射粒子が予め含有されていることを特徴とする発光装置の製造方法を提供する。

本発明によると、輝度が高い発光装置のコストの低廉化を図ることができるとともに、生産性を高めることができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る発光装置のＬＥＤ素子を説明するために示す断面図である。

〔発光装置の全体構成〕
図１において、符号１で示す発光装置は、光源としてのＬＥＤ素子２と、このＬＥＤ素子２の一部（素子搭載側部）を収容可能なケース３とから大略構成されている。

（ＬＥＤ素子２の構成）
ＬＥＤ素子２は、図１及び図２に示すように、ｐコンタクト電極２Ａ及びｎ側電極２Ｂを有する積層体４を備えたフリップチップ型の青色ＬＥＤ素子からなり、ケース３内の素子搭載面上に搭載されている。ＬＥＤ素子２の積層体４は、光取出面５Ａを有するサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板５上にバッファ（ＡｌＮ）層６及びｎ型半導体（ＧａＮ）層７・発光層８・ｐ型半導体（ＧａＮ）層９を順次結晶成長させることにより形成されている。ＬＥＤ素子２の平面縦横寸法は、縦寸法及び横寸法をそれぞれ約１ｍｍとする平面サイズに設定されている。ＬＥＤ素子２の熱膨張率αはα＝７×１０⁻⁶／℃に設定されている。

ｐコンタクト電極２Ａは、ロジウム（Ｒｈ）からなり、ｐ型半導体層９の表面上に配設されている。ｎ側電極２Ｂは、アルミニウム（Ａｌ）からなり、ｎ型半導体層７の外部露出面上に配設されている。サファイア基板５の光取出面５Ａ上には、ＬＥＤ素子２からの放射光（青色光）を受けて励起されることにより、波長変換光（黄色光）を放射するＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）等の蛍光体を含む樹脂からなるシート状の蛍光体層１０が配設されている。蛍光体層１０は、光取出側に露出する光出射面１０Ａを有し、サファイア基板５の光取出面５Ａ全体を覆うように構成されている。

（ケース３の構成）
ケース３は、図１に示すように、ＬＥＤ素子２を搭載するための素子搭載部３Ａ及びＬＥＤ素子２の一部を収容可能なカバー部３Ｂを有し、全体が光取出側に開口するセラミックス（Ａｌ₂Ｏ₃）製の有頭（有底）角箱によって形成されている。

ケース３内には、積層体４の外面であって、ＬＥＤ素子２（サファイア基板５）の光取出面５Ａを除く部位を覆うようなシリコーン等のコーティング材１１が充填されている。コーティング材１１には、発光層８の発光によって積層体４の外面（光取出面５Ａを除く領域）からケース３内に出射される漏洩光を受けてＬＥＤ素子２内に反射するための光反射粒子１１Ａがフィラーとして含有されている。コーティング材１１としては、シリコーンの他にエポキシ樹脂等の樹脂材料が用いられる。また、光反射粒子１１Ａとしては、高反射率をもつＡｌ₂Ｏ₃やＴｉＯ₂等のセラミックス材料が用いられる。光反射粒子１１Ａの平均１次粒子径は１０〜１００ｎｍ程度の寸法に設定されている。

ケース３には、素子搭載部側から光取出側（ケース開口）に向かって広がる略截頭角錐状の内部空間１２が設けられている。ケース３の熱膨張率αはα＝７×１０⁻⁶／℃に設定されている。

素子搭載部３Ａの内面は、素子搭載面として機能し、ＬＥＤ素子２（サファイア基板５）の光取出面５Ａと平行な面で形成されている。素子搭載部３Ａの内面上には、ＬＥＤ素子２のｐコンタクト電極２Ａ及びｎ側電極２Ｂにそれぞれ金（Ａｕ）からなるスタッドパッド１３，１４を介して接続するタングステン（Ｗ），ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ）など単層又は積層あるいは半田材料からなる第１配線パターン１５，１６が形成されている。両第１配線パターン１５，１６及びｐコンタクト電極２Ａ・ｎ側電極２Ｂの各表面には、スタッドパッド１３，１４との良好な付着性を得るためにニッケル（Ｎｉ）めっき処理が施されていることが好ましい。素子搭載部３Ａの外面上には、ＬＥＤ素子２に対して電源電圧を供給するためのタングステン（Ｗ），ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ）など単層又は積層あるいは半田材料からなる第２配線パターン１７，１８が形成されている。

素子搭載部３Ａには、内外両面に開口するビアホール１９，２０が設けられている。ビアホール１９，２０内には、第１配線パターン１５と第２配線パターン１７とに及び第１配線パターン１６と及び第２配線パターン１８とにそれぞれ接続するタングステン（Ｗ）からなるビアパターン２１，２２が形成されている。カバー部３Ｂには、素子搭載部３Ａの内面（素子搭載面）に対し傾斜角ａ（ａ＝３０〜６０°）をもって傾斜面２３が設けられている。

〔発光装置１の動作〕
ＬＥＤ素子２に電源から電圧が印加されると、発光層８において発光し、この放射光がサファイア基板５の光取出面５Ａから蛍光体層１０を介して第１放射光として光取出側に、また積層体４から第２放射光（漏洩光）としてケース３内のコーティング材１１中にそれぞれ出射される。これら放射光のうち積層体４からコーティング材１１中に出射される第２放射光はＬＥＤ素子２（コーティング材１１と積層体４との間の界面）近傍の光反射粒子１１Ａで反射され、これら反射光のうち大部分（約９５％）の反射光がＬＥＤ素子２内に戻り、第１放射光と共に光取出面５Ａから蛍光体層１０を介して出射される。この場合、蛍光体層１０においては、ＬＥＤ素子２から放射される第１放射光及び第２放射光（共に青色光）を受けて励起されることにより黄色の波長変換光を放射する。このため、ＬＥＤ素子２から放射される青色の放射光と蛍光体層１０から放射される黄色の波長変換光とが混合して白色光となる。

次に、本実施の形態に係る発光装置の製造方法につき、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置の製造方法を説明するために示す図である。図３（ａ）はＬＥＤ素子の実装工程を、図３（ｂ）はコーティング材の充填工程を、図３（ｃ）は蛍光体層の形成工程を、図３（ｄ）は剥離シートの剥離工程をそれぞれ説明するために示す断面図である。

本実施の形態に示す発光装置の製造方法は、「ＬＥＤ素子の実装」及び「コーティング材の充填」・「蛍光体層の形成」・「剥離シートの剥離」の各工程が順次実施されるため、これら各工程を順次説明する。

「ＬＥＤ素子の実装」
図３（ａ）に示すように、第１配線パターン１５，１６及び第２配線パターン１７，１８・ビアパターン２１，２２が予め形成されたケース３内の素子搭載面上にスタッドパッド１３，１４を介してＬＥＤ素子２を搭載する。この場合、ＬＥＤ素子２がケース３内の素子搭載面上に搭載されると、ＬＥＤ素子２のｐコンタクト電極２Ａ及びｎ側電極２Ｂがそれぞれスタッドパッド１３，１４を介して素子搭載部３Ａの第１配線パターン１５，１６に接続される。

「コーティング材の充填」
図３（ｂ）に示すように、針状のノズルＮ（図３（ａ）に２点鎖線で示す）から光反射粒子１１Ａ含有のコーティング材１１をケース３内に充填する。この際、ケース３内へのコーティング材１１の充填は、積層体４の外面であって、ＬＥＤ素子２の光取出面５Ａを除く部位を覆うように行う。ここで、光取出面５Ａにコーティング材１１が付着することがあるが、この場合には研磨によって光取出面５Ａ上のコーティング材１１を取り除き、光取出面５Ａを外部に露出する。その後、コーティング材１１を熱硬化する。

「蛍光体層の形成」
図３（ｃ）に示すように、例えばスクリーン印刷によってシート状の蛍光体層１０が予め配設された剥離シートＳを用い、この剥離シートＳの蛍光体層１０をＬＥＤ素子２の光取出面５Ａ上に貼付する。この場合、蛍光体層１０がＬＥＤ素子２の光取出面５Ａ上に貼付されると、光取出面５Ａの全体が蛍光体層１０で被覆される。

「剥離シートの剥離」
図３（ｄ）に示すように、剥離シートＳを蛍光体層１０から剥離する。この場合、剥離シートＳが蛍光体層１０から剥離されると、蛍光体層１０の光出射面１０Ａが光取出側に露出される。
このようにして、発光装置１を製造することができる。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）積層体４の外面であって、ＬＥＤ素子２の光取出面５Ａを除く部位を覆うような光反射粒子１１Ａ含有のコーティング材１１がケース３内に充填されているため、積層体４からコーティング材１１中に出射される漏洩光は光反射粒子１１Ａにおいて反射され、これら反射光のうち大部分の反射光がＬＥＤ素子２内に戻り、光取出面５Ａから蛍光体層１０を介して出射される。これにより、ＬＥＤ素子２から放射される放射光の良好な指向性を得るとともに、その高輝度化を図るために、ＬＥＤ素子の周面部及び素子搭載側部を光反射膜で被覆することを必要とせず、このため製造加工が簡単になり、コストの低廉化を図ることができるとともに、生産性を高めることができる。

（２）ケース３には、素子搭載部側から光取出（ケース開口）側に向かって広がる略截頭角錐状の内部空間１２が設けられているため、コーティング材１１をケース３内に充填し易くなり、コーティング材１１の良好な充填作業性を得ることができる。

（３）光取出面５Ａに形成される微小な凹凸部にシート状の蛍光体層１０が密着してサファイア基板５上に配設されているため、ＬＥＤ素子２からの放射光が蛍光体層１０内で効果的に拡散され、均一な明るさをもった出射光を得ることができる。

以上、本発明の発光装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）本実施の形態では、ＬＥＤ素子２から放射される放射光（青色光）を受けて励起されることにより黄色の波長変換光を放射する蛍光体層１０である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＬＥＤ素子から放射される放射光（紫色光：波長３７０〜３９０ｎｍ）を受けて励起されることにより白色の波長変換光を放射する蛍光体層であってもよい。

（２）本実施の形態では、蛍光体層付きの青色ＬＥＤ素子２である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図４に示すように蛍光体層の付いてない青色ＬＥＤ素子４１であってもよく、この他赤色あるいは緑色等の単色ＬＥＤ素子であっても勿論よい。

（３）本実施の形態では、傾斜面２３が素子搭載部３Ａの内面（素子搭載面）に対し傾斜角ａ（ａ≒４５°）をもって傾斜する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図５に示すように素子搭載部３Ａの内面（素子搭載面）に対し傾斜角ｂ（ｂ＞９０°）をもって傾斜する傾斜面５１であってもよい。この場合、素子搭載部３Ａとカバー部３Ｂとを別部材とすることにより、ケース３が形成される。これにより、コーティング材１１によってＬＥＤ素子２を素子搭載部３Ａ上に圧接するような状態で搭載することになり、ＬＥＤ素子２における各層の剥離発生を抑制することができる。また、傾斜面５１の傾斜角ｂがｂ＞９０°であることは、ケース３の開口面サイズを縮小することができるため、発光装置１の小型化を図ることもできる。

（４）本実施の形態では、フリップチップ型のＬＥＤ素子２を備えた発光装置１である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、フェイスアップ型のＬＥＤ素子を備えた発光装置であってもよい。

本発明の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置のＬＥＤ素子を説明するために示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置の製造方法を説明するために示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の第１変形例を説明するために示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光装置の他の第２変形例を説明するために示す断面図である。

符号の説明

１…発光装置、２，４１…発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、２Ａ…ｐコンタクト電極、２Ｂ…ｎ側電極、３…ケース、３Ａ…素子搭載部、３Ｂ…カバー部、４…積層体、５…サファイア基板、５Ａ…光取出面、６…バッファ層、７…ｎ型半導体層、８…発光層、９…ｐ型半導体層、１０…蛍光体層、１０Ａ…光出射面、１１…コーティング材、１１Ａ…光反射粒子、１２…内部空間、１３，１４…スタッドパッド、１５，１６…第１配線パターン、１７，１８…第２配線パターン、１９，２０…ビアホール、２１，２２…ビアパターン、２３，５１…傾斜面、Ｎ…ノズル、Ｓ…剥離シート、ａ，ｂ…傾斜角

Claims (6)

1. 素子搭載面をケース内部に有し、光取出側に開口するケースと、
   前記ケース内部の素子搭載面上に搭載され、発光層を含む積層体を有する発光ダイオード素子とを備えた発光装置において、
   前記積層体の外面であって、前記発光ダイオード素子の光取出面を除く部位を覆うようなコーティング材が前記ケース内部に充填され、
   前記コーティング材には、前記発光層の発光によって前記積層体から前記ケース内部に出射される漏洩光を受けて前記発光ダイオード素子内に反射するための光反射粒子が含有されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記光取出面上には、前記発光ダイオード素子から放射される放射光を受けて励起されることにより波長変換光を放射するシート状の蛍光体層が配設されている請求項１に記載の発光装置。
3. 前記ケースには、素子搭載面側から光取出側に向かって広がる内部空間が設けられている請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記ケースには、素子搭載面側から光取出側に向かって狭まる内部空間が設けられている請求項１又は２に記載の発光装置。
5. 素子搭載面をケース内部に有し、光取出側に開口するケースと、
   前記ケース内部の素子搭載面上に搭載され、発光層を含む積層体を有する発光ダイオード素子とを備えた発光装置の製造方法において、
   前記ケース内部の素子搭載面上に前記発光ダイオード素子を搭載する工程と、
   前記積層体の外面であって、前記発光ダイオード素子の光取出面を除く部位を覆うようなコーティング材を前記ケース内部に充填する工程とを備え、
   前記コーティング材には、前記発光層の発光によって前記積層体から前記ケース内部に出射される漏洩光を受けて前記発光ダイオード素子内に反射するための光反射粒子が予め含有されていることを特徴とする発光装置の製造方法。
6. 前記ケース内部に前記コーティング材を充填する工程後に、前記発光ダイオード素子から放射される放射光を受けて励起されることにより波長変換光を放射する蛍光体層が予め配設された剥離シートを用い、前記剥離シートの蛍光体層を前記発光ダイオード素子の光取出面上に形成する工程と、
   前記剥離シートを前記蛍光体層から剥離する工程とをさらに備えた請求項５に記載の発光装置の製造方法。

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