JP2017220530A - 発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体による波長変換を利用する発光装置の製造時に、蛍光体を封止樹脂内で自然沈降させる場合よりも短時間で蛍光体の沈降状態を実現でき、蛍光体の分散度合いのバラつきが発生しにくい製造方法を提供する。【解決手段】発光装置（１）の製造方法は、基板（１０）上にＬＥＤ素子（２０）を実装し、ＬＥＤ素子を封止するための熱硬化性樹脂、ＬＥＤ素子からの出射光により励起される蛍光体（４１，４２）、および熱硬化性樹脂が硬化しない温度で揮発する有機溶剤の混合物（６０）を、ＬＥＤ素子を覆うように基板上に充填し、熱硬化性樹脂が硬化しない第１の温度で混合物を加熱して有機溶剤を揮発させることにより、加熱前よりも低い高さでＬＥＤ素子を覆う蛍光体含有樹脂（４０）の層を形成し、第１の温度よりも高い第２の温度で加熱して蛍光体含有樹脂を硬化させ、蛍光体含有樹脂の層の上を透光性の樹脂（５０）で封止する工程を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、発光装置の製造方法に関する。

セラミック基板または金属基板などの汎用基板の上にＬＥＤ（発光ダイオード）素子などの発光素子が実装されたＣＯＢ（Chip On Board）の発光装置が知られている。こうした発光装置では、蛍光体を含有する透光性の樹脂によりＬＥＤ素子を封止し、ＬＥＤ素子からの光と、ＬＥＤ素子からの光により蛍光体を励起させて得られる光とを混合させることにより、用途に応じて白色光などが得られる。

蛍光体による波長変換を利用するこうした発光装置の製造時には、例えば色度のバラつきを抑えるために、樹脂内に分散させた蛍光体を沈降させてから樹脂を硬化させることが行われている。例えば、特許文献１には、基板に撥液剤パターンを形成する工程と、基板における撥液剤パターンの内側にＬＥＤチップを実装する工程と、撥液剤パターンの内側に蛍光体を混練した封止樹脂を塗布する工程と、無風状態にて封止樹脂内の蛍光体を沈降させる工程とを含む発光素子パッケージの製造方法が記載されている。

また、特許文献２には、基板に実装されたＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子を用意する第１工程と、樹脂、蛍光体および揮発性有機溶剤からなる塗料を用意し、スプレーコートによりその塗料を発光素子の上面発光面にコートする第２工程と、コートされた塗料中の揮発性有機溶媒を揮発させる段階および塗料中の樹脂を硬化させる段階からなる第３工程とを含むＬＥＤ装置の製造方法が記載されている。

特開２０１２−０４４０４８号公報 特開２００９−０７６７４９号公報

発光装置の製造時に、ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂内に分散させた蛍光体を自然沈降させてから樹脂を硬化させる方法をとると、作業完了までに時間がかかる。また、発光装置の出射光の色度は、蛍光体を含有する封止樹脂内での蛍光体の分散度合いや、作業時間の経過によって生じる蛍光体の沈降量のバラつきによっても変動するため、沈降が一様でないと、出射光の色度が設計値からずれることがある。

特に、封止樹脂に複数種類の蛍光体を混入させる場合には、種類ごとに蛍光体粒子の沈降速度が異なるため、蛍光体を自然沈降させると、種類ごとに蛍光体が層状に分離した多層構造が形成され、それによっても色度ずれが発生し得る。例えば、緑色蛍光体と赤色蛍光体の２層構造が形成されて、赤色蛍光体の層が緑色蛍光体の層の上に配置されると、緑色蛍光体により生成された緑色光の一部が赤色蛍光体によって吸収されて、緑色光の輝度が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、蛍光体による波長変換を利用する発光装置の製造時に、蛍光体を封止樹脂内で自然沈降させる場合よりも短時間で蛍光体の沈降状態を実現でき、蛍光体の分散度合いのバラつきが発生しにくい製造方法を提供することを目的とする。

基板上にＬＥＤ素子を実装する工程と、ＬＥＤ素子を封止するための熱硬化性樹脂、ＬＥＤ素子からの出射光により励起される蛍光体、および熱硬化性樹脂が硬化しない温度で揮発する有機溶剤の混合物を、ＬＥＤ素子を覆うように基板上に充填する工程と、熱硬化性樹脂が硬化しない第１の温度で混合物を加熱して有機溶剤を揮発させることにより、加熱前よりも低い高さでＬＥＤ素子を覆う蛍光体含有樹脂の層を形成する工程と、第１の温度よりも高い第２の温度で加熱して蛍光体含有樹脂を硬化させる工程と、蛍光体含有樹脂の層の上を透光性の樹脂で封止する工程とを有する発光装置の製造方法が提供される。

上記の形成する工程では、混合物内で蛍光体が沈降して鉛直方向における蛍光体の濃度差が生じる前に有機溶剤を揮発させることが好ましい。

上記の充填する工程では、ＬＥＤ素子からの出射光により励起されて互いに異なる波長の光を発する複数種類の蛍光体を含有する混合物を充填し、形成する工程では、複数種類の蛍光体が種類ごとに層状に分離せず混合した状態の蛍光体含有樹脂の層を形成することが好ましい。

上記の製造方法によれば、蛍光体による波長変換を利用する発光装置の製造時に、蛍光体を封止樹脂内で自然沈降させる場合よりも短時間で蛍光体の沈降状態を実現することができ、蛍光体の分散度合いのバラつきが発生しにくくなる。

発光装置１の斜視図および断面図である。 基板１０およびＬＥＤ素子２０の配置例を示す斜視図および断面図である。 発光装置１の製造工程を示すフローチャートである。 発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。 発光装置１および比較例の発光装置における蛍光体含有樹脂の配置を示す断面写真および模式図である。 発光装置１の製造時の色度調整について説明するための色度図である。

以下、図面を参照して、発光装置の製造方法について詳細に説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、発光装置１の斜視図および断面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿った発光装置１の断面を示す。発光装置１は、発光素子としてＬＥＤ素子を含み、蛍光体による波長変換を利用して白色光などを出射する発光装置であり、例えば各種の照明用のＬＥＤ光源として利用される。発光装置１は、主要な構成要素として、基板１０、ＬＥＤ素子２０、樹脂枠３０、蛍光体含有樹脂４０および透光性樹脂５０を有する。

基板１０は、一例として正方形の形状を有し、その上面の中央にＬＥＤ素子２０が実装される円形の実装領域（後述する図２（Ａ）を参照）を有するセラミック基板である。基板１０は、その上面にＬＥＤ素子２０の配線パターンが形成され、かつＬＥＤ素子２０が実装される平坦な基板であり、実装基板と回路基板を兼ねている。ただし、基板１０の材質および形状は特に限定されず、基板１０として、例えば、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムまたは銅などの金属製の実装基板と、ＬＥＤ素子２０の配線パターンが形成された絶縁性の回路基板とを貼り合わせたものを使用してもよい。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、基板１０およびＬＥＤ素子２０の配置例を示す斜視図および断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った断面を示す。基板１０の上面には、中央にＬＥＤ素子２０の円形の実装領域１１ができるように、基板１０の中心線を挟んだ一方の側には円弧状の配線パターン１２が、他方の側にも円弧状の配線パターン１３が、それぞれ形成されている。また、基板１０の上面で対角に位置する一方の角部には、配線パターン１２に連結した接続電極１４が、他方の角部には、配線パターン１３に連結した接続電極１５が、それぞれ形成されている。接続電極１４，１５は一方がアノード電極で他方がカソード電極となり、これらが外部電源に接続されて電圧が印加されることによって、発光装置１は発光する。

ＬＥＤ素子２０は、例えば、紫外域から青色領域にわたる波長の光を出射する窒化ガリウム系化合物半導体などで構成された発光素子である。以下では、ＬＥＤ素子２０は、例えば発光波長帯域が４５０〜４６０ｎｍ程度の青色光を発光する青色ＬＥＤであるとする。ただし、ＬＥＤ素子２０は、紫色光または紫外光といった他の波長の光を発光する素子であってもよい。発光装置１では、複数のＬＥＤ素子２０が円形の実装領域１１上に格子状に配列して実装されている。図２（Ａ）では、図示を簡単にするために、９個のＬＥＤ素子２０が実装された場合の例を示しているが、ＬＥＤ素子２０の個数は特に限定されず、１個であってもよい。

ＬＥＤ素子２０の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤などにより、基板１０の上面に固定されている。また、ＬＥＤ素子２０は上面に一対の素子電極を有し、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、隣接するＬＥＤ素子２０の素子電極は、ボンディングワイヤ２１（以下、単にワイヤ２１という）により相互に電気的に接続されている。実装領域１１の外周側に位置するＬＥＤ素子２０から出たワイヤ２１は、基板１０の配線パターン１２または配線パターン１３に接続されている。これにより、各ＬＥＤ素子２０には、ワイヤ２１を介して電流が供給される。

樹脂枠３０は、基板１０の実装領域１１の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された円形の枠体であり、基板１０の上面で、実装領域１１を縁取るように形成された配線パターン１２，１３と重なる位置に固定される。樹脂枠３０は、蛍光体含有樹脂４０および透光性樹脂５０の流出しを防止するためのダム材であり、また、ＬＥＤ素子２０から側方に出射された光を、発光装置１の上方（ＬＥＤ素子２０から見て基板１０とは反対側）に向けて反射させる。

蛍光体含有樹脂４０は、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの無色かつ透明な熱硬化性樹脂で構成され、緑色蛍光体と赤色蛍光体の２種類の蛍光体（後述する図７（Ｄ）の蛍光体４１，４２）を含有する。発光装置１は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子２０からの青色光と、それによって緑色蛍光体および赤色蛍光体を励起させて得られる緑色光および赤色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。緑色蛍光体は、ＬＥＤ素子２０が出射した青色光を吸収して緑色光に波長変換する、例えば（ＢａＳｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋などの粒子状の蛍光体材料である。赤色蛍光体は、ＬＥＤ素子２０が出射した青色光を吸収して赤色光に波長変換する、例えばＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋などの粒子状の蛍光体材料である。

図１（Ｂ）に示すように、蛍光体含有樹脂４０は、樹脂枠３０により囲まれた実装領域１１上の空間に充填されて、実装領域１１上の空間を、ＬＥＤ素子２０の上面よりも高く、かつワイヤ２１の上端よりも低い位置まで埋め尽くしている。蛍光体含有樹脂４０はワイヤ２１の上端よりも高い位置まで充填されていてもよいが、放熱性の観点から蛍光体は基板１０の近くにある方が好ましいため、蛍光体含有樹脂４０の上面は、図示した例のように、ＬＥＤ素子２０の上面のほぼ直上にあるとよい。蛍光体含有樹脂４０内では、緑色蛍光体と赤色蛍光体は、層状に分離することなく、また、水平方向および鉛直方向の位置によらず、均一に分散している。後述するように、蛍光体含有樹脂４０の上には透光性樹脂５０が充填されているため、発光装置１では、蛍光体含有樹脂４０と透光性樹脂５０で構成される樹脂層のＬＥＤ素子２０側に蛍光体が沈降したのと同じ状態が実現されている。

なお、蛍光体含有樹脂４０が含有する蛍光体の組合せは、緑色蛍光体と赤色蛍光体に限らず、例えば黄色蛍光体などの他の色の光を発する蛍光体をさらに含んでもよいし、黄色蛍光体と赤色蛍光体などの上記とは異なる組合せであってもよい。

あるいは、蛍光体含有樹脂４０が含有する蛍光体は、１種類のみであってもよい。例えば、蛍光体含有樹脂４０は、１種類の蛍光体として、ＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）などの黄色蛍光体を含有してもよい。この場合、発光装置１は、ＬＥＤ素子２０からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。

透光性樹脂５０は、蛍光体含有樹脂４０の上に樹脂枠３０の上端の高さまで充填されて、蛍光体含有樹脂４０とともに、複数のＬＥＤ素子２０およびワイヤ２１を一体に被覆し保護（封止）する。透光性樹脂５０にも、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの無色かつ透明な樹脂が使用される。透光性樹脂５０の材質は蛍光体含有樹脂４０と同じでもよく、異なっていてもよい。また、透光性樹脂５０は、ＬＥＤ素子２０および蛍光体含有樹脂４０からの出射光を透過する透光性のものであればよく、必ずしも完全に透明でなくてもよい。なお、図示した例では透光性樹脂５０は蛍光体を含有していないが、必要があれば、透光性樹脂５０も蛍光体を含有してもよい。また、透光性樹脂５０は適当なフィラーを含有してもよい。

図３は、発光装置１の製造工程の例を示すフローチャートである。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、発光装置１の製造工程を説明するための断面図である。

発光装置１の製造時には、まず、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、基板１０の実装領域１１の上に、複数のＬＥＤ素子２０が実装される（Ｓ１）。そして、ＬＥＤ素子２０同士がワイヤ２１で接続され、各ＬＥＤ素子２０は、ワイヤ２１を介して配線パターン１２，１３に接続される（Ｓ２）。次に、実装領域１１の縁部に沿って、基板１０上に樹脂枠３０が形成される（Ｓ３）。

樹脂枠３０の形成後に、図４（Ａ）に示すように、未硬化の熱硬化性樹脂、蛍光体および有機溶剤の混合物６０が、樹脂枠３０により囲まれた基板１０上の空間に、ＬＥＤ素子２０を覆うように充填される（Ｓ４）。このうち、熱硬化性樹脂は、硬化後にＬＥＤ素子２０を封止する蛍光体含有樹脂４０となる樹脂であり、蛍光体は、ＬＥＤ素子２０からの光を波長変換し、ＬＥＤ素子２０からの光との組合せで所望の色の出射光を生成するためのものである。また、有機溶剤は、熱硬化性樹脂が硬化しない温度で揮発する溶剤であり、例えば酢酸イソブチルが使用される。なお、混合物６０には、ＬＥＤ素子２０からの出射光により励起されて互いに異なる波長の光を発する複数種類の蛍光体を混入させてもよいし、上記したものに加えて、さらに適当なフィラーを混入させてもよい。

続いて、図４（Ｂ）に示すように、混合物６０内の熱硬化性樹脂が硬化しない第１の温度で混合物を加熱して、混合物６０内の有機溶剤を揮発させる（Ｓ５）。例えば、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を使用し、有機溶剤として酢酸イソブチルを使用する場合には、基板１０を５０℃のホットプレートの上に載せて、２０分間加熱するとよい。エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂の硬化温度は１００℃以上であるから、５０℃であれば、樹脂は硬化せず、有機溶剤のみが揮発する。これにより、樹脂と蛍光体のみが残り、混合物６０の体積が減少するので、加熱前の混合物６０よりも低い高さの蛍光体含有樹脂４０の層が形成される。なお、混合物６０内の熱硬化性樹脂、蛍光体および有機溶剤の調合比は、有機溶剤を揮発させた後でもＬＥＤ素子２０の上面が覆われたままであるように決定することが好ましい。

さらに、Ｓ５での加熱温度である第１の温度よりも高い第２の温度で蛍光体含有樹脂４０を加熱して、蛍光体含有樹脂４０を硬化させる（Ｓ６）。その後で、図４（Ｃ）に示すように、蛍光体含有樹脂４０の層（蛍光体層）の上に、樹脂枠３０の上端の高さまで透光性樹脂（透明樹脂）５０が充填されて、ＬＥＤ素子２０およびワイヤ２１が封止される（Ｓ７）。なお、Ｓ７では、透光性樹脂５０として、フィラー、蛍光体またはそれらの両方を含有する樹脂を充填してもよい。以上の工程により、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す発光装置１が完成する。

一般に、未硬化の封止樹脂内に蛍光体を分散させ、その蛍光体を自然沈降させてから樹脂を硬化させる製造方法では、蛍光体の沈降だけで少なくとも数時間が必要である。これに対し、図３に示した製造方法では、蛍光体を封止樹脂内で自然沈降させる場合よりも短い高々数十分程度の時間で、樹脂層内で蛍光体が沈降したのと同じ構造を実現することができる。

図３のフローのＳ５では、混合物６０内で蛍光体が自然沈降して高さ方向における蛍光体の濃度差が生じる前に有機溶剤を揮発させることが好ましい。蛍光体が自然沈降する前に蛍光体含有樹脂４０の層を形成し、それを硬化させれば、蛍光体含有樹脂４０内では蛍光体が一様に分散した状態が維持されるので、蛍光体の分散度合いのバラつきが発生しにくくなる。

また、蛍光体が自然沈降する前に蛍光体含有樹脂４０の層を形成して硬化させれば、沈降速度が互いに異なる複数種類の蛍光体を含有する場合でも、蛍光体が種類ごとに層状に分離した多層構造は形成されにくくなる。蛍光体の多層構造が形成されると、上側に配置された蛍光体層による光の吸収によって特定の波長の光の輝度が低下するおそれがあるが、図３に示した製造方法によれば、蛍光体含有樹脂４０内で蛍光体が均一に分散するため、そうした輝度低下は起こりにくくなる。

図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は、発光装置１および比較例の発光装置における蛍光体含有樹脂の配置を示す断面写真および模式図である。より詳細には、図５（Ａ）は、図３に示した製造方法を用いずに、未硬化の封止樹脂内で蛍光体を自然沈降させてから封止樹脂を硬化させた場合の発光装置の断面写真であり、図５（Ｂ）はその模式図である。また、図５（Ｃ）は、図３に示した製造方法で製造された発光装置１の断面写真であり、図５（Ｄ）はその模式図である。２つの発光装置は、ともに２種類の蛍光体４１，４２を含有する蛍光体層を有するが、この蛍光体層の配置のみが互いに異なり、その他の点では同一の構成を有する。図５（Ａ）〜図５（Ｄ）はいずれも、１つのＬＥＤ素子２０およびその周囲の蛍光体層を拡大して示している。

自然沈降を利用した製造方法では、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、基板１０の上面とＬＥＤ素子２０の上面に蛍光体が沈降し、蛍光体層４０’が形成される。この場合、図５（Ｂ）に破線の丸印Ｃで示すように、ＬＥＤ素子２０の角部においては蛍光体層４０’が薄くなり、この角部から斜め方向に出射された光は蛍光体層４０’をほとんど通過しないため、このことに起因して色ムラが発生しやすくなる。また、自然沈降を利用した製造方法では、図５（Ｂ）に示すように、蛍光体層４０’内の蛍光体４１，４２は、蛍光体４１が下側の層に、蛍光体４２が上側の層に分かれて沈降しており、複数種類の蛍光体を含めた場合にはそれらが種類ごとに層状に分離する。

一方、図３に示した製造方法では、混合物６０内の有機溶剤を揮発させることで、混合物６０の上面が下降して蛍光体含有樹脂４０の層に変わる。このため、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）に示すように、ＬＥＤ素子２０の角部も含めてある程度均一な厚さの帯状の蛍光体層が形成される。この場合、ＬＥＤ素子２０の角部から斜め方向に出射された光も、ＬＥＤ素子２０の上面および側面から出射された光とほぼ同じ距離だけ蛍光体含有樹脂４０の層を通過するため、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す発光装置と比べて、色ムラは発生しにくくなる。また、図３に示した製造方法では、図５（Ｄ）に示すように、蛍光体含有樹脂４０内の蛍光体４１，４２は一様に分散しており、複数種類の蛍光体を含めた場合でも、蛍光体の層状の分離はほとんど発生しない。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、発光装置１の製造時の色度調整について説明するための色度図である。これらのグラフは、図３に示した製造方法で複数の発光装置１を製造し、それらを発光させて出射光の色度を測定した結果をプロットしたものである。図６（Ａ）は、図３のフローにおけるＳ４の直後（すなわち、混合物６０内の有機溶剤を揮発させる前）の出射光の色度の分布を、図６（Ｂ）は、完成品の発光装置１による出射光の色度の分布を示す。各グラフの縦軸および横軸は、それぞれＣＩＥ（国際照明委員会）により規定された色度のｘ，ｙ座標の値であり、各グラフ内の四角形領域は、ＡＮＳＩ（米国規格協会）Ｃ７８．３７７の規格で定められている２７００Ｋの白色を示す。

一般に、蛍光体含有樹脂４０における蛍光体の濃度分布は製品ごとに異なり、そのバラつきに起因して出射光の色度は製品ごとに異なるが、蛍光体含有樹脂４０の量だけでその色度差を補償することは難しい。しかしながら、図３に示した製造方法では、図６（Ａ）と図６（Ｂ）を比べると分かるように、有機溶剤を揮発させた後に透光性樹脂５０を充填することにより、黒体軌跡に沿うように出射光の色度が変化する。色度の変化量は充填される透光性樹脂５０の量に応じて異なるため、蛍光体含有樹脂４０が形成された直後に出射光の色度を測定し、その値と目標の色度値との差に応じて透光性樹脂５０の量を増減すれば、色度を規定の範囲内に収めることができる。したがって、図３に示した製造方法では、透光性樹脂５０の量を調整して製品ごとの色度のバラつきを抑えることができ、製品の不良率を低下させることが可能になる。

１ 発光装置
１０ 基板
２０ ＬＥＤ素子
３０ 樹脂枠
４０ 蛍光体含有樹脂
４１，４２ 蛍光体
５０ 透光性樹脂
６０ 混合物

Claims (3)

1. 基板上にＬＥＤ素子を実装する工程と、
   前記ＬＥＤ素子を封止するための熱硬化性樹脂、前記ＬＥＤ素子からの出射光により励起される蛍光体、および前記熱硬化性樹脂が硬化しない温度で揮発する有機溶剤の混合物を、前記ＬＥＤ素子を覆うように前記基板上に充填する工程と、
   前記熱硬化性樹脂が硬化しない第１の温度で前記混合物を加熱して前記有機溶剤を揮発させることにより、加熱前よりも低い高さで前記ＬＥＤ素子を覆う蛍光体含有樹脂の層を形成する工程と、
   前記第１の温度よりも高い第２の温度で加熱して前記蛍光体含有樹脂を硬化させる工程と、
   前記蛍光体含有樹脂の層の上を透光性の樹脂で封止する工程と、
   を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 前記形成する工程では、前記混合物内で前記蛍光体が沈降して鉛直方向における蛍光体の濃度差が生じる前に前記有機溶剤を揮発させる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記充填する工程では、前記ＬＥＤ素子からの出射光により励起されて互いに異なる波長の光を発する複数種類の蛍光体を含有する混合物を充填し、
   前記形成する工程では、前記複数種類の蛍光体が種類ごとに層状に分離せず混合した状態の蛍光体含有樹脂の層を形成する、請求項２に記載の製造方法。