JP2005340813A - 蛍光物質を含む成形材料及びそれから作った発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤから発せられる光の色を安定化し、個体差を減ずる。
【解決手段】 第一の波長の光を放射する半導体ダイ１４が基板１１上の端子１２に導電性接着剤１５で接着固定され、基板１１は金型２１にセットされる。トランスファーモールディングにより、固体ペレット１７が可塑化されて金型２１のキャビティ内に充填される。固体ペレットは、透明媒体中に燐光体粒子の懸濁体を均一に分布させてあり、この懸濁体は、エポキシと、エポキシの粘度を上げるチキソトロープ剤と、透明材料から成る拡散粒子を含む、５重量％以下の濃度を有する拡散剤と、透明媒体の半導体ダイ１４への接着を向上させるために３重量％以下の濃度で存在する接着促進剤と、３重量％以下の濃度で存在するＵＶ抑制剤とを含み、燐光体粒子が、この燐光体粒子を湿気から守る疎水性剤でコーティングされており、この疎水性剤が３重量％以下の濃度で存在する。
【選択図】 図２

Description

本願の明細書においては、本発明を「白色」発光ダイオード（ＬＥＤ）として説明するが、本発明が教示する方法は幅広い種類にわたるＬＥＤに適用することが出来るものである。人の目が「白色」と認識する光を発する白色発光ＬＥＤは、青色及び黄色光を適切な強度比率で組み合わせて発するＬＥＤを製作することにより構成することが出来る。高輝度青色発光ＬＥＤは当該分野において知られている。黄色光は、青色の光子の一部を適切な燐光体を介して変換することにより生成することが出来る。あるデザインにおいては、燐光体の粒子を散乱させた透明層でＬＥＤチップを覆ったものがある。燐光体粒子は青色ＬＥＤの発光面を囲う充填材中に散乱される。白色発光ＬＥＤを得るには、その厚さと散乱させた燐光体粒子の均一性を高い精度で制御しなければならない。

あるクラスの従来型ＬＥＤにおいては、燐光体層は燐光体粒子をその中に散乱させた液体成形材料を用いた成形法により作られている。液体成形材料はＬＥＤがその上に設けられるダイに塗布される。その後成形材料を所定位置で硬化することにより、燐光体粒子層が設けられるものである。あるデザインにおいては、ＬＥＤはプリント回路基板ベースの窪み中にあるヒートシンク上に搭載される。この窪みは反射性の側面を持ち、その底部にＬＥＤチップが配設される反射する「カップ」を形成している。燐光体は液状の成形エポキシ樹脂に混合されており、このカップ中へと注入される。この混合物は２時間かけて加熱硬化される。

残念なことに、この製造方式ではリフレクタカップ中における燐光体の不均一な分散により歩留まりが悪くなる。燐光体粒子の比重は液状の成型エポキシ樹脂よりも重く、従って燐光体粒子はリフレクタカップの底に向かって沈殿する傾向がある。この結果、カップの上にある燐光体の量は少なくなり、これによって完成したデバイスが生成する光の黄色光：青色光の比率が下がってしまうのである。このようなデバイスは、白色光というより、青色がかった白色光を発するのである。

加えて、液状成型エポキシ樹脂は加熱硬化プロセス中に縮む傾向を持つ。これが生じると、チップの上部が露出してしまう可能性がある。このこともまた、望ましくない色ずれの原因となるのである。

上述した問題に対する解決策の１つは、ダイ上に燐光体コーティングを形成する際にトランスファー成形プロセスを採用することである。このようなプロセスにおいては、燐光体粒子は部分的に硬化（半硬化）したエポキシ樹脂中に懸濁した状態となる。部分的に硬化したエポキシ樹脂のペレットには、ダイ上を覆うモールドへと流れ込むように十分な熱と圧力がかけられる。このように作られる燐光体のキャップは、上述した燐光体の沈殿が実質的に減少するように、十分に短い時間で形成されるものである。

残念ながら、これらのデバイスに使用されている燐光体と樹脂の組み合わせには複数の問題がある。第一には、燐光体層の半導体ダイへの接着が不十分なことがあり、高い信頼性を持つデバイスが得られないという点である。第二には、燐光体の多くは湿気に反応しやすい性質を持っており、用いられる樹脂はある程度の透水性がある為、この感湿性がデバイスの寿命を短くしてしまうという点である。第三には、これらのデバイス中に使用される多くの発光体は青色又は紫外線スペクトルにある光を放射するものである。この短波長光はエポキシ樹脂を痛めるものであり、このこともデバイスの寿命短縮要因となっている。

本発明は、燐光体組成物と、この組成物を使った発光デバイスを含む。組成物は、エポキシを含む透明な媒体中に均一に分布させた燐光体の懸濁粒子と、透明材料から成る拡散粒子を含む拡散剤とを含む。拡散粒子の粒子サイズの平均値は１μｍ〜５μｍである。拡散剤には無機質及び有機質材料のいずれを使用しても良く、その中にはチタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化シリコン、炭酸カルシウム、メラニン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、又はベンゾクアナミン樹脂が含まれる。拡散剤は、５重量％以下の濃度で含まれる。一実施例においては、組成物は透明媒体の半導体ダイへの接着を改善する接着促進剤を含んでいる。一実施例においては、接着促進剤は機能性アルコキシシロキサンを含んでいる。一実施例においては、燐光体粒子は、燐光体粒子を湿気から守るシリコンワックス等の疎水性剤によりコーティングされている。一実施例においては、組成物はモノ安息香酸レゾルシノール等のＵＶ抑制剤を含んでいる。一実施例においては、組成物はエポキシ樹脂の粘度を上げるチキソトロープ剤を含んでいる。一実施例においては、組成物はトランスファー成形に好適なペレット状である。本発明の一実施例に基づく発光デバイスは、第一の波長で光を放射する発光デバイスをその上に含む半導体ダイと、そして上述した組成物の層を含むものであり、燐光体粒子は第一の波長の光を第二の波長の光へと変換することを特徴とするものである。

本発明がその利点をどのように提供するのかについては、従来のＬＥＤデバイス１００の断面を描いた図１を参照すると分かりやすい。ＬＥＤデバイス１００は基板１１０上に作られており、デバイスに電力を送る為の端子を少なくとも２本含んでいる。端子の例は符号１２０、１３０に示した。図１に示した例においては、ＬＥＤ１４０は接着層１５０を介して第一の端子１２０上に設けられている。ＬＥＤ１４０は、その底面に１本の電力端子を含み、その上面のボンディングパッド上にもう一つの電力端子を含んでいる。接着層１５０は導電性接着剤から成り、従ってＬＥＤ底部の電力端子に電気接続を提供している。代表的には従来のワイヤボンディング・プロセスにより接続されているワイヤ１６０は、第二の端子１３０とＬＥＤ１４０との間に電力接続を提供している。燐光体粒子１８０を含む第一の封入材１７０はＬＥＤの周囲に供給される。その後第二の封入材１９０により第一の封入材を封止する。

上述したように、あるクラスの従来デバイスにおいては、燐光体含有封入材は一般に、代表的にはエポキシをベースとした材料から成る第一の封入材と燐光体粒子を混合することにより作られている。多数のＬＥＤを処理して十分な規模の経済性（スケールメリット）を達成するには、十分な量の混合物を作らなければならない。そしてこの混合物は貯留容器に入れられ、注射器のような定量吐出装置を用いてＬＥＤ上に供給される。毎回、一定量を正確に供給することは本質的に困難である為、燐光体スラリーの量は変わってしまう。

加えて、個々の様々なＬＥＤ上に材料を供給する為にかかる時間は、燐光体粒子が封入材貯留容器中で沈殿してしまう程に十分長いものである。燐光体粒子はエポキシ材料よりも大幅に大きい比重を持っている。従って粒子は沈殿する傾向にあり、この為に供給されるスラリー中の燐光体比率は、供給プロセスが進むに従って変化することになるのである。この結果、プロセスが進むに従って燐光体量の異なるＬＥＤデバイスが出来てしまうのである。燐光体量が違うことから、出来上がったＬＥＤは異なる色を発するものとなる。従って、製造時間を短縮するか、或いは低い製造歩留まりを受け入れるか、いずれかの選択しか出来ないのである。

これらの沈殿や供給量に関する問題は、トランスファー成形プロセスを採用することにより小さくなる。トランスファー成形プロセスは当該分野において周知であることから、これらのプロセスについての詳細は説明しないものとする。本願の説明の目的から、これらのプロセスが樹脂ペレットの形状を再形成することによるものであると述べるに留める。ここで図２及び図３を参照するが、これらはＬＥＤデバイス１０を製作する為のトランスファー成形プロセスに、本発明がどのように適用されているかを説明するものである。図２は、上述した図１と似た方法で基板１１上に搭載されたＬＥＤチップ１４の断面図である。ＬＥＤチップ１４は、ＬＥＤチップ１４の底面からアクセスされる第一の電力端子と、ＬＥＤチップ１４の上面からアクセスされる第二の電力端子を持っている。これらの電力端子は、それぞれに端子１２及び１３へと接続されている。第一の電力端子はＬＥＤチップ１４の底面に設けられた導電性接着層１５を介して接続しており、第二の電力端子はリードワイヤ１６を介して接続している。

燐光体粒子を含有する固体ペレット１７は、ＬＥＤチップ上に置かれたモールド２１へと繋がる射出チャンバ２０中に配置されている。ペレット１７の組成の詳細は後に説明する。ここでの説明においては、ペレットは加熱及び加圧された場合に流れ出す樹脂で構成されていると述べるに留める。しかしながら、フロー・プロセスの間も、材料の粘度は燐光体粒子の沈殿を起こさない程度に十分に高い。

射出チャンバ中にある成型用ペレットが加熱及び加圧されることで、ペレット材料がモールド（金型）２１中へと流れ込み、ここで硬化して図３に示すように所望の形状でＬＥＤチップ１４上に設けられる燐光体層１９となる。留意すべきは、ペレット１７中の燐光体粒子がペレット材料中で均一に分散していた場合、この処理の結果でき上がった燐光体キャップ１９の燐光体粒子の分布もまた均一となる。図３に示した実施例は、特定形状の燐光体層を示したものであるが、他の形状を持つ燐光体層とした実施例も可能である。

本発明における使用に好適な燐光体成形材料は、光学的に透明なエポキシ樹脂から構成することが出来る。エポキシ樹脂は、最終的なペレットの６０重量％を超える。好適な成形材料はＨｅｎｋｅｌ−Ｌｏｃｔｉｔｅ（ＭＧ１８／Ｍｇ９７）（米国住所：２１１ Ｆｒａｎｋｌｉｎ Ｓｔｒｅｅｔ，Ｏｌｅａｎ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １４７６０）から購入することが出来る。

本発明は、広い範囲の燐光体を使って利用することが出来る。例えば、
１） イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）；ＹＡＧ：Ｃｅ，Ｐｒ；ＹＡＧ：Ｃｅ，Ｔｂ；テルビウムアルミニウムガーネット（ＴＡＧ：Ｃｅ）等のアルミニウムガーネットをベースとする燐光体、
２） シリケート系燐光体（Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ）ＳｉＯ₄、
３） 硫化ストロンチウム（ＳｒＳ）のような硫化物、そして
４） ストロンチウムチオガレート（ＳｒＧａ₂Ｓ₄）のようなチオガレート
を利用することが出来る。このような燐光体は、１μｍ〜３０μｍ範囲の様々な形状の粒子として形成される。好適な燐光体は、Ｏｓｒａｍ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、又はＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社から市販されている。上述したように、これらの燐光体は一般に高い比重を持っており、スラリー状態のものへと混合された場合は沈殿しやすい傾向を持つ。更に留意すべきはＳｒＳ又はＳｒＧａ₂Ｓ₄のような特定の燐光体は感湿性であり、湿気への長期間の露出によって波長変換能力が劣化するものである為、これらを使用する場合は湿気から守らなければならない。ペレット中の燐光体成分は一般に０〜３５重量％である。

上述したように、燐光体粒子はエポキシ混合物中に懸濁させた場合、エポキシが硬化する前に沈殿する傾向を持っている。従って、ペレット材料の硬化前に沈殿が生じないように８重量％以下の量のチキソトロープ剤が添加される。このチキソトロープ剤としては発熱性のケイ酸を使うことが出来る。

推奨されるペレット組成には、５重量％以下の濃度のＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂といった拡散剤も含まれる。拡散剤は、より大きい発光材料粒子から生じる色の不均一性の抑制と、エポキシ樹脂の粘度の上昇を助けるものである。拡散剤はまた、発光材料と併用することが出来る。拡散剤は、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化シリコン、及び炭酸カルシウム等の無機化合物とすることが出来る。加えて、メラニン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、及びベンゾクアナミン樹脂といった有機拡散剤を利用することも可能である。拡散剤は１μｍ〜５μｍの平均粒子サイズを持つものが望ましい。粒子のサイズが小さいことから、拡散剤がダイオードから放射される光に与える影響はごく僅かには存在するが、生成される光度に与える変化は最小に抑えながらもエポキシ樹脂の粘度自体を高めることが出来るのである。

好適なペレットの組成には更に３重量％以下の接着促進剤が含まれ、燐光体キャップとその下のＬＥＤ及び周囲面との間の接着力を高めている。例えば、機能性アルコキシシロキサンを含む接着促進剤は、硬化状態にある成形材料において燐光体粒子とエポキシ樹脂間の接着性を高めるものである。

燐光体の組成が感湿性のものである場合、ペレット混合物は更に燐光体粒子を湿気から守る疎水性剤を含んでいる。疎水性剤の濃度は、３重量％未満である。例えば、無機質材料表面と有機（エポキシ）樹脂との親和性及び湿潤性を変化させる為に、液体シリコンワックスが使われる。

最後に、デバイスが外部のＵＶ光源に晒される可能性があるアプリケーション、或いはＬＥＤがＵＶを生成するデバイスの場合、ペレット混合物は更にＵＶへの露出による樹脂の劣化を防ぐ為に３重量％以下のＵＶ抑制剤を含んでいる。例えば、ＵＶ抑制剤としてモノ安息香酸レゾルシノール（＝ｒｅｓｏｒｃｉｎｏｌ ｍｏｎｏｂｅｎｚｏａｔｅ）を利用することが出来る。この化合物は米国のＥａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社から市販されている。

上述したように、エポキシ樹脂の粘度を高め、燐光体粒子が成形材料中で懸濁するようにチキソトロープ剤が使用されている。これにより燐光体は形成材料ペレット中で確実に均一に懸濁することになる。成形材料は、燐光体材料をほぼ均一にその中に分散させ、部分的に硬化させたエポキシ組成物の反応性生物であることが望ましい。成形材料は、エポキシ組成物と燐光体材料を均一に混ぜ合わせたものを部分的に硬化（半硬化）させることでエポキシ組成物の粘度を上げ、混合処理中に燐光体材料をエポキシ組成物中に懸濁させることにより用意される。

上述した本発明の実施例では、特定の燐光体及び成形材料が使用されていたが、本発明は他の数多くの成形・燐光体の組成物を使用して実施することが可能である。具体的には、ＬＥＤから放射される光を可視光へと変換することが出来るいずれの燐光体材料を用いても良い。燐光体材料は、変換して一色（ブロードバンド、ナローバンド又はマルチライン、例えば赤、緑、青、黄色又は白）の光を発光することが出来る燐光体、或いは変換して様々な色を発光することにより所望の出力スペクトルを得ることが出来る燐光体の混合物とすることが出来る。

例えば、本発明の成形材料は、白く見える光を生成する為にＵＶ及び／又は青色光を生成することが出来るＬＥＤと共に使用することが出来る。この場合、燐光体材料はそのようなＵＶ及び／又は青色光を可視の白色光へと変換する。具体的には、この白色光は４００ｎｍ〜約８００ｎｍ範囲の波長を持つ光である。燐光体材料はエポキシ組成物と混合することが出来るように粒子形状をしていることが望ましい。

本上述の説明及び添付図から、発明には様々な変更が可能であることは当業者には明らかである。従って、本発明は本願請求項の範囲によってのみ限定されるものである。

なお、本発明は例として次の態様を含む。（ ）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］ 透明媒体中に燐光体粒子を均一に分布させた懸濁体であって、
エポキシと、
前記エポキシの粘度を上げるチキソトロープ剤と、
透明材料から成る拡散粒子を含む拡散剤であって、５重量％以下の濃度を持つ前記拡散剤と、
前記透明媒体の半導体ダイへの接着を向上させる接着促進剤であって、３重量％以下の濃度で存在する前記接着促進剤と、
３重量％以下の濃度で存在するＵＶ抑制剤と
を含む前記懸濁体を有し、
前記燐光体粒子が、前記燐光体粒子を湿気から守る疎水性剤でコーティングされており、前記疎水性剤が３重量％以下の濃度で存在することを特徴とする組成物。
［２］ 前記拡散粒子が１μｍ〜５μｍの平均粒子サイズを持つことを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［３］ 前記拡散剤が無機化合物を含むことを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［４］ 前記無機化合物が、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化シリコン、又は炭酸カルシウムを含むことを特徴とする上記［３］に記載の組成物。
［５］ 前記拡散剤が有機化合物を含むことを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［６］ 前記有機化合物が、メラニン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、又はベンゾグアナミン樹脂を含むことを特徴とする上記［５］に記載の組成物。
［７］ 前記接着促進剤が機能性アルコキシシロキサンを含むことを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［８］ 前記疎水性剤が、シリコンワックスを含むことを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［９］ 前記ＵＶ抑制剤が、モノ安息香酸レゾルシノールを含むことを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［１０］ 前記組成物が、半導体ダイを損傷し得る圧力及び温度よりも低いレベルの加圧及び加熱下におかれた場合に液化するものであることを特徴とする上記［１］に記載の組成物。
［１１］ 前記組成物が、トランスファー成形に好適なペレット（１７）の形態であることを特徴とする上記［１］に記載の組成。
［１２］ 発光デバイス（１０）であって、
発光デバイス（１０）をその上に設けた、第一の波長の光を放射する半導体ダイ（１４）と、
透明媒体中に均一に分布させた燐光体粒子の懸濁体（１９）とを具備し、前記懸濁体が、
エポキシと、
前記エポキシの粘度を上げるチキソトロープ剤と、
透明材料から成る拡散粒子を含む拡散剤であって、５重量％以下の濃度を有する前記拡散剤と、
前記透明媒体の半導体ダイ（１４）への接着を向上させる接着促進剤であって、３重量％以下の濃度で存在する前記接着促進剤と、
３重量％以下の濃度で存在するＵＶ抑制剤と
を含み、
前記燐光体粒子が、前記燐光体粒子を湿気から守る疎水性剤でコーティングされており、前記疎水性剤が３重量％以下の濃度で存在する
ことを特徴とする発光デバイス（１０）。
［１３］ 前記粒子が、１μｍ〜５μｍの平均粒子サイズを持つことを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［１４］ 前記拡散剤が無機化合物を含むことを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［１５］ 前記無機化合物が、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化シリコン、又は炭酸カルシウムを含むことを特徴とする上記［１４］に記載の発光デバイス（１０）。
［１６］ 前記拡散剤が有機化合物を含むことを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［１７］ 前記有機化合物が、メラニン樹脂、ＣＴＵグアナミン樹脂、又はベンゾグアナミン樹脂を含むことを特徴とする上記［１６］に記載の発光デバイス（１０）。
［１８］ 前記透明媒体の半導体ダイ（１４）への接着力を向上させる接着促進剤を更に具備したことを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［１９］ 前記接着促進剤が、３重量％以下の濃度で存在することを特徴とする上記［１８］に記載の発光デバイス（１０）。
［２０］ 前記接着促進剤が、機能性アルコキシシロキサンを含むものであることを特徴とする上記［１８］に記載の発光デバイス（１０）。
［２１］ 前記疎水性剤が、シリコンワックスを含むことを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［２２］ 前記ＵＶ抑制剤が、モノ安息香酸レゾルシノールを含むことを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［２３］ 前記懸濁体（１９）が、半導体ダイ（１４）を損傷し得る圧力及び温度よりも低いレベルの加圧及び加熱下におかれた場合に液化するものであることを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。
［２４］ 前記懸濁材料（１９）が、トランスファー成形に好適なペレット（１７）の形態であることを特徴とする上記［１２］に記載の発光デバイス（１０）。

基板１１０上に構築され、デバイスに電力を供給する為に少なくとも２本の端子を持つ従来のＬＥＤデバイス１００を示す断面図である。 本発明がどのようにＬＥＤデバイス１０のトランスファー成形プロセスに適用されるかを示す図である。 本発明がどのようにＬＥＤデバイス１０のトランスファー成形プロセスに適用されるかを示すもう一つの図である。

符号の説明

１０ 発光デバイス
１１ 基板
１２、１３ 端子
１４ 半導体ダイ（ＬＥＤチップ）
１５ 導電性接着剤
１６ ワイヤ
１７ 固体ペレット
１９ 懸濁体
２０ 射出チャンバー
２１ モールド（金型）

Claims (1)

1. 透明媒体中に燐光体粒子を均一に分布させた懸濁体であって、
   エポキシと、
   前記エポキシの粘度を上げるチキソトロープ剤と、
   透明材料から成る拡散粒子を含む拡散剤であって、５重量％以下の濃度を持つ前記拡散剤と、
   前記透明媒体の半導体ダイへの接着を向上させる接着促進剤であって、３重量％以下の濃度で存在する前記接着促進剤と、
   ３重量％以下の濃度で存在するＵＶ抑制剤と
   を含む前記懸濁体を有し、
   前記燐光体粒子が、前記燐光体粒子を湿気から守る疎水性剤でコーティングされており、前記疎水性剤が３重量％以下の濃度で存在することを特徴とする組成物。

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