JP4473283B2

JP4473283B2 - 発光装置およびその製造方法

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Publication number: JP4473283B2
Application number: JP2007064451A
Authority: JP
Inventors: 司丸山; 昌大後藤; 哲也生田
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2007294892A

Description

本発明は、発光装置およびその製造方法に関し、特に、発光素子とこの発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせた発光装置およびその製造方法に関する。

近年、近紫外〜青色領域の光を発するＬＥＤのような発光素子と、この発光素子からの光によって異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせて、白色光を発する発光装置の開発が盛んに行われている。このような白色発光装置は、照明用光源として使用する場合、発光出力（照度）が高く、色むらが小さく、演色性が良好な光を発することが求められている。

このような白色発光装置からの光を演色性が良好な白色光にするために、ＬＥＤチップからの光によって異なる波長の光を発する２種類の蛍光体を混合した樹脂をＬＥＤチップの周囲に配置させることが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。また、ＬＥＤチップからの光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発する大粒径蛍光物質と小粒径蛍光物質を含有する透光性樹脂をＬＥＤチップの周囲に配置し、大粒径蛍光物質をＬＥＤチップの近傍に分布させて色変換層を形成して効率的に色変換を行い、小粒径蛍光物質を色変換層の外側に分布させて色むらを抑制することが提案されている（例えば、特許文献６参照）。

特開２０００−２４４０２１号公報（段落番号００１０−００２０）特開２００１−１２７３４６号公報（段落番号００１０−００１７）特開２００３−１０１０８１号公報（段落番号００１６−００１７）特開２００３−３１８４４７号公報（段落番号０００５−００２５）特開２００４−１５２９９３号公報（段落番号０００７−００１０）国際公開ＷＯ０２／０５９９８２号公報（第４−６頁）

白色発光装置の輝度を向上させるためには、蛍光体として光変換効率が高い大粒径の蛍光体を使用するのが好ましい。しかし、大粒径の蛍光体を樹脂に混合して樹脂を硬化させると、樹脂が硬化するまでの間に蛍光体が樹脂中で沈降し易いため、樹脂中の場所によって蛍光体の量にばらつきが生じてしまう。そのため、ＬＥＤからの光が樹脂中を通過する光路毎に蛍光体によって波長変換される光の量が変わってしまうので、色むらが生じてしまう。

また、蛍光体の沈降を防止するために粘度の高い樹脂を使用すると、樹脂中に気泡が混入してしまい、気泡に進入した光が閉じ込められて発光出力が低下する。また、ディスペンサなどを用いて樹脂を塗布する場合、粘度の高い樹脂ではノズルから吐出し難くなるので、樹脂の塗布量を調整し難くなり、色温度を調整し難くなるという問題がある。

一方、蛍光体として小粒径の蛍光体を使用すれば、樹脂中の蛍光体の沈降による色むらを防止することができるが、一般に蛍光体の粒経が小さくなると光変換効率が低下するため、作製した白色発光装置の発光出力が低下するという問題が生じる。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体を発光素子の表面に吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体を含む封止部材で発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することにより、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明による発光装置は、所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体とを用意し、発光素子の表面に大粒径蛍光体を吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、小粒径蛍光体を含む封止部材によって発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することを特徴とする。

この発光装置の製造方法において、静電吸着により大粒径蛍光体を発光素子の表面に吸着させるのが好ましい。また、大粒径蛍光体の粒径は、好ましくは１０μｍ以上且つ５０μｍ未満、さらに好ましくは２０〜４０μｍであり、小粒径蛍光体の粒径は、好ましくは１μｍ以上且つ１０μｍ未満、さらに好ましくは３〜８μｍである。さらに、封止部材に小粒径蛍光体を分散させるのが好ましい。

また、本発明による発光装置は、凹部が形成された載置部と、この載置部の凹部の底面に載置されて所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子の表面に形成されて発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体の層と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体と、この小粒径蛍光体が分散して発光素子および大粒径蛍光体の層を載置部の凹部内に封止する封止部材とを備え、この封止部材の表面から出射された光の相関色温度を封止部材の表面の中心における接平面に対して１０〜１７０°の範囲において１０°毎の角度で測定したときの相関色温度の最大値と最小値の差が５００Ｋ以下であることを特徴とする。相関色温度の最大値と最小値の差が５００Ｋ以下であれば、様々な方向に均一な白色光を発することができ、照明用光源として使用することができる。

この発光装置において、相関色温度の最大値と最小値の差が３００Ｋ以下であるのが好ましい。相関色温度の最大値と最小値の差が３００Ｋ以下であれば、色むらをさらに小さくすることができるので、発光装置をスポット照明などにも適用することができる。大粒径蛍光体の粒径は、好ましくは１０μｍ以上且つ５０μｍ未満、さらに好ましくは２０〜４０μｍであり、小粒径蛍光体の粒径は、好ましくは１μｍ以上且つ１０μｍ未満、さらに好ましくは３〜８μｍである。また、この発光装置の平均演色評価数Ｒａが９０以上であるのが好ましい。平均演色評価数Ｒａが９０以上であれば、発光装置の光を物体に照射した際に目に見える物体の色が、太陽光を物体に照射した際に目に見える物体の色に近くなって、色再現性が良好になり、照明用光源として使用するのに好ましいからである。

本発明によれば、発光出力が高く、色むらが小さく、且つ演色性が良好な発光装置を製造することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明による発光装置およびその製造方法の実施の形態について説明する。

図１は、本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図であり、図２は、図１の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。図１および図２に示すように、本実施の形態の発光装置１０は、互いに離間して配置された一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂと、一方のリードフレーム１２ａの先端部に形成されたカップ（凹部）１３の底面１３ａに載置された発光素子１４と、この発光素子１４の表面を覆うように配置された大粒径蛍光体１６と、この大粒径蛍光体１６を覆うようにリードフレーム１２ａのカップ１３内に充填された小粒径蛍光体１８を含む封止部材２０と、リードフレーム１２ａ、１２ｂの先端部分を覆う透明のモールド部材２４とから構成されている。

なお、発光素子１４の底面には、（図示しない）一対の電極のうちの一方の電極、例えば、Ａｕ−Ｓｎ電極が設けられ、発光素子１４の上面には、他方の電極、例えば、Ａｕ電極が設けられている。発光素子１４の底面の電極は、ダイボンディングによって一方のリードフレーム１２ａのカップ１３の底面１３ａに電気的に接続され、発光素子１４の上面の電極は、金線などの導電性ワイヤ２２によって他方のリードフレーム１２ｂに電気的に接続されている。

発光素子１４としては、ピーク波長４２０〜４９０ｎｍの青色または青紫などの青色系の可視光を発光し、例えば、窒化ガリウム系半導体結晶からなる青色ＬＥＤチップを使用することができる。しかし、本発明による発光装置の発光素子１４として使用可能なＬＥＤチップは、青色ＬＥＤチップだけでなく、紫外光や近紫外光を発光可能な発光素子でもよい。また、発光素子１４としては、通常、０．３〜１ｍｍ角程度の略正方形の平面形状のＬＥＤチップを使用することができる。

大粒径蛍光体１６と小粒径蛍光体１８は、同じ材料でもよいし、異なる材料でもよいが、発光素子１４との組み合わせによって外部から観察される光が白色光になるような材料であるのが好ましい。また、図３に示すように、蛍光体の平均粒径が大きくなるほど相対発光強度が高くなるので、大粒径蛍光体１６の平均粒径が１０〜５０μｍ程度であるのが好ましい。また、一般に蛍光体の結晶性が高い方が発光効率が高くなり、結晶性を十分に高めるために必要な熱処理を施すと平均粒径が１０μｍ以上になる。なお、上述したように、通常使用するＬＥＤチップは、０．３〜１ｍｍ角程度の略正方形の平面形状のＬＥＤチップであるので、大粒径蛍光体１６の粒径が大き過ぎると、ＬＥＤチップの表面に数個の大粒径蛍光体１６しか配置することができなくなる。そのため、大粒径蛍光体１６の平均粒径が５０μｍ以上になると、以下の理由により望ましくない。すなわち、（１）一つ一つの大粒径蛍光体１６の発光効率の相違による影響が大きくなって色むらが発生し易くなり、（２）ＬＥＤチップの表面を均一に覆うことができないので色むらになり、（３）大粒径蛍光体１６同士の隙間が大きくなって、ＬＥＤチップの光が大粒径蛍光体１６に当たって大粒径蛍光体１６から発光する波長変換光と、大粒径蛍光体１６の隙間を通過するＬＥＤチップからの光とのコントラストがはっきりし過ぎて色むらになるからである。なお、小粒径蛍光体１８の平均粒径は、沈降し難いように１〜１０μｍ程度であるのが好ましい。また、大粒径蛍光体１６と小粒径蛍光体１８は、例えば、黄色と赤色のように別々の色の光を発する蛍光体が好ましいが、同じ色の光を発する蛍光体でもよい。なお、本発明による発光装置は、白色光を発する発光装置に限らず、あらゆる色の光を発する発光装置に応用することができる。

なお、小粒径蛍光体１８の量は、大粒径蛍光体１６と小粒径蛍光体１８の総量の２０質量％以下にするのが好ましい。発光装置の発光出力に大きく寄与するのは大粒径蛍光体１６であるので、粒径蛍光体１８の量が少なくても、発光装置の発光出力に対する影響は非常に少ないため、発光装置の発光出力を高く保持したまま、演色性が良好で色むらが少ない発光装置を製造することができる。

リードフレーム１２は、銅、銅亜鉛合金、鉄ニッケル合金などの金属からなるのが好ましい。また、封止部材２０の材料は、エポキシ樹脂やシリコーン系樹脂などの透光性の樹脂の他、ガラス材料でもよいが、耐熱性、耐紫外線性および作業性の観点からシリコーン系樹脂であるのが好ましい。

以上のように構成された本実施の形態の発光装置１０は、以下のように製造することができる。

まず、（図示しない）ダイボンダによって一方のリードフレーム１２ａのカップ１３の底面１３ａに発光素子１４の一方の面をダイボンディング（接着固定）して、発光素子１４の一方の電極を一方のリードフレーム１２ａに電気的に接続する。このダイボンディングの後、一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂを（図示しない）ワイヤボンダに移送し、金線などの導電性ワイヤ２２によって発光素子１４の他方の電極を他方のリードフレーム１２ｂにワイヤボンディングして電気的に接続する。

次に、一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂを静電吸着装置に移送し、リードフレーム１２ａのカップ１３にダイボンディングされた発光素子１４の表面に大粒径蛍光体１６を静電吸着させて、粒径の大きい蛍光体の波長変換層を発光素子１４の表面に均等に形成する。すなわち、図４に示すように、大粒径蛍光体１６を金属製トレイ２６上に載せ、この金属製トレイ２６を金属板２８上に配置した後、リードフレーム１２ａのカップ１３の開口部が金属製トレイ２６に対向するように金属製トレイ２６の上方１０ｍｍの位置にリードフレーム１２ａおよび１２ｂを設置し、リードフレーム１２ａを配線により接地する。次に、直流電源３０により金属板２８に−１０ｋＶの電圧を印加して、金属板２８とリードフレーム１２ａの間に１０ｋＶの電位差を生じさせることにより、金属板２８上に配置された金属製トレイ２６上の大粒径蛍光体１６の粒子を負に帯電させて、正に帯電した発光素子１４上に吸着させる。このようにして、静電吸着によって目的の色温度になる厚さまで大粒径蛍光体１６の層をカップ１３内の発光素子１４上に形成する。なお、本実施の形態では発光素子１４の表面に大粒径蛍光体１６を静電吸着させているが、発光素子１４の表面に大粒径蛍光体１６を均等な厚さに形成することができれば、静電吸着以外の吸着方法を使用してもよい。

次に、一対のリードフレーム１２ａおよび１２ｂを（図示しない）モールド装置に移送し、このモールド装置のディスペンサによりリードフレーム１２ａのカップ１３内に小粒径蛍光体１８および封止部材２０を注入する。このようにして小粒径蛍光体１８が分散した封止部材２０により大粒径蛍光体１６が保持される。なお、封止部材２０の材料として樹脂を使用する場合に、樹脂中に分散させる蛍光体が小粒径蛍光体１８であるため、蛍光体の粒子が沈降し難く、樹脂中の蛍光体の沈降による色むらを防止することができる。

最後に、予めモールド部材が注入された（図示しない）モールド型枠の中にリードフレーム１２ａおよび１２ｂを浸漬した後、型枠を外して樹脂を硬化させると、図１に示すような砲弾型の発光装置を製造することができる。

以下、本発明による発光装置およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。

まず、一方のリードフレーム１２ａのカップ１３内に発光素子１４として（活性層の組成がＩｎＧａＮからなり、発光波長のピークが４６０ｎｍの）青色ＬＥＤチップをダイボンディングした後、ワイヤボンディングした。また、大粒径蛍光体１６として、平均粒径（Ｄ_５０）が２５μｍのＳｒＡｌ_{（１＋ｘ）}Ｓｉ_{（４−ｘ）}Ｏ_ｘＮ_{（７−ｘ）}：Ｃｅ（０≦ｘ≦１）と表記されるｘ＝０．４５の蛍光体（ＳｒＡｌ_１．４５Ｓｉ_３．５５Ｏ_０．４５Ｎ_６．５５：Ｃｅからなる組成の緑色蛍光体）を用意した。次に、図４に示すように、この大粒径蛍光体１６を金属製トレイ２６上に載せて、この金属製トレイ２６を金属板２８上に配置した後、リードフレーム１２ａのカップ１３の開口部が金属製トレイ２６に対向するように金属製トレイ１６の上方１０ｍｍの位置にリードフレーム１２ａを設置し、リードフレーム１２ａを配線により接地した。次に、金属板２８に−１０ｋＶの電圧を印加して、金属板２８とリードフレーム１２ａの間に１０ｋＶの電位差を生じさせることにより、金属板２８上に配置された金属製トレイ２６上の大粒径蛍光体１６の粒子を負に帯電させて、正に帯電した青色ＬＥＤチップ１４上に吸着させた。このようにして、静電吸着によって、目的の色温度にするのに必要な厚さになるまで大粒径蛍光体１６の層をカップ１３内の青色ＬＥＤチップ１４上に形成した。

また、小粒径蛍光体１８として、平均粒径（Ｄ_５０）が７μｍのＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕからなる組成の赤色蛍光体を用意した。この小粒径蛍光体１８とＳｉＯ_２からなる粒径７ｎｍの沈降防止剤とを粘度３５０ｍＰａ・ｓのシリコーン樹脂（信越化学工業製のＳＣＲ−１０１１）に混合し、リードフレーム１２ａのカップ１３内に注入して樹脂を硬化させることにより、小粒径蛍光体１８が分散した封止部材２０で大粒径蛍光体１６を封止した。

このようにして図５に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数を測定した。また、色むら（色温度分布）を評価するために、観測角度に対するＪＩＳＺ８７２６に基づいて相関色温度を測定した。すなわち、発光装置から放出される光が見る角度によって異なって見えると、色むらが大きくなるので、観測角度毎の相関色温度を測定して、その最大値と最小値の差（色温度幅）を求めれば、色むらを評価することができる。観測角度に対する相関色温度の測定は、図１３に示すように、封止部材２０の表面から出射された光の相関色温度を封止部材２０の表面の中心における接平面に対して１０〜１７０°の範囲において１０°毎の角度で測定することによって行った。なお、相関色温度は、発光装置から１．４〜１．５ｍ離れた位置に配置した検出部に照射された光を光ファイバによって測定装置（浜松ホトニクス製の分光装置ＰＭＡ−１１（Ｃ７４７３−３６））に伝送してＪＩＳＺ８７２５に基づいて測定した。

その結果、図６および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約４８００Ｋ、色温度幅は２３３Ｋであり、色むらが非常に小さかった。また、観測角度９０°における平均演色評価数Ｒａは９０と高い値であり、演色性は良好であり、色再現性が良好であった。また、表２に示すように、特殊演色評価数Ｒ９〜Ｒ１５が６０以上になり、太陽光下の物質の色に近くなって好ましく、特に、Ｒ９が９５と高い値であるので、赤色についての色再現性が良好であり、Ｒ１５が９１と高い値であるので、日本人の肌色についての色再現性が良好であるため、実施例の発光装置は、非常に優れた照明用光源として使用することができる。なお、本実施例の発光装置の観測角度９０°における各波長の発光強度の測定結果（発光スペクトル）を図１４に示す。

［比較例１］
小粒径蛍光体１８’および１８として、平均粒径（Ｄ_５０）が９μｍのＳｒＡｌ_１．４２Ｓｉ_３．５８Ｏ_０．４２Ｎ_６．５８：Ｃｅからなる組成の緑色蛍光体と、平均粒径（Ｄ_５０）が７μｍのＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕからなる組成の赤色蛍光体を用意し、これらの２種類の小粒径蛍光体を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム１２ａのカップ１３内に注入して樹脂を硬化させることにより、２種類の小粒径蛍光体１８’および１８を含む封止部材２０で発光素子１４を封止した。

このようにして図７に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Ｒａは９２であり、演色性は良好であった。しかし、図８および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約５１５０Ｋ、色温度幅は８７５Ｋであり、色むらが大きかった。

［比較例２］
大粒径蛍光体１６として平均粒径（Ｄ_５０）が２５μｍのＳｒＡｌ_１．４５Ｓｉ_３．５５Ｏ_０．４５Ｎ_６．５５：Ｃｅからなる組成の緑色蛍光体と、小粒径蛍光体１８として平均粒径（Ｄ_５０）が７μｍのＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕからなる組成の赤色蛍光体を用意し、これらの大粒径蛍光体１６と小粒径蛍光体１８を実施例と同様のシリコーン樹脂に混合し、実施例と同様にリードフレーム１２ａのカップ１３内に注入して樹脂を硬化させることにより、大粒径蛍光体１６および小粒径蛍光体１８を含む封止部材２０で発光素子１４を封止した。なお、大粒径蛍光体１６は、樹脂の硬化中に沈降していた。

このようにして図９に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製し、この発光装置について演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Ｒａは９０であり、演色性は良好であった。しかし、図１０および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約６７００Ｋ、色温度幅は２０００Ｋであり、色むらが非常に大きかった。

［比較例３］
実施例の大粒径蛍光体１６の代わりに、小粒径蛍光体１８として平均粒径（Ｄ_５０）が９μｍのＳｒＡｌ_１．４２Ｓｉ_３．５８Ｏ_０．４２Ｎ_６．５８：Ｃｅからなる組成の緑色蛍光体を使用し、実施例の小粒径蛍光体１８の代わりに、大粒径蛍光体１６として平均粒径（Ｄ_５０）が２５μｍのＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕからなる組成の赤色蛍光体を使用した以外は、実施例と同様の方法により、図１１に示すようなカップ１３内の構造の発光装置を作製した。

このようにして作製した発光装置について、演色評価数および観測角度に対する相関色温度を測定した。その結果、平均演色評価数Ｒａは９０であり、演色性は良好であった。しかし、図１２および表１に示すように、観測角度９０°における相関色温度は約５２００Ｋ、色温度幅は２４００Ｋであり、色むらが非常に大きかった。

本発明による発光装置の実施の形態を概略的に示す断面図である。図１の発光装置の発光素子を載置した一方のリードフレームのカップの部分を拡大して示す断面図である。発光装置に使用する蛍光体の平均粒径と発光装置の相対発光強度との関係を示すグラフである。本発明による発光装置の製造方法の実施の形態における大粒径蛍光体の静電吸着工程を説明する概略図である。実施例の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。実施例の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。比較例１の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。比較例１の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。比較例２の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。比較例２の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。比較例３の発光装置のリードフレームのカップ内の構造を説明する概略図である。比較例３の発光装置の観測角度と相関色温度との関係を示すグラフである。相関色温度の観測角度を説明する図である。実施例の発光装置の観測角度９０°における発光スペクトルを示す図である。

符号の説明

１０発光装置
１２ａ、１２ｂリードフレーム
１３カップ（凹部）
１３ａ底面
１４発光素子
１６大粒径蛍光体
１８小粒径蛍光体
２０封止部材
２２導電性ワイヤ
２４モールド部材
２６金属製トレイ
２８金属板
３０直流電源

Claims

所定のピーク波長の光を発する発光素子と、この発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する大粒径蛍光体と、この大粒径蛍光体よりも粒径が小さく且つ発光素子からの光を吸収して発光素子からの光のピーク波長と異なるピーク波長の光を発する小粒径蛍光体とを用意し、大粒径蛍光体の上方に対向するように発光素子を配置し、大粒径蛍光体を負に帯電させて、正に帯電した発光素子の表面に大粒径蛍光体を静電吸着させて大粒径蛍光体の層を形成した後、小粒径蛍光体を含む封止部材によって発光素子および大粒径蛍光体の層を封止することを特徴とする、発光装置の製造方法。
前記大粒径蛍光体の粒径が１０μｍ以上且つ５０μｍ未満であり、前記小粒径蛍光体の粒径が１μｍ以上且つ１０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置の製造方法。
前記封止部材に前記小粒径蛍光体を分散させることを特徴とする、請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。