JP5006102B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板の上に発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを搭載して、その外側に蛍光体を含有する透明樹脂を配置した発光装置と、かかる発光装置の製造方法に関する。

低波長の励起光を発するＬＥＤチップと、波長変換性能を持つ蛍光体粒子の組み合わせによる白色ＬＥＤ発光装置は、従来、反射板つき基板上にＬＥＤチップを設置し、その上に黄色の蛍光体粒子を分散した透明樹脂層を塗布することによって形成されるものが知られている（特許文献１参照）。しかしこの方法では、一様に蛍光体が分布するため、ＬＥＤチップから蛍光体層を通過する光路が長いほど発光が黄色を帯びてしまい、結果として色むらを生じてしまうことが課題となっている。

特許文献２に開示されているように、ＬＥＤチップの周辺に一様に蛍光体層をもつような構造であれば、上記のような蛍光体量の方向依存性が低減されるために、色むらは改善される。しかしこの構造においては、蛍光体層とＬＥＤチップが接触しているために、蛍光体層が発した光をＬＥＤチップが吸収してしまったり、ＬＥＤチップが発した熱を蛍光体層が吸収してしまうなどの課題がある。

これらの課題を解決するため、非特許文献１では、透明樹脂層上に一様な蛍光体層を持つ構造とすることによって、ＬＥＤチップと蛍光体層を隔離する構造が提案されている。このような構造であると、上記のＬＥＤチップと蛍光体が接触することによる問題は大幅に解消される。

なお、上記構成の白色ＬＥＤ構造とは別に、紫外ＬＥＤチップと、その発光によって励起される赤色、緑色、青色の蛍光体から構成される白色ＬＥＤ構造も知られている（特許文献３）。この場合、紫外ＬＥＤチップを搭載した基板に対して、半球状の透明樹脂の表層に赤、青、緑色蛍光体の混合した層を形成することによって、白色光を得ることができる。このような赤、青、緑色蛍光体を混合した場合、短波長側の光が吸収されてしまいやすいという課題がある。これを改善する方法として、より短波長発光の蛍光体の層を内層に位置するように積層する方法が提案されている。
特開平７−９９３４５号公報 米国特許第６５７６４８８号明細書 米国特許出願公開２００６／０１０５４８５号明細書 特開平６−２３８８８４号公報 特開平８−９９４０８号公報 Hong Luoら著、APPLIED PHYSICS LETTER, 86, 243505 (2005), "Analysis of high-power packages for phosphor-based white-light-emitting diodes"

しかし、前述のような蛍光体層と透明樹脂層による多層構造を形成することは、プロセス的にも煩雑であり、また、平板基板上へ蛍光体層、透明樹脂層による多層を形成することはさらに困難である。

そこで本発明は、基板の上に発光チップを搭載し、その外側に蛍光体を含有する透明樹脂を配置した発光装置を容易に製造する方法と、かかる方法によって製造可能な発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る発光装置製造方法は、基板の上に発光チップを搭載する搭載ステップと、前記基板の上で前記発光チップの外側を満たしてドーム状に覆う透明樹脂部および、蛍光体を含有して前記透明樹脂部の少なくとも頂部付近の外側に形成される蛍光体層を、液滴吐出装置を用いて形成するドーム形成ステップと、前記ドーム状の透明樹脂部および蛍光体層の外側で前記基板に接する位置付近に反射層を形成する反射層形成ステップと、を有し、前記ドーム形成ステップは、前記基板の上および前記発光チップの外側に向けて透明樹脂の液滴を前記液滴吐出装置によって上向きに吐出させる透明樹脂吐出ステップと、前記透明樹脂吐出ステップの後に蛍光体を含有する透明樹脂の液滴を前記液滴吐出装置によって上向きに吐出させる蛍光体含有樹脂吐出ステップと、を含むこと、を特徴とする。

本発明によれば、簡便なプロセスによって、色むらが少ない発光装置を作成することができる。本発明は、特に、白色ＬＥＤ発光装置への適用に好適である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る発光装置およびその製造方法の実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明に係る第１の実施形態の白色ＬＥＤ発光装置では、図１に示すように、蛍光体の励起光源であるＬＥＤチップ３を搭載した基板２０上をドーム状（たとえば半球状）に満たした透明樹脂層（透明樹脂部）４を有し、その透明樹脂層４の外側に蛍光体層５を持つ。半球状の透明樹脂層４の基板２０との境界に近い部分にはその外側に蛍光体層５が存在しない環状の領域があり、この領域を覆うように反射層６が形成されている。ＬＥＤチップ３は金ワイヤボンディング７などによってリードフレーム２２上の電極８，９に接続されている。

この構造の製造方法は、たとえば、図２ないし図４に示すような手順となる。まず、基板２０上にＬＥＤチップ３を実装する。そして、図２に示すように、基板２０のＬＥＤチップ３が実装された面を下にした状態で、基板２０上に、蛍光体含有透明樹脂１１を塗布し、蛍光体含有透明樹脂１１のドーム状の構造を形成する。このとき、液滴吐出装置１０から上向きに樹脂の液滴を吐出させる。つぎに、蛍光体含有透明樹脂１１が硬化する前に、その中に含有されている蛍光体を沈降させて、図３に示すように、ドーム状の構造の表面近くに蛍光体が多く集まった蛍光体層５を形成させ、その内側の透明樹脂層４と分離させる。その後に透明樹脂を硬化させる。

つぎに、図４に示すように、透明樹脂層４が基板２０に接する付近を囲むように環状の反射層６を形成する。このとき、蛍光体含有透明樹脂１１の塗布と同様に、液滴吐出装置１０から上向きに金属含有インクを吐出することによって、反射層６を塗布形成することができる。

上記説明では、蛍光体含有透明樹脂１１のドーム状の構造を形成した後に、蛍光体を沈降させて蛍光体層５を形成させることとしたが、他の方法として、はじめに透明樹脂のみによる小半球構造をＬＥＤチップ３上に形成し、その後に蛍光体含有透明樹脂層を重ねて形成してもよい。

このようにして、ＬＥＤチップ３から蛍光体を隔離させ、半球状の透明樹脂層４の表層部に蛍光体層５を形成することができる。蛍光体の沈降は、より粒子径の大きいものほど沈降速度が速くなる。したがって、形成された蛍光体層内では、半球構造の外向きに、粒子径がより大きくなる分布をもつ構造となる。沈降によって形成されるこの蛍光体粒子層では、より粒子径の大きい粒子から半球構造の表層に堆積していくことから、大粒子によって構成された空隙を小粒子が埋めていくように堆積することになる。したがって、蛍光体層の厚みのむらが小さくなる。

ここでの基板２０は、リードフレーム２２のＬＥＤチップ３搭載部でもよい。また、セラミック平面基板でもよいし、ガラス平面基板でもよい。

本製造プロセスとしては、特に高速の製造プロセスを考慮した場合、半球状の透明樹脂内において蛍光体粒子が迅速に沈降することが望ましい。透明樹脂層４の粘度が低いほど蛍光体の沈降速度は大きくなることから、沈降速度の面からは、透明樹脂層の粘度が低い方が望ましい。また、液滴吐出装置１０においては、一般的に、高粘度の液体を吐出することは困難であり、吐出性の観点からも、より低粘度であることが望ましい。

液滴吐出装置によって吐出する蛍光体含有透明樹脂１１における蛍光体の含有率は、たとえば蛍光体粒子径が約３０μｍの場合、１５重量％から６０重量％の範囲であることが望ましい。同じ蛍光体の重量％の蛍光体含有透明樹脂を用い、同じ青色ＬＥＤチップを用いた場合、形成する半球構造の大きさが大きくなるほど、黄色蛍光体の量が過剰となる傾向があり、より黄色味を帯びた発光となる。半球構造の直径が約１ｍｍの場合、蛍光体の濃度は４０〜５０重量％であることが望ましい。

この実施形態における液滴吐出装置１０としては、プリンタなどに利用されるインクジェット装置を利用することができる。一般的に、ピエゾ方式や、サーマル方式の液滴吐出装置では、ノズル部の詰まりの問題などから、約３０ｍＰａ・ｓ以下の低粘度のインクや、小粒子径の粒子を含有したインクを安定に吐出することしかできない。一方、集束超音波方式の液滴吐出装置（特許文献４および５参照）においては、インクつまりの原因であるノズルが不要である構成であることから、より高粘度のインクや、数十ミクロン径の粒子を含有した液滴を吐出することができる。したがって、集束超音波方式の液滴吐出装置によって、白色ＬＥＤのパッケージングに用いられる、高粘度（＞１００ｍＰａ・ｓ）の樹脂や、１０μｍ径以上の蛍光体粒子を含有した樹脂液滴を吐出することができる。

本実施形態において、透明樹脂および蛍光体粒子の吐出に超音波液滴吐出装置を用いることを前提とした場合、透明樹脂の粘度は、３０００ｍＰａ・ｓ以下が望ましく、安定したパターニング性を考慮した場合は１０００ｍＰａ・ｓ以下であることがより望ましい。一方、液滴吐出装置のインク室内での蛍光体の分散性は高いほうが望ましく、それには粘度が高いほうが蛍光体の沈降性が抑えられるために望ましい。したがって、この観点からは、透明樹脂の粘度は１００ｍＰａ・ｓ以上であることが望ましい。

透明樹脂の種類としては、液滴吐出装置による吐出時においては低粘度であり、基板２０への樹脂の着弾後に硬化することが可能なものが望ましい。具体的には、熱硬化型のシリコーン樹脂、または熱硬化型のエポキシ樹脂が望ましい。ただし、エポキシ樹脂などの有機高分子系材料は、ＬＥＤチップ光源による材料劣化が起こりやすく、長時間使用した際に、着色などの劣化を生じることがある。したがって、熱硬化型のシリコーン樹脂を用いることが望ましい。

熱硬化型樹脂は、一液型、二液混合型いずれでもよい。また、熱硬化型樹脂は、基板２０を加熱することによって、樹脂の硬化を促進することができることから、基板２０の加熱によって、蛍光体の沈降速度を遅らせることができる。これにより、半球構造内での蛍光体分布の調整を行なうことができる。

蛍光体材料としては、沈降による蛍光体層を迅速に形成する必要があることから、粒子径が大きい方が望ましい。また、白色ＬＥＤ構造における光取り出し効率としては、蛍光体の粒子径が大きい方が向上する傾向があることから、発光装置としても、蛍光体の粒子径はより大きい方が望ましい。一方、粒子径が大きいほど、液滴吐出装置におけるインク室内での粒子分散性は低下し、また液滴吐出装置での吐出はより困難なものとなる。これらの要因を総合して、蛍光体の粒子径は５μｍ〜１００μｍの範囲であることが望ましい。

本実施形態での、蛍光体の沈降を利用した蛍光体層の形成方法においては、半球構造での基板２０近傍部において、蛍光体がほとんど分布しない領域が形成される。この部分からはＬＥＤチップからの青色光が漏洩し、その結果、白色ＬＥＤ発光装置としては色むらを生じることになる。一般的に白色ＬＥＤでは、発光装置の上方への光取り出しを高めるために、ＬＥＤチップの周辺に反射板を設置した構造を有している。

本実施形態での白色ＬＥＤ発光装置の半球構造における基板２０近傍部において、半球の外部から反射層６を設置することにより、この色むらの課題は大幅に改善される。この場合、青色光の漏洩を防ぐためには、反射層６は、半球構造に接している必要がある。したがって、立体的な半球構造の側部に接した反射層６を設置する方法として、液滴吐出装置による金属含有インクを塗布するという方法が適している。金属含有インクとして代表的なものは、金、銀、銅などのナノサイズの粒子を分散させたインクがある。反射率や粒子の安定性などから、銀粒子含有のインクが反射層形成のためにより望ましい。

作成手順としては、半球構造の形成後に、液滴吐出装置１０によって半球構造の側面に金属含有インクを塗布する。金属含有インクには、ナノ粒子を安定に分散させるための分散剤が含まれており、塗布後加熱焼成することによって、より反射率の高い反射層を得ることができる。ここで低温焼成タイプの銀ナノコロイド含有インクを用いると、１５０℃の焼成によって十分な反射率を有する反射層が形成できる。焼成時に、反射層にクラックが入った場合、重ねて金属含有インクを塗布、焼成することによってクラックを埋めることができる。

蛍光体を沈降させることによって蛍光体層５を形成する際に、半球構造の径は、より小さい方が膜厚の均一な蛍光体層５を形成する上で望ましい。半球構造の径が大きくなるにつれて、半球構造の先端部にのみ蛍光体が集中しやすくなる。しかしながら、基板２０上に、低粘度の透明樹脂を塗布した場合、透明樹脂の基板２０との親和性が高い場合、基板２０上に容易に広がってしまい、所望の大きさの半球構造を形成することは非常に困難である。

この樹脂の広がりを抑制する方法として、熱硬化樹脂を用いた場合に基板２０の加熱を行なうという方法が考えられる。しかし、あまり樹脂の硬化が早いと、沈降による蛍光体層５の形成が不十分となり、本実施形態での発光装置構造の特徴が不十分なものとなる。そこで、所望の大きさの半球構造を得るための方法として、一つは、リードフレーム２２の樹脂形成部の直径を小径化することが挙げられる。これにより、半球構造は、樹脂形成部の直径と等しくなり、樹脂の広がりを押さえることができる。しかし、この方法は、一般的な平面基板２０上への白色ＬＥＤ発光装置作成への応用はできない。

もう一つは、基板２０部の表面エネルギーを下げることによって、透明樹脂の着弾後の広がりを抑える方法である。たとえば、透明樹脂を塗布する前の基板２０部の表面に撥水処理を施す。この方法により、液滴吐出装置１０によって着弾した透明樹脂は基板２０との大きな接触角をもつことによって、着弾した樹脂量に応じた径の半球構造を形成することができる。基板２０表面の撥水処理として、たとえば、基板２０表面にフッ素系ポリマーをコートする方法などがある。

実験では、金メッキ被覆したリードフレーム上での表面処理品において、シリコーン樹脂に対して接触角約６０度の半球構造が得られた。一方、無処理品においては、シリコーンは不規則に基板２０上に広がり、ＬＥＤチップを被覆することも困難であった。用いる表面処理剤は、たとえばフッ素系ポリマーを含有した離型剤を用い、基板２０に対して、離型剤の溶液をディップコートあるいはスピンコートすることによって表面処理を行なう。

以上説明したように、本実施形態によれば、発光チップと蛍光体層との接触のない発光装置構造を実現でき、厚みの均一性の高い蛍光体層を得ることができ、その結果、色むらの少ない白色ＬＥＤ発光装置を得ることができる。また、蛍光体の沈降現象を利用しているために、透明樹脂層と蛍光体層との二層構造の形成を、液滴吐出装置による塗布の一プロセスによって行なうことが可能であり、従来の製法と比較して簡便な製造プロセスとなる。

［第２の実施形態］
図５ないし図７に示すように、上記と同様の白色ＬＥＤ発光装置構造を、作成工程の順序を変えて行なうこともできる。すなわち、はじめに基板上にＬＥＤチップ３を搭載し、その後、図５に示すように、液滴吐出装置１０により、金属含有インク１２を平面基板２０上に環状に塗布することによって、反射層６を形成する。このとき、特に、超音波方式の液滴吐出装置１０を用いて高粘度の金属含有インクを上向きに吐出しながら塗布することによって、基板２０の垂直方向に厚みを持つ反射層６の立体構造を得ることが容易になる。

続いて、図６に示すように、基板２０上のＬＥＤチップ上に蛍光体含有透明樹脂１１を吐出し、ドームを形成する。その後、蛍光体が沈降した後、透明樹脂を硬化させる。これにより、図７に示すような白色ＬＥＤ発光装置構造を得ることができる。この製法によると、第１の実施形態に比べて、反射層６の透明樹脂層４に接する反射面の向きが、ＬＥＤチップ３からの光を、より蛍光体層５の向きに反射する向きとなるため、光の取り出しという意味でも有利な構造となる。

［第３の実施形態］
本発明の作成方法を、反射板を有するパッケージカップを用いた発光装置の作成に応用することもできる。その構造を図８に示す。この実施形態においては、平板基板の代わりに、窪み３１が形成されたパッケージカップ３０を用い、窪み３１の底部３２中央にＬＥＤチップ３を設置する。そして、ＬＥＤチップ３の外側に半球状の透明樹脂層４と蛍光体層５を形成し、透明樹脂層４と窪み３１の底部３２の境界部付近に環状に反射層６を形成する。

ここで、透明樹脂層４および蛍光体層５の形成、および反射層６の形成に当たっては、第１または第２の実施形態と同様に、ＬＥＤチップ３が設置されたパッケージカップ３０の窪み３１を下向きにして、液滴吐出装置１０から液滴を上向きに吐出することによって行なう。

このとき、窪み３１の底部３２の表面エネルギーを下げるために底部３２の表面に撥水処理を施しても良い。蛍光体が半球状の透明樹脂層内で沈降することにより半球状の透明樹脂層４と蛍光体層５を形成する。液滴吐出装置１０によって金属含有インクを透明樹脂層の側部に塗布することにより、反射層６を形成することも第１または第２の実施形態と同様である。

この第３の本実施形態の場合、パッケージカップ３０の窪み３１の側面によって反射板１が形成されているこれにより、発光装置上方への光の集光性が高まる効果が得られる。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る発光装置は、図９に示すように、基板２０上に配置された紫外ＬＥＤチップ３と、紫外ＬＥＤチップ３を覆うように配置されたドーム状（たとえば半球状）の透明樹脂層４と、その外側を覆う赤色蛍光体層１３とを有する。この実施形態ではさらにこの赤色蛍光体層１３の外側に、第２の透明樹脂層４ａ、緑色蛍光体層１４、第３の透明樹脂層４ｂ、青色蛍光体層１５が順次形成されている。

この第４の実施形態は、特許文献３に開示された白色ＬＥＤ構造に本発明を適用するものである。すなわち、紫外ＬＥＤチップ３から発せられた紫外線を、赤色蛍光体層１３、緑色蛍光体層１４、青色蛍光体層１５に順次通して白色光を得るものである。この場合に、かりに赤、青、緑色蛍光体を混合して半球状に形成した場合、一般に、短波長側の光が吸収されてしまいやすい。そのため、この実施形態では、より短波長発光の蛍光体の層を外層に位置するように積層する。

つぎに、この第４実施形態の発光装置の製造方法について説明する。はじめに、紫外ＬＥＤチップ３を基板２０上に搭載し、この発光チップ３の搭載された基板２０を下向きにした状態で、液滴吐出装置１０によって、発光チップ３に向けて、赤色蛍光体粒子を含有した透明樹脂液滴を上向きに吐出し、基板２０上に半球構造を形成する。そして、赤色蛍光体層１３が半球構造の表面近くに沈降した後に、透明樹脂を加熱硬化させ、透明樹脂層４とその外側の赤色蛍光体層１３を形成する。硬化後、重ねて緑色蛍光体含有樹脂を同様に塗布、硬化させて、赤色蛍光体層１３の外側に、第２の透明樹脂層４ａとその外側の緑色蛍光体層１４を形成する。その硬化後に、さらにその外側に重ねて第３の透明樹脂層４ｂとその外側の青色蛍光体層１５を形成する。

この作成手順により、透明樹脂層４、赤色蛍光体層１３、第２の透明樹脂層４ａ、緑色蛍光体層１４、第３の透明樹脂層４ｂ、青色蛍光体層１５、といった６層の多層構造が形成される。この構造により、蛍光体の色間での光吸収を抑えた白色ＬＥＤの形成が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置の構成を示す立面図。 図１の発光装置の製造方法の実施形態におけるドーム形成ステップを示す立面図。 図１の発光装置の製造方法の実施形態における沈降ステップを示す立面図。 図１の発光装置の製造方法の実施形態における反射層形成ステップを示す立面図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置製造方法における反射層形成ステップを示す立面図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置製造方法におけるドーム形成ステップを示す立面図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置製造方法における沈降ステップを示す立面図。 本発明の第３の実施形態に係る発光装置の構成を示す立面図。 本発明の第４の実施形態に係る発光装置の構成を示す立面図。

符号の説明

１：反射板、 ３：ＬＥＤチップ、 ４，４ａ，４ｂ：透明樹脂層（透明樹脂部）、 ５：蛍光体層、 ６：反射層、 ７：金ワイヤボンディング、 ８，９：電極、 １０：液滴吐出装置、 １１：蛍光体含有透明樹脂、 １２：金属含有インク、 １３：赤色蛍光体層、 １４：緑色蛍光体層、 １５：青色蛍光体層、 ２０:基板、 ２２：リードフレーム、 ３０：パッケージカップ、 ３１：窪み、 ３２：底部

Claims (8)

1. 基板の上に発光チップを搭載する搭載ステップと、
   前記基板の上で前記発光チップの外側を満たしてドーム状に覆う透明樹脂部および、蛍光体を含有して前記透明樹脂部の少なくとも頂部付近の外側に形成される蛍光体層を、液滴吐出装置を用いて形成するドーム形成ステップと、
   前記ドーム状の透明樹脂部および蛍光体層の外側で前記基板に接する位置付近に反射層を形成する反射層形成ステップと、
   を有し、前記ドーム形成ステップは、
   前記基板の上および前記発光チップの外側に向けて透明樹脂の液滴を前記液滴吐出装置によって上向きに吐出させる透明樹脂吐出ステップと、
   前記透明樹脂吐出ステップの後に蛍光体を含有する透明樹脂の液滴を前記液滴吐出装置によって上向きに吐出させる蛍光体含有樹脂吐出ステップと、
   を含むこと、を特徴とする発光装置製造方法。
2. 前記ドーム形成ステップは、
   前記基板の上および前記発光チップの外側に向けて蛍光体を含有する透明樹脂の液滴を上向きに吐出させる蛍光体含有樹脂吐出ステップと、
   前記蛍光体含有樹脂吐出ステップによって吐出された透明樹脂が硬化する前に当該透明樹脂中の前記蛍光体を前記ドームの表面近くに沈降させる沈降ステップと、
   を含むこと、を特徴とする請求項１に記載の発光装置製造方法。
3. 前記反射層形成ステップは、金属含有インクの液滴を液滴吐出装置によって吐出させるステップを含むこと、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置製造方法。
4. 前記反射層形成ステップは、前記金属含有インクの液滴を上向きに吐出させるステップを含むこと、を特徴とする請求項３に記載の発光装置製造方法。
5. 前記反射層形成ステップは、前記ドーム形成ステップの前に行なうこと、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の発光装置製造方法。
6. 前記反射層形成ステップは、前記ドーム形成ステップの後に行なうこと、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の発光装置製造方法。
7. 前記液滴吐出装置は、集束超音波を用いた音圧によって液滴を吐出するものであること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の発光装置製造方法。
8. 前記ドーム形成ステップよりも前に前記基板の前記チップを搭載する面に撥水処理を行なう撥水処理ステップをさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の発光装置製造方法。

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