JP6789778B2 - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光装置たとえば白色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子装置及びその製造方法に関する。

発光素子を利用した半導体発光装置は、ヘッドランプ、街路灯、バックライト、ディスプレイ、一般照明等の各種照明装置に利用されている。このような半導体発光装置では、白色光など所望の色の発光を得るために、発光素子と波長変換材料である蛍光体とを組み合わせたものが多用されている。

図７は従来の白色ＬＥＤ素子装置を示す断面図である。図７においては、実装基板１上にたとえば青色ＬＥＤ素子２をＡｕＳｎ、はんだ等の接合材を用いて実装し、青色ＬＥＤ素子２上に光透過性接着剤等を介して平坦な蛍光体プレート３を設ける。蛍光体プレート３はシリコーン樹脂等よりなる透明樹脂層３ａ及び透明樹脂層３ａ内に分散された青色光を黄色光に変換するＹＡＧ等の蛍光体粒子３ｂを含む。さらに、青色ＬＥＤ素子２及び蛍光体プレート３の周囲に、青色ＬＥＤ素子２からの光を蛍光体プレート３に閉じ込めるための被覆部材としての白色樹脂層４を設ける。白色樹脂層４はシリコーン樹脂等よりなる透明樹脂層４ａ及び透明樹脂層４ａ内に分散されたほぼ球状の酸化チタン（ＴｉＯ_２）等よりなる反射性フィラ４ｂを含む（参照：特許文献１の図４）。

図７においては、白色樹脂層４の表面レベルは蛍光体プレート３の表面レベルより十分低くたとえば数１０μｍ程度以上低くされている。白色樹脂硬化後に、蛍光体プレート３の表面レベルより一番低いところで５０μｍ程度低くなるように白色樹脂量を予め調整した量で塗布する。これにより、表面張力による白色樹脂層４の蛍光体プレート３上への這い上がりを抑制して白色樹脂層４の反射性フィラ４ｂによる蛍光体プレート３の光取出し効率の低下を抑制する。

特開２０１５−１３８８３９号公報

しかしながら、上述の図７の従来の白色ＬＥＤ素子装置においては、白色樹脂層４の蛍光体プレート３に対する保持効果が小さく、しかも、蛍光体プレート３と白色樹脂層４との界面は外気に曝されている。従って、長時間の使用及び点消灯の繰返動作等によって各部材の熱膨張率の相異から各部材に歪みが蓄積し、また、外気からの湿気が蛍光体プレート３と白色樹脂層４との界面に侵入すると、図８の矢印Ｘに示すごとく、蛍光体プレート３と白色樹脂層４との界面が剥離する。この結果、青色ＬＥＤ素子２からの光の蛍光体プレート３への閉じ込みが不完全となり、蛍光体プレート３の光取出し効率が低下すると共に色むらも発生し、寿命も短くなるという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光装置は、実装基板と、実装基板上に設けられた半導体発光素子と、半導体発光素子上に設けられ、少なくとも額縁上部分が凹凸表面とされた波長変換部材と、半導体発光素子及び波長変換部材を囲むように設けられた白色樹脂層とを具備し、白色樹脂層は透明樹脂層及び該透明樹脂層内に分散された反射性フィラを含有し、白色樹脂層のうち透明樹脂層のみが波長変換部材の少なくとも額縁上部分表面にも設けられたものである。これにより、白色樹脂層の波長変換部材に対する保持効果は増大すると共に、波長変換部材と白色樹脂層との界面は外気に曝されない。

また、本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、実装基板上に半導体発光素子を実装するための半導体発光素子実装工程と、半導体発光素子上に少なくとも額縁上部分が凹凸表面とされた波長変換部材を載置するための波長変換部材載置工程と、半導体発光素子及び波長変換部材の周囲に透明樹脂層及び反射性フィラを含有する白色樹脂層を塗布するための白色樹脂層塗布工程と、白色樹脂層の透明樹脂層のみを表面張力及び毛細管現象により波長変換部材の額縁上部分の凹凸表面に這い上げるための毛細管現象工程と、毛細管現象工程の後に白色樹脂層を熱硬化させるための熱硬化工程とを具備するものである。これにより、波長変換部材の少なくとも額縁上部分には白色樹脂層の透明樹脂層のみが這い上がる。

波長変換部材の凹凸表面の表面粗さの上限値は１０μｍであり、他方、下限値は毛細管現象により透明樹脂層のみを這い上げることができるサイズであればよく、反射性フィラの直径である０．２〜０．３μｍであれば十分に効果を発揮する。また、理論上は波長変換部材の凹凸表面の表面粗さがナノサイズであっても効果を発揮し、わずかでも凹凸が存在すればよいと言える。

本発明によれば、透明樹脂層成分が波長変換部材の額縁上部分に這い上がるので、白色樹脂層の波長変換部材に対する保持効果を大きくすることができ、従って、点消灯を繰り返すなどによる動作劣化（界面剥離）などが低減でき、この結果、寿命を長くできる。また、波長変換部材と白色樹脂層との界面が外気に晒されので、光取出し効果の低下及び色むらを抑制できると共に、周囲の環境条件（例えば湿度）による劣化を低減でき、この結果、やはり、寿命を長くできる。

本発明に係る白色ＬＥＤ素子装置の第１の実施の形態を示す断面図である。 図１の白色ＬＥＤ素子装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１の蛍光体プレートの一例を示す断面図である。 図１の白色ＬＥＤ素子装置の変更例を示す断面図である。 本発明に係る白色ＬＥＤ素子装置の第２の実施の形態を示す断面図である。 図５の白色ＬＥＤ素子装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 従来の白色ＬＥＤ素子装置を示す断面図である。 図７の白色ＬＥＤ素子装置の課題を説明するための断面図である。

図１は本発明に係る白色ＬＥＤ素子装置の第１の実施の形態を示す断面図である。

図１においては、図７の蛍光体プレート３の代りに、凹凸表面３ｃを有する蛍光体プレート３’を設け、また、図７の白色樹脂層４の代りに、白色樹脂層４’を設ける。この場合、白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａのみが矢印Ｙ１に示す蛍光体プレート３’の額縁上部分の凹凸表面３ｃに這い上がっている。これにより、白色樹脂層４’による蛍光体プレート３’の保持効果を顕著に上げることができる。

図１においては、蛍光体プレート３’の凹凸表面３ｃの表面粗さＲｚは１０μｍ以下であり、白色樹脂層４’の反射性フィラ４ｂたとえば酸化チタンの直径は０．２〜０．３μｍである。このような表面粗さの蛍光体プレート３’を使用すると、酸化チタンは蛍光体プレート３’の凹凸隙間を通り抜けることができず、毛細管現象で透明樹脂成分だけが流れ出す。反射性フィラ４ｂの蛍光体プレート３’への染み出しを抑制するように作用する。さらに、これに加えて、白色樹脂層４’の表面レベルは蛍光体プレート３’の表面レベルより一番低いところで５０μｍ程度低いが、蛍光体プレート３’の近くは表面張力が働いて表面レベルより若干低くたとえば数μｍ低くなっている。これにより、表面張力及び毛細管現象を積極的に利用して白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａのみが蛍光体プレート３’上に這い上がるようにし、他方、白色樹脂層４’の反射性フィラ４ｂの蛍光体プレート３’上に這い上がりを凹凸表面３ｃによって抑制し、この結果、蛍光体プレート３’の光取出し効率の低下を抑制する。

次に、図１の白色ＬＥＤ素子装置の製造方法を図２を用いて説明する。

始めに、ＬＥＤ素子実装工程２０１にて、実装基板１上に青色ＬＥＤ素子２をＡｕＳｎ、はんだ等の接合材を用いて実装する。

次に、蛍光体プレート接着工程２０２にて、青色ＬＥＤ素子２上に蛍光体プレート３’を光透過性接着層を用いて設置する。この場合、蛍光体プレート３’の表面はショットブラスト法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等によって予め凹凸表面３ｃとされる。尚、蛍光体プレート３’の拡大断面図である図３に示すように、蛍光体プレート３’を形成した際に、蛍光体粒子３ｂが透明樹脂層３ａの表面から突出しており、この状態が凹凸表面３ｃを形成している場合には、上述のショットブラスト法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等は行わなくてもよい。

次に、白色樹脂層塗布工程２０３にて、青色ＬＥＤ素子２及び蛍光体プレート３’を囲むように白色樹脂層４’をポッティングする。この場合、白色樹脂層４’の高さは、白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａの粘度及び蛍光体プレート３’上への這い上がり性（表面張力）に依存するが、上述のごとく、蛍光体プレート３‘の近くは表面張力が働いて表面レベルより数μm低くして白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａの表面張力及び毛細管現象を促進させる。

次に、毛細管現象工程２０４にて、数分間放置する。この間で白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａのみを表面張力及び毛細管現象を積極的に利用して蛍光体プレート３’上に這い上がらせる。この場合、白色樹脂層４’の反射性フィラ４ｂの這い上がりは蛍光体プレート３’の凹凸表面３ｃによって抑制される。

次に、熱硬化工程２０５にて、白色ＬＥＤ素子装置を炉に入れてたとえば１５０℃まで昇温させて白色樹脂層４’を硬化させる。白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａに依存するが、熱硬化時間はたとえば４時間程度である。尚、昇温途中の５０〜８０℃で透明樹脂層４ａの粘度は一時的に下がり、透明樹脂層４ａの蛍光体プレート３’への這い上がり量は増加する。従って、この這い上がり量を考慮して上述の毛細管現象工程２０４の放置時間を載置する。

図４は図１の白色ＬＥＤ素子装置の変更例を示す断面図である。

図４の（Ａ）に示すように、白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａを蛍光体プレート３’の凹凸表面３ｃ全体に設ける。これにより、白色樹脂層４’の蛍光体プレート３’に対する保持効果がさらに増加する。このように、透明樹脂層４ａを蛍光体プレート３’の凹凸表面３ｃ全体に設けるために、図２の毛細管現象工程２０４の放置時間を長くする。たとえばこの放置時間を２時間程度とする。

また、図４の（Ｂ）に示すように、蛍光体プレート３’の額縁上部分のみに凹凸表面３ｃを設け、すなわち、白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａは這い上がる蛍光体プレート３’の額縁上部分以外は平坦とする。この場合、蛍光体プレート３’の全面に凹凸表面３ｃを形成した後に、予め、上述の額縁上部分以外の凹凸表面３ｃの平坦化をたとえば化学機械的研磨（ＣＭＰ）方法等によって行う。

さらに、図４の（Ａ）、（Ｂ）においては、青色ＬＥＤ素子２と蛍光体プレート３’とは平面視において同一の大きさである。しかし、青色ＬＥＤ素子２と蛍光体プレート３’とは必ずしも平面視にで同一の大きさである必要ない。たとえば、図４の（Ｃ）に示すごとく、平面視において蛍光体プレート３’を青色ＬＥＤ素子２より大きくすると、光学的な損失が小さくなる。逆に、図４の（Ｄ）に示すごとく、平面視において蛍光体プレート３’を青色ＬＥＤ素子２より小さくすると、混色が進むので、色むらが小さくなる。

図５は本発明に係る白色ＬＥＤ素子装置の第２の実施の形態を示す断面図である。

図５においては、図１の白色ＬＥＤ素子装置の蛍光体プレート３’上に透明コーティング層５を付加する。この透明コーティング層５は白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａの材料たとえばシリコーン樹脂となじまない、言い換えると、透明樹脂層４ａの材料をはじく材料たとえばフッ素樹脂よりなる。この場合、透明コーティング層５はたとえば数１０ｎｍ〜数μｍ程度であるので、蛍光体プレート３’の凹凸表面と同様の凹凸表面を有することになる。

図５においては、透明コーティング層５は基本的に白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａをはじくので、白色樹脂層４’の量を多くでき、たとえば、白色樹脂層４’の表面レベルは蛍光体プレート３’の表面レベルと同一又は少し高くなっている。これにより、白色樹脂層４’による蛍光体プレート３’の光閉じ込み効果を高くできる。この場合にも、白色樹脂層４’の透明樹脂層４ａは透明コーティング層５の額縁上部分Ｙ２に這い上がることができる。

図６は図５の白色ＬＥＤ素子装置の製造方法を説明するためのフローチャートであって、図２のフローチャートに透明コーティング層塗布工程６０１を付加してある。すなわち、透明コーティング塗布工程６０１において、蛍光体プレート３’上にたとえばフッ素樹脂を塗布して透明コーティング層５を形成する。次の蛍光体プレート接着工程２０２にて蛍光体プレート３’を青色ＬＥＤ素子２上に設ける。次の白色光樹脂層塗布工程２０３では、はじき性の透明コーティング層５の存在のために、白色樹脂層４’を多めに塗布する。尚、透明コーティング塗布工程６０１は蛍光体プレート接着工程２０２の後でもよい。

尚、上述の実施の形態においては、波長変換部材として蛍光体プレート３’を用いたが、図２、図６の蛍光体プレート接着工程２０２の代りに、波長変換部材を印刷法、スプレー塗布法等によって形成してもよい。この場合には、波長変換部材の表面の凹凸加工をショットブラスト法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等によって行う。

また、上述の実施の形態においては、半導体発光素子として青色ＬＥＤ素子を用いたが、本発明は波長変換部材を用いる他の半導体発光素子にも適用し得る。

さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内でのいかなる変更にも適用し得る。

１：実装基板
２：青色ＬＥＤ素子
３、３’：蛍光体プレート（波長変換部材）
３ａ：透明樹脂層
３ｂ：蛍光体粒子
３ｃ：凹凸表面
４、４’：白色樹脂層
４ａ：透明樹脂層
４ｂ：反射性フィラ
５：透明コーティング層
Ｙ１、Ｙ２：額縁上部分

Claims (10)

1. 実装基板と、
   前記実装基板上に設けられた半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子上に設けられ、少なくとも額縁上部分が凹凸表面とされた波長変換部材と、
   前記半導体発光素子及び前記波長変換部材を囲むように設けられた白色樹脂層と
   を具備し、
   前記白色樹脂層は透明樹脂層及び該透明樹脂層内に分散された反射性フィラを含有し、
   前記白色樹脂層のうち前記透明樹脂層のみが前記波長変換部材の少なくとも額縁上部分表面にも設けられた半導体発光装置。
2. 前記波長変換部材の前記凹凸表面の表面粗さは１０μｍ以下であり、前記反射性フィラの直径は０．２〜０．３μｍである請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 実装基板と、
   前記実装基板上に設けられた半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子上に設けられ、少なくとも第１の額縁上部分が第１の凹凸表面とされた波長変換部材と、
   前記波長変換部材上に設けられ、前記第１の額縁上部分の前記第１の凹凸表面に対向した少なくとも第２の額縁上部分が第２の凹凸表面とされた透明コーティング層と、
   前記半導体発光素子、前記波長変換部材及び前記透明コーティング層を囲むように設けられた白色樹脂層と
   を具備し、
   前記白色樹脂層は透明樹脂層及び該透明樹脂層内に分散された反射性フィラを含有し、
   前記透明コーティング層は前記透明樹脂層をはじく材料よりなり、
   前記白色樹脂層のうち前記透明樹脂層のみが前記透明コーティング層の少なくとも額縁上部分表面にも設けられた半導体発光装置。
4. 前記透明コーティング層の前記第２の凹凸表面の表面粗さは１０μｍ以下であり、前記反射性フィラの直径は０．２〜０．３μｍである請求項３に記載の半導体発光装置。
5. 実装基板上に半導体発光素子を実装するための半導体発光素子実装工程と、
   前記半導体発光素子上に少なくとも額縁上部分が凹凸表面とされた波長変換部材を載置するための波長変換部材載置工程と、
   前記半導体発光素子及び前記波長変換部材の周囲に透明樹脂層及び反射性フィラを含有する白色樹脂層を塗布するための白色樹脂層塗布工程と、
   前記白色樹脂層の前記透明樹脂層のみを表面張力及び毛細管現象により前記波長変換部材の額縁上部分の凹凸表面に這い上げるための毛細管現象工程と、
   前記毛細管現象工程の後に前記白色樹脂層を熱硬化させるための熱硬化工程と
   を具備する半導体発光装置の製造方法。
6. 前記波長変換部材の前記凹凸表面の表面粗さは１０μｍ以下であり、前記反射性フィラの直径は０．２〜０．３μｍである請求項５に記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 実装基板上に半導体発光素子を実装するための半導体発光素子実装工程と、
   少なくとも額縁上部分が凹凸表面とされた波長変換部材上に透明コーティング層を塗布するための透明コーティング層塗布工程と、
   前記半導体発光素子上に前記波長変換部材を載置するための波長変換部材載置工程と、
   前記半導体発光素子、前記波長変換部材及び前記透明コーティング層の周囲に透明樹脂層及び反射性フィラを含有する白色樹脂層を塗布するための白色樹脂層塗布工程と、
   前記白色樹脂層の前記透明樹脂層のみを表面張力及び毛細管現象により前記透明コーティング層の額縁上部分の凹凸表面に這い上げるための毛細管現象工程と、
   前記毛細管現象工程の後に前記白色樹脂層を熱硬化させるための熱硬化工程と
   を具備する半導体発光装置の製造方法。
8. 前記透明コーティング層の前記凹凸表面の表面粗さＲｚは１０μｍ以下であり、前記反射性フィラの直径は０．２〜０．３μｍである請求項７に記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記波長変換部材載置工程は前記半導体発光素子上に蛍光体プレートを接着するための工程を具備する請求項５又は７に記載の半導体発光装置の製造方法。
10. 前記波長変換部材載置工程は、
    前記半導体発光素子上に前記波長変換部材を印刷法又はスプレー塗布法によって形成するための工程と、
    前記形成された波長変換部材の少なくとも前記額縁上部分をショットブラスト法、ドライエッチング法又はウェットエッチング法によって凹凸表面に加工するための工程と
    を具備する請求項５又は７に記載の半導体発光装置の製造方法。

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