JP7064127B2 - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示の実施形態に係る発光装置の構成について、図1、図2A、図2B、および図3を参照して説明する。図1は、実施形態に係る発光装置の構成を模式的に示す外観図である。図2Aは、実施形態に係る発光装置の部分的な構成を拡大して模式的に示す平面図である。図2Bは、実施形態に係る発光装置の部分的な構成を拡大して模式的に示す断面図であり、図2AのIIB-IIB線における断面を示す。図3は、実施形態に係る発光装置の支持基板の構成を模式的に示す平面図である。
支持基板1は、可撓性を有するシート状の配線基板で、かつ、発光素子同士を電気的に接続する回路基板であり、第1基材11と、その上面にパターン形成された第1金属膜12を備える。第1基材11は、第1金属膜12および発光装置10のその他のすべての部材を支持する基材であり、ここでは矩形に形成される。第1基材11は、発光素子4から発生する熱に対する耐熱性、および導電性部材3の形成時の温度に対する耐熱性を有する絶縁材料からなる。導電性部材3の形成時の温度とは、導電性部材3が例えば導電性接着剤であれば硬化温度であり、はんだであれば溶融温度である。第1基材11の材料として例えば、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラスエポキシ樹脂、紙が挙げられる。第1基材11は、その材料に応じて、必要な強度と可撓性を有する厚さに形成され、具体的には0.01~1mmの範囲で形成されることが好ましい。また、第1基材11は、表面の光反射率、特に拡散反射率が高くなるように、光反射部材となる酸化チタン等の白色顔料を含有して着色されていることが好ましい。このような第1基材11により、発光装置10の発光出力が向上する。
接続基板2は、発光素子4が実装されるための基板であり、発光素子4毎に設けられる。接続基板2は、平面視形状がここでは略正方形であるが、これに限られず、長方形、角丸長方形、楕円等、所望の形状とすることができる。接続基板2は、平面視で、発光素子4よりも大きく、さらに、導電性部材3を介して支持基板1に接続するための領域を、発光素子4が実装される領域の外側に有する。さらに、接続基板2は、平面視で、透光性部材7を形成される領域よりも大きいことが好ましい。一方、接続基板2は、X軸、Y軸各方向における長さが、隣り合う接続基板2間に間隙を有するように、発光素子4の配列ピッチよりも小さく形成されている。接続基板2は、複数の発光素子4を配列して実装(ボンディング、封止)する際の作業性の高い配列ピッチ以下の長さであることが好ましく、具体的には、面積が1~400mm2(1mm角~20mm角相当)の範囲であることが好ましい。接続基板2は、第2基材21と、その上面にパターン形成された互いに離間した2つの第2金属膜22を備える。この2つの第2金属膜22は、外部電源と電気的に接続した場合に一対の電極に相当する。
導電性部材3は、接続基板2に実装された発光素子4を支持基板1の第1金属膜12に電気的に接続する。導電性部材3は、第1金属膜12と接続基板2の第2金属膜22とに接触するように形成され、第2金属膜22毎に設けられる。つまり、導電性部材3は、接続基板2毎に少なくとも2箇所ずつ設けられ、ここでは、接続基板2のX軸方向に対向する2辺のそれぞれを中心近傍で横切って接続基板2(第2金属膜22)の上から接続基板2の外側へはみ出して第1金属膜12の上面に接続する。また、導電性部材3は、第2金属膜22から第1金属膜12へ発光素子4の熱を伝播させて外部へ放出させる。そして、導電性部材3は、接続基板2を支持基板1上に固定する接着剤の役割を有する。導電性部材3は、可撓性のある導電ペーストであることが好ましい。可撓性のある導電ペーストを用いることにより、発光装置10により柔軟性を持たせることができる。あるいは、導電性部材3は、半田であることが好ましい。半田を用いることにより、接続基板2と支持基板1を比較的低温で電気的接合することができ、また、接合した接続基板2を、支持基板1から第1金属膜12を破損させずに容易に取り外すことができる。したがって、例えば、一部の発光素子4の初期不良や接続基板2の劣化等に際し、接続基板2ごとの交換が容易である。
発光素子4は、下面を実装面として一対の端子(パッド電極)を備えるフリップチップ実装(フェースダウン実装)対応の半導体発光素子のチップである。ここでは、発光素子4は、一対の端子が側面(X軸Z軸平面)視で重複せず、さらにX軸方向に互いに離間した配置である。発光素子4は、ここでは平面視形状が略正方形であるが、形状や大きさ等は特に限定されない。発光素子4は、発光色も特に限定されず、発光装置10の用途に応じて任意の波長のものを選択することができ、例えば、430~470nmに発光ピークを有する青色発光の発光素子として、InXAlYGa1-X-YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、X+Y<1)等のInGaN系の窒化物半導体が挙げられる。
接合部材5は、発光素子4の端子と接続基板2の第2金属膜22とを接合して電気的に接続する導体である。接合部材5は、可撓性を有する軟質な接続基板2への発光素子4の実装(ボンディング)において低接合荷重で接合することのできる材料が好ましく、導電性部材3の材料に挙げたはんだや導電性接着剤を適用することができる。
アンダーフィル材6は、接合部材5による発光素子4と接続基板2との接合を補強するために、発光素子4の下で接続基板2との間隙に充填される絶縁体であり、必要に応じて設けられる。アンダーフィル材6は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂で形成され、後記の透光性部材7と同じ材料を適用することもできる。アンダーフィル材6は、酸化チタン粒子等の光反射部材を添加されることが好ましく、発光素子4から下方へ出射する光を上方へ反射させて、発光装置10の光取出し効率を高くすることができる。
透光性部材7は、接続基板2において発光素子4を被覆して、発光素子4を埃や水分から保護する封止部材である。また、透光性部材7は、ここではドーム型に成形され、レンズとして発光素子4からの光を広げて出射させる光学部材である。透光性部材7は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の透明な熱硬化性樹脂で形成され、さらに必要に応じて蛍光体や光反射部材を分散させてもよい。
次に、本実施形態に係る発光装置の製造方法について、図4、図5、図6A、図6B、および図7、さらに図1、図2A、図2B、および図3を参照して説明する。図4は、実施形態に係る発光装置の製造方法の流れを示すフローチャートである。図5は、実施形態に係る発光装置の接続基板の原板の構成を模式的に示す平面図である。図6Aは、実施形態に係る発光装置の製造方法における発光素子実装工程で行われるボンディング工程での接続基板の原板を模式的に示す平面図である。図6Bは、実施形態に係る発光装置の製造方法における発光素子実装工程で行われるボンディング工程およびアンダーフィル工程での接続基板の原板を部分的に拡大して模式的に示す断面図であり、図6AのVIB-VIB線における断面を示す。図7は、実施形態に係る発光装置の製造方法における個片化工程での接続基板とその原板を模式的に示す平面図である。
発光素子実装工程S10は、接続基板2の個片化前の原板20に発光素子4を実装する工程である。発光素子実装工程S10は、ボンディング工程S11と、アンダーフィル工程S12と、透光性部材形成工程S13と、を順に行う。まず、原板20の構成について説明する。
個片化工程S20は、複数の発光素子4を実装した原板20を、図7に一点鎖線で示す切断線CLで切断して、1個の発光素子4を実装した接続基板2を得る工程である。カッターやレーザーによる切断や、トムソン刃等の刃型による打抜きで、原板20を接続基板2に個片化することができる。切断線CL上において第2金属膜22に1/2円弧状の切欠きが形成されているため、個片化した接続基板2の一方の第2金属膜22に1/4円弧状の切欠き22nが形成される。
接続基板実装工程S30は、発光素子4を実装した接続基板2を支持基板1上に配列して実装する工程である。接続基板実装工程S30は、接続基板配列工程S31と、導電性部材形成工程S32と、を順に行い、これにより発光装置10が完成する。まず、支持基板1の製造方法について説明する。
実施形態に係る発光装置は、第1金属膜12を、光の照射面に露出させない構成とすることもできる。以下、実施形態の変形例に係る発光装置の構成について、図8A、図8B、図9A、および図9Bを参照して説明する。図8Aは、実施形態の変形例に係る発光装置の構成を模式的に示す外観図である。図8Bは、実施形態の変形例に係る発光装置の部分的な構成を拡大して模式的に示す断面図であり、図8AのVIIIB-VIIIB線における断面を示す。図9Aは、実施形態の変形例に係る発光装置の支持基板の構成を模式的に示す平面図である。図9Bは、実施形態の変形例に係る発光装置の支持基板の構成を模式的に示す底面図である。
発光装置10,10Aは、導電性部材3のみによらず、接続基板2(第2基材21)の裏面と支持基板1,1Aの表面とを接着して固定してもよい。接着には、接着剤や両面テープ等を使用し、また、支持基板1,1Aにおける第1金属膜12,12間を短絡させないように2箇所に分けて導電性接着剤を塗布してもよく、導電性部材3と同じ材料を適用することができる。あるいは、第2基材21や第1基材11,11Aの材料によっては、熱圧着で貼り合わせることができる。これらの接着は、接続基板配列工程S31で行う。接続基板2が裏面で支持基板1,1Aに接着されていることで、発光装置10,10Aが変形等しても導電性部材3が剥離し難く、信頼性が向上する。また、接続基板2の第2基材21が支持基板1に密着していることにより、第2金属膜22から発光素子4の熱が第2基材21を経由して第1金属膜12に伝播され易く、発光装置10,10Aの放熱性が向上する。
(基板の作製)
厚さ25μmのポリイミドフィルムを一辺550mmの正方形に切り出し、その片面に厚さ35μmの銅箔を貼付した。次に、銅箔をエッチングで加工して、100箇所のチップ実装部を50mmピッチで備える基板を作製した。
基板のチップ実装部の銅箔上に、発光素子をSn-Cu系のはんだを使用してフリップチップ実装した。100個の発光素子を実装後、それぞれの発光素子の周囲に、平均粒径が0.25μmの酸化チタンを30質量%の含有率でシリコーン樹脂に練り込んだ樹脂材料を塗布して、アンダーフィル材を形成した。次に、シリコーン樹脂を硬化させて発光素子を封止するドーム型の透光性部材を、金型を使用して100個同時に形成し、発光装置とした。
(接続基板の作製)
厚さ25μmのポリイミドフィルムを一辺550mmの正方形に切り出し、その片面に厚さ35μmの銅箔を貼付した。次に、銅箔をエッチングで加工して、50×50の計2500箇所のチップ実装部を10mmピッチで備える基板を作製した。
基板のチップ実装部の銅箔上に、発光素子をSn-Cu系のはんだを使用してフリップチップ実装した。2500個の発光素子を実装後、それぞれの発光素子の周囲に、平均粒径が0.25μmの酸化チタンを30質量%の含有率でシリコーン樹脂に練り込んだ樹脂材料を塗布して、アンダーフィル材を形成した。次に、シリコーン樹脂を硬化させて発光素子を封止するドーム型の透光性部材を、金型を使用して2500個同時に形成した。
2500個の発光素子が実装された基板を、トムソン刃を使用して、それぞれ1個の発光素子が実装された一辺10mmの正方形の接続基板の個片に分割した。
厚さ25μmのPETフィルムを一辺550mmの正方形に切り出し、その片面に厚さ50μmのアルミニウム箔を貼付した。次に、アルミニウム箔をエッチングで加工して、10×10の計100箇所の接続基板実装部を50mmピッチで備える支持基板を作製した。
支持基板の接続基板実装部に、発光素子が実装された接続基板を配置し、ディスペンサを使用して、接続基板の銅箔と支持基板のアルミニウム箔を跨いで銅インクを塗布した。その後、支持基板をオーブンに搬入して銅インクを乾燥させた。
比較例の基板への発光素子の実装(発光装置の作製)、実施例の基板への発光素子の実装(透光性部材の形成まで)は、いずれも基板1枚あたり、フリップチップ実装に5秒間、アンダーフィル充填に10秒間、透光性部材の形成に60秒間を要した。したがって、比較例の発光装置の1台あたりの製造時間は、(5+10+60)より、75秒間であった。一方、実施例の基板の個片化に5秒間を要し、さらに100個の接続基板の支持基板への実装に10秒間を要した。したがって、実施例の発光装置の1台あたりの製造時間は、((5+10+60+5)/2500×100+10)より、13.2秒間であった。このように、本開示に係る発光装置の構成と製造方法により、実施例は2段階の実装で製造されるにもかかわらず、比較例よりも大幅に製造時間を短縮することができた。
1,1A 支持基板
11,11A 第1基材
12 第1金属膜
20 原板
2 接続基板
21 第2基材
22 第2金属膜
3 導電性部材
4 発光素子
5 接合部材
6 アンダーフィル材
7 透光性部材
S10 発光素子実装工程
S11 ボンディング工程
S12 アンダーフィル工程
S13 透光性部材形成工程
S20 個片化工程
S30 接続基板実装工程
S31 接続基板配列工程
S32 導電性部材形成工程
Claims (17)
- 第1面および前記第1面の反対側の面である第2面を有しており、可撓性を有する第1基材および前記第1面に形成された第1金属膜を備える支持基板と、
第3面および前記第3面の反対側の面である第4面を有し、前記支持基板上に前記第4面を前記第1金属膜と向かい合わせて配置される第2基材および前記第3面に形成された第2金属膜を備える接続基板と、
前記接続基板の前記第2金属膜上にフリップチップ実装された発光素子と、
前記第1金属膜と前記第2金属膜とに平面視において一方向に連続して接触する導電性部材と、を備え、
平面視において、前記第2金属膜は、少なくとも一部が前記第1金属膜と重複し、
平面視において、前記発光素子を挟んで2つの前記導電性部材が前記発光素子と共に直線状に並んで配置されている発光装置。 - 可撓性を有する第1基材の一部の領域に第1金属膜が形成される支持基板と、
前記支持基板上に配置され、第2基材の上面に第2金属膜が形成される接続基板と、
前記接続基板の前記第2金属膜上に実装された発光素子と、
前記第1金属膜と前記第2金属膜とに接触する導電性部材と、を備え、
前記接続基板は、前記第2金属膜が180°屈曲した部分を有し、前記第2金属膜の屈曲した部分が、前記第1金属膜と向かい合って前記導電性部材を介して前記第1金属膜と接触している発光装置。 - 前記第2基材は可撓性を有する請求項1または請求項2に記載の発光装置。
- 前記第2基材は、厚さが0.01~0.3mmである請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記接続基板は、平面視における面積が1~400mm2である請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記導電性部材は、前記発光素子と非接触となる位置に設けられた請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記導電性部材は、可撓性のある導電ペースト、または半田である請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第1基材は、厚さが0.01~1mmである請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第1基材は、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラスエポキシ樹脂、および紙からなる群から選択される1種以上からなる請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第2金属膜は、前記第1金属膜よりも熱抵抗値が低い請求項1ないし請求項9のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第2金属膜は、前記第1金属膜よりも熱伝導率が高い請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第1金属膜は主成分がAlまたはCuであり、前記第2金属膜は主成分がCuである請求項11に記載の発光装置。
- 互いに離間して配置された複数の前記接続基板を備え、
前記接続基板のそれぞれは、前記発光素子が1個実装されている請求項1ないし請求項12のいずれか一項に記載の発光装置。 - 隣り合う前記接続基板上の前記発光素子同士の中心間隔が20mm以上100mm以下である請求項1ないし請求項13のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第2基材は、可撓性を有し、前記第2基材の上面が外側を向いて180°屈曲した部分を有する、請求項2に記載の発光装置。
- 上面に第2金属膜が形成された上に複数の発光素子が実装された第2基材を切断して、それぞれが発光素子を搭載する接続基板に個片化する個片化工程と、
可撓性を有する第1基材の一部の領域に第1金属膜が形成される支持基板上に、複数の前記接続基板を、前記発光素子が搭載された面と反対側の面が前記第1金属膜と向かい合い、かつ平面視で前記第2金属膜の少なくとも一部が前記第1金属膜と重複するように配置し、前記第1金属膜と前記第2金属膜とに接触する導電性部材を形成する接続基板実装工程と、を含む発光装置の製造方法。 - 前記個片化工程の前に、前記第2基材上に実装された前記発光素子を透光性部材で封止する透光性部材形成工程を行う請求項16に記載の発光装置の製造方法。
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