JP7372512B2 - 発光装置および発光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、LEDチップの実装面に、黒色の光吸収層が設けられた、表示パネルに適用されるLEDランプが開示されている。
本開示に係る実施形態の発光装置の製造方法は、非発光時に外観が黒く見える発光装置を製造することができる。
図1Aは、実施形態に係る発光装置の構成を模式的に示す斜視図である。図1Bは、図1AのIB-IB線における断面図である。図1Cは、図1AのIC-IC線における断面図である。図1Dは、実施形態に係る発光装置の構成の一部を模式的に示す断面図である。
発光装置100は、基板10と、基板10上に載置された発光素子20と、光吸収材31を含有し、基板10の上面を被覆して形成される第1被覆部材30と、第1被覆部材30および発光素子20上に配置された第2被覆部材40と、を備えている。
第1被覆部材30は、光吸収材31を含有する含有層30aと、透光層30bとを備え、基板の上面側から順に含有層30a、透光層30bが設けられている。
凹部15は、発光素子20を載置する底面と、この底面を取り囲むように形成される壁面部と、を備えている。発光素子20は、凹部15の底面に露出する第1配線部3上に載置されている。
また、第1配線部3、第2配線部4および第3配線部5は、表面にめっき層が形成されていてもよい。めっき層は、例えば、Au、Ag、Cu、Pt、または、これらの一種を含む合金を用いることができる。めっき層がこれらの材料であれば、発光素子20から配線部側に出射される光の反射率をより高めることができる。
発光素子20の厚み(例えば支持基板21の下面から半導体層22の上面までの高さ)は、例えば、100μm以上300μm以下である。
発光素子20をフェイスアップ実装することで、発光素子20の半導体層22を上面側(つまり発光装置100の光取り出し面側)に配置することができる。これにより、半導体層22が含有層30aに対向しないようにすることができる。
このような構成とすることで、発光素子20の側面から出射される光が第1被覆部材に吸収されることによる一次光のロスを低減することができる。また、発光素子20の側面から取り出せる一次光が増えることで、発光装置100の配光特性をより改善することができる。
光吸収材31を含有する第1被覆部材30が凹部15の底面を被覆することで、発光装置100の非発光時に、発光装置100の外観が黒く見える。
なお、発光素子20の側面とは、ここでは、支持基板21の側面と半導体層22の側面とを合わせた部分である。
第1被覆部材30は、少なくとも含有層30aの厚みが、発光素子20の厚みより小さくなるように設けられている。さらに、第1被覆部材30は、第1被覆部材30の厚みが発光素子20の厚みより小さくなるように設けられていることが好ましい。これにより、発光素子20の側面からの光取り出し効率が向上し、発光素子20の側方の領域における配光特性を改善することができる。
第1被覆部材30は、光吸収材31を含有する含有層30aと透光層30bとを凹部15の底面側から順に備える。含有層30aは光吸収材31が沈降してできた層であり、第1被覆部材30の深さ方向において、光吸収材31が高濃度に配置される領域である。透光層30bは光吸収材31が沈降することにより上方にできる樹脂を主体とする層である。つまり、含有層30aと透光層30bとの間には明確な界面は形成されていない。
なお、発光素子20の側面の少なくとも一部が含有層30aに対向しないように第1被覆部材30が設けられているとは、発光素子20の外周側面全てにおいて、高さ方向のそれぞれの少なくとも一部が含有層30aに対向しないように第1被覆部材30が設けられているという意味である。
発光素子20の側面における半導体層22の少なくとも一部が含有層30aに対向しないように設けられていることで、発光素子20の側面からの光取り出し効率が向上し、発光素子20の側方の領域における配光特性を改善することができる。
第1被覆部材30における含有層30aの厚み割合が小さくなるほど、含有層30a中における光吸収材31の濃度を高くすることができる。このため、含有層30aにおける光吸収材31の含有濃度を高くすることで、第1被覆部材30における含有層30aの厚み割合を小さくすることが可能となり、発光素子20の側面のより多くを含有層30aから露出させることができる。これにより、含有層30aを設けることによる光取り出し効率の低下を抑制しながら、発光装置100の非発光時に、発光装置100の外観が黒く見えるという効果を両立させることができる。これらの観点から、含有層30aに対する光吸収材31の含有濃度は、例えば2.5質量%以上20.0質量%程度とすることが好ましい。
また、発光素子20の側面の一部が含有層30aに対向する場合、含有層30aの厚みは、発光素子20の側面の厚みの1/4以下が好ましく、1/6以下がより好ましく、1/8以下がさらに好ましい。
なお、ここでの第1樹脂の粘度は、光吸収材31を含有した状態の粘度であり、後述するように、遠心力によって第1樹脂に含有される光吸収材31を沈降させる前の粘度である。
光吸収材31に用いられる材料としては、例えば、カーボンブラック、顔料、染料等が挙げられる。
光吸収材31としては、第1樹脂に用いる樹脂材料よりも比重の大きいものを用いることが好ましい。光吸収材31と樹脂材料との比重差により、遠心力で光吸収材31を底面側に沈降させやすくなる。さらに、光吸収材31に粒径の大きいものを使用することにより、より早く光吸収材31を底面側に沈降させることができる。
また、遠心力を用いることで光吸収材31が高密度に配置されるため、粒子間の間隔が小さくなり、発光装置100の非発光時に、発光装置100の外観が黒く見えるという効果を向上させることができる。
光吸収材31の粒径は、用いる光吸収材31と第1樹脂との比重差にもよるが、例えば光吸収材31としてカーボンブラックを用いる場合、0.5μm以上2.0μm以下であることが好ましい。光吸収材31の粒径を大きくすることで、遠心力により光吸収材31を沈降させ易くなる。また、光吸収材31の粒径を小さくすることで、沈降する粒子間の間隔が小さくなり、薄層の含有層30aにおいても凹部15の底面への光透過を抑制することができる。カーボンブラックの粒径は、上記観点から、より好ましくは0.8μm以上1.3μm以下である。
第2樹脂に用いる樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。第2樹脂に用いる樹脂材料は、第1樹脂と同じ樹脂材料であってもよいし、異なる樹脂材料であってもよい。また、第1樹脂に耐熱性の高い樹脂を用い、第2樹脂に硬質の樹脂を用いることもできる。
シリコーン樹脂は、エポキシ樹脂よりも一般に450nm以上500nm以下付近での耐光性が高く、また、エポキシ樹脂はシリコーン樹脂よりも硬質である。そのため、第1樹脂にシリコーン樹脂を用い、第2樹脂にエポキシ樹脂を用いてもよい。
蛍光体としては、当該分野で公知のものを使用することができる。例えば、YAG(Y3Al5O12:Ce)やシリケート等の黄色蛍光体、CASN(CaAlSiN3:Eu)やKSF(K2SiF6:Mn)等の赤色蛍光体、あるいは、クロロシリケートやBaSiO4:Eu2+等の緑色蛍光体を用いることができる。
拡散材としては、当該分野で公知のものを使用することができる。例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等を用いることができる。
次に、実施形態に係る発光装置の製造方法の一例について説明する。
図2は、実施形態に係る発光装置の製造方法のフローチャートである。図3Aは、実施形態に係る発光装置の製造方法において、発光素子を載置する工程を示す断面図である。図3Bは、実施形態に係る発光装置の製造方法において、第1被覆部材を形成する工程を示す模式図であり、基板の上面を第1樹脂で被覆し、遠心力によって光吸収材を沈降させる工程を示す模式図である。図3Cは、実施形態に係る発光装置の製造方法において、第1被覆部材を形成する工程を示す断面図であり、遠心力によって光吸収材を沈降させた後の状態を示す断面図である。図3Dは、実施形態に係る発光装置の製造方法において、第2被覆部材を形成する工程を示す断面図である。
発光素子を載置する工程S101は、基板10上に発光素子20を載置する工程である。
この工程S101では、凹部15を有する基板10の凹部15の底面に発光素子20を載置する。発光素子20は、電極形成面を主な光取り出し面として、電極形成面と反対側の面を実装面として、非導電性接着材により凹部15の底面にフェイスアップ実装されている。非導電性接着材としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の接着材を用いればよい。また、発光素子20はフリップチップ実装されていてもよく、この場合、導電性接着材を用いて実装される。導電性接着材としては、例えば、共晶はんだ、導電ペースト、バンプ等を用いればよい。
第1樹脂を準備する工程S102は、2液硬化性の樹脂材料の主剤と光吸収材31とを混合し、一定時間以上経過後に硬化剤を混合する工程である。
このようにして作製した第1樹脂を用いることで、光吸収材31と樹脂材料とのなじみを良くし、遠心力により光吸収材31を沈降させ易くすることができる。硬化剤混合前の温度は室温程度とする。
2液硬化性の樹脂材料としては、例えば、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂等が挙げられる。
2液硬化性の樹脂材料の主剤と光吸収材31とを混合して経過させる時間は、光吸収材31をより沈降させ易くする観点から、好ましくは2時間以上である。また、経過させる時間は、製造時間を短縮させる観点から、好ましくは8時間以下である。なお、硬化剤を混合した後は、第1樹脂が硬化する前に次工程に移る。
なお、未硬化の第1樹脂に対する光吸収材31の含有濃度は、例えば0.5質量%以上2.0質量%以下程度である。
第1被覆部材を形成する工程S103は、凹部15の底面を光吸収材31を含有する第1樹脂で被覆して第1被覆部材30を形成する工程である。
この工程S103では、例えば、ポッティングにより、凹部15の底面に未硬化の第1樹脂を配置する。この際、第1樹脂は、凹部15の底面における凹部15の側面と発光素子20との間に配置する。なお、好ましくは、凹部15の内側面に接するように第1樹脂を配置する。これにより、第1樹脂の発光素子20側への流動を抑制することができるため、遠心回転させる前に第1樹脂が発光素子20の側面へ這い上がってしまうことを抑制することができる。発光素子20の側面への第1樹脂の這い上がりは、遠心回転で第1樹脂の形状が変化することにより解消されるが、第1樹脂の粘度や遠心回転速度によっては、第1樹脂が発光素子20の側面に残ってしまう虞がある。このため、遠心回転させる前の第1樹脂は、発光素子20の側面を被覆していないことが好ましい。
回転軸90は、凹部15の底面の略中心を通る垂直線上に位置する凹部15の底面に平行な軸であり、かつ、基板10に対して凹部15の開口部側に位置する。これにより、凹部15の底面方向に遠心力が働き、第1樹脂の基板10の高さ方向への広がりが抑制されるとともに、第1樹脂に含有されている光吸収材31が凹部15の底面側(図3Bにおける矢印C方向)に強制的に沈降される。この状態で第1樹脂を硬化させることにより、光吸収材31を含有する含有層30aと透光層30bとがこの順に凹部15の底面に形成される。
基板10を遠心回転させる際の回転速度や回転数は、光吸収材31の含有量や粒径等にもよるが、例えば200xg以上の遠心力がかかるように、回転数や回転半径を調整すればよい。
なお、遠心力により、集合基板が回転半径の円周に沿って撓むような可撓性を有する樹脂基板10を用いる場合は、上記ずれが生じにくくなるため、非可撓性の基板10の集合基板よりも大きい集合基板で遠心回転することができる。これにより、一回の処理数を多くすることができる。このような可撓性を有する集合基板としては、例えばリードで連結した樹脂パッケージが挙げられる。
なお、回転を止めてから硬化させることも可能であるが、回転が止まると、濡れ性により樹脂が発光素子20の側面に広がりやすくなってしまう。このため、基板10を回転させながら第1樹脂を硬化させることで、第1樹脂が発光素子20の側面に這い上がることを防止することができる。発光素子20の側面が第1樹脂から露出することにより、光取り出し効率をより向上させることができるとともに、発光装置100の配光特性をより良好にすることができる。
なお、第1樹脂を構成する樹脂材料としては、回転する基板10を40℃以上の温度に保つことで少なくとも仮硬化状態が得られる樹脂材料を選択することが好ましい。
光吸収材31を沈降させながら第1樹脂を硬化させる方法としては、例えば、熱風をかけたり、パネルヒータ等を用いたりすることが挙げられる。
第2被覆部材を形成する工程S104は、第1被覆部材30および発光素子20上を、第2樹脂で被覆して第2被覆部材40を形成する工程である。
この工程S104では、ポッティングやスプレー等により、凹部15内に第2樹脂を配置する。その後、例えば、120℃以上200℃以下の温度で第2樹脂を硬化させ、第2被覆部材40を形成する。
図4は、他の実施形態に係る発光装置の構成を模式的に示す断面図である。図5は、他の実施形態に係る発光装置の製造方法のフローチャートである。図6は、他の実施形態に係る発光装置の構成を模式的に示す断面図である。図7は、他の実施形態に係る発光装置の構成を模式的に示す断面図である。
第3被覆部材50は、反射材を含有する第3樹脂により、発光素子20の側面を被覆して形成されている。
このような構成とすることで、発光素子20の側面における光の反射率を高めることができ、発光装置100Aの発光時に、第1被覆部材30による光の吸収を低減することができる。
第3被覆部材50は、発光素子20の側面の一部を被覆していてもよいが、前記効果を高めるために、発光素子20の側面の略全てを被覆していることが好ましい。
第3被覆部材50に対する反射材の含有濃度は、例えば10質量%以上50質量%以下である。
反射材に用いられる光反射材としては、例えば、酸化チタン、シリカ、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム、酸化亜鉛、窒化硼素等が挙げられる。なかでも、光反射の観点から、屈折率が比較的高い酸化チタンを用いることが好ましい。
第3樹脂をポッティングにより凹部15の底面における発光素子20の側面の近傍に配置することで、第3樹脂が発光素子20の側面に濡れ広がる。なおこの際、第3被覆部材50は、反射材が第3樹脂中に分散した状態である。
その後、例えば、120℃以上200℃以下の温度で第3樹脂を硬化させ、第3被覆部材50を形成する。第3樹脂の硬化は、第3樹脂が発光素子20の側面に濡れ広がった後で、基板10が静置した状態で行うことが好ましい。
このような構成とすることで、凹部15の側面11による光の透過および吸収を防止することができる。
第4被覆部材60は、発光素子20の側面から離間して、凹部15の底面の外縁を被覆している。また、第4被覆部材60は、凹部15の底面の外縁から凹部15の側面11まで段差を形成して被覆している。凹部15の側面11は、段差が形成されており、第4被覆部材60は、凹部15の第1側面11aと第2側面11bとを被覆している。第4被覆部材60は凹部15の側面11の略全てを被覆することがより好ましいが、発光装置100の断面視において、少なくとも発光素子20の上面よりも反射材の上端が高くなるように凹部15の側面11を被覆することが好ましい。また、ここでは、凹部15の側面において2段となるように第4被覆部材60を形成しているが、基板10の形状によっては、凹部15の底面の外縁から凹部15の側面11まで連続して第4被覆部材60が形成されていてもよい。
第4被覆部材60に対する反射材の含有濃度は、例えば10質量%以上50質量%以下である。
第4被覆部材60をポッティングにより形成する場合、第4樹脂の粘度は、例えば室温(20±5℃)で、1Pa・s~50Pa・sに調整される。
なお、硬化前の第4樹脂には反射材が混合されており、第4樹脂中に含有される反射材の含有濃度は、10質量%以上50質量%以下とすることが好ましい。
第4樹脂をポッティングにより凹部15の底面の外縁近傍に配置することで、第4樹脂が凹部15の第1側面11aに濡れ広がる。また、第4樹脂をポッティングにより側面凹部16の底面に配置することで、第4樹脂が凹部15の第2側面11bに濡れ広がる。なおこれらの際、第4被覆部材60は、反射材が第4樹脂中に分散した状態である。
その後、例えば、120℃以上200℃以下の温度で第4樹脂を硬化させ、第4被覆部材60を形成する。第4樹脂の硬化は、第4樹脂が凹部15の側面11に濡れ広がった後で、基板10が静置した状態で行うことが好ましい。
このような構成とすることで、発光素子20側面での反射による一次光のロスを低減することができる。また、発光素子20の側面から取り出せる一次光が増えることで、発光装置100Bの配光特性をより改善することができる。
またこの際、発光素子20と凹部15の底面との間に台座70を設けることにより、発光素子20の側面が光吸収材31を含有する第1被覆部材30に対向しないように、第1被覆部材30を設けることができる。
このような構成とすることで、発光素子20側面での反射による一次光のロスを低減することができる。また、発光素子20の側面から取り出せる一次光が増えることで、発光装置100Cの配光特性をより改善することができる。
また、以上説明した発光装置は、凹部を有する基板を用い、凹部の底面に発光素子を載置するものとしたが、発光装置は、平板の基板を用い、基板上に発光素子を載置したものであってもよい。
また、第3被覆部材を形成する工程は、発光素子を載置する工程の後、第4被覆部材を形成する工程の前に行うものとしたが、第4被覆部材を形成する工程の後、第1樹脂を準備する工程の前に行ってもよく、また、第1樹脂を準備する工程の後、第1被覆部材を形成する工程の前に行ってもよい。
また、第4被覆部材を形成する工程は、第3被覆部材を形成する工程の後、第1樹脂を準備する工程の前に行うものとしたが、発光素子を載置する工程の後、第3被覆部材を形成する工程の前に行ってもよく、また、第1樹脂を準備する工程の後、第1被覆部材を形成する工程の前に行ってもよく、また、発光素子を載置する工程の前に行ってもよい。
3 第1配線部
4 第2配線部
5 第3配線部
10 基板
11 凹部の側面
11a 第1側面
11b 第2側面
15 凹部
16 側面凹部
17 側面凸部
20 発光素子
21 支持基板
22 半導体層
23 ワイヤ
24 ワイヤ
30 第1被覆部材
31 光吸収材
30a 含有層
30b 透光層
40 第2被覆部材
50 第3被覆部材
60 第4被覆部材
70 台座
90 回転軸
100,100A,100B,100C 発光装置
A 基板の回転方向
B 凹部の底面に平行な方向
C 光吸収材が沈降する方向
Claims (18)
- 発光素子と、
前記発光素子を載置する底面と、前記底面を取り囲む壁面部と、を有する凹部を含む基板と、
黒色の光吸収材を含有し、前記光吸収材を含有する含有層と透光層とがこの順に前記基板の底面側から設けられ、前記底面を略均一な厚みで被覆している第1被覆部材と、
前記第1被覆部材および前記発光素子上に配置された第2被覆部材と、を備え、
前記含有層の厚みは、前記発光素子の厚みより小さい発光装置。 - 前記発光素子を複数備える請求項1に記載の発光装置。
- 前記第1被覆部材は、前記第2被覆部材よりも軟質である請求項1または請求項2に記載の発光装置。
- 前記発光素子は、フェイスアップ実装されている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記発光装置は、反射材を含有し、前記発光素子の側面を被覆する第3被覆部材をさらに備える請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第2被覆部材は、前記壁面部を被覆する請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記光吸収材は、カーボンブラックである請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光装置。
- 基板上に発光素子を載置する工程と、
前記基板の上面を光吸収材を含有する第1樹脂で被覆して第1被覆部材を形成する工程と、
前記第1被覆部材および前記発光素子上を、第2樹脂で被覆して第2被覆部材を形成する工程と、を含み、
前記第1被覆部材を形成する工程は、遠心力によって前記第1樹脂に含有される前記光吸収材を沈降させて前記光吸収材を含有する含有層と透光層とを前記基板の上面側から順に形成するとともに、前記発光素子の側面の少なくとも一部が前記含有層から露出するように前記第1被覆部材を形成する発光装置の製造方法。 - 基板上に発光素子を載置する工程と、
前記基板の上面を光吸収材を含有する第1樹脂で被覆して第1被覆部材を形成する工程と、
前記第1被覆部材および前記発光素子上を、第2樹脂で被覆して第2被覆部材を形成する工程と、を含み、
前記第1被覆部材を形成する工程は、前記第1樹脂を前記基板上にポッティングにより配置し、前記基板の上面が外側になるような回転軸で前記基板に遠心力をかけることにより、前記基板の上面全てを被覆するように前記第1樹脂の形状を変化させるとともに、遠心力がかかった状態で前記第1樹脂を硬化させる発光装置の製造方法。 - 前記光吸収材の沈降は、前記基板の上面が外側になるような回転軸で前記基板に前記遠心力をかけることにより行う請求項8に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1被覆部材を形成する工程は、前記遠心力がかかった状態で前記第1樹脂を硬化させる請求項8または請求項10に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1樹脂を硬化させる温度が40℃以上200℃以下である請求項9または請求項11に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1樹脂の粘度が、0.3Pa・s以上15Pa・s以下である請求項8から請求項12のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記発光素子を載置する工程は、前記基板上に前記発光素子を複数載置する請求項8から請求項13のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記発光素子を載置する工程は、前記発光素子をフェイスアップ実装する請求項8から請求項14のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1被覆部材を形成する工程の前に、前記発光素子の側面を反射材を含有する第3樹脂で被覆して第3被覆部材を形成する工程を含む請求項8から請求項15のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1被覆部材を形成する工程の前に、前記第1樹脂を準備する工程を含み、
前記第1樹脂を準備する工程は、2液硬化性の樹脂材料の主剤と前記光吸収材とを混合し、2時間以上経過後に硬化剤を混合する請求項8から請求項16のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。 - 前記第1被覆部材を形成する工程において、前記第1樹脂は、前記発光素子の側面を露出するように形成され、前記第2被覆部材を形成する工程において、前記第2樹脂は、前記第1樹脂から露出する前記発光素子の側面を被覆するように形成される請求項8から請求項17のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
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