JP4254141B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の発光素子を備えた発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば、面光源用の複数の発光素子を有する発光装置は、配線基板上に複数の発光素子チップをそれぞれダイボンディングして、各発光素子の電極間及び配線基板の端子電極間を例えば、ワイヤーボンディングにより接続することにより構成されていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の複数の発光素子チップをそれぞれダイボンディングすることにより構成された発光装置では、発光素子チップを高密度に実装することに一定の限界があり、輝度の高い発光装置を構成することが困難であった。
また、発光素子チップごとにダイボンディングしてさらに各素子チップ間等を接続する必要があるので、生産性が悪く安価に製造することが困難であった。
【0004】
そこで、本発明は輝度が高くかつ安価に製造することができかつ面発光光源又はディスプレイとして利用できる発光装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、一方の面にn型半導体層とp型半導体層とを含む半導体層が形成され、該半導体層において複数の発光素子がマトリクス状に構成された透光性を有する第1の基板と、配線電極が形成された第2の基板とを備えており、
上記発光素子はそれぞれ上記n型半導体層の上に形成されたn電極と上記p型半導体層の上に形成されたp電極とを同一面側に有し、
上記第2の基板における配線電極は、上記第2の基板の上に、複数行の負電極ラインと、それらの負電極ラインと交差し絶縁膜を介して設けられた複数列の正電極ラインと、を順に有しており、
上記各発光素子のp電極およびn電極がそれぞれ、上記配線電極の正電極ラインおよび上記絶縁膜の開口部により露出された負電極ラインの表面にそれぞれバンプにより接合され、
上記第1の基板は、その他方の面に、透光性部材に蛍光物質が分散されてなる色変換層と、複数の貫通孔が形成されたマスクとを備え、上記貫通孔は、上記発光素子の上にそれぞれ対応して形成されており、
上記色変換層は、上記マスクを覆い、かつ上記各貫通孔に充填されている。
【0006】
以上のように構成された発光装置は、上記透光性基板の上に複数の発光素子を一体で形成しているので、各発光素子を個別のチップとして形成した後に実装した従来の発光装置に比較して発光素子を高密度に形成することができ、かつ各発光素子で発光した光を上記透光性基板を介して出力できる。
また、本発明の発光装置は、上記透光性基板の上に複数の発光素子を一体で形成し、かつ各発光素子のp及びn電極をバンプにより配線電極と接続しているので、接続工程を従来の発光装置の接続工程に比較して生産性良く接続でき、安価に製造することができる。
【0010】
さらに、本発明に係る発光装置においては、上記第1の基板と上記第2の基板の間に位置する上記複数の発光素子を上記第1の基板の周囲に樹脂を形成することにより封止することもできる。
これにより、信頼性の高い発光装置を提供できる。
【0011】
また、本発明に係る発光装置では、上記第1の基板の他方の面に、透光性部材に蛍光物質が分散されてなる色変換層を形成するようでき、これにより、発光素子が発生する光とは異なる色(例えば、白色)の光を出射できる。
この場合、上記発光素子は紫外光を発光し、上記蛍光物質は紫外光を吸収して可視光を発光するものを用いることもでき、この構成により発光色のバラツキの少ない光を出射できる。
【0013】
さらに、本発明に係る発光装置では、指向性を持たせるために、上記第1の基板上に、直接又は上記色変換層を介してレンズを形成するようにしてもよい。
また、上記レンズはフレネルレンズにより構成でき、これにより薄型の発光装置が実現できる。
【0014】
また、本発明に係る発光装置は、上記第1の基板上に、導光板を設けることができ、これにより発光面内における均一性をより良好にでき、バックライト用として優れた特性を有する発光装置とできる。また、このように構成されたバックライト用の発光装置は、例えば、液晶用のバックライトとして優れているだけではなく、高輝度でかつ均一に発光させることができることから、太陽光などの強い光がある屋外で使用された場合においても発光が確認しやすく、例えば、信号灯の光源としても優れた特性を有している。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の発光装置について説明する。
実施の形態1.
本実施の形態1の発光装置は、図2の側面図に示すように、透光性基板上に複数の発光素子が配列されてなる発光素子アレイ100と、配線電極が形成された配線基板200とが詳細後述するように接合されて構成される。
【0016】
本実施の形態1において、発光素子アレイ100は、例えばサファイアからなる透光性基板11の一方の面上に発光素子1がマトリクス状(12×12)に形成されてなる。ここで、各発光素子1は、図10(b)に示すように、n型窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型半導体層12bの上にp型窒化ガリウム系化合物半導体からなるp型半導体層14が積層された構造を有し、p型半導体層の一部を除去して露出させたn型半導体層12b上にn電極13が形成され、p型半導体層14上にp電極15が形成されることにより構成される。
尚、本発明において、n型半導体層12bとp型半導体層14の間に、例えば窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層を有していても良いし、n型半導体層12b及びp型半導体層14はそれぞれ複数の窒化ガリウム系化合物半導体層により構成されていてもよい。
【0017】
また、本実施の形態1において、配線基板200は、絶縁性基板上に図1及び図3に示すように発光素子アレイ100の各列の発光素子のp電極と各行の発光素子のn電極とにそれぞれ対応するように正電極ライン2と負電極ライン3が形成されることにより構成される。
具体的には、図4に示すように、絶縁性基板の一方の面上に、発光素子アレイ100の各行に対応する負電極ライン3が互いに平行に12本形成され、その上に絶縁膜4が形成される。ここで、絶縁膜4には発光素子1のn電極に対応する位置にそれぞれ開口部4aが形成されて、各n電極と接続するために負電極ライン3の表面が露出されている。
また、正電極ライン2は、各列の発光素子1のp電極に対応して、絶縁層4上に形成されている。
【0018】
以上のように構成された配線基板200において、図5に示すように、正電極ライン2上の各発光素子1のp電極に対応する位置にハンダバンプ2aを形成し、負電極ライン3の開口部4aにより露出された部分にハンダバンプ3aを形成する。
そして、配線基板200の配線電極が形成された面と発光素子アレイの発光素子が形成された面とを対向させて、正電極ライン2のハンダバンプ2aにそれぞれ各発光素子のp電極が接して対向し、負電極ライン3のハンダバンプ3aにそれぞれ各発光素子のn電極が接して対向するように位置合わせをして、ハンダバンプ2a,3aを溶融することにより接合する(図1)。
【0019】
さらに、本実施の形態1の発光装置では、発光素子アレイ100と配線基板200とを接合した後、接合部分の周囲(発光素子アレイ100の周囲)にシリコーン等の樹脂を形成することにより、発光素子及びその接合部分を封止する。
以上のように本実施の形態1の発光装置は構成される。
【0020】
以上のようにして構成された実施の形態1の発光装置は、各発光素子において発光した光を透光性基板11を介して出力することができる。
このように構成された本実施の形態1の発光装置によれば、全ての発光素子を同時に点灯させることにより、比較的発光面積が大きく輝度の高い面状発光光源が実現できる。
また、本実施の形態1の発光装置によれば、各発光素子を点灯を個別に制御して、指定された発光素子のみを点灯させることにより、高輝度でかつ高精細なディスプレイを実現できる。
【0021】
実施の形態2.
本発明に係る実施の形態2は、均一な面発光特性が要求されるバックライト(例えば、液晶表示板のバックライト)用として用いることを意図した照明装置である。
具体的には、実施の形態1の発光装置においてさらに、透光性基板11の発光面上に、光を拡散(散乱)させる導光板を設け、その導光板を介して光を出射するように構成し、これにより、発光面(導光板の表面)内における光の強度分布の均一性を向上させている。本実施の形態2の発光装置において、上述以外の部分は、実施の形態1の発光装置と同様に構成される。
【0022】
本発明において、導光板を構成する材料としては、光透過性及び成形性に優れていることが好ましく、具体的な材料としてアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非結晶性ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂等の有機部材や、ガラス等の無機部材等を用いることができる。また、導光板の表面は、発光素子で発光した光の透過率を向上させ、かつ外から入射する光を効果的に反射させるため、表面粗さは、Ra25μm(JIS規格)以下であることが好ましい。
【0023】
本実施の形態2において、導光板は、透光性基板11の発光面に対向させて接合する。導光板の接合方法は、ネジ止め、接着、溶着等、位置決めが容易で、所定の接合強度が得られる種々の方法を用いることができ、以下のように嵌め合わせるようにして接合してもよい。例えば、導光板の端部の数カ所に爪部を設け、その爪部を配線基板200の底面の端と嵌め合わせるようにして固定することができるし、導光板の端部又はその近傍の数カ所にピンを設け、そのピンを配線基板200に形成した貫通孔に嵌め合わせるようにして固定することもできる。
このようにして構成された、実施の形態2のバックライト用の発光装置は、発光面全体に亙って発光強度の均一性に優れ、高輝度な発光が可能である。
【0024】
実施の形態3.
本発明に係る実施の形態3の発光装置は、発光波長が460nmである複数の青色発光素子を備えた発光装置であって、図12に示すように、発光面側に色変換層120を形成している。本実施の形態3の発光装置において、上述した以外の部分は、実施の形態1の発光装置と同様に構成される。
すなわち、本実施の形態3の発光装置では、透光性基板11の発光素子が形成されている面の反対側の面に色変換層120を形成している。色変換層120は、例えば、透光性部材であるエポキシ樹脂組成物100wt%に対してフィラーであるSiO2を75wt%および中心粒径が16μmである(Y0.9Gd0.1)2.850Al5O12:Ce0.150蛍光物質を12wt%含有させてなる色変換層材料をスクリーン印刷にて透光性基板の表面に形成する。このようにして、発光装置を形成すると、均一に発光することが可能な白色面光源が得られる。
【0025】
(蛍光物質)
本発明では、色変換層には無機蛍光物質や有機蛍光物質等、種々の蛍光物質を含有させることができる。この蛍光物質の一例として、無機蛍光物質である希土類元素を含有する蛍光物質があげられる。この希土類元素含有蛍光物質として、より具体的には、Y、Lu、Sc、La、Gd、およびSmから選択される少なくとも1つの元素を有するガーネット(ざくろ石)型蛍光体があげられる。本発明では、特に、Ceで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光体を用いることが好ましく、所望に応じてCeに加えTb、Cu、Ag、Au、Fe、Cr、Nd、Dy、Ni、Ti、Eu、およびPr等を含有させることも可能である。
【0026】
本実施の形態3では、発光素子アレイからの青色系の光と、その光の一部を吸収して変換する蛍光物質により発光される黄色系の光との2波長の混色により白色系の光を合成しているが、本発明では2種類の蛍光物質を用い3波長の混色により白色系の光を合成することもできる。例えば、青色系の光を発光する発光素子アレイ(主波長=455nm)の発光面側に、前記発光素子アレイの光の主発光波長よりも短波長側の光により励起され(励起光=440nm)緑色系の光(励起光=530nm)を発光することが可能なYAG系蛍光体であるY3(Al0.8Ga0.2)5O12:Ce第一蛍光体と、その第一蛍光体とほぼ同一の励起光を有し赤色系の光(主波長=650nm)を発光することが可能な窒化物系蛍光体であるSr0.679Ca0.291Eu0.03)2Si5N8第二蛍光体と、を有する色変換層120を形成すると、これらの3波長の混色により演色性に優れた暖色系の白色系発光装置が得られる。
上記窒化物系蛍光物質は、LXMYN(2X/3+4Y/3):Z(LはII価のBe,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hgからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、MはIV価のC,Si,Ge,Sn,Ti,Zr,Hfからなる群から選ばれる少なくとも一種であり、NはEu,Cr,Mn,Pb,Sb,Ce,Tb,Pr,Sm,Tm,Ho,Er,Yb,Ndからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、ZはEu,Mn,Ceからなる群から選ばれる少なくとも一種である。)で表される基本構成元素と、Mg,Sr,Ba,Zn,B,Al,Cu,Mn,Cr,O及びFeからなる群より選ばれる少なくとも1種以上の元素とを含有する窒化物蛍光体である。このような元素を有することにより、粒径の調整及び発光輝度の向上させることができる。また、B,Mg,Cr,Ni,Alは残光を押さえることができるという効果を有している。
【0027】
(透光性部材)
本実施の形態3では、透光性部材中に発光素子の光の一部を吸収し異なる波長の光を発光することが可能な蛍光物質を含有させて色変換層として用いているが、その透光性部材は、用いる発光素子の特徴(発光波長や発光強度など)や発光装置の用途に応じて、有機物及び無機物のいずれをも持ちいることができる。本発明に好適に用いられる透光性部材の具体的材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーンなどの耐候性に優れた透明樹脂やSiO2等の無機物などが挙げられる。また、本発明では、蛍光物質と共に顔料やフィラー等を透光性部材中に含有させても良い。また、透光性部材として、比較的紫外線により劣化しにくい樹脂や無機物であるガラス等を用いることにより、400nmより短い紫外線領域或いは可視光の短波長領域を主発光波長とする発光素子を用いることもできる。紫外領域の波長を有する発光素子を利用する色変換型の発光装置では、蛍光物質により変換された光の発光色のみにより色度が決定されるため、発光素子の波長等のバラツキが直接発光装置の発光色のバラツキとして現われることはない。従って、発光素子の発光し蛍光物質の発光の混色により発光色を決定している、可視光を発光する半導体発光素子を用いた発光装置とは異なり、半導体発光素子の波長などのバラツキを吸収することができることになり、バラツキを小さくできる結果、製造歩留まりを向上させることができるので、量産性を向上させることができる。発光素子として、400nm付近の短波長域を主発光ピークとする紫外線が発光可能な発光素子を用いる場合、色変換層120は比較的紫外線に強い樹脂やガラス等に、紫外線を吸収して可視光を発光する蛍光物質を含ませて構成することが好ましい。このような短波長の光により赤、青、及び緑の発光が可能な蛍光物質として以下のようなものがある。例えば赤色蛍光体としてY2O2S:Eu、青色蛍光体としてSr5(PO4)3Cl:Eu、及び緑色蛍光体として(SrEu)O・Al2O3が挙げられる。これらの蛍光物質を耐紫外線樹脂などに含有させ、短波長発光の発光素子を用いた発光装置の色変換層として用いることにより、白色光を得ることができる。上記蛍光物質の他、赤色蛍光体として3.5MgO・0.5MgF2・GeO2:Mn、Mg6As2O11:Mn、Gd2O2:Eu、LaO2S:Eu、青色蛍光体としてRe10(PO4)6Q2:Eu、Re10(PO4)6Q2:Eu,Mn(ただしReはSr、Ca、Ba、Mg、Znから選択される少なくとも一種、Qはハロゲン元素のF、Cl、Br、Iから選択される少なくとも1種)、BaMg2Al16O27:Eu等を好適に用いることができる。以上、例示した蛍光物質を用いることにより高輝度に発光可能な白色発光装置を得ることができる。
【0028】
色変換層120は、上述の異種の蛍光物質を混合して1層の色変換層を形成する場合、異種の蛍光物質の中心粒径及び粒子形状は類似していることが好ましく、これによって各種蛍光物質から発光される光が良好に混色され色ムラを抑制することができる。また、各蛍光物質毎に異なる色変換薄膜層として形成し、それらを積層するようにしてもよい。
それぞれ一種類の蛍光物質を含む色変換薄膜層を積層して色変換多重層を構成する場合、それぞれの蛍光物質の紫外光透過率を考慮すると、各層中における蛍光物質の紫外線透過率は基板側である下層から上層にかけて順に高いことが好ましい。また、各層中における蛍光物質の中心粒径は、基板側である下層から上層にかけて順に小さいことが好ましい。これにより、最上層の蛍光物質まで効率的に紫外線を照射できるとともに外部への紫外線の漏れを防止することができる。
例えば、上記列記した赤色蛍光物質、緑色蛍光物質、及び青色蛍光物質を使用する場合、基板側から赤色蛍光物質層、緑色蛍光物質層、青色蛍光物質層の順に積層することが好ましく、各蛍光体の中心粒径は、赤色蛍光物質>緑色蛍光物質>青色蛍光物質であることが好ましい。
また、そのほか、ストライプ状、格子状、またはトライアングル状となるように各色変換層を素子上に配置させることもできる。このように各層の間に間隔を設けて配置させると混色性が良好となり好ましい。
【0029】
本実施の形態3では、フラットな面である透光性基板(例えば、サファイア基板)上に接して色変換層120を形成するので、色変換層120の膜厚を均一にすることができ、発光効率の高い大きな粒径を有する蛍光物質を使用した際に生じやすい色むらを最小限に抑制することができる。本発明に係る色変換層に用いる蛍光物質の粒径は、中心粒径が6μm〜50μmの範囲が好ましく、より好ましくは15μm〜30μmであり、このような粒径を有する蛍光物質は光の吸収率及び変換効率が高く且つ励起波長の幅が広い。粒径が6μmより小さい蛍光物質は、比較的凝集体を形成しやすく、液状の樹脂中において密になって沈降されるため、光の透過効率を減少させてしまう他、光の吸収率及び変換効率が悪く励起波長の幅も狭い。ここで本発明において、蛍光物質の粒径とは、体積基準粒度分布曲線により得られる値であり、前記体積基準粒度分布曲線は、レーザ回折・散乱法により蛍光物質の粒度分布を測定し得られるものである。具体的には、気温25℃、湿度70%の環境下において、濃度が0.05%であるヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に蛍光物質を分散させ、レーザ回折式粒度分布測定装置(SALD−2000A)により、粒径範囲0.03μm〜700μmにおいて測定して得られたものである。本発明において蛍光物質の中心粒径とは、前記体積基準粒度分布曲線において積算値が50%のときの粒径値である。この中心粒径値を有する蛍光物質が頻度高く含有されていることが好ましく、頻度値は20%〜50%が好ましい。このように粒径のバラツキが小さい蛍光物質を用いることにより、色ムラが抑制され均一発光が可能な発光装置が得られる。
【0030】
本実施の形態3で用いられた蛍光物質は、Y、Gd、Al、及びCeの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得た後、又は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得た後、これにフラックスとしてフッ化バリウムやフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して坩堝に詰め、空気中1350〜1450℃の温度範囲で2〜5時間焼成して焼成品を得、つぎに焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通すことにより作成できる。
【0031】
(フィラー)
本発明で使用可能なフィラーは、SiO2に限定されず、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、軽質炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム等、種々のものを用いることができる。本発明においてフィラーの粒径は、中心粒径が5μm以上100μm以下であることが好ましく、このような粒径のフィラーを色変換層120に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。また、フィラーは蛍光物質と類似の粒径及び/又は形状を有することが好ましい。ここで本明細書では、類似の粒径とは、各粒子のそれぞれの中心粒径の差が20%未満の場合をいい、類似の形状とは、各粒径の真円との近似程度を表す円形度(円形度=粒子の投影面積に等しい真円の周囲長さ/粒子の投影の周囲長さ)の値の差が20%未満の場合をいう。このようなフィラーを用いることにより、蛍光物質とフィラーが互いに作用し合い、樹脂中における蛍光物質の分散が良好になり色ムラが抑制される。更に、蛍光物質及びフィラーは、共に中心粒径が15μm〜50μm、より好ましくは20μm〜50μmであると好ましく、このような範囲に粒径を調整することにより、各粒子間に好ましい間隔を設けて配置させることができる。これにより光の取り出し経路が確保され、フィラー混入による光度低下を抑制しつつ指向特性を改善させることができる。また、このような粒径範囲の蛍光物質及びフィラーを透光性樹脂に含有させスクリーン印刷法にて色変換層を形成し、硬化させた後のダイシング工程を行うと、これらの粒子によりダイシングブレードの目詰まりが回復されるドレッサー効果が得られ量産性が向上される。
【0032】
実施の形態4.
本発明に係る実施の形態4の発光装置は、実施の形態3の発光装置において、色変換層を形成する前に、アルミ製のマスク122を設け、その上から色変換層を形成した以外は、実施の形態2の発光装置と同様に構成される。本実施の形態4のマスク122は、図13(b)に示すように、発光アレイ100の各発光部分に対応して12×12個の貫通孔122aを有する2mm厚のアルミ製マスク122であり、図13(a)に示すように、透光性基板の発光素子が形成されている面の反対側の面にを設け、その上から蛍光物質を含む透光性部材からなる色変換層123を形成する。ここで、色変換層123は、図14の断面図に示すようにマスク122を覆いかつ貫通孔122aに充填されるように形成する。実施の形態4では、このように構成することにより光の拡散が防止され、鮮明でかつコントラストが向上された表示装置(マトリクスダイ白色表示ドットマトリクスユニット)が得られる。
【0033】
ここで、前記マスク122は、金属等の導電性部材およびプラスチック等の絶縁性部材の、どちらも使用可能であり、熱伝導性の優れた部材を用いることが好ましい。これにより、発光素子アレイを大電流で点灯させた際でも良好な信頼性を維持することが可能となる。マスク122は金属などからなる平板に、プレス加工またはエッチング等により円形孔を各発光部分に対応してマトリクス状に形成する。アルミを用いてマスク122を形成する場合、黒色アルマイト処理を施し、表面を黒色にすることが好ましく、これにより、良好なコントラストが得られる。アルミ以外の金属又は樹脂を用いてマスク層を形成する場合は、主面側に黒インクを印刷することにより同様の効果が得られる。このように形成されたマスク122を例えば、サファイア基板からなる透光性基板の半導体層を積層した側とは反対側の面に載置した後、前記マスク122を覆うように色変換層123を塗布し、発光素子アレイとマスク層とを一体化する。これにより作業性良く発光装置を作製することができる。また、マスク層の貫通孔孔122a内に予め色変換層を形成した後、基板上に接着剤等にて固着するようにしてもよい。
【0034】
実施の形態4.
本発明に係る実施の形態4の発光装置は、実施の形態2の発光装置において色変換層120の上にさらに、レンズ130を形成したものである。
すなわち、実施の形態2において、色変換層120を塗布した後、その上面に発光素子アレイ100全体を覆うように、所定の形状に成形された半球状レンズ130を載置し、色変換層120を硬化させて構造的に一体化する。このように構成された実施の形態4の発光装置は、各発光素子から出射された光を良好に集光することができ、指向特性に優れた表示装置が得られる。
【0035】
本実施の形態において、レンズは、樹脂やプラスチック、ガラス等により予め成形されたレンズを別途固着させる方法の他、直接ポッティングすることにより形成することもできる。前者の場合、レンズ形状を所望に応じて任意に決定することができる。
また、本実施の形態4の発光装置では、凸レンズ130を用いて構成したが本発明はこれに限られるものではなく、例えば、フレネルレンズ等の他のレンズを用いて構成してもよい。
実施の形態4の発光装置では、色変換層120の表面は平坦であることから、色変換層120の表面にフレネルレンズを形成することは容易であり、また、フレネルレンズを用いて構成することにより、薄型の発光装置を提供できる。
【0036】
以上の実施の形態では、(12×12)個の発光素子を備えた発光装置の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。
以下、本発明に係る種々の変形例について説明する。
変形例1.
本変形例1の発光装置は、各発光素子ごとにn型半導体層12aを分離することなくp型半導体層のみを各発光素子ごとに分離することにより透光性基板11上に4つの発光素子を形成した発光素子アレイ100a(図10(a))を用いて構成している。
この発光素子アレイ100aにおいて、n型半導体層12aを発光素子ごとに分離していないこと及び発光素子が4つであること以外は、実施の形態の発光素子アレイ100と同様に構成される。
【0037】
また、変形例1の発光装置において、配線基板の正電極21は発光素子アレイ100aの各行に配置された発光素子のp電極にそれぞれ対応する2つの正電極枝(互いに平行)が一端で接続されてなり、負電極31は、発光素子アレイ100aの各行に配置された発光素子のn電極にそれぞれ対応する2つの負電極枝(互いに平行)が一端で接続されてなる。
以上のように配置された正電極(正電極枝)21上の各発光素子のp電極に対応する位置にハンダバンプ21aを形成し、負電極(負電極枝)31上の各発光素子のn電極に対応する位置にハンダバンプ31aを形成する。
【0038】
そして、配線基板の配線電極(正電極21と負電極31)が形成された面と発光素子アレイ100aの発光素子が形成された面とを対向させて、正電極21のハンダバンプ21aにそれぞれ各発光素子のp電極が接して対向し、負電極31のハンダバンプ31aにそれぞれ各発光素子のn電極が接して対向するように位置合わせをして、ハンダバンプ2a,3aを溶融することにより接合する(図1)。
【0039】
以上のように構成された変形例1の発光装置は実施の形態と同様の作用効果を有し、さらに以下のような特徴を有する。
すなわち、発光素子の数が比較的少ない4つであることから、図6(a)に示すように、正電極21と負電極31とを互いに交差させることなく配置できるので、実施の形態の正電極ライン2と負電極ライン3のように絶縁層4を介して絶縁する必要がない。
従って、配線パターン(正電極21と負電極31)を形成する際に絶縁層を形成する工程を削除しかつ正電極21と負電極31の配線パターンを例えば同時に(1度のエッチング工程で)作製できるので、製造コストを低減できる。
【0040】
変形例2.
本変形例2の発光装置は、変形例1と同様、n型半導体層12aを分離することなく透光性基板11上に4つの発光素子を形成した発光素子アレイ100aを用い、配線基板の配線パターンを次のようにしている。
【0041】
すなわち、変形例2の発光装置において、図7(a)(c)に示すように、配線基板の負電極32は発光素子アレイ100aの1つの発光素子のn電極のみに対応して形成され、正電極22は発光素子アレイ100aの4つの発光素子のp電極にそれぞれ対応するように形成されている。
以上のように配置された負電極32上において、上記1つの発光素子のn電極に対応する位置にハンダバンプ32aを形成し、正電極22上の各発光素子のp電極に対応する位置にハンダバンプ22aを形成する。
【0042】
そして、配線基板の配線電極(正電極22と負電極32)が形成された面と発光素子アレイ100aの発光素子が形成された面とを対向させて、負電極32のハンダバンプ32aに上記1つの発光素子のn電極が接して対向し、正電極22のハンダバンプ22aにそれぞれ各発光素子のp電極が接して対向するように位置合わせをして、ハンダバンプ22a,32aを溶融することにより接合する(図1)。
【0043】
以上のように構成された変形例1の発光装置は、実施の形態及び変形例1と同様の作用効果を有する。
すなわち、変形例2の発光装置は、負電極32と正電極22とを互いに交差させることなく配置できるので、配線基板の配線パターンを形成する際に絶縁層を形成する工程を削除しかつ負電極32と正電極22の配線パターンを例えば同時に(1度のエッチング工程で)作製できるので、製造コストを低減できる。
【0044】
変形例3.
本変形例3の発光装置は、
各発光素子ごとにn型半導体層12bを分離して透光性基板11上に4つの発光素子を形成した発光素子アレイ100bを用い、配線基板の配線パターンを次のようにしている。
【0045】
すなわち、変形例3の発光装置において、図8(a)(c)に示すように、配線基板の負電極33は発光素子アレイ100bの1つの発光素子(第1の発光素子)のn電極のみに対応するように形成され、正電極23は第1の発光素子に対して対角配置された第2の発光素子のp電極に対応するように形成されている。
また、配線基板上には、正電極23に電極が接続される第2の発光素子と負電極33にn電極が接続される第1の発光素子との間に他の2つの発光素子が直列に接続されるように、所定の2つの発光素子のn電極とp電極の間を接続する接続電極41,42,43が形成されている。
【0046】
以上のように配置された正電極23、負電極33及び接続電極41,42,43上において、各発光素子のn電極及びp電極に対応する位置にそれぞれハンダバンプ23a,33a,41a,42a,43aを図8(b)に示すように形成する。
そして、配線基板の配線電極(正電極23と負電極33)が形成された面と発光素子アレイ100bの発光素子が形成された面とを対向させて、各ハンダバンプと対応する発光素子のn電極又はp電極が接して対向するように位置合わせをして、ハンダバンプを溶融することにより接合する(図8(c))。
【0047】
以上のように構成された変形例1の発光装置は、実施の形態及び変形例1と同様の作用効果を有する。
【0048】
変形例4.
本変形例4の発光装置は、変形例3と同様、n型半導体層12aを分離して透光性基板11上に4つの発光素子を形成した発光素子アレイ100bを用いた例であるが、本変形例4では配線基板の配線パターンを次のようにしている。
【0049】
すなわち、変形例4の発光装置において、図9(a)(c)に示すように、配線基板の負電極34は各発光素子のn電極にそれぞれ対応して4本形成され、正電極24は各発光素子のp電極にそれぞれ対応するように4本形成されている。
以上のように配置された正電極24及び負電極34上にそれぞれ、各発光素子のp電極と各発光素子のn電極に対応する位置にハンダバンプ24a,34aを形成する。
【0050】
そして、配線基板の配線電極(正電極24と負電極34)が形成された面と発光素子アレイ100bの発光素子が形成された面とを対向させて、負電極34のハンダバンプ34aに各発光素子のn電極が接して対向し、正電極24のハンダバンプ24aに各発光素子のp電極が接して対向するように位置合わせをして、ハンダバンプ24a,34aを溶融することにより接合する(図9(c))。
以上のように構成された変形例4の発光装置は、実施の形態及び変形例1と同様の作用効果を有する。
【0051】
以上実施の形態及び変形例1〜4で説明したように、直列接続、並列接続、マトリクス接続等、用途に応じて種々の接続方法を採用することができる。
また、本発明の構成では、例えば128×128等の極めて多くの発光素子を有する発光装置を構成することもでき、その適用範囲を拡大することができる。
【0052】
以上の実施の形態及び変形例では、ハンダバンプを用いた例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、AuやAl等の他のバンプを用いて構成してもよい。
Au等からなるバンプを用いる場合、配線基板の配線電極上又は発光素子の正電極及び負電極上のいずれかに形成するようにしても良いし、配線基板の配線電極上及び発光素子の正電極と負電極上の双方に形成するようにしても良い。
また、Auバンプ等は例えば、ネイルヘッドボンディング方式のボンダを用いて、キャピラリーの先端のAuワイヤーの先端を電気トーチもしくは水素トーチ等で溶解することによりボールを形成して、そのボールを電極上に接合させた後にボールのネック部でワイヤーを切断することにより形成することができる。
このAuボールバンプを用いる場合、形成されたボールバンプの高さは揃っている方が好ましく、平面度の高いステージにボールバンプを押しつける、又は、ボールバンプを形成した後、所定の高さでキャピラリーを横方向に摺動させる等の方法により高さをそろえるための処理をすることが好ましい。
尚、Au等のバンプを用いた場合、加熱加圧処理(加圧ツールに超音波振動を付加することもある)による熱圧着(Au−Au間の場合)又は加熱処理による共晶合金接合(例えば、Au−Snの場合)により接合させることができる。
【0053】
比較例
図11は、比較例の発光装置の構成を示す平面図である。
比較例の発光装置は、金属又は絶縁体からなるベース70の上に4つの発光素子を備えた発光素子アレイ100bが発光素子を上にしてダイボンディングされ、4つの発光素子が変形例3と同様の直列接続されるようにワイヤー52,53,54によりワイヤーボンディングされ、さらに一端に位置する発光素子のp電極が正側のリード端子61にワイヤーボンディングされかつ他端の発光素子のn電極が負側のリード端子62にワイヤーボンディングされることにより構成される。
以上のように構成された比較例の発光装置は、各発光素子において発光した光はp及びn電極が形成された側から出力される。
【0054】
次に、本発明に係る発光装置により得られる効果について比較例の発光装置と対比しながら説明する。
(1)本発明の発光装置によれば、高輝度の発光装置が実現できる。
すなわち、比較例の発光装置のように、発光素子間及び発光素子とリード端子の間をワイヤーボンディングにより接続しかつ発光した光をp及びn電極が形成された側から出力するように構成すると、発光した光がワイヤーにより遮られるので光の取りだし効率を大きくできないのに対して、本発明の構成ではフリップチップボンディングをすることによりかかる問題がなく、高輝度の発光が可能になる。
本発明者らの検討によれば、比較例の発光装置と、その比較例と同様の配線により構成した変形例3の発光装置との光度及びパワーを比較した場合、変形例3の発光装置の光度及びパワーは比較例に係るものより1.4倍であった。
【0055】
(2)本発明の構成によれば、製造歩留まりを向上させることができる。
すなわち、比較例の発光装置のように、ワイヤーボンディング法を用いると、発光領域に打痕を付ける等、半導体層にダメージを与えることがあるが、本発明の構成ではかかる問題はなく、製造歩留まりを向上させることができる。
【0056】
(3)本発明の構成によれば、発光素子の個数に制限がない。
すなわち、比較例のワイヤーボンディング法を用いて構成した発光装置では、発光素子の数が多くなると発光素子間の接続が困難となり、発光素子の数に制限があるが、本発明の構成によればかかる制限はない。
【0057】
(4)本発明の構成によれば、薄型化が可能となる。
すなわち、比較例のワイヤーボンディング法を用いて構成した発光装置では、発光素子の表面を保護するために、発光素子の表面に樹脂を形成する必要があるが、この封止樹脂をワイヤーを覆うように形成する必要があるために必然的に一定以上の厚さに樹脂を形成する必要がある。
しかしながら、本願の構成では、発光装置の厚さを、ほぼ発光素子アレイ厚さと配線基板の厚さとを加えた厚さにできるので、透光性基板及び絶縁性基板の厚さをそれぞれ薄くすることにより、薄型化が可能となる。
【0058】
(5)本発明の構成によれば、生産性を向上させることができる。
すなわち、比較例の発光装置では、ワイヤーを順次接続する必要があるので、発光素子の個数が多くなるとボンディングに要する時間がかかり生産性が低下するが、本発明の構成ではかかる問題はない。
【0059】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る発光装置は、一方の面にn型半導体層とp型半導体層とを含む半導体層が成長され、該半導体層に複数の発光素子が一体で構成された透光性を有する第1の基板と、配線電極が形成された第2の基板とが、上記発光素子のn電極と上記p電極とが上記配線電極に対向してバンプにより接合されることにより構成されている。
これにより、本発明によれば、輝度が高くかつ安価に製造することができかつ面発光光源又はディスプレイとして利用できる発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施の形態の発光装置の平面図である。
【図2】 実施の形態の発光素子の側面図である。
【図3】 実施の形態の回路図である。
【図4】 実施の形態に用いる配線基板の配線パターンを示す平面図である。
【図5】 図4の配線パターン上にハンダバンプを形成した平面図である。
【図6】 本発明に係る変形例1の発光装置における、配線基板の配線パターンを示す平面図(a)と配線パターン上にバンプを形成した平面図(b)と発光素子アレイを接続した平面図(c)である。
【図7】 本発明に係る変形例2の発光装置における、配線基板の配線パターンを示す平面図(a)と配線パターン上にバンプを形成した平面図(b)と発光素子アレイを接続した平面図(c)である。
【図8】 本発明に係る変形例3の発光装置における、配線基板の配線パターンを示す平面図(a)と配線パターン上にバンプを形成した平面図(b)と発光素子アレイを接続した平面図(c)である。
【図9】 本発明に係る変形例4の発光装置における、配線基板の配線パターンを示す平面図(a)と配線パターン上にバンプを形成した平面図(b)と発光素子アレイを接続した平面図(c)である。
【図10】 本発明に用いる発光素子アレイの例を示す側面図であり、(a)はn型半導体層を分離することなく複数の発光素子を形成した発光素子アレイの側面図であり、(b)は個々の素子ごとにn型半導体層を分離して複数の発光素子を形成した発光素子アレイの側面図である。
【図11】 比較例の発光装置の平面図である。
【図12】 本発明に係る実施の形態2の側面図である。
【図13】 (a)は本発明に係る実施の形態4のマスク122の平面図であり、(b)は実施の形態4においてマスク122の載置位置を示す側面図である。
【図14】 本発明に係る実施の形態4の発光装置の断面図である。
【図15】 本発明に係る実施の形態4の側面図である。
【符号の説明】
1…発光素子、
2…正電極ライン、
2a,3a,21a,22a,23a,24a,31a,32a,33a,34a,41a,42a,43a…ハンダバンプ、
3…負電極ライン、
4…絶縁膜、
4a…開口部、
11…透光性基板、
12a,12b…n型半導体層、
13…n電極、
14…p型半導体層、
21,22,23,24…正電極、
31,32,33,34…負電極、
41,42,43…接続電極、
100,100a,100b…発光素子アレイ、
120,123…色変換層、
121…蛍光物質、
122…マスク、
122a…貫通孔、
130…レンズ、
200…配線基板、
300…樹脂層。
Claims (6)
- 一方の面にn型半導体層とp型半導体層とを含む半導体層が形成され、該半導体層において複数の発光素子がマトリクス状に構成された透光性を有する第1の基板と、配線電極が形成された第2の基板とを備えており、
上記発光素子はそれぞれ上記n型半導体層の上に形成されたn電極と上記p型半導体層の上に形成されたp電極とを同一面側に有し、
上記第2の基板における配線電極は、上記第2の基板の上に、複数行の負電極ラインと、それらの負電極ラインと交差し絶縁膜を介して設けられた複数列の正電極ラインと、を順に有しており、
上記各発光素子のp電極およびn電極がそれぞれ、上記配線電極の正電極ラインおよび上記絶縁膜の開口部により露出された負電極ラインの表面にそれぞれバンプにより接合され、
上記第1の基板は、その他方の面に、透光性部材に蛍光物質が分散されてなる色変換層と、複数の貫通孔が形成されたマスクとを備え、上記貫通孔は、上記発光素子の上にそれぞれ対応して形成されており、
上記色変換層は、上記マスクを覆い、かつ上記各貫通孔に充填されている発光装置。 - 上記第1の基板と上記第2の基板の間に位置する上記複数の発光素子を上記第1の基板の周囲に樹脂を形成することにより封止した請求項1に記載の発光装置。
- 上記発光素子は紫外光を発光し、上記蛍光物質は紫外光を吸収して可視光を発光する請求項1又は2記載の発光装置。
- 上記第1の基板上に、直接又は上記色変換層を介してレンズが形成された請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の発光装置。
- 上記レンズがフレネルレンズである請求項4記載の発光装置。
- 上記第1の基板上に、導光板を備えた請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の発光装置。
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