JP7403944B2 - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、４３５ｎｍ以下の波長の光を射出するＬＥＤ素子を備えたＬＥＤ発光装置に関するものである。

ＬＥＤ発光装置の基板にＬＥＤ素子を取り付ける方法として、銀などの金属を含有するペースト状の導電性接合材を用いる方法が知られている。
この方法で基板にＬＥＤ素子を取り付ける場合、特許文献１に記載されているように、前記導電性接合材に含まれる銀などの金属が空気中の硫黄と反応して硫化されることがある。
硫化が起こると、前記導電性接合材が黒変して製品の見た目が悪くなるだけでなく、前記導電性接合材の導電性、熱伝導性、接合強度などが低下してしまう。
そこで、前記導電性接合材が空気に触れないように、樹脂等の封止材を用いてＬＥＤ素子全体を覆うように封止して、前記導電性接合材の硫化を防ぐことが考えられる。

しかしながら、従来からＬＥＤ素子を封止する封止材として使用されている樹脂は波長が４３５ｎｍ以下の紫光や紫外光などの短波長の光に対する耐性が低い。
ＬＥＤ素子が４３５ｎｍ以下の波長の光を射出するものである場合、ＬＥＤ素子全体をこのような封止材で覆ってしまうと、前記ＬＥＤ素子から射出される光によって該封止材が劣化し、クラックや変色が生じてしまうことがある。
前記封止材にクラックが発生すると、ボンディングワイヤが切断されてＬＥＤ素子が不点灯になったり、前記封止材の切片が剥離して屑が出たりする恐れがある。
また、前記封止材が変色するとＬＥＤ素子からの光出力が低下するという問題がある。

また、紫外光に対して耐性を有する、例えばフッ素系樹脂を前記封止材として使用することも考えられるが、このような素材は原料価格が高い。
また、封止作業時によれたり気泡を含んだりしやすかったり、ＬＥＤ素子やセラミックスおよび金属に対する密着性が低い傾向にあり、従来からＬＥＤを封止するために使用されている封止材を使用する場合よりも作業が難しく新たな工夫も必要になるので、ＬＥＤ発光装置の製造コストが上昇してしまう。
さらに、紫外光に対して耐性を有する樹脂の中には、光吸収が大きいものもあり、光出力が低下してしまうという問題もある。

特開２０１５－０４８４５５号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、製造コストの上昇を抑えながら、信頼性の高いＬＥＤ発光装置を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明に係るＬＥＤ発光装置は、基板と、該基板に取り付けられた４３５ｎｍ以下の波長の光を射出するＬＥＤ素子と、前記基板と前記ＬＥＤ素子との間に配置されてこれらを電気的に接続する導電性接合材とを備えたものであり、さらに前記導電性接合材を被覆する被覆材を備え、前記被覆材が、前記ＬＥＤ素子の側面の一部又は全部を覆い、前記ＬＥＤ素子の前記基板とは反対側の面が露出していることを特徴とするものである。

このように構成されたＬＥＤ発光装置によれば、前記ＬＥＤ発光装置が前記導電性接合材を被覆する被覆材を備えているので、前記導電性接合材の硫化を防止もしくは低減することができる。
さらに、前記被覆材が、前記ＬＥＤ素子の表面のうち、前記ＬＥＤ素子の側面の一部又は全部を覆うものであり、前記ＬＥＤ素子の前記基板とは反対側の面が露出しているので、前記被覆材に対して前記ＬＥＤ素子から照射される紫光や紫外光の量を減らして、前記被覆材の紫外光による劣化を抑えることができる。

本発明の効果が特に顕著になる具体的な実施態様としては、前記導電性接合材が銀を含有するものを挙げることができる。

前記ＬＥＤ素子が、支持基板層と、該支持基板層の前記基板とは反対側の表面に取り付けられた半導体層とを備えたものであって、前記支持基板層の前記半導体層が取り付けられている面とは反対側の面が前記基板に取り付けられており、前記被覆材が前記支持基板層の側面の一部又は全部を被覆するものであれば、前記半導体層中に存在する発光層から射出された紫光や紫外光が前記被覆材に照射されにくいので、前記被覆材の紫光や紫外光による劣化をより低減することができる。

前記被覆材が、さらに前記半導体層の側面の一部又は全部を覆うものであっても良い。

前記被覆材が、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂からなる群より選ばれる１種又は２種以上の化合物を含有するものであれば、前記被覆材に高いガスバリア性を持たせることができるので、前記導電性接合材の硫化をより効果的に抑えることができる。

前記支持基板層が、金属を含有するものであれば、金属は非透光性であるので、前記被覆材に照射される光をさらに低減することができる。

本発明によれば、導電性接合材を被覆材により被覆しているので、前記導電性接合材の硫化を防止もしくは低減することができる。
さらに、ＬＥＤ素子の基板とは反対側の面を露出させているので、被覆材がＬＥＤ素子の全体を覆っている場合に比べ、ＬＥＤ素子から被覆材に照射される紫光や紫外光の量を減らすことができる。
その結果、ＬＥＤ素子として、高出力のものを使用したとしても、被覆材の紫光や紫外光による劣化を抑えることができる。

被覆材として、従来からＬＥＤ素子の封止材として使用されている樹脂を問題なく使用することができるので、製造コストを抑えながら、信頼性が高く、高出力なＬＥＤ発光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ発光装置の全体模式図。 図１における矢示Ａ－Ａ断面図。 他の実施形態に係るＬＥＤ発光装置の断面図。 他の実施形態に係るＬＥＤ発光装置の端面を示す摸式図。

以下に、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
本実施形態に係るＬＥＤ発光装置１００は、例えば、表面実装型のものであり、印刷、接着、コーティング等の分野をはじめとした様々な用途に広く使用できるものである。

本実施形態に係るＬＥＤ発光装置１００は、図１及び図２に示すように、基板１と、該基板１の表面上に取り付けられたＬＥＤ素子２と、該ＬＥＤ素子２と前記基板１とを電気的に接続する導電性接合材３とを備えたものである。
以下に各部について詳述する。

前記基板１は、例えば、面板部が略正方形状のものであり、例えば、ベースとなるセラミックと、銅などからなる電極パターンと、ニッケル、パラジウム、金などからなるボンディングパッド等を備えたものである。この基板１の表面中央部には、前記ＬＥＤ素子２が取り付けられている。

該ＬＥＤ素子２は、例えば、波長が４３５ｎｍ以下の高出力の光を射出するものであり、直方体形状をしている。
前記ＬＥＤ素子２は、図２に示すように、金属を含有し導電性を有する支持基板層２１と、該支持基板層２１の一表面に取り付けられた半導体層２２とを備えたものである。

前記支持基板層２１は、例えば、金、銀、ニッケル、銅モリブデン合金、銅タングステン合金、シリコン、金錫合金などの金属からなるものであり、前記半導体層２２が取り付けられた面とは反対側が前記基板１側に向くように、前記導電性接合材３を介して前記基板１に取り付けられている。
この実施形態では、前記支持基板層２１は、前記半導体層２２から前記支持基板層２１側に向けて射出される光を前記半導体層２２側に向けて反射する反射層を備えている。
前記反射層は、例えば、銀等の金属からなる薄板状のものであり、前記支持基板層２１の前記半導体層２２と接している表面を形成するように設けられている。
前記半導体層２２は、窒化ガリウム等からなるものであり、そのｎ電極又はｐ電極の一方が、前記支持基板層２１と前記導電性接合材３を介して前記基板１と電気的に接続されている。前記ｎ電極又はｐ電極のうちのもう一方は、例えば、図示しないボンディングワイヤを介して前記基板１と電気的に接続されている。

前記導電性接合材３は、例えば、銀と、樹脂と、溶剤とを含有するペースト状の接合材であり、前記基板１と前記ＬＥＤ素子２との間に配置されて、前記ＬＥＤ素子２を前記基板１に固定するものである。
前記導電性接合材３に含まれる樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などを挙げることができる。

しかして、前記ＬＥＤ発光装置１００は、さらに前記導電性接合材３を被覆する被覆材４を備えたものである。
該被覆材４は、例えば、シリコーン等の樹脂であり、前記導電性接合材３が空気にふれないように、前記基板１と前記ＬＥＤ素子２との間からはみ出した部分である前記導電性接合材３のフィレット部分３１を完全に覆うように配置されている。

このとき前記被覆材４は、前記導電性接合材３だけではなく、前記基板１の表面の一部及び前記ＬＥＤ素子２の側面２ｓの一部をも覆っており、例えば、図２に示すように、前記ＬＥＤ素子２の前記支持基板層２１の高さまでを覆うようにしてある。前記ＬＥＤ素子の側面２ｓとは、前記ＬＥＤ素子の前記基板と対向する面及び前記基板と対向する面とは反対側の面を除く表面のことである。

本実施形態に係るＬＥＤ発光装置１００の製造方法は以下のようなものである。
前記基板１に、適量の前記導電性接合材３を塗布する。
次に、前記ＬＥＤ素子２の前記支持基板層２１を前記基板１側に向けた状態で前記導電性接合材３に押し付け、前記導電性接合材を熱硬化させることで前記ＬＥＤ素子２を前記基板１に取り付ける。
前記基板１と前記ＬＥＤ素子２との間から外側にはみ出した前記導電性接合材３のフィレット部分３１を全て覆うように、前記基板１の表面から前記ＬＥＤ素子２の側面２ｓにわたって前記被覆材４を塗布し、熱硬化させる。
前記被覆材４は、およそ１０μｍ以上５００μｍ以下の厚みで塗布することが好ましい。

このように構成したＬＥＤ発光装置１００によれば、前記被覆材４が、前記支持基板層２１の高さまでを被覆し、前記半導体層２２が露出するようにしてあるので、前記半導体層２２中に存在する発光層から射出される光の多くはそのまま外部に放出され、前記被覆材４に対して照射される光の量を少なく抑えることができる。
前記被覆材４がシリコーン樹脂であれば、厚く塗布することが容易であり、しかも、ＬＥＤ素子２に対する密着性が高いので、密着性を高めるための特別な工夫をしなくても、結果としてガスバリア性が高まり、前記導電性接合材３の硫化を効率的に抑えることができる。

また、前記被覆材４が前記ＬＥＤ素子２の前記支持基板層２１の高さまでを覆うようにしてあるので、前記被覆材４の厚みが十分確保されており、前記導電性接合材３の硫化をより効果的に抑えることができる。
さらに、シリコーン樹脂は、光の取り出し効率が高いので、紫外ＬＥＤ発光装置１００の光出力を低下させる恐れがない。

前記導電性接合材３の大半は銀から構成されており、揮発性成分が金属微粉末と、フラックスと、溶剤とからなる半田ペーストに比べて非常に少ないため、前記導電性接合材３のボイド率を低減することができる。その結果、前記紫外ＬＥＤ発光装置１００の放熱効率を向上させることができる。
前記支持基板層２１が、金属からなるものであるので、前記基板１と前記半導体層２２とを電気的に接続する際に、電流を前記ＬＥＤ素子のｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層の積層方向に流せる垂直構造とすることができ、その結果、電流密度の集中を防ぎ、発光効率および信頼性を向上させる機能を果たしている。
前記支持基板層２１が、金属からなるものであることにより、前記支持基板層２１の線膨張係数を前記半導体層２２の線膨張係数に近づけることができる、さらに、前記支持基板層２１の放熱性を向上させることができる等の効果も奏することができる。
前記支持基板層２１が、銀等の金属からなる反射層を備えているので、前記半導体層２２から、前記支持基板層２１側に向けて射出される光を前記半導体層２２側に向けて反射することができる。
その結果、光の取り出し効率を向上させるとともに、前記被覆材４に照射される光をさらに低減することができる。
さらに、前記反射層が、銀等の前記半導体層とオーミック接触が可能な金属からなるものであるので、前記反射層が前記半導体層と前記支持基板層とを電気的に接続するｎ電極又はｐ電極としての役割を兼ねることも可能である。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
前記被覆材４による被覆高さは、前記導電性接合材３のフィレット部が全て覆われ、かつ、前記ＬＥＤ素子２の前記半導体層２２の表面が外部に露出する高さであれば良い。
例えば、図３（ａ）に示すように、前記ＬＥＤ素子２の側面２ｓを全て覆う高さまで被覆していてもよいし、図３（ｂ）に示すように、前記支持基板層２１の側面２１ｓの全てと、前記半導体層２２の側面２２ｓの一部を覆う高さまで被覆してもよいし、図３（ｃ）に示すように、前記フィレット部分３１の全てと前記支持基板層２１の側面２１ｓの一部を覆う高さまで被覆するようにしても良い。

図３（ａ）に示すように、前記ＬＥＤ素子２の側面２ｓを全部覆う高さまで前記被覆材４で覆う場合には、高湿環境下で異物がＬＥＤ素子２の側面２ｓに付着する、又は析出する等という問題を回避できるという効果もある。

前記反射層は、前記支持基板層の前記半導体層と接する表面を形成するように設けられているものに限らず、前記支持基板層の内部に設けられていても良い。
前記支持基板層は金属からなるものに限らず、金属を含むものであれば良く、例えば、サファイア等からなる透光性を有する層を含むものであっても良い。
前記支持基板層が、サファイア等からなる層を含むものである場合には、前記反射層は、前記支持基板層の前記半導体層と接する側の表面ではなく、前記支持基板層の前記サファイアからなる層よりも前記導電性接合材と接する面側に設けられている。
前記基板１やＬＥＤ素子２の形状は、上述のものに限定されず、各種の形状を採用することができる。

前記ＬＥＤ素子２は、４３５ｎｍ以下の波長（紫～紫外領域）の光を（射出するものであれば良く、よりエネルギーが高い４０５ｎｍ以下、３８０ｎｍ以下等の波長の光を射出するＬＥＤ素子を使用する場合には、本願発明の効果をより顕著に発揮することができる。

前記被覆材４は、ガスバリア性が高く、光取り出し効率が良く、ＬＥＤ素子２との密着性も高い樹脂であれば特に限られないが、具体的には、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。
前記実施形態では、前記被覆材４は、前記基板１の表面の一部を覆うようにしていたが、これに限らず、前記基板１の表面の全部を覆うようにしても良い。

前記ＬＥＤ発光装置１００は、前記基板１の中央部に前記ＬＥＤ素子２を取り付けたものに限られず、例えば、前記ＬＥＤ素子２が前記基板１の端部に取り付けられているようなものであっても良い。
また、１つの基板上に１つの前記ＬＥＤ素子を取り付けたものに限られず、図４に示すように、１つの基板上に複数のＬＥＤ素子を取り付けたチップオンボード型のものとしても良い。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、種々の変形や実施形態の組合せを行ってもかまわない。

１００・・・ＬＥＤ発光装置
１ ・・・基板
２ ・・・ＬＥＤ素子
２１ ・・・支持基板層
２２ ・・・半導体層
３ ・・・導電性接合材
３１ ・・・フィレット部分
４ ・・・被覆材

Claims (5)

1. 基板と、
   該基板に取り付けられた４３５ｎｍ以下の波長の光を射出するＬＥＤ素子と、
   前記基板と前記ＬＥＤ素子との間に配置されてこれらを電気的に接続する導電性接合材とを備えたＬＥＤ発光装置であり、
   前記ＬＥＤ発光装置が、さらに前記導電性接合材を被覆する被覆材を備え、
   前記ＬＥＤ素子が、支持基板層と、該支持基板層の表面に取り付けられた半導体層とを備えたものであって、
   前記支持基板層の前記半導体層が取り付けられた面とは反対側の面が前記基板に取り付けられており、
   前記被覆材が、前記支持基板層の側面の一部又は全部を被覆するものであり、
   前記ＬＥＤ素子の前記基板とは反対側の面と、前記半導体層の側面が露出しており、
   前記被覆材が、光透過性のものであることを特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 前記導電性接合材が銀を含有するものであることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ発光装置。
3. 前記支持基板層が、金属を含有するものであることを特徴とする請求項１又は２記載のＬＥＤ発光装置。
4. 前記支持基板層と前記半導体層との間に反射層を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤ発光装置。
5. 前記被覆材が、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂からなる群より選ばれた１種又は２種以上の化合物を含有するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＬＥＤ発光装置。