WO2013001687A1 - 発光装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a light emitting device in which a semiconductor light emitting element and a phosphor are combined, and more particularly, to a light emitting device for illumination or a backlight light source of a thin television.
- light-emitting devices such as white light-emitting diodes, which are a combination of a semiconductor light-emitting element used for blue light-emitting diodes and a yellow phosphor that emits yellow fluorescence, have been rapidly replaced by existing incandescent bulbs and fluorescent lamps. These light-emitting devices have been improved in efficiency so that the power-light conversion efficiency exceeds 100 lm / W, and light-emitting devices of various sizes, such as package sizes from 5 mm 2 to 100 mm 2 , are provided at low prices. This has led to a rapid spread.
- Patent Document 1 in addition to a blue semiconductor light emitting element that emits blue light and a first phosphor that emits yellow light as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example, a second phosphor that emits red light.
- a light-emitting device in which is mixed with a first phosphor and applied onto a blue semiconductor light-emitting element.
- a conventional light-emitting device will be described with reference to FIGS.
- the first phosphor particles are yttrium / aluminum / garnet phosphor particles
- the second phosphor particles are phosphor particles made of CaAlSiN 3 crystals activated by Eu.
- a light-emitting device 1021 that is a chip-type white light-emitting diode lamp
- two lead wires 1022 and 1023 are fixed to a white alumina ceramic substrate 1029 having a high visible light reflectivity, and one end of each of the wires is substantially the same as the substrate. The other end located in the center is an electrode that is exposed to the outside and is soldered when mounted on the electric board.
- a blue light emitting diode element 1024 is placed and fixed so as to be in the center of the substrate.
- the lower electrode of the blue light emitting diode element 1024 and the lead wire 1022 below it are electrically connected by a conductive paste, and the upper electrode and another lead wire 1023 are electrically connected by a gold thin wire 1025. ing.
- the phosphor 1027 is a mixture of the first resin and the second phosphor, and is dispersed in the first resin 1026 and mounted in the vicinity of the blue light emitting diode element 1024.
- the first resin 1026 in which the phosphor 1027 is dispersed is transparent and covers the entire blue light emitting diode element 1024.
- a wall surface member 1030 made of white silicone resin is fixed on the alumina ceramic substrate 1029.
- the wall surface member 1030 has a shape with a hole in the center, and a portion facing the center is a curved slope, and the slope serves as a reflection surface for extracting light forward.
- the hole at the center of the wall surface member 1030 becomes a recess, where a transparent second resin 1028 is sealed so as to seal all of the blue light emitting diode element 1024 and the first resin 1026 in which the phosphor 1027 is dispersed. Is filled.
- the conventional light emitting device has the following problems. That is, although light in the red to infrared region exists in the spectrum shown in FIG. 17, light having a wavelength of 680 nm or more has low visibility of human eyes as shown by the dotted line visibility curve, and the brightness of the light emitting device is low. Does not contribute. In addition, the light in this region has a large conversion loss due to a large Stokes loss when converted from the blue light that is the excitation light. Therefore, in order to efficiently control the spectrum of light in the red to infrared region, in Patent Document 2, a peak wavelength can be controlled, and a light emitting device using a quantum dot phosphor with a narrow half-width of the spectrum Has been proposed.
- the conventional light emitting device has the following problems. That is, the quantum dot phosphor is weak against gas and moisture. With respect to such a problem, in the conventional example, a liquid curable resin composition capable of suppressing deterioration of the quantum dot phosphor and a configuration of a light emitting device using the liquid curable resin composition are shown. However, due to the recent improvement in reliability of semiconductor light emitting devices and peripheral members, a configuration that further suppresses deterioration of the quantum dot phosphor has been demanded.
- an object of the present invention is to propose a light emitting device that can suppress deterioration of a phosphor in a light emitting device using a semiconductor light emitting element and a phosphor.
- a light emitting device includes a package, a semiconductor light emitting element mounted on the package, a cap member provided on the package, the package, and the cap.
- a sealing member that seals a space between the members and a phosphor disposed in the sealed space are provided.
- the light emitting device may be characterized in that a gap formed by a gas is formed in the sealed space.
- the light emitting device may be characterized in that the gap is composed of a gas other than oxygen or a vacuum. With this configuration, since bubbles remaining in the sealing region are other than oxygen, the phosphor can be prevented from being oxidized and deteriorated.
- the light emitting device may be characterized in that the package has a structure in which metal wiring is embedded in a ceramic material.
- the package since the package is made of a ceramic material and a metal material having a high gas barrier property, the phosphor can be sealed with a member having a high gas barrier property.
- the light emitting device may be characterized in that the cap member is made of a light-transmitting acrylic resin or epoxy resin.
- the cap member is made of a light-transmitting acrylic resin or epoxy resin.
- the light emitting device may be characterized in that the cap member is made of translucent glass.
- the cap member is made of translucent glass.
- the light emitting device may be characterized in that a surface of at least one of the cap member and the package with respect to the semiconductor light emitting element is subjected to a water repellent treatment. With this configuration, it is possible to arbitrarily arrange a gap existing in the sealing region of the light emitting device in a predetermined region.
- the light emitting device may be characterized in that the phosphor is composed of a plurality of types of phosphor particles.
- the phosphor is made of, for example, a phosphor material having a plurality of wavelength regions, the chromaticity coordinates and the average color rendering index (color rendering) of the light emitting device can be freely designed according to the application.
- the light emitting device may be characterized in that the phosphor is a quantum dot phosphor.
- the phosphor can be a quantum dot phosphor having a narrow half-value width and a peak wavelength that can be freely adjusted, and can also prevent the quantum dot phosphor from being deteriorated by gas and moisture.
- the light emitting device may be characterized in that the plurality of types of phosphors are sealed in the sealed region. With this configuration, it is possible to prevent a plurality of types of phosphors from being deteriorated by gas and moisture.
- the light emitting device may be characterized in that at least one of the phosphors is made of a rare earth activated phosphor material.
- the phosphor can be a rare-earth activated phosphor material that is less deteriorated with respect to gas and moisture. Therefore, the phosphor can be freely arranged and the configuration of the light emitting device can be freely designed.
- the light emitting device may be characterized in that the phosphor is mixed in different resin materials. With this configuration, different phosphor materials can be mixed for each phosphor, and the configuration of the light emitting device can be freely designed.
- the light emitting device may be characterized in that the cap member includes a phosphor.
- the light emitting device can be configured by using the cap member that contains the phosphor in advance, so that the light emitting device can be configured more simply.
- the phosphor can be hermetically sealed with a member having a high gas barrier property. Can be prevented.
- FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2A is a diagram showing oxygen permeability and moisture permeability of a transparent resin material.
- FIG. 2B is a graph designed for airtightness of the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3C is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3D is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 3E is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4A is a graph showing an emission spectrum of the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4B is a table showing chromaticity coordinates and average color rendering index of the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing the operation of the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 7C is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 7D is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 11A is a graph showing an emission spectrum of the light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 11B is a table showing chromaticity coordinates and average color rendering index of the light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 11A is a graph showing an emission spectrum of the light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 11B is a table showing chromaticity coordinates and average color rendering index of the light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating
- FIG. 13 is sectional drawing which shows the modification of the light-emitting device which concerns on the 4th Embodiment of this invention.
- FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention.
- FIG. 15 is sectional drawing which shows the structure of the light-emitting device based on the 6th Embodiment of this invention.
- FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a conventional light emitting device.
- FIG. 17 is a graph showing an emission spectrum of a conventional light emitting device.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a light emitting device 1 according to the present embodiment.
- the light emitting device 1 includes a semiconductor light emitting element 5 mounted on a package 10, a package 10, an adhesive portion 20, bonding wires 25 a and 25 b, a sealing member 30 that seals a space between the package 10 and a cap member 50, and a sealing. It is comprised from the fluorescent substance containing resin 40 containing the fluorescent substance arrange
- the package 10 includes a substrate 11, via wirings 12 a and 12 b, backside electrodes 13 a and 13 b, front surface electrodes 14 a and 14 b, and a reflective film 16.
- the package 10 has a structure in which, for example, metal wiring is embedded in a ceramic material.
- the cap member 50 is made of, for example, a translucent acrylic resin or epoxy resin, or translucent glass.
- the phosphor of the phosphor-containing resin 40 is composed of, for example, a plurality of types of phosphor particles.
- the phosphor of the phosphor-containing resin 40 is, for example, a quantum dot phosphor.
- a plurality of types of phosphors of the phosphor-containing resin 40 are sealed in a region sealed with the sealing member 30.
- at least one of the phosphors of the phosphor-containing resin 40 is made of a rare earth activated phosphor material.
- a recess for arranging the semiconductor light emitting element 5 is formed in the base material 11, and light emitted from the semiconductor light emitting element 5 and fluorescence are formed on the bottom surface of the recess and the side surface formed by the slope (side surface) of the recess.
- a reflective film 16 for reflecting the fluorescence emitted from the body-containing resin 40 is formed.
- Surface electrodes 14 a and 14 b for supplying electricity to the semiconductor light emitting element 5 are formed on the bottom surface of the recess.
- the front surface electrodes 14 a and 14 b are connected to back surface electrodes 13 a and 13 b formed on the back surface of the base material 11 through via wirings 12 a and 12 b embedded in the base material 11.
- the semiconductor light emitting device 5 for example, gallium (Ga), indium (In), aluminum (Al) on one of a sapphire substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a gallium nitride (GaN) substrate, and a silicon (Si) substrate.
- P-type nitride semiconductor layer and N-type nitride semiconductor layer made of a material such as a nitride semiconductor which is a nitride such as) are formed.
- the semiconductor light emitting element 5 emits light having a wavelength of 350 to 500 nm.
- the semiconductor light emitting element 5 is bonded onto the surface electrode 14b by the bonding portion 20.
- the P-type nitride semiconductor layer and the N-type nitride semiconductor layer are connected to the surface electrodes 14a and 14b by bonding wires 25a and 25b, respectively, and electricity is supplied to each layer from the outside.
- a sealing member 30 made of, for example, an epoxy adhesive or the like is disposed on the top of the peripheral edge portion of the package 10.
- the sealing member 30 seals the phosphor-containing resin 40 disposed so as to cover the semiconductor light emitting element 5, that is, a space between the cap member 50 made of, for example, glass and the package 10 (covered with the cap member 50). The space in the concave portion of the substrate 11 is sealed.
- the cap member 50 is a transparent member with respect to the light emission of the semiconductor light emitting element 5 and the fluorescence of the phosphor containing resin 40 in order to take out the light emission of the semiconductor light emitting element 5 and the fluorescent light (fluorescence) of the phosphor containing resin 40 to the outside. It is.
- the phosphor-containing resin 40 is, for example, a core-shell type quantum dot phosphor having a core made of InP and a shell made of ZnS dispersed in a resin made of acrylic, for example.
- the phosphor-containing resin 40 is a mixture of two types of quantum dot phosphors, and the peak wavelength of fluorescence of one quantum dot phosphor is 500 nm to 570 nm, and another quantum dot The peak wavelength of fluorescence of the phosphor is 570 nm to 680 nm.
- the formation of two types of quantum dot phosphors is realized by changing the size and thickness of InP and ZnS, which are core and shell materials.
- FIG. 2A is a graph plotting oxygen permeability (oxygen permeability) and moisture permeability of various resin materials and glass materials.
- silicone for example, a film thickness of 100 ⁇ m
- an epoxy resin for example, a film thickness of 100 ⁇ m
- an acrylic resin for example, a film thickness of 100 ⁇ m
- glass eg, a film thickness of 30 ⁇ m
- the horizontal axis represents the package size (the area of the package 10 as viewed from above in FIG. 1)
- the vertical axis represents the airtightness to the inside of the light emitting device 1 (the airtightness of the space inside the recess of the package 10), and the cap member.
- the thickness t of 50 is plotted as a parameter.
- the material of the cap member 50 was an epoxy resin
- the oxygen permeability was 50 cc / (m 2 * day * atm).
- the thickness of the cap member 50 is 0.1 mm or more when the package size is 5 mm 2
- the thickness of the cap member 50 when the package size is 100 mm 2.
- the light-emitting device 1 with high airtightness can be realized, and deterioration of the encapsulated phosphor is suppressed. be able to.
- 3A to 3E are cross-sectional views showing a method for manufacturing the light-emitting device 1 according to the present embodiment.
- the package 10 is prepared, and the bonding portion 20 made of, for example, gold tin (AuSn) alloy, for example, formed by bump plating is formed on the surface electrodes 14a, 14b in the recesses of the package 10 (FIG. 3A).
- AuSn gold tin
- the semiconductor light emitting element 5 having the gold (Au) layer formed on the back surface of the substrate is mounted by being bonded to the package 10 via the bonding portion 20 by pressure heating, and the semiconductor light emitting element 5 and the surface are bonded by bonding wires 25a and 25b.
- the electrodes 14a and 14b are electrically connected (FIG. 3B).
- a sealing member 30 made of, for example, an ultraviolet curable epoxy adhesive or the like is formed (applied) so as to surround the recess by potting on the top of the peripheral edge of the package 10 (FIG. 3C).
- the semiconductor light emitting element 5 is buried in the recess of the package 10 (the semiconductor light emitting element 5 is covered in the recess), and the recess is formed.
- a phosphor-containing resin 40 made of an ultraviolet curable acrylic resin in which two kinds of quantum dot phosphors are mixed is dropped so as to fill (fill the concave portion) (FIG. 3D).
- a cap member 50 such as glass is installed from above the package 10, and the sealing member 30 and the phosphor-containing resin 40 are irradiated by irradiating the sealing member 30 and the phosphor-containing resin 40 with ultraviolet rays through the cap member 50. Cured (FIG. 3E). Thereby, the light-emitting device 1 of FIG. 1 is completed.
- the characteristics of the light-emitting device 1 of the present embodiment will be described based on FIG. 4A showing the calculation result of the emission spectrum.
- the peak wavelength of the emitted light from the semiconductor light emitting element 5 is 450 nm
- the phosphors in the phosphor-containing resin 40 are two types
- the fluorescence peak wavelength of one of the phosphors is 540 nm
- the half-value width of the emission spectrum was set to 60 nm
- the fluorescence peak wavelength of another phosphor was set to 620 nm
- the half-value width of the emission spectrum was set to 60 nm.
- the phosphor constituting the light emitting device 1 is a gas and moisture-sensitive material, the phosphor can be easily removed from the space in the package 10 having a high gas barrier property (the package 10 and the cap member 50). And the phosphor can be prevented from deteriorating.
- the core-shell type quantum dot phosphor composed of InP and ZnS is used as the phosphor-containing resin 40.
- the present invention is not limited to this.
- the phosphor is composed of a compound semiconductor such as InP, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, GaN, AlN, GaAs, InAs, AlAs, and GaP. Also good.
- a rare earth activated quantum dot phosphor in which rare earth elements such as Ce, Eu, Mn, and Tm are added to the compound semiconductor may be used.
- the phosphor-containing resin 40 two types are used, but this is not a limitation as long as one or more types of phosphors are contained.
- acrylic was mentioned as a resin material of the phosphor-containing resin 40, this is not restrictive.
- the resin material of the phosphor-containing resin 40 may be, for example, a transparent resin such as silicone or epoxy.
- glass is used as the material of the cap member 50, the present invention is not limited to this.
- the cap member 50 may be made of a transparent resin such as acrylic, epoxy, or silicone having a predetermined thickness for providing gas barrier properties.
- the bonding portions 20a and 20b are made of a gold-tin alloy, but this is not restrictive.
- the light emitting device 1 can be easily manufactured by using a material such as silver paste for the bonding portions 20a and 20b.
- the resin of the phosphor-containing resin 40 is an ultraviolet curable acrylic resin, but is not limited thereto.
- the phosphor-containing resin 40 may be cured at a low temperature of about room temperature to about 100 ° C. using, for example, two-component epoxy, two-component silicone, or the like. Further, according to the heat resistance of the phosphor, one-component epoxy or silicone may be used as the resin of the phosphor-containing resin 40 and cured at about 150 ° C.
- FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of the light emitting device 100 according to the present embodiment.
- the light emitting device 100 includes a semiconductor light emitting element 5, a package 10, adhesive portions 20a and 20b, a sealing member 30, a phosphor-containing resin 40, and a cap member 50.
- the package 10 includes a substrate 11, via wirings 12 a and 12 b, backside electrodes 13 a and 13 b, front surface electrodes 14 a and 14 b, and a reflective film 16.
- a gap (bubble) 35 formed of gas is formed in the space sealed with the sealing member 30, a gap (bubble) 35 formed of gas is formed.
- the gap 35 is made of, for example, a gas other than oxygen or a vacuum.
- the surface of at least one of the cap member 50 and the package 10 with respect to the semiconductor light emitting element 5 (the surface facing the recess of the cap member 50 and the bottom and side surfaces of the recess of the package 10) is subjected to water repellent treatment.
- the base material 11 is disposed in the recess in order to dispose the semiconductor light emitting element 5 and to form a relief shape for forming a gap 35 by allowing bubbles to escape to the peripheral portion in the recess as will be described later. It is formed so as to have one step portion 15 near the opening at the top of the slope.
- a reflection film 16 for reflecting light emitted from the semiconductor light emitting element 5 and fluorescence emitted from the phosphor-containing resin 40 is formed on the bottom surface, the step portion 15 and the inclined surface of the recess. Further, as will be described later, the surface of the reflective film 16 is subjected to water repellent treatment with a fluororesin or the like so that the resin can be easily repelled.
- Surface electrodes 14a and 14b for supplying electricity to the semiconductor light emitting element 5 are formed on the bottom surface of the recess, and the surface electrodes 14a and 14b pass through the via wirings 12a and 12b embedded in the substrate 11 and It is connected to backside electrodes 13a and 13b formed on the backside.
- the semiconductor light emitting device 5 of the present embodiment has substantially the same configuration as the semiconductor light emitting device 5 of the first embodiment, but the mounting method on the package 10 is significantly different from that of the first embodiment.
- the semiconductor light emitting device 5 of the present embodiment is a light emitting diode in which a nitride semiconductor layer is formed on a transparent substrate such as a sapphire substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, or a gallium nitride (GaN) substrate.
- the semiconductor light emitting device 5 of the present embodiment is a semiconductor light emitting diode that emits light having a wavelength of 350 to 500 nm.
- the semiconductor light emitting device 5 of the present embodiment is so-called face-down mounted by bump bonding.
- the surface electrodes 14a, 14b are electrically connected to the P-type nitride semiconductor layer and the N-type nitride semiconductor layer by the bump electrodes disposed on the surface electrodes 14a, 14b, and the semiconductor light emitting device is externally connected. 5 is supplied with electricity.
- a sealing member 30 made of, for example, an epoxy adhesive or the like is disposed on the top of the peripheral edge portion of the package 10.
- the sealing member 30 is a space (cap member 50) between the package 10 and the phosphor-containing resin 40 disposed so as to cover the semiconductor light emitting element 5, that is, a cap member 50 made of a transparent resin such as acrylic or glass.
- the space in the concave portion of the base material 11 covered with is sealed.
- the surface of the cap member 50 on the phosphor-containing resin 40 side is subjected to water repellent treatment with, for example, a fluororesin.
- the phosphor-containing resin 40 is arranged so that, for example, a void 35, which is mostly a nitrogen component, is generated in the upper part of the two-step recess on the side surface of the recess.
- FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the operation (light emission direction) of the light emitting device 100.
- emitted light 161 having a peak wavelength of about 450 nm is emitted from the semiconductor light emitting element 5.
- the emitted light 161 passes through the phosphor-containing resin 40, a part thereof is converted into fluorescence 162 by the phosphor.
- the outgoing light 161 and the fluorescent light 162 are emitted directly or after being reflected by the reflective film 16 to the outside of the package 10.
- the light emission is not disturbed by the difference in refractive index or the like in the gap 35 disposed in the peripheral portion.
- 7A to 7D are cross-sectional views showing a method for manufacturing the light emitting device 100 according to the present embodiment.
- the package 10 is prepared, and adhesive portions 20a and 20b made of, for example, gold tin (AuSn) alloy formed by bumps, for example, are formed on the surface electrodes 14a and 14b in the recesses of the package 10 (FIG. 7A). .
- adhesive portions 20a and 20b made of, for example, gold tin (AuSn) alloy formed by bumps, for example, are formed on the surface electrodes 14a and 14b in the recesses of the package 10 (FIG. 7A).
- a p-type electrode and an n-type electrode (not shown) formed on the surface of the semiconductor light-emitting element 5 are aligned with the bonding portions 20a and 20b, and the bonding portions 20a and 20b are interposed by pressure heating. Then, the semiconductor light emitting device 5 is mounted on the package 10. Subsequently, a fluorine resin or the like is formed on the reflective film 16 in the recess of the package 10 by, for example, electrodeposition (FIG. 7B).
- a sealing member 30 made of, for example, an ultraviolet curable epoxy adhesive or the like is formed (applied) so as to surround the concave portion by potting on the top of the peripheral edge portion of the package 10.
- a phosphor-containing resin 40 which is an ultraviolet curable acrylic resin in which two types of quantum dot phosphors are mixed, is dropped so as to satisfy (FIG. 7C). At this time, the phosphor-containing resin 40 is dropped in a small amount as compared with the volume of the recess so as not to completely fill the recess.
- a transparent resin such as acrylic or a cap member 50 such as glass is installed from above the package 10.
- the surface of a transparent resin such as acrylic is subjected to water repellent treatment.
- a void 35 is generated in the recess.
- the void 35 is disposed on the side surface (side surface of the recess) of the package 10 due to the surface tension of the phosphor-containing resin 40. Is done.
- the sealing member 30 and the phosphor-containing resin 40 are cured by irradiating the sealing member 30 and the phosphor-containing resin 40 with ultraviolet rays through the cap member 50 (FIG. 7D). Thereby, the light emitting device 100 of FIG. 5 is completed.
- the volume of the phosphor-containing resin 40 can be made smaller than the volume of the recess. Accordingly, when the phosphor-containing resin 40 is dropped, the volume of the phosphor-containing resin 40 is larger than the volume of the recess due to the variation in the amount of the dripping, and when the cap member 50 is adhered to the package 10, the phosphor-containing resin 40 contains excessive phosphor. It is possible to suppress the resin 40 from entering the position of the sealing member 30. As a result, it is possible to reduce the adhesive strength between the cap member 50 and the package 10 and to prevent the airtightness of the light emitting device from being lowered.
- the reflective film 16 of the package 10 has been subjected to water repellent treatment.
- the surface of the transparent resin base material 11 such as acrylic in contact with the phosphor-containing resin 40 may be treated as necessary. May be applied.
- FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of the light emitting device 200 according to the present embodiment.
- the light emitting device 200 includes a semiconductor light emitting element 5, a package 10, an adhesive portion 20, bonding wires 25a and 25b, a sealing member 30, a phosphor-containing resin 40, and a cap member 50.
- the package 10 includes a substrate 11, via wirings 12 a and 12 b, backside electrodes 13 a and 13 b, front surface electrodes 14 a and 14 b, and a reflective film 16.
- the difference between the light emitting device 200 and the light emitting device 1 of the first embodiment is the presence and position of the air gap 35 shown in the second embodiment.
- the gap 35 is disposed below the recess.
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the light emitting device 200 according to the present embodiment.
- the difference between the manufacturing method of the present embodiment and the manufacturing method of the second embodiment is the content of the ultraviolet curing step after the cap member 50 is arranged in the package 10.
- the cap member 50 is disposed on the lower side with respect to the package 10 when the sealing member 30 and the phosphor-containing resin 40 are cured with ultraviolet rays. It arrange
- the gap 35 can be disposed in the lower part of the recess.
- a light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the basic configuration of the light emitting device of the present embodiment is substantially the same as that of the light emitting device of the second embodiment, only different parts will be described.
- a feature of the light emitting device of this embodiment is that a layer containing a phosphor is formed in the light emitting device in a multilayer structure, and this configuration makes it possible to select a phosphor material more freely.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of the light emitting device 300 according to the present embodiment.
- the light emitting device 300 includes the semiconductor light emitting element 5, the package 10, the bonding portions 20 a and 20 b, the sealing member 30, the first phosphor-containing resin 41, the second phosphor-containing resin 42, and the cap member 50.
- the package 10 includes a substrate 11, via wirings 12 a and 12 b, backside electrodes 13 a and 13 b, front surface electrodes 14 a and 14 b, and a reflective film 16.
- the phosphors are mixed in different resin materials of the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42.
- at least one of the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 is composed of a plurality of types of phosphor particles.
- At least one phosphor of the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 is a quantum dot phosphor.
- at least one of a plurality of types of phosphors of the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 is enclosed in a space sealed by the sealing member 30.
- at least one phosphor of at least one of the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 is composed of a rare earth activated phosphor material.
- the second phosphor-containing resin 42 is disposed between the first phosphor-containing resin 41 and the cap member 50.
- the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 are arranged as a plurality of types of phosphor-containing resins in the space in the recess between the cap member 50 and the package 10.
- the phosphor of the second phosphor-containing resin 42 is a rare earth activated phosphor such as YAG: Ce
- the phosphor of the first phosphor-containing resin 41 is a quantum such as InP / ZnS.
- FIG. 11A shows an example (calculated result) in which the emission spectrum of the light emitting device 300 is designed based on this configuration.
- the quantum dot phosphor had an emission peak wavelength of 625 nm and a spectral half width of 50 nm.
- FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the light emitting device 300 according to this embodiment.
- the cap member 50 a transparent member in which a second phosphor-containing resin 42 containing a rare earth phosphor and cured is formed on the surface in advance is used. At this time, the cap member 50 with the second phosphor-containing resin 42 can be manufactured in the air.
- the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 can be hermetically sealed as in the first to third embodiments.
- the present modification is different from the present embodiment in that the second phosphor-containing resin 42 is disposed so as to cover the semiconductor light emitting element 5.
- the emission spectrum can be designed to be equivalent to that of the present embodiment.
- the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor are more depending on the light output and heat generation amount of the semiconductor light-emitting element 5.
- the arrangement of the phosphor-containing resin 42 can be performed more flexibly.
- the first phosphor-containing resin 41 and the second phosphor-containing resin 42 are formed by, for example, first dropping an appropriate amount of the second phosphor-containing resin 42 in FIG. 7C. Then, the first phosphor-containing resin 41 is dropped and sealed with the cap member 50.
- the layer containing the phosphor of the light emitting device can be easily multilayered by the manufacturing method of the present modification.
- FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of the light emitting device 400 according to the present embodiment.
- the light emitting device 400 includes a plurality of semiconductor light emitting elements 5, a package 10, adhesive portions 20a and 20b, a sealing member 30, a phosphor-containing resin 40, and a cap member 50.
- the package 10 includes a substrate 11, via wirings 12 a and 12 b, backside electrodes 13 a and 13 b, front surface electrodes 14 a and 14 b, and a reflective film 16.
- a plurality of semiconductor light emitting elements 5 are mounted on the light emitting device 400.
- the number of the semiconductor light emitting elements 5 can be increased, the light output of the light emitting device 400 can be increased.
- the amount of gas entering from the cap member 50 increases, the amount of gas entering from the cap member 50 can be controlled by utilizing the design parameters described in the first embodiment, and the phosphor deteriorates. And the deterioration of the characteristics of the light emitting device 400 can be suppressed.
- a phosphor-containing resin 40 in which a rare earth phosphor such as YAG: Ce is mixed is disposed on the surface of the cap member 50 facing the package 10.
- FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of the light emitting device 500 according to the present embodiment.
- the light emitting device 500 includes a plurality of semiconductor light emitting elements 5, a package 10, adhesive portions 20a and 20b, a sealing member 30, a phosphor-containing resin 40, and a cap member 50.
- the package 10 includes a substrate 11, via wirings 12 a and 12 b, backside electrodes 13 a and 13 b, front surface electrodes 14 a and 14 b, and a reflective film 16.
- the cap member 50 contains a phosphor.
- the light emitting device 500 is different from the light emitting device of the fifth embodiment in that the cap member 50 described in the fifth embodiment is changed to a transparent member containing a rare earth phosphor.
- the cap member 50 can have both a cap effect that protects the phosphor-containing resin from gas and moisture and a function of containing the phosphor and emitting fluorescence, so that the light-emitting device can be configured effectively. Can do.
- the package is provided with a recess, and the phosphor-containing resin is disposed in the space inside the package.
- the present invention is not limited to this as long as the phosphor-containing resin is disposed in the space between the package sealed with the sealing member and the cap member. Accordingly, a recess is formed in the cap member, and the phosphor-containing resin may be disposed in the space inside the recess, or a gap is formed between the cap member and the package, and the phosphor-containing resin You may arrange
- the present invention can realize a light-emitting device with good color rendering properties, for example, not only home lighting equipment, but also display lighting equipment for exhibiting foodstuffs, or a large screen type that requires a clear display image. It is useful as a backlight light source for liquid crystal televisions.
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Abstract
本発明は、半導体発光素子と蛍光体を用いた発光装置において、蛍光体の劣化を抑えることが可能な発光装置を提案することを目的とするものであって、発光装置は、パッケージ(10)と、パッケージ(10)上に実装された半導体発光素子(5)と、パッケージ(10)上に設けられたキャップ部材(50)と、パッケージ(10)とキャップ部材(50)との間の空間を封止するシーリング部材(30)と、封止された空間に配置された蛍光体を含有する蛍光体含有樹脂(40)とを備える。
Description
本発明は、半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせた発光装置に関し、特に、照明や、薄型テレビのバックライト光源用の発光装置に関するものである。
近年、青色発光ダイオードに用いられる半導体発光素子と、黄色蛍光を放射する黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光ダイオードなどの発光装置が急速に既存の白熱電球や蛍光灯から置き換えられている。これらの発光装置は、電力光変換効率が100lm/Wを超えるような高効率化が進んだことや、パッケージサイズが例えば5mm2から100mm2まで、さまざまなサイズの発光装置が低価格で提供されるようになったことが、急速な普及へとつながっている。
一方で、これら白色発光ダイオードから出射される光は、青色光と黄色光との組み合わせである擬似白色光であるため演色性が悪いという課題を有する。
そこで、これまで例えば、特許文献1や特許文献2に示すような青色光を発光する青色半導体発光素子と黄色光を発する第一の蛍光体の他に、赤色の光を発する第二の蛍光体を第一の蛍光体と混ぜて青色半導体発光素子上に塗布する発光装置が提案されている。以下、図16、図17を用いて従来の発光装置について説明する。
本従来例において、第一の蛍光体粒子はイットリウム・アルミニウム・ガーネット系の蛍光体粒子であり、第二の蛍光体粒子はEuで付活させたCaAlSiN3結晶からなる蛍光体粒子である。
チップ型白色発光ダイオードランプである発光装置1021には、可視光線反射率の高い白色のアルミナセラミックス基板1029に2本のリードワイヤ1022、1023が固定されており、それらワイヤの片端はそれぞれ基板のほぼ中央部に位置しもう一方端はそれぞれ外部に出ていて電気基板への実装時にはんだづけされる電極となっている。1本のリードワイヤ1022の片端上には、基板中央部となるように青色発光ダイオード素子1024が載置され固定されている。青色発光ダイオード素子1024の下部電極とその下方のリードワイヤ1022とは導電性ペーストによって電気的に接続されており、上部電極ともう1本のリードワイヤ1023とが金細線1025によって電気的に接続されている。
蛍光体1027は第一の樹脂と第二の蛍光体とを混合したものであり、第一の樹脂1026に分散され、青色発光ダイオード素子1024近傍に実装されている。この蛍光体1027を分散した第一の樹脂1026は、透明であり、青色発光ダイオード素子1024の全体を被覆している。また、アルミナセラミックス基板1029上には、白色のシリコーン樹脂である壁面部材1030が固定されている。壁面部材1030は、中央部に穴の開いた形状で、中央に面した部分が曲面形状の斜面となっており、斜面は、光を前方に取り出すための反射面となっている。壁面部材1030の中央部の穴は凹部となり、ここには青色発光ダイオード素子1024、及び蛍光体1027を分散させた第一の樹脂1026のすべてを封止するようにして透明な第二の樹脂1028が充填されている。第一の樹脂1026と第二の樹脂1028とには同一のエポキシ樹脂が用いられている。このような構成において、発光装置1021から図17の実線に示すようなスペクトルが得られ、その色度座標はx=0.338、y=0.330が得られている。
しかしながら、従来技術の発光装置では、次に示す問題がある。すなわち、図17に示すスペクトルにおいて赤色~赤外領域の発光が存在するが、点線の視感度曲線に示すように波長680nm以上の光は人間の目の視感度が低く、発光装置の明るさに寄与しない。また、この領域の光は、励起光である青色光から変換される際の、ストークスロスが大きいため、変換ロスが大きい。そこで、このような赤色~赤外領域の光のスペクトルを効率よく制御するために特許文献2ではピーク波長を制御することができ、かつスペクトルの半値幅が狭い量子ドット蛍光体を用いて発光装置を構成することが提案されている。
しかしながら、従来技術の発光装置では、以下に示す問題がある。すなわち、量子ドット蛍光体がガス、水分に弱いことである。このような課題に対して、従来例では量子ドット蛍光体の劣化を抑えることが可能な液状硬化性樹脂組成物およびそれを用いた発光装置の構成が示されている。しかしながら、近年の半導体発光素子や周辺部材の信頼性の向上により、量子ドット蛍光体についてもより劣化を抑える構成が求められるようになっている。
前記に鑑み、本発明の目的は、半導体発光素子と蛍光体を用いた発光装置において、蛍光体の劣化を抑えることが可能な発光装置を提案することである。
前記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る発光装置は、パッケージと、前記パッケージ上に実装された半導体発光素子と、前記パッケージ上に設けられたキャップ部材と、前記パッケージと前記キャップ部材との間の空間を封止するシーリング部材と、前記封止された空間に配置された蛍光体とを備えることを特徴とする。この構成により、ガス、水分に弱い蛍光体であっても、容易にガスバリア性の高い部材で気密封止することが可能となるため、蛍光体の劣化を抑えることができる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記封止された空間に気体により形成される空隙が形成されることを特徴としてもよい。この構成により、蛍光体を封止する際に、封止される空間の体積よりも蛍光体を含有する部材の体積を少なくすることができ、シーリング部材のシール領域に蛍光体を含有する部材が侵入することを抑えることができるため、蛍光体を効率的に気密封止させることができる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記空隙が、酸素以外の気体もしくは真空で構成されることを特徴としてもよい。この構成により封止領域内に残存する気泡が、酸素以外であるため、蛍光体が酸化して劣化することを抑えることが出来る。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記パッケージが、セラミック材料に金属配線が埋め込まれた構造であることを特徴としてもよい。この構成によりパッケージがガスバリア性の高いセラミック材料と金属材料で構成されるため、蛍光体をガスバリア性の高い部材で封止することが可能となる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記キャップ部材が、透光性のアクリル樹脂もしくはエポキシ樹脂で構成されることを特徴としてもよい。この構成によりパッケージがガスバリア性の高い透明樹脂材料で構成されるため、蛍光体をガスバリア性の高い部材で封止することが可能となる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記キャップ部材が、透光性のガラスで構成されることを特徴としてもよい。この構成によりパッケージがガスバリア性の高いガラス材料で構成されるため、蛍光体をガスバリア性の高い部材で封止することが可能となる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記キャップ部材および前記パッケージの少なくともいずれか一方の前記半導体発光素子に対する表面が撥水処理されていることを特徴としてもよい。この構成により発光装置の封止領域に存在する空隙を所定の領域に任意に配置することができる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記蛍光体が複数種類の蛍光体粒子により構成されることを特徴としてもよい。この構成により、蛍光体が例えば複数の波長領域を有する蛍光体材料で構成されるため、発光装置の色度座標、平均演色指数(演色性)を用途に応じて自由に設計することができる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記蛍光体が量子ドット蛍光体であることを特徴としてもよい。この構成において、蛍光体を半値幅が狭くピーク波長を自在に調整できる量子ドット蛍光体とすることができるとともに、量子ドット蛍光体がガス、水分によって劣化することを抑えることが出来る。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記複数種類の蛍光体が、前記封止された領域に封入されることを特徴としてもよい。この構成により複数種類の蛍光体がガス、水分によって劣化することを防止することが出来る。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記蛍光体の少なくとも1種類は希土類賦活蛍光体材料で構成されることを特徴としてもよい。この構成により蛍光体をガスおよび水分に対して劣化が小さい希土類賦活蛍光体材料とすることができるため、蛍光体の配置を自由にでき発光装置の構成を自在に設計することができる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記蛍光体が、異なる樹脂材料に混合されることを特徴としてもよい。この構成により、蛍光体ごとにそれぞれ異なる樹脂材料に混合させることができ、発光装置の構成を自在に設計することができる。
本発明の一態様に係る発光装置は、前記キャップ部材には蛍光体が含まれることを特徴としてもよい。この構成によりあらかじめ蛍光体が含まれたキャップ部材を用いて、発光装置を構成することができるため、より簡易に発光装置を構成することができる。
本発明に係る発光装置によると、ガス、水分に弱い蛍光体を用いた発光装置であっても、容易にガスバリア性の高い部材で蛍光体を気密封止することが可能となるため、蛍光体の劣化を抑えることができる。
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程、製造工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。
(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る発光装置について、図1から図3Eを参照しながら説明する。
以下に、本発明の第1の実施形態に係る発光装置について、図1から図3Eを参照しながら説明する。
まず、本発明の第1の実施形態に係る発光装置の構成について、図1を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る発光装置1の構成を示す断面図である。
発光装置1は、パッケージ10上に実装された半導体発光素子5、パッケージ10、接着部20、ボンディングワイヤー25a、25b、パッケージ10とキャップ部材50との間の空間を封止するシーリング部材30、シーリング部材30で封止された空間に配置された蛍光体を含有する蛍光体含有樹脂40、およびパッケージ10上に設けられたキャップ部材50から構成されている。そして、パッケージ10は、基材11、ビア配線12a、12b、裏面電極13a、13b、表面電極14a、14bおよび反射膜16から構成されている。パッケージ10は、例えばセラミック材料に金属配線が埋め込まれた構造である。キャップ部材50は、例えば透光性のアクリル樹脂もしくはエポキシ樹脂又は透光性のガラスで構成される。蛍光体含有樹脂40の蛍光体は、例えば複数種類の蛍光体粒子により構成される。蛍光体含有樹脂40の蛍光体は、例えば量子ドット蛍光体である。例えば蛍光体含有樹脂40の複数種類の蛍光体がシーリング部材30で封止された領域に封入される。例えば蛍光体含有樹脂40の蛍光体の少なくとも1種類は希土類賦活蛍光体材料で構成される。
パッケージ10では、半導体発光素子5を配置するための凹部が基材11に形成され、凹部の底面および凹部の斜面(側面)で形成された側面には半導体発光素子5から出射された光および蛍光体含有樹脂40から出射された蛍光を反射するための反射膜16が形成されている。凹部の底面には、半導体発光素子5へ電気を供給するための表面電極14a、14bが形成されている。そして、表面電極14a、14bは、基材11に埋め込まれたビア配線12a、12bを通じて、基材11の裏面に形成された裏面電極13a、13bに接続されている。
半導体発光素子5では、例えば、サファイア基板、シリコンカーバイド(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板、シリコン(Si)基板のいずれかの基板上にガリウム(Ga)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)などの窒化物である窒化物半導体などの材料で構成されたP型窒化物半導体層とN型窒化物半導体層が成膜されている。そして、この半導体発光素子5は350~500nmの波長の光を出射する。この半導体発光素子5は接着部20により表面電極14bの上に接着されている。そして、P型窒化物半導体層とN型窒化物半導体層はそれぞれボンディングワイヤー25a、25bで表面電極14a、14bと接続され、各層に外部より電気が供給される。パッケージ10の周辺の縁部分の最上部の上には例えばエポキシ接着剤等であるシーリング部材30が配置されている。シーリング部材30は、半導体発光素子5を覆うように配置された蛍光体含有樹脂40を封止、つまり例えばガラスで構成されたキャップ部材50とパッケージ10との間の空間(キャップ部材50で覆われた基材11の凹部内の空間)を封止している。
キャップ部材50は、半導体発光素子5の発光および蛍光体含有樹脂40の蛍光光(蛍光)を外部に取り出すために、半導体発光素子5の発光および蛍光体含有樹脂40の蛍光に対して透明な部材である。
蛍光体含有樹脂40は、例えばコアがInPでシェルがZnSで構成されたコア・シェル型の量子ドット蛍光体が、例えばアクリルである樹脂中に分散されたものである。本実施形態においては特に蛍光体含有樹脂40は2種類の量子ドット蛍光体が混合されたものであり、一つの量子ドット蛍光体の蛍光のピーク波長が500nm~570nmであり、もう一つの量子ドット蛍光体の蛍光のピーク波長が570nm~680nmである。この場合、2種類の量子ドット蛍光体を形成することは、コアとシェルの材料である、InPおよびZnSの大きさ、厚みを変更することで実現される。
続いて図2Aおよび図2Bを用いて、本実施形態の発光装置1の設計例について説明する。
図2Aはさまざまな樹脂材料とガラス材料の酸素透過性(酸素透過度)と透湿率をプロットしたグラフである。このグラフにおいて、特に酸素透過性の悪い材料としてシリコーン(例えば膜厚100μm)、酸素透過性が比較的低いものとしてエポキシ樹脂(例えば膜厚100μm)およびアクリル樹脂(例えば膜厚100μm)が挙げられる。また無機材料であるガラス(例えば膜厚30μm)については酸素透過性が検出限界以下と非常に低くなっている。
図2Bは、横軸にパッケージサイズ(図1において上面からみたパッケージ10の面積)、縦軸には発光装置1の内部に対する気密性(パッケージ10の凹部内部の空間の気密性)を、キャップ部材50の厚みtをパラメータにプロットしたものである。このときキャップ部材50の材料をエポキシ樹脂とし、酸素透過性を50cc/(m2*day*atm)とした。必要な気密性を10-9Pa・m3/secとすると、パッケージサイズが5mm2のときはキャップ部材50の厚みを0.1mm以上、パッケージサイズが100mm2のときはキャップ部材50の厚みを1.2mm以上とすることで設計できることがわかる。このように本実施形態の構成によりキャップ部材50の材料と厚み、パッケージ10の大きさを最適化することにより気密性の高い発光装置1を実現でき、封入された蛍光体が劣化するのを抑えることができる。
続いて図3A~図3Eを用いて、本実施形態の発光装置1の製造方法について述べる。
図3A~図3Eは、本実施形態に係る発光装置1の製造方法を示す断面図である。
まず、パッケージ10を準備し、パッケージ10の凹部にある表面電極14a、14b上に、例えばバンプめっきで形成された、例えば金スズ(AuSn)合金である接着部20を形成する(図3A)。
続いて、基板裏面に金(Au)層が形成された半導体発光素子5を圧着加熱により接着部20を介してパッケージ10に接着させて実装し、ボンディングワイヤー25a、25bにより半導体発光素子5と表面電極14a、14bとを電気的に接続させる(図3B)。
続いてパッケージ10の周辺の縁部分の最上部の上に、例えば紫外線硬化型エポキシ接着剤等であるシーリング部材30をポッティングにより凹部を囲うように形成(塗布)する(図3C)。
続いて、パッケージ10を例えば窒素雰囲気中などの酸素がほとんど存在しない雰囲気中に設置した後、パッケージ10の凹部に半導体発光素子5を埋め(凹部内で半導体発光素子5を被覆し)、凹部を満たす(凹部を充填する)ように、2種類の量子ドット蛍光体が混合された紫外線硬化型アクリル樹脂からなる蛍光体含有樹脂40を滴下する(図3D)。
続いて、ガラス等のキャップ部材50をパッケージ10の上方から設置し、キャップ部材50を介してシーリング部材30と蛍光体含有樹脂40に紫外線を照射することによりシーリング部材30と蛍光体含有樹脂40を硬化させる(図3E)。これにより、図1の発光装置1が完成する。
続いて、本実施形態の発光装置1の特性を、発光スペクトルの計算結果を示す図4Aをもとに説明する。図4Aの計算において、半導体発光素子5からの発光光のピーク波長を450nmとし、蛍光体含有樹脂40中の蛍光体を2種類とし、そのうちの1種類の蛍光体の蛍光のピーク波長を540nm、発光スペクトルの半値幅を60nmとし、もう一種類の蛍光体の蛍光のピーク波長を620nm、発光スペクトルの半値幅を60nmとした。この2種類の蛍光体の量を調整することにより、図4Bに示すように従来技術とほぼ同じ色度座標x=0.338、y=0.338が得られた。このとき、一般的に、変換効率の高い発光スペクトルを得るために、スペクトルの色再現性である平均演色指数を犠牲にして効率を向上させる手法もあるが、本発明に置いては、従来技術と同等以上の平均演色指数が得られていることがわかる。なお、図4Aの従来技術のスペクトルは公知のパラメータを用いて発明者が計算した結果である。図4Aの本発明のスペクトルでは、従来技術のスペクトルと比較し、波長680nm以上の光がほとんど放射されていない。以上のことから、本発明により、従来の発光装置と比較し、発光装置の平均演色指数を低下させることなしに発光装置の発光効率を向上させることができることがわかる。
上記の構成および製造方法により、発光装置1を構成する蛍光体がガスおよび水分に弱い材料であっても、蛍光体を容易にガスバリア性の高いパッケージ10内の空間(パッケージ10とキャップ部材50との間の空間)に封止することができ、蛍光体が劣化するのを抑えることができる。
なお、本実施形態において、蛍光体含有樹脂40としてInPとZnSで構成されたコア・シェル型の量子ドット蛍光体を挙げたがこの限りでない。例えば直径がナノサイズである化合物半導体の蛍光体でもよく、例えば、InP、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、GaN、AlN、GaAs、InAs、AlAs、GaP、などの化合物半導体で蛍光体を構成してもよい。また、コア・シェル型の量子ドット蛍光体であれば、上記の化合物半導体から2種類を選択して構成してもよい。また上記化合物半導体にCe、Eu、Mn、Tm等の希土類元素が添加された希土類賦活量子ドット蛍光体でもよい。
また、本実施形態において、蛍光体含有樹脂40中の蛍光体を2種類としたが、1種類以上の蛍光体を含有すればこの限りではない。また、蛍光体含有樹脂40の樹脂材料としてアクリルをあげたがこの限りでない。蛍光体含有樹脂40の樹脂材料は、例えば、シリコーンやエポキシ等の透明樹脂でもかまわない。また、キャップ部材50の材料としてガラスをあげたがこの限りでない。例えばガスバリア性を持たせるために厚みを所定のものにした、アクリル、エポキシ、シリコーン等の透明樹脂でキャップ部材50を構成してもよい。
また、本実施形態において、接着部20a、20bを金スズ合金としたが、この限りではない。接着部20a、20bに、例えば、銀ペースト等の材料を用いることで容易に発光装置1を製造することができる。
また、本実施形態において、蛍光体含有樹脂40の樹脂を紫外線硬化型アクリル樹脂としたがこの限りではない。蛍光体含有樹脂40の樹脂に、例えば、2液性のエポキシや2液性のシリコーン等を用いて、室温~100℃程度の低温で硬化させてもよい。また、蛍光体の耐熱性に応じて、1液性のエポキシやシリコーンを蛍光体含有樹脂40の樹脂に用いて150℃程度で硬化させてもよい。
(第2の実施形態)
続いて、本発明の第2の実施形態に係る発光装置について、図5~図7Dを参照しながら説明する。本実施形態の発光装置は第1の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
続いて、本発明の第2の実施形態に係る発光装置について、図5~図7Dを参照しながら説明する。本実施形態の発光装置は第1の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
まず、本発明の第2の実施形態に係る発光装置の構成について、図5を参照しながら説明する。
図5は、本実施形態に係る発光装置100の構成を示す断面図である。
発光装置100は、半導体発光素子5、パッケージ10、接着部20a、20b、シーリング部材30、蛍光体含有樹脂40およびキャップ部材50から構成されている。そして、パッケージ10は、基材11、ビア配線12a、12b、裏面電極13a、13b、表面電極14a、14bおよび反射膜16から構成されている。例えば、シーリング部材30で封止された空間には、気体により形成される空隙(気泡)35が形成されている。そして、空隙35は例えば酸素以外の気体もしくは真空で構成されている。例えば、キャップ部材50およびパッケージ10の少なくともいずれか一方の半導体発光素子5に対する表面(キャップ部材50の凹部に対向する表面ならびにパッケージ10の凹部の底面および側面)が撥水処理されている。
パッケージ10では、半導体発光素子5を配置するためと、後述するすように気泡を凹部内の周辺部に逃がして空隙35を形成するための逃げ形状を形成するため、基材11は凹部内の斜面の上部の開口部付近に1つの段差部15を有するように形成されている。凹部の底面、段差部15および斜面には半導体発光素子5から出射された光および蛍光体含有樹脂40から出射された蛍光を反射するための反射膜16が形成されている。また反射膜16表面は、後述するように、樹脂をはじき易いようにフッ素樹脂などにより撥水処理がなされている。凹部の底面には、半導体発光素子5へ電気を供給するための表面電極14a、14bが形成され、表面電極14a、14bは基材11に埋め込まれたビア配線12a、12bを通じて、基材11の裏面に形成された裏面電極13a、13bに接続されている。
本実施形態の半導体発光素子5は、第1の実施形態の半導体発光素子5と構成はほぼ同じであるが、パッケージ10への実装方法が第1の実施形態とは大きく異なる。
本実施形態の半導体発光素子5は、例えば、サファイア基板、シリコンカーバイド(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板などの透明基板上に窒化物半導体層が成膜された発光ダイオードである。本実施形態の半導体発光素子5は、波長が350~500nmの光を出射する半導体発光ダイオードである。本実施形態の半導体発光素子5は、バンプ接合によりいわゆるフェースダウン実装される。具体的には、表面電極14a、14bに配置されたバンプ電極により、表面電極14a、14bとP型窒化物半導体層およびN型窒化物半導体層とが電気的に接続され、外部より半導体発光素子5に電気が供給される。
パッケージ10の周辺の縁部分の最上部の上には例えばエポキシ接着剤等であるシーリング部材30が配置されている。シーリング部材30は、半導体発光素子5を覆うように配置された蛍光体含有樹脂40、つまり例えばアクリル等の透明樹脂もしくはガラスで構成されたキャップ部材50とパッケージ10との間の空間(キャップ部材50で覆われた基材11の凹部内の空間)を封止している。このとき、キャップ部材50の蛍光体含有樹脂40側の表面は、例えばフッ素樹脂等により撥水処理されている。また、蛍光体含有樹脂40は、凹部側面の2段凹部上部において例えばほとんどが窒素成分である空隙35が発生するように配置されている。
続いて図6を用いて、本実施形態の発光装置100の動作について説明する。
図6は、発光装置100の動作(光の出射方向)を説明するための断面図である。図6において、半導体発光素子5からピーク波長がおよそ450nmの出射光161が放射される。出射光161は蛍光体含有樹脂40を通過する際、一部は蛍光体により蛍光162に変換される。出射光161および蛍光162は、直接もしくは、反射膜16で反射されて、パッケージ10外部に放射される。このとき出射光161および蛍光162は、ほとんどが半導体発光素子5の上方を通過するため、周辺部分に配置された空隙35において、屈折率差等により光の放射が妨害されることはない。
続いて図7A~図7Dを用いて、本実施形態の発光装置100の製造方法について説明する。
図7A~図7Dは、本実施形態に係る発光装置100の製造方法を示す断面図である。
まず、パッケージ10を準備し、パッケージ10の凹部にある表面電極14a、14b上に、例えばバンプで形成された、例えば金スズ(AuSn)合金である接着部20a、20bを形成する(図7A)。
続いて、半導体発光素子5の表面に形成された図示しない金(Au)層のp型電極とn型電極を、接着部20a、20bと位置あわせし、圧着加熱により接着部20a、20bを介してパッケージ10に接着させて半導体発光素子5を実装する。引き続き、パッケージ10の凹部内の反射膜16に例えば電着等によりフッ素樹脂などを形成する(図7B)。
続いてパッケージ10の周辺の縁部分の最上部の上に、例えば紫外線硬化型エポキシ接着剤等であるシーリング部材30をポッティングにより凹部を囲うように形成(塗布)する。
続いて、パッケージ10を例えば窒素雰囲気中などの酸素がほとんど存在しない雰囲気中に設置した後、パッケージ10の凹部に半導体発光素子5を埋め(凹部内で半導体発光素子5を被覆し)、凹部を満たすように、2種類の量子ドット蛍光体が混合された紫外線硬化型アクリル樹脂である蛍光体含有樹脂40を滴下する(図7C)。このとき、蛍光体含有樹脂40は、凹部の体積と比較して少ない量を滴下し、凹部を完全に充填しないようにする。
続いて、アクリル等の透明樹脂もしくはガラス等のキャップ部材50をパッケージ10の上方から設置する。アクリル等の透明樹脂の表面は撥水処理が施されている。このとき、蛍光体含有樹脂40は凹部の体積よりも少ないため凹部内に空隙35が発生するが、空隙35は蛍光体含有樹脂40の表面張力によりパッケージ10の側面(凹部の側面)側に配置される。
続いて、キャップ部材50を介してシーリング部材30と蛍光体含有樹脂40に紫外線を照射することによりシーリング部材30と蛍光体含有樹脂40を硬化させる(図7D)。これにより、図5の発光装置100が完成する。
図7A~図7Dの製造方法により、蛍光体含有樹脂40の体積を凹部の体積よりも少なくできる。従って、蛍光体含有樹脂40を滴下する際の滴下量のばらつきにより蛍光体含有樹脂40の体積が凹部の体積よりも多くなり、キャップ部材50をパッケージ10に接着させる際に、過剰な蛍光体含有樹脂40がシーリング部材30の位置まで侵入することを抑えることができる。その結果、キャップ部材50とパッケージ10との接着強度を低下させ、発光装置の気密性が低下することを抑えることができる。
また、発光装置100の長期保存および動作中に、キャップ部材50もしくはシーリング部材30を透過するわずかな酸素を分圧効果により凹部周辺の空隙35に集めることができる。その結果、酸素が蛍光体含有樹脂に進入し、蛍光体を劣化させることを抑えることができる。
なお、本実施形態において、パッケージ10の反射膜16に撥水処理を施したが、例えば、必要に応じて蛍光体含有樹脂40と接するアクリル等の透明樹脂の基材11の表面に撥水処理が施されてもよい。
(第3の実施形態)
続いて、本発明の第3の実施形態に係る発光装置について、図8および図9を参照しながら説明する。本実施形態の発光装置は第1の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
続いて、本発明の第3の実施形態に係る発光装置について、図8および図9を参照しながら説明する。本実施形態の発光装置は第1の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
まず、本発明の第3の実施形態に係る発光装置の構成について、図8を参照しながら説明する。
図8は、本実施形態に係る発光装置200の構成を示す断面図である。
発光装置200は、半導体発光素子5、パッケージ10、接着部20、ボンディングワイヤー25a、25b、シーリング部材30、蛍光体含有樹脂40およびキャップ部材50から構成されている。そして、パッケージ10は、基材11、ビア配線12a、12b、裏面電極13a、13b、表面電極14a、14bおよび反射膜16から構成されている。
発光装置200と第1の実施形態の発光装置1との違いは、第2の実施形態で示した空隙35の存在とその位置である。本実施形態において空隙35は凹部の下部に配置される。この構成により半導体発光素子5および蛍光体含有樹脂40から放射される出射光および蛍光が発光装置200から外部へ導かれる際に、空隙35における屈折率差により悪影響を受けることを低減させることができる。
続いて図9を用いて本実施形態の発光装置200の製造方法について述べる。
図9は、本実施形態に係る発光装置200の製造方法を示す断面図である。本実施形態の製造方法と第2の実施形態の製造方法との異なる点は、キャップ部材50をパッケージ10に配置した後の紫外線硬化の工程の内容である。本実施形態の製造方法ではシーリング部材30および蛍光体含有樹脂40の紫外線硬化時にパッケージ10に対してキャップ部材50が下側になるように配置し、つまりキャップ部材50に向かう力が重力として蛍光体含有樹脂40にかかるように配置し、下側より紫外線を照射する(図9)。この方法により空隙35を凹部下部に配置させることができる。
(第4の実施形態)
続いて、本発明の第4の実施形態に係る発光装置について、図10~図13を参照しながら説明する。本実施形態の発光装置は第2の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。本実施形態の発光装置の特徴は蛍光体が含まれた層を多層構造で発光装置内に形成することであり、この構成によりより自由に蛍光体材料を選択できるようになる。
続いて、本発明の第4の実施形態に係る発光装置について、図10~図13を参照しながら説明する。本実施形態の発光装置は第2の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。本実施形態の発光装置の特徴は蛍光体が含まれた層を多層構造で発光装置内に形成することであり、この構成によりより自由に蛍光体材料を選択できるようになる。
まず、本発明の第4の実施形態に係る発光装置の構成について、図10を参照しながら説明する。
図10は、本実施形態に係る発光装置300の構成を示す断面図である。
発光装置300は、半導体発光素子5、パッケージ10、接着部20a、20b、シーリング部材30、第1の蛍光体含有樹脂41、第2の蛍光体含有樹脂42およびキャップ部材50から構成されている。そして、パッケージ10は、基材11、ビア配線12a、12b、裏面電極13a、13b、表面電極14a、14bおよび反射膜16から構成されている。蛍光体は、第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42の異なる樹脂材料に混合されている。例えば第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42の少なくとも一方の蛍光体は、複数種類の蛍光体粒子により構成される。例えば第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42の少なくとも一方の蛍光体は、量子ドット蛍光体である。例えば第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42の少なくとも一方の複数種類の蛍光体がシーリング部材30で封止された空間に封入される。例えば第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42の少なくとも一方の蛍光体の少なくとも1種類は希土類賦活蛍光体材料で構成される。
本実施形態において、第1の蛍光体含有樹脂41とキャップ部材50との間に第2の蛍光体含有樹脂42が配置される。言い換えると、キャップ部材50とパッケージ10との間の凹部内の空間に、複数種類の蛍光体含有樹脂として第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42が配置される。この構成により異なる蛍光体を層構造で凹部内の異なる領域で形成することができるためより発光装置300の発光スペクトルを自由に設計することができる。
本実施形態において、第2の蛍光体含有樹脂42の蛍光体を例えばYAG:Ceのような希土類賦活蛍光体とし、第1の蛍光体含有樹脂41の蛍光体を例えばInP/ZnSのような量子ドット蛍光体とできる。この構成をもとに発光装置300の発光スペクトルを設計した例(計算した結果)が図11Aである。量子ドット蛍光体は、発光ピーク波長を625nm、スペクトル半値幅を50nmとした。蛍光体を調整することにより、図11Bに示すように、色度座標がx=0.336、y=0.333で、平均演色指数が92を得ることができる。従って、本発明により、平均演色指数が従来技術とほぼ同じでありながら、波長680nm以上の光を大幅に低減できることがわかる。
続いて図12を用いて本実施形態の発光装置300の製造方法について説明する。
図12は、本実施形態に係る発光装置300の製造方法を示す断面図である。本実施形態の製造方法において、キャップ部材50としては、希土類蛍光体を含有し硬化させた第2の蛍光体含有樹脂42があらかじめ表面に形成された透明部材を用いる。このとき第2の蛍光体含有樹脂42付きキャップ部材50は大気中で製造することができる。このようなキャップ部材50を用いて第1~3の実施形態と同様に第1の蛍光体含有樹脂41および第2の蛍光体含有樹脂42を気密封止することができる。
続いて図13を用いて本実施形態の変形例を説明する。本変形例において、本実施形態と異なる点は、第2の蛍光体含有樹脂42が半導体発光素子5を覆うように配置されていることである。本変形例の構成を用いることにより、発光スペクトルは本実施形態と同等の設計ができるが、半導体発光素子5の光出力や発熱量に応じて、より第1の蛍光体含有樹脂41と第2の蛍光体含有樹脂42の配置をより柔軟に行うことができる。また本変形例の製造方法において、第1の蛍光体含有樹脂41と第2の蛍光体含有樹脂42の形成方法は、例えば、図7Cにおいて、まず第2の蛍光体含有樹脂42を適量滴下して硬化させた後、第1の蛍光体含有樹脂41を滴下して、キャップ部材50で封止する。このように、本変形例の製造方法により容易に発光装置の蛍光体が含まれた層を多層化することができる。
(第5の実施形態)
続いて、本発明の第5の実施形態に係る発光装置について、図14を参照しながら説明する。本実施の形態の発光装置は第2の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
続いて、本発明の第5の実施形態に係る発光装置について、図14を参照しながら説明する。本実施の形態の発光装置は第2の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
図14は、本実施形態に係る発光装置400の構成を示す断面図である。
発光装置400は、複数の半導体発光素子5、パッケージ10、接着部20a、20b、シーリング部材30、蛍光体含有樹脂40およびキャップ部材50から構成されている。そして、パッケージ10は、基材11、ビア配線12a、12b、裏面電極13a、13b、表面電極14a、14bおよび反射膜16から構成されている。
発光装置400には、複数の半導体発光素子5が実装されている。本実施形態において半導体発光素子5の数を増やすことができるため、発光装置400の光出力を大きくすることができる。一方、キャップ部材50から進入してくるガス量も大きくなるが第1の実施形態で説明した設計パラメータを活用することで、キャップ部材50から進入してくるガス量をコントロールでき、蛍光体の劣化を抑制し、発光装置400の特性が低下することを抑えることができる。
また本実施形態においては例えばYAG:Ceのような希土類蛍光体を混合した蛍光体含有樹脂40をキャップ部材50のパッケージ10と対向する面に配置する。この構成によりガスおよび水分に弱い蛍光体のみをパッケージ10の凹部の内部に気密封止することができるため、効率的に発光装置を設計することができる。
(第6の実施形態)
続いて、本発明の第6の実施形態に係る発光装置について、図15を参照しながら説明する。本実施の形態の発光装置は第5の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
続いて、本発明の第6の実施形態に係る発光装置について、図15を参照しながら説明する。本実施の形態の発光装置は第5の実施形態の発光装置と基本的な構成はほぼ同じであるため異なる部分についてのみ説明する。
図15は、本実施形態に係る発光装置500の構成を示す断面図である。
発光装置500は、複数の半導体発光素子5、パッケージ10、接着部20a、20b、シーリング部材30、蛍光体含有樹脂40およびキャップ部材50から構成されている。そして、パッケージ10は、基材11、ビア配線12a、12b、裏面電極13a、13b、表面電極14a、14bおよび反射膜16から構成されている。キャップ部材50には蛍光体が含まれている。
発光装置500は、第5の実施形態に記載したキャップ部材50が透明部材に希土類蛍光体を含有させたものに変更されている点で第5の実施形態の発光装置と異なる。この構成によりキャップ部材50は蛍光体含有樹脂をガスおよび水分から保護するキャップ効果と蛍光体を含有して蛍光を出射する機能の両方を有することができるため、効果的に発光装置を構成することができる。
以上、本発明の発光装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
例えば、上記実施形態において、パッケージに凹部が設けられ、その内部の空間に蛍光体含有樹脂が配置されるとした。しかし、蛍光体含有樹脂がシーリング部材で封止されたパッケージとキャップ部材との間の空間に配置されればこれに限られない。従って、キャップ部材に凹部が形成され、蛍光体含有樹脂はこの凹部の内部の空間に配置されてもよいし、キャップ部材とパッケージとの間に隙間が形成され、蛍光体含有樹脂はこの隙間の空間に配置されてもよい。
本発明は、演色性の良い発光装置を実現することができるため、例えば、家庭用照明器具だけでなく、食料品を展示する展示用照明器具、又は表示映像の鮮明性が必要な大画面型液晶テレビのバックライト光源などに有用である。
1、100、200、300、400、500、1021 発光装置
5 半導体発光素子
10 パッケージ
11 基材
12a、12b ビア配線
13a、13b 裏面電極
14a、14b 表面電極
15 段差部
16 反射膜
20、20a、20b 接着部
25a、25b ボンディングワイヤー
30 シーリング部材
35 空隙
40 蛍光体含有樹脂
41 第1の蛍光体含有樹脂
42 第2の蛍光体含有樹脂
50 キャップ部材
161 出射光
162 蛍光
1022、1023 リードワイヤ
1024 青色発光ダイオード素子
1025 金細線
1026 第一の樹脂
1027 蛍光体
1028 第二の樹脂
1029 アルミナセラミックス基板
1030 壁面部材
5 半導体発光素子
10 パッケージ
11 基材
12a、12b ビア配線
13a、13b 裏面電極
14a、14b 表面電極
15 段差部
16 反射膜
20、20a、20b 接着部
25a、25b ボンディングワイヤー
30 シーリング部材
35 空隙
40 蛍光体含有樹脂
41 第1の蛍光体含有樹脂
42 第2の蛍光体含有樹脂
50 キャップ部材
161 出射光
162 蛍光
1022、1023 リードワイヤ
1024 青色発光ダイオード素子
1025 金細線
1026 第一の樹脂
1027 蛍光体
1028 第二の樹脂
1029 アルミナセラミックス基板
1030 壁面部材
Claims (13)
- パッケージと、
前記パッケージ上に実装された半導体発光素子と、
前記パッケージ上に設けられたキャップ部材と、
前記パッケージと前記キャップ部材との間の空間を封止するシーリング部材と、
前記封止された空間に配置された蛍光体とを備える
発光装置。 - 前記封止された空間に気体により形成される空隙が形成される
請求項1に記載の発光装置。 - 前記空隙が、酸素以外の気体もしくは真空で構成される
請求項2に記載の発光装置。 - 前記パッケージが、セラミック材料に金属配線が埋め込まれた構造である
請求項1~3のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記キャップ部材が、透光性のアクリル樹脂もしくはエポキシ樹脂で構成される
請求項1~4のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記キャップ部材が、透光性のガラスで構成される
請求項1~4のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記キャップ部材および前記パッケージの少なくともいずれか一方の前記半導体発光素子に対する表面が撥水処理されている
請求項1~6のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記蛍光体が複数種類の蛍光体粒子により構成される
請求項1~6のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記蛍光体が量子ドット蛍光体である
請求項1~7のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記複数種類の蛍光体粒子が、前記封止された空間に封入される
請求項8に記載の発光装置。 - 前記蛍光体の少なくとも1種類は希土類賦活蛍光体材料で構成される
請求項1~9のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記蛍光体が、異なる樹脂材料に混合される
請求項1~10のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記キャップ部材には蛍光体が含まれる
請求項1~10のいずれか1項に記載の発光装置。
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