(57)【要約】【課題】封止樹脂に用いるフィラーの最適化【解決手段】発光装置１００は、白色の樹脂からなる筐体部１０の上部の凹部に、青色ＬＥＤ２０とツェナーダイオード２５を配置し、各々金から成るボンディングワイヤ３０で配線層と導通させたものである。また、筐体部１０の凹部には、樹脂組成物の硬化物（封止樹脂）４０が充填されている。封止樹脂４０は、熱硬化性の透光性樹脂に、第１のフィラー、第２のフィラー、蛍光体をそれぞれ所定量配合して、ミキサで十分に攪拌したのち充填され、１５０℃１時間の加熱で熱硬化されたものである。第１のフィラーとして、平均粒径ｄ５０が２１．８μｍのシリカを３０ｗｔ％、第２のフィラーとして、平均粒径ｄ５０が０．０１４μｍのシリカを１ｗｔ％、黄色蛍光体を５ｗｔ％用いた。【選択図】図１．Ｂ
2010080620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂組成物により封止された発光素子を有する発光装置であって、
前記樹脂組成物は、
硬化後にショアＡが６０以下となる透光性樹脂と、
累積重量が５０％となる粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下である第１のフィラーと、
累積重量が５０％となる粒径が０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である第２のフィラーと、
累積重量が５０％となる粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下である蛍光体粒子とを有し、
前記第１のフィラーの前記樹脂組成物に対する重量比は２０％以上４０％以下であり、
前記第２のフィラーの前記樹脂組成物に対する重量比は０．５％以上２％以下であり、
前記蛍光体粒子の前記樹脂組成物に対する重量比は４％以上３０％以下であって第１のフィラーの重量比以下であり、
前記第１のフィラー及び前記蛍光体粒子の前記樹脂組成物に対する重量比の合計は、２５％以上７２％以下であることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記第１のフィラーと前記第２のフィラーはいずれもシリカであり、前記透光性樹脂はシリコーンであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記樹脂組成物が、更に、光反射性又は不透光性の粒子を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記発光素子は、III族窒化物系化合物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記発光素子の発光の色調と、前記発光素子の発光が前記蛍光体粒子により波長変換された光の色調とが補色の関係にあり、白色光を発することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子が樹脂組成物により封止された発光装置に関する。本発明は特にIII族窒化物系化合物半導体発光素子が樹脂組成物により封止された発光装置に関する。本発明は更には、当該樹脂組成物に蛍光体粒子が分散されることにより、III族窒化物系化合物半導体発光素子本来の発光色から、白色その他の色調に変化させた発光装置に関する。
以下において、III族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化やｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ又はＴｌ、或いは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉで置換したものをも含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は、発光装置に組み込む際、ワイヤボンディングその他の配線の保護及び発光素子自体の保護のために樹脂封止されることが一般的である。
III族窒化物系化合物半導体発光素子においては、当初、安価なエポキシ樹脂により封止されることが多かった。しかし近年、III族窒化物系化合物半導体発光素子の高発光化に伴い、比較的大きな電力で使用されるようになると、熱及び光により、封止樹脂が劣化することが問題となってきた。エポキシ樹脂の場合、劣化により樹脂が黄色に着色する問題が発生する。そこで、熱及び光によっては透過率が変化しない、例えばシリコーンが好まれるようになった。シリコーンは、その分子骨格自体及び添加する粒状物（以下、単にフィラーと言う）により硬化後の樹脂の硬さ及び線膨張係数を調整することが比較的容易である。尚、分子骨格自体を調整した硬化後の硬度が高いシリコーンを単独で用いることは、一般的にヤング率が高く、また、線膨張係数が高いため、内部応力が大きくなり、好ましくない。
【０００３】
硬化後の封止樹脂の硬さは、次の点から調整することが必要である。
まず、硬さが低過ぎる場合、外力により容易に変形するため、外力により封止された半導体発光素子を保護する能力が劣る。これにより半導体発光素子が損傷する恐れがある。
硬さが高過ぎる場合、外力に対する保護は問題ないが、特に樹脂の分子骨格自体を調整して硬化後の硬度を高くする樹脂の場合には、ヤング率が高く、また、線膨張係数が高いため、熱応力が加わった場合、半導体発光素子の配線基板とのワイヤボンディングその他の接続部に断線が生じやすくなる。
【０００４】
この他、III族窒化物系化合物半導体発光素子を用いた白色発光装置を形成する場合には、蛍光体を封止樹脂に添加する必要があるが、この際に色ムラを改善する必要がある。これは、硬化した封止樹脂全体の形状が球又は半球で無いことが多く、発光素子から封止樹脂外部への光路に差が生じやすいためである。端的には、発光素子から上に向う光の光路は短く、その間に蛍光体に到達する割合は低くなる。一方、発光素子から水平方向に向う光の光路は長く、その間に蛍光体に到達する割合は高くなる。こうして、発光素子本来の発光と、蛍光体による色調変換後の発光が混合して所望の発光色調として設計された発光装置は、視認角度によって、蛍光体からの発光と発光素子からの直接光との混合比が異なることになる。即ち、視認角度によって、色調が異なる。
以上の観点から封止樹脂とフィラーについて、例えば重量比については下記特許文献１及び２に記載がある。
【特許文献１】特開２００５−０９３７１２号公報
【特許文献２】特開２００６−０２４７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、透光性樹脂にフィラーを分散させる際、１種類のフィラーではなく、粒径の大きく異なる複数のフィラーを分散させることで、硬化後に適切な硬度を示し、且つ硬化終了までの封止作業中に分散させたフィラーが凝集しないような混合比を鋭意検討した。
また、合わせて、高発光効率のIII族窒化物系化合物半導体発光素子を、高価な低電流回路を用いずに、微弱発光させる目的でフィラーを検討した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、樹脂組成物により封止された発光素子を有する発光装置であって、樹脂組成物は、硬化後にショアＡが６０以下となる透光性樹脂と、累積重量が５０％となる粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下である第１のフィラーと、累積重量が５０％となる粒径が０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である第２のフィラーと、累積重量が５０％となる粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下である蛍光体粒子とを有し、第１のフィラーの樹脂組成物に対する重量比は２０％以上４０％以下であり、第２のフィラーの樹脂組成物に対する重量比は０．５％以上２％以下であり、蛍光体粒子の樹脂組成物に対する重量比は４％以上３０％以下であって第１のフィラーの重量比以下であり、第１のフィラー及び蛍光体粒子の樹脂組成物に対する重量比の合計は、２５％以上７２％以下であることを特徴とする。
尚、ショアＡ６０以下とは、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４６に言うショア硬さ試験法による数値が６０以下であることを意味する。
【０００７】
請求項２に係る発明は、第１のフィラーと第２のフィラーはいずれもシリカであり、透光性樹脂はシリコーンであることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、樹脂組成物が、更に、光反射性又は不透光性の粒子を含むことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、発光素子は、III族窒化物系化合物半導体発光素子であることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、発光素子の発光の色調と、発光素子の発光が蛍光体粒子により波長変換された光の色調とが補色の関係にあり、発光装置が白色光を発することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
単体では硬化後の硬度の低い透光性樹脂に、フィラーを添加して樹脂組成物とし、硬化後の全体の硬度を上昇させる。線膨張係数は減少するため、熱応力が加わった場合の内部応力は減少する。この際、フィラーとしては、蛍光体を分散させた後、硬化終了までに沈降しないように、粒径の小さなフィラーを第２のフィラーとして比較的小量加える。蛍光体と第１のフィラーの添加量が合計２５％以上であると、以下に示す実験結果のように、第２のフィラーが十分に分散し、第２のフィラーが凝集しない。これは、透光性樹脂中に蛍光体と第１及び第２のフィラーを分散させるために攪拌する際、粒径が大きな蛍光体と第１のフィラーが、第２のフィラーの塊を解砕するためであると考えられる。即ち、単に攪拌するのみでは、粒径の小さな第２のフィラーは凝集物が生じて、均一分散させることが困難であるが、粒径が大きな蛍光体と第１のフィラーが一定割合以上存在すると当該凝集物を容易に解砕し、第２のフィラーを個々の粒子に砕くからであると理由付けられる。
こうして、粒径と重量比を最適化した本願発明によれば、樹脂組成物中の蛍光体の均一分散ができるので、発光素子を点灯した場合に当該樹脂組成物全体が発光しているものと視認され、樹脂組成物全体の明るさと色合いが均一となる。
【０００９】
更に、光反射性又は不透光性の粒子を含むことで、光度を低くした発光装置が形成できる。この場合、例えば１ｍＡ以下の電流を安定して供給するような、高価な低電流回路を必要としない。
また、光反射性又は不透光性の粒子により、硬化後の樹脂組成物内部で発光素子や蛍光体から発せられる光の反射が多くなり、当該樹脂組成物全体が発光しているものと視認され、樹脂組成物全体の明るさと色合いが均一となる。
また、白色発光装置において、当該光反射性又は不透光性の粒子として白色粒子を用いた場合、蛍光体粒子の濃度を低くすることができる。これにより、発光装置の非点灯時の色調をより白くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施には公知の様々な透光性樹脂、フィラー、蛍光体粒子を用いることができるが、特に好ましいものを挙げると次のようになる。
透光性樹脂としては、いわゆるポッティング材料として用いられる任意の透光性樹脂を用いて良いが、熱硬化可能な官能基を側鎖又は末端に有するシリコーンが好ましい。
フィラーは透光性樹脂に合わせて容易に分散するフィラーを選択する。透光性樹脂をシリコーンとした場合は、特にシリカが好ましい。尚、シリカはその表面をシランカップリング剤で処理したものを用いても処理しないものを用いても良い。或いは、若干のシリコーンオイルを付着させたシリカを用いても良い。
光反射性又は不透光性の粒子を用いる場合は、微粉体の白色顔料を用いると良い。この場合、亜鉛華や酸化チタンが安価であり、好ましい。
【００１１】
以下に示す実施例では、いわゆるフェイスアップタイプの青色ＬＥＤを用いてワイヤボンディングを行う、トップビュータイプの表面実装部品（ＳＭＤ）を示すが、フリップチップタイプのＬＥＤを用いても良く、また、サイドビュータイプ、砲弾タイプ、チップオンボード（ＣＯＢ）タイプ等、任意のパッケージ方法に適用できる。
透光性樹脂は、単独で硬化させたときの硬度が低いものが好ましく、ショアＡが６０以下、より好ましくは５０未満が好ましい。
フィラーの形状は特に限定されない。破砕状、球状、鱗片状、棒状、繊維状のいずれでも良い。下記に示す白色フィラーを除き、本発明の実施に用いる第１及び第２のフィラーは透光性のあるものが好ましい。特にシリカ、ガラス、タルク、その他樹脂材料を用いて良い。また、熱硬化性の透光性樹脂に添加することから、例えば１５０℃以上の耐熱性を有することが好ましい。
透光性樹脂とフィラー及び蛍光体の混合分散には、任意の技術を用いて良い。例えば自転公転型の攪拌機、押出機、射出成形機、３本ロールによる混練を用いることができる。
透光性樹脂の硬化機構は、熱硬化のほか、紫外線硬化でも良い。
本発明の樹脂組成物で発光素子を封止したのち、更に樹脂で封止又は被膜を形成しても良い。
【００１２】
以下の実施例の説明では、平均粒径として「ｄ５０」の数値で記載する。本明細書においてｄ５０とは、累積重量が５０％となる粒子の粒径を、当該粉体の粒径の代表値として示すものである。即ち、例えばフィラーのｄ５０が２０μｍである、とは当該フィラーの粒子は、粒径２０μｍを境に、同重量ずつ存在するような混合体である。
このような累積重量が５０％となる粒子の粒径であるｄ５０は、市販の粒度分布測定装置で容易に測定することができる。例えば、堀場製作所のレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置、アイシンナノテクノロジーズの粒度分布測定装置である。
【００１３】
以下、同じIII族窒化物系化合物半導体発光素子（青色ＬＥＤ）と、青色光を黄色光に変換する蛍光体粒子（ｄ５０が約２０μｍのもの）を用い、第１及び第２フィラーの添加量を変えて３つの評価を行った。各々、実施例１、実施例２及び実施例３として示す。
第１のフィラーとしては、平均粒径ｄ５０が２１．８μｍ、比表面積が１．３ｍ2／ｇの表面処理済みシリカを用いた。
第２のフィラーとしては、平均粒径ｄ５０が０．０１４μｍ、比表面積が１５０ｍ2／ｇのシリコーンオイル含漬シリカを用いた。
透光性樹脂としては、単独で硬化させた時のショアＡが４０の熱硬化性シリコーンを用いた。
【００１４】
図１．Ａは、各実施例の評価の際に用いた発光装置１００の平面図、図１．Ｂは断面図である。
発光装置１００は、白色の樹脂からなる筐体部１０の上部の凹部に、青色ＬＥＤ２０とツェナーダイオード２５を配置し、各々金から成るボンディングワイヤ３０で配線層と導通させたものである。また、筐体部１０の凹部には、樹脂組成物の硬化物（封止樹脂）４０が充填されている。封止樹脂４０は、熱硬化性の透光性樹脂に、第１のフィラー、第２のフィラー、蛍光体をそれぞれ所定量配合して、ミキサで十分に攪拌したのち充填され、１５０℃１時間の加熱で熱硬化されたものである。
発光装置１００の筐体部１０の封止樹脂４０の形状は、直径約２．５ｍｍ、高さ１ｍｍの反転した円錐台状になっている。
【実施例１】
【００１５】
まず、外力を加えた際のボンディングワイヤの変形の発生の有無を調べた。
直径１．５ｍｍの棒状の治具を用い、硬化した封止樹脂上面中央付近に５００ｇの加重を３秒間加えて、ボンディングワイヤが変形したかどうかを見た。３つの実施例（ｅｘ１−１、ｅｘ１−２、ｅｘ１−３）を２つの比較例（ｒｅｆ１−１、ｒｅｆ１−２）と共に表１に示す。
表１に示す通り、蛍光体粒子と第１のフィラーの添加量の合計が２５ｗｔ％以上の場合（ｅｘ１−１〜３）に、ボンディングワイヤに変形が生じなかった。
【表１】
2010080620.tif 000003
【実施例２】
【００１６】
次に分散性の良否を、硬化前の樹脂組成物を筐体部１０の凹部に充填するポッティング時に用いる、内径０．３ｍｍのノズルが詰まるかどうかで評価した。３つの実施例（ｅｘ２−１、ｅｘ２−２、ｅｘ２−３、ｅｘ２−４、ｅｘ２−５）を４つの比較例（ｒｅｆ２−１、ｒｅｆ２−２、ｒｅｆ２−３、ｒｅｆ２−４）と共に表２に示す。
表２に示す通り、蛍光体と第１のフィラーの添加量が、３０ｗｔ％以上（ｅｘ２−２〜５）で、１００個の発光装置１００を製造した場合（１００回のポッティングの際）に、１度も詰まりが生じなかった。
また、蛍光体と第１のフィラーの添加量が、２５ｗｔ％（ｅｘ２−１）では、１００個の発光装置１００を製造した場合（１００回のポッティングの際）に、３度のつまりが生じた。
また、蛍光体と第１のフィラーの添加量が、２０ｗｔ％以下（ｒｅｆ２−１〜４）では、１００個の発光装置１００を製造した場合（１００回のポッティングの際）に、４度以上のつまりが生じた。
【表２】
2010080620.tif 000004
【実施例３】
【００１７】
次に、反射性又は不透光性の白色フィラーを追加的に加えることを評価した。白色フィラーとしては、平均粒径ｄ５０が０．２μｍの、酸化チタンを用いた。２つの実施例（ｅｘ３−１、ｅｘ３−２）を１つの比較例（ｒｅｆ３−１）と共に表３に示す。
表３に示す通り、白色フィラーを５ｗｔ％、蛍光体を２．５ｗｔ％とした場合に、光度を２０％まで低下させることができた。これは、例えば白色フィラーを用いないｒｅｆ３−１の場合に２ｍＡの電流回路を用いる発光装置は、ｅｘ３−２のような添加物の構成の封止樹脂４０とすることで、同じ電流回路を用いて光度を１／５に減らすことができることを意味する。１ｍＡ以下の低電流領域は、発光素子の電流−電圧特性の立ち上がり電圧付近における電流値となるため、発光素子の特性がばらつく。よって上記の構成をとることで、低電流用の発光装置の歩留りを向上させることが可能となる。
【表３】
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【００１８】
また、白色フィラーを添加することで、同じ白色を得るために蛍光体の量を減らすことができた。ここで「同じ白色を得る」ために、表３におけるサンプルは全て、色温度７０００Ｋ、色度Ｃｘ＝０．３１、Ｃｙ＝０．３１になるように蛍光体量を調整した。
これは、青色ＬＥＤ１０からの青色光が白色フィラーで乱反射されることにより、白色を得るために必要な黄色蛍光体量が少なくなったからである。蛍光体量が多いと、発光装置が非点灯時にも封止樹脂４０が黄色に着色して見えるが、白色フィラーを添加すると、発光装置の封止樹脂４０は、青色ＬＥＤ１０の非点灯時も白色であった。この他、白色フィラーを添加すると、紫外線の検出が無くなった。また、発光装置１００の点灯時に、色バラつきなく封止樹脂４０全体が均一に視認された。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１．Ａ】本発明の具体的な一実施例に係る発光装置１００の平面図。
【図１．Ｂ】本発明の具体的な一実施例に係る発光装置１００の断面図。
【符号の説明】
【００２０】
１００：発光装置
１０：筐体部
２０：青色ＬＥＤ（III族窒化物系化合物半導体発光素子）
２５：ツェナーダイオード
３０：金から成るボンディングワイヤ
４０：封止樹脂（硬化させた樹脂組成物）
【図１．Ａ】
2010080620.tif 000006
【図１．Ｂ】
2010080620.tif 000007