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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-26
(45)【発行日】2024-01-10
(54)【発明の名称】LED発光装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 33/50 20100101AFI20231227BHJP
   H01L 33/58 20100101ALI20231227BHJP
   H01L 33/48 20100101ALI20231227BHJP
   F21V 9/32 20180101ALI20231227BHJP
   F21Y 115/10 20160101ALN20231227BHJP
【FI】
H01L33/50
H01L33/58
H01L33/48
F21V9/32
F21Y115:10 300
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2020017572
(22)【出願日】2020-02-05
(65)【公開番号】P2021125543
(43)【公開日】2021-08-30
【審査請求日】2023-01-20
(73)【特許権者】
【識別番号】000001960
【氏名又は名称】シチズン時計株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000131430
【氏名又は名称】シチズン電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100097043
【弁理士】
【氏名又は名称】浅川 哲
(74)【代理人】
【識別番号】100197996
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 武彦
(72)【発明者】
【氏名】飯野 高史
【審査官】佐竹 政彦
(56)【参考文献】
【文献】特許第5895597(JP,B2)
【文献】特開2016-100449(JP,A)
【文献】特開2009-099715(JP,A)
【文献】特開2011-090903(JP,A)
【文献】国際公開第2019/244958(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 33/48 - 33/64
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一枚の実装基板上に、第1色で発光する複数の第1発光領域と、第2色で発光する複数の第2発光領域とを市松模様状に配列させたLED発光装置において、
前記第1発光領域及び前記第2発光領域のそれぞれに含まれる第1LEDダイ及び第2LEDダイと、前記第1LEDダイと前記第2LEDダイとの間隙に充填される白色樹脂と、前記第1LEDダイ及び前記第2LEDダイのそれぞれの上面を覆う第1蛍光樹脂及び第2蛍光樹脂とを備え、
前記第1LEDダイの上面位置および前記白色樹脂の上面位置は、前記第2LEDダイの上面位置よりも低く前記第1LEDダイの上面および前記白色樹脂の上面と、前記第1LEDダイに隣接した4個の前記第2LEDダイの側面とによって凹部が形成され、この凹部に前記第1蛍光樹脂が充填されていることを特徴とするLED発光装置。
【請求項2】
前記第1蛍光樹脂は、前記第1LEDダイごとに、それぞれ上部に凸な曲面を有していることを特徴とする請求項1に記載のLED発光装置。
【請求項3】
記白色樹脂が前記第2LEDダイの側面を這い上がるように充填されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のLED発光装置。
【請求項4】
前記実装基板は、前記第2LEDダイの直下に、台部を備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のLED発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一枚の実装基板上に第1色で発光する第1発光領域と、第2色で発光する第2発光領域が市松模様状に配列したLED発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一枚の実装基板上に、第1色で発光する複数の微細な第1発光領域と、第2色で発光する複数の微細な第2発光領域とを備え、照明光の色むらを抑制するため、これら2種類の発光領域を市松模様状に配置したLED発光装置が知られている。
【0003】
例えば、特許文献1の図1には、2種類の微細な発光領域を市松模様状に配置し、色むらの改善を図ったLED発光装置が示されている。
【0004】
そこで、特許文献1の図1を本願の図12に引用し、当該LED発光装置(LEDモジュール)について説明する。図12は、従来例として示すLED発光装置100の平面図である。なお、()には、特許文献1で使用されている用語を示す。引用に際し、符号を変更した。
【0005】
図12に示すように、LED発光装置100は、実装基板107(基板)と、複数のLEDダイ105、106(LEDチップ)と、ダム110(枠部)と、コネクタ113を備えている。実装基板107の一面107aに形成された絶縁層108上には、青色で発光するLEDダイ105が直列接続した複数の第1LED列102(第1のLED群)と、赤色で発光するLEDダイ106が直列接続した複数の第2LED列103(第2のLED群)とが実装されている。また、絶縁層108上において、LEDダイ105、106は、ダム110により囲まれ、黄色蛍光体を含有する蛍光樹脂109(透光性樹脂)で被覆されている。すなわち、LED発光装置100は、第1色としてLEDダイ105と黄色蛍光体を含有する蛍光樹脂109により白色発光する微細な第1発光領域と、第2色としてLEDダイ106により赤色発光する微細な第2発光領域を多数備え、これらを市松模様状に配列している。
【0006】
ここで、LED発光装置100は、絶縁層108上に、接続パターン104、配線パターン111、112を備えている。接続パターン104には、第1LED列102のアノード及び第2LED列103のカソードがワイヤ114(ボンディングワイヤ)で接続されている。配線パターン111には、第2LED列103のアノードが、配線パターン112には、第1LED列102のカソードが、それぞれ接続されている。配線パターン111、112は、コネクタ113に接続している。すなわち、コネクタ113から電力を供給する際、配線パターン111、第2LED列103、接続パターン104、第1LED列102、配線パターン112の順で電流が流れ、LEDダイ105、106が点灯する。
【0007】
このとき、LED発光装置100では、LEDダイ105同士を接続するワイヤ114、及びLEDダイ106同士を接続するワイヤ114がジグザグ形状をとっている。このようにして、LED発光装置100は、ワイヤ114同士を交差させないようにしながら、2種類の微細な発光領域を市松模様状に配列し、LEDダイ105及び黄色蛍光体により得られた白色光と、LEDダイ106から得られた赤色光とを均一でムラなく混色している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開2014―203569号公報(図1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
図12に示したLED発光装置100では、実装基板107上にLEDダイ105とLEDダイ106を実装していた。すなわち、LED発光装置100は、製造に当たり、青色で発光するLEDダイ105と赤色で発光するLEDダイ106の2種類のLEDダイを準備しなければならない。
【0010】
2種類のLEDダイ105、106を準備することは製造上の負担になるので、1種類のLEDダイだけで第1発光領域と第2発光領域を構成することが望まれる。このためには、発光色の異なる第1蛍光樹脂と第2蛍光樹脂を準備し、実装基板上にマトリクス配列した一種類のLEDダイに対し、第1発光領域に含まれる第1LEDダイ、第2発光領域に含まれる第2LEDダイとし、第1LEDダイを第1蛍光樹脂、第2LEDダイを第2蛍光樹脂で封止すれば良い。
【0011】
しかしながら、このようなLED発光装置では、小型化及び混色性向上を図ろうとすると、LEDダイ同士を近接させる必要が生じる。この場合、LEDダイ同士を近接されればさせるほど、隣接し合う2つのLEDダイ(第1LEDダイ及び第2LEDダイ)を第1蛍光樹脂と第2蛍光樹脂で封止し分けることが困難になってくる。
【0012】
これに対し、本願発明者は、第1LEDダイの上面に第1蛍光樹脂を個別にスポット印刷するとともに、第2LEDダイの上面を一体的に第2蛍光樹脂で被覆してみた。
【0013】
ところが、第1LEDダイの上面が小面積であり浸潤しないことなどから、スポット印刷された第1蛍光樹脂はドーム状になってしまった。この結果、第1LEDダイの上面において、波長変換効率が不均一になり、所望の発光色(第1色)が得にくくなるとともに混色性が低下した。また、第1LEDダイの上面に第1蛍光樹脂を少量しか配置できないため、十分な波長変換を確保させようとして蛍光体濃度を高くしたところ、濃度消光が起こり、発光効率の低下を招いてしまった。
【0014】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、一枚の実装基板上に、第1色で発光する複数の微細な第1発光領域と、第2色で発光する複数の微細な第2発光領域とを市松模様状に配列させたLED発光装置において、第1発光領域及び第2発光領域を構成する同一種類のLEDダイが近接しても、発光特性の劣化が少ないLED発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記課題を解決するため、本発明のLED発光装置は、一枚の実装基板上に、第1色で発光する複数の第1発光領域と、第2色で発光する複数の第2発光領域とを市松模様状に配列させたLED発光装置において、前記第1発光領域及び前記第2発光領域のそれぞれに含まれる第1LEDダイ及び第2LEDダイと、前記第1LEDダイと前記第2LEDダイとの間隙に充填される白色樹脂と、前記第1LEDダイ及び前記第2LEDダイのそれぞれの上面を覆う第1蛍光樹脂及び第2蛍光樹脂とを備え、前記第1LEDダイの上面位置および前記白色樹脂の上面位置は、前記第2LEDダイの上面位置よりも低く前記第1LEDダイの上面および前記白色樹脂の上面と、前記第1LEDダイに隣接した4個の前記第2LEDダイの側面とによって凹部が形成され、この凹部に前記第1蛍光樹脂が充填されていることを特徴とする。
【0016】
本発明のLED発光装置の発光領域は、微細な発光領域である第1発光領域と第2発光領域の集合体からなる。この発光領域において、第1発光領域と第2発光領域は、平面視
したとき、互いに上下方向及び左右方向で隣接しあい、市松模様配列を構成する。第1発光領域は、1個の第1LEDダイを含み、第1色で発光する。同様に、第2発光領域は、1個の第2LEDダイを含み、第2色で発光する。第1LEDダイの上面は第2LEDダイの上面より低いため、第1LEDダイごとに凹部が形成される。この凹部は、底面が、第1LEDダイの上面を含むとともに、第1LEDダイに隣接した4個の第2LEDダイで囲まれている。第1蛍光樹脂は、この凹部にスポット印刷等により充填される。
【0017】
前記第1蛍光樹脂は、前記第1LEDダイごとに、それぞれ上部に凸な曲面を有していても良い。
【0018】
記白色樹脂が前記第2LEDダイの側面を這い上がるように充填されていても良い。
【0019】
前記実装基板は、前記第2LEDダイの直下に、台部を備えていても良い。
【発明の効果】
【0020】
以上のように、本発明のLED発光装置では、第1発光領域が第1LEDダイの上面を含む凹部に形成される。すなわち、第1蛍光樹脂は、この凹部へ充填されることにより、第1LEDダイの上部に充分な厚さ及び分量が確保される。このようにして、本発明のLED発光装置は、混色性や発光効率の低下を最小限にする。
【0021】
したがって、本発明のLED発光装置は、一枚の実装基板上に、第1色で発光する複数の微細な第1発光領域と、第2色で発光する複数の微細な第2発光領域とを市松模様状に配列させたとき、第1発光領域及び第2発光領域を構成する同一種類のLEDダイが近接しても、発光特性の劣化が少ない。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1】本発明の第1実施形態として示すLED発光装置の平面図である。
図2図1に示すLED発光装置に含まれるLEDダイの平面図である。
図3図1に示すLED発光装置の平面図である。
図4図1に示すLED発光装置の回路図である。
図5図1に示すLED発光装置の部分断面図である。
図6図1に示すLED発光装置の部分平面図である。
図7図1に示すLED発光装置の製造方法のフローチャートである。
図8図7に示された各工程の説明図である。
図9】比較例として示すLED発光装置の部分断面図である。
図10】比較例として示すLED発光装置の部分平面図である。
図11】本発明の第2実施形態として示すLED発光装置の部分断面図である。
図12】従来技術として示すLED発光装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、図1図11を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。説明のため部材の縮尺は適宜変更している。()には、特許請求の範囲で示した発明特定事項を示す。
【0024】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態として示すLED発光装置10の平面図である。図1に示すように、LED発光装置10は、いわゆるCOB(チップオンボード)モジュールであり、実装基板13を備えている。実装基板13には、2つの隅に電源電極19a、19
b、19c、19dが形成されている。さらに、電源電極19a~19dより内側の領域に円環状のダム15が形成されている。ダム15の内側の円形の領域(以下「発光部15a」という)では、第2蛍光樹脂12cが全体的に表面を覆っている。
【0025】
なお、図1では、以後の説明のため、市松模様状に配列している第1発光領域11a及び第2発光領域12aを併せて表示している。第1発光領域11a及び第2発光領域12aは、それぞれ第1色及び第2色で発光する領域であるが、境界は明確ではない。図1では、第1発光領域11a及び第2発光領域12aを便宜的に第1LEDダイ11b(図5参照)及び第2LEDダイ12b(図5参照)の平面形状に等しい正方形で表している。
【0026】
後述するように、第1発光領域11aは、第1LEDダイ11b、第1蛍光樹脂11c及び第2蛍光樹脂12cを含み、第2発光領域12aは、第2LEDダイ12b及び第2蛍光樹脂12cを含む(図5参照)。つまり、LED発光装置10の非点灯時は、第2蛍光樹脂12c及び第1蛍光樹脂11cを通して第1LEDダイ11bが視認されるので、図1において第1発光領域11aを第1LEDダイ11bの平面形状として示した。同様に、LED発光装置10の非点灯時は、第2蛍光樹脂12cを通して第2LEDダイ12bが視認されるので、第2発光領域12aを第2LEDダイ12bの平面形状として示した。これに対し、LED発光装置10の点灯時は、第1発光領域11a及び第2発光領域12aは、正方形の角が取れ、周辺部がぼやけて広がり、丸みを帯びた形状として視認される。
【0027】
さらに、図1では、第1LEDダイ11b同士や第2LEDダイ12b同士を接続するワイヤ14(図3参照、目視可能)を示していない。また、第2蛍光樹脂12cに被覆される第1蛍光樹脂11c(図5参照)も目視されるが図示していない。
【0028】
図2は、LED発光装置10の第1発光領域11aに含まれる第1LEDダイ11bの平面図である。なお、第2発光領域12aに含まれる第2LEDダイ12bは、第1LEDダイ11bと同一特性且つ同一構造(厚みを除く)なので図示していない。第1LEDダイ11bは、平面サイズが0.6mm×0.6mmの青色発光ダイオードであり、図の左上隅にアノード21、右下中央寄りにカソード22を備えている。アノード21は、P層23の上面に形成され、カソード22は、P層23から露出したN層24の上面に形成されている。
【0029】
図3は、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bに係る結線の状況が目視できるよう、第1蛍光樹脂11c、第2蛍光樹脂12c、ダム15、及び白色樹脂16(図5参照)を除去した状態で描いたLED発光装置10の平面図である。なお、図3において、同一サイズ及び同一特性の青色発光ダイオードである第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bとが区別できるよう、第1LEDダイ11bをドットで塗りつぶしている。図3に示すように、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bは、全体として市松模様を構成するようマトリクス配列している。
【0030】
また、図3に示すように、LED発光装置10に含まれる実装基板13上には、電源電極19a~19dと、電源電極19a~19dからそれぞれ弧状に延びた配線電極19e~19hとが形成されている。配線電極19eと電源電極19cとの間、及び電源電極19bと配線電極19hとの間には、それぞれ保護用のツェナーダイオード18a、18bが配置されている。ツェナーダイオード18aは、配線電極19e及び電源電極19cにワイヤ14で接続している。同様に、ツェナーダイオード18bは、配線電極19h及び電源電極19bにワイヤ14で接続している。電源電極19a~19dの一部、配線電極19e~19h、ツェナーダイオード18a、18b、及びワイヤ14の一部は、ダム15で被覆される(図1参照)。
【0031】
また、図3に示すように、発光部15aでは、60個の第1LEDダイ11b及び60個の第2LEDダイ12bが実装されている。60個の第1LEDダイ11bは、12個ずつ直列接続して、5本の第1LED列11d(図4参照)を構成している。同様に、60個の第2LEDダイ12bは、12個ずつ直列接続して、5本の第2LED列12d(図4参照)を構成している。第1LED列11dに属する第1LEDダイ11bは、図の左上から右下に向かって折れ曲がりながら斜行する配置をとる。同様に、第2LED列12dに属する第2LEDダイ12bも、図の左上から右下に向かって折れ曲がりながら斜行する配置をとる。
【0032】
第1LEDダイ11b同士及び第2LEDダイ12b同士は、それぞれワイヤ14で接続されている。図3では、ワイヤ14による結線を分かりやすくするため、第1LED列11dに属するワイヤ14を点線、第2LED列12dに属するワイヤ14を実線で示した。図3に示すように、第1LED列11dに属するワイヤ14と、第2LED列12dに属するワイヤ14とは、平面視したとき、一部分で交差しているように視認される。これは、第1LED列11d及び第2LED列12dに含まれる第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bの直列段数を12段に制限し、第1LED列11d及び第2LED列12dを比較的低い電圧(例えば、2.7(V)×12(段)=32.4(V))で点灯できるようにしたためであり、LED発光装置10の取り扱い易さに配慮した結果である。
【0033】
なお、第1LED列11dにおいて、図の上側の端部に配された第1LEDダイ11bのアノード21(図2参照)は、配線電極19eと接続し、図の下側の端部に配された第1LEDダイ11bのカソード22(図2参照)は、配線電極19gと接続する。同様に、第2LED列12dにおいて、図の上側の端部に配された第2LEDダイ12bのアノード21は、配線電極19fと接続し、図の下側の端部に配された第2LEDダイ12bのカソード22は、配線電極19hと接続する。
【0034】
図4は、LED発光装置10の回路図である。LED発光装置10は、低い色温度(例えば、2700K。さらに低い色温度でもよい。)で発光する第1回路11eと、高い色温度(例えば、5000K)で発光する第2回路12eからなる。
【0035】
図4に示すように、第1回路11eでは、第1LEDダイ11bが12個直列接続した第1LED列11dが5個並列接続している。第1LED列11dに含まれる初段の第1LEDダイ11bのアノード21(図2参照)は、配線電極19eを介して電源電極19aに接続している。第1LED列11dに含まれる最終段の第1LEDダイ11bのカソード22(図2参照)は、配線電極19gを介して電源電極19cに接続している。配線電極19e、19gには保護用のツェナーダイオード18aが接続している。
【0036】
同様に、第2回路12eでは、第2LEDダイ12bが12個直列接続した第2LED列12dが5個並列接続している。第2LED列12dに含まれる初段の第2LEDダイ12bのアノード21(図2参照)は、配線電極19fを介して電源電極19bに接続している。第2LED列12dに含まれる最終段の第2LEDダイ12bのカソード22(図2参照)は、配線電極19hを介して電源電極19dに接続している。配線電極19f、19hには保護用のツェナーダイオード18bが接続している。
【0037】
図5は、図1のAA´線に沿って要部を描いたLED発光装置10の部分断面図である。図5には、2つの第1発光領域11aと3つの第2発光領域12aが示されている。なお、図5でも、図1と同様にワイヤ14(図3参照)を示していない。
【0038】
図5に示すように、第1発光領域11aには第1LEDダイ11bが含まれ、第2発光領域12aには第2LEDダイ12bが含まれている。第2LEDダイ12bは、第1LEDダイ11bより厚いため、第2LEDダイ12bの上面は、第1LEDダイ11bの上面より高くなっている。第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bの底面は、実装基板13の上面にダイボンド材17で接着されている。第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bとの間隙には白色樹脂16が充填されている。白色樹脂16は、第2LEDダイ12bの側面を這い上がっている。
【0039】
第1蛍光樹脂11cは、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bで形成される凹部61(図6参照)に充填されている。すなわち、凹部61は、底面に第1LEDダイ11bの上面を含み、周囲を第2LEDダイ12bに囲まれている。この凹部61に充填された第1蛍光樹脂11cは、第1LEDダイ11bの上面、白色樹脂16の上面及び第2LEDダイ12bの側面(白色樹脂16が第2LEDダイ12bの上面まで這い上がり切っていない場合)を覆い、上部が曲面となるドーム形状(椀形状)を成す。これに対し、第2蛍光樹脂12cは、第2LEDダイ12bの上面及び第1蛍光樹脂11cの上部を覆い、上面が平面となる。
【0040】
実装基板13は、そのベース材がアルミナからなる白色のセラミクスである。実装基板13の上面には、Cu上にNi、Auを積層した金属膜からなる配線電極19e~19h及び電源電極19a~19dが形成されている(図3参照)。なお、実装基板13のベ-ス材は、表面を反射処理した窒化アルミニウムや、表面に絶縁層を備えたアルミニウムであっても良い。白色樹脂16は、酸化チタンからなる反射性微粒子を混練したシリコーン樹脂である。ダム15は、酸化チタンの微粒子を混練した白色のシリコーン樹脂からなり、太さが0.7~1.3mm、高さが0.5~0.8mmである。
【0041】
第1蛍光樹脂11cは、厚さが0.5mm程度で、緑色で発光する蛍光体(例えばLu3Al512:Ce)と赤色で発光する蛍光体(例えばCaAlSiN3:Eu)とを含有している。第1発光領域11aの発光色は、第1LEDダイ11bが発する青色光及び第1蛍光樹脂11cの発光により2700K程度の色温度になる。第2蛍光樹脂12cは、厚さが0.7mm程度で、緑色で発光する蛍光体(例えばLu3Al512:Ce)と赤色で発光する蛍光体(例えばCaAlSiN3:Eu)とを含有しているが、第1蛍光樹脂11cとは蛍光体の濃度及び比率が異なる。第2発光領域12aの発光色は、第2LEDダイ12bが発する青色光及び第2蛍光樹脂12cの発光により5000K程度の色温度になる。
【0042】
図6は、凹部61の説明を補足するために描いたLED発光装置10の部分平面図である。図6では、第2蛍光樹脂12c(図5参照)及びワイヤ14(図3参照)を示していない。
【0043】
図6に示すように、凹部61は、第1LEDダイ11bを中心に周囲を4つの第2LEDダイ12bで囲まれている。なお、第2LEDダイ12bの側面は、凹部61の各辺の一部分を占めているだけであり、第2LEDダイ12bの側面が占めていない部分(凹部61の4つの隅)では、斜め方向に隣接する他の凹部61と重なり合っている。第1LEDダイ11bの上面は、凹部61の底面の一部を構成する。第2LEDダイ12bの上面は、第1蛍光樹脂11cから露出している。
【0044】
次に、図7図8によりLED発光装置10の製造方法を説明する。図7は、LED発光装置10の製造工程を示すフローチャート、図8は、図7のフローチャートに示された製造工程の説明図である。なお、特別な指示なしに図1図6に示した部材を引用する。
【0045】
図7に示すように、LED発光装置10の製造工程には、実装基板13や第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12b等を準備する準備工程31、実装基板13に第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12b等をダイボンド材17で接着するダイボンド工程32、第1LEDダイ11b同士及び第2LEDダイ12b同士等をワイヤ14で電気的に接続するワイヤボンド工程33、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bからなる集合を取り囲むようにして実装基板13上にダム15を形成するダム形成工程34、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bとの間隙に白色樹脂16を充填する白色樹脂充填工程35、第1LEDダイ11bの上部を第1蛍光樹脂11cで被覆する第1蛍光樹脂被覆工程36、第2LEDダイ12bの上部を第2蛍光樹脂12cで被覆する第2蛍光樹脂被覆工程37が含まれる。
【0046】
図8では、図7に示した各工程を説明するため、製造途上にあるLED発光装置10の断面を模式的に描いている。なお、LED発光装置10は、個別に分離した実装基板13に第1LEDダイ11b等を実装し、実装基板13の上面に様々な電子部品や樹脂を配置する工法で製造しても良いし、個片化すると多数の実装基板13が得られる大判基板に様々な電子部品や樹脂を配置し、最後に大判基板を個片化してLED発光装置10を得る、いわゆる集合基板工法で製造しても良い。大量生産には後者の工法が適しているが、図8では、簡単のため、前者の工法でLED発光装置10の製造方法を説明する。また、図8(a)~(f)では、60個の第1LEDダイ11b及び60個の第2LEDダイ12bからなる集合を、2つの第1LEDダイ11bと3つの第2LEDダイ12bで代表的に記載している。
【0047】
図7(a)は、準備工程31の説明図である。準備工程31では、実装基板13、第1LEDダイ11b、第2LEDダイ12b及びツェナーダイオード18a、18bを準備する。実装基板13は、そのベース材がアルミナからなる白色のセラミクスである。実装基板13の上面には、Cu上にNi、Auを積層した金属膜からなる配線電極19e~19h及び電源電極19a~19dが形成されている(図3参照)。なお、実装基板13のベ-ス材は、表面を反射処理した窒化アルミニウムや、表面に絶縁層を備えたアルミニウムであっても良い。第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bは、サファイヤ基板の上面に半導体層を備えた半導体発光素子である。ツェナーダイオード18a、18bは、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bより小型である。
【0048】
図7(b)は、ダイボンド工程32の説明図である。ダイボンド工程32では、実装基板13に第1LEDダイ11b、第2LEDダイ12b及びツェナーダイオード18a、18bをダイボンド材17で接着する。なお、第1LEDダイ11b、第2LEDダイ12b及びツェナーダイオード18a、18bを実装基板13に搭載する前に、予め各素子を配置する位置にダイボンド材17を塗っておく。その後、各素子をピッカーで所定の位置に配置する。その後、LED発光装置10を加熱してダイボンド材17を硬化する。ここで、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bの間隔は、0.1~0.4mmである。
【0049】
図7(c)は、ワイヤボンド工程33の説明図である。ワイヤボンド工程33では、第1LEDダイ11b同士、第2LEDダイ12b同士、第1LEDダイ11bと配線電極19e、19c、第2LEDダイ12bと配線電極19f、19h、ツェナーダイオード18aと電源電極19c及び配線電極19e、並びにツェナーダイオード18bと電源電極19b及び配線電極19h、の間をワイヤ14で電気的に接続する。前述のように、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bについて、円環状のダム15の内側の領域において、高い面積利用効率で配置し、取り扱い易さに配慮して結線すると、一部のワイヤ14が交差する(平面視したとき交差するように視認されるが、立体的には接続していない。)。なお、図中、この交差を象徴的に示すため、ワイヤ14の頂部を交差させた。
ワイヤ14については、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bの近傍のみ描き、他の部分は省略している。
【0050】
図7(d)は、ダム形成工程34の説明図である。ダム形成工程34では、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bの集合を取り囲むようにして、実装基板13上にダム15を形成する。ダム15は、白色シリコーン樹脂からなり、太さが0.7~1.3mm、高さが0.5~0.8mmである。また、ダム15は、ディスペンサのノズルを移動しながら、粘度(又はチクソ性)が高い状態の白色シリコーン樹脂をノズルから吐出して形成する。このとき、ツェナーダイオード18a、18bは、ダム15に埋め込まれる。同様に、配線電極19e~19h、及び配線電極19e~19hと第1LEDダイ11b又は第2LEDダイ12bとを接続するワイヤ14の一部分も、ダム15に埋め込まれる。最後に、LED発光装置10を加熱し、ダム15を硬化する。
【0051】
図7(e)は、白色樹脂充填工程35の説明図である。白色樹脂充填工程35では、ダム15の内側で実装基板13の表面が露出している領域に少量の白色樹脂16を滴下する。この白色樹脂16は、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bの間隙に毛細管現象で浸み込む。このとき、白色樹脂16が背の高い第2LEDダイ12bの側面を這い上がる。なお、白色樹脂16は、酸化チタンからなる微粒子が混練されたシリコーン樹脂であり、硬化前は低粘度であり、充填にはディスペンサが使われる。充填後、加熱により透明樹脂を硬化する。
【0052】
図7(f)は、第1蛍光樹脂被覆工程36の説明図である。第1蛍光樹脂被覆工程36では、第1LEDダイ11bの上面を含む凹部61(図6参照)に第1蛍光樹脂11cを塗布する。第1蛍光樹脂11cは、緑色で発光する蛍光体(例えばLu3Al512:Ce)と赤色で発光する蛍光体(例えばCaAlSiN3:Eu)とを含有するシリコーン樹脂であり、可動型のノズルにより凹部61にスポット印刷される。第1蛍光樹脂11cは、チクソ性が高いため、最大の厚さが0.5mm程度のドーム形状となる。第1蛍光樹脂11cを含む第1発光領域11aの発光色は、第1LEDダイ11bが発する青色光と第1蛍光樹脂11cの発光により2700K程度になる。
【0053】
図7(g)は、第2蛍光樹脂被覆工程37の説明図である。第2蛍光樹脂被覆工程37では、第2LEDダイ12b及び第1蛍光樹脂11cの上部に第2蛍光樹脂12cを塗布する。第2蛍光樹脂12cも、緑色で発光する蛍光体(例えばLu3Al512:Ce)と赤色で発光する蛍光体(例えばCaAlSiN3:Eu)とを含有しているシリコーン樹脂であり、ディスペンサにより滴下される。硬化前の第2蛍光樹脂12cは、粘度が低いため、塗布後の上面が平坦になる。第2LEDダイ12bの上面から第2蛍光樹脂12cの上面までの厚さは、0.7mm程度とする。塗布後、第2蛍光樹脂12cは、加熱により硬化される。第2蛍光樹脂12cを含む第2発光領域12aの発光色は、第2LEDダイ12bが発する青色光と第2蛍光樹脂12cの発光により5000K程度になる。
【0054】
なお、第1蛍光樹脂被覆工程36では、第1LEDダイ11bの上部に第1蛍光樹脂11cをスポット印刷で塗布していた。しかしながら、塗布方法はスポット印刷に限られず、例えば、スポット印刷の代わりにスプレイ印刷でも良い。どちらの方法であっても、塗布後、第1蛍光樹脂11cは表面張力でドーム形状にすると良い。
【0055】
図1図8により説明してきたLED発光装置10は、微細な発光領域である第1発光領域11aと第2発光領域12aの集合体からなる。発光部15aにおいて、第1発光領域11aと第2発光領域12aは、平面視したとき上下及び左右方向で互いに隣接しあい、市松模様配列する。第1発光領域11aは、1個の第1LEDダイ11bを含み、約2700K(第1色)で発光する。同様に、第2発光領域12aは、1個の第2LEDダイ
12bを含み、約5000K(第2色)で発光する。第1LEDダイ11bの上面及び上面近傍(凹部61)は、スポット印刷等により第1蛍光樹脂11cがポッティング(塗布)される。この第1蛍光樹脂11cは、上面が曲面を有するドーム状となる。
【0056】
このLED発光装置10は、第1回路11eに流す電流と第2回路12eに流す電流を独立して制御することにより発光色を調整しできる。つまり、第1回路11eの輝度(第1回路11eを構成する全ての第1発光領域11aの発光量)と、第2回路12eの輝度(第2回路12eを構成する全ての第2発光領域12aの発光量)が独立して制御できるので、LED発光装置10は、任意の輝度で、2700Kから5000Kの間の発光色を得ることができる。
【0057】
次に、比較例を使いながらLED発光装置10の作用効果を説明する。図9は、比較例として示すLED発光装置90の部分断面図であり、図10は、LED発光装置90の部分平面図である。図9及び図10は、それぞれLED発光装置10を示す図5及び図6に対応する。図10では、図6と同様に第2蛍光樹脂12c及びワイヤ14を示していない。
【0058】
図9及び図10に示すように、LED発光装置90では、第1LEDダイ91bの上面にのみ第1蛍光樹脂11cを個別にスポット印刷するとともに、第2LEDダイ12bの上面を含め、全体的(一体的)に第2蛍光樹脂12cで被覆している。すなわち、第1蛍光樹脂11cは、第1LEDダイ91bの上面でドーム状にポッティング(塗布)され、第2蛍光樹脂12cは、第1蛍光樹脂11cの上面を含め、他の部分を封止している。なお、第1LEDダイ91bと第2LEDダイ12bは、高さが同じである。これら以外の構成は、LED発光装置10と実質的に同一部材、同一構造となっているので、LED発光装置90の説明に際し、図1図4を引用し、共通の部材には共通の符号を用いる。
【0059】
LED発光装置90では、第1LEDダイ91bの上面が小面積であるため、第1蛍光樹脂11cはドーム状にならざるを得ず、第1LEDダイ91bの上面において、波長変換効率が場所によって異なってしまう(不均一になる)。この結果、所望の発光色(第1色、2700K)が得にくくなり混色性が低下する。また、第1LEDダイ91bの上面に第1蛍光樹脂を少量しか配置できないため、十分な波長変換を確保させようとして蛍光体濃度を高くすると濃度消光が起こり、発光効率の低下を招いてしまう。
【0060】
これに対し、LED発光装置10では、第1発光領域11aが第1LEDダイ11bの上面を含む凹部61に形成される(図5及び図6参照)。すなわち、第1蛍光樹脂11cは、凹部61への充填により、上面全体に亘って十分な厚さ及び分量が確保されるため、混色性や発光効率の低下を最小限にできる。さらに、第1発光領域11aは、第1蛍光樹脂11cの塗布範囲がダ第1LEDダイ11bの占める範囲より広いため、発光時の面積がLED発光装置90等より大型化する。このため、LED発光装置10は、LED発光装置90等より混色性が向上する。
【0061】
したがって、LED発光装置10は、実装基板13上に、2700K(第1色)で発光する複数の微細な第1発光領域11aと、5000K(第2色)で発光する複数の微細な第2発光領域12aとを市松模様状に配列させたとき、第1発光領域11a及び第2発光領域12aを構成する同一種類のLEDダイ(第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12b)が近接しても、発光特性の劣化が少ないという効果を奏する。
【0062】
この他、白色樹脂16が第2LEDダイ12bの側面を這い上がっている。このため、第2LEDダイ12bの側面から第1蛍光樹脂11cに侵入しようとする第2LEDダイ12bの発光(この発光は波長変換時のノイズ成分となる)が阻止される。この結果、L
ED発光装置10は、発光色が調整しやすくなる。
【0063】
なお、所望とする発光色が、蛍光樹脂の調整だけでは達成できない場合がある。例えば、第2発光領域12aの発光色である第2色(スペクトル)が、第2蛍光樹脂12cの調整だけでは達成できないことがある。このとき、第2LEDダイ12bを近紫外発光LEDとし、その特性やサイズを第1LEDダイ11bと異ならせても良い。このようにすると、第2蛍光樹脂12cが青色発光の蛍光体を含むようになり、青色光のスペクトルが太くなって自然な光に近づく。
【0064】
LED発光装置90では、白色樹脂16とダイボンド材17を別々の部材としていた。しかしながら、ダイボンド材17に酸化チタン等の反射性微粒子を混練し、ダイボンド工程32(図7参照)で第1LEDダイ11bと第2LEDダイ12bの間隙にダイボンド材17を浸潤させても良い。このようにすると白色樹脂16及び白色樹脂充填工程35(図7参照)を省くことができる。
【0065】
また、LED発光装置90から白色樹脂16を取り除き、その空間に第2蛍光樹脂11c(又は透明樹脂)を配しても良い。この場合、第2LEDダイ12bの側面から出射する第2LEDダイ12bの発光が第1蛍光樹脂11c及び第1LEDダイ11bに侵入し、LED発光装置90の発光色をシフトさせてしまう。しかしながら、このように変更したLED発光装置は、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bの側面から出射する光により、LED発光装置90よりも発光効率が向上する。
【0066】
また、図3に示したように、LED発光装置10は、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bを実装基板13にフェイスアップ実装(発光層を上面とする実装)していた。このため、ワイヤ14は、平面視したとき一部で交差させざるを得なかった。これに対し、例えば、第1LEDダイ11bをフェイスダウン実装(「フリップチップ実装」ともいう)、第2LEDダイ12bをフェイスアップ実装とすることにより、ワイヤ14が交差しなくなる。なお、この場合、実装基板13の上面には、第1LEDダイ11b同士を接続するための配線電極が必要になる。
【0067】
(第2実施形態)
第1実施形態として示したLED発光装置10は、実装する前から第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ12bの全体の高さ(厚さ)が異なっていた。しかしながら、凹部61(図6参照)を形成させるのには、実装時に第1LEDダイ11bの上面と第2LEDダイ12bの上面の高さが異なっているだけでよい。そこで、図11により、本発明の第2実施形態として、第1LEDダイ11b及び第2LEDダイ42bの全体の高さ(厚さ)が等しく、上面の高さが異なるLED発光装置40について説明する。あわせて、LED発光装置40では、白色樹脂16(図5参照)を省く。なお、LED発光装置40は、LED発光装置10に対し、第2LEDダイ42bの厚さ、実装基板43の表面、及び第1蛍光樹脂11cの断面形状を除き、実質的に同一部材、同一構造となっている。そこで、LED発光装置40の説明に際し、図1図4を引用し、図11において共通の部材には共通の符号を用いる。
【0068】
図11は、図1のAA´線に沿って要部を描いたLED発光装置40の部分断面図である。図11では、2つの第1発光領域11aと3つの第2発光領域12aが示されている。図11でも、図5と同様にワイヤ14(図3参照)を示していない。
【0069】
図11に示すように、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bの厚さは同一である。第2LEDダイ42bは、実装基板43の表面に形成された台部43a上にダイボンディングされている。この結果、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bの上面の
高さが異なるようになり、凹部61(図6参照)が形成される。第1蛍光樹脂11cは、凹部61にポッティングされるとともに、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bの間隙に充填されている。なお、第1蛍光樹脂11cを第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bの間隙に浸潤させづらい場合は、粘性の低い第1蛍光樹脂11cとチクソ性の高い第1蛍光樹脂11cを準備し、粘性の低い第1蛍光樹脂11cを第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bの間隙に充填してから、チクソ性の高い第1蛍光樹脂11cをポッティングすればよい。
【0070】
LED発光装置40は、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bを同一サイズ、同一特性にできるため製造が容易になる。さらに、第1LEDダイ11bと第2LEDダイ42bの間隙に第1蛍光樹脂11cを充填し発光効率を改善させようとするとき、第2LEDダイ42bの側面から第1蛍光樹脂11c及び第1LEDダイ11bに入り込もうとする第2LEDダイ42bの発光が減る(同様に第1LEDダイ11bから第2LEDダイ42bに入り込もうとする第1LEDダイ11bの発光も減る)ため、LED発光装置40は、LED発光装置90で白色樹脂16を省いた場合に比べ発光色のシフトが小さくなる。
【符号の説明】
【0071】
10、40…LED発光装置、
11a…第1発光領域、
11b、91b…第1LEDダイ、
11c…第1蛍光樹脂、
11d…第1LED列、
11e…第1回路、
12a…第2発光領域、
12b、42b…第2LEDダイ、
12c…第2蛍光樹脂、
12d…第2LED列、
12e…第2回路、
13、43…実装基板、
14…ワイヤ、
15…ダム、
15a…発光部、
16…白色樹脂、
17…ダイボンド材、
18a、18b…ツェナーダイオード、
19a~19d…電源電極、
19e~19h…配線電極、
21…アノード、
22…カソード、
23…P層、
24…N層、
31…準備工程、
32…ダイボンド工程、
33…ワイヤボンド工程、
34…ダム形成工程、
35…白色樹脂充填工程、
36…第1蛍光樹脂被覆工程、
37…第2蛍光樹脂被覆工程、
43a…台部、
61…凹部。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12