特許 7494017 発光モジュール及び発光モジュールの製造方法

(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】2024-05-24

(45)【発行日】2024-06-03

(54)【発明の名称】発光モジュール及び発光モジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/52 20100101AFI20240527BHJP

【ＦＩ】

H01L33/52

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020096401

(22)【出願日】2020-06-02

(65)【公開番号】P2021190631

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-04-04

(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

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100180806

【弁理士】

【氏名又は名称】三浦 剛

(72)【発明者】

【氏名】大森 祐治

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０８５３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６２９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２０９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３４９２１１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２１４８２９６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００７－００５７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０２６７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７６８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８５０９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００

Ｈ０１Ｌ ３３／４８－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に実装された複数のＬＥＤ素子と、
前記複数のＬＥＤ素子の周囲に配置されたダム材と、
前記ダム材の内側に前記複数のＬＥＤ素子を封止するように配置された封止材と、を有し、
前記ダム材は、基部、前記基部の上部に形成された平坦な頂頭部、及び、前記頂頭部と連続して形成された封止材保持部を有し、
前記封止材保持部は、角度θだけ上方に傾いており、前記角度θは、５°以上且つ１０°以下であり、
前記角度θは、前記基板の上面と平行に前記平坦な頂頭部の外縁部分から引いた線分と、前記封止材保持部の内側先端部の示す方向に引いた線分との成す角度である、
ことを特徴とする発光モジュール。

【請求項2】

前記封止材保持部の断面は、フィレット形状を有する、請求項１に記載の発光モジュール。

【請求項3】

前記封止材の頂点は、前記平坦な頂頭部より高い、請求項１又は２の何れか一項に記載の発光モジュール。

【請求項4】

前記封止材は、前記複数のＬＥＤ素子から出射された光を波長変換するための蛍光体を含有する、請求項１～３の何れか一項に記載の発光モジュール。

【請求項5】

前記ダム材は、前記複数のＬＥＤ素子の周囲に、平面視で、円形又は楕円形に形成されている、請求項１～４の何れか一項に記載の発光モジュール。

【請求項6】

基板上に実装された複数のＬＥＤ素子を有する発光モジュールの製造方法であって、
前記複数のＬＥＤ素子の周囲にダム材用樹脂を配置し、
前記ダム材用樹脂の上部を押圧して、平坦な頂頭部、及び、前記頂頭部と連続して形成された封止材保持部を形成し、
前記封止材保持部の内側に前記複数のＬＥＤ素子を封止するための液状の封止材を充填し、
前記封止材の充填量と連動して前記封止材保持部が前記基板と平行な面に対して上方に傾くように変形させ、
前記液状の封止材を加熱して、硬化済の封止材を形成する、
ことを特徴とする発光モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）素子を有するチップ・オン・ボード（ＣＯＢ）タイプの発光モジュール、及び、その様な発光モジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子であるＬＥＤ素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く鮮やかな発光色を有することから、近年、照明などに広く利用されている。

【0003】

ＣＯＢタイプの発光モジュールでは、一般に、基板上に直接、複数のＬＥＤ素子が実装され、複数のＬＥＤ素子の周囲にダム材を設け、ダム材の内部に複数のＬＥＤ素子を封止する様に封止材が充填されている（例えば、特許文献１を参照）。また、封止材は蛍光体粒子を含有しており、蛍光体粒子はＬＥＤ素子から出射した光を受光してＬＥＤ素子から出射光と異なる波長の光を出射する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－８５０９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

発光モジュールからは、ＬＥＤ素子から出射された光と、封止材に含有された蛍光体粒子から出射される光とが混合された光が出射する事となる。したがって、所望の色温度で、所望光量を有する発光モジュールを設計する場合には、所望の封止材を充填する必要がある。しかしながら、従来の断面の頂頭部が円弧状のダム材では、頂頭部を超えて封止材が外部に漏れてしまい、確実に封止材を保持することができない場合があった。

【0006】

従来の断面の頂頭部が円弧状のダム材の例を図４に示す。図４に示す様に、基板１００の上部に断面の頂頭部が円弧状のダム材１０２が形成されている。例えば、封止材１０３の上面１０４では、ダム材１０２によって封止材１０３は保持可能であるが、容量が増えて上面１０５となると、容易にダム材１０２の頂上を超えて、外部に漏れだしてしまう。

【0007】

ダム材１０２と封止材１０３が、同じシリコーン樹脂を母材としている場合がある。この様な場合、ダム材１０２と封止材１０３との親和性が良く、ダム材１０２の内部に封止材１０３を充填すると、ダム材１０２の上部を封止材１０３が矢印Ｇの方向に這い上がりながら外部に漏れだすという現象が生じる場合もある。

【0008】

そこで、本発明は、良好に封止材を保持可能なダム材を有する発光モジュール、及び、その様な発光モジュールの製造方法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】

【0009】

基板と、基板上に実装された複数のＬＥＤ素子と、複数のＬＥＤ素子の周囲に配置されたダム材と、複数のＬＥＤ素子から出射された光を波長変換するための蛍光体を含有し、ダム材の内部に複数のＬＥＤ素子を封止するように形成された封止材とを有し、ダム材は、基部、基部の上部に配置された平坦な頂頭部、及び、頂頭部と連続して形成された封止材保持部を有する発光モジュールが提供される。

【0010】

前記の発光モジュールでは、封止材保持部の断面は、フィレット形状を有することが好ましい。

【0011】

前記の発光モジュールでは、封止材保持部は、基板と平行な面に対して角度θだけ上方に傾いており、角度θは、５°以上且つ１０°以下であることが好ましい。

【0012】

前記の発光モジュールでは、封止材の頂点は、平坦な頂頭部より高い、ことが好ましい。

【0013】

前記の発光モジュールでは、封止材は、複数のＬＥＤ素子から出射された光を波長変換するための蛍光体を含有することが好ましい。

【0014】

前記の発光モジュールでは、ダム材は、複数のＬＥＤ素子の周囲に、平面視で、円形又は楕円形に形成されていることが好ましい。

【0015】

基板上に実装された複数のＬＥＤ素子の周囲にダム材用樹脂を配置し、ダム材用樹脂の上部を押圧して、平坦な頂頭部、及び、前記頂頭部と連続して形成された封止材保持部を形成し、ダム材の内側に複数のＬＥＤ素子を封止するための液状の封止材を充填し、封止材の充填量と連動して封止材保持部が基板と平行な面に対して上方に傾くように変形させ、液状の封止材を加熱して硬化済の封止材を形成する、発光モジュールの製造方法を提供する。

【0016】

前記の発光モジュールの製造方法では、ダム材用樹脂が硬化された後に液状の封止材がその内部に充填され、前記封止材保持部が液状の封止材の充填量と連動して変形することが好ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、良好に封止材を保持可能なダム材を有する発光モジュール、及び、その様な発光モジュールの製造方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】発光モジュール１の平面図および断面図である。

【図2】図１の領域Ｃの拡大図である。

【図3】発光モジュール１の製造方法の概略説明図（ａ）～（ｄ）である。

【図4】従来のダム材の形状を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照しつつ、発光モジュールについて説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

【0020】

図１は、発光モジュール１の上方視した平面図、及び、平面図においてＡＡ´及びＢＢ´で示した位置における２つの断面図である。

【0021】

発光モジュール１は、主要な構成要素として、実装基板１０、回路基板１５、複数のＬＥＤ素子３０、ダム材４０および封止材５０を有する。発光モジュール１は、例えば、投光器、高天井照明、スタジアムの照明・イルミネーションなどの光源装置のＬＥＤ光源として使用され、白色光を出射する。ただし、発光モジュール１の発光色は、白色以外であっても良い。

【0022】

なお、図１の断面図では、断面部分における要素のみを示し、断面部分よりも奥にある要素は、図示を分かり易くするために表示を省略している。また、発光モジュール１の最上層には蛍光体粒子を含有する不透明な封止材５０が存在するが、便宜上下層の部分は観察可能であるものとして、図１の平面図では下層の部分を実線で示している。また、ダム材４０も不透明であるが、図１では透明であるものとして図示している。

【0023】

図１に示す様に、実装基板１０は、その上面に複数のＬＥＤ素子３０が実装される平坦なアルミニウム製の基板であり、一例として正方形の形状を有する。また、実装基板１０の上面には、不図示の銀メッキ層などの高反射処理層（反射層）が形成されている。反射層は、誘電体多層膜のような増反射膜でも良い。第１端子電極２１及び第２端子電極２３が設けられている対角線上の２つの頂点とは異なる対角線上の２つの角部付近に、発光モジュール１を固定用するための貫通穴を設けても良い。

【0024】

実装基板１０の上面には、円形の開口部１６を有する回路基板１５が接着剤により付着している。回路基板１５は、ガラスエポキシ素材で形成された絶縁性の基板である。回路基板１５の上面には、配線パターンが形成されている。配線パターンは、円弧形状の第１電極２０、第１電極２０と電気的に接続されている第１接続電極２１、円弧形状の第２電極２２、及び、第２電極２２と電気的に接続されている第２接続電極２３を含んでいる。配線パターンは、例えば、金メッキ層である。

【0025】

第１端子電極２１及び第２端子電極２３は、実装基板１０の対角線上で向かい合う２つの頂点付近に形成されている。第１端子電極２１はカソード（負）電極であり、第２端子電極２２はアノード（正）電極であり、これらに外部電源から電圧が印加されることによって、ＬＥＤ素子３０に通電されて、発光モジュール１は発光する。なお、第１端子電極２１及び第２端子電極２３付近の参照符号２４及び２５は、第１端子電極２１及び第２端子電極２３の極性を示すパターンであり、配線パターンではないが、配線パターンと同じ金メッキ層で形成されている。

【0026】

回路基板１５の上面は、第１端子電極２１、第２端子電極２３、及び、極性パターン２４、２５の表面以外は、第１端子電極２１及び第２端子電極２３間の短絡防止等の為に、不図示のソルダーマスクによって被膜されている。

【0027】

実装基板１０上に実装された複数のＬＥＤ素子３０は金線のボンディングワイヤ（以下、単にワイヤという）３２で相互に接続され、更にワイヤで第１電極２０及び第２電極２２とも接続されている。図１の例では、ＬＥＤ素子３０は、８個ずつ４列並列に、第１電極２０及び第２電極２２間に接続されているが、ＬＥＤ素子の直列の個数、並列の列数は任意であって、他の数であっても良い。

【0028】

ＬＥＤ素子３０は、発光素子の一例であり、例えば発光波長帯域が４５０～４６０ｎｍ程度の青色光を発光する青色ＬＥＤである。前述した様に、発光モジュール１では、複数（８×４＝３２個）のＬＥＤ素子３０が実装基板１０上に実装されており、これらは同じ波長の青色光を発光する。ただし、ＬＥＤ素子３０は、青色ＬＥＤに限らず、例えば紫色ＬＥＤまたは近紫外ＬＥＤであっても良く、その発光波長帯域は、紫外域を含む２００～４６０ｎｍ程度の範囲内であっても良い。

【0029】

ＬＥＤ素子３０は上面に一対の素子電極を有する。図１に示すように、隣接するＬＥＤ素子３０の素子電極は、ワイヤ３２により直列に接続され、さらに、両端のＬＥＤ素子３０の素子電極は、第１電極２０又は第２電極２２にワイヤ３２により接続されている。ＬＥＤ素子３０の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤（ダイボンド）などにより、回路基板１５の開口部１６の内側で、実装基板１０の上面に直接固定されている。ＬＥＤ素子３０は、アルミニウムミ製の実装基板１０上に形成された反射層上に直接固着されているため、放熱効果が高く、高出力の発光を行うことが可能である。

【0030】

参照符号３１で示す部品は、第１電極２０と第２電極２２の間に過電圧が印加されたときにＬＥＤ素子３０を保護するツェナーダイオード素子である。

【0031】

ダム材４０は、実装基板１０上に充填された封止材５０の流出を防ぐ円環状の枠体であり、回路基板１５上の第１電極２０、第２電極２２、及び、ツェナーダイオード素子３１と重なる位置に、それらを覆い複数のＬＥＤ素子３０を取り囲むように形成されている。ダム材４０は、シリコーン樹脂に酸化チタン（又はシリカ）を混合した反射性の白色樹脂で構成されており、複数のＬＥＤ素子３０から側方に出射された光を、発光モジュール１の上方（複数のＬＥＤ素子３０から見て実装基板１０とは反対側）に反射させる。発光モジュール１では、複数のＬＥＤ素子３０からの出射光が実装基板１０の反射層およびダム材４０によって上方に反射するので、出射効率が高くなる。なお、ダム材４０は、図１に示す様に、平面視で、円形に配置されているが、楕円形に配置されていても良い。また、ダム材４０の内側を、発光モジュール１の発光エリアと称し、回路基板１５の開口部１６の内側をＬＥＤ素子の実装エリアと称する場合がある。ダム材４０の断面形状については後述する。

【0032】

封止材５０は、回路基板１５上に配置されたダム材４０で囲まれる部分に注入（充填）されて略円板状に硬化され、複数のＬＥＤ素子３０を一体に被覆し保護（封止）する。封止材５０としてシリコーン樹脂が用いられるが、無色かつ透明で、２５０℃程度の耐熱性がある他の樹脂を利用することができる。

【0033】

封止材５０には、各ＬＥＤ素子３０からの出射光の波長を変換する蛍光体が混入されている。封止材５０は、こうした蛍光体として、ＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）などの黄色蛍光体を含有する。発光モジュール１は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子３０からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。

【0034】

前述した黄色蛍光体は一例であって、封止材５０は、他の蛍光体を含有することもできる。例えば、封止材５０は、緑色蛍光体と赤色蛍光体の２種類を含有してもよい。この場合、発光モジュール１は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子３０からの青色光と、それによって緑色蛍光体および赤色蛍光体を励起させて得られる緑色光および赤色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。緑色蛍光体としては、ＬＥＤ素子３０が出射した青色光を吸収して緑色光に波長変換する、（ＢａＳｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺などの粒子状の蛍光体材料を用いることができる。赤色蛍光体としては、ＬＥＤ素子３０が出射した青色光を吸収して赤色光に波長変換する、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺などの粒子状の蛍光体材料を用いることができる。

【0035】

前述した緑色蛍光体及び赤色蛍光体は一例であって、封止材５０は、前述した黄色蛍光体に少量の緑色蛍光体や少量の赤色蛍光体を添加しても良い。この場合、発光モジュール１は、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子３０からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を基本とし、同じく励起された緑色光や赤色光も混合されることで、前述の組み合わせほどではないが、演色性を高めた白色光を出射することができる。

【0036】

発光モジュール１では、ＬＥＤ素子３０の充填率が高いため、発光エリアの単位面積当たりの発熱量も多い。ＬＥＤ素子同士の間隔が狭くなって光の密度が高まると、封止材５０が含有する蛍光体に当たる光の密度も高くなり、蛍光体自体も発熱する。そこで、発光モジュール１では、封止材５０内の蛍光体を沈降させて実装基板１０に近付けることにより、蛍光体自体の放熱性も向上させて、熱を発散させやすくしている。

【0037】

図２は、図１の領域Ｃの拡大図であり、ダム材４０の断面形状を説明するための図である。

【0038】

ダム材４０の断面は、略台形の基部４１、基部４１の上部に配置される平坦な頂頭部４２、頂頭部４２から連続してダム材４０の内側方向に庇の様に突き出した封止材保持部４３を含んでいる。封止材保持部４３は、断面で見ると、図中の上部が平坦で、基部４１に向かって曲線を描くようなフィレット形状となっている。なお、平坦な頂頭部４２は、円弧状ではない平坦な領域を含んでいれば良く、平坦な領域は実装基板１０に対して平行である必要はなく、傾斜していても良い。また、ダム材４０の上部全てが平坦な領域である必要はなく、一部であっても良い。

【0039】

図２に示す様に、基板１０の上面と平行に、平坦な頂頭部４２の外縁部分４４から引いた線分６０と、封止材保持部４３の内側先端部の指す方向に引いた線分６１との成す角度をθとする。例えば、封止材保持部４３が存在しない場合、ダム材４０の最上部付近まで、液状の封止材５０´（後述する）が充填されると、液状の封止材５０´は容易に封止材保持部４３の先端部を超えて外側に漏れ出す。しかしながら、角度θは０°であっても、封止材保持部４３が存在すれば、庇状に張り出す事になるので、液状の封止材５０´を外部に漏らすことなく保持することができる。

【0040】

しかしながら、角度θが、５°以上の場合、ダム材４０は、更に良好に封止材５０を外部に漏らすことなく保持することができる。一方、あまり角度θが大きいと、保持部４３が変形しきれずに封止材５０´があふれてしまうので、角度θは、１０°以下であることが好ましい。以上より、角度θは０°以上であれば良いが、５°以上且つ１０°以下であることがより好ましい。

【0041】

ダム材４０は、発光モジュール１の発光エリア全体の周囲に形成される。したがって、ダム材４０の封止材保持部４３は、発光エリア全体（３６０°）に渡って、適切な角度θの範囲内で形成されることが好ましい。角度θは、発光エリア全体（３６０°）に渡って、同じ角度でなくとも良く、５°以上且つ１０°以下の範囲内に入っていれば良い。

【0042】

図３（ａ）～図３（ｄ）は、発光モジュール１の製造方法の概略説明図である。以下、図３を用いて、発光モジュール１の製造方法について説明する。

【0043】

最初に、実装基板１０と各種配線パターンが形成された回路基板１５が用意され、実装基板１０と回路基板１５が接着材により接着される。図３（ａ）は、実装基板１０と回路基板１５が接着された状態を示す図である。その後、回路基板１５の開口部１６の内側で、実装基板１０の上面に複数のＬＥＤ素子３０を実装し、ＬＥＤ素子３０相互間、及び、ＬＥＤ素子３０と第１電極２０、第２電極２０間をワイヤで接続する（不図示）。

【0044】

次に、第１電極２０、第２電極２０を覆う様に、複数のＬＥＤ素子３０の周囲に円を描く様に、未硬化のダム材用樹脂４０´を所定の供給ノズル（不図示）から吐出する。図３（ｂ）は、未硬化のダム材用樹脂４０´を第１電極２０の上に配置した時の断面のイメージ図である。図３（ｂ）に示す様に、未硬化のダム材用樹脂４０´を配置した際には、未硬化のダム材用樹脂４０´の頂頭部の断面は、円弧を描く様な形状である。

【0045】

次に、略円形（円形又は楕円形）に基板１０上に形成された未硬化のダム材用樹脂４０´の上部を、平たい形状の押圧面を有し一度に未硬化のダム材用樹脂４０´全体を押圧可能な治具７０で、上方から矢印Ｄの方向に押圧する。なお、治具７０は、一度に未硬化のダム材用樹脂４０´の一部のみを押圧し、徐々に移動しながら全ての箇所を押圧する様な物であっても良い。

【0046】

次に、図３（ｃ）に示す様に、治具７０を押し当てた状態で、低温で加熱を行い、未硬化のダム材用樹脂４０´をダム材用樹脂４０´´に変化させる。その後、治具７０を、ダム材用樹脂４０´´から外すと、その上部に、薄膜状の封止材保持部４３が形成される。

【0047】

次に、ダム材用樹脂４０´´の内側に、液状の封止材５０´を所定の供給ノズル（不図示）から充填する。充填された液状の封止材５０´は徐々にダム材用樹脂４０´´の内側に溜まってゆき、最後には、ダム材用樹脂４０´´の内側の封止材保持部４３に接触し、さらにはそれを矢印Ｅの方向（上方）に押し上げる（図３（ｄ）参照）。すなわち、液状の封止材５０´の充填量と連動して、図３（ｄ）の矢印の方向による押上げが発生し、前述したような角度θを有する封止材保持部４３が形成される。所定の角度θは、庇の長さ、ダム材用樹脂の粘度、充填する液状の封止材等によって、制御することが可能である。

【0048】

図３（ｄ）のような状態まで液状の封止材５０´が充填されたら、充填を終了する。その後、製造過程の発光モジュールに対して、所定の加熱を行い、硬化済の封止材５０を形成し（本硬化）、図１に示す発光モジュール１が完成する。なお、図１に示す様に、封止材ダム材５０の頂点は、平坦な頂頭部４２より基板１０を基準として高い位置にある。

【0049】

前述した様に、ダム材４０の封止材保持部４３が、発光エリア全体（３６０°）に渡って、適切な角度θの範囲内で形成され、封止材５０を周囲から押さえるので、封止材５０がダム材４０の外側に漏れることがなく、発光モジュールの製造過程での合格品の収率を高めることが可能となる。

【0050】

上述した発光モジュール１では、図１に示す様に、アルミニウム製の実装基板１０の上に配線パターンを設けた回路基板１５を付着させた基材を利用している。しかしながら、発光モジュール１おいて、セラミック製の実装基板１０の上に、回路基板１５を設けずに、直接配線パターンを配置した基材を利用しても良い。

【0051】

上述した発光モジュール１の製造方法の説明では、ダム材用樹脂４０´を半硬化させて形状を整えた後に、液状の封止材５０´を充填して封止材保持部４３の角度θが形成された。しかしながら、ダム材用樹脂４０´を本硬化させた後に、液状の封止材５０´を充填して封止材保持部４３の角度θが形成されるようにしても良い。封止材保持部４３は薄いので、本硬化した後でも、液状の封止材５０´の充填に応じて、角度θが変化する。

【符号の説明】

【0052】

１ 発光モジュール
１０ 実装基板
１５ 回路基板
２０ 第１端子電極
２１ 第１電極
２２ 第２端子電極
２３ 第２電極
３０ ＬＥＤ素子
３２ ボンディングワイヤ
４０ ダム材
４３ 封止材保持部
５０ 封止材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】