JP2012248708A - Ｌｅｄパッケージ及びｌｅｄパッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子の搭載位置ずれがあったとしても、ＬＥＤ素子搭載後の製造工程において、ＬＥＤパッケージから射出される光の方向を、所望の方向に無理なく調整できるようにする。
【解決手段】ＬＥＤ素子を本体基板に搭載する搭載工程と、前記本体基板に搭載されたＬＥＤ素子を透明な封止層で封止する封止層形成工程と、前記ＬＥＤ素子を平面方向から視たときの位置を検出する位置検出工程と、前記位置検出工程で検出されたＬＥＤ素子の位置に基づいて、前記封止層の表面に形成すべき有底溝の形成位置を算出する溝形成位置算出工程と、前記溝形成位置算出工程で算出した溝形成位置に、環状の有底溝を形成する有底溝形成工程と、前記封止層の表面における前記有底溝の内周縁で囲まれた領域に透明樹脂を液体状態で供給し、前記内周縁を境界とする表面張力によって当該透明樹脂を盛り上がらせてレンズ部を形成するレンズ部形成工程とを有する。
【選択図】図７

Description

この発明は、レンズ付きのＬＥＤパッケージ及び該ＬＥＤパッケージの製造方法に関するものである。

従来のレンズ付きＬＥＤパッケージは、例えば特許文献１に示すように、ＬＥＤ素子が実装されたカップ内に封止樹脂を充填し、その硬化後、封止樹脂上にレンズを接着して形成してある。

ところで、この種のＬＥＤパッケージの問題点は、レンズと封止樹脂との間に空気が入り込むことによる隙間が生じることにある。このことによって空気層の影響で光の取出効率が低くなるが、製造工程で、カップ内の体積分ちょうどとなるよう封止材を注入し、レンズ板を重ねたときに空気層を無くすことは非常に難しい。

そこで、特許文献２に示すように、基板に環状の凹溝を設け、その凹溝で囲まれた領域にＬＥＤ素子を搭載した後、その領域にＬＥＤ素子を覆うようにシリコーン樹脂を滴下するとともに、凹溝の内周縁で生じる表面張力を利用して半球状にシリコーン樹脂を形成するようにしたものがある。この半球状シリコーン樹脂は、レンズ効果を奏し得、なおかつ、レンズと封止樹脂が一体となっているので、空気層ができるといった問題も生じない。

特開平８−３２０６５６号公報 特開２００８−０７１８５９号公報

しかしながら、特許文献２のような構成であると、凹溝を切った後にＬＥＤ素子をハンダ付け等によって搭載するため、その搭載位置精度を一定以上に上げることが難しい。その結果、凹溝によって形成されるレンズとＬＥＤ素子との位置関係のばらつきが生じ、例えば複数のＬＥＤパッケージを直線状に並べてライン光を作る場合に各ＬＥＤパッケージからの光の射出方向がばらついて、一定以上の直線精度を有するライン光源を作ることができないといった不具合が発生する。特に小型のＬＥＤパッケージでは、ＬＥＤ素子のわずかな位置ずれが光の方向性に大きな影響を及ぼすので、この問題が顕著となる。

かといって、ＬＥＤ素子の位置ずれを製作途中で修正しようとすれば、ＬＥＤ素子の位置ずれが主としてハンダ付け工程で生じることから、ハンダ付け中又はハンダ付け後に位置ずれ修正を行わなければならず、これは実質的にほとんど不可能である。

さらに、特許文献２の構成では、凹溝の大きさ（半径）を変えない限り、半球状シリコーン樹脂で形成されるレンズがほぼ一定形状で一定の大きさとなり、かつそのレンズ内の一定位置にＬＥＤ素子が配置されるため、ＬＥＤ素子の発光面とレンズ表面との距離変更が難しく、例えば、レンズ表面からＬＥＤ素子の発光面を近づけたり遠ざけたりして集光位置を調整するといった要求にほとんど応えることができない。

こういった問題に鑑みて本発明はなされたものであって、その主たる目的は、基板へのＬＥＤ素子の搭載時に位置ずれがあったとしても、ＬＥＤ素子搭載後の製造工程において、ＬＥＤパッケージから射出される光の方向を、所望の方向に無理なく調整できるようにするとともに、集光距離をも容易に調整できるＬＥＤパッケージの製造方法等を提供することにある。

すなわち、本発明に係るＬＥＤパッケージの製造方法は、ＬＥＤ素子を本体基板に搭載する搭載工程と、前記本体基板に搭載されたＬＥＤ素子を透明な封止層で封止する封止層形成工程と、前記ＬＥＤ素子を平面方向から視たときの位置を検出する位置検出工程と、前記位置検出工程で検出されたＬＥＤ素子の位置に基づいて、前記封止層の表面に形成すべき有底溝の形成位置を算出する溝形成位置算出工程と、前記溝形成位置算出工程で算出した溝形成位置に環状の有底溝を形成する有底溝形成工程と、前記封止層の表面における前記有底溝の内周縁で囲まれた領域に透明樹脂を液体状態で供給し、前記内周縁を境界とする表面張力によって当該透明樹脂を盛り上がらせてレンズ部を形成するレンズ部形成工程とを有することを特徴とするものである。

このようなものであれば、ＬＥＤ素子の本体基板に対する搭載位置が正規の位置からずれていたとしても、そのずれ量を勘案して有底溝の形成位置、すなわちレンズ部の位置を設定することによって、このＬＥＤパッケージから射出される光の方向を調整し、所望の目的、例えばライン光源に適したものにすることができる。また、封止層の厚みさえコントロールすれば、ＬＥＤ素子の発光面からレンズ部までの距離を調整できるため、集光距離も容易に調整できる。そして、このように精度を高くできるので基準光源等に最適なものにできる。
なお、ここでの本体基板とは、ＬＥＤ素子が直接搭載される基板（パッケージ基板）及びＬＥＤ素子が間接的に搭載される基板（パッケージ基板を搭載する基板）のいずれかの意味である。

例えば、ライン光源であれば、複数のＬＥＤ素子を直線状に並べるとともに、各ＬＥＤ素子にそれぞれ前記レンズ部を形成するようにしておき、各ＬＥＤ素子に位置ずれがあったとしても、各ＬＥＤ素子から出て対応するレンズ部を通過した光の光軸が、前記ＬＥＤ素子の並び方向と平行な所定線を通るように、前記溝形成位置算出工程において各有底溝の形成位置を算出するようにすればよい。

１点に集中させるスポット光であれば、例えば、複数のＬＥＤ素子を面上に敷き並べるとともに、各ＬＥＤ素子にそれぞれ前記レンズ部を形成するようにしておき、各ＬＥＤ素子から出て対応するレンズ部を通過した光の光軸が、所定点を通るように、前記溝形成位置算出工程において各有底溝の形成位置を算出するようにすればよい。

面光源であれば、例えば、複数のＬＥＤ素子を面上に敷き並べるとともに、各ＬＥＤ素子にそれぞれ前記レンズ部を形成するようにしておき、各ＬＥＤ素子から出て対応するレンズ部を通過した光の光軸が、互いに平行になるように、前記溝形成位置算出工程において各有底溝の形成位置を算出するようにすればよい。

本発明者が鋭意検討の末に見出した極めて容易に実現できる有底溝の形成方法としては、前記封止層の表面に短パルスレーザを照射して環状の変質部分を形成し、該変質部分を取り除くことによって有底溝を形成するものを挙げることができる。

この場合の短パルスレーザの仕様としては、パルス幅が３０００ｆｓ以下が好ましく、その下限値は略１００ｆｓが好ましい。平均出力は、１０ｍＷ〜１０００ｍＷの範囲にあることが好ましい。波長は３００ｎｍ〜１５００ｎｍが好適である。また、パルス幅が１５０ｆｓ〜１０００ｆｓであれば、より望ましい。
また、本発明は、所定の規則にしたがうべく並べて配置した複数のＬＥＤ素子と、各ＬＥＤ素子の光射出方向側にそれぞれ配置したレンズ部とを具備したものであって、前記所定の規則からずれて配置されたＬＥＤ素子から出る光の方向又は到達点が、所定の規則にしたがって配置された場合の当該ＬＥＤ素子から出る光の方向又は到達点と略合致するように、当該ＬＥＤ素子に対応するレンズ部の配置位置を設定していることを特徴とするＬＥＤパッケージに係るものでもよい。

このように構成した本発明によれば、ＬＥＤ素子の本体基板に対する搭載位置が正規の位置からずれていたとしても、そのずれ量を勘案して有底溝の形成位置、すなわちレンズ部の位置を設定することによって、このＬＥＤパッケージから射出される光の方向を調整し、所望の目的、例えばライン光源に適したものに容易にすることができる。また、封止層の厚みさえコントロールすれば、ＬＥＤ素子の発光面からレンズ部までの距離を調整できるため、集光距離も容易に調整できる。

本発明の第１実施形態におけるＬＥＤパッケージの平面図及び中央断面図。 同実施形態におけるＬＥＤパッケージの基本的な製造方法を示す製造工程図。 同実施形態におけるＬＥＤパッケージの製造装置を示す模式図。 シリコーン樹脂にフェムト秒レーザを照射したときに変質部分ができる過程を示した説明図。 有底溝の隆起及びガラス質層を示す拡大断面図。 同実施形態において、本体基板上のずれた位置にＬＥＤ素子が搭載されている状態を示す中央断面図及び平面図。 同実施形態において、本体基板上のずれた位置にＬＥＤ素子が搭載されている場合の製造工程を示す製造工程図。 同実施形態において、各ＬＥＤパッケージからの光がライン上に並ぶ状態を示した斜視図。 本発明の他の実施形態における、各ＬＥＤパッケージからの光の光軸方向を示した断面図。 本発明のさらに他の実施形態における、各ＬＥＤパッケージからの光の光軸方向を示した断面図。 本発明のさらに他の実施形態における、各ＬＥＤパッケージからの光の光軸方向を示した断面図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係るＬＥＤパッケージ１００は、例えば表面実装型のものであり、図１に示すように、ＬＥＤ素子１と、該ＬＥＤ素子１が直接搭載される本体基板２と、該ＬＥＤ素子１を封止する封止層３と、この封止層３の表面に設けられたレンズ部４とを具備したものである。

ＬＥＤ素子１は、Ｐ層とＮ層を接合した既知のものである。
本体基板２は、例えば平面視円形状の素子収容凹部２１を中央に設けたブロック状（厚肉平板状）をなすものであり、前記素子収容凹部２１の底面中央に前記ＬＥＤ素子１がハンダ付け等によって接合してある。なお、このＬＥＤ素子１には、本体基板２のプリント配線からワイヤなどによって電力が供給されるが、ここではそれら電気配線関連部材の図示は省略している。
前記封止層３は、例えば透明シリコーン樹脂を前記素子収容凹部２１に充填することによって形成してある。

前記レンズ部４は、封止層３と同じ透明シリコーン樹脂で形成されたものであり、平面視、その中心を前記ＬＥＤ素子１の中心と合致させた円形状のものである。
次に、このＬＥＤパッケージ１００の基本的な製造方法につき、図２等を参照して説明する。

まず、本体基板２の凹部底面にＬＥＤ素子１を実装（例えばハンダ付け）した後、本体基板２の凹部２１に液状の透明シリコーン樹脂を注入し、露出部分がないようにＬＥＤ素子１を封止する封止層３を形成する。なお、ここでは、ある程度粘性をもった状態でも流動性がある限りは液状と定義する。

次に、この透明シリコーン樹脂が略完全に硬化する前の所定の硬さまで硬化した後、又は完全に硬化後、図２（ａ）に示すように、平面方向から視てＬＥＤ素子１の周囲の封止層３の表面に対し、例えば所定半径の円形軌道に沿って、短パルスレーザであるフェムト秒レーザを照射する。このフェムト秒レーザＲは、図３に示すレーザ装置から射出される。このフェムト秒レーザＲのパルス幅は１５０ｆｓ、平均出力は５０ｍW、波長は８００ｎｍである。また、レーザＲのスキャン速度、すなわちレーザRの移動速度は２００μｍ／ｓｅｃである。なお、フェムト秒レーザＲを固定し、本体基板２を移動（回転）させても構わない。なお、レーザＲの照射位置の詳細については後述する。

フェムト秒レーザＲが照射された封止層３には、一定幅で一定厚みの変質部分Ｑが形成される。この変質部分Ｑは、周囲のシリコーン樹脂と比べて物性や形状が変化しており、固化して剥離可能な状態となっている。より具体的には、図４に示すように、フェムト秒レーザＲの照射によってボイドが形成されるとともに、その周囲に熱と圧力波が伝播し、照射領域周辺の物性及び形状が変化すると本発明者は推定している。

このようにしてフェムト秒レーザＲを照射して平面視円環状の変質部分Ｑを生成した後、図２（ｂ）に示すように、この変質部分Ｑを、例えば上下逆さまにしたり、振動を与えたり、治具で引っ張ったりして除去し、有底溝５を形成する。このとき、図５に示すように、有底溝５の表面には変質した薄いガラス質層５１が形成される。また有底溝５の周囲はわずかに隆起する場合もある。

次に、この有底溝５の内周縁５ａで囲まれた封止層３の表面領域に、該封止層３と同じ液状のシリコーン樹脂（請求項で言う第２樹脂）を一定量滴下し、図２（ｃ）に示すように、前記内周縁５ａで作用する表面張力でそれ以上の拡がりを防止して、概略部分球状の前記レンズ部４を形成する。シリコーン樹脂の滴下量は、前記表面張力を破らない範囲、すなわち、シリコーン樹脂が有底溝５の内周縁５ａから溢れ出て当該有底溝５に入らない範囲であって、当該有底溝５で囲まれた領域の大きさや、レンズ部４の盛り上がり高さに応じて定められる。
その後、図２（ｄ）に示すように、滴下したシリコーン樹脂を硬化させて、製造が完了する。

このようなものであれば、封止層３の表面に液状のシリコーン樹脂が滴下されてレンズ部４が形成されるので、間に空気層の入る余地がなく、また、レンズ部４と封止層３とが同一のシリコーン樹脂で形成される、光学的界面が全く存在しなくなり、光の取り出し効率を最大限に高めることができる。

また、前記有底溝５を弾性のあるシリコーン樹脂表面に形成することは、従来であれば、機械加工にせよ、連続レーザ照射等の熱加工にせよ、極めて困難であるが、本願発明によれば、フェムト秒レーザＲを照射するだけで、極めて簡単に実現することができる。これは、本願発明者が鋭意検討の末見出したものであり、従来では考えられなかったことである。

また、有底溝２の周縁部が若干隆起し、しかもそのエッジ部分は図８に示すようにガラス質層５１になっているので、レンズ部４を形成するシリコーン樹脂を多く滴下しても溢れない。したがって、レンズ部４の盛り上がりを大きくして曲率を高くするなど、レンズ部４の形状自由度を大きくできるという利点もある。

しかして、この実施形態では、前記レーザＲの照射位置を定めるために、図３に示すように、ＬＥＤ素子の位置を検出するためのＣＣＤカメラ等の位置検出センサ６と、前記レーザ装置を駆動制御する制御手段８とを設けている。

前記位置検出センサ６は、例えば２次元エリアセンサを利用したものであり、ＬＥＤ素子１及び本体基板２を平面方向、言い換えればＬＥＤ素子１の光射出方向から撮像して、その画像データを制御手段に送信するものである。なお、位置検出のタイミングは、ＬＥＤ素子１を本体基板２に搭載した後からレンズ部４を形成する前までの間に適宜行えばよい。

制御手段８は、ハードウェア的に言えば、例えばアナログ又はデジタル電気回路で構成したもので、図示しないＣＰＵやメモリを具備している。一方、機能的に言えば、メモリに記憶させたプログラムにしたがって前記ＣＰＵやその他のハードウェアが協働することで、前記画像データを受け付ける画像データ受付部８１、受け付けた画像データに所定の処理を施してＬＥＤ素子１の本体基板２に対する搭載位置を特定するＬＥＤ素子位置特定部８２、前記ＬＥＤ素子１の搭載位置に基づいて前記有底溝５の形成位置、すなわちレーザＲの照射位置を算出する溝形成位置算出部８３、算出された溝形成位置にレーザＲが照射されるようにレーザ装置７を駆動制御するレーザ駆動制御部８４等としての機能を発揮するものである。

次に、この制御手段８の各部の動作説明を兼ねて、ＬＥＤ素子１の搭載位置が本体基板２の正規の位置（例えば中心位置）からずれた場合におけるＬＥＤパッケージ１００の製造工程の一例を、図６、図７を参照して説明する。
まず、ＬＥＤ素子１が搭載された本体基板２を、位置検出センサ６が平面方向から撮像し、その画像データを制御手段８に送信する。

制御手段８では、画像データ受付部８１がこの画像データを受け付け、ＬＥＤ素子位置特定部８２が前記画像データに画像処理を施して、ＬＥＤ素子１の搭載位置を特定し、正規のＬＥＤ素子１の搭載位置からのＸＹ方向のずれ量をそれぞれ算出する。ここでは例えば図６に示すように基板に搭載されたＬＥＤ素子１の位置が、正規の位置からＸ方向にｅずれていたとする。

次に、このずれ量（ずれベクトル）ｅに基づいて、溝形成位置算出部８３が有底溝の形成位置、すなわちレーザＲの照射位置を算出する。ここでは、例えば、図７に示すように、ＬＥＤ素子１から射出された光が、有底溝５に沿って形成されたレンズ部４で屈折し、その光軸Ｇが、本来の光軸Ｃ（ここでは本体基板２あるいは素子収容凹部２１の機械的な中心軸Ｃ）上の予め定めた所定高さの点Ｐを必ず通るように、有底溝５の形成位置を算出する。
そして、その算出された有底溝形成位置にレーザＲが照射されるように、レーザ駆動制御部８４が、レーザ装置７又はその光学系の位置、あるいは本体基板２の位置を制御する。
そして、その後は、基本的製造方法のところで前述したとおり、形成された有底溝５を利用してレンズ部４を形成し、ＬＥＤパッケージを完成する。

このように構成したものであれば、例えば複数のＬＥＤパッケージを直線状に並べてライン光源として用いる場合、図８に示すように、各ＬＥＤパッケージ１００からの光は、それぞれのＬＥＤ素子１の本体基板２に対する位置のばらつきに拘わらず、所定高さＰのところでずれなく直線Ｌ上に並ぶことになる。したがって、この所定高さＰを対象物に対する光照射面や拡散面とすることで、直線精度の非常に高いライン光を得ることができる。なお、この図８でＬＥＤ素子１の位置ずれがないのは、左手前のパッケージ１００だけである。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記有底溝を、ルータやトリマー、高圧液体噴射などの機械的切削手段で形成してもよいし、熱線などの熱的手段で形成してもよく、その手法は特に限られるものではない。

有底溝の形成位置については、図９に示すように、ＬＥＤ素子１から射出されレンズ部４で屈折した光の光軸Ｇが、本来の光軸と平行になるように設定してもよい。多数のＬＥＤパッケージ１００を面上に敷き詰めて面光源を構成する場合などに、このような設定方法が有効である。なお、この図９では共通の本体基板２に複数の素子収容凹部２１が設けられており、言わば複数のＬＥＤパッケージが１つの本体基板を共用している態様となっている。
また、図１０に示すように、ＬＥＤ素子１から射出されレンズ部４で屈折した光の光軸Ｇが、１点に集まるように設定してもよい。多数のＬＥＤパッケージを面上に敷き詰めてスポット光源を構成する場合などに、このような設定方法が有効である。
さらに、図１１に示すように直線上に複数のＬＥＤ素子１を配置し、それらＬＥＤ素子１又は本体基板２の上面から所定距離Ｙだけ離間した部位において、各光軸Ｇの互いの離間距離が均等となるようにしてもよい。この場合、例えばＹだけ離間した部位に、拡散板を配置すると、拡散板に照射する各ＬＥＤ素子１からの光が均等に配分され、拡散板からムラのない光を射出することができる。ＬＥＤ素子は、格子状に敷き詰めても良い。その場合は、所定距離Ｙだけ離間した部位において、各光軸Ｇが均等な格子点に並ぶようにすればよい。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１００・・・ＬＥＤパッケージ
１・・・ＬＥＤ素子１
３・・・封止層
Ｒ・・・短パルスレーザ
Ｑ・・・変質部分
５・・・有底溝
５ａ・・・有底溝の内周縁
４・・・レンズ部

Claims (5)

1. ＬＥＤ素子を本体基板に搭載する搭載工程と、
   前記本体基板に搭載されたＬＥＤ素子を透明な封止層で封止する封止層形成工程と、
   前記ＬＥＤ素子を平面方向から視たときの位置を検出する位置検出工程と、
   前記位置検出工程で検出されたＬＥＤ素子の位置に基づいて、前記封止層の表面に形成すべき有底溝の形成位置を算出する溝形成位置算出工程と、
   前記溝形成位置算出工程で算出した溝形成位置に、環状の有底溝を形成する有底溝形成工程と、
   前記封止層の表面における前記有底溝の内周縁で囲まれた領域に透明樹脂を液体状態で供給し、前記内周縁を境界とする表面張力によって当該透明樹脂を盛り上がらせてレンズ部を形成するレンズ部形成工程とを有することを特徴とするＬＥＤパッケージの製造方法。
2. 複数のＬＥＤ素子が並んで配置されるとともに、各ＬＥＤ素子にそれぞれ前記レンズ部を形成するようにしたＬＥＤパッケージに適用されるものであって、
   各ＬＥＤ素子から出て、対応するレンズ部を通過した光の光軸が、所定点又は所定線を略通るように、あるいは、互いに略平行になるように、前記溝形成位置算出工程において前記有底溝の形成位置を算出することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤパッケージの製造方法。
3. 前記有底溝形成工程において、前記封止層の表面に短パルスレーザを照射して環状の変質部分を形成し、該変質部分を取り除くことによって有底溝を形成することを特徴とする請求項１又は２いずれか記載のＬＥＤパッケージの製造方法。
4. 所定の規則にしたがうべく並べて配置した複数のＬＥＤ素子と、各ＬＥＤ素子の光射出方向側にそれぞれ配置したレンズ部とを具備したものであって、
   前記所定の規則からずれて配置されたＬＥＤ素子から出る光の方向又は到達点が、所定の規則にしたがって配置された場合の当該ＬＥＤ素子から出る光の方向又は到達点と略合致するように、当該ＬＥＤ素子に対応するレンズ部の配置位置を設定していることを特徴とするＬＥＤパッケージ。
5. 各ＬＥＤ素子から出て、対応するレンズ部を通過した光の光軸が、所定点又は所定線を略通るように、あるいは、互いに略平行になるように、前記レンズ部の配置位置を設定している請求項４記載のＬＥＤパッケージ。