專利名稱：發光裝置用透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及以發光二極管作為發光源的發光裝置中使用的透鏡。
背景技術：
以發光二極管作為發光源的發光裝置是通過LED芯片發射光，并且通過熒光體對該發射光進行波長轉換，藉此得到所要的顏色的發光的裝置。例如，為了利用發光裝置得到白色光，可以通過氮化鎵(GaN)類的LED芯片發出藍色光，并且使該藍色光透過保持有釔-鋁-石榴石(YAG)類熒光體的波長轉換層，藉此，能夠以熒光的形式得到的紅色 綠色的光與透過熒光體的藍色光混合而得到白色的發光。對于這樣的發光裝置，為了提高光輸出功率，提出了在LED芯片和波長轉換構件之間設置光取出增大部(透鏡)的結構(專利文獻1)。該結構中，在LED芯片的光取出面側包括具有增大光取出率的功能的光取出增大部，該光取出增大部與LED芯片一體化。因此，波長轉換構件與光取出增大部并非同一構件，僅形成于凹狀開口部的內側，所以整個發光裝置的顏色偏差和波長轉換構件內的色相不均減少，而且為了固定波長轉換構件，采用了不預先填充透光性樹脂的結構，因此不會影響LED芯片上的光取出增大部的效果。專利文獻1 日本專利特開2005-166733號公報
發明內容
但是，上述現有技術文獻記載的發光裝置中，雖然可見光輸出功率的提高，但觀察到因長期使用而導致光輸出功率的衰減增大的現象。認為其原因如下。由LED芯片發射的光的發射光譜包含近紫外線。因此，如果長期使用發光裝置，則暴露于來自LED芯片的發射光的LED芯片上的光取出增大部(透鏡)因紫外線的影響而發生著色或變形，因而到達波長轉化構件(熒光體)的發射光減少。認為由此導致發光裝置的發光特性的劣化。而且，如果透鏡著色，則由LED芯片發射的光中的紅外線成分的透射率降低，透鏡本身會積蓄熱量，因而透鏡的著色和變形加速進行。透鏡中使用樹脂材料的情況下，這些紫外線的影響尤為顯著。本發明是解決上述問題的發明，其目的在于提供一種透鏡，該透鏡是用于發光裝置的透鏡，可長期維持發光裝置的初始發光特性，因此在長期使用時可抑制透射率特性的劣化。本發明的發光裝置用透鏡用于發光裝置，所述發光裝置包括LED芯片、對由所述 LED芯片發出的光進行波長轉換的波長轉換構件、設置于所述LED芯片和所述波長轉換構件之間的透鏡，其特征在于，所述透鏡由以質量％表示含有總量為80%以上的Si02、A1203、 Na2O, CaO作為必需成分且含有0. 001 0. 9%的i^e203+Fe0的玻璃構成。此外，所述透鏡的特征在于，以質量％表示含有總計0.05 10%的W03、TiO2, Nb205> Bi203> CeO2中的至少1種以上的成分。此外，所述透鏡的特征在于，0 300°C下的平均熱膨脹系數為2 10(X 10_6/K)。
此外，所述透鏡的特征在于，以質量％表示含有SiO266廣一 75%,
Al2O30. 1 5%,
Na2O5 .15%,
R2O5 .15%,
CaO3 -10%,
MgO0 -7%,
RO3 -18% ；這里，I 20Li20+Na20+K20 ；RO :Ca0+Mg0+Ba0+Sr0。此外，所述透鏡的特征在于，具有對板狀玻璃的一個面進行蝕刻而得的單面凹曲面狀或單面凸曲面狀。此外，所述透鏡的特征在于，層疊在所述LED芯片上。此外，本發明的發光裝置的特征在于，使用所述發光裝置用透鏡。利用本發明的發光裝置用透鏡，即使長期使用發光裝置，也可抑制透鏡的著色和變形的發生。因此，可長期維持發光裝置的初始發光特性。
圖1是使用本發明的實施方式的透鏡的LED發光裝置的簡單剖視圖。圖2是使用本發明的另一實施方式的透鏡的LED發光裝置的簡單剖視圖。圖3是表示本發明的透鏡的制造方法的流程圖。符號的說明P"LED發光裝置，2…透鏡(凸曲面狀透鏡)，3…LED芯片，4…波長轉換構件，5… 安裝基板，6…透鏡(凹曲面狀透鏡)，10…玻璃基板，11…抗蝕圖案。
具體實施例方式參照附圖對本發明的發光裝置用透鏡的一種實施方式進行說明。圖1中記載的本實施方式的發光裝置1包括LED芯片3、重疊配置在安裝有LED芯片3的安裝基板5和LED芯片3上的透鏡2、設置于透鏡2的光出射面側的波長轉換構件
4。本實施方式的發光裝置1例如用于照明器具的光源或電子設備的操作顯示部等。安裝基板5由裝載LED芯片3的金屬板和層疊于金屬板的由玻璃環氧樹脂基板制成的絕緣性基材構成，在該絕緣性基材的金屬板側的相反側的表面設置有一對引線圖案， 該一對引線圖案分別與LED芯片3的未圖示的兩個電極電連接。這里采用Cu作為金屬板的材料，但只要是導熱系數較高的金屬材料即可，不局限于Cu，也可采用Al等。除此之外， 也可使用由玻璃和氧化鋁填料等陶瓷填料構成的LTCC (低溫共燒陶瓷基板)作為安裝基板
5。此外，也可在安裝基板上設置用于反射來自LED芯片等的光的銀等的光反射層。考慮到長期可靠性，所述光反射層也可以是用由玻璃構成的保護涂層覆蓋由銀等構成的導體層的結構。LED芯片3是發射藍色光的GaN類藍色LED芯片，作為結晶生長用基板，使用由藍寶石基板或η型SiC基板構成的導電性基板等。在結晶生長用基板的主表面側，發光部通過外延生長法(例如MOVPE法等)生長，該發光部由GaN類化合物半導體材料形成，且由例如具有雙異質結構的層疊結構部構成；在結晶生長用基板的背面形成有未圖示的作為陰極側電極的陰極電極(η電極)；在發光部的表面(導電性基板11的主表面側的最表面)形成有未圖示的作為陽極側電極的陽極電極(P電極)。總之，LED芯片中，在一個表面側形成有陽極電極，并且在另一表面側形成有陰極電極。透鏡2重疊配置在LED芯片3上，其光入射面側平坦，光出射面側形成為凹曲面狀。由LED芯片3發出的光透過透鏡2，從而成為與光軸平行的光，藉此，通過波長轉換構件 4時的光的方向一致，因此可抑制發光裝置1中的光的中心部和端部的色調產生差異。波長轉換構件4設置于透鏡2的光出射面側，既可以直接層疊在透鏡2上而形成， 也可以設置于隔著透鏡2和空氣層隔開一定距離的位置。波長轉換構件4由混合好的混合物的成形品構成，該混合物由有機硅樹脂之類的透明材料和被由LED芯片3發射的藍色光激發而發射出廣域的黃色系光的粒子狀的黃色熒光體混合而成。因此，本實施方式的發光裝置1中，由LED芯片3發射的藍色光和由黃色熒光體發射的光從波長轉換構件4的光出射面發射，可得到白色光。波長轉換構件4所用的透明材料不限于有機硅樹脂，也可采用例如丙烯酸樹脂、環氧樹脂等。波長轉換構件4所用的熒光體不限于上述黃色熒光體，例如也可將紅色熒光體和綠色熒光體混合而得到白色光。由LED芯片3發射的藍色光的發射光譜在波長450 500nm處具有相對發光強度的峰，且雖然相對發光強度不高，但仍包含波長小于400nm的近紫外線。因此，與LED芯片3的光出射面側相鄰的透鏡2使該包含近紫外線的光透過。透鏡2由丙烯酸樹脂等樹脂材料或玻璃形成的情況下，透鏡2因該紫外線而變色(所謂紫外線曝曬(ultraviolet solarization))。如果透鏡2變色，則透過透鏡2的光量下降，導致發光裝置1的亮度的下降和發光顏色的偏差之類的品質劣化。此外，如果透鏡2變色，則紅外線透射特性下降，因而透鏡2本身會積蓄熱量，發光裝置1的散熱特性劣化。因此，本發明的發光裝置用透鏡以質量％表示含有總量為80%以上的Si02、Al203、 Na2O, CaO作為必需成分且含有0. 001 0. 9%的!^e2OjFeO,藉此賦予透鏡以耐紫外線曝曬性，從而解決了上述問題。本發明的發光裝置用透鏡由含有Si02、A1203、Na2O, CaO作為必需成分且這些必需成分的總量為80%以上的玻璃構成，因此與樹脂材料相比耐熱性更好，即使LED芯片通過發光而發熱，透鏡長時間暴露在該熱量下，也可抑制由熱量引起的劣化。所述總量較好為85%以上，更好為90%以上。此外，因為玻璃組成含有鐵成分，所以可抑制透鏡因紫外線曝曬而變色的現象。鐵成分是強力吸收紫外線的成分，是通過在玻璃中含有少量可期待紫外線屏蔽效果的本發明的實施方式所必需的成分，但以質量％計R2OJFeO如果低于 0. 001%，則無法期待其效果，如果高于0.9%，則透鏡本身著色，光的透射量可能會下降。優選0.01% 0.2%的范圍。鐵成分在玻璃中以不同價數的離子!^e2+Je3+的狀態存在，離子原子價通過紫外線照射而轉變，這是玻璃著色的主要原因。另一方面，通過紫外線照射而著色的部分期待紫外線屏蔽膜的作用，阻斷紫外線向玻璃內部的侵入，這就防止了紫外線曝曬的進行。因此，如果玻璃中的鐵成分含量少，則因侵入玻璃內部的紫外線的作用而導致電子從其它離子流入大范圍的玻璃結構中的空穴，該空穴成為發色中心，因此其結果是玻璃的透射率特性劣化。基于上述由紫外線導致的玻璃的著色機理，Fe203+Fe0的含量必須在規定范圍內。因為玻璃中的鐵成分以Fi52O3和FeO的狀態存在，所以以兩者的總量(F%03+Fe0) 來限定。！^e2O3是提高紫外線吸收能力的成分，FeO是提高熱射線吸收能力的成分。為了使玻璃獲得高透射率，FeO相對于總氧化鐵的比例較好是低于40%。！^e2O3和!^eO的平衡可通過對添加于玻璃原料的氧化劑或還原劑的量、玻璃熔融爐內氣氛的氧化還原條件等進行調整來控制。此外，玻璃中的鐵成分的添加方法除了作為玻璃原料添加鐵成分的方法外，也可采用以下方法中的任一種控制硅砂原料中所含的鐵成分，通過硅砂原料來添加的方法； 控制制造工藝中混入的鐵成分，從制造工藝條件添加，即通過原料以外的方法來添加的方法。為了賦予透鏡以耐紫外線曝曬性，透鏡的玻璃可以含有W03、Ti02、Nb205、Bi203、CeA 中的至少1種以上。W03、Ti02、Nb205、Bi203、CeA是賦予耐紫外線曝曬性、紫外線屏蔽性能的成分，它們的總量以質量％計低于0. 05%時，無法獲得所期待的效果，如果高于10質量％， 則玻璃容易失透，發生均質性的劣化。以這些成分的總量計的添加量較好是在0. 05 3% 的范圍內。透鏡的0 300°C下的平均熱膨脹系數較好為2 IOX 10_6/K。透鏡用公知的粘接劑粘接在LED芯片上。另一方面，如上所述，LED芯片通過發光而發熱。因此，通過使透鏡的平均熱膨脹系數與作為LED芯片的發光體的GaN的熱膨脹系數相似，可防止透鏡從LED 芯片剝離。GaN為晶體結構，熱膨脹系數因晶軸而不同，因此考慮到這一點，將透鏡的0 300°C下的平均熱膨脹系數設為2 10X10_6/K。如果超出該范圍，則在使用發光裝置時， 透鏡和LED芯片之間產生熱膨脹差，可能會從粘接部剝離。構成本實施方式的發光裝置用透鏡的各成分的含量較好是如下所述，如上所述對構成玻璃的各成分的含量等進行限定的原因在下文中說明。各成分的含量均以質量％表
7J\ οSiO2是形成玻璃的網絡結構的主要成分，也是用于維持熱學特性和機械特性的重要成分。其添加量如果低于66%，則玻璃結構變得不穩定，因而機械特性劣化，而且化學耐久性也劣化。如果高于75%，則玻璃的熔融性、成形性變差，因此優選66 75%的范圍，更優選68 73%的范圍。Al2O3具有改善玻璃的失透性和化學耐久性的作用，如果低于0. 1%，則容易發生分相和失透，如果高于5%，則會產生波筋等，熔融性變差，因此優選0. 1 5%的范圍，更優選1 4%。Li20、Na20、K20起到助熔劑的作用，用于改善玻璃的熔融性并調整粘度和熱膨脹系數。此外也是對電學特性有較大影響的重要成分。這三種成分的含量的總和如果低于5%， 則無法獲得作為助熔劑的效果，熔融性劣化。如果高于15%，則化學耐久性劣化，熱膨脹系數也增大。因此，優選5 15%的范圍。這三種成分中，特別優選使用Na20。CaO, MgO、BaO、SrO是用于實現玻璃的熔融成形性和防失透的有效成分，這些成分的總含量如果低于3%，則該效果不佳，如果高于18%，則有機械強度下降的傾向。因此，優選3 18%的范圍，更優選9 15%。這四種成分中，CaO是用于提高玻璃的熔融性的特別有效的成分。但是，CaO的含量如果多于10%，則玻璃的液相溫度升高，難以進行穩定的玻璃成形，而且還會產生熱膨脹系數升高等問題。如果低于3%，則高溫粘性提高，不僅難以進行均質熔融，還會產生應變點降低等問題。因此，優選3 10%的范圍，更優選5 9%的范圍。MgO可獲得與CaO同樣的效果，是用于提高玻璃的熔融性的有效的成分。但是，MgO 的含量如果高于7%，則產生成形性等的問題。因此，優選0 7%的范圍，更優選0 5% 的范圍。作為其它任意成分，為了提高熔融成形性、調整透射率、調整機械強度、調整熱學特性，可添加低于5%的B2O3、ZiO2等。作為另一種實施方式的發光裝置，可例舉圖2中記載的發光裝置。其與圖1的發光裝置的不同之處僅在于透鏡6的形狀是凸透鏡。透鏡的詳細形狀可根據發光裝置的詳細情況適當設定，透鏡是凹曲面狀還是凸曲面狀可根據透鏡的折射率和與光出射面側接觸的物質的折射率來決定。具體而言，透鏡的折射率高于與光出射面側接觸的物質的折射率的情況下，應當采用凹曲面狀，透鏡的折射率低于與光出射面側接觸的物質的折射率的情況下， 應當采用凸曲面狀。接著，對本實施方式的發光裝置用透鏡6的制造方法進行說明。本實施方式的發光裝置用透鏡6可如下所述制作。首先，按照上述組成范圍稱量作為玻璃原料的氧化物、碳酸鹽、氫氧化物、硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物等原料粉末并混合，制成原料配合料。將該原料配合料加入鉬坩堝，于1350 1500°C的溫度下熔融，充分攪拌、 澄清，制成均質的玻璃。將這些熔融玻璃導入框中，成形為塊狀，保持在退火點附近以消除應變，然后冷卻至室溫。接著，將塊狀的玻璃切片，切割成所要的尺寸，然后對光學面進行研磨，得到板狀的玻璃基板10。玻璃的熔融可通過使用鉬坩堝的坩堝熔融(日語卜溶融)、使用池窯的連續熔融等來進行。成形方法有澆鑄于模具、用輥拉伸為板狀等方法，主要優選采用浮法進行板成形。接著，在所述玻璃基板10的光學面形成凹曲面狀的透鏡。作為在玻璃基板10上形成凹曲面狀的透鏡6的方法，作為一例有如下方法通過對玻璃基板10的一個面實施下述的蝕刻加工而形成所要的凹曲面，然后從玻璃基板10中切出凹曲面狀部分，從而得到透鏡6。用圖3來說明對凹曲面實施蝕刻加工的方法。凹曲面為近似球面的情況下，采用在玻璃基板10上涂布光致抗蝕層的工序、用光刻技術在所述光致抗蝕層上形成抗蝕圖案 11的工序(a)、進行被覆有該光致抗蝕層11的玻璃基板10的各向同性蝕刻的工序(b)。凹曲面為非球面的情況下，除了上述的凹曲面為近似球面時的工序外，還采用在實施了進行玻璃基板10的各向同性蝕刻的工序后除去玻璃基板10上的光致抗蝕層11的工序(c)，對玻璃基板10的整個表面進行蝕刻的工序(d)。接著，將成形有凹曲面的部位切出(e)，從而得到凹曲面狀的透鏡6。上述方法中，通過調整對形成近似球面的凹曲面時的抗蝕圖案11 或玻璃基板10的整個表面進行蝕刻的量，可容易地形成所要的近似球面或非球面的凹曲面。通過對透鏡6的凹曲面實施蝕刻加工，透鏡6表面的平滑性高，透鏡6的光出射面上的光的散射少，可抑制透過透鏡6的光的衰減。此外，采用蝕刻的加工中，通過使用大塊的玻璃基板10，可同時對多個透鏡6進行加工，因此能以低廉的成本制造透鏡6。作為對凸曲面實施蝕刻加工的方法，采用在玻璃基板上涂布光致抗蝕層的工序、用光刻技術在所述光致抗蝕層上形成抗蝕圖案的工序、進行被覆有該光致抗蝕層的玻璃基板的各向同性蝕刻的工序。玻璃基板的蝕刻中，被覆有光致抗蝕層的部分不被蝕刻，而是殘留下來，因此通過對圓形的被覆部分的周圍進行蝕刻等方法，即通過調整對抗蝕圖案或玻璃基板的整個表面進行蝕刻的量，可容易地形成所要的形狀。通過對透鏡的凸曲面實施蝕刻加工，透鏡表面的平滑性高，透鏡的光出射面上的光的散射少，可抑制透過透鏡的光的衰減。此外，采用蝕刻的加工中，通過使用大塊的板狀玻璃，可同時對多個透鏡進行加工，因此能以低廉的成本制造透鏡。作為透鏡的其它制造方法，也可采用以下方法將規定量的熔融玻璃供至透鏡成形模具進行加壓成形的直接加壓法；由熔融玻璃形成預成形體后用金屬模具對預成形體加壓的模壓法等玻璃成形法。實施例接著，基于實施例對本發明的發光裝置用透鏡進行詳細說明。表1所示為本發明的實施例及比較例。例1 例5為本發明的實施例，例6為比較例。另外，表中的組成是以質量％表示。表中記載的玻璃如下所述按照表中所示的各氧化物組成稱量硅砂和各金屬的碳酸鹽、氫氧化物等原料粉末并混合，通過使用芒硝的澄清方法用鉬坩堝于1450°C熔融 5小時。將熔融玻璃充分攪拌、澄清后，倒出至矩形框內，退火后與下述評價項目相對應地制作加工成所要的形狀的樣品。對于這些樣品，通過下述的耐紫外線曝曬試驗來評價對紫外線照射的影響。基于耐紫外線曝曬性試驗的透射率的劣化度如下所述測定將各玻璃樣品切成單邊30mm見方的板狀，以厚度達到Imm的條件進行雙面光學研磨加工，將所得試樣配置在距離汞燈 (H-400P)20cm的位置，進行300小時的紫外線照射，然后測定波長400nm處的透射率，用與紫外線照射前的初始透射率相比的劣化度表示。劣化度(％)=[(初始透射率-紫外線照射后的透射率)/初始透射率]X 100。上述試驗中，劣化度在2%以上的記作有紫外線劣化，劣化度低于2%的記作無紫外線劣化。[表 1]
權利要求
1.一種發光裝置用透鏡，該透鏡用于發光裝置，所述發光裝置包括LED芯片、對由所述LED芯片發出的光進行波長轉換的波長轉換構件、設置于所述LED芯片和所述波長轉換構件之間的透鏡，其特征在于，所述透鏡由以質量％表示含有總量為80%以上的Si02、Al203、Na20、Ca0作為必需成分且含有0. 001 0. 9%的Fe203+Fe0的玻璃構成。
2.如權利要求1所述的發光裝置用透鏡，其特征在于，所述透鏡以質量％表示含有總 if 0. 05 10%&W03、Ti02、Nb205、Bi203、Ce02 中的至少 1 種以上的成分。
3.如權利要求1所述的發光裝置用透鏡，其特征在于，所述透鏡的0 300°C下的平均熱膨脹系數為2 ιο(χιο_7κ)。
4.如權利要求1或2所述的發光裝置用透鏡，其特征在于，所述透鏡以質量％表示含有SiO266廣一 75%,Al2O30. 1 5%,Na2O5 .15%,R2O5 .15%,CaO3 -10%,MgO0 -7%,RO3 -18% ；這里，Ii2O :Li20+Na20+K20 ；RO :Ca0+Mg0+Ba0+Sr0。
5.如權利要求1所述的發光裝置用透鏡，其特征在于，所述透鏡具有對板狀玻璃的一個面進行蝕刻而得的單面凹曲面狀或單面凸曲面狀。
6.如權利要求1所述的發光裝置用透鏡，其特征在于，所述透鏡層疊在所述LED芯片上。
7.一種發光裝置，其特征在于，使用權利要求1 6中任一項所述的發光裝置用透鏡。
全文摘要
本發明為了長期維持發光裝置的初始發光特性而提供在長期使用時可抑制透射率劣化的發光裝置用透鏡。本發明的發光裝置用透鏡用于發光裝置，所述發光裝置包括LED芯片、對由所述LED芯片發出的光進行波長轉換的波長轉換構件、設置于所述LED芯片和所述波長轉換構件之間的透鏡；所述透鏡由以質量％表示含有總量為80％以上的SiO2、Al2O3、Na2O、CaO作為必需成分且含有0.001～0.9％的Fe2O3+FeO的玻璃構成。
文檔編號H01L33/58GK102299241SQ20111018616
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月23日 優先權日2010年6月24日
發明者北爪貴洋, 山本浩史, 門寬之 申請人:旭硝子株式會社