CN101681962A - 半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体发光装置。本发明的目的在于提供减少发光元件的光自吸收、并具有优良的出光效率的发光装置。本发明的发光装置的特征在于包括：基板；夹着或未夹着载体而设置于所述基板上的半导体发光元件；和封装所述半导体发光元件的封装结构体；其中，所述封装结构体具有与所述半导体发光元件的底面平行的底面，所述封装结构体的侧面相对于底面倾斜。

Description

半导体发光装置
技术领域
本发明涉及半导体发光装置，尤其涉及通过使封装结构体的侧面相对于底面具有倾斜而在半导体发光元件与封装结构体的顶面与底面之间设置特定的距离，减少半导体发光元件的光自吸收而具有优良的出光效率且可以控制光的放射弥散性的半导体发光装置。
背景技术
现有，作为使用了半导体发光元件的发光装置，例如，已知如示于图1的在引线框安装发光元件并进行了炮弹型的树脂封装的发光装置；或者，如示于图2的在基板上具备反射器，在构成由基板和反射器形成的凹部的底面的基板上安装发光元件，并对该凹部内或者凹部整体进行了树脂封装的发光装置。进而，已知如示于图3的鉴于批量生产而在基板上安装多个发光元件，并对其表面通过封装材料等进行封装，其后通过切割等各个地切开，呈现侧面基本垂直的形状的发光装置(例如，参照日本特开平8-78732号公报)。还有，附图中，2表示发光元件，4表示基板，5表示反射器，6表示封装剂，7表示安装侧引线框，8表示馈电侧引线框，9表示接合线，10表示p电极及11表示n电极。在这些发光装置中，虽然通过采用折射率约为发光元件与空气的中间的材料作为封装材料而减少发光元件内全反射，但是在这些附图中沿以A而示的光线轨迹仍会发生发光元件的光自吸收，出光效率基本为未封装时的1.2～1.5倍程度，效率低。
并且，使用了如存在于图1或图2的发光元件的发光装置的光放射强度分布(或者光度分布)主要通过具备反射器或透镜，使光集中于一个方向。而且在图3的形状中，将能够通过发光元件的点亮进行设备的通电确认作为主要目的，重视发光装置的生产性，并未改善出光。
一般地，发光元件的折射率具有2.4～3.7的值，空气的折射率为1.0的值。其中间值1.5程度的树脂通常用作封装树脂。从发光元件发出的光为了从封装树脂出射于空气中，入射于封装树脂与空气的界面的光与该界面的角度(θ)必须比以下式所示的临界角(θc)大。
θc＝cos-1(n2/n1)
(在此，n1为入射侧的折射率，n2为出射侧的折射率。)
若根据上述的封装树脂的折射率而计算临界角(θc)则大致为48°，如果从界面(反射面)到该界面的法线方向测量的界面与入射光的角度比该值小则光出射不到封装树脂之外。并且因为形成发光元件的p型层、n型层及活性层大致呈现1×10～1×104/cm程度的光吸收率，所以若光的粒子在封装树脂内进行多重反射则由发光元件所吸收，出光受到阻碍。
已知在发光元件本身中，通过调整上部包覆层相对于活性层的高度及元件侧面的角度等几何尺寸，可使出光效率比现有的大致长方体发光元件提高(例如，参照美国专利第6229160号、第6323063号及第6570190号专利说明书)。但是，在搭载了发光元件的发光装置中，并未知晓对其几何尺寸进行调整而使出光效率提高。
发明内容
本发明的目的在于提供减少发光元件的光自吸收并具有优良的出光效率的发光装置。本发明的另一目的在于提供能够放射弥散光的发光装置。本发明的又一目的在于提供能够放射集中于正面的光的发光装置。
本发明通过使封装结构体的侧面相对于底面倾斜，减少发光元件的光自吸收，使发光装置的出光效率提高。并且，本发明通过在发光元件与封装结构体的顶面及底面之间设置特定的距离，使发光装置的光的放射弥散性提高，使光的正面集中性提高。即，本发明提供下述的发明。
(1)特征如下的发光装置，包括：基板；夹着或未夹着载体而设置于所述基板上的半导体发光元件；和封装所述半导体发光元件的封装结构体；其中，所述封装结构体具有与所述半导体发光元件的底面平行的底面，所述封装结构体的侧面相对于底面倾斜。
(2)记载于上述1项的发光装置：从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离与从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离之比(下侧距离/上侧距离)为1以上。
(3)记载于上述1项的发光装置：从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离与从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离之比(下侧距离/上侧距离)小于1。
(4)记载于上述1～3项之任一的发光装置：从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离为半导体发光元件的最长对角线或直径的0.5～3倍。
(5)记载于上述1～4项之任一的发光装置：封装结构体的顶面与底面的面积比(顶面/底面)为36/25以上。
(6)记载于上述1～4项之任一的发光装置：封装结构体的顶面与底面的相对应的各边的长度或直径之比(顶面/底面)为6/5以上。
(7)记载于上述1～4项之任一的发光装置：封装结构体的顶面与侧面形成的角度为82度以内。
(8)记载于上述1～4项之任一的发光装置：封装结构体的顶面与底面的面积比(顶面/底面)为16/25以下。
(9)记载于上述1～4项之任一的发光装置：封装结构体的顶面与底面的相对应的各边的长度或直径之比(顶面/底面)为4/5以下。
(10)记载于上述1～4项之任一的发光装置：封装结构体的顶面与侧面形成的角度为107度以上。
(11)记载于上述1～10项之任一的发光装置：半导体发光元件为倒装芯片型。
(12)特征为包括下述的步骤(1)～(4)的发光装置的制造方法：
(1)夹着或未夹着载体将半导体发光元件安装于基板上；
(2)形成中央部中空的环状锥形管，所述环状锥形管的顶面及底面满足记载于上述5～10项中任何一项所述的封装结构体的顶面及底面的形状；
(3)以将半导体发光元件及根据需要的载体收置于中央中空部的方式，将环状锥形管安装于基板；和
(4)在环状锥形管的中央中空部填充具有与所述环状锥形管相同的折射率的材料。
(13)特征为包括下述的步骤(1)～(3)的发光装置的制造方法：
(1)夹着或未夹着载体将半导体发光元件安装于基板上；
(2)形成在底面中央部具有凹部的封装结构体，所述封装结构体的顶面及底面满足记载于上述5～10项中任何一项所述的形状；和
(3)以将半导体发光元件及根据需要的载体收置于凹部的方式，将封装结构体用具有与封装结构体相同的折射率的材料固定于基板并同时在所述凹部填充所述材料。
如果依照于本发明的发光装置，则通过使封装结构体的侧面相对于底面倾斜，能够减少发光元件的光自吸收，使发光装置的出光效率提高。并且，如果依照于本发明的发光装置，则通过在发光元件与封装结构体的顶面及底面之间设置特定的距离，能够使发光装置的光的放射弥散性提高，使光的正面集中性提高。
附图说明
图1是表示现有的发光装置之一例的图。
图2是表示现有的发光装置另一例的图。
图3是表示现有的发光装置又一例的图。
图4是本发明中的封装结构体之一例的剖面图。
图5是本发明中的封装结构体另一例的剖面图。
图6是本发明中的封装结构体之一例的俯视图。
图7是本发明中的封装结构体另一例的俯视图。
图8是示于图6或图7的封装结构体的剖面图。
图9是本发明中的封装结构体另一例的俯视图。
图10是本发明中的封装结构体另一例的俯视图。
图11是示于图9或图10的封装结构体的剖面图。
图12是相对于封装结构体的顶面的直径(a)与底面的直径(b)之比(a/b)而绘制的本发明发光装置的相对于输入电力的发光输出比率及正面光强度的图。
图13是相对于从封装结构体顶面到发光元件底面的距离而绘制的本发明发光装置的相对于输入电力的发光输出比率及正面光强度的图。
图14是以实施例1制作出的发光装置的剖面图。
图15是以实施例1制作出的发光装置的俯视图。
图16是以实施例2制作出的发光装置的剖面图。
图17是以实施例2制作出的发光装置的俯视图。
具体实施方式
图14及图16分别是以本发明的实施例1及实施例2制作出的发光装置111的剖面图，表示本发明的发光装置之一例。附图中，101为封装结构体，102为半导体发光元件，103为载体(Submount，热沉)，104为散热性基板，120为外部电源连接用电极。
图4及图5分别为图14及图16的封装结构体及发光元件部分的剖面的模式图。附图中，1为封装结构体及2为发光元件。如示于这些附图地，用于本发明的封装结构体的底面及顶面与发光元件的底面及顶面平行，其侧面相对于底面倾斜。作为倾斜，既可以如图4地，为顶面面积比底面面积大的倒锥状，也可以如图5地，为顶面面积比底面面积小的正锥状。总之，只要侧面相对于底面不垂直即可。
正锥的情况也包括侧面收敛于1点而作为剖面形状成为三角形的情况、即顶面面积为0的情况。该情况下，在本专利说明书中，在从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离等中，作为封装结构体的顶面，是指侧面收敛成的1点、即剖面三角形的顶点。
并且，封装结构体的俯视形状虽然也可以为如正方形、长方形、或三角形、五边形以上的多边形、或者圆形等的形状，但是优选正方形或圆形，尤其优选圆形。
总之，倒锥状的封装结构体为切掉了顶部的倒圆锥形状或倒棱锥形状，正锥状的封装结构体为切掉了顶部的圆锥形状或棱锥形状、或者圆锥形状或棱锥形状。
通过使封装结构体的侧面相对于底面倾斜，当来自发光元件的放射光(A)在封装结构体的顶面、即构成封装结构体的树脂与空气界面进行了全反射的情况下，如示于图4及图5地，在侧面未全反射而容易透射。从而，出光效率提高。
图12选择在后述的实施例中从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离与从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离之比(下侧距离/上侧距离)约为3的发光装置，以封装结构体的顶面的直径(a)与底面的直径(b)之比(a/b)为参数(横轴)而描绘相对于输入电力的发光输出比率(左纵轴)与正面光强度(右纵轴)。
图12中的横轴值为1(a/b＝1)而顶面的直径与底面的直径相等，即封装结构体的侧面相对于侧面并不倾斜而垂直。在该形状下，相对于输入电力的发光输出比率、即出光效率为最低。而且，随着顶面的直径相对于底面的直径变大、或变小，相对于输入电力的发光输出比率、即出光效率增加。
另一方面，正面光强度在(a/b≈2)成为最低。并且，在(a/b≈1.2)以上，因为相对于输入电力的发光输出比率、即出光效率基本固定，所以正面光强度下降，向周边的光强度的增加、即光的弥散(dispersion，分散)提高。
图13选择在后述的实施例中封装结构体的高度、即从底面到顶面的距离为1.3mm而顶面的直径(a)与底面的直径(b)之比(a/b)约为2的发光装置，以从封装结构体的顶面到半导体发光元件的底面的距离为参数(横轴)而描绘相对于输入电力的发光输出比率(左纵轴)与正面光强度(右纵轴)。
图13的横轴值在发光元件位于封装结构体的顶面侧的情况下为表面侧，在位于封装结构体底面的情况下为底面侧。相对于输入电力的发光输出比率、即出光效率的变化相对于发光元件的位置高度微小。另一方面，关于正面光强度，当发光元件位于从封装结构体的表面附近到中央之间时，来自发光装置的正面光强度小，意味着光的弥散性优。而且，随着发光元件的位置从封装结构体的中央接近底面侧，正面光强度骤增，光的弥散性下降，表示光集中于正面。
在将发光元件配置于封装结构体的表面附近的情况下、即距离d≈0，来自发光元件的光在封装结构体的顶面进行全反射，且来自侧面的光放射显著起来。该趋势在从发光元件底面到封装结构体底面的距离(下侧距离)与从封装结构体顶面到发光元件底面的距离(上侧距离)之比(下侧距离/上侧距离)为1以上(即大于等于1)时变得显著，来自封装结构体的出光弥散性提高。另一方面，当下侧距离/上侧距离的比率不足1.0时，来自发光元件的光在封装结构体侧面进行全反射且来自顶面的放射为主而弥散性下降，光集中于正面。
在示于图4的封装结构体的顶面面积比底面面积大、即顶面的边的长度或直径(a)比底面的边的长度或直径(b)大的倒锥状的封装结构体的情况下，顶面的边的长度或直径(a)与底面的边的长度或直径(b)之比如从图12显明地，为了呈现高的出光效率所以优选为1.1以上。更优选为1.2以上(6/5以上)，尤其优选为1.3以上。如果以面积比而言，则优选1.21以上。更优选1.44以上(36/25以上)，尤其优选1.69以上。
并且，在以光的弥散性优的发光装置为目标的情况下，因为正面光强度以a/b≈2为最低、随着a/b变大而增加，所以优选a/b为3以下(即小于等于3)。尤其优选使a/b约为2，则出光效率及光的弥散性二者全优。
在以光集中于正面的发光装置为目标的情况下，优选a/b尽量大的一方。
封装结构体的底面的边的长度或直径(b)只要能够封装半导体发光元件则充分，只要比发光元件的边的长度或直径(H)大即可。
并且，当前销售的可以购买的半导体发光元件的形状一般是1边为0.35mm的正方形，LED封装的光放射部的口径大概为4mm程度。若在本封装结构体中也符合现有的使用范围，则认为封装结构体的顶面边长的上限约为4.0mm程度(发光元件最长边长或直径的11倍程度)适当。进而，为了使上述的a/b满足，根据制作上的容易性的观点，优选a为发光元件最长边长或直径的2倍以上。即优选：封装结构体的顶面的边的长度或直径(a)为11H≥a≥2H(H为发光元件的最长边的长度)。
优选：从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离(d)为3H≥d≥0.5H(H为发光元件的最长边的长度或直径)。作为从发光元件发出的光较少在封装结构体的顶面进行全反射而再次返回到发光元件的距离，上侧距离(d)优选为发光元件的最长边的长度或直径的0.5倍以上，更优选为1.0倍以上。并且，考虑到光在封装结构体中的衰减，可认为以发光元件的最长边的长度或直径的3倍程度为上限为常识。
在以光的弥散性优的发光装置为目标的情况下，从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离(c)与从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离(d)之比(c/d)如上述地优选为1以上，更优选为2以上。并且，作为比(c/d)的上限，因为如上述地优选上侧距离(d)为发光元件的最长边的长度或直径的0.5倍以上，所以若考虑到发光元件及封装结构体的一般性大小，则为6程度。
并且，在以光集中于正面的发光装置为目标的情况下，比(c/d)如上述地优选为不足1，更优选为0.3以下。该情况下，比(c/d)并无特别下限，也可以不通过(夹着)载体而将半导体发光元件直接设置于基板，使比(c/d)为0。
在示于图4的封装结构体中，以顶面直径(a)＝3.2mm、顶面直径(a)/底面直径(b)＝2.0、高度(c+d)＝1.3mm、从封装结构体的顶面到发光元件底面的距离(d)为0.32mm、从发光元件底面到封装结构体底面的距离(c)为0.98mm、即下侧距离/上侧距离≈3的方式，封装了边长为0.35mm的正方形的发光元件，以具有这一结构的发光装置的发光元件的底面中央为原点，相似形缩小为0.6、0.8倍、或者以相似形放大为1.2、1.4倍地变化封装结构体，对于具备这样的封装结构体的发光装置，调查发光输出及正面强度的变化。若看一下发光输出的变化，则发光输出从封装厚度变薄的0.6倍(高度：0.78mm)到封装厚度变厚的1.4倍(高度：1.82mm)基本线性地下降。这可认为由封装厚度变厚、封装树脂的光吸收性产生。另一方面正面光强度的变化微小。由此，封装厚度的增加虽然发光输出降低，但是不怎么影响光的弥散性。
在示于图5的封装结构体的顶面面积比底面面积小、即顶面的边的长度或直径(a)比底面的边的长度或直径(b)小的正锥状的封装结构体的情况下，顶面的边的长度或直径(a)与底面的边的长度或直径(b)之比如从图12显明地，为了呈现高的出光效率所以优选为0.8以下(4/5)以下。更优选为0.5以下(1/2以下)。如果以面积比而言，则优选0.64以下，更优选0.25以下(1/4以下)。
并且，在以光的弥散性优的发光装置为目标的情况下，因为正面光强度以a/b≈0.8为最低、随着a/b变小而增加，所以优选a/b为0.5以上。
在以光集中于正面的发光装置为目标的情况下，为了出光效率优、光的正面集中性也提高，优选a/b尽量小的一方。优选a/b为0.5以下。
封装结构体的底面的边的长度或直径(b)因为必须封装半导体发光元件，所以当然必须比发光元件的边的长度或直径(H)大。其上限因与上述倒锥状封装结构体的顶面的边的长度或直径相同的理由，为发光元件最长边长或直径的11倍程度(约4.0mm)适当。
封装结构体的顶面的边的长度或直径(a)只要相对于底面的边的长度或直径(b)满足上述的比a/b即可。在正锥的情况下，侧面也可以收敛于1点，封装结构体的剖面形状为三角形。该情况下，a＝0。
关于从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离(d)的优选范围，与上述倒锥的情况相同。
图6及图7分别为本发明中的封装结构体(1)之一例的俯视图。图8是它们的剖面图。如记载于上述(5)～(7)的发明地，通过封装结构体的顶面与底面的面积比为36/25以上、或者各边的长度之比为6/5以上、或者封装结构体的顶面与侧面形成的角度为82度以内(即小于等于82度)，与使封装结构体顶面与发光元件底面的间隔为发光元件的最长的对角线或直径的0.5倍以上相辅相成，如见于图8地，从发光元件发出的光中的在封装结构体的顶面进行了全反射的光(A)在侧面的入射角变成临界角以上而出光于外部，防止光在封装结构体内的吸收及在发光元件的吸收而有效出光。
但是，如以虚线示于图8地，在封装结构体的顶面与底面的面积比为1∶1或者各边的长度之比为1∶1的情况下，从发光元件发出的光中的在封装结构体的顶面进行了全反射的光(B)在侧面的入射角变成临界角以下的部分增多，如以附图中B的路径示出地，在封装结构体的底面、侧面、顶面接连不断地重复反射，由多重反射引起的光在封装结构体内及发光元件的吸收增多。
图9及图10分别为本发明中的封装结构体(1)另一例的俯视图。图11是它们的剖面图。如记载于上述(8)～(10)的发明地，通过封装结构体的顶面与底面的面积比为20/25以上、或者各边的长度之比为4/5以下、或者封装结构体的顶面与侧面形成的角度为107度以上，与使封装结构体顶面与发光元件底面的间隔为发光元件的最长的对角线或直径的0.5倍以上相辅相成，如见于图11地，从发光元件发出的光中的朝向封装结构体的侧面的光(A)其入射角变成临界角以上而出光于外部，防止光在封装结构体内的吸收及在发光元件的吸收而在出光上有效。
但是，如以虚线示于图11地，在封装结构体的顶面与底面的面积比为1∶1或者各边的长度之比为1∶1的情况下，从发光元件发出的相同方向光(B)以临界角以下的入射角入射于封装结构体的顶面的部分增多，如以附图中B的路径示出地，在封装结构体的底面、侧面、顶面接连不断地重复反射，由多重反射引起的光在封装结构体内及发光元件的吸收增多。
以下关于构成本发明的发光装置的各构件进行说明。
对于安装载体等的基板能够采用引线框、印刷基板及散热性基板等。因为大电流流过发光元件所以优选散热性基板。
在散热性基板的情况下，可从1块板通过由冲切金属模进行冲压加工成型为认为尺寸适合用于发光装置的多个散热性基板。该散热性基板的形状也可以为如矩形、圆形及多边形等的形状。也能够使各自的形状完全独立地通过冲压加工完全地冲切。但是，优选为多个连接的矩形框状，其能够使相邻的邻边彼此能够容易地脱离开的条部(street)安装于进行实施的安装设备。因为是散热性基板，所以冲切方向选择如下冲切方向：与接合对方的紧贴性不会由于冲压加工后的边缘部弹起而不良。并且，优选边缘部的塌边(droop)少的精密冲切、对向模冲切、及上下冲切等。
散热性基板代替现有的电绝缘或热传导率低的印刷电路基板，由热传导性良好的金属性基底基板例如铁、铜或铝板所形成，在其单面，通过涂敷填加了热传导性良好的氮化铝填充剂的环氧树脂(以下称为良热传导树脂层)而形成电绝缘层，在此上通过蚀刻形成铜制电极电路，根据需要作为电绝缘用保护层而再次涂敷良热传导树脂层。
基板具有搭载半导体发光元件的发光元件安装部。在散热性基板的情况下，发光元件安装部由利用蚀刻技术等在散热性基板上的热传导率提高了的树脂部上形成的电路构成。从该电路通过引线接合向发光元件馈电，在发光元件的p、n电极间实施了绝缘性保护膜之后，通过在该电路上焊接发光元件的p、n电极能够容易地向发光元件馈电。
半导体发光元件既可以直接搭载于基板，也可以通过载体搭载。
载体由电绝缘性的材料例如陶瓷材料、环氧玻璃基板或带绝缘保护膜Si基板等所形成，在表面与背面具有电路。从散热性的观点优选陶瓷材料。
例如，将因热传导良而作为电绝缘构件为人所知的作为陶瓷材料的氮化铝的生片(green sheet)层叠多层而制作。在片表面印刷电路图形，并使称为过孔的电传导性的圆筒金属构件贯通于各层的电路间而使叠层方向的电路导通。由此，能够得到表面与背面的电路不相同的载体。因为该层叠的片通过隧道式炉进行焙烧，所以为了防止裂纹而将热膨胀率与氮化铝接近的钨材料丝网印刷为电路。优选：为了从1块生片成型多个载体而在各个载体间设置条部。并且用作电路的钨部为了良好的焊接安装而在其表面实施镀Ni或Au为佳。
封装结构体如上述地侧面相对于底面倾斜。即，为切掉了顶部的倒圆锥形状或倒棱锥形状，乃至切掉了顶部的圆锥形状或棱锥形状、或者圆锥形状或棱锥形状。
在封装结构体的底面形成向发光装置的安装用的凹部，发光元件及根据需要载体进入该凹部而贴装。在封装结构体与发光元件间产生的间隙以封装剂封装而兼作封装结构体的连结。作为封装剂，虽然为了防止折射率的变化而使用与封装结构体相同的材质为佳，但是更优选使用缓冲向发光元件的冲击的封装剂。形成封装结构体的材料可举出环氧类树脂、硅类树脂等。在它们之中从成型性的观点也优选环氧类树脂。
封装结构体采用上述的材料以如下的工序而制作。
准备前述的尺寸的倒锥状或正锥状的金属模。作为金属模材质，优选能够精密批量生产、具有高镜面性的性质的工具钢。其内表面实施研磨精加工而使镜面性复制于制品。金属模具有门、叶轮(runner)及卷盘(spool)，连接于注入成型设备，对树脂进行加热加压而导入金属模。在将原料送进注入成型设备的漏斗(hopper)部安装加热器，进行除湿预干燥。在金属模设置冷却机构而边以金属模冷却温度调整制品的透明度边进行模制。成型的部件通过树脂流路连续地连接多个，切断并进行模门修整。
在切掉了顶部的倒圆锥形状或倒棱锥形状乃至切掉了顶部的圆锥形状或棱锥形状的情况下，以下述方法也能够制造封装结构体，该方法简单、制造成本也低。
即，准备顶面及底面具有预定的形状、中央部中空的环状锥形管，通过将该环状锥形管安装于发光装置基板，使得发光元件与根据需要载体进入中央中空部，之后在中央中空部填充封装剂而能够制造封装结构体。
在本发明中所采用的半导体发光元件可以使用AlGaInP类琥珀色(amber)发光元件、AlGaAs类红色发光元件、AlGaInP类红色～黄色发光元件、GaP类黄绿色发光元件、GaN类绿色发光元件、GaN类蓝色发光元件的宽广范围的发光元件。平面形状虽然一般为四边形，但是既可以为五边形以上的多边形也可以为圆形，并无任何限定。其电极构成为，在元件的底面与顶面或同一面分别具有电极。
还有，本发明的发光装置能够在半导体发光元件的周围通过本领域公知的方法设置反射器。通过将发光元件配置于抛物线形状反射器的焦点而通过反射器产生的光的控制性提高，可以提供正面光度高的发光装置。
接下来，关于从上述的各构成构件组装本发明的发光装置的顺序进行说明。
首先，向基板或载体安装发光元件。作为将发光元件安装于基板或载体的方法，例如能够采用使AuSn共晶材料蒸镀于发光元件电极部而回流于基板的发光元件安装部或载体上的方法；在基板的发光元件安装部或载体的电路部形成Au凸起，并通过超声波进行加压加热而将发光元件压接于其上的方法等。在此使用Au材料意识到如下2级安装：采用熔点比Au类焊料低的无铅焊料而对基板与载体进行安装。
接下来，根据需要而将载体安装于基板。顺序例如如下。
在散热性基板的载体安装电极部通过丝网印刷设备等印刷焊料剂。印刷通过自动设备将多块基板放进盒式支持器而进行。之后，将安装了发光元件的载体通过自动转移设备安装于散热基板之上，并通过回流炉进行加热使焊料剂熔化再使温度降低进行安装。
最后，包围发光元件地安装封装结构体。顺序例如如下。使用真空或者机械夹持(chuck)所成型的封装结构体的机构，使封装结构体底面的凹部成为上方而使与封装结构体相同种类的树脂或者折射率比封装结构体小的树脂流进，将封装结构体贴装于散热性基板的预定部位，在散热性基板上已安装了进行了定位的载体、发光元件。此时，为了充满在载体及发光元件与封装结构体之间产生的间隙，树脂量以扣除载体及发光元件的体积为适。
或者，将上述环状锥形管贴装于基板，以便发光元件与根据需要的载体进入其中央中空部，之后在中央中空部填充封装剂。
作为本发明的发光装置的用途，通过当前的蓝色发光元件的开发，可以应用于可在室内外使用的大型的彩色显示器及信号灯等。进而也可以向采用了白色LED的室内外用照明、汽车用的前灯使用而应用范围宽广。
实施例
虽然在以下，通过实施例及比较例而对本发明进一步详细地进行说明，但是本发明并非仅限定于这些实施例。
(实施例1)
以下，通过附图对关于本发明的发光装置的第一实施例详细地进行说明。图14是以本实施例制作出的发光装置的剖面图，图15是其俯视图。发光装置111包括散热性基板104、载体103、半导体发光元件102及封装结构体101。并且，120为外部电源连接用电极，121为热沉(heat sink)安装用加工部。
半导体发光元件102采用了边长0.35mm×0.35mm的正方形而厚度约90μ的下述的倒装芯片型的GaN类化合物半导体蓝色发光元件。该发光元件为如下发光元件：在包括蓝宝石的基板之上，经由包括AlN的缓冲层，按以下顺序层叠：包括8μm厚的未掺杂GaN的基底(underlying)层、2μm厚并掺杂Ge的n型GaN接触层、0.03μm厚的n型In0.1Ga0.9N包覆(cladding)层、发光层、0.01μm厚并掺杂Mg的p型Al0.07Ga0.93N包覆层、和0.15μm厚并掺杂Mg的p型AlGaN接触层，而成为氮化镓类化合物半导体，分别在该氮化镓类化合物半导体的p型AlGaN接触层上设置有正极并在n型GaN接触层上设置有负极，其中发光层为将16nm厚的掺杂Si的GaN势垒层及3nm厚的n型In0.2Ga0.8N势阱层叠5次并最后设置有势垒层的多量子阱结构。
载体103由氮化铝制作，为了确保从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离与从该半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离之比(下侧距离/上侧距离)为1以上，剖面为边长0.5mm×0.5mm的正方形、高度为0.98mm。使半导体发光元件102与散热性基板104电耦合地设置有电路。GaN类蓝色发光元件102位于载体上。
散热性基板104为，在直径为20mm的圆形状的热传导率高而厚1.5mm的铝板上以35μ的厚度设置混合氮化铝作为填充剂而热传导良好的环氧类树脂的电绝缘层，在其上通过本领域公知的蚀刻法制作Cu制电路，并将前述的环氧类树脂的电绝缘层作为保护层设置于封装结构体安装部位等。
构成封装结构体101的中央部中空的环状锥形管以环氧树脂通过注入成型而制作。中央中空部的形状为直径0.8mm的圆柱状，以便可以收置发光元件及载体。作为出光效率高且光的弥散性也好的代表性形状，外形为底面的外径1.6mm×顶面的外径3.2mm×高度1.3mm的倒圆锥形状。从而，封装结构体的顶面及底面的外径比为(3.2/1.6＝2)，并且在面积比为((3.2)2/(1.6)2＝4)。并且，从封装结构体顶面到发光元件底面的上侧距离为0.32mm，从发光元件底面到封装结构体底面的下侧距离为0.98mm，从而，下侧距离/上侧距离约为3。
采用这些构成构件，按以下的顺序组装发光装置111。
首先，在载体103安装发光元件102。顺序如以下。通过加热器将载体103升温保持为大约200℃，并通过凸起施加器(pointer)敷设金凸起。凸起配置为，在直径90μm的n电极部位配置1个、在存在U字状的缺口的p电极部位配置2个，共计配置3个金凸起。凸起直径为80μm，以防止由于凸起的变形在发光元件压接时而电路短路。发光元件的安装通过真空夹具而吸引各发光元件，并在前述带凸起的载体上以300g重、200℃、138KHz、保持10mS的超声波压接进行接合。
接下来，将搭载了发光元件的载体103安装于散热性基板104。顺序如以下。以Sn-Ag-Cu类焊料剂将载体安装于散热性基板。为此将焊料剂通过丝网印刷法涂敷于散热性基板。金属掩模厚度为100μ。作为涂敷区域的大小，为在安装载体的表面存在的如下接合区：直径为0.7mm的圆形并在中央存在宽0.2mm的隔绝p、n电极的绝缘部。通过移放机器人而使搭载有发光元件的载体放置于途敷有焊料剂的散热性基板上。
安装了载体的散热性基板通过传送带供给回流炉而进行焊接。在回流炉中在氮气环境下进行如下2阶段加热：以80秒时间升温为1750℃，保持60秒时间，之后以30秒时间升温为235℃并保持30秒时间。
接下来，以环氧树脂将环状锥形管粘接于基板，以便载体与发光元件进入中央中空部，接下来在环状锥形管的中央中空部填充环氧树脂，形成封装结构体。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.11mW，相对于输入能量的输出比率为28.3％。并且此时的正面光强度为0.001(W/sr)。
还有，正面光强度的测定采用Opto Science公司制光度分布测定器而进行。在该测定器中，作为电流-光输出测定用全光量PD组入了浜松Photonics公司制S5107、作为远场分布测定用PD组入了同一公司制S5821-02。
并且，本实施例的发光装置相比较于裸芯片的发光元件的出光量，为1.65倍的出光量。
(实施例2)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为0.8mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(0.8/1.6＝0.5)且面积比成为((0.8)2/(1.6)2＝0.25)。还有，图16是以本实施例制作出的发光装置的剖面图，图17是其俯视图。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为17.91mW，相对于输入能量的输出比率为27.98％。并且此时的正面光强度为0.004(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.64倍的出光量。
(比较例)
在比较例中，除了使环状锥形管的顶面外径为1.6mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(1.6/1.6＝1)且在面积比中，成为((1.6)2/(1.6)2＝1)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为16.45mW，相对于输入能量的输出比率为25.70％。并且此时的正面光强度为0.0035(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本比较例的发光装置为1.52倍的出光量。
(实施例3)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为2.4mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(2.4/1.6＝1.5)且在面积比中，成为((2.4)2/(1.6)2＝2.25)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.14mW，相对于输入能量的输出比率为28.34％。并且此时的正面光强度为0.0019(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例4)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为4mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(4/1.6＝2.5)且在面积比中，成为((4)2/(1.6)2＝6.25)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.08mW，相对于输入能量的输出比率为28.25％。并且此时的正面光强度为0.005(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例5)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为4.8mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(4.8/1.6＝3)且在面积比中，成为((4.8)2/(1.6)2＝9)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.06mW，相对于输入能量的输出比率为28.2％，与(a/b＝2)的封装形状时的输出为相同程度。并且此时的正面光强度为0.006(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例6)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为2.08m之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(2.08/1.6＝1.3)且在面积比中，成为((2.08)2/(1.6)2＝1.69)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.15mW，相对于输入能量的输出比率为28.36％。并且此时的正面光强度为0.0025(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例7)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为1.76mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(1.76/1.6＝1.1)且在面积比中，成为((1.76)2/(1.6)2＝1.21)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为17.8mW，相对于输入能量的输出比率为27.82％。并且此时的正面光强度为0.0033(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.63倍的出光量。
(实施例8)
在本实施例中，除了使环状锥形管的顶面外径为1.28mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的封装结构体的顶面及底面的外径比为(1.28/1.6＝0.8)且在面积比中，成为((1.28)2/(1.6)2＝0.64)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为17.4mW，相对于输入能量的输出比率为27.19％。并且此时的正面光强度为0.0022(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.61倍的出光量。
(实施例9)
在本实施例中，除了使载体的高度为1.05mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的下侧距离/上侧距离成为(1.05/0.25＝4.2)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.11mW，相对于输入能量的输出比率为28.3％。并且此时的正面光强度为0.002(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例10)
在本实施例中，除了使载体的高度为0.90mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的下侧距离/上侧距离成为(0.90/0.4＝2.25)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.11mW，相对于输入能量的输出比率为28.3％。并且此时的正面光强度为0.0019(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例11)
在本实施例中，除了使载体的高度为0.60mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的下侧距离/上侧距离成为(0.60/0.70＝0.86)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.07mW，相对于输入能量的输出比率为28.23％。并且此时的正面光强度为0.008(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例12)
在本实施例中，除了使载体的高度为0.30mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的下侧距离/上侧距离成为(0.30/1.00＝0.3)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为18.04mW，相对于输入能量的输出比率为28.19％。并且此时的正面光强度为0.025(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.65倍的出光量。
(实施例13)
在本实施例中，除了使载体的高度为0.05mm之外，与实施例1同样地制作了发光装置。从而，本实施例的下侧距离/上侧距离成为(0.05/1.25＝0.04)。
进行了如上所得的发光装置的通电试验。在输入电流20mA下，电压为3.2V。发光装置的输出为17.99mW，相对于输入能量的输出比率为28.11％。并且此时的正面光强度为0.028(W/sr)。并且，相比较于裸芯片的发光元件的出光量，本实施例的发光装置为1.64倍的出光量。
本发明的发光装置因为改善了出光效率而发光输出高，所以例如，作为室内外用照明、汽车用的前灯非常有效，产业上的利用价值极其大。

Claims (13)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：
基板；
夹着或未夹着载体而设置于所述基板上的半导体发光元件；和
封装所述半导体发光元件的封装结构体；
其中，所述封装结构体具有与所述半导体发光元件的底面平行的底面，所述封装结构体的侧面相对于底面倾斜。
2.按照权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离与从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离之比(下侧距离/上侧距离)为1以上。
3.按照权利要求1所述的发光装置，其特征在于：
从半导体发光元件的底面到封装结构体的底面的下侧距离与从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离之比(下侧距离/上侧距离)小于1。
4.按照权利要求1～3中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
从半导体发光元件的底面到封装结构体的顶面的上侧距离为半导体发光元件的最长对角线或直径的0.5～3倍。
5.按照权利要求1～4中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
封装结构体的顶面与底面的面积比(顶面/底面)为36/25以上。
6.按照权利要求1～4中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
封装结构体的顶面与底面的相对应的各边的长度或直径之比(顶面/底面)为6/5以上。
7.按照权利要求1～4中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
封装结构体的顶面与侧面形成的角度为82度以内。
8.按照权利要求1～4中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
封装结构体的顶面与底面的面积比(顶面/底面)为16/25以下。
9.按照权利要求1～4中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
封装结构体的顶面与底面的相对应的各边的长度或直径之比(顶面/底面)为4/5以下。
10.按照权利要求1～4中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
封装结构体的顶面与侧面形成的角度为107度以上。
11.按照权利要求1～10中任何一项所述的发光装置，其特征在于：
半导体发光元件为倒装芯片型。
12.一种发光装置的制造方法，其特征在于包括下述的步骤(1)～(4)：
(1)夹着或未夹着载体将半导体发光元件安装于基板上；
(2)形成中央部中空的环状锥形管，所述环状锥形管的顶面及底面满足权利要求5～10中任何一项所述的封装结构体的顶面及底面的形状；
(3)以将半导体发光元件及根据需要的载体收置于中央中空部的方式，将环状锥形管安装于基板；和
(4)在环状锥形管的中央中空部填充具有与所述环状锥形管相同的折射率的材料。
13.一种发光装置的制造方法，其特征在于包括下述的步骤(1)～(3)：
(1)夹着或未夹着载体将半导体发光元件安装于基板上；
(2)形成在底面中央部具有凹部的封装结构体，所述封装结构体的顶面及底面满足权利要求5～10中任何一项所述的形状；和
(3)以将半导体发光元件及根据需要的载体收置于凹部的方式，将封装结构体用具有与封装结构体相同的折射率的材料固定于基板并同时在所述凹部填充所述材料。
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