CN109427945B

CN109427945B - 半导体发光器件及其制造方法

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Publication number: CN109427945B
Application number: CN201811024770.4A
Authority: CN
Inventors: 大久保努
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2023-12-29
Anticipated expiration: 2038-09-04
Also published as: US10418532B2; CN109427945A; TW201921735A; TWI789419B; US20190074415A1; JP2019046989A

Abstract

半导体发光器件及其制造方法。提供了一种能够容易地调节输出光的光强度的半导体发光器件以及制造这种半导体发光器件的方法。该半导体发光器件包括：基板；发光元件，其被安装在基板上；以及密封层，其被设置在基板上以密封发光元件。密封层包含树脂和无机颜料颗粒。在通过激光衍射散射粒径分布测量法的体积基准粒径分布中无机颗粒具有1μm或更大且50μm或更小的平均粒径。无机颗粒按照在朝着所述基板的方向上变浓的浓度分散。

Description

半导体发光器件及其制造方法

技术领域

本发明特别涉及一种包括诸如发光二极管(LED)的半导体元件的半导体发光器件以及制造这种半导体发光器件的方法。

背景技术

近年来，发光元件的光强度在其输出强度方面得以改进。然而，还需要光强度低的发光元件以用于例如指示器。鉴于此，通过调节高光强度发光元件的光强度提供了光强度低的发光装置。

例如，专利文献1公开了一种白色发光装置，其中通过将黑色颜料作为光衰减材料混合到混合有荧光体颗粒的覆盖或密封构件中来调节亮度的变化(日本专利申请特开2004-128424号)。

发明内容

当如专利文献1中所描述的发光装置中一样，通过调节与荧光体颗粒一起混合到覆盖构件中的黑色颜料的量来控制光强度时，由于颜料的混合比的改变导致光强度的大的改变，所以难以实现光强度的控制。

鉴于上述问题而作出本发明，本发明的目的在于提供一种能够容易地调节输出光的光强度的半导体发光器件以及制造具有如上所述的性质的半导体发光器件的方法。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种半导体发光器件，该半导体发光器件包括：基板；发光元件，其被安装在基板上；以及密封层，其被设置在基板上以密封发光元件。密封层包含树脂层，该树脂层包含分散于其中的无机颜料颗粒。在通过激光衍射散射粒径分布测量法测量的体积基准(volumetric basis)粒径分布中所述无机颜料颗粒的平均粒径从1μm至50μm或更小。无机颜料颗粒按照在朝着基板的方向上变浓的浓度分散。

本发明的另一方面提供了一种制造半导体发光器件的方法，该方法包括以下步骤：将发光元件置于基板上；执行灌封以利用至少包含无机颜料颗粒作为成分的树脂原料覆盖发光元件；使无机颜料颗粒朝着基板沉降；以及使树脂原料固化。

附图说明

图1是根据第一实施方式的半导体发光器件的俯视图；

图2是沿图1中的线A-A截取的横截面图；

图3是示出根据第一实施方式的半导体发光器件的制造步骤的流程图；

图4是示出第一实施方式与比较例1之间的比较测试的结果的曲线图；

图5是示出第一实施方式与比较例1之间的比较测试的结果的曲线图；以及

图6是根据第二实施方式的半导体发光器件的横截面图。

具体实施方式

第一实施方式

现在，将在下面详细描述本发明的优选实施方式。需要注意的是，在以下描述和附图中，基本相同或等同的部分由相同的标号表示。

图1示出根据第一实施方式的半导体发光器件10的上表面。如图1和图2所示，用作基板的封装基板11(安装板)的示例是玻璃环氧树脂基板。也可采用玻璃硅树脂基板或者由陶瓷材料(例如，氧化铝或AlN)制成的基板作为封装基板11。例如通过将诸如Cu的导体镀覆在封装基板11的表面上而形成的连接电极13被设置在封装基板11的表面上。

连接电极13包括p连接电极层13a和n连接电极层13b。连接电极层13a和13b各自形成为从封装基板11的一个主表面(上表面)通过封装基板11的侧表面延伸到另一个主表面(下表面)。p连接电极层13a和n连接电极层13b通过彼此间隔开地设置在封装基板11的表面上而彼此绝缘。

发光元件15被安装在设置在封装基板11的一个主表面(上表面)上的n连接电极层13b上。发光元件15的平面形状小于封装基板11的平面形状。因此，在封装基板11的上表面上，封装基板11以及p连接电极层13a和n连接电极层13b的上表面在发光元件15周围暴露。需要注意的是，在以下描述中，与封装基板11的上表面相同方向上的表面将被称为“上表面”。此外，与上表面相反的表面将被称为“下表面”。此外，在以下描述中，在垂直方向上远离封装基板11的上表面移动的方向将被称为“上侧”，与其相反的方向将被称为“下侧”。

发光元件15包括元件基板17以及安装在元件基板17的上表面上的半导体结构层19。元件基板17是透光基板，其具有导电性质以及对从半导体结构层19输出的光的透光性质。例如，可采用SiC作为元件基板17。例如，利用诸如Ag膏的导电晶片贴装(die attach，未示出)将元件基板17固定到n连接电极层13b上。即，元件基板17和n连接电极层13b彼此电连接。

例如，通过在元件基板17上沉积包括发光层的InGaN基半导体层或者将InGaN基半导体层和元件基板17接合在一起来形成半导体结构层19。通过半导体材料的晶体生长(例如，外延生长)来沉积半导体结构层19。例如，从半导体结构层19的发光层输出波长为约450nm的蓝光。

上表面电极20设置在半导体结构层19的上表面上。上表面电极20由诸如Au的导电材料制成。上表面电极20和p连接电极层13a利用诸如Au的导电线21借助引线接合彼此连接。

树脂体或密封层23形成在发光元件15的上表面上以将发光元件15埋入其中。换言之，树脂体23形成为覆盖或密封发光元件15的上表面和侧表面(发光表面)。例如，树脂体23包括诸如硅树脂、环氧树脂或丙烯酸树脂的树脂作为主要成分。

树脂体23包含无机颜料颗粒23a、荧光体颗粒23b和光散射体23c。换言之，树脂体23包含树脂层，该树脂层包含分散于其中的无机颜料颗粒23a、荧光体颗粒23b和光散射体23c。

可以说无机颜料颗粒23a主要局限或集中在树脂体23的更靠近封装基板11的区域内。例如，无机颜料颗粒23a这样分布：树脂体23的、位于与发光元件15的高度近似相同的高度的区域具有最高浓度，并且无机颜料颗粒23a的浓度朝着上侧(在垂直方向上远离封装基板11的上表面移动的方向)逐渐减小。换言之，无机颗粒23a按照在朝着封装基板11的方向上浓度各自变浓来分散。

无机颜料是以钛作为主要成分的黑色无机颜料。以钛作为主要成分的这种黑色无机颜料的示例可包括通过还原氧化钛而获得的无机颜料。

各个无机颜料颗粒23a可优选具有比构成树脂体23的树脂的比重高的比重。以钛以外的元素作为主要成分并且具有比树脂的比重高的比重的无机颜料颗粒23a的示例可包括基于氧化铁的颜料。这种基于氧化铁的颜料的示例是四氧化铁。此外，无机颜料颗粒23a可以是绝缘体，或者可具有通过表面处理绝缘的颗粒表面。此外，无机颜料颗粒23a可不包含金属原子，并且例如可以是炭黑。

为了在树脂体23中不均匀地分布无机颜料颗粒23a，无机颜料颗粒23a最好具有不太可能受到树脂体23的树脂原料中产生的浮力影响的形状。例如，与具有更有可能受到浮力影响的形状(例如，平板形状)相比，无机颜料颗粒23a更优选具有不太可能受到树脂体23的浮力影响的形状(例如，球形形状)。

此外，无机颜料颗粒23a可不由单成分配置。另选地，无机颜料颗粒23a可以是通过利用无机颜料颗粒23a涂敷例如用作芯材料的玻璃或树脂而获得的带涂层产物。需要注意的是，无机颜料颗粒23a可具有黑色以外的颜色。在这种情况下，无机颜料颗粒23a的明度(L值)优选为50或更小，更优选为30或更小。

在通过激光衍射散射粒径分布测量法的体积基准粒径分布中，无机颜料颗粒23a具有1μm或更大且50μm或更小的平均粒径。换言之，在通过激光衍射散射粒径分布测量法测量的体积基准粒径分布中，无机颜料颗粒23a的平均粒径从1μm至50μm或更小

通过将无机颜料颗粒23a的平均粒径设定为50μm或更小，可防止从发光元件15输出的光过多地穿过形成在无机颜料颗粒23a之间的间隙。另一方面，如果无机颜料颗粒23a具有小于1μm的平均粒径，则无机颜料颗粒23a分散在整个树脂体23中并且变得不太可能沉降。

可例如通过将液体树脂和无机颜料颗粒23a的混合液滴(灌封)到发光元件15的上表面上来形成树脂体23。因此，可根据执行树脂原料(树脂体23的原料)的灌封时所使用的喷嘴直径来调节无机颜料颗粒23a的平均粒径。作为示例，平均粒径优选被设定为10μm或更大且30μm或更小，更优选10μm或更大且20μm或更小。

荧光体颗粒23b可沉降在树脂体23的下部(在更靠近封装基板11的上表面的一侧)或分散在整个树脂体23中。为了获得光散射效果，光散射体23c优选被选择为具有足以在树脂体23中保持分散状态的粒径(例如，小于10μm的平均粒径)。

例如，荧光体颗粒23b由蓝光激励以输出黄色荧光。诸如荧光体颗粒23b的示例可包括Ce掺杂钇铝石榴石(YAG:Ce)、Ce掺杂铽铝石榴石(TAG:Ce)、正硅酸盐荧光体(例如，(BaSrCa)SiO4)或α-sialon荧光体(例如，Ca-α-SiAlON:Eu)。

在本实施方式中从发光元件15输出的光为蓝光。树脂体23包含生成黄色发射的硅酸盐荧光体颗粒23b。这些硅酸盐荧光体颗粒23b由蓝光激励，从而生成黄色发射(其作为蓝色的补色)。因此，从光输出面28输出的光通过蓝光和黄光的加色混合而转变为白光。

光散射体23c是例如由TiO₂、SiO₂、ZnO或Al₂O₃制成的光散射颗粒。需要注意的是，树脂体23中可仅包括荧光体颗粒23b和光散射体23c中的一个。另选地，树脂体23中可不包括荧光体颗粒23b和光散射体23c二者。

在另选示例中，可形成包含光散射体23c的另一树脂层以覆盖包含无机颜料颗粒23a和荧光体颗粒23b的树脂体23。在另选示例中，可形成包含荧光体颗粒23b的另一树脂层以覆盖包含无机颜料颗粒23a和光散射体23c的树脂体23。

反射器25是通过利用例如由环氧树脂制成的粘合剂固定来设置在封装基板11的上表面上的柱状框架。反射器25由称为白树脂的材料制成，其中光散射体23c分散在诸如硅树脂的树脂材料中。反射器25具有通孔25A，并且通孔25A具有朝着远离封装基板11的上表面移动的方向扩展的倒截锥形状。

发光元件15在封装基板11上被通孔25A的内壁表面(内表面)围绕。换言之，反射器25是围绕发光元件15的管状框架。管状框架的一个开放平面抵靠半导体表面。另一开放平面被配置为引导从发光元件15输出的光。由封装基板11的上表面和反射器25的通孔25A的内壁表面形成倒截锥形状的腔体26(研钵)。即，反射器25与封装基板11一起形成腔体26，并且发光元件15被容纳在研钵形腔体26的下表面上。

这种结构使得从发光元件15输出的光被反射器25的内壁表面反射并朝着上侧传播。换言之，反射器25的内壁表面是反射从发光元件15输出的光的反射表面。

用于形成反射器25的树脂的示例可包括环氧树脂和聚酰胺基树脂。光散射体23c的示例可包括诸如TiO₂、BN、Al₂O₃、ZnO、BaSO₄和SiO₂的白色颜料颗粒。

发光元件15和导电线21通过树脂体23被埋入腔体26中。树脂体23的上表面用作半导体发光器件10的光输出面28。

本实施方式描述了反射器25、连接电极13和封装基板11形成为单独的元件的情况。然而，这些元件可作为PLCC(塑料引线芯片载体)封装提供，其中这些元件通过将由金属制成的连接电极13嵌件成型到由树脂制成的反射器25和封装基板11中来一体地形成(形成为一体型)。在PLCC封装的情况下，例如，可使用聚酰胺基树脂作为封装基板11和反射器25的材料。

从半导体结构层19的上表面和侧表面输出的光进入到树脂体23中。已进入到树脂体23中的特定比例的光被无机颜料颗粒23a吸收。这导致从半导体结构层19的上表面和侧表面输出的光的衰减，因此实现光强度的调节。

从半导体发光器件10的光输出面28输出的光包括通过穿过树脂体23而衰减的光以及在没有树脂体23介入的情况下从元件基板17的侧表面输出的光。可通过改变树脂体23中的无机颜料颗粒23a的浓度以改变穿过树脂体23的光的衰减因子来控制从光输出面28输出的光的光强度(强度)。

从发光元件15输出的光被包括在树脂体23中的光散射体23c或荧光体颗粒23b散射，然后从光输出面28输出。因此，可在光输出面28处获得具有均匀亮度的输出光。

现在将参照图3描述制造上述半导体发光器件的方法。

通过将元件基板17固定到封装基板11，然后通过引线接合将上表面电极20连接到p连接电极层13a，来将发光元件15安装在封装基板11上(步骤S11)。

通过将无机颜料颗粒23a、荧光体颗粒23b和光散射体23c混合到液体树脂中来制备树脂原料，并且利用制备的树脂原料执行灌封以覆盖发光元件15。即，利用树脂原料将发光元件15嵌入(步骤S12)。

包括在树脂原料中的无机颜料颗粒23a朝着封装基板11沉降(步骤S13)。具体地讲，无机颜料颗粒23a通过重力沉降而朝着封装基板11沉降(步骤S13)。

在此步骤中，树脂原料可被加热以降低树脂原料的粘度，从而方便无机颜料颗粒23a的重力沉降。

离心力可用作使无机颜料颗粒23a朝着封装基板11沉降的另一方法。例如，封装基板11可被设定在用于产生离心力的装置(例如，离心机)中，并且可在灌封之后产生离心力以使无机颜料颗粒沉降。

当具有磁性的材料用于无机颜料颗粒时，可通过磁力将无机颜料颗粒23a朝着封装基板11吸引。

将树脂原料加热至其固化温度以执行固化反应，以使得树脂原料固化(步骤S14)。

比较评估

使用比较例1的发光装置对第一实施方式的半导体发光器件10的光强度调节的容易度执行比较评估。

表1中示出了第一实施方式和比较例1的公共配置。

[表1]

封装

使用PLCC封装。使用外形尺寸为2.2mm×1.7mm×t0.8mm的封装。腔体具有外形尺寸为1.8mm×1.1mm×t0.5mm的形状。

发光元件

使用生成主波长为450nm至460nm的输出光的InGaN发光元件。发光元件15的外形尺寸为0.34mm×0.20mm×t0.12mm。

树脂体

采用二甲基硅树脂作为用于树脂体23的树脂。采用正硅酸盐作为荧光体颗粒23b。荧光体颗粒23b的发射颜色为黄色。荧光体颗粒23b的平均粒径为12μm。树脂体23中的荧光体颗粒23b的浓度为12至25重量％。需要注意的是，树脂体23不包括光散射体23c。

比较例1中的无机颜料颗粒的组成

比较例1的无机颜料颗粒23a将示出于表2中。

[表2]

采用黑色氧化钛作为无机颜料颗粒23a。黑色氧化钛的色调具有25.08的L值、-4.62的a值和1.10的b值。黑色氧化钛的粒径为21.8μm。黑色氧化钛具有板状。

第一实施方式中的无机颜料颗粒的组成

第一实施方式的无机颜料颗粒23a将示出于表3中。

[表3]

采用黑色氧化钛作为无机颜料颗粒23a。黑色氧化钛的色调具有15.49的L值、7.59的a值和-16.44的b值。黑色氧化钛的粒径为22.1μm。黑色氧化钛具有粒状。

比较评估测试

在比较评估中，向第一实施方式和比较例1的发光装置供应等量的正向电流，并且在各个装置中评估从光输出面28输出的光的强度。具体地讲，对包括在第一实施方式的树脂体23和比较例1的树脂体23中的无机颜料颗粒23a的浓度与相对光强度之间的相关性进行比较评估。需要注意的是，此实验中的无机颜料颗粒23a的浓度被表示成树脂原料中的重量百分比浓度。相对光强度是相对于100％(表示在没有添加无机颜料颗粒23a的情况下的光强度)的相对值。

图4的曲线图示出了对第一实施方式和比较例1的半导体发光器件中相对于无机颜料颗粒23a的浓度的相对光强度的比较评估的结果。在图4的曲线图中，水平轴表示无机颜料颗粒的浓度，而垂直轴表示相对光强度。

如图4所示，在比较例1的半导体发光器件中当无机颜料颗粒23a的浓度从0重量％增加到1重量％时，相对光强度从100％减小到9.7％。

相比之下，在第一实施方式的半导体发光器件10中，当无机颜料颗粒23a的浓度从0重量％增加到10重量％时，相对光强度从100％减小到6.1％。因此，与比较例1相比，相对光强度随着无机颜料颗粒23a的含量增加而逐渐减小。如刚刚所描述的，可以得出结论，与比较例1的半导体发光器件相比，第一实施方式的半导体发光器件10可通过无机颜料颗粒23a的浓度来更容易地控制其光强度。

图5的曲线图示出了对第一实施方式和比较例1的半导体发光器件中相对于相对光强度的半值角的比较评估的结果。

如图5所示，比较例1中的半值角随着相对光强度的减小按照近似成比例的方式减小。具体地讲，在100％的相对光强度下半值角为120度。在10％的相对光强度下半值角为99度。

在第一实施方式中，与比较例1一样，半值角也随着相对光强度的减小按照近似成比例的方式减小。然而，第一实施方式的斜率比比较例1略缓。具体地讲，在100％的相对光强度下半值角为120度。在10％的相对光强度下半值角为110度。

如刚刚所描述的，可以得出结论，与比较例1的半导体发光器件相比，第一实施方式的半导体发光器件10的无机颜料颗粒23a的浓度对半值角的影响较小。

包含在本发明的半导体发光器件10的树脂体23中的无机颜料颗粒的平均粒径为1μm至50μm。包含在传统树脂体23中的无机颜料颗粒的平均粒径至多为约100nm。因此，包含在本发明的半导体发光器件10的树脂体23中的无机颜料颗粒的平均粒径大于传统无机颜料颗粒的平均粒径。即，包含在本发明中的吸收光的无机颜料颗粒的表面积发生差异。因此，即使当树脂体23中包含相同浓度的无机颜料颗粒时，半导体发光器件10与传统半导体发光器件相比也可更容易地调节光强度。

本发明的无机颜料颗粒集中地存在于树脂体23的更靠近封装基板11的区域中。即，吸收在与封装基板11的主表面成角度的倾斜方向上输出的光(相对于主表面的水平方向和垂直方向上的光以外的光)的无机颜料颗粒的相对数量减少。因此，维持相对于主表面在垂直方向以外的方向上输出的光的量成为可能，因此与比较例1相比得到更高的半值角。因此，本发明的半导体发光器件10可在宽的角度上生成具有稳定质量的输出光。

因此，在各个半导体发光器件10当中可容易地使来自光输出面28的输出光的光强度稳定。即，可容易地以高产率制造提供相同光强度的半导体发光器件。

此外，在制造根据本发明的半导体发光器件的方法中，可在形成树脂体23的步骤中在树脂体23的更靠近封装基板11的区域中密集地布置无机颜料颗粒。因此，这种工艺可在一个步骤中执行，而无需新的制造设备或者附加制造步骤。

第二实施方式

图6是根据第二实施方式的半导体发光器件的横截面图。与第一实施方式的半导体发光器件相同的元件将由相同的标号表示并且其描述将被省略。

树脂层23包括被设置为与发光元件15接触的第一树脂层23d以及被设置为覆盖第一树脂层23d的第二树脂层23e。

第一树脂层23d被设置为覆盖或密封发光元件15。具体地讲，第一树脂层23d被设置为覆盖发光元件15的上表面和侧表面。导电线21也被第一树脂层23d密封。第一树脂层23d是包含树脂(作为主要成分，例如硅树脂)和无机颜料颗粒23a的层。

第二树脂层23e被形成为覆盖第一树脂层23d的上表面。第二树脂层23e包含树脂(作为主要成分，例如硅树脂)、荧光体颗粒23b和光散射体23c，但是不包含无机颜料颗粒23a。因此，无机颜料颗粒23a仅包含在第一树脂层23d中。

尽管图6中的第二树脂层23e包含荧光体颗粒23b和光散射体23c，但是第二树脂层23e中可不包含它们或者仅包含它们中的一者。

将理解，以上描述和附图阐述了目前本发明的优选实施方式。当然，在不脱离所公开发明的精神和范围的情况下，对于本领域技术人员而言根据以上教导，各种修改、添加和另选设计将变得显而易见。因此，应该理解，本发明不限于所公开的示例，而是可在所附权利要求的完整范围内实践。本申请基于并要求2017年9月4日提交的在先日本专利申请2017-169204号的优先权，其完整内容通过引用并入本文。

Claims

1.一种半导体发光器件，该半导体发光器件包括：

基板；

发光元件，该发光元件安装在所述基板上；以及

密封层，该密封层设置在所述基板上以密封所述发光元件，其中

所述密封层包含树脂层，该树脂层包含分散于其中的无机颜料颗粒，并且

在通过激光衍射散射粒径分布测量法所测量的体积基准粒径分布中，所述无机颜料颗粒的平均粒径为1μm至50μm以下，

所述无机颜料颗粒按以下方式分布：所述密封层的位于达到与所述发光元件的高度相同的高度处的区域具有最高浓度，其中，所述无机颜料颗粒的浓度从所述密封层的与所述发光元件的所述高度相同的所述区域朝向上侧逐渐减小，

其中，所述无机颜料颗粒吸收从所述发光元件输出的光的一部分。

2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述密封层进一步包含荧光体和/或光散射体中的至少一方。

3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中

所述密封层包括被设置为与所述发光元件接触的第一密封层以及被设置为覆盖所述第一密封层的第二密封层，并且

仅所述第一密封层包含所述无机颜料颗粒。

4.根据权利要求3所述的半导体发光器件，其中

所述密封层含有荧光体和光散射体中的至少一方，并且

所述荧光体和所述光散射体中的所述至少一方仅包含在所述第二密封层中。

5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，各个所述无机颜料颗粒具有比构成所述密封层的树脂的比重高的比重。

6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述无机颜料颗粒包含钛作为主要成分。

7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，该半导体发光器件包括管状体，该管状体被配置为形成围绕所述发光元件的壁。