JP2005175048A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体発光装置の支持体にレンズを容易に装着する。
【解決手段】 半導体発光装置は、底面(13a)及び底面(13a)に連絡する側面(13b)から成る凹状の内部空洞(13)を有する支持体(1)と、内部空洞(13)の底面(13a)上に固着された半導体発光素子(2)と、半導体発光素子(2)の上方に配置された凸レンズ(6)とを備え、半導体発光素子(2)から照射される光を反射する側面(13b)の一部に形成された溝(7)に凸レンズ(6)の周縁部の突起(6a)を嵌合して凸レンズ(6)を底面(13a)と略並行に保持する。弾性を有する光透過性の樹脂により形成された凸レンズ(6)を内部空洞(13)内に圧入することにより溝(7)内に凸レンズ(6)を装着できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光装置、特に光反射面を有する支持体にレンズを容易に装着できる半導体発光装置に関する。
底面及び底面に連絡する側面から成る凹状の内部空洞により形成される光反射面を有する支持体と、内部空洞の底面上に固着された半導体発光素子とを備える半導体発光装置は公知である。光反射面により半導体発光装置の光指向性及び正面輝度を向上することができる。また、この種の半導体発光装置では、半導体発光素子から発光された光の光軸方向の輝度を増加する又は指向性を更に高めるため、半導体発光素子の光取り出し側に光透過性樹脂等の材料から成るレンズを配置している。レンズを構成する半導体発光装置は、例えば下記特許文献１に開示される。しかしながら、特許文献１に示される半導体発光装置では、半導体発光素子を支持体上に固着した後に、モールド成形により高精度に樹脂から成るレンズを支持体上に形成する必要があり、レンズを予め形成する半導体発光装置に比べて半導体発光装置を効率よく且つ安価に量産することができなかった。
また、下記特許文献２は、予備成形されたレンズを外囲体の上面に配置する半導体発光装置を開示する。特許文献２に示される半導体発光装置では、外囲体を成形する際にレンズを外囲体の上面に配置する又は成形後の外囲体に接着剤によりレンズを固着する必要があると共に、外囲体の上面に配置されたレンズにより半導体発光装置の厚みが大きくなる問題があった。これに対し、下記特許文献３には、予備成形されたレンズを支持体上の内部空洞内に充填された透明樹脂により接着してレンズを内部空洞内に配置する半導体発光装置が開示される。
特開平５−２９１６２９号公報 特開２０００−１５０９６７公報 特表２００２−５４３５９４公報
しかしながら、特許文献３に示される半導体発光装置では、レンズ及び充填された透明樹脂の形状等の条件を正確に設定する必要があり、レンズを容易に支持体に固定できず製造も困難であった。
そこで、本発明では、レンズを容易に支持体に装着できる半導体発光装置を提供することを目的とする。また、レンズを装着しても半導体発光装置の厚みを抑制して薄型に製造できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体発光装置は、底面(13a)及び底面(13a)に連絡する側面(13b)から成る凹状の内部空洞(13)を有する支持体(1)と、内部空洞(13)の底面(13a)上に固着された半導体発光素子(2)と、半導体発光素子(2)の上方に配置され且つ光透過性の樹脂により形成された凸レンズ(6)とを備える。半導体発光素子(2)から照射される光を反射する側面(13b)の一部に溝(7)を形成し、弾性を有する樹脂から成る凸レンズ(6)の周縁部の突起(6a)を溝(7)に圧入により嵌合して、内部空洞(13)に凸レンズ(6)をワンタッチで装着し、凸レンズ(6)を底面(13a)と略並行に保持することができる。また、凸レンズ(6)の突起(6a)と溝(7)とを所定の位置に形成すれば、半導体発光素子(2)の中心軸に凸レンズ(6)の中心軸を合致させて凸レンズ(6)を側面(13b)の溝(7)内に常に確実に保持することができる。更に、例えば樹脂の射出成形により凸レンズ(6)を予め形成して溝(7)内に装着できるため、半導体発光素子(2)を支持体(1)上に固着した後に、トランスファモールドによりレンズを樹脂で支持体(1)上に形成する必要がなく、半導体発光装置を効率よく且つ安価に量産することができる。内部空洞(13)に凸レンズ(6)を装着することにより、半導体発光装置の全高さを抑制して、薄型の半導体発光装置を製造することができる。更に、屈折率等の光学的特性の異なる種々の凸レンズ(6)の突起(6a)を溝(7)内に嵌合することができる。
予備成形されたレンズを容易に支持体に装着でき、半導体発光装置を効率よく且つ安価に量産することができる。
以下、本発明による半導体発光装置の一実施の形態を図１〜図１５について説明する。
半導体発光装置は、例えば図１に示すように、底面(13a)及び底面(13a)に連絡する側面(13b)から成る凹状の内部空洞(13)を有する支持体(1)と、内部空洞(13)の底面(13a)上に固着された半導体発光素子としての発光ダイオードチップ(2)とを備え、凹状の内部空洞(13)は、発光ダイオードチップ(2)から放射された光を上方に向かって反射する光反射面（リフレクタ）を形成する。図１及び図２に示す半導体発光装置では、支持体(1)は、周知のセラミック基板である放熱部(3)を形成し、セラミックに含まれるアルミニウムの含有率を高くすることにより非導電性材料ながら発光ダイオードチップ(2)から発生する熱を良好に吸収及び外部に放出することができる。更に、支持体(1)には、底面(13a)及び側面(13b)の表面から支持体(1)の上面(1a)に連続的に延伸して配線導体(4,5)が形成され、発光ダイオードチップ(2)の電極(11,12)と配線導体(4,5)とは電気的に接続される。配線導体(4,5)は、アルミニウム等の導電性金属から成り、蒸着又はメッキ等の周知の方法により支持体(1)に形成される。配線導体(4,5)は、帯状に形成され、内部空洞(13)の底面(13a)及び支持体(1)の底面(1b)にそれぞれ端部が配置される。
発光ダイオードチップ(2)には、周知の半導体チップが適用され、詳細な構造及び製法は省略する。発光ダイオードチップ(2)の上部電極(11)は、リード細線(15)により内部空洞(13)内で一方の配線導体(4)に電気的に接続され、下部電極(12)は、導電性接着剤により内部空洞(13)内で他方の配線導体(5)に電気的に接続される。図示しないが、発光ダイオードチップ(2)の上面に２つの電極を構成し、２本のリード細線により配線導体(4,5)と接続させてもよい。また、発光ダイオードチップ(2)の下面にバンプ電極を構成して配線導体(4,5)と接続させてもよい。発光ダイオードチップ(2)は、シリコン樹脂又はエポキシ樹脂等の光透過性及び耐熱性を有する保護樹脂(9)により被覆され、内部空洞(13)に外部から水分等の有害物質が侵入することにより生じる発光ダイオードチップ(2)の劣化を防止する。
更に、半導体発光装置は、半導体発光素子(2)の上方に配置され且つ光透過性の樹脂により形成された凸レンズ(6)を備える。図１及び図２に示すように、内部空洞(13)は、側面(13b)の一部に溝(7)を有し、凸レンズ(6)の周縁部の突起(6a)が溝(7)に嵌合される。この構造により凸レンズ(6)は、底面(13a)と略並行に保持される。図１及び図２に示す半導体発光装置では、円板状に形成された凸レンズ(6)の周縁部が溝(7)に嵌合される突起(6a)となる。また、支持体(1)に設けられた内部空洞(13)の側面(13b)に溝(7)が環状に形成されるが、溝(7)内を通り配線導体(4,5)を形成することにより凸レンズ(6)を溝(7)に装着した後も発光ダイオードチップ(2)への通電が可能となる。更に、溝(7)を内部空洞(13)の側面(13b)に形成し、内部空洞(13)に凸レンズ(6)を装着することにより、半導体発光装置の全高さを抑制して、薄型の半導体発光装置を製造することができる。内部空洞(13)内に配置した凸レンズ(6)の頂点を放熱部(3)を含む支持体(1)の上面(1a)よりも下側に位置させることにより、半導体発光装置の薄型化を良好に達成できる。凸レンズ(6)は、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ、アクリル、ポリカーボネート又はＡＢＳ等の光透過性樹脂から成り、周辺側より中心側が厚く形成され、発光ダイオードチップ(2)の光を集光して外部に放出する働きを有する。
図１及び図２に示す半導体発光装置を製造する際に、図３に示すように、まずセラミック、金属又は樹脂により支持体(1)を形成する。支持体(1)の上面(1a)には、略平坦に形成された底面(13a)と底面(13a)から上方に向かい拡径する側面(13b)とを有する内部空洞(13)が形成される。図４に示すように、セラミック又は金属で支持体(1)を形成したとき、内部空洞(13)を有する支持体(1)を形成した後に、例えば切削、プレス成形、穿孔、ドリル成形により溝(7)を形成する。セラミックから成る支持体(1)を焼成する前に、予め溝(7)を内部空洞(13)と共に形成してもよい。また、セラミック基板に比べて加工性のよいエポキシ樹脂等の他の樹脂材料で支持体(1)を形成してもよい。例えば、高放熱特性を有するエポキシ樹脂基板に白色度を持たせて高反射率を与えることができる。樹脂で支持体(1)を形成するとき、内部空洞(13)と共に、無理抜き加工、アンダーカット、切削、穿孔又はドリル成形により溝(7)を形成することができる。また、側面(13b)の同一円周上に溝(7)を環状に又は複数個分割して形成してもよい。図８の溝(7)の拡大断面図に示すように、本実施の形態の溝(7)は、溝(7)を形成する湾曲して形成された溝上部(7a)に対し、溝下部(7b)は、略平坦に形成される。しかしながら、溝(7)の形状は、凸レンズ(6)の形状と共に適宜変更してよい。
図５に示すように、蒸着により内部空洞(13)を形成する底面(13a)及び側面(13b)、溝(7)の表面、支持体(1)の上面(1a)、側面(1c,1d)及び底面(1b)に固着して配線導体(4,5)が形成される。図６に示すように、断続的に複数の溝(7)を形成することにより溝(7)を避けて配線導体(4,5)を側面(13b)に蒸着させることも可能である。図６は、半導体発光装置を溝(7)の高さで水平方向に切断した断面図を示す。次に、図７に示すように、発光ダイオードチップ(2)を周知のダイボンディングにより内部空洞(13)内の底面(13a)に固着し、ワイヤボンディングによりリード細線(15)で発光ダイオードチップ(2)の上部電極(11)と一方の配線導体(4)の端部とを接続する。図１及び図２に示す実施の形態では、発光ダイオードチップ(2)は、中心軸を上方に配置される凸レンズ(6)の光軸と合致させるため、底面(13a)の実質的に中央に固着され、一方の配線導体(4)に対して他方の配線導体(5)の端部をより中央側に延伸させている。しかしながら、発光ダイオードチップ(2)を配置する位置及び配線導体(4,5)の形状等の設定は、本実施例に限定されることなく適宜変更してよい。この後、図７に示すように、周知のポッティング法によりリード細線(15)を含む発光ダイオードチップ(2)は、保護樹脂(9)により被覆される。
続いて、図１及び図８に示すように、凸レンズ(6)の突起(6a)は、側面(13b)と溝(7)とにより形成される縁部(7c)の直径(d)より大きい直径(D)を有し、弾性を有する樹脂により形成された凸レンズ(6)を例えば真空吸着コレットにより上方に向かって拡径して傾斜する内部空洞(13)の側面(13b)上に配置する。下方に縮径する側面(13b)に突起(6a)を押圧したとき、突起(6a)は、縮径して溝(7)内に嵌合された後、自身の弾性により拡径して縮径前の形状に復帰する。従って、凸レンズ(6)を上方から押圧してスナップ作用によりワンタッチで容易に溝(7)内に圧入し装着することができる。面取り加工又は湾曲面加工を凸レンズ(6)の突起(6a)に施すことにより凸レンズ(6)を溝(7)内に圧入する際の凸レンズ(6)の損傷を防止することができる。
本発明では、予備成形された凸レンズ(6)の突起(6a)を側面(13b)の溝(7)に嵌合させる構造により、凸レンズ(6)の突起(6a)と溝(7)とを所定の位置に形成すれば、半導体発光素子(2)の中心軸に凸レンズ(6)の中心軸を合致させて凸レンズ(6)を側面(13b)の溝(7)内に常に確実に保持することができる。また、例えば樹脂の射出成形により凸レンズ(6)を予め形成して溝(7)内に装着できるため、発光ダイオードチップ(2)を支持体(1)上に固着した後に、トランスファモールドによりレンズを樹脂で支持体(1)上に形成する必要がなく、半導体発光装置を効率よく且つ安価に量産することができる。更に、屈折率、形状又は材質等光学的性質の異なる種々の凸レンズ(6)の突起(6a)を溝(7)内に装着することができる。
図９は、本発明の他の実施の形態を示す。図９に示す半導体発光装置では、支持体(1)は、放熱部(3)と、放熱部(3)に固着された樹脂封止体(14)とを備え、溝(7)は、樹脂封止体(14)に設けられた内部空洞(13)の側面(13b)に形成される。樹脂封止体(14)を備えることにより溝(7)を容易に形成することができる。また、発光ダイオードチップ(2)から凸レンズ(6)までの距離が比較的長くなるため、発光ダイオードチップ(2)から放出される熱又は紫外線による凸レンズ(6)の劣化を防止することができる。更に、図９に示す半導体発光装置は、放熱部(3)の上面(3a)に形成されたスロット(3b,3c)内に配置された配線導体(4,5)と、内部空洞(13)を除く放熱部(3)の上面(3a)と少なくとも対向する一対の側面(3d,3e)とを被覆する樹脂封止体(14)と、発光ダイオードチップ(2)の上部電極(11)と樹脂封止体(14)の切欠部(14a)により形成された他方の配線導体(5)の露出領域との間に接続されたリード細線(15)とを備える。
放熱部(3)のスロット(3b)内から突出する固定用ピン(17)に一方の配線導体(4)に穿設された貫通孔を嵌合させて固定用ピン(17)の頭部を加締ることにより、スロット(3b)内に配線導体(4)を固定し、一方の配線導体(4)と放熱部(3)とを電気的に接続する。他方の配線導体(5)を配置するスロット(3c)は、他方の配線導体(5)とスロット(3c)との対向面を被覆する樹脂製フィルムを被着するか又は樹脂コーティングを施すことにより形成される。これにより、他方の配線導体(5)と放熱部(3)が樹脂製フィルム又は樹脂コーティングにより電気的に絶縁される。このように、スロット(3b,3c)内に配線導体(4,5)を配置して、スロット(3b,3c)上に形成する樹脂封止体(14)の高さを抑制でき、凸レンズ(6)を内部空洞(13)内に配置する構造と相俟って半導体発光装置の薄型化を良好に達成できる。図示しないが、放熱部(3)の側面(3d,3e)とは別の一対の側面には、それぞれ上面(3a)のスロット(3b,3c)と連続する側面のスロットを形成し、配線導体(4,5)は、放熱部(3)の側面に沿って下方向に折曲され、側面のスロット内に収容される。配線導体(4,5)を放熱部(3)に形成したスロット内に配置して、半導体発光装置の横幅を減少することができる。また、図示しないが、放熱部(3)に対して離間する方向に樹脂封止体(14)から突出させて配線導体(4,5)の先端部を折曲させる。放熱部(3)の底面(3f)は、樹脂封止体(14)により被覆されず、樹脂封止体(14)の底面から露出する。
金属により形成される放熱部(3)は、良好な放熱性と光反射性を有する。発光ダイオードチップ(2)を金属製の放熱部(3)上に固着するため、放熱部(3)を通じて発光ダイオードチップ(2)が発生した熱を良好に放出できるので、例えば１００mA程度の比較的大きな電流を発光ダイオードチップ(2)に流して、発光ダイオードチップ(2)を長時間継続して高輝度で発光させることができる。発光ダイオードチップ(2)からの光を低い光損失で反射する所定の表面粗度を有し且つ底面(13a)及び側面(13b)から成る光反射面を放熱部(3)のプレス成型により同時に形成できる。
本発明は、図１〜図９に示す本実施の形態に限定されず、他の形態により実施可能であり、特許請求の範囲に該当する全ての変更を包含する。例えば、凸レンズ(6)により被覆される内部空洞(13)内には必要に応じて、保護樹脂、光透過性の接着剤又は保護用ガラスを充填してもよい。図示しないが、発光ダイオードチップ(2)を被覆する保護樹脂(9)を凸レンズ(6)と内部空洞(13)の底面(13a)との間に形成される空洞部全体に充填させてもよい。凸レンズ(6)又は保護樹脂(9)に蛍光体又は光散乱材を混入して、発光ダイオードチップ(2)から照射された光の波長を変換又は散乱させてもよい。例えば凸レンズ(6)に蛍光体を混入又は蛍光体を含むカバーを被着して、凸レンズ(6)を装着することにより容易に発光ダイオードチップ(2)の発光を波長変換させることができる。
溝(7)は、湾曲面又は平坦面ではなく傾斜面により形成してもよい。図１０に示すように、溝上部(7a)を略平坦に形成し、溝下部(7b)を傾斜面又は湾曲面により形成してもよい。また、図１１に示すように、凸レンズ(6)の突起(6a)に更に単数又は複数の凸部(18)を設けてもよい。溝(7)を凸部(18)に合わせて単数又は複数の窪み形状にすることにより、凸部(18)を溝(7)に挿着して、凸レンズ(6)を溝(7)に固定することができる。また、突起(6a)及び溝(7)を雄ねじ又は雌ねじ状に形成して、凸レンズ(6)を側面(13b)に螺合させることも可能である。図１２又は図１３に示すように、凸レンズ(6)を厚く形成した場合でも、凸レンズ(6)の周縁部の突起(6a)を溝(7)に嵌合できる。
内部空洞(13)を形成する側面(13b)は、上方に向かい拡径する形状に限定されず、例えば、図１４に示すように、側面(13b)を底面(13a)から上方に向かい略垂直に形成してもよい。図１５に示すように、凸レンズ(6)をレンズ部(19)とレンズ部(19)の下面から突出した嵌合部(20)とに分けて構成し、内部空洞(13)の開口する上面まで略垂直に形成した溝(7)にレンズ部(19)を配置し、溝(7)に対して幅狭な側面(13b)に嵌合部(20)を嵌合させてもよい。側面(13b)により形成される内部空洞(13)の幅に対して嵌合部(20)の幅を同一又は僅かに小さく設定することにより、嵌合部(20)を側面(13b)に固定できる。また、半導体発光装置の全高さを抑制する効果は減少するが、図１２及び図１３で示したように凸レンズ(6)の頂点を支持体(1)の上面(1a)から突出させた状態に半導体発光装置を形成してもよい。更に、凸レンズ(6)を嵌合する前又は後に接着剤を溝(7)に塗布し、凸レンズ(6)と溝(7)とをより強固に固定することも可能である。溝(7)に対し凸レンズ(6)を着脱可能に溝(7)の形状を選択してもよい。
本発明は、光反射面及びレンズを構成する半導体発光装置に適用できる。
本発明による半導体発光装置の第１の実施の形態を示す断面図 図１の上面図 内部空洞を有する支持体を示す断面図 図３の支持体に溝を形成した状態を示す断面図 図４の支持体に配線導体を形成した状態を示す断面図 複数の溝を有する支持体に配線導体を形成した状態を示す断面図 図５の支持体に発光ダイオードチップを固着して保護樹脂により封止した状態を示す断面図 溝に嵌合した凸レンズの突起を示す部分断面図 本発明による半導体発光装置の第２の実施の形態を示す断面図 凸レンズ及び溝の第１の実施の形態を示す部分断面図 凸レンズ及び溝の第２の実施の形態を示す部分断面図 凸レンズ及び溝の第３の実施の形態を示す部分断面図 凸レンズ及び溝の第４の実施の形態を示す部分断面図 凸レンズ及び溝の第５の実施の形態を示す部分断面図 凸レンズ及び溝の第６の実施の形態を示す部分断面図
符号の説明
(1)・・支持体、 (1a)・・上面、 (2)・・半導体発光素子（発光ダイオードチップ）、 (3)・・放熱部、 (3a)・・上面、 (4,5)・・配線導体、 (6)・・凸レンズ、 (6a)・・突起、 (7)・・溝、 (7a)・・溝上部、 (7b)・・溝下部、 (7c)・・縁部、 (11,12)・・電極（上部電極及び下部電極）、 (13)・・内部空洞、 (13a)・・底面、 (13b)・・側面、 (14)・・樹脂封止体、

Claims (6)

  1. 底面及び該底面に連絡する側面から成る凹状の内部空洞を有する支持体と、前記内部空洞の底面上に固着された半導体発光素子と、該半導体発光素子の上方に配置され且つ光透過性の樹脂により形成された凸レンズとを備える半導体発光装置において、
    前記半導体発光素子から照射される光を反射する前記側面の一部に溝を形成し、
    前記凸レンズの周縁部の突起を前記溝に嵌合して前記凸レンズを前記底面と略並行に保持したことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記支持体は、放熱部を有し、
    前記溝は、前記放熱部に設けられた前記内部空洞の側面に形成される請求項１に記載の半導体発光装置。
  3. 前記支持体は、放熱部と、該放熱部に固着された樹脂封止体とを備え、
    前記溝は、前記樹脂封止体に設けられた前記内部空洞の側面に形成される請求項１に記載の半導体発光装置。
  4. 前記側面は、前記底面から上方に向かって拡径し且つ傾斜する請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
  5. 面取り加工又は湾曲面加工が施された前記凸レンズの突起は、前記側面と前記溝とにより形成される縁部の直径より大きい直径を有し、下方に縮径する前記側面に前記突起を押圧したとき、前記突起は、縮径して前記溝内に嵌合された後、自身の弾性により拡径して縮径前の形状に復帰する請求項４に記載の半導体発光装置。
  6. 前記底面及び側面の表面から前記支持体の上面に連続的に延伸して形成された配線導体に前記半導体発光素子の電極を電気的に接続する請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体発光装置。
JP2003410070A 2003-12-09 2003-12-09 半導体発光装置 Pending JP2005175048A (ja)

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