JP2005268708A - 半導体発光装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、色ムラ及び輝度バラツキが少なく、人間に対して有害となる可能性のある光を極力放出しない光源となるような半導体発光装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】第一の反射面２が形成された傾斜面を有する第一のキャビティ３と略垂直な側面を有する第二のキャビティ５が設けられたケース１の上方に、第三の反射面１７が形成された傾斜面を有する反射枠１６が設けられている。そして、底面に半導体発光素子６が搭載された第一のキャビティ３に光透過性樹脂からなる第一の樹脂７を充填して硬化し、更に第二のキャビティ５に光透過性樹脂に蛍光体９が分散された第二の樹脂１０のを充填して反転させた状態で硬化させて第二の樹脂１０の表面付近に高密度の蛍光体層１２を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体発光装置及び製造方法に関するものであり、詳しくは半導体発光素子から発せられた光と、半導体発光素子から発せられて蛍光体によって波長変換された光との組み合わせの加法混色によって任意の発光色の光を発する半導体発光装置及び製造方法に関する。

急峻なスペクトル分布を有した光を発する（ＬＥＤ）チップを光源にして白色光を放出するＬＥＤを実現するためには、ＬＥＤチップから発せられた光と、ＬＥＤチップから発せられた光によって励起された蛍光体が発する波長変換された光との加法混色によって可能になる。

例えば、ＬＥＤチップから発せられる光が青色光の場合は、青色光に励起されて青色の補色となる黄色の光に波長変換する蛍光体を使用することにより、ＬＥＤチップから発せられた青色光と、ＬＥＤチップから発せられた青色光によって励起された蛍光体が発する波長変換された黄色光との加法混色によって白色光を得ることができる。

同様に、ＬＥＤチップから発せられる光が青色光の場合、青色光に励起されて夫々緑色光及び赤色光に波長変換する２種類の蛍光体を混合して使用することにより、ＬＥＤチップから発せられた青色光と、ＬＥＤチップから発せられた青色光によって励起された２種類の蛍光体が発する波長変換された緑色光及び赤色光との加法混色によって白色光を得ることができる。

また、ＬＥＤチップから発せられる光が紫外線の場合、紫外線に励起されて夫々青色光、緑色光及び赤色光に波長変換する３種類の蛍光体を混合して使用することにより、ＬＥＤチップから発せられた紫外線によって励起された３種類の蛍光体が発する波長変換された青色光、緑色光及び赤色光との加法混色によって白色光を得ることができる。

さらに、ＬＥＤチップから発せられる光の発光色と波長変換部材となる蛍光体とを適宜組み合わせることによって白色光以外の種々な色調の光を得ることができる。

上記のように、光源から発せられた光で蛍光体を励起して波長変換し、光源から発せられた光とは異なる色調の光を放出するようなＬＥＤには、例えば図４に示すようなものがある。これは、底部に発光素子５１を配置してボンディングワイヤ５６で電気的導通を図ったカップ５２の中に波長変換部材となる蛍光体５３を分散した樹脂５４を充填し、これをケース５５の天面に蓋をして上下を反転させた状態で樹脂５４の加熱硬化を行うことにより樹脂よりも比重が大きい蛍光体５３が沈んでカップ５２の上部に溜まる。その結果、カップ５２の下部よりも上部の方が蛍光体５３の密度が高い分布のＬＥＤを実現したものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、図５に示すように、底部にＬＥＤチップ６１を配置してボンディングワイヤ６２で電気的導通を図ったカップ６３の中に第一の光透過性樹脂６４をカップ容積の６０％ないし７０％程度充填して加熱する。そして更にその上に光透過性樹脂に波長変換部材となる蛍光体６５を分散した第二の光透過性樹脂６６をカップ容積の５０％ないし６０％程度注入し、これを上下を反転させた状態で加熱硬化を行うことにより第二の光透過性樹脂６６はカップ６３の外縁に沿って凸状に膨らみ、第二の光透過性樹脂６６に分散された蛍光体６５が沈んで凸状に膨らんだ上部に溜まる。その結果、蛍光体６５が凸レンズ状の表面付近に高密度に分布するようなＬＥＤを実現したものである（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１５１７４３号公報 特開２００３−２３４５１１号公報

上述したような従来のＬＥＤにおいて、前者は、ケースの天面に蓋をして上下を反転させた状態でカップ内に充填された樹脂の加熱硬化を行う際に、ケ−スの天面と蓋とは全面に亘って隙間なく密着していることが必要であり、少しでも隙間が存在すればその隙間を介してカップ内から樹脂が流れ出して不良品を発生させることになる。

特に、大型のケースに多数のカップを形成して一括大量生産を行う場合、カップ天面と蓋とが全面に亘って密着するような極めて高い面精度を確保することは非常に難しく、可能であるとしてもコストが高額なものになることは明らかである。その上、樹脂の加熱硬化時の熱によって密着面を形成するケース及び蓋の夫々に生じる膨張や反り等の変形が益々両部材の密着性を阻害することになり、製造歩留まりの悪化は避けられないものとなる。

更に、発光光量を増すために発光素子を大型化して大電流を流すことが行われるが、それに対してパッケージの大きさに実用上の限度がある。従って、発光素子を配置するカップの大きさも限定されることになり、カップの内容積に対して発光素子の占める割合が従来の同じタイプのＬＥＤよりも大きくなる。言い換えると、カップの内容積に対してカップの内容積から発光素子の体積を差し引いたカップの空間容積の比率が減少することになる。

すると、発光素子の側面とカップの内周面との距離及び発光素子の上面とカップに充填された蛍光体が分散された樹脂の天面との距離が近接した状態になる。このとき、発光素子の上面と樹脂の天面との間に存在する樹脂の量よりも発光素子の側面とカップの内周面との間に存在する樹脂の量の方が多い。これは、樹脂の中に分散された蛍光体の量についても同様のことが言える。

このような状態のケースの天面に蓋をして上下反転させて樹脂の加熱硬化を行ことにより、樹脂よりも比重が大きい蛍光体が沈んでカップの上部に溜まり、カップの下部よりも上部の方が蛍光体の密度が高い分布のＬＥＤを実現できる。但し、上記のように発光素子の上面と樹脂の天面との間に存在する樹脂中の蛍光体の量よりも発光素子の側面とカップの内周面との間に存在する樹脂中の蛍光体の量の方が多いために、上下反転して樹脂を加熱硬化するときには発光素子上部の蛍光体の沈殿量に対してその周囲の沈殿量が多くなり、蛍光体の層を均一に形成することが困難なものとなる。

その結果、発光素子から発せられて蛍光体の層に至った光が場所によって蛍光体を励起する確立が異なるために、色ムラのある光源となる問題点を有している。特に、白色光を放出するＬＥＤについては色ムラは実用上厳格に規定され、歩留まりが悪くなる可能性が極めて高くなる。

一方後者は、第一の光透過性樹脂が表面張力によってカップの外縁まで這い上がり、この状態で更にその上に蛍光体を分散した第二の光透過性樹脂で凸レンズ状を形成して凸レンズ状の膨らみ部分の表面付近に高密度の蛍光体層を設けるものであるが、第二の光透過性樹脂の膨らみ部分に対して端部には蛍光体の量が少なく、同時に第一の光透過性樹脂の這い上がり部分には第二の透過性樹脂が行き届かず蛍光体層が形成されない可能性が生じる。

本来、発光素子から発せられた光と、発光素子から発せられて蛍光体の層で波長変換された光との加法混色によって略全方向に亘って色ムラの少ない白色光を発するようにＬＥＤが構成されるべきものであるが、発光素子から発せられて蛍光体の層を通らないで直接ＬＥＤから放出される光が一定の範囲内に存在すると、その部分では加法混色の光ではなく発光素子から発せられた光のみがそのまま放出されることになる。

その場合、発光素子の発する光のピーク発光波長が約４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの青色光の場合、発光素子から発せられて蛍光体の層が形成された範囲内を導光されてＬＥＤから放出される光は白色光（Ｗ）であり、発光素子から発せられて蛍光体の層が形成されていない部分を導光されて直接ＬＥＤから放出される光は青色光（Ｂ）であり、白色ＬＥＤとしては白色と青色の色ムラのある光を発することになり、良好な製品とはならない。

また、発光素子の発する光のピーク発光波長が約４００ｎｍ以下の短波長領域の場合、このような紫外線がＬＥＤから直接放出されて直接人間の目に入ることになると何らかの悪影響を及ぼす恐れがあり、好ましいものではない。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、色ムラ及び輝度バラツキが少なく、人間に対して有害となる可能性のある光を極力放出しない光源となるような半導体発光装置及び製造方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、基材に、上方に向かって開いた内周面を反射面とする第一のキャビティと該第一のキャビティの上方に設けられた少なくとも一つのキャビティとが形成されて前記第一のキャビティの底面に少なくとも一つの半導体発光素子が搭載され、前記第一のキャビティに第一の樹脂を充填することによって該第一のキャビティの底面に搭載された半導体発光素子の全体を封止し、前記第一のキャビティの上方に設けられたキャビティに第二の樹脂を充填したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記第一の樹脂は光透過性樹脂からなり、該第一の樹脂の硬化後の表面は略平坦に形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２の何れか１項において、前記第二の樹脂は波長変換部材を分散した光透過性樹脂であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１から３の何れか１項において、
前記第二の樹脂の表面付近に高密度の波長変換部材の層を形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１から４の何れか１項において、前記ケースの上方に、前記半導体発光素子の光軸に対して該半導体発光素子の略放射方向に向かって開いた直線を前記光軸を中心として回転した凹状の反射傾斜曲面が形成された反射枠が設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、上方に向かって開いた内周面を反射面とする第一のキャビティと該第一のキャビティの上方に設けられた少なくとも一つのキャビティとが形成されたケースを準備する工程と、
前記第一のキャビティの底面に少なくとも一つの半導体発光素子を搭載する工程と、
前記第一のキャビティ内に第一の樹脂を充填して硬化する工程と、
前記第一のキャビティの上方に設けられたキャビティ全てに第二の樹脂を一括して充填して反転させた状態で硬化を行う工程と、
を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項６において、前記第一の樹脂は光透過性樹脂からなることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項６または７の何れか１項において、前記第二の樹脂は波長変換部材を分散した光透過性樹脂であることを特徴とするものである。

色ムラ及び輝度バラツキが少なく、人間に対して有害となる可能性のある光を極力放出しない半導体発光装置を実現する目的を、半導体発光素子を搭載して樹脂を充填する空間を複数のキャビティで構成し、半導体発光素子から発せられた光を外部に出射する出射面付近全面に亘って高密度の波長変換部材の層を略均一な密度で且つ略均一な厚みに形成することによって実現した。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図３を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１（ａ）〜（ｅ）は本発明の半導体発光装置の製造方法の実施例１を示す工程図である。まず、（ａ）に示すようにケース１に底面を有して内周面に第一の反射面２が形成された擂鉢形状の第一のキャビティ３と、第一のキャビティ３の上方にあって第一のキャビティ３との共有面４が第一のキャビティ３よりも大きく、内周面を略垂直に立ち上げた第二のキャビティ５とが形成されている。

そして、第一のキャビティ３の底面には半導体発光素子６が搭載されている。なお、半導体発光素子６を発光させるためには、半導体発光素子６のアノード電極とカソード電極との間に順方向電圧を印加することが必要であり、そのために半導体発光素子６のアノード電極及びカソード電極と外部に導出されて電源と接続された電極との間に電気的導通を図るための接続手段が施されているが、本実施例を示す図においてはこれを省略する。

次に（ｂ）に示すように、第一のキャビティ３内に第一のキャビティ３の上面（第一のキャビティ３と第二のキャビティ５との共有面４）まで光透過性樹脂（第一の樹脂７）を充填して硬化させる。このとき、第一のキャビティ３内に充填する第一の樹脂７は硬化時の収縮量を考慮して硬化後に表面が略平坦に形成されるように第一のキャビティ３の上面に対して略平坦な状態、或いは膨らんだ状態（凸形状）に充填するが、いずれにしても第一のキャビティ３の上面内縁部８と第一の樹脂７との間の付着力及び第一の樹脂７の適度な粘性による表面張力によって第二のキャビティ５内まで流れ込むのが阻止される。

更に第二のキャビティ５内に第二のキャビティ５の上面まで波長変換部材となる蛍光体９を分散した光透過性樹脂（第二の樹脂１０）を充填する。このとき、第二のキャビティ内５に充填する第二の樹脂１０は硬化時の収縮量を考慮して硬化後に表面が略平坦に形成されるように第二のキャビティ５の上面に対して略平坦な状態、或いは膨らんだ状態（凸形状）のうちの何れかの状態に充填する。

次に（ｃ）に示すように、ケース１を反転させて第二のキャビティ５内に充填した第二の樹脂１０を硬化させる。尚、第二の樹脂１０の適度な粘性による表面張力及び第二の樹脂１０と第二のキャビティ５の上面内縁部１１との間の付着力がケース１を反転させたときに第二の樹脂１０に作用する重力に対抗する作用となって第二の樹脂１０が第二のキャビティ５から漏れるのを阻止する。従って、第二の樹脂１０の漏れ防止用の蓋は不要である。

ケースを反転した状態で第二のキャビティ内に充填した第二の樹脂を硬化させる過程において（ｄ）に示すように、第二の樹脂１０を構成する光透過性樹脂と蛍光体との比重差によって光透過性樹脂よりも比重が大きい蛍光体９が沈降して第二の樹脂１０の表面付近に堆積し、高密度の蛍光体層１２が形成される。

そして、（ｅ）に示す半導体発光装置２０が完成する。ここで本実施例の半導体発光装置の光学系について説明する。半導体発光素子６から発せられて順次第一の樹脂７内及び第二の樹脂１０内を導光された光のうち一部はそのまま外部に放出され、一部は高密度の蛍光体層１２で波長変換されて外部に放出され、これら二種の光の加法混色による色調の光として認識される。また半導体発光素子６から発せられて第一の反射面２の方向に向かい、第一の樹脂７内を導光されて第一の反射面２で反射して方向が変えられて第二の樹脂１０内を導光された光のうち一部はそのまま外部に放出され、一部は高密度の蛍光体層１２で波長変換されて外部に放出され、上記同様これら二種の光の加法混色による色調の光として認識される。このように、半導体発光素子６から発せられて外部に放出される光は二つの光路を辿るため、半導体発光素子６から放出される光の量は二つの光路を辿って放出された光の量を合算したものになり、よって、光取り出し効率の高い明るい光源が実現できる構造になっている。

また、従来第一のキャビティと第二のキャビティとの共有面の段差近傍には半導体発光素子から発せられた光が段差に遮られて到達しないために、その部分に分散された蛍光体では波長変換が行われず色ムラ、輝度バラツキのある光源となっていたものが、高密度の蛍光体層１２を従来より上方の第二のキャビティ５の表面付近に形成したことによって半導体発光素子６から発せられた光が遮光されることなく高密度の蛍光体層１２に到達するようになった。その結果、色ムラ、輝度バラツキが大幅に改善された光源が実現できるようになった。

図２（ａ）〜（ｅ）は本発明の半導体発光装置の製造方法の実施例２を示す工程図である。実施例２はケースに形成されるキャビティが三つの部分で構成されている点が異なるだけで、製造工程は上記実施例１と同様である。

以下に、上記実施例１で説明した内容と重複する部分があるが、実施例２の製造工程について説明する。まず、（ａ）に示すようにケース１に底面を有して内周面に第一の反射面２が形成された擂鉢形状の第一のキャビティ３と、第一のキャビティ３の上方にあって第一のキャビティ３との共有面４が第一のキャビティ３よりも大きく、内周面を略垂直に立ち上げた第二のキャビティ５と、さらに第二のキャビティ５の上方にあって第二の反射面１３が形成された内周面が第一のキャビティ３の擂鉢形状の内周面の略同一延長線上にある第三のキャビティ１４とが形成されている。

そして、第一のキャビティ３の底面には半導体発光素子６が搭載されている。なお、半導体発光素子６を発光させるためには、半導体発光素子６のアノード電極とカソード電極との間に順方向電圧を印加することが必要であり、そのために半導体発光素子のアノード電極及びカソード電極と外部に導出されて電源と接続された電極との間に電気的導通を図るための接続手段が施されているが、本実施例を示す図においてはこれを省略する。

次に（ｂ）に示すように、第一のキャビティ３内に第一のキャビティ３の上面（第一のキャビティと第二のキャビティとの共有面４）まで光透過性樹脂（第一の樹脂７）を充填して硬化させる。このとき、第一のキャビティ３内に充填する第一の樹脂７は硬化時の収縮量を考慮して硬化後に表面が略平坦に形成されるように第一のキャビティ３の上面に対して略平坦な状態、或いは膨らんだ状態（凸形状）に充填するが、いずれにしても第一のキャビティ３の上面内縁部８と第一の樹脂７との間の付着力及び第一の樹脂７の適度な粘性による表面張力によって第二のキャビティ５内まで流れ込むのが阻止される。

更に第二のキャビティ５内及び第三のキャビティ１４内に第三のキャビティ１４の上面まで波長変換部材となる蛍光体９を分散した光透過性樹脂（第二の樹脂１０）を充填する。このとき、第二のキャビティ５内及び第三のキャビティ１４内に充填する第二の樹脂１０は硬化時の収縮量を考慮して硬化後に表面が略平坦に形成されるように第三のキャビティ１４の上面に対して略平坦な状態、或いは膨らんだ状態（凸形状）のうちの何れかの状態に充填する。

次に（ｃ）に示すように、ケース１を反転させて第二のキャビティ４内及び第三のキャビティ１４内に充填した第二の樹脂１０を硬化させる。尚、第二の樹脂１０の適度な粘性による表面張力及び第二の樹脂１０と第三のキャビティ１４の上面内縁部１１との間の付着力がケースを反転させたときに第二の樹脂１０に作用する重力に対抗する作用となって第二の樹脂１０が第二のキャビティ５及び第三のキャビティ１４にから漏れるのを阻止する。従って、第二の樹脂１０の漏れ防止用の蓋は不要である。

ケースを反転した状態で第二のキャビティ内及び第三のキャビティ内に充填した第二の樹脂を硬化させる過程において（ｄ）に示すように、第二の樹脂１０を構成する光透過性樹脂と蛍光体との比重差によって光透過性樹脂よりも比重が大きい蛍光体９が沈降して第三のキャビティ１４内に堆積し、高密度の蛍光体層１２が形成される。

そして、（ｅ）に示す半導体発光装置２０が完成する。ここで本実施例の半導体発光装置の光学系について説明する。半導体発光素子６から発せられて順次第一の樹脂７内及び第二の樹脂１０内を導光された光のうち一部はそのまま外部に放出され、一部は高密度の蛍光体層１２で波長変換されて外部に放出され、これら二種の光の加法混色による色調の光として認識される。また半導体発光素子６から発せられて第一の反射面２の方向に向かい、第一の樹脂７内を導光されて第一の反射面２で反射されて方向が変えられて第二の樹脂１０内を導光された光のうち一部はそのまま外部に放出され、一部は高密度の蛍光体層１２で波長変換されて外部に放出され、上記同様これら二種の光の加法混色による色調の光として認識される。さらに、高密度の蛍光体層１２の蛍光体９で波長変換された光のうち、第二の反射面１３の方向に向かった光が第二の反射面１３で反射されて外部に放出され、従来は蛍光体で波長変換されても大気中への放出に寄与しなかった光も、有効に外部に取り出すことができるようになった。このように、半導体発光素子６から発せられて外部に放出される光は二つの光路を辿るため、半導体発光素子６から発せられて外部に放出される光の量は二つの光路を辿って放出された光の量を合算したものになり、よって、実施例１よりも更に光取り出し効率の高い明るい光源が実現できる構造になっている。

また、従来第一のキャビティと第二のキャビティとの共有面の段差近傍には半導体発光素子から発せられた光が段差に遮られて到達しないために、その部分に分散された蛍光体では波長変換が行われず色ムラ、輝度バラツキのある光源となっていたものが、高密度の蛍光体層１２を従来より上方の第三のキャビティ１４内に形成したことによって半導体発光素子６から発せられた光が遮光されることなく蛍光体層１２に到達するようになった。その結果、色ムラ、輝度バラツキが大幅に改善された光源が実現できるようになった。

図３（ａ）〜（ｅ）は本発明の波長変換層を備えた半導体発光装置の製造方法の実施例３を示す工程図である。これは、実施例１の構成のケース上部に反射枠を形成した点が異なるだけで、製造工程は上記実施例１及び実施例２と同様である。

以下に、上記実施例２及び実施例３で説明した内容と重複する部分があるが、実施例３の製造工程について説明する。まず、（ａ）に示すようにケース１に底面を有して内周面に第一の反射面２が形成された擂鉢形状の第一のキャビティ３と、第一のキャビティ３の上方にあって第一のキャビティ３との共有面４が第一のキャビティ３よりも大きく、内周面を略垂直に立ち上げた第二のキャビティ５とが形成されている。

更に、ケース１の上部には第一のキャビティ３の底面に搭載された半導体発光素子６の光軸に対して第二のキャビティ５の上面周縁１５の外側から半導体発光素子６の略放射方向に向かって開いた直線を光軸を中心として回転した凹状の傾斜曲面が形成された反射枠１６が設けられ、傾斜曲面には第三の反射面１７が形成されている。

なお、半導体発光素子６を発光させるためには、半導体発光素子６のアノード電極とカソード電極との間に順方向電圧を印加することが必要であり、そのために半導体発光素子のアノード電極及びカソード電極と外部に導出されて電源と接続された電極との間に電気的導通を図るための接続手段が施されているが、本実施例を示す図においてはこれを省略する。

次に（ｂ）に示すように、第一のキャビティ３内に第一のキャビティ３の上面（第一のキャビティ３と第二のキャビティ５との共有面４）まで光透過性樹脂（第一の樹脂７）を充填して硬化させる。このとき、第一のキャビティ３内に充填する第一の樹脂７は硬化時の収縮量を考慮して硬化後に表面が略平坦に形成されるように第一のキャビティ３の上面に対して略平坦な状態、或いは膨らんだ状態（凸形状）に充填するが、いずれにしても第一のキャビティ３の上面内縁部８と第一の樹脂７との間の付着力及び第一の樹脂７の適度な粘性による表面張力によって第二のキャビティ５内まで流れ込むのが阻止される。

更に第二のキャビティ５内に第二のキャビティ５の上面まで波長変換部材となる蛍光体９を分散した光透過性樹脂（第二の樹脂１０）を充填する。このとき、第二のキャビティ内５に充填する第二の樹脂１０は硬化時の収縮量を考慮して硬化後に表面が略平坦に形成されるように第二のキャビティ５の上面に対して略平坦な状態、或いは膨らんだ状態（凸形状）のうちの何れかの状態に充填する。

次に（ｃ）に示すように、ケース１を反転させて第二のキャビティ５内に充填した第二の樹脂１０を硬化させる。尚、第二の樹脂１０の適度な粘性による表面張力及び第二の樹脂１０と第二のキャビティ５の上面内縁部１１との間の付着力がケース１を反転させたときに第二の樹脂１０に作用する重力に対抗する作用となって第二の樹脂１０が第二のキャビティ５から漏れるのを阻止する。従って、第二の樹脂１０の漏れ防止用の蓋は不要である。

なお、ケース１を反転して基台上に置くとケース１の上部に形成された反射枠１６の先端部１８が基台に当接してスペーサ治具の機能も果す。そのため、特別に反転支持用のスペーサを揃える必要はない。

ケースを反転した状態で第二のキャビティ内に充填した第二の樹脂を硬化させる過程において（ｄ）に示すように、第二の樹脂１０を構成する光透過性樹脂と蛍光体との比重差によって光透過性樹脂よりも比重が大きい蛍光体９が沈降して第二の樹脂１０の表面付近に堆積し、高密度の蛍光体層１２が形成される。

そして、（ｅ）に示す半導体発光装置２０が完成する。ここで本実施例の半導体発光装置の光学系について説明する。半導体発光素子６から発せられて順次第一の樹脂７内及び第二の樹脂１０内を導光された光のうち一部はそのまま外部に放出され、一部は高密度の蛍光体層１２で波長変換されて外部に放出され、これら二種の光の加法混色による色調の光として認識される。また半導体発光素子６から発せられて第一の反射面２の方向に向かい、第一の樹脂７内を導光されて第一の反射面２で反射されて方向が変えられて第二の樹脂１０内を導光された光のうち一部はそのまま外部に放出され、一部は高密度の蛍光体層１２で波長変換されて外部に放出され、上記同様これら二種の光の加法混色による色調の光として認識される。このように、半導体発光素子６から発せられて外部に放出される光は二つの光路を辿るため、半導体発光素子６から放出される光の量は二つの光路を辿って放出される光の量を合算したものになる。さらに、高密度の蛍光体層１２から外部に放出された光のうち、第三の反射面１７の方向に向かった光が第三の反射面１７で反射されて半導体発光素子６の略照射方向に向かい、従来は集光に寄与しなかった光も、半導体発光素子６の光軸近傍に有効に集光されるようになったことで、光の利用効率が改善されて高輝度化が図られる構造になっている。

また、従来第一のキャビティと第二のキャビティとの共有面の段差近傍には半導体発光素子から発せられた光が段差に遮られて到達しないために、その部分に分散された蛍光体では波長変換が行われず色ムラ、輝度バラツキのある光源となっていたものが、高密度の蛍光体層を従来より上方の第一のキャビティの表面付近に形成したことによって半導体発光素子から発せられた光が遮光されることなく蛍光体層に到達するようになった。その結果、色ムラ、輝度バラツキが大幅に改善された光源が実現できるようになった。

ここで、実施例１〜実施例３に共通する事項を説明する。まず、半導体発光素子及び半導体発光素子のアノード電極及びカソード電極と外部に導出されて電源と接続された電極との間の電気的導通を図るための接続手段の１つであるボンディングワイヤ（図示せず）を光透過性樹脂によって封止する目的は、半導体発光素子及びボンディングワイヤを振動、衝撃等の機械的応力や水分、塵埃などの環境条件から保護すると同時に、半導体発光素子の光出射面と界面を形成する部材に半導体発光素子の出射面を形成している半導体材料の屈折率に近いか或いはそれ以上の屈折率を有する材料を採用することによって、半導体発光素子内で発光した光のうち、半導体発光素子の光出射面で全反射して半導体発光素子内に戻る光を極力少なくし、出来る限り多くの光を半導体発光素子の光出射面から界面を形成する部材に出射させて半導体発光素子からの光取り出し効率を高めるためのものである。

よって、擂鉢形状の第一のキャビティの底面に搭載された半導体発光素子を、第一のキャビティ内に充填することによって封止する第一の樹脂（光透過性樹脂）は半導体発光素子及びボンディングワイヤを完全に封止することが必要である。

また、高密度の蛍光体層を半導体発光装置が大気中に光を放出する面付近に形成する目的は、一つには、半導体発光装置から発せられた蛍光体で波長変換されて大気中に放出される光及び半導体発光装置から発せられてそのまま大気中に放出される光を出来る限り均一に散乱、屈折させて色ムラ、輝度バラツキの少ない光源を実現するためである。また一つには、蛍光体で波長変換された光の光取り出し効率を高めることにある。

つまり、半導体発光装置の外部に対する光出射面付近は高密度の蛍光体層が形成されており、光出射面は蛍光体によって凸凹模様の表面性状に形成されている。従って、半導体発光素子から発せられて蛍光体で波長変換された光及び半導体発光素子から発せられたそのままの光は凸凹模様の表面性状の光出射面で偏りが少なく、全方位に対して平均化された散乱、屈折が行われる。また、光出射面の凸部を形成する蛍光体で波長変換された光は大気中に放出されるまでに（蛍光体を覆う樹脂の被膜以外の）余計な介在物がなくそのまま大気中に放出されるために全反射及び屈折を受けることがなく、光取り出し効率の良い構成になっている。

ここで、本発明の半導体発光装置の効果について説明する。
（１） 半導体発光素子及びボンディングワイヤを半導体発光素子の出射面を形成する半導体材料に近い屈折率を有する光透過性樹脂で全面封止することで、半導体発光素子及びボンディングワイヤを振動、衝撃等の機械的応力や水分、塵埃などの環境条件から保護すると同時に、半導体発光素子内で発光した光のうち、半導体発光素子の光出射面で全反射して半導体発光素子内に戻る光を極力少なくし、出来る限り多くの光を半導体発光素子の光出射面から界面を形成する光透過性樹脂に出射させることによって半導体発光素子からの光取り出し効率を高めた。

（２） 樹脂を充填するキャビティを多段化することにより、下方のキャビティ内に充填される光透過性樹脂がキャビティの上面内縁部と樹脂との間の付着力及び樹脂の適度な粘性による表面張力によって上方に位置するキャビティ内まで流れ込むのが阻止され、全表面を略平坦に形成することができる。その結果、上方に位置するキャビティ内に充填する蛍光体を分散した光透過性樹脂も全表面を略平坦に形成することができる。

（３） 上記（２）を反転硬化することにより、上方のキャビティ内に充填された蛍光体が分散された光透過性樹脂の略平坦な表面付近に蛍光体が沈降して高密度の蛍光体層が形成される。その結果、高密度の蛍光体層の厚みも全面に亘って略均一に形成され、色ムラ、輝度バラツキの少ない光源となる。

（４） 従来下方のキャビティと上方のキャビティとの共有面の段差近傍には半導体発光素子から発せられた光が段差に遮られて到達しないために、その部分にある光透過性樹脂に分散された蛍光体では波長変換が行われず色ムラ、輝度バラツキのある光源となっていたものが、高密度の蛍光体層を従来より上方の樹脂表面付近に形成したことによって半導体発光素子から発せられた光が遮光されることなく蛍光体層に到達するようになった。その結果、色ムラ、輝度バラツキが大幅に改善された光源が実現できた。

（５） 高密度の蛍光体層は光出射面付近に形成されており、蛍光体によって凸凹模様の表面性状に形成されている。従って、半導体発光素子から発せられて蛍光体で波長変換された光及び半導体発光素子から発せられたそのままの光は凸凹模様の表面性状の光出射面で偏りが少なく、全方位に対して平均化された散乱、屈折が行われる。また、光出射面の凸部を形成する蛍光体で波長変換された光は大気中に放出されるまでに（蛍光体を覆う樹脂の被膜以外の）余計な介在物がなくそのまま大気中に放出されるために全反射及び屈折を受けることがなく、光取り出し効率の良い構成になっている。

（６） ケースの上部に反射面が形成された反射枠を設けることによって、高密度の蛍光体層で波長変換されて反射面に向かう光を反射面で反射させて半導体発光素子の略照射方向に向かうようにした。その結果、従来は蛍光体で波長変換されても集光に寄与しなかった光も、半導体発光素子の光軸近傍に有効に集光されるようになったことで、光の利用効率が改善されて光源の高輝度化が図られた。同時に、ケースを反転して樹脂を硬化するときにスペーサ治具の機能も果すため、特別に反転支持用のスペーサを揃える必要はない。などの優れた効果を奏するものである。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の半導体発光装置の製造方法の実施例１を示す工程図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の半導体発光装置の製造方法の実施例２を示す工程図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の半導体発光装置の製造方法の実施例３を示す工程図である。 従来例を示す断面図である。 他の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１ ケース
２ 第一の反射面
３ 第一のキャビティ
４ 共有面
５ 第二のキャビティ
６ 半導体発光素子
７ 第一の樹脂
８ 上面内縁部
９ 蛍光体
１０ 第二の樹脂
１１ 上面内縁部
１２ 高密度蛍光体層
１３ 第二の反射面
１４ 第三のキャビティ
１５ 上面周縁
１６ 反射枠
１７ 第三の反射面
１８ 先端部
２０ 半導体発光装置

Claims (8)

1. 基材に、上方に向かって開いた内周面を反射面とする第一のキャビティと該第一のキャビティの上方に設けられた少なくとも一つのキャビティとが形成されて前記第一のキャビティの底面に少なくとも一つの半導体発光素子が搭載され、前記第一のキャビティに第一の樹脂を充填することによって該第一のキャビティの底面に搭載された半導体発光素子の全体を封止し、前記第一のキャビティの上方に設けられたキャビティに第二の樹脂を充填したことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第一の樹脂は光透過性樹脂からなり、該第一の樹脂の硬化後の表面は略平坦に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第二の樹脂は波長変換部材を分散した光透過性樹脂であることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の半導体発光装置。
4. 前記第二の樹脂の表面付近に高密度の波長変換部材の層を形成したことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体発光装置。
5. 前記ケースの上方に、前記半導体発光素子の光軸に対して該半導体発光素子の略放射方向に向かって開いた直線を前記光軸を中心として回転した凹状の反射傾斜曲面が形成された反射枠が設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光装置。
6. 上方に向かって開いた内周面を反射面とする第一のキャビティと該第一のキャビティの上方に設けられた少なくとも一つのキャビティとが形成されたケースを準備する工程と、
   前記第一のキャビティの底面に少なくとも一つの半導体発光素子を搭載する工程と、
   前記第一のキャビティ内に第一の樹脂を充填して硬化する工程と、
   前記第一のキャビティの上方に設けられたキャビティ全てに第二の樹脂を一括して充填して反転させた状態で硬化を行う工程と、
   を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
7. 前記第一の樹脂は光透過性樹脂からなることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第二の樹脂は波長変換部材を分散した光透過性樹脂であることを特徴とする請求項６または７の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。

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