JP2006269778A

JP2006269778A - 光学装置

Info

Publication number: JP2006269778A
Application number: JP2005086177A
Authority: JP
Inventors: Takeo Kurimoto; 武夫栗本
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】シリコーン樹脂製のレンズを破損や汚れから保護する構造を光学装置に備える。
【解決手段】光学装置は、光学素子と、光学素子を被覆するシリコーンレンズを使用したレンズ体と、レンズ体の側面に配置され、レンズ体の表面よりも高い位置まで延長された保護壁とを備える。この構成によって、レンズ体を保護壁で保護し光学装置の信頼性を高めることができる。保護壁は、レンズ体の周囲を覆う連続した壁状に形成されることで、レンズ体の周囲を保護壁で完全に覆って外部から保護できる。
【選択図】図３

Description

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザーダイオード（ＬＤ）等の発光デバイス、又はフォトダイオード等の受光デバイスに利用される光学装置に関する。

発光素子に半導体素子を用いた発光装置は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子である発光素子は球切れ等の心配がない。さらに初期駆動特性が優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。このような優れた特性を有するため、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子を用いる発光装置は、各種の光源として利用されている。

特に、ＧａＮ系化合物半導体を利用した高輝度の青色発光のＬＥＤが開発され、その輝度性を活用して白色発光の発光装置が実現されている。この白色発光の発光装置は、青色に発光する発光素子の周りを黄緑色に発光する蛍光物質を含む樹脂で被覆して、白色光を得るというものである。このような樹脂としては、透光性を有し、かつ劣化が少なく絶縁性にも優れた材質が求められており、一般にはエポキシ樹脂組成物が利用されている。エポキシ樹脂をレンズ状に成形して発光素子の上面に配置することにより、発光素子が発する光を樹脂に含まれた蛍光体で波長変換すると共に、変換された光をレンズの曲面で集光して外部に放出する（例えば特許文献１）。
特開２００２−２２３００５号公報

しかしながら、エポキシ樹脂は、耐光性、耐熱性に限界があるため発光装置の使用につれて劣化し、変色などにより品質が低下するという問題があった。このような発光装置の更なる光度の改善と長寿命化を図るために、エポキシ樹脂よりも耐光性、耐熱性に優れたシリコーン樹脂を利用することが考えられる。しかしながら、シリコーン樹脂はエポキシ樹脂に比べて柔らかいため、実装時やその他の取り扱い時において破損するおそれがある。また一方でタック性が大きいため、使用時等にゴミ等の異物の付着が懸念される。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものである。本発明の目的は、シリコーン樹脂製のレンズを保護する構造を備える光学装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために本発明の第１の光学装置は、光学素子と、光学素子を被覆するシリコーンレンズを使用したレンズ体と、レンズ体の側面に配置され、レンズ体の表面よりも高い位置まで延長された保護壁とを備える。この構成によって、レンズ体を保護壁で保護し光学装置の信頼性を高めることができる。

また、本発明の第２の光学装置は、保護壁が、レンズ体の周囲を覆う連続した壁状に形成されている。この構成によって、レンズ体の周囲を保護壁で完全に覆って外部から保護できる。

さらに、本発明の第３の光学装置は、保護壁が、平面形状を矩形状として中心を円筒状に開口させ、開口領域の内径をレンズ体の外形と略等しい又は大きく形成されている。この構成によって、レンズ体の周囲を覆う保護壁を厚くして確実に保護することができる。またレンズ体と保護壁との間の空間を狭くすることで、この部分に異物が侵入して挟まることを抑制できる。

さらにまた、本発明の第４の光学装置は、保護壁の開口領域が、レンズ体に向かって内径を狭くするテーパ状に形成されている。この構成によって、レンズ体から放出される光を効率よく外部に取り出すことができる。

さらにまた、本発明の第４の光学装置は、保護壁が透光性を備える。この構成によって、光学装置から発する光を広範囲で取り出すことができる。

さらにまた、本発明の第５の光学装置は、保護壁が白色である。この構成によって、光学装置から発する光の指向性を向上させることができる。

さらにまた、本発明の第６の光学装置は、保護壁が黒色である。この構成によって、光学装置から発する光のコントラストを向上させることができる。

さらにまた、本発明の第７の光学装置は、発光素子と、発光素子からの発光の一部を異なる波長に変換する蛍光物質を含有する波長変換部材とを備え、波長変換部材がレンズ状に成形された光学装置であって、波長変換部材がシリコーン樹脂で構成され、波長変換部材の周囲を覆うように、レンズ状の表面よりも高い位置まで延長された保護壁を備えている。この構成によって、シリコーン樹脂製のレンズ状を保護壁で保護し光学装置の信頼性を高めることができる。

本発明の光学装置によれば、レンズの側方にレンズ頂面よりも高く形成した保護壁を配置することにより、シリコーン樹脂製のレンズを確実に保護でき、光学装置の信頼性を高めることができる。特に、レンズが外部に直接表出する部分を保護壁で保護できるので、実装工程などにおいてレンズが破損したり、ゴミなどの異物が付着して光学特性が低下するおそれを低減でき、本来の性能を維持できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための光学装置を例示するものであって、本発明は光学装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図１〜図３に、本発明の一実施の形態に係る光学装置を示す。図１は光学装置１００の平面図、図２は図１の光学装置１００からレンズ体を外した状態を示す平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ’線から見た垂直断面図を、それぞれ示している。これらの図に示す光学装置１００は、光学素子として発光素子１１０等の半導体素子と、発光素子１１０を載置する支持基板１０１と、発光素子１１０を覆うレンズ体１６０と、レンズ体１６０の側方に設けられた保護壁１５０とを備えている。

発光素子１１０の周囲には、発光素子１１０からの発光波長の一部を異なる波長に変換する蛍光物質を含有する波長変換部材とを配置してもよい。例えば、図示しないが、支持基板１０１の凹部内に蛍光物質を含有した蛍光含有樹脂をポッティングして、発光素子１１０の周囲に蛍光物質を配置することができる。これにより簡易に発光素子１１０の周囲に蛍光物質を配置することができる。特に、支持基板１０１の凹部の上端まで蛍光含有樹脂を充填することにより、製品毎の色バラツキを低減することができる。また、図４に示すように、本実施の形態において波長変換部材は、蛍光物質１４０を含有した蛍光含有樹脂１２０とし、蛍光含有樹脂１２０で発光素子１１０の周囲を被覆するようコーティングしている。蛍光含有樹脂１２０は、プリコート等により発光素子１１０の周囲に注入されて硬化させ、発光素子１１０の上面及び側面に被膜状に形成される。好ましくは、蛍光含有樹脂１２０の膜厚を発光素子１１０の周囲でほぼ均一に形成することで、蛍光物質１４０の分布を一定にして発光の色むらを抑制できる。また蛍光含有樹脂１２０は、発光素子１１０で発生した熱を支持基板１０１等を介して外部に放出する役割も有している。なお、蛍光含有樹脂は、複数層に形成し、各蛍光含有樹脂に粒径や分布密度、あるいは蛍光色の異なる蛍光物質を分散させることもできる。さらに蛍光物質は、後述するレンズ体の一部若しくは全体に均一に分散させて、レンズ体を波長変換部材とすることもできる。
（支持基板１０１）

支持基板１０１は、発光素子１１０を載置して、これと電気的に接続される。支持基板１０１には、所定の形状を有するリード電極３１５が形成されている。リード電極３１５は連接された発光素子１１０と電気的に接続する部位と、外部電極と電気的に接続する部位とを有している。腐食を防止する観点からは、これらの両部位のみが支持基板１０１上で露出していることが好ましいが、光の反射効率を向上させるために両部位以外の部分が露出していてもよい。支持基板１０１は、発光素子１１０と電気的に接続する部位にリード電極３１５を設けている。一方、外部電極と電気的に接続する部位は、導電性ワイヤ３０７を用いてワイヤボンディングにより接続される。これにより、発光素子１１０は、リード電極３１５を介して、外部電極と電気的に接続される。

支持基板１０１は、絶縁性材料とすることが好ましい。絶縁性の材料とすることにより、支持基板１０１に直接導体配線を施すことができ、正負一対の給電端子を絶縁するための絶縁性部材を省略し、半導体装置の部品点数を少なくすることができる。このような絶縁性の支持基板１０１の材料として、具体的には成型の容易性からポリアミド等の樹脂を利用する。所定の形状を有するリードフレームを上金型及び下金型で挟み込み、射出成型法により金型内にポリアミドを射出する。射出後、硬化して、リードフレームからリード電極３１５を切り出し、支持基板１０１を製作する。この他、ガラスエポキシ樹脂やセラミック基板、液晶ポリマー基板、ポリイミド樹脂基板を利用することが好ましい。特に、支持基板１０１はセラミックス材料からなることが好ましい。これにより、耐熱性および信頼性に優れた半導体装置とすることができる。さらに、セラミック基板の材料は、熱伝導率の優れたＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，ＢｅＯとすることができる。このような材料から選択された少なくとも一種を含むセラミックグリーンシートを種々の形状に積層させ、焼成することによりセラミックス基板とすることができる。なお、セラミックス基板に設けられる貫通孔は、焼成前のセラミックグリーンシートの段階で、打ち抜き加工やレーザ照射により形成することができる。あるいは、セラミックス基板として焼成された後でも形成することができる。セラミックス基板に貫通孔を形成する方法として、例えば、レーザ加工や、粒子状アルミナのような研磨材を高圧で照射するサンドブラスト加工が挙げられる。導体配線の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｎから選択された金属あるいはそれらの合金とすることが好ましい。ここで、これらの金属とセラミック基板との密着性を考慮し、Ｎｉ、Ｐｔのような金属を下地層として、上記金属材料を積層させてもよい。導体配線は、スパッタリングや蒸着などの方法により種々の形状に形成することができる。

リード電極３１５は、所定の導電パターンを有することもできる。導電パターンには、銅、リン青銅、鉄、ニッケル等の電気良導体を用いることができる。さらに、導電パターンの表面に銀、金、パラジウム、ロジウム等の貴金属メッキを施すこともできる。
（サブマウント部材）

発光素子は支持基板に直接実装するのでなく、サブマウント部材に実装し、このサブマウント部材を介して支持基板に実装することもできる。サブマウント部材には、半導体素子を過電圧による破壊等から保護するための保護素子などを備えてもよい。また、支持基板をサブマウント部材とすることもできる。支持基板をサブマウント部材とした場合、蛍光含有樹脂で被覆されていないリード電極を外部端子として利用できる。さらにサブマウント部材はウエハ状の板材とすることもできる。あるいは、支持基板自体を実装基板としてもよい。

サブマウント部材の材料は、半導体発光素子と熱膨張係数がほぼ等しいもの、例えば窒化物半導体発光素子に対して窒化アルミニウムが好ましい。このような材料を使用することにより、サブマウント部材と発光素子との間に発生する熱応力を緩和することができる。あるいは、サブマウント部材の材料は、ｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域を有する静電保護素子として形成可能であり、比較的放熱性がよく安価でもあるシリコンが好ましい。

保護素子の機能を備えるサブマウント部材の一例として、例えば、Ｓｉダイオード素子のｎ型シリコン基板内に選択的に不純物イオンの注入を行うことによりｐ型半導体領域を形成し、逆方向ブレークダウン電圧が所定の電圧に設定する。このＳｉダイオード素子のｐ型半導体領域及びｎ型シリコン基板（ｎ型半導体領域）の上に、Ａｌよりなるｐ電極及びｎ電極が形成され、ｐ電極の一部がボンディングパッドとなり、ｎ電極の一部がボンディングパッドとなる。なお、ｎ電極の一部をボンディングパッドとせずに、ｎ型シリコン基板の下面の上には、パッケージ等の支持基板のリード電極と電気的に接続するためのＡｕよりなるｎ電極を形成してもよい。これにより、ｎ電極側はワイヤを用いることなく電気的接続を行うことができる。

保護素子の機能を備えるサブマウント部材の他の一例として、Ｓｉダイオード素子であり、複数のｎ型半導体領域およびｐ型半導体領域が一方の主面方向に形成されているサブマウント部材が挙げられる。さらに、銀白色の金属を材料（例えば、Ａｌ、Ａｇ）とする反射膜が上記複数の半導体領域に電気的に接続するように形成される。また、上記反射膜の一部の領域は、金属材料が蒸着あるいはスパッタリングされることにより、電極とすることができる。その電極は、バンプが載置され、あるいは発光素子の電極と直接接合することができる。また、ｐ型半導体領域および反射膜が形成されていないｎ型半導体領域の一部は、例えば、ＳｉＯ_２のような絶縁膜により被覆されている。また、サブマウント部材は、裏面に、金属材料が蒸着あるいはスパッタリングされた電極を有することができる。

発光素子等の半導体素子とサブマウント部材、支持基板等を電気的および機械的に接続する実装方法としては、ワイヤボンディングによる他、フリップチップ型の素子を使用することもできる。フリップチップ型は、フェイスダウン型とも呼ばれ、同一面側に正負両電極が設けられている半導体素子チップの電極形成面を支持基板の導電パターンに対向させ、導電性部材を介して接合する実装方法である。したがってフリップチップ型の発光素子は、支持基板と接続する面に電極を形成している。
（フリップチップ実装）

図５に、発光素子をサブマウント部材にフリップチップ実装した概略断面図を示す。この発光素子をサブマウント部材にフリップチップ実装したものを支持基板に実装し、シリコーンレンズを形成する構成を採ることもできる。図５に示す光学装置２００は、フリップチップ型の発光素子２１０を、サブマウント部材２０２の上面にフェイスダウン実装している。発光素子２１０は、サブマウント部材２０２に設けられたリード電極２１５とバンプ２０４を介して電気的に接続される。

サブマウント部材２０２が保護素子の機能を備える場合のフェイスダウン実装は、サブマウント部材２０２のｎ型半導体領域の電極にＡｕバンプを載置した後、発光素子２１０のｐ側台座電極およびｎ側台座電極が、Ａｕバンプを介して対向される。次に、超音波、熱および荷重を加えることにより、発光素子２１０とサブマウント部材２０２とが電気的および機械的に接続される。サブマウント部材２０２のＳｉダイオード素子と発光素子２１０の回路構成は、２つのダイオードの直列接続による双方向ダイオードと、発光素子２１０との並列接続となる。これにより、発光素子２１０は、順方向・逆方向の過電圧から保護され、信頼性の高い半導体装置とすることができる。

さらにリード電極２１５は、図５に図示しない支持基板と電気的に接続される。一方、発光素子２１０をリード電極２１５上にフェイスダウン実装させた状態で、発光素子２１０の上面及び側面は、蛍光物質２４０を含む蛍光含有樹脂２２０で被覆される。

サブマウント部材２０２又はこれに代わる支持基板は、所定の導電パターンを有するリード電極２１５を有している。リード電極２１５は、発光素子２１０と電気的に接続する部位において、発光素子２１０のｎパッド電極及びｐパッド電極と対向する位置に形成される。またリード電極２１５の一端は、図示しない外部電極と電気的に接続するように配置されており、さらにリード電極２１５の他端は、発光素子２１０の電極と電気的に接続するように配置されている。発光素子２１０の電極とリード電極２１５とは、バンプ２０４等を介して電気的に接続されている。バンプ２０４は導電性があり、リード電極２１５や電極よりも軟質の部材であるもの、例えばＡｕやハンダ等を用いることができる。これにより、発光素子２１０の電極とリード電極２１５とをバンプ２０４を介して電気的に接続できる。蛍光物質２４０を含有する蛍光含有樹脂２２０は、スクリーン印刷手段等を用いて発光素子２１０の上面及び側面に配置することが好ましい。特に蛍光含有樹脂２２０の膜厚を一定にすることにより、色むらを低減することができる。また蛍光含有樹脂２２０の粘度を調整して、蛍光物質２４０の分散を均一に調整することで、さらに波長変換部材から均一な発光が得られる。
（レンズ体１６０）

レンズ体１６０は、凸レンズ形状、凹レンズ形状とすることによってレンズ効果を持たせ、発光素子１１０や受光素子の指向特性を設定できる。所望する指向特性に応じて、ドーム型のレンズとしたり、発光観測面側から見て楕円状、立方体、三角柱など種々の形状を選択することができる。またレンズ体１６０は封止部材として、発光素子１１０や導電性ワイヤ３０７を外部環境から保護するため、これらの部材を被覆するように設けられる。このようにレンズ体１６０は、発光素子１１０及び波長変換部材を封止する封止部材と、光の指向特性を決定する部材を兼用している。なおレンズ体１６０と波長変換部材は別部材とする構成に限られず、これらを一の部材で構成する、あるいは少なくとも一部を共通にする構成も可能である。例えば、発光素子からの発光波長によって励起され蛍光を発する蛍光物質をレンズ体に含有させることで波長変換部材として機能する。

レンズ体１６０は透光性を有する部材で構成する。透光性部材には、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ジフリルフタレート樹脂、ガラス等が好適に利用できる。中でも、耐光性、透光性に優れたシリコーン樹脂が好ましい。また、レンズ体１６０に発光素子１１０からの光を拡散させる目的で酸化アルミニウム、酸化バリウム、チタン酸バリウム、酸化珪素などを含有させることもできる。同様に外来光や発光素子１１０からの不要な波長をカットするフィルタ効果を持たせるために、各種着色剤を添加させてもよい。また、封止樹脂の内部応力を緩和させる各種フィラーを含有させることもできる。
（保護壁１５０）

さらに光学装置１００は、レンズ体１６０の周囲を囲むようにして保護する保護壁１５０を、支持基板１０１上に固定している。この例では、キャスティング等によりレンズ体１６０を形成した後、保護壁１５０を接着などにより固定している。図３に示すように保護壁１５０は底面を支持基板１０１とほぼ同じ外形とし、かつ上面がレンズ体１６０の頂点よりも高くなる厚さとする。これによって、レンズ体１６０の頂部が突出せず、シリコーン樹脂のレンズ体１６０を保護壁１５０で保護できる。保護壁１５０は、セラミックス、ポリアミド、硬質シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ジフリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ガラス等が好適に用いられる。

保護壁１５０は、発光素子１１０の周囲を囲むように形成される型枠あるいはキャビティ状に形成され、中心にレンズ体１６０を配置できるように開口領域１５４を有している。開口領域１５４は、レンズ体１６０が挿入できるよう、これよりも若干大きくしている。また好ましくは、開口領域１５４の内壁は、開口領域底面に向かって断面積を小さくするようにテーパ状に傾斜させる。これによって、レンズ体１６０から放出される光が保護壁１５０で反射されて外部に向かって放出することができ、光の取り出し効率を向上できる。

保護壁１５０の開口領域１５４は、図１の平面図に示すようにレンズ体１６０の外径よりも若干大きい内径の円形状とし、開口領域１５４を中空円筒状に形成している。また円筒状に限らず、図６に示すような八角柱状の開口領域１５４Ｂや、図７に示すような四角柱状の開口領域１５４Ｃなど、中空多角柱状とすることもできる。またこれらは、開口領域内壁を上方向に末広がりとなる若干テーパ状とすることで、切頭状の円錐台形や三角錐状、角錐状となるものも含んでいる。

このように筒状の開口領域１５４に発光素子１１０とレンズを配置して、出力光の指向性を高める効果も得られる。また保護壁１５０を白色とすることで、反射効率を上げて取り出し効率を更に改善できる。また、開口領域１５４の内壁に反射膜を形成してもよい。逆に保護壁１５０を黒色とすれば、レンズ体１６０から放射される光のコントラストを改善することもできる。あるいは保護壁１５０を透光性を有する部材で構成すれば、保護壁１５０を通過して横方向への光の取り出しも可能となる。

なお、保護壁１５０は、発光素子１１０を実装した後に支持基板１０１に固定しているが、発光素子１１０を実装する前に固定することもできる。また保護壁１５０は、別部材で構成する他、支持基板と一体に成形することもできる。

また保護壁は、レンズ体１６０の周囲を完全に覆う構成に限られず、図８に示すような側面でこれを挟むように対向する一対に形成することもできる。この構成によって、レンズ体１６０の側方で保護壁１５０Ｄを狭持するようにして光学装置を把持することができる。

さらに、光学装置の製造工程におけるレンズ体の保護を目的として保護壁を設ける場合は、実装後に保護壁を除去するよう構成してもよい。例えば、実装時のピックアップの際には保護壁を狭持することでレンズ体を保護し、実装後には保護壁を切断などにより除去する。
（発光素子１１０）

発光素子１１０の概略を図９〜図１０に示す。図９は、発光素子１１０の平面図、図１０は、図９のＸ−Ｘ’線における断面図をそれぞれ示す。発光素子１１０は、ＧａＮ系又はＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＧａＮ系、ＢＮ、ＳｉＣ等の材料を有し、紫外線領域から可視光領域までの光を発することができる。特に３５０ｎｍ〜５５０ｎｍ近傍に発光ピーク波長を有する発光素子を使用し、蛍光物質１４０を効率よく励起可能な発光波長を有する光を発光できる発光層を有することが好ましい。ここでは発光素子１１０として窒化物半導体発光素子を例にとって説明するが、これに限定されるものではない。窒化物半導体発光素子１１０は、図１０に示すようにサファイア基板１１１上にそれぞれ窒化物半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層の順に積層されてなる半導体層１１２を有しており、ｎ側電極は、互いに分離されてライン状に露出されたｎ型半導体に対して形成され、ｐ側電極は、ｐオーミック電極とそのｐオーミック電極の上に形成された複数のｐパッド電極により構成されている。

詳細に説明すると、窒化物半導体発光素子では、ｎ型層、活性層及びｐ型層からなる積層体において、図９（ａ）に示すようにｐ型層及び活性層の一部がライン状に除去されることにより複数の溝が形成されて、ｎ型半導体層１１４がライン状に露出される。さらに、図９（ｂ）に示すように露出されたｎ型半導体層１１４上にそれぞれｎパッド電極１１５が形成される。一方ｐ側電極は、ｐ型半導体層１１６のほぼ全面に形成された透光性を有するｐオーミック電極と、そのｐオーミック電極の上に形成された複数のｐパッド電極１１７とによって構成される。

上述した電極構成を有する窒化物半導体発光素子は、以下のような理由により、発光領域全体に電流が注入されるようにして発光効率を向上させるとともに、比較的大面積（例えば、１０００μｍ×１０００μｍ）の窒化物半導体発光素子においても、発光面全体に亙って均一な発光が可能になるようにしている。

発光素子１１０は、サファイア基板、シリコン基板等の透光性基板の上に窒化ガリウムを主成分としたｎ型半導体層及びｐ型半導体層が積層された構造を有する。それぞれの半導体層に形成されたｎパッド電極１１５及びｐパッド電極１１７は、フリップチップ実装の場合、バンプを介して、支持基板１０１に設けられたリード電極３１５と電気的に接続されている。発光素子１１０とリード電極３１５とを電気的に接続している部分以外の隙間部分は、空気が残存しないように、またｐパッド電極１１５とｎパッド電極１１７との短絡を防止するために、蛍光含有樹脂１２０を充填させることもできる。パッド電極１１５、１１７とリード電極３１５との接合は、はんだ、金バンプを導電パターンとパッド電極との間に超音波接合したもの、金、銀、パラジウム、ロジウム等の導電性ペースト、異方性導電ペースト等を用いることができる。
（蛍光含有樹脂１２０）

蛍光含有樹脂１２０は、波長変換部材として蛍光物質１４０を混入した波長変換層を構成する。硬化性組成物には熱硬化性樹脂が利用できる。蛍光物質１４０は、蛍光含有樹脂１２０中にほぼ均一の割合で混合されていることが好ましい。ただ、蛍光物質が部分的に偏在するように配合することもできる。例えば、蛍光含有樹脂１２０の外面側に蛍光物質１４０が多く含まれるよう偏在させ、発光素子１１０と蛍光含有樹脂１２０との接触面から離間させることにより、発光素子１１０で発生した熱が蛍光物質１４０に伝達し難くして蛍光物質１４０の劣化を抑制できる。蛍光含有樹脂１２０は、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることもできる。また蛍光含有樹脂１２０中には、顔料、拡散剤等を混入することもできる。

蛍光含有樹脂１２０は、硬化後でも軟質であることが好ましい。硬化前は、発光素子１１０の周囲に蛍光含有樹脂１２０を行き渡らせ、かつ、発光素子１１０とリード電極３１５とを電気的に接続する部分以外の隙間部分へ蛍光含有樹脂１２０を浸入させるため、粘度の低い液状のものが好ましい。また蛍光含有樹脂１２０は、接着性を有していることが好ましい。蛍光含有樹脂１２０に接着性を持たせることにより、発光素子１１０と支持基板１０１との固着性を高めることができる。接着性は、常温で接着性を示すものだけでなく、蛍光含有樹脂１２０に所定の熱と圧力を加えることにより接着するものも含む。また蛍光含有樹脂１２０は、固着強度を高めるために温度や圧力を加えたり乾燥させたりすることもできる。

蛍光物質１４０は、発光素子１１０からの光を吸収し異なる波長の光に波長変換する波長変換部材である。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、又はＣｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩、又はＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか１以上であることが好ましい。具体例として、下記の蛍光体を使用することができるが、これらに限定されない。

Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体は、Ｍ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＭＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）等がある。また、Ｍ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕの他、ＭＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、Ｍ_１．８Ｓｉ_５Ｏ_０．２Ｎ_８：Ｅｕ、Ｍ_０．９Ｓｉ_７Ｏ_０．１Ｎ_１０：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）等もある。一方、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、ＭＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）等がある。

またＥｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体には、Ｍ_５（ＰＯ_４）_３Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）等がある。

さらにアルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体には、Ｍ_２Ｂ_５Ｏ_９Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）等がある。アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体には、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｒ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｒ、ＣａＡｌ_２Ｏ_４：Ｒ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_２７：Ｒ、ＢａＭｇ_２Ａｌ_１６Ｏ_１２：Ｒ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｒ（Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）等がある。またアルカリ土類硫化物蛍光体には、Ｌａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ等がある。Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体には、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体等がある。

その他の蛍光体には、ＺｎＳ：Ｅｕ、Ｚｎ_２ＧｅＯ_４：Ｍｎ、ＭＧａ_２Ｓ_４：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。）等がある。上述の蛍光体は、所望に応じてＥｕに代えて、又はＥｕに加えてＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選択される１種以上を含有させることもできる。また、上記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、効果を有する蛍光体も使用することができる。

これらの蛍光物質は、発光素子の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができる他、これらの中間色である黄緑色、青緑色、橙色等に発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を種々組み合わせて使用することにより、種々の発光色を有する光学装置を製造することができる。例えば、青色に発光するＧａＮ系化合物半導体を用いて、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ若しくは（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅの蛍光物質に照射し、波長変換を行う。発光素子からの光と、蛍光物質からの光との混合色により白色に発光する光学装置を提供することができる。あるいは、緑色から黄色に発光するＣａＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ、又はＳｒＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕと、蛍光体である青色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色に発光する（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕと、からなる蛍光物質１４０を使用することによって、演色性の良好な白色に発光する光学装置を提供することができる。これは、色の三源色である赤・青・緑を使用しているため、第１の蛍光体及び第２の蛍光体の配合比を変えることのみで、所望の白色光を実現することができる。

蛍光物質１４０の粒径は、１μｍ〜２０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは２μｍ〜８μｍ、特に５μｍ〜８μｍの範囲が好ましい。２μｍより小さい粒径を有する蛍光体は、凝集体を形成しやすい傾向にある。一方、５μｍ〜８μｍの粒径範囲の蛍光体は、光の吸収率及び変換効率が高い。このように、光学的に優れた特徴を有する粒径の大きな蛍光体を含有させることにより、光学装置の量産性が向上する。ここで粒径は、空気透過法で得られる平均粒径を指す。具体的には、気温２５℃、湿度７０％の環境下において、１ｃｍ^３分の試料を計り取り、専用の管状容器にパッキングした後、一定圧力の乾燥空気を流し、差圧から比表面積を読みとり、平均粒径に換算した値である。本発明で用いられる蛍光体の平均粒径は２μｍ〜８μｍの範囲であることが好ましく、さらに、この平均粒径値を有する蛍光体が、頻度高く含有されていることが好ましい。また、粒度分布も狭い範囲に分布していることが好ましく、特に粒径２μｍ以下の微粒子が少ないと好ましい。このように粒径及び粒度分布のバラツキが小さい蛍光体を用いることにより、より色ムラが抑制され、良好な色調を有する光学装置が得られる。
（拡散剤）

さらに、蛍光含有樹脂１２０中に蛍光物質１４０の他に拡散剤を含有させてもよい。具体的な拡散剤としては、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等が好適に用いられる。これによって良好な指向特性を有する光学装置が得られる。ここで本明細書において拡散剤とは、中心粒径が１ｎｍ以上５μｍ未満のものをいう。１μｍ以上５μｍ未満の拡散剤は、発光素子及び蛍光物質からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光物質を用いることによって生じやすい色ムラを抑制することができるので、好適に使用できる。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い光学装置が得られる。一方、１ｎｍ以上１μｍ未満の拡散剤は、発光素子１１０からの光波長に対する干渉効果が低い反面、透明度が高く、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。
（フィラー）

さらに、蛍光含有樹脂１２０中に蛍光物質１４０の他にフィラーを含有させてもよい。具体的な材料としては、拡散剤と同様のものが使用できる。ただ、拡散剤とフィラーとは中心粒径が異なり、本明細書においてはフィラーの中心粒径は５μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。このような粒径のフィラーを透光性樹脂中に含有させると、光散乱作用により光学装置の色度バラツキが改善される他、透光性樹脂の耐熱衝撃性を高めることができる。これにより、高温下での使用においても、発光素子１１０と外部電極とを電気的に接続しているワイヤの断線や発光素子１１０底面とパッケージの凹部底面と剥離等を防止可能な信頼性の高い光学装置とできる。さらには樹脂の流動性を長時間一定に調整することが可能となり、所望とする場所内にレンズ体１６０を形成することができ歩留まり良く量産することが可能となる。
（光学装置の製造方法）

次に、本発明の実施の形態に係る光学装置１００の製造工程を説明する。まず、支持基板１０１の電極を形成する。支持基板１０１は、予めリード電極３１５を形成している。リード電極３１５は所定の配向パターンを有しており、支持基板１０１の上面若しくは内部に配線されている。フリップチップ実装の場合は、リード電極３１５は発光素子１１０の電極と対向するように配向パターンを形成することが好ましい。リード電極３１５の一端は支持基板１０１の上面若しくは下面から露出しており外部電極と電気的に接続するように形成されている。リード電極３１５の他端は発光素子１１０が載置される部分に露出している。またリード電極３１５をインサート成形したパッケージを使用することもできる。

次に、図４に示すように予め作製された発光素子１１０を支持基板１０１のキャビティ１５２に各々載置する。支持基板１０１には、打ち抜き及び射出成形により一対のリード電極３１５となる金属片が絶縁性樹脂３０９によって固定されている。発光素子１１０であるＬＥＤチップはエポキシ樹脂３０６を用いて銀メッキした鉄入り銅製のリード電極上にダイボンドした。ＬＥＤチップの各電極と、各リード電極とをそれぞれ導電性ワイヤ３０７である金線でワイヤボンディングし電気的導通を得る。発光素子１１０の基板面の上面は、支持基板１０１とほぼ平行になるように配置することが好ましい。次の工程で蛍光含有樹脂１２０をポッティングしたときに蛍光含有樹脂１２０が流れ出さないようにし、また光学装置１００の配向色度を所定の状態に保持するためである。

次に、予め蛍光物質１４０を均一に含有させた蛍光含有樹脂１２０を用意し、この蛍光含有樹脂１２０を各キャビティ１５２に実装された発光素子１１０の上方から供給してプリコートする。蛍光含有樹脂１２０はペースト状で、発光素子１１０の周囲に付着する粘度に調整しておく。また、空隙等への蛍光含有樹脂１２０の浸入を確実にするために、減圧あるいは真空状態で蛍光含有樹脂１２０を充填することもできる。蛍光含有樹脂１２０を発光素子１１０の上面に載置する手段としては、ポッティングやスクリーン印刷、スプレー噴霧手段等が利用できる。蛍光含有樹脂１２０には、予め蛍光物質１４０をほぼ均一に混合することで、光学装置１００から放出される光の色ムラを防止できる。また蛍光含有樹脂１２０には、必要に応じて蛍光物質１４０の他に拡散剤やフィラー等を均一に混合することもできる。また蛍光含有樹脂１２０が表面張力により発光素子１１０の上面に保持されて流出しないよう、また流出した場合でも発光素子１１０の周囲から広く拡散しない程度に蛍光含有樹脂１２０の粘度を調整してもよい。また蛍光含有樹脂１２０に気泡が残存していると光取り出し効率が低下したり色調バラツキが生じたりするため、発光素子１１０の周囲に空気が残存しないように蛍光含有樹脂１２０を注入する。

さらに発光素子１１０の周囲に蛍光含有樹脂１２０を行き渡らせた状態で加熱して、熱硬化性樹脂である蛍光含有樹脂１２０を熱硬化させる。蛍光含有樹脂１２０を硬化することにより蛍光含有樹脂１２０と発光素子１１０との界面、蛍光含有樹脂１２０と支持基板１０１との界面を接着することができ、剥離が防止される。また蛍光含有樹脂１２０中に含まれる蛍光物質１４０を均一に混合された状態で保持する。蛍光含有樹脂１２０を硬化させる温度及びその加熱時間は、使用する熱硬化性樹脂の種類や塗布量等に応じて決定され、蛍光含有樹脂１２０が十分に硬化できる温度及び時間とする。例えば蛍光含有樹脂１２０をシリコーン樹脂とする場合、約１００℃でおよそ１時間加熱して硬化させる。

次に、蛍光含有樹脂１２０等を封止するレンズ体１６０をキャスティングなどにより形成する。ここでは、キャスティングケース等の樹脂成型用の型枠にシリコーン樹脂を注入し、これを硬化させてレンズ体１６０を成型する。

さらに、レンズ体１６０の周囲を覆うように、保護壁１５０を接着剤などで固定する。その後、保護壁１５０を残したまま保護壁１５０の位置で支持基板１０１を切断し、発光素子１１０毎に切り出してチップ化し、光学装置１００とする。切断はダイサ等を用いてダイシングし所望の形状にカットされる。

以上のように、支持基板１０１の開口領域１５４内にＹＡＧ等の蛍光物質１４０を混入したシリコーン樹脂を第１の波長変換部材としてプリコートすることで、発光素子１１０の波長を変換した光を得ることができ、例えば青色ＬＥＤにＹＡＧ系蛍光体を使用すれば、白色光を得ることができる。この構成では蛍光含有樹脂１２０を一層のみ発光素子１１０に被覆しているが、樹脂層を多層構成とすることもできる。この際、各樹脂層に蛍光物質を含有させる際に、各樹脂層中に混入させる蛍光物質は、同一のものとする他、異なるものとすることもできる。例えば、第１の樹脂中に混入する蛍光物質を、第２の樹脂中に混入する蛍光物質よりも長波長側に発光ピーク波長を有するタイプとすることにより、第１の樹脂中の蛍光物質で波長変換された光を第２の樹脂中の蛍光物質で波長変換されることなく外部に放出させ、光学装置の波長変換効率を向上させることができる。あるいは、多層構成の樹脂層の内、発光素子と接触する樹脂層等、特定の層にのみ蛍光物質を含有させた波長変換層とし、他の層は蛍光物質を含有しない透光性の樹脂層として、フィラーや拡散剤を混入してもよい。

なお、以上の例では光学装置の例について説明したが、光学素子に受光素子を利用した受光装置その他の半導体装置においても本発明を同様に適用できる。

本発明の光学装置は、信号用、ディスプレイ用のランプ型ＬＥＤ等に好適に利用できる。

本発明の一実施の形態に係る光学装置を示す平面図である。図１の光学装置からレンズ体を外した状態を示す平面図である。図２の光学装置のＩＩＩ−ＩＩＩ’線における垂直断面図である。発光素子に波長変換部材を形成する様子を示す断面図である。発光素子をサブマウント部材にフェイスダウン実装した概略断面図である。本発明の他の実施の形態に係る光学装置を示す平面図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る光学装置を示す平面図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る光学装置を示す平面図である。発光素子の平面図である。図９のＸ−Ｘ’線における断面図である。

符号の説明

１００、２００…光学装置；１０１…支持基板；１１０、２１０…発光素子；１１１…サファイア基板；１１２…半導体層；１１４…ｎ型半導体層；１１５…ｎパッド電極；１１６…ｐ型半導体層；１１７…ｐパッド電極；１２０、２２０…蛍光含有樹脂；１４０、２４０…蛍光物質；１５０、１５０Ｄ…保護壁；１６０…レンズ体；１５２…キャビティ；１５４、１５４Ｂ、１５４Ｃ…開口領域；２０２…サブマウント部材；２０４…バンプ；２１５、３１５…リード電極；３０６…エポキシ樹脂；３０７…導電性ワイヤ；３０９…絶縁性樹脂

Claims

光学素子と、
前記光学素子を被覆するシリコーンレンズを使用したレンズ体と、
前記レンズ体の側面に配置され、レンズ体の表面よりも高い位置まで延長された保護壁と、
を備えることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記保護壁が、前記レンズ体の周囲を覆う連続した壁状に形成されてなることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記保護壁が、平面形状を矩形状として中心を円筒状に開口させ、開口領域の内径を前記レンズ体の外形と略等しい又は大きく形成されてなることを特徴とする光学装置。
請求項２に記載の光学装置であって、
前記保護壁の開口領域が、レンズ体に向かって内径を狭くするテーパ状に形成されてなることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記保護壁が、透光性を備えることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記保護壁が、白色であることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記保護壁は、黒色であることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置であって、
前記シリコーンレンズに代えて、エポキシレンズ、アクリルレンズ、ウレタンレンズ、ガラスレンズの少なくともいずれかであることを特徴とする光学装置。
発光素子と、
前記発光素子からの発光の一部を異なる波長に変換する蛍光物質を含有する波長変換部材とを備え、
前記波長変換部材がレンズ状に成形された光学装置であって、
前記波長変換部材がシリコーン樹脂で構成され、
前記波長変換部材の周囲を覆うように、レンズ状の表面よりも高い位置まで延長された保護壁を備えてなることを特徴とする光学装置。