JP2006302965A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤと、樹脂中に配合される蛍光体とを備える白色発光装置において色度のばらつきを抑えることができる半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 配線基板１上に位置する半導体発光素子３と、半導体発光素子３を被覆する樹脂７とを備え、樹脂７は、その上面および下面が互いに平行で平坦な部分７ａ，７ｂを有し、その側面７ｓが外に凸な曲面で構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、より具体的には半導体発光素子を被覆する樹脂の種類および形状を調整した半導体発光装置およびその製造方法に関するものである。

青色発光ＬＥＤチップ（半導体発光素子）を用いて白色発光装置を作製するに当たり、ＬＥＤチップを蛍光体配合樹脂で封止する方法として下記の方法が知られている。

（１）金型による成形（トランスファー／インジェクションモールド）：本方法によれば、金型・型締め用プレス等の設備費が高価になる。また、金型成形は捨て樹脂量が多くなるため、高価な蛍光体を配合した樹脂の使用量が多くなり、材料費が高価になる。

（２）ＬＥＤチップ上へ蛍光体配合樹脂を印刷：本方法では、ＬＥＤチップの形状毎に専用のマスクが必要となる。また、フリップチップなら印刷対応ができるが、既にワイヤーボンディングされたものに対する印刷は、ワイヤーとマスクが干渉し、ワイヤーがマスクに接触して切断されてしまう可能性が高いので困難である。また、ＬＥＤチップ上のみに蛍光体配合樹脂を堆積することは不可能である。この方法に分類される、ステンシルを用いて蛍光体を堆積する方法は、特許文献１に開示されている。

（３）張り合わせ基板（凹部）やリードフレームに樹脂（凹部）がインサート成形された材料へのポッティング（縦型リードフレームのＬＥＤチップが実装されたカップ形状部への蛍光体配合樹脂の塗布含む）：本方法では、白色発光時の色度バラツキを抑えるべく、蛍光体配合樹脂の必要注型樹脂量（ＬＥＤによって励起される蛍光体量）の目標設定量を明確にするために、凹部へ蛍光体配合樹脂を注型する。たとえばカップ形状の反射板で囲まれたＬＥＤチップを蛍光体配合樹脂で封止し、その際に、反射板のカップ形状を蛍光体配合樹脂の注入レベルの計量目印とする。このため、張り合わせ基板やインサート成形フレームとなるので材料費が高価になり、また反射板の形状や配置に関して制約を受ける。
特開２００２―１８５０４８号公報

上記のいずれの方法にも、上記したように、それぞれ固有の問題があるが、最も大きな共通の課題は、白色発光時の色度ばらつき（励起される蛍光体の量によって色度が変わること）が満足すべき程度に抑制されていないことである。白色発光時の色度のばらつきを抑えるためには、つぎの２点が重要である。

（Ａ１）蛍光体配合樹脂中の蛍光体の沈降を防止して、連続塗布作業毎の滴下された蛍光体配合樹脂中の蛍光体の分布を安定させる。このような安定を得るために、従来の方法、とくに上記（３）の方法では、蛍光体の沈降防止目的で蛍光体配合樹脂を攪拌あるいは循環させながら塗布作業を行なう方法がとられていた。

（Ａ２）蛍光体が均一に分散した蛍光体配合樹脂の塗布量ばらつきを許容する手法を見出す。要求される蛍光体配合樹脂量が微量になればなる程、塗布量のばらつきは大きくなる。しかし、塗布量のばらつきを抑えるのにも限界がある。容積計量吐出などにより一定量の計量はできたとしても、最終的にはノズル先の樹脂のきれ等がばらつきの原因となる。いかにして、ばらついた蛍光体配合樹脂量の条件下で、目的とするレベルの色度の安定性を得るかが問題となる。

本発明は、短波長域のＬＥＤと、樹脂中に配合される蛍光体とを備える白色発光装置において色度のばらつきを抑えることができる半導体発光装置およびその製造方法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、配線基板上に位置する半導体発光素子と、半導体発光素子を被覆する樹脂とを備え、樹脂は、その上面および下面が互いに平行で平坦な部分を有し、その側面が外に凸な曲面で構成される。

上記の構成により、製品構造上にもっとも励起されるＬＥＤチップ（半導体発光素子）上面の蛍光体配合樹脂の層厚を安定化することができる。また、側面が外に凸となっていることにより、樹脂硬化時に表面が滑らかなまま硬化させることができる。この結果、励起される蛍光体量を一定量に制御して白色発光時の色度を安定化できる。なお、半導体発光装置の製品構造とは、ＬＥＤチップは実装された上方向の光が強く、またパッケージングされた製品も光量を稼ぐようにＬＥＤチップが正面に見える製品構造になっている、ことをさす。

望ましくは、上記の上面および下面の互いに平行で平坦な部分間の距離が、半導体発光素子の厚みと、その半導体発光素子を電気的に電極に接続するボンディングワイヤの高さと、ボンディングワイヤに対する被覆厚みとを加えた程度であるようにする。これにより、半導体発光装置の主要部を蛍光体配合樹脂により、通常の封止樹脂と同様に封止することができる。

また、より望ましくは、上記の樹脂を高粘性タイプの樹脂とする。これにより、蛍光体配合樹脂中の蛍光体の沈降を防止して、連続塗布作業毎の滴下された蛍光体配合樹脂中の蛍光体量を安定させることができる。高粘性タイプの樹脂、すなわち粘度８０〜３００Ｐａ・ｓ程度の樹脂中へ蛍光体を配合し、物理的に樹脂と比重差のある蛍光体が沈降しないようにする。配合される高粘性タイプの樹脂は、さらに高チクソ性タイプの樹脂とすることが好ましい。高チクソ性タイプの樹脂は印刷やポッティング等ＬＥＤチップ上に塗布する作業性がよい。

望ましくは、高粘性タイプの樹脂を、硬化するまで粘度が変化しない樹脂とすることができる。これにより、ＬＥＤチップ上の蛍光体配合樹脂層を安定させ、樹脂硬化時点まで粘度変化がなく、塗布された際の形状を維持することができる。

望ましくは、上記の樹脂を、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂のいずれかとすることができる。これにより、ＬＥＤチップから出た光、および蛍光体で発光した光に対しＬＥＤ封止樹脂での吸収が少なく、高い光度が得られる。特に、シリコン樹脂を用いるほうが青色より短い波長の光に対して劣化し難いのでより好ましい。

望ましくは、樹脂に半導体発光素子から出射される光を受けてそれより長い波長の光に変換する蛍光体を含有させる。これにより、色度ばらつきを抑制した白色発光装置を得ることができる。

より望ましくは、樹脂で被覆された発光素子の周囲に、光を配線基板と反対側に向かわせる反射部を配置することができる。これにより、製品構造上、効率のよい発光装置を得ることができる。

また、配線基板上に、半導体発光素子と別の半導体発光素子を備え、その別の半導体発光素子が、樹脂とは別の樹脂で被覆される構成をとってもよい。これにより、複数種類のＬＥＤチップを搭載し、そのＬＥＤチップごとに適切な蛍光体を配合した樹脂を用いることができる。

また、配線基板上に、半導体発光素子と別の半導体発光素子を備え、その別の半導体発光素子が、上記の樹脂と同じ樹脂で被覆されており、半導体発光素子および別の半導体発光素子が、異なる反射部で周囲を囲まれる構成をとることもできる。これにより、複数のＬＥＤチップから、異なる短波長域の光を受けて共通する波長の蛍光を異なる強度で発するため、色度ばらつき等を補うことが可能となる。

本発明の半導体発光装置の製造方法は、配線基板上に半導体発光素子を搭載する工程および半導体発光素子を樹脂で被覆する工程を備える半導体発光装置の製造方法である。この製造方法では、樹脂をポッティングおよびディスペンサのいずれかで塗布し、その樹脂の硬化前に加熱しながらプレスする。

これにより、蛍光体が均一に分散した蛍光体配合樹脂の塗布量ばらつき許容範囲を広げることができる。すなわち、パッケージングされた製品の色度はＬＥＤチップ上面の蛍光体配合樹脂層の厚さを安定化することにより実現される。この結果、励起される蛍光体量を制御して白色発光時の色度を安定化させることができる。

望ましくは、樹脂をプレスする際に、配線基板の下に置かれた下型と、半導体発光素子の上から抑える上型とで挟んでプレスする。これにより、蛍光体配合樹脂層の厚さを、確実に安定化することができる。

また、上型と下型との間に、半導体発光素子を覆う樹脂が入る程度の断面サイズのスペーサを介在させることができる。これにより、プレスのストローク範囲を確実に設定でき、色度ばらつきを小さくするために、封止樹脂に対して効率よく熱プレスを行なうことができる。

望ましくは、反射部をトランスファーモールドで形成する。これにより、反射率の高い金属板などを配置した半導体発光装置を作製することができる。

また、望ましくは、上型および下型は、ヒーターを内蔵したセラミックスとする。これにより、高チクソ性タイプの樹脂が塑性加工不能とならない状態を保って熱プレスすることが可能となる。

本発明の半導体発光装置では、ＬＥＤチップ上に塗布された蛍光体配合樹脂を熱プレスするので、ＬＥＤチップ上面の蛍光体配合樹脂層厚を均一にして白色発光時の色度ばらつきを安定させることができる。また、高粘度樹脂を使用するので、比重差がある蛍光体の経時的な沈降を防止して、連続的に塗布された蛍光体配合樹脂中の蛍光体量を均一にすることができる。さらに平面基板上への蛍光体配合樹脂塗布が可能となり、且つ熱プレスによる形状成形が可能となる。また、熱プレスの際に、上型にフラット形状以外に任意の掘り込み加工をすることで任意形状の立体成形物を得ることができ、発光する光の方向の制御が可能となり、この立体成形物に応じた反射板を形成することでさらに光をコントロールすることが可能となる。

次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体発光装置を示す図である。図１において、配線基板１にＬＥＤチップ３は搭載されており、ボンディングワイヤ５により電極等と電気的に接続されている。蛍光体が配合された封止樹脂７は、その上面７ａが平坦であり、配線基板１に接する下面７ｂと平行とみることができ、ＬＥＤチップ３上面と樹脂上面の平坦面との間の距離である厚みｄは均一にされている。この厚みｄは、被覆樹脂の上面および下面の互いに平行で平坦な部分間の距離から、ＬＥＤチップの厚みを差し引いた値にほぼ等しい。封止樹脂７の側面７ｓは外側に凸な曲面であり、近似的に球面状である。封止樹脂７は、ＬＥＤチップ３表面位置に対して厚みｄの被覆厚みを有している。本実施例ではＬＥＤチップとして厚さ０．２２ｍｍのものを用い、配線基板上面７ｂから封止樹脂表面７ａまでの高さを０.４ｍｍとした。したがって封止樹脂７の被覆厚みｄは０．１８ｍｍとなる。

上記の封止樹脂7は、高チクソ性タイプの樹脂である。平坦で平行な上面７ａおよび下面７ｂは、熱プレスを適用して形成されている。このため、上面７ａとＬＥＤチップ３上面との間の距離である、ＬＥＤチップ３上面の蛍光体配合樹脂層厚ｄを均一にすることができる。なお、反射板などで構成される反射部は、図示しないが、既知の手法により蛍光体配合樹脂７の周りに形成することができる。

図２は、ＬＥＤチップから出射される光の強度の角度分布を模式的に示した図である。ＬＥＤチップは上方向（上面直角方向）への光強度が大きい。またパッケージングされた製品もＬＥＤチップが正面に見える方向の光量を稼ぐような製品構造をとる。このため、図１に示すように、ＬＥＤチップ３上面の蛍光体配合樹脂の厚みｄを均一にすることにより、ＬＥＤチップから出射される光のうち蛍光体で吸収される量の分布、および蛍光体から出射される光の量がＬＥＤチップ正面から見たときに均一となるようにすることができる。この結果、実用上、問題ないレベルにまで白色発光時の色度ばらつきを抑制することができる。

つぎに図１に示す半導体発光装置１０の製造方法について順を追って説明する。まず、図３に示すように、配線基板１上にＬＥＤチップ３を搭載し、ボンディングワイヤ５により電極等と電気的に接続する。

次に、図４に示すように、実装されたＬＥＤチップ３上に蛍光体配合樹脂7を塗布する。蛍光体配合樹脂７の塗布方法は印刷でもポッティングでもよい。また、蛍光体配合樹脂７は、図４に示すように、力を加えれば流動するが静止した状態では形状が変形せず、塗布後は丸い形状を維持するようないわゆるチクソ性の高い材料を用いることが望ましい。このような蛍光体配合樹脂としてはＬＥＤチップ、および蛍光体から出射される光に対し透明なアクリル樹脂やシリコン樹脂が望ましく、青色より短い波長の光を出射するＬＥＤチップまたは蛍光体を用いる場合にはシリコン樹脂が望ましい。

アクリル樹脂、シリコン樹脂ともチクソ性を高くするためには良く知られているように表面積の大きい透明なフィラー、たとえばポーラスシリカ等、を充填したものを用いれば良い。

このあと、ＬＥＤチップ上に塗布された蛍光体配合樹脂7に対して、図５に示すように、熱プレスして、蛍光体配合樹脂7の層厚をコントロールし、且つ蛍光体配合樹脂７の硬化を同時に行なう。このとき、上型１５と下型１６との間に半導体発光装置１０を挟むようにして熱プレスする。側面が外に凸となっていることにより、熱プレスの応力が側面に開放されるので表面が滑らかなまま硬化させることができる。その結果、樹脂界面での光の散乱が無く、光量を稼ぐことができる。ＬＥＤチップ３上の蛍光体配合樹脂の層厚さｄは、上型１５と下型１６との間に挟む金属製のスペーサー２１の厚み（たとえば０．４ｍｍ）によって制御する。スペーサーは、熱プレス時に広がる蛍光体配合樹脂と干渉しないように肉抜きされた様な形状であって、プレス圧によって厚さ（蛍光体配合樹脂層の高さ）が変わらないようなものを用いる。

上記の方法においては、蛍光体が配合される樹脂に高粘性の樹脂を用いるので、その樹脂内での蛍光体の沈降を防ぎ、蛍光体樹脂中に蛍光体を均一に分布させることができる。このため、従来のようなポッティング中での樹脂の攪拌や循環のための機構が不要となる。また、上記高チクソ性タイプの樹脂を用いるので、塗布は、ディスペンサによるポッティングでも、または印刷でもどちらでも対応することができる。また、従来のように、基板またはフレーム上に、蛍光体が配合された樹脂の流れを防止する防止ダムの設置、または樹脂量を目的レベルにするための反射板の形状が不要となる。このため、光学設計の観点から反射板の形状の自由度を増すことができる。また、この結果、材料費を抑制することが可能になる。

熱プレスの上下型１５，１６に意図的に温度差を持たせて熱プレスしてもよい。ＬＥＤチップ３側の下型１６より優先的に樹脂硬化をさせることで樹脂硬化時のＬＥＤチップへの応力を低減することができるからである。

また、樹脂押さえ側の上型１５は、蛍光体配合樹脂７を押さえて硬化させる際に付着しない様に、離型剤を塗布しておくか、又は付着防止加工（フッ素/テフロン（登録商標）加工等）の処理をしておくことが望ましい。また、作業サイクル性を向上するために、熱プレスはたとえば１３０℃で５分程度の処理により仮硬化させて仮硬化品をまとめてアフターキュアしてもよい。

さらに、上記の説明では１個のＬＥＤチップに対し、１つの立体成形物となっているが、複数個のＬＥＤチップに対して、１つの立体成形物を形成してもよい。さらに、上記内容のものをマトリクス状に実装されたＬＥＤチップに行なえば作業効率が向上する。

本実施の形態に示すように、高粘度樹脂を使用することにより、比重差がある蛍光体の経時的な沈降を防止して、連続的に塗布された蛍光体配合樹脂中の蛍光体量を均一にすることができる。とくに平面基板上への蛍光体配合樹脂塗布が可能となり、且つ熱プレスによる形状成形が可能となる。その熱プレスを適用することにより、ＬＥＤチップ上面の蛍光体配合樹脂層厚を均一にして白色発光時の色度ばらつきを安定させることができる。

上記実施の形態１に示した半導体発光装置を試作して評価したところ、たとえば白色色度座標目標値Ｘ＝０．３１，Ｙ＝０．３１に対し、標準偏差でＸ＝０．００３、Ｙ＝０．００４程度に抑えこむ結果を得られた。これは本発明の有効性を示す満足すべき結果である。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における半導体発光装置を示す図である。本実施の形態では、ＬＥＤチップの上の蛍光体配合樹脂７をレンズ形状に成形したことにポイントがある。図６において、蛍光体配合樹脂７の平坦面７ａから上方に突き出すようにレンズ形状が形成されている。同じ符号が付されている部分は、実施の形態１と同じなので説明を省略する。

図６に示すように、レンズ形状など立体成形物をＬＥＤチップの上に形成することにより、発光する光の方向の制御が可能となる。蛍光体が配合された樹脂のＬＥＤチップ上における、上記立体成形物は安価にかつ簡単に形成できる。また、この立体成形物に応じた周知の反射板（図示せず）を形成することでさらに光をコントロールすることができる。

次に図６に示す半導体発光装置の製造方法について説明する。まず図３〜図４に示す工程はそのまま本実施の形態に適用する。図４に示す状態に対して、図７に示すような熱プレスを加える。図７ではレンズ形状を形成するために、凹型が付された上型を用いている。しかし、熱プレスする上型へは、目的に応じて任意の形状の型を用いることができる。この結果、用途に応じて、上面をレンズ形状とし、光の広がりを抑止した半導体発光装置を提供することが可能となる。

上記した本発明の実施の形態１および２において次の作用効果を得ることができる。

（Ｆ１）蛍光体を混ぜる樹脂は粘度が高く、硬化するまで塗布された形状を維持するような材料であるので、従来のような張り合わせ基板やインサート成形フレームのような高価な材料が不要となる。平面基板やフレームへ直接、蛍光体配合樹脂を塗布して硬化させることができる。

（Ｆ２）ＬＥＤチップに塗布された蛍光体配合樹脂のばらつきを熱プレスにより、ＬＥＤチップ上面の蛍光体配合樹脂の層厚を均一化することで白色発光時の色度ばらつきを安定化させることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の半導体発光装置およびその製造方法を用いることにより、蛍光体を封止樹脂に配合した白色発光装置の色度のばらつきを抑止することが可能になるので、需要が増大するこの分野での寄与が期待される。

本発明の実施の形態１における半導体発光装置を示す図である。 ＬＥＤチップにおける光の強度の方向分布を示す模式図である。 図１の半導体発光装置の製造においてＬＥＤチップを配線基板に搭載した状態を示す図である。 蛍光体配合樹脂を滴下した状態を示す図である。 平坦面の上型を用いて熱プレスしている状態を示す図である。 本発明の実施の形態２における半導体発光装置を示す図である。 図６の半導体発光装置の製造においてレンズ形状の凹部の付いた上型を用いて熱プレスしている状態を示す図である。

符号の説明

１ 配線基板、３ ＬＥＤチップ（半導体発光素子）、５ ボンディングワイヤ、７ 蛍光体配合樹脂、７ａ 上平坦面、７ｂ 下面、７ｃ 樹脂立体形状（レンズ形状）、７ｓ 側面、１０ 半導体発光装置、１５ 熱プレス上型、１５ａ 上型凹部、１６ 熱プレス下型、２１ スペーサー、ｄ ＬＥＤチップ上の蛍光体配合樹脂の厚み、ｄ_１ 被覆厚み。

Claims (14)

1. 配線基板上に位置する半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を被覆する樹脂とを備え、
   前記樹脂は、その上面および下面が互いに平行で平坦な部分を有し、その側面が外に凸な曲面で構成される、半導体発光装置。
2. 前記上面および下面の互いに平行で平坦な部分間の距離が、半導体発光素子の厚みと、その半導体発光素子を電気的に電極に接続するボンディングワイヤの高さと、前記ボンディングワイヤに対する被覆厚みとを加えた程度である、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記樹脂が高粘性タイプの樹脂である、請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. 前記高粘性タイプの樹脂が、硬化するまで粘度が変化しない樹脂である、請求項３に記載の半導体発光装置。
5. 前記樹脂が、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂のいずれかである、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光装置。
6. 前記樹脂に前記半導体発光素子から出射される光を受けてそれより長い波長の光に変換する蛍光体を含有させる、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 前記樹脂で被覆された発光素子の周囲に、光を前記配線基板と反対側に向かわせる反射部を配置した、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光装置。
8. 前記配線基板上に、前記半導体発光素子と別の半導体発光素子を備え、その別の半導体発光素子が、前記樹脂とは別の樹脂で被覆されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
9. 前記配線基板上に、前記半導体発光素子と別の半導体発光素子を備え、その別の半導体発光素子が、前記樹脂と同じ樹脂で被覆されており、前記半導体発光素子および別の半導体発光素子が、異なる反射部で周囲を囲まれている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
10. 配線基板上に半導体発光素子を搭載する工程および前記半導体発光素子を樹脂で被覆する工程を備える半導体発光装置の製造方法において、
    前記樹脂をポッティングおよびディスペンサのいずれかで塗布し、その樹脂の硬化前に加熱しながらプレスする、半導体発光装置の製造方法。
11. 前記樹脂をプレスする際に、前記配線基板の下に置かれた下型と、前記半導体発光素子の上から抑える上型とで挟んでプレスする、請求項１０に記載の半導体発光装置の製造方法。
12. 前記上型と下型との間に、前記半導体発光素子を覆う樹脂が入る程度の断面サイズのスペーサを介在させる、請求項１１に記載の半導体発光装置の製造方法。
13. 前記反射部をトランスファーモールドで形成する、請求項１０〜１２のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。
14. 前記上型および下型は、ヒーターを内蔵したセラミックスである、請求項１１〜１３のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。

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