JP2006310771A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 UVによる劣化を抑えることが可能な半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 400nm以下の発光スペクトルを有する半導体発光素子2と、少なくとも半導体発光素子2の光取出し面を被覆する紫外線吸収層6と、少なくとも紫外線吸収層6で被覆された半導体発光素子2を封止する封止樹脂7とを具備する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。
近年、半導体発光装置は、白色で発光する発光ダイオード(以下LED)の高輝度化により、その低消費電力・長寿命という特徴から、照明光源としての用途が注目されている。一般に、このような白色LEDは、青色LEDチップと黄色蛍光体から構成されるもの、及び、紫外線(以下UVも使用)発光のLEDチップと光の三原色であるRGB三色の蛍光体から構成されるもののように、LEDチップと蛍光体の組合せによるものや、RGB各色の3つのLEDチップから構成されるもの、及び、青色LEDチップと黄色LEDチップから構成されるもののように、発光波長の異なるLEDチップの組合せによるものが用いられている。
このような白色LEDに用いられているUV−LEDチップはもちろん、通常青色LEDチップにおいてもUV領域に発光スペクトルを有しており、このようなUV発光によるLED封止樹脂の劣化が問題となる。そこで、封止樹脂としてUVを吸収する樹脂を用いることにより、UV劣化を抑えることができる(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、発光波長の異なるLEDチップを組合せたものにおいては、例えば、青色等短波長の発光が得られるGaN系LEDチップと、長波長側のAlInGaP系LEDチップとが、SMD(Surface Mount Device)ケース内に搭載され、UV吸収樹脂により封止されているが、一般に用いられるUV吸収樹脂は比較的硬いものが多く、硬度の高いGaN系LEDチップの封止には問題ないが、硬度の低いAlInGaP系LEDチップを被覆すると、樹脂応力による劣化が生じてしまう、という問題があった。
特開2004−238589号公報
本発明は、UVによる劣化を抑えることが可能な半導体発光装置を提供することを目的とするものである。
本発明の一態様の半導体発光装置は、400nm以下の発光スペクトルを有する半導体発光素子と、少なくとも前記半導体発光素子の光取出し面を被覆する紫外線吸収層と、少なくとも前記紫外線吸収層で被覆された前記半導体発光素子を封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする。
また、本発明の別態様の半導体発光装置は、400nm以下の発光スペクトルを有する第1の半導体発光素子と、ピーク波長が550nm以上の第2の半導体発光素子と、少なくとも前記第1の半導体発光素子の光取出し面を被覆する紫外線吸収層と、前記紫外線吸収層で被覆された前記第1の半導体発光素子、及び前記第2の半導体発光素子を封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする。
また、本発明の別態様の半導体発光装置は、400nm以下の発光スペクトルを有する半導体発光素子と、少なくとも前記半導体発光素子の光取出し面を被覆する紫外線遮蔽層と、少なくとも前記紫外線遮蔽層で被覆された前記半導体発光素子を封止する封止樹脂とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、UVによる劣化を抑えることが可能な半導体発光装置を提供することができる。
以下本発明の実施例について、図を参照して説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
本発明の実施例1に係る半導体発光装置について、図1乃至図7を参照しながら説明する。図1は半導体発光装置の構成を模式的に示すもので、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図である。図2は半導体発光装置の製造工程を模式的に示すもので、図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)のB−B線に沿った断面図である。図3は半導体発光装置の図2に続く製造工程を模式的に示すもので、図3(a)は平面図、図3(b)は図3(a)のC−C線に沿った断面図である。図4は半導体発光装置の図3に続く製造工程を模式的に示すもので、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のD−D線に沿った断面図である。図5は半導体発光装置の図4に続く製造工程を模式的に示すもので、図5(a)は平面図、図5(b)は図5(a)のE−E線に沿った断面図である。図6は半導体発光装置の図5に続く製造工程を模式的に示す断面図である。図7は、半導体発光装置のCIE色度を示す図である。
図1に示すように、半導体発光装置91は、SMDケース1内のマウントベッド部となるリード8a上にSiCからなる基板22上に形成されたGaN系の青色LEDチップ2、リード8b上にAlInGaP系の黄色LEDチップ3がそれぞれマウント材4を用いて載置されている。そして、各LEDチップ2、3上面に形成された電極9a、9bと、SMDケース1内のリード部10a、10bがそれぞれAuワイア5a、5bにより接続されている。さらに青色LEDチップ2、黄色LEDチップ3の表面には紫外線吸収層6が形成されており、カップ部26内は封止樹脂7で充填されている。
図1(a)、(b)に示すように、リード8a、8b、10a、10bは、4個が互いに離間して、SMDケース1を間に挟んでコ字形に形成され、リード8a、10b、及びリード8b、10aは、それぞれ、並行に、また、リード8a、10a、及びリード8b、10bは、それぞれ、対向するように配置されている。リード8a、8b、10a、10bは、銅を主成分とするリードフレーム材である。SMDケース1は、エポキシ系樹脂を主成分とするモールド樹脂で形成されている。なお、リード8a、8b、10a、10bは、他の材質、例えば、鉄を主成分とするリードフレーム材等であってもよい。
半導体発光装置91の底面側に露出したリード8a、8b、10a、10bは、外部端子として、実装基板(図示略)等に接続される。底面に対向するリード8a、8b、10a、10bの一部は、上面側から底面側に向かって形成された凹形状のカップ部26の底部に露出している。カップ部26は、上面になるほど開口径が大きくなっている。
青色LEDチップ2は、例えば、導電性のSiC等の基板22の上に、ピーク発光波長約440nmのInxGa1−xN(例えば、x=約0.05)を活性層とする発光領域(図示略)が上面側に形成され、上面と底面には、それぞれ、電極9a、19aが形成されている。
黄色LEDチップ3は、例えば、導電性のGaP等の基板23の上に、ピーク発光波長約590nmのIn0.5(Ga1−xAlx)P(例えば、x=約0.0026)を活性層とする発光領域(図示略)が上面側に形成され、上面と底面には、それぞれ、電極9b、19bが形成されている。
青色LEDチップ2及び黄色LEDチップ3は、それぞれ、SMDケース1のカップ部26の円形底部に露出したリード8a、8b上に、円の中心に対してほぼ対称位置になるように、底面の電極19a、19bが導電性接着材あるいは半田等のマウント材4で固定されている。上面の電極9a、9bは、対向するリード10a、10b上に、それぞれ、Auワイア5a、5bによってボンディングされている。
紫外線吸収層6は、シアノアクリレート系の紫外線吸収剤、例えば、Ethyl2−cyano−3,3−diphenylacrylateからなる。なお、可視光に対して透過性を有する紫外線吸収剤は、シアノアクリレート系の他に、ベンゾトリアゾール系、サリシレート系、ベンゾフェノン系等があり、これらを単独、あるいは、混合して使用してもよい。
このような半導体発光装置91は、以下のように形成される。先ず、図2(a)、(b)に示すように、予め形成されたSMDケース1内のリード8aの中心寄りの端部上にマウント材4を塗布し、SiC基板上に形成されたGaN系の青色LEDチップ2を、底部の電極19aが接するようにマウントする。同様に、図3(a)、(b)に示すように、SMDケース1内のリード8bの中心寄りの端部上に、マウント材4を塗布し、AlInGaP系の黄色LEDチップ3を、底部の電極19bが接するようにマウントする。この後、マウント材4は硬化される。なお、青色及び黄色LEDチップ2、3用のマウント材4は、同一工程で塗布されてもよいし、青色及び黄色LEDチップ2、3のマウントの順序は逆であってもよい。そして、図4(a)、(b)に示すように、各LEDチップ2、3の上部の電極9a、9bと、リード10a、10bをそれぞれAuワイア5a、5bにより接続する。なお、Auワイア5a、5bは、マウントされたリード8a、8bと、それぞれ並行に配置されたリード10b、10aに接続されることは可能である。
次いで、図5(a)、(b)に示すように、例えば、Ethyl2−cyano−3,3−diphenylacrylate等、可視発光色に対して透過性を有する紫外線吸収剤6を溶剤に溶解した紫外線吸収剤溶液28を、青色及び黄色LEDチップ2、3の上面を越える程度まで覆うように注入する。注入には、例えば、ディスペンサ(図示略)を利用することは可能である。この状態で熱処理を行い、溶剤を蒸発させ、図6に示すように、青色及び黄色LEDチップ2、3の上面及び側面、紫外線吸収剤溶液28が浸ったカップ部26の側面及び底面に、20μm〜1mm程度の紫外線吸収層6を形成する。紫外線吸収層6は、底部側で厚い傾向にある。さらに、カップ部26の底部にある紫外線吸収層6に密着し、青色及び黄色LEDチップ2、3、及びAuワイア5a、5b等を覆うように、カップ部26を埋めた面とSMDケース1の上面がほぼ平面になるまで、封止樹脂7を注入する。次に、封止樹脂7を硬化させた後、リード8a、8b、10a、10bは、リードフレーム(図示略)から切り離されて、折り曲げられて、図1に示すような半導体発光装置91が形成される。
このようにして形成された半導体発光装置91において、430〜450nm付近にピーク波長を持つ青色LEDチップ3は、より高エネルギで且つ封止樹脂7の吸収率が高くなる紫外領域(400nm以下)において発光スペクトルを有している。青色LEDチップ3の光取出し面と封止樹脂との界面に設けられた紫外線吸収層6は、紫外領域の発光を選択的に吸収する。そして、封止樹脂7に達する紫外領域の光は抑制され、青色LEDチップ2の光取出し面と封止樹脂7との界面付近に特に強く発生する封止樹脂7の劣化を抑えることが可能となる。封止樹脂7の劣化が抑制されるので、本実施例の半導体発光装置91は、取り出される光量の経時的な変化は緩やかになり、より長期間の安定動作が確保される。また、封止樹脂7に達する紫外領域の光が抑制されるので、封止樹脂7は、例えば、緑色あるいはそれ以上の可視光領域にピーク波長を有するLED等で安定して使用されている比較的樹脂応力の低い封止樹脂、または、ほぼ同等の樹脂応力を有する封止樹脂を、使用することができることになる。すなわち、封止樹脂を硬い紫外線吸収樹脂に変更する必要がないため、硬度の高いGaN系のLEDチップと硬度の低いAlInGaP系のLEDチップを混載しても、樹脂応力によるLEDチップの劣化を抑えることが可能である。
そして、このようにして形成された半導体発光装置91は、青色及び黄色LEDチップ2、3の発光が半導体のバンドギャップに依存することから、色調ずれが少なく、高い歩留りを得ることができる。さらに、青色及び黄色LEDチップ2、3は、それぞれ、青色及び黄色の光量に適する電流を供給されて、図7に示すように、CIE色度図上で青色11と黄色12を結ぶ線上の色度で発光する青色11〜白色13〜黄色12の光源として、用途、好みに応じて自在に色調を変動させることが可能となる。すなわち、半導体発光装置91は、バランスのよい白色光あるいは好みに合った色度の光を提供することができる。
本発明の実施例2に係る半導体発光装置について、図8を参照しながら説明する。図8は半導体発光装置の構成を模式的に示す図1(b)と同様な断面図である。本実施例の半導体発光装置は、発光波長の異なるLEDチップを使用している点が、実施例1とは異なっている。以下では、上記実施例1と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
図8に示すように、半導体発光装置92は、シアン色LEDチップ32、赤色LEDチップ33を特徴的に備えており、その他の構成要素は実施例1と同様である。シアン色LEDチップ32は、例えば、導電性のSiC等の基板22の上に、ピーク発光波長約480nmのInxGa1−xN(例えば、x=約0.3)を活性層とする発光領域(図示略)が上面側に形成され、上面と底面には、それぞれ、電極9a、19aが形成されている。赤色LEDチップ33は、例えば、導電性のGaP等の基板23の上に、ピーク発光波長約620nmのIn0.5(Ga1−xAlx)P(例えば、x=約0.001)を活性層とする発光領域(図示略)が上面側に形成され、上面と底面には、それぞれ、電極9b、19bが形成されている。
半導体発光装置92の製造工程は、実施例1の半導体発光装置91の製造工程と同様である。
本実施例の半導体発光装置92においても、実施例1と同様な効果が得られる。すなわち、封止樹脂7の劣化、樹脂応力によるLEDチップの劣化を抑えることができ、半導体発光装置92は、信頼性、光取り出し効率の低下を抑えることが可能となるとともに、色調ずれが少なく、高い歩留りを得ることができる。そして、実施例1と同様に、シアン色及び赤色LEDチップ32、33は、それぞれ、リード9a、9b、10a、10bからそれぞれ注入される電流値を制御されて、図7に示すように、CIE色度図上でシアン色14と赤色15を結ぶ線上の色度で発光するシアン色14〜白色13〜赤色15の光源として、用途、好みに応じて自在に色調を変動させることが可能となる。
本発明の実施例3に係る半導体発光装置について、図9及び図10を参照しながら説明する。図9は半導体発光装置の構成を模式的に示すもので、図9(a)は平面図、図9(b)は図9(a)のF−F線に沿った断面図である。図10は半導体発光装置の製造の1工程を模式的に示すもので、図10(a)は平面図、図10(b)は図10(a)のG−G線に沿った断面図である。本実施例の半導体発光装置は、青色LEDチップを紫外線吸収層で覆っている点が、実施例1とは異なる。以下では、上記実施例1と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
図9に示すように、半導体発光装置93は、青色LEDチップ2及び黄色LEDチップ3を有しているが、青色LEDチップ2の光取出し面及び上面側の電極9a、あるいは、SMDケース1のカップ部26の底部の一部及び底部側側面の一部等が、膜厚20μm〜100μm程度の紫外線吸収層46で被覆するように形成されている。紫外線吸収層46は、実施例1の紫外線吸収層6と同様な紫外線吸収剤である。その他の構成要素は実施例1と同様である。
図10に示すように、半導体発光装置93の製造工程は、紫外線吸収剤溶液48の供給工程のみ実施例1とは異なる。例えば、Ethyl2−cyano−3,3−diphenylacrylateからなる紫外線吸収剤を、溶剤に溶解した比較的流動性の低い紫外線吸収剤溶液48を、青色LEDチップ2の上面から、例えば、ディスペンサ(図示略)を利用して、滴下して、青色LEDチップ2の上面及び側面を覆う。
次に、この状態で熱処理を行い、溶剤を蒸発させる。図9に示すように、青色LEDチップ2の上面及び側面、紫外線吸収剤溶液48が接触したカップ部26の側面及び底面に、20μm〜1mm程度の紫外線吸収層46が形成される。この後、実施例1と同様な工程を経て、図9に示すような半導体発光装置93が形成される。
上述したように、半導体発光装置93は、青色及び黄色LEDチップ2、3が、それぞれ、リード8a、8b上に固着され、青色LEDチップ2の光取出し面は、紫外線吸収層46で被覆され、更に、青色及び黄色LEDチップ2、3等が封止樹脂7で封止されている。
紫外領域の発光は、実質的に青色LEDチップ2で起こり、この紫外領域の光は、紫外線吸収層46で吸収されるので、半導体発光装置93は、実施例1の効果と同様な効果を有している。
更に、半導体発光装置93は、黄色LEDチップ3が紫外線吸収層46で覆われていないので、紫外線吸収層46で発生するわずかな可視光の吸収が皆無となり、黄色の光はより効率的に取り出すことが可能となる。
なお、実施例3は、実施例1と同様な青色及び黄色LEDチップ2、3を有する半導体発光装置93として説明したが、実施例2と同様なシアン色及び赤色LEDチップ32、33を有する半導体発光装置に適用することも可能である。
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々、変形して実施することができる。
例えば、上記実施例では、可視光の中で短波長側のLEDチップを青色、シアン色のGaN系とし、長波長側のLEDチップを黄色、赤色のAlInGaP系とした例であるが、紫外領域(400nm以下)の発光スペクトルを有するLEDチップと、ピーク波長が550nm以上のLEDチップを混載したものであればその他の組み合わせであっても良い。このような2種類のLEDチップ(素子数2)で、白色を含む色温度の多彩なLEDを安価に製造することが可能となる。また、ピーク波長550nmは、AlInGaP系LEDの下限波長であるが、上述したように、GaN系とAlInGaP系という硬度の異なる2種類のLEDチップを混載した場合においても、樹脂応力による劣化を抑えることが可能となる。
また、上記実施例では、紫外線吸収剤の形成方法は、予め固定されたLEDチップに、溶剤に溶解して注入され、その後、溶剤を蒸発させて塗布される例を示したが、紫外線吸収剤を溶解した溶解液中にLEDチップをディップし、その後、溶剤を蒸発させる手法や、噴霧によって塗布させる手法等を用いることが可能である。その際、紫外線吸収剤を付着させたくない領域に、必要に応じてマスクを形成しても良い。または、LEDチップを板状のサブマウント等へマウントした後に、サブマウントをリードフレームへ実装する形態として、サブマウントへマウントした後、LEDチップに紫外線吸収剤を付着させてもよい。また、紫外線吸収層は、これらの実施例のように、必ずしもマウント工程の直前直後において形成される必要はなく、LEDチップの製造工程において、ウエハ状態或いはダイシング工程後に形成されても良い。
また、上記実施例では、紫外線の抑制材料として紫外線吸収層を使用する例を示したが、可視領域の光を透過し、紫外領域のスペクトルを遮蔽可能な酸化チタン、酸化亜鉛等の無機材料を適宜用いることができる。
また、上記実施例では、紫外線吸収層の膜厚は、20μm〜1mm程度の例を示したが、可視領域の発光を阻害することなく紫外領域のスペクトルを吸収可能な膜厚であれば良い。このとき、例えばEthyl2−cyano−3,3−diphenylacrylateからなる紫外線吸収層は、実効的に波長380nm付近のUV吸収効果(約20%)を得るために、膜厚約20μm以上が必要となり、波長400nm付近のUV吸収効果(約25%)を得るためには膜厚約430μm以上が必要となることが知られている。一方、膜厚の上限は、可視光の吸収が無視できなくなる膜厚であり、例えば波長420nmでの吸収が25%程度になる膜厚は4.3mm程度となる。膜厚は、半導体発光装置の要求寿命の他、生産性等を考慮して決定することができる。
また、単体の青色半導体発光装置や、青色LEDチップと蛍光体の組合せによる白色半導体発光装置のように、紫外領域の発光スペクトルを有するLEDチップのみからなる半導体発光装置に紫外線吸収層を設けることは可能である。この半導体発光装置は、LEDチップの光取出し面と封止樹脂との界面に紫外線吸収層を設けることにより、封止樹脂をUV吸収樹脂に変更することなく、UVによる封止樹脂の劣化を抑えることが可能である。
さらに、例えばRGB各色3つのLEDチップから構成される白色半導体発光装置のように、紫外領域の発光スペクトルを有するLEDチップを含む複数のLEDチップから構成される半導体発光装置に紫外線吸収層を設けることは可能である。この半導体発光装置は、少なくとも紫外領域の発光スペクトルを有するLEDチップの光取出し面と前記封止樹脂との界面に紫外線吸収層を設けることにより、封止樹脂を紫外線吸収樹脂に変更することなく、同様にUVによる封止樹脂の劣化を抑えることが可能である。
また、上記実施例では、表面実装型の形態を有する半導体発光装置に適用する例を示したが、その他の形態、例えば、砲弾形等の形態を有する半導体発光装置等に適用することは可能である。
また、上記実施例または変形例では、LEDチップは、発光領域をマウント側(底面)に対向する上面側に配置する、いわゆるフェースアップでマウントされる例であったが、LEDチップは、フェースダウン(フリップチップ)でマウントされてもよい。
本発明の実施例1に係る半導体発光装置の構成を模式的に示すもので、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図。 本発明の実施例1に係る半導体発光装置の製造工程を模式的に示すもので、図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)のB−B線に沿った断面図。 本発明の実施例1に係る半導体発光装置の図2に続く製造工程を模式的に示すもので、図3(a)は平面図、図3(b)は図3(a)のC−C線に沿った断面図。 本発明の実施例1に係る半導体発光装置の図3に続く製造工程を模式的に示すもので、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のD−D線に沿った断面図。 本発明の実施例1に係る半導体発光装置の図4に続く製造工程を模式的に示すもので、図5(a)は平面図、図5(b)は図5(a)のE−E線に沿った断面図。 本発明の実施例1に係る半導体発光装置の図5に続く製造工程を模式的に示す断面図。 本発明の実施例に係る半導体発光装置のCIE色度を示す図。 本発明の実施例2に係る半導体発光装置の構成を模式的に示す断面図。 本発明の実施例3に係る半導体発光装置の構成を模式的に示すもので、図9(a)は平面図、図9(b)は図9(a)のF−F線に沿った断面図。 本発明の実施例3に係る半導体発光装置の1製造工程を模式的に示すもので、図10(a)は平面図、図10(b)は図10(a)のG−G線に沿った断面図。
符号の説明
1 SMDケース
2 青色LEDチップ
3 黄色LEDチップ
4 マウント材
5a、5b Auワイア
6、46 紫外線吸収層
7 封止樹脂
8a、8b、10a、10b リード
9a、9b、19a、19b 電極
11 青色
12 黄色
13 白色
14 シアン色
15 赤色
22、23 基板
26 カップ部
28、48 紫外線吸収剤溶液
32 シアン色LEDチップ
33 赤色LEDチップ
91、92、93 半導体発光装置

Claims (5)

  1. 400nm以下の発光スペクトルを有する半導体発光素子と、
    少なくとも前記半導体発光素子の光取出し面を被覆する紫外線吸収層と、
    少なくとも前記紫外線吸収層で被覆された前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、
    を備えることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 400nm以下の発光スペクトルを有する第1の半導体発光素子と、
    ピーク波長が550nm以上の第2の半導体発光素子と、
    少なくとも前記第1の半導体発光素子の光取出し面を被覆する紫外線吸収層と、
    前記紫外線吸収層で被覆された前記第1の半導体発光素子、及び前記第2の半導体発光素子を封止する封止樹脂と、
    を備えることを特徴とする半導体発光装置。
  3. 前記第1及び第2の半導体発光素子のピーク波長は、いずれも可視領域であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
  4. 前記第1及び第2の半導体発光素子は、注入される電流が夫々独立して制御されることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体発光装置。
  5. 400nm以下の発光スペクトルを有する半導体発光素子と、
    少なくとも前記半導体発光素子の光取出し面を被覆する紫外線遮蔽層と、
    少なくとも前記紫外線遮蔽層で被覆された前記半導体発光素子を封止する封止樹脂と、
    を備えることを特徴とする半導体発光装置。

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