JP2006339386A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッケージの樹脂と十分な密着性を有する光半導体装置を提供する。
【解決手段】 マウントベッド１１と、マウントベッド１１から第１の方向に延在した第１リード端子と１２、マウントベッド１１から離間して設けられ、マウントベッド１１から第１の方向と対向する第２の方向に延在した第２リード端子１３とを備えたリードフレーム１４と、マウントベッド１１に載置された光半導体素子１８と、光半導体素子１８を第２リード端子１３に電気的接続する接続導体１９と、外側に突出した第１の凸部１６と、マウントベッド１１が露出するように設けられた凹部１５とを備え、リードフレームをモールドする外囲器１７と、外囲器１７の凹部１５に充填された封止樹脂２０と、外囲器１７の凹部１５に冠着されたレンズ部２１と、外囲器１７の第１の凸部１６と嵌合する第２の凸部２２とを備えた光放射部２３とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光半導体装置に係り、特に外囲器の樹脂と十分な密着性を得るのに好適な構造を備えた光半導体装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、フルカラーディスプレイ、交通・信号機器、照明器具、車載用途の光源等として幅広く使用されている。

近年、携帯電話や移動式携帯端末に代表される各種の小型電子機器の普及に伴い、樹脂封止型の半導体装置では、基板に直接リードをハンダ付けする表面実装型の外囲器が主流になってきている。

樹脂封止型の外囲器では温度サイクル試験等により繰り返し温度変化が与えられた場合、樹脂、リード、半導体チップ間の熱膨張係数の差に起因して樹脂がリード、および半導体チップの界面で剥離し、電気的接続不良が発生する等の問題がある。

従来、表面実装型の外囲器を有する光半導体装置では、略平坦に形成されたリードフレームの凹形状の反射板部に光半導体素子をマウントし、光半導体素子をリードフレームのリード端子にワイヤボンディングした後、リード端子を外部に延出させるようにリードフレームと光半導体素子を樹脂で一体にモールドしていた（例えば特許文献１参照。）。

特許文献１に開示された光半導体装置は、凹形状反射板部及びアノード端子、第１、第２、第３のカソード端子を形成したリードフレームと、反射板部を凹形状反射部の内底部略中央部に位置させると共に、各端子を外部に延出させるようにしてリードフレームに一体に光反射性合成樹脂で形成した外囲器と、反射板部の内底部に固着された光半導体素子と、反射部内及び反射板部内に光透過性材料を所定形状、例えば集光レンズ形状となるよう設けてなる光放射部を具備している。

然しながら、特許文献１に開示された光半導体装置は、外囲器と光放射部が一体になるように形成しているので、樹脂の容量が大きくなる。

リードフレームと樹脂とは密着性が弱いため、樹脂の容量が大きくなるほど表面実装のリフロー工程においてリードフレームと外囲器の樹脂との熱膨張差により樹脂がリードフレームから剥離しやすいという問題がある。

これに対して、外囲器と光放射部とを個別に形成し、外囲器に光放射部を嵌め込んだ光半導体装置が知られている（例えば特許文献２参照。）。

特許文献２に開示された光半導体装置は、個別の部品として形成されたパッケージベース４２と、ＬＥＤチップ５２からの光をパッケージベース４２のパッケージ軸にほぼ垂直となるように導出するレンズ４４とを有している。

レンズ４４の脚部に形成された鉤爪状の凸部をパッケージベース４２のハウジング４６に挿入し、レンズ４４の表面Ｓがハウジング４６の表面Ｒにスナップばめすることにより光半導体装置が組み立てられる。

然しながら、特許文献２に開示された光半導体装置は、レンズ４４の脚部の弾性力によりレンズ４４の表面Ｓがハウジング４６の表面Ｒに密着して摩擦で締められているので、振動等によりレンズ４４の取り付け位置がずれた場合に、パッケージベース４２とレンズ４４との間の容量５４に充填されたシリコン樹脂との間に隙間が生じ、外部に取り出される光出力が低下する問題がある。

更に、レンズ４４に過度な力が加わった場合に、レンズ４４がパッケージベース４２から抜け落ちる恐れがある。
特開２００４−９５５７６号公報（３−４頁、図６） 特開２００３−８０６８号公報（４−５頁、図５）

本発明は、外囲器の樹脂と十分な密着性を有する光半導体装置を提供する。

本発明の一態様の光半導体装置は、マウントベッドと、前記マウントベッドから第１の方向に延在した第１リード端子と、前記マウントベッドから離間して設けられ、前記マウントベッドから前記第１の方向と対向する第２の方向に延在した第２リード端子とを備えたリードフレームと、前記マウントベッドに載置された光半導体素子と、前記光半導体素子を前記第２リード端子に電気的接続する接続導体と、外側に突出した第１の凸部と、前記マウントベッドが露出するように設けられた凹部とを備え、前記リードフレームをモールドする外囲器と、前記外囲器の前記凹部に充填された封止樹脂と、前記外囲器の前記凹部に冠着されたレンズ部と、前記外囲器の前記第１の凸部と嵌合する第２の凸部とを備えた光放射部と、を具備することを特徴としている。

本発明によれば、外囲器の樹脂と十分な密着性を有する光半導体装置が得られる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る光半導体装置について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は光半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図２は光半導体装置の組み立て方法を模式的に記す斜視図、図３は組み立てられた光半導体装置を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施例の光半導体装置１０は、マウントベッド１１と、マウントベッド１１から第１の方向（図の下方向）に延在した第１リード端子１２と、マウントベッド１１から離間して設けられ、マウントベッド１１から第１の方向と対向する第２の方向に延在した第２リード端子１３とを備えたリードフレーム１４と、マウントベッド１１および第２リード端子１３の一部が露出するように設けられた凹部１５と、第１の方向と直角な方向の外側に突出した鉤状の第１の凸部１６とを備え、リードフレーム１４をモールドする外囲器１７と、を具備している。

更に、マウントベッド１１に載置された光半導体素子１８と、光半導体素子１８を第２リード端子１３に電気的接続する接続導体、例えばワイヤ１９と、外囲器１７の凹部１５に充填され、上端面が第１の面より突出した封止樹脂２０とを具備している。

更に、外囲器１７の凹部１５に冠着されたレンズ部２１と、外囲器１７の第１の凸部１６と嵌合する第２の凸部２２とを備えた光放射部２３とを具備している。

リードフレーム１４は、例えば厚さ０．１５ｍｍ程度のニッケルおよび銀がメッキされた銅板であり、プレス加工によりマウントベッド１１、第１および第２リード端子１２、１３が形成されている。

マウントベッド１１から延在した第１リード端子１２は、マウントベッド１１に載置された光半導体素子１８のカソード端子となり、第２リード端子１３は光半導体素子１８の上面電極（図示せず）にワイヤボンディングされて光半導体素子１８のアノード端子となる。

外囲器１７は射出成形（Injection Molding）された熱可塑性樹脂、例えば液晶ポリマー、ポリスチレン、ポロフタルアミド等で、中央部に円錐形状の凹部１５と、外側に突出した鉤状の第１の凸部１６を備え、リードフレーム１４をモールドしている。

リードフレーム１４の破線は、樹脂でモールドされ外囲器１７の内部にあるリードフレーム１４を示し、外囲器１７から外部に延在した第１および第２リード端子１２、１３は全体として外囲器１７を包み込むようにコ字状に折り曲げられて使用される。

凹部１５には光半導体素子１８の汚染を防ぎ、外囲器１７からの樹脂応力を緩和するための封止樹脂２０、例えばシリコン樹脂が外囲器１７の第１の面から、例えば０．６ｍｍ程度突出するように充填されている。

光放射部２３は、例えばＬＩＭ成形（Liquid Injection Molding）されたシリコン樹脂で、光半導体素子１８からの光を集光して前方に放射するためのドーム状のレンズ部２１と鉤状の第１の凸部１６に嵌合してレンズ部２１を外囲器１７の凹部１５に冠着するための第２の凸部２２とを備えている。

レンズ部２１を冠着する際に、外囲器１７の第１の面より突出した封止樹脂２０はレンズ部２１により押圧されるので、第２の凸部２２が鉤状の第１の凸部１６に嵌合すると光放射部２３は封止樹脂２０の反発力によって押し上げられ、一度嵌合すると外囲器１７と光放射部２３は解けない構造になっている。

その結果、封止樹脂と２０レンズ部２１は隙間無く密着して光学的に一体化され、界面で光の透過を妨げることのない光放射部２３が得られる。

熱可塑性樹脂の熱膨張率は２０Ｅ−６ｃｍ／℃程度であり、従来の熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂の熱膨張率１０Ｅ−６ｃｍ／℃程度に比べてリードフレームの熱膨張率１６Ｅ−６ｃｍ／℃程度に近い。その結果、リードフレーム１４と外囲器１７の熱膨張の差による熱応力が低減する。

更に、外囲器１７と光放射部２３は別個独立したものなので、従来の外囲器と光放射部を一体に製作する場合に比べて封止樹脂２０の樹脂の容量が少なくてすむ。その結果、封止樹脂２０によるリードフレーム１４、外囲器１７および光半導体素子１８への樹脂応力が低減する。

従って、外囲器１７の樹脂とリードフレーム１４、および封止樹脂２０とリードフレーム１４、外囲器１７、光半導体素子１８との剥離を防止することが可能である。

次に、外囲器１７と光放射部２３の詳細な構造、および外囲器１７と光放射部２３組み立て方法について詳しく説明する。

図２に示すように、外囲器１７の第１の方向と直角な方向の外側に突出した鉤状の第１の凸部１６は、外周はなだらかな湾曲面を有し、内周は切り欠き部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを有している。

一方、光放射部２３の第２の凸部２２は、レンズ部２１を支持する脚部２２ｅ、２２ｆと、脚部２２ｅの下部から両側に突出した突起部２２ａ、２２ｂと、脚部２２ｆの下部から両側に突出した突起部２２ｃ、２２ｄを有している。

外囲器１７の上方から光放射部２３を降下させて、第２の凸部２２の下端部の突起部２２ａ〜２２ｄを鉤状の第１の凸部１６の外周面に当接させる。

更に、光放射部２３を降下させると、第２の凸部２２の脚部２２ｅ、２２ｆは鉤状の第１の凸部１６の外周湾曲面に沿って断面ハ字状に押し広げられる。

レンズ部２１の下面が、上端面が第１の面から長さＬ１だけ突出した封止樹脂２０に当接した後、更に押し下げると、封止樹脂２０は押圧され、第２の凸部２２の突起部２２ａ〜２２ｄは鉤状の第１の凸部１６の外周面からはずれて、鉤状の第１の凸部１６の内周切り欠き部１６ａ〜１６ｄに嵌合される。

押し下げを停止すると、押圧された封止樹脂２０の反発力により封止樹脂２０の上端面とのレンズ部２１の下面が密着し、外囲器１７に光放射部２３が冠着される。

即ち、第２の凸部２２の突起部２２ａ〜２２ｄは、それぞれ第１の突起部１６の切り欠き部１６ａ〜１６ｄに嵌合して所謂カンヌキ留めされた状態になり、上方向の引張り力および横方向の引張り力に対して外囲器１７から光放射部２３が分離するのを防止することができる。

これにより、図３に示すように、外囲器１７と光放射部２３を有する表面実装型の光半導体装置１０が得られる。
第１および第２リード端子１２、１３に電源（図示せず）を接続して光半導体素子１８に通電することにより、レンズ部２１の光放出面２４より光ビーム２５が得られる。

以上説明したように、本実施例の光半導体装置１０は外囲器１７がリードフレーム１４の熱膨張率に近い熱膨張率を有する熱可塑性樹脂で形成され、且つ別個独立に形成された光放射部２３を外囲器１７に冠着しているので、リードフレーム１４と外囲器１７の熱膨張の差による熱応力および封止樹脂２０の容量による樹脂応力が低減される。

その結果、外囲器１７の樹脂、光半導体素子１８、封止樹脂２０、およびリードフレーム１４間の剥離を防止することができる。従って小型で信頼性の高い光半導体装置が得られる。

ここでは、第１の凸部１６が、外囲器１７の側面のうち、第１リード端子１２が延在した第１の方向と直角な方向の面に設けられた場合について説明したが、第１の方向と同じ方向の面に設けても構わない。

この場合には、第２の凸部２２の下部に第１および第２リード端子１２、１３を通すための切り欠き部を適宜もうけることができる。

また、第１の凸部１６の切り欠き部１６ａ〜１６ｄと第２の凸部２２の突起部２２ａ〜２２ｄとが接する面を互いに傾斜させることにより、所謂楔状に嵌合するようにしても構わない。

本発明の実施例２に係る光半導体装置について、図４および図５を用いて説明する。図４は光半導体装置を示す図で、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図５は光半導体装置の外囲器を示す斜視図である。

本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。

本実施例が実施例１と異なる点は、マウントベッドの厚さをリード端子の厚さより大きくし、光半導体素子に大電流を流せるようにしたことにある。

即ち、図４に示すように、本実施例の光半導体装置３０は、反射板部３１、アンカーホール３２、３３を有するマウントベッド３４と、マウントベッド３４から第１の方向（図の左方向）に延在した第１リード端子３５と、マウントベッド３４から離間して設けられ、マウントベッド３４から第１の方向と対向する第２の方向に延在した第２リード端子３６とを備えたリードフレーム３７と、貫通孔３２、３３に貫入し、マウントベッド３４、第１および第２リード端子３５、３６の底面が露出するようにリードフレーム３７を熱可塑性樹脂でモールドした外囲器３８を具備している。

図５に示すように、外囲器３８は、マウントベッド３４および第２リード端子３６の一部が露出するように形成された８字状の凹部３９と、第１の方向と直角な方向の外側に突出した鉤状の第１の凸部１６とを具備している。

マウントベッド３４の厚さは、例えば１．２ｍｍであり、第１および第２リード端子３５、３６の厚さ、例えば０．５ｍｍより大きく設定されている。
更に、マウントベッド３４、第１および第２リード端子３５、３６の厚さは従来のリードフレームの厚さ、例えば０．１５ｍｍよりも大きく設定されている。

光半導体素子１８に大電流、例えば１Ａ以上を流すと光半導体素子１８の発熱が問題となるが、外囲器３８より露出した厚いマウントベッド３４の底面を放熱板にハンダ付けすることにより光半導体素子１８の発熱を効率よく外部に逃がすことができる。

マウントベッド３４の厚さを増加するとリードフレーム３７の体積が従来のリードフレームより大きくなるので、リードフレーム３７と外囲器３８の熱膨張の差による熱応力は増加する。

しかし、マウントベッド３４に設けられた貫通孔３２、３３の所謂アンカー効果によりリードフレーム３７と外囲器３８が固着されるので、外囲器３８の樹脂がリードフレーム３７から剥離するのを防止することが可能である。

以上説明したように、本実施例の光半導体装置３０は、外囲器３８の樹脂がリードフレーム３７から剥離するのを防止し、且つ大電流駆動することができる利点がある。従って、高光出力で信頼性の高い光半導体装置が得られる。

本発明の実施例３に係る光半導体装置について、図６を用いて説明する。図６は光半導体装置を示す図で、図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。

本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。

本実施例が実施例１と異なる点は、光半導体装置に光半導体素子を２個搭載したことにある。

即ち、図６に示すように、本実施例の光半導体装置５０は、第１マウントベッド５１と、第１マウントベッド５１から第１の方向（図の下方向）に延在した第１リード端子５２と、第１マウントベッド５１から離間して設けられた第２マウントベッド５３と、第２マウントベッド５３から第１の方向と対向する第２の方向に延在した第２リード端子５４とを備えたリードフレーム５５を具備している。

第１および第２マウントベッド５１、５３は、それぞれ先端部に設けられたスリット状の切れ込み部により２つの領域に分割されている。

リードフレーム５５をモールドする樹脂はスリット状の切れ込み部に貫入して、所謂アンカー効果によりリードフレーム５５と外囲器１７が固着されるので、外囲器１７の樹脂がリードフレーム５５から剥離するのを更に防止することが可能である。

第１マウントベッド５１の第１の領域には、例えば赤色発光する第１光半導体素子５６が載置され、第１光半導体素子５６はワイヤ５８を介して第２リード端子５４の第２の領域に電気的接続されている。

同様に、第２マウントベッド５３の第１の領域には、例えば緑色発光する第２光半導体素子５７が載置され、第２光半導体素子５７はワイヤ５９を介して第１リード端子５２の第２の領域に電気的接続されている。

第１および第２リード端子５２、５４に電源（図示せず）を接続すると、第１および第２光半導体素子５６、５７は同時に発光して、赤色と緑色が混合された橙色の光を放出する光半導体装置５０が得られる。

以上説明したように、本実施例の光半導体装置５０は、封止樹脂２０による光半導体素子５２、５４への樹脂応力が低減され、２個の光半導体素子を搭載することができる利点がある。従って、２つの発光色の混合色を有し、信頼性の高い光半導体装置が得られる。

ここでは、第１および第２光半導体素子５６、５７が、発光色が異なる光半導体素子である場合について説明したが、同じ発光色であっても構わない。また、リードフレーム形状を変更して、２個以上の光半導体素子を搭載しても構わない。

更に、光半導体素子の発光波長が青色よりも長波長の場合には、光放射部２３をエポキシ樹脂で形成することができる。光半導体素子からの光によりエポキシ樹脂が劣化し、光出力に影響を及ぼすことが無いためである。

図７は本発明の実施例４に係る光半導体装置を示す図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。

本実施例が実施例１と異なる点は、近紫外で発光する光半導体素子を搭載し、光半導体素子封止樹脂に蛍光体が混合されていることにある。

即ち、図７に示すように、本実施例の光半導体装置７０は、マウントベッド１１に載置され、近紫外で発光する光半導体素子７１と、凹部１５に充填され、光半導体素子７１から放出された近紫外光により励起されて蛍光を発する蛍光体７２が混合された封止樹脂２０を具備している。

光半導体素子７１は、例えば波長３４０〜３８０ｎｍ程度の近紫外で発光するＩｎＧａＡｌＮ系の光半導体素子である。

また、蛍光体７２は波長３４０〜３８０ｎｍ程度の紫外光により励起され、赤色、緑色、青色の蛍光を発する、所謂ＲＧＢ蛍光体で、例えばＲ蛍光体はＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｇ蛍光体はＬａＰＯ４：Ｃｅ、Ｔｂ、Ｂ蛍光体は（ＳｒＣａＢａＭｇ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕである。

第１および第２リード端子１２、１３に電源（図示せず）を接続すると、光半導体素子７１が紫外発光し、ＲＧＢ蛍光体が励起されて赤、緑、青色が混合された白色光が得られる。

以上説明したように、本実施例の光半導体装置７０は白色で信頼性の高い光半導体装置が得られる利点がある。

本発明の実施例１に係る光半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図。 本発明の実施例１に係る光半導体装置の組み立て方法を示す斜視図。 本発明の実施例１に係る光半導体装置を示す斜視図。 本発明の実施例２に係る光半導体装置を示す図で、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図。 本発明の実施例２に係る外囲器を示す斜視図。 本発明の実施例３に係る光半導体装置を示す図で、図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図。 本発明の実施例４に係る光半導体装置を示す断面図。

符号の説明

１０、３０、５０、７０ 光半導体装置
１１、３４ マウントベッド
１２、３５、５２ 第１リード端子（カソード）
１３、３６、５４ 第２リード端子（アノード）
１４、３７、５５ リードフレーム
１５、３９ 凹部
１６ 第１の凸部
１６ａ、１６、１６ｃ、１６ｄ 切り欠き部
１７、３８ 外囲器
１８、７１ 光半導体素子
１９、５８、５９ ワイヤ
２０ 封止樹脂
２１ レンズ部
２２ 第２の凸部
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 突起部
２２ｅ、２２ｆ 脚部
２３ 光放射部
２４ 光放出面
２５ 光ビーム
３１ 反射板部
３２、３３ 貫通孔
５１ 第１マウントベッド
５３ 第２マウントベッド
５６ 第１光半導体素子
５７ 第２光半導体素子
７２ 蛍光体

Claims (5)

1. マウントベッドと、前記マウントベッドから第１の方向に延在した第１リード端子と、前記マウントベッドから離間して設けられ、前記マウントベッドから前記第１の方向と対向する第２の方向に延在した第２リード端子とを備えたリードフレームと、
   前記マウントベッドに載置された光半導体素子と、
   前記光半導体素子を前記第２リード端子に電気的接続する接続導体と、
   外側に突出した第１の凸部と、前記マウントベッドが露出するように設けられた凹部とを備え、前記リードフレームをモールドする外囲器と、
   前記外囲器の前記凹部に充填された封止樹脂と、
   前記外囲器の前記凹部に冠着されたレンズ部と、前記外囲器の前記第１の凸部と嵌合する第２の凸部とを備えた光放射部と、
   を具備することを特徴とする光半導体装置。
2. 前記第１の凸部は、鉤状の凸部であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記第２の凸部は、前記レンズ部を支持する脚部と、前記脚部の下部から両側に突出した突起部とを有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
4. 前記第１の凸部は、前記外囲器の側面のうち、前記第１の方向と直角な方向の面に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体装置。
5. 前記外囲器が、熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。

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