JP2007165548A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の発光波長をほぼ均一な発光面で実現できる低コストの半導体発光装置を提供する。
【解決手段】蛍光体を含む平板状の第２透光部材を、カップ状容器内において発光素子を埋没させた第１透光部材の上に、カップ状容器の開口部を塞ぐように設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体発光装置に関し、詳しくは発光色のムラの少ないほぼ均一な発光面を有する半導体発光装置に関するものである。

青色発光ダイオード素子と蛍光体の組み合わせ関する従来技術としては、以下の３つの特許発明が挙げられる。
これらの従来技術はすべて、青色発光チップの発光波長よりも長波長に変換する蛍光体を含んだ第１の樹脂をカップ状容器内に充填もしくはプレディップしており、カップ状容器縁部の水平面よりも低くなるように前記第１の樹脂を入れ、さらにそれらを包囲する第２の樹脂を有する構成の発光ダイオードである。
特許第２９９８６９６号 特許第３３２７１７０号 特許第３１５２２３８号

発光ダイオードの製作において、発光素子の発光波長を異なる波長に変換する場合には蛍光体が用いられる。具体的には蛍光体を封止用の透光部材に混練した物質の中に発光素子を没すること、すなわち蛍光体を含んだ透光部材で発光素子を包み込むことによって発光素子の発光波長を変換することができる。

しかし、波長変換に用いられる蛍光体は、封止用の透光部材として一般的に用いられるエポキシ樹脂と比べて比重が高く、また、高価な材料である。
比重差によりエポキシ樹脂中に含まれる蛍光体量にばらつきが発生した場合には、発光素子から発せられた光が波長変換される割合が変わるため、各製品間で発光波長のばらついた発光ダイオードが生産されてしまうことになる。
そのため、完成品において、色合いを合わすために発光ダイオードの波長選別を行うことが必要となり、結果的に所望の発光波長製品の歩留まり低下につながっていた。
これにより蛍光体含有樹脂の製造過程においては、蛍光体量のばらつきを無くすために樹脂の攪拌を行い、また、製作時には少量製作を行うなどして発光波長のばらつきを抑える工夫が行われている。

また、カップ状容器内に蛍光体を含んだ樹脂を充填する場合、前記比重差により、樹脂が硬化する前にカップ内底面に蛍光体が沈殿してしまうことがある。
この結果、本来発光素子の光を励起光として発光するはずの蛍光体が発光素子の周辺に存在しなくなり、発光素子から発せられる光が蛍光体を含まない透明な樹脂を通過してカップ内側面に反射するため、発光ダイオードはリング状の異なった発光波長の光を含み、発光内面に色ムラを生ずることになってしまう。

また、蛍光体自身が高価な材料であるため、上記のような不具合品の発生はコスト面からみても無視できない問題となっている。
カップ状容器内に充填する第１の樹脂の量に対して混練する蛍光体の規定割合が、質量の１０〜２０％程度であるため、不具合品の発生により完成品へ及ぼす原価負担が大きなものとなっている。

この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、所望の発光波長をほぼ均一な発光面で実現できる低コストの半導体発光装置を提供するものである。

この発明は、一対の電極を有する発光素子と、開口部を有し発光素子を収容するカップ状容器と、一対の電極とそれぞれ電気的に接続される一対のリードフレームと、カップ状容器に形成され発光素子を埋没させる第１透光部材と、開口部を塞ぐように第１透光部材上に設けられ蛍光体を含む平板状の第２透光部材と、カップ、第２透光部材およびリードフレームの一部を封止する第３透光部材とを備える半導体発光装置を提供するものである。

この発明によれば、蛍光体を含む平板状の第２透光部材が、カップ状容器内において発光素子を埋没させた第１透光部材の上に、カップ状容器の開口部を塞ぐように設けられているので、所望の発光波長をほぼ均一な発光面で実現できる。

この発明による、半導体発光装置は、一対の電極を有する発光素子と、開口部を有し発光素子を収容するカップ状容器と、一対の電極とそれぞれ電気的に接続される一対のリードフレームと、カップ状容器に形成され発光素子を埋没させる第１透光部材と、開口部を塞ぐように第１透光部材上に設けられ蛍光体を含む平板状の第２透光部材と、カップ、第２透光部材およびリードフレームの一部を封止する第３透光部材とを備えることを特徴とする。

この発明による半導体発光装置において発光素子とは、順方向に電流を印加した際に発光する半導体素子を示し、例えばＬＥＤチップ等が挙げられる。発光素子は、材料や接合構造などにより、発光色、発光波長、輝度が異なる様々な種類があるが、特に限定されるものではない。

カップ状容器とは、発光素子が載置されるための開口部を有したカップ状の容器であればよい。カップ状容器はリードフレームの一部として、発光素子の一方の電極と電気的に接続されていてもよい。また、カップ状容器内には発光素子の他に、後述の透光部材が発光素子を埋没させるように設けられていてもよい。

透光部材とは、光を透過する部材であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、エポキシ樹脂などが挙げられる。

蛍光体とは、受けた光を励起光として発光する物質であればよく、発光素子から発せられる光を励起光として発光してもよい。また発光体の発光波長は、励起光である発光素子の発光波長と異なるものでもよい。

半導体発光装置とは、発光素子、発光素子を内包する透光部材、蛍光体およびリードフレーム等で構成された、完成品としてのＬＥＤランプ等が挙げられる。半導体発光装置は、その用途により砲弾型、チップ型、多セグメント型などの多様な形態があるが、特に限定されるものではない。

この発明による半導体発光装置において、発光素子は青色発光素子であってもよい。

なお、ここで青色発光素子とは、発光色が青色の発光素子であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、発光素子の材料としては窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、セレン化亜鉛カドミウム（ＺｎＣｄＳｅ）または窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）等を用いたものが挙げられ、また接合構造としては量子井戸構造やダブルヘテロ構造等の構造が挙げられ、基板構造としては炭化珪素（ＳｉＣ）構造やサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）構造等が挙げられる。
また、発光波長は発光色が青色の範囲のものであればよく、特に限定されるものではないが、およそ４５０〜５００ｎｍの範囲内の発光波長が挙げられる。

この発明による半導体発光装置において、蛍光体は青色発光素子の発光波長より長波長の光を発してもよい。
このような構成によれば、青色発光素子から発せられる青色の光と、蛍光体から発せられる長波長の光から合成された、白色光を発する半導体発光装置を製造できる。

なお、ここで青色発光素子の発光波長より長波長光の蛍光体とは、特に限定されるものではないが、例えば、ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）黄色蛍光体、α−サイアロン（α−ｓｉａｌｏｎ）黄色蛍光体、カズン（ＣａＡｌＳｉＮ₃）赤色蛍光体およびβ−サイアロン（β−ｓｉａｌｏｎ）緑色蛍光体等が挙げられる。蛍光体の使用は、黄色蛍光体のみの使用でもよいし黄色、赤色および緑色の蛍光体のいずれか２色あるいは３色全てを混合して用いてもよい。
また、蛍光体の発光波長は、それぞれの発光色の波長範囲内であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、黄色蛍光体が約５８０ｎｍ、赤色蛍光体がおよそ６００〜７００ｎｍの範囲内、緑色蛍光体が約５４０ｎｍの各発光波長が挙げられる。

この発明による半導体発光装置において、カップ状容器はその内面が鏡面であってもよい。
このような構成によれば、発光素子から発せられた光が直接およびカップ内面に反射して第２部材を通過するので、高輝度の半導体発光装置の製造が可能になる。

この発明は、別の観点から見ると、カップ状容器に一対の電極を有する発光素子を収容する工程と、一対の電極と一対のリードフレームをそれぞれ電気的に接続する工程と、発光素子を埋没させるように第１透光部材をカップ状容器内に注入する工程と、第１透光部材上に蛍光体を含む第２透光部材を平板状に充填してカップ状容器の開口部を塞ぐ工程と、カップ状容器と第２透光部材とリードフレームの一部を第３透光部材で全体的に封止する工程とを備える半導体発光装置の製造方法を提供するものである。

なお、半導体発光装置の製造方法において、第１透光部材をカップに注入した直後と、第２透光部材を充填した直後および第３透光部材で封止した直後に、それぞれの樹脂を硬化させるために高温加熱する工程が加わってもよい。
また発光素子の一対の電極と一対のリードフレームをそれぞれ導電性ペーストにより電気的に接続する際においても、接続部を硬化させるために加熱する工程が加わってもよい。

以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳細に説明する。

図１は実施例による砲弾型のＬＥＤランプの構造を説明するための断面図である。
図１に示されるようにＬＥＤランプ１００において、発光素子１はリードフレーム２と一体化したカップ３の底に載置され、もう一方のリードフレーム２とＡｇペーストと金線４によって電気的に接続されている。カップ３の内面はリフレクターとしての機能を兼ね備えている。
カップ３内部には、載置された発光素子１を保護するために、透明の第１エポキシ樹脂５が発光素子１を埋没させるように設けられている。

このような砲弾型のＬＥＤランプの用途としては、掲示板、インジケーター、ＬＣＤバックライト、照明等があり１個ないし複数個の発光素子がカップ内に載置される。この発明では、青色光を発する発光素子１が１個用いられている。
発光素子の材料には、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）などが用いられる。
また、基板には炭化珪素（ＳｉＣ）構造やサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）構造等があり、ｐ型電極とｎ型電極の位置関係が異なっているが、図１で示す実施例においてはＳｉＣ基板構造を用いている。
青色光を発する発光素子１の発光波長は、窒化インジウムガリウムを材料に用いた場合、およそ４５０〜４７０ｎｍの範囲内である。

第１エポキシ樹脂５の上には、蛍光体を含んだ第２エポキシ樹脂６が、カップを塞ぐように平板状に設けられている。
第２エポキシ樹脂６に含まれている蛍光体は、第１エポキシ樹脂５に埋没している発光素子１から発せられる青色光を励起光として、発光素子１の発光波長より長波長の光を発する。

このような長波長光を発する蛍光体には、ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）黄色蛍光体、α−サイアロン（α−ｓｉａｌｏｎ）黄色蛍光体、カズン（ＣａＡｌＳｉＮ₃）赤色蛍光体およびβ−サイアロン（β−ｓｉａｌｏｎ）緑色蛍光体などが用いられる。
蛍光体の発光波長は黄色蛍光体が約５８０ｎｍ、赤色蛍光体がおよそ６００〜７００ｎｍの範囲内、緑色蛍光体が約５４０ｎｍである。
蛍光体には黄色蛍光体のみを用いる場合が多いが、黄色蛍光体、赤色蛍光体および緑色蛍光体のうちいずれか２種類以上あるいは全てを組み合わせて用いてもよい。
蛍光体から発せられる長波長の光と、発光素子１から発せられる青色の光が合成されることにより、ＬＥＤランプ１００は白色光を発する。

さらに、前述のカップ３と第２エポキシ樹脂６の全体と、リードフレームの一部が第３エポキシ樹脂７で封止されている。
第３エポキシ樹脂７の形状は砲弾型で先端部はレンズとしての機能を有しており、中心軸方向に強く光が放出されるようになっている。

図２は、この発明の実施例に係るＬＥＤランプの製造工程を示す説明図である。
以下に、図２の番号に沿って製造手順を説明する。図１の構成に該当する部分には同一の参照符号を付しているので、必要であれば適宜、図１を参照されたい。

まず、カップ３と一体になっているリードフレーム２をセットし（手順１）、カップ３内に発光素子１を載置する（手順２）。載置する際にカップ３と発光素子１のｎ型電極がＡｇペーストを介して電気的に接続されるように載置する。
次に、カップ３内に載置された発光素子１のｐ型電極と、もう一方のリードフレーム２を金線４により接続させる（手順３）。Ａｇペーストはオーブン内で１００℃以上に加熱されることにより硬化し、発光素子１とリードフレーム２は電気的に接続された状態になる（Ａｇペーストの加熱工程は図示せず）。

次に、カップ３内に無色の第１エポキシ樹脂５をディスペンサー９またはプレディップにより充填する（手順４）。
プレディップとは、適当な型あるいはケースにエポキシ樹脂を入れ、樹脂を充填する部材を浸漬し、低温の加熱などの仮硬化を行うことで、部材の所定箇所に樹脂を充填する方法である。
第１エポキシ樹脂５の充填量は、発光素子１が完全に埋没する高さ以上、かつ、カップ３の開口部より低い位置までの範囲内が望ましい。後述の第２エポキシ樹脂６を注入する箇所を確保するためである。
カップ３内部に第１エポキシ樹脂５を充填した後、オーブン槽等のヒータ１０で高温加熱し、樹脂を硬化させる（手順５）。

硬化を完了した第１エポキシ樹脂５の上部に、蛍光体を含んだ第２エポキシ樹脂６をディスペンサー９等で注入する（手順６）。
この場合の注入量は、事前の評価、確認により所望の発光波長が得られる量や蛍光体配合割合に基づくが、第２エポキシ樹脂６はカップ３の開口部を塞ぐように平板状に第１エポキシ樹脂５の上に配置することが望ましい。発光素子１から発せられた光がすべて第２エポキシ樹脂６を通過するようして均一の発光波長を得るためである。
第２エポキシ樹脂６注入完了後、オーブン槽等のヒータ１０で高温加熱し、二度目の樹脂硬化を行う（手順７）。

第２エポキシ樹脂６の硬化完了後、本来の半導体発光装置の形（砲弾型ＬＥＤランプの形状）を形成するために、透明な第３エポキシ樹脂７を満たしたモールドケース８に前述のカップ３、第２エポキシ樹脂６及びリードフレーム２を挿入し（手順８）、ヒータ１０により温度を加え硬化させ（手順９）、ＬＥＤランプ１００が完成する（手順１０）。

上記の製造工程で製造されたＬＥＤランプ１００は、発光素子１を第１エポキシ樹脂５に埋没させた上部から、平板状にカップ３の開口部を塞ぐように第２エポキシ樹脂６を注入することによって、発光素子１から発せられた全ての光は直接およびカップ３内面に反射して、蛍光体が混練されている第２エポキシ樹脂６を通過する。これにより発光色ムラの無いほぼ均一な発光面を有する高品位の半導体発光装置を製造することが可能になる。

また、蛍光体を含む第２エポキシ樹脂６の容量が、従来技術の１０分の１から５分の１程度と少なくて済むので、蛍光体の使用量を減らすことができる。
更には、製造単位あたりの、蛍光体を含む樹脂の使用量を減らせるため、蛍光体を樹脂に混練する工程所要時間が短縮され、蛍光体の含有量のばらつきも起き難くなる。
この結果、所望の発光波長のＬＥＤランプを簡便に安定して得られ、製品の歩留まりが向上し、製造コストの低減を実現できるようになり、更には、市場に低価格で安定した品質の製品を供給することができるようになる。

この発明の実施例によるＬＥＤランプの構造を説明するための断面図である。 この発明の実施例によるＬＥＤランプの製造工程を示す説明図である。

符号の説明

１ 発光素子
２ リードフレーム
３ カップ
４ 金線
５ 第１エポキシ樹脂
６ 第２エポキシ樹脂
７ 第３エポキシ樹脂
８ モールドケース
９ ディスペンサー
１０ ヒータ
１００ ＬＥＤランプ

Claims (5)

1. 一対の電極を有する発光素子と、開口部を有し発光素子を収容するカップ状容器と、一対の電極とそれぞれ電気的に接続される一対のリードフレームと、カップ状容器に形成され発光素子を埋没させる第１透光部材と、開口部を塞ぐように第１透光部材上に設けられ蛍光体を含む平板状の第２透光部材と、カップ、第２透光部材およびリードフレームの一部を封止する第３透光部材とを備える半導体発光装置。
2. 発光素子は青色発光素子であ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. 蛍光体は青色発光素子の発光波長より長波長の光を発することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. カップ状容器は、その内面が鏡面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置を製造する方法であって、カップ状容器に一対の電極を有する発光素子を収容する工程と、一対の電極と一対のリードフレームをそれぞれ電気的に接続する工程と、発光素子を埋没させるように第１透光部材をカップ状容器内に注入する工程と、第１透光部材上に蛍光体を含む第２透光部材を平板状に充填してカップ状容器の開口部を塞ぐ工程と、カップ状容器と第２透光部材とリードフレームの一部を第３透光部材で全体的に封止する工程とを備える半導体発光装置の製造方法。

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