JP2007165688A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光装置における樹脂封止の長所を生かしつつ短所を抑制して、光軸方向の光取り出し効率の改善された半導体発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子（２）の周囲に反射面（４）が形成された半導体発光装置において、その発光素子（２）を封止する透明な樹脂（１）の最表面が、発光素子（２）の上面の高さ近傍に設定されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）表示装置、照明装置、液晶表示装置などのバックライトユニットなどに使用し得る半導体発光装置に関する。

図１０は、先行技術による半導体発光装置の一例を模式的な断面図で示している。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。図１０の表面実装用の発光ダイオードのパッケージにおいては、発光層７を含む発光ダイオード（発光素子）２が一対のリードフレーム５の一方上にダイボンドされている。この発光素子２の上面は、金ワイヤ３によってリードフレーム５の他方に接続されている。発光素子２の周囲を囲むように、反射率の高い白色の樹脂で形成された反射面４を有する樹脂パケージ６が設けられている。このような半導体発光装置において、発光素子２の側面から放射された光は、反射面７に当たって上方へ向かう光軸方向に反射される。その結果、発光素子２の側面からの光も効率よく集光されて、適切な照射範囲を得ることができる。

図１１は、特許文献１の特開２００５−１９７３６９号公報に開示された半導体発光装置を模式的な断面図で示している。この光半導体パッケージ２００は、リード２０１と、このリード２０１を封止する外囲器２０２とを備えている。外囲器２０２は、第１の凹部２０２ａと、この第１の凹部２０２ａを囲む位置に配置された第２の凹部２０２ｂとを備えている。第１の凹部２０２ａには、蛍光体混合シリコン樹脂が充填された透光樹脂部２０３が形成され、第２の凹部２０２ｂの内壁面には反射面２０４が形成されている。さらに、リード２０１上には、発光素子２０５が搭載されており、この発光素子２０５の端子とリード２０１の電極とは金製のワイヤ２０６により導通されている。

特許文献１の段落［０００６］においては、図１１中の封止樹脂に関連して、「蛍光体混合シリコン樹脂が反射面部にまで這い上がってきてしまい、反射面の実質的な面積が縮小したり、光源となる光学樹脂材料の表面形状が設計値と異なってしまうことから反射の効果が十分に得られない場合がある。また、透光樹脂部２０３が凹み形状となるために、透光樹脂部２０３の中央付近では発光素子２０５から発光された光が透光樹脂部２０３内を通る距離が短いのに対し、透光樹脂部の外周部付近ではその距離が長くなることから、中央部と外周部では蛍光体の励起・発光状態が異なり、色調がばらつくという問題があった。」と記載されている。

図１２は、特許文献２の特開２００４−２６５９８５号公報に開示された半導体発光装置を模式的な断面図で示している。このＬＥＤパッケージ１１においては、回路基板１２上にＬＥＤチップ１３が装着されている。この回路基板１２の表面には、反射膜が設けられている。ＬＥＤチップ１３は、第１の透光性樹脂１４で封止されている。さらに、第１の透光性樹脂１４の側面周囲は、その第１の透光性樹脂１４より大きい屈折率を有する第２の透光性樹脂１５によって覆われている。このように、特許文献２においては、第１の透光性樹脂１４と第２の透光性樹脂１５との屈折率の差を適宜に選択することにより、半導体発光装置から放射される光の指向特性を制御し得ることを開示している。すなわち、図１２中の破線の矢印Ｌで表されているように、互いに異なる屈折率を有する第１の透光性樹脂１４と第２の透光性樹脂１５を通過する際に、それらの境界において光の進行方向が変化する。
特開２００５−１９７３６９号公報 特開２００４−２６５９８５号公報

発光ダイオード素子自身の光放射特性は、広い指向角を持っている。したがって、発光素子側面から放射される横方向の光を照射したい光軸方向に集光させるために、一般に発光素子の周囲に反射面が設けられる。また、発光素子からの光の取り出し効率を上げるために、一般に発光素子内の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を持つ透明な物質で発光素子が覆われる。このような透明な物質は、一般に封止樹脂と呼ばれるものである。

ところで、光線が屈折率の異なる物質間を通過する場合に、スネルの法則によって、光の進行方向の角度が変わる。このことによって、半導体発光装置の光軸方向に対して少し角度を持った放射光が屈折率の高い物質から屈折率の低い物質へ通過する際には、光軸に対する光の進行方向の角度が大きくなるように変化する。すなわち、発光ダイオード素子においてその上面に垂直な方向を光軸とすれば、光軸方向に対して少し拡散して出る光は、封止樹脂と空気との境界でさらに拡散して放射されることになる。

したがって、封止樹脂が有る場合と無い場合とでは、半導体発光装置からの放射光の指向角が異なることとなる。場合によっては、半導体発光装置が封止樹脂を有することによって、指向角が広すぎて十分な照度が得られない場合も生じ得る。しかし、封止樹脂を排除すれば、半導体発光装置からの光の取り出し効率が悪くなる。これは、発光素子内部と空気との間の屈折率差が大きすぎて、発光素子内で光が全反射しやすくなり、光が素子外へ出て行き難いからである。このように、半導体発光装置において封止樹脂を使用することには、長所と短所とが存在する。

そこで、本発明は、樹脂封止された発光素子を含む半導体発光装置において、その樹脂封止の長所を生かしつつ短所を抑制して、光軸方向の光取り出し効率の改善された半導体発光装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、発光素子の周囲に反射面が形成された半導体発光装置において、その発光素子を封止する透明な樹脂の最表面が、発光素子の上面の高さ近傍に設定されていることを特徴としている。ここで、発光素子の上面の高さ近傍とは、素子上面の高さに比べて高い場合（上面を軽くコーティングした程度）、同じ場合、および発光層のレベル程度まで低い場合を含んでいることを意味する。

なお、透明な樹脂の最表面は、発光素子に含まれる発光層の位置よりも高く、発光素子の上面よりも低く設定されていることがより好ましい。また、発光素子の中心から反射面までの距離は、発光素子の対角線の長さ以下に設定されていることが好ましい。

さらに、反射面は発光素子の上面付近で段差部を有し、その段差部より上側の反射面は下側の反射面より外側にあることが好ましい。また、反射面は段差部の上側と下側において互いに異なる材料で形成され得る。その場合に、反射面は段差部の上側において安価な樹脂材料で形成され、下側において熱伝導率の高い金属材料で形成されていることが好ましい。

発光素子の上面の高さまでの封止樹脂は透明な樹脂であって、発光素子の上面の高さより上は蛍光体を混入させた樹脂で封止することもできる。これによって、安定した白色光を放射できる半導体発光装置を得ることもできる。また、発光素子の上面にはマイクロレンズ加工が施されることも好ましい。

以上のような本発明によれば、樹脂封止された発光素子を含む半導体発光装置において、その樹脂封止の長所を生かしつつ短所を抑制して、光軸方向の光取り出し効率を改善することができる。

図４から図９において図解されているように、本発明者はまず、半導体発光装置において、発光素子の上面に対する封止樹脂の上面の高さの関係が放射光の指向性に及ぼす影響について検討した。

図４の半導体発光装置は図１０のものに類似しているが、図４においては封止樹脂１の上面が発光素子２の上面まで達していない。すなわち、発光素子２の上面は、空気と境界を形成している。したがって、この場合には、発光素子２の上面から放射される光は、大きな屈折率の発光素子内部から小さな屈折率の空気中へ放射されることになる。

図５は、図４の半導体発光装置からの放射光の指向性を表す半円グラフである。この半円グラフの水平軸（放射角が９０度または−９０度）は発光素子２の上面に平行な方向を表し、半円グラフの垂直軸（放射角が０度）は発光素子２の上面に垂直な方向を表している。また、大きな半円の半径は規格化された最大放射光強度１００を表し、小さな半円の半径は規格化された中間放射光強度５０を表している。

図６の半導体発光装置は図４のものに類似しているが、図６においては封止樹脂１の上面が発光素子２の上面を覆っている。図５に類似した図７の半円グラフは、図６の半導体発光装置からの放射光の指向性を表している。同様に、図８の半導体発光装置も図６のものに類似しているが、図８においては封止樹脂１の上面が樹脂パケージ６の上面近くまで高められている。図７に類似した図９の半円グラフは、図８の半導体発光装置からの放射光の指向性を表している。

以上のような図４から図９に示された関係から分かるように、封止樹脂１の上面の高さが発光素子２の上面を覆うか否かによって放射光の指向特性が大きく変化する。すなわち、図４に示されているように発光素子２の上面まで封止樹脂１が達していない場合には、図５に示されているように放射光の指向角は狭くなっている。他方、図６および図８に示されているように封止樹脂１が発光素子２の全体を覆ってしまえば、図７および図９に示されているように放射光の指向角が広くなり、その樹脂量にかかわらず指向特性の変化は小さい。

以上のように、発光素子の上面に対する封止樹脂の上面の高さの関係が放射光の指向性に及ぼす影響を考慮して、適度な集光性を持った半導体発光装置を作製することによって、その前にレンズなどの付加的な光学部品を配置する場合でも、指向角が広い放射光に比べて多くの光がレンズを通過するので、光の利用効率が増加して、最終的には大きな光束の取り出せる半導体発光装置を得ることができる。また、付加的な光学部品を使用しない場合でも、適度な集光性を持った半導体発光装置を照明に使用する場合には、照射範囲は限定されるが、より明るく照らすことのできる半導体発光装置として利用することができる。

図１０に類似した図１は、本発明の一実施形態による半導体発光装置を示している。この半導体発光装置においては、発光素子２の周囲に反射面４が形成されて、素子側面から出た光と上面から出た光の一部が反射面４に当たることによってその進行方向が曲げられ、素子２の上面に垂直な光軸方向に集光されることになる。そして、反射面４を適切な形状にすることによって、素子側面から出る光は、ランダムな方向に出ても、ある程度は集光される。しかし、素子上面から出た光の大部分につては、反射面などで集光性を制御する手段がないので、素子２を封止樹脂１で覆ってしまえば、さらに拡散されてしまう。そこで、図１の場合には、発光素子２の上面において封止樹脂１を無くして集光性を悪化させないようにしている。

より具体的には、図１に示されているように、リードフレーム５にダイボンドされた発光ダイオード素子２の側面だけに樹脂１が注入されて、素子２の上面は樹脂１で封止されないようにする。注入される樹脂１の量は、素子２の側面全体を覆うことが望ましいが、実際にはそのための管理が困難なので、封止樹脂１の高さが少なくとも発光層７よりも上であって素子２の上面よりは下になるようにすればよい。

図１の半導体発光装置では、発光素子２の周囲に反射面４が形成されて、素子２の側面から出た光と上面から出た光のうちで、封止樹脂１の最表面に或る角度で入射する光は、封止樹脂１の最表面で屈折して、より反射面４の側に曲げられ、その一部が適切な形状の反射面４に当たりやすくなる。反射面４に当たった光は、進行方向が曲げられ、素子２の上面に垂直な光軸方向に集光されることになる。

他方、素子２の上面から出た光の大部分は、反射面４には当たらず、封止樹脂１による光の拡散も無い状態で光軸方向に放射される。なお、反射面４の側に向けて進行する光は、反射面４の上面の開口部が有限の高さにあるので、反射面４で反射されずに光軸方向から外れていく光もあり、このような光が多ければ光軸方向に対して集光されず、指向性パターンが広がることになる。

このような光の拡がりは、発光素子２の側面から反射面４までの距離を限定することによって改善が可能であり、発光素子２の中心から反射面４までの距離を発光素子の対角線の長さ以下に限定することが好ましい。なお、この場合に、発光素子２の中心から反射面までの距離は、水平方向の距離を意味する。図１の例では、発光素子２の対角線の長さと発光素子中心から反射面４までの距離が同じ長さに設定されている。

また、発光素子２の表面に関しては、発光素子上面から放出される光が拡がらないようにするために、発光素子上面をマイクロレンズ加工することが望ましい。すなわち、図３において拡大されて示されるように、発光素子２の上面にマイクロレンズ１０を多数形成することによって、素子内部での全反射を少なくして光の取り出し効率を上げるとともに、レンズ効果によって光軸方向に集光された光が放射され得る。なお、このレンズアレイ１０の部分に透明な封止樹脂１が被されば、それらの屈折率が近いためにレンズ効果が低減される。

図１に類似した図２は、本発明の他の実施形態による半導体発光装置を示している。図２においては、反射面４の途中で段差が設けられている。この場合、発光素子２の上面近傍に樹脂１を注入しやすくするために、素子２の上面近傍の高さに反射面に段差を設け、段差の上側の反射面４ｂは、段差の下側の反射面４ａより外側にあることが望ましい。

また、その段差の上と下とで異なる材料が用いられ得る。たとえば、発光素子２に近い下側４ａの材質には熱伝導度および反射率の良好なセラミックや金属９を使用し、上側４ｂには加工性が良くてコストの安い樹脂８を使用することが好ましい。また、段差の位置は、封止樹脂１の上面すなわち発光素子２上面近傍とし、樹脂１の注入が多くなった場合でも、段差部分の上方で樹脂１が広がり得るので、素子２の上面を樹脂１が覆うという事態が軽減され得る。

なお、図２の発光素子２の表面に関しても、発光素子上面から放出される光が拡がらないようにするために、図３に示されているように発光素子上面をマイクロレンズ加工してもよいことは言うまでもない。

本発明のさらに他の実施形態による半導体発光装置においては、従来の白色ＬＥＤの光ムラを改善するために、発光素子上面の高さまでの封止樹脂は透明な樹脂とし、発光素子上面の高さより上には、蛍光体を混入させた蛍光樹脂層で封止することが望ましい。

蛍光体を利用して白色光を放射させる場合には、蛍光体の粒子自身が２次的な光源となるので、封止樹脂として透明樹脂１だけを使用した場合ほどの集光性の効果は得られなくなる。しかし、蛍光体を混入させた蛍光樹脂が透明樹脂１上に乗せられれば、蛍光樹脂層の厚みが一定になり、発光素子２の各面から出た光は一定の厚さの蛍光樹脂層を通過するので、均一な白色光が得られる。すなわち、本発明による白色半導体発光装置においては、従来のように蛍光樹脂が発光素子２の周囲にある場合に素子２の側面や上面から出た光の経路が異なるために見る角度のよっては白色の色が異なるというような現象が起こりにくくなる。

以上のように、本発明によれば、半導体発光装置における樹脂封止の長所を生かしつつ短所を抑制して、光軸方向の光取り出し効率の改善された半導体発光装置を提供することができ、また、色むらの少ない白色半導体発光装置を提供することもできる。

本発明の一実施形態による半導体発光装置の模式的断面図である。 本発明の他の実施形態による半導体発光装置の模式的断面図である。 発光素子の上面におけるマイクロレンズ加工を拡大して示す模式的断面図である。 封止樹脂の上面が発光素子の上面まで達していない半導体発光装置を示す模式的断面図である。 図４の半導体発光装置における放射光の指向特性を示す半円グラフである。 封止樹脂が発光素子の上面を覆っている半導体発光装置を示す模式的断面図である。 図６の半導体発光装置における放射光の指向特性を示す半円グラフである。 封止樹脂の上面が樹脂パケージの上面近傍まで至っている半導体発光装置を示す模式的断面図である。 図８の半導体発光装置における放射光の指向特性を示す半円グラフである。 先行技術による半導体発光装置の一例を示す模式的断面図である。 特許文献１に開示された半導体発光装置を示す模式的断面図である。 特許文献２に開示された半導体発光装置を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 封止樹脂、２ 発光ダイオード、３ 金ワイヤ、４、４ａ、４ｂ 反射面、５ リードフレーム、６ 樹脂パッケージ、７ 発光層、８ パッケージの樹脂部分、９ パッケージのセラミックまたは金属部分、１０マイクロレンズ。

Claims (8)

1. 発光素子の周囲に反射面が形成された半導体発光装置において、前記素子を封止する透明な樹脂の最表面が、前記素子上面の高さ近傍に設定されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記透明な樹脂の最表面は、前記発光素子に含まれる発光層の位置よりも高く、前記発光素子の上面よりも低く設定されてい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. 前記発光素子の中心から前記反射面までの距離は、前記発光素子の対角線の長さ以下に設定されてい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. 前記反射面は前記発光素子の上面付近で段差部を有し、その段差部より上側の反射面は下側の反射面より外側にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記反射面は前記段差部の上側と下側において互いに異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 前記反射面は前記段差部の上側において安価な樹脂材料で形成されており、下側において熱伝導率の高い金属材料で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
7. 前記発光素子の上面の高さまでの封止樹脂は透明な樹脂であり、前記発光素子の上面の高さより上は蛍光体を混入させた樹脂で封止されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体発光装置。
8. 前記発光素子の上面にはマイクロレンズ加工が施されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体発光装置。

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