JP2009158655A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】封止材としてシリコーン樹脂の代わりとなるフッ素系樹脂を用いても、高い信頼性の確保が可能な発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、保護素子１１と発光素子１２とを搭載する基体１３と、これらを封止する樹脂封止部１４とを備えている。樹脂封止部１４は、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂で形成されている。基体１３は、基体本体１３ａが直方体状のポリフタルアミド樹脂で形成されている。この基体本体１３ａには、発光素子１２を底部に搭載するための凹部１３ｂが設けられている。ポッティング法にて形成された樹脂封止部１４との境界面である凹部１３ｂの内周壁面は、二酸化珪素で形成された樹脂封止部１４との密着面である。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体を積層することで形成された発光素子と、発光素子が搭載された基体と、発光素子を封止するフッ素系樹脂で形成された樹脂封止部とを備えた発光装置に関する。

半導体を積層することで形成された発光素子は、基板などの基体に搭載された発光装置として使用されるときには、発光素子を保護する目的で封止材により封止される。封止材としては、シリコーン樹脂などが広く用いられている。しかし、シリコーン樹脂は、吸湿性が高いため雰囲気中の水分を吸湿してしまう。この水分は、発光素子まで至ることで、発光素子のリークを発生させるなどの悪い影響を与える。また、シリコーン樹脂は、太陽光などが照射する環境下では、強い紫外線により劣化して亀裂が生じたり破損が生じたりすることがある。

そこで、シリコーン樹脂に代わる封止材として、吸湿性が低く耐侯性が高いフッ素系樹脂を採用した発光装置が特許文献１に記載されている。この特許文献１の発光素子（発光装置）は、ＬＥＤチップ（発光素子）を可視光透過性を有するフッ素系樹脂で封止したものであり、特許文献１には、フッ素系樹脂として、封止プロセスを容易とするためにフッ素系樹脂を溶媒に溶解した溶液状で用いるのが望ましいと記載されている。
特開２００３−８０７３号公報

しかし、溶剤に溶解したフッ素系樹脂を封止材として用いると、硬化の際に溶剤が揮発して大きな体積変化が発生するので、発光素子を封止する樹脂封止部として厚みを厚く形成すると亀裂が生じてしまい、コーティング材のような薄膜でしか形成できない。従って、この特許文献１に記載されているようなフッ素系樹脂は、ある程度の厚みを要する封止材には適していない。

また、フッ素系樹脂は、ポリフタルアミドのような樹脂基板を基体として、その上に樹脂封止部を形成すると、樹脂基板との密着性が低いため樹脂封止部が剥離してしまうおそれがある。そうなると、発光素子ごと基体から剥がれたり、発光素子へ電源を供給するワイヤが切断したりして、発光不良となることで信頼性の低下を招くおそれがある。

そこで本発明は、封止材としてシリコーン樹脂の代わりとなるフッ素系樹脂を用いても、高い信頼性の確保が可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、発光素子を封止する樹脂封止部が、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂で形成され、発光素子を搭載する基体が、前記樹脂封止部との境界面の少なくとも一部が、二酸化珪素、またはセラミックで形成された前記樹脂封止部との密着面であることを特徴とする。

本発明は、フッ素系樹脂の低吸湿性および耐侯性を維持しつつ、ある程度の厚みの樹脂封止部を形成でき、基体の境界面とも高い密着性を確保することができるので、封止材としてシリコーン樹脂の代わりとなるフッ素系樹脂を用いても高い信頼性の確保が可能である。

本願の第１の発明は、半導体を積層することで形成された発光素子と、発光素子を搭載する基体と、発光素子を封止する樹脂封止部とを備えた発光装置において、樹脂封止部は、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂で形成され、基体は、樹脂封止部との境界面の少なくとも一部が、二酸化珪素、またはセラミックで形成された樹脂封止部との密着面であることを特徴としたものである。

フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂は、低吸湿性および耐侯性を維持したまま、無溶剤なので樹脂硬化時でも体積変化が少ない。従って、発光素子を封止するために樹脂封止部を形成しても、ひび割れや亀裂が発生することがないので、ある程度の厚みを要する封止材として適している。また、基体は、この樹脂封止部との境界面の少なくとも一部が、二酸化珪素またはセラミックで形成された密着面なので、密着性の低いフッ素系樹脂であっても、樹脂封止部が基体から剥離することが防止できる。

本願の第２の発明は、第１の発明において、基体は、白色のセラミックで形成され、密着面が二酸化珪素により形成されたことを特徴としたものである。

基体が白色のセラミックであれば、基体表面は発光素子からの光を反射する反射面として作用する。二酸化珪素はほぼ透明であるため、基体と樹脂封止部との境界面となる密着面を二酸化珪素とすることで、基体自体の反射性を生かしつつ、密着性を確保することができる。

本願の第３の発明は、第１の発明において、基体は、セラミックで形成され、密着面をセラミックの表面としたことを特徴としたものである。

基体がセラミックであれば、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂との密着性は確保できるので、そのまま基体表面を密着面とすることができる。従って、新たな膜を形成する必要がないので、コスト的にメリットがある。

本願の第４の発明は、第１の発明において、基体には、発光素子からの光を反射する反射膜が設けられ、密着面は、反射膜上に形成された二酸化珪素膜であることを特徴としたものである。

密着面に反射膜を形成し、この反射膜上に二酸化珪素膜を形成したものとすれば、基体の材質を問わず、反射面の反射性を生かしつつ、密着性を確保することができる。

本願の第５の発明は、第４の発明において、反射膜は、銀またはアルミのいずれかであることを特徴としたものである。

反射膜は、銀またはアルミとすることができる。銀であれば、他の金属と比較して高い反射率を有するので高い反射性を確保することができる。アルミであれば、銀より反射率は劣るが安価に作製することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る発光装置を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置の平面図である。図２は、図１に示す発光装置の断面図である。図３は、図１に示す発光装置の回路図である。図４は、図１に示す発光装置に用いられる発光素子の断面図である。

図１および図２に示すように、発光装置１０は、保護素子１１と、発光素子１２と、基体１３と、樹脂封止部１４とを備えている。

保護素子１１は、上面カソード電極１１ａと上面アノード電極１１ｂに発光素子１２を導通搭載して、過度な電圧が発光素子１２に印加しないよう、ｎ型のシリコン基板の一部にｐ型の半導体領域を設けたツェナーダイオードである。この保護素子１１に発光素子１２を搭載した状態の回路図を図３に示す。本実施の形態１では、保護素子１１をツェナーダイオードＺとしたが、ダイオード、コンデンサ、抵抗、またはバリスタや、絶縁基板に配線パターンが形成されたプリント配線基板とすることも可能である。この保護素子１１は、底面電極（図示せず）とワイヤ１５とにより、電源が供給される。

発光素子１２は、例えば図４に示すような、青色光を発光するＬＥＤとすることができる。発光素子１２は、基板１２ａに、ｎ層１２ｂと、発光層１２ｃと、ｐ層１２ｄとが順次積層されている。そして、ｎ層１２ｂ上にｎ側電極１２ｅが形成され、ｐ層１２ｄ上に反射電極１２ｆとｐ側電極１２ｇとが形成されている。

基板１２ａは、窒化ガリウム系半導体であるｎ型ＧａＮで形成され、一辺が約１ｍｍ、厚みが２００μｍの平面視してほぼ正方形状の直方体状に形成されている。

ｎ層１２ｂは、基板１２ａにＧａＮやＡｌＧａＮ等を積層して形成され、層厚が０．５μｍ〜５μｍとしたｎ型半導体層である。ｎ層１２ｂと基板１２ａの間にＧａＮやＩｎＧａＮ等で形成したバッファ層を設けることも可能である。

発光層１２ｃは、ｎ層１２ｂに井戸層となるＩｎＧａＮ等を０．００１μｍ〜０．００５μｍの層厚とし、障壁層となるＧａＮ等を０．００５μｍ〜０．０２μｍの層厚とし、これらを交互に積層した多重量子井戸構造で積層したものである。

また、ｐ層１２ｄは、発光層１２ｃにＡｌＧａＮを積層して形成され、層厚が０．０５μｍ〜０．５μｍとしたｐ型半導体層である。

ｎ側電極１２ｅは、ｎ層１２ｂに発光層１２ｃとｐ層１２ｄとを積層した後に、ドライエッチングにより発光層１２ｃとｐ層１２ｄとｎ層１２ｂの一部とを除去して、ｎ側電極１２ｅを形成する領域を露出させたｎ層１２ｂ上に形成されている。

反射電極１２ｆは、ｐ層１２ｄ上にＡｇで形成され、発光層１２ｃからの光を基板１２ａへ反射するものである。反射電極１２ｆは、ｐ層１２ｄやｐ側電極１２ｇとのコンタクト性を向上させるために、Ａｇ層を含む多層としてもよい。

ｐ側電極１２ｇは、反射電極１２ｆ上に形成されている。このように構成された発光素子１２は、上下を反対にして保護素子１１の上面カソード電極１１ａにｎ側電極１２ｅが、上面アノード電極１１ｂにｐ側電極１２ｇが導通搭載するようにフリップチップ実装されている。

図１および図２に示すように、基体１３は、直方体状に形成された基体本体１３ａに凹部１３ｂが設けられ、この凹部１３ｂの底部に保護素子１１および発光素子１２が搭載されている。基体１３には、金属膜で形成された底面カソード電極１３ｖおよび底面アノード電極１３ｗが、基体本体１３ａの底面に設けられている。底面カソード電極１３ｖは、保護素子１１が搭載された基体本体１３ａの搭載面Ｂ１上のワイヤ接続パターン１３ｓと、スルーホール配線１３ｘを介して導通接続している。また、底面アノード電極１３ｗは、保護素子１１と接続する搭載面Ｂ１上のダイボンド接続パターン１３ｔとスルーホール配線１３ｙを介して導通接続している。

基体本体１３ａの凹部１３ｂの内周壁面には、発光素子１２からの光の進行方向に向かうに従って開口面積が徐々に広くなる反射面１３ｃが形成されている。ここで、基体１３の反射面１３ｃについて詳細に説明する。

基体本体１３ａは、例えば、ポリフタルアミド樹脂であるアモデル（登録商標）で形成することができる。基体本体１３ａをポリフタルアミド樹脂とした場合には、凹部１３ｂの内周壁面である反射面１３ｃを二酸化珪素膜や、アルミ膜または銀膜上に二酸化珪素膜を形成した２層膜とした密着面とすることができる。

基体本体１３ａは、ポリフタルアミド樹脂とする以外に、セラミックとすることができる。基体本体１３ａをセラミックとした場合には、反射面１３ｃを二酸化珪素膜や、銀膜上に二酸化珪素膜を形成した２層膜とする以外に、何も膜を付与せずセラミックの表面を密着面とすることができる。

反射面１３ｃを二酸化珪素膜とするときには、スパッタリングにより成膜することができる。また、アルミ膜または銀膜は、蒸着により成膜することができる。

樹脂封止部１４は、粘度調整材としての二酸化珪素を含有したフッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂を、ポッティング法により凹部１３ｂに充填することで形成することができる。このフッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂は、硬化するとゲル状に硬化するものがある。しかし、ゲル状に硬化するフッ素系樹脂は硬化すると粘弾性が高く、表面に塵埃が付着すると取れにくいので、輝度低下を招くおそれがある。従って、樹脂封止部１４を成型するフッ素系樹脂としては、ゲル状に硬化するものより硬いものの方が粘弾性が低いので、ゴム状に硬化するものを使用するのが望ましい。ゴム状に硬化するフッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂としては、例えば、信越化学工業株式会社製「ＳＨＩＮ−ＥＴＳＵ ＳＩＦＥＬ（登録商標）」が使用できる。ここで、ゲル状に硬化するものより硬いフッ素系樹脂とは、ＪＩＳ ６２５３ タイプＡ スプリング硬さ試験機にて測定可能な硬さを有するものをいう。例えば、硬さが１０以上の硬質なフッ素系樹脂であればスプリング硬さ試験機で測定が可能である。また、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials：米国材料試験協会）にて規定されたデュロメータＡ（ショア社製）で測定可能な硬さを有するものをいう。また、ゴム状に硬化するフッ素系樹脂より硬いデュロメータＤで４５以上のフッ素系樹脂や、デュロメータＤで測定可能なフッ素系樹脂はゴム状のものより更に粘弾性が低いので、採用することが可能である。

本実施の形態１では、樹脂封止部１４に発光素子１２からの光に励起され、波長を変換する蛍光体１４ａ（図１では図示せず）が含有されている。発光素子１２は青色に発光するので、この蛍光体１４ａを青色の補色となる黄色に発光するものとすれば、青色と黄色とが混色することで樹脂封止部１４を白色に発光させることができる。この蛍光体１４ａとしては、珪酸塩蛍光体やＹＡＧ系蛍光体が使用できる。

この樹脂封止部１４を形成するフッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂は、低吸湿性および耐侯性を維持したまま、無溶剤なので樹脂硬化時でも体積変化が少ないため、ポッティング法により樹脂封止部１４をある程度厚みを厚く形成してもひび割れや亀裂が発生することがない。従って、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂は、ある程度の厚みを要する封止材として適している。

しかし、フッ素系樹脂がゴム状に硬化するものであれば樹脂封止部１４は、ゲル状に硬化するフッ素系樹脂よりポリフタルアミド樹脂で形成された基体本体１３ａと密着性が低い。本発明の実施の形態１に係る発光装置１０では、基体本体１３ａに設けられた凹部１３ｂの内周壁面（反射面１３ｃ）には、二酸化珪素膜が設けられているので、樹脂封止部１４と基体１３との密着性を確保することができる。従って、樹脂封止部１４が基体１３から剥離することで発光不良となることが防止できるので、発光装置１０は封止材としてシリコーン樹脂の代わりとなるフッ素系樹脂を用いても、高い信頼性を確保することが可能である。

また、反射面１３ｃを二酸化珪素膜とする以外に、アルミ膜または銀膜上に二酸化珪素膜を形成した２層膜としたり、または基体本体１３ａがセラミックの場合では、何も膜を付与せず基体本体１３ａのセラミックをそのまま境界面としたりしても、樹脂封止部１４との密着面として作用するので、樹脂封止部１４との密着性を確保することができる。

また、密着面を二酸化珪素膜とすると、ほぼ透明膜となるため、ポリフタルアミド樹脂やセラミックで形成された基体本体１３ａ上にアルミ膜または銀膜を形成し、更に二酸化珪素膜を形成することで、密着性を確保しつつ、反射性も確保することができる。アルミ膜で形成すると、反射率は銀膜より劣るものの安価であるため、コスト面でのメリットもある。また、白色のセラミックで形成した基体本体１３ａに二酸化珪素膜を形成した場合には、基体本体１３ａ自体の反射性を生かしつつ、樹脂封止部１４との密着性を確保することができる。

なお、本実施の形態１に係る発光装置１０では凹部１３ｂの内周壁面のみを密着面としているが、樹脂封止部１４との境界面であって、保護素子１１が搭載された電極および保護素子１１とワイヤ１５にて接続するワイヤ接続パターン１３ｓを除く凹部１３ｂの底部に、二酸化珪素膜などを施して密着面としてもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る発光装置を図５および図６に基づいて説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係る発光装置を示す平面図である。図６は、図５に示す発光装置の断面図である。なお、本実施の形態２では、発光素子は図１および図２に示すものと同じ構成のものが使用できるので、図５および図６において同符号を付して説明を省略する。

図５および図６に示す発光装置２０は、矩形状のプリント配線基板である基体２１上に、保護素子２２と発光素子１２とが搭載されている。基体２１は、セラミックにより形成された基体本体２１ａの底面に、金属膜で形成された底面カソード電極２１ｖと底面アノード電極２１ｗとが設けられている。底面カソード電極２１ｖは、保護素子２２および発光素子１２が搭載された基体本体２１ａの搭載面Ｂ２上の上面カソード電極２１ｓに、スルーホール配線２１ｘを介して導通接続している。また、底面アノード電極２１ｗは、搭載面Ｂ２上の上面アノード電極２１ｔに、スルーホール配線２１ｙを介して導通接続している。保護素子２２と発光素子１２とは、この上面カソード電極２１ｓと上面アノード電極２１ｔとを跨ぐように、アノードおよびカソードの極性を合わせて導通接続している。

保護素子２２は、ツェナーダイオードであり、実施の形態１に係る発光装置にて用いられている保護素子１１（図１および図２参照）と同じ機能のものである。異なる点は、保護素子２２の底面に電極（図示せず）が設けられ、発光素子１２とは基体２１上に形成された上面カソード電極２１ｓと上面アノード電極２１ｔとによって接続されているところである。

そして、発光素子１２は、第１樹脂封止部２３により封止されている。第１樹脂封止部２３により封止された発光素子１２は、保護素子２２と共に第２樹脂封止部２４により封止されている。

第１樹脂封止部２３は、粘度調整材としてのシリカ（図示せず）と蛍光体２３ａとを含有したフッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂により形成されている。この第１樹脂封止部２３は、前述したゴム状に硬化するフッ素系樹脂でもよいし、硬さがゴム状のものより軟質なゲル状に硬化するフッ素系樹脂を用いて成型してもよい。第１樹脂封止部２３は、基体２１に発光素子１２を搭載した後に、発光素子１２の周囲全体を囲う周壁となる開口が形成された印刷版を配置し、この開口に前記フッ素系樹脂を充填してスキージ等で均すことで成型するスクリーン印刷法により形成することができる。

第２樹脂封止部２４は、粘度調整材としての二酸化珪素（図示せず）を含有したフッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂により形成されている。このフッ素系樹脂は、ゴム状に硬化するものとするのが使用できる。この第２樹脂封止部２４は、第１樹脂封止部２３を形成した後に、基体２１の周囲全体を囲う周壁となる開口が形成された印刷版を配置し、この開口に樹脂を充填してスキージ等で均すことで成型するスクリーン印刷法により形成することができる。

このように第１樹脂封止部２３および第２樹脂封止部２４が、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂により形成されていることで、低吸湿性と耐侯性とを維持しつつ、厚みのある樹脂封止部（第１樹脂封止部２３および第２樹脂封止部２４）を形成することができる。また、基体本体２１ａは、セラミックで形成されているので、第２樹脂封止部がゴム状に硬化するフッ素系樹脂で成型されていても、保護素子２２と発光素子１２とが導通搭載された上面カソード電極２１ｓと上面アノード電極２１ｔを除く表面（境界面）と、第１樹脂封止部２３および第２樹脂封止部２４とが良好に密着する。従って、第１樹脂封止部２３と第２樹脂封止部２４とが基体２１から剥離することが防止できるので、発光不良を防止することができる。

また、基体本体２１ａを白色のセラミックで形成すれば、基体本体２１ａ自体の反射性を生かしつつ、第１樹脂封止部２３および第２樹脂封止部２４との密着性を確保することができる。

なお、本実施の形態２に係る発光装置２０では、基体本体２１ａをセラミックで形成することで、密着面として新たな膜を形成することを省略しているが、基体本体２１ａを樹脂基板とした場合には、実施の形態１に係る発光装置１０のように、基体本体２１ａの表面に二酸化珪素膜を成膜した密着面としたり、アルミ膜または銀膜に二酸化珪素膜を成膜した２層膜とした密着面としたりすることができる。

また、本実施の形態２に係る発光装置２０では、第１樹脂封止部２３に蛍光体２３ａを含有させ、第２樹脂封止部２４で第１樹脂封止部２３全体を覆っているが、第２樹脂封止部２４に蛍光体２３ａを含有させることで、第１樹脂封止部２３を省略し、第２樹脂封止部２４のみとすることができる。

本発明は、封止材としてシリコーン樹脂の代わりとなるフッ素系樹脂を用いても高い信頼性の確保が可能なので、発光素子と、発光素子が搭載された基体と、発光素子を封止するフッ素系樹脂で形成された樹脂封止部とを備えた発光装置に好適である。

本発明の実施の形態に係る発光装置の平面図 図１に示す発光装置の断面図 図１に示す発光装置の回路図 図１に示す発光装置に用いられる発光素子の断面図 本発明の実施の形態２に係る発光装置を示す平面図 図５に示す発光装置の断面図

符号の説明

１０ 発光装置
１１ 保護素子
１１ａ 上面カソード電極
１１ｂ 上面アノード電極
１２ 発光素子
１２ａ 基板
１２ｂ ｎ層
１２ｃ 発光層
１２ｄ ｐ層
１２ｅ ｎ側電極
１２ｆ 反射電極
１２ｇ ｐ側電極
１３ 基体
１３ａ 基体本体
１３ｂ 凹部
１３ｃ 反射面
１３ｓ ワイヤ接続パターン
１３ｔ ダイボンド接続パターン
１３ｖ 底面カソード電極
１３ｗ 底面アノード電極
１３ｘ スルーホール配線
１３ｙ スルーホール配線
１４ 樹脂封止部
１４ａ 蛍光体
１５ ワイヤ
２０ 発光装置
２１ 基体
２１ａ 基体本体
２１ｓ 上面カソード電極
２１ｔ 上面アノード電極
２１ｖ 底面カソード電極
２１ｗ 底面アノード電極
２１ｘ スルーホール配線
２１ｙ スルーホール配線
２２ 保護素子
２３ 第１樹脂封止部
２３ａ 蛍光体
２４ 第２樹脂封止部

Claims (5)

1. 半導体を積層することで形成された発光素子と、前記発光素子を搭載する基体と、前記発光素子を封止する樹脂封止部とを備えた発光装置において、
   前記樹脂封止部は、フッ素化ポリエーテル骨格およびシリコーン架橋末端基を有するフッ素系樹脂で形成され、
   前記基体は、前記樹脂封止部との境界面の少なくとも一部が、二酸化珪素、またはセラミックで形成された前記樹脂封止部との密着面であることを特徴とする発光装置。
2. 前記基体は、白色のセラミックで形成され、
   前記密着面が二酸化珪素により形成された請求項１記載の発光装置。
3. 前記基体は、セラミックで形成され、
   前記密着面を前記セラミックの表面とした請求項１記載の発光装置。
4. 前記基体には、前記発光素子からの光を反射する反射膜が設けられ、
   前記密着面は、前記反射膜上に形成された二酸化珪素膜である請求項１記載の発光装置。
5. 前記反射膜は、銀またはアルミのいずれかである請求項４記載の発光装置。

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