JP2009295912A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子と蛍光体の組み合わせにより該半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置において、半導体発光素子の封止樹脂内に存在する気泡が確実に発見でき、それを取り除くことにより気泡を内在する不良品の市場流出を確実に阻止することが可能な半導体発光装置を提供することにある。
【解決手段】貫通孔が設けられた下部基板２と前記貫通孔よりも大きい貫通孔が設けられた上部基板３を絶縁性接着層４を介して貼り合わせ、２つの貫通で形成された凹部内の下部基板２の貫通孔領域に半導体発光素子を配置し、上部基板３の内周面及び下部基板２の上面を一体に覆うように透光性樹脂部１５を配置し、凹部内の前記透光性樹脂部１５が配置された領域以外の領域に半導体発光素子を覆うように蛍光体１９を含有する透光性樹脂１８を配置した。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体発光装置に関するものであり、詳しくは、半導体発光素子の発光波長を変換する蛍光体を備え、複数の基板を積層して構成された半導体発光装置に関する。

従来、半導体発光素子を実装した半導体発光装置は、該半導体発光装置の高輝度化（照射光量の増大化）のために発光源となる半導体発光素子の高出力化が求められ、そのために半導体発光素子の光変換効率の高効率化及び半導体発光素子の駆動電力の大電力化が図られてきた。

但し、半導体発光素子を大電力で駆動すると発光時の自己発熱で半導体発光素子自体の温度が上昇し、光変換効率の低下及び発光寿命の短縮等の性能劣化を招くことになる。そこで、発光時の自己発熱による半導体発光素子自体の温度上昇を抑制するために、半導体発光素子を高熱伝導率の基板に実装する、或いは半導体発光素子が実装された基板を更にヒートシンク等の金属放熱部材に搭載する、等の放熱手段が施されている。

ところで、半導体発光素子を駆動（発光）させるためには、配線パターン及び回路部品（例えば、抵抗、ダイオード、コネクタ等）からなる駆動制御回路が必要であるが、放熱手段が施された上記半導体発光装置にはこのような駆動回路は備えられておらず、広範な用途に対応するものとはなっていない。

そこで、良好な放熱性能を有し、且つ駆動制御回路の搭載が可能な半導体発光装置の提案がなされている。それは、図８に示すように、半導体発光装置５０を下側から順次位置する、放熱用支持フィルム５１、底部基板５２、絶縁性中間層５３、及び上部基板５４の多層構造としている。

絶縁性中間層５３は、絶縁層５５と該絶縁層５５の両面に設けられた絶縁性接着層５６からなり、一方の絶縁性接着層５６を挟んだ上側に上部基板５４が位置し、他方の絶縁性接着層５６を挟んだ下側に底部基板５２が位置しており、底部基板５２の下側に銅箔等からなる放熱用支持フィルム５１が位置している。

上部基板５４及び底部基板５２には夫々導体層５７が設けられており、各導体層５７は絶縁性中間層５３によって電気的に絶縁されている。

底部基板５２、絶縁性中間層５３及び上部基板５４には夫々第１貫通孔５８、第２貫通孔５９及び第３貫通孔６０が設けられており、第２貫通孔５９と第３貫通孔６０は略同一の大きさであり、第１貫通孔５８は第２貫通孔５９及び第３貫通孔６０よりも小さく形成されている。

放熱用支持フィルム５１上には接合層６１を介して半導体発光素子６２が載置され、底部基板５２の第１貫通孔５８内に位置する半導体発光素子６２の電極と底部基板５２の導体層５７がボンディングワイヤ６３を介して電気的に接続されている。

第１貫通孔５８、第２貫通孔５９及び第３貫通孔６０の内部には、透光性樹脂６４に蛍光体６５及び透光性粒子６６を混入した封止樹脂６７が充填され、半導体発光素子６２及びボンディングワイヤ６３が樹脂封止されている。

これにより、半導体発光素子６２の発光時の自己発熱が放熱用支持フィルム５１によって放散されることにより、且つ石英ガラス粒子等の比熱容量が大きい透光性粒子６６を含有する封止樹脂６７で樹脂封止されることにより半導体発光素子６２の温度上昇が抑制されると共に、上部基板５４に駆動制御回路を配設することが可能になったことにより半導体発光素子６２を密に配置できるようになっている。また、半導体発光素子６２を透光性樹脂６４に蛍光体６５を混入した封止樹脂６７で樹脂封止することにより、半導体発光素子６２の光源光とは異なる色調の光を出射することが可能な半導体発光装置５０が実現している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１５０２２８号公報

ところで、上記構成の半導体発光装置のように、複数の基板を積層して構成される半導体発光装置においては、絶縁性接着層を介した貼り合わせにより構成されることが多く、この絶縁性接着層がはみ出すことにより、ワイヤボンディング領域やワイヤボンディング領域の上方を汚染する、紫外光により絶縁性接着層が劣化するという問題を生じていた。

ここで、絶縁性接着層のはみ出しを防止するため、基板の貫通孔で形成される凹部に露出する絶縁性接着層の端部を貫通孔の内周面よりも外側に窪んだ形状に形成することが考えられる。上記従来の構成に適用した場合には、例えば図９のように示される。

ところが、絶縁性接着層５６の窪み部分には封止樹脂６７を充填する際に封止樹脂６７が流れ込まず空気層が形成されることがある。この空気層は熱硬化時に低粘度化した封止樹脂６７によって押し出され、封止樹脂６７内で気泡７０となる。このとき、封止樹脂６７の熱硬化が徐々に進行しているため気泡７０が封止樹脂６７外に放出されるまえに封止樹脂６７が硬化し、気泡７０は封止樹脂６７内に留まることがある。

この気泡７０は、半導体発光素子６２からの光の配光特性を乱したり、ボンディングワイヤ６３に接触してボンディングワイヤ６３を切断する等の不具合の要因となる。そのため、半導体発光装置５０に内在する気泡７０を目視検査によって発見してその半導体発光装置５０を取り除き、光学的或いは電気的不良品の市場流出を阻止することが必要となる。

しかし、封止樹脂６７に蛍光体６５、透光性粒子６６が分散されている場合は、蛍光体６５が光を拡散させる性質があるため封止樹脂６７を透して気泡７０を発見することができず、半導体発光装置５０の良否を判定することが困難である。そのため、気泡７０を内在する不良の半導体発光装置５０が市場に流出する恐れがあるという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、半導体発光素子と蛍光体の組み合わせにより該半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置において、絶縁性接着層のはみ出しを防止し、半導体発光素子の封止樹脂内に存在する気泡が確実に発見でき、それを取り除くことにより気泡を内在する不良品の市場流出を確実に阻止することが可能な半導体発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、半導体発光素子と蛍光体を有し、該半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置であって、
第１の貫通孔が設けられた第１の基板と、
前記第１の基板上に絶縁性接着層を介して貼り合わされた、前記第１の貫通孔よりも大きい第２の貫通孔が設けられた第２の基板とを有し、
前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔によって形成される凹部内には、前記半導体発光素子及び蛍光体を含有する樹脂からなる波長変換部が配置され、
前記絶縁性接着層は、前記凹部内において、前記凹部内に露出した端部が、前記第２の貫通孔の内周面より後退して位置するよう配置され、
前記凹部内において、前記絶縁性接着層の前記凹部内に露出した端部及び前記第２の貫通孔の内周面は、蛍光体を含有しない透光性樹脂部により被覆されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記透光性樹脂部は、前記第２の貫通孔の内周面と前記第１の基板上面との間に樹脂フィレットとして形成されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２において、前記波長変換部は、少なくとも前記凹部内の第２の貫通孔により形成された領域に配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１において、前記波長変換部は、前記半導体発光素子を覆うように前記第１の貫通孔内に配置され、前記透光性樹脂部は、前記蛍光体を含有する透光性樹脂上の前記凹部内に配置されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体発光装置は、絶縁性接着層の端部を、凹部内において、第２の貫通孔の内周面より後退して位置するよう配置し、凹部内に露出した絶縁性接着層端部及び第２の貫通孔の内周面を、蛍光体を含有しない透光性樹脂部により被覆した。

その結果、絶縁性接着層のはみ出しを防ぐと共に、封止樹脂内に存在する気泡を確実に発見して、それを取り除くことにより不良品の市場流出を確実に阻止することが可能とし、半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置を実現することができた。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図７を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

本発明は、複数の基板を絶縁性接着層を介して貼り合わせて構成される半導体発光装置であって、半導体発光素子と蛍光体の組み合わせにより該半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置において、封止樹脂の充填・熱硬化時に発生する気泡を目視検査によって発見し易い構造とし、それを取り除くことにより光学的或いは電気的な不具合の要因となる気泡を内在する半導体発光装置が市場に流出するのを確実に阻止するようにしたものである。

図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例１を製造工程順に示す説明図であり、図２は図１（ｄ）の部分拡大図、図３は図１（ｄ）の上面図である。

図１（ａ）の工程において、半導体発光素子実装用のパッケージ１を準備する。パッケージ１は、夫々絶縁材料からなる下部基板２と上部基板３が絶縁性接着層４を介して貼り合わされ、下部基板２の上部基板３と反対側（下面側）に例えば銅等の金属箔からなる支持部材５が配設されている。

下部基板２及び上部基板３は共に夫々貫通孔６、７が設けられ、上部基板３の貫通孔７は下部基板２の貫通孔６よりも大きく形成されている。絶縁性接着層４の端部８は上部基板３の貫通孔７の内周面９よりも外側に窪んだ凹形状に形成されている。下部基板２の上部基板３との段差面、つまり下部基板２の上部基板３側の面（上面）１０には回路パターン１１が形成され、下部基板２の端部１２まで延長されている。支持部材５は貫通孔６、７の底部を塞ぐように形成している。本実施例においては、上部基板と下部基板には、ガラスエポキシ基板、絶縁性接着層には、ガラス繊維に未硬化のエポキシ樹脂を含浸したプリプレグを用いた。また、約０．１ｍｍの絶縁性接着層の貫通孔側の端部は、上記基板の内周面より０．１ｍｍ後退して配置した。

次に、（ｂ）の工程において、貫通孔６、７の底部に位置する支持部材５上に半導体発光素子１３が、はんだ或いは銀ペースト等の導電部材（図示せず）を介してダイボンディングされ、貫通孔６、７により形成された凹部１７内に半導体発光素子１３が配置される。また、半導体発光素子１３の電極に一方の端部が接続されたボンディングワイヤ１４の他方の端部が下部基板２の回路パターン１１にワイヤボンディングされて半導体発光素子１３の電極と回路パターン１１がボンディングワイヤ１４を介して電気的に接続される。

その後、（ｃ）の工程において、上記基板３の貫通孔７の内周面と、凹部１７内に露出した絶縁性接着層４の端部８を覆う透光性樹脂部１５を形成する。上部基板３の貫通孔７の内周面９から下部基板２の上面１０に亘って環状に透光性樹脂を被覆し、加熱硬化させ、透光性樹脂部１５を形成する。硬化後の透光性樹脂部１５は上部基板３の貫通孔７の内周面９と下部基板２の上面１０を覆うと共に樹脂フィレット１６が形成される。透光性樹脂部１５には、蛍光体や散乱剤などの透光性粒子は分散されていない。

最後に、（ｄ）の工程において、下部基板２の貫通孔６、上部基板３の貫通孔７、及び支持部材５で構成された凹部１７の内部の前記透光性樹脂部１５が配置された領域以外の領域に、透光性樹脂１８に蛍光体１９を混入した封止樹脂２０を充填して波長変換部を形成すると共に半導体発光素子１３及びボンディングワイヤ１４を樹脂封止し、加熱硬化させて半導体発光装置２１が完成する。

なお、上部基板３の貫通孔７の内周面９及び下部基板２の上面１０を一体に且つ環状に被覆する透光性樹脂部１５と、凹部１７内に充填される封止樹脂２０を構成する透光性樹脂１８は、互いの界面で界面剥離を生じないように同じ材料を使用することが好ましく、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

上記一連の製造工程を経て完成した半導体発光装置２１において、図２に示すように、絶縁性接着層４の端部８近傍に気泡２２がある場合、その上方には透光性樹脂部１５の樹脂フィレット１６が位置しており、半導体発光装置２１を上方（照射方向）から見ると、図３のように透光性樹脂部１５の樹脂フィレット１６を透して気泡２２の存在が確認できる。

そのため、完成した半導体発光装置２１のなかから気泡を内在するものが確実に発見でき、それを取り除くことにより気泡を内在する不良品の市場流出を高い確度で阻止することが可能となる。なお、本実施例においては、蛍光体を含有する透光性樹脂１８を、凹部内の透光性樹脂部１５以外の領域全体に配置して、半導体発光素子を封止する封止樹脂部２０を形成しているが、その配置は用途に応じて適宜変更できる。例えば、図４（ａ）に示すように、凹部内の貫通孔６に対応する領域は、蛍光体を含有しない透光性樹脂部１５を配置して、その上に蛍光体１９を含有する封止樹脂２０を配置することもできる。

なお、封止樹脂２０に分散された蛍光体１９は封止樹脂２０を構成する透光性樹脂１８よりも比重が重いため、透光性樹脂１８が加熱硬化時に低粘度化する特性を利用して蛍光体１９を下方に沈殿させ、封止樹脂２０に上方に向かって蛍光体１９の分散濃度が低くなるような濃度勾配を持たせることも可能である（図４（ｂ）参照）。

これにより、封止樹脂に内在する気泡が更に確認され易くなり、半導体発光装置の不良品の市場流出の阻止を更に確実なものとすることができる。

本発明の実施例２は、図５の断面図に示すように、パッケージ１の構造は上記実施例１と同様であり、下部基板２の貫通孔６、上部基板３の貫通孔７、及び支持部材５で構成された凹部１７の内部に充填する封止樹脂の構成が異なる。

具体的には、下部基板２の貫通孔６内に透光性樹脂１８に蛍光体１９を混入した第１の封止樹脂２３を充填し、波長変換部を形成する、そして、上部基板３の貫通孔７内に蛍光体を含有しない透光性樹脂からなる第２の封止樹脂２４を充填し、透光性樹脂部１５を形成するものである。このとき、第１の封止樹脂２３は半導体発光素子１３を全面に亘って覆うが、下部基板２の上面１０は覆わない。なお、第１の封止樹脂２３は、下部基板２の貫通孔６の内周面２５から表面張力によって中央部２６が上部基板３の貫通孔７内に盛り上がった状態となっても構わない。

このような封止樹脂構成とすることにより、図６（図５の部分拡大図）に示すように、上記実施例１と同様、絶縁性接着層４の端部８近傍に気泡２２がある場合、その上方には透光性樹脂のみからなる第２の封止樹脂２４が位置しており、半導体発光装置２１を上方（照射方向）から見ると、図７のように第２の封止樹脂２４を透して気泡２２の存在が鮮明に確認できる。

そのため、完成した半導体発光装置２１のなかから気泡２２を内在するものが確実に発見でき、それを取り除くことにより気泡を内在する不良品の市場流出を確実に阻止することが可能となる。

なお、上部基板３の貫通孔７内に充填する第２の封止樹脂（透光性樹脂）２４と、下部基板２の貫通孔６内に充填する第１の封止樹脂２３を構成する透光性樹脂１８は、互いの界面で界面剥離を生じないように同じ材料を使用することが好ましく、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

ところで、実施例２は上述した構成に基づいて、第１の封止樹脂２３に必要量の蛍光体を配置することが必要であり、また、下部基板２の厚みを半導体発光素子１３の厚みよりも厚くしなければならない。従って、半導体発光装置２１の薄型化に対しては実施例２の構造よりも実施例１の構造の方が有効である。なお、上記実施例１及び実施例２において、絶縁性接着層４には、ガラス繊維に未硬化のエポキシ樹脂を含浸したプリプレグを用いて説明したが、エポキシ樹脂等からなる接着シート、あるいは、ガラスエポキシ基板の両面に接着シートが配置された多層構造のものを用いるなど、用途や仕様に応じて変更したものを用いることができる。また、多層構造のものを絶縁性接着層として使用する際には、上部基板内周面より後退させる層を、図９に示されるようにはみ出しの懸念される層のみ一部としてもよいが、絶縁性接着層全部としてもよい。

なお、上記実施例１及び実施例２において、半導体発光素子と蛍光体の組み合わせは以下のようになる。例えば、半導体発光装置で白色光或いは白色光に近い色調の光を得る場合は、発光源として青色光（スペクトル分布において青色の波長領域にピークを有する光）を発光する青色半導体発光素子を使用し、蛍光体として青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を用いることにより、青色半導体発光素子で発光された青色光の一部が黄色蛍光体を励起することによって波長変換された黄色光と、青色半導体発光素子で発光された青色光の一部との加法混色によって白色光に近い色調の光を生成することができる。

同様に、発光源を青色半導体発光素子とし、青色光に励起されて夫々緑色光及び赤色光に波長変換する緑色蛍光体及び赤色蛍光体の２種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、青色半導体発光素子で発光された青色光の一部が緑色蛍光体及び赤色蛍光体を励起することによって波長変換された緑色光及び赤色光と、青色半導体発光素子で発光された青色光の一部との加法混色によって白色光を生成することができる。

また、紫外光（スペクトル分布において紫外の波長領域にピークを有する光）を発光する紫外半導体発光素子を発光源とし、紫外光に励起されて夫々青色光、緑色光、及び赤色光に波長変換する青色蛍光体、緑色蛍光体、及び赤色蛍光体の３種類の蛍光体を混合したものを用いることにより、紫外半導体発光素子で発光された紫外光が青色蛍光体、緑色蛍光体、及び赤色蛍光体を励起することによって波長変換された青色光、緑色光、及び赤色光の加法混色によって白色光を生成することもできる。

その他、半導体発光素子から出射される光のスペクトルと蛍光体の種類を適宜に組み合わせることにより、上述の白色光或いは白色光に近い色調の光を含め、半導体発光素子の光源光とは異なる種々の色調の光を出射する半導体発光装置を実現することができる。

以上、詳細に説明したように、本発明は、複数の基板を絶縁性接着層を介して貼り合わせて構成される半導体発光装置であって、半導体発光素子と蛍光体の組み合わせにより該半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置において、半導体発光素子及びボンディングワイヤを収容した凹部内に充填する封止樹脂を透光性樹脂と蛍光体を含有した透光性樹脂の二重構造とすると共に、気泡が発生し易い領域及びその近傍に透光性樹脂のみからなる透光性樹脂部を配置した。

その結果、絶縁性接着層のはみ出しを防止して封止樹脂内に内在する気泡が目視検査によって透光性樹脂を透して容易に確認することができ、これを取り除くことにより光学的或いは電気的な不具合の要因となる気泡を内在する半導体発光装置が市場に流出するのを高い確度で阻止することができるようになった。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせが可能であり、例えば、半導体発光素子を複数としたり、半導体発光素子を下部基板上に配置したり、異なる製法により金属箔からなる支持部材を有さない構成とすることができる。

本発明に係る実施例１の製造工程を示す説明図である。 図１（ｄ）の部分拡大図である。 図１（ｄ）の上面図である。 本発明に係る実施例１に基づく応用例の説明図である。 本発明に係る実施例２の説明図である。 図５の部分拡大図である。 図５の上面図である。 従来例の説明図である。 本発明の解決する課題の説明図である。

符号の説明

１ パッケージ
２ 下部基板
３ 上部基板
４ 絶縁性接着層
５ 支持部材
６ 貫通孔
７ 貫通孔
８ 端部
９ 内周面
１０ 上面
１１ 回路パターン
１２ 端部
１３ 半導体発光素子
１４ ボンディングワイヤ
１５ 透光性樹脂部
１６ 樹脂フィレット
１７ 凹部
１８ 透光性樹脂
１９ 蛍光体
２０ 封止樹脂
２１ 半導体発光装置
２２ 気泡
２３ 第１の封止樹脂
２４ 第２の封止樹脂
２５ 内周面
２６ 中央部

Claims (4)

1. 半導体発光素子と蛍光体を有し、該半導体発光素子とは異なる波長の光を出射する半導体発光装置であって、
   第１の貫通孔が設けられた第１の基板と、
   前記第１の基板上に絶縁性接着層を介して貼り合わされた、前記第１の貫通孔よりも大きい第２の貫通孔が設けられた第２の基板とを有し、
   前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔によって形成される凹部内には、前記半導体発光素子及び蛍光体を含有する樹脂からなる波長変換部が配置され、
   前記絶縁性接着層は、前記凹部内において、前記凹部内に露出した端部が、前記第２の貫通孔の内周面より後退して位置するよう配置され、
   前記凹部内において、前記絶縁性接着層の前記凹部内に露出した端部及び前記第２の貫通孔の内周面は、蛍光体を含有しない透光性樹脂部により被覆されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記透光性樹脂部は、前記第２の貫通孔の内周面と前記第１の基板上面との間に樹脂フィレットとして形成され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. 前記波長変換部は、少なくとも前記凹部内の第２の貫通孔により形成された領域に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記波長変換部は、前記半導体発光素子を覆うように前記第１の貫通孔内に配置され、前記透光性樹脂部は、前記蛍光体を含有する透光性樹脂上の前記凹部内に配置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。

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