JP2010147040A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光の外部取り出し効率を改善するため、半導体発光素子と封止樹脂界面での反射率の低減及び全反射の臨界角を広くし、信頼性の高い構造を得る。
【解決手段】
透光性封止材料による封止構造が２重構造であり、且つ、半導体発光素子の屈折率Ｎ1と、半導体発光素子の素子側面に接する第１の透光性封止材料の屈折率Ｎ2と、更にその外側と発光素子を封止する第２の透光性封止材料の屈折率Ｎ3との間に、Ｎ1＞Ｎ2＞Ｎ3＞１の関係を有し、且つ、第１の封止樹脂には屈折率の高い光拡散材が混合されていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子を備えた半導体発光装置に係り、特に、光の外部への取り出し効率の改善方法に関する。

従来例の半導体発光装置の略断面図を図６に示す。図６は面実装チップ部品型の発光装置であり、発光素子４０はセラミックス基板４５の電気的導電層４６上に銀ペースト４１等でダイボントされ、金線４２で電気的導電層４６とワイヤーボンドされている。そして、半導体発光素子４０はその外側を透光性樹脂４３で樹脂封止されている。

しかし、導体発光素子の屈折率は、例えば、ＧａＰ等の屈折率は３．２程度あり、透明樹脂４３として、たとえばシリコーン樹脂の屈折率１．４との屈折率差が大きいので、接合界面で発光した光を有効に外部に取り出すことは困難で、光が半導体発光素子の内部に閉じ込められる割合が高い。この内部に閉じ込められる要因は、界面での屈折率差による反射である。屈折率ＮA＝３．２の媒質（半導体）から屈折率ＮB＝１．４の媒質（シリコーン樹脂）に光が進むと、フレネルの式から、界面での反射率Ｒは、Ｒ＝（（ＮA−ＮB）／（ＮA＋ＮB））＾２ ＝ ０．１６となり、Ｒ（％）＝１６％となる。

また、このときの全反射の臨界角θCは、スネルの式から、Ｓｉｎ（θC）＝NB/ＮA、θC≒２６°、約２６度となる。つまり、界面で１６％の減衰を受けるだけでなく、界面に対する法線より２６度以上の角度にある光は全反射して、外部に取り出せないことになる。

この問題点を改善する方法として、特開平１０−６５２２０号公報では、発光素子と封止樹脂界面での反射率低減および全反射の臨界角を広くする方法として透明性封止材料による封止構造を２重構造とすることで発光素子の側面からの光取りだし効率の向上を図っている。これを図７に示す。

図７の断面図において、発光素子４０は液晶ポリマー樹脂基板またはセラミックス基板４５の電気的導電層４６上に銀ペースト４１等でダイボントされ、金線４２で電気的導電層４６とワイヤーボンドされている。そして、屈折率N1をもつ発光素子４０は屈折率N２をもつ透光性高屈折率樹脂４３で封止され、その外側に屈折率N３をもつ透光性低屈折率樹脂４４で封止された２重封止構造とする。

ここで、屈折率にＮ1＞Ｎ2＞Ｎ3＞１の関係を有することにより、界面での反射を低減し、臨界角を広げることで発光素子の側面からの光取りだし効率の向上を図っている。

特開平１０−６５２２０号公報

しかし、特許文献１では、2種類の樹脂を用いて2重封止構造とすることで、樹脂間の熱膨張率差によるクラックまたはボイドが樹脂間界面に生じやすく、歩留まりや信頼性に問題があった。

また、2種類の透明樹脂にて2重構造にするために、銀ペースト及び樹脂の塗布工程と硬化工程を合計で３回行う必要があった。そのため加工時間とコストが増大する問題があった。

本発明は、光の外部取り出し効率を改善するため半導体発光素子と封止樹脂界面での反射率の低減及び全反射の臨界角を広くした高信頼な半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、半導体発光素子を透光性封止材料により封止し、該透光性封止材料による封止構造が２重構造であり、且つ、該半導体発光素子の屈折率Ｎ1と、半導体発光素子の素子側面に接する第１の透光性封止材料の屈折率Ｎ2と、更にその外側と発光素子を封止する第２の透光性封止材料の屈折率Ｎ3との間に、Ｎ1＞Ｎ2＞Ｎ3の関係を有し、且つ、第１の封止樹脂の材料は、少なくとも１種類以上の屈折率を高める添加物が第２の封止樹脂の材料に対して混合されていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記課題を解決するために、半導体発光素子を透光性封止材料により封止し、該透光性封止材料による封止構造が２重構造であり、且つ、該半導体発光素子の屈折率Ｎ1と、半導体発光素子の素子側面に接する第１の透光性封止材料の屈折率Ｎ2と、更にその外側と発光素子を封止する第２の透光性封止材料の屈折率Ｎ3との間に、Ｎ1＞Ｎ2＞Ｎ3の関係を有し、且つ、第１の封止樹脂の材料は、半導体発光素子の下面と側面を覆っていることを特徴とするものである。

本発明によれば、光の外部取り出し効率を改善した高信頼な半導体発光装置を提供することができる。

本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１乃至図５は本発明の一実施の形態よりなる図である。

図１に本発明の一実施の形態よりなる半導体発光装置の略断面図を示し、図１は面実装チップ部品型の発光装置である。

半導体発光素子１０は、ガラスエポキシ樹脂基板またはメタル基板またはセラミックス基板１５上に透光性高屈折率樹脂１３によってダイボンドされ、金線１２で基板１５上に形成された電気的導電層１６と超音波接合によりワイヤーボンドされている。ここで、ダイボンド時の透光性高屈折率樹脂１３は塗布量を調整することで発光素子１０の側面を覆うように封止しており（第１の樹脂封止）、発光層が形成された発光素子１０の上面は覆っていない。ここで半導体発光素子１０の上面とは基板１５とは反対の方向を向いた面であり、半導体発光素子１０の側面とは、基板の略面方向を向いた面である。また、透光性高屈折率樹脂１３は発光素子１０との濡れ性がよいために側面に濡れ上がっている。このために透光性高屈折率樹脂１３はすそが広がった形状となっている。透光性高屈折率樹脂１３の外側と発光素子１０は透光性低屈折率樹脂１４で封止されている（第２の樹脂封止）。

本半導体発光装置の製造方法を説明する。まず、電気導電層１６が形成された基板１５上に高屈折率樹脂１３をポッティングする。高屈折率樹脂１３の一例として、添加物である光拡散材として酸化チタンTiO2（屈折率2.7）の微粒子体積比40％を第１の透光性樹脂であるシリコーン系樹脂（屈折率1.4）に混合した樹脂を使用する。高屈折率樹脂１３をセラミック基板１５上にポッティングした上に発光素子１０を発光層を形成した面が上面になるように、高屈折率樹脂１３の上に搭載する。このとき、発光素子１０は高屈折率樹脂１３の中に沈み込み、その底面及び側面が高屈折率樹脂１３に覆われる。そして透光性高屈折率樹脂１３を硬化して第１の樹脂封止を行う。ポッティングの際、発光素子１０の上面に高屈折率樹脂１３が載らない様に、事前にポッティング塗布量、発光素子１０の搭載位置を調整しておく。

なお、第１の透光性高屈折率樹脂の一例としてシリコーン系樹脂を挙げたが、その他にもエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂などの透明樹脂であれば同じ効果が得られる。

さらに、屈折率を高めるために高屈折率樹脂１３に添加する添加物である光拡散材として酸化チタンTiO2を一例として取り上げたが、その他にもAl、Si、Zr、Ti、Sn、Ce、Ta、Nb、Znの群から選択される1種または2種以上含有した酸化物または窒化物であり光吸収率が30％以内であれば、TiO2に限ったものではない。これらの物質は、透明または白色の微粒子状であるため光が透過し、屈折率が樹脂の屈折率よりも大きいため、樹脂の屈折率を高めることができる。なお、添加物は、光拡散物のように光拡散の効果が無くても、樹脂の屈折率を高める効果があれば足りる。

次に、発光素子１０の上面の発光層と電気的導電層１６とを金線１２で電気的に接続し、そして、発光素子１０と高屈折率樹脂１３と金線１２との外側を覆うように、トランスファーモールド成形法により低屈折率樹脂１４としてのシリコーン系樹脂（透光性低屈折率樹脂１４）を塗布して硬化させることで第２の樹脂封止を行う。ここで用いる透光性高屈折率樹脂１３と透光性低屈折率樹脂１４とのシリコーン系樹脂はどちらも同じジメチル系シリコーン樹脂である。

図１（ｂ）に発光素子１０としてＲ（Red）−ＬＥＤ（Light Emitting Diode）とした一例を示す。図1(ｂ)のＲ−ＬＥＤではＧaＰ(屈折率3.2)を原料とした厚さ２５０μm程度の基板１０１とその上に結晶成長にて製膜されたＩｎＡｌＧａＰを原料とした複数層からなる厚さ２〜５μm程度発光層１０２から構成されている。基板１０１は側面からの光取り出し効率を向上させるためにテーパ形状１０３が設けられている。

図１（ｃ）に発光素子１０としてＧまたはＢ−ＬＥＤとした一例を示す。図1(ｃ)のＬＥＤではサファイア(屈折率1.75)を原料とした厚さ１００μm程度の基板２０１とその上に結晶成長にて製膜されたＩｎＡｌＧａＮを原料とした複数層からなる厚さ２〜５μm程度の発光層２０２から構成されている。

図２に、本実施例による光の外部取り出し効率の実験結果を示す。発光素子１０としてのＲ−ＬＥＤ、Ｇ−ＬＥＤ、Ｂ−ＬＥＤをそれぞれ本実施例にように基板１０実装したものについて、発光装置から取り出された放射束を測定する実験をおこなった。比較例として用いた従来品としては、図６に示す発光装置を用いた。この実験結果によると、ＲＧＢいずれのＬＥＤにおいても従来品に比べ、発光装置から取り出された放射束は上昇している。取り出し効率はＲ−ＬＥＤにおいて35％以上、Ｇ−ＬＥＤにおいては16％、Ｂ−ＬＥＤでは27％の向上が図れた。したがって、ＬＥＤの形状やＲＧＢの色は問わず、全ての発光素子において効果があることが実証された。

図３を用いて、本発明の２重構造の封止における光の外部への取り出し作用について、発光素子１０からの光Ｌ1、Ｌ2を例に取り説明する。

図３において、発光素子１０の基材の屈折率Ｎ1と、発光素子１０に接する第１の透光性高屈折率樹脂１３の屈折率Ｎ2と、更にその外側を封止する第２の透光性低屈折樹脂１４の屈折率Ｎ3と、空気中での屈折率（＝１）の間に、Ｎ1＞Ｎ2＞Ｎ3＞１の関係がある。発光素子１０の発光点である発光層から出た光Ｌ1は発光素子上面に向かう。発光点Ｏから透光性封止材料１４との界面Ａまでの距離は非常に近いため、光Ｌ1は界面Ａから透光性封止材料１４へ垂直に近い角度で放射される。したがって、光の反射はほとんど起こらない。

図示した別の光線Ｌ2は発光素子１０の側面である界面Ｂで光の反射・全反射の作用を受けて、高屈折率樹脂１３内に進行しＬ２ｂとなる。光拡散材には、屈折率を上げるほかに光を散乱させる作用もあり、Ｌ２ｂは光拡散材での散乱を繰り返しながら進行し、界面Ｃにて透光性封止材料１４へ進行する。界面Ｄで光の反射・全反射の作用を受けてＬ2ｃとなって空気中へ放射される。

本実施例では、発生した光が、屈折率Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3、１の媒体をこの順で通過する界面Ｂ、界面Ｄでの反射、全反射光を削減できる。媒体間での屈折率の差が小さいため、臨界角が小さくなり、界面を通り抜けずに反射する確率が小さくなるからである。また、透光性高屈折率樹脂１３の樹脂材料と透光性低屈折率樹脂１４はどちらもジメチル系シリコーン樹脂であり同材料であるため、界面Ｃでの反射、全反射はほとんどない。したがって、本形態においては、ＬＥＤ側面からの光取り出し効率を向上させることができる。

また、LED上面からの光取り出し効率についても、発光素子１０から直接、透光性低屈折率樹脂１４に放射され、透光性高屈折率樹脂１３を通らないので、両樹脂の界面での反射が無く、光取り出し効率を高くすることができる。

発光素子の側面から光取り出し割合を向上させている図1(ｂ)構造をもつＲ−ＬＥＤは、図１（ｃ）構造であるＧＢ-ＬＥＤよりも本発明の２重構造の封止における光の外部への取り出し効果が大きい。

上述の実施形態によれば、光取り出し効率向上以外の効果も期待できる。第１の透光性高屈折率樹脂１３が基板１５側であるすそが広がった形状にて発光素子１０の側面を覆うことから、発光素子１０のダイボンドのせん断強度が向上する。これによりワイヤボンド強度低下を低減することができる。さらに、界面Ｃにおいて透光性高屈折率樹脂１３の透明樹脂と透光性低屈折率樹脂１４は同一材料のジメチルシリコーンであるため、クラック、ボイドは生じにくい。これにより信頼性の高い発光装置を作ることができる。

また、上述の実施形態であれば、透光性高屈折率樹脂１３によって発光素子１０をダイボンドが可能である。したがって、透光性高屈折率樹脂１３の塗布工程を従来工程のダイボンド工程に置き換えることが可能であるため、新たに製造工程を増やす必要がない。

図４に本発明の一実施の形態よりなる他の半導体発光装置の略断面図を示し、図４は面実装チップ部品型の発光装置である。図４において、半導体発光素子１０は発光層及び電極を形成した下面を基板側に向けるフリップチップ（FC）タイプの発光素子である。半導体発光素子１０の電極は樹脂製、メタル製またはセラミックス製基板１５上に設けられた電気的導電層１６に、はんだ、または、導電性ペーストなどの接合部材１８によって接合される。接合は、半導体発光素子１０を透光性高屈折率樹脂１３内に設置するときに、行う。半導体発光素子１０の下面と側面は透光性高屈折率樹脂１３により封止され、さらに、その外側を透光性低屈折率樹脂１４で封止されている。

実施の形態２によれば、透光性高屈折率樹脂１３によって基板１５と発光素子１０の電極面との空間は充填されている。これにより透光性高屈折率樹脂１３はいわゆるアンダーフィルとしての機能を果たすことができる。

つまり、発光素子１０で発生した熱を透光性高屈折率樹脂１３を通して効率よく基板１５に伝達することができる。また、基板１５と発光素子１０の材料間での熱膨張の違いが原因で生じる接合部材１８でのクラックの発生や進展を抑制する効果がある。よって、熱伝導性に優れ、また信頼性にも優れた発光装置を作ることが可能である。

図５に本発明の一実施の形態よりなる他の半導体発光装置の断面図を示し、図５は複数チップ搭載型の発光装置である。

図５において、発光素子３１０、３１１はセラミックス製基板１５上に搭載されている。

本実施例では、搭載された発光素子は２個の場合の説明であるが、搭載個数に制限はなく、また搭載発光素子の種類の制限もない。

図５においては、図１(ｂ)または図１(ｃ)で示された複数のＬＥＤを実装している。発光素子１０の実装方法は実施例１に記載した方法による。

図５においては隣り合う発光素子３１０より放射された光が隣接する半導体素子３１１側面方向に進行した時、隣接する半導体発光素子間最短距離Dと、隣接する半導体発光素子を囲う第１の透光性樹脂材料１３の最短距離ｄとの間にD>ｄを満たしていることで、屈折率はＮ２＞Ｎ３であるから、界面Ｅにおいて多くの光は反射、散乱されて透光性樹脂材料１４内に戻されるために半導体素子３１１の側面に到達しない。これにより半導体素子３１１によって吸収される光が減少し、結果として、外部に取り出す光が増加する。特に、半導体素子３１０がＢまたはＧ−ＬＥＤで、半導体素子３１１がＲ−ＬＥＤの場合、効果が大きい。

本発明の一実施の形態よりなる半導体発光装置の略断面図である。 本発明の一実施の形態よりなる半導体発光装置による光の外部取り出し効率の実験結果を示す図である。 本発明の２重構造の封止における光の外部への取り出し作用についての説明図である。 本発明の他の一実施の形態よりなる半導体発光装置の略断面図である。 本発明の他の一実施の形態よりなる、複数の発光素子を実装した半導体発光装置を示す図である。 従来例の半導体発光装置の略断面図を示す図である。 従来例の半導体発光装置の略断面図を示す図である。

符号の説明

１０…半導体発光素子、１２…金線、１３…透光性高屈折率樹脂、１４…透光性低屈折率樹脂、１５…液晶ポリマー樹脂基板またはセラミックス基板、１６…電気的導電層、１０１、２０１…発光素子の基板、１０２、２０２…発光層、１０３…テーパー面、３１０、３１１…発光素子、Ｒ…隣接する半導体発光素子間最短距離、ｒ…隣接する半導体発光素子を囲う第１の透光性樹脂材料の最短距離。

Claims (19)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、半導体の基材と発光層とを有する発光素子と、
   前記発光素子の側面を覆い、前記発光素子の基材よりも屈折率が小さい透光性の第一の封止樹脂と、
   前記第一の封止樹脂を覆い、前記第一の封止樹脂よりも屈折率が小さい透光性の第二の封止樹脂とを備え、
   前記第一の封止樹脂は、前記第二の封止樹脂の材料に、添加物を添加したものであることを特徴とする半導体発光装置。
2. 基板と、
   前記基板上に設けられ、半導体の基材と発光層とを有する発光素子と、
   前記発光素子の側面及び下面を覆い、前記発光素子の基材よりも屈折率が小さい透光性の第一の封止樹脂と、
   前記発光素子の上面及び前記第一の封止樹脂を覆い、前記第一の封止樹脂よりも屈折率が小さい透光性の第二の封止樹脂とを備えた半導体発光装置。
3. 請求項２において、
   前記基板は、導電層を有し、
   前記発光層と前記導電層とは、導線により導通可能に接続されおり、
   前記導線は、前記第二の封止樹脂により封止されていることを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項２において、
   前記第一の封止樹脂は、前記第二の封止樹脂の材料に添加物を添加したものであることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項４において、
   前記添加物は、酸化物または窒化物であることを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項１または請求項４において、
   前記第二の封止樹脂は、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂からなる群から選択される少なくとも１種により形成されてなることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項５において、
   前記添加物は、Al、Si、Zr、Ti、Sn、Ce、Ta、Nb、Znの群から選択される1種または2種以上含有した酸化物または窒化物からなることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項１または請求項２において、
   前記第一の封止樹脂は、基板側のすそが広がった形状であることを特徴とする半導体発光装置。
9. 請求項１または請求項２において、
   前記発光素子は、下面に電極を有し、
   前記電極と基板上の導電層を、接合材より前記第一の封止樹脂内で接続されていることを特徴とする半導体発光装置。
10. 請求項１または請求項２において、
    前記発光素子、前記第一の封止樹脂を複数組備え、
    前記複数組の発光素子及び第一の封止樹脂を一つの前記第二の封止樹脂で覆っていることを特徴とする半導体発光装置。
11. 基板上に透光性の第一の封止樹脂を塗布する第一の塗布工程と、
    基材と発光層を有し、前記基材の屈折率が前記第一の封止樹脂よりも大きい発光素子を、当該第一の封止樹脂が当該発光素子側面を覆うように設置する設置工程と、
    前記第一の封止樹脂を硬化させる第一の硬化工程と、
    前記第一の封止樹脂よりも屈折率が小さい透光性の第二の封止樹脂を、前記第一の封止樹脂を覆うように塗布する第二の塗布工程と、
    前記塗布した第二の封止樹脂を硬化させる第二の硬化工程とを含み、
    前記第一の封止樹脂は、前記第二の封止樹脂の材料に、添加物を添加したものである半導体発光装置の製造方法。
12. 基板上に透光性の第一の封止樹脂を塗布する第一の塗布工程と、
    基材と発光層を有し、前記基材の屈折率が前記第一の封止樹脂よりも大きい発光素子を、その下面及び側面の少なくとも一部を前記第一の封止樹脂が覆うように、前記塗布した第一の封止樹脂の上に設置する設置工程と、
    前記発光素子を設置した後に前記第一の封止樹脂を硬化させる第一の硬化工程と、
    前記第一の封止樹脂よりも屈折率が小さい透光性の第二の封止樹脂を、前記発光素子及び前記第一の封止樹脂を覆うように塗布する第二の塗布工程と、
    前記塗布した第二の封止樹脂を硬化させる第二の硬化工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
13. 請求項１２において、
    前記第一の封止樹脂は、前記第二の封止樹脂の材料に、添加物を添加したものであることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
14. 請求項１１または請求項１３において、
    前記添加物は、酸化物または窒化物であることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
15. 請求項１２において、
    前記第一の硬化工程後に、前記発光素子の発光層と基板上の導電層とを導線により接続する接続工程を行い、
    前記第二の塗布工程では、前記導線を覆うように塗布することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
16. 請求項１１または請求項１３において、
    前記第二の封止樹脂は、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂からなる群から選択される少なくとも１種により形成されてなることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
17. 請求項１４において、
    前記添加物は、Al、Si、Zr、Ti、Sn、Ce、Ta、Nb、Znの群から選択される1種または2種以上含有した酸化物または窒化物からなることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
18. 請求項１１または請求項１２において、
    前記第一の封止樹脂は、基板側のすそが広がった形状であることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
19. 請求項１１または請求項１２において、
    前記発光素子は、下面に電極を有し、
    前記設置工程では、前記電極と基板上の導電層を、接合材より前記第一の封止樹脂内で接続することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。

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