JP2011249768A - 半導体発光素子支持部材及び半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正負のリード電極、及び反射材を有する半導体発光素子支持部材であって、前記反射材の、波長460nmの光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子支持部材。
【選択図】図3
Description
上記発光装置によれば、リード電極の露出部の面積を小さくすることにより、透光性樹脂でチップを覆った場合に、成形樹脂と透光性樹脂との界面の面積を大きくできることから、成形体と透光性樹脂との密着性を改善し剥離を防止することができる。しかしながら、上記発光装置では、光学特性についての十分な検討はされておらず、発光装置全体としての発光効率を向上するには至っていなかった。
正負のリード電極、及び反射材を有する半導体発光素子支持部材であって、
前記反射材の、波長460nmの光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子支持部材。
少なくとも備えてなる半導体発光装置であって、前記半導体発光素子支持部材は正負のリード電極及び反射材を有し、かつ、前記半導体発光素子は、少なくとも半導体発光素子の外周縁から0.6mmまでの前記半導体発光装置の底面の部分に、波長460nmの光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高い反射材を有してなることを特徴とする、半導体発光装置である。
以下、本発明について、半導体発光素子支持部材がパッケージである態様について詳述するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の半導体発光装置用パッケージは、正負のリード電極、及び反射材を有し、正負のリード電極は反射材によって絶縁されている構成を有する。正負のリード電極が絶縁されるための構造としては、正負のリード電極の間に、絶縁体である反射材が正負の電極が絶縁されるのに十分な幅で物理的に存在していればよく、特に限定されない。
正負のリード電極は、半導体発光装置の発光源となる半導体発光素子への電力を供給するため外部電源と接続可能となっており、反射材は樹脂組成物などを成形してなる成形体であり、絶縁性である必要がある。
本発明のパッケージは、反射材の、波長460nmの光の反射率が、正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高いことを特徴とする。
本発明のパッケージでは、反射材の460nmの光の反射率と正負リード電極の460nmの光の反射率を上記の関係とすることで、発光装置においてリード電極を反射材によ
り被覆する構成を有する場合であっても、装置全体の発光輝度が下がることはなく、光出力が良好な値となる。
なお、通常、パッケージにおける反射材は主に拡散反射が寄与するのに対し、正負リード電極は光沢度が高く、主に正反射が寄与する。
近年、発光装置の用途が多岐にわたり、高出力の発光装置が求められるようになっている。そのため、半導体発光素子についても、高エネルギー線、即ち短波長側の紫領域や近紫外領域の光を発する半導体発光素子が用いられるようになってきた。そのため、このような半導体発光素子からの光に対しても、上記反射材の反射率とリード電極の反射率との関係を満たすことが、パッケージの用途を広げることとなり、好ましい。
また、上記反射材の波長400nmの光の反射率は、60%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることが更に好ましい。
また、上記反射材の波長420nmの光の反射率は、75%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることが更に好ましい。
また、上記反射材の波長440nmの光の反射率は、75%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることが更に好ましい。
、残りは反射材表面から、反射材の内部に入射し、反射材フィラーによる散乱を繰り返して反射材中を通過後再び反射材表面から出射して、拡散反射成分となる。拡散反射においては正反射と比較し光が反射材に入ってから出るまでの光路長が加味されるため、反射材にわずかな吸収があっても反射光の強度に大きく影響する。このため反射材の拡散反射率を上げるためには、反射すべき光の波長において、使用する反射材、特にそこに含まれる樹脂材料及び反射材フィラーによる光の吸収が小さいことが好ましい。
さらに本発明においては反射材フィラーの一次粒子径が0.1μm以上、2μm以下であることが好ましい。反射材フィラーの一次粒子径が小さすぎると反射材フィラーが光学的に散乱粒子として機能せず散乱強度が低くなるため反射率が低くなる傾向がある。一方、一次粒子径が大きすぎると散乱強度は大きくなるが前方散乱傾向となるため、反射率に直接寄与する後方散乱強度は低くなり反射率は低下する傾向がある。なお、上記一次粒子径の測定法は後述する。
正負のリード電極は、反射材とともにパッケージを構成し、外部電源から半導体発光素子へ電源を供給する役割を有する。そのため、導電性の部材である必要がある。リード電極としては、正の電極、負の電極のいずれか一方又は1個のみをパッケージ内に配置しても、また、その一対を配置してもよく、更に、正の電極、負の電極をそれぞれ複数個又は複数対パッケージ内に配置することも可能である。正負のリード電極は導電性であれば、その材質は特段制限されず、Ag、Al、白金族元素、Ni等の銀白色を呈する金属が例示される。これらの金属は1種類、又は2種類以上含むことができる。特に金属として銀又は銀合金を用いた場合には、リード電極の正反射率が向上し、全体として発光特性に優れた半導体発光装置を構成することができる。また、リード電極を単一の金属材料で構成してもよく、あるいは積層構造として、その表面層を上記例示した光反射性の良好な金属で形成し、下層を他の金属例えばCu、Ti、Ni、Fe、Co、Cr、W、Ti−W合金などとすることもできる。
また、上記リード電極の波長360nmの光の反射率は、50%以上であることが好ましく、65%以上であることがより好ましい。
また、上記リード電極の波長400nmの光の反射率は、60%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。
また、上記リード電極の波長420nmの光の反射率は、70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。
また、上記リード電極の波長440nmの光の反射率は、70%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましい。
本発明の反射材は、上記リード電極とともにパッケージを構成し、半導体発光素子からの光を、半導体発光装置の光の射出方向に反射させることで、半導体発光装置の光出力を向上させるものである。また、リード電極の、半導体発光素子へ電力を外部電源から供給する作用を担保するため、反射材は絶縁体である必要がある。
本発明における反射材は、絶縁性を担保でき、光を反射することができ、かつリード電極との反射率が上記の関係を満たすものであれば、その種類に特段の制限はないが、半導体発光素子からパッケージ底面に向かう光が集中する範囲は、光エネルギーにより反射材やリード電極が劣化しやすく、経時的な半導体発光装置の輝度低下につながるため、本発明の反射材は耐久性の高い材料であることが好ましい。具体的には、セラミックスなどの非樹脂タイプの反射材、及びシリコーン樹脂やポリアミド樹脂などの樹脂タイプの反射材が好ましく用いられる。本発明では、成形性の観点やコストの観点から樹脂タイプの反射材が好ましい。
また、反射材の形状についても特段の制限はないが、図1〜3のようにカップ型であることが、光に指向性を持たせることができるため、好ましい。また、カップ型のリフレクタを設けず図4や5のようなチップオンボード実装用の配線基板とすることも出来る。この場合は、本発明にかかる反射材をプリント配線基板用絶縁性白樹脂として、または従来公知のメタルベース配線基板やガラエポ配線基板の表層に白色ソルダーペーストとして使用することができる。
非樹脂タイプの反射材としてはセラミックスが挙げられる。セラミックスとしては、例えば酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス質焼結体などを用いることができる。
反射材が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等の原料粉末を適当な有機バインダー、溶剤等と混合して混合物を調製する。調製した混合物をシート状に成形して、該シートを複数枚積層し、高温で焼成し一体化することで反射材が形成される。
1)樹脂材料
樹脂タイプの反射材に用いられる材料としては、熱可塑性樹脂であっても熱硬化性樹脂であってもよく、その種類は特に限定されない。熱可塑性樹脂としては、芳香族ポリアミド系樹脂、ポリフタルアミド樹脂(PPA)、スルホン系樹脂、ポリアミドイミド樹脂(PAI)、ポリケトン樹脂(PK)、ポリカーボネート樹脂(PC)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン三元共重合樹脂(ABS)、ポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT)などが使用できる。また、熱硬化性樹脂としては、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、架橋アクリル樹脂、架橋ポリウレタン樹脂などが使用できる。このうち、耐熱性、耐光性に優れ、紫外乃至可視域の光吸収が少ないなどの観点からシリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂などのシリコーン系樹脂を用いることが特に好ましい。
具体的には、反射材を200℃で500時間保持した時の反射率の低下が小さく(例えば5%以内)、200℃で500時間保持した時の重量変化が小さく(例えば2%以内)、水銀キセノンランプによりUV光を所定時間照射したときの反射率の低下が小さい材料が好ましい。
化合物や、その混合物が挙げられる。
(R1R2R3SiO1/2)M(R4R5SiO2/2)D(R6SiO3/2)T(SiO4/2)Q ・・・(1)
ここで、上記式(1)中、R1〜R6はそれぞれ独立に、メチル基、エチル基等の低級アルキル基、フェニル基、トリル基等の芳香族基、メトキシ基、エトキシ基等の低級アルコキシ基等の有機官能基、水酸基、及び水素原子から選択される。またM、D、T及びQは0から1未満であり、M+D+T+Q=1を満足する数である。
RnSiO[(4-n)/2] ・・・(2)
で示される、1分子中にケイ素原子に結合したアルケニル基を少なくとも2個有するポリオルガノシロキサンが挙げられる。
但し、上記式(2)中、Rは同一又は異種の置換又は非置換の1価炭化水素基、アルコキシ基、又は水酸基で、nは1≦n<2を満たす正の数である。
上記(C1)アルケニル基を有するケイ素含有化合物においてアルケニル基とは、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基などの炭素数2〜8のアルケニル基であることが好ましい。Rが炭化水素基である場合はメチル基、エチル基などのアルキル基、ビニル基、フェニル基等の炭素数1〜20の1価の炭化水素基から選択される。好ましくは、メチル基、エチル基、フェニル基である。
耐UV性が要求される場合には上記式中Rの80%以上はメチル基であることが好ましい。Rが炭素数1〜8のアルコキシ基や水酸基であってもよいが、アルコキシ基や水酸基の含有率は(C1)アルケニル基を有するケイ素含有化合物の重量の3%以下であることが好ましい。またnは1≦n<2を満たす正数であるが、この値が2以上であるとパッケージ用材料とリード電極等の導電体との接着に十分な強度が得られなくなり、1未満ではこのポリオルガノシロキサンの合成が困難になる。
両末端ビニルポリジメチルシロキサン
DMS−V00、DMS−V03、DMS−V05、DMS−V21、DMS−V22、DMS−V25、DMS−V31、DMS−V33、DMS−V35、DMS−V41、DMS−V42、DMS−V46、DMS−V52(いずれもGelest社製)
両末端ビニルジメチルシロキサン−ジフェニルシロキサンコポリマー
PDV−0325、PDV−0331、PDV−0341、PDV−0346、PDV−0525、PDV−0541、PDV−1625、PDV−1631、PDV−1635、PDV−1641、PDV−2331、PDV−2335(いずれもGelest社製)
両末端ビニルフェニルメチルシロキサン
PMV−9925(Gelest社製)
トリメチルシリル基封鎖ビニルメチルシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー
VDT−123、VDT−127、VDT−131、VDT−153、VDT−431、VDT−731、VDT−954(いずれもGelest社製)
ビニルT−構造ポリマー
VTT−106、MTV−124(いずれもGelest社製)
両末端ヒドロシリルポリジメチルシロキサン
DMS−H03、DMS−H11、DMS−H21、DMS−H25、DMS−H31、DMS−H41(いずれもGelest社製)
両末端トリメチルシリル封鎖メチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマーHMS−013、HMS−031、HMS−064、HMS−071、HMS−082、HMS−151、HMS−301、HMS−501(いずれもGelest社製)
式(3)中、Xは加水分解性基を表わし、Y1は、1価の有機基を表し、nはX基の数を表わす1以上、4以下の整数を表す。
式(4)中、Xは加水分解性基を表し、Y1は1価の有機基を表し、Y2はu価の有機基を表し、tは1以上、3以下の整数を表し、uは2以上の整数を表す。
反射材が上記樹脂タイプの場合には、通常、半導体発光素子からの光を反射させるための光反射性フィラー(以下、「フィラー」と略記することがある)を含む。このようなフィラーは、樹脂の硬化に対して阻害のない無機又は有機フィラーを適宜選択する事ができる。
また、有機フィラーとしては、弗素樹脂粒子、グアナミン樹脂粒子、メラミン樹脂粒子、アクリル樹脂粒子、シリコーン樹脂粒子等の樹脂粒子などを挙げることができるが、いずれもこれらに限定されるものではない。
また、上記フィラーは、1次粒子径が0.1μm以上2μm以下であることが好ましい。下限値については好ましくは0.15μm以上、更に好ましくは0.2μm以上であり、上限値については好ましくは1μm以下、更に好ましくは0.8μm以下、特に好ましくは0.5μm以下である。
1次粒子径が小さすぎると、散乱光強度が小さいため反射率が低くなる傾向があり、1次粒子径が大きすぎると、散乱光強度は大きくなるが、前方散乱傾向になるため反射率は小さくなる傾向にある。なお、樹脂組成物中の充填率を上げる等の目的で、1次粒子径が2μmよりも大きいフィラーを併用することもできる。
反射材が樹脂タイプの場合には、樹脂を硬化させるための硬化触媒を含むことが好ましい。シリコーン樹脂原料であるポリオルガノシロキサンは硬化触媒を加えることにより架橋反応が加速され、速やかに硬化する。上記硬化触媒は、ポリオルガノシロキサンの硬化機構によって付加重合用触媒、重縮合用触媒がある。
これらの触媒は半導体発光装置パッケージ材料として配合した際の安定性、硬度、無黄変性、硬化性などを考慮して選択される。
添加量が上記範囲であると半導体発光装置パッケージ材料の硬化性、保存安定性、得られるパッケージの品質が良好である。添加量が上限値を超えるとパッケージ材料の保存安定性に問題が生じ、下限値未満では硬化に要する時間が長くなりパッケージの生産性の低
下、未硬化成分によるパッケージの品質低下のおそれがある。
反射材が樹脂タイプの場合には、本発明の効果を損なわない限り、必要に応じて他の成分を1種、または2種以上、任意の比率及び組み合わせで含有させることができる。
例えば、樹脂組成物の流動性コントロールや白色顔料の沈降抑制の目的でシリカ微粒子を含有させることができる。上記シリカ微粒子の含有量は、通常、シリコーン系樹脂100重量部に対し60重量部以下、好ましくは40重量部以下である。
このようなシリカ微粒子としては、特に限定されるものではないが、BET法による比表面積が、通常50m2/g以上、好ましくは80m2/g以上、さらに好ましくは100m2/g以上のものを用いるのが好ましい。また、比表面積の上限は、通常300m2/g以下、好ましくは200m2/g以下である。比表面積が小さすぎるとシリカ微粒子の添加効果を十分に得ることができず、一方、大きすぎると樹脂中への分散が困難になる。シリカ微粒子は、例えば親水性のシリカ微粒子の表面に存在するシラノール基と表面改質剤を反応させることにより表面を疎水化したものを使用してもよい。
アスペクト比が2より小さい場合には、熱伝導性向上効果が顕著でなくなる傾向にある。一方、アスペクト比が100を超える場合には、これを含有する樹脂組成物の流動性が低下し、成形時の作業性が低下する場合がある。またその直径は好ましくは3〜40μm、特には5〜20μmであることが好ましい。
熱伝導性を高めるため、熱伝導率の高い窒化ホウ素、窒化アルミ、繊維状アルミナ等を前述の白色顔料とは別に含有させることができる。その他、硬化物の線膨張係数を下げる目的で、石英ビーズ、ガラスビーズ等を含有させることができる。
これらの添加剤を用いる場合の使用量は、少なすぎると目的の効果が得られず、多すぎると樹脂組成物の粘度が上がり、加工性に影響するので、十分な効果が発現し、材料の加工性を損なわない範囲で選択するのがよい。通常、シリコーン系樹脂100重量部に対し100重量部以下、好ましくは60重量部以下である。
本発明の半導体発光素子支持部材(以下、単に「支持部材」と記載することがある。)の成形方法としては、圧縮成形法、トランスファー成形法、液体射出成形(LIM)法を含む射出成形法が挙げられる。
本発明の半導体発光素子支持部材は、半導体発光素子を搭載して半導体発光装置として用いられる。半導体発光装置の概要を、図を用いて説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
図3のように蛍光体層9が半導体発光素子と離れて位置している場合には蛍光体層と半導体発光素子、リード電極等との間の空間を封止材層8で封止する場合もあり、図2のように封止材に蛍光体を含ませて封止材層と蛍光体層を兼ねる封止材層4としてもよい。
図1〜7の各態様では、便宜上、半導体発光素子が蛍光体を含む封止材層4により封止されている態様(図2)と、半導体発光素子が封止材によって封止されている態様(図1、4、5、7)と、半導体発光素子が封止材によって封止され、さらに蛍光体層が半導体発光素子から離れて位置している態様(図3:後述するリモートフォスファー態様)を図示している。しかし、後述するように、例えば図2の態様では、蛍光体層に代えて封止材を用いて半導体発光素子を封止した態様や、蛍光体層に代えて封止材を用いて半導体発光素子を封止した上で、半導体発光素子から離れた位置に蛍光体層を設置する態様も本発明の態様に含まれる。同様に、図1、4、5、7の態様において、封止材に蛍光体を添加して、蛍光体を含む封止材層として封止することも可能である。また、図3において、蛍光体層9を設けない態様や、封止材に蛍光体を添加して、蛍光体を含む封止材層として半導体発光素子を封止する態様も本発明の態様に含まれる。
図1〜図5及び図7においては半導体発光素子が1つのみ記載されているが、複数個の半導体発光素子を線状、平面状に配置することも可能である。例えば図6は、複数個の半導体発光素子1を平面状に配置した発光装置を上から見た図である。このように、半導体発光素子1を平面状に配置することで容易に面照明とすることができ、このような実施態様は、より光出力を強くしたい場合に好適である。
半導体発光素子1の下面はリード電極5に導電性のダイボンド材や半田(図示せず)により固定されている。図1において、図2のように半導体発光素子の上面に2個の電極があり、下面がサファイヤ基板などの絶縁性基板(図示せず)からなる半導体発光素子を用いる場合には、半導体発光素子1の下面は絶縁性のダイボンド材(図示せず)によりリード電極に固定され、発光素子上面の2個の電極の一方は発光素子が戴置されたリード電極に、他方は発光素子が戴置されていないリード電極に各々ボンディングワイヤー3により接続されている。また、図2〜7のように、半導体発光素子1がリード電極と接触していない場合には、導電性のボンディングワイヤー3がリード電極から半導体発光素子1への電力供給の役割を担う。ボンディングワイヤー3は、リード電極5に圧着し、熱及び超音波の振動を与えることで接着させるが、リード電極5の表面が銀または銀合金である場合には、当該接着性が向上し、好ましい態様である。
またワイヤーを用いずに発光素子の2個の電極面を下面とし、発光素子の個々の電極を金バンプを用いてパッケージ上の異なるリード電極に固定するフリップチップボンディング型実装を採用しても良い。この場合熱源となる発光層がパッケージ側に近くなるため発光素子からパッケージ側に放熱しやすく、発光素子上面に電極やワイヤーによる光の遮蔽が無いため高い輝度を確保できる利点がある。
例えば、白色光を発する発光装置であれば、青色励起光を発する半導体発光素子を用いて黄色の蛍光体を蛍光体層に含ませるか、又は緑色及び赤色の蛍光体を蛍光体層に含ませることで、あるいは、紫色励起光を発する半導体発光素子を用いて青色及び黄色の蛍光体を蛍光体層に含ませるか、又は青色、緑色、及び赤色の蛍光体を蛍光体層に含ませることで白色光を生成することができる。
なお、反射材2と蛍光体層9の間に生じる間隙には、透光性を有する封止材層8を配置することが好ましい。図3に示されるような蛍光体層9においては、蛍光の自己再吸収と
RGB各色蛍光体間の再吸収を低減するため、用いる蛍光体を各色ごとに塗り分けた多層構造としたり、ストライプ状、あるいはドット状などのパターンを形成したりしてもよい。
なお、発光素子の光を波長変換せずそのまま利用する場合には蛍光体層9に代えて蛍光体を添加しない透明な封止材を用いる。あるいは、蛍光体層9を設けず、封止材層を蛍光体を含む封止材層4とすることもできる。
図3の正負のリード電極5は、ボンディングワイヤー3を介して半導体発光素子1と接続部7で接続している。そしてリード電極5の接続部7以外においては、反射材2により表面が被覆されている構成を有している。本発明においては、リード電極の表面が反射材により被覆されている支持部材を用いることにより、反射率が低いリード電極の露出面積を小さくし、反射率がリード電極より高い反射材の面積を大きくすることができるため、支持部材による反射効率が向上し高い輝度の発光装置を得ることが出来る。また、接着力が弱い封止材層8とリード電極5との接合面の面積を小さくし、接着力が強い封止材層8と反射材2の接合面の面積を大きくすることができるため、封止材層8がパッケージから剥がれにくく信頼性の高い発光装置とすることができる。
図7は、パッケージ型の半導体発光素子支持部材を示すものであり、反射材2からなるカップ形状の底面に発光素子が設置されている。この態様では前記のSr/Sが100%である。また、この態様では、封止材層8を蛍光体を含む封止材層4としてもよく、また、図3のように蛍光体層を半導体発光素子と離れて設置してもよい。これらの態様では、リード電極の露出部が半導体発光素子支持部材の斜め上方側に露出しており、半導体発光素子からの光を受けにくいため、発光素子から発生する電界、熱及び光などの影響により、リード電極の銀メッキ等が着色して輝度低下が生じるのを防ぐことができる。
上記被覆部の厚みdは、図3の6で表される。
なお、本発明でいう半導体発光装置の底面において、半導体発光素子支持部材がパッケージである場合には、半導体発光素子が搭載されていない状態の半導体発光素子支持部材の平面図において、半導体発光素子支持部材の上面(開口面)部分と、半導体発光素子支持部材を横から見たときの凹部を構成する反射材の側壁面の部分とを除いた部分の面積をSとし、そのSから発光素子及びボンディングワイヤーの占める面積を無視し、底面凹部のリード電極が占める部分を除いた面の面積がSrである(発光素子実装前の底面において、反射材が露出する面積がSr)。例えば、図6では、二重円の内側の円の面積をSとし、発光素子1とボンディングワイヤー3は無いものと考え、Sからリード電極5が占める面積を除いた面積がSrである。図7では、半導体発光素子支持部材を横から見たときの凹部を構成する底面の面積がSとなり、これはSrの面積と同一であり、すなわちSr/S=10/10となる。
くとも半導体発光素子の外周縁から0.6mmまでの前記半導体発光装置の底面の部分に反射材が備えられていることで、半導体発光素子から照射される光エネルギーを半導体発光装置の上面に向けて効果的に反射することができる。
具体的には、少なくとも半導体発光素子の外周縁から0.6mmまでの前記半導体発光装置の底面の部分に反射材が備えられている態様が挙げられ、上記の距離はより好ましくは0.5mmまでであり、0.4mmまでの部分に反射材が備えられている態様が特に好ましい。
図13の照明装置は、窓部を有する筐体101、リフレクター部102、光源部103、ヒートシンク104から構成されている。光源部103は配線基板上に発光部105を備えており、配線基板106が図4及び5の配線基板11に相当する形式であって、直接半導体発光素子が実装されたCOB(チップオンボード)形式、図1、2、3及び7のような半導体発光装置が表面実装された形式のいずれでも良い。光源部103がCOB形式である場合は、半導体発光素子は図4や5に記載のようなドーム状又は平板状に成形された封止樹脂により枠材を使用せず封止されていてもよい。また、配線基板106上に実装される半導体発光素子は1個でも複数個でもよい。リフレクター部102及びヒートシンク104は筐体101と一体型であっても別々であってもよく、必要に応じて用いることが出来る。放熱の観点から光源部103、筐体101、ヒートシンク104は一体構造もしくは高熱伝導性シートやグリースなどを介し隙間なく接していることが好ましい。窓部107は公知の透明樹脂や光学ガラスなどを用いることが出来、平板状であっても曲面を有していてもよい。
上記照明装置の各部の形状は図に示す限りではなく、曲面部を有していたり必要に応じ調光装置や回路保護装置など付属の装置がついていてもよい。
1、リフレクター部102、光源部103、発光部105、配線基板106の各部材に用いることができる。この反射材は紫外〜可視光の反射率が高く耐熱性、耐光性に優れるため、必要な半導体発光素子の個数を抑え安価で高輝度、高耐久な照明装置を供することが出来る。
特に本発明に係る反射材は紫外〜青色光の反射率が高いことにより蛍光体により波長変換される前の半導体発光素子から発せられる光を有効に反射できることになり、蛍光体層を光源部から離れた位置に設置する実施態様に適している。半導体発光素子の発光色が紫外〜近紫外である場合には反射材フィラーはアルミナを主成分とすることが好ましく、青色である場合にはアルミナ及び/又はチタニアを主成分とすることが好ましい。
ビニル基含有量1.15mmol/gであるビニル基含有ポリジメチルシロキサンとヒドロシリル基含有量2.43mmol/gであるヒドロシリル基含有ポリジメチルシロキサンとを、混合組成物における総ヒドロシリル基が総ビニル基の1.2倍当量となるように混合し、さらに硬化触媒として白金錯体触媒を白金換算で3.4ppmになるように添加し、25℃における粘度1460mPa・sの液状のポリジメチルシロキサン組成物(1)を得た。
得られたポリジメチルシロキサン組成物(1)35重量部に白色顔料としてα結晶径0.3μmであるアルミナ粒子60重量部、日本アエロジル株式会社製シリカ微粒子「AEROSIL RX200」5重量部を計量し、自転公転式攪拌混合機にて、攪拌槽に23℃の冷却水を流しながら、内容物が均一になるよう攪拌した。さらに真空状態で攪拌を行うことで脱泡し、液状熱硬化性白色シリコーン樹脂組成物1を得た。
[1−2.反射材用シリコーン樹脂組成物2の製造]
ビニル基含有ポリジメチルシロキサン(ビニル基:0.3mmol/g含有、粘度3500mPa・s、白金錯体触媒11ppm含有)と、ヒドロシリル基含有ポリジメチルシロキサン(ビニル基:0.1mmol/g含有、ヒドロシリル基:4.6mmol/g、粘度600mPa・s)と、硬化遅延成分(触媒制御成分)含有ポリジメチルシロキサン(ビニル基:0.2mmol/g、ヒドロシリル基:0.1mmol/g、アルキニル基:0.2mmol/g、粘度500mPa・s)とを、100:10:5で混合し、白金濃度9.6ppmの液状のポリジメチルシロキサン組成物(2)を得た。
得られたポリジメチルシロキサン組成物(2)35重量部に白色顔料としてα結晶径0.3μmであるアルミナ粒子60.3重量部、日本アエロジル株式会社製シリカ微粒子「AEROSIL RX200」4.7重量部を総量3kgとなるように計量し、自転公転式攪拌混合機にて、攪拌槽に23℃の冷却水を流しながら、内容物が均一になるよう攪拌した。さらに真空状態で攪拌を行うことで脱泡し、液状熱硬化性白色シリコーン樹脂組成物2を得た。
上記の白色シリコーン樹脂組成物1を使用し、全面銀メッキした銅リードフレームを用いて、図3に示すような、縦5mm×横5mm×高さ1.5mm、開口部の直径3.6mmの凹部を有するカップ状の表面実装型パッケージ1を成形した。成形は金型150℃、成形時間180秒の条件で行った。なお、パッケージ1の底面における反射材の占める面積Srと、該パッケージの底面積Sの比(Sr/S)は4.2/10であった。
上記の白色シリコーン樹脂組成物2を使用し、パッケージの大きさを、樹脂部が縦3.
2mm×横2.7mm×高さ1.4mm、開口部の直径2.4mmの凹部を有するものとしたこと以外は上記実施例1と同様にしてカップ状の表面実装型パッケージ2を成形した。成形は金型温度170℃、硬化時間20秒の条件で行った。なお、パッケージ2の底面における反射材の占める面積Srと、該パッケージの底面積Sの比(Sr/S)は3.8/10であった。
実施例1で用いたパッケージ1と全く同一形状の市販パッケージ(ソルベイアドバンストポリマーズ株式会社製:樹脂 アモデルA4122(ポリフタルアミド樹脂系)全面銀メッキした銅リードフレーム使用)を用いた。このパッケージの(Sr/S)は4.2/10であった。
[比較例2]
実施例2で用いたパッケージ2とほぼ同一形状の市販パッケージ(材料は上記比較例1と同じ)を用いた。このパッケージの(Sr/S)は2.2/10であった。
実施例1、2で使用した白色シリコーン樹脂組成物1、2を熱プレス機にてそれぞれ温度180℃(組成物1)又は150℃(組成物2)、圧力10kg/cm2、時間240秒(組成物1)又は180秒(組成物2)の条件で硬化させ、直径13mmの円形のテストピースを作製した。比較例のポリフタルアミド樹脂については、ソルベイアドバンストポリマーズ株式会社製アモデルA4122の板を約10mm角の大きさに切り出したものを、テストピースとした。各テストピースの厚さを表1にまとめて示す。各テストピースについて、コニカミノルタ(株)製SPECTROPHOTOMETER CM−2600dを用いて、測定径6mmにて360nm〜740nmの波長における反射率を測定した。リード電極の反射率の値と合わせて、測定結果を表1に示す。
モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製両末端シラノールジメチルシリコーンオイルXC96−723を385g、メチルトリメトキシシランを10.28g、及び、触媒としてジルコニウムテトラアセチルアセトネート粉末0.791gを、攪拌翼と、分留管、ジムロートコンデンサ及びリービッヒコンデンサとを取り付けた500ml三つ口フラスコ中に計量し、室温にて15分間触媒の粗大粒子が溶解するまで攪拌した。この後、反応液を100℃まで昇温して触媒を完全溶解し、ジムロートコンデンサを用いて100℃全還流下で30分間500rpmで攪拌しつつ初期加水分解を行った。
窒素の吹き込みを停止し反応液をいったん室温まで冷却した後、ナス型フラスコに反応液を移し、ロータリーエバポレーターを用いてオイルバス上120℃、圧力1kPaで50分間、微量に残留しているメタノール及び水分、低沸点ケイ素化合物を留去し、粘度230mPa・sの無溶剤の封止材液を得た。
(1)発光装置の組み立て
実施例及び比較例のパッケージを用い、次のようにして発光装置を組み立てた。
360nm、406nm、460nmの発光波長を有する半導体発光素子(定格電流20mA)をパッケージの凹部に露出しているインナーリード上の所定位置にシリコーンダイボンド材(信越化学工業(株)製 KER−3000−M2)を介して設置した後、該シリコーンダイボンド材を100℃で1時間、さらに150℃で2時間硬化させた。こうして半導体発光素子をパッケージ上に搭載した後、金線で該パッケージのリード電極と半導体発光素子を接続した。
前述の実施例1、2及び比較例1、2のパッケージ凹部へ、開口部上縁と同じ高さになるように前述の封止材を滴下した後、恒温器にて90℃×2時間、次いで110℃×1時間、150℃×3時間の加熱硬化を行い半導体発光素子を封止した。
上記[発光装置の製造]にて製造した半導体発光装置を点灯電源にセットし、実施例1、比較例1では20mAの駆動電流を通電して点灯10秒後の輝度の測定を、実施例2、比較例2では60mAの駆動電流を通電して点灯20秒後の輝度の測定を行った。結果を表2に示す。
なお、輝度の測定には、オーシャンオプティクス社製分光器「USB2000」(積算波長範囲:350−800nm、受光方式:100mmφの積分球)を用い、分光器本体を25℃恒温槽内に保持して測定した。実施例1、比較例1ではLED装置の温度上昇を防ぐために、熱伝導性絶縁シートを介し3mm厚のアルミ板にて放熱を行なった。
実施例1及び比較例1のパッケージを用い、上記[発光装置の製造]にて製造した360nm、406nm、460nmの発光波長を有する半導体発光素子を設置した半導体発光装置を点灯電源にセットし、85℃の環境試験機中において、60mAの駆動電流を通電し、連続点灯試験を行った。なお、実施例1及び比較例1では湿度は特に調整しなかったが、実施例2及び比較例2では85%RHの恒湿条件下で評価した。
所定時間ごとに半導体発光装置を取り出し、オフラインにて初期輝度(mW)に対する経時後の輝度の百分率(輝度維持率)を測定した。
なお、輝度の測定は、前述の輝度の測定と同様の方法にて行った。結果を図8及び9に示す。
半導体発光素子と反射材の最適な位置関係を検討するため、以下のシミュレーション検討を行った。
ダブルワイヤボンディングタイプの半導体発光素子(チップ)周囲の照度分布のシミュレーション計算を行った。シミュレーションは汎用の光線追跡シミュレータであるOptical Research Associates社製LightTools Ver.7.0を用いて以下の手順で行った。
(1)計算ジオメトリの入力:図10に示す構成を入力した。
(2)光学定数の設定:上記実施例の半導体発光装置で用いた封止材、及びチップ(サファイヤ基板上にGaN系半導体層を積層した一辺が350μmの正方形の半導体発光素子)を構成する部材が占める領域にそれぞれ適切な光学定数を設定した。
(3)チップからの発光:チップ活性層から計算精度上十分な本数の光線を適切な配光分布で発生させた。
(4)シミュレーション結果の解析:チップが配置された半導体発光装置の面上の適切な位置にディテクタを設けて、光の入射量を出力した。
シミュレーション結果である、半導体発光素子(チップ)実装面の照度分布を図11に示す。
このシミュレーション結果より、これらの領域において本発明の高反射の反射材を設置すれば、パッケージ上面に向けて高効率で光を反射することができる。この計算例は横向き発光チップを用いた構成の一例であり、上面発光型のチップではチップ直近の実装面に高密度の光が照射される範囲はこれより狭くなるが、本計算例同様チップ直近に高反射の反射材を配置することにより高効率で光を反射し、高輝度の半導体発光装置とすることができる。
前記半導体発光装置の底面における反射材の占める面積、反射材とリード電極の反射率
、半導体発光装置の輝度との関係を検討するため、以下のシミュレーションを行った。
光学シミュレーションは米国Optical Research Associates社製のLightToolsという光線追跡型光学シミュレータを用いて行った。
構成は光源、パッケージ、リード電極及び蛍光体を含有する封止材層を設け、遠方で受光するディテクタを設けた。光源は406nmをピークとする半導体発光素子の分光放射束測定値を与えた。
パッケージ形状は5×5mmの大きさで、高さが1.4mmであり、直径4.4mmの開口部を持ち、凹部深さ0.85mmに半導体発光素子支持部材となる正負のリード電極が配置される面があり、その面は直径3.2mmとした。パッケージの材質はシリコーンを媒体とし、アルミナの粒子が均一に分散しているモデルとし、母材であるシリコーンの屈折率等の光学定数は、実際に測定して得られた値を用いて計算した。アルミナの屈折率は一般に知られている値を入力し、粒子の平均粒子径や、粒子径分布は実測値を採用した。また、粒子の濃度も任意に設定した。正極および陰極のリードフレームの配置は、露出量の大きなAタイプ(図12)と、露出量が少ないBタイプ(図12)を設け、それぞれについてシミュレーションを行った。半導体発光素子支持面におけるリードフレームの占める面積はAタイプ:85%(Sr/S=1.5/10)、Bタイプ38%(Sr/S=6.2/10)であった(図12参照)。
このシミュレーションの結果から、半導体発光装置の底面に本発明の高反射の反射材を広く設置することにより、高輝度の半導体発光装置を得られることが明らかとなった。
また、一般的に銀表面リードフレームは経時的な銀の劣化により反射率が低下し、半導体発光装置の輝度低下の一因となることが知られているが、高反射かつ高耐久の反射材を使用してSrを大きくすることで、長期に亘り輝度維持率の高い半導体発光装置が得られる。
(A)半導体発光素子、半導体発光素子支持部材、及び封止材を少なくとも備える半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子支持部材は、正負のリード電極、及び反射材を有し、
前記半導体発光素子の一部または全部が前記反射材の直上に配置されることを特徴とする半導体発光装置。
(B)半導体発光素子、半導体発光素子支持部材、及び封止材を少なくとも備える半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子支持部材は、正負のリード電極、及び反射材を有し、
前記半導体発光素子の一部または全部が前記反射材に近接して配置されることを特徴とする半導体発光装置。
(C)半導体発光素子、半導体発光素子支持部材、及び封止材を少なくとも備える半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子支持部材は、正負のリード電極、及び反射材を有し、前記正負のリード電極は、半導体発光素子と接続する接続部を有し、前記反射材は、前記正負のリード電極のうち前記接続部を除いた表面を被覆する被覆部を有し、
前記半導体発光素子の一部または全部が当該被覆部の直上に配置されることを特徴とする半導体発光装置。
(D)半導体発光素子、半導体発光素子支持部材、及び封止材を少なくとも備える半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子支持部材は、正負のリード電極、及び反射材を有し、前記正負のリード電極は、半導体発光素子と接続する接続部を有し、前記反射材は、前記正負のリード電極のうち前記接続部を除いた表面を被覆する被覆部を有し、
前記半導体発光素子の一部または全部が前記被覆部に近接して配置されることを特徴とする半導体発光装置。
(E)半導体発光素子、半導体発光素子支持部材、及び封止剤を少なくとも備える半導体発光装置であって、前記半導体発光素子支持部材は正負のリード電極、及び反射材を有し、
かつ、前記半導体発光素子支持部材は、少なくとも半導体発光素子の外周縁から0.6mmまでの前記半導体発光装置の底面の部分に、波長460nmの光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高い反射材を有してなることを特徴とする、半導体発光装置。
上記の中でも、好ましいのは(E)の態様である。
2 反射材
3 ボンディングワイヤー
4 蛍光体を含む封止材層(蛍光体層)
5 リード電極
6 反射材被覆部の厚さ
7 接続部
8 封止材層
9 窓部(蛍光体層)
10 絶縁層
11 配線基板
12 ヒートシンク
13 金属基材
14 絶縁性基材
101 筐体
102 リフレクター部
103 光源部
104 ヒートシンク
105 発光部
106 配線基板
107 窓部
Claims (12)
- 正負のリード電極、及び反射材を有する半導体発光素子支持部材であって、
前記反射材の、波長460nmの光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高いことを特徴とする、半導体発光素子支持部材。 - 前記正負のリード電極は、前記反射材によって絶縁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素子支持部材。
- 前記正負のリード電極は、波長460nmの光の反射率が70%以上であ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素子支持部材。
- 前記正負のリード電極は、銀、または銀合金を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子支持部材。
- 前記反射材は、波長460nmの光の反射率が、75%以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子支持部材。
- 前記正負のリード電極は、半導体発光素子と接続する接続部を有し、
前記反射材は、前記正負のリード電極のうち前記接続部を除いた表面を被覆する被覆部を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子支持部材。 - 前記被覆部の厚みdが50≦d≦500μmであることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子支持部材。
- 前記正負のリード電極のうち、反射材で被覆されていない露出部が、上方に向けて露出し、かつ、前記半導体発光素子の斜上方に位置することを特徴とする、請求項6又は7に記載の半導体発光素子支持部材。
- 前記半導体発光素子支持部材は、前記反射材の波長360nm、波長400nm、420nm、及び440nmから選ばれる少なくとも1つの波長の光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、対応する同じ波長の光の反射率よりも高いことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体発光素子支持部材。
- 半導体発光素子、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子支持部材、及び蛍光体層を少なくとも備える半導体発光装置。
- 前記半導体発光装置の底面において、反射材の占める面積をSr、該半導体発光装置の底面積をSとしたとき、反射材の占める面積と底面積の比(Sr/S)の値が、3/10以上、10/10以下であることを特徴とする、請求項10に記載の半導体発光装置。
- 半導体発光素子、半導体発光素子支持部材、及び封止剤を少なくとも備える半導体発光装置であって、前記半導体発光素子支持部材は正負のリード電極、及び反射材を有し、
かつ、前記半導体発光素子支持部材は、少なくとも半導体発光素子の外周縁から0.6mmまでの前記半導体発光装置の底面の部分に、波長460nmの光の反射率が、前記正負のリード電極のうち少なくとも1つの電極の、波長460nmの光の反射率よりも高い反射材を有してなることを特徴とする、半導体発光装置。
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