JP2013175527A - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子から出射した光を蛍光体により波長変換する半導体発光装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device that converts the wavelength of light emitted from a semiconductor light emitting element using a phosphor.
ウェハーから切り出された半導体発光素子(以後とくに断らない限りLEDダイと呼ぶ)をリードフレームや回路基板に実装し、樹脂やガラス等の透光性部材で被覆してパッケージ化した半導体発光装置(以後とくに断らない限りLED装置と呼ぶ)が普及している。このLED装置は用途に応じて様々な形態をとるが、発光効率を向上させるため、LEDダイを被覆する透光性部材の外形を砲弾型にしたりドーム状にしたりすることがある。 A semiconductor light emitting device (hereinafter referred to as an LED die unless otherwise specified) cut from a wafer is mounted on a lead frame or a circuit board and covered with a translucent member such as resin or glass and packaged (hereinafter referred to as a light emitting device). Unless otherwise specified, it is called an LED device). Although this LED device takes various forms depending on the application, in order to improve the light emission efficiency, the outer shape of the translucent member covering the LED die may be formed into a bullet shape or a dome shape.
例えば特許文献1の図1には樹脂300(透光性部材)の外形をドーム状にした照明光源(LED装置)が示されている。特許文献1の図1を図5に再掲示し説明する。図5は従来のLED装置(照明光源)の断面構造の一部を示す断面図である。図5の照明光源(LED装置)は、基板100と、この基板100に実装される半導体発光素子200(LEDダイ)と、半導体発光素子200の領域に設けられる樹脂300より構成されている。基板100は金属ベース100a上面を絶縁層100bで覆ったもので、窪みCavを有する。この窪みCavの底部には半導体発光素子200がダイボンディングされ、半導体発光素子200はワイヤWにより配線パターン導体100cと接続している。この照明光源(LED装置)において樹脂300は、半導体発光素子200からの青色系の光を吸収して黄色系の光を発する蛍光体を分散保持している。
For example, FIG. 1 of Patent Document 1 shows an illumination light source (LED device) in which the outer shape of a resin 300 (translucent member) is formed in a dome shape. FIG. 1 of Patent Document 1 will be described again in FIG. FIG. 5 is a sectional view showing a part of a sectional structure of a conventional LED device (illumination light source). The illumination light source (LED device) in FIG. 5 includes a substrate 100, a semiconductor light emitting element 200 (LED die) mounted on the substrate 100, and a
特許文献1には明示されていないが、LEDダイを透光性部材でドーム状に被覆すると、透光性部材と空気との界面における全反射が起きにくくなるため発光効率が向上する。 Although not explicitly disclosed in Patent Document 1, when the LED die is covered with a translucent member in a dome shape, total reflection at the interface between the translucent member and air is less likely to occur, so that the light emission efficiency is improved.
特許文献1の図1に示されたLED装置(照明光源)では蛍光体が樹脂300に分散保持されている。すなわち蛍光体は、LEDダイ(半導体発光素子200)に隣接しているので、LEDダイが発光するとその発熱で蛍光体も高温になる。ところが蛍光体の中には、常温では波長変換効率など特性が優れていても、温度上昇とともにその特性を劣化させるものがある。この結果、LEDダイを透光性部材でドーム状に被覆して発光効率を高めようとするとき、その透光性部材に蛍光体を分散保持させると、LED装置の点灯時に蛍光体が高温になるため使用できる蛍光体が制限されてしまう。
In the LED device (illumination light source) shown in FIG. 1 of Patent Document 1, phosphors are dispersedly held in a
そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発光効率がよい構造であっても常温で特性が良く高温で特性が劣化するような蛍光体が使用可能となる半導体発光装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a semiconductor light emitting device that can use a phosphor that has a structure with good luminous efficiency and that has good characteristics at room temperature and deteriorates characteristics at high temperature. The purpose is to do.
上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子と、該半導体発光素子を被覆する透光性部材と、前記半導体発光素子の発光を波長変換する蛍光体とを備える半導体発光装置において、
前記透光性部材が透明であり、前記半導体発光素子をドーム状に被覆し、
前記透光性部材を囲む反射枠と、前記蛍光体を含み前記透光性部材の上部を覆う蛍光板とを備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a semiconductor light-emitting device of the present invention includes a semiconductor light-emitting element, a translucent member that covers the semiconductor light-emitting element, and a phosphor that converts the wavelength of light emitted from the semiconductor light-emitting element. In
The translucent member is transparent, the semiconductor light emitting element is coated in a dome shape,
A reflection frame surrounding the translucent member, and a fluorescent plate that includes the phosphor and covers an upper portion of the translucent member.
半導体発光素子を透光性部材によりドーム状に被覆すると、透光性部材と空気との界面が外側に向かって凸になるよう湾曲しているため、半導体発光素子から出射し透光性部材に入射した光はこの空気との界面で全反射しづらくなる。この結果、透光性部材からの光の出射効率が高くなる。さらに透光性部材から出射した光のうち半導体発光装置の周辺部に達した光は反射枠によって反射する。すなわち吸収等の損失を除けば反射枠によって反射した光を含む全ての光が半導体発光装置の上方に向かい蛍光板に入射する。この光のうちの一部分が波長変換され、半導体発光装置は白色など半導体発光素子の発光色とは異なった色で発光する。このとき発光にともない高温になった半導体発光素子と、蛍光板とは隣接していないため、この蛍光板に含まれる蛍光体は温度上昇が少なくて済む。 When the semiconductor light-emitting element is covered with a translucent member in a dome shape, the interface between the translucent member and air is curved so as to be convex outward, so that the light is emitted from the semiconductor light-emitting element and becomes a translucent member. The incident light is difficult to totally reflect at the interface with the air. As a result, the light emission efficiency from the translucent member is increased. Further, light that has reached the periphery of the semiconductor light emitting device among the light emitted from the translucent member is reflected by the reflection frame. That is, all light including light reflected by the reflection frame except for loss such as absorption is directed upward to the semiconductor light emitting device and is incident on the fluorescent plate. A part of this light is wavelength-converted, and the semiconductor light emitting device emits light of a color different from the light emission color of the semiconductor light emitting element such as white. At this time, since the semiconductor light emitting element that has become high temperature due to light emission and the fluorescent plate are not adjacent to each other, the phosphor contained in this fluorescent plate requires only a small increase in temperature.
前記蛍光板が前記反射枠により支持されていても良い。 The fluorescent plate may be supported by the reflection frame.
前記反射枠に囲まれる領域に複数の半導体発光素子が存在し、前記各半導体発光素子が個別に前記透光性部材によりドーム状に被覆されていても良い。 A plurality of semiconductor light emitting elements may exist in a region surrounded by the reflection frame, and each of the semiconductor light emitting elements may be individually covered with a dome shape by the light transmissive member.
ドーム状に被覆する透光性部材同士が分離していても良い。 The translucent members covered in a dome shape may be separated from each other.
以上のように本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子をドーム状に被覆したこと、及び反射枠により側方に向かおうとする光を上方に向けたことにより光の取り出し効率を向上させるとともに、上方に配置した蛍光板で波長変換している。この蛍光板は半導体発光素子と接していないため高温にならない。この結果、本発明の半導体発光装置は、発光効率がよい構造でありながら、常温で特性が良く高温で特性の劣化する蛍光体も使用できるようになる。 As described above, the semiconductor light-emitting device of the present invention improves the light extraction efficiency by covering the semiconductor light-emitting element in a dome shape and directing the light directed to the side by the reflection frame upward. The wavelength is converted by the fluorescent plate arranged above. Since this fluorescent plate is not in contact with the semiconductor light emitting device, it does not reach a high temperature. As a result, the semiconductor light emitting device of the present invention can use a phosphor that has a good light emission efficiency but has good characteristics at room temperature and deteriorates characteristics at high temperature.
以下、添付図1〜4を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。
(第1実施形態)
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. For the sake of explanation, the scale of the members is changed as appropriate. Furthermore, the relationship with the invention specific matter described in the claims is described in parentheses.
(First embodiment)
図1〜3により本発明の第1実施形態のLED装置10(半導体発光装置)を説明する。まず図1によりLED装置10の外形を説明する。図1はLED装置10の外形図であり、(a)が平面図、(b)が正面図、(c)が底面図である。LED装置10を上部から眺めると長方形の蛍光板11が見える(a)。LED装置10を正面から眺めると蛍光板11の下に反射枠12が見え、さらに反射枠12の下に回路基板13が見える(b)。LED装置10を底面側から眺めると、回路基板13の内側に外部接続電極14,15が見える(c)。
The LED device 10 (semiconductor light emitting device) of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the outer shape of the
図2と図3によりLED装置10の内部構造を説明する。図2は図1(a)に示したAA線に沿って描いたLED装置10の断面図である。回路基板13の周辺部には反射枠12が設置されている。また回路基板13の上面であって反射枠12の内側の領域には、3個のLEDダイ16(半導体発光素子)が実装され、各LEDダイ16は、上面及び側面を半球状の透光性部材17で被覆されている。このとき透光性部材17はドーム状の部分毎に分離しており、各透光性部材17は一個のLEDダイ16を被覆している。透光性部材17の上部には空気層を介して蛍光板11が存在し、この蛍光板11は接着した状態で反射枠12により支持されている。
The internal structure of the
図3は図1(a)においてLED装置10から蛍光板11を除去した状態の平面図である。矩形の反射枠12の内側の領域に回路基板13の上面が見える。また反射枠12の内側の領域には6個のLEDダイ16が実装され、各LEDダイ16は上部からは略円形に見えるドーム状の透光性部材17の底部にある。
FIG. 3 is a plan view showing a state in which the
回路基板13はいわゆる両面基板であり、上面に実装用の電極(図示せず)や配線(図示せず)を備え、下面に外部接続電極14,15(図1(c)参照)が形成されている。なお実装用の電極や配線と外部接続電極14,15はスルーホール(図示せず)で接続する。反射枠12はシリコーン樹脂に酸化チタンやアルミナなどの反射性微粒子を混練し硬化させたものであり、幅を200〜300μm、高さを600〜800μm程度にする。
The
LEDダイ16は発光ダイオードであり、厚さが80〜120μm程度となるサファイア基板等の透明基板上に形成した半導体層と、その半導体層上にアノード電極及びカソード電極とを備えている。LEDダイ16の実装方式は、アノード電極及びカソード電極を回路基板13の上面に形成した電極と直接的に接続するフェイスダウン実装(フリップチップ実装ともいう)でも良いし、サファイア基板を回路基板13にダイボンディングし、アノード電極及びカソード電極をワイヤにより回路基板13の上面に形成した電極と接続するフェイスアップ実装でも良い。
The LED die 16 is a light emitting diode, and includes a semiconductor layer formed on a transparent substrate such as a sapphire substrate having a thickness of about 80 to 120 μm, and an anode electrode and a cathode electrode on the semiconductor layer. The LED die 16 may be mounted by face-down mounting (also referred to as flip chip mounting) in which an anode electrode and a cathode electrode are directly connected to an electrode formed on the upper surface of the
透光性部材17は透明なシリコーン樹脂であり、金型で成型しエッチングで透光性部材17同士を分離する。また透光性部材17の底面と接する回路基板13上面領域におけるシリコーン樹脂との親和性を高め、その周辺領域の親和力を低めた状態で、シリコーン樹脂をポッティングし、シリコーン樹脂の表面張力を利用して透光性部材17の形状を制御しても良い。
The
なお、ドーム状に形成した各透光性部材17がLEDダイ16を一個ずつ被覆しているため、ドームが小さくて済むようになっており、LED装置10の薄型化に寄与している。つまりLED装置10を明るくするため複数のLEDダイ16を搭載しても、LEDダイ16ごとに透光性部材17からなるドームを形成するのでドームが小型化する。
In addition, since each
またLEDダイ16がフリップチップ実装している場合、LEDダイ16から透光性部材17に入射するほとんどの光は、LEDダイ16に含まれる透明基板を通過してくる。この際、透光性部材17の屈折率(1.4〜1.5前後であることが多い)が透明基板の屈折率(サファイアの場合は1.7程度)と空気の屈折率の間の値であるため、透明基板から直接空気中に光を出射するときより、透光性部材17部材を介して空気中に光を出射するときの方が光を引き出す効率が高くなる。
When the LED die 16 is flip-chip mounted, most of the light incident on the
蛍光板11は蛍光体を混練し硬化させたシリコーン樹脂であり、厚さは100μm程度である。蛍光板11が、LEDダイから離れているため、LEDダイ16が発する熱の影響を受けにくいばかりでなく、グレア(眩しさ)や方位角による色ムラも低減している。
The
次にLED装置10の放射光について説明する。LEDダイ16から透光性部材17に入射した光は、ドーム状の透光性部材17が外側に向かって凸になるよう湾曲しているので、透光性部材17と空気との界面に達したとき全反射しづらくなり、透光性部材17から効率よく出射する。透光性部材17から出射した光のうちLED装置10の周辺部に達した光は反射枠12によって様々な方向に反射する。吸収等の損失を除けば、この反射光は直接的に上方に向かったり、回路基板13の表面で反射したりして、最終的にLED装置10の上方に向かう。そしてこの光、及び透光性部材17から直接上方に向かう光、その他透光性部材17から出射し反射枠以外の部材で反射して上方に向かう光が、透光性部材17の上部に配置した蛍光板11に入射する。
Next, the emitted light of the
蛍光板11に入射した光のうち一部分又は全部が蛍光板11中の蛍光体により波長変換される。この結果、LED装置10は白色などLEDダイ16の発光色とは異なった色で発光する。なお前述のように発光にともなってLEDダイ16が高温になっているが、蛍光板11はLEDダイ16と分離しているため温度上昇を小さくできる。この結果、常温で特性が良く、高温時に特性が著しく劣化する珪酸塩系の蛍光体が使えるようになる。
(第2実施形態)
Part or all of the light incident on the
(Second Embodiment)
第1実施形態として示したLED装置10は、それぞれのLEDダイ16をドーム状に被覆する透光性部材17が分離していた。これに対しLEDダイをドーム状に被覆していても、隣接するドーム状の部分(以下ドーム部と呼ぶ)同士が底部で接続している場合がある。そこで本発明の第2実施形態として図4により隣接するドーム部18の底部が接続したLED装置40を説明する。
In the
図4はLED装置40の断面図である。図4と第1実施形態のLED装置10の説明に用いた図2と違いは、図4において透光性部材20のドーム部18同士が底部で接続部19により接続していることのみである。金型で透光性部材20を形成する場合、小さな距離でドーム部18が隣接しているため底部を接続しておくと製造し易くなる。なお接続部19が存在すると、接続部19が導光体となり、接続部19に侵入した光が出射しづらくなることを確認している。発光効率を追求する場合はLED装置10のように透光性部材17を分離したほうが良い(図2参照)。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
第1,2実施形態におけるLED装置10,40では、透光性部材17,20と蛍光板11とが空気を挟んだ状態で分離していた。透光性部材と蛍光板とを分離させ蛍光板の温度を上昇させないようにしながら発光効率を良くしておくためには、透光性部材と蛍光板の間に介在させる物質は空気に限られない。例えばこの物質は、透光性部材より屈折率が小さく透明で熱伝導率の低い樹脂であっても良い。このような樹脂をドーム状の透光性部材を覆うように塗布又は充填した場合、この樹脂上に蛍光板を貼り付けても良いし、この樹脂上に蛍光体を含有した蛍光樹脂を塗布して硬化させることで蛍光板を形成しても良い。また回路基板13の代わりにリードフレームを使用してもよい。
In the
10,40…LED装置(半導体発光装置)、
11…蛍光板、
12…反射枠、
13…回路基板、
14,15…外部接続電極、
16…LEDダイ(半導体発光素子)、
17,20…透光性部材、
18…ドーム部、
19…接続部。
10, 40 ... LED device (semiconductor light emitting device),
11 ... Fluorescent screen,
12 ... Reflective frame,
13 ... Circuit board,
14, 15 ... external connection electrodes,
16 ... LED die (semiconductor light emitting element),
17, 20 ... translucent member,
18 ... Dome,
19: Connection part.
Claims (4)
前記透光性部材が透明であり、前記半導体発光素子をドーム状に被覆し、
前記透光性部材を囲む反射枠と、前記蛍光体を含み前記透光性部材の上部を覆う蛍光板とを備えることを特徴とする半導体発光装置。 In a semiconductor light emitting device comprising: a semiconductor light emitting element; a translucent member that covers the semiconductor light emitting element; and a phosphor that converts the wavelength of light emitted from the semiconductor light emitting element.
The translucent member is transparent, the semiconductor light emitting element is coated in a dome shape,
A semiconductor light emitting device comprising: a reflection frame surrounding the translucent member; and a fluorescent plate including the phosphor and covering an upper portion of the translucent member.
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