JP2014130963A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】硫化を抑制しつつも信頼性を高めた発光装置を提供する。
【課題手段】発光装置は、半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０と電気的に接続される金属製のリード２０と、半導体発光素子１０及びリード２０を封止する封止樹脂４０とを備える。封止樹脂４０の上面には、硫化防止層５０が設けられており、硫化防止層５０は、非晶性フッ素樹脂を含み、封止樹脂４０を介して半導体発光素子１０と離間して配置する。上記構成により、金属製のリード２０の硫化を、硫化防止層５０によって防止できる。また、硫化防止層５０を半導体発光素子１０と離間させ、さらにその間の空間を封止樹脂４０で充填したことで、樹脂の低い熱伝導率によって半導体発光素子１０の発熱によって硫化防止層５０が分解され、あるいは封止樹脂４０から剥離される事態を抑制でき、これによって硫化防止効果を長期に渡って持続させ、もって発光装置の信頼性を高めることができる。
【選択図】図１
【課題手段】発光装置は、半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０と電気的に接続される金属製のリード２０と、半導体発光素子１０及びリード２０を封止する封止樹脂４０とを備える。封止樹脂４０の上面には、硫化防止層５０が設けられており、硫化防止層５０は、非晶性フッ素樹脂を含み、封止樹脂４０を介して半導体発光素子１０と離間して配置する。上記構成により、金属製のリード２０の硫化を、硫化防止層５０によって防止できる。また、硫化防止層５０を半導体発光素子１０と離間させ、さらにその間の空間を封止樹脂４０で充填したことで、樹脂の低い熱伝導率によって半導体発光素子１０の発熱によって硫化防止層５０が分解され、あるいは封止樹脂４０から剥離される事態を抑制でき、これによって硫化防止効果を長期に渡って持続させ、もって発光装置の信頼性を高めることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子を備える発光装置に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子を用いた発光装置が知られている。このような発光装置の一例としては、パッケージに形成された凹部の底面に金属製のリードを露出させると共に、このリード上にＬＥＤ素子を配置し、ＬＥＤ素子が発する光を、凹部の内面で反射させて、外部に放出される光量を確保している。また、凹部の底面で露出されるリードの表面には、銀メッキを施すことで光取り出し効率を向上させている。さらに凹部には、封止樹脂が充填される。このような封止樹脂には、耐熱性、耐光性が求められる。近年のＬＥＤ素子の高出力化に伴い、このような特性に優れたシリコーン樹脂が使用されている。
しかしながら、シリコーン樹脂を用いて封止した場合、シリコーン樹脂はガスを透過し易いので、例えば車載用等の屋外用途の発光装置ではリードの銀メッキが硫化され易くなる。銀メッキの硫化によって銀メッキが黒色化すると、発光装置の光出力低下が生じるという問題がある。
本発明の主な目的は、硫化を抑制しつつ信頼性を高めた発光装置を提供することにある。
以上の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る発光装置によれば、半導体発光素子と、該半導体発光素子と電気的に接続される金属製のリードと、前記半導体発光素子及びリードを封止する封止樹脂とを備える発光装置であって、前記封止樹脂の上面には、硫化防止層が設けられており、前記硫化防止層は、非晶性フッ素樹脂を含み、前記封止樹脂を介して前記半導体発光素子と離間して配置することができる。上記構成により、金属製のリードの硫化を、硫化防止層によって防止できる。また、硫化防止層を半導体発光素子と離間させ、さらにその間の空間を封止樹脂で充填したことで、樹脂の低い熱伝導率によって半導体発光素子の発熱によって硫化防止層が分解され、あるいは封止樹脂から剥離される事態を抑制でき、これによって硫化防止効果を長期に渡って持続させ、もって発光装置の信頼性を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置を例示するものであって、本発明は発光装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一つの部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一つの部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）
（実施例１）
次に実施例１に係る発光装置１００の断面図を図１に示す。この図に示す発光装置１００は、電極を有する半導体発光素子１０と、この電極と電気的に接続されるリード２０と、上方に開口した凹部３２を形成したパッケージ３０と、半導体発光素子１０の周囲に配置される蛍光体４２と、リード２０上で半導体発光素子１０及び蛍光体４２を封止する封止樹脂４０とを備える。
（半導体発光素子１０）
（半導体発光素子１０）
半導体発光素子１０は、例えば、サファイア基板上に、第１導電型（ｎ型）層、活性層、第２導電型（ｐ型）層を順に有する構造とすることができる。図１では、第1導電型層及び第２導電型層のそれぞれに電極１２が設けられている。半導体発光素子１０は、例えば、複数のＧａＮ系半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど）を積層したＬＥＤ（発光ダイオード）を用いることができる。
（リード２０）
（リード２０）
半導体発光素子１０は、リード２０の上面に載置される。またリード２０は、この半導体発光素子１０の電極１２と電気的に接続される。ここでは、半導体発光素子１０の上面に形成された電極１２は、金属製のワイヤ１４を介して、リード２０と接続されている。ただ、ワイヤを用いない接続形態、例えば電極面を発光素子の下面側としたフリップチップ接続などとすることもできる。なお、半導体発光素子１０の載置場所はリードの上面に限定されず、例えば、露出したパッケージの上面に載置しワイヤ１４を介してリード２０と接続することもできる。
リード２０は、反射率と導電性に優れた金属製とすることが好ましい。特にＡｇを含む金属とすることが好ましい。これにより、硫化によって劣化され変色され易いＡｇをリード２０に使用しつつも、後述する硫化防止層５０によって硫化を阻止することで信頼性高く利用することができる。この例では、リード２０の表面に銀メッキを被覆させている。
また、リード２０は、パッケージ３０の側面において表出させ、外部接続端子として機能させることもできる。
なお、ワイヤ１４はＡｇを含む金属とすることもできる。これにより、ワイヤ１４で光が吸収されることを抑制することができる。またワイヤ１４がＡｇを含む場合は、硫化によって光出力が低下するだけでなく、劣化が著しい場合は断線する可能性があるが、本実施例によればこのようなワイヤ１４の硫化をも抑制することもできる。
（パッケージ３０）
（パッケージ３０）
半導体発光素子１０は、パッケージ３０に開口された凹部３２の底面に配置される。パッケージ３０は、上方に開口した凹部３２を形成しており、凹部３２の底面にリード２０を露出させている。
このパッケージ３０を構成する材質には、エポキシ樹脂、ポリフタルアミド樹脂等が利用できる。またパッケージ３０の凹部３２の内面は、反射率を高めることで、発光素子からの光取り出し効率を改善できる。このため、パッケージ３０の内面を白色とするよう、樹脂に、二酸化チタン、二酸化珪素等のフィラーを混合させている。あるいは反射率の高い金属膜を、凹部の内面にコーティングしても良い。このような金属膜には、例えば銀メッキが利用できる。
（封止樹脂４０）
（封止樹脂４０）
封止樹脂４０には、耐熱性、耐光性に優れた材質とする。このような樹脂には、シリコーン樹脂が好適に利用できる。シリコーン樹脂は透光性を有し、また滴下等により半導体発光素子１０を封止し易いため、製造時においても扱いやすい利点を有する。
その反面、シリコーン樹脂はガスを透過し易いので、大気中に含まれる硫黄分がシリコーン樹脂を透過して凹部の底面に至り、時間と共にリードを被膜した銀メッキが硫化され易くなる。銀メッキが硫化すると黒色に変色して、半導体発光素子の光を吸収してしまい、発光装置の光出力が徐々に低下する。これを防止するため、硫化防止層５０を塗布する。
封止樹脂４０は、半導体発光素子１０を実装しリード２０と電気的に接続した状態で、充填される。
（蛍光体４２）
（蛍光体４２）
蛍光体４２は、主に半導体発光素子１０の周囲に配置されて、この半導体発光素子１０が発する光の波長を変換して、異なる波長の光を発する。このような蛍光体としては、たとえば、黄色発光のＹＡＧ、ＴＡＧ、緑色発光のＬＡＧが利用できる。
蛍光体４２は、封止樹脂４０内において下方に偏って分布させることができる。これにより、蛍光体４２が半導体発光素子１０で励起されて発熱しても、封止樹脂４０の下方に偏在されることから、その上面に配置された硫化防止層５０と離間させることができ、硫化防止層５０の剥離等を抑制できる利点が得られる。このように蛍光体を偏在させるには、例えば封止樹脂４０中に蛍光体４２を混入させた状態で塗布し、封止樹脂４０を硬化させる段階で、蛍光体４２をその自重によって自然に沈降させる。この結果、硬化後の封止樹脂４０の下方には、蛍光体４２を多く含む領域が形成される。
図１に示す発光装置１００の例では、封止樹脂４０は、蛍光体４２が多く分散された波長変換層４０ｂと、蛍光体４２を実質的に含まない非波長変換層４０ａで構成される。本明細書において、「蛍光体を実質的に含まない」とは、全く蛍光体粒子を含んでいない場合はもとより、微量に蛍光体粒子を含んでいても、半導体発光素子１０によって出射される光の吸収が確認されない場合も含むことを意味する。
（硫化防止層５０）
（硫化防止層５０）
封止樹脂４０の上面には、ディップやスプレーなどによりコーティングした硫化防止層５０を設けている。この硫化防止層５０は、封止樹脂４０を介して半導体発光素子１０と離間して配置される。このように硫化防止層５０を半導体発光素子１０と離間させ、さらにその間の空間を封止樹脂４０が占めることで、封止樹脂４０の低い熱伝導率によって半導体発光素子１０の発熱が熱伝導することを抑制し、もってリードの金属が硫化する事態を抑制できる。特に熱によって硫化防止層５０が分解され、あるいは封止樹脂４０から剥離される事態を抑制でき、これによって硫化防止効果を長期に渡って持続させることができ、もって発光装置の信頼性を高めることができる。
（非晶性フッ素樹脂）
（非晶性フッ素樹脂）
硫化防止層５０としては、非晶性フッ素樹脂を利用することが好ましい。非晶性フッ素樹脂は、シリコーン樹脂と比較して硫化防止効果が期待できる。また、波長のシフト量も小さい。さらに、９０％以上の透過率を有しているため、発光素子の発光面に塗布しても光出力の低下を回避できる。
加えて、非晶性フッ素樹脂は耐候性に優れ、野外等の高温高湿かつ紫外線暴露が起こりうる環境においても劣化が少なく、長期にわたり発光素子を保護することができる。さらに撥水性も向上されるため、雨水に晒される屋外での過酷な環境でも安定して使用できる耐久性に優れた発光装置が実現できる。
（膜厚）
（膜厚）
硫化防止層５０の厚さは、好ましくは１０μｍ以上２００μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以上１５０μｍ以下、さらに好ましくは４０μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。硫化防止層５０を一定以上の膜厚とすることにより硫化防止効果を高めることができ、一定以下の膜厚とすることにより量産性を向上させることができる。
さらに、硫化防止層５０により、半導体発光素子の発光色の波長をシフトさせることができる。このとき、非晶性フッ素樹脂は他の樹脂と比較して波長のシフト量が少ないため、所望の波長へ調整することが容易となる。例えば、非晶性フッ素樹脂とシリコーン樹脂）とを１回ずつスプレー塗布したときの波長のシフト量を比較したところ、非晶性フッ素樹脂は、ｘ値に−０．００１７、ｙ値に−０．００２８しかシフトしないのに対して、シリコーン樹脂はｘ値に−０．０３２９、ｙ値に−０．０５２３もシフトした。半導体発光素子の発光波長は個体差があり、所望の色度が得られないものは不適合品となって歩留まりの低下の原因となっていた。これに対して、本実施の形態によれば、硫化防止層５０の膜厚によって発光波長を細かく調整できるため、本来であれば不適合品となるものであっても、波長の調整によって有効に利用できるという優れた作用効果が実現される。
（耐久試験）
（耐久試験）
このような実施例１に係る硫化防止層５０として、非晶性フッ素樹脂で被膜した発光装置に対し、硫化を強制的に行う耐久試験を行った。また、比較例１として非晶性フッ素樹脂に代えてシリコーン樹脂で被膜した発光装置と、比較例２として硫化防止層を設けない発光素子に対しても、同様に耐久試験を行った。ここでは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｃ００９２ 環境試験方法 電機・電子 接点及び接続部の硫化水素試験方法）に従ってポリプロピレン製シート上に各発光装置を均一に配置して装置内に投入した。そして温度４０℃、湿度９０％ＲＨの条件下に置かれた各発光装置に対して、硫化水素を濃度１５ｐｐｍで９６時間、１９２時間でそれぞれ曝露試験した。そして曝露後に、各発光装置から硫化防止層及び封止樹脂を除去して、平面視の写真を撮像し、リードが硫化され腐食された様子を、目視により比較した。これらの結果を、図２〜図４に示す。
これらの図において、図２Ａ及び図２Ｂは、実施例１に係る非晶性フッ素樹脂を使用した発光装置に対する硫化水素曝露試験後の様子を示しており、図２Ａは曝露時間が９６時間、図２Ｂは１９２時間の例をそれぞれ示している。また図３Ａ及び図３Ｂは、比較例１に係るシリコーン樹脂を使用した発光装置の、図３Ａは曝露時間９６時間、図３Ｂは１９２時間の例を、それぞれ示している。さらに図４Ａ及び図４Ｂは、比較例２に係る硫化防止層を設けない発光装置の、図４Ａは曝露時間９６時間、図４Ｂは１９２時間の例を、それぞれ示している。これらの図から明らかな通り、リードの硫化腐食の程度は、非晶性フッ素樹脂を用いた実施例１では明確な硫化防止効果が得られていることが確認できた。一方で、シリコーン樹脂を用いた比較例１では硫化防止性が殆ど無く、硫化防止層を設けていない比較例２と腐食の程度がほぼ同様であった。以上から、非晶性フッ素樹脂による硫化防止効果が実証された。
（実施例２）
（実施例２）
以上の例では、封止樹脂４０の上面にのみ硫化防止層５０を成膜する例を説明したが、本発明はこれに限らず、例えばパッケージ３０の上面、側面及び、リード２０を表出させた場合にはリード２０の上面にかけて硫化防止層５０を塗布することもできる。これにより、半導体発光装置２００のほぼ全面を硫化防止層５０でコーティングできるため硫化防止効果を高めることができる。また、選択的にコーティングするためのマスク等が不要となるため、コーティング作業を簡素化できる利点が得られる。このような例を、実施例２として図５の断面図に示す。この例では、実装基板上に複数の発光装置２００を実装する例を説明している。ここでは実装基板に２つの発光装置２００を実装し、その後硫化防止層５０を全面に塗布している。この方法であれば、一度に複数の発光素子に対して硫化防止層５０を成膜できる。硫化防止層は１回塗布して単層とすることもできるし、複数回塗布して多層に形成することもできる。特に、多層に形成した場合は、上述した方法で成膜することにより効率よく硫化防止層５０を形成でき、タクトタイムを減少できる。
また本実施例によれば、非晶性フッ素樹脂は光の透過率に優れ、色ずれが小さいことから、半導体発光素子の発光面に塗布しても出力光への影響が殆ど無く、よって発光面を気にすることなく発光素子の上面に広く硫化防止層を塗布することができ、製造工程を簡略化できる利点が得られる。いいかえると、色ずれの大きい樹脂を被膜しようとする場合は、発光面にあたる封止樹脂の上面を避けて硫化防止層をコーティングする必要があり、このため封止樹脂の上面に相当する部分を保護するマスクを用意する等して、選択的に硫化防止層を塗布する必要があるところ、本実施例によれば実装基板の全面に硫化防止層５０をコーティングすることができ、マスクの位置合わせや除去といった工程を省略でき、製造時の作業性を高められる。
（実施例３）
（実施例３）
また、上記の例ではパッケージを使用した発光装置の例を説明したが、パッケージを使用しない発光装置においても、上述した硫化防止層５０を被膜することができる。このような例を実施例３として、図６の断面図に示す。この図に示す発光装置３００は、矩形状の封止樹脂４０を備えている。このような封止樹脂４０は、トランスファモールドによって成型できる。なお、本実施例において封止樹脂４０の側面や実装基板の上面にも硫化防止層５０を被膜してもよいことは言うまでもない。
（発光装置の製造方法）
（発光装置の製造方法）
また発光装置の製造方法の一例を説明する。まず実装基板上に発光装置を実装する。次に実装後の発光装置の、少なくとも封止樹脂４０の上面に、硫化防止層５０をコーティングして硫化防止層５０を形成する。この際、半導体発光素子を実装した実装基板をディップ又はスプレーして、非晶性フッ素樹脂をコーティングできる。これによって、封止樹脂４０を介して半導体発光素子と離間して硫化防止層を形成できるので、半導体発光素子の発熱による硫化防止層の劣化や分解を抑制して、長期に渡って硫化防止効果を発揮でき、もって発光素子の出力低下を回避して安定的に使用することができる。
また、所望の色度が得られなかった半導体発光素子に対してのみ膜厚を制御して硫化防止層５０を形成することで、所望の色度にシフトさせることもできる。例えば、半導体発光素子は製造時のばらつきによってピーク波長の異なる素子が得られることが知られている。本来であれば、ピーク波長のずれた半導体発光素子は規格外となって使用できないこととなるが、複数の半導体発光素子を並べた発光装置において、所望のピーク波長を得られた発光素子群を一箇所に纏めて配置し（例えば発光面の中央）、ピーク波長のずれた発光素子群を他の部位に配置すると共に（例えば発光面の周囲）、発光面に塗布する硫化防止層の膜厚を制御することで（例えば発光面の中心で薄く、周囲で厚く）、出力光の波長を揃えた発光装置を得ることができる。これによって規格外とされた発光素子を利用可能となり、半導体発光素子の歩留まりを向上できる利点も得られる。
このようにして、実施例に係る発光装置によれば硫化を防止できる。すなわち空気中の硫黄分が取り込まれて銀のリードを硫化して黒化され、ＬＥＤの反射光の取り出しが悪くなって出力光が徐々に暗くなる事態を阻止できる。また、非晶性フッ素樹脂の硫化防止層５０で上面を被覆したことで、撥水性や防湿性も持たせることができ、特に屋外使用のような過酷な環境下でも信頼性高く使用できる。
以上のように、本発明に係る発光装置を用いて、様々なアプリケーションに柔軟に対応できる。例えば、ＬＥＤディスプレイとして大型テレビ、ビルボード、広告、交通情報、立体表示器、照明器具等に利用できる。
１００、２００、３００…発光装置
１０…半導体発光素子
１２…電極
１４…ワイヤ
２０…リード
３０…パッケージ
３２…凹部
４０…封止樹脂；４０ａ…非波長変換層；４０ｂ…波長変換層
４２…蛍光体
５０…硫化防止層
１０…半導体発光素子
１２…電極
１４…ワイヤ
２０…リード
３０…パッケージ
３２…凹部
４０…封止樹脂；４０ａ…非波長変換層；４０ｂ…波長変換層
４２…蛍光体
５０…硫化防止層
Claims (7)
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子と電気的に接続されるＡｇを含むリードと、
前記半導体発光素子及びリードを封止する封止樹脂と
を備える発光装置であって、
前記封止樹脂の上面には、硫化防止層が設けられており、
前記硫化防止層は、非晶性フッ素樹脂を含み、前記封止樹脂を介して前記半導体発光素子と離間して配置されてなることを特徴とする発光装置。 - 請求項１に記載の発光装置であって、
前記封止樹脂は、該半導体発光素子が発する光の波長を変換して、異なる波長の光を発する蛍光体を含み、
前記蛍光体は、前記封止樹脂内において下方に偏って分布していることを特徴とする発光装置。 - 請求項１又は２に記載の発光装置であって、
前記封止樹脂が、シリコーン樹脂であることを特徴とする発光装置。 - 請求項１から３のいずれか一に記載の発光装置であって、
前記硫化防止層の厚さが、４０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする発光装置。 - 請求項１から４のいずれか一に記載の発光装置であって、
前記硫化防止層が、前記半導体発光素子が発する光の波長をシフトさせてなることを特徴とする発光装置。 - 請求項１から５のいずれか一に記載の発光装置であって、
前記半導体発光素子は、ワイヤを介して前記リードと接続されており、
前記ワイヤはＡｇを含むことを特徴とする発光装置。 - 請求項１から６のいずれか一に記載の発光装置であって、さらに、
上方に開口した凹部を形成しており、該凹部に、前記半導体発光素子及び前記封止樹脂を配置するよう構成したパッケージを備えており、
前記パッケージの側面において、前記リードを表出させてなると共に、
前記硫化防止層が、前記封止樹脂の上面から、前記パッケージの上面、側面及び前記リードの上面にかけてコーティングされてなることを特徴とする発光装置。
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