JP2014192288A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、安価であるが、高密度な励起光に対して耐性の低い接着剤を、蛍光体プレートの固定に利用できる半導体発光装置を提供することにある。
【解決手段】
励起光源３から出射された励起光を集光する集光レンズ４と、集光レンズで集光された励起光が通る貫通孔７とを設けたホルダー部６と、貫通孔を通過した励起光を波長変換する透光性部材９とを備え、貫通孔は励起光源側から順に小径の孔部７ａと中径の孔部７ｃと大径の孔部７ｄが段差状に繋がって形成され、小径の孔部７ａの口径は中径の孔部７ｃの口径より小さく、中径の孔部７ｃの口径は大径の孔部７ｄの口径より小さくなっており、透光性部材９は大径の孔部７ｄの段差面に接着剤で固着され、中径の孔部７ｃの段差面と透光性部材９の底面とが離間していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光装置に係わり、特に、半導体発光素子（例えば、半導体レーザーもしくは発光ダイオード）と波長変換部材（例えば、蛍光体）とを組み合わせた構造の発光装置に関するものである。

従来、半導体レーザー光源と蛍光体とを組み合わせた構造の発光装置が提案されており、特に高出力な半導体レーザー光源を使用する場合は車両用前照灯にも応用される。

特許文献１に記載の発光装置は、半導体レーザー素子、半導体レーザー素子から離間した位置に配置された蛍光体プレート、半導体レーザー素子と蛍光体プレートとを保持するホルダー等を備えている。蛍光体プレートは接着剤でホルダーに固定され、ホルダー開口部は蛍光体プレートにより塞がれている。

半導体レーザー素子から出射したレーザー光は、素子幅より十分幅広いホルダー開口部を通過し、開口部上に配置された蛍光体プレートに照射される。レーザー光が照射された蛍光体プレートは、これを透過するレーザー光とレーザー光で波長変換され放出される波長変換光（発光）との混色光を外部に放出する。

特許文献２に記載の発光装置は、半導体レーザー素子、半導体レーザー素子を気密封止したＣＡＮパッケージ、特許文献１よりもＣＡＮパッケージからさらに離間した位置に配置された蛍光体プレート、ＣＡＮパッケージと蛍光体プレートとの間に配置された集光レンズ、ＣＡＮパッケージと蛍光体プレートと集光レンズとを保持するホルダー等を備えている。蛍光体プレートをホルダーに固定するために、固定部材とスリーブで蛍光体プレートを係合して接着剤を使わずに固定している。

レーザー光は、集光レンズで集光されホルダーの貫通孔を通過し、当該貫通孔の上に配置された蛍光体プレートをスポット的に照射する。レーザー光が照射された蛍光体プレートは、これを透過するレーザー光とレーザー光で波長変換され放出される波長変換光（発光）との混色光を外部に放出する。

特開２００８−２３５７４４ 特開２０１０−１６５８３４

しかしながら、特許文献１に記載の発光装置は、接着剤で蛍光体プレートを接着固定する際、蛍光体とホルダーが接する面全体に接着剤を行き渡らせるために、接着面積より多めの接着剤を塗布し、その後蛍光体プレートの上から荷重を加えて固定させる。しかし、接着剤量が過剰のためにホルダー開口部の貫通孔側に接着剤がはみ出し溜まる可能性がある。

集光レンズを使用しない特許文献１のレーザー光は比較的広角に出射される。このレーザー光は開口端部のはみ出した接着剤に当たる可能性があるが、集光レンズを使わずに十分発散した広角なレーザー光はパワー密度が低いため、はみ出した接着剤に当たっても接着剤が変質することはない。しかし、蛍光体に当ったレーザー光は熱にも変換されるため、蛍光体プレート自体の温度は上昇する。その蛍光体プレートの熱は接着剤に伝わり、ホルダーと十分接触している部分の接着剤は放熱性を確保しているが、ホルダー開口端部に溜まっている接着剤はホルダーと十分接触していないために、はみ出した部分の接着剤は温度の上昇によって分解し黒化する。これにより、蛍光体プレートへのレーザー光の入射効率は低下し、混色光の光取出しも悪くなる。

引用文献２の場合、接着剤より高価な固定部材や溶接スリーブを使用しているため素材費が高くなるという問題がある。

本発明は、接着剤が貫通孔にはみ出しても高密度なレーザー光や熱で変質することなく、安価な接着剤を蛍光体プレート固着に利用できる半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体発光素子を備えた励起光源と、前記励起光源から出射された励起光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された励起光が通る貫通孔とを設けたホルダー部と、前記貫通孔を通過した励起光を波長変換する透光性部材とを備え、前記貫通孔は前記励起光源側から順に小径の孔部と中径の孔部と大径の孔部が段差を有して繋がって形成され、前記小径の孔部の口径は前記中径の孔部の口径より小さく、前記中径の孔部の口径は前記大径の孔部の口径より小さくなっており、前記透光性部材は、前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面に接着剤を介して前記貫通孔を覆って固定され、当該透光性部材における前記励起光源側の底面と前記中径の孔部における前記励起光源側の段差面との間の距離は、前記透光性部材における前記励起光源側の底面と前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面との間の距離よりも離間していることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、接着工程で透光性部材に荷重が加わることで、過剰に塗布された接着剤は、透光性部材の底面と大径の孔部の段差面とで挟まれ押さえられ、勢いよく接着面全体に広がる。中径の孔部に到達した接着剤ははみ出し始めるが、中径の孔部の段差面と透光性部材の底面との間は十分離れているため、接着剤は、中径部の孔部へ抜け出た途端に荷重による押し圧がなくなり、移動速度は落ち、中径部の孔部の段差面の空間内で溜まり止る。これにより、集光レンズで集光された高密度な励起光が通過する小径の孔部まで接着剤がはみ出すことはなく、接着剤の変質も起こらない。よって波長変換部材である透光性部材への入射効率を維持でき、白色光の光取出しも低下することはない。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の底面は、少なくとも前記小径の孔部に対向する領域と、前記大径の孔部の段差面に対向する領域の間が、粗面状になっていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、透光性部材の底面が粗面状になっているため、透光性部材の接着工程において中径の孔部へ抜け出た接着剤は、透光性部材の凹凸状の粗面部が抵抗となってはみ出る勢いをさらに抑えられる。これにより、粗面部は、請求項１に記載の粗面のない透光性部材よりも、透光性部材へはみ出る接着剤の範囲を小さく制御することができるため、接着剤のはみ出しが原因で起こる半導体発光装置の歩留まり低下を改善できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１から請求項２に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の底面は、前記小径の孔部と対向する領域と、前記中径の孔部の段差面と対向する領域内が局部的に粗面状になっていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、透光性部材の底面は小径の孔部および中径の孔部と対向する領域が粗面化され、大径の孔部と接触する透光性部材の底面は平坦となっているため、大径部の段差面と透光性部材の底面が重なる接着面の領域では接着剤が行き渡りやすくなる。これにより、大径の孔部と接触する透光性部材の面の間は平坦になり空乏部が発生する懸念はなくなり、半導体発光装置は再現性の良い放熱性を確保することができる。

また、請求項２または３に記載の発明によれば、透光性部材における励起光の入射面が粗面化されているため、請求項１の粗面のない透光性部材に比べて、励起光は散乱で広がり、急峻だった入射強度の面内分布はなだらかにし、透光性部材で波長変換された混色光の色ムラを改善することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記小径の孔部と対向する粗面領域と、前記中径の孔部の段差面と対向する粗面領域は、平坦部を介して離れていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の底面は、前記中径の孔部の段差面と対向する領域内が局部的に粗面状になっていることを特徴とする。

請求項４または請求項５に記載の発明によれば、透光性部材の底面は、中径の孔部の段差部と対向する領域内が部分的に粗面化されている。これにより、はみ出した接着剤が粗面領域に浸入した時、粗面部分で勢いが減少し、粗面部から平坦部を乗り越える際発生する表面張力で接着剤の動きは完全に止まり、はみ出す範囲を制御することが可能になり、製造バラツキを抑えることができる。

請求項６に記載の発明は、半導体発光素子を備えた励起光源と、前記励起光源から出射された励起光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された励起光が通る貫通孔とを設けたホルダー部と、前記貫通孔を通過した励起光を波長変換する透光性部材とを備え、前記貫通孔は前記励起光源側から順に小径の孔部と大径の孔部が段差を有して繋がって形成され、前記透光性部材における前記励起光源側の底面には凹部が形成されており、前記小径の孔部の口径は前記凹部の口径より小さく、前記凹部の口径は前記大径の孔部の口径より小さくなっており、前記透光性部材は、前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面に接着剤を介して前記貫通孔を覆って固定され、当該透光性部材における前記励起光源側の凹部の段差面と前記大径の孔部における前記励起光源側の段差面との間の距離は、前記透光性部材における前記励起光源側の底面と前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面との間の距離よりも離間していることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の凹部の段差面は、粗面状になっていることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６または請求項７に記載の発明において、前記大径の孔部における前記励起光源側の段差面は、前記透光性部材における前記励起光源側の凹部に対向する領域内が、粗面状になっていることを特徴とする半導体発光装置。

請求項６から請求項８に記載の発明によれば、請求項１に記載の中径の孔部をなくし、透光性部材の底面に凹部を形成しても、第１の実施の形態と同じ効果を得ることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８に記載の発明において、前記第１の透光性部材は前記励起光源側から順に散乱プレートと蛍光体プレートが積層されていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明によれば、散乱プレートに入射した励起光は散乱により広がってから、蛍光体プレートを励起するため外部へ出射する混色光の色ムラを低減する。

さらに請求項２、３、４、７との組合せでは散乱プレートの入射面が粗面加工されているため、励起光は粗面部と散乱プレートの２段階で散乱し広がり、入射面に粗面のない請求項１、５、６の発光装置に比べてより広く散乱させることができる。これにより、蛍光体プレートに照射される励起光の入射強度の面内分布はより一層均一になり、外部へ出射する混色光の色ムラをさらに低減することができる。

本発明によれば、はみ出した接着剤は、中径の孔部の空間のみにはみ出し留まるため、小径の孔部を通る高密度な励起光に曝されることはない。これにより、接着剤は変質せず、透光性部材への励起光の入射効率が低下は起こらず、透光性部材から外部へ放射される混色光の光取出しを長期的に維持することが可能になる。また透光性部材の固着に安価な接着剤を使用できるため、半導体発光装置に掛かる素材費を安くすることができる。さらに、接着面に接着剤を十分に行き渡らせるほどの過剰の接着剤を使用することができるため、透光性部材の接着強度を確保できる。

本発明の第１の実施の形態で、半導体発光装置１の光軸Ａを含む鉛直面で切断した断面図 第１の実施の形態における半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図 第１の透光性部材９の接着工程の概略図 本発明の第２の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 本発明の第３の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 第１の実施の形態における励起光の光線イメージ 本発明の第４の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 本発明の第５の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 本発明の第６の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 第６の実施の形態における透光性部材９形状と部分粗面のパターン 本発明の第７の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 本発明の第８の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 本発明の第９の実施の形態で、貫通孔７付近の拡大図 本発明の実施の形態との比較例で、貫通孔７付近の拡大図

図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体発光装置１の光軸Ａを含む鉛直面で切断した断面図である。

図１に示すように、半導体発光装置１は、半導体発光素子２を備えた励起光源３、集光レンズ４、透光性部材９、これら各要素を保持するホルダー（第１のホルダー６、第２のホルダー１１、第３のホルダー１２）などで構成されている。本実施の形態の励起光源３は半導体レーザー素子２を搭載したＣＡＮパッケージに相当する。

透光性部材９は蛍光体プレートで、励起光源３から出射された励起光よりも長波長の光に波長変換する。蛍光体プレートの材料としては、Ｃｅ等の付活剤が導入されたＹＡＧとＡｌ₂Ｏ₃との複合体からなる板材であってもよいし、Ａｌ₂Ｏ₃の代わりにガラスバインダーやその他の材料から成ってもよい。

本実施形態の蛍光体層は、Ｃｅ等の付活剤が導入されたＹＡＧ（２５ｗｔ％）とＡｌ₂Ｏ₃（７５ｗｔ％）との複合体からなる板材（０．４ｍｍ×０．８ｍｍの矩形板状）を用いている。蛍光体プレートの厚みは２００μｍのものを用いた。ただ用途により所望の色度に調整する必要があるため、蛍光体濃度にもよるが蛍光体層の厚みは５０〜３００μｍの範囲で適宜変更している。また、透光性部材９は矩形板状に限定されず円柱、直方体であってもよい。

第１のホルダー６は、透光性部材９を保持するための部材６ａと、ステンレスやアルミニウム等の高い熱伝導性材料の金属製円筒型の筒部６ｂとから成り立っている。貫通孔７は、半導体発光素子２から出射するレーザー光の光軸Ａを中心に保持部材６ａの厚み方向に形成されている。

図２に半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図を示す。図２に示すように、貫通孔７は、集光レンズ４で集光され発散した励起光１７が通過する孔で、励起光源３側の小径の孔部７ａと、励起光源３と反対側の大径の孔部７ｄと、小径の孔部７ａと大径の孔部７ｄとの間に位置する中径の孔部７ｃと、３種類の異なる口径をもつ孔部と孔部が段差状に繋がって形成されている。中径の孔部７ｃの直径サイズは小径の孔部７ａより大きく、中径の孔部７ｃの直径サイズは大径の孔部の７ｄより小さくしている。また、中径の孔部の深さは小径の孔部の深さより浅くしている。

透光性部材９は、励起光源３側の大径の孔部７ｄの段差面７ｋに接着剤で固定されている。接着剤１３は耐熱性や耐光性に比較的強いシリコーン系の樹脂を使った。本発明の実施形態ではジメチル系シリコーン樹脂を使用した。また、ジメチル系シリコーン樹脂より性能は落ちるが、エポキシ樹脂より耐光性や耐熱性の高い脂環式エポキシ樹脂やフェノール系シリコーン樹脂を使用してもよい。接着剤は透明でもよいが、散乱材の混ざった透光性のものや８５％以上と高反射の白樹脂を使えば、透光性部材９で後方散乱した励起光を反射し吸収しにくくなるため、接着剤の変質防止に役立つ。接着剤は吐出量を精度良く制御できるディスペンサー１５で塗布した。

図３の（ａ）のように、ディスペンサー１５で透光性部材９と大径の孔部７ｄの段差面７ｋが接触する接着面１４のほぼ中間位置に、透光性部材９の相似形の概ね線状（図示せず）に接着剤１３を塗布する。接着材量は透光性部材９と接着面１４に必要な量よりも多めで、本実施の形態では５割増しの１．５倍過剰に塗布した。貫通孔７はＡｇ、Ａｌもしくはこれらを含む合金の反射膜が形成されている（図示せず）。中径の孔部７ｃの直径は、励起光漏れや入射効率を考えて、透光性部材９のサイズより小さくしている。本実施形態の小径の孔部７ａの直径はΦ２００μｍとしているが、透光性部材９の短辺の長さ４００μｍより小さいΦ１００μｍ〜Φ３００μｍを適宜選ぶことも可能である。中径の孔部７ｃの直径は、小径の孔部７ａより大きく透光性部材９より小さくする必要があるため、４００μｍ未満になる。本発明の実施の形態では、透光性部材９と接着面１４との接触面積をできるだけ取れるように小径の孔部７ａより２５％増しのΦ２５０μｍとした。接着剤の厚みは約１０μｍになるように透光性部材９の押し圧を調節した。小径の孔部７ａの深さは５００μｍとしている。

図３の（ｂ）のように、透光性部材９を載せ、透光性部材９の接触する面全体に接着剤１３が均一な厚みで行き渡るように、透光性部材９の上から荷重を加える。透光性部材９は、大径の孔部７ｃの段差面７ｋに接着剤で固着される。

図３の（ｃ）のように、大径の孔部７ｄの段差面７ｋからはみ出した接着剤１３ｂは、励起光源３側の透光性部材９の底面２０へ伝い流れると同時に、中径の孔部７ｃの壁面７ｊおよび丸面状の角部７ｅへ流れ溜まっていく。接着面１４と透光性部材９との１０μｍ程度の狭い隙間から中径の孔部７ｃの５０μｍ以上の広い空間へ流れると接着剤の速度は急激に遅くなる。はみ出した接着剤は、中径の孔部７ｃの壁面７ｊと丸面状の角部７ｅへ流れ、孔部７ｃの段差面に溜まっていくが、はみ出す分がなくなれば接着剤１３ｂの流れも止まる。その際もう一方の励起光源３側の透光性部材９の底面２０に沿ってはみ出した接着剤も光軸Ａの方向へ動くが、こちらもはみ出す分がなくなればその流れも止まる。すなわち、中径の孔部の領域内にはみ出した接着剤を留めるためには、接着剤の量と中径の孔部７ｃの段差面７ｈ上の空間体積と接着剤の粘度とを適宜調整することで、小径の孔部７ａに接着剤がはみ出すことを防止できる。

表１は、はみ出し接着剤１３ｂの量に対して必要な中径の孔部７ｃのサイズをシミュレーションした結果である。数１に示すとおり、透光性部材９や中径の孔部７ｃや小径の孔部７ａのサイズから必要な接着剤量を計算した。数２に示すとおり、設定した塗布接着剤１３の割り増し倍数から塗布接着量を計算し、数３より中径の孔部７ｃへのはみ出し量を計算した。ただし、はみ出し量は、中径の孔部７ｃ以外に矩形状の透光性部材９の周囲にもはみ出すため、数３ではその孔部７ｃへはみ出す量を全体の半分としている。数４に示すとおり、中径の孔部７ｃの深さを設定して、はみ出し許容度、すなわち、はみ出した接着剤１３ｂをその孔部７ｃにどれだけ溜めることが可能かを計算した。数５に示すとおり、中径の孔部７ｃに接着剤１３ｂのない空きスペース８がどれだけあるかを計算した。製造バラツキを考慮して空きスペース８が３０％以上ある場合を「○」とし、３０％未満を「×」とした。

表１に示すとおり、本発明では１．５倍の割り増し倍数で接着剤１３を過剰に塗布した場合や、小径の孔部７ａの直径をΦ３００μｍと大きくした場合でも、中径の孔部７ｃの深さは５０μｍあれば、はみ出した接着剤１３ｂを余裕で溜めることができ、小径の孔部７ａへはみ出すことを防止できることがわかった。また、２倍の割り増し倍数で接着剤を過剰に塗布した場合や、小径の孔部７ａの直径をΦ１００μｍとした場合でも、中径の孔部７ｃの深さは１００μｍあれば、接着剤１３ｂのない空きスペース８を３０％以上確保できることがわかった。

本発明の実施形態では、中径の孔部７ｃの深さを５０μｍ以上、小径の孔部７ａの直径よりも２５％増しのΦ２５０μｍで形成しているため、励起光源３側の透光性部材９の底面と中径の孔部７ｃの段差面とは離間した構造となっている。これにより、中径の孔部７ｃと小径の孔部７ａとの間で３０％以上の接着剤１３ｂのない空きスペースを確保することができるため、高密度な励起光１７に接着剤１３ｂは曝されず済み変質する懸念もない。

本発明の実施形態の接着剤１３の粘度は３Ｐａ・ｓのものを使用したが、１〜１０Ｐａ・ｓであってもよい。接着剤１３の硬化は恒温槽に第１のホルダーをセットし、１５０℃×４時間で硬化させた。第１の実施の形態の場合、１Ｐａ・ｓ未満の低い粘度の接着剤を使うと、小径の孔部７ａに流れ接着剤がはみ出す可能性が出てくるため注意が必要である。

図３（ｄ）のように、透光性部材９の側面部の周囲に光反射部材１０を形成している。光反射部材１０は、酸化チタン、硫酸バリウムもしくは酸化亜鉛など高屈折率なサブミクロンサイズの粒子をシリコーン樹脂に混ぜて作製した白色樹脂を使用しており、ディスペンサーなどの吐出機で透光性部材９の周囲を埋め、その後加熱し硬化させた。この光反射部材１０は、透光性部材９の側面から漏れる励起光や波長変換光を８５％以上反射し、透光性部材９の直上の方へ混色光の指向性を狭くすることができため、輝度向上を図ることができる。

図２に示すとおり、第１の実施の形態の中径の孔部７ｃの角部７ｅは丸面状で、丸み面取り加工がされている。丸み面取り以外に４５度のＣ面取りやそれ以外の角度の面取りで角部が直角にならないようにした。大径の孔部７ｄの段差面７ｋからはみ出した接着剤１３ｂは中径の孔部７ｃの壁面７ｊと丸面状の角部７ｅとに流れるが、角部７ｅを丸面にしていることにより、接着剤１３ｂが壁面７ｊから段差面７ｈに流れ易くなり、はみ出た接着剤１３ｂと、中径の孔部７ｃの壁面７ｊや角部７ｆや段差面７ｈとの間に空乏部が発生しない密着状態になる。これにより、はみ出した接着剤１３ｂの放熱経路を確保することができ、透光性部材９の励起によって発生する熱で接着剤が変質することを防ぐことができる。

図４に示す第２の実施の形態における中径の孔部７ｃの角部７ｆは、ほぼ直角に加工されている。この場合、接着面１４からはみ出した接着剤１３ｂのほとんどは孔部７ｃの壁面７ｊと直角な角部７ｆに流れ溜まるが、塗布した接着剤量や透光性部材９の押さえ方や塗布位置によってはみ出す接着剤１３ｂの勢いが変化し、垂直に流れ落ちず、直角な角部７ｆに空乏部２１が発生する懸念がある。この空乏部２１は、はみ出した接着剤１３ｂの放熱性を低下させ、透光性部材９が励起によって発生する熱で接着剤が変質させる可能性がある。以上のことから、小径の孔部まで接着剤がはみ出すことはないので、中径の孔部７ｃの角部７ｅは、直角でもよいが、好ましくは面取りした角部の方がよい。面取りによって、ホルダーの貫通孔加工時にできるバリも除去できるという利点もある。

図５に示すとおり、第３の実施の形態の中径の孔部７ｃの角部７ｇは窪みをもたせており、小径の孔部７ａと中径の孔部７ｃの境界部７ｂはその窪みより励起光源と反対側へ高くなっている。接着面１４からはみ出した接着剤は中径の孔部７ｃの壁面７ｊを伝い窪んみ７ｇに流れ溜まる。角部７ｅは丸みを帯びているため空乏部２１ができることなく、該境界部７ｂの位置はその窪み７ｇより励起光源３の反対側へ高くなっているため、溜まった接着剤１３ｂが小径の孔部７ａまで移動しにくくなっている。これにより、はみ出した接着剤１３ｂは、高密度な励起光に曝さらされず、空乏部もできないため、変質することはない。

図１４に示す比較例では中径の孔部７ｃの段差面７ｈは、小径の孔部７ａに向かうほど励起光源３側へ傾斜した構造になっている。この構造の場合、塗布量をできるだけ少なくし、塗布位置を高精度に管理した方がよいが、その段差面７ｈが傾斜しているため、大径の孔部７ｄの段差面７ｋからはみ出した接着剤１３ｂは、中径の孔部７ｃの段差面７ｈに沿って流れていき小径の孔７ａにはみ出る恐れがある。その場合は、高密度の励起光１７が溜まった接着剤１３ｃに当たる可能性が出てくるため、接着剤１３ｃが変質し、励起光の透光性部材９への入射効率を低下させる原因になる。また、比較例に限ったことではないが、塗布量を過剰に塗布できなければ、透光性部材９と大径の孔部７ｄの段差面７ｋの間に接着剤１３ａが十分行き渡らず接着層に空乏部２１ができ、透光性部材９の放熱性が悪くもなる。
このことから、第１から第３の実施の形態における中径の孔部７ｃの段差面７ｈは、光軸Ａに対して垂直面か、もしくは光軸Ａに向かって励起光源３と反対側の方へ傾けた方がよい。

図６に第１の実施の形態における励起光の光線イメージを示す。集光レンズ４で集光した高密度な励起光１７の焦点１８は、励起光源３側の透光性部材９の近くに位置しており、一度集光した励起光１７は発散しながら透光性部材９の底面２０に入射する。はみ出した接着剤１３ｂの範囲は小径の孔部７ａの領域内に入ることはないため、励起光が接着剤１３ｂに当たることもない。
第２および第３の実施の形態も同様である。焦点を透光性部材９の直下もしくは透光性部材９の中に置いてもよいが、その場合、入射光の強度分布が急峻になり、外部に放射される混色光の色ムラを大きくするため、焦点はできるだけ透光性部材９から離して置くようにした方がよい。

図７は、本発明の第４の実施の形態で、透光性部材９の励起光源３側の底面２０を粗面状にした半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図である。

図７の示すとおり、透光性部材９の励起光源３側の底面２０内、すなわち、少なくとも小径の孔部７ａに対向する領域と、前記大径の孔部７ｄの段差面７ｋに対向する領域の間が、粗面状に加工されている。その粗面部１６ａと大径の孔部７ｄの段差面７ｋとが重なる面は接着剤１３を介して固着させている。粗面処理はサンドブラスト法で行い、平均粗さ（Ｒａ）が２μｍになるように研磨粒の粒径を選んだ。接着剤１３の粘度にもよるが、Ｒａは０．３〜１０μｍの範囲から適宜選んだ。ただし、Ｒａが低すぎるとはみ出た接着剤の勢いを抑える抵抗力が弱まり、はみ出る範囲にバラツキが出てくる。逆にＲａが高すぎると凹凸部に空乏部が発生し易くなり、励起した際発生する透光性部材９の熱引きを悪化させる原因になる。以上のことを考慮すると、バラツキを抑えつつ、空乏部を発生させないＲａの範囲は０．５〜５μｍが好ましい。粗面部１６ａの範囲は、粗面処理費用を安価にするために、マスクを使わずに透光性部材９の底面２０全体をサンドブラスト処理した方がよい。しかし、透光性部材９の端部まで粗面処理された場合、その凹凸部がクラックを誘発する恐れがあるため、大径の孔部７ｄの段差面７ｋに対向する透光性部材９の底面２０の端部は粗面処理せず平坦な方がよい。

透光性部材９の接着工程において、大径の孔部７ｄの段差面７ｋからはみ出した接着剤１３ｂは、大径の孔部７ｄの段差面７ｋと中径の孔部７ｃの段差面７ｈが離間しているため、勢いが減りつつ透光性部材９に伝い流れるが、透光性部材９の粗面部１６ａが抵抗となって接着剤１３ｂの動きはさらに減速され止まりやすくなる。これにより、第１の実施の形態の粗面のない透光性部材９と比べて、接着剤１３ｂがはみ出る範囲を小さくすることができる。すなわち、その粗面部１６ａは接着剤のはみ出し範囲や量を制御し、製造バラツキを抑えることが可能になる。

第４の実施の形態における透光部材９の粗面部１６ａは、粗面のない第１の実施の形態に比べて、入射する励起光１７を散乱し広げているため、透光性部材９から外部へ放出される混色光の色ムラを改善することができる。

図８は、第５の実施の形態で、透光性部材９の励起光源３側の底面２０において、小径の孔部７ａと対向する領域と、中径の孔部７ｃの段差面７ｈと対向する領域内とを粗面状にした半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図である。

図８に示すとおり、透光性部材９の底面２０において、粗面処理のない平坦部分は大径の孔部７ｄの段差面７ｋに対向する領域である。部分粗面部１６ｂは、小径の孔部７ａと対向する領域と、中径の孔部７ｃの段差面７ｈと対向する領域内、すなわち、中径の孔部７ｃと対向する領域内である。部分粗面方法は、フォトリソグラフィー法にて平坦部にしたい大径の孔部７ｄの段差面７ｋに対向する部分のみレジストなどでマスクし、サンドブラスト法にて透光性部材９の露出した部分のみを研磨粒で凹凸処理し、マスクを除去すれば、所望の部分だけを粗面状にすることができる。これにより、接着剤を介して大径の孔部７ｄと重なる透光性部材９の底面の領域、すなわち、接着層１３ａに相当する領域は平坦になっている。ところで、第４の実施の形態において、接着層１３ａに相当する透光性部材９の底面は凹凸状になっているため、空乏部が発生する懸念がある。これに対して第５の実施の形態は接着層１３ａに相当する透光性部材９の部分が平坦のままのため、接着剤は行き渡りやすく接着層１３ａに空乏部が発生する懸念はなくなり、半導体発光装置１の放熱性を確保できる。

第５の実施の形態における円状の粗面部分１６ｂのサイズは、中径の孔部７ｃの口径と同じく光軸Ａを中心にΦ２５０μｍとした。これは、透光性部材９の接着面１４相当の部分の平坦性を確保できるサイズであり、上限値になる。また、はみ出た接着剤１３ｂが小径の孔部７ａまで流れない下限のサイズは、中径の孔部７ｃの口径と小径の孔部７ａの口径との間の中間のΦ２２５μｍとしている。

図９は、第６の実施の形態で、透光性部材９の励起光源３側の底面２０において、中径の孔部７ｃの段差面７ｈと対向する領域を粗面状にした半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図である。

図９に示すとおり、励起光源３側の透光性部材９の底面において、大径の孔部７ｄの段差面７ｋに対向する領域と、小径の孔部７ａと対向する領域とは粗面処理されていない平坦な状態とした。部分粗面１６ｃは、中径の孔部７ｃの段差面７ｈと対向する領域内のみとした。これにより、はみ出した接着剤１６ｂが粗面領域１６ｃに浸入した時、粗面部分で勢いが減少した後、粗面の凹凸部から平坦部を乗り越える際発生する表面張力で接着剤１６ｂの動きは完全に止まめることができる。第６の実施の形態は、第１から第５の実施の形態に比べて、さらにはみ出す範囲を制御することが可能になり、接着剤の変質を防止できること以外に、製造バラツキのない半導体発光装置１を作ることができる。

粗面処理方法は第５の実施の形態と同様に、フォトリソグラフィー法、サンドブラスト法およびマスク除去で部分粗面１６ｃを形成した。

第６の実施の形態における回転体状の部分粗面１６ｃのサイズは、光軸Ａを中心に外周がΦ２５０μｍで、内周がΦ２２５μｍとしている。その外周の上限サイズは中径の孔部７ｃの口径に相当している。これは、大径の孔部７ｄの段差面７ｋに対向する透光性部材９の底面２０の平坦性を残し、接着性の確保や接着層１３ａに空乏部の発生を防止するためである。その外周の下限サイズは、粗面処理のフォトリソグラフィー精度や透光性部材のダイボンド精度のレベルの２０μｍ以内でよいが、接着面１４からはみ出した接着剤に粗面の凹凸が抵抗に浸入してすぐに減速できるように、できるだけ中径の孔部７ｃの外周サイズに近い１０μｍ以内の方が好ましい。部分粗面１６ｃの内周は、はみ出た接着剤１３ｂが小径の孔部７ａまで流れないように、上限サイズは中径の孔部７ｃのサイズと小径の孔部のサイズの中間のΦ２２５μｍとした。ただ、第６の実施の形態は接着剤１３ｂを止める能力が高く、部分粗面１６ｃの下限サイズは小径の孔部７ａから５μｍ程度離れていればはみ出した接着剤１３ｂを止めることができるため、小径の孔部７ａのサイズがΦ２００μｍであれば内周の下限サイズはΦ２０５μｍとなる。

図１０は、回転体状の部分粗面１６ｃの形状のバリエーションを示している。図１０（ａ）は円柱状の透光性部材９の中心、すなわち、光軸Ａを中心として同心円状に部分粗面１６ｃが形成されている。図１０（ｂ）は、本発明の実施の形態のパターンと同じだが、矩形の透光性部材９の光軸Ａが通る点を中心に、同心円状に部分粗面１６ｃを形成している。図１０（ｃ）は、入射する励起光１７が楕円状の場合、小径の孔部７ａの形状も楕円の方が入射効率は高くなるため、矩形の透光性部材９の光軸Ａが通る点を中心に、楕円状の部分粗面１６ｃを同心円状に形成している。図１０（ｄ）は、部分粗面された中径の孔部７ｃの段差面７ｈと対向する領域１６ｃ以外に、小径の孔部７ａと対向する領域内１６ｄも粗面処理している。この２つの粗面処理された領域は平坦部を介して離れて形成されている。小径の孔部７ａと対向する粗面部分１６ｄのサイズは、小径の孔部７ａの口径とほぼ同じにしている。これは、入射した励起光を全て散乱させて、外部へ放射する混色光の色ムラを改善するためである。中径の孔部７ｃに対向する粗面部分１６ｃのサイズは、外周が中径の孔部７ｃのほぼ同じ口径であり、内周が小径の孔部と中径の孔部の口径のほぼ中間としている。

第４から第６の実施の形態のように透光性部材９に粗面処理した場合、粗面処理していない実施形態に比べて接着剤の流れを止めやすくなるため、接着剤１３の粘度はもっと低くいものでもよく、下限を０．５Ｐａ・ｓまで低くすることができる。
また、透光性部材９の底面が粗面処理されていれば、図１４に示すような中径の孔部７ｃの段差面７ｈが励起光源側へ傾いていても接着剤１３ｂの流れを止められるため、孔部の加工精度（−１０度以内）程度の傾きがあっても、小径の孔部７ａまで接着剤１３ｂがはみ出ることはない。

第４から第６の実施の形態において、透光性部材９の底面２０に粗面処理を施しているが、中径の孔部７ｃの壁面７ｊや角部７ｅや段差面７ｈの少なくとも一つに粗面処理を施してもよい。これにより、はみ出した接着剤１３ｂが広がる範囲を制御することが可能になるが、中径の孔部７ｃが凹凸状になることで空乏部が発生する可能性が出てくるため、放熱性を確実に確保したい場合、粗面処理は段差面７ｈのみか、未処理の方が好ましい。

図１１は、第７の実施の形態で、励起光源３側から順に透光性部材９が、散乱プレートと蛍光体プレートが積層された半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図である。

図１１に示すとおり、透光性部材９は散乱プレート９ｂと蛍光体プレート９ａとを組合せてもよい。拡散プレート９ｂは散乱材となる２５ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃粒子を母体のガラスに混ぜて板状に成型したものを使用した（厚み４００μｍ）。蛍光体プレート９ａは第１の実施の形態で記載したものと同様の組成のものを用いた。厚み８０μｍとした以外の形状やサイズは第１の実施の形態と同じとした。透光性散乱材であるＡｌ₂Ｏ₃粒子を母体となるガラスに混ぜている。散乱材は他にもＴｉＯ₂など母体となる材料よりも高屈折率であればよい。散乱材の濃度は２５ｗｔ％としたが、蛍光体プレートから外部に放出する混色光の色度や色ムラを調整するために、拡散プレート９ｂの散乱材濃度や厚みや、蛍光体プレートの蛍光体濃度やサイズを適宜変更する必要があることは言うまでもない。

第７の実施の形態では、蛍光体プレートに直接励起光を入射する場合に比べて、散乱プレートに入射した励起光は散乱により広がり、入射強度がなだらかな分布になり蛍光体プレートから外部へ出射する混色光の色ムラを低減する。さらに第４、５の実施の形態は散乱プレートの入射部が粗面化されるため、励起光は粗面部と散乱プレートとの２段階で広がり、第１、２、３、６の実施の形態の半導体発光装置に比べて、蛍光体プレートに照射される励起光の入射強度の面内分布はより一層均一になり、外部へ出射する混色光の色ムラをさらに改善することが可能になる。

図１２は、第８の実施の形態で、大径の孔部７ｄを平坦化し、透光性部材９の側面部が光反射部材１０で囲まれている半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図である。

図１２に示すとおり、第１の実施の形態にあった大径の孔部７ｄの壁面７ｉをなくすことで平坦化している。その壁面７ｉの代わりにダム材１９を透光性部材９の周囲に形成し、その後光反射部材１０の白樹脂を一定量注入すれば、大径の孔部７ｄは別段なくとも光反射部材１０を形成することができる。ダム材１９は、透光性部材９の高さ近くまで形成するために高粘度な樹脂の方がよく、透光性のものでもよいが拡散反射性のある白樹脂の方が好ましい。

図１３は、第９の実施の形態で、透光性部材９の底面２０に凹部２２を形成した半導体発光装置１の貫通孔７付近の拡大図である。

図１３に示すとおり、第１の実施の形態にあった貫通孔７に形成していた中径の孔部７ｃをなくし、それに代わって透光性部材９の底面２０に凹部２２を形成している。励起光源からの入射光は凹部２２の段差面に照射される。その凹部２２の口径は、小径の孔部７ａより大きく、大径の孔部７ｄより小さい。凹部２２の深さは、小径の孔部７ａより浅い。また、凹部２２は、空きスペースが３０％以上できる深さと口径を確保しており、本実施の形態では、第１の実施の形態と同じ寸法で成型加工している。これにより、接着層１６ａから凹部にはみ出した接着剤１３ｂが小径の孔部７ａまで到達することはない。

第９の実施の形態は粗面処理を施していないが、凹部２２を粗面処理することによって、はみ出した接着剤の動きの制御や入射光の散乱性向上が可能になる。また、中径の孔部７ｃの段差面７ｈのない本実施の形態は、はみ出した接着剤１３ｂが凹部２２に溜まりにくいため、大径の孔部７ｄの段差面７ｉに粗面処理を施すことによって、はみ出した接着剤１３ｂの動きを止め易くすることが可能になる。

透光性部材９が散乱プレートと蛍光体プレートから構成されている場合、凹部２２は散乱プレート側に形成される。

１…半導体発光装置、２…半導体発光素子、３…励起光源、４…集光レンズ、５…給電部、６…第１のホルダー、７…貫通孔、８…空きスペース、９…透光性部材、１０…光反射部材、１１…第２のホルダー、１２…第３のホルダー、１３…接着剤、１４…接着面、１５…ディスペンサー、１６…粗面部分、１７…励起光、１８…焦点、１９…ダム材、２０…透光性部材の底面、２１…空乏部、２２…透光性部材の凹部

Claims (10)

1. 半導体発光素子を備えた励起光源と、前記励起光源から出射された励起光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された励起光が通る貫通孔とを設けたホルダー部と、
   前記貫通孔を通過した励起光を波長変換する透光性部材とを備え、
   前記貫通孔は前記励起光源側から順に小径の孔部と中径の孔部と大径の孔部が段差を有して繋がって形成され、
   前記小径の孔部の口径は前記中径の孔部の口径より小さく、前記中径の孔部の口径は前記大径の孔部の口径より小さくなっており、
   前記透光性部材は、前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面に接着剤を介して前記貫通孔を覆って固定され、
   当該透光性部材における前記励起光源側の底面と前記中径の孔部における前記励起光源側の段差面との間の距離は、前記透光性部材における前記励起光源側の底面と前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面との間の距離よりも離間していることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の底面は、少なくとも前記小径の孔部に対向する領域と、前記大径の孔部の段差面に対向する領域の間が、粗面状になっていることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の底面は、前記小径の孔部と対向する領域と、前記中径の孔部の段差面と対向する領域内が局部的に粗面状になっていることを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項３に記載の発明において、前記小径の孔部と対向する粗面領域と、前記中径の孔部の段差面と対向する粗面領域は、平坦部を介して離れていることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項１から請求項４に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の底面は、前記中径の孔部の段差面と対向する領域内が局部的に粗面状になっていることを特徴とする半導体発光装置。
6. 半導体発光素子を備えた励起光源と、前記励起光源から出射された励起光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで集光された励起光が通る貫通孔とを設けたホルダー部と、
   前記貫通孔を通過した励起光を波長変換する透光性部材とを備え、
   前記貫通孔は前記励起光源側から順に小径の孔部と大径の孔部が段差を有して繋がって形成され、
   前記透光性部材における前記励起光源側の底面には、凹部が形成されており、
   前記小径の孔部の口径は前記凹部の口径より小さく、前記凹部の口径は前記大径の孔部の口径より小さくなっており、
   前記透光性部材は、前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面に接着剤を介して前記貫通孔を覆って固定され、
   当該透光性部材における前記励起光源側の凹部の段差面と前記大径の孔部における前記励起光源側の段差面との間の距離は、前記透光性部材における前記励起光源側の底面と前記大径の孔部内における前記励起光源側の段差面との間の距離よりも離間していることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項６に記載の発明において、前記透光性部材における前記励起光源側の凹部の段差面は、粗面状になっていることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の発明において、前記大径の孔部における前記励起光源側の段差面は、前記透光性部材における前記励起光源側の凹部に対向する領域内が粗面状になっていることを特徴とする半導体発光装置。
9. 請求項１から請求項８に記載の発明において、前記透光性部材は、前記励起光源側から順に散乱プレートと蛍光体プレートが積層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から請求項９に記載の発明において、前記大径の孔部は平坦であり、透光性部材の側面部は光反射部材で覆われ囲まれていることを特徴とする半導体発光装置。

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