JP2015041722A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂と基板の剥離を防止できる半導体発光装置を提供する
【解決手段】半導体発光装置10は、半導体発光素子11と、中央部に半導体発光素子11が載置され、外周部に半導体発光素子11を取り囲むように上部が下部より狭い開口12aを有する基板12と、半導体発光素子11を覆い、開口12aを満たす透光性の樹脂13と、を具備する。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。
従来、照明用の白色光を放出する半導体発光装置が知られている。半導体発光素子は放熱性を向上させるためにセラミックス基板に載置されている。半導体発光素子には蛍光体が塗布されている。半導体発光素子はドーム状の透明樹脂で覆われている。
半導体発光素子は通電により大量の熱を発生する。透明樹脂の熱膨張係数はセラミックス基板の熱膨張係数より大きいので、セラミックス基板と透明樹脂の熱膨張係数の差に応じて、セラミックス基板と透明樹脂の界面に応力が発生する。
応力がセラミックス基板と透明樹脂の密着力を超えると、透明樹脂がセラミックス基板から剥離し、隙間が生じる。その結果、隙間から水分や汚染物質が侵入し、半導体発光装置の信頼性が損なわれる問題がある。
特開2001−127345号公報
樹脂と基板の剥離を防止できる半導体発光装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、半導体発光装置は、半導体発光素子と、中央部に前記半導体発光素子が載置され、外周部に前記半導体発光素子を取り囲むように上部が下部より狭い開口を有する基板と、前記半導体発光素子を覆い、前記開口を満たす透光性の樹脂と、を具備している。
実施形態に係る半導体発光装置を示す図で、図1(a)はその平面図、図1(b)はA−A線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。 実施形態に係る半導体発光装置の効果を比較例と対比して示す図で、図2(a)は本実施形態を示す図、図2(b)は比較例を示す図。 実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を順に示す断面図。 実施形態に係る半導体発光装置の製造工程を順に示す断面図。 実施形態に係る半導体発光装置の別の基板を示す平面図。 実施形態に係る半導体発光装置の別の基板を示す平面図。 実施形態に係る別の半導体発光装置を示す断面図。 実施形態に係る別の半導体発光装置を示す断面図。 実施形態に係る別の半導体発光装置を示す断面図。 実施形態に係る別の半導体発光装置を示す断面図。 実施形態に係る別の半導体発光装置を示す断面図。
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。
(実施形態)
本実施形態に係る半導体発光装置について図1および図2を用いて説明する。図1は本実施形態の半導体発光装置を示す図で、図1(a)はその平面図、図1(b)はA−A線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
本実施形態の半導体発光装置は、青色光を放出する窒化物半導体発光素子に青色光を吸収して黄色光を放出する蛍光体を塗布し、蛍光体が塗布された窒化物半導体発光素子をドーム状の透光性樹脂でモールドした半導体発光装置である。
図1に示すように、本実施形態の半導体発光装置10では、半導体発光素子11が基板12の中央部に載置されている。基板12は外周部に半導体発光素子11を取り囲むように上部が下部より狭い開口12aを有している。ドーム状の透光性の樹脂13が基板12上に半導体発光素子11を覆い、開口12aを満たすように設けられている。
基板12は基板14、15、16、17が順に積層された積層基板である。基板14、15、16、17は、例えばサイズが3乃至5mmで、矩形状のセラミックス基板である。
半導体発光素子11は、例えばサイズが1乃至2mmで、400乃至480nmにピーク波長を有する青色光を放射するGaN系半導体発光素子である。半導体発光素子11では、サファイア基板にN型GaNクラッド層と、InGaN井戸層とGaN障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を含む半導体発光層と、P型GaNクラッド層と、P型GaNコンタクト層が順に積層されている。P型GaNコンタクト層上にp電極(図示せず)が設けられている。N型GaNクラッド層を露出する切り欠き部(図示せず)にn電極(図示せず)が設けられている。
半導体発光素子11は、基板12の最上層の基板17に、例えば銀ペーストにより接合されている。半導体発光素子11と樹脂13との間には、半導体発光素子11が放出する光を吸収してより長いピーク波長を有する光を放出する蛍光体(図示せず)が設けられている。蛍光体は、例えば半導体発光素子11の上面に設けられている。
半導体発光素子11を取り囲み上部が下部より狭い開口12aを構成するように、最上層の基板17は開口17a(第1の開口)を有し、最上層の基板17の直下の基板16は開口17aより大きい開口16a(第2の開口)を有している。開口17aはリング状である。開口16aは開口17aと同心のリング状である。
基板17の開口17aのエッジから開口16aのエッジまでの部分は、開口16a上に庇状に突出している。開口16aに露出した基板15の上面、開口16aの内側面および基板17の開口16a上に庇状に突出した部分によって、上部が下部より狭い開口12aが構成されている。
半導体発光素子11と開口12aとの間に基板12を貫通するビア18a、18bが設けられている。ビア18aの一端は半導体発光素子11p電極にワイヤ19aを介して電気的に接続されている。ビア18bの一端は半導体発光素子11のn電極にワイヤ19bを介して電気的に接続されている。
ビア18aの他端は最下層の基板14に設けられた電極20aに接続されている。ビア18bの他端は最下層の基板14に設けられた電極20bに接続されている。電極20aはアノード電極、電極20bはカソード電極である。
最下層の基板14は最下層の基板14の直上の基板15より小さい。基板14のエッジと基板15の基板14より外側の部分とにより段差21が生じている。電極20aはビア18aの他端から段差21に沿って基板15の一方のエッジまで延在している。同様に、電極20bはビア18bの他端から段差21に沿って基板15の他方のエッジまで延在している。段差21は、半導体発光装置10をプリント配線基板等にハンダ付けする際に、ハンダフィレットが十分に形成されるように設けられている。
樹脂13は、例えば半球状のシリコーン樹脂である。半導体発光素子11は半球の略中心に配置されている。半導体発光素子11を点光源で近似する。半導体発光素子11から放出された光は半球に垂直に入射するので、半球と空気の界面で全反射されることなく外部に放出される。
本実施形態では、基板12の外周部に半導体発光素子11を取り囲むように設けられ上部が下部より狭い開口12aは、樹脂13が基板12から剥離するのを防止するためのアンカーとしての機能を果たしている。
図2は半導体発光装置10の効果を比較例と対比して示す図で、図2(a)は本実施形態を示す図、図2(b)は比較例を示す図である。始めに、比較例について説明する。図2(b)に示すように、比較例の半導体発光装置30では、基板31は中央部に上部か下部より狭い開口31aを有している。半導体発光素子11は開口31aに載置されている。樹脂13は半導体発光素子11を覆い、開口31aを満たしている。基板31は基板12と同じ材質である。
半導体発光素子11を点灯させると、半導体発光素子11は通電によるジュール損により発熱し、樹脂13および基板31の温度が上昇する。樹脂13および基板31はそれぞれの熱膨張係数に応じて膨張する。
一般に樹脂13の熱膨張係数は基板31の熱膨張係数より2桁程度大きい。シリコーン樹脂の熱膨張係数は、例えは4E−4/K程度である。セラミックス基板の熱膨張係数は、例えばアルミナ基板で7E−6/K程度である。樹脂13と基板31の熱膨張係数の差に応じて樹脂13と基板31の界面に応力が発生する。
この状態から半導体発光素子11を消灯すると、半導体発光素子11の発熱がとまり、樹脂13および基板31の温度も雰囲気温度に低下し始める。樹脂13および基板31はそれぞれの熱膨張係数に応じて収縮し始める。樹脂13は樹脂13の重心32に向かって収縮する。樹脂13の重心32に向かう収縮力は樹脂13を基板31から引き剥がす方向に働く。
樹脂13の収縮力は重心32からの距離に依存する。樹脂31の外周から重心32に向かう収縮力F1は樹脂13の中央部から重心32に向かう収縮力F2より大きい。収縮力F1、F2が樹脂13と基板31の密着力を超えると樹脂13が剥離する。収縮力F1は収縮力F2より大きいので、中央部より外周部が先に剥離する確率が高い。
比較例の半導体発光装置30では、基板31の中央部に設けられた上部か下部より狭い開口31aがアンカーとなり、中央部における樹脂13と基板31の密着力が向上している。然しながら、基板31の外周部にアンカーとなる上部か下部より狭い開口が設けられていないので、外周部における樹脂13と基板31の密着力は向上しない。
収縮力F1が樹脂13と基板31の密着力を超えると外周部の樹脂13が基板31から剥離し、隙間33が発生する。隙間33から水分や硫化物等が侵入すると、電極金属の劣化、光取出し効率の低下等の問題が生じる。
更に、開口31aは、半導体発光素子11に近いので、半導体発光素子11の発熱による開口31aにおける樹脂13および基板31の温度上昇が大きい。温度上昇は開口31aと半導体発光素子11の距離、基板31および樹脂13の熱伝導率に依存する。従って、半導体発光装置30の点灯、消灯に伴う熱疲労の蓄積が、開口31aにおける樹脂13と基板31の密着力を徐々に低下させる問題がある。
一方、図2(a)に示すように、本実施形態の半導体発光装置10では、基板12の外周部にアンカーとなる上部が下部より狭い開口12aが設けられているので、外周部における樹脂13と基板12の密着力が向上している。その結果、樹脂13が基板12から剥離するのを防止することが可能である。
更に、開口12aは、半導体発光素子11と離れているので、半導体発光素子11の発熱による開口12aにおける樹脂13および基板12の温度上昇が小さい。従って、半導体発光装置10の点灯、消灯に伴う熱疲労の蓄積が、開口12aにおける樹脂13と基板12の密着力を徐々に低下させるのを抑制することが可能である。
次に、本実施形態の半導体発光装置10の製造方法について説明する。図3および図4は半導体発光装置10の製造工程を順に示す断面図である。
図3(a)に示すように、予め基板14乃至基板17を用意する。基板14、15は矩形状の板である。基板16はリング状の開口16aを有しているので、円形状の板と円孔を有する矩形状の板の2つのピースからなっている。基板17についても同様である。基板14乃至基板17はそれぞれビア18a、18bを形成するための貫通孔を有している。
ビア18a、18b用の貫通孔の位置合わせしながら、基板14乃至基板17を順に接着剤により貼り付ける。これにより、ビア18a、18b用の貫通孔41a、41b、上部か下部より狭い開口12a、および段差21を有する基板12が得られる。
図3(b)に示すように、基板12に、例えばニッケル/金のメッキを施す。これにより、ビア18a、18b、電極20a、20b、半導体発光素子11を載置するためのダイパッド42、ワイヤ19a、19bを接合するためのボンディングパッド43a、43bを形成する。
図3(c)に示すように、銀ペーストを用いてダイパッド42に半導体発光素子11を接合する。半導体発光素子11のp電極とボンディングパッド43aにワイヤ19aをボンディングする。半導体発光素子11のn電極とボンディングパッド43bにワイヤ19bをボンディングする。
図4(a)に示すように、例えば半導体発光素子11を収納可能なドーム状の凹部44aを有する金型44を用意する。金型44の凹部44aに、ディスペンサー(図示せず)を用いて液状の樹脂45を注入する。基板12を反転して、半導体発光素子11を金型44の凹部44aに収納し、樹脂45を所定の温度でキュアする。
図4(b)に示すように、キュアされた樹脂13を金型44から引き抜く。これにより、半導体発光素子11を覆い、開口12aを満たすドーム状の樹脂13が得られる。
以上説明したように、本実施形態の半導体発光装置10では、半導体発光素子11は基板12の中央部に載置され、基板12は外周部に上部が下部より狭い開口12aを有している。ドーム状の透明な樹脂13が半導体発光素子11を覆い、開口12aを満たしている。その結果、開口12aはアンカーとなり、樹脂13と基板12の密着力が向上する。従って、樹脂と基板の剥離を防止できる半導体発光装置が得られる。
ここでは、開口12aはリング状である場合について説明したが、樹脂13と基板12が収縮力F1より大きい密着力を有していればよく、その他の形状でも構わない。図5および図6は別の開口を示す平面図である。
図5(a)に示すように、開口51はリングが4分割された弧状である。基板17に開口17aを4分割した弧状の開口17bを形成する。基板16に開口16aを4分割した弧状の開口16bを形成する。
開口16bは開口17bより大きい。リングの分割数には特に制限はない。開口51を弧状にしたことにより、基板16および基板17は、それぞれ1ピースで形成することができる。製造工程で基板16、17の位置合わせ等が容易になる利点がある。
図5(b)に示すように、開口52は円形状である。円形状の開口52がリング状に配置されている。基板17に円形状の開口17cを形成する。基板16に円形状の開口16cを形成する。開口16cは開口17cより大きい。
リング状に配置する開口52の数には特に制限はない。開口52を円形状にしたことにより、基板16および基板17は、それぞれ1ピースで形成することができる。製造工程で基板16、17の位置合わせ等が容易になる利点がある。
図6(a)に示すように、開口53は開口12aと開口52を組み合わせた形状である。基板17に円形状の開口17cを形成する。基板16に開口16aを形成する。
図6(b)に示すように、開口54は開口51と開口52を組み合わせた形状である。基板17に円形状の開口17cを形成する。基板16に開口16aを4分割した弧状の開口16bを形成する。
図5および図6に示した開口51、52、53、54以外に様々な形状の開口が使用可能である。また、開口は同心状に2重に配置してもよい。
基板12が4つの基板14、15、16、17で構成されている場合について説明したが、少なくとも3つの基板で構成されていればよい。図7は3つの基板で構成された基板を有する半導体発光装置を示す断面図である。
図7に示すように、半導体発光装置60では、基板61は3つの基板14、62、17が積層された積層基板である。基板62は図1に示す基板16と同様に開口17aより大きいリング状の開口(第2の開口)を有している。基板17の開口17aのエッジから基板62の開口のエッジまでの部分は、庇状に突出している。
基板62の開口に露出した基板14の上面、基板62の開口の内側面および基板17の開口16a上に庇状に突出した部分によって、上部が下部より狭い開口61aが構成されている。
基板14は基板62より小さい。基板14のエッジと基板62の基板14より外側の部分とにより段差63が生じている。半導体発光装置60では、基板61を薄くできる利点がある。
ドーム状の樹脂13が半球の樹脂である場合について説明したが、その他の形状、例えば凸レンズでも構わない。図8は凸レンズの樹脂を有する半導体発光装置を示す断面図である。
図8に示すように、半導体発光装置70は凸レンズの樹脂71を有している。凸レンズの樹脂71は半球の樹脂13より大きいので、凸レンズの樹脂71の重心72は半球の樹脂13の重心32より基板12から遠い。
半導体発光素子11の発熱により膨張した樹脂71および基板12が収縮するとき、外周部において樹脂17を基板12から引き剥がす収縮力F3が生じる。収縮力F3は図2(a)に示す樹脂13の収縮力F1より大きい。
半導体発光装置70でも、外周部において樹脂71と基板12の剥離は発生しなかった。半導体発光装置70は、アンカーとなる開口12aにより樹脂71と基板12の密着力に十分なマージンを有していることが確かめられた。
樹脂が収縮するとき、樹脂を基板から引き剥がす力は重心から遠い樹脂のエッジで大きくなる。アンカーとなる開口は、樹脂のエッジに設けてもよい。図9は樹脂のエッジにアンカーとなる開口を有する半導体発光装置を示す断面図である。
図9に示すように、半導体発光装置80では、基板81は4つの基板14、15、82、83が積層された積層基板である。基板83は樹脂13のエッジに内接するように開口を有している。基板82は基板83の開口より大きい開口を有している。
基板83の開口のエッジから基板82の開口のエッジまでの部分は、庇状に突出している。基板82の開口に露出した基板15の上面、基板82の開口の内側面および基板83の基板82の開口上に突出した部分によって上部が下部より狭い開口81aが構成されている。
半導体発光装置80でも、外周部において樹脂13と基板81の剥離は発生しなかった。半導体発光装置80は、アンカーとなる開口81aにより樹脂13と基板81の密着力に十分なマージンを有していることが確かめられた。
半導体発光装置の基板の中央部に、図2(b)に示す上部が下部より狭い開口を設けても構わない。図10は基板の外周部および中央部に上部が下部より狭い開口を有する半導体発光装置を示す断面図である。
図10に示すように、半導体発光装置90では、基板91は3つの基板14、92、93が積層された積層基板である。基板93は中央部に円形の開口と外周部にリング状の開口(第1の開口)を有している。基板92は中央部に円形の開口と外周部にリング状の開口(第2の開口)を有している。基板92の円形の開口は基板93の円形の開口より大きい。基板14は基板92より小さい。基板14のエッジと基板92の基板14より外側の部分により段差94が生じている。
半導体発光素子11の上面に蛍光体が設けられている場合について説明したが、蛍光体は樹脂に含まれていても良い。図11は蛍光体を含有する樹脂を有する半導体発光装置を示す断面図である。
図11に示すように、半導体発光装置100では、ドーム状の樹脂101は蛍光体102を含有している。ドーム状の樹脂101は半導体発光素子11を覆い、開口12aを満たしている。
蛍光体102は、例えば青色光を吸収して黄色光を放出するYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体である。YAG蛍光体は下記の一般式で表わすことができる。
(RE1−xSm(AlGa1−y12:Ce
但し、0≦x<1、0≦y≦1、REはYおよびGdから選択される少なくとも1種の元素である。
樹脂101は、例えば青色光および黄色光に対して透光性を有するシリコーン樹脂である。樹脂101は蛍光体102を、例えば40wt%乃至50wt%程度含んでいる。
蛍光体102はYAG蛍光体に限定されない。蛍光体102は、例えばサイアロン系の赤色蛍光体、またはサイアロン系の緑色蛍光体等でも構わない。青色光と、赤色光または緑色光が混合された光を放出する半導体発光装置が得られる。
樹脂13がシリコーン樹脂である場合について説明したが、その他の透明な樹脂、例えばエポキシ樹脂でもかまわない。エポキシ樹脂の熱膨張係数は、例えば4.5乃至6.5E−5/Kである。
半導体発光素子11が400乃至480nmにピーク波長を有する青色半導体発光素子である場合について説明したが、300乃至400nmにピーク波長を有する近紫外半導体発光素子でもかまわない。近紫外半導体発光素子は、例えばAlGaN系窒化物半導体発光素子である。半導体発光素子11が近紫外半導体発光素子のときは、蛍光体はRGB蛍光体を用いる。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
なお、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 半導体発光素子と、
少なくとも3つの基板を積層してなり、中央部に前記半導体発光素子が載置され、外周部に前記半導体発光素子を取り囲み上部が下部より狭い開口を形成するように前記最上層の基板は第1の開口を有し、前記最上層の基板の直下の基板は前記第1の開口より大きい第2の開口を有する基板と、
前記半導体発光素子を覆い、前記開口を満たす透光性の樹脂と、
を具備する半導体発光装置。
(付記2) 前記樹脂は、半球状または凸レンズ状の樹脂である請求項1に記載の半導体発光装置。
(付記3) 前記半導体発光素子は、窒化物半導体発光素子である請求項1に記載の半導体発光装置。
(付記4) 前記樹脂はシリコーン樹脂またはエポキシ樹脂である請求項1に記載の半導体発光装置。
(付記5) 前記蛍光体は、YAG蛍光体である請求項1に記載の半導体発光装置。
10、30、60、70、80、90、100、110 半導体発光装置
11 半導体発光素子
12、14、15、16、17、31、61、62、81、82、83、91、92、93 基板
12a、31a、51、52、53、54、61a、81a、91a、91b 開口
13、71、101 樹脂
16a、16b、16c、17a、17b、17c 開口
18a、18b ビア
19a、19b ワイヤ
20a、20b 電極
21、63、94 段差
32、72 重心
33 隙間
41a、41b 貫通孔
42 ダイパッド
43a、43b ボンディングパッド
44 金型
44a 凹部
45 液状樹脂
102 蛍光体

Claims (8)

  1. 半導体発光素子と、
    中央部に前記半導体発光素子が載置され、外周部に前記半導体発光素子を取り囲むように上部が下部より狭い開口を有する基板と、
    前記半導体発光素子を覆い、前記開口を満たす透光性の樹脂と、
    を具備する半導体発光装置。
  2. 前記基板は少なくとも3つの基板を積層してなり、前記開口を構成するように前記最上層の基板は第1の開口を有し、前記最上層の基板の直下の基板は前記第1の開口より大きい第2の開口を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  3. 前記半導体発光素子と前記第1の開口との間に前記基板を貫通するビアが設けられ、前記ビアの一端はそれぞれ前記半導体発光素子に電気的に接続され、前記ビアの他端は前記最下層の基板に設けられた電極にそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
  4. 前記最下層の基板は前記最下層の基板の直上の基板より小さく、前記電極は前記ビアの他端から前記最下層の基板の直上の基板まで延在していることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光装置。
  5. 前記第1の開口および前記第2の開口は、リング状、円弧状、および円形状のいずれかであることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
  6. 前記第1の開口が円形状であり、前記第2の開口はリング状または円弧状であることを特徴とする請求項2に記載の半導体発光装置。
  7. 前記半導体発光素子は400乃至480nmまたは近紫外領域にピーク波長を有する光を放出し、前記光を吸収して前記ピーク波長より長いピーク波長を有する光を放出する蛍光体が前記半導体発光素子と前記樹脂の間に設けら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装置。
  8. 前記半導体発光素子は400乃至480nmまたは近紫外領域にピーク波長を有する光を放射し、前記樹脂は前記光を吸収して前記ピーク波長より長いピーク波長を有する光を放出する蛍光体を含有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
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