JP2018160582A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の製造誤差による厚みによらず、色度のバラツキを抑えることが可能な半導体発光装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光装置１は、実装基板２と、実装基板２の上に載置され、発光層を含む半導体層からなる発光素子３と、発光素子３を覆うように実装基板２の上に載置され、蛍光体粒子４２と樹脂とを含む樹脂層４と、を有して構成される。樹脂層４は、発光素子３の光取出し面３３の全領域であって、この領域の全体に亘って蛍光体粒子４２が設けられている第１の領域Ｒ１と、発光素子３の側面から側面の外側方向に向かう実装基板２の上の領域として画定されている領域であって、蛍光体粒子を含む領域である第２の領域Ｒ２と、第２の領域の外側の領域として画定されている領域であって、蛍光体粒子を含まない領域である第３の領域Ｒ３と、を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体発光装置及びその製造方法に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を搭載した半導体発光装置は、照明等に用いられている。このような半導体発光装置では、例えば、白色光を得るために青色光を発するＬＥＤ素子上に黄色蛍光体を配することが行われている。

このような半導体発光装置の製造方法としては、例えば、パッケージの収納部に発光素子を実装して、蛍光体粒子を含む透光性樹脂を発光素子を覆うように前記収納部に充填して硬化させることを含む発光装置の製造方法であって、前記透光性樹脂は、硬化されるまでの間に表層部に比べて前記発光素子の周りに多くの蛍光体粒子が沈降するようにその粘度が調整されており、かつ前記透光性樹脂を硬化させた後に、硬化した透光性樹脂の表面を研磨することを含む、発光装置の製造方法が特許文献１に開示されている。

特開２００４−１８６４８８号公報

ところで、ＬＥＤ素子の厚みは、製造誤差によってわずかなバラツキがある。

特許文献１に示される発光装置の製造方法のように、蛍光体粒子を沈降させてＬＥＤ素子の光取出し面に蛍光体粒子を載せる場合、発光素子（ＬＥＤ素子）の厚みと、収納部（キャビティ）の深さが問題となる。

具体的には、ＬＥＤ素子厚さが平均的な厚さよりも厚くなると、キャビティ内部の透光性樹脂の体積が減少し、平均的な厚さよりも薄くなると、キャビティ内部の透光性樹脂の体積が増大する。

キャビティ内部の透光性樹脂の体積が変化すると、これに含まれる蛍光体粒子の量も変化する。この結果、ＬＥＤ素子の光取出し面に載置される蛍光体粒子の量も変化し、半導体発光装置の色度にバラツキが生じる問題がある。特に、キャビティが浅く形成される場合は、半導体発光装置の色度のバラツキが顕著に現れる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ素子の厚みによらず半導体発光装置の色度のバラツキを抑えることが可能な半導体発光装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の半導体発光装置は、実装基板と、前記実装基板上に載置され、発光層を含む半導体層からなる発光素子と、前記発光素子を覆うように前記実装基板上に載置され、蛍光体粒子と樹脂とを含む樹脂層と、を有し、前記樹脂層は、前記発光素子の光取出し面の全領域であって、この領域の全体に亘って前記蛍光体粒子が設けられている第１の領域と、前記発光素子の側面から前記側面の外側方向に向かう前記基板上の領域として画定されている領域であって、前記蛍光体粒子を含む領域である第２の領域と、前記第２の領域の外側の領域として画定されている領域であって、前記蛍光体粒子を含まない領域である第３の領域と、を有していることを特徴とする。

実施例１の半導体発光装置の全体構成を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であって、樹脂層の各領域を示しているものである。 樹脂層の各領域を示した半導体発光装置の上面図である。 半導体発光装置の製造手順を示すフロー図である。 ステップＳ０１における半導体発光装置の断面図である。 ステップＳ０１における半導体発光装置の断面図である。 ステップＳ０２における半導体発光装置の断面図である。 ステップＳ０３における半導体発光装置の断面図である。 ステップＳ０４における半導体発光装置の断面図である。 ステップＳ０４における半導体発光装置の断面図である。 ステップＳ０４における半導体発光装置の断面図である。 実施例２に係る半導体発光装置の製造手順の一部を示す断面図である。 実施例２に係るステップＳ０１における半導体発光装置の断面図である。 実施例３の半導体発光装置の製造工程で用いる型の断面図である。 実施例３の半導体発光装置の製造方法で製造された半導体発光装置の断面図である。 実施例４の半導体発光装置の断面図であって、樹脂層の各領域及びハウジングの凹部の底面の領域を示しているものである。 実施例５に係るステップＳ０１における半導体発光装置の断面図である。 実施例５に係るステップＳ０１における半導体発光装置の断面図である。 実施例５に係る半導体発光装置を示す断面図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

本発明の半導体発光装置１は図１及び図２に示すように、実装基板２と、実装基板２の上面に載置され、発光層を含む半導体層からなる発光素子３と、発光素子３を覆うように実装基板２の上に載置され、蛍光体粒子と樹脂とを含む樹脂層４と、を有して構成されている。

実装基板２は、例えばアルミナやＡｌＮなどのセラミック材料からなるものである。実装基板２は、発光素子３及び樹脂層４を収容するハウジング（キャビティ）２１と、発光素子３と電気的に接続する接続電極２２とを有して構成されている。実装基板２の表面（上面）には、発光素子３と電源（図示せず）とを接続する配線（図示せず）が設けられている。

ハウジング２１は、実装基板２と、実装基板２の周囲を囲うように設けられた柱状のリフレクタ２３と、によって枠体状に形成されている。（換言すると、実装基板２は、凹部２５を有するハウジング２１として形成される。）
リフレクタ２３は、シリコーン樹脂等の樹脂材内に光散乱材を分散させた、いわゆる白色樹脂と称される材料からなるものである。リフレクタ２３の実装基板２への固定は、例えばエポキシ樹脂等からなる接着剤によって行われている。

配線は、電源の一端側と接続電極２２とを接続するものと、電源の他端側と発光素子３とを接続するものと、の２種類を有している。

発光素子３及び樹脂層４は、ハウジング２１の凹部２５の底面２６の中央部上に載置される。

発光素子３は、発光層を有する半導体構造層３１と、半導体構造層３１を支持する支持基板３２とから構成されている。

半導体構造層３１は、その上面（光取出し面）３３側に表面電極３４が設けられ、支持基板３２側の半導体構造層３１の表面に裏面電極（図示せず）が設けられている。

支持基板３２は、例えばＳｉ及びＳｉＣなどの導電性材料からなる。

支持基板３２の実装基板２への固定は、例えば、ダイアタッチ剤などの導電性の接着剤を用いて行われている。

表面電極３４と接続電極２２とは、金等で形成されたボンディングワイヤ５を用いてワイヤボンディングによって電源の一端側に接続されている。

裏面電極と実装基板２の配線とは、支持基板３２を介して電源の他端側に接続されている。

樹脂層４は、例えばシリコーン樹脂などの透光性の樹脂４１と、発光素子３の発光層から放出される光の波長を変換する蛍光体粒子４２と、を有して構成されている。

樹脂層４は、表面電極３４を含む発光素子３の全体を覆うように、すなわち、ハウジング２１内の凹部２５の全体を埋設するように、リフレクタ２３の内壁面に当接し、かつ、この内壁面の高さと同等の高さまで形成される。

具体的には図３及び図４に示すように、樹脂層４は、発光素子３の光取出し面３３の全領域であって、この領域の全体に亘って蛍光体粒子４２が設けられている第１の領域Ｒ１と、発光素子３の側面３５からこの側面３５の外側方向に向かう基板上の領域として画定されている領域であって、蛍光体粒子４２を含む領域である第２の領域Ｒ２と、第２の領域Ｒ２の外側の領域として画定されている領域であって、蛍光体粒子４２を含まない領域である第３の領域Ｒ３と、を有している。

第１の領域Ｒ１は、樹脂４１と蛍光体粒子４２とで構成されている領域である。第１の領域Ｒ１においては、蛍光体粒子４２が光取出し面３３上に満遍なく設けられている。第１の領域Ｒ１の蛍光体粒子４２の密度は、第２の領域Ｒ２よりも高くなっている。図４の樹脂層４の各領域の拡大図にも示すように、第１の領域Ｒ１の蛍光体粒子４２の密度分布は、その中央部Ｒ１ａから周辺部Ｒ１ｂに向かうに従って減少している。

すなわち、第１の領域Ｒ１における蛍光体粒子４２の分布は、中央部Ｒ１ａには第１の領域Ｒ１の中で最も多くの蛍光体粒子４２が集まり、周辺部Ｒ１ｂ（第２の領域Ｒ２方向）に向かうにしたがい、徐々に蛍光体粒子４２の数が少なくなるようになっている。

第２の領域Ｒ２は、樹脂４１と蛍光体粒子４２とで構成されている領域である。第２の領域Ｒ２において、蛍光体粒子４２の密度は、第１の領域Ｒ１よりも少なくなっている。第２の領域Ｒ２における蛍光体粒子４２の密度分布の偏りは、第１の領域Ｒ１に比べて少なくなっているか、又は、ほとんど偏りがない。

第３の領域Ｒ３は、蛍光体粒子４２が全く含まれずに構成されている領域である。

蛍光体粒子４２は、例えば青色光によって励起されて黄色蛍光を出射する。

このような蛍光体粒子４２としては、Ｃｅ附活イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、Ｃｅ附活テルビウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＡＧ：Ｃｅ）、オルトシリケート蛍光体（（ＢａＳｒＣａ）ＳｉＯ₄、他）、αサイアロン蛍光体（Ｃａ−α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕなど）などを用いることができる。

次に、本発明の半導体発光装置１の製造方法について図５に示すフロー図及び図６ないし１１を参照して説明する。

図６は、実装基板２に発光素子３を載置した状態を示す半導体発光装置１の断面図である。図７は、蛍光体粒子４２を含まない樹脂原料をハウジング内に入れた状態を示す半導体発光装置１の断面図である。図８は、半導体発光装置１の製造工程で用いる型の凹部に樹脂原料を入れた状態を示す断面図である。図９は、半導体発光装置１の製造工程で用いる型の凹部の底面に蛍光体粒子４２が沈降した状態を示す断面図である。図１０Ａ，図１０Ｂ，図１１は、仮硬化させた樹脂原料をハウジング２１内に入れる態様を示した断面図である。

図６に示すように、支持基板３２を実装基板２に固定した後、表面電極３４及び接続電極２２間をワイヤボンディングによって接続して、実装基板２に発光素子３を載置する（ステップＳ０１）。この際、図７に示すように、蛍光体粒子４２を含まない樹脂原料を予めハウジング２１内に入れておく。

図８に示すように、蛍光体粒子４２と樹脂とを少なくとも含む樹脂原料を、発光素子３の取出し面を包含する大きさの凹部６１を有する型６に入れる（ステップＳ０２）。

図９に示すように、樹脂原料を加熱しつつ、凹部６１の底面６２に蛍光体粒子４２を沈降させて樹脂原料を仮硬化する（ステップＳ０３）。

図１０Ａ又は図１０Ｂに示すように、型６とハウジング２１の縁同士を貼り合わせた後、図１１に示すように、仮硬化された樹脂原料を重力落下により型６から外して光取出し面３３上に載り移す（ステップＳ０４）。従って、図１０Ｂのように型６を重力方向の下側にしてハウジング２１の縁を貼り合わせた場合は、天地を逆にしてこの工程を行う。

型６を取り外し、樹脂原料を加熱することにより本硬化させて発光素子３の上に樹脂層４を形成する（ステップＳ０５）。

尚、ステップＳ０２において使用した型６の凹部６１は、底面６２が半球状に形成され、かつ、底面６２から開口部６３に向かって円柱状に形成されている。この開口部６３の面積は、発光素子３の面積とほぼ同一である。

凹部６１は、蛍光体粒子４２の底面６２への沈降によって、蛍光体粒子４２の密度分布を形成する形状を有する。

従って、ステップＳ０４の工程において、凹部６１の形状に基づいて仮硬化された樹脂原料は、ある程度の形状（蛍光体粒子４２の密度分布）を保ったままハウジング２１に落下し、光取出し面３３の上に蛍光体粒子４２が載置される。

この蛍光体粒子４２の密度分布を保ったまま、ステップＳ０５の樹脂原料を本硬化する工程が行われることにより、第１の領域Ｒ１の蛍光体粒子４２の密度分布が形成されている。

また、本実施例はステップＳ０４の工程において、重力落下により仮硬化させた樹脂原料を型６から外したが、このような方法に限られるものではなく、例えば、型６の凹部６１の内壁面と仮硬化させた樹脂原料との間に空気を導入することにより、樹脂原料が型６から剥離されるようにしてもよい。

以上のように、本発明の半導体発光装置１は、仮硬化された樹脂原料を発光素子３の上に移すことにより、発光素子３の所望の位置に所望の量の蛍光体粒子４２を設けることができる。これにより、発光素子３の製造誤差に基づく厚みのバラつきに関係なく、発光素子３の光取出し面３３に一定量の蛍光体粒子４２を載置することができる。

従って、半導体発光装置１の色度のバラつきを抑制することが可能となる。

すなわち、従来の製造方法では、ハウジング２１（キャビティ）の深さが１ｍｍ以下に浅く形成されている場合、キャビティ内部の透光性樹脂の体積キャビティへの導入量が発光素子３の厚みによって影響を受け、半導体発光装置１の色度にバラツキが生じる問題は特に深刻になる。

しかし、本発明の半導体発光装置１は、発光素子３の光取出し面３３に直接的に蛍光体粒子４２を配置することが可能となるため、このような問題は生じず、半導体発光装置１の色度のバラツキを低減させることが可能である。

このように、発光素子３の光取出し面３３に効率よく蛍光体粒子４２を載置することができるため、蛍光体粒子４２の使用量を少なくすることができ、半導体発光装置１の製造コストを低減することができる。

上述のように、型６の凹部６１の形状は、樹脂層４の第１の領域Ｒ１における蛍光体粒子４２の密度分布に影響を与える。

そこで、適宜凹部６１の形状を変更して、所望の蛍光体粒子４２の密度分布とするようにしてもよい。

図１２は、型６の凹部６１に樹脂原料を入れた状態を示す断面図である。図１３は、型６の凹部６１の底面６２に蛍光体粒子４２が沈降した状態を示す断面図である。

具体的には、図１２に示すように、型６の凹部６１は台形台状に形成されている。

この型６を用いて半導体発光装置１を製造する方法は以下の通りとなる。

ステップＳ０１は、実施例１と同一であるので説明を省略する。

図１２及び図１３に示すように、上述したステップＳ０２とステップＳ０３と同様に、樹脂原料を加熱しつつ、凹部６１の底面６２に蛍光体粒子４２を沈降させて樹脂原料を仮硬化する。以後の工程は同一であるので説明を省略する。

尚、本実施例では、凹部６１の形状を台形台状に形成して実施したが、凹部６１の形状を円錐台状に形成してもよいし、凹面状、柱状、又は、これらの組み合わせによって形成して実施してもよい。

以上のように、型６の凹部６１を所望の形状に形成することで、第１の領域Ｒ１の蛍光体粒子４２の密度分布を所望の状態にすることができる。

従って、蛍光体粒子４２の密度分布によって光路長を調整することができ、光路長の違いにより生じる半導体発光装置１の色ムラを防止することが可能となる。

上述の樹脂原料を本硬化する工程（ステップＳ０５）において、樹脂層４にレンズを形成するようにしてもよい。

図１４は、実施例３において使用する型６の形状を示す断面図である。図１５は、実施例３の製造方法によって製造された半導体発光装置１の断面図である。

図１４に示すように、型６の凹部６１は、浅い凹面状に形成されている。

この型６を用いて樹脂層４にレンズを形成した半導体発光装置１を製造する方法は以下の通りとなる。

上述のステップＳ０１において、ハウジング２１の壁面高さと略同一の位置まで蛍光体粒子４２が入っていない樹脂原料を入れる。その後、上述のステップＳ０２〜ステップＳ０４まで同一の工程を行う。

ステップＳ０５の工程において、樹脂原料を本硬化させた後に、型６の凹部６１の形状に沿って型６を樹脂層４から外す。

図１５に示すように、このように製造された半導体発光装置１の樹脂層４は、発光素子３から出射された光の出射方向の表面である上面に凹部６１の形状に応じて形成されたレンズ（凸部）４３を有している。

以上のように、本実施例の半導体製造方法によれば、樹脂原料を硬化する工程とレンズが形成される工程が同一の工程で実施されるため、製造工程の短縮化を図ることができる。

樹脂層４は、ハウジング２１の凹部２５の一部に設けられているようにしてもよい。

具体的には、図１６に示すように、樹脂層４は、半導体構造層３１、半導体構造層３１上の表面電極３４及び支持基板３２を埋設するように凹部２５の中央部上に載置されている。

凹部２５の底面２６は、樹脂層４が載置された領域の外側に画定されている領域であって、蛍光体粒子４２を含まない第４の領域Ｒ４を有する。

第４の領域Ｒ４は、樹脂層４が凹部２５の底面２６を覆う領域（すなわち、樹脂層４が載置された領域）を取り囲む領域として形成されている。

尚、このように樹脂層４を形成した場合は、ハウジング２１の凹部２５に形成された隙間（第４の領域Ｒ４を含む）を埋設するように、例えば、透光性を有する樹脂等を充填して実施することもできる。

上述の実施例においては、実装基板２にハウジング２１が形成されているものであったが、平板状の実装基板２で実施することもできる。

図１７に示すように、本実施例の実装基板２は、ハウジング２１が形成されていない点が上記実施例とは異なるが、この点を除き全て同一の構成である。

この実装基板２を用いて半導体発光装置１を製造する方法は以下の通りとなる。

ステップＳ０１〜ステップＳ０３までの工程は、実施例１と同一であるので説明を省略する。

図１８に示すように、ステップＳ０４において、型６を下側にして型６とハウジング２１の縁同士を貼り合わせる。以後の工程は、上記の実施例と同一であるので説明を省略する。

以上のように、平板状の実装基板２を用いて半導体発光装置を製造した場合であっても、図１９に示すように、樹脂層４は、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、第３の領域Ｒ３と、を有して構成されている。従って、上述の実施例と同様に光取出し面３３の上に一定量の蛍光体粒子４２を載置することができ、半導体発光装置１の製造誤差による色度のバラツキを抑制することができる。

１ 半導体発光装置
２ 実装基板
２１ ハウジング
３ 発光素子
３３ 光取出し面
３５ 側面
４ 樹脂層
４１ 樹脂
４２ 蛍光体粒子
４３ レンズ
６ 型
６１ 凹部
６２ 底面
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域
Ｒ３ 第３の領域

Claims (10)

1. 実装基板と、
   前記実装基板上に載置され、発光層を含む半導体層からなる発光素子と、
   前記発光素子を覆うように前記実装基板上に載置され、蛍光体粒子と樹脂とを含む樹脂層と、を有し、
   前記樹脂層は、前記発光素子の光取出し面の全領域であって、この領域の全体に亘って前記蛍光体粒子が設けられている第１の領域と、前記発光素子の側面から前記側面の外側方向に向かう前記基板上の領域として画定されている領域であって、前記蛍光体粒子を含む領域である第２の領域と、前記第２の領域の外側の領域として画定されている領域であって、前記蛍光体粒子を含まない領域である第３の領域と、を有していることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第１の領域は、前記第２の領域よりも前記蛍光体粒子の密度が高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第１の領域の蛍光体粒子の密度分布は、その中央部から周辺部に向かうに従って減少することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記実装基板は、平板状に形成されている、又は、前記発光素子及び前記樹脂層を収容するハウジングを有して形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記実装基板は凹部を有するハウジングとして形成され、
   前記発光素子及び前記樹脂層は、前記凹部の底面の中央部上に載置され、
   前記凹部の前記底面は、前記樹脂層が載置された領域の外側に画定されている領域であって、前記蛍光体粒子を含まない第４の領域を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 前記樹脂層は、前記発光素子から出射された光の出射方向の表面にレンズ状に形成された凸部を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 実装基板上に発光素子を載置する工程と、
   蛍光体粒子と樹脂とを少なくとも含む樹脂原料を、前記発光素子の光取出し面を包含する大きさの凹部を有する型に入れる工程と、
   前記蛍光体粒子を前記凹部の底面に沈降させた後、前記樹脂原料を仮硬化する工程と、
   当該仮硬化された前記樹脂原料を前記型から外して前記光取出し面上に載り移す工程と、
   前記樹脂原料を本硬化させて前記発光素子上に樹脂層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
8. 前記凹部は、前記蛍光体粒子の前記底面への沈降によって、前記蛍光体粒子の密度分布を形成する形状を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記凹部は、凹面状、錐台状、柱状又は、これらの組み合わせのいずれかの形状で形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体発光装置の製造方法。
10. 前記樹脂原料を硬化して樹脂層を形成する工程において、
    前記凹部の形状に応じたレンズが前記樹脂層に形成されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。

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