JP2024002207A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線を発する半導体発光装置の透明部材と基板とを樹脂で接合した構成でありながら、接合信頼性を損なわない構造を提供する。【解決手段】発光素子１１が搭載された基板１０をキャップ１３により気密に覆う。キャップ１３は、枠体１３２の外側の側面の上部は、天板１３１の法線に対して所定の角度で傾斜した傾斜面１３３が設けられている。傾斜面には、天板１３１内を導波してきた紫外線の一部が到達し、傾斜面１３３から外部に出射される。【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線を発する半導体発光装置に関する。

発光素子を基板上にダイボンディングし、周囲を封止（パッケージング）した半導体発光装置が知られている。可視光を発する発光素子を用いる場合、発光素子の周囲を埋設して樹脂封止するのが一般的である。

一方、紫外線を発する発光素子を用いる場合、紫外線で樹脂が分解されるため、樹脂を用いず、発光素子の周囲の空間を低酸素のガスで満たし、その周りを石英ガラスやサファイア等の透明部材により封止する。紫外線を発する発光素子をダイボンディングする基板には、紫外線で劣化しにくいセラミックス基板が用いられる。透明部材と基板とを接合する接合材としては、紫外線劣化を防ぐために、金属が用いられる。

具体的には、特許文献１および特許文献２にはそれぞれ、凹部を備えるセラミックスの基板に、ガラス製の窓部材が封止部により接合された半導体発光装置が開示されている。特許文献１の封止部は、低融点の金属材料であり、フィレット形状に形成される。特許文献２では、窓部材の上から荷重を加えながらＡｕＳｎ接合材により窓部材と基板とが接合される。この接合工程を、低酸素濃度の雰囲気下で行うことにより、ＡｕＳｎ接合材の酸化を防止している。

特許文献３および特許文献４には、ガラス製の窓部材の周囲にＳｉ単結晶製のスペーサを固定し、スペーサの下面をセラミックス基板に接合した半導体発光装置が開示されている。スペーサの下面とセラミックス基板との接合には、ＡｕＳｎ接合材が用いられている。

特開２０１５－１８８７３号公報 特開２０１８－９３１３７号公報 特開２０１６－１２７２５５号公報 特開２０１６－１２７２４９号公報

従来の紫外線を発光する半導体発光装置は、透明部材と基板との接合に、金属接合材が用いられるが、金属接合材で接合するためには、透明部材側にも基板側にも金属層（メタライズ）を予め設けておく必要がある。そのため、半導体発光装置の構造が複雑になるとともに、製造コストが高くなる。また、金属接合材は、接合時の酸化を防止するために、非酸化雰囲気下で高温に加熱して接合する必要があり、大掛かりな設備が必要になる。

一方、接合材として樹脂を用いた場合、透明部材や基板に予めメタライズを形成しておく必要はなく、構造は簡素化される。また、接合時の酸化の恐れがないため、大気中で接合工程を行うことができる。しかしながら、樹脂製の接合材は、発光素子が発する紫外線により劣化（黄変、分解）するという問題がある。

本発明の目的は、紫外線を発する半導体発光装置の透明部材と基板とを樹脂で接合した構成でありながら、接合信頼性を損なわない構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体発光装置は、紫外線を出射する発光素子と、発光素子が搭載された基板と、基板上の発光素子の周囲の空間を気密に覆うキャップと、キャップを基板の上面に気密に接合する接合材とを有する。キャップは、天板と、天板の下面を基板に対して支持する枠体とを有する。天板と枠体は、紫外線を透過し、かつ、当該紫外線と大気との臨界角が４５°以下となる材料により一体に構成されている。枠体の底面は、接合材として樹脂を用いて基板の上面に接合される。枠体の外側の側面の上部は、天板の法線に対して所定の角度で傾斜した傾斜面であり、傾斜面には、天板内を導波してきた紫外線の一部が到達し、傾斜面から外部に出射される。

本発明によれば、透明部材の天板を導波した紫外光を、枠体の傾斜面で外部に出射させ、枠体の下端に到達しないように構成としたため、枠体と基板とを樹脂で接合しながら、紫外線による接合材の劣化を抑制でき、接合信頼性を損なわない効果を達成できる。

実施形態の半導体発光装置の断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、実施形態の半導体発光装置の上面図、側面図、および、下面図であり、（ｄ）は、半導体発光装置の基板上の配線パターンを示す上面図であり、（ｅ）は、配線パターンに発光素子を搭載した状態の上面図である。 実施形態の半導体発光装置のキャップ１３の拡大図と光線の軌跡を示す図である。 （ａ）は、半導体発光装置のキャップ１３の天板１３１の上面と空気との界面に、臨海角θc≦入射角θｉ≦ 臨界角θｃ＋2δを満たす入射角で入射して反射され、側面１３１ａに達した光の光路を示す説明図であり、（ｂ）は、天板１３１の上面と空気との界面に臨界角θｃ＋2δ＜入射角θiを満たす入射角され、側面に達した光の光路を示す説明図である。 発光素子１１の一例の側面図である。 実施形態の半導体発光装置のキャップの製造工程を示すフロー図である。 実施形態の半導体発光装置のキャップの製造工程を示す断面図である。 実施形態の半導体発光装置の組み立て工程を示すフロー図である。 実施形態の半導体発光装置の組み立て工程を示す断面図である。 実施形態の変形例１の半導体発光装置のキャップ１３の拡大図と光線の軌跡を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例２の半導体発光装置のキャップ１３の拡大図である。 実施形態の変形例３の半導体発光装置のキャップ１３の拡大図と光線の軌跡を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例４の半導体発光装置の上面図である。 （ａ）は、実施形態の変形例５の半導体発光装置の天板１３１と空気の界面の入射角と反射率の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、変形例１の半導体発光装置のキャップ１３の拡大図と光線の軌跡を示す図である。

本発明の一実施形態の半導体発光装置について以下に説明する。

（実施形態）
実施形態の半導体発光装置１の構成について図１～図３を用いて説明する。図１は、実施形態の半導体発光装置１の断面図であり、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、半導体発光装置１の上面図、側面図、および、下面図である。図２（ｄ）は、半導体発光装置１の基板上の配線パターンを示す上面図であり、図２（ｅ）は、配線パターンに発光素子を搭載した状態の上面図である。なお、図２（ｂ）～（ｅ）は断面図ではないが、構造の理解を容易にするために、配線にハッチングを付している。図３は、キャップ１３の拡大図と光線の軌跡を示す図である。

実施形態の半導体発光装置１は、図１および図２（ａ）～（ｃ）のように、紫外線を出射する発光素子１１が、基板１０に設けられた一対の配線１５ａ，１５ｂのうちの一方（第１配線１５ａ）上に、素子接合層１２によりダイボンディングされている。発光素子１１の周囲の空間２０は、キャップ１３により気密に覆われている。キャップ１３の下端は、基板１０の上面に、接合材１４により気密に接合されている。接合材１４は、樹脂である。

キャップ１３は、基板１０に平行な天板１３１と、天板１３１の下面を支持する枠体１３２とを含む。天板１３１と枠体１３２は、発光素子１１が出射する波長の紫外線を透過する材料により一体に構成されている。枠体１３２の底面が、樹脂製の接合材１４により基板１０の上面に接合されている。

枠体１３２の外側の側面の上部には、天板１３１の法線に対して所定の角度で傾斜した傾斜面１３３が形成されている。傾斜面１３３には、図３に示すように、天板１３１内を導波してきた紫外線の一部が到達し、傾斜面１３３から外部に出射される。

各部の構成についてさらに詳しく説明する。

（キャップ１３）
キャップ１３の枠体１３２は、天板１３１の底面の縁の全周に沿って連続して設けられている。天板１３１がここでは、正方形であるため、枠体１３２の外側面の上端を上面から見た形状は、正方形である。枠体１３２の内側面の上面視した形状も正方形である。ただし、枠体１３２の外側面の上端から下端に至る途中までは枠体１３２の内側面方向に傾斜した傾斜面１３３が形成されている。

具体的には、図３に示すように、枠体１３２の外側の側面の上端の位置Ｂは、天板１３１の発光素子１１側（裏面側）の主平面の仮想延長面が、天板１３１の側面１３１ａの下端に一致している。また、枠体１３２の外側の側面１３２ａの所定の高さの位置Ｃ（枠体１３２の上端から高さＨだけ下方の位置）は、天板１３１の側面１３１ａより所定の距離ｅ２だけ発光素子１１寄りに位置する。枠体１３２の外側の側面１３２ａの上端Ｂから所定の高さの位置Ｃまでの高さＨの範囲は、天板１３１の法線に対して所定の角度φで傾斜した傾斜面１３３に形成されている。

ここで、発光素子１１から出射された紫外線の一部が、天板１３１を導波し、天板１３１の側面においてどのような光路をたどるかについて説明する。

発光素子１１から上方に向かって出射された光は、そのほとんどが、天板１３１を厚み方向に通過して、天板１３１の上面から出射されるが、一部の光は、天板１３１の上面で反射され、その後、天板１３１の上面と下面で繰り返し反射されることにより、天板１３１内を主平面方向に導波する。導波する条件は、天板１３１内から、天板１３１の上面および下面にそれぞれ入射する際の入射角が、臨界角θｃ以上であること、すなわち全反射されることである。

例えば、臨界角θｃは、キャップ１３（天板１３１および枠体１３２）が石英ガラス製である場合、波長２６５ｎｍの紫外線の場合、石英ガラスの屈折率は、１．５０であり、石英ガラスと空気の界面の臨界角θｃは４１．８°である。波長３８０ｎｍの紫外線の場合、石英ガラスの屈折率１．４７であり、石英ガラスと空気の界面の臨界角θｃは４２．９°である。また、波長５００ｎｍの青色光の場合、石英ガラスの屈折率１．４６であり、石英ガラスと空気の界面の臨界角θｃは４３．２°である。

すなわち、石英ガラスやホウ珪酸ガラスと空気の界面における紫外線の臨界角θｃは、波長２６５ｎｍの紫外線から波長５００の青色光の範囲で４１．８～４３．２°の範囲であり、４５°未満である。この臨界角θｃ以上の入射角で、天板１３１の上面及び下面に入射する紫外線が、天板１３１内を導波する。

図４（ａ）のように、天板１３１を導波する紫外線が天板１３１の上面に入射する入射角をθｉとする。ここで、入射角θｉが臨界角θｃである場合、入射角θi（＝臨界角θｃ）で天板１３１の上面に入射した紫外線は全反射され、天板１３１の側面１３１ａに到達する。側面１３１ａへの入射角θｓは、（θｓ＝９０°－θi＝９０°－θｃ）となる。上述のように紫外線の臨界角θｃは、４５°未満であるので、側面への入射角θｓは、４５°以上になる。すなわち、天板１３１の側面１３１ａへの入射角θｓは、臨界角θｃ以上の角度であるため、この光は、側面１３１ａにおいて全反射され、枠体１３２内に入射し、枠体１３２内を導波する。

同様に、入射角θｉが臨界角θｃよりも大きい角度で天板１３１の上面へ入射する紫外線は、上面において全反射され、側面１３１ａに到達し、図４（ａ）のように側面１３１ａにおいて全反射され、枠体１３２内を導波する。しかしながら、臨界角θｃと４５°との差の絶対値の角度を差異角δ（＝｜４５－θｃ｜）とした場合、入射角θｉが、臨界角θｃよりも２δを超えて大きくなると（θｉ＞θｃ＋２δ＝４５°＋δ）、図４（ｂ）のように、紫外線は、天板１３１の側面１３１ａへの入射角θｓが臨界角θｃよりも小さくなるため（θｓ＜９０°－θｉ＝９０°－（４５°＋δ）＝４５°－δ＝θｃ）、側面１３１ａに到達した紫外線は、側面１３１ａを通過して外部に向かって出射される。

したがって、臨界角θｃが４５°未満で、天板１３１を導波している紫外線のうち、天板１３１の上面への入射角θｉが、臨界角θｃ以上（θｃ＋２δ）以下の範囲（臨海角θc≦入射角θｉ≦臨界角θｃ＋2δ）の紫外線が、側面１３１ａにおいて全反射され、枠体１３２内を導波して、枠体１３２の下端の接合材１４に到達し、接合材１４を劣化させる。

そこで、本実施形態では、図３に示したように、天板１３１内を導波した紫外線のうち、天板１３１の上面への入射角θｉが、臨界角θｃ以上（θｃ＋２δ）以下の範囲（臨海角θc≦入射角θｉ≦臨界角θｃ＋2δ）の紫外線が、傾斜面１３３に到達するように、キャップ１３の端面を構成した。また、傾斜面１３３は、天板１３１内を導波した紫外線が、臨界角θｃ未満のできるだけ垂直に近い角度で入射する傾斜角とした。これにより、天板１３１の上面への入射角θｉが、臨界角θｃ以上（θｃ＋２δ）以下の紫外線を傾斜面１３３から外部に出射させることができる。

このように、天板１３１を導波して、天板１３１の側面１３１ａに近傍まで到達した紫外線を、側面１３１ａまたは傾斜面１３３から外部に出射させることにより、枠体１３２内を紫外線が導波するのを抑制する。これにより、接合材１４に紫外線が到達するのを防ぐ。よって、接合材１４として樹脂を用いた場合であっても、紫外線による劣化を抑制でき、接合信頼性を損なわない。

以下、キャップ１３の端面構造について図３を用いて具体的に説明する。なお、図３においては、紫外線から青色光の範囲の臨界角θｃが４１．８～４３．２°であることを加味し、仮想的に臨界角θｃを４０°と見積もっている。また、傾斜面１３３から外部に出射させる紫外線（臨海角θc≦入射角θｉ≦臨界角θｃ＋2δ）のうち、下限の入射角θｉ（＝θｃ）を、下限入射角θａ（＝４０°）と呼ぶ。また、臨界角θｃ＝４０°の場合、差異角δ（＝｜４５－θｃ｜）＝５°であるので、傾斜面１３３から外部に出射させる紫外線の上限の入射角θｉ（＝（θｃ＋2δ）＝（４０°＋２×５°））＝５０°である。この上限の入射角θｉを上限入射角θｂ（＝５０°）と呼ぶ。キャップ１３１は、天板１３１の上面への入射角θｉが下限入射角θａから上限入射角θｂの範囲である紫外線が、傾斜面１３３に入射する構造である。図３では下限入射角θａと、上限入射角θｂの光線の軌跡を図示している。図中において、下限入射角で入射する光をＬ４０°、上限入射角で入射する光をＬ５０°と記載している。

傾斜面１３３の角度φは、天板１３１を導波した紫外線の下限入射角θａ＝４０°と上限入射角θｂ＝５０°の光が傾斜面１３３に到達した際に、臨界角θｃより小さい角度で傾斜面１３３に入射するように予め設計されている。なお、天板１３１の側面１３１ａは傾斜面１３３を延在した傾斜面とすることもできる。

キャップ１３の屈折率は材質によって異なり、また、屈折率には波長依存性があるため、臨界角θｃは、キャップ１３の材質および紫外線の波長によって異なる。よって、発光素子１１の発する紫外線の波長に応じて、臨界角θｃを予め算出し、傾斜面１３３の角度を予め決定しておく。ここで、臨界角θｃを実臨界角より１°～３°小さく設定することもできる。

また、傾斜面１３３から導波光（Ｌ４０°～Ｌ５０°の光）が出射できる傾斜面１３３の角度φの範囲は、４５°－（θｃ－δ）～４５°＋（θｃ－δ）とできるが、傾斜面１３３の法線に近い角度で入射（垂直入射）することが好ましいので天板１３１の法線に対する角度φの範囲は４０°以上５０°以下程度が好ましい。好適には４５°である。

また、枠体１３２と天板１３１の下面との境界には、枠体１３２の内側から外側に向かって所定の距離Ｗａだけ天板の下面を延長する平面状のスリット１６が、枠体１３２の全周にわたって設けられている。

このスリット１６により、天板１３１の下面を天板１３１の側面方向へ延長することができるため、枠体１３２の基部の内側の側面から外側の側面までの幅Ｗｂに係わらず、天板１３１の下面で光が反射される範囲を天板１３１の側面方向へ延長することができる。よって、スリット１６の先端の位置Ａを適切な位置とすることができ、天板１３１の導波光を天板１３１の端部近傍まで導波させ、傾斜面１３３に到達させることができる。

さらに具体的に説明する。枠体１３２の内側から外側に向かう方向のスリット１６の先端の位置Ａは、天板１３１を導波してきた光が枠体１３２の下方側面１３２ａへ向かうか、または、天板１３１の上面へ向かうか分岐する分岐端である。

ここで、位置Ａ（近接点）を通り枠体１３２の下方外側面１３２ａの最も基板１０に近い位置に向かう光は、下限入射角θａの光である（ここではＬｄ４０°）。この光が枠体１３２の外側面に至る位置が位置Ｃであり、傾斜面１３３の下端となるようにしている。同様に、位置Ａで反射して天板１３１の上面へ向かい、再反射してキャップ１３の外側面に到達する光の内、天板１３１の法線と平行な面で反射される最小入射角の光が上限反射角θｂの光である（ここではＬｒ５０°）。この光が枠体１３２の外側面の上端Ｂになるように、位置Ａから傾斜面１３３の上端Ｂまでの距離Ｅとなるようにしている。

上述した説明から、スリット１６の先端の位置Ａから天板１３１の側面１３１ａまでの距離Ｅは、天板１３１の厚みｔと上限入射角θｂ（＝５０°）に基づき、下式１の関係になる。
Ｅ＝２×ｔ×ｔａｎθｂ ・・・式１

スリット１６の先端の位置Ａから枠体１３２の外側の側面までの距離ｅ１は、傾斜面１３３が形成される範囲の高さＨと下限入射角θａ（＝４０°）に基づき下式２の関係になる。
ｅ１＝Ｈ×ｔａｎθａ ・・・式２

また、傾斜面１３３の下端Ｃ（枠体１３２の基部の外側の側面）から天板１３１の側面１３１ａまでの距離ｅ２は、高さＨと、傾斜面１３３の角度φに基づき下式３の関係になる。
ｅ２＝Ｈ×ｔａｎφ ・・・式３

ここで、各距離Ｅ、ｅ１、ｅ２は下式３の関係である。
Ｅ＝ｅ１＋ｅ２ ・・・式４

よって、式４に式２と式３を代入して整理した式５から、枠体１３２の上端から、傾斜面１３３が形成される範囲の高さＨが定められる。
Ｈ＝（ ２×ｔ×ｔａｎθｂ）／ （ｔａｎθａ ＋ｔａｎφ） ・・・式５

すなわち、傾斜面１３３を形成する範囲の高さＨは、天板１３１の厚みｔと、紫外線の波長と天板１３１の屈折率の波長依存性を考慮して定めた下限入射角θａ＝４０°と上限入射角θｂ＝５０°および、設定した傾斜面１３３の角度φに応じて式５により算出した範囲である。

なお、上記の数式で設計される距離Ｅ、ｅ１、ｅ２、Ｈは、スリットの先端の位置Ａに応じて、臨界角θａ（＝下限入射角）からθｂ（＝上限入射角）の紫外線を傾斜面１３３から臨界角以下の角度であって、できるだけ傾斜面１３３の法線に近い角度で出射させるための計算値である。そのため、実際には余裕をみて、スリット１６の先端の位置Ａからの距離ＥをＡＢ方向へ延伸してもよく、同様に傾斜面１３３を設ける範囲の高さＨの下端の位置Ｃを下方に延伸してもよい。すなわち、図３の破線１４１のように、天板１３１の側面１３１ａおよび傾斜面１３３を外側に張り出した形状にしてもよい。また、天板１３１の端部の厚み（ｔ’）を薄くしてもよい。これらの部分を延伸又は薄くすることで、外側斜面の領域を拡大することができる。具体的には、距離Ｅおよび高さＨを、上記数式で定められる距離Ｅおよび高さＨよりも５％～２０％大きく設定することで、導波光を確実に傾斜面１３３から出射可能となる。

なお、傾斜面１３３の角度φは、傾斜面１３３へ入射する光が、傾斜面１３３に垂直に近い角度で入射するように定めることが望ましいが、外部に出射できる角度を逸脱しなければよい。

また、枠体の基部幅Ｗｂは、内側に広げることができる。幅Ｗｂを広くすることにより、接合強度が向上する。また、加工性を考慮した幅としてもよい。

また、スリット１６を設けたことにより、枠体１３２の幅Ｗｂを大きく確保することができるため、キャップ１３を安定した構造に設計することができる。これにより、樹脂製の接合材１４で、枠体１３２の下端面と基板１０とを接合する面積を大きく確保することができるため、気密性の信頼性も高めることができる。

なお、スリット１６は、必ずしも設けなくてもよい。スリット１６を設けない場合、枠体１３２の内側の側面の上端と天板１３１の下面との接続部が上記位置Ａとなる。

（基板１０）
基板１０は、封入ガスの気密を保持できるセラミックを用いる。例えば、窒化アルミ（ＡｌＮ）製で熱伝導率１５０～１７０Ｗ/ｍＫの基板１０を用いることができる。また、アルミナや窒化珪素製の基板１０を用いることもできる。

また、図１に示したように、基板１０には、上面に第１配線１５ａ、第２配線１５ｂが設けられ、第１配線１５ａ、第２配線１５ｂにそれぞれに接続された第１ビア１７ａおよび第２ビア１７ｂを設けられている。基板１０の裏面には、第１ビア１７ａおよび第２ビア１７ｂにそれぞれ接続された第１実装電極１８ａおよび第２実装電極１８が設けられている。第１実装電極１８ａおよび第２実装電極１８ｂは、銅・タングステン（ＣｕＷ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）を順に積層したもの（以後ＣｕＷ／Ｎｉ／Ａｕと記載する）、またはニッケル・クロム（ＮｉＣｒ）／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕを順に積層したもので構成することができる。

発光素子１１が素子接合層１２によりダイボンディングされる第１配線１５ａには、図２（ｄ）に示すように、溶融した素子接合層１２の濡れ広がりを第1配線１５ａの所定の範囲内にとどめるためのアライメントスリット１７ｃが設けられている。これにより、素子接合層１２を溶融して発光素子１１を第１配線１５ａに接合する際に、発光素子１１の位置ずれを防止し、位置決めすることができる。

基板１０のサイズは、基板１０の側面が、天板１３１の側面よりも外側に張り出すように設計されていることが望ましい。これにより、本実施形態の半導体発光装置１を回路基板上に実装する際に、キャップ１３の天板１３１の端部が、周囲の部品と接触して欠けないように保護できる。

また、キャップ１３の傾斜面１３３から斜め下方向に出射される紫外線が、張り出した基板１０に照射され、紫外線が回路基板へ照射されることを防ぐことができる。

（発光素子１１）
発光素子１１は、紫外線から樹脂を変性させる可視光域の紫光（例えば２００ｎｍ～３８０ｎｍの紫外線、３８０ｎｍ～４１５ｎｍの紫光）を発するものを用いる。なお、本説明における紫外線は可視光域の紫光も含むものとする。ここでは、図５のように、下面電極１１ａと上面にボンディング用の電極パッド１１ｂを備えたものを用いる。発光素子１１は、どのような構造のものであってもよく、フリップチップタイプのものや、上面にボンディング用の電極パッドを備えてものでもよい。フリップチップタイプやボンディング用の電極パッドを備えた発光素子１１を用いる場合、配線１５の形状を、発光素子１１の電極構造に対応させて変更する。

また、発光素子１１とともに、保護素子２１として、ツェナーダイオードを第１配線１５ａ、第２配線１５ｂの間に接続することが好ましい（図２（ｅ）参照）。

（素子接合層１２）
素子接合層１２は、例えば、金錫合金（Ａｕ－２０ｗｔ％Ｓｎ）を用いることができる。素子接合層１２は、発光素子１１の下面電極と第１配線１５ａとを接合する。

（ワイヤ１９）
発光素子１１の上面の電極パッド１１ｂは、ボンディングワイヤ１９により、第２配線１５ｂと接続される。ボンディングワイヤ１９は、例えば、Ａｕ製であり、直径３０μｍのものを用いる。

（接合材１４）
接合材１４としては、気密に封止することができる樹脂であればよく、例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂を用いる。

（空間２０の封入ガス）
キャップ１３により気密に覆われた発光素子１１の周囲の空間２０には、ドライエアまたはドライ窒素ガス等の不活性ガスが充填されている。または、空間２０は、所定の圧力まで減圧された減圧空間とすることもできる。

樹脂製の接合材１４は、硬化時の酸化の恐れがないため、空間２０に封入するガスとして酸素を成分ガスとして含むドライエアを用いることが可能である。また、接合材１４の硬化工程を、大気中で行うことができる。

＜発光時の各部の動作と効果＞
本実施形態の半導体発光装置１は、回路基板に実装される。回路基板から、基板１０の裏面の第1実装電極１８ａと第２実装電極１８ｂの間に電流を供給すると、発光素子１１は紫外線を上面から出射する。

出射された紫外線の大部分は、キャップ１３の天板１３１を通り抜けて上方に出射されるが、一部の紫外線は、天板１３１内を導波し、天板１３１の端部付近まで到達する。

このとき、天板１３１を導波する紫外線のうち天板１３１の上面および下面への入射角が４５°よりも大きな光は、天板１３１の端面から外部に出射される。一方、天板１３１を導波する紫外線のうち天板１３１の上面および下面への入射角が臨界角θｃ以上臨界角θｃ＋２δ以下の光は、傾斜面１３３の到達し、傾斜面１３３から外部に出射される。

よって、紫外線は、枠体１３２内を下方の端部へ導波せず、接合材１４に到達しない。これにより、接合材１４の劣化を防ぐことができる。

また、接合材１４として樹脂を用いることができるため、空間２０に封入するガス、および、接合材１４の接合時の周囲の雰囲気を、低酸素にする必要がない。したがって、信頼性が高い半導体発光装置１を低コストに提供することができる。

（製造方法）
実施形態の半導体発光装置１の製造方法について図６および図８のフロー、図７および図９の断面図を用いて説明する。

（キャップの製造方法）
まず、キャップ１３の製造方法を説明する。なお、ここでは、石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスを用いて製造する例について説明する。以下、石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスを単にガラスと呼ぶ。

（ステップＳ１）
まず、図７（ａ）のように、天板１３１用のガラス板（厚さ１６０μｍ）、スリット１６用のガラス板（厚さ７０μｍ）、枠体１３２用のガラス板（９００μｍ）を準備する。

図７（ｂ）のように、スリット１６用のガラス板を所定のスリット１６が形成されるようにカッティングする。カッティングには、レーザーカッティング、ウォータージェットカッティング、ガラスフライス盤、エッチング等を用いる。

（ステップＳ２）
図７（ｃ）のように、枠体１３２用のガラス板に空間２０が形成されるようにカッティングする。カッティング方法は、ステップＳ１と同様である。

（ステップＳ３）
図７（ｄ）のように、下から、枠体１３２用のガラス板、スリット１６用のガラス板、天板１３１用のガラス板の順に重ね合わせる。圧着装置にセットして、押圧、加熱して各ガラスが接している部分を圧着溶接（熱圧着）し、一体化する。

（ステップＳ４）
図７（ｅ）のように、枠体１３２用のガラス板の下面から、枠体１３２の外側の側面および傾斜面１３３となる溝部をダイシングにより形成する。

（ステップＳ５）
図７（ｆ）のように、天板１３１の側面１３１ａとなる部分をダイシングし切り離し、個片化する。

以上により、キャップ１３を製造することができる。

次に組み立て工程について説明する。

（組み立て方法）
（ステップＳ５１）
予め第１配線１５ａ、第２配線１５ｂ等が形成されている基板１０、発光素子１１、および、キャップ１３を準備する。

図９（ａ）のように、ＡｎＳｎ揮発性ソルダーペーストはんだを用いて、基板１０の第１配線１５ａに発光素子１１の下面を接合（ダイボンディング）する。

（ステップＳ５２）
図９（ｂ）のように、基板１０の第２配線１５ｂと発光素子１１の上面の電極パッド１１ｂをボンディングワイヤ１９により接続する。

（ステップＳ５３）
図９（ｃ）のように、接合材１４として、例えばシリコーン樹脂を基板１０のキャップ１３の枠体１３２の下端面が接着される部分に塗布し、その上へキャップ１３を載せ、その後、大気雰囲気下で接合材を加熱硬化させて接合（封止）する。

なお、キャップ１３の枠体１３２の下端面シリコーン樹脂を塗布してもよい。

また、キャップ１３の封止の際、内部の空間２０にドライエアまたは不活性ガスを封入してもよい。また、空間２０を減圧してもよい。

以上の工程により、半導体発光装置１を完成させることができる。このように、本実施形態の半導体発光装置１は、樹脂製の接合材１４によってキャップ１３を基板１０へ簡便に接着できる。

（変形例１）
実施形態の変形例１の半導体発光装置について図１０を用いて説明する。

変形例１の半導体発光装置は、図１０に断面図を示したように、基板１０の側面に光吸収性の遮光板１０１を設けた構成である。遮光板１０１は、ここでは、主平面が基板１０の主平面に対して垂直になるように固定されている。遮光板１０１の上端の高さは、キャップ１３の天板１３１の上面の高さと一致している。

遮光板１０１としては、例えば、黒色セラミックまたは黒色アルマイト処理アルミ板を用いることができる。また、遮光板１０１として、カーボンブラック、蛍光顔料、および、蓄光顔料を配合したテフロン（登録商標）樹脂等から形成された板状部材を用いることができる。

このように遮光板１０１を基板１０の側面から天板１３１の上面の高さまで配置したことにより、天板１３１の側面１３１ａおよび傾斜面１３３から出射された導波光の紫外線は、遮光板１０１により遮られる。よって、本実施形態の半導体発光装置の側方に配置される他のデバイスや、および、半導体発光装置が実装される回路基板に、側面１３１ａや傾斜面１３３から出射した紫外線が到達するのを防止することができる。

他の構成は、実施形態と同様であるので説明を省略する。

（変形例２）
実施形態の変形例２の半導体発光装置について図１１を用いて説明する。

変形例２では、キャップ１３の傾斜面１３３を、湾曲させた構造である。湾曲させる曲率は、傾斜面１３３に入射する導波光の入射角が、臨界角（θc）以下になる範囲に設計する。

湾曲の方向は、図１１（ａ）のように外向きに凸形状であってもよいし、図１１（ｂ）のように凹形状であってよい。

特に、凹状の湾曲面の傾斜面１３３は、ガラス加工が容易になり、製造コストの低減が期待でき、好ましい。

他の構成は、実施形態と同様であるので説明を省略する。

（変形例３）
実施形態の変形例３の半導体発光装置について図１２を用いて説明する。

紫外線を出射する発光素子１１の出射光の指向特性が９０°以上である場合、一部の光ＨＬ１が、図１２のように、キャップ１３の枠体１３２の内側の側面から枠体１３２入射する。光ＨＬ１が。接合材１４に到達すると、接合材１４を劣化させる恐れがあるがある。

そこで、変形例３では、指向特性が９０°以上の発光素子１１を用いる場合、枠体１３２の底面に遮光反射面１２１を設ける。

遮光反射面１２１は、枠体１３２の底面のうち、内周側（空間２０に近い側）の一部（幅Ｗｂの約半分）の領域を切り欠いて傾斜面を形成したものである。遮光反射面１２１は、枠体１３２の内周の全周に沿って設けられている。遮光反射面１２１の基板１０の上面からの高さは、内周から離れるにつれ高くなり、枠体１３２の幅Ｗｂの中央部で最も高い。

接合材１４は、枠体１３２の底面のうち、遮光反射面１２１が形成されていない枠体１３２の幅Wｂの中央部よりも外側の領域を基板１０の上面と接合している。

発光素子１１から枠体１３２の内側の側面に入射し、直接、枠体１３２の底面に向かう光ＨＬ１は、遮光反射面１２１により反射され、接合材１４に到達するのを遮られるとともに、上方に向かう。

また、発光素子１１から枠体１３２の内側の側面に入射し、傾斜面１３３に直接向かう光ＨＬ２も、傾斜面１３３で反射されて上方に向かう。

よって、指向特性が９０°以上の発光素子１１を用いた場合、図１２の構造を採用することにより、接合材１４の劣化防止の効果に加え、紫外線の上方からの光出力を向上させることができる。

（変形例４）
実施形態の変形例４の半導体発光装置について図１３を用いて説明する。

発光素子１１の出射する紫外光の指向特性が、上面視において円形である場合、図３（ａ）のように、キャップ１３の天板１３１および枠体１３２を上面視した形状を四隅がＲ形状（湾曲した形状）の矩形にするか、または、図３（ｂ）のように、キャップ１３の天板１３１および枠体１３２の上面視した形状を円形にすることが望ましい。

四隅をＲ形状にしたキャップ１３（図１３（ａ））、または、全体を円形としたキャップ１３（図１３（ｂ））を用いることにより、発光素子１１から放射された光とキャップ１３の側面が成す角を直交させることができる。これにより、予期しない迷光の発生を抑制でき、迷光が接合材１４に到達して接合材１４を劣化させるのを防止することができる。

（変形例５）
実施形態の変形例５の半導体発光装置について図１４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

ガラスから空気（真空）へ向かう界面における光の反射率は、入射角を徐々に大きくしていった場合、図１３（ａ）に示すように臨界角θｃの直前において高くなる。特に、Ｐ偏光は、ブリュースター角において一端ゼロになった後、急激に高くなる。

そこで、接合材１４をより劣化させないために、変形例５では、ブリュースター角に基づいて、キャップ１３の端面構造を設計し、傾斜面１３３には、天板１３１を導波する紫外線が、ブリュースター角θｗより小さい角度で入射するようにする。

具体的には、実施形態の臨界角θｃをブリュースター角θｗとする。よって、下限入射角θａは３４°（下限入射角θａ＝臨界角θｃ＝ブリュースター角θｗ）、差異角δは１１°（ブリュースター角θｗ－４５°の絶対値）、上限入射角θｂは５６°（ブリュースター角θｗ＋２δ）となる。端面構造は前述の値を用いて実施形態と同様にする。

ブリュースター角に基づき設計されたキャップ１３の端面構造は、図１３（ｂ）のように、図３の端面構造よりも外側に位置する。

変形例５の半導体発光装置は、接合材１４に到達する光をより低減でき、信頼性が高い。

上述してきた実施形態および変形例１～５の半導体発光装置は、樹脂硬化装置の光源や、殺菌、滅菌または除菌装置の光源や、歯科ホワイトニング装置の光源や、偽札判定装置の光源や、植物栽培用の補助光源や、オゾン濃度検出センサー用光源等として用いることができる。

１ 半導体発光装置
１０ 基板
１１ 発光素子
１１ａ 下面電極
１１ｂ 電極パッド
１２ 素子接合層
１３ キャップ
１４ 接合材
１５ 配線
１５ａ 第１配線
１５ｂ 第２配線
１６ スリット
１７ａ 第１ビア
１７ｂ 第２ビア
１７ｃ アライメントスリット
１８ａ 第１実装電極
１８ｂ 第２実装電極
１９ ワイヤ
２０ 空間
２１ 保護素子
１０１ 遮光板
１２１ 遮光反射面
１３１ 天板
１３１ａ 側面
１３２ 枠体
１３２ａ 側面
１３３ 傾斜面
１４１ 破線

Claims (13)

1. 紫外線を出射する発光素子と、
   前記発光素子が搭載された基板と、
   前記基板上の前記発光素子の周囲の空間を気密に覆うキャップと、
   前記キャップを前記基板の上面に気密に接合する接合材とを有し、
   前記キャップは、天板と、前記天板の下面を前記基板に対して支持する枠体とを有し、前記天板と枠体は、紫外線を透過し、かつ、当該紫外線と大気との臨界角が４５°以下となる材料により一体に構成され、
   前記枠体の底面は、前記接合材として樹脂を用いて前記基板の上面に接合され、
   前記枠体の外側の側面の上部には、前記天板の法線に対して所定の角度で傾斜した傾斜面が形成され、前記傾斜面には、前記天板内を導波してきた前記紫外線の一部が到達し、前記傾斜面から外部に出射されることを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記枠体の上端は、前記天板の主平面方向の位置が、前記天板の側面に一致し、
   前記傾斜面は、前記枠体の上端から、前記上端より下方の所定の高さまでの範囲に形成され、
   前記傾斜面の下端の位置における前記枠体の側面は、前記天板の側面より所定の距離だけ前記発光素子寄りに位置することを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記傾斜面の角度は、前記天板を導波した紫外線が到達した際に、臨界角より小さい角度で前記傾斜面に入射する予め定められた角度であることを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項３に記載の半導体発光装置であって、前記傾斜面の角度は、前記天板の法線に対して、４０°以上５０°以下であることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項４に記載の半導体発光装置であって、前記傾斜面の角度は、前記天板の法線に対して、４５°であることを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記枠体と前記天板の下面との境界には、前記枠体の内側から外側に向かって所定の距離だけ前記天板の下面を延長する平面状のスリットが、前記枠体の全周にわたって設けられていることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項４に記載の半導体発光装置であって、前記枠体の内側から外側に向かう方向の前記スリットの先端の位置と、前記枠体の前記傾斜面の下端の位置とを結ぶ線が、前記天板の法線と成す角度は、前記紫外線の前記天板と空気との界面の臨界角以下であることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記基板の側面は、前記キャップの前記天板の側面よりも外側に張り出していることを特徴とする半導体発光装置。
9. 請求項８に記載の半導体発光装置であって、前記基板の端部には、遮光板１０１が前記基板の主平面に対して垂直に固定され、
   前記遮光板の高さは、前記天板の高さと一致していることを特徴とする半導体発光装置。
10. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記枠体の前記傾斜面は、外部に向かって凸または凹に湾曲していることを特徴とする半導体発光装置。
11. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記枠体の底面の内周側の所定の領域の一部が切り欠いて傾斜面が形成され、前記傾斜面の高さは、内周から離れるにつれ高くなっていることを特徴とする半導体発光装置。
12. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記キャップを上面視した形状は、四隅を湾曲させた矩形、または、円形であることを特徴とする半導体発光装置。
13. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記傾斜面は、前記天板を導波する紫外線がブリュースター角より小さい角度で入射する傾斜面であることを特徴とする半導体発光装置。

Images