JP4366161B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置に関するものであり、詳しくは半導体発光素子（発光ダイオードチップ）から出射した光と、発光ダイオードチップから出射して蛍光体によって波長変換された光との組み合わせの加法混色によって任意の発光色を発する半導体発光装置に関する。

急峻なスペクトル分布特性を持った光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを光源にして白色光を放出するＬＥＤを実現するためには、ＬＥＤチップから出射された光と、ＬＥＤチップから出射された光が蛍光物質を励起して波長変換された光との加法混色によって可能になる。例えば、ＬＥＤチップから出射される光が青色光の場合には、青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する蛍光物質を用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光物質を励起することによって波長変換された黄色光と、ＬＥＤチップから放射された青色光との加法混色によって白色光を作り出すことができる。同様に、ＬＥＤチップから出射される光が青色光であっても、青色光に励起されて緑色光及び赤色光にそれぞれ波長変換する２種類の蛍光体物質を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された青色光が蛍光物質を励起することによって波長変換された緑色光及び赤色光と、ＬＥＤチップから出射された青色光との加法混色によって白色光を作り出すこともできる。また、ＬＥＤチップから出射される光が紫外光の場合には、紫外光に励起されて青色光、緑色光及び赤色光にそれぞれ波長変換する３種類の蛍光物質を混合したものを用いることにより、ＬＥＤチップから出射された紫外光が蛍光物質を励起することによって波長変換された青色光、緑色光及び赤色光の加法混色によって白色光を作り出すこともできる。さらに、ＬＥＤチップから出射される光の波長と蛍光物質とを適宜に組み合わせることによって白色光以外の種々な発光色を作り出すことができる。

このように、光源から出射された光で蛍光物質を励起して波長変換し、光源から出射された光とは異なる色の光を放出するようなＬＥＤには、例えば、図１２に示すように、一対のリード・フレームの一方の端部に内側面を反射面とした擂鉢状の凹部を形成し、凹部の底面にＬＥＤチップ５０を載設する。そして、光透過性樹脂５１を凹部に充填してＬＥＤチップ５０を封止し、さらに光透過性樹脂の上方に蛍光物質の層５２を設けた構造のものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−７７７２３号公報（第２−３頁、図３）

上述したような構造の白色発光ＬＥＤは製造工程において図１３に示すように、ＬＥＤチップ５０が載設された凹部に光透過性樹脂５１を充填する際に光透過性樹脂５１が凹部の内側面に沿って上部に這い上がり、中心部が窪んだ状態になる。その状態で更にその上に蛍光物質の層５２を設けると光透過性樹脂５１の窪んだ部分にのみ蛍光物質の層が設けられて、光透過性樹脂が這い上がった部分には蛍光物質の層が形成されないことになる。

本来ＬＥＤチップから出射された全ての光が蛍光物資の層を導光されて波長変換され、波長変換された光が加法混色によって略全方向に色むらのない白色光を発するようにＬＥＤが構成されるべきものであるが、ＬＥＤチップから出射されて蛍光物質内を導光されないで直接ＬＥＤから放出される光が存在すると、その部分から放出された光で照射される部分はそのままＬＥＤチップから出射された光が照射されることになり、例えば、ＬＥＤチップの出射光の波長が約４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの青色光の場合、ＬＥＤチップから出射されて蛍光物資内を導光されてＬＥＤから放出された部分の光は白色光（Ｗ）であり、ＬＥＤチップから出射されて直接ＬＥＤから放出された光は青色光（Ｂ）であり、ＬＥＤとしては白色と青色の色むらのある光を発することになる。

また、ＬＥＤチップから出射される光の波長が約４００ｎｍ以下の短波長の場合、このような紫外光がＬＥＤから放出されて直接人間の目に入ることになると何らかの悪影響を及ぼす恐れがある。

また、ＬＥＤチップの出射光を青色光にし、青色光を黄色光に波長変換する蛍光物質を備えたＬＥＤは、ＬＥＤチップの光束密度の大きい光軸近傍は白色に、その周囲は黄色になり、均一な白色光が得られないことが分かっている。このような色むらを低減するための一つの方法としは、ＬＥＤチップを載設した凹部の大きさをＬＥＤチップの大きさに限りなく近づけることが有効であるが、凹部を小さくすると上述したような光透過性樹脂の凹部内への充填によって生じる問題が顕著に現れることになる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、色むらの少ない発光色を発する光源となるような半導体発光装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、凹部を設けた基材と、前記凹部の底面に載設された少なくとも一つのＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの一部もしくは全体を埋没するように前記凹部の途中まで充填された、少なくとも一種の蛍光体を分散した光透過性樹脂からなる第一波長変換部材と、前記第一波長変換部材の上方に充填された、少なくとも一種の蛍光体を分散した光透過性樹脂からなる第二波長変換部材と、を含み、前記第二波長変換部材は前記第一波長変換部材よりも光透過性樹脂に分散された蛍光体濃度が高く、かつ、前記第一波長変換部材は、前記凹部内側面に沿って這い上がり、中心部が窪んだ状態に形成され、前記第二波長変換部材は前記窪んだ中心部の上に充填されること、を特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記第二波長変換部材の上方に光透過性樹脂を覆設したことを特徴とするものである。

以下、この発明の好適な実施例を図１〜図１１を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。

図１は本発明の半導体発光装置の実施例１の構造を示す部分断面図である。基材１に擂鉢状の凹部を設けて凹部の内側面２に反射面を形成し、凹部の底面３にＬＥＤチップ４が載設されている。そして光透過性樹脂に蛍光体を分散した第一波長変換部材５を凹部の途中まで充填してＬＥＤチップ４全体を埋没させ、更に第一波長変換部材５の上方に第一波長変換部材５よりも光透過性樹脂に分散された蛍光体の濃度が高い第二波長変換部材６を凹部の開口部と略同一面まで充填している。

なお、ＬＥＤチップを発光させるためには、ＬＥＤチップのアノード電極とカソード電極の間に順方向電圧を印加することが必要であり、そのためにアノード電極及びカソード電極と外部から電圧を印加するための電極との電気的導通を図るための接続機構が設けられるが、以下の本発明の実施例を示す図においてはこれを省略している。

このような構造の半導体発光装置は、底面３にＬＥＤチップ４が載設された凹部に第一波長変換部材５を充填する際に凹部の内側面２に沿って上部まで這い上がり、中心部が窪んだ状態に形成され、その窪んだ部分に第二波長変換部材６が充填された状態になっている。従って、凹部の開口部においては、第一波長変換部材５の這い上がり部分は第二波長変換部材６が充填されない部分となり、ＬＥＤチップ４から出射された光は、第一波長変換部材５内と第二波長変換部材６内の両方を導光されて外部に放出される第一の光路と、第一波長変換部材の這い上がり部分内だけを導光されて外部に放出される第二の光路とに分岐される。この場合、第二の光路を導光される光も蛍光体が分散された第一波長変換部材５内を導光されるときに波長変換されて外部に放出されるため、第一波長変換部材５を凹部に充填するときに生じる凹部の内側面への這い上がりによる発光色の均一性に対する悪影響を少なくし、色むらの少ない発光色を発することが可能となる。

図２は本発明の半導体発光装置の実施例２の構造を示す部分断面図である。内側面２に反射面を形成した擂鉢状の凹部の底面３にＬＥＤチップ４を載設し、光透過性樹脂に蛍光体を分散した第一波長変換部材５を凹部の途中まで充填してＬＥＤチップ４全体を埋没させ、更に第一波長変換部材５の上方に第一波長変換部材５よりも光透過性樹脂に分散された蛍光体の濃度が高い第二波長変換部材６を充填した構造、及びそれによってＬＥＤチップ４から出射された光が外部に放出するまでの光学系ならびに光学的な効果等は上述した実施例１と同様である。但し、実施例１と異なる点は、第二波長変換部材６を凹部の開口部を形成する面より窪んだ状態に充填している。

ところで、第二波長変換部材６を構成する光透過性樹脂は硬化時に収縮して体積が小さくなるため、予め収縮率を見込んだ量の第二波長変換部材６を充填する必要がある。ところが、光透過性樹脂の粘度は時間と共に、また周囲温度の影響を受けて変化するものであり、粘度が変化することによって、凹部に充填するために一定の設定条件で可動しているディスペンサのノズルから吐出される第二波長変換部材６の一回の吐出量が変化し、設定した充填量が確保できなくなってしまう。従って、第二波長変換部材６の充填量を一定に保つためには、ディスペンサの容器に貯蔵された第二波長変換部材６の粘度を一定に保つ必要があるが、第二波長変換部材６の粘度管理は多くの要素が絡み合って非常に複雑であり難しく、新しい第二波長変換部材６を短い間隔で工程に投入したり、厳密な工程管理の下に製造を進めることが要求され、材料費のアップ、管理コストのアップ及び製造効率の低下などによる製造コストの上昇が避けられない、特にディスペンサの一回の吐出量が充填量に占める割合が大きい場合は微妙な粘度管理が要求され、ディスペンサが対応できるかどうかが問題となる。

しかしながら、このような製造上の問題も、実施例２のような構造を目標にすれば回避できる。つまり、第二波長変換部材６の充填量の大まかな目安を凹部の開口部を形成する面にすることにより硬化時の収縮によって目標は達成される。従って、第二波長変換部材６の微妙な粘度及び充填量の管理が必要なくなり、製造コストの上昇要因が解消されて低価格の製品が実現できる。

図３は本発明の半導体発光装置の実施例３の構造を示す部分断面図である。本実施例は、上述した実施例２の構造に対して、第二波長変換部材６の充填量を多くし、第二波長変換部材６の表面張力を利用して第二波長変換部材６を凹部の開口部を形成する面より盛り上った状態に充填したもので、実施例２と同様に第二波長変換部材６の微妙な粘度及び充填量の管理が不要で低コストの製造が可能な構造であると同時に、ＬＥＤチップから出射された光が外部に放出するまでの光学系ならびに光学的な効果等も同様である。

図４は本発明の半導体発光装置の実施例４の構造を示す部分断面図である。基材１に擂鉢状の凹部を設けて凹部の内側面２に反射面を形成し、凹部の底面３にＬＥＤチップ４が載設されている。そして光透過性樹脂に蛍光体を分散した第一波長変換部材５を凹部の途中まで充填してＬＥＤチップ４の一部を埋没させ、更に第一波長変換部材５の上方に第一波長変換部材５よりも光透過性樹脂に分散された蛍光体の濃度が高い第二波長変換部材６を凹部の開口部と略同一面まで充填している。この場合、第二波長変換部材６の充填は、凹部の開口部を形成する面に対して窪んだ状態でも、あるいは盛り上った状態でも良い。ただし、本実施例の構造の目的は、第一波長変換部材５よりも蛍光体濃度が高い第二波長変換部材６の層を厚くし、ＬＥＤチップ４から出射されて第二波長変換部材６内を導光された光の波長変換効率を高めて色むらを低減した白色光を得るためであるため、凹部の開口部を形成する面に対して同一あるいはそれより盛り上った状態に充填した方がより望ましい。

図５は本発明の半導体発光装置の実施例５の構造を示す部分断面図である。基材１に擂鉢状の凹部を設けて凹部の内側面２に反射面を形成し、凹部の底面３にＬＥＤチップ４が載設されている。そして光透過性樹脂に蛍光体を分散した第一波長変換部材５を凹部の途中まで充填してＬＥＤチップ４全体を埋没させ、更に第一波長変換部材５の上方に第一波長変換部材５よりも光透過性樹脂に分散された蛍光体の濃度が高い第二波長変換部材６を凹部の開口部と略同一面まで充填し、更にその上方に第二波長変換部材６を覆うように光透過性樹脂８を凸形状に覆設している。これによって、第二波長変換部材６に分散された蛍光体が湿気等の周囲環境および機械的摩擦から保護されると同時に、光学的にもＬＥＤチップ４から出射されて第一波長変換部材５内及び第二波長変換部材６内を導光されて波長変換された光を外部に放出する際に集光する役目を果たすものである。

なお、光透過性樹脂は上述した実施例１〜実施例４の構造の第二波長変換部材の上部に形成することも可能であり、その場合でも光透過性樹脂は実施例５で述べたと同様の効果を発揮するものである。

以下に示す実施例６〜実施例１１は、ＬＥＤチップを載設するために基材に設けられる凹部に創意と工夫をこらし、凹部に充填材を充填するときに凹部の内側面に沿って這い上がりがないように、充填材の表面張力を利用して充填材の表面が略平面状になるようにしたものである。その結果、ＬＥＤチップから出射された光が這い上がりの部分から外部に放出することがないため、色むらの少ない発光色を発する半導体発光装置を実現することができるものである。

図６は本発明の半導体発光装置の実施例６の構造を示す部分断面図である。基材１にＬＥＤチップ４の高さ以上に相当する深さの擂鉢状の第一凹部１１を設けて内側面１２に反射面を形成し、第一凹部１１の開口部を形成する面を下部開口部１３とする第一中空部１４を第一凹部１１の上方に設ける。なお、第一中空部１４の下部開口部１３は第一凹部１１の開口部より大きく、第一中空部１４の内側面１５の光軸に対する角度は要求される光学的仕様に基づいて決められるものである。また、第一中空部１４の内側面１５を反射面にすることにより、光取り出し効率を向上させることができる。

そして、第一凹部１１の底面３にＬＥＤチップ４を載設して第一凹部１１内に光透過性樹脂８を充填し、その上の第一中空部１４内に光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材１６を充填する。このとき、第一凹部１１内に充填された光透過性樹脂８は、第一凹部１１の開口部の内側面で上部の第一中空部１４内に流れ込むのが阻止される。従って、ＬＥＤチップ４から出射されて第一凹部１１内に充填された光透過性樹脂８内を導光されて光透過性樹脂８の出射面に至った光は全て第一中空部１４内に充填された波長変換部材１６内に出射され、その結果、波長変換部材１６内を導光されて外部に出射される光は色むらの少ないものとなる。

図７は本発明の半導体発光装置の実施例７の構造を示す部分断面図である。本実施例の構造は上述した実施例６と基本的には同様であるが、波長変換部材１６を充填する第一中空部１４の内側面１５を垂直に立ち上げている。これにより、波長変換部材１６の層の厚みが均一に形成されていることから、ＬＥＤチップ４から出射される光が青色光で、蛍光体が青色光を黄色光に波長変換する場合、ＬＥＤチップ４の光軸近傍が白色で周囲が黄色くなる色むらを減少することができる。また、第一凹部１１の内測面１２に傾斜をつけないで垂直に立ち上げることにより、ＬＥＤチップ４から出射された光を小さい面積内に閉じ込めて光束密度を高め、略光軸上を明るくした光源にすることができる。

図８は本発明の半導体発光装置の実施例８の構造を示す部分断面図である。本実施例の構造は上述した実施例７と基本的には同様であるが、波長変換部材１６を充填する第一中空部１４の内側面１５の光軸に対する角度を２段階に形成している。この構成では、第一凹部１１に充填された光透過性樹脂８が充填時に第一凹部１１から第一中空部１４に流れ出し、第一中空部１４の内側面１５に沿って這い上がった場合、第一中空部１４の内側面１５の光軸に対する角度が変わる変角部１７で這い上がりを阻止し、それより上部の第一中空部１４には全面に波長変換部材８が充填されるようにしたものである。これにより光透過性樹脂８の這い上がりを阻止する確実性を高めることができる。

図９は本発明の半導体発光装置の実施例９の構造を示す部分断面図である。本実施例の構造は、第一凹部１１の開口部を第一中空部１４の下部開口部として第一中空部１４の内側面１５を立ち上げ、第一中空部１４の内側面１５の光軸に対する角度を第一凹部１１の内側面１２の光軸に対する角度よりも大きくしている。この構成においては、第一凹部１１に充填された光透過性樹脂８の這い上がりは第一凹部１１の内側面１２と第一中空部１４の内測面１５との共有部分で阻止される。また、第一凹部１１の内測面１２と第一中空部１４の内側面１５が連続する側面を形成しているため段差がなく、光が照射されない段差部分にある不要な光変換部材がなくなるため、ＬＥＤチップ４から出射されて第一凹部１１に充填された光透過性樹脂８内を導光された光は第一中空部１４に充填された波長変換部材１６全体に導かれ、波長変換部材１６の波長変換に寄与しない無駄な部分を排除するようになっている。

図１０は本発明の半導体発光装置の実施例１０の構造を示す部分断面図である。本実施例の構造は、第一凹部１１及び第一中空部１４の形状は上述した実施例７と基本的には同様であるが、第一中空部１４に光透過性樹脂に蛍光体を分散した第二波長変換部材６を充填し、それよりも蛍光体濃度の低い第一波長変換部材５を第一凹部１１に充填したものである。これにより、ＬＥＤチップ４から出射された光は第一波長変換部材５内と第二波長変換部材６内の２層内を導光されて波長変換されるためより色むらの少ない発光色が得られることになる。

図１１は本発明の半導体発光装置の実施例１１の構造を示す部分断面図である。本実施例の構造は、ＬＥＤチップ４を底面３に載設した擂鉢状の第一凹部１１の開口部を形成する面を下部開口部とする第一中空部１４を設け、その上方に第一中空部の上部開口部を形成する面を下部開口部とする第二中空部１８を形成して、１つの凹部と２つの中空部で構成する。また、第一中空部１４及び第二中空部１８の下部開口部は夫々第一凹部１１の開口部及び第一中空部１４の上部開口部よりも大きく形成されている。そして、真中の第一中空部１４に光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材１６を充填し、ＬＥＤチップ４が載設された第一凹部１１及び第二中空部１８には光透過性樹脂を充填する。このような構成において、第二中空部１８を設けて光透過性樹脂８を充填することにより、第一中空部１４に充填された波長変換部材１６に分散された蛍光体が湿気等の周囲環境および機械的摩擦から保護されると同時に光学的にもＬＥＤチップから出射されて第一凹部１１に充填された光透過性樹脂８内を導光され、第一中空部１４に充填された波長変換部材１６で波長変換された光を第二中空部１８に充填された光透過性樹脂８で集光して外部に放出するようにしたものである。

上述した実施例１〜実施例１１において、第一凹部１１、第一中空部１４及び第二中空部１８を形成する内側面の光軸に対する角度は、要求される光学的仕様、第一凹部１１、第一中空部１４及び第二中空部１の大きさ及び充填材の這い上がり阻止効果などの要件の組み合わせによって最適値が決められるもので、数値は一義的に、普遍的にきめられるものではない。また、各内側面に反射面を形成するかどうかは、光学的仕様及び基材を構成する材質などによって決められる。例えば、基材に反射率の高い素材を使用した場合は表面に反射処理を施すことなく反射面を得ることができる。

また、ＬＥＤ光源に求められる発光面積（表示面積）や明るさ等の要求仕様を満足させる手段として、基材に設けられた凹部の底面に複数のＬＥＤチップを載設する場合もある。

以上、実施例１〜実施例５においては、本発明の半導体発光装置は、ＬＥＤチップを載接した凹部に充填材を２層に形成し、光透過性樹脂に蛍光体を分散した波長変換部材でＬＥＤチップの一部若しは全部が埋没するように１層目を形成し、その上方に１層目よりも蛍光体の濃度が高い波長変換部材を充填している。そのため、１層目の波長変換部材を充填するときに凹部の内側面に沿って這い上がり現象が生じて中心部が窪んだ状態に形成され、その窪んだ部分に２層目の波長変換部材が充填された状態になったとしても、ＬＥＤチップから出射されて１層目内のみを導光されて外部に放射される光も１層目に蛍光体が分散されているため波長変換された光が放出されることになる。つまり、ＬＥＤチッから出射されて１層目内と２層目内を導光されて外部に放出される光と、ＬＥＤチップから出射されて１層目内のみを導光されて外部に放出る光は、両方共蛍光体によって波長変換された光であるため、色むらの少ない発光色を得ることができる。従って、１層目の波長変換部材を充填する際に這い上がり現象に気を配る必要がなく、製造工程が簡略されて製造コストの低減に大いに寄与するものである。

また、実施例６〜実施例１１においては、本発明の半導体発光装置は、ＬＥＤチップを載設する凹部を多段に形成し、各段に充填する光透過性樹脂あるいは蛍光体を光透過性樹脂に分散した波長変換部材の這い上がりの発生を各段内で阻止している。つまり、ＬＥＤチップから出射されて格段に至った光はすべて充填材内を導光されて波長変換され外部に放出される。したがって、実施例１〜実施例５と同様に色むらのない発光色を得ることができる。などの優れた効果を奏するものである。

本発明の実施例１に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例２に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例３に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の第施例４に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例５に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例６に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例７に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例８に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例９に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例１０に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 本発明の実施例１１に係わる半導体発光装置の部分断面図である。 従来の半導体発光装置の一例を示す部分断面図である。 従来の半導体発光装置の他の例を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 基材
２ 内側面
３ 底面
４ ＬＥＤチップ
５ 第一波長変換部材
６ 第二波長変換部材
７ 第二波長変換部材の上面
８ 光透過性樹脂
１１ 第一凹部
１２ 内側面
１３ 下部開口部
１４ 第一中空部
１５ 内側面
１６ 波長変換部材
１７ 変角部
１８ 第二中空部

Claims (2)

1. 凹部を設けた基材と、
   前記凹部の底面に載設された少なくとも一つのＬＥＤチップと、
   前記ＬＥＤチップの一部もしくは全体を埋没するように前記凹部の途中まで充填された、少なくとも一種の蛍光体を分散した光透過性樹脂からなる第一波長変換部材と、
   前記第一波長変換部材の上方に充填された、少なくとも一種の蛍光体を分散した光透過性樹脂からなる第二波長変換部材と、を含み、
   前記第二波長変換部材は前記第一波長変換部材よりも光透過性樹脂に分散された蛍光体濃度が高く、かつ、
   前記第一波長変換部材は、前記凹部内側面に沿って這い上がり、中心部が窪んだ状態に形成され、
   前記第二波長変換部材は前記窪んだ中心部の上に充填されること、を特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第二波長変換部材の上方に光透過性樹脂を覆設した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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