JP4526257B2

JP4526257B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP4526257B2
Application number: JP2003369568A
Authority: JP
Inventors: 智明阿部; かおり波岡; 洋平澤; 能子木村
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: JP2005136101A

Description

本発明は、半導体発光装置に関するものであり、詳しくは発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを封止する柔軟性のある第一の光透過性樹脂と、それを覆う堅硬な第二の光透明樹脂とを備えた半導体発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は半導体を材料とする発光素子であり、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合させて順方向にバイアス電圧を印加することにより接合部（活性層）で電気エネルギーが光エネルギーに変換されて光を発するという原理のものである。ＬＥＤのピーク発光波長は半導体材料によって異なるが、近紫外〜可視光〜近赤外の領域にあり、発光スペクトルは急峻な特性を有している。

また、ＬＥＤの発光体（ＬＥＤチップ）は、一辺の長さが０．５ｍｍ程度の６面体（サイコロ状）の形状をしており、小さくて発光光量が少なく、点光源に近い光学特性を有している。したがって、このような特性のＬＥＤチップを光源にしたＬＥＤを設計・製作するに当たっては、ＬＥＤチップの活性層で発光された光の量に対するＬＥＤチップから出射される光の量の割合（外部量子効率）を高め、且つＬＥＤチップから出射されてＬＥＤの外部に放出される光を一方向に集めてＬＥＤの軸上光度を上げるような手法が施されている。

ＬＥＤチップの電極構造はＬＥＤチップを構成する半導体材料によって、ＬＥＤチップの同一面側にアノード電極とカソード電極とを設けたものと、ＬＥＤチップの対向する面の夫々にアノード電極とカソード電極とを設けたものとの二種類に大別される。また、ＬＥＤチップを光源とする半導体発光装置は構造によって、一列に並設された複数のリードフレームの一端にＬＥＤチップを載設し、ＬＥＤチップを光透過性樹脂で封止してレンズ効果を持たせた砲弾型と称するものと、表面に電極パターンが形成されたプリント基板にＬＥＤチップを載設し、ＬＥＤチップを光透過性樹脂で封止した表面実装型と称するものとの二種類に大別される。

このような二種類のＬＥＤチップと二種類の構造との組合わせによって構成されるＬＥＤは、ＬＥＤチップに設けられた電極とＬＥＤチップに外部から電圧を印加するために外部に導出するように設けられた電極とを接続する手段の一つとしてボンディングワイヤを介した接続方法が採られ、電気的導通が図られる。

ＬＥＤチップを光透過性樹脂で封止する目的は、上述したような働きを有するボンディングワイヤに直接接触することによって加わる力および間接的に加わる振動、衝撃によって電極からボンディングワイヤが剥離したり、ボンディングワイヤが切断したり、ボンディングワイヤの変形によって短絡したりすることによって生じる電気的な不具合を防止するためであり、また同時に、ＬＥＤチップを湿気、塵埃などの外部環境から保護し、長期間に亘って信頼性を維持するためのものでもある。

ところが、ＬＥＤチップの線膨張率とＬＥＤチップを封止する光透過性樹脂の線膨張率とに差がある場合、回路基板に実装するときに加えられる熱や、点灯時の自己発熱などに起因する樹脂応力が原因で電極からボンディングワイヤが剥離したり、ボンディングワイヤが切断したり、甚だしい場合はＬＥＤチップが破損したりする不具合が発生することがある。

通常、このような問題を解決する方法として、光透過性樹脂の膨張収縮によってＬＥＤチップに加わる応力を緩和するために、ＬＥＤチップを透明シリコーン樹脂のような柔軟性のある光透過性樹脂で封止し、更にそれを堅硬な光透過性樹脂で覆うことが行なわれる。

このような構成のＬＥＤの従来例としては図１０に示すような、非常に硬い性質を有する窒化物半導体からなるＬＥＤチップを光源とするものがある。ここで使用されるＬＥＤチップは、ＬＥＤチップを構成するサファイヤ基板２０とその上に形成された窒化物半導体層２１との格子不整合、線膨張率の差およびＬＥＤチップの電極構造がＬＥＤチップを封止する樹脂の応力に敏感に影響され、外部からの加熱、ＬＥＤチップの自己発熱などによって生じる封止樹脂の膨張収縮が与える応力によってＬＥＤチップが反ったり、曲がったり、電極が剥がれたりする不具合を生じる。このような問題を回避するために、ＬＥＤチップに加わる応力の緩和材としてＬＥＤチップを封止する樹脂に柔軟性のある透明シリコーン樹脂２２を用い、更にそれを堅硬な透明エポキシ樹脂２３で覆ったものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−３３５７２０号公報

しかしながら、上述した従来のＬＥＤは、ＬＥＤチップを封止する透明シリコーン樹脂の線膨張率と更にそれを覆う透明エポキシ樹脂の線膨張率とが異なるために、シリコーン樹脂を加熱硬化した後の冷却時の収縮や、ＬＥＤチップの点灯時の発熱、消灯時の冷却が両樹脂を加熱、冷却し、その繰り返しによって両樹脂の界面が剥離し隙間２４が生じる。その結果、隙間２４部分で光の導光効率が低下して外部に放出される光量が減少し、また、隙間２４部分での光の反射および屈折によって光の集中傾向が強くなり、配光特性の半値角が小さくなって所望するような設計に沿った配光が得られないことになる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、高輝度で且つ所望する配光特性が得られる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、絶縁体に複数の金属部を設けたランプハウスの少なくとも１ヶ所の金属部にＬＥＤチップを載設し、第一の光透過性樹脂からなり開口部を有する形状のレンズを前記開口部が対向するように前記ランプハウスに取付け、該ランプハウスと前記レンズとで形成された空間に第二の光透過性樹脂を充填した半導体発光装置であって、前記第二の光透過性樹脂は、前記第一の光透過性樹脂よりも柔軟性の高い樹脂から構成され、前記第二の光透過性樹脂の線膨張率は、前記絶縁体および前記第一の光透過性樹脂の線膨張率より大きく、前記レンズの前記第二の光透過性樹脂と接触する面に前記第二の光透過性樹脂との接着強度を高める表面処理が施され、前記第二の光透過性樹脂と前記絶縁体との接着強度を前記レンズと前記第二の光透過性樹脂との接着強度より低い接着強度とす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、前記絶縁体と前記第二の光透過性樹脂との間に非接着部が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記絶縁体の前記第二の光透過性樹脂側には窪みが設けられ、前記非接着部は、前記窪みに形成されている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形態を図１から図９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、以下に述べる実施形態は、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、これらの態様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形態の構造を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３および図４は図２のＢ部詳細図である。ＰＰＡ（ポリフタルアミド）等からなる絶縁体１の２ヶ所に金属部材からなる第一電極２および第二電極３を外部に導出させてランプハウス４を形成する。

次に、第一電極２の上面に半田、Ｃｕ、Ａｇ等を含有した導電性ペースト５を介してＬＥＤチップ６を載設し、ＬＥＤチップ６の下部電極と第一電極２との電気的導通を図る。一方、ＬＥＤチップ６の上部電極はＡｕ、Ａｌ等のボンディングワイヤ７を介して第二電極３に接続し、ＬＥＤチップ６の上部電極と第二電極３との電気的導通を図る。

更に、堅硬で透明なポリカーボネート樹脂からなり、開口部を有するレンズ８を開口部が対向するようにランプハウス４に取付け、ランプハウス４とレンズ８とで形成される空間に柔軟性のある透明なシリコーン樹脂９を充填して加熱硬化する。

このような工程を経て作製された半導体発光装置は、ＬＥＤチップ６の２つの電極の夫々に接続された第一の電極２と第二の電極３との間に順方向電圧を印加することによって、ＬＥＤチップ６を形成するｐ型半導体とｎ型半導体の接合部（活性層）で電気エネルギーが光エネルギーに変換され、変換された光がＬＥＤチップ６から外部に放出されるものである。

ところが、ＬＥＤチップ６に供給された電気エネルギーがすべて光エネルギーに変換されるわけではなく、ＬＥＤチップ６に供給された電気エネルギーの内、光エネルギーの変換に寄与しない分があり、その場合は熱エネルギーとなってＬＥＤチップ６自身の温度を上昇させると同時に、ＬＥＤチップ６を封止した樹脂が加熱されて樹脂表面から熱が外部に放出され、半導体発光装置が自己発熱によって温度上昇することになる。しかも、ＬＥＤチップ６は、温度が上昇するにつれて電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率が低下するため、熱エネルギーに変換される割合が多くなる。従って、ＬＥＤチップ６に供給される電気エネルギーが増加するにつれてＬＥＤチップ６の自己発熱の増加と光エネルギーへの変換効率の低下との悪循環が生じ、半導体発光装置の温度が益々上昇することになる。

さらに、多数の半導体発光装置を密に実装して同時に点灯する場合、夫々の半導体発光装置間の熱の相互作用によって、単体あるいは粗に実装して点灯する場合よりも半導体発光装置の温度上昇が大きくなり、ファン等の冷却装置を使用して強制的に冷却する必要が生じるほどに温度上昇することがある。また、特に表面実装型の半導体発光装置を回路部品としてプリント基板等に実装するには半田リフローなどが採用されるが、その時に半導体発光装置にかなりの熱が加わることになる。

このように、ＬＥＤチップの自己発熱および外部からの加熱によって半導体発光装置の温度が上昇すると、当然、半導体発光装置を構成する絶縁体からなるランプハウス４とシリコーン樹脂９とポリカーボネート樹脂からなるレンズ８も温度上昇する。

すると、絶縁体を形成するＰＰＡとシリコーン樹脂９とレンズ８を形成するポリカーボネート樹脂の線膨張率の違いによって不具合が発生する。つまり、夫々の線膨張率は、ＰＰＡの線膨張率がα×１０^−５／Ｋ、シリコーン樹脂の線膨張率がβ×１０^−４／Ｋ、ポリカーボネート樹脂の線膨張率がγ×１０^−５／Ｋであり（α、βおよびγは何れも一桁の整数値で種類によって異なる）、特に、シリコーン樹脂とＰＰＡおよびシリコーン樹脂とポリカーボネート樹脂の夫々の間に約一桁の線膨張率の差があるために夫々の界面でかなりのストレスが発生する。言い換えると、シリコーン樹脂９とランプハウス４およびシリコーン樹脂９とレンズ８の夫々の界面に強いストレスが加わることになる。ただし、ランプハウス４、シリコーン樹脂９およびレンズ８は加熱冷却によって一体となって相似的に膨張収縮するのではなく、シリコーン樹脂９は外周部材のランプハウス４およびレンズ８よりも顕著に膨張収縮するため、シリコーン樹脂９がランプハウス４およびレンズ８に与えるストレスの影響が最も大きい。

従って、シリコーン樹脂９が加熱硬化されて冷却するときの収縮によって、シリコーン樹脂９とランプハウス４の界面およびシリコーン樹脂９とレンズ８との界面でのストレスで剥離が生じることになる。

また、ＬＥＤチップに供給されていた電気エネルギーが断たれると、半導体発光装置は消灯し、冷却されて上述した界面でのストレスは緩和される。このように、半導体発光装置が点灯と消灯を繰返すことによって加熱と冷却が繰返されてシリコーン樹脂９とランプハウス４およびシリコーン樹脂９とレンズ８の夫々の界面でストレスの発生と緩和が繰返され、その結果、界面が剥離して界面を構成する二種類の部材の間に隙間が生じることになる。そこで、本発明では、シリコーン樹脂９と接するレンズ８の内表面に表面処理を施すことによって、シリコーン樹脂９とレンズ８との界面での接着強度を強くして剥離を生じ難くした。

ここで、ポリカーボネート樹脂からなるレンズ８のシリコーン樹脂９と接する内表面に施す表面処理の方法の一つは、レンズ面に紫外光を５分間照射して表面を酸化させて表面改質し、シリコーン樹脂との間で働く水素結合によって接着強度を強めるものである。

また、表面処理の他の方法は、プラズマ照射によって表面改質を行なうもので、ＡｒやＨｅなどの不活性ガスとＯ_２やＮ_２などの反応性ガスとの混合ガスのプラズマを使用し、プラズマの作用によってポリカーボネート樹脂の表面ではスパッタエッチングなどの物理反応あるいは極性基の形成や架橋反応による不飽和結合の形成などの化学反応が起こる。これにより、表面の濡れ性や接着性を向上させることができる。本発明の具体的なプラズマ照射条件は、ＡｒとＯ_２の混合ガスを使用して各４０ｃｃ、合計８０ｃｃ／ｍｉｎの割合で１．５ｍｉｎの照射を行なった。なお、レンズ８の表面に紫外線照射或いはプラズマ照射を行なって表面改質層１１を形成し、シリコーン樹脂９との接着強度を向上させた状態を図３で示している。

さらに、表面処理の他の方法は、ブラスト処理によって表面を凸凹に荒らすもので、アルミナ粉末を３０ｍｉｎ吹付けた後に水で洗浄し、空気で乾燥させる方法である。この方法によって、図４に示すようにポリカーボネートからなるレンズ８の表面に形成された凸凹面１０の凹部にシリコーン樹脂９が入り込むと同時にシリコーン樹脂９との接触面積が大きくなるため、レンズ８とシリコーン樹脂９との接着強度が増すことになる。

また、ランプハウスを構成する絶縁体１とシリコーン樹脂９との界面においても両樹脂の加熱冷却によってストレスが生じるが、本発明ではここで発生するストレスを有効に利用した。つまり、図５に示すように、絶縁体１の外周部とレンズ８のシリコーン樹脂９と接触する面の端部とで囲まれた部分を断面形状を凹形状にしてリング状に形成し、シリコーン樹脂９とレンズ８との界面で生じるストレスを、シリコーン樹脂９とレンズ８との接着強度よりも弱いシリコーン樹脂９とランプハウス４を構成する絶縁体１との界面で緩和させ、シリコーン樹脂９とレンズ８との界面でのストレスを低減させたものである。その結果、シリコーン樹脂９とランプハウス４を構成する絶縁体１との界面での剥離で隙間１２が生じることが考えられるが、この部分での隙間１２は光学的な特性に悪影響を与える部分ではないため、光学特性を確保することを最重点にしてこのような施策を施すことにより、レンズ８とシリコーン樹脂９との界面の剥離を極力防止するようにしたものである。つまり、界面の剥離で生じた間隔１２が応力緩和部として働いている。

また、図６に示すように、応力緩和部としてランプハウス４のシリコーン樹脂９側の一部に窪み１３を設けた形状とし、予めシリコーン樹脂９との非接着部１４を設けることにより、応力緩和部を一定の位置に設けることも可能である。シリコーン樹脂９との非接着部１４が応力緩和部として働き、レンズ８とシリコーン樹脂９との界面の剥離防止が可能となる。

シリコーン樹脂９とランプハウス４との界面での剥離による隙間を応力緩和部とした場合の半導体発光装置の物理的、光学的な結果を図７から図９に示す。図７はレンズの内表面の処理方法に対する物理的、光学的な結果を数値によって表したものであり、図８はレンズに表面処理を施さない場合の半導体発光装置の指向特性、図９はレンズに表面処理を施した場合の半導体発光装置の指向特性である。

図７から分かることは、シリコーン樹脂と接するレンズの内表面を紫外線照射あるいはプラズマ照射のいずれかの方法で表面処理しても、レンズとシリコーン樹脂との界面のせん断接着強さが増加していることが分かる。また、光学特性については、レンズの内表面に表面処理を施さない場合の光量が４４ｍＷであったのに対し、紫外線照射あるいはプラズマ照射のいずれかの方法で表面処理を施すことによって光量が４７〜４９ｍＷに増加した。なお、表面処理の違いによる光量の差は、各表面処理方法で形成された固有の表面状態が光学特性に直接的に影響を及ぼしたためと考えられる。さらに、図８および図９で示した指向特性に関しては、半値角の設計値が２２°であったのに対してレンズに表面処理を施さない場合は約２０°で設計値よりも半値角が狭く、表面処理した場合は設計値の２２°を満足する値となっている。

また、設計仕様として目論んだ指向特性と製品を実測した指向特性との関係を図８と図９で比較すると、図９に示したようにレンズに表面処理を施した半導体発光装置の方が目論みの配光特性と製品を実測した特性特性との差が小さくなっており、レンズに表面処理を施すことによって目論みに近い指向特性を実現することが可能であることを示している。

上述した結果より、いずれの表面処理によっても十分な接着強度を得ることができ、外部に放出される光量が増したことが検証できた。つまり、シリコーン樹脂とランプハウスを構成する絶縁体との接着強度よりもシリコーン樹脂とレンズとの接着強度のほうが大きかったことによる効果を示している。

以上のように、絶縁体に複数の金属部を設けたランプハウスの少なくとも１ヶ所の金属部にＬＥＤチップを載設し、ポリカーボネート樹脂等の光透過性部材からなり、開口部を有するレンズを開口部が対向するようにランプハウスに取付け、ランプハウスとレンズとで形成される空間に透明シリコーン樹脂が充填された半導体発光装置において、ポリカーボネート樹脂からなるレンズとシリコーン樹脂の両部材の線膨張率の違いがもとで加熱冷却時の膨張収縮で発生する界面の剥離を、シリコーン樹脂と接するレンズ面を表面処理することにより、両部材の界面の接着強度を増加させることによって生じ難くした。また、ランプハウスを構成する絶縁体とシリコーン樹脂の界面に剥離による隙間を発生させることにより、レンズとシリコーン樹脂との界面でのストレスを緩和させ、レンズとシリコーン樹脂との界面の剥離を防止して光学特性を確保するようにした。その結果、加熱冷却といった温度変化のある環境下にあっても、長期間に亘ってＬＥＤチップから出射された光の取り出し効率を高め、且つ、指向特性の最適化が実現できる。また、レンズを形成する材料にシリコーン樹脂との接着性が特別優れたものを使用する必要がなく、安価な材料で機能を果たすことができるので製品コストが低減できる、などの優れた効果を奏するものである。

本発明の実施形態に係わる半導体発光装置の平面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ部詳細図である。図２のＢ部詳細図である。図２のＣ部詳細図である。本発明の別の実施形態に係わる半導体発光装置の断面図である。本発明の実施形態に係わる半導体発光装置の特性表である。本発明の実施形態に係わる半導体発光装置の構成においてレンズに表面処理を施さない場合の指向特性である。本発明の実施形態に係わる半導体発光装置の構成においてレンズに表面処理を施した場合の指向特性である。従来の半導体発光装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１絶縁体
２第一電極
３第二電極
４ランプハウス
５導電性ペースト
６ＬＥＤチップ
７ボンディングワイヤ
８レンズ
９シリコーン樹脂
１０凹凸面
１１表面改質層１１
１２隙間
１３窪み
１４非接着部

Claims

絶縁体に複数の金属部を設けたランプハウスの少なくとも１ヶ所の金属部にＬＥＤチップを載設し、第一の光透過性樹脂からなり開口部を有する形状のレンズを前記開口部が対向するように前記ランプハウスに取付け、該ランプハウスと前記レンズとで形成された空間に第二の光透過性樹脂を充填した半導体発光装置であって、
前記第二の光透過性樹脂は、前記第一の光透過性樹脂よりも柔軟性の高い樹脂から構成され、
前記第二の光透過性樹脂の線膨張率は、前記絶縁体および前記第一の光透過性樹脂の線膨張率より大きく、
前記レンズの前記第二の光透過性樹脂と接触する面に前記第二の光透過性樹脂との接着強度を高める表面処理が施され、前記第二の光透過性樹脂と前記絶縁体との接着強度を前記レンズと前記第二の光透過性樹脂との接着強度より低い接着強度とすることを特徴とする半導体発光装置。
前記絶縁体と前記第二の光透過性樹脂との間に非接着部が形成さ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。
前記絶縁体の前記第二の光透過性樹脂側には窪みが設けられ、
前記非接着部は、前記窪みに形成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。