JP4602736B2

JP4602736B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP4602736B2
Application number: JP2004306988A
Authority: JP
Inventors: 正和大橋
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006120844A

Description

本発明は、表面実装型の半導体発光装置に関し、特に、長期保管後の長期信頼性に耐え得る構造を備えた半導体発光装置に関する。

近年の移動体通信機器、携帯型通信機器の発展により、これら機器の小型化に伴い実装部品の小型化も進められている。このような機器に実装する半導体発光装置（以下、単に発光装置と呼ぶ。）の一例として、図４に示すようなプリント基板に直接部品を実装する、いわゆる表面実装型の発光装置１０がある。図４は、この発光装置１０の構造を示す断面図である。

この発光装置１０は、基板１６と、この基板１６上に設けられる第１の電極１３ａと第２の電極１３ｂと、この第１の電極１３ａに載置される発光素子１４と、この発光素子１４の図示していない上部電極と第２の電極１３ｂを導通配線するワイヤー１５と、発光素子１４及びワイヤー１５の周囲に立設される基材１２と、この基材１２で覆われてなる中央部の凹部分に充填される封止樹脂１１とで構成されている。

このような発光装置１０は、凹部分の内部に設けられる発光素子１４が湿気を含む空気中に暴露されると、発光強度の低下や突然発光しなくなるいわゆる突然死など、寿命が短くなるという問題を有していることから、凹部分に可視光での透過率が良好な樹脂を用いて封止を行うことにより、発光装置の発光特性と信頼性を維持している。

ところで、この表面実装型の発光装置１０は、例えばプリント基板上に実装する際に、クリーム半田が塗布された電極端子上にこの発光装置１０が配置され、この状態でリフローはんだ装置に導入されて窯内温度２６０℃程度で加熱されることによりリフローされる。

そのため封止樹脂１１にエポキシ樹脂などを用いると、この高温加熱により基材１２から封止樹脂１１が剥離することや、封止樹脂１１自体にクラックなどが入り、結果として通電量に対して発光強度が適切でない場合や、通電しても発光しないなどの不具合が生ずる。このようなことから耐熱性の高いシリコン樹脂、或いはシリコンゴムを使用する発光装置の開発が進められている（特許文献１）。

また図４に示すように、発光素子１４は導電性接着剤や金線によるワイヤーボンドなどの方法で第２の電極１３ｂである金属板に接続されている。前述したように凹部分に封止樹脂１１を流し込み、熱硬化樹脂であれば加熱、紫外線硬化樹脂であれば紫外線を照射して樹脂を硬化させるが、これら硬化された樹脂が一定以上の硬さを有すると、この樹脂内に、硬化時に発生する内部歪が原因でワイヤー１５や、導電性接着剤により接続されているワイヤー１５と第２の電極１３ｂの接続点、及びワイヤー１５と発光素子１４の接続点に負荷がかかり破壊する恐れがある。この破壊発生の確率は一定の確率で起こる。このようなことから従来一般には、封止樹脂１１に軟質の樹脂を使用することが多い。軟質の樹脂であれば、多少の内部歪が発生してもワイヤー１５を断線させる可能性を低下させることができる。
特開平１０−２９４４８７号公報

上述したように、ワイヤー１５の破壊、及び導電性接着剤の接続点における剥離を防止するために、封止樹脂１１に軟質のシリコン樹脂を用いたいという要望がある。

しかしながら、軟質のシリコン樹脂は、その表面にタックと呼ばれるべたつきが発生するため、製品使用時にこの封止樹脂表面に埃などのゴミが吸着するという問題がある。べたつきが発生する部分は、表面実装型の発光装置１０の発光面である。このような埃などの異物の付着量に応じて、発光素子１４からの光の透過率は低下するため、引いては製品としての発光強度が低下するという問題に繋がる。

そこで、このような問題の対策一例として従来は、発光装置１０が実装されたプリント回路基板全体を筐体（図示せず）で囲うなどの工夫がなされていた。これにより埃などのゴミの吸着を低下させることができるようになったが、その反面、筐体等を設けることによるコストアップを招くという問題が生じた。また更に、筐体等を設けることにより製品の小型化も達成しづらいという問題もあった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、長期保管後の長期信頼性に耐え得る構造を有し、且つ細線のワイヤーやワイヤーと電極の接続点にかかる負荷を抑制することができる半導体発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明は、プリント配線板上にリフロー半田付けされて実装される半導体発光装置であって、基板と、前記基板に設けられる一対の電極と、前記基板に設けられ、前記一対の電極とワイヤーで電気的に接続され、紫外光を発光する半導体発光素子と、前記半導体発光素子と前記ワイヤーとの周囲に設けられ、矩形状に形成された基材と、前記基材で形成される凹部に充填され、日本工業規格で規定されるＪＩＳＡ６０以下の硬度を有する第１のシリコン樹脂で形成される封止樹脂と、を備え、前記封止樹脂の表面に設けられ、光の出射領域内に静電気防止処理が施された高光透過性を有する保護層を有し、前記保護層は、日本工業規格で規定されるＪＩＳＡ７０以上の硬度を有する第２のシリコン樹脂で形成されることを要旨とする。

請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記保護層は、５０μｍ以上３００μｍ以下の厚みで形成されることを要旨とする。請求項３記載の本発明は、請求項１または２に記載の半導体発光装置であって、前記静電気防止処理は、リン酸エステルまたは４級アンモニウム塩素で処理することを要旨とする。

本発明によれば、長期保管後の長期信頼性に耐え得る構造を有し、且つ細線のワイヤーやワイヤーと電極の接続点にかかる負荷を抑制することができる半導体発光装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置（以下、単に発光装置という）１の断面図である。本発光装置１の構成において、従来と同じ構成部分は同符号を付している。

本発明の発光装置１は、平坦面を有する基板１６と、この基板１６上に設けられる一対の第１及び第２の電極１３ａ及び１３ｂと、第１の電極１３ａ上に載置される発光素子１４と、この発光素子１４の図示していない上部電極と第２の電極１３ｂを導通配線するワイヤー１５と、発光素子１４及びワイヤー１５の周囲に立設される基材１２と、この基材１２で覆われて形成される凹部分に充填される封止樹脂１１とで少なくとも構成され、封止樹脂１１の面上には静電気防止処理を施した光透過性の高い保護層２が設けられている。

本発明の特徴のひとつは、封止樹脂１１の面上に静電気防止処理が施された保護層２を設ける点にある。これにより従来は封止樹脂１１の表面上にタックが発生していたが、このタックを保護層２で覆うことができるので、粉塵、埃などの異物の吸着を抑制することができる。その結果、従来よりも光の透過率を向上させることができ、ひいては発光装置としての発光強度を長期保存後でも従来より向上させることができるようになる。

また保護層２を設けることにより、従来通り封止樹脂１１に軟質のシリコン樹脂を使用することができるようになる。これにより発光素子１４及び発光素子１４に接続した細線のワイヤー１５の破断発生の確率を大幅に低減させることができる。

ここで封止樹脂１１の材料は、光の透過率の観点からシリコン樹脂が望ましい。その硬度は、日本工業規格で規定されているＪＩＳＡ硬度６０以下であることが好ましい。

一方、封止樹脂１１の表面上に形成する保護層２の材質はシリコンが望ましく、その厚みは、光の透過率の観点から５０〜３００μｍが適当である。本実施の形態においては、具体的に厚みを２００μｍとし、硬度は日本工業規格で規定されているＪＩＳＡ７０以上とした。この保護層２の表面には、静電気による塵、粉塵の吸着を防止するための静電気防止層３が設けられている。

この静電気防止層３は、発光装置１としての機能を保持するために、光の透過率は９０％以上であることが望ましい。また静電気防止層３の表面固有抵抗は１０¹²Ω以下とし、光の透過率が９０％以上のものであれば材料は特に限定せず、如何なる材料で構成されていても良い。静電気防止剤の一例としては、リン酸エステル系、４級アンモニウム塩素などが挙げられる。

また静電気防止層３は、その光透過率の観点から厚みは５０μｍ以内であることが適当である。静電気防止層３が形成される領域は、少なくとも光の出射面とする。これにより製品としての発光強度を維持しつつ、保護層２上に形成された静電気防止層３の表面が塵、粉塵などに曝されても、これらの吸着を著しく抑制することができる。

このような上記構成を有する発光装置において、封止樹脂１１の硬度を異なる数種のシリコン樹脂で作製して、各発光装置についてヒートサイクル試験を実施した。その結果を図２に示す。

封止樹脂１１の硬度をそれぞれＪＩＳＡ硬度６０、７０、８０の３種類とし、この封止樹脂１１の表面にＪＩＳＡ硬度９０の保護層２を設け、更に保護層２表面に静電気防止層３を設けた。このような構成を有する発光素子を２０個づつ用意した。これらを１２５℃、−６５℃の２種類の温度で３０分間ごとに切替可能なヒートサイクル試験器で試験した。

その結果、硬度６０の発光装置は、２０個全ての発光装置から発光が確認できた。しかし硬度７０の場合は２０個中１個が未発光であった。また硬度８０の場合も２０個中２個が未発光であった。

上記の試験結果から、封止樹脂１１の硬度が６０以下であれば１００％の確率で発光することが示された。従って、発光素子１４を覆う封止樹脂１１を備える発光装置において、封止樹脂１１は硬度６０以下のシリコン樹脂とし、保護層２は、ＪＩＳＡ硬度７０以上のシリコン樹脂とすることで、製品としての発光強度を維持した発光装置を提供することができる。

尚、本実施の形態においては、発光素子１４の発光波長を特に限定していないが、発光波長は４００ｎｍから６５０ｎｍのうち何れの波長を出力するものでも適用できる。

そこで、図３を参照して、発光波長４００ｎｍから６５０ｎｍの発光強度の測定結果を示す。また合わせて長期保存後の長期信頼性を説明する。

図３（ａ）は、赤色発光素子（発光波長λ＝６２０ｎｍ）の発光強度を、経過時間（横軸）に対する相対発光強度（ａ．ｕ）（縦軸）で表したものである。グラフＡは、静電気防止層３なしの場合の発光強度変化であり、グラフＢは、静電気防止層３を設けた場合の発光強度変化である。

ここで発光装置１に適用した封止樹脂１１（ＪＩＳＡ硬度６０以下、光透過度９０％以上）は、可視光領域での光透過率が高い。すなわち、樹脂のそのもの又は添加剤などの何れにおいてもこの領域の波長の光を吸収しないため、可視光領域での吸収が生じない。そのシリコン樹脂に光を照射し続けるような連続的なＬＥＤとしての点灯試験を実施した結果、上述したようにシリコン樹脂等が光を吸収しないため、光による分解などの樹脂の分解反応が起きず、図３（ａ）に示すように、そのシリコン樹脂を封止樹脂１１として用いたＬＥＤの長期信頼性５０００時間経過後であっても高くなると評価できる。

一方、図３（ｂ）は、青色発光素子（発光波長λ＝４６０ｎｍ）の発光強度を、経過時間（横軸）に対する相対発光強度（ａ．ｕ）（縦軸）で表したものである。グラフＣは、静電気防止層３なしの場合の発光強度変化であり、グラフＤは、静電気防止層３を設けた場合の発光強度変化である。またグラフＥは、保護層２をエポキシ樹脂にした場合の発光強度変化である。

同図に示されている通り、グラフＣ、Ｄは、グラフＡ、Ｂとほぼ同じ結果となった。すなわり、封止樹脂１１にシリコン樹脂を使用した場合は、異なる光（発光波長）を発光する素子を用いても、その波長に依存することなく、一定の発光強度が得られる。

一方で、グラフＥに示すように、一般的な発光素子の封止樹脂として用いられているエポキシ樹脂は、その主成分である樹脂と添加剤は何れも４５０ｎｍ以下の波長を吸収し、光の透過率をやや低下させる。そのため、紫外線領域の波長の光となるとその光は全く透過しなくなる。これは、添加剤、樹脂そのものに短波長の光を吸収する構造が存在していることに起因している。このような短波長の光を吸収すると樹脂は化学的な分解を起こすため、長期的な観点からは樹脂が劣化し、ＬＥＤとしては発光強度を低下させる恐れがある。

以上の通り本発明によれば、一対の電極に電気的に接続された半導体発光素子と、この半導体発光素子を覆う封止樹脂を少なくとも備える半導体発光装置であって、封止樹脂の表面で、且つ光の出射領域内に静電気防止処理が施された光透過性の高い保護層を設けることで、べたつく表層が空気中に曝されないので粉塵、埃などの付着量を低下させることができる。これにより埃などの付着量に応じて低下していた光の透過率の低下を抑制することができるので、結果として、製品の長期保管後の長期信頼性を招来することができるようになる。

また、封止樹脂の材料として軟質の樹脂を適用することができるので、粉塵、埃などの付着を低下させつつ、ワイヤーとこのワイヤーと発光素子の接続点及びワイヤーと電極の接続点に加わる負荷を抑制させることができる。その結果、発光素子に取り付けたワイヤーや、発光素子を取り付けているダイボンドが外れる恐れを原理上大きく低減させることができる。

更に、封止樹脂層にシリコン樹脂を用いるので、紫色〜青色の発光波長範囲での光による封止樹脂の劣化がしづらくなる。

本発明の実施の形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る発光装置のヒートサイクル試験結果を示す表である。本発明の実施の形態に係る発光装置に具備される発光素子の発光波長に対する発光強度の関係をグラフ化したものであり、（ａ）は、赤色発光素子の発光強度特性を示し、（ｂ）は、青色発光素子の発光強度特性を示している。従来の発光装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…発光装置
２…保護層
３…保護膜
１０…発光装置
１１…封止樹脂
１２…基材
１３ａ…第１の電極
１３ｂ…第２の電極
１４…発光素子
１５…ワイヤー
１６…基板

Claims

プリント配線板上にリフロー半田付けされて実装される半導体発光装置であって、
基板と、
前記基板に設けられる一対の電極と、
前記基板に設けられ、前記一対の電極とワイヤーで電気的に接続され、紫外光を発光する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子と前記ワイヤーとの周囲に設けられ、矩形状に形成された基材と、
前記基材で形成される凹部に充填され、日本工業規格で規定されるＪＩＳＡ６０以下の硬度を有する第１のシリコン樹脂で形成される封止樹脂と、
を備え、
前記封止樹脂の表面に設けられ、光の出射領域内に静電気防止処理が施された高光透過性を有する保護層を有し、
前記保護層は、日本工業規格で規定されるＪＩＳＡ７０以上の硬度を有する第２のシリコン樹脂で形成されることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１に記載の半導体発光装置であって、
前記保護層は、５０μｍ以上３００μｍ以下の厚みで形成されることを特徴とする半導体発光装置。
請求項１または２に記載の半導体発光装置であって、
前記静電気防止処理は、リン酸エステルまたは４級アンモニウム塩素で処理することを特徴とする半導体発光装置。