JP4715227B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、青色発光素子と、赤色発光素子とを含む半導体発光装置に関し、特に青色発光素子から出射された光の一部を波長変換して黄色に発色する蛍光体を含有して、透過した青色と蛍光体が発色する黄色とが混色して白色となる蛍光体層を備えた半導体発光装置およびその製造方法に関する。
青色発光素子からの青色の光を波長変換して黄色を発色する蛍光体を含有して、透過した青色と蛍光体が発色する黄色とが混色して白色となる蛍光体層を備えた半導体発光装置がある。この半導体発光装置は、安価に白色を発光させることができるが、発光する光に赤色成分が少ないため演色性が悪い。
演色性を向上させるために赤色発光素子を加えたものが特許文献1に記載されている。この特許文献1に記載の半導体発光装置を図10および図11に示す。
図10に示す従来の半導体発光装置20は、電極21が設けられた基板22に、青色発光素子23と、赤色発光素子24とが並べて実装されている。青色発光素子23は、蛍光体25を含有する蛍光体層26で被覆され白色系LED部27を構成し、赤色発光素子24は、蛍光体25を含有しない透明樹脂層28で被覆されて、赤色LED部29を構成している。
また図11に示す従来の半導体発光装置30は、蛍光体層26が青色発光素子23と赤色発光素子24の両方を被覆している。
特開2004−55772号公報
しかし、図10に示す従来の半導体発光装置20は、蛍光体層26が青色発光素子23のみを被覆し、透明樹脂層28が赤色発光素子24のみを被覆しているので、蛍光体層26および透明樹脂層28を形成するには、基板22に青色発光素子23と赤色発光素子24とを搭載した状態で、樹脂を2回塗布する必要があり、工程が煩雑である。
また図11に示す従来の半導体発光装置30は、青色発光素子23のみならず赤色発光素子24をも蛍光体層26が被覆しているので、赤色発光素子24から出射された全ての光は、蛍光体層26に含有される蛍光体25により、その進行が阻害されるので大幅に輝度が低下する。そうなると、輝度を高めるために消費電力の大きい赤色発光素子とする必要があり、電池で駆動される装置には不向きな半導体発光装置となってしまう。
そこで本発明は、演色性を維持しつつ、赤色発光素子の輝度低下が少ない半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体発光装置は、青色に発光する青色発光素子と赤色に発光する赤色発光素子とが搭載面に搭載され、前記青色発光素子から出射された光の一部を波長変換して黄色に発光する波長変換層を設けた半導体発光装置において、前記波長変換層は、前記青色発光素子を被覆し、かつ前記赤色発光素子の前記搭載面側とは反対側となる主光取り出し面のみが露出するように形成されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、青色に発光する青色発光素子と赤色に発光する赤色発光素子とが搭載面に搭載され、前記青色発光素子から出射された光の一部を波長変換して黄色に発光する波長変換層が設けられている半導体発光装置の製造方法において、前記赤色発光素子と、前記赤色発光素子より高さが低い前記青色発光素子とを略平面とした搭載面に搭載する搭載工程と、前記波長変換層の厚みを、前記搭載面から前記赤色発光素子の主光取り出し面までとして形成する波長変換層形成工程とを備えたことを特徴とする。
波長変換層が、青色発光素子を被覆し、かつ赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出するように形成されているので、演色性を維持しつつ、赤色発光素子の輝度低下が少ない半導体発光装置とすることができる。
本願の第1の発明は、青色に発光する青色発光素子と赤色に発光する赤色発光素子とが搭載面に搭載され、青色発光素子から出射された光の一部を波長変換して黄色に発光する波長変換層を設けた半導体発光装置において、波長変換層は、青色発光素子を被覆し、かつ赤色発光素子の搭載面側とは反対側となる主光取り出し面のみが露出するように形成されていることを特徴としたものである。
波長変換層が、青色発光素子を被覆し、かつ赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出するように形成されているので、青色発光素子から出射された光の波長を変換しても、赤色発光素子の主光取り出し面から出射された光を阻害しないので、赤色発光素子の輝度低下を少ないものとすることができる。
波長変換層を形成する際には、波長変換層の厚みを、赤色発光素子の主光取り出し面に合わせて調整するだけで、青色発光素子を被覆しても、赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出する波長変換層が、容易に形成できる。
本願の第2の発明は、青色発光素子と赤色発光素子とが略平面とした搭載面に搭載した状態で、赤色発光素子の方が青色発光素子より高く形成されていることを特徴とする。
赤色発光素子の方が青色発光素子より高く形成されているので、搭載面が略平面としても、波長変換層の厚みを赤色発光素子の主光取り出し面に合わせて調整するだけで、青色発光素子を被覆し、かつ赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出する波長変換層を形成することができる。
本願の第3の発明は、青色発光素子と赤色発光素子とは、発光させる端子がそれぞれ個別に設けられていることを特徴としたものである。
発光させる端子を、青色発光素子と赤色発光素子とそれぞれ個別に設けているので、赤色発光素子は、白色発光の際の演色性向上に寄与するだけでなく、赤色発光素子のみを点灯や点滅させることができる。従って赤色発光素子を、例えば携帯電話などの装置に実装したときに点灯や点滅に意味を持たせることで、報知手段として機能させることもできる。その場合でも波長変換層が赤色発光素子の主光取り出し面から出射される光を阻害しないため、輝度の低下を少ないものとすることができる。
本願の第4の発明は、青色に発光する青色発光素子と赤色に発光する赤色発光素子とが搭載面に搭載され、青色発光素子から出射された光の一部を波長変換して黄色に発光する波長変換層が設けられている半導体発光装置の製造方法において、赤色発光素子と、赤色発光素子より高さが低い青色発光素子とを略平面とした搭載面に搭載する搭載工程と、波長変換層の厚みを、搭載面から赤色発光素子の主光取り出し面までとして形成する波長変換層形成工程とを備えたことを特徴とする。
略平面とした搭載面に搭載した状態で、赤色発光素子より低くなる青色発光素子とし、波長変換層の厚みを、搭載面から赤色発光素子の主光取り出し面までとすることで、青色発光素子を被覆しても、赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出する波長変換層を設けた半導体発光装置を製造することができる。従って、波長変換層が、青色発光素子を被覆し、かつ赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出するように形成されているので、青色発光素子から出射された光の波長を変換しても、赤色発光素子の主光取り出し面から出射された光を阻害しないので、赤色発光素子の輝度低下を少ないものとすることができる。
本願の第5の発明は、青色発光素子は、透過性基板にn型半導体とp型半導体とを積層させ、n型半導体にはn側電極、p型半導体にはp側電極が設けられ、n側電極およびp側電極を搭載面側として搭載面に搭載する発光素子であり、搭載工程にて発光素子を搭載面に搭載した後、透過性基板の主光取り出し面となる面を研磨して高さを調整したものに、波長変換層形成工程にて波長変換層を形成することを特徴としたものである。
青色発光素子を、透過性基板にn型半導体とp型半導体とを積層させ、n型半導体にはn側電極、p型半導体にはp側電極が設けられたフリップチップ型の発光素子とすると、透明基板を研磨することで、平面とした搭載面に搭載したときに赤色発光素子よりも高さの低い青色発光素子とすることができる。また、この研磨により、青色発光素子から出射された光が波長変換層を通過する距離を調整することができるので、より白色に近い色味とすることができる。
本願の第6の発明は、波長変換層形成工程は、搭載面から赤色発光素子の主光取り出し面までとした厚みに形成され、青色発光素子および赤色発光素子が搭載面に搭載された位置に、青色発光素子および赤色発光素子が収容される収容部を設けたスクリーンマスクを、青色発光素子および赤色発光素子に収容部を合わせて搭載面に載置し、収納部に波長変換層となる樹脂を充填し、スクリーンマスクの表面を均して波長変換層を形成することを特徴としたものである。
波長変換層形成工程は、スクリーン印刷法を用いて行うことができる。その際に、スクリーンマスクとして、搭載面から赤色発光素子の主光取り出し面までとした厚みに形成され、青色発光素子および赤色発光素子が搭載面に搭載される位置に、青色発光素子および赤色発光素子が収容される収容部を設けたものを使用することで、青色発光素子を被覆し、かつ赤色発光素子の主光取り出し面のみが露出した波長変換層を容易に形成することができる。これは従来の半導体発光装置の樹脂変換層を形成する際に用いるスクリーンマスクに、搭載面から赤色発光素子の主光取り出し面までの厚みとするだけで、工程の追加などは必要がない。
本願の第7の発明は、波長変換層形成工程の後に、スクリーンマスクに樹脂を充填して形成した波長変換層の表面を研磨することを特徴としたものである。
更に、波長変換層を形成した後に、赤色発光素子の主光取り出し面を研磨することで、波長変換層をスクリーン印刷法で形成するときに、赤色発光素子の主光取り出し面に僅かながらでも付着した樹脂を除去することができ、より赤色発光素子の輝度の低下を防止することができる。
(実施の形態)
本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の構成を図1から図5に基づいて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置を説明する平面図である。図2は、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置を説明する垂直断面図である。図3は、発光部を説明する平面図である。図4は、蛍光体層を説明する垂直断面図である。図5は、発光素子を説明する正面図である。
図1および図2に示すように、半導体発光装置1は、リードフレーム2と、リードフレーム2に搭載された発光部3と、リードフレーム2および発光部3とを導通接続するワイヤ4と、発光部3を覆う樹脂パッケージ5とを備えている。
リードフレーム2は、それぞれCu合金等にNi/Agめっき処理等を行った板状材で形成されており、樹脂パッケージ5の一方の側面から突出する第1の電極部2aおよび第2の電極部2bと、他方の側面から突出する第3の電極部2cおよび第4の電極部2dと、発光部3を搭載する搭載部2eを備えている。
第1の電極部2aから第4の電極部2dは、樹脂パッケージ5のそれぞれ側方に突出して、半導体発光装置1の裏面側に屈曲され、更にその先部を外側に屈曲させて、外側に伸びるように形成されている。
発光部3は、搭載部2eに銀ペーストにより固着されている。ここで発光部3について図3および図4に基づいて詳細に説明する。
図3および図4に示すように、発光部3は、サブマウント素子3aと、3個の青色発光素子3bと、1個の赤色発光素子3cと、蛍光体層8とで構成され、青色発光素子3bと赤色発光素子3cとが、サブマウント素子にフリップチップ実装されている。
サブマウント素子3aは、セラミックで形成されており、その上面である搭載面に、青色発光素子3bおよび赤色発光素子3cに設けられた電極と接続して両端部へ引き出す配線パターン3a−1が設けられている。本実施の形態ではサブマウント素子3aを、青色発光素子3bおよび赤色発光素子3cからの光を反射させやすいセラミックとしたが、n型半導体とp型半導体とでツェナーダイオードを構成したものとしてもよい。
配線パターン3a−1は、それぞれの青色発光素子3bと赤色発光素子3cに設けられたアノードとカソードに対応させて個々に設けられている。そして図1に示すようにワイヤ4が、個々に設けられている配線パターン3a−1と、第1の電極部2aから第4の電極部2dとをそれぞれ接続している。従って、第1の電極部2aから第3の電極部2cにそれぞれ電圧を印加すると、それぞれの青色発光素子3bが点灯し、第4の電極部2dへ電圧を印加すると、赤色発光素子3cが点灯する。
青色発光素子3bと赤色発光素子3cとは、透過性基板にn型半導体とp型半導体とを積層させ、n型半導体にはn側電極、p型半導体にはp側電極を設けたものである。ここで青色発光素子3bと赤色発光素子3cについて図5に基づいて詳細に説明する。なお、図5においては青色発光素子3bと、赤色発光素子3cとは、基本的な構成は同じなので便宜上、発光素子と称して説明する。
図5に示すように発光素子7は、サファイヤなどの透明基板7aに、n型半導体で形成されたn型半導体層7bと、発光する発光層7cと、p型半導体で形成されたp型半導体層7dとを順次積層し、発光層7cおよびp型半導体層7dの一部をエッチングにて除去してn型半導体層7bを露出させ、露出したn型半導体層7bにn側電極7eを、p型半導体層7dにp側電極7fを設けたものである。この発光素子7は、n側電極7eおよびp側電極7fを搭載面側とし、その反対側となる透明基板7aの上面が主光取り出し面S1となるように、サブマウント素子3aに搭載される。発光素子7の高さは、赤色発光素子3cの場合は約150μm程度に形成され、青色発光素子3bの場合は、約60μm程度に形成されている。
図4に戻って、蛍光体層8は、青色発光素子3bからの光を波長変換して黄色を発色する蛍光体(図示せず)を含有させた樹脂で形成された波長変換層である。蛍光体層8は、サブマウント素子3aの搭載面上に、青色発光素子3bを被覆し、かつ赤色発光素子3cの主光取り出し面S1のみが露出するように、平面視して矩形状に形成されている。従って、蛍光体層8の厚みは、サブマウント素子3aの搭載面から赤色発光素子3cの主光取り出し面S1までとなるので、約150μmに形成されている。
図1および図2に示すように、樹脂パッケージ5は、例えば透明エポキシ等の樹脂で形成されている。樹脂パッケージ5は、平面視して矩形状に形成され、一方の側面から第1の電極部2aおよび第2の電極部2bが、他方の側面から第3の電極部2cおよび第4の電極部2dが突出した基台部5aと、略半球状に形成されたレンズ部5bとを備えている。
以上のように構成される本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を図1から図8に基づいて説明する。図6から図8は、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図である。
まず青色発光素子3bと赤色発光素子3cとを準備する。図6に示すように、3個ずつ青色発光素子3bを、図3で示される配置となるように合わせて、サブマウント素子3aの元となる平板状の集合基板10にAuバンプを介して搭載する。
集合基板10に搭載した青色発光素子3bの透明基板7a(図5参照)の主光取り出し面S1の研磨を行い、サブマウント素子3aの搭載面となる面からそれぞれの青色発光素子3bの高さが均一となるように調整する。白色の色度は、青色発光素子3bを蛍光体層8に被覆したときに、光が蛍光体層8内を通過する距離によって決定される。例えば青色発光素子3bのn側電極7eおよびp側電極7fの先端から、透明基板7aの主光取り出し面S1までが短いと、蛍光体層8に被覆されたときに、光が透明基板7aから出射され蛍光体層8内を通過する距離が長くなってしまい、蛍光体の励起が多く発生することで黄色が強い白色となる。従って、青色発光素子3bを複数準備したときに、白色の色度を合わせるため、青色発光素子3bの透明基板7aの主光取り出し面S1を研磨することで、それぞれの青色発光素子3bの高さを均一とし、光が蛍光体層8内を通過する距離を合わせている。この研磨により、青色発光素子3bは、製造当初約90μmであったものが、この研磨により約60μm程度となる。
次に、図7に示すように、赤色発光素子3cをそれぞれの所定の位置に、Auバンプを介して集合基板10に搭載して搭載工程を完了する。
搭載工程が完了すると、波長変換層である蛍光体層8を形成する波長変換層形成工程を行う。この工程は、スクリーン印刷法を用いて行われる。まず図8に示すように、赤色発光素子3cと青色発光素子3bとを搭載した集合基板10の上方にスクリーンマスク9を配置する。
スクリーンマスク9は、サブマウント素子3aとなる集合基板10の搭載面から赤色発光素子3cの主光取り出し面S1までとした厚みに形成され、青色発光素子3bおよび赤色発光素子3cが搭載面に搭載された位置に収容部9aを設けた板である。
このスクリーンマスク9を、収容部9aに赤色発光素子3cおよび青色発光素子3bを収容するように、サブマウント素子3a上に載置する。そして収容部9aに蛍光体を含有する樹脂を充填して、スクリーンマスク9の上面をスキージなどで均す。蛍光体を含有する樹脂が硬化すると蛍光体層8となる。
スクリーンマスク9として、サブマウント素子3aの搭載面から赤色発光素子3cの主光取り出し面S1までとした厚みに形成され、青色発光素子3bおよび赤色発光素子3cが搭載面に搭載される位置に収容部9aを設けたものを使用することで、青色発光素子3bを被覆し、かつ赤色発光素子3cの主光取り出し面S1のみが露出した蛍光体層8を容易に形成することができる。
更に、スクリーンマスク9の収容部9aに樹脂を充填して形成した蛍光体層8の表面を研磨する。蛍光体層8の表面を研磨することで、露出した赤色発光素子3cの主光取り出し面S1が研磨されることとなる。そうすることで蛍光体層8をスクリーン印刷法で形成するときに、赤色発光素子3cの主光取り出し面S1に僅かながらでも付着した樹脂を除去することができ、より赤色発光素子3cの輝度の低下を防止することができる。
蛍光体層8の研磨が完了すると、集合基板10をダイシングして、青色発光素子3bと赤色発光素子3cとを搭載したサブマウント素子3aの個片とする。
そして、蛍光体層8が設けられ、個片としたサブマウント素子3aをAgペースト等の接着剤を介してリードフレーム2の搭載部2eに搭載する。サブマウント素子3aの配線パターン3a−1と、リードフレーム2の第1の電極部2aから第4の電極部2dまでとを、それぞれワイヤ4で接続する。最後に、トランスファー成形法にて、樹脂パッケージ5を成形する。
次に、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の使用状態を説明する。
まず白色発光させるときは、第1の電極部2aから第4の電極部2dへそれぞれ所定の電圧を印加する。電圧を印加することで、1個の赤色発光素子3cおよび3個の青色発光素子3bへそれぞれ電流が流れ発光する。青色発光素子3bから出射された光は蛍光体層8内を通過するときに、蛍光体層8に含有される蛍光体が励起して黄色に発光する光と、そのまま通過した青色の光とが混色して白色となり樹脂パッケージ5へ入射する。蛍光体層8は、青色発光素子3bの周囲だけでなく、赤色発光素子3cの周囲を囲うように形成されているので、青色発光素子3bの周囲だけでなく、赤色発光素子3cの周囲も白色に発光しているように見える。そして、赤色発光素子3cの主光取り出し面S1から出射された光は、主光取り出し面S1が蛍光体層8から露出しているので、光の進行の阻害なしに樹脂パッケージ5内へ入射させることができる。従って、主光取り出し面S1から出射された光は、蛍光体層8による輝度の低下がないので、赤色発光素子3cの側方の周囲に蛍光体層8が形成されているものの、主光取り出し面S1を蛍光体層8から露出させることで、照明装置として演色性を維持しつつ、赤色発光素子の輝度低下を少ないものとすることができる。
また、半導体発光装置1の使用状態としては、例えば、演色性の高い照明装置として使用できる他に、赤色発光素子3cに対応する第4の電極部2dのみに電圧を印加することで、この半導体発光装置1は赤色発光素子3cのみ点灯することができるので、報知手段として機能させることができる。その場合でも蛍光体層8が赤色発光素子3cの主光取り出し面S1から出射される光を阻害しないため、輝度の低下を少ないものとすることができる。
なお、本実施の形態では、図4に示すようにサブマウント素子3aの搭載面から蛍光体層8の表面までの高さが赤色発光素子3cの主光取り出し面S1までの高さと略等しくなるように形成されているが、図9に示すように赤色発光素子3cの主光取り出し面S1より低くなるように蛍光体層11を形成してもよい。そうした場合でも、赤色発光素子3cの主光取り出し面S1から出射される光は、蛍光体層11で阻害されないので、演色性を維持しつつ、赤色発光素子3cの輝度低下を少ないものとすることができる点では変わりはない。
本発明は、演色性を維持しつつ、赤色発光素子の輝度低下を少ないものとすることができるので、青色発光素子と、赤色発光素子とを含む半導体発光装置に関し、特に青色発光素子から出射された光を波長変換する蛍光体を含有して、透過した青色と蛍光体が発色する黄色とが混色して白色となる蛍光体層を備えた半導体発光装置に好適である。
本発明の実施の形態に係る半導体発光装置を説明する平面図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置を説明する垂直断面図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の発光部を説明する平面図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の蛍光体層を説明する垂直断面図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の発光素子を説明する正面図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図 本発明の他の実施の形態に係る半導体発光装置の蛍光体層を説明する垂直断面図 従来の半導体発光装置を説明する図 従来の半導体発光装置を説明する図
符号の説明
1 半導体発光装置
2 リードフレーム
2a 第1の電極部
2b 第2の電極部
2c 第3の電極部
2d 第4の電極部
2e 搭載部
3 発光部
3a サブマウント素子
3a−1 配線パターン
3b 青色発光素子
3c 赤色発光素子
4 ワイヤ
5 樹脂パッケージ
5a 基台部
5b レンズ部
7 発光素子
7a 透明基板
7b n型半導体層
7c 発光層
7d p型半導体層
7e n側電極
7f p側電極
8 蛍光体層
9 スクリーンマスク
9a 収容部
10 集合基板
11 蛍光体層
S1 主光取り出し面

Claims (4)

  1. 青色に発光する青色発光素子と赤色に発光する赤色発光素子とが搭載面に搭載され、前記青色発光素子から出射された光の一部を波長変換して黄色に発光する波長変換層が設けられている半導体発光装置の製造方法において、
    前記赤色発光素子と、前記赤色発光素子より高さが低い前記青色発光素子とを略平面とした搭載面に搭載する搭載工程と、
    前記波長変換層の厚みを、前記搭載面から前記赤色発光素子の主光取り出し面までとして形成する波長変換層形成工程とを備えたことを特徴とする半導体発光装置の製造方法
  2. 前記青色発光素子は、透過性基板にn型半導体とp型半導体とを積層させ、前記n型半導体にはn側電極、前記p型半導体にはp側電極が設けられ、前記n側電極および前記p側電極を搭載面側として前記搭載面に搭載された発光素子であり、
    前記搭載工程にて前記発光素子を前記搭載面に搭載した後、前記透過性基板の主光取り出し面となる面を研磨して高さを調整したものに、前記波長変換層形成工程にて前記波長変換層を形成することを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置の製造方法
  3. 前記波長変換層形成工程は、前記搭載面から前記赤色発光素子の主光取り出し面までとした厚みに形成され、前記青色発光素子および前記赤色発光素子が前記搭載面に搭載された位置に、前記青色発光素子および前記赤色発光素子が収容される収容部を設けたスクリーンマスクを、前記青色発光素子および前記赤色発光素子に前記収容部を合わせて前記搭載面に載置し、前記収納部に前記波長変換層となる樹脂を充填し、前記スクリーンマスクの表面を均して前記波長変換層を形成することを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光装置の製造方法
  4. 前記波長変換層形成工程の後に、前記スクリーンマスクに樹脂を充填して形成した前記波長変換層の表面を研磨することを特徴とする請求項3記載の半導体発光装置の製造方法。
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