JP4884074B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子からの光を波長変換層を介して出射させて、半導体発光素子チップからの出射光と波長変換層からの励起光とを混合して、光学レンズを介して外部に出射するようにした半導体発光装置に関する。
従来、このような半導体発光装置としてのLEDは、例えば特許文献1に示すようにして製造される。
即ち、特許文献1によれば、図8に示すように、上面にリフレクタを構成する光反射キャビティ1aを備えた基体(ステム)1に、リードフレーム2a,2bがインサート成形されている。ここで、上記リードフレーム2a,2bは、それぞれ上記光反射キャビティ1a内にてその底面に露出している。
上記光反射キャビティ1aの底部にて、リードフレーム2上にLEDチップ(半導体発光素子チップ)3が載置され、リードフレーム2aに対してダイボンディングにより、またリードフレーム2bに対してワイヤボンディングにより、それぞれ電気的に接続される。
その後、上記光反射キャビティ1a内にて、LEDチップ3を覆うように、封止樹脂(光透過性樹脂)5が充填され、さらにその上に、砲弾状に上方に突出する光透過性樹脂から成る光学レンズ6が配置される。
ここで、上記光学レンズ6を形成する場合、図9に示すように、光学レンズ用ケース型7内に、未硬化の光透過性樹脂を注入した後、上記LEDチップ3が実装され且つ光反射キャビティ1a内に封止樹脂5が充填された上記基体1を上下反転した状態で、このケース型7内に浸漬される。
その際、基体1から側方に突出する各リードフレーム2a,2bが上記ケース型7の上縁に当接することにより、ストッパとして作用する。これにより、上記気体がケース型7内にて所定位置に位置決めされることになり、この状態にて、上記光透過性樹脂を硬化させて、光学レンズ6を形成する。
最後に、上記ケース型7内から基体1を取り出して、リードフレーム2a,2bの余分な部分を切除することにより、LEDが完成するようになっている。
このような構成のLEDによれば、半導体発光素子チップ3から出射した光が、封止樹脂5を通って、さらに光学レンズ6を通って外部に出射する。その際、外部への出射光は、光学レンズ6の光学作用によって、所定の配光特性が付与されることになる。
ところで、このようなLEDにおいては、上記基体1と光学レンズ6、そして上記封止樹脂5と光学レンズ6との間に、化学的結合のない界面が生ずることになる。
一般的に、LEDの動作環境温度は、−20℃から+80℃以上までとなり、特に車載用途の場合には、−40℃から+100℃の間で変化することになり、このような温度においても、安定した動作が要求されることになる。
しかしながら、上述した構成のLEDにおいては、外部の温度変化に対して、基体1,封止樹脂5及び光学レンズ6の熱膨張,熱収縮によって、各材料の熱膨張係数の差に基づいて、化学的結合のない界面に応力が加えられ、場合によっては剥離が発生することになる。
特に、例えばLEDをリフロー処理した場合やヒートショック試験等においては、これらの界面にてしばしば剥離が発生する。
このような剥離の発生によって、これらの界面において、光の反射が生ずることになり、外部への出射光の光度が低下してしまう。
特に、硬度の高い材料同士の場合に、このような剥離が発生しやすくなっている。
また、リードフレーム2a,2bを利用して、ケース型7に対する位置決めを行なっているが、このような位置決め方法では、水平方向における位置決めを正確に行なうことができず、光軸ずれが発生しやすかった。
これに対して、上述した熱膨張係数の差による剥離を抑制するようにしたLEDが、特許文献2や特許文献3に開示されている。
特許文献2においては、熱膨張係数の大きい緩衝用樹脂(封止樹脂)に対して、剰余分の収納部を設けることにより、低温時には熱収縮により体積が不足する緩衝用樹脂を上記収納部から補給して剥離を防止し、高温時には熱膨張により過剰となった緩衝用樹脂を上記収納部に収納して、パッケージ内圧の上昇を防止するようにした、LEDが開示されている。
また、特許文献3においては、レンズ内面に表面処理を施すことにより、封止樹脂との接着性を高め、基体と封止樹脂との接触面の一部に応力緩和部を設けて、界面で発生する応力を緩和するようにした半導体発光装置が開示されている。
特許第3492178号 特開2005−116817号 特開2005−136101号
しかしながら、特許文献2によるLEDにおいては、緩衝用樹脂の剰余分の収納部を設けることにより、半導体発光素子チップからの光の一部が遮断されることになり、光取出し効率が低下してしまう。さらに、上記収納部の周囲においては、温度変化に伴って、上記収納部に進入または退避する緩衝用樹脂が移動することになり、レンズとの界面において、剥離が発生しやすい。また、緩衝用樹脂の硬化の際に収縮応力が緩衝用樹脂全体に発生することにより、上記界面における剥離が発生してしまう。
また、特許文献3による半導体発光装置においては、レンズ内面の表面処理によりレンズと封止樹脂との接着性が高められている。このため、この界面における剥離が抑制されることになるが、基体と封止樹脂との接触面の一部に応力緩和部が設けられていることにより、また基体の封止樹脂との接触面に発生する応力が部分的に緩和されることにより、却って他の領域における剥離が促進されることになる。
本発明は、以上の点から、簡単な構成により、封止樹脂,光学レンズの界面における剥離が抑制され得て、光学レンズの半導体発光素子に対する位置決めが正確に行なわれ得るようにした半導体発光装置を提供することを目的としている。
上記目的は、本発明によれば、表面にチップ実装部を有する板と、このチップ実装部を包囲するように形成された基板上面に設けられたハウジングと、このハウジングのキャビティ内に露出するチップ実装部上に実装された半導体発光素子と、上記キャビティ内にて半導体発光素子を覆う高さまで充填された微粒子を含む透光性樹脂層と、さらに上記キャビティ内にてハウジングの上面の高さまで充填された封止層と、この封止層の上方に配置された光学レンズと、を含む半導体発光装置であって、上記ハウジングが、内側のキャビティ壁面の所定高さ位置に段部と当該段部に隣接するほぼ垂直な立ち壁を備えており、上記光学レンズが、底部付近から互いに水平方向反対側に突出し、上記キャビティの段部の内径よりも大きな外径の一対のフランジ部を備えていて、上記光学レンズのフランジ部がハウジングキャビティ内の段部に上方から当接した状態で、上記封止層内に埋設されていることを特徴とする、半導体発光装置により達成される。
本発明による半導体発光装置は、好ましくは、上記フランジ部が、上記光学レンズの下面と同じ高さもしくはレンズ下面より僅かに上方の高さに配置されている。
本発明による半導体発光装置は、好ましくは、上記フランジ部が、上記光学レンズの下方に突出する凸部を備えている。
本発明による半導体発光装置は、好ましくは、上記フランジ部が、その先端面にて、ハウジングの段部に隣接する壁面に当接している。
上記構成によれば、上記ハウジングが、内側のキャビティ壁面の所定高さ位置に段部と当該段部に隣接するほぼ垂直な立ち壁を備えており、上記光学レンズが、底部付近から互いに水平方向反対側に突出し、上記キャビティの段部の内径よりも大きな外径の一対のフランジ部を備えていて、上記光学レンズのフランジ部がハウジングキャビティ内の段部に上方から当接した状態で、上記封止層内に埋設されている上記光学レンズは、その一対のフランジ部が、それぞれハウジングのキャビティ壁面に設けられた段部に上方から当接することにより、上下方向に関して位置決めされている。これにより、セラミック基板のチップ実装部に実装された半導体発光素子と光学レンズの距離が正確に合わせられる。また、外部環境温度の変化等による熱応力が光学レンズと封止層の界面に作用したとしても、このフランジ部と封止層の比較的大きな接触面積により、上記熱応力が効果的に緩和されることになり、上記光学レンズの封止層からの剥離が抑制され得ることになる。
さらに、上記構成により、上記光学レンズは、封止層に対して確実に保持され得ることになり、上述した熱応力が作用しても、上記光学レンズの封止層からの剥離がより一層抑制され得ることになる。
このようにして、組立の際の光学レンズの光軸ずれ等の位置ずれが低減され得る。また、外部の温度変化による封止層と光学レンズとの界面における剥離が発生せず、信頼性の高い半導体発光装置が提供され得ることになる。
上記フランジ部が、上記光学レンズの下面と同じ高さもしくはレンズ下面より僅かに上方の高さに配置されている場合には、光学レンズの下面とフランジ部の下面が同一平面となる。これにより、半導体発光素子から出射する光が、光学レンズの下面とフランジ部との境界付近で予期しない方向に屈折または反射することが抑制され得ることになる。
上記フランジ部が、上記光学レンズの下方に突出する凸部を備えている場合には、外部環境温度の変化等により熱応力が発生したとき、このフランジ部の凸部による段部への接点を支点として、上記光学レンズが上下方向に僅かに移動して、この熱応力を吸収することになる。これにより、上記熱応力がより一層緩和され、光学レンズの封止層からの剥離がより確実に回避され得ることになる。
上記フランジ部が、その先端面にて、ハウジングの段部に隣接する壁面に当接している場合には、これにより光学レンズがハウジングに対して水平方向に正確に位置決めされ得ることになり、セラミック基板のチップ実装部に実装された半導体発光素子と光学レンズの光軸が正確に合わせられ得る。
このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、封止樹脂,光学レンズの界面における剥離が抑制され得る。また、光学レンズの半導体発光素子に対する位置決めが正確に行なわれ得るようにした半導体発光装置が提供され得ることになる。
以下、この発明の好適な実施形態を図1〜図7を参照しながら、詳細に説明する。
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。
[実施例1]
図1及び図2は、本発明による半導体発光装置としてのLEDの第一の実施形態を示している。
図1及び図2において、LED10は、チップ実装部11aを有する基板11と、このチップ実装部11aを包囲するように基板11の上面に設けられたハウジング12と、このハウジング12のキャビティ12a内に露出する上記チップ実装部11a上に実装されたLEDチップ13と、上記ハウジング12のキャビティ12a内に充填された波長変換剤(例えば蛍光体)を混入した波長変換層14と、上記キャビティ12a内にて上記波長変換層14の上に配置された封止層15と、この封止層15の上方に配置された光学レンズ16と、から構成されている。
上記基板11は、熱伝導性の高い材料、具体的には銅,アルミニウム等の表面に絶縁層を備えた金属板や、酸化アルミニウム,炭化ケイ素,窒化ケイ素若しくは酸化ジルコニウム等のセラミック基板、またはシリコン等から構成されている。
上記基板11は、その表面に電極パターンが形成されており、この電極パターンにより、ほぼ中央付近のチップ実装部11aを備えている。また、この電極パターンは、上記基板11の上面または下面に引き回されることにより、上面または下面にて電気的接続が行なわれ得るようになっている。
上記ハウジング12は、例えば不透光性樹脂材料から構成されており、上記基板11上の所定位置に、例えば接着剤等により固定されている。
上記ハウジング12は、その内側に上下に貫通する。また、上記チップ実装部11aを露出させるキャビティ12aを備えている。
このキャビティ12aは、図示の場合、下部12bが円筒状に、そして上部12cが上に向かって広がる円錐台状に形成されており、内面が反射面として構成されている。また、上縁付近に円環状の段部12dを備えている。
ここで、上記段部12dは、ハウジング12の下面、即ち基板11の上面から所定の高さ位置に配置されている。
尚、上記ハウジング12は、基板11と一体に構成されていてもよい。この場合、チップ実装部11aを含む電極パターンは、例えばリードフレームから構成され、所謂インサート成形され得る。
上記LEDチップ13は、例えば青色LEDチップであって、上記ハウジング12のキャビティ12a内にて、上記基板11のチップ実装部11a上に接合される。また、その上面に設けられた電極が、隣接してキャビティ12a内に露出するボンディング部(図示せず)に対して金線等を使用したワイヤボンディングにより電気的に接続されるようになっている。
上記波長変換層14は、微粒子状の波長変換剤14aを混入した透光性樹脂から構成されており、上記キャビティ12a内にて円筒状の下部12b内に充填されている。
ここで、上記波長変換剤14aは、LEDチップ13からの青色光が入射することにより励起され、例えば黄色光を発生させるような材料が選択されており、これらの混色による白色光が外部に出射するようになっている。
上記封止層15は、透光性樹脂材料から構成されており、上記波長変換層14の表面全体を覆うように、上記キャビティ12aの上部12c内に充填されている。
尚、上記封止層15を構成する透光性樹脂材料は、後述するように、未硬化の状態で上記キャビティ12aの上部12c内に充填された後、光学レンズ16の下端部分が封止層15内にて位置決めされた後に、熱硬化等により硬化されるようになっている。
また、封止層15は、上記光学レンズ16より柔らかい材料もしくは同一の硬さの材料とされる。
上記光学レンズ16は、透光性材料、例えばエポキシ樹脂,シリコーン樹脂,アクリル樹脂,ポリカーボネイト樹脂等から構成され、好ましくはゴム弾性を有するシリコーン樹脂から構成されており、全体として下面が平坦に且つ上方が砲弾状に形成されている。
さらに、上記光学レンズ16は、図3に示すように、下縁から互いに水平方向反対側に突出する一対のフランジ部16aを備えている。また、図面上下方向においては、フランジ部を備えていない。すなわち、図2に示したようにフランジ部16aは、上記ハウジング12のキャビティ12aの円筒状下部12bに載置可能な大きさとし、光学レンズ16の図面上下方向においては、上記円筒状下部12b上に上記光学レンズ16が直接に載置しない円筒状下部12bの内径より小さな幅とし、図面左右方向において上記円筒状下部12bの内径より大きな幅とした反対側に突出する一対のフランジ部16aを備えている。また、フランジ部16aはLEDチップ13の厚みと同程度、厚くとも2倍よりも薄く形成すると良い。
尚、このフランジ部16aは、光学レンズ16と一体成形されており、金型により容易に製造可能である。また、円筒状下部12bの内径より小さな幅であれば上記図面上下方向においてもフランジ部を備えることも可能である。
このフランジ部16aは、上記光学レンズ16がハウジング12上に載置されたとき、その下面がハウジング12のキャビティ12aに設けられた段部12dに対して上方から当接することにより、上記光学レンズ16を上下方向に関して位置決めするようになっている。
また、フランジ部16aの先端面にて上記キャビティの段部に隣接するほぼ垂直な立ち壁12eに当接している。これにより、上記光学レンズ16を水平方向の位置決めを行なっている。
本発明実施形態によるLED10は、以上のように構成されており、以下のようにして製造される。
即ち、まず基板11に対してハウジング12が取り付けられる。また、このハウジング12のキャビティ12a内に露出しているチップ実装部11a上に、LEDチップ13が接合され、さらにワイヤボンディングにより電極パターンに対して電気的に接続される。
その後、上記キャビティ12aの下部12b内に、ディスペンサー装置等により、波長変換層14を構成する波長変換剤を混入した透光性樹脂材料が充填され、加熱硬化される。
次に、上記ハウジング12のキャビティ12aの上部12c内にて、上記波長変換層14の上に、封止層15の材料が充填される。
この状態から、上方より光学レンズ16を降下させて、ハウジング12の上に載置する。
その際、上記光学レンズ16の下縁が、上記封止層15の材料中に進入し、そのフランジ部16aが、上記キャビティ12aの段部12dに対して上方から当接することにより、上記光学レンズ16が上下方向に関して位置決めされることになる。
これに伴って、上記封止層15の材料は、図2のフランジ部16aを設けていない箇所を通って光学レンズ16のフランジ部16aの上方まで回り込んで、上記キャビティ12a内に完全に満たされる。
最後に、上記封止層15を加熱・硬化し、上記光学レンズ16のフランジ部16aは、封止層15中に埋設され、上記封止層15と一体化されることになる。
このように製造されたLED10によれば、基板11上に形成された電極パターンを介して、LEDチップ13に駆動電圧が印加されると、LEDチップ13が発光して、青色光が出射する。
LEDチップ13から出射する青色光の一部が、波長変換層14に混入された波長変換剤14aに入射することにより、波長変換剤14aが励起されて、黄色光の蛍光を発生させる。
この黄色光が、LEDチップ13からの青色光と混色されることにより、白色光となって、波長変換層14を通って、封止層15を介して、光学レンズ16に入射し、この光学レンズ16の光学作用により所定の配光特性を付与されて外部に出射することになる。
ここで、上記光学レンズ16のフランジ部16aが、封止層15中に埋設されていることにより、上記フランジ部16aそして光学レンズ16が確実に封止層15に対して保持されている。このため、封止層15に対する光学レンズ16の密着性が良好である。
これにより、外部環境温度の変化等により封止層15と光学レンズ16の界面に熱応力が発生したとしても、光学レンズ16のフランジ部16aのキャビティ12aの段部12dに対する接触点を支点として、上記光学レンズ16が上下方向に移動、またはフランジ部16aが変形することにより、この熱応力は、吸収または緩和されることになる。
これにより、光学レンズ16が封止層15から剥離してしまうようなことがなく、半導体発光装置としてのLED10の信頼性が向上することになる。
[実施例2]
図5は、本発明による半導体発光装置としてのLEDの第二の実施形態を示している。
図5において、LED20は、図1に示したLED10とほぼ同様の構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
上記LED20は、図1に示したLED10とは、上記光学レンズ16が、各フランジ部16aの先端付近に下方に突出する凸部16bを備えている点でのみ異なる構成になっている。
ここで、上記凸部16bは、光学レンズ16そしてフランジ部16aと一体成形されている。
図6は上記凸部16bの配設例を示す。(a)図は、凸部16bをフランジ部16aの先端に沿う形で帯状に形成した例、(b)図は、突起形状の凸部16bを各隅部に形成した例、(c)図は、突起形状の複数個の凸部16bを放射状に並べて形成した例である。また、(d)図は、フランジ部16aの先端部にも凸部を設けた例である。
このような構成のLED20によれば、図1に示したLED10と同様に作用する。また、さらに上記光学レンズ16のフランジ部16aの先端に設けられた凸部16bが、対応する上記キャビティ12aの段部12dに対して上方から当接している。このため、外部環境温度の変化等により封止層15と光学レンズ16との界面に発生する熱応力に対して、点接触により応力緩衝台座として作用し、この熱応力をより一層効果的に緩和することができるようになっている。
また、上記凸部16bを放射状もしくは隅部に配置すると、封止層15内に埋設する際に封止層の材料の上方への回りこみの際に障害となり難く好適である。また、フランジ部16aの先端部にも凸部を設けた場合には、下方および側方の双方において点接触となり応力緩衝台座として作用するものとなり、より一層熱応力の吸収または緩和することができるようになっている。
[実施例3]
図7は、本発明による半導体発光装置としてのLEDの第三の実施形態を示している。
図7において、LED30は、図1に示したLED10とほぼ同様の構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
上記LED30は、図1に示したLED10とは、光学レンズ16のフランジ部16aが、光学レンズ16の下端ではなく、下端から僅かに上方の高さ位置に配置されている。
また、フランジ部16a下方の周縁部16cを傾斜面とし、光学レンズ16のLEDチップ13側の中央付近が周縁部16cよりLEDチップ側に深く封止層15内に埋設される構成とされており、これらの点でのみ異なる構成となっている。
このような構成のLED30によれば、図1に示したLED10と同様に作用する。また、上記光学レンズ16は、図1に示したLED10と比較して、封止層15内により深く進入して埋設されている。このため、封止層15に対する密着性がより一層高くなり、光学レンズ16の封止層15からの剥離がより一層低減され得ることになる。
また、フランジ部16a下方の周縁部16cよりLEDチップ13側の中央付近が封止層15内に深く進入して埋設されるため、封止層15内に進入した際に気泡の入り込みを抑止することもでき、これにより、光学レンズ16の封止層15からの剥離がより一層低減されることになる。
上述した実施形態においては、半導体発光素子として青色光を出射するLEDチップ13が使用されているが、これに限らず、他の色の光を出射するLEDチップであっても、また他の構成の半導体発光素子であってもよい。
ここで、波長変換層14に混入された波長変換剤14aは、青色光を黄色光に変換するようになっているが、これに限らず、LEDチップを含む半導体発光素子の出射光の発光色に対応して、この発光色を適宜の色の光に波長変換するようなものが選択され得る。
さらに、上述した実施形態においては、ハウジング12のキャビティ12a内に、波長変換剤14aを含む波長変換層14が充填されているが、これに限らず、波長変換剤を含まない封止樹脂が充填されていてもよい。
この場合、LEDチップ13から出射した光は、そのまま封止樹脂及び封止層15,光学レンズ16を介して外部に出射することになる。
このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、封止樹脂,光学レンズの界面における剥離が抑制され得る。また、光学レンズの半導体発光素子に対する位置決めが正確に行なわれ得るようにした、極めて優れた半導体発光装置が提供され得る。
本発明による半導体発光装置の第一の実施形態の構成を示す概略断面図である。 図1の半導体発光装置を示す概略平面図である。 図1の半導体発光装置における光学レンズを示す平面図である。 図1の半導体発光装置における製造途中の状態を示す分解断面図である。 本発明による半導体発光装置の第二の実施形態の構成を示す概略断面図である。 (a)〜(d)は、図5の半導体発光装置における凸部の配設例を示す平面図である。 本発明による半導体発光装置の第三の実施形態の構成を示す概略断面図である。 従来の半導体発光装置の一例の構成を示す概略断面図である。 図8の半導体発光装置における製造途中の状態を示す分解断面図である。
符号の説明
10,20,30 LED(半導体発光装置)
11 基板(セラミック基板)
11a チップ実装部
12 ハウジング
12a キャビティ
12b 下部
12c 上部
12d 段部
12e 立ち壁
13 LEDチップ(半導体発光素子)
14 波長変換層(封止樹脂)
14a 波長変換剤
15 封止層
16 光学レンズ
16a フランジ部
16b 凸部
16c 周縁部

Claims (4)

  1. 表面にチップ実装部を有する板と、このチップ実装部を包囲するように形成された基板上面に設けられたハウジングと、このハウジングのキャビティ内に露出するチップ実装部上に実装された半導体発光素子と、上記キャビティ内にて半導体発光素子を覆う高さまで充填された微粒子を含む透光性樹脂層と、さらに上記キャビティ内にてハウジングの上面の高さまで充填された封止層と、この封止層の上方に配置された光学レンズと、を含む半導体発光装置であって、
    上記ハウジングが、内側のキャビティ壁面の所定高さ位置に段部と当該段部に隣接するほぼ垂直な立ち壁を備えており、
    上記光学レンズが、底部付近から互いに水平方向反対側に突出し、上記キャビティの段部の内径よりも大きな外形の、弾性を有する一対のフランジ部を備えていて、
    上記光学レンズのフランジ部がハウジングキャビティ内の段部に上方から当接した状態で、上記封止層内に埋設されて
    前記封止層と前記光学レンズとの界面に熱応力が発生した際に、上記光学レンズのフランジ部がハウジングキャビティ内に当接した場所を支点として変形することを特徴とする、半導体発光装置。
  2. 上記フランジ部が、上記光学レンズの下面と同じ高さもしくはレンズ下面より僅かに上方の高さに配置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。
  3. 上記フランジ部が、上記光学レンズの下方に突出する凸部を備えていることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体発光装置。
  4. 上記フランジ部が、その先端面にて、ハウジングの段部に隣接する壁面に当接していることを特徴とする、請求項1から3の何れかに記載の半導体発光装置。
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