JP5043554B2

JP5043554B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP5043554B2
Application number: JP2007205597A
Authority: JP
Inventors: 和香子新野; 正美粂井; 俊美上川; 崇戎谷
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: CN101364629A; CN101364629B; JP2009043836A; US20090039369A1; US7859001B2

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、半導体発光素子と蛍光体の組み合わせによる半導体発光装置に関する。

半導体発光素子と蛍光体を組み合わせて半導体発光素子から出射された光とは異なる色調（色度）の光を放出する半導体発光装置として、図５に示すよう構造のものが提案されている。

それは、リード５０、５１が一体成形された樹脂部５２の内部に開口を有する第一の凹部５３が形成され、第一の凹部５３の下方に第一の凹部５３よりも径の小さい第二の凹部５４が形成されている。

第二の凹部５４の底面に半導体発光素子５５が載置され、半導体発光素子５５の各電極とリード５０、５１が夫々ボンディングワイヤ５６、５７を介して接続されている。

第二の凹部５４内には透光性樹脂に蛍光体を混入した蛍光体含有樹脂５８が充填されて半導体発光素子５５が樹脂封止され、第一の凹部５３には透光性樹脂５９が充填されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３３５２０号公報

ところで、上記構成の半導体発光装置は所謂表面実装型と呼称されるものであり、主に小型の光源として携帯端末機器等の小型機器に使用されている。

その場合、半導体発光素子５５を封止する蛍光体含有樹脂５８を構成する透光性樹脂に軟性の樹脂を用い、蛍光体含有樹脂５８上に充填する透光性樹脂５９に蛍光体含有樹脂５８を構成する透光性樹脂よりも硬性の樹脂を用いると、以下のような問題が生じる。

それは、環境試験（ヒートサイクル試験）において、蛍光体含有樹脂５８がヒートサイクル時の温度差によって膨張、収縮を繰り返すと蛍光体含有樹脂５８の膨張時に該蛍光体含有樹脂５８と界面を形成する透光性樹脂５９に該透光性樹脂５９側に向かう応力が加わり、透光性樹脂５９の、第一の凹部５３と第二の凹部５４の境界となる段差部６０と接する部分が該段差部６０から剥れてその部分にクラック６１が生じることになる（図６参照）。

この問題は常温環境下において、半導体発光素子の発光・非発光の繰り返しによる半導体発光素子の発熱・冷却によっても発生する。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、樹脂部に設けられた凹部内に充填して凹部底面に実装された半導体発光素子を封止する蛍光体含有樹脂および同様に凹部内の蛍光体含有樹脂の上に充填した透光性樹脂が、樹脂部との間で剥離を生じることがなく、且つ照射光における色度むらが少ない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、本発明の請求項１に記載された発明は、ハウジングに、底面に半導体発光素子が実装された第一凹部と前記第一凹部の上方に前記第一凹部と連通する、開口を有する第二凹部が形成され、前記第一凹部の上部と前記第二凹部の下部の境界部は前記第一凹部よりも前記第二凹部が大きく且つ前記境界部には段差部が形成されており、前記第一凹部には透光性樹脂に蛍光体を混入した第一樹脂が充填されて前記半導体発光素子が樹脂封止されると共に、前記第一樹脂は前記第二凹部の内周面を覆うように第一凹部から第二凹部の内周面に沿って前記半導体発光素子側に凹んだ湾曲面状に盛り上がっており、前記第一樹脂上には透光性樹脂からなる第二樹脂が配設され、前記第二樹脂中には、前記第一樹脂よりも薄い濃度で蛍光体が混入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２に記載された発明は、請求項１において、前記第一樹脂の前記湾曲面の最下面は前記段差部よりも前記半導体発光素子側に位置し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１または２のいずれか１項において、前記第二樹脂の表面は前記半導体発光素子側に凹んだ湾曲面を呈することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記第二樹脂の表面は前記半導体発光素子と反対側に膨らんだ湾曲面を呈することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記第一樹脂を構成する透光性樹脂は弾性を有する樹脂であり、前記第二樹脂は前記第一樹脂を構成する透光性樹脂よりも硬性であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれか１項において、前記第二樹脂は前記第一樹脂を構成する透光性樹脂よりも低屈折率を有することを特徴とするものである。

本発明は、ハウジングに第一凹部と該第一凹部の上方に第二凹部を形成し、第一凹部の底面に半導体発光素子を実装した。そして、透光性樹脂に蛍光体を混入した第一樹脂を第一凹部内に充填して半導体発光素子を樹脂封止すると共に、第一樹脂が第二凹部の内周面を覆うように第一凹部から第二凹部の内周面に沿って第一樹脂を湾曲状に盛り上げ、第一樹脂の上に第二樹脂を充填するようにした。

その結果、ハウジングの凹部内に充填して半導体発光素子を封止する第一樹脂および該第一樹脂の上に形成された第二樹脂が、ハウジングとの間で剥離を生じることがなく且つ照射光における色度むらが少ない半導体発光装置を実現することが可能となった。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図４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、これらの実施形態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に係わる実施例１の断面図である。本実施例の半導体発光装置１は、反射性を有する白色樹脂からなるハウジング２の内部に第一凹部３が形成され、第一凹部３の上方に開口４を有する第二凹部５が形成されている。第一凹部３の上部と第二凹部５の下部の境界部では第一凹部３よりも第二凹部５が大きく、境界部には段差部６が形成されている。

第一凹部３の底面に半導体発光素子７が実装され、透光性樹脂に蛍光体を混入した第一樹脂８が第一凹部３内に充填されて半導体発光素子７が樹脂封止されると共に、第一樹脂８は第二凹部５の内周面９を覆うように第一凹部３から第二凹部５の内周面９に沿って盛り上がっている。第一樹脂８の上面１５は下側（半導体発光素子７側）に凹んだ湾曲面を形成しており、中央部（下方に位置する半導体発光素子７の光軸Ｘ近傍）の最下面１０は第一凹部３と第二凹部５の境界部となる段差部６よりも下方（半導体発光素子７側）に位置している。

第一樹脂８上には該第一樹脂８と界面を形成する透光性樹脂からなる第二樹脂１１が充填され、第二樹脂１１の上面１２はハウジング２の開口端部１３と略面一に平坦面を形成している。第二樹脂１１はハウジング２の第一凹部３の内周面１４および第二凹部５の内周面９のいずれとも接触していない。

このような構成の半導体発光装置１において、環境温度の変化あるいは半導体発光素子７の発光・非発光による温度変化によって第一樹脂８が膨張・収縮を繰り返しても、該第一樹脂８と界面を形成する第二樹脂１１はハウジング２の第一凹部３の内周面１４および第二凹部５の内周面９のいずれとも接触していないために、第一樹脂８上でのみ膨張・収縮の応力を受けることとなり、第一樹脂８を構成する透光性樹脂および第二樹脂１１となる透光性樹脂の硬度の関係にかかわらずハウジング２に対する剥離は発生することはない。

そこで、第一樹脂８を構成する透光性樹脂と第二樹脂１１となる透光性樹脂の硬度の関係について、
（１）前者（第一樹脂８を構成する透光性樹脂）と後者（第二樹脂１１となる透光性樹脂）が共にシリコーン樹脂のような弾性を有する樹脂の場合、
（２）前者が弾性を有し、後者が硬性を有する樹脂の場合、
の組み合わせが考えられる。

（１）の場合、半導体発光素子７が高出力で半導体発光素子７の発光時の発熱が大きい場合であっても、半導体発光素子７の封止樹脂を構成する透光性樹脂の劣化が少なく、半導体発光装置１としての光学特性（照射される光の光量、色度）の変化が少なく信頼性の高い半導体発光装置１となる。

（２）の場合、半導体発光素子７の発光時の発熱による半導体発光素子７の封止樹脂への応力が緩和され、クラックの発生が抑制されて半導体発光素子７の信頼性が向上する。また、外気と接触する樹脂表面が硬性であるため大気中の塵埃の付着を防止することができる。

更に、（１）および（２）のいずれの場合においても、半導体発光素子７を封止する第一樹脂８を構成する透光性樹脂に弾性を有する軟質の樹脂を用いることにより、半導体発光素子７側の電極とハウジング２側の電極を接続するボンディングワイヤ（図示せず）が半導体発光素子７を封止する樹脂の熱的な膨張・収縮の繰り返しによっても電極から剥離したり、あるいは断線したりすることがない。

また、第一樹脂８を構成する透光性樹脂と第二樹脂１１となる透光性樹脂の関係について光学的作用を考慮すると、半導体発光素子７の封止樹脂となる第一樹脂８を構成する透光性樹脂をその上面に位置する第二樹脂１１となる透光性樹脂よりも高屈折率の樹脂とすることが望ましい。

なぜならば、半導体発光素子７の光出射面と界面を形成する封止樹脂の屈折率を半導体発光素子７の光反射面を構成する結晶材料の屈折率に近づけることにより、半導体発光素子７からの光取り出し効率を高めることができるからである。

また、半導体発光素子７から該半導体発光素子７の光軸Ｘに対して傾斜した方向に出射して第一樹脂８と第二樹脂１１の界面に至った光のうち、臨界角以上の角度を有する光は界面で反射されてハウジング２の第一凹部３の内周面１４に至り、内周面１４で反射されて第一樹脂８および第二樹脂１１内を導光されて外部に放出される。

このように、半導体発光素子７から出射した光の外部取り出し効率を高めることもできる。なお、具体的には、第一樹脂８を構成する透光性樹脂に屈折率１．５以上の樹脂を使用し、第二樹脂１１となる透光性樹脂に屈折率１．４前後の樹脂を使用することにより上述したような光学特性の良好な半導体発光装置１を実現することが可能となる。

図２は本発明の半導体発光装置に係わる実施例２の断面図である。実施例２は第一樹脂８の上面１５に充填する第二樹脂１１の上面１２を下側（半導体発光素子７側）に凹んだ湾曲面としたことが実施例１と異なる。その他は実施例１と同様である。

これにより、第二樹脂１１の上面１２がハウジング２の開口端部１３よりも凹んだ位置にあるために半導体発光装置１の実装時等に基材があたってもハウジング２の開口端部１３によって第二樹脂１１の表面が保護され、表面状態が良好に保たれる。そのため、半導体発光装置１の良好な光学特性を確保することが可能となる。

図３は本発明の半導体発光装置に係わる実施例３の断面図である。実施例３は第一樹脂８の上面に充填する第二樹脂１１の上面１２を上側（半導体発光素子７と反対側）に膨らんだ湾曲面としたことが実施例２と異なる。その他は実施例１と同様である。

これにより、半導体発光素子７から出射して第二樹脂１１内を導光された光が第二樹脂１１の上面１２から外部に放出されるときに上面１２のレンズ効果によって半導体発光装置１からの照射光量を高めることができる。

なお、上記実施例１〜３において、ハウシング２の部材を反射性を有する白色樹脂としたが、反射率を高めるために少なくとも第一凹部３の内周面１４に金属膜からなる高反射膜層を設けることも可能である。この場合、金属膜としては可視領域の波長を有する光に対して反射率が高い銀、銀合金およびアルミニウムの金属のうち１種を使用することが好ましい。

また、ハウシング２は必ずしも樹脂で形成される必要はなく、金属、セラミックスまたは金属とセラミックスとの組み合わせで形成することも可能である。金属で形成する場合は、ハウジンク２の外周面には耐腐食膜を設け、耐腐食膜としては金の被膜が好ましい。また、ハウジング２の第一凹部３および第二凹部５の夫々の内周面には耐腐食性および反射率を高めるために金属膜からなる高反射膜層を設け、金属膜としては可視領域の波長を有する光に対して反射率が高い銀、銀合金およびアルミニウムの金属のうち１種を使用することが好ましい。また、セラミックスで形成する場合は、ＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３等一般的に使用されているものが適用可能である。特に、可視光領域で反射率の高い白色の材料が好ましい。

また、半導体発光素子７を封止する第一樹脂８と同様に第二樹脂１１中にも蛍光体を混入し、且つ第二樹脂１１の蛍光体の濃度を第一樹脂８よりも薄くすることもできる。これにより、半導体発光装置１からの照射光において色度むらを低減することが可能となる。

なお、上記実施例１〜３において、第一凹部３内に充填されると共に第二凹部５の内周面９を覆うように第一凹部３から第二凹部５の内周面９に沿って盛り上がる第一樹脂８の上面１５は、下側（半導体発光素子７側）に凹んだ湾曲面を形成しているが、仮に比較例として、第一樹脂８の上面が図４に示すように平坦に形成されている場合、半導体発光素子７から第二凹部５の内周面９側に出射して内周面９近傍の上面１５に至った光は、その一部が上面１５で反射されて第一凹部３と第二凹部５の段差部６に至り、段差部６で反射されて反射光が第一樹脂８の上面１５から第二樹脂１１内に入射する。

このとき、第一樹脂８の上面１５で反射した光が段差部６に沈殿した蛍光体を励起し、段差部６近傍の第一樹脂８の表面１５から第二樹脂１１内に入射する光の色度が他の部分よりも異なるものとなる。その結果、照射光において色度むらを有する半導体発光装置１となってしまう。

それに対し、上記実施例１〜３においては、半導体発光素子７から出射された光が第二樹脂１１の上面１２に至るまでの光路中に蛍光体の沈殿部分がないために照射光において色度むらのない半導体発光装置となっている。

以上説明したように、本発明の半導体発光装置は、ハウジングに形成された第一凹部の底面に半導体発光素子を実装し、透光性樹脂に蛍光体を混入した第一樹脂を第一凹部内に充填して半導体発光素子を樹脂封止すると共に、同様にハウジングに形成された第二凹部の内周面を覆うように第一樹脂を第一凹部から第二凹部の内周面に沿って盛り上げるようにした。

そして、第一樹脂の上面は下側（半導体発光素子側）に凹んだ湾曲面を形成しており、その第一樹脂の湾曲面上に第二樹脂を充填するようにした。これにより、第二樹脂は第一凹部の内周面はもとより第二凹部の内周面とも接触していない。

その結果、ハウジング内に充填される樹脂（第一樹脂および第二樹脂）とハウジングとの間の剥離が生じることがなく、且つ照射光における色度むらが少ない半導体発光装置を実現することができる。

また、第一樹脂を構成する透光性樹脂に少なくとも弾性を有する樹脂を使用することによって、第二樹脂が弾性を有する樹脂からなる場合は当然ながら、第二の樹脂が硬性を有する樹脂からなる場合においても、半導体発光素子の発光時の発熱による半導体発光素子の封止樹脂への応力が緩和されてクラックの発生が抑制され、半導体発光装置の信頼性を向上することが可能となる。

また、ハウジングを金属で形成する場合、少なくともハウジンクの外周面に金の耐腐食膜を設けることによって外周面の酸化による腐食や変色を防止することができる。

本発明の実施例を示す断面図である。本発明の他の実施例を示す断面図である。本発明の他の実施例を示す断面図である。比較例を示す断面図である。従来例を示す断面図である。従来例のクラック発生状態を示す説明図である。

符号の説明

１半導体発光装置
２ハウジング
３第一凹部
４開口
５第二凹部
６段差部
７半導体発光素子
８第一樹脂
９内周面
１０最下面
１１第二樹脂
１２上面
１３開口端部
１４内周面
１５上面

Claims

ハウジングに、底面に半導体発光素子が実装された第一凹部と前記第一凹部の上方に前記第一凹部と連通する、開口を有する第二凹部が形成され、
前記第一凹部の上部と前記第二凹部の下部の境界部は前記第一凹部よりも前記第二凹部が大きく且つ前記境界部には段差部が形成されており、
前記第一凹部には透光性樹脂に蛍光体を混入した第一樹脂が充填されて前記半導体発光素子が樹脂封止されると共に、前記第一樹脂は前記第二凹部の内周面を覆うように第一凹部から第二凹部の内周面に沿って前記半導体発光素子側に凹んだ湾曲面状に盛り上がっており、
前記第一樹脂上には透光性樹脂からなる第二樹脂が配設され、
前記第二樹脂中には、前記第一樹脂よりも薄い濃度で蛍光体が混入されていることを特徴とする半導体光源装置。
前記第一樹脂の前記湾曲面の最下面は前記段差部よりも前記半導体発光素子側に位置し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。
前記第二樹脂の表面は前記半導体発光素子側に凹んだ湾曲面を呈することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
前記第二樹脂の表面は前記半導体発光素子と反対側に膨らんだ湾曲面を呈することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
前記第一樹脂を構成する透光性樹脂は弾性を有する樹脂であり、前記第二樹脂は前記第一樹脂を構成する透光性樹脂よりも硬性であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
前記第二樹脂は前記第一樹脂を構成する透光性樹脂よりも低屈折率を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。