JP5268082B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば携帯電話の動画撮影用の補助光源や一般照明に用いられる白色ＬＥＤ装置等の光半導体装置に関する。

近年、青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）チップや紫外光ＬＥＤチップを搭載した白色ＬＥＤ装置は、例えば携帯電話の動画撮影用の補助光源、一般照明用光源及び自動車用ヘッドライト光源等に用いられている。
この白色ＬＥＤ装置では、ＬＥＤチップを封止する封止樹脂と該封止樹脂上に集光のために樹脂で形成されたレンズ部とを有するものが多く採用されている。このような白色ＬＥＤ装置では、レンズ部の材質として透明性があり成形性・加工性の良いエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等が主に使用されている。

また、上記補助光源や一般照明用光源等に用いられる白色ＬＥＤ装置では、高出力タイプのものが多く採用されている。このような白色ＬＥＤ装置では、出力をあげるためにこれまで以上の大電流が印加されることでＬＥＤチップの発熱が大きくなることから、封止する樹脂材として熱や紫外線に強いシリコーン樹脂が採用されている。

上記ＬＥＤ装置では、使用環境の温度変化によりＬＥＤチップの封止樹脂とレンズ部の材質とが異なるために熱膨張差が生じて封止樹脂とレンズ部との界面に剥離が生じる場合がある。また、別の故障モードとしては、レンズ部内又は封止樹脂内にクラックが発生し、特に封止樹脂内にクラックが生じるとＬＥＤチップと回路基板とを接続しているＡｕ（金）ワイヤーの断線が生じるおそれがあり、不灯が生じて致命的な欠陥につながるおそれがある。

このため、例えば特許文献１では、チップの周囲を軟質樹脂で封止し、その外側を硬質樹脂で封止し、軟質樹脂に対する密封状態を緩和するための開口部が設けられた高信頼性型光半導体デバイスが提案されている。また、特許文献２では、ＬＥＤ素子をシリコーン樹脂である緩衝用樹脂で被覆し、その上方を透光性のケース蓋部で覆っているＬＥＤランプ用パッケージにおいて、緩衝用樹脂を収納したときの余剰体積分を収納する余剰分収納部が設けられているものが提案されている。これらの技術では、上記開口部や上記余剰分収納部を設けて、熱膨張差による熱応力を緩和させている。

特開２００４−３６３４５４号公報（特許請求の範囲、図１） 特開２００５−１１６８１７号公報（特許請求の範囲、図１）

しかしながら、上記従来の技術には、以下の課題が残されている。すなわち、上記特許文献１及び２に記載の技術では、いずれも上記開口部や上記余剰分収納部を設ける必要があり、これらのスペースを確保しなければならず、形状設計の自由度が制限されると共に小型化が困難になる不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、封止樹脂や基板等の形状自由度を制限することなく熱応力による剥離やクラックの発生を防ぐことができる光半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の光半導体装置は、基板と、前記基板上に搭載された発光ダイオード素子と、前記発光ダイオード素子を封止する第１の樹脂封止体と、前記第１の樹脂封止体を覆う第２の樹脂封止体とを備え、前記第１の樹脂封止体が、機能性添加剤を含有すると共に、前記第２の樹脂封止体と同一の線膨張係数とされていることを特徴とする。

この光半導体装置では、第１の樹脂封止体が、機能性添加剤を含有すると共に、第２の樹脂封止体と同一の線膨張係数とされているので、第１の樹脂封止体と第２の樹脂封止体との間で熱膨張差が生じず熱膨張が同調し、熱応力の発生が抑制されるため、樹脂封止体の形状にかかわらず、剥離やクラックを防ぐことができる。

また、本発明の光半導体装置では、前記機能性添加剤が、蛍光体、無機フィラー及び拡散剤の少なくとも一つであることを特徴とする。すなわち、この光半導体装置では、機能性添加剤として蛍光体を混入することで、発光ダイオード素子の発光波長を変換して別の発光色とすることができる。また、機能性添加剤として無機フィラーを混入することで、線膨張係数の微調整が可能になり、より第１の樹脂封止体と第２の樹脂封止体との線膨張係数を高精度に一致させることができる。さらに、機能性添加剤として拡散剤を混入することで、より均一性のある発光色が得られる効果を有する。したがって、機能性添加剤として蛍光体、無機フィラー、拡散剤のいずれかを含有させた状態で両樹脂封止体の線膨張係数を一致させているので、熱応力の発生を抑制すると共に上記作用効果を得ることができる。

また、本発明の光半導体装置では、前記第１の樹脂封止体が、前記第２の樹脂封止体よりも柔軟な樹脂で形成されていることを特徴とする。すなわち、この光半導体装置では、第１の樹脂封止体が第２の樹脂封止体よりも柔軟な樹脂で形成されているので、発光ダイオード素子やワイヤー等に及ぼす応力が小さいと共に、第２の樹脂封止体を硬い樹脂で形成できるため、外力に対して高い強度が得られ、高い信頼性を得ることができる。

さらに、本発明の光半導体装置では、前記第２の樹脂封止体の上面に集光レンズ部が形成されていることを特徴とする。すなわち、この光半導体装置では、第１の樹脂封止体よりも硬い第２の樹脂封止体の上面に集光レンズ部が形成されているので、機械的強度が高く高精度のレンズで高い集光効果を得ることができる。特に、第１の樹脂封止体に蛍光体及び拡散剤が混入されている場合には、波長変換された発光色が均一化されて集光されることで、高輝度の発光を得ることができる。

また、本発明の光半導体装置では、前記第１の樹脂封止体及び前記第２の樹脂封止体が、シリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする。すなわち、この光半導体装置では、第１の樹脂封止体及び第２の樹脂封止体の両方が同じシリコーン樹脂で形成されているので、線膨張係数を一致させ易いと共に、樹脂封止体間での接着相性が良く、より剥離等を防止する効果を得ることができる。また、熱や紫外線に強いシリコーン樹脂で両樹脂封止体が形成されるので、高い耐熱性及び耐光性を備えることができる。

また、本発明の光半導体装置では、前記発光ダイオード素子が、青色光又は紫外光を発光する発光ダイオード素子であり、前記機能性添加剤が、前記青色光又は前記紫外光を白色光に変換する蛍光体であることを特徴とする。すなわち、この光半導体装置では、熱応力に対して高い信頼性を有する白色ＬＥＤ装置とすることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る光半導体装置によれば、第１の樹脂封止体が、機能性添加剤を含有すると共に、第２の樹脂封止体と同一の線膨張係数とされているので、第１の樹脂封止体と第２の樹脂封止体との間で熱膨張差が生じず、熱応力の発生が抑制されるため、樹脂封止体等の形状にかかわらず、剥離やクラックを防ぐことができる。特に、熱や紫外線に強いシリコーン樹脂で両樹脂封止体を形成することで、高い耐熱性及び耐光性を備えた高信頼性の光半導体装置を得ることができる。

以下、本発明に係る光半導体装置の第１実施形態を、図１に基づいて説明する。

本実施形態における光半導体装置１は、例えば携帯電話の動画撮影用補助光源、一般照明用光源等に採用される白色ＬＥＤ装置であって、図１に示すように、回路基板（基板）２と、回路基板２上に搭載された発光ダイオード素子３と、該発光ダイオード素子３を封止する第１の樹脂封止体４と、該第１の樹脂封止体４を覆う第２の樹脂封止体５とを備えている。

上記回路基板２は、略直方体形状の基板本体２ａと、該基板本体２ａの上面に所定形状でパターン形成され端面を介して裏面両側部まで配されたアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃとを備えている。上記基板本体２ａは、例えばガラスエポキシ基板、ＢＴレジン基板、セラミックス基板やメタルコア基板等の絶縁性基板である。

上記発光ダイオード素子３は、窒化ガリウム系化合物半導体又はシリコンカーバイド系化合物半導体で形成された青色（波長λ：４７０〜４９０ｎｍ）ＬＥＤ又は紫外光（波長λ：４７０ｎｍ未満）ＬＥＤであって、主発光面を上面側に有している共に該上面にｐ側電極３ａ及びｎ側電極３ｂが設けられている。例えば、発光ダイオード素子３は、サファイア基板などの絶縁性基板上に複数のＩｎＧａＮ系化合物半導体層を結晶成長して積層したものである。

この発光ダイオード素子３は、基板本体２ａ上面の中央部まで配されたアノード電極パターン２ｂ上に、接着剤（図示略）を介して実装されている。この接着剤としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂製の絶縁性接着剤やハンダ剤やＡｇペースト等の導電性接着剤などが採用される。
また、上記ｐ側電極３ａは、Ａｕワイヤー６を介してアノード電極パターン２ｂに電気的に接続され、上記ｎ側電極３ｂは、Ａｕワイヤー６を介してカソード電極パターン２ｃに電気的に接続されている。

上記第１の樹脂封止体４及び上記第２の樹脂封止体５は、共に透光性のシリコーン樹脂で形成されているが、第１の樹脂封止体４は第２の樹脂封止体５よりも柔軟な軟質シリコーン樹脂で形成され、第２の樹脂封止体５は、硬質なシリコーン樹脂で形成されている。また、第１の樹脂封止体４は、機能性添加剤として蛍光体、無機フィラー及び拡散剤をそれぞれ含有している。

上記蛍光体は、例えばＹＡＧ蛍光体であり、発光ダイオード素子３からの青色光又は紫外光を白色光に変換させるものである。また、無機フィラーとしては、二酸化珪素（シリカ）、窒化ホウ素、燐酸カルシウム、希土類化合物等の少なくとも一つが採用される。この無機フィラーを混入することで、線膨張係数の微調整が可能になる。さらに、拡散剤としては、酸化アルミニウム、酸化チタン又は二酸化ケイ素等が採用される。この拡散剤を混入することで、より均一性のある発光色を得ることができる。

また、第１の樹脂封止体４は、上記第２の樹脂封止体５と同一の線膨張係数とされている。なお、第１の樹脂封止体４及び第２の樹脂封止体５は、いずれもシリコーン樹脂で形成されているため、線膨張係数が略同一であるが、その硬度の違いによって線膨張係数が異なる場合に上記無機フィラー等の添加量を調整して一致するように制御しても構わない。

上記第２の樹脂封止体５は、下面側内部に凹部上の空間、すなわち発光ダイオード素子３及び第１の樹脂封止体４の収容空間を設けていると共に、上面に集光レンズ部５ａが形成され、全体として略ブロック状に成形されている。上記集光レンズ部５ａは、発光ダイオード素子３からの光を集光させる凸レンズ形状とされている。

上記第１の樹脂封止体４は、回路基板２上に第２の樹脂封止体５を接着剤（図示略）で接着固定した後に、回路基板２等に形成され収納空間内に導通した注入穴（図示略）から上記機能性添加剤を含む液体状のシリコーン樹脂を上記収納空間内に注入し、さらに加熱処理により第２の樹脂封止体５よりも柔軟な所定の硬度まで硬化させて形成される。なお、上記注入穴は、複数の光半導体装置１を同時に作製する場合でも、発光ダイオード素子３毎に対応して設けられる。このため、発光ダイオード素子３毎に第１の樹脂封止体４が完全に小分けされて形成されることから、第１の樹脂封止体４内の蛍光体の分布バラツキを小さくすることができる利点がある。

本実施形態では、機能性添加剤が含有された第１の樹脂封止体４と第２の樹脂封止体５とが同一の線膨張係数とされているので、第１の樹脂封止体４と第２の樹脂封止体５との間で熱膨張差が生じず熱膨張が同調し、熱応力の発生が抑制される。したがって、樹脂封止体や回路基板２等の形状にかかわらず、形状設計の高い自由度を有して、剥離やクラックを防ぐことができる。
また、第１の樹脂封止体４が第２の樹脂封止体５よりも柔軟な樹脂で形成されているので、発光ダイオード素子３やＡｕワイヤー６等に及ぼす応力が小さいと共に、第２の樹脂封止体５を硬い樹脂で形成できるため、外力に対して高い強度が得られ、高い信頼性を得ることができる。

さらに、第１の樹脂封止体４よりも硬い第２の樹脂封止体５の上面に集光レンズ部５ａが形成されているので、機械的強度が高く高精度のレンズで高い集光効果を得ることができる。特に、第１の樹脂封止体４に蛍光体及び拡散剤が混入されており、波長変換された発光色が均一化されて集光レンズ部５ａで集光されることで、高輝度の発光を得ることができる。
また、第１の樹脂封止体４及び第２の樹脂封止体５の両方が同じシリコーン樹脂で形成されているので、線膨張係数を一致させ易いと共に、樹脂封止体間での接着相性が良く、より剥離等を防止する効果を得ることができる。また、熱や紫外線に強いシリコーン樹脂で両樹脂封止体が形成されるので、高い耐熱性及び耐光性を備えることができる。

次に、本発明に係る光半導体装置の第２及び第３実施形態について、図２及び図３を参照して説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、第１の樹脂封止体４が第２の樹脂封止体５に完全に覆われている状態とされているのに対し、第２実施形態の光半導体装置１1では、図２に示すように、第１の樹脂封止体１４が第２の樹脂封止体１５のアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃが配されていない両側部に露出している点である。

すなわち、第２実施形態の光半導体装置１１では、第２の樹脂封止体１５のアノード電極パターン２ｂびカソード電極パターン２ｃが配されている両側部に回路基板２上に接着される一対の支持部１５ａが形成され、支持部１５ａ間が開口されて収納空間が形成されている。したがって、この収納空間は、第２の樹脂封止体１５のアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部まで達している。そして、この収納空間内に第１の樹脂封止体１４が充填されることで、両側部に露出した第１の樹脂封止体１４が形成される。

この第２実施形態の光半導体装置１１を複数同時に作製する際、各回路基板２に分離する前の基板上に１次元又は２次元的に配列された複数の発光ダイオード素子３の中で、互いに隣接するものの収納空間はアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部で繋がっているので、この連接方向の列毎に一つの注入穴を設ければ、この列内の全ての収容空間に一度に液状の上記シリコーン樹脂を注入して各発光ダイオード素子３を封止することができる。

また、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、アノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部において、第１の樹脂封止体１４が第２の樹脂封止体１５の下端部まで露出しているのに対し、第３実施形態の光半導体装置２１では、図３に示すように、第２の樹脂封止体２５のアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部において、中間部分にだけ第１の樹脂封止体２４が露出している点である。

すなわち、第３実施形態の光半導体装置２１では、第２の樹脂封止体２５のアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部において、中間部分に開口した窓部２５ａがそれぞれ形成されている。そして、収納空間内に第１の樹脂封止体２４が充填されることで、両側部の窓部２５ａに第１の樹脂封止体２４が露出した状態で発光ダイオード素子３が封止される。

この第３実施形態の光半導体装置２１を複数同時に作製する際、第２実施形態と同様に、各回路基板２に分離する前の基板上に１次元又は２次元的に配列された複数の発光ダイオード素子３の中で、互いに隣接するものの収納空間はアノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部で繋がっているので、この連接方向の列毎に一つの注入穴を設ければ、この列内の全部の収容空間に一度に液状の上記シリコーン樹脂を注入して各発光ダイオード素子３を封止することができる。

なお、第３実施形態では、アノード電極パターン２ｂ及びカソード電極パターン２ｃの配されていない両側部において、第２の樹脂封止体２５の下端部が枠状の仕切りで囲まれているので、第１の樹脂封止体２４に含有され沈降傾向を有する蛍光体等が隣接する収納空間に上記下端部で隔離されて、第２実施形態よりも分布バラツキを抑制することができる。
また、第２及び第３実施形態では、列間の収納空間を繋ぐ注入連結路を設けておけば、全体に１つの注入穴だけで、注入連結路を介して全体の収納空間に液状の上記シリコーン樹脂を一度に注入することも可能になる。逆に、発光ダイオード素子３毎に注入穴を設ければ、光半導体装置１１、２１毎の蛍光体の分布バラツキを抑制することが可能になる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記各実施形態のように、第１の樹脂封止体４、１４、２４に蛍光体を含有させて白色光を得る青色又は紫外光の発光ダイオード素子３を用いた白色ＬＥＤ装置に好適であるが、赤外光、赤色、緑色等の他の発光波長帯域の発光ダイオード素子を採用した赤外光、赤色、緑色等のＬＥＤ装置に適用しても構わない。
また、上述したように、集光レンズ部５ａを有する第２の樹脂封止体５、１５、２５を用いることが好ましいが、集光レンズ部５ａがない平坦な上面を有する第２の樹脂封止体としても構わない。

さらに、上述したように、第１の樹脂封止体４、１４、２４及び第２の樹脂封止体５、１５、２５がいずれもシリコーン樹脂で形成されていることが好ましいが、線膨張係数を一致させていれば互いに同じ又は異なる他の樹脂材料でも構わない。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等を採用しても構わない。

本発明に係る第１実施形態の光半導体装置を示す斜視図、該斜視図のＡ１−Ａ１線矢視断面図及びＢ１−Ｂ１線矢視断面図である。 本発明に係る第２実施形態の光半導体装置を示す斜視図、該斜視図のＡ２−Ａ２線矢視断面図及びＢ２−Ｂ２線矢視断面図である。 本発明に係る第３実施形態の光半導体装置を示す斜視図、該斜視図のＡ３−Ａ３線矢視断面図及びＢ３−Ｂ３線矢視断面図である。

符号の説明

１、１１、２１…光半導体装置、２…回路基板（基板）、３…発光ダイオード素子、４、１４、２４…第１の樹脂封止体、５、１５、２５…第２の樹脂封止体、５ａ…集光レンズ部

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に搭載された発光ダイオード素子と、
   前記発光ダイオード素子を封止する第１の樹脂封止体と、
   前記第１の樹脂封止体を覆う第２の樹脂封止体とを備え、
   前記第１の樹脂封止体が、機能性添加剤を含有すると共に、前記第２の樹脂封止体よりも柔軟な軟質樹脂で形成されており、
   前記第１の樹脂封止体と前記第２の樹脂封止体との硬度の違いによって線膨張係数が異なる場合、前記第１の樹脂封止体が、蛍光体、無機フィラー及び拡散剤の少なくとも一つからなる機能性添加剤の添加量を調整して、前記第２の樹脂封止体と同一の線膨張係数となるように調整され、
   前記第２の樹脂封止体の上面に、集光レンズ部が形成され、
   前記第１の樹脂封止体が前記第２の樹脂封止体のアノード電極パターン及びカソード電極パターンが配されていない両側部に露出していることを特徴とする光半導体装置。
2. 基板と、
   前記基板上に搭載された発光ダイオード素子と、
   前記発光ダイオード素子を封止する第１の樹脂封止体と、
   前記第１の樹脂封止体を覆う第２の樹脂封止体とを備え、
   前記第１の樹脂封止体が、機能性添加剤を含有すると共に、前記第２の樹脂封止体よりも柔軟な軟質樹脂で形成されており、
   前記第１の樹脂封止体と前記第２の樹脂封止体との硬度の違いによって線膨張係数が異なる場合、前記第１の樹脂封止体が、蛍光体、無機フィラー及び拡散剤の少なくとも一つからなる機能性添加剤の添加量を調整して、前記第２の樹脂封止体と同一の線膨張係数となるように調整され、
   前記第２の樹脂封止体の上面に、集光レンズ部が形成され、
   前記第１の樹脂封止体が前記第２の樹脂封止体のアノード電極パターン及びカソード電極パターンの配されていない両側部において、中間部分にだけ第１の樹脂封止体が露出していることを特徴とする光半導体装置。
3. 請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
   前記第１の樹脂封止体及び前記第２の樹脂封止体が、シリコーン樹脂で形成されていることを特徴とする光半導体装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光半導体装置において、
   前記発光ダイオード素子が、青色光又は紫外光を発光する発光ダイオード素子であり、
   前記機能性添加剤が、前記青色光又は前記紫外光を白色光に変換する蛍光体であることを特徴とする光半導体装置。

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