JP5325597B2 - 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を発光源とする半導体発光装置に関する。
半導体発光素子は半導体材料を構成する元素とその組成及び該半導体材料による素子構造等により発光スペクトルが異なり、半導体材料は該半導体材料を構成する元素とその組成等により光透過率が異なる。
半導体発光素子が透光性を有する素子構造からなる場合、半導体発光素子内の発光部（ＰＮ接合部）から出射された光は素子内を導光されて発光部を挟んで対向する両面から素子外に出射される。
ところで、半導体発光素子は一般的に、導体パターンが形成された基材上に接着部材あるいは接合部材を介して固定され、半導体発光素子の素子電極と導体パターンが何らかの接続手段によって電気的に導通される。これによる外部電源からの電力が導体パターン及び素子電極を介して半導体発光素子に供給される。
そこで、基材上に透光性を有する半導体発光素子を上述の方法で実装して外部電源から電力を供給すると、半導体発光素子の発光部から出射された光のうち基材側に位置する面から出射された光は接着部材あるいは接合部材で遮光されて素子外には照射されず、片方の面からのみ素子外に向けて照射される。そのため、発光部からの出射光量のうち半分近くが素子外に照射されることがなく、極めて光利用効率の低いものとなってしまう。
そこで、半導体発光素子から出射された光の利用効率の向上を目的として、図５に示す構成の半導体発光装置の提案がなされている。
それは、基材５０上の導体パターン５１上に基材５０よりも光反射率の高い材料からなる光反射層５２を設け、光反射層５２上に透明な接着剤５３を介して透光性を有する半導体発光素子５４を接着・固定し、該半導体発光素子５４を封止樹脂５５で樹脂封止するものである。
すると、半導体発光素子５４の発光部から基材５０と反対側に位置する面（上面）に向けて出射された光ＬＤは半導体発光素子５４内を導光されて上面から封止樹脂５５内に入射し、封止樹脂５５内を導光されて外部に向けて照射される。
一方、半導体発光素子５４の発光部から基材５０側に位置する面（下面）に向けて出射された光ＬＲは半導体発光素子５４内を導光されて下面から出射し、透明な接着剤５３を透過して光反射層５２に至り、光反射層５２で半導体発光素子５４側に向けて反射されて再度半導体発光素子５４内を導光されて上面から封止樹脂５５内に入射し、封止樹脂５５内を導光されて外部に向けて照射される。
これにより、半導体発光素子５４の発光部から出射された直接光ＬＤ及び発光部から出射されて光反射層５２で反射された反射光ＬＲを効率よく外部に照射することが可能となり、光の利用効率を高めることができるというものである（例えば、特許文献１参照。）。
ところで、上記構成の半導体発光装置５６において、光反射層５２は高反射率を確保するために銀メッキ層を用い、接着剤５３は半導体発光素子５４の出射光に対して光学安定性が良好な上述のシリコーン系接着剤を用いることが好ましい。
但し、発明者が半導体発光素子５４として青色光を出射する青色ＬＥＤ素子を使用して長時間の点灯試験を行ったところ、シリコーン系接着剤５３に変色が生じて光の吸収が起こることが確認された。試験後に、変色したシリコーン系接着剤５３を分析したところ銀の成分が検出されており、シリコーン系接着剤５３は封止用シリコーン樹脂に比べて接着助剤などの種々の添加物が多く含まれる傾向にあるため、変色の原因はこれら添加物に起因するものと推測される。
また、シリコーン系接着剤５３は金属に対する接着強度が比較的弱く、半導体発光素子５４の点灯時の発熱による熱応力によって金属との間で界面剥離を生じる恐れがある。
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、発光スペクトルのピーク波長を紫外〜可視の短波長領域とする透光性を有する半導体発光素子を紫外〜可視の短波長領域の光に対して光学安定性が良好なシリコーン系接着剤を介して光反射率の高い銀系層上に接着・固定してなる光利用効率の高い半導体発光装置であって、明るく且つ長期に亘る使用や使用環境条件に係らず良好な光学特性の維持及び高い信頼性の確保が可能な半導体発光装置を実現することにある。
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、基材と、前記基材上に形成された、銀系材料からなる光反射層と、前記光反射層の上に該光反射層を覆うように成膜されたシリカガラス膜と、前記シリカガラス層にシリコーン接着剤を介して固定された、透光性を有し且つ発光スペクトルのピーク波長を紫外〜可視の短波長領域とする半導体発光素子と、を備えた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、前記シリカガラス膜は、パーヒドロポリシラザンより形成されていることを特徴とするものである。
本発明の半導体発光装置の構成を、基材上に銀系材料からなる高反射率を有する光反射層を形成して該光反射層の上に透明なシリカガラス膜を成膜し、該シリカガラス膜に透明なシリコーン接着剤を介して透光性を有する半導体発光素子を接着・固定するようにした。
半導体発光装置をこのような構成とすることにより、半導体発光素子から出射された光の利用効率が高くなり、半導体発光素子の発光光によるシリコーン接着剤の変色が防止され、半導体発光素子の接着強度が向上した。
その結果、明るく且つ長期に亘る使用や使用環境条件に係らず良好な光学特性の維持及び高い信頼性の確保が可能な半導体発光装置が実現できた。
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及び図２は本発明の半導体発光装置に係る実施形態の説明図であり、図１は上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
本発明は、発光源を発光スペクトルのピーク波長を紫外〜可視の短波長領域とする透光性を有する半導体発光素子（以下、「ＬＥＤ素子」とする）とし、ＬＥＤ素子を該ＬＥＤ素子から発せられる紫外〜可視の短波長領域の光に対して光学安定性が良好で透明性を有するシリコーン系接着剤を介して光反射率の高い銀系層上に成膜されたシリカガラス膜に接着・固定してなる半導体発光装置である。
半導体発光装置をこのような構成とすることにより、光利用効率が向上して照射光量が増大し、且つ長期に亘る使用や使用環境条件に係らず良好な光学特性の維持及び高い信頼性の確保を可能にするものである。
以下に具体的な構成例について説明する。凹部１を有する基材２の上部に前記凹部１よりも大きい中空部３を有するハウジング４が配設されている。基材２の凹部１を挟んで対向する両側には、互いに分離独立して夫々基材２の一方の面（上面）２ａからハウジング４を貫通して外部に導出されて側面２ｂを経て他方の面（裏面）２ｃまで延長された導体パターン５ａ、５ｂが形成されている。
基材２の上面２ａに位置する導体パターン５ａ、５ｂの先端部はハウジング４の中空部３内に露出しており、後述するボンディングワイヤのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａとなる。いずれの導体パターン５ａ、５ｂも、例えば銅（Ｃｕ）箔の上にニッケル（Ｎｉ）メッキ層が形成され更にその上に金（Ａｕ）メッキ層が形成された積層構造となっている。
基材２の凹部１の内面には上記各導体パターン５ａ、５ｂとは分離独立した光反射層６が形成され、この光反射層６は純銀や銀合金等の高光反射率を有する銀系材料からなっている。そして光反射層６の上には透明なシリカガラス膜７が形成されている。
このシリカガラス膜７は、ジブチルエーテルで希釈したパーヒドロポリシラザン（（ＳｉＨ２ＮＨ）ｎ）を光反射層６の上に塗布し、１５０℃で１時間加熱して大気中の水分と化学反応させてシリカ（二酸化ケイ素）に転位さることによりシリカガラス膜７としたものである。
このとき、シリカガラス膜７は熱応力による亀裂や光反射層６との剥離を防止するために膜厚が１μｍ以下となるようにパーヒドロポリシラザンの濃度や塗布厚を最適化することが好ましい。
なお、シリカガラス膜７の形成時に導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａにシリカガラス膜７が付着するとボンディングワイヤの接合強度が弱くなる或いは接合自体ができなくなる恐れがある。
そこで、導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａにシリカガラス膜７が付着しないようにするための対処方法として、シリカガラス膜７の形成工程あるいは半導体発光装置の構造等に配慮を施すことが考えられる。具体的には、基材２に対する導体パターン５ａ、５ｂの形成工程以前にシリカガラス膜７の形成工程を設けて工程上導体パターン５ａ、５ｂにシリカガラス膜７が付着しないようにする方法、あるいは図１及び図２のように、導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａとシリカガラス膜７に段差を設けて製造上シリカガラス膜７の成膜時に該シリカガラス膜７が導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａへ付着しにくい構造とする方法等が対処方法として好ましい。
シリカガラス膜７の上にはシリコーン接着剤８を介してＬＥＤ素子９が接着・固定されている。シリコーン接着剤８は金属よりもガラスとの接着性が優れているため、シリコーン接着剤８を介するＬＥＤ素子９の接着・固定は銀系材料からなる光反射層６に対するよりもシリカガラス膜７に対する方が高い接着強度を確保することができる。
また、シリカガラス膜７は光反射層６を構成する銀系材料の硫化防止の役割を担う。そのため、光反射層６の全面をシリカガラス膜７で覆うことで良好な硫化防止効果を図ることが好ましい。
なお、シリカガラス膜７の成膜は上記パーヒドロポリシラザンを用いる方法以外にもＳｉＯ２をターゲット材とするスパッタ法等の種々の方法が可能である。
ＬＥＤ素子９は発光スペクトルのピーク波長を紫外〜可視の短波長領域とする透光性を有する素子が用いられ、例えば、ＩｎＧａＡｌ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ及びＧａＮ系の組成材料からなり、いずれも高い光透過率を有している。
また、ＬＥＤ素子９の一対の電極（図示しないがアノード電極とカソード電極）はいずれも素子の一方の面側（上面側）に設けられ、夫々ボンディングワイヤ１０の一方の端部が接合されて該ボンディングワイヤ１０の他方の端部が導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａに接合されている。これにより、ＬＥＤ素子９の各電極と導体パターン５ａ、５ｂがボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続されている。
更に、連穿された、基材２の凹部１とハウジング４の中空部３には封止樹脂１１が充填されてＬＥＤ素子９及びボンディングワイヤ１０を樹脂封止している。
封止樹脂１１は透光性樹脂又は１種以上の蛍光体を分散してなる透光性樹脂が用いられる。このうち、封止樹脂１１として透光性樹脂のみを用いる場合、ＬＥＤ素子９は発光スペクトルのピーク波長が可視領域となるものが主として用いられる。
それに対し、封止樹脂１１としてバインダー樹脂となる透光性樹脂に１種以上の蛍光体を分散して用いる場合、ＬＥＤ素子９と封止樹脂１１の組み合わせは以下のようになる。
例えば、ＬＥＤ素子９の発光光が可視の短波長領域の青色領域に発光スペクトルのピーク波長を有する青色ＬＥＤ素子の場合、青色ＬＥＤ素子が発する青色光に励起されて青色の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を用いることによって、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部が黄色蛍光体を励起することにより波長変換された黄色光と、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部との加法混色によって白色光を得ることができる。
同様に、ＬＥＤ素子９が青色ＬＥＤ素子の場合、青色ＬＥＤ素子が発する青色光に励起されて夫々緑色光及び赤色光に波長変換する緑色蛍光体及び赤色蛍光体の２種類の蛍光体からなる混合蛍光体を用いることによって、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部が混合蛍光体を励起することにより波長変換された緑色光及び赤色光と、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部との加法混色によって白色光を得ることができる。
また、ＬＥＤ素子９の発光光が紫外領域に発光スペクトルのピーク波長を有する紫外ＬＥＤ素子の場合、紫外ＬＥＤ素子が発する紫外光に励起されて夫々青色光、緑色光及び赤色光に波長変換する青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体の３種類の蛍光体からなる混合蛍光体を用いることによって、紫外ＬＥＤ素子から発せられた紫外光が混合蛍光体を励起することにより波長変換された青色光、緑色光及び赤色光の加法混色によって白色光を得ることができる。
更に、ＬＥＤ素子が発する種々の色調の光とその光で励起されて種々の波長に波長変換する蛍光体とを適宜に組み合わせることによって白色光以外の種々な色調の光を得ることができる。
そこで、上記構成の半導体発光装置２０において、ＬＥＤ素子９から発せられた光の光路について図３を参照して説明する。
ＬＥＤ素子９内の発光部（ＰＮ接合部）９ａから基材２と反対側に位置する面（上面）９ｂに向けて出射された光ＬＤは、透光性を有するＬＥＤ素子９内を導光されて上面９ｂから封止樹脂１１内に入射し、封止樹脂１１内を導光されて外部に向けて照射される。
一方、ＬＥＤ素子９の発光部９ａから基材２側に位置する面（下面）９ｃに向けて出射された光ＬＲはＬＥＤ素子９内を下面９ｃに向けて導光されて下面９ｃから出射し、透明なシリコーン接着剤８および透明なシリカガラス膜７を順次を透過して銀系材料からなり高光反射率を有する光反射層６に至り、光反射層６でＬＥＤ素子９側に向けて効率よく反射されて再度シリカガラス膜７及びシリコーン接着剤８を順次透過してＬＥＤ素子９内を導光されて発光部９ａを経て上面９ｂから封止樹脂１１内に入射し、封止樹脂１１内を導光されて外部に向けて照射される。
これにより、ＬＥＤ素子９の発光部９ａから出射された直接光ＬＤ及び発光部９ａから出射されて光反射層６で反射された反射光ＬＲを効率よく外部に照射することが可能となり、光の利用効率が高まって照射光量の増大による明るい半導体発光装置２０が実現できる。また、銀系材料を含む光反射層６とシリコーン接着剤８との間にシリカガラス膜７が存在することで、原因は不明ながらシリコーン接着剤８の光劣化による変色を抑制して半導体発光装置２０の寿命を向上させることができる。なお、封止樹脂１１に蛍光体が分散されている場合は、直接光ＬＤ及び反射光ＬＲにはＬＥＤ素子９から出射された光で励起された蛍光体による蛍光光が含まれている。
図４は、本発明の半導体発光装置２０に係る他の実施形態の説明図である。本実施形態は上述の実施形態が基材に凹部を設けて該凹部内にＬＥＤ素子を配置しているのに対し、基材２に凹部を設けることなく導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａと光反射層６を基材２の同一平面上に形成し、光反射層６の上に成膜されたシリカガラス膜７に透明なシリコーン接着剤８を介してＬＥＤ素子９を接着・固定した構成となっている点が異なる。
このような構成の半導体発光装置２０において、導体パターン５ａ、５ｂのワイヤボンディングパッド部５ａａ、５ｂａにシリカガラス膜７が付着しないようにするための対処方法として、基材２に対する導体パターン５ａ、５ｂの形成工程以前にシリカガラス膜７の形成工程を設ける方法をとるのが好ましい。
なお、本実施形態の光学系は上述の実施形態と同様であるので説明は省略する。
以上説明したように、本発明の半導体発光装置は、基材上に銀系材料からなる高反射率を有する光反射層を形成して該光反射層の上に透明なシリカガラス膜を成膜し、該シリカガラス膜に透明なシリコーン接着剤を介して透光性を有する半導体発光素子を接着・固定するようにした。
その結果、半導体発光素子内の発光部から該発光部の両側に向けて出射された光はいずれも半導体発光素子外に出射されるまでの間に光損失が少なく、よって、高光利用効率による照射光量の増大が明るい半導体発光装置の実現を可能にした。
また、光反射層とシリコーン接着剤の間にシリカガラス膜を介在させて光反射層とシリコーン接着剤を隔離することにより、光反射層を構成する銀系材料とシリコーン接着剤の添加物との反応に起因すると考えられるシリコーン接着剤の変色を防止することが可能となり、長期に亘る使用に係らず良好な光学特性を維持することが可能となった。
更に、半導体発光素子がシリコーン接着剤を介して銀系材料からなる光反射層よりも接着強度が強いシリカガラス膜に接着・固定されるため、半導体発光素子のダイシェア強度が光反射層に接着・固定された場合よりも約１．５倍高くなり、使用環境条件に係らず高い信頼性の確保が可能となった。
換言すると、本発明の半導体発光装置は、明るく且つ長期に亘る使用や使用環境条件に係らず良好な光学特性の維持及び高い信頼性の確保が可能である。
１ 凹部
２ 基材
２ａ 上面
２ｂ 側面
２ｃ 裏面
３ 中空部
４ ハウジング
５ａ、５ｂ 導体パターン
５ａａ、５ｂａ ワイヤボンディングパッド部
６ 光反射層
７ シリカガラス膜
８ シリコーン接着剤
９ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子）
９ａ 発光部
９ｂ 上面
９ｃ 下面
１０ ボンディングワイヤ
１１ 封止樹脂
２０ 半導体発光装置
２ 基材
２ａ 上面
２ｂ 側面
２ｃ 裏面
３ 中空部
４ ハウジング
５ａ、５ｂ 導体パターン
５ａａ、５ｂａ ワイヤボンディングパッド部
６ 光反射層
７ シリカガラス膜
８ シリコーン接着剤
９ 半導体発光素子（ＬＥＤ素子）
９ａ 発光部
９ｂ 上面
９ｃ 下面
１０ ボンディングワイヤ
１１ 封止樹脂
２０ 半導体発光装置
Claims (2)
- 基材と、
前記基材上に形成された、銀系材料からなる光反射層と、
前記光反射層の上に該光反射層を覆うように成膜されたシリカガラス膜と、
前記シリカガラス層にシリコーン接着剤を介して固定された、透光性を有し且つ発光スペクトルのピーク波長を紫外〜可視の短波長領域とする半導体発光素子と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。 - 前記シリカガラス膜は、パーヒドロポリシラザンより形成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。
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