JP5976406B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、回路基板上に実装した半導体発光素子を透光性の封止部材により被覆した半導体発光装置に関する。

ウェハーから切り出された半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）を回路基板に実装し、樹脂やガラス等の透光性の封止部材で被覆してパッケージ化した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）が普及している。このＬＥＤ装置は、直菅状の蛍光灯を模した照明装置に組み込むライン光源に用いられることがある。しかしながらこの照明装置に含まれるチューブ状の拡散部材中にライン光源を配置するにもかかわらず、各ＬＥＤ装置は直上部の配光分布が比較的強いので、拡散部材越しに個別のＬＥＤ装置が分離して見えてしまうことがある。

これに対しＬＥＤ装置の直上には光を放射させず、側方にだけ光を放射させるＬＥＤ装置が知られている（例えば特許文献１の図１）。特許文献１の図１を図８に再掲示し、そこで示されている発光ダイオード１０ａ（ＬＥＤ装置）を説明する。図８は従来の発光ダイオード１０ａの断面図である。発光ダイオード１０ａは、絶縁基板１（回路基板）上にＬＥＤチップ２（ＬＥＤダイ）が固定され、そのＬＥＤチップ２が透光性樹脂層３により封止されている。さらに透光性樹脂層３の上部には遮光層７を備えている。この遮光層７は段落００４６に記載されているように高い反射率が要請されている。

特開２００１−２５７３８１号公報 （図１、段落００４６）

特許文献１に示された発光ダイオード１０ａ（ＬＥＤ装置）を用いたライン光源をチューブ状の拡散部材内に配置した場合、発光ダイオード１０ａの直上部が暗いため前述とは逆に離散的な暗い部分が目立ってしまうことがある。

そこで本発明は、この課題を解決するため、ライン光源を構成し、このライン光源をチューブ状の拡散部材内に配置したとき拡散部材から放射される光が均一化する半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置は、回路基板上にＬＥＤダイを実装し、該ＬＥＤダイを透光性の封止部材で被覆した半導体発光装置において、前記封止部材は上部に溝を備え、前記溝は前記封止部材の上部全体に亘り、中心部が最も低く、白色部材が充填され、前記白色部材は前記溝と直交する方向の端部から上方に光が漏れ出し、前記溝と直交する前記封止部材の一対の側面に白色部材を備えていることを特徴とする。

前記溝がＶ溝であっても良い。

前記ＬＥＤダイがフリップチップ実装されていても良い。

以上のように本発明の半導体発光装置は、回路基板上に実装したＬＥＤダイを封止する封止部材の上面全体に亘って溝が形成されている。この溝は中心部が最も低く、端部に行くほど高くなっており、白色部材が充填されている。このため溝の中心部は透過光が大きく減衰する一方、溝の端部では洩れ光があり、さらに白色部材による反射で側部に向かう光が増える。この結果、本発明の半導体発光装置でライン光源を構成した場合、各ＬＥＤ装置の直上部の発光強度が比較的弱くなるので、チューブ状の拡散部材中に配置したとき各ＬＥＤ装置が離散的に見える程度が緩和する。同様に各ＬＥＤ装置の直上部の発光強度が比較的弱くなるだけなので、各ＬＥＤ装置が離散的に暗く見えることもない。

本発明のＬＥＤ装置の外形図。 本発明のＬＥＤ装置の外形図。 図１及び図２に示したＬＥＤ装置の断面図。 図１及び図２に示したＬＥＤ装置の出射光の説明図。 図１及び図２に示したＬＥＤ装置の配光分布の説明図。 図１及び図２に示したＬＥＤ装置を製造するための説明図。 図１及び図２に示したＬＥＤ装置を使ったライン光源の斜視図。 従来のＬＥＤ装置の断面図。

以下、添付図１〜７を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。

図１及び図２により本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の外形を説明する。図１及び図２はＬＥＤ装置１０の外形図であり、図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が正面図、図１（ｃ）が底面図、図２が左側面図である。図１（ａ）に示すように、ＬＥＤ装置１０を上部から眺めると長方形の白色部材１１のみが見える。図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤ装置１０を正面から眺めると白色部材１１，１２とともに、封止部材１３、回路基板１４、外部接続電極１５，１６が見える。封止部材１３は白色部材１１，１２によりコの字状に囲まれ、回路基板１４に積層している。回路基板１４の裏面には外部接続電極１５，１６が形成されている。なお封止部材１３の上部にある白色部材１１は封止部材１３の側部にある白色部材１２よりも薄くなっている。図１（ｃ）に示すように、ＬＥＤ装置１０を底面側から眺めると回路基板１４が占める領域の内側に外部接続電極１５，１６が見える。図２に示すようにＬＥＤ装置１０を左側面から眺めると、外部接続電極１５上に回路基板１４と白色部材１２が積層しているように見える。

次に図３よりＬＥＤ装置１０内部構造を説明する。図３はＬＥＤ装置１０の断面図であり、（ａ）が図１（ｂ）のＣＣ線に沿って描いた断面図、（ｂ）が図１（ａ）のＢＢ線に沿って描いた断面図、（ｃ）が図１（ａ）のＡＡ線に沿って描いた断面図である。（ａ）の断面図では、ＬＥＤ装置１０の左右に白色部材１２が示されている。左右の白色部材１２は封止部材１３を挟み込んでおり、封止部材１３が占める領域の内部にＬＥＤダイ３０のサファイヤ基板３１が見える。白色部材１２はシリコーン樹脂に酸化チタン等の反射性微粒子を混練し硬化させたもので厚さが１００μｍ程度である。また封止部材１３はシリコーン樹脂に蛍光体微粒子を混練し硬化させたものである。

図３（ｂ）の断面図では、回路基板１４上にＬＥＤダイ３０がフリップチップ実装され
、ＬＥＤダイ３０を封止部材１３が被覆し、封止部材１３を白色部材１１，１２が取り囲んでいる様子が示されている。ここで白色部材１２と同じ材料からなる白色部材１１は、図１（ｂ）と異なり、上下方向の幅が２００μｍ程度であり、左右方向の幅が１００μｍ程度の白色部材１２よりも厚くなっている。このときサファイヤ基板３１上の封止部材１３の厚さは２００μｍ程度になっている。

ＬＥＤダイ３０は、サファイヤ基板３１、ｎ型半導体層３２、ｐ型半導体層３３、絶縁膜３４、並びにｐ側電極３５ａ及びｎ側電極３５ｂからなる。サファイヤ基板３１の下にはｎ型半導体層３２が形成され、さらにｎ型半導体層３２の下にｐ型半導体層３３が形成されている。絶縁膜３４は、二つの開口部を除きｎ型半導体層３２及びｐ型半導体層３３を被覆しており、それぞれの開口部でｐ型半導体層３３とｐ側電極３５ａ並びにｎ型半導体層３２とｎ側電極３５ｂが接続している。

サファイヤ基板３１は透明絶縁基板であり厚さが８０〜１５０μｍである。ｎ型半導体層３２はＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層からなり厚さが５μｍ程度である。ｐ型半導体層３３は、反射層や原子拡散防止層などを含む金属多層膜とｐ型ＧａＮ層からなり厚みが１μｍ程度である。図示していないが発光層はｐ型半導体層３３とｎ型半導体層３２の境界部にあり、平面形状はｐ型半導体層３３とほぼ等しい。絶縁膜３４はＳｉＯ２やポリイミドからなり厚さが数１００ｎｍ〜１μｍ程度である。ｐ側電極３５ａ並びにｎ側電極３５ｂはＡｕ又はＣｕをコアとするバンプであり、電解メッキ法で形成し厚さが１０〜３０μｍ程度である。

回路基板１４は上面に内部接続電極３６，３８が形成されており、内部接続電極３６，３８はスルーホール電極３７，３９を介して外部接続電極１５，１６と接続している。ＬＥＤダイ３０のｐ側及びｎ側の電極３５ａ，３５ｂはそれぞれ内部接続電極３６，３８と接続している。

この回路基板１４は、厚さが１００〜５００μｍ程度であり、その材料は熱伝導率や反射率等を考慮し、樹脂、セラミック、金属などから選ぶ。外部接続電極１５，１６及び内部接続電極３６，３８は、厚さが数μｍから数１０μｍであり、Ｎｉ及びＡｕ（又はＡｇ）メッキした銅箔である。スルーホール電極３７，３９は直径が１００〜３００μｍ程度で内部に金属を充填している。ｐ側及びｎ側の電極３５ａ，３５ｂと内部接続電極３６，３８は、ＬＥＤ装置１０を実装基板（マザー基板ともいう）に実装する際の半田リフローで融解しないようにするため、融点の高いＡｕ−Ｓｎ共晶で接続する。

図３（ｃ）の断面図では、封止部材１３の上面にＶ溝が形成され、このＶ溝に白色部材１１が充填されている様子が示されている。このとき封止部材１３の左右の側面は外気と接している。白色部材の厚さは中心部で２００μｍ程度であり、左右の端部に行くほど薄くなり、端部では１０〜５０μｍになっている。

次に図４によりＬＥＤ装置１０の出射光について説明する。図４はＬＥＤ装置１０の出射光の説明図であり、図３（ｃ）の断面図に光線Ｌ１〜Ｌ７を書き加えたものである。本図ではＬＥＤダイ３０の発光層からＬＥＤ装置１０の外部に出射する光のうち代表的なものを描いた。光線Ｌ１はｎ型半導体層３２とｐ型半導体層３３の境界部にある発光層（図示していない）から発し、サファイヤ基板３１及び封止部材１３を通り、白色部材１１の中心付近に達する。ここで光線Ｌ１は反射し光線Ｌ２となってＬＥＤ装置１０の側面から外部に出射する。光線Ｌ３は発光層から発し、サファイヤ基板３１及び封止部材１３を通り、白色部材１１の左端付近に達する。白色部材１１の左端付近は薄いので光線Ｌ３は散乱しながら透過する。このとき光線Ｌ３からはＬＥＤ装置１０の上方に向かう成分である光線Ｌ４が現れる。

光線Ｌ５は発光層から発し、サファイヤ基板３１及び封止部材１３を通り、直接的にＬＥＤ装置１０の側面から外部に出射する。光線Ｌ６は発光層から発し、サファイヤ基板３１を抜け、封止部材１３中で蛍光体（図示せず）に吸収される。この蛍光体は等方的に蛍光（光線Ｌ７）を放出する。なお光線Ｌ７も、光線Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５と同様に振舞い、ＬＥＤ装置１０の外部に出射する。なお吸収等の損失は無視している。また回路基板１４の表面で反射する光線もある。

ＬＥＤダイ３０は上方向の強度が比較的に強い配光分布を持っている。しかしながら図４で示したようにＬＥＤダイ３０の上方向に向かおうとする光（光線Ｌ１等）は、ＬＥＤダイ３０の上部の白色部材１１が厚く、傾斜しているため多くの成分（光線Ｌ２等）がＬＥＤ装置１０の側面から出射するようになる。一方白色部材１１の左右端部に向かう光（光線Ｌ３等）は、白色部材１１が端部で薄くなっているため拡散しながら透過する。この結果、ＬＥＤ装置１０の上方に向かう光（光線Ｌ４等）が現れるため、上部に白色部材１１を備えているにもかかわらずＬＥＤ装置１０の上方が完全に暗くなることはない。以上のようにしてＬＥＤダイ３０の発光層から発した光は、ＬＥＤ装置１０から出射する際に直上方向が弱くなり、側面方向が強くなる。同様に封止部材１３中の蛍光体が発する光も白色部材１１の端部を透過するためＬＥＤ装置１０の上部を暗くせず、側方の出射量が大きくなる。

以上の状況について図５によりＬＥＤ装置１０の配光分布を説明する。図５は配光分布の説明図であり、（ａ）がＬＥＤ装置１０の配光分布５１、（ｂ）が参照例のＬＥＤ装置５６の配光分布５２を示している。また（ａ）及び（ｂ）では実装基板５３上にＬＥＤ装置１０，５６をフリップチップ実装した状態を示している。なお、参照例のＬＥＤ装置５６は回路基板５５上に実装したＬＥＤダイ（図示していない）を封止部材５４で被覆しただけのものであり、ＬＥＤ装置１０のように白色部材１１，１２等（図３（ｂ）参照）を備えていない。また接続用の電極は図示していない。

（ａ）では、回路基板１４上に白色部材１２が積層したＬＥＤ装置１０の左側面が示されている（図２参照）。このときＬＥＤ装置１０の直上部の配光分布５１が弱く、左右の配光分布５１が広がっている。これに対し（ｂ）に示した参照例のＬＥＤ装置５６の配光分布５２がほぼ均等になっている。なお配光分布５１，５２は、その方向の光の強度を示している。

次に図６によりＬＥＤ装置１０の製造方法を説明する。図６はＬＥＤ装置１０の製造方法の説明図であり、各工程はそこに含まれる特徴的な状態を示す断面図で表している。ここで図の左側はＬＥＤダイ３０の正面方向の断面図であり、右側はＬＥＤダイ３０の側面方向の断面図である。なお回路基板１４に係る電極（外部接続電極１５，１６等、図３参照）は図示していない。ＬＥＤダイ３０も簡略化している。

（ａ）は個片化すると多数の回路基板１４が得られる大判基板６１に複数のＬＥＤダイ３０を接続する工程である。大判基板６１にＬＥＤダイ３０をフリップチップ状態で配列し、その後ＬＥＤダイ３０を加圧しながら加熱し、ＬＥＤダイ３０のｐ側及びｎ側の電極３５ａ，３５ｂ（図３（ｂ）参照）を回路基板１４の内部接続電極３６，３８（図３（ｂ）参照）に接続する。

（ｂ）は封止部材６２でＬＥＤダイ３０を被覆する工程である。スキージや金型で封止部材６２を所定の厚さに調整する。（ｃ）は封止部材６２の上面にＶ溝６３を形成する工程である。Ｖ溝６３はＬＥＤダイ３０の長手方向（右側の断面図において紙面の手前から裏に向かう方向）に掘り込む。なお左側の断面図はＶ溝６３の低い方の稜線を含む断面に
ついて描いているので、奥側にＶ溝６３の高い方の稜線が見えることから、封止部材６２中に水平方向の線が現れている。

（ｄ）はＶ溝６３と直交する方向に角溝６４を形成する工程である。（ｅ）はＶ溝６３及び角溝６４に白色部材６５を充填する工程である。充填はスキージで良く、白色部材６５を充填したら加熱して硬化する。（ｆ）は白色部材６５の上面を研磨し白色部材６５の厚さを調整する工程である。封止部材６２の上面に形成したＶ溝６３の高いほうの稜線が現れる程度まで研磨する。（ｇ）は大判基板６１を個片化しＬＥＤ装置１０を得る工程である。大判基板６１はダイシングにより切断する。

なお金型でＶ溝６３を形成しても良い。この場合は、図６（ｂ）と図６（ｃ）の工程が一体的に処理できる。

最後に図７によりＬＥＤ装置１０を使ったライン光源７０を説明する。図７はライン光源７０の斜視図であり、ライン光源７０はチューブ状の拡散部材７２（点線）内に配置される。ＬＥＤ装置１０は短手方向が揃うようにして実装基板７１上に一列に配置されている。各ＬＥＤ装置１０から列方向に出射した光の一部は実装基板７１の表面で反射し上方に向かう。ＬＥＤ装置１０は直上方向に比較的弱く列方向に比較的強い配光分布５１（図５（ａ）参照）を持つため、実装基板７１上でＬＥＤ装置１０間の距離を大きくとったライン光源７０をチューブ状の拡散部材７２内に配置しても、光源が離散的に見える程度が大幅に軽減する。

なお、ＬＥＤ装置１０では図３（ｃ）で示したように封止部材１３が上面にＶ溝を備えていた。しかしながら封止部材の上面は、中心部が反射性を有し端部が拡散透過性を持てば良いので、封止部材の上面に形成する溝は、断面がＶ字となるものに限られず、断面が曲面となるものであってもよい。

またＬＥＤ装置１０は、Ｖ溝と直交する短手方向の側面に白色部材１２を備えていた（図３参照）。このため短手方向の側面からは光が出射しない。これは図７に示したライン光源７０がＬＥＤ装置１０の短手側の側面から出射する光を利用しないからであった。しかしながら、例えばチューブ状の拡散部材７２（図７参照）内に反射板等を設け、短手側からの出射光を利用するようにすれば、ＬＥＤ装置１０の短手側の側面の白色部材１２は不要となる。このとき図６（ｄ）の工程を省くことができる。

またＬＥＤ装置１０は、ＬＥＤダイ３０が回路基板１４にフリップチップ実装されていた（図３（ｂ）参照）。ＬＥＤダイの実装方法はフリップチップ実装に限られず、例えばダイボンディングとワイヤによるフェイスアップ実装でも良い。しかしながらフリップチップ実装はワイヤを必要としないためＬＥＤダイ３０上部の封止部材１３を加工し易いという特徴がある。

またＬＥＤ装置１０は、外部接続電極１５，１６、内部接続電極３６，３８、スルーホール電極３７，３９を備えた回路基板１４を用いていたが、他の実装用部材としてリードフレームを使っても良い。

１０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１，１２，６５…白色部材、
１３，５４，６２…封止部材、
１４，５５…回路基板、
１５，１６…外部接続電極、
３０…ＬＥＤダイ（半導体発光素子）、
３１…サファイヤ基板、
３２…ｎ型半導体層、
３３…ｐ型半導体層、
３４…絶縁膜、
３５ａ…ｐ側電極、
３５ｂ…ｎ側電極、
３６，３８…内部接続電極、
３７，３９…スルーホール電極、
５１，５２…配光分布、
５３，７１…実装基板、
５６…参照例のＬＥＤ装置、
６１…大判基板、
６３…Ｖ溝、
６４…角溝、
７０…ライン光源、
７２…チューブ状の拡散部材、
Ｌ１〜Ｌ７…光線。

Claims (3)

1. 回路基板上にＬＥＤダイを実装し、該ＬＥＤダイを透光性の封止部材で被覆した半導体発光装置において、
   前記封止部材は上部に溝を備え、
   前記溝は前記封止部材の上部全体に亘り、中心部が最も低く、白色部材が充填され、
   前記白色部材は前記溝と直交する方向の端部から上方に光が漏れ出し、
   前記溝と直交する前記封止部材の一対の側面に白色部材を備えている
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記溝がＶ溝であ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. 前記ＬＥＤダイがフリップチップ実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。

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