JPWO2012147342A1 - レンズ付き光半導体装置、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
基板上に実装された少なくとも一つの光半導体素子及び光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置と、透明樹脂封止体を収容するための凹部を備える樹脂レンズと、基板と凹部と透明樹脂封止体との間に充填される透明樹脂層とを備え、凹部の容積は、光半導体素子と前記透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であることを特徴とするレンズ付き光半導体装置である。【選択図】図１
Description
本発明は、樹脂レンズを備えた光半導体装置に関する。詳しくは、樹脂レンズを備えた光半導体装置の配光精度を向上させる技術に関する。
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたＬＥＤ装置の用途が広がっている。具体的には、例えば、一般室内照明器具、車内灯のようなスポットライト、薄型テレビや情報端末機器のバックライト、自動車のテールランプ、街灯、交通信号機等で採用されている。
一般的なＬＥＤ装置は、サブマウント基板上に実装されたＬＥＤ素子（ＬＥＤチップとも呼ぶ）を保護するための透明樹脂封止体を備える。図１９に示すように、サブマウント基板２上に実装されたＬＥＤ素子１を封止するための、半球状に成形された透明樹脂封止体３が知られている（例えば、下記特許文献１）。このように透明樹脂封止体を半球状のレンズ形状に成形することにより、ＬＥＤ装置において、ＬＥＤ素子の発光の外部取り出し効率が高められたり、配光パターンが制御されたりする。例えば、図１９のＬＥＤ装置１１０では、ＬＥＤ素子１の底面に設けられた電極１ａがサブマウント基板２上に形成された回路電極２ａにダイボンディングされ、上面に設けられた電極１ｂが金線ｗにより回路電極２ｂにワイヤーボンディングされている。このようにして、サブマウント基板２上にＬＥＤ素子１が実装されている。そして、実装されたＬＥＤ素子１が半球状に成形された透明樹脂封止体３で封止されている。ＬＥＤ装置１１０は、サブマウント基板２に設けられた、外部と電気的な接続を行う電極端子１ｃ、１ｄにより、プリント配線基板に実装される。
このようなＬＥＤ装置の一般的な製造方法について、図２０〜図２１を参照して説明する。
図２０は、集合ベース基板１２に実装された複数個のＬＥＤ素子１のそれぞれを覆うようにして、半球状の透明樹脂封止体３をオーバーモールド成形する工程を説明する模式断面図である。はじめに、図２０の（ａ）に示すように、ＬＥＤ素子１を実装した集合ベース基板１２をオーバーモールド成形用の金型２１の上型２１ａに固定する。また、金型２１の下型２１ｂに設けられた複数のレンズ形状のキャビティに、ディスペンサＤを用いて未硬化の液状樹脂１０５’を注液する。量産工程においては、１枚の集合ベース基板１２に、例えば、１００個以上のＬＥＤ素子１が実装されることもある。
そして、図２０の（ｂ）に示すように、金型２１を型締めし、加熱することにより液状樹脂１０５’を硬化させる。そして、図２０の（ｃ）に示すように、金型２１を型開きする。そして、図２０の（ｄ）に示すように、上型２１ａから集合ベース基板１２を取り外すことにより、集合ベース基板１２に形成された、半球状の透明樹脂封止体３を備えた多数個のＬＥＤ装置１１０が得られる。
次に、上述のようにして得られた多数個のＬＥＤ装置１１０を備えた集合ベース基板１２をダイシングソーＳで切断し、各ＬＥＤ装置１１０を個別化する工程を説明する。図２１は、その工程の模式説明図である。この工程においては、図２１に示すように、集合ベース基板１２を、予め設けられた碁盤目状のカットラインＬに沿ってダイシングソーＳにより切断することにより各ＬＥＤ装置１１０を個別化する。このようにして、レンズとなる半球状の透明樹脂封止体３を備えたＬＥＤ装置１１０が多数個取りで量産される。
しかしながら、上述したような、オーバーモールド成形工程を備えたＬＥＤ装置の製造方法によれば、ＬＥＤ素子の中心の位置に対して、透明樹脂封止体が配置される位置がずれるという問題があった。図２２を参照して、この問題を詳しく説明する。
集合ベース基板１２には、予め、カットラインＬが形成されている。カットラインＬに沿って集合ベース基板１２を切断することにより、各サブマウント基板２が個別化される。ＬＥＤ素子１は、各サブマウント基板２の所定の位置に正確に配置されている。具体的には、例えば、カットラインＬに囲まれた四角形の中心に、ＬＥＤ素子１及びＬＥＤ素子１を覆う透明樹脂封止体３が正確に位置するように設計されている。このように設計された場合、ＬＥＤ素子１の中心に、透明樹脂封止体３の中心が合うように透明樹脂封止体３が成形される必要がある。しかし、オーバーモールド成形の際に集合ベース基板の線膨張率の影響により、集合ベース基板１２の中央から離れた領域では、透明樹脂封止体３が設計された位置からずれて成形されてしまう場合があった。そして、このようにＬＥＤ素子１の中心と透明樹脂封止体３の中心とがずれて配置された場合、設計通りの配光特性が得られないという問題が生じていた。具体的には、例えば、図２３Ａの矢印で示すように、ＬＥＤ素子１からの発光が焦点に収束するように光学設計をした場合でも、図２３Ｂの矢印で示すように、ＬＥＤ素子１からの発光が焦点に収束せず、目的とする配光からずれるという問題があった。
このような配光のばらつきは、オーバーモールド成形用金型のベース材質の線膨張率と集合ベース基板１２の基板材質の線膨張率との差による、成形時の加熱及び加熱後の冷却の際の寸法変化の差や、金型に集合ベース基板をセットする際の位置合わせのバラつきや、集合ベース基板上のＬＥＤ素子のピッチとレンズ成形金型のレンズ部のピッチの精度の差等により生じると考えられる。従って、半球状の透明樹脂封止体が形成されたこのような集合ベース基板をカットラインに沿って切断した場合、カットラインとＬＥＤ素子との位置は一定であるが、透明樹脂封止体は、カットライン間の中心からずれて配置されるようなことがあるために、個別化された各ＬＥＤ装置間で配光がばらつくという問題が生じていた。
このような配光の狂いは、一般照明器具用として用いられるような用途であれば影響は小さい。しかし、高精度な配光特性が要求される用途においては、要求特性を充分に満たさないものが発生していた。
ＬＥＤ素子に対するレンズの配置精度を向上させる技術としては、例えば、下記特許文献２は、ＬＥＤ素子をフラットな透明樹脂封止体で封止した後、別体でレンズを位置合わせして接合させることにより、ＬＥＤ素子とレンズのセンターとの位置を正確に合わせる技術を開示している。
本発明は、配光が高精度に制御されたレンズ付き光半導体装置、及び、配光のばらつきの小さいレンズ付き光半導体装置を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。
本発明の一局面は、基板上に実装された少なくとも一つの光半導体素子（光半導体チップとも呼ぶ）及び光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置と、透明樹脂封止体を収容するための凹部を備える樹脂レンズと、基板と凹部と透明樹脂封止体との間に充填される透明樹脂層とを備え、凹部の容積は、光半導体素子と透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であるレンズ付き光半導体装置である。このような構成によれば、凹部の容積が光半導体素子と透明樹脂封止体の総体積に比べて充分に大きいために、光半導体素子の位置に対する透明樹脂封止体の位置ずれを補正することができる。従って、配光が高精度に制御されたレンズ付き光半導体装置を得ることができる。
また、本発明の他の一局面は、基板上に実装された光半導体素子及び光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置を準備する工程と、光半導体装置の透明樹脂封止体を収容するための凹部を備えた樹脂レンズの凹部に未硬化の透明樹脂を供給する工程と、未硬化の透明樹脂を供給した凹部に透明樹脂封止体を侵入させて、樹脂レンズを所定の位置に配置して未硬化の透明樹脂と透明樹脂封止体とを密着させる工程と、未硬化の透明樹脂を硬化させて透明樹脂層を形成する工程と、を備え、凹部の容積は、光半導体素子と透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であるレンズ付き光半導体装置の製造方法である。このような製造方法によれば、光半導体装置に形成された透明樹脂封止体の位置と光半導体素子の中心とのずれを透明樹脂封止体、透明樹脂層及び樹脂レンズにより補正することができる。従って、配光が高精度に制御されたレンズ付き光半導体装置を得ることができる。
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明及び添付する図面により、より明白となる。
本発明によれば、光半導体素子の位置に対する透明樹脂封止体の位置のずれを透明樹脂層及び樹脂レンズにより補正することができる。そのために、配光が高精度に制御されたレンズ付き光半導体装置を得ることができる。
図１は本発明のレンズ付き光半導体装置の一実施形態である、レンズ付きＬＥＤ装置２０の模式断面図である。レンズ付きＬＥＤ装置２０は、ＬＥＤ装置１０と樹脂レンズ５と、透明樹脂層４とを備える。ＬＥＤ装置１０は、サブマウント基板２と、サブマウント基板２上に実装されたＬＥＤ素子１と、ＬＥＤ素子１を封止する半球状の透明樹脂封止体３と、を備える。樹脂レンズ５は、透明樹脂封止体３を収容するための凹部５ｂを備える。透明樹脂層４は、サブマウント基板２と凹部５ｂの内壁と透明樹脂封止体３の外壁との間に形成された空間に充填された透明樹脂である。サブマウント基板２は、その底面に、一対の電極である図略のリード端子を備える。本実施形態においては、光半導体素子として、ＬＥＤ素子１を用いた例について代表的に説明する。ＬＥＤ素子１の代わりに、太陽電池に用いられる光電変換素子や、レーザー発光半導体に用いられる光素子のようなその他の光半導体素子を用いてもよい。また、ＬＥＤ素子１としては、従来から知られた紫外光、近紫外光、青色から赤色の領域の波長を示す可視光、近赤外光、赤外光等の波長領域の光を発するＬＥＤ素子が特に限定なく用いられる。また、ＬＥＤ素子１の表面には、ＬＥＤ素子１から発光された光の波長を波長変換するための蛍光体層が設けられていてもよい。
ＬＥＤ装置１０においては、サブマウント基板２上に形成された回路電極２ａに、ＬＥＤ素子１の底面に設けられた電極１ａがダイボンディングされている。また、サブマウント基板２上の回路電極２ｂにＬＥＤ素子１の上面に設けられた電極１ｂが金線ｗによりワイヤーボンディングされている。このようにしてサブマウント基板２上にＬＥＤ素子１が実装されている。なお、本実施形態ではＬＥＤ素子１をサブマウント基板にワイヤーボンディングしているが、ＬＥＤ素子１はフリップチップ実装の方式で実装されていてもよい。そして、実装されたＬＥＤ素子１が半球状に成形された透明樹脂封止体３で封止されている。なお、ＬＥＤ装置１０は、ＬＥＤ素子１が１個のみ封止されているが、代わりに、複数個のＬＥＤ素子１を１個の透明樹脂封止体で覆ったようなＬＥＤ装置を用いてもよい。
レンズ付きＬＥＤ装置２０の製造方法の一例を、図面を参照しながら詳しく説明する。
本実施形態の製造方法においては、はじめに、図２に示すように、１枚の集合ベース基板１２に複数個のＬＥＤ素子１を実装する。集合ベース基板１２には、切断線を規定する碁盤目状のカットラインＬが形成されており、碁盤目の各枡の中央の所定位置にＬＥＤ素子１が実装されている。なお、集合ベース基板１２には予めＬＥＤ素子１を実装するための回路電極２ａ，２ｂが形成されている。
集合ベース基板１２の種類は特に限定されず、窒化アルミニウム基板のようなセラミクス基板、樹脂基板、表面に絶縁層が形成された金属基板、またはそれらの基板に、シリコーン樹脂に酸化チタンを充填した光反射機能層を表面に形成したような基板等が用いられうる。
なお、ＬＥＤ装置の工業的生産においては、多数個取りの取り数を増やすために集合ベース基板の隣接するＬＥＤ素子間の間隔を狭くしている。例えば、１００個以上のように多数個のＬＥＤ素子が実装されている場合、生産性の観点から各ＬＥＤ素子間は、一枚の集合ベース基板の大きさに比較して著しく小さい、例えば１ｍｍ間隔のような狭ピッチでＬＥＤ素子が多数配置される。このように集合ベース基板上で隣接するＬＥＤ素子の間隔が狭いために、工業的生産においては、指向特性を大幅に変化させるような大きなレンズ状の透明樹脂封止体や高精度に光学設計されたレンズ状の透明樹脂封止体を付与することは困難であった。本実施形態の製造方法によれば、効率よく多数個取りしたＬＥＤ装置を製造した後の工程で、透明樹脂封止体に樹脂レンズを個別に後付けすることができる。そのために大きなレンズや高精度に光学設計されたレンズをＬＥＤ装置に付与することができる。
次に、集合ベース基板１２上に実装された各ＬＥＤ素子１のそれぞれを透明樹脂で封止して複数個の透明樹脂封止体３を形成する。透明樹脂封止体３は、例えば、オーバーモールド成形により形成される。図３を参照してこの工程を説明する。
本工程においては、はじめに、図３の（ａ）に示すように、オーバーモールド成形用の金型２１の上型２１ａにＬＥＤ素子１が実装された集合ベース基板１２を固定する。一方、下型２１ｂのキャビティに透明樹脂封止体３を形成するための未硬化の透明樹脂３’をディスペンサＤを用いて注液する。なお、得られる成形体の離形性を向上させ、金型洗浄を省略するために、下型２１ｂには、予め、脱着可能な離形フィルムを密着させておいてもよい。離形フィルムを密着させて成形する方法としては、例えば、はじめに、下型２１ｂに離形フィルムを載せ、キャビティの底部に設けた図略の減圧ラインから減圧吸引してキャビティに離形フィルムを密着させる。そして、未硬化の透明樹脂３’をディスペンサＤを用いてキャビティに供給し、成形する。そして、成形後、離形フィルムと共に集合ベース基板１２を金型から取り出す方法が挙げられる。
未硬化の透明樹脂としては、光透過性に優れた透明樹脂であれば、特に限定なく用いられる。具体的には、例えば、シリコーンゲル，シリコーンエラストマー，シリコーンゴム，硬質のシリコーン樹脂，シリコーン変性エポキシ樹脂，エポキシ樹脂，シリコーン変性アクリル樹脂，アクリル樹脂等が用いられる。これらの中では、光透過性に優れ、ヒートショック等による応力を緩和してデラミネーションが抑制される点、及び鉛フリー半田を用いた高温リフロー実装の際の耐変形性や耐変色性に優れたレンズが得られる点から、硬化後のＪＩＳ Ａ硬度（ＪＩＳ ショアＡ硬度ともいう）が７０以下、さらには１０〜６０のシリコーンエラストマー等の弾性樹脂、若しくはＪＩＳ Ｋ ２２２０、１／４コーン 総荷重９．３８ｇの針入度計で２０〜１００のシリコーンゲルが好ましい。
シリコーンエラストマーの市販品としては、例えば、東レ・ダウコーニング（株）製のＬＥＤ用シリコーンエラストマーの各種グレード、具体的にはＪＣＲ６１０１ＵＰ，ＯＥ−６３５１や、シリコーンゲルのＯＥ−６２５０等や、シリコーン接着剤ＳＥ９１８７Ｌ，信越化学工業（株）製の「ＫＥ４８９５」等の低分子シロキサン低減タイプシリコーン接着剤等が挙げられる。
また、未硬化の透明樹脂３’は、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、ＬＥＤ素子１から発光される光の波長を変換することにより、発光色を変換するための蛍光体や、光を拡散させるための光拡散剤等を含んでもよい。また、透明樹脂封止体３は、その内部または表面に蛍光体層、カラーフィルター層、光拡散層等を有していてもよい。
蛍光体の具体例としては、例えば、発光色が青色の（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）5（ＰＯ4）3Ｃｌ：Ｅｕ2+、ＺｎＳ：Ａｇ、ＣａＳ：Ｂｉ等、発光色が緑色のＢａＭｇ2Ａｌ16Ｏ27：Ｅｕ2+，Ｍｎ2+、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ、ＳｒＡｌ2Ｏ4：Ｅｕ2+、Ｚｎ2Ｓｉ（Ｇｅ）Ｏ4：Ｅｕ2+等、発光色が赤色のＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ2・ＧｅＯ2：Ｍｎ、ＬｉＥｕＷ2Ｏ8、ＢａＯ・Ｇｄ2Ｏ3・Ｔａ2Ｏ5：Ｍｎ、Ｋ5Ｅｕ2.5（ＷＯ4）6.25、また、ＹＡＧ系、ＴＡＧ系、オルトシリケート・アルカリ土類系、αサイアロン系、カズン系、βサイアロン系、Ｌａ酸窒化物系等の蛍光体が挙げられる。また、光拡散剤の具体例としては、例えば、ガラスパウダーや、炭酸カルシウム，酸化チタン，酸化亜鉛，シリカ，硫酸バリウム，アルミナ等の無機フィラーが挙げられる。
また、屈折率の異なるフェニル系シリコーン接着剤とジメチル系シリコーン接着剤をブレンドして乳濁させて拡散効果を発現させたり、アクリル樹脂パウダーや、シリコーンゴムパウダーを用いて拡散効果を発現させたりしてもよい。
オーバーモールド成形により形成される透明樹脂封止体３の形状は、高い光取り出し効率を実現するために半球状であることが好ましいが、それに限られず、例えば、上面が平面の透明樹脂封止体であってもよい。
次に、図３の（ｂ）に示すように、集合ベース基板１２が固定された上型２１ａと、キャビティ内に透明樹脂３’を収容した下型２１ｂを型締めし、所定の時間保持することにより透明樹脂３’を硬化させて透明樹脂封止体３を形成させる。なお、金型２１は、未硬化の透明樹脂３’の硬化温度に適した型温に設定されている。また、透明樹脂封止体３内にボイドを残さないために、型締めの前に、未硬化の透明樹脂３’の脱気操作を行うことが好ましい。
そして、図３の（ｃ）に示すように、上型２１ａと下型２１ｂとを型開きする。そして、図３の（ｄ）に示すように、集合ベース基板１２内に形成された複数のＬＥＤ装置１０が得られる。
次に、集合ベース基板１２内に形成された複数のＬＥＤ装置１０を集合ベース基板１２に形成されたカットラインＬに沿って切断することにより個別化する。具体的には、図４に示すように、例えば、ダイシングソーＳを用いてシャープな溝状に形成されたカットラインＬに沿って集合ベース基板１２を切断する。なお、カットラインＬは集合ベース基板の端部にＶ字カットが施されていてダイシングソーＳのスタート位置や終端位置を示すだけのもののように、ＬＥＤ素子１から正確な距離を保ってカットできるマークであれば特に限定されない。このようにして切断することにより、例えば、図５Ａに示すようなＬＥＤ装置１０Ａ、または、図５Ｂに示すようなＬＥＤ装置１０Ｂが得られる。図５ＡのＬＥＤ装置１０Ａは、ＬＥＤ素子１の中心と透明樹脂封止体３の中心とが正確に一致したＬＥＤ装置である。図５ＢのＬＥＤ装置１０Ｂは、ＬＥＤ素子１の中心と透明樹脂封止体３の中心とがずれているＬＥＤ装置である。
なお、サブマウント基板２に配置されるＬＥＤ素子１は、ほぼ設計された位置通りに配置され、透明樹脂封止体３のみが設計された位置からずれる傾向がある。これは、ＬＥＤ素子１は、オーバーモールド成形の前に、カットラインＬに対して設計通りの正確な位置に実装されるために、カットラインＬに沿って切断された場合には、ＬＥＤ素子１は、サブマウント基板２の設計通りの位置に配置される。具体的には、例えば、サブマウント基板２の中央部にＬＥＤ素子１が位置するように設計した場合はその中央部に正確に配置される。従って、カットラインに沿って集合ベース基板１２を切断すれば、サブマウント基板２の設計通りの位置にＬＥＤ素子１が配置される。
図５ＡはＬＥＤ素子１の中心と透明樹脂封止体３の中心とが一致しているＬＥＤ装置１０Ａの模式断面図である。また、図５ＢはＬＥＤ素子１の中心と透明樹脂封止体３の中心とがずれているＬＥＤ装置１０Ｂの模式断面図である。上述のように、多数個取りで、ＬＥＤ装置１０を複数個一度に製造した場合、ＬＥＤ装置１０に形成される透明樹脂封止体３の位置がばらつき、ＬＥＤ素子１の中心と透明樹脂封止体３の中心とが設計値からずれた製品が多数得られることがある。このようなずれは、次の工程で補正される。
図６Ａは本実施形態で用いられる樹脂レンズ５の模式断面図であり、図６Ｂは樹脂レンズ５を底面から見た模式斜視図である。なお、図６Ａにおいては、配置されるＬＥＤ装置１０Ｂの位置を破線で示している。樹脂レンズ５はレンズ部５ａとＬＥＤ装置の透明樹脂封止体３を収容するための凹部５ｂとを備える。レンズ部５ａは、用途に応じて光学設計されたレンズ形状を有する。具体的には、用途に応じて、光の集光、拡散、屈折、または反射等、入射した光を透過させて出射するときの光路を変更するような形状が選ばれる。このようなレンズ形状の具体例としては、例えば、凸レンズ、凹レンズ、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズ、バットウイングレンズ等が挙げられる。とくにバットウイングレンズのような非対称形状のレンズの場合には、本実施形態の位置合わせによる配光特性の補正効果が顕著である。
樹脂レンズ５の材質は、光透過性に優れた透明樹脂であれば、特に限定なく用いられる。具体的には、透明樹脂封止体３の製造に用いたものと同様の樹脂から選択される。それらの中では、表面タック性が抑えられる点、光透過性に優れる点、ヒートショック等による応力を緩和してデラミネーションを抑制する点、及び鉛フリー半田を用いた高温リフロー実装の際の耐変形性や耐変色性に優れている点から、シリコーンエラストマー、とくに、硬化時のＪＩＳ Ａ硬度が６０〜９５、さらには７０〜８０のシリコーンエラストマーが好ましい。また、樹脂レンズ５は、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、ＬＥＤ素子１から発光される光の波長を変換することにより、発光色を変換するための蛍光体や、光を拡散させるための光拡散剤等を含んでもよい。
樹脂レンズ５の凹部５ｂの形状は特に限定されないが、透明樹脂封止体３の外形に沿った形状であることが配光をより精密に制御することができる点から好ましい。例えば、透明樹脂封止体３の外形が半球状の場合には、凹部５ｂの天面部も同様の半球面を有することが好ましい。
凹部５ｂの容積は、ＬＥＤ素子１と透明樹脂封止体３の総体積の１．１倍以上であり、好ましくは１．１５〜４倍、さらに好ましくは１．２〜２倍である。凹部５ｂの容積がＬＥＤ素子１と透明樹脂封止体３の総体積に対して１．１倍未満の場合には、透明樹脂封止体３を収容したときにクリアランスが小さくなる。そのために、ＬＥＤ素子１に対する透明樹脂封止体３の位置ずれが大きすぎる場合には、位置ずれを充分に補正するためのクリアランスが取れなくなる。また、凹部５ｂの容積の透明樹脂封止体３の体積に対する倍率が大きすぎる場合には、透明樹脂の充填効率が低下し、光取り出し効率が低下する傾向がある。また、透明樹脂層４と樹脂レンズ５の凹部５ｂとの間にデラミネーションが生じやすくなる傾向もある。
また、図６Ａに示すように、凹部５ｂの内壁から透明樹脂封止体３の外壁までの水平方向の間隔Ｇが平均５０μｍ以上、さらには２００μｍ以上であることが、位置ずれの補正の自由度が高い点から好ましい。
また、樹脂レンズ５は、サブマウント基板２を所定の位置に配置するためのマークや、基板を正確な位置に導いて固定するための形状を有することが好ましい。具体的には、例えば、サブマウント基板２を嵌めこむための嵌合部５ｃや、サブマウント基板２に予め設けた孔に挿入される突起やピン形状等を凹部の周囲に有することが好ましい。この場合には、樹脂レンズとＬＥＤ素子との位置合わせが容易になる。また、カメラにより位置合わせするためのマークを有してもよい。
さらに、樹脂レンズ５は、後に詳しく説明するが、未硬化の透明樹脂と透明樹脂封止体とを密着させる場合に未硬化の透明樹脂に空気を残さないために、溢れさせた透明樹脂を受けるためのオーバーフロー用の樹脂溜り５ｄを有することも好ましい。また、透明樹脂封止体３の表面と樹脂レンズ５の凹部５ｂの表面にプラズマ処理やコロナ処理、フレーム処理、イトロ処理、ＵＶ処理等の表面改質を行うことも好ましい。このような表面改質を施すことにより、表面の濡れ性が改善されて空気の巻き込みを防止出来るとともに、接着性が向上する。また、樹脂レンズ５は、表面のタック性による樹脂レンズ同士の付着を防止するために、レンズの表面に小さな突起や梨地を有することが好ましい。特に、樹脂レンズ５同士が付着しやすい場合には、図６Ａまたは図６Ｂに示すように、樹脂レンズ５同士が付着しやすくなる平面部等に、突起５ｅや梨地表面を有することが好ましい。
このような樹脂レンズ５は、例えば、注型成形、圧縮成形、射出成形等により成形される。
本工程においては、図７Ａに示すように、樹脂レンズ５に形成された凹部５ｂに、未硬化の透明樹脂４’を供給した後、図７Ｂに示すように、凹部５ｂにＬＥＤ装置１０の透明樹脂封止体３を侵入させる。
未硬化の透明樹脂４’は、光透過性に優れた透明樹脂を形成する樹脂であれば、特に限定なく用いられる。具体的には、透明樹脂封止体３の製造に用いたものと同様の樹脂から選択される。それらの中では、シリコーンエラストマー、とくには、硬化時のＪＩＳ Ａ硬度が１０〜８０、さらには２０〜５０のシリコーンエラストマーが好ましい。若しくはＪＩＳ Ｋ ２２２０、１／４コーン 総荷重９．３８ｇ 針入度計で２０〜１００のシリコーンゲルが好ましい。また、未硬化の透明樹脂４’は、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、ＬＥＤ素子１から発光される光の波長を変換することにより、発光色を変換するための蛍光体や、光を拡散させるための光拡散剤等を含んでもよい。
なお、凹部５ｂに未硬化の透明樹脂４’を供給した後、ＬＥＤ装置１０の透明樹脂封止体３を凹部５ｂに侵入させて未硬化の透明樹脂４’に密着させる際に、透明樹脂封止体３と未硬化の透明樹脂４’との界面において、気泡が残ることがある。このような気泡が硬化後の界面に残った場合、配光を狂わせたり、ノイズ光を発生させたりするボイドの発生の原因になったりする。従って、気泡が残ることを抑制するために、未硬化の透明樹脂４’の粘度は低ければ低い方が好ましい。具体的には、未硬化の透明樹脂４’の粘度としてはＪＩＳ Ｋ ６８３３に準じた接着剤の単一円筒回転粘度計による粘度測定で２５℃において８０Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。さらには２５℃において１〜３０Ｐａ・ｓの低粘度タイプが気泡が抜けやすいことからより好ましい。
また、凹部５ｂに供給される未硬化の透明樹脂４’の量は、気泡が残ることを防ぐために、凹部５ｂに透明樹脂封止体３を収容したときに凹部５ｂの外部に溢れだすような量であることが好ましい。具体的には、凹部５ｂの内壁とサブマウント基板２と透明樹脂封止体３との間に形成される空間６の体積（透明樹脂層が形成される空間６の体積）に対して、１．１〜１．５倍、さらには２〜３倍程度の体積の未硬化の透明樹脂４’を供給することが好ましい。未硬化の透明樹脂４’の量が少なすぎる場合には、凹部５ｂから空気を充分に排出することができず、硬化後に界面付近にボイドが残り易くなる。また、未硬化の透明樹脂４’の量が多すぎる場合には、溢れ出す未硬化の透明樹脂４’の量が多くなりすぎて、生産性が低下する傾向がある。なお、溢れ出す量を予め考慮して、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、凹部５ｂの周囲にオーバーフローした樹脂を収容するオーバーフロー用の樹脂溜り５ｄを設けておくことが好ましい。なお、樹脂溜り５ｄはサブマウント基板２の底面に形成された図略のリード端子からできるだけ離れるような位置に設けられることが好ましい。このような場合には、リード端子に未硬化の透明樹脂が這い上がることを抑制することができる。また、図６Ａに示すように、凹部５ｂの終端付近には空気の抜けを良くすることを目的としてテーパーＲ１を形成することが好ましい。また、図６Ａに示すように、樹脂溜り５ｄの凹部５ｂに近い側には、サブマウント基板２の底面に形成されたリード端子をオーバーフローした樹脂が覆うことを防ぐことを目的としてテーパーＲ２を形成することが好ましい。このようなテーパーＲ１及びＲ２の角度は特に限定されないが４５度±３０度程度であることが好ましい。
また、図８に示すように、上面が平面である透明樹脂封止体１３を備えたＬＥＤ装置３０を用いた場合には、特に、気泡ｖが残りやすくなる傾向がある。図７Ａまたは図７Ｂに示したような、半球状の透明樹脂封止体３を備えたＬＥＤ装置１０を用いた場合には、未硬化の透明樹脂４’は透明樹脂封止体３の半球の頂点から徐々に接触面積を増加させるために、空気が排出されやすい。そのために気泡が残りにくい。一方、図８に示すような上面が平面である透明樹脂封止体１３を備えたＬＥＤ装置３０を用いた場合には、未硬化の透明樹脂４’と透明樹脂封止体１３とが広い接触面積で一瞬で接触するために、気泡ｖが残り易くなる。このような場合には、図９に示すように、中央部が半球状に隆起したような凹部１５ｂを備えた樹脂レンズ１５を用いることが好ましい。このような場合には、樹脂レンズ１５の凹部１５ｂに未硬化の透明樹脂４’をディスペンスした後、透明樹脂封止体１３を凹部１５ｂに侵入させるときに未硬化の透明樹脂と透明樹脂封止体とが徐々に接触していくことにより、空気の巻き込みを防ぐことができる。
図７Ｂに示すように、未硬化の透明樹脂４’が供給された凹部５ｂに、ＬＥＤ装置１０の透明樹脂封止体３を侵入させて、樹脂レンズ５とサブマウント基板２とを密着させた後、未硬化の透明樹脂４’を硬化させることにより透明樹脂層４が形成される。そして、ＬＥＤ装置１０と樹脂レンズ５とが一体化される。このとき、サブマウント基板２と樹脂レンズとが未硬化の透明樹脂４’を介して接着されて接合されることが好ましい。なお、この場合においても、一部分に不可避的にデラミネーションが発生することがある。このような場合においては、上述のように、透明樹脂封止体や樹脂レンズを形成する樹脂の硬度を調整することによりデラミネーションの発生をできるだけ抑制することが好ましい。このようにして、図１に示すような本実施形態のレンズ付き光半導体装置である、レンズ付きＬＥＤ装置２０が得られる。
本実施形態のレンズ付きＬＥＤ装置によれば、図５Ｂで示したような透明樹脂封止体３の位置が大きくずれたＬＥＤ装置１０Ｂを用いた場合であっても、図５Ａで示したような設計通りの位置に透明樹脂封止体３が形成されたＬＥＤ装置１０Ａを用いた場合と同じような配光になるように配光を補正することができる。すなわち、例えば、樹脂レンズ５の凹部５ｂの周囲にサブマウント基板２の外形に嵌合するような嵌合部５ｃを形成し、ＬＥＤ素子１に対する樹脂レンズ５の位置を設計通りに合わせた場合、ＬＥＤ素子１に対する透明樹脂封止体３の位置が大きくずれていても、樹脂レンズ５を被せることにより、ＬＥＤ素子１からの発光を設計通りの配光になるように制御することができる。そして、例えば、図１１Ｂに示すようなＬＥＤ装置１０Ｂを用いた場合の配光が、図１１Ａに示すようなＬＥＤ装置１０Ａを用いた場合の配光と同じになるように補正することができる。従って、本実施形態のレンズ付きＬＥＤ装置によれば、ＬＥＤ装置の設計値からのずれを補正することができる。
なお、本実施形態のレンズ付きＬＥＤ装置においては、透明樹脂封止体を形成する透明樹脂（以下、単に第一透明樹脂とも呼ぶ）、透明樹脂層を形成する透明樹脂（以下、単に第二透明樹脂とも呼ぶ）、及び樹脂レンズを形成する透明樹脂（以下、単に第三透明樹脂とも呼ぶ）は以下のような基準で選択することが好ましい。
屈折率に関して、第一透明樹脂、第二透明樹脂、第三透明樹脂の屈折率は近ければ近いほうが好ましい。具体的には、それぞれの屈折率が何れも１．３〜１．６、さらには、１．４１〜１．５５の範囲であり、それぞれの屈折率の差が０．２以下、さらには０．１以下のものを選択することが好ましい。このように互いに屈折率が近いものを選択することにより、より精密に配光を制御することができる。
また、硬度に関して、第一透明樹脂の硬度はＪＩＳ Ａ硬度が７０以下、さらには１０〜６０であり、第三透明樹脂の硬度はＪＩＳ Ａ硬度が６０〜９５、さらには７０〜８０であることが好ましい。第一透明樹脂の硬度が高すぎる場合には、上述したようにヒートショック等によりＬＥＤ素子と透明樹脂封止体との界面でデラミネーションが発生しやすくなる傾向がある。しかし、第一透明樹脂の硬度が低すぎる場合には、透明樹脂封止体の表面のタック性が高すぎて、そのままでは、樹脂レンズにＬＥＤ装置をマウンタで実装するときに、透明樹脂封止体がマウンタに付着して安定的な実装が困難になることがある。また、ダイシングで発生した削りカスやほこりが付着して歩留まりの低下の原因にもなる。第三透明樹脂として、ＪＩＳ Ａ硬度が６０〜９５のものを選択することにより、表面のタック性が抑えられるためにマウンタによるプリント配線基板等への実装性が改善される。なお、第三透明樹脂の硬度が高すぎる場合には、ヒートショック等により透明樹脂層と樹脂レンズとの界面でデラミネーションが発生しやすくなる傾向がある。
また、第二透明樹脂の硬度は第一透明樹脂の硬度と第三透明樹脂の硬度との中間的な硬度、具体的にはＪＩＳ Ａ硬度が１０〜８０、さらには２０〜５０程度のものを選択することが好ましい。また、応力緩和の点から、ＪＩＳ Ｋ ２２２０、１／４コーン 総荷重９．３８ｇ 針入度計で２０〜１００のシリコーンゲルが好ましい。
本実施形態のレンズ付きＬＥＤ装置によれば、ＬＥＤ素子に対する透明樹脂封止体の設計された位置からのずれを樹脂レンズを付与することにより補正することができる。そのために、配光が高精度に制御されたレンズ付きＬＥＤ装置を得ることができる。特に、図１２に示すようなバットウイングレンズである樹脂レンズ２５のような、高精度にレンズを形成することが必要なレンズ付きＬＥＤ装置５０等においては特に、配光の補正効果が高い。
以上、詳細に説明したように、本発明の一局面は、基板上に実装された少なくとも一つの光半導体素子及び光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置と、透明樹脂封止体を収容するための凹部を備える樹脂レンズと、基板と凹部と透明樹脂封止体との間に充填される透明樹脂層とを備え、凹部の容積は、光半導体素子と透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であるレンズ付き光半導体装置である。
また、凹部の内壁から透明樹脂封止体の外壁までの水平方向の間隔が平均５０μｍ以上であることが、位置ずれの補正の自由度がより高い点から好ましい。
また、透明樹脂封止体は、基板の表面で光半導体素子を覆う半球状の封止体であることが光取り出し効率に優れる点から好ましい。
また、透明樹脂封止体はＪＩＳ Ｋ ６２５３ で規定されるＡ型硬度計を用いて求められた硬度が７０以下の透明樹脂成形体であり、樹脂レンズはＪＩＳ Ａ硬度６０〜９５の透明樹脂成形体であることが好ましい。このような透明樹脂封止体と樹脂レンズを用いることにより、透明樹脂封止体と透明樹脂層との間、及び透明樹脂層と樹脂レンズとの間のデラミネーションの発生を抑制することができる。光半導体装置の使用と停止を繰り返した場合、使用時に発生する熱及び使用停止時の冷却の繰り返しによる寸法変化により、各界面にデラミネーションが発生して空隙が生じることがあった。このような空隙は配光特性に悪影響を与えることがある。また、光半導体素子と透明樹脂封止体との間においても、光半導体素子の線膨張率と透明樹脂封止体の線膨張率の違いによりデラミネーションが発生することがあった。光半導体素子と透明樹脂封止体との間に発生するデラミネーションを抑制するために、透明樹脂封止体を形成する樹脂として、シリコーンエラストマーのような応力緩和性が高い弾性樹脂を用いることが好ましい。このような弾性樹脂を用いることにより、ヒートサイクル試験を繰り返しても透明樹脂封止体が光半導体素子の寸法変化に追従するためにデラミネーションを発生させにくくする。また、鉛フリー半田を用いた、例えば、２６０度以上の高温リフロー実装の際にもデラミネーションが発生しにくくなる。しかしながら、このような硬度が低い弾性樹脂はタック性が極めて高く、表面がべたついている。従って、このような弾性樹脂で封止された光半導体装置をそのまま実装用のマウンタで把持してプリント配線基板等に実装する場合、マウンタの吸着ノズル等にくっついて実装がスムーズに行われないという問題もあった。さらに、このような弾性樹脂で封止された光半導体装置においては、透明樹脂封止体の表面に埃や集合ベース基板の切削くずが付着して光学特性を低下させるという問題もあった。また、封止樹脂が柔らかいために外力により変形し、断線などの不具合につながる問題もあった。このような場合において、タック性が低く硬度が高いＪＩＳ Ａ硬度６０〜９５の樹脂レンズでタック性の高い透明樹脂封止体を保護することにより、上述したような問題を解決することができる。そのために、プリント配線基板に光半導体装置を実装するときに、マウンタの吸着ノズル等に光半導体装置が付着されることが抑制されるとともに、透明樹脂封止体の表面に埃等が付着することも抑制される。また、外力により封止樹脂が変形して断線等を起こすことも抑制できる。さらに、透明樹脂封止体のタック性が高い場合には、テーピングによるリール梱包する際に透明樹脂封止体がテープに付着してしまうことがあるが、上述したような樹脂レンズを装着することにより、テーピングによるリール梱包性も改善される。しかし、樹脂レンズとしてＪＩＳ Ａ硬度６０〜９５の透明樹脂成形体を用いたとしても、未だ樹脂レンズの表面はタック性を有することがある。このような樹脂レンズの表面のタック性は次のような生産上の問題を引き起こすことがある。複数の樹脂レンズ同士は生産時にそのタック性により互いにくっつき易い。この場合、例えば、自動化された生産工程において連続的にレンズ付き光半導体装置を組み立てる場合において、公知のパーツフィーダーにより予め生産された樹脂レンズを供給する場合、パーツフィーダー内で樹脂レンズの平面同士がタック性により接着するという問題があった。このような場合、組み立て時に、接着したレンズを一つずつ剥離しなければ工程がスムーズに進まないという問題があった。このような場合において、樹脂レンズの平面部の表面に突起又は梨地表面を設けることにより、自動化された生産工程においてもスムーズな連続生産が可能になる。
また、樹脂レンズは、サブマウント基板を樹脂レンズに対して位置決めさせるための形状、具体的には、例えば、サブマウント基板の外形に対応した内形を有する嵌合部や、サブマウント基板を位置決めできる突起やコーナーを有する場合には、樹脂レンズと光半導体装置との位置合わせが容易になる点から好ましい。このような突起やコーナーはレンズ同士のくっつきを防止する突起としても機能することもある。
また、樹脂レンズがバットウイングレンズである場合には、配光特性の補正効果が著しく高くなる点から好ましい。
また、本発明の他の一局面は、基板上に実装された少なくとも一つの光半導体素子及び光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置を準備する工程と、光半導体装置の透明樹脂封止体を収容するための凹部を備えた樹脂レンズの凹部に未硬化の透明樹脂を供給する工程と、未硬化の透明樹脂を供給した凹部に透明樹脂封止体を侵入させて、樹脂レンズを所定の位置に配置して未硬化の透明樹脂と透明樹脂封止体とを密着させる工程と、未硬化の透明樹脂を硬化させて透明樹脂層を形成する工程と、を備え、凹部の容積は、光半導体素子と透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であるレンズ付き光半導体装置の製造方法である。このような製造方法によれば、光半導体装置に形成された透明樹脂封止体の光軸と光半導体素子の中心とのずれを透明樹脂封止体、透明樹脂層及び樹脂レンズにより補正することができる。従って、配光特性が高精度に制御されたレンズ付き光半導体装置を得ることができる。
また、樹脂レンズは、光半導体装置を所定の位置に配設するための目印や形状、具体的には、例えば、サブマウント基板の外形を嵌めるための対応する内形を有する形状等を凹部の周囲に有することが、樹脂レンズと光半導体装置との位置合わせが容易になる点から好ましい。
また、透明樹脂封止体はＪＩＳ Ａ硬度７０以下の透明樹脂成形体であり、樹脂レンズはＪＩＳ Ａ硬度６０〜９５の透明樹脂成形体であることが、連続生産する際に用いられるマウンタの吸着ノズル等に樹脂レンズが付着しにくく、また、形成されたレンズ付き光半導体装置の表面には埃等が付着しにくく、また、ゴム弾性を有し応力緩和ができることから形成されたレンズ付き光半導体装置にデラミネーションが発生しにくい点から好ましい。
また、樹脂レンズの凹部のその中央部が隆起していることが、凹部に充填した未硬化の透明樹脂と透明樹脂封止体を密着させるときに、空気を効果的に追い出すことができ、そのためにボイドが少ない透明樹脂層を形成することができる点から好ましい。
以下に本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明の範囲は実施例により何ら限定されるものではない。
［実施例１］
未硬化のシリコーンエラストマーＡ１として、ＯＥ−６６３６（東レ・ダウコーニング（株）製、硬化後のＪＩＳ Ａ硬度９０、屈折率１．５４）をキャビティを備えた金型に流し込み、１５０℃で熱硬化させることにより、図１３で示すような形状の、バットウイングレンズであるシリコーンレンズＸ１を得た。シリコーンレンズＸ１は、長径１０ｍｍで、高さ５ｍｍの半球状の山を２つ有する形状を有するレンズ部を備え、レンズ部の裏面の中央には直径５．４ｍｍ、高さ２．６ｍｍ、容積０．０４ｃｍ3の凹部を有していた。またシリコーンレンズＸ１の表面は、付着性を有しない程度のわずかなタック性が感じられた。
未硬化のシリコーンエラストマーＡ１として、ＯＥ−６６３６（東レ・ダウコーニング（株）製、硬化後のＪＩＳ Ａ硬度９０、屈折率１．５４）をキャビティを備えた金型に流し込み、１５０℃で熱硬化させることにより、図１３で示すような形状の、バットウイングレンズであるシリコーンレンズＸ１を得た。シリコーンレンズＸ１は、長径１０ｍｍで、高さ５ｍｍの半球状の山を２つ有する形状を有するレンズ部を備え、レンズ部の裏面の中央には直径５．４ｍｍ、高さ２．６ｍｍ、容積０．０４ｃｍ3の凹部を有していた。またシリコーンレンズＸ１の表面は、付着性を有しない程度のわずかなタック性が感じられた。
そして、シリコーンレンズＸ１の凹部に、ディスペンサで、未硬化のシリコーンエラストマーＢ１として、ＴＳＥ３２２１Ｓ（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、硬化後のＪＩＳ Ａ硬度３０、屈折率１．４１）を０．０２ｃｍ3充填した。
次に、未硬化のシリコーンエラストマーＢ１を充填したシリコーンレンズＸ１の凹部にオーバーモールドＬＥＤ装置の透明樹脂封止体を侵入させた。なお、オーバーモールドＬＥＤ装置は、サブマウント基板上の中心に青色光を発するＬＥＤ素子が実装されており、青色光を白色光に変換する蛍光体を含んだＪＩＳ Ａ硬度４０のシリコーンエラストマーからなる直径５．０ｍｍ、高さ２．５ｍｍ、ＬＥＤ素子と透明樹脂封止体の総体積０．０３２ｃｍ3の半球状の封止体でＬＥＤ素子が封止されたＬＥＤ装置である。また、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とは実質的に設計通り一致していた。なお、上記オーバーモールドＬＥＤ装置の配光特性を表す、放射角度に対する相対発光強度をプロットしたグラフを図１４に示す。
そして、シリコーンレンズＸ１の凹部の周囲に予め設けられた嵌合部に上記オーバーモールドＬＥＤ装置のサブマウント基板を嵌合させて位置あわせした。半球状の封止体の外壁と凹部の内壁との間隔は平均２００μｍであった。
このようにして、未硬化のシリコーンエラストマーＢ１にオーバーモールドＬＥＤ装置の封止体を密着させた。そして、１５０℃×１時間の条件で未硬化のシリコーンエラストマーＢ１を硬化させることにより、透明樹脂封止体の表面にシリコーンレンズＸ１が接着され、且つ、サブマウント基板とシリコーンレンズＸ１とがシリコーンエラストマーＢ１を介して接着固定されたレンズ付きＬＥＤ装置Ａが得られた。なお、シリコーンレンズＸ１の凹部と封止体の表面との間には平均２００μｍの厚みのシリコーンエラストマーＢ１の硬化物からなる透明樹脂層が形成されていた。
得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ａの放射角度に対する相対発光強度をプロットしたグラフを図１５に示す。図１５のグラフから、直交座標で左右対称に均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を示していることがわかる。また、透明樹脂層と透明樹脂封止体との界面及び、透明樹脂層とシリコーンレンズＸ１との接着界面を１０倍の拡大鏡を用いて観察したところボイドは全く見つからなかった。
また、同様にして作成した５０個のレンズ付ＬＥＤ装置Ａの熱衝撃試験を行ったところ、すべてのレンズ付ＬＥＤ装置Ａでクラックもデラミネーションも生じなかった。なお、熱衝撃試験は次の条件で行った。
（熱衝撃試験条件）
１２５℃から−５０℃の昇温及び降温の往復を一サイクルとして、一サイクル３０分間で１００サイクルの熱衝撃を５０個のレンズ付ＬＥＤ装置に付与した。そして、１００サイクル後の５０個のレンズ付ＬＥＤ装置を実体顕微鏡で観察し、レンズ部にクラック又はデラミネーションが発生した個数を計数した。
１２５℃から−５０℃の昇温及び降温の往復を一サイクルとして、一サイクル３０分間で１００サイクルの熱衝撃を５０個のレンズ付ＬＥＤ装置に付与した。そして、１００サイクル後の５０個のレンズ付ＬＥＤ装置を実体顕微鏡で観察し、レンズ部にクラック又はデラミネーションが発生した個数を計数した。
［実施例２］
オーバーモールドＬＥＤ装置として、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれていたオーバーモールドＬＥＤ装置を用いた以外は実施例１と同様にして、レンズ付きＬＥＤ装置Ｂを得た。上記オーバーモールドＬＥＤ装置の配光特性を示すグラフを図１６に、得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｂの配光特性を示すグラフを図１７に示す。図１６のグラフから、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれている場合には、直交座標で左右非対称に不均一に発光するピークを示していたが、シリコーンレンズＸ１を備えたレンズ付きＬＥＤ装置Ｂは、図１７のグラフに示すように、実施例１のレンズ付きＬＥＤ装置Ａと同様の、直交座標で左右対称に均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を示していた。このように、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれているオーバーモールドＬＥＤ装置を用いた場合でも、ずれのないオーバーモールドＬＥＤ装置を用いた場合と同様の配光特性に修正することができた。
オーバーモールドＬＥＤ装置として、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれていたオーバーモールドＬＥＤ装置を用いた以外は実施例１と同様にして、レンズ付きＬＥＤ装置Ｂを得た。上記オーバーモールドＬＥＤ装置の配光特性を示すグラフを図１６に、得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｂの配光特性を示すグラフを図１７に示す。図１６のグラフから、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれている場合には、直交座標で左右非対称に不均一に発光するピークを示していたが、シリコーンレンズＸ１を備えたレンズ付きＬＥＤ装置Ｂは、図１７のグラフに示すように、実施例１のレンズ付きＬＥＤ装置Ａと同様の、直交座標で左右対称に均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を示していた。このように、ＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれているオーバーモールドＬＥＤ装置を用いた場合でも、ずれのないオーバーモールドＬＥＤ装置を用いた場合と同様の配光特性に修正することができた。
［実施例３］
未硬化のシリコーンエラストマーＡ１の代わりに、ＳＲ７０１０（東レ・ダウコーニング（株）製、硬化後のＪＩＳ Ｄ硬度７０、屈折率１．５３）である未硬化の硬質シリコーン樹脂Ａ２を用いた以外は実施例１と同様にしてシリコーンレンズＸ２を形成した。シリコーンレンズＸ２の表面は、殆どタック性がなかった。そしてシリコーンレンズＸ１の代わりにシリコーンレンズＸ２を用いた以外は実施例１と同様にして、レンズ付きＬＥＤ装置Ｃを得た。得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｃの配光特性を調べたところ、実施例１と同様の、直交座標で左右対称に均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を有していた。また、透明樹脂層と透明樹脂封止体との界面及び、透明樹脂層とシリコーンレンズＸ１との接着界面を１０倍の拡大鏡を用いて観察したところボイドはわずかに見つかっただけであった。しかし、同様にして作成した５０個のレンズ付ＬＥＤ装置Ｂの熱衝撃試験を行ったところ、３０個のレンズ付ＬＥＤ装置にクラック又はデラミネーションが発生していた。この場合においても、配光特性は、充分に補正されていた。
未硬化のシリコーンエラストマーＡ１の代わりに、ＳＲ７０１０（東レ・ダウコーニング（株）製、硬化後のＪＩＳ Ｄ硬度７０、屈折率１．５３）である未硬化の硬質シリコーン樹脂Ａ２を用いた以外は実施例１と同様にしてシリコーンレンズＸ２を形成した。シリコーンレンズＸ２の表面は、殆どタック性がなかった。そしてシリコーンレンズＸ１の代わりにシリコーンレンズＸ２を用いた以外は実施例１と同様にして、レンズ付きＬＥＤ装置Ｃを得た。得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｃの配光特性を調べたところ、実施例１と同様の、直交座標で左右対称に均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を有していた。また、透明樹脂層と透明樹脂封止体との界面及び、透明樹脂層とシリコーンレンズＸ１との接着界面を１０倍の拡大鏡を用いて観察したところボイドはわずかに見つかっただけであった。しかし、同様にして作成した５０個のレンズ付ＬＥＤ装置Ｂの熱衝撃試験を行ったところ、３０個のレンズ付ＬＥＤ装置にクラック又はデラミネーションが発生していた。この場合においても、配光特性は、充分に補正されていた。
［比較例１］
シリコーンレンズＸ１のレンズ部の裏面に形成された凹部の寸法を、オーバーモールドＬＥＤ装置の透明樹脂封止体の外形にほぼ一致するような、直径５．０５ｍｍ、２．５２５ｍｍ、容積０．０３４ｃｍ3に変更し、嵌合部のクリアランスをより大きく採った以外は実施例１と同様にしてシリコーンレンズＸ３を形成した。なお、凹部の最深部となる天面から透明樹脂封止体の頂部となる表面までの間隔及び半球状の封止体の外壁と凹部の内壁との間隔は平均２５μｍであった。そしてシリコーンレンズＸ３の凹部にシリコーン系接着剤を供給し、実施例２で用いたＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれているオーバーモールドＬＥＤ装置の透明樹脂封止体をシリコーンレンズＸ３の凹部に嵌合させることにより、透明樹脂封止体とシリコーンレンズＸ３とを一体化させた。そして、１５０℃×１時間の条件でシリコーン系接着剤を熱硬化させることにより、透明樹脂封止体の表面にシリコーンレンズＸ３が接着された。このようにして、レンズ付ＬＥＤ装置Ｄを得た。なお、シリコーンレンズＸ３の凹部の表面と封止体の表面との間には平均２５μｍ以下の厚みのシリコーン系接着剤の硬化物からなる接着層が形成されていた。得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｄの配光特性を示すグラフを図１８に示す。得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｄは、直交座標で左右非対称に不均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を有していた。
シリコーンレンズＸ１のレンズ部の裏面に形成された凹部の寸法を、オーバーモールドＬＥＤ装置の透明樹脂封止体の外形にほぼ一致するような、直径５．０５ｍｍ、２．５２５ｍｍ、容積０．０３４ｃｍ3に変更し、嵌合部のクリアランスをより大きく採った以外は実施例１と同様にしてシリコーンレンズＸ３を形成した。なお、凹部の最深部となる天面から透明樹脂封止体の頂部となる表面までの間隔及び半球状の封止体の外壁と凹部の内壁との間隔は平均２５μｍであった。そしてシリコーンレンズＸ３の凹部にシリコーン系接着剤を供給し、実施例２で用いたＬＥＤ素子の中心と封止体の中心とが１００μｍずれているオーバーモールドＬＥＤ装置の透明樹脂封止体をシリコーンレンズＸ３の凹部に嵌合させることにより、透明樹脂封止体とシリコーンレンズＸ３とを一体化させた。そして、１５０℃×１時間の条件でシリコーン系接着剤を熱硬化させることにより、透明樹脂封止体の表面にシリコーンレンズＸ３が接着された。このようにして、レンズ付ＬＥＤ装置Ｄを得た。なお、シリコーンレンズＸ３の凹部の表面と封止体の表面との間には平均２５μｍ以下の厚みのシリコーン系接着剤の硬化物からなる接着層が形成されていた。得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｄの配光特性を示すグラフを図１８に示す。得られたレンズ付きＬＥＤ装置Ｄは、直交座標で左右非対称に不均一に発光するピークを有する、バットウイング状の配光特性を有していた。
１ ＬＥＤ素子
１ａ，１ｂ 電極
１ｃ、１ｄ リード端子
２ サブマウント基板
２ａ，２ｂ 回路電極
３ 透明樹脂封止体
３’、４’ 未硬化透明樹脂
４ 透明樹脂層
５、１５ 樹脂レンズ
５ａ レンズ部
５ｂ、１５ｂ 凹部
５ｃ 嵌合部
５ｄ 樹脂溜り
５ｅ 突起
６ 空間
１０、１０Ａ、１０Ｂ、 ３０ ＬＥＤ装置
１１ ＬＥＤ素子
１２ 集合ベース基板
１３ 透明樹脂封止体
２０、２０Ｂ、４０、５０ レンズ付ＬＥＤ装置
２１ 金型
２１ａ 上型
２１ｂ 下型
２５ バットウイング配光レンズ
１１０ ＬＥＤ装置
１ａ，１ｂ 電極
１ｃ、１ｄ リード端子
２ サブマウント基板
２ａ，２ｂ 回路電極
３ 透明樹脂封止体
３’、４’ 未硬化透明樹脂
４ 透明樹脂層
５、１５ 樹脂レンズ
５ａ レンズ部
５ｂ、１５ｂ 凹部
５ｃ 嵌合部
５ｄ 樹脂溜り
５ｅ 突起
６ 空間
１０、１０Ａ、１０Ｂ、 ３０ ＬＥＤ装置
１１ ＬＥＤ素子
１２ 集合ベース基板
１３ 透明樹脂封止体
２０、２０Ｂ、４０、５０ レンズ付ＬＥＤ装置
２１ 金型
２１ａ 上型
２１ｂ 下型
２５ バットウイング配光レンズ
１１０ ＬＥＤ装置
Claims (13)
- 基板上に実装された少なくとも一つの光半導体素子及び前記光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置と、
前記透明樹脂封止体を収容するための凹部を備える樹脂レンズと、
前記基板と前記凹部と前記透明樹脂封止体との間に充填される透明樹脂層とを備え、
前記凹部の容積は、前記光半導体素子と前記透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であることを特徴とするレンズ付き光半導体装置。 - 前記凹部の内壁から前記透明樹脂封止体の外壁までの水平方向の距離が平均５０μｍ以上である請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 前記透明樹脂封止体は、前記基板の表面で前記光半導体素子を覆う半球状の封止体である請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 前記透明樹脂封止体はＪＩＳ Ｋ ６２５３ Ａ硬度７０以下の透明樹脂成形体であり、前記樹脂レンズはＪＩＳ Ｋ ６２５３ Ａ硬度６０〜９５の透明樹脂成形体である請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 前記樹脂レンズは表面に突起又は梨地表面を有する請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 前記樹脂レンズは、前記基板を該樹脂レンズに対して位置決めさせるための形状を前記凹部の周囲に有する請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 前記樹脂レンズはバットウイングレンズである請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 前記樹脂レンズと前記基板とが前記透明樹脂層により接合されている請求項１に記載のレンズ付き光半導体装置。
- 基板上に実装された少なくとも一つの光半導体素子及び前記光半導体素子を封止する透明樹脂封止体を備える光半導体装置を準備する工程と、
前記光半導体装置の前記透明樹脂封止体を収容するための凹部を備えた樹脂レンズの前記凹部に未硬化の透明樹脂を供給する工程と、
前記未硬化の透明樹脂を供給した前記凹部に前記透明樹脂封止体を侵入させて、前記樹脂レンズを所定の位置に配置して前記未硬化の透明樹脂と前記透明樹脂封止体とを密着させる工程と、
前記未硬化の透明樹脂を硬化させて透明樹脂層を形成する工程と、を備え、
前記凹部の容積は、前記光半導体素子と前記透明樹脂封止体の総体積の１．１倍以上であることを特徴とするレンズ付き光半導体装置の製造方法。 - 前記凹部の内壁から前記透明樹脂封止体の外壁までの水平方向の間隔が平均５０μｍ以上である請求項９に記載のレンズ付き光半導体装置の製造方法。
- 前記樹脂レンズは、前記光半導体装置を前記所定の位置に配設するための目印または形状を有する請求項９に記載のレンズ付き光半導体装置の製造方法。
- 前記透明樹脂封止体はＪＩＳ Ｋ ６２５３ Ａ硬度７０以下の透明樹脂成形体であり、前記樹脂レンズはＪＩＳ Ｋ ６２５３ Ａ硬度６０〜９５の透明樹脂成形体である請求項９に記載のレンズ付き光半導体装置の製造方法。
- 前記凹部の中央部が隆起している請求項９に記載のレンズ付き光半導体装置の製造方法。
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