JPWO2013183706A1 - 光半導体装置 - Google Patents

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Abstract

表面に銀めっき層が形成された基板と、前記銀めっき層にボンディングされた発光ダイオードと、前記発光ダイオードを取り囲む光反射部と、前記光反射部に充填されて前記発光ダイオードを封止する透明封止部と、前記銀めっき層を被覆する粘土膜と、を有し、前記透明封止部と前記光反射部とが接合されている、光半導体装置。

Description

本発明は、発光ダイオードがボンディングされた光半導体装置に関する。
LED(発光ダイオード:Light Emitting Diode)が搭載された光半導体装置として、特許文献1に開示されたものが知られている。特許文献1に記載の光半導体装置は、成型体に青色LEDをボンディングし、青色LEDを取り囲むように成型体を立ち上げて青色LEDから発せられた光を反射する反射板とし、その中に蛍光体を含有する透明封止部を充填して青色LEDを封止したものである。
国際公開第2007/015426号パンフレット
近年、このような光半導体装置が、照明や街灯等のLED照明として採用されるようになってきた。しかしながら、実際に使用してみると、LEDの保証時間よりも短時間でLED照明の照度が低下してしまう。これは、光半導体装置の電極に銀めっき層を形成しており、この銀めっき層が変色することに起因するものである。すなわち、透明封止部には、一般的にガスや水分の透過性が高い樹脂が使用されているため、透明封止部を透過したガスや水分により銀めっき層が腐食して変色する。特に、硫化水素ガスにより銀めっき層が硫化すると、電極が黒色に変色するため、照度の低下が顕著に表れる。
また、従来は、反射板として熱可塑性樹脂が採用されており、銀めっき層の硫化速度よりも反射板の黄変速度の方が速かったため、銀めっき層の硫化による照度低下は目立たなかった。しかしながら、最近は、反射板として熱硬化性樹脂が採用されるようになり、銀めっき層の硫化速度よりも反射板の黄変速度の方が遅くなったため、銀めっき層の硫化による照度低下が目立つようになってきた。しかも、LED照明がハイパワー化されると、青色LEDの発熱温度が高くなって銀めっき層の温度が上昇するため、銀めっき層の硫化が促進されてしまう。
更には、このような銀めっき層の硫化に伴う問題に鑑み、LED照明に採用する光半導体装置の耐硫化水素ガスの評価を規格化する動きもある。
そこで、本発明者らは、鋭意検討を行ったところ、透明封止部のガス透過性を改良するのではなく、銀めっき層を粘土膜で被覆することで、銀めっき層の硫化を効果的に抑制することができるとの知見を得た。
更に、本発明者らは、このような知見に基づいて光半導体装置を製造したところ、銀めっき層と透明封止部との間に粘土膜が介されるため、光半導体装置に対する透明封止部の剥離抑止の観点から、光半導体装置の構成を最適化する余地があるとの課題を見出した。
そこで、本発明は、銀めっき層の硫化を抑制しつつ、透明封止部の剥離を抑制する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。
本発明の一側面に係る光半導体装置は、表面に銀めっき層が形成された基板と、銀めっき層にボンディングされた発光ダイオードと、発光ダイオードを取り囲む光反射部と、光反射部に充填されて発光ダイオードを封止する透明封止部と、銀めっき層を被覆する粘土膜と、を有し、透明封止部と光反射部とが接合されている。
本発明の一側面に係る光半導体装置によれば、銀めっき層が粘土膜で被覆されているため、銀めっき層の硫化を抑制することができる。これにより、銀めっき層が黒色化することによる光半導体装置の照度低下を大幅に抑制することができる。しかも、銀めっき層を粘土膜で被覆することで、透明封止部と銀めっき層との間に粘土膜が介されるが、透明封止部と光反射部とが接合されているため、透明封止部が剥離するのを抑制することができる。
また、本発明の一側面は、光反射部が、発光ダイオードを取り囲むように基板から立ち上がって発光ダイオードを収容する内側空間を形成する内周面を備え、粘土膜が、内周面の一部を被覆し、透明封止部が、内周面の粘土膜で被覆されていない非被覆部と接合されているものとすることができる。
銀めっき層に対する粘土膜の被覆は、例えば、粘土を溶媒で希釈して粘土希釈液を生成し、この粘土希釈液を光反射部の内側空間に滴下又は散布し、その後、溶媒を乾燥させることにより行うことができる。しかしながら、光反射部の内側空間は小さいため、粘土希釈液の滴下量又は散布量を調節して銀めっき層のみに粘土希釈液を滴下又は散布することは難しい。そこで、粘土膜が光反射部の内周面を被覆することを許容することで、銀めっき層に対する粘土膜の被覆を容易に行うことができる。しかも、この場合であっても、透明封止部と光反射部の内周面の非被覆部とが接合されているため、透明封止部が剥離するのを抑制することができる。
また、本発明の一側面は、発光ダイオードが、青色光を発生する青色発光ダイオードであるものとすることができる。
光反射部の内周面は、発光ダイオードから発生された光を反射して光半導体装置から出力するが、粘土膜は、青色光の周波数帯を増幅する作用があるため、粘土膜を光反射部の内周面に形成することで、青色発光ダイオードから発生された青色光の反射効率を増大させることができる。
また、本発明の一側面は、非被覆部の面積が、内周面の面積の1%以上であるものとすることができる。このように、非被覆部の面積を光反射部の内周面の1%以上とすることで、透光性樹脂部と光反射部との接合強度を確保することができる。
また、本発明の一側面は、非被覆部の面積が、内周面の面積の99%以下であるものとすることができる。このように、非被覆部の面積を光反射部の内周面の99%以下とすることで、銀めっき層に対する粘土膜の被覆を更に容易に行うことができる。
また、本発明の一側面は、光反射部が、発光ダイオードを取り囲むように基板から立ち上がって発光ダイオードを収容する内側空間を形成する内周面と、内周面に隣接して内側空間の外側に位置する頂面と、を備え、粘土膜が、内周面を被覆し、透明封止部が、頂面と接合されているものとすることができる。
銀めっき層に対する粘土膜の被覆は、例えば、粘土を溶媒で希釈して粘土希釈液を生成し、この粘土希釈液を光反射部の内側空間に滴下又は散布し、その後、溶媒を乾燥させることにより行うことができる。しかしながら、光反射部の内側空間は小さいため、粘土希釈液の滴下量又は散布量を調節して銀めっき層のみに粘土希釈液を滴下又は散布することは難しい。そこで、粘土膜が光反射部の内周面の全体を被覆することを許容することで、銀めっき層に対する粘土膜の被覆を更に容易に行うことができる。しかも、この場合であっても、透明封止部と光反射部の頂面とが接合されているため、透明封止部が剥離するのを抑制することができる。なお、透明封止部と光反射部の頂面との接合は、例えば、粘土希釈液が光反射部の内側空間から溢れるように粘土希釈液を光反射部の内側空間に滴下又は散布し、その後、溶媒を乾燥させることにより行うことができる。
本発明によれば、銀めっき層の硫化を抑制しつつ、透明封止部の剥離を抑制することができる光半導体装置を提供することができる。
実施形態に係る光半導体装置の断面図である。 図1に示す光半導体装置の平面図である。 粘土膜の被覆方法を説明するための図である。 粘土膜の被覆方法を説明するための図である。 粘土膜の被覆方法を説明するための図である。 粘土膜の被覆方法を説明するための図である。 図3の場合において透明封止樹脂を充填した光半導体装置の断面図である。 図4の場合において透明封止樹脂を充填した光半導体装置の断面図である。 図5の場合において透明封止樹脂を充填した光半導体装置の断面図である。 図6の場合において透明封止樹脂を充填した光半導体装置の断面図である。 モンモリロナイトを用いた粘土膜の構成を説明するための概念図である。
以下、図面を参照して、本発明の一側面に係る光半導体装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、全図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
図1は、実施形態に係る光半導体装置の断面図である。図2は、図1に示す光半導体装置の平面図である。図1及び図2に示すように、実施形態に係る光半導体装置1は、一般に「表面実装型」に分類されるものである。この光半導体装置1は、基板10と、基板10の表面にボンディングされた青色LED30と、青色LED30を取り囲むように基板10の表面に設けられたリフレクタ20と、リフレクタ20に充填されて青色LED30を封止する透明封止樹脂40と、を備えている。なお、図2では、透明封止樹脂40の図示を省略している。
基板10は、絶縁性の基体12の表面に銅めっき板14が配線されており、銅めっき板14の表面に銀めっき層16が形成されている。銀めっき層16は、基板10の表面に配置されて青色LED30と導通される電極となっている。なお、銀めっき層16は、銀を含むめっき層であれば如何なる組成であってもよい。例えば、銀のみをめっきすることにより銀めっき層16を形成してもよく、ニッケル及び銀をこの順でめっきすることにより銀めっき層16を形成してもよい。銅めっき板14及び銀めっき層16は、アノード側とカソード側とに絶縁されている。アノード側の銅めっき板14及び銀めっき層16とカソード側の銅めっき板14及び銀めっき層16との間の絶縁は、例えば、アノード側の銅めっき板14及び銀めっき層16とカソード側の銅めっき板14及び銀めっき層16とを離間させ、適宜、その間に樹脂及びセラミック等の絶縁層を挿入することにより行うことができる。
青色LED30は、アノード側及びカソード側の何れか一方の銀めっき層16にダイボンドされており、ダイボンド材32を介して当該銀めっき層16と導通されている。また、青色LED30は、アノード側及びカソード側の何れか他方の銀めっき層16にワイヤボンドされており、ボンディングワイヤ34を介して当該銀めっき層16と導通されている。
リフレクタ20は、青色LED30を封止するための透明封止樹脂40を充填させるとともに、青色LED30から発せられた光を光半導体装置1の表面側に反射させるものである。リフレクタ20は、青色LED30を取り囲むように基板10の表面から立設されている。すなわち、リフレクタ20には、青色LED30を取り囲むように基板10の表面10aから立ち上がって内側に青色LED30を収容する内側空間22を形成し、平面視(図2参照)において円形に形成された内周面20aと、内周面20aに隣接して内側空間22の外側に位置し、内周面20aの表側端縁から内側空間22の反対側に向けて広がる頂面20bと、基板10の表面10aから頂面20bの外側端縁に立ち上がり、平面視(図2参照)において矩形に形成された外周面20cと、を備えている。内周面20a及び外周面20cの形状は特に限定されるものではないが、光半導体装置1の照度向上の観点から、内周面20aは、基板10から離れるに従い拡径する円錐台形状(漏斗状)に形成することが好ましく、光半導体装置1の集積度向上の観点から、外周面20cは、基板10に対して垂直な四角形状に形成することが好ましい。なお、図面では、内周面20aの形成例として、基板10側に位置する下部分が基板10に対して垂直となっており、基板10の反対側に位置する上部分が基板10から離れるに従い拡径しているものを図示している。
リフレクタ20は、白色顔料が含有された熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなっている。熱硬化性樹脂組成物は、リフレクタ20の形成容易性の観点から、熱硬化前においては室温(25℃)で加圧成型可能なものが好ましい。
熱硬化性樹脂組成物に含まれる熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、シアネート樹脂等種々のものを用いることができる。特に、エポキシ樹脂は、種々の材料に対する接着性が優れるため好ましい。
白色顔料としては、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、酸化チタン又は酸化ジルコニウム等を使用することができる。これらの中でも光反射性の点から酸化チタンが好ましい。白色顔料として無機中空粒子を使用してもよい。無機中空粒子の具体例として、珪酸ソーダガラス、アルミ珪酸ガラス、硼珪酸ソーダガラス、シラス等が挙げられる。
透明封止樹脂40は、リフレクタ20の内周面20aにより形成される内側空間22に充填されて、青色LED30を封止するものである。この透明封止樹脂40は、透光性を有する透明封止樹脂からなる。透明封止樹脂には、完全に透明な樹脂の他、半透明な樹脂も含まれる。透明封止樹脂としては、弾性率が室温(25℃)において1MPa以下のものが好ましい。特に、透明性の点からシリコーン樹脂又はアクリル樹脂を採用することが好ましい。透明封止樹脂は、光を拡散する無機充填材や青色LED30から発せられる青色光を励起源として白色光とする蛍光体42を更に含有してもよい。
そして、本実施形態に係る光半導体装置1は、銀めっき層16が粘土膜50により被覆されており、透明封止樹脂40とリフレクタ20とが接合されている。
粘土膜50は、銀めっき層16を被覆することにより銀めっき層16の硫化を抑制するものである。粘土膜50を構成する粘土としては、天然粘土及び合成粘土の何れも使用することができ、例えば、スチーブンサイト、ヘクトサイト、サポナイト、モンモリロナイト及びバイデライトのうち何れか1種以上を使用することができる。特に、天然粘土のモンモリロナイトは、図11に示すように、厚さHが1nm以下、長さLが10nm以上400nm以下とアスペクト比が高く、ガスのパスルートが長くなるため、ガスバリア性に優れる。
粘土膜50の膜厚は、0.01μm以上1000μm以下であることが好ましく、0.03μm以上500μm以下であることが更に好ましく、0.05μm以上100μm以下であることが更に好ましく、0.05μm以上10μm以下であることが更に好ましく、0.05μm以上1μm以下であることが更に好ましい。粘土膜50の膜厚を0.01μm以上1000μm以下とすることで、銀めっき層16に対するガスバリア性と粘土膜50の透明性とを両立させることができる。この場合、粘土膜50の膜厚を0.03μm以上500μm以下、0.05μm以上100μm以下、0.05μm以上10μm以下、0.05μm以上1μm以下にすることで、この効果を更に向上させることができる。
ここで、図3〜6を参照して、粘土膜50の被覆方法について説明し、図7〜10を参照して、透明封止樹脂40の充填方法について説明する。図3〜図6は、粘土膜の被覆方法を説明するための図である。図7〜10は、透明封止樹脂を充填した光半導体装置の断面図である。
まず、粘土を溶媒で希釈した粘土希釈液を生成する。次に、図3の(a)に示すように、この粘土希釈液Lをリフレクタ20の内側空間22に滴下又は散布する。このとき、少なくとも銀めっき層16の全てが粘土希釈液Lで覆われるように、粘土希釈液Lの滴下量又は散布量を調節する。その後、粘土希釈液Lの溶媒を乾燥させる。すると、図3の(b)に示すように、粘土希釈液Lで覆われた範囲全体に、乾燥した粘土が積層された粘土膜50が形成される。
ところで、このように、粘土膜50は、粘土希釈液Lが滴下又は散布された範囲全体に形成されるため、銀めっき層16のみを粘土膜50で被覆するためには、銀めっき層16にのみ粘土希釈液Lを滴下又は散布する必要がある。しかしながら、内側空間22は微小であるため、粘土希釈液Lの滴下量又は散布量を調節して銀めっき層16のみに粘土希釈液Lを滴下又は散布することは難しい。
一方、上述した粘土を使用して0.01μm以上1000μm以下の膜厚に形成した粘土膜50は十分な透光性を有するため、粘土膜50をリフレクタ20の内周面20aに形成しても、リフレクタ20の反射特性に大きく影響しない。しかも、天然粘土であるモンモリロナイトの薄膜は、青色光の周波数帯を増幅する作用があるため、天然粘土であるモンモリロナイトを使用した粘土膜50をリフレクタ20に形成することで、青色LED30から発せられた青色光の反射効率の増大を図ることができる。
そこで、図4の(a)に示すように、リフレクタ20の内周面20aの一部が粘土希釈液に覆われるように、粘土希釈液Lを内側空間22に滴下又は散布する。そして、図4の(b)に示すように、粘土希釈液Lの溶媒を乾燥させて、リフレクタ20の内周面20aの一部に粘土膜50を形成する。
また、図5の(a)に示すように、リフレクタ20の内周面20aの全体が粘土希釈液に覆われるように、粘土希釈液Lを内側空間22に滴下又は散布してもよい。この場合、図5の(b)に示すように、粘土希釈液Lの溶媒を乾燥させると、リフレクタ20の内周面20aの全体に粘土膜50が形成される。
また、図6の(a)に示すように、リフレクタ20の内周面20aを超えた頂面20bまでが粘土希釈液に覆われるように、粘土希釈液Lを内側空間22に滴下又は散布してもよい。この場合、図6の(b)に示すように、粘土希釈液Lの溶媒を乾燥させると、リフレクタ20の頂面20bにまで粘土膜50が形成される。
そして、粘土膜50が形成されると、リフレクタ20の内周面20aにより形成される内側空間22に蛍光体42が含まれた透明封止樹脂40を充填し、この充填した透明封止樹脂40で青色LED30を封止する。
このとき、図3の(b)に示すように、リフレクタ20の内周面20aに粘土膜50が形成されていない場合は、図7に示すように、蛍光体42が含まれた透明封止樹脂40を内側空間22に充填し、リフレクタ20の内周面20a全体に、充填した透明封止樹脂40を密着させる。これにより、リフレクタ20の内周面20a全体と透明封止樹脂40とが接合された光半導体装置1が得られる。
また、図4の(b)に示すように、リフレクタ20の内周面20aの一部に粘土膜50が形成されている場合は、図8に示すように、蛍光体42が含まれた透明封止樹脂40を内側空間22に充填し、リフレクタ20の内周面20aのうち粘土膜50が被覆されていない非被覆部Uに、充填した透明封止樹脂40を密着させる。これにより、リフレクタ20の内周面20aの一部である非被覆部Uと透明封止樹脂40とが接合された光半導体装置1が得られる。
このとき、非被覆部Uの面積は、内周面20aの面積の1%以上とすることが好ましく、5%以上とすることが更に好ましく、10%以上とすることが更に好ましい。非被覆部Uの面積を内周面20aの面積の1%以上とすることで、リフレクタ20の内周面20aと透明封止樹脂40との接合強度を確保することができる。更に、非被覆部Uの割合を5%以上とし、更には10%以上とすることで、この効果を更に向上させることができる。
一方、非被覆部Uの面積は、内周面20aの面積の99%以下とすることが好ましく、95%以下とすることが更に好ましく、90%以下とすることが更に好ましい。非被覆部Uの面積を内周面20aの面積の99%以下とすることで、粘土膜50の被覆を容易に行うことができる。更に、非被覆部Uの割合を95%以下とし、更には90%以下とすることで、この効果を更に向上させることができる。
また、図5の(b)に示すように、リフレクタ20の内周面20aの全体に粘土膜50が形成されている場合は、図9に示すように、透明封止樹脂40が内側空間22から溢れて頂面20bに至るまで蛍光体42が含まれた透明封止樹脂40を内側空間22に充填し、リフレクタ20の頂面20bに、充填した透明封止樹脂40を密着させる。これにより、リフレクタ20の頂面20bと透明封止樹脂40とが接合された光半導体装置1が得られる。
また、図6の(b)に示すように、リフレクタ20の頂面20bにまで粘土膜50が形成されている場合は、図10に示すように、まず、頂面20bに形成された粘土膜50を除去する。その後、透明封止樹脂40が内側空間22から溢れて頂面20bに至るまで蛍光体42が含まれた透明封止樹脂40を内側空間22に充填し、リフレクタ20の頂面20bに、充填した透明封止樹脂40を密着させる。これにより、リフレクタ20の頂面20bと透明封止樹脂40とが接合された光半導体装置1が得られる。
このように、本実施形態に係る光半導体装置によれば、銀めっき層16が粘土膜50で被覆されているため、銀めっき層16の硫化を抑制することができる。これにより、銀めっき層16が黒色化することによる光半導体装置1の照度低下を大幅に抑制することができる。しかも、透明封止樹脂40とリフレクタ20とが接合されているため、透明封止樹脂40が光半導体装置1から剥離するのを抑制することができる。
また、粘土膜50がリフレクタ20の内周面20aを被覆することを許容することで、銀めっき層16に対する粘土膜50の被覆を容易に行うことができる。しかも、粘土膜50は、青色光の周波数帯を増幅する作用があるため、粘土膜50をリフレクタ20の内周面20aに形成することで、青色LED30から発生された青色光の反射効率を増大させることができる。
以上、本発明の一側面の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、リフレクタ20が樹脂のみで形成されるものとして説明したが、リフレクタ20の内周面20aに、銀等の光反射層を形成してもよい。この場合、光反射層が形成されていないリフレクタ20の内周面20a又は頂面20bに透明封止樹脂40を接合させることができる。
また、上記実施形態では、基体12とリフレクタ20とは別部材であるものとして説明したが、一体的に形成してもよい。
また、上記実施形態では、光半導体装置1にボンディングする発光ダイオードとして、青色の光を発生する青色LED30を採用するものとして説明したが、青色以外の光を発生する発光ダイオードを採用するものとしてもよい。
次に、本発明の一側面の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例では、光反射部となる樹脂板の上に一辺が2mmの正方形の銀めっき層を形成し、この銀めっき層と樹脂とに亘って、直径が1mmの円状の透明封止部を5箇所に形成した。樹脂板の素材として、ポリフタルアミド(市販品としてアモデルA4122、ソルベイアドバンストポリマーズ(株)製)を使用し、透明封止部の素材として、メチルシリコーン(市販品として信越化学工業(株)製 KER−2600A/B)を使用した。
比較例では、光反射部となる樹脂の上に一辺が2mmの正方形の銀めっき層を形成し、この銀めっき層の上にのみ、直径が1mmの円状の透明封止部を5箇所に形成した。樹脂板及び透明封止部の素材は実施例と同じものを使用した。
そして、接着テープを実施例及び比較例に接着させた後、実施例及び比較例から接着テープを引き剥がした。その結果、比較例の透明封止部は剥離したが、実施例の透明封止部は剥離しなかった。このことから、光半導装置においても、透明封止部と光反射部とを接合させることで、透明封止部が剥離するのを防止できることが推認できた。
1…光半導体装置、10…基板、10a…基板の表面、12…基体、14…銅めっき板、16…銀めっき層、20…リフレクタ(光反射部)、20a…内周面、20b…頂面、20c…外周面、22…内側空間、30…青色LED(青色発光ダイオード)、32…ダイボンド材、34…ボンディングワイヤ、40…透明封止樹脂(透明封止部)、42…蛍光体、50…粘土膜、L…粘土希釈液、U…非被覆部。

Claims (6)

  1. 表面に銀めっき層が形成された基板と、
    前記銀めっき層にボンディングされた発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードを取り囲む光反射部と、
    前記光反射部に充填されて前記発光ダイオードを封止する透明封止部と、
    前記銀めっき層を被覆する粘土膜と、
    を有し、
    前記透明封止部と前記光反射部とが接合されている、
    光半導体装置。
  2. 前記光反射部が、前記発光ダイオードを取り囲むように前記基板から立ち上がって前記発光ダイオードを収容する内側空間を形成する内周面を備え、
    前記粘土膜が、前記内周面の一部を被覆し、
    前記透明封止部が、前記内周面の粘土膜で被覆されていない非被覆部と接合されている、
    請求項1に記載の光半導体装置。
  3. 前記発光ダイオードは、青色光を発生する青色発光ダイオードである、
    請求項2に記載の光半導体装置。
  4. 前記非被覆部の面積が、前記内周面の面積の1%以上である、
    請求項2又は3に記載の光半導体装置。
  5. 前記非被覆部の面積が、前記内周面の面積の99%以下である、
    請求項2〜4の何れか一項に記載の光半導体装置。
  6. 前記光反射部が、前記発光ダイオードを取り囲むように前記基板から立ち上がって前記発光ダイオードを収容する内側空間を形成する内周面と、前記内周面に隣接して前記内側空間の外側に位置する頂面と、を備え、
    前記粘土膜が、前記内周面を被覆し、
    前記透明封止部が、前記頂面と接合されている、
    請求項1に記載の光半導体装置。
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