KR20090127367A - 반도체 발광 장치 - Google Patents

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타카하루 호시나
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쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감하고 우수한 광 인출 효율을 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 발광 장치는 기판, 그 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 설치된 반도체 발광 소자 및 그 반도체 발광 소자를 밀봉하는 밀봉 구조체로 이루어지고, 상기 밀봉 구조체는 상기 반도체 발광 소자의 저면에 평행한 저면을 갖고, 상기 밀봉 구조체의 측면은 저면에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
반도체 발광 장치, 반도체 발광 소자, 밀봉 구조체, 서브마운트

Description

반도체 발광 장치{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광 장치에 관한 것으로서, 특히 밀봉 구조체의 측면을 저면에 대하여 경사지게 해서 반도체 발광 소자와 밀봉 구조체의 상면 및 저면 사이에 특정한 거리를 형성함으로써 반도체 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감시켜 우수한 광 인출 효율을 갖고, 또한 광의 방사 분산성을 컨트롤 가능하게 한 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
종래로부터 반도체 발광 소자를 사용한 발광 장치로서, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같은 리드 프레임에 발광 소자를 마운팅하여 포탄형의 수지 밀봉을 행한 발광 장치, 또는 도 2에 나타내는 바와 같은, 기판 상에 리플렉터를 구비하고 기판 및 리플렉터에 의해 형성된 오목부의 저면을 구성하고 있는 기판 상에 발광 소자를 마운팅하고 그 오목부 내 또는 오목부 전체를 수지 밀봉한 발광 장치가 알려져 있다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같은, 양산성을 감안해서 기판 상에 복수개의 발광 소자를 실장해서 그 표면을 밀봉재 등에 의해 밀봉하고 그 후 다이싱 등에 의해 각각 분해되어 측면이 거의 수직이 되는 형상을 나타낸 발광 장치가 알려져 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 평8-78732호 공보 참조). 또한, 도면 중 2는 발광 소자, 4는 기판, 5는 리플렉터, 6은 밀봉제, 7은 마운트측 리드 프레임, 8은 급전측 리드 프레임, 9는 본딩 와이어, 10은 p전극 및 11은 n전극을 나타낸다. 이들 발광 장치에 있어서 밀봉 재료로서 굴절율이 발광 소자와 공기의 중간 부근인 재료를 채용함으로써 발광 소자내 전반사가 적어지게 되지만 이들 도면 중에 있어서 A로 나타낸 광선 궤적을 따라 발광 소자의 광 자기 흡수도 일어나 광 인출 효율은 대략 무밀봉시의 1.2~1.5배 정도로 효율이 낮다.
또한, 도 1 또는 2에 있는 바와 같은, 발광 소자를 사용한 발광 장치의 광 방사 강도 분포(또는 광도 분포)는 주로 리플렉터, 또는 렌즈를 구비함으로써 광을 한쪽 방향으로 집중시킨 것이다. 또한, 도 3의 형상에서는 발광 소자의 점등에 의해 기기의 통전 확인을 할 수 있는 것을 주된 목적으로 하고 있어 발광 장치의 생산성이 중시되어 광 인출의 연구가 되지 않고 있다.
일반적으로 발광 소자의 굴절율은 2.4~3.7의 값을 갖고, 공기의 굴절율은 1.0의 값을 나타낸다. 밀봉 수지에는 굴절율이 그 중간인 1.5 정도의 수지가 통상 사용되고 있다. 발광 소자로부터 발사한 광이 밀봉 수지로부터 공기 중에 나오기 위해서는 밀봉 수지와 공기의 계면에 입사하는 광과 상기 계면의 각도(θ)가 다음 식으로 나타내어지는 임계각(θc)보다 크지 않으면 안된다.
θc=cos-1(n2/n1)
(여기서, n1은 입사측의 굴절율이고, n2는 출사측의 굴절율이다.)
상기 밀봉 수지의 굴절율로부터 임계각(θc)을 산출하면 약 48°가 되고, 계 면(반사면)으로부터 그 계면의 법선 방향으로 측정된 계면과 입사광의 각도가 이 값보다 작으면 광은 밀봉 수지 밖으로 나오지 않는다. 또한, 발광 소자를 형성하는 p형층, n형층 및 활성층은 대체로 1×10~1×104/㎝ 정도의 광 흡수율을 보이기 때문에 광의 입자가 밀봉 수지 내에서 다중 반사를 하면 발광 소자에 흡수되어 광 인출을 방해하게 된다.
발광 소자 자체에 있어서는 활성층에 대하여 상부 클래드 층의 높이 및 소자 측면의 각도 등의 기하적 치수를 조정함으로써 종래의 대략 직방체 발광 소자보다 광 인출 효율을 향상시키는 것이 공지되어 있다(예를 들면, 미국 특허 제 6,229,160 호, 제 6,323,063 호 및 제 6,570,190 호 명세서 참조). 그러나, 발광 소자를 탑재한 발광 장치에 있어서는 그 기하적 치수를 조정해서 광 인출 효율을 향상시키는 것은 알려져 있지 않다.
본 발명의 목적은 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감하고 우수한 광 인출 효율을 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 분산적인 광의 방사를 할 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 정면에 집중된 광의 방사를 할 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 밀봉 구조체의 측면을 저면에 대하여 경사지게 함으로써 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감하고 발광 장치의 광 인출 효율을 향상시키는 것이다. 또한, 본 발명은 발광 소자와 밀봉 구조체의 상면 및 저면 사이에 특정한 거리를 형성함으로써 발광 장치의 광의 방사 분산성을 향상시키거나 광의 정면 집중성을 향상시킨 것이다. 즉, 본 발명은 하기의 발명을 제공한다.
<1> 기판, 그 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 설치된 반도체 발광 소자, 그 반도체 발광 소자를 밀봉하는 밀봉 구조체로 이루어지고, 상기 밀봉 구조체는 상기 반도체 발광 소자의 저면에 평행한 저면을 갖고, 상기 밀봉 구조체의 측면은 저면에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
<2> 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리와 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리의 비(하측 거리/상측 거리)가 1 이상인 청구항 1에 기재된 발광 장치.
<3> 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리와 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리의 비(하측 거리/상측 거리)가 1 미만인 청구항 1에 기재된 발광 장치.
<4> 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리가 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경의 0.5~3배인 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<5> 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비(상면/저면)가 36/25 이상인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<6> 밀봉 구조체의 상면과 저면이 대응하는 각 변의 길이 또는 직경의 비(상면/저면)가 6/5 이상인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<7> 밀봉 구조체의 상면과 측면이 이루는 각도가 82도 이내인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<8> 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비(상면/저면)가 16/25 이하인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<9> 밀봉 구조체의 상면과 저면이 대응하는 각 변의 길이 또는 직경의 비(상면/저면)가 4/5 이하인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<10> 밀봉 구조체의 상면과 측면이 하는 각도가 107도 이상인 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<11> 반도체 발광 소자가 플립 칩형인 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치.
<12> 하기의 (1)~(4)의 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
(1) 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 반도체 발광 소자를 실장하는 공정;
(2) 상면 및 저면이 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 형상을 만족하는 중앙부가 중공인 링형상 테이퍼 관을 형성하는 공정;
(3) 링형상 테이퍼 관을 중앙 중공부에 반도체 발광 소자 및 필요에 따라 서브마운트가 수납되도록 기판에 실장하는 공정; 및
(4) 링형상 테이퍼 관의 중앙 중공부에 상기 링형상 테이퍼 관과 동일한 굴절율을 갖는 재료를 충전하는 공정.
<13> 하기의 (1)~(3)의 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
(1) 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 반도체 발광 소자를 실장하는 공정;
(2) 상면 및 저면이 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 형상을 만족하고 저면 중앙부에 오목부를 갖는 밀봉 구조체를 형성하는 공정; 및
(3) 밀봉 구조체를 오목부에 반도체 발광 소자 및 필요에 따라 서브마운트가 수납되도록 밀봉 구조체와 동일한 굴절율을 갖는 재료로 기판에 체결함과 동시에 상기 오목부에 해당 재료를 충전하는 공정.
본 발명의 발광 장치에 의하면 밀봉 구조체의 측면을 저면에 대하여 경사지게 함으로써 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감하고 발광 장치의 광 인출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 발광 장치에 의하면 발광 소자와 밀봉 구조체의 상면 및 저면 사이에 특정한 거리를 형성함으로써 발광 장치의 광의 방사 분산성을 향상시키거나 광의 정면 집중성을 향상시키거나 할 수 있다.
도 1은 종래의 발광 장치의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 발광 장치의 다른 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 발광 장치의 또 다른 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체의 일례의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체의 다른 일례의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체의 일례의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체의 다른 일례의 평면도이다.
도 8은 도 6 또는 도 7에 나타낸 밀봉 구조체의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체의 다른 일례의 평면도이다.
도 10은 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체의 다른 일례의 평면도이다.
도 11은 도 9 또는 도 10에 나타낸 밀봉 구조체의 단면도이다.
도 12는 본 발명 발광 장치의 투입 전력에 대한 발광 출력 비율 및 정면광 강도를 밀봉 구조체의 상면의 직경(a)과 저면의 직경(b)의 비(a/b)에 대하여 플로팅한 도면이다.
도 13은 본 발명 발광 장치의 투입 전력에 대한 발광 출력 비율 및 정면광 강도를 밀봉 구조체 상면으로부터 발광 소자 저면까지의 거리에 대하여 플로팅한 도면이다.
도 14는 실시예 1에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 15는 실시예 1에서 제작된 발광 장치의 평면도이다.
도 16은 실시예 2에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 17은 실시예 2에서 제작된 발광 장치의 평면도이다.
도 14 및 도 16은 각각 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제작된 발광 장 치(111)의 단면도이고, 본 발명의 발광 장치의 일례를 나타낸 것이다. 도면 중 101은 밀봉 구조체, 102는 반도체 발광 소자, 103은 서브마운트, 104는 방열성 기판, 120은 외부 전원 접속용 전극이다.
도 4 및 도 5는 각각 도 14 및 도 16의 밀봉 구조체 및 발광 소자 부분 단면의 모식도이다. 도면 중 1은 밀봉 구조체 및 2는 발광 소자이다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 사용되는 밀봉 구조체의 저면 및 상면은 발광 소자의 저면 및 상면과 평행하고 그 측면은 저면에 대하여 경사져 있다. 경사로서는 도 4와 같이 상면 면적이 저면 면적보다 큰 역 테이퍼 형상이어도 좋고, 도 5와 같이 상면 면적이 저면 면적보다 작은 순 테이퍼 형상이어도 좋다. 요컨대, 측면이 저면에 대하여 수직하지 않으면 좋다.
순 테이퍼의 경우 측면이 1점에 수렴해서 단면 형상으로서 삼각형이 되었을 경우, 즉 상면 면적이 0인 경우도 포함한다. 이 경우, 본 명세서에 있어서는 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리 등에 있어서의 밀봉 구조체의 상면으로서 측면이 수렴한 1점, 즉 단면 삼각형의 정점을 가리키는 것으로 한다.
또한, 밀봉 구조체의 평면 형상은 정사각형이나 직사각형, 삼각형이나 오각형 이상의 다각형, 또는 원형 등 어떠한 형상으로도 좋지만 정사각형 또는 원형이 바람직하고 원형이 특히 바람직하다.
이상 요컨대, 역 테이퍼 형상의 밀봉 구조체는 꼭대기부가 절취된 역원추 형상 또는 역각추 형상이고, 순 테이퍼 형상의 밀봉 구조체는 꼭대기부가 절취된 원 추 형상 또는 각추 형상, 또는 원추 형상 또는 각추 형상이다.
밀봉 구조체의 측면을 저면에 대하여 경사지게 함으로써 발광 소자로부터의 방사광(A)이 밀봉 구조체의 상면, 즉 밀봉 구조체를 구성하는 수지와 공기 계면에서 전반사되었을 경우에 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 측면에서 전반사되지 않고 투과되기 쉬워진다. 따라서, 광 인출 효율이 향상된다.
도 12는 후술의 실시예에 있어서 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리와 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리의 비(하측 거리/상측 거리)가 약 3이 되도록 한 발광 장치를 선택하고, 투입 전력에 대한 발광 출력 비율(좌측 세로축)과 정면광 강도(우측 세로축)를, 밀봉 구조체의 상면의 직경(a)과 저면의 직경(b)의 비(a/b)를 파라미터(가로축)로 해서 플로팅한 것이다.
도 12 중의 가로축 값이 1(즉, a/b=1)에서 상면의 직경과 저면의 직경이 같고, 즉 밀봉 구조체의 측면은 저면에 대하여 경사져 있지 않고 수직하다. 이 형상에서는 투입 전력에 대한 발광 출력 비율, 즉 광 인출 효율은 최저이다. 그리고, 상면의 직경이 저면의 직경에 대하여 커짐에 따라, 또한 작아짐에 따라 투입 전력에 대한 발광 출력 비율, 즉 광 인출 효율은 증가된다.
한편, 정면광 강도는 (a/b≒2)에서 최저가 된다. 또한, (a/b≒1.2) 이상에서는 투입 전력에 대한 발광 출력 비율, 즉 광 인출 효율은 대략 일정하기 때문에 정면광 강도가 저하되는 것은 주변으로의 광 강도의 증가, 즉 광의 분산이 향상되게 된다.
도 13은 후술의 실시예에 있어서 밀봉 구조체의 높이, 즉 저면으로부터 상면까지의 거리가 1.3㎜이고, 상면의 직경(a)과 저면의 직경(b)의 비(a/b)가 약 2가 되도록 한 발광 장치를 선택하고, 투입 전력에 대한 발광 출력 비율(좌측 세로축)과 정면광 강도(우측 세로축)를, 밀봉 구조체의 상면으로부터 반도체 발광 소자의 저면까지의 거리를 파라미터(가로축)로 해서 플로팅한 것이다.
도 13의 가로축은 발광 소자가 밀봉 구조체 상면측에 위치할 경우를 표면측으로 하고, 밀봉 구조체 저면에 위치할 경우를 저면측으로 했다. 투입 전력에 대한 발광 출력 비율, 즉 광 인출 효율의 변화는 발광 소자의 위치 높이에 대하여 조금이다. 한편, 정면광 강도에 관해서는 발광 소자가 밀봉 구조체의 표면 근방으로부터 중앙까지의 사이에 위치할 때 발광 장치로부터의 정면광 강도는 작고 광의 분산성이 우수한 것을 의미하고 있다. 또한, 발광 소자의 위치가 밀봉 구조체의 중앙으로부터 저면측에 근접함에 따라 정면광 강도가 급증되고 광의 분산성은 저하되며 광이 정면에 집중되는 것을 나타내고 있다.
발광 소자를 밀봉 구조체의 표면 근방에 배치했을 경우, 즉 거리 d≒0에서는 발광 소자로부터의 광은 밀봉 구조체의 상면에서 전반사되고 측면으로부터의 광방사가 현저하게 된다. 이 경향은 발광 소자 저면으로부터 밀봉 구조체 저면까지의 거리(하측 거리)와 밀봉 구조체 상면으로부터 발광 소자 저면까지의 거리(상측 거리)의 비(하측 거리/상측 거리)가 1.0 이상에 있어서 현저하게 되고, 밀봉 구조체로부터의 광 인출은 분산성이 향상된다. 한편, 하측 거리/상측 거리의 비율이 1.0 미만에서는 발광 소자로부터의 광은 밀봉 구조체 측면에서 전반사되고 상면으로부 터의 방사가 주가 되어 분산성이 저하되고 광은 정면에 집중된다.
도 4에 나타낸 밀봉 구조체의 상면 면적이 저면 면적보다 크고, 즉 상면의 변의 길이 또는 직경(a)이 저면의 변의 길이 또는 직경(b)보다 큰 역 테이퍼 형상의 밀봉 구조체의 경우, 상면의 변의 길이 또는 직경(a)과 저면의 변의 길이 또는 직경(b)의 비(a/b)는 도 12로부터 명확해지는 바와 같이 1.1 이상인 것이 높은 광 인출 효율을 나타내므로 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1.2 이상(6/5 이상)이고, 특히 바람직하게는 1.3 이상이다. 면적비로 말하면 1.21 이상이 바람직하고, 1.44 이상(36/25 이상)이 더욱 바람직하고, 1.69 이상이 특히 바람직하다.
또한, 광의 분산성이 우수한 발광 장치를 목적으로 하는 경우에는 정면광 강도가 a/b≒2를 최저로 해서 a/b가 커짐에 따라 증가되므로 a/b는 3 이하가 바람직하다. a/b를 약 2로 하는 것이 인출 효율 및 광의 분산성 양자에 우수하게 되어 특히 바람직하다.
광이 정면에 집중되는 발광 장치를 목적으로 하는 경우에는 a/b는 되도록이면 큰 쪽이 바람직하다.
밀봉 구조체의 저면의 변의 길이 또는 직경(b)은 반도체 발광 소자를 밀봉할 수 있으면 충분하고 발광 소자의 변의 길이 또는 직경(H)보다 크면 좋다.
또한, 현재 시판되고 있는 구입 가능한 반도체 발광 소자의 형상은 1변이 0.35㎜인 정사각형이 일반적이고, LED 패키지의 광 방사부의 구경은 약 4㎜ 정도이다. 본 밀봉 구조체에 있어서도 종래의 사용 범위에 맞추는 것으로 하면 밀봉 구조체 상면 변 길이의 상한은 약 4.0㎜ 정도(발광 소자 최장 변 길이 또는 직경의 11 배 정도)가 적절한 것으로 고려된다. 또한, 상술된 a/b를 만족시키기 위해서는 제작상의 용이성이라는 관점으로부터 a는 발광 소자 최장 변 길이 또는 직경의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 밀봉 구조체의 상면의 변의 길이 또는 직경(a)은 11H≥a≥2H(H는 발광 소자의 최장 변의 길이)로 하는 것이 바람직하다.
반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리(d)는 3H≥d≥0.5H(H는 발광 소자의 최장 변의 길이 또는 직경)인 것이 바람직하다. 발광 소자로부터 나온 광이 밀봉 구조체의 상면에서 전반사되어 재차 발광 소자에 리턴되는 것이 적은 거리로서 상측 거리(d)는 발광 소자의 최장 변의 길이 또는 직경의 0.5배 이상인 것이 바람직하고, 1.0배 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 밀봉 구조체 중에서의 광의 감쇠를 고려해서 발광 소자의 최장 변의 길이 또는 직경의 3배 정도를 상한으로 하는 것이 상식적으로 고려된다.
광의 분산성이 우수한 발광 장치를 목적으로 하는 경우에는 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리(c)와 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리(d)의 비(c/d)는 상술한 바와 같이 1 이상으로 하고, 더욱 바람직하게는 2 이상으로 한다. 또한, 비(c/d)의 상한으로서는 상술한 바와 같이 상측 거리(d)가 발광 소자의 최장 변의 길이 또는 직경의 0.5배 이상인 것이 바람직하므로 발광 소자 및 밀봉 구조체의 일반적인 크기를 고려하면 6 정도일 것이다.
또한, 광이 정면에 집중되는 발광 장치를 목적으로 하는 경우에는 비(c/d)는 상술한 바와 같이 1 미만으로 하고, 더욱 바람직하게는 0.3 이하로 한다. 이 경우, 비(c/d)의 하한은 특별히 없고 서브마운트를 통하지 않고 반도체 발광 소자를 기판에 직접 설치해서 비(c/d)를 0으로 하여도 좋다.
도 4에 나타낸 밀봉 구조체에 있어서 상면 직경(a)=3.2㎜, 상면 직경(a)/저면 직경(b)=2.0, 높이(c+d)=13㎜로 하고, 밀봉 구조체의 상면으로부터 발광 소자 저면까지의 거리(d)를 0.32㎜, 발광 소자 저면으로부터 밀봉 구조체 저면까지의 거리(c)를 0.98㎜, 즉 하측 거리/상측 거리≒3이 되도록 0.35㎜ 사각형의 발광 소자를 밀봉한 구조의 발광 장치의 발광 소자 저면 중앙을 원점으로 해서 0.6, 0.8배의 상사형으로 축소, 또는 1.2, 1.4배의 상사형으로 확대 변화시킨 밀봉 구조체를 구비한 발광 장치로 발광 출력 및 정면광 강도의 변화를 조사했다. 발광 출력의 변화를 보면 밀봉 두께가 얇아지는 0.6배(높이:0.78㎜)로부터 밀봉 두께가 두꺼워지는 1.4배(높이:1.82㎜)까지 거의 선형적으로 발광 출력이 저하되었다. 이것은 밀봉 두께가 두꺼워져 밀봉 수지의 광 흡수성에 의한 것으로 고려된다. 한편 정면광 강도의 변화는 조금이었다. 이를 보면 밀봉 두께의 증가는 발광 출력의 저하가 되지만 광의 분산성에는 아무런 영향을 주지 않는다.
도 5에 나타낸 밀봉 구조체의 상면 면적이 저면 면적보다 작고, 즉 상면의 변의 길이 또는 직경(a)이 저면의 변의 길이 또는 직경(b)보다 작은 순 테이퍼 형상의 밀봉 구조체인 경우, 상면의 변의 길이 또는 직경(a)과 저면의 변의 길이 또는 직경(b)의 비(a/b)는, 도 12로부터 명확해지는 바와 같이, 0.8 이하(4/5 이하)인 것이 높은 광 인출 효율을 나타내므로 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.5 이하(1/2 이하)이다. 면적비로 말하면 0.64 이하(16/25 이하)가 바람직하고, 0.25 이 하(1/4 이하)가 더욱 바람직하다.
또한, 광의 분산성이 우수한 발광 장치를 목적으로 하는 경우에는 정면광 강도가 a/b≒0.8을 최저로 해서 a/b가 작아짐에 따라 증가되므로 a/b는 0.5 이상이 바람직하다.
광이 정면에 집중되는 발광 장치를 목적으로 하는 경우에는 a/b는 되도록이면 작게 한 쪽이 광 인출 효율에 우수해서 광의 정면 집중성도 향상되므로 바람직하다. a/b는 0.5 이하가 바람직하다.
밀봉 구조체의 저면의 변의 길이 또는 직경(b)은 반도체 발광 소자를 밀봉하지 않으면 안되므로 당연히 발광 소자의 변의 길이 또는 직경(H)보다 크지 않으면 안된다. 그 상한은 상기 역 테이퍼 형상 밀봉 구조체의 상면의 변의 길이 또는 직경과 같은 이유로 발광 소자 최장 변 길이 또는 직경의 11배 정도(약 4.0㎜)가 적절하다.
밀봉 구조체의 상면의 변의 길이 또는 직경(a)은 저면의 변의 길이 또는 직경(b)에 대하여 상술된 비(a/b)를 만족하고 있으면 좋다. 순 테이퍼의 경우, 측면이 1점에 수렴되어 밀봉 구조체의 단면 형상이 삼각형이어도 좋다. 이 경우 a=0이다.
반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리(d)의 바람직한 범위에 관해서는 상기 역 테이퍼의 경우와 마찬가지이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체(1)의 일례의 평면도이다. 도 8은 그들의 단면도이다. 상기 (5)~(7)에 기재된 발명과 같이, 밀봉 구조체 의 상면과 저면의 면적비가 36/25 이상, 또는 각 변의 길이의 비가 6/5 이상, 또는 밀봉 구조체의 상면과 측면이 이루는 각도가 82도 이내로 됨으로써 밀봉 구조체 상면과 발광 소자 저면의 간격을 발광 소자의 최장의 대각선 또는 직경의 0.5배 이상으로 함과 아울러, 도 8에 보여지는 바와 같이, 발광 소자로부터 발사된 광의 밀봉 구조체의 내측 상면에서 전반사된 광(A)은 측면에서의 입사각이 임계각 이상이 되어 외부로 인출되고, 밀봉 구조체 내에서의 광의 흡수 및 발광 소자에서의 흡수를 방지해서 광의 인출에 있어서 효과적이다.
그러나, 도 8 중에 파선으로 나타낸 바와 같이, 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비가 1:1 또는 각 변의 길이의 비가 1:1인 경우에는 발광 소자로부터 발사된 광의 밀봉 구조체의 내측 상면에서 전반사된 광(B)은 측면에서의 입사각이 임계각 이하가 되는 부분이 많아지게 되고, 도면 중 B의 루트로 나타낸 바와 같이, 밀봉 구조체의 저면, 측면, 상면 각각에 반사를 되풀이하고 다중 반사에 의한 밀봉 구조체 내 및 발광 소자에서의 광의 흡수가 많아지게 된다.
도 9 및 도 10은 각각 본 발명에 있어서의 밀봉 구조체(1)의 다른 일례의 평면도이다. 도 11은 그들의 단면도이다. 상기 (8)~(10)에 기재된 발명과 같이, 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비가 20/25 이하, 또는 각 변의 길이의 비가 4/5 이하, 또는 밀봉 구조체의 상면과 측면의 이루는 각도가 107도 이상으로 됨으로써 밀봉 구조체 상면과 발광 소자 저면의 간격을 발광 소자의 최장의 대각선 또는 직경의 0.5배 이상으로 함과 아울러, 도 11에 보여지는 바와 같이, 발광 소자로부터 발사된 광의 밀봉 구조체의 내측 측면을 향한 광(A)은 그 입사각이 임계각 이상이 되 어 외부로 인출되고 밀봉 구조체 내에서의 광의 흡수 및 발광 소자에서의 흡수를 방지하는 광의 인출에 있어서 효과적이다.
그러나, 도 11 중에 파선으로 나타낸 바와 같이, 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비가 1:1 또는 각 변의 길이의 비가 1:1인 경우에는 발광 소자로부터 발사된 동일한 방향의 광(B)은 밀봉 구조체의 상면에 임계각 이하의 입사각으로 입사되는 부분이 많아지게 되고, 도면 중 B의 루트로 나타낸 바와 같이, 밀봉 구조체의 저면, 측면, 상면 각각에 반사를 되풀이하고, 다중 반사에 의한 밀봉 구조체 내 및 발광 소자에서의 광의 흡수가 많아지게 된다.
이하에 본 발명의 발광 장치를 구성하는 각 부재에 대해서 설명한다.
서브마운트 등을 실장하는 기판에는 리드 프레임, 프린트 기판 및 방열성 기판 등을 사용할 수 있다. 발광 소자에 대전류가 흐르므로 방열성 기판이 바람직하다.
방열성 기판의 경우 발광 장치로서 적용하기 위해 합리적으로 고려되는 치수의 방열성 기판 복수개를 1장의 판으로부터 펀칭 금형에 의해 프레스 가공에 의해 성형된다. 이 방열성 기판의 형상은 직사각형, 원형 및 다각형 등 어떠한 형상이어도 좋다. 각각의 형상이 완전히 독립되도록 프레스 가공에 의해 완전히 펀칭할 수도 있다. 그러나, 서로 이웃하는 인접 변끼리가 용이하게 떨어질 수 있는 스트리트를 실시한 실장기에 로드 가능하게 이루어지는 복수개가 연결되는 직사각형 프레임 형상으로 하는 것이 바람직하다. 펀칭 방향은 방열성 기판인 것 때문에 프레스 가공 후의 에지부가 튀어오름으로써 접합 상대와의 밀착성이 불량으로 되지 않는 펀 칭 방향이 선택된다. 또한, 에지부의 처짐이 적은 정밀 펀칭, 대향 다이 펀칭 및 상하 펀칭 등이 바람직하다.
방열성 기판은 종래의 전기 절연 또는 저열전도율의 프린트 회로 기판 대신에 열전도성이 양호한 금속성 베이스 기판, 예를 들면 철, 구리 또는 알루미늄 판으로 형성되고, 그 편면에 열전도성을 양호하게 하는 질화 알루미늄 필러제를 첨가한 에폭시 수지(이하 양호 열전도 수지층이라 함)를 도포함으로써 전기 절연층이 형성되고, 이 위에 구리제 전극 회로가 에칭에 의해 형성되어 필요에 따라 전기 절연용 보호층으로서 양호 열전도 수지층이 재도포된다.
기판은 반도체 발광 소자를 탑재하는 발광 소자 부착부를 갖는다. 방열성 기판의 경우, 발광 소자 부착부는 방열성 기판 상의 열전도율을 향상시킨 수지부에 에칭 기술 등을 이용해서 형성되는 전기 회로로 구성된다. 이 전기 회로로부터 와이어 본드에 의해 발광 소자로 급전하거나 발광 소자의 p, n전극 사이에 절연성 보호막을 실시한 후, 이 전기 회로에 발광 소자의 p, n전극을 납땜함으로써 용이하게 발광 소자에 전기 급전할 수 있다.
반도체 발광 소자는 기판에 직접 탑재되어도 좋고 서브마운트를 통해서 탑재되어도 좋다.
서브마운트는 전기 절연성의 재료, 예를 들면 세라믹 재료, 글래스 에폭시 기판 또는 절연 보호막이 부착된 Si기판 등으로 형성되고 표면과 이면에 전기 회로를 갖는다. 방열성의 관점으로부터 세라믹 재료가 바람직하다.
예를 들면, 양호 열전도이며 전기 절연 부재로서 알려진 세라믹 재료인 질화 알루미늄의 그린 시트를 복수층 적층해서 제작한다. 시트 표면에는 회로 패턴을 인쇄하고 각 층의 회로 사이에는 비어(via)라고 불리는 전기 전도가 있는 원통 금속 부재를 관통시켜 적층 방향의 전기 회로를 도통시킨다. 이에 따라 표면과 이면의 전기 회로가 다른 서브마운트를 얻을 수 있다. 이 적층된 시트는 터널 노 등에 의해 소성되기 때문에 깨짐을 방지하기 위해서 질화 알루미늄과 열팽창율이 근접한 텅스텐 재료를 회로로 해서 스크린 인쇄한다. 바람직하게는 1장의 그린 시트로부터 복수개의 서브마운트를 성형하기 위해서 개개의 서브마운트 사이에 스트리트를 형성한다. 또한, 회로로서 사용되는 텅스텐부는 솔더 실장이 양호하도록 그 표면에 Ni 또는 Au의 도금을 실시하면 좋다.
밀봉 구조체는 상기한 바와 같이 측면이 저면에 대하여 경사져 있다. 즉, 꼭대기부가 절취된 역원추 형상 또는 역각추 형상 내지는 꼭대기부가 절취된 원추 형상 또는 각추 형상, 또는 원추 형상 또는 각추 형상이다.
밀봉 구조체의 저면에는 발광 장치로의 설치용으로 오목부가 형성되고 그 오목부에 발광 소자 및 필요에 따라 서브마운트가 들어가도록 장착된다. 밀봉 구조체와 발광 소자 사이에 생기는 간극은 밀봉 구조체의 체결을 겸해서 밀봉제로 밀봉된다. 밀봉제로서는 굴절율의 변화를 방지하기 위해서는 밀봉 구조체와 동일한 재질을 사용하는 것이 좋지만 발광 소자로의 충격을 완화하는 밀봉제를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 밀봉 구조체를 형성하는 재료는 에폭시계 수지, 실리콘계 수지 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 에폭시계 수지가 성형성의 관점으로부터 바람직하다.
밀봉 구조체는 상술한 재료를 이용해서 이하의 프로세스에 의해 만들어진다.
상술한 치수의 역 테이퍼 형상 또는 순 테이퍼 형상의 금형을 준비한다. 금형 재질로서는 정밀 양산할 수 있고 고경면성의 성질을 갖는 공구강이 바람직하다. 그 내표면은 랩 마무리가 실시되어 있어 경면성이 제품에 전사되도록 되어 있다. 금형은 게이트, 러너 및 스풀을 갖고 사출 성형기에 접속되어 수지를 가열 가압해 금형에 유입한다. 사출 성형기에 원료를 반입하는 호퍼부에는 히터가 장착되고 제습 예비 건조를 행한다. 금형에는 냉각 기구가 설치되어 제품의 투명 상태를 금형 냉각 온도로 조정하면서 행한다. 성형된 부품은 수지 유로에 의해 복수개가 연속해서 연결되어 있어 절단 게이트 마무리를 행한다.
꼭대기부가 절취된 역원추 형상 또는 역각추 형상 내지는 꼭대기부가 절취된 원추 형상 또는 각추 형상의 경우에는 이하에 설명하는 바와 같은 방법으로도 밀봉 구조체를 제조할 수 있고 이 방법이 간단하고 제조 코스트도 싸다.
즉, 상면 및 저면이 소정의 형상을 갖고 중앙부가 중공인 링형상 테이퍼 관을 준비하고, 그 링형상 테이퍼 관을 중앙 중공부에 발광 소자와 필요에 따라 서브마운트가 들어가도록 발광 장치 기판에 장착하고, 그 후 중앙 중공부에 밀봉제를 충전함으로써 밀봉 구조체를 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 반도체 발광 소자는 AlGaInP계 앰버(amber) 발광 소자, AlGaAs계 적색 발광 소자, AlGaInP계 적색~황색 발광 소자, GaP계 황녹색 발광 소자, GaN계 녹색 발광 소자, GaN계 청색 발광 소자와 넓은 범위의 발광 소자가 사용 가능하다. 평면 형상은 사각형이 일반적이지만 오각형 이상의 다각형이어도 원 형이어도 좋고 거의 한정되지 않는다. 그 전극 구성은 소자의 하면과 상면 또는 동일면에 각각 전극을 갖는다.
또한, 본 발명의 발광 장치는 반도체 발광 소자의 둘레에 당업계 주지의 수단에 의해 리플렉터를 설치할 수 있다. 발광 소자를 포물선 형상 리플렉터의 초점에 배치함으로써 리플렉터에 의한 광의 제어성이 향상되고 정면 광도가 높은 발광 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
이어서, 상술한 각 구성 부재로부터 본 발명의 발광 장치를 조립하는 순서에 대해서 설명한다.
우선, 기판 또는 서브마운트에 발광 소자를 실장한다. 발광 소자를 기판 또는 서브마운트에 실장하는 방법으로서는, 예를 들면 AuSn 공정 재료를 발광 소자 전극부에 증착시켜서 기판의 발광 소자 부착부 또는 서브마운트 상에 리플로잉하는 방법, 기판의 발광 소자 부착부 또는 서브마운트의 회로부에 Au 범프를 형성하고, 거기에 발광 소자를 초음파에 의해 가압 가열 압착하는 방법 등을 채용할 수 있다. 여기서, Au재료를 사용하는 것은 기판과 서브마운트를 Au계 솔더보다 저융점인 납 프리 솔더를 이용해서 실장하는 2단 실장을 의식하고 있다.
이어서, 필요에 따라 서브마운트를 기판에 실장한다. 순서는 예를 들면 이하와 같다.
방열성 기판의 서브마운트 실장 전극부에 스크린 인쇄기 등에 의해 솔더 페이스트를 인쇄한다. 인쇄는 카세트 홀더에 복수장의 기판을 넣어 자동기에 의해 행한다. 그 후에 발광 소자를 실장한 서브마운트를 자동 이재기에 의해 방열 기판 상 에 마운팅하고 리플로우 노에 의해 가열해서 솔더 제를 녹여 온도 강하시켜 실장한다.
최후에 발광 소자를 둘러싸도록 밀봉 구조체를 실장한다. 순서는 예를 들면 이하와 같다. 성형된 밀봉 구조체를 진공 또는 기계 척킹(chucking)하는 기구를 사용하고, 밀봉 구조체 저면의 오목부를 상방으로 해서 밀봉 구조체와 동종의 수지 또는 밀봉 구조체보다 굴절율이 작은 수지를 유입시키고, 위치 결정을 행한 서브마운트, 발광 소자를 실장한 방열성 기판의 소정 부위에 밀봉 구조체를 장착한다. 이 때, 수지량은 서브마운트 및 발광 소자와 밀봉 구조체 사이에 생기는 간극을 채우기 위해 서브마운트 및 발광 소자의 부피를 뺀 적절량으로 한다.
또는, 상기 링형상 테이퍼 관을 그 중앙 중공부에 발광 소자와 필요에 따라 서브마운트가 들어가도록 기판에 장착하고 그 후 중앙 중공부에 밀봉제를 충전한다.
본 발명의 발광 장치의 용도로서는 요즈음의 청색 발광 소자의 개발에 의해 옥내외에서 사용되는 대형의 칼라 디스플레이 및 신호기 등에 응용이 가능하다. 또한, 백색 LED를 사용한 옥내외용 조명이나 자동차용 헤드라이트로의 사용도 가능하고 적용 범위는 광범위하다.
실시예
이하에 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
이하, 도면에 의해 본 발명에 관한 발광 장치의 제 1 실시예를 상세하게 설명한다. 도 14는 본 실시예에서 제작된 발광 장치의 단면도이고, 도 15는 그 평면도이다. 발광 장치(111)는 방열성 기판(104), 서브마운트(103), 반도체 발광 소자(102) 및 밀봉 구조체(101)로 이루어져 있다. 또한, 120은 외부 전원 접속용 전극이고, 121은 히트 싱크 장착용 가공부이다.
반도체 발광 소자(102)는 변 길이가 0.35㎜×0.35㎜의 정사각형이고 두께가 약 90μ의 하기의 플립 칩형의 GaN계 화합물 반도체 청색 발광 소자를 사용했다. 이 발광 소자는 사파이어로 이루어지는 기판 상에 AlN으로 이루어지는 버퍼층을 통해서 두께 8㎛의 언도프 GaN으로 이루어지는 하지층, 두께 2㎛의 Ge 도프 n형 GaN 콘택트층, 두께 0.03㎛의 n형 In0.1Ga0.9N 클래드층, 두께 16㎚의 Si 도프 GaN 장벽층 및 두께 3㎚의 In0.2Ga0.8N 웰층을 5회 적층하고, 최후에 장벽층을 설치한 다중 양자 웰 구조의 발광층, 두께 0.01㎛의 Mg 도프 p형 Al0.07Ga0.93N 클래드층, 두께 0.15㎛의 Mg 도프 p형 AlGaN 콘택트층을 순차적으로 적층한 질화 갈륨계 화합물 반도체의 p형 AlGaN 콘택트층 상에 정극을, n형 GaN 콘택트층 상에 부극을 각각 설치한 발광 소자이다.
서브마운트(103)는 질화 알루미늄으로 제작하고, 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리와 상기 반도체 발광 소자의 저면으로부터 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리의 비(하측 거리/상측 거리)가 1 이상을 확보하기 위해서 단면이 변의 길이 0.5㎜×0.5㎜의 정사각형이고, 높이는 0.98㎜로 했다. 반도체 발광 소자(102)와 방열성 기판(104)을 전기적으로 결합하도록 전기 회로를 설치했다. 서브마운트 상에는 GaN계 청색 발광 소자(102)가 위치한다.
방열성 기판(104)은 직경이 20㎜인 원형상의 열전도율이 큰 1.5㎜ 두께의 알루미늄판에 질화 알루미늄을 필러제로서 배합해서 열전도를 양호하게 한 에폭시계 수지의 전기 절연층을 35μ의 두께로 형성해서 그 위에 당업계 주지의 에칭법에 의해 Cu제 전기 회로를 제작하고, 밀봉 구조체 장착 부위 등에 상기 에폭시계 수지의 전기 절연층을 보호층으로서 설치했다.
밀봉 구조체(101)를 구성하는 중앙부가 중공인 링형상 테이퍼 관은 에폭시 수지에 의해 사출 성형에 의해 제작되었다. 중앙 중공부의 형상은 발광 소자 및 서브마운트를 수납 가능하도록 직경이 0.8㎜인 원기둥 형상으로 했다. 외형은 광 인출 효율이 양호하고, 또한 광의 분산성도 양호하게 되는 대표 형상으로서 저면의 외경 1.6㎜×상면의 외경 3.2㎜×높이 1.3㎜의 역원추 형상으로 했다. 따라서, 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (3.2/1.6=2), 또한 면적비로는 ((3.2)2/(1.6)2=4)로 되어 있다. 또한, 밀봉 구조체 상면으로부터 발광 소자 저면까지의 상측 거리는 0.32㎜이고, 발광 소자 저면으로부터 밀봉 구조체 저면까지의 하측 거리는 0.98㎜이고, 따라서 하측 거리/상측 거리는 약 3이었다.
이들 구성 부재를 이용해서 이하의 순서로 발광 장치(111)를 조립했다.
우선, 서브마운트(103)에 발광 소자(102)를 실장했다. 순서는 이하와 같다. 가열 히터에 의해 서브마운트(103)를 약 200℃로 승온 유지하고, 범프 본더에 의해 금 범프를 부설한다. 범프 배치는 직경 90㎛의 n전극 부위에 1개소, U자형의 노치가 있는 p전극 부위에 2개, 합계 3개의 금 범프를 배치했다. 범프 직경은 발광 소자 압착시에 범프의 변형에 의해 회로가 단락되지 않도록 직경 80㎛로 했다. 발광 소자의 설치는 진공 척킹에 의해 각 발광 소자를 흡인하고, 상기 범프가 부착된 서브마운트 상에서 300g중, 200℃, 138㎑, 10mS 유지하는 초음파 압착에 의해 접합하였다.
이어서, 발광 소자를 탑재한 서브마운트(103)를 방열성 기판(104)에 장착했다. 순서는 이하와 같다. 방열성 기판에 서브마운트를 Sn-Ag-Cu계 솔더 페이스트로 실장한다. 이 때문에 솔더 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 방열성 기판에 도포했다. 메탈 마스크 두께는 100μ로 했다. 도포 영역의 크기로서는 서브마운트를 실장하는 면에 직경이 0.7㎜의 원형이고 중앙에 폭 0.2㎜의 p, n전극을 구분하는 절연부가 있는 랜드가 있다. 솔더 페이스트가 도포된 방열성 기판에는 발광 소자를 탑재한 서브마운트를 이재(移載) 로봇에 의해 싣는다.
서브마운트를 실장한 방열성 기판은 컨베이어에 의해 리플로우 노에 제공되어 납땜된다. 리플로우 노에서는 80초 동안에 175℃로 승온해서 60초간 유지하고, 그 후 30초 동안에 235℃로 승온하고 30초간 유지하는 2단의 가열을 질소 분위기 중에서 행했다.
이어서, 링형상 테이퍼 관을 에폭시 수지에 의해 중앙 중공부에 서브마운트와 발광 소자가 들어오도록 기판에 접착하고, 이어서 링형상 테이퍼 관의 중앙 중공부에 에폭시 수지를 충전하고 밀봉 구조체를 형성했다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.11㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.3%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.001[W/sr]이었다.
또한, 정면광 강도의 측정은 옵토 사이언스사제 광도 분포 측정기를 이용해서 행했다. 이 측정기에는 전류-광출력 측정용 전광량 PD로서 하마마쓰 포토닉스사제 S5107이, 파필드 프로파일 측정용 PD로서 동사제 S5821-02가 조립되어 있다.
또한, 본 실시예의 발광 장치는 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 2)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 0.8㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (0.8/1.6=0.5) 또한 면적비로는 ((0.8)2/(1.6)2=0.25)로 되어 있다. 또한, 도 16은 본 실시예에서 제작된 발광 장치의 단면도이고, 도 17은 그 평면도이다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 17.91㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 27.98%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.004[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.64배의 광 인출량이었다.
(비교예)
본 비교예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 1.6㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (1.6/1.6=1) 또한 면적비로는 ((1.6)2/(1.6)2=1)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 16.45㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 25.70%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.0035[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 비교예의 발광 장치는 1.52배의 광 인출량이었다.
(실시예 3)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 2.4㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (2.4/1.6=1.5) 또한 면적비로는 ((2.4)2/(1.6)2=2.25)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.14㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.34%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.0019[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배 의 광 인출량이었다.
(실시예 4)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 4㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (4/1.6=2.5) 또한 면적비로는 ((4)2/(1.6)2=6.25)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.08㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.25%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.005[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 5)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 4.8㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (4.8/1.6=3) 또한 면적비로는 ((4.8)2/(1.6)2=9)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.06㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.2%가 되고, (a/b=2)의 밀봉 형상시의 출력과 같은 정도이었다. 또 한, 이 때의 정면광 강도는 0.006[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 6)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 2.08㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (2.08/1.6=1.3) 또한 면적비로는 ((2.08)2/(1.6)2=1.69)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.15㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.36%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.0025[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 7)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 1.76㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (1.76/1.6=1.1) 또한 면적비로는 ((1.76)2/(1.6)2=1.21)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 17.8㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 27.82%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.0033[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.63배의 광 인출량이었다.
(실시예 8)
본 실시예에서는 링형상 테이퍼 관의 상면 외경을 1.28㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 외경비는 (1.28/1.6=0.8) 또한 면적비로는 ((1.28)2/(1.6)2=0.64)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 17.4㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 27.19%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.0022[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.61배의 광 인출량이었다.
(실시예 9)
본 실시예에서는 서브마운트의 높이를 1.05㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 하측 거리/상측 거리는 (1.05/0.25=4.2)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.11㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.3%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.002[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 10)
본 실시예에서는 서브마운트의 높이를 0.90㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 하측 거리/상측 거리는 (0.90/0.4=2.25)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.11㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.3%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.0019[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 11)
본 실시예에서는 서브마운트의 높이를 0.60㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 하측 거리/상측 거리는 (0.60/0.70=0.86)으로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.07㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.23%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.008[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배 의 광 인출량이 되었다.
(실시예 12)
본 실시예에서는 서브마운트의 높이를 0.30㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 하측 거리/상측 거리는 (0.30/1.00=0.3)으로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 18.04㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.19%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.025[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.65배의 광 인출량이었다.
(실시예 13)
본 실시예에서는 서브마운트의 높이를 0.05㎜로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 발광 장치를 제작했다. 따라서, 본 실시예의 하측 거리/상측 거리는 (0.05/1.25=0.04)로 되어 있다.
이와 같이 해서 얻어진 발광 장치의 통전 시험을 행했다. 투입 전류 20㎃에 있어서 전압은 3.2V이었다. 발광 장치의 출력은 17.99㎽이고, 투입 에너지에 대한 출력 비율은 28.11%이었다. 또한, 이 때의 정면광 강도는 0.028[W/sr]이었다. 또한, 베어 칩의 발광 소자의 광 인출량과 비교해서 본 실시예의 발광 장치는 1.64배의 광 인출량이었다.
본 발명의 발광 장치는 광 인출 효율이 개량되어 발광 출력이 높으므로, 예를 들면 옥내외용 조명이나 자동차용 헤드 램프로서 대단히 유효해서 산업상의 이용 가치는 극히 크다.

Claims (13)

  1. 기판, 그 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 설치된 반도체 발광 소자, 그 반도체 발광 소자를 밀봉하는 밀봉 구조체로 이루어지고; 상기 밀봉 구조체는 상기 반도체 발광 소자의 저면에 평행한 저면을 갖고, 상기 밀봉 구조체의 측면은 저면에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자의 저면으로부터 상기 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리와 상기 반도체 발광 소자의 저면으로부터 상기 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리의 비(하측 거리/상측 거리)가 1 이상인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자의 저면으로부터 상기 밀봉 구조체의 저면까지의 하측 거리와 상기 반도체 발광 소자의 저면으로부터 상기 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리의 비(하측 거리/상측 거리)가 1 미만인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자의 저면으로부터 상기 밀봉 구조체의 상면까지의 상측 거리가 상기 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경의 0.5~3배인 것을 특징으 로 하는 발광 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비(상면/저면)가 36/25 이상인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조체의 상면과 저면이 대응하는 각 변의 길이 또는 직경의 비(상면/저면)가 6/5 이상인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조체의 상면과 측면이 이루는 각도가 82도 이내인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조체의 상면과 저면의 면적비(상면/저면)가 16/25 이하인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조체의 상면과 저면이 대응하는 각 변의 길이 또는 직경의 비 (상면/저면)가 4/5 이하인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 구조체의 상면과 측면이 이루는 각도가 107도 이상인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 발광 소자가 플립 칩형인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 하기의 (1)~(4)의 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
    (1) 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 반도체 발광 소자를 실장하는 공정;
    (2) 상면 및 저면이 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 밀봉 구조체의 상면 및 저면의 형상을 만족하는 중앙부가 중공인 링형상 테이퍼 관을 형성하는 공정;
    (3) 상기 링형상 테이퍼 관을 중앙 중공부에 상기 반도체 발광 소자 및 필요에 따라 상기 서브마운트가 수납되도록 기판에 실장하는 공정; 및
    (4) 상기 링형상 테이퍼 관의 중앙 중공부에 상기 링형상 테이퍼 관과 동일한 굴절율을 갖는 재료를 충전하는 공정.
  13. 하기의 (1)~(3)의 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
    (1) 기판 상에 서브마운트를 통해서 또는 통하지 않고 반도체 발광 소자를 실장하는 공정;
    (2) 상면 및 저면이 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 형상을 만족하고 저면 중앙부에 오목부를 갖는 밀봉 구조체를 형성하는 공정; 및
    (3) 상기 밀봉 구조체를 상기 오목부에 상기 반도체 발광 소자 및 필요에 따라 상기 서브마운트가 수납되도록 상기 밀봉 구조체와 동일한 굴절율을 갖는 재료로 기판에 체결함과 동시에 상기 오목부에 상기 재료를 충전하는 공정.
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