TWI387091B - 半導體發光裝置 - Google Patents

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Masanori Hoshino
Takeshi Sano
Toyomi Yamashita
Nobuyuki Suzuki
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Sanken Electric Co Ltd
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Description

半導體發光裝置
本發明涉及半導體發光裝置，尤其涉及作為液晶顯示裝置的背光、照明裝置等的發光源使用的半導體發光裝置。
在液晶顯示裝置的背光、一般室內照明等的發光源上傾向使用半導體發光裝置，具體來講使用發光二極體(LED：light emitting diodes)。發光二極體是耗電少、壽命長，而且不含汞等有害物質的考慮到環境的發光源。
背光和一般室內照明適合使用白色光，在以下專利文獻1揭示發出白色光的光源及照明裝置。該光源及照明裝置交替排列藍色發光二極體和紅色發光二極體，並具備覆蓋這些發光二極體的螢光濾光片。白色光係藉由混合從藍色發光二極體發出的藍色光、將該藍色光利用螢光濾光片進行了波長轉換的綠色光、及從紅色發光二極體發出的紅色光而生成。
專利文獻1：日本特開2000-275636號公報
然而，在上述專利文獻1揭示的光源及照明裝置中，藍色光、綠色光及紅色光的三色的混合不充分，尤其不被螢光濾光片吸收的紅色光直接被放射，因此不能得到對背光、一般室內照明最佳的白色光，在這一點上沒有進行考 慮。
本發明為解決上述問題而構成。因而，本發明提供一種提高從發光色不同的發光元件發出的光的混色性，並能發出亮度及色彩度高的白色光的半導體發光裝置。
為了解決上述問題，本發明實施形態第一特徵之半導體發光裝置，其特徵在於，具備：封裝基體，具有光射出方向開口之凹槽；複數個發光元件，係配置在凹槽之底部，且發光色彼此不同；第一透光性樹脂，在凹槽內之底部覆蓋複數個發光元件而配置，並含有螢光體；以及第二透光性樹脂，在凹槽內朝向開口側配置在第一透光性樹脂上，螢光體之含有量少於第一透光性樹脂，且具有較第一透光性樹脂厚之膜厚。
本發明實施形態第二特徵之半導體發光裝置，其特徵在於，具備：封裝基體，具有在光射出方向具第一開口之第一凹槽，及連接於第一凹槽之第一開口、在光射出方向具開口尺寸大於第一開口之第二開口、且較第一凹槽之深度深之第二凹槽；複數個發光元件，係配置在第一凹槽之底部，且發色光彼此不同；第一透光性樹脂，覆蓋複數個發光元件並填充於第一凹槽內，並含有螢光體；以及第二透光性樹脂，填充於第二凹槽內，螢光體之含有量少於第一透光性樹脂。
另外，在第二特徵的半導體發光裝置中，較佳為，第一凹槽之第一內側面係作為光反射面而使用，該光反射面之相對於第一凹槽之第一底面之第一內角係設定在鈍角之 範圍內，將從複數個發光元件發出之光反射至光射出方向，第二凹槽之第二內側面係作為光擴散面而使用，該光擴散面之相對於第二凹槽之第二底面之第二內角係設定為小於第一內角，將從複數個發光元件發出之光反射至與光射出方向交叉之方向。
在第一特徵或第二特徵的半導體發光裝置中，較佳為，第二透光性樹脂中含有擴散材。
另外，在第一特徵或第二特徵的半導體發光裝置中，較佳為，複數個發光元件具備發出藍色光之藍色發光元件與發出紅色光之紅色發光元件，螢光體吸收從藍色發光元件發出之光，並發出與該吸收前之光之波長不同之波長之光，從紅色發光元件發出之光之吸收率小於從藍色發光元件發出之光之吸收率。
而且，在第二特徵的半導體發光裝置中，較佳為，封裝基體具備具有第一凹槽、且具有導熱性之散熱體，及安裝在散熱體、具有第二凹槽、且具有光反射性之樹脂體。
根據本發明，能夠提供一種提高從發色光不同的發光元件發出的光的混色性，並能發出亮度及色彩度高的白色光的半導體發光裝置。
以下，參照附圖說明本發明的實施形態。在以下附圖的記載中，對相同或類似的部分標注了相同或類似的符號。只是，附圖係以示意方式表示，與現實不同。而且， 有時在附圖相互之間包含彼此的尺寸關係和比率不同的部分。
另外，以下所示的實施形態係舉例說明用於將本發明的技術思想具體化的裝置和方法，本發明的技術思想並沒有將各結構零件的配置等特定於以下方式。本發明的技術思想在申請專利範圍內可以追加各種變更。
本發明的實施形態說明將本發明應用於作為液晶顯示裝置的背光、一般照明裝置等的發光源而使用的半導體發光裝置的例子。
(半導體發光裝置的構造)
如圖1至圖3所示，本發明一實施形態的半導體發光裝置1具備：具有光射出方向Ae開口的凹槽(21R及22R)的封裝基體2；配置在凹槽的底部(第一凹槽21R)，且發光色彼此不同的多個發光元件3；在凹槽內的底部覆蓋多個發光元件3而配置，並含有螢光體的第一透光性樹脂61；以及在凹槽(第二凹槽22R)內配置在第一透光性樹脂61上，並且與第一透光性樹脂61相較螢光體的含有量少，且具有比第一透光性樹脂61厚的膜厚的第二透光性樹脂62。
封裝基體2具備：具有第一凹槽21R，並具有導熱性的散熱體21；以及安裝在散熱體21上，並具有第二凹槽22R，而且具有光反射性的樹脂體22。
散熱體21的第一凹槽21R是在光射出方向Ae具有第一開口21A，並在與光射出方向Ae相反的一側具有第一底面21B，並具有沿著第一開口21A及第一底面21B的周邊 配置的第一內側面21S的截面凹型形狀的收納部。在這裏，所謂光射出方向Ae是相對於第一底面21B垂直的方向，而且是從第一底面21B朝向第一開口21R的方向。
散熱體21具有作為封裝基體2的底基板的功能，並且具有將由於安裝在第一底面21B上的多個發光元件3的發光動作而產生的熱向外部發散的功能。第一凹槽21R的第一內側面21S具有將從多個發光元件3發出的光、主要是沿著第一底面21B發出的光向光射出方向Ae反射的反射面(反射鏡)的功能。在本實施形態中，在散熱體21上使用由例如導熱性優良的銅(Cu)合金材料構成的板材作為母體，並在其表面上形成有Ag鍍層、Pd鍍層或Rh鍍層。另外，雖然並不局限於該數值，但本實施形態的半導體發光裝置1的封裝基體2的長邊方向的尺寸L1例如設定為13.2mm-13.4mm，短邊方向的尺寸L2例如設定為5.2mm-5.4mm，厚度方向的尺寸L3例如設定為2.4mm-2.6mm。相對於該封裝基體2的尺寸，散熱體21的長邊方向的尺寸L4例如設定為11.3mm-11.5mm，短邊方向的尺寸L5例如設定為4.2mm-4.4mm，厚度方向的尺寸L6例如設定為1.4mm-1.6mm。而且，第一凹槽21R的第一底面21B的短邊方向(寬度方向)的尺寸L7設定為0.6mm-1.0mm，第一開口21A的短邊方向(寬度方向)的尺寸L8例如設定為1.4mm-1.8mm，第一凹槽21R的深度方向的尺寸L9例如設定為0.3mm-1.0mm。
樹脂體22在本實施形態中嵌入成型於散熱體21上， 將與散熱體21的配置有第一凹槽21R的一側相反的背面21BS露出，在散熱體21的側面周圍一體地成型，並直接向光射出方向Ae具有厚度。樹脂體22的第二凹槽22R是在光射出方向Ae具有第二開口22A，且在與光射出方向Ae相反的一側具有第二底面22B，並具有沿著第二開口22A及第二底面22B的周邊配置的第二內側面22S的截面凹型形狀的收納部。第二凹槽22R的第二底面22B與第一凹槽21R的第一開口21A連接。第二凹槽22R的第二底面22B及第二開口22A的平面尺寸設定為比第一凹槽21R的第一底面21B及第一開口21A的平面尺寸還大。
樹脂體22構成封裝基體2的外形形狀，並且還具有用於填充第二透光性樹脂62的阻擋件的功能。第二凹槽22R的第二內側面22S具有將從多個發光元件3發出的光向與光射出方向Ae交叉的方向反射，並在對向的第二內側面22S之間擴散光且使不同的發光色的光混色的光擴散面(反射鏡)的功能。在本實施形態中，樹脂體22實際上可以使用例如光反射性優良的被稱為白色樹脂的尼龍系樹脂、尤其是聚醯胺樹脂。
配置在樹脂體22上的第二凹槽22R的第二底面22B的短邊方向(寬度方向)的尺寸L10例如設定為3.9mm-4.3mm，第二開口22A的短邊方向(寬度方向)的尺寸L11例如設定為4.2mm-4.4mm，第二凹槽22R的深度方向的尺寸L12例如設定為0.9mm-1.1mm。該第二凹槽22R的深度方向的尺寸L12設定為比第一凹槽21R的深度方向的尺寸 L9深。即，可以將填充到第二凹槽22R的第二透光性樹脂62的膜厚設定為比填充到第一凹槽21R的第一透光性樹脂61厚。換言之，可以將第二透光性樹脂62的膜厚方向(光照射方向Ae)的光程設定為比第一透光性樹脂61的膜厚方向的光程長。
在散熱體21中，為了如上所述具有反射面的作用，第一凹槽21R的第一內側面(反射面)21S的相對於第一底面21B的第一內角a1設定在超過90度且不足180度的鈍角的範圍內。在本實施形態中，第一內角a1例如設定為130度-150度。在樹脂體22中，為了如上所述具有光擴散面的作用，第二凹槽22R的第二內側面(光擴散面)22S的相對於第二底面22B的第二內角a2設定為比第一內角a1小的角度，詳細來講設定在鈍角的範圍內。在本實施方式中，第二內角a2例如設定為90度-110度。
多個發光元件3在本實施形態中具有發出藍色光的藍色發光元件(藍色發光二極體)3B和發出與該藍色發光元件3B發出的藍色光不同的發光色即紅色光的紅色發光元件(紅色發光二極體)3R。藍色發光元件3B發出具有大約450nm-490nm的波長的藍色光。該藍色發光元件3B是例如在藍寶石基板上或矽基板上形成了InGaN系半導體的半導體晶片。紅色發光元件3R發出具有大約620nm-780nm的波長的紅色光。該紅色發光元件3R是例如在AlN基板上或藍寶石基板上形成有AlGaInP系半導體的半導體晶片。
這些半導體晶片具有例如0.3mm-0.4mm的一邊的長 度的正方形或長方形的平面形狀。而且，藍色發光元件3B、紅色發光元件3R如圖2所示，以例如1.2mm-1.3mm的排列間距安裝在散熱體21的第一凹槽21R的第一底面21B上，並沿長度方向排列成橫向一列。在本實施形態中，在圖2中從左側向右側，配置有兩個藍色發光元件3B、一個紅色發光元件3R、兩個藍色發光元件3B、一個紅色發光元件3R、兩個藍色發光元件3B，配置有6個藍色發光元件3B及2個紅色發光元件3R共8個發光元件。排列圖形並不限定，但在本實施形態中，每逢多個(2個)藍色發光元件3B設置一個紅色發光元件3R並反覆配置。而且，本實施形態的半導體發光裝置1具備8個發光元件3，但並不限定於該個數。
透光性樹脂6中填充到第一凹槽21R的第一透光性樹脂61覆蓋多個發光元件3而保護多個發光元件3免受外部環境的影響，並且含有主要吸收從藍色發光元件3B發出的一部分藍色光並轉換為其他波長的光的螢光體(未圖示)。第一透光性樹脂61由於利用灌注法將樹脂材滴下塗布並使其硬化而形成，因此在本實施形態中，利用硬化前的表面張力充滿至第一凹槽21R的第一開口21A的邊緣。
在本實施形態中，第一透光性樹脂61例如使用矽氧樹脂。而且，添加到矽氧樹脂中的螢光體使用例如能夠吸收一部分藍色光並發出作為補色系的具有約580nm-600nm的波長的黃色光的矽酸鹽系螢光體。螢光體最好以例如5重量%-40重量%的比率包含於第一透光性樹脂61中。而 且，螢光體可以使用YAG系螢光體、TAG系螢光體等。在這裏，作為補色系的光是可與單數或多數色的光混合而轉換為白色系色的光的色的光。
透光性樹脂6中填充到第二凹槽22R的第二透光性樹脂62主要將從藍色發光元件3B發出的藍色光、從紅色發光元件3R發出的紅色光、以及將藍色光的一部分利用第一透光性樹脂61轉換的黃色光的各個相互擴散並進行混色。第二透光性樹脂62中也可以以比第一透光性樹脂61的螢光體的含有量少的含有量含有螢光體，但在本實施形態中第二透光性樹脂62不含有螢光體。在第二透光性樹脂62中含有促進光的擴散性、混色性等的擴散材(未圖示)。 擴散材實際上可以使用例如二氧化矽的填充劑。擴散材最好以3重量%-10重量%的比率包含於第二透光性樹脂62中。
與第一透光性樹脂61同樣，第二透光性樹脂62利用灌注法將樹脂材滴下塗布並使其硬化而形成，因此在本實施形態中，利用硬化前的表面張力充滿至第二凹槽22R的第二開口22A的邊緣。
在封裝基體2的樹脂體22上配置引腳4，該引腳4其一端側(內引腳)配置在第二凹槽22的第二底面22B上，且另一端側(外引腳)向樹脂體22的外部突出而成型。引腳4的一端側通過引線5與多個發光元件3的陽極電極(未圖示)或陰極電極(未圖示)電氣連接。引腳4的另一端側在本實施形態中成型為鷗翼形狀。
引腳4例如使用Cu合金材料之板材而構成。至少在引腳4的一端側及另一端側的連接處配置有Ag鍍膜。引線5例如使用Au引線、Pd引線或Rh引線。引線5使用超音波接合法與多個發光元件3的陽極電極或陰極電極電氣連接且機械連接。
(半導體發光裝置的發光動作)
其次，上述半導體發光裝置1的發光動作如下所述。在半導體發光裝置1中，通過引腳4及引線5開始進行多個發光元件3的陽極電極-陰極電極的通電。藉此，藍色發光元件3B的發光動作開始進行，從藍色發光元件3B發出藍色光，並且紅色發光元件3R的發光動作開始進行，從紅色發光元件3R發出紅色光。
從藍色發光元件3B發出的藍色光在第一凹槽21R的第一透光性樹脂61內，向光射出方向Ae直接射出，並且在第一凹槽21R的第一內側面21S反射之後向光射出方向Ae射出。同樣，從紅色發光元件3R發出的紅色光在第一凹槽21R的第一透光性樹脂61內，向光射出方向Ae直接射出，並且在第一凹槽21R的第一內側面21S反射之後向光射出方向Ae射出。從藍色發光元件3B發出的一部分藍色光被螢光體吸收，從該螢光體發出補色系的黃色光。該藍色光、紅色光及黃色光在第一透光性樹脂61內進行混色而生成白色光，該白色光向第二凹槽22R的第二透光性樹脂62射出。
在第二透光性樹脂62中含有擴散材，而且第二凹槽22的第二內側面22S的相對於第二底面22B的第二內角a2設 定為比第一凹槽21R的第一內側面21S的第一內角a1還小，所以向與光射出方向Ae交叉的方向的白色光的擴散性及混色性被放大。而且，由於第二透光性樹脂62的膜厚設定為比第一透光性樹脂61還大，因此放大白色光的擴散性及混色性的期間變長。即，藍色光、紅色光及黃色光在第二透光性樹脂62內進行混色至實際應用上沒問題的範圍之後，從第二透光性樹脂62向光射出方向Ae射出，在本實施形態的半導體發光裝置1中能夠射出實際上看不見藍色光和紅色光的完全的白色光。
(實驗例)
上述本實施形態的半導體發光裝置1的有關混色性的特徵從以下實施的實驗結果中將更加明確。
圖4至圖7是用於實驗的樣品。圖4是本實施形態的半導體發光裝置1的截面圖，如上所述，半導體發光裝置1具備填充到第一凹槽21R內的第一透光性樹脂61和填充到第二凹槽22R內的第二透光性樹脂62。
圖5至圖7是作為本實施形態的半導體發光裝置1的比較例而製作的半導體發光裝置11-13。圖5所示的半導體發光裝置11(比較例1)雖然基本上類似於本實施形態的半導體發光裝置1，但是半導體發光裝置11的第二凹槽22R的深度方向的尺寸L13設定為半導體發光裝置1的第二凹槽22R的深度方向的尺寸L12的1/2的深度，並且填充到第二凹槽22R的第二透光性樹脂62的膜厚設定為1/2。
圖6所示的半導體發光裝置12(比較例2)除去半導 體發光裝置1的第二凹槽22R及第二透光性樹脂62，只具備第一凹槽21R及填充到其中的第一透光性樹脂61。圖7所示的半導體發光裝置13(比較例3)雖然具備半導體發光裝置1的第一凹槽21R及第二凹槽22R，但是在該第一凹槽21R及第二凹槽22R中僅填充了相當於第二透光性樹脂62的一種透光性樹脂62A。
圖8是表示半導體發光裝置的光射出面上的相對色度的圖表。橫軸是從上述圖2所示的封裝基體2的右側的A地點到左側的B地點的測定位置，縱軸是假設藍色發光元件3B上的色度為零時的相對色度y。圖9是表示半導體發光裝置的光射出面上的藍色發光元件3B的位置與紅色發光元件3R的位置的色度差的圖表。橫軸是本實施形態的半導體發光裝置1、比較例1-3的半導體發光裝置11-13，縱軸是色度差。
如圖8所示，在A地點側的配置有藍色發光元件3B的位置以色度成為零的方式調節圖表，則在B地點側的配置有紅色發光元件3R的位置在半導體發光裝置1及比較例1-3的半導體發光裝置11-13上產生色度差。如圖9所示，配置有藍色發光元件3B的位置與配置有紅色發光元件3R的位置的色度差在本實施形態的半導體發光裝置1中約為0.062-0.063，色度差最小。
相對此，比較例1的半導體發光裝置11的色度差由於第二凹槽22R的深度變淺且第二透光性樹脂62的膜厚變薄的影響而稍微變高，約為0.073-0.074。比較例2的半導體 發光裝置12的色度差由於除去第二凹槽22R及第二透光性樹脂62，因此沒有變高擴散性及混色性，因而進一步變高，約為0.077-0.078。而且，比較例3的半導體發光裝置13的色度差由於未生成由填充到第一凹槽21R的第一透光性樹脂61引起的補色系的黃色光，所以缺乏混色性，最高約為0.094-0.095。
如以上所說明，在本實施形態的半導體發光裝置1中，具備含有螢光體的第一透光性樹脂61而提高從發光色不同的多個發光元件3發出的光的混色性，而且具備含有擴散材的第二透光性樹脂62而能進一步提高光的混色性，所以能夠發出亮度及色彩度高的白色光。
而且，在半導體發光裝置1中，將第二凹槽22R的第二內側面22S相對於第一凹槽21R的第一內側面21S設定為陡峭的角度，能夠進一步提高光的擴散性及混色性。
另外，在半導體發光裝置1中，將第二凹槽22R的深度設定為比第一凹槽21R的深度深，並將第二透光性樹脂62的膜厚設定為比第一透光性樹脂61厚，所以能夠進一步提高第二透光性樹脂61內的光的擴散性及混色性。
(其他實施形態)
如上所述，雖然根據一個實施形態記載了本發明，但是構成該揭示的一部分的論述及附圖並不限定本發明。本發明可應用於各種代替實施形態、實施例及運用技術中。例如，在上述實施形態中，說明了將本發明應用於將共8個發光元件3排列成橫向一列的半導體發光裝置1的例 子，但是本發明並不限定於此，也可以應用於將8個以外的多個發光元件排列成多列的半導體發光裝置1。
而且，本發明並不限定於藍色發光元件3B及紅色發光元件3R的兩種發光元件，可以應用於具備藍色發光元件3B、紅色發光元件3R及綠色發光元件的三種發光元件的半導體發光裝置。
另外，本發明可應用於具備與第二凹槽22R連接的第三凹槽，並在該第三凹槽內填充了光的擴散性及混色性優良的透光性樹脂的半導體發光裝置。
1‧‧‧半導體發光裝置
2‧‧‧封裝基體
21‧‧‧散熱體
21R‧‧‧第一凹槽
21A‧‧‧第一開口
21B‧‧‧第一底面
21S‧‧‧第一內側面
22‧‧‧樹脂體
22R‧‧‧第二凹槽
22A‧‧‧第二開口
22B‧‧‧第二底面
22S‧‧‧第二內側面
3‧‧‧發光元件
3B‧‧‧藍色發光元件
3R‧‧‧紅色發光元件
4‧‧‧引腳
5‧‧‧引線
6‧‧‧透光性樹脂
61‧‧‧第一透光性樹脂
62‧‧‧第二透光性樹脂
圖1是本發明一實施形態的半導體發光裝置的截面圖(用圖2所示的F1-F1切斷線切割的截面圖)。
圖2是圖1所示的半導體發光裝置的俯視圖。
圖3是圖1所示的半導體發光裝置的一部分截面的立體圖。
圖4是一實施形態的半導體發光裝置的截面圖。
圖5是比較例1的半導體發光裝置的截面圖。
圖6是比較例2的半導體發光裝置的截面圖。
圖7是比較例3的半導體發光裝置的截面圖。
圖8是表示一實施形態的半導體發光裝置及比較例1至比較例3的半導體發光裝置的相對色度的圖表。
圖9是表示根據圖8所示的圖表的色度差的圖表。
Ae‧‧‧光射出方向
1‧‧‧半導體發光裝置
2‧‧‧封裝基體
21‧‧‧散熱體
21R‧‧‧第一凹槽
21A‧‧‧第一開口
21B‧‧‧第一底面
21BS‧‧‧背面
21S‧‧‧第一內側面
22‧‧‧數脂體
22R‧‧‧第2凹槽
3‧‧‧發光元件
4‧‧‧引腳
5‧‧‧引線
6‧‧‧透光性樹脂
61‧‧‧第一透光性樹脂
62‧‧‧第二透光性樹脂

Claims (6)

  1. 一種半導體發光裝置，其特徵在於，具備：封裝基體，具有光射出方向開口之凹槽；複數個發光元件，係配置在該凹槽之底部，且發光色彼此不同；第一透光性樹脂，在該凹槽內之該底部覆蓋該複數個發光元件而配置，並含有螢光體；以及第二透光性樹脂，在該凹槽內朝向該開口側配置在該第一透光性樹脂上，螢光體之含有量少於該第一透光性樹脂，且具有較該第一透光性樹脂厚之膜厚。
  2. 一種半導體發光裝置，其特徵在於，具備：封裝基體，具有在光射出方向具第一開口之第一凹槽，及連接於該第一凹槽之第一開口、在該光射出方向具開口尺寸大於該第一開口之第二開口、且較該第一凹槽之深度深之第二凹槽；複數個發光元件，係配置在該第一凹槽之底部，且發色光彼此不同；第一透光性樹脂，覆蓋該複數個發光元件並填充於該第一凹槽內，並含有螢光體；以及第二透光性樹脂，填充於該第二凹槽內，螢光體之含有量少於該第一透光性樹脂。
  3. 如申請專利範圍第2項之半導體發光裝置，其中，該第一凹槽之第一內側面係作為光反射面而使用，該光反射面之相對於該第一凹槽之第一底面之第一內角係設定在 鈍角之範圍內，將從該複數個發光元件發出之光反射至該光射出方向，該第二凹槽之第二內側面係作為光擴散面而使用，該光擴散面之相對於該第二凹槽之第二底面之第二內角係設定為小於該第一內角，將從該複數個發光元件發出之光反射至與該光射出方向交叉之方向。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體發光裝置，其中，該第二透光性樹脂中含有擴散材。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體發光裝置，其中，該複數個發光元件具備發出藍色光之藍色發光元件與發出紅色光之紅色發光元件，該螢光體吸收從該藍色發光元件發出之光，並發出與該吸收前之光之波長不同之波長之光，從該紅色發光元件發出之光之吸收率小於從該藍色發光元件發出之光之吸收率。
  6. 如申請專利範圍第2或3項之半導體發光裝置，其中，該封裝基體具備具有該第一凹槽、且具有導熱性之散熱體，及安裝在該散熱體、具有該第二凹槽、且具有光反射性之樹脂體。
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