JP2007324220A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の取り出し効率の向上を実現し、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体装置１Ａにおいて、凹部２ａを有する配線基板２と、凹部２ａに収容され、光を放射する発光素子３と、発光素子３を封止するように凹部２ａに設けられ、発光素子３から放射された光の波長を変換する蛍光体４ａを含有し、発光素子３から放射された光を放出する面であって粗面化された放出面４ｂを有する透光封止部材４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子を備える光半導体装置に関する。

光半導体装置は、照明や表示装置等の様々な装置の光源として広い分野で用いられている。この光半導体装置としては、発光素子により放射された光と、その光により励起された蛍光体により放射された光とを併せて白色光等を得る光半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような光半導体装置は、発光ダイオード等の発光素子と、その発光素子を収容する凹部を有する配線基板とを備えている。その凹部には、発光素子を封止する透光封止部材が設けられている。この透光封止部材は、粒子状の蛍光体を混合した透光性樹脂材料により形成されている。
特開２００５−１３６００６号公報

しかしながら、前述の光半導体装置では、発光素子により放射された光が透光封止部材から大気に放出される際、例えば、透光封止部材の界面まで達した光の５０％が透光封止部材から大気（空気層）に放出されないため、透光封止部材から大気への光の取り出し効率が十分でない。この原因は、透光封止部材と大気との屈折率差によりそれらの界面で光の全反射が発生するためである。

さらに、大気に放出されなかった光が熱として変換されるため、その熱により光半導体装置の温度が上昇し、発光素子や蛍光体の発光効率が低下してしまう。加えて、透光封止部材の熱劣化も発生してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、光の取り出し効率の向上を実現し、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる光半導体装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、光半導体装置において、凹部を有する配線基板と、凹部に収容され、光を放射する発光素子と、発光素子を封止するように凹部に設けられ、発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光体を含有し、発光素子から放射された光を放出する面であって粗面化された放出面を有する透光封止部材とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、光半導体装置において、凹部を有する配線基板と、凹部に収容され、光を放射する発光素子と、発光素子を封止するように凹部に設けられ、発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光体を含有し、発光素子から放射された光を放出する放出面を有する透光封止部材と、透光封止部材の放出面上に設けられ、放出面から放出されて入射した光を出射する面であって粗面化された出射面を有する透光部材とを備えることである。

本発明によれば、光の取り出し効率の向上を実現し、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置１Ａは、凹部２ａを有する配線基板２と、凹部２ａに収容され、光を放射する発光素子３と、その発光素子３を封止するように凹部２ａに設けられ、発光素子３から放射された光の波長を変換する蛍光体４ａを含有し、発光素子３から放射された光を放出する面であって粗面化された放出面４ｂを有する透光封止部材４と、凹部２ａの底面から外部まで伸びるように形成され、発光素子３にそれぞれ接続された一対のリード部５、６とを備えている。

配線基板２は、その略中央に位置付けて設けられた凹部２ａと、その凹部２ａの側面から外部まで貫通する貫通部２ｂとを有している。凹部２ａは、例えばカップ形状、すなわち逆円錐台形状に形成されており、その内部に発光素子３を収容する収容部である。この凹部２ａの側面は、凹部２ａの底面から外部に向かって傾斜しており、発光素子３により放射された光を透光封止部材４の放出面４ｂに向けて反射する反射面として機能する。また、貫通部２ｂは、凹部２ａの底面に略平行に形成されており、リード部５、６を引き出すための貫通孔である。この貫通部２ｂには、リード部５、６が挿入されて設けられている。このような配線基板２は、例えば熱可塑性樹脂等のモールド樹脂により形成されている。

発光素子３は、凹部２ａの底面の略中央に位置付けられてリード部５上に設けられている。この発光素子３の底面電極（図２中の下面）は、例えば銀ペースト等の接合部材７（図２参照）によりリード部５に接合されて電気的に接続されている。また、発光素子３の表面電極（図２中の上面）は、例えば金ワイヤ等の接続部材８によりリード部６に電気的に接続されている。なお、発光素子３としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いる。

透光封止部材４は、凹部２ａに設けられて発光素子３を封止する封止部材であり、粒子状の蛍光体４ａを複数有している。この透光封止部材４は、例えば粒子状の蛍光体４ａを混合した蛍光体混合樹脂等の透光性樹脂材料により形成されている。透光性樹脂材料としては、例えば、熱硬化性シリコーン樹脂等を用いる。蛍光体４ａは、発光素子３の光の波長よりも長い波長を有する光を放出する。この蛍光体４ａとしては、例えば青色の光を放射する発光素子３を用いた場合、黄色の蛍光体を用いたり、黄色の蛍光体及び赤色の蛍光体の両方を用いたりする。

透光封止部材４の放出面４ｂは、大気に接する露出面であり、発光素子３から放射された光を放出する光取り出し面である。この放出面４ｂは、粗面化処理により透光封止部材４の表面に不揃い（ランダム）に凹凸を設けることによって粗面化されている。この凹凸は、例えば断面三角形状に形成されている。このような放出面４ｂの粗さ（Ｒｚ：最大高さ）は１μｍ以上である。これは、放出面４ｂの粗さを可視光の波長（約３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍ）より大きく、すなわち１μｍ以上にする必要があるためである。

ここで、粗面化処理としては、例えば、透光封止部材４の表面に対してサンドブラストを行うサンドブラスト加工処理、粗面を有する型枠に材料を流し込み硬化させる型枠加工処理、半硬化状態の材料の表面に対して粗面を有する型を押し当てて粗面形状を転写する転写加工処理及び透光封止部材４の表面に対してゾル状樹脂を噴き付ける噴付加工処理等を用いる。

一対のリード部５、６は、発光素子３に外部から電力を供給するためのリードフレームである。これらのリード部５、６は、配線基板２の貫通部２ｂに挿入されて配線基板２に設けられており、凹部２ａの底面から外部までそれぞれ引き出されている。このような一対のリード部５、６は、例えば銅等の金属材料により形成されている。

次いで、光半導体装置１Ａの製造工程について説明する。

最初に、例えばインジェクションモールド法を用いて、熱可塑性樹脂材料により一対のリード部５、６の一部を囲み凹部２ａを形成するように配線基板２を成型する。次に、凹部２ａの底面に位置するリード部５の表面に例えば銀ペースト等の接合部材７を塗布し、その上に発光素子３を載置して約１５０℃で２時間加熱する。次いで、例えば直径２５μｍ程度の金ワイヤ等の接続部材８により、発光素子３の上面電極とリード部６とを電気的に接続する。その後、蛍光体４ａを例えば０．３ｍｇ程度含んだ熱硬化性シリコーン樹脂を凹部２ａの内部に充填し、約１５０℃で２時間加熱し硬化させ、透光封止部材４を形成する。最後に、例えばサンドブラスト処理により、透光封止部材４の表面である放出面４ｂを粗面化する。これにより、光半導体装置１Ａが完成する。

ここで、一対のリード部５、６としては、例えば、表面に厚さ２μｍの銀メッキを施した厚さ１５０μｍのリード部５、６を用いる。また、発光素子３としては、例えば正方形の発光面の一辺が３００μｍであり、代表波長が４６０ｎｍである青色の発光ダイオードを用いる。さらに、蛍光体４ａとしては、例えば、青色光を代表波長５７０μｍの黄色光に変換する黄色の蛍光体を用いる。また、配線基板２の凹部２ａの深さは、例えば０．６ｍｍであり、その凹部２ａの側面の傾斜角度は６０度である。透光封止部材４の放出面４ｂの表面粗さは、例えば約３０μｍである。

次に、このような光半導体装置１Ａの発光動作について説明する。

一対のリード部５、６に電圧が印加され、発光素子３に電力が供給されると、発光素子３は光を放射する。その光の一部は、透光封止部材４を通過してその放出面４ｂから放出され、他の一部は、凹部２ａの側面により反射されて放出面４ｂから放出される。このとき、光の一部が蛍光体４ａに入射する。これにより、蛍光体４ａは励起されて光を放射する。その光の一部も、透光封止部材４を通過してその放出面４ｂから放出され、他の一部も凹部２ａの側面により反射されて放出面４ｂから放出される。

このようにして、発光素子３により放射された光と、その光により励起された蛍光体４ａにより放射された光とが混合されて、透光封止部材４の放出面４ｂから放出される。このとき、透光封止部材４の放出面４ｂが粗面化されているので、その放出面４ｂの凹凸により、放出面４ｂと空気層との界面での全反射の発生が抑えられる。これにより、光の取り出し効率が向上する。

ここで、例えば１５０ｍＡの駆動電流を発光素子３に供給すると、光半導体装置１Ａの全光束は約２２ルーメンとなる。この全光束は、放出面４ｂが平坦である光半導体装置に比べて１０％程度向上している。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、透光封止部材４の放出面４ｂを粗面化することによって、放出面４ｂと空気層との界面での全反射の発生が抑えられるので、光の取り出し効率を向上させることができ、その結果として、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる。

また、放出面４ｂの粗さ（Ｒｚ：最大高さ）が１μｍ以上であることから、その粗さが可視光の波長（約３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍ）より大きくなるので、可視光の取り出し効率を確実に向上させることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図３及び図４を参照して説明する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。

図３及び図４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る光半導体装置１Ｂでは、透光封止部材４の放出面４ｂが平坦に形成されている。加えて、透光封止部材４の放出面４ｂ上には、その放出面４ｂから放出されて入射した光を出射する面であって粗面化された出射面１１ａを有する透光部材１１が設けられている。

透光部材１１は、透光封止部材４の放出面４ｂを覆うようにその放出面４ｂ上に接着用の透光接着部材１２により接合されている。この透光部材１１は、例えば熱硬化性シリコーン樹脂や熱硬化性エポキシ樹脂等の透光性樹脂材料により形成されている。

透光接着部材１２は、透光封止部材４の放出面４ｂと透光部材１１との間に設けられている。これにより、透光封止部材４と透光部材１１との接着度が増加するので、光半導体装置１Ｂの機械強度を向上させることができる。なお、透光接着部材１２は、例えば透光性樹脂材料により形成されている。この透光性樹脂材料としては、透光部材１１の屈折率≦透光接着部材１２の屈折率≦透光封止部材４の屈折率という関係式が成り立つような透光性樹脂材料を用いる。

透光部材１１の出射面１１ａは、大気に接する表面であり、透光封止部材４の放出面４ｂから放出されて入射した光を出射する光取り出し面である。この出射面１１ａは、粗面化処理により透光部材１１の表面に不揃い（ランダム）に凹凸を設けることによって粗面化されている。この凹凸は、例えば断面三角形状に形成されている。このような出射面１１ａの粗さ（Ｒｚ：最大高さ）は１μｍ以上である。これは、出射面１１ａの粗さを可視光の波長（約３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍ）より大きく、すなわち１μｍ以上にする必要があるためである。

ここで、粗面化処理としては、例えば、透光部材１１の表面に対してサンドブラストを行うサンドブラスト加工処理、粗面を有する型枠に材料を流し込み硬化させる型枠加工処理、半硬化状態の材料の表面に対して粗面を有する型を押し当てて粗面形状を転写する転写加工処理及び透光部材１１の表面に対してゾル状樹脂を噴き付ける噴付加工処理等を用いる。

透光部材１１の屈折率は、大気の屈折率以上であって透光封止部材４の屈折率以下である。すなわち、透光部材１１は、大気の屈折率≦透光部材１１の屈折率≦透光封止部材４の屈折率≦発光素子３の屈折率という関係式が成り立つように形成されている。なお、大気の屈折率は１．０であり、発光素子３の屈折率（素子基板の屈折率）は約２．５である。

ここで、透光封止部材４の透光性樹脂材料としては、例えば、屈折率が約１．４である熱硬化性シリコーン樹脂又は屈折率が約１．５であるフェニル基を含有しない熱硬化性エポキシ樹脂を用いる場合がある。この場合、透光部材１１の透光性樹脂材料としては、１．０≦透光部材１１の屈折率≦１．４（または１．５）≦２．５という関係式が成り立つような透光性樹脂材料を用いる。例えば、透光部材１１の透光性樹脂材料としては、前述の熱硬化性シリコーン樹脂又は前述の熱硬化性エポキシ樹脂に含まれるＣ−Ｈ結合における水素原子の一部をフッ素原子で置換して、低屈折率化させた透光性樹脂を用いる。

また、透光部材１１の透光性樹脂材料としては、例えば、屈折率が約１．４である熱硬化性シリコーン樹脂、又は屈折率が約１．５であるフェニル基を含有しない熱硬化性エポキシ樹脂を用いる場合がある。この場合、透光封止部材４の透光性樹脂材料としては、１．０≦１．４≦透光封止部材４の屈折率≦２．５の関係式が成り立つような透光性樹脂材料を用いる。例えば、透光封止部材４の透光性樹脂材料としては、前述の熱硬化性シリコーン樹脂又は前述の熱硬化性エポキシ樹脂に含まれるＣ−Ｈ結合における水素原子の一部をフッ素原子以外のハロゲン元素（塩素、臭素、要素）もしくはイオウで置換して、高屈折率化させた透光性樹脂を用いる。

次いで、光半導体装置１Ｂの製造工程について説明する。

最初に、例えばインジェクションモールド法を用いて、熱可塑性樹脂材料により一対のリード部５、６の一部を囲み凹部２ａを形成するように配線基板２を成型する。次に、凹部２ａの底面に位置するリード部５の表面に例えば銀ペースト等の接合部材７を塗布し、その上に発光素子３を載置して約１５０℃で２時間加熱する。次いで、例えば直径２５μｍ程度の金ワイヤ等の接続部材８により、発光素子３の上面電極とリード部６とを電気的に接続する。その後、蛍光体４ａを例えば０．３ｍｇ程度含んだ熱硬化性シリコーン樹脂を凹部２ａの内部に充填し、約１００℃で１時間加熱し半硬化させ、透光封止部材４を形成する。

最後に、透光封止部材４の放出面４ｂ上に透光接着部材１２を塗布し、透光部材１１を搭載して、約１５０℃で２時間加熱し透光封止部材４を本硬化させるとともに、透光部材１１と透光封止部材４とを接着する。これにより、光半導体装置１Ｂが完成する。なお、透光封止部材４は予めモールド成型されており、例えばサンドブラスト処理によりその片面である出射面１１ａが粗面化されている。

ここで、一対のリード部５、６としては、例えば、表面に厚さ２μｍの銀メッキを施した厚さ１５０μｍのリード部５、６を用いる。また、発光素子３としては、例えば正方形の発光面の一辺が３００μｍであり、代表波長が４６０ｎｍである青色の発光ダイオードを用いる。さらに、蛍光体４ａとしては、例えば、青色光を代表波長５７０μｍの黄色光に変換する黄色の蛍光体を用いる。また、配線基板２の凹部２ａの深さは、例えば０．６ｍｍであり、その凹部２ａの側面の傾斜角度は６０度である。透光部材１１の寸法は、例えば、直径２．５ｍｍであり、厚さ０．５ｍｍであり、透光部材１１の出射面１１ａの表面粗さは、例えば約３０μｍである。

次に、このような光半導体装置１Ｂの発光動作について説明する。

一対のリード部５、６に電圧が印加され、発光素子３に電力が供給されると、発光素子３は光を放射する。その光の一部は、透光封止部材４を通過してその放出面４ｂから放出され、他の一部は、凹部２ａの側面により反射されてその放出面４ｂから放出される。このとき、光の一部が蛍光体４ａに入射する。これにより、蛍光体４ａは励起されて光を放射する。その光の一部も、透光封止部材４を通過してその放出面４ｂから放出され、他の一部も凹部２ａの側面により反射されて放出面４ｂから放出される。

このようにして、発光素子３により放射された光と、その光により励起された蛍光体４ａにより放射された光とが混合されて、透光封止部材４の放出面４ｂから放出される。この放出面４ｂから放出された光は、透光部材１１に入射してその内部を通過し、透光部材１１の出射面１１ａから出射される。このとき、透光部材１１の出射面１１ａが粗面化されているので、その出射面１１ａの凹凸により、出射面１１ａと空気層との界面での全反射の発生が抑えられる。これにより、光の取り出し効率が向上する。

ここで、例えば１５０ｍＡの駆動電流を発光素子３に供給すると、光半導体装置１Ｂの全光束は約２２ルーメンとなる。この全光束は、放出面４ｂが平坦であって透光部材１１を備えていない光半導体装置に比べて１０％程度向上している。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、透光部材１１の出射面１１ａを粗面化することによって、その出射面１１ａと空気層との界面での全反射の発生が抑えられるので、光の取り出し効率を向上させることができ、その結果として、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる。さらに、透光部材１１の出射面１１ａを粗面化すればよく、透光封止部材４上に透光部材１１を載置する前に、透光部材１１の出射面１１ａを粗面化する粗面化処理を行うことが可能である。これにより、粗面化処理を容易に行うことができ、特に、光半導体装置１Ｂを製造する工程と別工程で行うことができる。

また、出射面１１ａの粗さ（Ｒｚ：最大高さ）が１μｍ以上であることから、その粗さが可視光の波長（約３８０ｎｍ〜約７８０ｎｍ）より大きくなるので、可視光の取り出し効率を確実に向上させることができる。

さらに、透光部材１１の屈折率が大気の屈折率以上であって透光封止部材４の屈折率以下であることから、大気及び透光封止部材４に対する透光部材１１の屈折率差が大気と透光封止部材４との屈折率差より大きくなることを抑えることが可能になるので、透光部材１１を設けることによる全反射の発生頻度の上昇を防止することができる。さらに、透光部材１１の屈折率を大気の屈折率より大きく透光封止部材４の屈折率より小さくすることによって、透光部材１１により急激な屈折率の変化を抑えることが可能になる。これにより、透光部材１１を備えていない光半導体装置、すなわち光が透光封止部材４の放出面４ｂから直接大気中に放出される場合に比べ、全反射の発生がさらに抑えられるので、確実に光の取り出し効率を向上させることができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の実施の形態においては、各種の数値を挙げているが、それらの数値は例示であり、限定されるものではない。

また、前述の第１の実施の形態においては、透光封止部材４の放出面４ｂに設ける凹凸を断面三角形状に形成しているが、これに限るものではなく、例えば、断面半円形状や断面四角形状に形成するようにしてもよい。

また、前述の第２の実施の形態においては、透光部材１１の出射面１１ａに設ける凹凸を断面三角形状に形成しているが、これに限るものではなく、例えば、断面半円形状や断面四角形状に形成するようにしてもよい。

最後に、前述の第２の実施の形態においては、透光封止部材４の放出面４ｂの上に透光接着部材１２により透光部材１１を接合しているが、これに限るものではなく、例えば、透光接着部材１２を用いずに、透光封止部材４及び透光部材１１を予めそれぞれ仮硬化させておき、透光封止部材４上に透光部材１１を載置し、その後、加熱接着及び本硬化させることにより、透光封止部材４の放出面４ｂの上に透光部材１１を接合するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置の概略構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光半導体装置の概略構成を示す斜視図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…光半導体装置、２…配線基板、２ａ…凹部、３…発光素子、４…透光封止部材、４ａ…蛍光体、４ｂ…放出面、１１…透光部材、１１ａ…出射面

Claims (5)

1. 凹部を有する配線基板と、
   前記凹部に収容され、光を放射する発光素子と、
   前記発光素子を封止するように前記凹部に設けられ、前記発光素子から放射された前記光の波長を変換する蛍光体を含有し、前記発光素子から放射された前記光を放出する面であって粗面化された放出面を有する透光封止部材と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記放出面の粗さは１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 凹部を有する配線基板と、
   前記凹部に収容され、光を放射する発光素子と、
   前記発光素子を封止するように前記凹部に設けられ、前記発光素子から放射された前記光の波長を変換する蛍光体を含有し、前記発光素子から放射された前記光を放出する放出面を有する透光封止部材と、
   前記透光封止部材の前記放出面上に設けられ、前記放出面から放出されて入射した前記光を出射する面であって粗面化された出射面を有する透光部材と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置。
4. 前記出射面の粗さは１μｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
5. 前記透光部材の屈折率は、大気の屈折率以上であって前記透光封止部材の屈折率以下であることを特徴とする請求項３又は４記載の光半導体装置。

Images