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JP2008060344A - 半導体発光装置 - Google Patents

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JP2008060344A JP2006235744A JP2006235744A JP2008060344A JP 2008060344 A JP2008060344 A JP 2008060344A JP 2006235744 A JP2006235744 A JP 2006235744A JP 2006235744 A JP2006235744 A JP 2006235744A JP 2008060344 A JP2008060344 A JP 2008060344A
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light emitting
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Hiroaki Oshio
博明 押尾
Iwao Matsumoto
岩夫 松本
Mitsuhiro Naeshiro
光博 苗代
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Toyoda Gosei Co Ltd
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Toshiba Corp
Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

【課題】信頼性が改善された半導体発光装置を提供する。
【解決手段】リードと、前記リードと一体成形され、段差が設けられた側面を有する凹部が形成された樹脂からなる成形体と、前記凹部内に露出した前記リードにマウントされた半導体発光素子と、前記成形体の前記凹部の内部の表面の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記成形体の前記凹部の内部の表面よりも高い反射率を有する樹脂層と、前記樹脂層と、前記半導体発光素子と、を覆うように前記凹部内に充填された封止樹脂層と、を備えたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。
半導体発光装置の用途は、車載用途を含む照明、液晶表示装置用バックライト、インジケータなどと急速に拡大している。これらの用途に対応するために、青色光や紫外線を発光する半導体発光素子を用いた半導体発光装置の光出力の進歩はめざましい。この用途の半導体発光装置には、小型化のため表面実装型(Surface Mount Device:SMD)が用いられることが多い。
表面実装型の半導体発光装置は、熱可塑性樹脂からなる成形体、リード、封止樹脂層、半導体発光素子を含んでいる。
ところが、このような半導体発光装置において、発光素子の高出力化に伴い、半導体発光装置からの光出力が経時的に低下する傾向があることが判明した。
コーティング部材を半導体発光素子と非接触となるような構造とし、反射率の低下を抑え、光出力の低下を防止しながら、さらに半導体装置やパッケージ成形体における構成部材の剥離を防止する半導体装置に関する技術開示例がある(特許文献1)。
特開2005−136379号公報
本発明は、信頼性が改善された半導体発光装置を提供する。
本発明の一態様によれば、リードと、前記リードと一体成形され、段差が設けられた側面を有する凹部が形成された樹脂からなる成形体と、前記凹部内に露出した前記リードにマウントされた半導体発光素子と、前記成形体の前記凹部の内部の表面の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記成形体の前記凹部の内部の表面よりも高い反射率を有する樹脂層と、前記樹脂層と、前記半導体発光素子と、を覆うように前記凹部内に充填された封止樹脂層と、を備えたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
本発明により、信頼性が改善された半導体発光装置が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明する。
図1は、本発明の第1具体例にかかる半導体発光装置を表し、同図(a)は模式平面図、同図(b)は鎖線AAに沿う模式断面図である。
半導体発光装置は、半導体発光素子10、第1リード22、第2リード27、熱可塑性樹脂などからなる成形体50、反射フィラー含有樹脂層52、封止樹脂層54を少なくとも含む。なお、図1(a)においては、説明を容易にするために、反射フィラー含有樹脂層52及び封止樹脂層54を表示しない。
第1リード22は熱可塑性樹脂からなる成形体50と一体成形されており、インナーリード21とその外部のアウターリード20とを含む。また、同様に一体成形された第2リード27もインナーリード26とアウターリード25とを含む。第1リード22のインナーリード21の先端部分には、導電性接着剤またはAuSnのような共晶半田により半導体発光素子10がマウントされている。半導体発光素子10の電極(図示せず)は、ボンディングワイヤ14により第2リード27のインナーリード26の先端部分と接続されている。なお、半導体発光素子10の裏面側で電気的な接続を形成する必要がない場合には、導電性接着剤のかわりに非導電性接着剤を用いて半導体発光素子10をマウントしてもよい。
熱可塑性樹脂の材料としては、例えば、ポリフタルアミド(PPA)などのナイロン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、液晶ポリマなどの耐熱性材料を挙げることができる。これら熱可塑性樹脂の種類に合わせて、インサート成形、射出成形、押し出し成形などの中から適正な成形方法が選択される。本具体例においては、PPAからなる材料を用いたインサート成形により成形体50が形成されている。なお、図1(b)に表したように、成形体50の裏面(図1(b)において下方の面)には、凹部が形成されている。これは成形体50を鋳型によりモールドする際の樹脂の注入口(ゲート)の部分である。凹部の底部にゲートを設け、ここを切断して注入部分から切り離すことにより、切断部のバリなどが裏面に突出することを防止でき、半導体発光装置を実装部材などにマウントする際にバリなどが実装部材にあたることを防止できる。
熱可塑性樹脂からなる成形体50の凹部51の側壁及び底面と、凹部51に露出しているインナーリード21及び26は、半導体発光素子10の近傍を除いた領域が反射フィラー含有樹脂層52により被覆されている。反射フィラー含有樹脂層52に用いる樹脂の材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリレート樹脂などを挙げることができる。
また、反射フィラーとしては、例えば青色光波長帯において反射率が高いチタン酸カリウムや酸化チタンを用いることができる。この場合、反射フィラーが25重量%以上であると、粘度が高すぎて液状の樹脂の塗布が困難である。また、5重量%以下であると樹脂が柔らかくなりすぎて塗布後に広がりすぎ、かつ光の透過率が高くなりすぎて熱可塑性樹脂からなる成形体50への透過光が増加し過ぎる。従って、反射フィラーは、反射フィラー含有樹脂52の5以上25以下の重量%範囲であることが好ましい。
反射フィラーの形状は、例えば球状あるいは繊維状とすることができる。繊維状とした場合には、その長さを5〜30μm程度とすることができる。反射フィラーを繊維状とした場合には、比重を比較的小さくできるので、反射フィラー含有樹脂層52の中での反射フィラーの沈降を抑制できる。
凹部51内には、反射フィラー含有樹脂層52、半導体発光素子10、ボンディングワイヤ14を覆うように樹脂が充填される。樹脂の材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリレート樹脂などを挙げることができ、充填後100℃以上の熱硬化により封止樹脂層54が形成される。
また、凹部51の円周に沿って段差53を設けることにより、後に詳述するように、凹部51の側壁の上側にも反射フィラー含有樹脂層52を残すことが容易となる。また、段差53により、実装時のリフロー工程や温度サイクルにおいて、熱可塑性樹脂と封止樹脂とを剥離させる熱応力を緩和することができる。
図2は、反射フィラー含有樹脂層52の作用を説明するための模式断面図である。
例えば、半導体発光素子10の材料としてBInGaAl1−x−y−zN(但し、0≦x<1、0≦y<1、0<z≦1、x+y+z≦1)からなる窒化物系半導体を用いた場合、紫外光から緑色光の波長範囲の光が放射される。
このうちG1,G2,G3は封止樹脂層54の上方へ放射される。一方、G4で表される横方向への放射光の多くは凹部51の側壁を覆う反射フィラー含有樹脂層52に当り反射され上方へと向かう。また、G5で表される凹部51の底面に向かう放射光の多くは反射フィラー含有樹脂層52に当り斜め上方または上方へ向かう。G4及びG5の多くは反射された後、外部へ放射されるので光取り出し効率を高くできる。
なお、封止樹脂層54中に蛍光体を分散配置させることにより、半導体発光素子10からの紫外光〜青色光の放射光を吸収し、励起された蛍光体から波長変換された光を得ることができる。このようにして、例えば、半導体発光素子10からの青色光と、黄色蛍光体により波長変換された黄色光との混合色を得ることができる。この場合、図2において反射フィラー含有樹脂層52に当たったG4及びG5のうち反射後、蛍光体により波長変換される部分もある。青色光の波長を450nmとし、これにより励起される黄色蛍光体からの発光スペクトルのピークが580nm近傍とすると、混合色として白色光が得られる。
このような黄色蛍光体としては、(Me1−yEuSiO(但し、Meは、Ba,Sr,Ca,Mgの少なくとも一つを含み、0<y≦1)なる化学組成式で表される珪酸塩蛍光体が挙げられる。黄色蛍光体に加えて、橙色蛍光体または赤色蛍光体を用いると、より演色性に富む白色光が得られる。このように蛍光体の発光スペクトル及び半導体発光素子10の発光波長を適正に選択すれば、CIE(国際照明協会)規格の色度図上のさまざまな色を実現できる。
そして、本具体例においては、反射フィラー含有樹脂層52を設けたことにより、成形体50を構成する熱可塑性樹脂に照射される青色光の照射量は低下する。一般に、青色光は、熱可塑性樹脂に吸収されやすい。光出力が増大するに伴い熱可塑性樹脂に吸収されるエネルギーが増大し熱可塑性樹脂に変化を生じる。近年、半導体発光素子10は数百mAを超える電流で動作が可能となり青色光の吸収を抑制する必要が増している。本具体例においては、反射フィラー含有樹脂層52により、光取り出し効率を上げつつ、熱可塑性樹脂における光エネルギー吸収を抑制できる。
次に、リードフレームについて説明する。
本具体例においては、インナーリード21のうちの半導体発光素子10がマウントされる部分が上方に突出して凸部23を構成している。つまり、半導体発光素子10は、インナーリード21の凸部23の上にマウントされている。このようにすると、反射フィラー含有樹脂層52と半導体発光素子10とが接触することを防止できる。
例えば、反射フィラー含有樹脂層52を塗布した後に、半導体発光素子10をインナーリード21にマウントする場合、反射フィラー含有樹脂層52が半導体発光素子10のマウント部にはみ出すと、半導体発光素子10のマウントに支障が生ずる場合もある。また、半導体発光素子10の裏面側にも電極が設けられている場合には、この電極とインナーリード21との間に反射フィラー含有樹脂層52が介在することとなり、電気的な接続が不十分となる。なおこの場合には、ボンディングワイヤ14をボンディングするインナーリード26のボンディング領域にも、反射フィラー含有樹脂層52がはみださないようにする必要がある。
一方、半導体発光素子10をマウントした後に反射フィラー含有樹脂層52を塗布する場合にも、反射フィラー含有樹脂層52が半導体発光素子10の側面や上面にまではみ出して付着すると、半導体発光素子10からの光の放出を妨げることとなる。
これに対して、本具体例においては、インナーリード21に凸部23を設け、半導体発光素子10をこの上にマウントすることにより、半導体発光素子10と反射フィラー含有樹脂層52とが接触することを防止できる。その結果として、上述したような問題を解消できる。なお、凸部23の平面形状は、図1(a)に例示したように略円形でもよいが、その他、楕円形や多角形などとしてもよい。
第1リード22及び第2リード27を含むリードフレームの材料として、例えば、銅(Cu)系の合金を用いると、高い熱伝導率が得られ有利である。また、その表面にメッキなどの方法によりコーティングを施すと、反射率を高めかつ半田の接合強度を上げることができる。このようなコーティング材としては、ニッケル(Ni)/パラジウム(Pd)/金(Au)をこの順に積層したものを挙げることができる。この場合、ニッケルを1μm程度、パラジウムを0.03μm程度、金を0.008μm程度とすることができる。
第1リード22及び第2リード27の厚みは、0.25mm程度、凸部23の高さは、0.1mm程度、凸部の直径は1mm程度、凹部51の深さは0.9mm程度とする。このような凸部23を含むリードフレーム形状は、プレス加工により形成可能である。
図3は、本発明の第2具体例にかかる半導体発光装置であり、同図(a)は模式平面図、同図(b)は鎖線BBに沿う模式断面図、同図(c)は等価回路である。なお、図1と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
本具体例においては、半導体発光素子10はリード30を構成するインナーリード29の凸部31に導電性接着剤や非導電性接着剤またはAuSnのような共晶半田によりマウントされている。このリード30と平行方向に、リード37及びリード40が互いに先端部が対向するように配置されている。
リード37を構成するインナーリード36の先端部分にはツェナーダイオード12がマウントされ、ツェナーダイオード12の一方の電極とリード40のインナーリード39の先端部分とはボンディングワイヤ16により接続されている。半導体発光素子10の一方の電極はリード37のインナーリード36とボンディングワイヤ15により、また他方の電極はリード40のインナーリード39とボンディングワイヤ14によりそれぞれ接続される。また、図3(c)に例示されるように、リード37は半導体発光素子10のアノード電極、リード40はカソード電極とする。
ツェナーダイオード12は、半導体発光素子10を静電破壊から保護する。すなわち、半導体発光素子10の正方向に過大なサージが加わった場合、ツェナーダイオード12の逆方向耐圧以上のサージを吸収し、半導体発光素子10を保護する。
本具体例の場合、熱可塑性樹脂からなる成形体50の凹部51の側壁及び底面は、半導体発光素子10の近傍を除いた領域が反射フィラー含有樹脂層52により被覆される。この場合、凹部51の底面に露出しているインナーリード36の先端部分及びインナーリード39の先端部分、インナーリード29のうち半導体発光素子10の非マウント領域が反射フィラー含有樹脂層52により被覆される。本具体例においても、反射フィラー含有樹脂層52により、光取り出し効率を上げつつ、熱可塑性樹脂における光エネルギーの吸収を抑制できる。
また、本具体例では、鎖線BBに平行かつ半導体発光素子10の中心を含む断面において切断した場合、半導体発光素子10の左右がほぼ対称な構造である。この結果、リード30及び封止樹脂層54と、半導体発光素子10との間で生じる熱収縮、熱膨張による応力は左右均等に作用する。従って、チップの剥離やクラックを低減でき、信頼性を改善できる。
図4は、反射フィラーが混合された樹脂が塗布された後の状態を表し、同図(a)は凹部51を上方から見た写真、同図(b)は凹部51の断面を見た写真である。
凹部51内において半導体発光素子10を除いた領域には反射フィラーが混合された樹脂が塗布されている。この場合、図3のインナーリード29に設けられた1mmφの凸部31の上に半導体発光素子10がマウントされる構造の場合、前述したようにフィラー含有液状樹脂が半導体発光素子10に接触することを防止でき、図4(a)のように確実に樹脂が塗布できる。
さらに、半導体発光素子10、ツェナーダイオード12、及ボンディングワイヤ14、15、16、反射フィラー含有樹脂52を覆うように、樹脂が凹部51に充填され、熱硬化されて封止樹脂層54が形成される。また、第1具体例と同様に、封止樹脂層54に蛍光体を分散配置することもできる。
図5は、図3(a)の鎖線CCに沿う模式断面図である。
半導体発光装置の凹部51の内部表面にフィラーを混合した樹脂層52を塗布する場合、液状樹脂が下方に流れると凹部51の側壁の上側の部分では反射フィラー含有樹脂層52が残り難くなり、放射光が熱可塑性樹脂に照射されやすくなる。この照射による樹脂の劣化を抑制するには側壁の上側にも反射フィラー含有樹脂層52が残るようにする必要がある。
これに対して、図5に表したように、成形体50の上面から0.2mmの位置に凹部51上面の円周に沿って設けられた段差53が設けられている。このようにすると、反射フィラー含有樹脂層52は、凹部の底面の隅部だけでなく段差53の隅にも溜まるので、凹部51の側壁の上側であっても反射フィラー含有樹脂層52を残すことが容易となる。また、段差53により、実装時のリフロー工程や温度サイクルにおいて、熱可塑性樹脂と封止樹脂とを剥離させる熱応力を緩和することができる。なお、このような段差53は、凹部51の側面にひとつのみではなく、複数設けてもよい。すなわち、凹部51の側面に、複数の段差53を設けることにより、反射フィラー含有樹脂層52を凹部51の側面により確実に保持でき、また、上述した熱応力の緩和効果も得られる。
なお、段差53の位置は、例えば、図1(b)に表したように、ワイヤ14の最も高い位置よりも高くしてもよく、または、図1(b)においてワイヤ14の最も高い位置と半導体発光素子10の上面との間にしてもよい。凹部51の側壁に反射フィラー含有樹脂層52を効率よく残すためには、段差53をひとつだけ設ける場合には、凹部51の側面の高さ方向の中央付近に設けるとよい。また、段差53をふたつ設ける場合には、凹部51の側面を高さ方向に3等分するようにこれら段差53を設けるとよい。
なお、図5に表した各部の寸法は一例であり、これらより大きくしても小さくしてもよい。
次に、青色光が熱可塑性樹脂に直接照射された場合の劣化について詳細に説明する。
まず、85℃において動作電流が150mAの高温通電を1000時間経過後、反射フィラー含有樹脂層52を備えた本具体例の半導体発光装置の光度残存率は99%であった。一方、同様の条件で、反射フィラー含有樹脂層を備えていない比較例の半導体発光装置の光度残存率は90%と低かった。
また、動作電流が150mAで、60℃/90%の高温高湿通電を1000時間経過後、本具体例の半導体発光装置の光度残存率は97%であった。一方、同様の条件で、比較例の半導体発光装置の光度残存率は75%と低かった。すなわち、本具体例において、高寿命化が可能であることが確認できた。
図6は、熱可塑性樹脂の劣化を説明するための比較例の写真及び模式図であり、同図(a)は封止樹脂層の上方から見た写真、同図(b)は高温通電1000時間経過し劣化した半導体発光装置の凹部の側壁の写真、同図(c)及び同図(d)は部分拡大写真、同図(e)は同図(d)の位置を表す模式断面図である。
図6(d)に例示されるように、比較例では青色光が照射された熱可塑性樹脂の表面は劣化して、クラック及び変色を生じる。この結果、光反射率が低下する。また、熱可塑性樹脂と封止樹脂の剥離も生じやすくなる。これに対して、本具体例においては、反射フィラー含有樹脂層52が青色光を反射するので熱可塑性樹脂への照射を防止でき、反射フィラー含有樹脂層52の反射率も安定しているので光出力の低下を抑制できている。また、熱可塑性樹脂と封止樹脂の剥離も防止できる。
なお、凹部51内の光反射率を高めるには、露出しているインナーリード部分の光反射率を高める方法もある。
すなわち、インナーリードの表面に銀(Ag)メッキまたは金(Au)メッキを施すと凹部内の光反射率を高めることができる。但し、Agの場合400〜500nmの波長範囲において85〜92%と高い反射率を有するが、青色光の照射により再結晶を生じ反射率が低下する。この結果、動作時間が経過するに従い、光出力の低下が生じる。また、Agが露出したアウターリードは酸化防止のために半田などによる外装メッキまたはAuメッキが必要となり部品コストが上昇する。さらにAuの場合、青色光に対してAgより安定であるが、400〜500nmの波長範囲において、反射率が39〜58%と低い。
以上説明した熱可塑性樹脂及びインナーリードの光反射率をそれぞれに高める方法と比較して、本具体例においては、熱可塑性樹脂及びインナーリードを同一の反射フィラー含有樹脂により被覆することができるので工程が簡素化できる。また、光取り出し効率を高めつつ、高寿命化による高信頼性を確保できる。
図7は、本発明の第3具体例にかかる半導体発光装置であり、同図(a)は模式平面図、同図(b)は鎖線AAに沿う模式断面図である。図7については、図1〜図6に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本具体例においては、いわゆるフリップチップ構造が採用されている。すなわち、半導体発光素子10の裏面側には、一対の電極が形成され、これら電極にはメタルバンプ11がそれぞれ接続されている。そして、これらメタルバンプ11が、インナーリード21、26にそれぞれ接続されている。つまり、半導体発光素子10は、メタルバンプ11によりマウントされると同時に電気的な接続も確保されている。このようなフリップチップ構造を採用した場合においても、図1〜図6に関して前述したものと同様に、凹部51の内面に反射フィラー含有樹脂層52を設けることにより、熱可塑性樹脂の劣化や変質を抑制でき、長期間に亘って安定した光出力が得られる。
また、本具体例においても、インナーリード21、26に凸部23、28を設けることにより、反射フィラー含有樹脂層52と半導体発光素子10とが接触することを防止できる。なお、メタルバンプ11を厚く形成し、且つ半導体発光素子10をマウントしてから反射フィラー含有樹脂層52を塗布する工程を実施するような場合には、凸部23、28を必ずしも設けなくても、反射フィラー含有樹脂層52と半導体発光素子10とが接触することによる光の取り出しの低下や、反射フィラー含有樹脂層52が介在することにより半導体発光素子10とリードとの接触不良などの問題を回避できる。
次に、アウターリードの変形例について説明する。
図8は、アウターリード近傍の模式部分断面図であり、同図(a)は既に説明した具体例、同図(b)及び同図(c)はその変形例を表す。
図8(a)は第1具体例のアウターリード25を表し、ガルウィング/Z曲げなどと呼ばれる。図8(b)はJベンド/J曲げ、同図(c)は多方向曲げなどと呼ばれる。用途及び実装基板に合わせて、これらの中から適正なアウターリード形状を選択することが好ましい。
なお、半導体発光装置の組み立て工程は、多数個取りのリードフレームを用いて、半導体素子マウント、ワイヤボンディング、インサート成形、樹脂封止などが行われる。この後、リードフレームが切断され、必要に応じて上記のような構造のリード曲げ加工が行われて図1及び図3の半導体発光装置が完成する。
本具体例において、窒化物系半導体を用いた半導体発光素子を搭載した半導体発光装置について説明したが、他の材料を用いた半導体発光装置であっても良い。例えば、InGaAlP,AlGaAsなどを用いた500nm〜700nm帯、すなわち緑色〜赤色帯の半導体発光素子を搭載した半導体発光装置であっても良い。
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明した。しかし、本発明はこれらに限定されない。例えば、半導体発光装置を構成する半導体素子、成形体、樹脂、フィラー、蛍光体、リードなどの材質、形状、サイズなどに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明に包含される。
本発明の第1具体例にかかる半導体発光装置の模式図である。 反射フィラー含有樹脂層の作用を説明する模式図である。 本発明の第2具体例にかかる半導体発光装置の模式図である。 反射フィラー含有樹脂を塗布後の状態を表す写真である。 第2具体例の模式断面図である。 比較例における樹脂の変化を表す写真である。 本発明の第3具体例にかかる半導体発光装置の模式図である。 アウターリードの変形例を表す部分模式断面図である。
符号の説明
10 半導体発光素子、14 ボンディングワイヤ、22 第1リード、23 凸部、27 第2リード、31 凸部、50 成形体、51 凹部、52 反射フィラー含有樹脂層、53 段差 54 封止樹脂層

Claims (5)

  1. リードと、
    前記リードと一体成形され、段差が設けられた側面を有する凹部が形成された樹脂からなる成形体と、
    前記凹部内に露出した前記リードにマウントされた半導体発光素子と、
    前記成形体の前記凹部の内部の表面の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記成形体の前記凹部の内部の表面よりも高い反射率を有する樹脂層と、
    前記樹脂層と、前記半導体発光素子と、を覆うように前記凹部内に充填された封止樹脂層と、
    を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記リードは、凸部を有し、
    前記半導体発光素子は、前記リードの前記凸部の上にマウントされたことを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。
  3. 前記樹脂層は、前記半導体発光素子と接触していないことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光装置。
  4. 前記成型体は、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
  5. 前記樹脂層は、チタン酸カリウム及び酸化チタンの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
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