JP2008071793A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の光半導体装置において出射される光の色度のばらつきがなく、また、光の出射方向による色度のばらつきのない光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体装置において、凹部３を有する外囲器２と、凹部３内に収容されて通電部４、５に接続される発光素子６と、凹部３内に収容されて発光素子６を封止する複数の透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃとを備え、複数の透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃは、発光素子６に接する透光性樹脂１０を有する第１透光性樹脂層９ａと、第１透光性樹脂層９ａに積層されて光散乱粒子１１とこの光散乱粒子１１が混合される透光性樹脂１２とを有する第２透光性樹脂層９ｂと、第２透光性樹脂層９ｂに積層されて蛍光体粒子１３とこの蛍光体粒子１３が混合される透光性樹脂１５とを有する第３透光性樹脂層９ｃとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ＬＥＤ等の発光素子を光源とする光半導体装置及びその製造方法に関する。

下記特許文献１に記載されているように、ＬＥＤ等の発光素子から出射される光と、この光により励起されてＬＥＤ等から出射された光と異なる色の光を出射する蛍光体粒子とを用い、所望する色の光を得るようにした光半導体装置の発明が知られている。

蛍光体粒子は透光性樹脂中に混合され、蛍光体粒子が混合された透光性樹脂により発光素子が封止されている。

この発明によれば、発光素子として青色光を出射するＬＥＤを用い、青色光により励起されて黄色光を出射する蛍光体粒子を用いることにより、青色光と黄色光とが混合されて白色光を得ることができる。
特開２００５−２３５８４７号公報

しかしながら、上述した光半導体装置においては、以下の点について配慮がなされていない。

上記特許文献に記載された光半導体装置によれば、蛍光体粒子は透光性樹脂の中に均等に混合されていることを前提としているが、実際には、蛍光体粒子が自重によりって沈降し、透光性樹脂中での混合状態がばらつきを生じる。具体的には、図４に示すような状態が発生する。図４に示した光半導体装置の構造について、以下に説明する。

外囲器１００の中央部に凹部１０１が形成され、この凹部１０１内に発光素子であるＬＥＤ１０２が収容されている。なお、外囲器１００の凹部１０１の底部には、リードフレームのリード端子１０３、１０４が通電部として配置されている。ＬＥＤ１０２は、一方のリード端子１０３に銀ペースト１０５により接続され、他方のリード端子１０４に金ワイヤ１０６により接続されている。

凹部１０１内には透光性樹脂１０７が収容され、この透光性樹脂１０７によってＬＥＤ１０２が封止されている。透光性樹脂１０７の中には、蛍光体粒子１０８が混合されている。

蛍光体粒子１０８は、透光性樹脂１０７の中に均等に混合されていることが望ましい。しかし、透光性樹脂１０７が凹部１０１に収容されてから加熱されて硬化されるまでの間に、自重により沈降し、ＬＥＤ１０２の周囲に集まる。これにより、ＬＥＤ１０２に対する蛍光体粒子１０８の配置状態が、個々の光半導体装置によりばらつきを生じる。

このため、個々の光半導体装置において、ＬＥＤ１０２に対する蛍光体粒子１０８の配置状態がばらつくことにより、ＬＥＤ１０２から出射された光により励起されて蛍光体粒子１０８から出射される光が各光半導体装置においてばらつきを生じる。これにより、ＬＥＤ１０２から出射された光と蛍光体粒子１０８から出射された光とを混合して得られる光の色度が、各光半導体装置においてばらつきを生じ、光半導体装置の歩留まりが低下する。

また、ＬＥＤ１０２の周囲における蛍光体粒子１０８の配置状態を制御することができないため、光半導体装置から出射される光の色度が、出射方向により変化するという問題が生じる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、個々の光半導体装置において出射される光の色度のばらつきがなく、また、光の出射方向による色度のばらつきのない光半導体装置及びその製造方法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、凹部を有する外囲器と、前記凹部内に収容され、通電部に接続される発光素子と、前記凹部内に収容され、前記発光素子を封止する複数の透光性樹脂層と、を備え、前記複数の透光性樹脂層は、前記発光素子に接する透光性樹脂を有する第１透光性樹脂層と、前記第１透光性樹脂層に積層され、光散乱粒子とこの光散乱粒子が混合される透光性樹脂とを有する第２透光性樹脂層と、前記第２透光性樹脂層に積層され、蛍光体粒子とこの蛍光体粒子が混合される透光性樹脂とを有する第３透光性樹脂層と、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、光半導体装置の製造方法において、外囲器の凹部内に発光素子を収容して通電部に接続する工程と、前記凹部内に透光性樹脂を収容して前記発光素子と前記通電部とを封止する第１透光性樹脂層を形成する工程と、前記第１透光性樹脂層を仮硬化させる工程と、仮硬化された前記第１透光性樹脂層の上に、光散乱粒子とこの光散乱粒子が混合される透光性樹脂とを有する第２透光性樹脂層を積層する工程と、前記第２透光性樹脂層を仮硬化させる工程と、仮硬化された前記第２透光性樹脂層の上に、蛍光体粒子とこの蛍光体粒子が混合される透光性樹脂とを有する第３透光性樹脂層を積層する工程と、前記第３透光性樹脂層を仮硬化させる工程と、仮硬化された前記第１透光性樹脂層と前記第２透光性樹脂層と前記第３透光性樹脂層とを一括して完全硬化させる工程と、を備えることである。

本発明によれば、出射される光の色度のばらつきがなく、しかも、光の出射方向による色度のばらつきのない光半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明の一実施の形態に係る光半導体装置１は、図１に示すように、非透光性の樹脂により成型された外囲器２を有し、外囲器２の中央部には凹部３が形成されている。凹部３の底部には、通電部として機能するリードフレームのリード端子４、５と、これらのリード端子４、５に接続された発光素子であるＬＥＤ６とが収容されている。ＬＥＤ６は、一方のリード端子４に銀ペースト７により接続され、他方のリード端子５に金ワイヤ８により接続されている。ＬＥＤ６としては、様々な色の光を出射するものを使用することが可能であり、その一例として、この実施の形態では青色光を出射するＬＥＤが使用されている。

凹部３には、リード端子４、５とＬＥＤ６とを封止する複数の透光性樹脂層（第１透光性樹脂層９ａ、第２透光性樹脂層９ｂ、第３透光性樹脂層９ｃ）とが収容されている。

第１透光性樹脂層９ａは、透光性樹脂１０のみから成る。透光性樹脂１０は、ＬＥＤ６とリード端子４、５とに接し、これらのＬＥＤ６とリード端子４、５とを気密状態に覆っている。

透光性樹脂１０は、例えば、熱硬化性シリコーン樹脂に含まれるＣ−Ｈ結合における水素原子の一部を、フッ素以外のハロゲン原子で置換した透光性樹脂、若しくは、フェニル基を含有しない熱硬化性エポキシ樹脂が使用されている。

第２透光性樹脂層８ｂは、第１透光性樹脂層８ａの上に積層して形成され、光散乱粒子１１とこの光散乱粒子１１が混合される透光性樹脂１２とから成る。

光散乱粒子１１は、ＬＥＤ６から出射された光を散乱させる働きを有し、透光性樹脂１２の中に均等に分散した状態で配置されている。光散乱粒子１１は、平均粒子径が０．５〜５μｍであり、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニア等の透光性樹脂１２の屈折率より高い屈折率を有する金属酸化物粒子が使用されている。

透光性樹脂１２は、熱硬化性シリコーン樹脂、若しくはフェニル基を含有しない熱硬化性エポキシ樹脂が使用されている。

第３透光性樹脂層８ｃは、第２透光性樹脂層８ｂの上に積層して形成され、蛍光体粒子１３と、フィラー粒子１４と、これらの蛍光体粒子１３とフィラー粒子１４とが混合される透光性樹脂１５とから成る。

蛍光体粒子１３は、ＬＥＤ６から出射された光により励起されてＬＥＤ６から出射される光と異なる色の光を出射する粒子であり、この実施の形態ではＬＥＤ６から出射される青色光により励起されて黄色光を出射するものが使用されている。蛍光体粒子１３は、平均粒子径が１０〜３０μｍのものが使用されている。蛍光体粒子１３は、第３透光性樹脂層８ｃ内で沈降し、第２透光性樹脂層８ｂとの界面付近に堆積している。

フィラー粒子１４は、第３透光性樹脂層８ｃの粘度を高める粘度調整剤である。フィラー粒子１４としては、平均粒子径が５〜５０ｎｍの物質、例えば、二酸化炭素珪素が使用されている。フィラー粒子１４は、シランカップリング剤で表面処理を行い、表面処理前に表面に存在している親水性基の５０％以上をシランカップリング剤で置換して疎水化したものを使用することが好適である。この疎水化処理を行うことにより、粘度上昇を効果的に達成することができる。なお、この実施の形態では、フィラー粒子１４を透光性樹脂１５に混合する場合を例に挙げて説明しているが、透光性樹脂１０、１２に混合させることにより粘度調整を行っていもよい。

各透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃの透光性樹脂１０、１２、１５の屈折率は、“大気≦第３透光性樹脂層９ｃの透光性樹脂１５≦第２透光性樹脂層９ｂの透光性樹脂１２≦第１透光性樹脂層９ａの透光性樹脂１０”の関係を有している。

光半導体装置１の製造は、以下に説明する工程を経て行われる。まず、外囲器２が成型される（Ｓ１）。外囲器２の成型時には、目的とする形状に折り曲げたリードフレームのリード端子４、５が組み込まれる。リード端子４、５は、外囲器２の凹部３の底部に露出した状態とされている。

リード端子４、５を組み込んだ外囲器２が成型された後、一方のリード端子４にＬＥＤ６が銀ペースト７を用いてダイボンディングされる（Ｓ２）。ついで、他方のリード端子５とＬＥＤ６とが金ワイヤ８を用いてワイヤボンディングされる（Ｓ３）。以上のステップＳ２、Ｓ３の工程により、外囲器２の凹部３内にＬＥＤ６を収容して通電部であるリード端子４、５に接続する工程が終了する。

つぎに、凹部３内に透光性樹脂１０が収容され、ＬＥＤ６とリード端子４、５とを封止する第１透光性樹脂層９ａが形成される（Ｓ４）。この第１透光性樹脂層９ａの形成は、透光性樹脂１０をポッティング用シリンダヘッドに充填し、一定量の透光性樹脂１０をポッティング用シリンダヘッドから凹部３内に吐出させることにより行われる。

第１透光性樹脂層９ａが形成された後、この第１透光性樹脂層９ａに対して仮硬化処理が行われる（Ｓ５）。この仮硬化処理は、第１透光性樹脂層９ａが形成された外囲器２をホットプレートに載せ、９０〜１１０℃で加熱することにより行われる。

第１透光性樹脂層９ａの仮硬化処理が終了した後、仮硬化された第１透光性樹脂層９ａの上に、光散乱粒子１１とこの光散乱粒子１１が混合される透光性樹脂１２とを有する第２透光性樹脂層９ｂが積層して形成される（Ｓ６）。この第２透光性樹脂層９ｂの形成は、光散乱粒子１１を混合した透光性樹脂１２をポッティング用シリンダヘッドに充填し、光散乱粒子１１を混合した一定量の透光性樹脂１２をポッティング用シリンダヘッドから凹部３内に吐出させることにより行われる。

第２透光性樹脂層９ｂが形成された後、この第２透光性樹脂層９ｂに対して仮硬化処理が行われる（Ｓ７）。この仮硬化処理は、第２透光性樹脂層９ｂが形成された外囲器２をホットプレートに載せ、９０〜１１０℃で加熱することにより行われる。

第２透光性樹脂層９ｂの仮硬化処理が終了した後、仮硬化された第２透光性樹脂層９ｂの上に、蛍光体粒子１３と、フィラー粒子１４と、これらの蛍光体粒子１３とフィラー粒子と１４とが混合される透光性樹脂１５とを有する第３透光性樹脂層９ｃが積層して形成される（Ｓ８）。この第３透光性樹脂層９ｃの形成は、蛍光体粒子１３とフィラー粒子１４とを混合した透光性樹脂１５をポッティング用シリンダヘッドに充填し、蛍光体粒子１３とフィラー粒子１４とを混合した一定量の透光性樹脂１５をポッティング用シリンダヘッドから凹部３内に吐出させることにより行われる。

第３透光性樹脂層９ｃが形成された後、この第３透光性樹脂層９ｃに対して仮硬化処理が行われる（Ｓ９）。この仮硬化処理は、第３透光性樹脂層９ｃが形成された外囲器２をホットプレートに載せ、９０〜１１０℃で加熱することにより行われる。第３透光性樹脂層９ｃが形成されてから仮硬化処理が終了するまでの間に、蛍光体粒子１３の沈降が進行する。

第３透光性樹脂層９ｃに対する仮硬化処理が行われた後、仮硬化された第１透光性樹脂層９ａと第２透光性樹脂層９ｂと第３透光性樹脂層９ｃとを一括して完全硬化させる処理が行われる（Ｓ１０）。この完全硬化の処理は、第３透光性樹脂層９ｃが形成された外囲器２をトレイに載せ、熱風式オーブン内に入れて１４０〜１８０℃で加熱することにより行われる。

このような構成において、ＬＥＤ６から出射された青色光は凹部３の開口側に向けて進行し、第１透光性樹脂層９ａを透過した後、第２透光性樹脂層９ｂ内の光散乱粒子１１に当って散乱する。散乱した青色光は第２透光性樹脂層９ｂを透過した後、第３透光性樹脂層９ｃ内の蛍光体粒子１３に当り、蛍光体粒子１３が励起されて蛍光体粒子１３から黄色光が出射される。光半導体装置１から出射される光は、ＬＥＤ６から出射された青色光と蛍光体粒子１３から出射された黄色光とが混合されて白色光となる。

ここで、蛍光体粒子１３は第３透光性樹脂層９ｃ内で沈降されることにより、第３透光性樹脂層９ｃ内における蛍光体粒子１３の層厚について、各光半導体装置１において均一化を図ることができる。このため、ＬＥＤ６から出射される青色光により励起されて蛍光体粒子１３から出射される黄色光の量を各光半導体装置１において均等にすることができる。このため、ＬＥＤ６から出射された青色光と蛍光体粒子１３から出射される黄色光とが混合して得られる白色光の色度のばらつきが、個々の光半導体装置１において生じなくなる。

また、ＬＥＤ６から出射された青色光は、第２透光性樹脂層９ｂ内の光散乱粒子１１に当って散乱された後に、第３透光性樹脂層９ｃ内の蛍光体粒子１３に当る。このため、ＬＥＤ６から出射された青色光が全ての蛍光体粒子１３に対して当るようになり、全ての蛍光体粒子１３から均等に黄色光が出射される状態を得ることができる。これにより、青色光と黄色光とがともに全ての方向に均等に放射される状態を得ることができ、青色光と黄色光とが混合して得られる白色光の色度が、出射方向によってばらつくということを防止することができる。

３層に分けられた透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃでは、各透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃを構成する透光性樹脂１０、１２、１５の屈折率が、“大気≦第３透光性樹脂層９ｃの透光性樹脂１５≦第２透光性樹脂層９ｂの透光性樹脂１２≦第１透光性樹脂層９ａの透光性樹脂１０”の関係を有する。このため、各層の境界における光の全反射を抑制することができ、３層の透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃを用いても光半導体装置１からの光の取り出し効率を向上させることができ、輝度を高めることができる。また、光半導体装置１からの光の取り出し効率が高くなることにより、全反射されて光半導体装置１から取り出せなかった光が熱に変換され、その熱が原因となるＬＥＤ６や蛍光体粒子１３や透光性樹脂１０、１２、１５の劣化を抑制することができる。

光半導体装置１の製造工程において、第１透光性樹脂層９ａを仮硬化した上に第２透光性樹脂層９ｂを形成し（Ｓ５、Ｓ６）、第２透光性樹脂層９ｂを仮硬化した上に第３透光性樹脂層９ｃを形成している（Ｓ７、Ｓ８）。これにより、上の層（例えば、第２透光性樹脂層９ｂ）を仮硬化するために加熱した場合に下の層（例えば、第１透光性樹脂層９ａ）が一時的に粘度が低下するため、第１透光性樹脂層９ａと第２透光性樹脂層９ｂとの密着性、及び、第２透光性樹脂層９ｂと第３透光性樹脂層９ｃとの密着性を向上させることができる。これにより、各層がはがれにくくなり、かつ、各層間の光の通過性が向上し、光半導体装置１から出射される光のロスが少なくなり、光半導体装置１の輝度低下を抑制することができる。

さらに、各透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃを完全硬化させる場合には、全ての透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｃを一度に完全硬化処理するため、各透光性樹脂層９ａ、９ｂ、９ｂ間での内部応力差を減少させることができ、光半導体装置１の品質向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態の光半導体装置の全体構造を示す縦断正面図である。 透光性樹脂層の層構造を拡大して示す縦断正面図である。 光半導体装置の製造工程を説明するフローチャートである。 従来例の光半導体装置の全体構造を示す縦断正面図である。

符号の説明

１…光半導体装置、２…外囲器、３…凹部、４、５…通電部、６…発光素子、９ａ…第１透光性樹脂層、９ｂ…第２透光性樹脂層、９ｃ…第３透光性樹脂層、１０…透光性樹脂、１１…光散乱粒子、１２…透光性樹脂、１３…蛍光体粒子、１４…フィラー粒子、１５…透光性樹脂

Claims (5)

1. 凹部を有する外囲器と、
   前記凹部内に収容され、通電部に接続される発光素子と、
   前記凹部内に収容され、前記発光素子を封止する複数の透光性樹脂層と、
   を備え、
   前記複数の透光性樹脂層は、
   前記発光素子に接する透光性樹脂を有する第１透光性樹脂層と、
   前記第１透光性樹脂層に積層され、光散乱粒子とこの光散乱粒子が混合される透光性樹脂とを有する第２透光性樹脂層と、
   前記第２透光性樹脂層に積層され、蛍光体粒子とこの蛍光体粒子が混合される透光性樹脂とを有する第３透光性樹脂層と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記第３透光性樹脂層に粘度調整用のフィラー粒子が混合されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記透光性樹脂層の前記透光性樹脂の屈折率が、“大気≦第３透光性樹脂層の透光性樹脂≦第２透光性樹脂層の透光性樹脂≦第１透光性樹脂層の透光性樹脂”の関係を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。
4. 外囲器の凹部内に発光素子を収容して通電部に接続する工程と、
   前記凹部内に透光性樹脂を収容して前記発光素子と前記通電部とを封止する第１透光性樹脂層を形成する工程と、
   前記第１透光性樹脂層を仮硬化させる工程と、
   仮硬化された前記第１透光性樹脂層の上に、光散乱粒子とこの光散乱粒子が混合される透光性樹脂とを有する第２透光性樹脂層を積層する工程と、
   前記第２透光性樹脂層を仮硬化させる工程と、
   仮硬化された前記第２透光性樹脂層の上に、蛍光体粒子とこの蛍光体粒子が混合される透光性樹脂とを有する第３透光性樹脂層を積層する工程と、
   前記第３透光性樹脂層を仮硬化させる工程と、
   仮硬化された前記第１透光性樹脂層と前記第２透光性樹脂層と前記第３透光性樹脂層とを一括して完全硬化させる工程と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
5. 前記透光性樹脂は、親水性基が疎水化処理された粘度調整用のフィラー粒子を含むことを特徴とする請求項４記載の光半導体装置の製造方法。

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