JP2008288410A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光装置において、簡便で製造性が高く低コストの構造とし、しかも、個体に応じた光学補正ができ、発光効率を向上し、発光の均一性と用途に応じた配光指向性の向上を可能とする。
【解決手段】半導体発光装置製造方法は、平板基板上に半導体発光素子を実装する工程Ｓ１と、平板基板上で半導体発光素子の周囲を満たしてドーム状に覆うように少なくとも蛍光体層および被覆樹脂層を順次積層して半導体発光装置を形成する工程Ｓ３，Ｓ４と、形成された半導体発光装置の発光状態を測定する工程Ｓ５と、測定結果に基づいて発光分布を調整するために被覆樹脂層の最表面に凸レンズ部を、液滴吐出装置を用いて形成する工程Ｓ６，Ｓ７と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板基板上に実装する半導体発光素子を用いた半導体発光装置およびその製造方法に関する。

発光ダイオードを用いたＬＥＤランプは、励起光源としての発光ダイオードと蛍光体との組合せにより、様々な発光色を実現することができる。そのうち、いわゆる白色ＬＥＤと呼ばれる白色光を放出する発光装置を得るには、主に青色光を放つ発光ダイオードと黄色系蛍光体を組み合わせる方法、近紫外光を放つ発光ダイオードと青色系蛍光体、緑色系蛍光体、および赤色系蛍光体を組み合わせる方法が知られている。

ここ数年、白色ＬＥＤは照明機器やディスプレイ装置などの光源へ適用されている。しかし、発光効率、発光素子そのものの発光ばらつき、ワイヤボンディングなど実装による発光ばらつきなどが問題点として残されていて、特性の向上が求められている。

これらの問題を回避するため、光路を妨げるワイヤが不要なフリップチップ実装や、蛍光層や樹脂層の形状を工夫した技術が知られている。
特開２００６−９２９８３号公報 特開２００５−２７６８８３号公報 特開２００６−２４６１５号公報 特開２００４−８００５８号公報 特開２００４−１８６４８８号公報 特開平６−２３８８８４号公報 特開平８−９９４０８号公報

フリップチップ実装は広く使われるようになり、配線が短いためワイヤボンディングより電気特性がよく実装面積が小さくできる利点があるが、構造が複雑でコストが高いという問題がある。

また、特許文献１、２に記載された技術では、蛍光層に凹凸をつけ、発光効率の改善や均一化を図っている。しかし、特許文献１に記載された技術では、発光素子の発光ばらつきに応じて補正を行なっているわけではなく、すべての半導体発光装置の発光効率が改善されるとは限らない。また、特許文献２に記載された技術では、発光素子の発光ばらつきに応じて蛍光体層の厚みを変えているが、他工程で作った第２の封止樹脂部材を組み合わせて形成しているため、製造工程が煩雑である。

さらに、特許文献３に記載された技術では、上面部に印刷技術を用いて凹凸を作製し光取出し効率の向上を図っている。しかし、ここでいう印刷方法は孔版印刷を意図しており、版が必要で、個々の半導体発光装置のばらつきに応じた補正はむずかしい。また、この特許文献３では、上面だけではなく側面にも凹凸形成可能とあるが、版から剥離する際に摩擦等のため凹凸の高い精度を保つことは困難である。

特許文献４および特許文献５の技術では、発光状態を測定し、個々の半導体発光装置のばらつきに応じ液滴吐出装置を用いて補正を行なっている。ここで示されているカップ型基板と樹脂充填の組合せの表面実装型ＬＥＤパッケージは基板への加工が必要であり、工程が煩雑で低コスト化がむずかしい。さらに、この文献ではカップ型ＬＥＤへの適用のみを示しており、平板基板への適用は具体的に示されていない。

本発明は、上記の課題を解決するため、簡便で製造性が高く低コストの構造にもかかわらず、個体に応じた光学補正ができ、発光効率を向上または維持したまま効果的に発光の均一性と用途に応じた配光指向性の向上が可能となる半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光装置製造方法は、平板基板上に半導体発光素子を実装する実装工程と、前記実装工程の後に、前記平板基板上で前記半導体発光素子の周囲を満たしてドーム状に覆うように少なくとも蛍光体層および被覆樹脂層を順次積層して半導体発光装置を形成する積層工程と、前記積層工程で形成された前記半導体発光装置の発光状態を測定する測定工程と、前記測定工程での測定結果に基づき、前記半導体発光装置の発光分布を調整するために前記被覆樹脂層の最表面に凸レンズ部を、液滴吐出装置を用いて形成する凸レンズ部形成工程と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体発光装置は、平板基板と、この平板基板上に実装された半導体発光素子と、前記平板基板上で前記半導体発光素子の周囲を満たしてドーム状に覆うように順次積層された蛍光体層および被覆樹脂層と、前記被覆樹脂層の最表面に形成された凸レンズ部とを備えた半導体発光装置において、前記凸レンズ部の形状、個数、大きさおよび配置は、前記半導体発光装置の発光状態の測定結果に基づいて決定されていることを特徴とする。

本発明によれば、平板基板を用いて半導体発光装置を構成するため、簡便で製造性が高く低コストの構造にもかかわらず、個体に応じた光学補正ができる。これにより、発光効率を向上または維持したまま効果的に発光の均一性と用途に応じた配光指向性の向上が可能となる。

以下に、図面を参照しながら本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法の実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

本発明の一実施形態に係る半導体発光装置製造方法のフローチャートを図１に示す。また、図１の方法により製造された本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の立断面図を図２に、その斜視図を図３に示す。

ここに示す実施形態の半導体発光装置では、図２および図３に示すように、平板基板１の上に発光素子２が実装され、これを覆うように、内部樹脂層３が形成され、その外側に、蛍光体層４が形成され、さらにその外側に被覆樹脂層５が形成されている。被覆樹脂層５の外表面には部分的に凸レンズ部５ａが形成されている。発光素子２の上面には発光素子電極２ａが取り付けられ、これにボンディングワイヤ２ｂが接続されている。

つぎに、図１を参照してこの半導体発光装置の製造方法を説明する。

はじめに、平板基板１上に発光素子２をＡｇペースト等により実装する（ステップＳ１）。発光素子２としては、近紫外発光を行なうもの、あるいは可視領域の発光を行なうものを用いることができる。たとえば、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系等の半導体発光ダイオード等を用いることが可能である。つぎに、発光素子２の上部に設けられた電極２ａに、Ａｕなどからなるボンディングワイヤ２ｂによりリード（図示しない）を接続する（ワイヤボンディング。ステップＳ２）。このとき、ワイヤボンディングの代わりに、フリップチップによる実装を行なってもよい。

つぎに、発光素子２を覆うように、内部樹脂層３、蛍光体層４、被覆樹脂層５を順次形成する（ステップＳ３）。すなわち、まず、発光素子２を覆うように内部樹脂層３を形成する。内部樹脂層３は、たとえばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂などを用いることができる。ただし、エポキシ樹脂などの有機高分子系材料は、ＬＥＤ光源による材料劣化が起こりやすく、長時間使用した際に変色などの劣化を生じることがある。したがって、シリコーン樹脂などを用いることが好ましい。また、樹脂はＵＶ硬化型でも熱硬化型でもよく、一液型でも二液混合型のいずれでも構わない。

次に内部樹脂層３の外側に蛍光体層４を積層する。蛍光体層４は、蛍光体をたとえばシリコーン樹脂など内部樹脂層３に用いた樹脂に分散したものを用いることができる。蛍光体としては、発光素子２が近紫外発光の場合は青色系蛍光体、緑色系蛍光体、および赤色系蛍光体材料を組み合わせたものを、青色発光の場合は黄色系蛍光体または緑色や赤色あるいはオレンジ色蛍光体を組み合わせたものを用いることができる。

さらに、被覆樹脂層５を蛍光体層４の外側に積層する。被覆樹脂層５は内部樹脂層３と同じ材料を用いることもできるし、異なる材料を選択することもできる。

内部樹脂層３、蛍光体層４、被覆樹脂層５の３層構造が寿命や色度むら抑制などの点から好ましいが、内部樹脂層３を設けず発光素子２に直接蛍光体層４を被覆する２層構造でも構わない。

つぎに、内部樹脂層３、蛍光体層４および被覆樹脂層５の硬化を行なう（ステップＳ４）。図１では内部樹脂層３、蛍光体層４および被覆樹脂層５全てを形成した後に一括して硬化を行なうように記載されているが、内部樹脂層３、蛍光体層４および被覆樹脂層５の各層形成工程終了ごとに硬化を行なってもよい。硬化方法は、使用した材料に適した方法を適用し、たとえば加熱やＵＶ照射などにより行なう。ただし、一括硬化を行なう場合は、平板基板を加熱しておいたり、弱いＵＶを照射したりして、各層形成ごとに仮硬化をした方が各層が混在せずに良好な性能を保つことができる。

ここまでの工程で形成される半導体発光装置は、従来知られているモールド方法により形成しても、今回提示する液滴吐出装置により製造してもよい。ここで言う液滴吐出装置とは、吐出させたい材料をオンデマンドに非接触で塗布できる装置で、たとえばインクジェット装置などをさしている。

ここまで形成した時点で、この半導体発光装置の発光特性（たとえば、輝度および色度の角度依存性）を測定する（ステップＳ５）。発光状態が均一な場合は良品として製造を終了する。しかし、測定結果にばらつきが生じた場合や所望の配光指向性と異なる場合は、液滴吐出装置を用いて発光状態を調整するように被覆樹脂層５の最表面に凸レンズ部５ａを形成するべく、その仕様を決定する（ステップＳ６）。具体的には、測定結果に応じて、凸レンズ部５ａの個数、形状、大きさ、配置をあらかじめ蓄積してあるデータベースから参照して決定する。そしてその仕様に従って凸レンズ部５ａを形成する（ステップＳ７）。

図２および図３では、凸レンズ部５ａが半楕円球形である場合を示す。ボンディングワイヤ２ｂ付近の光がボンディングワイヤ２ｂの影となり光量が減少する現象は、この付近に凸レンズ部５ａを設けることで軽減される。

被覆樹脂層５上に形成した凸レンズ部５ａは被覆樹脂層５と同じ材料でもよいが、発光の色にばらつきがある場合は、色の均一化を図るために蛍光体を含んだ材料により形成してもよい。

ここで説明したように、個々の半導体発光装置の発光状態の測定結果に応じてその都度最適な凸レンズ部５ａの個数、形状、大きさ、配置の仕様を決め、この仕様に応じて凸レンズ部５ａを形成していく。その凸レンズ部５ａの形成には、インクジェット装置などとして知られている液滴吐出装置を適用することができる。

ここで、凸レンズ部５ａ形成材料の粘度は高い方が形成物の形状安定性に優れていて、たとえば数十〜数千ｍＰａ・ｓ程度が好ましい。このような材料を、ピエゾやバブルの力を用いる通常の液滴吐出装置で吐出させることは一般にはむずかしく、集束超音波を用いた液滴吐出装置（特許文献６および７参照）を適用するのが好ましい。これにより、高粘度材料のオンデマンド吐出を実現できる。集束超音波を用いた液滴吐出装置はインク詰まりの主因であるノズルを必要としない構造のため、高粘度材料の吐出だけでなく、粒子径が１０μｍ以上の大粒子を含有する材料の吐出も可能である。

図４は、シミュレーションから求めた凸レンズ部５ａの高さと底辺の長軸の長さの比の値と光取出し効率の関係を示すグラフである。本シミュレーションより、凸レンズ部５ａの高さと底辺の長軸の長さの比の値が０．２より大きい場合は、凸レンズ部５ａ内での全反射成分が増え、光取出し効率が激減することがわかる。このことから、図２および図３に示すように、凸レンズ部５ａが半楕円球形をしていることが望ましいと言える。

図５と図６に、上記実施形態の変形例を示す。図５は凸レンズ部５ａが外側から見た輪郭が円形のドーム状、図６は紡錘形（円柱形の端部がとがった形）となっている。凸レンズ部５ａが円形ドーム状の場合は、図４の結果から光取出し効率が落ちることがわかるが、局所的に光量が多い場合には凸レンズ部５ａを円形ドーム状にして、全体としての発光ばらつきを抑えることができる。さらに、図６のように凸レンズ部５ａを紡錘形にすると、膨らんだ方に光が拡散するため、上部に配光を制御することが可能となる。

本発明に係る半導体発光装置の他の実施形態を図７および図８に示す。ここで、図７はこの実施形態の上面図であり、図８は斜視図である。この実施形態では、凸レンズ部５ａが、平板基板１と被覆樹脂層５との境界の近傍に配置されている。これにより、発光素子２で発生し半導体発光装置横方向（平板基板１の平面に平行な方向）に向かう光を効率よく上方向（平板基板１の平面に垂直な方向）へ集光させられ、配光に指向性を持たせることができる。

図９は、本発明に係る半導体発光装置のさらに他の実施形態を示す斜視図である。この実施形態では、凸レンズ部５ａが、平板基板１と被覆樹脂層５との境界に平行な連続した帯状となっている。この場合は特に、半導体発光装置により発光された光が、上部に集光させられる。

本発明に係る半導体発光装置製造方法の一実施形態の手順を示すフローチャート。 本発明に係る半導体発光装置の一実施形態を示す立断面図。 図１の半導体発光装置の斜視図。 本発明に係る半導体発光装置の実施形態における凸レンズ部の形状と光取出し効率の相関を示すグラフ。 本発明に係る半導体発光装置の他の実施形態を示す立断面図。 本発明に係る半導体発光装置のさらに他の実施形態を示す立断面図。 本発明に係る半導体発光装置のさらに他の実施形態を示す上面図。 図７の半導体発光装置の斜視図。 本発明に係る半導体発光装置のさらに他の実施形態を示す斜視図。

符号の説明

１ ・・・平板基板
２ ・・・発光素子
２ａ・・・発光素子電極
２ｂ・・・ボンディングワイヤ
３ ・・・内部樹脂層
４ ・・・蛍光体層
５ ・・・被覆樹脂層
５ａ・・・凸レンズ部

Claims (6)

1. 平板基板上に半導体発光素子を実装する実装工程と、
   前記実装工程の後に、前記平板基板上で前記半導体発光素子の周囲を満たしてドーム状に覆うように少なくとも蛍光体層および被覆樹脂層を順次積層して半導体発光装置を形成する積層工程と、
   前記積層工程で形成された前記半導体発光装置の発光状態を測定する測定工程と、
   前記測定工程での測定結果に基づき、前記半導体発光装置の発光分布を調整するために前記被覆樹脂層の最表面に凸レンズ部を、液滴吐出装置を用いて形成する凸レンズ部形成工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光装置製造方法。
2. 前記凸レンズ部形成工程は、前記測定工程における前記半導体発光装置の発光状態の測定結果に基づいて決定された形状、個数、大きさおよび配置の前記凸レンズ部を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置製造方法。
3. 前記積層工程は、前記半導体発光素子と前記蛍光体層の間に内部樹脂層を積層する工程を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置製造方法。
4. 前記凸レンズ部形成工程は、集束超音波を用いた液滴吐出装置を用いて透明樹脂の液滴を上向きに吐出させること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光装置製造方法。
5. 前記凸レンズ部形成工程は、前記凸レンズ部の形状が半楕円球形になるように凸レンズ部を形成すること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光装置製造方法。
6. 平板基板と、この平板基板上に実装された半導体発光素子と、前記平板基板上で前記半導体発光素子の周囲を満たしてドーム状に覆うように順次積層された蛍光体層および被覆樹脂層と、前記被覆樹脂層の最表面に形成された凸レンズ部とを備えた半導体発光装置において、
   前記凸レンズ部の形状、個数、大きさおよび配置は、前記半導体発光装置の発光状態の測定結果に基づいて決定されていることを特徴とする半導体発光装置。

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