JP2013149711A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板に実装したＬＥＤダイと、このＬＥＤダイを被覆する透光性部材と、この被覆部材の上部に積層した反射部材とを備え、側面から光を放射する表面実装型のＬＥＤ装置において、回路基板の反射特性を改善し発光効率を向上させる。
【解決手段】回路基板１３上に設けた内部接続電極１４ａ，１５ａの表面に無光沢銀メッキ層２７を積層し、乱反射面（金属反射層３４，３５）を形成した。また、透光性部材１２は蛍光体４１，４２を含有していても良い。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子を透光性部材により被覆し、その上部に反射部材を備えた半導体発光装置に関する。

ウェハーから切り出された半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）を回路基板に実装し、樹脂やガラス等の透光性部材で被覆してパッケージ化した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）が普及している。このＬＥＤ装置をマザー基板に配列し平面型の照明装置を構成する場合、ＬＥＤ装置が照明装置の前方に向かって強い指向性を持つため、レンズを使ってＬＥＤ装置の放射光を広げようとすることがある。しかしながらＬＥＤ装置とレンズを積層すると照明装置が厚くなってしまう。

これに対し照明装置の側方にだけ光を放射するＬＥＤ装置をマザー基板に実装し、このＬＥＤ装置と隣接するように反射板や導光板などの光学部材を配置し照明装置を薄型化することがある。この照明装置は、ＬＥＤ装置の内部において照明装置の前方に向かおうとする光線をＬＥＤ装置の上部に配置した反射部材により照明装置の側方側に向かわせ、ＬＥＤ装置の側方から放射する光を光学部材により照明装置の前方に向けるものである。このようにすると広い面積で均一な発光面を確保できるとともに、光学部材とＬＥＤ装置とが積層していないため薄型化が達成できる。またレンズを使用しないことにより部材費用を抑えることができる。

上方向に強い指向性を持つＬＥＤダイの上部に反射部材を備え、側方に光を放射させるＬＥＤ装置は古くから知られている。古い従来例として特許文献１の第２図を図６に再掲示し、その構造及び作用を説明する。図６は発光装置（ＬＥＤ装置）の反射光の説明図である。ＬＥＤ本体４（ＬＥＤ装置）は、上部に凹型円錐面の反射面５を設け、反射面５の中央部の直下に発光部６（ＬＥＤダイ）を備え、発光部６に電極７及び８が係合している。電極７及び８間に通電すると発光部６から出射する光線は図６に示すように上部に設けられた反射面６によりＬＥＤ本体４の側面全周方向に反射され、側方に放射する均一にして高輝度な発光を得ることができる。

図６に示したＬＥＤ装置（ＬＥＤ本体４）は電極７，８が下方向に延出しているため薄型化には適さない。これに対し例えば特許文献２の図１には、表面実装型でありながら側方に光を放射するＬＥＤ装置が示されている。特許文献２の図１を図７に再掲示しこの従来例を説明する。なお部材を示す番号を一部変えている。図７は従来例として示した発光ダイオード１０ａ（ＬＥＤ装置）の断面図である。図７において発光ダイオード１０ａは、絶縁基板１（回路基板）上にＬＥＤチップ２（ＬＥＤダイ）を固定し、そのＬＥＤチップ２を透光性樹脂層３（透光性部材）により封止している。さらに透光性樹脂層３の上部には遮光層７ａ（反射部材）を備えている。この遮光層７ａは特許文献２の段落００４６に記載されているように高い反射率が要請されている。

なお絶縁基板１はリードフレーム４ｃからなる電極パターン４ａ，４ｂを有し、図中、表面１ａ、裏面１ｃ、端部１ｂが示されている。ＬＥＤチップ２は、電極パターン電極４ａにダイボンディングされ、電極部６ａから延びるワイヤ５ａにより電極パターン４ｂと接続し、発光面２ａから光を出射している。この光の一部は透光性樹脂層３の上面３ａにおいて遮光層７ａにより反射し発光ダイオード１０ａの側部から外部に放射される。

実開昭６２−１０７４６８号公報 （第２図） 特開２００１−２５７３８１号公報 （図１、段落００４６）

図７に示したＬＥＤ装置（発光ダイオード１０ａ）は上部に設けた反射部材を平坦化している。このようにすると製造し易くなる反面、ＬＥＤダイから上方向に出射する光のうち多くの成分が、上部の反射部材で反射し回路基板側に向かうようになる。また図７に示したＬＥＤ装置（発光ダイオード１０ａ）はＬＥＤダイ（ＬＥＤチップ２）の発光がそのまま側面から放射するので白色光が得られない。白色光を得るためには多くのＬＥＤ装置と同様にＬＥＤダイを青色又は近紫外光で発光させ、蛍光体を含有した透光性部材でＬＥＤダイを被覆すれば良いが、図７に示したＬＥＤ装置（発光ダイオード１０ａ）の場合なら、ＬＥＤダイ（ＬＥＤチップ２）を被覆している透光性部材（透光性樹脂層３）に蛍光体を含有させることになる。このとき蛍光体は等方的に発光するため、多くの発光成分が回路基板（絶縁基板１）側に向かうようになる。

このように回路基板に向かう光が多い場合、ＬＥＤ装置の発光効率を向上させるためには回路基板表面の反射特性を改善しなければならない。しかしながら図７に示したＬＥＤ装置（発光ダイオード１０ａ）は回路基板（絶縁基板１）の反射について言及していない。

そこで本発明は、この課題を解決するため、上部に反射部材を備え側面から光を放射する半導体発光装置において、回路基板の反射特性を改善し発光効率を向上させることが可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の半導体発光装置は、回路基板上に実装した半導体発光素子を被覆する透光性部材の上部に反射部材を備える半導体発光装置において、
前記回路基板が金属反射層を備え、
該金属反射層の表面が乱反射面である
ことを特徴とする。

本発明の半導体発光装置は、回路基板上に表面が乱反射面となっている金属反射層を備えている。半導体発光素子から上方の反射部材に向かって出射した光のうち、この反射部材で反射し回路基板に向う光は、回路基板の金属反射層で乱反射し多くの成分がＬＥＤ装置の側面から外部に放射される。また乱反射面が金属であるため反射率が高くなっている。実験的にも、回路基板上に実装した半導体発光素子を被覆する透光性部材の上部に反射部材を備えるとき、回路基板上の金属反射層の表面を乱反射面とした場合と鏡面とした場合とを比較すると、金属反射層の表面を乱反射面とした本発明のＬＥＤ装置の発光効率が、金属反射層の表面を鏡面としたＬＥＤ装置の発光効率より高くなることを確認した。

前記透光性部材が蛍光体を含有していても良い。

前記金属反射層が前記半導体発光素子と接続する内部接続電極であっても良い。

前記金属反射層の表面が無光沢の銀メッキ層であっても良い。

以上のように半導体発光素子の上部に反射部材を備え側方に光を放射する本発明の半導
体発光装置は、回路基板上に形成した金属反射層の表面を乱反射面としたことにより、回路基板に向かう光に対し回路基板の反射特性が改善し発光効率を向上させることができた。

本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ装置の外形図。 図１に示したＬＥＤ装置の断面図。 図１に示したＬＥＤ装置に含まれる回路基板の平面図。 図１に示したＬＥＤ装置の放射光の説明図。 図１に示したＬＥＤ装置を用いた照明装置の説明図。 従来のＬＥＤ装置の反射光の説明図。 従来のＬＥＤ装置の断面図。

以下、添付図１〜５を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。

図１により本発明の実施形態におけるＬＥＤ装置１０（半導体発光装置）の外形を説明する。図１はＬＥＤ装置１０の外形図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図、（ｃ）が底面図である。ＬＥＤ装置１０を上部から眺めると長方形の反射部材１１のみが見える（ａ）。ＬＥＤ装置１０を正面から眺めると、反射部材１１から下に向かって、透光性部材１２、回路基板１３、及び外部接続電極１４，１５が見える（ｂ）。ＬＥＤ装置１０を底面側から眺めると、回路基板１３が占める領域の内側に外部接続電極１４，１５が見える（ｃ）。

図２においてＬＥＤ装置１０の内部構造を説明する。図２は、図１（ｃ）のＡＡ線に沿って描いたＬＥＤ装置１０の断面図である。回路基板１３上にＬＥＤダイ２０がフリップチップ実装され、ＬＥＤダイ２０を透光性部材１２が被覆し、透光性部材１２に反射部材１１が積層している。

ＬＥＤダイ２０は、サファイア基板２１、ｎ型半導体層２２、ｐ型半導体層２３、絶縁膜２４、並びにｐ側電極２５及びｎ側電極２６からなる。サファイア基板２１の下にはｎ型半導体層２２が形成され、さらにｎ型半導体層２２の下にｐ型半導体層２３が形成されている。絶縁膜２４は、二つの開口部を除きｎ型半導体層２２及びｐ型半導体層２３を被覆しており、それぞれの開口部でｐ型半導体層２３とｐ側電極２５並びにｎ型半導体層２２とｎ側電極２６が接続している。

回路基板１３は上面に内部接続電極１４ａ，１５ａが形成されており、内部接続電極１４ａ，１５ａはスルーホール電極１４ｂ，１５ｂを介して外部接続電極１４，１５と接続している。ＬＥＤダイ２０のｐ側及びｎ側の電極２５，２６はそれぞれ内部接続電極１４ａ，１５ａと接続している。また内部接続電極１４ａ，１５ａの表面には無光沢銀メッキ層２７が形成されている。

サファイア基板２１は透明絶縁基板であり厚さが８０〜１２０μｍである。ｎ型半導体層２２はＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層からなり厚さが５μｍ程度である。ｐ型半導体層２３は、反射層や原子拡散防止層などを含む金属多層膜とｐ型ＧａＮ層からなり厚みが１μｍ程度である。図示していないが発光層はｐ型半導体層２３とｎ型半導体層２２の境界部にあり、平面形状はｐ型半導体層２３とほぼ等しい。絶縁膜２４はＳｉＯ２やポリイ
ミドからなり厚さが数１００ｎｍ〜１μｍ程度である。ｐ側電極２５並びにｎ側電極２６はＡｕ又はＣｕをコアとするバンプであり、電解メッキ法で形成し厚さが１０〜３０μｍ程度である。

回路基板１３は、厚さが数１０μｍから数１００μｍであり、その材料は熱伝導率や反射率等を考慮し、樹脂、セラミック、金属などから選ぶ。外部接続電極１４，１５および内部接続電極１４ａ，１５ａは、厚さが数μｍから数１０μｍであり、Ｎｉ及びＡｕメッキした銅箔である。さらに内部接続電極１４ａ，１５ａは表面に無光沢銀メッキが施こされ、ＬＥＤダイ２０と積層しない部分は金属反射層として機能している。無光沢銀メッキは、白色の乱反射面となっており、図示していないがＬＥＤダイ２０の実装部以外は酸化若しくは硫化を防止するためＳｉＯ２で被覆されている。スルーホール電極１４ｂ，１５ｂは直径が１００〜３００μｍ程度で内部に金属を充填している。ｐ側及びｎ側の電極２５，２６と内部接続電極１４ａ，１５ａは、ＬＥＤ装置１０をマザー基板に実装する際の半田リフローで融解しないようにするためＡｕ−Ｓｎ共晶若しくは高融点半田で接続する。

透光性部材１２はシリコーン樹脂に蛍光粒子を混練した蛍光樹脂を硬化させたものである。反射部材１１はシリコーン樹脂に酸化チタン等の反射性微粒子を混練し硬化させたもので厚さが５０〜１００μｍ程度である。また反射部材１１は金属膜であっても良い。

次に図３によりＬＥＤ装置１０に含まれる回路基板１３の金属反射層について説明する。図３はＬＥＤ装置１０から反射部材１１、透光性部材１２をとり除いた状態の回路基板１３の平面図である。回路基板１３の内側の領域には、ＬＥＤダイ２０をとり囲むように大きな領域を占める金属反射層３４がある。さらにＬＥＤダイ２０の右側には小さな金属反射層３５がある。金属反射層３４，３５は、表面全体に無光沢銀メッキ層（図２参照）を積層させた内部接続電極１４ａ，１５ａ（図２参照）のうちＬＥＤダイ２０のない領域を占めるものである。なお図中、金属反射層３４，３５として示した領域は、内部接続電極１４ａ，１５ａは表面に形成した無光沢銀メッキ層２７が見えているので、図２の内部接続電極１４ａ，１５ａとはハッチングを変えている。

次に図４によりＬＥＤ装置１０の放射光について説明する。図４はＬＥＤ装置１０の放射光の説明図であり、図２の断面図に光線Ｌ１〜Ｌ４を書き加えたものである。光線Ｌ１はＬＥＤダイ２０の発光層（ｎ型半導体層２２とｐ型半導体層２３の境界部）から直接的にＬＥＤ装置１０の側面に向かい、この側面から外部に放射する青色光である。光線Ｌ２は、ＬＥＤダイ２０の発光層を出射し反射部材１１で反射してから内部接続電極１５ａの乱反射面で反射し、ＬＥＤ装置１０の側面から外部に放射する青色光である。

もしも仮に内部接続電極１５ａの表面が鏡面であったとすると、光線Ｌ２はこの鏡面で反射し再び上方の反射部材１１に向かうことになる。この場合、ＬＥＤ装置１０の側面から放射するまで長い経路を必要とするため損失が大きくなる。これに対し本実施形態のように内部接続電極１５ａの表面が乱反射面であると、乱反射した光の一部がＬＥＤ装置１０の内側に向かい損失が発生するとしても、乱反射した光の残りの部分が短い距離で側面から外部に放射するため、金属反射層を鏡面とした場合に比べＬＥＤ装置１０は発光効率が良くなる。

光線Ｌ３は、ＬＥＤダイ２０から出射してきた青色光が蛍光体４１により波長変換されＬＥＤ装置１０の側面から放射するものである。光線Ｌ４は、ＬＥＤダイ２０から出射してきた青色光が蛍光体４２により波長変換され、その後内部接続電極１４ａの表面で反射しＬＥＤ装置１０の側面から放射するものである。なお内部接続電極１４ａの表面は乱反射面なので内側（図では右側）に向かった光線Ｌ４が内部接続電極１４ａで外側に進行方向を変えている。損失に関する状況は前述のとおりである。

試作結果を表１により説明する。実験は回路基板１３上の内部接続電極１４ａ，１５ａの表面が鏡面であるＬＥＤ装置（比較例）と乱反射面であるＬＥＤ装置１０を比較したものである。比較例のＬＥＤ装置とＬＥＤ１０は内部接続電極１４ａ，１５ａの表面処理以外は共通である。ＬＥＤダイ２０は青色発光ダイオードであり、透光性部材１２は蛍光体としてＹＡＧを含有している。ＬＥＤダイ２０は順方向電圧Ｖｆが共に３．０３Ｖで、駆動電流Ｉｆは２００ｍＡである。このとき内部接続電極１４ａ，１５ａを鏡面としたＬＥＤ装置（比較例）の全光束Ｙが４５．６ｌｍであったのに対し、内部接続電極１４ａ，１５ａを乱反射面としたＬＥＤ装置１０の全光束Ｙが４７．３ｌｍとなった。なお比較例のＬＥＤ装置及びＬＥＤ装置１０の色度は共にｘ＝０．２７、ｙ＝０．２５となった。以上のようにこの実験により内部接続電極１４ａ，１５ａを鏡面から乱反射面に変更することで発光効率が４％向上することを確認した。

図５によりＬＥＤ装置１０を備えた照明装置５０を説明する。図５は照明装置５０の説明図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が平面図である。（ａ）の断面図は（ｂ）のＢＢ線に沿って描いたものである。照明装置５０はマザー基板５２を備え、マザー基板５２上に反射板５１を配置している。反射板５１は、マザー基板５２に実装されたＬＥＤ装置１０の側部に配置され、ＬＥＤ装置１０に近い側が低くなっている。ＬＥＤ装置１０の側面から放射した光線Ｌ５，Ｌ６は反射板５１の斜面で拡散反射する。（ｂ）に示すように照明装置５０を上方から眺めるとＬＥＤ装置１０の四方を反射板５１がとり囲んでいる。中央に配置したＬＥＤ装置１０は上部の反射部材１１が見え、ＬＥＤ装置１０と反射板５１の間にはマザー基板５２の表面が見える。この照明装置５０を多数準備し、これらを平面的に配列させればさらに大型の照明装置を構成できる。

本実施形態のＬＥＤ装置１０は透光性部材１２が蛍光体を含んでいたが、透光性部材が蛍光体を含まなくても発光効率を向上させる効果が得られる。またＬＥＤ装置１０において蛍光体が透光性部材１２中で均一分散していたが、蛍光体は透光性部材のなかで均一分散していなくても良い。例えば回路基板の周辺部に蛍光体が集中していても良い。蛍光体は等方的に発光するためＬＥＤ装置内部に戻ろうとする発光成分が存在するが、この場合でも内側に向かう発光成分の多くの部分を金属反射層の乱反射によりＬＥＤ装置から外部に放射できるようになる。

ＬＥＤ装置１０は内部接続電極１４ａ，１５ａの表面全体に無光沢の銀メッキを施していた。内部接続電極を金属反射層として機能させる場合、内部接続電極の実装部を除く反射領域だけ銀メッキするのであっても良い。また内部接続電極と金属反射層を電気的に分離しても良い。特にＬＥＤダイをフェイスアップ実装しワイヤで接続する場合は、ワイヤの接続部と反射朗域の表面処理を異ならせると良い場合がある。

ＬＥＤ装置１０は内部接続電極１４ａ，１５ａの表面に無光沢銀メッキを施し、内部接
続電極１４ａ，１５ａの一部を、乱反射面を備えた金属反射層としていた。乱反射面を形成するのには無光沢銀メッキに限られず、たとえば金属反射層として準備するＡｌ膜の表面を粗面化しても良い。またＬＥＤ装置１０はＬＥＤダイ２０を一個だけ備えていたが、単一の回路基板に複数のＬＥＤダイを搭載しても良い。

ＬＥＤ装置１０は４つの側面から光を放射していたが、光を放射させない側面を持たせ、この側面に側面反射部材を配置しても良い。特に対向する二つの側面だけから光を放射させるようにした場合、光を放射しない側面を隣接させて複数のＬＥＤ装置を配列させると線状の光源が得られる。またＬＥＤ装置１０を使った図５の照明装置５０は反射板５１を使っていたが、いったん横方向に広がった光を均一に上方に向けるのに導光板を使っても良い。またＬＥＤ装置１０の反射部材１１は透過性がなかったが、照明装置５０においてＬＥＤ装置１０の上部が暗くならないように反射部材１１を半透過反射層としても良い。例えば反射部材１１が反射性微粒子を含有する反射性樹脂である場合は透過率を厚さで調整できる。反射部材１１が金属膜である場合は、金属膜に微小な貫通孔をもうければ良い。

１０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１…反射部材、
１２…透光性部材、
１３…回路基板、
１４，１５…外部接続電極、
１４ａ，１５ａ…内部接続電極、
１４ｂ，１５ｂ…スルーホール電極、
２０…ＬＥＤダイ（半導体発光素子）、
２１…サファイア基板、
２２…ｎ型半導体層、
２３…ｐ型半導体層、
２４…絶縁膜、
２５…ｐ側電極、
２６…ｎ側電極、
２７…無光沢銀メッキ層、
３４，３５…金属反射層、
４１，４２…蛍光体、
５０…照明装置、
５１…反射板、
５２…マザー基板、
Ｌ１〜Ｌ６…光線。

Claims (4)

1. 回路基板上に実装した半導体発光素子を被覆する透光性部材の上部に反射部材を備える半導体発光装置において、
   前記回路基板が金属反射層を備え、
   該金属反射層の表面が乱反射面である
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記透光性部材が蛍光体を含有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記金属反射層が前記半導体発光素子と接続する内部接続電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記金属反射層の表面が無光沢の銀メッキ層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。

Images