JP2013115088A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上部に反射部材を備え側面から光を放射するＬＥＤ装置において、色度を容易に管理できるＬＥＤ装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ装置１０は、回路基板３上に実装したＬＥＤダイ２０を所定の厚みを持った蛍光体層１６で被覆している。さらに蛍光体層１６は透明層１２で覆われており、透明層１２の上部に反射部材１１が接している。ＬＥＤ装置１０の色度は実用的な精度においてＬＥＤダイ２０の発光スペクトルと蛍光体層１６の蛍光物質濃度及び厚みで決まるので、透明層１２を調節してＬＥＤ装置１０のサイズを変更しても色度は変わらない。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板上に実装した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、レンズ等を使って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体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装置内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装置の側方から出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、光学部材をＬＥＤ装置と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の費用を抑えることができる。

この照明装置に使用されるＬＥＤ装置は例えば特許文献１の図１に示されている。特許文献１の図１で示されている発光ダイオード１０（ＬＥＤ装置）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７を備えている。この遮光層７は段落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。

特開２００１−２５７３８１号公報 （図１、段落００４６）

特許文献１に示されたＬＥＤ装置（発光ダイオード１０）はＬＥＤダイ（ＬＥＤチップ２）の発光がそのまま側面から出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、蛍光体を含有した被覆部材でＬＥＤダイを被覆すれば良い。特許文献１に示されるＬＥＤ装置（発光ダイオード１０）の場合なら、ＬＥＤダイ（ＬＥＤチップ２）を被覆している被覆部材（透光性樹脂３）に蛍光体を含有させることになる。しかしながら側面から光を放射するＬＥＤ装置は、側面に配置する光学系によって出射面の高さを変更することがある。このときＬＥＤ装置の出射光に対し一定の色度を維持するためには、被覆部材の厚さが変わるたびに蛍光体の含有量を調整し直さなくてはならず、色度管理が煩雑になってしまう。

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、色度を容易に管理できる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素子を透光性部材で被覆し、上部に反射部材を備える半導体発光装置において、
前記半導体発光素子を蛍光体層が覆い、
該蛍光体層を透明層が覆い、
該透明層に前記反射部材が接している
ことを特徴とする。

本発明の半導体発光装置は、回路基板上に実装した半導体発光素子を所定の厚みを持った蛍光体層で被覆している。この半導体発光装置の色度は実用的な精度において半導体発光素子の発光スペクトルと蛍光体層の蛍光物質の濃度及び厚みで決まる。蛍光体層を覆う透明層は、半導体発光装置の厚みを調整しながら光の伝播経路を確保し、側面から出射する光量を所定の水準以上に保っている。

前記透明層の上部に凹部があっても良い。

前記凹部の上部の輪郭が円又は長円であり、前記凹部が前記半導体発光素子の発する光を四つの側面の方向に反射しても良い。

前記透明層の上部が平坦であっても良い。

前記凹部が溝状であり、溝と直交する面が反射面となっていても良い。

以上のように本発明の半導体発光装置は、上部に備えられた反射部材により側面から光を出射する際、半導体発光素子から発した光が半導体発光素子の周囲を覆う蛍光体層で色度を決められ、この色度を保ったまま透明層を伝わって側方に出射する。また出射面の高さを変更しても蛍光体層の厚さが一定であるから色度を一定に保つことができる。これらの結果、色度が容易に管理できる。

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装置の出射光の説明図。 本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ装置の断面図。 図４に示したＬＥＤ装置において反射部材を除去した状態の平面図。 図４に示したＬＥＤ装置の出射光の説明図。 本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ装置の外形図。 図７に示したＬＥＤ装置の断面図。 図７に示したＬＥＤ装置において反射部材を除去した状態の平面図。 図７に示したＬＥＤ装置の出射光の説明図。

以下、添付図１〜１０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。
（第１実施形態）

図１により本発明の第１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、透明層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。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。ＬＥＤダイ２０は蛍光体層１６で覆われており、蛍光体層１６は透明層１２で覆われている。透明層１２の上部に反射部材１１がある。

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。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共晶で接続する。

蛍光体層１６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り、厚さは１００μｍ程度である。蛍光体層１６をＬＥＤダイ２０の周辺部だけに形成する手法として、例えばＬＥＤダイ２０から１００μｍほど離れた位置にダム材を設け、スキージにより硬化前の蛍光樹脂でＬＥＤダイ２０を埋め、蛍光樹脂を硬化させたらダム材を除去するものがある。透明層１２はシリコーン樹脂であり、回路基板１３から透明層１２の上部まで４００μｍから６００μｍ程度にすることが多い。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の出射光について説明する。図３はＬＥＤ装置１０の出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。本図では、ＬＥＤダイ２０の発光層からＬＥＤ装置１０の側面を通り外部に出射する光のうち代表
的なものを描いた。例えば光線Ｌ１は、ｎ型半導体層２２とｐ型半導体層２３の境界部にある発光層（図示していない）から発し、サファイア基板２１及び蛍光体層１６を抜け、透明層１２を通り反射部材１１で反射しＬＥＤ装置１０の側面から外部に出射する。このとき界面で起こる反射や屈折、蛍光体層１６で起こる吸収及び蛍光体層１６の発光については無視している。なお蛍光体層１６の発光は等方的であり、その強度は概ね発光層の発光強度に比例する。なお発光層から発しＬＥＤ装置１０の側面から出射する光と、蛍光体層から発しＬＥＤ装置１０の側面から出射する光とを合成したものがＬＥＤ装置の発光となる。

光線Ｌ２は、発光層から発し、サファイア基板２１、蛍光体層１６及び透明層１２を抜けＬＥＤ装置１０の側面から出射する。光線Ｌ３は発光層から発し、下側に向かった光が内部接続電極１４ａで反射しＬＥＤ装置１０の側面から出射する。光線Ｌ４は発光層から発し、サファイア基板２１、蛍光体層１６及び透明層１２を通り、反射部材１１と回路基板１３で反射し側面から出射する。このようにしてＬＥＤ装置１０は四つの側面から光を出射する。このときＬＥＤ装置１０の四つの側面に導光板若しくは反射部材を隣接配置することにより薄い平面型の照明装置を構成することができる。

以上のように発光層から発しＬＥＤ装置１０の側面から出射する光のうち多くのものは蛍光体層１６を一回だけ通る。蛍光体層１６は蛍光粒子の粒径や濃度から厚さを１００μｍ程度に設定する。また蛍光体層１６はその発光が発光層の発光強度に比例する範囲で使われることから、発光層の発光スペクトルが決まっていれば、所定の厚さに設定した蛍光体層１６によりＬＥＤ装置１０の発光の色度が決まる。透明層１２はＬＥＤ装置１０の高さを調整するとともに、光線Ｌ１〜Ｌ４等の伝播経路となっている。この伝播経路が狭いと出射効率が悪くなる傾向にある。なおＬＥＤダイ２０の直上に向かう光などの影響で、透明層１２の厚みによって多少色度が変化するが、厳密に色度を管理したい場合は蛍光体層１６の上部の厚さを削って調整すると良い。
（第２実施形態）

図１〜３に示したＬＥＤ装置１０において、ＬＥＤダイ２０の直上方向に出射した光は、たとえ反射部材１１で拡散的に反射されるとしても、多くの成分がＬＥＤ素子２０側に戻ってしまうためＬＥＤ装置１０の側面から効率よく出射できるとはいえない。そこで本発明の第２実施形態として図４〜６によりＬＥＤダイ２０の直上方向に向かう光を有効に側方に出射できるＬＥＤ装置４０を説明する。

図４によりＬＥＤ装置４０内部構造を説明する。図４はＬＥＤ装置４０の断面図である。なおＬＥＤ装置４０の外形は図１で示したＬＥＤ装置１０の外形と同じものとなるので図示を略した。図４はＬＥＤ装置４０において図１（ｃ）のＡＡ線に相当する切断線に沿った断面を示している。図４に示したＬＥＤ装置４０の断面と図２に示したＬＥＤ装置１０の断面との差異は、ＬＥＤ装置４０において透明層４２が窪み４３（凹部）を有し、そこに反射部材４１の一部が入り込んでいることだけである。この窪み４３はＬＥＤダイ２０の上部に存在し、下に凸な曲面になっている。この窪み４３は金型やサンドブラスト法で形成する。

次に図５により窪み４３を上面から眺めた様子を説明する。図５はＬＥＤ装置４０において反射部材４１を除去した状態の平面図である。透明層４２の上面には開口部が長円である窪み４３がある。図中、ＬＥＤダイ２０（図４等参照）の外延を示すためサファイア基板２１の外延を点線で示している。窪み４３の開口部（上部の輪郭）が円若しくは長円であると、マスクを使ったサンドブラスト法により窪み４３を形成する際、その底部を曲面にできる。

次に図６によりＬＥＤ装置４０の出射光について説明する。図６はＬＥＤ装置４０の出射光の説明図であり、図４の断面図に光線Ｌ５，Ｌ６を書き加えたものである。本図は、ＬＥＤダイ２０の発光層からＬＥＤダイ２０の直上方向に向かう光線について図３と同様に描いたものである。光線Ｌ５，Ｌ６は、ｎ型半導体層２２とｐ型半導体層２３の境界部にある発光層（図示していない）から発し、サファイア基板２１及び蛍光体層１６を抜け、透明層４２を通り、窪み４３に入りこんだ反射部材４１で反射しＬＥＤ装置４０の側面から外部に出射する。このとき界面で起こる反射や屈折、蛍光体層１６で起こる吸収及び蛍光体層１６の発光、並びに図３で示した光線Ｌ１〜Ｌ４と同等の光線については図示していない。またＬＥＤ装置１０と同様にＬＥＤ４０は、四つの側面から光を出射する。このときＬＥＤ装置４０の四つの側面に導光板若しくは反射部材を隣接配置することにより薄い平面型の照明装置を構成することができる。
（第３実施形態）

第１及び第２実施形態におけるＬＥＤ装置１０，４０は、四つの側面から光を出射していた。このようなＬＥＤ装置１０，４０は四つの側面に導光板若しくは反射部材を隣接させて平面型の照明装置を構成するのに適している。これに対しＬＥＤ装置が一列に配列した線状の照明装置も存在する。この線状の照明装置に適した光源として図７〜１０により本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ装置７０を説明する。

図７によりＬＥＤ装置７０（半導体発光装置）の外形を説明する。図７はＬＥＤ装置７０の外形図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が左側面図である。ＬＥＤ装置７０の上面及び底面は、図１（ａ）及び（ｃ）と同じものになるので図示していない。ＬＥＤ装置７０を正面から眺めると反射部材７１の下に側面反射部材７５があり、さらにその下に回路基板１３と外部接続電極１４，１５が見える。なお反射部材７１と側面反射部材７５（及び（ｂ）で後述する側面反射部材７４）は、ともに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て硬化させたものであり、一体的に形成されるため図にあるような境界線は存在しないが、説明のため反射部材７１と側面反射部材７４，７５を別体としている（以下同様）。なお側面反射部材７４，７５を樹脂、反射部材７１を金属とするような場合は境界線が現れる。ＬＥＤ装置７０を左から眺めると、反射部材７１、側面反射部材７４，７５並びに回路基板１３により囲まれた透明層７２が見える（ｂ）。回路基板１３の下には外部接続電極１４がある。

図８によりＬＥＤ装置７０の内部構造を説明する。図８はＬＥＤ装置７０の断面図である。なお図８はＬＥＤ装置７０において図１（ｃ）のＡＡ線に相当する切断線に沿った断面を示している。図８に示したＬＥＤ装置７０の断面と図２に示したＬＥＤ装置１０の断面との差異は、ＬＥＤ装置７０において透明層７２が三角形の窪み７３（凹部）を有し、そこに反射部材７１の一部が入り込んでいることだけである。この窪み７３はＬＥＤダイ２０の上部に存在する。この窪み７３は、第２実施形態のＬＥＤ装置４０で示した窪み４３と異なり紙面の表裏方向に延びる溝であり、金型や研削で形成する。以上のようにＬＥＤ装置７０は、窪み７３（凹部）が溝状であり、図７（ｂ）を参照するとこの溝と直交する面が反射面となっている。

次に図９により窪み７３を上面から眺めた様子を説明する。図９はＬＥＤ装置７０において反射部材７１を除去した状態の平面図である。透明層７２の上面には図の上下に延びる３本の線分により窪み７３が示されている。図中、ＬＥＤダイ２０（図４等参照）の外延を示すためサファイア基板２１の外延を点線で示している。なお窪み７３を示す線とサファイア基板２１の外延を示す点線が重ならないようにサファイア基板２１の左右方向を縮めている。図の上下には透明層７２を挟むようにして側面反射部材７４，７５が存在する。

次に図１０によりＬＥＤ装置７０の出射光について説明する。図１０はＬＥＤ装置７０の出射光の説明図であり、図８の断面図に光線Ｌ７，Ｌ８を書き加えたものである。本図は、ＬＥＤダイ２０の発光層からＬＥＤダイ２０の直上方向に向かう光線について図３と同様に描いたものである。光線Ｌ７，Ｌ８は、ｎ型半導体層２２とｐ型半導体層２３の境界部にある発光層（図示していない）から発し、サファイア基板２１及び蛍光体層１６を抜け、透明層７２に入射を通り、窪み７３に入りこんだ反射部材７１で反射しＬＥＤ装置７０の側面から外部に出射する。このとき界面で起こる反射や屈折、蛍光体層１６で起こる吸収及び蛍光体層１６の発光、並びに図３で示した光線Ｌ１〜Ｌ４については図示していない。第２実施形態のＬＥＤ装置４０と異なり、ＬＥＤ装置７０は側面反射部材７４，７５（図７，９参照）があるため図の表裏方向への出射光はない。この結果、側面反射部材７４，７５が隣接するように多数のＬＥＤ装置７０を配列し、光が出射する側面と隣接するようにして導光板や反射板を配置することにより、薄型で線状の照明装置が構成できる。

１０，４０，７０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
１１，４１，７１…反射部材、
１２，４２，７２…透明層、
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、
１６…蛍光体層、
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、
４３，７３…窪み（凹部）、
７４，７５…側面反射部材、
Ｌ１〜Ｌ８…光線。

Claims (5)

1. 回路基板上に実装した半導体発素子を透光性部材で被覆し、上部に反射部材を備える半導体発光装置において、
   前記半導体発光素子を蛍光体層が覆い、
   該蛍光体層を透明層が覆い、
   該透明層に前記反射部材が接している
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記透明層の上部に凹部があ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. 前記凹部の上部の輪郭が円又は長円であり、前記凹部が前記半導体発光素子の発する光を四つの側面の方向に反射することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記凹部が溝状であり、溝と直交する面が反射面となっていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
5. 前記透明層の上部が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。

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