JP5837775B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ素子等の半導体発光素子を備えた半導体発光装置に関するものであり、詳しくは実装した半導体発光素子の発光面上に透光部材を介して反射部材を設けた半導体発光装置に関する。

近年、ＬＥＤ素子（以下ＬＥＤと略記する）は半導体発光素子であるため、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。本発明においても半導体発光装置として、ＬＥＤ発光装置を事例として説明する。

特に近年、ＬＥＤの周囲を透光部材である透光性樹脂で被覆し、さらに被覆した透光性樹脂の上面側に反射部材の層を設けたＬＥＤ発光装置が提案されている。（例えば特許文献１、特許文献２）

以下、反射部材を透光部材の上面に配設した従来のＬＥＤ発光装置に付いて説明する。なお、理解し易いように発明の趣旨を外さない範囲において図面を一部簡略化し、また部品名称も本願にそろえている。図７は特許文献１に示されたＬＥＤ発光装置１００の断面図であり、回路基板１０２の上面には配線電極１０３ａ、１０３ｂが設けられており、配線電極１０３ａに実装固着されたＬＥＤ１０１の電極がワイヤー１０４によって、配線電極１０３ｂにワイヤーボンディングされている。さらに配線電極１０３ａ、１０３ｂは回路基板１０２の側面を通じて回路基板１０２の裏面側に導かれ、駆動電極１０３ｃを形成している。

またＬＥＤ１０１の上面及び側面は透光性樹脂１０５（透光部材）により封止されており、さらに透光性樹脂１０５の上面には反射部材１０６（光遮蔽層）が設けられている。すなわちＬＥＤ１０１の真上に放射される強い放射光を遮る位置に反射部材１０６を配置している。

次に上記ＬＥＤ発光装置１００の発光動作を説明する。図示しない実装基板に半田付け等により接続した回路基板１０２の駆動電極１０３ｃより、ＬＥＤ１０１へ駆動電流を供給するとＬＥＤ１０１が発光する。このとき反射部材１０６がない場合を考える。ＬＥＤ１０１は上面及び側面方向に光を出射するとしても、上方への出射光は極めて強くなる。このため、ＬＥＤ１０１の真上が極端に強く周辺が弱い発光状態となり、照明装置にＬＥＤ発光装置１００を組み込むと輝度むらが生じる。つまりＬＤＥ１０１の中心のみ明るくて周囲は暗い照明装置となる。

上記問題を解決するために、ＬＥＤ発光装置１００では、ＬＥＤ１０１を封止している透光性樹脂１０５の透光樹脂上面１０５ａに反射部材１０６（光遮蔽層）を設けている。すなわちＬＥＤ１０１の真上の極端に強い放射光を反射部材１０６によって阻止または抑制し、さらに反射部材１０６によって反射させ周囲から放射させることによって、ＬＥＤ１０１の正面が局部的に明るくなるという配光むらを改善している。なお、反射部材１０６としては白色樹脂や金属層のようにＬＥＤ１０１の発光を反射させる材料が使われている。

図８は特許文献２の図１に示されたＬＥＤ発光装置２００の断面図である。ＬＥＤ発光装置２００は、回路基板２０２の上面に設けた配線電極（図示せず）にフリップチップ実装したＬＥＤ２０１と、ＬＥＤ２０１を覆うようにして封止する透光性樹脂２０５と、透光性樹脂２０５の上面に形成した反射部材２０６を備えている。反射部材２０６は、半透過反射性の金属箔膜よりなり、蒸着またはメッキ法で形成する。反射部材２０６の反射率（又は透過率）及び面積、透光性樹脂２０５の厚み等を任意に設定することにより、正面方向の光出射量や広がり角の制御が可能となる。例えば、反射部材２０６を透過する透過光Ｐ１の量や側面方向へ出射する反射光Ｐ２の光路長を調節して指向特性を改善することができる。このＬＥＤ発光装置２００は少ない構成部品で発光ムラの緩和を行っている。

特開２００１−２５７３８１号公報（図１） 特開２００４−３０４０４１号公報（図１）

上記引用文献１，２に記載されたＬＥＤ発光装置１００，２００において、透光性樹脂１０５，２０５は、回路基板１０２，２０２や反射部材１０６，２０６との間で強く接着している。しかしながら、よく知られているように発光色を白色化するため透光性樹脂１０５，２０５に蛍光粒子を混入すると接着性能が低下することがある。

そこで本発明の目的は、上記問題点を解決しようとするものであり、蛍光体を含有する透光部材（以下蛍光部材と呼ぶ）により少なくとも側面及び上面を被覆した半導体発光素子と、この半導体発光素子を搭載する回路基板と、この蛍光部材の上面に配置された反射部材とを備える半導体発光装置において、蛍光部材と回路基板及び反射部材との固着力を高めたＬＥＤ発光装置を提供することである。

上記目的を達成するため本発明におけるＬＥＤ発光装置の構成は、下記の通りである。
蛍光部材で少なくとも側面及び上面を被覆した半導体発光素子と、該半導体発光素子を搭載する回路基板と、前記蛍光部材の上面に反射部材とを備える半導体発光装置において、前記蛍光部材の周囲であって前記回路基板と前記反射部材によって挟まれる領域に透明部材を備えると共に、前記反射部材が前記蛍光部材に比べて硬質の材料からなり、前記反射部材が前記蛍光部材に貼りついており、かつ、前記反射部材の上面に溝を有することを特徴とする。

上記構成によれば、回路基板及び反射部材に対する蛍光部材の接着性の悪さを、蛍光部材の周囲に設けた透明部材の接着性の良さによって補償できる。

前記回路基板の周囲に段差部を設け、該段差部と前記透明部材が係合していると良い。

上記構成によれば、回路基板周囲の段差部に透明部材が係合することによって、さらに回路基板と透明部材の結合をより強固にすることができる。

上記構成によれば、反射部材として取り扱い性の良い金属板や硬質の樹脂板を用いることによって製造が簡単になる。さらに板状の反射部材の上面に溝を設けることによって、反射部材と他の部材との間の熱膨張率差で生じる反りを防止することができる。

前記反射部材が透過性を有すると良く、さらに前記反射部材が透過性の微細開口を有すると良い。

上記構成によれば、反射部材の透過性によって反射部材の上面側にも出射光が存在するため、この反射部材の透過率と反射率を調整することにより配光をバランスよくできる。この半導体発光装置を照明装置に組み込めば、配光が良いため照明装置としての特性が改善される。
また、反射部材に透過性の微細開口を設ける構成の場合は、反射部材として高反射性の金属板を使用することができるため、反射部材の透過率と反射率の調整をより高い精度で行うことができる。

上記の如く本発明によれば、回路基板及び反射部材に対する蛍光樹脂の接着性の悪さを、蛍光部材の周囲に設けた透明部材の接着性の良さによって補償できる。このため、接着部分の剥がれや、接着部分からの水分侵入等によるトラブルの発生を防止することができる。

本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。 図１（ａ）に示すＬＥＤ発光装置の出射特性を示す断面図である。 本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。 本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。 図４（ａ）に示すＬＥＤ発光装置の出射特性を示す断面図である。 参考例におけるＬＥＤ発光装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。 従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。 従来のＬＥＤ発光装置の断面図である。

（第１実施形態）
以下図面により本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０を示し、（ａ）はＬＥＤ発光装置１０の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＬＥＤ発光装置１０の上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図を示している。

図１（ａ）に示すＬＥＤ発光装置１０の断面図おいて、回路基板２の上面に設けられた２個の配線電極３ａは、スルーホール電極３ｂを通して駆動電極３ｃに接続している。配線電極３ａにはＬＥＤ１がフリップチップ実装（以後ＦＣ実装と略記する）されており、回路基板２の周囲には段差部２ｄが設けられている。ＬＥＤ１の上面及び側面は蛍光樹脂７（蛍光部材）で被覆されており、この蛍光樹脂７の蛍光樹脂上面７ａには反射部材６が接着している。この反射部材６の上面には後述する溝６ａが設けられている。さらに蛍光樹脂７の周囲であって反射部材６と回路基板２の間隙となる空間には透明樹脂５が充填されている。透明樹脂５は回路基板２の段差部２ｄで接着することにより周辺部が強固になる。

次にＬＥＤ発光装置１０の全体構成を図１（ｂ）〜（ｄ）により説明する。
図１(ｂ)はＬＥＤ発光装置１０の上面図であり、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図に該当する。（ｂ）において反射部材６としては、適度の光透過性と適度の光反射性を有することが要求されており、例えばアクリル樹脂やエポキシ樹脂に酸化チタン等の反射材を混入した白色樹脂板や金属板等である。

また、（ｃ）に示す側面図の如く、板状の反射部材６は蛍光樹脂７に比べて硬質の材料であり、反射部材６が蛍光樹脂７に貼りついて固定されているため、反射部材６の熱膨張係数と他の部材の熱膨張係数の差により反りが発生する恐れがある。そこで反ろうとする内部応力を分散させるため反射部材６の上面に溝６ａが升目状に形成されている。さらに反射部材６の周囲及び断差部２ｄを含む回路基板２の周囲を透明樹脂５によって接着することにより、接着力の低下した蛍光樹脂７を補強している。（ｄ）はＬＥＤ発光装置１０の下面図であり、回路基板２の下面には２個の駆動電極３ｃが設けられている。

次に図２によりＬＥＤ発光装置１０の発光動作を説明する。図２は図１に示すＬＥＤ発光装置１０の発光状態を示す断面図であり、構成については図１のＬＥＤ発光装置１０と同じであり、重複する説明は省略する。また、本実施形態においてはＬＥＤ１として青色ＬＥＤ、蛍光樹脂７としてシリコーン樹脂にＹＡＧを混練しＬＥＤ１の青色発光を黄色光に変換するＹＡＧ蛍光樹脂を用い、ＬＥＤ発光装置１０として白色光を出射する発光装置の事例について説明する。

ＬＥＤ発光装置１０では駆動電極３ｃに駆動電流を供給することによってＬＥＤ１が青色光Ｐｂを発する。その青色光Ｐｂの一部は矢印付き実線で示すように半透過性の反射部材６を透過して出射する。青色光の別の一部は反射部材６や回路基板２等で反射し、透明樹脂５を通過してＬＥＤ発光装置１０の側面方向に出射する。また、ＬＥＤ１の出射光が蛍光樹脂７中に分散したＹＡＧ粒子によって波長変換した矢印付き点線で示す黄色光Ｐｙの一部は、反射部材６を通過して出射する。また黄色光Ｐｙの別の一部は反射部材６や回路基板２で反射しながら透明樹脂５を通過してＬＥＤ発光装置１０の側面方向に出射する。なお反射せずにＬＥＤ発光装置１０の側面から出射する青色光Ｐｂ、黄色光Ｐｙは図示していない。この結果ＬＥＤ発光装置１０の上面から側面方向を含む広い範囲に青色光Ｐｂと黄色光Ｐｙが配光され、その合成光によって広い範囲に白色光を出射する半導体発光装置が得られる。

（第２実施形態）
次に図３により本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０について説明する。図３はＬＥＤ発光装置２０を示し、（ａ）はＬＥＤ発光装置２０の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＬＥＤ発光装置２０の上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図を示している。

図３（ａ）に示すＬＥＤ発光装２０の断面図おいて、図１（ａ）に示す第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、ＬＥＤ発光装置１０の周囲を被覆している蛍光樹脂７が回路基板２と反射部材６の間に充填されていたのに対し、ＬＥＤ発光装置２０において蛍光樹脂７がＬＥＤ１の周囲を一定の厚さで被覆しており、透明樹脂５がその外側部分、すなわち蛍光樹脂７と反射層６の間隙を含む空間に充填されていることである。なおＬＥＤ発光装置２０の全体構成を示す図３（ｂ）〜（ｄ）は第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の全体構成を示す図１（ｂ）〜（ｄ）と基本的に同じであり、重複する説明は省略する。

ＬＥＤ発光装置１０に比べて、ＬＥＤ発光装置２０は回路基板２と反射部材６との接着をほとんど全て透明樹脂５で行っているため、回路基板２と反射部材６との接着力が極めて強い。本実施形態では回路基板２に段差部２ｄを設けて係合接着を行っているが、この係合接着を行わなくても十分な強度が得られるので、必要により省略しても良い。

（第３実施形態）
次に図４により本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置３０について説明する。図４はＬＥＤ発光装置３０を示し、（ａ）はＬＥＤ発光装置３０の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＬＥＤ発光装置３０の上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図を示している。

図４（ａ）に示すＬＥＤ発光装置３０の断面図おいて、図１（ａ）に示す第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と異なるところは、ＬＥＤ発光装置１０における反射部材６が半透過性の白色樹脂を用いていたのに対し、ＬＥＤ発光装置３０の反射部材４６は金属板を用いており、所定の透過性を持たせるため反射部材４６に複数の微細開口４６ａを設けたことである。

次にＬＥＤ発光装置３０の全体構成を図４（ｂ）〜（ｄ）により説明する。
図４(ｂ)はＬＥＤ発光装置３０の上面図であり、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図に該当する。（ｂ）において反射部材４６は金属板による完全反射性と複数の微細開口４６ａの透光性によって半透過反射部材を構成している。
なお、図４（ｃ）（ｄ）は図１（ｃ）（ｄ）と反射部材の構成を除いて同一の構成なので、重複する説明を省略する。

次に図５によりＬＥＤ発光装置３０の発光動作を説明する。図５は図４に示すＬＥＤ発光装置３０の発光状態を示す断面図であり、構成については反射部材４６の構成以外は図１のＬＥＤ発光装置１０と同じであり、重複する説明は省略する。また、本実施形態においてもＬＥＤ１として青色ＬＥＤ、蛍光樹脂７としてＬＥＤ１の青色発光を黄色光に変換するＹＡＧ蛍光樹脂を用い、ＬＥＤ発光装置３０として白色光を出射する事例について説明する。

ＬＥＤ発光装置３０では駆動電極３ｃに駆動電流が供給されることによってＬＥＤ１が青色光Ｐｂを発する。その青色光Ｐｂの一部は矢印付き実線で示すように反射部材４６の微細開口４６ａを透過して出射し、別の一部は反射部材４６や回路基板２で反射し透明樹脂５を通過してＬＥＤ発光装置３０の側面方向に出射する。また、ＬＥＤ１の青色出射光が蛍光樹脂７のＹＡＧ粒子によって波長変換された矢印付き点線で示す黄色光Ｐｙの一部は、反射部材４６の微細開口４６ａを通過して出射し、別の黄色光Ｐｙの一部は反射部材６や回路基板２等で反射し、透明樹脂５を通過してＬＥＤ発光装置３０の側面方向に出射する。この結果ＬＥＤ発光装置４０の上面から側面方向を含む広い範囲に青色光Ｐｂと黄色光Ｐｙが配光し、その合成光によって広い範囲に白色光を出射する。

上記ＬＥＤ発光装置３０の構成として反射部材４６に１０個の微細開口４６ａを設けた事例を示したが、実際にはもっと多数の微細開口４６ａを設け、透過率と反射率の調整を行うものである。反射部材４６として金属板に微細開口を形成しても良いし、また細かい網の目状の金属層を形成しても良い。

第１〜３実施形態では青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光樹脂の事例を示したが、これに限定されるものではなく、各種の半導体発光素子及び各種の蛍光樹脂に対応できることは当然である。また第１〜３実施形態では反射部材６，４６として板状のものを使用していたが、反射部材は板材に限られず、例えば反射性部粒子を混練した樹脂を蛍光樹脂及び透明樹脂に塗布したものや、メッキで形成した金属膜であっても良い。ＬＥＤの実装方法もＦＣ実装に限定されず、電極面を上側にしてワイヤボンディングを使うフェイスアップ実装でも良い。

（参考例）
第１〜３実施形態は剛性のある回路基板２上にＬＥＤ１をフリップチップ実装し、接着力の弱まった蛍光樹脂７を透明樹脂５で補強していた。次に図６により、回路基板２を持たない参考例について説明する。図６は参考例におけるＬＥＤ発光装置４０を示し、（ａ）はＬＥＤ発光装置４０の断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＬＥＤ発光装置４０の上面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図を示している。

図６（ａ）に示すＬＥＤ発光装置４０の断面図おいて、図１（ａ）に示す第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０と大きく異なるところは、ＬＥＤ発光装置１０における回路基板２の代わりに、ＬＥＤ発光装置４０において２個の電極２３を反射性樹脂層２２に埋設しながら底面のみ露出させている点である。最近ではＬＥＤ２１のダイサイズが大型化し、ＬＥＤ２１の底面に形成した電極２３のピッチでもマザー基板（実装基板）に直接実装できるようになってきた。電極２３はＬＥＤ２１の突起電極であり、電極２３を下にしてＬＥＤ２１は上面及び側面が蛍光樹脂７で被覆されている。蛍光樹脂７は蛍光樹脂上面７ａで反射部材６と接着している。さらに蛍光樹脂７の周囲であって反射部材７と反射性樹脂層２２が形成する間隙に透明樹脂５が充填されている。この場合、反射部材６は剛性を備えていることが好ましく、反射部材６と反射性樹脂層２２を透明部材５に接着することにより、蛍光体を含有して接着力及び弾性が低下した蛍光樹脂７を補強している。

次にＬＥＤ発光装置４０の全体構成を図６（ｂ）〜（ｄ）により説明する。
図６(ｂ)はＬＥＤ発光装置４０の上面図であり、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図に該当し、図６（ｂ）（ｃ）は基本的に第１実施形態における図１（ｂ）（ｃ）と同じであり重複する説明は省略する。

図６（ｄ）はＬＥＤ発光装置４０の下面図であり、反射性樹脂層２２の内側の領域に電極２３の露出部がある。反射性樹脂層２２はＬＥＤ２１から出射する光や、蛍光粒子の発する光を反射する。ＬＥＤ発光装置４０は第１〜３実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０，２０，３０に比べて、回路基板２と反射性樹脂層２２の厚さの差分だけ薄型化が可能になること、及び回路基板２がない分だけ構成部品が少ないことが利点となる。

１，２１，１０１，２０１ ＬＥＤ（半導体発光素子）
２，１０２，２０２ 回路基板
２ｄ 段差部
３ａ，１０３ａ，１０３ｂ 配線電極
３ｂ スルーホール電極
３ｃ、１０３ｃ 駆動電極
５ 透明樹脂
６，４６，１０６，２０６ 反射部材
６ａ 溝
７ 蛍光樹脂（蛍光部材）
７ａ 蛍光樹脂上面
１０，２０，３０，４０，１００，２００ ＬＥＤ発光装置（半導体発光装置）
２２ 反射性樹脂層
２３ 電極
４６ａ 微細開口
１０５，２０５ 透光性樹脂
１０５ａ 透光樹脂上面
Ｐｂ 青色光
Ｐｙ 黄色光

Claims (4)

1. 蛍光部材で少なくとも側面及び上面を被覆した半導体発光素子と、該半導体発光素子を搭載する回路基板と、前記蛍光部材の上面に反射部材とを備える半導体発光装置において、前記蛍光部材の周囲であって前記回路基板と前記反射部材によって挟まれる領域に透明部材を備えると共に、前記反射部材が前記蛍光部材に比べて硬質の材料からなり、前記反射部材が前記蛍光部材に貼りついており、かつ、前記反射部材の上面に溝を有することを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記回路基板の周囲に段差部を設け、該段差部と前記透明部材が係合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. 前記反射部材が透過性を有する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. 前記反射部材が透過性の微細開口を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置。
   

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