JP2011066302A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光装置を提供することを本発明の課題とする。また、光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光装置の製造方法を提供することを、本発明の課題とする。
【解決手段】本発明の半導体発光装置１０は、底面２２および底面２２の周縁から立ち上がり底面２２から遠ざかるに従って拡開する壁面２３を備えた凹部２１を有する容器部２０と、凹部２１の内側に配置された半導体発光素子７０と、凹部２１の底面２２に半導体発光素子７０を封止するように接合され、凹部２１の拡開する壁面２３と対向する第２の面５２が壁面２３と略等間隔な間隙を形成する封止部５０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。

近年、高効率、長寿命が期待されるＬＥＤ（Light Emitting Diode）と呼ばれる半導体発光素子を用いた半導体発光装置が、電球や蛍光ランプに代え、照明器具や液晶ディスプレイのバックライトなどに利用されるようになってきている。
公報記載の従来技術として、半導体発光素子の周囲に半導体発光素子から出射される光を反射するリフレクタを配置するとともに、このリフレクタと接触しないように半導体発光素子を封止する透光性樹脂を設けた半導体発光装置が存在する（特許文献１、２参照）。

特開２００８−２０５３９５号公報 特開平８−２６４８４０号公報

このような半導体発光装置では、半導体発光素子から出力される光をより多く外部に取り出せるようにすること、すなわち、半導体発光装置における光取り出し効率を向上させることが要請されている。
そこで、光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光装置を提供することを本発明の課題とする。また、光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光装置の製造方法を提供することを、本発明の課題とする。

かかる目的のもと、本発明の半導体発光装置は、底面および当該底面の周縁から立ち上がり前記底面から遠ざかるに従って拡開する壁面を備えた凹部を有する容器部と、前記凹部の内側に配置された半導体発光素子と、前記凹部の前記底面に前記半導体発光素子を封止するように接合され、当該凹部の拡開する前記壁面と対向する面が当該壁面と略等間隔な間隙を形成する封止部とを有する。

また、前記間隙は、前記凹部に供給された液体封止剤を固体化して封止部を形成する際に、当該液体封止剤が収縮することによって形成されることを特徴とする。

さらに、前記凹部の前記底面が、前記凹部の前記壁面よりも粗いことを特徴とする。

本発明の半導体発光装置の製造方法は、底面および当該底面の周縁から立ち上がる壁面を備えた凹部を有する容器部に対し、当該凹部の内側に半導体発光素子を配置する工程と、 前記半導体発光素子が配置された前記凹部に液体封止剤を供給する工程と、前記凹部に供給された前記液体封止剤を固体化させるのに伴って当該液体封止剤を収縮させることにより、当該凹部の前記壁面と当該液体封止剤の間に空隙を形成し且つ前記半導体発光素子を封止する封止部を形成する工程とを含む。

また、前記液体封止剤を供給する工程の前に、前記壁面と前記液体封止剤との密着性を低下させる離型剤を前記壁面に備えさせる工程をさらに含む。

さらに、前記半導体発光素子を配置する工程で用いられる前記容器部の前記壁面が、前記底面から遠ざかるに従って拡開し、かつ前記半導体発光素子から出力される光に対する反射性を有していることを特徴とする。

さらにまた、前記半導体発光素子を配置する工程で用いられる前記容器部の前記底面には、あらし処理が施されており、前記封止部を形成する工程において、当該底面と前記封止部とは接触していることを特徴とする。

本発明の半導体発光装置によれば、光取り出し効率を向上させた半導体発光装置を提供することができる。さらに本発明の半導体発光装置の製造方法によれば、光取り出し効率を向上させた半導体発光装置の製造方法を提供することができる。

本発明の製造方法によって製造された半導体発光装置の一例の上面図である。 図１におけるII-IIの断面図である。 本発明の半導体発光装置の製造方法の工程を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の製造方法によって製造された半導体発光装置１０の一例を上面から見た図であり、図２は図１のII-IIにおける断面図を示した図である。

この半導体発光装置１０は、凹部２１が形成された容器部２０と、本体部の凹部２１の内側に配置された半導体発光素子７０と、容器部２０の凹部２１に半導体発光素子７０を覆うように設けられた封止部５０とを備える。また、容器部２０に設けられた凹部２１は、円形状を有する底面２２と、底面２２の周縁から立ち上がり底面２２から遠ざかるに従って拡開する壁面２３とを備えている。

封止部５０は、容器部２０の凹部２１に設けられた底面２２と接する一方、壁面２３とは間隙を形成する状態である。すなわち、容器部２０の凹部２１に設けられた拡開する壁面２３と、壁面２３と対向する封止部５０の面（後述する第２の面５２）との間には間隙が形成されている。この間隙は略等間隔であり、凹部２１に供給された液体封止剤５５（図３参照）を固体化して封止部５０を形成する際に、後述する液体封止剤５５が収縮することによって形成される。本実施の形態では、この間隙は気体層６０となっている。

なお、本明細書における上側の面とは、半導体発光素子７０から出射される光を半導体発光装置１０から取り出す側の面をいい、本明細書における下側の面とは、上側の面とは反対側の面、すなわち半導体発光素子７０の光を半導体発光装置１０から取り出す面と反対側の面をいう。

以下、半導体発光装置１０の各構成を説明する。

＜容器部＞
容器部２０は容器３０とリード部４０とを備えており、リード部４０はアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２を有している。

容器３０は、例えば白色顔料を含有する熱可塑性樹脂によって構成されている。容器３０を構成する熱可塑性樹脂としては、９Ｔ―ナイロン（登録商標）、シリコン樹脂、あるいは液晶ポリマー（芳香族ポリエステル）などが挙げられる。なお、容器３０については、上述した熱可塑性樹脂の他、例えばセラミック等を用いて構成してもよい。
なお、凹部２１の壁面２３と凹部２１の底面２２とが形成する角度は、図２に示すような、底面２２の中心を通る容器部２０の断面において、１０５°〜１７５°であることが好ましい。

次に、アノード用リード部４１およびカソード用リード部４２は、それぞれの一部が容器３０に挟み込まれることによって保持されている。また、アノード用リード部４１およびカソード用リード部４２は、それぞれの一端側が凹部２１の底面２２に露出し、それぞれの他端側が容器３０の外部に露出するようになっている。そして、アノード用リード部４１およびカソード用リード部４２のそれぞれの他端側は、容器３０の裏側（凹部２１とは反対側）に折り曲げられている。

リード部４０を構成するアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２は、０．１〜０．５ｍｍ程度の厚みを有する金属板から形成されている。リード部４０の材質としては加工性や熱伝導性に優れた金属が好ましい。リード部４０としては、例えば、鉄／銅合金をベースとし、さらにその上にメッキ層としてニッケル、チタン、金、銀などを数μｍ積層したものが用いられる。なお、本実施の形態では、表面に銀のメッキ層が形成されたアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２を用いている。

また、容器部２０の凹部２１を構成する底面２２には、上述したようにアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２が露出しており、両者の間には容器３０を構成する材料（例えば熱可塑性樹脂）が露出している。そして、本実施の形態では、アノード用リード部４１が底面２２の中央部まで延びて形成されている。

一方で、底面２２とともに容器部２０の凹部２１を構成する壁面２３には、容器３０を構成する材料（例えば白色顔料を含有する熱可塑性樹脂）が露出している。ここで、壁面２３は、半導体発光素子７０から出力される光に対する反射性を有していることが好ましい。ただし、容器３０を構成する材料ではなく、他の材料によって壁面２３を形成してもかまわない。例えば壁面２３は金属から形成されてもよい。

＜半導体発光素子＞
半導体発光素子７０は、容器３０の凹部２１の底面２２の中央部に設けられたカソード用リード部４２の上に取り付けられている。また、半導体発光素子７０に設けられたアノード電極は底面２２に露出するアノード用リード部４１と、半導体発光素子７０に設けられたカソード電極は底面２２に露出するカソード用リード部４２と、それぞれ金線を用いて電気的に接続されている。

半導体発光素子７０は、４３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長領域に主発光ピークを有する青色光を発するものであり、サファイア基板の上に形成されるＡｌＮからなるシード層と、シード層上に形成される下地層と、ＧａＮを主体とする積層半導体層とを少なくとも備えている。積層半導体層は、基板側から下地層、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の順に積層されて構成されている。なお、本実施の形態では、半導体発光素子７０の順方向電圧Ｖ_ｆが、＋３．２Ｖとなっている。

＜封止部＞
封止部５０は、凹部２１の底面２２に、半導体発光素子７０を封止するように接合される。封止部５０は、容器部２０の凹部２１に設けられた底面２２と接する第１の面５１と、凹部２１に設けられた壁面２３と気体層６０を介して対向する第２の面５２と、凹部２１の開口側に設けられた第３の面５３とを有している。
ここで、第１の面５１は、凹部２１の底面２２を構成するアノード用リード部４１、カソード用リード部４２およびこれらの間に存在する熱可塑性樹脂と、底面２２上に設けられた半導体発光素子７０とに、それぞれ接する。

また、封止部５０は、可視領域の波長において光透過率が高く、また屈折率が高い透明材料から形成される。特に、封止部５０が封止する半導体発光素子７０の発光波長に対して、光透過率が高い材料が好ましい。封止部５０を構成する材質としては、耐熱性、耐光性、および機械的強度が高い特性を満たす材質が用いられる。例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ゾル―ゲルガラスなどが好ましい。これらの原材料は、固体化に伴って収縮することで体積が小さくなる特性を有している。上記の原材料のうちシリコン樹脂がさらに好ましく、特に好ましいのは、カップリング剤を含まないシリコン樹脂である。ここで、カップリング剤とは、他の部材との密着性を高めるために添加されるものであり、例えば、エポキシ基、アクリル基、ビニル基などを官能基として有する有機変性シリコン成分などがある。なお、封止部５０がシリコン樹脂から形成され、さらに容器３０もシリコン樹脂から形成されることが好ましく、さらに好ましいのは、封止部５０がカップリング剤を含まないシリコン樹脂から形成され、容器３０はシリコン樹脂から形成されることである。

なお、封止部５０には、必要に応じて蛍光体を含有させてもよい。蛍光体は、半導体発光素子７０から出射される光の一部を、より長波長の光に変換するものである。
また、図２に示す例において、封止部５０の第３の面５３は凸面として示されているがこの形状に限定されるものではなく、第３の面５３は、平面、凹面、あるいは集光性を高めるために溝や突起を有する面であってもよい。
さらに、限定するものではないが、本実施の形態の半導体発光素子７０は０．３５ｍｍ幅であり、封止部５０は、上側の面の径：２．４ｍｍ、下側の面の径：１．９ｍｍ、封止部５０の高さ：０．８５ｍｍであり、封止部５０の屈折率は１．４１〜１．４２であり、封止部５０と壁面２３との間の間隙は０．０１ｍｍである。なお、封止部５０と壁面２３との間の間隙は０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであることが好ましい。

次に、上述した半導体発光素子７０の発光動作について説明する。
アノード用リード部４１およびカソード用リード部４２との間に、順方向電圧Ｖ_ｆを印加すると、アノード用リード部４１から半導体発光素子７０を介してカソード用リード部４２に順方向電流が流れ、その結果、半導体発光素子７０は光を発する。そして、半導体発光素子７０から発せられた光は、封止部５０内を進行し、直接あるいは底面２２と対向する第１の面５１および壁面２３と対向する第２の面５２にて反射した後、第３の面５３から外部に出射される。ただし、封止部５０の第３の面５３に向かう光の一部は、第３の面５３で反射し、再び封止部５０内を進行する。ここで、封止部５０が蛍光体を含んでいる場合は、封止部５０を進行する光の一部がより長波長の光に変換され、半導体発光素子７０から発せられる波長の光とともに外部に出射される。

この間、封止部５０内を進行する光のうち、底面２２と対向する第１の面５１に向かう光は、封止部５０の第１の面５１と底面２２との界面において反射することになる。ここで、本実施の形態では、底面２２に露出するアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２の表面に銀メッキ層を形成しているので、封止部５０の第１の面５１に向かう光は、この銀メッキ層によって反射される。

また、封止部５０内を進行する光のうち、壁面２３と対向する第２の面５２に向かう光は、封止部５０の第２の面５２と気体層６０との界面において反射することになる。ここで、本実施の形態のように封止部５０の第２の面５２の外側に気体層６０を設けた場合には、気体層６０を設けずに封止部５０の第２の面５２と壁面２３とを直接接触させる構成を採用した場合と比較して、界面での屈折率差が大きくなる。このため、前者の構成を採用した場合には、後者の構成を採用した場合と比較して、封止部５０の第２の面５２から外部に飛び出す光の量が少なくなり、その分、封止部５０の第２の面５２から封止部５０内に戻る光の量が多くなる。

封止部５０の第２の面５２から外部に飛び出した光は、その一部が壁面２３によって反射されることになるが、一部は壁面２３で吸収されることになる。これに対し、封止部５０内では、壁面２３よりも光の吸収が生じにくい。したがって、気体層６０を介して封止部５０と壁面２３とを対向させることで、封止部５０の第２の面５２から外部に飛び出す光の量を低減することができ、結果として半導体発光装置１０から出射される光の取出し効率を高めることができる。

なお、本実施の形態では、気体層６０を介して封止部５０の第２の面５２と壁面２３とを対向配置させている。したがって、第２の面５２から気体層６０側に飛び出してくる光の一部については、底面２２から遠ざかるに従って拡開している壁面２３の表面で反射させることで半導体発光装置１０の外部に出射させることができる。これは、壁面２３がリフレクタとして機能するためである。ここで、壁面２３が半導体発光素子７０から出力される光に対する反射性を有していると、光の取出し効率をさらに高めることができるため好ましい。
結果として、壁面２３の表面で反射させることで、半導体発光装置１０から出射される光の取出し効率をさらに高めることができる。なお、壁面２３が白色顔料を含有する熱可塑性樹脂または金属で構成されると、反射性が高まる。

本実施の形態では、半導体発光装置１０の光の取出し効率が、従来の半導体発光装置と比較して１０％〜２０％向上することが確認された。

＜半導体発光装置の製造方法＞
次に、本発明の半導体発光装置１０の製造方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施形態によって製造される半導体発光装置１０の凹部２１周辺の断面図を、工程ごとに示したものである。

＜容器部形成工程＞
まず、リード部４０および容器３０を有する容器部２０の製造を行う。容器部２０の製造は、例えばリード部４０の原材料となるフレーム板金に、例えば白色の熱可塑性樹脂を射出成型することによって行われる。このとき、容器部２０には凹部２１が形成される。なお、容器部形成工程については、必ずしも一連の工程として行う必要はなく、事前の製造工程で容器部２０を製造するようにしてもかまわない。

＜発光素子接続工程＞
次に、半導体発光素子を配置する工程である、発光素子接続工程においては、図３（ａ）に示すように、容器部２０の凹部２１に設けられた底面２２の中央部すなわちカソード用リード部４２が露出している部位に、接着剤等を用いて半導体発光素子７０を取り付けるダイボンドを行う。続いて半導体発光素子７０のアノード電極と底面２２に露出するアノード用リード部４１とを金線を用いて電気的に接続し、且つ、この半導体発光素子７０のカソード電極と底面２２に露出するカソード用リード部４２とを金線にて電気的に接続するワイヤボンドを行う。

＜離型剤塗布工程＞
そして、図３（ｂ）に示すように、容器部２０の凹部２１に設けられた壁面２３に離型剤８０を塗布する。このとき、底面２２には離型剤８０を塗布しないことが望ましい。本実施の形態で用いる離型剤８０は、壁面２３と封止部５０の原材料となる液体封止剤５５（後述する図３（ｃ）参照）との密着性を低下させる機能を有するものであればよい。なお、離型剤塗布工程は本発明に必須な工程ではない。

＜封止剤供給工程＞
さらに、凹部に液体封止剤を供給する工程である、封止剤供給工程においては、図３（ｃ）に示すように、容器部２０の凹部２１に液体封止剤５５を供給する。このとき、液体封止剤５５は、凹部２１の底面２２および壁面２３の両者に接した状態となる。なお、液体封止剤５５には、必要に応じて蛍光体を含有させるようにしてもよい。

＜固体化工程＞
そして、封止部を形成する工程である、固体化工程については、図３（ｄ）に示すように、容器部２０の凹部２１に供給された液体封止剤５５を固体化させて封止部５０を形成する。液体封止剤５５を固体化させるためには、液体封止剤５５に熱処理や光照射を行う。
熱処理などを行うことで、液体封止剤５５が固体化して封止部５０となる際に、液体封止剤５５に収縮が生じる。一方、上記処理によって、容器部２０には大きな形状変化はなく、凹部２１の壁面２３は大きく移動しない。したがって、得られる封止部５０の第２の面５２は凹部２１の壁面２３との間で間隙を形成する（図中矢印参照）。また、液体封止剤５５が固体化するために収縮する際、液体封止剤５５は凹部２１の底面２２との接触を維持することから、得られる封止部５０の第１の面５１は凹部２１の底面２２と接触したままとなる。
このようにして液体封止剤５５が固体化して封止部５０となることから、封止部５０の第２の面５２と容器部２０の凹部２１に設けられた壁面２３との間には間隙が形成され、例えば大気中であればこの間隙に空気が入り込むことによって気体層６０が形成されることとなる。なお、容器部２０の凹部２１の開口を鉛直上方に向けた状態で、液体封止剤５５の収縮を行うようにすれば、上述のような状態の封止部５０が得られやすくなる。
以上により、図１に示す半導体発光装置１０が得られる。

このようにして得られる半導体発光装置１０において、封止部５０は、凹部２１の底面２２を介して容器部２０と接合しており、接合を維持するためには封止部５０と凹部２１の底面２２との密着性が高いことが望ましい。一方で、封止部５０は、凹部２１の壁面２３との間に間隙を形成しており、原材料となる液体封止剤５５が壁面２３と離れるためには液体封止剤５５と凹部２１の壁面２３との密着性は低いことが望ましい。これらの要求を満たす構成としては、例えば凹部２１の底面２２を、凹部２１の壁面２３よりも粗くすることが挙げられる。この構成を有することで、より粗い面である底面２２と封止部５０の第１の面５１との間は密着性が高いことから、封止部５０は底面２２から外れにくくなるのに対して、より滑らかな壁面２３との密着性は低いことから、壁面２３と封止部５０との間の間隙が形成しやすくなる。
ここで、凹部２１の底面２２を、凹部２１の壁面２３よりも粗くする手段として、例えば容器部形成工程において予め底面２２に凹凸を形成しておくことが挙げられる。この凹凸に液体封止剤５５を入り込ませた状態で固体化させると所謂アンカー効果を発揮し、凹部２１の底面２２と封止部５０の密着性が高められる。

そして、容器部２０の底面２２に凹凸を形成する手法としては、例えば底面２２に露出した状態で設けられるアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２の表面にあらし処理をしておくことが挙げられる。このようなあらし処理の一例として、例えばアノード用リード部４１およびカソード用リード部４２の表面にデンドライト成長させたメッキ層を形成することが挙げられる。また、容器３０のうち底面２２に露出する部位に対し、予めあらし処理を行っておくようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、半導体発光装置１０の製造において、液体封止剤５５を固体化して封止部５０を形成する際の収縮を利用して、封止部５０の第２の面５２と容器部２０の壁面２３との間に間隙を形成させるようにした。このため、半導体発光装置１０の光取り出し効率を向上させることができ、さらに封止部５０の形成と間隙の形成とを一つの工程で行うことが可能となり、半導体発光装置１０の製造プロセスを簡易なものとすることができる。

なお、本実施の形態では、半導体発光装置１０の容器部２０に設けられる凹部２１において、壁面２３を底面２２から遠ざかるに従って拡開する形状としていたが、これに限られるものではなく、適宜形状を選択して差し支えない。
また、本実施の形態では、底面２２を円形状としていたが、これに限られるものではなく、例えば多角形状等を採用してもかまわない。
また、本実施の形態では、半導体発光素子７０として、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を含むものを用いていたが、これに限られるものではなく、例えばＧａＰやＧａＡｓ等を含むものを用いてもかまわない。

１０…半導体発光装置、２０…容器部、２１…凹部、２２…底面、２３…壁面、３０…容器、４０…リード部、４１…アノード用リード部、４２…カソード用リード部、５０…封止部、５１…第１の面、５２…第２の面、５３…第３の面、５５…液体封止剤、６０…気体層、７０…半導体発光素子、８０…離型剤

Claims (7)

1. 底面および当該底面の周縁から立ち上がり前記底面から遠ざかるに従って拡開する壁面を備えた凹部を有する容器部と、
   前記凹部の内側に配置された半導体発光素子と、
   前記凹部の前記底面に前記半導体発光素子を封止するように接合され、当該凹部の拡開する前記壁面と対向する面が当該壁面と略等間隔な間隙を形成する封止部と
   を有する半導体発光装置。
2. 前記間隙は、前記凹部に供給された液体封止剤を固体化して封止部を形成する際に、当該液体封止剤が収縮することによって形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
3. 前記凹部の前記底面が、前記凹部の前記壁面よりも粗いことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光装置。
4. 底面および当該底面の周縁から立ち上がる壁面を備えた凹部を有する容器部に対し、当該凹部の内側に半導体発光素子を配置する工程と、
   前記半導体発光素子が配置された前記凹部に液体封止剤を供給する工程と、
   前記凹部に供給された前記液体封止剤を固体化させるのに伴って当該液体封止剤を収縮させることにより、当該凹部の前記壁面と当該液体封止剤の間に空隙を形成し且つ前記半導体発光素子を封止する封止部を形成する工程と
   を含む半導体発光装置の製造方法。
5. 前記液体封止剤を供給する工程の前に、前記壁面と前記液体封止剤との密着性を低下させる離型剤を前記壁面に備えさせる工程をさらに含む請求項４記載の半導体発光装置の製造方法。
6. 前記半導体発光素子を配置する工程で用いられる前記容器部の前記壁面が、前記底面から遠ざかるに従って拡開し、かつ前記半導体発光素子から出力される光に対する反射性を有していることを特徴とする請求項４または５記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 前記半導体発光素子を配置する工程で用いられる前記容器部の前記底面には、あらし処理が施されており、
   前記封止部を形成する工程において、当該底面と前記封止部とは接触していることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の半導体発光装置の製造方法。

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