JP4638949B2 - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置およびその製造方法に関し、特に、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの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。

ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子を用いた半導体発光装置が従来から知られている。

たとえば、特開平１１−８７７８０号公報（特許文献１）においては、発光素子と、これを搭載する搭載用リードフレームと、発光素子に導線を介して接続される結線用リードフレームと、各リードフレームの大部分を覆う成型体とを備え、各リードフレームは、互いに対向配置され、成型体を貫通して外部に突出することを特徴とする発光装置が開示されている。

また、特開２００１−１８５７６３号公報（特許文献２）においては、光半導体素子と、光半導体素子を主面に実装するリードフレームと、遮光性樹脂により成型され、光半導体素子を覆うように配設された第１の樹脂成型体（レンズ）と、遮光性樹脂により成型され、リードフレームのインナーリード部を支持する底部と第１の樹脂成型体を支持する側部とを有する第２の樹脂成型体（ケース）とを備え、リードフレームの裏面のうち光半導体素子の実装領域に対応する領域が第２樹脂成型体の底部を貫通して外部に露出するように形成されて第１の放熱領域をなし、アウターリード部が第２の放熱領域をなすようにリードフレームが形成された光半導体パッケージが開示されている。

また、特開平６−３３４２２４号公報（特許文献３）においては、プリント基板にＬＥＤチップが装着されるステップと、プリント基板に対して１対の成型型が設置されるステップと、ＬＥＤチップ装着面側に位置する成型型におけるレンズ特性に影響を及ぼさない位置からモールド用の合成樹脂を注入するステップとを備えたＬＥＤ発光装置の製造方法が開示されている。ここで、プリント基板には、ＬＥＤチップに近接する位置に貫通孔が設けられている。

特開平１１−８７７８０号公報 特開２００１−１８５７６３号公報 特開平６−３３４２２４号公報

しかしながら、上記のような半導体発光装置においては、以下のような問題があった。

特許文献１においては、半導体発光素子の厚みが小さくなると、成型体により形成されるすり鉢状の凹部の深さが浅くなり、結果として、出力光の放射角が広くなる。このように、発光素子を小型化した場合に、指向特性の調整が一部阻害される場合がある。

これに対し、特許文献２，３においては、プリント基板またはリードフレーム上において、透明樹脂からなるレンズが形成されている。これにより、出力光の放射角を狭くし、軸上光度を向上させることができる。

しかしながら、特許文献２，３のようにレンズを形成する場合、発光素子（ＬＥＤチップ）および導線を覆う程度にレンズの高さを確保する必要がある。結果として、発光素子の小型化が制限される場合がある。

また、上記とは別の観点では、特許文献２においては、第２の樹脂成型体によってリードフレームを固定している。この固定強度を確保するために、第２の樹脂成型体が比較的大型化し、結果として、発光素子の小型化が制限される場合がある。なお、特許文献３においては、リードフレームを用いる思想は開示されていない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、リードフレーム上に発光素子が搭載された半導体発光装置であって、出力光の指向特性を調整しながら、または、リードフレームの強度を確保しながら小型化が図られた半導体発光装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子が搭載された第１リードフレームと、半導体発光素子と電気的に接続された第２リードフレームと、半導体発光素子上で凸レンズ部分を形成する透光性樹脂部と、凸レンズ部分に接触しないようにその周囲を取り囲む遮光性樹脂部とを備え、前記半導体発光素子が前記凸レンズ部分の光軸上に位置するように第1及び前記第２リードフレームはそれぞれ上面図における前記半導体発光素子の両側の２箇所が前記遮光性樹脂部を貫通することによって保持され、少なくとも第１リードフレーム上に設けられ前記半導体発光素子が搭載される部分は凹部を形成し、該凹部の内側に前記凸レンズ部が形成される。

第１リードフレームの先端部と第２リードフレームの先端部とで凹部を形成し、半導体発光素子は凹部の底面上に設けられることが好ましい。

これにより、発光装置の高さを低減し、さらに小型化を図ることができる。

半導体発光装置の周囲を取り囲む遮光性樹脂部が形成されることが好ましい。

出力光を遮光性樹脂で反射させることにより、該出力光の指向性をさらに容易に調整することができる。

本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、第1及び第２リードフレームを準備する工程と、第1リードフレーム上に半導体発光素子を搭載する工程と、インサート成型により、第１と第２リードフレームを保持し、少なくとも第１リードフレーム上に設けられた凹部の内側に凸レンズ部分を形成する透光性樹脂部を形成する工程と、凸レンズ部分の周囲に金型を設け、該金型に流動性樹脂を流し込むことにより、凸レンズ部分の周囲を取り囲む遮光性樹脂部を、前記半導体発光素子が前記凸レンズ部分の光軸上に位置するように第1及び第２リードフレームのそれぞれの上面図における前記半導体発光素子の両側の２箇所を貫通することによって保持し、かつ凸レンズ部分が流動性樹脂の熱により損傷することを防ぐために凸レンズ部分に接触しないように形成する工程とを備える。

これにより、軸上光度を向上させながら、または、リードフレームの強度を確保しながら小型化が図られた半導体発光装置を得ることができる。

本発明によれば、出力光の指向特性を調整しながら、または、リードフレームの強度を確保しながら半導体発光装置の小型化を図ることができる。

本発明の１つの実施の形態に係る半導体発光装置の製造に用いる金属板を示した上面図である。 図１に示す金属板から形成されたリードフレームにＬＥＤ素子を搭載した状態を示す上面図である。 図２におけるIII−III断面のうち、ＬＥＤ素子周辺を示した拡大断面図である。 ＬＥＤ素子が搭載されたリードフレームに、遮光樹脂部を形成するための金型を設けた状態を示す断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体発光装置を示した断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る半導体発光装置の変形例を示した断面図である。

以下に、本発明に基づく半導体発光装置およびその製造方法の実施の形態について、図１から図６を用いて説明する。

図５は、本発明の１つの実施の形態に係る半導体発光装置を示した断面図である。

本実施の形態に係る半導体発光装置は、図５に示すように、ＬＥＤ素子２（半導体発光素子）と、ＬＥＤ素子２が搭載されるリードフレーム１０Ａ（第１リードフレーム）と、ワイヤ３を介してＬＥＤ素子２と電気的に接続されるリードフレーム１０Ｂ（第２リードフレーム）と、ＬＥＤ素子２上およびリードフレーム１（１０Ａ，１０Ｂ）上に形成された透明樹脂部４（透光性樹脂部）と、ＬＥＤ素子２の周囲を取り囲み、透明樹脂４よりも高い反射率を有する遮光樹脂部７（遮光性樹脂部）とを備える。透明樹脂部４は、ＬＥＤ素子２上でレンズを形成するレンズ部分４Ａと、リードフレーム１を保持する保持部分４Ｂとを有する。

リードフレーム１の先端部は、透明樹脂４内に挿入されている。これにより、透明樹脂部４がリードフレーム１の先端部を固定し、遮光樹脂部７を比較的小さく形成した場合でも、リードフレーム１の先端部周辺の強度を確保することができる。結果として、リードフレーム１の先端部周辺の強度を確保しながら半導体発光装置の小型化を図ることができる。

レンズ部分４Ａは、凸レンズ形状を有する。また、ＬＥＤ素子２は、レンズ部分４Ａの光軸４０上に設けられている。これにより、半導体発光装置における出力光の指向特性を容易に調整することができる。具体的には、レンズ部分４Ａによって、出力光の軸上光度を向上させることができる。

保持部分４Ｂは、逆台形状の断面形状を有し、遮光樹脂部７におけるすり鉢状の凹部７Ａの内側に受け入れられる。また、ワイヤ３とリードフレーム１０Ｂとの接続部においては、それらが互いに外れないように、ワイヤ３が該ワイヤ３上から別のワイヤ（図示せず）で押さえられ、その別のワイヤの他端はリードフレーム１０Ｂの別の場所に固定されることが望ましい。この図示しない別のワイヤは、通常、ステッチワイヤと呼ばれる。

なお、出力光における光強度のむらを低減するために、透明樹脂部４に光を散乱するフィラー（散乱材）が混入されてもよい。

ところで、レンズ部分４Ａを保護する観点から、遮光樹脂部７の頂面の高さは、レンズ部分４Ａの頂面の高さよりも（たとえば０．２ｍｍ程度）高いことが望ましい。一方で、レンズ部分４Ａは、ＬＥＤ素子２およびワイヤ３を覆うことが好ましいため、レンズ部分４Ａは、ある程度の厚みを有することになる。

本実施の形態においては、図５に示すように、リードフレーム１０Ａ，１０Ｂの先端部で凹部１Ｃを形成し、凹部１Ｃの底面上にＬＥＤ素子２が設けられている。なお、透明樹脂部４における保持部分４Ｂは、凹部１Ｃの少なくとも一部を内側に受け入れている。

これにより、レンズ部分４Ａの厚みをある程度確保した上で、該レンズ部分４Ａの頂面の高さを低減し、併せて遮光樹脂部７の頂面の高さを低減し、結果として、半導体発光装置の小型化を図ることができる。

ＬＥＤ素子２においては、一般的には、その上面から出力される光量よりもその側面から出力される光量の方が大きい。ＬＥＤ素子２の側面から出力された光は、凹部１Ｃの壁面において反射し、最終的に指向角内の光として有効に利用される。また、リードフレーム１０Ａ，１０Ｂ間の隙間から保持部分４Ｂに達した光は、保持部分４Ｂと遮光樹脂部７との界面において反射し、レンズ部分４Ａに達し、最終的に大部分が指向角内の光として有効に利用される。

また、レンズ部分４Ａの幅（図５中のＬ１）は保持部分４Ｂの幅（図５中のＬ２）よりも小さい。

レンズ部分４Ａの幅が大きくなると、その厚みも大きくなる傾向にある。一方で、リードフレーム１の強度確保のためには、ある程度の保持部分４Ｂの幅が必要である。

上記のように、Ｌ１＜Ｌ２とすることで、半導体発光装置を小型化しながら、リードフレーム１の先端部周辺の強度を確保することができる。

次に、図５に示す半導体発光装置の製造方法について説明する。

図１は、本実施の形態に係る半導体発光装置の製造に用いる金属板１Ａを示した上面図である。

図１を参照して、金属板１Ａは、熱伝導性に優れた銅合金からなる金属薄板である。金属板１Ａ上には、複数素子のリードフレームが縦横に並んで形成されている。これらのリードフレームを分離することで、個々の素子が形成される。なお、リードフレーム１０Ａ，１０Ｂを分離する溝が、型抜きにより設けられている。

図２は、図１に示す金属板から形成されたリードフレームにＬＥＤ素子２を搭載した状態を示す上面図である。なお、図２においては、図示および説明の便宜上、リードフレーム形成部分にハッチングが付されている。

図２を参照して、ＬＥＤ素子２は、一辺が０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下程度である四角形の平面形状を有する。ＬＥＤ素子は、溝により分断された一方のリードフレーム上に設置され、ワイヤ３は、ＬＥＤ素子２と他方のリードフレームとを接続する。双方のリードフレーム間の隙間は、リードフレームの厚みと同程度か若干小さい。リードフレームの厚みが０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度であるので、上記隙間は０．２５ｍｍ程度となる。なお、リードフレーム２およびワイヤ３は、リードフレーム上に設けられた凹部１Ｃの底面１Ｄ上に設けられる。凹部１Ｃの周辺には、孔１Ｂが設けられる。孔１Ｂが設置されることにより、後に形成される遮光樹脂部７が孔１Ｂを貫通して形成され、リードフレームが遮光樹脂部７から抜けるのを抑制することができる。

図３は、図２におけるIII−III断面のうち、ＬＥＤ素子２の周辺を示した拡大断面図である。

図３を参照して、ＬＥＤ素子２は、Ａｇペースト２Ａを介してリードフレーム１０Ａ上に設置されている。レンズ部分４ＡによってＬＥＤ素子２およびワイヤ３を覆いながら、リードフレーム１０Ａ，１０Ｂを保持部分４Ｂで内側に受け入れるように透明樹脂部４が形成される。透明樹脂部４は、トランスファ成型法（インサート成型）を用いて成型される。トランスファ成型法を用いることにより、レンズ部分４Ａの形状を精密に加工することができる。なお、透明樹脂部４としては、たとえば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などが用いられる。

図４は、ＬＥＤ素子２が搭載されたリードフレーム１（１０Ａ，１０Ｂ）に、遮光樹脂部７を形成するための金型５を設けた状態を示す断面図である。

図４を参照して、遮光樹脂部７を形成する際には、金型５によってレンズ部分４Ａが保護される。遮光性樹脂７は、典型的には、インジェクションモールド法によって形成されるが、インジェクションモールド法においては、流動性の低い樹脂が使用されるため、レンズ部分４Ａと金型５との間に樹脂が入り込まないようにすることは容易である。これにより、レンズ部分４Ａが高温の樹脂に触れることにより損傷するのを抑制することができる。

遮光樹脂部７は、透明樹脂部４の底面および側面を覆うように形成される。遮光樹脂部７としては、可視光に対する反射率が高いものを用いることが望ましく、たとえば液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリフタルアミド樹脂（製品名：アモデル（Ｒ））、ナイロンなどが用いられる。反射率を高くする観点から、遮光樹脂部７として白色の樹脂を用いることがさらに望ましい。これにより、リードフレームの隙間から透明樹脂部４と遮光樹脂部７との界面に達した光が反射され、最終的に半導体発光装置の指向角内に出力され、結果として、半導体発光装置の発光効率が向上する。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。

本実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法は、トランスファ成型法（インサート成型）により、リードフレーム１（第１と第２リードフレーム）を保持し、リードフレーム１０Ａ上に搭載されたＬＥＤ素子２（半導体発光素子）上でレンズ部分４Ａを形成する透明樹脂部４（透光性樹脂部）を形成する工程（図３）と、ＬＥＤ素子２およびレンズ部分４Ａの周囲に金型５を設け、金型５を用いてＬＥＤ素子２の周囲を取り囲む遮光樹脂部７（遮光性樹脂部）を形成する工程（図４，図５）とを備える。

上述した半導体発光装置の変形例について、以下に説明する。

図６は、図５に示す半導体発光装置の変形例を示す断面図である。

図６を参照して、本変形例においては、リードフレーム１０ＡにおけるＬＥＤ素子２が搭載された部分の裏面上の樹脂部４Ｂ，７に凹部８が設けられ、当該部分のリードフレーム１０Ａが透明樹脂部４の外側に露出している。

これにより、ＬＥＤ素子２から発生する熱を外部に逃がしやすく（放熱特性を向上）させ、発光効率を向上させ、発光素子におけるエネルギー消費量を抑えることができる。

また、リードフレーム１０Ａにおける露出部分と放熱体（図示せず）との間に、シリコングリースなどの熱伝導性の高い材料を充填することで、放熱特性はさらに向上する。

図５，図６においては、ＬＥＤ素子２を１つだけ設ける構造について説明したが、１つの半導体発光装置に複数のＬＥＤ素子が搭載されてもよい。また、レンズ部分４Ａの形状は凸レンズに限定されるものではなく、凹レンズ形状を有するものであってもよい。凹レンズを形成した場合、出力光の指向角は広くなるが、全出射光量を大きくすることができる。

さらに、遮光樹脂部７により形成される反射体の形状についても、すり鉢状（円錐台形状）ではなく、楕円錐台形状とすることができる。これにより、反射特性に異方性をもたせることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ リードフレーム、１Ａ 金属板、１Ｂ 孔、１Ｃ 凹部（リードフレーム）、１Ｄ 底面、２ ＬＥＤ素子、２Ａ Ａｇペースト、３ ワイヤ、４ 透明樹脂部、４Ａ レンズ部分、４Ｂ 保持部分、５ 金型、７ 遮光樹脂部、７Ａ 凹部（遮光樹脂部）、８ 凹部（リードフレーム裏面）、４０ 光軸。

Claims (2)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が搭載された第１リードフレームと、
   前記半導体発光素子と電気的に接続された第２リードフレームと、
   前記半導体発光素子上で凸レンズ部分を形成する透光性樹脂部と、
   前記凸レンズ部分に接触しないようにその周囲を取り囲む遮光性樹脂部とを備え、
   前記半導体発光素子が前記凸レンズ部分の光軸上に位置するように前記第1及び前記第２リードフレームはそれぞれ上面図における前記半導体発光素子の両側の２箇所が前記遮光性樹脂部を貫通することによって保持され、
   少なくとも前記第１リードフレーム上に設けられ前記半導体発光素子が搭載される部分は凹部を形成し、該凹部の内側に前記凸レンズ部が形成された半導体発光装置。
2. 第1及び第２リードフレームを準備する工程と、
   前記第1リードフレームに半導体発光素子を搭載する工程と、
   インサート成型により、前記第１と第２リードフレームを保持し、少なくとも前記第１リードフレーム上に設けられた凹部の内側に凸レンズ部分を形成する透光性樹脂部を形成する工程と、
   前記凸レンズ部分の周囲に金型を設け、該金型に流動性樹脂を流し込むことにより、前記凸レンズ部分の周囲を取り囲む遮光性樹脂部を、前記半導体発光素子が前記凸レンズ部分の光軸上に位置するように前記第1及び前記第２リードフレームのそれぞれの上面図における前記半導体発光素子の両側の２箇所を貫通することによって保持し、かつ前記凸レンズ部分が前記流動性樹脂の熱により損傷することを防ぐために前記凸レンズ部分に接触しないように形成する工程とを備えた半導体発光装置の製造方法。