JP4963839B2

JP4963839B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4963839B2
Application number: JP2006028589A
Authority: JP
Inventors: 孝治保科
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: EP1982361A1; US8174038B2; CN101379624A; KR101040586B1; WO2007091696A1; JP2007208196A; KR20080083354A; TWI334655B; CN101379624B; TW200739964A; US20090078957A1

Description

本発明は発光装置に関し、特に、発光素子を覆うレンズあるいは封止材料で構成される光取り出し面で光が全反射することに起因する発光素子の光自己吸収を少なくすることで、光取り出し効率が改良された発光装置に関する。

従来より、発光素子を使用した発光装置として、例えば、図１に示すようなリードフレームに発光素子をマウントし砲弾型の樹脂封止を行った発光装置、あるいは、図２に示すような基板上にリフレクターを具備し、基板およびリフレクターにより形成された凹部の底面を構成している基板上に発光素子をマウントし、その凹部内あるは凹部全体を樹脂封止した発光装置が知られている。これらの発光装置において、封止材料として屈折率が発光素子と空気の中間あたりの材料を採用することで発光素子内全反射が少なくなるが、図中Ａで示した光線軌跡に従って発光素子の光自己吸収も起こり、光取り出し効率は概ね無封止時の１．２〜１．５倍程度であり、効率が低い。

一般に発光素子の屈折率は２．４〜３．７の値を有し、空気の屈折率は１．０の値を示す。封止樹脂には屈折率がその中間の１．５程度の樹脂が通常用いられている。発光素子から発した光が封止樹脂から空気中に出るためには、封止樹脂と空気との界面に入射する光と該界面との角度（θ）が次式で示される臨界角（θ_c）よりも大きくなければならない。

θ_c＝ｃｏｓ^-1（ｎ₂／ｎ₁）
（ここで、ｎ₁は入射側の屈折率であり、ｎ₂は出射側の屈折率である。）
上記の封止樹脂の屈折率から臨界角（θ_c）を算出するとおよそ４８°となり、界面（反射面）からその界面の法線方向に測った界面と入射光との角度がこの値よりも小さければ光は封止樹脂の外に出ない。また発光素子を形成するｐ型層、ｎ型層および活性層は、おおむね１×１０〜１×１０^４／ｃｍ程度の光吸収率を呈するため、光の粒子が封止樹脂内で多重反射をすると発光素子に吸収され、光取り出しが妨げられる。

発光素子自体においては、活性層に対して上部クラッド層の高さおよび素子側面の角度等の幾何的寸法を調整することにより、従来の略直方体発光素子よりも光取り出し効率を向上させることが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。しかし、発光素子を搭載した発光装置においては、その幾何的寸法を調整して光取り出し効率を向上させることは知られていない。

米国特許第６，２２９，１６０号明細書米国特許第６，３２３，０６３号明細書米国特許第６，５７０，１９０号明細書

本発明の目的は、発光素子の光自己吸収を低減し、優れた光取り出し効率を有する発光装置を提供することである。

本発明は、キャップの上面と下面との間隔を特定の長さとし、発光素子と光取り出し面であるキャップ上面に特定の距離を設けることと、キャップ形状を工夫することで、発光素子の光自己吸収を低減し、光取り出し効率を向上させたものである。即ち、本発明は下記の発明を提供する。

（１）基板、該基板上にサブマウントを介してまたは介さずに設けられた半導体発光素子、該半導体発光素子を封止するキャップおよび該キャップの周囲に設けられたリフレクターからなり、該キャップは該半導体発光素子の上面と平行な上面および下面を有し、該上面および下面の間隔が該半導体発光素子の最長の対角線または径の１〜３倍である発光装置。

（２）キャップの上面と下面の面積比（上面／下面）が４以上である上記１項に記載の発光装置。

（３）キャップの上面と下面の対応する各辺の長さまたは径の比（上面／下面）が２以上である上記１または２項に記載の発光装置。

（４）キャップの上面と側面のなす角度が４０度以内である上記１〜３項のいずれか一項に記載の発光装置。

（５）キャップの上面と下面の面積比（上面／下面）が１／４以下である上記１項に記載の発光装置。

（６）キャップの上面と下面の対応する各辺の長さまたは径の比（上面／下面）が１／２以下である上記１または５項に記載の発光装置。

（７）キャップの上面と側面のなす角度が１４０度以上である上記１、５および６項のいずれか一項に記載の発光装置。

（８）下記の（１）〜（４）の工程を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。
（１）基板上に、サブマウントを介してまたは介さずに半導体発光素子を実装する工程、
（２）該基板上にリフレクターを実装する工程、
（３）請求項１〜７のいずれか一項中に記載されたキャップを形成する工程、および
（４）該キャップを、該キャップの屈折率以下の屈折率を有する材料で該半導体発光素子上方に締結する工程。

本発明の発光装置によれば、キャップの上面と下面の間隔（高さ）を発光素子の最長の対角線または径以上とすることにより、発光素子から出た光を封止構造から効果的に取り出し、発光素子の光自己吸収を防ぐことで光取り出し効率を向上させることができる。さらに、キャップの側面と上面の間に適切な角度を設けることにより、光取り出し効率を一層向上させることができる。

また、光取り出し効率を向上させる封止を発光素子に行ない、その発光素子を放物線形状リフレクターの焦点に配置することで正面光度の高い発光装置を提供することが可能となる。

図１４は、本発明の実施例１で作製した発光装置１１１の断面図であり、本発明の発光装置の一例を示したものである。図中、１０１はキャップ、１０２は半導体発光素子、１０３はサブマウント、１０４は放熱性基板、１０５はリフレクターおよび１０６は封止剤である。

図３は図１４のキャップおよび発光素子部分の断面の模式図である。上記（１）に記載した発明は、発光素子からの光の取り出しを向上させるために、図３に示すように、キャップ（１）の上面と下面との間隔（ｂ）を発光素子（２）の最長の対角線または径（ａ）以上とすることにより、発光素子端部からの放射光（Ａ）がキャップ上面、即ちキャップを構成する樹脂と空気界面で全反射した場合に、光の粒子が発光素子（２）に戻りにくくすることを特徴とする。

図４および図５は、それぞれ本発明におけるキャップ（１）の一例の平面図である。図６はそれらの断面図である。上記（２）および（３）に記載した発明のように、キャップの上面と下面の面積比が４：１以上あるいは各辺の長さの比が２：１以上とすることにより、キャップの上面と下面の間隔を発光素子の最長の対角線または径以上とすることと相俟って、図６に見られるように、発光素子から発した光の内キャップの上面で全反射した光（Ａ）は側面での入射角が臨界角以上となり外部に取り出され、キャップ内での光の吸収および発光素子での吸収を防ぎ光の取り出しにおいて効果的である。

しかし、図６中に破線で示したように、キャップの上面と下面の面積比が１：１あるいは各辺の長さの比が１：１の場合は、発光素子から発した光の内キャップの上面で全反射した光（Ｂ）は側面での入射角が臨界角以下となる部分が多くなり、図中Ｂのルートで示した如く、キャップの下面、上面と次々に反射を繰り返し、多重反射によるキャップ内および発光素子での光の吸収が多くなる。

また、図７は本発明の発光装置の別の一例のキャップ（１）の断面図であり、図８はその平面図である。上記（４）に記載した発明は、図７に示すように、発光素子から発した光の内、発光素子（２）を囲むキャップ（１）の上面で全反射した光（Ａ）がキャップ（１）の側面に臨界角以上で入射するようになり、発光素子に吸収されることなく外部に効率よく取り出される。また、発光素子の厚みが幅に比較して薄いので、キャップの下面に向かった光（Ｂ）は、キャップの下面と側面にて多重反射されるが、発光素子に再吸収されることなくキャップの上面から取り出される。故に発光素子による光の吸収を低減させ、効果的に光を取り出すことが可能となる。なお本例では頂部を切り取った逆円錐形状にて説明したが、逆角錐形状にても同様な効果が得られる。

図９および図１０は、それぞれ本発明におけるキャップ（１）の別の一例の平面図である。図１１はそれらの断面図である。上記（５）および（６）に記載した発明のように、キャップの上面と下面の面積比が１：４以下あるいは各辺の長さの比が１：２以下とすることにより、キャップの上面と下面の間隔を発光素子の最長の対角線または直径以上とすることと相俟って、図１１に見られるように、発光素子から発した光の内キャップの側面に向かった光（Ａ）はその入射角が臨界角以上となり外部に取り出され、キャップ内での光の吸収および発光素子での吸収を防ぎ光の取り出しにおいて効果的である。

しかし、図１１中に破線で示したように、キャップの上面と下面の面積比が１：１あるいは各辺の長さの比が１：１の場合は、発光素子から発した同じ方向の光（Ｂ）はキャップの上面に臨界角以下の入射角で入射する部分が多くなり、図中Ｂのルートで示した如く、キャップの側面、下面、上面と次々に反射を繰り返し、多重反射によるキャップ内および発光素子での光の吸収が多くなる。

また、図１２は本発明の発光装置の別の一例のキャップ（１）の断面図であり、図１３はその平面図である。上記（７）に記載した発明は、図１２に示すように、発光素子（２）からキャップの上面および側面に向かった光（Ａ１およびＡ２）は各面に臨界角以上で入射するようになり、容易に外部に効率よく取り出される。またキャップの下面に向かった光（Ａ３）は、発光素子の厚みが幅に比較して薄いので、その光（Ａ３）は少ない反射回数で側面に達する。故に全反射が少なく、発光素子による光の吸収を低減させ、効果的に光を取り出すことが可能となる。なお本例では頂部を切り取った円錐形状にて説明したが、角錐形状にても同様な効果が得られる。

以下に本発明の発光装置を構成する各部材について説明する。
リフレクターおよびサブマウント等を実装する基板には、リードフレーム、プリント基板および放熱性基板などを用いることができる。発光素子に大電流が流れることから放熱性基板が好ましい。

放熱性基板の場合、発光装置として適用するのに合理的と考えられる寸法の放熱性基板の複数個を１枚の板から打ち抜き金型によりプレス加工によって成型される。この放熱性基板の形状は矩形、円形および多角形等どのような形状でもよい。それぞれの形状を完全に独立するようにプレス加工により完全に打ち抜くこともできる。しかし、合い隣る隣接辺同士が容易に切り離すことのできるストリートを施した実装機にロード可能になる複数個がつながる矩形フレーム状とするのが好ましい。打ち抜き方向は、放熱性基板であることから、プレス加工後のエッジ部が跳ね上がることにより接合相手との密着性が不良とならぬようなうち抜き方向が選択される。またエッジ部のダレの少ない精密打ち抜き、対向ダイス打ち抜き、および上下抜きなどが望ましい。

放熱性基板は、従来の電気絶縁、低熱伝導率のプリント回路基板に代わって熱伝導性の良好な金属性ベース基板例えば鉄、銅、アルミ板片面に熱伝導性を良好とする窒化アルミニウムフィラー剤を添加したエポキシ樹脂（以下良熱伝導樹脂層と呼ぶ）を塗布した電気絶縁層があり、この上に銅製電極回路がエッチングにより形成され、必要に応じ電気絶縁用保護層として良熱伝導樹脂層を再塗布することとリフレクター取付用の銅製回路がエッチングにより形成される。

基板は半導体発光素子を搭載する発光素子取付部を有する。放熱性基板の場合、発光素子取付部は、放熱性基板上の熱伝導率を向上させた樹脂部にエッチング技術等を利用して形成される電気回路から構成される。この電気回路からワイヤーボンドにより発光素子へ給電したり、発光素子のｐ、ｎ電極部に絶縁性保護膜を施した後、半田付けすることにより容易に発光素子へ電気給電できる。

半導体発光素子は基板に直接搭載されてもよいし、サブマウントを介して搭載されてもよい。
サブマウントは電気絶縁性の材料、例えばセラミックス材料、ガラスエポキシ基板または絶縁保護膜付きＳｉ基板等から形成され、表面と裏面に電気回路を有する。放熱性の観点からセラミックス材料が好ましい。

例えば、良熱伝導で電気絶縁部材として知られるセラミックス材料である窒化アルミニウムのグリーンシートを複数層積層し作られる。シート表面には回路パターンを印刷し、各層の回路間にはビアと呼ばれる電気伝導のある円筒金属部材を貫通させ積層方向の電気回路を導通させる。これにより表面と裏面の電気回路の異なるサブマウントを得ることができる。この積層されたシートはトンネル炉などにより焼成するため、割れを防止するため窒化アルミニウムと熱膨張率が近いタングステン材料を回路としてスクリーン印刷する。望ましくは、１枚のグリーンシートから複数のサブマウントを成型するために個々のサブマウント間にストリートを設ける。また回路として使用されるタングステン部はハンダ実装が良好なようにその表面にＮｉまたはＡｕのメッキを施すとよい。

リフレクターは、放熱性および加工性の良好な材料、例えば銅およびアルミニウムなどの金属材料あるいは放熱性のよいセラミックス材料を使用して作製することが好ましい。これらの材料のリフレクターへの加工は、金属やセラミックスを切削加工し反射面を研磨仕上げする方法、金属をプレス加工し反射面を研磨仕上げする方法、放熱性が若干劣るが耐熱性樹脂を金型成型し反射面にアルミ蒸着膜を施す方法等が挙げられる。各リフレクターは、放熱性基板にハンダ実装が可能なように接合面に銅めっきさせるとよい。

キャップは、上述したように、頂部を切り取った逆円錐形状または逆角錐形状ないしは頂部を切り取った円錐形状または角錐形状である。キャップの上面と下面の間隔、即ち高さは、上述したように半導体発光素子の最長の対角線または径以上であることが好ましい。また、あまり大きすぎても光の吸収が増加するので、キャップの高さは半導体発光素子の最長の対角線または径の３倍以下が好ましい。

また、上述したように、逆円錐形状または逆角錐形状の場合、キャップの上面と下面の面積比は４：１以上あるいは各辺の長さまたは径の比は２：１以上とすることが好ましい。面積比あるいは各辺の長さまたは径の比の上限については、キャップがリフレクターとぶつからない範囲であれば別に制限されない。面積比としては通常２５：１程度が上限であろう。円錐形状または角錐形状の場合、キャップの上面と下面の面積比は１：４以下あるいは各辺の長さまたは径の比は１：２以下とすることが好ましい。面積比あるいは各辺の長さまたは径の比の下限については、キャップがリフレクターとぶつからない範囲であれば別に制限されない。面積比としては通常１：２５程度が下限であろう。

また、上述したようにキャップの上面と側面のなす角度（α）は、逆円錐形状または逆角錐形状の場合、４０°以下が好ましい。その下限については、キャップがリフレクターとぶつからない範囲であれば別に制限されない。通常３０°程度が下限であろう。円錐形状または角錐形状の場合は、１４０°以上が好ましい。その上限については、キャップがリフレクターとぶつからない範囲であれば別に制限されない。通常１５０°程度が上限であろう。

キャップの下面には発光装置への取付用に凹部が形成され、その凹部に発光素子が入るように装着される。キャップと発光素子間に生じる隙間は、キャップの締結を兼ねて封止剤で封止される。封止剤としては、屈折率の変化を防止するためにはキャップと同一の材質を使用するのがよいが、発光素子への衝撃を緩和するような封止剤を使用するのがより望ましい。キャップを形成する材料は、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂等が挙げられる。これらの中でもエポキシ系樹脂が成形性の観点から好ましい。

キャップは上述の材料を用いて以下のプロセスで作られる。
前述した寸法のテーパー状あるいは逆テーパー状の金型を用意する。金型材質としては、精密量産でき、高鏡面性の性質を有する工具鋼が望ましい。その内表面はラップ仕上げを施してあり鏡面性が製品に転写されるようにしてある。金型はゲート、ランナーおよびスプールを有し、射出成形機に接続され、樹脂を加熱加圧し金型に導入する。射出成形機に原料を送り込むホッパー部にはヒーターが取り付けられ、除湿予備乾燥を行う。金型には冷却機構が設けられ製品の透明具合を金型冷却温度で調整しながら行う。成形された部品は樹脂流路により複数個が連続してつながっており、切断しゲート仕上げを行う。

本発明で用いられる半導体発光素子は、ＡｌＧａＩｎＰ系アンバー発光素子、ＡｌＧａＡｓ系赤色発光素子、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色〜黄色発光素子、ＧａＰ系黄緑色発光素子、ＧａＮ系緑色発光素子、ＧａＮ系青色発光素子と広い範囲の発光素子が使用可能である。平面形状は四角形が一般的であるが、五角形以上の多角形でも円形でもよく、何ら限定されない。その電極構成は、素子の下面と上面または同一面にそれぞれ電極を有する。

次に、上述の各構成部材から本発明の発光装置を組み立てる手順について説明する。
先ず、基板またはサブマウントへ発光素子を実装する。発光素子を基板またはサブマウントに実装する方法としては、例えばＡｕＳｎ共晶材料を発光素子電極部に蒸着させて基板の発光素子取付部またはサブマウント上にリフローする方法、基板の発光素子取付部またはサブマウントの回路部にＡｕバンプを形成し、そこに発光素子を超音波により加圧加熱圧着する方法などを採用することができる。ここでＡｕ材料を使用することは、基板とリフレクターおよびサブマウントとをＡｕ系ハンダよりも低融点である鉛フリーハンダを用いて実装する２段実装を意識している。

次に、リフレクターおよび必要に応じてサブマウントを基板に実装する。手順は例えば以下のとおりである。
放熱性基板のサブマウント実装電極部およびリフレクター実装ランド部にスクリーン印刷機などによりハンダペーストを印刷する。印刷はカセットホルダーに複数枚の基板を入れ自動機により行う。その後、発光素子を実装したサブマウント、次にリフレクターの順に自動移載機により放熱基板の上にマウントし、リフロー炉により加熱してハンダ剤を溶かし温度降下させ実装する。

最後に、発光素子を囲むようにキャップを実装する。手順は例えば以下のとおりである。成形されたキャップを真空あるいは機械チャッキングする機構を使用し、キャップ下面の凹部を上方としてキャップと同種の樹脂あるいはキャップよりも屈折率の小さい樹脂を流し込み、位置決めを行ったリフレクター、サブマウント、発光素子を実装した放熱性基板の所定部位にキャップを装着する。この際、樹脂量はサブマウント、発光素子の体積を排除しかつ不足とならない適量を流し込み封止する。

本発明の発光装置の用途としては、昨今の青色発光素子の開発により、屋内外で使用される大型のカラーディスプレイおよび信号機等に応用が可能である。またさらに白色ＬＥＤを用いた屋内外用照明や自動車用のヘッドランプへの使用も可能であり適用範囲は広範である。

以下に、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
以下、図面によって本発明に関する発光装置の第一の実施例を詳細に説明する。図１４は本実施例で製作した発光装置の断面図であり、図１５は、その平面図である。発光装置１１１は、放熱性基板１０４、リフレクター１０５、サブマウント１０３、半導体発光素子１０２およびキャップ１０１から成っている。１０６は封止剤である。

半導体発光素子１０２としては、辺長が１ｍｍ×１ｍｍの正方形で厚みが約９０μの下記のＧａＮ系化合物半導体青色発光素子を用いた。
サファイアからなる基板上に、ＡｌＮからなるバッファ層を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層、厚さ０．０３μｍのｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎクラッド層、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ３ｎｍのＩｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層、厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層、厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上に正極を、ｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極をそれぞれ設けた発光素子である。

放熱性基板１０４は、直径が２０ｍｍの円形状の熱伝導率の大きい１．５ｍｍ厚みのアルミニウム板に、窒化アルミニウムをフィラー剤として配合して熱伝導を良好にしたエポキシ系樹脂の電気絶縁層を３５μの厚みで設け、その上に当業界周知のエッチング法によりＣｕ製電気回路を作製し、リフレクター取付部位などに前記のエポキシ系樹脂の電気絶縁層を保護層として設けた。

リフレクター１０５は、厚さ６ｍｍのアルミニウム板を直径１５ｍｍの個々の片状にプレスにより切断し、断面がY＝X²／４．８（Y：高さｍｍ、X：半径ｍｍ）となる放物線状の窪みを設け、研磨剤にてその内表面を研磨仕上げして発光素子からの光を平行光化させるようにした。基板４に取り付ける下面は直径６ｍｍになるようにその下部の一部を研削した。

サブマウント１０３は窒化アルミニウムから作製し、大きさは断面が辺長１．２ｍｍ×１．２ｍｍの正方形で、高さが１．３ｍｍである。半導体発光素子１０２と放熱性基板１０４を電気的に結合するように電気回路を設けた。サブマウント上にはリフレクターのほぼ光の焦点位置になるようにＧａＮ系青色発光素子１０２が位置する。

キャップ１０１はエポキシ樹脂から作製し、大きさは底面半径１．０ｍｍ×上面半径２．０ｍｍ×高さ１．５ｍｍの頂部を切り取った逆円錐形状である。従って、上下の面積比が４：１となり、高さが発光素子の最長の対角線以上となっている。底面の中央部に発光素子がちょうど入るような凹部を設けてある。

これらの構成部材を用いて、以下の手順で発光装置１１１を組み立てた。
先ず、サブマウント１０３に発光素子１０２を実装した。手順は以下のとおりである。加熱ヒーターによりサブマウント１０３をおよそ２００℃に昇温保持し、バンプボンダーにより金バンプを敷設する。バンプ配置は、２個の０．１２ｍｍ角のｎ電極部位にそれぞれ１箇所、４つの長さ０．７ｍｍ×幅０．１４ｍｍ短冊状ｐ電極部位のそれぞれに４個、合計１８個の金バンプを配置した。バンプ径は発光素子圧着時にバンプの変形により、回路が短絡せぬよう直径８０μｍとした。発光素子の取り付けは、真空チャックにより各発光素子を吸引し、前記バンプ付きサブマウント上で３００ｇ重、２００℃、１３８KHz、１０ｍＳ保持する超音波圧着で接合した。

次に、発光素子を搭載したサブマウント１０３とリフレクター１０５を放熱性基板１０４に取り付けた。手順は以下のとおりである。放熱性基板にサブマウント、リフレクターをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダペーストにて実装する。このためハンダペーストをスクリーン印刷法によって放熱性基板に塗布した。メタルマスク厚みは１００μとした。塗布領域の大きさとしては、サブマウントを実装する面には、１辺が１．２ｍｍの正方形で中央に幅０．２ｍｍのｐ、ｎ電極を仕切る絶縁部のあるランド（即ち、１．２ｍｍ×０．５ｍｍの長方形のランドが０．２ｍｍの間隔で２つ並んでいる）と、リフレクターを実装する面には、外形が直径６ｍｍの円形で、内形は１辺が１．３ｍｍの正方形の形状をしたランドとがある。ハンダペーストを塗布された放熱性基板には、発光素子を搭載したサブマウント、リフレクターを移載ロボットにより乗せる。サブマウント、リフレクターを実装した放熱性基板は、コンベアーによりリフロー炉に供給されて半田される。リフロー炉では８０秒間で１７５℃に昇温し、６０秒間保持し、その後３０秒間で２３５℃に昇温し３０秒間保持する２段の加熱を窒素雰囲気中で行った。

次に、発光素子１０２を取り囲むようにキャップ１０１を実装した。手順は以下のとおりである。２液性のエポキシ樹脂にて主剤と硬化剤を重量比で１：１にて混ぜ合わせる。混ぜ合わせ後脱気を充分に行い樹脂中の気泡を取り除き、ディスペンサーによりキャップ部の凹み部に樹脂を注入し発光素子を囲むように取付を行った。樹脂は１２０℃にて４時間硬化させた。

このようにして得られた発光装置の通電試験を行なったところ、ベアチップの発光素子の光取り出し量に比較して、本実施例の発光装置は１．８６倍の光取り出し量であった。

なお、上記の放熱性基板１０４は、従来の電気絶縁、低熱伝導率のプリント回路基板に代わって熱伝導性の良好な金属性ベース基板例えば鉄、銅、アルミ板片面に熱伝導性を良好とする窒化アルミニウムフィラー剤を添加したエポキシ樹脂（以下良熱伝導樹脂層と呼ぶ）を塗布した電気絶縁層があり、この上に銅製電極回路がエッチングにより形成され、必要に応じ電気絶縁用保護層として良熱伝導樹脂層を再塗布することとリフレクター取付用の銅製回路がエッチングにより形成される。

上記のリフレクター１０５は鉄、銅、アルミなどの放熱性の高い材料で作ることが望ましく、その内面はポリッシュにより鏡面加工され、下地にＮｉメッキを施しその上に銀メッキあるいはアルミ蒸着などにより鏡面化される。

上記の発光素子をマウントするサブマウント１０３は、放熱性の良好な窒化アルミニウムシートを積層焼結して作られており、発光素子および放熱性基板のマウント面側にはタングステン表面にＮｉと銀メッキを施した電極パターンが描かれている。内部は積層時に表面電極パターン同士をビアと呼ばれる電気伝導性のある円柱状のピンで貫通させ立体配線により表面、裏面の電気導通をはかる。

上記発光素子１０２は、その上方を樹脂モールドして作られたキャップ１０１の凹部内部に充填された封止剤１０６によって封止される。キャップ１０１の上面は、第１の光取り出し面となり、その高さは、発光素子の最長の対角線の長さよりも高い。このような形状にすることにより発光素子からの光の粒子が素子自身の戻り吸収されることを低減できる。充填する封止剤は、発光素子の用途に応じて発光素子、導電性ワイヤーなどを雰囲気から保護するものである。封止剤は、樹脂のみならず低融点硝子等を用いることができる。封止剤の具体例としては、主にエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーンなどの耐候性に優れた樹脂、硝子が良好である。また、封止剤に拡散剤を含有させることによって、素子からの発光特性を緩和させ視野角を増加させることも可能である。

前述の発光素子１０２に大電流を投入した際、発光素子に生じる熱はその活性層にダメージを与える。このため熱抵抗を小さくするためにサブマウント１０３を省いた組み立てとすると発光素子からの熱の流れは、放熱性基板１０４を構成する伝熱フィラー材入り樹脂層を介して放熱性基板のベース金属板および金属製リフレクター１０５に伝えられるため、より熱抵抗を小さくすることが達成され、発光素子の信頼性が向上する。

また、放熱性基板のベース金属板とサブマウント１０３の熱膨張率は一般に３〜４倍程度異なるので、発光装置が低温度（−４０℃）から高温度（２５０℃）のヒートサイクルを多数回受けると、サブマウント１０３と放熱性基板１０４のハンダ接合部にクラックが発生し易い。前述の良熱伝導樹脂層はクラック発生防止のための緩衝層としての機能も有する。

（比較例１）
本比較例で作製した発光装置の断面図を図１６に示す。キャップ１０１の上面と下面の間隔を０．７５ｍｍとして、半導体発光素子１０２の最長の対角線の長さよりも小さくしたことを除いて、実施例１と同様に発光装置を作製した。得られた発光装置について、実施例１と同様に通電試験を行なったところ、光取り出し量はベアチップの約１．６倍であった。

（実施例２）
本実施例で作製した発光装置の断面図を図１７に示す。キャップ１０１の形状を、上面および下面の面積比が１：４となり、上面と下面の間隔が発光素子の最長の対角線以上の距離となるように、上面半径０．８ｍｍ×下面半径１．６ｍｍ×高さ１．５ｍｍの頂部を切り落とした円錐形状としたことを除いて、実施例１と同様に発光装置を作製した。得られた発光装置について、実施例１と同様に通電試験を行なったところ、光取り出し量はベアチップの約１．８７倍であった。

また、実施例１の発光装置と実施例２の発光装置との発光装置正面の光度を比較したところ、実施例１の発光装置を１とすると、実施例２の発光装置は０．２であった。

（比較例２）
本比較例で作製した発光装置の断面図を図１８に示す。キャップ１０１の上面と下面の間隔を０．７５ｍｍとして、半導体発光素子１０２の最長の対角線の長さよりも小さくしたことを除いて、実施例２と同様に発光装置を作製した。得られた発光装置について、実施例１と同様に通電試験を行なったところ、光取り出し量はベアチップの約１．６倍であった。

（比較例３）
図１９に示したように、キャップの形状を半径１．０ｍｍの半球状のキャップとしたことを除いて、実施例１と同様に発光装置を作製した。これは、順テーパーキャップの側面角度を連続的に変化させた場合に相当する。得られた発光装置について、実施例１と同様に通電試験を行なったところ、光取り出し量はベアチップの約１．８２倍であった。

また、実施例１の発光装置と比較例３の発光装置との発光装置正面の光度を比較したところ、実施例１の発光装置を１とすると、比較例３の発光装置は０．２であった。

本発明の発光装置は光取り出し効率が改良され、発光出力が高いので、例えば、屋内外用照明や自動車用のヘッドランプとして非常に有効であり、産業上の利用価値は極めて大きい。

従来の発光装置の一例を示した図である。従来の発光装置の別の一例を示した図である。本発明におけるキャップの一例の断面図である。本発明におけるキャップの一例の平面図である。本発明におけるキャップの別の一例の平面図である。図４または図５に示したキャップの断面図である。本発明におけるキャップの別の一例の断面図である。図７に示したキャップの平面図である。本発明におけるキャップの別の一例の平面図である。本発明におけるキャップの別の一例の平面図である。図９または図１０に示したキャップの断面図である。本発明におけるキャップの別の一例の断面図である。図１２に示したキャップの平面図である。実施例１で作製した発光装置の断面図である。実施例１で作製した発光装置の平面図である。比較例１で作製した発光装置の断面図である。実施例２で作製した発光装置の断面図である。比較例２で作製した発光装置の断面図である。比較例３で作製した発光装置の断面図である。

符号の説明

１キャップ
２発光素子
３サブマウント
４基板
５リフレクター
６封止剤
７マウント側リードフレーム
８給電側リードフレーム
９ボンディングワイヤー
１０ｐ電極
１１ｎ電極
１１１発光装置
１０１キャップ
１０２発光素子
１０３サブマウント
１０４放熱性基板
１０５リフレクター
１０６封止剤
１１１発光装置
１２０外部電源接続用電極
１２１ヒートシンク取付用加工部

Claims

基板、該基板上にサブマウントを介してまたは介さずに設けられた半導体発光素子、該半導体発光素子を封止するキャップおよび該キャップに接触しないように該キャップの周囲に設けられた放物線形状リフレクターからなり、該発光素子が該放物線形状リフレクターの焦点に配置され、該キャップは該半導体発光素子の上面と平行な上面および下面を有し、該上面と該下面の面積比（上面／下面）が４以上であり、該上面および下面の間隔が該半導体発光素子の最長対角線または径の１〜３倍である発光装置。
キャップの上面と下面の対応する各辺の長さまたは径の比（上面／下面）が２以上である請求項１に記載の発光装置。
キャップの上面と側面のなす角度が４０度以内である請求項１または２に記載の発光装置。
下記の（１）〜（４）の工程を備えたことを特徴とする発光装置の製造方法。
（１）基板上に、サブマウントを介してまたは介さずに半導体発光素子を実装する工程、
（２）該基板上に放射線形状リフレクターを該放射線形状リフレクターの焦点に発光素子が配置されるように実装する工程、
（３）請求項１〜３のいずれか一項中に記載されたキャップを形成する工程、および
（４）該キャップを、該キャップの屈折率以下の屈折率を有する材料で該半導体発光素子上方に締結する工程。