JP6800702B2 - 半導体発光装置、および、その製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子からの光を波長変換部材により所望の波長の光に変換して照射する半導体発光装置に関する。

半導体発光素子から発せられた光を波長変換部材により波長変換して白色光を照射する半導体発光装置が知られている。このような半導体発光装置は、一般照明、街路灯、車両用灯具等の照明器具の光源として利用され、特に、車両用灯具等は、高い正面輝度が要求されることから、様々な半導体発光装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、発光素子と、外部に露出する発光面と発光面から連続する側面とを有し発光素子からの光を波長変換可能な光透過部材と、光透過部材の側面と発光素子の側面を囲繞するように被覆する光反射性材料を含んだ被覆部材とを備え、実質的に上面の発光面のみを発光装置における光の放出領域とすることで、正面輝度を向上させた発光装置が開示されている。

特許第５５２６８２号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された半導体発光装置等に適用される光透過部材は、発光面表面が平坦な無機材料で構成されているため、発光素子から出射した光が発光面表面において反射されて発光面から外部に出射することができず、発光効率が低下する。一方、これを改善するために発光面表面を粗面にした、すなわち発光面表面に凹凸面を形成した半導体発光装置がある。ところが、発光面表面を粗面にすることで、半導体発光装置の製造工程中の光反射材料を含む被覆部材を塗布する際に、被覆部材が発光面に這い上がる問題が生じる。特に、被覆部材として樹脂を使用した場合には、発光面表面の粗面において毛細管現象が生じ、樹脂が塗れ広がりやすい。また、発光面表面の角部に丸みがある場合には、表面張力による樹脂の止まりが弱く、発光面表面に樹脂が塗れ広がりやすい。このように、樹脂が発光面表面に這い上がり、濡れ広がることにより、発光面の表面面積が狭められ、発光効率が低下する虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光面表面への被覆部材の這い上がりを抑制し、発光効率を向上させることを目的とする。

本発明の一態様は、発光素子と、該発光素子から出射される光を所定波長の光に変換する波長変換層と、少なくとも前記波長変換層の側面を覆う光反射部材と、前記波長変換層の波長変換された光が出射する最表面に設けられた、未硬化の前記光反射部材をはじく性質を有する薄膜と、を備えた半導体発光装置を提供する。

また、本発明の他の態様は、発光素子と、該発光素子から出射される光を所定波長の光に変換する波長変換層と、該波長変換層によって波長変換された光を透過する光透過性基板と、少なくとも該光透過性基板の側面を覆う光反射部材と、前記光透過性基板の、前記波長変換層によって波長変換された光が出射する最表面に設けられた、未硬化の前記光反射部材をはじく性質を有する薄膜と、を備えた半導体発光装置を提供する。

上記各態様において、薄膜の表面が粗面であること、薄膜上の、未硬化の被覆部材に対する接触角が、波長変換層及び光透過性基板上の接触角よりも大きいこと、薄膜がフッ素樹脂であること、が好ましく、薄膜の厚さが１ｎｍ〜１０μｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。また薄膜の接触角が４０°以上であることが好ましい。

本発明によれば、発光面表面への被覆部材の這い上がりを抑制し、発光効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の概略構成を示し、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は上面図である。 本発明の第１の実施形態の他の例に係る半導体発光装置の概略構成を示し、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は上面図である。 本発明の第１の実施形態の他の例に係る半導体発光装置の概略構成を示し、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は上面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置において、ワイヤボンディング型の発光素子を適用した場合の概略構成を示す上面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す図面において、理解の容易及び視認性向上のため、断面図であってもハッチングを適宜省略している。また、半導体発光装置の上面図において、本来上面視では視認できない構成については破線で示すと共に、説明の便宜上ハッチング等を付している。さらに、以下の説明において、異なる実施形態や変形例である場合にも、同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置について説明する。
本実施形態に係る半導体発光装置は、発光素子１０と、発光素子から出射される光を所定波長の光に変換する波長変換層１２と、少なくとも波長変換層の側面を覆う光反射部材と、波長変換層によって波長変換された光が出射する最表面に設けられ、表面が粗面であり波長変換層よりも接触角が大きい薄膜とを備えている。

より具体的には、図１（Ａ）は半導体発光装置１の断面図、図１（Ｂ）は半導体発光装置１の上面図であり、図１に示すように、半導体発光装置１は、発光素子１０と、発光素子１０を実装する実装基板１１と、波長変換層１２と、光反射部材１３と、薄膜１４とを備えている。

発光素子１０は、上面視で矩形状であり、発する光に対して透明な基板上に半導体層及び発光層を積層し、給電用の電極を形成したものを反転させたフリップチップ構造を成している。発光素子１０は、発光層から照射された光を外部へ照射する。従って、発光素子１０は、上面及び側面が発光面となる。なお、発光素子１０の電極は、図示しないバンプ等により実装基板１１上の配線パターンに導通している。

実装基板１１は、本実施形態において、セラミックス材料で形成された板状体であり、窒化アルミニウムで形成された板状の基板を適用している。なお、基板は、一般に、ガラスエポキシ、樹脂、セラミックス等の絶縁性材料、又は絶縁性材料と金属部材との複合材料等によって形成される。基板としては、耐熱性及び耐候性の高いセラミックス又は樹脂を利用したものが好ましい。
なお、実装基板１１には、図示しない配線パターンが形成されている。配線パターンは、主に、発光素子１０の実装パターン及び発光素子１０への電源供給のための電流引き回しパターンとして、実装基板１１の表面に形成されている。配線パターンとしては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の導電性材料を用いることができる。

波長変換層１２は、発光素子１０から照射された光を所望波長の光に変換する蛍光体を含み、発光素子１０の上面に設けられている。より具体的には、波長変換層１２には、例えば、セラミックと蛍光体の混合物や焼結体、ガラスと蛍光体の混合物、蛍光体膜を配置したセラミック、蛍光体膜を形成したガラス、蛍光体分散ガラスや蛍光体セラミックプレートなどを適用することができる。本実施形態において、波長変換層１２は、発光素子１０の上面の発光面と略同一の大きさであり、上面は粗面となっている。波長変換層の厚みは、例えば、１０μｍ〜５００μｍ程度、特に３０μｍ〜２５０μｍ程度とすることが好ましい。

光反射部材１３は、波長変換層１２の側面を覆い、かつ、波長変換層１２の上面を外部に露出させるように設けられている。光反射部材１３としては、例えば、シリコーン樹脂に光反射性フィラー（例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛など）を所定量混合したものを適用することができる。

薄膜１４は、半導体発光装置の最表面に設けられる。本実施形態においては波長変換層１２の上面に設けられており、波長変換層１２の上面の粗面に均一の膜厚で設けられている。従って、薄膜１４の表面は粗面となっている。また、薄膜１４としては、波長変換層１２よりも未硬化の前記光反射部材に対する接触角の大きくなる材料を選択して適用する。より具体的には、薄膜１４として、硬化する前の液体の状態の光反射部材１３をはじく材料を適用する。また薄膜１４の水に対する接触角が４０°以上であることが好ましい。例えば、フッ素樹脂等の非粘着性及びすべり性が優れた材料を適用することで水の接触角４０°以上を保持することができる。この他、薄膜１４として、オルガノエポキシ等の有機物を適用することもできる。

また、薄膜の膜厚は、１ｎｍ〜１０μｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜１μｍ、さらに好ましくは５０ｎｍ〜１００ｎｍとすることが好ましい。本実施形態においては、波長変換層１２の上面が粗面であるため、薄膜１４を波長変換層１２上に均一の膜厚で儲けることで、波長変換層１２の凹凸に追随し、薄膜１４の上面も凹凸を維持した粗面となる。なお、薄膜１４は、予め波長変換層１２の上面に、例えばスピンコーターやスプレーで形成しておくことが好ましい。

このように構成された半導体発光装置は以下のように製造される。
半導体発光装置の製造に先立って、波長変換層１２となる蛍光体セラミックプレート上に、フッ素樹脂からなる薄膜１４を形成しておく。なお、蛍光体セラミックプレートは、予め蛍光体濃度および厚みが調整されており、薄膜１４が形成された後に所望の大きさに切断されている。本実施形態では、波長変換層１２となる蛍光体セラミックプレートは、発光素子１０の上面と略同サイズに切断されている。

そして、予め配線パターン（図示せず）が形成された実装基板１１に発光素子１０を図示しないバンプを介して実装する。次に、予め薄膜１４が形成され発光素子１０の上面と略同サイズに切断された蛍光体セラミックプレートを蛍光体セラミックプレート接着用の樹脂を塗布し発光素子１０上面に搭載して、樹脂を加熱硬化させ波長変換層１２及び薄膜１４とする。

次に、予め未硬化のシリコーン樹脂に光反射性フィラーを所定量混合した光反射部材を実装基板１１上に、発光素子１０及び波長変換層１２の側面を完全に囲繞するまで流し込む。このとき、流し込まれた光反射部材１３は、波長変換層１２と光反射部材１３の境界部が最も高く、波長変換層１２から離れるにつれ徐々に低くなる。半導体発光装置がキャビティのある場合は、低くなった部分からキャビティ上面に向かって高くなり、波長変換層よりキャビティ上面が高い場合は、被覆部材の高さはキャビティと接続部が最も高くなる。

このように、光反射部材１３は、光反射部材１３が波長変換層１２側へ這い上がり、波長変換層１２の粗面において毛細管現象を生じて濡れ広がろうとする。ところが、波長変換層１２の上面に未硬化の光反射部材１３をはじく薄膜１４が形成されているので、光反射部材１３が波長変換層１２に這い上がり濡れ広がることが抑制される。この状態で、光反射部材１３を加熱又は紫外線照射等の適切な硬化方法により硬化させ、所定サイズにダイシングカットすることで、光反射部材１３が波長変換層１２の側面を覆う構造として個片化された半導体発光装置を製造することができる。
このように、光反射部材１３が波長変換層１２に這い上がり濡れ広がることが抑制されるので、波長変換層１２の上面の粗面形状を維持し、光反射部材の這い上がりに起因した発光効率の低下や明るさの低下を抑制することができる。

本実施形態においては、波長変換層１２が発光素子１０の上面と略同サイズである例について説明したが、例えば、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、波長変換層１２が発光素子１０の上面よりも小さいサイズであってもよい。また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、波長変換層１２が発光素子１０の上面よりも大きいサイズであってもよい。
さらに、波長変換層１２の表面が粗面ではなく平坦面である場合には、薄膜１４の表面を粗面とすることにより、同様に光反射部材１３が波長変換層１２に這い上がり濡れ広がることが抑制され、発光効率の低下や明るさの低下を抑制することができる。

なお、薄膜１４を波長変換層１２の上面に形成する際に、薄膜１４が粗面における凹部に厚く、凸部に薄く形成され、凹凸形状がわずかになだらかになることが考えられるが、このような場合にも粗面が完全に平坦になることはなく、粗面の凹凸形状を維持することができるため、発光効率を維持することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置について説明する。
上述した本発明の第１の実施形態では、波長変換層１２の上面に薄膜を形成する例について説明した。本実施形態では、半導体発光装置が、光透過性基板を備えており、光透過性基板に薄膜１４を形成する例について説明する。図４は、本実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。以下の説明において、上述した第１の実施形態と同一の構成には同符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態に係る半導体発光装置は、発光素子１０と、発光素子１０から出射される光を所定波長の光に変換する波長変換層１２と、波長変換層１２によって波長変換された光を透過する光透過性基板１５と、少なくとも光透過性基板１５の側面を覆う光反射部材１３と、波長変換層１２によって波長変換された光が出射する最表面に設けられ、表面が粗面であり光透過性基板１５よりも接触角が大きい薄膜と、を備えている。

光透過性基板１５は、例えばガラス、サファイア、シリコーン樹脂などからなり、本実施形態においては波長変換層１２とほぼ同じ面積を有し、波長変換層１２の上面に配置される。
薄膜１４は、上述した第１の実施形態と同様に、半導体発光装置の最表面に設けられる。従って、本実施形態においては光透過性基板１５の上面に設けられており、光透過性基板１５の上面の粗面に均一の膜厚で設けられている。従って、薄膜１４の表面は粗面となっている。また、薄膜１４としては、光透過性基板１５よりも未硬化の前記光反射部材に対する接触角の大きくなる材料を選択して適用する。より具体的には、薄膜１４として、硬化する前の液体の状態の光反射部材１３をはじき、水に対する接触角が４０°以上となる材料を適用する。例えば、フッ素樹脂等の非粘着性及びすべり性が優れた材料を適用することで水の接触角４０°以上を保持することができる。

また、薄膜の膜厚は、１ｎｍ〜１０μｍであることが好ましく、特に５０ｎｍ〜１μｍがより好ましい。本実施形態においては、光透過性基板１５の上面が粗面であるため、薄膜１４を波長変換層１２上に均一の膜厚で儲けることで、光透過性基板１５の凹凸に追随し、薄膜１４の上面も凹凸を維持した粗面となる。なお、薄膜１４は、予め光透過性基板１５の上面に、例えばスピンコーターやスプレーで形成しておくことが好ましい。

このように構成された半導体発光装置は、以下のように製造される。
半導体発光装置の製造に先立って、光透過性基板１５となるガラス等の板状部材に、フッ素樹脂からなる薄膜１４を形成しておく。なお、光透過性基板１５は、薄膜１４が形成された後に所望の大きさに切断されている。本実施形態では、光透過性基板１５は、発光素子１０及び波長変換層１２の上面と略同サイズに切断されている。
そして、予め配線パターン（図示せず）が形成された実装基板１１に発光素子１０を図示しないバンプを介して実装する。次に、蛍光体セラミックプレートを蛍光体セラミックプレート接着用の樹脂を塗布し発光素子１０上面に搭載して、蛍光体セラミックプレート接着用の樹脂を塗布して波長変換層１２とする。続いて、波長変換層１２の上面に薄膜１４が形成された光透過性基板１５を搭載し固着させる。

次に、予めシリコーン樹脂に光反射性フィラーを所定量混合した光反射部材を実装基板１１上に、発光素子１０及び光透過性基板１５の側面を完全に囲繞するまで流し込む。このとき、流し込まれた光反射部材１３は、光透過性基板１５と光反射部材１３の境界部が最も高く、光透過性基板１５から離れるにつれ徐々に低くなる。

光反射部材１３は光透過性基板１５側へ這い上がり、光透過性基板１５の粗面において毛細管現象を生じて濡れ広がろうとする。ところが、光透過性基板１５の上面に光反射部材をはじく薄膜１４が形成されているので、光反射部材１３が波長変換層１２に這い上がり濡れ広がることが抑制される。この状態で、加熱硬化させ、所定サイズにダイシングカットすることで、光反射部材１３が光透過性基板１５の側面を覆う構造として個片化された半導体発光装置を製造することができる。
このように、光反射部材１３が光透過性基板１５に這い上がり濡れ広がることが抑制されるので、光反射部材の這い上がりに起因した発光効率の低下や明るさの低下を抑制することができる。

なお、図５に、発光素子の上面に接続されたボンディングワイヤを介して給電を行うワイヤボンディング型の発光素子を適用した例を示した。図５では、発光素子１０の上面、すなわち発光面側に波長変換層１２を配置している。この例では、発光素子１０上面にワイヤを配置するため、波長変換層１２にワイヤを逃がすための切欠き１２Ａを形成している。図では、波長変換層１２の任意の一辺の中央部に切欠きを設けているが、切欠きの位置は素子中央、角、辺など適宜定めることができ、また、ワイヤの数も１本、複数本等適宜定めることができる。

上述した各実施形態に係る半導体発光装置は、ヘッドランプやＡＤＢ（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｂｅａｍ）型の車両用灯具の光源に適用することができる他、照明用等の一般的な灯具に適用することもできる。
なお、光反射部材１３の高さは、波長変換層１２又は光透過性基板１５から離れるに従って低下する傾向にあり、これが顕著になると、波長変換層１２又は光透過性基板１５の側面からの光漏れが大きくなり、半導体発光装置を、例えば、車両用灯具に適用した場合にはグレアの問題が発生する。上述した各実施形態における薄膜１４を設けることにより、光反射部材１３の高さを高くすることができるので、光反射部材１３の形状を波長変換層１２又は光透過性基板１５に対して略平坦に広がる形状とすることができる。これにより、車両用前照灯に用いたときのグレアの問題を回避することができる。

１０・・・発光素子、１１・・・実装基板、１２・・・波長変換層、１３・・・光反射部材、１４・・・薄膜、１５・・・光透過性基板

Claims (9)

1. 上面と側面を有し、上面視が矩形状である発光素子と、
   前記発光素子を実装する実装基板と、
   前記発光素子上に配置され、上面と下面および側面を有するプレート状の波長変換層と、
   前記実装基板上に形成され、前記波長変換層の側面および前記発光素子の側面を覆う光反射部材と、
   前記波長変換層の上面に設けられた薄膜と、を備え、
   前記波長変換層は、前記発光素子から照射された光を所望波長の光に変換する蛍光材料を含み、セラミックと蛍光材料の混合物、セラミックと蛍光材料の焼結体、ガラスと蛍光材料の混合物、蛍光材料膜を配置したセラミック、蛍光材料膜を形成したガラス、蛍光体分散ガラス、蛍光体セラミックプレートの何れかからなり、
   前記光反射部材は、上面と、内側側面と、側面視が矩形状の外側側面とを有し、未硬化の樹脂材料に光反射性フィラーを所定量混合した光反射部材の硬化物からなり、
   前記光反射部材の内側側面は、前記波長変換層の側面および前記発光素子の側面を囲繞して、前記波長変換層と前記光反射部材の境界部を形成し、
   前記光反射部材の外側側面は、前記光反射部材の内側側面に対向しており、
   前記光反射部材の形状は、前記実装基板に対して略平坦に広がる形状であり、
   前記薄膜は、前記波長変換層の波長変換された光が出射する最表面に位置し、前記未硬化の光反射部材をはじく性質を有する樹脂膜であり、
   前記波長変換層の上面は、外部出射効率改善のための粗面を全面に有し、
   前記薄膜は、前記波長変換層の前記粗面の凹凸に追随し、前記薄膜の上面は、前記波長変換層の上面の凹凸を維持した粗面となるように設けられており、
   前記薄膜の厚さは、５０ｎｍ〜１μｍである半導体発光装置。
2. 前記光反射部材は、前記薄膜の端部に接しており、当該端部で前記薄膜により前記波長変換層上面への這い上がりと濡れ拡がりが抑制されている請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記薄膜は、水に対する接触角が４０°以上の材料から構成される請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記薄膜は、フッ素樹脂から構成される請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記光反射部材は、シリコーン樹脂に前記光反射性フィラーを混合して形成される請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光装置。
6. 前記波長変換層は、前記発光素子の上面に接着用樹脂を介して配置されている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 上面の全面が粗面を有する波長変換プレートの前記上面に、前記粗面の凹凸に追随し、その上面が前記凹凸を維持した粗面を有し、かつ、未硬化の樹脂をはじく性質を有する厚さ５０ｎｍ〜１μｍの薄膜を、樹脂により形成し、前記薄膜付き前記波長変換プレートを用意する工程と、
   実装基板に実装された発光素子の上面に接着用樹脂を塗布し、前記薄膜付き前記波長変換プレートを搭載する工程と、
   光反射性フィラーが混合された未硬化の樹脂を、前記実装基板の上に流し込むことにより、前記波長変換プレートの上面の前記薄膜によって、前記未硬化の樹脂の前記波長変換プレートの側面から前記薄膜の上面への這い上がりを抑制しながら、前記発光素子および前記波長変換プレートの側面を前記光反射部材によって囲繞する工程と、
   前記未硬化の樹脂を硬化させることにより、前記発光素子および前記波長変換プレートの側面を囲繞し、かつ、前記波長変換プレートの上面の前記薄膜の上面には、前記樹脂が這い上がっていない光反射部材を形成する工程と
   を有する半導体発光装置の製造方法。
8. 前記薄膜付き前記波長変換プレートを用意する工程は、
   フッ素樹脂からなる前記薄膜を前記波長変換プレート上に形成する工程と、
   前記薄膜付き前記波長変換プレートを切断して個片化する工程と、
   を有する請求項７に記載の半導体発光装置の製造方法。
9. 前記波長変換プレートは、前記発光素子から照射された光を所望波長の光に変換する蛍光材料を含み、セラミックと蛍光材料の混合物、セラミックと蛍光材料の焼結体、ガラスと蛍光材料の混合物、蛍光材料膜を配置したセラミック、蛍光材料膜を形成したガラス、蛍光体分散ガラス、蛍光体セラミックプレートの何れかからなる請求項７または請求項８に記載の半導体発光装置の製造方法。

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