JP4300980B2

JP4300980B2 - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP4300980B2
Application number: JP2003374139A
Authority: JP
Inventors: 和博石橋; 晃治大友; 正美根井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: JP2005142194A

Description

本発明は、半導体発光装置を樹脂層で覆って形成した発光ダイオードに関する。

従来より、半導体発光装置の周囲を、蛍光体を含む樹脂層で覆い、半導体発光装置から出射される紫外光や可視光によって、蛍光体を励起（低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ電子の軌道が変わること）させて発光させる方式の発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、基板の表面に搭載した半導体発光装置を覆うように、下方に開口した金型を密閉状態で被せて、この中に蛍光体を混入させた樹脂を充填し、蛍光体が樹脂層の下側（基板側）に溜まるように構成して、基板実装型の発光ダイオードを製造している。
特開２０００−１２４５０７号公報（第２−３、６頁、第９−１０、３４、３７−３８図）

しかしながら、発光ダイオードは、近年小型化が要求されており、蛍光体で半導体発光装置を均一な厚みで覆うように形成することができなくなってきている。特に、側面の厚みが薄くなることが多くなり、このような場合には、上面から出射される光と側面から出射される光とが、異なる色調の光となるという問題がある。

そこで本発明は、小型化するとともに所定の色度を得ることができる発光ダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の発光ダイオードにおいては、基材の凹部内の半導体発光装置の周囲に樹脂層を形成し、凹部内の第１の樹脂層の側面を、蛍光体を含む第２の樹脂層で覆った発光ダイオードとしたものである。

この発明によれば、小型化するとともに所定の色度を得ることができる発光ダイオードおよびその製造方法が得られる。

本発明の発光ダイオードによれば、サブマウント素子上に第１の樹脂層で覆われた半導体発光素子を搭載した半導体発光装置と、この半導体発光装置を、凹部内の底面に搭載した基材とを備えた発光ダイオードにおいて、凹部内の第１の樹脂層の側面を、蛍光体を含む第２の樹脂層で覆うので、側方に出射される光により励起される蛍光体の量が増え、側方に出射される光の色度が、蛍光体の発光色側に移動することになり、装置を小型化するとともに所定の色度を得ることができる。

基材、第１の樹脂層および第２の樹脂層の表面に、透光性樹脂からなるレンズを形成すると、半導体発光装置から出射される光を、第１、第２の樹脂層によって色度を均一に調整してから集光することができ、色むらを無くすとともに所定の色度の光の光度を向上させることができる。

本発明の発光ダイオードの製造方法は、蛍光体が混入されたペースト材料を半導体発光素子に印刷して硬化させ、半導体発光素子を覆う第１の樹脂層を形成する印刷工程と、半導体発光装置が搭載された凹部に、蛍光体が混入された液状充填剤を滴下して硬化させ、第１の樹脂層の側面を覆う第２の樹脂層を形成するポッティング工程とを備えているので、印刷工程において半導体発光素子の表面側から出射される光の色度を調整し、ポッティング工程において半導体発光素子の側方に出射される光の色度を調整できるので、所定の色度を得ることができる。

本願第１の発明は、サブマウント素子上に半導体発光素子を搭載し、この半導体発光素子を蛍光体を含んだ第１の樹脂層で覆って形成した半導体発光装置と、この半導体発光装置を、凹部内の底面に搭載した基材とを備えた発光ダイオードにおいて、前記凹部内の前記第１の樹脂層の側面は、蛍光体を含む第２の樹脂層で覆われていることを特徴とする発光ダイオードとしたものであり、表面側に出射される光は第１の樹脂層の表面側を通過し、側方に出射される光は第１の樹脂層の側面および第２の樹脂層を通過するので、側方に出射される光により励起される蛍光体の量が増え、側方に出射される光の色度が、蛍光体の発光色側に移動するという作用を有する。

なお、基材には、基板やリードフレームを含む。また、凹部の形状は、半導体発光装置を搭載できる底面を備えた非貫通孔であればよく、断面形状が溝形の他、Ｕ字状、円弧状、台形状、Ｖ字状のものも含まれる。

本願第２の発明は、前記基材、前記第１の樹脂層および第２の樹脂層の表面には、透光性樹脂からなるレンズが形成されていることを特徴とする発光ダイオードとしたものであり、半導体発光装置から出射される光を、第１、第２の樹脂層によって色度を均一に調整してから集光するという作用を有する。

本願第３の発明は、サブマウント素子上に半導体発光素子を搭載し、この半導体発光素子を蛍光体を含んだ第１の樹脂層で覆って形成した半導体発光装置と、この半導体発光装置を、凹部内の底面に搭載した基材とを備えた発光ダイオードの製造方法において、蛍光体が混入されたペースト材料を半導体発光素子に印刷して硬化させ、前記半導体発光素子を覆う第１の樹脂層を形成する印刷工程と、前記半導体発光装置が搭載された凹部に、蛍光体が混入された液状充填剤を滴下して硬化させ、前記第１の樹脂層の側面を覆う第２の樹脂層を形成するポッティング工程とを備えたことを特徴とする発光ダイオードの製造方法としたものであり、印刷工程において印刷厚みを薄くまたは厚く調整することにより、半導体発光素子の表面側から出射される光の色度を、半導体発光装置による発光色側、または蛍光体の発光色側に近づけ、ポッティング工程で使用する第２の蛍光体中の濃度を低くまたは高くすることにより、半導体発光素子の側方に出射される光の色度を、半導体発光装置による発光色側、または蛍光体の発光色側に近づけることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。

図１は本発明の発光ダイオードの側断面図、図２は同発光ダイオードの斜視図である。図１、図２に示すように、発光ダイオード１は、凹部２０を備えた基材の一例である基板２と、凹部２０内に搭載された半導体発光装置４と、凹部２０内に形成され、半導体発光装置４の第１の樹脂層５ａの側面を覆う第２の樹脂層５ｂとを備えている。凹部２０は、平面視して小判形かつ断面溝形に形成されている。

基板２は逆Ｔ字状に形成され、凹部２０は、縦置きされた基板２の上側に形成されている。また、凹部２０は、半導体発光装置４を収納して搭載できる大きさに形成されている。

半導体発光装置４は、矩形のサブマウント素子９と、Ｎ電極およびＰ電極（図示せず）を凹部２０の底面６側に向けて配置して、サブマウント素子９上にバンプを介してフリップチップ接続された半導体発光素子１０とを有し、蛍光体１２ａを含む第１の樹脂層５ａは、半導体発光素子１０の表面および側面を覆って直方体状に形成されている。

基板２の凹部２０の底面６には、基板２の表面７の電極１６に一体的に接続されるとともに、半導体発光装置４の下面の電極（図示せず）に導通接続された電極８が形成され、基板２の表面７には、サブマウント素子９の表面にワイヤ１７を介してワイヤボンディングされた電極１５が形成されている。

半導体発光素子１０を覆う第１の樹脂層５ａは、樹脂に蛍光体１２ａ、拡散材（図示せず）や紫外線照射により硬化する硬化剤等を混入させたペースト材料を印刷し、硬化させたものである。

印刷用ペースト材料を転写する版（図示せず）は、半導体発光素子１０との間の距離を調整することができ、これによって、印刷するペースト材料の半導体発光素子１０の表面側の厚みを微調整してからこれを硬化させて樹脂層５ａを形成し、表面側から所定の色度の光を出射させることができる。

例えば、半導体発光素子が青色光を発生させ、励起された蛍光体１２ａが黄緑色光を発生させるように構成した場合には、樹脂層５ａの厚みを厚く形成することによって、表面側から出射される黄緑色光の成分を多くし、樹脂層５ａの厚みを薄く形成することによって、表面側から出射される青色光の成分を多くすることができる。

樹脂層５ａの幅は、サブマウント素子９の外形より大きくすることができず、また、ペースト材料の幅は、転写する版によって予め定まっており、印刷時にこれを調整することはできない。このため、樹脂層５ａの側方の厚みが表面側の厚みより薄くなってしまい、半導体発光素子１０から側方に出射される光の色度を、単体の半導体発光装置４によって調整することが困難になる。

一方、第２の樹脂層５ｂを形成する液状充填剤は、例えば、熱硬化型の樹脂１１に蛍光体１２および透光性の拡散材１３を混入したものであり、蛍光体１２の濃度はある程度自由に調整することができる。この濃度は、半導体発光装置４の半導体発光素子１０から側方に出射される光が、表面側に出射される光と同様の色度になるように調整することができるので、樹脂層５ａの側方の厚みが薄くても樹脂層５ｂによってこれを補うことができる。

例えば、半導体発光装置４が青色光を発生させ、励起された蛍光体１２，１２ａが黄緑色光を発生させるように構成した場合には、第２の樹脂層５ｂ内の蛍光体１２の濃度を高くすることによって、側方に出射される黄緑色光の成分を多くし、蛍光体１２の濃度を低くすることによって、側方に出射される青色光の成分を多くすることができる。

基板２、第１の樹脂層５ａおよび第２の樹脂層５ｂの表面には、その光軸を、半導体発光素子１０の光軸に合わせた透光性樹脂からなるレンズ１４が形成されている。また、レンズ１４は、基板２の下部に形成された脚部１８および基板２の中央部を覆ってワイヤ１７を保護する保護部１９とともに一体的に形成されている。

発光ダイオード１に通電すると、半導体発光素子１０の発光面から光が出射される。表面側に出射した光は、第１の樹脂層５ａ内の表面部の蛍光体１２ａに当たってこれを励起させる。

また、半導体発光素子１０の発光面から側方に出射した光は、第１の樹脂層５ａの側部の蛍光体１２ａに当たってこれを励起させ、さらに第１の樹脂層５ａを通過して側方に出射した光は、第２の樹脂層５ｂ内の蛍光体１２に当たってこれを励起させる。

半導体発光素子１０から出射された光と、励起された蛍光体１２，１２ａから出射された光は、拡散材１３内を通過して、レンズ１４内に入射し、レンズ１４の表面で集光されて外側に出射される。

蛍光体１２を有する第２の樹脂層５ｂを設けたので、半導体発光素子１０から側方に出射された光によって、第２の樹脂層５ｂ内の蛍光体１２を効率よく励起することができ、均一な色度で、光度が高い光を取り出すことができる。

次に発光ダイオード１の製造手順について説明する。

（半導体発光装置製造）
樹脂に蛍光体１２ａ、拡散材や紫外線照射により硬化する硬化剤等を混入させペースト材料を製造する。

多数のサブマウント素子９が一体的に形成された集合基板（図示せず）に半導体発光素子１０をそれぞれ搭載した後、第１の樹脂層５ａの大きさに合わせて形成した印刷用の版にペースト材料を転写し、半導体発光素子１０に印刷する。印刷後は、ペースト材料に紫外線を照射して硬化させ、第１の樹脂層５ａを形成する。その後、各サブマウント素子９を第１の樹脂層５ａごとに切り離して半導体発光装置４を形成する。

（液状充填剤混合）
流動性を有する樹脂１１に蛍光体１２と拡散材１３を混合する。蛍光体１２の濃度は、例えば、予め定められた第１の樹脂層５ａの側部の厚みと表面部の厚みとの差から計算された、蛍光体１２の量の差に対応する濃度とすることができるが、実際の測定値を保存したデータベースから最適値に近似するものを選択することも可能である。

（半導体発光装置の搭載）
基板２を、凹部２０の開口部３が上方に向くように配置して、凹部２０内の底面６上に半導体発光装置４をダイボンディングし、ワイヤ１７を用いて、半導体発光装置４の電極と、表面７の電極１５を導通接続する。

本実施の形態においては、基板２の表面７と半導体発光装置４の第１の樹脂層５ａの表面のレベルがほぼ一致しているが、第１の樹脂層の厚みによっては、第１の樹脂層の表面が凹部２０から突出して配置されることもあり、また、第１の樹脂層５ａの表面が基板２の表面７より底面６側に配置されることもある。

（ポッティング）
基板２を、凹部２０の開口部３が上方に向くように配置し、凹部２０内に上方から液状充填剤を滴下する。液状充填剤の量は、表面が基板２の表面７と同じレベルになる量に設定している。半導体発光装置４の第１の樹脂層の表面が凹部２０から突出する場合には、第１の樹脂層の表面には液状充填剤は塗布されず、基板２の表面７より底面６側に配置される場合には、第１の樹脂層の表面にも液状充填剤が塗布される。いずれの場合でも、第１の樹脂層の側面には必ず液状充填剤が塗布されることになる。

（硬化）
基板２を、加熱用ラック（図示せず）のスロットに挿入して多段に配置し、恒温槽に入れて所定時間加熱し、第２の樹脂層５ｂを硬化させる。

（レンズ形成）
基板２を成形用金型にセットし、エポキシ樹脂等の透光性樹脂により、レンズ１４、脚部１８および保護部１９を成形する。

このような手順で発光ダイオード１を製造することができる。

前記実施の形態の発光ダイオードにおいて、半導体発光素子の発光色を青、励起したときの蛍光体の発光色を黄緑とし、第１の樹脂層の厚みを１５７μｍに設定した場合において、第２の樹脂層に混入する蛍光体の質量の、樹脂層の質量に対する割合を変えて光軸上の光度を測定した。

図３〜図５は、第２の樹脂層に混入する蛍光体の割合をそれぞれ０％、１０％、２５％にしたときの発光素子の発光軸上における光度を示すグラフである。それぞれ横軸は積分球値を表し、縦軸は軸上光度を表している。なお、積分球値から換算式を用いることによって光の全光束を求めることができる。

図６は、測定データを、色度座標上に示したグラフである。半導体発光素子に蛍光体入り樹脂が印刷されたもので、かつ、凹部に蛍光体入りの樹脂が充填されていない場合の発光色は、（ｘ＝０．２９、ｙ＝０．２９）の点（平均値）で示されて図の左下側に配置され、半導体発光素子に蛍光体入り樹脂が印刷されたもので、かつ、凹部に蛍光体が濃度２５ｗｔ％の割合で混入された樹脂を充填させた場合の発光色は、（ｘ＝０．３１、ｙ＝０．３１）の点（平均値）で示されて図の右上側に配置される。また、ｘ＝０．３１、ｙ＝０．３１付近が白色光の領域となる。

図３〜図５に示すように、第２の樹脂層に蛍光体を混入しないときの軸上光度の平均値は２３２ｍｃｄ、１０％のときは２４３ｍｃｄ、２５％のときは２８１ｍｃｄとなった。半導体発光素子に蛍光体入り樹脂が印刷されたもので、かつ、凹部に蛍光体入りの樹脂が充填されていない場合の光度より、半導体発光素子に蛍光体入り樹脂が印刷されたもので、かつ、凹部に蛍光体が濃度２５ｗｔ％の割合で混入された樹脂を充填させた場合の方が光度が高いので、上記の結果は、半導体発光素子の発光が、より多くの蛍光体を励起させて波長変換されたことを示している。すなわち、光度の増加分は、半導体発光素子から側方に出射された光が、第２の樹脂層内の蛍光体を励起させた分と考えられる。

図６に示すように、蛍光体の割合が０％のときは、図中の左下側、すなわち青色に近い白色光となっているが、この割合を１０％、２５％と増加させるにつれて、発光色は図中の右上に移動し、ｘ＝０．３１、ｙ＝０．３１付近の白色光領域に近づくという結果が得られた。

本発明にかかる発光ダイオードおよびその製造方法は装置を小型化するとともに所定の色度を得ることができ、半導体発光装置を樹脂層で覆って形成した発光ダイオード等に有用である。

本発明の発光ダイオードの側断面図同発光ダイオードの斜視図第２の樹脂層に混入する蛍光体の割合をそれぞれ０％にしたときの発光ダイオードの光軸上における白色光の光度を示すグラフ第２の樹脂層に混入する蛍光体の割合をそれぞれ１０％にしたときの発光ダイオードの光軸上における白色光の光度を示すグラフ第２の樹脂層に混入する蛍光体の割合をそれぞれ２５％にしたときの発光ダイオードの光軸上における白色光の光度を示すグラフ測定データを、色度座標上に示したグラフ

符号の説明

１発光ダイオード
２基板
３開口部
４半導体発光装置
５ａ第１の樹脂層
５ｂ第２の樹脂層
６底面
７表面
８電極
９サブマウント素子
１０半導体発光素子
１１樹脂
１２，１２ａ蛍光体
１３拡散材
１４レンズ
１５電極
１６電極
１７ワイヤ
１８脚部
１９保護部
２０凹部

Claims

サブマウント素子上に半導体発光素子を搭載し、この半導体発光素子を蛍光体を含んだ第１の樹脂層で覆って形成した半導体発光装置と、この半導体発光装置を、凹部内の底面に搭載した基材とを備えた発光ダイオードにおいて、
前記凹部内の前記第１の樹脂層は、サブマウント素子上に形成され、前記第１の樹脂層の表面を除く側面は、発光素子の表面側に出射される光と同様の色度となるように調整するための蛍光体を含む第２の樹脂層で覆われていることを特徴とする発光ダイオード。
前記基材、前記第１の樹脂層および第２の樹脂層の表面には、透光性樹脂からなるレンズが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。