JP2019003978A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコーン樹脂が高温にさらされてもクラックの発生を防止することが可能な半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置は、基板２０と、基板上に載置されている発光素子３０と、発光素子を覆うように基板上に載置されている第１のシリコーン樹脂４０と、第１のシリコーン樹脂を覆うように基板上に載置されている第２のシリコーン樹脂５０と、を有する。第１のシリコーン樹脂は、第１の硬度範囲内の硬度を有する。第２のシリコーン樹脂は、第１の硬度範囲を超える第２の硬度範囲内の硬度を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子を搭載した半導体発光装置は、照明等に用いられている。このような半導体発光装置では、発光素子は、基板に搭載された後、ボンディングワイヤによって電気的に基板と接続され、樹脂によって封止される。

このような半導体発光装置としては、例えば、凹部を有する支持基材と、前記凹部内に配置された発光素子と、前記発光素子を封止するように前記凹部に充填された封止層と、前記凹部を被覆するように前記封止層の上に形成された光学レンズ層とを備えた発光装置であり、前記封止層が１０〜２００の針入度を有するシリコーンゲルを主体とし、かつ前記光学レンズ層が３０〜９７の硬度（ＪＩＳタイプＡ硬度計；２３℃）を有するシリコーンゴムを主体として構成されている発光装置が特許文献１に開示されている。

特開２００７−１８０２８４号公報

特許文献１の発光装置は、封止層は発光素子から発せられる熱と蛍光体粒子から発せられる熱によって加熱される。このため、シリコーン樹脂の劣化が加速され封止層にクラックが生じる。

封止層にクラックが生じると、クラックから空気が入り込み光学レンズ層に向かう放熱経路がなくなり、さらに封止層の温度が高くなる。また空気層が生じると、光の反射が増大する。このため、蛍光体粒子の温度も上昇し、結果としてシリコーン樹脂の劣化がさらに加速される問題がある。

また、封止層が高温になると光学レンズ層にもその温度が伝わり、光学レンズ層にもクラックが生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、シリコーン樹脂が高温にさらされてもクラックの発生を防止することが可能な半導体発光装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の半導体発光装置は、基板と、前記基板上に載置されている発光素子と、前記発光素子を覆うように前記基板上に載置されている第１のシリコーン樹脂と、前記第１のシリコーン樹脂を覆うように前記基板上に載置されている第２のシリコーン樹脂と、を有し、前記第１のシリコーン樹脂は、第１の硬度範囲内の硬度を有し、前記第２のシリコーン樹脂は、第１の硬度範囲を超える第２の硬度範囲内の硬度を有することを特徴とする。

実施例１に係る半導体発光装置の上面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 実施例１に係る半導体発光装置の他の構成例を示す断面図である。 実施例２に係る半導体発光装置の上面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１及び図２に示すように、半導体発光装置１０は、基板としての実装基板２０と、実装基板２０の主面２１上に載置されている発光素子３０と、発光素子３０を覆うように実装基板２０上に載置されている第１のシリコーン樹脂４０と、第１のシリコーン樹脂４０を覆うように実装基板２０上に載置されている第２のシリコーン樹脂５０と、を有して構成されている。

実装基板２０は、例えばアルミナやＡｌＮなどのセラミック材料からなるものである。実装基板２０は、発光素子３０と電気的に接続する接続電極２２を有して構成されている。実装基板２０の表面には、発光素子３０と電源（図示せず）とを接続する配線（図示せず）が設けられている。

配線は、電源の一端側と接続電極２２とを接続するものと、電源の他端側と発光素子３０とを接続するものと、の２種類を有している。

発光素子３０は、実装基板２０の中央部上に載置される。発光素子３０は、半導体構造層３１と、半導体構造層３１を支持する支持基板３２とから構成されている。

半導体構造層３１は、その上面（光取出し面３３）側に表面電極３４が設けられ、支持基板３２側の半導体構造層３１の表面に裏面電極（図示せず）が設けられている。

支持基板３２は、例えばＳｉ及びＳｉＣなどの導電性材料からなる。支持基板３２の実装基板２０への固定は、例えば、ダイアタッチ剤などの導電性の接着剤を用いて行われている。

表面電極３４と接続電極２２とは、金等で形成されたボンディングワイヤ６０を用いてワイヤボンディングによって電源の一端側に接続されている。ボンディングワイヤ６０は、全体が第１のシリコーン樹脂４０に覆われている。

裏面電極と実装基板２０の配線とは、支持基板３２を介して電源の他端側に接続されている。

発光素子３０上には蛍光体粒子７０が設けられている。蛍光体粒子７０は、例えば、青色光によって励起されて黄色蛍光を出射する。このような蛍光体粒子７０としては、Ｃｅ附活イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、Ｃｅ附活テルビウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＡＧ：Ｃｅ）、オルトシリケート蛍光体（（ＢａＳｒＣａ）ＳｉＯ₄、他）、αサイアロン蛍光体（Ｃａ−α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕなど）などを用いることができる。

第１のシリコーン樹脂４０は、蛍光体粒子７０を封止すると共に、発光素子３０と実装基板２０と第２のシリコーン樹脂５０とに接して設けられている。第１のシリコーン樹脂４０は、主面２１の垂直な方向に対して突出するように半球のドーム状に形成されている。

第１のシリコーン樹脂４０としては、ジメチルシリコーン樹脂又はフェニルシリコーン樹脂を用いることができる。

第１のシリコーン樹脂４０は、第１の硬度範囲内の硬度を有する。第１の硬度範囲は、ジメチルシリコーン樹脂の場合、ショアＡ硬度が１０以上６０未満である。また、第１の硬度範囲は、フェニルシリコーン樹脂の場合、ショアＡ硬度が２５以上９０未満である。

第１のシリコーン樹脂４０は、発光素子３０等から発せられる熱の影響によって硬度が変化する特性を有する。第１のシリコーン樹脂４０の硬度の変化は、受熱前の硬度から発光素子３０の発熱時間に伴って受熱前の硬度よりも硬度が低くなった後に、受熱前の硬度と同等又はそれ以上に硬度が高くなる。

表１は、第１のシリコーン樹脂４０を２５０℃のホットプレート上に載置したときの硬度変化を示すものである。

硬度変化を測定した第１のシリコーン樹脂４０は、互いに成分が異なる２種類のジメチルシリコーン樹脂及びフェニルシリコーン樹脂である。表１においては、一方のジメチルシリコーン樹脂をジメチルＡとして表記し、他方のジメチルシリコーン樹脂をジメチルＢと表記した。また表１において、フェニルシリコーン樹脂は、フェニルＡとして記載した。

表１に示すように、第１のシリコーン樹脂４０は、加熱を開始してから２４０分までは、いずれの樹脂も加熱前の硬度よりも硬度が低くなる軟化傾向を示した。また加熱時間が６７０分になるとジメチルＡは、加熱前の硬度と同等になった。ジメチルＢとフェニルＡは、加熱前の硬度よりも硬度が高くなった。

このような第１のシリコーン樹脂４０の硬度の特性は、第１のシリコーン樹脂４０が受熱することにより加水分解重合反応が生じることに基づくものである。すなわち、第１のシリコーン樹脂４０は、加水分解重合反応の加水分解反応の反応速度が、重合の反応速度よりも速い特性を有する。このため、加水分解反応が収束するまでは、第１のシリコーン樹脂４０の硬度は低下し続ける。次いで、重合反応が優勢となり、再度樹脂の硬度が上昇する。

第２のシリコーン樹脂５０は、主面２１の垂直な方向に対して突出するように半球のドーム状に形成されている。尚、第２のシリコーン樹脂５０は、レンズ層として機能するようにしてもよい。

第２のシリコーン樹脂５０としては、ジメチルシリコーン樹脂又はフェニルシリコーン樹脂を用いることができる。第２のシリコーン樹脂５０は、第１の硬度範囲を超える第２の硬度範囲の硬度を有する。第２の硬度範囲は、ジメチルシリコーン樹脂の場合、ショアＡ硬度が６０以上７０以下である。また、第２の硬度範囲は、フェニルシリコーン樹脂の場合、ショアＡ硬度９０以上ショアＤ硬度７５未満である。尚、第２の硬度範囲は、第１の硬度範囲と重ならない硬度範囲である。

第２のシリコーン樹脂５０は、発光素子３０等から発せられる熱の影響によって硬度が変化する特性を有する。第２のシリコーン樹脂５０の硬度の変化は、受熱前の硬度から受熱時間に伴って硬度が高くなる。

表２は、第２のシリコーン樹脂５０を２５０℃のホットプレート上に載置したときの硬度変化を示すものである。

硬度変化を測定した第２のシリコーン樹脂５０は、互いに成分が異なる３種類のジメチルシリコーン樹脂及びフェニルシリコーン樹脂である。表２においては、ジメチルシリコーン樹脂をそれぞれジメチルＣ、ジメチルＤ、ジメチルＥとして表記した。また表２において、フェニルシリコーン樹脂は、フェニルＢとして記載した。

表２に示すように、第２のシリコーン樹脂５０は、加熱を開始してからクラックが発生するまで、又は、硬度変化の計測を終了した６７０分まで漸次硬度が高くなった。

このような第２のシリコーン樹脂５０の硬度の特性は、第２のシリコーン樹脂５０が受熱することにより加水分解重合反応が生じることに基づくものである。すなわち、第２のシリコーン樹脂５０は、加水分解重合反応の加水分解反応の反応速度が、重合の反応速度よりも遅い特性を有する。このため、加熱の開始後から重合反応が優勢となり、第２のシリコーン樹脂５０の硬度が上昇し続けることになる。

このように、第１のシリコーン樹脂４０と第２のシリコーン樹脂５０には、ジメチルシリコーン樹脂とフェニルシリコーン樹脂を用いることができる。したがって、以下のように、第１のシリコーン樹脂４０及び第２のシリコーン樹脂５０について、それぞれを組み合わせることができる。
（１）第１のシリコーン樹脂４０及び第２のシリコーン樹脂５０が、ジメチルシリコーン樹脂である場合
第１の硬度範囲：ショアＡ硬度１０以上６０未満
第２の硬度範囲：ショアＡ硬度６０以上７０以下
（２）第１のシリコーン樹脂４０は、ジメチルシリコーン樹脂であり、第２のシリコーン樹脂５０は、フェニルシリコーン樹脂である場合
第１の硬度範囲：ショアＡ硬度１０以上６０未満
第２の硬度範囲：ショアＡ硬度９０以上、かつ、ショアＤ硬度７５以下
（３）第１のシリコーン樹脂４０は、フェニルシリコーン樹脂であり、第２のシリコーン樹脂５０は、ジメチルシリコーン樹脂である場合
第１の硬度範囲：ショアＡ硬度２５以上６０未満
第２の硬度範囲：ショアＡ硬度６０以上７０以下
（４）第１のシリコーン樹脂４０及び第２のシリコーン樹脂５０が、フェニルシリコーン樹脂である場合
第１の硬度範囲：ショアＡ硬度２５以上９０未満
第２の硬度範囲：ショアＡ硬度９０以上、かつ、ショアＤ硬度７５以下
以上のように、第２のシリコーン樹脂５０の内側に第１のシリコーン樹脂４０が設けられていることにより、熱源である発光素子３０や蛍光体粒子７０から第２のシリコーン樹脂５０を遠ざけることができる。このため、第２のシリコーン樹脂５０にクラックが発生することを防止することが可能となる。したがって、半導体発光装置１０の長寿命化を図ることが可能となる。

また、第１のシリコーン樹脂４０が第２のシリコーン樹脂５０に覆われることにより、第１のシリコーン樹脂４０が熱によって軟化しても、それを覆う第２のシリコーン樹脂５０によって第１のシリコーン樹脂４０の変形が抑制されるため、蛍光体粒子７０の位置を一定にすることができる。したがって、半導体発光装置１０の色度を長期に亘って一定にすることが可能となる。

第２のシリコーン樹脂５０よりも硬度が低い第１のシリコーン樹脂４０がボンディングワイヤ６０の全体を覆うことにより、樹脂が熱変形することによるボンディングワイヤ６０に伝わる力を軽減することができる。このため、ボンディングワイヤ６０の断線を防止することが可能となる。

尚、蛍光体粒子７０とシリコーン樹脂によって樹脂層を形成し、この樹脂層にのみ第１のシリコーン樹脂４０が設けられているようにしてもよい。

例えば、図３に示すように、蛍光体粒子７０と第１のシリコーン樹脂４０とを含む樹脂層８０が、発光素子３０の上面を覆うように実装基板２０の上に載置されているようにしてもよい。

上述の実施例においては、実装基板２０上に１つの発光素子３０が設けられているものであった。しかし、実装基板２０には、複数の発光素子３０が設けられているものであってもよい。また、半導体発光装置１０には、ハウジングが形成されているものであってもよい。

図４及び図５に示すように、実装基板２０の主面２１上には、４つの発光素子３０Ａ〜３０Ｄが設けられている。実装基板２０は、発光素子３０Ａ〜３０Ｄを収容するハウジング２３（キャビティ）を有して構成されている。

ハウジング２３は、実装基板２０と、実装基板２０の周囲を囲うように設けられた枠状のリフレクタ２４と、によって枠体状に形成されている。換言すると、実装基板２０は、凹部を有するハウジング２３として形成される。

リフレクタ２４は、シリコーン樹脂等の樹脂材内に光散乱材を分散させた、いわゆる白色樹脂と称される材料からなるものである。リフレクタの実装基板２０への固定は、例えばエポキシ樹脂等からなる接着剤によって行われている。

発光素子３０Ａは、赤色を出力する発光素子である。発光素子３０Ｂは青色を出力する発光素子である。発光素子３０Ｃは、緑色を出力する発光素子である。発光素子３０Ｄは、白色を出力する発光素子である。

赤色を出力する発光素子３０Ａは、例えば、アルミニウムガリウムヒ素を用いた発光素子である。青色を出力する発光素子３０Ｂは、例えば、インジウム窒化ガリウムを用いた発光素子である。緑色を出力する発光素子３０Ｃは、例えば、インジウム窒化ガリウムを用いた発光素子である。白色を出力する発光素子３０Ｄは、青色を出力する発光素子３０上に蛍光体粒子７０を設けることによって構成されている。

実装基板２０の主面２１上には、赤色を出力する発光素子３０Ａが設けられている領域Ｒ１、青色を出力する発光素子３０Ｂが設けられている領域Ｒ２、緑色を出力する発光素子３０Ｃが設けられている領域Ｒ３、白色を出力する発光素子３０Ｄが設けられている領域Ｒ４、が設けられている。

これらの各領域Ｒ１〜Ｒ４において、それぞれの発光素子３０Ａ〜３０Ｄを覆うように、個別に第１のシリコーン樹脂４０が設けられている。

第１のシリコーン樹脂４０は、主面２１から突出するように半球のドーム状に形成されている。また、各領域Ｒ１〜Ｒ４間に設けられている各第１のシリコーン樹脂４０は、互いの端部がそれぞれ接しないように設けられている。

尚、白色を出力する発光素子３０Ｄを覆う第１のシリコーン樹脂４０の主面２１に対する垂直方向の高さＨ１は、他の発光素子３０Ａ〜３０Ｃを覆う第１のシリコーン樹脂４０の主面２１に対する垂直方向の高さＨ２よりも低い。

第１のシリコーン樹脂４０の屈折率は、例えば、ジメチルシリコーン樹脂の場合は１．４以上、フェニルシリコーン樹脂の場合は、１．５以上、とするとよい。

第２のシリコーン樹脂５０は、第１のシリコーン樹脂４０を埋設するように各領域Ｒ１〜Ｒ４の全体を覆い、かつ、ハウジング２３を充填するように設けられている。

第２のシリコーン樹脂５０の屈折率は、例えば、ジメチルシリコーン樹脂の場合１．４以上、フェニルシリコーン樹脂の場合１．５以上、とし、かつ、第２のシリコーン樹脂の屈折率は第１のシリコーン樹脂４０の屈折率よりも高くすることが好ましい。

以上のように、本実施例に係る半導体発光装置１０によれば、実施例１及び２と同様に、第２のシリコーン樹脂５０にクラックが発生することを防止することが可能となる。また、半導体発光装置１０の長寿命化を図ることが可能となる。さらに、半導体発光装置１０の色度を長期に亘って一定にすることが可能となる。

また、第２のシリコーン樹脂５０の屈折率は、第１のシリコーン樹脂４０の屈折率よりも高いことにより、第１のシリコーン樹脂４０の表面で他の発光素子３０の光を反射させることができる。また、他の発光素子３０から発せられる光の指向性が狭くなるため、蛍光体粒子７０の発熱量を抑えることができる。したがって、半導体発光装置１０の使用状態における第１のシリコーン樹脂４０及び第２のシリコーン樹脂５０の温度を必要以上に高くなることを防止し、これらの樹脂の劣化速度を遅くすることが可能となる。この結果、半導体発光装置１０の長寿命化を図ることができる。

さらに、白色の発光素子３０Ｄを覆う第１のシリコーン樹脂４０の主面２１に対する垂直方向の高さＨ１は、他の発光素子３０を覆う第１のシリコーン樹脂４０の主面２１に対する垂直方向の高さＨ２よりも低いことにより、他の発光素子３０Ａ〜３０Ｃから発せられた光により、蛍光体粒子７０が励起すること少なくなるため、蛍光体粒子７０の発熱量を抑えることができる。

１０ 半導体発光装置
２０ 実装基板
２１ 主面
３０ 発光素子
４０ 第１のシリコーン樹脂
５０ 第２のシリコーン樹脂
６０ ボンディングワイヤ
７０ 蛍光体粒子

Claims (9)

1. 基板と、前記基板上に載置されている発光素子と、前記発光素子を覆うように前記基板上に載置されている第１のシリコーン樹脂と、前記第１のシリコーン樹脂を覆うように前記基板上に載置されている第２のシリコーン樹脂と、を有し、
   前記第１のシリコーン樹脂は、第１の硬度範囲内の硬度を有し、
   前記第２のシリコーン樹脂は、第１の硬度範囲を超える第２の硬度範囲内の硬度を有することを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第１のシリコーン樹脂及び前記第２のシリコーン樹脂は、ジメチルシリコーン樹脂であり、
   前記第１の硬度範囲は、ショアＡ硬度が１０以上６０未満であり、
   前記第２の硬度範囲は、ショアＡ硬度が６０ないし７０の硬度範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第１のシリコーン樹脂は、ジメチルシリコーン樹脂であり、
   前記第２のシリコーン樹脂は、フェニルシリコーン樹脂であり、
   前記第１の硬度範囲は、ショアＡ硬度が１０以上６０未満であり、
   前記第２の硬度範囲は、ショアＡ硬度が９０以上、かつ、ショアＤ硬度７５以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記第１のシリコーン樹脂は、フェニルシリコーン樹脂であり、
   前記第２のシリコーン樹脂は、ジメチルシリコーン樹脂であり、
   前記第１の硬度範囲は、ショアＡ硬度が２５以上６０未満であり、
   前記第２の硬度範囲は、ショアＡ硬度が６０ないし７０の硬度範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
5. 前記第１のシリコーン樹脂及び前記第２のシリコーン樹脂は、フェニルシリコーン樹脂であり、
   前記第１の硬度範囲は、ショアＡ硬度が２５以上９０未満であり、
   前記第２の硬度範囲は、ショアＡ硬度が９０以上、ショアＤ硬度７５以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
6. 前記発光素子は、前記基板の主面上に複数設けられ、
   前記第１のシリコーン樹脂は、前記発光素子を個別に覆うように前記基板の前記主面上の複数の領域に設けられ、
   前記第２のシリコーン樹脂は、前記複数の領域全体を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 前記第２のシリコーン樹脂は、前記第１のシリコーン樹脂よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
8. 前記複数の発光素子の少なくとも１つの発光素子上の前記第１のシリコーン樹脂は、前記少なくとも１つの発光素子上に配された蛍光体を有し、
   前記少なくとも１つの発光素子を覆う前記第１のシリコーン樹脂は、前記主面から突出するように半球状に形成され、
   前記少なくとも１つの発光素子上の前記蛍光体が設けられている前記発光素子を覆う、前記第１のシリコーン樹脂の前記主面に対する垂直方向の高さは、他の第１のシリコーン樹脂の前記主面に対する垂直方向の高さよりも低いことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体発光装置。
9. 前記発光素子と前記基板とは、ボンディングワイヤによって電気的に接続され、
   前記ボンディングワイヤは、全体が前記第１のシリコーン樹脂内に埋設されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の半導体発光装置。
   

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