JP7046493B2 - 半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から照射された光を波長変換部材により変換して所望の波長の光を照射する半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法に関する。

発光素子からの光の一部を、波長変換部材により所望波長の光に変換して発光させ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の例として、例えば、特許文献１には、発光素子と、発光素子からの光を波長変換する光変換部材と、光反射性材料を含む被覆部材とを備える発光装置が開示されている。特許文献１の発光装置では、光変換部材が、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、被覆部材が光変換部材の側面を被覆するので、実質的に発光面のみを発光装置における光の放出領域として、正面輝度を向上させている。また、特許文献２には、基板上に導電部材を介して設けられた発光素子の上面に波長変換部材及び透光性部材を順に配置すると共に、発光素子の側面から波長変換部材の周縁下面に亘って側面導光部材を設け、少なくとも、波長変換部材、透光性部材及び側面導光部材のそれぞれの側面に光反射部材を配置した半導体発光装置が開示されている。

特許５５２６７８２号公報 特開２０１６－７２５１５号公報

しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２に開示された半導体発光装置のような従来の半導体発光装置は、実装基板上に発光素子を搭載し、その上に光変換部材、側面に光反射性部材を順次実装していくことで製造される。このため、製造時、特に光変換部材等を搭載する際に、搭載位置がずれてしまう虞がある。光変換部材等の搭載位置がずれると、半導体発光装置から照射される光に偏りが生じ、色度がばらついてしまう。色度がばらついた半導体発光装置は検査装置にて目標とする色度に応じてランク分けされるところ、目標とする色度から外れた半導体発光装置は出荷することができず、製造歩留まりが低下してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光変換部材の搭載精度を向上させることにより、発光する光の偏り及び色度のばらつきを抑制し、延いては製造歩留まり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、該発光素子の下面に設けられた裏面電極と、前記発光素子の上面に設けられた第１の蛍光体層と、前記発光素子及び前記第１の蛍光体層の側面を覆う光制御部材と、を備え、前記発光素子の下面及び前記裏面電極の少なくとも下面が、前記光制御部材に覆われずに露出している半導体発光装置を提供する。
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。
矩形状の凹部を有する離型冶具を用い、該離型冶具の底面に第１の蛍光体層を嵌め込み、該第１の蛍光体層の上に、発光素子の上面と前記第１の蛍光体層とが接するように前記発光素子を搭載して、前記第１の蛍光体層と前記発光素子とを接合し、光制御部材を、前記凹部と前記第１の蛍光体層の側面及び前記発光素子の側面と前記凹部との間に塗布形成し、硬化させる。
このようにして製造された半導体発光装置は、光変換部材を搭載する際の搭載位置ずれを抑制することができるため、発光する光の偏り及び色度のばらつきを抑制し、延いては製造歩留まりを向上させることができる。

本発明によれば、光変換部材の搭載精度を向上させることにより、発光する光の偏り及び色度のばらつきを抑制し、延いては製造歩留まり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す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例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の実施形態の変形例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。 （ａ）～（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法に係る工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例１に係る半導体発光装置の概略構成を示す断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、本発明の第２の実施形態の変形例１に係る半導体発光装置を実装する場合の工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例２に係る半導体発光装置の概略構成を示す断面図である。 （ａ）～（ｆ）は、本発明の第２の実施形態の変形例２に係る半導体発光装置の製造方法に係る工程を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の各実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の変形例を説明する断面図である。

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。以下の説明において、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。
図１に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置１０は、裏面電極１１ｂが設けられた発光素子１１、発光素子１１の上面に設けられた第１の蛍光体層１２、第１の蛍光体層の上面に設けられた光透過性基板１３、発光素子１１及び第１の蛍光体層１２の側面を覆う第２の蛍光体層１４、第２の蛍光体層を覆う光反射部材（光制御部材）１５と、を備えている。

発光素子１１は、発光層１１ａからの光を発光させる発光面を上面及び側面に有するフリップチップ型の半導体発光素子を適用している。発光素子１１の下面に形成された１対の素子電極（裏面電極）１１ｂは光反射部材１４に覆われておらず、発光素子１１の裏面と接触している部分以外の全てが外部に露出している。

第１の蛍光体層１２は、発光素子１１の上面に配置され、発光素子１１と同等の大きさとなっている。光透過性基板１３は、第１の蛍光体層１２よりもやや大きな矩形状をなし、第１の蛍光体層の上面に配置されている。第２の蛍光体層１４は、発光素子１１および第１の蛍光体層１２の側面、及び光透過性基板１３の下面の第１の蛍光体層１２から露出した周縁部を覆うように設けられている。第２の蛍光体層１４の側面は、発光素子１１の側面と光透過性基板１３の側面の下端を結ぶ傾斜面になっている。光反射部材１５は、光透過性基板１３の側面と第２の蛍光体層１４の側面とを覆うように設けられている。

図２に示すように光反射部材１５を設けない構造とすることもできる。このような構造にすることで、側面光も利用することができるので、発光の広がりが大きくなり、下地が白色系の基板に実装することで照明効率を向上させることができる。図２のような半導体発光装置は、主として、一般照明、Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｄ（ＣＯＢ）光源、ＬＥＤ電球等に適している。また、半導体発光装置を実装する際に、近接実装を可能とするため、間隙の暗線を目立たなくすることができる。
また、図３に示すように、光透過性基板１３および第２の蛍光体層１４を設けない構造とすることもできる。このような構造にすることで、発光素子サイズに近い光源サイズにできる（チップサイズパッケージ：ＣＳＰ）他、半導体発光装置の正面輝度を向上させることができる。正面輝度が向上した半導体発光装置は、例えば、ヘッドランプやＤＲＬなどに適用することができる。

（第２の実施形態）
図４に示すように、第２の実施形態に係る半導体発光装置は、発光素子１１に、発光層１１ａを貫通するビア電極を複数配置（図示せず）し、発光層１１ａからの光を発光させる発光面を上面及び側面に有するフリップチップ型半導体発光素子を適用している。このような半導体発光素子を適用することで、第１の実施形態におけるフリップチップ型の発光素子を適用する場合に比して、非発光部が小さく、電流拡散効率が良く、裏面電極パターンを段差なく対称に配置することができる。このため、Ａｕバンプ接合工法を必要とせず、共晶接合など、より安価な実装が可能となる。また、第１の実施形態に係る半導体発光装置に比べて、Ｐ－Ｎ接合の段差が少ないため、第２の蛍光体層１４をより高精度に配置することができる。

発光素子１１の上面には、発光素子１１と同等の大きさの第１の蛍光体層１２、第１の蛍光体層１２よりもやや大きな矩形状の光透過性基板１３が順に配置され、発光素子１１および第１の蛍光体層１２の側面及び光透過性基板１３の下面の第１の蛍光体層１２から露出した周縁部を覆うように第２の蛍光体層１４が設けられている。また、光透過性基板１３の側面と第２の蛍光体層１４の側面とを覆うように光反射部材（光制御部材）１５が設けられている。

次に、このように構成された図４に示す半導体発光装置１０の製造方法について説明する。
従来の半導体発光装置の製造工程は、実装基板に発光素子を実装した後に、波長変換層（蛍光体層）や光反射部材を配置していくのが一般的である。これに対し、本実施形態に係る半導体発光装置１０は、発光素子を実装基板に実装することなく製造する。このため、発光素子に設けられた裏面電極を露出させることができるという利点がある。

以下、図５を参照しつつ具体的な製造方法について説明する。
図５（ａ）は、上面からみて矩形状であり、半導体発光装置１０を収容可能な大きさの第１の凹部２１が複数形成された離形冶具２０の断面図である。離形冶具は、半導体発光装置の個数に対応した複数の矩形状の第１の凹部２１がマトリクス状に複数形成されたものであり、第１の凹部２１の底面には光透過性基板１３の大きさと略等しい大きさかつ、光透過性基板１３の厚みよりも浅い第２の凹部２２が形成され、第２の凹部２２の中心に真空吸着用の吸着孔２３が形成されている。

図５（ｂ）に示すように、予め所定サイズに加工された光透過性基板１３と、光透過性基板１３の中心部に第１の蛍光体層１２が形成されたものを第１の凹部２１の底面の中心位置に配置、すなわち、第２の凹部２２に嵌め込み、吸着孔２３を介して真空吸着する。

第１の蛍光体層１２は、例えば、蛍光体を半硬化性樹脂に分散したシート状のものを光透過性基板１３に熱圧着させることで形成することができる。第２の凹部２２は光透過性基板１３と略等しい大きさに形成されているため、光透過性基板１３を第２の凹部２２に嵌め込むことで、光透過性基板１３を搭載する際に位置ずれが生じないため、その後に積み上げる第１の蛍光体層１４の光透過性基板１３に対する位置ずれも抑制することができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、発光素子１１の上面（発光面：例えば、サファイア透明基板側）を下にして、第１の蛍光体層１２の上に搭載し、加熱圧着することで部材間の接合を行う。
図５（ｄ）に示すように、未硬化の第２の蛍光体層１４を、光透過性基板１３の露出した面と、第１の蛍光体層１２の側面と、発光素子１１側面とを覆うように、第１の凹部２１の隙間からディスペンス装置等で塗布することによりフィレット形状に軽鎖させた形状に形成し、熱硬化させる。第２の蛍光体層１４は、発光素子１１の側面からの光を波長変換し、フィレット形状による傾斜によって光透過性基板１３へ光を導く。第２の蛍光体層１４の蛍光体濃度は第１の蛍光体層１２の蛍光体濃度よりも低い濃度に調整する。

従来の半導体発光装置では、発光素子の上面に蛍光体層や光透過性基板を積み上げて順次配置するため、発光素子のサイズよりも大きい光透過性基板が干渉して、第２の蛍光体層の形成が困難となる。これに対し、本実施形態に係る半導体発光装置の製造方法によれば、積層順序が逆であるため、すなわち、光透過性基板１３から積み上げていくので、第２の蛍光体層１４を塗布するための隙間を確保することができ、安定して第２の蛍光体層１４を形成することができる。

続いて、図５（ｅ）に示すように、第１の凹部２１の隙間に光反射部材１５、例えばシリコーン樹脂に酸化チタンを混合したものをディスペンス装置等で塗布形成し、熱硬化させる。このとき、第１の凹部２１の深さは、発光素子１１裏面（図５の上側）に設けられた裏面電極１１ｂが第１の凹部２１上面から露出する高さとしている。従って、光反射部材１５は、光透過性基板１３の側面及び第２の蛍光体層１４の側面を覆いながら、表面張力によって液面を高さ制御することで、発光素子１１の裏面電極１１ｂを含む発光素子を光反射部材１５から露出させることができる。

次に、図５（ｆ）に示したように光反射部材１５の熱硬化後に離型冶具から個々の半導体発光装置を取り外す。このとき、冶具の第２の凹部２２の中心設けられた吸着孔２３から突き上げピンで押し上げることで、半導体発光装置を容易に離型させることができる。なお、離型冶具は、例えば、金型に離型コート処理したもの、テフロン（登録商標）成型品、耐熱性熱可塑樹脂成型品にフッ素コート処理したもの等を適宜用いることができる。

このようにして離型した複数の半導体発光装置は、発光素子１１の裏面電極１１ｂが外部に露出した状態となり、半導体発光装置として完成した状態で、基板実装することができる。すなわち、従来の半導体発光装置に比べて、小型化が可能であり、離型冶具を用いていることから実装基板を用いることなく製造することができ、光透過性基板や第１の蛍光体層（光変換部材）の搭載位置ずれを抑制することができるので、半導体発光装置が発光する光の偏り及び色度のばらつきを抑制することができる。また、半導体発光装置を個々に製造しているため、ダイシング工程が不要となり、歩留まり向上やコストの低減を図ることができる。さらに、製造過程において、吸着孔２３を介して半導体発光装置の発光状態を確認することができるという利点もある。

（第２の実施形態の変形例１）
図６に示すように光反射部材１５を設けない構造とすることもできる。このような構造にすることで、側面光も利用することができるので、発光の広がりが大きくなり、下地が白色系の基板に実装することで照明効率を向上させることができる。このような半導体発光装置は、主として、一般照明、Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｄ（ＣＯＢ）光源、ＬＥＤ電球等に適している。また、半導体発光装置を実装する際に、近接実装を可能とするため、間隙の暗線を目立たなくすることができる。

このような光反射部材（光制御部材）１５を設けない図６の半導体発光装置１０は、第２の実施形態に係る半導体発光装置の製造工程である図５（ａ）～（ｄ）の工程に従って製造することができる。以下、このような図６の半導体発光装置の実装例について図７を参照して説明する。
図７（ａ）は、予め多層配線された回路基板４０を実装基板として準備し、回路基板４０の実装面における所定電極パターンに所定間隔で半導体発光装置を実装する。
図６の半導体発光装置は、外形サイズが離型治具の凹部によって定義されるので、寸法精度の高い凹部パターン加工によって、高精度の外形寸法を実現できる。このため、隣接する半導体発光装置同士の間隙を５０μｍ以下に抑えることができる。
なお、従来の半導体発光装置は、外形サイズはダイシング工程に依存しているため、ダイシング装置のピッチ公差や削り幅公差が影響して、半導体発光装置同士の間隙を１００μｍ以下に抑えることができない。

次に、図７（ｂ）に示すように、光反射部材を隙間に流し込むためのダム枠４１をディスペンス装置（図示せず）にて塗布形成、硬化させる。ダム枠４１内と半導体発光装置の側面を埋める光反射部材１５（白樹脂）を充填、硬化させることで（図７（ｃ））、光透過性基板１３の上面が露出した状態のマトリックス光源ユニットが得られる（図７（ｄ））。

図７の例では、３×３配列の光源ユニットの例を示したが、配列数はこれに限定されず、適用する光学系に応じて適宜選択される。例えば、車両用前照灯（ヘッドランプ）の場合は１×４～５の配列、デイタイムランニングランプ（白色ＤＲＬ）の場合は２×２、ＤＲＬ兼ターンランプ光源（白色と橙色）の場合は３×３（白４、橙５）、アダプティブドライビングビーム（ＡＤＢ）の場合は５×２０、等の配列とすることができる。
また、図８に示すように、光透過性基板１３および第２の蛍光体層１４を設けない構造とすることもできる。このような構造にすることで、発光素子サイズに近い光源サイズにできる（チップサイズパッケージ：ＣＳＰ）他、半導体発光装置の正面輝度を向上させることができる。正面輝度が向上した半導体発光装置は、例えば、ヘッドランプやＤＲＬなどに適用することができる。

（第２の実施形態の変形例２）
以下に、図８に示す光透過性基板を設けない半導体発光装置の製造方法について図９を参照して説明する。
図９（ａ）は、上面からみて矩形状の収容可能な大きさの第１の凹部２１が複数形成された離形冶具２０の断面図である。第２の凹部２２は第１の蛍光体層１２の大きさと略等しい大きさ、かつ、第１の蛍光体層１２の厚みよりも浅い第２の凹部２２が形成され、第２の凹部２２の中心に真空吸着用の吸着孔２３が形成されている。

図９（ｂ）は、第１の凹部２１底面に形成されている第２の凹部２２に蛍光体層を配置し、吸着孔２３を介して真空吸着した状態を示している。第１の蛍光体層１２としては、例えば、蛍光体セラミックプレートを用いることができる。第１の蛍光体層１２の上面に所定量の接着剤１６を塗布する（図９（ｃ））。接着剤１６としては、耐熱性、耐光性のある透明材料（例えばシリコーン樹脂、フッ素樹脂、ゾルゲル無機バインダーなど）を用いることができる。

次に、図９（ｄ）に示すように、フリップチップ型の発光素子１１の上面（サファイア透明基板側）を下にして第１の蛍光体層１２の上に搭載し、接着剤を加熱硬化させる。第１の凹部２１の隙間に光反射部材１５を塗布形成し、熱硬化させる（図９（ｅ））。光反射部材１５の熱硬化後に、離型冶具２０から個々の半導体発光装置を取り外す（図９（ｆ））。

このようにして製造された半導体発光装置は、光透過性基板１３および第２の蛍光体層１４を設けていないため、更に小型化が可能となる。また、上述した第１の実施形態に係る半導体発光装置と同様に、実装基板を用いていないため、ダイシング工程が不要であり、歩留まり向上や低コストにもなる。

（半導体発光装置の製造方法の変形例）
上述した、半導体発光装置の製造方法において、以下のようにすることで、色度ばらつきをより低減させることができる。
図１０（ａ）に、上述した各実施形態における第１の蛍光体層１２を選別する工程を示した。図１０（ａ）に示すように、予め色度マッピング検査装置（図示せず）によって個々の色度ランク（青色光励起の黄色波長変換層であれば、青色目から黄色目まで（例えば相関色温度＝６５００Ｋ～４０００Ｋ程度の範囲））に選別し、色度ランク毎に分類して収容したトレー３０を準備する。

図１０（ｂ）に、発光素子１１を選別する工程を示した。図１０（ｂ）は、予めチップソーティング装置（図示せず）によって発光素子１１を、ドミナント波長毎に分類して収容したトレーを準備する。

上述した半導体発光装置の製造方法に適応させるため、第１の蛍光体層１２の色度ランクと発光素子１１のドミナント波長ランクの組み合わせにおいて、蛍光体などの波長変換部材が持つ励起波長特性に応じた組み合わせを決定する。この組み合わせに従って製造された最終的な半導体発光装置の色度は、同一範囲に収まることが分かっており、各分類数を管理することで、色度歩留まりを格段に向上させることができる。
なお、従来の製造工程では、発光素子のドミナント波長を２．５ｎｍ範囲に分類したものをまとめて製造するのが限界であり、蛍光体層のばらつきと相俟って、色度ばらつきを抑えることが困難であった。

上述した各実施形態及びその変形例に係る半導体発光装置は一例であり、半導体発光装置に適用される各構成は以下のように適宜変更することができる。
光制御部材として、上述の例では、シリコーン樹脂に酸化チタンを混合した白色反射部材などの光反射部材を示したが、光反射部材に代えて、光透過性透明樹脂等の光制御部材を適用することで側面発光も可能な半導体発光装置を提供することができる。また、光制御部材として、波長変換機能を備えた第３の蛍光体層を適用することで、半導体発光装置を製造する際の最終工程の色度調整に適用することができる。

上述の離型治具は、例えば、金型に離型コート処理したもの、テフロン（登録商標）成型品、耐熱性熱可塑樹脂成型品にフッ素コート処理したものを例示したが、これらの他、透明部材（例えば硬質ガラス、透明シリコーン樹脂、透明フッ素樹脂）を用いることができる。透明部材を用いることで、第１の蛍光体層１２又は第２の蛍光体層１４を配置した後に、発光素子１１の裏面電極１１ｂを導通、点灯させて、離型治具の透明下面側から発光を測定して色度調整（塗布量制御）が可能となるので、更に高精度に目標色度制御が可能となる。また、離型冶具が、第１の凹部２１及び第２の凹部を有する例について説明したが、第２の凹部を形成しなくてもよい。

また、発光素子１１として、サファイア透明基板上に半導体層を成長させたフリップチップ型素子を示したが、他には、ＳｉＣ成長基板、ＧａＮ成長基板など、裏面からアノード電極とカソード電極を配置できる発光素子も適用することができる。

このように上述した各実施形態及びその変形例に係る半導体発光装置によれば、光変換部材の搭載精度を向上させることにより、照射させる光の偏り及び色度のばらつきを抑制し、延いては製造歩留まりを向上させることができる。上述した各実施形態及びその変形例に係る半導体発光装置は、ＤＲＬやＡＤＢ等の車両用灯具に適用することができる。

１０・・・半導体発光装置、１１・・・発光素子、１１ａ・・・発光層、１１ｂ・・・裏面電極、１２・・・第１の蛍光体層、１３・・・光透過性部材、１４・・・第２の蛍光体層、１５・・・光反射部材、１６・・・接着剤、２０・・・離型冶具、２１・・・第１の凹部、２２・・・第２の凹部、２３・・・吸着孔、４０・・・回路基板、４１・・・ダム枠

Claims (7)

1. 発光素子と、
   該発光素子の下面に設けられた裏面電極と、
   前記発光素子の上面に設けられた第１の蛍光体層と、
   前記第１の蛍光体層の上面に設けられた光透過性基板と、
   前記発光素子及び前記第１の蛍光体層の側面を覆う光透過部材である光制御部材と、
   前記発光素子及び前記第１の蛍光体層の側面と前記光制御部材との間に設けられた第２の蛍光体層と、
   を備え、
   前記発光素子の下面及び前記裏面電極の少なくとも下面が、前記光制御部材に覆われずに露出しており、かつ、
   前記第２の蛍光体層の前記光制御部材側の側面が、前記発光素子の側面と前記光透過性基板側面下端とを結ぶ傾斜面である半導体発光装置。
2. 発光素子と、
   該発光素子の下面に設けられた裏面電極と、
   前記発光素子の上面に設けられた第１の蛍光体層と、
   前記第１の蛍光体層の上面に設けられた光透過性基板と、
   前記発光素子及び前記第１の蛍光体層の側面を覆う光制御部材と、
   前記発光素子及び前記第１の蛍光体層の側面と前記光制御部材との間に設けられた第２の蛍光体層と、
   を備え、
   前記発光素子の下面及び前記裏面電極の少なくとも下面が、前記光制御部材に覆われずに露出しており、かつ、
   前記第２の蛍光体層の前記光制御部材側の側面が、前記発光素子の側面と前記光透過性基板側面下端とを結ぶ傾斜面であり、
   前記光制御部材が、第３の蛍光体層である半導体発光装置。
3. 前記裏面電極の前記発光素子の下面から突出した部分が露出している請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記第２の蛍光体層の蛍光体濃度は、前記第１の蛍光体層の蛍光体濃度よりも低い請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の半導体発光装置。
5. 矩形状の凹部を有する離型冶具を用い、
   該離型冶具の底面に第１の蛍光体層を嵌め込み、
   該第１の蛍光体層の上に、発光素子の上面と前記第１の蛍光体層とが接するように前記発光素子を搭載して、前記第１の蛍光体層と前記発光素子とを接合し、
   光制御部材を、前記凹部と前記第１の蛍光体層の側面及び前記発光素子の側面と前記凹部との間に塗布形成し、硬化させる半導体発光装置の製造方法。
6. 前記第１の蛍光体層に代えて、
   予め光透過性基板と第１の蛍光体層とを接合させた合成シートを嵌め込む請求項５記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 前記離型冶具の凹部の底面に設けられた吸着孔から、前記第１の蛍光体層を真空吸着する請求項５又は請求項６記載の半導体発光装置の製造方法。

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