JP2006352047A

JP2006352047A - 光半導体装置

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Publication number: JP2006352047A
Application number: JP2005179931A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tsutsui; 毅筒井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】直上に強い強度の光を放出することができ、指向性が高い光半導体装置を提供すること。
【解決手段】基板の上面に配置された半導体発光素子と、基板側下部から開口部に向けて半導体発光素子の周囲を取り囲むように基板の上面に配置される筐体と、筐体により形成される空間のうち、基板側下部から少なくとも半導体発光素子を覆う所定の高さまでに形成され、上面が平坦な透光性の材料からなる封止部と筐体により形成される空間のうち、封止部の上面に配置されるレンズと、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子を備える光半導体装置に関する。特に、表示用又は照明用の光源として利用する光半導体装置に関する。

従来の発光素子を備える光半導体装置は、凹状の筐体に発光素子を備え、この発光素子を覆うように、凹状部に光透過性の樹脂を充填していた（例えば、特許文献１参照。）。

従来の光半導体装置の構成例を図１に示す。図１において、８１は発光素子、８２は発光素子８１を覆う封止部、８３は凹状の筐体、８４は発光素子８１等を搭載する基板である。

基板８４に筐体８３を配置してから、発光素子８１を搭載し、発光素子８１の電極と基板８４上の配線パターンとをリードで接続する。

特開２００２−２６１３３３号公報

封止部８２は、材料にエポキシ系の樹脂やシリコーン系の樹脂を使用する。筐体８３にこのような樹脂を充填した当初は、封止部８２の上面は平坦であるが、これを乾燥させ、硬化させていくに従い、材料が収縮し、封止部８２の上面には図１のようにくぼみが生じる。

このような場合、発光素子８１が放出する光が封止部８２の上面で拡散し、光半導体装置の直上に放出される光の強度が弱くなる。光半導体装置は、通常発光素子８１の直上に設けるディスプレイなどの表示部に光を供給するためのものである。したがって、直上に放出される光の強度が強いことが好ましい。

本発明では、このような課題に鑑み、光半導体装置の直上に強い強度の光を放出することができ、指向性の高い光半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置は、半導体発光素子の周りに筐体を配置し、筐体に形成される空間に封止部を形成し、この封止部の上にレンズを備えたものである。

具体的には、本発明に係る光半導体装置は、基板の上面に配置された半導体発光素子と、前記基板側下部から開口部に向けて前記半導体発光素子の周囲を取り囲むように前記基板の上面に配置される筐体と、前記筐体により形成される空間のうち、前記基板側下部から少なくとも前記半導体発光素子を覆う所定の高さまでに形成され、上面が平坦な透光性の材料からなる封止部と、前記筐体により形成される空間のうち、前記封止部の上面に配置されるレンズと、を備えることを特徴とする。

筐体で形成する空間である凹状部に半導体発光素子を備え、この半導体発光素子を覆うように封止部を形成し、封止部の上面にレンズを配置することで、封止部が硬化し、上面にくぼみが生じた場合に、封止部直上から拡散していく方向に出射される光を集光し、上方方向に光を放出することができる。

また、本発明に係る光半導体装置は、前記レンズは円柱形状であり、該円柱形状の円周上の一部が前記封止部の上面と接していることを含む。円柱形状のレンズとすることで、封止部の平坦性に影響を受けず、封止部上に配置することができる。封止部が硬化し、封止部の上面にくぼみが生じる場合に好適である。

さらに、本発明に係る光半導体装置は、前記レンズは半円柱形状であり、該半円柱形状の軸方向の平面側が前記封止部の上面と接していることを含む。半円柱形状とは、弧と該弧の両端を結ぶ弦で形成される平面を該平面の垂直方向に柱状に延長して形成される形状である。軸方向の平面側とは、弧と該弧の両端を結ぶ弦で形成される平面の垂直方向に形成される面のうちの平面形状側である。半円柱形状のレンズとすることで、封止部の上面にレンズの前記平面を接触させることができ、封止部の上面から上方方向以外の方向に拡散する光を効率良く集光することができる。

本発明に係る光半導体装置は、前記筐体により形成される空間に配置された前記レンズの最上部と、前記筐体のうちの前記開口部を形成する平面とが、略同じ高さであることが好ましい。レンズの最上部と筐体の上部平面が略同じ高さであると、光半導体装置を用いるディスプレイと組み合わせて使用する場合、光半導体装置とディスプレイとの間に隙間が生じることがなく、光半導体装置が発する光を効率良くディスプレイに放出することができる。

また、本発明に係る光半導体装置は、前記レンズと前記封止部の上面とが、透明な接着剤で接着されていることを含む。透明な接着剤を用いることで、封止部とレンズとの間における光の損失又は封止部と空気と若しくはレンズと空気との屈折率不整合による光の損失を低減できる。

本発明により、光半導体装置の直上に強い強度の光を放出することができ、指向性の高い光半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。

本実施形態に係る光半導体装置は、基板の上面に配置された半導体発光素子と、前記基板側下部から開口部に向けて前記半導体発光素子の周囲を取り囲むように前記基板の上面に配置される筐体と、前記筐体により形成される空間のうち、前記基板側下部から少なくとも前記半導体発光素子を覆う所定の高さまでに形成され、上面が平坦な透光性の材料からなる封止部と、前記筐体により形成される空間のうち、前記封止部の上面に配置されるレンズと、を備えるものである。

本発明の光半導体装置の構成を図２及び図３で説明する。図２は、本実施形態に係る光半導体装置１００の斜視図である。図３は、図２の斜視図において、Ａ−Ａ’線における光半導体装置１００の断面図である。

図２及び図３において、光半導体装置１００は、半導体発光素子１と、基板２と、筐体３と、封止部４と、レンズ５とで構成される。封止部４とレンズ５とは、筐体３により形成される空間６に収容される。図２及び図３においてレンズ５は円柱形状のものを用いているが、本実施形態では後述する半円柱形状のレンズであっても良く、他の形状であっても良い。封止部４の上面７とレンズ５とは、接着剤８により接着される。

また、半導体発光素子１は、ボンディングワイヤ１２を介して、基板２の表面に設けられるリードフレーム１１に接続される。リードフレーム１１は、例えば、基板２を貫通し、その内壁が金属で被覆されているスルーホール１３に接続される。

基板２は絶縁物で構成される。例えば、セラミックスやガラスエポキシである。

半導体発光素子１は、基板２の上面に配置され、ボンディングワイヤ１２で供給される電流により所定の波長で発光する。半導体発光素子１としては、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体発光素子が例示できる。この他、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＴｅＳｅ、ＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓなどの組成からなる化合物であって良い。半導体発光素子１が例えばサファイア基板上に形成された半導体層を備える場合は、半導体発光素子１を基板２に直接搭載してもよいし、リードフレーム１１上に搭載してもよい。半導体発光素子１が半導体基板上に形成された半導体層を備える場合は、ボンディングワイヤ１２を削減するため、半導体発光素子１をリードフレーム１１上に搭載することが好ましい。また、半導体発光素子１が絶縁体上に形成された半導体層を備える場合でも、放熱性の向上のために、半導体発光素子１をリードフレーム１１上に搭載することが好ましい。

基板２の上面には、半導体発光素子１を取り囲むように筐体３が配置されている。筐体３は、基板面から上部に向けた開口部９を有する。筐体３は、半導体発光素子１で発光した光を筐体３の内側側面で開口部９方向に反射する。筐体３の内側側面は、基板２の上面に対して直角に形成されても良く、テーパ状として開口部９に向けて徐々に拡大するものとしても良い。また、テーパ状とする場合、直線状ものでも、波線状のものでも、階段状のものでもよい。少なくとも筐体３の内側側面の一部が半導体発光素子１からの光を基板２の上方方向に反射する面を有していればよい。

図２では、開口部を基板２に平行な四角形としているが、多角形や円形、楕円形でもよい。また、筐体３は単一の材料、単一の構造としても良く、複数の材料で構成したり、複数の構造物を組み合わせたりしてもよい。

筐体３の封止部４に接する面は粗面加工されていることが好ましい。筐体３が粗面加工されていると、筐体３と封止部４との間の密着性が向上し、剥離を防止することができるため、後述する封止部４と筐体３との界面で生じる全反射が安定して発生する。安定して全反射が発生すると、光半導体装置１００は安定な出射効率を得ることができる。

筐体３の材料としては、透光性の材料であればよい。例えばエポキシ樹脂が例示できる。筐体３には反射粒子が含まれていることが好ましい。反射粒子として、例えば、銀やアルミニウム等の金属箔や金属粉を混入してもよい。白色系の液晶ポリマーを筐体材料としてもよい。筐体３にこのような反射粒子が含まれていると、封止部４から筐体３に入射した光が、筐体３内で吸収されるため、光半導体装置１００からの出射パターンに偏りがなく一定の形状となる。

封止部４は、筐体３により形成される空間６のうち、基板２側下部から少なくとも半導体発光素子１を覆う所定の高さまでに形成される。封止部４は、筐体３の内側側面に接するように形成されても良く、封止部４と筐体３との間に空気層があっても良い。封止部４と筐体３の内側側壁が接するように形成されると、剥離を防止することができるため、封止部４と筐体３との界面で生じる全反射が安定して発生する。安定して全反射が発生すると、光半導体装置１００は安定な出射効率を得ることができる。

封止部４の材料は、透光性の材料である。半導体発光素子１から光を効率的に出射させるため、封止部４の材料の屈折率は半導体発光素子１の半導体層に近いことが好ましい。比較的屈折率が高く、加工の容易な材料として、例えば、ガラス、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等が例示できる。

封止部４は単一の材料や単一の構成でなくとも良い。複数の材料で構成したり、複数の構造物を組み合わせたりしてもよい。

封止部４の材料の屈折率は、筐体３の材料の屈折率よりも大きく設定する。半導体発光素子１からの光が封止部４から筐体３に入射する際に、封止部４と筐体３との界面で生じる全反射を利用することができるため、光半導体装置１００からの出射効率を高くすることができる。

また、封止部４には蛍光体１４が添加されていてもよい。蛍光体１４は、半導体発光素子１で発光する光の波長よりも小さいエネルギーギャップを有することにより、半導体発光素子１で発光する光に反応して、長い波長の光に変換することができる。蛍光体１４は、ＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔ）蛍光体であっても良く、ＴＡＧ蛍光体やＲＧＢ蛍光体であっても良い。例えば、青色で発光する半導体発光素子１からの光を、青色の補色に変換して両者を加法混色させることによって白色光としてもよいし、加法混色により種々のスペクトルの出射光とすることでもよい。

本実施形態におけるレンズは、図３に示すように円柱形状のレンズ５として、円柱形状の円周上の一部が封止部４の上面７と接するように設けられることが好ましい。円柱形状のレンズとすることで、封止部４の平坦性に影響を受けず、封止部４の上面７に配置することができ、封止部４の上面７で拡散する光を集光することができる。封止部４が製造過程で硬化し、封止部４の上面７にくぼみが生じる場合に好適である。

また、本実施形態におけるレンズは、図４に示すように半円柱形状のレンズ２０として、半円柱形状の軸方向の平面側が封止部４の上面７と接するように設けられることが好ましい。半円柱形状とは、弧と該弧の両端を結ぶ弦（弦部２１）で形成される平面を、該平面の垂直方向に柱状に延長して形成される形状である。弧と弦部２１で形成される平面は、半円形状であっても良く、弧を放物線として形成される平面であっても良い。軸方向の平面側とは、弧と該弧の両端を結ぶ弦部２１で形成される平面の垂直方向に形成される面のうちの平面形状側である。半円柱形状のレンズとすることで、封止部４の上面７にレンズの平面を接触させることができ、封止部４の上面７から上方方向以外の方向に拡散する光を効率良く集光することができる。以降、本実施形態に係る光半導体装置１００を説明するに当たり図５で説明したレンズ５を使用した形態をもって説明する。

また、レンズ５は、筐体３により形成される空間６に配置されたレンズ５の最上部２２と、筐体３の開口部９を形成する平面とが、略同じ高さであることが好ましい。最上部２２と開口部９の平面が略同じ高さであると、光半導体装置１００を用いるディスプレイ（不図示）と組み合わせて使用する場合、光半導体装置１００とディスプレイ（不図示）との間に隙間が生じることがなく、光半導体装置１００が発する光を効率良くディスプレイ（不図示）に放出することができる。

レンズの材料は、比較的屈折率が高く、加工の容易な材料として、例えば、ガラス、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等が例示できる。

レンズ５と封止部４の上面７は、透明な接着剤８で接着されていることが好ましい。透明な接着剤８を用いることで、封止部４とレンズ５との間における光の損失又は封止部４と空気と若しくはレンズ５と空気との屈折率不整合による光の損失を低減できる。接着剤８の材料には、例えばエポキシ系の接着剤が例示できる。

基板２には、スルーホール１３が設けられ、スルーホール１３の内壁を覆う金属の配線により基板２上面のリードフレーム１１と基板２下面のリードフレーム（不図示）とを接続する。このようなリードフレーム１１によって、回路基板やフレキシブル配線基板上にフリップチップ接続をすることができる。

光半導体装置１００の各構成品（封止部４、接着剤、レンズ（レンズ５又はレンズ２０））及び空気の屈折率の大小関係は次のいずれであっても良い。ここで空気とは光半導体装置１００を取り囲む空気のことである。（１）封止部４＞接着剤＞レンズ＞空気、（２）封止部４＝接着剤＞レンズ＞空気、（３）封止部４＞接着剤＝レンズ＞空気、（４）封止部４＝接着剤＝レンズ＞空気、（５）封止部４＝接着剤＜レンズ＞空気、（６）封止部４＞接着剤＜レンズ＞空気。

図５の（１）から（６）には、本実施形態の光半導体装置１００のうち、レンズ５を用いた場合の六面図を示す。図５（１）は正面図、図５（２）は背面図、図５（３）は右側面図、図５（４）は左側面図、図５（５）は平面図、図５（６）は底面図である。

図５（１）、（２）において上側の四角形状は、筐体３を示すものであり、下側の四角形状は、基板２を示すものである。図５（３）、（４）において上側の四角形状は、筐体３を示すものであり、下側は、基板２の表面にスルーホール１３が設けられた状態を示すものである。図５（５）において内側の四角形状の中には、円柱形状のレンズ５が設けられている（図３の断面図参照。）。図５（６）において左右の辺の中央にある半円はスルーホール１３を示すものである。図５（３）、（４）には内部に設けられた円柱形状のレンズ５を点線で示している。

図６の（１）から（６）には、本実施形態の光半導体装置１００のうち、レンズ２０を用いた場合の六面図を示す。図６（１）は正面図、図６（２）は背面図、図６（３）は右側面図、図６（４）は左側面図、図６（５）は平面図、図６（６）は底面図である。

図６（１）、（２）において上側の四角形状は、筐体３を示すものであり、下側の四角形状は、基板２を示すものである。図６（３）、（４）において上側の四角形状は、筐体３を示すものであり、下側は、基板２の表面にスルーホール１３が設けられた状態を示すものである。図６（５）において内側の四角形状の中には、半円柱形状のレンズ２０が設けられている（図４の断面図参照。）。図６（６）において左右の辺の中央にある半円はスルーホール１３を示すものである。図６（３）、（４）には内部に設けられた半円柱形状のレンズ２０を点線で示している。

本発明の円柱形状のレンズを備える光半導体装置の製造方法を説明する。図７（１）〜図７（４）は光半導体装置の製造方法を説明する図である。図７（１）〜図７（４）において、図２又は図３と同じ符号は同じ意味を表す。

まず、複数の半導体発光素子１を搭載することのできる基板２に貫通するスルーホール１３を形成し、スルーホール１３の内壁を金属でメッキ等をすることによって、基板２の上面と下面を結ぶ配線を形成する（図７（１））。基板２の上面と下面には所定のパターンでリードフレーム１１を形成する（図７（１））。スルーホール１３の内壁の配線形成とリードフレーム１１の形成はどちらが先でもよい。

基板２の上面に半導体発光素子１をそれぞれ搭載し、それぞれの半導体発光素子１の電極とリードフレーム１１とをボンディングワイヤ１２でそれぞれ接続する。

次に、所定の形状の筐体３を基板２に搭載する（図７（２））。筐体３は樹脂を型枠で硬化させたものでもよく、硬化させた樹脂を切削加工したものでもよい。筐体３の内側側面は、封止部４との密着性を良くするために、例えば、ブラスト加工により粗面加工しておいてもよい。

筐体３により形成される空間６に封止部４となる材料である、例えばＰＭＭＡを充填する。（図７（３））。封止部４は、基板２の上面から少なくとも半導体発光素子１を覆う所定の高さまで充填される。この高さは、筐体３により形成される空間６のうちレンズを搭載するのに必要な高さを残すものであれば良い。封止部４の材料を充填後、封止部４を硬化させる。硬化の方法は、熱硬化でも紫外線硬化でもよい。

封止部４を硬化させた後、封止部４の上面７が平坦になるように表面処理を施すことが好ましい。レンズ５を封止部４の上面７に搭載するためである。

封止部４の硬化、表面処理後、封止部４の上面７に接着剤８を塗布する。その後、接着剤８を塗布した封止部４の上面７にレンズ５を配置する。この際、接着剤８とレンズ５の間に隙間ができないように配置することが好ましい。

切断線で、各光半導体装置１００を切り出す（図７（４））。切り出しはレーザによる熱切断でも、ダイシングによる機械切断でもよい。筐体３は基板２の切り出しの際に併せて切断してもよいし、図７（２）でそれぞれ分離された筐体３を基板２に搭載してもよい。

このような製造方法により、光半導体装置の直上に強い強度の光を放出することができる光半導体装置を量産することができる。

次に、光半導体装置１００の実装について説明する。光半導体装置１００は基板２をフレキシブルケーブルや実装基板の面に接触するように搭載して、フレキシブルケーブルや実装基板の法線方向に出射するトップビューでもよい。また、光半導体装置１００の基板２と筐体３がフレキシブルケーブルや実装基板の面に対峙するように搭載して、フレキシブルケーブルや実装基板の面方向に出射するサイドビューでもよい。

図８にサイドビュー方式の実装を示す。図８において、光半導体装置１００は、基板２及び筐体３がフレキシブルケーブル３１の上面に向かい合うように搭載されている。光半導体装置１００はリードフレーム（不図示）を介して半田３３でフフレキシブルケーブル３１上のフレキシブルケーブル配線部３２に接続され、半導体発光素子（不図示）に電流が供給される。半導体発光素子（不図示）から発光した光は、レンズ５で集光されてフレキシブルケーブル３１の面とほぼ平行に出射する。フレキシブルケーブル３１に代えて実装基板であっても同様である。

本発明の光半導体装置は、照明、通信、センサー、表示デバイスなどに搭載される光源として利用することができる。

従来の光半導体装置の構成例を説明する図である。本発明の実施形態であり光半導体装置の斜視図である。図２の斜視図において、Ａ−Ａ’線を含む、基板に垂直な面での断面図である。光半導体装置に半円柱形状のレンズ２０を搭載した場合の基板に垂直な面での断面図である。レンズ５を搭載した光半導体装置の外観形状を示す六面図である。レンズ２０を搭載した光半導体装置の外観形状を示す六面図である。光半導体装置の製造方法を説明する図である。光半導体装置の実装を説明する図である。

符号の説明

１，半導体発光素子
２，基板
３，筐体
４，封止部
５，レンズ
６，筐体により形成される空間
７，封止部の上面
８，接着剤
９，開口部
１１，リードフレーム
１２，ボンディングワイヤ
１３，スルーホール
１４，蛍光体
２０，レンズ
２１，弦部
２２，最上部
３１，フレキシブルケーブル
３２，フレキシブルケーブル配線部
３３，半田
８１，発光素子
８２，封止部
８３，筐体
８４，基板
１００，光半導体装置

Claims

基板の上面に配置された半導体発光素子と、
前記基板側下部から開口部に向けて前記半導体発光素子の周囲を取り囲むように前記基板の上面に配置される筐体と、
前記筐体により形成される空間のうち、前記基板側下部から少なくとも前記半導体発光素子を覆う所定の高さまでに形成され、上面が平坦な透光性の材料からなる封止部と、
前記筐体により形成される空間のうち、前記封止部の上面に配置されるレンズと、を備えることを特徴とする光半導体装置。
前記レンズは円柱形状であり、該円柱形状の円周上の一部が前記封止部の上面と接していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記レンズは半円柱形状であり、該半円柱形状の軸方向の平面側が前記封止部の上面と接していることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記筐体により形成される空間に配置された前記レンズの最上部と、前記筐体のうちの前記開口部を形成する平面とが、略同じ高さであることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の光半導体装置。
前記レンズと前記封止部の上面とが、透明な接着剤で接着されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の光半導体装置。