(57)【要約】【課題】色度の微調整が可能であり、輝度むらのない半導体発光装置を提供する。【解決手段】発光素子とそれを覆う封止樹脂とを備え、封止樹脂中に発光素子が発する光の波長を変換する波長変換材料を含む半導体発光装置において、封止樹脂を弾性材料で構成するとともに、当該封止樹脂の周囲に、封止樹脂を側方から押圧し、その発光素子上の厚みを変化させる圧電アクチュエータ等の樹脂変形手段を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、当該基板の上に実装された１ないし複数の発光素子と、前記１ないし複数の発光素子を覆う封止樹脂とを有し、前記封止樹脂は前記発光素子が発する光を吸収し、異なる波長の光を発する波長変換材料を含む半導体発光装置において、
前記封止樹脂は弾性材料からなり、前記発光素子の上に存在する前記封止樹脂の膜厚を変化させる樹脂変形手段を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光装置であって、
前記樹脂変形手段は、前記発光装置の光出射方向を上方とするとき、前記封止樹脂の側方に備えられ、前記封止樹脂を側方から押圧する押圧手段であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体発光装置であって、
前記押圧手段は、圧電素子を備えた圧電アクチュエータであることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の半導体発光装置であって、
前記押圧手段は、前記封止樹脂の周囲に複数設けられることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の半導体発光装置であって、
前記封止樹脂の外周を取り囲む壁構造を有し、前記樹脂変形手段は前記封止樹脂と前記壁構造との間に設けられることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体発光装置であって、
前記封止樹脂は、ＪＩＳ−Ａ硬度が３０°以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体発光装置であって、
前記封止樹脂は、シリコーンゴムであることを特徴とする半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子と、蛍光体等の波長変換材料を含む封止樹脂とを備えた半導体発光装置に係り、特に発光装置の色度を調整する技術に関わる。
【背景技術】
【０００２】
発光素子と蛍光体を含む封止樹脂を用いる半導体発光装置では、封止樹脂における蛍光体の含有量および封止樹脂の充填量を正確に制御することが困難であり、これらのばらつきによって発光装置間で色度がばらつくという問題がある。この問題を解決するため、従来、発光装置の製造工程内で、ばらつきを抑制する工夫がなされてきたが、製造工程で厳格な色度の管理をするのではなく、製造後に色度を調整する技術も提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、封止樹脂の表面の一部に光散乱部を設けて色度のばらつきを調整する技術が提案されている。この技術では、封止樹脂から出射した光の一部を再度封止樹脂に戻すことによって、封止樹脂中の蛍光体から発生する光を増やし、色度を変化させている。
【０００４】
また特許文献２には、封止樹脂の表面をレーザ照射して機械的にトリミング加工することで、色度が所定の値となるように調整する技術が記載されている。
【０００５】
さらに特許文献３には、発光素子の駆動電流をパルス電流とし、そのパルス条件を変化させることにより、発光素子の発光波長や発光量を変化させて、発光装置の色度を調整する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３０３０１号公報
【特許文献２】特開２００９−１５８５４１号公報
【特許文献３】特開２００７−１４２１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１や特許文献２に記載された技術は、色度調整のための手段（色度調整手段）が不可逆的であるため、最適な色度に調整することが困難であり、また一旦色度調整手段を設けた後は、微調整ができないという問題がある。それに加えて、特許文献１に記載された技術は、発光装置の表面の一部に光散乱部を設けるため、発光状態が面内で不連続になり、輝度むらや色度むらの原因となる可能性がある。また特許文献２に記載された技術は、トリミング加工に用いられるレーザ照射の照射強度によっては発光素子を損傷する可能性もある。
【０００８】
また特許文献３に記載された技術は、発光素子の駆動電源としてパルス電流を用いることが前提であり、パルス駆動できない用途では適用することができない。
【０００９】
本発明は、発光装置製造後に色度を調整する手段を備え、色度の調整を可逆的に行うことができ、それにより調整が容易で且つ発光素子の駆動方法に対する制限もなく色度の調整を行うことができる半導体発光装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の半導体発光装置は、発光素子とそれを覆う封止樹脂とを備え、前記封止樹脂中に前記発光素子が発する光の波長を変換する波長変換材料を含む半導体発光装置において、前記封止樹脂を弾性材料で構成するとともに、当該封止樹脂の発光素子上の厚みを変化させる樹脂変形手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
樹脂変形手段は、例えば、封止樹脂を側方から押圧する押圧手段であり、好適には、封止樹脂の周囲に複数設けられる。
また封止樹脂は、好適にはＪＩＳ-Ａ硬度が３０°以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の半導体発光装置の一実施形態を示す図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の半導体発光装置で利用するアクチュエータのタイプを示す図である。
【図３】図１の半導体発光装置がアクチュエータによって変形した様子を示す図
【図４】発光素子上部にある封止樹脂の膜厚と発光装置が発する光の色度との関係を示すグラフ
【図５】ＳＡＥ米国自動車技術会規格で規定される白色エリアと、本発明により拡大可能な範囲とを示す図
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれアクチュエータによる最適な押圧位置を説明する図である。
【図７】積層型圧電アクチュエータの固定構造の変更例を示す図
【図８】本発明の半導体発光装置の他の実施形態を示す断面図で、（ａ）は変形前、（ｂ）は変形後を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の半導体発光装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の半導体発光装置の一実施形態を示す側断面図、（ｂ）は平面図である。この半導体発光装置は、図示するように、導体パターンが形成された基板１１と、基板上に実装されたＬＥＤ等の半導体発光素子１３と、この発光素子１３を覆う封止樹脂１５と、封止樹脂１５の周囲を囲むように基板１１に固定されたリング状部材（以下、リングという）１７と、封止樹脂１５とリング１７との間に設けられた圧電アクチュエータ１９とを備えている。
【００１４】
発光素子１３の実装方法は、特に限定されないが、図示する実施形態では、基板１１に金属バンプ１２を形成し、その金属バンプ１２に発光素子１３の２つの電極パッド（図示せず）をそれぞれ接合するフリップチップ実装である。
【００１５】
封止樹脂１５は、透明で弾力のある樹脂を母材とし、蛍光体等の波長変換材料と、必要に応じて、シリカ、酸化チタン等のフィラーを含む。母材の樹脂としては、透明性が高く、好ましくはＪＩＳ−Ａ硬度（ＪＩＳ  Ｋ６２５３）で１０〜３０°のもの、より好ましくは２０°程度のものが用いられる。このような樹脂として、具体的には、シリコーンゴム等が挙げられる。このような硬度範囲とすることにより、後述する圧電アクチュエータ１９の可動範囲で封止樹脂１５を変形させて、発光素子上に存在する封止樹脂１５の厚みを変えることが可能となる。
【００１６】
波長変換材料は、発光素子１３の発する光を吸収して、異なる波長の光を発生するもので、具体的には、ニトリド或いはオキシニトリド蛍光体、YAG系蛍光体、BAM蛍光体（アルミン酸系青色蛍光体）、SiAlON蛍光体等の蛍光体が用いられる。フィラーは、製造工程における封止樹脂の粘度を調整するためや、樹脂変形手段による樹脂厚みが変化した場合の色むらを軽減するための拡散材として用いられる。蛍光体およびフィラーの含有量は特に限定されないが、樹脂に対する蛍光体およびフィラーの合計含有量の重量割合で、好ましくは５〜８０重量％、より好ましくは２０〜５０重量％である。このような範囲とすることにより、樹脂が持つ弾性を損なうことなく、比較的小さい封止樹脂厚みで波長変換効率の高い封止樹脂を形成することができる。
【００１７】
リング１７は、封止樹脂１５の周囲を保護するとともに圧電アクチュエータ１９を支持する壁構造である。また、発光素子１３からの発光を反射する反射材として機能させてもよい。リング１７の材料としては、ガラス、セラミックス、樹脂、これらの積層体などを採用することができる。また表面を絶縁処理した金属でもよい。リングを反射材として機能させる場合には、少なくとも内面が白色であるか、内面にアルミニウム等の金属蒸着膜が形成されていることが好ましい。
【００１８】
圧電アクチュエータ１９は、ピエゾ素子等の公知の圧電材料からなり、図示しない配線によって駆動回路に接続される。公知の圧電材料には、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、ベンダー型（モノモルフ型、バイモルフ型）（ａ）、積層型（ｂ）、バイモルフ型圧電素子を積層したもの（以下、新積層型という）（ｃ）、ディスク形状で中心が盛り上がるように変位するリングベンダー（ｄ）など種々の構造のものが知られており、本発明では数十μｍ程度の変位量が得られるものであればいずれのタイプも採用することができる。特に、封止樹脂を変形させるのに必要な力が得やすいという点で、積層型或いは新積層型が好適である。図１に示す実施形態では、積層型或いは新積層型の圧電アクチュエータ１９を採用した場合を示している。この圧電アクチュエータ１９は、一端面がリング１７の内面に固着され、他端が封止樹脂１５の側面に固定されており、正（＋）電圧が印加されると積層方向に伸び、負（−）電圧が印加される積層方向に縮み、これによって、例えば図３に示すように封止樹脂１５を圧縮して変形させる。
【００１９】
封止樹脂１５は側面が押圧されたことにより、発光素子上面に存在する封止樹脂の膜厚が増加し、発光素子から発した光が通過する封止樹脂の量すなわち封止樹脂に分散された蛍光体の量が増えることになるので、色度が変化する。逆に、圧電アクチュエータ１９が収縮することによって封止樹脂の側面が外側に引っ張られると、膜厚が減少し、発光素子上に存在する蛍光体の量が減ることになるので、この場合にも色度が変化する。本発明者らの研究によれば、膜厚と色度（ｘ、ｙ）は、ほぼリニアに変化し、膜厚が高くなるほど、色度は上昇する。発光素子や蛍光体の種類や封止樹脂の厚みによっても異なるが、一般的な半導体発光装置において、封止樹脂の膜厚が数十μｍ変化すると、ＣＩＥ・ｘｙ色度図において色度は０．０１〜０．０２程度変化すると考えられる。図４に、青色ＬＥＤをＹＡＧ系蛍光体を含む封止樹脂で封止した発光装置における、封止樹脂の膜厚と色度との関係を示すグラフを示す。このグラフに示す例では、膜厚が４５μｍ変化した場合、色度はｘが０．０１３程度、ｙが０．０２０程度変化している。
【００２０】
図５は、ＳＡＥ米国自動車技術会規格で定められている車両用ヘッドランプの白色エリア（太線内）を示す色度表である。色度が０．０１〜０．０２の範囲で調整可能であることにより、調整前の製品における実効的な白色エリアを図中、点線で囲むエリアまで拡大することもできる。一方、製品によって太線の白色エリアよりも狭いエリアが要求される場合には、その要求を満たすことも可能になる。
【００２１】
圧電アクチュエータ１９の変位と、それによりもたらされる封止樹脂の膜厚の変位量との関係は、封止樹脂の高さと幅との比率によっても異なるが、通常、圧電アクチュエータ１９で押された封止樹脂の断面形状は、長方形から長方形に変化するのではなく、図３に示すように、中央部分が盛り上がったように変形するため、圧電アクチュエータ１９の変位量とほぼ同オーダーの膜厚の変位量が得られる。従って、圧電アクチュエータ１９として数十μｍの変位量が得られるものを用いれば、上記膜厚の変位を実現できる。
【００２２】
入手可能な積層型圧電素子として、例えば変位量がカタログ値で数μｍから５０μｍの積層型圧電アクチュエータが市販されている。板厚や積層数等の設定により、数ｍｍの大きさで数十μｍ程度の変位を実現できる。また図２（ｃ）に示すようなバイモルフ型圧電素子を積層したタイプの圧電素子では、同程度の印加電圧で、より大きな変位量を実現できる。
【００２３】
また圧電アクチュエータ１９を設ける高さ方向の位置（基板面からの高さ）は、少ない力で効果的に封止樹脂１５を変形させるためには、図６（ａ）に示すように、押圧の作用点（面で押圧する場合はその中央の点）が発光素子１３の上面のレベルよりも上側にあることが好ましい。設計上の要請により、圧電アクチュエータ１９の押圧点が発光素子１３の上面レベルよりも下側になる場合には、図６（ｂ）に示すように、発光素子１３の上面より上側にある封止樹脂の厚みをｂ、発光素子１３の上面レベルから押圧点までの距離をｃとするとき、次の関係を満たすことが好ましい。
tan-1(c/a)=tan-1(b/d)
式中、aは封止樹脂の側面から発光素子側面までの距離、dは発光素子の側面から発光素子中心までの距離を示す。
【００２４】
この関係を満たすことにより、押圧点にかかる力のうち押圧点から封止樹脂の上面中心に向かう成分は、剛体である発光素子１３に遮られることなく、封止樹脂１５に作用し、効果的に封止樹脂を変形させることができる。
【００２５】
圧電アクチュエータ１９の平面内での配置については、封止樹脂１５の周囲に複数設けられることが好ましい。これにより、単独では数十μｍの変位量を実現できない小サイズの圧電アクチュエータ１９であっても、大きな変位量と力を得ることができる。図１（ｂ）に示す実施の形態では、封止樹脂１５とリング１７との間に４個の圧電アクチュエータ１９を封止樹脂１５の周囲に均等に配置しているが、圧電アクチュエータ１９の性能に応じて、その数は任意に選択することができる。リング１７は圧電アクチュエータの変位量と寸法を考慮して、その設置位置を決定する。
【００２６】
基板１１には、発光素子１３が接合される電極のほかに、圧電アクチュエータ１９に給電するための電極（図示せず）が形成されており、この電極は圧電アクチュエータ１９の駆動回路（図示せず）に接続される。圧電アクチュエータ１９は、この基板１１に形成された電極を介して、駆動回路に接続される。
【００２７】
次に上記構成の発光素子の製造方法の一例を説明する。ただし本発明の発装置は以下の製造方法によって製造されたものに限定されるものではない。
【００２８】
まず発光素子用の電極（金属バンプ）と、圧電アクチュエータ用の電極（金属バンプ）が形成された基板１１を作成し、基板１１に発光素子を接合する。図１（ａ）に示すようなフリップチップ実装の発光装置では、発光素子の片面に形成された２つの電極を金属バンプに接合する。またワイヤボンディングによって接合するタイプの発光装置の場合には、発光素子の電極を金等のワイヤで接合する。その場合、封止樹脂の変形時の応力がボンディング部分にかからないようにするため、ボンディング部を軟らかい樹脂で保護しておくことが好ましい。軟らかい樹脂として、例えば、封止樹脂と同一の樹脂であって蛍光体やフィラーを含まないもの若しくは同種の樹脂であって封止樹脂よりもＪＩＳ−Ａ硬度が小さい２０°以下の樹脂等を使用することができる。
【００２９】
次に、印刷法により、封止樹脂用樹脂組成物で発光素子１３の周囲を覆い、樹脂組成物を硬化させて封止樹脂１５を形成する。この際、発光素子１３と封止樹脂１５との間に、封止樹脂よりも硬度の低い樹脂の層を形成しておいてもよい。このような樹脂として、上述したボンディング部保護用の樹脂と同様の樹脂を用いることができる。このような低硬度樹脂を介在させることにより、封止樹脂が圧電アクチュエータ１９によって変形される場合に、封止樹脂と発光素子とが剥離するのを防止することができる。
【００３０】
一方、内部に複数の圧電アクチュエータ１９を固定したリング１７を用意する。圧電アクチュエータ１９がバイモルフ型或いはバイモルフ型を積層した型のアクチュエータであるときは、その端部（一端部または両端部）のみをリング１７の内壁に固定する。積層型または新積層型の場合には、端面をリング１７に固定する。なお積層型の場合には、圧電アクチュエータ１９をリング１７の内面に固定するのではなく、図７に示すように、リング１７に貫通孔を設け、貫通孔内から内面に突出するように圧電アクチュエータを配置し、リング１７の外面側で圧電アクチュエータを固定するようにしてもよい。これにより、積層方向の長さを大きくとることができ、大きな変位量を確保できる。
【００３１】
上記のように圧電アクチュエータ１９を固定したリング１７を、封止樹脂１５の外側に配置し、基板１１に固定するとともに、リング１７に固定した圧電アクチュエータ１９の給電端子を基板１１に形成された配線にはんだ等により接合し、電気的に接続する。リング１７の基板１１への固定方法は、樹脂接着剤を用いてもよいし、はんだ等により、アクチュエータ１９の固定と同時に行なってもよい。
【００３２】
圧電アクチュエータ１９として積層型のものを用いる場合には、封止樹脂１５は、樹脂組成物を発光素子上に滴下して硬化させるポッティング法によって形成することもできる。その場合には、圧電アクチュエータ１９を取り付けたリング１７を、発光素子が実装された基板１１上に固定するとともに圧電アクチュエータ１９と基板上の電極との電気的接続をはかった後、リング１７内に封止樹脂用の樹脂組成物を滴下し、硬化させる。リング１７および封止樹脂１５は円形に限るものではなく矩形であってもよい。
【００３３】
以上のように構成される本実施形態の発光装置は、圧電アクチュエータ１９を駆動しない状態で、発光装置の色度を測定した後、測定値が所望の色度範囲から外れる場合には、圧電アクチュエータ１９に所定の電圧を印加し、封止樹脂１５を変形させる。封止樹脂１５が変形することにより、発光素子１３上の封止樹脂１５の厚みが変化するため、封止樹脂中に含まれる蛍光体が発する光の量が変化し、発光装置全体としての色度（発光素子からの光と蛍光体からの光の合成としての光の色度）が変化する。ここで、圧電アクチュエータ１９の変位量は、印加電圧に比例するので、電圧値を制御することにより、変位量すなわち封止樹脂１５の膜厚の変位量を制御し、色度を調整することができる。圧電アクチュエータ１９のオンオフは、発光素子のオンオフと連動させることが好ましい。その際、圧電アクチュエータのヒステリシスを考慮して印加電圧を制御することも可能である。
【００３４】
本発明によれば、発光装置の製造後であっても色度を調整することができ、かつ調整量を制御することが可能である。また発光素子の性能を低下させることなく、可逆的な調整を行なうことができる。さらに、封止樹脂表面の面内で連続した発光状態が得られ、輝度むらのない発光装置が得られる。また発光素子の駆動電源の制約も受けず、パルス駆動できない用途にも適用することができる。
【００３５】
＜他の実施形態＞
図１に示す実施形態では、積層型の圧電アクチュエータを用いた場合を示したが、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の圧電アクチュエータ１９’を用いた場合の実施形態を図８（ａ）、（ｂ）に示す。図８（ａ）はアクチュエータを駆動していない状態、（ｂ）はアクチュエータを駆動することにより封止樹脂が変形した状態を示す。その他の構成は、図１の発光装置と同様であり、説明を省略する。
【００３６】
図示するように、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の圧電アクチュエータ１９’は、その両端のみをリング１７の内面に固着し、中間部は自由になっている。一端だけをリングに固定することも可能であるが、その場合、変位量は大きいもののアクチュエータが発生する力が弱いので、両端を固定するほうが実用的である。この状態で、例えばバイモルフ型の場合、封止樹脂１５側の圧電材料が伸び、リング１７側の圧電材料が収縮するように、両側の圧電材料に正負逆の電圧を供給すると、圧電アクチュエータ１９’は、図８（ｂ）に示すように変形し、これによって封止樹脂１５を押圧し、発光素子上面の膜厚を変化させる。なお図１の実施形態は、圧電アクチュエータの積層方向に対し双方向の変位が可能であったが、本実施形態では、封止樹脂１５を圧縮する方向のみの変位が可能である。
【００３７】
また以上の実施の形態では、封止樹脂を変形させる手段として、圧電材料を用いた圧電アクチュエータを用いた場合を説明したが、樹脂変形手段としては、圧電材料のほか、熱による変形するサーマルアクチュエータを用いることも可能である。サーマルアクチュエータは、蛍光体の発熱を受けて変形するので、半導体発光装置の色度が熱によって変化するのを抑制するのに有効である。
【００３８】
また上記実施の形態では、アクチュエータで直接封止樹脂を押圧する構造を示したが、封止樹脂の側面に一対あるいは複数対の平板状の押圧板を固着するとともに、この押圧板を基板に対しスライド可能に配置し、対となる２枚の押圧板の距離をアクチュエータ等により調整することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、色度の微調整が可能であり、輝度むらのない半導体発光装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１１・・・基板、１３・・・発光素子、１５・・・封止樹脂、１７・・・リング状部材（壁構造）、１９、１９’・・・圧電アクチュエータ（樹脂変形手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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