(57)【要約】【課題】均質な混色光を放射するように改良された光放出半導体素子を提供する。【解決手段】本発明は、半導体基体（３）が基体（１）の凹所に配置されている、ルミネセンス変換エレメント（７）を備えている光放出半導体素子に関する。凹所内で半導体基体の周りに小鉢形状の領域が成形されており、該領域はルミネセンス変換エレメント（７）を含んでおりかつ該ルミネセンス変換エレメントが半導体基体を被覆している。小鉢形状の領域は凹所内のくぼみとしてまたはリング形状の囲いとして凹所の基部に成形されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹所が設けられている基体（１）と、少なくとも１つの半導体基体（３）と、ルミネセンス変換エレメント（７）とを備えている光放出半導体素子において、
前記凹所は小鉢形状に成形されている部分領域を有しており、該部分領域に半導体基体（３）が配置されておりかつルミネセンス変換エレメント（７）が充填されており、ここで該ルミネセンス変換エレメント（７）は、小鉢形状の部分領域を凹所のその他の内部空間に対して区別する境界面を有している
ことを特徴とする光放出半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の光放出半導体素子並びに該半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光放出半導体素子は例えばＷＯ９７／５０１３２号から公知である。この種の素子は、作動中光を出す（１次光）半導体基体と、この光の一部を別の波長領域に変換する（ルミネセンス光ないし蛍光）発光変換、すなわちルミネセンス変換エレメントとを含んでいる。この種の半導体素子から放出される光の全体としての色の印象は、１次光と蛍光との加算的な色混合によって生じるものである。
【０００３】
ルミネセンス変換エレメントとして、合成樹脂に懸濁混入されている蛍光体が使用されることが多い。ＷＯ９７／５０１３２号に示されているように、光放出半導体素子の構造形態の特徴は、素子基体の凹所に半導体基体を配置しかつこの凹所に蛍光体懸濁液を充填することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ９７／５０１３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この配置構成は、１次光のソース−半導体基体−および蛍光のソース−蛍光体懸濁液−が一般に異なった形状およびサイズをしているので、放射方向に応じて異なった色成分への分解が行われかつ空間的に不均質な色印象が生じるという欠点を有している。
【０００６】
別の欠点は次の点にある：色印象は懸濁液中の光路長に依存しているので、半導体基体上の懸濁液層の厚さが製造に規定されて変動することで種々の色印象が生じることになる。更に基本的に、懸濁液中に蛍光体の非常に均質な分配が必要である。
【０００７】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の光放出半導体素子を、均質な混色光を放射するように改良することである。更に本発明の課題は、この種の素子に対する製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、独立請求項に記載の半導体素子並びに方法によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明によれば、半導体素子の基体を次のように実現するようになっている：半導体基体を収容するために形成されている凹所において半導体基体の直接的な周囲において、別個の、小鉢形式の領域が成形されており、該領域がルミネセンス変換エレメントを含んでいる。半導体基体にルミネセンス変換エレメントを、凹所全体を充填する大容量で被覆することに比べて、この配置構成は、蛍光が１次光とほぼ同一のボリュームから放射され、これにより特別均質な色印象が生じるという利点を有している。
【００１０】
特別有利な実施形態では、ルミネセンス変換エレメントを収容するための別個の領域は凹所内のくぼみによって成形されている。別の特別有利な実施形態では、別個の領域を凹所の底面上のリング形状の囲いよって成形している。両方の実施形態とも非常に有利なことに、基体として標準形状のケーシングを使用することができる。
【００１１】
有利には、くぼみないしリング形状の囲いの側面は、該側面が生成された放射線に対するリフレクタとして用いられかつこのようにして発光効率が高められるように成形されている。
【００１２】
本発明の有利な発展形態によれば、基体にリードフレームが次のように埋め込まれている：リードフレームの部分が上述した一方の実施形態ではくぼみの底面を形成しているかまたはリードフレーム上に上述した他方の実施形態のリング形状の囲いが成形されている。半導体基体はこの実施形態ではリードフレームに配置されており、その際電気的なコンタクト形成は直接（チップ・ボンディング）またはワイヤ接続を用いて（ワイヤ・ボンディング）行われるようにすることができる。この所謂リードフレーム技術は光放出半導体素子では多岐にわたって適用されかつ本発明にも有利に使用することができる。
【００１３】
半導体基体およびルミネセンス変換エレメントを保護するために、凹所に透光性の充填材、例えば注型成形材を充填することができる。有利にはこの充填材は反応性樹脂、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またはこれら樹脂の混合物を含んでいる。充填材の適当な成形によって、本発明の素子の放射特性を一段と改善するまたは所望通り修正するレンズ作用または散乱作用が得られるようにすることができる。また、自動的な実装装置に対しては、充填材を用いて素子に平坦な表面を形成すると有利である。というのは、このような素子は自動実装装置によって比較的容易に受け取られかつ位置決めすることができるからである（ピック・アンド・プレイス法）。
【００１４】
特別簡単な実現能力に基づいて有利である実施形態では、ルミネセンス変換エレメントは、マトリックスに埋め込まれている１つまたは複数の蛍光体から成っている。マトリックスとして、混合能力、柔軟性および取り扱いに関して特に、アクリル樹脂、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂並びにその混合物が適している。
【００１５】
蛍光体として一方において、ペリレン色素または４ｆ−有機金属化合物のような有機化合物を混入させることができる。すなわち、ＢＡＳＦ社のＬｕｍｏｇｅｎＦ０８３, ＬｕｍｏｇｅｎＦ２４０およびＬｕｍｏｇｅｎＦ３００のような蛍光体は簡単な手法で透明なエポキシ樹脂に添加される。
【００１６】
全体として白い色印象は無機蛍光体の使用によって実現することができる。このために殊に適しているのは、希土類でドープされているガーネット並びに希土類でドープされているアルカリ土類金属硫化物である。
【００１７】
この場合効率のよい蛍光体は、化学式Ａ３Ｂ５Ｏ１２：Ｍを充足する化合物である（これらが通例の製造および作動条件下で不安定でない場合には）。ここでＡはグループＹ，Ｌｕ，Ｓｃ，Ｌａ．Ｇｄ，ＴｂおよびＳｍの少なくとも１つの元素であり、ＢはグループＡｌ，ＧａおよびＩｎの少なくとも１つの元素でありかつＭはグループＣｅおよびＰｒの少なくとも１つの元素、有利にはＣｅである。この場合蛍光体として特別有利には、ＹＡＧ：Ｃｅ（Ｙ３Ａｌ５０１２：Ｃｅ３＋）、ＴｂＹＡＧ：Ｃｅ（（ＹｘＴｂ１−ｘ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，０≦ｘ≦１）、ＧｄＹＡＧ：Ｃｅ（（ＧｄｘＹ１−ｘ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋，０＜ｘ＜１）、ＧｄＴｂＹＡＧ：Ｃｅ（（ＧｄｘＴｂｙＹ１−ｘ−ｙ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３，０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）並びにこれらに基づいている混合物である。その際Ａｌは少なくとも部分的にＧａまたはＩｎによって置換することができる。更に有利なのは化合物ＳｒＳ：Ｃｅ３＋，Ｎａ，ＳｒＳ：Ｃｅ３＋，Ｃｌ，Ｓｒｓ：ＣｅＣｌ３，ＣａＳ：Ｃｅ３＋，ＳｒＳｅ：Ｃｅ３＋およびＹ３Ｇａ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋である。
【００１８】
種々様々な形式の混合色の光を生成するために、例えばＣａＧａ２Ｓ４：Ｃｅ３＋またはＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ３＋のような、希土類が添加されているチオ没食子酸塩が適している。このために同様に、例えばＹＡｌＯ３：Ｃｅ３＋およびＹＡｌ１−ｘＧａｘＯ３：Ｃｅ３＋，０≦ｘ≦１のような、希土類が添加されているアルミン酸塩および例えばＹ２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋のような、希土類が添加されているオルトケイ酸塩Ｍ′２ＳｉＯ５：Ｃｅ３＋（Ｍ′：Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ）である。すべてのイットリウム化合物においてイットリウムは原理的にスカンジウムまたはランタンによって置換することができる。その際蛍光体のそれぞれの組成はまず第１に、所望の全体の色の印象並びに１次光の中心波長から決められる。
【００１９】
別の特別有利な実施形態において、ルミネセンス変換エレメントに対するマトリックスとしておよび凹所における充填材として種々の材料が使用される。その際ルミネセンス変換エレメントに対して有利には、蛍光体との混合性および放射耐性に関して最適である材料が使用され、一方充填材に対して、透過性および機械的な耐性に基づいて特別適している材料が選択される。
【００２０】
充填材およびルミネセンス変換エレメントのマトリックスの選択の際のこのような付加的な可能な変形態様によって非常に有利にも、ルミネセンス変換エレメントを有する光放出半導体素子の実現の際の別の縁条件を充足させることができる。
【００２１】
特別有利には、本発明の素子において、４６０ｎｍを下回る中心波長を有する光を放射する半導体基体を使用することができる。この種の半導体基体の使用は上で述べた従来技術の素子では有意味ではない。というのは、この波長領域における光は充填材を傷つける可能性があり、その場合充填材が非常に迅速に老化するからである。この欠点は本発明の素子では大幅に取り除かれている。というのは、１次光の一部が半導体基体の非常に近傍で変換され、その結果充填材における波長の短い放射線の割合が低減されかつ全体として素子の寿命が延長されるからである。
【００２２】
有利には、ルミネセンス変換エレメントに対するマトリックスとしてシリコーン樹脂が使用される。これは緑、青および紫のスペクトル領域における特別高い放射耐性によって傑出している。シリコーン樹脂の使用は、４３０ｎｍ以下の波長を有する放射線を放出する半導体基体との関連において特別有利である。このスペクトル領域における放射線では別の樹脂の場合放射損傷が生じる可能性があり、素子の寿命が著しく低減されることになる。シリコーン樹脂マトリックスを有するルミネセンス変換エレメントは本発明においては、ルミネセンス変換エレメントを被覆する、エポキシ樹脂をベースとしている充填材と組み合わせることができる。この場合エポキシ樹脂は高い透明度および機械的な安定性によって傑出している。
【００２３】
特別有利にも、本発明の部品によって、上に挙げたＷＯ９７／５０１３２号に記載されているような白色発光ダイオードが実現される。蛍光体および半導体基体はこの場合、１次光の色および蛍光が相互に補色であるように相互調整されている。加法色混合によって白色光の印象が引き起こされる。ＷＯ９７／５０１３２号およびＷＯ９８／１２７５７号の内容は本明細書の内容に組み入れられる。
【００２４】
本発明の素子の多数個を比較的大きな照明ユニットに組み合わせることができる。場合によっては素子がマトリックス形状に配置されているこの種の照明ユニットは、高い輝度および全体としての均質な色の印象によって傑出している。
【００２５】
特別有利にも本発明の素子は結像レンズ系における光源として適している。１次光および蛍光は空間的に密接しておりかつ大体同じ大きさのボリュームから放射されるので、この種のレンズ系が引き起こす色の歪みは従来技術による光源の場合よりも著しく小さい。それ故に更に有利にも、本発明の素子の放射特性を１つまたは複数のレンズを用いて全体の色の印象を変えることなく修正することができる。
【００２６】
ルミネセンス変換エレメントを備えた光放出半導体素子の本発明の製造方法の出発点は凹所をもっている基体であって、基体にはリードフレームが埋め込まれていて、その結果リードフレームの部分領域が凹所の底面を形成している。まず、リードフレームが成形材によって射出され、その際チップ接続領域は空所になっている。この空所がルミネセンス変換エレメントを収容するための別個の領域を形成する。その後、半導体基体はリードフレームのこのチップ接続領域にマウントされかつ作動のために必要な電気的な接続体が半導体基体とリードフレームとの間に形成される。次のステップにおいて、この空いている領域にルミネセンス変換エレメントが充填され、その際半導体基体はルミネセンス変換エレメント内に完全に埋め込まれる。
【００２７】
別の本発明の製造方法において、同じく出発原料として凹所を備えた基体が使用され、そこにはリードフレームが、該リードフレームの一部が凹所の底面を形成するように埋め込まれている。リードフレームにはチップ接続領域の周りに成形材によってリング形状の囲いが成形される。この囲いの内部領域は、ルミネセンス変換エレメントを収容するための別個の領域を形成している。この囲いの内で、リードフレームのチップ接続領域に半導体基体が被されかつ作動のために必要な、半導体基体とリードフレームとの間の電気的な接続が形成される。次のステップにおいて、囲いはルミネセンス変換エレメントで満たされ、その際半導体基体は完全にルミネセンス変換エレメント内に埋め込まれる。
【００２８】
２つの方法とも、出発材料として、標準形状のケーシングをもった標準ケーシングないし基体を使用することができるという利点を有している。ルミネセンス変換エレメントを収容するための別個の領域の成形は本発明の素子の製造プロセスに容易に組み入れることができる。
【００２９】
本発明の有利な発展形態では、凹所は透光性の充填材、例えば相応の注入鋳込み材によって充填される。半導体基体の被覆は２つのステップにおいて行われるので、有利にも半導体基体の、被覆からの剥離および被覆内の亀裂発生が低減されかつこれにより素子の耐湿性および寿命が高められる。
【００３０】
別の特徴および利点は図１ないし４と関連した４つの実施例の以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ルミネセンス変換エレメントを備えた本発明の光放出半導体素子の第１実施例の断面略図である。
【図２】ルミネセンス変換エレメントを備えた本発明の光放出半導体素子の第２実施例の断面略図である。
【図３】本発明の製造方法の第１実施例の略図である。
【図４】本発明の製造方法の第２実施例の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
種々の図には、同じないし同じ作用をする部分には同じ参照番号が付されている。
【００３３】
図１に図示の本発明の半導体素子は基体１として標準ケーシングを有している。これは例えば、熱可塑性樹脂から成っている表面実装可能なＬＥＤケーシングであってよい。側壁５は軽く勾配をつけられておりかつ生成された放射線に対するリフレクタとして作用する。基体１にリードフレーム２が収容されている。リードフレーム２のチップ接続領域１２に半導体基体３がボンディングされておりかつワイヤ接続部４を介してリードフレーム２のワイヤ接続領域１１に電気的に接続されている。半導体基体の形状に応じて、半導体基体３のコンタクト形成は複数のワイヤ接続部を介して行うこともできる。
【００３４】
半導体基体３の周囲に比較的小さなリフレクタリング６が成形されている。有利にはこのリフレクタリングに対する材料として、同様に熱可塑性樹脂を使用することができる。リフレクタリング６にはルミネセンス変換エレメントが充填されている。これは例えばシリコーンのようなマトリックス中の蛍光体の懸濁液から成っている。シリコーンはそのエージング安定性に基づいて、短い波長（青、ＵＶ）を放出する半導体基体３が使用される場合殊に適している。
【００３５】
リフレクタリング６の構造高さとして、０．３ｍｍと０．７ｍｍとの間の寸法が特別有利であることが分かっている。このサイズのリフレクタにより一方において半導体基体３をルミネセンス変換エレメント７で覆うことが保証され、しかも他方においてルミネセンス変換エレメント７のボリュームを拡大する必要はない。
【００３６】
この場合、シャープなエッジ９を持ったリフレクタリング６を成形すると特別有利である。これにより、リフレクタリング６が充填されている場合蛍光体混濁液がその表面張力に基づいてリフレクタリング６上に円頂が形成されるようになり、これにより半導体基体３の、ルミネセンス変換エレメント７への完全な埋め込みがほぼ保証される。
【００３７】
凹所の依然として残っている部分には、例えばエポキシ樹脂のような透明な注型成形材１３で充たされている。
【００３８】
図２に図示の本発明の半導体素子は図１に図示の素子とは次の点で相異している：ルミネセンス変換エレメント７を収容するための半導体基体３の周りの領域はリードフレーム２のチップ接続領域１２上のくぼみによって成形されている。このためにリードフレーム２は薄い成形材層１０（高さは有利には同様に０．３ｍｍないし０．７ｍｍ）によってカバーされており、その際くぼみはチップ接続領域１２上の成形材層１０の切り欠きによって形成されている。上に説明した実施例の場合のように切り欠きが、半導体基体３上にルミネセンス変換エレメント７の円頂を形成するためのシャープなエッジ９を持っているように成形されていれば有利である。成形材が欠けている、半導体基体３周辺の領域にはルミネセンス変換エレメント７が充填されている。
【００３９】
図示の実施例では更に、ワイヤ接続領域１１の成形材層１０が切り欠かれている。この切り欠きは、該切り欠きの側面がケーシング側面５より下がっている形状になっている。これにより、製造時にワイヤ接続領域１１上の切り欠きに侵入する可能性がある蛍光体懸濁液の部分がケーシング壁５を上るように流れることが妨げられる。このような上に向かう流れはとりわけケーシング壁５に凹凸があると効果を発揮し、不都合である。というのはこれにより蛍光の放射領域は拡大されるからである。
【００４０】
図３には本発明の製造方法の実施例が略示されている。
【００４１】
第１ステップにおいて、図３ａ）に示されているように、例えば、射出成形法においてリードフレーム２にケーシング成形材を射出することによって、凹所を有しかつリードフレーム２が集積されている基体１が製造される。
【００４２】
次のステップにおいて、リードフレーム２に成形材、例えばＰＰＡが射出され、その結果リードフレーム２は同じにとどまる厚さを有する成形材層１０によって被覆される。その際リードフレーム２のチップ接続領域１２およびワイヤ接続領域１１は露出されている（図３ｂ）。これとは択一的に、図３ｂに示されているケーシング形状を勿論唯一の工程で形成することもできる。
【００４３】
これに続いて半導体基体３がチップ接続領域１２にボンディングされかつ半導体基体３とリードフレーム２との間のワイヤ接続部４が形成される（図３ｃ）。ボンディングの完了後、半導体基体３の周りの空所にルミネセンス変換エレメント７、例えば合成樹脂中の蛍光体の懸濁液が充填される（図３ｄ）。
【００４４】
最後に図３ｅに示されているように、例えばエポキシ樹脂のような透光性の材料を用いた素子の注型成形（１３）を行うことができる。素子に対する要求に応じて、注型成形の表面を平面的に、レンズ形状に、突起を有しているようにまたは散乱ディスクとして実現することができる。
【００４５】
図４に示されている本発明の方法の実施例では、第１のステップでは同様に空所を有しかつリードフレーム２が埋め込まれている基体１が製造される（図４ａ）。
【００４６】
その後、チップ接続領域１２を取り囲むリフレクタリング６が射出成形される（図４ｂ）。この場合も、基体１およびリフレクタリング６の製造は唯一の製造ステップで行うことができる。半導体基体３がこれに続いてリードフレーム２のチップ接続領域１２にマウントされかつコンタクト形成される（図４ｃ）。次のステップにおいてリフレクタリング６に、蛍光体懸濁液の形のルミネセンス変換エレメント７が充填され、その際リフレクタリング６のシャープなエッジの縁形成９および蛍光体懸濁液の表面張力に基づいて、図４ｄに示されているように、半導体基体３上に円頂が形成される。これにより、ルミネセンス変換エレメント７のボリュームを不必要に拡大することなく、半導体基体３の完全な被覆が保証される。
【００４７】
先に示した実施例と同様に、その後で素子を注型成形することができる（図４ｅ）。
【００４８】
これまで行った実施例に基づく本発明の説明は勿論、本発明をそれに制限するものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１  基体、  ２  リードフレーム、  ３  半導体基体、  ６  リング形状の囲い、  ７  ルミネセンス変換エレメント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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