(57)【要約】【課題】全光束の低下を抑えることができ、さらに、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる光半導体装置を提供する。【解決手段】光半導体装置１Ａにおいて、凹部２ａを有する基体２と、凹部２ａ内に設けられ光を放射する発光素子３と、凹部２ａ内に設けられ発光素子３から離間してその発光素子３を覆うように配置され、発光素子３から放射された光の波長を変換する蛍光体Ｋを含有する透光性蛍光部材４と、凹部２ａ内に設けられ発光素子３及び透光性蛍光部材４を封止する透光性封止部材５とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する基体と、
前記凹部内に設けられ、光を放射する発光素子と、
前記凹部内に設けられ、前記発光素子から離間して前記発光素子を覆うように配置され、前記発光素子から放射された前記光の波長を変換する蛍光体を含有する透光性蛍光部材と、
前記凹部内に設けられ、前記発光素子及び前記透光性蛍光部材を封止する透光性封止部材と、
を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記透光性蛍光部材は、一端が閉じられた円筒体であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記円筒体は、円筒形状に形成された円筒部材と、前記円筒部材の一端を閉じる蓋部材とにより構成されていることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項４】
凹部を有する基体を形成する工程と、
前記凹部内に、光を放射する発光素子を設ける工程と、
前記発光素子が設けられた前記凹部内に、前記発光素子から放射された前記光の波長を変換する蛍光体を含有する透光性蛍光部材を前記発光素子から離間して前記発光素子を覆うように配置して設ける工程と、
前記発光素子が設けられた前記凹部内に、前記発光素子及び前記透光性蛍光部材を封止する透光性封止部材を設ける工程と、
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子を備える光半導体装置及びその光半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体装置は、照明や表示装置等の様々な装置の光源として広い分野で用いられている。この光半導体装置としては、発光素子により放射された光と、その光により励起された蛍光体により放射された光とを併せて白色光等を得る光半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
この光半導体装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子と、その発光素子を収容するカップ形状の凹部を有する基体とを備えている。その凹部には、発光素子を封止する透光性封止部材が設けられている。この透光性封止部材は、粒子状の蛍光体を混合した透光性樹脂材料により形成されており、発光素子から放射された光を放出するための放出面を有している。
【０００４】
このような光半導体装置では、青色光を放射する発光素子と黄色の蛍光体とを用いて白色光を得る場合がある。この場合には、発光素子から放射された青色光と、黄色の蛍光体から放射された黄色光とが一緒になって白色光として放出される。また、青色光を放射する発光素子と黄色の蛍光体に加えて、赤色の蛍光体を用いる場合がある。この場合には、発光素子から放射された青色光と、２つの蛍光体からそれぞれ放射された黄色光及び赤色光とが一緒になって白色光として放出される。
【０００５】
ここで、発光素子から放射された青色光は、そのまま透光性封止部材の放出面から放出される場合と、凹部の壁面により反射されてから透光性封止部材の放出面から放出される場合とがあるため、強度分布を有している。
【特許文献１】特開２００５−３１１１３６号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、透光性封止部材内には、蛍光体が均一に分布しており、発光素子から遠くに位置して発光素子からの光が届き難い蛍光体は、他の蛍光体から放射された光を散乱させることが多いため、全光束は低下してしまう。
【０００７】
また、蛍光体の光波長変換効率は温度依存性を有しており、一般に、温度上昇によりその効率は低下する。このため、発光素子の近傍に蛍光体が位置する場合には、発光素子からの熱により蛍光体の光波長変換効率が低くなり、全光束は低下してしまう。
【０００８】
さらに、蛍光体の光波長変換損失（変換ロス）により、光よりも熱に変換される比率が高くなり、光半導体装置の温度が上昇し、発光素子や蛍光体の発光効率が低下してしまう。加えて、透光性封止部材の熱劣化も発生してしまう。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、全光束の低下を抑えることができ、さらに、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる光半導体装置及びその光半導体装置の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】
【００１０】
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、光半導体装置において、凹部を有する基体と、凹部内に設けられ、光を放射する発光素子と、凹部内に設けられ、発光素子から離間して発光素子を覆うように配置され、発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光体を含有する透光性蛍光部材と、凹部内に設けられ、発光素子及び透光性蛍光部材を封止する透光性封止部材とを備えることである。
【００１１】
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、光半導体装置の製造方法において、凹部を有する基体を形成する工程と、凹部内に、光を放射する発光素子を設ける工程と、発光素子が設けられた凹部内に、発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光体を含有する透光性蛍光部材を発光素子から離間して発光素子を覆うように配置して設ける工程と、発光素子が設けられた凹部内に、発光素子及び透光性蛍光部材を封止する透光性封止部材を設ける工程とを有することである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、全光束の低下を抑えることができ、さらに、発光効率の低下及び熱劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１乃至図５を参照して説明する。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置１Ａは、凹部２ａを有する基体２と、凹部２ａ内に設けられ光を放射する発光素子３と、凹部２ａ内に設けられ発光素子３から離間してその発光素子３を覆って囲む透光性蛍光部材４と、凹部２ａ内に設けられ発光素子３及び透光性蛍光部材４を封止する透光性封止部材５と、発光素子３にそれぞれ接続され凹部２ａの底面から外部まで延伸する一対のリード部６Ａ、６Ｂとを備えている。
【００１５】
基体２は、その略中央に位置付けて設けられた凹部２ａと、その凹部２ａの側面（側壁）Ｓから外部まで貫通する貫通部２ｂと、側面Ｓに形成された段差部２ｃとを有している（図２参照）。この基体２は、板状の躯体であり、例えば熱可塑性樹脂等のモールド樹脂により形成されている。
【００１６】
凹部２ａは、例えばカップ形状、すなわち逆円錐台形状に形成されており、その内部に発光素子３を収容する収容部である。この凹部２ａの側面Ｓは、凹部２ａの底面から外部に向かって傾斜しており、発光素子３により放射された光を外部に向けて反射する反射面として機能する。この側面Ｓには、例えば銀メッキ等が施されている。また、貫通部２ｂは、凹部２ａの底面に略平行に形成されており、リード部６Ａ、６Ｂを引き出すための貫通孔である。この貫通部２ｂには、リード部６Ａ、６Ｂが挿入されて設けられている。段差部２ｃは、凹部２ａの側面Ｓに円環状に形成されており、さらに、透光性蛍光部材４の形状に合わせて載置可能に形成されている。この段差部２ｃには、透光性蛍光部材４が載置される。なお、段差部２ｃは、発光素子３に対する透光性蛍光部材４の位置を決定する位置決め部としても機能する。
【００１７】
発光素子３は、凹部２ａの底面の略中央に位置付けられてリード部６Ａ上に設けられている。この発光素子３の底面電極（図２中の下面）は、例えば銀ペースト等の接合部材７によりリード部６Ａに接合されて電気的に接続されている（図２参照）。また、発光素子３の表面電極（図２中の上面）は、例えば金ワイヤ等の接続部材８によりリード部６Ｂに電気的に接続されている（図２参照）。なお、発光素子３としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等を用いる。
【００１８】
透光性蛍光部材４は、一端が閉じられた円筒体である。この透光性蛍光部材４は、その開口部４ａを発光素子３に向けて基体２の段差部２ｃに載置されている（図２参照）。これにより、透光性蛍光部材４は、発光素子３から離間してその発光素子３を覆って囲むように設けられている。また、透光性蛍光部材４は、発光素子３から放射された光の波長を変換する粒子状の蛍光体Ｋを複数個、すなわち所望の全光束を得るための必要最小量を含有している。このような透光性蛍光部材４により、発光素子３から放射される光の強度が強い領域に必要最小量の蛍光体Ｋが配置されることになる。
【００１９】
この透光性蛍光部材４は、例えば粒子状の蛍光体Ｋを混合した蛍光体混合樹脂等の透光性樹脂材料により形成されている。なお、透光性樹脂材料としては、例えば、熱硬化性シリコーン樹脂等を用いる。蛍光体Ｋは、発光素子３の光の波長よりも長い波長を有する光を放出する。この蛍光体Ｋとしては、例えば青色の光を放射する発光素子３を用いた場合、黄色の蛍光体を用いたり、あるいは、黄色の蛍光体及び赤色の蛍光体の両方を用いたりする。
【００２０】
透光性封止部材５は、凹部２ａ内に設けられて発光素子３及び透光性蛍光部材４を封止する封止部材であり、発光素子３から放射された光を放出するための放出面５ａを有している（図２参照）。この放出面５ａは、大気に接する露出面であり、発光素子３から放射された光を放出する光取り出し面として機能する。このような透光性封止部材５は、例えば、熱硬化性シリコーン樹脂等の透光性樹脂材料により形成されている。
【００２１】
一対のリード部６Ａ、６Ｂは、発光素子３に外部から電力を供給するためのリードフレームである。これらのリード部６Ａ、６Ｂは、基体２の各貫通部２ｂにそれぞれ挿入されて基体２に設けられており、凹部２ａの底面から外部までそれぞれ引き出されている。このような一対のリード部６Ａ、６Ｂは、例えば銅等の金属材料により形成されている。
【００２２】
次に、光半導体装置１Ａの製造工程について説明する。
【００２３】
光半導体装置１Ａの製造工程では、最初に、例えばインジェクションモールド法を用いて、図３に示すように、熱可塑性樹脂材料により一対のリード部６Ａ、６Ｂの一部を囲み凹部２ａを形成するように基体２を成型する。次に、図４に示すように、凹部２ａの底面に位置するリード部６Ａの表面に例えば銀ペースト等の接合部材７を塗布し、その上に発光素子３を載置して約１５０℃で２時間加熱する。次いで、例えば直径２５μｍ程度の金ワイヤ等の接続部材８により、発光素子３の上面電極とリード部６Ｂとを電気的に接続する。
【００２４】
その後、透光性蛍光部材４の開口部４ａを上向きにした状態で、その開口部４ａから透光性蛍光部材４の内部に熱硬化性シリコーン樹脂を充填しておく。なお、透光性蛍光部材４は、蛍光体Ｋを例えば０．３ｍｇ含んだ熱硬化性シリコーン樹脂を用いて、あらかじめモールド成型されている。また、基体２の凹部２ａの内部にも熱硬化性シリコーン樹脂を充填しておく。この状態で、透光性蛍光部材４の開口部４ａを発光素子３に向けて透光性蛍光部材４を反転させ、図５に示すように、基体２の段差部２ｃに設置する。
【００２５】
最後に、基体２の凹部２ａを熱硬化性シリコーン樹脂により満たし、その熱硬化性シリコーン樹脂を約１００℃で２時間加熱し仮硬化させ、さらに、約１５０℃で４時間加熱して本硬化させる。これにより、図１に示すように、光半導体装置１Ａが完成する。
【００２６】
ここで、一対のリード部６Ａ、６Ｂとしては、例えば、表面に厚さ２μｍの銀メッキを施した厚さ１５０μｍのリード部を用いる。また、発光素子３としては、例えば正方形の発光面の一辺が３００μｍであり、代表波長が４６０ｎｍである青色の発光ダイオードを用いる。さらに、蛍光体Ｋとしては、例えば、青色光を代表波長５７０μｍの黄色光に変換する黄色の蛍光体を用いる。また、基体２の凹部２ａの深さは、例えば０．６ｍｍであり、その凹部２ａの側面Ｓの傾斜角度は６０度である。段差部２ｃの幅は、例えば０．１ｍｍである。
【００２７】
次に、このような光半導体装置１Ａの発光動作について説明する。
【００２８】
一対のリード部６Ａ、６Ｂに電圧が印加され、発光素子３に電力が供給されると、発光素子３は青色光を放射する。その光の一部は、透光性蛍光部材４及び透光性封止部材５を通過してそのまま放出面５ａから放出され、他の一部は、凹部２ａの側面Ｓにより反射されて放出面５ａから放出される。このとき、光の一部が蛍光体Ｋに入射する。これにより、蛍光体Ｋは励起されて黄色光を放射する。その光の一部も、透光性蛍光部材４及び透光性封止部材５を通過して放出面５ａから放出され、他の一部も凹部２ａの側面Ｓにより反射されて放出面５ａから放出される。
【００２９】
このようにして、発光素子３により放射された青色光と、その青色光により励起された蛍光体Ｋにより放射された黄色光とが混合され、透光性封止部材５の放出面５ａから白色光として放出される。このとき、透光性蛍光部材４により、青色光の強度が強い領域に必要最小量の蛍光体Ｋが配置されているので、全ての蛍光体Ｋに青色光が届きやすくなり、蛍光体Ｋ同士による光の散乱損失（散乱ロス）が抑制される。さらに、発光素子３と蛍光体Ｋとの離間距離が大きくなり、発光素子３の発熱による蛍光体Ｋの温度上昇が抑えられ、蛍光体Ｋの光波長変換効率の低下が抑制される。これらにより、発光素子３から放射された青色光を効率良く黄色光に変換することが可能になり、全光束を向上させることができる。
【００３０】
ここで、例えば１５０ｍＡの駆動電流を発光素子３に供給すると、光半導体装置１Ａの全光束は約２２ルーメンとなる。この全光束は、透光性蛍光部材４を設けずに透光性封止部材５に蛍光体Ｋを含有させた場合に比べ、２０％程度向上している。
【００３１】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、発光素子３から離間してその発光素子３を覆うように配置して透光性蛍光部材４を基体２の凹部２ａ内に設けることによって、光強度が強い領域に必要最少量の蛍光体Ｋを配置することが可能になるので、全ての蛍光体Ｋに光が届きやすくなり、蛍光体Ｋ同士による光の散乱損失が抑制される。さらに、発光素子３と蛍光体Ｋとの離間距離が大きくなるので、発光素子３の発熱による蛍光体Ｋの温度上昇が抑えられ、蛍光体Ｋの光波長変換効率の低下が抑制される。これらにより、発光素子３から放射された光を効率良く他色の光に変換することが可能になり、全光束の低下を防止することができる。加えて、蛍光体Ｋの光波長変換損失も抑えられ、その損失による光半導体装置１Ａの温度上昇が抑制されるので、発光素子３及び蛍光体Ｋの発光効率の低下を防止することができ、さらに、透光性蛍光部材４及び透光性封止部材５の熱劣化を防止することができる。
【００３２】
透光性蛍光部材４は一端が閉じられた円筒体であることから、簡単な構成により容易に発光素子３を覆って囲むことが可能になるので、光強度が強い領域に必要最少量の蛍光体Ｋを簡単に配置することができ、さらに、容易に発光素子３と蛍光体Ｋとの離間距離を大きくすることができる。
【００３３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図６及び図７を参照して説明する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。
【００３４】
図６に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る光半導体装置１Ｂでは、透光性蛍光部材４は、円筒形状に形成された円筒部材４ｂと、円筒部材４ｂの一端を閉じる蓋部材４ｃとにより構成されている。円筒部材４ｂは、基体２の段差部２ｃに載置されている。蓋部材４ｃは、例えば平板状に形成されており、円筒部材４ｂの一端に位置する開口部（図６中の上側）を閉じるように円筒部材４ｂ上に設けられている。
【００３５】
次いで、光半導体装置１Ｂの製造工程について説明する。
【００３６】
光半導体装置１Ｂの製造工程では、最初に、例えばインジェクションモールド法を用いて、熱可塑性樹脂材料により一対のリード部６Ａ、６Ｂの一部を囲み凹部２ａを形成するように基体２を成型する（図３参照）。次に、凹部２ａの底面に位置するリード部６Ａの表面に例えば銀ペースト等の接合部材７を塗布し、その上に発光素子３を載置して約１５０℃で２時間加熱する（図４参照）。次いで、例えば直径２５μｍ程度の金ワイヤ等の接続部材８により、発光素子３の上面電極とリード部６Ｂとを電気的に接続する（図４参照）。
【００３７】
その後、図７に示すように、円筒部材４ｂを基体２の段差部２ｃに設置し、基体２の凹部２ａの内部に熱硬化性シリコーン樹脂を充填する。このとき、円筒部材４ｂの内部は熱硬化性シリコーン樹脂により満たされる。ここで、円筒部材４ｂ及び蓋部材４ｃは、蛍光体Ｋを例えば０．３ｍｇ含んだ熱硬化性シリコーン樹脂を用いて、それぞれあらかじめモールド成型されている。
【００３８】
最後に、図７に示すように、円筒部材４ｂ上に蓋部材４ｃを載置し、その後、基体２の凹部２ａを熱硬化性シリコーン樹脂により満たし、その熱硬化性シリコーン樹脂を約１００℃で２時間加熱し仮硬化させ、さらに、約１５０℃で４時間加熱して本硬化させる。これにより、図６に示すように、光半導体装置１Ｂが完成する。
【００３９】
なお、円筒部材４ｂを基体２の段差部２ｃに設置した後には、基体２の凹部２ａの内部を熱硬化性シリコーン樹脂により満たすようにしてもよい。この場合には、熱硬化性シリコーン樹脂を充填後、蓋部材４ｃを基体２の凹部２ａ内の熱硬化性シリコーン樹脂に沈めて円筒部材４ｂ上に載置し、最後に、その熱硬化性シリコーン樹脂を約１００℃で２時間加熱し仮硬化させ、さらに、約１５０℃で４時間加熱して本硬化させる。
【００４０】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、円筒形状に形成された円筒部材４ｂと、その円筒部材４ｂの一端を閉じる蓋部材４ｃとにより透光性蛍光部材４を構成することによって、基体２に対して円筒部材４ｂと蓋部材４ｃとを異なるタイミングで組み込むことが可能になり、光半導体装置１Ｂの製造、特に、基体２の凹部２ａに対する熱硬化性シリコーン樹脂の充填作業が容易になるので、生産性を向上させることができる。また、基体２の凹部２ａに対する空気の混入も確実に防止することができる。
【００４１】
（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【００４２】
例えば、前述の実施の形態においては、透光性蛍光部材４を一端が閉じられた円筒体として形成しているが、これに限るものではない。
【００４３】
また、前述の実施の形態においては、各種の数値を挙げているが、それらの数値は例示であり、限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】図１及び図２に示す光半導体装置の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図４】第２の工程断面図である。
【図５】第３の工程断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光半導体装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図７】図６に示す光半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１Ａ，１Ｂ…光半導体装置、２…基体、２ａ…凹部、３…発光素子、４…透光性蛍光部材、４ｂ…円筒部材、４ｃ…蓋部材、５…透光性封止部材、Ｋ…蛍光体
【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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