(57)【要約】【課題】本発明は、発光素子から出射された光を効率良く集光し、信頼性が高く、輝度の高い発光ダイオード装置を提供する。【解決手段】発光ダイオード装置１は、装置基板２上に複数配置された半導体発光装置７と、半導体発光装置７の位置に一致させた断面円形状の傾斜面１０を有する凹部３が形成された樹脂層４と、樹脂層４の凹部３底面に形成されたレンズ部５と、傾斜面１０とレンズ部５の間にレンズ部５と傾斜面１０に接続するように形成された透過部６とで構成される。透過部６の屈折率は、樹脂層４およびレンズ部５の屈折率より高いことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された半導体発光装置と、前記半導体発光装置の位置に一致させた凹部を有する樹脂層と、前記樹脂層の凹部の底面に前記半導体発光装置を封止する凸形状のレンズ部と、前記傾斜面と前記レンズ部との間の隙間に形成された透過部とで構成され、前記凹部は、断面円形状で開口部に向かって広がるように傾斜面が形成された発光ダイオード装置であって、
前記透過部の屈折率は、前記樹脂層および前記レンズ部の屈折率より高いことを特徴とする発光ダイオード装置。
【請求項２】
前記透過部の屈折率をＡ、前記レンズ部の屈折率をＢとすると、前記傾斜面の水平方向に対しての角度θが、θ≦９０°−ｓｉｎ-1（Ｂ／Ａ）となる範囲であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項３】
前記半導体発光装置から出射された光を前記透過部と前記傾斜面との界面で全反射させ、主光取出し面から出射された光が、前記レンズ部の光軸と平行となるよう、前記傾斜面を形成したことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項４】
前記レンズ部の頂点は、前記樹脂層の上面より突出させて形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の発光ダイオード装置。
【請求項５】
前記透過部は、略円筒形に形成され、前記レンズ部の頂点を前記透過部から突出させて形成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の発光ダイオード装置。
【請求項６】
前記レンズ部と前記樹脂層は、同一材料で一体的に形成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の発光ダイオード装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置を基板上に複数配置し、例えば照明装置として用いた発光ダイオード装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の発光ダイオード装置は、高輝度化に伴い照明装置やガイド等の案内表示するための表示装置の光源として用いられるようになってきた。これらの照明装置や表示装置では、電球と比較して消費電力が少なく、蛍光灯と比較して壊れ難いため、これから益々増えていくと思われる。
【０００３】
このような、照明装置や表示装置は、半導体発光装置を基板上にマトリックス状に配置して、蛍光体を含有した樹脂で半導体発光装置を覆っている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
従来の照明装置（表示装置）に用いた発光ダイオード装置を図４に基づいて説明する。
【０００５】
図４に示すように、表示パネル基板３１上に半導体発光装置３２がマトリックス状に配列されると共に、その半導体発光装置３２のそれぞれに一致させて凸部３３が形成されたレンズケース３４が、その半導体発光装置３２の表面側に設けられている。そのレンズケース３４は、凸部３３の内部に前述の半導体発光装置３２を内包し得る空洞部３５を有し、かつ、その空洞部３５より外周に、半導体発光装置３２から横方向に出射する光を前述の凸部３３の方に反射させる傾斜面３６を有する空隙部３７が形成されている。
【０００６】
レンズケース３４の屈折率が、空隙部３７内部の空気より大きいことから、レンズケース３４と空隙部３７との界面で、半導体発光装置から横方向に出射する光を全反射させ、主光取出し面側に集光させ高輝度な発光ダイオード装置としている。
【特許文献１】特開２００１−２５０９８６号公報（段落番号００１１−００１９、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この従来の発光ダイオード装置においては、レンズケースに、凸部の内部に半導体発光装置を内包する空洞部と、半導体発光装置から横方向に出射する光を反射する空隙部を形成しているため、表示パネル基板を金型である上型と下型で型締めし、光透過性樹脂を注入して、基板上に配置した半導体発光装置を封止することができない。従って、予め別工程でレンズケースを作製し、そして、表示パネル基板に実装する必要があり煩雑であった。
【０００８】
また、空洞部と空隙部内部の空気に湿気を含んでいる場合、半導体発光装置や、配線パターンを劣化させることもあり、信頼性が劣るという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、半導体発光装置から出射された光を効率良く集光し、信頼性が高く、輝度の高い発光ダイオード装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するために本発明の発光ダイオード装置においては、基板上に配置された半導体発光装置と、前記半導体発光装置の位置に一致させた凹部を有する樹脂層と、前記樹脂層の凹部の底面に前記半導体発光装置を封止する凸形状のレンズ部と、前記傾斜面と前記レンズ部との間の隙間に形成された透過部とで構成され、前記凹部は、断面円形状で開口部に向かって広がるように傾斜面が形成された発光ダイオード装置であって、前記透過部の屈折率は、前記樹脂層および前記レンズ部の屈折率より高いことを特徴とするものである。
【００１１】
これにより、半導体発光装置の水平方向へ出射した光は、レンズ部と透過部の内部を透過し、樹脂層に形成された凹部の傾斜面と透過部との間の界面で反射して主光取出し面側へ出射する。
【発明の効果】
【００１２】
以上に述べたように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００１３】
（１）透過部の屈折率を、樹脂層およびレンズ部の屈折部より高くすることで、半導体発光装置の水平方向へ出射した光は、レンズ部と透過部を透過し、凹部の傾斜面で反射して主光取出し面側へ出射できるので、水平方向へ出射した光を反射させる金属製などのカップ形状をした反射板など設ける必要がなく、高輝度な発光ダイオード装置とすることができる。
【００１４】
基板または半導体発光装置と樹脂層の間に、空気層を形成しないため、金型を用いて樹脂層を形成することができ、樹脂層の成形と半導体発光装置の実装を一度に行うことができる。
【００１５】
また、レンズ部および樹脂層により、半導体発光装置、配線パターンおよび半導体発光装置と配線パターンを接続するワイヤを封止するので、腐食に強く信頼性の高い発光ダイオード装置とすることができる。
【００１６】
（２）傾斜面の水平方向の角度を、透過部の屈折率をＡ、レンズ部の屈折率をＢとすると、傾斜面と水平方向に対しての角度θが、θ≦９０°−ｓｉｎ-1（Ｂ／Ａ）となる範囲とすることで、半導体発光装置から出射された光を透過部と傾斜面との界面で全反射させ主光取出し面から取り出すことができ、高輝度な発光ダイオード装置とすることができる。
【００１７】
（３）半導体発光装置から出射された光を透過部と傾斜面との界面で全反射させ、主光取出し面から出射された光が、レンズ部の光軸と平行となるよう、傾斜面を形成したことで、半導体発光装置から出射された光を透過部と傾斜面との界面で全反射させ、主光取出し面からレンズ部の光軸と平行となる光が出射され、高輝度な発光ダイオード装置とすることができる。
【００１８】
（４）レンズ部の頂点を凹部の開口部より突出させて形成したことにより、指向特性が良い照明装置とすることができる。
【００１９】
（５）透過部を、略円筒形に形成し、レンズ部の頂点を透過部から突出させて形成したことにより、半導体発光装置の主光取出し面側へ出射した光を、透過部を透過させずに、レンズ部だけを透過させて取り出すことができるので、輝度の高い発光ダイオード装置とすることができる。
【００２０】
（６）レンズ部と樹脂層は、同一部材で形成することで、金型を用いて一体的にレンズ部と樹脂層を形成できるので、容易に製造可能な発光ダイオード装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、半導体発光装置から出射された光を効率良く集光し、信頼性が高く、輝度の高い発光ダイオード装置を提供するという目的を、基板上に配置された半導体発光装置と、半導体発光装置の位置に一致させた凹部を有する樹脂層と、樹脂層の凹部の底面に半導体発光装置を封止する凸形状のレンズ部と、傾斜面とレンズ部との間の隙間に形成された透過部とで構成され、凹部は、断面円形状で開口部に向かって広がるように傾斜面が形成され、前記透過部の屈折率は、前記樹脂層および前記レンズ部の屈折率より高くすることにより実現した。
【００２２】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、基板上に配置された半導体発光装置と、半導体発光装置の位置に一致させた凹部を有する樹脂層と、樹脂層の凹部の底面に半導体発光装置を封止する凸形状のレンズ部と、傾斜面と前記レンズ部との間の隙間に形成された透過部とで構成され、凹部は、断面円形状で開口部に向かって広がるように傾斜面が形成された発光ダイオード装置であって、透過部の屈折率は、樹脂層および前記レンズ部の屈折率より高いことを特徴とする発光ダイオード装置としたものであり、半導体発光装置の水平方向へ出射した光は、レンズ部と透過部の内部を透過し、凹部の傾斜面と透過部との間の界面で反射させ主光取出し面側から出射することができるという作用を有する。
【００２３】
上記課題を解決するためになされた第２の発明は、透過部の屈折率をＡ、レンズ部の屈折率をＢとすると、傾斜面の水平方向に対しての角度θが、θ≦９０°−ｓｉｎ-1（Ｂ／Ａ）となる範囲であることを特徴とする発光ダイオード装置としたものであり、半導体発光装置から出射された光を、透過部と傾斜面の界面で全反射して主光取出し面から出射するという作用がある。
【００２４】
上記課題を解決するためになされた第３の発明は、半導体発光装置から出射された光を透過部と傾斜面との界面で全反射させ、主光取出し面から出射された光が、レンズ部の光軸と平行となるよう、傾斜面を形成したことを特徴とする発光ダイオード装置としたものであり、半導体発光装置から出射された光は、透過部と傾斜面の界面で全反射し、その光路は、レンズ部の光軸と平行となるという作用がある。
【００２５】
上記課題を解決するためになされた第４の発明は、レンズ部の頂点は、樹脂層の上面より突出させて形成したことを特徴とする発光ダイオード装置としたものであり、指向特性が良い照明装置とすることができるという作用がある。
【００２６】
上記課題を解決するためになされた第５の発明は、透過部は、略円筒形に形成され、レンズ部の頂点を透過部から突出させて形成されたことを特徴とする発光ダイオード装置としたものであり、半導体発光装置の主光取出し面側へ出射した光を透過部を透過させずに、レンズ部だけを透過させて取り出すことができるという作用がある。
【００２７】
上記課題を解決するためになされた第６の発明は、レンズ部と樹脂層は、同一材料で一体的に形成されたことを特徴とする発光ダイオード装置としたものであり、樹脂層とレンズ部を成形用の金型により、一体的に形成することができるという作用がある。
【００２８】
本発明の実施の形態に係る照明装置を、図１および図２に基づいて説明する。なお、説明にあたっては、主光取出し面を上側、反対側を下側とする。
【００２９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード装置を用いた照明装置の斜視図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード装置の拡大断面図である。図３は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード装置の拡大平面図である。
【００３０】
図１において、照明装置は、マトリックス状に発光ダイオード装置１が複数配置されている。複数の発光ダイオード装置１は、共通した平面視して矩形状をした装置基板２と、装置基板２上にマトリックス状に配置された半導体発光装置と、それぞれの半導体発光装置の位置に一致させた凹部３を有する樹脂層４と、樹脂層４のそれぞれの凹部３の底面に半導体発光装置を封止するレンズ部５と、凹部３とレンズ部５の隙間に形成した透過部６から構成されている。
【００３１】
装置基板２の端部に、電源を接続する外部端子１８が形成され、外部端子１８に電源を接続することで、半導体発光装置が発光する。
【００３２】
図２および図３において、発光ダイオード装置１の構成について詳細に説明をする。
【００３３】
樹脂層４は、平面視して矩形状に形成されている。樹脂層４の凹部３には、断面円形状で、開口部１１に向かって広がるように傾斜面１０が形成されている。
【００３４】
レンズ部５は、略半球状をしており、樹脂層４の上面より上方に突出して形成されている。
【００３５】
透過部６は、略円筒形状でレンズ部５と凹部３の傾斜面１０との隙間に形成され、その上面からはレンズ部５が突出している。また、透過部６は、レンズ部５と傾斜面１０との間に空気層となる隙間がないように形成されている。
【００３６】
透過部６の屈折率は、樹脂層４およびレンズ部５の屈折率より高く形成されており、透過部６の樹脂は、芳香族環、フッ素以外のハロゲン基、硫黄等が導入された樹脂を、例えば、屈折率１．６７の含硫黄ポリウレタン系樹脂を使用する。
【００３７】
また、樹脂層４およびレンズ部５は、フッ素が導入された樹脂を使用する。例えば、屈折率１．３４の非晶フッ素樹脂を使用する。
【００３８】
傾斜面１０の垂直断面と水平方向とのなす角度は、透過部６の屈折率をＡとし、樹脂層４およびレンズ部５の屈折率をＢとしたとき、スネルの法則から角度θを、θ≦９０°−ｓｉｎ-1（Ｂ／Ａ）とする範囲としている。
【００３９】
傾斜面１０の垂直断面を放物線状とした場合は、半導体発光装置７の発光素子８を傾斜面１０の垂直断面である放物線の焦点に配置し、傾斜面１０の垂直断面である放物線の各接線が、上記式を満足するよう傾斜面１０を形成する。
【００４０】
このように傾斜面１０を形成することで、半導体発光装置７から出射された光が透過部６と傾斜面１０との界面で全反射し、主光取出し面からレンズ部５の光軸と平行となる光が出射される。
【００４１】
また、傾斜面１０の垂直断面を直線状とした場合においても、上記式を満足する範囲の角度とすることにより、半導体発光装置７から出射された光を透過部６と傾斜面１０との界面で全反射させ、レンズ部５の光軸と平行とはならないが、主光取出し面から取り出すことができる。
【００４２】
本実施の形態においては、透過部６の屈折率は１．６７、樹脂層４およびレンズ部５の屈折率は１．３４なので、傾斜面１０の水平方向に対しての角度は３６°以下とする必要がある。
【００４３】
ここで、レンズ部５と樹脂層４を形成する樹脂は、異なる成分の樹脂で構成しても、同一の成分の樹脂で構成しても、透過部６を形成する樹脂よりも屈折率が低ければ良いが、金型を用いて一体的にレンズ部５と樹脂層４を形成できるので、樹脂層とレンズ部は、同一成分の樹脂とするのが好ましい。
【００４４】
装置基板２上の半導体発光装置７は、発光素子８と、発光素子８を導通接続したサブマウント素子９から構成される。半導体発光装置７は、レンズ部５にて封止されている。
【００４５】
発光素子８は、平面視して矩形状をしており、発光体１２に、Ａｕの凸形状のバンプ電極１３が形成され、蛍光体を含有した樹脂である蛍光層２１で封止されている。
【００４６】
発光素子８を白色で発光させるために、サファイヤ基板とＧａＮ系化合物半導体を利用した高輝度の青色発光体とで形成された発光体１２を、青色波長の光と補色の関係にある波長の光（緑黄色の光）に変換する特性を持つ蛍光体を含有した樹脂である蛍光層２１で封止する。このように構成することで、発光体１２で発光した青色と蛍光層２１を透過した光が混ざり合って白色に発光するように見える。蛍光層２１を形成する樹脂の屈折率は、レンズ部５を形成する樹脂の屈折率より同一もしくは低く、発光体１２から出射された光によって蛍光層２１とレンズ部５との界面で全反射が発生しないようにしている。
【００４７】
サブマウント素子９は、平面視して、発光素子８に形成されたバンプ電極１３によって発光素子８を導通接続する矩形状の発光素子接続領域１４と、ワイヤ１５を接続する矩形状のワイヤ接続領域１６を有しており、発光素子接続領域１４の１辺とワイヤ接続領域１６の１辺が接続されている。
【００４８】
また、サブマウント素子９は、シリコンにより形成され、発光素子８とは逆極性の電極同士を並列に接続し、ツェナーダイオードを形成している。従って、サブマウント素子９に形成されたツェナーダイオードにより、静電気破壊から発光素子８を保護し、耐ノイズ性の高い半導体発光装置７としている。
【００４９】
装置基板２には、銅箔の配線パターン１７が各装置基板２上に配置された半導体発光装置７と装置基板２の端部に形成された外部端子１８を接続している。配線パターン１７は、半導体発光装置７と直接接続される第１電極１９と、ワイヤ接続領域１６に接続されたワイヤ１５を介して接続される第２電極２０が形成されている。
【００５０】
半導体発光装置７の発光素子８の中心は、凹部３の底面の中心およびレンズ部５の光軸と一致するように配置されている。また、凹部３の底面は、発光素子８の底面より低い位置となるよう形成されている。
【００５１】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る発光ダイオード装置の製造方法を図１から図３に基づいて説明する。
【００５２】
まず、ツェナーダイオードを形成したサブマウント素子９に、発光素子８を発光素子接続領域１４へフリップチップ実装し半導体発光装置７とする。
【００５３】
次に、配線パターン１７の第１電極１９にＡｇペーストにて、半導体発光装置７を固着させ、第２電極２０とは、ワイヤボンディングによりＡｕのワイヤ１５でサブマウント素子９のワイヤ接続領域１６と導通接続する。
【００５４】
半導体発光装置７を導通接続した装置基板２に、樹脂成形用の金型（図示せず）の上型と下型で型締めし、光透過性の樹脂を注入して硬化させる成形法にて樹脂層４およびレンズ部５を形成する。
【００５５】
その際に使用される樹脂形成用の金型は、樹脂層４の上面よりレンズ部５が突出した形状をしている。
【００５６】
そして、透過部６を形成する樹脂を、レンズ部５と凹部３の傾斜面１０の間にディスペンサーでポッティングにより所定量を注入する。この場合、透過部６の主光取出し面が、樹脂層４の表面と同一面を形成する程度の量を注入する。従って、レンズ部５の頂点が樹脂層４の上面部より突出する高さに形成されているので、透過部６は略円筒形に形成され、レンズ部５は、その頂点が透過部６から突出するように形成される。
【００５７】
次に、本発明の実施の形態に係る発光ダイオード装置の使用状態について図２および図３に基づいて説明する。
【００５８】
半導体発光装置７の発光素子８から出射された光が、レンズ部５の光軸方向の場合は、レンズ部５のみを透過し発光ダイオード装置１の外部へ出射されるので、透過部６で反射することなくレンズ部５から出射する。
【００５９】
発光素子８から出射された光が、透過部６の樹脂層４の上面と同一平面の範囲である場合は、レンズ部５から透過部６を透過し、そして発光ダイオード装置１の外へ出射される。レンズ部５から透過部６へ透過する場合は、透過部６の方がレンズ部より屈折率が高いため屈折はするが全反射しないため透過し、透過部６から空気の場合は、透過部６の方が、屈折率が高いため同様に全反射せず透過する。従って、光を主光取出し面方向に出射することができる。
【００６０】
発光素子８から出射された光が、発光素子８の水平方向から傾斜面１０の範囲である場合、レンズ部５から透過部６を透過し、そして透過部６と傾斜面１０との界面で全反射し、主光取出し面へ照射される。レンズ部５から透過部６へ透過する場合は、透過部６の方が屈折率が高いため屈折はするが全反射しないため透過する。また、透過部６から樹脂層４へは、透過部６の方が樹脂層４より屈折率が高く、傾斜面１０が、垂直断面が放物線状で、かつ透過部６の屈折率をＡとし、樹脂層４およびレンズ部５の屈折率をＢとしたとき、傾斜面１０の水平方向に対しての傾斜角度θを、θ≦９０°−ｓｉｎ-1（Ｂ／Ａ）とする範囲とする角度、つまり３６°以下とし、発光素子８を傾斜面１０の垂直断面である放物線の焦点に配置しているので、半導体発光装置７から出射した光を傾斜面１０により、全反射し主光取出し方向へレンズ部５の光軸と平行な光が出射することができる。
【００６１】
なお、傾斜面１０の垂直断面を直線状とした場合には、上記式を満足する範囲の角度とすることにより、半導体発光装置７から出射された光を透過部６と傾斜面１０との界面で全反射させ、レンズ部５の光軸と平行とはならないが、主光取出し面から取り出すことができる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の発光ダイオード装置は、透過部の屈折率が、樹脂層およびレンズ部の屈折率より高い樹脂を使用することにより、発光素子の水平方向へ出射した光が、レンズ部および透過部を透過し、透過部と樹脂層の界面である傾斜面で全反射して主光取出し面から出射するので、輝度の高い照明装置とすることができる。
【００６３】
また、半導体発光装置とレンズ部の間に空洞部を設けた場合、半導体発光装置の周囲が空気層となるので、半導体発光装置の発光素子を蛍光体を含んだ樹脂で封止した場合や、半導体発光装置の基板としてサファイヤを用いた場合では、屈折率の高い部材を透過し空気層に出射されるので、半導体発光装置の内部で光が反射して輝度が減衰する。本発明の実施の形態の発光ダイオード装置では、半導体発光装置を直接レンズ部で封止しているので、半導体発光装置とレンズ部との界面での反射は発生しないため、高輝度な発光ダイオード装置とすることができる。
【００６４】
また、発光素子をサブマウント素子上に搭載することで、発光する位置が凹部の底面よりサブマウント素子の高さの分だけ高くなるので、半導体発光装置をレンズ部と凹部の底面に一体的に形成しても、発光素子からの出射した光を傾斜面で反射させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
透過部の屈折率を樹脂層およびレンズ部の屈折率より高くすることで、凹部の傾斜面で反射して主光取出し面側へ出射できるので、高輝度な発光ダイオード装置とすることが必要な用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード装置を用いた照明装置の斜視図
【図２】本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード装置の部分拡大断面図
【図３】本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード装置の部分拡大平面図
【図４】従来の発光ダイオード装置を示す図
【符号の説明】
【００６７】
１  発光ダイオード装置
２  装置基板
３  凹部
４  樹脂層
５  レンズ部
６  透過部
７  半導体発光装置
８  発光素子
９  サブマウント素子
１０  傾斜面
１１  開口部
１２  発光体
１３  バンプ電極
１４  発光素子接続領域
１５  ワイヤ
１６  ワイヤ接続領域
１７  配線パターン
１８  外部端子
１９  第１電極
２０  第２電極
【図１】
2005072432.tif 000003
【図２】
2005072432.tif 000004
【図３】
2005072432.tif 000005
【図４】
2005072432.tif 000006