(57)【要約】【課題】  高精度に温度を制御でき、発光素子自身の発熱による温度変化や、発光装置周辺の環境温度の変化に影響を受けずに一定の温度で発光素子を点灯させることができる半導体発光装置を提供することを目的とする。【解決手段】  発光素子と、発光素子を載置する支持体と、支持体に載置され、発光素子と電気的に絶縁された温度センサと、を備え、発光素子と温度センサが透光性樹脂により一体に封止されていることを特徴とする半導体発光装置。【選択図】  図１
2007287962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子を載置する支持体と、
前記支持体に載置され、前記発光素子と電気的に絶縁された温度センサと、を備え、
前記発光素子と前記温度センサが透光性樹脂により一体に封止されていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記温度センサにより検出された温度を制御する温度制御素子を備えた請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記発光素子の駆動回路と、前記温度センサの駆動回路と、前記温度制御素子の駆動回路は、各々独立して外部と電気的に接続される請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記支持体と前記温度制御素子は、押止されて接している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記温度制御素子はペルチェ素子である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を用いた発光装置に関し、特に、温度測定および温度制御機能を備えた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高輝度、高出力の半導体発光装置が開発され、種々の分野に利用されている。このような発光装置は、小型、低消費電力や軽量等の特徴を生かして、例えば、携帯電話及び液晶バックライトの光源、各種メータの光源、各種読みとりセンサ、信号、照明用途等に利用されている。しかしながら、これらの半導体発光装置は、発光素子の発光に伴う発熱や、周囲温度の変化により光度が変化したり、色シフトが起こるという特性を有する。例えば、具体的には、温度が上昇すると光度が低下するという問題を有する。
【０００３】
この問題を解決するために、発光素子近傍に温度センサを載置し、温度センサにより検出された温度が設定温度となるようにペルチェ素子等の温度制御素子で制御を行う半導体発光装置が知られている（例えば特許文献１〜２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−２７５６８号公報
【特許文献２】特開平４−９７５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の発明では、発光素子の載置された金属ステムにｐ形半導体とｎ形半導体からなる冷却素子を備えているため、冷却素子自体の発熱により、発光素子の温度が正確に検出できない。
【０００６】
また、特許文献２には温度センサを発光素子の裏面に臨む密閉凹所に取り付け、雰囲気中の温度の影響を受けにくく、光素子の温度を正確に検出することを可能とする光素子装置が開示されている。しかし、この方法ではスリットや密閉凹所を形成し、かつそのスリットや、密閉凹所に温度センサを取り付けなければならないため、取り付けが容易ではないという問題があった。また、温度センサを蒸着形成することも開示しているが、生産性が悪いという問題があった。
【０００７】
また、温度制御用回路と発光素子点灯回路の一方の電極が共通の電極に依存している配線形態になっていると、各素子それぞれのノイズの影響を受けることがあり、精度の良い制御、測定ができない。
【０００８】
これらの問題は、高精度に温度制御を必要とする用途、例えば光度測定に用いられる測光標準光源として発光装置を用いる場合や、環境温度の変化が激しい場所で発光装置を用いる場合、例えば屋外の信号やディスプレイなどで重視されている。
【０００９】
そこで本発明は、高精度に温度を制御でき、発光素子自身の発熱による温度変化や、発光装置周辺の環境温度の変化に影響を受けずに一定の温度で発光素子を点灯させることができる半導体発光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】
以上の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、発光素子と、前記発光素子を載置する支持体と、前記支持体に載置され、前記発光素子と電気的に絶縁された温度センサと、を備え、前記発光素子と前記温度センサが透光性樹脂により一体に封止されていることを特徴とする。
【００１１】
前記温度センサにより検出された温度を制御する温度制御素子を備えることが好ましい。
【００１２】
前記発光素子の駆動回路と、前記温度センサの駆動回路と、前記温度制御素子の駆動回路は、各々独立して外部と電気的に接続されることが好ましい。
【００１３】
前記支持体と前記温度制御素子は、押止されて接していることが好ましい。
【００１４】
前記温度制御素子はペルチェ素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、高精度に温度を制御でき、発光素子自身の発熱による温度変化や、発光装置周辺の環境温度の変化に影響を受けずに一定の温度で発光素子を点灯させることができる半導体発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を、以下に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体装置を例示するものであって、本発明は半導体装置を以下に限定するものではない。
【００１７】
また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。
【００１８】
本発明の半導体発光装置は、支持体に発光素子と温度センサを載置し、発光素子と温度センサを透光性樹脂で一体に封止して形成される。一体に封止とは、温度センサと発光素子とが共に透光性樹脂で封止されている状態をさす。同じ樹脂で共に封止されていてもよいし、発光素子を封止した樹脂を温度センサと一緒にさらに別の樹脂で封止してもよいし、また、発光素子と温度センサとをそれぞれ別の樹脂で封止し、それらを包含するように別の樹脂で封止されていてもよい。
【００１９】
発光素子と温度センサは同一の支持体に載置される。このようにすることにより、発光素子と温度センサ間の熱抵抗を小さくすることができ、発光素子の温度をより正確に温度センサで検出することができる。また、このとき発光素子と温度センサは電気的に絶縁するようにして載置される。発光素子の駆動回路と温度センサの駆動回路が各々独立していることにより、互いに生じるノイズを軽減し、精度の高い計測が可能となる。さらに、発光素子と温度センサは透光性樹脂で一体に封止される。空気よりも熱伝導率の高い樹脂で封止することにより、熱循環を良くすることができ、温度制御フィードバックが高速に精度よく行える。また、温度センサを封止することにより、外気の風の影響を受けにくくすることができる。
【００２０】
また、温度センサにより検出された温度を制御する温度制御素子を備えることが好ましい。温度制御素子を備えることにより、温度センサで検出した値を制御することができる。温度制御素子は、発光素子と温度センサが載置されている支持体に一体的に取り付けられてもよいし、脱着可能となるようにして取り付けられてもよい。このとき、熱伝導が効率よくなるように載置することが好ましい。
【００２１】
また、発光素子の駆動回路と、温度センサの駆動回路と、温度制御素子の駆動回路は、各々独立して外部と電気的に接続されることが好ましい。発光素子の駆動回路と温度センサの駆動回路が各々独立していることにより、互いに生じるノイズを軽減し、精度の高い計測が可能となる。また、各素子に流す電流値の調整も容易となり、制御がしやすい。
【００２２】
例えば図３のように、支持体と温度制御素子は、押止されて接していることが好ましい。このようにすることにより、温度センサを内蔵した発光装置のみを取りはずすことができ、メンテナンスがしやすい。
【００２３】
また、温度制御素子はペルチェ素子であることが好ましい。ペルチェ素子を用いることにより、加熱、冷却の両方が可能となる。ペルチェ素子は可動部がないため、騒音を発生せず、発光装置を小型化することができる。さらに、応答が速く、高精度な制御が可能である。
【００２４】
なお、発光素子を搭載する発光装置の形状は、砲弾型であっても表面実装型であってもよい。
以下、本発明の実施の形態の各構成について詳述する。
【００２５】
（発光素子）
本形態における発光素子は、半導体発光素子であり、発光ダイオードやレーザダイオードを用いることができる。
【００２６】
発光素子の組成としては、例えば、基板上に、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を活性層として形成させた物が挙げられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。積層構造、半導体材料及びその混晶度等によって発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。
【００２７】
このような発光素子は、後述する支持体に直接的または間接的に搭載される。発光素子を直接的に支持体に搭載するためには、接合部材が用いられる。例えば、サファイア等の絶縁性の基板上に半導体を成長させた発光素子の場合には、絶縁性基板側をエポキシ樹脂、シリコーン等を用いて固定することができる。また、樹脂を使用せず、Ａｕ−Ｓｎ共晶などの半田、低融点金属等のろう材を用いてもよいし、支持体に導体配線を設けて導電性ワイヤを利用することなく、Ａｕバンプ、半田バンプなどの導電性部材によりフリップチップ実装されていてもよい。ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の半導体基板を利用して両面に電極が形成された発光素子の場合には、銀、金、パラジウムなどの導電性ペースト等によってダイボンディングしてもよい。
【００２８】
また、発光素子はサブマウントのような補助的な別の支持基板を介して間接的に載置されてもよい。
【００２９】
また、発光素子とは別に保護素子を載置し、発光素子と逆並列に接続することにより、過電圧対策とすることができる。
【００３０】
（温度センサ）
本形態における温度センサには、サーミスタや白金測温抵抗体、水晶温度センサ、熱電対、ＩＣ化温度センサ、水銀、アルコール温度計等、全ての温度センサが含まれる。封止樹脂のなかに収まる大きさであればよいが、小さいほうが発光装置を小型化することができ好ましい。また、載置位置については、発光素子近傍に載置することにより、さらに測定精度を高くすることができるので好ましい。しかしながら、発光素子近傍に温度センサを載置すると発光素子の光取出しを妨げる場合があるので、その場合は図１に示したように発光素子の下部など、発光素子からの光取出しを妨げない位置に温度センサを載置すると、光取出しの低下を抑制することができる。
【００３１】
（支持体）
本形態における支持体は、発光素子と温度センサとを載置するものであり、その温度を速やかに温度センサに伝えるものが好ましい。したがって、金属等の熱伝導性が高いものが好ましい。支持体全体を金属で形成するのが好ましく、具体的には、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は鉄−ニッケル合金、燐青銅、鉄入り銅等あるいはこれらの表面に銀、アルミニウム、銅、金等の金属メッキ膜が施こされたもの等が挙げられる。
【００３２】
熱伝導を著しく低下させることがなければ、内部に金属以外の材料を用いることもできる。具体的には、セラミックスにタングステン、クロム、チタン、コバルト、モリブデンやこれらの合金などの高融点金属で導電性を持たせたものや、さらに、上記高融点金属に対してＮｉやＡｕ、Ａｇなどの金属を鍍金したもの等が挙げられる。支持体を導電体で形成する場合は、支持体自身を外部電極と接続可能な電極として用いることもできる。温度センサへの熱伝導も好ましいものを用いることにより、温度測定精度を上げることもできる。
【００３３】
また、本形態の支持体は、ペルチェ素子のような温度制御素子を略密着させることのできる面を持つことが好ましい。
【００３４】
（透光性樹脂）
本形態における透光性樹脂は、発光素子や温度センサなどを外部から保護するために設けられ、また、発光素子と温度センサとを一体に封止して発光素子から温度センサへの熱循環を良くする目的を持つ。また、さらに、視野角を広げたり、発光素子からの指向性を緩和したり、発光を収束、拡散させたりする目的も持たせることができる。これらの目的を達成するために、透光性樹脂は、所望の形状に形成される。すなわち、目的に合わせて凸レンズ形状、凹レンズ形状の他、複数積層する構造であっても良い。透光性樹脂の具体的材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、非晶質ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等が挙げられる。
【００３５】
また、透光性樹脂には、拡散剤又は蛍光物質又は染料又は顔料を含有させてもよい。二種類以上の含有物、例えば拡散剤と蛍光体を一緒に含有してもよい。拡散剤は、光を拡散させるものであり、発光素子からの指向性を緩和させ、視野角を増大させることができる。蛍光物質は、発光素子からの光を変換させるものであり、発光素子からパッケージの外部へ出射される光の波長を変換することができる。窒化物系化合物半導体を用いた発光素子の場合、有機蛍光体であるペリレン系誘導体、ＺｎＣｄＳ：Ｃｕ、ＹＡＧ：Ｃｅ、Ｅｕ及び／又はＣｒで賦活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２などの無機蛍光体など、種々好適に用いられる。本発明において、白色光を得る場合、特にＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を利用すると、その含有量によって青色発光素子からの光と、その光を一部吸収して補色となる黄色系が発光可能となり白色系が比較的簡単に信頼性良く形成できる。同様に、Ｅｕ及び／又はＣｒで賦活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２蛍光体を利用した場合は、その含有量によって青色発光素子からの光と、その光を一部吸収して補色となる赤色系が発光可能であり白色系が比較的簡単に信頼性よく形成できる。また、有機や無機の着色染料や着色顔料は、所望外の波長をカットすることができる。
【００３６】
また、発光素子と温度センサとを一つの樹脂で一体に封止する場合はその樹脂は透光性である必要があるが、発光素子と温度センサとを別の樹脂で封止する場合や、温度センサのみを先に封止する場合は、温度センサを封止する樹脂は透光性である必要はない。例えば、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン等の拡散剤を含有させた反射率の高い白色樹脂で温度センサを封止し、その上から透光性の樹脂で発光素子と一体に封止してもよい。このようにすることにより、温度センサを封止した部分で発光素子からの光を反射させる機能を持たせることもできる。
【００３７】
（温度制御素子）
本形態における温度制御素子には、ペルチェ素子等の吸熱および放熱の少なくとも一方を行うことのできる全ての素子が含まれる。発光装置の用途および発光素子に流す電流の大きさ等によって、様々な大きさのものが用いることができ、ペルチェ素子自身の発熱や載置場所を考慮して、適宜選択される。発光素子を載置した支持体に密着させると、より直接的に温度を制御することができる。
【００３８】
以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。
【００３９】
実施例１
この実施例の半導体装置は、図１に示すように、砲弾型の半導体発光装置である。
【００４０】
発光素子１０１はカップ部とリード部を持つ鉄入り銅に銀鍍金を施した支持体１０３に載置され、導電性ワイヤ１０８により導通がとられている。
【００４１】
支持体１０３には、温度センサ１０２がシリコーン系の接着材を介して載置されている。温度センサ１０２は電極が両端にあるものを用いているため、発光素子１０１を載置したリードに接する部分は温度センサの基板の部分であり、絶縁性である。温度センサ１０２の電極は、支持体１０３の両横の２本のリード１０７ａ、１０７ｂに接続されている。したがって、発光素子１０１と温度センサ１０２とは電気的に絶縁されており、各々独立した回路構成となっている。支持体１０３に発光素子１０１と温度センサ１０２を取り付けて導通をとった後、発光素子１０１の載置されているカップ部に蛍光体を含む透光性のエポキシ樹脂１０４ａを充填し、さらにこのコーティング部を覆うようにして透光性のエポキシ樹脂１０４ｂをモールドしてレンズが形成される。本実施例では青色に発光する発光素子と、発光素子から放出される光を吸収し、波長変換を行い、黄色に発光する蛍光体を用いることにより、白色系に発光する半導体発光装置としている。
【００４２】
本実施例では温度センサ１０２は発光素子１０１が載置されたカップ部の下方に載置されているため、光取り出しに影響を受けない。また、発光素子１０１と温度センサ１０２が透光性樹脂で封止されているため、発光素子１０１と温度センサ１０２間の熱伝導がよく、また、熱抵抗差が小さく、発光部の温度を精度高く計測することができる。
【００４３】
実施例２
本実施例の半導体装置は、図２に示すように、実施例１で示した温度センサ内蔵の半導体発光素子に、温度制御素子であるペルチェ素子２０９を備えたものである。ペルチェ素子２０９は接着材により、発光素子（図示せず）と温度センサ２０２の搭載された支持体２０３に略密着するように接続されている。温度センサ２０２で計測した温度を基に、ペルチェ素子２０９で発光部の温度を制御することができ、発光素子自身の発熱や周囲温度の急激な変化があっても、安定した光度・色調で発光素子を点灯させることができる。
【００４４】
比較例
以下、本発明の実施例２の比較例を述べる。
【００４５】
温度センサを発光素子と一体に透光性樹脂で封止せずに、発光素子の封止された透光性樹脂の外側に温度センサを取り付けている以外は実施例２と同様に、同じ構成の半導体発光装置を得る。
【００４６】
図５はこのようにして得られた、従来、測光標準ＬＥＤとして知られている半導体発光装置である。温度センサ５０２が取り付けられているリードは、発光素子（図示せず）の載置されたリードである。
【００４７】
実施例２の発光装置と比較例の発光装置を恒温槽内に入れ、槽内温度を２０℃、２５℃、３０℃に変化させて、それぞれの温度で光度と電圧を測定した。印加電流は２０ｍＡ、温度センサの設定温度は３０℃である。その他の測定環境はＣＩＥ  ＣｏｎｄｉｔｉｏｎＢに基づく。
【００４８】
実施例２の発光装置では周囲温度を２０℃、２５℃、３０℃にしたときの光度の変動幅が０．１％に抑えられていたのに対し、比較例の発光装置では０．２％であった。また、電圧は実施例２の発光装置がほとんど変化しないのに対し、比較例の発光装置では０．００４Ｖ変動した。なお、測定値は電流印加後、１５０秒から１８０秒の平均値を使用した。
【００４９】
また、実施例２の発光装置は比較例の発光装置に比べ、電源立ち上がり初期での変動が抑えられていた。
【００５０】
実施例３
本実施例の半導体装置は、図３に示すように、実施例１で示した温度センサ内蔵の半導体発光素子に、温度制御素子であるペルチェ素子４０９を備えたものである。実施例２の発光装置がペルチェ素子と接着材で接続されているのに対し、本実施例の半導体装置では、ペルチェ素子３０９がソケット３１０に収納されており、このソケット３１０が実施例１で示した発光装置と着脱可能となっている。治具内には発光素子駆動用の電源と繋ぐための配線や、温度センサ駆動用、ペルチェ素子駆動用の電源と繋ぐための配線が施されている。
【００５１】
ペルチェ素子３０９と支持部３０３は発光装置保持部３１２で押さえつけられて略密着している。ボタン３１１を押し下げることにより、発光装置保持部３１２が持ち上がり、固定が外れるようになっている。このような構成にすることにより、発光部分を簡単に取り外せるため、メンテナンスが容易である。また、必要に応じて、ねじ穴３１３にねじを挿入して固定することにより、ペルチェ素子３０９と発光装置を密着させ、きつく固定する事ができる。
【００５２】
この発光装置を駆動させるときの回路図は、図４のようになる。発光素子駆動電源にて発光素子４０１を点灯させると、発光素子４０１が発熱する。この発熱を温度センサ４０２で検出し、温度センサ４０２で検出した抵抗値を温度変換部で温度に変換する。ＰＩＤ制御部は設定温度と温度センサからの検出値の偏差等に基づき、ペルチェ駆動部にてペルチェ素子を効率よく制御するフィードバック回路となっている。
【００５３】
発光素子の駆動回路と、温度センサの駆動回路と、温度制御素子の駆動回路は、各々独立して外部と電気的に接続させることができる。発光素子４０１の駆動回路と温度センサ４０２の駆動回路が各々独立していることにより、互いに生じるノイズを軽減し、精度の高い計測が可能となる。また、各素子に流す電流値の調整も容易となり、制御がしやすい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の半導体装置は、高精度に温度制御を必要とする用途、例えば光度測定に用いられる測光標準光源や、屋外の信号やディスプレイなどに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明にかかる半導体発光装置の一例を示す図である。
【図２】本発明にかかる半導体発光装置の一例を示す図である。
【図３】本発明にかかる半導体発光装置の一例を示す図である。
【図４】本発明にかかる半導体発光装置の駆動回路の一例を示す図である。
【図５】従来の半導体発光装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０１、４０１  発光素子
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２  温度センサ
１０３、２０３、３０３、５０３  支持体
１０４ａ、１０４ｂ、２０４、３０４、５０４  透光性樹脂
１０５  発光素子のアノード電極
１０６  発光素子のカソード電極
１０７ａ、１０７ｂ  温度センサ用端子
１０８  導電性ワイヤ
２０９、３０９、５０９  ペルチェ素子
３１０  ソケット
３１１  ボタン
３１２  発光装置保持部
３１３  ねじ穴
【図１】
2007287962.tif 000003
【図２】
2007287962.tif 000004
【図３】
2007287962.tif 000005
【図４】
2007287962.tif 000006
【図５】
2007287962.tif 000007