(57)【要約】      （修正有）【課題】青色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子直上に樹脂レンズを構成する黄色蛍光体含有樹脂層を設けた白色ＬＥＤ装置において、青色光抜け領域の発生を防止し、配光特性に対応して色むらを改善した光半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に青色ＬＥＤ素子２をダイボンディングし、ボンディングワイヤを施す。さらに、その上に、樹脂レンズとして半球状の黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）３を設ける。黄色蛍光体含有樹脂層３には青色ＬＥＤ素子２上に平坦底面を有し上方に拡がったテーパ状凹部３ａが形成されている。黄色蛍光体含有樹脂層３の底部には黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）４を設け、さらに、その上に、透明樹脂層５を設ける。この場合、黄色蛍光体含有樹脂層４の黄色蛍光体の濃度は黄色蛍光体含有樹脂層３の黄色蛍光体の濃度より大きくする。【選択図】図１
2013069757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に設けられた発光素子と、
該発光素子を覆い、該発光素子上に平坦底面を有し上方へ拡がったテーパ状凹部が形成された第１の蛍光体含有樹脂層と、
該第１の蛍光体含有樹脂層の前記テーパ状凹部の底部に設けられ、前記第１の蛍光体含有樹脂層の蛍光体濃度より大きい蛍光体濃度を有する第２の蛍光体含有樹脂層と、
該第１の蛍光体含有樹脂層の前記テーパ状凹部内の前記第２の蛍光体含有樹脂層上に設けられた透明樹脂層と
を具備する光半導体装置。
【請求項２】
前記透明樹脂層の頂上は前記第１の蛍光体含有樹脂層の前記テーパ状凹部の端部を結んだ直線より上である請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
基板上に発光素子を設ける工程と、
前記基板の非発光素子側を第１の金型に圧着し、半球状凹部内にテーパ状凸部を有する第２の金型に第１の蛍光体含有樹脂層をモールディングする工程と、
前記モールディング工程によって形成された前記第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部に蛍光体含有樹脂層をポッティング塗布する工程と、
前記第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部に形成された前記蛍光体含有樹脂層の蛍光体を沈降させて前記第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部の底部に前記第１の蛍光体含有樹脂層の蛍光体濃度より大きい蛍光体濃度を有する第２の蛍光体含有樹脂層及びその上に透明樹脂層を形成する工程と、
該蛍光体沈降工程後に前記第１、第２の蛍光体含有樹脂層及び前記透明樹脂層を硬化させる工程と
を具備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】
本発明は光半導体装置、特に、白色発光ダイオード（LED）装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色LED装置として、青色LED素子と黄色蛍光体含有樹脂層と組合せて構成するものがある。この場合、青色LED素子の青色光と、青色光の一部を黄色蛍光体によって変換して得られる黄色光とを混合して白色光を得る。
【０００３】
図９は第１の従来の白色LED装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【０００４】
図９においては、基板１０１上に青色LED素子１０２をダイボンディングし、ボンディングワイヤ（図示せず）を施してある。さらに、その上に、樹脂レンズとして半球状の黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）１０３を設けてある。尚、樹脂レンズ形状はコンプレッションモールド工程によって形成される。
【０００５】
図１０は第２の従来の白色LED装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【０００６】
図１０においては、図９の青色LED素子１０２直上のみに半球状の黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）１０４を付加してある。この場合、黄色蛍光体含有樹脂層１０４の黄色蛍光体の濃度は黄色蛍光体含有樹脂層１０３の黄色蛍光体の濃度より大きくしてあり、これにより、青色LED素子１０２直上の青色光の黄色光への変換を促進して青色光抜けを防止する。尚、樹脂レンズはコンプレッションモールド工程を用い、黄色蛍光体含有樹脂層１０３、１０４を合わせて構成される。
【０００７】
図１１は第３の従来の白色LED装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【０００８】
図１１においては、図１０の半球状の黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）１０４の代りに、プレート状の黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）１０４’を設けてある。この場合も、黄色蛍光体含有樹脂層１０４’の黄色蛍光体の濃度は黄色蛍光体含有樹脂層１０３の黄色蛍光体の濃度より大きくしてあり、これにより、青色LED素子１０２直上の青色光の黄色光への変換を促進して青色光抜けを防止する。尚、樹脂レンズはコンプレッションモールド工程を用い、黄色蛍光体含有樹脂層１０３、１０４’を合わせて構成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図９に示す白色LED装置においては、青色LED素子１０２直上部の黄色蛍光体含有樹脂層１０３の光路長はその他の部分の黄色蛍光体含有樹脂層１０３の光路長より短いので、図１２に示すごとく、青色LED素子１０２直上部領域で青色がかった白色光領域、つまり、青色光抜け領域Ｂ１１が発生する。このような青色光抜け領域Ｂ１１は青色LED素子１０２直上の一様に強い青色が反映されるために青色LED素子１０２と同サイズとなる。他方、青色LED素子１０２は直上から外側に向うほど、青色の光は徐々に弱くなる配光特性を有する。この結果、青色光抜け領域Ｂ１１の外側は領域Ｂ１１側が青色がかった白色光領域Ｗ１１となる。このような青色光抜け領域Ｂ１１及び青色がかった白色光領域Ｗ１１の色度的に全く異なる２つの領域Ｂ１１、Ｗ１１の存在のために、大きな色むらが発生するという課題がある。
【００１０】
また、図１０に示す白色LED装置においては、青色LED素子１０２の４隅部では黄色蛍光体含有樹脂層１０４が形成されていないので、図１３に示すごとく、青色LED素子１０２の４隅部に対応する領域で青色がかった白色光領域、つまり、青色光抜け領域Ｂ２１が発生する。また、黄色蛍光体含有樹脂層１０４を通過した青色LED素子１０２の青色光の一部は黄色光に変換されて白色光領域Ｗ２１が形成される。一方、白色光領域Ｗ２１および青色光抜け領域Ｂ２１の外周から外側においては、素子直上の領域から外側へと広がっていく光によって白色光領域Ｗ２２が形成される。ただし、黄色蛍光体含有樹脂層１０４を通過することなく、黄色蛍光体含有樹脂層１０３のみを直接通過する青色LED素子１０２の素子側面から出た光を含むために、比較的青色光が強い白色光領域Ｗ２１との境界付近では白色光領域Ｗ２１よりも青みが強く、図９の白色光領域Ｗ１１と同様に外側へ向うほど青みが徐々に弱くなりかつ黄色味が徐々に強くなる。この場合、青色光抜け領域Ｂ２１の明度は青色LED素子１０２のその指向特性によって特に強く、さらに、その上の黄色蛍光体含有樹脂層１０３の黄色蛍光体によって散乱されて拡がっている。この結果、青色光抜け領域Ｂ２１の青色光が白色光領域Ｗ２１、Ｗ２２に拡がる。このような青色光抜け領域Ｂ２１、白色光領域Ｗ２１、Ｗ２２の色度的に異なる３つの領域Ｂ２１、Ｗ２１、Ｗ２２の存在のために、大きな色むらが発生するという課題がある。
【００１１】
尚、図１０に示す白色LED装置の黄色蛍光体含有樹脂層１０４の形成はポッティング塗布法等で行えるので比較的容易である。
【００１２】
さらに、図１１に示す白色LED装置においては、青色LED素子１０２の全体に黄色蛍光体含有樹脂層１０４’が形成されているので、図１４に示すごとく、図１３の青色光抜け領域Ｂ２１は発生しない。そして、黄色蛍光体含有樹脂層１０４’を通過した青色LED素子１０２の青色光の一部は黄色光に変換されて白色光領域Ｗ３１が形成される。また、素子直上の領域から外側へと広がっていく光によって白色光領域Ｗ３２が形成される。ただし、黄色蛍光体含有樹脂層１０４を通過することなく、黄色蛍光体含有樹脂層１０３を直接通過する青色LED素子１０２の素子側面から出た光を含むために、白色光領域Ｗ３２の境界付近では白色光領域Ｗ３１よりも青みが強くなる。従って、白色光領域Ｗ３２は図９の白色光領域Ｗ１１、図１０の白色光領域Ｗ２２と同様に、外側へ向う程青みが徐々に弱くなりかつ黄色味が徐々に強くなる。このように異なる白色光領域Ｗ３１、白色光領域Ｗ３２の境界付近において大きな色むらが発生するという課題がある。
【００１３】
さらにまた、図１１に示す白色LED装置の黄色蛍光体含有樹脂層１０４’の形成はスプレー法あるいは印刷法等で行い、この結果、均一な黄色蛍光体含有樹脂層１０４’の形成は容易でなく、青色LED素子１０２直上に配置するのは困難であるという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光半導体装置は、基板と、基板上に設けられた発光素子と、発光素子を覆い、発光素子上に平坦底面を有し上方に拡がったテーパ状凹部が形成された第１の蛍光体含有樹脂層と、第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部の底部に設けられ、第１の蛍光体含有樹脂層の蛍光体濃度より大きい蛍光体濃度を有する第２の蛍光体含有樹脂層と、第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部内の第２の蛍光体含有樹脂層上に設けられた透明樹脂層とを具備するものである。これにより、第２の蛍光体含有樹脂層は発光素子直上において最も膜厚となり、発光素子直上から離れるに従い薄くなる形状となる。従って、発光素子直上の強い青色光との混色光と、発光素子直上から外側に向うに従い弱くなる青色光との混色光に色むらを生じさせない。さらに、第１の蛍光体樹脂層のみを通過する青色光との蛍光体発光との混色光とも色むらを生じさせない。
【００１５】
また、本発明に係る光半導体装置の製造方法は、基板上に発光素子を設ける工程と、基板の非発光素子側を第１の金型に圧着し、半球状凹部内にテーパ状凸部を有する第２の金型に第１の蛍光体含有樹脂層を塗布してモールディングする工程と、モールディング工程によって形成された第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部に蛍光体含有樹脂層をポッティング塗布する工程と、第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部に形成された蛍光体含有樹脂層の蛍光体を沈降させて第１の蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部の底部に第１の蛍光体含有樹脂層の蛍光体濃度より大きい蛍光体濃度を有する第２の蛍光体含有樹脂層及びその上に透明樹脂層を形成する工程と、蛍光体沈降工程後に第１、第２の蛍光体含有樹脂層及び透明樹脂層を硬化させる工程とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、テーパ状凹部の底部の第２の蛍光体含有樹脂層の存在のために、発光素子から徐々に弱くなる青色光に応じて蛍光体による色変換が行われるために、色むらを緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る白色LED装置の実施の形態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図２】図１の発光面を説明する図である。
【図３】図１の白色LED装置の製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図４】図１の白色LED装置の製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図５】図１の白色LED装置の製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図６】図５の黄色蛍光体含有樹脂層の高さを説明する断面図である。
【図７】図１の黄色蛍光体含有樹脂層のテーパ状凹部の変更例を説明する断面図である。
【図８】本発明者らによって実際に製造された白色LED装置の一部写真よりなる断面図である。
【図９】第１の従来の白色LED装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図１０】第２の従来の白色LED装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図１１】第３の従来の白色LED装置を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【図１２】図９の発光面を説明する図である。
【図１３】図１０の発光面を説明する図である。
【図１４】図１１の発光面を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明に係る白色LED装置の実施の形態を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）の上面図である。
【００１９】
図１においては、基板１上に青色LED素子２をダイボンディングし、ボンディングワイヤ（図示せず）を施してある。さらに、その上に、樹脂レンズとして半球状の黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）３を設けてある。黄色蛍光体含有樹脂層３には青色LED素子２上に平坦底面を有し上方に拡がったテーパ状凹部３ａが形成されている。このテーパ状凹部３ａは青色LED素子２と同一サイズの底面を有している。但し、テーパ状凹部３ａの平坦底面のサイズは実装ずれを考慮してクリアランスをとり、青色LED素子２のサイズの1.1倍程度とすることができる。また、テーパ状凹部３ａの上部の開口径は底面サイズの2倍程度までとする。2倍以上となると、色むら改善効果が低下するからである。
【００２０】
黄色蛍光体含有樹脂層３の底部には黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）４を設け、さらに、その上に、透明樹脂層５を設けてある。この場合、黄色蛍光体含有樹脂層４の黄色蛍光体の濃度は黄色蛍光体含有樹脂層３の黄色蛍光体の濃度より大きくしてあり、これにより、青色LED素子２直上の青色光の黄色光への変換を促進して青色光抜けを防止する。尚、樹脂レンズは黄色蛍光体含有樹脂層３、４及び透明樹脂層５を合わせて構成される。この樹脂レンズの直径は青色LED素子２の形状及びサイズに依存し、また、青色LED素子２の型がフェイスアップ型、メタルボンディング（MB）型の場合には、セカンドワイヤパッド（図８に図示）も覆う必要がある。たとえば、樹脂レンズの直径は1.5mm以上である。
【００２１】
図１に示す白色LED装置においては、青色LED素子２直上の領域を覆うように黄色蛍光体含有樹脂層４が形成されているので、図２に示すごとく、図１３の青色がかった白色光領域、つまり青色光抜け領域は発生しない。また、青色LED素子２の青色光の一部は黄色蛍光体含有樹脂層４直下の黄色蛍光体含有樹脂層３と黄色蛍光体含有樹脂層４とを通過し、青色光の一部が黄色光に変換されて白色光領域Ｗ１が形成される。同時に、黄色蛍光体含有樹脂層３のみを通過した青色LED素子２の青色光の一部も黄色光に変換されて白色光領域Ｗ２が形成される。黄色蛍光体含有樹脂層４は青色LED素子２と同一サイズの底面を有すテーパ状凹部に設けられているので、青色LED素子２と同一サイズの底面からテーパ状に上方に向って広がる形状となっている。そのため、黄色蛍光体含有樹脂層４は青色LED素子２直上の領域が最も厚く、外側に向うほど薄くなるような形状となっている。従って、白色光領域２では最も強い青色LED素子２直上の光は黄色蛍光体含有樹脂層４の最も厚い部分を通り、青色LED素子２直上からわずかに外側の光は薄くなっていく黄色蛍光体含有樹脂層４を透過する。青色LED素子２直上からわずかに外側の光は青色LED素子２直上よりわずかに弱いが通過する黄色蛍光体含有樹脂層４は薄いため黄色に変換される光の割合も同様にわずかに減り、混色の割合としては変化がないため白色光領域Ｗ１内において色むらは生じない。白色光領域Ｗ２を形成する青色LED素子２からの光は最も弱いが蛍光体濃度の低い黄色蛍光体含有樹脂層３のみを通過するため黄色に変換される量も少なく白色光領域Ｗ１との色むらを生じない。
【００２２】
また、図１に示す白色LED装置の黄色蛍光体含有樹脂層４の形成はポッティング塗布法、蛍光体沈降工程等で行えるので比較的容易である。
【００２３】
次に、図１の白色LED装置の製造方法を図３〜図6及び図１を参照して説明する。
【００２４】
始めに、図３のダイボンディング、ワイヤボンディング工程を参照すると、基板１上に青色LED素子２をダイボンディングする。ついで、たとえばAuよりなるボンディングワイヤ（図示せず）を施す。この場合、基板はガラスエポキシ基板、Al2O3のようなセラミックス基板等を用いる。また、青色LED素子２としては、InGaN系の青色LED素子を用い、その型としては、フェイスアップ型、メタルボンディング（MB）型が望ましいが、フリップチップ型でもよい。
【００２５】
次に、図４のコンプレッションモールディング工程を参照すると、上金型４１、下金型４２を準備し、図３の基板１の非青色LED側を上金型４１に真空圧着し、他方、下金型４２には黄色蛍光体含有樹脂（図示せず）を塗布してコンプレッションモールディングを行う。このとき、下金型４２には、半球状凹部４２ａが形成されており、その中央部にはテーパ状凸部４２ｂが形成されている。この場合、上金型４１、下金型４２を100℃〜120℃程度加熱して10分程度保持し、これにより、仮硬化させ、テーパ状凹部３ａを有する黄色蛍光体含有樹脂層３が完成する。その後、上金型４１、下金型４２は離型させる。尚、図４はこの離型状態を示している。
【００２６】
図４における上金型４１、下金型４２は黄色蛍光体含有樹脂層３に対して硬化による収縮率から最適化されている。また、黄色蛍光体含有樹脂層３の樹脂はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂あるいはウレタン樹脂でもよいが、長期信頼性の観点から、シリコーン樹脂が最も適している。さらに、黄色蛍光体としては、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）が最も効率がよいが、オルトシリケート、テルビウム・アルミニウム・ガーネット（TAG）でもよい。
【００２７】
次に、図５のポッティング工程を参照すると、黄色蛍光体含有樹脂層５１を黄色蛍光体含有樹脂層３のテーパ状凹部３ａにディスペンサ５２によってポッティング塗布する。このポッティング塗布の際のポッティング位置は黄色蛍光体含有樹脂層３及び黄色蛍光体含有樹脂層５１により構成される樹脂レンズを画像認識して決定し、これにより、基板１と樹脂レンズとの位置ずれをキャンセルできる。尚、黄色蛍光体含有樹脂層５１の蛍光体濃度は、後述の黄色蛍光体含有樹脂層４の蛍光体濃度が黄色蛍光体含有樹脂層３の蛍光体濃度より大きくなるように、決定される。
【００２８】
また、黄色蛍光体含有樹脂層５１のポッティング塗布量（高さ）は横からの画像認識、レーザ変位計による高さ測定、あるいは、パッドを介して電圧を印加して実際の発光状態によって決定できる。この場合、黄色蛍光体含有樹脂層５１の頂上（図１の透明樹脂層５の頂上に相当）は、図６に示すごとく、黄色蛍光体含有樹脂層３のテーパ状凹部３ａの端部を結んだ直線より上にするのがよい。黄色蛍光体含有樹脂層５１の頂上が、黄色蛍光体含有樹脂層３のテーパ状凹部３ａの端部を結んだ直線より下になると、全反射により光束の低下を招くことになるからである。
【００２９】
最後に、図１を参照して蛍光体沈降及び本硬化を説明する。黄色蛍光体含有樹脂層５１の樹脂がシリコーンの場合、図５の基板１を50〜80℃ホットプレートもしくは高温構内に入れて30〜120分程度保持する。あるいは、室温で150分以上放置する。この結果、黄色蛍光体含有樹脂層５１の黄色蛍光体（たとえばYAG）が黄色蛍光体含有樹脂層５１内のテーパ状凹部３ａの底部に向って沈降する。従って、黄色蛍光体含有樹脂層３のテーパ状凹部３ａ内において、黄色蛍光体含有樹脂層５１は蛍光体が存在する黄色蛍光体含有樹脂層４及び蛍光体が存在しない透明樹脂層５に分かれる。沈降完了後に、基板１を150℃程度の高温構内に入れて黄色蛍光体含有樹脂層３、４及び透明樹脂層５を本硬化させることにより図１の白色LED装置は完成する。
【００３０】
尚、図１における黄色蛍光体含有樹脂層３のテーパ状凹部３ａは直線状であったが、図７に示すごとく、テーパ状凹部３ａ底部からの垂線及び開口部からの垂線の範囲でアールをつけてもよい。この場合、テーパ状凹部３ａの形状に合わせて図４の下金型４２のテーパ状凸部４２ｂの形状を適宜変更する。但し、テーパ状凹部３ａがその底部からの垂線より内側にはみ出ると、コンプレッションモールディング工程で下金型４２が抜けなくなると同時に白色光領域Ｗ１における色むら防止の効果が生じなくなってしまう。
【００３１】
図８は本発明者らによって実際に製造された白色LED装置の一部写真よりなる断面図である。図８においては、セカンドワイヤパッド６が黄色蛍光体含有樹脂層３によって完全に覆われていることが分かる。
【００３２】
尚、上述の実施の形態においては、発光素子を青色LED素子、蛍光体含有樹脂層を黄色蛍光体含有樹脂層としたが、本発明は青色LED素子以外のLED素子あるいは半導体レーザ等の所定波長領域の光を発光する発光素子及びこの所定波長の光をこの所定波長より長い波長の光に変換する蛍光体含有樹脂層を有する光半導体装置にも適用し得る。
【符号の説明】
【００３３】
１：基板
２：青色LED素子 
３：黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）
３ａ：テーパ状凹部
４：黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）
５：透明樹脂層 
６：セカンドワイヤパッド 
４１：上金型
４２：下金型
４２ａ：半球状凹部
４２ｂ：テーパ状凸部
５１：黄色蛍光体含有樹脂層 
５２：ディスペンサ
１０１：基板
１０２：青色LED素子 
１０３、１０４、１０４’：黄色蛍光体含有樹脂層（波長変換層）
Ｂ１１，Ｂ２１：青色光抜け領域
Ｗ１，Ｗ２、Ｗ１１，Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ３１，Ｗ３２：白色光領域
【図１】
2013069757.tif 000003
【図２】
2013069757.tif 000004
【図３】
2013069757.tif 000005
【図４】
2013069757.tif 000006
【図５】
2013069757.tif 000007
【図６】
2013069757.tif 000008
【図７】
2013069757.tif 000009
【図９】
2013069757.tif 000010
【図１０】
2013069757.tif 000011
【図１１】
2013069757.tif 000012
【図１２】
2013069757.tif 000013
【図１３】
2013069757.tif 000014
【図１４】
2013069757.tif 000015
【図８】
2013069757.tif 000016