(57)【要約】【課題】蛍光体層の放熱性に優れた半導体発光装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体発光装置は、支持体と、前記支持体上に設けられた側部を有するパッケージと、前記側部の内側で前記支持体上に設けられ、発光層を有するチップと、前記チップの上端と前記パッケージの上端との間の距離の１／２以下の厚さをもち、前記チップの上に設けられた蛍光体層と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、
前記支持体上に設けられた側部を有するパッケージと、
前記側部の内側で前記支持体上に設けられ、発光層を有するチップと、
前記チップの上端と前記パッケージの上端との間の距離の１／２以下の厚さをもち、前記チップの上に設けられた蛍光体層と、
を備えた半導体発光装置。
【請求項２】
前記蛍光体層の厚さは、前記チップの厚さよりも薄い請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記蛍光体層が前記チップに重なる面積は、前記蛍光体層のチップ外部分の面積よりも大きい請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記蛍光体層は、前記チップの上だけに設けられている請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記チップは、前記発光層を含む半導体層と、前記半導体層に接続された電極パッドと、を有し、
前記電極パッドと前記支持体とがワイヤで接続され、
前記電極パッド、および前記ワイヤの前記電極パッド側の端部は、前記蛍光体層で覆われている請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記蛍光体層の前記チップ外部分と、前記支持体との間に設けられた樹脂と、前記樹脂中に分散され、前記樹脂よりも熱伝導率の高い複数のフィラーとを有する層をさらに備えた請求項３記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化物半導体を用いた発光素子と、蛍光体層との組み合わせにより白色光源を実現した半導体発光装置が広く普及している。このような半導体発光装置において、特に高出力タイプでは、発光素子だけでなく蛍光体層での発熱に対する対策の要求が高まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６９４４２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０４５３１号公報
【特許文献３】特開２００８−１６６７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、蛍光体層の放熱性に優れた半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、半導体発光装置は、支持体と、前記支持体上に設けられた側部を有するパッケージと、前記側部の内側で前記支持体上に設けられ、発光層を有するチップと、前記チップの上端と前記パッケージの上端との間の距離の１／２以下の厚さをもち、前記チップの上に設けられた蛍光体層と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】（ａ）は実施形態の半導体発光装置の模式上面図であり、（ｂ）は実施形態の半導体発光装置の模式断面図。
【図２】実施形態のチップの拡大模式断面図。
【図３】蛍光体層の熱伝導率と温度との関係を示すグラフ。
【図４】（ａ）は実施形態の半導体発光装置の模式上面図であり、（ｂ）は実施形態の半導体発光装置の模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【０００８】
図１（ａ）は、実施形態の半導体発光装置の模式上面図である。  
図１（ｂ）は、実施形態の半導体発光装置の模式断面図である。  
図１（ａ）は、図１（ｂ）の上面図に対応する。なお、図１（ａ）においては、図１（ｂ）に示すワイヤ７１、７２の図示を省略している。
【０００９】
実施形態の半導体発光装置は、支持体１０と、パッケージ３０と、チップ２０と、蛍光体層５０と、を有する。
【００１０】
支持体１０は、第１リード１１と第２リード１２とを有する。第１リード１１および第２リード１２は、例えば金属を含む材料で形成され、導電性を有する。実施形態の半導体発光装置は、回路基板などに実装される。そのとき、第１リード１１および第２リード１２は回路基板に形成された配線パターンに接続され、例えば、第１リードはカソード電極、第２リードはアノード電極として機能する。
【００１１】
第１リード１１と第２リード１２は互いに離間し、第１リード１１と第２リード１２との間には、パッケージ３０の一部３２が設けられている。第１リード１１および第２リード１２は、パッケージ３０と一体に結合されている。パッケージ３０は、樹脂材料で形成され、絶縁性を有する。
【００１２】
パッケージ３０は、第１リード１１上および第２リード１２上に設けられた側部３１を有する。側部３１は、図１（ｂ）に示すように第１リード１１の上方および第２リード１２の上方に突出しつつ、図１（ａ）に示すように枠状に設けられている。
【００１３】
側部３１の内側にはチップ２０が設けられている。側部３１の内壁は、チップ２０の周囲を連続して囲んでいる。チップ２０は、例えば、絶縁性のダイボンディングペースト４１を介して、第１リード１１上にマウントされている。
【００１４】
図２は、チップ２０の拡大模式断面図である。
【００１５】
チップ２０は、支持基板２１と、支持基板２１上に設けられた発光素子２２と、を有する。支持基板２１は、例えばシリコン基板である。シリコン基板を使うことで、コストを抑えて大型化が可能である。
【００１６】
発光素子２２は、例えば窒化ガリウムを含む半導体層２３を有する。半導体層２３は発光層（活性層）２４を有する。発光層２４は、例えば、青、紫、青紫、紫外光などを発光する材料を含む。発光層２４の発光ピーク波長の範囲は、例えば、４３０〜４７０ｎｍである。支持基板２１の厚さは、発光素子２２（半導体層２３）の厚さよりも厚い。
【００１７】
チップ２０の上面側には、図１（ａ）に示すように、第１電極パッド（ｎ側電極パッド）２６と、第２電極パッド（ｐ側電極パッド）２７が設けられている。第１電極パッド２６は、ワイヤ７１を介して第１リード１１と接続されている。第２電極パッド２７は、ワイヤ７２を介して第２リード１２と接続されている。
【００１８】
チップ２０の側部２０ａの周囲には、反射層６０が設けられている。反射層６０は、チップ２０の側部２０ａに沿って連続して設けられ、チップ２０の側部２０ａを覆っている。反射層６０は、パッケージ３０の側部３１の内壁にも設けられている。
【００１９】
反射層６０は、樹脂６２と、樹脂６２中に分散された複数の粒子状のフィラー６１を含む。樹脂６２は、発光層２４の発光光および蛍光体５１の発光光に対して透明である。本明細書において「透明」とは、光の透過率が１００％であることに限らず、光の一部を吸収する場合も含む。樹脂６２には、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。フィラー６１は、樹脂６２よりも熱伝導率が高く、例えば酸化チタンである。
【００２０】
チップ２０の上には、蛍光体層５０が設けられている。蛍光体層５０は、樹脂５２と、樹脂５２中に分散された複数の粒子状の蛍光体５１を含む。蛍光体５１は、発光層２４の発光光により励起され、発光層２４の発光光とは異なる波長の光を発光する。樹脂５２は、発光層２４の発光光および蛍光体５１の発光光に対して透明である。蛍光体層５０の樹脂５２には、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。
【００２１】
第１リード１１と第２リード１２を通じて発光層２４に電流が供給され、発光層２４は発光する。発光層２４から放射された光は、蛍光体層５０に入射し、一部の光は蛍光体５１を励起し、発光層２４の光と蛍光体５１の光との混合光として、例えば白色、電球色などの光が擬似的に得られる。
【００２２】
パッケージ３０の側部３１の内側には、透明樹脂８０が設けられている。透明樹脂８０は、蛍光体層５０の上に設けられ、蛍光体層５０を覆っている。また、透明樹脂８０は、反射層６０の上に設けられ、反射層６０を覆っている。
【００２３】
チップ２０がマウントされた領域よりも広がって設けられた透明樹脂８０に、チップ２０および蛍光体５１から放射された光を導くことで、広い配光特性を実現できる。また、チップ２０の周囲に設けられた反射層６０に分散されたフィラー６１で、チップ２０および蛍光体５１から放射された光を散乱反射させて、パッケージ上方のより広い範囲に光を取り出すことができる。
【００２４】
実施形態の半導体発光装置は、光がパッケージ外に放出される上面（空気との境界面）が平坦ないわゆるフラットパッケージ構造を有する。透明樹脂８０の上面８０ａは凸レンズ状に形成されずに、チップ２０の面方向に沿っており、実質的にフラットな非レンズ面である。
【００２５】
透明樹脂８０は、例えば流動性をもつ状態（液状の状態）でパッケージ３０内に供給された後、硬化される。このときの硬化収縮により、透明樹脂８０の上面８０ａが多少くぼむ場合もある。このような意図的でない、製造上の形状変形も、透明樹脂８０の上面８０ａが実質的にフラットであるという概念に含む。
【００２６】
フラットパッケージ構造の半導体発光装置は、フラットな上面をコレットで吸引して回路基板などに実装する際の実装性を高める。また、フラットパッケージ構造の半導体発光装置は、高さを抑えて小型である。
【００２７】
フラットパッケージ構造の半導体発光装置において、蛍光体層がパッケージ上端の高さまで充填されている構造が一般的である。これに対して、実施形態によれば、蛍光体層５０の上面が、パッケージ３０の上端（側部３１の上端）よりも低い位置（チップ２０側）にある。なお、実施形態のフラットパッケージ構造において、パッケージ３０上端の高さは、透明樹脂８０の上面８０ａの高さに実質的に一致する。ここでの「高さ」は、実装面（リード１１、１２の裏面）を基準にした高さを表す。
【００２８】
蛍光体層５０の厚さｔは、チップ２０の上端とパッケージ３０の上端（側部３１の上端）との間の距離Ｔの１／２以下の厚さとなっている。さらに、実施形態では、蛍光体層５０の厚さは、チップ２０の厚さよりも薄い。
【００２９】
蛍光体５１は発光にともない波長変換損失（ストークスロス）分の発熱をする。特に高出力発光素子などのように、蛍光体５１の発熱量が大きいと、蛍光体５１の熱で樹脂５２が変質や分解してしまう懸念がある。
【００３０】
図３は、蛍光体層がパッケージ上端まで充填されている一般的なフラットパッケージ構造の半導体発光装置に通電させて発光させたときの、蛍光体層の熱伝導率［W/mk］と温度［℃］との関係のシミュレーション結果を表すグラフである。なお、ここでの蛍光体層の熱伝導率と温度は、それぞれ、蛍光体層の樹脂の熱伝導率と温度を表す。
【００３１】
このシミュレーション結果より、蛍光体層の樹脂の熱伝導率が高くなると、その樹脂の温度は下がる。現状、光学特性などを考慮すると、蛍光体層の樹脂材料を変えたり、樹脂中に熱伝導率のよいフィラーを混入させるなどして、樹脂の熱伝導率を下げることは難しい。そこで、実施形態によれば、蛍光体層５０を薄くしている。
【００３２】
パッケージ上端まで蛍光体層が充填された構造において、チップから遠い、パッケージ上端側の蛍光体層の最表面に熱が滞留し、その最表面の温度が特に高くなる傾向がシミュレーションにより得られた。
【００３３】
そこで、実施形態によれば、蛍光体層５０を薄化し、チップ２０およびリード１１、１２側に蛍光体層５０が偏在するようにし、蛍光体層５０の熱がチップ２０およびリード１１、１２側に逃げやすくしている。このように蛍光体層５０の放熱性が高くなることで、樹脂５２の温度上昇による樹脂５２の変質や分解を抑えることができる。したがって、樹脂５２における光透過率の低下や光吸収を抑制して、高出力で高効率の半導体発光装置を実現できる。
【００３４】
一般的な蛍光体層の樹脂（例えばシリコーン樹脂）の熱伝導率は約０．２［W/mk］程であり、図３のシミュレーション結果によれば、そのときの通電（発光）時の蛍光体層の温度は２２０〜２３０℃ほどになる。樹脂の変質や熱分解を防ぐためには、樹脂の温度を１３０℃程度に抑えることが望ましい。図３の結果によれば、樹脂の熱伝導率が現状の約２倍高い０．４程度であれば、樹脂の温度は１３０℃ぐらいに抑えられる。
【００３５】
蛍光体層の温度を変動させるパラメータとして、蛍光体層の熱伝導率と、厚さは等価にあつかうことができる。すなわち、図３における横軸の熱伝導率は、蛍光体層の厚さに置き換えて考えることができ、蛍光体層が薄くなるほど蛍光体層の温度が下がる。したがって、樹脂の熱伝導率を２倍高くすることは、樹脂の厚さを１／２にすることに対応する。
【００３６】
したがって、蛍光体層がパッケージ上端まで充填された構造における蛍光体層の厚さは、図１（ｂ）においてチップ２０の上端とパッケージ３０の上端との間の距離Ｔに対応し、蛍光体層５０の厚さがＴ／２以下に薄くなると、図３のシミュレーション結果より、蛍光体層５０の樹脂５２の温度が１３０℃程度まで下がると考えられる。
【００３７】
以上の考察に基づき、実施形態によれば、蛍光体層５０の厚さｔを、チップ２０の上端とパッケージ３０の上端（側部３１の上端）との間の距離Ｔの１／２以下としている。蛍光体層５０の温度上昇を抑えるには、蛍光体層５０の厚さは、光学特性を損ねない範囲内で薄いほうがよい。例えば、蛍光体層５０の厚さをチップ２０の厚さよりも薄くしても、蛍光体層５０の光学特性を劣化させることなく、温度を下げることができた。
【００３８】
また、図１（ａ）および（ｂ）に示す実施形態によれば、蛍光体層５０がチップ２０の上面に重なる面積は、蛍光体層５０においてチップ２０の上面に重なっていないチップ外部分５０ａの面積よりも大きい。すなわち、蛍光体層５０の大部分はチップ２０の直上にあり、蛍光体層５０の熱をチップ２０およびリード１１側に効率よく逃がすことができる。
【００３９】
半導体発光装置が回路基板に実装された状態において、チップ２０および蛍光体５１の発光にともなう熱は、金属製のリード１１、１２、およびリード１１、１２と回路基板を接合するはんだを通じて、回路基板に放熱される。
【００４０】
蛍光体層５０のチップ外部分５０ａと、リード１１、１２との間には、反射層６０が設けられている。反射層６０の樹脂６２自体はチップ２０より熱伝導率は低い。しかしながら、その樹脂６２中には、樹脂６２よりも熱伝導率の高いフィラー（例えば酸化チタン）６１が分散されているため、蛍光体層５０のチップ外部分５０ａは、そのフィラー６１を通じてリード１１、１２に熱を逃がすことができる。
【００４１】
また、電極パッド２６、２７、およびワイヤ７１、７２の電極パッド２６、２７側の一端部は、図１（ｂ）および図２に示すように、蛍光体層５０で覆われている。ワイヤ７１の他端部はリード１１にボンディングされ、ワイヤ７２の他端部はリード１２にボンディングされている。ワイヤ７１、７２は、熱伝導率の高い例えば金ワイヤである。したがって、蛍光体層５０の熱は、ワイヤ７１、７２を介して、リード１１、１２に放熱することができる。
【００４２】
次に、実施形態の半導体発光装置の製造方法について説明する。
【００４３】
リード１１、１２およびパッケージ３０は、例えば金型を使って一体に組み合わされる。そして、例えばリード１１上にダイボンディングペースト４１を介して、チップ２０がボンディングされる。さらに、ワイヤボンディングが行われる。
【００４４】
次に、パッケージ３０内におけるチップ２０の周囲に、フィラー６１を分散させた液状の樹脂６２が塗布され、硬化される。これにより、反射層６０が形成される。反射層６０は、チップ２０の上面は覆わない。
【００４５】
次に、チップ２０上および反射層６０上に、液状の透明樹脂８０を塗布する。そして、透明樹脂８０を硬化させる前に、蛍光体５１を分散させた液状の樹脂５２をチップ２０の直上に局所的に滴下する。蛍光体分散樹脂５２は、チップ２０の上面上に広がる。樹脂５２の粘度や滴下量の制御により、樹脂５２が広がる範囲を制御できる。
【００４６】
このとき、樹脂５２に沈降防止剤を添加しない。蛍光体５１は、樹脂成分よりも比重が重いため、自重によりチップ２０の上面に沈降する。蛍光体５１の沈降により、蛍光体５１がチップ２０の上面近くに偏在する。その後、樹脂５２および透明樹脂８０を硬化させる。このため、薄い蛍光体層５０でチップ２０の上面を覆うことができる。また、チップ２０上面上に均一な厚さで蛍光体層５０を形成しやすく、蛍光体層５０の厚みばらつきによる色割れ抑制が可能になる。
【００４７】
蛍光体層５０とチップ２０の上面とは直接接する。あるいは、蛍光体層５０とチップ２０の上面との間に、薄く透明樹脂８０が介在することもある。この場合、蛍光体層５０は、薄い透明樹脂８０を介してチップ２０の上面に接する。
【００４８】
図４（ａ）は、他の実施形態の半導体発光装置の模式上面図である。  
図４（ｂ）は、他の実施形態の半導体発光装置の模式断面図である。  
図４（ａ）は、図４（ｂ）の上面図に対応する。なお、図４（ａ）においては、図４（ｂ）に示すワイヤ７１、７２の図示を省略している。
【００４９】
図４（ａ）および（ｂ）に示す半導体発光装置においては、蛍光体層５０がチップ２０の上だけに設けられている点で、前述した図１（ａ）および（ｂ）に示す半導体発光装置と異なり、その他の構成は同じであり、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
例えば、シート状に成形された蛍光体層５０をチップ２０の上面に貼り付ける。蛍光体層５０は、実質的にチップ２０の上だけに設けられている。蛍光体層５０の側部が、チップ２０の側部２０ａよりも内側、あるいは蛍光体層５０の側部とチップ２０の側部２０ａとが連続して揃っていることに限らず、蛍光体層５０の側部が多少チップ２０の側部２０ａよりも外側にはみ出していても（例えば、ダイボンディングペースト４１の端ぐらいまではみ出していても）、蛍光体層５０は実質的にチップ２０の上だけに設けられているという表現に含む。
【００５１】
蛍光体層５０は、チップ２０よりも熱伝導率の低い樹脂６２の上には広がっていないので、蛍光体層５０における熱の滞留部分を生じさせることなく、蛍光体層５０の全領域にわたって熱を直接チップ２０に放熱することができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…支持体、１１…第１リード、１２…第２リード、２０…チップ、２１…支持基板、２２…発光素子、２３…半導体層、２４…発光層、２６，２７…電極パッド、３０…パッケージ、３１…側部、５０…蛍光体層、５１…蛍光体、６１…フィラー、７１，７２…ワイヤ
【図１】
2016134539.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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