JP6589259B2

JP6589259B2 - 発光素子及びこれを用いた発光装置

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Publication number: JP6589259B2
Application number: JP2014127120A
Authority: JP
Inventors: 俊介湊
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: JP2016006821A

Description

本開示は、発光素子及びこれを用いた発光装置に関する。

透明絶縁基板とその下面に形成された半導体層とを有する半導体発光素子（ＬＥＤチップ）と、マザー基板との接続を取るための接続電極とを備え、前記半導体発光素子から出射する光の一部を波長変換する半導体発光装置において、前記半導体発光素子の側部を覆う白色反射部材を有する半導体発光装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１２−２２７４７０号公報

しかしながら、上記従来の発光装置では、マザー基板に実装する際に用いられる接合部材が、ＬＥＤチップや白色反射部材と実装基板の隙間からはみ出してＬＥＤチップの外側にまで広がってしまい、これによりＬＥＤチップから出射した光が吸収されてしまうという問題があった。

上記課題は、次の手段により解決される。

一対の電極を下面に備えるＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの側面を被覆し、前記ＬＥＤチップの上面と前記ＬＥＤチップが備える一対の電極の下面とが露出するように前記ＬＥＤチップの表面を覆う光反射性部材と、を備えた発光素子であって、前記光反射性部材の下面に凹みが設けられていることを特徴とする発光素子。

上記した発光素子によれば、接合部材による光の吸収を抑制して、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

実施形態１に係る発光装置の模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は凹みＸと実装基板の上面に形成された実装電極の位置関係を説明する図である。実施形態２に係る発光装置の模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は凹みＸと実装基板の上面に形成された実装電極の位置関係を説明する図である。

［実施形態１に係る発光装置］
図１は、実施形態１に係る発光装置の模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は凹みＸと実装基板の上面に形成された実装電極の位置関係を説明する図である。

図１に示すように、実施形態１に係る発光装置１００は、発光素子１０と、発光素子１０が実装される実装基板２０と、発光素子１０と実装基板２０とを接合する接合部材３０と、を備えた発光装置である。発光素子１０は、一対の電極１２１、１２２を下面に備えるＬＥＤチップ１２と、ＬＥＤチップ１２の側面を被覆し、ＬＥＤチップ１２の上面とＬＥＤチップ１２が備える一対の電極１２１、１２２の下面とが露出するようにＬＥＤチップ１２の表面を覆う光反射性部材１４と、を備えている。実施形態１によれば、接合部材３０がＬＥＤチップ１０と実装基板２０の隙間からはみ出しても、ＬＥＤチップ１２の側面は接合部材３０で覆われない。したがって、接合部材３０による光の吸収を抑制して、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。以下、詳細に説明する。

（発光素子１０）
発光素子１０は、ＬＥＤチップ１２と光反射性部材１４とを備えている。発光素子１０は、図１に示すような上面発光型の発光素子として実装基板２０に実装されてもよいが、側面発光型の発光素子として実装基板２０に実装されてもよい。

＜ＬＥＤチップ１２＞
ＬＥＤチップ１２としては、例えば略直方体形状の半導体層１２０の下面（ＬＥＤチップ１２の下面でもある。）に一対の電極１２１、１２２が形成されたものを用いることができる。半導体層１２０は、例えば、ｎ型半導体層１２０ａと発光層としての活性層１２０ｂとｐ型半導体層１２０ｃとを備えている。ｎ型半導体層１２０ａ、活性層１２０ｂ、及びｐ型半導体層１２０ｃには、例えば、ＺｎＳｅ、窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＧａＰなどを用いることができる。なお、活性層１２０ｂは光を出射する層であるが、活性層１２０ｂから出射する光の波長は限定されない。

ＬＥＤチップ１２は、図１のように半導体層１２０を成長させる成長基板１２０ｄを備えていてもよい。ただし、成長基板１２０ｄを備えないようにＬＥＤチップ１２を構成することも可能であり、この場合は、例えば、成長基板１２０ｄ上に半導体層１２０を成長させた後に、レーザーリフトオフ法、メートル法、ケミカルリフトオフ法、あるいは研磨法などにより、成長基板１２０ｄを半導体層１２０から剥離もしくは除去する。

ＬＥＤチップ１２が備える一対の電極１２１、１２２は、前述のとおり、半導体層１２０の下面（ＬＥＤチップ１２の下面でもある。）に形成されている。ここで、一対の電極１２１、１２２のうち電極１２１は例えばＬＥＤチップ１２のｐ側電極であり、一対の電極１２１、１２２のうち電極１２２は例えばＬＥＤチップ１２のｎ側電極である。なお、ＬＥＤチップ１２の下面は、発光素子１０を実装基板２０に実装したときに、実装基板２０の上面と対向する。また、ＬＥＤチップ１２の上面（発光面）は、ＬＥＤチップ１２の光が取り出される発光面であり、ＬＥＤチップ１２の下面と反対側に設けられている。

ＬＥＤチップ１２が備える一対の電極１２１、１２２が接合部材３０を介して実装基板２０の上面に設けられた実装電極２０１、２０２にそれぞれ接合されることにより、発光素子１０は実装基板２０に実装される。すなわち、実装基板２０の上面に設けられた実装電極２０１、２０２のうち実装電極２０１が例えば正極であり実装電極２０２が例えば負極である場合、ＬＥＤチップ１２の電極１２１は実装基板２０の実装電極２０１に接合部材３０を介して接合され、ＬＥＤチップ１２の電極１２２は実装基板２０の実装電極２０２に接合部材３０を介して接合される。

ＬＥＤチップ１２が備える一対の電極１２１、１２２の形状や材料は、種々変更できる。ただし、一対の電極１２１、１２２は、実装電極２０１、２０２に接合される部材であるため、接合部材３０との濡れ性や接合信頼性を考慮した材料・形状であることが好ましい。一対の電極１２１、１２２は、スパッタや蒸着、メッキなどで形成することができる。

＜光反射性部材１４＞
光反射性部材１４は、ＬＥＤチップ１２の上面と一対の電極１２１、１２２の下面とが露出するようにＬＥＤチップ１２の表面、つまり、少なくともＬＥＤチップ１２の外側面を覆う。また、一対の電極１２１、１２２の外側面も任意に覆う。これにより、接合部材３０がＬＥＤチップ１２の側面（特に一対の電極１２１、１２２の側面）に接触することが防止される。また、光反射性部材１４がＬＥＤチップ１２の側面だけでなく下方にも設けられていることで、ＬＥＤチップ１２から下方に透過する光が光反射性部材１４で反射されるようになるため、ＬＥＤチップ１２の下方からの光の透過が抑制される。この場合、光反射性部材１４は一対の電極１２１、１２２が形成されていない部分のＬＥＤチップ１２の下面を被覆していてもよい。また、一対の電極１２１、１２２の内側面も被覆していてもよい。

光反射性部材１４の下面、より詳細には光反射性部材１４の外周部の下面には凹みＸが設けられている。ＬＥＤチップ１２と実装基板２０の隙間からはみ出した接合部材３０は凹みＸに収容され、ＬＥＤチップ１２の側面は接合部材３０により覆われない。光反射性部材１４の下面に凹みＸが設けられる場合には、接合部材３０のはみ出しを低減し、一つの発光素子１０の実装に必要な面積を小さくすることができるため、複数の発光素子１０を並べて実装基板２０に実装するにあたり、発光素子１０間の距離（実装ピッチ）を狭くすることができる。また、複数の発光素子１０を並べて実装基板２０に実装するにあたっては、発光装置１００全体としての光吸収を低減して、発光装置１００の光取出し効率を高めることができる。なぜなら、複数の発光素子１０を並べて実装基板２０に実装する場合には、ある発光素子１０から出射した光が隣接する発光素子１０の接合部材３０に吸収されるおそれがあるが、隣接する発光素子１０の接合部材３０が当該隣接する発光素子１０の凹みＸ内に収容されていれば、接合部材３０のはみ出しを低減することができ、接合部材３０による光吸収を低減することができるからである。

凹みＸの形状は、接合部材３０を収容できる形状であれば特に限定されない。一例を挙げると、凹みＸは例えば発光素子１０の下面に開口を有する穴形状や図１に示すような、光反射性部材１４の外周部の下面に設けられ、発光素子１０の側面に開口を有する段差形状を有するものとすることができる。凹みＸがこのような段差形状を有する場合は、接合部材３０を発光素子１０の下面に形成された穴に閉じ込めることなく、接合部材３０を発光素子１０の下面から発光素子１０の側面側にまで連続して形成できるため、発光素子１０の実装基板２０に対する接合強度を高めることができる。また、接合部材３０が発光素子１０の下面から発光素子１０の側面側にまで連続して形成されていれば、視認によって発光素子１０の実装基板２０に対する接合検査や確認を容易に行うことができる。

凹みＸは、実装基板２０の上面に形成された実装電極２０１、２０２の外周縁に沿って形成されていること（誤差と言える程度のずれがあってもよい。以下、同じ。）が好ましい。このようにすれば、接合部材３０を実装電極２０１、２０２の上面に設けることが容易になるため、発光素子１０の実装基板２０に対する接合強度や放熱性を高めることが可能になる。また、接合部材３０が半田である場合には、発光素子１０と実装電極２０１、２０２との間でセルフアライメント効果を得ることができるが、凹みＸが実装電極２０１、２０２の外周縁に沿って形成されていれば、凹みＸがセルフアライメント効果の妨げになることがないため（あるいは妨げになる程度が低減されるため）、発光素子１０を実装基板２０に容易に精度よく実装することができる。

凹みＸは、例えば、光反射性部材１４を凹みＸの形状に選択的な除去やパターニングすることで形成することができる。また、光反射性部材１４が液状の材料を硬化などさせたものである場合（例：光反射性部材１４が熱硬化性樹脂を基材とするような場合）には、ＬＥＤチップ１２の一対の電極１２１、１２２を上方に向けた状態とし、ＬＥＤチップ１２の底面に光反射性部材１４の材料を塗布することで、光反射性部材１４の材料を一対の電極１２１、１２２にはい上がらせて、凹みＸを有する光反射性部材１４を形成することができる。

光反射性部材１４には、例えば、白色フィラーや白色粉末などを含有している白色の部材を用いることができる。このような白色の部材の一例としては、絶縁性で光反射率が高く耐熱や耐光性が高い樹脂を挙げることができる。また、より具体的には、例えば酸化チタンや酸化珪素、硫酸バリウム、酸化アルミニウム等を含有するシリコーン樹脂やこれらの変性タイプ、レジストなどを一例として挙げることができる。

（実装基板２０）
実装基板２０としては、例えばガラスエポキシやポリイミドやセラミックなどの絶縁性の基材の上に実装電極が設けられたプリント基板を用いることができる。実装基板２０は、可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。実装基板２０の上面に設けられる実装電極２０１、２０２としては、例えば銅、アルミニウム等の薄膜等を用いることができる。発光素子１０は実装基板２０に対して例えばフリップチップ実装により実装される。実装基板２０の形状は特に限定されず、例えば、板状、帯状、フィルム状、テープ状などは実装基板２０の形状の一例である。

（接合部材３０）
接合部材３０としては、例えば半田などの金属材料（図１参照）のほか、導電性樹脂や異方性導電ペーストなどの樹脂を基材とする接着剤（図２参照）を用いることができる。接合部材３０は、ＬＥＤチップ１２と実装基板２０の隙間（ＬＥＤチップ１２の下面と実装基板２０の上面が対向する空間）に設けられ、発光素子１０と実装基板２０を接合する。

（蛍光体層１６）
図１に示すように、ＬＥＤチップ１２の上面には、これを覆う蛍光体層１６が設けられていてもよい。この場合、光反射性部材１４は、蛍光体層１６の下面（より具体的には、蛍光体層１６の下面のうちＬＥＤチップ１２の上面に面していない領域）を覆うことが好ましい。このようにすれば、蛍光体層１６の下面から発光素子１０の下方側に光が抜けることを低減できるため、発光装置１００の光取出し効率を高めることができる。なお、蛍光体層１６の下面（より具体的には、蛍光体層１６の下面のうちＬＥＤチップ１２の上面に面していない領域）が光反射性部材１４により覆われる場合は、凹みＸが、蛍光体層１６の下面のうち光反射性部材１４で覆われている領域の下方に設けられていることが好ましい。このようにすれば、蛍光体層１６と接合部材３０の距離が近くなるため、接合部材３０を介して蛍光体層１６から実装基板２０への放熱性を向上させることが可能となる。なお、この場合は、接合部材３０として、光反射性部材１４よりも熱伝導性の高い材料（例：半田等の金属材料）を用いることが好ましい。

蛍光体層１６としては、例えば、蛍光体が混合された透光性樹脂を用いることができる。このような透光性樹脂は、例えば、塗布、印刷、シート状の蛍光体含有成形体の貼り付け、蛍光体と樹脂と溶剤とを混合したスラリーのスプレーによる塗布により形成することができる。なお、蛍光体層１６は、樹脂などと混合されることなく、蛍光体のみで形成されたものであってもよい。その他、蛍光体層１６としては、蛍光体がガラスに混合されたものや蛍光体が焼結されて形成された板状の部材などを用いることもできる。

蛍光体層１６を構成する蛍光体は、波長変換部材としてＬＥＤチップ１２から出射した光の少なくとも一部を吸収して異なる波長を有する光を発する蛍光部材である。このような蛍光部材の具体的な材料としては、例えばイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体や、Ｅｕ、Ｃｅなどのランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体や、酸窒化物系蛍光体などを用いることができる。例えば、ＬＥＤチップ１２から青色光が出射される場合においては、緑色から黄色の波長域にある光を発光する蛍光体（例：ＹＡＧ系蛍光体、ＬＡＧ系蛍光体、Ｍ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ（ＭはＳｒ、Ｃａ、Ｂａなど）のシリケート蛍光体、あるいはこれらの組み合わせ）や、赤色の波長域にある光を発光する蛍光体（例：（Ｓｒ、Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：ＥｕのようなＳＣＡＳＮ系蛍光体、ＣａＡｌＳｉＮ_３：ＥｕのようなＣＡＳＮ系蛍光体、ＳｒＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、ＫＳＦ蛍光体、あるいはこれらの組み合わせ）などを、所望の色調に適した組み合わせや配合比で用いることができる。なお、緑色や黄色の波長域にある光を発光する蛍光体に加えて赤色の波長域にある光を発光する蛍光体を用いれば演色性や色再現性を高めることができる。

ＬＥＤチップ１２の全表面のうち光反射性部材１４に被覆されていない表面は、保護層で被覆されることが好ましい。例えば、上記の蛍光体層１６や蛍光体を含まない透光性の層（例えば透光性樹脂、透光性無機物の層）は、保護層の一例である。このようにすれば、ＬＥＤチップ１２を保護することができる。なお、このような保護層または／および蛍光体層１６の厚みの一例としては、例えば１０〜２００μｍを挙げることができる。

以上説明したように、実施形態１によれば、接合部材３０がＬＥＤチップ１０と実装基板２０の隙間からはみ出しても、ＬＥＤチップ１２の側面は接合部材３０で覆われない。したがって、実施形態１によれば、接合部材３０による光の吸収が抑制されるため、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

実施形態１は、ＬＥＤチップの側面が光反射性部材１４に被覆されてなる発光装置であるため、発光素子１０をチップサイズパッケージ（ＣＳＰ：ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ）として構成する場合に特に好ましく適用することができる。チップサイズパッケージとは、「ＬＥＤチップ１２のサイズと同等あるいはわずかに大きいパッケージ」のことである。

［実施形態２に係る発光装置］
図２は、実施形態２に係る発光装置の模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は凹みＸと実装基板の上面に形成された実装電極の位置関係を説明する図である。

図２に示すように、実施形態２に係る発光装置２００は、接合部材３０として樹脂を基材とする接着剤が用いられている点で、接合部材３０として金属材料が用いられている実施形態１に係る発光装置１００と相違する。実施形態２によっても、実施形態１と同様に、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。接合部材３０として樹脂を基材とする接着剤を用いる場合は、接合部材３０として金属材料を用いる場合とは異なり、実装基板２０の上面の全領域のうち実装電極２０１、２０２が形成されていない領域にも接合部材３０が形成される。以下では、実施形態１と相違する接合部材３０について説明する。なお、接合部材３０以外の部材については、実施形態１と同じであるので、説明を省略する。

（接合部材３０）
実施形態２では、接合部材３０として、熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）の基材中に導電性粒子が含有された異方性導電ペーストを用いている。このような異方性導電ペーストを用いる場合は、発光素子１０を実装基板２０に接合する際に、発光素子１０を実装基板２０に押し付ける必要があるため、接合部材３０が実装基板２０の上面において広がりやすい。しかしながら、実施形態２によれば、凹みＸにより、このような接合部材３０の広がりは低減される。

実施形態１のように、接合部材３０が半田等の金属材料である場合は、光反射性部材１４との濡れ性が低いため、接合部材３０がＬＥＤチップ１２と実装基板２０の隙間からはみ出し易いが、ＬＥＤチップ１２と実装基板２０の隙間からはみ出した接合部材３０が凹みＸに収容されるものとすれば、これらの部材を接合部材３０として用いる場合であっても、ＬＥＤチップ１２と実装基板２０の隙間からはみ出る接合部材３０の量が少なくなる。なお、前述のとおり、接合部材３０が半田である場合には、凹みＸを実装電極２０１、２０２の外周縁に沿って形成することにより、凹みＸがセルフアライメント効果の妨げになることがないため（あるいは妨げになる程度が低減されるため）、発光素子１０を実装基板２０に容易に精度よく実装することができる。

他方、実施形態２のように、接合部材３０が樹脂を基材とする材料、例えば異方性導電ペーストや銀ペースト等である場合は、光反射性部材１４との濡れ性が高いため、接合部材３０が光反射性部材１４の側面に付着しやすい。しかしながら、ＬＥＤチップ１２と実装基板２０の隙間からはみ出した接合部材３０が凹みＸに収容されるものとすれば、これらの部材を接合部材３０として用いる場合であっても、光反射性部材１４の側面に付着する接合部材３０の量が少なくなる。

なお、実装基板２０として、上述のようなフィルム状の基材の上に実装電極が設けられ、可撓性を有するフレキシブル基板を用いた場合、実装基板２０が曲がった際に実装基板２０から発光素子１０が剥がれたり、発光素子１０が破壊されるおそれがある。しかし、実施形態２のように、接合部材３０に樹脂を基材とする材料、例えば異方性導電ペーストや銀ペースト等を用い、接合部材３０を、発光素子１０の下方から発光素子１０の凹みＸ内にまで設けて接合することで、実装基板２０と発光素子１０とを強固に接着することができ、発光装置の信頼性を高めることができる。

以上、実施形態について説明したが、これらの説明は一例に関するものであり、特許請求の範囲に記載された構成は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。

１０発光素子
１２ＬＥＤチップ
１２０半導体層
１２０ａｎ型半導体層
１２０ｂ活性層
１２０ｃｐ型半導体層
１２０ｄ成長基板
１２１電極
１２２電極
１４光反射性部材
１６蛍光体層
２０実装基板
２０１実装電極
２０２実装電極
３０接合部材
１００発光装置
２００発光装置
Ｘ凹み

Claims

半導体層と前記半導体層の下面に形成された一対の電極とを備えるＬＥＤチップと、
前記ＬＥＤチップの上面と前記一対の電極の下面とが露出するように、前記半導体層の側面及び下面と前記一対の電極の外側面及び内側面とを少なくとも覆う光反射性部材と、を備えた発光素子であって、
前記光反射性部材の外周部の下面に段差形状を有する凹みが設けられており、
前記凹みは、前記一対の電極の内側面には形成されておらず、前記一対の電極の外周縁に沿って形成されていることを特徴とする発光素子。
前記ＬＥＤチップの上面を覆う蛍光体層を備え、
前記光反射性部材が前記蛍光体層の下面を覆う、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記凹みは、前記蛍光体層の下面のうち、前記光反射性部材で覆われている領域の下方に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
前記光反射性部材は、さらに、前記ＬＥＤチップの下面のうち前記一対の電極が形成されていない部分を覆うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記光反射性部材は、前記一対の電極が有する側面のすべてを覆うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記光反射性部材の材料が前記一対の電極のそれぞれの側面を前記一対の電極の下面に向けてはい上がるように、前記光反射性部材の下面に前記凹みが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子。
半導体層と前記半導体層の下面に形成された一対の電極とを備えるＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップの上面と前記一対の電極の下面とが露出するように、前記半導体層の側面及び下面と前記一対の電極の外側面及び内側面とを少なくとも覆う光反射性部材と、を備えた発光素子と、
前記発光素子が実装される実装基板と、
前記発光素子と前記実装基板とを接合する接合部材と、を備え、
前記光反射性部材の外周部の下面に段差形状を有する凹みが設けられており、
前記凹みは、前記一対の電極の内側面には形成されておらず、前記一対の電極の外周縁に沿って形成されており、
前記接合部材のうち前記ＬＥＤチップと前記実装基板との隙間からはみ出た部分の少なくとも一部が前記凹みに収容されていることを特徴とする発光装置。
前記光反射性部材は、さらに、前記ＬＥＤチップの下面のうち前記一対の電極が形成されていない部分を覆うことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
前記光反射性部材は、前記一対の電極が有する側面のすべてを覆うことを特徴とする請求項７または８に記載の発光装置。
前記実装基板の上面に実装電極を備え、
前記凹みは前記実装電極の外周縁に沿って形成されている、
ことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の発光装置。
前記接合部材は、半田、導電性樹脂、及び異方性導電ペーストのいずれか一種であることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の発光装置。
前記発光素子がチップサイズパッケージであることを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の発光装置。
前記光反射性部材の材料が前記一対の電極のそれぞれの側面を前記一対の電極の下面に向けてはい上がるように、前記光反射性部材の下面に前記凹みが設けられていることを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載の発光装置。