説明

半導体発光装置

【課題】 従来の複数のLEDダイを積層する積層型LED装置には、積層するLEDダイの種類の制限や、積層するLEDダイの数に制限があり、高輝度化や色調の調整範囲が限定的であった。
【解決手段】 配線電極を有する回路基板3上に複数のLEDダイ1a〜1dを積層したLED装置10であって、LEDダイ1a〜1d間に蛍光体層2a〜2cやダイクロイックミラー6,7を介在さて小型化及び輝度向上を図り、さらに色度や経時変化の安定化を図る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は表示装置のバックライトや照明装置に用いられる半導体発光装置に関し、さらに詳しくは複数の半導体発光素子を積層してパッケージ化した半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体発光素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、表示装置のバックライトや照明装置等に広く利用されるようになってきた。以下、特に断らない限りウェハーから切り出した状態の半導体発光素子をLEDダイと呼び、LEDダイを回路基板に実装し樹脂等で被覆しパッケージ化した半導体発光装置をLED装置と呼び区別する。
【0003】
LED装置のなかには単一の回路基板に複数のLEDダイを実装するものがある。例えば、赤色発光のLEDダイ(R−LEDダイ)、緑色発光のLEDダイ(G−LEDダイ)、青色発光のLEDダイ(B−LEDダイ)が開発されたことから、加色混合型のLED装置が実用化されている。この加色混合型のLED装置は、R−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイを同時に発光させることによって白色の照明装置に用いられたり、R−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイのバランスを調整することによりフルカラーで発光する表示デバイス用素子として用いられたりする。
【0004】
加色混合型のLED装置は、ふつうR−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイを単一の回路基板上に平面的に実装配置することが多い。このとき各色の発光が分離して見えることがあり、加色混合を行うためには発光面上に拡散板等を配置したりしていた。つまりLEDダイを分散配置し発光させていたため混色性を高くすることが難しかった。
【0005】
この欠点を解決するため、R−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイを積層配置することにより、発光点を重ね合わせて混色性を高くしたLED装置が提案されている(例えば特許文献1,特許文献2,特許文献3)。
【0006】
特許文献1の図1に示されているLED装置は、面積の等しいR−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイを積層配置している。このとき下層のLEDダイの発光する長波長光が、短波長光を発光する上層のLEDダイを透過する構成とし、上層のLEDダイに含まれる発光層による吸収を軽減し効率化を図っている。以上のようにしてこのLED装置は、発光効率が良く小さな実装面積でありながら、白色発光或いはフルカラー発光を可能にしている。
【0007】
また特許文献2の図60に示されているLED装置は、R−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイの面積を順番に、小,中,大とし、面積が最大のB−LEDダイ上にG−LEDダイ,R−LEDダイを積層配置している。このLED装置では、下側のLEDダイが上側のLEDダイの影にならない領域に発光層を形成し、小型で高輝度の光源を実現させている。
【0008】
また特許文献3の図4に示されたLED装置は、B−LEDダイ上に面積の等しいR−LEDダイとB−LEDダイを積層し、各LEDダイの間にスペーサを配置している。このスペーサにより、LEDダイ間に中空部が形成され、この中空部によって各LEDダイが発する熱を空気中に放出している。このようにして特許文献3の図4に示されたLED装置は発光効率の低下を防止し、高輝度化を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2002−43627号公報(図1,図4)
【特許文献2】特許第3378465号公報(図60)
【特許文献3】特開2011−192672号公報(図4)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
上記特許文献1から3で示されていたLED装置は、LEDダイを積層することによりLED装置の小型化及び高輝度化が達成できることを示唆していた。しかしながらこれらのLED装置は、R−LEDダイ,G−LEDダイ,B−LEDダイを組合せていたため、白色化に際してR,G,Bのバランスをとることが難しいこと、各LEDダイの寿命及び経時変化が互いに異なること、及び3層構造以外の構成が考えにくいこと、が課題となっている。
【0011】
そこで本発明は、複数の半導体発光素子を積層し小型化及び輝度向上を図るとき、色度や経時変化が安定し、積層する層の数に制限のない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】
【0012】
上記目的を達成するため本発明における半導体発光装置は、配線電極を有する回路基板上に複数の半導体発光素子を積層して配置し、前記半導体発光素子間に蛍光体層を介在させたことを特徴とする。
【0013】
上記構成によれば、下層側の半導体発光素子から上方向に向かって出射する光の全て又は大部分が蛍光体層によって長波長側に波長変換される。この波長変換された光のうち上方に向かう光は、上層の半導体発光素子に入射するが、長波長側に波長変換されているので発光層でほとんど再吸収されず、上層の半導体発光素子を通過する。また他の蛍光体層に入射してもほとんど蛍光体により吸収されずに蛍光体層を通過する。このようにいったん長波長側に波長変換され上方に向かう光はそのまま半導体発光装置から出射する。すなわち半導体発光素子を積層しても、その半導体発光素子間に蛍光体層を備えていれば、波長変換された光を効率よく取り出すことができる。
【0014】
このとき半導体発光素子は比較的短い波長で発光すればよい。すなわち蛍光体により白色発光(又は長波長化)させているので、赤色で発光する半導体発光素子、緑色で発光する半導体発光素子、青色で発光する半導体発光素子、という3種類の半導体発光素子を準備する必要がない。このため、色のバランスがとりやすく、経時変化も均等化する。また半導体発光素子の積層数の制限がない。
【0015】
前記複数の半導体発光素子のうち最下層の半導体発光素子と前記回路基板上の間にも蛍光体層を介在させると良い。
【0016】
上記構成によれば、最下層の半導体発光素子から下方向に出射した光が、回路基板上の間に設けた蛍光体層によって長波長側に変換される。長波長側に変換された光のうち、そのまま上方に向かう成分、及び回路基板上面で反射され上方に向かう成分は、最下層の半導体発光素子の発光層でほとんど吸収されず、この半導体発光素子を通過し上方へ向かう。この成分が加わることにより半導体発光装置からの出射光を多くできる。
【0017】
前記複数の半導体発光素子のうち最下層の半導体発光素子は、前記回路基板上の配線電極にフリップチップ実装されていると良い。
【0018】
上記構成によれば、最下層の半導体発光素子が回路基板上の配線電極にフリップチップ実装され、上層側の半導体発光素子が回路基板上の配線電極にワイヤーボンディングされる。フリップチップ実装は接続用のワイヤーが不要なため実装面積が小さくなるので、半導体発光装置としてはワイヤーボンディング工程の軽減と実装効率の向上が図られる。
【0019】
前記複数の半導体発光素子のうち一部の半導体発光素子の下面にダイクロイックミラーを配設し、該ダイクロイックミラーが該ダイクロイックミラーを配設した前記半導体発光素子の発光波長より短い波長の光を反射し、長い波長の光を透過する特性を有すると良い。
【0020】
上記構成によれば、ダイクロイックミラーを配設した半導体発光素子が下方に向かって出射する短い波長の光は、ダイクロイックミラーによって反射し上方に向かう。このときダイクロイックミラーの下方にある半導体発光素子と蛍光体層による発光のうち上方に向かう成分はそのままダイクロイックミラーを通過する。この結果、実質的にダイクロイックミラーを配設した半導体発光素子から下方に向う発光成分がなくなるので半導体発光装置としての出射効率が改善する。
【0021】
前記複数の半導体発光素子のうち一部の半導体発光素子の上面にダイクロイックミラーを配設し、該ダイクロイックミラーが該ダイクロイックミラーを配設した前記半導体発光素子の発光波長より短い波長の光を透過し、長い波長の光を反射する特性を有すると良い。
【0022】
上記構成によれば、ダイクロイックミラーを配設した半導体発光素子が上方に向かって出射する短い波長の光は、ダイクロイックミラーを通過し、その上方にある蛍光体層に入射する。ここで蛍光体層により波長変換され下方に向かう長い波長の光はダイクロイックミラーで反射し上方に向かう。同様に、蛍光体層を介してダイクロイックミラーの上方にある半導体発光素子から下方に出射する波長の短い光が蛍光体層で長い波長の光に変換されたとき、この長波長に変換された光のうち下方に向かう成分は、ダイクロイックミラーで反射し上方へ向かう。このようにしてダイクロイックミラーで反射して上方に向かう光が加わるため半導体発光装置としての出射効率が改善する。
【発明の効果】
【0023】
上記の如く本発明の半導体発光装置によれば、小型化及び輝度向上を図るため複数の半導体発光素子を積層しても、色度や経時変化が安定し、積層する層数の制限をなくせる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の第1実施形態におけるLED装置10の断面図である。
【図2】図1に示すLED装置10の平面図である。
【図3】本発明の第2実施形態におけるLED装置20の断面図である。
【図4】本発明の第3実施形態におけるLED装置30の断面図である。
【図5】本発明の第4実施形態におけるLED装置40の断面図である。
【図6】本発明の第5実施形態におけるLED装置50の断面図である。
【図7】本発明の第6実施形態におけるLED装置60の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
(第1実施形態)
以下図面により本発明の詳細を説明する。図1,図2は本発明の第1実施形態における積層型のLED装置を示し、図1はLED装置10の断面図、図2は平面図を示し、図1は図2のA−A断面に対応している。
【0026】
図1,図2において10はLED装置であり、4層のLEDダイ1a,1b1c,1dが、各LEDダイ1a〜1d間に積層された3層の蛍光体層2a,2b,2cを介して回路基板3に積層している。各LEDダイ1a〜1dは長方形の形状を有し、LEDダイ1a,1cとが同一方向に配置され、LEDダイ1a,1cに対してLEDダイ1b,1dが直交配置されている。各LEDダイ1a〜1dの短辺に設けられた電極パッドは、ワイヤー4によって回路基板3上に形成された配線電極(図示せず)に接続されている。
【0027】
上記LED装置10は、LEDダイ1a〜1cとして発光波長の短い近紫外発光のUV−LEDダイ又は青色発光のB−LEDダイを使用し、蛍光体層2a〜2cとしてLEDダイの短波長の発光を長波長の光に変換する構成とする。このようにすると下層側のLEDダイが発光した短波長の光は上層の蛍光体層によって長波長の光に変換されるので、上層のLEDダイを通過するときの吸収が軽減される。この結果、LED装置10は、最上層(又は最上層側)のLEDダイによる短波長の発光と、下層の蛍光体層によって変換された長波長の光とを混合した混色光を出射する。
【0028】
また、蛍光体層は吸収スペクトルが発光スペクトルより短波長側にあるため、下層側の蛍光体層により波長側に変換された光が上層の蛍光体層により再吸収されづらくなる。前述のようにLEDダイとして短波長発光のLEDダイを使用し、蛍光体層で長波長変換させると、積層するLEDダイと蛍光体層の数の制限が無くなり、いろいろな組み合わせを行うことができるようになる。
【0029】
例えばLED装置10は、全てのLEDダイ1a,1b,1c,1dにB−LEDダイを使用し、全ての蛍光体層2a,2b,2cにYAG蛍光体層を使用することによって、各蛍光体層2a,2b,2cによる黄色光と最上層のB−LEDダイ1dの青色光とを混色し白色光を出射することができる。すなわち構成部品としてB−LEDダイとYAG蛍光体層の2部品を用意するだけで良く、部材の管理が単純化できる。さらに積層する段数を増やすことによってLED装置としての高輝度化を達成することができる。
【0030】
また、LED装置10において、LEDダイ1a,1b,1cをUV―LEDダイ(紫外線を発光するLEDダイ)とし、最上層のLEDダイ1dのみを青色光のB−LEDダイとし、全ての蛍光体層2a,2b,2cにYAG蛍光体層としても良い。このときも同様に高輝度白色光のLED装置を提供できる。
【0031】
さらに、LED装置10において、LEDダイ1a,1b,1cをUV―LEDダイとし、最上層のLEDダイ1dのみを青色光のB−LEDダイとし、蛍光体層2a,2b,2cを赤色蛍光体層と緑色蛍光体層の組み合わせとしても良い。この場合、R,G,B成分のバランスがとれた高輝度白色光のLED装置を提供できる。またLEDダイ1a〜1dを全てUV−LEDダイとし、LEDダイ1d上に青色発光する蛍光体層を追加しても良い。
【0032】
(第2実施形態)
次に図3により本発明の第2実施形態のLED装置について説明する。
図3は第2実施形態のLED装置20の断面図であり、基本的構成は図1に示す第1実施形態のLED装置10と同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。LED装置20がLED装置10と異なるところは、最下層のLEDダイ1aと回路基板3の間に第4の蛍光体層2dが挟持されていることである。LED装置20の構成においてもLED装置10の構成と同様に、全てのLEDダイ1a,1b,1c,1dにB−LEDダイを使用し、蛍光体層2a,2b,2cにYAG蛍光体層を使用することによって、各蛍光体層2a,2b,2cによる黄色光と最上層のB−LEDダイ1dの青色光の混色による白色光を出射することは同じである。
【0033】
異なるところは前述のごとく最下層のLEDダイ1aと回路基板3の間に第4の蛍光体層2dを設け、この蛍光体層2dも他の蛍光体層と同様のYAG蛍光体層としたことである。この結果最下層のLEDダイ1aから回路基板3方向に向う光は蛍光体層2dで波長変換された後、回路基板3の表面で反射され、LED装置20の出射面側に戻っていく(この場合、回路基板の表面は反射特性を良くしておくことが好ましい)。したがってLED装置20はLED装置10に比較して、最下層のLEDダイ1aから回路基板3方向に向う光を有効活用でき出射効率が高くなる。
【0034】
(第3実施形態)
次に図4により本発明の第3実施形態のLED装置について説明する。
図4は第3実施形態のLED装置30の断面図であり、基本的構成は図1に示す第1実施形態のLED装置10と同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。LED装置30がLED装置10と異なるところは、最上層のLEDダイ1dの上にさらに蛍光体層2eを積層してことである。
【0035】
このLED装置30においては、全てのLEDダイ1a,1b,1c,1dにUV−LEDダイを使用し、蛍光体層2aを赤色蛍光体層,蛍光体層2b,2cに緑色蛍光体層、蛍光体層2eに青色蛍光体層を使用することによって、全てUV−LEDダイの発光をR,G,Bの蛍光体層により波長変換した色調の良い白色光を出射するLED装置30となる。
【0036】
(第4実施形態)
次に図5により本発明の第4実施形態のLED装置について説明する。
図5は第4実施形態のLED装置40の断面図である。LED装置40では2層のLEDダイ1a,1bの間に1層の蛍光体層2aを積層した実施形態を示している。下層のLEDダイ1aは下面電極5a.5bを有し、回路基板3の配線パターンにフリップチップ実装されており、上層のLEDダイ1bは上面に電極パッドを有し、ワイヤー4によって回路基板3の配線パターンにワイヤーボンディングされている。また、本実施形態においては図3に示すLED装置20と同様に、下面電極5a.5bの周囲におけるLEDダイ1aと回路基板3の間には蛍光体層2dが設けられている。
【0037】
上記LED装置40の構成では最下層のLEDダイ1aが回路基板3上の配線パターンにフリップチップ実装され、上層側のLEDダイ1bが回路基板3上の配線パターンにワイヤーボンディングされる。このLEDダイ1aに対してフリップチップ実装を採用することにより、接続用のワイヤーが不要となるため実装面積は小さくて良くなり、LED装置40としてはワイヤーボンディング工程の軽減と実装効率の向上が図られる。
【0038】
また、LED装置40における、LEDダイと蛍光体層の組み合わせについては、いろいろ可能であるが、一例としてはLED装置10とほぼ同様に、LEDダイ1a,1bにB−LEDダイを使用し、蛍光体層2a,2dにYAG蛍光体層を採用することによって、各蛍光体層2a,2dによる黄色光と最上層のB−LEDダイ1bの青色光の混色による白色光を効率良く出射することがきる。また、本実施形態においては2層のLEDダイ構成の事例を示したが、LEDダイ及び蛍光体層をさらに積層しても良いことは当然である。
【0039】
(第5実施形態)
次に図6により本発明第5実施形態のLED装置について説明する。
図6は本発明の第5実施形態のLED装置50の断面図であり、基本的構成は図5に示す第4実施形態のLED装置40と同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。LED装置50がLED装置40と異なるところは、LEDダイ1bの下面にダイクロイックミラー6を配設したことであり、このダイクロイックミラー6の特性がダイクロイックミラー6を配設したLEDダイ1bの発光波長より短波長の光を反射し、長波長の光を透過する特性を有することである。
【0040】
上記構成によれば、ダイクロイックミラー6を配設したLEDダイ1bが下方に向かって出射する短波長の光線PSは、ダイクロイックミラー6によって反射し上方に向かう。このときダイクロイックミラー6の下方にある蛍光体層2aによる発光のうち上方に向かう光線PLはそのままダイクロイックミラー6を通過する。この結果、実質的にダイクロイックミラー6を配設したLEDダイ1bから下方に向う発光成分がなくなるのでLED装置としての出射効率が改善する。
【0041】
(第6実施形態)
次に図7により本発明の第6実施形態のLED装置について説明する。
図7は第6実施形態のLED装置60の断面図であり、基本的構成は図6に示す第5実施形態のLED装置50と同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。LED装置60がLED装置50と異なるところは、ダイクロイックミラー7をLEDダイ1aの上面に配設したことであり、ダイクロイックミラー7の特性が該ダイクロイックミラー7を配設したLEDダイ1aの発光波長より短い波長の光を透過し、長い波長の光を反射する特性を有することである。
【0042】
上記構成によれば、ダイクロイックミラー7を配設したLEDダイ1aが上方に向かって出射する短波長の光線PSは、ダイクロイックミラー7を通過し、その上方にある蛍光体層2aに入射し、蛍光体層2aにより波長変換される。なお蛍光体層2aにおいて光線PSにより発光し下方に向かう長波長の光(図示していない)はダイクロイックミラー7で反射し上方に向かう。同様に、蛍光体層2aを介してダイクロイックミラー7の上方にあるLEDダイ1bから下方に出射する波長の短い光PLは、蛍光体層2aで長い波長の光に変換され、この長波長に変換された光のうち下方に向かう光線PLは、ダイクロイックミラー7で反射し上方へ向かう。このようにしてダイクロイックミラー7で反射して上方に向かう光が加わるためLED装置60の出射効率が改善する。
【0043】
上記ダイクロイックミラー6,7を備えたLED装置50,60においても、LED装置40と同様にLEDダイと蛍光体層の組み合わせについては、いろいろ可能である。例えばLED装置40と同様に、LEDダイ1a,1bともにB−LEDダイを使用し、蛍光体層2a,2dにYAG蛍光体層を採用することによって、各蛍光体層2a,2dによる黄色光と最上層のB−LEDダイ1bの青色光との混色による白色光を効率良く出射することがきる。また、本実施形態においては2層のLEDダイ構成の事例を示したが、LEDダイ及び蛍光体層をさらに多層にしても良いことは当然である。
【0044】
上記の如く本発明によれば、UV−LEDダイやB−LEDダイのように比較的発光波長の短いLEDダイを積層して使用し、各LEDダイ間に蛍光体層を積層する構成によって、小型化及び高輝度化を達成することができる。また積層枚数に制限がないため、配置面積を広げることなく輝度向上が可能で、しかも蛍光体層の組み合わせをいろいろ変えることによって、色調の調整もできる。さらに同一のLEDダイ及び同一の蛍光体層を使用することができるため、特性のばらつきを小さくできたり、経時変化も同じにしたりできたりするので、LED装置として製品の安定化を図れる。
【符号の説明】
【0045】
1a,1b,1c,1d LEDダイ
2a,2b,2c,2d,2e 蛍光体層
3 回路基板
4 ワイヤー
5a,5b 下面電極
6,7 ダイクロイックミラー
10,20,30,40,50,60 LED装置


【特許請求の範囲】
【請求項1】
配線電極を有する回路基板上に複数の半導体発光素子を積層して配置し、前記半導体発光素子間に蛍光体層を介在させたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項2】
前記複数の半導体発光素子のうち最下層の半導体発光素子と前記回路基板上の間にも蛍光体層を介在させたことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項3】
前記複数の半導体発光素子のうち最下層の半導体発光素子は、前記回路基板上の配線電極にフリップチップ実装されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光装置。
【請求項4】
前記複数の半導体発光素子のうち一部の半導体発光素子の下面にダイクロイックミラーを配設し、該ダイクロイックミラーが該ダイクロイックミラーを配設した前記半導体発光素子の発光波長より短い波長の光を反射し、長い波長の光を透過する特性を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
【請求項5】
前記複数の半導体発光素子のうち一部の半導体発光素子の上面にダイクロイックミラーを配設し、該ダイクロイックミラーが該ダイクロイックミラーを配設した前記半導体発光素子の発光波長より短い波長の光を透過し、長い波長の光を反射する特性を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光装置。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2013−98427(P2013−98427A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−241469(P2011−241469)
【出願日】平成23年11月2日(2011.11.2)
【出願人】(000131430)シチズン電子株式会社 (798)
【出願人】(000001960)シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Fターム(参考)】