JP2004103735A

JP2004103735A - 発光装置

Info

Publication number: JP2004103735A
Application number: JP2002261882A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murayama; 村山　隆史; Hideyuki Fujimoto; 藤本　英之
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】目的とするところは，放熱性を飛躍的に向上することにあり，ひいては発光素子の光出力を安定化させ，劣化を防ぎ寿命特性を向上させることにある．
【解決手段】本発明の発光装置は、アイレッド２上に少なくとも第１ヒートシンク１が載置されてなるステムと、前記第１ヒートシンクに保持されてなる発光素子４とを有する発光装置において、前記第１ヒートシンクにおける発光素子の保持面に対向するする面側であって、前記アイレッド上に第２ヒートシンク１’が形成され、前記発光素子が第１のヒートシンクと第２のヒートシンクによって挟み込まれ、電気的及び熱的に接続されていることを特徴とする。例えば従来パッケージであるステムの場合，その放熱性はヒートシンクの熱容量で大方決まる．本発明の構成をとることにより，発光素子の両面より熱を放熱させることが可能となり，第１ヒートシンクをアイレッドに形成しただけの場合に比べ，約２倍の放熱性を容易に実現できる．このことは，副次的効果としてワイヤーが必要でなくなるばかりか、場合によっては工程の簡略化も可能である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光半導体を実装する発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザダイオード等の発光素子を実装する発光装置としては、図２，３に示すように、アイレッド２とヒートシンク１とアウターリード３により構成されるステムがある．発光素子４はヒートシンク上に実装され，封止キャップ６により外界から遮断されている．封止キャップ内は通常，不活性ガス等が充填される．また，封止キャップには窓部が形成されていて，発光素子からの光を外界へ取り出すことができる。
【０００３】発光素子は，一方の面を放熱部材であるヒートシンクが接続され，他方の面にワイヤーが張られる．この場合，発光素子からワイヤーへ熱輸送される量は，発熱量の数パーセント程度にしか過ぎず，大半が放熱部材であるヒートシンクを経由し，アイレッドへと放熱される．
【０００４】より多くの発熱を伴う発光素子においては，サブマウント上に発光素子と同じ高さを有するスペーサーを設け，発光素子とスペーサーをまたぐように冷却装置が固定される技術が開示されている．この場合，発光素子の放熱面で特に熱抵抗の小さい側にペルチェ素子等の冷却装置を配置させると冷却効果が増すことが記されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭和５７−５３８１号公報
【０００６】また，材料の熱抵抗は熱伝導率に反比例することから，ヒートシンクの材料をより熱伝導率の高い材料に置きかえるといったことが通常なされる．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，サブマウント上に発光素子と同じ高さを有するスペーサーを設け，発光素子とスペーサーをまたぐように冷却装置が固定される技術では，熱源を分散させたアレイレーザーなどには可能であるものの，より多くの発熱を伴う発光素子においては無理が生じる．なぜなら，冷却装置として上げられるペルチェ素子では，一つのペルチェ素子で吸熱できる熱量は少なく，発光素子が発する熱量を効率よく吸熱するには，複数個のペルチェ素子を並べたペルチェモジュールが必要であるばかりでなく，熱応答速度が求められるからである．また，ヒートシンクの材料をより熱伝導率の高い材料に置きかえるといったことが通常なされるが，発光素子の熱量が大ければ大きいほど，放熱以外の面で問題点が生じる．例えば，ヒートシンクと発光素子との熱膨張係数差を考慮すること等である．この場合，ヒートシンクと発光素子との間に熱膨張係数を緩和させる緩和材料をはさむ等考慮した放熱設計が必要となり，対策が複雑化する．
【０００８】このように，これまで発光素子から発生する熱量を効率よく放熱する手段は幾つか考案されてきたものの，飛躍的に向上する放熱手段はなされていなかった。
【０００９】従って，本発明はこのような事情により成されたものであって，その目的とするところは，放熱性を飛躍的に向上することにあり，ひいては発光素子の光出力を安定化させ，劣化を防ぎ寿命特性を向上させることにある．
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の発光装置は、アイレッド２上に少なくとも第１ヒートシンク１が載置されてなるステムと、前記第１ヒートシンクに保持されてなる発光素子４とを有する発光装置において、前記第１ヒートシンクにおける発光素子の保持面に対向するする面側であって、前記アイレッド上に第２ヒートシンク１’が形成され、前記発光素子が第１のヒートシンクと第２のヒートシンクによって挟み込まれ、電気的及び熱的に接続されていることを特徴とする。例えば従来パッケージであるステムの場合，その放熱性はヒートシンクの熱容量で大方決まる．本発明の構成をとることにより，発光素子の両面より熱を放熱させることが可能となり，第１ヒートシンクをアイレッドに形成しただけの場合に比べ，約２倍の放熱性を容易に実現できる．このことは，副次的効果としてワイヤーが必要でなくなるばかりか、場合によっては工程の簡略化も可能である。
【００１１】また本発明の発光装置において、発光素子からの発光がヒートシンクにより妨げられないよう，発光素子がヒートシンクに搭載されている。発光素子は，発光素子に形成された電極とヒートシンクとが導電性接着剤を介して電気的及び熱的に接続される．図４に示すように，少なくとも発光素子出射側端部をヒートシンク端部より突出させることで，接続時に生じる導電性接着剤の光出射端面への回り込みを防ぎ，発光素子からの発光を外界へ確実に取り出すことができる．
【００１２】さらにまた本発明の発光素子は、該発光素子に形成された電極と第１及び第２ヒートシンクとが導電性接着材料を介して接続されている．発光素子とヒートシンクの接続部は，導電性接着材料を経由してヒートシンクへ放熱される熱輸送経路となるだけでなく，素子に電力を供給する電極としての機能を兼ね備えている．よって，導電性接着材料として，熱伝導性にも優れた材料を選択することにより，電気的及び熱的に接続させることが可能となる．
【００１３】さらにまた本発明の発光装置における導電性接着部材は、共晶材料である。発光素子の電極及び，ヒートシンクが，導電性接着材料を介して一度で固定できる．特にＡｕＳｎ，ＡｕＳｉ，ＳｎＡｇＣｕ，ＳｎＣｕ，ＰｂＳｎ，ＩｎＳｎ，Ｉｎからなる群から選択される少なくとも１種又は１種を含む接着材料を含む導電性接着材料である。
【００１４】さらにまた本発明の発光装置における共晶材料が、前記発光素子における第１ヒートシンク側と第２ヒートシンク側で融点温度が同一又は異なる。第１ヒートシンクと発光素子と第２ヒートシンクを同時に貼り合わせる場合は共晶材料の融点は統一させた方が発光素子と第１ヒートシンクの接続面、及び発光素子と第２ヒートシンクの接続面を同時に融着することが可能となるので都合がよく、また、一方のヒートシンクと発光素子を融着した後に他方のヒートシンクを融着するような２段階工程の場合は、先に融着する共晶材料を後に融着する共晶材料よりも融点の高いものを使用することにより、後の融着時に先の共晶材料が再度溶融し、実装がズレるという問題が生じない。
【００１５】さらにまた本発明の発酵装置において、共晶材料が、発光素子における第２ヒートシンクとアイレッドとの接続面に用いられ、かつ第２ヒートシンクとアイレッドとの接続面に用いられる共晶材料の融点温度が、発光素子と第２ヒートシンクとの接続面に用いられる共晶材料の融点温度と同一である。このように共晶材料を選択することにより、第２ヒートシンクを発光素子とアイレッドへ一度に接続することが可能となる。
【００１６】さらにまた本発明の発光装置において、発光素子が，発光層に垂直な面から発光を取り出す端面発光素子である．端面発光素子の場合，電極は発光層に平行な面として形成され，ヒートシンクと電気的に接続する面として用いる．このように形成された電極を放熱面として有効に用いることにより，発熱した熱を効率よく放熱させることができる．端面発光素子の例として，例えば端面発光ＬＥＤや端面発光ＬＤが挙げられる．
【００１７】さらにまた本発明の発光装置において，発光素子としての端面発光ＬＥＤ又はＬＤが窒化物半導体からなることを特徴とする。窒化物半導体から成る発光素子は，他のＧａＡｓ系やＧａＩｎＰ系と比べて発熱量が大きいため，本発明の構成は特に放熱面において有効である。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下図面に基づいて、本発明の実施の形態につき説明する。図１（ａ）に本発明の発光装置を展開した場合の模式的斜視図，また図１（ｂ）に図１（ａ）を組み立てた模式的斜視図を示す。
【００１９】発光素子の実装方法として，まず第１ヒートシンクと発光素子とを貼り合わせした後，第２ヒートシンクを貼り合わせる方法が考えられる（逆に第２ヒートシンクと発光素子とを貼り合わせた後に第１ヒートシンクを貼り合わせても良い）．このように２段階で貼り合わせる場合、先に貼り合わせる面に用いる導電性接着材料の融点が，後に貼り合わせる面に用いる導電性接着材料の融点より高くなるようにすると，先に貼り合わせた発光素子が後で貼り合わせる際にヒートシンクよりはがれる問題がなくなる．
【００２０】また、第１ヒートシンクと発光素子と第２ヒートシンクを同時に貼り合わせても良い。この場合，実装に用いられる実装導電性接着材料の融点は統一され，一度に貼り合わせることが可能となり，工程が簡略化できる。
【００２１】
【実施例】以下に実施例を示すが、本発明は当然これに限定されるものではない。窒化物半導体レーザを成長基板（例えばサファイア基板）上にエピタキシャル成長させ、共振器，電極等を形成した後，成長基板を除去する。このようにして形成した窒化物半導体レーザ素子の一方の電極面と，第１ヒートシンクとの間に導電性接着部材として共晶材料ＡｕＳｎを挟み、第１ヒートシンク上に３００℃で実装する。次に窒化物半導体レーザ素子の他方の電極面と，第２ヒートシンクとの間に導電性接着部材として先ほどとは異なる組成比より成るＡｕＳｎを形成し、第２ヒートシンク上に２８０℃で実装する。このとき，第２ヒートシンクとアイレッドとの接続も，同じ組成比より成るＡｕＳｎを用いる．その後，これを窒素ガス雰囲気中において封止キャップを溶着し、窒化物半導体レーザを封止する。
【００２２】これによりＣＷ駆動室温連続発振するワット光源が得られる。第２ヒートシンクを設けない従来品と比較して熱抵抗を約半分に低減できる。
【００２３】
【発明の効果】本発明の構成をとることにより，第一ヒートシンクをアイレッドに形成しただけの場合に比べ，約２倍の放熱性を容易に実現することができる．また、それに伴う副次的効果としてワイヤーボンドが必要なくなり、場合によっては工程の簡略化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の発光装置における模式的展開斜視図である。
（ｂ）本発明の発光装置の封止キャップを外した状態の模式的斜視図である。
【図２】従来技術の発光装置における模式的断面図である。
【図３】従来技術の発光装置における模式的斜視図である。
【図４】本発明の発光装置における発光素子のヒートシンクに対する実装図である。
【図５】従来技術の発光装置における模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・第１ヒートシンク
１’・・・第２ヒートシンク
２・・・アイレッド
３・・・アウターリード
４・・・発光素子
５・・・モニター用フォトダイオード
６・・・封止キャップ
７・・・板ガラス
８・・・導電性基板
９・・・活性層
１１・・・導電性接着部材
１２・・・スペーサ

Claims

アイレッド２上に少なくとも第１ヒートシンク１が載置されてなるステムと、前記第１ヒートシンクに保持されてなる発光素子４とを有する発光装置において、前記第１ヒートシンクにおける発光素子の保持面に対向するする面側であって、前記アイレッド上に第２ヒートシンク１’が形成され、前記発光素子が第１のヒートシンクと第２のヒートシンクによって挟み込まれ、電気的及び熱的に接続されていることを特徴とする発光装置。
前記発光装置において、発光素子からの発光がヒートシンクにより妨げられないよう，発光素子がヒートシンクに搭載されている請求項１に記載の発光装置。
前記発光素子は、該発光素子に形成された電極と第１及び第２ヒートシンクとが導電性接着材料を介して接続されている請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記導電性接着部材が共晶材料である請求項３に記載の発光装置。
前記共晶材料が、前記発光素子における第１ヒートシンク側と第２ヒートシンク側で融点温度が同一又は異なる請求項４に記載の発光装置。
前記共晶材料が、前記発光素子における第２ヒートシンクとアイレッドとの接続面に用いられ、かつ第２ヒートシンクとアイレッドとの接続面に用いられる共晶材料の融点温度が、前記発光素子と第２ヒートシンクとの接続面に用いられる共晶材料の融点温度と同一である請求項５に記載の発光装置。
前記発光装置において、発光素子が，発光層に垂直な面から発光を取り出す端面発光素子である請求項１乃至請求項６に記載の発光装置。
前記端面発光素子が窒化物半導体からなる請求項７に記載の発光装置。