JP2004186309A

JP2004186309A - Semiconductor light emitting device equipped with metal package

Info

Publication number: JP2004186309A
Application number: JP2002349892A
Authority: JP
Inventors: Ryoma Suenaga; 良馬末永
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting device capable of eliminating a structural problem in a metal package and capable of being manufactured stably while being high in reliability. <P>SOLUTION: The semiconductor light emitting device is provided with a semiconductor light emitting element 2, a lead electrode 18 conducted with the semiconductor light emitting element 2, a metal package 10 for receiving the semiconductor light emitting element 2, and a lid 12 at least whose surface is constituted of a metal and which serves as a lid body for sealing the metal package 10 so as to be airtight. The surface of the metal package 10 is covered by a metal having conductivity lower than that of a metal constituting the surface of the lid 12 while a projected part 10e formed on the metal package 10 is contacted with the flat part of the lid 12 whereby the metal package 10 is sealed so as to be airtight. Further, the rear surface electrode of an auxiliary element 4 for assisting the function of the light emitting element 2 is connected to the upper part of a conductive trestle 22 fixed through an insulating member 20. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本件発明は、バックライト、ディスプレイ、照明等の各種光源に使用される半導体発光装置に係り、詳細には、半導体発光素子が金属パッケージに収納された半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いた白色系ＬＥＤ等、高輝度、高出力な半導体発光装置が開発され、バックライト、ディスプレイ、照明等の各種光源用途に使用されている。こうした半導体発光装置は、リード電極を備えたパッケージにＬＥＤ等の半導体チップを封止して構成される。
【０００３】
従来の半導体発光装置では、半導体チップをプラスチック製のパッケージに収納し、モールド樹脂で封止することが一般的であった。ところが、半導体発光装置の用途が広がるにつれて、より高い信頼性と発光強度が求められている。例えば、航空機や車載用に利用される発光装置では、装置の温度が―２０℃以下から８０℃以上という広い範囲で変化し、振動にもさらされる。このような場合に、上記のようなプラスチックパッケージとモールド樹脂による封止では、モールド樹脂の膨張・収縮によってＬＥＤチップがダイボンド樹脂から剥離して発光特性が変化したり、ワイヤが断線する等して発光しなくなる場合がある。また、高い輝度を得るために大電流を流すと、パッケージによる放熱効果が十分でないために、発光素子の温度が上昇して、素子の動作不良や、パッケージ樹脂の劣化を起こす場合もある。
【０００４】
そこで、プラスチックパッケージとモールド樹脂による封止に代えて、金属によるパッケージを行うことが検討されている（例えば、特許文献１）。図６は、そのようなパッケージの１種であるキャンタイプパッケージの一例を示す模式断面図である。凸形状の金属ベース３４の厚さ方向に形成された貫通孔に、リード電極１６及び１８が挿入され、ガラス等の絶縁体３を介して気密絶縁的に封着されてステム３５が構成されている。このようなステム３５の上面に発光素子２がダイボンドされ、その上から底部側に鍔部を有する窓付金属缶１１が被せられ、ステムと金属缶１１を接合することによって気密封止されている。発光素子２の発光は、金属缶１１に嵌め込まれた透光性の窓部材４０を介して取出される。発光素子２上の一対の電極は、ステム上面から露出したリード電極１６及び１８に金ワイヤー６等によって接続されている。
【０００５】
このようにして構成された発光装置は、パッケージが金属にて構成され且つ内部が中空であるため、構成材料に樹脂を用いた場合と比べ非常に高い信頼性を有し、ワイヤ断線防止、耐湿性、耐熱性、及び放熱性に優れている。このため、発光装置に流す電流量を増加させ出力向上を図ることが可能である。
【０００６】
また、本件発明者等は、金属製のパッケージを使用することによって高信頼性を確保しながら、小型化・薄型化が可能な表面実装型の半導体発光装置を提案している（例えば、特許文献２参照）。図８は、そのような半導体発光装置の一例を示す模式断面図である。パッケージ１０は金属からなり、中央部にある凹部に発光素子２を収納している。パッケージ１０の上からは、窓部に透光性部材１４を嵌めた金属製リッド１２が接合され、発光素子２を気密封止している。また、パッケージ１０の貫通孔内には、硬質ガラス等の絶縁部材２０を介して正及び負のリード電極１６及び１８がそれぞれ挿入されている。リード電極１６及び１８の両端部は、金属パッケージ１０の底面側において他の部分よりも突出しており、且つリード電極１６及び１８の底面は凹部１０ａの底面と略同一平面上に位置している。
【０００７】
このように構成された金属パッケージは、図６と同様の信頼性を確保しながら、実装用基板等の上に半田バンプ等によって表面実装することが可能である。また、チップを収納する凹部１０ａが実装用基板に接触させることができるため、チップ２の放熱効率を高めることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２９０４７号公報
【特許文献２】ＷＯ０２／０８９２１９Ａ１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の金属パッケージを使用した半導体発光装置では、構造上種々の問題が生じる。例えば、高い信頼性を確保するためにはパッケージ内を気密性良くシールすることが重要となるが、金属同士を均一に接合することが難しく、製造歩留まりや信頼性が低くなりがちであった。
【００１０】
また、ある種の半導体発光装置では、保護ダイオードやフォトディテクタ等、発光素子の機能を補助する素子をパッケージ内に設置する必要がある。ところが、保護ダイオード等の補助素子は、素子の表面に正負両方の電極がある窒化ガリウム系半導体発光素子と異なり、素子の裏面に一方の電極がある構造が一般的である。従って、これらの補助素子を導電性の金属パッケージ内に設置するには、構造上の工夫が必要となる。さらに、金属性のパッケージにチップをダイスボンドするには、金属パッケージの位置を自動認識する必要があるが、金属パッケージは光反射率が高いためパッケージ内の位置を画像認識によって検出することが容易ではなかった。
【００１１】
そこで、本件発明は、これら金属パッケージにおける構造上の問題点を解消し、安定して製造でき、かつ、信頼性の高い半導体発光装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドとを備えた半導体発光装置であって、前記金属パッケージの表面が、前記リッド表面を構成する金属よりも導電率の高い金属で覆われており、前記金属パッケージに設けられた突起部と前記リッドの平坦部とが接合することにより、前記金属パッケージが気密封止されたことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、金属パッケージとリッドをシーム溶接する際の接合不良が防止でき、半導体発光装置の信頼性が向上する。即ち、金属パッケージの表面に形成されるＡｇ等のメッキ層が、リッド表面に形成されるＮｉ等のメッキ層よりも高導電率を有している場合、接合部に電流を流すと、低導電率のＮｉメッキ層側により大きなジュール熱が発生するため、ヒートバランスが崩れ、接合部とずれた位置にジュール熱が集中してしまう。そこで、本発明では、高導電率のメッキ層を有する金属パッケージ側に突起部を形成することにより、高導電率側の電流密度を高めて、ヒートバランスの中心が接合部に来るようにする。このことによって、安定したシーム溶接が可能となり、溶接部の信頼性も高まる。従って、信頼性に優れた半導体発光装置を提供することができる。
【００１４】
前記金属パッケージの最表面は、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ及びこれらを含む合金から成る群から選択された１種によって覆われていることが好ましい。これによってパッケージ表面の光反射散乱率が向上される他、メッキ層が溶接用ろう材となり、発光素子、ワイヤ、及びリッドと、金属パッケージ本体との密着性が向上される。更に、発光素子からの光が照射されるパッケージの主面側はメッキ層を光沢メッキとし、他の部材との密着性を高めたい部分のみのメッキ層を無光沢にすると、これらの効果は一層顕著になる。
【００１５】
一方、前記リッドの最表面は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｌ及びこれらを含む合金から成る群から選択された１種によって覆われていることが好ましい。これらの金属は、比較的硬く、酸化等を起しにくいため、これらの金属でリッド表面を覆うことにより半導体発光装置の信頼性が向上する。
【００１６】
また、本発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドとを備えた半導体発光装置であって、前記金属パッケージに絶縁部材を介して導電性台座が固定されており、該導電性台座上に、前記発光素子の機能を補助する補助素子が、その裏面電極を介して接合されたことも特徴とする。
【００１７】
補助素子としては、例えば、前記発光素子を静電気から保護する保護ダイオードを用いることができる。保護ダイオードを設けることによって、逆方向に高い静電気が加わった場合に素子破壊が起きることを防止して、半導体発光装置の信頼性を高めることができる。また、半導体発光素子がレーザである場合には、補助素子として、レーザの発光をモニタするフォトディテクタを設けても良い。フォトディテクタをパッケージ内部に設置することにより、部品点数の削減が可能となると共に安定いた光出力が得られ、信頼性の高い発光装置が得られる。
【００１８】
保護ダイオードやフォトダイオード等の補助素子は、正電極と負電極が、各々、基板の表面と裏面に形成されている場合が多い。従って、補助素子を単純に金属パッケージに設置すると、導電性を持つ金属パッケージ自身が極性を持つことになってしまうため、好ましくない。そこで、本発明では、金属パッケージに絶縁部材を介して導電性台座を固定し、その導電性台座上に補助素子の裏面電極を接合する。従って、金属パッケージ自身が極性を持つことを防止しながら、パッケージ内部に補助素子を収納することができる。
【００１９】
また、本発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドとを備えた半導体発光装置であって、前記金属パッケージの表面に、断面Ｖ字溝形状の矩形パターンが形成されたことも特徴とする。
【００２０】
この矩形パターンは、金属パッケージに発光素子をダイボンドする際に、金属パッケージ内の位置を自動認識するためのマーカとなる。金属パッケージは、表面の光反射率の高いため、一般的な十字状の突起部を形成してもコントラスト不足のために自動認識されにくい。そこで、本発明では、矩形形状で、かつ、断面Ｖ字状の凹部をマーカとすることにより、自動認識を容易にする。即ち、矩形であるため自動認識し易く、かつ、断面Ｖ字状の凹部であることによって凹部内とその周囲とにコントラストが付き易くなる。従って、金属パッケージの表面の光反射率が高い場合であっても、その位置を容易に自動認識することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る半導体発光装置の一例を模式的に示す上面図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ’断面における模式断面図、図３は、同ＩＩ−ＩＩ’断面における模式断面図である。尚、図１では、金属パッケージの内部構造を明確に示すため、リッドを省略している。また、本明細書では、発光素子が設置される側のパッケージ主面を表面とし、反対側の主面を背面または底面と表現する。
【００２２】
図１乃至３に示すように、本実施の形態に係る半導体発光装置において、金属パッケージ１０のほぼ中央に凹部１０ａ（＝チップ収納部）が設けられ、その上に、発光素子２として基板の表面に正負一対の電極が形成された窒化ガリウム系発光ダイオードがダイボンドされている。発光素子２の正負電極は、金属パッケージ１０内に絶縁部材２０を介して接続されたリード電極１６及び１８にワイヤー６によって接続されている。金属パッケージ１０には、蓋体としてリッド１２が接合されており、発光素子２やリード電極１６及び１８は不活性ガスによって気密封止されている。リッド１２には透光性窓材１４が嵌めこまれており、その透光性窓材１４を通じて窒化ガリウム系半導体発光素子２からの発光が取出される。
以下、本実施の形態に係る半導体発光装置の特徴的な構成について詳細に説明する。
【００２３】
（封止構造）
まず、この半導体発光装置の封止構造について詳細に説明する。図１に示すように、金属パッケージ１０には、発光素子２やリード電極１６及び１８を設置するための円形のベース台座１０ｃが形成され、ベース台座１０ｃの周囲から鍔部１０ｄがフリンジ状に延びている。一方、リッド１２は、図２及び図３に示すように、下面開放の円筒形状を有しており、その環状側面が金属パッケージのベース台座１０ｃに嵌め合わされることにより、金属パッケージ１０を封止する蓋体となる。リッド１２の下面からは、外向きに円形のフリンジ部１２ａが延びており、このフリンジ部１２ａが、金属パッケージの鍔部１０ｄと接合することによって、金属パッケージ１０が気密封止される。尚、ベース台座１０ｃとリッド１２が嵌め合わせ構造となっていることにより、位置決めを容易に行うことができ、量産性が向上され好ましい。
【００２４】
図４は、金属パッケージ１０とリッド１２の接合部を示す拡大断面図である。図４に示すように、金属パッケージ１０の鍔部には、環状の突起部１０ｅが形成されており、この突起部１０ｅがリッド１２の平坦なフランジ部１２ａと接触するように構成されている。金属パッケージ１０の突起部１０ｅとリッド１２とが接触するように加圧した状態で、リッド１２の２点に電極をあててパルス電流を流すことにより、リッド１２と金属パッケージ１０の接合部に発生するジュール熱を利用して連続的にシーム溶接される。即ち、金属パッケージ１０の表面は、Ｎｉ層がメッキされた上に、さらに、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ等のメッキ層１１が形成されており、リッド１２の表面は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｌ等のメッキ層１３が形成されている。金属パッケージ１０とリッド１２の接合部に電流が流れる際のジュール熱によってメッキ層１１及び１３が溶接される。
【００２５】
従来は、金属パッケージ１０の鍔部に環状の突起部１０ｅが形成されていなかったため、金属パッケージ１０とリッド１２の接合不良が発生し易く、また、接合部の信頼性も低かった。これは、金属パッケージ１０の表面に形成されるＡｇ等のメッキ層１１が、リッド１２の表面に形成されるＮｉ等のメッキ層１３よりも高導電率を有していたことに起因する。例えば、低導電率であるＮｉメッキ層１３と高導電率であるＡｇメッキ層１１の接合部に電流を流すと、低導電率のＮｉメッキ層１３の側により大きなジュール熱が発生するため、ヒートバランスが崩れ、接合部とずれた位置にジュール熱が集中してしまう。そのため、接合部における溶接不良が発生し易くなり、溶接部の信頼性も低下する。溶接部の接合が不完全であると、パッケージ内に水分等が進入し易くなるため、金属パッケージ１０の表面に形成されたＡｇ等のメッキ層１１が硫化又は酸化してしまう。
【００２６】
本件発明では、高導電率のメッキ層１１が形成された金属パッケージ１０の側に突起部１０ｅを形成するため、金属パッケージのメッキ層１１に流れる電流密度をリッドのメッキ層１３よりも高くして、導電率のアンバランスを補償することができる。このことにより、ヒートバランスが保たれ、接合部にジュール熱が集中し易くなるため、信頼性の高い溶接を安定して行うことができる。
【００２７】
突起部１０ｅの平面形状は、特に限定されず、ドット状の突起部１０ｅが線状に配列された形状であっても良いし、周期的に切れ目の入った環状であっても良い。この場合、突起部１０ｅ同士の間隔は、Ａｇ等のメッキ層が溶けることによって埋めることができる幅とする。尚、均一な溶接を行う観点からは、突起部１０ｅの平面形状は連続した環状であることが好ましい。また、突起部１０ｅは、図４に示すように１本の環状突起であっても良いし、同心円状に配列された複数本の環状突起であっても良い。また、突起部１０ｅの断面形状は、特に限定されず、矩形、半円形、三角形、台形等にすることができる。好ましくは、突起部１０ｅを図４に示すような台形断面とすることにより、ある程度の接合面積を確保しながら、電流を接合部に効率良く集中させて安定した溶接を行うことができる。
【００２８】
突起部１０ｅの幅は、特に限定されないが、狭過ぎては突起部の機械的強度が不足し、広過ぎては電流が十分に集中しない。従って、突起部１０ｅの幅は、
０．０５ｍｍ以上、より好ましくは０．１ｍｍ以上であることが望ましく、０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。また、突起部１０ｅの高さは、特に限定されないが、低過ぎては金属パッケージ１０が突起部１０ｅ以外でリッド１２が接触し易くなり、高過ぎては突起部１０ｅが部分的につぶれ易くなる。従って、突起部１０ｅの高さは、０．０１ｍｍ以上、より好ましくは０．０５ｍｍ以上であることが望ましく、０．１５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２９】
（保護ダイオード４、台座電極２２）
次に、金属パッケージ１０内の保護ダイオード４について、図１及び図２を参照しながら説明する。保護ダイオード４は、例えば、ツェナーダイオードから成り、発光素子４を静電放電（ＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃＤｉｓｃｈａｒｇｅ、以下「ＥＳＤ」）から保護する役割を果たす。即ち、保護ダイオード４は、発光素子２と並列接続されることにより、ＥＳＤによって発光素子２に大きな逆方向電圧が加わった際の電流を逃がす役割を果たして、発光素子２を保護する。一般的な保護ダイオード４では、正電極と負電極が、各々、基板の表面と裏面に形成されている。従って、保護ダイオード４を単純に金属パッケージ１０に設置すると、導電性を持つ金属パッケージ１０自身が極性を持つことになってしまう。金属パッケージ１０は、放熱を容易にするために実装用基板内で空気が循環し易い位置に設置される場合が多く、人が触れ易い。従って、金属パッケージ１０が極性を持つことは避ける必要がある。
【００３０】
そこで、本実施の形態では、図２に示すように、金属パッケージ１０内に形成した貫通孔の内部に、硬質ガラス等の絶縁部材２０を介して、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属、例えば、Ｆｅ５０％とＮｉ５０％の合金から成る導電性台座２２を形成し、その導電性台座２２の上面に保護ダイオード４の裏面電極を導電性接合剤によって接合する。そして、保護ダイオード４の表面電極とリード電極１８の間、及び、導電性台座２２の上面とリード電極２０の間を金線等のワイヤー６によって結線することにより、保護ダイオード４と発光素子２を並列接続することができる。このような方法で保護ダイオード４を設置することにより、金属パッケージ１０自身が極性を持つことを防止できる。
【００３１】
保護ダイオード４を設置する台座２２は、その上面に凹部２２ａが形成されていることが好ましい。これによって、図２に示すように、凹部２２ａ内に保護ダイオード４を設置して全体の高さを抑えながら、凹部２２ａよりも外側の台座２２上面でワイヤーボンディングを行うことにより、ワイヤーが金属パッケージ１０と接触する等の問題を防止することができる。
【００３２】
台座電極２２は、２つのリード電極１６及び１８の中心同士を結ぶ線分を中心として発光素子２の逆側であって、かつ、リード電極１６及び１８のほぼ中間に配置することが好ましい。このように配置することによって、保護ダイオード４と発光素子２を並列に結ぶワイヤー６の長さが均等になり、ワイヤー切れ等の不良発生を防止することができる。
【００３３】
また、台座２２が金属パッケージ１０を貫通し、台座電極２２の底面が、リード電極１６及び１８や金属パッケージの脚部１０ｂと同一の高さとなっていることが好ましい。このような形状にすることにより、発光装置を実装用基板に実装した時に、台座電極２２と実装用基板が接触するようになり、台座電極２２からも通電を行うことが可能となる。また、保護ダイオード４からの放熱性も向上する。
【００３４】
尚、本実施の形態では、発光素子を静電破壊から保護するための保護ダイオードを設ける場合について説明したが、ここで説明した台座電極を用いる構成は、保護ダイオード以外の機能補助素子を設ける場合にも適用できる。例えば、発光素子であるレーザの光をモニタするためのフォトディテクタをパッケージ内に収納する場合、金属パッケージ内に絶縁部材を介して台座電極を形成し、その台座電極上にフォトディテクタを設置することができる。
【００３５】
（矩形パターン２４）
図１に示すように、本実施の形態に係る金属パッケージ１０には、その表面に矩形のパターン２４が形成されている。図５（ａ）及び（ｂ）は、矩形パターン２４を部分的に拡大した上面図及び断面図である。この矩形パターン２４は、金属パッケージ１０に発光素子チップ２をダイボンドする際に、金属パッケージ内の位置を自動認識するためのマーカとなる。金属パッケージは、表面の光反射率の高いため、一般的な十字状の突起部を形成してもコントラスト不足のために自動認識されにくい。そこで、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように矩形形状で、かつ、図５（ｂ）に示すような断面Ｖ字状の凹部とすることにより、自動認識を容易にする。即ち、矩形であるため自動認識し易く、かつ、断面Ｖ字状の凹部であることによって凹部内とその周囲とにコントラストが付き易くなる。従って、金属パッケージ１０の表面の光反射率が高い場合であっても、その位置を容易に自動認識することができる。
【００３６】
（凹部１０ａ）
図１乃至３に示すように、発光素子２は、金属パッケージ１０の中央に設けられた凹部１０ａ内に設置されており、凹部１０ａの底面を介して実装用基板に放熱することになる。発光素子２の放熱性及びパッケージの小型化を考慮すると、金属パッケージは熱伝導の容易な薄肉で形成されることが好ましい。一方、パッケージ１０と絶縁部材２０との熱膨張率等の差による応力を抑えるには、金属パッケージ１０は厚肉で形成されることが好ましい。そこで本実施の形態では、発光素子が配置される凹部１０ａの底面を薄肉に形成し、絶縁部材２０を介してリード電極や台座電極を固定する周辺部を厚肉に形成している。
【００３７】
これにより、薄肉である凹部１０ａの底面と厚肉である周辺部とに熱抵抗差を設けることができ、効率よく凹部１０ａの底面より放熱することができる。凹部１０ａの底面の膜厚は、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍが好ましく、より好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。このように設定された凹部底面は、熱抵抗が低く好ましい。尚、凹部１０ａの周辺部の厚みは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍである。０．３ｍｍより薄い場合、パッケージ全体の強度が低下してしまう。またリッドとの溶接時に起こる応力歪により溶接界面にクラックが生じる恐れがある。また１．０ｍｍ以上の膜厚にすると、前記溶接界面にパルス電流が伝わりにくくなり、シールが不完全になる恐れがある。また発光装置が厚型化するとともにコストが高くなる。
【００３８】
また、凹部１０ａは、リード電極１６及び１８と対向する部分に切欠部を有していることが好ましい。即ち、図１及び図３に示すように、凹部１０ａがリード電極１６及び１８と対向する部分については、凹部１０ａの側壁の高さが他の部分よりも低くなるように形成されている。このことにより、凹部１０ａの底面に設置する発光素子２とリード電極１６及び１８とをワイヤー６にて接続する際に、ワイヤー６が金属パッケージ１０とショートすることを防止することができる。
【００３９】
凹部１０ａは、発光装置の中央部に位置することが好ましく、これにより良好な指向特性が得られる。また、凹部１０ａは、発光素子２の少なくとも発光層までが凹部内に収納されるだけの深さを有しており、かつ、凹部１０ａの内側壁は、上広がりの傾斜面となっていることが好ましい。このことにより、発光素子２の四方側面から発光された光を凹部内壁で反射して正面方向に取出すことができる。従って、特に窒化物半導体からなる発光素子にみられる発光ムラや色むらを改善することができる。また、凹部１０ａの内側壁が上広がりの傾斜面となっていると、凹部１０ａから外側に向かって肉厚がテーパ状に厚くなる。これにより、凹部１０ａの底面と周辺部との熱抵抗差が大きくなり、さらに放熱性も向上する。
【００４０】
一方、金属パッケージ１０の底面側から見ると、凹部１０ａの裏側は、凸形状となっており、その凸形状と脚部１０ｂやリード電極１６及び１８との間に溝が形成されている。これにより、実装基板に実装する際、各リード電極間で短絡が生じることを防止することができ、信頼性高く良好に実装することが可能となる。溝がない場合、前記リード底面に付着される半田が隣接するベース部等に付着し各電極間の絶縁が取れなくなりショートしてしまう恐れがある。
【００４１】
凹部１０ａは、例えば金属平板に絞り加工を施すことにより構成される。本実施の形態では、金属平板の主面方向から絞り加工を施して金属を背面方向に流し凹部を形成する。この流れた金属が凹部底面の一部となるように構成することで、実装面の面積を大きくすることができるとともに、凹部側面の底面側の膜厚を厚くすることができる。
【００４２】
尚、凹部１０ａ内の発光素子２を、発光素子２の光出射面を構成する材料よりも屈折率の小さな透光性部材で被覆すると、発光素子２とその外側との光屈折率差が緩和されるため、光の取り出し効率が向上され好ましい。また、蛍光体等の波長変換材料を用いて発光素子の波長を変換させる場合、発光素子２を被覆する透光性部材内に蛍光体を分散させても良い。本発明に用いられる金属パッケージは、特に発光素子が配置される凹部の放熱性が優れているため、発光素子２を覆う透光性部材は、無機物に限らず有機物を用いることも可能である。大電流投下を行った場合でも有機物から成る透光性部材の劣化はほとんどおこらず、良好な光学特性が得られる。
【００４３】
（リード電極１６及び１８、脚部１０ｂ）
図１及び図３に示すように、金属パッケージ１０は、発光素子を収納するための凹部１０ａの周辺部に、厚さ方向に貫通された貫通孔を２つ有し、それぞれの貫通孔内には、絶縁部材２０である硬質ガラスを介して正及び負のリード電極１６及び１８がそれぞれ挿入されている。２つのリード電極１６及び１８は、発光素子２と三角形を構成するように、パッケージ１０の片側に寄せて配置されている。そして、発光素子２を中心として、２つのリード電極１６及び１８の逆側には、金属パッケージ１０の一部が底面から突出した脚部１０ｂが形成されている。リード電極１６及び１８と２つの脚部１０ｂは、凹部１０ａの底面及び前述した保護ダイオード用台座電極２２の底面と略同一平面上に位置しており、半導体装置が実装用基板に実装される際の実装面を形成している。
【００４４】
ここで、正及び負のリード電極は、少なくとも一方をベース部の貫通孔内に絶縁体を介して挿入し、他方のリード電極を金属パッケージと一体成形することもできる。このように構成すると、金属パッケージが極性を持ってしまう点では好ましくないが、熱発生源であるパッケージ凹部の発光素子配置面から一方のリード電極まで絶縁体を有さず連続した材料にて構成できるため、放熱性が向上する。尚、脚部１０ｂは、例えば金属パッケージ１０の主面側からプレス加工を施して背面側へ金属の一部を流すことにより容易に形成することができる。
【００４５】
（金属パッケージ１０の材質）
リード電極及び金属パッケージの熱伝導率はそれぞれ、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、更に好ましくは１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。信頼性を維持しながら大電流を長時間投下することが可能な発光装置が得られる。またそれぞれの熱膨張率は、０．０５×１０^−４／ｄｅｇ以上０．２０×１０^−４／ｄｅｇ以下の範囲であることが好ましい。
【００４６】
金属パッケージの熱膨張率は、前記絶縁部材の熱膨張率と同様の値か、若しくは大きい値であることが好ましい。前者の場合、互いの部材が破損されることなく熱密着させることができる。また後者の場合、これらの熱膨張率の差が０．０１×１０^−４／ｄｅｇ以下であれば、互いの接触面積を出来るだけ大きくすることで熱膨張率の差による破損を回避しつつ前記熱膨張率の差の効果によりほどよく金属パッケージが貫通孔の内部方向に収縮され、前記貫通孔の内壁に基材の酸化膜を設けなくても、前記金属パッケージと前記絶縁部材とを密着させることができる。これにより、作業工程が簡略化され生産性が良好な発光措置が得られる。
【００４７】
また、金属パッケージの基材は、強い強度を有することが好ましく、これにより薄型のパッケージを信頼性高く形成することができる。金属パッケージの好ましい基材として、コバール、鉄などが挙げられる。コバールとはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であり、絶縁部材に用いられる低融点ガラスと近似の熱膨張率を有するので良好に気密封止を行うことができる。
【００４８】
金属パッケージ１０の最表面にはＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ａｕ等のメッキを施すことが好ましい。このように構成すると、パッケージ表面の光反射散乱率が向上される他、前述したように、Ａｇ等のメッキ層が溶接用ろう材となり、発光素子、ワイヤ、及びリッドと、金属パッケージ本体との密着性が向上される。更に、発光素子からの光が照射されるパッケージの主面側はＡｇ層を光沢にメッキし、他の部材との密着性を高めたい部分のみのＡｇ層を無光沢にメッキすると、これらの効果は一層顕著になる。
【００４９】
（リッド１２、透光性窓材１４）
本実施の形態において、リッド１２には、透光性窓材１４が嵌めこまれている。透光性窓材１４は、凹部１０ａに配置された発光素子２の上面に位置しており、凹部１２ａの内壁の延長線と交わるだけの面積を有している。従って、凹部１０ａの側面にて反射散乱された光を有効に取り出すことができる。
【００５０】
リッド１２の基材は、パッケージ１０本体及び窓部の透光性部材１４と熱膨張係数が近似していることが好ましい。また、リッド１２の材質の表面は基材の保護膜としてＮｉ、Ａｕ等のメッキ層を有することが好ましい。例えば、カーボン製の封着治具を用いて、リッド１２本体に形成された開口部内にタブレット状のガラスを配置し、通炉させることによりガラス１４とリッド１２とを気密絶縁的に封着させることができる。
【００５１】
リッド１２の形状は、パッケージ１０と密接可能な滑らかな平面を有し、且つ、パッケージ１０を気密封止できれば特に限定されるものではない。中央部が凸形状のリッド１２を用いると、透光性窓材１４の背面に色変換部材を良好にバインダーさせることができ、歩留まり良く発光装置を形成することができる。また、凸形状のリッド１２に柔軟性を有する部材を注入し、金属パッケージに電気的に接続された発光素子を挿入して一体化させると、耐熱応力に優れた発光装置が得られる。
【００５２】
更に、透光性窓部材１４を曲線を帯びたレンズ形状とすると、光の収束が良好となり、正面方向の光度が高い発光装置が得られる。例えば、青色ＬＥＤチップ２が載置された金属パッケージ１０に、指向角が４５度程度に設定され且つ背面に前記青色の光の一部を吸収し黄色の光を発光する蛍光物質を固着されてなる砲弾側レンズを透光性窓材１４として載置すると、これらの混色により高輝度に白色ビームを発光することが可能な小型化発光装置が得られる。このような発光装置は、携帯電話等の小型機械に備えられた描写機能に必要とされるフラッシュの用途に用いることができる。
【００５３】
（発光素子２）
本発明において発光素子２は特に限定されないが、蛍光物質を用いた場合、該蛍光物質を励起可能な発光波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子が好ましい。このような半導体発光素子としてＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。また所望に応じて、前記窒化物半導体にボロンやリンを含有させることも可能である。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００５４】
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、およびＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡＩＮ等のバッファー層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させる。
【００５５】
窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
【００５６】
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を形成させることができる。
【００５７】
本発明の発光素子において、白色系を発光させるには、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮して、発光素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。発光素子と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００５８】
なお本発明では、パッケージ本体は金属のみにて構成されているため紫外線による構成部材の劣化を抑制することができる。よって、本発明の発光装置に近紫外または紫外線領域を主発光波長とする発光素子を用い、前記発光素子からの光の一部を吸収して他の波長を発光することが可能な蛍光物質とを組み合わせることで、色ムラの少ない色変換型発光装置が得られる。ここで、前記蛍光物質を発光装置にバインダーする際には、比較的紫外線に強い樹脂や無機物であるガラス等を用いることが好ましい。
【００５９】
（蛍光物質）
本発明の発光装置は、発光素子と該発光素子から発光される光の少なくとも一部を吸収し他の光を発光することが可能な蛍光物質とを組み合わせることにより、所望の色調を有する光を得ることができる。また、蛍光物質は、拡散剤や顔料等他の部材と互換性を有しており、またこれらを組み合わせて用いることも可能である。これらの配置例として、リッドの窓部の部材１４に、の他物質を含有させてもよいし、窓部１４の内部表面にバインダーを用いて蛍光物質等を塗布してもよい。また金属パッケージの凹部内に樹脂等に含有させて配置させてもよい。
【００６０】
リッドの窓部に直接蛍光物質を含有させるには、例えば、リッド本体に開口部を設け、該開口部にガラスのパウダー状若しくはペレット状のものと粉末の蛍光物質との混合物を配置させ、プレス加工により一括成型させる。これにより蛍光物質含有の窓部が形成される。また、ガラスペーストに蛍光物質を混合したものを配置して焼成しても良い。
【００６１】
また、リッドの窓部の背面や発光素子の表面にバインダーにて蛍光物質を付着させる場合、前記バインダーの材質は特に限定されず、有機物及び無機物のいずれをも用いることができる。バインダーとして有機物を使用する場合、具体的材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂が好適に用いられる。特にシリコーン樹脂を用いると信頼性に優れ且つ蛍光物質の分散性を向上させることができ好ましい。またエラストマー状またはゲル状の部材を用いると、耐熱応力に優れた発光装置が得られる。
【００６２】
また、バインダーとして窓部の熱膨張率と近似である無機物を使用すると、蛍光物質を良好に前記窓部に密着させることができ好ましい。具体的方法として、沈降法やゾル−ゲル法等を用いることができる。例えば、蛍光物質、シラノール（Ｓｉ（ＯＥｔ）_３ＯＨ）、及びエタノールを混合してスラリーを形成し、該スラリーをノズルからリッドの窓部に吐出させた後、３００℃にて３時間加熱してシラノールをＳｉＯ_２とし、蛍光物質を固着させることができる。
【００６３】
また、無機物である結着剤をバインダーとして用いることもできる。結着剤とは、いわゆる低融点ガラスであり、微細な粒子であり且つ紫外から可視領域のふく射線に対して吸収が少なくバインダー中にて極めて安定であることが好ましく、沈殿法により得られた細かい粒子であるアルカリ土類のほう酸塩が適している。
【００６４】
また、大きい粒径を有する蛍光物質を付着させる場合、融点が高くても粒子が超微粉体である結着剤、例えば、デグサ製のシリカ、アルミナ、あるいは沈殿法で得られる細かい粒度のアルカリ土類金属のピロりん酸塩、正りん酸塩などを使用することが好ましい。これらの結着剤は、単独、若しくは互いに混合して用いることができる。
【００６５】
蛍光物質としては、例えば、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとした蛍光物質を用いることができる。具体的なイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質としては、ＹＡｌＯ_３：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）やＹ_４Ａｌ_２Ｏ_９：Ｃｅ、更にはこれらの混合物などが挙げられる。イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質にＢａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Ｓｉを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。本明細書において、Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素に置換され、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をＢａ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れが又は両方で置換され蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
【００６６】
更に詳しくは、一般式（Ｙ_ｚＧｄ_１−ｚ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ_１−ａＳｍ_ａ）３Ｒｅ‘_５Ｏ_１２：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも一種、Ｒｅ’は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体である。この蛍光物質は、ガーネット構造（ざくろ石型構造）のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピークも、５８０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまですそを引くブロードな発光スペクトルを持つ。
【００６７】
またフォトルミネセンス蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネセンスの発光輝度は低下する傾向にある。さらに、所望に応じてＣｅに加えＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｅｕらを含有させることもできる。
【００６８】
しかも、ガーネット構造を持ったイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ざくろ石型）系蛍光体の組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側にシフトする。また、組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長側にシフトする。Ｙの一部をＧｄで置換する場合、Ｇｄへの置換を１割未満にし、且つＣｅの含有（置換）を０．０３から１．０にすることが好ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるが、Ｃｅの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度を低下させることなく所望の色調を得ることができる。このような組成にすると温度特性が良好となり発光素子の信頼性を向上させることができる。また、赤色成分を多く有するように調整されたフォトルミネセンス蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光することが可能な発光装置を形成することができる。
【００６９】
このようなフォトルミネセンス蛍光体は、２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ざくろ石型）蛍光体や他の蛍光体を混合させてもよい。
【００７０】
（実装用基板）
図６は、本実施の形態に係る発光装置を、実装基板２７に実装した様子を示す上面図である。実装用基板２７の表面において、リード電極１６及び１８や台座電極に接続する配線２９とは別に、通電回路から絶縁され、配線２９よりも幅広の導電パターンから成る高熱伝導性領域２８を設け、高熱伝導性領域２８と凹部１１ａの底面とを導電性部材にて固着することにより、発光素子からの発熱を効率良く実装基板へ放熱することができる。従って、発光素子への電流投下量を増大させて、出力向上を図ることが可能となる。尚、金属パッケージ１０の背面に導電性を有する支持体を設けても良く、その場合は、支持体も凹部１０ａの底面と同様に高熱伝導性領域２８と導電性部材にて固着することが好ましい。
【００７１】
尚、本実施の形態では、表面実装型の金属パッケージを用いた半導体発光装置を例として説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、リード型のキャンタイプパッケージについても、本発明の技術思想を同様に適用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、金属パッケージにおける構造上の問題点を解消し、安定して製造でき、かつ、信頼性の高い半導体発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る半導体発光装置の一例を模式的に示す上面図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体発光装置のＩ−Ｉ’断面図である。
【図３】図３は、図１に示す半導体発光装置のＩＩ−ＩＩ’断面図である。
【図４】図４は、図１に示す半導体発光装置の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す半導体発光装置の矩形パターンを拡大して示す部分拡大図である。
【図６】図６は、半導体発光装置を実装用基板に実装した様子を示す上面図である。
【図７】図７は、従来の半導体発光装置を示す断面図である。
【図８】図８は、従来の半導体発光装置を示す断面図である。
【符号の説明】
２発光素子、
３蛍光体粒子、
４保護ダイオード、
６ワイヤー、
８接合材（ダイボンド材）、
１０金属パッケージ、
１０ａ凹部、
１０ｂ脚部、
１０ｃベース台座、
１０ｄ突起部、
１２リッド、
１４透光性窓材、
１６、１８リード電極、
２０絶縁部材、
２２導電性台座、
２４矩形パターン。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device used for various light sources such as a backlight, a display, and illumination, and more particularly, to a semiconductor light emitting device in which a semiconductor light emitting element is housed in a metal package.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-brightness, high-output semiconductor light-emitting devices such as white LEDs using gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting elements have been developed and used for various light sources such as backlights, displays, and lighting. Such a semiconductor light emitting device is configured by sealing a semiconductor chip such as an LED in a package having a lead electrode.
[0003]
In a conventional semiconductor light emitting device, a semiconductor chip is generally housed in a plastic package and sealed with a mold resin. However, as the applications of the semiconductor light emitting device are widened, higher reliability and higher light emission intensity are required. For example, in a light emitting device used for an aircraft or a vehicle, the temperature of the device changes in a wide range from −20 ° C. or lower to 80 ° C. or higher, and the device is also exposed to vibration. In such a case, in the encapsulation with the plastic package and the mold resin as described above, the LED chip peels off from the die bond resin due to expansion and contraction of the mold resin, and the light emission characteristics change, and the wire is disconnected. Light emission may not be possible. Further, when a large current is applied to obtain high luminance, the heat radiation effect of the package is not sufficient, so that the temperature of the light emitting element rises, which may cause malfunction of the element and deterioration of the package resin.
[0004]
Therefore, it has been studied to use a metal package instead of a plastic package and sealing with a mold resin (for example, Patent Document 1). FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a can type package which is one type of such a package. Lead electrodes 16 and 18 are inserted into through-holes formed in the thickness direction of the convex metal base 34, and are hermetically sealed via an insulator 3 such as glass to form a stem 35. I have. The light emitting element 2 is die-bonded to the upper surface of such a stem 35, and a metal can 11 with a window having a flange portion is put on the upper surface of the light emitting element 2 from above, and hermetically sealed by joining the metal can 11 with the stem. . Light emitted from the light emitting element 2 is extracted through a translucent window member 40 fitted in the metal can 11. The pair of electrodes on the light emitting element 2 are connected to the lead electrodes 16 and 18 exposed from the upper surface of the stem by the gold wire 6 or the like.
[0005]
The light emitting device thus configured has a very high reliability as compared with the case where a resin is used as a constituent material since the package is made of metal and the inside is hollow, and prevents wire breakage and moisture resistance. Excellent heat resistance, heat resistance and heat dissipation. For this reason, it is possible to increase the amount of current flowing through the light emitting device to improve the output.
[0006]
In addition, the present inventors have proposed a surface-mount type semiconductor light emitting device that can be reduced in size and thickness while securing high reliability by using a metal package (for example, see Patent Document 1). 2). FIG. 8 is a schematic sectional view showing an example of such a semiconductor light emitting device. The package 10 is made of metal, and accommodates the light emitting element 2 in a recess at the center. From above the package 10, a metal lid 12 in which a translucent member 14 is fitted to a window portion is joined to hermetically seal the light emitting element 2. Positive and negative lead electrodes 16 and 18 are inserted into the through holes of the package 10 via an insulating member 20 such as hard glass. Both ends of the lead electrodes 16 and 18 protrude more than other portions on the bottom surface side of the metal package 10, and the bottom surfaces of the lead electrodes 16 and 18 are located on substantially the same plane as the bottom surface of the concave portion 10a.
[0007]
The metal package configured as described above can be surface-mounted on a mounting board or the like by solder bumps or the like while securing the same reliability as that of FIG. In addition, since the concave portion 10a for accommodating the chip can be brought into contact with the mounting substrate, the heat radiation efficiency of the chip 2 can be improved.
[0008]
[Patent Document 1] JP-A-6-29047
[Patent Document 2] WO 02 / 089219A1
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the semiconductor light emitting device using the above-mentioned conventional metal package has various structural problems. For example, in order to ensure high reliability, it is important to hermetically seal the inside of the package. However, it is difficult to uniformly join the metals, and the production yield and reliability tend to be low.
[0010]
Further, in a certain kind of semiconductor light emitting device, it is necessary to install an element for assisting the function of the light emitting element, such as a protection diode or a photodetector, in the package. However, unlike a gallium nitride based semiconductor light emitting device having both positive and negative electrodes on the surface of the device, an auxiliary device such as a protection diode generally has a structure in which one electrode is provided on the back surface of the device. Therefore, in order to install these auxiliary elements in a conductive metal package, a structural device is required. Furthermore, in order to die-bond a chip to a metal package, it is necessary to automatically recognize the position of the metal package. However, since the metal package has a high light reflectance, it is easy to detect the position in the package by image recognition. Was not.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to solve the structural problems of these metal packages and to provide a semiconductor light emitting device which can be manufactured stably and has high reliability.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor light emitting device according to the present invention has a semiconductor light emitting element, a lead electrode electrically connected to the semiconductor light emitting element, a metal package for housing the semiconductor light emitting element, and at least a surface made of metal. And a lid serving as a lid for hermetically sealing the metal package, wherein the surface of the metal package is covered with a metal having higher conductivity than the metal forming the surface of the lid. The metal package is hermetically sealed by joining a projection provided on the metal package with a flat portion of the lid.
[0013]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the joint failure at the time of seam welding of a metal package and a lid can be prevented, and the reliability of a semiconductor light emitting device improves. That is, when a plating layer made of Ag or the like formed on the surface of the metal package has a higher conductivity than a plating layer made of Ni or the like formed on the surface of the lid, when a current is applied to the joint portion, a low conductivity is obtained. Since high Joule heat is generated on the side of the Ni plating layer having a high rate, the heat balance is lost, and Joule heat is concentrated at a position shifted from the joint. Therefore, in the present invention, by forming a protrusion on the metal package side having a plating layer with high conductivity, the current density on the high conductivity side is increased so that the center of the heat balance comes to the joint. This allows for stable seam welding and increases the reliability of the weld. Therefore, a highly reliable semiconductor light emitting device can be provided.
[0014]
It is preferable that the outermost surface of the metal package is covered with one selected from the group consisting of Ag, Rh, Au, Al and alloys containing these. As a result, the light reflection and scattering coefficient of the package surface is improved, and the plating layer is used as a brazing material for welding, so that the adhesion between the light emitting element, the wire, and the lid and the metal package body is improved. Furthermore, if the plating layer on the main surface side of the package to which light from the light emitting element is irradiated is made of glossy plating and the plating layer of only the portion where the adhesion with other members is to be enhanced is made dull, these effects are further enhanced. Become noticeable.
[0015]
On the other hand, the outermost surface of the lid is preferably covered with one selected from the group consisting of Ni, Au, Ag, Rh, Al, and alloys containing these. Since these metals are relatively hard and hardly cause oxidation or the like, covering the lid surface with these metals improves the reliability of the semiconductor light emitting device.
[0016]
Further, the semiconductor light emitting device according to the present invention has a semiconductor light emitting element, a lead electrode electrically connected to the semiconductor light emitting element, a metal package for housing the semiconductor light emitting element, and at least a surface made of metal, wherein the metal package A lid serving as a lid for hermetically sealing the semiconductor package, wherein a conductive pedestal is fixed to the metal package via an insulating member, and the light emitting element of the light emitting element is provided on the conductive pedestal. It is also characterized in that an auxiliary element for assisting the function is joined via the back electrode.
[0017]
As the auxiliary element, for example, a protection diode for protecting the light emitting element from static electricity can be used. By providing the protection diode, it is possible to prevent the element from being destroyed when high static electricity is applied in the reverse direction, and to improve the reliability of the semiconductor light emitting device. When the semiconductor light-emitting element is a laser, a photodetector that monitors laser emission may be provided as an auxiliary element. By installing the photodetector inside the package, it is possible to reduce the number of components, obtain a stable light output, and obtain a highly reliable light emitting device.
[0018]
Auxiliary elements such as protection diodes and photodiodes often have a positive electrode and a negative electrode formed on the front and back surfaces of a substrate, respectively. Therefore, it is not preferable to simply install the auxiliary element in the metal package because the conductive metal package itself has polarity. Therefore, in the present invention, the conductive pedestal is fixed to the metal package via the insulating member, and the back surface electrode of the auxiliary element is joined on the conductive pedestal. Therefore, the auxiliary element can be housed inside the package while preventing the metal package itself from having polarity.
[0019]
Further, the semiconductor light emitting device according to the present invention has a semiconductor light emitting element, a lead electrode electrically connected to the semiconductor light emitting element, a metal package for housing the semiconductor light emitting element, and at least a surface made of metal, wherein the metal package And a lid serving as a lid for hermetically sealing the metal package, wherein a rectangular pattern having a V-shaped cross section is formed on the surface of the metal package.
[0020]
The rectangular pattern serves as a marker for automatically recognizing a position in the metal package when the light emitting element is die-bonded to the metal package. Since the surface of the metal package has a high light reflectance, even if a general cross-shaped protrusion is formed, it is difficult to be automatically recognized due to insufficient contrast. Therefore, in the present invention, automatic recognition is facilitated by using a rectangular recess having a V-shaped cross section as a marker. That is, the rectangular shape facilitates automatic recognition, and the concave portion having a V-shaped cross section makes it easy to provide contrast between the inside of the concave portion and the periphery thereof. Therefore, even if the light reflectance of the surface of the metal package is high, the position can be easily and automatically recognized.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a top view schematically showing an example of a semiconductor light emitting device according to the present invention, FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the line II ′ of FIG. 1, and FIG. FIG. In FIG. 1, the lid is omitted to clearly show the internal structure of the metal package. In this specification, the main surface of the package on which the light emitting element is installed is referred to as the front surface, and the main surface on the opposite side is referred to as the back surface or the bottom surface.
[0022]
As shown in FIGS. 1 to 3, in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, a concave portion 10 a (= chip housing portion) is provided substantially at the center of a metal package 10, and a light emitting element 2 is provided thereon as a light emitting element 2. A gallium nitride-based light emitting diode having a pair of positive and negative electrodes formed thereon is die-bonded. The positive and negative electrodes of the light emitting element 2 are connected by wires 6 to lead electrodes 16 and 18 connected to the metal package 10 via an insulating member 20. A lid 12 is joined to the metal package 10 as a lid, and the light emitting element 2 and the lead electrodes 16 and 18 are hermetically sealed with an inert gas. A light-transmitting window material 14 is fitted into the lid 12, and light emitted from the gallium nitride-based semiconductor light-emitting element 2 is extracted through the light-transmitting window material 14.
Hereinafter, a characteristic configuration of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described in detail.
[0023]
(Sealing structure)
First, the sealing structure of the semiconductor light emitting device will be described in detail. As shown in FIG. 1, a circular base pedestal 10c for mounting the light emitting element 2 and the lead electrodes 16 and 18 is formed in the metal package 10, and a flange 10d extends in a fringe shape from the periphery of the base pedestal 10c. ing. On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3, the lid 12 has a cylindrical shape with an open bottom surface, and the annular side surface is fitted to the base pedestal 10c of the metal package to seal the metal package 10. Cover. A circular fringe portion 12a extends outward from the lower surface of the lid 12, and the metal package 10 is hermetically sealed by joining the fringe portion 12a to a flange portion 10d of the metal package. In addition, since the base pedestal 10c and the lid 12 have a fitting structure, positioning can be easily performed, and mass productivity is improved, which is preferable.
[0024]
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a joint between the metal package 10 and the lid 12. As shown in FIG. 4, an annular projection 10 e is formed on the flange of the metal package 10, and the projection 10 e is configured to be in contact with the flat flange 12 a of the lid 12. When a pulse current is applied to electrodes at two points of the lid 12 in a state where the protrusions 10 e of the metal package 10 and the lid 12 are pressed so as to be in contact with each other, a current is generated at the joint between the lid 12 and the metal package 10. Seam welding is continuously performed using Joule heat. That is, on the surface of the metal package 10, a Ni layer is plated, and further, a plating layer 11 of Ag, Rh, Au, Al or the like is formed, and the surface of the lid 12 is formed of Ni, Au, Ag, A plating layer 13 of Rh, Al or the like is formed. The plating layers 11 and 13 are welded by Joule heat when a current flows through the junction between the metal package 10 and the lid 12.
[0025]
Conventionally, the annular protrusion 10e was not formed on the flange of the metal package 10, so that the bonding failure between the metal package 10 and the lid 12 was likely to occur, and the reliability of the bonding portion was low. This is because the plating layer 11 made of Ag or the like formed on the surface of the metal package 10 has higher conductivity than the plating layer 13 made of Ni or the like formed on the surface of the lid 12. For example, when an electric current is applied to the junction between the Ni plating layer 13 having a low conductivity and the Ag plating layer 11 having a high conductivity, a large Joule heat is generated on the side of the Ni plating layer 13 having a low conductivity, so that heat is generated. The balance is lost, and Joule heat is concentrated at a position shifted from the joint. As a result, poor welding is likely to occur at the joint, and the reliability of the weld decreases. If the welded joint is incomplete, moisture and the like easily enter the package, and the plating layer 11 such as Ag formed on the surface of the metal package 10 is sulfided or oxidized.
[0026]
In the present invention, since the protrusions 10e are formed on the side of the metal package 10 on which the high conductivity plating layer 11 is formed, the current density flowing through the plating layer 11 of the metal package is made higher than the plating layer 13 of the lid. In addition, the conductivity can be compensated for. As a result, heat balance is maintained, and Joule heat is easily concentrated at the joint, so that highly reliable welding can be stably performed.
[0027]
The planar shape of the protrusion 10e is not particularly limited, and may be a shape in which the dot-like protrusions 10e are linearly arranged, or may be an annular shape with periodic cuts. In this case, the interval between the protrusions 10e is set to a width that can be filled by melting the plating layer of Ag or the like. In addition, from the viewpoint of performing uniform welding, the planar shape of the protrusion 10e is preferably a continuous annular shape. Further, the projection 10e may be a single annular projection as shown in FIG. 4, or may be a plurality of annular projections arranged concentrically. The cross-sectional shape of the protrusion 10e is not particularly limited, and may be rectangular, semicircular, triangular, trapezoidal, or the like. Preferably, the protrusion 10e has a trapezoidal cross section as shown in FIG. 4 so that current can be efficiently concentrated on the joint and stable welding can be performed while securing a certain joint area.
[0028]
The width of the protrusion 10e is not particularly limited, but if it is too narrow, the mechanical strength of the protrusion is insufficient, and if it is too wide, current does not sufficiently concentrate. Therefore, the width of the protrusion 10e is
It is desirable that the thickness be 0.05 mm or more, more preferably 0.1 mm or more, and 0.5 mm or less, more preferably 0.3 mm or less. The height of the protrusion 10e is not particularly limited. However, if the height is too low, the lid 12 easily contacts the metal package 10 other than the protrusion 10e, and if the height is too high, the protrusion 10e is easily crushed partially. . Therefore, the height of the projection 10e is desirably 0.01 mm or more, more desirably 0.05 mm or more, desirably 0.15 mm or less, and more desirably 0.1 mm or less.
[0029]
(Protection diode 4, pedestal electrode 22)
Next, the protection diode 4 in the metal package 10 will be described with reference to FIGS. The protection diode 4 is formed of, for example, a Zener diode, and plays a role of protecting the light emitting element 4 from electrostatic discharge (Electrostatic Discharge, hereinafter referred to as “ESD”). That is, when the protection diode 4 is connected in parallel with the light emitting element 2, the protection diode 4 plays a role of releasing a current when a large reverse voltage is applied to the light emitting element 2 by ESD, thereby protecting the light emitting element 2. In a general protection diode 4, a positive electrode and a negative electrode are formed on the front and back surfaces of a substrate, respectively. Therefore, if the protection diode 4 is simply installed in the metal package 10, the conductive metal package 10 itself will have polarity. In many cases, the metal package 10 is installed at a position where air easily circulates in the mounting substrate in order to facilitate heat radiation, and is easily touched by people. Therefore, it is necessary to avoid that the metal package 10 has polarity.
[0030]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, a metal such as Fe, Ni, for example, Fe 50% is inserted into a through hole formed in the metal package 10 through an insulating member 20 such as hard glass. And a conductive base 22 made of an alloy of Ni and 50% is formed, and the back surface electrode of the protection diode 4 is bonded to the upper surface of the conductive base 22 with a conductive bonding agent. Then, the protection diode 4 and the light emitting element 2 are connected by connecting a wire 6 such as a gold wire between the surface electrode of the protection diode 4 and the lead electrode 18 and between the upper surface of the conductive base 22 and the lead electrode 20. Can be connected in parallel. By installing the protection diode 4 in such a manner, the metal package 10 itself can be prevented from having polarity.
[0031]
The pedestal 22 on which the protection diode 4 is installed preferably has a concave portion 22a formed on the upper surface thereof. As a result, as shown in FIG. 2, the wire is formed on the upper surface of the pedestal 22 outside the recess 22 a while the protection diode 4 is installed in the recess 22 a and the overall height is suppressed, so that the wire becomes a metal package. Problems such as contact with the contact member 10 can be prevented.
[0032]
It is preferable that the pedestal electrode 22 is disposed on the opposite side of the light emitting element 2 with respect to a line connecting the centers of the two lead electrodes 16 and 18 and substantially in the middle of the lead electrodes 16 and 18. By arranging in this way, the length of the wire 6 connecting the protection diode 4 and the light emitting element 2 in parallel becomes uniform, and it is possible to prevent the occurrence of a defect such as a broken wire.
[0033]
Further, it is preferable that the pedestal 22 penetrates the metal package 10 and that the bottom surface of the pedestal electrode 22 is at the same height as the lead electrodes 16 and 18 and the leg 10b of the metal package. By adopting such a shape, when the light emitting device is mounted on the mounting substrate, the pedestal electrode 22 and the mounting substrate come into contact with each other, so that the pedestal electrode 22 can be energized. Further, the heat radiation from the protection diode 4 is also improved.
[0034]
Note that, in this embodiment, the case where the protection diode for protecting the light emitting element from electrostatic breakdown is provided, but the configuration using the pedestal electrode described here is the case where the function auxiliary element other than the protection diode is provided. Also applicable to For example, when a photodetector for monitoring laser light as a light emitting element is housed in a package, a pedestal electrode can be formed in a metal package via an insulating member, and the photodetector can be provided on the pedestal electrode. .
[0035]
(Rectangular pattern 24)
As shown in FIG. 1, a rectangular pattern 24 is formed on the surface of the metal package 10 according to the present embodiment. FIGS. 5A and 5B are a top view and a cross-sectional view in which the rectangular pattern 24 is partially enlarged. The rectangular pattern 24 serves as a marker for automatically recognizing a position in the metal package when the light emitting element chip 2 is die-bonded to the metal package 10. Since the surface of the metal package has a high light reflectance, even if a general cross-shaped protrusion is formed, it is difficult to be automatically recognized due to insufficient contrast. Therefore, in the present embodiment, automatic recognition is facilitated by forming a concave portion having a rectangular shape as shown in FIG. 5A and a V-shaped cross section as shown in FIG. 5B. That is, the rectangular shape facilitates automatic recognition, and the concave portion having a V-shaped cross section makes it easy to provide contrast between the inside of the concave portion and the periphery thereof. Therefore, even if the light reflectance of the surface of the metal package 10 is high, the position can be easily and automatically recognized.
[0036]
(Recess 10a)
As shown in FIGS. 1 to 3, the light emitting element 2 is installed in a concave portion 10a provided at the center of the metal package 10, and radiates heat to the mounting substrate through the bottom surface of the concave portion 10a. In consideration of the heat radiation property of the light emitting element 2 and the miniaturization of the package, it is preferable that the metal package is formed with a thin wall that facilitates heat conduction. On the other hand, in order to suppress the stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the package 10 and the insulating member 20, the metal package 10 is preferably formed to be thick. Therefore, in the present embodiment, the bottom surface of the concave portion 10 a in which the light emitting element is arranged is formed thin, and the peripheral portion for fixing the lead electrode and the pedestal electrode via the insulating member 20 is formed thick.
[0037]
Thus, a difference in thermal resistance can be provided between the bottom surface of the thin concave portion 10a and the thick peripheral portion, and heat can be efficiently radiated from the bottom surface of the concave portion 10a. The thickness of the bottom surface of the concave portion 10a is preferably 0.05 mm to 0.2 mm, and more preferably 0.05 mm to 0.1 mm. The bottom surface of the concave portion set as described above is preferably low in thermal resistance. In addition, the thickness of the peripheral portion of the concave portion 10a is preferably 0.3 mm to 1.0 mm, and more preferably 0.5 mm to 1.0 mm. If the thickness is less than 0.3 mm, the strength of the entire package is reduced. In addition, cracks may occur at the weld interface due to stress strain generated during welding with the lid. When the thickness is 1.0 mm or more, it is difficult for the pulse current to be transmitted to the welding interface, and the sealing may be incomplete. In addition, the cost increases as the thickness of the light emitting device increases.
[0038]
Further, it is preferable that the concave portion 10a has a notch in a portion facing the lead electrodes 16 and 18. That is, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the portion where the recess 10a faces the lead electrodes 16 and 18 is formed such that the height of the side wall of the recess 10a is lower than the other portions. Thereby, when the light emitting element 2 installed on the bottom surface of the concave portion 10a and the lead electrodes 16 and 18 are connected by the wire 6, it is possible to prevent the wire 6 from being short-circuited with the metal package 10.
[0039]
The recess 10a is preferably located at the center of the light emitting device, whereby good directivity can be obtained. In addition, the recess 10a has a depth such that at least the light emitting layer of the light emitting element 2 is accommodated in the recess, and the inner wall of the recess 10a is an inclined surface that expands upward. Is preferred. Thus, the light emitted from the four side surfaces of the light emitting element 2 can be reflected by the inner wall of the concave portion and extracted in the front direction. Therefore, it is possible to improve uneven light emission and color unevenness particularly observed in a light emitting element made of a nitride semiconductor. In addition, when the inner wall of the recess 10a is an inclined surface that expands upward, the thickness increases in a tapered shape from the recess 10a toward the outside. As a result, the difference in thermal resistance between the bottom surface and the peripheral portion of the concave portion 10a increases, and the heat radiation property is further improved.
[0040]
On the other hand, when viewed from the bottom side of the metal package 10, the back side of the concave portion 10a has a convex shape, and a groove is formed between the convex shape and the leg portion 10b and the lead electrodes 16 and 18. Thereby, when mounting on the mounting board, it is possible to prevent a short circuit from occurring between the lead electrodes, and it is possible to mount the semiconductor device with high reliability and good mounting. If there is no groove, the solder adhered to the bottom surface of the lead may adhere to the adjacent base portion or the like, and insulation between the electrodes may not be obtained, resulting in a short circuit.
[0041]
The recess 10a is formed, for example, by subjecting a flat metal plate to drawing. In the present embodiment, drawing is performed from the main surface direction of the metal flat plate to flow the metal in the rear direction to form a concave portion. By configuring the flowing metal to be a part of the bottom surface of the concave portion, the area of the mounting surface can be increased, and the film thickness on the bottom surface side of the concave side surface can be increased.
[0042]
When the light emitting element 2 in the concave portion 10a is covered with a light transmitting member having a smaller refractive index than the material forming the light emitting surface of the light emitting element 2, the difference in light refractive index between the light emitting element 2 and the outside is reduced. Therefore, the light extraction efficiency is improved, which is preferable. When the wavelength of the light emitting element is converted by using a wavelength conversion material such as a phosphor, the phosphor may be dispersed in a translucent member covering the light emitting element 2. The metal package used in the present invention is particularly excellent in heat dissipation in the concave portion in which the light emitting element is arranged. Therefore, the translucent member covering the light emitting element 2 is not limited to an inorganic substance, and may be an organic substance. Even when a large current is dropped, the translucent member made of an organic substance hardly deteriorates, and good optical characteristics can be obtained.
[0043]
(Lead electrodes 16 and 18, leg 10b)
As shown in FIGS. 1 and 3, the metal package 10 has two through holes penetrating in the thickness direction around a concave portion 10 a for accommodating a light emitting element, and each through hole has The positive and negative lead electrodes 16 and 18 are inserted through hard glass as the insulating member 20, respectively. The two lead electrodes 16 and 18 are arranged on one side of the package 10 so as to form a triangle with the light emitting element 2. On the opposite side of the two lead electrodes 16 and 18 with the light emitting element 2 as the center, a leg 10b is formed in which a part of the metal package 10 projects from the bottom surface. The lead electrodes 16 and 18 and the two leg portions 10b are located on substantially the same plane as the bottom surface of the concave portion 10a and the bottom surface of the above-described protection diode pedestal electrode 22, so that the semiconductor device is mounted on the mounting substrate. Is formed.
[0044]
Here, at least one of the positive and negative lead electrodes may be inserted into the through hole of the base via an insulator, and the other lead electrode may be integrally formed with the metal package. Although this configuration is not preferable in that the metal package has polarity, it is composed of a continuous material without an insulator from the light-emitting element arrangement surface of the package recess serving as a heat source to one of the lead electrodes. As a result, heat dissipation is improved. The leg 10b can be easily formed by, for example, performing press working from the main surface side of the metal package 10 and flowing a part of the metal to the back surface side.
[0045]
(Material of metal package 10)
The thermal conductivity of each of the lead electrode and the metal package is preferably in the range of 10 W / m · K to 100 W / m · K, more preferably 15 W / m · K to 80 W / m · K, and still more preferably. Is 15 W / m · K or more and 50 W / m · K or less. A light emitting device capable of dropping a large current for a long time while maintaining reliability can be obtained. Each coefficient of thermal expansion is 0.05 × 10 ^-4 / Deg or more 0.20 × 10 ^-4 It is preferably in the range of / deg or less.
[0046]
It is preferable that the coefficient of thermal expansion of the metal package is a value similar to or larger than the coefficient of thermal expansion of the insulating member. In the former case, the members can be brought into close thermal contact without being damaged. In the latter case, the difference between these coefficients of thermal expansion is 0.01 × 10 ^-4 If it is / deg or less, the metal package shrinks inward in the direction of the through hole moderately by the effect of the difference in thermal expansion coefficient while avoiding damage due to the difference in thermal expansion coefficient by increasing the contact area of each other as much as possible. Thus, the metal package and the insulating member can be brought into close contact without providing an oxide film of the base material on the inner wall of the through hole. This simplifies the working process and provides a luminous measure with good productivity.
[0047]
Further, it is preferable that the base material of the metal package has a strong strength, so that a thin package can be formed with high reliability. Preferred substrates for the metal package include Kovar, iron and the like. Kovar is an Fe-Ni-Co alloy and has a coefficient of thermal expansion similar to that of a low-melting glass used for an insulating member, so that good hermetic sealing can be performed.
[0048]
The outermost surface of the metal package 10 is preferably plated with Ag, Al, Rh, Au, or the like. With this configuration, the light reflection / scattering coefficient of the package surface is improved, and as described above, the plating layer of Ag or the like becomes a brazing material for welding, and the light emitting element, the wire, the lid, and the metal package body are connected to each other. Adhesion is improved. Further, when the main surface side of the package to which light from the light emitting element is irradiated is plated with a glossy Ag layer, and only the portion of the Ag layer that is required to enhance the adhesion with other members is mattly plated, these effects can be obtained. Becomes even more pronounced.
[0049]
(Lid 12, translucent window material 14)
In the present embodiment, a translucent window material 14 is fitted in the lid 12. The translucent window member 14 is located on the upper surface of the light emitting element 2 disposed in the concave portion 10a, and has an area that intersects with the extension of the inner wall of the concave portion 12a. Therefore, light reflected and scattered on the side surface of the concave portion 10a can be effectively extracted.
[0050]
It is preferable that the base material of the lid 12 has a thermal expansion coefficient similar to that of the package 10 body and the translucent member 14 of the window. The surface of the material of the lid 12 preferably has a plating layer of Ni, Au, or the like as a protective film of the base material. For example, a tablet-like glass is arranged in an opening formed in the body of the lid 12 by using a sealing jig made of carbon, and the glass 14 and the lid 12 are hermetically sealed by passing through a furnace. be able to.
[0051]
The shape of the lid 12 is not particularly limited as long as it has a smooth flat surface that can be in close contact with the package 10 and can hermetically seal the package 10. When the lid 12 having a convex central portion is used, a color conversion member can be satisfactorily bound on the rear surface of the translucent window member 14, and a light emitting device can be formed with high yield. When a flexible member is injected into the convex lid 12 and a light emitting element electrically connected to the metal package is inserted and integrated, a light emitting device having excellent heat stress can be obtained.
[0052]
Further, when the translucent window member 14 is formed into a curved lens shape, the convergence of light becomes good, and a light emitting device having high luminous intensity in the front direction can be obtained. For example, a fluorescent material that has a directivity angle set to about 45 degrees and that absorbs a part of the blue light and emits yellow light is fixed to the metal package 10 on which the blue LED chip 2 is mounted. When the shell-side lens is mounted as the translucent window member 14, a compact light emitting device capable of emitting a white beam with high luminance by mixing these colors is obtained. Such a light emitting device can be used for a flash required for a drawing function provided in a small machine such as a mobile phone.
[0053]
(Light-emitting element 2)
In the present invention, the light emitting element 2 is not particularly limited, but when a fluorescent substance is used, a semiconductor light emitting element having a light emitting layer capable of emitting an emission wavelength capable of exciting the fluorescent substance is preferable. As such a semiconductor light emitting device, various semiconductors such as ZnSe and GaN can be cited, and a nitride semiconductor (In _X Al _Y Ga _1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) are preferred. If desired, the nitride semiconductor may contain boron or phosphorus. Examples of the semiconductor structure include a homostructure having a MIS junction, a PIN junction, and a pn junction, a heterostructure, and a double heterostructure. Various emission wavelengths can be selected depending on the material of the semiconductor layer and the degree of mixed crystal thereof. Further, a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which the semiconductor active layer is formed as a thin film in which a quantum effect occurs can be used.
[0054]
When a nitride semiconductor is used, materials such as sapphire, spinel, SiC, Si, ZnO, and GaN are preferably used for the semiconductor substrate. In order to form a nitride semiconductor having good crystallinity with good mass productivity, it is preferable to use a sapphire substrate. A nitride semiconductor can be formed on the sapphire substrate by using the MOCVD method or the like. A buffer layer of GaN, AlN, GaAIN or the like is formed on a sapphire substrate, and a nitride semiconductor having a pn junction is formed thereon.
[0055]
As an example of a light emitting device having a pn junction using a nitride semiconductor, a first contact layer formed of n-type gallium nitride, a first cladding layer formed of n-type aluminum / gallium nitride, A double hetero structure in which an active layer formed of indium gallium, a second cladding layer formed of p-type aluminum gallium nitride, and a second contact layer formed of p-type gallium nitride are sequentially stacked.
[0056]
A nitride semiconductor shows n-type conductivity without doping impurities. When a desired n-type nitride semiconductor is formed, for example, to improve luminous efficiency, it is preferable to appropriately introduce Si, Ge, Se, Te, C, or the like as an n-type dopant. On the other hand, in the case of forming a p-type nitride semiconductor, the p-type dopant such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, or Ba is doped. Since it is difficult to make a nitride semiconductor p-type only by doping it with a p-type dopant, it is preferable to lower the resistance by introducing a p-type dopant and then heating the furnace or irradiating plasma. After the electrodes are formed, a light emitting element made of a nitride semiconductor can be formed by cutting the semiconductor wafer into chips.
[0057]
In the light-emitting element of the present invention, in order to emit white light, the emission wavelength of the light-emitting element is preferably 400 nm or more and 530 nm or less in consideration of the complementary color relationship with the emission wavelength from the fluorescent substance and the deterioration of the light-transmitting resin. , 420 nm or more and 490 nm or less. In order to further improve the excitation and luminous efficiency of the light emitting element and the fluorescent substance, respectively, the wavelength is more preferably 450 nm or more and 475 nm or less.
[0058]
In the present invention, since the package body is made of only metal, deterioration of the constituent members due to ultraviolet rays can be suppressed. Therefore, the light emitting device of the present invention uses a light emitting element having a main emission wavelength in the near ultraviolet or ultraviolet region, and a fluorescent substance capable of absorbing a part of light from the light emitting element and emitting light of another wavelength. By combining the above, a color conversion type light emitting device with less color unevenness can be obtained. Here, when binding the fluorescent substance to the light emitting device, it is preferable to use a resin or inorganic glass which is relatively resistant to ultraviolet rays.
[0059]
(Fluorescent substance)
The light-emitting device of the present invention emits light having a desired color tone by combining a light-emitting element and a fluorescent substance capable of absorbing at least a part of light emitted from the light-emitting element and emitting another light. Obtainable. Further, the fluorescent substance has compatibility with other members such as a diffusing agent and a pigment, and it is also possible to use these in combination. As an example of these arrangements, another material may be contained in the member 14 of the window portion of the lid, or a fluorescent material or the like may be applied to the inner surface of the window portion 14 using a binder. Further, it may be disposed in a concave portion of the metal package while being contained in a resin or the like.
[0060]
In order to directly contain the fluorescent substance in the window of the lid, for example, an opening is provided in the lid body, and a mixture of glass powder or pellet and powdered fluorescent substance is placed in the opening, and pressed. Batch molding by processing. As a result, a window containing a fluorescent substance is formed. Alternatively, a mixture of a glass paste and a fluorescent substance may be arranged and fired.
[0061]
When a fluorescent substance is attached to the back surface of the window of the lid or the surface of the light emitting element with a binder, the material of the binder is not particularly limited, and any of an organic substance and an inorganic substance can be used. When an organic substance is used as the binder, a transparent resin having excellent weather resistance such as an epoxy resin, an acrylic resin, or a silicone resin is preferably used as a specific material. In particular, the use of a silicone resin is preferable because it is excellent in reliability and can improve the dispersibility of the fluorescent substance. When an elastomer or gel member is used, a light-emitting device having excellent heat stress can be obtained.
[0062]
In addition, it is preferable to use an inorganic substance having a coefficient of thermal expansion close to that of the window as a binder because the fluorescent substance can be brought into good contact with the window. As a specific method, a sedimentation method, a sol-gel method, or the like can be used. For example, a fluorescent substance, silanol (Si (OEt) ₃ OH) and ethanol were mixed to form a slurry, and the slurry was discharged from the nozzle to the window of the lid, and then heated at 300 ° C. for 3 hours to convert the silanol to SiO 2. ₂ Then, the fluorescent substance can be fixed.
[0063]
Further, an inorganic binder may be used as a binder. The binder is a so-called low-melting glass, is preferably a fine particle, and it is preferable that it is extremely stable in a binder with little absorption for radiation in the ultraviolet to visible region, and is obtained by a precipitation method. Alkaline earth borates, which are fine particles, are suitable.
[0064]
Further, when attaching a fluorescent substance having a large particle size, a binder in which the particles are super fine even if the melting point is high, for example, silica, alumina manufactured by Degussa, or an alkali having a fine particle size obtained by a precipitation method. It is preferable to use an earth metal pyrophosphate, orthophosphate or the like. These binders can be used alone or as a mixture with one another.
[0065]
As the fluorescent substance, for example, a fluorescent substance based on a yttrium / aluminum oxide-based fluorescent substance activated by cerium, which can emit light by exciting light emitted from a semiconductor light emitting element having a nitride semiconductor as a light emitting layer Can be used. As a specific yttrium / aluminum oxide fluorescent substance, YAlO ₃ : Ce, Y ₃ Al ₅ O ₁₂ : Ce (YAG: Ce) or Y ₄ Al ₂ O ₉ : Ce, and mixtures thereof. The yttrium / aluminum oxide-based fluorescent material may contain at least one of Ba, Sr, Mg, Ca, and Zn. Further, by containing Si, the reaction of crystal growth can be suppressed and the particles of the fluorescent substance can be made uniform. In the present specification, the yttrium-aluminum oxide-based fluorescent material activated by Ce shall be interpreted in a broad sense, and a part or the whole of yttrium is selected from the group consisting of Lu, Sc, La, Gd and Sm. It is replaced with at least one element, or a part or the whole of aluminum is used in a broad sense including a phosphor having a fluorescent action, which is replaced by any one or both of Ba, Tl, Ga and In.
[0066]
More specifically, the general formula (Y _z Gd _1-z ) ₃ Al ₅ O ₁₂ : Ce (where 0 <z ≦ 1), a photoluminescent phosphor represented by the general formula (Re) _1-a Sm _a ) 3Re ' ₅ O ₁₂ : Ce (where 0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, Re is at least one selected from Y, Gd, La, Sc, and Re ′ is at least one selected from Al, Ga, In.) Is a photoluminescent phosphor represented by the formula: Since this fluorescent substance has a garnet structure (garnet-type structure), it is resistant to heat, light and moisture, and can make the peak of the excitation spectrum near 450 nm. Also, the emission peak is near 580 nm and has a broad emission spectrum extending down to 700 nm.
[0067]
Further, the photoluminescent phosphor can increase the excitation light emission efficiency in a long wavelength region of 460 nm or more by containing Gd (gadolinium) in the crystal. As the Gd content increases, the emission peak wavelength shifts to a longer wavelength, and the overall emission wavelength shifts to the longer wavelength side. That is, when a reddish luminescent color is required, it can be achieved by increasing the replacement amount of Gd. On the other hand, as Gd increases, the emission luminance of photoluminescence due to blue light tends to decrease. Further, Tb, Cu, Ag, Au, Fe, Cr, Nd, Dy, Co, Ni, Ti, Eu, etc. can be contained in addition to Ce as required.
[0068]
Moreover, in the yttrium-aluminum-garnet (garnet-type) phosphor having a garnet structure, the emission wavelength shifts to the shorter wavelength side by partially replacing Al with Ga. Further, by substituting a part of Y in the composition with Gd, the emission wavelength shifts to the longer wavelength side. When a part of Y is substituted with Gd, it is preferable that the substitution with Gd is less than 10% and the content (substitution) of Ce is 0.03 to 1.0. If the substitution with Gd is less than 20%, the green component is large and the red component is small, but by increasing the content of Ce, the red component can be supplemented and a desired color tone can be obtained without lowering the luminance. With such a composition, the temperature characteristics are improved and the reliability of the light emitting element can be improved. When a photoluminescent phosphor adjusted to have many red components is used, a light-emitting device capable of emitting an intermediate color such as pink can be formed.
[0069]
Such a photoluminescent phosphor may be a mixture of two or more cerium-activated yttrium aluminum garnet (garnet) phosphors and other phosphors.
[0070]
(Mounting board)
FIG. 6 is a top view showing a state in which the light emitting device according to the present embodiment is mounted on mounting substrate 27. On the surface of the mounting substrate 27, apart from the wiring 29 connected to the lead electrodes 16 and 18 and the pedestal electrode, a high heat conductive region 28 made of a conductive pattern wider than the wiring 29 is provided. By fixing the conductive region 28 and the bottom surface of the concave portion 11a with a conductive member, heat generated from the light emitting element can be efficiently radiated to the mounting substrate. Therefore, it is possible to increase the amount of current applied to the light emitting element and improve the output. In addition, a conductive support may be provided on the back surface of the metal package 10. In this case, it is preferable that the support is also fixed to the high heat conductive region 28 with a conductive member similarly to the bottom of the recess 10a. .
[0071]
In the present embodiment, a semiconductor light emitting device using a surface mount type metal package has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, the technical idea of the present invention can be similarly applied to a lead type can type package.
[0072]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION Since this invention is comprised as mentioned above, the structural problem in a metal package can be solved and a stable and reliable semiconductor light emitting device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view schematically showing an example of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view along II ′ of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 taken along the line II-II ′.
FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view showing a bonding portion of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 in an enlarged manner.
FIGS. 5A and 5B are partial enlarged views showing a rectangular pattern of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 in an enlarged manner.
FIG. 6 is a top view illustrating a state in which the semiconductor light emitting device is mounted on a mounting substrate.
FIG. 7 is a sectional view showing a conventional semiconductor light emitting device.
FIG. 8 is a sectional view showing a conventional semiconductor light emitting device.
[Explanation of symbols]
2 light emitting element,
3 phosphor particles,
4 protection diode,
6 wires,
8 bonding material (die bond material),
10 metal package,
10a recess,
10b legs,
10c base pedestal,
10d protrusion,
12 lids,
14 translucent window materials,
16, 18 lead electrodes,
20 insulating members,
22 conductive pedestal,
24 Rectangular pattern.

Claims

A semiconductor light emitting element, a metal package having a lead electrode connected to the semiconductor light emitting element and housing the semiconductor light emitting element, and a lid serving as a lid for hermetically sealing the metal package, at least a surface of which is made of metal. A semiconductor light emitting device comprising:
The surface of the metal package is covered with a metal having higher conductivity than the metal constituting the lid surface,
A semiconductor light-emitting device, wherein the metal package is hermetically sealed by joining a projection provided on the metal package with a flat portion of the lid.

2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the outermost surface of the metal package is covered with one selected from the group consisting of Ag, Rh, Au, Al and alloys containing these.

2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the outermost surface of the lid is covered with one selected from the group consisting of Ni, Au, Ag, Rh, Al, and alloys containing these.

A semiconductor light emitting element, a metal package having a lead electrode connected to the semiconductor light emitting element and housing the semiconductor light emitting element, and a lid serving as a lid for hermetically sealing the metal package, at least a surface of which is made of metal. A semiconductor light emitting device comprising:
A conductive pedestal is fixed to the metal package via an insulating member, and an auxiliary element for assisting the function of the light emitting element is bonded to the conductive pedestal via a back surface electrode. Semiconductor light emitting device.

The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein the auxiliary element is a protection diode that protects the light emitting element from static electricity.

A semiconductor light-emitting device, wherein the semiconductor light-emitting element is a laser, and the auxiliary element is a photodetector that monitors light emission of the semiconductor light-emitting element.

A semiconductor light emitting element, a metal package having a lead electrode connected to the semiconductor light emitting element and housing the semiconductor light emitting element, and a lid serving as a lid for hermetically sealing the metal package, at least a surface of which is made of metal. A semiconductor light emitting device comprising:
A semiconductor light emitting device wherein a rectangular pattern having a V-shaped cross section is formed on the surface of the metal package.