JP2005079167A

JP2005079167A - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置

Info

Publication number: JP2005079167A
Application number: JP2003304786A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Yanagisawa; 美津夫柳沢
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】
発光素子が発光する光を良好に反射させ外部に均一に効率よく放射させるとともに、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られるものとすること。
【解決手段】
上面の中央部に発光素子５を搭載する搭載部２ａを有するセラミックスから成る基体２と、基体２の上面の外周部に搭載部２ａを取り囲んで積層されたセラミックスから成る枠体３とを具備している発光素子収納用パッケージ１であって、枠体３は、その内側に上端に鍔部を有するとともに下側開口が上側開口よりも小さくなるように内面７ａが傾斜している筒状の金属部材７が設置されており、この金属部材７は、下側開口が搭載部７ａを取り囲むように配置されるとともに鍔部が枠体３の上面に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージおよび発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子を用いた発光装置は、今後さらなる低消費電力化や長寿命化がすすむものと予測されていることから注目されており、近年、各種インジケーター、光センサー、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッド等の種々の分野で使用され始めている。従来の発光素子を搭載するための発光素子収納用パッケージ（以下、パッケージともいう）の断面図を図２に示す。

図２に示すように、従来のパッケージ11は、一般に各種樹脂やセラミックスなどの材料から成る基体12を有している。基体12には、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等を含む導体ペーストを焼成して成るメタライズ層の表面にメッキ法によりニッケル（Ｎｉ）メッキ層や金（Ａｕ）メッキ層を施した配線導体14が形成されている。そして、この配線導体14を介してパッケージ11内の発光素子15に外部から電力が供給され、発光素子15が作動可能となる。

基体12は、パッケージ11内部側の一方の主面の外周部に搭載部12ａを取り囲むように接合された、各種樹脂やセラミックス、または可視光領域の光に対する反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）等の金属から成る枠体13が設けられている。枠体13は基体12に従来周知のセラミック積層方法で取着されるか、もしくは700〜900℃の融点を有するＡｇ−銅（Ｃｕ）等のロウ材や樹脂接着剤、500℃以下で溶融する低融点ガラスにより固定される。

発光素子15は、基体12の搭載部12ａ上にＡｇペースト等でダイボンドされるとともに、搭載部12ａの周辺に配置した配線導体14と発光素子15の電極とがＡｕやＡｌ等のボンディングワイヤ16を介して電気的に接続される。しかる後、枠体13の内側にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂（図示せず）を発光素子15を覆うように充填し熱硬化させることにより、発光素子15を保護するとともに発光素子15をパッケージ11に強固に密着させて発光装置と成すことができる。または、蛍光体や蛍光体を混入した透明樹脂を発光素子１５の表面に塗布したり、発光素子１５の周囲に配設した後に、枠体13の内側に透明樹脂を充填し熱硬化させることで、発光素子15からの光を蛍光体により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置と成すことができる。なお、枠体13の上面には、必要に応じて透光性の蓋体（図示せず）を半田や樹脂接合材等で接合させることもできる。

この発光装置は、外部電気回路から供給される駆動電流によって発光素子15を発光させることで可視光を放出することができる。その用途としては、各種インジケーター、光センサー、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッドなどである。近年、この発光装置を照明用として利用するようになってきており、高輝度、放熱性の点でより高特性のものが要求されている。また、照明用として使用する場合には寿命が重要な問題となるため、長寿命な発光装置が要求されている。

そこで、近時、発光装置の発光輝度を向上させるために、枠体13や基体12をより反射率の高い材料で構成することが検討されている。例えば、枠体13の材料にＡｇやＡｌからなる、発光素子15の光に対して反射率の高い金属を使用したり、それらの金属を枠体13の内面に被着させることによって、高輝度の発光装置とすることが提案されている。
特開2002−344029号公報

しかしながら、上記従来のパッケージ11では、発光素子15から出る熱によりパッケージ11に歪みが発生し易くなるため、発光素子15から発せられて枠体13で反射される光束（光ビーム）のパターンが一定にならず光の放射角度が不安定となったり、単一の光束またはそれらの集合体で表される光強度分布が所望の値およびパターンからずれるという問題点を有していた。

特に、発光装置が局部照明の用途等に使用される場合、光の放射角度や光強度分布の不安定性は重要な問題点となる。

また、従来のパッケージ11は、発光素子15から出る熱によってパッケージ11全体の温度が上昇して放熱性が低下し易くなるため、発光素子15の温度が上昇し易く、温度上昇および温度降下の熱履歴が繰り返されることによって発光素子15自体の強度、寿命が低下するという問題点も有していた。

したがって、本発明はかかる従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子が発光する光を良好に反射させ外部に均一に効率よく放射させるとともに、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られる発光装置を作製できる発光素子収納用パッケージおよび発光装置を提供することにある。

本発明の発光素子収納用パッケージは、上面の中央部に発光素子を搭載する搭載部を有するセラミックスから成る基体と、該基体の上面の外周部に前記搭載部を取り囲んで積層されたセラミックスから成る枠体とを具備している発光素子収納用パッケージであって、前記枠体は、その内側に上端に鍔部を有するとともに下側開口が上側開口よりも小さくなるように内面が傾斜している筒状の金属部材が設置されており、該金属部材は、前記下側開口が前記搭載部を取り囲むように配置されるとともに前記鍔部が前記枠体の上面に接合されていることを特徴とする。

本発明の発光装置は、本発明の発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載された発光素子とを具備していることを特徴とする。

本発明の発光素子収納用パッケージは、枠体の内側に上端に鍔部を有するとともに下側開口が上側開口よりも小さくなるように内面が傾斜している筒状の金属部材が設置されており、この金属部材は、下側開口が搭載部を取り囲むように配置されるとともに鍔部が枠体の上面に接合されていることから、筒状の金属部材の内面で発光素子から出る光を外部に80％以上反射させることができ、発光効率の高い発光装置を作製することができる。また、基体と枠体とがセラミックスから成ることにより、これらの熱膨張係数を整合することが容易となり、これらの熱膨張差により生じる発光素子収納用パッケージ全体の歪みを低減させることができる。

さらに、光を外部に反射させる目的の筒状の金属部材が枠体の鍔部のみで接合されていることから、発光素子収納用パッケージ全体の歪みが金属部材の歪みに及ぼす影響を低減することができる。その結果、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られる発光装置を作製できる。

また、金属部材と枠体の内面との間に隙間を有していることから、金属部材の放熱性を効果的に高めることができる。その結果、発光素子収納用パッケージ全体の温度上昇を有効に抑制して発光素子収納用パッケージの放熱性を良好に維持することができ、発光素子の発光強度や寿命が熱により低下するのを有効に抑制することができる。

本発明の発光装置は、本発明の発光素子収納用パッケージと、搭載部に搭載された発光素子とを具備していることから、発光効率に優れ、安定した光学的特性を得ることができ、高性能なものとなる。

本発明の発光素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図1は本発明のパッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、２は基体、３は枠体、７は筒状の金属部材であり、これらで発光素子５を収容するためのパッケージ１が主に構成されている。

本発明のパッケージ１は、上側主面の中央部に発光素子５が搭載される搭載部２ａを有するセラミックスから成る基体２と、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着されたセラミックスから成る枠体３と、上端に鍔部を有するとともに下側開口が上側開口よりも小さくなるように内面が傾斜している筒状の金属部材７とを具備している。

本発明の基体２は、発光素子５を支持し搭載するための支持部材および発光素子５の熱を放熱させるための放熱部材として機能する。基体２の上面中央部には発光素子５を搭載する搭載部２ａが設けられている。この搭載部２ａには、発光素子５が樹脂接着剤や錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田、Ｓｎ−Ａｕ等の低融点ロウ材を介して取着される。そして、発光素子５の熱は、樹脂接着剤や低融点ロウ材を介して基体２に伝達され外部に効率よく放散されることにより、発光素子５の作動性を良好に維持する。また、発光素子５から出射される光は、筒状の金属部材７の内面７ａで反射されて、外部に放射される。

また、基体２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスから成り、その中央部に搭載部２ａと搭載部２ａの近傍からパッケージ１の外側にかけて導出する配線導体４が形成されている。

また、枠体３は、アルミナセラミックス、窒化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスから成り、基体２と同じ熱膨張係数を有する材料で構成するのがよい。これにより、環境温度の変化による熱膨張係数差に起因する内部応力が生じ難くし、パッケージ１全体の歪みや基体２と枠体３との接合部におけるクラックが発生し難くなる。その結果、パッケージ１より出射される光の強度や放射角度、強度分布の安定した光学的特性を得ることができる。

枠体３は、従来周知の多層セラミック加工技術により、基体２と同時焼結することにより基体２の上面に設けることができる。

また、基体２に形成された配線導体４はＷ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ等のメタライズ層で形成されており、例えばＷ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、所定パターンに印刷塗布し焼成することによって基体２に形成される。この配線導体４の表面には、酸化防止のためとボンディングワイヤ６を強固に接続するために、厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。

本発明の金属部材７は、Ａｌ，ステンレス（ＳＵＳ）,Ａｇ，鉄（Ｆｅ）−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等からなる。好ましくは、発光素子５が発光する可視光領域の光に対する反射効果が高いとともに酸化による腐食防止や耐環境性に優れるＡｌやＳＵＳから成るのがよい。また、金属部材７は内面７ａが上方に向かって広がる傾斜面とされた形状であり、その材料のインゴットに切削加工、圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、上記の所定形状に形成される。

また、金属部材７は、その内面７ａが基体２の上面に対して35〜70度の角度で上方に向かって広がるように傾斜している。これにより、枠体３内に収容された発光素子５の光を傾斜した内面７ａで良好に反射させ、外部に放射角度45度以内の範囲で光を良好に放射することができ、本発明のパッケージ１を使用した発光装置の発光効率や輝度、光度を極めて高いものとすることができる。なお、光の放射角度とは、発光素子５の中心を通る基体２に直交する平面上での光の広がりの角度のことであり、枠体３の横断面における開口形状が円形状であれば放射角度は金属部材７の内面７ａの全周にわたって一定である。また、枠体３の横断面における開口形状が楕円形状等の偏りがある場合は、放射角度はその最大値である。

また、金属部材７の内面７ａは、基体２の上面となす角度が35度未満になると放射角度が45度以上に広がり、分散した光の量が多くなり、光の輝度や光度が低下し易くなる。一方、角度が70度を超えると、パッケージ１の外部に発光素子５の光が良好に放射されずにパッケージ１内で乱反射し易くなる。従って、金属部材７の内面７ａが基体２の上面となす角度は35〜70度が好ましい。

なお、金属部材７の内面７ａの形状が逆円錐状である場合は、金属部材７の内面７ａと基体２の上面とのなす角度を全周にわたって35〜70度とするのがよい。また、金属部材７の内面７ａの形状が四角錐状である場合は、少なくとも一対の対向する内面７ａが基体２の上面に対して35〜70度で傾斜しているのがよい。好ましくは、内面７ａの全面が基体２の上面に対して35〜70度で傾斜しているのがよい。これにより、発光効率を極めて高いものとすることができる。

また、金属部材７の内面７ａの算術平均粗さＲａは、0.004〜４μｍ以下とすることが好ましい。即ち、内面７ａの算術平均粗さＲａが、４μｍを超える場合、金属部材７内に収容された発光素子５の光を正反射させてパッケージ１の上方に出射させることが困難になり、光強度が減衰したり偏りが発生し易くなる。また、金属部材７の内面７ａの算術平均粗さＲａが0.004μｍ未満の場合、このような面を安定かつ効率よく形成することが困難となるとともに、製品コストが高くなり易い。なお、内面７ａのＲａを上記の範囲とするには、従来周知の電解研磨加工，化学研磨加工もしくは切削加工により形成することができる。また、金型の面精度を利用した転写加工により形成する方法を用いてもよい。

また、発光素子５から発光される光の広がりを抑えて変化しないように安定化させるためには、温度変化等による光の放射角度の変化を10度以下に抑えることがよいとされるが、金属部材７の厚みが0.2ｍｍを超えると、基体２と枠体３で歪みを吸収することが困難となり、金属部材７の厚みが0.01ｍｍ以下になれば、材料自体の強度が劣り、加工性も困難に成り、歪みが大きくなる。したがって、金属部材７の厚みを0.2ｍｍ〜0.01ｍｍの範囲であれば、光の放射角度の変化を10度以下に抑えることができる。

さらに、金属部材７は、シリコーン系やエポキシ系等の樹脂接着剤により、またはＡｇ−Ｃｕロウ等の金属ロウ材やＰｂ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−ケイ素（Ｓｉ）,Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の半田により、枠体３の上面に接合される。なお、このような接着剤や半田等の接合材は、基体２、枠体３および金属部材７の材質や熱膨張係数等を考慮して適宜選定すればよく、特に限定されるものではない。また、基体２と枠体３および金属部材７との接合の高信頼性を必要とされる場合、好ましくは金属ロウ材や半田により接合するのがよい。

また、本発明のパッケージ１において、基体２と枠体３との熱膨張係数が近似しているか同じであることが好ましく、より好ましくは、基体２，枠体３および金属部材７の熱膨張係数がすべて近似しているか同じであることがよい。これにより、温度変化によるパッケージ１の歪みを非常に有効に抑制することができる。

例えば、基体２および枠体３をアルミナセラミックス（熱膨張係数６×10^−６／℃）で構成し、金属部材７をＡｌ（熱膨張係数23×10^−６／℃）で構成した場合、基体２と枠体３との熱膨張係数差はほとんどなくなるので基体２と枠体３の歪みが生じ難くなる。一方、金属部材７は基体２や枠体３とは熱膨張係数が比較的大きいものの、本発明のパッケージ１においては、金属部材７を鍔部のみで枠体３の上面に接合しているので熱膨張係数差による応力を小さくしてパッケージ１の歪みを有効に抑制することができる。

かくして、本発明のパッケージ１は、基体２の搭載部２ａに発光素子５を搭載するとともに、発光素子５をＡｕやＡｌ等のボンディングワイヤ６で配線導体４に電気的に接続することにより、発光素子５をボンディングワイヤ６および配線導体４を介して外部の外部電気回路に電気的に導通させることができる。そして、金属部材７の内側に透明樹脂（図示せず）を充填し熱硬化させて発光素子５を覆う被覆層を形成し、必要に応じて枠体３の上面に透光性の蓋体（図示せず）を半田や樹脂接着剤等で接合することにより本発明の発光装置となる。または、蛍光体や蛍光体を混入した透明樹脂を発光素子１５の表面に塗布したり、発光素子５の周囲に配設した後、発光素子５を覆う透明樹脂を充填し熱硬化させ、枠体３の上面に透光性の蓋体を半田や樹脂接着剤等で接合することにより、発光素子５の光を蛍光体により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出すことができる発光装置となる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。

本発明の発光素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。

符号の説明

１：発光素子収納用パッケージ
２：基体
２ａ：搭載部
３：枠体
４：配線導体
５：発光素子
７：金属部材

Claims

上面の中央部に発光素子を搭載する搭載部を有するセラミックスから成る基体と、該基体の上面の外周部に前記搭載部を取り囲んで積層されたセラミックスから成る枠体とを具備している発光素子収納用パッケージであって、前記枠体は、その内側に上端に鍔部を有するとともに下側開口が上側開口よりも小さくなるように内面が傾斜している筒状の金属部材が設置されており、該金属部材は、前記下側開口が前記搭載部を取り囲むように配置されるとともに前記鍔部が前記枠体の上面に接合されていることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
請求項１記載の発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載された発光素子とを具備していることを特徴とする発光装置。