JP2005136137A - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子が基台部上に搭載され且つリフレクタ面が形成されたケース内に配置された半導体発光装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device disposed in a case in which a semiconductor light emitting element is mounted on a base and a reflector surface is formed.
近年のLEDの高出力化は目覚しく、光源効率151m/Wの白熱電球や光源効率201m/Wのハロゲン電球を超えるものも開発されつつある。しかしながら、各種家電、OA機器、車載機器などの表示灯、屋内の表示灯、信号機の表示灯、自動車のサイド・バック或いはフロントライトなどに使用される半導体発光装置を実現するためには解決すべき問題が存在している。その一つは、発光量を増やすためにはLEDに大きな電流を流さなければならないが、大きな電流を流せばLEDが発する熱が増大するので発光効率が低下するという問題である。LEDの温度が上昇するとフォノン散乱などの現象によって発光効率が低下する。また、樹脂製リフレクタを備えた半導体発光装置では、温度上昇が著しい場合には樹脂製リフレクタが経年劣化して反射効率が低下する。更に、金属材料製の基台部を備えた半導体発光装置では、搭載されているLEDチップが基台部から剥離するという致命的な問題も発生する。このような様々な要因が存在するので、大きな電流を流しても、高発光量タイプの半導体発光装置を直ちに実現することは出来ないのである。 In recent years, the output of LEDs has been remarkably increased, and incandescent bulbs with a light source efficiency of 151 m / W and halogen lamps with a light source efficiency of 201 m / W are being developed. However, in order to realize a semiconductor light emitting device used for various home appliances, OA equipment, in-vehicle equipment, etc. indicator lights, indoor indicator lights, traffic light indicator lights, automobile side back or front lights, etc. A problem exists. One of the problems is that a large current must be passed through the LED in order to increase the amount of light emitted, but if a large current is passed through, the heat generated by the LED will increase and the luminous efficiency will decrease. As the LED temperature rises, the luminous efficiency decreases due to phenomena such as phonon scattering. Further, in a semiconductor light emitting device provided with a resin reflector, when the temperature rises significantly, the resin reflector deteriorates with age and the reflection efficiency decreases. Further, in a semiconductor light emitting device having a base portion made of a metal material, a fatal problem that the mounted LED chip peels off from the base portion also occurs. Because of these various factors, a high light emission type semiconductor light emitting device cannot be realized immediately even if a large current is passed.
特開2003−152225号公報(特許文献1)には、アルミニウムなどの熱伝導性の高い金属材料よりなり前面に開口する収納凹所を有する突出部が前方に向けて突設された金属板と、前記収納凹所の底面に実装されて前記金属板に熱的に結合された発光ダイオードチップと、前記突出部が挿入される挿入孔が形成されて前記金属板の裏面に重ねる形で接合された絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に接合され前記発光ダイオードチップ並びに前記突出部の周囲を囲む樹脂製の枠部材と、透光性を有し前記発光ダイオードチップを封止する樹脂部を備えた発光装置が開示されている。この従来の発光装置は、発光ダイオードチップが搭載される基台部を金属部材で形成しているので放熱性の向上が図られているが、樹脂製の枠部材が熱による経年劣化するという問題がある。また、絶縁基板が樹脂製枠部材と金属部材との間に挟み込まれているため、構造が複雑となり製造コストが高くなるという問題がある。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-152225 (Patent Document 1) includes a metal plate made of a metal material having high thermal conductivity such as aluminum and having a projecting portion projecting forward and having a housing recess that opens to the front surface. A light emitting diode chip mounted on the bottom surface of the housing recess and thermally coupled to the metal plate, and an insertion hole into which the protrusion is inserted is formed and joined to the back surface of the metal plate. An insulating substrate, a resin frame member joined to the surface of the insulating substrate and surrounding the light emitting diode chip and the protruding portion, and a resin portion having translucency and sealing the light emitting diode chip. A light emitting device is disclosed. In this conventional light emitting device, since the base part on which the light emitting diode chip is mounted is formed of a metal member, heat dissipation is improved, but the resin frame member is deteriorated due to heat over time. There is. Further, since the insulating substrate is sandwiched between the resin frame member and the metal member, there is a problem that the structure is complicated and the manufacturing cost is increased.
特開2003−243718号公報(特許文献2)には、前面に開口する収納凹所が表面に形成されたセラミック基板と、前記収納凹所の底面に実装される発光ダイオードチップと、前記セラミック基板の裏面に配置された放熱手段とから構成された発光装置が開示されている。アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、窒化ケイ素セラミックスなどの一般的なセラミック材の熱伝導率は高くても80 W/m・K程度であり、放熱性が低い。また、高熱伝導性のセラミックスとして挙げられるAlNセラミックスも、熱伝導率は160 〜170W/m・K程度であり、熱伝導性が未だ満足できるものではない。しかも、これらのセラミック材は加工コストが高いという問題もある。そして、前記放熱手段は、セラミック放熱フィン又は金属部材で構成されたものである。この従来の発光装置は、放熱手段を備えるものであるから放熱性の向上が図られている。また、樹脂部材を含まないので、熱による経年劣化の抑制も図られている。しかしながら、前面に開口する収納凹所が表面に形成されたセラミック基板とセラミック放熱フィンなどの部品を備えるので、加工は容易ではなく、従って製造コストが高くなるという問題がある。更に、一般的なセラミックスは導電性がないので、発光装置自体に帯電対策を講じなければならないという問題もある。 Japanese Patent Laying-Open No. 2003-243718 (Patent Document 2) discloses a ceramic substrate having a housing recess opened on the front surface, a light emitting diode chip mounted on the bottom surface of the housing recess, and the ceramic substrate. The light-emitting device comprised from the thermal radiation means arrange | positioned at the back surface of this is disclosed. General ceramic materials such as alumina ceramics, zirconia ceramics, and silicon nitride ceramics have a thermal conductivity of about 80 W / m · K at the highest, and have low heat dissipation. In addition, AlN ceramics listed as high thermal conductive ceramics have a thermal conductivity of about 160 to 170 W / m · K, and the thermal conductivity is not yet satisfactory. Moreover, these ceramic materials also have a problem of high processing costs. And the said thermal radiation means is comprised by the ceramic thermal radiation fin or the metal member. Since this conventional light emitting device is provided with a heat radiating means, improvement in heat dissipation is achieved. Moreover, since the resin member is not included, suppression of aging deterioration due to heat is also achieved. However, since the housing recess opened on the front surface includes parts such as a ceramic substrate and a ceramic heat radiation fin formed on the surface, processing is not easy, and thus there is a problem that the manufacturing cost increases. Furthermore, since general ceramics have no electrical conductivity, there is a problem that a countermeasure against charging must be taken on the light emitting device itself.
また、特許文献2には、前面に開口する収納凹所が表面に形成され且つセラミック層がコーティングによって表面に形成されたアルミニウムの如き金属基板と、前記収納凹所の底面に実装される発光ダイオードチップとから構成された発光装置も開示されている。この従来の発光装置は、アルミニウム基板を備えるものであるから放熱性の向上が図られている。また、樹脂部材を含まないので、熱による経年劣化の抑制も図られている。しかしながら、表面にセラミック層が形成された金属基板で構成することは加工が容易でなく、従って製造コストが高くなるという問題がある。また、アルミニウム基板と発光ダイオードチップとの熱膨張率が大きく異なるので、発光ダイオードチップが著しく発熱するとアルミニウム基板から剥離する恐れがある。 Further, Patent Document 2 discloses a metal substrate such as aluminum having a housing recess formed on the front surface and a ceramic layer formed on the surface by coating, and a light emitting diode mounted on the bottom surface of the housing recess. A light emitting device including a chip is also disclosed. Since this conventional light emitting device includes an aluminum substrate, the heat dissipation is improved. Moreover, since the resin member is not included, suppression of aging deterioration due to heat is also achieved. However, it is not easy to process with a metal substrate having a ceramic layer formed on the surface, and therefore there is a problem that the manufacturing cost increases. Further, since the thermal expansion coefficients of the aluminum substrate and the light-emitting diode chip are greatly different, there is a possibility that the light-emitting diode chip is peeled off from the aluminum substrate if the light-emitting diode chip generates significant heat.
更に、2003年6月10日発行の月刊マテリアルステージ(非特許文献1)には、本体はメタルパッケージであり内部にLEDチップを載せる金属製のヒートシンクと電流供給用の電極が設けられた半導体発光装置が開示されている。金属製ヒートシンクは中央部に略漏斗状の収納凹部のリフレクタが形成されたものであり、周縁部に一対の電極が貫通して設けられている。メタルパッケージは略円筒状金属部材であり、一方の端部は透明ガラス蓋で封止されている。LEDチップが中央部に搭載され一対の電極が周縁部に貫通して取り付けられた金属製ヒートシンクは、前記メタルパッケージで気密にカバーされている。このようにして構成された半導体発光装置は中空構造となる。 Furthermore, in the monthly material stage (Non-patent Document 1) issued on June 10, 2003, the main body is a metal package, and a semiconductor light emitting device provided with a metal heat sink on which an LED chip is placed and an electrode for supplying current are provided. An apparatus is disclosed. The metal heat sink is formed with a substantially funnel-shaped storage recess reflector at the center, and a pair of electrodes are provided through the periphery. The metal package is a substantially cylindrical metal member, and one end is sealed with a transparent glass lid. A metal heat sink in which an LED chip is mounted at the center and a pair of electrodes penetrates and is attached to the peripheral portion is covered with the metal package in an airtight manner. The semiconductor light emitting device configured in this way has a hollow structure.
この半導体発光装置は樹脂を用いていないので、LEDチップの発熱とその蓄積で、樹脂の黄色化(劣化)で光量が落ちるという問題はない。また、LEDチップが発する熱は、外部基板と直接接続している金属製ヒートシンクを通して放熱されるので放熱性は高い。しかしながら、十分な放熱を実現するためには、金属製ヒートシンクは大型化しなければならないという問題がある。更に、中空構造の半導体発光装置であるために、金属製ヒートシンクとメタルパッケージの構造が複雑になるという問題もある。 Since this semiconductor light emitting device does not use resin, there is no problem that the amount of light decreases due to yellowing (deterioration) of the resin due to heat generation and accumulation of the LED chip. In addition, the heat generated by the LED chip is radiated through a metal heat sink that is directly connected to the external substrate, so the heat dissipation is high. However, in order to realize sufficient heat dissipation, there is a problem that the metal heat sink must be enlarged. Further, since the semiconductor light emitting device has a hollow structure, there is a problem that the structure of the metal heat sink and the metal package becomes complicated.
上述の如く、従来の半導体発光装置では、高出力LEDを採用しても、発光熱量による種々の悪影響を防止することができず、発光量を高めることに限界があった。このため、半導体発光装置の用途を高発光量表示灯やランプ領域に拡大できなかった。 As described above, in the conventional semiconductor light emitting device, even if a high-power LED is adopted, various adverse effects due to the amount of emitted light cannot be prevented, and there is a limit to increasing the amount of emitted light. For this reason, the use of the semiconductor light emitting device cannot be expanded to a high light emission amount indicator lamp or a lamp region.
本発明が解決しようとする課題は、リフレクタ面が形成される収納凹部を有するケースの基台部上に半導体発光素子が搭載されて構成された半導体発光装置において、放熱性の向上、熱による経年劣化防止、熱による半導体発光素子の剥離防止、及び静電気破壊防止を簡単な構造で実現することである。 The problem to be solved by the present invention is a semiconductor light emitting device configured by mounting a semiconductor light emitting element on a base portion of a case having a housing recess in which a reflector surface is formed. It is to realize deterioration prevention, prevention of peeling of the semiconductor light emitting element by heat, and prevention of electrostatic breakdown with a simple structure.
上述の課題を解決するために、リフレクタ面が形成される収納凹部を有するケースの基台部上に半導体発光素子が搭載されて構成された半導体発光装置において、少なくとも前記基台部を前記半導体発光素子の熱膨張率と同等の熱膨張率を有し且つ一般的なセラミックスなどの無機材料よりは高い熱伝導率(200W/m・K程度又はそれ以上)を有する無機金属の複合材料で構成した。 In order to solve the above-described problem, in a semiconductor light-emitting device in which a semiconductor light-emitting element is mounted on a base portion of a case having a housing recess in which a reflector surface is formed, at least the base portion emits the semiconductor light-emitting device. It is composed of an inorganic metal composite material that has a thermal expansion coefficient equivalent to the thermal expansion coefficient of the element and higher thermal conductivity (about 200 W / m · K or more) than that of general inorganic materials such as ceramics. .
本発明により、放熱性の向上、熱による経年劣化防止、熱による半導体発光素子の剥離防止、及び静電気破壊防止を簡単な構造で実現できた。従って、GaN、AlGaN、InGaNなどの窒化物系化合物半導体を用いた高出力LEDチップを用いて、高輝度の半導体発光装置を低価格で提供できるようになった。 According to the present invention, improvement in heat dissipation, prevention of aging deterioration due to heat, prevention of peeling of a semiconductor light emitting element due to heat, and prevention of electrostatic breakdown can be realized with a simple structure. Accordingly, it has become possible to provide a high-luminance semiconductor light emitting device at a low price by using a high-power LED chip using a nitride compound semiconductor such as GaN, AlGaN, or InGaN.
本発明に係る半導体発光装置は、リフレクタ面が形成される収納凹部を有するケースの基台部上に半導体発光素子が搭載されて構成された半導体発光装置において、前記ケースは前記半導体発光素子の熱膨張率と同等の熱膨張率を有し且つセラミックスなどの無機材料よりは熱伝導率が高い無機金属の複合材料で一体に形成されてケースを構成していることを特徴とするものである。 The semiconductor light-emitting device according to the present invention is a semiconductor light-emitting device in which a semiconductor light-emitting element is mounted on a base portion of a case having a housing recess in which a reflector surface is formed, wherein the case is a heat of the semiconductor light-emitting element. The case is characterized by being integrally formed of a composite material of an inorganic metal having a thermal expansion coefficient equivalent to the expansion coefficient and having a thermal conductivity higher than that of an inorganic material such as ceramics.
本発明の実施例1は、図1の断面図(A)と平面図(B)に示す如く、LEDチップ11が搭載された基台部18と、リフレクタ面17が形成されたケース16と、第1のリード14、第2のリード15、及び耐熱性透明ガラス蓋20とを具備して構成された半導体発光装置である。
Embodiment 1 of the present invention includes a
外形が略方形のケース16は、底面から上方に向かって孔径が徐々に拡大する略漏斗状の収納凹部を有する。この略漏斗状の収納凹部の表面には銀メッキ等の表面処理が施され、LEDチップ11の発光を略漏斗状の収納凹部の広い開口に向けて反射するリフレクタ部17を形成する。ケース16の上記略漏斗状の収納凹部の底面は、ケース16の底面は基台部18の上である。ケース16の基台部18と、上記略漏斗状の収納凹部が形成される部分は、同じ無機金属の複合材料で一体に形成されている。
The
基台部18の上面には、導電性薄膜の第1電極部12と第2電極部13とが配置され絶縁性接着剤で接着されている。第1電極部12には第1リード14の端部14aが接続され、第2電極部13には第2リード15の端部15aが接続されている。銅製薄板の第1リード14と第2リード15は低融点ガラスの如き絶縁性接着剤で、ケース16に接着されている。LEDチップ11は第1電極部12に搭載され、銀ペーストの如き導電性接着剤によって接着されている。これによってLEDチップ11の下面電極は第1電極部を介して第1リード14に電気的に接続されている。他方、LEDチップ11の上面電極はボンディングワイヤである金線19を介して第2電極部13に電気的に接続されている。
On the upper surface of the
基台部18は熱膨張率が約4.7ppm/℃、熱伝導率が200〜240W/m・Kの炭化ケイ素系複合材料で作製されている。要するに、基台部18の熱膨張率はGaNの窒化物系化合物半導体を用いたLEDチップ11の熱膨張率約5.5 ppm/℃と略等しく、基台部18の熱伝導率は一般的なセラミックスなどの無機材料より高い。従って、実施例1の半導体発光装置において、LEDチップ11が搭載された基台部18はLEDチップ11の発熱をケースの外に効果的に放出するヒートシンクとして機能する。また、熱伝導率が略等しいので、LEDチップ11が著しく高温になっても、LEDチップ11が基台部18から剥離することはない。
The
前記炭化ケイ素系複合材料は、例えば、SiCの含有率が70%、AlとSiの含有率が30%、AlとSiの比率が40:60のシリコンカーバイド/シリコン/アルミニュウムの複合材料である。 The silicon carbide-based composite material is, for example, a silicon carbide / silicon / aluminum composite material having a SiC content of 70%, an Al / Si content of 30%, and an Al / Si ratio of 40:60.
基台部18を含むケース16の第1の製造方法は、次の通りである。即ち、リフレクタ部17が形成される略漏斗状の収納凹部とLEDチップ11が搭載される基台部18が無機金属の複合材料で一体に形成されているケース16は、上記の炭化ケイ素系複合材料のブロックを所定の形状に切削加工し、仕上げの研磨加工を施して製造される。
A first manufacturing method of the
基台部18を含むケース16の第2の製造方法は、次の通りである。即ち、リフレクタ部17が形成される略漏斗状の収納凹部とLEDチップ11が搭載される基台部18が無機金属の複合材料で一体に形成されているケース16は、SiC粉末の射出成型工程、脱脂工程及びAlSi合金の溶融浸透工程を経て製造される。前記SiC粉末の射出成型工程は、SiC粉末にワックス、PVA、PVB、ポリスチレンなどの熱可塑性樹脂を添加して所定の形状に射出成型してSiC成型体を得る工程である。前記脱脂工程は、ArやN2などの不活性雰囲気中で300〜1000℃でSiC成型体を加熱して添加物を除去する工程である。そして、AlSi合金の溶融浸透工程は、ArやN2などの不活性雰囲気中で700〜1800℃の温度で前記脱脂工程を経たSiC成型体にAlSi合金を溶融浸透させる工程である。
A second manufacturing method of the
ケース16の第2の製造方法によれば、ケースの成型と共に、半導体発光素子の熱膨張率と同等の熱膨張率を有し且つセラミックスなどの無機材料よりは熱伝導率が高い炭化ケイ素系複合材料を得ることができるという利点がある。
According to the second manufacturing method of the
上述した如く、本発明はリフレクタ面が形成される収納凹部を有するケースの基台部上に半導体発光素子が搭載されて構成された半導体発光装置において、少なくとも前記基台部を前記半導体発光素子の熱膨張率と同等の熱膨張率を有し且つ一般的なセラミックスなどの無機材料よりは熱伝導率が高い無機金属の複合材料で構成したことを特徴とするものである。そして、前記無機金属の複合材料は、研磨加工しかできない一般的なセラミックスなどの無機材料に比べると、加工し易い材料である。従って、実施例1の半導体発光装置は、構造が簡単で且つ加工し易いという特徴を有する。また、基台部は無機金属で形成されているから、特別な静電破壊対策を講じる必要がない。 As described above, the present invention provides a semiconductor light-emitting device in which a semiconductor light-emitting element is mounted on a base portion of a case having a housing recess in which a reflector surface is formed. At least the base portion of the semiconductor light-emitting element is disposed on the base portion. It is characterized in that it is composed of a composite material of an inorganic metal having a thermal expansion coefficient equivalent to the thermal expansion coefficient and having a higher thermal conductivity than that of a general inorganic material such as ceramics. The inorganic metal composite material is easier to process than inorganic materials such as general ceramics that can only be polished. Therefore, the semiconductor light emitting device of Example 1 has a feature that the structure is simple and easy to process. Further, since the base portion is made of an inorganic metal, it is not necessary to take special measures against electrostatic breakdown.
本発明は高発光量タイプの半導体発光装置であるから、各種家電、OA機器、車載機器などの表示灯、屋内の表示灯、信号機の表示灯、自動車のサイド・バック或いはフロントライトなどに幅広く使用されるものである。 Since the present invention is a semiconductor light emitting device of a high light emission amount type, it is widely used for indicator lights of various home appliances, OA equipment, in-vehicle equipment, indoor indicator lights, signal indicator lights, automobile side back or front lights, etc. It is what is done.
11 LEDチップ
12、13 薄膜電極部
14 第1のリード
14a 第1のリードの端部
14b 第1のリードの電極部
15 第2のリード
15a 第2のリードの端部
15b 第2のリードの電極部
16 ケース
17 リフレクタ面
18 基台部
19 金線
20 耐熱性透明ガラス蓋
11
Claims (6)
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the opening of the case is sealed with a heat resistant transparent glass lid.
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