JP2005159081A

JP2005159081A - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置

Info

Publication number: JP2005159081A
Application number: JP2003396919A
Authority: JP
Inventors: Takuji Okamura; 拓治岡村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】発光素子が発光する光を効率よく反射させて外部に均一かつ効率よく放出することができる小型の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。
【解決手段】発光素子収納用パッケージは、上面に発光素子３の搭載部１ａが形成された平板状の基体１と、基体１の上面に搭載部１ａを囲繞するように設けられた枠体２と、枠体２の内周面に被着されたメタライズ層６ａとを具備しており、枠体２は、その内周面に全周にわたって少なくとも一つの段差２ｂを有しているとともに枠体２の内寸法が上側に向かうに伴って段階的に大きくなっており、メタライズ層６ａは、その内部に段差２ｂを埋め込むように形成されているとともに内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子を収納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。

従来、発光ダイオード等の発光素子を収容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）として、セラミックス製のパッケージが用いられている。従来のセラミック製のパッケージは、図５に断面図で示すように、上面の中央部に発光素子１３を搭載するための導体層から成る搭載部１１ａを有し、搭載部１１ａおよびその周辺から下面に導出された一対のメタライズ配線導体１４を有する直方体状や四角形平板状のセラミック製の基体１１と、その上面に積層され、中央部に発光素子１３を収容するための貫通穴１２ａを有する四角枠状のセラミック製の枠体１２とから主に構成されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

そして、基体１１の上面の一方のメタライズ配線導体１４が接続された搭載部１１ａ上に発光素子１３を導電性接合材を介して固着するとともに発光素子１３の電極と他方のメタライズ配線導体１４とをボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続し、しかる後、枠体１２の貫通穴１２ａ内に透明樹脂（図示せず）を充填して発光素子１３を封止することによって、発光装置が作製される。これにより、発光素子１３の発する光をパッケージの外部（図５では上方）に放射することができる。

また、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面で発光素子１３の光を反射させてパッケージの上方に光を放射させるために、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面にニッケル（Ｎｉ）めっき層や金（Ａｕ）めっき層等のめっき金属層１６ｂを表面に有するメタライズ層１６ａからなる反射層１６を被着させていることもある。

また、上記のパッケージは、セラミックグリーンシート積層法により以下のように製作される。まず、基体１１となるセラミックグリーンシートと枠体１２となるセラミックグリーンシートとを準備し、これらのセラミックグリーンシートに配線導体１４を導出させるための貫通孔や貫通穴１２ａとなる貫通孔を打ち抜き法で形成する。

次に、基体１１となるセラミックグリーンシートの積層体（以下、基体１１となるセラミックグリーンシートの積層体を単に積層体Ａという）の貫通孔および所定の部位に、メタライズ層からなる配線導体１４となる導体ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布する。また、枠体１２となるセラミックグリーンシートの積層体（以下、枠体１２となるセラミックグリーンシートの積層体を単に積層体Ｂという）の貫通穴１２ａとなる貫通孔の内周面にメタライズ層１６ａとなる導体ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布する。

次に、積層体Ａ，Ｂを重ねて接着してパッケージを形成するための積層体とし、これを所定寸法に切断して成形体とし、高温（１６００℃程度）で焼成して、焼結体となす。その後、配線導体１４およびメタライズ層１６ａの露出表面に、Ｎｉ、Ａｕ、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等のめっき金属層１６ｂを無電解めっき法やに電解めっき法により被着させることによって、パッケージが製作される。
特開２００２−２３２０１７号公報

しかしながら、枠体１２の貫通穴１２ａは、セラミックグリーンシートに打ち抜き法で形成しているので、枠体１２となるセラミックグリーンシートに貫通孔を打ち抜いた際に、貫通孔の内周面にバリや凹凸が発生し易く、貫通孔の内周面にメタライズ層１６ａとなる導体ペーストを印刷塗布する際に薄く形成すると、凹凸に沿って塗布されてしまい、反射層１６を平坦な面に形成しにくくなり、発光素子１３が発光する光を良好に反射して外部に放射しにくくなるという問題点を有していた。

また、メタライズ層１６ａとなる導体ペーストを貫通孔の内周面に厚く形成すると、メタライズ層１６ａの断面形状が上端部および下端部よりも中央部が内側に突出した円弧状、すなわち半円に近い形状に形成され易く、このために、反射層１６の下方の部位は、発光素子１３が発光する光を下方向に向けて反射することとなり、発光素子１３が発光する光を良好に上方向に反射して外部に放射するのが困難になるという問題点を有していた。

また、枠体１２の貫通穴１２ａの内周面を基体１１の上面から上側に向かうに伴って外側に広がるように形成した場合、枠体１２となるセラミックグリーンシートを打ち抜いて貫通穴１２ａとなる貫通孔を形成する際、剪断力が大きくなり、貫通孔の内周面にバリや凹凸がより大きく発生しやすくなり、上記問題がより大きくなりやすいという問題点を有していた。

従って、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、内部に収納された発光素子が発光する光を効率よく反射させて外部に均一かつ効率よく放出することができる小型の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、上面に発光素子の搭載部が形成された平板状の基体と、該基体の上面に前記搭載部を囲繞するように設けられた枠体と、該枠体の内周面に被着されたメタライズ層とを具備しており、前記枠体は、その内周面に全周にわたって少なくとも一つの段差を有しているとともに前記枠体の内寸法が上側に向かうに伴って段階的に大きくなっており、前記メタライズ層は、その内部に前記段差を埋め込むように形成されているとともに内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜し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前記発光素子と、前記発光素子を覆う透明樹脂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によれば、枠体の内周面に全周にわたって少なくとも一つの段差を有しているとともに枠体の内寸法が上側に向かうに伴って段階的に大きくなっており、メタライズ層は、その内部に段差を埋め込むように形成されているとともに内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜していることから、枠体の内周面とメタライズ層との接触面積が大きくなってメタライズ層が内周面に濡れ広がることにより、メタライズ層が表面張力で上端部および下端部よりも中央部が内側に突出するような形状となるのを有効に抑制することができ、平面形状や外側に広がるようなゆるやかな曲面形状として形成しやすくなる。また、枠体の内周面の段差の側面を厚いメタライズ層で覆うことができるので、段差の側面に発生し易い打ち抜きによるバリや凹凸等の影響を非常に受けにくいものとすることができる。従って、発光素子から発光される光を外部に均一かつ良好に放射することができるものとなる。

また、発光素子収納用パッケージが外部電気回路基板等に実装される際にねじれや反りを生じたとしても、厚いメタライズ層が適度に変形して内部応力を有効に緩和できる。これにより、メタライズ層や枠体に発生する応力に起因するクラックを効果的に抑制できるとともにメタライズ層の表面が歪んで放射角度が変化するのを有効に防止することができる。

また、メタライズ層を薄く形成すると、メタライズ層の表面が段差の形状にならって段差間で凹状の形状となり、枠体の内周面の下端から上端にかけて複数の凹部が形成された散乱面を形成することが可能となる。これにより、発光素子から発光された光を外部に均一にかつ広範囲に反射させることが可能となる。

本発明の発光装置によれば、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るとともに前記配線導体に電気的に接続された発光素子と、該発光素子を覆う透明樹脂とを具備していることから、発光素子の光を良好に反射し、広領域の外部に均一かつ効率良く放射することができる、発光効率の高い高性能のものとなる。

本発明の発光素子収納用パッケージを以下に詳細に説明する。図１は本発明のパッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図１において、１は基体、２は枠体であり、主としてこれらで発光素子３を収容するためのパッケージが構成されている。

本発明の発光素子収納用パッケージは、上面に発光素子３を搭載するための搭載部１ａを有する平板状の基体１の上面に、発光素子３を収容するための貫通穴２ａを有する枠体２が搭載部１ａを囲繞するように接合されて成るものであって、枠体２は、その貫通穴２ａの内周面に全周にわたって少なくとも一つの段差２ｂを有しているとともに枠体２の内寸法が上側に向かうに伴って段階的に大きくなっており、メタライズ層６ａは、その内部に段差を埋め込むように形成されているとともに内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜している。

本発明における基体１は、セラミックスから成り、例えば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，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックスから成る平板状のものであり、発光素子３を支持するため、その上面に発光素子３を搭載するための搭載部１ａを有している。

この基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、高温（約１６００℃）で焼成することによって製作される。

また、基体１は、上面の搭載部１ａから下面にかけて導出される配線導体４ａおよび搭載部１ａの周辺から下面にかけて導出される配線導体４ｂが被着形成されている。なお、配線導体４ａ，４ｂの一部を用いて搭載部１ａを形成していてもよい。

配線導体４ａ，４ｂは、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末のメタライズから成り、配線導体４ａ，４ｂはパッケージ内部に収容する発光素子３を外部に電気的に接続する導電路である。そして、搭載部１ａには発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子３がＡｕ−シリコン（Ｓｉ）合金や銀（Ａｇ）−エポキシ樹脂等の導電性接合材により固着されるとともに、配線導体４ｂには発光素子３の電極がボンディングワイヤ５を介して電気的に接続される。そして、基体１下面の配線導体４ａ，４ｂが外部電気回路基板の配線導体に接続されることで発光素子３の各電極と電気的に接続され、発光素子３へ電力や駆動信号が供給される。また、発光素子３は配線導体４ａおよび配線導体４ｂにフリップチップ実装により接続されても構わない。

なお、配線導体４ａ，４ｂは、例えばＷやＭｏ等の金属粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを基体１となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって、基体１の所定位置に被着形成される。

また、配線導体４ａ，４ｂおよび搭載部１ａの露出する表面に、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ等の耐蝕性に優れる金属を１〜２０μｍ程度の厚みで被着させておくのがよく、配線導体４ａ，４ｂおよび搭載部１ａが酸化腐蝕するのを有効に防止できるとともに、搭載部１ａと発光素子３との固着および配線導体４ｂとボンディングワイヤ５との接合、配線導体４ａ，４ｂと外部電気回路基板の配線導体との接合を強固にすることができる。従って、配線導体４ａ，４ｂおよび搭載部１ａの露出表面には、厚さ１〜１０μｍ程度のＮｉめっき層と厚さ０．１〜３μｍ程度のＡｕめっき層またはＡｇめっき層とが、電解めっき法や無電解めっき法により順次被着されていることがより好ましい。

そして、本発明においては、枠体２の内周面に全周にわたって少なくとも一つの段差２ｂを有しているとともに枠体２の内寸法が上側に向かうに伴って段階的に大きくなっており、メタライズ層６ａは、その内部に段差を埋め込むように形成されているとともに内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜している。

これにより、枠体２の内周面とメタライズ層６ａとの接触面積が大きくなってメタライズ層６ａが内周面に濡れ広がることにより、メタライズ層６ａが表面張力で上端部および下端部よりも中央部が内側に突出するような形状となるのを有効に抑制することができ、平面形状や外側に広がるようなゆるやかな曲面形状として形成しやすくなる。また、枠体２の内周面の段差２ｂの側面を厚いメタライズ層６ａで覆うことができるので、段差２ｂの側面に発生し易い打ち抜きによるバリや凹凸等の影響を非常に受けにくいものとすることができる。従って、発光素子３から発光される光を外部に均一かつ良好に放射することができるものとなる。

また、発光素子収納用パッケージが外部電気回路基板等に実装される際にねじれや反りを生じたとしても、厚いメタライズ層６ａが適度に変形して内部応力を有効に緩和できる。これにより、メタライズ層６ａや枠体２に発生する応力に起因するクラックを効果的に抑制できるとともにメタライズ層６ａの表面が歪んで放射角度が変化するのを有効に防止することができる。

また、メタライズ層６ａを薄く形成すると、メタライズ層６ａの表面が段差２ｂの形状にならって段差２ｂ間で凹状となり、枠体２の内周面の下端から上端にかけて複数の凹部が形成された散乱面を形成することが可能となる。これにより、発光素子３から発光された光を外部に均一にかつ広範囲に反射させることが可能となる。

本発明の枠体２は、セラミックスからなり、例えば、枠体２が酸化アルミニウム質燒結体から成る場合、セラミックグリーンシートに、枠体２の中央部に発光素子３を収容するための横断面形状が円形状や四角形状の貫通穴２ａを形成するための打ち抜き加工を施し、これを複数枚積層し、高温（１６００℃）で焼成することによって製作される。

また、枠体２の内周面に形成されるメタライズ層６ａは、ＷやＭｏ等から成り、発光素子３から発光される光を反射する反射層６および側面方向への光の漏れ防止として機能する。あるいは、図１に示すように、メタライズ層６ａの表面にＮｉ，Ａｕ，Ａｇ等のめっき金属層６ｂを形成することによりメタライズ層６ａとめっき金属層６ｂとで反射層６を形成してもよい。

なお、反射層６は、発光素子３が発光する光に対する反射率が８０％未満であると、枠体２の貫通穴２ａに収容された発光素子３が発光する光を良好に反射することが困難となることから、発光素子３が発光する光に対する反射率が８０％以上であることが好ましい。

また、反射層６の表面は、３μｍ以下であることが好ましい。３μｍを超えると、凹部４内に収容された発光素子３の光が散乱し、反射光を高い反射率で外部に均一に放射することが困難になる。

このような反射層６は、貫通穴２ａの内周面の段差２ｂが１つである場合、次のようにして形成することができる。まず、枠体２を構成するための枠部材２ｃ，２ｄとなるセラミックグリーンシート２ｃ，２ｄにそれぞれ直径の異なる貫通孔を形成し、これらを積層することで、１つの段差を有する枠体２となるセラミックグリーンシート積層体を形成する。そして、枠体２となるセラミックグリーンシート積層体の開口の小さな方から吸引するととともに、枠体２となるセラミックグリーンシート積層体の開口の大きな方からメタライズ層６ａとなる導体ペーストをスクリーン印刷法等によって印刷塗布することで、枠体２となるセラミックグリーンシート積層体の貫通孔の内周面にＷ，Ｍｏ等からなるメタライズ層６ａとなる導体ペーストを形成する。

次に、所定寸法に切断して形成した枠体２となる生成形体を高温（１６００℃）で焼成することで、枠体２の貫通穴２ａの内周面にメタライズ層６ａを形成することができる。そして、このメタライズ層６ａの表面に、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ等のめっき金属層６ｂを形成することで、枠体２の貫通穴２ａの内周面に反射層６を形成することができる。そして、基体１と枠体２とを接合することで、本発明のパッケージとすることができる。なお、基体１と枠体２とは、これらのセラミックグリーンシートを積層した後に、焼結一体化しても良い。

また、枠体２を形成する枠部材２ｃ，２ｄの高さはそれぞれ異なるものであっても良く、
枠体２の段差２ｂが２つ以上形成されている場合は、図２のパッケージの断面図で示すように、それぞれを構成する枠部材２ｃ，２ｄ，２ｅのそれぞれの段差の幅が異なるようにしても良い。これにより、メタライズ層６ａを枠体２の貫通穴２ａに形成する際に、メタライズ層６ａの勾配や形状を高精度に調整しやすくなる。

また、図３のパッケージの断面図で示すように、基体１の上面と枠体２の下面との間に絶縁層２ｆを形成しても良い。これにより、反射層６と搭載部１ａや配線導体４ａ，４ｂとの短絡を有効に防止することができるとともに、搭載部１ａや配線導体４ａ，４ｂを反射層６と短絡させることなく基体１の上面に広領域に形成することができ、発光素子３の発光する光をより良好に外部に放射することができるものとなる。

本発明のパッケージにおいては、枠体２の貫通穴２ａの横断面形状は、円形状、楕円形状、長円形状、四角形状、多角形状等の種々の形状とし得る。好ましくは、円形状がよく、この場合貫通穴２ａ内に収容された発光素子３の光を反射層６の内周面で満遍なく反射させて、外部に均一かつ効率よく放射することができる。

また、メタライズ層６ａは、その表面の全体的な角度、即ちメタライズ層６ａの内周面の上端と下端とを直線で結んだ場合のその直線と基体１の上面とのなす角度は３５〜７０°であることが好ましい。７０°を超えると、枠体２内に収容された発光素子３の光を外部に対して良好に反射することが困難となる傾向にあり、３５°未満では、パッケージが大型化しやすくなる。

また、反射層６の表面粗さは、３μｍ以下であるのが好ましく、３μｍを越えると、貫通穴２ａ内で、発光素子３の光が散乱し、反射光を高い反射率で外部に均一に放射しくくなる。

なお、枠体２の内周面の段差２ｂの高さおよび幅は０．０５〜１．０ｍｍであるのがよい。これにより、メタライズ層６ａを枠体２の内周面により良好に濡れ広がらせて、よりなめらかな面として形成しやすくなる。

本発明の発光装置は、本発明のパッケージと、搭載部１ａに搭載されるとともに配線導体４ａ，４ｂに電気的に接続された発光素子３と、発光素子３を覆うシリコーン樹脂等の透明樹脂とを具備している。これにより、発光素子３の光を良好に反射し、外部に均一かつ効率良く放射することができる、発光効率の高い高性能のものとる。発光素子３を覆う透明樹脂は、発光素子３およびその周囲のみを覆っていてもよいし、枠体２の内側、即ち貫通穴２ａ内に充填されて発光素子３を覆っていてもよい。

なお、本発明は上述の実施の形態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施すことは何等差し支えない。例えば、図４のパッケージの断面図に示すように、搭載部１ａを導体層として形成せずに、発光素子３を基体１の上面に直接搭載し、その周囲に発光素子３の電極と電気的に接続される配線導体４ａ，４ｂを形成してもよい。この場合、発光素子３が搭載部１ａに搭載されるとともに、発光素子３の電極と配線導体４ａ，４ｂとをボンディングワイヤ５ａ，５ｂ等を介して電気的に接続されることとなる。また、複数の発光素子３が搭載されるものであったり、複数の配線導体が形成されるものであっても構わない。

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。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他の例を示す断面図である。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他の例を示す断面図である。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他の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：基体
２：枠体
２ｂ：段差
３：発光素子
４ａ，４ｂ：配線導体
６ａ：メタライズ層

Claims

上面に発光素子の搭載部が形成された平板状の基体と、該基体の上面に前記搭載部を囲繞するように設けられた枠体と、該枠体の内周面に被着されたメタライズ層とを具備しており、前記枠体は、その内周面に全周にわたって少なくとも一つの段差を有しているとともに前記枠体の内寸法が上側に向かうに伴って段階的に大きくなっており、前記メタライズ層は、その内部に前記段差を埋め込むように形成されているとともに内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜し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前記発光素子と、前記発光素子を覆う透明樹脂とを具備していることを特徴とする発光装置。