JP2005209958A - 発光素子収納パッケージおよび発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子の光を効率よく外部に放出させることのできる、放射光強度が高い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、上側主面に発光素子４の載置部８ａが形成された透光性のサブマウント８と、上面の中央部にサブマウント８が載置された基体２と、基体２の上面にサブマウント８を取り囲むように接合された、内周面が発光素子４が発光する光を反射する反射面６とされている枠体３とを具備しており、サブマウント８は、上側主面の算術平均粗さが下側主面の算術平均粗さよりも小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子から発光される光を外部に放射する発光装置に関する。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子14から発光される近紫外光や青色光等の光を赤色，緑色，青色，黄色等の光に変換する蛍光体により任意の色を発光する発光装置11を図３に示す。図３において、発光装置11は、上面の中央部に発光素子14を載置するための載置部12ａを有する絶縁体からなる基体12と、載置部12ａおよびその周辺から発光装置11の外面にかけて形成された、発光装置11の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体（図示せず）と、基体12の上面に接着固定され、上側開口が下側開口より大きい貫通孔が形成されているとともに、内周面が発光素子14から発光される光を反射する反射面16とされている枠体13と、枠体13の内部に充填される透光性部材15と、透光性部材15に含有されるか、または、透光性部材15の上面に被覆された、発光素子14の光を長波長変換する蛍光体（図示せず）と、載置部12ａに載置固定された発光素子14とから主に構成されている。

基体12は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や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、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。基体12がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体（図示せず）がタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体12が樹脂から成る場合、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子がモールド成型されて基体12の内部に設置固定される。

また、枠体13は、上側開口が下側開口より大きい貫通孔が形成されるとともに貫通孔の内周面に光を反射する反射面16が設けられた枠状となっている。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型、押し出し成型等の成形技術により形成される。

さらに、枠体13の反射面16は、研磨して平坦化することにより、あるいは、枠体13の内周面にＡｌ等の金属を蒸着法やメッキ法により被着することにより形成される。そして、枠体13は、半田，銀（Ａｇ）ペースト等のロウ材または樹脂接着剤等の接合材により、載置部12ａを内周面で取り囲むように基体12の上面に接合される。

また、発光素子14は、半田やＡｇペースト等の導電性を有する接着剤17で載置部12ａに載置される。

そして、載置部12ａの周辺に配置した配線導体（図示せず）と発光素子14とをボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続し、しかる後、蛍光体を含有するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透光性部材15をディスペンサー等の注入機で発光素子14を覆うように枠体13の内部に充填しオーブンで熱硬化させる、または、蛍光体を含有しないエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透光性部材15をディスペンサー等の注入機で発光素子14を覆うように枠体13の内部に充填しオーブンで熱硬化させた後、その上面に蛍光体を被覆することで、発光素子14からの光を蛍光体により長波長側に波長変換し所望の波長スペクトルを有する発光装置11となし得る。
特開平10−107325号公報

しかしながら、上記従来の発光装置11において、発光素子14から上側方向や横方向に発光された光は、直接または枠体13の反射面16で反射されて外部に放射されるが、発光素子14から下側方向に発光された光は、基体12と発光素子14との間で反射を繰り返し、外部に放射されずに基体12や接着剤17に吸収されて減衰するため、発光装置11の放射効率および放射光強度が低いという問題点を有していた。

従って、本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、発光素子の光を効率よく外部に放出させることのできる、放射光強度が高い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、上側主面に発光素子の載置部が形成された透光性のサブマウントと、上面の中央部に前記サブマウントが載置された基体と、該基体の上面に前記サブマウントを取り囲むように接合された、内周面が前記発光素子が発光する光を反射する反射面とされている枠体とを具備しており、前記サブマウントは、上側主面の算術平均粗さが下側主面の算術平均粗さよりも小さいことを特徴とする。

本発明の発光素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記サブマウントは、上側主面の算術平均粗さが0.1μｍ以下であ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おいて、好ましくは、前記サブマウントは、その下側主面に光反射層が形成され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おいて、好ましくは、前記サブマウントは、その下側主面に蛍光体層と光反射層とが順次形成されていることを特徴とする。

本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子収納用パッケージと、前記載置部に透光性の接着剤を介して載置された発光素子と、前記枠体の内側に前記発光素子を覆って設けられた透光性部材とを具備していることを特徴とする。

本発明の発光装置において、好ましくは、前記接着剤は、その屈折率が前記サブマウントの屈折率と同じかまたは前記サブマウントの屈折率より小さいことを特徴とする。

本発明の発光素子収納用パッケージは、上側主面に発光素子の載置部が形成された透光性のサブマウントと、上面の中央部に前記サブマウントが載置された基体と、基体の上面にサブマウントを取り囲むように接合された、内周面が発光素子が発光する光を反射する反射面とされている枠体とを具備しており、サブマウントは、上側主面の算術平均粗さが下側主面の算術平均粗さよりも小さいことから、発光素子から下側方向に発光される光を透光性のサブマウントを良好に透過させて算術平均粗さの大きいサブマウントの下側主面で乱反射させることにより、発光素子と基体との間で反射を繰り返すことにより光が減衰するのを有効に防止し、光を効率よく外部に取り出すことができ、発光装置の放射効率を高めて放射光強度をきわめて高くすることができる。

また、発光素子から発光された光を波長変換するための蛍光体を発光素子を覆うように設けた場合、サブマウントの下側主面で乱反射させることにより、蛍光体全体に均一に光を照射させることができ、一部の蛍光体だけに光が照射されて蛍光体の波長変換効率が低下するのを有効に防止して、波長変換効率を著しく向上させることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、サブマウントは、上側主面の算術平均粗さが0.1μｍ以下であることから、発光素子から下側方向に出射される光をサブマウントの上側主面で散乱させずに良好に透過させることができ、発光素子とサブマウントとの間で光が減衰するのをきわめて良好に抑制して放射効率をより向上させることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、サブマウントは、その下側主面に光反射層が形成されていることから、発光素子から下側方向に発光された光を良好に反射させることができ、発光装置の放射光強度をより向上させることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、サブマウントは、その下側主面に蛍光体層と光反射層とが順次形成されていることから、発光素子から下側方向に発せられた光をサブマウントの下側の蛍光体層によって効率よく波長変換することができ、任意の色を有する光をより効率よく発光させることができる。

また、サブマウントの下側主面で散乱させて蛍光体層へ万遍なく光を照射することができ、蛍光体層の波長変換の効率を高くすることができる。

さらに、サブマウントの下側の蛍光体層で波長変換された光を、蛍光体層の下側の光反射層で反射してサブマウントの下面で散乱させることにより、波長変換された光を効率よく外部に取り出すことができ、所望の波長スペクトルを有する放射光強度のきわめて高いものとことができる。

本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子収納用パッケージと、載置部に透光性の接着剤を介して載置された発光素子と、枠体の内側に発光素子を覆って設けられた透光性部材とを具備していることから、上記本発明の発光素子収納用パッケージを用いた発光素子の光を効率よくパッケージの外部に取り出すことが可能な放射光強度の高い発光装置とすることができる。

本発明の発光装置において、好ましくは、接着剤は、その屈折率がサブマウントの屈折率と同じかまたはサブマウントの屈折率より小さいことから、発光素子から下側方向に発光される光が接着剤とサブマウントとの界面で全反射が生じるのを有効に防止して効率よくサブマウントを透過させることができ、発光素子からの光をきわめて効率よく取り出すことができる。

本発明の発光素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）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の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、８はサブマウント、９は光反射層であり、主としてこれらパッケージが構成され、このパッケージのサブマウント８に接着剤７を介して発光素子４を載置し、枠体３の内側に発光素子４を覆うように透光性部材５を充填することにより発光装置１となる。

本発明のパッケージは、上側主面に発光素子４の載置部８ａが形成された透光性のサブマウント８と、上面の中央部にサブマウント８が載置された基体２と、基体２の上面にサブマウント８を取り囲むように接合された、内周面が発光素子４が発光する光を反射する反射面６とされている枠体３とを具備している。

本発明のサブマウント８は、サファイアやガラス等の無機化合物や透明樹脂等から成り、発光素子４から発光される光を良好に透過させるものである。

好ましくは、サブマウント８はサファイアから成るのがよい。これにより、発光素子４とサブマウント８との熱膨張係数を整合することができ、発光素子４の発する熱により発生する応力によって生じる発光素子４のクラックや基体２からの剥落などの故障を抑制もしくは減少させることができる。例えば、発光素子４が窒化ガリウム系化合物半導体から成る場合、熱膨張係数は5.59×10^−６Ｋ^−１であり、ガリウム砒素系化合物半導体から成る場合、熱膨張係数は5.7×10⁻⁶Ｋ⁻¹であるのに対し、サファイアの熱膨張係数は6.7×10⁻⁶Ｋ^−１であり、発光素子４とサブマウント８との熱膨張係数差を非常に小さくすることができる。

さらに、サファイアは熱伝導率が27Ｊ／ｍ・ｓ・℃と放熱性に優れるため、発光素子４から発生した熱を良好に基体２に伝達して発光素子４の高温化を有効に抑制することができ、発光素子４において存在する格子歪みが発光素子４で発生する熱によって増大するのを有効に抑制することができる。その結果、発光素子４の発光効率の劣化を有効に抑制することができる。

また、本発明のサブマウント８は、上側主面の算術平均粗さが下側主面の算術平均粗さよりも小さい。これにより、発光素子４から下側方向に発光される光を透光性のサブマウント８を良好に透過させて算術平均粗さの大きいサブマウント８の下側主面で乱反射させることにより、発光素子４と基体２との間で反射を繰り返すことにより光が減衰するのを有効に防止し、光を効率よく外部に取り出すことができ、発光装置１の放射効率を高めて放射光強度をきわめて高くすることができる。また、発光素子４から発光された光を波長変換するための蛍光体を、透光性部材５に含有させる等の方法で発光素子４を覆うように設けた場合、サブマウント８の下側主面で乱反射させることにより、蛍光体全体に均一に光を照射させることができ、一部の蛍光体だけに光が照射されて蛍光体の波長変換効率が低下するのを有効に防止して、波長変換効率を著しく向上させることができる。

サブマウント８の下側主面の算術平均粗さは、上側主面の算術平均粗さの4〜10倍であるのがよい。これにより、発光素子４から下側方向に発光される光を非常に効率よく外部に取り出すことができ、発光装置１の放射効率を高めて放射光強度をきわめて高くすることができる。

また、サブマウント８は、上側主面の算術平均粗さが0.1μｍ以下であるのがよい。これにより、発光素子４から下側方向に出射される光をサブマウント８の上側主面で散乱させずに良好に透過させることができ、発光素子４とサブマウント８との間で光が減衰するのをきわめて良好に抑制して放射効率をより向上させることができる。

このようなサブマウント８の上下主面の算術平均粗さは、研磨やエッチング等の方法で所望のものとすることができる。

また、サブマウント８は、その下側主面に光反射層９が形成されているのがよい。これにより、発光素子４から下側方向に発光された光を良好に反射させることができ、発光装置１の放射光強度をより向上させることができる。

光反射層９は、発光素子４から発光される光を効率よく反射させることのできるものであり、例えば、アルミニウム、銀等の金属、白色等のセラミックス等の高い光反射率を有するものが挙げられる。より好ましくは、高光反射率を有するとともに高熱伝導性をも有する金属であるのがよい。光反射層９が金属から成る場合、サブマウント８の下側主面に蒸着やめっき、メタライズ、ロウ付け等の方法により、または、光反射層９と成る粉末状の金属を有機溶剤に分散しものをサブマウント８の下側主面に塗布した後に有機溶剤を除去するといった方法で作製することができる。

また、図２に示すように、サブマウント８は、その下側主面に蛍光体層10と光反射層９とが順次形成されているのがよい。これにより、発光素子４から下側方向に発せられた光をサブマウントの下側の蛍光体層10によって効率よく波長変換することができ、任意の色を有する光をより効率よく発光させることができる。

また、サブマウント８の下側主面で散乱させて蛍光体層４へ万遍なく光を照射することができ、蛍光体層４の波長変換の効率を高くすることができる。

さらに、サブマウント８の下側の蛍光体層４で波長変換された光を、蛍光体層４の下側の光反射層９で反射してサブマウント８の下面で散乱させることにより、波長変換された光を効率よく外部に取り出すことができ、所望の波長スペクトルを有する放射光強度のきわめて高いものとことができる。

このような蛍光体層10は、例えば、シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，ユリア樹脂等の透明樹脂や、低融点ガラス、ゾル−ゲルガラス等から成る透光性部材に、発光素子４の光で励起され電子の再結合により青色，赤色，緑色等に発光する、無機系や有機系の蛍光体が含有されたものが用いられる。

サブマウント８は、基体２の上面に樹脂接着剤やろう材等の接合材を介して接合される。サブマウント８の下側主面に光反射層９が形成されている場合、サブマウント８と基体２とを接合する接合材は周知の樹脂接着剤やろう材等が用いられる。また、サブマウント８の下側主面に光反射層９が形成されていない場合、サブマウント８と基体２とを接合する接合材を光反射性のものにすることにより、サブマウント８を透過してきた光を接合材で良好に反射させることができる。このような光反射性の接合材としては、透明樹脂に光反射率の高い金属粒子やセラミック粒子を含有させたもの等を用いることができる。

サブマウント８は、発光素子４の下側部分を構成する基板と同じ材料であるか、または、発光素子４の下側部分を構成する基板と熱膨張係数、屈折率の整合がとれた部材を用いることが好ましい。これにより、発光素子４の下側部分を構成する基板とサブマウント８の屈折率の整合が取れ、発光素子４の下面からの光を効率よく取り出すことができるとともに、発光素子４との熱膨張係数の整合がとれ、発光素子４の発する熱により発生する応力によって生じる発光素子４のクラックやサブマウント８からの剥落などの故障を抑制もしくは減少させることができる。さらに、発光素子４の格子歪みの増大を有効に抑制させ、発光効率の劣化を減少させることもできる。

また、発光素子４をサブマウント８に載置固定するための接着剤７は透光性のものである。好ましくは、接着剤７は、サブマウント８の屈折率と同じかまたはサブマウント８の屈折率より小さいのがよい。これにより、発光素子４から下側方向に発光される光が接着剤７とサブマウント８との界面で全反射が生じるのを有効に防止して効率よくサブマウント８を透過させることができ、発光素子４からの光をきわめて効率よく取り出すことができる。即ち、接着剤７の屈折率をｎ_１、サブマウント８の屈折率をｎ_２としたとき、ｎ_１＞ｎ_２ならばサブマウント８と接着剤７の界面で全反射が発生する可能性が高くなり、発光効率が低下しやすくなる。

また、好ましくは、接着剤７は、発光素子４の下側部分を構成する基板の屈折率と同じかまたは発光素子４の下側部分を構成する基板の屈折率より大きいのがよい。これにより、発光素子４から下側方向に発光される光が接着剤７と発光素子４の基板との界面で全反射が生じるのを有効に防止して効率よく接着剤７を透過させることができ、発光素子４からの光をきわめて効率よく取り出すことができる。即ち、接着剤７の屈折率をｎ_１、発光素子４の下側部分を構成する基板の屈折率をｎ_３としたとき、ｎ_１＜ｎ_３ならば発光素子４と接着剤７の界面で全反射が発生する可能性が高くなり、発光効率が低下しやすくなる。

また、基体２は、アルミナセラミックスや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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ等の金属、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る。

また、枠体３は、アルミナセラミックスや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、アルミニウムや銀、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｃｕ−Ｗ等の金属、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る。枠体３はロウ材や樹脂接着剤等の接合材により基体２に接着されている。

さらに枠体３の内周面は反射面６とされている。このような反射面６は、枠体３が高反射率の金属からなる場合、枠体３をプレス加工、切削加工、型流し加工等で形成することにより内周面が反射面６とされた状態で作製される。または、枠体３の内周面に反射率の高い金属をめっきや蒸着などで被着形成することによって形成することもできる。

さらに、枠体３の反射面６は、その表面の算術平均粗さＲａが0.1μｍ以下であるのが良く、これにより発光素子４の光を良好に発光装置１の上側に反射することができる。Ｒａが0.1μｍを超える場合、発光素子４の枠体３の反射面６で光を正反射し難くなるとともに発光装置１の内部で乱反射し易くなる。その結果、発光装置１の内部における光の伝搬損失が大きく成り易いとともに、所望の放射角度で光を発光装置１の外部に放射することが困難になる。

また。透光性部材５は、発光素子４との屈折率差が小さく、紫外線領域から可視光領域の光に対して透過率の高いものから成るのがよい。これにより、発光素子４と透光性部材５との屈折率差により光の反射損失が発生するのを有効に抑制することができるとともに、発光装置１の外部へ高効率で所望の放射強度，角度分布で光を放射することが可能な発光装置１を製造できる。このような透光性部材５としては、例えば、シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，ユリア樹脂等の透明樹脂や、低融点ガラス、ゾル−ゲルガラス等から成る。

さらに、透光性部材５は、発光素子４の光で励起され電子の再結合により青色，赤色，緑色等に発光する、無機系や有機系の蛍光体が含有されていても良い。これにより、蛍光体を任意の割合で配合することにより、所望の発光スペクトルと色を有する光を出力することができる。

また、発光素子４は、例えば、サファイア基板上にＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ,ＧａＡｓ等の半導体から構成されるバッファ層，ｎ型層，発光層，ｐ型層を順次積層したものが用いられる。

かくして、本発明のパッケージおよび発光装置１は、サブマウント８の載置部８ａに発光素子４を載置するとともに、ワイヤボンディングにより、あるいは半田ボールを用いたフリップチップ実装により、パッケージに設けられた、発光装置１の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体（図示せず）に電気的に接続されることによって、発光素子４と外部電気回路基板とが電気的に導通させ得るものとなる。そして、発光素子４の周囲や表面に蛍光体もしくは蛍光体を混入した透光性部材５を充填し熱などにより硬化させることにより、発光素子４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１となる。

なお、本発明は前記の実施の形態に限定されず、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。例えば、枠体３の上面に発光素子４より発光される光を任意に集光したり拡散させたりすることのできる光学レンズや、平板状の透光性の蓋体を半田や接着剤等で接合することにより、所望とする放射角度で光を放射させることができるとともに発光装置１の内部への耐浸水性が改善され長期信頼性が向上する。

また、枠体３の内周面は、その断面形状が平坦（直線状）であってもよく、また、円弧状等の曲線状であってもよい。円弧状とする場合、発光素子４の光を万遍なく反射させて指向性の高い光を外部に均一に放射することができる。

さらに、枠体３の内側に充填した透光性部材５で発光素子４を覆った例を示したが、透光性部材５を板状部材として枠体３の上面に発光素子４を覆うように取着させてもよい。

本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１：発光装置
２：基体
３：枠体
４：発光素子
６：反射面
７：接着剤
８：サブマウント
８ａ：載置部
９：光反射層

Claims (6)

1. 上側主面に発光素子の載置部が形成された透光性のサブマウントと、上面の中央部に前記サブマウントが載置された基体と、該基体の上面に前記サブマウントを取り囲むように接合された、内周面が前記発光素子の発光する光を反射する反射面とされている枠体とを具備しており、前記サブマウントは、上側主面の算術平均粗さが下側主面の算術平均粗さよりも小さいことを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
2. 前記サブマウントは、上側主面の算術平均粗さが０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の発光素子収納用パッケージ。
3. 前記サブマウントは、その下側主面に光反射層が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光素子収納用パッケージ。
4. 前記サブマウントは、その下側主面に蛍光体層と光反射層とが順次形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光素子収納用パッケージ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光素子収納用パッケージと、前記載置部に透光性の接着剤を介して載置された発光素子と、前記枠体の内側に前記発光素子を覆って設けられた透光性部材とを具備していることを特徴とする発光装置。
6. 前記接着剤は、その屈折率が前記サブマウントの屈折率と同じかまたは前記サブマウントの屈折率より小さいことを特徴とする請求項５記載の発光装置。

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