JP2005217094A

JP2005217094A - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置

Info

Publication number: JP2005217094A
Application number: JP2004020773A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Katabe; 浩介形部
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP4480407B2

Abstract

【課題】発光素子が発する光を効率よく発光装置外に放射することができるとともに、耐衝撃性、耐紫外線性に優れる発光装置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４を載置する載置部を有する基体１と、基体１の上面に載置部を取り囲むように取着された、内周面が発光素子４が発光する光を反射する反射面とされている枠状のガラスから成る反射部材３と、基体１の上面に反射部材３を囲繞するように接合されるとともに内周面が反射部材３の外周面に取着されている枠体２とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、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これを用いた発光装置に関するものである。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子14を収容するための発光装置を図２に示す。図２に示すように、発光装置は、上面の中央部に発光素子14を搭載し、発光素子14と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）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層等から成る配線導体（図示せず）が形成された絶縁体から成る基体11と、基体11の上面に接着固定され、中央部に発光素子14を収納するための貫通孔が形成された、金属、樹脂またはセラミックス等から成る枠体12とから主に構成される。

基体11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11がセラミックスから成る場合、その上面にメタライズ配線層がタングステン（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11が樹脂から成る場合、基体11をモールド成型する際に、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子が基体11の内部に一端部が突出するように固定される。

また、枠体12は、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナ質焼結体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、切削加工や金型成形または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12の中央部には上方に向かうに伴って外側に広がる貫通孔が形成されており、貫通孔の内周面の光の反射率を向上させる場合、この内周面にＡｌ等の金属が蒸着法やメッキ法により被着される。そして、枠体12は、半田、銀ロウ等のロウ材または樹脂接着剤により、基体11の上面に接合される。

そして、基体11表面に形成した配線導体（図示せず）と発光素子14の電極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、発光素子14の表面に蛍光体層16を形成した後に、枠体12の内側に透明樹脂15を充填し熱硬化させることで、発光素子14からの光を蛍光体層16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。
特開2003-110146号公報

ところで近年、近紫外線を励起源として赤、青、緑の蛍光体を励起し発される蛍光を混合して白色を得る発光装置がその演色性の高さに対し注目を浴びているが、近紫外線を励起源として用いるため発光装置収納用パッケージおよび発光装置中の樹脂部材の劣化が問題視されている。そのため、すべての部材を無機物で構成する発光装置が望まれている。

そこで、可視光に対する反射効率のよいＡｌ材などの金属を面精度よく機械加工することで可視光に対する反射効率のよい枠体12を得、その後枠体12を近紫外線で劣化しにくい半田などの金属接着剤やガラスなどの無機接着剤で基体11と接合することが試みられている。

しかしながら、図２で示すような構造でセラミックスから成る基体11とＡｌから成る枠体12とを金属接着剤で接合しようとすると、枠体12であるＡｌは表面に強固な不動体を形成するため、金属接着剤との濡れが悪く、枠体12と基体11との接合不良が生じるという問題点があった。

そこで枠体12であるＡｌの表面の不導体をフラックスなどで除去し接合することが提案されているが、この場合フラックス成分がＡｌ表面を置換するので可視光に対するＡｌ表面の反射率を低下させ、反射率のよい枠体12を得ることができないという問題点があった。

また、無機接着剤としてガラスを用いた場合、Ａｌから成る枠体12、ガラスから成る無機接着剤およびセラミックスから成る基体11の熱膨張の差が原因で枠体12が基体11から容易に剥がれるという問題点があった。

また、枠体12としてＣｕを用いた場合、基体11に無機接着剤により容易に接合することができる。また、Ｃｕは硬度が低いため、機械加工やプレス加工することで容易かつ安価にＲａ0.01以下の光反射率の高い鏡面状態の表面を得ることができ、その表面上にＡｌ蒸着膜を施すことで安価に光反射効率の高い枠体12を得ることができる。

しかしながら、硬度の低い材料は一般的に熱膨張が大きく、セラミックスやガラスである基体11と熱膨張係数が大きく異なるため、セラミックスやガラスである基体11と接合する際、それぞれの熱膨張係数差による応力で枠体12の反射面が歪み、光反射効率が悪くなるという問題点があった。

また、枠体12としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金に代表される低熱膨張金属を用いた場合、枠体12をセラミックスやガラスなどの基体11に無機接着剤で容易かつ強固に接合することが可能であるとともに、枠体12と基体11との熱膨張差を小さくすることができる。

しかしながら、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金に代表される低熱膨張金属は表面を鏡面状態に仕上げるには加工が困難であり、コストがかかるという問題点があった。

また、光反射効率の高い金属として銀（Ａｇ）を枠体12として用いることが可能であるが、Ａｇは表面酸化により、光反射効率の経時変化を容易に生じるため、本用途の枠体12には適さない。またＣｕやＦｅ、Ｎｉなどの金属およびそれらを用いた合金上にメッキ法、蒸着法などでＡｇ膜を形成したものも枠体12として用いることが可能であるが、上記理由と同様、本用途に適さない。

また、枠体12をガラスで作製した場合、ガラス材はプレス加工することで安価に算術平均粗さＲａ0.01以下の光反射率の高い鏡面状態の表面を得ることができるので、その上にＡｌ蒸着膜を施すことで安価に光反射効率のよい枠体12を得ることができる。

しかしながら、ガラス材をプレス加工した表面にＡｌ蒸着膜を施した枠体12を基体11と接合する際、半田などの金属接着剤を用いると、金属接着剤とガラス材にＡｌ蒸着膜を施した枠体12との濡れ性が悪いため、接合不良が生じやすいという問題点があった。

また、ガラスなどの無機接着剤で基体11と枠体12とを接合した場合、基体11と枠体12とを強固に接合することができるが、ガラスなどの無機接着剤での接合においては、ガラスから成る無機接着剤を溶融させるため、一般的に350℃以上の温度を加える必要が有り、350℃以上の雰囲気によってガラス材上に施したＡｌ蒸着膜の反射率が劣化しやすくなるという問題点を有していた。

また、金属アルコキシドの加水分解生成物（ゾルゲルガラス）、低融点ガラス、水ガラスなどの、接着作業温度が350℃以下の温度で接合できる接着剤を用いることにより、枠体12と基体11とを接合することができるが、接合強度が非常に弱く、実用に耐えうる耐衝撃性が無いという問題点を有していた。

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、発光素子が発する光を効率よく発光装置外に放射することができるとともに、耐衝撃性、耐紫外線性に優れる発光装置用パッケージおよび発光装置を提供することである。

本発明の発光素子収納用パッケージは、上面に発光素子を載置する載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を取り囲むように取着された、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状のガラスから成る反射部材と、前記基体の上面に前記反射部材を囲繞するように接合されるとともに内周面が前記反射部材の外周面に取着されている枠体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おいて、好ましくは、前記反射部材はその内周面の算術平均粗さが0.01μｍ以下であるとともにその表面に金属膜が被着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、前記反射部材は、前記基体に金属アルコキシドの加水分解生成物または融点が350℃以下のガラスから成る接合材によって取着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、前記載置部に載置された発光素子と、該発光素子を覆う透明部材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、上面に発光素子を載置する載置部を有する基体と、基体の上面に載置部を取り囲むように取着された、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状のガラスから成る反射部材と、基体の上面に反射部材を囲繞するように接合されるとともに内周面が反射部材の外周面に取着されている枠体とを具備していることから、基体に強固に接合された枠体の内側に反射部材をはめ込んだ後、枠体をかしめることによって、あるいは、反射部材を基体や枠体に350℃以下の融点を有する無機接着剤で接合することによって、非常に低温で反射部材を基体上に設けることができる。その結果、反射部材の反射面が熱で歪むのを有効に防止して、非常に効率よく光を反射させ、放射光強度の高い発光装置とすることができる。

また、反射部材と基体とを接合する接着剤として樹脂接着剤等の紫外線劣化しやすい材料を用いる必要がないので、発光素子から発せられる近紫外光などの光で接着剤が劣化して発光装置が故障するのを有効に防止でき、耐紫外線性に優れたものとすることができる。

さらに、非常に強固に基体に接合された枠体が枠体の内側の気密性を良好に維持するとともに、枠体の内側における基体の歪みや熱膨張を有効に抑制して反射部材に応力が加わるのを有効に防止できる。その結果、基体に比較的弱い接合力で接合した反射部材を良好に補強して固定し続けることができ、反射部材の光反射特性を良好に維持することができるとともに、発光素子を長期間にわたり良好に作動させることができる。

また、反射部材はガラスから成ることから、プレス成型した後、表面を電解研磨等の機械加工で反射面を形成する必要のある金属に比較して、ガラスはプレス成型だけでも容易に平坦な鏡面状の反射面を得ることができ、製造工程を短縮して製造コストを下げることができる。

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、反射部材はその内周面の算術平均粗さが0.01μｍ以下であるとともにその表面に金属膜が被着されていることから、反射部材の反射面の光反射率をより向上させることができ、発光素子が発する光を効率よく外部に放射することができる発光素子収納用パッケージとなる。

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、反射部材は、基体に金属アルコキシドの加水分解生成物または融点が350℃以下のガラスから成る接合材によって取着されていることから、発光素子から発せられる光によって劣化することなく、反射部材を基体により安定して固定することができ、光反射特性をより良好に維持できる。

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、載置部に載置された発光素子と、発光素子を覆う透明部材とを具備していることから、発光素子が発する光を効率よく発光装置外に放射することができるとともに、耐衝撃性、耐紫外線性に優れる発光装置を提供することができる。

本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図１は、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り、１は基体、２は枠体、３は反射部材、４は発光素子、５はシリコーン樹脂やガラスなどの透明部材、６は蛍光体層、８は蓋体であり、主としてこれらで発光装置が構成されている。

本発明における基体１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、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、またはシリカなどのガラス絶縁体であり、発光素子４を支持する支持部材である。

この基体１の表面にはＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の金属粉末から成るメタライズ配線層が形成されておりその上にガラスから成る枠体２が半田やロウ材，ガラス，樹脂接着剤等の接着剤で接合される。好ましくは、枠体２と基体１とを接合する接合材は、半田やロウ材、ガラス等の無機接着剤であるのがよい。これにより、発光素子４から発光された近紫外光等の光が、反射部材３や基体１を透過したり、反射部材３と基体１との界面を通過したりして漏れ出た場合でも、基体１と枠体２とを接合する接合材が劣化するのを有効に防止でき、基体１と枠体２との接合強度をきわめて強固に維持できる。

また、好ましくは反射部材３はその内周面の算術平均粗さが0.01μｍ以下であるとともにその表面は金属膜が被着されているのがよい。これにより、反射部材３の反射面の光反射率をより向上させることができ、発光素子４が発する光を効率よく外部に放射することができる発光素子収納用パッケージとなる。

反射部材３は、基体１に強固に接合された枠体２の内側にはめ込まれた後、枠体２をかしめることによって、あるいは、反射部材３を基体１や枠体２に350℃以下の融点を有する無機接着剤で接合することによって、非常に低温で反射部材３を基体１上に設けることができる。その結果、反射部材３の反射面が熱で歪むのを有効に防止して、非常に効率よく光を反射させ、放射光強度の高い発光装置とすることができる。

好ましくは、反射部材３は、基体１に金属アルコキシドの加水分解生成物または融点が350℃以下のガラスから成る接合材によって取着されているのがよい。これにより、発光素子４から発せられる光によって劣化することなく、反射部材３を基体１により安定して固定することができ、光反射特性をより良好に維持できる。なお、金属アルコキシドの加水分解生成物または融点が350℃以下のガラスによる基体１と枠体２との接合強度は比較的弱いものであるが、基体１に強固に接合された枠体２の補強効果との相乗効果で反射部材３をより良好に固定し続けることができる。よって金属アルコキシドの加水分解生成物または融点が350℃以下のガラスの接合強度で十分実用に耐えうる耐衝撃性を持つことになる。

また、Ｃｕなどの安価、かつ半田付けやロウ付けなどの無機接着剤での接合が容易な材料を枠体２として用いることもできる。枠体２がＣｕから成る場合、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、またはシリカなどのガラス絶縁体から成る基体１と熱膨張係数が異なるため、枠体２と基体１との接合部に熱応力が発生しやすく、従来のような枠体２の内周面を反射面としていた構成では反射面が熱応力で歪み光反射率が低下していたのに対し、本発明の発光素子収納用パッケージでは、反射面を有する反射部材３と枠体２とが別体であるため、反射面が歪むのを有効に防止できる。

また基体１の表面や内部には、発光装置の内外を電気的に導通接続するためのＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の金属粉末から成るメタライズ配線層が形成されており、また、基体１の下面等の外部に露出した表面のメタライズ配線層にＣｕ、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属から成るリード端子が接合される。そして、基体１には発光素子４がＡｕ−Ｓｎ共晶半田などの接合材で接合される。そして、基体１のメタライズ配線層に上記発光素子４の電極がボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続される。

なお、メタライズ配線層の露出する表面にＮｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚みで被着させておくのがよく、メタライズ配線層が酸化腐食するのを有効に防止できるとともに、メタライズ配線層と発光素子４との接続およびメタライズ配線層とボンディングワイヤとの接続を強固にすることができる。従って、メタライズ配線層の露出表面には、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されていることがより好ましい。

また、基体１の上面には、基体１の下面側への光の透過を有効に抑制するとともに、基体１の上側に光を効率的に反射させるために、メタライズ配線層に電気的に短絡しないようにして、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、白金（Ｐｔ）、Ｃｕ等の金属を蒸着法やメッキ法により反射層として形成することが好ましい。また、メタライズ配線層の面積を大きくすることにより、反射層としてもよい。

そして、本発明の発光素子収納用パッケージの載置部に発光素子４を載置し、発光素子４を透明部材５で覆うことにより本発明の発光装置となる。

透明部材５は、発光素子４の表面を覆うように設けられる透光性のゲル状物質の硬化物であってもよく、発光素子４を覆うように反射部材３の上面や枠体２の上面に接合される透光性の蓋体であってもよい。

好ましくは、発光素子４の表面にシリコーン樹脂やゾルゲルガラス、シリコーン変性ガラス、フッ素樹脂、低融点ガラスなどの透明部材５を被覆するのがよい。発光素子４の上面が空気に接していると、一般的に発光素子４の屈折率は空気より大きいので（空気1に対し窒化ガリウムでは2.7程度）、発光素子４内部と外部（この場合空気）の界面で生じる臨界反射角は小さくなる。その結果、全反射しやすくなって発光素子４中で生じた光が外部に出る確率（外部量子効率）は低くなる。よって、上記臨界反射角を大きくするためには発光素子４の屈折率と近似した屈折率を有するとともに、発光素子４の発する光に対し透明で、かつ発光素子４の発する光に対し透明性が劣化しない材料で発光素子４を被覆することが有効である。シリコーン樹脂やゾルゲルガラス、シリコーン変性ガラス、低融点ガラスなどの透明部材５の屈折率は空気より大きく発光素子４の屈折率と近い値を持つ。その結果、発光素子４の外部量子効率が高まり、発光効率のよい発光素子収納用パッケージおよび発光装置を得ることができる。

また、透明部材５の上に透過光の一部もしくは全部を所望の波長の光（例えば、420〜780ｎｍの可視光）に変換するための、蛍光体粒子を混入させた透明部材から成る蛍光体層６を塗布し形成してもよい。これにより、発光素子４の光を所望の色に変換することができる。

蛍光体層６に含有させる蛍光体粒子は、周知の様々なものを用いることができる。たとえば、赤色（約580〜780ｎｍ）の蛍光を発生するＬａ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、緑色（約450〜650ｎｍ）の蛍光を発生するＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、青色（420〜550ｎｍ）の蛍光を発生する（ＢａＭｇＡｌ）_１０Ｏ_１２：Ｅｕなどが使用できる。

蛍光体はその表面で発光素子４の光を蛍光に変換するため、蛍光体を構成する結晶の欠陥の存在確率が問題にならない程度の粒子径の粒子状の方が効率がよい。しかし粒子状では、蛍光体粒子のみを直接透明部材５の表面に実装することは困難なため、透明部材中に蛍光体粒子を混入して透明部材５の表面に塗布し蛍光体層６とする。このような蛍光体粒子を含有させるための透明部材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、もしくはガラス等が挙げられる。

例えば、発光波長が300〜400ｎｍである発光素子４は、紫外線領域を主に含む波長帯域の光を発生するものであり、上記の蛍光体粒子はこの波長帯域の光を効率的に蛍光に変換することができる。

また、図１に示すように枠体２の上面に蓋体８を接合材を用いて取り付けてもよい。蓋体８はガラス、サファイア、石英、またはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂（プラスチック）などの透明部材から成り、接合材はエポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂接着剤および半田、ロウ材、低融点ガラスなどの無機接着剤を用いることができる。これにより、枠体２内側に設置された、発光素子４、蛍光体層６、メタライズ配線層、ボンディングワイヤ、を良好に保護するとともに、発光素子収納用パッケージ内部を気密に封止して発光素子４を安定に作動させることができる。

また、好ましくは蓋体８としてガラス、サファイアなどの気密性の高い材料を用い、接合材として半田、ロウ材、低融点ガラスなどの無機接着剤を用いるのがよい。これにより、枠体２の内部をヘリウムリーク量10^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓ未満の気密状態に封止することが可能となる。その結果、枠体２内側に設置された、発光素子４、蛍光体層６、メタライズ配線層、ボンディングワイヤ、を酸素や水蒸気による劣化から保護し発光装置の寿命を長寿命化することが可能となる。

また、蓋体８をレンズ状に形成して光学レンズの機能を付加することによって、発光装置から放射される光を集光または分散させて所望の放射角度、強度分布で光を外部に取り出すことができる。

蓋体８と蛍光体層６の間にはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ガラスなどの透明部材７、または、窒素やアルゴン、ヘリウム、などの不活性透明気体７が設置される。

蛍光体層６の屈折率は、蛍光体粒子の屈折率と蛍光体粒子を覆う透明部材の屈折率との合成で表されるので空気の屈折率より大きくなる。よって、蛍光体層６と外部の界面で生じる臨界反射角は小さくなり、蛍光体層６で生じた光が蛍光体層６と外部の界面で全反射して外部に出る確率は低くなる。上記臨界反射角を大きくするためには蛍光体層６の屈折率と近似した屈折率を有するとともに、蛍光体層６の発する光に対し透明で、かつ蛍光体層６の発する光に対し透明性が劣化しない材料で蛍光体層６を被覆することが有効である。

シリコーン樹脂やゾルゲルガラス、シリコーン変性ガラス、フッ素樹脂、低融点ガラスなどの透明部材７の屈折率は空気より大きく蛍光体層６の屈折率と近い値を持つ。その結果蛍光体層６と蓋体８の間にシリコーン樹脂やゾルゲルガラス、シリコーン変性ガラス、フッ素樹脂、低融点ガラスなどの透明部材７を設置すると、蛍光体層６で生じた光が外部に放出される確率が高まり、発光効率のよい発光素子収納用パッケージおよび発光装置を得ることができる。

また窒素やヘリウム、アルゴンなどの不活性透明気体７を蛍光体層６と蓋体８の間に設置すると、上記臨界反射角を大きくし蛍光体層６から生じる光を外部に取り出す確率は小さくなるものの、枠体２内側に設置された、発光素子４、蛍光体層６、メタライズ配線層、ボンディングワイヤ、を酸素や水蒸気による劣化から保護し発光装置の寿命を長寿命化することが可能となる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。例えば、透明部材５に蛍光体粒子を含有させて、透明部材５を蛍光体層としてもよい。

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。従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
２：枠体
３：反射部材
４：発光素子
５：透明部材

Claims

上面に発光素子を載置する載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を取り囲むように取着された、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状のガラスから成る反射部材と、前記基体の上面に前記反射部材を囲繞するように接合されるとともに内周面が前記反射部材の外周面に取着されている枠体とを具備していることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
前記反射部材はその内周面の算術平均粗さが０．０１μｍ以下であるとともにその表面に金属膜が被着されてい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。
前記反射部材は、前記基体に金属アルコキシドの加水分解生成物または融点が３５０℃以下のガラスから成る接合材によって取着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。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光素子収納用パッケージと、前記載置部に載置された発光素子と、該発光素子を覆う透明部材とを具備していることを特徴とする発光装置。