JP2005243658A - Light emitting diode package - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオードパッケージに関するものである。 The present invention relates to a light emitting diode package.
近年、発光ダイオード(Light emission diode:以下、LED素子とも記す)が注目されている。特に高輝度の青色発光ダイオードが製造可能となってから、赤、緑、青のLED素子を用いて高輝度の白色光が得られるようになり、これらのLED素子を電球や車のヘッドライトとして使用するための開発が進められている。LED素子は電力の消費量が少ないので、車のヘッドライトとして使用した場合、バッテリーの負荷が減る。また、長寿命であるので、室内に使用する蛍光灯や電球もLED素子に置換わりつつある。これらLED素子は、使用者の要求を満たすために、発光輝度やスペクトルなどの、光の特性を向上させるべく開発が進められている。 In recent years, attention has been focused on light emission diodes (hereinafter also referred to as LED elements). In particular, since high-intensity blue light-emitting diodes can be manufactured, high-intensity white light can be obtained using red, green and blue LED elements, and these LED elements can be used as light bulbs and car headlights. Development for use is underway. Since the LED element consumes less electric power, the battery load is reduced when used as a car headlight. In addition, since it has a long life, fluorescent lamps and light bulbs used indoors are being replaced by LED elements. These LED elements are being developed in order to improve light characteristics such as light emission luminance and spectrum in order to satisfy the user's requirements.
上記発光スペクトルや輝度などの特性は主に、LED素子を構成する化合物半導体により決定される。しかし輝度や視野角などの特性は、LED素子を実装するパッケージからも大きな影響を受ける。そのため、使用者の望む輝度や視野角を得るための手段として発光ダイオードパッケージが注目されている。このような発光ダイオードパッケージとしては、従来からセラミック基板に実装するものが用いられている。その一例を図6に示す。LED素子1は第一セラミック基板20上に載置されており、金属配線23a,23bと電気的に接続されている。また、LED素子1を収容するキャビティ24ができている。キャビティ24は、第二セラミック基板21を貫通するように形成されており、第一セラミック基板20および第二セラミック基板21は接着されている。発光ダイオードパッケージの大きさは数ミリ程度で、多数集めることで所望の光量を得ることができる。キャビティ24の内周面には金属層22が形成されており、LED素子1からの発光光束を反射する構成となっている。
The characteristics such as the emission spectrum and the luminance are mainly determined by the compound semiconductor constituting the LED element. However, characteristics such as luminance and viewing angle are greatly affected by the package on which the LED element is mounted. For this reason, a light emitting diode package has attracted attention as a means for obtaining brightness and viewing angle desired by the user. As such a light emitting diode package, one mounted on a ceramic substrate has been conventionally used. An example is shown in FIG. The
上記発光ダイオードパッケージは、例えばグリーンシート積層法により製造される。第一セラミック基板20となるべきセラミックグリーンシートに、金属配線23a,23bとなるメタライズペーストを塗布するとともに、第二セラミック基板21を打ち抜いてキャビティ24を形成し、該キャビティ24の内周面に金属層22となるメタライズペーストを塗布する。その後、各セラミック基板20,21を接着し、高温で焼結して、各セラミック基板20,21が一体となった焼結体を得る。そして、金属層22上にニッケルメッキ層や金メッキ層などを、周知の無電解メッキ法や電解メッキ法により被着させる。
The light emitting diode package is manufactured by, for example, a green sheet lamination method. A metallized paste to be the
ところが上記キャビティ24は、第二セラミック基板21を打ち抜いて形成するために角度θが直角になり、LED素子1からの発光光束が外部に放出されず、望ましい視野角と輝度が得られない問題があった。そこで下記特許文献1などのように、角度θが55°〜70°となるように穿孔し、且つ金属層の中心線平均粗さRaを1〜3μm、光反射率を80%以上とすることで、高い発光効率が得られる発光ダイオードパッケージが提案されている。
さらに下記特許文献2には、金属反射板をキャビティ内に設け、金属反射板の上部に掛止爪を形成して第二セラミック基板21の上段に引っ掛けたり、または熱伝導性の高いシリコン系ボンディング材を使って金属反射板を第二セラミック基板に付着させたりする発光ダイオードパッケージが提案されている。熱伝導性の高いボンディング材を使用するのは、LED素子からの熱を効率よく放熱させるためである。
ところが特許文献1のように、角度θが常に一定の角度となるように穿孔するのは難しく、量産すると角度θにバラツキが生じてしまう問題があった。また、メタライズペーストをグリーンシートに塗布して、セラミックとの同時焼成によって金属層を形成すると、その表面に屈曲が生じ易く、良質の光反射面を形成するのが難しい。そのため、輝度や視野角のバラツキが大きくなるという問題があった。また、特許文献2のように、金属反射板を掛止爪によってセラミック基板に引っ掛ける方法は、金属反射板が外れてしまう場合があり、不安定だった。金属反射板を熱伝導性の高いシリコン系ボンディング材で接着する方法もあるが、放熱効率を改善する余地が残されていた。
However, as in
本発明は上述のごとき実情に鑑みてなされたものであって、特に、LED素子からの発光光束を外部に反射するための良質な光反射面を有し、製造が容易であり、輝度や視野角の製造バラツキが小さく、かつ放熱性に優れた発光ダイオードパッケージを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in particular, has a high-quality light reflecting surface for reflecting the emitted light beam from the LED element to the outside, is easy to manufacture, has a brightness and a visual field. An object of the present invention is to provide a light emitting diode package with small manufacturing variation of corners and excellent heat dissipation.
上記課題を解決するために本発明の発光ダイオードパッケージは、セラミック基板上にLED素子の実装領域が形成され、セラミック基板上にはLED素子を取り囲む経路に沿って金属製のリングがロウ付けされ、リングにはLED素子からの発光光束を所定の方向に反射する光反射面が形成されていることを主要な特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the LED package of the present invention has a LED element mounting region formed on a ceramic substrate, and a metal ring is brazed on the ceramic substrate along a path surrounding the LED element. The ring is mainly characterized in that a light reflecting surface for reflecting the luminous flux from the LED element in a predetermined direction is formed.
上記リングは、上記セラミック基板の表面に、上記経路に沿って形成されたメタライズ層にロウ付けされている。また、本発明の発光ダイオードパッケージは、上記セラミック基板の一方の主表面に開口する有底のキャビティが形成され、該キャビティの底面に上記LED素子の実装領域が形成されると共に、上記底面の外周縁部に上記メタライズ層が形成され、上記キャビティの内周と略同じ大きさの外周を持つ上記リングがメタライズ層にロウ付けされていることを特徴とする。 The ring is brazed to the metallized layer formed along the path on the surface of the ceramic substrate. In the light emitting diode package of the present invention, a bottomed cavity opened on one main surface of the ceramic substrate is formed, a mounting region for the LED element is formed on the bottom surface of the cavity, and an outside of the bottom surface is formed. The metallized layer is formed on a peripheral edge, and the ring having an outer periphery substantially the same size as the inner periphery of the cavity is brazed to the metallized layer.
上記リングは、上記メタライズ層にAg系ロウ材でロウ付けされている。また、上記光反射面は開口方向に広くなるように形成されている。さらに、本発明の発光ダイオードパッケージは、上記LED素子の実装領域は第一のセラミック基板上に形成されると共に、上記キャビティは第二のセラミック基板を貫通するように形成され、上記キャビティが上記LED素子を収容するように、上記第一のセラミック基板および上記第二のセラミック基板が接着されている。 The ring is brazed to the metallized layer with an Ag-based brazing material. The light reflecting surface is formed so as to be wide in the opening direction. Further, in the light emitting diode package of the present invention, the mounting area of the LED element is formed on the first ceramic substrate, the cavity is formed to penetrate the second ceramic substrate, and the cavity is the LED. The first ceramic substrate and the second ceramic substrate are bonded so as to accommodate the element.
さらに本発明の発光ダイオードパッケージは、第一、第二、第三のセラミック基板をこの順に積層してなり、第一のセラミック基板上に上記LED素子の実装領域が形成されると共に、第二および第三のセラミック基板に貫通穴が形成され、これら二つの貫通穴が連なって上記キャビティをなし、第二のセラミック基板の一方の主表面に上記LED素子と接続する金属パットが形成され、該金属パッドは上記キャビティから露出することを特徴とする。 Furthermore, the light emitting diode package of the present invention is formed by laminating first, second, and third ceramic substrates in this order, and a mounting region for the LED element is formed on the first ceramic substrate. A through hole is formed in the third ceramic substrate, the two through holes are connected to form the cavity, and a metal pad connected to the LED element is formed on one main surface of the second ceramic substrate. The pad is exposed from the cavity.
上記貫通穴は円筒形であり、上記第三のセラミック基板に形成された貫通穴の直径は、上記第三のセラミック基板に形成された貫通穴の直径よりも大きい。また、上記貫通穴は、上記第二および第三のセラミック基板を垂直に打ち抜いて形成される。 The through hole has a cylindrical shape, and the diameter of the through hole formed in the third ceramic substrate is larger than the diameter of the through hole formed in the third ceramic substrate. The through hole is formed by vertically punching the second and third ceramic substrates.
本発明に用いる光反射面は、金属製のリングに形成されているものなので、その表面は滑らかであり、光反射率が高い。金属製のリングは、形状を安定して生産できる。そのため、発光ダイオードパッケージを製造した場合、視野角や輝度のバラツキを小さくできる。金属製のリングは熱伝導性の良いロウ材を使ってロウ付けされているので、放熱性に優れている。ロウ材の種類は、Ag系、ニッケル系、アルミニウム系など何でも良いが、特にAg系ロウ材が良い。 Since the light reflecting surface used in the present invention is formed on a metal ring, the surface is smooth and has high light reflectance. Metal rings can be produced stably in shape. Therefore, when the light emitting diode package is manufactured, the variation in viewing angle and luminance can be reduced. Since the metal ring is brazed using a brazing material with good thermal conductivity, it has excellent heat dissipation. The type of brazing material may be anything such as Ag, nickel or aluminum, but Ag brazing is particularly preferred.
キャビティは、例えば円柱形にすることができる。その底面は円形であり、中心部にLED素子の実装領域が形成される。そして底面の外周縁部にはMoやWなどの金属からなるメタライズ層が形成される。金属製のリングは、その外周がキャビティの内周と略同じ大きさであり、キャビティに殆ど隙間無く入る。このようなリングの材質は、KOVAR、42Ni、Cuなど、ロウ付けできる金属であれば何でも使用可能である。 The cavity can be cylindrical, for example. The bottom surface is circular, and an LED element mounting region is formed in the center. A metallized layer made of a metal such as Mo or W is formed on the outer peripheral edge of the bottom surface. The outer ring of the metal ring has substantially the same size as the inner periphery of the cavity, and enters the cavity with almost no gap. As the material of such a ring, any metal that can be brazed, such as KOVAR, 42Ni, and Cu, can be used.
リングは、例えば以下のようにしてロウ付けする。まず、メタライズ層にAg系ロウ材のボールを載置して、800℃程度の熱処理を施してリフローする。室温まで冷ました後、ロウ材の上にリングを置いて再び熱処理をかける。するとAg系ロウ材が溶けてリングと接着する。この後、必要に応じてリング表面にAgなどのメッキ層を形成してもよい。 The ring is brazed as follows, for example. First, an Ag-based brazing ball is placed on the metallized layer and subjected to a heat treatment at about 800 ° C. for reflow. After cooling to room temperature, place the ring on the brazing material and apply heat treatment again. Then, the Ag-based brazing material melts and adheres to the ring. Thereafter, if necessary, a plating layer such as Ag may be formed on the ring surface.
以下、本発明の発光ダイオードパッケージに係わる実施形態を、図面を参照して説明する。
図1(a)は本発明の発光ダイオードパッケージの一実施形態を示す要部断面図であり、図1(b)は同じく斜視図である。セラミック基板15は例えば酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材料からなる略四角平板であり、一方の主表面に有底のキャビティ3を有している。また、キャビティ底面16上にLED素子1の実装領域25を有しており、LED素子1の支持基板として機能する。キャビティ底面16には金属パッド8a,8bが構成されている。LED素子1は、実装領域25に接着されるとともに、ボンディングワイヤ2を介して金属パッド8a,8bと電気的に接続されている。金属パッド8a,8bはセラミック基板15の裏面にある外部端子26a,26bと導通しており、ここからLED素子1の駆動電流を流す。
Hereinafter, embodiments of the light emitting diode package of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a cross-sectional view of a main part showing an embodiment of a light emitting diode package of the present invention, and FIG. 1B is a perspective view of the same. The
キャビティ底面16の外周縁部には、例えばMo−Mn、Mo、W、W−Mn等から成るメタライズ層7が、LED素子1を取り囲む経路に沿って形成されている。そしてメタライズ層7には、金属製のリング5がAg系ロウ材27によってロウ付けされている。リング5の外周面はキャビティ3の内周面4と略同じ大きさである。リング5はキャビティ3にはめ込まれており、リング外周面とキャビティ内周面には実質的に隙間が無い。リング5には光反射面6が、開口方向に広くなるように形成されている。そのため光反射面6はアンテナ型の構造になり、LED素子からの発光光束を外部へ効率的に反射する。
A metallized
図1(c)はリング5の拡大断面図である。キャビティ底面16と光反射面6のなす角度θは、視野角および輝度に影響を与える重要なパラメータである。特に量産する場合にはθのバラツキが問題になるが、リング5は精度良く製造できる。そのため、リング5を使用した発光ダイオードパッケージは、視野角および輝度を安定して製造できる。また、本発明ではリング5をAg系ロウ材27でロウ付けしているので、放熱性が良い特徴がある。
FIG. 1C is an enlarged cross-sectional view of the
リング5は、LED素子1を中心とした円周上に配置されていることが望ましい。その理由は、リング5が略円形であると、LED素子1からの発光光束を光反射面6が均一に反射して、外部に放出できるからである。
It is desirable that the
次に、別の実施形態について説明する。図2(a)は本発明の発光ダイオードパッケージの、別の実施形態を示す概略断面図であり、図2(b)は同じく斜視図である。図2の発光ダイオードパッケージは、第一セラミック基板10、第二セラミック基板11、第三セラミック基板12が積層されてなる。第二セラミック基板11および第三セラミック基板12は板を貫通する穴を有し、それら2つの貫通穴が連なってキャビティ3を構成する。
Next, another embodiment will be described. FIG. 2A is a schematic sectional view showing another embodiment of the light emitting diode package of the present invention, and FIG. 2B is a perspective view of the same. The light emitting diode package of FIG. 2 is formed by laminating a first
第一セラミック基板10の主表面には、メタライズ層7および金属製の実装領域14が形成されている。これらメタライズ層7および実装領域14は、例えばMo−Mn、Mo、W、W−Mnなどの金属からなる。LED素子1は実装領域14に接着する。
A metallized
第二セラミック基板11の一方の主表面には金属パッド8a,8bおよび、それに連なる金属配線13が形成されている。金属パッド8a,8bはボンディングワイヤ2を介してLED素子1と接続している。LED素子を駆動するための電力は、これら金属パッド8a,8bおよび金属配線13を通して、図示しない外部端子から供給する。また、第三セラミック基板12は金属配線13を覆うように、第二セラミック基板と接着している。また、第三セラミック基板12の貫通穴は、第二セラミック基板11の貫通穴よりも大きく形成されており、金属パッド8a,8bが露出する形態とされている。このようにすると第三セラミック基板12が金属配線13を保護するので、使用中に金属配線13が剥離するなどの不具合を回避できる。
On one main surface of the second
本発明の発光ダイオードパッケージは、図3のように複数のLED素子を実装することも可能である。図3の実施形態では、3つのLED素子を実装した形態である。各LED素子の一方の端子は、金属パッド8a,8b,8cとボンディングワイヤ2で接続する。他方の端子は共通端子として、金属パッド8dに接続する。赤色、青色、緑色のLED素子を用いれば白色光が得られる。
The light emitting diode package of the present invention can also be mounted with a plurality of LED elements as shown in FIG. In the embodiment of FIG. 3, three LED elements are mounted. One terminal of each LED element is connected to the
次に、本発明の発光ダイオードパッケージの製造方法に係わる一実施形態を、図4および図5を参照して説明する。まず、図4(a)に示すように第一〜第三セラミック基板となるべきグリーンシート10a,11a,12aを用意する。このようなグリーンシートは、セラミック微粉末と有機結合材、可塑剤、溶剤などの混合スリップを、周知のドクタープレード法やカレンダー法で薄板状にすることで作成される。
Next, an embodiment relating to a method of manufacturing a light emitting diode package according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 4A,
次に図4(b)に示すように、第一セラミック基板用のグリーンシート10a上にメタライズ層7および実装領域14用のメタライズペーストを、スクリーン印刷法により印刷する。メタライズ層7は実装領域14を取り囲む経路に沿って、略円形に印刷される。さらに第二セラミック基板用のグリーンシート11aに、貫通穴3aを形成するとともに、グリーンシート11の上面に金属パッド8a,8bおよびそれに連なる金属配線13用のメタライズペーストを印刷する。また、第三セラミック基板用のグリーンシート12aにも貫通穴3bを形成する。貫通穴3a,3bは略円柱形であり、各グリーンシートを垂直に打ち抜いて形成される。従来の技術では角度をつけて打ち抜く方法が採用されていたが、本発明では垂直に打ち抜くので、容易に製造できる。
Next, as shown in FIG. 4B, a metallized paste for the metallized
その後、図4(c)に示すように、第一〜第三セラミック基板となるべきグリーンシート10a,11a,12aを積層し、接着する。すると貫通穴3aおよび3bは連なって、LED素子を収容するキャビティ3となる。その後、グリーンシートを焼成すると、セラミック基板10〜12が一体化し、キャビティ3を有する焼結体が得られる。
Then, as shown in FIG.4 (c), the
次に、図5(d)に示すように、メタライズ層7にAg系ロウ材のボール27aを載置する。この工程は例えばボール5aをキャビティ3内に入れ、セラミック基板自体を傾斜させて載置する。その後、例えば800℃程度の高温処理を施すとボール5aが溶融して、図5(e)に示すように、メタライズ層7上にAg系ロウ材27がリフローした状態になる。室温まで冷ました後、メタライズ層7上にリング5を載置して、再び高温処理を施す。すると、溶けたAg系ロウ材によってリング5が接着し、図5(f)のようになる。この後、必要に応じてリング5の表面にAgなどのメッキ層(図示しない)を形成してもよい。リングの材質に例えばCuを使用した場合、光反射面にCu特有の色がついてしまう。このような不具合は、表面にAgメッキを施すことで解消できる。なお、本発明ではリング5とキャビティ内周面の間に隙間が全く無いことが望ましい。その理由はメッキ工程を行ったときに隙間にメッキ液が入り込み、時間経過と共に少しずつメッキ液が染み出して、光反射面6を変色させる恐れがあるからである。
Next, as shown in FIG. 5 (d), Ag-based
1 LED素子
3 キャビティ
4 キャビティ内周面
5 リング
6 光反射面
7 メタライズ層
8 金属パッド
13 金属配線
14 実装領域
16 キャビティ底面
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061212 |
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A761 | Written withdrawal of application |
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