JP2006005091A - 発光素子用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子からの発光光束を外部に効率的に反射でき、容易に製造できる発光素子用パッケージを提供する。
【解決手段】基板主面と基板裏面とを有するセラミック基板と、板状で、主表面と主裏面とを有し、主表面と主裏面とを貫通する貫通穴によって形成された内周面を有する複数のセラミック枠で構成される。複数のセラミック枠が貫通穴が連なるように基板主面上に積層され、内周面に囲まれた基板主面に発光素子の実装部が形成される。そして、内周面上に金属層で構成される光反射層が形成される。複数のセラミック枠を用いるので、所望の形状の光反射層を得やすい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（Light emission diode：ＬＥＤ素子）などの発光素子を収容するための発光素子用パッケージに関するものである。

発光素子の一つである発光ダイオード（ＬＥＤ素子）のパッケージとしては、従来からセラミック基板が利用されている。その一例を図９（ａ）に示す。この発光素子用パッケージはセラミック基板１０１上にセラミック窓枠１０２を積層してなり、セラミック基板１０１上にはＬＥＤ素子１０３を実装するためのＬＥＤ実装部１０４が形成されている。ＬＥＤ素子１０３はワイヤ１０５によって配線層１０６ａ，１０６ｂに接続されており、これら配線層を通して外部から駆動電流を供給する構成とされている。一方、ＬＥＤ素子１０３を収容するキャビティ１０７はセラミック窓枠１０２を貫通するように形成されるとともに、貫通穴の内周面には金属層１０８が形成されて、ＬＥＤ素子１０３からの発光光束を外部へ反射する。

上記発光素子用パッケージは、例えば以下のようにして製造される。まず、セラミック基板１０１となるセラミックグリーンシートに、ＬＥＤ実装部１０４、配線層１０６ａ，１０６ｂとなるメタライズペーストを印刷するとともに、セラミック窓枠１０２を打ち抜いてキャビティ１０７を形成し、貫通穴の内周面に金属層１０８となるメタライズペーストを印刷する。そして、セラミック基板１０１とセラミック窓枠１０２を接着し、高温で焼結してこれらが一体となった焼結体を得る。その後、金属層１０８や配線層１０６ａ，１０６ｂにニッケル、金、パラジウム、白金などの金属メッキ層を形成する。

ところが上記キャビティ１０７は、セラミック窓枠１０２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１０３からの発光光束が外部に放出されにくい問題があった。そのため、望ましい視野角と輝度が得にくい。そこで下記特許文献１には、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、高い反射効率が得られる発光素子用パッケージが提案されている。その実施形態を図９（ｂ）に示す。この発光素子用パッケージは、セラミック窓枠１０２となるセラミックグリーンシートに、打ち抜き金型などを用いて打ち抜き、角度θを５５°〜７０°となるようにし、貫通穴の内周面に金属層１０８を形成する。外側へ広がるように金属層１０８からなる光反射層が形成されるので、光を外部へ放出しやすい。
特開２００２−２３２０１７号公報

ところがセラミックグリーンシートに、角度θが常に一定となるように穿孔するのは難しく、量産すると角度θのバラツキが大きい問題があった。また、理想的な光反射面（光反射層の表面）の形状は二次曲面であるが、セラミックグリーンシートを打ち抜いて二次曲面を形成するのは困難である。そのため、光反射面を望ましい形状にできて、光を効率よく外部へ反射でき、かつ容易に製造できる発光素子用パッケージが求められてきた。

本発明は上述のような事情を背景になされたもので、特に、発光素子からの発光光束を外部に効率的に反射でき、容易に製造できる発光素子用パッケージを提供することを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために本発明の発光素子用パッケージは、基板主面と基板裏面とを有するセラミック基板と、板状で、主表面と主裏面とを有し、該主表面と主裏面とを貫通する貫通穴によって形成された内周面を有する複数のセラミック枠で構成され、前記複数のセラミック枠が前記貫通穴が連なるように前記基板主面上に積層され、前記内周面に囲まれた基板主面に発光素子の実装部が形成され、前記内周面上に金属層で構成される光反射層が形成されることを主要な特徴とする。

本発明の発光素子用パッケージは、基板主面と基板裏面とを有するセラミック基板と、複数のセラミック枠から構成される。このセラミック枠は板状で、主表面と主裏面を有し、この主表面と主裏面を貫通する貫通穴が形成されている。これら複数のセラミック枠は、貫通穴が連なるようにセラミック基板の基板主面上に積層される。貫通穴は積層方向に繋がって、セラミック基板を底面とし一端が開口したキャビティをなす。内周面に囲まれた基板主面（キャビティの底面）にはＬＥＤ素子の実装部が形成される。また、内周面上に、金属層によって構成される光反射層が形成され、この光反射層がＬＥＤ素子からの発光光束を外部へ反射する。

各貫通穴はセラミック枠の主表面に対して略垂直か、または傾斜をつけて穿孔されており、セラミック枠によって貫通穴の大きさが異なる。これらのセラミック枠は、貫通穴の径が小さいセラミック枠から順に、セラミック基板の基板主面上に積層される。そして、この貫通穴の内周面上にメタライズ層（金属層）が形成され、このメタライズ層（金属層）が光反射層とされる。また、メタライズ層（金属層）の表面にＮｉや銀などの金属メッキ層（金属層）を形成し、この金属層を光反射層としてもよい。発光素子用パッケージを以上説明したような構成にすると、セラミック枠の厚さや貫通穴の大きさによって、所望の形状の光反射層を容易に得ることができる。

また、貫通穴の内周面とセラミック枠の主表面とが段差をなすように、複数のセラミック枠を積層し、このセラミック枠の主表面上に光反射層を形成してもよい。特には、段差部に、光反射層を構成する金属層のフィレット部を形成するとよい。このフィレット部は、例えばメタライズ層（金属層）によって形成できる。より具体的には、貫通穴の内周面とセラミック枠の主表面とにまたがるようにメタライズ層（金属層）によるフィレット部を形成する。このようにすると段差が平らにされるので、光の反射方向が揃いやすく、外部に放出する光を均一にできる。

上記フィレット部は、ロウ材（金属層）を用いて形成することもできる。具体的には、貫通穴の内周面と、セラミック枠の主表面とにメタライズ層（金属層）を形成し、これらのメタライズ層（金属層）にまたがるように、ロウ材（金属層）からなるフィレット部を形成するのである。このようなフィレット部は、例えばロウ材の粒子をメタライズ層（金属層）上に載置した後に、高温処理を施して融解することで形成される。このように形成したフィレット部は光反射層として好適に用いられる。ロウ材としては、例えばＡｇ系ロウ材がよい。なお、フィレット部の表面にＮｉ、金、パラジウム、銀などの金属メッキ層（金属層）を形成し、この金属層を光反射層としてもよい。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は本発明に係る発光素子用パッケージの断面図であり、図１（ｂ）は同じく斜視図である。この発光素子用パッケージは、セラミック基板２と複数のセラミック枠Ｆ１〜Ｆ６を備える。各セラミック枠は板状で、積層方向に主表面と主裏面とを貫通した貫通穴を有する。セラミック基板２の基板主面上にセラミック枠Ｆ１〜Ｆ６が、貫通穴が連なるように積層される。これによって、各貫通穴は積層方向に繋がって、セラミック基板２を底面とし一端が開口したキャビティＣをなす。内周面１０に囲まれた基板主面にはＬＥＤ素子１の実装部４と、内部電極７ａ，７ｂが形成される。また、ＬＥＤ素子１からの発光光束を外部へ反射するための光反射層ＲＰが、キャビティＣの側面（内周面１０）上に、メタライズ層（金属層）からなるフィレット部５によって形成されている。また、キャビティＣの形状は、積層方向になるにつれてその開口部が広くなるように形成されている。

図１の実施形態では、貫通穴はセラミック枠の中央付近に略円形に形成されており、その内周面１０とセラミック枠の主表面９のなす角度は略垂直である。貫通穴の大きさ（貫通穴の径）はセラミック枠によって異なり、貫通穴が開口方向になるに従って大きくなるようにセラミック枠Ｆ１〜Ｆ６が積層されている。すなわち、貫通穴の径が小さいセラミック枠から順に基板主面上に積層されている。また、図に示すように、貫通穴の内周面１０と、セラミック枠２の主表面９とによって段差が連続して形成されている。図１の実施形態では、この段差をメタライズ層（金属層）からなるフィレット部５で埋めて平らにするとともに、このフィレット部５を光反射層ＲＰとしている。段差を平らにしているので光の反射方向が揃いやすく、外部に放出する光を均一にできる。

キャビティＣの底面に形成された内部電極７ａ，７ｂは、ビア６を介して外部電極８ａ，８ｂと電気的に接続されている。ＬＥＤ素子１と内部電極７ａ，７ｂはワイヤ３で接続され、ＬＥＤ素子１の駆動電流は外部電極８ａ，８ｂから供給される。

図１（ａ）に示すように隣り合う内周面１０の間隔ｄは、セラミック基板２に近い部分は広く、開口に近いほど狭くなる。このようにすると、光反射層ＲＰの表面を二次曲面に近い形状にすることができる。

なお、メタライズ層（金属層）５の表面にＮｉ、金、パラジウム、銀などの金属メッキを電解メッキまたは無電解メッキにより被着させて、その金属層を光反射層ＲＰとしてもよい。

本発明は以上説明したように、複数のセラミック枠を積層してキャビティＣを形成し、そのキャビティＣの側面（内周面１０）に光反射層ＲＰを形成しているため、従来と比べて、望ましい形状の光反射層ＲＰが容易に得られる。また、各セラミック枠Ｆ１〜Ｆ６の厚さや、貫通穴の大きさを調節することで、光反射層ＲＰの形状を自由に決められる。

なお、図１ではＦ１〜Ｆ６の合計６層のセラミック枠を使用したが、層数を特に限定するものではない。また、光反射面は二次曲面に限定されるものではなく、任意の曲面にしてよい。

次に、図２について説明する。図２においてもセラミック基板２上に複数のセラミック枠Ｆ１〜Ｆ６が積層され、各セラミック枠の貫通穴が積層方向に繋がってキャビティＣをなしている。そしてキャビティＣの側面（貫通穴の内周面１０）に光反射層ＲＰが形成されている。また、キャビティＣの形状は、積層方向になるにつれてその開口部が開口方向に広くなるように形成されている。各セラミック枠の主表面９と、貫通穴の内周面１０とによって段差が連続して形成されている。この段差の拡大図を図２（ｃ）に示す。図のように、貫通穴の内周面１０と、セラミック枠の主表面９とを覆うようにメタライズ層（金属層）１３が形成され、メタライズ層（金属層）１３上にメタライズ層とは異なる金属層であるＡｇ系ロウ材のフィレット部１２が形成される。フィレット部１２はＡｇ系ロウ材の粒子をメタライズ層（金属層）１３上に載置して、例えば８００℃程度の高温処理を施すことで、粒子を溶融させたものである。なお、フィレット部１２の表面に銀などの金属メッキ層（図示しない）を電解メッキまたは無電解メッキにより被着形成して、その金属層を光反射層ＲＰとしてもよい。

本発明は、図３のようにすることも可能である。図３（ａ）では段差に沿ってメタライズ層（金属層）１３が形成されており、このメタライズ層（金属層）１３が光反射層ＲＰとされる。このようにすると製造が容易でありながら、光反射層ＲＰの表面が二次曲面に近い形状になり、光を効率的に反射しやすい。

図３（ｂ）では段差が生じないようにされている。すなわち、各セラミック枠の貫通穴はその直径が底面側になるにつれ次第に減少している、いわゆるテーパー状に打ち抜かれており、内周面１０が連続して繋がっている。すなわち、セラミック枠の主表面が形成されないように複数のセラミック枠が積層されている。個々の貫通穴は打ち抜き金型を用いて形成するので、その内周面を例えば放物面のような曲面にすることは難しいが、複数の貫通穴を繋げることで、全体として放物面に近い形状にすることができる。また、本実施例では、内周面１０の表面にメタライズ層（金属層）１３が形成され、このメタライズ層（金属層）１３が光反射層ＲＰとされている。

別の実施形態を図４（ａ），図４（ｂ）に示す。これらの例では貫通穴の内周面に傾斜がつけられ、かつ複数の段差が形成されている。図４（ａ）では内周面１０上にメタライズ層（金属層）１３が形成され、そのメタライズ層（金属層）１３が光反射層ＲＰとされる。また、図４（ｂ）では内周面１０にメタライズ層（金属層）１３が形成され、メタライズ層（金属層）１３上にメタライズ層とは異なる金属層であるＡｇ系ロウ材のフィレット部１２が形成されている。

発光素子用パッケージは図５のように、複数の発光ダイオードを搭載することも可能である。図では、赤、青、緑の波長に対応するＬＥＤ素子を搭載しており、この３種の組み合わせによって高輝度の白色光を得ている。それぞれのＬＥＤ素子は共通端子１４と内部電極７とに接続されており、内部電極７を３個備える。ＬＥＤ素子の接続方法は、直列に接続することも並列に接続することも可能である。また、複数の内部電極を形成せず、＋電極と−電極をそれぞれ一つずつにして共通化してもよい。

図１の発光素子用パッケージの製造方法を、図６及び図７を用いて説明する。まず、セラミック基板２、セラミック枠Ｆ１〜Ｆ６となるべきセラミックグリーンシート２’，Ｆ１’〜Ｆ６’を用意する（工程１）。このようなセラミックグリーンシートは、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得られる。セラミックには、例えばアルミナ、ＡｌＮ、ＳｉＣなどが好適に用いられる。なお、図ではセラミック枠を合計６層としてあるが、この層数は適宜変更が可能である。

次に、セラミックグリーンシート２’にビア６となるべき貫通孔ｈを、打ち抜き金型を用いて打ち抜くとともに、セラミックグリーンシートＦ１’〜Ｆ６’にも貫通穴Ｐを打ち抜き形成する（工程２）。貫通穴Ｐは図のように厚さ方向に垂直に形成する他、テーパーをつけて打ち抜くこともできる。その後、各セラミックグリーンシートを積層する（工程３）。この結果、各貫通穴Ｐが積層方向に繋がってキャビティＣとなる。キャビティＣの側面には、貫通穴Ｐの内周面１０と、主表面９とによって段差が連続して形成される。

次に、この段差を埋めるようにメタライズペースト５’を印刷するとともに、セラミックグリーンシート２’の所定の位置にメタライズペースト４’，６’，７ａ’，７ｂ’，８ａ’，８ｂ’を印刷する(工程４)。表面への印刷には公知のスクリーン印刷が用いられ、段差が連続して形成された領域への印刷には、印刷面の反対面からメタライズペーストを吸引して印刷する方法が採用される。メタライズペーストには、例えばモリブデン、タングステン、銀、銅などの金属粉末が材料として用いられる。

以上のようにメタライズペーストを印刷した後、セラミックグリーンシート２’及びＦ１’〜Ｆ６’を積層し、メタライズペーストとともに焼成する(工程５)。焼成が完了すると、これらのグリーンシートが一体となった焼結体が得られるとともに、メタライズ層（金属層）からなるフィレット部５、ＬＥＤ素子の実装部４、内部電極７ａ，７ｂ、外部電極８ａ，８ｂ、ビア６が形成される。そして、メタライズ層（金属層）からなるフィレット部５が光反射層ＲＰとされる。グリーンシート２’及びＦ１’〜Ｆ６’は焼結して、セラミック基板２及びセラミック枠Ｆ１〜Ｆ６となる。この工程の後、ＬＥＤ素子を実装すると図１の発光素子用パッケージが得られる。

次に、図２の発光素子用パッケージの製造方法を図８に示す。工程１〜工程３は図６と同じなので説明を省略する。図８の工程４では、セラミック枠Ｆ１〜Ｆ６となるべきセラミックグリーンシートＦ１’〜Ｆ６’を積層した後、内周面１０と主表面９にメタライズペースト１３’を印刷する。また、セラミック基板２となるべきセラミックグリーンシート２’にも所定の位置にメタライズペースト４’，６’，７ａ’，７ｂ’，８ａ’，８ｂ’を印刷する。

このようにした後に、セラミックグリーンシート２’及びＦ１’〜Ｆ６’を積層し、焼成する。焼成が完了するとこれらのセラミックグリーンシートが一体化するとともに、メタライズ層（金属層）１３、実装部４、内部電極７ａ，７ｂ、ビア６、外部電極８ａ，８ｂが形成される（工程５）。グリーンシート２’及びＦ１’〜Ｆ６’は焼結して、セラミック基板２及びセラミック枠Ｆ１〜Ｆ６となる。この工程の後、Ａｇ系ロウ材の粒子１２’をキャビティへ流し込み、主表面上に形成されたメタライズ層（金属層）上に粒子１２’を載置する（工程６）。

次に、例えば８００℃程度の高温処理を施すと粒子１２’が融解してフィレット部１２が形成され、このフィレット部１２が光反射層ＲＰとされる（工程７）。このままでも光の反射効率に優れているが、金属メッキ層（図示しない）を被着形成し、この金属層を光反射層ＲＰとしてもよい。工程７の後、ＬＥＤ素子１を実装し、内部電極とワイヤボンディングすると図２の発光素子用パッケージが得られる。

発光素子用パッケージの一実施形態を示す（ａ）断面図（ｂ）斜視図。 図１とは別の実施形態の（ａ）断面図（ｂ）斜視図（ｃ）要部拡大図。 図１および図２とは別の実施形態。 図１〜図３とは別の実施形態。 複数のＬＥＤ素子を搭載した発光素子パッケージの例。 図１の発光素子用パッケージの製造方法。 図５に続く図。 図２の発光素子用パッケージの製造方法。 従来例。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子
２ セラミック基板
４ ＬＥＤ素子の実装部
５ メタライズ層（金属層）
９ セラミック枠の主表面
１０ 貫通穴の内周面
１２ フィレット部
Ｃ キャビティ
Ｆ セラミック枠
Ｐ 貫通穴
ＲＰ 光反射層

Claims (4)

1. 基板主面と基板裏面とを有するセラミック基板と、
   板状で、主表面と主裏面とを有し、該主表面と主裏面とを貫通する貫通穴によって形成された内周面を有する複数のセラミック枠で構成され、
   前記複数のセラミック枠が前記貫通穴が連なるように前記基板主面上に積層され、前記内周面に囲まれた基板主面に発光素子の実装部が形成され、
   前記内周面上に金属層で構成される光反射層が形成されることを特徴とする発光素子用パッケージ。
2. 各前記セラミック枠は、前記貫通穴の径が小さいセラミック枠から順に前記基板主面上に積層されている請求項１記載の発光素子用パッケージ。
3. 前記複数のセラミック枠が前記貫通穴の内周面と前記セラミック枠の主表面とで段差をなすように積層され、前記セラミック枠の主表面上に前記光反射層が形成される請求項１記載の発光素子用パッケージ。
4. 前記貫通穴の内周面と前記セラミック枠の主表面とで形成された前記段差部に、光反射層を構成する金属層のフィレット部が形成される請求項３に記載の発光素子用パッケージ。

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