JP2006054335A - 発光素子用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子から発光光束を外部に効率よく取り出すことのできるための光反射面を有し、特に、外部に広がって光を取り出すことのでき、かつ所定の強度を得ることのできる発光素子用パッケージを提供する。
【解決手段】主表面に発光素子の実装領域が形成された基板本体部と、貫通孔が形成された上部基板とを備える発光素子用パッケージである。貫通孔は、発光素子からの発光光束が放射される光取出し側開口部と、光取出し側開口部よりも開口部の面積の小さい基板本体部側開口部と、内壁面とを有し、内壁面には発光素子からの発光光束を反射する光反射面が形成されている。そして光反射面と基板本体部の主表面とのなす角が３５°以上５５°以下の範囲で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（Light emission diode：以下、ＬＥＤ素子とも記す）など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に実装するものが用いられている。その一例を図８に示す。ＬＥＤ素子１は第一セラミック基板７１上に載置されており、金属配線７３ａ，７３ｂ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７４ができている。キャビティ７４は、第二セラミック基板７２を貫通するように形成されており、第一セラミック基板７１および第二セラミック基板７２は接着されている。発光素子用パッケージ７０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７４の内周面には金属層７２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。

上記発光素子用パッケージ７０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７１となるべきセラミックグリーンシートに、金属配線７３ａ，７３ｂ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７２を打ち抜いてキャビティ７４を形成し、該キャビティ７４の内周面に金属層７２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７１，７２を接着し、高温で焼結して、各セラミック基板７１，７２が一体となった焼結体を得る。そして、金属層７２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で被着させる。

ところが上記キャビティ７４は、第二セラミック基板７２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素子用パッケージが提案されている。
特開２００２−２３２０１７号公報

しかしながら、セラミックグリーンシートを打ち抜きで形成する場合に、光を良好に反射するためには、角度θを５５°以上とする必要があった。このため、広がったビームを取り出すのは、困難であった。

そこで本発明の課題は、発光素子から発光光束を外部に効率よく取り出すことのできるための光反射面を有する発光素子用パッケージを提供することにある。特に、外部に広がって光を取り出すことのでき、かつ所定の強度を得ることのできる発光素子用パッケージを提供する。

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の本発明の発光素子用パッケージは、
主表面に発光素子の実装領域が形成された基板本体部と、
貫通孔が形成された上部基板とを備え、
貫通孔は、発光素子からの発光光束が放射される光取出し側開口部と、光取出し側開口部よりも開口部の面積の小さい基板本体部側開口部と、内壁面とを有し、
内壁面には発光素子からの発光光束を反射する光反射面が形成され、
上部基板は、基板本体部の実装領域が形成された面上に開口部から実装領域が露出するように積層され、
光反射面と基板本体部の主表面とのなす角が３５°以上５５°以下の範囲で形成されていることを特徴とする。

上部基板をセラミックグリーンシートにより形成する場合、従来、セラミックグリーンシートに、パンチによる打ち抜きにより反射面が外に広がるように貫通孔（キャビティ）を形成するには、その面荒れを防止するために、６５°以上とする必要があった。つまり、従来のように、セラミック基板を積層してから、打ち抜きによりキャビティとなる貫通孔を形成すると、第二主表面に対して（セラミック基板本体部と一体とした場合には、セラミック基板本体部の主表面に対して）角度が小さくなるように貫通孔を形成すると面が荒れてしまっていた。このような角度で発光素子を設置して、そこからの光を取り出すと、光を幅広く取り出すことができず、スポットの小さい光となってしまっていた。そこで検討した結果、主表面に対し３５°以上５５°以下の角度をなして外側へ広がって形成することが可能となった。

すなわち、上部基板は、板状で第一主表面と第二主表面とを有し、その第一主表面と第二主表面とを貫通する貫通孔によって形成された内周面を有するセラミック枠を複数積層することにより形成される。

つまり、セラミックグリーンシート一枚ずつに貫通する孔を形成し、この貫通孔を有するセラミックグリーンシートを複数積層することで、３５°以上５５°以下の従来よりも低角に形成することが可能となった。そして各セラミックグリーンシートに所定の貫通孔を形成した後に、それぞれを積層することにより、上部基板の貫通孔を所望の角度で形成することができる。このようにすることで、貫通孔の面荒れを防ぐこともできる。このような角度に光反射層を形成することにより、スポットの大きい光を得ることができる。

また上部基板は、複数のセラミック枠により階段状に形成され、その厚み方向の断面において階段の各エッジがセラミック基板本体部の主表面に対し３５°以上５５°以下の角度をなして外側へ広がって形成されるとよい。セラミックグリーンシートを階段状に、それぞれの階段の各エッジが所定の角度範囲になるように積層すると、所望の角度に光反射面を形成しやすい。

そしてセラミック枠が複数積層されることによって形成された貫通孔の内周面とセラミック枠の主表面とによる段差を金属を含む材料により埋めて、光反射層がセラミック基板本体部の主表面に対し３５°以上５５°以下の角度をなして外側へ広がって形成される。

光反射面は、金属を含む材料により、各セラミック枠を積層して形成された段差を埋めるようにして形成する。このようにすることで良好な反射面を所定の角度に形成することができる。材料としては、例えば、Ｍｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎ等により形成することができる。しかし、以上の金属には限られない。特に光反射率の高い金属材料で作製すると、効率よく光を取り出すことができる。

本発明の発光素子用パッケージは、
主表面に発光素子の実装領域が形成されたセラミック基板本体部と、
主表面上に、発光素子の光取出し側に開口と、実装領域側に底面と、発光素子を取り囲む経路に沿って、開口が底面よりも広くなるように、厚み方向の断面がテーパ状に形成された内壁面とを有する、発光素子を実装するための有底キャビティが形成された、金属からなる上部基板と、
内壁面に形成された、発光素子からの発光光束を反射するテーパ状の光反射面と、を備え、
光反射面は、底面よりも開口が広がるように、セラミック基板本体部の主表面に対し３５°以上５５°以下の角度をなして外側へ広がって形成されていることを特徴とする。

このように上部基板を金属で形成することもできる。このようにすると、光反射面を新たに別の材料で形成しなくても、上部基板を構成する金属により光反射面が形成される。特に光反射率の高い金属を使用すると、効率よく発光素子からの光をパッケージ外へ取り出すことができる。この場合、上部基板とセラミック本体部とは、ロウ材により接着するとよい。接着に用いるロウ材としては、Ａｇ系、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ａｇ−Ｃｕ系、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｕ−Ｇｅ系などを挙げることができる。

さらに本発明の発光素子用パッケージは、
主表面に発光素子の実装領域が形成されたセラミック基板本体部と、
主表面上に、発光素子の光取出し側に開口と、実装領域側に底面と、開口が底面よりも広くなるように、発光素子を取り囲む経路に沿って、厚み方向の断面が階段状に形成された内壁面とを有する、発光素子を実装するための有底キャビティが形成された上部基板と、
内壁面に形成された、発光素子からの発光光束を反射する、２次曲面をなす光反射面と、
を備え、上部基板の厚み方向の断面における２次曲面の接線のセラミック基板本体部の主表面に対する角度が、２°以上５５°以下の角度をなしていることを特徴とする。好ましくは、３５°〜５５°であるとよい。この角度範囲では、光の反射効率がよい。

以上のように、光反射面が２次曲面をなすようにしてもよい。曲面の湾曲形状を変えることで、発光素子からパッケージ外へ取り出される光のスポットの大きさや、指向性を変化させることができる。

またこの上部基板は、板状で第一主表面と第二主表面とを有し、その第一主表面と第二主表面とを貫通する貫通孔によって形成された内周面を有するセラミック枠を複数積層することにより形成されている。さらに上部基板は、複数のセラミック枠により階段状に形成され、その厚み方向の断面において階段の各エッジが２次曲面上に位置するように形成するとよい。さらにセラミック枠が複数積層されることによって形成された貫通孔の内周面とセラミック枠の主表面とによる段差を金属を含む材料により埋めて、光反射層が２次曲面をなすように形成する。

以上のようにセラミック枠となるセラミックグリーンシートを用意し、それぞれに貫通孔を形成して、それを積層することで、所望の形状の光反射面が形成しやすくなる。このようにすることで、貫通孔内の面が荒れることを防ぐことができる。またセラミック枠の階段の各エッジが２次曲面上に位置するように形成することで、反射面を２次曲面状に形成しやすくなる。さらに貫通孔が形成されたセラミック枠を積層することで、それぞれのセラミック枠によって段差を生じるが、この段差部分を金属を含む材料により埋めることで、良好な光反射面を形成することができる。

光反射面の２次曲面は、放物面に形成することもできる。光反射面を放物面とすることにより、効率よくパッケージ外へ光を取り出すことができる。傾斜面では外部に反射するが、曲面にすることで反射によって外部にでた光が集光できる。つまり光の集光率が向上できる。

以下、図を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。図１（ａ）は本発明の発光素子用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）は同じく平面図である。セラミック基板１５は、セラミック基板本体部１７、貫通孔を備える上部基板１８とが一体として形成されている。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、主表面１６に有底のキャビティ３を有している。キャビティ３の光取出し側開口は、キャビティ底面１６（基板本体部側開口部）より広く、内壁面４は、厚み方向の断面が階段状に形成されている。そしてその内壁面４を埋める形態でメタライズ層（金属層）７が形成され、そのメタライズ層７の表面は、テーパ状の光反射面６とされている。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とビア１４にて導通しており、ここからＬＥＤ素子１の駆動電流を流す。

内壁面４には、例えばＭｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎ等からなるメタライズ層（金属層）７が、ＬＥＤ素子１を取り囲む経路に沿って形成されている。メタライズ層７が、光反射面６を形成し、この光反射面６が、ＬＥＤ素子１からの発光光束を外部へ反射する。あるいは、メタライズ層７の表面を覆う形態で銀ロウ材によって光反射面６が形成されていてもよい。銀ロウ材は、主成分（７０％以上を含むものとする）のＡｇと、Ｃｕとを含む合金から成る。例えば、Ａｇを質量換算で最も多く含有するＡｇ−２８Ｃｕロウ材（これは一般的なＡｇロウ材）が使用される。また光反射面６の表面に電解メッキ法や無電解メッキ法によりニッケルや銀、白金、パラジウム等などのメッキを施して、光の反射率をより高めることもできる。特に、表面に銀メッキを施すと高い反射効率が得られる。

キャビティ３の開口は、図１（ｂ）に示すようにＬＥＤ素子１を中心とした円周状に形成されていることが望ましい。その理由は、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。

図２を用いて、内壁面の断面傾斜角度について説明する。上部基板１８は、貫通孔が形成されたセラミックグリーンシートを複数積層して形成されている。このため、各セラミックグリーンシートによって形成された積層体は、内壁面４（内周面３４と上端面３５により構成される）により階段状となっている。そして各階段のエッジ３１は、直線状に形成され、その直線とセラミック基板本体部の上面とのなす角度θが３５°以上５５°以下となるように形成されている。好ましくは、３８°以上５５°以下、さらに望ましくは４５°以上５４°以下とする。特に４５°に形成されることが望ましい。さらに上部基板１８の内周面３４と上端面３５とによる段差を埋めるようにメタライズ層７が形成され、メタライズ層７の表面が光反射面６をなす。光反射面６は、底面よりも開口が広がるように、主表面１６に対し９０度未満の角度をなして外側へ広がって形成されている。主表面１６と光反射面６との角度が、３５°以上５５°以下、望ましくは４５°で形成されている。

この主表面に対する内壁面に形成された光反射面６の角度は、３５°以上５５°以下とする。好ましくは、３８°以上５５°以下、さらに望ましくは４５°以上５４°以下とする。このような角度範囲に光反射面を形成することにより、光を外部に広げて取り出すことができる。この発光素子用パッケージ１５に発光素子１を設置すると、発光素子１の上面から放出された光５１は、光反射面によって反射されることなく、パッケージ外に放射される。発光素子の側面からの光５２は、図のように光反射面によって反射され、パッケージ外に広がって放出される。したがって指向性は低くなるものの広い範囲に光を照射したい場合に、特に有効である。例えば、広い面積を照らす照明器具に利用できる。

図１の発光素子用パッケージの製造工程を、図３及び図４を用いて説明する。まず、セラミック基板１７ａ、セラミック枠１０ａとなるべきセラミックグリーンシートを用意する（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、この枚数は適宜変更が可能である。

次に、セラミック基板１７となるセラミックグリーンシート１７ａにビア１４となるべき貫通孔１３を、打ち抜き金型を用いて打ち抜くとともに、上部基板を構成するセラミックグリーンシート１０ａにも貫通孔Ｐを打ち抜き形成する（工程２）。貫通孔Ｐを形成する面が内周面（内端面）３４である。貫通孔Ｐは図のように厚さ方向に垂直に形成する他、テーパ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、各貫通孔Ｐが積層方向に繋がってキャビティ３となる。キャビティ３の側面には、貫通孔Ｐの内周面３４と、上端面３５とによって段差が連続して形成される。キャビティ３の上部側が光取出し側開口部、下部側が基板本体部側開口部である。

次に、この段差を埋めるようにメタライズペーストを印刷する(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、貫通孔へ塗布するには印刷面の反対側から吸引しながら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及びを積層し、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、光反射面６、内部電極８ａ，８ｂ、外部電極２６ａ，２６ｂ、ビア１４が形成される。その後、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。

上部基板を金属によって形成した実施例を図５に示す。発光素子用パッケージ４５は、上部基板４８が金属で形成され、基板本体部１７は、前述の実施例と同様にセラミックにより形成されている。上部基板４８は、板状の金属板であり、その金属板に、キャビティとなる貫通孔がテーパ状に形成されている。そしてセラミック基板本体部１７に載せて、ロウ材などを接着剤として一体として発光素子用パッケージとする。接着に用いるロウ材としては、Ａｇ系、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ａｇ−Ｃｕ系、Ａｕ−Ｓｉ系、Ａｕ−Ｇｅ系などを挙げることができる。内壁面４が、光反射面６をなす。金属により、上部基板４８が形成されているため、メタライズペーストを塗布して、メタライズ層を形成する必要はないが、上部基板４８は、反射率の高い金属材料を使用するとよい。そして光反射面６（内壁面４）と、キャビティ底面（セラミック基板本体部の主表面）１６とのなす角θは、前述と同様に３５°以上５５°以下、望ましくは４５°の範囲で形成されている。このようにすることで実装領域に設置された発光素子からの発光光束を効率よく、発光素子用パッケージから取り出すことができる。

図６に光反射面を放物曲面として形成した発光素子用パッケージ５０を示す。セラミック基板１５は、セラミック基板本体部１７、上部基板１８とが一体として形成されている。セラミック基板１５は、主表面１６に有底のキャビティ３を有している。キャビティ３の開口は、キャビティ底面１６より広く、光反射面３９は、放物面であり、厚み方向の断面が放物線として形成されている。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。

光反射面の形状を放物曲面とし、放物面の焦点に発光素子を設置すれば、この発光素子から発光した光が、光反射面によって反射され、放物面の対称軸方向と平行に揃った良好な指向特性を示す。放物面の上部基板の厚さ方向の断面に対する接線のセラミック基板本体部の主表面となす角度は、０°以上５５°以下とする。放物面として形成されているため、最上部の角度が、５５°以下である。

図６に示した発光素子用パッケージ５０の作製工程を図７を用いて説明する。（ａ）に示すように上部基板１８は、セラミックグリーンシート１０ａが複数階段状に積層されている。そしてその厚み方向の断面において階段の各エッジ３１が凹状の放物面上に形成されている。次に図７（ｂ）に示すように、内周面３４と上端面３５とに、メタライズ層７を形成するために、メタライズペーストを塗布する。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用いられる。メタライズ層７の各エッジ３２も、放物面上に形成される。

図７（ｃ）に示すように、銀ロウ材の粒子３６をキャビティへ流し込み、メタライズ層７上に粒子３６を載置する。そして、例えば８００℃程度の高温処理を施すと、粒子３６が融解して、フィレット部３７が形成される。このフィレット部により、放物面の光反射面３９が形成される。

セラミックグリーンシートの打ち抜きにより、発光素子用パッケージを作製し、面荒れ度、光の反射率、発光素子を実装した場合の指向性について調べた。面荒れ度は、表面粗度計により調べた。反射率は、光沢度測定装置により調べた。指向性は、照度計により調べた。

以上のように、セラミック基板本体部の主表面に対して光反射面を３５°以上５５°以下の角度をなして外側へ広がって形成することにより、広がりのある光を発光素子用パッケージから効率よく取り出すことができる。特に効率よく光を取り出すためには、主表面に対して光反射面が４５°の角度をなすように形成することが望ましい。さらに接線が５５°以下となるように光反射面を放物面として形成すれば、発光素子からの発光光束を効率的にパッケージ外部に取り出すことができる。

本発明の一実施形態を示す概略断面図と平面図。 上部基板の光反射面の形状を説明する図。 本発明の発光素子用パッケージの工程図。 図３に続く工程図。 上部基板が金属によって形成された実施形態を示す概略断面図。 光反射面の形状が放物面として形成されている実施例。 図６の発光素子用パッケージの工程図。 従来例を示す断面図。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子
３ キャビティ
７ メタライズ層
１５ セラミック基板
１７ セラミック基板本体部
１８ 上部基板
４８ 金属上部基板

Claims (1)

1. 主表面に発光素子の実装領域が形成された基板本体部と、
   貫通孔が形成された上部基板とを備え、
   前記貫通孔は、前記発光素子からの発光光束が放射される光取出し側開口部と、光取出し側開口部よりも開口部の面積の小さい基板本体部側開口部と、内壁面とを有し、
   前記内壁面には前記発光素子からの発光光束を反射する光反射面が形成され、
   前記上部基板は、前記基板本体部の前記実装領域が形成された面上に前記開口部から前記実装領域が露出するように積層され、
   前記光反射面と前記基板本体部の前記主表面とのなす角が３５°以上５５°以下の範囲で形成されていることを特徴とする発光素子用パッケージ。
   

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