JP2006059924A - 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、特に指向性良く、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。さらに、セラミックグリーンシートの打ち抜きにより、貫通孔を形成する場合にも、面荒れが防止された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り、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を備える。そして光反射面と主表面とのなす角が６５°以上８９°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６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が７０°を超えないようにする必要があった。このため、指向性の高い光を取り出すのは、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、指向性よく外部に光を取り出すことのできる発光素子用パッケージを提供する。さらに、セラミックグリーンシートの打ち抜きにより、貫通孔を形成する場合にも、面荒れを防止して、指向性良く光を取り出す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を備え、
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、
光反射面と主表面とのなす角が６５°以上８９°以下の範囲で形成されていることを特徴とする。望ましくは、光反射面は、主表面と７１°以上８０°以下の角度をなして外側へ広がって形成されている。さらに望ましくは、光反射面は、主表面と７２°以上７５°以下の角度をなして外側へ広がって形成されている。

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、７０°を超えて反射面が外に広がるように貫通孔（キャビティ）を形成した場合は、良好に反射することが困難とされていた。しかしながら発明者らが鋭意検討をした結果、良好な反射面を得ることができた。ただし面荒れを防止するためには、６５°以上とする必要がある。さらに光の反射効率や指向性の問題から８９°以下、望ましくは、８０°以下、さらに望ましくは、７５°以下とする必要がある。

上部基板は、セラミックにより形成することができる。そしてこの場合は、セラミックグリーンシートを積層圧着して上部基板を形成する。上部基板に形成された有底キャビティは、セラミックグリーンシートをパンチ等により打ち抜いて形成することができる。

あるいは、上部基板を金属で形成することもできる。この場合は、光反射面は、この金属により上部基板と一体として形成される。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。

光反射面は、発光素子からの光を効率よく反射するために金属を含む材料により形成する。光反射面は、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。

上部基板をセラミックによって形成する場合には、キャビティの内周面に、金属層を形成して光反射面とする。さらに金属層上にロウ材により光反射面を形成しても良い。上部基板が、金属で形成された場合は、新たに金属層を形成する必要はないが、光反射面は、金属を含むロウ材により形成することもできる。

光反射面を形成するためのロウ材としては、銀系、ニッケル系、アルミニウム系などが挙げられるが、銀ロウ材を使用することが特によい。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）が使用できる。この銀ロウ材に湾曲面を覆うことで良好な光反射面を形成することができる。

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、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の開口は、キャビティ底面１６より広く、内壁面４は、厚み方向の断面がテーパ状に形成されている。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。

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の内壁面４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°未満の角度をなして外側へ広がって形成されている。（ａ）に主表面１６と光反射面６との角度が、７０°で形成されている例を示す。また（ｂ）に主表面１６と光反射面７との角度が７５°で形成された例を示す。メタライズ層７は、上部基板１８の幅に比べ、薄いため、内壁面４と光反射面６とは、ほぼ平行である。したがって光反射面６と主表面１６とのなす角は、内壁面４と主表面１６との角度に等しいとみなせる。

光反射面６が、主表面１６に対し９０°未満となることで、設置されたＬＥＤの光反射効率と指向性を上げることができる。光反射効率と指向性を上げるために、角度を９０°未満とし、望ましくは８０°以下と、さらに望ましくは７５°以下とする。特に角度を小さくすることで、発光光束を効率よくパッケージ外へ取り出すことができる。しかしながら、角度を小さく形成すると、キャビティとなる貫通孔を形成する際に、内壁面４がむしれて荒れやすくなるという問題がある。そこで６５°以上に形成する。そして望ましくは、７１°以上、さらに望ましくは、７２°以上とする。したがって光反射効率の問題によれば、角度を小さくすることが望ましく、精度よく内壁面４を形成するためには、角度を大きくすることが望ましい。また、指向性の問題からは、特に７２°以上７５°以下とするのが望ましい。そこで面荒れ、反射率、指向性等の問題から総合的に判断すると６５°以上８９°以下となるように光反射面を形成する。そして望ましくは、７１°以上８０°以下、さらに望ましくは、７２°以上７５°以下とする。

上部基板１８の厚さと指向性の関係について説明する。発光素子の上面からの光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、（ａ）に示すように、光反射面６のなす角度を７０°とし上部基板の厚さを比較的薄くした場合（例えば、ＬＥＤの厚さに対して５倍）、図のように光反射面によって反射され、パッケージ外に放出される。このような場合、比較的幅の広い指向性の低いビームが得られる。また自動車のヘッドライトなど指向性を上げる必要がある場合がある（ｂ）に示すように、光反射面の角度を大きくするとともに、上部基板１８の厚さを厚くする（例えば、ＬＥＤの厚さに対して２０倍）と良い。このようにすると発光素子の側面部から放出された光５４は、反射面によって反射されるが、比較的低い位置で反射された光５５は、さらに反対面によって反射され、パッケージ外に放射される。これにより、指向性の高いビームを得ることができる。

図３，４を用いて発光素子用パッケージの製造方法に係わる一実施形態を、説明する。まず、図３（ａ）に示すように上部セラミック基板となるべきグリーンシート１０ａ，１０ｂ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。

図３（ｂ）に示すように、グリーンシート１０ａ，１０ｂを合わせる。続いて（ｃ）に示すように、第一固定具３１と第二固定具３２によってグリーンシート１０ａ，１０ｂを固定する。第一固定具３１は、上部基板１８の開口の直径となるように間隙を調整し、第二固定具３２は、上部基板１８の底面の直径となるように間隙を調整する。そしてパンチ３５によってテーパ状に打ち抜き（円錐台３７が打ち抜かれる）、貫通孔４６を形成する。このときこの貫通孔４６は、円形状に形成される。このようにパンチ３５によって打ち抜きを行う前に、少なくとも貫通孔形成領域をセラミックグリーンシートの軟化温度まで上げておくとよい。このように第一固定具３１と第二固定具３２の間隙、パンチ３５の直径によって、内壁面４の角度が決せられる。第一固定具３１の間隙３４を大きくすることによって、主表面となす内壁の角度θを小さくすることが可能であるが、大きくしすぎると内壁面４が荒れる原因となる。そこで前述のように、角度θが７１度以上となるように、パンチ３５によって打ち抜きを行うことが望ましい。また第二固定具を使用しないで打ち抜きを行うことも可能である。

次に図４（ａ）に示すように、上部セラミック基板用のグリーンシート１０ａ，１０ｂの形成された貫通孔４６の内周面にメタライズ層７用のメタライズペーストを印刷する。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。なお貫通孔４６の図の上面側が光取出し側開口部、下面側が基板本体部側開口部となる。またセラミック基板本体部１７用のグリーンシート１７ａを用意し、そこにスルーホールを形成する。そしてメタライズペーストによりスルーホール導体２７ａ，２７ｂを形成する。裏面に外部端子２６ａ，２６ｂ用、上面に金属パッド８ａ，８ｂ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。

図４（ｂ）に示すように、セラミック基板となるべきグリーンシート１０ａ，１０ｂ，１７ａを積層し、接着して一体化する。これにより前工程で形成されたＲ形状の貫通穴４６は、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１０ａ，１０ｂ，１７ａが一体化し、キャビティ３を有し、上部基板１８とセラミック基板本体部１７とを有する焼結体が得られる。

その後、メタライズ層７をＡｇ系ロウ材で覆って光反射面６としてもよい。このＡｇ形ロウ材による光反射面６は、メタライズ層７にＡｇ系ロウ材の粒子を設置し、例えば８００℃程度の高温処理を施すことにより、粒子が融解し、Ａｇ系ロウ材によってメタライズ層７が覆われることによって形成される。これにより、ＬＥＤ素子１からの発光光束を効率的に外部へ反射できるようになる。さらに、上記光反射面６上に、図示しないニッケルメッキ層および銀メッキ層をこの順に形成してもよい。表面に銀メッキ層を形成することで、光反射率をさらに高めることができる。

上部基板４８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６５°以上８９°以下、望ましくは７１°以上８０°以下、さらに望ましくは、７２°以上７５°以下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。

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、光反射面が、底面よりも開口が広がるように、主表面に対し９０°未満の角度をなして外側へ広がって形成されていることから、基板本体部の主表面の実装領域に設置された発光素子から発光された発光光束を効率よく発光素子用パッケージ外に取り出すことができる。また光反射面を６５°以上になるように形成することから良好な光反射面を形成することができる。特に７５°以上とすることで面荒れを抑えることができる。また７２°以上７５°以下の範囲において良好な指向性を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す概略断面図と平面図。 光反射面の角度について説明する図。 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と平面図。 従来例を示す断面図。

符号の説明

１ ＬＥＤ素子
３ キャビティ
４ 内壁面
６ 光反射面
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を備え、
   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主表面とのなす角が６５°以上８９°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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