JP2006086139A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【構成】発光素子をマウントしたサブマウントと、第1の溝を備えた第1のリードフレームと、第2の溝を備えた第2のリードフレームと、を有し、サブマウントを第1の凹部と第2の凹部へセットすることにより、該サブマウントが第1のリードフレームと第2のリードフレームとの間に懸架される。
【選択図】 図3
Description
【産業上の利用分野】
本発明は発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光装置を高出力とするときのキーポイントの一つに発光素子(チップ)の生じる熱の問題がある。
絶縁性の基板を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子を用いる発光装置においては、熱伝導性の低いワイヤーボンディングを省略すべく、発光素子をフリップチップタイプとすることが行われている(特許文献1等参照)。
図1に示すように、かかるフリップチップタイプの発光素子1は絶縁性の基板を上側(発光面側)として、電極側でサブマウント2に固定されている。このサブマウント2は第1のリードフレーム3に固定されるとともに、サブマウント2から第2のリードフレーム5へワイヤ6が懸架される。図中の符号7は砲弾型の封止部材である。
【0003】
【特許文献1】
特開平2002−368263号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
かかる発光装置によれば、発光素子1で生じた熱は接触面積の大きな第1のリードフレーム3へ専ら逃がされることとなる。ワイヤ6は断面積が小さいのでわずかな熱しか第2のリードフレーム5へ伝達することができない。
しかしながら、発光装置には益々高い出力が要求されているので、上記構成の発光装置であっても放熱効率が不十分な場合が生じかねない。また、第1のリードフレーム3へサブマウントを固定する際に、正確にその位置決めをすることが困難であった。発光素子の位置がずれると、封止部材7のレンズ部の配光特性を十分に発揮できないおそれがある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。即ち、
発光素子をマウントしたサブマウントと、
第1の凹部を備えた第1のリードフレームと、
第2の凹部を備えた第2のリードフレームと、を有し、
前記サブマウントを前記第1の凹部と前記第2の凹部へセットすることにより、該サブマウントが前記第1のリードフレームと第2のリードフレームとの間に懸架される、ことを特徴とする発光装置。
【0006】
このように構成された発光装置によれば、サブマウントが第1のリードフレーム及び第2のリードフレームに大きな面積で接触可能となる。従って、発光素子の熱は、サブマウントを介して、第1のリードフレームと第2のリードフレームへそれぞれ逃がされることとなる。ここに、発光素子の熱を専ら一方のリードフレームへ逃がしていた従来例と比較すると、両方のリードフレームへ熱を逃がすことのできる本発明の発光装置においては、発光素子からの排熱効率が向上する。よって、高出力の発光が達成できる。
また、第1のリードフレームと第2のリードフレームの各凹部(第1の凹部、第2の凹部)へサブマウントをセットすることでその位置決めが自動的にかつ正確に行われる。従って、発光素子の位置ズレが防止されて発光装置の配光特性が安定する。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各要素について詳細に説明する。
(発光素子)
発光素子には発光ダイオード、レーザダイオードその他の発光素子が含まれる。発光素子の発光波長も特に限定されるものではなく、紫外光〜緑色系光に有効なIII族窒化物系化合物半導体素子や赤色系光に有効なGaAs系半導体素子などを用いることができる。その他、SiC、AlInGaPなどから形成される発光素子を用いることができる。
上記において、絶縁性基板を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子に排熱の課題があることは既述の通りであり、またこの発光素子を例えば白色光源として使用する場合に特に高出力が求められている。
ここに、III族窒化物系化合物半導体は、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0<X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表される。Alを含むものはこのうち、AlNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN及びAlxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族窒化物系化合物半導体及びGaNにおいて、III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、カーボン(C)等を用いることができる。p型不純物として、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いることができる。なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。 III族窒化物系化合物半導体層はMOCVD(有機金属気相成長)法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該MOCVD法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
【0008】
発光素子の構成としては、MIS接合、PIN接合やpn接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる発光方向(電極面)を発光装置の光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。
【0009】
(サブマウント)
サブマウントのベース材は、熱伝導性の高いものであれば、発光装置の用途に応じて適宜選択することができる。例えばAlN、Al2O3、SiC、Si3N4、Si等の無機材料を選択することができる。
サブマウントを形成する無機材料は発光素子の半導体材料とリードフレームの金属材料との中間の熱膨張率を有する。従って、発光装置の製造工程で大きな熱履歴が加えられたとしても(例えばサブマウントを第1及び第2のリードフレームにハンダ付けするとき等)、発光素子とリードフレームとの熱膨張率に起因する応力を緩和することができる。
サブマウントの形状はその一端が第1のリードフレームに形成される第1の凹部へセットすることができ、かつその他端が第2のリードフレームに形成される第2の凹部にセットすることができればよい。
【0010】
フリップチップタイプの発光素子を採用した場合、ワイヤが省略されるので、大電流を発光素子へ印加することが可能になる。その結果発光素子を高輝度に発光させられるとともに、発光素子の熱も効率よく逃がすことができる。また、ワイヤを省略することにより、発光装置として耐衝撃性が向上する。
ワイヤの代わりに、サブマウントにはスルーホールやサイドメタルなどの配線パターンが形成される。この配線パターンにより、サブマウントの上面にマウントされた発光素子の各電極が第1のリードフレーム及び第2のリードフレームに電気的に結合される。金属パターンの形成材料はその表面層が発光素子を結合するための結合材料に適合したものである必要がある。例えば、結合材料としてAuバンプを用いるときは金属パターンの表面層をAuやAgで形成する。
なお、発光素子とサブマウントの配線パターンとを結合するための結合材料として上記のAuバンプ以外に、はんだバンプやはんだめっきなどの共晶材を用いることができる。
【0011】
(第1のリードフレーム、第2のリードフレーム)
第1のリードフレームの一端には第1の凹部が形成され、第2のリードフレームの一端に第2の凹部が形成されている。第1の凹部及び第2の凹部はそれぞれ第1及び第2のリードフレームにおいて、厚み方向に溝を切削又はエッチングして形成することができる。また、第1及び第2のリードフレームの材料をプレスすることによりそれぞれ第1及び第2の凹部を形成することもできる。また、第1及び第2のリードフレームの表面に凸部を設け、その凸部で囲まれる部分を凹部とすることもできる。
これらの凹部はサブマウントの受け座となるものであり、その形状及び深さはサブマウントに応じて適宜設計される。
【0012】
サブマウントの一端を上記の第1の凹部へセットし、その他端を第2の凹部へセットし、サブマウントと第1及び第2のリードフレームとを金属の共晶材からなる半田(例えば、Pb−Sn,Au−Sn等)又はAgペースト等で機械的に固定する。
サブマウントと第1及び第2の凹部周壁との間のマージンを小さくすることにより、例えば、当該サブマウントと第1及び第2の凹部とが実質的に嵌合状態にあるとき、サブマウントの取り付け位置が安定し、もって発光素子の位置ズレが防止される。よって、発光素子をレンズ状の封止部材で封止したときの配光特性が安定する。
また、第1の凹部と第2の凹部へセットされた状態で、サブマウントと第1及び第2のリードフレームとを実質的に同じ高さとすると、発光素子から側方へ放出された光の制御が容易になり、光取り出し効率を向上させられる。
更には、サブマウントと第1及び第2のリードフレームとが実質的に同じ高さであって、かつサブマウントと第1及び第2のリードフレームとの間の隙間が小さいと(嵌合状態)、即ち両者が実質的に面一であると、リードフレームによる反射効率も向上する。
【0013】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明をする。
発光素子10は、III族窒化物系化合物半導体発光素子である。その構成を図2に模式的に示した。図2に示されるように、発光素子10は、サファイア基板上に、複数のIII族窒化物系化合物半導体層が積層された構成からなる。発光素子10の各層のスペックは次の通りである。
【0014】
基板11の上にはバッファ層12を介してn型不純物としてSiをドープしたGaNからなるn型半導体層13を形成した。ここで、基板11にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlInGaN等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
ここでn型半導体層13はGaNで形成したが、AlGaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いることができる。
また、n型半導体層13はn型不純物してSiをドープしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、Te、C等を用いることもできる。
n型半導体層13は発光する層を含む層14側の低電子濃度n-層とバッファ層12側の高電子濃度n+層とからなる2層構造とすることができる。
発光する層を含む層14は量子井戸構造(多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造)を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
【0015】
発光する層を含む層14はp型半導体層15の側にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層14中に注入された電子がp型層15に拡散するのを効果的に防止するためである。
発光する層を含む層14の上にp型不純物としてMgをドープしたGaNからなるp型半導体層15を形成した。このp型半導体層15はAlGaN、InGaN又はInAlGaNとすることもできる、また、p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。
さらに、p型半導体層15を発光する層を含む層14側の低ホール濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができる。
上記構成の発光ダイオードにおいて、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
【0016】
n電極18はAlとVの2層で構成され、p型半導体層15を形成した後、p型半導体層15、発光する層を含む層14、及びn型半導体層13の一部をエッチングにより除去し、蒸着によりn型半導体層13上に形成される。
p電極16は金を含む膜状であり、p型半導体層15の上に蒸着により積層される。
上記の工程により各半導体層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
【0017】
サブマウント20は、図3Aに示すように、AlNからなる絶縁性の板状部材であって、その上側表面に表面電極21、22が形成され、裏面側には裏面電極23,24が形成されている。これらの電極21、22、23,24はチタン、Ni及びAuをこの順に積層してなり、スルーホール25(導電性金属が充填されている)により導通されている。
この実施例のサブマウント20ではスルーホールにより表面電極21、22と裏面電極23、24とを導通させているが、サブマウント20の側面に金属層(サイドメタル)を形成して両者の導通を図ることもできる。
【0018】
発光素子10のn電極はAuバンプ31を介して表面電極21に電気的に接続され、p電極はAuバンプ32を介して表面電極22へ電気的に接続される。バンプの代わりに半田ボールを用いることも可能である。
【0019】
第1のリードフレーム41と第2のリードフレーム42の相互に対向する端縁にはそれぞれ溝43、溝44が切削により形成されている。各溝43、44の形状はサブマウント20の両端をほぼ隙間なく嵌め込めるものであり、これにより、サブマウント20の位置が規定される。第1及び第2のリードフレーム41、42とサブマウント20とは半田(Sn−Ag系のクリーム半田など)35で固定されている。
この実施例では第1及び第2のリードフレーム41、42の表面とサブマウント20の表面とがほぼ同一の高さになるように溝43及び溝44の深さを調整した。これにより、発光素子10から放出される光(特に側方へ放出されるもの)の制御が容易になる。
また、溝を深くして、溝の側壁で発光素子10から放出される光を反射させる構造をとることもできる。
【0020】
その後、図4に示すように、発光素子10を封止部材51で被覆して実施例の発光装置50とする。封止部材51中に蛍光材料を混在させることにより、白色等任意の発光色を得ることができる。封止部材51は発光素子からの光を透過できるものの中から発光装置の用途等に応じて適宜選択される。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、シリコーンエラストマー等の有機材料及び低融点ガラス等の無機材料で形成することができる。この実施例では、リフローに耐えうるイミド系の樹脂で封止部材51を型形成し、その後、サブマウント20を第1及び第2のリードフレーム41、42に対して半田付けする。
図5には他の形態の封止部材53を示す。この例では、第1及び第2のリードフレーム41、42の端部及びサブマウント20も封止部材53で覆われている。かかる封止部材53はサブマウント22を第1及び第2のリードフレーム41、42へ固定したのち、型成形により形成される。成形材料にはエポキシ樹脂を採用することができる。
【0021】
このように構成された実施例の発光装置50によれば、発光素子10で生じた熱はサブマウント20を介して第1及び第2のリードフレーム41、42へほぼ均等に伝達される。従って、熱の伝達経路が充分に確保されて、放熱効率が向上する。
また、溝43及び溝44によりサブマウント20の位置、即ち発光素子10の位置が規定される。従って、発光装置としての配光特性が安定することとなる。
【0022】
上記実施例の各要素についての変形態様について以下に説明する。図3−5に示した要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。図6の例では、第1のリードフレーム41の溝45を短く、第2のリードフレーム42に溝46を長く形成した。これにより、第2のリードフレーム42の部材(溝46の周壁)が発光素子10の直下に位置することとなる。よって、発光素子10からリードフレームまでの距離が最も短くなり、発光素子10からより効率よく熱を逃がすことができる。
【0023】
図7の例では、溝47及び溝48が各リードフレーム41、42の側面まで開いている。これにより、溝47及び溝48に対するサブマウント20のセットがより容易になる。
図8の例では、第1のリードフレーム41の側方に溝49を形成した。この実施例が示す通り、リードフレームにおける溝の形成方向及び形成位置は任意であり、発光装置の用途に応じて適宜選択できるものである。
【0024】
図9に示す例では、第1及び第2のリードフレーム41、42の先端へプレス加工により凹部61、62を形成した。この凹部61、62へ、図3と同様にしてサブマウントをセットすることができる。
図10に示す例では、第1及び第2のリードフレーム41、42の先端へプレス加工によりコ字形の凸部71、72を形成した。この凸部71、72で囲まれた部分が凹部73、74となる。この凹部73、74へ図3と同様にしてサブマウントがセットされることとなる。
【0025】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は従来例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図2】図2は実施例で用いる発光素子の構成を示す断面図である。
【図3】図3は実施例の発光装置の構成を示す図であり、(A)は断面図、(B)は平面図である。
【図4】図4は封止部材を備えた実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図5】図5は他の形態の封止部材を備えた実施例の発光装置の構成を示す断面図である。
【図6】図6は他の形態のリードフレームを示す断面図である。
【図7】図7は他の形態のリードフレームを示す平面図である。
【図8】図8は他の形態のリードフレームを示す平面図である。
【図9】図9は他の形態のリードフレームを示す斜視図である。
【図10】図10は他の形態のリードフレームを示す斜視図である。
【符号の説明】
1、10 発光素子
20 サブマウント
41 第1のリードフレーム
42 第2のリードフレーム
43,44,45,46,47,48,49 溝
50 発光装置
61,62,73,74 凹部
Claims (4)
- 発光素子をマウントしたサブマウントと、
第1の凹部を備えた第1のリードフレームと、
第2の凹部を備えた第2のリードフレームと、を有し、
前記サブマウントを前記第1の凹部と前記第2の凹部とへセットすることにより、該サブマウントが前記第1のリードフレームと第2のリードフレームとの間に懸架される、ことを特徴とする発光装置。 - 前記第1の凹部と前記第2の凹部へ前記サブマウントが嵌合されている、ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記発光素子はフリップチップの状態で前記サブマウントへ固定され、該サブマウントの配線パターンを介して前記第1及び第2のリードフレームから前記発光素子へ電力が供給される、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の発光装置。
- 前記第1の凹部と前記第2の凹部へセットされた状態で、前記サブマウントと前記第1及び第2のリードフレームとは実質的に面一になる、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の発光装置。
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