JP2006287132A - 発光ダイオード用パッケージ及び発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】 アルミナセラミックスを用いた発光ダイオード用パッケージ及び発光ダイオードにおいて、輝度を向上させること。
【解決手段】 本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、前記ベース体及びカバー体を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックス又は気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、発光ダイオード用パッケージ及び発光ダイオードに関するものであり、特にアルミナセラミックスを用いた発光ダイオード用パッケージ及び発光ダイオードに関するものである。
従来より大量生産ができ、しかも、高輝度で低消費電力の発光体として、発光ダイオードが広く利用されてきている。特に、近年では、放熱特性を向上することによって長寿命化を図った発光ダイオードとして、パッケージに2枚の板状のアルミナセラミックスを用いたものが利用されてきている。この発光ダイオードとしては、板状のセラミックスからなるベース体とカバー体とを貼着し、ベース体の表面に発光ダイオード素子を実装する一方、カバー体の略中央部にテーパー状の反射面を有する開口を形成したものが知られている(たとえば、特許文献1参照。)。
さらに、近年では、青色の発光ダイオードの開発が進むとともに、半導体基板の製造に紫外線領域で発光する発光ダイオードの利用も考えられてきている。
そのような状況の中で、アルミナセラミックスを素材として用いた発光ダイオードにあっては、さらなる高輝度化が要求されるようになっている。
発光ダイオードの高輝度化を図る上では、発光ダイオード素子そのものの高輝度化に加えて、発光ダイオード用パッケージに形成した反射面の反射率の向上を図る必要が不可欠なものとなる。
特開2003−37298号公報
ところが、上記従来のアルミナセラミックスを用いた発光ダイオードでは、アルミナセラミックス自体の反射率が低いために、反射面に反射率の高い反射板を別途接着するなどしなければ発光ダイオードの高輝度化を図ることができず、そのために発光ダイオードの製造に多大な労力や時間やコストを要してしまうおそれがあった。
そこで、本発明者らが鋭意研究を重ねたところ、従来の発光ダイオードのパッケージに使用していたアルミナセラミックスは所定の焼結温度で焼成した広く普及した通常のセラミックスであるが、このアルミナセラミックスの焼結温度や原料形態を変化させることによって気孔直径や気孔率を変化させると、反射率が大幅に変化し、所定の範囲の気孔直径や気孔率を有するアルミナセラミックスにおいては、既存のアルミナセラミックスと比較して実用上十分な反射率を有することが確認され、本発明を成すに至ったのである。
請求項1に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、前記ベース体及びカバー体を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項2に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、前記ベース体及びカバー体を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項3に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項4に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項5に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、前記ベース体及びカバー体を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項6に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、前記ベース体及びカバー体を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項7に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
また、請求項8に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成することにした。
従来のアルミナセラミックスでは、気孔直径が0.10μm未満で気孔率が10%未満であるために、各波長に対する反射率が85%以下であるが、本発明では、従来のアルミナセラミックスよりも気孔直径や気孔率を1桁増大させてアルミナセラミックスの気孔直径を0.10〜1.25μm又は気孔率を10%以上とすることで、アルミナセラミックス自体の反射率を向上させることができる。
したがって、これを発光ダイオードのパッケージの反射板として利用した場合には、発光ダイオードの輝度を向上させることができる。
さらに、反射率を向上させたアルミナセラミックスの上部に発光ダイオード素子を実装することによって、発光ダイオード素子から下方へ向かう光も良好に反射させることができるので、発光ダイオードの輝度をより一層向上させることができる。
以下に、本発明に係る発光ダイオード用パッケージ及びこのパッケージを用いた発光ダイオードの具体的な構造について図面を参照しながら説明する。
本発明に係る発光ダイオード1は、図1及び図2に示すように、2枚の矩形板状のアルミナセラミックスからなるベース体2とカバー体3とを貼り合わせた発光ダイオード用パッケージ4と、この発光ダイオード用パッケージ4のベース体2の上面に実装した発光ダイオード素子5とで構成している。
ベース体2には、表面の略中央部に発光ダイオード素子5を直接にダイボンディングするとともに、表面に形成した電極と発光ダイオード素子5の電極とを金線8でワイヤーボンディングしている。
このカバー体3には、略中央部に裏面から表面に向けて漸次拡径させた傾斜状の周面(テーパー面)を有するテーパー孔からなる開口6を形成し、この開口6の表面に反射面7を形成している。
そして、発光ダイオード1は、発光ダイオード素子5から放射された光をカバー体3の開口6から外部へ放出する。その際に、発光ダイオード素子5から側方へ向けて放射された光は、カバー体3の反射面7で反射し、カバー体3の開口6から外部へ放出され、また、発光ダイオード素子5から下方へ向けて放射された光は、ベース体2の表面で反射し、カバー体3の開口6から外部へ放出される。
したがって、発光ダイオード1は、カバー体3の反射面7のみならず、ベース体2の表面も反射板としての機能を有していることになる。
この反射板として機能するベース体2及びカバー体3は、気孔直径を0.10〜1.25μm又は気孔率を10%以上としたアルミナセラミックスを用いて形成している。
これにより、ベース体2及びカバー体3は、所定の焼成温度で焼成した既存のアルミナセラミックスを用いた場合よりもアルミナセラミックス自体の反射率が向上し、発光ダイオード1の輝度が向上する。
すなわち、アルミナセラミックスは、焼成前の原料形態や焼成時の焼成温度を変化させたり、或いは原料に有機物を混入させておくことによって、焼成後の気孔直径や気孔率が変化し、この気孔直径や気孔率が変化すると、それに応じて反射率が変化し、所定の範囲の気孔直径や気孔率を有するアルミナセラミックスにおいては、既存のアルミナセラミックスと比較して反射率が大幅に向上するのである。
以下にアルミナセラミックスの気孔直径や気孔率と反射率との関係について説明する。ここで、アルミナセラミックスとは、アルミナ(Al2O3)の含有量が30重量%以上のものをいう。
まず、アルミナセラミックスの焼成前の原料形態や焼成時の焼成温度を変化させることによって気孔直径や気孔率の異なる21種類のサンプルを製造し、各サンプルごとに気孔直径、気孔率、及び各波長ごとの反射率を計測した。なお、反射率としては、いわゆる鏡面反射ではなく拡散反射の反射率を計測した。
ここで、たとえばサンプル番号No.1は10μmの球状アルミナを1200℃で焼成し、サンプル番号No.2は同じく10μmの球状アルミナを1380℃で焼成し、サンプル番号No.3は同じく10μmの球状アルミナを1492℃で焼成したものであり、また、サンプル番号No.4は40μmの球状アルミナを1200℃で焼成し、サンプル番号No.5は同じく40μmの球状アルミナを1380℃で焼成し、サンプル番号No.6は同じく40μmの球状アルミナを1492℃で焼成したものであり、さらに、サンプル番号No.7〜No.9はアルミナの重量比率を96%としてそれぞれ1200℃、1380℃、1492℃で焼成し、サンプル番号No.10〜No.12はアルミナの重量比率を99.7%としてそれぞれ1200℃、1380℃、1492℃で焼成したものであり、それぞれアルミナセラミックスの焼成前の原料形態や焼成時の焼成温度を変化させて焼成した。なお、サンプル番号No.9のアルミナセラミックスは広く一般に普及しているアルミナセラミックスである。
また、反射率は、拡散反射測定方法を用い、島津製作所製の分光光度計UV-3150,MPC-3100を用いて計測した。
各サンプルの計測結果を表1に示す。ここで、表1のサンプル番号No.9についてみると、通常のアルミナセラミックスでは、気孔直径が0.02μm、気孔率が3.92%、反射率が300nmでは60%で350nmでは85%以下であることがわかる。
表1に示した計測結果に基づいて各波長に対する気孔直径と反射率との関係をグラフ化したものを図3〜図7に示し、また、表1に示した計測結果に基づいて各波長に対する気孔率と反射率との関係をグラフ化したものを図8〜図12に示す。さらに、代表例としてサンプル番号No.7〜NO.9のサンプルについて波長と反射率との関係をグラフ化したものを図13に、サンプル番号No.9とNo.12のサンプルについての波長と反射率との関係をグラフ化したものを図14に示す。なお、反射率は硫酸バリウムの反射率を100%としたときの数値で表されるため、反射率として100%を超える値を示すものが存在している。
まず、図3〜図7に示した各波長に対する気孔直径と反射率との関係についてみると、全波長において気孔直径が約0.7μm付近で反射率がピークとなっており、紫外線領域である350nmの波長に対する気孔直径と反射率の関係を示す図4からアルミナセラミックスの気孔直径が0.10〜1.25μmの場合には、通常のアルミナセラミックスの反射率である85%を超える反射率が得られ、気孔直径が0.17〜1.20μmでは90%を超える反射率が得られ、特に気孔直径が0.34〜1.08μmでは95%を超える反射率が得られ、0.60〜0.80μmではほぼピーク値に近い反射率が得られることがわかる。そして、アルミナセラミックスの気孔直径が0.10〜1.25μmの場合には、350nm以上の波長においても85%以上の反射率となり、また、300nmにおいても反射率が65%を超えていることがわかる。
すなわち、アルミナセラミックスの気孔直径を0.10〜1.25μmとした場合には、可視領域では非常に高い反射率を示すとともに、紫外線領域でも高い反射率を示している。
これにより、アルミナセラミックスの気孔直径を0.10〜1.25μmとすることで、アルミナセラミックスの反射率を大幅に向上できることがわかる。なお、アルミナセラミックスの気孔直径を0.17〜1.20μm、0.34〜1.08μm、0.60〜0.80μmとすることによってより一層反射率を向上できることがわかる。
次に、図8〜図12に示した各波長に対する気孔率と反射率との関係についてみると、全波長において気孔率が約40〜50%付近で反射率がピークとなっており、紫外線領域である350nmの波長に対する気孔率と反射率の関係を示す図9からアルミナセラミックスの気孔率10%以上の場合には、通常のアルミナセラミックスの反射率である85%を超える反射率が得られ、気孔率が20%以上では90%を超える反射率が得られ、特に35%以上では95%を超える反射率が得られ、40%以上ではほぼピーク値に近い反射率が得られることがわかる。そして、アルミナセラミックスの気孔率が10%以上の場合には、350nm以上の波長においても85%以上の反射率となり、また、300nmにおいても反射率が65%を超えていることがわかる。
すなわち、アルミナセラミックスの気孔率を10%以上とした場合には、可視領域では非常に高い反射率を示すとともに、紫外線領域でも高い反射率を示している。
これにより、アルミナセラミックスの気孔率を10%以上とすることで、アルミナセラミックスの反射率を大幅に向上できることがわかる。なお、アルミナセラミックスの気孔率を20%以上、35%以上、40%以上とすることによってより一層反射率を向上できることがわかる。
ここで、アルミナセラミックスの気孔率を60%以上とすることで反射率が低減することが予想されるが、あまりにも気孔率を高めるとアルミナセラミックスの強度が低減してしまい、実用上の問題が生じるおそれがある。したがって、実用上の強度を確保した場合には、気孔率を10%以上とすることで十分に高い反射率が得られることになる。
次に、図13に示した波長と反射率との関係についてみると、サンプル番号No.9のように気孔直径が0.02μmと0.10〜1.25μmの範囲になく、また、気孔率が3.92%と10%以上の範囲にないものでは、いずれの波長においても反射率が90%以下であり、しかも、紫外線領域の上限である400nm近辺よりも短い波長では反射率が低減してしまい、300nmでは反射率が60%にまで低減しているが、これに対して、サンプル番号No.7及びNo.8のように気孔直径が0.10〜1.25μmの範囲で気孔率が10%以上の範囲のものでは、紫外線領域である325nm以上の波長において反射率が90%以上と極めて高く、しかも、300nmにおいても反射率が依然として70%を超えた高い値となっている。
このことからも、アルミナセラミックスの気孔直径を0.10〜1.25μmとすることで、或いは、アルミナセラミックスの気孔率を10%以上とすることで、アルミナセラミックスの反射率を大幅に向上できることがわかる。
また、サンプル番号No.7〜No.9は、原料中のアルミナの重量比率を96%として焼成温度をそれぞれ1200℃、1380℃、1492℃(焼結温度)と異ならせただけのものであり、通常の焼結温度よりも低い温度で焼成するだけで、なんら原料の組成や添加物を変化させることなく通常の焼成炉を用いて製造したものであるため、製造コストの増大を招くことなくアルミナセラミックスの反射率を向上させることができる。
次に、図14に示した波長と反射率との関係についてみると、アルミナセラミックスの純度が96%のサンプル番号No.9では、気孔直径が0.02μmと0.10〜1.25μmの範囲になく、また、気孔率が3.92%と10%以上の範囲にないために、いずれの波長においても反射率が90%以下であり、しかも、紫外線領域の上限である400nm近辺よりも短い波長では反射率が低減してしまい、300nmでは反射率が60%にまで低減しているが、これに対して、アルミナセラミックスの純度が99.7%のサンプル番号No.12では、気孔直径が0.10〜1.25μmの範囲で気孔率が10%以上の範囲になり、紫外線領域である325nm以上の波長において反射率が90%以上と極めて高く、しかも、300nmにおいても反射率が依然として70%を超えた高い値となっている。
これらのサンプル番号No.9とサンプル番号No.12とを比較すると、原料中のアルミナの重量比率が96%と99.7%と異なるだけであり、アルミナセラミックスの純度を増大させただけで、なんら原料に添加物を添加することなく通常の焼成炉を用いて製造したものであるため、アルミナセラミックスの純度を増大させるだけで反射率を容易に向上させることができる。
以上に説明したように、通常のアルミナセラミックスでは、気孔直径が0.10μm以下で気孔率が10%以下であるために、各波長に対する反射率が90%以下であるのに対して、アルミナセラミックスの気孔直径を0.10〜1.25μm又は気孔率を10%以上とすることによって、アルミナセラミックス自体の反射率を一般的に普及しているアルミナセラミックスよりも大幅に向上させることができる。
したがって、気孔直径が0.10〜1.25μm又は気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを各種光源の反射板として用いた場合には、反射効率を向上させることができ、また、発光ダイオードのパッケージの反射板として用いた場合には、発光ダイオードの輝度を向上させることができる。特に、波長の短い青色の発光ダイオードや紫外線領域の光を放射する発光ダイオードではその効果が顕著に現れる。
しかも、焼成温度を変化させるだけでアルミナセラミックスの気孔直径を0.10〜1.25μm又は気孔率を10%以上とすることができるので、反射率向上のためにアルミナセラミックスの製造コストの増大を招くこともない。
このように、本発明に係る発光ダイオード1又はそのパッケージ4は、発光ダイオード素子5から放射された光を反射する反射板として機能する部材(上記発光ダイオード1では、ベース体2及びカバー体3)に反射率を向上させたアルミナセラミックスを用いることで、発光ダイオード1の輝度を向上させるものである。
そして、反射板として機能する部材としては、上記発光ダイオード1のベース体2及びカバー体3に限られず、次のような場合も考えられる。
すなわち、図15及び図16に示す発光ダイオード11では、ベース体12の表面に矩形板状のアルミナセラミックスからなる載置台19を貼着し、この載置台19に発光ダイオード素子15をダイボンディングしており、ベース体12に発光ダイオード素子15を載置台19を介して実装している。
この発光ダイオード11では、ベース体12とカバー体13と載置台19とで発光ダイオード用パッケージ14を構成している。
ここで、発光ダイオード11は、上記発光ダイオード1と同様に、ベース体12の表面に形成した電極と発光ダイオード素子15の電極とを金線18でワイヤーボンディングし、また、カバー体13の略中央部に裏面から表面に向けて漸次拡径させた傾斜状の周面(テーパー面)を有するテーパー孔からなる開口16を形成し、この開口16の表面に反射面17を形成している。
そして、この発光ダイオード11では、発光ダイオード素子15から放射された光をカバー体13の開口16から外部へ放出する際に、発光ダイオード素子15から側方へ向けて放射された光は、カバー体13の反射面17で反射し、カバー体13の開口16から外部へ放出されるが、発光ダイオード素子15から下方へ向けて放射された光は、載置台19の表面又はベース体12の表面で反射し、カバー体13の開口16から外部へ放出される。
したがって、この発光ダイオード11では、カバー体13の反射面17のみならず、ベース体12及び載置台19の表面も反射板としての機能を有していることになる。
そこで、この発光ダイオード11では、ベース体12とカバー体13と載置台19を上述した反射率を向上させたアルミナセラミックスで形成している。
この図15及び図16に示した発光ダイオード11では、ベース体12の表面に載置台19を載設しているために、載置台19の面積分だけベース体12の表面の露出面積が狭くなっている。
そのため、ベース体12の表面で反射される光の量は少なくなるので、図17に示すように、ベース体12'を通常のアルミナセラミックスで形成しても大幅に輝度が低下することはない。このように、ベース体12'として通常のアルミナセラミックスを使用した場合には、発光ダイオード11'のパッケージ14'の強度を向上させることができる。
また、この発光ダイオード11(11')では、載置台19を介してベース体12(12')に発光ダイオード素子15を実装しているために、上記発光ダイオード1のようにベース体2に直接実装した場合と比べて、発光ダイオード素子15をベース体12(12')の表面よりも上方に位置させることができ、より一層輝度を向上させることができる。
また、上記発光ダイオード1(11,11')では、発光ダイオード素子15をダイボンディングした基板となるベース体2(12)又は載置台19を高反射率のアルミナセラミックスで形成しているために、発光ダイオード素子15から下方へ向かう光を良好に反射させることができるので、発光ダイオード1(11,11')の輝度を向上させることができる。
本発明に係る発光ダイオードを示す斜視図。 同断面図。 波長300nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長350nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長400nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長500nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長600nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長300nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長350nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長400nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長500nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長600nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長と反射率との関係を示すグラフ。 波長と反射率との関係を示すグラフ。 他実施例としての発光ダイオードを示す斜視図。 同断面図。 他実施例としての発光ダイオードを示す断面図。
符号の説明
1,11,11' 発光ダイオード
2,12,12' ベース体
3,13 カバー体
4,14,14' 発光ダイオード用パッケージ
5,15 発光ダイオード素子
6,16 開口
7,17 反射面
8,18 金線
19 載置台

Claims (8)

  1. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、
    前記ベース体及びカバー体を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード用パッケージ。
  2. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、
    前記ベース体及びカバー体を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード用パッケージ。
  3. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、
    前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード用パッケージ。
  4. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、
    前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード用パッケージ。
  5. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、
    前記ベース体及びカバー体を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード。
  6. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、
    前記ベース体及びカバー体を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード。
  7. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、
    前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔直径が0.10〜1.25μmのアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード。
  8. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、
    前記ベース体の上部に発光ダイオード素子を載置台を介して実装し、前記カバー体及び載置台を気孔率が10%以上のアルミナセラミックスを用いて形成したことを特徴とする発光ダイオード。
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