JP2006303366A - 発光素子収納用パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子を収納するためのキャビティ部の複数枚からなるセラミック製の枠体の内周側壁面を半導体発光素子の発光効率を向上できる壁面とすることができる発光素子収納用パッケージ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】１又は複数枚からなる平板状の基体１１の上面に、複数枚からなる開口部１２を有するセラミック製の枠体１３が接合され、開口部１２の壁面が断面視して下方側より上方側に向かって開口を大きくするテーパー状からなり、基体１１の上面と枠体１３の壁面とで半導体発光素子１４を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部１５が設けられる発光素子収納用パッケージ１０であって、キャビティ部１５の枠体１３の複数枚からなる壁面が平坦面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を搭載して収納するための発光素子収納用パッケージ及びその製造方法に関する。
従来から発光素子収納用パッケージは、ＬＥＤ等からなる半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を平板状の基体と、窓枠形状や、リング状の枠体を接合して形成されている。また、従来から発光素子収納用パッケージとしては、基体をプラスチックや、セラミック等を用いて形成し、枠体をプラスチックや、セラミックや、金属等を用いて形成して、基体と枠体を接合することで製造されたものが用いられている。更に、近年の半導体発光素子には、発光効率を向上させることが要求されているので、発光素子収納用パッケージの枠体の内周側壁面を反射面として半導体発光素子からの発光を効率よく発光させることが必要とされている。なお、半導体発光素子の発光効率を向上させるためには、半導体発光素子にかけられる電流を増加させることで対応することも可能である。しかしながら、この場合には、半導体発光素子自体の温度も上昇するので、半導体発光素子を収納するためのパッケージがプラスチック製では、耐熱性が十分でないという問題が発生している。従って、最近では、発光素子収納用パッケージは、耐熱性の高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミック製のものが多く用いられている。
図３に示すように、従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージ５０は、通常、基体５１用のセラミックグリーンシートにスクリーン印刷で導体配線パターン用の導体印刷パターンを形成し、枠体５２用のセラミックグリーンシートに貫通孔５３用の孔を形成した後、必要に応じてこの孔の壁面に導体金属層用の導体印刷パターンを形成して、基体５１用のセラミックグリーンシートと、枠体５２用のセラミックグリーンシートを積層し、焼成して形成した接合体からなっている。この発光素子収納用パッケージ５０は、基体５１の上面と枠体５２の貫通孔５３の壁面で形成されるキャビティ部５４に半導体発光素子５５を収納できるようになっている。そして、この半導体発光素子５５は、ボンディングワイヤ５６を介して外部接続端子パッド５７と電気的に導通状態としている。更に、キャビティ部５４内に収納された半導体発光素子５５は、ガラス板や、レンズ等からなる蓋体５８を枠体５２の上面に接合して気密に封止している。また、セラミック製の発光素子収納用パッケージ５０は、枠体５２の貫通孔５３の壁面を半導体発光素子５５から発せられる光を反射させて発光効率を向上させるために利用している。しかしながら、貫通孔５３の壁面が垂直となっている発光素子収納用パッケージ５０は、半導体発光素子５５から発せられる光を上方に集中させることができないので、十分に発光効率を向上させることができないという問題を有している。
導体印刷パターンが形成されたセラミックグリーンシートに半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を形成する従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージ及びその製造方法には、セラミックグリーンシートに開口方向が外側方向に広くなるようにプレス成形し、脱脂、焼成した後、キャビティ部壁面の導体層に貴金属めっきを施したもの及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、セラミック窓枠の壁面部に光を反射させるための金属層を設ける従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージ及びその製造方法には、上面に半導体発光素子を搭載するための搭載部を有する略平板状のセラミック基体の上面に、半導体発光素子を収納するための貫通孔を有するセラミック窓枠を積層してなり、貫通孔内壁がセラミック基体上面に対して５５〜７０度の角度で外側に広がっていると共に、その表面に中心線平均粗さＲａが１〜３μｍで且つ半導体発光素子が発光する光に対する反射率が８０％以上の金属層が被着されているもの及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−４５９６５号公報 特開２００２−２３２０１７号公報
しかしながら、前述したような従来の発光素子収納用パッケージは、未だ解決すべき次のような問題がある。
（１）半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を形成するのに、セラミックグリーンシートをキャビティ部の開口方向に広くなるようにプレス成形して凹部を形成する場合には、セラミックグリーンシートが屈折する部分に亀裂や、破断等が発生し、絶縁体としての機能が発揮できなくなっている。
（２）半導体発光素子搭載部であるキャビティ部を形成するための枠体のすり鉢状貫通孔は、打ち抜き金型のパンチとダイスとの間のクリアランスを大きくしてセラミックグリーンシートを打ち抜くことで形成するようにしている。しかしながら、枠体が複数枚のセラミックグリーンシートからなる場合には、複数枚のそれぞれのセラミックグリーンシートに打ち抜かれたすり鉢状貫通孔を形成し、複数枚を重ね合わせて積層体を形成しているので、それぞれのセラミックグリーンシートのすり鉢状貫通孔の間にズレが発生し、積層体の全体で安定したテーパー形状のすり鉢状貫通孔を形成することができない。このような形状の壁面を反射面とするセラミックグリーンシートの厚さが比較的厚い場合の発光素子収納用パッケージにおいては、光の拡散が大きくなって、安定した反射光を得ることができないので、半導体発光素子の発光効率を向上させることが難しくなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、半導体発光素子を収納するためのキャビティ部の複数枚からなるセラミック製の枠体の内周側壁面を半導体発光素子の発光効率を向上できる壁面とすることができる発光素子収納用パッケージ及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る発光素子収納用パッケージは、１又は複数枚からなる平板状の基体の上面に、複数枚からなる開口部を有するセラミック製の枠体が接合され、開口部の壁面が断面視して下方側より上方側に向かって開口を大きくするテーパー状からなり、基体の上面と枠体の壁面とで半導体発光素子を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部が設けられる発光素子収納用パッケージであって、キャビティ部の枠体の複数枚からなる壁面が平坦面を有する。
前記目的に沿う本発明に係る発光素子収納用パッケージの製造方法は、１又は複数枚からなる平板状の基体の上面に、複数枚からなる断面視して内周側の壁面を下方側より上方側に向かって大きくするテーパー状の開口部を設けるセラミック製の枠体を接合して半導体発光素子を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部を形成する発光素子収納用パッケージの製造方法であって、枠体用のセラミックグリーンシートを複数枚重ね合わせて温度と圧力をかけながら押圧して接合し、積層体を形成する工程と、積層体をピンと、ピン径より大きい孔径を設けるダイスを用いる打ち抜き金型で打ち抜いて開口部用の貫通孔を形成する工程を有する。
請求項１記載の発光素子収納用パッケージは、平板状の基体の上面に、複数枚からなる開口部を有するセラミック製の枠体が接合され、開口部の壁面が断面視して下方側より上方側に向かって開口を大きくするテーパー状からなり、基体の上面と枠体の壁面とで半導体発光素子を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部が設けられる発光素子収納用パッケージであって、キャビティ部の枠体の複数枚からなる壁面が平坦面を有するので、複数枚からなる枠体の接合面間においてズレがなく、枠体の開口部の壁面が複数枚の全体を通して安定した平坦面のテーパー形状のすり鉢状貫通孔からなり、半導体発光素子の発光を効率的に反射させて半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
請求項２記載の発光素子収納用パッケージの製造方法は、平板状の基体の上面に、複数枚からなる断面視して内周側の壁面を下方側より上方側に向かって大きくするテーパー状の開口部を設けるセラミック製の枠体を接合して半導体発光素子を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部を形成する発光素子収納用パッケージの製造方法であって、枠体用のセラミックグリーンシートを複数枚重ね合わせて温度と圧力をかけながら押圧して接合し、積層体を形成する工程と、積層体をピンと、ピン径より大きい孔径を設けるダイスを用いる打ち抜き金型で打ち抜いて開口部用の貫通孔を形成する工程を有するので、複数枚のセラミックグリーンシートを積層した後に開口部用の貫通孔を形成して、それぞれのセラミックグリーンシートの厚さが厚いものを用いたとしても厚さに関係なく複数枚の枠体の接合面間においてズレを発生させることがなく、枠体の積層体の内周側壁面を全体で安定したテーパー形状のすり鉢状貫通孔に形成することができ、半導体発光素子の発光を効率的に反射させて半導体発光素子の発光効率を向上させることができる発光素子収納用パッケージの製造方法を提供できる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２（Ａ）〜（Ｅ）は同発光素子収納用パッケージの製造方法の説明図である。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１０は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の１又は複数枚からなり、平面視して、１又は複数枚からなる矩形状や、多角形や、円形等からなる平板状のセラミック製の基体１１を有している。また、この発光素子収納用パッケージ１０は、基体１１の上面にＡｌ２Ｏ３や、ＡｌＮ等の複数枚からなり、平面視して、矩形状や、多角形や、円形等からなる開口部１２を有するセラミック製の枠体１３を接合して有している。この枠体１３は、開口部１２の壁面が断面視して下方側より上方側に向かって開口を大きくするテーパー状からなっている。そして、この発光素子収納用パッケージ１０は、基体１１の上面の実装領域に半導体発光素子１４を載置し、枠体１３の開口部１２の壁面で半導体発光素子１４を囲繞することができる半導体発光素子１４を収納するためのすり鉢状形状からなるキャビティ部１５を設けている。
この発光素子収納用パッケージ１０は、枠体１３が複数枚のセラミック基板の接合体からなり、開口部１２の壁面の表面が複数枚のセラミック基板の全体を通しての平坦面を有している。この発光素子収納用パッケージ１０は、開口部１２の壁面の表面が複数枚のセラミック基板の全体を通して層界面となるような段差等がないので、安定したテーパー状の反射面形状となり、半導体発光素子１４からの発光の発光効率を向上させることがことができる。
なお、この発光素子収納用パッケージ１０には、基体１１の上面側であるキャビティ部１５の底面に半導体発光素子１４を搭載してパッケージの外部と電気的に導通状態とするためにタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなる導体配線パターンを設けている。この導体配線パターンは、例えば、半導体発光素子１４を載置するためのダイボンドパッド１６や、半導体発光素子１４とボンディングワイヤ１７で電気的に導通状態とするためのボンディングパッド１８等として形成されている。また、導体配線パターンは、ダイボンドパッド１６や、ボンディングパッド１８からビア導体１９等を介して基体１１の下面側、あるいは、枠体１３の上面側で接続し、外部端子と電気的に導通状態とするための外部接続端子パッド２０等として形成されている。
また、この発光素子収納用パッケージ１０には、開口部１２の壁面にＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体金属層を設けることができる。更に、この導体金属層の上面には、銀（Ａｇ）等からなる貴金属めっき被膜を形成して、半導体発光素子１４からの発光を更に効率的に反射させて、発光効率を向上させることができる。
次いで、図２（Ａ）〜（Ｅ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１０の製造方法を説明する。
本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１０の製造方法における基体１１や、枠体１３は、特に、これを作製するための材料が限定されるものではないが、通常、Ａｌ２Ｏ３や、ＡｌＮ等のセラミックからなるセラミックグリーンシートが用いられている。このセラミックグリーンシートが例えば、Ａｌ２Ｏ３セラミックからなる場合には、Ａｌ２Ｏ３粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーが作成され、ドクターブレード法等によって、所望の厚さからなるロール状のシートに形成され、適当な大きさにカットしてセラミックグリーンシートが作製されている。
図２（Ａ）に示すように、セラミックグリーンシートは、基体１１用として１又は複数枚が準備されるが、ここでは、例えば、１枚からなる第１のセラミックグリーンシート２１を準備している。この第１のセラミックグリーンシート２１には、必要に応じてビア導体１９を形成するためのビア用貫通孔を打抜き金型や、パンチングマシーン等を用いて穿設して形成している。そして、第１のセラミックグリーンシート２１の上面側には、Ｗや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷してダイボンドパッド１６、ボンディングパッド１８、及びビア導体１９等の導体配線パターン用の導体印刷パターン２２を形成している。また、第１のセラミックグリーンシート２１の下面側には、Ｗや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷してそれぞれの外部接続端子パッド２０等の導体配線パターン用の導体印刷パターン２２ａを形成している。
次に、図２（Ｂ）に示すように、セラミックグリーンシートは、枠体１３用として複数枚が準備されるが、ここでは、例えば、２枚の第２のセラミックグリーンシート２３、２３ａを準備している。この２枚の第２のセラミックグリーンシート２３、２３ａは、重ね合わせて温度と圧力をかけながら押圧して積層体２４を形成している。
次に、図２（Ｃ）に示すように、２枚の第２のセラミックグリーンシート２３、２３ａからなる積層体２４は、ピン２５と、このピン２５の径ａより大きい孔径ｂを設けるダイス２６を用いる打ち抜き金型で打ち抜いて開口部１２用の貫通孔２７を形成している。この貫通孔２７の形状は、積層体２４を断面視したときに、貫通孔２７の小さい孔径となる側からピン２５で打ち抜くことで、貫通孔２７の小さい方の孔径がピン２５の径ａと略同等となり、貫通孔２７の大きい方の孔径がダイス２６の孔径ｂと略同等となるテーパー状に形成することができる。なお、通常、この貫通孔２７の形成においては、積層体２４の上面からピン２５と嵌合する孔径を設ける上金型２８で積層体２４を押さえ付けながら形成している。このテーパー状の貫通孔２７の壁面は、表面が複数枚のセラミックグリーンシート２３、２３ａの全体を通しての平坦面を有している。したがって、このテーパー状の貫通孔２７の壁面は、表面が複数枚のセラミックグリーンシート２３、２３ａの全体を通して層界面となるような段差や、ズレ等がないので、安定したテーパー状の反射面形状に形成することができる。
複数枚の第２のセラミックグリーンシート２３、２３ａが重ね合わされて形成される枠体１３の開口部１２の壁面に導体金属層を形成する場合には、積層体２４の貫通孔２７の壁面にＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷して一度に導体印刷パターンを形成している。この導体金属層上には、後述する焼成後にＡｇめっき被膜等が形成でき半導体発光素子１４からの発光を更に効果的に反射できる反射層を形成することができる。
次に、図２（Ｄ）に示すように、基体１１となる第１のセラミックグリーンシート２１の上面には、貫通孔２７の壁面が下方側より上方側に向かって大きくなるテーパー状開口部１２となるようにして枠体１３となる第２のセラミックグリーンシート２３、２３ａの積層体２４が重ね合わされて温度と圧力をかけて押圧して接着して接合体２９を形成している。
次に、図２（Ｅ）に示すように、接合体２９は、還元雰囲気中の１６００℃程度の温度で第１のセラミックグリーンシート２１、第２のセラミックグリーンシート２３、２３ａ、及び導体印刷パターン２２、２２ａを同時焼成して約３０％程度収縮させて焼成体としている。そして、導体配線パターンを設ける基体１１と枠体１３からなるこの焼成体は、半導体発光素子１４を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部１５を形成する発光素子収納用パッケージ１０としている。なお、発光素子収納用パッケージ１０には、必要に応じて、外部に露出する金属部分にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜や、必要に応じてＡｇめっき被膜等の貴金属めっき被膜が施される。
本発明の発光素子収納用パッケージは、ＬＥＤ等からなる半導体発光素子を搭載させて発光効率を向上できる照明や、ディスプレイ等に用いることができる。
（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は同発光素子収納用パッケージの製造方法の説明図である。 従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージの説明図である。
符号の説明
１０：発光素子収納用パッケージ、１１：基体、１２：開口部、１３：枠体、１４：半導体発光素子、１５：キャビティ部、１６：ダイボント゛パッド、１７：ボンディングワイヤ、１８：ボンディングパッド、１９：ビア導体、２０：外部接続端子パッド、２１：第１のセラミックグリーンシート、２２、２２ａ：導体印刷パターン、２３、２３ａ：第２のセラミックグリーンシート、２４：積層体、２５：ピン、２６：ダイス、２７：貫通孔、２８：上金型、２９：接合体

Claims (2)

  1. １又は複数枚からなる平板状の基体の上面に、複数枚からなる開口部を有するセラミック製の枠体が接合され、前記開口部の壁面が断面視して下方側より上方側に向かって開口を大きくするテーパー状からなり、前記基体の上面と前記枠体の前記壁面とで半導体発光素子を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部が設けられる発光素子収納用パッケージであって、
    前記キャビティ部の前記枠体の複数枚からなる前記壁面が平坦面を有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
  2. １又は複数枚からなる平板状の基体の上面に、複数枚からなる断面視して内周側の壁面を下方側より上方側に向かって大きくするテーパー状の開口部を設けるセラミック製の枠体を接合して半導体発光素子を収納するためのすり鉢形状からなるキャビティ部を形成する発光素子収納用パッケージの製造方法であって、
    前記枠体用のセラミックグリーンシートを複数枚重ね合わせて温度と圧力をかけながら押圧して接合し、積層体を形成する工程と、
    前記積層体をピンと、ピン径より大きい孔径を設けるダイスを用いる打ち抜き金型で打ち抜いて前記開口部用の貫通孔を形成する工程を有することを特徴とする発光素子収納用パッケージの製造方法。
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