JP2007142477A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージの光反射面における光反射特性を向上させるとともに、温度変化による光強度、光の放射角度、光強度分布の変化を低減させること。
【解決手段】発光素子５と、発光素子５の上方に配置された透光性部材８と、発光素子５が搭載されたパッケージ１とを備えている。パッケージ１は、発光素子５の搭載部２ａと、発光素子５を囲む光反射面と、透光性部材８の設置部と、放熱部とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子が搭載された発光装置に関するものである。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子を用いた発光装置は、今後さらなる低消費電力化や長寿命化がすすむものと予測されていることから注目されており、近年各種インジケーター、光センサ、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッド等の種々の分野で使用され始めている。従来の発光素子を搭載するための発光素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）の断面図を図２に示す。

図２に示すように、従来のパッケージ11は、一般に各種樹脂やセラミックスなどの材料から成る基体12を有する。この基体12には、タングステンやモリブデン−マンガン等を含む導体ペーストを塗布し焼成して成るメタライズ層を形成し、その上にメッキ法によりＮｉメッキ層やＡｕメッキ層を施した配線導体13が形成されている。

また、配線導体13は、発光素子15を搭載する搭載部12ａに、金（Ａｕ）や錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｎ）合金等から成る半田バンプ17を介して発光素子15を電気的に接続するための電極を有しており、配線導体13と半田バンプ17を介して、パッケージ11内の発光素子15に外部から駆動電流が供給される。

また基体12は、パッケージ11内部側の一方の主面に、中央部に上下面を貫通する貫通孔14ａを有する、各種樹脂やセラミックスから成る枠体14が設けられている。この枠体14は、基体12に700〜900℃の融点を有する銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）等のロウ材や樹脂接着剤、500℃以下で溶融する低融点ガラスなどにより固定される。

また、発光素子15を保護するため、枠体14の内側に発光素子15を覆うように透明樹脂（図示せず）が設けられる。この透明樹脂は熱硬化性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等を加熱硬化させることにより形成される。また、透明樹脂に発光素子15の光を吸収し波長変換する少なくとも１つ以上の蛍光体を混入することにより、所望の色の光を取り出すことができる。さらに、透明樹脂は、発光素子15をパッケージ11に強固に密着させる働きも有する。これにより、発光素子15を収納した発光装置となる。

この発光装置は、外部電気回路から供給される駆動電流によって発光素子15が発光する。その用途としては、各種インジケーター、光センサ、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッドなどがある。

近年、この発光装置を照明用として利用するようになってきており、高輝度、放熱性の点でより高特性のものが要求されている。また、照明用として使用する場合には寿命が重要な問題となるため、長寿命な発光装置が要求されている。

そこで、近時、発光装置の発光輝度を向上させるために、枠体14や基体12がより反射率の高い材料から成る構成とすることが多い。例えば、発光素子15の光を反射させる枠体14の材料にＡｇやＡｌからなる反射率の高い金属を使用したり、それらの金属を枠体14の内周面に被着させることによって、高輝度の発光装置とすることが提案されている。

従来のパッケージ11では、高輝度化には十分に対応できるものの、輝度を上げるために発光素子15の入力パワーを上げると、発光素子15から出る熱により安定した光強度、光の放射角度、光強度分布が得られないといった新たな問題がでてきている。また、放熱性が劣化すると、発光素子15の温度が上昇し、発光素子15の活性層から出射される光の取り出し効率、いわゆる内部量子効率が著しく劣化する。また、発光素子15とパッケージ11に歪みが生じ、パッケージ11から一定の距離を置いたところで測定される光放射角度および光強度分布が所望の値およびパターンからずれることとなる。光強度分布は単一の光束（光ビーム）またはそれらの集合体で表されるものであり、パッケージ11の歪みにより光束のパターンが一定にならず不安定となる。このように、発光装置が局部照明の用途等に使用される場合、光の放射角度、光強度分布は重要な問題である。

したがって、本発明は、かかる従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、パッケージの光反射面における光反射特性を向上させるとともに、温度変化による光強度、光の放射角度、光強度分布の変化を低減させることにある。

本発明は、発光素子と、発光素子の上方に配置された透光性部材と、発光素子が搭載されたパッケージとを備えている。パッケージは、発光素子の搭載部と、発光素子を囲む光反射面と、透光性部材の設置部と、放熱部とを有している。

本発明は、発光素子の搭載部と発光素子を囲む光反射面と透光性部材の設置部と放熱部とを有するパッケージを備えていることにより、発光素子によって発生された光をパッケージの光反射面で良好に反射させ外部により均一に効率よく放射させるとともに、温度変化による光強度、光の放射角度、光強度分布の変化が低減される。

本発明の発光素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のパッケージについて実施の形態の一例を示す断面図であり、図１において、２は基体、４は枠体、６は放熱板であり、これらで発光素子５を収容するためのパッケージ１が主に構成されている。

本発明のパッケージ１は、上側主面の中央部に発光素子５が搭載される搭載部２ａを有するとともに搭載部２ａから外側にかけて導出される配線導体３が形成された絶縁体から成る基体２と、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体４と、基体２の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板６とを具備している。

本発明における基体２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックスや、エポキシ樹脂等の樹脂から成る絶縁体であり、発光素子５を支持し搭載するための支持部材として機能するとともに、その上側主面の中央部には発光素子５を搭載する搭載部２ａが設けられている。

そして、基体２は、搭載部２ａの近傍からパッケージ外部に電気的な導通を行なう、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銅（Ｃｕ）等のメタライズ層から成る配線導体３が形成されている。この配線導体３は、例えば、Ｗ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、基体２となるセラミックグリーンシートに所定パターンに印刷塗布し、複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成することによって形成される。配線導体３の表面には、酸化防止のためと発光素子５を低融点ロウ材等の半田バンプ７で強固に接続するために、厚さ0.5〜９μｍのＮｉ（ニッケル）層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくのが良い。

また、基板２の上側主面には、基板２の下側主面への光の透過を有効に抑制するとともに、基板２の上方に効率よく光を反射させるために、配線導体３に短絡しないようにしてＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ等の金属反射層を蒸着法や各種メッキ法により形成することが好ましい。

本発明の配線導体３は、ＡｕやＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材から成る半田バンプ７により発光素子５との電気的な接続が行なわれる電極パッドを有するとともに、発光素子５とパッケージ１外部との電気的な導通を行なう。そして、発光素子５が作動した際に、発光素子５の電極付近で発生する熱が半田バンプ７を介して配線導体３に伝熱するとともに、基体２の内層に形成された配線導体３を介して基体２全体に拡散される。その結果、基体２の内部を伝達する熱が十分に拡散されて、基体２の熱抵抗が低下するとともに基体２の下側主面の全体に熱が分布して効率よく放熱板６に伝達する。

本発明の放熱板６は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって所定形状に形成され製作される。とりわけ、放熱効果を高めるためには熱伝導性に優れたＣｕ−Ｗ合金からなることが好ましい。また、放熱板６は、その表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層と、厚さ0.5〜９μｍのＡｕ層とを順次メッキ法により被着させておくのがよく、放熱板６が酸化腐食されるのを有効に防止できる。

また、放熱板６は、その熱伝導率が100Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがよい。これにより、発光素子５から放熱板６を介した外部回路基板への放熱性が向上し、発光素子５に入力できる駆動電流を大きくすることができる。

すなわち、100Ｗ／ｍ・Ｋ以上では、駆動電流が20ｍＡと大きい場合であっても発光素子５のジャンクション温度（所定の駆動電流を入力した際の発光素子５の最高温度で低い方がよい）が50℃以下になり、１万時間を超えて正常かつ高輝度を確保して発光させることができるとともに、大きな駆動電流を入力することができ、発光素子５の輝度を向上させることができる。また、発光素子５が作動する際のパッケージ１全体の温度上昇が有効に抑制されて、基体２と枠体４との熱膨張差による変形や歪みが有効に抑制される。その結果、基体２および枠体４の中心軸と、発光素子５の光強度が最大となる光軸との位置ズレが抑制され、発光素子５の光が枠体４の内周面で反射し所望の放射角度と強度分布でパッケージ１外部へ効率よく出射されるとともに輝度が向上する。さらに、基体２と枠体４との接合界面で生じる、熱膨張係数差に起因する熱応力が低下し、基体２と枠体４との接合界面で生じるクラックや剥がれを有効に抑制できる。また、発光素子５の温度上昇が有効に抑制されることから、温度上昇に伴う発光素子５の活性層からの光の取り出し効率の低下が抑制され、発光装置は長期にわたり正常かつ安定に作動できる。

なお、チップジャンクション温度とは、所定の駆動電流（20ｍＡ等）を入力した際のチップ（発光素子５）の温度であり、なるべく低い方がよい。すなわち、放熱性を高めないと発光素子５に熱がこもり、チップジャンクション温度が下がらないため、放熱性を高めてチップジャンクション温度を下げると、その分駆動電流が流せることになる。一般に、65℃以上になれば発光素子５の限界を超えていると言われており、それ以上駆動電流を入力できなくなる。

放熱板６の熱伝導率が100Ｗ／ｍ・Ｋ未満では、例えば駆動電流が20ｍＡであると発光素子５のチップジャンクション温度が65℃以上になり、発光素子５の発光効率が著しく劣化するとともに熱的負荷によって発光素子５を被覆するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂の光透過率が劣化し、１万時間を超えて高輝度を確保して安定的に発光させるのが困難になる。

また、放熱板６は、枠体４との熱膨張係数差が５×10-6／℃以下であることがよい。これにより、パッケージ１の製造工程で銀ロウ等のロウ材を介して基体２と枠体４と放熱板６とを接合する際に、ロウ材が溶融する温度から常温に冷却され硬化する際に生じる、枠体４の収縮によって基体２に加わる曲げモーメントを放熱板６により緩和することができる。

また、枠体４は、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属からなり、とりわけ光の反射効果が高く低コストに製造できることからＡｌが好ましい。この枠体４は、上記の金属のインゴットに切削加工、圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、内周面が上方に向かって外側に広がる貫通穴４ａが形成され、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着される。

また、枠体４の貫通穴４ａは、その内周面が基体２の上側主面に対して35〜60度の角度で外側に広がるように形成されるのがよい。そして、貫通穴４ａに収容された発光素子５の光を傾斜した貫通穴４ａの内周面で反射させることにより、パッケージ１の外部へ光軸に対して20度以内の範囲で良好に放射することができる。その結果、本発明のパッケージ１を使用した発光装置の輝度を極めて高いものとすることができる。

貫通穴４ａの内周面と基体２の上側主面とのなす角度が35度未満になると、光の放射角度が20度以上に分散し、指向性をもつ高出力の光を放射できない。また、60度を超えると、発光素子５の光が効率よくパッケージ１の外部に放射されず、パッケージ１内を乱反射し損失が増加する。

なお、光の放射角度は、図１のような縦断面においてみた場合のものであり、光ビームの光軸に直交する断面における断面形状が円形状であれば放射角度は一定であり、光ビームの光軸に直交する断面における断面形状が楕円形状等の偏りがある場合は放射角度はその最大値とする。

また、枠体４の貫通穴４ａの内周面の算術平均粗さＲａは0.004〜４μｍが好ましい。４μｍを超えると、貫通穴４ａに収容された発光素子５の光を均一に反射することが困難になり、反射する光の強さに偏りが発生しやすくなる。0.004μｍ未満であると、そのような平滑な面を安定かつ効率よく形成することが困難となる傾向にある。貫通穴４ａの内周面のＲａを上記の範囲とするには、従来周知の化学エッチング法や切削加工方法により加工することができる。また、金型の面精度を利用した転写加工による方法を用いてもよい。

また、枠体４の上側主面と内周面との間に段差４ｂを形成し、その段差４ｂに、集光レンズ等の機能を有するガラス，サファイア，プラスチック，石英等から成る透光性部材８の端部を係止し接着等して設置することがよい。この場合、発光素子５と透光性部材８との光学的な結合状態を安定に維持することができ、光学的特性が安定化した発光装置となすことができる。

本発明においては、基体２と枠体４との接合は、シリコーン樹脂系やエポキシ樹脂系等の樹脂接着剤、Ａｇ−Ｃｕロウ等のロウ材、またはＰｂ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｉ合金等の半田などの接合材により行なわれる。この接合材は、基体２および枠体４の材質や熱膨張係数等を考慮して適宜選定すればよく、特に限定されるものではないが、接合の高信頼性を必要とされる場合にはロウ材や半田が好ましい。

また本発明において、熱膨張係数が約７×10-6〜８×10-6／℃であるアルミナセラミックス等から成る基体２と、その上側主面の外周部に接合された熱膨張係数が約23×10-6／℃であるアルミニウム等から成る枠体４と、基体２の下側主面の中央部に接合された熱膨張係数が約６×10-6〜10×10-6／℃であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る放熱板６との間の熱膨張差によって、基体２にクラック等が発生するのを抑制するうえで、放熱板６の外周端が枠体４の下面の内周端の直下よりも基板２の下側主面の外周側にあることが好ましい。これにより、基体２が、それと同程度の熱膨張係数を有する放熱板６によって補強され、基体２にクラック等が発生するのを効果的に抑えられる。さらには、放熱板６の外周端が枠体４の下面の中央部よりも基板２の下側主面の外周側にあることがより好ましい。これにより、基体２の補強効果がより高まり、基体２にクラック等が発生するのをさらに効果的に抑えられる。

なお、基体２の下側主面の外周部には配線導体３が露出しているため、放熱板６の外周端は基板２の下側主面の外周端に達していないのがよい。

かくして、本発明のパッケージは、基体２の搭載部２ａに発光素子５を搭載し、発光素子５の電極と配線導体３とを半田バンプ７を介して電気的に接続し、しかる後、発光素子５をシリコーン樹脂等の透明樹脂で覆うか、または発光素子５が収容された貫通穴４ａ内に透明樹脂を充填して発光素子５を封止し、枠体４の上方の発光素子５の光軸上に設置されるとともに枠体４の上側主面の段差４ｂに透光性部材８を設置することで発光装置となる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。

本発明の発光素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。 従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。

符号の説明

１：発光素子収納用パッケージ
２：基体
２ａ：搭載部
３：配線導体
４：枠体
５：発光素子
６：放熱板
８：透光性部材

Claims (3)

1. 発光素子と、
   前記発光素子の上方に配置された透光性部材と、
   前記発光素子の搭載部と、前記発光素子を囲む光反射面と、前記透光性部材の設置部とを有するパッケージと、
   を備えた発光装置。
2. 前記パッケージの前記設置部に段差を有することを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記光反射面は、上方に向かって外側に広がっていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。

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