JP2007317956A

JP2007317956A - 発光装置

Info

Publication number: JP2007317956A
Application number: JP2006147123A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Tanda; 祐一郎反田; Shinji Nishijima; 慎二西島
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP5055837B2

Abstract

【課題】発光にともなう熱による悪影響を排除し、しかも光の取り出し効率を良好にした発光装置を提供すること。
【解決手段】ほぼ中央部に貫通孔２４を形成した絶縁性の基体３０と、該基体の前記貫通孔に収容された熱伝導率の高い絶縁基体でなる放熱体４０と、該放熱体の上面に実装された発光素子２１とを有しており、少なくとも、前記放熱体４０の前記発光素子２１を実装した実装面に反射金属膜２３を形成したことを特徴とする発光装置。
【選択図】図２

Description

この発明は、液晶のバックライト光源や、各種表示装置（ディスプレイ）、センサ光源などに利用される発光装置の改良に関するものである。

各種光源として使用される発光装置には、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という）や半導体レーザなどの発光素子が利用されている。このような発光素子は、通電により発光する際に熱を生じる。特に高精細な表示装置などを得ようとする場合に、これら発光素子を搭載した発光装置を基板等に高密度に実装すると、発光素子が生成する熱により装置自体の特性が悪化したり、周囲の部材や部品に熱的悪影響を与えることになる。

そこで、図４に示すような発光装置１も提案されている（特許文献１、図１参照）。
図４において、発光装置１は、積層基板２と、積層基板２内に配置され、該積層基板２よりも高い熱伝導率を有する放熱部材３と、該放熱部材３の上に接着部材６を用いて接合されたＬＥＤ素子４と、該ＬＥＤ素子４の周囲を囲むように配置され、ＬＥＤ素子４からの光を上方に反射する反射面３ａを備えるパッケージ３と、ＬＥＤ素子４を封止するモールド樹脂とを有している。

このような発光装置１は、ＬＥＤ素子４の発光により生成される熱が放熱部材３に伝えられ、該放熱部材３から図示しない実装基板などへ放散されるので、熱による装置自体の特性の悪化や、周囲の部材や部品に対する熱的悪影響を防止できるようにしたものである。

特開２００６−３２８０４

ところが、特許文献１の発光装置１においては、放熱部材３が熱効率の高い材料として金属材料を用いて形成されている場合には、大きな電流が流れた場合には、破壊されるおそれがある。
つまり、該ＬＥＤ素子４に大電流を流すと、その分多量の熱が生成され、その熱が放熱部材３に伝えられる。放熱部材３は、この熱を図示しない２次基板、すなわち、実装基板に伝えると同時に、当該熱の影響で、その熱膨張係数にしたがって、熱膨張する。
ここで、ＬＥＤ素子４を構成する基板は、セラミックスであり、当該基板部分が、接着部材６で放熱部材３に接合されているため、このセラミックス部分の熱膨張係数と、金属である放熱部材３の熱膨張係数の相違により、接合した接着部材６部分に応力が加わり、破壊されるおそれがある。

上記特許文献１には、放熱部材３の材料として、セラミックスが開示されているが、単に放熱部材３をセラミックで形成するだけでは、放熱性と信頼性とを兼ね備えた発光装置を得ることはできなかった。接着部材

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、発光にともなう熱による悪影響を排除し、しかも光の取り出し効率を良好にした発光装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、第１の発明にあっては、貫通孔を有する絶縁性の基体と、前記基体より高い熱伝導率を有し、前記貫通孔から上面が突出するように挿入された絶縁性の放熱体と、前記上面に形成された反射金属膜と、前記反射金属膜上に実装された発光素子とを有する発光装置により、達成される。

また、前記基体および／または前記放熱体がセラミックス、合成樹脂、もしくは有機物に無機物が含有されたハイブリッド材料のいずれかの材料で形成されていることが好ましい。

また、前記基体と前記放熱体とが互いに異なる種類のセラミックスで形成されていることが好ましい。

また、前記放熱体および前記貫通孔は、下方側が拡径していることが好ましい。

また、前記放熱体が、窒化珪素により形成されていることが好ましく、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、もしくは炭化アルミニウムのいずれかの材料により形成することもできる。

また、前記反射金属膜の表面に、硫化防止膜が形成されていることが好ましい。

また、前記発光素子と前記反射金属膜との間に複数の金属バンプを離間して有することが好ましい。

本発明によれば、発光にともなう熱による悪影響を排除し、しかも光の取り出し効率を良好にした発光装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

図１は実施形態に係る発光装置の概略斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線切断概略端面図、図３は図１の概略下面図である。
これらの図において、発光装置２０は、ほぼ中央に貫通孔２４を形成した絶縁性の基体３０と、該基体３０の貫通孔２４内に上面が突出するように挿入された熱伝導率の高い絶縁性の放熱体４０と、該放熱体４０の上面に実装された発光素子２１とを有していて、放熱体４０の上面において、発光素子２１を実装した実装面に反射金属膜２３を形成している。そして、基体３０の上部から露出した部分は透光性の封止部材５０により封止されている。

この実施形態では、発光素子２１と放熱体４０の間に反射金属膜２３を介していることから、発光素子２１から発生する熱を迅速に２次基板側に放熱することができ、発光素子２１およびその周辺部材へ熱がこもり熱的悪影響が及ぶことを防止することができる。
また、前記発光素子２１が実装され最も熱の影響を受ける前記放熱体４０の上面を前記基体３０より突出させていることから、前記基体３０へかかる熱応力を抑制することができる。さらに、発光素子２１から射出した光のうち、前記放熱体４０の内部に向かう部分が、該反射金属膜２３により反射されて、放熱体４０以外の方向へ向けられるので、光の取り出し効率が向上する。

基体３０の平面は、図１および図３に示されているように、例えば、ほぼ正方形の外形とされており、中央部に貫通孔２４が形成されている。
貫通孔２４の内径は上部で小さく、下部では大きい。すなわち、貫通孔２４は階段状に拡径されており、下方の貫通孔２４ｂの内径は上方の貫通孔２４ａの内径より大きい。この貫通孔２４の内側が、後述する放熱体が挿入される空間とされている。すなわち、前記空間は、図２に示すように、略凸形状とされており、内側に下向き段部３６を備えている。

この基体３０は、セラミックスもしくは合成樹脂、有機物に無機物が含有されたハイブリッド材料で形成することができる。このような構成により、特に発光素子２１の基板２２がセラミックスの場合、発光素子２１の基板２２と放熱体４０とは同種の材料となって、熱膨張係数に大きな相違がないことから、各部材の熱応力により接合部分が破壊されるおそれがない。
基体３０を構成する材料としては、本実施形態では、セラミックスが選択されている。また、後述する放熱体４０をセラミックスで形成した場合に、該放熱体４０より熱伝導率の低いセラミックスにて形成することができる。このように、一般に高価とされる放熱性に優れたセラミック材料を使用する部分を放熱体４０の部分に限定することで、大幅にコストを下げることができる。

具体的には、図２に示すように、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ_２Ｏ_３）によるセラミックスグリーンシートを利用した第１の基板３１と、第２の基板３２とを積層して形成されている。すなわち、第１の基板３１の内側の材料を上記開口部３７の大きさに対応するように大きく除去し、第２の基板３２の内側の材料を貫通孔２４の大きさに対応するように除去して成形し、積層後に焼結して形成することができるものである。

そして、この焼結前においては、貫通孔を形成することで、第１の基板３１と第２の基板のそれぞれについて、上記したように内側の材料を除去するとともに、図２の縦方向に延びる貫通孔と、これに続いて第２の基板３２の表面に沿って引き回した部分と、これに続いて第１の基板３１の縦方向に沿って形成した貫通孔内にタングステンメタライズを形成するための導電ペーストを印刷などにより塗布する。また、同時に導電ペーストは、基体３０の上面３９の符合３３で示す箇所と、基体３０の下面の図３の符合３４で示す箇所にも塗布しておく。そして、上記焼結後に金メッキなどを施すことにより、電極パッド３３と、実装端子３４とを形成することができるとともに、この電極パッド３３と実装端子３４とを導通部３５にて導通させることができる。
なお、導電ペーストは、タングステンやモリブデンなど高融点金属を樹脂バインダーに含有させたペースト状の材料であり、例えばスクリーン印刷などの手法により焼結前のグリーンシート成形物に塗布し、セラミックス材料の焼結とともに、メタライズ部を形成することができるものである。

基体３０の内側に挿入固定される放熱体４０は、絶縁材料で形成されており、特に、その上面に実装される発光素子２１の基板２２と熱膨張係数（線膨張係数）の点で大きく相違しない材料が選択され、しかも熱伝達率が高いものを選択することが好ましい。そのような点から、この実施形態では、放熱体４０は比較的熱伝達率の高いセラミックスが選択されている。
この放熱体４０も基本的には、後で詳しく説明する個々のセラミックス材料で形成されたセラミックスグリーンシートなどを用いて、例えば、図２において鎖線で区分したような２枚の基板を積層して焼結することにより形成することができる。
このようにして形成される放熱体４０は、図２に示すように、基体３０の開口部３７の内径よりもわずかに小さな外形を備えた基部である第１の部分４１と、第１の部分４１よりも小さな外形であって、貫通孔２４の内径よりも僅かに小さな外形を備えた第２の部分４２とを有している。

これにより、放熱体４０は、図２に示すように、縦断面がほぼ凸形状とされており、第２の部分４２は基体３０の上面３９よりも上方に大きく突出している。また、第１の部分４１の上面は、第２の部分４２の周囲を囲む上向き段部４３を有している。このような構成により、放熱体の上面に接合されている発光素子からの熱が、該放熱体の下方に移動しながら、拡径部で熱を広い範囲に伝達して拡散させやすく、迅速に発光装置から二次実装基板側へ放熱することができる。

ここで、セラミックス製の放熱体４０を、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成する場合には、熱伝達率が７０乃至８０（Ｗ／ｍ２ｈ℃）と、比較的高く、放熱性に優れるとともに、可撓性があることで、成形性、加工性に優れている点を利用して製造が容易となる。
また、放熱体４０を、窒化アルミニウム（ＡｌＨ）により形成すると、その２００（Ｗ／ｍ２ｈ℃）を超える良好な熱伝導率により、特に放熱機能に優れた発光装置を得ることができる。

さらに、放熱体４０を、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）により形成すると、３００（Ｗ／ｍ２ｈ℃）の良好な熱伝導率により、特に放熱機能に優れた発光装置を得ることができるという利点がある。
また、放熱体４０を、金属浸透複合材料（Al/C、Al/SiC、Cu/Moなど）により形成すると、１５０−３５０（Ｗ／ｍ２ｈ℃）の高い熱伝達率を有するだけでなく、成形性・加工性にも優れているという利点がある。
以上の構成の放熱体４０が、基体３０の貫通孔２４の内側に収容された状態で、放熱体４０の上向き段部４３と、基体３０の下向き段部３６の間に、接着部材４５を適用して固定されている。

基体３０の上面３９から大きく突出した放熱体４０の第２の部分４２の上面側４４には発光素子２１が接合されている。
特に、この実施形態では、図１に示すように、放熱体４０の第２の部分４２の上面側４４には、４つの発光素子２１，２１，２１，２１が接合されることにより、合計すると非常に大きな光量となるようにされている。
ここで、これら発光素子２１が固定されている放熱体４０は、上述のようにセラミックスにより形成されている。

すなわち、各発光素子２１の基板２２は、窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、該基板２２にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯやＧａＮ単結晶等の材料が用いられる。つまり、基板２２はセラミックスで形成されていることから、放熱体４０を金属で形成すると、発光素子２１に通電されることで熱が生成された際に、その熱による基板２２の部分の熱膨張係数と、該熱が伝えられる金属製の放熱体の熱膨張係数に大きな違いがあると、発光素子２１の接合部分に応力が集中されて破壊されるおそれがある。

本実施形態では、このような事態を回避するために、上述のように、発光素子から直接熱引きをする金属部材を、熱にてほとんど膨張しない膜（反射金属膜２３）として形成し、その膜から熱伝達率の比較的高いセラミックスからなる放熱体４０へと放熱させる熱経路を設けることにより、放熱効果を確保しつつ、熱膨張係数が発光素子２１の基板２２の部分と大きく相違しないようにして、上記破壊を防止するものである。
また、本実施形態では、反射金属膜２３が発光素子２１からの光を反射する機能を有している。このため、透明もしくは光透過性（窒化アルミニウム）、あるいは基本的には多孔質材料であるセラミックスからなる放熱体に、放熱性を低下させる原因となる白色顔料などを含有させなくても、高い放熱性と光取り出し効率とを兼ね備えた発光装置を得ることができる。この反射金属膜２３は、以下の構成を考慮して形成する。

すなわち、放熱体４０の第２の部分４２の上面４４に反射金属膜２３を形成し、その上に接着部材などを用いて発光素子２１を接合している。各発光素子は図１に示すように、それぞれ陽極と陰極に区分された電極パッド３３に対してワイヤボンディングされることにより電気的に接続されており、このようにして、発光素子２１が実装されている。
ここで、表示用のカラーディスプレイに用いる発光装置として利用するためには、赤色系発光素子と、緑色系発光素子とともに、発光波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍである青色系発光素子を用いることが必要である。また、図１のように、同色発光の発光素子を複数個用いることもできる。このような発光素子２１としては、広く用いられているものを利用することができるが、青色系発光素子としては、ＩｎＧａＮの半導体を発光層として形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）を好適に利用することができる。

そして、このような発光素子２１に関して、特に青色系発光素子の光取り出し効率を向上させるためには、その光反射率が７０％以上となる反射金属膜２３を形成することが好ましい。
このような金属膜としては、金、アルミニウム、銀、パラジウム、ロジウムなどを主成分とする合金からなる反射金属膜２３を形成することが好ましい。金は波長４３０ｎｍから４９０ｎｍの光に対して、ほぼ７０パーセントの反射率を有しており、放熱体４０の上面４４に対して、スパッタリングや、ニッケルの下地を形成後にメッキすることなどにより形成することができる。
アルミニウムは波長４３０ｎｍから４９０ｎｍの光に対して、ほぼ９２パーセントの反射率を有しており、放熱体４０の上面４４に対して、スパッタリングなどにより形成することができ、金等よりも安価である。
また、銀は波長４３０ｎｍから４９０ｎｍの光に対して、ほぼ９６パーセントの反射率を有しており、放熱体４０の上面４４に対して、スパッタリングやニッケルの下地を形成後にメッキすることなどにより形成することができる。あるいは銀ペーストなどによるメタライズを形成することによっても形成可能である。

また、反射金属膜２３上に図示しない硫化防止膜が形成されていることが好ましく、これにより、高温高湿下での使用による硫化に起因する反射性の低下を抑制することができる。硫化防止膜は、ＳｉＯ２，ＳｉＣ，Ｓｉ，又はそれらのいずれかを主成分とする材料を用いることができる。ここで主成分とするとは、材料中にＳｉＯ２，ＳｉＣ，又はＳｉを９０ｍｏｌ％以上含有することを意味し、好ましくは９５ｍｏｌ％以上である。
硫化防止膜の膜厚は、３〜２２ｎｍとすることが好ましい。３ｎｍ以上あれば、スパッタリングにより形成された膜がほぼ均一になるので硫化防止機能を発揮するが、これよりも薄いと、部分的に欠陥を生じる確率が急に高くなってしまう。また、２２ｎｍを超えると、膜厚の増加と共に反射金属膜２３の反射率が低下してしまう。

また、前記反射金属膜２３上に発光素子２１を接合する接着部材として、金属材料を主成分とする接着部材を用いることが好ましい。これにより発光素子２１から反射金属膜２３への放熱性を向上させることができる。しかしながら、金属性接着部材にて発光素子２１下面全面を反射金属膜２３に接着すると、発光素子２１の下面側へ発光される光は前記金属性接着剤および反射金属膜２３にて発光素子側へ全反射されることから、光取り出し効率が低下してしまう。そこで、金属性接着部材として図示しないバンプを用い、前記発光素子２１と前記反射金属膜２３との間に、互いに離間して配置された複数の金属バンプを介在させ、該金属バンプにより発光素子２１を接合することが好ましい。これにより、金属バンプが形成されていない発光素子２１の下面部分から取り出された光を、前記反射金属膜２３の表面にて効率良く外部方向へ取り出すことが可能となる。

図１および図２に示すように、発光装置２０は、基体３０の上部から、放熱体４０に実装された各発光素子２１をカバーするように、封止部材５０により封止されている。該封止部材５０により、発光装置の各部材を外部からの機械的応力や水分の侵入から保護することができる。
ただし、発光素子２１の生成する光が外部に効率良く取り出されるように、封止部材５０は、光を透過する材料でなければならない。
具体的には、封止部材５０は、透明樹脂として、エポキシ樹脂や、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、ポリアミドなど半導体に用いる封止樹脂を好適に使用でき、樹脂以外にも透明なガラスなどを用いてもよい。樹脂を用いる場合には、耐熱性や耐光性に優れ、紫外線を含む短波長の高エネルギー光に曝されても着色劣化しにくいシリコーン樹脂や変性シリコーン樹脂を用いることが好ましい。
さらに、透明な封止部材５０には、視野角を増加するためチタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素等の拡散剤を混入してもよい。
また、封止部材５０には、特定の波長をカットするための着色料を混入させてもよい。
さらには、ＬＥＤチップからの青色系の光を一部吸収して補色となる黄色系の光を発するＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体などの蛍光物質を含有させることにより、白色系の光を発光することが可能な高出力なＬＥＤを形成することができる。

なお、発光素子２１に大きな電流が流れて破壊されることを防止するために、好ましくは、図１に示すように、保護素子として、例えば好ましくは、ツェナーダイオード５１を、これら発光素子２１への通電回路へ並列に介装するようにしてもよい。
図１および図３に示すように、基体３０の下部外面に切欠き部５５を形成することが好ましい。これにより、二次基板（図示せず）にハンダなどを用いて実装する際に、リフロー工程で、基体３０の側面にハンダのヒケを形成することができ、接続を確実にすることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。上述の実施形態における各構成は、必要により、その一部を省略したり、他の構成と入れ換えて、異なる構成の組み合わせのもとで実施されてもよい。

本発明の実施形態にかかる発光装置の概略斜視図。図１のＡ−Ａ線切断端面図。図１の発光装置の概略下面図。従来の発光装置の一例を示す概略断面図。

符号の説明

２０・・・発光装置、２１・・・発光素子、２２・・・基板、２３・・・反射金属膜、２４・・・貫通孔、３０・・・基体、３１・・・第１の基板、３２・・・第２の基板、３３・・・電極パッド、３４・・・実装端子、４０・・・放熱体

Claims

貫通孔を有する絶縁性の基体と、
前記基体より高い熱伝導率を有し、前記貫通孔から上面が突出するように挿入された絶縁性の放熱体と、
前記上面に形成された反射金属膜と、
前記反射金属膜上に実装された発光素子と
を有することを特徴とする発光装置。
前記基体および／または前記放熱体がセラミックス、合成樹脂、もしくは有機物に無機物が含有されたハイブリッド材料のいずれかの材料で形成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。
前記基体と前記放熱体とが互いに異なる種類のセラミックスで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記放熱体および前記貫通孔は、下方側が拡径していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発光装置。
前記放熱体が、窒化珪素により形成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の発光装置。
前記放熱体が、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、もしくは炭化アルミニウムのいずれかの材料により形成されていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の発光装置。
前記反射金属膜の表面に、硫化防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の発光装置。
前記発光素子が前記反射金属膜に対して互いに離間して配置された複数の金属バンプを介して接合されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の発光装置。