JP2007324150A

JP2007324150A - Ｌｅｄ用セラミックパッケージ

Info

Publication number: JP2007324150A
Application number: JP2006149098A
Authority: JP
Inventors: Eigo Kishi; 栄吾岸; Akira Okuno; 晃奥野
Original assignee: NEC Schott Components Corp
Current assignee: NEC Schott Components Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】ＬＥＤ発光装置で充填する樹脂部材が外表面に流出しないように、パッケージ側壁部の改良構造を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ用セラミックパッケージ１０は、リード電極１２、１４とＬＥＤ素子１６が配置される実装領域のある基板部１８と、すり鉢状に開口してＬＥＤ素子１６の発光光束が反射する傾斜内面２０を有する側壁部２２とを具備する。ＬＥＤ発光装置ではＬＥＤ素子１６を透光性樹脂部材で被覆されるが、すり鉢状傾斜内面２０の側壁部２２は基板部１８と同様にセラミック加工処理で作成するが、その際に側壁部２２の上端部分に外表面２４から突出する突起２６（または内面側の凹み状の切欠き状段差４８）を設けて樹脂部材の流出を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオード（以下ＬＥＤと呼ぶ）を実装するＬＥＤ発光装置に用いるパッケージの改良構造に関し、特に、パッケージ内に実装配置するＬＥＤを被覆するために充填する樹脂部材の樹脂流れを防止するＬＥＤ用セラミックパッケージに関する。

ＬＥＤは、電気を流すと発光する半導体素子であり、現在、携帯電話やデジタルビデオカメラ、ＰＤＡなどの電子機器のバックライトや、大型ディスプレイ、道路表示器などの表示用発光装置として普及している。また、将来には自動車用ランプや一般照明用光源として普及することが期待されている。ＬＥＤは、光源となる半導体チップを直接リード線に接続して全体を透光性の樹脂で球状に成形した砲弾型のものと、箱型パッケージに半導体チップを実装して容器内に透光性樹脂を充填した表面実装型のものが知られている。箱型パッケージに関しては、特許文献１に示すように、低コストで生産性が良いパッケージの構造上の改善提案が知られている。同様に、特許文献２、３および４には、発光素子から発光光束を外部に効率良く取り出すことのできるセラミックパッケージの改良構造が提案されている。
特開２０００−１８３４０５号公報特開２００６−０４９８０７号公報特開２００６−０５４３３５号公報特開２００６−０５９９２４号公報

表面実装型ＬＥＤ用パッケージは、樹脂パッケージタイプとセラミックタイプがある。樹脂パッケージについては、リードフレーム上に樹脂材でパッケージするため、個々のパッケージは互いに離れた状態で量産的製造工程が処理される。一方、セラミックパッケージについては、通常、グリーンシート法により量産的製造工程を経て処理され、焼結工程前にグリーンシートにカット溝を付け、焼結工程後にそのカット溝で個々のパッケージに分割して作成される。それゆえに、焼結工程後は個々のパッケージは隣り合った状態でＬＥＤの量産的製造工程を経ることとなる。この場合、パッケージは内部空間のくぼみ形状について、垂直な側壁を持った形状と、光の放射方向にテーパをつけたすり鉢形状のものがある。後者のすり鉢形状のものは、パッケージ内部での光の乱反射を減らして効率良く光束を放射できるという特徴がある。更に、充填する樹脂はパッケージの凹部内の素子にほこりや湿気が付着しないために被覆され、樹脂材によりほこりや湿気による腐食あるいは絶縁不良を防止する。したがって、透光性樹脂の表面形状は一般にパッケージから盛り上がるような盛上げ形状で光指向性を得るように形成されている。これはＬＥＤ素子からの発光光束が透光性樹脂から外へ出る際に屈折が不均一になって光の指向性が損なわれるのを防ぐためである。すなわち、樹脂の盛上げ形状が不均一でいびつな場合、光の屈折が不均一になって光の等方性が損なわれることになる。依って、光の指向性と等方性を損なうことのないように樹脂を被覆成形する場合、樹脂の輪郭形状はＬＥＤ素子である半導体チップの位置を中心とした円弧状の盛り上がり形状となるように成形するのが良く、一般に液体状態の樹脂をディスペンサー等によりパッケージ容器内に充填させ、成形型を使用しないで硬化させる。この場合に、樹脂の形状はパッケージ構造と樹脂の塗布量でおおむね決定される。

ところで、ＬＥＤ用セラミックパッケージは、パッケージ内部がすり鉢形状で内面反射するものは、半導体チップを実装した後の樹脂部材を充填する工程において、パッケージの表面から外部に流れ出ることが発生し不具合を招く。この理由は、パッケージの内面が傾斜内面ですり鉢形状になっているため、パッケージの側壁部とパッケージの開口側表面との間の角度が平坦状で鈍角になり、垂直な側壁のパッケージに比べて、パッケージの側壁部とパッケージの表面の樹脂部材との表面境界部分における液状樹脂の接触角が小さくなる。そして、樹脂材がパッケージ表面から外部側に流出して硬化すると、樹脂部材の形状は等方的な盛り上がり形状とならず、樹脂と空気の界面でおこる光の屈折が不均一になるため光束の等方性が損なわれる。特に、セラミックパッケージの場合、多数のパッケージのセグメントが隣り合った状態で配置され、液状の樹脂材充填工程と組立て後の分割工程とを含むＬＥＤ発光装置の製造工程を経ることになる。たとえば、従来のセラミックパッケージでは、図４に示すように、複数個のパッケージ１がセグメントとして分離分割用カット溝２を有し、互いに連結され一連の加工処理工程を経てＬＥＤ発光装置にされ、後半工程で個別のセラミックパッケージに分離される。パッケージ１はそれぞれにリード電極３を有し、このリード電極３に接続するようにしてＬＥＤ素子５がパッケージ収容空間に実装される。図４に示すように、液状の樹脂材を充填して透光性樹脂部材６によりＬＥＤ素子５を被覆する際に、樹脂材の流動性により隣り合ったセラミックパッケージのセグメント間が樹脂部材６によりカット溝２やパッケージ表面に流出樹脂７が生ずる。このような連結状態の流出樹脂７は、セグメントセラミックの分離分割を阻害する。液状の樹脂材の充填工程において樹脂だれが生じ、樹脂がパッケージ表面に流出して隣接のパッケージ表面に広がると、セラミックパッケージのカット溝２が樹脂材で埋められ、分割工程で個々のパッケージに分割・分離することを困難にし、破損や形状不良の発生要因となる。

従って、本発明の目的は、上記欠点を解消するために提案されたものであり、ＬＥＤ素子を被覆するために充填する透光性樹脂部材が等方的な盛上り形状にして指向性を均等にして、いびつ形状の盛り上がりを回避するよう樹脂流出を防止する構造のセラミックパッケージを提供することにある。

特に、ＬＥＤ発光装置の量産的製造工程における複数個のセラミックパッケージを連接状態にして一括処理する場合に、後工程の分離・分割工程で不良発生を低減する構造のＬＥＤ用セラミックパッケージの提供を目的とするものである。本発明の目的を達成するため、表面実装型ＬＥＤ用パッケージについて、樹脂部材がパッケージの外表面に流れ出ることがないように、パッケージの側壁部と充填する樹脂部材との表面境界部分に樹脂流れを防止する突出あるいは内面凹みを形成する側壁部の改良構造を提供する。

本発明によれば、ＬＥＤ素子が配置される実装領域およびリード電極を有する基板部と、すり鉢状に開口する傾斜内面により収容空間を形成する側壁部とを具備するセラミックパッケージにおいて、前記セラミックパッケージは前記収容空間に透光性樹脂部材が充填され、この樹脂部材の表面と前記側壁部との境界に樹脂流れ防止手段を設けて前記透光性樹脂部材を所定の盛り上がり形状にすることを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージが提供される。ここで、樹脂流れ防止手段が前記側壁部に形成した突起であり、その突起は前記側壁部に形成される傾斜内面の上端部分であって前記側壁部の外面から略直角または鋭角状に突出したことを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージを開示する。また、前記樹脂流れ防止手段は前記側壁部に形成される傾斜内面の上端部分に形成した切欠き状段差であり、この切欠き状段差は切欠２辺が略直角または鋭角状に切り欠いた凹みであることを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージを開示する。

より詳細には、樹脂流れ防止手段が側壁部の傾斜内面の上端部分に形成され、側壁部の外表面からの突起または凹みであり、所定の寸法長を有することを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージである。換言すると、リード電極を有する基板部とすり鉢状に開口する傾斜内面により収容空間を形成する側壁部とを具備するセラミックパッケージ、このセラミックパッケージの基板部に実装したＬＥＤ素子、およびパッケージ収容空間に充填されＬＥＤ素子を被覆する透光性樹脂部材を具備するＬＥＤ発光装置において、セラミックパッケージはその側壁部傾斜内面がＬＥＤ素子の発光光束の反射面であり、側壁部は透光性樹脂部材の表面と側壁部の外表面との表面境界部分に樹脂流れ防止手段を設け、液状樹脂材の充填で透光性樹脂部材を山盛り状の所定形状にするＬＥＤ用セラミックパッケージが提供される。

ＬＥＤ素子を被覆する透光性樹脂部材が樹脂充填においてパッケージ表面に流出することがなく、所定の表面盛り上がり形状にするため、パッケージの側壁部と充填用樹脂材表面との境界には突起あるいは凹みとなる切欠き状段差を設けた構造とする。それにより、充填時の液状の樹脂とパッケージとの間の接触角を大きくし、その表面境界部分を超えて樹脂が隣接するパッケージの方向に流れ出ることを阻止する。

本発明のセラミックパッケージにおいて、突起を設けた場合、液状の樹脂が仮にその突起のうち直角または鋭角部分まで流れ出たとしても、その先は直角または鋭角であり、液状の樹脂材は接触角が大きくなるために、その境界を越えて樹脂が流れ出ることがない。また、側壁部内側の傾斜内面の上端である頂上部分に切欠き状段差として凹みが直角または鋭角状に切り欠いた構造の場合も、段差部分でのパッケージ内表面との表面境界部分で液状の樹脂材の接触角が大きくなるため、その境界を越えて樹脂材の流出を阻止する。したがって、透光性樹脂部材の表面は所望する均一な盛上り形状に形成される。

一方、多数のパッケージを連接状態で形成する場合、各パッケージの側壁部の樹脂流れ防止手段が液状の樹脂流れを阻止し、樹脂部材の表面形状は等方的な盛り上がり形状として、ＬＥＤ発光装置の光束の等方性が保たれる。また、樹脂がパッケージ表面を流れて、隣り合うパッケージとの間に形成したカット用溝に入ることが阻止され、ＬＥＤ発光装置の量産的製造における分割工程で個別分割の不具合を回避する。それゆえに、作業効率の向上と共に性能上も安定したパッケージを提供することができる等の実用的効果を得る。

本発明の第１の実施態様は、ＬＥＤ素子が実装される内部が逆円錐形空間となるように側壁部の内面をすり鉢状傾斜内面とし、側壁部の頂上部分に突起を形成したパッケージである。すなわち、リード電極とＬＥＤ素子が配置される実装領域とを有する基板部と、内面がすり鉢状に開口してＬＥＤ素子の発光光束が反射する傾斜内面を有する側壁部とを具備するセラミックパッケージにおいて、ＬＥＤ素子を被覆する透光性樹脂部材を充填した場合に透光性樹脂部材の盛上り状表面が側壁部と接する表面境界部分に樹脂流れ防止手段としての突起を設け、この突起は内側が傾斜内面で、外側が頂上面から略直角に所定の長さに形成する。このような突起は液状で充填される透光性樹脂部材の盛り上がり部分を円滑面で略均一な輪郭形状にするＬＥＤ用セラミックパッケージを提供する。

本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様と同様にＬＥＤ素子が実装される内部が逆円錐形空間となるように側壁部の内面をすり鉢状傾斜内面としたものにおいて、側壁部頂上部分の内面を略直角な鋭角状に形成したパッケージである。すなわち、樹脂流れ防止手段として側壁部の内面である傾斜内面の頂上部分に切欠き状段差を形成し、この切欠き状段差を略直角な切欠部分として所定の段差高を形成したＬＥＤ用セラミックパッケージを開示する。この場合に切欠き状段差は液状で充填される透光性樹脂部材の盛り上がり表面部分を頂面との直交位置が境界となって樹脂流れが阻止され、所望の円滑面で略均一な輪郭形状盛上り面の透光性樹脂部材を有するＬＥＤ用セラミックパッケージが提供できる。

以下、本発明の第１の実施例であるＬＥＤ用パッケージについて、図１および３を参照しつつ説明する。図１に示すように、本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージ１０は、リード電極１２、１４とＬＥＤ素子１６が配置される実装領域となる基板部１８と、内面がすり鉢状に開口してＬＥＤ素子１６の発光光束が反射する傾斜内面２０を有する側壁部２２とを具備する。ここで、ＬＥＤ素子１６が実装される基板部１８とすり鉢状傾斜内面２０の側壁部２２とは後述するようにセラミック加工処理工程でグリーンシートの積層により基板部を作成しその上に側壁部を作成する。側壁部２２には頂上部分に外表面２４から突出する突起２６が設けられる。セラミックパッケージの製造工程では、通常、複数個のセグメントの連結体として加工処理されるが、各セグメントのパッケージが隣り合った状態では、樹脂充填工程で液状の樹脂材が隣合ったパッケージセグメント間で樹脂材の連結部が生じ最終工程での個別化の分離分割で不具合を生ずることがある。こうした不具合の解消のために、本発明は樹脂流れ防止手段を設けてパッケージ構造を改良した。図３は本発明によるセラミックパッケージ１０によるＬＥＤ発光装置の製造過程で樹脂部材の充填工程を示し、液状の樹脂材を充填した樹脂充填工程後の状態を示している。従来例に示す図４と比較して明らかなように、樹脂部材３２は側壁部２２に設けた突起２６の頂面が境界線となって直角状の外側面への樹脂流れが阻止される。従って、連結体セグメントを個別に分離分割する場合、カッテング用のカット溝２８が分割化を確実かつ容易にする。具体的には半導体チップのＬＥＤ素子１６を基板部の所定位置に実装した後、樹脂充填工程で液状の樹脂材が注入されＬＥＤ素子１６を被覆するように充填されるが、樹脂部材３２の広がりは境界である突起２６の頂面位置で止まる。そして、樹脂材が等方的な盛り上がり形状となって樹脂部材３２と空気の界面でおこる光の屈折が均一となり、光の等方性が損なわれない。また、樹脂部材３２がパッケージ表面に流れ出て隣のパッケージの表面にまで広がらず、カット溝２８が樹脂材で埋まることがない。それゆえに、従来のように樹脂部材がパッケージ表面に流出して隣接のパッケージセグメントと連接したり、カット溝に樹脂材が埋まったりせず分離分割工程で不具合を生じない。

次に、第２の実施例の表面実装型ＬＥＤ発光装置に利用されるセラミックパッケージについて、図２を参照しつつ説明する。なお、実施例１と同一部分は同一符号を用い説明を省略する。セラミックパッケージ４０は、側壁部４２が外部表面４４と内部のすり鉢状傾斜内面４６との間でその上端側の頂上部分に切欠き状段差４８を有する構造である。この場合も実施例１に記述したように、樹脂部材は等方的な盛り上がり形状となり、樹脂部材の表面と空気の界面でおこる光の屈折が均一となり、光の等方性が損なわれることがない。特に、樹脂部材がパッケージの外表面に流れ出て隣のパッケージの表面にまで広がらないため、カット溝を樹脂が埋めることがなく、分割工程で個々のパッケージに不具合が生じない。本発明は表面実装型ＬＥＤ発光装置に使用するセラミックパッケージであり、充填に用いられる樹脂部材の形状を等方的に盛り上げてＬＥＤ発光装置の量産的製造工程を効率的かつ容易にする。

上述する２つの実施例の特徴は、パッケージに充填する樹脂部材の境界に樹脂流れ防止手段を設けることであるが、これが側壁部の上端部の頂上部分に外表面に対して直角または鋭角である９０°より小さな角度であることが重要である。パッケージの外形寸法Ｌ＝３．５ｍｍ、Ｗ＝３．５ｍｍおよびＨ＝１．８ｍｍで容積１０．８立方ｍｍに対して、１５立方ｍｍの樹脂材（粘度５〜７０００ｍＰａ・ｓ）を注入充填して樹脂だれを調べた。この表面実装型パッケージでの実験結果から樹脂流出を防止効果を確認することができた。実験は樹脂だれの有無が、突起または凹みの角度を７５°〜１４５°を７段階に分けた場合と、寸法長さを０．０９〜０．２２ｍｍの範囲で８段階に分けた場合との組合せで試料各１００個準備し、樹脂だれが全周の一部にでもあれば樹脂流出と判定した。その結果、略直角の９０°より小さい鋭角である場合と寸法の長さまたは高さが０．１５ｍｍより長くすることで流出防止できることが判明した。すなわち、略直角または鋭角であって所定の寸法長を有することであるが、充填する液状樹脂材の粘度・室温等の物理的要因も影響することは勿論である。充填樹脂部材の表面が側壁部の表面と接する位置で、側壁部がその表面に対して鋭角とすることは頂上部分で突起または凹みのいずれにしても同様の効果を得るものであり、パッケージの外形寸法で決定することができる。

次に、本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージの製造方法について説明する。パッケージは、先ず基板部が、次いで側壁部がそれぞれグリーンシート法により作製される。一般にはセラミックの多層回路基板やＩＣパッケージと同様であり、この方法により簡単にかつ精度良く作製することができる。グリーンシート法は、ドクターブレード法により作成したセラミックのグリーンシートに導体ペーストを印刷したものを積層し、一括して焼結して製造する方法である。この方法で作られる多層回路基板やＩＣパッケージ等のセラミック体にはいくつかの特徴がある。まず、微細配線を施した多数のシートの積層が容易であるため高密度配線が可能であるという特徴がある。また、絶縁基板や導体を同時焼結して作るため一体化が完全で信頼性が高いという特徴がある。

グリーンシートは、原料セラミック粉体とフラックス、有機バインダ、溶剤、可塑剤を良く混合したスラリーを、ブレードによりキャリアテープ上に伸展し、乾燥させて製造される。この方法はドクターブレード法と呼ばれる。こうして作られるグリーンシートは、厚みが０．１〜１．０ｍｍ程度のものである。原料セラミック粉末としては、アルミナ粉末等が挙げられる。次に、このグリーンシートには、必要に応じて、金型やマイクロドリルで穴あけが行われる。そして、導体ペーストを用いてパターンを印刷したり、微細孔に導電ペーストを充填したりするなど、微細配線を形成する。導体材料としては、セラミックとしてアルミナが使われる場合、タングステンや銅が使われる。次に、複数枚のグリーンシートを一体化する。詳細には、まず複数枚のシートを位置決めピンのついた平板に目的の形状に正確に重ね合わせ、ビニール袋に真空包装した後、低温等方圧圧密成形を行って複数枚のグリーンシートを一体化する。低温等方圧圧密成形とは、被成形体を圧力伝達液（純粘性液体）の入った圧縮容器に入れ、その伝達液を圧縮することにより、被成形体をそのパスカル圧によって等方的に圧縮圧密する成形方法である。高温等方圧圧密成形を用いる場合もあるが、基本的には同様の原理を採用している。これらの方法によれば、グリーンシート中に含まれる有機バインダを軟化させ、軟化させた有機バインダでグリーンシート間を密着させることで、複数枚のシートを一体化することができる。次に一体化したグリーンシートのうち、個々の製品の外形となる位置にカット溝をつけた後、焼結を行い、その後導体部分に必要に応じて金や銀、銅等のめっきを施し、個々がつながったセラミックパッケージが完成する。

本発明における樹脂流れ防止手段としての突起または切欠き状段差の成形方法としては、低温等方圧圧密成形において位置決めピンのついた平板に目的の形状に正確に重ね合わせた複数枚のシートの最上面に、切欠き段差部または突起部のあるＳＵＳ板等を重ね、グリーンシートの一体化と同時に等方的に圧縮圧密させてグリーンシートに突起または切欠き段差部分を成形する方法がある。この場合、突起または切欠き段差部分を設けるための新たな工程を導入する必要がなく、簡易に成形することが可能となる。また、低温等方圧圧密成形の前にグリーンシートに突起部または切欠き段差部の構造を作ろうとしても、低温等方圧圧密成形の際に角度がだれたり変形したりすることが容易に想定されるが、この方法によればＳＵＳ板につけた切欠き段差部または突起部の寸法および精度で、一体化と同時にグリーンシートに突起または切欠き段差部分を成形することができ、略直角の角度や幅について精度良く成形することが可能となる。

本発明に係る実施例１のＬＥＤ用セラミックパッケージの要部断面図である。本発明に係る実施例２のＬＥＤ用セラミックパッケージの要部断面図である。図１の実施例の製造過程で樹脂材充填工程後の効果状態を示す断面図である。従来のセラミックパッケージにおける製造方法において、樹脂材の充填工程における不具合状況を示す断面図である。

符号の説明

１０、４０；セラミックパッケージ、１２、１４；リード電極、
１６；ＬＥＤ素子、１８；基板部、２０、４６；傾斜内面、
２２、４２；側壁部、２４、４４；外表面、２６；突起、
２８；カット溝、３２；樹脂部材、４８；切欠き状段差。

Claims

ＬＥＤ素子が配置される実装領域およびリード電極を有する基板部と、すり鉢状に開口する傾斜内面により収容空間を形成する側壁部とを具備するセラミックパッケージにおいて、前記セラミックパッケージは前記収容空間に透光性樹脂部材が充填され、この樹脂部材と前記側壁部の表面境界に樹脂流れ防止手段を設けて前記透光性樹脂部材を盛り上げ状にすることを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記樹脂流れ防止手段が前記側壁部に形成した突起であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記突起は前記側壁部に形成の傾斜内面の上端部分で側壁部外面から略直角または鋭角状に突出させることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記樹脂流れ防止手段が前記側壁部の傾斜内面の上端部分に形成した切欠き状段差であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記切欠き状段差は切欠２辺が略直角または鋭角状に切り欠いた凹みであることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記樹脂流れ防止手段が前記側壁部の傾斜内面の上端部分に形成され、前記側壁部の外表面からの突起または凹みであり、所定の寸法長を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
リード電極を有する基板部とすり鉢状に開口する傾斜内面により収容空間を形成する側壁部とを具備するセラミックパッケージ、前記セラミックパッケージの基板部に実装したＬＥＤ素子、および前記パッケージの収容空間に充填され前記ＬＥＤ素子を被覆する透光性樹脂部材を具備するＬＥＤ発光装置において、前記セラミックパッケージはその側壁部傾斜内面が前記ＬＥＤ素子の発光光束の反射面であり、前記側壁部は前記透光性樹脂部材と前記側壁部の表面境界部分に樹脂流れ防止手段を設け、液状樹脂材の充填で前記透光性樹脂部材を山盛り状に盛り上げることを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージ。