JP2008042112A

JP2008042112A - 発光素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2008042112A
Application number: JP2006217743A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Honda; 貴彦本田
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】発光素子の発光効率、放熱性と、基板の寸法精度、強度の全てをバランスよく満足でき、量産性の高い安価な発光素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】平板形状の窒化アルミニウム基板１１と、窓枠形状の枠体１２が接合され、枠体１２の開口部から露出する窒化アルミニウム基板１１の上面と、開口部の壁面１３とで形成されるキャビティ部１４に発光素子１５が搭載される発光素子収納用パッケージ１０において、窒化アルミニウム基板１１が焼成温度１７００〜１８００℃の常圧焼結法で焼成される白色からなると共に、熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫ有し、しかも、反射率を光沢度計で測定して１２〜２５％有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤという。）等の発光素子を搭載して収納するための窒化アルミニウム基板を用いた発光素子収納用パッケージに関する。

窒化アルミニウム基板は、常温から高温の範囲まで基板強度が高く、化学的耐性にも優れているので、耐熱材料として用いられている。また、窒化アルミニウム基板は、高熱伝導性、高電気絶縁性を利用して半導体素子からの発熱の放熱材料として利用しながら半導体素子を搭載して収納するための半導体素子収納用パッケージとして用いられている。このようにして用いられる窒化アルミニウムは、融点を持たずに、約２２００℃以上の高温で分解するので、通常、焼結体として用いられている。この窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末を単独で用いた場合には焼結性が悪いので、ホットプレス法で焼結する以外は高密度な焼結体を作製することが困難となっている。この焼結体を、常圧で焼結するには、窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物や、アルカリ土類金属酸化物等の焼結助剤を添加し、１８００℃以上の高温で焼成することでかなり密度が高く、熱伝導率の高い焼結体を作製することが可能となっている。

このようにして作製される窒化アルミニウム基板からなる半導体素子収納用パッケージは、窒化アルミニウムのシート状のセラミックグリーンシートに導体配線パターンを形成し、セラミックグリーンシートと導体配線パターンを同時焼成して作製している。この半導体素子収納用パッケージには、半導体素子が収納されて気密に封止されるようになっている。窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム粉末に遮光度を高めるための発色材が含有していない場合には、光の透過性が高く、半導体素子に光による誤動作を発生させることを防止することができないので、通常、焼成によって黒色や褐色に発色する発色材が添加し焼成することで遮光性を高めるものが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０参照）。

また、従来からＬＥＤ等の発光素子を収納するための発光素子収納用パッケージとしては、プラスチック製や、セラミック製のものが用いられているが、近年の発光素子の光出力の増大化の要求に対応して発光素子自体の温度が上昇し、プラスチック製や、通常のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のセラミック製では、熱伝導率が低いので、放熱性が十分でなく問題が発生している。従って、最近では、熱伝導率が高く放熱性に優れる窒化アルミニウム基板が用いられるようになってきている。また、発光素子収納用パッケージには、ＬＥＤ等の発光素子からの発光を効率的に反射させて発光効率を向上させることが求められている。

特公平６−４９６１３号公報特開平５−８５８２８号公報特開平５−２４８１２号公報特開平５−４３２０９号公報特開平６−７２７６９号公報特開平６−８０４７５号公報特許第３２４４０９２号公報特許第３４５０４００号公報特開平７−２７７８２９号公報特許第２５９７８２５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、次のような問題がある。
（１）発光素子収納用パッケージは、遮光性のある黒色や、褐色の呈色を有する窒化アルミニウム基板を用いる場合には、透過率が低く遮光度が高いものの、反射率が低いので、発光素子からの発光を効率的に反射させて発光効率を向上させることができない。また、発光素子収納用パッケージは、発色材を用いない窒化アルミニウム基板を用いる場合には、熱伝導率を高めるのに焼成温度を高めるので、窒化アルミニウム基板の光の透過率が大きくなり光が透過してしまい反射による発光効率を向上させることができない。
（２）発色材を用いない窒化アルミニウム基板を用いる発光素子収納用パッケージは、窒化アルミニウム基板の光の透過率を抑えるために、焼成温度を低くして白色化させることで光の反射率を向上させることが可能であるが、焼成温度を低くしすぎることで熱伝導率の低下や、焼成時の寸法精度のバラツキが大きくなると共に、基板強度が弱くなる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、発光素子の発光効率、放熱性と、基板の寸法精度、強度の全てをバランスよく満足でき、量産性の高い安価な発光素子収納用パッケージ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、平板形状の窒化アルミニウム基板と、窓枠形状の枠体が接合され、枠体の開口部から露出する窒化アルミニウム基板の上面と、開口部の壁面とで形成されるキャビティ部に発光素子が搭載される発光素子収納用パッケージにおいて、窒化アルミニウム基板が焼成温度１７００〜１８００℃の常圧焼結法で焼成される白色からなると共に、熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫ有し、しかも、反射率を光沢度計で測定して１２〜２５％有する。

ここで、発光素子収納用パッケージは、窒化アルミニウム基板が比重を３．３０〜３．３３有すると共に、寸法精度を±１．０％以下有するのがよい。

請求項１又はこれに従属する請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、窒化アルミニウム基板が焼成温度１７００〜１８００℃の常圧焼結法で焼成される白色からなると共に、熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫ有し、しかも、反射率を光沢度計で測定して１２〜２５％有するので、比較的高温である１７００〜１８００℃による焼成で基板の寸法精度を高くすると共に、熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫと高くして発光素子の放熱性を向上でき、基板の呈色を透過性の少ない白色にして１２〜２５％の反射率にできて発光素子の発光効率を向上でき、基板の焼成を常圧焼結法にして量産性に富んだ安価な発光素子収納用パッケージを提供できる。

特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、窒化アルミニウム基板が比重を３．３０〜３．３３有すると共に、寸法精度を±１．０％以下有するので、窒化アルミニウム基板の比重（密度）が３．３０〜３．３３として熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫと高くして発光素子の放熱性を向上でき、窒化アルミニウム基板の寸法精度が±１．０％以下として寸法バラツキの少ない発光素子収納用パッケージを提供できる。

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は同発光素子収納用パッケージの窒化アルミニウム基板の製造工程図である。

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、平面視して、矩形状や、多角形や、円形等からなる平板形状の窒化アルミニウム基板１１上に、内周が多角形や、円形等からなり、外周が矩形状や、多角形や、円形等からなる窓枠形状のセラミック製や、金属製や、樹脂製等からなる枠体１２が接合されて形成されている。この発光素子収納用パッケージ１０は、枠体１２の開口部から露出する窒化アルミニウム基板１１の上面と、枠体１２の開口部の壁面１３で形成されるキャビティ部１４を有し、このキャビティ部１４にＬＥＤ等の発光素子１５が搭載できるようになっている。この発光素子１５は、キャビティ部１４の窒化アルミニウム基板１１の上面に形成される発光素子接続端子パッド１６とボンディングワイヤ１７等で接続されるようになっている。そして、発光素子１５は、発光素子接続端子パッド１６と、ビア１８や導体パターン１９等を介して接続される外部接続端子パッド２０と電気的に導通状態となるようにされる。更に、発光素子収納用パッケージ１０は、発光素子１５が搭載された後、キャビティ部１４内に蛍光体が設けられ、枠体１２の上面にレンズ等からなる蓋体２１が接合されて発光素子１５がキャビティ部１４内に気密に封止されるようになっている。

この発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム基板１１が焼成温度１７００℃〜１８００℃の常圧焼結法で焼成され、窒化アルミニウム基板１１の焼結後の呈色を白色としている。窒化アルミニウム基板１１は、１８００℃以下の温度で焼成して窒化アルミニウムの焼結が完全に行われる領域の温度より若干低いので、焼結後の呈色が透光性の低い白色になることで高い遮光度を得ることができ、発光素子１５からの発光を透過させるのを防止することができる。

また、この発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム基板１１が焼成温度１７００℃〜１８００℃の常圧焼結法で焼成され、窒化アルミニウム基板１１の焼結後の熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫとしている。窒化アルミニウム基板１１は、１７００℃以上の温度で焼成して窒化アルミニウムの焼結が完全に行われる領域の温度より若干低いものの高温領域での焼結であるので、焼結後の熱伝導率が１６０〜１８０Ｗ／ｍＫと高熱伝導率となることで発光素子１５からの発熱を効率よく外部に伝熱して放熱させることができる。

更に、この発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム基板１１が焼成温度１７００℃〜１８００℃の常圧焼結法で焼成され、窒化アルミニウム基板１１の焼結後の反射率を光沢度計で測定して１２〜２５％としている。窒化アルミニウム基板１１は、１７００℃〜１８００℃の温度で焼成して焼結後の呈色を白色にすることができるので、焼結後の基板の透光性を抑えて基板表面の反射率を１２〜２５％として発光素子１５からの発光による反射率が向上でき発光素子１５の発光効率を向上させることができる。なお、上記の反射率の測定装置である光沢度計とは、例えば、日本電色工業製光沢度計ＶＳＲ−３００Ａを使用でき、被測定物の４５°上面から投光し、被測定物上で反射した光のうち真上に反射した光を受光して、投光量と受光量の比を測定値として表すものである。反射率は、被測定物の透光性が高ければ、光が透過するために反射光が低下して受光量が低下し、反射率が低下することとなる。

上記の窒化アルミニウム基板１１を形成するための窒化アルミニウムは、通常、基板をを高熱伝導率、及び高透光性に形成するためには、焼結を完全に行うためにホットプレス法が採用されている。しかしながら、ホットプレス法での焼結は、設備が大がかりになるのと、量産性に欠けるので、窒化アルミニウム基板１１のコストアップとなる。従って、本発明のような、ある程度の熱伝導率を確保しながら、透光性を抑えたい場合には、常圧焼結法を用いることができる。この常圧焼結法によって、窒化アルミニウム基板１１は、量産性に富む、安価な基板を作製することができる。

ここで、上記の発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム基板１１が比重（密度）を３．３０〜３．３３有するのがよい。この比重は、３．３０以上であることで、窒化アルミニウムの焼結体としての電気的特性や、機械的特性を満足させることができる。また、上記の発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム基板１１が寸法精度を±１．０％以下有するのがよい。この寸法精度は、±１．０％以下であることで、寸法精度のよい発光素子収納用パッケージ１０にすることができる。

上記の発光素子収納用パッケージ１０の窒化アルミニウム基板１１の焼成温度は、１７００℃を下まわる場合には、白色度が増加して反射率が２５％を超える程向上するものの、焼成不足となって比重が３．３０を下まわる程小さくなると共に、焼成不足による基板の寸法バラツキが大きくなって、寸法精度が±１．０％を超えて悪くなる。また、上記の発光素子収納用パッケージ１０の窒化アルミニウム基板１１の焼成温度は、１８００℃を超える場合には、焼結が進行して比重が３．３３程度に高くなると共に、基板の寸法バラツキが小さくなり、寸法精度が±０．７％程度とよくはなるものの、焼結が進んで透光性が増加し、白色度が低下して反射率が１２％を下まわる程低下する。

次いで、図１（Ａ）、（Ｂ）、図２を参照しながら発光素子収納用パッケージ１０に作製するのに用いる窒化アルミニウム基板１１の製造方法を簡単に説明する。ここで、図２は発光素子収納用パッケージ１０の窒化アルミニウム基板１１の製造工程図である。
（１）セラミックグリーンシート作製工程
窒化アルミニウム基板１１には、焼結前の窒化アルミニウム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は、窒化アルミニウム粉末原料に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の焼結助剤を添加し、例えば、ブチラール樹脂等のバインダーと、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、分散剤と、及びトルエン、キシレン、ブタノール等の溶剤を加え、樹脂製のボールミルで十分に混練した後、粘度を調整し、真空脱泡してスラリーを形成している。そして、スラリーからは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚さ０．２ｍｍ程度のシート状に乾燥したセラミックグリーンシートを形成している。更に、シート状のセラミックグリーンシートからは、適当なサイズにカットして窒化アルミニウム基板１１用のセラミックグリーンシートを作製している。

（２）導体印刷パターン形成工程
次に、１又は複数枚のそれぞれのセラミックグリーンシートには、必要に応じて、後述するビア１８用等の挿通孔を打ち抜き金型や、パンチングマシーン等を用いて穿設した後、例えば、タングステンや、モリブデン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発光素子接続端子パッド１６用や、ビア１８用や、導体パターン１９用や、外部接続端子パッド２０用等の導体印刷パターンを形成している。

（３）積層体形成工程
次に、複数枚のセラミックグリーンシートの場合には、それぞれを重ね合わせて、温度と圧力をかけて接着して積層体を形成している。

（４）脱脂工程
次に、積層体は、例えば、モリブデン板等からなる耐熱性が高く変形発生の少ない焼成用セッター上に載置している。この積層体が載置されたそれぞれのセッターは、焼成効率を向上させるためにセッター間にモリブデン等からなるスぺーサーを挟んで多段に積み上げることもできる。そして、セッター上に載置された積層体は、例えば、発熱体がモリブデンや、タングステンや、白金ロジウム等の金属からなり、炉壁がモリブデン等からなるメタル焼成炉内に投入している。この焼成炉は、炉内を窒素と、水素の非酸化性雰囲気として昇温するようになっている。焼成炉内の積層体は、温度１３００〜１４００℃程度に時間２〜１０時間程度通過させてセラミックグリーンシート中のバインダーの除去である脱脂を行って、仮焼成体を形成している。

（５）焼結工程
次に、脱脂が完了した仮焼成体は、モリブデン板等からなるセッターとスぺーサーで囲むようにし、更に耐熱性のセラミック坩堝等で覆うようにして外気雰囲気との遮断を行った後、炉壁がカーボンからなるカーボン焼成炉内に投入している。この焼成炉は、炉内を窒素雰囲気として昇温するようになっている。焼成炉内の仮焼成体は、温度１７００〜１８００℃程度に時間２〜８時間程度通過させて焼結体からなる窒化アルミニウム基板１１を作製している。

なお、発光素子収納用パッケージ１０には、窒化アルミニウム基板１１の上面にセラミック製や、金属製や、樹脂製等からなる枠体１２が設けられているが、窒化アルミニウム基板１１と、枠体１２をそれぞれ樹脂や、ガラスや、ろう材等の接着材で接合して設けることができる。また、枠体１２に窒化アルミニウム基板１１と同一のセラミックを用いる場合には、枠体１２用のセラミックグリーンシートを窒化アルミニウム基板１１用のセラミックグリーンシートと同時に積層体として形成することもできる。

上記の窒化アルミニウム基板１１には、例えば、窒化アルミニウム粉末原料に焼結性を促進させる焼結助剤であるＹ_２Ｏ_３のみを添加して１７００〜１８００℃程度の焼成温度でも焼結性を上げることができるものを用い、焼結性をよくしている。従って、窒化アルミニウム基板１１は、焼結組織の気孔率が低く、粒界ガラス相が少ない状態として熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫと高めながらも、焼成温度を低くして呈色を白色とし、基板の反射率を１２〜２５％程度有することができるようにしている。

ここで、本発明者は、上記の窒化アルミニウムを用い、焼成温度を１７００℃、１７２５℃、１７５０℃、１７７５℃、及び１８００℃とする本発明の実施例１〜５と、焼成温度を１６７５℃とする比較例、焼成温度を１８２５℃とする従来例のサンプルを作製し、反射率、比重（密度）、寸法精度、及び熱伝導率を測定した。併せて、それぞれのサンプルの呈色を目視で観察した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明の実施例１〜５においては、従来例の窒化アルミニウムを完全に焼結させる場合に比較して若干焼結不足となる数値を示しているが、実用上何ら問題なく使用できるものであって、むしろ、透光性が抑えられることで、反射率が向上でき、発光素子の発光効率を向上させることができることが確認できた。また、比較例においては、反射率を向上させることができるものの、寸法精度が悪くなると共に、熱伝導率の低下によって、発光素子を収納することが難しくなると共に、発光素子からの発熱を効率よく放熱させることが難しいことが確認できた。

本発明の発光素子収納用パッケージは、ＬＥＤ等の発光素子を搭載させて照明や、ディスプレイ等に用いることができる。また、本発明は、高放熱特性や、高反射率を必要とする電子部品を搭載するためのパッケージにも適用することができる。

（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。同発光素子収納用パッケージの窒化アルミニウム基板の製造工程図である。

符号の説明

１０：発光素子収納用パッケージ、１１：窒化アルミニウム基板、１２：枠体、１３：壁面、１４：キャビティ部、１５：発光素子、１６：発光素子接続端子パッド、１７：ボンディングワイヤ、１８：ビア、１９：導体パターン、２０：外部接続端子パッド、２１：蓋体

Claims

平板形状の窒化アルミニウム基板と、窓枠形状の枠体が接合され、該枠体の開口部から露出する前記窒化アルミニウム基板の上面と、前記開口部の壁面とで形成されるキャビティ部に発光素子が搭載される発光素子収納用パッケージにおいて、
前記窒化アルミニウム基板が焼成温度１７００〜１８００℃の常圧焼結法で焼成される白色からなると共に、熱伝導率を１６０〜１８０Ｗ／ｍＫ有し、しかも、反射率を光沢度計で測定して１２〜２５％有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
請求項１記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記窒化アルミニウム基板が比重を３．３０〜３．３３有すると共に、寸法精度を±１．０％以下有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。