JP2010034259A - 発光素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック基体と、ヒートシンク体の当接信頼性を向上させることができ、発光素子からの発熱を効率的に放熱させる発光素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】平板状のセラミック基体１１と、その上面に上方側の開口径を下方側より大きくし内周壁面をテーパ形状とする反射体１２と、セラミック基体１１の下面にヒートシンク体１３を有する発光素子収納用パッケージ１０において、セラミック基体１１の上面と反射体１２の内周壁面で発光素子１９を搭載するためのキャビティ部２０が設けられ、その底面に相当する部位のセラミック基体１１の下面に一方の先端側端面をろう付け接合して他方を垂直に立設させる全体ねじからなる雄ねじ２１を有し、これに嵌合する雌ねじ穴２２が設けられ、セラミック基体１１の下面に当接すると共に、雄ねじ２１と雌ねじ穴２２で締め付け固定されるヒートシンク体１３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）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に関し、より詳細には、発光素子からの発熱を効率的に放熱させるための発光素子収納用パッケージに関する。

発光素子は、従来から照度を向上させるための手段の一つとして入力電流を上げることで対応されている。しかしながら、発光素子は、入力電流を上げることで照度はあがるものの、高温となり大量の熱を発生させることとなっている。この発熱と共に、発光素子は、逆に照度の低下が発生するという問題を抱えている。

図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、従来の発光素子収納用パッケージを説明する。ここで、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の発光素子収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の発光素子収納用パッケージ５０には、発光素子５１を載置するための基体にセラミックや、樹脂からなる平板状の基体が用いられてきた。しかしながら、樹脂基体は、樹脂がセラミックに比較して低熱伝導率で放熱性に劣ることから、発光素子５１の輝度を向上させるための特段の放熱性を要求される場合にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるセラミック基体５２が用いられている。そして、発光素子収納用パッケージ５０は、発光素子５１からの発光を前方となる上方側に反射させて集中させるために、セラミック基体５２の上面に上方側の開口径を下方側の開口径より大きくし内周壁面をテーパ形状とする筒状の反射体５３を有している。この反射体５３は、特に、材料を限定するものではなく、金属製や、セラミック製等からなり、通常、セラミック基体５２に接合されて設けられている。また、発光素子収納用パッケージ５０は、発光素子５１からの発熱をセラミック基体５２を介して下方側に速やかに放熱させるために、セラミック基体５２の下面に熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウム等からなるヒートシンク体５４を有している。このヒートシンク体５４は、セラミック基体５２の下面に形成する高融点金属からなる導体パターン５５との間を半田５６で接合させて設けている。

なお、上記のセラミック基体５２は、アルミナのセラミックを用いる場合には、先ず、アルミナからなる複数枚のセラミックグリーンシートを作製している。そして、それぞれのセラミックグリーンシートには、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ペーストを用いてスクリーン印刷して導体印刷パターンを形成している。更に、それぞれのセラミックグリーンシートは、重ね合わせて積層した後、セラミックと、高融点金属を高温で同時焼成して導体パターン５５や、導体配線パターン５７等を設けたセラミック基体５２を形成している。このセラミック基体５２を用いた発光素子収納用パッケージ５０は、セラミック基体５２の上面と反射体５３の内周壁面で形成されるキャビティ部５８に搭載される発光素子５１と、ボンディングワイヤ５９や導体配線パターン５７等を介して電気的に導通状態とする外部接続端子６０を有している。この外部接続端子６０は、セラミック基体５２の上面、下面、又は端面に延設する導体配線パターン５９にろう付け接合されて設けられている。

しかしながら、この発光素子収納用パッケージ５０は、セラミック基体５２の下面に熱膨張係数の異なるヒートシンク体５４を半田５６で接合しているので、発光素子５１の発光時の温度上昇と、停止時の温度降下の繰り返し等で曲げ応力が接合部である半田５６に集中し、半田５６にクラックが発生するという問題が生じている。

発光素子収納用パッケージに用いることが可能な、従来のセラミックパッケージには、セラミック基体にボルト型の取付けねじの頭部をろう付け接合して、この取付けねじでヒートシンク体に相当する放熱フィンに設けた凹部にボルト型の頭部を嵌め込むようにしてヒートシンク体を締め付けて取り付け固定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
上記のセラミックパッケージのような発光素子収納用パッケージは、発光素子の発光時の温度上昇と、停止時の温度降下の繰り返し等が発生しても、セラミック基体と、ヒートシンク体の取り付けに半田を用いないので、曲げ応力が集中する接合部が存在せず、当接部の信頼性を向上させることができるように作用する。

特開平６−２１２８８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。
特開平６−２１２８８号公報で開示されるようなセラミックパッケージを用いることができる発光素子収納用パッケージは、ヒートシンク体に設ける凹部の壁面と、ボルト型の取付けねじの頭部の壁面との間に隙間ができるので、発光素子からの発熱をセラミック基体を介して放熱させるのに、ヒートシンク体や、取付けねじへの伝熱効率が低下し、放熱効果の低下となっている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基体と、ヒートシンク体の当接部の信頼性を向上させることができると共に、発光素子からの発熱を効率的に放熱させることができる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、平板状のセラミック基体と、セラミック基体の上面に上方側の開口径を下方側より大きくし内周壁面をテーパ形状とする筒状の反射体と、セラミック基体の下面にヒートシンク体を有する発光素子収納用パッケージにおいて、セラミック基体の上面と反射体の内周壁面で発光素子を搭載するためのキャビティ部が設けられ、キャビティ部の底面に相当する部位のセラミック基体の下面に円柱状の一方の先端側端面をろう付け接合して他方の先端側を垂直に立設させる全体ねじからなる雄ねじを有し、雄ねじに嵌合する雌ねじ穴が設けられ、セラミック基体の下面に当接すると共に、雄ねじと雌ねじ穴で締め付け固定されるヒートシンク体を有する。

ここで、上記の発光素子収納用パッケージは、雄ねじの直径がキャビティ部の底面以上の大きさからなるのがよい。

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、セラミック基体の上面と反射体の内周壁面で発光素子を搭載するためのキャビティ部が設けられ、キャビティ部の底面に相当する部位のセラミック基体の下面に円柱状の一方の先端側端面をろう付け接合して他方の先端側を垂直に立設させる全体ねじからなる雄ねじを有し、雄ねじに嵌合する雌ねじ穴が設けられ、セラミック基体の下面に当接すると共に、雄ねじと雌ねじ穴で締め付け固定されるヒートシンク体を有するので、セラミック基体と、これに取り付けた長さ方向に全体ねじからなる雄ねじによって、ヒートシンク体をセラミック基体に密接させて取り付け固定でき、当接部の信頼性を向上させながら発光素子からのセラミック基体を介しての発熱を伝熱効率を下げることなく放熱させることができる。

特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、雄ねじの直径がキャビティ部の底面以上の大きさからなるので、発光素子からの発熱をセラミック基体を介して積極的に雄ねじに伝熱できると共に、発光素子全面からの発熱を雄ねじの全面で受け止めて雄ねじを介してヒートシンク体から外部に放熱させることができ、放熱効果を向上させることができる。

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、基体として、特に形状を限定するものではないが、例えば四角形からなる平板状のセラミック基体１１を有している。また、発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の上面に上方側の開口径を下方側より大きくし内周壁面をテーパ形状とする筒状の反射体１２を有している。更に、発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の下面に、特に形状を限定するものではないが、例えばブロック状や、外側方向に放熱フィンを設けるようなヒートシンク体１３を有している。

上記の発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１に高温で焼成されるアルミナや、窒化アルミニウム等のセラミックを用いることができる。このセラミック基体１１を形成するためには、先ず、アルミナや、窒化アルミニウム等のセラミック粉末に焼結助剤と、可塑剤と、バインダー、及び溶剤を加え、十分に混練し、脱泡してスラリーを作製し、ドクターブレード法等によって、所望の厚みのシート状のセラミックグリーシートを作製している。次に、それぞれのセラミックグリーンシートには、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所望の導体印刷パターンを形成している。次に、それぞれのセラミックグリーンシートは、重ね合わせて積層した後、セラミックと、高融点金属を非酸化性雰囲気中の高温で同時焼成している。そして、セラミック基体１１は、それぞれの部位に所望のパターンからなるワイヤボンドパッド１４や、外部接続端子パッド１５や、これらを電気的に接続するための導体配線パターン１６や、電気的に独立した導体パターン１７等を設ける多層構造に形成している。

なお、上記の同時焼成は、例えば、セラミックがアルミナの場合には、タングステンや、モリブデン等の高融点金属と、１５５０℃程度の水素、窒素の還元性雰囲気中の高温で行われている。あるいは、この同時焼成は、例えば、セラミックが窒化アルミニウムの場合には、タングステンや、モリブデン等の高融点金属と、１７００℃程度の窒素雰囲気中の高温で行われている。また、セラミック基体１１には、図示しないが、通常、外部に露出するワイヤボンドパッド１４や、外部接続端子パッド１５や、導体パターン１７等の金属部分にＮｉめっき被膜が施されている。そして、外部接続端子パッド１５には、セラミックと熱膨張係数が近似するＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の金属からなる外部接続端子１８がＡｇろう等のろう材でろう付け接合されている。

上記の発光素子収納用パッケージ１０は、反射体１２にセラミックや、金属や、樹脂等からなり、上方側の開口径を下方側より大きくし内周壁面をテーパ形状とする筒状に形成したものを用いている。この反射体１２は、通常、セラミック基体１１にガラスや、樹脂や、ろう材等を介して接合している。そして、発光素子収納用パッケージ１０には、セラミック基体１１の上面と、反射体１２の内周壁面でＬＥＤ等の発光素子１９を搭載するためのキャビティ部２０が設けられている。このキャビティ部２０搭載される発光素子１９からの発光は、発光素子１９を内周壁面で囲繞する反射体１２によって前方に集中でき、輝度を向上させることができる。

この発光素子収納用パッケージ１０には、キャビティ部２０の底面に相当する部位のセラミック基体１１の下面に形成された導体パターン１７の上面のＮｉめっき被膜上に、Ａｇろう等のろう材を介して円柱状の一方の先端側端面を当接し、加熱してろう付け接合して、他方の先端側を垂直に立設させる全体ねじからなる雄ねじ２１を有している。この雄ねじ２１は、特に材料を限定するものではないが、例えば、セラミックと熱膨張係数が近似するＫＶや、４２アロイ、あるいは、セラミックと熱膨張係数が近似すると共に、比較的熱伝導率が高いＣｕ−Ｗ（銅タングステン）等からなる金属を用いることができる。

そして、発光素子収納用パッケージ１０には、雄ねじ２１に嵌合する雌ねじ穴２２が設けられ、セラミック基体１１の下面に当接すると共に、雄ねじ２１と雌ねじ穴２２で締め付け固定されるヒートシンク体１３を有している。このヒートシンク体１３は、特に材料を限定するものではないが、熱伝導率が良好であるアルミニウムや、銅等からなる金属を用いて形成されている。

上記の発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１と、この下面に取り付けた雄ねじ２１によってヒートシンク体１３をセラミック基体１１や、雄ねじ２１に歪みを発生させることなく密接させて取り付け固定でき、セラミック基体１１とヒートシンク体１３の当接部の信頼性を向上させながら発光素子１９からのセラミック基体１１を介しての発熱を伝熱効率を下げることなく放熱させることができる。なお、発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１と、ヒートシンク体１３の間にはアンダーフィル等の熱伝導性に優れる樹脂を挟み込んで密接させることもできる。

上記の発光素子収納用パッケージ１０は、雄ねじ２１の直径の大きさをキャビティ部２０の底面の大きさ以上にするのがよい。このような発光素子収納用パッケージ１０は、発光素子からの発熱をセラミック基体１１を介して速やかに雄ねじ２１に伝熱できると共に、雄ねじ２１を介してヒートシンク体１３から外部に放熱させて放熱効果を向上させることができるので、発光素子１９の高輝度を維持させることができる。

なお、発光素子収納用パッケージ１０の外部接続端子パッド１５は、セラミック基体１１の下面側に設けて、ボード基板等に半田で直接接合させることもできる。また、発光素子収納用パッケージ１０の雄ねじ２１は、ヒートシンク体１３を突き抜け、突き抜けた部分をナット等で締め付けることもできる。更には、発光素子収納用パッケージ１０のワイヤボンドパッド１４は、発光素子１９とボンディングワイヤ２３を介して電気的に導通状態するための接続用パッドとして設けているが、発光素子１９をフリップチップ方式で接合するための接続用パッドとして設けることもできる。

本発明の発光素子収納用パッケージは、大きな発光効率と、高い接合信頼性が求められ、発熱量が大きい自動車用ヘッドランプや、街路灯等のランプとして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）、（Ｂ）はそれぞれ従来の発光素子収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。

符号の説明

１０：発光素子収納用パッケージ、１１：セラミック基体、１２：反射体、１３：ヒートシンク体、１４：ワイヤボンドパッド、１５：外部接続端子パッド、１６：導体配線パターン、１７：導体パターン、１８：外部接続端子、１９：発光素子、２０：キャビティ部、２１：雄ねじ、２２：雌ねじ穴、２３：ボンディングワイヤ

Claims (2)

1. 平板状のセラミック基体と、該セラミック基体の上面に上方側の開口径を下方側より大きくし内周壁面をテーパ形状とする筒状の反射体と、前記セラミック基体の下面にヒートシンク体を有する発光素子収納用パッケージにおいて、
   前記セラミック基体の上面と前記反射体の前記内周壁面で発光素子を搭載するためのキャビティ部が設けられ、該キャビティ部の底面に相当する部位の前記セラミック基体の下面に円柱状の一方の先端側端面をろう付け接合して他方の先端側を垂直に立設させる全体ねじからなる雄ねじを有し、該雄ねじに嵌合する雌ねじ穴が設けられ、前記セラミック基体の下面に当接すると共に、前記雄ねじと前記雌ねじ穴で締め付け固定される前記ヒートシンク体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. 請求項１記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記雄ねじの直径が前記キャビティ部の底面以上の大きさからなることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。

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