JP2010109095A

JP2010109095A - 発光素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2010109095A
Application number: JP2008278705A
Authority: JP
Inventors: Masashi Tezuka; 将志手塚
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材を用いる場合に、セラミック製の基体と、セラミック製の枠体の接合部の接合強度や、気密信頼性を高めることができる発光素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】平板状の上面に発光素子１１を搭載させるためのセラミック製の基体１２と、この上面に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材１３を用いて接合し貫通孔の内周側壁面１４で発光素子１１を囲繞するためのセラミック製の枠体１５を有する発光素子収納用パッケージ１０において、基体１２との接合部の枠体１５の略垂直面からなる外周側壁面１６の下方端部に接合材１３の外周側端部が上方側に這い上がって形成されるメニスカス１８を設けるための切り欠き１７を有すると共に、基体１２の上面に設けられる接合材１３の外周側端部が平面視して枠体１５の切り欠き１７内に有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基体の上面と枠体の内周側壁面とで形成されるキャビティ部に発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤという。）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する。

近年、ＬＥＤ等の発光素子は、消費電力が少なく、輝度が高いことから様々な用途に用いられるようになってきている。特に、ＬＥＤ等の発光素子は、世界的な電気エネルギー不足が迫っている中で、一般照明、大画面液晶用バックライト、自動車用ランプ等のような高い光出力を必要とするような用途において、僅かな電力で高輝度を得ることができるものの開発が盛んに行われている。また、発光素子を様々な用途に用いるためには、ＬＥＤ等の発光素子がこのままでの状態では非常に壊れやすいので、これを外部から保護するための発光素子収納用パッケージに収納することが必要となっている。この発光素子収納用パッケージには、発光素子から発生する高い発熱を速やかに放熱できると共に、発光素子から発生する光の発光効率を向上できることが求められている。特に、発光素子からの発光の発光効率の向上には、光を効率的に反射させて前方に集光させることができる枠体（反射体）が重要な要素となっている。

図３（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３（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３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の発光素子収納用パッケージ５０は、通常、基体５１と、枠体５２を接合材５３を介して接合する接合体からなっている。この基体５１は、樹脂製や、セラミック製の平板状からなり、例えば、上面に発光素子５４を搭載すると共に、ボンディングワイヤ５５を介して発光素子５４と接続して電気的に導通状態とするための導体パターンからなるワイヤボンドパッド５６を有している。また、この基体５１は、ワイヤボンドパッド５６と接続して基体５１の厚み方向に設けた導体ビア５７等を介して接続する導体パターンからなる外部接続端子パッド５８を下面に有し、ワイヤボンドパッド５６と外部接続端子パッド５８が電気的に導通状態となるようにしている。なお、発光素子収納用パッケージ５０には、ワイヤボンドパッド５６がフリップチップ方式でそこに発光素子５４を直接接合させるためのパッドとして構成されている場合もある。

一方、上記の枠体５２は、中央部に、例えば、垂直状や、上方側に向かって開口径を大きくするすり鉢状等の貫通孔の内周側壁面５９で発光素子５４を囲繞して発光素子５４からの発光の発光効率を向上させるための反射面としている。また、この枠体５２は、金属製や、樹脂製や、セラミック製からなり外周側壁面６０を基体５１の上面に対して略垂直状態としている。そして、基体５１の上面には、枠体５２の下面が接合材５３を介して接合されて発光素子収納用パッケージ５０が形成されている。

この発光素子収納用パッケージ５０の枠体５２が金属製からなる場合には、基体５１にセラミック製を用いて接合材５３にろう材を用いることができ、接合強度の高い接合体を形成することができる。しかしながら、金属製からなる枠体５２は、発光効率を向上させるため内周側壁面５９に反射率の高いＡｇめっき被膜や、Ａｌめっき被膜を形成する必要があるが、Ａｇや、Ａｌめっき被膜面に変色や、劣化が発生したりする場合があり、反射率の低下を起こすこととなっている。また、この金属製からなる枠体５２は、高価なめっき被膜を設ける必要があり、発光素子収納用パッケージ５０のコストアップとなっている。更に、金属製からなる枠体５２は、上方側に向かって開口径を大きくするすり鉢状等の貫通孔の内周側壁面５９を有する場合には、この内周側壁面５９を容易に形成するのが難しく高価となって、発光素子収納用パッケージ５０のコストアップとなっている。
また、上記の発光素子収納用パッケージ５０の枠体５２が樹脂製からなる場合には、安価な樹脂製の枠体５２を用いて安価な発光素子収納用パッケージ５０を形成することができる。しかしながら、樹脂製からなる枠体５２は、発光素子５４からの紫外線照射によって樹脂の表面に変色や、劣化が生じ、発光素子５４からの発光効率を低下させることとなっている。
更に、上記の発光素子収納用パッケージ５０の枠体５２がセラミック製からなる場合には、枠体５２をアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックの造粒粉末をプレス成形し焼成して形成し、基体５１との接合に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材を用いて接合している。この枠体５２は、造粒粉末のプレス成形で上方側に向かって開口径を大きくするすり鉢状等の貫通孔からなる微小な内周側壁面５９を容易に形成できる上に、セラミック製で耐熱性及び耐変色性の信頼性が高い。しかしながら、基体５１上面と枠体５２の垂直状態外周側壁面６０の接合部には、接合材溜まり（メニスカス）を形成することができないので、気密性や、接合強度が劣るという課題を抱えることとなっている。

従来の発光素子収納用パッケージには、基体表面に対して７０乃至８５度の角度をなす内周側壁面と、外周側壁面の基体と接合部に基体表面に対して７０乃至８５度の角度をなす切り欠きを有するセラミック製の枠体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発光素子収納用パッケージの枠体は、プレス成形した枠体を金型から取り出す際の枠体と金型間の摩擦力が小さくなるように作用させることができる。
また、従来の発光素子収納用パッケージには、セラミックからなる基体の上面と、セラミックからなる枠体の下面との間にセラミックからなる介在シート部を内周側で凹部（切り欠き）ができるようにして形成するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この発光素子収納用パッケージに設ける凹部（切り欠き）は、発光素子搭載後の封止樹脂の剥離を防止できるように作用させることができる。

特開２００７−２４２７３８号公報特開２００８−１９８７８２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）特開２００７−２４２７３８号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、枠体に設ける切り欠きの角度が７０乃至８５度と急角度であると共に、基体に設ける接合材の外周端が枠体の下面端と略同一であるので、接合材に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つを用いる場合に接合材の這い上がりによる接合材溜まりが発生し難く、メニスカスの形成が小さく、基体と枠体の接合部の気密性や、接合強度を高めることができなくなっている。
（２）特開２００８−１９８７８２号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、切り欠きの角度が略直角であるので、接合材に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つを用いる場合に接合材の這い上がりによる接合材溜まりの発生がなく、基体と枠体の接合部の気密性や、接合強度を高めることができなくなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材を用いる場合に、セラミック製の基体と、セラミック製の枠体の接合部の接合強度や、気密信頼性を高め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、平板状の上面に発光素子を搭載させるためのセラミック製の基体と、基体の上面に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材を用いて接合し貫通孔の内周側壁面で発光素子を囲繞するためのセラミック製の枠体を有する発光素子収納用パッケージにおいて、基体との接合部の枠体の略垂直面からなる外周側壁面の下方端部に接合材の外周側端部が上方側に這い上がって形成されるメニスカスを設けるための切り欠きを有すると共に、基体の上面に設けられる接合材の外周側端部が平面視して枠体の切り欠き内に有する。

ここで、上記の発光素子収納用パッケージは、切り欠きが枠体の下面から０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の高さ位置の外周側壁面に対して略直角面からなり基体の上面に対して平行平面に延設する水平面部と、水平面部に対して１１０度を超え１６５度以下の角度で交叉すると共に、枠体の下面に延設する傾斜面部を有するのがよい。

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、基体との接合部の枠体の略垂直面からなる外周側壁面の下方端部に接合材の外周側端部が上方側に這い上がって形成されるメニスカスを設けるための切り欠きを有すると共に、基体の上面に設けられる接合材の外周側端部が平面視して枠体の切り欠き内に有するので、銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材が切り欠きに這い上がって接合材溜まりによるメニスカスを形成することができ、基体と枠体を強固に接合させて、気密性や、接合強度の高い発光素子収納用パッケージを提供できる。また、この発光素子収納用パッケージは、基体や、枠体がセラミック製であるので、耐熱性及び耐変色性の信頼性の高い発光素子収納用パッケージを提供できる。更に、この発光素子収納用パッケージは、枠体をセラミックのプレス成形で形成できるので、微小な反射角と、切り欠きを容易に形成する安価なパッケージとすることができる。

特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、切り欠きが枠体の下面から０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の高さ位置の外周側壁面に対して略直角面からなり基体の上面に対して平行平面に延設する水平面部と、水平面部に対して１１０度を超え１６５度以下の角度で交叉すると共に、枠体の下面に延設する傾斜面部を有するので、切り欠きの水平面部までの高さが低く、基体と傾斜面部との角度が鋭角であり、接合材が切り欠きの傾斜面部や、場合によっては水平面部にまで這い上がって接合材溜まりによるメニスカスを容易に形成して、基体と枠体を強固に接合させて、気密性や、接合強度を高くすることができる。

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切り欠きの拡大説明図である。

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、１枚、又は複数枚の積層体からなる平板状の上面にＬＥＤ等の発光素子１１を搭載させるための、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、低温焼成セラミック等からなるセラミック製の基体１２を有している。また、この発光素子収納用パッケージ１０は、基体１２の上面に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材１３を用いて加熱して接合し、貫通孔の内周側壁面１４で発光素子１１を囲繞するためのセラミック製の枠体１５を有している。

上記の発光素子収納用パッケージ１０の基体１２は、外形形状を特に限定するものではないが、平面視して、例えば、四角形や、多角形や、円形等からなっている。また、この発光素子収納用パッケージ１０の枠体１５は、貫通孔の内周側壁面１４の形状を特に限定するものではないが、例えば、垂直形状や、上方側の開口径を大きくするテーパー状の形状からなっている。そして、発光素子収納用パッケージ１０には、貫通孔の開口から露出する基体１２の上面と、枠体１５の貫通孔の内周側壁面１４で、中央部にＬＥＤ等の発光素子１１を収納するために平面視して、四角形や、多角形や、円形等からなる収納部を形成している。枠体１５の内周側壁面１４は、発光素子１１を収納した時に発光素子１１からの発光の反射面として用い、発光効率を向上させている。なお、発光素子収納用パッケージ１０は、基体１２の平面視した外形形状及び外形寸法と、枠体１５の平面視した外形形状及び外形寸法が同一、又は異なっていてもよく、限定されるものではない。

上記の発光素子収納用パッケージ１０は、基体１２との接合部の枠体１５の略垂直面からなる外周側壁面１６の下方端部に切り欠き１７を有している。この切り欠き１７は、基体１２の上面と、枠体１５の下面を接合材１３を介して加熱して接合するときに、接合材１３の外周側端部が切り欠き１７の壁面を伝って上方側に這い上がって接合材溜まりであるメニスカス１８を設けることができるように形成されている。また、上記の発光素子収納用パッケージ１０は、基体１２の上面に設けられる接合材１３の外周側端部が平面視して枠体１５の切り欠き１７内に有している。銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材１３は、平面視する外周側端部が切り欠き１７内に設けられることで切り欠き１７の壁面を伝って上方側に這い上がりやすくなり、メニスカス１８を容易に形成することができる。この発光素子収納用パッケージ１０は、枠体１５に設ける切り欠き１７と、基体１２に設ける外周側端部が切り欠き１７内に延設させた接合材１３とによって、加熱で接合材１３を上方側に這い上がらせ適正なメニスカス１８を形成し、基体１２と枠体１５との接合強度が向上すると共に、接合部の気密信頼性が向上するように作用させることができる。

上記の発光素子収納用パッケージ１０では、通常、枠体１５を作製するのに、例えば、アルミナや、窒化アルミニウムや、低温焼成セラミック等からなる白色系のセラミック粉末にバインダ等を混合し顆粒状に造粒したセラミック造粒粉体材料を用い、これを粉体プレス金型で所望の形状にプレス成形し、焼成して形成している。この作製方法で作製される枠体１５は、所望の形状の内周側壁面１４と、切り欠き１７を容易に設け、且つ安価に作製できるので、この枠体１５を用いて基体１２との接合強度を向上させた接合部の気密信頼性の高い発光素子収納用パッケージ１０を安価にすることができる。また、この枠体１５は、セラミック製で発光素子１１からの発光の紫外線に対して耐変色性が高く、硫化や酸化による変色が発生するようなめっき被膜の形成が不要であるので、安価で反射率を高くする発光素子収納用パッケージ１０とすることができる。

上記の発光素子収納用パッケージ１０の基体１２には、例えば、上面側に電気的導通端子を有するＬＥＤ等の発光素子１１を実装する場合に、発光素子１１の下面側を基体１２の上面に搭載するすると共に、ボンディングワイヤ１９を介して発光素子１１の上面側の電気的導通端子を電気的に導通状態とするための導体パターンからなるワイヤボンドパッド２０が設けられている。更に、この基体１２には、ワイヤボンドパッド２０と接続して基体１２の厚み方向に設けた導体ビア２１や、表面に設けた導体配線２２を介して接続する導体パターンからなる外部接続端子パッド２３が下面に設けられ、ワイヤボンドパッド２０と外部接続端子パッド２３とを電気的に導通状態となるようにしている。

このセラミック製の基体１２は、例えば、セラミックにアルミナや、窒化アルミニウムや、低温焼成セラミック等の１又は複数枚のセラミックグリーンシートが用いられ、所定位置に導体ビア２１等の孔を穿孔して設けている。また、導体パターンを形成するための導体金属には、例えば、セラミックがアルミナや、窒化アルミニウム等の高温焼成のセラミックグリーンシートの場合には、セラミックグリーンシートと同時焼成が可能なタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属が用いられ、セラミックグリーンシートに導体パターンをスクリーン印刷して設けている。そして、複数枚のセラミックグリーンシートの場合には、重ね合わせて積層し、例えば、セラミックがアルミナからなる場合には、還元雰囲気中の１５５０℃程度の高温で焼成して平板状のセラミック製の基体１２を作製している。更に、基体１２上面の枠体１５との接合部となる位置には、銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材１３が設けられる。この接合材１３が銅箔からなる場合には、基体１２と、枠体１５のそれぞれのセラミックに直接接合する、いわゆるＤＣＢ（ＤｉｒｅｃｔＣｏｐｐｅｒＢｏｎｄ）法が用いられている。このＤＣＢ法とは、予め表面に酸化被膜を施した銅箔をセラミックに当接させ、非酸化性雰囲気中の１０８３℃近辺で焼成することで銅とセラミックとの接合界面にＣｕ−Ｏの共晶液相を生成させて接合させる方法である。

また、上記の接合材１３が銅ペーストからなる場合には、酸化銅粒子をペースト状にして基体１２にスクリーン印刷で接合部のパターンを形成し、この上に枠体１５載置して、それぞれのセラミックに直接接合する、いわゆるＤＣＢ法が用いられている。更に、上記の接合材１３がガラスからなる場合には、溶融温度の低い低融点ガラスが用いられ、この低融点ガラスを３００℃程度の低温で加熱させてその濡れ性によってそれぞれのセラミック間を接合させることができる。上記のいずれの接合材１３も、接合材１３自体の粘性が高い上に、接合材１３の外周側端部が平面視してして枠体１５の切り欠き１７内に有しているので、加熱による接合材１３の表面張力によって容易に切り欠き１７部にメニスカス１８を形成することができる。

図２に示すように、上記の発光素子収納用パッケージ１０の切り欠き１７は、枠体１５の下面から０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の高さ位置ｈの外周側壁面１６に対して略直角面からなり、基体１５の上面に対して平行平面に延設する水平面部２４を有しているのがよい。この水平面部２４は、切り欠き１７を形成するときのセラミックの造粒粉体を強固に押し付けてプレス成形することができ、切り欠き１７部におけるセラミック欠けや、クラックを防止することができる。また、上記の発光素子収納用パッケージ１０の切り欠き１７は、水平面部２４に対して１１０度を超え１６５度以下の角度αで交叉すると共に、枠体１５の下面に延設する傾斜面部２５を有しているのがよい。この傾斜面部２５は、接合材１３の切り欠き１７への這い上がりを促進させることができ、基体１２との接合強度を向上させることができると共に、接合部の気密信頼性を向上させることができる。

ここで、上記の水平面部２４の高さ位置ｈは、０．０４ｍｍを下まわる場合には、切り欠き１７の高さが低くなりすぎて切り欠き１７にメニスカス１８を形成するための接合材１３の溜まりを設けることができなくなり、基体１２との接合強度を低下させると共に、接合部の気密信頼性を低下させることとなる。また、水平面部２４の高さ位置ｈは、０．３ｍｍを超える場合には、枠体１５と基体１２との接合部のエリアが小さくなりすぎ、基体１２との接合強度を低下させると共に、接合部の気密信頼性を低下させることとなる。

上記の水平面部２４に対する傾斜面部２５の角度αは、１１０度以下の場合には、基体１２となす角度が大きくなりすぎ、接合材１３の傾斜面部２５への這い上がりが小さくなってメニスカス１８の形成するための接合材１３の溜まりを設けることができなくなり、基体１２との接合強度を低下させると共に、接合部の気密信頼性を低下させることとなる。また、水平面部２４に対する傾斜面部２５の角度αは、１６５度を超える場合には、枠体１５と基体１２との接合部のエリアが小さくなりすぎ、基体１２との接合強度を低下させると共に、接合部の気密信頼性を低下させることとなる。

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。

（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切り欠きの拡大説明図である。（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：発光素子、１２：基体、１３：接合材、１４：内周側壁面、１５：枠体、１６：外周側壁面、１７：切り欠き、１８：メニスカス、１９：ボンディングワイヤ、２０：ワイヤボンドパッド、２１：導体ビア、２２：導体配線、２３：外部接続端子パッド、２４：水平面部、２５：傾斜面部

Claims

平板状の上面に発光素子を搭載させるためのセラミック製の基体と、該基体の上面に銅箔、銅ペースト、ガラスのいずれか一つからなる接合材を用いて接合し貫通孔の内周側壁面で前記発光素子を囲繞するためのセラミック製の枠体を有する発光素子収納用パッケージにおいて、
前記基体との接合部の前記枠体の略垂直面からなる外周側壁面の下方端部に前記接合材の外周側端部が上方側に這い上がって形成されるメニスカスを設けるための切り欠きを有すると共に、前記基体の上面に設けられる前記接合材の前記外周側端部が平面視して前記枠体の前記切り欠き内に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、前記切り欠きが前記枠体の下面から０．０４ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の高さ位置の前記外周側壁面に対して略直角面からなり前記基体の上面に対して平行平面に延設する水平面部と、該水平面部に対して１１０度を超え１６５度以下の角度で交叉すると共に、前記枠体の下面に延設する傾斜面部を有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。