JP2011192682A - 光半導体パッケージおよび光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】キャビティ底部の反射率や機械的強度を維持することを目的とする。
【解決手段】リード３と金属ブロック２とをベース下部１ｄで囲まれた領域のみで樹脂封止すると共に、キャビティ１０底面部となる金属ブロック２表面に樹脂を使用せず金属部品または耐変色性や耐変質性の高い材料で構成することにより、キャビティ１０底部の反射率や機械的強度を維持することができる。
【選択図】図４
【解決手段】リード３と金属ブロック２とをベース下部１ｄで囲まれた領域のみで樹脂封止すると共に、キャビティ１０底面部となる金属ブロック２表面に樹脂を使用せず金属部品または耐変色性や耐変質性の高い材料で構成することにより、キャビティ１０底部の反射率や機械的強度を維持することができる。
【選択図】図４
Description
本発明は、ＬＥＤをはじめとする光半導体素子を搭載する光半導体パッケージおよび光半導体装置に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光素子をパッケージするための光半導体パッケージとして、光素子を搭載する素子搭載部を有し、光素子から外部回路に電気接続する為のリードが設けられたものが知られている。そして、この光半導体パッケージの素子搭載部に光素子を搭載し、光素子と導電部材とをワイヤーボンディングし、透明樹脂で封止することによって半導体発光装置が形成される。
図７は従来の光半導体パッケージの外観構造を示す上面図である。図８は従来の光半導体パッケージの構造を示す断面図であり、図７のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
従来の光半導体パッケージに光素子を搭載した光半導体装置は、図７，図８に示すように、主面の素子搭載部に光素子２２を載置して導電性接着剤２４により光素子２２と電気的に接続される金属ブロック３３と、金属ワイヤ２６により光素子２２と電気的に接続されるリード３１と、金属ワイヤ２７により金属ブロック３３を介して光素子２２と電気的に接続されるリード３２と、透光性樹脂により形成され、光素子２２を覆うように配設される透光性部材１６と、遮光性樹脂により形成され、リード３１、３２のインナーリード部と金属ブロック３３とを支持する底部と透光性部材１６を支持する側部とを有する遮光性樹脂で形成されるベース１４とを備える。ここで、ベース１４、インナーリード部および金属ブロック３３で囲まれた領域が光素子２２を搭載するキャビティ領域となる。このキャビティ領域におけるインナーリード部および、金属ブロック３３表面には反射率アップの為、Ａｇめっきが施されている。このような従来の光半導体装置において、金属ブロック３３は、光素子２２を搭載する実装領域に対応する裏面領域をベース１４の底部を貫通して外部に露出させて放熱領域としている（例えば、特許文献１参照）。
従来の光半導体パッケージに光素子を搭載した光半導体装置は、図７，図８に示すように、主面の素子搭載部に光素子２２を載置して導電性接着剤２４により光素子２２と電気的に接続される金属ブロック３３と、金属ワイヤ２６により光素子２２と電気的に接続されるリード３１と、金属ワイヤ２７により金属ブロック３３を介して光素子２２と電気的に接続されるリード３２と、透光性樹脂により形成され、光素子２２を覆うように配設される透光性部材１６と、遮光性樹脂により形成され、リード３１、３２のインナーリード部と金属ブロック３３とを支持する底部と透光性部材１６を支持する側部とを有する遮光性樹脂で形成されるベース１４とを備える。ここで、ベース１４、インナーリード部および金属ブロック３３で囲まれた領域が光素子２２を搭載するキャビティ領域となる。このキャビティ領域におけるインナーリード部および、金属ブロック３３表面には反射率アップの為、Ａｇめっきが施されている。このような従来の光半導体装置において、金属ブロック３３は、光素子２２を搭載する実装領域に対応する裏面領域をベース１４の底部を貫通して外部に露出させて放熱領域としている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上述した従来の光半導体パッケージでは、遮光性樹脂で形成されるベースの劣化により反射率および機械的強度が低下するという問題点があった。
例えば、上記発光装置において、光素子２２搭載部である金属ブロック３３の周辺の遮光性樹脂で形成されたベースは、光素子２２から発せられる光（特に紫外線）と光素子２２から発せられて金属ブロック３３を介して伝導される熱によりダメージを受ける。一般的に遮光性樹脂は反射率の高い白色の熱可塑性樹脂を用いるが、熱や紫外線などの外的エネルギーを受けることによって、高分子素材が化学的に不安定になり、変色原因となる分子構造体が樹脂中に生成され、大半の場合黄色に変色する。また、この遮光性樹脂の変色は光素子からの直接光と熱的影響を最も受けるキャビティ底面部に集中して発生する。この変色によりキャビティ内面の反射率が低下し、発光装置の発光量が低下する。
例えば、上記発光装置において、光素子２２搭載部である金属ブロック３３の周辺の遮光性樹脂で形成されたベースは、光素子２２から発せられる光（特に紫外線）と光素子２２から発せられて金属ブロック３３を介して伝導される熱によりダメージを受ける。一般的に遮光性樹脂は反射率の高い白色の熱可塑性樹脂を用いるが、熱や紫外線などの外的エネルギーを受けることによって、高分子素材が化学的に不安定になり、変色原因となる分子構造体が樹脂中に生成され、大半の場合黄色に変色する。また、この遮光性樹脂の変色は光素子からの直接光と熱的影響を最も受けるキャビティ底面部に集中して発生する。この変色によりキャビティ内面の反射率が低下し、発光装置の発光量が低下する。
さらに、熱や紫外線などの影響で遮光性樹脂が変質し、ベース１４と他部品との接合強度の低下や、遮光性樹脂そのものの機械的強度の低下が生じるため、遮光性樹脂の剥離や脱落等による外形不良が発生する。
上記問題点を解決するために、本発明の光半導体パッケージおよび光半導体装置は、キャビティ底部の反射率や機械的強度を維持することを目的とする。
上記目的を達成させるために、本発明の光半導体パッケージは、環状のリングおよび前記リングの下部に形成される前記リングより内径の大きな環状のベース下部よりなるベースと、外部電極となるアウターリードを備えるリードと、前記ベース下部内に設けられ上部表面の一部が前記リング内に露出するブロックと、前記リング内に露出する前記ブロックの表面に設けられる光半導体素子の搭載領域となる素子搭載部と、前記素子搭載部と段差を設けて前記上部表面に形成されて前記リードの載置領域となるリード載置部と、前記下部領域内で前記ブロックと前記リードを封止して保持する封止材と、前記リングの側面と前記ブロックの上部表面とで囲まれた領域であるキャビティとを有し、前記ブロックの少なくとも前記上部表面部分を、波長４６０ｎｍの光に対する反射率が８３％以上の無機材料で形成し、前記キャビティの底部には前記ブロックの上部表面のみが露出することを特徴とする。
また、前記ブロック全体を、波長４６０ｎｍの光に対する反射率が８３％以上の無機材料で形成しても良い。
また、前記波長４６０ｎｍの光に対する平均反射率が８３％以上の無機材料が、Ａｕ−Ａｇ合金であることが好ましい。
また、前記波長４６０ｎｍの光に対する平均反射率が８３％以上の無機材料が、Ａｕ−Ａｇ合金であることが好ましい。
また、前記ブロックの前記上部表面に対向する裏面が前記封止材から露出することが好ましい。
また、前記ブロックが複数設けられ、各前記ブロックは電気的に独立していても良い。
また、前記ブロックが複数設けられ、各前記ブロックは電気的に独立していても良い。
また、前記リングを、セラミックスもしくはガラスセラミックスで構成することが好ましい。
また、前記リングを、アルミナが５０〜６０質量％含む高反射ガラスセラミックスで構成することが好ましい。
また、前記リングを、アルミナが５０〜６０質量％含む高反射ガラスセラミックスで構成することが好ましい。
また、前記封止材を、ガラスもしくは熱硬化性樹脂で構成することが好ましい。
さらに、本発明の光半導体装置は、前記光半導体パッケージと、前記素子搭載部に搭載され、前記リードと電気的に接続される光半導体素子と、前記キャビティ内に封止される透光性樹脂とを有することを特徴とする。
さらに、本発明の光半導体装置は、前記光半導体パッケージと、前記素子搭載部に搭載され、前記リードと電気的に接続される光半導体素子と、前記キャビティ内に封止される透光性樹脂とを有することを特徴とする。
以上により、キャビティ底部の反射率や機械的強度を維持することができる。
以上のように、リードと金属ブロックとをベース下部で囲まれた領域のみで樹脂封止すると共に、キャビティ底面部となる金属ブロック表面に樹脂を使用せず金属部品または耐変色性や耐変質性の高い材料で構成することにより、キャビティ底部の反射率や機械的強度を維持することができる。
図１は本発明の光半導体パッケージの構造例を示す上面図である。図２は本発明の光半導体パッケージの構造例を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’断面図である。図３は本発明の光半導体パッケージの構造例を示す裏面図である。図４は本発明の光半導体パッケージにおけるキャビティの構成を説明する断面斜視図である。図５は本発明の光半導体装置の構成を示す図であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
図１〜図３に示す通り、光半導体パッケージ６（以下、単に、パッケージ６という）は、ベース１と金属ブロック２とリード３とで構成される。ベース１は裏面側に段差のついた環状のリング１ａと金属ブロック２、リード３を接合する封止材１ｂからなり、共に絶縁材料からなる。リング１ａは段差を設けることにより、キャビティ内面に封止材１ｂを露出させること無く、封止材１ｂを充填する間隙を形成する。リング１ａは、反射率が高く、光および熱による変色の無いセラミックスやガラスセラミックス等からなり、封止材１ｂは、耐熱性に優れるガラスもしくは熱硬化性樹脂から成る。リング１ａに用いるガラスセラミックスは、アルミナが添加されており、アルミナ含有量が５０質量％以下では反射率が低下し、６０質量％以上では機械的強度が低下する。したがって、リング１ａに用いるガラスセラミックスはアルミナ含有量を６０質量％以上とすることが好ましい。また、リング１ａはアルミナを含有するガラスセラミックスに限定されることなく、反射率が高く、光および熱による変色や変質が少ない材料であればその他の材料を用いることも可能である。さらに、リング１ａはキャビティの側面のみを構成するため、キャビティ底面ほど光や熱の影響を受けないため、光や熱の影響が及ぶ範囲で変色や変質を抑制できる材料であればかまわない。
図１〜図３に示す通り、光半導体パッケージ６（以下、単に、パッケージ６という）は、ベース１と金属ブロック２とリード３とで構成される。ベース１は裏面側に段差のついた環状のリング１ａと金属ブロック２、リード３を接合する封止材１ｂからなり、共に絶縁材料からなる。リング１ａは段差を設けることにより、キャビティ内面に封止材１ｂを露出させること無く、封止材１ｂを充填する間隙を形成する。リング１ａは、反射率が高く、光および熱による変色の無いセラミックスやガラスセラミックス等からなり、封止材１ｂは、耐熱性に優れるガラスもしくは熱硬化性樹脂から成る。リング１ａに用いるガラスセラミックスは、アルミナが添加されており、アルミナ含有量が５０質量％以下では反射率が低下し、６０質量％以上では機械的強度が低下する。したがって、リング１ａに用いるガラスセラミックスはアルミナ含有量を６０質量％以上とすることが好ましい。また、リング１ａはアルミナを含有するガラスセラミックスに限定されることなく、反射率が高く、光および熱による変色や変質が少ない材料であればその他の材料を用いることも可能である。さらに、リング１ａはキャビティの側面のみを構成するため、キャビティ底面ほど光や熱の影響を受けないため、光や熱の影響が及ぶ範囲で変色や変質を抑制できる材料であればかまわない。
金属ブロック２は、光半導体素子を搭載する素子搭載部２ａと放熱パッド２ｂと素子搭載部２ａよりも低い面を形成する段差部２ｃを有する。金属ブロック２は、熱伝導特性に優れた無酸素銅等の金属から成り、リング１ａ内に設置される。
リード３は所定の形状に曲げプレス加工し、リング１ａに隣接して設置される。リード３のインナー部は金属ブロック２の段差部２ｃによって低く形成された面に載置される。段差部２ｃはリード３を素子搭載部２ａと同一高さ以下に設置する為に形成される。これにより、リード３が光半導体素子からの光を遮断することを防止できる。
リング１ａの段差により形成された隙間に金属ブロック２とリード３とが設けられ、リング１ａの隙間に金属ブロック２とリード３とを保持するように封止材１ｂが充填される。リード３は、金属材料からなり、金属ブロック２の素子搭載部２ａに搭載されるＬＥＤ素子等の半導体素子と金属ワイヤで接続され、外部回路と接続する。封止材１ｂは、金属ブロック２とリード３とを電気的に絶縁して固定する。封止材１ｂは、熱硬化性樹脂もしくはガラス材を用い、リング１ａはガラスセラミックもしくはセラミック材等を用いる。
さらに、キャビティの構成について、図４を用いて詳細に説明する。
キャビティ１０は、ベース１のリング１ａ側面と金属ブロック２の素子搭載部２ａを含む上面とで構成される領域であり、キャビティ１０内に搭載される光半導体素子から出射された光をキャビティ１０内で反射させ、キャビティ１０外に出光させることにより、光半導体装置の発光効率を向上させるものである。
キャビティ１０は、ベース１のリング１ａ側面と金属ブロック２の素子搭載部２ａを含む上面とで構成される領域であり、キャビティ１０内に搭載される光半導体素子から出射された光をキャビティ１０内で反射させ、キャビティ１０外に出光させることにより、光半導体装置の発光効率を向上させるものである。
図４に示すように、ベース１は段差部１ｃにより、キャビティ１０構成領域となる環状のリング１ａとリング１ａに比べて内径の大きい環状のベース下部１ｄに分割される。金属ブロック２は光半導体素子を搭載する面がキャビティ１０内に露出し、露出する面は段差部２ｃによって、素子搭載部２ａと、素子搭載部２ａより低く形成されてリード３を載置するリード載置部２ｄに分割される。ベース１に金属ブロック２を装着した状態において、段差部１ｃとリード載置部２ｄとの間に隙間を設け、その隙間にリード３を載置する構成である。また、ベース下部１ｄに囲まれる領域内を封止材１ｂにより封止し、リード３と金属ブロック２とを封止材１ｂで保持する。このような構成とすることで、リング１ａと金属ベース２とで囲まれた領域がキャビティ１０となる。
この時、ベース１にベース下部１ｄを設けることにより、リード３をベース下部１ｄに囲まれる領域内で封止することができるため、キャビティ１０内に封止材１ｂを設ける必要がなくなりキャビティ１０の底部には金属ブロック２のみが露出する。このように、光や熱による影響を受け易いキャビティ１０底部が、光や熱により変色や変質が生じ難い金属で形成されるため、発光率の低化や機械的強度の低化を抑制することができる。
図５に示すように、本発明の光半導体パッケージの素子搭載部２ａに光半導体素子４を搭載し、光半導体素子４とリード３とを金属ワイヤ５で電気的に接続し、さらに、キャビティ１０内を透光性樹脂（図示せず）で封止することにより、光半導体装置を形成する。
このように、本発明の光半導体パッケージを用いて光半導体装置を形成することにより、光や熱による影響を受け易いキャビティ１０底部が、光や熱により変色や変質が生じ難い金属で形成されるため、発光率の低化や機械的強度の低化を抑制することができる。その結果、キャビティ内面の反射率低下による発光量低下の少ない高信頼性を有した光半導体パッケージおよび光半導体装置を実現できる。
一般的な照明用ＬＥＤにおいては青色光源を変換して白色光としているため、４６０ｎｍ近辺の出射光に対するキャビティ内の反射率が重要になる。図６は光半導体パッケージに用いられるキャビティ材の反射率劣化を説明するための図であり、ＬＥＤパッケージに用いられるキャビティ材料の反射率を測定したものである。
図６に示すように、従来から用いる白色樹脂では、波長４６０ｎｍの出射光に対して、初期状態では８７％の反射率を示すが、温度１５０℃の環境試験後においては、熱的影響により４８時間後には８４％、１２０時間後には８１％となり、１０００時間後においては６０％以下となる。実使用上においては光半導体素子からの熱的影響に加え、光による樹脂の劣化変質も加わり、反射率はさらに低下する。特に光半導体素子と隣接するキャビティ底面部においては顕著な変色による反射率低下が見られる。また、インナーリードおよび、金属ブロック表面に施されたＡｇめっきは、白色樹脂よりも少ないが反射率の低下が見られる。これは、Ａｇめっき表面の硫化によるものである。
一方、本発明では封止材１ｂの位置を変更することによって、リング１ａを無機材料で構成することができ、樹脂材のような顕著な変色劣化は発生しない。ここで、一般的な無機材料は従来の半導体装置のベースを構成する樹脂材より、耐変色性、耐変質性が高くなるため、リング１ａとして、光の反射率が高く、耐変色性、対変質性も高い無機材料を用いることにより、光の反射率と機械的強度を維持することができる。特に、無機材料として、できるだけ光の反射率が高く、耐変色性、対変質性も高いものを用いることが好ましい。またその効果は、キャビティ１０底面部を構成する金属ブロック２に対してＡｇの表面処理を施しても効果は得られるが、さらに耐変色性の高いＡｕ−Ａｇ合金等の表面処理が施すことにより、さらに反射率の低下を抑制することができる。初期状態ではＡｇよりも低い８８％の反射率を示すが、温度１５０℃の環境試験後においては、熱的影響により４８時間後には８６％、１２０時間後には８４％となり、１０００時間後においても８０％にとどまる。
また、キャビティ側面部はガラスセラミック材により形成されるが、前記試験における反射率の劣化はほとんど見られない。
なお、以上の内容に関して、光半導体パッケージの金属ブロック２は、高い熱伝導特性と耐変質性を有するのであれば、一般的な銅、銅−鉄系合金等の銅合金、銅又は銅合金を含むクラッド材等を素材とし、Ａｇ−Ａｕ合金等の表面処理が施されたものから構成されてもよい。
なお、以上の内容に関して、光半導体パッケージの金属ブロック２は、高い熱伝導特性と耐変質性を有するのであれば、一般的な銅、銅−鉄系合金等の銅合金、銅又は銅合金を含むクラッド材等を素材とし、Ａｇ−Ａｕ合金等の表面処理が施されたものから構成されてもよい。
また、光半導体素子４からの放熱性については、素子搭載部２ａとなる金属ブロック２を熱伝導率が高い銅材を用い、パッケージ裏面まで突出させることにより、光半導体素子４およびキャビティ１０底面部の温度上昇を防止している。この効果はアルミ材等で形成されるメタル基板へ実装することによってさらに高められる。また、露出している金属ブロック２がパッケージ裏面とほぼ同一面とすることにより、基板への実装が容易となり好ましい。
また、上記説明では、金属ブロック２全体が金属からなる構成を例に説明したが、素子搭載部２ａの表面のみ、またはリード載置部２ｄを含む上部表面全面を光の波長４６０ｎｍにおける反射率が８３％以上で、光または熱による変色耐性あるいは変質耐性が熱可塑性樹脂よりも高い無機材料を用いて形成し、他の領域は任意の材料で形成することも可能である。この時、表面以外は熱伝導性の高い金属あるいは非金属の材料で構成すると、同時に放熱性も確保でき、なお好ましい。また、金属ブロック２全体を光の反射率が高く、熱や光による変色耐性や変質耐性が高い非金属材料で構成しても良い。
また、図面では、リードをパッケージの側面に沿う形態を示したが、裏面に接続端子を形成する形態やガルウィング状等、リードの形態は任意である。リードの数も１本や２本に限らず、任意の数を備えることができる。また、光半導体素子に裏面端子を設け、裏面で金属ブロックと電気的に接続させ、金属ブロックを外部端子の１つとして構成させても良い。
また、一つのパッケージ６内に複数の光半導体素子４を搭載する際において、金属ブロック２を複数設け、それぞれを電気的に独立させることにより、電気回路構成において自由度が得られる。例えば、光半導体素子における電極が実装面（裏面）側および発光面（表面）に形成されている表裏電極タイプの場合、各素子搭載部２ａを電気的に絶縁することにより、複数の光半導体素子４を直列にも接続することが可能となる。また、光半導体素子４における電極が実装面側に二極形成されている裏面二極タイプの場合、二つの金属ブロック２をまたいで実装することで搭載することができる。
以上のことから、耐久性、放熱性、回路設計自由度の高さを確保することにより、従来の光半導体パッケージよりも、発光量と機械的強度劣化の少ない高信頼性の光半導体パッケージおよび光半導体装置を提供できる。
本発明は、キャビティ底部の反射率や機械的強度を維持することができ、光半導体素子を搭載する光半導体パッケージおよび光半導体装置等に有用である。
１ ベース
１ａ リング
１ｂ 封止材
１ｃ 段差部
１ｄ ベース下部
２ 金属ブロック
２ａ 素子搭載部
２ｂ 放熱パッド
２ｃ 段差部
２ｄ リード載置部
３ リード
４ 光半導体素子
５ 金属ワイヤ
６ パッケージ
１０ キャビティ
１４ ベース
１６ 透光性部材
２２ 光素子
２４ 導電性接着剤
２６ 金属ワイヤ
２７ 金属ワイヤ
３１ リード
３２ リード
３３ 金属ブロック
１ａ リング
１ｂ 封止材
１ｃ 段差部
１ｄ ベース下部
２ 金属ブロック
２ａ 素子搭載部
２ｂ 放熱パッド
２ｃ 段差部
２ｄ リード載置部
３ リード
４ 光半導体素子
５ 金属ワイヤ
６ パッケージ
１０ キャビティ
１４ ベース
１６ 透光性部材
２２ 光素子
２４ 導電性接着剤
２６ 金属ワイヤ
２７ 金属ワイヤ
３１ リード
３２ リード
３３ 金属ブロック
Claims (9)
- 環状のリングおよび前記リングの下部に形成される前記リングより内径の大きな環状のベース下部よりなるベースと、
外部電極となるアウターリードを備えるリードと、
前記ベース下部内に設けられ上部表面の一部が前記リング内に露出するブロックと、
前記リング内に露出する前記ブロックの表面に設けられる光半導体素子の搭載領域となる素子搭載部と、
前記素子搭載部と段差を設けて前記上部表面に形成されて前記リードの載置領域となるリード載置部と、
前記下部領域内で前記ブロックと前記リードを封止して保持する封止材と、
前記リングの側面と前記ブロックの上部表面とで囲まれた領域であるキャビティと
を有し、前記ブロックの少なくとも前記上部表面部分を、波長４６０ｎｍの光に対する反射率が８３％以上の無機材料で形成し、前記キャビティの底部には前記ブロックの上部表面のみが露出することを特徴とする光半導体パッケージ。 - 前記ブロック全体を、前記波長４６０ｎｍの光に対する反射率が８３％以上の無機材料で形成することを特徴とする請求項１に記載の光半導体パッケージ。
- 前記波長４６０ｎｍの光に対する反射率が８３％以上の無機材料が、Ａｕ−Ａｇ合金であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
- 前記ブロックの前記上部表面に対向する裏面が前記封止材から露出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
- 前記ブロックが複数設けられ、各前記ブロックは電気的に独立していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
- 前記リングを、セラミックスもしくはガラスセラミックスで構成することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
- 前記リングを、アルミナが５０〜６０質量％含む高反射ガラスセラミックスで構成することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
- 前記封止材を、ガラスもしくは熱硬化性樹脂で構成することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光半導体パッケージ。
- 請求項１〜請求項８のいずれかに記載の光半導体パッケージと、
前記素子搭載部に搭載され、前記リードと電気的に接続される光半導体素子と、
前記キャビティ内に封止される透光性樹脂と
を有することを特徴とする光半導体装置。
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