JP2011192845A - 発光部品、発光器及び発光部品の製造方法 - Google Patents

発光部品、発光器及び発光部品の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ガスバリア性が良好であり、吸湿性の無い信頼性の高い発光部品を提供すること。
【解決手段】 無機材料からなる内側に傾斜面を有する反射部材と、発光素子と接続される前記反射部材を貫通する貫通電極と、前記発光素子を覆うモールド部と、前記発光素子を前記反射部材とで封止するガラス板と、を備える発光部品を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、高輝度及び高出力のLED(Light Emitting Diode)素子を光源として使用する発光部品に関するものであって、湿度やガスに対する保護により、LED素子の使用寿命を伸ばすことが出来るよう改善された発光部品、発光器及び発光部品の製造方法に関する。
従来の表面実装型発光素子は発光素子が、リードフレームと、このリードフレーム上に形成された成形樹脂とで作られる凹部の底部に固着され、リード線は、ワイヤーボンデイングにより、リードフレームと接続されている。凹部には,透明樹脂が充填され、発光素子が封止されている。光反射面は、発光素子の光を反射させ、外部へ放射させるためのものである。
しかしながら、上記のような従来の表面実装型発光素子においては、発光素子の封止が、透明樹脂を凹部に充填することにより行われていた.このため、透明樹脂が予め吸湿してしまうとリフローはんだ付け時の熱により、パッケージにクラックが発生することがあった。
これらの欠点を解消するべく、表面実装型発光素子として、「発光ダイオード」などが提案されている。(特許文献1)
図7を用いて発光ダイオードについて説明する。図7に示すように、発光ダイオード素子が凹部を有するパッケージの該凹部の底部に実装され、封止されている表面実装型発光ダイオードにおいて、前記パッケージは導電パターン300を有するMID(Molded Interconnect Devices)基板200からなり、前記凹部は開口部に透明封止板700と内壁部に光反射面を備え、かつ前記凹部内の光の媒質が空気であると共に、前記凹部に前記発光ダイオード素子500をフリップチップ実装し、更に発光ダイオード素子500は、バンプ面を含む少なくとも一面以上が、アンダーフィル樹脂600により覆うものを提供している。
この発明によるとアンダーフィル樹脂により、発光ダイオード素子のバンプ面を含む少なくとも一面以上を覆うことにより、耐湿度性や耐振動性、耐衝撃性等も向上させることができるというものである。
特開2003−158301号公報
しかしながら、上記発光ダイオードでは、凹部に樹脂を充填する表面実装型発光素子より信頼性が向上する可能性はあるものの、透明封止板とMID基板の接着方法によっては、湿気から保護することは難しく、また、吸湿性や透湿性、透ガス性を有するMID基板、アンダーフィル樹脂を用いている。そのため、パッケージ外から湿気がパッケージ内に到達し、ダイオード素子の電極を酸化させたり、樹脂の膨張により、チップに応力を加えさせたり、硫化ガスが透過する場合にはバンプを腐食させたりするため、耐環境性に課題がある。
上述した課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
無機材料からなる内側に傾斜面を有する反射部材と、発光素子と接続される前記反射部材を貫通する貫通電極と、前記発光素子を覆うモールド部と、前記発光素子を前記反射部材とで封止するガラス板と、外部電極を備える発光部品を提供する。
反射部材の材料は、ガラス、セラミックス等の無機材料であることを特徴とする。反射部材の傾斜面及び底面には、コールドミラー膜、銀膜、アルミニウム膜、白レジストと呼ばれる白色のインクの少なくともいずれか1つを形成してもよい。
貫通電極は熱伝導性の良い銅、銀、金、アルミニウムのいずれかであることを特徴とする。貫通電極と発光素子は、バンプにより接合されるか、ワイヤボンドを用いて接続する。バンプは金属ナノ粒子を焼成することにより形成されることを特徴とする。
ガラス板と反射部材は、必要に応じて形成した金属膜を溶融させる接合、低融点ガラスを用いた溶融接合、陽極接合、ガラス板の溶融による接合、金属ナノ粒子を焼成する接合、ゾルゲル法を応用した接着のいずれかの接合により発光素子を封止することを特徴とする。
このような手段をとることで、発光部品が環境にさらされる部分が、接続部を含めて、金属材料或いは無機材料にすることができるため、吸湿性、透湿性、透ガス性のない構造となり、耐環境性が格段に向上する信頼性の高い発光部品を提供することができる。
本発明によると、吸湿性、透湿性、透ガス性のないパッケージで発光素子を構造するため、耐環境性が格段に向上する信頼性の高い発光部品を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る発光部品の断面図である。 本発明の第1実施形態に係る発光部品の上面図である。 本発明の第2実施形態に係る発光部品の断面図である。 本発明の第2実施形態に係る発光部品の上面図である。 本発明の第3実施形態に係る発光部品の断面図である。 本発明の第3実施形態に係る発光部品の上面図である。 従来例の断面図を示す図である。
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1、図2は本発明の第1実施形態に係る発光部品を示す図である。図1は、発光部品の断面図である。
発光部品1は、開口端から底面に向かって狭まる傾斜面を有する凹部を内側に形成された無機材料からなる反射部材20と、凹部の底面に設置された発光素子50と、発光素子と電気的に接続され、反射部材の凹部の底面から底面と反対の面まで貫通する2つの貫通電極21と、発光素子を覆うモールド部60と、反射部材の凹部の開口端側の面に接合されたガラス板70と、を備えている。また、2つの貫通電極21は、発光素子50とバンプ40を介して接合している。また、反射部材の凹部の底面と反対の面には、2つの外部電極が形成され、それぞれ異なる貫通電極と接続している。
反射部材20の材料としては、ガラス、セラミック等の無機材料を用いる。ガラスは、透明ガラス、白色不透明ガラス等を使用できる。無機材料素材の反射率よりも反射率を向上するために、傾斜面に銀膜、アルミニウム膜、コールドミラー膜、白レジスト、白インク等の反射膜を形成してもよい。
貫通電極21は、熱伝導性の高い金属、例えば、金、銀、銅、アルミ、等の材料が適しているが、これらに限定されるものではない。例えば、反射部材20の材質がガラスである場合には、熱膨張係数の追懐材料として、コバールや鉄−ニッケル合金を用いてもよい。
バンプ40は一般的なハンダ、導電ペースト、金バンプ、スズバンプ等からなる。
外部電極30は基板との実装性を改善するために形成する。外部電極30は、焼成した導電ペーストや金属膜からなる。
モールド部70の材料は、透明樹脂を用いることができ、例えば、エポキシ、アクリル、シリコーン、ポリシロキサン等の樹脂を使用することが可能である。また、上記樹脂に蛍光体等を混入してもよい。
ガラス板70は透明であり、反射部材20と接合・接着することにより、発光素子50を封止されている。ガラス板70と反射部材20は、必要に応じて形成した金属膜を溶融させる接合、低融点ガラスを用いた溶融接合、陽極接合、ガラス板の溶融による接合、金属ナノ粒子を焼成する接合、ゾルゲル法を応用した接着のいずれかの接合によりなる。また、反射部材20の材質がガラスで、熱膨張係数が違うときのガラス板70の厚みは任意の厚みでよい。しかし、反射部材20とガラス板70の線膨張係数の異なる場合に、ガラス板70の厚みを制御しないと、発光部品1を基板に実装する際のリフロー時の加熱により、ガラス板70にクラックが入ることがある。一方、ガラス板70の厚さを25−100μmに制御すると、リフロー時の加熱等で破壊されなくなる。そのため、ガラス板70の厚さは、好ましくは25−100μmが適当である。
図2は、本発明の第1実施形態に係る発光部品の上面図である。なお、図2はガラス板を接合する前の状態を示す図である。図2中の点線で囲まれた部分は、モールド部60が形成される部分である。また、図2において横線で示された部分は、反射部材20の傾斜面を示している。
本発明により、発光部品が環境にさらされる部分が、ガラス板70と反射部材20との接合部を含めて、金属材料或いは無機材料にすることができるため、吸湿性、透湿性、透ガス性のない構造となり、耐環境性が格段に向上する信頼性の高い発光部品を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る発光部品の製造方法を以下に示す。
まず、反射部材20の凹部の底面に発光素子50を搭載し、かつ発光素子50を2つの貫通電極21と電気的に接続する発光素子搭載工程を行う。
反射部材20は、開口端から底面に向かって狭まる傾斜面を有する凹部を内側に形成されたものを用いる。なお、反射部材20がガラスを用いた場合、凹部を熱プレス成形によって形成してもよい。無機材料素材の反射率よりも反射率を向上するために、傾斜面に加え、底面の一部に銀膜、アルミニウム膜、コールドミラー膜、白レジスト、白インク等を形成してもよい。なお、その際、底面には、銀膜、アルミニウム膜等の金属膜の場合はショートしないように、コールドミラー膜、白レジスト、白インク等の絶縁膜の場合は実装に影響ないように形成する必要がある。
貫通電極21は、発光素子50の搭載前に銀ペーストや銅ペーストなどで形成することができる。また、貫通電極21は、反射部材20に2つの貫通孔を形成し、貫通孔の内部に焼成銀や焼成した導電ペースト等で形成することもできる。さらに、2つの貫通電極20は、それぞれ異なる外部電極30と接続している。外部電極30は、反射部材20の凹部の底面と反対の面に2つ形成されており、それぞれ正極と負極になっている。また、発光部品は、2つの貫通電極とバンプ40を介して搭載する。
次に、発光素子50をモールド部60で覆うモールド部形成工程を行う。この工程により、発光素子50はモールドされる。
その後、反射部材20とガラス板70とを接合するガラス板接合工程を行う。この工程において、ガラス板50は、前記反射部材の前記凹部の開口端側の面に接合される。ガラス板70と反射部材20は、必要に応じて形成した金属膜を溶融させる接合、低融点ガラスを用いた溶融接合、陽極接合、ガラス板の溶融による接合、金属ナノ粒子を焼成する接合、ゾルゲル法を応用した接着のいずれかの接合によりなる。なお、ガラス板70と反射部材20との接合が金属ナノ粒子を焼成する接合の場合、金属ナノ粒子は、銀、金錫合金、金、銅のいずれかである。また、接合方法によっては、反射部材20にセラミックスを用いた場合、ガラス板70または反射部材20の少なくともいずれか接合面に金属膜を形成しておくと、安定して接合ができる。
(第2実施形態)
図3は本発明の第2実施形態に係る発光部品の断面図である。図1と異なる点は、発光素子50が一方の貫通電極と図示しないダイボンド剤で接合され、さらにワイヤボンド41で他方の貫通電極21と接続されていることである。このように構成することにより、本発明は図1のようなフリップチップタイプ以外の発光素子50にも適用できる。
ここで、ダイボンド剤と称されるものは、例えば銀ペースト等の導電性接着剤などである。また、発光素子50と貫通電極21は、放熱性を考慮し、例えば銀、金錫合金、金、銅等の金属ナノ粒子を焼結させて、接合することで樹脂成分のない熱伝導性の高い接合となる。
図4は、本発明の第2実施形態に係る発光部品の上面図である。なお、図4はガラス板を接合する前の状態を示す図である。図4中の点線で囲まれた部分は、モールド部60が形成される部分である。また、図4において横線で示された部分は、反射部材20の傾斜面を示している。
本発明の第2実施形態に係る発光部品の製造方法を以下に示す。第1実施形態と発光素子搭載工程において、発光素子50と貫通電極21とを電気的に接続させる方法が異なる点以外は同様である。なお、第1実施形態と同様の工程については省略する。
第2実施形態では、発光素子工程において、発光素子50が前記貫通電極21のうち一方と接合する。さらに、発光素子50がワイヤボンド41により貫通電極21のうち他方と電気的に接続する。また、この工程において、発光素子は一方の貫通電極とダイボンド剤を介して接合する。
(第3実施形態)
図5は本発明の第3実施形態に係る発光部品の断面図である。第2実施形態と異なる点は、第2実施形態の反射部材20の凹部の底面を形成する部分を第1の金属基板31および第2の金属基板32で形成し、傾斜面を形成する部分およびガラス板70と接合する面を第2実施形態と同様の無機材料からなる反射部材20で形成している点である。なお、本実施形態においても、ガラス板70は、無機材料からなる反射部材20上で接合されている。そのため、第1実施形態および第2実施形態と同様に、吸湿性、透湿性、透ガス性のない構造となり、耐環境性が格段に向上する信頼性の高い発光部品を提供することができる。
以下に第3実施形態の詳細な説明を記載する。
本実施形態の発光部品1は、第1の金属基板31と、第1の金属基板と同一平面上に形成された第2の金属基板32と、第1の金属基板31と第2の金属基板32とを電気的に絶縁する絶縁部材33と、開口端から第1の金属基板31及び第2の金属基板32側に向かって狭まる傾斜面を有する貫通孔を内側に備える無機材料からなる反射部材33と、第1の金属基板31に搭載された発光素子50と、発光素子50と接続するとともに、第2の金属基板に接続するワイヤボンド41と、発光素子を覆うモールド部60と、反射部材の貫通孔の開口端側の面に接合されたガラス板70と、を備えている。
第1の金属基板31および第2の金属基板32は互いに絶縁されており、2つの金属基板31間には絶縁部材33がある。これにより、各金属基板を外部電極とすることができる。また、各金属基板の材質は、アルミニウム、金、銀、銅等である。また、各金属基板の厚みは、放熱性、構造上の強度、製造しやすさ、等を考慮すると10μmから100μmが適当である。さらに、金属基板31の材質が銅である場合には、腐食を抑えるために、金めっきや、Snめっき等の防錆処理をしてもよい。また、各金属基板は1つの金属基板を分割して形成することも可能である。
絶縁部材33の材料は反射部材20と同じ材料とすることができる。また、必要に応じて、発光素子の搭載面側に、反射部材の傾斜面に形成した反射膜を形成してもよい。また、絶縁部材33は、モールド部60と同一の材料で形成することもできる。
発光素子50は、第1の金属基板31とダイボンド剤によって接合されている。
反射部材20を各金属基板に設置する方法として、反射部材20の材質がガラスである場合には、各金属基板の表面に、例えば1000Åから5000Åのシリコンの薄膜を形成し、陽極接合法により、接合することも可能である。ただし、各金属基板がアルミニウムで形成されている場合は、上記薄膜を形成せずに陽極接合することができる。また、反射部材20の材質がセラミックスである場合には、例えば銀ろうを用いて、ろう付けすることも可能である。
図6は、本発明の第3実施形態に係る発光部品の上面図である。なお、図6はガラス板を接合する前の状態を示す図である。図6中の点線で囲まれた部分は、モールド部60が形成される部分である。また、図6において横線で示された部分は、反射部材20の傾斜面を示している。また、縦線で示された部分は、第1の金属基板31および第2の金属基板32であり、その間には絶縁部材33が形成されている。
本発明の第3実施形態に係る発光部品の製造方法を以下に示す。なお、モールド部形成工程およびガラス板接合工程は、第1実施形態および第2実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態では、発光素子搭載工程において、まず、開口端側が広い、すなわち開口端から各金属基板側に向かって狭まる傾斜面を有する貫通孔を内側に形成された無機材料からなる反射部材20が設置された第1の金属基板31上に発光素子を搭載する。さらに、第1の金属基板31と同一平面に形成されるとともに第1の金属基板31と絶縁部材33により電気的に絶縁され、反射部材が設置された第2の金属基板32と発光素子50とをワイヤボンド41により電気的に接続する。
この工程において、各金属基板は1つの金属基板を分割して形成することが可能である。また、発光素子は第1の金属基板31と第2実施形態と同様なダイボンド剤を介して接合することができる。
また、反射部材20がガラスからなる場合、発光素子搭載工程の前に、第1の金属基板31上および第2の金属基板32上に反射部材20を設置し、反射部材20の内側に熱プレス成形によって開口端から底面に向かって狭まる傾斜面を有する貫通孔を形成することができる。さらに、この場合、絶縁部材33は、熱プレス成形によって第1の金属基板31と第2の金属基板32との間に押し出された反射部材20を構成する無機材料により形成することが可能である。
このような構造にすると、耐環境性が良く、更に、放熱性の良い構造になるため、更に発光部品1の信頼性を向上させることができる。
本発明の発光部品は、例えば照明器具や、電光掲示板、車のヘッドライトなどの発光器などに用いることができる。本発明の発光部品は、光源として、試料などの検査対象に光を透過、又は反射させることによって対象物を観察、検査する検査装置に用いることができる。検査装置としては、例えば、偽札鑑定装置、金属の表面の微細な傷や欠陥を見つける画像処理機器、更には、医療、バイオ分野において組織やDNAといった微小化学物質の検知用装置、樹脂硬化装置などに用いることができる。
1 発光部品
20 反射部材
21 貫通電極
30 外部電極
31、32 金属基板
33 絶縁部材
40 バンプ
41 ワイヤボンド
50 発光素子
60 モールド部
70 ガラス板
100 発光ダイオード
200 MID基板
300 導電パターン
400 バンプ
500 発光ダイオード素子
600 アンダーフィル樹脂
700 透明封止板

Claims (26)

  1. 開口端から底面に向かって狭まる傾斜面を有する凹部を内側に形成された無機材料からなる反射部材と、
    前記凹部の底面に設置された発光素子と、
    前記発光素子と電気的に接続され、前記反射部材の前記凹部の底面から前記底面と反対の面まで貫通する2つの貫通電極と、
    前記発光素子を覆うモールド部と、
    前記反射部材の前記凹部の開口端側の面に接合されたガラス板と、
    を備えることを特徴とする発光部品。
  2. 前記2つの貫通電極は、それぞれ異なる外部電極に電気的に接続され、
    前記発光素子は、前記2つの貫通電極とバンプを介して接合することを特徴とする請求項1に記載の発光部品。
  3. 前記2つの貫通電極は、それぞれ異なる外部電極に電気的に接続され、
    前記発光素子は、一方の前記貫通電極と接合するとともに、ワイヤボンドと接続し、
    前記ワイヤボンドは、他方の前記貫通電極と接続することを特徴とする請求項1に記載の発光部品。
  4. 前記発光部品は前記一方の貫通電極とダイボンド剤を介して接合することを特徴とする請求項3に記載の発光部品。
  5. 第1の金属基板と、
    前記第1の金属基板と同一平面上に形成された第2の金属基板と、
    前記第1の金属基板と前記第2の金属基板とを電気的に絶縁する絶縁部材と、
    開口端から前記第1の金属基板及び前記第2の金属基板側に向かって狭まる傾斜面を有する貫通孔を内側に備える無機材料からなる反射部材と、
    前記第1の金属基板に搭載された発光素子と、
    前記発光素子と接続するとともに、前記第2の金属基板に接続するワイヤボンドと、
    前記発光素子を覆うモールド部と、
    前記反射部材の前記貫通孔の開口端側の面に接合されたガラス板と、
    を備えることを特徴とする発光部品。
  6. 前記発光部品は前記第1の金属基板とダイボンド剤を介して接合することを特徴とする請求項5に記載の発光部品。
  7. 前記反射部材はセラミック、ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の発光部品。
  8. 前記反射部材はガラスであり、前記絶縁部材が前記反射部材と同一材料であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の発光部品。
  9. 前記絶縁部材は、前記第1の金属基板と前記第2の金属基板の間に形成され、前記発光素子側の面がコールドミラー膜、銀膜、アルミニウム膜の少なくともいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項8に記載の発光部品。
  10. 前記ガラス板と前記反射部材との接合は、金属膜を溶融させる接合、低融点ガラスを用いる溶融接合、陽極接合、ガラス板の溶融による接合、金属ナノ粒子を焼成する接合、ゾルゲル法を応用した接合のいずれかの接合であることを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載の発光部品。
  11. 前記ガラス板と前記反射部材との接合が金属ナノ粒子を焼成する接合の場合、前記金属ナノ粒子は、銀、金錫合金、金、銅のいずれかであることを特徴とする請求項10に記載の発光部品。
  12. 前記反射部材の前記傾斜面は、コールドミラー膜、銀膜、アルミニウム膜の少なくともいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載の発光部品。
  13. 開口端から底面に向かって狭まる傾斜面を有する凹部を内側に形成され、前記凹部の前記底面から前記底面と反対の面まで貫通する2つの貫通電極を形成された無機材料からなる前記反射部材の前記凹部の前記底面に発光素子を搭載し、かつ前記発光素子を前記2つの貫通電極と電気的に接続する発光素子搭載工程と、
    前記発光素子をモールド部で覆うモールド部形成工程と、
    前記反射部材の前記凹部の開口端側の面にガラス板を接合するガラス板接合工程と、
    を備えることを特徴とする発光部品の製造方法。
  14. 前記発光素子搭載工程の前に、前記反射部材の前記凹部の前記底面から前記底面と反対の面まで貫通する前記2つの貫通電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする請求項13に記載の発光部品の製造方法。
  15. 前記発光素子搭載工程において、前記発光素子は前記2つの貫通電極とバンプを介して接合され、前記2つの貫通電極はそれぞれ異なる外部電極と接続されることを特徴とする請求項13または請求項14に記載の発光部品の製造方法。
  16. 前記発光素子搭載工程において、前記発光素子は一方の前記貫通電極と接合するとともに、ワイヤボンドにより他方の前記貫通電極と電気的に接続し、前記2つの貫通電極はそれぞれ異なる外部電極と接続を特徴とする請求項13または請求項14に記載の発光部品の製造方法。
  17. 前記発光部品搭載工程において、前記発光素子は前記一方の貫通電極とダイボンド剤を介して接合することを特徴とする請求項16に記載の発光部品の製造方法。
  18. 前記発光素子搭載工程の前に、前記反射部材の前記凹部の前記底面と反対の面に2つの前記外部電極を形成し、前記2つの貫通電極をそれぞれ異なる前記外部電極と接続することを特徴とする請求項15から17のいずれか一項に記載の発光部品の製造方法。
  19. 開口端側が広い傾斜面を有する貫通孔を内側に形成された無機材料からなる反射部材が設置された第1の金属基板上に発光素子を搭載し、かつ前記第1の金属基板と同一平面に形成されるとともに前記第1の金属基板と絶縁部材により電気的に絶縁され、前記反射部材が設置された第2の金属基板と前記発光素子とをワイヤボンドにより電気的に接続する発光素子搭載工程と、
    前記発光素子をモールド部で覆うモールド部形成工程と、
    前記反射部材の前記貫通孔の開口端側の面にガラス板を接合するガラス板接合工程と、
    を備えることを特徴とする発光部品の製造方法。
  20. 前記発光部品搭載工程において、前記発光素子は前記第1の金属基板とダイボンド剤を介して接合することを特徴とする請求項19に記載の発光部品の製造方法。
  21. 前記反射部材はセラミック、ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項13から20のいずれか一項に記載の発光部品の製造方法。
  22. 前記ガラス板接合工程は、金属膜を溶融させる接合、低融点ガラスを用いる溶融接合、陽極接合、ガラス板の溶融による接合、金属ナノ粒子を焼成する接合、ゾルゲル法を応用した接合のいずれかの接合であることを特徴とする請求項13から21のいずれか一項に記載の発光部品の製造方法。
  23. 前記ガラス板接合工程が金属ナノ粒子を焼成する接合の場合、前記金属ナノ粒子は、銀、金錫合金、金、銅のいずれかであることを特徴とする請求項22に記載の発光部品の製造方法。
  24. 前記反射部材がガラスの場合であって、前記発光素子搭載工程の前に、前記第1の金属基板上および前記第2の金属基板上に前記反射部材を設置し、前記反射部材の内側に熱プレス成形によって開口端から底面に向かって狭まる傾斜面を有する貫通孔を形成することを特徴とする請求項21から23のいずれか一項に記載の発光部品の製造方法。
  25. 前記発光素子搭載工程の前において、前記絶縁部材は、前記熱プレス成形によって前記第1の金属基板と前記第2の金属基板との間に押し出された前記反射部材を構成する前記無機材料により形成されることを特徴とする請求項24に記載の発光部品の製造方法。
  26. 請求項1から12のいずれか一項に記載の発光部品を用いた発光器。
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