JP2014143374A - 発光素子用パッケージ及びそれを用いた発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性の向上を図ることが可能で且つ光取り出し効率の向上を図ることが可能な発光素子用パッケージ及びそれを用いた発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子用パッケージ１０は、実装基板１と、リフレクタ２と、蓋３とを備える。蓋３は、リフレクタ２を覆い実装基板１に接合されている。実装基板１は、金属板１１と、電気絶縁層１２ａと、電気絶縁層１２ａに形成された孔１４と、第１導体層１２ｂと、サブマウント部材１３とを備える。サブマウント部材１３は、基材１３ａと、第２導体層１３ｂとを備える。第１導体層１２ｂは、リフレクタ２の投影領域に、第１端子部１２ｂａを有し、蓋３の外側に、第２端子部１２ｂｂを有する。第２導体層１３ｂは、実装領域１ａと実装基板１におけるリフレクタ２の投影領域とに跨る配線部１３ｂｂを有する。実装基板１は、配線部１３ｂｂと第１端子部１２ｂａとが、ワイヤ１７を介して電気的に接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】発光素子用パッケージ１０は、実装基板１と、リフレクタ２と、蓋３とを備える。蓋３は、リフレクタ２を覆い実装基板１に接合されている。実装基板１は、金属板１１と、電気絶縁層１２ａと、電気絶縁層１２ａに形成された孔１４と、第１導体層１２ｂと、サブマウント部材１３とを備える。サブマウント部材１３は、基材１３ａと、第２導体層１３ｂとを備える。第１導体層１２ｂは、リフレクタ２の投影領域に、第１端子部１２ｂａを有し、蓋３の外側に、第２端子部１２ｂｂを有する。第２導体層１３ｂは、実装領域１ａと実装基板１におけるリフレクタ２の投影領域とに跨る配線部１３ｂｂを有する。実装基板１は、配線部１３ｂｂと第１端子部１２ｂａとが、ワイヤ１７を介して電気的に接続されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光素子用パッケージ及びそれを用いた発光装置に関するものである。
発光素子を収納する発光素子用パッケージとしては、例えば、図８に示す構成の発光素子収納用パッケージが提案されている（特許文献１）。
図８に示す構成の発光素子収納用パッケージは、基体１０１と、枠体１０２と、蓋体１０３とを備えている。
基体１０１は、セラミックスにより形成されている。また、基体１０１は、発光素子１０６を搭載するための搭載部１０１ａを有している。
基体１０１には、メタライズ配線（図示せず）が形成されており、メタライズ配線の一部が、基体１０１の下面に露出している。
枠体１０２は、紫外光領域から可視光領域の光に対し反射率が高いＡｌ、Ａｇ、Ａｕ等の金属、又はセラミックス、又は樹脂により形成されている。枠体１０２の中心部には、内周面が上側に向うに伴って外側に広がっている貫通孔１０２ａが形成されている。また、枠体１０２がセラミックス又は樹脂により形成されている場合、その表面にＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ等の金属からなる反射層が形成されている。
枠体１０２は、下面の内周部の全周にわたって凸部１０５ａが形成されており、凸部１０５ａが基体１０１の上面に接合されている。これにより、枠体１０２は、下面の外周部が全周にわたって基体１０１の上面との間に隙間を有している。
蓋体１０３は、ガラス、サファイア、石英、樹脂等の透光性材料により形成されている。特許文献１には、蓋体１０３をレンズ状にすることにより光学レンズの機能を付加してもよい旨が記載されている。
なお、特許文献１には、上述の発光素子収納用パッケージと、搭載部１０１ａに搭載された発光素子１０６とを備えた発光装置も記載されている。
また、発光素子用パッケージとしては、例えば、図９に示す構成の発光素子収納用パッケージ２１０も提案されている（特許文献２）。
発光素子収納用パッケージ２１０は、セラミック製の絶縁基板２１１と、絶縁基板２１１の外周上面に接合されたリフレクター枠体２１２とを備えている。
リフレクター枠体２１２が絶縁基板２１１と同一組成又は異なる材料からなり、絶縁基板２１１の上面に焼結一体化されている。ここで、リフレクター枠体２１２は、白色窒化物セラミックスから構成されている。
絶縁基板２１１の下面には、回路基板等に電気的に接続するための供給用配線パターン層２１５が被着形成されている。また、絶縁基板２１１の上面には、発光素子接続用配線パターン層２１４が被着形成されている。
また、絶縁基板２１１には、その上下面にわたって貫通する配線用貫通孔２１６が形成されている。この配線用貫通孔２１６には、導電部材２１７が充填され、導電部２２２が形成されている。発光素子収納用パッケージ２１０は、導電部２２２を介して、発光素子接続用配線パターン層２１４と供給用配線パターン層２１５とが、電気的に導通するようになっている。発光素子収納用パッケージ２１０は、発光素子接続用配線パターン層２１４に、バンプ電極２２０を介して、発光素子２０６が電気的に接続されるようになっている。
また、発光装置としては、例えば、図１０に示す構成の発光装置３００が提案されている（特許文献３）。
発光装置３００は、ＬＥＤチップ３０６と、実装基板３０１と、サブマウント部材３１３と、ボンディングワイヤ３１７と、リフレクタ３０２と、封止部３０５と、レンズ３０７と、空気層３０９と、色変換部材３０８とを備えている。
図８の構成の発光素子収納用パッケージでは、枠体１０２の下面の内周部の全周にわたって形成された凸部１０５ａのみが基体１０１の上面に接合されているので、蓋１０３の上面側からの荷重に対する強度が低くなりやすい。
図９の構成の発光素子収納用パッケージ２１０では、リフレクター枠体２１２が絶縁基板２１１と同一組成又は異なる材料からなり、絶縁基板２１１の上面に焼結一体化されている。このため、発光素子収納用パッケージ２１０では、リフレクター枠体２１２の材料として、より反射率の高い金属を採用することができず、光取り出し効率の向上が難しい。
図１０の発光装置３００では、ＬＥＤチップ３０６の側面から放射される光の一部がボンディングワイヤ３１７により遮られ、光取り出し効率が低下してしまう懸念がある。
また、図１０の発光装置３００では、リフレクタ３０２とＬＥＤチップ３０６との間にボンディングワイヤ３１７があるので、リフレクタ３０２の開口面積の縮小化が制限され、ＬＥＤチップ３０６の側面から放射された光のうちリフレクタ３０２に直接入射しない光の光量が増加し、光取り出し効率が低下してしまう懸念がある。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、信頼性の向上を図ることが可能で且つ光取り出し効率の向上を図ることが可能な発光素子用パッケージ及びそれを用いた発光装置を提供することにある。
本発明の発光素子用パッケージは、発光素子を実装する実装基板と、前記実装基板の一表面側で前記実装基板における前記発光素子の実装領域を囲んで配置されたリフレクタと、前記実装基板の前記一表面側で前記リフレクタを覆い前記実装基板に接合された蓋とを備え、前記蓋は、蓋本体と、前記蓋本体において前記実装領域の前方に形成された窓孔を塞ぐように前記蓋本体に接合された光取り出し用の窓材とを備え、前記実装基板は、金属板と、前記金属板の前記一表面側に形成された電気絶縁層と、前記電気絶縁層に形成され前記金属板の前記一表面の一部を露出させる孔と、前記電気絶縁層上に形成された給電用の第１導体層と、前記孔の内側に配置され前記金属板の前記一表面側に接合されたサブマウント部材とを備え、前記サブマウント部材が、前記電気絶縁層よりも熱伝導率が高く且つ電気絶縁性を有する基材と、前記基材における前記金属板側とは反対の表面側に形成された給電用の第２導体層とを備え、前記第１導体層は、前記実装基板における前記蓋の投影領域と当該投影領域の外側とに跨って形成されており、前記リフレクタの投影領域に、内部接続用の第１端子部を有し、前記蓋の外側に、外部接続用の第２端子部を有し、前記第２導体層は、前記実装領域と前記実装基板における前記リフレクタの投影領域とに跨って形成されている配線部を有し、前記配線部と、前記第１端子部とが、ワイヤを介して電気的に接続されており、前記リフレクタは、前記実装基板との対向面に、前記ワイヤを収納する凹所が形成されてなることを特徴とする。
この発光素子用パッケージにおいて、前記凹所は、前記リフレクタの前記実装基板側の表面における外周端と内周端との両方から離れていることが好ましい。
この発光素子用パッケージにおいて、前記リフレクタは、前記サブマウント部材に重なる領域では前記実装基板に接合されずに接触しており、前記電気絶縁層に重なる領域で前記実装基板に接合されていることが好ましい。
この発光素子用パッケージにおいて、前記窓材は、レンズであり、前記リフレクタは、前記実装基板側とは反対の表面に、前記レンズを囲み前記レンズを位置決めする凸部を有することが好ましい。
この発光素子用パッケージにおいて、前記凸部は、環状であり、前記実装基板から離れるにつれて開口面積が徐々に大きっていることが好ましい。
この発光素子用パッケージにおいて、前記蓋本体は、筒体と、前記筒体における前記実装基板に近い側の端部である第１端部から外方へ突出した第１フランジと、前記筒体における前記実装基板から遠い側の端部である第２端部から内方へ突出した第２フランジとを備え、前記第２フランジの内周面が前記窓孔の内周面であり、前記レンズは、レンズ部と、前記レンズ部の外周部から全周に亘って外方に突出したベース部とを有し、前記レンズ部が前記窓孔に配置され、前記ベース部が前記第２フランジに接合されていることが好ましい。
本発明の発光装置は、前記発光素子用パッケージと、前記発光素子とを備えることを特徴とする。
本発明の発光素子用パッケージは、信頼性の向上を図ることが可能で且つ光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
本発明の発光装置は、信頼性の向上を図ることが可能で且つ光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
以下では、本実施形態の発光素子用パッケージ（以下、「パッケージ」という。）１０について、図１〜図３に基づいて説明する。
パッケージ１０は、実装基板１と、リフレクタ２と、蓋３とを備える。このパッケージ１０を用いた発光装置は、このパッケージ１０と、このパッケージ１０に収納された発光素子６とを備える。発光素子６は、固体発光素子であり、ＬＥＤチップを採用しているが、これに限らず、半導体レーザチップを採用することもできる。
実装基板１は、発光素子６を実装する基板である。「実装する」とは、発光素子６を配置して機械的に接続すること及び電気的に接続することを含む概念である。このため、実装基板１は、発光素子６を機械的に保持する機能と、発光素子６へ給電するための配線を形成する機能とを備えている。実装基板１は、複数個（例えば、６個）の発光素子６を実装できるように構成されている。実装基板１は、実装可能な発光素子６の個数を特に限定するものではなく、例えば、６個以外の複数個でもよい。
リフレクタ２は、実装基板１の一表面側で実装基板１における発光素子６の実装領域１ａを囲んで配置されている。逆に言えば、実装基板１は、平面視においてリフレクタの内周線に囲まれた領域が実装領域１ａを構成する。つまり、実装領域１ａは、リフレクタ２により規定される。
蓋３は、実装基板１の前記一表面側でリフレクタ２を覆い実装基板１に接合されている。これにより、パッケージ１０は、蓋３の上面側からの荷重に対する強度を向上させることが可能となり、信頼性を向上させることが可能となる。
蓋３は、蓋本体３１と、蓋本体３１において実装領域１ａの前方に形成された窓孔３１ｄを塞ぐように接合された光取り出し用の窓材３２とを備える。
実装基板１は、金属板１１と、金属板１１の前記一表面側に形成された電気絶縁層１２ａと、電気絶縁層１２ａに形成され金属板１１の前記一表面の一部を露出させる孔１４と、電気絶縁層１２ａ上に形成された給電用の第１導体層１２ｂと、孔１４の内側に配置され金属板１１の前記一表面側に接合されたサブマウント部材１３とを備える。
サブマウント部材１３は、電気絶縁層１２ａよりも熱伝導率が高く且つ電気絶縁性を有する基材１３ａと、基材１３ａにおける金属板１１側とは反対の表面側に形成された給電用の第２導体層１３ｂとを備える。
第１導体層１２ｂは、実装基板１における蓋３の投影領域と当該投影領域の外側とに跨って形成されている。第１導体層１２ｂは、２個、設けられている。第１導体層１２ｂは、リフレクタ２の投影領域に、内部接続用の第１端子部１２ｂａを有し、蓋３の外側に、外部接続用の第２端子部１２ｂｂを有している。実装基板１は、２つの第２端子部１２ｂｂのうちの一方が高電位側の外部接続端子を構成し、他方が低電位側の外部接続端子を構成する。
第２導体層１３ｂは、実装領域１ａと実装基板１におけるリフレクタ２の投影領域とに跨って形成されている配線部１３ｂｂを有している。配線部１３ｂｂは、２個、設けられている。
実装基板１は、隣り合って配置されている配線部１３ｂｂと第１端子部１２ｂａとが、ワイヤ１７を介して電気的に接続されている。実装基板１は、２個のワイヤ１７を備えている。なお、本実施形態では、第１導電層１２ｂ、第２導電層１３ｂ及び各ワイヤ１７により、配線を形成している。
リフレクタ２は、実装基板１との対向面に、ワイヤ１７を収納する凹所２ｂが形成されている。これにより、パッケージ１０は、発光素子６の側面から放射される光がワイヤ１７により遮られるのを防止することができ、しかも、発光素子６の側面から放射された光のうちリフレクタ２に直接入射しない光の光量を低減することが可能となる。よって、パッケージ１０は、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
以下、パッケージ１０及び発光装置の各構成要素について詳細に説明する。
発光素子６を構成するＬＥＤチップとしては、紫外線（紫外光）を放射する紫外ＬＥＤチップを採用している。紫外ＬＥＤチップは、例えば、発光層の材料としてＡｌＧａＮ系材料を採用しており、発光波長が２１０ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外波長領域で発光可能なＬＥＤチップである。
紫外ＬＥＤチップは、例えば、サファイア基板の一表面側に、ＡｌＮ層、ｎ形窒化物半導体層、発光層、電子ブロック層、ｐ形窒化物半導体層、ｐ形コンタクト層が積層され、ｎ形窒化物半導体層に電気的に接続された第１電極と、ｐ形コンタクト層を介してｐ形窒化物半導体層に電気的に接続された第２電極とを備えたＬＥＤチップを採用できる。ｎ形窒化物半導体層は、例えば、ｎ形ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層からなる。発光層は、ＡｌＧａＮ系材料からなる量子井戸構造を有している。量子井戸構造は、障壁層と井戸層とからなる。量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。発光層は、所望の発光波長の紫外光を発光するように井戸層のＡｌの組成を設定してある。ＡｌＧａＮ系材料からなる発光層では、Ａｌの組成を変化させることにより、発光波長（発光ピーク波長）を２１０〜３６０ｎｍの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。例えば、所望の発光波長が２６５ｎｍ付近である場合には、Ａｌの組成を０．５０に設定すればよい。また、紫外ＬＥＤチップは、発光層を単層構造として、発光層と発光層の厚み方向の両側の層（例えば、ｎ形窒化物半導体層およびｐ形窒化物半導体層）とでダブルヘテロ構造が形成されるようにしてもよい。紫外ＬＥＤチップの構造は、特に限定するものではない。
ＬＥＤチップは、紫外ＬＥＤチップに限らず、例えば、紫色光を放射する紫色ＬＥＤチップ、青色光を放射する青色ＬＥＤチップ、緑色を放射する緑色ＬＥＤチップ、赤色光を放射する赤色ＬＥＤチップ等を採用してもよい。また、ＬＥＤチップの発光層の材料や発光ピーク波長は特に限定するものではない。また、複数個の発光素子６を備える発光装置では、発光ピーク波長の異なる複数種類のＬＥＤチップを備えていてもよい。
ＬＥＤチップは、チップサイズを、０．３９ｍｍ□（０．３９ｍｍ×０．３９ｍｍ）としてある。ＬＥＤチップのチップサイズは、特に限定するものではなく、例えば、０．３ｍｍ□や０．４５ｍｍ□や１ｍｍ□のもの等を用いることができる。また、ＬＥＤチップの外周形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状や、正六角形状等でもよい。
また、ＬＥＤチップは、厚みを０．１６ｍｍ程度としてあるが、特に限定するものではない。
発光素子６は、第１電極及び第２電極の各々が同一面側に配置されており、バンプ７を介して第２導体層１３ｂと電気的に接続することができる。第２導体層１３ｂは、第１電極が接続される部分と、第２電極が接続される部分とが、電気的に絶縁されるように、パターン形成されている。発光素子６は、厚み方向の一面側に第１電極及び第２電極が配置されている構成で当該一面側から光を取り出す場合、第１電極及び第２電極の各々を、ワイヤを介して第２導電体層１３ｂと電気的に接続するようにしてもよい。
発光素子６は、厚み方向の一面側に第１電極及び第２電極が設けられたＬＥＤチップに限らず、例えば、厚み方向の一面側に第１電極が設けられ、他面側に第２電極が設けられたＬＥＤチップでもよい。この場合、第１電極と第２電極との一方を導電性の接合材を介して第２導電層１３ｂにダイボンドし、他方をワイヤを介して第２導体層１３ｂと電気的に接続するようにすればよい。
発光素子６については、上述のように、ＬＥＤチップに限らず、半導体レーザチップを採用することもできる。
実装基板１の金属板１１の外周形状は、矩形状としてある。金属板１１の外周形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状や矩形以外の多角形状等でもよい。
金属板１１の材料としては、熱伝導率の高い金属が好ましい。このため、金属板１１の材料としては、銅を採用している。金属板１１の材料は、銅に限らず、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、リン青銅、銅合金（例えば、４２アロイ等）、ニッケル合金等を採用することができる。金属板１１は、上述の材料からなる母材の表面に、表面処理層（図示せず）を設けたものでもよい。表面処理層としては、例えば、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ａｇ膜、Ｎｉ膜とＰｄ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ａｇ膜とＰｄ膜とＡｕＡｇ合金膜との積層膜等を採用することができる。表面処理層は、めっき層等により構成することが好ましい。要するに、表面処理層は、めっき法により形成することが好ましい。
電気絶縁層１２ａは、金属板１１の前記一表面上に形成されており、金属板１１の前記一表面の中央部を露出させる孔１４が形成されている。孔１４の開口形状は、矩形状としてある。孔１４の開口形状は、サブマウント部材１３の外周形状と相似形状であるのが好ましい。孔１４の開口形状は、特に限定するものではなく、サブマウント部材１３の外周形状に基づいて適宜設計すればよい。なお、金属板１１の前記一表面には、サブマウント部材１３の位置決め精度を高めるためのアライメントマーク（図示せず）が形成されているのが好ましい。
第１導体層１２ｂの材料としては、例えば、銅、リン青銅、銅合金（例えば、４２アロイ等）、ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を採用することができる。第１導体層１２ｂは、例えば、金属箔、金属膜等を利用して形成することができる。第１導体層１２ｂは、Ｃｕ層とＮｉ層とＡｕ層との積層構造を有し、最表面側がＡｕ層となっているのが好ましい。なお、各第１導体層１２ｂは、電気絶縁層１２ａの外周形状の半分よりもやや小さな外周形状に形成されている。
電気絶縁層１２ａ及び第１導体層１２ｂは、例えば、プリント配線板を利用して形成することができる。電気絶縁層１２ａは、プリント配線板の絶縁性基材と、この絶縁性基材と金属板１１とを固着する固着シートとで、構成することができる。絶縁性基材としては、例えば、ポリイミドフィルム、紙フェノール基板、ガラスエポキシ基板等を採用することができる。固着シートとしては、例えば、ポリオレフィン系の固着シートを採用することができる。
実装基板１は、金属板１１と電気絶縁層１２ａと第１導体層１２ｂとを、金属ベースプリント配線板を利用して形成してもよい。この場合には、金属ベースプリント配線板の金属板、絶縁層及び銅箔それぞれにより、実装基板１の金属板１１、電気絶縁層１２ａ及び第１導体層１２ｂを形成することができる。
実装基板１は、第１導体層１２ｂ及び電気絶縁層１２ａにおいて第１導体層１２ｂが形成されていない部位を覆う保護層１６が積層されている。保護層１６としては、例えば、白色系のレジスト層を採用することができる。このレジスト層の材料としては、例えば、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）等の白色顔料を含有した樹脂（例えば、シリコーン樹脂等）からなる白色レジストを採用することができる。白色レジストとしては、例えば、株式会社朝日ラバーのシリコーン製の白色レジスト材“ASA COLOR RESIST INK”等を採用することができる。白色系のレジスト層は、例えば、塗布法により形成することができる。
パッケージ１０は、保護層１６が白色系のレジスト層からなることにより、発光素子６から実装基板１に入射する光を、保護層１６の表面で反射させやすくなる。これにより、パッケージ１０は、発光素子６から放射された光が実装基板１に吸収されるのを抑制することが可能となり、外部への光取り出し効率の向上による光出力の向上を図ることが可能となる。
保護層１６は、電気絶縁層１２ａの孔１４の近傍に、第１導体層１２ｂの第１端子部１２ｂａを露出させる第１開孔部１６ａが形成されており、電気絶縁層１２ａの周部に、第１導体層１２ｂの第２端子部１２ｂｂを露出させる第２開孔部１６ｂが形成されている。第１開孔部１６ａの開口形状は、矩形状としてある。第１開孔部１６ａの開口形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。第２開孔部１６ｂの開口形状は、矩形状としてある。第２開孔部１６ｂの開口形状は、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。
発光装置では、発光素子６が、サブマウント部材１３を介して金属板１１に搭載される。これにより、発光装置では、発光素子６で発生した熱の伝熱経路として、電気絶縁層１２ａを介さずにサブマウント部材１３及び金属板１１に伝熱させる伝熱経路が形成される。よって、パッケージ１０及び発光装置は、放熱性を向上させることが可能となる。
サブマウント部材１３の基材１３ａは、板状に形成されている。基材１３ａは、平面視形状を矩形状としてあるが、これに限らず、例えば、円形状、矩形以外の多角形状等でもよい。サブマウント部材１３の平面サイズは、複数個の発光素子６を配置することができ且つこれら複数個の発光素子６を合わせたサイズよりも大きく設定してある。サブマウント部材１３の平面サイズは、４．３ｍｍ×３ｍｍとしてあるが、一例であり、特に限定するものではない。基材１３ａの材料としては、熱伝導率が高く、且つ、その線膨張係数が金属板１１の線膨張係数と発光素子６の線膨張係数との間の値にある材料が好ましい。これにより、発光装置は、発光素子６とサブマウント部材１３との接合部（図１の例では、バンプ７）に熱応力に起因して割れが発生するのを抑制することが可能となる。基材１３ａの材料としては、ＡｌＮを採用している。
サブマウント部材１３の第２導体層１３ｂは、複数個の発光素子６を直列接続可能となるように、パターン形成されている。第２導体層１３ｂは、複数個の発光素子６を１つの仮想円の円周上に略等間隔で配置できるようにパターン形成されている。第２導体層１３ｂのパターンは、特に限定するものではない。
第２導体層１３ｂは、複数個の発光素子６を並列接続可能に構成してもよいし、直並列接続可能に構成してもよい。要するに、発光装置は、複数個の発光素子６が直列接続された構成を有していてもよいし、複数個の発光素子６が並列接続された構成を有してもよいし、複数個の発光素子６が直並列接続された構成を有してもよい。
サブマウント部材１３は、接合部１５を介して金属板１１と接合されている。接合部１５の材料としては、例えば、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリー半田が好ましい。ここで、接合部１５の材料としてＡｕＳｎを採用する場合には、金属板１１の前記一表面における接合表面に予めＡｕ又はＡｇからなる金属層を形成する前処理が必要である。接合部１５は、導電ペーストから形成してもよい。導電ペーストとしては、例えば、銀ペースト、金ペースト、銅ペースト等を採用することができる。
サブマウント部材１３の厚み寸法は、第２導体層１３ｂの表面が保護層１６の表面よりも金属板１１から離れるように設定してある。しかして、パッケージ１０は、発光素子６から側方に放射された光が、電気絶縁層１２ａの孔１４の内周面を通して電気絶縁層１２ａに吸収されるのを抑制することが可能となる。
サブマウント部材１３の厚み寸法は、０．３ｍｍ程度に設定してあるが、特に限定するものではない。ただし、パッケージ１０は、サブマウント部材１３の厚み寸法が大きくなるにつれて厚み方向の熱抵抗が大きくなるので、あまり大きくしすぎないように設定するのが好ましい。
第２導体層１３ｂの材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ等を採用することができる。発光装置は、発光素子６がバンプ７を介して電気的に接続される場合、第２導体層１３ｂの材料がバンプ７の材料と同じであるのが好ましい。バンプ７の材料がＡｕの場合、第２導体層１３ｂの材料もＡｕであるのが好ましい。ただし、第２導体層１３ｂは、単層膜に限らず、多層膜でもよく、この場合、最表層がバンプ７の材料と同じ材料により形成されているのが好ましい。
基材１３ａの材料は、ＡｌＮに限らず、例えば、Ｓｉ、ＣｕＷ、複合ＳｉＣ、等を採用してもよい。基材１３ａの材料として絶縁体でないＳｉやＣｕＷ等を採用する場合には、基材１３ａの材料からなる母材の表面に絶縁膜を設け、その絶縁膜上に第２導体層１３ｂをパターン形成すればよい。
サブマウント部材１３は、基材１３ａの表面において第２導体層１３ｂが形成されていない領域に、発光素子６から放射された光を反射する反射膜を形成してもよい。これにより、サブマウント部材１３は、発光素子６の側面から放射された光がサブマウント部材１３に吸収されるのを、より抑制することが可能となり、外部への光取り出し効率を向上させることが可能となる。ここで、サブマウント部材１３における反射膜は、例えば、Ｎｉ膜とＡｌ膜との積層膜により構成することができる。反射膜の材料は、発光素子６の発光ピーク波長に応じて適宜選択すればよい。
サブマウント部材１３は、リフレクタ２が接触する可能性のある領域に電気絶縁材料からなる絶縁層を備えていてもよい。これにより、リフレクタ２が金属等により形成されている場合に、第２導体層１３ｂとリフレクタ２とを電気的に絶縁することが可能となる。絶縁層の電気絶縁材料としては、例えば、シリコン酸化物等を採用することができる。
発光装置は、発光素子６が厚み方向の一面側に第１電極、他面側に第２電極を有するＬＥＤチップの場合、発光素子６とサブマウント部材１３とを、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等の半田や、銀ペースト等の導電ペーストを用いて接合することができる。発光素子６とサブマウント部材１３の第２導体層１３ｂとの接合は、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。この場合、第２導体層１３ｂは、Ａｕ層、Ａｇ層などの金属層により構成されているのが好ましい。第２導体層１３ｂは、例えば、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を利用して形成すればよい。
発光装置は、例えば、発光素子６が厚み方向の一面側に第１電極、他面側に第２電極を有するＬＥＤチップの場合、サブマウント部材１３が、発光素子６と金属板１１との線膨張率差に起因して発光素子６に働く応力を緩和する機能を有する。サブマウント部材１３は、前記応力を緩和する機能だけでなく、発光素子６で発生した熱を金属板１１において発光素子６のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有する。したがって、発光装置は、発光素子６で発生した熱をサブマウント部材１３及び金属板１１を介して効率良く放熱させることが可能となる。
ワイヤ１７としては、例えば、Ａｕ線を採用している。ワイヤ１７としては、Ａｕ線に限らず、Ａｌ線を採用してもよい。Ａｕ線としては、例えば、線径が１８μｍ〜２５μｍ程度の細線を採用することができる。Ａｌ線としては、例えば、線径が２５μｍ〜２００μｍの細線を採用することができる。ワイヤ１７としてＡｌ線を採用した場合には、Ａｕ線を採用した場合に比べて、大電流を流すことが可能となる。凹所２ｂの深さ寸法は、ワイヤ７が接触しないように設定してある。これにより、ワイヤ１７がリフレクタ２に触れて断線するのを抑制することができ、また、ワイヤ１７とリフレクタ２とを電気的に絶縁することが可能となる。ここで、ワイヤ１７としてＡｌ線を採用した場合には、Ａｕ線を採用した場合に比べて、ワイヤ１７の高さが高くなるので、リフレクタ２の凹所２ｂの深さ寸法を、より大きく設定する必要がある。例えば、パッケージ１０は、ワイヤ１７がＡｕ線の場合、凹所２ｂの深さ寸法を例えば０．２ｍｍ程度とすればよいが、ワイヤ１７がＡｌ線の場合、凹所２ｂの深さ寸法を１ｍｍとするのが好ましい。なお、ワイヤ１７としては、Ａｕ線やＡｌ線に限らず、Ａｌ−Ｓｉ線、Ｃｕ線等を採用してもよい。
パッケージ１０は、このパッケージ１０を回路基板等の別部材に取り付けることができるように、実装基板１に、実装基板１の厚み方向に貫通する孔１９を設けてある。孔１９の開口形状は、円形状としてある。パッケージ１０は、実装基板１の平面視形状が矩形状であり、実装基板１の４つの角部のうち対向する２つの角部の各々の近傍に第２端子部１２ｂｂを設けてあり、残りの２つの角部の各々の近傍に孔１９を設けてある。これにより、パッケージ１０は、螺子等により回路基板等の別部材に取り付けることも可能である。螺子としては、頭部の外径が孔１９の内径よりも大きく、軸部の外径が孔１６の内径よりも小さいものを用いればよい。螺子としては、金属製の螺子や樹脂製の螺子等を用いることができる。
パッケージ１０は、２つの第２端子部１２ｂｂ及び２つの孔１９を上述のようにレイアウトしてあるので、第２端子部１２ｂｂと電線との接合部にかかる応力や螺子に起因してかかる応力等に起因して実装基板２に反り等が発生するのを抑制することが可能となる。
リフレクタ２は、実装基板１から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる枠状に形成されている。リフレクタ２は、発光素子６から放射される光を窓材３２側へ反射する機能を有する。
リフレクタ２の材料としては、アルミニウムを採用している。リフレクタ２の形成にあたっては、例えば、純アルミニウム（例えば、Ａ１００３系）の板を打ち抜き、同時又は順番にプレス成形加工を施し、その後、バリを取ると同時に表面粗さを低下させて反射率を高めるための電解研磨を行えばよい。リフレクタ２の内側面からなる反射面２ａの反射率は、例えば２６５ｎｍの紫外線に対して９７％程度である。純アルミニウムの板の厚さは、０．６ｍｍ程度に設定してあるが、特に限定するものではない。リフレクタ２における実装基板１側の表面とリフレクタ２の反射面とのなす角度は、５５°に設定してあるが、一例であり、特に限定するものではない。リフレクタ２の形成方法は、特に限定するものではない。また、リフレクタ２の材料は、アルミニウムに限らず、樹脂（例えば、ＰＢＴ等）等でもよく、この場合、枠状の樹脂成形品の内側面にアルミニウム等の金属からなる反射膜を設けるのが好ましい。
リフレクタ２の凹所２ｂは、リフレクタ２の実装基板１側の表面における外周端と内周端との両方から離れているのが好ましい。つまり、リフレクタ２の凹所２ｂは、リフレクタ２の実装基板１側の表面における外周部及び内周部を避けて形成してある。これにより、リフレクタ２は、剛性及び耐荷重性を向上させることが可能となる。よって、パッケージ１０は、耐荷重性をより向上させることが可能となる。凹所２ｂは、リフレクタ２の全周に亘って形成されている。これにより、パッケージ１０は、組立性の向上を図ることが可能となる。凹所２ｂは、各ワイヤ１７ごとに１つずつ設けてもよい。
リフレクタ２は、サブマウント部材１３に重なる領域では実装基板１に接合されずに接触しており、電気絶縁層１２ａに重なる領域で実装基板１に接合されている。つまり、リフレクタ２は、実装基板１側の表面における内周部が実装基板１に接合されておらず、外周部が実装基板１に接合されている。これにより、パッケージ１０は、リフレクタ２とサブマウント部材１３との間で熱応力が発生するのを抑制することが可能となる。リフレクタ２と実装基板１とは、接合部４を介して接合されている。接合部４は、発光素子６からの光が直接届かない場所に位置している。このため、接合部４の材料としては、例えば、エポキシ樹脂等を採用することができる。
リフレクタ２は、サブマウント部材１３に重なる領域のうち、少なくとも凹所２ｂが形成されていない部位に、電気絶縁層５が形成されている。電気絶縁層５は、シリコーン系の塗布膜や、アルミ酸化膜等を採用することができる。
リフレクタ２は、実装基板１側とは反対の表面に、凸部２ｄを有している。凸部２ｄは、窓材３２を囲み窓材３２を位置決めする機能を有する。これにより、パッケージ１０は、窓材３２を位置決めすることが可能となる。凸部２ｄの突出寸法は、０．２ｍｍに設定してあるが、特に限定するものではない。
凸部２ｄは、環状に形成されており、実装基板１から離れるにつれて開口面積が徐々に大きっているのが好ましい。これにより、パッケージ１０は、窓材３２を、より容易に、高精度に位置決めすることが可能となる。凸部２ｄは、環状に限らず、窓材３２を囲むように窓材３２の外周方向において離れて複数設けられていてもよい。
蓋３の蓋本体３１は、金属により形成されている。蓋本体３１の材料である金属としては、ステンレス鋼を採用している。これにより、パッケージ１０は、発光素子６として紫外ＬＥＤチップを収納した場合、発光素子６からの紫外線による経時劣化を抑制することが可能となる。また、蓋本体３１は、ステンレス鋼により形成することによって、放熱性、生産性及び耐食性等を向上させることが可能となる。蓋本体３１の形成にあたっては、例えば、ステンレス鋼板に対してプレス成形による加工を施すことにより形成すればよい。ステンレス鋼板の厚さは、０．２ｍｍ程度に設定してあるが、特に限定するものではない。
蓋本体３１の材料である金属は、ステンレス鋼に限らず、例えば、コバール（Kovar）等を採用することもできる。コバールは、鉄にニッケル、コバルトを配合した合金である。コバールの成分比の一例は、重量％で、鉄：５３．５重量％、ニッケル：２９重量％、コバルト：１７重量％、シリコン：０．２重量％、マンガン：０．３重量％、である。コバールの成分比は、特に限定するものではない。蓋本体３１は、金属がコバールの場合、この金属からなる母体の表面を酸化することにより酸化膜が形成されたものでもよい。
蓋本体３１は、筒体３１ａと、筒体３１ａにおける実装基板１に近い側の端部である第１端部から外方へ突出した第１フランジ３１ｂと、筒体３１ａにおける実装基板１から遠い側の端部である第２端部から内方へ突出した第２フランジ３１ｃとを備える。蓋本体３１は、第２フランジ３１ｃの内周面が窓孔３１ｄの内周面である。
筒体３１ａは、円筒状の形状としてある。筒体３１ａの外径は、８ｍｍに設定してあるが、この値に限定するものではない。筒体３１ａは、円筒状に限らず、筒状の形状であればよく、例えば、角筒状でもよい。第１フランジ３１ｂの外周形状は、円形状である。第１フランジ３１ｂの外周形状は、円形状に限らず、例えば、楕円形状や多角形状等でもよい。
第２フランジ３１ｃの内周形状は、円形状である。よって、窓孔３１ｄは、円形状の孔である。窓孔３１ｄの内径は、３ｍｍに設定してあるが、この値に限定するものではない。第２フランジ３１ｂの内周形状は、円形状に限らず、例えば、楕円形状や多角形状等でもよい。
窓材３２は、蓋本体３１内に配置されている。また、窓材３２は、蓋本体３１の内側において第２フランジ３１ｃに接合されているのが好ましい。窓材３２は、第２フランジ３１ｃにより囲まれた窓孔３１ｄを塞ぐように第２フランジ３１ｃに溶着されているのが好ましい。窓材３２と蓋本体３１とは、別途の接合材料により接合してもよい。
窓材３２は、透過対象の波長の光に対する透過率が７０％以上であるのが好ましく、８０％以上であるのがより好ましい。発光素子６として紫外ＬＥＤチップを想定している場合には、窓材３２の材料として、発光素子６から放射される紫外線に対する透過率が８０％以上の硼珪酸ガラスを採用することが好ましい。このような硼珪酸ガラスとしては、例えば、ＳＣＨＯＴＴ社製の８３３７Ｂを採用することができる。
これにより、発光素子６として紫外ＬＥＤチップを備えた発光装置は、発光素子６から放射される光である紫外光に対する窓材３２の透過率を８０％以上とすることが可能となる。
蓋３は、蓋本体３１の材料である金属と窓材３２の材料である硼珪酸ガラスとの線膨張係数差が小さいほうが好ましい。これにより、蓋３は、窓材３２と蓋本体３１との線膨張係数差に起因して窓材３２や蓋本体３１と窓材３２との境界付近に発生する応力を低減することが可能となる。
発光素子６が可視光を放射するＬＥＤチップや半導体レーザチップ等の場合、窓材３２の材料は、硼珪酸ガラスに限らず、他のガラスや、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ガラス、有機成分と無機成分とがｎｍレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料等を採用してもよい。
また、窓材３２は、発光素子６からの光を波長変換する蛍光体等の波長変換材料を含有させてもよい。
蓋３は、第１フランジ３１ｂが、接合部４を介して実装基板１に接合されている。接合部４の材料としては、例えば、エポキシ樹脂等を採用することができる。パッケージ１０は、蓋３の蓋本体３１が第１フランジ３１ｂを備えているので、封止代を広くとることが可能となり、気密性を向上させることが可能となる。接合部４は、発光素子６からの光が直接届かない場所に位置している。このため、接合部４の材料としては、例えば、エポキシ樹脂等を採用することができる。よって、パッケージ１０は、蓋本体３１がステンレス鋼により形成されている場合、蓋本体３１と接合部４との接着力をより高めることが可能となる。
窓材３２は、レンズであり、非球面レンズ部３２ａと、非球面レンズ部３２ａの外周部から全周に亘って外方に突出したベース部３２ｂとを有する。非球面レンズ部３２ａは、平凸型の非球面レンズ状に形成されている。本実施形態では、非球面レンズ部３２ａがレンズ部を構成している。
ベース部３２ｂは、円環状に形成されている。ベース部３２ｂは、厚み寸法が一様であるのが好ましい。非球面レンズ部３２ａは、第１レンズ面３２ａａと、第２レンズ面３２ａｂとを備える。非球面レンズ部３２ａは、第１レンズ面３２ａａが蓋本体３１の内側に位置し、第２レンズ面３２ａｂが蓋本体３１の外側に位置している。第１レンズ面３２ａａは、非球面の第１凸曲面である。第２レンズ面３２ａｂは、非球面の第２凸曲面である。第１凸曲面及び第２凸曲面は、それぞれ、曲率が連続的に変化している。第１レンズ面３２ａａと第２レンズ面３２ａｂとは、異なる形状としてあるが、これに限らず、同じ形状でもよい。
レンズを構成する窓材３２は、非球面レンズ部３２ａが窓孔３１ｄに配置され、ベース部３２ｂが第２フランジ３１ｃに接合されている。ここで、ベース部３２ｂは、第２フランジ３１ｃの厚み方向の一面の全周に亘って接合されているのが好ましい。ベース部３２ｂは、非球面レンズ部３２ａの径方向に沿った方向の幅寸法が大きいほうが好ましい。要するに、蓋３は、ベース部３２ｂの幅寸法と第２フランジ３１ｃの幅寸法とが略同じであるのが好ましい。これにより、蓋３は、接合信頼性及び気密性を向上させることが可能となる。ここで、蓋３の気密性とは、蓋本体３１と窓材３２との接合部位の気密性を意味する。
よって、パッケージ１０は、気密性を高めることが可能となり、長寿命化を図ることが可能となる。
パッケージ１０は、窓材３２と第２フランジ３１ｃとを接合せずに、図４に示す変形例１のように、蓋３の第２フランジ３１ｃとリフレクタ２との間に、リング状のパッキン８と窓材３２のベース部３２とを重ねて挟んだ構成としてもよい。これにより、パッケージ１０は、窓材３２と第２フランジ３１ｃとを接合せずに、気密性を確保することが可能となる。パッキン８の材料としては、フッ素系樹脂等を採用するのが好ましい。これにより、パッケージ１０は、発光素子６が紫外ＬＥＤチップの場合に、発光素子６からの紫外線によりパッキン８が劣化するのを抑制することが可能となる。フッ素系樹脂としては、例えば、テフロン（登録商標）を採用することができる。
レンズを構成する窓材３２の形状は、特に限定するものではない。例えば、パッケージ１０における窓材３２は、非球面レンズ部３２ａが両凸型の非球面レンズ状に形成されたものに限らない。パッケージ１０における窓材３２は、例えば、図５や図６に示すように、非球面レンズ部３２ａが平凸型の非球面レンズ状に形成されたものでもよい。図５に示した第２変形例のパッケージ１０では、第１レンズ面３２ａａを非球面の凸曲面とし、第２レンズ面３２ａｂを平面としてある。また、図６に示した第３変形例のパッケージ１０では、第１レンズ面３２ａａを平面とし、第２レンズ面３２ａｂを非球面の凸曲面としてある。
また、パッケージ１０は、実装基板１に実装する発光素子６の個数が複数個に限らず、図７に示す変形例４のように１個でもよい。パッケージ１０に収納する発光素子６の個数が１個の場合、サブマウント部材１３の第２導体層１３ｂは、発光素子６に給電可能となるようにパターン形成されていればよい。
図４に示した変形例１のように蓋３の第２フランジ３１ｃとリフレクタ２との間に、リング状のパッキン８と窓材３２のベース部３２ｂとを重ねて挟んだ構成は、変形例２〜４のような窓材３２の場合や窓材３２が平板状の場合にも採用することができる。
１ 実装基板
１ａ 実装領域
２ リフレクタ
２ｂ 凹所
２ｄ 凸部
３ 蓋
６ 発光素子
１０ 発光素子用パッケージ
１１ 金属板
１２ａ 電気絶縁層
１２ｂ 第１導体層
１２ｂａ 第１端子部
１２ｂｂ 第２端子部
１３ サブマウント部材
１３ａ 基材
１３ｂ 第２導体層
１３ｂｂ 配線部
１４ 孔
１７ ワイヤ
３１ 蓋本体
３１ａ 筒体
３１ｂ 第１フランジ
３１ｃ 第２フランジ
３２ 窓材（レンズ）
３２ａ 非球面レンズ部（レンズ部）
３２ｂ ベース部
１ａ 実装領域
２ リフレクタ
２ｂ 凹所
２ｄ 凸部
３ 蓋
６ 発光素子
１０ 発光素子用パッケージ
１１ 金属板
１２ａ 電気絶縁層
１２ｂ 第１導体層
１２ｂａ 第１端子部
１２ｂｂ 第２端子部
１３ サブマウント部材
１３ａ 基材
１３ｂ 第２導体層
１３ｂｂ 配線部
１４ 孔
１７ ワイヤ
３１ 蓋本体
３１ａ 筒体
３１ｂ 第１フランジ
３１ｃ 第２フランジ
３２ 窓材（レンズ）
３２ａ 非球面レンズ部（レンズ部）
３２ｂ ベース部
Claims (7)
- 発光素子を実装する実装基板と、前記実装基板の一表面側で前記実装基板における前記発光素子の実装領域を囲んで配置されたリフレクタと、前記実装基板の前記一表面側で前記リフレクタを覆い前記実装基板に接合された蓋とを備え、
前記蓋は、蓋本体と、前記蓋本体において前記実装領域の前方に形成された窓孔を塞ぐように前記蓋本体に接合された光取り出し用の窓材とを備え、
前記実装基板は、金属板と、前記金属板の前記一表面側に形成された電気絶縁層と、前記電気絶縁層に形成され前記金属板の前記一表面の一部を露出させる孔と、前記電気絶縁層上に形成された給電用の第１導体層と、前記孔の内側に配置され前記金属板の前記一表面側に接合されたサブマウント部材とを備え、
前記サブマウント部材が、前記電気絶縁層よりも熱伝導率が高く且つ電気絶縁性を有する基材と、前記基材における前記金属板側とは反対の表面側に形成された給電用の第２導体層とを備え、
前記第１導体層は、前記実装基板における前記蓋の投影領域と当該投影領域の外側とに跨って形成されており、前記リフレクタの投影領域に、内部接続用の第１端子部を有し、前記蓋の外側に、外部接続用の第２端子部を有し、
前記第２導体層は、前記実装領域と前記実装基板における前記リフレクタの投影領域とに跨って形成されている配線部を有し、
前記配線部と、前記第１端子部とが、ワイヤを介して電気的に接続されており、
前記リフレクタは、前記実装基板との対向面に、前記ワイヤを収納する凹所が形成されてなることを特徴とする発光素子用パッケージ。 - 前記凹所は、前記リフレクタの前記実装基板側の表面における外周端と内周端との両方から離れていることを特徴とする請求項１記載の発光素子用パッケージ。
- 前記リフレクタは、前記サブマウント部材に重なる領域では前記実装基板に接合されずに接触しており、前記電気絶縁層に重なる領域で前記実装基板に接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子用パッケージ。
- 前記窓材は、レンズであり、前記リフレクタは、前記実装基板側とは反対の表面に、前記レンズを囲み前記レンズを位置決めする凸部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子用パッケージ。
- 前記凸部は、環状であり、前記実装基板から離れるにつれて開口面積が徐々に大きっていることを特徴とする請求項４記載の発光素子用パッケージ。
- 前記蓋本体は、筒体と、前記筒体における前記実装基板に近い側の端部である第１端部から外方へ突出した第１フランジと、前記筒体における前記実装基板から遠い側の端部である第２端部から内方へ突出した第２フランジとを備え、前記第２フランジの内周面が前記窓孔の内周面であり、前記レンズは、レンズ部と、前記レンズ部の外周部から全周に亘って外方に突出したベース部とを有し、前記レンズ部が前記窓孔に配置され、前記ベース部が前記第２フランジに接合されていることを特徴とする請求項４又は５記載の発光素子用パッケージ。
- 前記発光素子用パッケージと、前記発光素子とを備えることを特徴とする発光装置。
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