JP2017011200A - 発光素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子から発光する紫外光によって、高分子接着材が劣化せず、光の出力が低下しない半導体発光素子パッケージを提供する。
【解決手段】紫外光を放射する発光素子、該発光素子をその上に搭載した基体、及び該発光素子を覆い、該紫外光を透過する透光性保護部材を有し、該基体と該透光性保護部材とが形成した領域に該発光素子を収納した発光素子パッケージであって、該基体側に存在し、高分子接着剤を含む接着層、及び該接着層上に存在し、該紫外光を透過しない不透過層を介して、該基体の端部と該透光性保護部材の端部の少なくとも一部が接合してなることを特徴とする発光素子パッケージである。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外光を放射する発光素子を保護するための保護部材を含む、新規な発光素子パッケージに関する。

近年、省エネルギーの観点から、様々な光源の発光素子（以下、ＬＥＤともいう）化が進行している。可視領域に発光ピークを有するＬＥＤは、照明用途としてすでに一般家庭に広く普及している。可視領域よりも波長が短い紫外光領域においても、水銀灯などの従来の光源からＬＥＤへの代替が検討されている。

通常、ＬＥＤは、その保護、又は光の取出し易さを考慮し、パッケージ化されている。具体的には、該パッケージは、ＬＥＤ、該ＬＥＤをその上に搭載する基体、及び該ＬＥＤを覆い、該ＬＥＤは放射する光を透過する透光性保護部材から構成されている。そして、該基体と該透明性保護部材とは、接着剤によりその端部同士を接合している。

可視領域に発光ピークを有するＬＥＤであれば、基体と透明性保護部材との接着は、有機物を含む、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂といった一般的な高分子接着剤を使用することができる。このようにして得られた構成のパッケージは、一般の照明器具等に設置され使用される。

一方、紫外領域に発光ピークを有するＬＥＤ、例えば、殺菌効果が高い波長領域である３５０ｎｍ以下の波長の光（特に水銀ランプ代替として２６５ｎｍ付近の波長の光）を放出する発光素子の開発が盛んに行われているが、このＬＥＤのパッケージは、従来の可視領域に発光ピークを有するＬＥＤのパッケージをそのまま採用することができない。特に、基体と透過性保護部材とを接着する高分子接着剤を、そのまま使用することが難しい。なぜならば、通常市販されている接着剤は可視領域までは十分に透明であるが、波長２６５ｎｍ付近の紫外光に対しては僅かに吸収を有し、長時間の照射によって透光性や接着性が低下するからである。

以上のような紫外領域に発光ピークを有するＬＥＤをパッケージする際の問題点を解決するため、様々な検討がなされている。例えば、基体と透光性部材との接合を、紫外光で劣化しないろう材とする方法が挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、ろう材を使用する場合には、以下の点で改善の余地があった。つまり、ろう材を用いて接合した場合、非常に高温で処理しなければならなくなり、基体がその高温に耐えられるような材質に制限される場合があった。また、例えば、基体とＬＥＤとがはんだで接合されているような場合にも、高温で処理してしまうと該はんだが溶解する可能性があり、不良品となるおそれがあった。

そのため、紫外領域に発光ピークを有するＬＥＤをパッケージする際、接着剤としてろう材を使用せず、従来の高分子接着剤を使用する方法の開発も進んでいる。例えば、基体と透光性保護部材とが接合する部分を、ＬＥＤが放射する紫外光が遮蔽された部分とし、その部分を高分子接着剤で接合する方法である（例えば、特許文献３参照）。この方法によれば、直接紫外光が接着部に当たらないため、高分子接着剤であっても十分にその役割を果たすことができる。

特開２００１−２３７３３５号公報 特開２００４−０３７１７４号公報 特開２０１４−２１６５３２号公報

特許文献３の方法に従えば、紫外光を放射するＬＥＤであっても、優れた性能、特に長時間使用できる発光素子パッケージとすることができる。

しかしながら、特許文献３の方法において、基体と透光性保護部材との接合部を光が遮蔽できる位置にしようとすればするほど、その加工が難しく、生産性の低下や、高コスト化となる傾向にあった。すなわち、透光性保護部材は、石英、サファイアのような無機材料を使用することが多いが、無機材料を複雑に加工したり、それに併せて基体も加工しなければならず、生産性という点で改善の余地があった。

さらに、本発明者等の検討によれば、単に光が遮蔽された部分を接合部として、その部分に高分子接着剤を使用したとしても、より長時間の使用においては、該高分子接着剤が劣化してしまう場合があることが分かった。

したがって、本発明は、上記問題点に鑑み完成された発明であり、本発明の目的は、透光性保護部材と基体の接着に高分子接着剤を用いた場合であっても、レンズと基体との接着力が紫外光によって劣化を抑制し、長時間の使用を可能となした発光素子パッケージを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた。そして、特許文献３に記載の方法において、高分子接着剤が劣化する機構を考えた。特許文献３に記載の方法であれば、紫外光は、直接、接合部にあたらない。しかしながら、透光性保護部材内を通じて接合部に紫外光が届く可能性があることが分かった（図３参照 矢印は、紫外光の方向を示す。）。その結果、透光性保護部材内から接合部に届く紫外光を遮断することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、
紫外光を放射する発光素子、該発光素子をその上に搭載した基体、及び該発光素子を覆い、該紫外光を透過する透光性保護部材を有し、該基体と該透光性保護部材とが形成した領域に該発光素子を収納した発光素子パッケージであって、
該基体上に存在し、高分子接着剤を含む接着層、及び該接着層上に存在し、該紫外光を透過しない不透過層を介して、該基体の端部と該透光性保護部材の端部の少なくとも一部とが接合してなることを特徴とする発光素子パッケージである。

本発明によれば、透光性保護部材と基体とが、紫外光を透過しない不透過層を介して接着（高分子接着剤により接着）されることにより、透光性保護部材中を伝搬する紫外光が不透過層によって遮断される。その結果、透光性保護部材表面近傍の高分子接着剤が紫外光に暴露されることが無い。また、不透過層に３５０ｎｍ以下、特に好ましくは３００ｎｍ以下の波長に対して反射性に優れる金属を用いることで、不透過層が存在しない場合と比較して、接合部の高分子接着剤（樹脂からなる接着剤層）により吸収されていた光（紫外光）を有効に外部に取り出すことが可能となる。このような構造とすることで、高分子接着剤が劣化せず、密着性が保たれ、ＬＥＤから発光した光の出力が低下しない発光素子パッケージとすることができる。

また、本発明は、すでに一般的に用いられている表面実装パッケージにも適用できる。そのため、透光性保護部材側のみへの加工で適用することもできるため、生産性という点でも、従来の技術に対して優れている。ただし、例えば、特許文献３の構成を有するパッケージのものに適用すれば、より一層、長時間使用可能なパッケージとすることができる。

本発明に係る第一の実施形態の半導体発光素子パッケージの垂直断面図。 本発明による紫外光を反射（遮蔽）する効果を示した概略図。 従来技術における紫外光が接合部に達することを示した概略図。

以下、本発明を図１に基づいて詳細に説明する。図１に、本発明の第一の実施形態である発光素子パッケージを示した。発光素子パッケージを構成する部材として、紫外光を放射する発光素子１、凹部を有する基体２、透光性保護部材３を含んでおり、前記基体２にはサブマウント６および配線７を介して発光素子１が搭載される。

基体２に設けられた凹部に、サブマウント６に搭載された半導体発光素子２が収納され配線７が設置された状態で、透光性保護部材３が高分子接着剤を含む接着層４により接着される。基体２の凹部の開口端部８と透光性保護部材の端部９との間に、開口端部８側に接着層４を設け、その上に紫外光を透過しない不透過層５を設け、該開口端部８と該端部９とを接合するものである。図１においては、発光素子が収納されている空間が該基体と該透光性保護部材とが形成した領域１０となる。

本発明の最大の特徴は、透光性保護部材３の高分子接着剤を含む接着剤層４と接する面に不透過層５を設けることにより、透光性保護部材３と接着剤層４の接着面が、発光素子１から発光された光に暴露されることなく保たれることにある。その結果、本発明によれば、接着剤層４が透光性保護部材内を伝播する紫外光にさらされることがないため、優れた効果を発揮する。不透過層５は、接着剤層４の全面を覆うように配置する必要があるが、接着剤層４は、気密性が保たれるのであれば透光性保護部材３の端部の少なくとも一部に配置されればよい。ただし、パッケージの気密性をより高めるためには、接着剤層４は透光性保護部材３の端部９の接合面（基体と接合する面）全面に配置されていることが好ましい。

なお、上記説明では、サブマウント６について記載したが、発光素子１が直接基体１と接合できるのであれば、サブマウント６は使用しなくても構わない。また、図１では、生産性のことを考慮して凹部を有する基体２を例示したが、透過性保護部材３が下に凹部を有する形状とし、基体２の発光素子１を搭載する部分が平面であってもよい。

＜各構成材の説明＞
続いて、本発明における半導体発光素子パッケージを構成する各構成部材について説明する。

＜発光素子＞
本発明において、発光素子１は、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層、金属電極層から構成されており、中でも、金属電極層は、単一、または複数の金属で構成されているので、空気中の酸素、または、空気中の水分によって酸化される。金属電極層の酸化が進行することによって金属電極層の抵抗が増大するので、発光素子の発光効率が低下する。このような観点からも、発光素子１を透光性保護部材３で気密に保護する必要がある。

発光素子１の発光（放射）する光の波長（発光ピーク波長）は、特に制限されないが、本発明の発光素子パッケージが、紫外光の発光による高分子接着剤の劣化を防ぐという特徴を有することから、３５０ｎｍ以下であることが好ましく、さらに２１０ｎｍ〜３５０ｎｍ以下であることが好ましく、特に２５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。発光ピーク波長が３５０ｎｍの発光素子１を使用する場合に、本発明は特に効果を発揮する。

本発明において、発光素子の実装方法は特に制限されず、フェースアップ実装、フリップチップ実装などを採用することができる。

＜基体＞
本発明において、基体２は、発光素子１を搭載することが可能であり、以下に詳述する透光性保護部材３との組み合わせにより、気密性を確保出来るものであれば、材質は特に制限されない。中でも、加工性、絶縁性および熱伝導性の観点から、セラミックス、特に、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムであることが好ましい。また、適宜絶縁処理を行えば、金属材料も用いる事が可能である。

また、基体２の形状については、公知の形状を採用することができ、必要に応じて、基体２の半導体発光素子を収納する一方の表面を酸化アルミニウムなどの無機酸化物、またアルミニウムなどの金属で覆う構造としてもよい。基体２の端部８が透光性保護部材３の端部９と接合する。

＜透光性保護部材＞
本発明において、透光性保護部材３は、発光素子１を保護するための部材であり、紫外光を透過する透光性の部材から構成される。なお、基体２と高分子接着剤を含む接着層４により接着される領域には、下に詳述する不透過層５を有する。透光性保護部材３は、発光素子パッケージの用途に応じて、上面を平坦に加工してもよく、上面を半球面状に加工してもよい。このような透光性保護部材を採用することで、発光素子１から発生した光をパッケージの外部へ取り出すことが可能となる。前記透光性保護部材３は、半導体発光素子１を物理的な衝撃から保護するために半導体発光素子パッケージにとって必要な部材である。

前記透光性保護部材３は、発光素子１から発光された光を透過し、かつ、紫外光によって劣化しない無機材料であればよい。例えば、酸化ケイ素の結晶である石英、酸化アルミニウムの結晶であるサファイアが挙げられる。特に、サファイアは、高融点、高強度であり、さらに半導体発光素子から発光された光、特に紫外光に対しても良好な透光性を有するため、好ましい。このような透光性保護部材３で発光素子を封止することにより、半導体発光素子から発光された光の出力を低下させることなく半導体発光素子パッケージの外部へ取り出すことが可能となる。

また、前記透光性保護部材３の作製方法は特に制限はされないが、石英やサファイアのインゴットからレーザー等で削り出し、表面を研磨して作製することが可能である。このような方法を採用することによって、図１に示したような形状の透光性保護部材３を作製することができる。石英やサファイアのインゴットは公知の方法、例えば、ブリッジマン法やＣＺ法などの単結晶成長技術により作製することが可能である。

＜不透過層＞
本発明における不透過層５は、基体２と透光性保護部材３との接着領域（接合面）において、透光性保護部材３と高分子接着剤を含む接着剤層４の間に設けられ、発光素子１から放射され透光性保護部材３内から該接着剤層４側に伝搬する紫外光を遮蔽するために使用される。つまり、不透過層５は、基体２上に存在する接着剤層４上に存在し、本発明の発光素子パッケージは、下から基体２（の端部８（接合面））／接着剤層４／不透過層５／透光性保護部材３（の端部９（接合面））の順で構成される部分を有する。

不透過層５は、基体２と透光性保護部材３とが接合する接合面に存在すればよい。当然のことではあるが、透光性保護部材３の紫外光を取出す主面部分には存在させない。不透過層５は、該基体２と該透光性保護部材３の端部の少なくとも一部、すなわち該基体２と該透光性保護部材３とが接合する接合面の少なくとも一部に存在すればよい。中でも、気密性を向上させるためには、不透過層５は、該基体２と該透光性保護部材３の端部の全部、すなわち該基体２と該透光性保護部材３とが接合する接合面の全面に存在することが好ましい。

不透過層４は、発光素子１から放出される紫外光の全てを遮蔽するものである（紫外光を透過しない）。紫外光を透過しないのであれば、不透過層４は、その材質、膜厚等は制限されるものではない。また、単一膜であっても、多層膜であってもよい。

不透過層５は、具体的には金属膜が挙げられる。金属膜の材質は、特に制限されるものではないが、紫外領域での反射性に優れるアルミニウムが好適である。不透過層５をアルミニウムから形成することにより、透光性保護部材３中を伝搬した光を反射することができる。そして、反射された光は、透光性保護部材３中を再び伝搬し、発光素子パッケージ外に取り出される。すなわち発光効率を向上することができる。

また、透光性保護部材３、及び接着剤層４との接着性の観点からチタン等を用いることも可能である。透光性保護部材３の表面にチタン等からなる不透過層５として存在させることで、透光性保護部材３と接着剤層４の接着力を向上させることが可能となる。チタン等を用いる場合には、紫外光を遮蔽する（透過しない）ように、十分な厚みを有する不透過層５とする必要がある。

不透過層５は、接合が可能で気密性を十分に保つことができれば、下記に詳述する接着剤層４上に直接設けることもできるが、生産性を考慮すると、透光性保護部材の端部９（基体２と透光性保護部材９の端部が接合する接合面（該端部の接合面））の少なくとも一部、好ましくは、全部（該接合面の全面）に予め設けておくことが好ましい。つまり、不透過層５は、下記に詳述する接着剤層４の少なくとも一部、好ましくは全面を覆うように配置することが好ましい。

透光性保護部材の端部９（接合面）に不透過層５を設ける方法は、特に制限されるものではなく、メタルマスクを用いた方法や、レジストによるリフトオフ等、公知の方法を用いることが可能であり、金属膜の形成には真空蒸着法や、プリント法といった公知の方法を用いることが可能となる。

＜高分子接着剤を含む接着剤層＞
本発明において、高分子接着剤を含む接着剤層４は、基体２と透光性保護部材３とを接合するために使用される。本発明において、該接着剤層４は、その上に前記不透過層５が存在するため、透光性保護部材３内を伝搬する紫外光にされることがないため、基体２と透光性保護部材３とを良好に接合することができる。

そのため、様々な用途に応じて、高分子接着剤の材料を選択することが可能であるが、有機基を有する公知の接着剤を使用することができる。具体的には、エポキシ系樹脂からなる接着剤、シリコーン系樹脂からなる接着剤、およびフッ素系樹脂からなる接着剤を使用することができる。

本発明においては、透光性保護部材３内を伝搬する紫外光を遮蔽できるが、発光素子１から放射される紫外光が接着剤層４の側面（発光素子１が収納されている側の側面）に暴露し、側面の一部が劣化する場合がある。この場合には、例えば、特許文献３に示された構造のように、基体と透光性保護部材３の端部が接合する部分が、紫外光が遮蔽された部分となるような構造とすることもできる。ただし、側面のみ劣化が生じるため、気密性が低下する影響は少ないと考えられる。このような場合を想定して、高分子接着剤としては、例えば、紫外光に対して耐性を有する上記シリコーン系樹脂からなる公知の接着剤、およびフッ素系樹脂からなる公知の接着剤を使用することもできる。また、内側面（発光素子に近い側の側面であり、発光素子が収納される領域側の側面）部分で紫外光が吸収により減衰し、それ以上の内部（外側面に向かう部分）が紫外光にさらされないことを考えると、エポキシ系樹脂からなる公知の接着剤を使用することもできる。一方、透光性保護部材内を伝搬して接着剤層の接合面に紫外線が照射されると、接合面の樹脂（接着剤）が劣化するため、剥離が生じ気密性を保つことができない。これに対して、内側面にのみ照射されるのであれば、エポキシ系樹脂からなる接着剤は紫外光を吸収するため、内側面近傍の樹脂（接着剤）が劣化するだけで、内部、外側面部分は劣化せず、気密性を保つことができる。

高分子接着剤を含む接着剤層４の厚みは、特に制限されるものではないが、厚みが１０〜１０００μｍであることが好ましい。また、接着層４の幅は、透光性保護部材の端部９（接合面）の幅と同じであることが好ましく、発光素子パッケージの大きさで適宜決定すればよいが、通常、５０〜３０００μｍであることが好ましい。この程度の厚みと幅であれば、紫外光が内面側に照射されたとしても、十分に気密性を保つことができるため、接着力の高いエポキシ系樹脂からなる接着剤（高分子接着剤）を使用できる。

また、接着剤層４は、不透過層５に覆われている必要があり、気密性を保つことができる範囲で、該基体２の端部８と該透光性保護部材３の端部９の少なくとも一部、すなわち該基体２と該透光性保護部材３とが接合する接合面の少なくとも一部に存在すればよい。中でも、気密性を向上させるためには、不透過層５と同じく、該接着剤層４は、該基体２の端部８と該透光性保護部材３の端部９の全部、すなわち該基体２と該透光性保護部材３とが接合する接合面の全面に存在することが好ましい。

高分子接着剤を含む接着剤層４で基体２と透過性保護部材３とを接合させる方法は、特に制限されるものではなく、公知の方法を採用することができる。すなわち、使用する高分子接着剤の使用方法に従えばよい。特に、不透過層５を透光性保護部材３の端部９（接合面）に予め設けておけば、公知の方法により、不透過層５を積層した透光性保護部材３と基体２とを高分子接着剤により接合すればよい（接着剤層４が形成される。）。

＜サブマウント＞
サブマウント６は、発光素子１を基体２に搭載する際、電極の引き出しや、放熱性の向上を担うものであり、これらの機能を有するものであれば、形状、材質ともに特に制限されるものではない。例えば、放熱の点で優れた窒化アルミニウムや、酸化アルミニウムを材質として採用することが好ましい。また、基体２に直接発光素子１を接合することが可能な場合においては省略することも可能である。

＜配線＞
配線７は、基体２に搭載される発光素子１に対して、発光素子パッケージ外部からの給電を可能にするものであれば特に制限されない。例えば、金線等を用いることが可能である。

以上、本発明の一実施態様について図１を参考にして説明したが、本発明は、上記態様に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。例えば、透光性保護部材の表面に凹凸加工を施してもよいし、光を反射する金属を蒸着してもよい。このように、保護材の表面に様々な加工を施すことで、半導体発光素子から発光する光の拡散性を自由に制御することが可能である。

１ 発光素子
２ 基体
３ 透光性保護部材
４ 高分子接着を含む接着剤層
５ 不透過層
６ サブマウント
７ 配線
８ 基体の凹部の開口端部（基体の端部）
９ 透光性保護部材の端部
１０ 発光素子が収納される領域

Claims (6)

1. 紫外光を放射する発光素子、該発光素子をその上に搭載した基体、及び該発光素子を覆い、該紫外光を透過する透光性保護部材を有し、
   該基体と該透光性保護部材とが形成した領域に該発光素子を収納した発光素子パッケージであって、
   該基体上に存在し、高分子接着剤を含む接着層、及び該接着層上に存在し、該紫外光を透過しない不透過層を介して、該基体の端部と該透光性保護部材の端部の少なくとも一部が接合してなることを特徴とする発光素子パッケージ。
2. 前記不透過層が、前記紫外光を反射する金属からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
3. 前記発光素子の発光ピーク波長が３５０ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の発光素子パッケージ。
4. 前記接着層が、前記高分子接着剤としてシリコーン系樹脂、又はエポキシ系樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光素子パッケージ。
5. 前記基体が凹部を有し、前記凹部内に前記発光素子を搭載し、
   前記接着剤層、及び前記不透過層を介して、前記凹部の開口端部と前記透光性保護部材の端部の少なくとも一部とが接合して形成した領域に前記発光素子を収納する請求項１〜４の何れかに記載の発光素子パッケージ。
6. 前記透光性保護部材が、石英、又は酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の発光素子パッケージ。

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