JP2023089984A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子への熱ダメージを低減することが可能であり、さらには第１実装部品を任意の向きで固定することができる発光装置を提供する。【解決手段】凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する基材と、前記基材に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する１以上の第１実装部品と、を備え、前記第１実装部品は、発光素子を有し、前記凹部は、前記凸部と嵌合されており、前記凹部および前記凸部は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である、発光装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

特許文献１には、サブマウントと、サブマウントに設けられた端面発光型レーザ素子と、光学部材と、基板とを有するレーザパッケージの製造方法が記載されている。特許文献１では、金属ナノ粒子又は金属サブミクロン粒子と有機溶剤とを含む接合材料によって、サブマウントおよび光学部材をそれぞれ基板に接合している。

特許文献２には、裏面にＶ溝が形成されたサブマウントと、Ｖ溝に密着する突起が形成されたヒートシンクとが記載されている。特許文献２のサブマウントとヒートシンクの固定にはハンダ材が用いられている。

特開2018-107319号公報 特開昭57-007989号公報

ハンダ材等の接合材料は、加熱とその後の冷却によって部材同士を接合している。このような接合の際の加熱を省略できれば、レーザ素子等の発光素子への熱ダメージを低減することができる。

本発明の一態様の発光装置は、凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する基材と、前記基材に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する１以上の第１実装部品と、を備え、前記第１実装部品は、発光素子を有し、前記凹部は、前記凸部と嵌合されており、前記凹部および前記凸部は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である。

本発明の別の一態様の発光装置は、凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する基材と、前記基材に固定され、レーザ光を出射するレーザ素子を有する第１実装部品と、前記基材に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する１以上の第２実装部品と、を備え、前記第２実装部品は、前記レーザ素子からの前記レーザ光を反射する光反射面を有し、前記凹部は、前記凸部と嵌合されており、前記凹部および前記凸部は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である。

上述の発光装置によれば、発光素子への熱ダメージを低減することが可能であり、さらには第１実装部品または第２実装部品を任意の向きで固定することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る発光装置の模式的な断面図である。 図２は、第１実装部品の模式的な斜視図である。 図３は、発光装置の模式的な上面図である。 図４は、発光装置から蓋を除いた状態を示す模式的な上面図である。

図１は、本発明の実施形態に係る発光装置の模式的な断面図である。図２は、第１実装部品の模式的な斜視図である。図３は、発光装置の模式的な上面図である。図４は、発光装置から蓋を除いた状態を示す模式的な上面図である。

図１および図２に示すように、発光装置１は、基材１０と、１以上の第１実装部品２０と、を有する。基材１０は、凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する。第１実装部品２０は、基材１０に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する。第１実装部品２０は、発光素子２１を有する。本実施形態では、基材１０の上面に凸部１１が設けられており、第１実装部品２０の下面に凹部２２が設けられている。基材１０の上面に凹部が設けられ、第１実装部品２０の下面に凸部が設けられていてもよい。凹部２２は、凸部１１と嵌合されている。凹部２２および凸部１１は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である。

発光装置１では、凹部２２と凸部１１との嵌合によって基材１０と第１実装部品２０とを固定することができる。これにより、接着剤を用いなくても基材１０と第１実装部品２０とを固定することができるため、接着剤を用いて固定する場合と比較して発光素子２１への熱ダメージを低減することが可能である。加えて、凹部２２および凸部１１の上面視における外縁形状が円形状であることにより、第１実装部品２０を任意の向きで固定することができる。

以下、各部材について順に説明する。

（発光装置１）
図３および図４に示すように、発光装置１は、基材１０と第１実装部品２０以外の部材を有していてよい。発光装置１は、枠体３０と、アノード側端子４１と、カソード側端子４２と、蓋８０とを有する。発光装置１は、第２実装部品５０を有する。発光装置１は、導電ワイヤ６０を有する。発光装置１は、中継部材７０を有する。第１実装部品２０は、基材１０と、枠体３０と、蓋８０で囲まれた封止空間に配置されている。封止空間は、例えば気密封止された空間である。

（基材１０）
基材１０は、その上に第１実装部品２０を実装可能な部材である。基材１０の上面は、凸部１１と、凸部１１を囲む平坦部とを有する。基材１０の下面は、ヒートシンク等と熱的に接続され、発光素子２１の熱を放散するための放熱面として利用され得る。なお、基材１０の上面とは第１実装部品２０が実装される側の面を指し、下面とはその反対側の面を指す。

基材１０には、セラミック材料や金属材料を用いることができる。金属材料としては、例えば、鉄、鉄合金、銅、銅合金等が挙げられる。基材１０のうち少なくとも凸部１１を主として銅または銅合金で形成することが好ましく、これにより、第１実装部品２０の凹部と嵌合させやすいという利点が得られる。凸部１１は、銅または銅合金のみからなる主部分と、その主部分の表面に形成された表面層とから構成されていてもよい。基材１０に凹部を設ける場合も同様に、凹部を構成する部分は主として銅または銅合金で形成することが好ましい。

（凸部１１および凹部２２）
基材１０の上面に凸部１１が設けられており、第１実装部品２０の下面に凹部２２が設けられている。凹部２２と凸部１１との嵌合によって基材１０と第１実装部品２０とが固定されている。

凹部２２の高さと凸部１１の高さの差は、０μｍ以上とすることができ、０μｍ超であることが好ましい。凹部２２の高さ（深さ）は、凸部１１の高さよりも大きいことが好ましい。これにより、第１実装部品２０の下面のうち凹部２２の周囲の部分と基材１０の上面のうち凸部１１の周囲の部分とをより確実に接触または接近させることができる。第１実装部品２０が有する発光素子２１は駆動時に発熱するが、その熱を第１実装部品２０の下面から基材１０の上面へと伝えて放散させることができる。凹部２２の高さと凸部１１の高さの差は２０μｍ以下とすることができる。

凹部２２は、側部と底部とを有する。凸部１１は、側部と頂部とを有する。凹部２２の側部と凸部１１の側部とは接触しており、凹部２２の底部と凸部１１の頂部とは接触していないことが好ましい。これにより、凹部２２と凸部１１とを嵌合させつつ、凹部２２の周囲の部分と凸部１１の周囲の部分とをより確実に接触または接近させることができる。

嵌合していない状態で、凹部２２の内径は、凸部１１の外径より小さくてもよい。この場合、凹部２２の内径と凸部１１の外径の差は２０μｍ以下とすることが好ましく、１０μｍ以下とすることがより好ましい。これによって、より確実に凹部２２に凸部１１を嵌合させることができる。凹部２２の内径と凸部１１の外径の差は５μｍ以下であってもよい。このような凹部２２の内径と凸部１１の外径の大小関係については、基材１０の上面に凹部が設けられ第１実装部品２０の下面に凸部が設けられる場合であっても、基材１０の凹部の内径が第１実装部品２０の凸部の外径より小さい関係を維持することが好ましい。

基材１０の上面のうち凸部１１が設けられた部分以外の部分と、第１実装部品２０の下面のうち凹部２２が設けられた部分以外の部分との間の距離は、凹部２２の底部と凸部１１の頂部との間の距離よりも小さいことが好ましい。これにより、凹部２２と凸部１１とを嵌合させつつ、凹部２２の周囲の部分と凸部１１の周囲の部分とをより確実に接触または接近させることができる。基材１０の上面の凸部１１以外の部分と第１実装部品２０の下面の凹部２２以外の部分とが接触し、凹部２２の底部と凸部１１の頂部とが接触していない場合も、上述の距離の大小関係を満たすといえる。

基材１０と第１実装部品２０との間には接着剤を設けなくてよい。基材１０と第１実装部品２０との間に隙間が生じる場合は、その隙間を埋めるために、放熱グリス、放熱シート、または金属のスペーサなどを基材１０と第１実装部品２０との間に設けてもよい。例えば、発光素子２１がレーザ素子である場合に、有機物による集塵を避けるために、金属のスペーサを用いてもよい。

凹部２２および凸部１１の形状は、例えば円柱状である。凹部２２および凸部１１の形状は、円錐台状または円錐状でもよい。凹部２２および凸部１１の形状は同じでなくてもよい。例えば、凹部２２の形状が円柱状であり、凸部１１の形状が、円柱状の先端部分がテーパー状である形状、言い換えれば円柱と円錐台とを組み合わせた形状であってもよい。これにより、凹部２２と凸部１１とを嵌合させやすい。この場合、凸部１１の円柱状の外径と円錐台の底面の外径は等しく、嵌合していない状態で、凹部２２の内径はそれらより２０μｍ以下の範囲で小さいことが好ましい。これによって、より確実に凹部２２に凸部１１を嵌合させることができる。

基材１０の上面に凹部が設けられ、第１実装部品２０の下面に凸部が設けられていてもよい。この場合は、特に断りがない限り、基材１０の凸部１１を凹部と読み替え、第１実装部品２０の凹部２２を凸部と読み替えて、上述した、あるいは後述する構成を採用することができる。

（第１実装部品２０）
第１実装部品２０は、発光素子２１を有する。第１実装部品２０の下面は、凹部２２と、凹部２２を囲む平坦部とを有する。平坦部を第１実装部品２０の主たる放熱面として用いることができる。このため、下面から見て、平坦部の面積は凹部２２の面積よりも大きいことが好ましい。基材１０の平坦部と第１実装部品２０の平坦部を接触または近接させることで、発光素子２１が発する熱を基材１０へ放散することができる。

上面視において、凹部２２は、第１実装部品２０の中心を含む位置に配置されている。すなわち、上面視において凹部２２を透過して見ると凹部２２が第１実装部品２０の中心を含む位置に配置されている。もしくは、下面から見て同様の配置であるといってもよい。これにより、中心位置を制御しやすい。上面視において、凹部２２は、第１実装部品２０の中心を含まない位置に配置されていてもよい。

第１実装部品２０の下面は、発光素子２１の下面であってもよく、発光素子２１とは異なる部材の下面であってもよい。例えば、第１実装部品２０はサブマウント２３を有することができ、サブマウント２３の下面を第１実装部品２０の下面とすることができる。この場合、サブマウント２３の下面に凹部２２を設けることができるため、発光素子２１を加工する必要なく凹部２２を形成することができる。サブマウント２３の上には発光素子２１が固定される。

発光装置１は、１以上の第１実装部品２０を有しており、複数の第１実装部品２０を有していてもよい。図４では、複数の第１実装部品２０を基材１０上に配置している。複数の第１実装部品２０は、例えばマトリクス状に配置することができる。

（発光素子２１）
発光素子２１は、光を発する素子であり、例えば半導体発光素子である。凹部２２および凸部１１の上面視における外縁形状が円形状であるため、発光素子２１が発する光の分布や方向に応じて、基材１０に対する第１実装部品２０の向きを調整することができる。発光素子２１はレーザ素子であることが好ましく、例えば半導体レーザ素子である。発光素子２１が発するレーザ光の出射方向に応じて、基材１０に対する第１実装部品２０の向きを調整することができる。

半導体レーザ素子としては、窒化物半導体からなる活性層を有するものが挙げられる。このような半導体レーザ素子を用いる場合は、出射するレーザ光によって集塵が発生しやすいため、気密封止することが好ましい。窒化物半導体としては、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のようなＩＩＩ－Ｖ族半導体が挙げられる。半導体レーザ素子は、例えば、ｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層とがこの順に積層された半導体積層体と、ｎ型半導体層と電気的に接続されたｎ電極と、ｐ型半導体層と電気的に接続されたｐ電極と、を有する。複数の半導体レーザ素子はレーザ光をそれぞれ出射する。各レーザ光は、直接または第２実装部品５０などを介して、蓋８０から外部に取り出される。レーザ光の光路上に蛍光体含有部材を配置して、レーザ光によって励起された蛍光を外部に取り出してもよい。

図４は基材１０上に発光素子２１が配置された状態を示す模式的上面図である。図４に示すように、発光素子２１は基材１０の上面の側に配置される。発光装置１は、１以上の発光素子２１を有しており、複数の発光素子２１を有していてもよい。

複数の発光素子２１は導電ワイヤ６０等により互いに電気的に接続することができる。導電ワイヤ６０としては、金、銅、アルミニウム等を用いることができる。例えば、図４に示すように、導電ワイヤ６０を用いて一方向に設けられた複数の発光素子２１を直列接続する。図４に示すように、アノード側端子４１と発光素子２１との間、及び／又は、カソード側端子４２と発光素子２１との間に、中継部材７０を設けてもよい。

（サブマウント２３）
第１実装部品２０は、発光素子２１が固定されたサブマウント２３を有することができる。第１実装部品２０の下面は、サブマウント２３の下面である。サブマウント２３の下面には凹部２２が設けられる。凹部２２は、サブマウント２３の下面のうち発光素子２１の直下を除く領域に設けられていてもよい。サブマウント２３の材料として、基材１０と発光素子２１との間の熱膨張係数を有する材料を用いることができる。これにより、温度変化で生じる応力を低減することができる。

サブマウント２３は、絶縁部２３ｂと、絶縁部２３ｂの下に設けられた下面金属層２３ａとを有することができる。サブマウント２３は、絶縁部２３ｂの上に設けられた上面金属層２３ｃを有していてもよい。図１に示すように、凹部２２の底を絶縁部２３ｂで、凹部２２の側面を下面金属層２３ａで構成することができる。このような凹部２２は、下面金属層２３ａのパターニングによって形成することができるため、容易に形成可能である。下面金属層２３ａが十分に厚い場合は、凹部２２の底も下面金属層２３ａで構成してもよい。

絶縁部２３ｂには、ＡｌＮまたはＳｉＣ等のセラミック材料を用いることができる。絶縁部２３ｂの厚みは、１００μｍ以上とすることができる。絶縁部２３ｂの厚みは、３００μｍ以下とすることができる。下面金属層２３ａおよび上面金属層２３ｃは、金、銅、チタン、アルミニウム等のうちの１以上を含むことができる。下面金属層２３ａおよび上面金属層２３ｃは、単層構造であってもよく、多層構造であってもよい。下面金属層２３ａおよび上面金属層２３ｃの厚みは、それぞれ、２５μｍ以上とすることでき、４０μｍ以上であってよい。下面金属層２３ａの厚みは、１００μｍ以下とすることができ、７０μｍ以下であってよい。上面金属層２３ｃには凹部２２を設けないため、上面金属層２３ｃの厚みは、下面金属層２３ａより小さくてもよい。下面金属層２３ａおよび／または上面金属層２３ｃに替えて、ダイヤモンド等の金属以外の材料からなる放熱層を設けてもよい。

（枠体３０）
枠体３０は、基材１０の上面に接合されている。基材１０の上面のうちの枠体３０に囲まれた領域が、第１実装部品２０を実装する領域となる。枠体３０には複数の貫通孔が設けられており、その貫通孔のそれぞれにアノード側端子４１およびカソード側端子４２が挿入されている。枠体３０は、例えば金属材料からなる。

（アノード側端子４１、カソード側端子４２）
アノード側端子４１及びカソード側端子４２は、発光素子２１を外部の電源等に電気的に接続するための部材である。アノード側端子４１及びカソード側端子４２は、枠体３０に固定されている。あるいは、枠体３０に固定された板体を設け、その板体にアノード側端子４１及びカソード側端子４２を固定してもよい。

（第２実装部品５０）
図１に示すように、発光装置１は第２実装部品５０を備えていてもよい。第２実装部品５０は光反射面を有する。図１では、発光素子２１は、レーザ光が出射する面である側面を有するレーザ素子である。第２実装部品５０は、発光素子２１からのレーザ光を反射する光反射面を有する。凹部２２および凸部１１の上面視の外縁形状が円形状であることにより、第２実装部品５０の光反射面に発光素子２１からのレーザ光が照射される位置で、第１実装部品２０を基材１０に固定することができる。図１において、発光素子２１がレーザ素子である場合に発光素子２１が出射するレーザ光を破線で示す。

光反射面は、発光素子２１が発するレーザ光に対する反射率が８０％以上であってよく、９０％以上であってもよい。光反射面は、第２実装部品５０の下面に対して傾斜した面である。下面に対する光反射面の傾斜角度は、例えば４５度である。第２実装部品５０は、例えば、実装面及び実装面に対して傾斜した傾斜面を含む母体と、母体の傾斜面に設けられた光反射膜とを有する。光反射膜が設けられた面が光反射面である。第２実装部品５０の母体としては、ガラス、合成石英、シリコン、サファイア、アルミニウム等を用いることができる。第２実装部品５０の光反射膜としては、金属膜、誘電体多層膜等を用いることができる。第２実装部品５０の光反射面は、発光素子２１のレーザ光を出射する側面と向かい合うように配置される。

第２実装部品５０と基材１０とは、例えば接着剤を介して固定される。第２実装部品５０の下面に凹部を設け、基材１０の上面に凸部を設け、その凹部と凸部とが嵌合されていてもよい。この嵌合によって第２実装部品５０を基材１０に対して固定してもよい。

発光装置１は、凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する基材１０と、基材１０に固定され、レーザ光を出射するレーザ素子（発光素子２１）を有する第１実装部品２０と、基材１０に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する１以上の第２実装部品５０と、を備えていてもよい。第２実装部品５０は、レーザ素子からのレーザ光を反射する光反射面を有する。凹部は、凸部と嵌合されており、凹部および凸部は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である。

そのような凹部と凸部との嵌合によって、第２実装部品５０を基材１０に固定してもよい。これによって、発光素子２１への熱ダメージを低減することが可能であり、さらには第２実装部品５０を任意の向きで固定することができる。

また、第２実装部品５０と基材１０とを接着剤で固定する場合は、第１実装部品２０を、第２実装部品５０用の接着剤が第１実装部品２０に到達して発光素子２１のレーザ光を出射する側面を被覆しない程度に、第２実装部品５０から離れた位置に配置するが、第２実装部品５０と基材１０との固定に接着剤が不要となることにより、第１実装部品２０と第２実装部品５０との距離を小さくすることができ、発光素子２１から第２実装部品５０までのレーザ光の光路長を短くすることができる。これによって、第２実装部品５０の光反射面に照射されるレーザ光のビームサイズを小さくすることができるため、光反射面を小さくすることができ、第２実装部品５０の小型化が可能である。また、発光装置１が複数の発光素子２１を有する場合、発光素子２１同士の距離を小さくすることができる。それらによって、発光装置１の小型化が可能である。

第２実装部品５０の下面に凹部を設け、基材１０の上面に凸部を設けてもよい。あるいは、第２実装部品５０の下面に凸部を設け、基材１０の上面に凹部を設けてもよい。第２実装部品５０を固定するための凹部および凸部の形状は、第１実装部品２０を固定するための凹部および凸部の形状と異なっていてもよい。

（蓋８０）
蓋８０は、枠体３０に接続される。蓋８０は、基材１０に接続されていてもよい。発光素子２１からの光は、蓋８０を通過した発光装置１の外部に取り出される。蓋８０は、発光素子２１からの光を透過する透光性部材を有する。蓋８０は、透光性部材が固定された枠部を有していてもよい。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１ 発光装置
１０ 基材
１１ 凸部
２０ 第１実装部品
２１ 発光素子
２２ 凹部
２３ サブマウント
２３ａ 下面金属層
２３ｂ 絶縁部
２３ｃ 上面金属層
３０ 枠体
４１ アノード側端子
４２ カソード側端子
５０ 第２実装部品
６０ 導電ワイヤ
７０ 中継部材
８０ 蓋

Claims (9)

1. 凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する基材と、
   前記基材に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する１以上の第１実装部品と、を備え、
   前記第１実装部品は、発光素子を有し、
   前記凹部は、前記凸部と嵌合されており、
   前記凹部および前記凸部は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である、発光装置。
2. 前記第１実装部品は、前記発光素子が固定されたサブマウントを有し、
   前記第１実装部品の前記下面は、前記サブマウントの下面である、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記凹部または凸部の他方は、前記サブマウントの下面のうち前記発光素子の直下を除く領域に設けられている、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記凹部または凸部の他方は、凹部であり、
   前記サブマウントは、絶縁部と、絶縁部の下に設けられた下面金属層とを有し、
   前記凹部の底は前記絶縁部で構成されており、
   前記凹部の側面は前記下面金属層で構成されている、請求項２または３に記載の発光装置。
5. 前記発光素子は、レーザ光が出射する面である側面を有するレーザ素子であり、
   前記発光素子からの前記レーザ光を反射する光反射面を有する第２実装部品を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 凹部または凸部の一方が１以上設けられた上面を有する基材と、
   前記基材に固定され、レーザ光を出射するレーザ素子を有する第１実装部品と、
   前記基材に固定され、凹部または凸部の他方が１つ設けられた下面を有する１以上の第２実装部品と、を備え、
   前記第２実装部品は、前記レーザ素子からの前記レーザ光を反射する光反射面を有し、
   前記凹部は、前記凸部と嵌合されており、
   前記凹部および前記凸部は、いずれも、上面視における外縁形状が円形状である、発光装置。
7. 前記凹部の高さは、前記凸部の高さよりも大きい、請求項１～６のいずれか１項に記載の発光装置。
8. 前記凹部は、側部と底部とを有し、
   前記凸部は、側部と頂部とを有し、
   前記凹部の前記側部と前記凸部の前記側部とは接触しており、
   前記凹部の前記底部と前記凸部の前記頂部とは接触していない、請求項７に記載の発光装置。
9. 前記基材の前記上面のうち前記凹部または凸部の一方が設けられた部分以外の部分と、前記第１実装部品の前記下面のうち前記凹部または凸部の他方が設けられた部分以外の部分との間の距離は、前記凹部の前記底部と前記凸部の前記頂部との間の距離よりも小さい、請求項８に記載の発光装置。

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