JP3894915B2 - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージおよび発光装置に関する。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子を用いた発光装置は、今後さらなる低消費電力化や長寿命化がすすむものとして注目されており、近年種々の分野で使用され始めている。従来の発光素子を搭載する発光素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）の断面図を図２に示す。

図２に示すように、従来のパッケージ11は、各種樹脂やセラミックス等から成る基体12を有する。基体12には、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等を含む導体ペーストを高温で焼結し、その上面にメッキ法によりニッケル（Ｎｉ）メッキ層や金（Ａｕ）メッキ層を被着して成る配線導体13が形成されている。この配線導体13を介して外部電気回路からパッケージ11内部に搭載された発光素子15に電力や駆動電流が供給できるようにされている。

また基体12は、その上面に、上下面を貫通する貫通孔を有する平面視形状が正方形状等で樹脂やセラミックス等から成る枠体14が設けられている。この枠体14は、基体12にエポキシ系樹脂接着剤16により接着される。

発光素子15は、基体12の上面の中央部に樹脂接着剤やＡｇペースト（Ａｇ粒子を含有する樹脂）によってダイボンドされており、発光素子15の電極は基体12に設けられた配線導体13とＡｕ製のボンディングワイヤにより電気的に接続される。

また、発光素子15を保護するために枠体14の内側に透明部材18が設けられる。この透明部材18は、枠体14の内側に発光素子15を覆うように熱硬化性のエポキシ樹脂などを充填し、加熱硬化させることにより設けられる。また、透明部材18は、発光素子15や基体12、枠体14と強固に密着して発光素子15をパッケージ11内に強固に固定する働きも有する。

さらに、枠体14の上面にガラス，サファイア等から成る透光性で板状の蓋体17が樹脂接着剤等で接着される。これにより、発光素子15を有する発光装置となる。

そして、発光素子15の表面およびその周囲には蛍光体19が設けられている。これにより、発光素子15から発光する青色から紫外の光波長（350〜400ｎｍ）を可視光（400〜800ｎｍ）領域の種々の波長の光に変換して発光装置から放射される光を白色光にすることができる。このような蛍光体19は透明樹脂に含有された状態で、あるいは発光素子15の表面に塗布された状態で発光素子15を覆うように設けられる。

この発光装置は、外部電気回路から供給される駆動電流によって発光素子15が駆動され、可視光を発光するものとして使用される。その用途は、各種インジケーター，光センサー，ディスプレイ，ホトカプラ，バックライト，光プリンタヘッド等である。

近年、この発光装置を照明用として使用するようになってきており、高輝度および放熱性の点でより高特性の発光装置が要求されている。また、照明用に使用される場合、発光装置の長寿命化が特に重要な問題である。

そこで、最近は発光装置の発光輝度を向上させる構成が考えられており、枠体14をより反射率の高い材料で構成することが多い。例えば、枠体14をＡｇやアルミニウム（Ａｌ）からなる反射率の高い金属で形成したり、それらの金属を枠体14の表面に被着させて、発光素子15から発光する光を効率よくパッケージ11の外部へ放射させることが提案されている。
特開2002−344029号公報

しかしながら、上記従来のパッケージ11では、基体12と枠体14とを接合する際に熱膨張差が発生し易く、基体12にクラック等の破損が生じるという問題点があるとともに、熱膨張差によって枠体14の内周面が変形し、枠体14の内周面で発光素子15から発光された光が所望の方向に反射できなくなり、発光特性が劣化し易くなるという問題点も有していた。

従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、気密信頼性に優れかつ発光特性が安定した発光素子収納用パッケージおよび発光装置とすることである。

本発明は、セラミックスからなる基体と、基体上に搭載された発光素子と、発光素子を囲んで基体上に取着された金属製の枠体とを備えている。枠体は、下面の全周にわたって凹部が形成されている。枠体の凹部の断面形状は、枠体全体の断面形状と相似である。枠体における凹部と外側表面との間の厚みが、枠体における凹部と内側表面との間の厚みより小さい。

本発明の発光装置において、発光素子は発光ダイオードであることを特徴とする。

本発明の発光素子収納用パッケージは、上面の中央部に発光素子を搭載する搭載部を有するセラミックスから成る基体と、この基体の上面の外周部に搭載部を取り囲むように取着され、内周面が上側に向かって外側に広がるように傾斜した金属製の枠体とを具備しており、枠体は、下面の中央部に全周にわたって断面形状が枠体の断面形状に相似とされた凹部が形成されていることから、基体と枠体との熱膨張差が生じても基体と枠体との接触面積が小さいので応力が発生するのを有効に抑制できる。よって、基体にクラック等の破損が生じるのを有効に防止するとともに、枠体の内周面が変形するのを有効に防止し、枠体の内周面で発光素子から発光される光を所望の方向に反射させ発光特性を常に良好に維持することができる。その結果、信頼性に優れかつ発光特性が安定した発光素子収納用パッケージとすることができる。

また、枠体は、下面の中央部に全周にわたって断面形状が枠体の断面形状に相似とされた凹部が形成されていることから、基体と枠体との熱膨張差による応力や外力などで枠体を歪ませるような応力が加わったとしても、枠体の一部が変形するのではなく枠体全体が適度に変形することができ、応力を非常に有効に緩和できるとともに枠体に歪みが発生するのを有効に抑制できる。その結果、枠体の内周面の反射角度が大きく変化することはなく、発光特性を良好に維持することができる。

本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子収納用パッケージと、搭載部に搭載された発光素子と、発光素子を覆う蛍光体とを具備していることにより、上記本発明の発光素子収納用を用いた気密信頼性に優れかつ発光特性が安定した発光装置とすることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージを以下に詳細に説明する。図１は、本発明のパッケージ１について実施の形態の一例を示す断面図であり、２は基体、４は枠体であり、主としてこれらで発光素子５を収容するためのパッケージ１が構成されている。

本発明のパッケージ１は、上面の中央部に紫外光を含む光を発光する発光素子５を搭載する搭載部２ａを有するセラミックスから成る基体２と、基体２の上面の外周部に搭載部２ａを取り囲むように下面が接合材６により接着され、内周面が上側に向かって外側に広がるように傾斜した金属製の枠体４と、発光素子５を覆う液状の蛍光体９とを具備している。

本発明における基体２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックスから成る四角形状の平板である。基体２は、その上面の中央部に発光素子５を搭載するための搭載部２ａを有しており、発光素子５を支持するための支持部材となる。

また、基体２は、搭載部２ａおよびその周囲から下面等のパッケージ１の外面にかけて導出されるメタライズ層から成る配線導体３が被着されている。配線導体３はＷ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末のメタライズ層から成り、パッケージ１内部に収容された発光素子５を外部に電気的に接続するための導電路として機能する。そして、搭載部２ａにはＬＥＤ，ＬＤ等の発光素子５がＡｕ−Ｓｉ（シリコン）合金やＡｇ−エポキシ樹脂等の導電性接合材で固着されるとともに、搭載部２ａ周囲の配線導体３には発光素子５の電極がボンディングワイヤを介して電気的に接続される。

なお、配線導体３の露出する表面にＮｉやＡｕ等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚みに被着させておくのがよく、配線導体３が酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、配線導体３と発光素子５との接続および配線導体３とボンディングワイヤとの接続を強固にすることができる。したがって、配線導体３の露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されていることがより好ましい。

さらに、基体２の熱伝導率は10Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、10Ｗ／ｍ・Ｋ未満では、50ｍＡ以上の駆動電流を発光素子５に入力した際に発光素子５の表面温度が100℃以上に達し、発光素子５の寿命を短くするばかりではなく、発光素子５の光出力を高めるのが難しくなる。

金属から成る枠体４はＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等の金属、これらの１種以上を含む合金、ステンレススチール等から成るのがよく、これらの金属は、発光素子５の光を高い反射率で反射させることができ、高輝度の発光装置を作製することができる。また、枠体４がＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成り、その表面にＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等の高い反射率の金属層を形成してもよい。さらに、枠体４がＡｇ，Ｃｕ等の酸化により変色し易い金属から成る場合やＡｇ，Ｃｕ等の酸化により変色し易い金属層を表面に被着形成したものである場合、それらの金属層の表面に透明樹脂層や透明樹脂シートを被着してもよい。

枠体４は、樹脂接着剤等の接合材６によって基体２に接合されている。好ましくは、接合材６は、樹脂接着剤である場合、Ａｇ，Ｐｔ等の金属粒子を含んでいることがよく、この場合、接合材６の放熱性が良好になり、発光素子５の熱を効率よく外部に放散でき、発光素子５の温度上昇を防止して発光素子５を常に正常かつ安定に作動させることができる。

また本発明において、接合材６は枠体４の内側にはみ出していないことが好ましい。これにより、発光素子５の紫外光を含む光が接合材６に直接照射されるのを防いで、紫外光による接合材６の劣化をより効果的に防ぐことができる。また、枠体４の内側にはみ出した接合材６によって光が乱反射し、発光特性が低下するのを有効に防止できる。

また枠体４は、その中央部に発光素子５を収容するための横断面形状が円形状や四角形状の貫通穴４ａを有しており、貫通穴４ａに発光素子５が収容されるとともに搭載部２ａに搭載される。この貫通穴４ａ（枠体４）の内周面は、算術平均粗さＲａが0.004〜４μｍであることがよく、これにより、貫通穴４ａの内周面で発光素子５の光を良好に反射させることができる。Ｒａが４μｍを超えると、貫通穴４ａに収容された発光素子５が発光する光を均一に反射させるのが困難となり、反射光の強さに偏りが発生しやすくなる。0.004μｍ未満では、そのような面を安定かつ効率よく形成することが困難となる傾向にある。

さらに、貫通穴４ａの内周面に厚さ1〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されていることがよく、枠体４の耐腐食性が向上する。

また、貫通穴４ａはその横断面形状が円形状であるのがよく、貫通穴４ａ内に収容された発光素子５が発光する光を貫通穴４ａの内周面で万遍なく反射させて外部に極めて均一に放射することができる。

本発明のパッケージ１は、枠体４の下面の中央部に全周にわたって断面形状が枠体４の断面形状に相似とされた凹部４ｂが形成されていることから、基体２と枠体４との熱膨張差が生じても基体２と枠体４との接触面積が小さいので応力が発生するのを有効に抑制できる。よって、基体２にクラック等の破損が生じるのを有効に防止するとともに、枠体４の内周面が変形するのを有効に防止し、枠体４の内周面で発光素子５から発光される光を所望の方向に反射させ発光特性を常に良好に維持することができる。その結果、信頼性に優れかつ発光特性が安定したパッケージ１とすることができる。

また、枠体４は、下面の中央部に全周にわたって断面形状が枠体４の断面形状に相似とされた凹部４ｂが形成されていることから、基体２と枠体４との熱膨張差による応力や外力などで枠体４を歪ませるような応力が加わったとしても、枠体４の一部が変形するのではなく枠体４全体が適度に変形することができ、応力を非常に有効に緩和できるとともに枠体４に歪みが発生するのを有効に抑制できる。その結果、枠体４内周面の反射角度が大きく変化することはなく、発光特性を良好に維持することができる。

好ましくは、枠体４の下面における凹部４ｂの幅は枠体４の下面の幅に対して0.4〜0.8倍であるのがよく。この構成により、基体２にクラック等の破損が生じるのを有効に防止するとともに、枠体４の内周面が変形するのを有効に防止できる。0.4倍未満であると、枠体４の体積が大きくなり、基体２を接合すると、基体２に枠体４との熱膨張差による応力が大きく加わって、基体２にクラック等の破損が生じる場合がある。0.8倍を超えると、枠体４が薄くなって大きく変形し易くなり、基体２を接合すると枠体４に基体２との熱膨張差による歪みが加わって、枠体４の内周面が変形する場合がある。

また、枠体４の内周面の厚さは、枠体４の外周面の厚さよりも大きい方がよい。これにより、枠体４の外周面を変形しやすくして応力を主に外周面で緩和させることができ、その結果、枠体４の内周面の反射角度が変化するのをより有効に抑制できる。

かくして、本発明のパッケージ１は、基体２の搭載部２ａに発光素子５を搭載するとともに発光素子５の電極と配線導体３とをボンディングワイヤを介して電気的に接続し、しかる後、発光素子５を覆うように蛍光体９を含有する透明部材が設けられ、その上から透明樹脂等の透明部材８を設置することによって発光装置となる。透明部材８は、発光素子５を覆うシリコーン樹脂等の透明樹脂であってもよく、枠体４の上面に樹脂接着剤等で接着された、ガラス，サファイア等から成る平板状，レンズ状の透光性の蓋体７であってもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、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。

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージおよび発光装置に利用できる。

本発明の発光素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。 従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。

符号の説明

１：発光素子収納用パッケージ
２：基体
２ａ：搭載部
４：枠体
４ｂ：凹部
５：発光素子
６：接合材
９：蛍光体

Claims (3)

1. セラミックスからなる基体と、
   前記基体上に搭載された発光素子と、
   前記発光素子を囲んで前記基体上に取着されており、全周にわたって凹部が形成された下面を有する金属製の枠体とを備え、
   該枠体の前記凹部の断面形状は、前記枠体全体の断面形状と相似であり、
   前記枠体における前記凹部と外側表面との間の厚みが、前記枠体における前記凹部と内側表面との間の厚みより小さいことを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. セラミックスからなり、発光素子が搭載される基体と、
   前記基体における前記発光素子の搭載部を囲んで前記基体上に取着されており、全周にわたって凹部が形成された下面を有する金属製の枠体とを備え、
   該枠体の前記凹部の断面形状は、前記枠体全体の断面形状と相似であり、
   前記枠体における前記凹部と外側表面との間の厚みが、前記枠体における前記凹部と内側表面との間の厚みより小さいことを特徴とする発光素子収納用パッケージ。

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