JP4038199B2

JP4038199B2 - Ｌｅｄ用セラミックパッケージ及びその製造方法

Info

Publication number: JP4038199B2
Application number: JP2004218851A
Authority: JP
Inventors: 久若子
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006041179A

Description

本発明は、ＬＥＤ用セラミックパッケージ及びその製造方法に関するものである。

近年、発光ダイオード（Light emission diode：以下、ＬＥＤ素子ともいう）が注目されている。特に、高輝度の青色発光ダイオードが製造可能となったことから、赤、緑、青のＬＥＤ素子を用いて高輝度の白色光が得られることとなり、室内灯や車のヘッドライト等としての使用が期待されている。ＬＥＤ素子は、電力の消費量が少なく、長寿命であるという利点を有する。

ＬＥＤ素子の発光スペクトルや発光輝度などの特性は、主に、素子を構成する化合物半導体により決定される。しかし、実際に取り出される発光光束の輝度や視野角などの特性は、ＬＥＤ素子を実装するパッケージからも大きな影響を受けるため、所望の輝度や視野角を得ることが可能なＬＥＤ用セラミックパッケージの開発が急務となっている。セラミックパッケージは、例えばオーガニックパッケージと比較して、耐久性、耐熱性、耐食性に優れるとともに、放熱性も良好である。

従来のＬＥＤ用セラミックパッケージの一例を図７に示す（詳細は下記特許文献１を参照）。かかるパッケージでは、ＬＥＤ素子３を収容するためのキャビティが、貫通孔２ａを有する第二セラミック層２と第一セラミック層１とを積層することにより形成されている。貫通孔２ａは、ＬＥＤ素子３からの発光光束を外部に取り出すために、角度θが５５°〜７０°となるように穿孔され、その内周面には光反射率が８０％以上の金属層６が形成されている。

特開２００２−２３２０１７号公報

しかしながら、上記のようなＬＥＤセラミックパッケージでは、セラミック層の貫通孔を角度θが常に一定の角度となるように穿孔するのが困難であり、量産する場合に角度θにバラツキが生じ易い。また、セラミックとの同時焼成によって金属層を形成すると、表面に屈曲が生じ易い。そのため、これらの要因から、良質の光反射面を形成するのが困難であり、取り出される発光光束の輝度や視野角のバラツキが大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ素子からの発光光束を外部に反射するための良質な光反射面を有するとともに、輝度や視野角の製造バラツキが小さく、製造の容易なＬＥＤ用セラミックパッケージ及びその製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段・発明の効果

上記課題を解決するため、本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージでは、パッケージの一方の主面に開口を有し、底面の略中央がＬＥＤ素子の実装領域とされるキャビティと、実装領域を取り囲むように、キャビティの底面及び側面に形成されたメタライズ層と、Ａｇ含有率が９０質量％以上の金属材からなり、メタライズ層上に形成されたフィレットと、を備えるとともに、当該フィレットが、ＬＥＤ素子からの発光光束を所定の方向に反射する光反射面を有することを特徴とする。

また、本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージの製造方法では、上記ＬＥＤ用セラミックパッケージを製造するために、Ａｇ含有率が９０質量％以上の金属材を溶融させ、キャビティの底面及び側面に形成されたメタライズ層上を流動させることによりフィレットを形成することを特徴とする。

上記本発明によると、キャビティの底面及び側面に形成されたメタライズ層上にフィレットを形成することによって、当該フィレットが有する光反射面によりＬＥＤ素子からの発光光束を良好に反射させることができる。また、金属材を溶融させてメタライズ層上を流動させることにより、容易にフィレットを形成することができる。なお、フィレット形成の際には、キャビティ内に金属材を配置しておき、パッケージごと加熱を行うことで当該金属材を溶融させることが簡便である。

ここで、フィレットを構成する金属材は、平滑性の高い光反射面を得るため、Ａｇ含有率が９０質量％以上である必要がある。なぜならば、Ａｇ含有率が９０質量％未満で、例えばＡｇが他の金属と共晶組織を形成する場合（例えばＡｇ系ロウ材等）等には、得られるフィレットの表面に微小な凹凸が生じ、良質な反射面を得ることができないからである。そのため、純度の高いＡｇ系の金属材（具体的にはＡｇ含有率が９０質量％以上）が必要となるのである。さらには、Ａｇ含有率が９５質量％以上の金属材であることが好ましく、より具体的には純Ａｇ（ただし、１質量％以内であれば不可避不純物を含有してもよい）からなる金属材を用いることができる。また、Ａｇは、溶融温度がパッケージを構成するセラミックの焼成温度よりも低いうえ、溶融状態でメタライズ層上を流動させるのが容易であるという利点も有する。

このようにして得られた平滑性の高いフィレットの表面は、光反射面として用いることができる。Ａｇは、ＬＥＤ素子からの発光光束に対して高い反射率を有することから、良好な光反射面を得ることができる。なお、硫化や酸化による光反射面の反射率の劣化を防止するために、フィレットの表面に極薄のＰｄメッキを施すか、若しくは、フィレット自体に微量のＰｄを添加した金属材を用いることができる。

または、平滑性の高いフィレットの表面にＡｇメッキを施し、当該Ａｇメッキの表面を光反射面として用いることもできる。上述の通り、Ａｇは、ＬＥＤ素子からの発光光束に対して高い反射率を有することから、良好な光反射面を得ることができる。

Ａｇメッキを用いる場合、さらに、フィレットとＡｇメッキの間に、該フィレットの表面よりも表面粗さの小さい金属メッキ層が介挿することができる。これにより、より平滑性の高い光反射面を得ることができ、ＬＥＤ素子からの発光光束に対する反射率をより向上させることが可能となる。具体的には、当該金属メッキ層には、光沢Ｎｉメッキを用いることができる。光沢Ｎｉメッキとは、光沢剤を添加したＮｉメッキ浴を用いて形成するメッキをいう。

以下、本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージに係る実施形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージの一実施形態を示す要部断面図であり、図１（ｂ）は同じく正面図である。パッケージの主体をなすセラミック板１５は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック材料からなる略四角平板であり、一方の主面に開口を有する有底のキャビティ３を備えている。また、キャビティ底面１６の略中央にはＬＥＤ素子１の実装領域２５が形成されており、ＬＥＤ素子１の支持基板として機能する。キャビティ底面１６には金属パッド８ａ，８ｂが構成されている。ＬＥＤ素子１は、実装領域２５に接着されるとともに、ボンディングワイヤ２を介して金属パッド８ａ，８ｂと電気的に接続されている。金属パッド８ａ，８ｂはセラミック板１５の裏面にある外部端子２６ａ，２６ｂと導通しており、ここからＬＥＤ素子１の駆動電流を流す。

キャビティ底面１６の外周縁部およびキャビティ側面４には、例えばＭｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎ等からなるメタライズ層７ｂ，７ａが、ＬＥＤ素子１を取り囲む経路に沿って、それぞれ形成されている。これら２つのメタライズ層にまたがるように、純Ａｇ（本実施例では、Ａｇ含有量が９９．９質量％の金属。以下同じ）からなるフィレット部５が形成されている。このフィレット部５は、純Ａｇを溶融させてメタライズ層７ａ，７ｂ上を流動させて形成したものであるので滑らかな光反射面６を有する。この光反射面６が、ＬＥＤ素子１からの発光光束を外部へと反射する。

メタライズ層７ｂと光反射面６の角度θは、メタライズ層７ａの高さＡおよびメタライズ層７ｂの幅Ｂによって決定され、視野角および輝度に影響を与える重要なパラメータである。特に量産する場合にθのバラツキが問題になるが、ＡとＢの寸法バラツキは小さくなるように量産できるので、θのバラツキも抑えられる。角度θは、ユーザーの要求する視野角や輝度を満たすように設計される。例えば角度θを３０°にしたい場合は、Ｂ≒１．７３Ａの関係を満たすようにＡおよびＢを決めればよい。

フィレット部５は、ＬＥＤ素子１を中心とした円周上に配置されていることが望ましい。その理由は、フィレット部が略円形であると、ＬＥＤ素子１からの発光光束を光反射面６が均一に反射して、外部に放出できるからである。

次に、別の実施形態について説明する。図２（ａ）は本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージの、別の実施形態を示す概略断面図であり、図２（ｂ）は同じく正面図である。図２のＬＥＤ用セラミックパッケージは、第一セラミック板１０、第二セラミック板１１、第三セラミック板１２が積層されてなる。第二セラミック板１１および第三セラミック板１２は板を貫通する穴を有し、それら２つの貫通穴が連なってキャビティ３を構成する。

第一セラミック板１０の主面には、メタライズ層７ｂおよび金属製の実装領域１４が形成されている。これらメタライズ層７ｂおよび実装領域１４は、例えばＭｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎなどの金属からなる。ＬＥＤ素子１は実装領域１４に接着される。

第二セラミック板１１の一方の主面には金属パッド８ａ，８ｂおよび、それに連なる金属配線１３が形成されている。金属パッド８ａ，８ｂはボンディングワイヤ２を介してＬＥＤ素子１と接続されている。ＬＥＤ素子を駆動するための電流は、これら金属パッド８ａ，８ｂおよび金属配線１３を通して、図示しない外部端子から供給する。また、第三セラミック板１２は、金属配線１３を覆うように第二セラミック板と接着している。また、第三セラミック板１２の貫通穴は、第二セラミック板１１の貫通穴よりも大きく形成されており、金属パッド８ａ，８ｂが露出する形態とされている。このようにすると第三セラミック板１２が金属配線１３を保護するので、使用中に金属配線１３が剥離するなどの不具合を回避できる。

キャビティ３の側面４には、メタライズ層７ａが形成されており、メタライズ層７ａおよび７ｂが垂直に結合するように、第一セラミック板１０および第二セラミック板１１が接着している。その結果、キャビティ底面１６の外周縁部およびキャビティ側面４に、ＬＥＤ素子１を取り囲む経路に沿って、メタライズ層７ａ，７ｂが形成された形態となっている。

純Ａｇからなるフィレット部５は、メタライズ層７ａ，７ｂにまたがるように形成されている。このフィレット部５は、例えば各セラミック板１０，１１，１２を接着して焼結体とした後に、純Ａｇの粒を載置し、８００℃程度の熱処理をかけてリフローして形成したものである。さらに、図２（ｂ）に示すように、フィレット部５はＬＥＤ素子１を取り囲む円に沿っており、開口方向に広くなるように形成されているため、アンテナ型の構造となり、光を外部に効率的に反射する。

本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージは、図３のように複数のＬＥＤ素子を実装することも可能である。図３の実施形態では、３つのＬＥＤ素子１ａ，１ｂ，１ｃを実装した形態である。各ＬＥＤ素子の一方の端子は、金属パッド８ａ，８ｂ，８ｃとボンディングワイヤ２で接続する。他方の端子は共通端子として、金属パッド８ｄに接続する。赤色、青色、緑色のＬＥＤ素子を用いれば白色光が得られる。

次に、本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージの製造方法に係る一実施形態を、図４および図５を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示すように第一〜第三セラミック板となるべきグリーンシート１０ａ，１１ａ，１２ａを用意する。このようなグリーンシートは、セラミック微粉末と有機結合材、可塑剤、溶剤などの混合スリップを、周知のドクタープレード法やカレンダー法で薄板状にすることで作成される。

次に図４（ｂ）に示すように、第一セラミック板用のグリーンシート１０ａ上にメタライズ層７ｂおよび実装領域１４用のメタライズペーストを、スクリーン印刷法により印刷する。メタライズ層７ｂは実装領域１４を取り囲む経路に沿って、略円形に印刷される。さらに第二セラミック板用のグリーンシート１１ａに、貫通穴３ａを形成し、貫通穴３ａの側面４にメタライズ層７ａ用のメタライズペーストを印刷するとともに、グリーンシート１１の上面に金属パッド８ａ，８ｂおよびそれに連なる金属配線１３用のメタライズペーストを印刷する。また、第三セラミック板用のグリーンシート１２ａにも貫通穴３ｂを形成する。貫通穴３ａ，３ｂは略円柱形であり、各グリーンシートを垂直に打ち抜いて形成される。上記の従来技術では角度をつけて打ち抜く方法が採用されていたが、本発明では垂直に打ち抜くので、容易に製造できる。

その後、図４（ｃ）に示すように、第一〜第三セラミック板となるべきグリーンシート１０ａ，１１ａ，１２ａを積層し、接着する。すると貫通穴３ａおよび３ｂは連なって、ＬＥＤ素子１を収容するキャビティ３となる。その後、グリーンシートを焼成すると、セラミック板１０〜１２が一体化し、キャビティ３を有する焼結体が得られる。

次に、メタライズ層７ａ，７ｂの表面に図示しないニッケルメッキ層を周知の電解メッキ法または無電解メッキ法で被膜形成する。ニッケルメッキ層は、純Ａｇとの接着性を向上させるために行う。その後、図５（ｄ）に示すように、メタライズ層７ａ，７ｂに純Ａｇのボール５ａを載置する。この工程は例えばボール５ａをキャビティ３内に入れ、セラミック板自体を傾斜させて載置する。その後、例えば８００℃程度の高温処理を施すとボール５ａがリフローし、図５（ｅ）に示すように、純Ａｇのフィレット部５が、メタライズ層７ａおよび７ｂをまたぐように形成される。リフローによって光反射面６が形成され、ＬＥＤ素子１からの発光光束を効率的に外部へ反射できるようになる。さらに、上記光反射面６上に、図示しないニッケルメッキ層および銀メッキ層をこの順に形成してもよい。表面に銀メッキ層を形成することで、光反射率をさらに高めることができる。

以下、上述の各実施形態に共通するフィレット部５周辺の詳細な断面構造について説明する。図６に示すように、メタライズ層７ａ，７ｂの表面にはＮｉメッキ層７１が形成されている。純Ａｇは、該Ｎｉメッキ層７１の表面上で濡れ性が良好であり、当該表面上にて溶融・流動させることによりフィレット部５が形成される。

フィレット部５の表面には、Ｎｉメッキ層６２及びＡｇメッキ層６１がこの順に形成されており、高い反射率を有するＡｇメッキ層６１の表面が光反射面６をなしている。また、Ｎｉメッキ層６２には、光沢Ｎｉメッキが用いられているので、その上に形成されたＡｇメッキ層６１の表面（光反射面）は良好な平滑性を有している。

また、パッド８ａ，８ｂの表面にも、Ｎｉメッキ層８２及びＡｇメッキ層８１がこの順に形成されている。これにより、ボンディングワイヤ２のボンディング性が良好なものとなっている。ここで、かかるＮｉメッキ層８２及びＡｇメッキ層８１は、フィレット部５の表面に形成されたＮｉメッキ層６２及びＡｇメッキ層６１と同一の組成、すなわち同時に形成することが可能である。

その他、上述の実施形態のＬＥＤ用セラミックパッケージの構成・形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、適宜変更して実施し得るものである。例えば、キャビティ底面１６の略中央の実装領域１４には、ＬＥＤ素子１のみならず、例えばＬＥＤ素子１を駆動するための素子等を併せて実装することなども可能である。

本発明の一実施形態を示す概略断面図（ａ）および正面図（ｂ）本発明の別の実施形態を示す概略断面図（ａ）および正面図（ｂ）複数のＬＥＤ素子を搭載したＬＥＤ用セラミックパッケージの正面図本発明のＬＥＤ用セラミックパッケージの工程図図４に続く工程図フィレット部周辺の詳細な断面構造を表す模式図ＬＥＤ用セラミックパッケージの従来例を示す断面図

符号の説明

１ＬＥＤ素子
３キャビティ
４キャビティ内周面
５フィレット部
６光反射面
７メタライズ層
８金属パッド
１３金属配線
１４実装領域
１６キャビティ底面

Claims

パッケージの一方の主面に開口を有し、底面の略中央がＬＥＤ素子の実装領域とされるキャビティと、
前記実装領域を取り囲むように、前記キャビティの底面及び側面に形成されたメタライズ層と、
Ａｇ含有率が９０質量％以上の金属材からなり、前記メタライズ層上に形成されたフィレットと、
を備えるとともに、
当該フィレットが、ＬＥＤ素子からの発光光束を所定の方向に反射する光反射面を有することを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記フィレットは、純Ａｇからなることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記フィレットの表面が前記光反射面をなすことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記フィレットの表面にはＡｇメッキが施されてなり、当該Ａｇメッキの表面が前記光反射面をなすことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記Ａｇメッキは、パッケージが有するパッドの表面に施されたＡｇメッキと同一組成であることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記フィレットと前記Ａｇメッキの間には、該フィレットの表面よりも表面粗さの小さい金属メッキ層が介挿されてなることを特徴とする請求項４または５に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
前記金属メッキ層は、光沢Ｎｉメッキからなることを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージ。
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージを製造するために、Ａｇ含有率が９０％以上の金属材からなる金属材を溶融させた状態で、前記キャビティの底面及び側面に形成された前記メタライズ層上を流動させることにより前記フィレットを形成することを特徴とするＬＥＤ用セラミックパッケージの製造方法。
前記キャビティ内に前記金属材を配置しておき、パッケージごと加熱を行うことで当該金属材を溶融させることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ用セラミックパッケージの製造方法。