JP4822883B2 - 発光素子収納用パッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を収納するパッケージの製造方法に係り、特に、放熱性に優れ、かつ、高い反射効率を有するとともに、安価に製造することが可能な発光素子収納用パッケージの製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子を各種基板に実装するために用いられるパッケージは、平板状の基体の上面に発光素子を収納するキャビティが設けられ、キャビティの内壁面に形成された反射面で発光素子からの出力光を反射して外部に放射する構造となっている。このようなパッケージには高い反射効率が要求されるだけでなく、発光素子からの発熱を効率良く逃がすため、高い放熱性も要求される。そこで、これらの特性を満足するパッケージについて、従来、様々な研究や開発が行われており、これまでにも多くの発明や考案が開示されている。

例えば、特許文献１には、「発光ダイオードパッケージ」という名称で、良質な光反射面を有し、放熱性に優れるとともに、輝度や視野角の製造バラツキが小さい発光ダイオードパッケージに関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、セラミック基板上にＬＥＤ素子を実装するためのキャビティが形成され、このキャビティの内部にＬＥＤ素子を取り囲むように金属製のリングが接合された構造となっている。そして、金属製のリングはその内周面に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が形成されるとともに、キャビティ底面の外周縁部に被着されたモリブデンやマンガンあるいはタングステン等からなるメタライズ層に銀ロウ材を用いてロウ付けされている。
この特許文献１に開示された発明においては、光反射面が金属製のリングに形成されており、その表面が滑らかであるため、高い反射率を有する。また、リングが銀ロウ材によってセラミック基板上にロウ付けされているため、放熱性が良い。

また、特許文献２には、「発光素子収納用パッケージ及びその製造方法」という名称で、発光素子の発光効率と放熱性を向上できるとともに、安価に製造可能な発光素子収納用パッケージとその製造方法に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、窒化アルミニウム基板の片面に金属製又はセラミック製の枠体が接合され、窒化アルミニウム基板の表面にはタングステンやモリブデン等の金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷により導体配線パターンが形成されており、この導体配線パターン上に発光素子が実装される構造となっている。そして、窒化アルミニウム基板は色彩色差計で白色１００から黒色０間において７０以上の呈色を有し、その表面粗さが０．３μｍＲａ未満であることを特徴とする。
この特許文献２に開示された発明においては、発光素子からの発熱が熱伝導率の良い窒化アルミニウム基板により速やかに放熱される。また、窒化アルミニウム基板の表面は白色系であり、かつ表面粗さが小さいため、発光素子からの光を効率良く反射する。

特許文献３には、「半導体発光装置」という名称で、カメラの照明や液晶のバックライト等に用いられ、放熱性や光の取り出し効率に優れた半導体発光装置に関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された発明は、配線が形成された樹脂製の絶縁基板に金属製又はセラミック製の補助基板が接合された複合基板に対して、絶縁基板を貫通するとともに補助基板により底面が閉塞される凹部が設けられ、内壁面に金属メッキ加工が施されたこの凹部の底面上に半導体発光素子が実装されるものである。
特許文献３に開示された発明においては、半導体発光素子が発する光が金属メッキ部分によって反射されるとともに、半導体発光素子からの発熱が補助基板を通じて拡散される。

特開２００５−２４３６５８号公報 特開２００５−１９１０６５号公報 特開２００５−１６７０２６号公報

しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、金属リングに使用される鉄−ニッケル−コバルト合金などが高価なため、材料コストが高くなる。また、タングステンの粒径が不均一なため、キャビティ底面に被着されたメタライズ層の平坦性が損なわれる。従って、光反射面がキャビティ底面と所定の角度をなすように、金属リングをセラミック基板上に正確に接合することが困難となる。

また、特許文献２に開示された発明においては、窒化アルミニウム基板上の導体配線パターンがタングステンやモリブデン等の金属導体ペーストによって形成されることから、発光素子の実装面の平坦性が損なわれる結果、発光素子が発する光の放射角度が設計値からはずれるおそれがあった。

さらに、特許文献３に開示された発明においては、凹部の内壁面にメッキ処理を施す必要があるため、製造工程が煩雑となり、製造コストが高くなってしまうという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、放熱性と反射効率に優れ、製造コストの安い発光素子収納用パッケージを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、上面に発光素子の搭載部を有するセラミック製の基体と、この基体の表面に接合され貫通孔を形成するリング状のセラミックからなる枠体とを有する発光素子収納用パッケージの製造方法において、銅ペーストを仮硬化させた後，８００〜１１００℃で加熱してＣｕ−Ｏ共晶液相を生成し、このＣｕ−Ｏ共晶液相を用いて基体に枠体を接合することを特徴とするものである。
このような発光素子収納用パッケージの製造方法においては、枠体が研磨加工の容易な銅ペーストを介して基体に接合されるため、枠体と基体との接合面の平坦性の確保が容易である。

本発明の請求項１に記載の発光素子収納用パッケージの製造方法によれば、発光素子を基体表面に所定の姿勢で正確に接合することが可能である。これにより、発光効率の製造バラツキが小さい、高品質な製品を製造することができる。また、発光素子からの発熱を効率良く放散して、温度上昇に伴う発光素子の故障や発光効率の低下を防ぐことが可能である。さらに、基体の上面に対して枠体を所望の姿勢で確実に接合することができる。従って、発光素子からの出力光を枠体の内壁面で効率良く反射させることが可能である。

以下に、本発明の最良の実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１について説明する。

実施例１について図１乃至図３を用いて説明する（特に請求項１に対応）。
図１（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの実施例１の縦断面図及び平面図であり、図２は実施例１の発光素子収納用パッケージにおいて銅箔を用いて枠体を基体に接合する手順を示す工程図である。また、図３は実施例１の発光素子収納用パッケージにおいて銅ペーストを用いて枠体を基体に接合する手順を示す工程図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、発光素子収納用パッケージ１ａは、貫通孔６を有するリング状の枠体３が略矩形平板状の基体２の上面２ａに銅箔や銅ペーストなどの接合部材７によって接合され、貫通孔６の開口部６ａから枠体３の内周面３ａを経て露出する基体２の上面２ａまでの空間として形成されるキャビティ４に発光素子５が収納されている。そして、発光素子５からの出力光を枠体３の内周面３ａに形成された反射面（３ａ）で反射することによって外部に放射する構造となっている。また、発光素子５は、基体２の上面２ａに接合された接合部材７に接続用バンプ８を用いてフリップチップ接続されている。さらに、接続用バンプ８はＡｕＳｎ、半田、異方性フィルム又は金バンプなどにより形成され、接合部材７には導体配線がパターニングされている。なお、基体２の下面２ｂには外部と電気的に接続するための端子部１０が形成され、この端子部１０にはタングステンやモリブデンなどによって導体配線がパターニングされている。また、接合部材７を介して基体２の上面２ａに搭載される発光素子５は、基体２に穿設されるとともに内部に導電性部材が充填されたビア９によって端子部１０と導通がとられている。さらに、図示していないが、キャビティ４の内部には発光素子５を封止するための樹脂等が充填され、貫通孔６の開口端には集光レンズとして機能する透明性部材（図示せず）が挿着されており、キャビティ４の内部は気密性が保たれている。

基体２は、Ａｌ_２Ｏ_３を主原料とする複数のセラミックグリーンシートの焼結体が複数積層された構造となっている。セラミックグリーンシートとは、焼結助剤成分が添加・混合された原料粉末に、さらにバインダや溶剤が添加されたスラリーをドクターブレード法などを用いてシート状に成形したものである。なお、基体２の材質はＡｌ_２Ｏ_３に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、より高い放熱性が要求される場合には、放熱性に優れるＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いることもできる。

枠体３は内周面が基体２の上面２ａに対して所定の角度で傾斜した、いわゆるすり鉢状をなしており、セラミックの粉体プレスによって成形される。原料粉体には、焼結助剤成分としてＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯが添加されたＡｌ_２Ｏ_３の仮焼粉末にバインダ、溶剤及び可塑剤を混合し、スプレードライヤーで乾燥させて造粒したものを使用する。そして、この原料粉体をプレス成形し、１，５００℃の酸化雰囲気中で焼結させることによって枠体３が形成される。一般に、原料中のＡｌ_２Ｏ_３の割合が多いと製品は高強度となるが、同時に材料価格も高くなってしまう。従って、基体２ほどの強度が要求されない枠体３には、原料中のＡｌ_２Ｏ_３の割合が少なく安価な材料を使用することが望ましい。

次に、枠体３を基体２に接合する方法について、図１を適宜参照しながら説明する。本実施例においては、接合部材７である銅箔又は銅ペーストをセラミックに直接接合する、いわゆるＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ）法を用いる。なお、ＤＢＣ法とは、薄板状の銅をセラミックに接触させ、窒素又はアルゴンの雰囲気中で加熱することにより接合界面にＣｕ−Ｏの共晶液相を生成させ、この共晶液相によって銅とセラミックとを接合する方法である。
まず、接合部材７として銅箔を用いる場合について説明する。
図２に示すように、ステップＳ１０において、接合部材７として用いる厚さ２０〜１００μｍの銅箔を枠体３の底面３ｂとほぼ同じ形状に加工した後、その両面にエッチング加工を施す。次に、ステップＳ１１において窒素又はアルゴンの雰囲気中、３００〜４００℃の温度条件で接合部材７を予備酸化させる。ステップＳ１２で、片面に接着剤が塗布された接合部材７を枠体３の底面３ｂに押し当てた状態で２５〜１００℃の温度条件で乾燥させて仮付けする。さらに、ステップＳ１３において、自動機によって枠体３を基体２に正確に位置合わせした後、ステップＳ１２で用いた接着剤により枠体３を基体２に仮付けする。ステップＳ１４では、窒素又はアルゴンの雰囲気中、８００〜１１００℃の温度条件で接合部材７を加熱し、接合界面７ａ，７ｂにＣｕ−Ｏ共晶液相を生成させる。このＣｕ−Ｏ共晶液相により、接合部材７は基体２及び枠体３に対してそれぞれ強固に接合されることになる。なお、ステップＳ１２及びステップＳ１３で用いた接着剤はこの工程で気化するため、製品に残留することはない。さらに、ステップＳ１５において、基体２と枠体３の接合部である接合部材７の露出部分にニッケルメッキ及び金メッキを施す。これにより、接合部の腐食が防止される。なお、ステップＳ１１やステップＳ１４の前に、接合部材７の表面に予めタングステンを用いてパターンを成形し、ニッケルメッキ処理を施しておくことが望ましい。銅の濡れ性を向上させて基体２や枠体３に対する接合部材７の接合強度を増加させるためである。

次に、接合部材７に銅ペーストを用いる場合について説明する。
図３に示すように、ステップＳ２０において、印刷機を用いて枠体３の底面３ｂに接合部材７として用いる厚さ２０〜１００μｍの銅ペーストを印刷する。次に、この銅ペーストをステップＳ２１において、２００℃以下の温度条件で仮硬化させる。なお、銅ペーストの粘度が高い場合には、この工程を省略することもできる。また、銅の濡れ性を向上させ、基体２と枠体３との接合強度を増加させるために、銅ペーストの表面にタングステンによりパターンを成形し、ニッケルメッキ処理を施しても良い。ステップＳ２２では、自動機によって枠体３を基体２に対して正確に位置合わせする。銅ペーストの粘度が低い場合や粘着性が弱い場合には、この工程でステップＳ１２で用いた接着剤を基体２の上面２ａに塗布することが望ましい。そして、位置合わせが完了した枠体３の底面３ｂを基体２の上面２ａに押し当てて仮付けする。ステップＳ２３では、窒素又はアルゴンの雰囲気中、８００〜１１００℃の温度条件で銅ペーストを加熱することにより接合界面７ａ，７ｂにＣｕ−Ｏ共晶液相を生成し、このＣｕ−Ｏ共晶液相により銅ペーストは基体２及び枠体３とそれぞれ強固に接合される。最後に、ステップＳ２４において、基体２と枠体３との接合部の腐食を防ぐために、銅ペーストの露出部分にニッケルメッキ及び金メッキを施す。

さらに、発光素子５を基体２に接合する方法について説明する。
銅箔を接合部材７として用いる場合には、まず、図２を用いて説明したように、予備酸化した銅箔をその片面にステップＳ１２で用いた接着剤を塗布して基体２の上面２ａに押し当て、２５〜１００℃の温度条件で乾燥させることにより、仮付けする。さらに、この銅箔に導体配線パターンを形成した後、窒素又はアルゴンの雰囲気中、８００〜１１００℃の温度条件で加熱し、銅箔の表面にＣｕ−Ｏ共晶液相を生成させる。このＣｕ−Ｏ共晶液相により、銅箔と基体２の上面２ａとの接合強度が向上する。そして、この銅箔上に発光素子５を搭載するのである。なお、上記工程において、銅箔に導体配線パターンを形成する前に予め表面研磨を行っておくと、発光素子５を搭載する面の平坦性が向上する。
次に、銅ペーストを接合部材７として用いる場合には、基体２の上面２ａに図３で説明した銅ペーストを印刷して導体配線パターンを形成する。その後、２００℃以下の温度条件で銅ペーストを仮硬化させ、さらに、８００〜１１００℃の温度条件で加熱して、銅ペーストの表面にＣｕ−Ｏ共晶液相を生成させる。このＣｕ−Ｏ共晶液相によって銅ペーストは基体２の上面２ａに強固に接合される。

このような構造の発光素子収納用パッケージ１ａにおいては、枠体３と基体２との接合面に研磨加工の容易な銅箔又は銅ペーストを用いているため、表面研磨によって、その平坦性を容易に確保することができる。これにより、枠体３をその内壁面が上面２ａに対して所望の角度をなすように基体２に正確に接合することが可能となる。従って、反射効率に優れた発光素子収納用パッケージ１ａを容易に製造することができる。
また、発光素子５の搭載部にも銅箔又は銅ペーストを用いているため、表面研磨によって、その平坦性を容易に確保することができる。これにより、発光素子５を搭載部に対して所望の姿勢で正確に接合することが可能となる。従って、発光効率の製造バラツキを小さくして、製品の品質を向上させることができる。さらに、銅は熱伝導率の大きい材料であるため、発光素子５の搭載部の放熱性を高めることができる。従って、温度上昇に伴う発光素子５の故障や発光効率の低下を防ぐことが可能である。加えて、枠体３に高価な金属を使用しないため、材料単価を下げることができる。また、枠体３の内周面に反射面を形成するためのメッキ処理を施す必要がないため、製造工程が簡略化される。さらに、基体２と枠体３が別々に形成されるため、それぞれの目的に応じた適切な材料を選択することが可能である。従って、製品の品質向上と材料コストの削減を同時に図ることができる。

実施例２について図４を用いて説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの実施例２の縦断面図及び平面図である。ただし、図１に示した構成要素と同じものについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、発光素子収納用パッケージ１ｂは実施例１の発光素子収納用パッケージ１ａにおいて、基体２の４箇所にかしめ用孔１３が穿設されるとともに、上面１１ａの外縁部の４箇所に切欠部１４が設けられた枠体１１と、枠体１１の底面１１ｂの一部と外周面１１ｃとを覆うかしめ用部材１２とを備えるものである。そして、かしめ用部材１２には切欠部１４に掛着可能な凸部１２ａと、かしめ用孔１３に挿通可能なかしめ部１２ｂとが設けられている。
上記構造の発光素子収納用パッケージ１ｂにおいては、凸部１２ａを切欠部１４に掛着させ、かしめ部１２ｂをかしめ用孔１３に挿通させてかしめることにより、枠体１１を基体２の上面２ａに容易かつ確実に接合することが可能である。また、かしめ用部材１２を加工が容易で、かつ熱伝導性が高い銅などの金属材料を用いて形成することによれば、底面１２ｃの平坦性の確保が容易となり、枠体１１を基体２の上面２ａに正確な姿勢で接合することが可能となる。これにより、発光素子５からの出力光が枠体１１の内周面１１ｄによって所望の角度で正確に反射されるため、反射効率の優れた発光素子収納用パッケージ１ｂを精度良く製造することができる。また、かしめ用部材１２は放熱面積が広いため、発光素子５からの発熱を効率良く放散させることが可能である。

本発明の発光素子収納用パッケージの材質は上記実施例に示すものに限定されない。例えば、枠体を金属製リングとして、銀ロウ材等を用いて基体にロウ付けした構造とすることもできる。また、かしめ用部材は枠体に掛着可能な構造であれば良いため、凸部及び切欠部の形状や個数及びその設置箇所は上記実施例に示す場合に限定されない。さらに、かしめ用部材は基体にかしめ可能な構造であれば良く、かしめ部及びかしめ用孔の形状や個数及びその設置箇所も上記実施例に示す場合に限定されるものではなく、適宜変更可能である。

本発明の請求項１に記載された発明は、発光素子を基板に搭載するために使用するパッケージに対して適用可能である。

（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの実施例１の縦断面図及び平面図である。 実施例１の発光素子収納用パッケージにおいて銅箔を用いて枠体を基体に接合する手順を示す工程図である。 実施例１の発光素子収納用パッケージにおいて銅ペーストを用いて枠体を基体に接合する手順を示す工程図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの実施例２の縦断面図及び平面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ…発光素子収納用パッケージ ２…基体 ２ａ…上面 ２ｂ…下面 ３…枠体 ３ａ…内周面 ３ｂ…底面 ４…キャビティ ５…発光素子 ６…貫通孔 ６ａ…開口部 ７…接合部材 ７ａ，７ｂ…接合界面 ８…接続用バンプ ９…ビア １０…端子部 １１…枠体 １１ａ…上面 １１ｂ…底面 １１ｃ…外周面 １１ｄ…内周面 １２…かしめ用部材 １２ａ…凸部 １２ｂ…かしめ部 １２ｃ…底面 １３…かしめ用孔 １４…切欠部

Claims (1)

1. 上面に発光素子の搭載部を有するセラミック製の基体と、この基体の表面に接合され貫通孔を形成するリング状のセラミックからなる枠体とを有する発光素子収納用パッケージの製造方法において、
   銅ペーストを仮硬化させた後，８００〜１１００℃で加熱してＣｕ−Ｏ共晶液相を生成し、このＣｕ−Ｏ共晶液相を用いて前記基体に前記枠体を接合することを特徴とする発光素子収納用パッケージの製造方法。