JP4900374B2 - 金属パッケージを備えた半導体発光装置 - Google Patents

金属パッケージを備えた半導体発光装置 Download PDF

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Description

本件発明は、バックライト、ディスプレイ、照明等の各種光源に使用される半導体発光装置に係り、詳細には、半導体発光素子が金属パッケージに収納された半導体発光装置に関する。
近年、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いた白色系ＬＥＤ等、高輝度、高出力な半導体発光装置が開発され、バックライト、ディスプレイ、照明等の各種光源用途に使用されている。こうした半導体発光装置は、リード電極を備えたパッケージにＬＥＤ等の半導体チップを封止して構成される。
従来の半導体発光装置では、半導体チップをプラスチック製のパッケージに収納し、モールド樹脂で封止することが一般的であった。ところが、半導体発光装置の用途が広がるにつれて、より高い信頼性と発光強度が求められている。例えば、航空機や車載用に利用される発光装置では、装置の温度が―２０℃以下から８０℃以上という広い範囲で変化し、振動にもさらされる。このような場合に、上記のようなプラスチックパッケージとモールド樹脂による封止では、モールド樹脂の膨張・収縮によってＬＥＤチップがダイボンド樹脂から剥離して発光特性が変化したり、ワイヤが断線する等して発光しなくなる場合がある。また、高い輝度を得るために大電流を流すと、パッケージによる放熱効果が十分でないために、発光素子の温度が上昇して、素子の動作不良や、パッケージ樹脂の劣化を起こす場合もある。
そこで、プラスチックパッケージとモールド樹脂による封止に代えて、金属によるパッケージを行うことが検討されている（例えば、特許文献１）。図６は、そのようなパッケージの１種であるキャンタイプパッケージの一例を示す模式断面図である。凸形状の金属ベース３４の厚さ方向に形成された貫通孔に、リード電極１６及び１８が挿入され、ガラス等の絶縁体３を介して気密絶縁的に封着されてステム３５が構成されている。このようなステム３５の上面に発光素子２がダイボンドされ、その上から底部側に鍔部を有する窓付金属缶１１が被せられ、ステムと金属缶１１を接合することによって気密封止されている。発光素子２の発光は、金属缶１１に嵌め込まれた透光性の窓部材４０を介して取出される。発光素子２上の一対の電極は、ステム上面から露出したリード電極１６及び１８に金ワイヤー６等によって接続されている。
このようにして構成された発光装置は、パッケージが金属にて構成され且つ内部が中空であるため、構成材料に樹脂を用いた場合と比べ非常に高い信頼性を有し、ワイヤ断線防止、耐湿性、耐熱性、及び放熱性に優れている。このため、発光装置に流す電流量を増加させ出力向上を図ることが可能である。
また、本件発明者等は、金属製のパッケージを使用することによって高信頼性を確保しながら、小型化・薄型化が可能な表面実装型の半導体発光装置を提案している（例えば、特許文献２参照）。図８は、そのような半導体発光装置の一例を示す模式断面図である。パッケージ１０は金属からなり、中央部にある凹部に発光素子２を収納している。パッケージ１０の上からは、窓部に透光性部材１４を嵌めた金属製リッド１２が接合され、発光素子２を気密封止している。また、パッケージ１０の貫通孔内には、硬質ガラス等の絶縁部材２０を介して正及び負のリード電極１６及び１８がそれぞれ挿入されている。リード電極１６及び１８の両端部は、金属パッケージ１０の底面側において他の部分よりも突出しており、且つリード電極１６及び１８の底面は凹部１０ａの底面と略同一平面上に位置している。
このように構成された金属パッケージは、図６と同様の信頼性を確保しながら、実装用基板等の上に半田バンプ等によって表面実装することが可能である。また、チップを収納する凹部１０ａが実装用基板に接触させることができるため、チップ２の放熱効率を高めることができる。
特開平６−２９０４７号公報 ＷＯ ０２／０８９２１９Ａ１
しかしながら、上記従来の金属パッケージを使用した半導体発光装置では、構造上種々の問題が生じる。例えば、高い信頼性を確保するためにはパッケージ内を気密性良くシールすることが重要となるが、金属同士を均一に接合することが難しく、製造歩留まりや信頼性が低くなりがちであった。
また、ある種の半導体発光装置では、保護ダイオードやフォトディテクタ等、発光素子の機能を補助する素子をパッケージ内に設置する必要がある。ところが、保護ダイオード等の補助素子は、素子の表面に正負両方の電極がある窒化ガリウム系半導体発光素子と異なり、素子の裏面に一方の電極がある構造が一般的である。従って、これらの補助素子を導電性の金属パッケージ内に設置するには、構造上の工夫が必要となる。さらに、金属性のパッケージにチップをダイスボンドするには、金属パッケージの位置を自動認識する必要があるが、金属パッケージは光反射率が高いためパッケージ内の位置を画像認識によって検出することが容易ではなかった。
そこで、本件発明は、これら金属パッケージにおける構造上の問題点を解消し、安定して製造でき、かつ、信頼性の高い半導体発光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本件発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納するチップ収納部となる凹部を有する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドを備えた半導体発光装置であって、前記チップ収納部の凹部の周辺部に、前記金属パッケージに絶縁部材を介して、該金属パッケージを貫通すると共に上面に凹部を有する導電性台座が固定されており、該導電性台座の凹部内に、前記発光素子の機能を補助する補助素子が、その裏面電極を介して接合されたことを特徴とする。
この発明によれば、金属パッケージとリッドをシーム溶接する際の接合不良が防止でき、半導体発光装置の信頼性が向上する。即ち、金属パッケージの表面に形成されるＡｇ等のメッキ層が、リッド表面に形成されるＮｉ等のメッキ層よりも高導電率を有している場合、接合部に電流を流すと、低導電率のＮｉメッキ層側により大きなジュール熱が発生するため、ヒートバランスが崩れ、接合部とずれた位置にジュール熱が集中してしまう。そこで、本発明では、高導電率のメッキ層を有する金属パッケージ側に突起部を形成することにより、高導電率側の電流密度を高めて、ヒートバランスの中心が接合部に来るようにする。このことによって、安定したシーム溶接が可能となり、溶接部の信頼性も高まる。従って、信頼性に優れた半導体発光装置を提供することができる。
前記金属パッケージの最表面は、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ及びこれらを含む合金から成る群から選択された１種によって覆われていることが好ましい。これによってパッケージ表面の光反射散乱率が向上される他、メッキ層が溶接用ろう材となり、発光素子、ワイヤ、及びリッドと、金属パッケージ本体との密着性が向上される。更に、発光素子からの光が照射されるパッケージの主面側はメッキ層を光沢メッキとし、他の部材との密着性を高めたい部分のみのメッキ層を無光沢にすると、これらの効果は一層顕著になる。
一方、前記リッドの最表面は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｌ及びこれらを含む合金から成る群から選択された１種によって覆われていることが好ましい。これらの金属は、比較的硬く、酸化等を起しにくいため、これらの金属でリッド表面を覆うことにより半導体発光装置の信頼性が向上する。
また、本発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドとを備えた半導体発光装置であって、前記金属パッケージに絶縁部材を介して導電性台座が固定されており、該導電性台座上に、前記発光素子の機能を補助する補助素子が、その裏面電極を介して接合されたことも特徴とする。
補助素子としては、例えば、前記発光素子を静電気から保護する保護ダイオードを用いることができる。保護ダイオードを設けることによって、逆方向に高い静電気が加わった場合に素子破壊が起きることを防止して、半導体発光装置の信頼性を高めることができる。また、半導体発光素子がレーザである場合には、補助素子として、レーザの発光をモニタするフォトディテクタを設けても良い。フォトディテクタをパッケージ内部に設置することにより、部品点数の削減が可能となると共に安定いた光出力が得られ、信頼性の高い発光装置が得られる。
保護ダイオードやフォトダイオード等の補助素子は、正電極と負電極が、各々、基板の表面と裏面に形成されている場合が多い。従って、補助素子を単純に金属パッケージに設置すると、導電性を持つ金属パッケージ自身が極性を持つことになってしまうため、好ましくない。そこで、本発明では、金属パッケージに絶縁部材を介して導電性台座を固定し、その導電性台座上に補助素子の裏面電極を接合する。従って、金属パッケージ自身が極性を持つことを防止しながら、パッケージ内部に補助素子を収納することができる。
また、本発明に係る半導体発光装置は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドとを備えた半導体発光装置であって、前記金属パッケージの表面に、断面Ｖ字溝形状の矩形パターンが形成されたことも特徴とする。
この矩形パターンは、金属パッケージに発光素子をダイボンドする際に、金属パッケージ内の位置を自動認識するためのマーカとなる。金属パッケージは、表面の光反射率の高いため、一般的な十字状の突起部を形成してもコントラスト不足のために自動認識されにくい。そこで、本発明では、矩形形状で、かつ、断面Ｖ字状の凹部をマーカとすることにより、自動認識を容易にする。即ち、矩形であるため自動認識し易く、かつ、断面Ｖ字状の凹部であることによって凹部内とその周囲とにコントラストが付き易くなる。従って、金属パッケージの表面の光反射率が高い場合であっても、その位置を容易に自動認識することができる。
本発明は、以上説明したように構成されているため、金属パッケージにおける構造上の問題点を解消し、安定して製造でき、かつ、信頼性の高い半導体発光装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る半導体発光装置の一例を模式的に示す上面図であり、図２は、図１のI−I’断面における模式断面図、図３は、同II−II’断面における模式断面図である。尚、図１では、金属パッケージの内部構造を明確に示すため、リッドを省略している。また、本明細書では、発光素子が設置される側のパッケージ主面を表面とし、反対側の主面を背面または底面と表現する。
図１乃至３に示すように、本実施の形態に係る半導体発光装置において、金属パッケージ１０のほぼ中央に凹部１０ａ（＝チップ収納部）が設けられ、その上に、発光素子２として基板の表面に正負一対の電極が形成された窒化ガリウム系発光ダイオードがダイボンドされている。発光素子２の正負電極は、金属パッケージ１０内に絶縁部材２０を介して接続されたリード電極１６及び１８にワイヤー６によって接続されている。金属パッケージ１０には、蓋体としてリッド１２が接合されており、発光素子２やリード電極１６及び１８は不活性ガスによって気密封止されている。リッド１２には透光性窓材１４が嵌めこまれており、その透光性窓材１４を通じて窒化ガリウム系半導体発光素子２からの発光が取出される。
以下、本実施の形態に係る半導体発光装置の特徴的な構成について詳細に説明する。
（封止構造）
まず、この半導体発光装置の封止構造について詳細に説明する。図１に示すように、金属パッケージ１０には、発光素子２やリード電極１６及び１８を設置するための円形のベース台座１０ｃが形成され、ベース台座１０ｃの周囲から鍔部１０ｄがフリンジ状に延びている。一方、リッド１２は、図２及び図３に示すように、下面開放の円筒形状を有しており、その環状側面が金属パッケージのベース台座１０ｃに嵌め合わされることにより、金属パッケージ１０を封止する蓋体となる。リッド１２の下面からは、外向きに円形のフリンジ部１２ａが延びており、このフリンジ部１２ａが、金属パッケージの鍔部１０ｄと接合することによって、金属パッケージ１０が気密封止される。尚、ベース台座１０ｃとリッド１２が嵌め合わせ構造となっていることにより、位置決めを容易に行うことができ、量産性が向上され好ましい。
図４は、金属パッケージ１０とリッド１２の接合部を示す拡大断面図である。図４に示すように、金属パッケージ１０の鍔部には、環状の突起部１０ｅが形成されており、この突起部１０ｅがリッド１２の平坦なフランジ部１２ａと接触するように構成されている。金属パッケージ１０の突起部１０ｅとリッド１２とが接触するように加圧した状態で、リッド１２の２点に電極をあててパルス電流を流すことにより、リッド１２と金属パッケージ１０の接合部に発生するジュール熱を利用して連続的にシーム溶接される。即ち、金属パッケージ１０の表面は、Ｎｉ層がメッキされた上に、さらに、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ等のメッキ層１１が形成されており、リッド１２の表面は、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｌ等のメッキ層１３が形成されている。金属パッケージ１０とリッド１２の接合部に電流が流れる際のジュール熱によってメッキ層１１及び１３が溶接される。
従来は、金属パッケージ１０の鍔部に環状の突起部１０ｅが形成されていなかったため、金属パッケージ１０とリッド１２の接合不良が発生し易く、また、接合部の信頼性も低かった。これは、金属パッケージ１０の表面に形成されるＡｇ等のメッキ層１１が、リッド１２の表面に形成されるＮｉ等のメッキ層１３よりも高導電率を有していたことに起因する。例えば、低導電率であるＮｉメッキ層１３と高導電率であるＡｇメッキ層１１の接合部に電流を流すと、低導電率のＮｉメッキ層１３の側により大きなジュール熱が発生するため、ヒートバランスが崩れ、接合部とずれた位置にジュール熱が集中してしまう。そのため、接合部における溶接不良が発生し易くなり、溶接部の信頼性も低下する。溶接部の接合が不完全であると、パッケージ内に水分等が進入し易くなるため、金属パッケージ１０の表面に形成されたＡｇ等のメッキ層１１が硫化又は酸化してしまう。
本件発明では、高導電率のメッキ層１１が形成された金属パッケージ１０の側に突起部１０ｅを形成するため、金属パッケージのメッキ層１１に流れる電流密度をリッドのメッキ層１３よりも高くして、導電率のアンバランスを補償することができる。このことにより、ヒートバランスが保たれ、接合部にジュール熱が集中し易くなるため、信頼性の高い溶接を安定して行うことができる。
突起部１０ｅの平面形状は、特に限定されず、ドット状の突起部１０ｅが線状に配列された形状であっても良いし、周期的に切れ目の入った環状であっても良い。この場合、突起部１０ｅ同士の間隔は、Ａｇ等のメッキ層が溶けることによって埋めることができる幅とする。尚、均一な溶接を行う観点からは、突起部１０ｅの平面形状は連続した環状であることが好ましい。また、突起部１０ｅは、図４に示すように１本の環状突起であっても良いし、同心円状に配列された複数本の環状突起であっても良い。また、突起部１０ｅの断面形状は、特に限定されず、矩形、半円形、三角形、台形等にすることができる。好ましくは、突起部１０ｅを図４に示すような台形断面とすることにより、ある程度の接合面積を確保しながら、電流を接合部に効率良く集中させて安定した溶接を行うことができる。
突起部１０ｅの幅は、特に限定されないが、狭過ぎては突起部の機械的強度が不足し、広過ぎては電流が十分に集中しない。従って、突起部１０ｅの幅は、
０．０５ｍｍ以上、より好ましくは０．１ｍｍ以上であることが望ましく、０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。また、突起部１０ｅの高さは、特に限定されないが、低過ぎては金属パッケージ１０が突起部１０ｅ以外でリッド１２が接触し易くなり、高過ぎては突起部１０ｅが部分的につぶれ易くなる。従って、突起部１０ｅの高さは、０．０１ｍｍ以上、より好ましくは０．０５ｍｍ以上であることが望ましく、０．１５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ以下とすることが望ましい。
（保護ダイオード４、台座電極２２）
次に、金属パッケージ１０内の保護ダイオード４について、図１及び図２を参照しながら説明する。保護ダイオード４は、例えば、ツェナーダイオードから成り、発光素子４を静電放電（Electrostatic Discharge、以下「ＥＳＤ」）から保護する役割を果たす。即ち、保護ダイオード４は、発光素子２と並列接続されることにより、ＥＳＤによって発光素子２に大きな逆方向電圧が加わった際の電流を逃がす役割を果たして、発光素子２を保護する。一般的な保護ダイオード４では、正電極と負電極が、各々、基板の表面と裏面に形成されている。従って、保護ダイオード４を単純に金属パッケージ１０に設置すると、導電性を持つ金属パッケージ１０自身が極性を持つことになってしまう。金属パッケージ１０は、放熱を容易にするために実装用基板内で空気が循環し易い位置に設置される場合が多く、人が触れ易い。従って、金属パッケージ１０が極性を持つことは避ける必要がある。
そこで、本実施の形態では、図２に示すように、金属パッケージ１０内に形成した貫通孔の内部に、硬質ガラス等の絶縁部材２０を介して、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属、例えば、Ｆｅ５０％とＮｉ５０％の合金から成る導電性台座２２を形成し、その導電性台座２２の上面に保護ダイオード４の裏面電極を導電性接合剤によって接合する。そして、保護ダイオード４の表面電極とリード電極１８の間、及び、導電性台座２２の上面とリード電極２０の間を金線等のワイヤー６によって結線することにより、保護ダイオード４と発光素子２を並列接続することができる。このような方法で保護ダイオード４を設置することにより、金属パッケージ１０自身が極性を持つことを防止できる。
保護ダイオード４を設置する台座２２は、その上面に凹部２２ａが形成されていることが好ましい。これによって、図２に示すように、凹部２２ａ内に保護ダイオード４を設置して全体の高さを抑えながら、凹部２２ａよりも外側の台座２２上面でワイヤーボンディングを行うことにより、ワイヤーが金属パッケージ１０と接触する等の問題を防止することができる。
台座電極２２は、２つのリード電極１６及び１８の中心同士を結ぶ線分を中心として発光素子２の逆側であって、かつ、リード電極１６及び１８のほぼ中間に配置することが好ましい。このように配置することによって、保護ダイオード４と発光素子２を並列に結ぶワイヤー６の長さが均等になり、ワイヤー切れ等の不良発生を防止することができる。
また、台座２２が金属パッケージ１０を貫通し、台座電極２２の底面が、リード電極１６及び１８や金属パッケージの脚部１０ｂと同一の高さとなっていることが好ましい。このような形状にすることにより、発光装置を実装用基板に実装した時に、台座電極２２と実装用基板が接触するようになり、台座電極２２からも通電を行うことが可能となる。また、保護ダイオード４からの放熱性も向上する。
尚、本実施の形態では、発光素子を静電破壊から保護するための保護ダイオードを設ける場合について説明したが、ここで説明した台座電極を用いる構成は、保護ダイオード以外の機能補助素子を設ける場合にも適用できる。例えば、発光素子であるレーザの光をモニタするためのフォトディテクタをパッケージ内に収納する場合、金属パッケージ内に絶縁部材を介して台座電極を形成し、その台座電極上にフォトディテクタを設置することができる。
（矩形パターン２４）
図１に示すように、本実施の形態に係る金属パッケージ１０には、その表面に矩形のパターン２４が形成されている。図５（ａ）及び（ｂ）は、矩形パターン２４を部分的に拡大した上面図及び断面図である。この矩形パターン２４は、金属パッケージ１０に発光素子チップ２をダイボンドする際に、金属パッケージ内の位置を自動認識するためのマーカとなる。金属パッケージは、表面の光反射率の高いため、一般的な十字状の突起部を形成してもコントラスト不足のために自動認識されにくい。そこで、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように矩形形状で、かつ、図５（ｂ）に示すような断面Ｖ字状の凹部とすることにより、自動認識を容易にする。即ち、矩形であるため自動認識し易く、かつ、断面Ｖ字状の凹部であることによって凹部内とその周囲とにコントラストが付き易くなる。従って、金属パッケージ１０の表面の光反射率が高い場合であっても、その位置を容易に自動認識することができる。
（凹部１０ａ）
図１乃至３に示すように、発光素子２は、金属パッケージ１０の中央に設けられた凹部１０ａ内に設置されており、凹部１０ａの底面を介して実装用基板に放熱することになる。発光素子２の放熱性及びパッケージの小型化を考慮すると、金属パッケージは熱伝導の容易な薄肉で形成されることが好ましい。一方、パッケージ１０と絶縁部材２０との熱膨張率等の差による応力を抑えるには、金属パッケージ１０は厚肉で形成されることが好ましい。そこで本実施の形態では、発光素子が配置される凹部１０ａの底面を薄肉に形成し、絶縁部材２０を介してリード電極や台座電極を固定する周辺部を厚肉に形成している。
これにより、薄肉である凹部１０ａの底面と厚肉である周辺部とに熱抵抗差を設けることができ、効率よく凹部１０ａの底面より放熱することができる。凹部１０ａの底面の膜厚は、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍが好ましく、より好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。このように設定された凹部底面は、熱抵抗が低く好ましい。尚、凹部１０ａの周辺部の厚みは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍである。０．３ｍｍより薄い場合、パッケージ全体の強度が低下してしまう。またリッドとの溶接時に起こる応力歪により溶接界面にクラックが生じる恐れがある。また１．０ｍｍ以上の膜厚にすると、前記溶接界面にパルス電流が伝わりにくくなり、シールが不完全になる恐れがある。また発光装置が厚型化するとともにコストが高くなる。
また、凹部１０ａは、リード電極１６及び１８と対向する部分に切欠部を有していることが好ましい。即ち、図１及び図３に示すように、凹部１０ａがリード電極１６及び１８と対向する部分については、凹部１０ａの側壁の高さが他の部分よりも低くなるように形成されている。このことにより、凹部１０ａの底面に設置する発光素子２とリード電極１６及び１８とをワイヤー６にて接続する際に、ワイヤー６が金属パッケージ１０とショートすることを防止することができる。
凹部１０ａは、発光装置の中央部に位置することが好ましく、これにより良好な指向特性が得られる。また、凹部１０ａは、発光素子２の少なくとも発光層までが凹部内に収納されるだけの深さを有しており、かつ、凹部１０ａの内側壁は、上広がりの傾斜面となっていることが好ましい。このことにより、発光素子２の四方側面から発光された光を凹部内壁で反射して正面方向に取出すことができる。従って、特に窒化物半導体からなる発光素子にみられる発光ムラや色むらを改善することができる。また、凹部１０ａの内側壁が上広がりの傾斜面となっていると、凹部１０ａから外側に向かって肉厚がテーパ状に厚くなる。これにより、凹部１０ａの底面と周辺部との熱抵抗差が大きくなり、さらに放熱性も向上する。
一方、金属パッケージ１０の底面側から見ると、凹部１０ａの裏側は、凸形状となっており、その凸形状と脚部１０ｂやリード電極１６及び１８との間に溝が形成されている。これにより、実装基板に実装する際、各リード電極間で短絡が生じることを防止することができ、信頼性高く良好に実装することが可能となる。溝がない場合、前記リード底面に付着される半田が隣接するベース部等に付着し各電極間の絶縁が取れなくなりショートしてしまう恐れがある。
凹部１０ａは、例えば金属平板に絞り加工を施すことにより構成される。本実施の形態では、金属平板の主面方向から絞り加工を施して金属を背面方向に流し凹部を形成する。この流れた金属が凹部底面の一部となるように構成することで、実装面の面積を大きくすることができるとともに、凹部側面の底面側の膜厚を厚くすることができる。
尚、凹部１０ａ内の発光素子２を、発光素子２の光出射面を構成する材料よりも屈折率の小さな透光性部材で被覆すると、発光素子２とその外側との光屈折率差が緩和されるため、光の取り出し効率が向上され好ましい。また、蛍光体等の波長変換材料を用いて発光素子の波長を変換させる場合、発光素子２を被覆する透光性部材内に蛍光体を分散させても良い。本発明に用いられる金属パッケージは、特に発光素子が配置される凹部の放熱性が優れているため、発光素子２を覆う透光性部材は、無機物に限らず有機物を用いることも可能である。大電流投下を行った場合でも有機物から成る透光性部材の劣化はほとんどおこらず、良好な光学特性が得られる。
（リード電極１６及び１８、脚部１０ｂ）
図１及び図３に示すように、金属パッケージ１０は、発光素子を収納するための凹部１０ａの周辺部に、厚さ方向に貫通された貫通孔を２つ有し、それぞれの貫通孔内には、絶縁部材２０である硬質ガラスを介して正及び負のリード電極１６及び１８がそれぞれ挿入されている。２つのリード電極１６及び１８は、発光素子２と三角形を構成するように、パッケージ１０の片側に寄せて配置されている。そして、発光素子２を中心として、２つのリード電極１６及び１８の逆側には、金属パッケージ１０の一部が底面から突出した脚部１０ｂが形成されている。リード電極１６及び１８と２つの脚部１０ｂは、凹部１０ａの底面及び前述した保護ダイオード用台座電極２２の底面と略同一平面上に位置しており、半導体装置が実装用基板に実装される際の実装面を形成している。
ここで、正及び負のリード電極は、少なくとも一方をベース部の貫通孔内に絶縁体を介して挿入し、他方のリード電極を金属パッケージと一体成形することもできる。このように構成すると、金属パッケージが極性を持ってしまう点では好ましくないが、熱発生源であるパッケージ凹部の発光素子配置面から一方のリード電極まで絶縁体を有さず連続した材料にて構成できるため、放熱性が向上する。尚、脚部１０ｂは、例えば金属パッケージ１０の主面側からプレス加工を施して背面側へ金属の一部を流すことにより容易に形成することができる。
（金属パッケージ１０の材質）
リード電極及び金属パッケージの熱伝導率はそれぞれ、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、更に好ましくは１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。信頼性を維持しながら大電流を長時間投下することが可能な発光装置が得られる。 またそれぞれの熱膨張率は、０．０５×１０−４／ｄｅｇ以上０．２０×１０−４／ｄｅｇ以下の範囲であることが好ましい。
金属パッケージの熱膨張率は、前記絶縁部材の熱膨張率と同様の値か、若しくは大きい値であることが好ましい。前者の場合、互いの部材が破損されることなく熱密着させることができる。また後者の場合、これらの熱膨張率の差が０．０１×１０−４／ｄｅｇ以下であれば、互いの接触面積を出来るだけ大きくすることで熱膨張率の差による破損を回避しつつ前記熱膨張率の差の効果によりほどよく金属パッケージが貫通孔の内部方向に収縮され、前記貫通孔の内壁に基材の酸化膜を設けなくても、前記金属パッケージと前記絶縁部材とを密着させることができる。これにより、作業工程が簡略化され生産性が良好な発光措置が得られる。
また、金属パッケージの基材は、強い強度を有することが好ましく、これにより薄型のパッケージを信頼性高く形成することができる。金属パッケージの好ましい基材として、コバール、鉄などが挙げられる。コバールとはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であり、絶縁部材に用いられる低融点ガラスと近似の熱膨張率を有するので良好に気密封止を行うことができる。
金属パッケージ１０の最表面にはＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ａｕ等のメッキを施すことが好ましい。このように構成すると、パッケージ表面の光反射散乱率が向上される他、前述したように、Ａｇ等のメッキ層が溶接用ろう材となり、発光素子、ワイヤ、及びリッドと、金属パッケージ本体との密着性が向上される。更に、発光素子からの光が照射されるパッケージの主面側はＡｇ層を光沢にメッキし、他の部材との密着性を高めたい部分のみのＡｇ層を無光沢にメッキすると、これらの効果は一層顕著になる。
（リッド１２、透光性窓材１４）
本実施の形態において、リッド１２には、透光性窓材１４が嵌めこまれている。透光性窓材１４は、凹部１０ａに配置された発光素子２の上面に位置しており、凹部１２ａの内壁の延長線と交わるだけの面積を有している。従って、凹部１０ａの側面にて反射散乱された光を有効に取り出すことができる。
リッド１２の基材は、パッケージ１０本体及び窓部の透光性部材１４と熱膨張係数が近似していることが好ましい。また、リッド１２の材質の表面は基材の保護膜としてＮｉ、Ａｕ等のメッキ層を有することが好ましい。例えば、カーボン製の封着治具を用いて、リッド１２本体に形成された開口部内にタブレット状のガラスを配置し、通炉させることによりガラス１４とリッド１２とを気密絶縁的に封着させることができる。
リッド１２の形状は、パッケージ１０と密接可能な滑らかな平面を有し、且つ、パッケージ１０を気密封止できれば特に限定されるものではない。中央部が凸形状のリッド１２を用いると、透光性窓材１４の背面に色変換部材を良好にバインダーさせることができ、歩留まり良く発光装置を形成することができる。また、凸形状のリッド１２に柔軟性を有する部材を注入し、金属パッケージに電気的に接続された発光素子を挿入して一体化させると、耐熱応力に優れた発光装置が得られる。
更に、透光性窓部材１４を曲線を帯びたレンズ形状とすると、光の収束が良好となり、正面方向の光度が高い発光装置が得られる。例えば、青色ＬＥＤチップ２が載置された金属パッケージ１０に、指向角が４５度程度に設定され且つ背面に前記青色の光の一部を吸収し黄色の光を発光する蛍光物質を固着されてなる砲弾側レンズを透光性窓材１４として載置すると、これらの混色により高輝度に白色ビームを発光することが可能な小型化発光装置が得られる。このような発光装置は、携帯電話等の小型機械に備えられた描写機能に必要とされるフラッシュの用途に用いることができる。
（発光素子２）
本発明において発光素子２は特に限定されないが、蛍光物質を用いた場合、該蛍光物質を励起可能な発光波長を発光できる発光層を有する半導体発光素子が好ましい。このような半導体発光素子としてＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を挙げることができるが、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）が好適に挙げられる。また所望に応じて、前記窒化物半導体にボロンやリンを含有させることも可能である。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
窒化物半導体を使用した場合、半導体用基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、およびＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイヤ基板を用いることが好ましい。このサファイヤ基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。サファイア基板上にＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡＩＮ等のバッファー層を形成しその上にｐｎ接合を有する窒化物半導体を形成させる。
窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成などが挙げられる。
窒化物半導体は、不純物をドープしない状態でｎ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のｎ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、ｐ型窒化物半導体を形成させる場合は、ｐ型ドーパントであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化物半導体は、ｐ型ドーパントをドープしただけではｐ型化しにくいためｐ型ドーパント導入後に、炉による加熱やプラズマ照射等により低抵抗化させることが好ましい。電極形成後、半導体ウエハーからチップ状にカットさせることで窒化物半導体からなる発光素子を形成させることができる。
本発明の発光素子において、白色系を発光させるには、蛍光物質からの発光波長との補色関係や透光性樹脂の劣化等を考慮して、発光素子の発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。発光素子と蛍光物質との励起、発光効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
なお本発明では、パッケージ本体は金属のみにて構成されているため紫外線による構成部材の劣化を抑制することができる。よって、本発明の発光装置に近紫外または紫外線領域を主発光波長とする発光素子を用い、前記発光素子からの光の一部を吸収して他の波長を発光することが可能な蛍光物質とを組み合わせることで、色ムラの少ない色変換型発光装置が得られる。ここで、前記蛍光物質を発光装置にバインダーする際には、比較的紫外線に強い樹脂や無機物であるガラス等を用いることが好ましい。
（蛍光物質）
本発明の発光装置は、発光素子と該発光素子から発光される光の少なくとも一部を吸収し他の光を発光することが可能な蛍光物質とを組み合わせることにより、所望の色調を有する光を得ることができる。また、蛍光物質は、拡散剤や顔料等他の部材と互換性を有しており、またこれらを組み合わせて用いることも可能である。これらの配置例として、リッドの窓部の部材１４に、の他物質を含有させてもよいし、窓部１４の内部表面にバインダーを用いて蛍光物質等を塗布してもよい。また金属パッケージの凹部内に樹脂等に含有させて配置させてもよい。
リッドの窓部に直接蛍光物質を含有させるには、例えば、リッド本体に開口部を設け、該開口部にガラスのパウダー状若しくはペレット状のものと粉末の蛍光物質との混合物を配置させ、プレス加工により一括成型させる。これにより蛍光物質含有の窓部が形成される。また、ガラスペーストに蛍光物質を混合したものを配置して焼成しても良い。
また、リッドの窓部の背面や発光素子の表面にバインダーにて蛍光物質を付着させる場合、前記バインダーの材質は特に限定されず、有機物及び無機物のいずれをも用いることができる。バインダーとして有機物を使用する場合、具体的材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂が好適に用いられる。特にシリコーン樹脂を用いると信頼性に優れ且つ蛍光物質の分散性を向上させることができ好ましい。またエラストマー状またはゲル状の部材を用いると、耐熱応力に優れた発光装置が得られる。
また、バインダーとして窓部の熱膨張率と近似である無機物を使用すると、蛍光物質を良好に前記窓部に密着させることができ好ましい。具体的方法として、沈降法やゾル−ゲル法等を用いることができる。例えば、蛍光物質、シラノール（Ｓｉ（ＯＥｔ）３ＯＨ）、及びエタノールを混合してスラリーを形成し、該スラリーをノズルからリッドの窓部に吐出させた後、３００℃にて３時間加熱してシラノールをＳｉＯ２とし、蛍光物質を固着させることができる。
また、無機物である結着剤をバインダーとして用いることもできる。結着剤とは、いわゆる低融点ガラスであり、微細な粒子であり且つ紫外から可視領域のふく射線に対して吸収が少なくバインダー中にて極めて安定であることが好ましく、沈殿法により得られた細かい粒子であるアルカリ土類のほう酸塩が適している。
また、大きい粒径を有する蛍光物質を付着させる場合、融点が高くても粒子が超微粉体である結着剤、例えば、デグサ製のシリカ、アルミナ、あるいは沈殿法で得られる細かい粒度のアルカリ土類金属のピロりん酸塩、正りん酸塩などを使用することが好ましい。これらの結着剤は、単独、若しくは互いに混合して用いることができる。
蛍光物質としては、例えば、窒化物系半導体を発光層とする半導体発光素子から発光された光を励起させて発光できるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質をベースとした蛍光物質を用いることができる。具体的なイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質としては、ＹＡｌＯ３：Ｃｅ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）やＹ４Ａｌ２Ｏ９：Ｃｅ、更にはこれらの混合物などが挙げられる。イットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質にＢａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎの少なくとも一種が含有されていてもよい。また、Ｓｉを含有させることによって、結晶成長の反応を抑制し蛍光物質の粒子を揃えることができる。本明細書において、Ｃｅで付活されたイットリウム・アルミニウム酸化物系蛍光物質は特に広義に解釈するものとし、イットリウムの一部あるいは全体を、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素に置換され、あるいは、アルミニウムの一部あるいは全体をＢａ、Ｔｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れが又は両方で置換され蛍光作用を有する蛍光体を含む広い意味に使用する。
更に詳しくは、一般式（ＹzＧｄ1-z）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ（但し、０＜ｚ≦１）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体や一般式（Ｒｅ1-aＳｍa）3Ｒｅ‘5Ｏ12：Ｃｅ（但し、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｓｃから選択される少なくとも一種、Ｒｅ’は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一種である。）で示されるフォトルミネッセンス蛍光体である。この蛍光物質は、ガーネット構造（ざくろ石型構造）のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークを４５０ｎｍ付近にさせることができる。また、発光ピークも、５８０ｎｍ付近にあり７００ｎｍまですそを引くブロードな発光スペクトルを持つ。
またフォトルミネセンス蛍光体は、結晶中にＧｄ（ガドリニウム）を含有することにより、４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの含有量の増加により、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。すなわち、赤みの強い発光色が必要な場合、Ｇｄの置換量を多くすることで達成できる。一方、Ｇｄが増加すると共に、青色光によるフォトルミネセンスの発光輝度は低下する傾向にある。さらに、所望に応じてＣｅに加えＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｅｕらを含有させることもできる。
しかも、ガーネット構造を持ったイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ざくろ石型）系蛍光体の組成のうち、Ａｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長側にシフトする。また、組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長側にシフトする。Ｙの一部をＧｄで置換する場合、Ｇｄへの置換を１割未満にし、且つＣｅの含有（置換）を０．０３から１．０にすることが好ましい。Ｇｄへの置換が２割未満では緑色成分が大きく赤色成分が少なくなるが、Ｃｅの含有量を増やすことで赤色成分を補え、輝度を低下させることなく所望の色調を得ることができる。このような組成にすると温度特性が良好となり発光素子の信頼性を向上させることができる。また、赤色成分を多く有するように調整されたフォトルミネセンス蛍光体を使用すると、ピンク等の中間色を発光することが可能な発光装置を形成することができる。
このようなフォトルミネセンス蛍光体は、２種類以上のセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ざくろ石型）蛍光体や他の蛍光体を混合させてもよい。
（実装用基板）
図６は、本実施の形態に係る発光装置を、実装基板２７に実装した様子を示す上面図である。実装用基板２７の表面において、リード電極１６及び１８や台座電極に接続する配線２９とは別に、通電回路から絶縁され、配線２９よりも幅広の導電パターンから成る高熱伝導性領域２８を設け、高熱伝導性領域２８と凹部１１ａの底面とを導電性部材にて固着することにより、発光素子からの発熱を効率良く実装基板へ放熱することができる。従って、発光素子への電流投下量を増大させて、出力向上を図ることが可能となる。尚、金属パッケージ１０の背面に導電性を有する支持体を設けても良く、その場合は、支持体も凹部１０ａの底面と同様に高熱伝導性領域２８と導電性部材にて固着することが好ましい。
尚、本実施の形態では、表面実装型の金属パッケージを用いた半導体発光装置を例として説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、リード型のキャンタイプパッケージについても、本発明の技術思想を同様に適用することができる。
図１は、本発明に係る半導体発光装置の一例を模式的に示す上面図である。 図２は、図１に示す半導体発光装置のI−I’断面図である。 図３は、図１に示す半導体発光装置のII−II’断面図である。 図４は、図１に示す半導体発光装置の接合部を拡大して示す部分拡大断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す半導体発光装置の矩形パターンを拡大して示す部分拡大図である。 図６は、半導体発光装置を実装用基板に実装した様子を示す上面図である。 図７は、従来の半導体発光装置を示す断面図である。 図８は、従来の半導体発光装置を示す断面図である。
符号の説明
２ 発光素子、
３ 蛍光体粒子、
４ 保護ダイオード、
６ ワイヤー、
８ 接合材（ダイボンド材）、
１０ 金属パッケージ、
１０ａ 凹部、
１０ｂ 脚部、
１０ｃ ベース台座、
１０ｄ 突起部、
１２ リッド、
１４ 透光性窓材、
１６、１８ リード電極、
２０ 絶縁部材、
２２ 導電性台座、
２４ 矩形パターン。

Claims (2)

  1. 半導体発光素子と、前記半導体発光素子に導通したリード電極を有し、前記半導体発光素子を収納するチップ収納部となる凹部を有する金属パッケージと、少なくとも表面が金属から成り、前記金属パッケージを気密封止する蓋体となるリッドを備えた半導体発光装置であって、
    前記チップ収納部の凹部の周辺部に、前記金属パッケージに絶縁部材を介して、該金属パッケージを貫通すると共に上面に凹部を有する導電性台座が固定されており、該導電性台座の凹部内に、前記発光素子の機能を補助する補助素子が、その裏面電極を介して接合されたことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記補助素子が、前記発光素子を静電気から保護する保護ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
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