JP4956329B2 - 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、発光素子収納用パッケージに関し、更に詳しくは側面から光が漏れない特性を有する発光素子収納用パッケージ及び該発光素子収納用パッケージに発光素子を搭載した発光装置に関する。

従来、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザー（ＬＤ）等の発光素子を収納するための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）として、セラミックスを基体としたパッケージが用いられている。

従来のセラミックを基体としたパッケージは、図１の発光装置の模式図に示すように、概略発光素子１を搭載する基体２と、貫通孔３を有する枠体４から成り立っており、基体２には発光素子１に外部から通電して発光させるための複数の配電導体５ａ、５ｂがショートしないようにお互いに隔離して設けられている。
上記パッケージに発光素子１を搭載し、配電導体５ａ、５ｂ、ボンディングワイヤー６を介して外部から通電された発光素子１は発光し、発生した光は直接放出されるか、枠体４の貫通孔内周面７に反射して外部に放出される。

上記パッケージの製造は、まず、ＷやＭｏ等の金属粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、基体２となるセラミック若しくはグリーンシートに予めスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布して乾燥後、焼成して基体２上に配線導体５ａ、５ｂが形成される。しかる後、上記配線導体５ａ、５ｂ上若しくは枠体４の底面１０に銀−銅等のロウ材、熱硬化性のエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の各種樹脂接着剤、ガラス等の接着剤を塗布して接着する。

上記構造のパッケージは構造的にシンプルであり、製造工程も短く製造も容易であるが、基体２と枠体４との間は、配線導体５ａ、５ｂを挟んで接着されているため、少なくとも配線導体５ａ、５ｂの厚み以上の間隔が開いており、また配線導体５ａ、５ｂはショートしないようにお互いに隔離して設けられているために、接着剤層が存在している場合においても、枠体４の底面１０における複数の配線導体５ａ、５ｂの間隙部から光が漏れ、反射効率が低下すると共に、不必要な部分に発光が生ずるという問題があった。
特開２００４−２０７５３７号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、構造的にシンプルであり、製造工程も短く製造も容易であり、枠体４の底面１０における複数の配線導体５ａ、５ｂの間隙部から光が漏れず、反射効率が低下せずに、不必要な部分に発光が生じない発光素子収納用パッケージを提供することである。

上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、複数の配線導体５ａ、５ｂの形状を特定の形状とすることにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成させるに至った。
即ち、本発明は、以下の通りである。
１．間隔をおいて設置された複数の配線導体を挟んで基体と枠体とが接着されてなる発光素子収納用パッケージであって、
該枠体の底面が形成する内周縁上の垂直面における該複数の配線導体間の間隙面を通過するいずれの直線も、
該間隙面を包含する該基体、該枠体及び該複数の配線導体が形成する間隙において、
該基体、該枠体、若しくは複数の該配線導体のいずれかによって遮断されていることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
２．上記枠体の底面と上記基体との間における上記配線導体の間隙の形が鍵型である前記１に記載の発光素子収納用パッケージ。

３．間隔をおいて設置された複数の配線導体を挟んで基体と枠体とが接着されてなる発光素子収納用パッケージに発光素子を搭載した発光装置であって、
該枠体の底面が形成する内周縁上の垂直面における該複数の配線導体間の間隙面を通過するいずれの直線も、
該間隙面を包含する該基体、該枠体及び該複数の配線導体が形成する間隙において、
該基体、枠体若しくは複数の配線導体のいずれかによって遮断されていることを特徴とする発光装置。
４．上記枠体の底面と上記基体との間における上記配線導体の間隙の形が鍵型である前記３に記載の発光装置。

本発明の発光素子収納用パッケージは、複数の配線導体５ａ、５ｂの形状が特定の形状となっているため、構造的にシンプルであり、製造工程も短く製造も容易であり、枠体４の底面１０における複数の配線導体５ａ、５ｂの間隙部から光が漏れず、反射効率が低下せずに、不必要な部分に発光が生じない。

本発明の発光素子収納用パッケージは、
間隔をおいて設置された複数の配線導体５ａ、５ｂを挟んで基体２と枠体とが接着されてなる発光素子収納用パッケージであって、該基体２、該枠体及び該複数の配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙が特定の形状であるため、該間隙から光が外部に漏れない構造となっている。

即ち、その特定の形状とは、該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１上の垂直面における該複数の配線導体５ａ、５ｂ間の間隙面を通過するいずれの直線も、
該間隙面を包含する該基体２、該枠体４及び該複数の配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙において、
該基体２、該枠体４、若しくは複数の該配線導体５ａ、５ｂのいずれかによって遮断される形状である。

図１は、前述の従来品の発光素子収納用パッケージであり、図１（ａ）はその垂直断面図
図１（ｂ）は、基体２、枠体４、配線導体５ａ、５ｂ及び上記一方の間隙面を通過する直線１２の位置関係を示した平面図である。また、図２は図１（ｂ）の上記一方の間隙部分の拡大斜視図である。

図１で示されたように、一定の厚みを有した２つの配線導体５ａと５ｂが、
基体２の表面９上に間隔を置いて形成されており、その両端は基体２の外縁部まで延び、基体２の側部を経由して基体２の下面に引き回されている。

枠体４は、その底面１０を上記２つの配線導体５ａと５ｂの上部表面に接して固着されている。
上記枠体４は貫通孔３、内周面７、外周面８、底面１０を有している。

上記２つの配線導体５ａと５ｂとが形成する間隙は、配線導体５ａ、５ｂの厚みを高さとし、配置間隔を幅として、基体２の表面９上を水平に延び、枠体４の底面１０を通って枠体４の外部まで延びている。

それぞれの図におけるＡ2、Ｂ2、Ｃ2・・・とは、平面図における
Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の位置における垂直線と基体２の表面９との交点を意味し、
Ａ4、Ｂ4、Ｃ4・・・とは、平面図における Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の位置における垂直線と枠体４の底面１０との交点を意味する。

本発明における「該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１」とは、
該枠体４の内周面７と枠体４の底面１０との交点であり、図１において１１で表された円状の線の部分である。
上記「該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１上の垂直面」とは、
上記円状の線を形成する内周縁１１を含有する基体表面９に対する垂直面であり、
上記従来品の場合は枠体４が中心方向に一定の厚みを有する円筒形であるから、上記垂直面とは円筒の内面７を包含する円筒状の垂直面である。垂直は基体表面９に対する垂直を意味する。

本発明における「該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１上の垂直面における配線導体５ａ、５ｂ間の間隙面」とは、図１（ｂ）及び図２において、配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙部分が上記垂直面と交差するやや湾曲した四角形の面（Ａ２−Ａ４−Ｂ４−Ｂ２）及び面（Ｅ２−Ｅ４−Ｆ４−Ｆ２）の２つの面を意味する。

本発明における「該間隙面を包含する該基体２、該枠体４及び該複数の配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙」とは、上記基体２の表面９、枠体４の底面１０、及び２つの配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙の部分であり、図１（ｂ）においては、湾曲した四角形の上面及び底面を有する四角柱（Ａ２−Ｂ２−Ｄ２−Ｃ２−Ｃ４−Ａ４−Ｂ４−Ｄ４）及び四角柱（Ｅ２−Ｆ２−Ｈ２−Ｇ２−Ｇ４−Ｈ４−Ｆ４−Ｅ４）の２つの四角柱部分である。

図２に、上記２つの四角柱部分で表される間隙部分のうち、一方の四角柱（Ａ２−Ｂ２−Ｄ２−Ｃ２−Ｃ４−Ａ４−Ｂ４−Ｄ４）で表される間隙部分を拡大斜視図で表した。
四角面（Ａ４−Ｂ４−Ｄ４−Ｃ４）は枠体４の底面１０の一部であり、線（Ａ４−Ｂ４）は該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１の一部である。
四角面（Ａ４−Ａ２−Ｂ２−Ｂ４）は、上記円周縁１１上の垂直面の一部であり、配線導体５ａと５ｂ間の間隙部分となっており、本発明の一方の間隙面である。
同様な考え方から、該枠体４の底面１０が形成する外周縁上の垂直面における配線導体５ａ、５ｂ間の間隙面として間隙面（Ｃ４−Ｃ２−Ｄ２−Ｄ４）が存在する。

直線１２は、上記間隙面（Ａ４−Ａ２−Ｂ２−Ｂ４）を通過する一本の直線であって、該間隙面上の点Ｋを通過し、該枠体４の底面１０が形成する外周縁上の垂直面における配線導体５ａ、５ｂ間の間隙面（Ｃ４−Ｃ２−Ｄ２−Ｄ４）上の点Ｌを通過している。
上記間隙面（Ａ４−Ａ２−Ｂ２−Ｂ４）を通過する一本の直線１２は、該間隙面（Ａ４−Ａ２−Ｂ２−Ｂ４）を包含する該基体２、該枠体４及び該複数の配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙（Ａ２−Ｂ２−Ｄ２−Ｃ２−Ｃ４−Ａ４−Ｂ４−Ｄ４）において、該基体２、該枠体４、若しくは複数の該配線導体５ａ、５ｂのいずれにも遮断されていない。

図３は本発明の好適な発光素子収納用パッケージの１実施形態を示す平面図である。
本実施形態は、２枚の配線導体５ａ、５ｂの間隙形状が異なる以外は、図１及び図２に示した従来品のパッケージと同一の形状を示している。
２枚の配線導体５ａと５ｂとは基体２上に間隔をおいて形成されているが、その間隙は基体２と枠体４との接着部分において、線分（Ｏ２−Ｏ４）及び線分（Ｑ２−Ｑ４）で屈折したカギの字型に形成されている。

本実施形態における「該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１上の垂直面における配線導体５ａ、５ｂ間の間隙面」は、湾曲した四角面（Ｍ２−Ｍ４−Ｎ４−Ｎ２）と四角面（Ｓ２−Ｓ４−Ｔ４−Ｔ２）である。

直線１３は間隙面（Ｍ２−Ｍ４−Ｎ４−Ｎ２）を通過する直線のうちの１つであって、間隙面（Ｍ２−Ｍ４−Ｎ４−Ｎ２）上の点Ｗを通過した後、線分（Ｑ２−Ｑ４）の近傍を通り、
該間隙面（Ｍ２−Ｍ４−Ｎ４−Ｎ２）を包含する基体２、枠体４および２つの配線導体５ａ、５ｂの間隙が形成する間隙において、配線導体５ｂの側面の一部である点Ｘにおいて遮断されている。本実施形態においては、直線１３のみでなく、間隙面（Ｍ２−Ｍ４−Ｎ４−Ｎ２）及び間隙面（Ｓ２−Ｓ４−Ｔ４−Ｔ２）を通過するいずれの直線も、該間隙面を包含する基体２、枠体４及び２つの配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙において、該基体２、該枠体４、若しくは２つの配線導体５ａ、５ｂのいずれかによって遮断されている

本発明の発光素子収納用パッケージは、基体２上に特定の形状に配線導体５ａ、５ｂを形成し、枠体４をその上部に接着することにより製造することができる。

上記基板２は、板状に形成され、例えば、概略円形、長方形、正方形等の形状をなしている。
上記基板２は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミック）や 窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック等のセラミックや、各種樹脂を使用することができる。
上記基板２の製造方法は、特に限定されるものではないが、セラミックを使用する場合には、上記原料の粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してグリーンシートを得、しかる後、高温（約１６００℃）で焼成することによって製作されるグリーンシート法を使用することができる。また、上記原料の粉体を成型機に充填して成型した後焼成する粉体成型法等を使用することもできる。本実施形態では、基板２が板状である関係からグリーンシート法で製造することが好ましい。グリーンシート法による製造は公知の製造方法を用いることができる。

上記配線導体５ａ、５ｂは、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属からなり、酸化腐食を防止するために、その露出する表面にＮｉやＡｕ等の耐食性に優れる金属を１〜１０μｍ程度の厚みに被着させておくことが好ましい。前記従来品の発光素子収納用パッケージ及び本発明の好適な発光素子収納用パッケージの１実施形態では、配線導体５ａ、５ｂは、基板２の上面を外縁部まで延び、基板２の側部を経由して基板２の下面に引き回されている。

配線導体５ａ、５ｂは、例えばＷやＭｏ等の金属粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、基板２となるセラミック若しくはグリーンシートに予めスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって、基板２の所定位置に被着形成され、乾燥後、焼成して製造される。上記焼成されて形成された配線導体５ａ、５ｂの厚みは２〜３０μｍが好ましく、５〜２０μｍが更に好ましい。配線導体５ａ、５ｂの厚みが上記下限値未満であると強度が低下すると共に通電の信頼性が低下し、上記上限値を超えると表面平坦性が低下するので枠体４を接着する際に接着力が低下する傾向がある。

本発明の発光素子収納用パッケージの配線導体５ａ、５ｂは、前記の如く、
該枠体４の底面１０が形成する内周縁１１上の垂直面における該複数の配線導体５ａ、５ｂ間の間隙面を通過するいずれの直線も、
該間隙面を包含する該基体２、該枠体４及び該複数の配線導体５ａ、５ｂが形成する間隙において、
該基体２、該枠体４、若しくは複数の該配線導体５ａ、５ｂのいずれかによって遮断されている
形態に複数の配線導体５ａ、５ｂの間隙が形成される。
上記条件を満たす配線導体５ａ、５ｂの形状であれば、いずれの形状であっても良いが、製造が容易で、形状がシンプルである観点から、上記枠体４の底面１０と上記基体２との間における上記配線導体５ａ、５ｂの間隙の形が鍵型であることが好ましい。

枠体４の製造方法は、特に制限はなく、上記グリーンシート法、粉体成型法により製造することができるが、正確な形状の枠体４が製造できる観点から粉体成型法が好ましい。
枠体４を粉体成型法により製造する場合には、枠体４の組成物を構成するセラミック原料粉末、バインダー樹脂、水等を加えて混合してスラリーを得る等を、例えばボールミルで配合してスラリーを製造し、スラリーをスプレードライヤーで噴霧乾燥して好ましくは２５μｍ〜２００μｍ、さらに好ましくは３０μｍ〜１５０μｍの大きさの粒子に造粒し、造粒された原料粉末を金型の中に充填し、常温にて圧力をかけて成型した後、焼成して枠体４を得ることができる。

上記セラミック原料としては、前記基体２のセラミック原材料と同一の原材料を使用することができ、上記バインダー樹脂としては、例えばアクリル系、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）系等のバインダー樹脂を用いることができる。
また、上記金型中で粉末に加える圧力は、好ましくは０．５ｔ／ｃｍ 〜２．０ｔ／ｃｍ 、さらに好ましくは０．７ｔ／ｃｍ 〜１．５ ２ ２ ２ｔ／ｃｍ
であり、得られた成型品は、前記基体２の焼成条件と同様な焼成で焼成することができる。

本実施形態の発光素子収納用パッケージは、配線導体５ａ、５ｂを具備した基板と枠体４とを接着させて製造される。
基板２と枠体４の接着には７００〜９００℃の融点を有する銀−銅等のロウ材、熱硬化性のエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の各種樹脂接着剤、ガラス等により固定される。

本実施形態の発光装置、図１に示す如く、発光素子１を配線導体５ａ上に固定し、ボンディングワイヤ６で発光素子１と配線導体５ｂを接着することにより製造することができるが、発光素子１の配置条件は、この形態に限られない。

以下に実施例及び比較例を挙げ、本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
図３において、基板２となるセラミック板の配線導体５ａ、５ｂの位置に導体ペーストを塗布し、乾燥した後焼成した。具体的に、配線導体５ａ、５ｂを具備した基板２は、北陸セラミック社製の純度９６％のアルミナ基板を基板２として用い、これにデュポン社製のグレード名「５１６４」の導体ペーストを図３の位置に塗布して１５０℃の温度で１０分間乾燥させた後、最高温度８５０℃を１０分間保持することにより作製した。
基板２は、縦８．０ｍｍ、横１１．０ｍｍ、厚み３．０ｍｍであり、配線導体５ａ、５ｂの厚みは１０μｍであり、その両配線導体５ａ、５ｂの間隙の幅はいずれの部分も０．０８ｍｍであった。

次いで、住友化学社製の高純度アルミナ「ＡＥＳ−１２」（純度９９．５％）を１００重量部、大日本インキ社製のバインダ−「ＮＣＢ−１５６」を３重量部及び中京油脂社製の滑剤「セロゾール９２０」を０．１重量部を混合して水を加えて、ボールミル中で混合することにより、５０体積％のスラリーを得た。次いで、１１０℃の温度条件により乾燥して造粒し、目開き２５μｍ及び１５０μｍの篩いで分級を行った。得られた粉末の平均粒径は４０μｍであった。この後、枠体用の金型に粉末を充填し、三研精機社製の１０ｔプレス機を用いて、室温にて１ｔ／ｃｍ
の圧力を加えて枠体形状物を得た。そして、枠体形状物を、 ２１０時間で昇温し、１５２０℃にて５時間保持し、８時間で降温することにより焼成を行って枠体４を作成した。
上記枠体４は、外径６．９ｍｍ、内径４．０ｍｍ、高さ２．０ｍｍの厚みを持つ円筒状であった。

次いで、配線導体５ａ、５ｂを設置した基板２と上記枠体４とを、東レダウ社製のシリコン樹脂「ＳＥ１７２０ＣＶ」を用い、１２０℃の温度にて３０分間保持して図３に示した基体２、配線基板５ａ、５ｂ、枠体４の位置関係に接着することで、本実施例の発光素子収納用パッケージを得た。

得られた発光素子収納用パッケージの枠体４のほぼ中央部であって配線導体５ａ上に発光素子１を設置し、発光素子１の通電端子と配線導体５ｂとをボンディングワイヤー６により接続して発光装置を作成した。この発光装置に通電して発光させて側面から観察したところ、枠体４の底面１０における配線導体５ａ、５ｂの間隙部（図３においては間隙面（Ｐ２−Ｐ４−Ｒ４−Ｒ２）と間隙面（Ｕ２−Ｕ４−Ｖ４−Ｖ２）の部分）からの光の漏れが極めて少なかった。

本発明は、構造的にシンプルであり、製造工程も短く製造も容易であり、枠体４の底面１０における複数の配線導体５ａ、５ｂの間隙部から光が漏れず、反射効率が低下せずに、不必要な部分に発光が生じない発光素子収納用パッケージであるため、発光素子１を搭載することにより、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ），半導体レーザー（ＬＤ）等の発光装置を製造するのに有用である。

従来品の発光素子収納用パッケージであり、 図１（ａ）はその垂直断面図 図１（ｂ）は、基体２、枠体４の底面１０、配線導体５ａ、５ｂ及び上記一方の間隙面を通過する直線１２の位置関係を示した平面図である。 図１（ｂ）の上記一方の間隙部分の拡大斜視図である。 図３は本発明の好適な発光素子収納用パッケージの１実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１ 発光素子
２ 基体
３ 貫通孔
４ 枠体
５ａ、５ｂ 配電導体
６ ボンディングワイヤ
７ 枠体４の内周面
８ 枠体４の外周面
９ 基体２の表面
１０ 枠体４の底面
１１ 枠体４の底面が形成する内周縁
１２ 間隙面（Ａ４−Ａ２−Ｂ２−Ｂ４）を通過する一本の直線
１３ 間隙面（Ｍ２−Ｍ４−Ｎ４−Ｎ２）を通過する一本の直線

Claims (4)

1. 間隔をおいて設置された複数の配線導体を挟んで基体と枠体とが接着されてなる発光素子収納用パッケージであって、
   該枠体の底面が形成する内周縁上の垂直面における該複数の配線導体間の間隙面を通過するいずれの直線も、
   該間隙面を包含する該基体、該枠体及び該複数の配線導体が形成する間隙において、
   該基体、該枠体、若しくは複数の該配線導体のいずれかによって遮断されていることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
2. 上記枠体の底面と上記基体との間における上記配線導体の間隙の形が鍵型である請求項１に記載の発光素子収納用パッケージ。
3. 間隔をおいて設置された複数の配線導体を挟んで基体と枠体とが接着されてなる発光素子収納用パッケージに発光素子を搭載した発光装置であって、
   該枠体の底面が形成する内周縁上の垂直面における該複数の配線導体間の間隙面を通過するいずれの直線も、
   該間隙面を包含する該基体、該枠体及び該複数の配線導体が形成する間隙において、
   該基体、枠体若しくは複数の配線導体のいずれかによって遮断されていることを特徴とする発光装置。
4. 上記枠体の底面と上記基体との間における上記配線導体の間隙の形が鍵型である請求項３に記載の発光装置。