JP5522172B2 - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パッケージとキャップを接着した発光装置及びその製造方法に関する。
今日、高輝度、高出力な半導体発光素子や小型且つ高感度な発光装置が開発され種々の分野に利用されている。このような発光装置は、低消費電力、小型、及び軽量などの特徴を生かして、例えば、光プリンターヘッドの光源、液晶バックライト光源、各種メータの光源や各種読み取りセンサーなどに利用されている。
このような発光装置の一例として、図６（ａ）に示すようなパッケージ４１の一表面に設けられた凹部の底面に発光素子４２が実装された発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。パッケージ４１の表面には、凹部の開口を閉塞する状態で、蛍光体を透光性の樹脂に分散させた板状の光色変換部材４３が接着剤等で固定されている。接着剤としては通常、透光性の樹脂が用いられる。
パッケージの凹部開口を塞ぐ透光性部材を設けた発光装置の別の例として、図６（ｂ）に示すような発光装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図６（ｂ）に示す発光装置は、凹部を有するパッケージ４４を用い、凹部の底面に半導体発光素子４５をダイボンドすると共に、半導体発光素子４５の電極とパッケージ４４に設けられた導電性部材４６とを、導電性ワイヤ４７を用いて電気的に接続する。このようなパッケージ４４の凹部の開口側に、透光性部材４８が嵌め込まれた金属キャップ４９が接着され、気密封止されている。接着方法としては、例えば溶接が用いられ、セラミックのパッケージ４４表面に形成したメッキ５０と金属キャップ４９とを溶接して接合する。また、金属パッケージとリッドの金属部とを溶接して気密封止するパッケージも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００３−４６１３３ 特開２００７−３０５７０３ ＷＯ２００２／８９２１９
しかし、従来の発光装置のように、パッケージの開口を覆うキャップとの接合部の下にパッケージの電極が設けられた面が存在すると、接合に用いた接合部材がパッケージの壁面を伝って電極に到達することがある。このとき、接合部材が樹脂のように絶縁性のものであれば発光装置の駆動に問題はないが、導電性の部材を用いて接着する場合には、パッケージの正負の電極が接着剤によって電気的に接続されて短絡が生じる虞がある。
上記課題を解決するために、発光装置の製造方法は、凹部内に発光素子が実装されたパッケージに、枠部を備えたキャップを前記凹部の開口部を覆うように接着する接着工程を有し、前記接着工程において、前記パッケージ又は前記枠部に、前記枠部に対する濡れ性が前記パッケージに対する濡れ性よりも大きい金属接着剤を部分的に形成し、前記金属接着剤を、前記枠部に沿って延伸させて接合させることで、前記金属接着剤が接合された接合部に空隙を形成し、前記パッケージと前記枠部とを接着する。
上記の発光装置には以下の構成を組み合わせることができる。
前記枠部は、前記パッケージとの接着部から前記パッケージの凹部の内側まで延在しており、前記パッケージは、その凹部内に、前記発光素子が接続された電極を有し、前記キャップが接着された接着部と前記電極との間に段差が設けられている。
前記枠部は、その上面視形状が矩形であり、前記接着工程において、前記金属接着剤を前記枠部の対向する２辺に形成し、前記金属接着剤を前記周縁部の対向辺から該対向辺と隣接する辺へ延伸させて接着する。
前記枠部は金属部材である。
前記発光素子は、紫外線を発光する発光素子である。
前記枠部は、前記段差に沿って突出した形状である。
前記枠部は、前記段差の上に前記凹部側の面を有する。
また、発光装置の製造方法は、凹部内に発光素子が実装されたパッケージに、前記凹部の開口部を覆うキャップを接着する接着工程を有し、前記キャップは、その周辺部に、前記パッケージと接着され、前記パッケージとの接着部から前記パッケージの凹部の内側まで延在する枠部を備え、前記パッケージは、その凹部内に、前記発光素子が接続された電極を有し、前記キャップが接着された接着部と前記電極との間に段差が設けられており、前記接着工程において、前記パッケージ又は前記枠部に、前記枠部に対する濡れ性が前記パッケージに対する濡れ性よりも大きい金属接着剤を部分的に形成し、前記金属接着剤を、前記枠部に沿って延伸させて前記パッケージと前記枠部とを接着する。
上記の発光装置の製造方法には以下の構成を組み合わせることができる。
前記接着工程において、前記金属接着剤を延伸させて接合させ、前記金属接着剤が接合された接合部に空隙を有する。
前記枠部は、その上面視形状が矩形であり、前記接着工程において、前記金属接着剤を前記枠部の対向する２辺に形成し、前記金属接着剤を前記周縁部の対向辺から該対向辺と隣接する辺へ延伸させて接着する。
前記枠部は金属部材である。
また、発光装置は、凹部を有するパッケージと、前記凹部内に実装された発光素子と、前記凹部の開口部を覆って接着されたキャップと、を具備し、前記キャップは、その周辺部に、前記パッケージと接着され、前記パッケージとの接着部から前記パッケージの凹部の内側まで延在する枠部を備え、前記枠部と前記パッケージは、前記枠部に対する濡れ性が前記パッケージに対する濡れ性よりも大きい金属接着剤を介して接着されており、前記パッケージは、その凹部内に、前記発光素子が電気的に接続された電極を有し、前記キャップが接着された接着部と前記電極との間に段差を有する。
上記の発光装置には以下の構成を組み合わせることができる。
前記枠部は、前記段差に沿って突出した形状である。
前記枠部は、前記段差の上に前記凹部側の面を有する。
前記枠部は金属部材である。
前記発光素子は、紫外線を発光する発光素子である。
本発明の発光装置の製造方法によれば、パッケージとキャップの接合に導電性の接着剤を用いた発光装置において、安定して非気密の発光装置を製造することができ、歩留まりを向上させることができる。
また、本発明の発光装置によれば、キャップの枠部をパッケージの凹部内に延伸させ、枠部に対する濡れ性大の金属接着剤を用いることで、金属接着剤をパッケージ凹部内方向へ導入すると共に、凹部内の段差によって、金属接着剤をパッケージの電極の手前で止めることができる。よって、短絡を防止することができる。また、金属接着剤をパッケージの凹部内に導入するので、金属接着剤のパッケージ外への漏出を抑制できる。
図１ａは本発明の実施の形態の発光装置を示す断面模式図である。 図１ｂは図１ａの一部を拡大した模式的な拡大図である。 図２は本発明の実施の形態の発光装置を示す正面模式図である。 図３は本発明の実施の形態の発光装置の製造方法を説明する正面模式図である。 図４ａは本発明の実施の形態の発光装置の製造方法を説明する正面模式図である。 図４ｂは図４ａにおける接合部３０ｂを図中の右方向から見た模式的な拡大図である。 図５は本発明の実施の形態の他の発光装置を示す断面模式図である。 図６は従来の発光装置を示す断面模式図である。
＜発光装置＞
図１ａに、本発明の実施の形態に係る発光装置を示す。発光装置は、パッケージ１と、パッケージ１の凹部内に実装された発光素子２と、パッケージの凹部の開口を塞ぐキャップ３とを有する。パッケージ１の内部には、発光素子２を載置可能な凹部が形成されており、発光素子２は、凹部底面に接合部材を用いてそれぞれ固定されている。発光素子の電極とパッケージ１に設けられた電極８ａ、８ｂとは、導電性ワイヤ９を用いて電気的に接続されている。
パッケージ１の凹部の上部は、枠部４と透光性部材５を有するキャップ３によって塞がれており、図１ｂに示すように、枠部４とパッケージ１は金属接着剤３１を介して接着されている。なお、図１ｂは図１ａの一部を拡大した模式的な拡大図である。金属接着剤３１は、枠部４に対する濡れ性がパッケージ１に対する濡れ性よりも大きく、図１ｂに示すように、金属接着剤３１は枠部４に沿って広がる傾向にある。枠部４は枠部４とパッケージ１の接着部からパッケージ１の凹部内まで延在する形状であり、パッケージ１の凹部内には、接着部とパッケージ１の電極８ａとの間に段差６が設けられている。これにより、凹部内に導入した金属接着剤３１が電極８ａに到達することを防止でき、発光装置の短絡を抑制できる。この場合の段差は、１段でもよいし、２段以上でもよい。また、余分な接着剤を段差に溜めることができるので、余裕のある量の接着剤を使用でき、パッケージとキャップが強固に接着された発光装置を製造歩留まり良く得ることができる。
キャップ３の枠部４は、図１ａに示すように段差６に沿って突出した形状であることが好ましい。このような形状とすることで、金属接着剤３１を効率よく段差６へ導入できる。また、枠部４と凹部の側壁７との間隔を調整することで、接着部から凹部内への経路を狭くして、金属接着剤を３１効率よく凹部内へ導入することができる。枠部４と凹部の側壁７とが金属接着剤３１によって接着されていてもよく、このような構成とすることでキャップ３とパッケージ１の接着面積を増大でき、密着力を向上できる。なお、本実施の形態では、段差６は、図１ａに示すように、接着部から連続する凹部の側壁７よりも凹部の中心側へ突出したものを指す。
段差６の上面は、好ましくはパッケージ１の裏面と略平行かそれよりも凹部の側壁７側に傾斜した面とすることで、金属接着剤３１の流出を抑制できる。図１ａに示す発光装置のようにキャップ３の凹部側の面が略平坦な面である場合は、この面と略平行な面を段差６の上面とすることが好ましい。また、キャップ３が接する程度に段差６の上面を高い位置に設けると、キャップ３やパッケージ１の厚みなどにずれが生じるとキャップ３を嵌合できなくなる場合があるため、製造歩留まり向上のためには段差６の上面とキャップ３とは離間されていることが好ましい。同様の理由から、キャップ３が凹部内へ突出した形状である場合は、キャップ３の突出部の外径を凹部の側壁７の内径よりも小さくすることが好ましい。
また、枠部４は、段差６に沿って屈曲させ、凹部の側壁７に沿った面を段差６上に配置することが好ましい。キャップ３の突出部に沿って枠部４が設けられている場合は、枠部４の凹部側の面を段差６よりも上に設けることが好ましい。これらの構成により、濡れ性大の枠部４により凹部内に導入された金属接着剤３１を段差６によって止め易くできる。なお、枠部４はキャップ３の段差６の上面に沿った面まで延在させず、枠部４の終端を上記の角部または凹部の側壁７に沿った面に配置することもできる。透光性部材５を保持するためには、枠部４を段差６の上面に沿った面まで延在させた形状とすることが好ましい。
本実施の形態の発光装置の正面模式図の一例を、図２に示す。図２に示す発光装置は、パッケージ１の凹部の底面に４つの発光素子３が実装されており、各素子が接続されたパッケージ１の電極８ｂは互いに分離している。なお、図２では説明のために透光性部材５を省略している。ここで示す発光素子３は対向電極構造の素子であり、上面がｎ電極、下面がｐ電極である。発光素子３のｐ電極は凹部の底面に設けられた電極８ｂに導電性接着剤を介して電気的に接続されており、発光素子３のｎ電極は、図１ａに示すように、凹部底面の一段上に設けられた電極８ａに導電性ワイヤ９を介して電気的に接続されている。パッケージ１の電極８ａ、８ｂは、図示しないが、パッケージ内部または外壁を経由してパッケージの裏面に設けられた裏面電極と繋がっており、裏面電極は回路基板と電気的に接続させるよう、半田等を用いて固定される。本実施の形態では、４つの発光素子は直列で接続されている。また、図２に示すように、電極８ａ、８ｂに保護素子１０を設けてもよい。
＜発光装置の製造方法＞
本発明の発光装置の製造方法は、パッケージ１と枠部４とを金属接着剤３１によって接着する工程を含む。
枠部４とパッケージ１を接着する金属接着剤３１の材料の一例としては、ＡｕＳｎ合金、高融点半田、Ａｇロウが挙げられる。接着時の温度を考慮すると、比較的低温で溶融して接着できるＡｕＳｎ合金を用いることが好ましい。金属接着剤３１は、例えば、ペースト状のものや、予め枠部４に形成された固体状のものを用いることができる。透光性部材５としては透光性ガラスが挙げられる。
接着方法としては、金属接着剤３１を部分的に設けて枠部４に沿って延伸させることによって接着する方法を採用することができる。このように金属接着剤３１を枠部４に沿って延伸させて接着する方法を用いると、金属接着剤３１が枠部４の外や凹部の内側に流れ易いが、本実施の形態の段差６を有するパッケージ１とすることで、パッケージ１の電極８ａの手前で金属接着剤３１を止めることができる。
枠部４とパッケージ１を接着する方法の一例を、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態の発光装置の製造方法を説明するための正面模式図である。図３に示すように、金属接着剤として、接着用の金属部材２０を形成する。なお、接着用の金属部材２０は枠部４とパッケージ１の間に形成される部材であるため上面からは確認できないが、図３では説明のため接着用の金属部材２０の形成位置を模式的に示している。接着用の金属部材２０は好ましくは濡れ性大の枠部４に形成する。このように形成した接着用の金属部材２０を熱により溶融させることで、金属接着剤として枠部４に沿って延伸させることができ、枠部４とパッケージ１とを接着できる。金属接着剤が延伸し易いように枠部４に荷重をかけてもよい。この場合の荷重は、枠部の一端から他端にかけてもよいが、枠部に対して均等にかけることが好ましい。接着用の金属部材２０は、枠部４の対向する位置に形成することが好ましく、図３に示すように枠部４の平面視形状が矩形である場合は、対向する２辺に形成することが好ましい。特に、隣接する辺との角部にまで形成することで、隣接辺へ延伸させ易い形状とできる。金属接着剤を均等に延伸させるためには、枠部４の平面視形状を正方形とすることが好ましい。
接着後の金属接着剤３１は、枠部４に部分的に設けられていることが好ましく、即ち、金属接着剤３１と金属接着剤３１との間に通気孔となる空隙を有する発光装置とすることが好ましい。これは、気密とするために枠部４の全周に金属接着剤３１を形成して接着しようとすると、パッケージ１表面の凹凸に起因して十分に接着されずに気密でないものができてしまうことがあり、製造歩留まりが悪化するためである。金属接着剤３１を部分的に設けることで、安定して非気密の発光装置を製造でき、歩留まりを向上させることができる。なお、溶融させて接着させた金属接着剤３１の膜厚は数μｍ〜数十μｍ程度とできるため、異物が侵入し難い空隙を形成することができる。また、紫外線を発光する発光素子を用いた発光装置では、紫外線の影響によってパッケージ凹部内の気体等が変質や分解される場合があるが、このような空隙を設けることで気体等を発光装置外に出すことができ、信頼性の高い発光装置とすることができる。
図４ａに示すように、空隙は、金属接着剤３１の端部と端部を接合させた接合部３０ａ、３０ｂに設けることが好ましい。例えば、図３に示す金属部材２０を溶融させることで、枠部４とパッケージ１が接着され、図４ａに示す金属接着剤３１が形成される。図４ａは、本実施の形態の発光装置の製造方法を説明するための正面模式図である。なお、金属接着剤３１は枠部４とパッケージ１の間に形成される部材であるため上面からは確認できないが、図４ａでは説明のために金属接着剤３１の形成位置を模式的に示している。図４ａに示すように空隙を接合部３０ａ、３０ｂに設けることにより、枠部４のほぼ全周に金属接着剤３１が形成されるので、パッケージ１とキャップ３が強固に接着された発光装置とでき、また、空隙の幅を数μｍ〜数十μｍ程度とできるので異物の侵入を更に抑制することができる。金属部材は、金属材料から構成することが好ましく、これによって、金属とフラックスとを混合した接着剤よりも延伸し難い接着剤とできるため、空隙を形成し易い。また、金属部材を溶融させて延伸させる際に、その表面が大気に曝され相対的に温度が低下することによって、金属部材同士が接触しても完全には融着されず、図４ｂに示すように、金属部材２０同士を接合させても、接着後に接合部３０ａ、３０ｂに空隙３２を存在させることができる。なお、図４ｂは、図４ａにおける接合部３０ｂを図中の右方向から観察した模式的な拡大図である。
このような空隙は、金属接着剤になる金属部材が枠部４に沿って延伸する温度であって且つ金属接着剤３１同士が接合しない程度の温度で溶融させ、枠部４に沿って延伸させて接着することで形成できる。例えば、金属接着剤３１がＡｕＳｎ合金である場合は２００〜３３０℃程度とすることが好ましい。また、このような温度範囲であれば、発光素子２を構成する半導体層の成長温度よりも低温であるので、発光素子２への悪影響を抑制することができる。
なお、金属接着剤３１同士の接合部３０ａ、３０ｂに形成される空隙は、金属接着剤３１の厚み方向（パッケージと枠部との金属接着剤３１を介した距離）においては、金属接着剤３１の厚みよりも小さい高さとすることが好ましい。また、空隙は、例えば、枠部側又はパッケージ側（好ましくはパッケージ側）において、最大幅が上述したような数μｍ〜数十μｍ程度とすることが好ましい。
以下、本願の各構成について説明する。
（パッケージ１）
パッケージ１は、金属接着剤３１の濡れ性が枠部４より小さい材料から選択する。例えばセラミックが採用でき、具体的にはＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等があげられる。セラミックは紫外線に対する耐性に優れており、発光素子２として紫外発光の素子を用いる場合に好ましい。パッケージ１は、金属接着剤３１が形成される位置にＡｕ等の金属めっきを施し、金属接着剤３１の延伸を促進させることもできる。この場合、金属接着剤３１のパッケージ外への漏出を抑制するために、金属めっきはキャップ３によって完全に被覆される位置に形成することが好ましい。パッケージ１の凹部は、発光素子２が載置可能な領域を確保できればよい。また、ツェナーダイオードなどの保護素子１０を設ける場合は、それらの載置領域も確保できるようにする。
また、図１ａに示すような導電性ワイヤ９を接続する電極８ａを発光素子２の実装面よりも上に設けたパッケージ１に限らず、図５に示すように、発光素子２の実装面と同じ面に電極８ａ、８ｂを設けたパッケージ１とすることができる。図５は、本実施の形態の発光装置の他の例を示す断面模式図であり、発光素子２の一方の主面に配置されたｎ電極とｐ電極にそれぞれ導電性ワイヤ９が接続され、導電性ワイヤ９の他端がパッケージの電極８ａ、８ｂに接続されている。
（発光素子２）
発光素子２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又はレーザダイオード（ＬＤ）として用いることが可能な半導体発光素子である。紫外線を発光する発光素子を用いることもできる。紫外発光の発光素子を用いる場合、接着剤として樹脂等の有機物を含有する部材を用いると、紫外線により有機物が分解されて発光素子に付着してしまうが、本実施の形態では金属接着剤を使用しているので、これを防止することができる。
（キャップ３）
キャップ３は、少なくとも枠部４を有し、さらには枠部４に嵌め込まれた透光性部材５を有する。
枠部４の平面視形状は、矩形、円形、楕円形を選択することができ、好ましくは上述のように正方形とする。枠部４の材料としては、金属接着剤の濡れ性が金属接着剤のパッケージ１に対する濡れ性よりも大きいものから選択され、少なくとも表面が金属からなるものが好ましい。具体的にはコバールを採用することができ、金属接着剤との密着性を向上するために表面をＡｕめっきしてもよい。
１ パッケージ
２ 発光素子
３ キャップ
４ 枠部
５ 透光性部材
６ 段差
７ 凹部の側壁
８ａ、８ｂ パッケージの電極
９ 導電性ワイヤ
１０ 保護素子
２０ 接着用の金属部材
３０ａ、３０ｂ 接合部
３１ 金属接着剤
３２ 空隙
４１ パッケージ
４２ 発光素子
４３ 光色変換部材
４４ パッケージ
４５ 半導体発光素子
４６ 導電性部材
４７ 導電性ワイヤ
４８ 透光性部材
４９ 金属キャップ
５０ メッキ

Claims (18)

  1. 凹部内に発光素子が実装されたパッケージに、枠部を備えたキャップを前記凹部の開口部を覆うように接着する接着工程を有し、
    前記接着工程において、前記パッケージ又は前記枠部に、前記枠部に対する濡れ性が前記パッケージに対する濡れ性よりも大きい金属接着剤を部分的に形成し、前記金属接着剤を、前記枠部に沿って延伸させて接合させることで、前記金属接着剤が接合された接合部に空隙を形成し、前記パッケージと前記枠部とを接着する発光装置の製造方法。
  2. 前記枠部は、前記パッケージとの接着部から前記パッケージの凹部の内側まで延在しており、
    前記パッケージは、その凹部内に、前記発光素子が接続された電極を有し、前記キャップが接着された接着部と前記電極との間に段差が設けられている請求項１に記載の発光装置の製造方法。
  3. 前記枠部は、その上面視形状が矩形であり、
    前記接着工程において、前記金属接着剤を前記枠部の対向する２辺に形成し、前記金属接着剤を前記周縁部の対向辺から該対向辺と隣接する辺へ延伸させて接着する請求項１又は２に記載の発光装置の製造方法。
  4. 凹部内に発光素子が実装されたパッケージに、前記凹部の開口部を覆うキャップを接着する接着工程を有し、
    前記キャップは、その周辺部に、前記パッケージと接着され、前記パッケージとの接着部から前記パッケージの凹部の内側まで延在する枠部を備え、
    前記パッケージは、その凹部内に、前記発光素子が接続された電極を有し、前記キャップが接着された接着部と前記電極との間に段差が設けられており、
    前記接着工程において、前記パッケージ又は前記枠部に、前記枠部に対する濡れ性が前記パッケージに対する濡れ性よりも大きい金属接着剤を部分的に形成し、前記金属接着剤を、前記枠部に沿って延伸させて前記パッケージと前記枠部とを接着する発光装置の製造方法。
  5. 前記接着工程において、前記金属接着剤は、前記パッケージと前記枠部の接着後に、通気孔となる空隙を有するように形成される請求項４記載の発光装置の製造方法。
  6. 前記接着工程において、前記金属接着剤を延伸させて接合させ、前記金属接着剤が接合された接合部に空隙を有する請求項４又は５記載の発光装置の製造方法。
  7. 前記枠部は、その上面視形状が矩形であり、
    前記接着工程において、前記金属接着剤を前記枠部の対向する２辺に形成し、前記金属接着剤を前記周縁部の対向辺から該対向辺と隣接する辺へ延伸させて接着する請求項４〜６のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
  8. 前記枠部は金属部材である請求項４〜７のいずれか１項に記載の発光装置。
  9. 前記発光素子は、紫外線を発光する発光素子である請求項４〜８のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
  10. 前記枠部は、前記段差に沿って突出した形状である請求項４〜９のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
  11. 前記枠部は、前記段差の上に前記凹部側の面を有する請求項１０に記載の発光装置の製造方法。
  12. 凹部を有するパッケージと、前記凹部内に実装された発光素子と、前記凹部の開口部を覆って接着されたキャップと、を具備し、
    前記キャップは、その周辺部に、前記パッケージと接着され、前記パッケージとの接着部から前記パッケージの凹部の内側まで延在する枠部を備え、
    前記枠部と前記パッケージは、前記枠部に対する濡れ性が前記パッケージに対する濡れ性よりも大きい金属接着剤を介して、通気孔となる空隙を有して接着されており、
    前記パッケージは、その凹部内に、前記発光素子が電気的に接続された電極を有し、前記キャップが接着された接着部と前記電極との間に段差を有する発光装置。
  13. 前記段差は、前記接着部から連続する凹部の側壁よりも凹部の中心側へ突出したものである請求項１２に記載の発光装置。
  14. 前記枠部の平面視形状は矩形であって、
    前記金属接着剤は、前記枠部の対向する２辺から該対向辺に隣接する辺に各々延伸して且つ互いの間に通気孔となる空隙を介して設けられた２つの部分を有する請求項１２又は１３に記載の発光装置。
  15. 前記枠部は、前記段差に沿って突出した形状である請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の発光装置。
  16. 前記枠部は、前記段差の上に前記凹部側の面を有する請求項１５に記載の発光装置。
  17. 前記枠部は金属部材である請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の発光装置。
  18. 前記発光素子は、紫外線を発光する発光素子である請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の発光装置。
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