JPH03254162A - 発光素子用キャップ、そのキャップを用いた発光素子、その製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば発光ダイオード、半導体レーザ等の、
発光体と発光体保護を目的とするキャップからなる発光
素子において、そのキャップ、そのキャップを用いた発
光素子、上記発光体とキャップを超音波溶着により接着
する方法、及び、装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従・来、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子に
おいては、実際の発光部位に相当する発光素子チップ、
電極取り出しに要するボンディングワイヤーの保護を目
的として、発光素子チップを固定する金属製ステム上に
キャップを設けている。

このキャップ上部の光線出射部は、平面の窓に限らず、
出射光の指向角を規定するためにレンズ状に形成されて
いても良い。光線出射部がレンズ状に形成されている場
合の例としては、キャップとして形成したレンズキャン
と呼ばれるパッケージが例示できる。

しかしながら、上記のレンズキャンによれば、レンズ部
を形成する際に、円筒状ガラスを加熱溶融によって接着
した後、形状出しを行っているため、レンズ部の外形寸
法にばらつきが大きく、出射光の指向角の変動を生じ易
いものであうｆ−。

そこで、前記問題点を解決する目的で、例えば、特開昭
６２−１３９３６７号公報では、プラスチックにより形
成されたレンズ付き外囲器を予め用意し、これを発光素
子チップを設けたステムに接着する構造の発光ダイオー
ドが提案されている。

これによれば予めレンズ部が形成されるため、前記のよ
うな問題点は避けられる。ただし、この特開昭６２−１
３９３６７号公報ではステムと外囲器の接着方法には言
及されておらず、通常は接着剤による接着が行われてい
るのが実状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の製造方法において、生
産速度を早めようとするには、ステム上の発光素子チッ
プとレンズすなわち外囲器との位置決めを迅速に行い、
同時に硬化速度の速い接着剤を使用する必要がある。

ところ八　位置決めを確実に行うには、接着剤を塗布し
た後位置決め・固定を行うため、接着剤の硬化時間を長
くする必要があり、生産速度が遅くなるという問題があ
る。

さらに、金属製のステムとプラスチック製の外囲器とい
う異種材料の接着であるが故、Ｍ膨張係数の差による剥
離が生じたり、前述の問題点を解決するために強固な接
着強度を与えると、歪変形が生じたり、場合によっては
プラスチック製外囲器の破断が生じる。

本発明は、上記問題点を解決するためのもので、耐熱性
に優れたプラスチック製キャップを有する発光素子を高
い生産速度で製造することができる発光素子の製造方法
を提案することを目的としかつ、その製造方法に好適な
発光素子用キャップ、発光素子、製造装置を提供するも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記課題を解決するため以下の構威とした。

すなわち、本発明の発光素子用キャップは、発光素子チ
ップを有する金属製ステムを覆うべきプラスチック製キ
ャップであって、透光部とこれに連なる筒状胴部を有し
、この筒状胴部の途中に第１段部を設けてあるとともに
、筒状胴部の先端が突起部として形成されている。

また、これに加え、前記筒状胴部先端に突設した突起部
の内側に前記ステムの周囲に係合して位置決めする第２
段部を設けるとよい。

本発明の発光素子は、発光素子チップを有する金属製ス
テムをプラスチック製キャップで覆った発光素子であり
、前記キャップは、透光部とこれに連なる筒状胴部を有
し、この筒状胴部の途中に第１段部を設けてあるととも
に、筒状胴部の先端が突起部として形成さ札　この突起
部が金属製ステムの周囲を包み込むように融着して溶着
部を形成していることを特徴とする発光素子である。

ここで、前記キャップは、筒状胴部先端に突設した突起
部の内側に前記ステムの周囲に係合して位置決めする第
２段部を有すると、位置決めの点で有利である。

また、透光部としては、レンズ部を有するか否かを問わ
ず、単に光を通過させるものも含むのｔ本発明の適用に
当たっては、レンズ部を有するものの方が位置決めをす
るという意味においてより有用である。

次に、本発明方法は、発光素子チップを有する金属製ス
テムをプラスチック製キャップで覆った発光素子の製造
方法であり、前記キャップに第１段部を設け、この第１
段部に係合する位置決め段差を超音波溶着装置のアンビ
ルに設けて、このアンビルの段差にキャップの第１段部
を係合させることでキャップの位置決めをしてから金属
製ステムをキャップに装着し、ホーンとアンビルとを閉
じて加圧下超音波振動によりキャップの一部を金属製ス
テムに溶着することを特徴とする発光素子の製造方法で
ある。

ここで、前記キャップは、ステムとの位置決めをする第
２段部を有し　金属製ステムをキャップの第２段部に係
合させて装着すると位置決めをする上で好適である。

そして、ホーンとアンビルを閉じて加圧下超音波振動を
印加するにあたり、超音波振動で溶融し圧力で変位する
キャップの変位量を検出器で検出し　所定の値になった
時点で制御装置によって超音波発振を停止し、あるいは
、同時に加圧をも停止するようにするとよい。

本発明の装置は、透光部とこれに連なる筒状胴部を有し
、この筒状胴部の途中に第１段部を設けてあるとともに
、筒状胴部の先端が突起部として形成されているプラス
チック製キャップを、発光素子チップを有する金属製ス
テムに溶着するのに好適な装置であり、アンビルとこれ
に対向したホーンとを備え、前記アンビルのホーンとの
対向面にキャップが挿入される挿入孔が形成され　この
挿入孔の壁部には、前記キャップが挿入されたとき、キ
ャップに設けた第１段部に一致して、キャップの位置決
めをする位置決め段差が設けら帳前記ホーンのアンビル
との対向面にはアンビルの挿入孔に挿入保持されるキャ
ップの突起部に対応した環状凹部が形成されており、圧
力装置でホーンとアンビルとを閉ざすことで環状凹部内
に挿入されたキャップの突起部に環状凹部の底部から圧
力が加えられるよう構威さ札　そして、超音波振動の印
加でキャップの突起部が溶融したときの変位量を検出す
る検出器を設け、さらに、この検出器からの信号を受け
、変位量が一定値に達したときに超音波振動の印加を停
止する制御装置を設けたことを特徴とする発光素子の製
造装置である。

ここで、前記制御装置は、前記検出器からの信号を受け
、変位量が一定値に達したときに圧力装置による圧力の
卯のＵを停止するよう構成するとよい。

〔作用〕

本発明では、超音波発振によりプラスチック製キャップ
の金属製ステムと接触する部分のみを教化・溶融状態と
狐　金属製ステムを包み込むようにした後、超音波発振
を停止し同化接着できる。

プラスチック製キャップを形成するための材質としては
、ポリカーボネート、アクリル系樹脂、エチレン−環状
オレフィン共重合体等の透光性を有する光学用熱可塑性
樹脂が使用できる。

超音波溶着の条件は特に制限されないが、一般的には発
振周波数が１５〜５０ＫＨｚ、　　出力０５〜５Ｗの超
音波を被溶着物に加え、加圧圧力１〜２　Ｋｇ／　ｃｍ
２の加圧下に溶着を行う。このとき、被溶着物の変位量
を検出し、所定の値となった時点で超音波発振を停止す
る。このため、金属製ステムとキャップの位置決め精度
が向上し、出射光の指向角に変動が生じにくく、光学性
能のばらつきが減少する。

そして、前記装置では、前記アンビルのホーンとの対向
面にキャップが挿入される挿入孔が形成さＬ　この挿入
孔の壁部には、前記キャップが挿入されたとき、キャッ
プに設けた第１段部に一致して、キャップの位置決めを
する位置決め段差が設けらへ　前記ホーンのアンビルと
の対向面にはアンビルの挿入孔に挿入保持されたキャッ
プの突起部に対応した環状凹部が形成されているので、
発光素子の組み立て精度が向上する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面の実施例に基づいて説明する。

まず、第３図を参照して、本発明の方法で製造される発
光ダイオードチップについて説明する。

これは、プラスチック製キャップを金属製ステムに一体
的に取り付けたものである。

プラスチック製キャップ５は、第３図、第４図に示した
ように、キャップ上部が透光部として出射光の指向角を
規定する目的で形成したレンズ部６となっており、この
レンズ部６と一体成形されて筒状の胴部７がレンズ部６
の周囲から連なって垂設された構造である。そして、胴
部７は先端（図では下端）に行く途中でやや外径が広が
って第１段部９ａを形成しており、その先端から溶着用
の突起部８が環状に突設されている。また、前記筒状胴
部７の先端に突設した突起部８の内側に第２段部９ｂが
形成されている。

そして、この第２段部９ｂに金属製ステム２の周囲が係
合して位置決めさ札　前記突起部８が超音波溶着により
溶融して、第３図のように、金属製ステム２周囲を包み
込むようにして溶着部１０を形成し金属製ステム２と一
体化する。この超音波溶着の際、前記胴部７に形成され
た第１段部９ａは、超音波溶着の際の位置決めに利用さ
れる。

次に、前記金属製ステム２は金属製の円盤状で、周囲に
前記第２段部９ｂに係合し、かつ、前記突起部８が溶着
されるフランジ部２ａを有している。

そして、金属製ステム２の上面に発光ダイオードチップ
ｌがダイボンディングさ札　金＃Ｊ！　３により金属製
ステム２から突出した第１の外部電極４ａにワイヤーポ
ンディングされている。また、第２の外部電極４ｂが金
属製ステム２に接続されている。

この金線３は物理的負荷が加わると容易に断線する。５
＜　　キャップ５により保護されるため、その心配はな
い。

次に、本発明方法を実施するための、超音波溶着機を第
１図に基づいて説明する。超音波溶着機は、アンビル（
セット台）１１とこれに対向したホーン（振動子）１３
とを備えている。そして、アンビル１１のホーン１３と
の対向面にキャップ５が倒立状態で挿入される挿入孔１
１ａが形成されている。この挿入孔１１ａの壁部には、
前記キャップ５が挿入されたとき、前記第１段部９ａに
一致・係合して、キャップ５の位置決めをする位置決め
段差１２が設けられている。

前記ホーン１３のアンビル１１との対向面にはアンビル
１１の挿入孔１１ａに挿入保持されたキャップ５の突起
部８に対応した環状凹部１３ａが形成さ札　この中に突
起部８の先端が挿入されるようになっている。この環状
凹部１３ａの内底面は断面弧状に形成されている。また
、環状凹部１３ａに囲まれた部位に各外部電極４ａ、４
ｂを収容する収容孔１３ｂが穿設されている。

このホーン１３は、変換機１４を介して超音波発振［１
５に接続さ札　流体圧シリンダ１６によリアンビル１１
に対向して上下するようになっている。

ホーン１３の近傍には、ゲージセンサ１７が設けられて
いる。このゲージセンサ１７は　ホーン１３の動きに連
動する当り棒１８に押されて追込み量を検出し、制御装
置１９に信号を送るようになっている。

制御装置１９は、ゲージセンサ１７の信号により超音波
発振機１５及び流体圧シリンダ１６を発停するようにな
っている。

発光素子の製造方法はまず、第２図（ａ）〜（ｄ）に示
すように、超音波溶着機のアンビル１１の挿入孔１１ａ
にプラスチック製キャップ５を倒立させて挿入し、位置
決め段差１２に第１段部９ａを合わせて位置決めする（
第２図（ａ））。次に、キャップ５上に金属型ステム２
をセットする（第２図（ｂ））。

この状態で超音波発振機１５に接続するホーン１３を流
体圧シリンダ１６により下降させて加圧しながら超音波
発振機１５を駆動し、変換機１４を介してホーン１３か
ら超音波振動を加えると、プラスチック製キャップの胴
部末端の突起部８が軟化・溶融して溶着さ札　溶着部１
０が形成される（第２図（Ｃ））。そこで、ホーン１３
を上昇させて完成した発光ダイオードをアンビル１１か
ら取り外す。

上記の方法において、超音波溶着の際、追込み量の制御
を行う。この場合、ホーン１３の下降により当り棒１８
がゲージセンサ１７を押すと、ゲージセンサ１７がホー
ン１３の位置を検出する。

最初にホーン１３が下降すると、ゲージセンサ１７はこ
の動きをとらえる力ｌ　この動きがある間は制御装置１
９からの指令により流体圧シリンダ１６は下降を続ける
。ホーン１３が突起部８の先端に当接して加圧状態に入
ると、ホーン１３の下降が止まるので、ゲージセンサ１
７はこの点を追込み量の原点として検出し　制御装置１
９に信号を送る。制御装置１９はこの信号により超音波
発振機１５に指令を出して超音波発振を行う。これによ
り被溶着物が軟化・溶融すると、ホーン１３は加圧され
ているため下降を再開する。このときの追込み量をゲー
ジセンサ１７が検出し、設定追込み量になった時点で、
制御装置１９の指令により超音波発振機１５および流体
圧シリンダ１６の加圧が停止し、超音波溶着は終了する
。

このように、予めレンズ部６を有する先ヤップ５をアン
ビル１１の挿入孔１１ａに挿入して位置決め段差１２に
キャップ５の第１段部９ａを係合させて、溶着の位置決
めをするとともに、金属製ステム２を装着する際に第２
段部９ｂでステム２とキャップ５との位置決めをして、
超音波溶着をするので、溶着による組立精度が向上する
。また、溶着は、加圧下において突起部８の溶融・変形
に起因する変位量を検出しつつ行い、その所定の変位量
となった時点で超音波振動の印加を停止するので、常に
適切な溶着ができ、溶着部１ｏの形状大きさも均一化す
る。

〔発明の効果〕

本発明によれは　プラスチック製キャップと金属型ステ
ムの接着において、位置決め精度が高い状態で接着速度
を高め、発光素子の生産速度を速めることができる。ま
た、プラスチック製キャップと金属製ステムという異種
材料の接着に起因する剥離、歪変尽　破断を回避するこ
とができ、耐久性の高い発光素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の製造装置の一例を示したブロックは
　第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の製造方法を示した工
程図、第３図は本発明の製造方法によって作製された発
光素子の一例として示した発光ダイオードの断面は　第
４図は発光素子の一部をなすプラスチック製キャップの
溶着前の断面図である。 ｌ・・・発光素子チップ ２・・金属型ステム ５・・・プラスチック製キャップ ６・・・透光部としてのレンズ部 ７・・・筒状胴部 ８・・・突起部 ９ａ−ン・第１段部 ９ｂ・・・第２段部 １１・・・アンビル １１ａ・・・挿入孔 １２・・・位置決め段差 １３ａ・・・環状凹部 １３・・・ホーン １６・・・圧力装置としての流体圧シリンダ１７．１８
・・検出器 １９・・・制御装置 （０） （ｂ） （Ｃ） 第２図 第１ ３ｂ （ｄ） −３７′、

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子チップを有する金属製ステムを覆うべき
   プラスチック製キャップであって、透光部とこれに連な
   る筒状胴部を有し、この筒状胴部の途中に第１段部を設
   けてあるとともに、筒状胴部の先端が突起部として形成
   されていることを特徴とする発光素子用キャップ。
2. （２）前記筒状胴部先端に突設した突起部の内側に前記
   ステムの周囲に係合して位置決めする第２段部を設けた
   請求項１記載の発光素子用キャップ。
3. （３）発光素子チップを有する金属製ステムをプラスチ
   ック製キャップで覆った発光素子であり、前記キャップ
   は、透光部とこれに連なる筒状胴部を有し、この筒状胴
   部の途中に第１段部を設けてあるとともに、筒状胴部の
   先端が突起部として形成され、この突起部が金属製ステ
   ムの周囲を包み込むように融着して溶着部を形成してい
   ることを特徴とする発光素子。
4. （４）前記キャップは、筒状胴部先端に突設した突起部
   の内側に前記ステムの周囲に係合して位置決めする第２
   段部を有する請求項３記載の発光素子。
5. （５）発光素子チップを有する金属製ステムをプラスチ
   ック製キャップで覆った発光素子の製造方法であり、前
   記キャップに第１段部を設け、この第１段部に係合する
   位置決め段差を超音波溶着装置のアンビルに設けて、こ
   のアンビルの段差にキャップの第１段部を係合させるこ
   とでキャップの位置決めをしてから金属製ステムをキャ
   ップに装着し、ホーンとアンビルとを閉じて加圧下超音
   波振動によりキャップの一部を金属製ステムに溶着する
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
6. （６）前記キャップは、ステムとの位置決めをする第２
   段部を有し、金属製ステムをキャップの第２段部に係合
   させて装着する請求項５記載の発光素子の製造方法。
7. （７）ホーンとアンビルを閉じて加圧下超音波振動を印
   加するにあたり、超音波振動で溶融し圧力で変位するキ
   ャップの変位量を検出器で検出し、所定の値になった時
   点で制御装置によって超音波発振を停止するようにした
   特許請求の範囲第５または６項記載の方法。
8. （８）透光部とこれに連なる筒状胴部を有し、この筒状
   胴部の途中に第１段部を設けてあるとともに、筒状胴部
   の先端が突起部として形成されているプラスチック製キ
   ャップを、発光素子チップを有する金属製ステムに溶着
   する装置でありアンビルとこれに対向したホーンとを備
   え、前記アンビルのホーンとの対向面にキャップが挿入
   される挿入孔が形成され、この挿入孔の壁部には、前記
   キャップが挿入されたとき、キャップに設けた第１段部
   に一致して、キャップの位置決めをする位置決め段差が
   設けられ、 前記ホーンのアンビルとの対向面にはアンビルの挿入孔
   に挿入保持されるキャップの突起部に対応した環状凹部
   が形成されており、 圧力装置でホーンとアンビルとを閉ざすことで環状凹部
   内に挿入されたキャップの突起部に環状凹部の底部から
   圧力が加えられるよう構成され、そして、超音波振動の
   印加でキャップの突起部が溶融したときの変位量を検出
   する検出器を設け、さらに、この検出器からの信号を受
   け、変位量が一定値に達したときに超音波振動の印加を
   停止する制御装置を設けたことを特徴とする発光素子の
   製造装置。
9. （９）前記制御装置は、前記検出器からの信号を受け、
   変位量が一定値に達したときに圧力装置による圧力の印
   加を停止するよう構成した請求項８記載の発光素子の製
   造装置。