JP2004259958A

JP2004259958A - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置

Info

Publication number: JP2004259958A
Application number: JP2003049341A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Yanagisawa; 美津夫柳沢
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】発光素子が発光する光を枠体の内周面で良好に反射させ外部に均一に効率よく放射させるとともに、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られるものとすること。
【解決手段】発光素子収納用パッケージは、上側主面の中央部に発光素子５が搭載される搭載部２ａを有するとともに搭載部２ａから外側にかけて導出される配線導体３が形成された絶縁体から成る基体２と、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体４と、基体２の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板６とを具備している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージおよび発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子を用いた発光装置は、今後さらなる低消費電力化や長寿命化がすすむものと予測されていることから注目されており、近年各種インジケーター、光センサ、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッド等の種々の分野で使用され始めている。従来の発光素子を搭載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）の断面図を図２に示す。
【０００３】
図２に示すように、従来のパッケージ１１は、一般に各種樹脂やセラミックスなどの材料から成る基体１２を有する。この基体１２には、タングステンやモリブデン−マンガン等を含む導体ペーストを塗布し焼成して成るメタライズ層を形成し、その上にメッキ法によりＮｉメッキ層やＡｕメッキ層を施した配線導体１３が形成されている。
【０００４】
また、配線導体１３は、発光素子１５を搭載する搭載部１２ａに、金（Ａｕ）や錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｎ）合金等から成る半田バンプ１７を介して発光素子１５を電気的に接続するための電極を有しており、配線導体１３と半田バンプ１７を介して、パッケージ１１内の発光素子１５に外部から駆動電流が供給される。
【０００５】
また基体１２は、パッケージ１１内部側の一方の主面に、中央部に上下面を貫通する貫通孔１４ａを有する、各種樹脂やセラミックスから成る枠体１４が設けられている。この枠体１４は、基体１２に７００〜９００℃の融点を有する銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）等のロウ材や樹脂接着剤、５００℃以下で溶融する低融点ガラスなどにより固定される。
【０００６】
また、発光素子１５を保護するため、枠体１４の内側に発光素子１５を覆うように透明樹脂（図示せず）が設けられる。この透明樹脂は熱硬化性のエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等を加熱硬化させることにより形成される。また、透明樹脂に発光素子１５の光を吸収し波長変換する少なくとも１つ以上の蛍光体を混入することにより、所望の色の光を取り出すことができる。さらに、透明樹脂は、発光素子１５をパッケージ１１に強固に密着させる働きも有する。これにより、発光素子１５を収納した発光装置となる。
【０００７】
この発光装置は、外部電気回路から供給される駆動電流によって発光素子１５が発光する。その用途としては、各種インジケーター、光センサ、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッドなどがある。
【０００８】
近年、この発光装置を照明用として利用するようになってきており、高輝度、放熱性の点でより高特性のものが要求されている。また、照明用として使用する場合には寿命が重要な問題となるため、長寿命な発光装置が要求されている。
【０００９】
そこで、近時、発光装置の発光輝度を向上させるために、枠体１４や基体１２がより反射率の高い材料から成る構成とすることが多い。例えば、発光素子１５の光を反射させる枠体１４の材料にＡｇやＡｌからなる反射率の高い金属を使用したり、それらの金属を枠体１４の内周面に被着させることによって、高輝度の発光装置とすることが提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３４４０２９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパッケージ１１では、発光素子１５から出る熱によりパッケージ１１に歪みが発生し、その結果、発光素子１５から発光される光の放射角度が安定化しないという問題点があった。これは、基体１２が樹脂やセラミックスから成るのに対して枠体１４が金属から成るため、基体１２と枠体１４との熱膨張係数の違いにより発生するものである。
【００１２】
また、従来のパッケージ１１では、高輝度化には十分に対応できるものの、輝度を上げるために発光素子１５の入力パワーを上げると、発光素子１５から出る熱により安定した光強度、光の放射角度、光強度分布が得られないといった新たな問題がでてきている。また、放熱性が劣化すると、発光素子１５の温度が上昇し、発光素子１５の活性層から出射される光の取り出し効率、いわゆる内部量子効率が著しく劣化する。また、発光素子１５とパッケージ１１に歪みが生じ、パッケージ１１から一定の距離を置いたところで測定される光放射角度および光強度分布が所望の値およびパターンからずれることとなる。光強度分布は単一の光束（光ビーム）またはそれらの集合体で表されるものであり、パッケージ１１の歪みにより光束のパターンが一定にならず不安定となる。このように、発光装置が局部照明の用途等に使用される場合、光の放射角度、光強度分布は重要な問題である。
【００１３】
したがって、本発明はかかる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、発光素子が発光する光を枠体の内周面で良好に反射させ外部に均一に効率よく放射させるとともに、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られる発光装置を作製できる発光素子収納用パッケージおよび発光装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子パッケージは、上側主面の中央部に発光素子が搭載される搭載部を有するとともに該搭載部から外側にかけて導出される配線導体が形成された絶縁体から成る基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体と、前記基体の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板とを具備していることを特徴とする。
【００１５】
本発明の発光素子収納用パッケージは、上側主面の中央部に発光素子が搭載される搭載部を有するとともに搭載部から外側にかけて導出される配線導体が形成された絶縁体から成る基体と、基体の上側主面の外周部に搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体と、基体の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板とを具備していることから、発光素子で発生する熱を配線導体で効率よく基体の内部に拡散させることができるとともに、基体の下側主面から放熱板に効率よく熱を伝達させることができる。従って、放熱板から外部回路基板に効率よく熱を放散でき、発光素子収納用パッケージ全体の温度上昇を有効に抑制できることから、基体と枠体との熱膨張差による歪みや変形を抑制できる。さらに、基体と枠体との接合界面で熱膨張係数差に起因し生じる熱応力を抑制できる。これらの結果、発光装置は安定した光放射角度および光強度分布でパッケージ外部に光を照射することができるとともに、互いに熱膨張係数の異なる、絶縁体から成る基体と金属から成る枠体との接合界面に生じるクラックや剥がれを抑制できる。従って、発光装置を長期にわたり正常に作動させることができる。
【００１６】
また、基体の上側主面に搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体を有していることから、枠体の内周面で発光素子の光を外部に８０％以上の反射率で反射させることができ、発光効率の高い発光装置を作製することができる。
【００１７】
本発明の発光装置は、本発明の発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に半田バンプを介して電気的に接続された発光素子と、前記枠体の内側またはその上方の前記発光素子の光軸上に設置された透光性部材とを具備していることを特徴とする。
【００１８】
本発明の発光装置は、上記の構成により、発光効率および放熱性に優れ、安定した光学的特性が得られる、高性能で信頼性の高いものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の発光素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図１は本発明のパッケージについて実施の形態の一例を示す断面図であり、図１において、２は基体、４は枠体、６は放熱板であり、これらで発光素子５を収容するためのパッケージ１が主に構成されている。
【００２０】
本発明のパッケージ１は、上側主面の中央部に発光素子５が搭載される搭載部２ａを有するとともに搭載部２ａから外側にかけて導出される配線導体３が形成された絶縁体から成る基体２と、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体４と、基体２の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板６とを具備している。
【００２１】
本発明における基体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ス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックスや、エポキシ樹脂等の樹脂から成る絶縁体であり、発光素子５を支持し搭載するための支持部材として機能するとともに、その上側主面の中央部には発光素子５を搭載する搭載部２ａが設けられている。
【００２２】
そして、基体２は、搭載部２ａの近傍からパッケージ外部に電気的な導通を行なう、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銅（Ｃｕ）等のメタライズ層から成る配線導体３が形成されている。この配線導体３は、例えば、Ｗ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、基体２となるセラミックグリーンシートに所定パターンに印刷塗布し、複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成することによって形成される。配線導体３の表面には、酸化防止のためと発光素子５を低融点ロウ材等の半田バンプ７で強固に接続するために、厚さ０．５〜９μｍのＮｉ（ニッケル）層や厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくのが良い。
【００２３】
また、基板２の上側主面には、基板２の下側主面への光の透過を有効に抑制するとともに、基板２の上方に効率よく光を反射させるために、配線導体３に短絡しないようにしてＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ等の金属反射層を蒸着法や各種メッキ法により形成することが好ましい。
【００２４】
本発明の配線導体３は、ＡｕやＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材から成る半田バンプ７により発光素子５との電気的な接続が行なわれる電極パッドを有するとともに、発光素子５とパッケージ１外部との電気的な導通を行なう。そして、発光素子５が作動した際に、発光素子５の電極付近で発生する熱が半田バンプ７を介して配線導体３に伝熱するとともに、基体２の内層に形成された配線導体３を介して基体２全体に拡散される。その結果、基体２の内部を伝達する熱が十分に拡散されて、基体２の熱抵抗が低下するとともに基体２の下側主面の全体に熱が分布して効率よく放熱板６に伝達する。
【００２５】
本発明の放熱板６は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって所定形状に形成され製作される。とりわけ、放熱効果を高めるためには熱伝導性に優れたＣｕ−Ｗ合金からなることが好ましい。また、放熱板６は、その表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と、厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層とを順次メッキ法により被着させておくのがよく、放熱板６が酸化腐食されるのを有効に防止できる。
【００２６】
また、放熱板６は、その熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがよい。これにより、発光素子５から放熱板６を介した外部回路基板への放熱性が向上し、発光素子５に入力できる駆動電流を大きくすることができる。
【００２７】
すなわち、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上では、駆動電流が２０ｍＡと大きい場合であっても発光素子５のジャンクション温度（所定の駆動電流を入力した際の発光素子５の最高温度で低い方がよい）が５０℃以下になり、１万時間を超えて正常かつ高輝度を確保して発光させることができるとともに、大きな駆動電流を入力することができ、発光素子５の輝度を向上させることができる。また、発光素子５が作動する際のパッケージ１全体の温度上昇が有効に抑制されて、基体２と枠体４との熱膨張差による変形や歪みが有効に抑制される。その結果、基体２および枠体４の中心軸と、発光素子５の光強度が最大となる光軸との位置ズレが抑制され、発光素子５の光が枠体４の内周面で反射し所望の放射角度と強度分布でパッケージ１外部へ効率よく出射されるとともに輝度が向上する。さらに、基体２と枠体４との接合界面で生じる、熱膨張係数差に起因する熱応力が低下し、基体２と枠体４との接合界面で生じるクラックや剥がれを有効に抑制できる。また、発光素子５の温度上昇が有効に抑制されることから、温度上昇に伴う発光素子５の活性層からの光の取り出し効率の低下が抑制され、発光装置は長期にわたり正常かつ安定に作動できる。
【００２８】
なお、チップジャンクション温度とは、所定の駆動電流（２０ｍＡ等）を入力した際のチップ（発光素子５）の温度であり、なるべく低い方がよい。すなわち、放熱性を高めないと発光素子５に熱がこもり、チップジャンクション温度が下がらないため、放熱性を高めてチップジャンクション温度を下げると、その分駆動電流が流せることになる。一般に、６５℃以上になれば発光素子５の限界を超えていると言われており、それ以上駆動電流を入力できなくなる。
【００２９】
放熱板６の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満では、例えば駆動電流が２０ｍＡであると発光素子５のチップジャンクション温度が６５℃以上になり、発光素子５の発光効率が著しく劣化するとともに熱的負荷によって発光素子５を被覆するエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂の光透過率が劣化し、１万時間を超えて高輝度を確保して安定的に発光させるのが困難になる。
【００３０】
また、放熱板６は、枠体４との熱膨張係数差が５×１０^−６／℃以下であることがよい。これにより、パッケージ１の製造工程で銀ロウ等のロウ材を介して基体２と枠体４と放熱板６とを接合する際に、ロウ材が溶融する温度から常温に冷却され硬化する際に生じる、枠体４の収縮によって基体２に加わる曲げモーメントを放熱板６により緩和することができる。
【００３１】
また、枠体４は、Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属からなり、とりわけ光の反射効果が高く低コストに製造できることからＡｌが好ましい。この枠体４は、上記の金属のインゴットに切削加工、圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、内周面が上方に向かって外側に広がる貫通穴４ａが形成され、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着される。
【００３２】
また、枠体４の貫通穴４ａは、その内周面が基体２の上側主面に対して３５〜６０度の角度で外側に広がるように形成されるのがよい。そして、貫通穴４ａに収容された発光素子５の光を傾斜した貫通穴４ａの内周面で反射させることにより、パッケージ１の外部へ光軸に対して２０度以内の範囲で良好に放射することができる。その結果、本発明のパッケージ１を使用した発光装置の輝度を極めて高いものとすることができる。
【００３３】
貫通穴４ａの内周面と基体２の上側主面とのなす角度が３５度未満になると、光の放射角度が２０度以上に分散し、指向性をもつ高出力の光を放射できない。また、６０度を超えると、発光素子５の光が効率よくパッケージ１の外部に放射されず、パッケージ１内を乱反射し損失が増加する。
【００３４】
なお、光の放射角度は、図１のような縦断面においてみた場合のものであり、光ビームの光軸に直交する断面における断面形状が円形状であれば放射角度は一定であり、光ビームの光軸に直交する断面における断面形状が楕円形状等の偏りがある場合は放射角度はその最大値とする。
【００３５】
また、枠体４の貫通穴４ａの内周面の算術平均粗さＲａは０．００４〜４μｍが好ましい。４μｍを超えると、貫通穴４ａに収容された発光素子５の光を均一に反射することが困難になり、反射する光の強さに偏りが発生しやすくなる。０．００４μｍ未満であると、そのような平滑な面を安定かつ効率よく形成することが困難となる傾向にある。貫通穴４ａの内周面のＲａを上記の範囲とするには、従来周知の化学エッチング法や切削加工方法により加工することができる。また、金型の面精度を利用した転写加工による方法を用いてもよい。
【００３６】
また、枠体４の上側主面と内周面との間に段差４ｂを形成し、その段差４ｂに、集光レンズ等の機能を有するガラス，サファイア，プラスチック，石英等から成る透光性部材８の端部を係止し接着等して設置することがよい。この場合、発光素子５と透光性部材８との光学的な結合状態を安定に維持することができ、光学的特性が安定化した発光装置となすことができる。
【００３７】
本発明においては、基体２と枠体４との接合は、シリコーン樹脂系やエポキシ樹脂系等の樹脂接着剤、Ａｇ−Ｃｕロウ等のロウ材、またはＰｂ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｓｉ合金等の半田などの接合材により行なわれる。この接合材は、基体２および枠体４の材質や熱膨張係数等を考慮して適宜選定すればよく、特に限定されるものではないが、接合の高信頼性を必要とされる場合にはロウ材や半田が好ましい。
【００３８】
また本発明において、熱膨張係数が約７×１０^−６〜８×１０^−６／℃であるアルミナセラミックス等から成る基体２と、その上側主面の外周部に接合された熱膨張係数が約２３×１０^−６／℃であるアルミニウム等から成る枠体４と、基体２の下側主面の中央部に接合された熱膨張係数が約６×１０^−６〜１０×１０^−６／℃であるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る放熱板６との間の熱膨張差によって、基体２にクラック等が発生するのを抑制するうえで、放熱板６の外周端が枠体４の下面の内周端の直下よりも基板２の下側主面の外周側にあることが好ましい。これにより、基体２が、それと同程度の熱膨張係数を有する放熱板６によって補強され、基体２にクラック等が発生するのを効果的に抑えられる。さらには、放熱板６の外周端が枠体４の下面の中央部よりも基板２の下側主面の外周側にあることがより好ましい。これにより、基体２の補強効果がより高まり、基体２にクラック等が発生するのをさらに効果的に抑えられる。
【００３９】
なお、基体２の下側主面の外周部には配線導体３が露出しているため、放熱板６の外周端は基板２の下側主面の外周端に達していないのがよい。
【００４０】
かくして、本発明のパッケージは、基体２の搭載部２ａに発光素子５を搭載し、発光素子５の電極と配線導体３とを半田バンプ７を介して電気的に接続し、しかる後、発光素子５をシリコーン樹脂等の透明樹脂で覆うか、または発光素子５が収容された貫通穴４ａ内に透明樹脂を充填して発光素子５を封止し、枠体４の上方の発光素子５の光軸上に設置されるとともに枠体４の上側主面の段差４ｂに透光性部材８を設置することで発光装置となる。
【００４１】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の発光素子収納用パッケージは、上側主面の中央部に発光素子が搭載される搭載部を有するとともに搭載部から外側にかけて導出される配線導体が形成された絶縁体から成る基体と、基体の上側主面の外周部に搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体と、基体の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板とを具備していることから、発光素子で発生する熱を配線導体で効率よく基体の内部に拡散させることができるとともに、基体の下側主面から放熱板に効率よく熱を伝達させることができる。従って、放熱板から外部回路基板に効率よく熱を放散でき、発光素子収納用パッケージ全体の温度上昇を有効に抑制できることから、基体と枠体との熱膨張差による歪みや変形を抑制できる。さらに、基体と枠体との接合界面で熱膨張係数差に起因し生じる熱応力を抑制できる。その結果、発光装置は安定した光放射角度および光強度分布でパッケージ外部に光を放射できるとともに、互いに熱膨張係数の異なる基体と枠体との接合界面に生じるクラックや剥がれを抑制できる。従って、発光装置を長期にわたり正常に作動させることができる。
【００４３】
また、基体の上側主面に搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体を有していることから、枠体の内周面で発光素子の光を外部に８０％以上の反射率で反射させることができ、発光効率の高い発光装置を作製することができる。
【００４４】
本発明の発光装置は、本発明の発光素子収納用パッケージと、搭載部に搭載されるとともに配線導体に半田バンプを介して電気的に接続された発光素子と、枠体の内側またはその上方の発光素子の光軸上に設置された透光性部材とを具備していることにより、発光効率および放熱性に優れ、安定した光学的特性が得られる、高性能で信頼性の高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：発光素子収納用パッケージ
２：基体
２ａ：搭載部
３：配線導体
４：枠体
５：発光素子
６：放熱板
８：透光性部材

Claims

上側主面の中央部に発光素子が搭載される搭載部を有するとともに該搭載部から外側にかけて導出される配線導体が形成された絶縁体から成る基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって外側に広がる傾斜面とされた金属から成る枠体と、前記基体の下側主面の中央部に接合された金属から成る放熱板とを具備していることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
請求項１記載の発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に半田バンプを介して電気的に接続された発光素子と、前記枠体の内側またはその上方の前記発光素子の光軸上に設置された透光性部材とを具備していることを特徴とする発光装置。