JP2005150408A - 発光素子搭載用パッケージおよび光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子を高出力で駆動し、また発光素子の実装密度を高めても、放熱特性や、発光素子との熱膨張率のマッチング性に優れ、発光素子を長期間にわたって安定して動作させることのできる発光素子搭載用パッケージおよび該パッケージに発光素子を搭載した光源装置を提供する。
【解決手段】 凹状の光反射面を有する部材、および該部材が接合されているメタライズセラミック基板を有することを特徴とする発光素子搭載用パッケージおよび該発光素子搭載用パッケージに、発光素子を搭載してなる光源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤなどの高輝度の発光素子からの発熱を効果的に放熱すると共に、発光素子に加わる基板との熱膨張率の差による応力を低減し、該発光素子を長期にわたり安定して動作可能にする発光素子搭載用パッケージに関するものである。

液晶表示パネルなどの普及に伴い、ＬＥＤなどの高輝度の発光素子を実装した平面光源が注目されている。そして、光源としての明るさを向上させる目的で、略平行光を出射するための反射鏡を基板上に形成した発光素子搭載用パッケージも提案されている。
しかし、発光素子の発光強度を増大させたり、実装密度を上げたりすると、その分だけ発光素子からの発熱も増え、発光素子の温度上昇により、発光強度や寿命が低下する。そこで、かかる問題に対処すべく各種の対策が施されている。

例えば、特開平１１−２６６０３６号公報（特許文献１）には、一主面に複数の反射鏡が形成された基板と、各反射鏡上に個別に配置された複数の発光素子と、基板上に配置され、発光素子から出射される光を略平行光化する平行光化手段と、発光素子から発生する熱を放熱する放熱手段とを備えることを特徴とする平面光源装置が開示されている（請求項１）。そして、該基板としては、熱伝導率が高い銅などの金属板やセラミクス板の一主面に凹部を形成し、凹部上に光反射率の高いアルミニウムや銀等の金属薄膜を形成して反射鏡（平行光化手段）としたものや、熱伝導率および光反射率が高いアルミニウム等の金属に、反射鏡として機能する凹部を形成したものなどが提案されている（特許文献１、段落００２４）。すなわち、この平面光源装置では、熱伝導率が高い金属板やセラミクス板を用いることで、放熱効果を実現し、上記の問題に対処している。

しかし、特開平１１−２６６０３６号公報記載の平面光源装置の製造には、銅などの金属板やセラミックス板などの基板に凹部を形成する工程を必要とするが、特にセラミックス板上への凹部の形成は工数を要し、その製造をコスト面で困難としている。また、銅などの金属板への凹部の形成も工数を要するとともに、銅などの金属は、発光素子と熱膨張率が異なるので、熱膨張率のミスマッチにより、発光素子に応力がかかり、経時により発光素子の出力が低下し、発光素子の所望の特性を長期間にわたって維持することはできないという問題も生じる。
特開平１１−２６６０３６号公報（請求項１、段落００２４）

本発明は、上記の従来技術の問題点に着目してなされたものであって、容易に製造が可能であり、かつ発光素子を長期間にわたって安定して動作させることのできる発光素子搭載用パッケージ、および、このような発光素子搭載用パッケージに発光素子を搭載してなる光源装置の提供を目的とする。

本発明者は、電子部品のヒートシンクとして用いられるメタライズセラミック基板は、高い熱伝導率を有し、かつ発光素子とマッチした熱膨張率、低い誘電率を有することに着目し、凹状の光反射面を有する部材と該メタライズセラミック基板とを接合することにより、上記の目的が達成できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明に係る発光素子搭載用パッケージは、凹状の光反射面を有する部材が、メタライズセラミック基板に接合されてなるものであり、凹状の光反射面を有する部材、および該部材が接合されているメタライズセラミック基板を有することを特徴とする発光素子搭載用パッケージである。

そして、好ましくは、凹状の光反射面の中央部に開口孔が設けられている。
好ましくは、凹状の光反射面を有する部材が、Ｃｕ、Ａｌ、またはＦｅの少なくとも一種以上を含む金属で形成されている。

好ましくは、光反射面が凹状の光反射面を有する部材により形成されている。
好ましくは、光反射面が凹状の光反射面を有する部材とは異なる材料で形成されている。
好ましくは、光反射面が蒸着法により設けられた金属薄膜である。

好ましくは、メタライズセラミック基板は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＧａＰのいずれかを基材としている。
好ましくは、メタライズセラミック基板のメタライズ層がＴｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、半田材のいずれかにより形成されている。
好ましくは、メタライズセラミック基板に、凹状の光反射面を有する部材が接合される面から反対側の面に至る導電性の連通孔が設けられている。

また、本発明に係る光源装置は、凹状の光反射面を有する部材が、メタライズセラミック基板に接合されているパッケージ上に、発光素子を搭載して構成されている。
そして、好ましくは、発光素子の発光部が凹状の光反射面の焦点位置に設けられている。

上記各発明において、発光素子とは、典型的にはＬＥＤを指すが、光を放射するものであれば特に限定されない。なお、発光素子は、単一のパッケージに単一の発光素子を搭載しても良いし、複数の発光素子を搭載しても良い。また、各発光素子の放射する光は、必ずしも可視光に限定されるものではないが、本発明をＬＥＤ素子に適用した場合には、これを多数組合せることによって、交通信号機の赤青黄の各ランプ、自動車のテールランプ、その他の照明用ランプなどの高出力素子として有効に活用される。

凹状の光反射面を有する部材は、反射率の高い金属で形成されているものでもよいし、他の材質、例えばＡｌＮなどのセラミックスで形成され、光反射面部分が反射率の高い金属で覆われているものでもよい。反射率の高い金属としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅなどが挙げられ、好ましくは、凹状の光反射面を有する部材は、Ｃｕ、Ａｌ、またはＦｅの少なくとも一種以上を含む金属で形成される。これらの材料は、さらに、鏡面加工が可能な上に、熱伝導性にも優れているので発光素子からの発熱をより有効に放熱することができる。

また、凹状の光反射面を有する部材が他の材質からなる場合も、この反射面が、Ｃｕ、Ａｌ、またはＦｅの少なくとも一種以上を含む金属で覆われていることが好ましい。この場合は、他の材質からなる基材の表面に、上記の金属を蒸着やメッキにより設ける方法などにより形成されるが、特に蒸着により金属薄膜を設ける方法が厚みを精密に制御できる点で好ましい。

凹状の光反射面は、好適には、放物面形状または斜面形状（テーパ状）の凹面鏡に形成されており、機械加工やエッチング法などにより形成される。この光反射面は、発光素子からの放射光を受光し、略平行光とするためのものである。このため、発光素子は、光反射面の焦点位置に配置されることが好ましい。

メタライズセラミック基板とは、メタライズ加工によって基板の一部にメタライズ層を有するセラミック基板を意味する。

本発明のメタライズセラミック基板は、好ましくは、一般に電子部品搭載用のヒートシンクとして用いられるものから選ばれ、より好ましくは、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＧａＰのいずれかを基材として構成されているものである。このうち、優れた熱伝導性と、高い電気絶縁性と、一般的に用いられる発光素子やシリコン（Ｓｉ）に近い熱膨張率を有しているＡｌＮが特に好適である。

メタライズ層の形成材料は、導電性を有するものであれば特に限定されないが、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、半田材（特に、ＰｂＳｎ）などが好適に採用される。メタライズ層の形成には、薄膜蒸着法、めっき法、ポストメタライズ法、同時焼成方法等、セラミック基板に行なわれる従来のメタライズの形成方法を採用することができる。メタライズされる部分は、発光素子を搭載する部分のみに設けられていてもよいし、セラミック基板全体に設けられていてもよい。

そして、このメタライズセラミック基板には、好ましくは、発光素子の搭載される表面から裏面に至る導電性の連通孔が設けられている。このような構成の場合、該連通孔によって、表面側のメタライズ面とセラミック基板の裏面とが導通状態となる。

このように、連通孔を設けることにより、メタライズセラミック基板の裏面上にプリント回路基板などの回路を設けて、該回路と発光素子を導通状態に接続することが可能となる。

この連通孔は、セラミック基板製造時の焼成工程前の中間製品に連通孔に相当する金属部を設け、同時焼成によって得られる。また、セラミック基板に、機械加工やエッチングなどにより貫通孔を設け、ペーストを焼き付けたり、メッキ法などにより該貫通孔に金属を充填したり、貫通孔の内壁面に導体膜を形成するなどの方法により得ることもできる。

凹状の光反射面を有する部材は、光反射面の反対側で前記のメタライズセラミック基板と接合される。接合方法は特に限定されない。例えば、ロウ材、半田材、樹脂などにより接着することができる。

このように、凹状の光反射面を有する部材をメタライズセラミックス基板に接合した本発明の発光素子搭載用パッケージの場合、従来の凹状の光反射面を有する部材だけを用いた発光素子搭載用パッケージと異なり、素子の信頼性を高めることができるという効果を有する。

凹状の光反射面を有する部材は、該反射面の中央部において開口孔を有することが好ましい。すなわち、該部材がメタライズセラミック基板と接合されたとき、該中央部において、メタライズセラミック基板が露出していることが好ましい。この露出部分（開口孔）に、発光素子を半田材や導電性樹脂などの導電性接着剤で接合することにより、発光素子からの発熱をより効果的に放熱することができ、また発光素子とマッチした熱膨張率などのメタライズセラミック基板の優れた特性をより生かすことができる。

本発明の光源装置は前記した発光素子搭載用パッケージ上に、発光素子が搭載されており、特に発光素子の発光部が凹状の光反射面の焦点位置に設けられていることが望ましい。

本発明によれば、ＬＥＤなどの発光素子を高出力で駆動し、また発光素子の実装密度を高めても、放熱特性に優れると共に発光素子とメタライズセラミック基板との熱膨張率のマッチング性に優れるために、発光素子を長期間にわたって安定して動作させることのできる発光素子搭載用パッケージを実現できる。そして、この発光素子搭載用パッケージに発光素子を実装した光源装置は、長期間にわたって安定して動作するので、交通信号機の赤青黄の各ランプ、自動車のテールランプ、その他の照明用ランプなどの高出力素子に用いられ、優れた効果を発揮する。

以下、実施例に基づいて、本発明の実施の形態について更に具体的に説明する。

図１は、単一のパッケージに二個のＬＥＤを搭載するＬＥＤ搭載用パッケージの例を図示したものであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
図示の通り、このパッケージは、金属板１とメタライズセラミック基板２とが接着剤などを用いて接合されて構成されている。

金属板１には、２つの開口孔１ａ，１ｂが設けられており、各々にテーパ面４、４’が形成され、中央部に開口孔１ａ，１ｂが設けられた凹面鏡が形成されている。

金属板１は、好ましくは、光反射率の高い材料を選択する必要があるが、この例ではＡｌを使用している。

メタライズセラミック基板２は、この例では、窒化アルミニウムＡｌＮを基材として採用している。そのため、熱伝導性に優れると共に一般に用いられるＬＥＤとの熱膨張率のマッチングに優れた効果を発揮する。

図２は、図１のＢ−Ｂ線で切断した概略断面図である。図２に示す通り、ＡｌＮで構成されたセラミック基板２には、これに搭載されるＬＥＤ３の大きさに対応してＮｉＡｕからなるメタライズ層６，６が形成されている。

メタライズ層６，６上には、ＬＥＤ３が発光部３ａが金属板１に設けられた凹面鏡の焦点位置に配置されるように設けられている。なお、図面においては、ＬＥＤ３が搭載されているが、ＬＥＤ３が搭載されることなく、ＬＥＤ搭載用パッケージとして流通させても良いし、ＬＥＤ３が搭載された後、これをキュア炉で硬化させた透明の樹脂材で覆ってＬＥＤ素子として流通させても良い。

ＬＥＤ３のＰ電極７とＮ電極８は、半田ボールや導電性樹脂等の導電性接着剤によりメタライズ層に電気的に接続されている（図示せず）。電気的接続はボンディグワイヤーを用いて、ワイヤーボンディング法によってもよい。

また、この例に係るセラミック基板２には、表裏面を貫通する連通孔（ビアホール）９，９が形成されており、表面側のメタライズ層６，６と裏面側の電極１０，１１とが電気的に接続されている。なお、図１においては、連通孔９、電極１０，１１の図示を省略している。

また、図３に示す通り、このように構成されたＬＥＤ搭載用パッケージをプリント基板１２に配置して、適宜配線し、更に、プリント基板の裏面側にＡｌＮなどからなる放熱フィン１３を設けた光源装置として流通させるのも好適である。

以上の構成からなるＬＥＤ搭載用パッケージは、各ＬＥＤ３，３’がＡｌＮで構成されたメタライズセラミック基板２に載置されるので、直接的な熱伝導によって大きな放熱効果を発揮すると共に、ＬＥＤ素子にメタライズセラミック基板２との熱膨張率の差による応力がほとんど発生しないという効果を発揮する。また、凹面鏡を形成して各ＬＥＤを囲む金属板１も、Ａｌのような伝熱性に優れた材料を使用するので、この点でも放熱効果に優れており、ＬＥＤの電流容量を増加させて高輝度化したり、ＬＥＤの実装密度を高めて高輝度化を図ってもＬＥＤからの発熱量が問題にならない。

以上、本発明の一実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱することなく各種の変更が可能である。

実施例のＬＥＤ搭載パッケージを説明する平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 図１のＢ−Ｂ線で切断した概略断面図である。 実施例のパッケージを使用した光源装置を例示した図である。

符号の説明

１ 金属板
１ａ，１ｂ 開口孔
２ セラミック基板
３，３’ ＬＥＤ
３ａ 発光部
４、４’ テーパ面
６ メタライズ層
７ Ｐ電極
８ Ｎ電極
９ 連通孔（ビアホール）
１０，１１ 電極
１２ プリント基板
１３ 放熱フィン

Claims (11)

1. 凹状の光反射面を有する部材、および該部材が接合されているメタライズセラミック基板を有することを特徴とする発光素子搭載用パッケージ。
2. 凹状の光反射面の中央部に、開口孔が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子搭載用パッケージ。
3. 凹状の光反射面を有する部材が、Ｃｕ、Ａｌ、またはＦｅの少なくとも一種以上を含む金属で形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子搭載用パッケージ。
4. 光反射面が凹状の光反射面を有する部材により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子搭載用パッケージ。
5. 光反射面が凹状の光反射面を有する部材とは異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子搭載用パッケージ。
6. 光反射面が蒸着法により設けられた金属薄膜であることを特徴とする請求項５に記載の発光素子搭載用パッケージ。
7. メタライズセラミック基板は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＧａＰのいずれかを基材としていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子搭載用パッケージ。
8. メタライズセラミック基板のメタライズ層が、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、半田材のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の発光素子搭載用パッケージ。
9. メタライズセラミック基板に、凹状の光反射面を有する部材が接合される面から反対側の面に至る導電性の連通孔が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の発光素子搭載用パッケージ。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかの発光素子搭載用パッケージ上に、発光素子が搭載されていることを特徴とする光源装置。
11. 発光素子の発光部が、凹状の光反射面の焦点位置に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
    
    

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