JP2018085496A - 発光素子パッケージおよび発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 発光素子が出射した光を接着層が吸収することで生じる、光の損失および接着層の劣化を抑制することができる発光素子パッケージおよび、それを用いた発光装置を提供する。【解決手段】 発光素子4を搭載する搭載部6を第1面5に有する基材2と、基材2の第1面5に配設される反射枠体3であって、搭載部6を、第1面5から離れるに従って開口が大きくなるように環状に取り囲み、搭載部6に搭載される発光素子4が出射した光を反射する内周面3aを有する反射枠体3と、基材2の第1面5に設けられ、反射枠体3を基材2の第1面5に接着する接着層7と、を備え、第1面5に対向する反射枠体3の底部の少なくとも一部に、第1面5から離間した空間が設けられ、反射枠体3の第1面5側の内周縁部は、第1面5に当接または近接し、接着層7は空間の少なくとも一部に収容される。【選択図】 図3

Description

本発明は、発光素子パッケージおよび発光装置に関する。
発光ダイオード(LED)等の発光素子を基板上に形成した配線パターン上に複数個載置した発光装置が知られている。このような発光装置に使われる発光素子として、正電極と負電極とを主たる発光方向とは反対側の面に配置したフリップチップ型の発光ダイオードが知られている。このようなフリップチップ型の発光ダイオードは、ワイヤーボンディングが不要であり、発光がワイヤーで遮られることがないので、発光装置の発光効率の向上に寄与している。
フリップチップ型の発光ダイオードを実装する際には、配線パターンが必要な基板上には有機系の白色樹脂が用いられることがあった。このような発光装置の輝度をさらに上げ、発光効率を高めるために、基板上の載置領域に載置したフリップチップ型の発光素子の周囲に反射枠体を配置した発光装置が知られている(特許文献1)。
また、基板表面上に反射層を設けて発光ダイオードを載置するとともに、スルーホールで基板の裏面で電気的接続を行う発光ダイオードが知られている(特許文献2)。
特開2007−180585号公報 特開2011−258801号公報
反射部材を基板に接着する接着層に発光素子の光が照射されて、反射枠体や接着層が熱膨張するとともに、発光素子が出射した光を接着層が吸収することで、発光素子が出射した光の損失や接着層の劣化が発生している。
本発明の目的は、発光素子が出射した光を接着層が吸収することで生じる、光の損失および接着層の劣化を抑制することができる発光素子パッケージおよび、それを用いた発光装置を提供することである。
本開示の発光素子パッケージは、発光素子を搭載する搭載部を第1面に有する基材と、
前記基材の前記第1面に配設される反射枠体であって、前記搭載部を、前記第1面から離れるに従って開口が大きくなるように環状に取り囲み、前記搭載部に搭載される発光素子が出射した光を反射する内周面を有する反射枠体と、
前記基材の前記第1面に設けられ、前記反射枠体を前記基材の前記第1面に接着する接着層と、を備え、
前記第1面に対向する前記反射枠体の底部の少なくとも一部に、前記第1面から離間した空間が設けられ、
前記反射枠体の前記第1面側の内周縁部は、前記第1面に当接または近接し、
前記接着層は前記空間の少なくとも一部に収容されることを特徴とする。
また、本開示の発光装置は、前記発光素子パッケージと、前記搭載部に搭載された発光素子と、を備える。
本開示の発光素子パッケージおよび発光装置によれば、発光素子が出射した光を接着層が吸収することで生じる、光の損失および接着層の劣化を抑制することができる。
発光装置の平面図である。 発光装置の断面図である。 第1実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第2実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第2実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第3実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第4実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第5実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第5実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第6実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第7実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第8実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第9実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第9実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。 第1放熱部材に固定された発光装置を概略的に示す平面図である。 第1放熱部材に固定された発光装置を概略的に示す断面図である。 第2放熱部材に固定された発光装置を概略的に示す平面図である。 第2放熱部材に固定された発光装置を概略的に示す断面図である。
図1および図2は、発光装置10が導体配線9を介してモジュール基板11に実装された状態を示す平面図および断面図である。発光装置10は、基材2および反射枠体3を備えた発光素子パッケージ1と、発光素子パッケージ1に搭載される発光素子4とを含んで構成される。
本実施形態の発光素子パッケージ1について説明する。図3は第1実施形態の発光素子パッケージ1の部分断面図である。発光装置10は発光素子パッケージ1と発光素子4とを備える。発光素子パッケージ1は、主に基材2、反射枠体3および反射枠体3を基材2に接着する接着層7で構成されている。
基材2は、発光素子4を支持する支持部材として用いられ、第1面5に、発光素子4が搭載される搭載部6を有している。基材2の材料として、酸化アルミニウム質焼結体(アルミナセラミックス)や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。たとえば窒化アルミニウムが用いられる。窒化アルミニウムは熱伝導率が高いので、発光素子4の放熱性を向上させることができる。UV−LED(Ultra Violet-Light Emitting Diode)はフリップチップ構造であり、絶縁層を必要としないセラミック基板が基材として好適に用いられている。
反射枠体3の材料としては、アルミニウム(Al)やFe−Ni−コバルト(Co)合金等の金属、アルミニウム質焼結体等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、発光素子4が出射する光を反射可能なものであれば、特に限定されない。紫外光領域から可視光領域の光に対し反射率が高いAl等の金属、または白色樹脂などが用いられており、熱伝導率が高いAl等の材料で形成することが好ましい。
接着層7の材料として、たとえばシリコンやエポキシ樹脂、活性ロウ材などが用いられる。接着層7は、空間3cの少なくとも一部に収容される。
反射枠体3は、搭載部6を環状に取り囲み、搭載部6に搭載される発光素子4が出射した光を反射する内周面3aを有している。内周面3aには、内周面3aの全面に亘って反射面が形成されており、発光素子4が出射した光は内周面3a全面で反射されるので、光を取り出す取出効率の向上を図ることができる。なお、反射枠体3は、第1面5から離れるに従って開口が大きくなるようにしてもよい。
第1面5に対向する反射枠体3の底部3bの少なくとも一部に、第1面5から離間した空間3cが設けられており、接着層7は空間3cの少なくとも一部に収容される。空間3cに収容された接着層7は、第1面5に対向する底壁3hに接着されて、反射枠体3が第1面5に配設される。
反射枠体3は、空間3cよりも内方側に、内周面3aに沿った環状の内周縁部3eを有している。内周縁部3eの第1面5側に位置する頂部3fは円環状の平面を有し、第1面5には接着されていない。破線は、熱膨張後の状態を示しており(図4〜図14においても同様)、頂部3fは、反射枠体3および接着層7が熱膨張する前後において、第1面5に当接または近接している。
本実施形態では、接着層7が底壁3hに接着される第1接着面3iと、接着層7が第1面5に接着される第2接着面3kとは、発光素子4が搭載される搭載部の中心を軸心とする半径方向(以下、「半径方向」という)Aの長さが同一である。すなわち、接着層7の周方向に直交する断面形状が矩形である。熱膨張したとき、第2接着面3kに対して、第1接着面3iが半径方向Aに延びた状態で、外方であって第1面から離れる方向に移動する。空間3cの内方側端を規定する周囲壁3gの内方側壁3mは、第1面5から離れる方向に延びた状態で外方に移動するが、熱膨張の前後において、接着層7と内方側壁3mとの間には隙間8を有しており、内方側壁3mが接着層7に接触して、接着層7に熱応力が生じることが防止される。
環状に構成された内周縁部3eの頂部3fが、全周に亘って第1面5に当接または近接しており、発光素子4が出射した紫外光や青色光などの光は、内周縁部3eで略遮断され、内周縁部3eよりも外方に位置する接着層7に、発光素子4の光が照射されることが抑制される。
本実施形態では、内周縁部3eの頂部3fが第1面5に当接可能であるので、反射枠体3の荷重を、接着層7が接着された第1接着面3iおよび内周縁部3eで受けることができるので、反射枠体3の荷重を、第1接着面3iだけで受け、内周縁部3eの頂部3fが第1面5に当接していない場合に比べて、反射枠体3を安定した状態で第1面5に配設することができ、接着層7に熱応力が発生することを抑制することができる。
なお、第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaは、第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaに、隙間8の半径方向Aの長さbを加えた長さに対して90%未満であることが望ましい。第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaが、第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaに、隙間8の半径方向Aの長さbを加えた長さに対して90%以上であると、反射枠体3が熱膨張したとき、接着層7が周囲壁3gの内方側壁3mに接触して、接着層7が内方側壁3mから半径方向外方に押し出す力を受けて、接着層7に熱応力が発生することがある。さらに熱応力によって接着層が前記第1面5から剥離することがある。
第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaは、第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaに、隙間8の半径方向Aの長さbと、内周縁部3eの頂部3fの半径方向Aの長さcとを加えた長さに対して20%〜80%であることが望ましい。第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaが、第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaに、隙間8の半径方向Aの長さbと、内周縁部3eの頂部3fの半径方向の長さcとを加えた長さに対して20%未満であると、反射枠体3が第1面5に接着される接着状態が不安定になり、接着層7を介した反射枠体3と第1面5との密着性が低下する。
第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaが、第1接着面3iまたは第2接着面3kの半径方向Aの長さaに、隙間8の半径方向Aの長さbと、内周縁部3eの頂部3fの半径方向Aの長さcとを加えた長さに対して80%以上であると、接着層7が吸収する熱量が大きくなり、接着層7を介した反射枠体3と第1面5との密着性が低下する。反射枠体3の接着層7が収容される空間3cの、第1面から離れる方向の長さは10〜50μm程度が好ましい。
図4および図5は第2実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。図4では、底壁3hに接着される接着層7の第1接着面3iは、接着層7の第1面5に接着される第2接着面3kよりも、半径方向Aにおいて内方側に延びている。図5では、第1接着面3iは、内方側壁3mの隅部まで延びている。
このように、底壁3hに接着される接着層7の第1接着面3iの半径方向Aの長さが大きくなると、隙間8を確保した上で、接着層7の接着強度を増大させることができる。図5に示すように、第1接着面3iを内方側壁3mの隅部まで延ばすことで、隙間8を確保した上で、さらに接着層7の接着強度を増大させて、反射枠体3と接着層7との密着性を向上させることができる。
本実施形態では、接着層7の内方側端面7aが、第1面5から離れるに従って開口が狭くなるように構成されており、内方側端面7aの第1面側端部7bは、内方側端面7aの底壁側端部7cよりも外方側に位置している。周囲壁3gの内方側壁3mは、熱膨張によって略第1面5に直交した状態で外方に移動するので、周囲壁3gの内方側壁3mが接着層7の内方側端面7aの第1面側端部7bに接触して、接着層7に熱応力が発生することを抑制することができる。
図6は第3実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1または第2実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。図6に示すように、周囲壁3gの内方側壁3mは、第1面5から離れるにつれて内方側壁3mで囲まれた開口が大きくなるように傾斜して構成されており、内方側壁3mの第1面側端部3nは、内方側壁3mの底壁側端部3pよりも内方側に位置している。
内方側壁3mは、広がり角度θ1を有しており、熱膨張によって略同じ広がり角度θ1を有した状態で外方に移動するので、内方側壁3mの第1面側端3nが接着層7の第1面側端部7bに接触して、接着層7に熱応力が発生することをいっそう抑制することができる。
図7は第4実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1〜第3実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。反射枠体3は、空間3cよりも外方側に、空間3cに沿った環状の外周縁部3rを有しており、外周縁部3rの第1面5側に位置する頂部3sは円環状の平面を有し、熱膨張の前後において第1面5に接着しておらず、第1面5に当接または近接している。接着層7は図3と同様に断面が矩形である。
反射枠体3の外周部から反射枠体3に照射される光は、環状に構成され前記第1面5に当接または近接する外周縁部3rの頂部3sによって略遮られており、空間3cに収容された接着層7に外周部から光が照射されることが抑制される。また、このような構成によって、外周縁部3rは第1面5に当接可能であるので、外周縁部3rを有していない場合に比べて、反射枠体3を、より安定した状態で第1面5に載置することができ、接着層7に熱応力が発生することをさらに抑制することができる。
図8および図9は第5実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1〜第4実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。図8では、底壁3hに接着される接着層7の第1接着面3iは、接着層7の前記第1面5に接着される第2接着面3kよりも、半径方向Aにおいて外方側に延びている。図9では、周囲壁3gは、空間3cの半径方向Aであって外方側端を規定する外方側壁3tを有しており、第1接着面3iは、外方側壁3tの隅部まで延びている。
底壁3hに接着される接着層7の第1接着面3iの半径方向Aの長さが大きくなり、接着層7の接着強度を増大させることができる。図9に示すように、第1接着面3iを外方側壁3tの隅部まで延ばすことで、さらに接着層7の接着強度を増大させて反射枠体3と接着層7との密着性を向上させることができる。
本実施形態では、接着層7の外方側端面7fが、第1面5から離れるに従って開口が大きくなるように構成されており、外方側端面7fの第1面側端部7gは、外方側端面7fの底壁側端部7hよりも内方側に位置している。周囲壁3gの外方側壁3tは、熱膨張によって略第1面5に直交した状態で外方に移動するので、周囲壁3gの外方側壁3tが外方側端面7fの第1面側端部7gに接触して、接着層7に熱応力が発生することを抑制することができる。
図10は第6実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1〜第5実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。図10に示すように、周囲壁3gの外方側壁3tは、第1面5から離れるにつれて外方側壁3tで囲まれた開口が小さくなるように構成されており、外方側壁3tの第1面側端部3uは、外方側壁3tの底壁側端部3vよりも外方側に位置している。外方側壁3tは、広がり角度θ2を有しており、熱膨張の前後において略同じ広がり角度θ2を有した状態で外方に移動するので、外方側壁3tの第1面側端部3uが接着層7の第1面側端部7gに接触して、接着層7に熱応力が発生することをいっそう抑制することができる。
図11は第7実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1〜第6実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。接着層17は、断面視で球状であって、環状に配置されたものとすることができる。図11では断面形状が円形であるが、断面形状は真円形状でも楕円形状でもよい。このようにすると、接着層17が周囲壁3gの底壁3hに接着する接着面積を小さくすることができ、熱膨張したときに、接着層17に生じる熱応力を抑制することができる。また、接着層17を球体によって構成することで、半径方向Aの接着層7の長さを小さくすることができ、発光素子パッケージ1をコンパクトにすることができる。
図12は第8実施形態の発光素子パッケージ1の断面図である。第1〜第7実施形態の説明と重複する部分については説明を省略し、同一の参照符を用いる。本実施形態において、第1面5と対向する反射枠体13の底部13bには、内周面13aの第1面5側縁部に連続して設けられ、外方に向かって第1面との距離が大きくなる傾斜底面13wが設けられている。傾斜底面13wには、第1面5と接着される接着層17が接着する第3接着面13xが設けられている。第3接着面13xよりも内方側には、内周面13aに沿って環状に構成される内周縁部13yが設けられている。内周縁部13yは、内周面13aと傾斜底面13wとによって規定され、先細の環状の頂部13zが第1面5に当接または近接する。
本実施形態では、外方に向かって第1面5から離れる傾斜底面13wを有しているので、接着層17が接着される第3接着面13xを底面13wに直接設けることができる。傾斜底面13wは反射枠体13の底部13b全体で構成されており、第3接着面13xを広くして、接着層17が反射枠体13に密着する密着強度を増大させることができる。
図13および図14は、第9実施形態の発光素子パッケージの部分断面図である。基体2は、第1面5の第2接着面3kに、反射枠体3の第1面5側の内周縁部3e、または反射枠体13の第1面5側の内周縁部13yを環状に取り囲む凸部21,22を有していてもよい。このようにすることで、第1面5から接着層7,17を前記凸部21,22の高さの分だけ高く設けることができ、基材2の第1面5と反射枠体3、13の内周縁部3e、13yの当接した所から空間3c,13cに光が侵入しても、前記凸部21,22で反射され接着層7,17に照射されにくくなるため、接着層7,17による光の吸収や接着層7、17の劣化を抑制する。
図15〜18は、発光装置を説明するための図である。
図15は、第1放熱部材12に固定された発光装置10を概略的に示す平面図であり、図16は、第1放熱部材12に固定された発光装置10を概略的に示す断面図である。発光装置10は、Al等で形成された放熱部材12にねじ止めされている。放熱部材12には、複数の放熱用フィン15が設けられており、発光装置10が発生した熱は、放熱用フィン15から放射される。
図17は、第2放熱部材16に固定された発光装置14を概略的に示す平面図であり、図18は、第2放熱部材16に固定された発光装置14を概略的に示す断面図である。
発光装置14は、複数の発光素子パッケージ1が、導体配線18を介してモジュール基板20に実装されて構成される。発光装置14は、Cu,Al等で形成された第2放熱部材16にねじ止めされている。第2放熱部材16の内部には図17の平面図でU字状の水冷管19が設けられており、発光装置14が発生した熱は第2放熱部材16を介して水冷管19を流れる水に伝達される。なお図18では、図解を容易にするため、水冷管19が、流入側流路と流出側流路とを上下にずらして模式的に示されている。
1 発光素子パッケージ
2 基材
3,13 反射枠体
3a 内周面
3b 底部
3c,13c 空間
3e,13y 内周縁部
3f,3s,13z 頂部
3g 周囲壁
3h 底壁
3i 第1接着面
3k 第2接着面
3m 内方側壁
3n (内方側壁の)第1面側端部
3p (内方側壁の)底壁側端部
3r 外周縁部
3t 外方側壁
3u (外方側壁の)第1面側端部
3v (外方側壁の)底壁側端部
4 発光素子
5 第1面
6 搭載部
7,17 接着層
7a 内方側端面
7b (接着層の内方側端面の)第1面側端部
7c (接着層の内方側端面の)底壁側端部
7f 外方側端面
7g (接着層の外方側端面の)第1面側端部
7h (接着層の外方側端面の)底壁側端部
8 隙間
9,18 導体配線
10,14 発光装置
11,20 モジュール基板
12 第1放熱部材
13w 傾斜底面
13x 第3接着面
13y 内周縁部
15 フィン
16 第2放熱部材
19 水冷管
21,22 凸部

Claims (12)

  1. 発光素子を搭載する搭載部を第1面に有する基材と、
    前記基材の前記第1面に配設される反射枠体であって、前記搭載部を環状に取り囲み、前記搭載部に搭載される発光素子が出射した光を反射する内周面を有する反射枠体と、
    前記基材の前記第1面に設けられ、前記反射枠体を前記基材の前記第1面に接着する接着層と、を備え、
    前記第1面に対向する前記反射枠体の底部の少なくとも一部に、前記第1面から離間した空間が設けられ、
    前記反射枠体の前記第1面側の内周縁部は、前記第1面に当接または近接し、
    前記接着層は前記空間の少なくとも一部に収容されることを特徴とする発光素子パッケージ。
  2. 前記接着層は、前記空間を規定する前記反射枠体の周囲壁のうち前記第1面に対向する底壁に接着されており、
    前記底壁に接着される前記接着層の第1接着面は、前記接着層の前記第1面に接着される第2接着面よりも、前記搭載部の中心を軸心とする半径方向Aにおいて内方側に延びていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子パッケージ。
  3. 前記周囲壁は、前記空間の内方側端を規定する内方側壁を有しており、
    前記第1接着面は、前記内方側壁の隅部まで延びていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子パッケージ。
  4. 前記内方側壁は、前記第1面から離れるにつれて前記内方側壁で囲まれた開口が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子パッケージ。
  5. 前記反射枠体の前記空間よりも外方側には、前記空間に沿った環状の外周縁部を有し、前記外周縁部は第1面に当接または近接していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子パッケージ。
  6. 前記底壁に接着される前記接着層の第1接着面は、前記接着層の前記第1面に接着される第2接着面よりも、発光素子が搭載される搭載部の中心を軸心とする半径方向Aにおいて外方側に延びていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の発光素子パッケージ。
  7. 前記周囲壁は、前記空間の半径方向Aであって外方側端を規定する外方側壁を有しており、
    前記第1接着面は、前記外方側壁の隅部まで延びていることを特徴とする請求項2に記載の発光素子パッケージ。
  8. 前記外方側壁は、前記第1面から離れるにつれて前記外方側壁で囲まれた開口が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の発光素子パッケージ。
  9. 前記接着層は、断面視が球状であって、環状に配置されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光素子パッケージ。
  10. 前記第1面に対向する前記反射枠体の底部は、外方に向かって前記第1面からの距離が大きくなる傾斜底面で構成されており、
    前記接着層は前記傾斜底面と前記第1面とに挟まれた空間に収容されていることを特徴とする請求項1に記載の発光素子パッケージ。
  11. 前記基体は、前記第1面の前記第2接着面に前記反射枠体の前記第1面側の前記内周縁部を環状に取り囲む凸部を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の発光素子パッケージ。
  12. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の発光素子パッケージと、
    前記搭載部に搭載された発光素子と、を備えた発光装置。
JP2016229594A 2016-11-25 2016-11-25 発光素子パッケージおよび発光装置 Active JP7068769B2 (ja)

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