JP4238058B2 - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置 - Google Patents
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Description
【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】
発光ダイオード(LED),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して注目されており、近年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7に示す。
【0003】
図7に示すように、従来のパッケージ11は、上面の中央部に発光素子14を搭載するための搭載部12aを有する各種の樹脂やセラミックス等から成る基体12を有する。そして、基体12がセラミックスから成る場合、その表面や内部にタングステン(W)やモリブデン(Mo)、マンガン(Mn)等を含む導電ペーストを高温で焼結し、その上面にメッキ法によりニッケル(Ni)メッキ層や金(Au)メッキ層を被着して成る配線導体12cが形成されている。また、基体12が樹脂から成る場合、銅(Cu)や鉄(Fe)−ニッケル(Ni)合金等から成るリード端子等の配線導体12cが、モールド成型等によって形成された基体12の内部にその一部が埋設されて固定されている。そして、パッケージ11は、これらの配線導体12bを介して、外部からパッケージ11内部に搭載された発光素子14に電力や駆動電流が供給される。
【0004】
また基体12は、その上面の外周部に搭載部12aを取り囲むように、各種樹脂やセラミックスから成る平面視形状が円形または四角形の枠体13が設けられている。このような枠体13は、基体12上面の外周部に700〜900℃の融点を有する銀(Ag)−Cu等のロウ材、各種樹脂接着剤、低融点ガラス(ガラスフリット)等により固定される。
【0005】
発光素子14は、基体12の搭載部12aに銀(Ag)ペーストや樹脂接着剤から成る接着剤で取着され、発光素子14の電極が基体12に設けられた配線導体12bにボンディングワイヤ16により電気的に接合される。しかる後、発光素子14の周囲や表面を蛍光体を混入した樹脂またはガラスから成る波長変換部材(図示せず)で被覆した後に、枠体13の内側にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂(図示せず)を発光素子14やボンディングワイヤ16を覆うように充填し熱硬化させる。これにより、発光素子14からの光を蛍光体により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出すことができる。そして、枠体13の上面に光学レンズの機能を有するホウ硅酸ガラス、石英ガラス、サファイアまたは透明性樹脂等から成る透光性蓋体17を半田や樹脂接着剤等で取着して発光装置となる。
【0006】
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14が起動されて発光し、各種インジケーター,光センサー,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用途に用いられる。
【0007】
近年、この発光装置を照明用として使用するようになってきており、高輝度および放熱性の点でより高特性の発光装置が要求されている。また、照明用に使用される場合、発光装置の長寿命化が特に重要な問題である。
【0008】
【特許文献1】
特開2002−344029号公報
【0009】
【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において、基体12と枠体13とを接着剤15を用いて接着すると、発光素子14より出射される光が、接着剤15に吸収されたり、接着剤15を透過してパッケージ11の外部に漏れ出たりするため、パッケージ11の上側に効率よく反射されずに、発光装置の輝度や光度が著しく低下するという問題があった。
【0010】
また、接着剤15がパッケージ11の内側にはみ出した部位で光が乱反射するため、発光装置から放射される光が均一な強度とならず斑を生じるという問題点も有していた。
【0011】
さらに、発光素子14より出射される光の波長帯域が400nm以下の紫外光領域となると、基体12と枠体13とを接合するエポキシ樹脂等の樹脂から成る接着剤15が、発光素子14の紫外光によって接着剤15が劣化し、接着強度が著しく低下するとともに耐湿性も低下するという問題があった。その結果、照明用の光源として一般的に要求される発光装置の寿命である4万時間以上の長期的な信頼性の確保が困難であった。
【0012】
本発明は、かかる従来の問題に鑑み完成されたものであり、その目的は、発光素子が出射する光を発光素子収納用パッケージの枠体の内面や基体の上面で良好に反射させて外部に均一に効率よく放出させるとともに、紫外光による接着剤の接着強度や耐湿性の劣化を抑制することにより、長期間にわたり正常かつ安定して発光させることができる、発光効率の極めて高い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。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様によれば、発光素子収納用パッケージは、基体および枠体を備えている。基体は、紫外光を含む波長領域の光を放射する発光素子の搭載部と搭載部を囲んでいる突条部とを含む上面を有している。枠体は、搭載部および突条部を囲んでおり、樹脂接着剤によって基体の側面に接合された下端部を有している。
【0014】
本発明の他の態様によれば、発光装置は、上記発光素子収納用パッケージと、発光素子収納用パッケージの搭載部に搭載された発光素子と、発光素子収納用パッケージの枠体の上面に取着された透光性蓋体とを備えている。
【0022】
【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,図3,図4,図5は、本発明のパッケージの実施形態の各種例を示す断面図であり、図2は図1の下面図である。そして、2は基体、3は枠体であり、主としてこれらで発光素子4を収容するためのパッケージ1が構成されている。
【0023】
本発明における基体2は、可視光領域において反射率が高い、Au,Ag,アルミニウム(Al),表面にAuやAg等のメッキ膜が形成されたFe−Ni−コバルト(Co)合金,Fe−Ni合金等の金属、もしくは、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から成る。また、基体2は発光素子4を支持する支持部材として機能し、その上面に発光素子4を搭載するための搭載部2aを有している。
【0024】
また、基体2は、その上面に搭載部2aを取り囲むように突条部2bが形成されている。さらに、基体2の側面には、枠体3が搭載部2aおよび突条部2bを取り囲むようにして接着剤5により接合されている。
【0025】
これにより、発光素子4から接着剤5に直接照射される光を突条部2bによって有効に遮断でき、発光素子4の光が接着剤5に吸収されたり、接着剤5を透過してパッケージ1の外部へ漏れ出したりして生じる光損失を有効に抑制することができる。その結果、パッケージ1の上側に発光素子4の光を効率よく放射することができる。
【0026】
また、突条部2bによって接着剤5に入射される光を遮断することにより、接着剤5における光の乱反射を有効に抑制して基体2の上面や枠体3の内面で反射される光を斑のない均一なものとすることができる。
【0027】
さらに、突条部2bが発光素子4に接近しているため、発光素子4から出射された光が短い距離で短時間のうちに突条部2bに到達し、この突条部2bで反射してパッケージ1の上側に放射されるため、パッケージ1の内部を光が進む間に生じる光損失を非常に小さくすることができ、発光効率を極めて高くすることができる。
【0028】
また、従来は枠体3の下面を基体2の上面に取着しており、接着剤5層が基体2の主面に平行に設けられていたため、発光素子4から出射された光が直接接着剤5に入り込み外部に漏れ易かったのに対し、基体2の側面に枠体3の内周面を取着しているので、接着剤5層が基体2の主面に直交する方向に形成され、発光素子4から出射された光が直接接着剤5層に入射され難くなり、接着剤5によって生じる光損失を有効に抑制することができる。
【0029】
上記構成のパッケージ1において、発光素子4は紫外光を含む波長領域の光を発光するもの、例えば蛍光体によってカラー表示することが可能なものであり、接着剤5は樹脂接着剤から成る場合、発光素子4から出射される光が樹脂を劣化させ易い400nm以下の波長の紫外光を含んだものであっても、接着剤5へ直接入射する光を有効に遮断するとともに、たとえ接着剤5の上端に光が入射しても接着剤5の内部へは入り込み難くなる。これにより、紫外光によって樹脂から成る接着剤5が劣化するのを有効に抑制することができる。その結果、接着剤5の接着強度が低下するのを効果的に抑制し、照明用の光源としての発光装置に対して一般的に要求される4万時間以上もの寿命を有するものとでき、長期的な発光の信頼性を確保できる。
【0030】
なお、突条部2bは、その内周面を図3に示すように突条部2bの内側から外側にかけて厚みが大きくなるように傾斜させることが好ましい。これにより、突条部2bの内側に収容された発光素子4の光を傾斜した突条部2bの内周面で上側に反射させることにより、パッケージ1外部へ発光素子4の光軸に対して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。
【0031】
また突条部2bは、基体2の上面の外周部に設けられているとともに突条部2bの上端部が外側、即ち搭載部2aに対して反対側に延出しているのがよい。これにより、枠体3を接着剤5で基体2の側面に取着した際、接着剤5に対して載置部2a側および上側を突条部2bで覆うことができ、発光素子4から出射される光が接着剤5に入るのをより有効に遮断することができる。
【0032】
このような枠体3は、基体2と同様に可視光領域において反射率が高い、Au,Ag,アルミニウム(Al),表面にAuやAg等のメッキ膜が形成されたFe−Ni−コバルト(Co)合金,Fe−Ni合金等の金属、もしくは、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から成る。
【0033】
例えば、基体2および枠体3が金属から成る場合、接着剤5をガラスや樹脂等の電気絶縁性のもので形成して基体2と枠体3とを電気的に絶縁し、図1に示すように、発光素子4の電極と基体2および枠体3とをボンディングワイヤ6で電気的に接続し、そして、基体2および枠体3を外部電気回路基板の電気回路にそれぞれ接続することにより、基体2および枠体3を配線導体として機能させて発光素子4と外部電気回路基板とを電気的に接続することができる。これにより、配線導体として機能する基体2および枠体3を外部電気回路基板に大きな面積で接続することができ、これらの接続部を、接続強度の大きなものとすることができるとともに抵抗を非常に小さくすることができる。
【0034】
なお、金属から成る基体2の熱伝導率は120W/m・K以上が好ましく、120W/m・K未満では、100mA以上の駆動電流を入力した場合に発光素子4の表面温度が100℃以上になり、発光素子4の寿命が劣化し易くなるとともに、発光素子4の光出力を上げるのが困難になる。
【0035】
また、基体2がセラミックスから成り、枠体3が金属から成る場合、図4に示すように、基体2の表面や内部にタングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)等から成るメタライズ層等の配線導体2cを形成し、発光素子4の電極と配線導体2c、および発光素子4の電極と枠体3とをボンディングワイヤ6でそれぞれ接続することにより、発光素子4と外部電気回路基板との電気的な接続を行なうことができる。なお、配線導体2cの外表面に耐蝕性に優れかつロウ材に対して濡れ性が良好な金属層、例えば、厚さ1.5〜6μmのNiメッキ層と厚さ0.2〜5μmのAuメッキ層を順次被着させておくと、配線導体2cが酸化腐食するのを有効に防止できる。
【0036】
また、枠体3がセラミックスから成る場合、図5に示すように、枠体3の表面や内部にタングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)等から成るメタライズ層等の配線導体3aを形成し、発光素子4の電極と枠体3の配線導体3a、および発光素子4の電極と基体2(あるいは発光素子4の電極と基体2に形成した配線導体2c)とをボンディングワイヤ6で接続することにより、発光素子4と外部電気回路基板との電気的な接続を行なうことができる。なお、配線導体3aの外表面に耐蝕性に優れかつロウ材に対して濡れ性が良好な金属層、例えば、厚さ1.5〜6μmのNiメッキ層と厚さ0.2〜5μmのAuメッキ層を順次被着させておくと、配線導体3aが酸化腐食するのを有効に防止できる。
【0037】
基体2や枠体3がセラミックスから成る場合、その原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合しペースト状と成すとともに、このペーストをドクターブレード法やカレンダロール法によってセラミックグリーンシートと成し、しかる後セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、これを複数枚積層し約1600℃の高温度で焼成することによって作製される。
【0038】
また、基体2や枠体3が金属から成る場合、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所望の形状が形成される。
【0039】
枠体3の内周部は、その平面視形状が円形状や四角形状等の種々の形状とすることができ、特にその平面視形状を円形とすることが好ましい。これにより、発光素子4の光エネルギーを枠体3の内周面で満遍なく反射させ、パッケージ1の外部へ極めて均一に光エネルギーを放出することができる。
【0040】
また、枠体3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、枠体3に収容された発光素子4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。枠体3の内周面のRaを上記の範囲とするには、枠体3が金属から成る場合、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。
【0041】
さらに枠体3は、円筒状あるいは図1〜5に示すように下端の内周面が内側に突出した円筒状である。特に接着剤5を搭載部2aにより近づけて接着剤5を突状部2bでより有効に遮光するという観点からは、下端の内周面が内側に突出した円筒状であるのがよい。
【0042】
そして、枠体3は、250℃以上の高融点で溶融するガラス、熱硬化性のエポキシ樹脂等の樹脂接着剤、セラミックス粉末が混入された樹脂接着剤等の接着剤5で基体2の側面に搭載部2aを取り囲むように取着される。
【0043】
また、透光性蓋体7はガラス、サファイア、石英、または、エポキシ樹脂やアクリル樹脂等の樹脂(プラスチック)などの透光性材料から成り、枠体3内側に設置された、発光素子4、ボンディングワイヤ6、発光素子4を保護するとともに、パッケージ1内部を気密に封止する。また、透光性蓋体7をレンズ状にして光学レンズの機能を付加することによって、発光素子4の光を集光または分散させて所望の放射角度、強度分布で発光素子4の光をパッケージ1外部に取り出すことができる。
【0044】
なお、光の放射角度とは、発光素子4から出射される光ビームの光軸方向への広がりを示す角度であり、光ビームの光軸方向に垂直な断面が円形状であれば放射角度は一定であり、光ビームの光軸方向に垂直な断面が楕円形状等の偏りがある場合は放射角度はその最大の角度である。
【0045】
このようなパッケージ1の基体2の搭載部2a上に、発光素子4をAgペースト等の導電ペーストやセラミックス粉末が混入された樹脂接着剤、エポキシ樹脂等から成る樹脂接着剤等を介して搭載するとともに発光素子4の電極と基体2とをボンディングワイヤ6を介して電気的に接続し、他方の発光素子4の電極を枠体3にボンディングワイヤ6を介して接続し、しかる後、発光素子4が収納された枠体3内部に透明な封止樹脂を充填して発光素子4を被覆し、発光素子4から出射される光ビームの光軸上に位置するように透光性蓋体7を枠体3の上面に接着剤等で取着することによって発光装置となる。
【0046】
なお、本発明は、上記の実施の形態例に限定されるものではなく、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。例えば、突条部2bは、基体2と一体に形成されていてもよく、図6に示すように基体2の上面に突条部2bを接着剤等で取着してもよい。このように突条部2bを基体2に取着する場合、突条部2bとして可視光領域における反射率が高い環状の金属や、金属層を被着した環状のセラミックス、金属層を被着した環状の樹脂等を用いることで、本発明のパッケージと同等の効果が得られる。
【0047】
【発明の効果】
本発明の発光素子収納用パッケージは、上面の中央部に発光素子を搭載する搭載部を有するとともにこの搭載部を取り囲むように形成された突条部を有する基体と、この基体の側面に搭載部および突条部を取り囲むようにして内周面の下端部が全周にわたって接着剤により接合された枠体とを具備していることにより、発光素子から接着剤に直接照射される光を突条部によって有効に遮断でき、発光素子の光が接着剤に吸収されたり、接着剤を透過して発光素子収納用パッケージの外部へ漏れ出したりして生じる光損失を有効に抑制することができる。その結果、発光素子収納用パッケージの上側に発光素子の光を効率よく放射することができる。
【0048】
また、突条部によって接着剤に入射される光を遮断することにより、接着剤における光の乱反射を有効に抑制して基体の上面や枠体の内面で反射される光を斑のない均一なものとすることができる。
【0049】
さらに、突条部が発光素子に接近しているため、発光素子から出射された光が短い距離で短時間のうちに突条部に到達し、この突条部で反射して発光素子収納用パッケージの上側に放射されるため、発光素子収納用パッケージの内部を光が進む間に生じる光損失を非常に小さくすることができ、発光効率を極めて高くすることができる。
【0050】
また、従来は枠体の下面を基体の上面に取着しており、接着剤層が基体の主面に平行に設けられていたため、発光素子から出射された光が直接接着剤に入り込み外部に漏れ易かったのに対し、基体の側面に枠体の内周面を取着しているので、接着剤層が基体の主面に直交する方向に形成され、発光素子から出射された光が直接接着剤層に入射され難くなり、接着剤によって生じる光損失を有効に抑制することができる。
【0051】
本発明の発光素子収納用パッケージは、上記構成のパッケージにおいて、発光素子は紫外光を含む波長領域の光を発光するもの、例えば蛍光体によってカラー表示することが可能なものであり、接着剤は樹脂接着剤から成る場合、発光素子から出射される光が樹脂を劣化させ易い400nm以下の波長の紫外光を含んだものであっても、接着剤へ直接入射する光を有効に遮断するとともに、たとえ接着剤の上端に光が入射しても接着剤の内部へは入り込み難くなる。これにより、紫外光によって樹脂から成る接着剤が劣化するのを有効に抑制することができる。その結果、接着剤の接着強度が低下するのを効果的に抑制し、照明用の光源としての発光装置に対して一般的に要求される4万時間以上もの寿命を有するものとでき、長期的な発光の信頼性を確保できる。
【0052】
本発明の発光装置は、上記構成の発光素子収納用パッケージと、搭載部に搭載された発光素子と、枠体の上面に取着された透光性蓋体とを具備したことにより、発光素子から出射された光エネルギーを発光素子収納用パッケージの枠体の内周面や基体の上面で効率よく反射させ、発光素子収納用パッケージの上側へ極めて効率よく光エネルギーを放出することができるとともに透光性蓋体に光学レンズ機能を付加することにより、発光素子収納用パッケージの外部に任意の角度で光を放射することができる。さらに、上記本発明の発光素子収納用パッケージを用いた長期間にわたり正常かつ安定して発光することのできる発光効率の極めて高い発光装置を提供できる。
【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】図1の発光素子収納用パッケージの下面図である。
【図3】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他の例を示す断面図である。
【図4】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他の例を示す断面図である。
【図5】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他の例を示す断面図である。
【図6】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他の例を示す断面図である。
【図7】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:枠体
4:発光素子
5:接着剤
6:ボンディングワイヤ
7:透光性蓋体
Claims (2)
- 紫外光を含む波長領域の光を放射する発光素子の搭載部と前記搭載部を囲んでいる突条部とを含む上面を有している基体と、
前記搭載部および前記突条部を囲んでおり、樹脂接着剤によって前記基体の側面に接合された下端部を有する枠体と、
を備えた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、
前記発光素子収納用パッケージの前記搭載部に搭載された発光素子と、
前記発光素子収納用パッケージの前記枠体の上面に取着された透光性蓋体と、
を備えた発光装置。
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