JP4383088B2 - 発光素子収納用パッケージ - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、LED等の発光素子をセラミック基板上に搭載し収納するための発光素子収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来からLED等の発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージとしては、プラスチック製や、セラミック製の発光素子収納用パッケージが用いられている。
【0003】
LED等の発光素子は、発光素子の光出力を大きくするのに、電流を増加させることで可能であるが、光出力の増加に併せて発光素子自体の温度も上昇する。従来のプラスチック製の発光素子収納用パッケージは、そこに搭載される発光素子自体の温度上昇が大きくなることで、プラスチック製のパッケージでは耐熱性が十分でなくなり、問題が発生している。そこで、プラスチック製の発光素子収納用パッケージには、パッケージの放熱性向上を目的として発光素子を直接搭載できる金属リードフレーム上にプラスチック製の障壁を設けた構造の発光素子収納用パッケージが開発されている。また、発光素子の光出力を大きくする方法には、複数個の発光素子を平面状に並べて用いることが行われている。
【0004】
従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージは、発光素子を搭載するためのキャビティ部の形成に、複数枚のセラミックグリーンシートをダイスとピンからなるパンチングマシーン等で垂直に打ち抜いてキャビティ部の大きさの孔を穿孔し、複数枚のセラミックグリーンシートを積層して行っている。発光素子が搭載されるキャビティ部は、壁面が発光素子からの光を効率よく反射させることで明るさを増加できる反射板の役目をしているが、壁面が垂直であるので、効率よく反射させることができない。
【0005】
そこで、キャビティ部の壁面を上面に対して55〜70度の角度で外側に広げると共に、壁面の表面に中心線平均粗さRaが1〜3μmで且つ発光素子が発光する光に対する反射率が80%以上の金属層が被着されているセラミック製の発光素子収納用パッケージが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、導体配線が形成されたセラミックグリーンシートに発光素子を載置するためのキャビティ部を形成するのに、セラミックグリーンシートをキャビティ部が開口方向に広くなるようにプレス成形し、脱脂、焼成した後、キャビティ部壁面の導体層にめっきを施して、光反射層を形成するセラミック製の発光素子収納用パッケージが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−232017号公報(第1−6頁、第1図)
【特許文献2】
特開平9−45965号公報(第1−4頁、第2図)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の発光素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
(1)金属リードフレームを発光素子からの発熱の放熱板として用いたプラスチック製の発光素子収納用パッケージは、放熱性が十分ではなくプラスチックの耐熱性の温度を超える場合がある。また、金属リードフレームを用いたプラスチック製の発光素子収納用パッケージは、リードフレームのパッケージ全体に占める面積が大きく、パッケージを小型化にすることができないという問題がある。
(2)セラミックグリーンシートを打ち抜いてキャビティ部を形成するセラミック製の発光素子収納用パッケージは、キャビティ部の壁面を上面に対して正常な角度を持たせて安定して成形することが難しく、歩留まりの低下となっている。
(3)セラミックグリーンシートをプレスしてキャビティ部を形成するセラミック製の発光素子収納用パッケージは、セラミックグリーンシートに亀裂等を発生させることなくプレス成形することが難しく、歩留まりの低下となっている。また、この発光素子収納用パッケージは、セラミックグリーンシートを3次元でプレスするので、セラミックグリーンシートの生密度が場所によって変化し、焼成での均一な収縮の妨げとなり変形が発生して歩留まりの低下となっている。
(4)発光素子の光出力を大きくするのに発光素子を搭載した個別の発光素子収納用パッケージの複数個を平面状に並べてボード等に実装して行うのは、実装面積が大きくなる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、耐熱性が大きいセラミック基板を用いて容易に歩留まりよく形成され、発光素子の光出力が高くできる発光素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る発光素子収納用パッケージは、セラミック基板に発光素子を搭載するための1又は複数個のキャビティ部を有する発光素子収納用パッケージであって、キャビティ部にはキャビティ部の壁面及び底面に当接しないで装填されキャビティ部の上端周縁のセラミック基板の上面で当接して接合される発光素子の光を反射するための反射体を有し、しかも、反射体はテーパ状の円錐形状の貫通孔を有する金属製の筒体の貫通孔の壁面を発光素子の反射面とし、貫通孔の開口径の大きい側の筒体端部外周に有するフランジ部でセラミック基板のキャビティ部の上端周縁に設ける導体パターンにろう材を介して接合されている。これにより、セラミック基板に形成されたキャビティ部の壁面形状と関係なくキャビティ部内に反射体が容易に取り付けられて設けられているので、セラミック製で耐熱性が高く、キャビティ部の形成が従来の穿孔方式で形成できて歩留まりがよく、小型で発光素子の光出力が高くできる発光素子収納用パッケージを提供できる。また、1枚のセラミック基板に複数個のキャビティ部を形成することもできるので、小型な形態で光出力を上げることができる発光素子収納用パッケージを提供できる。
【0009】
前記目的に沿う本発明に係る他の発光素子収納用パッケージは、セラミック基板に発光素子を搭載するための1又は複数個のキャビティ部を有する発光素子収納用パッケージであって、セラミック基板にはキャビティ部の上端周縁に段差を有し、キャビティ部にはキャビティ部の壁面及び底面に当接しないで装填され段差の上面で当接して接合される発光素子の光を反射するための反射体を有し、しかも、反射体はテーパ状の円錐形状の貫通孔を有する金属製の筒体の貫通孔の壁面を発光素子の反射面とし、貫通孔の開口径の大きい側の筒体端部外周に有する段差の高さより薄い厚さのフランジ部でセラミック基板の段差の上面に設ける導体パターンにろう材を介して接合されている。これにより、セラミック基板に形成されたキャビティ部の壁面形状と関係なくキャビティ部内に反射体が容易に取り付けられて設けられているので、セラミック製で耐熱性が高く、キャビティ部の形成が従来の穿孔方式で形成できて歩留まりがよく、小型でパッケージの高さが低く、発光素子の光出力が高くできる発光素子収納用パッケージを提供できる。また、1枚のセラミック基板に複数個のキャビティ部を形成することもできるので、小型でパッケージの高さを低くできる形態で光出力を上げることができる発光素子収納用パッケージを提供できる。
【0010】
−
【0011】
−
【0012】
−
【0013】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1(A)、(B)はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの断面図、図2(A)、(B)はそれぞれ同他の発光素子収納用パッケージの断面図、図3(A)、(B)はそれぞれ同更に他の発光素子収納用パッケージの断面図である。
【0014】
図1(A)、(B)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ10、10aを説明する。
図1(A)に示すように、発光素子収納用パッケージ10は、平面視して、矩形状や、多角形や、円形等からなり、中心部に発光素子11を搭載するためのキャビティ部12を1個有している。この発光素子収納用パッケージ10には、キャビティ部12に発光素子11を搭載するためにアルミナ(Al2O3)や、低温焼成セラミックや、窒化アルミニウム等からなるセラミック基板13が用いられている。そして、キャビティ部12は、セラミック基板13の焼成前の複数枚のセラミックグリーンシートの必要セラミックグリーンシートの必要部位にキャビティ部12用の孔をそれぞれのセラミックグリーンシートの穿孔面が垂直になるように穿設し、積層し、焼成することで形成されている。なお、キャビティ部12用の孔は、複数枚のセラミックグリーンシートが同一の大きさであってもよく、上層に行くにつれて大きい孔からなる階段状であってもよい。
【0015】
キャビティ部12には、キャビティ部12内に装填され、キャビティ部12の上端周縁のセラミック基板13の上面でAgCuろうや、AuSnろう等のろう材で接合される反射体14を有している。この反射体14は、テーパ状の円錐形状の貫通孔15を有するKV(Fe−Ni−Co系合金、商品名「Kovar(コバール)」)や、アルミニウム等の金属からなる筒体16の貫通孔15の壁面を発光素子11の発する光の反射面としている。そして、この反射体14は、貫通孔15の開口径の大きい側の筒体16の端部外周にフランジ部17を備え、このフランジ部17でセラミック基板13と接合されている。この反射体14は、テーパ状の円錐形状の貫通孔15の壁面を発光素子11の発する光の反射面とし、貫通孔15の開口径の大きい側を外側にしているので、発光素子11から発する光を効率よく反射させて光出力を向上させることができる。なお、反射体14の貫通孔15の壁面のテーパ状の円錐形状は、稜線が直線状に限定されるものではなく、例えば、椀形の形状のような曲線状のものであってもよい。
【0016】
図1(B)に示すように、発光素子収納用パッケージ10aは、1つのセラミック基板13aに複数個のキャビティ部12を有し、それぞれのキャビティ部12に発光素子11(図示せず、図1(A)参照)が搭載できるようになっている。それぞれのキャビティ部12には、それぞれのキャビティ部12内に装填され、それぞれのキャビティ部12の上端周縁のセラミック基板13aの上面でろう材等で接合されるそれぞれ反射体14を有している。これらの反射体14は、発光素子収納用パッケージ10の場合と同様にテーパ状の円錐形状の貫通孔15を有する金属からなる筒体16の貫通孔15の壁面を発光素子11の発する光の反射面としている。そして、これらの反射体14は、貫通孔15の開口径の大きい側の筒体16の端部外周にフランジ部17を備え、フランジ部17でセラミック基板13aと接合されている。発光素子収納用パッケージ10aは、1つのセラミック基板13aに複数個のキャビティ部12を有し、それぞれのキャビティ部12に発光素子11が搭載されるので、小型でより明るい発光素子モジュールが実現可能となる。
【0017】
なお、発光素子収納用パッケージ10、10aには、キャビティ部12の底面に発光素子11(図1(B)では図示せず)が搭載され、発光素子11とボンディングワイヤ18で接続し、外部から電気的に導通させるためにセラミック基板13、13aに導体パターン19が形成されている。また、発光素子収納用パッケージ10、10aには、発光素子11をキャビティ部12に搭載し、キャビティ部12内に蛍光体の樹脂等が充填された後、発光素子11を気密に収納するために、反射体14の開口部のフランジ部17の上面にレンズ20(図1(B)では図示せず)を有機樹脂接着剤や、無機樹脂接着剤等を用いて接合している。
【0018】
ここで、セラミックの一例であるアルミナからなるセラミック基板13、13aの作製方法を説明する。先ず、セラミックグリーンシートは、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度2000〜40000cpsのスラリーが作製される。次いで、スラリーは、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み0.25mmのロール状のシートに形成され、適当なサイズにカットしてセラミックグリーンシートが作製される。
【0019】
次に、このセラミックグリーンシートには、打ち抜き金型やパンチングマシーン等を用いて、それぞれの所定位置にキャビティ部12用の孔や、上層と下層との間の導通を形成するためのビア21用の孔が穿設される。更に、セラミックグリーンシートには、タングステン等からなる金属導体ペーストを用いてスクリーン印刷でビア21用の孔に充填したり、反射体14をろう材等で接合させるためや、発光素子11と電気的に導通状態とするために表面に導体パターン19が形成される。これらの印刷が完了したセラミックグリーンシートは、複数枚が重ね合わされ積層体が形成される。そして、次に、タングステン等からなる金属導体と、セラミックグリーンシートとを還元性雰囲気の焼成炉で同時焼成してセラミック基板13、13aが作製されている。なお、キャビティ部12の底面に形成される導体パターン19には、反射体14の筒体16の先端部が接触しても短絡しないようにするために、必要なワイヤボンドパッド部を開口部から露出させるセラミックグリーンシートと実質的に同じ材料からなる絶縁膜(図示せず)が、同時焼成前に形成された後、同時焼成時に焼成されて形成されていてもよい。
【0020】
次いで、図2(A)、(B)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る他の発光素子収納用パッケージ10b、10cを説明する。
図2(A)に示すように、発光素子収納用パッケージ10bは、前記の発光素子収納用パッケージ10と同様に、発光素子11を搭載するためのキャビティ部12を1個有している。この発光素子収納用パッケージ10bには、キャビティ部12に発光素子11を搭載するためにアルミナ(Al2O3)や、低温焼成セラミックや、窒化アルミニウム等からなるセラミック基板13bが用いられている。このセラミック基板13bには、キャビティ部12の上端周縁に段差22を有している。キャビティ部12には、キャビティ部12内に装填され、段差22でろう材等で接合される反射体14を有している。この反射体14は、前記の発光素子収納用パッケージ10と同様に、テーパ状の円錐形状の貫通孔15を有する金属からなる筒体16の貫通孔15の壁面を発光素子11の発する光の反射面としている。そして、この反射体14は、貫通孔15の開口径の大きい側の筒体16の端部外周にフランジ部17を備え、このフランジ部17でセラミック基板13bの段差22と接合されている。
【0021】
図2(B)に示すように、発光素子収納用パッケージ10cは、1つのセラミック基板13cに複数個のキャビティ部12を有し、それぞれのキャビティ部12に発光素子11(図示せず、図2(A)参照)が搭載できるようになっている。それぞれのキャビティ部12には、それぞれのキャビティ部12内に装填され、セラミック基板13cのそれぞれの段差22でろう材等で接合されるそれぞれ反射体14を有している。これらの反射体14は、発光素子収納用パッケージ10bの場合と同様に、テーパ状の円錐形状の貫通孔15を有する金属からなる筒体16の貫通孔15の壁面を発光素子11の発する光の反射面としている。そして、これらの反射体14は、貫通孔15の開口径の大きい側の筒体16の端部外周にフランジ部17を備え、フランジ部17でセラミック基板13cと接合されている。
【0022】
なお、発光素子収納用パッケージ10b、10cには、前記の発光素子収納用パッケージ10、10aの場合と同様に、キャビティ部12の底面に発光素子11(図2(B)では図示せず)が搭載され、発光素子11とボンディングワイヤ18で接続し、外部から電気的に導通させるためにセラミック基板13b、13cに導体パターン19が形成されている。また、発光素子収納用パッケージ10b、10cには、発光素子11をキャビティ部12に搭載し、キャビティ部12内に蛍光体の樹脂等が充填された後、発光素子11を気密に収納するために、反射体14の開口部のフランジ部17の上面にレンズ20(図2(B)では図示せず)を有機樹脂接着剤や、無機樹脂接着剤等を用いて接合している。更に、発光素子収納用パッケージ10b、10cのセラミック基板13b、13cにセラミックの一例であるアルミナからなるセラミックが用いられる場合には、前記セラミック基板13、13aの作製方法と同様な方法で作製されるセラミック基板を用いることができる。
【0023】
次いで、図3(A)、(B)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る上記の発光素子収納用パッケージ10、10a、10b、10cに類似する他の発光素子収納用パッケージ10d、10eを説明する。
図3(A)に示すように、発光素子収納用パッケージ10dは、平面視して、矩形状や、多角形や、円形等からなり、中心部に発光素子11を搭載するためのキャビティ部12を1個有している。この発光素子収納用パッケージ10dには、アルミナ(Al2O3)や、低温焼成セラミックや、窒化アルミニウム等からなる1又は複数枚のセラミックグリーンシートを積層し焼成して形成した平板のセラミック基板13dが用いられている。また、セラミック基板13dの上面には、テーパ状の壁面からなる挿通孔23を設けたKVや、42アロイ(Fe−Ni系合金)等のセラミックと熱膨張係数が近似する金属板24がAgCuろうや、AuSnろう等のろう材で接合されている。そして、発光素子収納用パッケージ10dは、金属板24の挿通孔23の開口から露出するセラミック基板13dと、金属板24の挿通孔23のテーパ状の壁面とでキャビティ部12を形成している。
【0024】
金属板24の挿通孔23は、金属板24の上面側の開口径が金属板24の下面側の開口径より大きいテーパ状に形成されている。そして、挿通孔23のテーパ状の壁面は、発光素子11から発する光を反射させるための反射面として用いられている。テーパ状の壁面は、外側に開いているので、発光素子11から発する光を効率よく反射させて光出力を向上させることができる。なお、金属板24の挿通孔23のテーパ状の壁面は、反射体14の貫通孔15の壁面の形状と同様に、稜線が直線状に限定されるものではなく、例えば、椀形の形状のような曲線状のものであってもよい。
【0025】
図3(B)に示すように、発光素子収納用パッケージ10eは、平板からなる1つのセラミック基板13eに複数個のテーパ状の壁面からなる挿通孔23を有する金属板24aが接合されている。そして、発光素子収納用パッケージ10eは、挿通孔23の開口から露出するセラミック基板13eと金属板24aのテーパ状の壁面とで形成されるそれぞれのキャビティ部12に発光素子11(図示せず、図3(A)参照)が搭載できるようになっている。それぞれのキャビティ部12は、金属板24aの挿通孔23が下面側より上面側の開口径を大きくするテーパ状となっており、このテーパ状の壁面を発光素子11から発する光の反射面としている。この発光素子収納用パッケージ10eは、平板からなるセラミック基板24aに複数個の挿通孔23を有する金属板24aを接合することで形成できるので、小型でより明るい発光素子モジュールが実現可能となるパッケージを容易に提供できる。
【0026】
なお、発光素子収納用パッケージ10d、10eには、前記の発光素子収納用パッケージ10、10a、10b、10cの場合と同様に、キャビティ部12の底面に発光素子11(図3(B)では図示せず)が搭載され、発光素子11とボンディングワイヤ18で接続し、外部から電気的に導通させるためにセラミック基板13d、13eに導体パターン19が形成されている。また、発光素子収納用パッケージ10d、10eには、発光素子11をキャビティ部12に搭載し、キャビティ部12内に蛍光体の樹脂等が充填された後、発光素子11を気密に収納するために、金属板24、24aの挿通孔23の上面側開口部の周縁上面にレンズ20(図3(B)では図示せず)を有機樹脂接着剤や、無機樹脂接着剤等を用いて接合している。更に、発光素子収納用パッケージ10d、10eのセラミック基板13d、13eにセラミックの一例であるアルミナからなるセラミックが用いられる場合には、前記セラミック基板13、13a、13b、13cの作製方法におけるセラミック基板にキャビティ部12の形成がない以外、実質的には同様な方法で作製されるセラミック基板を用いることができる。
【0027】
前記の発光素子収納用パッケージ10、10a、10b、10c、10d、10eには、反射体14の反射面や、金属板24、24aの反射面に、発光素子11から発せられる光を反射させるための、例えば、Auめっきや、Niめっきや、Agめっき等によるコーティングが施されているのがよい。このコーティングによって、発光素子11から発せられる光の明るさを向上させることができる。
【0028】
前記の発光素子収納用パッケージ10a、10c、10eのような1枚のセラミック基板13a、13c、13eに複数個のキャビティ部12を有する場合には、セラミック基板13a、13c、13eに発光素子11を駆動させるための駆動用半導体素子が、例えば、セラミック基板13a、13c、13eの裏面側に搭載できるのがよい。また、セラミック基板13a、13c、13eには、駆動回路用の配線パターンが形成されて有するのがよい。この駆動用半導体素子、及び駆動回路用の配線パターンによって、複数個の発光素子11の発光形態がコントロールできるので、例えば、明るさを無段階的に調整できたりする。
【0029】
【発明の効果】
請求項1記載の発光素子収納用パッケージは、セラミック基板に発光素子を搭載するための1又は複数個のキャビティ部を有する発光素子収納用パッケージであって、キャビティ部にはキャビティ部の壁面及び底面に当接しないで装填されキャビティ部の上端周縁のセラミック基板の上面で当接して接合される発光素子の光を反射するための反射体を有し、しかも、反射体はテーパ状の円錐形状の貫通孔を有する金属製の筒体の貫通孔の壁面を発光素子の反射面とし、貫通孔の開口径の大きい側の筒体端部外周に有するフランジ部でセラミック基板のキャビティ部の上端周縁に設ける導体パターンにろう材を介して接合されているので、キャビティ部内に反射体が容易に取り付けられ、セラミック製で耐熱性が高く、キャビティ部の形成が従来の穿孔方式で形成できて歩留まりがよく、小型で発光素子の光出力が高くできる。また、1枚のセラミック基板に複数個のキャビティ部を形成することもでき、小型で光出力を上げることができる。
【0030】
請求項2記載の発光素子収納用パッケージは、セラミック基板に発光素子を搭載するための1又は複数個のキャビティ部を有する発光素子収納用パッケージであって、セラミック基板にはキャビティ部の上端周縁に段差を有し、キャビティ部にはキャビティ部の壁面及び底面に当接しないで装填され段差の上面で当接して接合される発光素子の光を反射するための反射体を有し、しかも、反射体はテーパ状の円錐形状の貫通孔を有する金属製の筒体の貫通孔の壁面を発光素子の反射面とし、貫通孔の開口径の大きい側の筒体端部外周に有する段差の高さより薄い厚さのフランジ部でセラミック基板の段差の上面に設ける導体パターンにろう材を介して接合されているので、セラミック基板に形成されたキャビティ部の壁面形状と関係なくキャビティ部内に反射体が容易に取り付けられて設けられ、セラミック製で耐熱性が高く、キャビティ部の形成が従来の穿孔方式で形成できて歩留まりがよく、小型でパッケージの高さが低く、発光素子の光出力を高くすることができる。また、1枚のセラミック基板に複数個のキャビティ部を形成することもでき、小型でパッケージの高さを低くできる形態で光出力を上げることができる。
【0031】
−
【0032】
−
【0033】
−
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)、(B)はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの断面図である。
【図2】(A)、(B)はそれぞれ同他の発光素子収納用パッケージの断面図である。
【図3】(A)、(B)はそれぞれ同更に他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】
10、10a、10b、10c、10d、10e:発光素子収納用パッケージ、11:発光素子、12:キャビティ部、13、13a、13b、13c、13d、13e:セラミック基板、14:反射体、15:貫通孔、16:筒体、17:フランジ部、18:ボンディングワイヤ、19:導体パターン、20:レンズ、21:キャビティ部、22:段差、23:挿通孔、24、24a:金属板
Claims (2)
- セラミック基板に発光素子を搭載するための1又は複数個のキャビティ部を有する発光素子収納用パッケージであって、
前記キャビティ部には該キャビティ部の壁面及び底面に当接しないで装填され該キャビティ部の上端周縁の前記セラミック基板の上面で当接して接合される前記発光素子の光を反射するための反射体を有し、しかも、該反射体はテーパ状の円錐形状の貫通孔を有する金属製の筒体の該貫通孔の壁面を前記発光素子の反射面とし、前記貫通孔の開口径の大きい側の前記筒体端部外周に有するフランジ部で前記セラミック基板の前記キャビティ部の上端周縁に設ける導体パターンにろう材を介して接合されていることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。 - セラミック基板に発光素子を搭載するための1又は複数個のキャビティ部を有する発光素子収納用パッケージであって、
前記セラミック基板には前記キャビティ部の上端周縁に段差を有し、前記キャビティ部には該キャビティ部の壁面及び底面に当接しないで装填され前記段差の上面で当接して接合される前記発光素子の光を反射するための反射体を有し、しかも、該反射体はテーパ状の円錐形状の貫通孔を有する金属製の筒体の該貫通孔の壁面を前記発光素子の反射面とし、前記貫通孔の開口径の大きい側の前記筒体端部外周に有する前記段差の高さより薄い厚さのフランジ部で前記セラミック基板の前記段差の上面に設ける導体パターンにろう材を介して接合されていることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
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