JP2006013198A - 発光素子収納用パッケージ、発光装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放射強度が高いとともに輝度や演色性等の光特性に優れた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。
【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導体層１ａが形成された基体１と、導体層１ａの上面に接合された、上面に発光素子５の電極５ａが電気的に接続される金属部材３と、基体１の上側主面に導体層１ａを取り囲むように接合された、内周面が発光素子５が発光する光を反射する反射面２ｂとされている枠状の反射部材２とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子を収納するための発光素子収納用パッケージ、発光装置および照明装置に関する。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子15を収納するための発光素子収納用パッケージを図８に示す。図８において、発光素子収納用パッケージは、上面の中央部に発光素子15を載置するための搭載部11ａを有し、搭載部11ａおよびその周辺から発光装置の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体11ｂが形成された絶縁体からなる基体11と、基体11上面に接着固定された、内周面が発光素子15が発光する光を反射する反射面12ｂとされている枠状の反射部材12とから主に構成されている。

基体11は、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。基体11がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体11ｂがタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体11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がモールド成型されて基体11の内部に設置固定される。

また、反射部材12は、内周面に光を反射する反射面12ｂが設けられた枠状となっている。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナ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り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。

さらに、反射面12ｂは、反射部材12の内周面を研磨して平坦化することにより、あるいは、内周面にＡｌ等の金属を蒸着法やメッキ法により被着することにより形成される。そして、反射部材12は、半田，銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、搭載部11ａを反射部材12の内周面で取り囲むように基体11の上面に接合される。

そして、搭載部11ａまたはその周辺に配置した配線導体11ｂと発光素子15の電極15ａとを金属バンプやボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して電気的に接続し、しかる後、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂14をディスペンサー等の注入機で発光素子15を覆うように反射部材12の内部に充填しオーブンで熱硬化させることで発光装置となし得る（例えば、下記の特許文献１参照）。
特開2003-37298号公報

しかしながら、上記従来の発光装置においては、発光素子15の側面から横方向や斜め下方向に発光された光は、基体11の表面や基体15と反射部材12との接合部に吸収されたり、これらを透過したりして光強度が低下するという問題点を有していた。

また、近時においては、発光素子15の高出力化により発光素子15から発生する熱量が増大する傾向にあり、従来の構成では、発光素子15で発生した熱を効率よく放散させることが困難になってきた。その結果、発光素子15の温度上昇を抑制できなくなって、発光素子15から発光する光の放射強度を低下させ、発光装置の輝度や演色性が低下する等という問題点を有していた。

したがって、本発明は上記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、放射強度が高いとともに輝度や演色性等の光特性に優れた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である。

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導体層が形成された基体と、前記導体層の上面に接合された、上面に発光素子の電極が電気的に接続される金属部材と、前記基体の上側主面に前記導体層を取り囲むように接合された、内周面が前記発光素子が発光する光を反射する反射面とされている枠状の反射部材とを具備していることを特徴とする。

本発明の発光素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記金属部材は、その側面が下側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜していることを特徴とする。

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、前記金属部材に電気的に接続された前記発光素子と、前記発光素子を覆う透光性部材とを具備していることを特徴とする。

本発明の照明装置は、上記構成の発光装置を所定の配置となるように設置したことを特徴とする。

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導体層が形成された基体と、導体層の上面に接合された、上面に発光素子の電極が電気的に接続される金属部材と、基体の上側主面に導体層を取り囲むように接合された、内周面が発光素子が発光する光を反射する反射面とされている枠状の反射部材とを具備していることから、発光素子の側面から横方向や斜め下方向に発光される光を反射部材の反射面で良好に反射させることができ、反射部材と基体との接合部や基体の表面で吸収されることなく、反射部材で所望の放射角度で、かつ安定した反射効率で反射させて外部へ良好に放射させることができる。その結果、発光装置から放射される光の放射強度を高く安定に保つことができる。

さらに、発光素子で生じる熱を熱伝導率の高い金属部材に効率よく移動させることができるので発光素子の温度上昇を有効に防止することができ、発光素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージは、好ましくは、金属部材は、その側面が下側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜していることから、金属部材の熱伝達特性をさらに向上させることができ、発光素子から発生する熱をさらに効率よく外部に放散できるようになる。その結果、発光素子の温度を常に安定に保ち、発光素子を正常かつ安定に作動させることができる。

また、金属部材の外側の傾斜面で発光素子から発光する光を確実に上方に反射させることができ、発光装置から放射される光の放射強度を高く安定に保つことができる。

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、金属部材に電気的に接続された発光素子と、発光素子を覆う透光性部材とを具備していることから、本発明の発光素子収納用パッケージを用いた放射強度が高いとともに輝度や演色性等の光特性に優れた発光装置となる。

本発明の照明装置は、上記本発明の発光装置を所定の配置となるように設置したことから、半導体から成る発光素子の電子の再結合による発光を利用しているため、従来の放電を用いた照明装置よりも低消費電力かつ長寿命とすることが可能な小型の照明装置とすることができる。その結果、発光素子から発生する光の中心波長の変動を抑制することができ、長期間にわたり安定した放射光強度かつ放射光角度（配光分布）で光を照射することができるとともに、照射面における色むらや照度分布の偏りが抑制された照明装置とすることができる。

また、本発明の発光装置を光源として所定の配置に設置するとともに、これらの発光装置の周囲に任意の形状に光学設計した反射治具や光学レンズ、光拡散板等を設置することにより、任意の配光分布の光を放射する照明装置とすることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージおよび発光装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、１は基体、２は反射部材、３は金属部材、４は透光性部材であり、主としてこれらで発光装置が構成される。

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導体層１ａが形成された基体１と、導体層１ａの上面に接合された、上面に発光素子５の電極５ａが電気的に接続される金属部材３と、基体１の上側主面に導体層１ａを取り囲むように接合された、内周面が発光素子５が発光する光を反射する反射面２ｂとされている枠状の反射部材２とを具備しているものである。

本発明における基体１は、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、エポキシ樹脂等の樹脂、または金属等から成る。

基体１の上側主面には、発光素子５の電極５ａが金属部材３を介して電気的に接続される導体層１ａが形成されている。この電気接続用パターンが基体１内部や側面に形成された配線導体１ｃを介して発光装置の下面などの外表面に形成された外部接続導体１ｂに導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、発光素子５と外部電気回路とが電気的に接続されることとなる。

本発明の発光素子収納用パッケージは、基体１の上側主面から突出するように導体層１ａに接続された金属部材３に発光素子５が搭載されることによって、発光素子５の側面から下側方向に発光される光を反射部材２の反射面２ｂに良好に照射させ、反射部材２以外の部位で光が吸収されるのを有効に防止し、発光素子５から発光される光の多くを高い反射率で反射させることができる。また、金属部材３により、発光素子５を基体１の所望の位置に正確かつ容易に搭載することができる。その結果、発光素子５の発光特性を最大限に引き出すことができ、軸上光度や輝度，演色性等の光特性に優れた発光装置とすることができる。

発光素子５の電極５ａを金属部材３に接続する方法としては、電極５ａの下面で半田バンプ等の電気接続手段により接続するフリップチップボンディング方式を用いた方法等が用いられる。フリップチップボンディング方式による接続方法は、加圧、加熱、超音波印加等の手段により、発光素子５の電極５ａの下面に形成された半田バンプ等を金属部材３に接続させるものである。好ましくは、超音波印加によって発光素子５の電極５ａの下面に形成された半田バンプ等を金属部材３に接続させるのがよい。この接続方法により、発光素子５に熱を与えたり過大な圧力を与えることなく発光素子５を金属部材３に接続でき、発光素子５の性能を損なうことがない。

導体層１ａ，外部接続導体１ｂ，配線導体１ｃは、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末のメタライズ層を基体１の表面や内部に形成することによって、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のリード端子を基体１に埋設することによって、または、配線導体が形成された絶縁体から成る入出力端子を基体１に設けた貫通孔に嵌着接合させることによって設けられる。

なお、電気接続用パターンの露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、電気接続用パターンの酸化腐食を有効に防止し得るともに、発光素子５と電気接続用パターンとの接続を強固にし得る。したがって、電気接続用パターンの露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのがより好ましい。

導体層１ａは、その上面に金属部材３が載置固定されるとともに金属部材３の上面に発光素子５が搭載固定され、発光素子５の電極５ａと金属部材３とが電気的に接続される。発光素子５は、その下面に設けられた電極５ａが半田バンプ等の電気接続手段を介して金属部材３に接着固定される。この際、発光素子５は２つの金属部材３にまたがるようにして載置され、発光素子５の電極５ａのプラス（＋）極とマイナス（−）極がそれぞれ異なる金属部材３に接続されるようにする。これによって、複数の金属部材３は発光素子５の＋電極，−電極として機能するようになる。そして、この発光装置の外表面の外部接続導体１ｂが外部電気回路基板に設けられた電極に接続されることにより、発光素子５と外部電気回路とが電気的に接続されることとなる。

金属部材３は、高さが0.3ｍｍ以上の金属基台であり、Ｃｕ，Ａｇ，アルミニウム（Ａｌ）等の熱伝導の良い金属材料から成る。金属部材３は、下面が基体１の上面の導体層１ａに載置され、上面に発光素子５が搭載される。金属基台から成る金属部材３を介して発光素子５を搭載することにより、発光素子５をフリップチップボンディングにより接合する際の加熱処理を行なっても金属部材３が一定の高さを維持することによって発光素子５の高さを精度良く固定することができ、発光素子５の位置精度をきわめて高くすることができる。

金属部材３の熱伝導率は好ましくは、20Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが良く、この構成により、発光素子５から発生する熱を効率よく金属部材３に移動させるとともに基体１や導体層１ａに効率よく放散させることが可能となる。20Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、金属部材３が蓄熱し易くなり、発光素子５の温度が上昇し、発光素子５の作動性が低下して発光素子５から発光する光の放射強度を高い状態で安定に保つことができなくなる場合がある。

金属部材３の縦断面形状は、図１のような長方形状であったり、図２のような側面が下側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜した台形状であったりと種々の形状とすることができる。好ましくは、図２に示すような、側面が下側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜しているのがよい。この構成により、金属部材３の熱伝達特性をさらに向上させることができ、発光素子５から発生する熱をさらに効率よく外部に放散できるようになる。その結果、発光素子５の温度を常に安定に保ち、発光素子５を正常かつ安定に作動させることができる。また、金属部材３の傾斜面で発光素子５から発光する光を確実に上方に反射させることができ、発光装置から放射される光の放射強度を高く安定に保つことができる。

金属部材３は、その側面が下側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜している場合、金属部材３の上面の面積が下面の面積の1.5〜３倍であるのがよい。1.5倍未満であると、金属部材３の傾斜面で発光素子５から発光する光を確実に上方に反射させる効果が低下しやすくなる。また、３倍を超えると、金属部材３の熱膨張が大きくなって導体層１ａと金属部材３との接続不良が生じやすくなる。

また、金属部材３の側面は、全周にわたって傾斜していてもよく、一部だけが傾斜していてもよい。図２に示すように、反射部材２に対向する側面が傾斜している場合、発光素子５の側面から発光された光や反射部材２で反射された光を良好に上側に反射させて放射光強度を高めることができる。また、他の金属部材３に対向する側面が傾斜している場合、発光素子５の下面から発光された光を良好に上側に反射することができ、放射光強度を高めることができる。

なお、金属部材３の傾斜した側面は、平坦面であってもよく、外側に凸の曲面あるいは内側に凹んだ曲面であってもよい。

好ましくは、金属部材３は、図３（ａ）に示すように基体１の導体層１ａの設けられる部位に凹部６が設けられこの凹部６に金属部材３が嵌めこまれているか、または、図３（ｂ）に示すように基体１の導体層１ａの設けられる部位の周囲に凸部７が設けられこの凸部７に金属部材３が嵌めこまれている形態であるのがよい。この構成により、金属部材３を基体１の所定の位置に正確に位置決めさせた状態でかつ凹部６，凸部７内にロウ材を溜めた状態で強固に固定できる。その結果、金属部材３に搭載される発光素子５を所定の位置に精度良く固定でき、発光装置から放射される光の放射強度を高く安定に保つことができる。

また、基体１の上面には、反射部材２が半田，Ａｇロウ等のロウ材やエポキシ樹脂等の接着剤等の接合材により取着される。または基体１と一体に形成されていてもよい。反射部材２は、中央部に貫通孔２ａが形成されているとともに内周面が発光素子５が発光する光を反射する反射面２ｂとされている。

反射部材２は、金属やセラミックス、樹脂等から成り、切削加工や金型成形等を行うことにより形成される。さらに、反射部材２は発光素子５が発光する光を反射する反射面２ｂとされている。このような反射面２ｂは、光を反射するものであれば特に限定されないが、より高い反射率とするために、貫通孔２ａの内周面を研磨したり、金型を押し付ける等によって平滑化することにより、あるいは、貫通孔２ａの内周面に、例えば、メッキや蒸着等によりＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），Ｃｕ等の高反射率の金属薄膜を形成することにより反射面２ｂを形成してもよい。なお、反射面２ｂがＡｇやＣｕ等の酸化により変色し易い金属からなる場合には、その表面に、例えば厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのが良い。これにより反射面２ｂの耐腐食性が向上する。

また、反射面２ｂ表面の算術平均粗さＲａは0.004〜４μｍであるのが良く、これにより、反射面２ｂが発光素子５や蛍光体の光を良好に反射し得る。Ｒａが４μｍを超えると、発光素子５の光を均一に反射させるのが困難となり、発光装置の内部で乱反射し易くなる。一方、0.004μｍ未満では、そのような面を安定かつ効率良く形成することが困難となる傾向にある。

反射面２ｂは、例えば、縦断面形状が、上側に向かうにともなって外側に広がった図１に示すような直線状の傾斜面、上側に向かうにともなって外側に広がった曲面状の傾斜面、あるいは矩形状の面等の形状が挙げられる。

反射部材２は、基体１の上面の導体層１ａ以外のいかなる部位に取着されてもよいが、発光素子５の周囲に所望の面精度、例えば、発光装置の縦断面において、発光素子５を間に挟んで発光素子５の両側に設けられた反射面２ｂが対称になっている状態で反射面２ｂが設けられるように取着されるのがよい。これにより、発光素子５からの光を蛍光体で波長変換して外部へ直接放射させるだけでなく、発光素子５から横方向等に発光された光や蛍光体から下側に放出された光を反射面２ｂで均一にむらなく反射させることができ、軸上光度および輝度さらには演色性等を効果的に向上させることができる。

特に、反射部材２が導体層１ａに近接しているほど上記の効果が顕著に現れる。これにより、導体層１ａの周囲を反射部材２で取り囲むことによって、より多くの光を反射させることができ、より高い軸上光度を得ることが可能となる。

かくして、本発明の発光素子収納用パッケージは、金属部材３の上面に搭載されるとともに金属部材３に電気的に接続された発光素子５と、発光素子５を覆う透光性部材４とを具備することによって、発光装置と成る。

本発明の透光性部材４は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂、低融点ガラスやゾルゲルガラス等のガラス等から成る。透光性部材４は、ディスペンサー等の注入機で発光素子５を覆うように反射部材２の内部に充填され、オーブン等で熱硬化される。または、透光性部材４は板状のものであってもよく、その場合、反射部材２の上面や内周面に貫通孔２ａを覆って取着されることにより発光素子５が封止される。

なお、透光性部材４は、発光素子５の光を波長変換することのできる蛍光体を含有していてもよい。

また、透光性部材４の上面は図１に示すように上に凸の形状になっているのがよい。これにより、発光素子５から種々の方向に発光された光が透光性部材４を透過する光路長を近似させることができ、放射強度のむらが生じるのを有効に抑制できる。

また、本発明の発光装置は、１個のものを所定の配置となるように設置したことにより、または複数個を、例えば、格子状や千鳥状，放射状，複数の発光装置から成る、円状や多角形状の発光装置群を同心状に複数群形成したもの等の所定の配置となるように設置したことにより、照明装置とすることができる。これにより、半導体から成る発光素子５の電子の再結合による発光を利用しているため、従来の放電を用いた照明装置よりも低消費電力かつ長寿命とすることが可能であり、発熱の小さな小型の照明装置とすることができる。その結果、発光素子５から発生する光の中心波長の変動を抑制することができ、長期間にわたり安定した放射光強度かつ放射光角度（配光分布）で光を照射することができるとともに、照射面における色むらや照度分布の偏りが抑制された照明装置とすることができる。

また、本発明の発光装置を光源として所定の配置に設置するとともに、これらの発光装置の周囲に任意の形状に光学設計した反射治具や光学レンズ、光拡散板等を設置することにより、任意の配光分布の光を放射できる照明装置とすることができる。

例えば、図４，図５に示す平面図，断面図のように複数個の発光装置101が発光装置駆動回路基板102に複数列に配置され、発光装置101の周囲に任意の形状に光学設計した反射治具103が設置されて成る照明装置の場合、隣接する一列上に配置された複数個の発光装置101において、隣り合う発光装置101との間隔が最短に成らないような配置、いわゆる千鳥状とすることが好ましい。即ち、発光装置101が格子状に配置される際には、光源となる発光装置101が直線上に配列されることによりグレアが強くなり、このような照明装置が人の視覚に入ってくることにより、不快感や目の障害を起こしやすくなるのに対し、千鳥状とすることにより、グレアが抑制され人間の目に対する不快感や目に及ぼす障害を低減することができる。さらに、隣り合う発光装置101間の距離が長くなることにより、隣接する発光装置101間の熱的な干渉が有効に抑制され、発光装置101が実装された発光装置駆動回路基板102内における熱のこもりが抑制され、発光装置101の外部に効率よく熱が放散される。その結果、人の目に対しても障害の小さい長期間にわたり光学特性の安定した長寿命の照明装置を作製することができる。

また、照明装置が、図６，図７に示す平面図，断面図のような発光装置駆動回路基板102上に複数の発光装置101から成る円状や多角形状の発光装置101群を、同心状に複数群形成した照明装置の場合、１つの円状や多角形状の発光装置101群における発光装置101の配置数を照明装置の中央側より外周側ほど多くすることが好ましい。これにより、発光装置101同士の間隔を適度に保ちながら発光装置101をより多く配置することができ、照明装置の照度をより向上させることができる。また、照明装置の中央部の発光装置101の密度を低くして発光装置駆動回路基板102の中央部における熱のこもりを抑制することができる。よって、発光装置駆動回路基板102内における温度分布が一様となり、照明装置を設置した外部電気回路基板やヒートシンクに効率よく熱が伝達され、発光装置101の温度上昇を抑制することができる。その結果、発光装置101は長期間にわたり安定して動作することができるとともに長寿命の照明装置を作製することができる。

このような照明装置としては、例えば、室内や室外で用いられる、一般照明用器具、シャンデリア用照明器具、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装，展示用照明器具、街路用照明器具、誘導灯器具及び信号装置、舞台及びスタジオ用の照明器具、広告灯、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、電柱等に埋め込む防犯用照明、非常用照明器具、懐中電灯、電光掲示板等や、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、動画装置、装飾品、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。

例えば、放射強度の向上のために基体１に発光素子５を複数設けてしても良い。また反射面２ｂの角度や、反射面２ｂ上端から透光性部材４の表面までの距離を任意に調整することも可能であり、これにより、補色域を設けることによりさらに良好な演色性を得ることができる。

また、本発明の照明装置は、複数個の発光装置101を所定の配置となるように設置したものだけでなく、１個の発光装置101を所定の配置となるように設置したものでもよい。

本発明の発光素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の発光装置における基体について実施の形態の一例を示す要部拡大断面図、（ｂ）は本発明の発光装置における基体について実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。 本発明の照明装置の実施の形態の一例を示す平面図である。 図４の照明装置の断面図である。 本発明の照明装置の実施の形態の他の例を示す平面図である。 図６の照明装置の断面図である。 従来の発光装置を示す断面図である。

符号の説明

１：基体
１ａ：導体層
２：反射部材
２ｂ：反射面
３：金属部材
４：透光性部材
５：発光素子

Claims (4)

1. 上側主面の中央部に導体層が形成された基体と、前記導体層の上面に接合された、上面に発光素子の電極が電気的に接続される金属部材と、前記基体の上側主面に前記導体層を取り囲むように接合された、内周面が前記発光素子が発光する光を反射する反射面とされている枠状の反射部材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。
2. 前記金属部材は、その側面が下側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜していることを特徴とする請求項１記載の発光素子収納用パッケージ。
3. 請求項１または請求項２記載の発光素子収納用パッケージと、前記金属部材に電気的に接続された前記発光素子と、前記発光素子を覆う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。
4. 請求項３記載の発光装置を所定の配置となるように設置したことを特徴とする照明装置。

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