JP4084831B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子を用いた発光装置に関するものである。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（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予測されていることから注目されており、近年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ための発光素子収納用パッケージ（以下、パッケージともいう）の断面図を図２に示す。

図２に示すように、従来のパッケージ11は、一般に各種樹脂やセラミックスなどの材料から成る基体12を有する。基体12には、タングステンやモリブデン−マンガン等を含む導体ペーストを焼成して成るメタライズ層を形成し、その上にメッキ法によりＮｉメッキ層やＡｕメッキ層を施した配線導体13が形成されている。この配線導体13を介して、パッケージ11内の発光素子15に外部から電力が供給される。

また基体12は、パッケージ11内部側の一方の主面に、中央部に上下面を貫通孔を有する、各種樹脂やセラミックスから成る略正方形の枠体14が設けられており、枠体14は基体12に700〜900℃の融点を有する銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）等のロウ材や樹脂接着剤、500℃以下で溶融する低融点ガラスにより固定される。

発光素子15は、基体12にＡｇペースト16でダイボンドされている。発光素子15の電極は、基体12に形成された配線導体13とＡｕ製のボンディングワイヤ17によりワイヤボンディングされている。

また、発光素子15を保護するため、枠体14の内側に発光素子15を覆うように透明樹脂18が設けられる。この透明樹脂18は熱硬化性のエポキシ樹脂等を加熱硬化させることにより形成される。また、透明樹脂18は、発光素子15をパッケージ11に強固に密着させる働きも有する。これにより、発光素子15を収納した発光装置となる。

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15を発光させることで可視光を発光する。その用途としては、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、光プリンタヘッドなどである。

近年、この発光装置を照明用として利用するようになってきており、高輝度、放熱性の点でより高特性のものが要求されている。また、照明用として使用する場合には寿命が重要な問題となるため、長寿命な発光装置が要求されている。

そこで、近時、発光装置の発光輝度を向上させるために、枠体14や基体12がより反射率の高い材料から成る構成とすることが多い。例えば、発光素子15の光を反射させる枠体14の材料にＡｇやＡｌからなる反射率の高い金属を使用したり、それらの金属を枠体14の内周面に被着させることによって、高輝度の発光装置とすることが提案されている。
特開２００２−３４４０２９号公報

しかしながら、上記従来のパッケージ11では、発光素子15から出る熱によりパッケージ11に歪みが発生し、その結果、発光素子15から発光される光の放射角度が安定化しないという問題点があった。これは、基体12が樹脂やセラミックスから成るのに対して、枠体14が金属から成ることで、基体12と枠体14との熱膨張係数の違いにより発生するものである。

また、従来のパッケージ11では、高輝度化には十分に対応できるものの、輝度を上げるために発光素子15の入力パワーを上げると、発光素子15から出る熱により安定した光強度、光の放射角度、光強度分布が得られないといった新たな問題がでてきている。放熱性が劣化すると、発光素子15の温度が上昇し、温度上昇および温度降下の熱履歴が繰り返されることによって発光素子15自体の強度が低下する。また、発光素子15とパッケージ11に歪みが生じ、パッケージ11から一定の距離を置いたところで測定される光放射角度および光強度分布が所望の値およびパターンからずれることとなる。光強度分布は単一の光束（光ビーム）またはそれらの集合体で表されるものであり、パッケージ11の歪みにより光束のパターンが一定にならず不安定となる。このように、発光装置が局部照明の用途等に使用される場合、光の放射角度、光強度分布は重要な問題である。

したがって、本発明はかかる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、発光素子が発光する光を枠体の内周面で良好に反射させ外部に均一に効率よく放射させるとともに、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られる発光装置を作製できる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。

本発明は、金属材料からなり、突出部を有する基体と、絶縁材料からなり、前記突出部を囲む第１枠体と、前記第１枠体部内に設けられており、前記第１の枠体の下面に導出された配線導体と、ボンディングワイヤを介して前記配線導体に電気的に接続されており、前記突出部上に設けられた発光素子と、前記基体の下面の高さ位置と前記第１の枠体の下面との間に設けられており、前記第１の枠体の下面において前記配線導体に電気的に接続されたリード端子と、を備えている。

本発明は、金属材料からなり、突出部を有する基体と、絶縁材料からなり、突出部を囲む第１枠体と、第１枠体部内に設けられた配線導体と、ボンディングワイヤを介して配線導体に電気的に接続されており、突出部上に設けられた発光素子とを備えている。本発明は、このような構成により、放熱性を向上させることができ、発光輝度を向上させることが可能となる。

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は本発明の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り、図１において、２は基体、３は第１枠体、４は第２枠体であり、これらで発光素子５を収容するためのパッケージ１が主に構成されている。

本発明のパッケージは、上側主面の中央部に発光素子５が搭載される搭載部２ａを有する金属から成る基体２と、基体２の上側主面の外周部に搭載部２ａを囲むように取着された、外形寸法が基体２よりも大きい枠状の絶縁体から成るとともに搭載部２ａの近傍から外側にかけて導出する配線導体３ａが形成された第１枠体３と、第１枠体３の上面に搭載部２ａを囲むように取着された、内周面が上方に向かって広がる傾斜面とされた金属から成る第２枠体４とを具備している。

本発明の基体２は、発光素子５を支持し搭載するための支持部材および発光素子５の熱を放熱させるための放熱部材として機能する。基体２の上面中央部には発光素子５を搭載する搭載部２ａが設けられている。この搭載部２ａには、発光素子５が樹脂接着剤や錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点ロウ材を介して取着される。そして、発光素子５の熱は、樹脂接着剤や低融点ロウ材を介して基体２に伝えられ外部に効率よく放散されることによって、発光素子５の作動性を良好に維持する。また、発光素子５から出射される光は、第２枠体４の内周面で反射されたり、第２枠体４の内側またはその上方の発光素子５の光軸上に設置されたレンズ等の透光性部材に入射されて、拡散光や平行光等に変換されて外部に放射される。

また、基体２は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、そのインゴットに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定形状に形成されて製作される。とりわけ放熱効果を高めるためには、基体２は熱伝導性に優れたＣｕ−Ｗ合金からなることが好ましい。また、その表面には耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層と厚さ0.5〜９μｍの金（Ａｕ）層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体２が酸化腐食されるのを有効に防止できるとともに、基体２の上面の搭載部２ａに発光素子５を強固に接合できる。

また、基体２は、その上面の外周部に搭載部２ａを囲むように絶縁体からなる第１枠体３が接合されており、第１枠体３の内側に発光素子５を収容するための空所が形成される。この第１枠体３は、外形寸法が基体２よりも大きくされているとともに、搭載部２ａの近傍から外側にかけて導出する配線導体３ａが形成されている。また、第１枠体３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、ガラスセラミックス、または樹脂等の絶縁体からなる。

また、第１枠体３に形成された配線導体３ａはタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銅（Ｃｕ）等のメタライズ層で形成されており、例えばＷ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、所定パターンに印刷塗布し焼成することによって第１枠体３に形成される。この配線導体３ａの表面には、酸化防止のためとボンディングワイヤ７や外部リード端子８を強固に接続するために、厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層や厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をメッキ法により被着させておくと良い。

本発明においては、図１に示すように、第１枠体３の下面の外周部に形成された空間に外部リード端子８を挿入して第１枠体３の配線導体３ａに電気的に接続することができるため、外部リード端子８がかさばらずに低背化されたものとなる。

本発明の第２枠体４は、Ａｌ（アルミニウム），Ａｇ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等からなり、とりわけ光の反射効果を高めるためには反射率の高いＡｌから成ることが好ましい。また、第２枠体４は、内周面が上方に向かって広がる傾斜面とされた形状であるが、その材料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、上記の所定形状に形成される。

また、第２枠体４の貫通穴４ａの内周面が基体２の上面に対して35〜60度の角度で上方に向かって広がるように形成されている。このように、貫通穴４ａ内に収容された発光素子５の光を傾斜した貫通穴４ａの内周面で良好に反射させ、外部に放射角度20度以内の範囲で光を良好に放射することができ、本発明のパッケージ１を使用した発光装置の発光効率を極めて高いものとすることができる。

なお、光の放射角度は、図１のような縦断面においてみた場合のものであり、光ビームの光軸に直交する断面における断面形状が円形状であれば放射角度は一定であり、光ビームの光軸に直交する断面における断面形状が楕円形状等の偏りがある場合は放射角度はその最大値とする。

第２枠体４の貫通穴４ａの内周面が基体２の上面となす角度が35度未満になると、放射角度が20度以上に広がり、分散した光の量が多くなり、光の輝度が低下する。一方、角度が60度を超えると、パッケージ１の外部に良好に放射されずにパッケージ１内で乱反射する光が多くなる。したがって、第２枠体４の貫通穴４ａの内周面が基体２の上面となす角度は35〜60度が好ましい。

また、枠体４の貫通穴４ａの内周面の算術平均粗さＲａは、４μｍを超えると貫通穴４ａ内に収容された発光素子５が発光する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、一方0.004μｍ未満であると
、そのような面を安定かつ効率よく形成することが困難となる傾向にある。したがって、貫通穴４ａの内周面の算術平均粗さＲａは0.004〜４μｍが好ましい。

なお、貫通穴４ａの内周面のＲａを上記の範囲とするには、従来周知の化学エッチング法もしくは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。

本発明においては、基体２、第１枠体３および第２枠体４の接合は、シリコーン系やエポキシ系等の樹脂接着剤により行なうか、またはＡｇ−Ｃｕロウ等の金属ロウ材やＰｂ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｓｉ等の半田により行なわれる。基体２、第１枠体３および第２枠体４を接合する接合材は、基体２、第１枠体３および第２枠体４の材質や熱膨張係数等を考慮して適宜選定すればよく、特に限定されるものではないが、接合の高信頼性を必要とされる場合、金属ロウ材や半田が好ましい。

なお、本発明の発光素子収納用パッケージにおいて、基体２と第１枠体３と第２枠体４とは、基体２と第１枠体３との熱膨張係数が近似しているか同じであることが好ましく、より好ましくは、基体２と第１枠体３と第２枠体４との熱膨張係数が近似しているか同じであることがよい。これにより、温度変化によるパッケージ１の歪みをなくするか小さく抑えることができる。

例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（熱膨張係数6×10−６／℃）等から成る基体２とＡｌ（熱膨張係数23×10−６／℃）等から成る第２枠体４との熱膨張係数が異なっていても、それによる歪みを緩和することができる。すなわち、第２枠体４の影響により歪みが生じても、アルミナセラミックス（熱膨張係数5.7×10−６／℃）等から成る第１枠体３と基体２でその歪みを吸収することができ、パッケージ１全体の歪みを小さくできる。

そして、発光素子５から発光される光の広がりを抑えて変化しないように安定化させるためには、温度変化等による光の放射角度の変化を10度以下に抑えることがよいとされるが、基体２と第１枠体３との熱膨張係数の差が５×10−６／℃以下であれば、光の放射角度の変化を10度以下に抑えることができる。したがって、基体２と第１枠体３との熱膨張係数の差は５×10−６／℃以下であることが好ましい。

また、基体２は、その外周端が第２枠体４の下面の内周端と上下方向で重なっていることが好ましい。これにより、第１枠体３において、基体２の外周端と第２枠体４の下面の内周端との間にそれらが重ならない強度の小さい部位が発生せず、第１枠体３が基体２および第２枠体４との熱膨張係数差によって割れたり破損するのを抑えることができる。

本発明において、第２枠体４の上面と内周面との間に段差４ｂを形成し、その段差４ｂにレンズ等の透光性部材の端部を係止し接着等して設置することがよく、この場合、発光素子５と透光性部材との光学的な結合状態を安定に維持することができ、光学的特性が安定化した発光装置となすことができる。

また、基体２の熱伝導率は100Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがよい。これにより、発光素子５の放熱性を高めて発光素子５に入力できる駆動電流値を大きくすることができる。100Ｗ／ｍ・Ｋ未満では、例えば駆動電流値が20ｍＡであると発
光素子５の熱であるチップジャンクション温度が65℃以上になり、発光素子５に加わる熱的負荷が大きくなり、1万時間を超える寿命を確保するのが困難になる。100Ｗ／ｍ・Ｋ以上では、駆動電流値が20ｍＡであっても発光素子５のジャンクション温度が50℃以下になり、1万時間を超える寿命の確保ができるとともに、さらに大きな駆動電流を入力することができ、発光素子５の光出力を向上させることができる。

なお、チップジャンクション温度とは、所定の駆動電流（20ｍＡ等）を入力した際のチップ（発光素子５）の温度であり、なるべく低い方がよい。すなわち、放熱性を高めないと発光素子５に熱がこもり、チップジャンクション温度が下がらないため、放熱性を高めてチップジャンクション温度を下げると、その分電流が流せることになる。一般に、65℃以上になれば発光素子５の限界を超えていると言われており、それ以上駆動電流を入力できなくなる。

かくして、本発明のパッケージによれば、基体２の搭載部２ａに発光素子５を搭載し、発光素子５の電極と配線導体３ａとをボンディングワイヤ７を介して電気的に接続し、しかる後、発光素子５を透明樹脂で覆うか、または発光素子５が収容された貫通穴４ａ内に透明樹脂を充填して発光素子５を封止し、第２枠体４の上面の段差４ｂに透光性部材を設置することで発光装置となる。

なお、本発明は上記の実施の形態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。

本発明の発光素子収納用パッケージは、基体の上側主面の外周部に搭載部を囲むように取着された、外形寸法が基体よりも大きい枠状の絶縁体から成るとともに搭載部の近傍から外側にかけて導出する配線導体が形成された第１枠体を有していることから、第１枠体の下面の外周部に形成された空間に外部リード端子等を挿入して第１枠体の配線導体に電気的に接続することができるため、低背化されたものとなる。

また、第１枠体の上面に搭載部を囲むように取着された、内周面が上方に向かって広がる傾斜面とされた金属から成る第２枠体を有していることから、第２枠体の内周面で発光素子から出る光を外部に80％以上反射させることができ、発光効率の高い発光装置を作製することができる。

さらに、発光素子を搭載する基体が金属から成ることから、放熱性が向上し、発光素子に入力する駆動電流を増加させることができ、発光素子の光出力を増加させることができる。

また、金属から成る基体と絶縁体からなる第１枠体と金属から成る第２枠体とを設けたことから、これらの熱膨張係数を調整するのが容易になり、これらの熱膨張差による発光素子収納用パッケージ全体の歪みを低減させることができる。

その結果、温度変化によって光強度、光の放射角度および光強度分布が変化しない安定した光学的特性が得られる発光装置を作製できる。

本発明の発光装置は、本発明の発光素子収納用パッケージと、搭載部に搭載されるとともに配線導体に電気的に接続された発光素子と、第２枠体の内側またはその上方の発光素子の光軸上に設置された透光性部材とを具備することにより、発光効率および放熱性に優れ、安定した光学的特性が得られる、高性能で低背化されたものとなる。

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。 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：第１枠体
３ａ：配線導体
４：第２枠体
５：発光素子

Claims (2)

1. 金属材料からなり、突出部を有する基体と、
   絶縁材料からなり、前記突出部を囲む第１枠体と、
   前記第１枠体部内に設けられており、前記第１の枠体の下面に導出された配線導体と、
   ボンディングワイヤを介して前記配線導体に電気的に接続されており、前記突出部上に設けられた発光素子と、
   前記基体の下面の高さ位置と前記第１の枠体の下面との間に設けられており、前記第１の枠体の下面において前記配線導体に電気的に接続されたリード端子と、
   を備えた発光装置。
2. 前記発光素子を覆っている透明樹脂をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。

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