JP4926481B2 - 発光ダイオード用パッケージ及び発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード用パッケージ及び同パッケージを用いた発光ダイオードに関するものであり、特にアルミナセラミックスを用いた発光ダイオード用パッケージ及び発光ダイオードに関するものである。

従来より大量生産ができ、しかも、高輝度で低消費電力の発光体として、発光ダイオードが広く利用されてきている。特に近年では、放熱特性を向上することによって長寿命化を図った発光ダイオードとして、パッケージに２枚の板状のアルミナセラミックスを用いたものが利用されてきている。この発光ダイオードとしては、板状のセラミックスからなるベース体とカバー体とを貼着し、ベース体の表面に発光ダイオード素子を実装する一方、カバー体の略中央部にテーパー状の反射面を有する開口を形成したものが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。

さらに、近年では、青色の発光ダイオードの開発が進むとともに、半導体基板の製造に紫外線領域で発光する発光ダイオードの利用も考えられてきている。

そのような状況の中で、アルミナセラミックスを素材として用いた発光ダイオードにあっては、さらなる高輝度化が要求されるようになっている。

そして、発光ダイオードの高輝度化を図るためには、発光ダイオード素子そのものの高輝度化に加えて、発光ダイオード用パッケージに形成した反射面の反射率の向上を図る必要がある。
特開２００３−３７２９８号公報

ところが、上記従来のアルミナセラミックスを用いた発光ダイオードでは、アルミナセラミックス自体の反射率が低いために、反射面に反射率の高い反射板を別途接着するなどしなければ発光ダイオードの高輝度化を図ることができず、そのために発光ダイオードの製造に多大な労力や時間やコストを要してしまうおそれがあった。

上記従来のアルミナセラミックスでは反射率が低いために発光ダイオードの高輝度化を図ることができなかったため、本発明者らが鋭意研究を重ねたところ、従来の発光ダイオードのパッケージに使用していたアルミナセラミックスは所定の焼結温度で焼成した広く普及した通常のセラミックスであるが、このアルミナセラミックスの製造過程において焼結温度や原料形態を変化させることによってアルミナセラミックス自体の気孔直径や気孔率を変化させると、アルミナセラミックス自体の反射率が大幅に変化し、所定の範囲の気孔直径や気孔率を有するアルミナセラミックスにおいては既存のアルミナセラミックスと比較して実用上十分な反射率を有することが確認された。

そこで、請求項１に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、前記ベース体を気孔直径が０．１７〜１．２０μｍ、かつ、気孔率が２０〜５２．９４％であって、紫外線領域である350nmの波長に対する反射率が９０％以上となるアルミナセラミックスを用いて形成するとともに、前記ベース体にサーマルビアを形成することにした。

また、請求項２に係る本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、前記ベース体を気孔直径が０．１７〜１．２０μｍ、かつ、気孔率が２０〜５２．９４％であって、紫外線領域である350nmの波長に対する反射率が９０％以上となるアルミナセラミックスを用いて形成するとともに、前記ベース体にサーマルビアを形成することにした。

また、請求項３に係る本発明では、前記請求項２に係る本発明において、前記サーマルビアを前記発光ダイオード素子の直下方位置に形成することにした。

また、請求項４に係る本発明では、前記請求項２又は請求項３に係る本発明において、前記ベース体に放熱体を介して発光ダイオード素子を実装することにした。

従来のアルミナセラミックスでは、気孔直径が0.10μｍ未満で気孔率が10％未満であるために、各波長に対する反射率が８５％以下であるが、本発明では、従来のアルミナセラミックスよりも気孔直径や気孔率を１桁増大させてアルミナセラミックスの気孔直径を０．１７〜１．２０μｍ、かつ、気孔率を２０〜５２．９４％とすることで、アルミナセラミックス自体の反射率を向上させることができる。

したがって、本発明では、発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、ベース体として反射率を向上させたアルミナセラミックスを用い、このベース体の上方に発光ダイオード素子を配置しているために、発光ダイオード素子から下方へ向かう光も良好に反射させることができるので、発光ダイオードの輝度を向上させることができる。

しかも、アルミナセラミックスの気孔直径や気孔率を増大させることによって熱伝導率の低減による放熱特性の低下が危惧されるが、本発明では、ベース体にサーマルビアを形成しているために、発光ダイオードや発光ダイオード用パッケージの放熱特性を向上させることができる。

特に、発光ダイオード素子の直下方位置にサーマルビアを形成した場合には、発光ダイオード素子とサーマルビアとの距離を短縮することができるので、発光ダイオード素子で発生した熱を直ちにサーマルビアへと伝導させることができ、発光ダイオードや発光ダイオード用パッケージの放熱特性をより一層向上させることができる。

また、ベース体に放熱体を介して発光ダイオード素子を実装した場合には、発光ダイオード素子で発生した熱をサーマルビアに良好に伝導させることができ、これによっても、発光ダイオードや発光ダイオード用パッケージの放熱特性をより一層向上させることができる。

以下に、本発明に係る発光ダイオード用パッケージ及びこのパッケージを用いた発光ダイオードの具体的な構造について図面を参照しながら説明する。

本発明に係る発光ダイオード１は、図１及び図２に示すように、２枚の矩形板状のアルミナセラミックスからなるベース体２とカバー体３とを貼り合わせた発光ダイオード用パッケージ４と、この発光ダイオード用パッケージ４のベース体２の上面に実装した発光ダイオード素子５とで構成している。

ベース体２には、表面の略中央部に発光ダイオード素子５を銀ペーストやその他の高熱伝導ペースト（図示省略）を介してダイボンディングするとともに、表面に形成した電極と発光ダイオード素子５の表面に形成した電極（カソード電極及びアノード電極）とを金線６でワイヤーボンディングしている。なお、上記発光ダイオード１では、発光ダイオード素子５の表面の電極をベース体２の表面の電極にワイヤーボンディングしているが、これに限られず、発光ダイオード素子５の裏面に形成した電極（カソード電極及びアノード電極）をベース体２の表面に形成した電極にダイボンディングしてもよい。

また、ベース体２には、略中央部に貫通孔に金属を充填した構造の８個のサーマルビア７を形成している。

このサーマルビア７は、ベース体２に実装される発光ダイオード素子５の直下方位置に形成しており、このサーマルビア７の上面に発光ダイオード素子５の裏面をダイボンディングして、発光ダイオード素子５の裏面とサーマルビア７の上面とを高熱伝導ペーストを介して接続している。

カバー体３には、略中央部に裏面から表面に向けて漸次拡径させた傾斜状の周面（テーパー面）を有するテーパー孔からなる開口８を形成し、この開口８の表面に反射面９を形成している。

そして、発光ダイオード１は、発光ダイオード素子５から放射された光をカバー体３の開口８から外部へ放出する。その際に、発光ダイオード素子５から側方へ向けて放射された光は、カバー体３の反射面９で反射して、カバー体３の開口８から外部へ放出され、また、発光ダイオード素子５から下方へ向けて放射された光は、ベース体２の表面で反射して、カバー体３の開口８から外部へ放出される。

したがって、上記発光ダイオード１では、カバー体３の反射面９のみならず、ベース体２の表面でも光が反射されており、ベース体２も反射板としての機能を有していることになる。

この反射板として機能するベース体２及びカバー体３は、気孔直径を０．１０〜１．２５μｍ又は気孔率を１０％以上としたアルミナセラミックスを用いて形成している。

これにより、ベース体２及びカバー体３は、所定の焼成温度で焼成した既存のアルミナセラミックスを用いた場合よりもアルミナセラミックス自体の反射率が向上しており、その結果、発光ダイオード１の輝度が向上している。

すなわち、アルミナセラミックスは、焼成前の原料形態や焼成時の焼成温度を変化させたり、或いは原料に有機物を混入させておくことによって、焼成後の気孔直径や気孔率が変化し、この気孔直径や気孔率が変化すると、それに応じて反射率が変化し、所定の範囲の気孔直径や気孔率を有するアルミナセラミックスにおいては、既存のアルミナセラミックスと比較して反射率が大幅に向上するのである。

以下にアルミナセラミックスの気孔直径や気孔率と反射率との関係について説明する。ここで、アルミナセラミックスとは、アルミナ（Al₂O₃）の含有量が30重量％以上のものをいう。

まず、アルミナセラミックスの焼成前の原料形態や焼成時の焼成温度を変化させることによって気孔直径や気孔率の異なる２１種類のサンプルを製造し、各サンプルごとに気孔直径、気孔率、及び各波長ごとの反射率を計測した。なお、反射率としては、いわゆる鏡面反射ではなく拡散反射の反射率を計測した。

ここで、たとえばサンプル番号No.1は10μｍの球状アルミナを1200℃で焼成し、サンプル番号No.2は同じく10μｍの球状アルミナを1380℃で焼成し、サンプル番号No.3は同じく10μｍの球状アルミナを1492℃で焼成したものであり、また、サンプル番号No.4は40μｍの球状アルミナを1200℃で焼成し、サンプル番号No.5は同じく40μｍの球状アルミナを1380℃で焼成し、サンプル番号No.6は同じく40μｍの球状アルミナを1492℃で焼成したものであり、さらに、サンプル番号No.7〜No.9はアルミナの重量比率を96％としてそれぞれ1200℃、1380℃、1492℃で焼成し、サンプル番号No.10〜No.12はアルミナの重量比率を99.7％としてそれぞれ1200℃、1380℃、1492℃で焼成したものであり、それぞれアルミナセラミックスの焼成前の原料形態や焼成時の焼成温度を変化させて焼成した。なお、サンプル番号No.9のアルミナセラミックスは広く一般に普及しているアルミナセラミックスである。

また、反射率は、拡散反射測定方法を用い、島津製作所製の分光光度計UV-3150,MPC-3100を用いて計測した。

各サンプルの計測結果を表１に示す。ここで、表１のサンプル番号No.9についてみると、通常のアルミナセラミックスでは、気孔直径が0.02μｍ、気孔率が3.92％、反射率が300nmでは60％で350nmでは85％以下であることがわかる。

表１に示した計測結果に基づいて各波長に対する気孔直径と反射率との関係をグラフ化したものを図３〜図７に示し、また、表１に示した計測結果に基づいて各波長に対する気孔率と反射率との関係をグラフ化したものを図８〜図12に示す。さらに、代表例としてサンプル番号No.7〜NO.9のサンプルについて波長と反射率との関係をグラフ化したものを図13に、サンプル番号No.9とNo.12のサンプルについての波長と反射率との関係をグラフ化したものを図14に示す。なお、反射率は硫酸バリウムの反射率を100％としたときの数値で表されるため、反射率として100％を超える値を示すものが存在している。

まず、図３〜図７に示した各波長に対する気孔直径と反射率との関係についてみると、全波長において気孔直径が約0.7μｍ付近で反射率がピークとなっており、紫外線領域である350nmの波長に対する気孔直径と反射率の関係を示す図４からアルミナセラミックスの気孔直径が０．１０〜１．２５μｍの場合には、通常のアルミナセラミックスの反射率である85％を超える反射率が得られ、気孔直径が０．１７〜１．２０μｍでは90％を超える反射率が得られ、特に気孔直径が０．３４〜１．０８μｍでは95％を超える反射率が得られ、０．６０〜０．８０μｍではほぼピーク値に近い反射率が得られることがわかる。そして、アルミナセラミックスの気孔直径が０．１０〜１．２５μｍの場合には、350nm以上の波長においても85％以上の反射率となり、また、300nmにおいても反射率が65％を超えていることがわかる。

すなわち、アルミナセラミックスの気孔直径を０．１０〜１．２５μｍとした場合には、可視領域では非常に高い反射率を示すとともに、紫外線領域でも高い反射率を示している。

これにより、アルミナセラミックスの気孔直径を０．１０〜１．２５μｍとすることで、アルミナセラミックスの反射率を大幅に向上できることがわかる。なお、アルミナセラミックスの気孔直径を０．１７〜１．２０μｍ、０．３４〜１．０８μｍ、０．６０〜０．８０μｍとすることによってより一層反射率を向上できることがわかる。

次に、図８〜図12に示した各波長に対する気孔率と反射率との関係についてみると、全波長において気孔率が約40〜50％付近で反射率がピークとなっており、紫外線領域である350nmの波長に対する気孔率と反射率の関係を示す図９からアルミナセラミックスの気孔率１０％以上の場合には、通常のアルミナセラミックスの反射率である85％を超える反射率が得られ、気孔率が２０％以上では90％を超える反射率が得られ、特に３５％以上では95％を超える反射率が得られ、４０％以上ではほぼピーク値に近い反射率が得られることがわかる。そして、アルミナセラミックスの気孔率が１０％以上の場合には、350nm以上の波長においても85％以上の反射率となり、また、300nmにおいても反射率が65％を超えていることがわかる。

すなわち、アルミナセラミックスの気孔率を１０％以上とした場合には、可視領域では非常に高い反射率を示すとともに、紫外線領域でも高い反射率を示している。

これにより、アルミナセラミックスの気孔率を１０％以上とすることで、アルミナセラミックスの反射率を大幅に向上できることがわかる。なお、アルミナセラミックスの気孔率を２０％以上、３５％以上、４０％以上とすることによってより一層反射率を向上できることがわかる。

ここで、アルミナセラミックスの気孔率を６０％以上とすることで反射率が低減することが予想されるが、あまりにも気孔率を高めるとアルミナセラミックスの強度が低減してしまい、実用上の問題が生じるおそれがある。したがって、実用上の強度を確保した場合には、気孔率を１０％以上とすることで十分に高い反射率が得られることになる。

次に、図13に示した波長と反射率との関係についてみると、サンプル番号No.9のように気孔直径が0.02μｍと０．１０〜１．２５μｍの範囲になく、また、気孔率が3.92％と１０％以上の範囲にないものでは、いずれの波長においても反射率が９０％以下であり、しかも、紫外線領域の上限である400nm近辺よりも短い波長では反射率が低減してしまい、300nmでは反射率が６０％にまで低減しているが、これに対して、サンプル番号No.7及びNo.8のように気孔直径が０．１０〜１．２５μｍの範囲で気孔率が１０％以上の範囲のものでは、紫外線領域である325nm以上の波長において反射率が９０％以上と極めて高く、しかも、300nmにおいても反射率が依然として７０％を超えた高い値となっている。

このことからも、アルミナセラミックスの気孔直径を０．１０〜１．２５μｍとすることで、或いは、アルミナセラミックスの気孔率を１０％以上とすることで、アルミナセラミックスの反射率を大幅に向上できることがわかる。

また、サンプル番号No.７〜No.9は、原料中のアルミナの重量比率を96％として焼成温度をそれぞれ1200℃、1380℃、1492℃（焼結温度）と異ならせただけのものであり、通常の焼結温度よりも低い温度で焼成するだけで、なんら原料の組成や添加物を変化させることなく通常の焼成炉を用いて製造したものであるため、製造コストの増大を招くことなくアルミナセラミックスの反射率を向上させることができる。

次に、図14に示した波長と反射率との関係についてみると、アルミナセラミックスの純度が96％のサンプル番号No.9では、気孔直径が0.02μｍと０．１０〜１．２５μｍの範囲になく、また、気孔率が3.92％と１０％以上の範囲にないために、いずれの波長においても反射率が９０％以下であり、しかも、紫外線領域の上限である400nm近辺よりも短い波長では反射率が低減してしまい、300nmでは反射率が６０％にまで低減しているが、これに対して、アルミナセラミックスの純度が99.7％のサンプル番号No.12では、気孔直径が０．１０〜１．２５μｍの範囲で気孔率が１０％以上の範囲になり、紫外線領域である325nm以上の波長において反射率が９０％以上と極めて高く、しかも、300nmにおいても反射率が依然として７０％を超えた高い値となっている。

これらのサンプル番号No.9とサンプル番号No.12とを比較すると、原料中のアルミナの重量比率が96％と99.7％と異なるだけであり、アルミナセラミックスの純度を増大させただけで、なんら原料に添加物を添加することなく通常の焼成炉を用いて製造したものであるため、アルミナセラミックスの純度を増大させるだけで反射率を容易に向上させることができる。

以上に説明したように、通常のアルミナセラミックスでは、気孔直径が0.10μｍ以下で気孔率が10％以下であるために、各波長に対する反射率が９０％以下であるのに対して、アルミナセラミックスの気孔直径を０．１０〜１．２５μｍ又は気孔率を１０％以上とすることによって、アルミナセラミックス自体の反射率を一般的に普及しているアルミナセラミックスよりも大幅に向上させることができる。

したがって、気孔直径が０．１０〜１．２５μｍ又は気孔率が１０％以上のアルミナセラミックスを各種光源の反射板として用いた場合には、反射効率を向上させることができ、また、発光ダイオードのパッケージの反射板として用いた場合には、発光ダイオードの輝度を向上させることができる。特に、波長の短い青色の発光ダイオードや紫外線領域の光を放射する発光ダイオードではその効果が顕著に現れる。

しかも、焼成温度を変化させるだけでアルミナセラミックスの気孔直径を０．１０〜１．２５μｍ又は気孔率を１０％以上とすることができるので、反射率向上のためにアルミナセラミックスの製造コストの増大を招くこともない。

このように、上記発光ダイオード１又はそのパッケージ４では、発光ダイオード素子５から放射された光を反射する反射板として機能する部材（上記発光ダイオード１では、ベース体２及びカバー体３）に気孔直径を０．１０〜１．２５μｍ又は気孔率を１０％以上とすることによって反射率を向上させたアルミナセラミックスを用いることで、発光ダイオード１の輝度を向上させている。

特に、上記発光ダイオード１又はそのパッケージ４では、ベース体２として反射率を向上させたアルミナセラミックスを用い、このベース体２の上方に発光ダイオード素子５を配置しているために、発光ダイオード素子５から下方へ向かう光も良好に反射させることができるので、発光ダイオード１の輝度を向上させることができる。

しかも、アルミナセラミックスの気孔直径や気孔率を増大させると、アルミナセラミックス自体の熱伝導率の低減によって発光ダイオード１又はそのパッケージ４の放熱特性が低下してしまうおそれがあるが、上記発光ダイオード１又はそのパッケージ４では、ベース体２にサーマルビア７を形成しているために、発光ダイオード１や発光ダイオード用パッケージ４の放熱特性を向上させることができる。

また、上記発光ダイオード１又はそのパッケージ４では、発光ダイオード素子５の直下方位置にサーマルビア７を形成しているために、発光ダイオード素子５とサーマルビア７との距離を短縮することができるので、発光ダイオード素子５で発生した熱を直ちにサーマルビア７へと伝導させることができ、発光ダイオード１や発光ダイオード用パッケージ４の放熱特性をより一層向上させることができる。

上記発光ダイオード１では、発光ダイオード素子５の表面の電極をベース体２の表面の電極にワイヤーボンディングしているが、これに限られず、図15に示す発光ダイオード10のように、ベース体２に形成したサーマルビア７の直上方位置に窒化アルミニウムや金属などの熱伝導率の高い矩形板状の放熱体11を取付け、この放熱体11に発光ダイオード素子12を実装するようにしてもよい。この場合には、ベース体２とカバー体３と放熱体11とで発光ダイオード用パッケージ13を構成することになる。

このように、ベース体２よりも熱伝導率の高い素材からなる放熱体11を介してベース体２に発光ダイオード素子12を実装することによって、発光ダイオード素子12で発生した熱をサーマルビア７に良好に伝導させることができ、発光ダイオード10や発光ダイオード用パッケージ13の放熱特性をより一層向上させることができる。

なお、上記構造の発光ダイオード1,10又はそのパッケージ4,13では、ベース体２及びカバー体３に気孔直径を０．１０〜１．２５μｍ又は気孔率を１０％以上とすることによって反射率を向上させたアルミナセラミックスを用いているが、ベース体２に反射率を向上させたアルミナセラミックスを用いて、カバー体３に通常のアルミナセラミックスや樹脂などを用いるようにしてもよい。

本発明に係る発光ダイオードを示す斜視図。 同断面図。 波長300nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長350nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長400nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長500nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長600nmに対する気孔直径と反射率との関係を示すグラフ。 波長300nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長350nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長400nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長500nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長600nmに対する気孔率と反射率との関係を示すグラフ。 波長と反射率との関係を示すグラフ。 波長と反射率との関係を示すグラフ。 他実施例としての発光ダイオードを示す断面図。

符号の説明

1,10 発光ダイオード
２ ベース体
３ カバー体
4,13 発光ダイオード用パッケージ
5,12 発光ダイオード素子
６ 金線
７ サーマルビア
８ 開口
９ 反射面
11 放熱体

Claims (4)

1. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオード用パッケージにおいて、
   前記ベース体を気孔直径が０．１７〜１．２０μｍ、かつ、気孔率が２０〜５２．９４％であって、紫外線領域である350nmの波長に対する反射率が９０％以上となるアルミナセラミックスを用いて形成するとともに、前記ベース体にサーマルビアを形成したことを特徴とする発光ダイオード用パッケージ。
2. 発光ダイオード素子を実装するためのベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を貼着した発光ダイオードにおいて、
   前記ベース体を気孔直径が０．１７〜１．２０μｍ、かつ、気孔率が２０〜５２．９４％であって、紫外線領域である350nmの波長に対する反射率が９０％以上となるアルミナセラミックスを用いて形成するとともに、前記ベース体にサーマルビアを形成したことを特徴とする発光ダイオード。
3. 前記サーマルビアを前記発光ダイオード素子の直下方位置に形成したことを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
4. 前記ベース体に放熱体を介して発光ダイオード素子を実装したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の発光ダイオード。