JP2005210057A - 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
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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、外部電気回路基板への実装が容易な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、上面に表面実装型の発光素子5が搭載される複数個の金属部材1bが互いに離間するとともに上下面が露出するように中央部に埋め込まれた樹脂1cから成る基体1と、基体1の上面の外周部に発光素子5の搭載部1aを取り囲んで設けられた、内周面2aが発光素子5から発光され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
【解決手段】 発光素子収納用パッケージは、上面に表面実装型の発光素子5が搭載される複数個の金属部材1bが互いに離間するとともに上下面が露出するように中央部に埋め込まれた樹脂1cから成る基体1と、基体1の上面の外周部に発光素子5の搭載部1aを取り囲んで設けられた、内周面2aが発光素子5から発光され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および発光装置に関する。
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4に示す。図4において、発光素子収納用パッケージは、上面に凹部12aを有する金属基板12を中央のスリット12cで分割して下面に絶縁材料の添え板11を当て、添え板11に立てた仕切り11aをスリット12cに挟んで金属基板12と添え板11を接合し、金属基板12は添え板11より長くて下面両端が添え板11端部より突き出している構成である(例えば、下記の特許文献1参照)。
そして、この発光素子収納用パッケージの金属基板12の凹部12aの底部にフリップチップ型の発光素子15を凹部12a内にスリット12cをまたぐように実装し、金属基板12上面に透光性のカバー14を接合して凹部12aを覆うことにより発光装置となる。
金属基板12は、マグネシウム(Mg)あるいは銅(Cu)等の金属から成る、凹部12aは機械加工で座ぐりすることもできるが、金型を用いて凹部12aを有する形に鋳造するのがよい。これを切断して個々の金属基板12にする。金属基板12は、内周面に光を反射する反射面12bが設けられ反射部材として機能する。そして表面の酸化を防ぎ、実装時の半田の濡れをよくするなどのために、適宜、金(Au)や銀(Ag)のメッキを施す。
添え板11はエポキシ樹脂等の薄板で、上面に低い塀状の突起である仕切り11aが設けられている。添え板11の上面に接着剤をスプレーで吹きつけ、金属基板12を添え板11の仕切り11aの両側に置いて接合する。このようにして、隣接する金属基板12の凹部12aと対になって図4の凹部12aを形成する。そして仕切り11aによって生じる金属基板12同士間の隙間が図1のスリット12cになる。
そして、凹部12aに、仕切り11aの幅をまたぐようにフリップチップ型の発光素子15を実装し、金属基板12の上面の凹部12aの周囲に凹部12aを塞ぐように透明なポリイミドなどの大判のカバー素材16を接合する、または凹部12aに熱硬化性等の透明樹脂を流し込む。これによって発光装置となる。
このような金属基板12を設けることによって、発光素子15が作動する際に発光素子15から熱が発生しても金属基板12へ熱を放散させることができ、発光素子15の温度上昇を抑制することができた。また、金属基板12の下面に添え板11を設けることにより、基板の一体化の強度を強固なものとすることができた。
特開2003-243719号公報
しかしながら、上記従来の発光装置においては、平板状の外部電気回路基板に実装する際、下面に熱伝導性に劣る樹脂から成る添え板11があるために金属基板12を外部電気回路基板に密着させることができなかった。従って、発光素子15から熱が発生し金属基板12に伝わった熱は空冷しかされず、外部電気回路基板を経由して効率よく熱を放散させることができなかった。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、金属基板12が空冷されるだけでは、発光素子15からの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。
またこの発光装置においては、発光素子15と外部電気回路基板とを電気的に接続する際、金属基板12と外部電気回路基板とをリード端子等の電気的接続手段を介して接続しなければならず、金属基板12と外部電気回路基板を直接半田付けすることができなかった。従って、外部電気回路基板への実装に手間がかかる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、外部電気回路基板への実装が容易な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、上面に表面実装型の発光素子が搭載される複数個の金属部材が互いに離間するとともに上下面が露出するように中央部に埋め込まれた樹脂から成る基体と、該基体の上面の外周部に前記発光素子の搭載部を取り囲んで設けられた、内周面が前記発光素子から発光され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、前記金属部材は銅または銅を主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成ることを特徴とする。
本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子収納用パッケージと、前記搭載部に搭載されるとともに前記金属部材に導電性接着剤を介して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明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を特徴とする。
本発明の発光素子収納用パッケージは、上面に表面実装型の発光素子が搭載される複数個の金属部材が互いに離間するとともに上下面が露出するように中央部に埋め込まれた樹脂から成る基体と、基体の上面の外周部に発光素子の搭載部を取り囲んで設けられた、内周面が発光素子から発光され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、平板状の外部電気回路基板に実装する際において、発光素子収納用パッケージを外部電気回路基板に載せるだけで金属部材を確実に外部電気回路基板に密着させることができる。従って、発光素子から発生する熱を金属部材および外部電気回路基板を経由させて外部に効率よく放散させることが可能となる。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、輝度や演色性の優れた発光装置とすることができる。
また、金属部材は大きな体積を有しているため、熱伝導性が非常によく、金属ペーストを用いて形成したスルーホールや配線導体よりも著しく放熱性に優れている。
さらに、発光素子と外部電気回路基板とを電気的に接続する際、金属部材の下面を外部電気回路基板の配線導体上に載せ直接半田付けすることができ、外部電気回路基板への実装の作業性を効率の良いもの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において、好ましくは、金属部材は銅または銅を主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成ることから、金属部材の熱伝導率を高いものとして発光素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、さらに、金属部材がセラミック粉末を含有することにより剛性が増すとともに、金属部材の熱膨張係数が発光素子の熱膨張係数に比べて大きくなりすぎるのを抑制でき、金属部材の上側主面を平坦に保つことができるとともに、発光素子に金属部材との熱膨張差による応力でクラック等の破損が生じるのを有効に防止することができる。その結果、発光素子を基体に強固に接合させ、発光素子の発した熱を外部や大気中に良好に放散させることができ、発光素子を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることができる発光素子収納用パッケージとすることができる。
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、搭載部に搭載されるとともに金属部材に導電性接着剤を介して電気的に接続された発光素子と、発光素子を覆う透明部材とを具備していることにより、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は透明部材であり、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、上面に表面実装型の発光素子5が搭載される複数個の金属部材1bが互いに離間するとともに上下面が露出するように中央部に埋め込まれた樹脂1cから成る基体1と、基体1の上面の外周部に発光素子5の搭載部1aを取り囲んで設けられた、内周面2aが発光素子5から発光され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。
本発明における基体1は、アルミニウム(Al)、CuやCu−モリブデン(Mo),Cu−タングステン(W)等のCu系材料、CuまたはCuを主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成るセラミック−金属複合体等の熱伝導の良い金属材料から成る複数の金属部材1bと、この複数個の金属部材1bを絶縁した状態で金属部材1bの外周を保持固定するエポキシ樹脂等の樹脂1cとから成る。基体1は、上面に発光素子5を搭載する搭載部1aを有している。
このような金属部材1bは、金属から成る場合、金属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法を施すことによって所定形状に製作される。また金属部材1bが、CuまたはCuを主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成る場合、金属部材1bには、CuまたはCuを主成分とする合金にAl2O3質焼結体,AlN質焼結体,炭化珪素(SiC)質焼結体,窒化珪素(Si3N4)質焼結体等のセラミック粉末が含有されている。例えば、CuまたはCuを主成分とする合金にAl2O3質焼結体から成るセラミック粉末を含有して成る場合は、Al2O3,酸化珪素(SiO2),酸化マグネシウム(MgO),酸化カルシウム(CaO)等の原料粉末に適当な有機バインダ,溶剤,可塑剤,分散剤等を混合添加して顆粒状の混合物と成し、約1600℃で焼成して得られたセラミックス粉末の表面にめっきや蒸着、スパッタリング等によって金属層を被着させた後に、これを加圧成形して金属部材1bの所定形状にしたセラミックス多孔体を得、しかる後に、このセラミックス多孔体に銅または銅を主成分とする合金を含浸させることによって得ることができる。金属部材1bがその他のセラミック粉末を含有して成る場合も同様にして得ることができる。
金属部材1b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から発生する熱を外部電気回路基板へ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1b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1bの熱伝導率は、より好ましくは、200W/m・K以上であるのが良く、発光素子5から発生する熱を外部電気回路基板へ極めて効率よく放散させることが可能となる。
金属部材1bの平面視形状を図2に示す。金属部材1bは、図2(a)のような四角形状であったり、図2(b)のL字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(b)に示すような、一対の金属部材1bの対向面の形状が、平面視で直線状でなく、矩形状であったり曲線状であったりするのがよい。この構成により、一対の金属部材1b同士の樹脂1cを介しての密着力を高め、金属部材1b同士の接合を非常に強固なものとすることができる。即ち、一対の金属部材1bの対向面の形状が矩形状であったり曲線状であることで、対向面の形状が直線状である場合に比して、金属部材1bと樹脂1cとの接する面積を大きくすることができ、金属部材1bと樹脂1cとの密着力が大きくなる。
搭載部1aには、発光素子5を基体1に搭載固定するとともに発光素子5を金属部材1bに電気的に接続する。発光素子5は、その下面に設けられた電極6がAgペースト,金(Au)−錫(Sn)半田等の導電性接着剤8を介して搭載部1aに接着固定される。この際、発光素子5は2つの金属部材1bにまたがるようにして載置され、発光素子5の電極6のプラス(+)極とマイナス(−)極がそれぞれ異なる金属部材1bに接続されるようにする。これによって、複数の金属部材1b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金属部材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。
基体1の上面(搭載部1a側の面)において、金属部材1bの上面が樹脂1cの上面と面一であるか、または樹脂1cの上面よりも金属部材1bの上面が突出しているのがよい。この構成により、金属部材1bの周囲の樹脂1cが盛り上がって金属部材1bの上面よりも高くなるのを有効に防止でき、発光素子5を金属部材1bに実装する際、発光素子5の電極6が金属部材1bの上面から浮き上がるのを防止できる。その結果、発光素子5の電極6を金属部材1bとより確実に電気的に接続できるとともに、発光素子5を搭載部1aに水平に搭載固定することができる。
より好ましくは、樹脂1cの上面から金属部材1bが0.01〜1mm突出しているのがよい。これにより、発光素子5と金属部材1bとを接続する導電性接着剤8を金属部材1bの上面から側面にかけて被着させて導電性接着剤8と金属部材1bとの密着性を高めることができ、発光素子5と金属部材1bとの接合強度を向上させることができる。1mmを超えると、基体1に熱が加わった際、樹脂1cに加わる単位体積あたりの熱膨張差による応力が大きくなり、基体1に変形が生じたり、樹脂1cにクラック等の破損を生じ、基体1として所望の機能を発揮できなくなる傾向にある。また、0.01mm未満では、導電性接着剤8と金属部材1bとの密着性を高める効果が小さくなる。
また、基体1の下面(搭載部1aと反対側の面)においては、金属部材1bの下面が樹脂1cの下面と面一であっても、樹脂1cの下面よりも金属部材1bの下面が突出していても、金属部材1bの下面が樹脂1cの下面よりも凹んでいてもよい。特に好ましくは、金属部材1bの下面が樹脂1cの下面よりも0.01〜0.1mm程度凹んでいるのがよく、金属部材1bの下面を外部電気回路基板の上面に半田等の導電性接着剤を用いて固定する場合において、金属部材1bの下面と外部電気回路基板の上面との隙間に導電性接着剤を溜めて、金属部材1bを外部電気回路基板に非常に強固に接着固定できるようになる。0.01mm未満であると、金属部材1bの下面と外部電気回路基板の上面との隙間に溜まる導電性接着剤の量が少なくなって金属部材1bを強固に接着固定できなくなる傾向にあり、0.1mmを超えると、金属部材1bの下面と外部電気回路基板の上面との隙間を導電性接着剤で完全に埋め込むことが困難となり、金属部材1bから外部電気回路基板へ良好に熱伝達するのが困難となる傾向にある。
また、金属部材1b同士の隙間は0.05〜0.8mm程度であるのがよく、この構成により、金属部材1b同士を樹脂1cを介して強固に固定できるとともに、発光素子5の電極6との電気的接続を確実なものとできる。金属部材1b同士の隙間が0.05mm未満であると、金属部材1b間に埋め込まれる樹脂1cの量がわずかなものとなり、金属部材1b同士を強固に固定するのが困難となる。金属部材1b同士の隙間が0.8mmを超えると、金属部材1b間に埋め込まれる樹脂1cの量が多くなって樹脂1cの金属部材1b同士の隙間からの盛り上がり等変形が生じ易くなり、発光素子5が金属部材1bの上面から浮き上がり易くなる。これらの結果、発光素子5の電極6との電気的接続が困難となる傾向にある。
また、図2(c)に示すように基体1において3個以上の金属部材1bを設けることにより、図3に示すように発光素子5を複数個搭載することのできる発光素子収納用パッケージとすることができる。このとき、図3のように、金属部材1bをプラス極とマイナス極が交互に並ぶようにし、1つの端部の金属部材1b以外のものについて、2つの発光素子5と接続することが可能となる。これにより、発光素子5に接続するための金属部材1bが少なくなるので基体1の面積をより小さくすることができ、発光素子収納用パッケージを小型化できる。
発光素子5は、その下面に設けられた電極6がAgペースト,金(Au)−錫(Sn)半田等の導電性接着剤8を介して接続される。
また、基体1の上面には、反射部材2が半田やAgロウ等のロウ材、エポキシ樹脂等の接着剤等の接合材により取着される。反射部材2は、中央部に貫通孔が形成されている。好ましくは、貫通孔の内周面2aが発光素子5や蛍光体が発する光を効率よく反射する反射面2bとされているのがよい。
ここで好ましくは、反射部材2は図1に示すように基体1の樹脂1cの上面でのみ接合されるのがよい。これにより、反射部材2が金属部材1bと樹脂1cとの両方と接合されることによって生じる3つの異なる部材間の熱膨張差による応力が生じるのを有効に防止でき、反射部材2が剥がれたり、基体1や反射部材2が破損したりするのを有効に防止できる。
反射面2bは、反射部材2に対して切削加工や金型成形、研磨加工等を行なって光反射効率の高い滑らかな面とすることにより形成される。あるいは、貫通孔の内周面2a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させることができる。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になり、発光装置の内部で乱反射しやすくなる。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。
また、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。
かくして、本発明の発光素子収納用パッケージは、発光素子5を搭載部1aに搭載するとともに金属部材1bに導電性接着剤8を介して電気的に接続し、発光素子5を透明部材3で覆うことによって、発光装置と成る。
本発明の透明部材3は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂から成る。透明部材3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。
なお、透明部材3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、透明部材3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明部材3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。
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上端から透明部材3の上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個の発光装置を所定の配置となるように設置したものでもよい。
1:基体
1a:搭載部
1b:金属部材
1c:樹脂
2:反射部材
3:透明部材
5:発光素子
1a:搭載部
1b:金属部材
1c:樹脂
2:反射部材
3:透明部材
5:発光素子
Claims (4)
- 上面に表面実装型の発光素子が搭載される複数個の金属部材が互いに離間するとともに上下面が露出するように中央部に埋め込まれた樹脂から成る基体と、該基体の上面の外周部に前記発光素子の搭載部を取り囲んで設けられた、内周面が前記発光素子から発光され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。
- 前記金属部材は、銅または銅を主成分とする合金にセラミック粉末を含有させて成ることを特徴とする請求項1記載の半導体素子収納用パッケージ。
- 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、前記搭載部に搭載されるとともに前記金属部材に導電性接着剤を介して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明部材とを具備していることを特徴とする発光装置。
- 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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