JP2007208292A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上させて、発光特性を向上させること。
【解決手段】発光素子と、金属からなる基体部と、セラミックスからなり基体部上に設けられた突出部と、光反射面および絶縁体部を有しており発光素子を囲む枠状部とからなるパッケージと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を備えた発光装置に関するものである。

従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子11を収容するための発光素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）を図４に示す。図４において、パッケージは、上面の中央部に発光素子11を載置するための載置部12ａを有し、載置部12ａおよびその周辺からパッケージ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（図示せず）が形成された絶縁体からなる基体12と、基体12の上面に接着固定され、内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜しているとともに内周面が発光素子11が発光する光を反射する反射面13ａとされている枠状の反射部材13とから主に構成されている。

基体12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12がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体がタングステン（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12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12の内部に設置固定される。

また、反射部材13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、反射部材13は、内周面が発光素子11が発光する光を反射する反射面13ａとされており、この反射面13ａはＡｌ等の金属が蒸着法やメッキ法により被着されることにより形成される。そして、反射部材13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、載置部12ａを反射部材13の内周面で取り囲むように基体12の上面に接合される。

そして、載置部12ａの周辺に配置した配線導体と発光素子11の電極とをボンディングワイヤ14を介して電気的に接続し、しかる後、反射部材13の内側にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂（図示せず）により発光素子11を覆うように充填し熱硬化させることにより発光装置となし得る。または、発光素子11の周囲または表面に蛍光体や蛍光体を混入した透明樹脂を塗布した後に、反射部材13の内側に透明樹脂を充填し熱硬化させることで、発光素子11からの光を蛍光体により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置となし得る。
特開2003-37298号公報

しかしながら、上記従来のパッケージにおいては、発光素子11から出射される光やパッケージ内部で乱反射した光が、反射面13ａ以外の部位、即ち、基体12の上面の反射部材13に覆われていない部位に吸収，透過され易い。その結果、発光素子11から透明樹脂を透過して発光装置の外部に出射される光の強度や輝度が著しく劣化するという問題点があった。

そこで、反射部材13の内周面の下端を発光素子11の周辺まで延出し、基体12の上面のほとんどが反射部材13で覆われるようにすると、反射部材13と基体12との接合面積が大きくなるため、反射部材13を基体12に接合する際等に熱が加えられたときに反射部材13と基体12との熱膨張差が大きくなって反射部材13が歪み易くなり、発光素子11の周囲に設けた反射面13ａの所望の面精度（例えば、パッケージの断面において、発光素子11を間に挟んで発光素子11の両側に設けられた反射面13ａが対称になっている状態）がくずれて乱反射が生じるという問題点を有していた。その結果、反射光強度にむらを生じたり、反射光強度が低下したりして十分な放射光強度および輝度が得られないという問題点を有していた。

また、反射部材13の内周面を発光素子11の周辺まで延出した場合、反射部材13と基体12とを取着するための接合材が反射部材13の内側にはみ出し、このはみ出した接合材が発光素子11の側面や反射面13ａを這い上がることによって、発光素子11の発光機能や反射面13ａの反射機能を劣化させるという問題点も有していた。

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、発光素子の光が基体上面に吸収，透過されるのを有効に防止するとともに、反射部材の熱による歪みを防止して発光素子の周囲に設けた反射面の所望の面精度を良好に維持し、高い放射光強度および高輝度を有す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である。

本発明の発光装置は、発光素子と、金属からなる基体部と、セラミックスからなり前記基体部上に設けられた突出部と、光反射面および絶縁体部を有しており前記発光素子を囲む枠状部とからなるパッケージと、を備えている。

本発明の発光装置は、発光素子と、金属からなる基体部と、セラミックスからなり基体部上に設けられた突出部と、光反射面および絶縁体部を有しており発光素子を囲む枠状部とからなるパッケージとを備えていることにより、放熱性を向上させて発光特性を向上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について以下に詳細に説明する。図１〜３は本発明のパッケージの実施の形態の各種例を示す断面図である。これらの図において、２は基体、３は反射部材であり、主としてこれらで発光素子１を収納するためのパッケージが構成される。

本発明における基体２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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ等の金属、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る。また、基体２は図１〜３に示すように、発光素子１が載置される載置部２ａが基体２の上面から突出している。

載置部２ａ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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ等の金属、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る部材を基体２の上面にロウ材や接着剤等の接合材により取着することによって、または、基体２の中央部に設けた貫通孔に、上記のセラミックス，金属または樹脂から成る部材をその上側が基体２の上面から突出するように嵌着して取着することによって設けることができる。

好ましくは、載置部２ａと基体２とを同じ材質にするのがよい。これにより、載置部２ａと基体２との熱膨張差を小さくすることができ、載置部２ａに歪みが生じて発光素子１の位置がずれ、発光強度が低下するのを有効に抑制できる。

また、載置部２ａは、基体２と一体となっていてもよい。載置部２ａが基体２と一体となっている場合、例えば、載置部２ａや基体２と成るセラミックグリーンシートを積層して同時焼成することによって、切削加工等の金属加工方法によって、または、射出成型等で樹脂をモールド成型することによって作製することができる。

載置部２ａには、発光素子１が電気的に接続されるための電気接続用パターン（図示せず）が形成されている。この電気接続用パターンが基体２内部に形成された配線層（図示せず）を介してパッケージの外表面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１と外部電気回路とが電気的に接続されることとなる。

発光素子１を電気接続用パターンに接続する方法としては、ワイヤボンディングを介して接続する方法、または、発光素子１の下面で半田バンプ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。好ましくは、フリップチップボンディング方式により接続するのがよい。これにより、電気接続用パターンを発光素子１の直下に設けることができるため、発光素子１の周辺の基体２の上面に電気接続用パターンを設けるためのスペースを設ける必要がなくなる。よって、発光素子１から発光された光がこの基体２の電気接続用パターン用のスペースで吸収されて放射光強度が低下するのを有効に抑制することができる。

この電気接続用パターンは、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末のメタライズ層を形成することによって、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のリード端子を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２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１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。

また、基体２の上面には、反射部材３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。反射部材３は、基体２の上面の載置部２ａ以外の如何なる部位に取着されてもよいが、発光素子１の周囲に所望の面精度（例えば、パッケージの断面において、発光素子１を間に挟んで発光素子１の両側に設けられた反射面３ａが対称になっている状態）で反射面３ａ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１からの光を反射面３ａで均一にむらなく反射させることができ、放射光強度および輝度を効果的に向上させることができる。

本発明の載置部２ａは、基体２の上面より突出していることから、この載置部２ａを基準として反射部材３を位置精度よく取着することができる。また、載置部２ａは、その側面に反射部材３の内周面の下端が接触するように反射部材３が基体２の上面に取着されているので、反射部材３を基体２に取着する際に加えられる熱によって生じる反射部材３の熱膨張を阻止して反射部材３の熱歪み（反射面３ａ表面の熱歪み、および反射部材３自体の熱歪みによる位置ずれ）を有効に抑制する機能を有する。よって載置部２ａは、反射部材３に対する熱膨張抑制材として機能する。

このような反射部材３の熱膨張抑制機能によって、基体２および反射部材３として互いに熱膨張や硬度が大きく異なる材料を用いることができる。例えば硬質なアルミナセラミックスを基体２として、軟質なＡｌを反射部材３として互いに接合しても、載置部２ａが熱膨張抑制材として有効に機能して、反射部材３の歪みを有効に抑制することができる。これによって、硬質なアルミナセラミックスからなる基体２によりパッケージを高強度にすることができるとともに、軟質で加工が容易な高熱伝導性のＡｌからなる反射部材３により、反射面３ａを良好な反射特性を有するものとし、また、発光素子１から発生した熱を良好に放散し得るものとすることができる。

載置部２ａは、特に図２に示すように、反射部材３の内周面における傾斜面の下辺が載置部２ａの側面の上方にあるほど、すなわち反射部材３の内周面が載置部２ａに接触する面積が大きいほど、反射部材３が載置部２ａの側面をより広範囲に覆うことができるため、発光素子１から発光された光が載置部２ａに吸収されるのをより有効に抑制することができ、放射光強度，輝度をより向上させることができる。また、発光素子１が作動時に発する熱を載置部２ａから反射部材３に効率よく伝達できるため、発光素子１の作動性の劣化をより有効に防止し得る。

なお、載置部２ａが基体２の上面から突出していない場合、すなわち発光素子１を基体２に搭載し、発光素子１のごく近傍まで反射部材３の内周面を延出した場合、基体２と反射部材３とを取着する接合材が、厚さの非常に薄い発光素子１の表面や反射面３ａ表面まで這い上がってくるため、発光素子１の発光機能や反射面３ａの反射機能を劣化させるという問題を生じた。また、反射部材３と基体２との接合時の反射部材３の熱膨張により、反射部材３が発光素子１を圧縮し発光素子１を破損させるという問題も生じた。

これに対して、本発明のパッケージの場合には、基体２と反射部材３とを接合する接合材は、反射部材３と載置部２ａ側面とが接触されているわずかな隙間に多少入り込むものの、この隙間を完全に埋めるものではなく、隙間にとどまって発光素子１表面や反射面３ａ表面にまで這い上がってくることはなかった。このように、反射部材３と載置部２ａ側面とが接触されているわずかな隙間は、基体２と反射部材３とを接合する接合材が発光素子１表面や反射面３ａ表面に達するのを防止するための、いわゆる接合材ダムとして機能することが分かった。

なお、載置部２ａの高さは、接合材の体積や基体２上面と反射部材３下面との距離，放射光強度，輝度，熱伝達効率，接合材ダム機能を考慮したうえで適宜選定される。

一方、載置部２ａの基体２の上面に平行な長さは、基体２と反射部材３との接合時における熱歪み（反射面３ａ表面の熱歪み、および反射部材３自体の熱歪みによる位置ずれ）を有効に抑制し得る大きさであれば良く、基体２，反射部材３の大きさにより適宜選定される。

また、反射部材３は、内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜しているとともに内周面が発光素子１が発光する光を反射する反射面３ａとされている枠状体であり、その内周面の下端が載置部２ａの側面と接している。

反射部材３は、この構成により、基体２上面（載置部２ａの外側周辺部）に反射面３ａが広範囲に形成されることになるため、発光素子１の光が基体２上面に吸収，透過されるのを効果的に抑制できる。すなわち、従来構成（図４）に比し反射面３ａにて光を反射する面積が非常に増大するため、放射光強度や輝度を著しく向上できる。

なお、反射部材３は、内周面において少なくとも傾斜面の表面に発光素子１の光を高い反射率で反射させ得る反射面３ａを有している。このような反射面３ａは、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），Ｃｕ等の高反射率の金属から成る。

反射面３ａは、反射部材３が金属からなる場合、反射部材３に対して切削加工や金型成形等を行うことにより形成される。あるいは、反射部材３がセラミックスや樹脂等の絶縁体からなる場合（反射部材３が金属の場合も含む）、メッキや蒸着等により金属薄膜を形成することにより反射面３ａを形成してもよい。なお、反射面３ａ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３ａの耐腐食性が向上する。

また、反射面３ａ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３ａが発光素子１の光を良好に反射し得る。Ｒａが４μｍを超えると、発光素子１の光を均一に反射させ得ず、パッケージ内部で乱反射する。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３ａは、その表面が図１，２に示すように平坦（直線状）であってもよく、また、図３に示すように円弧状（曲線状）であってもよい。好ましくは、円弧状とするのがよく、これにより、発光素子１の光を万遍なく反射させて外部に均一に放射することができる。

かくして、本発明の発光装置は、載置部２ａ上面にフリップチップ方式等により発光素子１を載置固定した後、反射部材３を、内周面の下端が載置部２ａの側面に接触されるように基体２の上面に接合し、しかる後、反射部材３の内部に発光素子１を覆うようにシリコーン樹脂等からなる透光性部材（図示せず）を設けることにより発光装置となる。

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１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１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５，図６に示す平面図，断面図のように複数個の発光装置４が発光装置駆動回路基板６に複数列に配置され、発光装置４の周囲に任意の形状に光学設計した反射治具５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４において、隣り合う発光装置４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４が格子状に配置される際には、光源となる発光装置４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４間の距離が長くなることにより、隣接する発光装置４間の熱的な干渉が有効に抑制され、発光装置４が実装された発光装置駆動回路基板６内における熱のこもりが抑制され、発光装置４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７，図８に示す平面図，断面図のような発光装置駆動回路基板６上に複数の発光装置４から成る円状や多角形状の発光装置４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４群における発光装置４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４同士の間隔を適度に保ちながら発光装置４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４の密度を低くして発光装置駆動回路基板６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６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４の温度上昇を抑制することができる。その結果、発光装置４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。

本発明のパッケージおよび発光装置について以下に実施例を示す。

まず、基体２となるアルミナセラミックス基板を準備した。なお、基体２は載置部２ａとなる部位も一体的に形成されており、載置部２ａの上面と載置部２ａ以外の部位の基体２の上面とを平行にした。

基体２は、幅８ｍｍ×奥行き８ｍｍ×厚さ0.5ｍｍの直方体の上面中央部に幅0.35ｍｍ×奥行き0.35ｍｍ×厚さ0.15ｍｍの直方体の載置部２ａが形成されたものであった。

また、載置部２ａの発光素子１が搭載される部位に、発光素子１と外部電気回路基板とを基体２の内部に形成した内部配線を介して電気的に接続するための電気接続用パターンを形成した。電気接続用パターンは、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層により0.1ｍｍΦの円形パッドに成形され、その表面には厚さ３μｍのＮｉメッキ層と厚さ２μｍのＡｕメッキ層とが被着された。また、基体２内部の内部配線は、貫通導体からなる電気接続部、いわゆるスルーホールによって形成された。このスルーホールについても電気接続用パターンと同様にＭｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ導体で成形された。

さらに、基体２上面の載置部２ａ以外の部位の全面に、基体２と反射部材３とをＡｕ−錫（Ｓｎ）ロウにより接合するための接合部を形成した。この接合部は、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層の表面に厚さ３μｍのＮｉメッキ層と厚さ２μｍのＡｕメッキ層とが被着されたものであった。

さらにまた、反射部材３を用意した。反射部材３は、内周面の最上端（パッケージとした際の最上端部位）の直径が６ｍｍで高さが1.5ｍｍであり、内周面の下端（載置部２ａの側面に接触される部位）の高さ（基体２上面に接合される下面から内周面の傾斜面の下辺までの高さ）が0.1ｍｍであった。さらに、内周面における傾斜面は、基体２上面に対してなす角度が45度の平坦な面とされ、その傾斜面の表面が、Ｒａが0.1μｍの反射面３ａとされた。

次に、発光素子１にＡｕ−Ｓｎバンプを設けておき、このＡｕ−Ｓｎバンプを介して発光素子１を電気接続用パターンに接合するとともに、反射部材３を基体２の上面の接合部にＡｕ−Ｓｎロウで接合した。このとき、基体２と反射部材３との接合は、反射部材３の内周面の下端（反射面３ａの下辺）が載置部２ａの側面に接触するようにした。

このようにして作製したパッケージについて、反射部材３と載置部２ａとの接触部を断面観察したところ、反射部材３と載置部２ａの側面とが接触しているわずかな隙間にＡｕ−Ｓｎロウが多少入り込んでいるのを確認したが、Ａｕ−Ｓｎロウはその隙間を完全に埋めるものではなく、隙間にとどまって発光素子１までは這い上がっていなかった。つまり、反射部材３と載置部２ａの側面とが接触されているわずかな隙間は、Ａｕ−Ｓｎロウを発光素子１まで這い上がらせない、いわゆる接合材ダムとして機能することがわかった。

一方、載置部２ａを形成しないこと以外は上記と同様にして作製した比較用のパッケージについて、同様の評価を行なったところ、Ａｕ−Ｓｎロウが発光素子１の発光部まで這い上がり、発光強度が低下しているのが確認された。よって、本発明のパッケージが優れていることがわかった。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、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。

また、本発明の照明装置は、複数個の発光装置４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４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。 本発明の発光素子収納用パッケージの実施の形態の他の例を示す断面図である。 本発明の発光素子収納用パッケージの実施の形態の他の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。 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５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７の照明装置の断面図である。

符号の説明

１：発光素子
２：基体
２ａ：載置部
３：反射部材
３ａ：反射面
４：発光装置
５：反射治具
６：発光装置駆動回路基板

Claims (4)

1. 発光素子と、
   金属からなる基体部と、セラミックスからなり前記基体部上に設けられた突出部と、光反射面および絶縁体部を有しており前記発光素子を囲む枠状部とからなるパッケージと、を備えた発光装置。
2. 前記発光素子上に設けられたレンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記突出部が窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記発光素子を覆っている樹脂からなる透光性部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。

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