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JP4369738B2 - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置 - Google Patents
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JP4369738B2 - 発光素子収納用パッケージおよび発光装置 - Google Patents

発光素子収納用パッケージおよび発光装置 Download PDF

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Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子を用いた表示装置等に用いられる、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、発光ダイオード等の発光素子を収容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)として、セラミックス製のパッケージが用いられている。従来のセラミックス製のパッケージは、図3の断面図および図4の下面図で示すように、上面の中央部に発光素子13を搭載するための導体層から成る搭載部11aを有し、搭載部11aおよびその周辺から下面に導出された一対のメタライズ配線導体14を有する直方体状や四角形平板状のセラミックス製の基体11と、その上面に積層され、中央部に発光素子13を収容するための貫通穴12aを有する四角枠状のセラミックス製の枠体12とから主に構成されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
そして、基体11の上面の一方のメタライズ配線導体14が接続された搭載部11a上に発光素子13を導電性接合材を介して固着するとともに発光素子13の電極と他方のメタライズ配線導体14とをボンディングワイヤ15を介して電気的に接続し、しかる後、枠体12の貫通穴12a内に透明樹脂(図示せず)を充填して発光素子13を封止することによって、発光装置が作製される。この発光装置を外部電気回路基板の配線導体に半田(図示せず)を介して接続することによって、発光装置が外部電気回路基板に実装されるとともに搭載する発光装置の電極が外部電気回路に電気的に接続され発光素子13へ電力が供給されることとなる。これにより、発光素子13の発する光をパッケージの外部(図3では上方)に放射することができる。
また、枠体12の貫通穴12aの内周面で発光素子13の光を反射させてパッケージの上方に光を放射させるために、枠体12の貫通穴12aの内周面にニッケル(Ni)めっき層や金(Au)めっき層等のめっき金属層16bを表面に有するメタライズ層16aからなる反射層16を被着させていることもある。
また、上記のパッケージは、セラミックグリーンシート(以下、グリーンシートともいう)積層法により以下のように製作される。まず、基体11となるグリーンシートと枠体12となるグリーンシートとを準備し、これらのグリーンシートに配線導体14を導出させるための貫通孔や貫通穴12aとなる貫通孔を打ち抜き法で形成する。
次に、基体11となるグリーンシートの積層体(以下、基体11となるグリーンシートの積層体を単に積層体Aという)の貫通孔および所定の部位に、メタライズ層からなる配線導体14となる導体ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布する。また、枠体12となるグリーンシートの積層体(以下、枠体12となるグリーンシートの積層体を単に積層体Bという)の貫通穴12aとなる貫通孔の内周面にメタライズ層16aとなる導体ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布する。
次に、積層体A,Bを重ねて接着してパッケージを形成するための積層体とし、これを所定寸法に切断して成形体とし、高温(1600℃程度)で焼成して焼結体となす。その後、配線導体14およびメタライズ層16aの露出表面に、Ni、Au、パラジウム(Pd)、白金(Pt)等のめっき金属層16bを無電解めっき法や電解めっき法により被着させることによって、パッケージが製作される。
また、近年、フルカラー発光させるように複数個の発光素子を搭載するパッケージが用いられるようになってきている。このパッケージは、図5の平面図および図6の断面図に示すように、四角平板状の基体21の上面に複数個の発光素子23を搭載する搭載部21aを有している。また、基体21の4隅に平面視で円弧状であって上下面にわたって切り欠かれた切欠き部24が形成されている。そして、切欠き部24にそれぞれが電気的に独立した電極24a,24bが形成されており、搭載部21aに搭載される複数個の発光素子23の電極が4隅の電極24a,24bの何れかに接続されている(例えば、下記特許文献2参照)。これにより、例えば搭載部21aに複数個の発光素子23を搭載した場合、4つの電極24a,24bのうち1つを共通電極24a、他を個別の電極24bとして複数の発光素子23が接続可能となる。そして、この複数の発光素子23を青、緑、赤の3原色とすればフルカラー発光が可能な発光装置とすることができる。
特開平14−232017号公報 特開平5−13818号公報
しかしながら、上記の特許文献1のパッケージによると、基体11下面のメタライズ配線導体14を外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接続するためにメタライズ配線導体14に半田を印刷塗布すると、半田が表面張力により盛り上がるため半田を一定の厚みにすることができず、メタライズ配線導体14間で半田の高さばらつきが発生し、発光装置が外部電気回路基板に対して傾斜した状態で実装されて発光装置のメタライズ配線導体14と外部電気回路基板の配線導体との間に位置ずれ等が発生するという問題点があった。
また、メタライズ配線導体14と外部電気回路基板の配線導体との接合面積が小さいため接合強度が小さなものとなり、メタライズ配線導体14を外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接続しても発光装置が外部電気回路基板から剥がれるという問題点があった。
また、上記の特許文献2のパッケージによると、基体21の4隅に平面視で円弧状であって上下面にわたって切り欠かれた切欠き部24の電極24a,24bと外部電気回路基板の配線導体とを半田を介して接続する際、基体21と外部電気回路基板との間の熱膨張係数差に起因する熱応力が半田のメニスカスが形成された切欠き部24に集中するため、切欠き部24に欠けや割れが発生し、電極24a,24bが外部接続用の電極として機能しなくなるという問題点があった。
さらに、上記特許文献1,2のパッケージにおいては、発光素子13,23から発光された光が、基体11,21を透過して外部にもれるため、光損失によって発光強度を高めるのが困難であるという問題点も有していた。
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、外部電気回路基板の配線導体に位置ずれや傾斜もなく正確に実装できるとともに接合強度の大きい信頼性の高い実装が可能な、発光強度の高い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。
本発明の発光素子収納用パッケージは、上面に発光素子の搭載部を有する四角平板状の絶縁体から成る基体と、該基体の上面の外周部に前記搭載部を取り囲むように取着された枠体と、前記基体の上面に形成された、前記発光素子の電極が電気的に接続される配線導体と、前記基体の隣接する側面間の稜部に前記基体の上下面にわたって形成された切欠き部と、該切欠き部の内周面に形成された、前記配線導体に電気的に接続された側面導体と、前記基体の下面に形成された円形状の外部接続用電極と、前記基体の下面に前記側面導体から前記外部接続用電極にかけて形成された、前記外部接続用電極の直径より幅が小さい接続用導体と、前記基体の下面で、少なくとも前記搭載部と平面視で重なるように形成された金属層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、前記金属層は、表面に窒化アルミニウム質焼結体から成る板状部材が接合されてい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配線導体に電気的に接続された発光素子と、該発光素子を覆う透明樹脂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は、基体の下面で、少なくとも前記搭載部と平面視で重なるように形成された金属層を具備していることから、発光素子から発光された光が基体を透過しても下面の金属層によって有効に反射させることができ、発光強度を高めることができる。
また、基体の隣接する側面間の稜部に基体の上下面にわたって形成された切欠き部と、切欠き部の内周面に形成された、配線導体に電気的に接続された側面導体と、基体の下面に形成された円形状の外部接続用電極と、基体の下面に側面導体から外部接続用電極にかけて形成された、外部接続用電極の直径より幅が小さい接続用導体とを具備していることから、外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接合するための接合部位が、角部の側面導体、接続用導体および外部接続用電極から成るため接合面積が大きくなる。その結果、基体と外部電気回路基板の配線導体との接合強度が大きなものとなり、基体が外部電気回路基板から剥がれるのを有効に抑制できる。
また、外部接続用電極上に、表面張力により盛り上がった半田が基体と外部電気回路基板の熱膨張係数差に起因する熱応力を吸収するように働くため、基体の切欠き部に欠けや割れが発生するのを有効に抑制できる。
さらに、接続用導体は、外部接続用電極の直径より幅が小さいので、表面張力によって側面導体と外部電気回路基板の配線導体との間に形成される半田のメニスカス部および外部接続用電極の半田の量を調整するように作用し、外部接続用電極上の半田の高さばらつきをなくするように働く。また、外部接続用電極は、円形状に形成されているので、外部接続用電極上に形成される表面張力による半田の盛り上がりの量および形状を、より均一にすることができるとともに半田の高さばらつきをより有効に抑えるように作用させることができる。これらの結果、外部接続用電極間に半田の高さばらつきが生じるのを抑制するとともに良好なメニスカスを形成することができ、外部電気回路基板の配線導体に平坦な状態で正確な位置に強固実装させることができる。また、外部接続用電極から金属層に半田が濡れ広がるのも有効に防止できる。
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、金属層は、表面に窒化アルミニウム質焼結体から成る板状部材が接合されていることから、発光素子から発生する熱を基体、金属層および窒化アルミニウム質焼結体から成る板状部材を介して良好に放熱することができ、発光素子が高温となって発光強度が低下するのを有効に防止できる。
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、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、発光素子を覆う透明樹脂とを具備していることにより、外部電気回路基板の配線導体に位置ずれや傾斜もなく正確に実装できるとともに接合強度の大きい信頼性の高い実装が可能な、発光強度の高いものとなる。
本発明のパッケージを以下に詳細に説明する。図1は、本発明のパッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図2は図1の下面図である。1は基体、2は枠体であり、主としてこれらで発光素子3を収容するためのパッケージが構成されている。
本発明における基体1は、セラミックスから成り、例えば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,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から成る平板状のものであり、発光素子3を支持するため、その上面に発光素子3を搭載するための搭載部1aを有している。
この基体1は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してグリーンシート(セラミック生シート)を得、しかる後、グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、高温(約1600℃)で焼成することによって製作される。
また、基体1は、搭載部1aおよびその周辺に配線導体4が被着形成されている。この配線導体4は、基体1の角部の側面のそれぞれに上下面にわたって切り欠かれた平面視で円弧状の切欠き部7の内周面に形成された側面導体7a、および接続用導体8を介して、外部接続用電極9に電気的に接続されている。また、配線導体4、側面導体7a、接続用導体8および外部接続用電極9は、タングステン(W)やモリブデン(Mo)等の金属粉末のメタライズ層から成り、パッケージ内部に収容する発光素子3を外部に電気的に接続するための導電路として機能している。
そして、配線導体4が接続された搭載部1aには、発光ダイオード等の発光素子3が金−シリコン合金や銀−エポキシ樹脂等の導電性接合材により固着されているとともに、配線導体4の搭載部1a周辺には、発光素子3の電極がボンディングワイヤ5を介して電気的に接続されている。また、発光素子3は、搭載部1aおよび配線導体4にフリップチップ実装されていても構わない。そして、基体1下面の外部接続用電極9が外部電気回路基板の配線導体に接続されることで発光素子3の各電極と電気的に接続され、発光素子3へ電力が供給される。
また、フルカラー発光させる場合、外部接続用電極9のうち1つを共通の電力供給用、他を個別の電力供給用として複数の発光素子3が接続可能となる。そして、この複数の発光素子3を青、緑、赤の3原色とすればフルカラー発光とすることができる。
配線導体4、側面導体7a、接続用導体8および外部接続用電極9は、例えばWやMo等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、基体1となるグリーンシートに予めスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって、基体1の所定位置に被着形成される。
なお、配線導体4、側面導体7a、接続用導体8および外部接続用電極9の露出する表面にNiやAu等の耐蝕性に優れる金属を1〜20μm程度の厚みで被着させておくのがよく、これらの導体が酸化腐蝕するのを有効に防止することができるとともに、配線導体4と発光素子3、配線導体4とボンディングワイヤ5との接合、外部接続用電極9および側面導体7aと外部電気回路の配線導体との接合を強固なものとすることができる。より好ましくは、配線導体4、側面導体7a、接続用導体8および外部接続用電極9の露出表面には、厚さ1〜10μm程度のNiめっき層と厚さ0.1〜3μm程度のAuめっき層とが電解めっき法や無電解めっき法により順次被着されているのがよい。
なお、切欠き部7は、基体1用のグリーンシートの角部となる部位を打ち抜き金型で打ち抜いて形成する。このとき、切欠き部7は、枠体2の下方に位置して平面視で枠体2の厚みより小さい曲率半径の円弧状とされてグリーンシートの上下面にわたって切り欠かれるように打ち抜いて形成され、側面導体7aが切欠き部7の側面に形成されるのがよい。これにより、基体1の切欠き部7周辺の部位に応力が集中するのを有効に抑制できる。
本発明の枠体2は、基体1の上面に接着剤やろう材等で接合してもよいが、好ましくは、基体1と実質的に同じ組成のセラミックスから成り、基体1の上面に積層されて焼結一体化されて接合されているのがよい。これにより、基体1と枠体2との熱膨張差による応力が生じるのを有効に抑制できる。このような焼結一体化された枠体2は、グリーンシートに予め、その中央部に発光素子3を収容するための形状が円形状や四角形状等の貫通穴2aを打ち抜き加工で形成するとともに、これを複数枚積層し、基体1となるグリーンシートの上に積層して焼結一体化して基体1の上面に接合される。
また、基体1の下面には、少なくとも搭載部1aと平面視で重なるように形成された金属層Mを具備している。これにより、発光素子3から発光された光が基体1を透過しても下面の金属層Mによって有効に反射させることができ、発光強度を高めることができる。また、発光素子3から発生し、基体1から伝達された熱を金属層Mによって良好に放熱することもできる。
このような金属層Mは、アルミニウム,銀,金,パラジウム,白金,銅等の金属やこれらの合金から成り、金属板を基体1の下面に接合することによって、メタライズ層を基体1と同時焼成で形成することによって、あるいは、めっきや蒸着等の金属薄膜形成法によって形成することができる。
また、金属層Mは、表面に窒化アルミニウム質焼結体から成る板状部材が接合されているのが好ましい。これにより、発光素子3から発生する熱を基体1、金属層Mおよび窒化アルミニウム質焼結体から成る板状部材を介してより良好に放熱することができ、発光素子3が高温となって発光強度が低下するのを有効に防止できる。
また、枠体2の貫通穴2aは、枠体2の上面側開口が下面側開口よりも大きく形成されているのがよく、貫通穴2aの内周面は基体1の上面に対する角度θが35〜70°であることが好ましい。70°を超えると貫通穴2a内に収容する発光素子3の光を外部に対して良好に反射することが困難となる傾向にあり、35°未満では、貫通穴2aをそのような角度で打ち抜き法で安定的かつ効率良く形成することが困難となるとともに、パッケージが大型化される傾向にある。
また、枠体2は、枠体2用のグリーンシートの中央部を打ち抜き金型を用いて打ち抜くことによって形成されるが、このとき、枠体2用のグリーンシートに形成される貫通穴2aの内周面をグリーンシートの一方の主面から他方の主面に向けて35〜70度の角度θで広がるように形成する。このように、貫通穴2aの内周面がグリーンシートの一方の主面から他方の主面に向けて35〜70度の角度θで広がるように形成することにより、貫通穴2aの内周面が基体1の上面に対して35〜70度の角度θで外側に広がるように形成される。そして、貫通穴2aはその断面形状は円形がよく、貫通穴2a内に収容される発光素子3が発する光を貫通穴2aの内周面で全方向に満遍なく反射させて外部に極めて均一に放射することができる。
また、貫通穴2aの開口の形状は、円形状、四角形状、楕円形状、多角形状等の種々の形状で構わないが、貫通穴2aの製作の容易さや形状の安定化等の点から、枠体2の上面側開口と下面側開口が同形状であるのが好ましい。また、開口の形状として特に円形状がより好ましく、この場合、貫通穴2aに収容された発光素子3が発する光を貫通穴2aの内周面で効率良く反射させて外部に放射することができる。
また、枠体2の貫通穴2aの内周面には、メタライズ金属層6aおよび金属めっき層6bが形成されているのが好ましく、例えば、WやMo等の金属粉末のメタライズ金属層6a上にNi,Au,Ag等の金属めっき層6bが被着されているのがよい。そして、金属めっき層6bは発光素子3が発光する光に対する反射率が80%以上であることが好ましいが、金属めっき層6bがNi,Au,Ag等から成ることによって、発光素子3が発光する光に対する反射率を80%以上とすることができる。反射率が80%未満であると、枠体2の貫通穴2aに収容された発光素子3が発光する光を良好に反射することが困難となる。
また、貫通穴2aの内周面に形成された金属めっき層の表面の算術平均粗さRaは1〜10μmが好ましい。1μm未満であると、貫通穴2a内に収容される発光素子3が発する光を均一に反射させることができずに、反射する光の強さに偏りが発生しやすくなる。10μmを超えると、貫通穴2a内に収容される発光素子3が発する光が散乱し、反射光を高い反射率で外部に均一に放射することが困難になる。
そして、本発明のパッケージによれば、基体1は、基体1の隣接する側面間の稜部に基体1の上下面にわたって形成された切欠き部7と、切欠き部7の内周面に形成された、配線導体4に電気的に接続された側面導体7aと、基体1の下面に形成された円形状の外部接続用電極9と、基体1の下面に側面導体7aから外部接続用電極9にかけて形成された、外部接続用電極9の直径より幅が小さい接続用導体8とを具備していることから、外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接合するための接合部位が、角部の側面導体7a、接続用導体8および外部接続用電極9から成るため接合面積が大きくなる。その結果、基体1と外部電気回路基板の配線導体との接合強度が大きなものとなり、基体1が外部電気回路基板から剥がれるのを有効に抑制できる。
また、外部接続用電極9上に、表面張力により盛り上がった半田が基体1と外部電気回路基板の熱膨張係数差に起因する熱応力を吸収するように働くため、基体1の切欠き部7に欠けや割れが発生するのを有効に抑制できる。
さらに、接続用導体8は、外部接続用電極9の直径より幅が小さいので、表面張力によって側面導体7aと外部電気回路基板の配線導体との間に形成される半田のメニスカス部および外部接続用電極9の半田の量を調整するように作用し、外部接続用電極9上の半田の高さばらつきをなくするように働く。また、外部接続用電極9は、円形状に形成されているので、外部接続用電極9上に形成される表面張力による半田の盛り上がりの量および形状を、より均一にすることができるとともに半田の高さばらつきをより有効に抑えるように作用させることができる。これらの結果、外部接続用電極9間に半田の高さばらつきが生じるのを抑制するとともに良好なメニスカスを形成することができ、外部電気回路基板の配線導体に平坦な状態で正確な位置に強固実装させることができる。
なお、接続用導体8の導体幅Wは、外部接続用電極9の直径の30〜50%であることが好ましい。この導体幅Wが外部接続用電極9の直径の30%未満の場合、半田がメニスカス部へ流れにくくなりメニスカスの大きさを調整して大きなメニスカスを形成するのが困難となり、発光装置と外部電気回路基板の配線導体との接合強度が低下し易くなる。50%を超えると半田が急激にメニスカス部へ流れこむため半田の微量な調整が困難となり、外部接続用電極9上の半田の高さばらつきが発生し易くなる。
また、外部接続用電極9は、表面の平坦度が20μm/10mm以下であることが好ましい。平坦度が20μm/10mmを超えると、外部電子回路基板の配線導体に半田を介して接続する際に、外部接続用電極9間に高さのばらつきが発生し易くなり、外部接続用電極9を外部電気回路基板の配線導体の正確な位置に接合するのが困難となる。
また、外部接続用電極9は、均等に配置され、その面積が基体1の下面の面積に対して15〜40%であることが好ましい。15%未満であると、外部接続用電極9の平坦性が劣化し易くなり、40%を超えると、外部接続用電極9が短絡が発生し易くなる。
切欠き部7は枠体2の下方に位置していることから、枠体2の貫通穴2a内に充填される透明樹脂が切欠き部7へ流れ出すのを有効に防止して封止が良好なものとなる。
かくして、本発明のパッケージによれば、基体1の搭載部1aに発光素子3を搭載するとともに発光素子3の何れかの電極を配線導体4にボンディングワイヤ5を介して電気的に接続し、しかる後、発光素子3を覆うように透明樹脂を設けて発光素子3を封止することによって発光装置となる。発光素子3を覆う透明樹脂は、枠体2の内側に充填されていてもよい。また、枠体2の上面にガラス,石英,サファイア,透光性樹脂等からなる透光性蓋体を接合してもよい。また、本発明の発光装置は、発光ダイオード等の発光素子3を収納した小型のものであることから蓋をするよりも透明樹脂で発光素子3を覆った方が封止の作業性が良く、また内部のボンディングワイヤ5等の位置固定や各導体層の腐蝕防止等の点で有利なものである。
そして、本発明の発光装置は、上記の構成により、外部電気回路基板の配線導体に位置ずれや傾斜もなく正確に実装できるとともに接合強度の大きい信頼性の高い実装が可能な、発光強度の高いものとなる。
なお、本発明は上述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施すことは何等差し支えない。
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。 図1の発光素子収納用パッケージの下面図である。 従来の発光素子収納用パッケージの断面図である。 図3の発光素子収納用パッケージの下面図である。 従来の発光素子収納用パッケージの他の例の平面図である。 図5の発光素子収納用パッケージのA−A’線における断面図である。
符号の説明
1:基体
1a:搭載部
2:枠体
3:発光素子
4:配線導体
7:切欠き部
7a:側面導体
8:接続用導体
9:外部接続用電極

Claims (3)

  1. 上面に発光素子の搭載部を有する四角平板状の絶縁体から成る基体と、該基体の上面の外周部に前記搭載部を取り囲むように取着された枠体と、前記基体の上面に形成された、前記発光素子の電極が電気的に接続される配線導体と、前記基体の隣接する側面間の稜部に前記基体の上下面にわたって形成された切欠き部と、該切欠き部の内周面に形成された、前記配線導体に電気的に接続された側面導体と、前記基体の下面に形成された円形状の外部接続用電極と、前記基体の下面に前記側面導体から前記外部接続用電極にかけて形成された、前記外部接続用電極の直径より幅が小さい接続用導体と、前記基体の下面で、少なくとも前記搭載部と平面視で重なるように形成された金属層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. 前記金属層は、表面に窒化アルミニウム質焼結体から成る板状部材が接合され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、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に電気的に接続された発光素子と、該発光素子を覆う透明樹脂とを具備していることを特徴とする発光装置。
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