JP2006303351A - 発光素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子を収納するためのキャビティ部の壁面を半導体発光素子の発光効率を向上できる壁面とすることができる発光素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】平板状のセラミック製の基体１１と、開口部１３を有する平板状のセラミック製の枠体１４の接合体からなり、基体１１の上面と枠体１４の開口部１３とで形成される半導体発光素子１２を収納するためのキャビティ部１５を設ける発光素子収納用パッケージ１０において、枠体１４が３枚以上のセラミック基板１６の積層体からなると共に、枠体１４のセラミック基板１６のそれぞれの厚さが０．０２５〜０．３ｍｍからなり、しかもキャビティ部１５の壁面に枠体１４の開口部１３で形成される複数段の階段１７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を搭載して収納するためのセラミック製の基体と枠体の接合体からなる発光素子収納用パッケージに関する。

従来からＬＥＤ等からなる半導体発光素子を収納するための発光素子収納用パッケージとしては、プラスチックや、セラミックを用いて製造されたものが用いられている。また、近年の半導体発光素子には、光出力を大きくすることが要求されているが、この要求に対応するのに半導体発光素子にかけられる電流を増加させることで対応しようとすると、半導体発光素子自体の温度も上昇し、半導体発光素子を収納するためのパッケージがプラスチック製では、耐熱性が十分でないという問題が発生している。従って、最近では、発光素子収納用パッケージは、耐熱性の高いアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなるセラミック製のものが多く用いられている。

図３に示すように、従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージ５０は、通常、基体５１用のセラミックグリーンシートにスクリーン印刷でメタライズ配線パターン用のメタライズ印刷パターンが形成される。また、枠体５２用のセラミックグリーンシートには、開口部５３用の貫通孔を形成した後、必要に応じて貫通孔の壁面にメタライズ金属層用のメタライズ印刷パターンが形成される。そして、発光素子収納用パッケージ５０は、基体５１用のセラミックグリーンシートと、枠体５２用のセラミックグリーンシートが積層され、焼成されて形成した接合体からなっている。この発光素子収納用パッケージ５０は、基体５１の上面と枠体５２の開口部５３の壁面で形成されるキャビティ部５４に半導体発光素子５５を収納できるようになっている。そして、この半導体発光素子５５は、ボンディングワイヤ５６を介して外部接続端子パッド５７と電気的に導通状態としている。更に、キャビティ部５４内に収納された半導体発光素子５５は、ガラス板や、レンズ等からなる蓋体５８を枠体５２の上面に接合して気密に封止している。また、セラミック製の発光素子収納用パッケージ５０は、枠体５２の開口部５３の壁面を半導体発光素子５５から発せられる光を反射させて発光効率を向上させるために利用している。しかしながら、開口部５３の壁面が垂直となっている発光素子収納用パッケージ５０は、半導体発光素子５５から発せられる光を上方に集中させることができないので、十分に発光効率を向上させることができないという問題を有している。

メタライズ印刷パターンが形成されたセラミックグリーンシートに半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を形成する従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージには、枠体用のセラミックグリーンシートに開口方向が外側方向に広くなるようにプレス成形し、脱脂、焼成した後、キャビティ部壁面の導体層に貴金属めっきを施したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、セラミック窓枠の壁面部に光を反射させるための金属層を設ける従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージには、上面に半導体発光素子を搭載するための搭載部を有する略平板状のセラミック基体の上面に、半導体発光素子を収納するための貫通孔を有するセラミック窓枠が積層して形成され、貫通孔内壁がセラミック基体上面に対して５５〜７０度の角度で外側に広がっていると共に、その表面に中心線平均粗さＲａが１〜３μｍで且つ半導体発光素子が発光する光に対する反射率が８０％以上の金属層が被着されているものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−４５９６５号公報 特開２００２−２３２０１７号公報

しかしながら、前述したような従来の発光素子収納用パッケージは、未だ解決すべき次のような問題がある。
（１）半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を形成するのに、セラミックグリーンシートをキャビティ部の開口方向に広くなるようにプレス成形して凹部を形成する場合には、セラミックグリーンシートが屈折する部分に亀裂や、破断等が発生し、絶縁体としての機能が発揮できなくなっている。
（２）半導体発光素子搭載部であるキャビティ部を形成するための枠体のすり鉢状貫通孔は、打ち抜き金型のパンチとダイスとの間のクリアランスを大きくしてセラミックグリーンシートを打ち抜くことで形成するようにしている。しかしながら、打ち抜かれたすり鉢状貫通孔の壁面は、安定した形状でなく、部分的にえぐれたような大きな凸凹が発生している。このような形状の壁面を反射面とする場合には、光の拡散が大きくなって、安定した反射光を得ることができないので、半導体発光素子の発光効率を向上させることが難しくなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、半導体発光素子を収納するためのキャビティ部の壁面を半導体発光素子の発光効率を向上できる壁面とすることができる発光素子収納用パッケージを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る発光素子収納用パッケージは、平板状のセラミック製の基体と、開口部を有する平板状のセラミック製の枠体の接合体からなり、基体の上面と枠体の開口部とで形成される半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を設ける発光素子収納用パッケージにおいて、枠体が３枚以上のセラミック基板の積層体からなると共に、枠体のセラミック基板のそれぞれの厚さが０．０２５〜０．３ｍｍからなり、しかもキャビティ部の壁面に枠体の開口部で形成される複数段の階段を有する。
ここで、発光素子収納用パッケージは、階段の表面にメタライズ金属層を有するのがよい。

請求項１又はこれに従属する請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、枠体が３枚以上のセラミック基板の積層体からなると共に、枠体のセラミック基板のそれぞれの厚さが０．０２５〜０．３ｍｍからなり、しかもキャビティ部の壁面に枠体の開口部で形成される複数段の階段を有するので、厚さの薄いセラミック基板の積層体からなる段差の低い階段が形成されることでキャビティ部の壁面が略直線状の任意の角度を有するテーパ状にすることができ、亀裂や、破断等の発生がなく、部分的にえぐれた様な凸凹の少ない安定した反射面形状の枠体の開口部によって、半導体発光素子からの発光を効果的に反射させて発光効率を向上させることができる。

特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、階段の表面にメタライズ金属層を有するので、メタライズ金属層にめっき被膜が形成でき、更に半導体発光素子からの発光を効果的に反射させて発光効率を向上させることができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２（Ａ）〜（Ｄ）は同発光素子収納用パッケージの作製方法の説明図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１０は、平面視して、矩形状や、多角形や、円形等からなるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の１又は複数枚からなる平板状のセラミック製の基体１１を有している。この基体１１の両主面のうちの一方は、ＬＥＤ等の半導体発光素子１２を載置するための実装領域となっている。また、この発光素子収納用パッケージ１０は、半導体発光素子１２を囲繞するための開口部１３を有する平面視して、矩形状や、多角形や、円形等からなるＡｌ_２Ｏ_３や、ＡｌＮ等の平板状のセラミック製の枠体１４を有している。そして、発光素子収納用パッケージ１０は、基体１１と枠体１４を接合する接合体として形成されている。この発光素子収納用パッケージ１０には、半導体発光素子１２を載置するための実装領域である基体１１の上面と、実装領域に載置される半導体発光素子１２を囲繞するための開口部１３を有する枠体１４を接合して形成されるキャビティ部１５が設けられている。

この発光素子収納用パッケージ１０は、枠体１４が３枚以上（図１では５枚）のセラミック基板１６の積層体からなると共に、それぞれのセラミック基板１６の厚さが０．０２５〜０．３ｍｍからなっている。しかも、この発光素子収納用パッケージ１０は、基体１１の半導体発光素子１２の実装領域を外部に露出して、枠体１４を形成する３枚以上のセラミック基板１６のそれぞれの開口部１３の大きさを基体１１との接合側である下面側より上面側に行くに従って大きくなるように重ね合わせて形成して、キャビティ部１５の壁面に複数段からなる階段１７を設けている。この発光素子収納用パッケージ１０は、キャビティ部１５の壁面が薄いセラミック基板１６の３枚以上の複数枚で形成される段差の低い複数段の階段１７からなるので、上下に連続する開口部１３部分が略直線状の任意の角度を有するテーパ状にすることができ、部分的にえぐれが発生するような凸凹のない安定した反射面形状となり、半導体発光素子１２の発光効率を向上させることがことができる。

この発光素子収納用パッケージ１０に用いられるセラミック基板１６は、３枚以上からなることで複数段の階段１７を形成することができると共に、厚さが薄いほど段差の低い階段１７を形成することができ、上下に連続する開口部１３が略直線状の任意の角度を有するテーパ状にすることができる。しかしながら、セラミック基板１６は、厚さが０．０２５ｍｍを下まわると、セラミック基板１６の焼成前のセラミックグリーンシートの厚さが薄くなりすぎるので、セラミックグリーンシートの作製が難しくなると同時に、取り扱いが容易でなく発光素子収納用パッケージ１０のコストアップとなる。また、セラミック基板１６は、厚さが０．３ｍｍを超えると、１つの階段１７の垂直部の高さが大きくなりすぎるので、半導体発光素子１２から発せられる光を反射させて上方に集中させることが難しくなり、十分に発光効率を向上させることができなくなる。

この発光素子収納用パッケージ１０は、基体１１の一方の主面側であるキャビティ部１５の底面に半導体発光素子１２を搭載してパッケージの外部と電気的に導通状態とするためにタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなるメタライズ配線パターンを設けている。このメタライズ配線パターンは、例えば、半導体発光素子１２を載置するためのダイボンドパッド１８や、半導体発光素子１２とボンディングワイヤ１９で電気的に導通状態とするためのボンディングパッド２０等として形成されている。また、メタライズ配線パターンは、ダイボンドパッド１８や、ボンディングパッド２０からビア導体２１等を介して基体１１の他方の主面側で接続し、あるいは、枠体１４の上面側で接続し（図示せず）、外部端子と電気的に導通状態とするための外部接続端子パッド２２等として形成されている。

この発光素子収納用パッケージ１０には、階段１７の表面にＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなるメタライズ金属層を設けることができる。更に、このメタライズ金属層の上面には、銀（Ａｇ）等からなる貴金属めっき被膜を形成して、半導体発光素子１２からの発光を更に効率的に反射させて、発光効率を向上させることができる。

ここで、図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１０の作製方法を説明する。発光素子収納用パッケージ１０を作製するためのセラミック基板１６には、通常、Ａｌ_２Ｏ_３や、ＡｌＮ等のセラミックからなるセラミックグリーンシートが用いられている。このセラミックグリーンシートが例えば、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックからなる場合には、Ａｌ_２Ｏ_３粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及び、トルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤が加えられ、十分に混練した後、脱泡して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーが作成され、ドクターブレード法等によって、所望の厚さからなるロール状のシートに形成され、適当な大きさにカットしてセラミックグリーンシートが作製されている。

図２（Ａ）に示すように、セラミックグリーンシートは、基体１１用として１又は複数枚が準備されるが、ここでは、例えば、１枚からなる第１のセラミックグリーンシート２３を準備している。この第１のセラミックグリーンシート２３には、必要に応じてビア導体２１を形成するためのビア用貫通孔を打抜き金型や、パンチングマシーン等を用いて穿設して形成している。そして、第１のセラミックグリーンシート２３の上面側には、Ｗや、Ｍｏ等の高融点金属からなるメタライズペーストを用いてスクリーン印刷してダイボンドパッド１８、ボンディングパッド２０、及びビア導体２１等のメタライズ配線パターン用のメタライズ印刷パターン２４を形成している。また、第１のセラミックグリーンシート２３の下面側には、Ｗや、Ｍｏ等の高融点金属からなるメタライズペーストを用いてスクリーン印刷してそれぞれの外部接続端子パッド２２等のメタライズ配線パターン用のメタライズ印刷パターン２４ａを形成している。

図２（Ｂ）に示すように、セラミックグリーンシートは、枠体１４用としてそれぞれの焼成後の厚さが０．０２５〜０．３ｍｍの範囲になる３枚以上が準備されるが、ここでは、例えば、それぞれの焼成後の厚さが０．１５ｍｍになる５枚の第２のセラミックグリーンシート２５を準備している。この５枚の第２のセラミックグリーンシート２５のそれぞれには、重ね合わせて焼成後の積層体に開口部１３ができるように、上方から順次段階的に小さくなる開口部１３用の貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを５種類のピンと、ダイスからなる打抜き金型で打抜いて形成している。この打抜き金型で打抜いた貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは、ピンの径と、ダイスの孔径とのクリアランスを小さくして壁面を略垂直に形成できるので、貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの壁面に部分的にえぐれた様な凸凹を発生させることなく安定した反射面形状とすることができる。

なお、５枚の第２のセラミックグリーンシート２５が重ね合わされて形成される枠体１４の階段１７の表面にメタライズ金属層を形成する場合には、重ね合わせる前の５枚のそれぞれの第２のセラミックグリーンシート２５の貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの壁面、及び貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの上面側周縁部にＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷してメタライズ印刷パターンを形成した後、５枚の第２のセラミックグリーンシート２５を重ね合わせている。あるいは、メタライズ金属層を形成する場合には、５枚の第２のセラミックグリーンシート２５を重ね合わせた後に、全ての貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの壁面、及び貫通孔２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄの上面側周縁部にＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷して一度にメタライズ印刷パターンを形成している。このメタライズ金属層上には、Ａｇめっき被膜等が形成でき半導体発光素子１２からの発光を更に効果的に反射できる反射層を形成することができる。

次に、図２（Ｃ）に示すように、第１のセラミックグリーンシート２３と、第２のセラミックグリーンシート２５は、重ね合わされて温度と圧力をかけて押圧して接着している。

次に、図２（Ｄ）に示すように、重ね合わされた第１のセラミックグリーンシート２３と、第２のセラミックグリーンシート２５は、還元雰囲気中の１６００℃程度の温度で第１のセラミックグリーンシート２３、第２のセラミックグリーンシート２５、及びメタライズ印刷パターン２４、２４ａを同時焼成して約３０％程度収縮させ、メタライズ配線パターンを設ける基体１１と枠体１４からなる発光素子収納用パッケージ１０としている。なお、発光素子収納用パッケージ１０には、必要に応じて、外部に露出する金属部分にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜や、Ａｇめっき被膜等の貴金属めっき被膜が施される。

本発明の発光素子収納用パッケージは、ＬＥＤ等からなる半導体発光素子を搭載させて発光効率を向上できる照明や、ディスプレイ等に用いることができる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は同発光素子収納用パッケージの作製方法の説明図である。 従来のセラミック製の発光素子収納用パッケージの説明図である。

符号の説明

１０：発光素子収納用パッケージ、１１：基体、１２：半導体発光素子、１３：開口部、１４：枠体、１５：キャビティ部、１６：セラミック基板、１７：階段、１８：ダイボンドパッド、１９：ボンディングワイヤ、２０：ボンディングパッド、２１：ビア導体、２２：外部接続端子パッド、２３：第１のセラミックグリーンシート、２４、２４ａ：メタライズ印刷パターン、２５：第２のセラミックグリーンシート、２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ：貫通孔

Claims (2)

1. 平板状のセラミック製の基体と、開口部を有する平板状のセラミック製の枠体の接合体からなり、前記基体の上面と前記枠体の開口部とで形成される半導体発光素子を収納するためのキャビティ部を設ける発光素子収納用パッケージにおいて、
   前記枠体が３枚以上のセラミック基板の積層体からなると共に、前記枠体の前記セラミック基板のそれぞれの厚さが０．０２５〜０．３ｍｍからなり、しかも前記キャビティ部の壁面に前記枠体の前記開口部で形成される複数段の階段を有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
2. 請求項１記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記階段の表面にメタライズ金属層を有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。

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