JP2008218761A - 発光素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子を精度よくフリップチップ方式で実装でき、発熱を効率的に放熱させることができ、接続部の信頼性に優れる安価な発光素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】窒化アルミニウム多層基板１１の上面の中央部に、発光素子をフリップチップ方式で実装させるためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される接続パッド１２と、発光素子の全てを囲繞して発光を反射させるための反射体１３を有すると共に、その外側周辺部に、接続パッド１２と電気的に導通状態で外部と電気的に導通状態とするためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される外部接続端子パッド１５を有し、しかも、窒化アルミニウム多層基板１１の下面全面に当接して、発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体１６が締め付け方式で取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子を収納するための発光素子収納用パッケージに関し、より詳細には、発光素子を窒化アルミニウム多層基板の上面にフリップチップ方式で実装でき、発光素子からの発光を反射体で反射させると共に、発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体を取り付けできる発光素子収納用パッケージに関する。

図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、複数個の発光素子がフリップチップ方式で実装される従来の発光素子収納用パッケージ、他の発光素子収納用パッケージを説明する。
図３（Ａ）に示すように、従来の発光素子収納用パッケージ５０は、発光素子を載置するために、セラミックや、樹脂を用いて基体５１を作製している。しかしながら、樹脂は、セラミックに比較して熱伝導率が低いので、放熱性を要求される発光素子収納用パッケージには不向きとなっている。そこで、基体５１には、例えば、樹脂に比較して熱伝導率の高いアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のセラミックを用いることが多くなってきている。発光素子収納用パッケージにアルミナのセラミックを用いる場合には、先ず、アルミナからなる複数枚のセラミックグリーンシートを作製している。そして、それぞれのセラミックグリーンシートには、タングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属を用いてスクリーン印刷し、それぞれのセラミックグリーンシートを重ね合わせて積層した後、焼成して導体配線パターンを設けたセラミック多層基板からなる基体５１を形成している。これにより、この発光素子収納用パッケージ５０には、基体５１の上面に発光素子をワイヤボンド方式や、フリップチップ方式で実装させるためのタングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる接続パッド５２が形成されている。また、発光素子収納用パッケージ５０には、基体５１の上面に発光素子を囲繞して発光素子からの発光を反射させるためのセラミックや、金属等からなる枠状の反射体５３が形成されている。更に、この発光素子収納用パッケージ５０には、基体５１の下面に、基体５１の上面の接続パッド５２と電気的に接続状態でタングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる外部接続端子パッド５４が形成されている。

上記の発光素子収納用パッケージ５０は、発光素子からの発熱を放熱させるための、例えば、アルミニウム等を用いてフィン状に形成された放熱体５５を接合するのに、基体５１の下面に外部接続端子パッド５４を有するので、金属コア樹脂基板等のような比較的高熱伝導性を有する中継基板５６が用いられている。この中継基板５６には、上面に設ける導体配線５７に外部接続端子パッド５４を半田５９で接続した後、中継基板５６の下面に設ける接続用導体５８を介して放熱体５５に半田５９で接合している。なお、上記の発光素子収納用パッケージ５０に実装された発光素子は、外部接続端子パッド５４を接合させた中継基板５６上面の導体配線５７の延設先に電線等からなる外部接続端子６０を接合させることで外部と電気的な導通状態を形成している。

図３（Ｂ）に示すように、従来の発光素子収納用パッケージ５０ａは、上記と同様のセラミックグリーンシートを用いて導体配線パターンを設けたセラミック多層基板からなる基体５１ａを形成している。そして、この発光素子収納用パッケージ５０ａの基体５１ａの上面には、上記の発光素子収納用パッケージ５０の場合と同様に、タングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる導体接続パッド５２や、セラミックや、金属等からなる枠状の反射体５３が形成されている。また、発光素子収納用パッケージ５０ａの基体５１ａの上面には、反射体５３の外側周辺部に、導体接続パッド５２と電気的に接続状態でタングステンや、モリブデン等の高融点金属からなる外部接続端子パッド５４ａが形成されている。そして、発光素子収納用パッケージ５０ａに実装された発光素子は、外部接続端子パッド５４ａに電線等からなる外部接続端子６０を接合させることで外部と電気的な導通状態を形成している。また、この発光素子収納用パッケージ５０ａは、発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体５５を接合するのに、基体５１ａの下面に設ける接続用導体５８ａを介して放熱体５５に直接半田５９で接合している。

しかしながら、上記の発光素子収納用パッケージ５０は、基体５１と、放熱体５５との間の中継基板５６と、基体５１と中継基板５６との間に接続部を除いて隙間があるので、発光素子からの発熱の基体５１を通して放熱体５５への熱伝導性が低くなり、放熱性の低下となっている。また、上記の発光素子収納用パッケージ５０ａは、それぞれの熱膨張係数の異なるセラミックからなる基体５１ａと、金属からなる放熱体５５を半田５９で接合しているので、繰り返しの加熱、冷却によって接合部材間のそれぞれの熱膨張係数の差からの歪みで半田５９にクラック等が発生し、接合信頼性の低下となっている。更に、上記の発光素子収納用パッケージ５０、５０ａは、熱伝導率が樹脂より優れるアルミナを用いたセラミック多層基板からなる基体５１、５１ａを用いて形成されたとしても、近年の発光効率の向上が求められる電子機器への使用では、発光素子からの発熱が増大して、この発熱を効率的に放熱させるための熱伝導率が小さく、発光効率を向上させることができなくなっている。

従来の発光素子収納用パッケージには、セラミック多層基板に窒化アルミニウムからなるセラミックグリーンシートを積層し、焼成して白色度が高く、発光素子からの発光の反射率を向上させることができると共に、熱伝導率が高く、発光素子からの発熱を効率的に放熱させることができるパッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
従来の発光素子収納用パッケージには、フリップチップ方式で発光素子を実装するための基体が第１の金属板と、第２の金属板との間に互いの金属板を絶縁する絶縁体を対向する側縁間に介在させたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
従来の発光素子収納用パッケージには、発光素子が上面に実装される実装基板の下面の外周辺部に弾性変形可能な外部接続用電極と、中央部に金属板からなる放熱体を設けた構成のパッケージや、セラミック多層基板の中央部を刳り貫いた部分に放熱体を設けて、この放熱体の上面に発光素子を搭載するパッケージが提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
従来の発光素子収納用パッケージには、発光素子が実装されるシリコンサブマウントを放熱体に接合させたものが提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特開２００５−１９１０６５号公報 特開２００４−１５２８０８号公報 特開２００６−３０３３９６号公報 特開２００６−３２８０４号公報 特開２００５−３５４０６７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、次のような問題がある。
（１）特開２００５−１９１０６５号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、セラミック多層基板に熱伝導率に優れる窒化アルミニウム多層基板を用いたとしても、近い将来の発光素子が１００ｌｍ／Ｗ（ルーメン毎ワット）を超えるような発光効率を求められる自動車用ヘッドランプや、街路灯等のランプとして用いられる場合には、発光素子からの発熱が大きく、放熱性が充分でないので、ランプの発光効率の低下となり、厳しい信頼性要求品質を満足させることができなくなっている。
（２）特開２００４−１５２８０８号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、１個の発光素子を搭載する場合の基体には、放熱性に優れるパッケージとして好ましい形態であるが、複数個の発光素子を搭載させる場合には、電気的導通を形成するための配線が複雑となり、発光素子収納用パッケージのコストアップとなっている。
（３）特開２００６−３０３３９６号公報、特開２００６−３２８０４号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、基体の下面の中央部にのみ放熱体が接合されるので、発光素子からの発熱の放熱性が充分でなく、発光素子の発光効率を向上させることができなくなっている。
（４）特開２００５−３５４０６７号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、発光素子が搭載されるシリコンサブマウントが熱伝導率が低いので、例え、シリコンサブマウントの下面に放熱体を接合して設けたとしても、充分な放熱性が得られなく、発光素子の発光効率を向上させることができなくなっている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、複数個の発光素子を精度よくフリップチップ方式で実装でき、発光素子からの発熱を効率的に放熱させることができ、接続部の信頼性に優れる安価な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、窒化アルミニウム多層基板の上面の中央部に、複数個の発光素子をフリップチップ方式で実装させるためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される接続パッドと、発光素子の全てを囲繞して発光素子からの発光を反射させるための反射体を有すると共に、窒化アルミニウム多層基板の上面の反射体の外側周辺部に、接続パッドと電気的に導通状態で外部とフレキシブル配線基板を介して電気的に導通状態とするためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される外部接続端子パッドを有し、しかも、窒化アルミニウム多層基板の下面全面に当接して、発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体が反射体の外側周辺部においての締め付け方式で取り付けられる。

ここで、上記の発光素子収納用パッケージは、窒化アルミニウム多層基板の下面全面にＣｕ膜を有し、発光素子からの発熱をＣｕ膜を介して放熱させるための放熱体が当接され、締め付け方式で取り付けられるのがよい。

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、窒化アルミニウム多層基板の上面の中央部に、複数個の発光素子をフリップチップ方式で実装させるためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される接続パッドと、発光素子の全てを囲繞して発光素子からの発光を反射させるための反射体を有すると共に、窒化アルミニウム多層基板の上面の反射体の外側周辺部に、接続パッドと電気的に導通状態で外部とフレキシブル配線基板を介して電気的に導通状態とするためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される外部接続端子パッドを有し、しかも、窒化アルミニウム多層基板の下面全面に当接して、発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体が反射体の外側周辺部においての締め付け方式で取り付けられるので、高熱伝導率のＣｕ膜の接続パッドを設ける高熱伝導率の窒化アルミニウム多層基板、これを直接半田のような剛体接続ではなく、締め付け方式で窒化アルミニウム多層基板の下面全面に取れ付けた放熱体からなり、それぞれの部材に熱膨張係数の差があったとしても、接合に半田を用いた場合のような半田クラックを発生させるようなことなく実装され、接合信頼性を向上できると共に、発光素子からの発熱を速やかにパッケージ外部へ放熱させることができ、発光素子の発熱による発光効率の低下を抑えて発光効率を向上させることができる。また、複数個のそれぞれの発光素子をＣｕ膜のエッチング方式で形成される高寸法精度の接続パッドにフリップチップ方式で実装してそれぞれの発光素子の発光効率を最大限に引き出すことができると共に、全体としての発光効率を向上でき、しかも、発光素子の全てを囲繞する反射体で全体としての発光効率を更に向上させることができる。更に、複数個の発光素子を搭載させるための接続パッド等の導体配線は、Ｃｕ膜のエッチング方式で容易に形成することができるので、安価な発光素子収納用パッケージを提供することができる。更に、また、発光素子は、搭載するための接続パッドがＣｕ膜のエッチング方式で形成され、寸法精度に優れるので、シリコンからなるサブマウント上に搭載する必要がなく、直接窒化アルミニウム多層基板に搭載でき、発熱を熱伝導率の高い窒化アルミニウム多層基板に速やかに伝熱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、窒化アルミニウム多層基板の下面全面にＣｕ膜を有し、発光素子からの発熱をＣｕ膜を介して放熱させるための放熱体が当接され、締め付け方式で取り付けられるので、熱伝導率の高いＣｕ膜が窒化アルミニウム多層基板と、放熱体との間の密着性を向上でき、発光素子からの発熱を速やかに放熱体に伝熱させて放熱効率を向上でき、発光素子の発熱による発光効率の低下を抑えて発光素子の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は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説明図、図２は同発光素子収納用パッケージの変形例の説明図である。

図１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、形状を限定するものではないが、例えば、四角形からなる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）多層基板１１を複数個のＬＥＤ等の発光素子を搭載させるための基体としている。この窒化アルミニウムは、例えば、１２０Ｗ／ｍ・Ｋや、１７０Ｗ／ｍ・Ｋといった高熱伝導率を有しているので、高熱を発する発光素子の熱による発光効率の低下を抑えるために、速やかな放熱を促進できる基体として好適な材料となっている。この発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム多層基板１１の上面の中央部に、複数個の発光素子をフリップチップ方式で実装させるための接続パッド１２を有している。フリップチップ方式で実装される発光素子は、下面側を接続端子として、上面側の発光部分を大きくすることができると同時に、ボンディング方式のような上面側にボンディングワイヤ等の発光を遮るような障害物がないので、発光素子からの発光を効率的に発光させることができる。上記の接続パッド１２は、発光素子をフリップチップ方式で精度よく接合して搭載するために、窒化アルミニウム多層基板１１にＣｕ厚膜印刷焼成法でＣｕ膜を形成した後、パッドパターンを残すようにして形成するエッチング方式で寸法精度のよいパッドパターンに形成している。また、接続パッド１２は、Ｃｕ膜で形成されるＣｕの高熱伝導率によって、発光素子からの発熱を速やかに伝熱させることができる。

ここで、窒化アルミニウムのセラミックグリーンシートを用いて形成する窒化アルミニウム多層基板１１の製造方法を簡単に説明する。窒化アルミニウムのセラミックグリーンシートは、先ず、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤を適当量加えた粉末に、可塑剤と、バインダー、及び溶剤を加え、十分に混練し、脱泡してスラリーを作製し、ドクターブレード法等によって、所望の厚みのシート状にしている。そして、シート状からは、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製している。次いで、セラミックグリーンシートには、１又は複数枚に、接続パッド１２と外部接続端子パッド１５を多層構造で電気的に導通状態とするために、ビア用の貫通孔を打ち抜きプレス等で成形して形成している。次いで、それぞれのセラミックグリーンシートには、タングステンや、モリブデン等の高融点金属を用いてビア導体や、配線導体パターンをスクリーン印刷で形成した後、全てのセラミックグリーンシートを重ね合わせて温度と圧力をかけて一体化して積層体を形成している。次いで、積層体は、高温で焼成して窒化アルミニウム多層基板１１を作製している。

上記の発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム多層基板１１の上面の中央部に実装される複数個の発光素子の全てを囲繞して発光素子からの発光を反射させるための反射体１３を有している。この反射体１３は、形状を限定するものではないが、例えば、平面視して円形のセラミックや、金属等からなり、通常、内周面に傾斜を持たせ、更に傾斜面に銀めっき被膜等を形成したりして反射効率を向上できるようにしている。窒化アルミニウム多層基板１１と反射体１３の接合には、樹脂や、ガラスや、ろう材等が用いられている。

また、この発光素子収納用パッケージ１０は、窒化アルミニウム多層基板１１の上面の反射体１３の外側周辺部に、接続パッド１２と電気的に導通状態で外部とフレキシブル配線基板１４を介して電気的に導通状態とするための外部接続端子パッド１５を有している。この外部接続端子パッド１５は、接続パッド１２と同様に、窒化アルミニウム多層基板１１にＣｕ厚膜印刷焼成法でＣｕ膜を形成した後、パッドパターンを残すようにして形成するエッチング方式で形成している。なお、外部接続端子パッド１５と接続パッド１２は、反射体１３が形成される前の窒化アルミニウム多層基板１１の同一面にあるので、同時に形成することができる。

更に、この発光素子収納用パッケージ１０には、窒化アルミニウム多層基板１１の下面全面に当接して、発光素子からの発熱を放熱させるためのアルミニウム等の金属からなるフィン状の放熱体１６が取り付けられるようになっている。この放熱体１６と窒化アルミニウム多層基板１１は、反射体１３の外側周辺部においての締め付け方式で取り付けられるようになっている。この締め付け方式での取り付けには、かしめ止め、ねじ止め、挟み止め等があり、いずれも両者を機械的に締め付けることで当接させている。放熱体１６と窒化アルミニウム多層基板１１の締め付け方式での放熱効果は、従来の中継基板を用いて半田で接合の場合に比して、１．４倍の性能の向上がシミュレーションによって確認されている。

次いで、図２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の変形例を説明する。
図２に示すように、発光素子収納用パッケージ１０の変形例の発光素子収納用パッケージ１０ａは、基本的に発光素子収納用パッケージ１０と同様な形態を有しているので、異なる部分のみ説明する。この発光素子収納用パッケージ１０ａには、下面全面にＣｕ厚膜印刷焼成法等で形成されるベタ状のＣｕ膜１７を有する窒化アルミニウム多層基板１１ａが用いられている。この発光素子収納用パッケージ１０ａは、放熱体１６と窒化アルミニウム多層基板１１ａを締め付け方式で当接させた時に、窒化アルミニウム多層基板１１ａ上に搭載された発光素子からの発熱をベタ状のＣｕ膜１７を介して速やかに放熱体１６に伝熱させることができ、放熱性を向上させることができるようになっている。

本発明の発光素子収納用パッケージは、１００ｌｍ／Ｗ（ルーメン毎ワット）を超えるような発光効率を求められる自動車用ヘッドランプや、街路灯等のランプとして用いることができる。

は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説明図である。 は同発光素子収納用パッケージの変形例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は従来の発光素子収納用パッケージ、他の従来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、１０ａ：発光素子収納用パッケージ、１１、１１ａ：窒化アルミニウム多層基板、１２：接続パッド、１３：反射体、１４：フレキシブル配線基板、１５：外部接続端子パッド、１６：放熱体、１７：Ｃｕ膜

Claims (2)

1. 窒化アルミニウム多層基板の上面の中央部に、複数個の発光素子をフリップチップ方式で実装させるためのＣｕ膜のエッチング方式で形成される接続パッドと、前記発光素子の全てを囲繞して該発光素子からの発光を反射させるための反射体を有すると共に、前記窒化アルミニウム多層基板の上面の前記反射体の外側周辺部に、前記接続パッドと電気的に導通状態で外部とフレキシブル配線基板を介して電気的に導通状態とするための前記Ｃｕ膜のエッチング方式で形成される外部接続端子パッドを有し、しかも、前記窒化アルミニウム多層基板の下面全面に当接して、前記発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体が前記反射体の外側周辺部においての締め付け方式で取り付けられ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、前記窒化アルミニウム多層基板の下面全面に前記Ｃｕ膜を有し、前記発光素子からの発熱を前記Ｃｕ膜を介して放熱させるための前記放熱体が当接され、前記締め付け方式で取り付けられ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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