JP4238693B2 - 光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスに関し、特に、発光素子の高出力化に対して、耐熱性、長期信頼性に優れるガラス材でＬＥＤ素子を封止するようにした光デバイスに関する。

近年、高出力のＬＥＤ（Light-Emitting Diode：発光ダイオード）の開発が進められており、すでに数ワットの大出力タイプも製品化されている。ＬＥＤは発熱の少ないことが特徴であるが、高出力（高輝度）タイプのＬＥＤ素子は大電流が流れるため、無視できないレベルの発熱が生じる。

従来、ＬＥＤ素子には高出力型がなく、従って特に放熱対策はとられておらず、リード部分から放熱させることで済んでいた。そして、発熱が問題になる場合には、ＬＥＤ素子を搭載している部材の下面に銅製の放熱板を取り付けるなどの対策が取られていた（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１のＬＥＤパッケージでは、ヒートシンクとなるスラグがインサートモールドされると共に成形された埋め込みプラスチック材料を有するリードフレームに挿入される。スラグには、熱伝導性に優れる副基台を介して発光ダイオードダイ（ＬＥＤダイ）が直接的又は間接的に取り付けられ、ＬＥＤダイにはＬＥＤが実装される。ＬＥＤ及び発光ダイオードダイとリードフレームとの間は、ワイヤによって接続される。ＬＥＤは光学的に透明なレンズおよびカプセル材によって覆われている。

このような構成にすることで、ＬＥＤダイはスラグに熱的に結合されているため、ＬＥＤダイは従来のパッケージよりも低い接合温度に維持される。温度が低くなることで、ＬＥＤダイは大きな熱応力を受けることがなくなり、大電力動作における信頼性及び良好な特性を維持することができる。
特開２０００−１５０９６７号公報（［０００８］、図２）

しかし、従来の発光装置によると、以下のような問題がある。
（１）保持部材に対し封止部材を直接接着、あるいは保持するものでないため、２次的な保持材料（例えば、埋め込みプラスチック材料）が必要になり、部品点数が増加するとともにコンパクトなパッケージを実現することができない。
（２）また、２次的な保持材料が樹脂で形成されているため、鉛フリーのリフロー炉対応の耐熱性がない。

一方、耐久性及び耐熱性に優れる材料としてはガラス材があるが、ガラスを用いて封止する場合、加熱加工に耐える耐熱性が要求される。また、ガラス材は、高温で加工されるため、接着される部材によっては封止時に熱膨張収縮の差に基づく界面剥離が発生し易くなる。

従って、本発明の目的は、耐熱性、耐光性を有するとともに熱膨張収縮によって破壊することのない光デバイスを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、光学素子と、前記光学素子を搭載し、熱膨張率が前記光学素子に対して同等であり、前記光学素子を搭載する面の面積が前記光学素子の２倍以下の素子マウント部と、前記素子マウント部を嵌合するための孔を備え、前記素子マウント部より熱膨張率の大なる保持部材と、前記光学素子を封止するとともに対象波長に対して透光性を有し、ガラス材で形成される封止部材とを有し、前記素子マウント部は、前記光学素子を搭載する面が前記封止部材側に前記保持部材の前記孔から露出するように配置され、前記保持部材と前記封止部材とが接合され、前記保持部材と前記封止部材との熱膨張率の差が、前記保持部材の熱膨張率に対して１５％以内であることを特徴とする光デバイスを提供する。

前記光学素子は、複数であり、
前記素子マウント部は、複数の前記光学素子ごとに設けられ、互いに島状に配置されていてもよい。

前記封止部材は、前記光学素子及びその周囲を封止する第１の封止部材と、前記第１の封止部材及び前記保持部材の上面の露出面を封止する第２の封止部材とを備え、
前記第１の封止部材は、前記素子マウント部と前記第２の封止部材との中間の熱膨張率を有することが好ましい。

前記素子マウント部は、前記保持部材と凹凸嵌合可能な断面凸状に形成されていることが好ましい。

前記保持部材は、セラミック材料で形成されていても良い。

前記保持部材は、ガラス含有のＡｌ₂Ｏ₃材料で形成されていても良い。

前記保持部材は、配線パターンを断面内に積層した多層基板であっても良い。

前記光学素子は、発光素子であっても良い。

前記光学素子は、フリップチップ接合されるものであっても良い。

前記光学素子は、フェイスアップタイプの発光素子であり、前記発光素子と電気的に接続されるワイヤとともに耐熱性材料によって覆われているものであっても良い。

前記素子マウント部は、底面に放熱部を有していても良い。

本発明の光デバイスによれば、光学素子と素子マウント部材の熱膨張率を同等として、光学素子および素子マウント部材の箇所での温度差によるストレスを低減するようにしたため、デバイス製造時の加工温度やリフロー炉雰囲気温度、あるいは使用に伴って生じる発熱に起因する熱膨張収縮による光学素子への応力ダメージが生じないものとした。そして、更に保持部材と封止部材との熱膨張率を同等とし、保持部材の貫通孔に素子マウント部材を嵌入して保持する構成であるとともに、素子マウント部材のＬＥＤ素子をマウントする面は略ＬＥＤ素子サイズとしてあるため、ガラス加工時の高温状態と常温状態の温度差によって生じるストレスを、接触面積が広く、直線距離も長い保持部材と封止部材との間は低く抑え、剥離やクラックが生じないものとすることにより、ガラス封止を可能とし、対象とする波長の光に対する耐光性、耐熱性を確保できるとともにコンパクトなパッケージが実現できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この発光装置１は、ＬＥＤ素子１１と、このＬＥＤ素子１１が搭載される素子マウント部１２と、この素子マウント部１２を貫通孔部分に搭載する保持部材１３と、素子マウント部１２及びその周囲の保持部材１３を封止する封止部材１４（ガラス封止部）とを備えて構成される。

ＬＥＤ素子１１は、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ等の材料（熱膨張率４〜６×１０^-6／℃）を用いて作られた高出力型であり、下面には保持部材１２の配線層との接続に用いられる電極１１ａ（又は半田バンプ）が設けられたフリップチップ型である。

素子マウント部１２は、ＬＥＤ素子１１と同等の熱膨張率を有する材料、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム：熱膨張率７×１０^-6／℃）が用いられる。そして、素子マウント部１２の上面（保持部材１３から露出する部分）の面積は、ＬＥＤ素子１１の２倍以下、好ましくは同程度とする。素子マウント部１２は、その上面から側面に及ぶように配線層１２ａ，１２ｂが形成されており、ＬＥＤ素子１１の電極１１ａとの接続が行われる。また、保持部材１２は、必要に応じて素子破壊防止用のツェナーダイオード等を内蔵することができる。

保持部材１３は、セラミックである、ガラス含有のＡｌ₂Ｏ₃（熱膨張率１３×１０^-6／℃）が用いられ、所定位置には素子マウント部１２を嵌入するための貫通孔が形成されている。この貫通孔には、保持部材１３の上面、貫通孔内の側面及び保持部材１３の下面にかけて、配線層１２ａ，１２ｂに接続される配線層１３ａ，１３ｂが形成されている。

封止部材１４は、保持部材１３と同等の熱膨張率（保持部材１３の熱膨張率に対する保持部材１３と封止部材１４との熱膨張率の差が１５％以内）の透光性の低融点ガラス（熱膨張率１１×１０^-6／℃）を用いる。なお、低融点ガラスは、一般のガラスに対して熱膨張率が大きい。また、低融点ガラスを用いなければ、ＬＥＤ素子１１は加工時に熱的なダメージを受ける。

次に、発光装置１の製造工程について説明する。

素子マウント部１２には、別工程により、予め配線層１２ａ，１２ｂが形成され、また、ＬＥＤ素子１１には電極１１ａが予め形成されているものとする。まず、保持部材１３の所定の位置に素子マウント部１２を嵌合可能な貫通孔を形成し、次に、貫通孔を通して配線層１３ａ，１３ｂが形成される。次に、保持部材１３の貫通孔内に、素子マウント部１２を嵌入する。このとき、配線層１２ａ，１２ｂと配線層１３ａ，１３ｂが向き合うようにし、ろう材（Ａｕ−Ｓｉ系）を介して嵌入する。この状態のまま、４００℃以上の温度雰囲気に置き、配線層間のろう材を溶融させることによって素子マウント部１２を保持部材１３に固定する。なお、保持部材１３を予め素子マウント部１２に実装済にしておいてから、このＬＥＤ素子１１を保持部材１３に搭載する順序であっても良い。

次に、配線層１２ａ，１２ｂと電極１１ａとの極性を合致させて、素子マウント部１２の上面にＡｕバンプを介してＬＥＤ素子１１を搭載することにより、ＬＥＤ素子１１の接続及び固定が完了する。次に、ＬＥＤ素子１１及びその周囲の保持部材１３の上面を覆うように封止部材１４が封止される。図１では、一様な厚みになるように封止部材１４を設けたが、ＬＥＤ素子１１上にレンズが形成されるような形状に封止を行っても良い。

例えば、配線層１３ａがＬＥＤ素子１１のアノード側に接続されているとすると、配線層１３ａに直流電源（図示せず）のプラス側が接続され、配線層１３ｂにはマイナス側が接続される。電源供給に伴い、電流は、配線層１３ａ→配線層１２ａ→ＬＥＤ素子１１→配線層１２ｂ→配線層１３ｂの経路で流れ、ＬＥＤ素子１１が発光する。ＬＥＤ素子１１の上面から出た光は封止部材１４内を通過して外部へ出光する。

上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）封止部材１４を対象波長に対して透光性を有するガラスで形成しているため、光や熱による劣化が封止樹脂に対して極めて小であり、長期にわたって安定した発光特性が得られる。
（２）ＬＥＤ素子１１と素子マウント部１２の熱膨張率を同等としたので、ガラス加工時の高温状態と常温状態の温度差や、ＬＥＤ素子１１の点滅動作に伴って生じる温度差によるＬＥＤ素子１１および素子マウント部１２の箇所でのストレスを低減し、信頼性に優れるものとすることができる。
（３）保持部材１３と封止部材１４との熱膨張率を同等とし、保持部材１３の貫通孔に素子マウント部１２を嵌入して保持する構成であるとともに、素子マウント部１２のＬＥＤ素子１１をマウントする面は略ＬＥＤ素子サイズとしてあるため、ガラス加工時の高温状態と常温状態の温度差によって生じるストレスを、接触面積が広く、直線距離も長い保持部材１３と封止部材１４との間は低く抑え、剥離やクラックが生じないものとしてある。また、封止部材１４に対し、低熱膨張率となるＬＥＤ素子１１と素子マウント部１２とは、極力小サイズ（ＬＥＤ素子１１のサイズ）であることと、ガラス加工時の冷却時に圧縮力が加わることで、剥離やクラックが生じないものとしてある。こうして、ガラス封止されたＬＥＤを具体化できる。
（４）保持部材１３と封止部材１４は、封止部材１４にガラスを用いていることにより、化学反応による接合がなされるため、封止部材１４として樹脂を用いた場合に比べて界面剥離が生じにくくなる。更に、コンパクトなパッケージを実現でき、保持部材１３と封止部材１４の接着面積が狭くても、充分な接着力を得ることができる。
（５）保持部材１３の一方に封止部材１４、もう一方に外部端子としての配線層１３ａ、１３ｂを設けることができ、コンパクトな表面実装型光デバイスとすることができる。
（６）構成部材は、全て耐熱性部材であり、温度変化によるストレスも低く抑えてあるので、鉛フリーはんだのリフロー炉処理にも耐えることができる。

なお、封止部材１４に用いられるガラスは、有機材料と無機材料とを複合して形成したハイブリッドガラスでも良い。このような材料でも耐熱性、耐光性とともに低融点化を実現できるが、熱膨張率が一般のガラスに対して大であることは前述の低融点ガラスと同じである。

また、素子マウント部１２については、Ａｌ₂Ｏ₃の他に、ＡｌＮやシリコンで形成することも可能である。

また、保持部材１３に素子マウント部１２を嵌入するための貫通孔を形成するものとして説明したが、素子マウント部１２の封止部材側への露出面積が大きくなければ必ずしも貫通孔とする必要はない。

図２は、第１の実施の形態の光デバイスにおける保持部材の変形例を示す部分断面図である。ここでは、ＬＥＤ素子搭載部を中心にした主要部のみを図示を省略し、封止部材等の図示は省略している。図１の発光装置１では、搭載するＬＥＤ素子は１個としたが、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色、又は同一色でも発光数を多くして輝度を大にする、あるいは演色性を高める等の目的に応じてＬＥＤ素子を複数個にすることができる。

この場合、図２に示すように、発光装置２０の素子マウント部２１は、搭載するＬＥＤ素子の数に応じて最上面の搭載部の面積を大にする。ここでは、素子マウント部２１にＬＥＤ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃの３個が搭載されるものとする。素子マウント部２１は大きさが異なるのみで、使用材料等は素子マウント部１２と同じである。なお、この場合についても素子マウント部２１の最上面の搭載部の面積を３個のＬＥＤ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃが搭載可能な最小限の面積とすることが上記したストレス緩和において好ましい。

図２に示す発光装置２０は、ＬＥＤ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃが同一平面上に等間隔に配設されている。ＬＥＤ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、その全数が同一発光色であっても、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に応じて１個ずつに別けて搭載されていても良い。素子マウント部２１は、上記した配線層１２ａ，１２ｂのほか、ＬＥＤ素子２２ｂに接続される電極２１ａ、及びＬＥＤ素子２２ａ，２２ｃの他方の電極に接続される電極２１ｂ，２１ｃが上面に設けられている。これら電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、素子マウント部２１内のスルーホール又は上面に設けた図示せぬ配線層を通してアノード同士又はカソード同士の接続が行われる。

このような構成によると、複数のＬＥＤ素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃを搭載した場合でも保持部材１３と封止部材（図示せず）との間の熱膨張収縮に基づくストレスを抑え、かつ、ＬＥＤ素子１１および素子マウント部１２の箇所での熱膨張収縮に基づくストレスを低減して信頼性に優れる発光装置を実現できる。

図３は、第２の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は半田層と金属リードの配置状態を示す概略平面図である。第２の実施の形態は基本的に第１の実施の形態と同じであるが、異なるところは、素子マウント部の材質と形状の点と、保持部材３３を多層基板とし、基板内に回路パターンを形成した点と、保持部材３３と金属ベース部３２との接合箇所とにある。すなわち、発光装置３０は、１８０Ｗ・ｍ^-1・ｋ^-1の高熱伝導性を有するＡｌＮ（窒化アルミニウム：熱膨張率５×１０^-6／℃）を材料とし、下側が広い面積になるように段差を形成した断面凸状の素子マウント部３１にし、金属ベース部３２との接合部の面積が広くなるようにしている。また、金属ベース部３２の上面は平坦に加工し、金属ベース部３２と保持部材３３との間に接合面が生じるようにしている。

発光装置３０は、配線層１３ａ，１３ｂに代えて、金属リード３４ａ，３４ｂを有する。この金属リード３４ａ，３４ｂが金属ベース部３２に接触しないように、保持部材３３に凹部３３ｄ，３３ｅを形成し、この凹部３３ｄ，３３ｅ内に金属リード３４ａ，３４ｂの先端部を接続している。金属リード３４ａ，３４ｂとの接続のために、電極３３ａ，３３ｂが凹部３３ｄ，３３ｅの下面に設けられている。配線層１３ａ，１３ｂに代えて素子マウント部３１及び保持部材３３には、内部に配線層又はスルーホールを形成し、ＬＥＤ素子１１の電極１１ａから電極３３ａ，３３ｂに到る接続経路が形成されるようにしている。

素子マウント部３１の金属ベース部３２と接触する部分には、電気的接続には用いない金属パターンが形成されているとともに金属ベース部３２と半田付けされた半田層３１ａが形成され、また、これにより金属ベース部３２への放熱性を高めることができる。また、保持部材３３には金属ベース部３２と接触する部分に半田層３３ｃが形成されている。半田層３３ｃは“ロ”の字形に形成されているため、保持部材３３と金属ベース部３２との接触面により、封止部材３５と保持部材３３と金属ベース部３２とでＬＥＤ素子１１と素子マウント部３１とを封止することができる。

ＬＥＤ素子１１及び保持部材３３の所定範囲を覆うように設けられる封止部材３５は、封止部材１４と同じ材料及び同等の熱伝導率を有するものが使用され、封止部材１４と同様の形状に封止される。

発光装置３０の製造手順は、金属リード３４ａ，３４ｂの装着を除いて、第１の実施の形態の発光装置１と同じである。金属リード３４ａ，３４ｂは、金属ベース部３２を取り付ける前に、全体を裏返しにして位置決めし、次に、金属ベース部３２を素子マウント部３１及び保持部材３３上に位置決めする。この状態を保持したまま、リフロー炉に搬入し、半田溶着により金属リード３４ａ，３４ｂ及び金属ベース部３２を本体側に固定する。

発光装置３０への通電は、金属リード３４ａ，３４ｂが図１の配線層１３ａ，１３ｂに入れ代わるのみで、第１の実施の形態の発光装置１０と同じである。

上記した第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加え、素子マウント部３１の熱伝導性が高く、ＬＥＤ素子１１をマウントする面は、ＬＥＤ素子１１と同等であるが、下側は広がっており、伝熱経路が広く取られているため、ＬＥＤ素子１１が発する熱は金属ベース部３２に伝わり易く、ＬＥＤ素子１１点灯時の温度上昇を低く抑え、信頼性を高めることができる。更に、ＬＥＤ素子１１と素子マウント部３１とは、封止部材３５と保持部材３３と金属ベース部３２とで封止されており、水分等の侵入を受けることがない。また、電気的接続のための電気端子エリアを確保でき、素子マウント部３１と保持部材３３との高さを容易に正確に合わせることができる。また、保持部材３３を多層基板で形成しているため、金属リード３４ａ，３４ｂの接合における制約を低減することができる。

なお、素子マウント部３１は、熱伝導率１８０Ｗ・ｍ^-1・ｋ^-1のＡｌＮを用いたものとして説明したが、熱伝導率は１００Ｗ・ｍ^-1・ｋ^-1以上あれば十分な効果があり、熱膨張率がＬＥＤ素子１１と同等であればＡｌＮ以外の材料であっても良い。

図４は、第２の実施の形態における保持部材３３の変形例を示す図であり、（ａ）は、保持部材表面に反射膜を設けた構成、（ｂ）は、保持部材の凹部に反射膜を設けた構成である。図３の保持部材３３では、その上面は素材のままとしたが、ＬＥＤ素子１１の近傍に反射膜を設けてＬＥＤ素子１１から放射される光の反射効率を高めている。

図４（ａ）は貫通孔４１の上部の周囲に反射膜３３ｆを設けた構成であり、図４（ｂ）は貫通孔４１の上部にすり鉢形の凹部３３ｇを形成し、その内面に反射膜３３ｈを設けた構成である。反射膜３３ｆ、３３ｈは、銀蒸着、銀メッキ等による鏡面仕上げのほか、白色又は銀色の表面処理により設けることができる。

図４（ａ）では、図３に示した保持部材３３及び素子マウント部３１の厚み（高さ）を大きくしたが、素子マウント部３１の高さを図３（ａ）のままにし、保持部材３３のみを薄くしても良い。

このような構成によると、第２の実施の形態の好ましい効果に加えて、素子マウント部３１と保持部材３３との設計に自由度を与えることができる。

図４では、２例のみを示したが、例えば、専用の反射鏡をＬＥＤ素子１１を囲むようにして保持部材３３の上面に配設する構成であっても良い。また、凹部３３ｇに半円状の凹凸を形成したり、ダイヤカット状の多面形状を施しても良い。

図５は、第３の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図２の発光装置２０は、１つの素子マウント部上に複数のＬＥＤ素子を搭載した構成であったが、第３の実施の形態における発光装置５０は、ＬＥＤ素子毎に素子マウント部を用意しているところに構成上の違いがある。

発光装置５０は、１つの金属ベース部５１と、この金属ベース部５１上に所定間隔に搭載された１６個の素子マウント部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇ，５２ｈ，５２ｉ，５２ｊ，５２ｋ，５２ｌ，５２ｍ，５２ｎ，５２ｏ，５２ｐと（図５では、１６個の内の５２ｅ，５２ｆ，５２ｇ，５２ｈのみを示す。）、素子マウント部５２ａ〜５２ｐに対応して設けられた貫通孔に素子マウント部５２ａ〜５２ｐが嵌入される保持部材５３と、素子マウント部５２ａ〜５２ｐのそれぞれの上面に搭載される１６個のＬＥＤ素子５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ，５４ｅ，５４ｆ，５４ｇ，５４ｈ，５４ｉ，５４ｊ，５４ｋ，５４ｌ，５４ｍ，５４ｎ，５４ｏ，５４ｐと、保持部材５３及びＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐを覆うように封止される封止部材５５とを備えて構成されている。なお、図５においては、素子マウント部及びＬＥＤ素子は、それぞれを１６個にしたが、客先の要求等に応じて任意数にすることができる。

素子マウント部５２ａ〜５２ｐ、保持部材５３（多層基板）、ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐ、及び封止部材５５は、例えば、第２の実施の形態における素子マウント部１２、保持部材１３、及び封止部材１４と同一の材料、及び特性（熱膨張率等）のものが使用される。素子マウント部５２ａ〜５２ｐ及び保持部材５３の下面（金属ベース部５１側の面）には銅箔層が設けられており、金属ベース部との接合に用いられるが、ここでは素子マウント部５２ａ〜５２ｐ及び保持部材５３における各銅箔層をまとめて銅箔層５８としている。

ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に対応してグループ分けされたＬＥＤ素子群と、同一色（例えば、青）を複数にグループ分けされたＬＥＤ素子群である。具体的には、１６個のＬＥＤ素子は、５４ａ〜５４ｄからなる第１のグループと、５４ｅ〜５４ｈからなる第２のグループと、５４ｉ〜５４ｌからなる第３のグループと、５４ｍ〜５４ｐからなる第４のグループの４つのグループに分けられ、各４個のＬＥＤ素子は極性を合わせて直列接続されている。４つのグループの一方の極（例えば、アノード）は、素子マウント部５２ａ〜５２ｐ及び保持部材５３に形成された不図示の配線によって共通接続され、端子５６ｅに接続されている。

第１〜第４のグループの他方の極（例えば、カソード）は、端子５６ａ〜５６ｄに個別に接続され、端子５６ａ〜５６ｄには電流制限のための抵抗Ｒ１〜Ｒ４の一端が接続され、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の他端は電源用端子５７ａ〜５７ｄに接続されている。抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、素子マウント部５２ａ〜５２ｐや保持部材５３には内蔵されず、外付けにする。例えば、端子５７ａと端子５６ｅの間に所定電圧の直流電源が接続されるとＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｄの４個が同時に発光し、端子５７ａ及び５７ｄと端子５６ｅの間に電源が接続された場合にはＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｄ及び５４ｍ〜５４ｐの８個が同時に発光する。

上記した第３の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）発光装置５０は、素子マウント部をＬＥＤ素子毎に設けているため、第２の実施の形態の好ましい効果に加えてＬＥＤ素子の使用数が増減しても、ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐ点灯時の温度上昇を低く抑えることができる。また、ＬＥＤ素子の個数が変更される度に素子マウント部を新規に設計する必要がなくなり、設計の融通性が向上するほか、客先の注文に対する納期の短縮も可能になる。
（２）封止部材５５の熱膨張率を保持部材５３と同等に形成するとともに、素子マウント部５２ａ〜５２ｐを保持部材５３へ島状に配置しているため、素子マウント部５２ａ〜５２ｐより熱膨張率の大きい封止部材５５や保持部材５３の熱膨張収縮に対し、各素子マウント部がその膨張収縮に合わせて移動し、複数個のＬＥＤ素子を配列しても温度に起因する応力は単一のＬＥＤ素子の際と同等であり、ＬＥＤ素子と素子マウント部間での応力は生じず、さらに封止部材５５と保持部材５３との間での界面剥離等が生じない。
（３）ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐが発した熱は、素子マウント部５２ａ〜５２ｐを通して保持部材５３に伝熱して放熱が行われるため、熱効率が向上し、ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐが高出力型であっても、ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐ、素子マウント部５２ａ〜５２ｐ、保持部材５３、ガラス封止部５５等にダメージを及ぼすことがなくなり、耐熱性、耐候性、耐久性が向上する。
（４）多層基板からなる保持部材５３を用いたことによって、放熱性を阻害することなく任意の回路パターンを形成することができる。

図６は、第４の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。第４の実施の形態に係る発光装置６０は、基本的な構成は図５の発光装置５０と同じである。異なるところは、ガラス含有のＡｌ₂Ｏ₃材料からなる保持部材５３上に第２の放熱器と反射鏡を兼ねる金属反射鏡を設けたことにある。従って、図５の発光装置５０と同一又は同一機能を有するものには同一引用数字を用いて説明する。なお、図６においては、金属ベース部の図示を省略している。

金属反射鏡６１は、銅材で形成されており、ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐのそれぞれが中心になるようにして、１６個の反射面６１ａを形成するための１６個の凹部がプレス成形により所定間隔に設けられている。反射面６１ａは、１６個の凹部のそれぞれの内面には銀蒸着、銀メッキ等による鏡面仕上げ加工、あるいは白色又は銀色の表面処理を施すことにより形成される。なお、反射面６１ａは、その下地としてＮｉメッキを施し、凹部内のみに銀蒸着や銀メッキを施すようにする。Ｎｉメッキは、ガラスとの密着性に優れるという特徴があり、剥離防止性が向上する。

この金属反射鏡６１は、約９００℃の熱処理に基づいて酸化物を介して保持部材５３と接着されている。１６個の反射面６１ａ内及び金属反射鏡６１上には、所定の高さに封止部材６２が充填される。封止部材６２は、前記実施の形態における封止部材１４と同じ材料及び特性（熱膨張率等）のガラスが用いられる。

上記した第４の実施の形態によると、第１、第２、および第３の実施の形態の好ましい効果に加えて、以下の効果が得られる。
（１）ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐのそれぞれに対応して１６個の反射面６１ａを有する金属反射鏡６１が保持部材５３に配設されているため、ＬＥＤ素子５４ａ〜５４ｐによる光を反射形状に応じた所望の方向に効果的に取り出すことができる。
（２）封止部材６２の熱膨張率を保持部材５３、さらに金属反射鏡６１と同等に形成してあるので、封止部材６２と保持部材５３との中間に金属反射鏡６１を設けても温度に起因する応力が発生せず、界面剥離等が生じることがない。

図７は、第４の実施の形態の保持部材の変形例を示す部分断面図である。ここでは、ＬＥＤ素子５４ｉの近傍についてのみ図示し、他は省略している。

保持部材７０は、断面内に配線パターンを積層して形成される多層基板であり、下面及び上面には銅箔層７１，７６が形成され、内部にはＬＥＤ素子５４ｉに接続される内部配線層７２が設けられている。内部配線層７２は放熱のための配線層７３を迂回して設けられており、配線層７３は、銅箔層７１から７６に放熱する伝熱経路となっている。素子マウント部５２ｉは、下面に銅箔層７４が形成されており、内部にはＬＥＤ素子５４ｉの電極と内部配線層７２を接続するスルーホール７５が形成されている。

このように、伝熱経路となる配線層７３を設けたことで、ＬＥＤ素子５４ｉが発する熱を
、素子マウント部５２ｉ、銅箔層７４、（図示されていない金属ベース）、銅箔層７１、配
線層７３、銅箔層７６を通し、金属反射鏡６１へ伝えやすくでき、放熱性向上を図ることができる。

図８は、第５の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は第５の実施の形態に係る発光装置の基本構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す断面図である。第５の実施の形態に係る発光装置８０は、前記各実施の形態が保持部材に絶縁体を用いていたのに対し、導体である金属板を保持部材に用いたところに特徴がある。

発光装置８０は、ＬＥＤ素子８１と、最上面にＬＥＤ素子８１が搭載される素子マウント部８２と、１つの貫通孔に素子マウント部８２が嵌め込まれる金属板８３と、ＬＥＤ素子８１及び金属板８３の上面を封止する封止部材８４とを備えて構成されている。

ＬＥＤ素子８１及び素子マウント部８２は、発光装置１のＬＥＤ素子１１及び素子マウント部１２と同じものが用いられる。素子マウント部８２は、両側の中間部には突出部８２ａ，８２ｂが形成されており、この突出部８２ａ，８２ｂの上面が金属板８３の貫通孔内に接するように金属板８３に搭載される。この突出部８２ａ，８２ｂの下面には、電極８２ｃ，８２ｄが設けられ、電極８２ｃ，８２ｄとＬＥＤ素子８１の電極８１ａ（又は、半田バンプ）を接続するために、素子マウント部８２内にはスルーホール８２ｅ，８２ｆが設けられている。また、上面には電極８１ａと電気的に接続される電極８２Ａが設けられている。電極８２ｃ，８２ｄには、電源装置からの電源供給が行われるが、この電極８２ｃ，８２ｄに直接に電源供給を行うことも、別途基板を介在させて行うことも可能である。

金属板８３は放熱器として機能するもので、その材料には熱伝導率の高い銅等の金属が用いられ、先端部は段差を有するように加工されている。封止部材８４は、発光装置１の封止部材１４と同様に、低融点及び透光性のガラスが用いられると共に、保持部材である金属板８３と同等の熱膨張率のものが用いられる。

以下に、発光装置８０の組み立て手順について説明する。まず、金属板８３の貫通孔に素子マウント部８２を図８の下側から嵌入する。次に、素子マウント部８２の上面にＬＥＤ素子８１を搭載する。次に、封止部材８４の封止を行えば発光装置８０が完成する。

なお、素子マウント部８２の上面にＬＥＤ素子８１を搭載してから、金属板８３の貫通孔に素子マウント部８２を嵌入するようにしても良い。また、金属板８３の表面に反射鏡を設ける構成とすることも可能である。

上記した第５の実施の形態によると、第１および第２の実施の形態の好ましい効果に加え、金属板８３が素子マウント部８２を保持する保持部材として機能すると共に、放熱器として機能する。従って、金属ベース部を設けなくとも、ある程度の放熱効果が得られるため、光デバイスの薄型化を図ることができる。

上記したように、図８（ａ）の構成でも、金属板８３によってかなりの放熱効果が得られる。しかし、更に放熱効果を高めたいときには、図８（ｂ）のように、銅やアルミニウムによる金属ベース部を追加すれば良い。図８（ｂ）に示す発光装置８５は、素子マウント部８２の下面に設けられた半田層８２ｇによる半田溶着により装着される。金属板８３の下面には、絶縁性基板としてのポリイミド基板８６が配設される。ポリイミド基板８６の内部には、配線層（図示せず）が形成されており、この配線層に電極８２ｃ，８２ｄが接続される。

図９は、ポリイミド基板の接続に係る変形例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は素子マウント部の底面図である。ポリイミド基板８６は、カソードである電極８２ｃに接続される配線層８６ａとアノードである電極８２ｄに接続される配線層８６ｂとを積層して構成されており、素子マウント部８２の一方に接続されている。

このような構成とすることで、ポリイミド基板８６と素子マウント部８２との簡易な配線を実現できる。また、ポリイミド基板８６を設けない側は金属ベース部８７への伝熱経路として活用でき、熱引き性に優れる。

図１０は、第５の実施の形態の他の変形例を示す光デバイスの部分断面図である。図１０においては、図８（ａ）に示した部材と同一又は同一機能を有するものには同一引用数字を付している。

発光装置９０は、図８の金属板８３の厚みを大きくした金属板９１が用いられ、金属板９１の所定の位置に設けられた貫通孔９０ａには、素子マウント部８２が挿入される。貫通孔９０ａの上部にはすり鉢形に凹部が形成（凹部の底面が素子マウント部８２の上面と略同一高さになるように形成。）され、この凹部の内面に反射面９１ｂが形成されている。反射面９１ｂは、銀蒸着、銀メッキ等による鏡面仕上げのほか、白色又は銀色の塗装等により形成される。更に、反射面９１ｂ内を埋め、かつ、金属板９１の上部に所定の厚みになるように低融点ガラスからなる封止部材８４が充填される。

また、素子マウント部８２は、上面に形成された電極８２Ａが対応する電極８２ｃおよび８２ｄと内部配線層によって電気的に接続されている。

なお、封止部材８４は、上記した低融点ガラスに限定されず、エポキシ樹脂やシリコン樹脂であっても良い。樹脂では低融点ガラスのような金属レベルの熱膨張率の実現は困難であり、金属より数倍大きな熱膨張率となるが、加工温度が低融点ガラスの加工温度より低いことから膨張量が大にならないことと、保持部材である金属板８３は素子マウント部のように小さな熱伝導率ではないことから、剥離やクラックが生じないものとすることが可能である。

上記した第５の実施の形態によると、第４の実施の形態に加えて、金属板９１に反射面９１ｂが形成されていることにより、ＬＥＤ素子８１の光出射効率が向上する。更に、反射面９１ｂを設けるために金属板９１の厚みが大きくなることから、放熱器としての放熱抵抗を小さくできるため、放熱効率を高めることができる。

図１１は、第６の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す部分断面図である。前記各実施の形態がフェイスダウン型のＬＥＤ素子を用いていたのに対し、本実施の形態は、給電側との接続をワイヤで行うフェイスアップ型のＬＥＤ素子を用いた光デバイスとしたところに特徴がある。

発光装置１００は、ＬＥＤ素子１０１と、このＬＥＤ素子１０１が搭載される素子マウント部１０２と、素子マウント部１０２を保持する保持部材１０３と、素子マウント部１０２の配線層１０２ａ及び１０２ｂとＬＥＤ素子１０１の電極（図示せず）とを接続するワイヤ１０４ａ，１０４ｂと、ＬＥＤ素子１０１、ワイヤ１０４ａ，１０４ｂ及びその周囲を封止する耐熱部材としての第１の封止部材１０５と、この第１の封止部材１０５及び保持部材１０３の上面の露出面を封止する第２の封止部材１０６とを備えて構成されている。

ＬＥＤ素子１０１は、タイプは異なるがＬＥＤ素子１１と同様の半導体を用いて構成されている。素子マウント部１０２及び保持部材１０３は、素子マウント部１２及び保持部材１３と同じ材料及び熱膨張率のものを用いる。保持部材１０３には、素子マウント部１０２が嵌入される貫通孔が形成されていると共に、両側の突出部の下面には電極１０３ａ，１０３ｂが設けられている。電極１０３ａ，１０３ｂは、保持部材１０３の内部に設けられた配線層（破線）を通して、素子マウント部１０２の配線層１０２ａ，１０２ｂに接続される。

ワイヤ１０４ａ，１０４ｂは、Ａｕ線やアルミニウム線が用いられる。ワイヤ１０４ａ，１０４ｂは封止部材１０６の圧入によって変形したり押し潰される可能性がある。そこで、ワイヤ１０４ａ，１０４ｂ部分の封止には、素子マウント部１０２と第２の封止部材１０６との中間の熱膨張率部材となるセラミックコート部材である第１の封止部材１０５を用い、ワイヤ１０４ａ，１０４ｂの変形や潰れを防止している。この第１の封止部材１０５を覆うように封止される第２の封止部材１０６は、保持部材１０３と同等の熱膨張率とし、他の部材との接触面で応力が発生するのを防止している。

なお、図１１では、説明のため、素子マウント部１０２が保持部材１０３から露出する部分がＬＥＤ素子１０１のサイズに対して大になるように図示されているが、実際にはワイヤボンディングスペースを設けることによってやや広がる程度であり、ＬＥＤ素子１０１の面積の２倍以内のＬＥＤ素子サイズと略同等であることが望ましい。特に、第１の封止部材１０５に弾性材料あるいは素子マウント部１０２と第２の封止部材１０６との中間の熱膨張率部材等の緩衝効果のあるものであれば、露出する部分はそれより大であっても良い。

次に、発光装置１００の製造工程について説明する。

まず、保持部材１０３の所定の位置に設けられている貫通孔内に素子マウント部１０２を図の下側から嵌入する。素子マウント部１０２には、予め配線層１０２ａ，１０２ｂが設けられている。次に、ＬＥＤ素子１０１が、素子マウント部１０２の所定の位置に搭載される。次に、ＬＥＤ素子１０１の上面の電極（図示せず）と配線層１０２ａ，１０２ｂとが、ワイヤ１０４ａ，１０４ｂによってボンディングされる。このワイヤ１０４ａ，１０４ｂを包み込むようにして、第１の封止部材１０５が封止される。更に、第１の封止部材１０５を包み込むようにして第２の封止部材１０６の封止が行われる。

上記した第６の実施の形態によれば、封止部材が二重構成であるため、ワイヤ１０４ａ，１０４ｂが封止時の加圧力から保護され、ワイヤ１０４ａ，１０４ｂに変形や潰れを生じることがなくなり、フェイスアップタイプのＬＥＤ素子１０１を用いても、前述の実施の形態と同様の効果が得られる。

図１２は、第７の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す部分断面図である。第７の実施の形態における発光装置１１０は、第１の封止部材１０５に弾性部材であるシリコーン樹脂を用いるとともにフェイスダウン素子（フリップチップ）を用いる構成と、その製造工程が第６の実施の形態の発光装置１００と相違しており、図１１と同一の部分については共通の引用数字を付している。

この発光装置１１０を製造するには、まず、保持部材１０３をガラス接触面が白金からなる金型にセットする。この金型は、素子マウント部１０２を嵌入するための凸状の窪みに一致した形状を有し、かつ、保持部材１０３の上面から突出する部分が素子収容スペース形状面１０６ｂの形状に応じた半球状の形状を有するものである。次に、低融点ガラスを加熱加工して第２の封止部材１０６を接着するとともにレンズ面１０６ａおよびＬＥＤ素子収納スペース形成面１０６ｂを形成する。次に、ＬＥＤ素子収納スペース形成面１０６ｂの内側のＬＥＤ素子収納スペースへ第１の封止樹脂１０５となるシリコーン樹脂を注入して硬化させる。次に、ＬＥＤ素子１０１を素子マウント部１０２へマウントする。次に、保持部材１０３の所定の位置に設けられている貫通孔内に素子マウント部１０２を図１２の下側から嵌入し、ろう材を用いて保持部材１０３と素子マウント部１０２とを固定する。この際、シリコーン樹脂は弾性があり、ＬＥＤ素子１０１を圧入することでＬＥＤ素子１０１の表面形状に対応した形状に変形し、ＬＥＤ素子１０１を封止することができる。

なお、素子マウント部１０２の固定については、ろう材以外にはんだ材を用いることもできる。

上記した第７の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）図の下側に金属ベースを設けることで第２の実施の形態と同様に水分等の侵入を受けることがない。
（２）ＬＥＤ素子１０１がガラス加工時の高温雰囲気にさらされることなく、耐熱性の低いＬＥＤ素子１０１でも用いることができる。あるいは、低融点ガラスに限らず、融点の高いガラスを用いることができる。
（３）第１の封止部材１０５はガラス部材の第２の封止部材１０６で覆われているため、光デバイスとしてはレンズ面１０６ａの形状を保つことができる。なお、純粋なシリコーン樹脂は熱や光による劣化は少ないが、樹脂硬化のための添加剤が変色要因となる。第７の実施の形態によれば、第１の封止部材１０５をオイル状の純粋なシリコーン樹脂とすることにより、熱や光による劣化による光出力低下が生じにくい、信頼性の高いものとすることができる。

なお、上記した発光装置１，３０，５０，６０，８０，８５，９０，１００、１１０においては、波長変換のための蛍光体層をガラス封止部内に配設することができる。蛍光体層は、例えば、ＬＥＤ素子が青色発光である場合、この青色光によって励起されることにより黄色光を放射する特性を有するＣｅ（セリウム）：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の蛍光体を用いることができる。

また、前記各実施の形態において、金属ベース部１５，３２，５１，８７、金属板８３，９０、及び金属反射鏡６１に放熱フィンを形成し、あるいは取り付けることが可能である。これにより、放熱効果を更に高めることができる。

更に、封止部材１４，３５はフラットな形状にしたが、これに限定されるものではなく、例えば、砲弾型、ダイヤカット型等であっても良い。

また、本発明は、発光装置に限定されるものではなく、例えば、太陽電池等の受光素子を用いた半導体装置等の光デバイスにも適用可能であり、封止部材がガラスであるため、太陽光に長時間さらされても劣化しないものとなり、集光レンズを備え受光素子サイズを小型にした太陽電池としての光デバイスなどともできる。本発明の適用により、温度上昇に伴う変換効率の低下が抑制されるほか、耐候性、耐熱性等を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 第１の実施の形態の光デバイスにおける保持部材の変形例を示す部分断面図である。 第２の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は半田層と金属リードの配置状態を示す概略平面図である。 第２の実施の形態における保持部材の変形例を示す図であり、（ａ）は保持部材表面に反射膜を設けた構成、（ｂ）は保持部材の凹部に反射膜を設けた構成である。 第３の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 第４の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 第４の実施の形態の保持部材の変形例を示す部分断面図である。 第５の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は第５の実施の形態に係る光デバイスの基本構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す断面図である。 第５の実施の形態の変形例を示す光デバイスの部分断面図である。 第５の実施の形態の他の変形例を示す光デバイスの部分断面図である。 第６の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す部分断面図である。 第７の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１，２０，３０，５０，６０，８０，８５，９０，１００，１１０ 発光装置
１１ ＬＥＤ素子
１１ａ 電極
１２ 素子マウント部
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 配線層
１２ｃ 半田層
１３ 保持部材
１４ 封止部材
１５ 金属ベース部
１５ａ 凸部
２１ 素子マウント部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 電極
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ ＬＥＤ素子
３１ 素子マウント部
３２ 金属ベース部
３３ 保持部材
３３ａ，３３ｂ 電極
３３ｃ 半田層
３３ｄ，３３ｅ，３３ｇ 凹部
３３ｆ，３３ｈ 反射膜
３４ａ，３４ｂ 金属リード
３５ 封止部材
４１ 貫通孔
５１ 金属ベース部
５２ａ〜５２ｐ 素子マウント部
５３ 保持部材
５４ａ〜５４ｐ ＬＥＤ素子
５５ 封止部材
５６ａ〜５６ｅ 端子
５７ａ〜５７ｄ 電源用端子
５８，７１，７４，７６ 銅箔層
６１ 金属反射鏡
６１ａ 反射面
６２，７０ 封止部材
７２ 内部配線層
７３，７５ スルーホール
８１ ＬＥＤ素子
８１ａ 電極
８２ 素子マウント部
８２ａ，８２ｂ 突出部
８２ｃ，８２ｄ 電極
８２ｅ，８２ｆ スルーホール
８２ｇ 半田層
８３ 金属板
８４ 封止部材
８６ ポリイミド基板
９０ａ 貫通孔
９１ 金属板
９２ 反射面
１０１ ＬＥＤ素子
１０２ 素子マウント部
１０２ａ，１０２ｂ 配線層
１０３ 保持部材
１０４ａ，１０４ｂ ワイヤ
１０５ 第１の封止部材
１０６ 第２の封止部材
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗

Claims (11)

1. 光学素子と、
   前記光学素子を搭載し、熱膨張率が前記光学素子に対して同等であり、前記光学素子を搭載する面の面積が前記光学素子の２倍以下の素子マウント部と、
   前記素子マウント部を嵌合するための孔を備え、前記素子マウント部より熱膨張率の大なる保持部材と、
   前記光学素子を封止するとともに対象波長に対して透光性を有し、ガラス材で形成される封止部材とを有し、
   前記素子マウント部は、前記光学素子を搭載する面が前記封止部材側に前記保持部材の前記孔から露出するように配置され、前記保持部材と前記封止部材とが接合され、
   前記保持部材と前記封止部材との熱膨張率の差が、前記保持部材の熱膨張率に対して１５％以内であることを特徴とする光デバイス。
2. 前記光学素子は、複数であり、
   前記素子マウント部は、複数の前記光学素子ごとに設けられ、互いに島状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記封止部材は、前記光学素子及びその周囲を封止する第１の封止部材と、前記第１の封止部材及び前記保持部材の上面の露出面を封止する第２の封止部材とを備え、
   前記第１の封止部材は、前記素子マウント部と前記第２の封止部材との中間の熱膨張率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイス。
4. 前記素子マウント部は、前記保持部材と凹凸嵌合可能な断面凸状に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光デバイス。
5. 前記保持部材は、セラミック材料からなることを特徴する請求項１から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
6. 前記保持部材は、ガラス含有のＡｌ_２Ｏ_３材料からなることを特徴する請求項５に記載の光デバイス。
7. 前記保持部材は、配線パターンを断面内に積層した多層基板であることを特徴する請求項５または６に記載の光デバイス。
8. 前記光学素子は、発光素子であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光デバイス。
9. 前記光学素子は、フリップチップ接合されることを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。
10. 前記光学素子は、フェイスアップタイプの発光素子であり、前記発光素子と電気的に接続されるワイヤとともに耐熱性材料によって覆われていることを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。
11. 前記素子マウント部は、底面に放熱部を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光デバイス。