(57)【要約】  【課題】ＬＥＤ発光装置のＬＥＤチップからの発熱に対処するため放熱性を高める高熱伝導材料を選択使用して発光効率の低下を抑止したＬＥＤパッケージを提供する。  【解決手段】ＬＥＤパッケージ１０は枠体金属ベース１１と、ＬＥＤチップ１２と、このＬＥＤチップ１２に接続されるリード部材１３を導出する絶縁部材１４とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベース１１の枠内にある所定位置にＬＥＤチップ１２を金属含浸炭素材（ＭＩＣＣ）の高熱伝導カーボン材１６と直に接する状態で搭載して構成する。金属ベース１１がすり鉢状側壁部材１８と底板部材１９からなる場合、絶縁部材１４は開口部１５を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップは開口部に配置した高熱伝導カーボン材上に搭載され、ワイヤボンディング１７と外部導出用導電パターン経由でリードと接続したＬＥＤパッケージである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体状の金属ベースと、この金属ベースの枠内に配置したＬＥＤチップと、このチップと電気的に接続されるリード部材と、このリード部材を保持する絶縁部材とを具備する発光装置用パッケージにおいて、前記ＬＥＤチップは前記金属ベースの所定位置で高熱伝導カーボン材に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
【請求項２】
前記高熱伝導カーボン材は金属含浸炭素材またはその複合材であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項３】
前記金属ベースはすり鉢状側壁部材と底板部材からなり、前記絶縁部材は開口部を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、前記ＬＥＤチップは前記底板部材上の前記開口部に配置した前記高熱伝導カーボン材と直に接して搭載され、ワイヤボンディングにより前記導電パターンを経て前記リード部材と接続したことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項４】
前記金属ベースはすり鉢状側壁部材からなり、前記絶縁部材は開口部を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、前記ＬＥＤチップは前記開口部で前記金属ベースの底辺側に配置した前記高熱伝導カーボン材と直に接して搭載され、ワイヤボンディングにより前記導電パターンを経て前記リード部材と接続したことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項５】
前記金属ベースはすり鉢状側壁部材と底板部材からなり、前記絶縁部材は開口部を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、前記ＬＥＤチップは前記開口部で前記底板部材上に配置した前記高熱伝導カーボン材と直に接して搭載され、ワイヤボンディングにより前記導電パターンを経て前記リード部材と接続したことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項６】
前記金属ベースはすり鉢状側壁部材と貫通孔を有する底板部材からなり、前記絶縁部材は前記リード部材を貫通植設し、このリード部材の先端面を前記底板部材の貫通孔から突出させ、前記ＬＥＤチップは前記底板部材上に配置した前記高熱伝導カーボン材に接して搭載され、ワイヤボンディングにより前記リード部材の先端面に接続したことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱伝導性が高く放熱性が良好な部材をＬＥＤチップ用搭載台に使用した半導体発光装置用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤを使用した発光装置は、近年、各種光源として広く利用されている。発光素子は半導体発光ダイオードからなり、ＬＥＤチップと呼ばれ適当なパッケージに組み込まれて使用される。ＬＥＤパッケージには電源供給用リードが設けられている。このリードの導出状況に応じてアキシャルタイプ、ラジアルタイプあるいはチップタイプなどがあり、配線基板等に使用する場合はスペースファクターで有利な表面実装用チップタイプが多用されている。通常、ＬＥＤチップは適用な容器内に収容してパッケージ化され、樹脂材のモールドによる発光効率の改善方法も提案されている。例えば、ＬＥＤチップの容器ベースへの搭載に関して、特許文献１は透光性絶縁体を介して配置されたパッケージでの発光効率の改善提案が開示される。また、特許文献２および３には発光の高輝度化や均一化のための外装改善や演色性や色度ズレを抑える発光装置が提案される。更には、特許文献４は金属パッケージを使用する場合の構造上の改善提案を開示する。
【特許文献１】特開平９−３０７１４５号公報
【特許文献２】特開平１０−１９００６５号公報
【特許文献３】特開２００４−７１７２６号公報
【特許文献４】特開２００４−１８６３０９号公報
【０００３】
例えば、ＬＥＤチップを収容するベース基板やパッケージを従来のセラミクス構造とする場合、底板の台座と傾斜空間を形成する側壁とはそれぞれ別個にグリーンシートを用意し、焼成して製作しなければならない。各グリーンシートは必要な電極印刷やパンチングなど加工処理が必要であり、製作過程で寸法上のばらつきや微細加工に伴う不具合が発生し、かつ焼成合体の困難性が問題となっている。特に、母材がアルミナセラミクスである場合、放熱性が悪く、ＬＥＤチップの発熱を加速して発光効率を低下させるなどの欠陥がある。こうしたセラミクス構造の欠陥を解消するために特許文献４が開示するような金属パッケージ構造の半導体発光装置が提案されているが、放熱性において満足するものでなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、集積度が大きくなり高輝度発光のために高出力化する場合が多用される中での問題点は放熱対策である。そして、パッケージの使用部材として、特に熱伝導性が優れて放熱性と信頼性を高め、小型で安価にできることが望まれている。更に、高輝度化や高出力化に加えて小型化による温度上昇に伴う発光効率の低下などの弊害に鑑み、発熱源となるＬＥＤチップの搭載基板とこれを取り囲むパッケージ部材の放熱性の改善が要請される。
【０００５】
したがって、この発明は上記欠点に鑑みて提案されたものであリ、ＬＥＤチップの搭載基板に熱伝導性が良好な材料を使用して発光装置を構成した新規かつ改良されたＬＥＤパッケージの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、枠体金属ベースと、この金属ベースの枠内に配置したＬＥＤチップと、このチップと電気的に接続したリード部材を導出する絶縁部材とからなる発光装置用パッケージにおいて、ＬＥＤチップは金属ベースの所定位置に高熱伝導カーボン材に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージが提供される。ここで、高熱伝導カーボン材は金属含浸炭素材（ＭＩＣＣ）およびＭＩＣＣ−銅ハイブリッド材あるいはＭＩＣＣ−アルミニウムハイブリッド材などの複合材が使用されることを特徴とする。金属含浸炭素複合材は高熱伝導であるのみならず低熱膨張、低弾性で軽量材料であって半導体材料の発熱対策に有効な材料である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明はＬＥＤチップを収容するベース基板あるいはパッケージの構成部材として高熱伝導カーボン材の単体または複合材をチップ用搭載台として使用したので高い放熱性が確保されると共に材料および加工上のコストが低く押さえられて、安価で信頼性の高いＬＥＤパッケージを提供する。特に、放熱性の良いＭＩＣＣまたはその複合材をＬＥＤペレットの搭載基板に使用するのでＬＥＤペレットの発熱を直に吸収して放熱体へ伝導するので温度上昇を抑止して発光効率を低下させない。加えて、チップマウントに対しての材料特性が半導体部品にマッチしているので製造面での処理加工性が改良され量産化やローコスト化にも大きく寄与するなど工業的価値が高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の第１の実施態様は、枠体金属ベースと、ＬＥＤチップと、このチップに接続したリード部材を導出する絶縁部材とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベースの枠内所定位置にＬＥＤチップを高熱伝導カーボン材に直に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージであって、金属ベースはすり鉢状側壁部材と底板部材からなり、絶縁部材は開口部を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップは底板部材上の開口部に配置した高熱伝導カーボン材に接して搭載され、ワイヤボンディングにより外部導出用導電パターンを経てリード部材と接続した構造のＬＥＤパッケージである。ここで、高熱伝導カーボン材としては金属含浸炭素材またはその複合材の使用が好ましく、例えば、カーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させ、または粉末焼成させた材料である。熱伝導はカーボンの二次元結晶面の格子振動で伝わり１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を示す。また、高熱伝導カーボン材は焼成方法や含浸金属の違いにより若干の相違があるが、好ましくは熱伝導度が１５０ｍＷ／℃以上であることが望ましい。また、熱膨張係数は６〜１０ｐｐｍ／℃でコバー金属材やＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体の熱膨張係数と非常に近く、ヤング率が低い。したがって、カーボン材の上に金属、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体と接合しても非常に信頼性が高い接合ができる。
【０００９】
本発明の第２の実施態様は、枠体金属ベースと、ＬＥＤチップと、このチップに接続したリード部材を導出する絶縁部材とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベースの枠内所定位置にＬＥＤチップを高熱伝導カーボン材に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージであって、金属ベースはすり鉢状側壁部材からなり、絶縁部材は開口部を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップは開口部で金属ベースの底辺側に配置した高熱伝導カーボン材に接して搭載され、ワイヤボンディングにより外部導出用導電パターンを経てリード部材と接続した構造のＬＥＤパッケージである。ここで、高熱伝導カーボン材としては第1の実施態様と同様に金属含浸炭素材またはその複合材を使用して、１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を示すもの、好ましくは熱伝導度が１５０ｍＷ／℃以上であることが望ましい。
【００１０】
本発明の第３の実施態様は、枠体金属ベースと、ＬＥＤチップと、このチップに接続したリード部材を導出する絶縁部材とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベースの枠内所定位置にＬＥＤチップを高熱伝導カーボン材に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージであって、金属ベースはすり鉢状側壁部材と底板部材からなり、絶縁部材は開口部を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップが開口部で底板部材の高熱伝導カーボン材に接して搭載され、ＬＥＤチップはワイヤボンディングにより外部導出用導電パターンを経てリード部材と接続した構造のＬＥＤパッケージである。ここで、高熱伝導カーボン材としては第1の実施態様と同様に金属含浸炭素材またはその複合材が使用される。
【００１１】
本発明の第４の実施態様は、枠体金属ベースと、ＬＥＤチップと、このチップに接続したリード部材を導出する絶縁部材とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベースの枠内所定位置にＬＥＤチップを高熱伝導カーボン材に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージであって、金属ベースはすり鉢状側壁部材と貫通孔を有する底板部材との一体成形体からなり、絶縁部材は前記リード部材を貫通植設し、リード部材の先端面を底板部材の貫通孔から突出させ、ＬＥＤチップは底板部材上に配置した高熱伝導カーボン材に接して搭載され、ワイヤボンディングによりリード部材の先端面と接続した構造のＬＥＤパッケージである。ここで、高熱伝導カーボン材としては第1の実施態様と同様に金属含浸炭素材またはその複合材が使用される。さらに、このカーボン材は軽量で加工性に優れ、カーボン材の弾性率が小さいことも特徴の一つになっているため、高い集積度でＬＥＤチップを搭載して小型化を図る発光装置への適用が可能である。たとえば、熱膨張係数の違う材料をカーボン材で積層しても、カーボン材が内部応力を吸収する。また、Ｃｕ板上にＬＥＤ基板を直接ロウ付けすると熱膨張係数が２倍程度異なるためＬＥＤ基板に応力が加わり、通常だとＬＥＤ基板が割れてしまうものが、Ｃｕ箔を貼り合わせたカーボン材の複合基板の上にＬＥＤ基板をロウ付けしても、カーボン材が熱膨張差による内部応力を吸収し、ＬＥＤ基板が割れることがない。したがって、このようなパッケージ構造ではＬＥＤチップの発熱が直ちに高熱伝導カーボン材に吸収され放熱されるので発光効率の低下を招かない。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の第1の実施態様であるアキシャルリードタイプのＬＥＤパッケージについて、図１を参照しつつ説明する。ＬＥＤパッケージ１０は枠体金属ベース１１と、ＬＥＤチップ１２と、このＬＥＤチップ１２に接続されるリード部材１３を導出する絶縁部材１４とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベース１１の枠内にある所定位置にＬＥＤチップ１２を高熱伝導カーボン材１６と直に接するようろう材または接着剤で搭載して構成される。金属ベース１１はすり鉢状側壁部材１８と底板部材１９からなり、絶縁部材１４は開口部１５を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップ１２は底板部材上の開口部１５に配置した高熱伝導カーボン材１６に直に接して搭載され、ワイヤボンディング１７により外部導出用導電パターンを経由してリード部材１３と接続した構造のＬＥＤパッケージである。ここで、高熱伝導カーボン材１６は金属含浸炭素材（ＭＩＣＣ）が使用された。具体的にはカーボン粉末あるいはカーボン繊維を固めて焼成し、ＣｕまたはＡｌ等の金属を含浸させたものである。熱伝導はカーボンの二次元結晶面の格子振動で伝わり１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を示す。
【実施例２】
【００１３】
第２の実施態様は、図２に示されるように、ＬＥＤパッケージ２０は枠体金属ベース２１と、ＬＥＤチップ２２と、このチップに接続したリード部材２３を導出するセラミクスの絶縁部材２４とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベース２１の枠内所定位置にＬＥＤチップ２２を高熱伝導カーボン材２６に直に接して搭載される。金属ベース２１はすり鉢状側壁部材２８からなり、絶縁部材２４は開口部２５を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップ２２は開口部２５で金属ベース２１の底板部材ともなる高熱伝導カーボン材２６に接して搭載され、ワイヤボンディング２７により外部導出用導電パターン経由でリード部材２３と接続した構造である。ここで、高熱伝導カーボン材２６は第1の実施例と同様に１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を有する金属含浸炭素材を使用した。
【実施例３】
【００１４】
第３の実施態様は、図３に示されるように、ＬＥＤパッケージ３０は枠体金属ベース３１と、ＬＥＤチップ３２と、このチップに接続したリード部材３３を導出するセラミクスの絶縁部材３４とを備える発光装置用パッケージにおいて、金属ベース３１の枠内所定位置にＬＥＤチップ３２を高熱伝導カーボン材３６に直に接して搭載され、金属ベース３１はすり鉢状側壁部材３８および底板部材３９からなり、絶縁部材３４は開口部３５を形成すると共に外部導出用導電パターンが設けられ、ＬＥＤチップ３２は開口部３５で金属ベース３１の底板部材３９と貼り合わせた高熱伝導カーボン材３６に接して搭載され、ワイヤボンディング３７により外部導出用導電パターン経由でリード部材３３と接続した構造である。ここで、高熱伝導カーボン材３６は第1の実施例と同様に１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を有する金属含浸炭素材を使用した。
【実施例４】
【００１５】
第４の実施態様は、図４に示されるように、ＬＥＤパッケージ４０は枠体金属ベース４１と、ＬＥＤチップ４２と、このチップに接続したリード部材４３を導出するガラスの絶縁部材４４とを備える発光装置用パッケージにおいて、枠体金属ベース４１は金属ベースの枠内所定位置にＬＥＤチップ４２を高熱伝導カーボン材４６に接して搭載したことを特徴とするＬＥＤパッケージであって、金属ベース４１はすり鉢状側壁部材４８と開口の貫通孔を有する底板部材４９からなり、ガラスからなる絶縁部材４４はその開口部４５にリード部材４３を貫通植設し、このリード部材の先端面を底板部材４９の貫通孔から突出させ、ＬＥＤチップ４２は底板部材上に配置した高熱伝導カーボン材４６に接して搭載され、ワイヤボンディング４７によりリード部材の先端面と接続した構造のＬＥＤパッケージである。ここで、高熱伝導カーボン材４６は第1の実施例と同様に１５０〜３００ｍＷ／℃の高い熱伝導性を有する金属含浸炭素材を使用した。また、リード部材４３はガラスの絶縁体部材４４に貫通する状態で埋設され、裏面側にターミナル電極を露呈して表面実装用チップタイプ構造としている。
【００１６】
上述する実施例に使用する高熱伝導カーボン材（ＭＩＣＣ）は、高熱伝導である他に弾性率が小さく（低弾性）、低熱膨張という特性を有し、かつ強度が強く軽量で加工性に優れており、低コスト材料として機械的強度が大きく加工上の不具合もなく安定した性能を発揮できる。すなわち、従来のセラミクスパッケージはグリーンシートを複数枚重ねて焼成したコファイヤーと呼ばれるセラミクス板を積層して作製されていたのでパッケージコストが高くなっていたが、本発明によるカーボン材の使用はコスト面でも格段に有利であり、小型化の進むＬＥＤ発光装置分野への適用が促進される。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
この発明は放熱性の要求されるＬＥＤ発光装置のパッケージ部材に適用され、ＬＥＤチップの発熱による温度上昇を抑止して発光効率を改善する製品を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る実施例１のＬＥＤパッケージの主要部分を示す断面図である。
【図２】同じく実施例２のＬＥＤパッケージの主要部分を示す断面図である。
【図３】同じく実施例３のＬＥＤパッケージの主要部分を示す断面図である。
【図４】同じく実施例４のＬＥＤパッケージの主要部分を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０，２０，３０，４０；ＬＥＤパッケージ、
１１，２１，３１，４１；金属ベース、
１２，２２，３２，４２；ＬＥＤチップ、
１３，２３，３３，４３；リード部材、
１４，２４，３４，４４；絶縁部材（セラミック、ガラス）、
１５，２５，３５，４５；開口部、
１６，２６，３６，４６；高熱伝導カーボン材（金属含浸炭素材または複合材）、
１７，２７，３７，４７；ワイヤボンディング
１８，２８，３８，４８；すり鉢状側壁部材
１９，３９，４９； 底板部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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