(57)【要約】【課題】メタライズ層を設けるための複数の高度な技術を要する工程を必要とせず、またセラミック材料としての最適焼結条件内での焼結を実現した状態で、十分な強度を有する光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材およびそれを用いたとそれを用いた光半導体素子用パッケージを提供することを目的とする。【解決手段】光半導体素子用パッケージに用いるＡｌを主成分とする酸化物セラミック材であって、少なくとも前記光半導体素子の光の反射面となる前記セラミック材の表面に前記セラミック材の結晶粒子の粒子径以下の凹凸を形成し、凹凸の形成部分における表面積率が２．５以上であることを特徴とする光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子用パッケージに用いるＡｌを主成分とする酸化物セラミック材であって、少なくとも前記光半導体素子の光の反射面となる前記セラミック材の表面に前記セラミック材の結晶粒子の粒子径以下の凹凸を形成し、前記凹凸の形成部分における表面積率が２．５以上であることを特徴とする光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材。
【請求項２】
前記セラミック材は、硝酸溶液と弗酸溶液を主体としたエッチング処理により、凹凸を形成したことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の前記セラミック材を光半導体素子用パッケージの、少なくともリフレクタ部、または発光可能な半導体素子を搭載するセラミック基体部に用いることを特徴とする光半導体素子用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般照明器具、液晶ディスプレイのバックライト光源、ヘッドライト、光センサ等に利用される発光可能な半導体素子を搭載するための光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材およびそれを用いた光半導体素子用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光可能な半導体素子（光半導体素子）を収容するための光半導体素子用パッケージとして、セラミック材料や樹脂材料を用いたパッケージが用いられている。
【０００３】
樹脂材料はパッケージとしての量産性やコスト、製品形状での機械的信頼性に優れ、光に対する高い反射率を実現できるという特徴があり、フィラーを加えたエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂が多く使われている。一方セラミック材料は高強度、高熱伝導、更には熱や光に対する高耐久性等を持つという特徴があり、アルミナ系のセラミック材料のものが多い。
【０００４】
これらは、低出力用のパッケージでは樹脂材料、高出力用のパッケージではセラミック材料が優位というように、それぞれ用途によって使い分けられてきた。しかしながら、環境および省エネルギーが注目されてくる中で、例えば白熱電球や蛍光灯に替わる照明として、照明用ＬＥＤ（発光装置）の高出力、高光束（高発光効率）、長寿命化の要求が強くなり、それに伴い、そこに用いられる光半導体素子用パッケージにも、長寿命、高熱伝導や光に対する高反射率が重要な要求事項となってきている。
【０００５】
光半導体素子用パッケージに用いられるセラミック材料は、主にアルミナ系セラミックが多く、高耐久性、高熱伝導性で有効な材料であるが、光に対する反射率では９０％程度の値であり、樹脂材料の光に対する反射率よりも５〜８％低い値に留まる。
【０００６】
従来、光半導体素子用パッケージでは、光に対する反射率を補うにあたって、リフレクタ部があればその形状を改善したり、リフレクタ部や光半導体素子搭載面などのパッケージの一部に、Ａｇのメタライズ層を設ける等の構造上の発明が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
また、セラミック材料を用いる光半導体素子用パッケージでは、セラミック材料の光に対する反射率を改善する方法として、セラミックスの焼結温度や原料形態を調整することで所定の範囲の気孔直径（０．１０〜１．２５μｍ）や気孔率（１０％以上）とし、材料そのものの光に対する反射率をあげたセラミック材料と光半導体素子用パッケージが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１７９４３８号公報
【特許文献２】特開２００６−１０８１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、光半導体素子が発光する光を反射させるために、リフレクタ内面にメタライズ金属層を被着させるためには、部分的にメタライズ層を形成するための複数の高度な技術を要する工程が必要となり、コストアップが避けられない。また、セラミック材料の焼結温度や原料形態を調整して、所定の範囲の気孔直径や気孔率とすることでセラミック材料そのものの光に対する反射率をあげる場合、セラミック材料としての最適焼結条件内から外れるため、どうしてもその強度への影響を考慮しなければならないという課題があった。
【００１０】
そこで本発明は、上記課題に鑑みて、セラミック材の強度を維持しつつ、反射率を向上させた光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材およびそれを用いた光半導体素子用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、光半導体素子用パッケージに用いるＡｌを主成分とする酸化物セラミック材であって、少なくとも光半導体素子の光の反射面となるセラミック材の表面に前記セラミック材の結晶粒子の粒子径以下の凹凸を形成し、凹凸の形成部分における表面積率が２．５以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明によれば、セラミック材表面の表面積率を２．５以上の値で管理すること、即ちセラミック材の表面状態のみを改善するものであるため、セラミック材が持つ本来の強度および物理特性を失うことがなく、セラミック材の反射率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のセラミック断面図
【図２】本発明の半導体素子用パッケージ（リフレクタタイプ）の斜視図
【図３】本発明の半導体素子用パッケージ（基板タイプ）の斜視図
【図４】本発明のアルミナ材の各表面積率毎の光反射特性図
【図５】本発明のアルミナ材の表面積率と光反射特性の関係図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、光半導体素子用パッケージに用いるＡｌを主成分とする酸化物セラミック材であって、少なくとも光半導体素子の光の反射面となるセラミック材の表面に前記セラミック材の結晶粒子の粒子径以下の凹凸を形成し、凹凸の形成部分における表面積率が２．５以上であることを特徴とする光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材を提供するものである。
【００１５】
本発明によれば、セラミック材の表面の結晶粒子に対応した凹凸を形成することができるため、セラミック材内部にまで影響を与えることはない。そのため、セラミック材が持つ本来の強度および物理特性は変化させないで済むことになる。
【００１６】
一般的なアルミナ材では、表面の結晶粒子は、平均粒径で０．５〜２０μｍであり、通常のセラミック材は、このような結晶粒子が結晶粒界を挟んで多結晶体を構成している。このため、セラミック材の表面は、製造過程で多少異なるが、ある程度の凹凸が存在している。
【００１７】
アルミナ材の光屈折率は１．４〜１．８程度であるが、セラミックの表面に光が照射されると、この屈折率の大きさと、表面に対する光の入射角度によって、光の反射率が異なることになる。セラミック材表面の表面積率が高いということは、この入射角度が大きくなる、即ちセラミック表面に平行に近づく面部分が増加することであり、また結晶内とは異なる屈折率をもつ結晶粒界が効率よく表面に現れることでもあり、このような理由も含めて、セラミック材の光に対する反射率が高くなることになる。当然ながら、セラミック表面を構成する結晶粒径と結晶粒界の幅または厚みの影響もあり、これらに対応するセラミック表面の凹凸の周期は細かく、面の曲率半径が小さくなる方が望ましい。本発明では、現実的な範囲としてセラミック材表面の面積率を指定し、セラミック表面の凹凸を規定することで、光に対する反射率を向上させることができるという作用を有する（図１を参照）。
【００１８】
また、上記セラミック材を製造するあたり、硝酸溶液と弗酸溶液を主体としたエッチング処理により、凹凸を形成したことを特徴とする。
【００１９】
これにより、セラミック材の表面の結晶粒子に対応した凹凸を強調させるための方法として、ウェットエッチング法を推薦する。この方法では、エッチング液の種類によって、セラミック表面の結晶粒界など局所部分を選択的に腐食溶解することができ、コストアップに繋がる複雑な処理工程を設けることなく、効率的に前記セラミックを得ることができるという作用を有する。
【００２０】
図１は、その現象を現すイメージをセラミックの表面を含む断面で表している。エッチング前のセラミック表面の結晶粒子１１２やエッチング前のセラミック表面の結晶粒界１１３はエッチング液の化学的作用にて腐食溶解されるが、エッチング前のセラミック表面の結晶粒子１１２とエッチング前のセラミック表面の結晶粒界１１３ではその成分と結晶状態に差があるため溶解速度が異なり、例えばエッチング後のセラミック表面の結晶粒子１２２とエッチング後のセラミック表面の結晶粒界１２３で形成されるセラミック表面は、処理前にエッチング前のセラミック表面の結晶粒子１１２とエッチング前のセラミック表面の結晶粒界１１３により形成されていたセラミック表面とは異なり、凹凸が強調された状態になる。
【００２１】
つまり、エッチングをおこなっていない通常のセラミック材の表面の凹凸は、結晶粒子の粒子径によって決まるが、本発明では、エッチングによって、表面をあらすことにより、結晶粒子の粒子径以下、つまり、結晶粒子の大きさより小さな凹凸を形成することができる。
【００２２】
勿論エッチング液に晒されることのない結晶内粒子、即ちエッチング前のセラミック内部の結晶粒子１１１とエッチング後のセラミック内部の結晶粒子１２１は、エッチング前後にて変化がない。
【００２３】
また、請求項１または上記セラミック材を、光半導体素子用パッケージの、少なくともリフレクタ部または発光可能な半導体素子を搭載するセラミック基体部に用いることを特徴とする。
【００２４】
これにより、図２に示すように、上記セラミック材により作製されたパッケージを構成するリフレクタ２０１を採用した光半導体素子用パッケージに、パッケージ上に搭載された光半導体素子２０４を搭載した場合は、光の反射効率アップによる光の指向性向上をはかることができる。
【００２５】
また、図３に示すように、セラミック材を、少なくとも１個以上のパッケージ上に搭載された光半導体素子３０４を搭載する、パッケージを構成するセラミック基体３０１に採用した場合には、パッケージ上に搭載された光半導体素子３０４より発光された光が、セラミック基体表面で効率よく反射され、その光反射効率アップにより、この板状パッケージを用いた発光装置の発光効率または光束を高めることができるという作用を有する。
【００２６】
また、図２に示すように、本発明によるセラミック材を用いたパッケージを構成するリフレクタ２０１とリードフレームより形成されたパッケージを構成する金属板よりなる電極２０２、更にはパッケージを構成する電極間封止材２０３を組み合わせた光半導体素子用パッケージを作製した場合、セラミック材表面の凹凸が強調されたことによって、アンカー効果がより強く発揮され、パッケージを構成するリフレクタ２０１とパッケージを構成する金属板よりなる電極２０２間の接着剤の接合力、パッケージを構成するリフレクタ２０１とパッケージを構成する電極間封止材２０３の接合力、更にはパッケージ上に搭載された光半導体素子２０４の周りに注入される、リフレクタ内封止材との接合力が大きくなるという作用を有する。
【００２７】
また、上記半導体用パッケージを用いて発光装置を提供することにより、上記光半導体素子用パッケージを用いた光発装置とすることで、高い発光効率または光束を実現できるという作用がある。
【００２８】
図２および図３はその例であって、発光装置に合わせた各光半導体素子用パッケージに、パッケージ上に搭載された光半導体素子２０４またはパッケージ上に搭載された光半導体素子３０４を搭載し、パッケージを構成する金属板よりなる電極２０２またはセラミック基体上に設けられた電極３０２との電気的接続のために光半導体素子と電極を接続するボンディングワイヤ２０５または光半導体素子と電極を接続するボンディングワイヤ３０３を設けている。なお本来の発光装置には、更に蛍光材料を含むシリコン樹脂やエポキシ樹脂よりなる封止材が、パッケージ上に搭載された光半導体素子２０４またはパッケージ上に搭載された光半導体素子３０４の周りに必要であるが、説明し易くするために描かれていない。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の光反射用セラミック材とそれを用いた光半導体素子用パッケージについて説明する。なお、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であり、技術的に良好な条件の限定が記載されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する記載がない限り、これらの条件に限られるものではない。
【００３０】
次に、本発明の具体例を説明する。１５６０℃焼成用（Ａタイプ）と１３６０℃焼成用（Ｂタイプとする）の適正焼成温度の異なる２種類の９２％アルミナ原料を用意した。ここでのアルミナ材は、Ａタイプは比較的高温での焼成用の材料であり、Ｂタイプは原料粒径および焼結助剤の組成により比較的低温での焼成を可能とした材料で、どちらも一般的アルミナ材料である。これらを成形可能な状態まで粉体処理をおこなった後、円板状（直径１５φ、厚み１ｍｍ）に成形し、各原料の適正焼成温度（Ａタイプは１５６０℃、Ｂタイプは１３６０℃）にて焼結させた。この時の焼結密度はＡタイプのアルミナで焼結密度３．６〜３．７ｇ／ｃｍ3、Ｂタイプのアルミナで焼結密度３．７〜３．８ｇ／ｃｍ3となった。
【００３１】
硝酸５に対しフッ酸１の割合の混合液を５０％濃度にしたエッチング液を用意し、このエッチング液に焼結体を浸漬させ、バレル内で回転させながら、エッチング時間を変えることで焼結体全面を表面処理し、それぞれの変化を検討した。
【００３２】
なお、アルミナ材の中でも、アルミナ成分が６０〜８０ｗｔ％付近まで下がると、その焼結体の結晶相にムライト相が多くなり、セラミック自体の色も反射率の高い白色から外れてくるため、アルミナ成分は材料によって多少異なるが、少なくとも６０ｗｔ％以上が好ましい。
【００３３】
主な物性値としては、セラミックの見掛け比重、抗折力、表面粗さ、表面積率および光の反射率を測定した。
【００３４】
表面粗さの測定は（株）小阪研究所製表面粗さ測定器（ＳＥ−２３００、Ｒ５μｍ触針式）、表面積率の測定は（株）キーエンス製形状測定レーザマイクロスコープ（ＶＫ−８７００）、また光の反射率の測定は、日立製作所（株）製分光光度計（Ｕ３５００）を用いた。なお、見掛け比重は水中置換法、抗折力は３点曲げ試験でおこない、その結果を（表１）に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
（表１）に示すように、その結果エッチング時間が長くなるに従い、明らかな反射率の上昇を確認することができた。しかし、反射率の上昇に対し、セラミック材の強度としての抗折力やセラミック内部への侵食に関わると思われる見掛け密度は、その変化が確認できないレベルでしかなかった。また、反射率の若干の大小はあるが、この傾向はＡタイプとＢタイプに共通しており、同じ現象であると判断できる。
【００３７】
エッチングの効果の確認として、表面粗さを測定したが測定値に明らかな変化は見られず、エッチングの程度を電子顕微鏡により観察しても、断言できるレベルの変化とは言えなかった。
【００３８】
しかしながら、高精度レーザー顕微鏡により、ある一定観察面積内の実際表面積の測定をおこなった結果、表面積率（＝指定した領域の面積と対象物の表面形状によって生じている表面積の比率）により、セラミック表面の凹凸レベルの変化を確認することができる。
【００３９】
更に、図４においてＢタイプの光反射特性について示す。図４は、波長が４１０〜７５０ｎｍまでの光反射特性を示したものであり、従来のアルミナにおける反射率（例：光の波長４６０ｎｍの時９０％前後）に対し、表面積率が２．３〜２．４および、２．６〜２．７では光の反射率において、明らかにその改善が確認できる反射率（例：光の波長４６０ｎｍの時９３％以上）を得ていることが分かる。
【００４０】
ここで、図５は、（表１）の結果をグラフにしたものであり、この（表１）により、Ａタイプ、Ｂタイプともに表面積率が９３％以上となるのは、表面積率が２．５以上であることが分かる。
【００４１】
なお、エッチング時間としては、（表１）においては６時間としているが、それ以上の時間エッチングすることで更に反射率の向上をはかれる。実際１５時間エッチングを続けたものでは表面積率、反射率共に上昇しており、反射率においては９６％を超え、光半導体素子用パッケージに使われる光の反射率が９５〜９８％程度のシリコン系樹脂に匹敵する値を得ている。
【００４２】
この方法を進めれば更に反射率の向上は可能と考えられる上に、また処理前の反射率の低い材料であっても、かなりの反射率改善が可能である。しかしながら、生産現場においてこのような長時間処理は非効率であることなどを考慮すると、実用上の表面積率は２．５〜４．０程度が良好な範囲と考える。
【００４３】
また本願実施例では焼結体全面を表面処理しているが、光半導体素子用パッケージにおけるセラミック材表面の中で、特に光反射効率の高いことが要求される部分表面のみを処理したとしても、その表面部分の光反射率向上により、光半導体パッケージとしての光指向性向上効果を得られることは容易に予測できることである。
【００４４】
例えば、図２におけるパッケージを構成するリフレクタ２０１のパッケージを構成するリフレクタ内周面２０６や図３におけるパッケージを構成するセラミック基体３０１のパッケージ上に搭載された光半導体素子３０４搭載面のみを表面処理した場合がそれにあたる。工程上少し複雑になるが、パッケージを構成するリフレクタ２０１のパッケージを構成するリフレクタ内周面２０６のみをエッチングするには、セラミック焼結後の貫通孔状態である段階で、貫通孔のみにエッチング液を流し込むこともできるし、パッケージを構成するセラミック基体３０１の上部表面のみをエッチングするには、エッチング液を染み込ませたスポンジ状のエッチング液吸収体の上に、エッチングしたい面を下にして乗せるなどの処理方法が考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の光半導体素子用パッケージ向け光反射セラミック材およびそれを用いた光半導体素子用パッケージによれば、本来セラミック材が持つ高強度、高耐熱性および安定性に加えて、高発光効率または高光束が必要な照明用ならびにバックライト用ＬＥＤ（発光装置）に用いられる光半導体素子用パッケージに利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１１１    エッチング前のセラミック内部の結晶粒子
１１２    エッチング前のセラミック表面の結晶粒子
１１３    エッチング前のセラミック表面の結晶粒界
１２１    エッチング後のセラミック内部の結晶粒子
１２２    エッチング後のセラミック表面の結晶粒子
１２３    エッチング後のセラミック表面の結晶粒界
２０１    パッケージを構成するリフレクタ
２０２    パッケージを構成する金属板よりなる電極
２０３    パッケージを構成する電極間封止材
２０４    パッケージ上に搭載された光半導体素子
２０５    光半導体素子と電極を接続するボンディングワイヤ
２０６    パッケージを構成するリフレクタ内周面
３０１    パッケージを構成するセラミック基体
３０２    セラミック基体上に設けられた電極
３０３    光半導体素子と電極を接続するボンディングワイヤ
３０４    パッケージ上に搭載された光半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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