(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＥＤ素子からの発光光束を外部に反射するための良質な光反射面を有し、製造が容易であり、輝度や視野角の製造バラツキが小さく、かつ放熱性に優れた発光ダイオードパッケージを提供する。【解決手段】セラミック基板上にＬＥＤ素子の実装領域が形成され、セラミック基板上にはＬＥＤ素子を取り囲む経路に沿って金属製のリングがロウ付けされ、リングにはＬＥＤ素子からの発光光束を所定の方向に反射する光反射面が形成された発光ダイオードパッケージを提供する。リングは、セラミック基板の表面に、経路に沿って形成されたメタライズ層にロウ付けされている。セラミック基板の一方の主表面に開口する有底のキャビティが形成され、キャビティの底面にＬＥＤ素子の実装領域が形成されると共に、底面の外周縁部にメタライズ層が形成され、キャビティの内周面と略同じ大きさの外周面を持つリングがメタライズ層にロウ付けされている。【選択図】図２
2005243658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板上にＬＥＤ素子の実装領域が形成され、前記セラミック基板上には前記ＬＥＤ素子を取り囲む経路に沿って金属製のリングがロウ付けされ、該リングには前記ＬＥＤ素子からの発光光束を所定の方向に反射する光反射面が形成されていることを特徴とする発光ダイオードパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードパッケージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（Light emission diode：以下、ＬＥＤ素子とも記す）が注目されている。特に高輝度の青色発光ダイオードが製造可能となってから、赤、緑、青のＬＥＤ素子を用いて高輝度の白色光が得られるようになり、これらのＬＥＤ素子を電球や車のヘッドライトとして使用するための開発が進められている。ＬＥＤ素子は電力の消費量が少ないので、車のヘッドライトとして使用した場合、バッテリーの負荷が減る。また、長寿命であるので、室内に使用する蛍光灯や電球もＬＥＤ素子に置換わりつつある。これらＬＥＤ素子は、使用者の要求を満たすために、発光輝度やスペクトルなどの、光の特性を向上させるべく開発が進められている。
【０００３】
上記発光スペクトルや輝度などの特性は主に、ＬＥＤ素子を構成する化合物半導体により決定される。しかし輝度や視野角などの特性は、ＬＥＤ素子を実装するパッケージからも大きな影響を受ける。そのため、使用者の望む輝度や視野角を得るための手段として発光ダイオードパッケージが注目されている。このような発光ダイオードパッケージとしては、従来からセラミック基板に実装するものが用いられている。その一例を図６に示す。ＬＥＤ素子１は第一セラミック基板２０上に載置されており、金属配線２３ａ，２３ｂと電気的に接続されている。また、ＬＥＤ素子１を収容するキャビティ２４ができている。キャビティ２４は、第二セラミック基板２１を貫通するように形成されており、第一セラミック基板２０および第二セラミック基板２１は接着されている。発光ダイオードパッケージの大きさは数ミリ程度で、多数集めることで所望の光量を得ることができる。キャビティ２４の内周面には金属層２２が形成されており、ＬＥＤ素子１からの発光光束を反射する構成となっている。
【０００４】
上記発光ダイオードパッケージは、例えばグリーンシート積層法により製造される。第一セラミック基板２０となるべきセラミックグリーンシートに、金属配線２３ａ，２３ｂとなるメタライズペーストを塗布するとともに、第二セラミック基板２１を打ち抜いてキャビティ２４を形成し、該キャビティ２４の内周面に金属層２２となるメタライズペーストを塗布する。その後、各セラミック基板２０，２１を接着し、高温で焼結して、各セラミック基板２０，２１が一体となった焼結体を得る。そして、金属層２２上にニッケルメッキ層や金メッキ層などを、周知の無電解メッキ法や電解メッキ法により被着させる。
【０００５】
ところが上記キャビティ２４は、第二セラミック基板２１を打ち抜いて形成するために角度θが直角になり、ＬＥＤ素子１からの発光光束が外部に放出されず、望ましい視野角と輝度が得られない問題があった。そこで下記特許文献１などのように、角度θが５５°〜７０°となるように穿孔し、且つ金属層の中心線平均粗さＲａを１〜３μｍ、光反射率を８０％以上とすることで、高い発光効率が得られる発光ダイオードパッケージが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２３２０１７号公報
【０００６】
さらに下記特許文献２には、金属反射板をキャビティ内に設け、金属反射板の上部に掛止爪を形成して第二セラミック基板２１の上段に引っ掛けたり、または熱伝導性の高いシリコン系ボンディング材を使って金属反射板を第二セラミック基板に付着させたりする発光ダイオードパッケージが提案されている。熱伝導性の高いボンディング材を使用するのは、ＬＥＤ素子からの熱を効率よく放熱させるためである。
【特許文献２】特開２００３−１９７９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが特許文献１のように、角度θが常に一定の角度となるように穿孔するのは難しく、量産すると角度θにバラツキが生じてしまう問題があった。また、メタライズペーストをグリーンシートに塗布して、セラミックとの同時焼成によって金属層を形成すると、その表面に屈曲が生じ易く、良質の光反射面を形成するのが難しい。そのため、輝度や視野角のバラツキが大きくなるという問題があった。また、特許文献２のように、金属反射板を掛止爪によってセラミック基板に引っ掛ける方法は、金属反射板が外れてしまう場合があり、不安定だった。金属反射板を熱伝導性の高いシリコン系ボンディング材で接着する方法もあるが、放熱効率を改善する余地が残されていた。
【０００８】
本発明は上述のごとき実情に鑑みてなされたものであって、特に、ＬＥＤ素子からの発光光束を外部に反射するための良質な光反射面を有し、製造が容易であり、輝度や視野角の製造バラツキが小さく、かつ放熱性に優れた発光ダイオード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および発明の効果】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明の発光ダイオードパッケージは、セラミック基板上にＬＥＤ素子の実装領域が形成され、セラミック基板上にはＬＥＤ素子を取り囲む経路に沿って金属製のリングがロウ付けされ、リングにはＬＥＤ素子からの発光光束を所定の方向に反射する光反射面が形成されていることを主要な特徴とする。
【００１０】
上記リングは、上記セラミック基板の表面に、上記経路に沿って形成されたメタライズ層にロウ付けされている。また、本発明の発光ダイオードパッケージは、上記セラミック基板の一方の主表面に開口する有底のキャビティが形成され、該キャビティの底面に上記ＬＥＤ素子の実装領域が形成されると共に、上記底面の外周縁部に上記メタライズ層が形成され、上記キャビティの内周と略同じ大きさの外周を持つ上記リングがメタライズ層にロウ付けされていることを特徴とする。
【００１１】
上記リングは、上記メタライズ層にＡｇ系ロウ材でロウ付けされている。また、上記光反射面は開口方向に広くなるように形成されている。さらに、本発明の発光ダイオードパッケージは、上記ＬＥＤ素子の実装領域は第一のセラミック基板上に形成されると共に、上記キャビティは第二のセラミック基板を貫通するように形成され、上記キャビティが上記ＬＥＤ素子を収容するように、上記第一のセラミック基板および上記第二のセラミック基板が接着されている。
【００１２】
さらに本発明の発光ダイオードパッケージは、第一、第二、第三のセラミック基板をこの順に積層してなり、第一のセラミック基板上に上記ＬＥＤ素子の実装領域が形成されると共に、第二および第三のセラミック基板に貫通穴が形成され、これら二つの貫通穴が連なって上記キャビティをなし、第二のセラミック基板の一方の主表面に上記ＬＥＤ素子と接続する金属パットが形成され、該金属パッドは上記キャビティから露出することを特徴とする。
【００１３】
上記貫通穴は円筒形であり、上記第三のセラミック基板に形成された貫通穴の直径は、上記第三のセラミック基板に形成された貫通穴の直径よりも大きい。また、上記貫通穴は、上記第二および第三のセラミック基板を垂直に打ち抜いて形成される。
【００１４】
本発明に用いる光反射面は、金属製のリングに形成されているものなので、その表面は滑らかであり、光反射率が高い。金属製のリングは、形状を安定して生産できる。そのため、発光ダイオードパッケージを製造した場合、視野角や輝度のバラツキを小さくできる。金属製のリングは熱伝導性の良いロウ材を使ってロウ付けされているので、放熱性に優れている。ロウ材の種類は、Ａｇ系、ニッケル系、アルミニウム系など何でも良いが、特にＡｇ系ロウ材が良い。
【００１５】
キャビティは、例えば円柱形にすることができる。その底面は円形であり、中心部にＬＥＤ素子の実装領域が形成される。そして底面の外周縁部にはＭｏやＷなどの金属からなるメタライズ層が形成される。金属製のリングは、その外周がキャビティの内周と略同じ大きさであり、キャビティに殆ど隙間無く入る。このようなリングの材質は、ＫＯＶＡＲ、４２Ｎｉ、Ｃｕなど、ロウ付けできる金属であれば何でも使用可能である。
【００１６】
リングは、例えば以下のようにしてロウ付けする。まず、メタライズ層にＡｇ系ロウ材のボールを載置して、８００℃程度の熱処理を施してリフローする。室温まで冷ました後、ロウ材の上にリングを置いて再び熱処理をかける。するとＡｇ系ロウ材が溶けてリングと接着する。この後、必要に応じてリング表面にＡｇなどのメッキ層を形成してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の発光ダイオードパッケージに係わる実施形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は本発明の発光ダイオードパッケージの一実施形態を示す要部断面図であり、図１（ｂ）は同じく斜視図である。セラミック基板１５は例えば酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材料からなる略四角平板であり、一方の主表面に有底のキャビティ３を有している。また、キャビティ底面１６上にＬＥＤ素子１の実装領域２５を有しており、ＬＥＤ素子１の支持基板として機能する。キャビティ底面１６には金属パッド８ａ，８ｂが構成されている。ＬＥＤ素子１は、実装領域２５に接着されるとともに、ボンディングワイヤ２を介して金属パッド８ａ，８ｂと電気的に接続されている。金属パッド８ａ，８ｂはセラミック基板１５の裏面にある外部端子２６ａ，２６ｂと導通しており、ここからＬＥＤ素子１の駆動電流を流す。
【００１８】
キャビティ底面１６の外周縁部には、例えばＭｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎ等から成るメタライズ層７が、ＬＥＤ素子１を取り囲む経路に沿って形成されている。そしてメタライズ層７には、金属製のリング５がＡｇ系ロウ材２７によってロウ付けされている。リング５の外周面はキャビティ３の内周面４と略同じ大きさである。リング５はキャビティ３にはめ込まれており、リング外周面とキャビティ内周面には実質的に隙間が無い。リング５には光反射面６が、開口方向に広くなるように形成されている。そのため光反射面６はアンテナ型の構造になり、ＬＥＤ素子からの発光光束を外部へ効率的に反射する。
【００１９】
図１（ｃ）はリング５の拡大断面図である。キャビティ底面１６と光反射面６のなす角度θは、視野角および輝度に影響を与える重要なパラメータである。特に量産する場合にはθのバラツキが問題になるが、リング５は精度良く製造できる。そのため、リング５を使用した発光ダイオードパッケージは、視野角および輝度を安定して製造できる。また、本発明ではリング５をＡｇ系ロウ材２７でロウ付けしているので、放熱性が良い特徴がある。
【００２０】
リング５は、ＬＥＤ素子１を中心とした円周上に配置されていることが望ましい。その理由は、リング５が略円形であると、ＬＥＤ素子１からの発光光束を光反射面６が均一に反射して、外部に放出できるからである。
【００２１】
次に、別の実施形態について説明する。図２（ａ）は本発明の発光ダイオードパッケージの、別の実施形態を示す概略断面図であり、図２（ｂ）は同じく斜視図である。図２の発光ダイオードパッケージは、第一セラミック基板１０、第二セラミック基板１１、第三セラミック基板１２が積層されてなる。第二セラミック基板１１および第三セラミック基板１２は板を貫通する穴を有し、それら２つの貫通穴が連なってキャビティ３を構成する。
【００２２】
第一セラミック基板１０の主表面には、メタライズ層７および金属製の実装領域１４が形成されている。これらメタライズ層７および実装領域１４は、例えばＭｏ−Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−Ｍｎなどの金属からなる。ＬＥＤ素子１は実装領域１４に接着する。
【００２３】
第二セラミック基板１１の一方の主表面には金属パッド８ａ，８ｂおよび、それに連なる金属配線１３が形成されている。金属パッド８ａ，８ｂはボンディングワイヤ２を介してＬＥＤ素子１と接続している。ＬＥＤ素子を駆動するための電力は、これら金属パッド８ａ，８ｂおよび金属配線１３を通して、図示しない外部端子から供給する。また、第三セラミック基板１２は金属配線１３を覆うように、第二セラミック基板と接着している。また、第三セラミック基板１２の貫通穴は、第二セラミック基板１１の貫通穴よりも大きく形成されており、金属パッド８ａ，８ｂが露出する形態とされている。このようにすると第三セラミック基板１２が金属配線１３を保護するので、使用中に金属配線１３が剥離するなどの不具合を回避できる。
【００２４】
本発明の発光ダイオードパッケージは、図３のように複数のＬＥＤ素子を実装することも可能である。図３の実施形態では、３つのＬＥＤ素子を実装した形態である。各ＬＥＤ素子の一方の端子は、金属パッド８ａ，８ｂ，８ｃとボンディングワイヤ２で接続する。他方の端子は共通端子として、金属パッド８ｄに接続する。赤色、青色、緑色のＬＥＤ素子を用いれば白色光が得られる。
【００２５】
次に、本発明の発光ダイオードパッケージの製造方法に係わる一実施形態を、図４および図５を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示すように第一〜第三セラミック基板となるべきグリーンシート１０ａ，１１ａ，１２ａを用意する。このようなグリーンシートは、セラミック微粉末と有機結合材、可塑剤、溶剤などの混合スリップを、周知のドクタープレード法やカレンダー法で薄板状にすることで作成される。
【００２６】
次に図４（ｂ）に示すように、第一セラミック基板用のグリーンシート１０ａ上にメタライズ層７および実装領域１４用のメタライズペーストを、スクリーン印刷法により印刷する。メタライズ層７は実装領域１４を取り囲む経路に沿って、略円形に印刷される。さらに第二セラミック基板用のグリーンシート１１ａに、貫通穴３ａを形成するとともに、グリーンシート１１の上面に金属パッド８ａ，８ｂおよびそれに連なる金属配線１３用のメタライズペーストを印刷する。また、第三セラミック基板用のグリーンシート１２ａにも貫通穴３ｂを形成する。貫通穴３ａ，３ｂは略円柱形であり、各グリーンシートを垂直に打ち抜いて形成される。従来の技術では角度をつけて打ち抜く方法が採用されていたが、本発明では垂直に打ち抜くので、容易に製造できる。
【００２７】
その後、図４（ｃ）に示すように、第一〜第三セラミック基板となるべきグリーンシート１０ａ，１１ａ，１２ａを積層し、接着する。すると貫通穴３ａおよび３ｂは連なって、ＬＥＤ素子を収容するキャビティ３となる。その後、グリーンシートを焼成すると、セラミック基板１０〜１２が一体化し、キャビティ３を有する焼結体が得られる。
【００２８】
次に、図５（ｄ）に示すように、メタライズ層７にＡｇ系ロウ材のボール２７ａを載置する。この工程は例えばボール５ａをキャビティ３内に入れ、セラミック基板自体を傾斜させて載置する。その後、例えば８００℃程度の高温処理を施すとボール５ａが溶融して、図５（ｅ）に示すように、メタライズ層７上にＡｇ系ロウ材２７がリフローした状態になる。室温まで冷ました後、メタライズ層７上にリング５を載置して、再び高温処理を施す。すると、溶けたＡｇ系ロウ材によってリング５が接着し、図５（ｆ）のようになる。この後、必要に応じてリング５の表面にＡｇなどのメッキ層（図示しない）を形成してもよい。リングの材質に例えばＣｕを使用した場合、光反射面にＣｕ特有の色がついてしまう。このような不具合は、表面にＡｇメッキを施すことで解消できる。なお、本発明ではリング５とキャビティ内周面の間に隙間が全く無いことが望ましい。その理由はメッキ工程を行ったときに隙間にメッキ液が入り込み、時間経過と共に少しずつメッキ液が染み出して、光反射面６を変色させる恐れがあるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略断面図（ａ）および斜視図（ｂ）
【図２】本発明の別の実施形態を示す概略断面図（ａ）および斜視図（ｂ）
【図３】複数のＬＥＤ素子を搭載した発光ダイオードパッケージの斜視図
【図４】本発明の発光ダイオードパッケージの工程図
【図５】図４に続く工程図
【図６】発光ダイオードパッケージの従来例を示す断面図
【符号の説明】
【００３０】
１  ＬＥＤ素子
３  キャビティ
４  キャビティ内周面
５  リング
６  光反射面
７  メタライズ層
８  金属パッド
１３  金属配線
１４  実装領域
１６  キャビティ底面
【図１】
2005243658.tif 000003
【図２】
2005243658.tif 000004
【図３】
2005243658.tif 000005
【図４】
2005243658.tif 000006
【図５】
2005243658.tif 000007
【図６】
2005243658.tif 000008