(57)【要約】【課題】  気密信頼性が高くて発光素子を長期にわたって安定して動作させることが可能であるとともに、製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能な、高い放射光強度および高輝度を有する発光装置を提供すること。【解決手段】  発光装置は、上面に発光素子１の搭載部を有する基体２と、基体２の上面の外周部に搭載部を固繞するように接合された枠体３と、搭載部から基体２の外面にかけて形成された配線導体と、搭載部に搭載されるとともに配線導体に電気的に接続された発光素子１と、枠体３の内側に発光素子１を覆うように設けられ、発光素子１が発光する光を波長変換する蛍光体を含有する透光性部材６とを具備しており、枠体３は、基体２にアルミニウム合金半田４を介して接合されているとともに枠体３の内周面が全周にわたってアルミニウム合金半田４によって被覆されている。【選択図】  図１
2005159058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に発光素子の搭載部を有する基体と、該基体の上面の外周部に前記搭載部を固繞するように接合された枠体と、前記搭載部から前記基体の外面にかけて形成された配線導体と、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に電気的に接続された前記発光素子と、前記枠体の内側に前記発光素子を覆うように設けられ、前記発光素子が発光する光を波長変換する蛍光体を含有する透光性部材とを具備しており、前記枠体は、前記基体にアルミニウム合金半田を介して接合されているとともに前記枠体の内周面が全周にわたって前記アルミニウム合金半田によって被覆されていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記枠体は、前記内周面と前記アルミニウム合金半田との間にニッケルめっき層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記枠体は、前記内周面の下端部から上端部にかけて複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光装置。
【請求項４】
前記複数の溝は、下端から上端に向かうに伴って漸次深くなっていることを特徴とする請求項３記載の発光装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光装置の製造方法であって、前記枠体の下面または前記基体の上面の外周部に前記アルミニウム合金半田を塗布する工程と、前記基体と前記枠体とを加熱することにより前記アルミニウム合金半田を介して接合させるとともに前記アルミニウム合金半田を前記枠体の内周面に表面張力によって被着させる工程とを含むことを特徴とする請求項１乃至４記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から発光される光を蛍光体で波長変換し外部に発光する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子11を収容するための発光装置を図４に示す。図４において、発光装置は、上面の中央部に発光素子11を載置するための載置部12ａを有し、載置部12ａやその周辺から発光装置の内外を電気的に導通接続するリード端子やメタライズ配線等からなる配線導体（図示せず）が形成された絶縁体からなる基体12と、基体12の上面に接着固定され、内周面が上側に向かうに伴って外側に広がるように傾斜しているとともに内周面が発光素子11が発光する光を反射する反射面とされている枠状の枠体13とから主に構成されている。
【０００３】
基体12は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂から成る。基体12がセラミックスから成る場合、その上面に配線導体がタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等から成る金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、基体12が樹脂から成る場合、銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金等から成るリード端子がモールド成型されて基体12の内部に設置固定される。
【０００４】
また、枠体13は、アルミニウム（Ａｌ）やＦｅ−Ｎｉ−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。
【０００５】
さらに、枠体13は、内周面が発光素子11が発光する光を反射する反射面とされており、この反射面はＡｌ等の金属が蒸着法やめっき法により被着されることにより形成される。そして、枠体13は、Ａｕ−錫（Ｓｎ）半田，銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、載置部12ａを枠体13の内周面で取り囲むように基体12の上面に接合される。
【０００６】
そして、載置部12ａの周辺に配置した配線導体と発光素子11の電極とをボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続し、しかる後、枠体13の内側にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の透明樹脂（図示せず）により発光素子11を覆うように充填し熱硬化させることにより発光装置となし得る。または、発光素子11の周囲または表面に蛍光体や蛍光体を混入した透明樹脂を塗布した後に、枠体13の内側に透明樹脂を充填し熱硬化させることで、発光素子11からの光を蛍光体により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出せる発光装置となし得る。
【特許文献１】特開2003-37298号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の発光装置においては、基体12と枠体13とを接合する接合材がＡｕ−Ｓｎ半田、Ａｇロウや樹脂接着材から成るため、発光素子11が発光する光や発光装置内部で乱反射した光が接合材によって吸収され、発光装置外部への光のエネルギーが減少するという問題点があった。さらに、Ａｇロウや樹脂接着材の場合は気密性が保持できず、気密信頼性が低下するという問題点があった。
【０００８】
また、枠体13がＡｌの場合、Ａｌは高反射率部材であり、Ａｌを用いることで発光装置外部への光のエネルギーは効率良く放出することはできるが、セラミックスから成る基体12との熱膨張係数の差が大きいため、接合材で接合する際に基体12にクラック等が発生しやすいという問題点があった。
【０００９】
一方、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のセラミックスから成る基体12と熱膨張係数が近似した金属の場合、接合材で接合する際の基体12へのクラック等は回避できるが、枠体13による光の吸収、透過が起こりやすくなる。そのため、枠体13の内周面にＡｌ等の金属を蒸着法やめっき法により被着して反射面13ａを形成することで発光装置外部への光のエネルギーの減少を抑制することができるが、枠体13の内周面にＡｌ等の金属を蒸着法やめっき法により被着し、さらに枠体13を半田、Ａｇロウ等のロウ材または樹脂接着材等の接合材により、基体12の上面に接合するという複雑な工程を経ることになり、製造工程が長くなるとともに製造コストが高くなるという問題点があった。
【００１０】
したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子の光が基体と枠体とを接合する接合材により吸収，透過されるのを有効に防止し、気密信頼性が高くて発光素子を長期にわたって安定して動作させることが可能であるとともに、製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能な、高い放射光強度および高輝度を有する発光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の発光装置は、上面に発光素子の搭載部を有する基体と、該基体の上面の外周部に前記搭載部を固繞するように接合された枠体と、前記搭載部から前記基体の外面にかけて形成された配線導体と、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体に電気的に接続された前記発光素子と、前記枠体の内側に前記発光素子を覆うように設けられ、前記発光素子が発光する光を波長変換する蛍光体を含有する透光性部材とを具備しており、前記枠体は、前記基体にアルミニウム合金半田を介して接合されているとともに前記枠体の内周面が全周にわたって前記アルミニウム合金半田によって被覆されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の発光装置において、好ましくは、前記枠体は、前記内周面と前記アルミニウム合金半田との間にニッケルめっき層が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の発光装置において、好ましくは、前記枠体は、前記内周面の下端部から上端部にかけて複数の溝が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の発光装置において、好ましくは、前記複数の溝は、下端から上端に向かうに伴って漸次深くなっていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の発光装置の製造方法は、上記本発明の発光装置の製造方法であって、前記枠体の下面または前記基体の上面の外周部に前記アルミニウム合金半田を塗布する工程と、前記基体と前記枠体とを加熱することにより前記アルミニウム合金半田を介して接合させるとともに前記アルミニウム合金半田を前記枠体の内周面に表面張力によって被着させる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発光装置は、上面に発光素子の搭載部を有する基体と、基体の上面の外周部に搭載部を固繞するように接合された枠体と、搭載部から基体の外面にかけて形成された配線導体と、搭載部に搭載されるとともに配線導体に電気的に接続された発光素子と、枠体の内側に発光素子を覆うように設けられ、発光素子が発光する光を波長変換する蛍光体を含有する透光性部材とを具備しており、枠体は、基体にアルミニウム合金半田を介して接合されているとともに枠体の内周面が全周にわたってアルミニウム合金半田によって被覆されていることから、発光素子の光の吸収、透過を光反射率の高いアルミニウム合金半田により抑制でき、発光装置外部への光のエネルギーの減少を抑制できる。
【００１７】
また、発光素子から発生した熱を枠体の内周面に形成したアルミニウム合金半田を介して、効率よく枠体を通して外部に放熱し、発光装置全体の放熱特性を著しく向上させることができる。
【００１８】
さらに、枠体と基体とを接合する際、枠体と基体との間のアルミニウム合金半田が表面張力により枠体の内周面を良好に濡れ広がることができ、枠体の内周面を全周にわたって均一にアルミニウム合金半田で被覆することができ、製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能となる。
【００１９】
また、従来の発光装置は、枠体の内周面に形成した金属層、枠体の下面に形成した接合材、枠体および基体の熱膨張係数差によって応力や歪みが生じ、枠体の内周面の下端付近の基体や接合材にクラックが生じやすかったのに対し、本発明の発光装置は、枠体の内周面と下面とが同時形成されたアルミニウム合金半田によって連続して覆われているため、応力や歪みが生じ難く、基体やアルミニウム合金半田にクラックが生じるのを有効に抑制できる。
【００２０】
本発明の発光装置は、枠体の内周面とアルミニウム合金半田との間にニッケルめっき層が形成されていることから、基体と枠体とを接合する際、接合温度付近にてアルミニウム合金半田とニッケルめっきとを共晶状態で接合することが可能となり、枠体内周面のアルミニウム合金半田と枠体との密着強度が向上して枠体と基体との接合強度をきわめて高くすることができる。
【００２１】
本発明の発光装置は、枠体の内周面の下端部から上端部にかけて複数の溝が形成されていることから、アルミニウム合金半田が複数の溝に沿って毛細管現象により枠体の内周面をより良好に濡れ広がることができ、枠体の内周面にむらなくアルミニウム合金半田の金属層を形成することができる。
【００２２】
本発明の発光装置は、複数の溝が下端から上端に向かうに伴って漸次深くなっていることから、枠体の内周面の上側ほど毛細管現象をより高めることができ、枠体内周面により効率良くアルミニウム合金半田の金属層を形成できる。
【００２３】
本発明の発光装置の製造方法は、枠体の下面または基体の上面の外周部にアルミニウム合金半田を塗布する工程と、基体と枠体とを加熱することによりアルミニウム合金半田を介して接合させるとともにアルミニウム合金半田を枠体の内周面に表面張力によって被着させる工程とを含むことから、枠体の内周面に蒸着やめっきにより光反射効率の高い金属層を形成する方法に比べ、きわめて容易に、かつ良好にアルミニウム合金半田を枠体に内周面に被着させることができ、製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の発光装置について以下に詳細に説明する。図１〜３は本発明の発光装置の実施の形態の各種例を示す断面図である。これらの図において、１は発光素子、２は基体、３は枠体であり、主としてこれらで発光素子１を収納するための発光装置が構成される。
【００２５】
本発明における基体２は、アルミナセラミックスや窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス等のセラミックス、または、エポキシ樹脂等の樹脂から成る。また、基体２は上面に、発光素子１が電気的に接続されるための配線導体（図示せず）が形成されている。この配線導体が基体２内部に形成された配線層（図示せず）を介して発光装置の外表面に導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、発光素子１と外部電気回路基板とが電気的に接続されることとなる。
【００２６】
発光素子１を配線導体に接続する方法としては、ワイヤボンディングを介して接続する方法、または、発光素子１の下面で半田バンプ（図示せず）により接続するフリップチップボンディング方式を用いた方法等が用いられる。好ましくは、フリップチップボンディング方式により接続するのがよい。これにより、配線導体を発光素子１の直下に設けることができるため、発光素子１の周辺の基体２の上面に配線導体を設けるためのスペースを設ける必要がなくなる。よって、発光素子１から発光された光がこの基体２の配線導体用のスペースで吸収されて放射光強度が低下するのを有効に抑制することができる。
【００２７】
この配線導体は、基体２がセラミックスから成る場合、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｇ等の金属粉末のメタライズ層を形成することによって構成され、樹脂から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のリード端子を埋設することによって形成する。または、配線導体が形成された絶縁体から成る入出力端子を基体２に設けた貫通孔に嵌着接合させることによって設けられる。
【００２８】
なお、配線導体の露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、配線導体の酸化腐食を有効に防止し得るともに、発光素子１と配線導体との接続を強固にし得る。したがって、配線導体の露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉめっき層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕめっき層とが電解めっき法や無電解めっき法により順次被着されているのがより好ましい。
【００２９】
また、本発明における枠体３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属、アルミナセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成される。
【００３０】
枠体３は、基体２にアルミニウム合金半田４を介して接合されているとともに、枠体３の内周面が全周にわたってアルミニウム合金半田４によって被覆されている。これにより、発光素子１の光の吸収、透過を光反射率の高いアルミニウム合金半田４により抑制でき、発光装置外部への光のエネルギーの減少を抑制できる。
【００３１】
また、発光素子１から発生した熱を枠体３の内周面に形成したアルミニウム合金半田４を介して、効率よく枠体３を通して外部に放熱し、発光装置全体の放熱特性を著しく向上させることができる。
【００３２】
さらに、枠体３と基体２とを接合する際、枠体３と基体２との間のアルミニウム合金半田４が表面張力により枠体３の内周面を良好に濡れ広がることができ、枠体３の内周面を全周にわたって均一にアルミニウム合金半田４で被覆することができ、製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能となる。
【００３３】
また、従来の発光装置は、枠体の内周面に形成した金属層、枠体の下面に形成した接合材、枠体および基体の熱膨張係数差によって応力や歪みが生じ、枠体の内周面の下端付近の基体や接合材にクラックが生じやすかったのに対し、本発明の発光装置は、枠体３の内周面と下面とが同時形成されたアルミニウム合金半田４によって連続して覆われているため、応力や歪みが生じ難く、基体２やアルミニウム合金半田４にクラックが生じるのを有効に抑制できる。
【００３４】
なお、アルミニウム合金半田４は、枠体３を基体２に接合する前の形状が、枠体３の底面の形状と類似した形であることが望ましく、量については、溶融時の温度、時間の条件から適切にすることが必要である。また、枠体３に対するアルミニウム合金半田４の濡れ性が良好でない場合は、フラックス等を用いることで、濡れ性を向上させることができる。
【００３５】
また好ましくは、枠体３の内周面とアルミニウム合金半田４との間にニッケルめっき層５が形成されているのがよい。これにより、基体２と枠体３とを接合する際、接合温度付近にてアルミニウム合金半田４とニッケルめっき５とを共晶状態で接合することが可能となり、枠体３内周面のアルミニウム合金半田４と枠体３との密着強度が向上して枠体３と基体２との接合強度をきわめて高くすることができる。
【００３６】
また好ましくは、図２に示すように、枠体３の内周面の下端部から上端部にかけて複数の溝７が形成されているのがよい。これにより、アルミニウム合金半田４が複数の溝７に沿って毛細管現象により枠体３の内周面をより良好に濡れ広がることができ、枠体３の内周面にむらなくアルミニウム合金半田４の金属層を形成することができる。
【００３７】
さらに好ましくは、図３に示すように、複数の溝７が下端から上端に向かうに伴って漸次深くなっているのがよい。これにより、枠体３の内周面の上側ほど毛細管現象をより高めることができ、枠体３内周面により効率良くアルミニウム合金半田４の金属層を形成できる。
【００３８】
なお、内周面に複数の溝７を有する枠体３を形成する方法としては、切削加工や金型成型または押し出し成型等の成形技術により形成された枠体３の内周面に、一方の端部から他方の端部に向けてレーザー加工または切削加工により形成することができる。また、製造コストを鑑みて、金型成型のみで形成する場合は、例えば、円筒状の枠体３を所望の下端部の内周の大きさで貫通穴を形成し、線状の突起が形成された円錐状の金型を一方の端面から他方の端面に向けて押すことで、複数の溝７を形成できる。また、複数の溝７の深さを漸次深くする場合は、円錐状に設けられる線状の突起の高さを漸次高くすることで形成できる。
【００３９】
また、枠体３の内周面に形成されるアルミニウム合金半田４の表面は、その表面の算術平均粗さＲａは、0.1μｍ以下であるのが良く、これにより発光素子１の光を良好に発光装置の上側に反射することができる。Ｒａが0.1μｍを超える場合、発光素子１の枠体３の内周面で光を正反射し難くなるとともに発光装置の内部で乱反射し易くなる。その結果、発光装置の内部における光の伝搬損失が大きく成り易いとともに、所望の放射角度で光を発光装置の外部に出射することが困難になる。
【００４０】
透光性部材６は、発光素子１との屈折率差が小さく、紫外線領域から可視光領域の光に対して透過率の高いものから成るのがよい。例えば、透光性部材６は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂、ユリア樹脂等の透明樹脂や低融点ガラスやゾル−ゲルガラス等から成る。これにより、発光素子１と透光性部材６との屈折率差により光の反射損失が発生するのを有効に抑制するとともに、発光装置の外部へ高効率で所望の放射強度，角度分布で光を出射する発光装置を製造できる。
【００４１】
また、透光性部材６は、発光素子１の光で励起され電子の再結合により青色，赤色，緑色等に発光する、無機系，有機系の蛍光体が充填されている。これにより、蛍光体を任意の割合で配合することにより、所望の発光スペクトルと色を有する光を出力することができる。
【００４２】
発光素子１は、サファイア基板上にＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等から構成されるバッファ層，ｎ型層，発光層，ｐ型層を順次積層した窒化物半導体を用いる。
【００４３】
かくして、本発明の発光装置は、基体２の搭載部に発光素子１を搭載するとともに、発光素子１の電極をボンディングワイヤを用いたワイヤボンディングにより、あるいは半田ボールを用いたフリップチップ実装により、配線導体に電気的に接続し、この配線導体を介して外部電気回路基板に電気的に導通させ得るものとし、しかる後、発光素子１の周囲や表面に蛍光体もしくは蛍光体を混入した透光性部材６を充填し熱硬化させることにより、発光素子１の光を蛍光体により波長変換し所望の波長スペクトルを有する光を取り出すことができる発光装置となる。
【００４４】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。例えば、枠体３の上面に発光素子１より出射される光を任意に集光したり拡散させる光学レンズや平板状の透光性の蓋体を半田や接着剤等で接合することにより、所望とする放射角度で光を取り出すことができるとともに発光装置の内部への耐浸水性が改善され長期信頼性が向上する。また、枠体３の内周面は、その断面形状が平坦（直線状）であってもよく、また、円弧状（曲線状）であってもよい。円弧状とする場合、発光素子１の光を万遍なく反射させて指向性の高い光を外部に均一に放射することができる。
【実施例】
【００４５】
本発明の発光装置について以下に実施例を示す。
【００４６】
まず、基体２となるアルミナセラミックス基板を準備した。基体２は、幅８ｍｍ×奥行き８ｍｍ×厚さ0.5ｍｍの直方体とした。
【００４７】
また、基体２の発光素子１が搭載される部位に、発光素子１と外部電気回路基板とを基体２の内部に形成した内部配線を介して電気的に接続するための配線導体を形成した。配線導体は、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層により直径0.1ｍｍの円形パッドに成形され、その表面には厚さ３μｍのＮｉめっき層が被着された。また、基体２内部の内部配線は、貫通導体からなる電気接続部、いわゆるスルーホールによって形成された。このスルーホールについても配線導体と同様にＭｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ導体で成形された。
【００４８】
さらに、基体２の外周部に枠体３を接合するための接合部を形成した。この接合部は、Ｍｏ−Ｍｎ粉末からなるメタライズ層の表面に厚さ３μｍのＮｉめっき層が被着されたものであった。
【００４９】
次に、枠体３の内周面及び底面に厚さ２μｍのＮｉめっき層を被着し、枠体３の底面と基体２の接合部との間に、枠体３の下面と類似形状の厚みが0.2ｍｍのアルミニウム半田合金４を載置し、約６００℃前後の温度で加熱した。これにより、アルミニウム半田合金４が溶融され、基体２と枠体３とが接合されるとともに、溶融されたアルミニウム半田合金４の一部が枠体３の内周面に濡れ広がり、枠体３の内周面がアルミニウム半田合金４で被覆された。
【００５０】
このようにして作製した発光装置について、断面観察を行ったところ、アルミニウム合金半田４が接合面から枠体３の内周面にかけて良好な金属膜を形成していることを確認し、接合と同時に高反射率の反射面を容易に形成できることが分かった。
【００５１】
また、赤色の染料を溶剤に溶解した溶液にサンプルを浸した後、サンプルを断面観察して染料のサンプル内への染み込みを調べることによりクラックの有無を評価する方法であるレッドチェックにより評価したところ、本発明の基体２にはクラック等が発生していないことも確認した。
【００５２】
これに対し、枠体の内周面に蒸着によりＡｌ薄膜を形成し、この枠体をエポキシ樹脂で基体に接合すること以外は上記本発明の発光装置と同様に形成した比較例としての発光装置を同様の方法でレッドチェックにより評価したところ、基体にクラックが発生したものが個数で10％存在しており、本発明の発光装置が優れていることがわかった。
【００５３】
また、本発明および比較例の発光装置の枠体と基体との接合強度を引張り試験機で評価したところ、本発明の発光装置は、比較例の場合と比較して約1.5倍上昇し、本発明の発光装置の方が優れていることが分かった。
【００５４】
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の発光装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】従来の発光装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１：発光素子
２：基体
３：枠体
４：アルミニウム半田合金
５：ニッケルめっき層
６：透光性部材
７：溝
【図１】
2005159058.tif 000003
【図２】
2005159058.tif 000004
【図３】
2005159058.tif 000005
【図４】
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