(57)【要約】【課題】発光素子からの発光を妨げないと共に、これからの発熱を効率的に放熱させることができる安価な発光素子収納用パッケージを提供する。【解決手段】セラミック基板１１の上面に搭載される発光素子１２を囲繞してこれからの発光を反射させる反射体１４と、下面に発光素子１２からの発熱を放熱させるための放熱体１６を有する発光素子収納用パッケージ１０において、反射体１４の外側周辺部のセラミック基板１１に複数の貫通孔１７と、放熱体１６に立設して貫通孔１７に挿入できるカシメ用ピン１８と、この先端部を放熱体１６の上面から挿入できる挿入穴１９を有し、貫通孔１７にカシメ用ピン１８を挿入してセラミック基板１１を放熱体１６上に当接すると共に、カシメ用ピン１８を屈曲させてセラミック基板１１の外側に導出し先端部を挿入穴１９に圧入してセラミック基板１１を放熱体１６上にカシメ接合して有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の上面の中央部に搭載される発光素子を囲繞して該発光素子からの発光を反射させるための反射体と、前記セラミック基板の下面に前記発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体を有する発光素子収納用パッケージにおいて、
前記反射体の外側周辺部の前記セラミック基板に該セラミック基板を貫通する複数の貫通孔と、前記放熱体に該放熱体の上面から立設して前記貫通孔に挿入できるカシメ用ピンと、該カシメ用ピンの先端部を前記放熱体の上面から挿入できる挿入穴を有し、前記貫通孔に前記カシメ用ピンを挿入して前記セラミック基板を前記放熱体上に当接すると共に、前記カシメ用ピンを前記セラミック基板の上面で屈曲させて前記セラミック基板の外側に導出し前記先端部を前記挿入穴に圧入して前記セラミック基板を前記放熱体上にカシメ接合して有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
【請求項２】
請求項１記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記挿入穴の前記放熱体の上面から穴底までの空洞がセラミック基板の中央部側に向かっての傾斜を有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記放熱体の上面と、前記セラミック基板の下面の間に、熱伝導性を備えた弾性体からなる隙間シートを密着させて有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子を収納するための発光素子収納用パッケージに関し、より詳細には、発光素子をセラミック基板の上面に実装して、発光素子からの発光を反射体で反射させると共に、発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体をセラミック基板の下面に設ける発光素子収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子は、その照度を向上させるために入力電力を上げて対応する場合がある。しかしながら、発光素子は、この入力電力の上昇によって照度は上がるものの、温度が上昇して大量の発熱が起こり、この発熱によって逆に照度が低下するという問題を抱えている。従って、従来からこのような発光素子を搭載させるための発光素子収納用パッケージには、発光素子からの発熱を速やかに放熱させることができる構造のパッケージが求められている。
【０００３】
図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、従来の発光素子収納用パッケージを説明する。ここで、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の発光素子収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の発光素子収納用パッケージ５０は、発光素子５１を載置するための基板に、セラミックや、樹脂が用いられている。しかしながら、樹脂は、セラミックに比較して熱伝導率が低いので、放熱性を要求される発光素子収納用パッケージ５０には不向きとなっている。そこで、基板には、例えば、樹脂に比較して熱伝導率が高く、比較的安価なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製等のセラミック基板５２を用いることが多くなってきている。このセラミック基板５２は、先ず、アルミナからなる複数枚のセラミックグリーンシートを作製し、それぞれのセラミックグリーンシートにタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属を用いてスクリーン印刷して導体印刷配線パターンを形成している。更に、それぞれのセラミックグリーンシートは、重ね合わせて積層した後、焼成して導体配線パターン５３を備えたセラミック多層基板からなるセラミック基板５２を形成している。そして、このセラミック基板５２の上面には、発光素子５１をワイヤボンド方式や、フリップチップ方式で実装させることができるようにしている。
【０００４】
上記の発光素子収納用パッケージ５０には、セラミック基板５２の上面に発光素子５１を囲繞して発光素子５１からの発光を反射させるためのセラミックや、金属等からなる枠状の反射体５４が形成されている。また、この発光素子収納用パッケージ５０には、セラミック基板５２の上面の反射体５４の外側周辺部に接続させて、導体配線パターン５３を介して発光素子５１と電気的に導通状態となる外部接続端子５５が設けられている。更に、この発光素子収納用パッケージ５０には、発光素子５１からの発熱を放熱させるための、熱伝導率に優れる、例えば、アルミニウム等を用いてフィン状に形成された放熱体５６が、セラミック基板５２の下面に設ける接続用導体パターン５７を介して直接半田５８で接合して設けられている。
【０００５】
しかしながら、上記の発光素子収納用パッケージ５０は、それぞれの熱膨張係数の異なるセラミック基板５２と、放熱体５６を半田５８で接合しているので、繰り返しの加熱、冷却によって接合部材間のそれぞれの熱膨張係数の差からの歪みで半田５８に疲労劣化によるクラック等が発生し、接合信頼性の低下となり、ひいては照度の低下となっている。
【０００６】
半導体装置と称する従来の発光素子収納用パッケージには、半導体素子の収納されたセラミック基板からなる容器を封止するＵ字型金属キャップの端部が、放熱体に設けられた孔に挿入され、端部を折り曲げることによって放熱体が金属キャップに固定されてなるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
セラミックパッケージと称する従来の発光素子収納用パッケージには、セラミック基板にヒートシンク（放熱体）取り付けねじを取付け、これによってヒートシンクを取り付けるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
セラミックス基板構造体と称する従来の発光素子収納用パッケージには、窒化アルミニウムからなるセラミック基板をヒートシンク（放熱体）に半田で接合し、このヒートシンクを鋼鉄製のフレームにボルトで取り付けるものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
パワーモジュール用基板と称する従来の発光素子収納用パッケージには、セラミック基板に設ける貫通孔に弾性体とカラーを備えさせ、そこに雄ねじを挿通させてヒートシンク（放熱体）に設ける雌ねじに螺合させて締め付けることで、セラミック基板と、ヒートシンクを直接接合させるものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】実公昭６２−３３３３１号公報
【特許文献２】特開平６−２１２８８号公報
【特許文献３】特開平６−１３５１０号公報
【特許文献４】特開２０００−２０８６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述したような従来の発光素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）実公昭６２−３３３３１号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、放熱体を強固に保持することができるものの、発光素子を載置させたセラミック基板からの発熱を効率的に放熱させることができない構造となっている。また、この構造の発光素子収納用パッケージは、金属キャップの上面に放熱体が取り付けられるので、発光素子からの発光を外部に取り出すことができない構造となっている。
（２）特開平６−２１２８８号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、セラミック基板の裏面に放熱体を直接取り付けることで、発光素子からの発光を外部に取り出すことができると共に、発光素子を載置させたセラミック基板からの発熱を効率的に放熱させることができるものの、放熱体を取り付けるためのねじをセラミック基板に直接接合する必要があり、パッケージのコストアップとなっている。また、この構造の発光素子収納用パッケージは、放熱体を取り付けねじに締め付けて取り付けるので、締め付け程度によって、脆性材料であるセラミック基板に破壊をもたらす問題を有すると共に、セラミック基板と、取り付けねじとの間に強い接合強度を必要とし、接合信頼性に問題を有している。
（３）特開平６−１３５１０号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、ボルトを締め付けても金属板同士の締め付けであるので、セラミック基板とボルトとの間に接合強度を必要としないものの、セラミック基板と放熱体との間が半田接合であるので、繰り返しの加熱、冷却によって接合部材間のそれぞれの熱膨張係数の差からの歪みで半田に疲労劣化によるクラック等が発生し、接合信頼性の低下となっている。
（４）特開２０００−２０８６８２号公報で開示されるような発光素子収納用パッケージは、セラミック基板と放熱体を雄ねじで締め付けてもセラミック基板の貫通孔に設けたカラーと弾性体でセラミック基板に破壊を与えることなく取り付けることができるものの、カラーと、弾性体によってセラミック基板と放熱体との密着力が弱く、発光素子を載置させたセラミック基板からの発熱を効率的に放熱させることができなくなっている。また、この構造の発光素子収納用パッケージは、カラーと、弾性体を必要とし、パッケージのコストアップとなっている。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、発光素子からの発光を妨げることなく発光させることができると共に、発光素子からの発熱を効率的に放熱させることができる安価な発光素子収納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】
【００１０】
前記目的に沿う本発明に係る発光素子収納用パッケージは、セラミック基板の上面の中央部に搭載される発光素子を囲繞して発光素子からの発光を反射させるための反射体と、セラミック基板の下面に発光素子からの発熱を放熱させるための放熱体を有する発光素子収納用パッケージにおいて、反射体の外側周辺部のセラミック基板にセラミック基板を貫通する複数の貫通孔と、放熱体に放熱体の上面から立設して貫通孔に挿入できるカシメ用ピンと、カシメ用ピンの先端部を放熱体の上面から挿入できる挿入穴を有し、貫通孔にカシメ用ピンを挿入してセラミック基板を放熱体上に当接すると共に、カシメ用ピンをセラミック基板の上面で屈曲させてセラミック基板の外側に導出し先端部を挿入穴に圧入してセラミック基板を放熱体上にカシメ接合して有する。
【００１１】
ここで、上記の発光素子収納用パッケージは、挿入穴の放熱体の上面から穴底までの空洞がセラミック基板の中央部側に向かっての傾斜を有するのがよい。
【００１２】
また、上記の発光素子収納用パッケージは、放熱体の上面と、セラミック基板の下面の間に、熱伝導性を備えた弾性体からなる隙間シートを密着させて有するのがよい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１又はこれに従属する請求項２又は３記載の発光素子収納用パッケージは、反射体の外側周辺部のセラミック基板にセラミック基板を貫通する複数の貫通孔と、放熱体に放熱体の上面から立設して貫通孔に挿入できるカシメ用ピンと、カシメ用ピンの先端部を放熱体の上面から挿入できる挿入穴を有し、貫通孔にカシメ用ピンを挿入してセラミック基板を放熱体上に当接すると共に、カシメ用ピンをセラミック基板の上面で屈曲させてセラミック基板の外側に導出し先端部を挿入穴に圧入してセラミック基板を放熱体上にカシメ接合して有するので、搭載させる発光素子からの発光を妨げることなく前方に発光させることができると共に、セラミック基板と、放熱体を半田を用いることなく接合して、繰り返しの加熱、冷却によって接合部材間のそれぞれの熱膨張係数の差からの歪みによる半田の疲労劣化から発生するクラック等の発生を防止でき、接合信頼性を向上させて効率的に発光素子からの発熱を放熱させることができる。また、セラミック基板と、放熱体の接合は、ねじ等を用いた締め付けでなく、カシメ用ピンでのカシメ接合であるので、締め付けによるセラミック基板の破壊や、締め付け不足による接合信頼性の低下を防止することができる。更に、セラミック基板と、放熱体の接合は、特段の接合用の部材を用いることなく、カシメ用ピンによるカシメ接合であるので、安価なパッケージを提供することができる。
【００１４】
特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、挿入穴の放熱体の上面から穴底までの空洞がセラミック基板の中央部側に向かっての傾斜を有するので、カシメ用ピンの先端部を圧入させるだけで、カシメ用ピンでセラミック基板を抱え込むようにして容易且つ強固にセラミック基板と、放熱体を接合させることができる。
【００１５】
また、特に、請求項３記載の発光素子収納用パッケージは、放熱体の上面と、セラミック基板の下面の間に、熱伝導性を備えた弾性体からなる隙間シートを密着させて有するので、セラミック基板と、放熱体との間に僅かな隙間も作ることなく密接させ、しかも、隙間シートでの熱伝導率を低下させることなく発光素子からの発熱を放熱体に伝熱させて効率的に放熱体から放熱させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２は同発光素子収納用パッケージのセラミック基板と放熱体の間に隙間シートを取り付ける説明図である。
【００１７】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージ１０は、形状を限定するものではないが、例えば、四角形からなるセラミック基板１１をＬＥＤ等の発光素子１２を搭載させるための基体としている。このセラミック基板１１には、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックが用いられている。
【００１８】
ここで、このセラミック基板１１がアルミナを用いて形成される場合について簡単に説明する。セラミック基板１１は、先ず、アルミナ粉末に焼結助剤を適当量加えた粉末に、可塑剤と、バインダー、及び溶剤を加え、十分に混練し、脱泡してスラリーを作製し、ドクターブレード法等によって、所望の厚みのシート状にしている。そして、シート状からは、適当なサイズの矩形状に切断した必要枚数のセラミックグリーンシートを作製している。次いで、セラミックグリーンシートには、上、下層の電気的導通のためのビア用貫通孔等を打ち抜きプレス等で成形した後、それぞれのセラミックグリーンシートにタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷でビア導体や、導体印刷配線パターンを形成している。更に、それぞれのセラミックグリーンシートは、重ね合わせて温度と圧力をかけて一体化して積層体を形成している。次いで、積層体は、還元性雰囲気中の１５５０℃程度の高温で焼成して導体配線パターン１３を備えたセラミック多層基板からなるセラミック基板１１が形成されるようになっている。
【００１９】
この発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基板１１の上面の中央部に搭載される発光素子１２を囲繞してこの発光素子１２からの発光を反射させるための反射体１４を有している。この反射体１４は、セラミックや、金属等からなると共に、形状を限定するものではないが、例えば、平面視して内周面を円形とし、この内周面に傾斜を持たせたりして反射効率を向上できるようにしている。セラミック基板１１と反射体１３の接合には、樹脂や、ガラスや、ろう材等が用いられたり、あるいはセラミック基板１１と反射体１３が積層、焼成されて一体的に形成されたりしている。発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基板１１の上面に、発光素子１２をワイヤボンド方式や、フリップチップ方式で実装させることができるようにしている。また、この発光素子収納用パッケージ１０には、セラミック基板１１の上面の反射体１４の外側周辺部に接続させて、導体配線パターン１３を介して発光素子１２と電気的に導通状態となる外部接続端子１５がろう付け接合されて設けられている。なお、この外部接続端子１５は、セラミック基板１１と熱膨張係数が近似するＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の金属から形成されている。
【００２０】
また、この発光素子収納用パッケージ１０は、セラミック基板１１の下面に当接して、セラミック基板１１の上面の中央部に搭載される発光素子１２からの発熱を放熱させるための放熱体１６を有している。この放熱体１６は、通常、熱伝導率が高く、軽量であるアルミニウム等の金属を用い、例えば、外部に突出するフィンを有した形状からなっている。
【００２１】
上記の発光素子収納用パッケージ１０のセラミック基板１１には、このセラミック基板１１の上面に有する反射体１４の外側周辺部の部位に、セラミック基板１１を貫通する複数の貫通孔１７を有している。この貫通孔１７は、セラミックグリーンシートにビア用貫通孔を打ち抜きプレス等で成形する場合と同様にして成形し、セラミックグリーンシートの積層体を焼成することで形成することができる。これと共に、上記の発光素子収納用パッケージ１０の放熱体１６には、この放熱体１６の上面から立設してセラミック基板１１に形成する貫通孔１７に挿入できるカシメ用ピン１８を有している。また、上記の発光素子収納用パッケージ１０の放熱体１６には、カシメ用ピン１８と共に、このカシメ用ピン１８の先端部を上面から挿入できる挿入穴１９を有している。
【００２２】
そして、発光素子収納用パッケージ１０は、放熱体１６に形成されたカシメ用ピン１８をセラミック基板１１に形成された貫通孔１７に挿入してセラミック基板１１が放熱体１６の上面に当接させている。更に、発光素子収納用パッケージ１０は、カシメ用ピン１８をセラミック基板１１の上面で屈曲させてセラミック基板１１の外側に導出させて先端部を挿入穴１９に圧入させることで、セラミック基板１１が放熱体１６にカシメ接合されている。このカシメ用ピン１８、及びこれに対応する挿入穴１９は、少なくともセラミック基板１１の対向する２辺のそれぞれの中央に当たる部分にそれぞれ１個を設ける必要がある。また、挿入穴１９の穴底までの距離は、カシメ用ピン１８の先端が最大の締め付けで穴底に到達する長さより長くしておくことで、カシメ用ピン１８によるセラミック基板１１の締め付け固定度合いを弾力的に調整でき、セラミック基板１１の破壊を防止することができる。
【００２３】
なお、カシメ用ピン１８が放熱体１６に立設される形態は、特に限定するものではないが、放熱体１６と一体的に形成されたり、放熱体１６に接合されたり、取り付けられて形成されている。また、カシメ用ピン１８の材質は、特に限定するものではないが、放熱体１６と同一、又は異なるものであってもよいが、屈曲や、圧入等で折れるような極端に硬度の高いものや、逆に、カシメの締め付けが効かないような極端に硬度の低いものは好ましくない。更に、カシメ用ピン１８の断面形状や、これが挿入される貫通孔１７、挿入穴１９の形状は、特に限定されるものではなく、丸形、角形等いずれであってもよい。
【００２４】
上記の発光素子収納用パッケージ１０は、発光素子１２をセラミック基板１１の上面にワイヤボンド方式や、フリップチップ方式で搭載し、反射体１４の上面に透明からなる蓋体（図示せず）を接合して封止した後、外部接続端子１５を介して外部と電気的に導通状態としている。そして、発光素子１２が実装された発光素子収納用パッケージ１０は、発光素子１２からの発光を反射体１４で反射させて輝度を向上させると共に、発光に伴って発生する発熱を放熱体１６から外部に速やかに放熱させて発光素子１２の輝度を維持させている。この発光素子収納用パッケージ１０には、外部接続端子１５からの発光素子１２への電気的接続による加熱、電気的切断による冷却の繰り返しが発生するが、セラミック基板１１と、放熱体１６の接合がカシメ接合であるので、接合部にダメージを与えることなく接合信頼性を向上させることができる。
【００２５】
上記の発光素子収納用パッケージ１０は、挿入穴１９の放熱体１６の上面から穴底までの空洞がセラミック基板１１の中央部側に向かって傾斜を有しているのがよい。この空洞の傾斜形状は、特に、限定するものではなく、直線状であってもよく、途中で傾斜Ｌ字状や、傾斜Ｊ字状に湾曲等していてもよい。この挿入穴１９の傾斜によって、放熱体１６は、これに設けたカシメ用ピン１８でセラミック基板１１を強固に抱き込むことができ、接合信頼性を向上させることができる。
【００２６】
次いで、図２に示すように、上記の発光素子収納用パッケージ１０の変形例の発光素子収納用パッケージ１０ａは、放熱体１６の上面と、セラミック基板１１の下面との間に、隙間シート２０を密着させて有している。この隙間シート２０は、熱伝導率がセラミック基板１１の熱伝導率に近似するような熱伝導性に優れた弾性体からなるシートであるのがよい。放熱体１６の上面と、セラミック基板１１の下面との間は、セラミック基板１１の下面の僅かなうねりによって放熱体１６の上面との間に僅かな空隙を有することとなるが、この空隙を弾性体である隙間シート２０で塞ぐことができる。従って、この発光素子収納用パッケージ１０ａは、空隙による熱伝導性の低下を防止して発光素子１２からの発熱をセラミック基板１１及び隙間シート２０を介して速やかに放熱体１６に伝熱でき、放熱体１６から大気中に放熱させることができる。また、隙間シート２０は、弾力性を有しているので、カシメ接合時の締め付け力の緩衝となり、セラミック基板１１の破壊を防止させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の発光素子収納用パッケージは、電気的オン、オフが繰り返される各種発光装置等のランプや、自動車用ヘッドランプや、街路灯等のランプや、パソコン、テレビ等のバックライト用等のような高い発光効率と、高い信頼性品質を求められるものに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る発光素子収納用パッケージの平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】同発光素子収納用パッケージのセラミック基板と放熱体の間に隙間シートを取り付ける説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は従来の発光素子収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０、１０ａ：発光素子収納用パッケージ、１１：セラミック基板、１２：発光素子、１３：導体配線パターン、１４：反射体、１５：外部接続端子、１６：放熱体、１７：貫通孔、１８：カシメ用ピン、１９：挿入穴、２０：隙間シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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