(57)【要約】【課題】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発光素子収納用パッケージを提供する。【解決手段】絶縁基体１１の上面に発光素子１２が搭載される発光素子収納用パッケージ１０において、絶縁基体１１がタングステンや、モリブデン等の高融点金属と１５３０℃を超える高温の還元性雰囲気中で同時焼成可能なセラミックからなり、絶縁基体１１の発光素子１２が搭載される部位に、絶縁基体１１に形成された貫通孔１４の壁面に設けられた高融点金属のメタライズ膜１５に設けられる銅めっき被膜１６、１６ａ、１６ｂからなるサーマルビア１３、１３ａ、１３ｂを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基体の上面に発光素子が搭載される発光素子収納用パッケージにおいて、
前記絶縁基体がタングステンや、モリブデン等の高融点金属と１５３０℃を超える高温の還元性雰囲気中で同時焼成可能なセラミックからなり、前記絶縁基体の前記発光素子が搭載される部位に、前記絶縁基体に形成された貫通孔の壁面に設けられた前記高融点金属のメタライズ膜に設けられる銅めっき被膜からなるサーマルビア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、前記絶縁基体の下面に前記発光素子からの発熱を前記絶縁基体、及び前記サーマルビアの前記銅めっき被膜を介して下方に伝熱させると共に、前記絶縁基体、及び前記サーマルビアの前記銅めっき被膜と直接接続して放熱させるヒートシンク板を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、複数個の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、発光素子からの発熱を効率的に放熱させるための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、従来から照度を向上させるための手段の一つとして入力電流を上げることで対応されている。しかしながら、発光素子は、入力電流を上げることで照度はあがるものの、高温となり大量の発熱が起こることとなっている。この発熱と共に、発光素子は、逆に照度の低下が発生するという問題を抱えている。
【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説明図、サーマルビアの拡大説明図である。
図３（Ａ）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を載置するために、絶縁基体５２をセラミックや、樹脂を用いて作製している。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く、放熱性が劣るので、特段の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、このような場合には、絶縁基体５２に、熱伝導率が樹脂、例えば、ＢＴ樹脂（ビスマレイミドトリアジンを主成分とする樹脂）からなる樹脂基板（熱伝導率：０．１９Ｗ／ｍ・Ｋ程度）に対しては高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）（熱伝導率：１７．８Ｗ／ｍ・Ｋ程度）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（熱伝導率：１２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）等のセラミックを用いることが多くなってきている。しかしながら、発光素子収納用パッケージ５０の絶縁基体５２に窒化アルミニウムを用いる場合には、窒化アルミニウムが高価であるので、発光素子収納用パッケージ５０のコストアップとなっている。
【０００４】
発光素子収納用パッケージ５０に、アルミナのセラミックを用いる場合には、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ている。そして、それぞれのセラミックグリーンシートには、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し、それぞれのセラミックグリーンシートを重ね合わせて積層した後、セラミックと、高融点金属を高温で同時焼成してセラミック多層基板からなる絶縁基体５２を形成している。これにより、この発光素子収納用パッケージ５０には、絶縁基体５２の上面に発光素子５１をワイヤボンド方式や、フリップチップ方式で接続して実装させるための接続パッド５３がタングステンや、モリブデン等の高融点金属で設けられている。また、発光素子収納用パッケージ５０には、絶縁基体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。更に、この発光素子収納用パッケージ５０には、絶縁基体５２の下面に、絶縁基体５２の上面の接続パッド５３と、絶縁基体５２の内部に設けられる導体配線パターン５５を介して電気的に接続状態となる外部接続端子パッド５６がタングステンや、モリブデン等の高融点金属で設けられている。
【０００５】
上記の発光素子収納用パッケージ５０は、発光素子５１からの発熱を下方に放熱させるために絶縁基体５２に当接する、例えば、アルミニウム等を用いたヒートシンク板５７を接合して設けている。なお、この発光素子収納用パッケージ５０は、実装される発光素子５１を外部接続端子パッド５６を介して外部と電気的に導通状態とするために、ヒートシンク板５７上に設けられたボード等の配線基板５８の端子に外部接続端子パッド５６を半田５９等で接合させている。
【０００６】
しかしながら、この発光素子収納用パッケージ５０は、熱伝導率が優れるセラミック多層基板からなる絶縁基体５２を用い、下面にヒートシンク板５７を用いたとしても、アルミナからなるセラミック多層基板の場合には、近年の発光効率の向上が求められる電子機器への使用では、増大する発光素子５１からの発熱を効率的に放熱させるための熱伝導率が小さく、熱による発光素子５１の照度の低下を抑えることができなくなっている。そこで、図３（Ｂ）に示すように、発光素子収納用パッケージ５０は、アルミナからなる絶縁基体５２の発光素子５１が搭載される部位となるセラミックグリーンシートに設ける貫通孔６０にタングステンや、モリブデン等の高融点金属を詰め込んで、同時焼成して貫通孔６０に高融点金属からなるビア導体６１を充填させたサーマルビア６２を設けている。そして、発光素子収納用パッケージ５０は、このサーマルビア６２を介して発光素子５１からの発熱を下方のヒートシンク板５７に伝熱させてヒートシンク板５７から外部に放熱させている。しかしながら、タングステンや、モリブデン等の高融点金属で充填させたビア導体６１からなるサーマルビア６２は、タングステンや、モリブデン等の熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋ程度と低いので、ヒートシンク板５７への伝熱が低く、効率的な放熱ができなく発光素子５１の熱抵抗θｊ−ｃの低減効果が低いものとなっている。また、セラミックと同時焼成するタングステンや、モリブデン等の高融点金属には、通常、同時焼成するときのそれぞれの熱膨張係数をできるだけセラミックの熱膨張係数と近似させるために、タングステンや、モリブデン等の高融点金属に同じセラミック粉末を含有させたものを用いている。これにより、セラミック粉末を含有させて焼成されたタングステンや、モリブデン等の高融点金属のビア導体６１は、熱伝導率が単体金属のタングステンや、モリブデン等の高融点金属の場合と異なり、３５Ｗ／ｍ・Ｋ程度より更に低いものとなり、発光素子５１の熱抵抗θｊ−ｃの低減効果が更に低いものとなっている。
【０００７】
発光素子収納用パッケージにも用いることが可能な、従来のセラミック配線基板には、比較的低温で焼成できる、低温焼成用のセラミックグリーンシートの貫通孔に銅粉末と、有機ビヒクルと、セラミック粒子を含有させた銅ペーストを充填して、１０００℃程度でセラミックと金属を同時焼成してサーマルビアを設けた配線基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、発光素子収納用パッケージにも用いることが可能な、従来のセラミック配線基板には、セラミックグリーンシートの貫通孔に銅と、タングステン及び／又はモリブデンを含有してなるペーストを充填して、１２００〜１５００℃の非酸化性雰囲気中でセラミックと金属を同時焼成してサーマルビアを設けた配線基板が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
更には、発光素子収納用パッケージにも用いることが可能な、従来のセラミック配線基板には、比較的低温で焼成できる、ガラスセラミックからなるセラミックグリーンシートの貫通孔に銅８５体積％以上の割合で含有してなるペーストを充填して、９００℃程度でセラミックと金属を同時焼成してサーマルビアを設けた配線基板が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１３４３７８号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４９９２号公報
【特許文献３】特開２００４−２２８４１０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、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）特開２００４−１３４３７８号公報で開示されるような配線基板を用いた発光素子収納用パッケージは、銅ペーストを充填し、焼成されて形成されたサーマルビアが高い熱伝導率を有したとしても、セラミックが１０００℃程度の比較的低温で焼成される、所謂、低温焼成セラミックからなり、セラミックが低い熱伝導率となって、パッケージ全体として熱伝導率が低くなり、発光素子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。
（２）特開２０００−１６４９９２号公報で開示されるような配線基板を用いた発光素子収納用パッケージは、銅と、タングステン及び／又はモリブデンを混合させた導体ペーストを充填し、焼成されて形成されたサーマルビアがタングステン及び／又はモリブデンだけの場合の導体より高い熱伝導率を有し、１２００〜１５００℃で焼成されたセラミックが低温焼成セラミックの場合より高い熱伝導率を有したとしても、それぞれ銅単体や、高温焼成のセラミックの場合より熱伝導率が低いので、パッケージ全体として熱伝導率が低くなり、発光素子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。
（３）特開２００４−２２８４１０号公報で開示されるような配線基板を用いた発光素子収納用パッケージは、特開２００４−１３４３７８号公報の場合と同様に、サーマルビアが銅で形成されたとしても、セラミックがガラスセラミックからなり熱伝導率が低いので、パッケージ全体として熱伝導率が低くなり、発光素子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。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、発光素子からの発熱を効率的に放熱させることができる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】
【００１１】
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、絶縁基体の上面に発光素子が搭載される発光素子収納用パッケージにおいて、絶縁基体がタングステンや、モリブデン等の高融点金属と１５３０℃を超える高温の還元性雰囲気中で同時焼成可能なセラミックからなり、絶縁基体の発光素子が搭載される部位に、絶縁基体に形成された貫通孔の壁面に設けられた高融点金属のメタライズ膜に設けられる銅めっき被膜からなるサーマルビアを有する。
【００１２】
ここで、上記の発光素子収納用パッケージは、絶縁基体の下面に発光素子からの発熱を絶縁基体、及びサーマルビアの銅めっき被膜を介して下方に伝熱させると共に、絶縁基体、及びサーマルビアの銅めっき被膜と直接接続して放熱させるヒートシンク板を有するのがよい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１又はこれに従属する請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、絶縁基体がタングステンや、モリブデン等の高融点金属と１５３０℃を超える高温の還元性雰囲気中で同時焼成可能なセラミックからなり、絶縁基体の発光素子が搭載される部位に、絶縁基体に形成された貫通孔の壁面に設けられた高融点金属のメタライズ膜に設けられる銅めっき被膜からなるサーマルビアを有するので、高温で焼成するセラミックが比較的高い熱伝導率を有すると共に、銅めっき被膜のサーマルビアが高い熱伝導率を有し、入力電流を上げて発光素子からの発熱が上昇しても、発熱をセラミックと、サーマルビアを介して効率的に絶縁基体の下方に伝熱させて放熱させることができ、発光素子の熱抵抗θｊ−ｃの低減効果を高めて発光素子の照度を向上させることができる。
【００１４】
特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、絶縁基体の下面に発光素子からの発熱を絶縁基体、及びサーマルビアの銅めっき被膜を介して下方に伝熱させると共に、絶縁基体、及びサーマルビアの銅めっき被膜と直接接続して放熱させるヒートシンク板を有するので、比較的高い熱伝導率のセラミックと、高い熱伝導率のサーマルビアの銅めっき被膜が直接接続するヒートシンク板で発光素子からの発熱をヒートシンク板に速やかに伝熱させると共に、ヒートシンク板から放熱させることができ、発光素子の熱抵抗θｊ−ｃの低減効果を高めて発光素子の照度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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説明図、サーマルビアの拡大説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同発光素子収納用パッケージのサーマルビアの変形例の拡大説明図、他の変形例の拡大説明図である。
【００１６】
図１（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、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を説明する。
図１（Ａ）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、四角形からなる絶縁基体１１の上面にＬＥＤ等の発光素子１２が搭載されるようになっている。この発光素子収納用パッケージ１０には、絶縁基体１１に高温で焼成されるアルミナや、窒化アルミニウム等のセラミックを用いることができる。このセラミックから絶縁基体１１を形成するためには、先ず、アルミナや、窒化アルミニウム等のセラミック粉末に焼結助剤と、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のセラミックグリーシートを作製している。次に、それぞれのセラミックグリーンシートには、タングステンや、モリブデン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して導体パターンを形成し、それぞれのセラミックグリーンシートを重ね合わせて積層した後、セラミックと、高融点金属を非酸化性雰囲気中の高温で同時焼成してセラミック多層基板からなる絶縁基体１１を形成している。この同時焼成は、例えば、セラミックがアルミナの場合には、タングステンや、モリブデン等の高融点金属と、１５５０℃程度の水素、窒素の還元性雰囲気中の高温で行われている。また、この同時焼成は、例えば、セラミックが窒化アルミニウムの場合には、タングステンや、モリブデン等の高融点金属と、１７００℃程度の窒素雰囲気中の高温で行われている。
【００１７】
上記の発光素子収納用パッケージ１０は、絶縁基体１１が窒化アルミニウムの場合には、その熱伝導率が１２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と高いので、高熱を発する発光素子の熱による発光効率の低下を抑えるために、速やかな放熱を促進できる好適な材料であり、発光素子１２からの発熱を速やかに下方に伝熱させて放熱させることができ、発光素子１２が搭載される部位にサーマルビア１３を設ける必要性が低いものとなっている。しかしながら、窒化アルミニウムは、高価であり、発光素子収納用パッケージ１０のコストアップとなっている。
【００１８】
そこで、発光素子収納用パッケージ１０には、絶縁基体１１に安価なアルミナからなるセラミックが用いられている。絶縁基体１１がアルミナからなる場合には、その熱伝導率が１７．８Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるので、発光素子１２からの発熱を速やかに下方に伝熱させて放熱させることができなく、発光素子１２が搭載される部位にサーマルビア１３を設けることの必要性が高いものとなっている。そこで、絶縁基体１１がアルミナからなる場合の発光素子収納用パッケージ１０は、発光素子１２が搭載される部位に、絶縁基体１１に形成された貫通孔１４の壁面にタングステンや、モリブデン等の高融点金属からなるメタライズ膜１５を設け、更に、その表面に銅めっき被膜１６からなるサーマルビア１３を有するようにしている。このサーマルビア１３を設けた発光素子収納用パッケージ１０は、銅めっき被膜１６が純粋な金属としての銅からなり、その熱伝導率が３９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と非常に高いので、アルミナの熱伝導率をカバーしながらパッケージ全体としての熱伝導率を高めて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。
【００１９】
なお、上記の発光素子収納用パッケージ１０のサーマルビア１３の形態は、絶縁基体１１に形成された貫通孔１４の壁面にタングステンや、モリブデン等の高融点金属からなるメタライズ膜１５を設け、更に、その表面に銅めっき被膜１６を設けて、サーマルビア１３には空洞を有した形態となっている。また、発光素子収納用パッケージ１０の変形例のサーマルビア１３ａの形態には、図２（Ａ）に示すように、絶縁基体１１に形成された貫通孔１４の壁面にメタライズ膜１５を設け、更に、その表面に銅めっき被膜１６ａを設けて、メタライズ膜１５と、銅めっき被膜１６ａで貫通孔１４を塞ぐようにすると共に、銅めっき被膜１６ａの内部に空隙１７を残したようなサーマルビア１３ａであってもよい。更には、発光素子収納用パッケージ１０の他の変形例のサーマルビア１３ｂの形態には、図２（Ｂ）に示すように、絶縁基体１１に形成された貫通孔１４の壁面にメタライズ膜１５を設け、更に、その表面に銅めっき被膜１６ｂを設けて、メタライズ膜１５と、銅めっき被膜１６ｂで貫通孔１４を塞ぐようにすると共に、銅めっき被膜１６ｂの両端部に凹み１８を残したようなサーマルビア１３ｂであってもよい
【００２０】
上記の発光素子収納用パッケージ１０には、絶縁基体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接続して実装させるための接続パッド１９がタングステンや、モリブデン等の高融点金属で設けられている。また、発光素子収納用パッケージ１０には、絶縁基体１１の上面に発光素子１２を囲繞して発光素子１２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２０が設けられている。更に、この発光素子収納用パッケージ１０には、絶縁基体１１の下面に、絶縁基体１１の上面の接続パッド１７と、絶縁基体１１の内部に設けられる導体配線パターン２１を介して電気的に接続状態となる外部接続端子パッド２２がタングステンや、モリブデン等の高融点金属で設けられている。なお、外部接続端子パッド２２は、絶縁基体１１の上面に設けられる場合もある。
【００２１】
上記の発光素子収納用パッケージ１０は、絶縁基体１１の下面に当接して、発光素子１２からの発熱を絶縁基体１１、及びサーマルビア１３、１３ａ、１３ｂの銅めっき被膜１６、１６ａ、１６ｂを介して下方に伝熱させると共に、絶縁基体１１、及びサーマルビア１３、１３ａ、１３ｂの銅めっき被膜１６、１６ａ、１６ｂと直接接続して放熱させるアルミニウム板等からなるヒートシンク板２３を有している。なお、この発光素子収納用パッケージ１０は、実装される発光素子１２を外部接続端子パッド２２を介して外部と電気的に導通状態とするために、ヒートシンク板２３上に設けられたボード等の配線基板２４の端子に外部接続端子パッド２２を半田２５等で接合させている。また、図示しないが、外部接続端子パッド２２が絶縁基体１１の上面に形成される発光素子収納用パッケージ１０の場合には、ヒートシンク板２３の平面状の上面に、絶縁基体１１の下面全面が当接でき、ヒートシンク板２３からの放熱を更に向上させることができる。
【実施例】
【００２２】
本発明者は、アルミナからなる絶縁基体に設ける貫通孔の壁面にタングステンからなるメタライズ膜を設け、更にその表面に銅めっき被膜を設けるサーマルビアを有する発光素子収納用パッケージの実施例のサンプルと、アルミナからなる絶縁基体に設ける貫通孔にタングステンを充填させたサーマルビアを有する発光素子収納用パッケージの従来例のサンプルと、絶縁基体にサーマルビアを設けない発光素子収納用パッケージの比較例のサンプルについて、有限要素法によるシミュレーションで熱抵抗θｊ−ｃを算出し、それぞれの低減効果を測定した。その結果をグラフとして表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
従来例のサンプルは、比較例のサンプルより１５％の熱抵抗θｊ−ｃの低減効果が確認できたが、実施例のサンプルは、この比較例のサンプルより更に５０％を超える熱抵抗θｊ−ｃの低減効果が確認でき、効果の大きいことが実証された。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の発光素子収納用パッケージは、大きな発光効率を求められ、発熱量が大きい自動車用ヘッドランプや、街路灯等のランプとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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説明図、サーマルビアの拡大説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同発光素子収納用パッケージのサーマルビアの変形例の拡大説明図、他の変形例の拡大説明図である。
【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説明図、サーマルビアの拡大説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０：発光素子収納用パッケージ、１１：絶縁基体、１２：発光素子、１３、１３ａ、１３ｂ：サーマルビア、１４：貫通孔、１５：メタライズ膜、１６、１６ａ、１６ｂ：銅めっき被膜、１７：空隙、１８：凹み、１９：接続パッド、２０：反射体、２１：導体配線パターン、２２：外部接続端子パッド、２３：ヒートシンク板、２４：配線基板、２５：半田
【図１】
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【図２】
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【図３】
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