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JP2006012868A - 半導体発光素子用パッケージおよびそれを用いた半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光素子用パッケージおよびそれを用いた半導体発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 十分な放熱特性が得られる半導体発光素子用パッケージおよびそれを用いた半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 断面形状が主面側に末広がり状の凹部が形成された第１金属基板１１と、第１金属基板１１の主面上に載置固着され、断面形状が前記凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成された絶縁部材１３と、前記絶縁部材１３上に載置固着され、断面形状が前記第１貫通孔と連接した末広がり状の第２貫通孔が形成された第２金属基板１２と、前記第２貫通孔の内側面の一部分に形成された窪み１６とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子用パッケージおよびそれを用いた半導体発光装置に係り、特に十分な放熱特性を得るのに好適な構造を備えた半導体発光素子用パッケージおよびそれを用いた半導体発光装置に関する。
半導体発光素子、なかでも発光ダイオード（ＬＥＤ）は、フルカラーディスプレイ、交通・信号機器、車載用途などに幅広く用いられているが、この用途においては、特に光出力が高いものが要求されている。
近年、数百ｍＡを超える大電流で駆動することにより高い光出力が得られる高光束ＬＥＤが注目されているが、大電流を流すことによる半導体発光素子の発熱をいかに放散するかが問題になっている。
従来、この種の代表的な熱放散構造を有する半導体発光装置のパッケージが知られている（例えば特許文献１。）。
特許文献１に開示された半導体発光装置のパッケージは、杯状部になっている上表面と金属ハンダ層が形成されている下表面を有し、杯状部の外表面上には金属酸化物層が形成され、金属酸化物層上と杯状部の内表面上には、杯状部の内表面上に形成される電極と、杯状部の外表面上に形成される電極との両電極を有する電極層が形成されている。
半導体発光素子は、一方の電極が杯状部の内表面の底部の電極に実装され、他方の電極が杯状部の外表面上の電極にワイヤボンディングされている。
杯状部内には電気絶縁クーラントが充填され、電気絶縁クーラントは金属基板に嵌合して密着し、両凸レンズ状の透明蓋部で密封されている。
然しながら、特許文献１に開示された半導体発光装置のパッケージでは、金属基板の杯状部の外上面に金属酸化物層を介して形成された接続パッドにワイヤボンディングしているので、ボンディングボールおよびボンディングにより引き回されたワイヤが金属基板の杯状部の外上面より上方に飛び出している。
このため、半導体発光素子を搭載したパッケージを多数載置し、並列に電気的接続した集合半導体発光装置では、金属基板の杯状部の外上面に形成された電極を共通接続するのが難しい問題がある。即ち、別に共通接続パッドを設け、接続導体を介して上面電極をそれぞれ共通接続パッドに接続しなければならない。
また、金属基板の杯状部の外上面に金属酸化物層を介して形成された電極層は抵抗が高いので、数百ｍＡを超える大電流で駆動する場合に電極層自体の発熱が避けられない問題がある。
特開２００４−２２８０２号公報（４−５頁、図１）
本発明は、十分な放熱特性が得られる半導体発光素子用パッケージおよびそれを用いた半導体発光装置を提供する。
本発明の一態様の半導体発光素子用パッケージは、断面形状が主面側に末広がり状の凹部が形成された第１金属基板と、前記第１金属基板主面上に載置固着され、断面形状が前記凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成された絶縁部材と、前記絶縁部材主面上に載置固着され、断面形状が前記第１貫通孔と連接した末広がり状の第２貫通孔が形成された第２金属基板と、前記第２貫通孔の内側面の一部分に形成された窪みとを有することを特徴としている。
また、本発明の一態様の半導体発光装置は、断面形状が主面側に末広がり状の凹部が形成された第１金属基板と、前記第１金属基板主面上に載置固着され、断面形状が前記凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成された絶縁部材と、前記絶縁部材主面上に載置固着され、断面形状が前記第１貫通孔と連接した末広がり状の第２貫通孔が形成された第２金属基板と、前記第２貫通孔の内側面の一部分に形成された窪みとを有する半導体発光素子用パッケージと、前記凹部の底面に固着された半導体発光素子と、前記半導体発光素子を前記窪み底面に電気的接続するための接続導体と、複数の前記半導体発光素子用パッケージを載置固着する第１金属板と、前記複数の前記半導体発光素子用パッケージ上面に載置固着され、前記第２貫通孔が露出するように第３貫通孔が形成された第２金属板と、前記半導体発光素子および前記接続導体を気密封止する手段とを有することを特徴としている。
本発明によれば、金属基板の凹部の内側面の一部分に窪みを形成し、窪みの底面にワイヤボンディングしているので、ボンディングボールやボンディングにより引き回されたワイヤを凹部内に収納することができる。
これにより、金属基板の上面に板または帯状の接続導体を載置固着し、複数の金属基板の上面を共通接続することができるので、十分な放熱特性が得られる。従って、大電流で動作し、信頼性の高い半導体発光装置を提供することができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施例１に係る半導体発光素子用パッケージの構造を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
図１に示すように、本実施例の半導体発光素子用パッケージ１０は、第１金属基板１１と第２金属基板１２が絶縁部材１３を介して接合された金属基板１４と、金属基板１４に形成された断面形状が開口面側に末広がり状の凹部１５と、凹部１５の内側面の一部分に形成された窪み１６とを有している。
第１および第２金属基板１１、１２は、例えばニッケルおよび銀がメッキされた銅板であり、絶縁部材１３は、例えば両面に銀ロウがコーティングされたアルミナ板である。
第１金属基板１１、絶縁部材１３および第２金属基板１２をこの順に積層して加熱することにより、第１金属基板１１と第２金属基板１２が絶縁部材１３を介して銀ロウで接合された金属基板１４を得、金属基板１４に凹部１５と窪み１６を有する半導体体発光素子用パッケージ１０としている。
即ち、第１金属基板１１、絶縁部材１３および第２金属基板１２をこの順に積層した時に断面形状が開口面側に末広がり状の凹部１５が得られるように、予め、第１金属基板１１には末広がり状の凹部が形成され、絶縁部材１３にはこの凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成され、第２金属基板１２には第１貫通孔に連接した末広がり状の第２貫通孔が形成されている。
凹部１５の内面は凹部１５の底面１７に導電性接着剤、または共晶接合により固着される半導体発光素子１８から放射される光を凹部１５の開口面側へ導出する反射鏡になるように断面形状が開口面側に末広がり状、例えば逆台形状の傾斜面や放物線状の湾曲面をなしている。
更に、凹部１５の内側面に窪み１６が形成されている。窪み１６の底面２０は半導体発光素子１８を外部に電気的接続するための接続導体、例えば金ワイヤ１９をボンディングするための接続パッドである。
窪み１６の底面２０は平坦で、第２金属基板１２の上面から、金ワイヤ１９が凹部１５の開口面より上方に飛び出さない位置ｈ１に設定されている。絶縁部材１３を介した第１金属基板１１と第２金属基板１２の接合位置ｈ２は凹部１５の底面１７と窪み１６の底面２０の間に設定されている。
第１金属基板１１はそれ自身で一方の配線をなし、第１金属基板１１の下面または側面が板または帯状の接続導体を介して外部に電気的接続される。同様に、第２金属基板１２はそれ自身で他方の電極をなし、第２金属基板１２の上面または側面が板または帯状の接続導体を介して外部に電気的接続される。
これにより、半導体発光素子用パッケージ１０から半導体発光素子１８の発熱を外部に放散することが可能である。
次に、半導体発光素子用パッケージ１０の製造方法について詳しく説明する。図２および図３は半導体発光素子用パッケージ１０の製造方法を工程順に示す図である。
図２（ａ）に示すように、積層した時に凹部１５が形成されるように末広がり状の凹部３１ａが複数形成された第１金属基板３１と、両面に銀ロウがコーティングされて凹部３１ａに連接した末広がり状の第１貫通孔３３ａが複数形成された絶縁部材３３と、第１貫通孔３３ａに連接した末広がり状の第２貫通孔３２ａが複数形成された第２金属基板３２とを用意し、第１金属基板３１、絶縁部材３３および第２金属基板３２をこの順に積み重ねる。
次に、図２（ｂ）に示すように、積み重ねられた第１金属基板３１、絶縁部材３３および第２金属基板３２を炉３５に収容して非酸化性雰囲気中でヒータ３６により、銀ロウが溶解する温度、例えば７００℃に加熱して徐冷する。
これにより、図２（ｃ）に示すように、第１金属基板３１、アルミナ板３３および第２金属基板３２が銀ロウで接合された金属基板３４が得られる。
次に、図３に示すように、金属基板３４を支持基板（図示せず）、例えばガラス板に固着し、切断を開始する面、例えば第２金属基板３２上に保護膜（図示せず）、例えばレジスト膜を形成した後、切断装置（図示せず）により、第２金属基板３２側からカッター３８、例えばダイヤモンドブレードで切断する。
次に、金属基板３４を、例えば酸系のエッチャントを用いてカッター３８で切断した面をエッチングすることにより、切断面を平滑にする。その後、レジスト膜を除去して支持基板を取り外す。
次に、金属基板３４にニッケルおよび銀を、例えばメッキ液に浸漬して無電界メッキ法により、絶縁部材３３の両側面を除いて選択的に合わせて１〜５μｍ程度形成する。
これにより、図１に示す第１金属基板１１、絶縁部材１３および第２金属基板１２がこの順で接合され、凹部１５と窪み１６を有する半導体発光素子用パッケージ１０が完成する。
図４は、図１に示す半導体発光素子用パッケージ１０を用いた集合半導体発光装置の構成を示す図で、図４（ａ）は装置の一部が切り欠きされた平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。
図４に示すように、本実施例の集合半導体発光装置４０は、第１金属板４１上に所定の間隔をおいて複数の半導体発光素子用パッケージ１０が載置固定されている。半導体発光素子用パッケージ１０の上面には、凹部１５が露出するように貫通孔４２が形成された第２金属板４３が載置固定されている。
半導体発光素子１８は一方の電極は半導体発光素子用パッケージ１０の凹部１５の底面１７に導電性接着剤で固着され、他方の電極は窪み１６の底面２０にワイヤボンディングされている。
これにより、複数の半導体発光素子１８の一方の電極は第１金属板４１に共通接続され、他方の電極は第２金属板４３に共通接続される。
凹部１５には発光波長に対して透明な樹脂４４が充填され、半導体発光素子用パッケージ１０の上面に半導体発光素子１８から放射された光を一方向へ集光するレンズ４５が貫通孔４２に嵌入して固定されている。
これにより、第１金属板４１および第２金属板４３は共通カソード配線及び共通アノード配線としてだけでなく、放熱板として機能するので、十分な放熱特性を有する集合半導体発光装置４０が得られる。
また、第１金属板４１と第２金属板４３の外周を絶縁性のシール材４６で囲って、第１金属板４１と第２金属板４３の間に冷却ガスまたは冷却水を流すことにより、更に放熱性の高い集合半導体発光装置を得ることが可能である。
図５は、図４に示した集合半導体発光装置４０の等価回路を示す図で、半導体発光素子１８のカソードＫが第１金属板４１を共通カソード配線とし、アノードＡが第２金属板４３を共通アノード配線として、並列接続されている。
集合半導体発光装置４０は抵抗４７を介して電源４８に接続される。また、複数の集合半導体発光装置４０を直列または並列接続することにより、更に大型の集合半導体発光装置を構成することが容易である。
以上説明したように、本実施例によれば、金属基板１４の凹部１５の内側面の一部分に形成された窪み１６の底面２０にワイヤボンディングしているので、ボンディングボールやボンディングにより引き回されたワイヤを凹部１５の内側に収納することができる。
これにより、金属基板１４の上面に板または帯状の接続導体を載置固着し、複数の金属基板１４の上面を共通接続することができるので、十分な放熱特性が得られる。従って、大電流で動作し、信頼性の高い半導体発光装置を提供することができる。
ここでは、第１金属基板１１と第２金属基板１２が絶縁部材１３として銀ロウをコーティングしたアルミナ板で接合された場合について説明したが、必要な放熱特性が得られる範囲内で有機系の絶縁性接着剤、例えばエポキシ系接着剤で接合しても構わない。これによれば、接合時の熱処理温度を下げることができるので、接合工程が簡略化できる利点がある。
図６は本発明の実施例２に係る半導体発光素子用パッケージの構成を示す図で、図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し、矢印の方向から眺めた断面図である。
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。
本実施例が実施例１と異なる点は、金属基板の上面に凹部を囲むように凸部を形成したことにある。
即ち、図６に示すように、半導体発光素子用パッケージ５０は、金属基板１４の上面に凹部１５を囲むように方形状の凸部５１が形成されている。凸部５１は半導体発光素子用パッケージ５０の上面に半導体発光素子１８から放射された光を一方向へ集光するレンズ５２を嵌入するためのガイドとして機能している。
凸部５１は凹部１５の周りに連続して形成されていなくとも、レンズ５２が嵌入できる範囲において、不連続に、例えば水平面内の回転角度で１２０°おきに３箇所に、形成されていても良い。
金属基板１４の上面に凸部５１を形成したことにより、絶縁部材１３を介した第１金属基板１１と第２金属基板１２の接合位置ｈ２を凹部１５の底面１７側に設定して、第２金属基板１２の側面と板または帯状の接続導体との接触面積を確保している。
これにより、半導体発光素子用パッケージ５０から半導体発光素子１８の発熱を外部に放散することが可能である。
図７は、図６に示す半導体発光素子用パッケージ５０を用いた半導体発光装置の構成を示す断面図である。
図７に示すように、本実施例の半導体発光装置６０は、半導体発光素子用パッケージ５０がリード端子６１を有するアイランド部６２とリード端子６３を有する板バネ状電極６４とが樹脂６５により一体にモールド成型されたソケット６６に嵌入して固定されている。
半導体発光素子用パッケージ５０の下面はソケット６６のアイランド部６２に当着され、側面はソケット６６の板バネ状電極６４に挟着されている。
半導体発光素子１８の一方の電極はアイランド部６２のリード端子６１を介して外部に接続され、他方の電極は窪み１６の底面２０にワイヤボンディングされて板バネ状電極６４のリード端子６３を介して外部に接続される。
半導体発光素子用パッケージ５０の凹部１５には発光波長に対して透明な樹脂６７が充填され、半導体発光素子用パッケージ６０の上面に半導体発光素子１８から放射された光を一方向へ集光するレンズ５２が凸部５１に嵌入して固定されている。
これにより、半導体発光素子用パッケージ６０は、ソケット６６に自由に脱着することが可能である。
以上説明したように、本実施例によれば、金属基板１４の上面にレンズ５２を嵌入するための凸部５１を形成し、第２金属基板１２の側面が板バネ状電極６４に挟着されるようにしたので、半導体発光素子用パッケージ６０を自由に脱着できる利点がある。
上述した実施例においては、半導体発光素子用パッケージが方形状で凹部が円形状の場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図８（ａ）に示すように、半導体発光素子用パッケージ８０が方形状で凹部８５も方形状、あるいは、図８（ｂ）に示すように、半導体発光素子用パッケージ９０が円形状で凹部９５も円形状であっても構わない。
円形状の半導体発光素子用パッケージ９０では、ソケット６６との位置合わせが不要であり、嵌入が容易になる利点がある。
本発明の実施例１に係る半導体発光素子用パッケージの構造を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子用パッケージの製造方法を工程順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子用パッケージの製造方法を工程順に示す断面図。 本発明の実施例１に係る集合半導体発光装置の構成を示す図で、図４（ａ）はその一部が切り欠きされた平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。 本発明の実施例１に係る集合半導体発光装置の等価回路を示す図。 本発明の実施例２に係る半導体発光素子用パッケージの構造を示す図で、図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体発光装置の構成を示す断面図。 本発明の実施例に係る半導体発光素子用パッケージの他の構造を示す平面図。
符号の説明
１０ 半導体発光素子用パッケージ
１１ 第１金属基板
１２ 第２金属基板
１３ 絶縁部材
１４ 金属基板
１５ 凹部
１６ 窪み
１７ 凹部の底面
１８ 半導体発光素子
１９ ワイヤ
２０ 窪みの底面

Claims (5)

  1. 断面形状が主面側に末広がり状の凹部が形成された第１金属基板と、
    前記第１金属基板主面上に載置固着され、断面形状が前記凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成された絶縁部材と、
    前記絶縁部材主面上に載置固着され、断面形状が前記第１貫通孔と連接した末広がり状の第２貫通孔が形成された第２金属基板と、
    前記第２貫通孔の内側面の一部分に形成された窪みと
    を有することを特徴とする半導体発光素子用パッケージ。
  2. 断面形状が主面側に末広がり状の凹部が形成された第１金属基板と、
    前記第１金属基板主面上に載置固着され、断面形状が前記凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成された絶縁部材と、
    前記絶縁部材主面上に載置固着され、断面形状が前記第１貫通孔と連接した末広がり状の第２貫通孔が形成された第２金属基板と、
    前記第２貫通孔の内側面の一部分に形成された窪みと、
    前記第２金属基板主面上に前記第２貫通孔を囲むように形成された凸部と
    を有することを特徴とする半導体発光素子用パッケージ。
  3. 前記窪みの底面は、前記凹部の底面に固着される半導体発光素子が接続導体を介して外部に電気的接続される接続パッドであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子用パッケージ。
  4. 前記凸部は、前記第２金属基板主面上に冠着される蓋体を嵌入するためのガイドであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子用パッケージ。
  5. 断面形状が主面側に末広がり状の凹部が形成された第１金属基板と、前記第１金属基板主面上に載置固着され、断面形状が前記凹部に連接した末広がり状の第１貫通孔が形成された絶縁部材と、前記絶縁部材主面上に載置固着され、断面形状が前記第１貫通孔と連接した末広がり状の第２貫通孔が形成された第２金属基板と、前記第２貫通孔の内側面の一部分に形成された窪みとを有する半導体発光素子用パッケージと、
    前記凹部の底面に固着された半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子を前記窪み底面に電気的接続するための接続導体と、
    複数の前記半導体発光素子用パッケージを載置固着する第１金属板と、
    前記複数の前記半導体発光素子用パッケージ上面に載置固着され、前記第２貫通孔が露出するように第３貫通孔が形成された第２金属板と、
    前記半導体発光素子および前記接続導体を気密封止する手段と
    を有することを特徴とする半導体発光装置。
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