JP2006108432A - 発光素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子からの発熱を効率よく放熱することができ、安価な発光素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】発光素子１１がセラミック基板上にフリップチップ方式で実装される発光素子収納用パッケージ１０において、セラミック基板が１又は複数枚からなる第１の窒化アルミニウム平板１５上に、第１の窒化アルミニウム平板１５の大きさより小さい１又は複数枚からなる第２の窒化アルミニウム平板１６を積層する窒化アルミニウム多層基板１７からなり、第２の窒化アルミニウム平板１６の外周側面を囲繞できる開口孔９を有して第１の窒化アルミニウム平板１５と略同等の外形大きさからなる金属板１８が第１の窒化アルミニウム平板１５上に接合され、発光素子１１をフリップチップ方式で実装するための第２の窒化アルミニウム平板１６を金属板１８の開口孔１９から露出して有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発行ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤという。）等の発光素子を収容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、ＬＥＤ等の発光素子からの高発熱を効率的に放熱できる発光素子収納用パッケージに関する。

図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、従来のＬＥＤ等の発光素子を収容するための発光素子収納用パッケージ５０、５０ａを説明する。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、樹脂製や、セラミック製からなる基板５１の発光素子搭載部に発光素子５２が直接接合され、基板５１に設けられたボンディングワイヤ接続用パッド５３と、発光素子５２がボンディングワイヤ５４を介してワイヤボンド方式で接続されるものである。これにより、発光素子収納用パッケージ５０に搭載される発光素子５２は、基板５１に設けられている外部接続端子接続用パッド５５と電気的に導通状態とすることができる。あるいは、図３（Ｂ）に示すように、従来の発光素子収納用パッケージ５０ａは、樹脂製や、セラミック製からなる基板５１ａに設けられた接続用パッド５６に、発光素子５２に設けられた接続端子５７との間に接合材５８を介して発光素子５２がフリップチップ方式で直接接合されるものである。これにより、発光素子収納用パッケージ５０ａに搭載される発光素子５２は、基板５１ａに設けられている外部接続端子接続用パッド５５と電気的に導通状態とすることができる。これらの発光素子収納用パッケージ５０、５０ａに搭載される発光素子５２は、透光性のある封止樹脂で気密に封止されたり、レンズ等からなる蓋体を上面に接合して気密に封止されたりしている。

近年の装置の小型化の要求に対しては、発光素子収納用パッケージ５０、５０ａにも小型、薄型化の要求がある。これに対して、フリップチップ方式の発光素子収納用パッケージ５０ａは、ワイヤボンド方式の発光素子収納用パッケージ５０に比較してボンディングワイヤ５４を必要としないので、発光素子５２を実装した後のパッケージの高さを低く、また大きさを小さくすることができ、軽薄短小の装置とするのには優れている。

また、ＬＥＤ等の発光素子は、最近のＬＥＤ等の高輝度化の要求に伴い、光出力を大きくする必要がある。その対応のためには、発光素子に流す電流を増加させることで可能であるが、光出力の増加に併せて発光素子自体の温度が上昇する。従来の樹脂製の発光素子収納用パッケージは、樹脂基板上に搭載される発光素子の温度上昇によって、高温に対する耐熱性が十分でなく、問題が発生している。そこで、耐熱性の高いアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなるセラミック製の発光素子収納用パッケージが多く用いられるようになっている。しかしながら、アルミナ等のセラミック製の発光素子収納用パッケージは、セラミックの熱伝導性が低いので、セラミック基板内部を熱伝導させて速やかに表面から放熱させるための放熱性に問題を抱えている。従って、アルミナ等のセラミック製の発光素子収納用パッケージは、耐熱性は高いものの放熱性が劣るため、発光素子の機能の低下を引き起こす問題を有している。

発光素子収納用パッケージには、発光素子をフリップチップ方式で樹脂製の基板に実装するために、発光素子のＰ電極と、基板の正電極のそれぞれ一部が導電性接合部材で接合して電気的に導通状態とすると同時に、発光素子のＰ電極と、基板の正電極のそれぞれ一部を除いた部分が絶縁膜を介して対向して導電性接合部材で接合して熱伝導を向上させることで、発光素子からの発熱の放熱特性を向上させるものが提案されている（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は、発光素子をフリップチップ方式で実装する基板が、間に絶縁部を有するヒートシンク板を兼ねる第１と第２の金属板からなり、発光素子の接続端子であるアノード電極とカソード電極がそれぞれ第１と第２の金属板に電気的に接続されると同時に、放熱性を向上させるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−３５８３７１号公報 特開２００４−１５２８０８号公報

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）発光素子がフリップチップ方式で搭載される基板として樹脂製が用いられる場合には、樹脂基板の熱伝導率が低いので、発光素子からの発熱を基板を介して放熱させる十分な放熱性を得ることができない。
（２）発光素子がフリップチップ方式で搭載されるヒートシンク板は、ヒートシンク板を兼ねる第１と第２の金属板の間に絶縁部を設けたりするための複雑な組立加工を要し、発光素子収納用パッケージが高価なものとなっている。
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よく放熱することができ、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。

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、発光素子がセラミック基板上にフリップチップ方式で実装される発光素子収納用パッケージにおいて、セラミック基板が１又は複数枚からなる第１の窒化アルミニウム平板上に、第１の窒化アルミニウム平板の大きさより小さい１又は複数枚からなる第２の窒化アルミニウム平板を積層する窒化アルミニウム多層基板からなり、第２の窒化アルミニウム平板の外周側面を囲繞できる開口孔を有して第１の窒化アルミニウム平板と略同等の外形大きさからなる金属板が第１の窒化アルミニウム平板上に接合され、発光素子をフリップチップ方式で実装するための第２の窒化アルミニウム平板を金属板の開口孔から露出して有する。

ここで、発光素子収納用パッケージは、第２の窒化アルミニウム平板の上面に発光素子を実装するための高融点金属からなる接続用パッドを有し、接続用パッドと、ビア及び導体配線パターンを介して電気的に導通状態となる第１の窒化アルミニウム平板の下面に外部接続端子パッドを有するのがよい。
また、発光素子収納用パッケージは、第２の窒化アルミニウム平板の外周側面と、金属板の開口孔壁面との間に熱伝導性のよい樹脂が充填されているのがよい。
更に、発光素子収納用パッケージは、金属板がＣｕ板、Ｃｕ合金板、Ｃｕと他の金属との複合板、又はＣｕ板と他の金属板との接合板からなるのがよい。

請求項１及びこれに従属する請求項２〜４記載の発光素子収納用パッケージは、セラミック基板が１又は複数枚からなる第１の窒化アルミニウム平板上に、第１の窒化アルミニウム平板の大きさより小さい１又は複数枚からなる第２の窒化アルミニウム平板を積層する窒化アルミニウム多層基板からなり、第２の窒化アルミニウム平板の外周側面を囲繞できる開口孔を有して第１の窒化アルミニウム平板と略同等の外形大きさからなる金属板が第１の窒化アルミニウム平板上に接合され、発光素子をフリップチップ方式で実装するための第２の窒化アルミニウム平板を金属板の開口孔から露出して有するので、発光素子からの発熱を耐熱性が高く、熱伝導率の高い窒化アルミニウムを介して高発熱を吸熱する金属板から効率よく放熱させることができる。また、金属板は、発光素子収納用パッケージの上面側に配置させてパッケージがボード等に取り付けられる面と反対面である熱を籠もらせない開放側の大気中となるので、金属板からの放熱を促進させることができる。更に、発光素子収納用パッケージは、金属板の開口孔に、窒化アルミニウム多層基板の第２の窒化アルミニウム平板を露出させると共に、第１の窒化アルミニウム平板に金属板を接合するだけの安価なパッケージとすることができ、しかも、ボンディングワイヤを用いないフリップチップ方式によって実装容積を狭くすることができ、発光素子を搭載した後の装置を軽薄短小型にすることができる。

特に、請求項２記載の発光素子収納用パッケージは、第２の窒化アルミニウム平板の上面に発光素子を実装するための高融点金属からなる接続用パッドを有し、接続用パッドと、ビア及び導体配線パターンを介して電気的に導通状態となる第１の窒化アルミニウム平板の下面に外部接続端子パッドを有するので、配線導体と金属板との短絡を発生させることなく発光素子収納用パッケージの外部接続端子パッドを下面側、又は下面の側部に設けることができ、発光素子が実装された発光素子収納用パッケージを容易に装置に接続させることができる。
また、特に、請求項３記載の発光素子収納用パッケージは、第２の窒化アルミニウム平板の外周側面と、金属板の開口孔壁面との間に熱伝導性のよい樹脂が充填されているので、発光素子からの発熱を窒化アルミニウムを介して速やかに金属板に熱拡散でき、放熱効果を向上させることができる。
更に、特に、請求項４記載の発光素子収納用パッケージは、金属板がＣｕ板、Ｃｕ合金板、Ｃｕと他の金属との複合板、又はＣｕ板と他の金属板との接合板からなるので、熱伝導性のよい金属板によって、放熱効果を向上させることができる。

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するための最良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）はそれそ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拡大平面図、拡大縦断面図、図２は同発光素子収納用パッケージに実装された発光素子からの発熱の放熱経路の説明図である。

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、平面視してそれぞれが矩形状や、多角形や、円形等の１つ、又は複数個集合体（図１（Ａ）、（Ｂ）は複数個集合体）からなり、それぞれの中心部に発光素子１１を実装するための搭載部１２を有している。この発光素子収納用パッケージ１０は、発光素子１１がセラミック基板上の搭載部１２に発光素子１１に設けられた接続端子１３との間に接合材１４を介して接合するフリップチップ方式で実装されるものである。セラミック基板は、熱伝導性のよい窒化アルミニウムから形成され、１、又は複数枚からなる第１の窒化アルミニウム平板１５上に、この第１の窒化アルミニウム平板１５を平面視した大きさより小さい１、又は複数枚からなる第２の窒化アルミニウム平板１６を積層して形成される窒化アルミニウム多層基板１７で構成されている。そして、発光素子収納用パッケージ１０は、この窒化アルミニウム多層基板１７の第１の窒化アルミニウム平板１５の上面と、後述する金属板１８の下面とを接合させることで形成されている。

金属板１８は、発光素子１１からの発熱を窒化アルミニウム多層基板１７を介して放熱するための熱伝導性のよい金属から形成され、第２の窒化アルミニウム平板１６の外周側面を囲繞し、第２の窒化アルミニウム平板１６の上面を開口孔１９の内部、開口孔１９の上面、又は開口孔１９の上面を超えて突出させるようにして露出させるために開口孔１９を有している。また、この金属板１８の外形の大きさは、第１の窒化アルミニウム平板１５の外形の大きさと略同等の大きさに形成されている。発光素子収納用パッケージ１０の発光素子１１をフリップチップ方式で実装するための搭載部１２は、底面を第２の窒化アルミニウム平板１６を金属板１８の開口孔１９から露出させて形成されている。更に、搭載部１２は、例えば、発光素子１１からの光を上方に反射させるためのリング状や、多角状等の内径側の壁面に傾斜を持たせて窓枠形状に形成された金属板１８と同様な金属を用いて形成された反射板２０を金属板１８に接合させて設けることもできる。また、発光素子１１が実装された搭載部１２は、発光素子１１を実装した後に、発光素子１１を気密に封止するために、透明や、半透明のガラス板や、レンズ等からなる蓋体２１が反射板２０に接合されたり、あるいは、反射板２０の有無にかかわらずに透光性樹脂で発光素子１１を直接覆うようにしている。

ここで、窒化アルミニウム多層基板１７は、第２の窒化アルミニウム平板１６の上面に、発光素子１１に設けられた接続端子との間に接合材１４を介してフリップチップ方式で直接接合して実装するための、Ｗ（タングステン）や、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属からなる導電体ペーストを窒化アルミニウムグリーンシートに印刷し、窒化アルミニウムグリーンシートと同時焼成して形成する接続用パッド２２を有している。また、窒化アルミニウム多層基板１７には、第１、第２の窒化アルミニウム平板１５、１６のそれぞれの層の上下を電気的に導通状態とするための高融点金属からなる導電体ペーストを窒化アルミニウムグリーンシートに印刷し、窒化アルミニウムグリーンシートと同時焼成して形成するビア２３と、層間面に配設する導体配線パターン２４が設けられている。更に、窒化アルミニウム多層基板１７は、接続用パッド２２と、ビア２３と、導体配線パターン２４を介して電気的に導通状態となる第１の窒化アルミニウム平板１５の下面に高融点金属からなる導電体ペーストを窒化アルミニウムグリーンシートに印刷し、窒化アルミニウムグリーンシートと同時焼成して形成する外部接続端子パッド２５を有している。この外部接続端子パッド２５は、窒化アルミニウム多層基板１７の下面の所望の位置に、あるいは、下面の側部に集中させて設けられている。なお、発光素子１１と、接合用パッド２２を接続するための接合材１４には、半田等の導電性ろう材、あるいはＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ等の導電性金属を微粒子にしてエポキシや、ポリイミド等からなる樹脂に混合させた導電性樹脂を用いることができる。

発光素子収納用パッケージ１０は、第２の窒化アルミニウム平板１６の外周側面と、金属板１８の開口孔１９壁面との間に、熱伝導性のよい樹脂、例えば、Ａｇや、Ｃｕ等の高熱導電性金属を微粒子にしてエポキシや、ポリイミド等からなる樹脂に混合させた熱伝導性樹脂２６が充填されているのがよい。また、発光素子収納用パッケージ１０は、金属板１８にＣｕ板や、Ｃｕ合金板や、Ｃｕと他の金属との複合板、例えば、セラミックと熱膨張係数が近似するポーラス状のＷや、Ｍｏ板にＣｕを含浸させて形成する複合板や、又はＣｕと他の金属板との接合板、例えば、セラミックと熱膨張係数が近似するＭｏ板の両面にＣｕをクラッド接合させて形成する接合板を用いるのがよい。Ｃｕは、熱伝導性に優れるので、発光素子１１からの発熱を素早く熱伝導させて、大気中に放熱させることができる。

ここで、図２を参照しながら、発光素子収納用パッケージ１０に実装された発光素子１１からの発熱の放熱経路を説明する。図２に示すように、発光素子１１からの発熱は、発光素子１１を電気的導通状態に接続する接合材１４を介して熱伝導性に優れる窒化アルミニウムで作製されている第２の窒化アルミニウム平板１６に熱拡散される。第２の窒化アルミニウム平板１６に熱拡散され熱は、更に、下方の第１の窒化アルミニウム平板１５に熱拡散される。そして、第１の窒化アルミニウム平板１５に熱拡散された熱は、第１の窒化アルミニウム平板１５と接合している上方の金属板１８に吸熱され、大気中に放熱されている。また、発光素子１１からの発熱の一部は、第２の窒化アルミニウム平板１６に熱拡散されてから第２の窒化アルミニウム平板１６の外周側面と、金属板１８の開口孔１９壁面との間に充填された熱伝導性樹脂２６を介して金属板１８に吸熱され、大気中に放熱させることもできる。通常、発光素子収納用パッケージ１０が照明用として用いられる場合には、第１の窒化アルミニウム平板１５側が障壁体側になり、発光素子１１からの発熱の経路を閉塞して第１の窒化アルミニウム平板１５側の表面から大気中に放熱させるのが難しいので、大気中側に金属板１８を有する発光素子収納用パッケージ１０は放熱効果を向上させることができる。

本発明の発光素子収納用パッケージは、ＬＥＤ等の発光素子を搭載させて照明や、ディスプレイ等に用いることができる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれそ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拡大平面図、拡大縦断面図である。 同発光素子収納用パッケージに実装された発光素子からの発熱の放熱経路の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれそれ従来の発光素子収納用パッケージの説明図である。

符号の説明

１０：発光素子収納用パッケージ、１１：発光素子、１２：搭載部、１３：接続端子、１４：接合材、１５：第１の窒化アルミニウム平板、１６：第２の窒化アルミニウム平板、１７：窒化アルミニウム多層基板、１８：金属板、１９：開口孔、２０：反射板、２１：蓋体、２２：接続用パッド、２３：ビア、２４：導体配線パターン、２５：外部接続端子パッド、２６：熱伝導性樹脂

Claims (4)

1. 発光素子がセラミック基板上にフリップチップ方式で実装される発光素子収納用パッケージにおいて、
   前記セラミック基板が１又は複数枚からなる第１の窒化アルミニウム平板上に、該第１の窒化アルミニウム平板の大きさより小さい１又は複数枚からなる第２の窒化アルミニウム平板を積層する窒化アルミニウム多層基板からなり、前記第２の窒化アルミニウム平板の外周側面を囲繞できる開口孔を有して前記第１の窒化アルミニウム平板と略同等の外形大きさからなる金属板が前記第１の窒化アルミニウム平板上に接合され、前記発光素子を前記フリップチップ方式で実装するための前記第２の窒化アルミニウム平板を前記金属板の前記開口孔から露出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。
2. 請求項１記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記第２の窒化アルミニウム平板の上面に前記発光素子を実装するための高融点金属からなる接続用パッドを有し、該接続用パッドと、ビア及び導体配線パターンを介して電気的に導通状態となる前記第１の窒化アルミニウム平板の下面に外部接続端子パッドを有することを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
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、前記第２の窒化アルミニウム平板の前記外周側面と、前記金属板の前記開口孔壁面との間に熱伝導性のよい樹脂が充填されていることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の発光素子収納用パッケージにおいて、前記金属板がＣｕ板、Ｃｕ合金板、Ｃｕと他の金属との複合板、又はＣｕ板と他の金属板との接合板からなることを特徴とする発光素子収納用パッケージ。

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