JP2007173287A - 発光素子用配線基板ならびに発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱放散性に優れた発光素子用配線基板並びに発光装置を提供する。
【解決手段】セラミックスからなる絶縁基体１と、前記絶縁基体１の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された導体層と、前記絶縁基体１の一方の主面１ａに形成され、半導体発光層を備えた発光素子１３の一部を収納するとともに該発光素子１３の厚みよりも深さが浅い凹部９と、前記絶縁基体１の一方の主面１ａに形成され、該凹部９に収納される前記発光素子１３に形成された接続端子と接続される接続パッド３を具備してなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子を搭載するための発光素子用配線基板ならびに発光装置に関する。

従来、ＬＥＤを用いた発光装置は、非常に発光効率が高く、しかも、白熱電球などと比較すると発光に伴い発生する熱量が小さいために様々な用途に用いられてきた。しかしながら、白熱電球や蛍光灯などと比較すると発光量が小さいために、照明用ではなく、表示用の光源として用いられ、通電量も３０ｍＡ程度と非常に小さいものであった（例えば特許文献１を参照）。

そして、近年では、発光素子を用いた発光装置の高輝度化、光の白色化に伴い、携帯電話や大型液晶ＴＶ等のバックライトに発光装置が多く用いられてきている。しかしながら、発光素子の高輝度化に伴い、発光装置から発生する熱も増加しており、発光素子の輝度の低下をなくす為には、このような熱を素子より速やかに放散する高い熱放散性を有する発光素子用配線基板が必要となっている（例えば特許文献２、３を参照）。
特開２００２−１２４７９０号公報 特開平１１−１１２０２５号公報 特開２００３−３４７６００号公報

しかしながら、従来から配線基板の絶縁基体に用いられてきたアルミナ材料では、熱伝導率が約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、これに代わるものとして高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムが注目され始めた。しかし、窒化アルミニウムは原料コストが高く、高価であるという問題があった。

一方、樹脂系の配線基板を用いた場合には、樹脂系の配線基板は、熱伝導率が０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）と非常に低く、熱に対する問題に全く対処することができず、且つ近紫外波長帯で長期間使用した場合、基板の黒色化が進み輝度が低下するという問題があり、安価で、熱伝導に優れた配線基板は未だ提供されていないのである。

従って本発明は、安価で、熱放散性に優れた発光素子用配線基板および発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光素子用配線基板は、セラミックスからなる絶縁基体と、該絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された導体層と、前記絶縁基体の一方の主面に形成され、半導体発光層を備えた発光素子の一部を収納するとともに該発光素子の厚みよりも深さが浅い凹部と、前記絶縁基体の一方の主面に形成され、前記凹部に収納される前記発光素子に形成された接続端子と接続される接続パッドを具備してなることを特徴とする。

本発明の発光装置は、上記の発光素子用配線基板の前記凹部に前記発光素子の一部が収納されるとともに、該発光素子の前記接続端子と前記発光素子用配線基板の前記接続パッドが電気的に接続され、前記発光素子の発光層が前記凹部から出ていることを特徴とする。

また、本発明の発光装置は、前記凹部の内壁の形状が、前記発光素子の形状に沿っていることが望ましい。

本発明の発光素子用配線基板によれば、セラミックスからなる絶縁基体と、前記絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された導体層と、前記絶縁基体の一方の主面に形成され、発光素子の一部を収納する凹部を具備することで、発光素子の底面と発光素子用配線基板の主面だけが対向するだけでなく、発光素子の側面と発光素子用配線基板の凹部側面とも対向するので、発光素子と発光素子用配線基板とが対向する面積が大きくなり、発光素子からの熱が発光素子用配線基板に伝わる経路が大きくなり、発光素子からの熱を速やかに発光素子用配線基板に伝えることができ、冷却性能に優れた発光素子用配線基板となる。また、発光素子の位置決めが容易になることは言うまでもない。

また、本発明の発光素子用配線基板の凹部に発光層が凹部から出るように発光素子を搭載することで、発光素子からの熱を速やかに発光素子用配線基板に伝えることができ、しかも発光層の側面からの光も有効に利用することができる。

また、本発明の発光素子用配線基板によれば、凹部の形状を発光素子の形状に沿うようにすることで、発光素子の位置決めが容易になり、歩留まりが向上し、製造時間を短縮することができるとともに、発光素子と凹部との距離を様々な部位で略同一とすることができ、発光素子と凹部との間の応力を均一にすることができる。

本発明の発光素子用配線基板は、例えば、図１に示すように、絶縁基体１と、絶縁基体１の主面１ａに形成された発光素子との接続パッド３、絶縁基体１の他方の主面１ｂに形成された外部電極端子５、接続パッド３と外部電極端子５とを電気的に接続するように、絶縁基体１を貫通して設けられた貫通導体７と、絶縁基体１の主面１ａに形成された発光素子を搭載する凹部９とを具備している。

そして、図２に示すように絶縁基体１の主面１ａには、搭載される発光素子１３の厚みよりも深さが浅い凹部９が形成されていることが重要である。このような形態とすることで、本発明の発光素子用配線基板１１に発光層１３ａを備えた発光素子（いわゆるＬＥＤ）１３をこの発光層１３が凹部９から出るように搭載した場合に、発光素子１３の底面と発光素子用配線基板１１の主面だけが対向するだけでなく、発光素子１３の側面と発光素子用配線基板１１の凹部側面とも対向するので、発光素子１３と発光素子用配線基板１１とが対向する面積を大きくすることができる。そのため、発光素子１３からの熱が速やかに発光素子用配線基板１１に伝わり、冷却性に優れた発光素子用配線基板１１となる。しかも発光層１３ａの側面からの光も凹部９によって遮断されることなく有効に利用することができる。なお、発光層１３ａとはサファイヤなどの絶縁体の表面に形成された化合物半導体により形成されてなるもので、電力を印加することでそれ自身が光を出すものである。なお、図２においては発光層１３ａは非常に薄いものであるために、発光素子１３の表面を発光層１３ａとして記載した。

また、図１に示すように、発光素子用配線基板１１の凹部９の形状を発光素子１３の形状に沿うようにすることで、発光素子１３の位置決めが容易になり、歩留まりが向上し、製造時間を短縮することができるとともに、発光素子１３と凹部９との距離を様々な部位で略同一とすることができ、発光素子１３と凹部９との間に発生する応力を均一にすることができる。

なお、凹部９の形状を発光素子１３の形状に沿うようにするとは、発光素子１３の厚さ方向を除く寸法よりも凹部９の寸法を略同一の大きさだけ大きくすることを意味している。特に、凹部９の壁面と発光素子１３の側面との間にそれぞれ７０〜２００μｍの範囲で隙間ができるように凹部９を形成することが望ましい。

両者の間の隙間を７０μｍ以上とすることで容易に発光素子１３を凹部９の中に挿入することができる。また、両者の間の隙間を２００μｍ以下とすることで発光素子１３と発光素子用配線基板１１との距離を小さくすることができ、冷却性を向上させることができる。

また、発光素子１３は、発光層１３ａが発光素子用配線基板１１と逆側になるように搭載され、凹部９から２５〜７５μｍの高さで出ていることが発光する光の有効利用の点で望ましい。特に、２５〜５０μｍがより望ましい。また、発光素子１３は、熱伝導性の点から２５〜７５μｍの深さ凹部９に収納されていることが望ましい。特に、５０〜７５μｍがより望ましい。なお、凹部９から出ている高さとは、凹部９が形成された絶縁基体１の主面１ａと発光素子１３の発光層１３ａが形成された側の表面との高さの差を意味するものである。つまり、発光層１３ａの厚みは発光素子１３の厚みに比べ、わずかであるから無視して考えてもよい程度のものである。

なお、発光層１３ａとは発光素子の一方の主面に形成された半導体層であって、電気を流すことにより発光する機能を有するものを指し、およそ２００ｎｍ程度の厚みを有するものである。

そして、発光素子１３と発光素子用配線基板１１との間には、熱伝導性に優れた接着剤１５を充填していることが冷却性をさらに向上させる観点から望ましい。この接着剤１５としては、例えばエポキシ樹脂と銅粉末の混合物が挙げられ、その他にも例えばアクリル樹脂と銅粉末の混合物やグラファイトフィルムなどが挙げられる。特に、熱伝導性の点からは、エポキシ樹脂と銅粉末の混合物を用いることが望ましい。

また、この発光素子用配線基板１１に用いる絶縁基体１の熱膨張係数を８．５×１０^−６／℃以上とすることで、この発光素子用配線基板１１と外部のプリント基板との接続信頼性を格段に高くすることができる。また、搭載される発光素子１３を被覆するために設けられる封止樹脂１９などとの接合信頼性も同時に改善されることはいうまでもない。特に、９．０×１０^−６／℃以上が好ましく、１０．０×１０^−６／℃以上がより好ましく、例えば、８．５×１０^−６／℃以上の絶縁基体１は、フォルステライトやＭｇＯを用いることにより作製することができる。また、１０．０×１０^−６／℃以上の絶縁基体１は、ＭｇＯを用いることにより作製することができる。

また、本発明の発光素子用配線基板１１に用いる、絶縁基体１は熱伝導率の高いセラミックスによって形成することがより望ましい。

例えば、発光素子用配線基板１１に用いる絶縁基体１の熱伝導率を３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とすることで、絶縁基体１自体からの熱放散性が向上し、発光素子１３の輝度低下を効果的に抑制することが可能となる。特に、３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましく、更には４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましく、最も好適には、４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が良い。例えば、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の絶縁基体１は、純度９９％以上の高純度アルミナやＭｇＯを用いることにより作製することができる。

また、この絶縁基体１として、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３質焼結体を用いた場合には、安価な原料を使用でき、安価な発光素子用配線基板１１を得ることができる。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ_２Ｏ_３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ_２Ｏ_３の結晶を体積比率として、５０体積％以上含有していることが望ましい。

また、このような焼結体は、例えば、平均粒径１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ_２Ｏ_３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍのＭｎ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯの群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を添加した成形体を１３００〜１５００℃の温度範囲で焼成することによって得られるものである。

そして、焼結助剤などのＡｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量については、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶とする緻密体を得るために、望ましくは１５質量％以下、更に望ましくは、１０質量％以下とすることが望ましい。特に、焼結助剤などのＡｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量を１５質量％以下とした場合には、得られる絶縁基体１の大部分をＡｌ_２Ｏ_３結晶により形成することができる。また、これらの焼結助剤は、焼成温度を低くするために５質量％以上、さらには７質量％以上添加することが望ましい。なお、絶縁基体１に用いるセラミックスとして、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４などを主結晶とする焼結体を用いても良い。

このようなＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする組成物に、さらに、バインダ、溶剤を添加して、スラリーを作製し、例えば、ドクターブレード法により、シート状の成形体を作製し、さらに、その表面や、シート状の成形体に設けた貫通孔などに、少なくとも金属粉末を含有する導体ペーストを印刷、充填したのち、このシートを積層し、酸化雰囲気、還元雰囲気、あるいは不活性雰囲気で焼成することで、表面や内部に接続パッド３や外部電極端子５や貫通導体７などの配線層が形成された発光素子用配線基板１１を作製することができる。また、配線層は、薄膜法により絶縁基板１の表面に形成したり、金属箔を成形体の表面に転写するなどして形成できることはいうまでもない。

そして、このような絶縁基体１の表面あるいは内部に、接続パッド３、外部電極端子５、貫通導体７を形成することで、発光素子用配線基板１１に配線回路を形成することができる。

かかる配線回路に用いる導体は、導体成分としてＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分とし、これにセラミック粉末を０〜５重量％の割合で添加したものにアクリル系バインダ及びアセトンを溶媒として混合し、導体ペーストを調整し、スクリーン印刷法等を用いて、セラミックグリーンシート上に印刷塗布することにより形成できる。

そして、以上説明した本発明の発光素子用配線基板１１に、例えば、図２に示すように発光素子１３を樹脂などの接着剤１５を介して搭載し、ボンディングワイヤ１７により発光素子１３の接続端子（図示せず）と接続パッド３とを接続し、封止樹脂１９で覆うことで、本発明の発光装置２１となる。

なお、図２に示した例では、発光素子１３は、接着剤１５により発光素子用配線基板１１に固定され、電力の供給はボンディングワイヤ１７によりなされている。

なお、発光素子１３を搭載する場合には、必要に応じて、この封止樹脂１９に発光素子１３が放射する光を波長変換するための蛍光体（図示せず）を添加してもよい。

また、以上説明した例では、絶縁基体１は単層の例について説明したが、絶縁基体１が多層に積層されている形態であってもよいことは勿論である。

原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を９０質量％、純度９９％以上、平均粒子径１．３μｍのＭｎ_２Ｏ_３粉末を５質量％、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ_２粉末を５質量％で原料粉末を混合し、成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダと、トルエンを溶媒として混合し、スラリーを調整した。

しかる後に、ドクターブレード法にて各種厚みのセラミックグリーンシートを作製した。

また、平均粒子径１．５μｍのＷ粉末を５０質量％および平均粒子径３．５μｍのＣｕ粉末を５０質量％で金属粉末とアクリル系バインダとアセトンとを溶媒として混合し、導体ペーストを調製した。

そして、上記のセラミックグリーンシートに対して、打ち抜き加工を施し、直径が１００μｍのビアホールを形成し、このビアホール内に、導体ペーストをスクリーン印刷法によって充填するとともに、配線パターン状に印刷塗布した。

このようにして作製したセラミックグリーンシートを４層積層して、焼成後に外形５ｍｍ×５ｍｍ×厚み０．６ｍｍとなる積層体を作製した。

また、発光素子を搭載する側のセラミックグリーンシートには焼成後に焼成後の寸法が０．７４、０．８０、１ｍｍ角となる四角状の穴を打ち抜き加工を施して形成し、積層することによって凹部を形成した。

なお、発光素子を搭載する側のセラミックグリーンシートの厚みを焼成後に表１に示す凹部の深さとなるように変化させた。

また、発光素子を搭載する側のセラミックグリーンシートの厚みを変化させた分だけ、他の層のセラミックグリーンシートの厚みも変化させ、発光素子用配線基板の厚みが一定となるようにした。

そして、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１３００〜１７００℃の最高温度で２時間焼成した。そして、絶縁基体の一方の主面に接続パッドを形成し、他方の主面に外部電極端子を形成し、両者を貫通導体で接続した発光素子用配線基板を作製した。

その後、接続パッド並びに外部電極端子の表面にＮｉ、ＡｕおよびＡｇめっきを順次施した。

これらの発光素子用配線基板に接着剤としてエポキシ樹脂と銅粉末の混合物を用いて出力１．５Ｗの発光素子である０．６ｍｍ角、厚み０．１ｍｍのＬＥＤチップをＬＥＤチップの発光層が発光素子用配線基板に対して逆側になるように搭載部に実装し、ボンディングワイヤによりＬＥＤチップと接続端子とを結線し、さらに、ＬＥＤチップと接続端子とを熱膨張係数が４０×１０^−６／℃のシリコーン樹脂からなる封止樹脂で覆い、発光装置を得た。なお、発光素子の底面と凹部の底面との間には５μｍの厚みで接着剤が存在している。

このようにして作製した発光装置に０．４Ａの電流を通電し、１時間後に全放射束測定を行った。

以上の工程により作製した発光素子用配線基板の特性と、試験結果を表１に示す。

表１に示すように、凹部のない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１０に比べ、凹部に発光素子の一部が収納された本発明の試料Ｎｏ．１〜９では３．７５〜１５％程度全放射束が向上した。

また、凹部の中に発光素子が完全に収納され、発光素子の発光層が凹部から出ていない試料Ｎｏ．１１では、発光素子からの光が充分に利用できず、全発光束が１４８ｍＷと低くなった。

本発明の発光素子用配線基板の断面図である。 本発明の発光装置の断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
１ａ・・・絶縁基体の一方の主面
３・・・接続パッド
５・・・外部電極端子
７・・・貫通導体
９・・・凹部
１１・・・発光素子用配線基板
１３・・・発光素子
１３ａ・・・発光層
２１・・・発光装置

Claims (3)

1. セラミックスからなる絶縁基体と、該絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された導体層と、前記絶縁基体の一方の主面に形成され、半導体発光層を備えた発光素子の一部を収納するとともに該発光素子の厚みよりも深さが浅い凹部と、前記絶縁基体の一方の主面に形成され、前記凹部に収納される前記発光素子に形成された接続端子と接続される接続パッドを具備してなることを特徴とする発光素子用配線基板。
2. 請求項１に記載の前記発光素子用配線基板の前記凹部に前記発光素子の一部が収納されるとともに、該発光素子の前記接続端子と前記発光素子用配線基板の前記接続パッドが電気的に接続され、前記発光素子の発光層が前記凹部から出ていることを特徴とする発光装置。
3. 前記凹部の内壁の形状が、前記発光素子の形状に沿っていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
   
   

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