JP2019021711A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】大面積の発光装置を提供する。【解決手段】ベース材と、該ベース材の表面に積層される絶縁層であって、封止ガラスとの密着性に優れた絶縁層と、該絶縁層上にマウントされる発光素子と、を備えてなる発光装置であって、絶縁層は前記ベース材の表面へその材料を直接供給して形成され、かつその空隙率は１０％以下である、発光装置。【選択図】 図１
Description
本発明は発光装置の改良に関する。
発光装置は基板部と、この基板部の表面にマウントされる発光素子と、該発光素子を被覆して基板部の表面に密着する透光性の封止部とを備えてなる。短波長でかつ高出力の発光素子を用いる場合、封止部の劣化黄変を防止するため、封止部はガラス製とすることが好ましい（特許文献１）。発光素子を保護するため、ガラス製の封止部（この明細書で「封止ガラス」）と基板部との間には密着性が求められる。
基板部には、光反射性、経済性、絶縁性、気密性及び封止ガラスとの密着性等の見地から、アルミナ基板が用いられる。このアルミナ基板は一般的に焼結体からなる。他方、基板部には発光素子の熱を排出する機能が求められる。よって、アルミナ基板は、基板としての機械的剛性や絶縁性を確保したうえで、できる限り薄くすることが好ましい。
基板部には、光反射性、経済性、絶縁性、気密性及び封止ガラスとの密着性等の見地から、アルミナ基板が用いられる。このアルミナ基板は一般的に焼結体からなる。他方、基板部には発光素子の熱を排出する機能が求められる。よって、アルミナ基板は、基板としての機械的剛性や絶縁性を確保したうえで、できる限り薄くすることが好ましい。
従来の発光装置では、例えば２５ｍｍ×２５ｍｍのアルミナ基板に複数の発光素子をマウントし、必要な配線を施し、この発光素子を２０ｍｍ×２０ｍｍの封止ガラスで被覆していた。かかる発光装置において、例えばアルミナ基板はその厚さを０．２５ｍｍとしたとき、基板部に求められる機械的剛性と十分な熱引き性を備えていた。
アルミナ基板は、一般的に、熱伝導性に優れた金属材料等からなるベース部材に接触保持される（特許文献２参照）。
アルミナ基板は、一般的に、熱伝導性に優れた金属材料等からなるベース部材に接触保持される（特許文献２参照）。
昨今の発光装置の基板部には大面積化が求められている。基板部を大面積化することにより、より多くの発光素子をマウント可能となる。これにより、大出力の発光装置が得られる。また、大面積の基板部に数多くの発光素子をマウントして、これを切り分けて使用することも考えられる。
そこで、本発明者らは、従来使用していた、例えば、厚さ０．２５ｍｍのアルミナ基板を広幅にし、かつそれに伴い封止ガラスでの封止面積も広幅にした。例えば、アルミナ基板（厚さ：０．２５ｍｍ）を３５ｍｍ×３５ｍｍの平面視正方形の板状として、３０ｍｍ×３０ｍｍの平面視正方形の封止ガラスで被覆した。このような構成の発光装置を製造すると、製造終了後の発光装置の冷却にともない、封止ガラスとアルミナ基板との線膨張係数の差から、アルミナ基板が湾曲し、そこにクラックが入ったりまた破損したりすることがあった。これは、アルミナ基板の機械的剛性が不充分なためである。そこで、アルミナ基板の厚さを約４倍にしたところ、アルミナ基板の湾曲は防止された。しかしながら、アルミナ基板が不必要に厚くされたため、発光素子からの熱引きが不充分になる。
なお、封止ガラスを形成するときアルミナ基板はベース材で支えられていないため、封止ガラスとアルミナ基板との線膨張係数の相違に起因するアルミナ基板の変形を、ベース材をもって阻止することはできない。アルミナ基板とベース材とを接続した状態では、これが封止ガラスの成形温度に耐えられないためである。
そこで、本発明者らは、従来使用していた、例えば、厚さ０．２５ｍｍのアルミナ基板を広幅にし、かつそれに伴い封止ガラスでの封止面積も広幅にした。例えば、アルミナ基板（厚さ：０．２５ｍｍ）を３５ｍｍ×３５ｍｍの平面視正方形の板状として、３０ｍｍ×３０ｍｍの平面視正方形の封止ガラスで被覆した。このような構成の発光装置を製造すると、製造終了後の発光装置の冷却にともない、封止ガラスとアルミナ基板との線膨張係数の差から、アルミナ基板が湾曲し、そこにクラックが入ったりまた破損したりすることがあった。これは、アルミナ基板の機械的剛性が不充分なためである。そこで、アルミナ基板の厚さを約４倍にしたところ、アルミナ基板の湾曲は防止された。しかしながら、アルミナ基板が不必要に厚くされたため、発光素子からの熱引きが不充分になる。
なお、封止ガラスを形成するときアルミナ基板はベース材で支えられていないため、封止ガラスとアルミナ基板との線膨張係数の相違に起因するアルミナ基板の変形を、ベース材をもって阻止することはできない。アルミナ基板とベース材とを接続した状態では、これが封止ガラスの成形温度に耐えられないためである。
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討を重ねてきたところ下記発明に想到した。即ち、この発明の第１の局面は次のように規定できる。
ベース材と、
該ベース材の表面に積層される絶縁層であって、封止ガラスとの密着性に優れた絶縁層と、
該絶縁層上にマウントされる発光素子と、を備えてなる発光装置であって、
前記絶縁層は前記ベース材の表面へその材料を直接供給して形成され、かつその空隙率は１０％以下である、
発光装置。
ベース材と、
該ベース材の表面に積層される絶縁層であって、封止ガラスとの密着性に優れた絶縁層と、
該絶縁層上にマウントされる発光素子と、を備えてなる発光装置であって、
前記絶縁層は前記ベース材の表面へその材料を直接供給して形成され、かつその空隙率は１０％以下である、
発光装置。
このように規定される第１の局面の発光装置によれば、ベース材の表面へアルミナ等の絶縁材料が直接供給されてアルミナ層等の絶縁層となる。この絶縁層を薄くしてもベース材が十分な機械的剛性を有しているので、ベース材＼絶縁層の積層体からなる基板部も十分な機械的剛性を備える。また、ベース材の表面へ絶縁材料を直接供給するので両者の間に強い物理的結合が得られ、高い耐熱性も備える。よって、このベース材＼絶縁層の積層体からなる基板部に対して封止ガラスを形成することができる。
薄い絶縁層を採用することにより発光素子からの十分な熱引きを確保できる。
なお、絶縁層には封止ガラスとの間の密着性とともに、熱引き性（熱伝導率）、絶縁性及び気密性が要求される。
薄い絶縁層を採用することにより発光素子からの十分な熱引きを確保できる。
なお、絶縁層には封止ガラスとの間の密着性とともに、熱引き性（熱伝導率）、絶縁性及び気密性が要求される。
ここに、ベース材の表面へ絶縁材料を直接供給して形成される絶縁層の空隙率を１０％以下とすると、熱引き性、絶縁性及び気密性が共に確保できる。
絶縁層の空隙率が１０％を超えると、絶縁層における空隙の占める割合が大きくなり、熱伝導率が低下しまた気密性が不充分になる。また、空隙に水等が浸入すると絶縁性の確保も困難になる。なお、封止ガラス層との密着性は絶縁層の材料選択による。絶縁層の材料の線膨張係数は封止ガラスの材料のそれにできる限り近づけることが好ましい。
なお、この空隙率の下限は特に限定されないが、当該下限値は０．１％とすることができる。
この空隙率は次のようにして求められる。ベース材に対して垂直方向に絶縁層を切断し、切断面の顕微鏡写真を撮影する。得られた写真を画像処理して、所定の面積に含まれる空間部分の面積を積算し、両者の比を演算する。
絶縁層の空隙率が１０％を超えると、絶縁層における空隙の占める割合が大きくなり、熱伝導率が低下しまた気密性が不充分になる。また、空隙に水等が浸入すると絶縁性の確保も困難になる。なお、封止ガラス層との密着性は絶縁層の材料選択による。絶縁層の材料の線膨張係数は封止ガラスの材料のそれにできる限り近づけることが好ましい。
なお、この空隙率の下限は特に限定されないが、当該下限値は０．１％とすることができる。
この空隙率は次のようにして求められる。ベース材に対して垂直方向に絶縁層を切断し、切断面の顕微鏡写真を撮影する。得られた写真を画像処理して、所定の面積に含まれる空間部分の面積を積算し、両者の比を演算する。
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面に記載の発光装置において、前記絶縁層はアルミナからなり、前記ベース材は前記アルミナより熱伝導率の高い材料からなり、
前記絶縁層はその平面視において最大長が３５ｍｍ以上の部分を有し、かつその厚みは０．５ｍｍ以下である。
第２の局面で規定される発明には次の意味がある。従来の発光装置では熱引きのために薄くされたアルミナ基板の幅を３５ｍｍ以上の広幅とし、かつそれに伴い封止ガラスも幅広にすると、アルミナ基板が変形ないし破損するおそれがあった。これは、アルミナ基板と封止ガラスとの線膨張係数の違いに基づくもので、アルミナ基板を薄くする限り避けられなかった。
この発明では、基板部においてアルミナ基板と同じ作用をする、即ち十分な熱引き性を確保した薄い（厚さ：０．５ｍｍ以下）絶縁層を３５ｍｍ以上の広幅とし、それに合わせて封止ガラス層による被覆面積を大きくしても、絶縁層が変形することはない。絶縁層の粒子（又は原子）がベース材の表面へ粒子レベル（又は原子レベル）で結合されているので、絶縁層とベース材との間が強固に結合され、絶縁層がベース材に支えられるからである。
なお、絶縁層の厚さは０．２５ｍｍ以下としてもよい（第３の局面）。
第１の局面に記載の発光装置において、前記絶縁層はアルミナからなり、前記ベース材は前記アルミナより熱伝導率の高い材料からなり、
前記絶縁層はその平面視において最大長が３５ｍｍ以上の部分を有し、かつその厚みは０．５ｍｍ以下である。
第２の局面で規定される発明には次の意味がある。従来の発光装置では熱引きのために薄くされたアルミナ基板の幅を３５ｍｍ以上の広幅とし、かつそれに伴い封止ガラスも幅広にすると、アルミナ基板が変形ないし破損するおそれがあった。これは、アルミナ基板と封止ガラスとの線膨張係数の違いに基づくもので、アルミナ基板を薄くする限り避けられなかった。
この発明では、基板部においてアルミナ基板と同じ作用をする、即ち十分な熱引き性を確保した薄い（厚さ：０．５ｍｍ以下）絶縁層を３５ｍｍ以上の広幅とし、それに合わせて封止ガラス層による被覆面積を大きくしても、絶縁層が変形することはない。絶縁層の粒子（又は原子）がベース材の表面へ粒子レベル（又は原子レベル）で結合されているので、絶縁層とベース材との間が強固に結合され、絶縁層がベース材に支えられるからである。
なお、絶縁層の厚さは０．２５ｍｍ以下としてもよい（第３の局面）。
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、第２及び第３の局面に規定の発光装置において、絶縁層をアルミナ製としかつベース材をアルミナと接着性のよいアルミニウム製の板状部材としたときには、アルミニウム板の厚さを０．２５ｍｍ以上とする。その厚さが０．２５ｍｍ未満となると、ベース材の機械的剛性が不充分となって、封止ガラスと絶縁層との線膨張係数の相違に基づく応力でベース材までも変形するおそれがある。アルミニウム板の厚さは１〜３０ｍｍとすることが好ましい。
ベース材と封止ガラスとの関係をみると、ベース材の最大長は３５ｍｍ以上として、かつ封止ガラスの最大長を２８ｍｍ以上とする。
次にこの発明の実施の形態について説明をする。
実施の形態の発光装置１は、図１に示すように、ベース材３、絶縁層５及び発光素子７及び封止ガラス９とを備えてなる。ベース材３と絶縁層５とで基板部６が形成される。
ベース材３の形成材料は熱伝導性の良好な材料であれば任意に選択できる。例えば、アルミニウム、銅、鉄及びそれらの合金等の金属材料が好ましい。窒化アルミなどの無機材料を用いることもできる。放熱性を高めるために、ベース材３の裏面（発光素子７と反対側面）はその面積（放熱面）を広くする。例えばフィンを設けることができる。
このベース材３には、発光装置１の基板部として十分な機械的剛性が要求される。この機械的剛性は、発光装置１の使用環境において、発光装置１がその機能を発揮させるために必要な剛性はもとより、他の部材との線膨張係数の相違に起因する変形を阻止するための機械的剛性の意味も有する。この機械的剛性を確保するため、材料に応じた厚さや構造を任意に選択できる。
ベース材の形状は発光装置の用途や目的に応じて任意に選択される。バイアホールを設けることもできる。
実施の形態の発光装置１は、図１に示すように、ベース材３、絶縁層５及び発光素子７及び封止ガラス９とを備えてなる。ベース材３と絶縁層５とで基板部６が形成される。
ベース材３の形成材料は熱伝導性の良好な材料であれば任意に選択できる。例えば、アルミニウム、銅、鉄及びそれらの合金等の金属材料が好ましい。窒化アルミなどの無機材料を用いることもできる。放熱性を高めるために、ベース材３の裏面（発光素子７と反対側面）はその面積（放熱面）を広くする。例えばフィンを設けることができる。
このベース材３には、発光装置１の基板部として十分な機械的剛性が要求される。この機械的剛性は、発光装置１の使用環境において、発光装置１がその機能を発揮させるために必要な剛性はもとより、他の部材との線膨張係数の相違に起因する変形を阻止するための機械的剛性の意味も有する。この機械的剛性を確保するため、材料に応じた厚さや構造を任意に選択できる。
ベース材の形状は発光装置の用途や目的に応じて任意に選択される。バイアホールを設けることもできる。
絶縁層５はベース材３の表面へ全面的に、又は部分的に形成される。
図１の例では、ベース材３の表面の略中央部分に帯状の絶縁層５が形成されている。
この例では絶縁層５の形成材料としてアルミナを用いたが、その他ＬＥＤ発光装置の基板層として用いられるものあれば特に限定されない。絶縁層５の他の材料として窒化アルミ、イットリア、ジルコニア、チタニア等を挙げることができる。
絶縁層５の厚さは絶縁性が確保できる範囲で、できるだけ薄く作成することが好ましい。例えば、その厚さは０．０１ｍｍ〜０．５０ｍｍとすることができる。より好ましい厚さは０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍである。
図１の例では、ベース材３の表面の略中央部分に帯状の絶縁層５が形成されている。
この例では絶縁層５の形成材料としてアルミナを用いたが、その他ＬＥＤ発光装置の基板層として用いられるものあれば特に限定されない。絶縁層５の他の材料として窒化アルミ、イットリア、ジルコニア、チタニア等を挙げることができる。
絶縁層５の厚さは絶縁性が確保できる範囲で、できるだけ薄く作成することが好ましい。例えば、その厚さは０．０１ｍｍ〜０．５０ｍｍとすることができる。より好ましい厚さは０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍである。
この膜状の絶縁層５はベース材３の表面へその材料を直接供給して形成される。このような形成方法として溶射、蒸着、スパッタ、コールドスプレー法、金属表面の電気化学処理等の周知の積層技術若しくは製膜技術を挙げることができる。ベース材３表面の任意の部位に絶縁層５を形成するにはマスクを用いる。
このようにして形成された絶縁層５は、ベース材３の表面に対して、粒子（又は原子）どうしで結合するので、高い機械的強度が得られるとともに高い耐熱性を備える。
この絶縁層５の空隙率を１０％以下とすることにより、絶縁層に高い熱伝導率が備えられ、かつ絶縁性及び気密性が確保される。
絶縁層５の形状、即ちベース材３に対する被覆の形は、発光装置に求められる用途に応じて任意に設計できる。
このようにして形成された絶縁層５は、ベース材３の表面に対して、粒子（又は原子）どうしで結合するので、高い機械的強度が得られるとともに高い耐熱性を備える。
この絶縁層５の空隙率を１０％以下とすることにより、絶縁層に高い熱伝導率が備えられ、かつ絶縁性及び気密性が確保される。
絶縁層５の形状、即ちベース材３に対する被覆の形は、発光装置に求められる用途に応じて任意に設計できる。
絶縁層５には発光素子７がマウントされる。この発光素子７として、紫外光を発光するＬＥＤチップの発光面を波長変換層で被覆した構成の所謂蛍光体方式の白色系発光素子を採用できる。勿論、その発光色は任意に選択できるし、絶縁層５にマウントされる発光素子７が全て同じ規格のものである必要もない。
発光素子７の実装方式もフリップチップ方式、フェースアップ方式など任意の表面実装方式を採用できる。
絶縁層５には発光素子７へ必要な電力を供給するための周知の配線が形成されている。
発光素子７の実装方式もフリップチップ方式、フェースアップ方式など任意の表面実装方式を採用できる。
絶縁層５には発光素子７へ必要な電力を供給するための周知の配線が形成されている。
封止ガラス９のガラス材料は、そのガラス転移点が発光素子７の耐熱温度よりも低いものであれば任意に選択できるが、例えば、ＺｎＯ-Ｂ２Ｏ３-ＳｉＯ２が挙げられる。なお、この封止ガラス９に用いられるガラスは、加熱により軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱により軟化させて絶縁層５に融着させるガラスを用いればこの問題を回避できる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、本実施形態のガラスはこの問題点を生じることもなく、発光素子７の封止が確実となる。
この封止ガラス９の材料の線膨張係数は絶縁層５若しくはベース材３のそれになるべく近づけるようにすることが好ましい。
この封止ガラス９の材料の線膨張係数は絶縁層５若しくはベース材３のそれになるべく近づけるようにすることが好ましい。
この発明の第１の実施例を図１を参照しながら説明する。
厚さ１０ｍｍ、一辺５０ｍｍの平面視正方形のアルミニウム板からなるベース材３の表面を表面処理する（表面処理の方法は溶射である）。このベース材３の裏面にはフィンを形成することもでき、その場合、フィンも含めて厚さが１０ｍｍとする。この場合、正方形の天板の厚さは１．２ｍｍとすることができる。
ベース材３の表面において対向する辺間の、好ましくは中央部分に、当該対向する辺間に渡る幅約３０ｍｍのアルミナからなる絶縁層５を緻密溶射により厚さ０．０５ｍｍの膜状に形成する。つまり、この絶縁層の最大幅は５０ｍｍである。得られた絶縁層５の縦断面の顕微鏡写真から、この絶縁層５の空隙率は３％であった。
この絶縁層５に配線を施し、フリップチップ方式で発光素子７を等間隔で実装した。
なお、絶縁層５の幅ｂと発光素子７の幅ａとは、ｂ＞２ａの関係が好ましい。封止材と基板（絶縁膜）の密着性を確保するためである。
厚さ１０ｍｍ、一辺５０ｍｍの平面視正方形のアルミニウム板からなるベース材３の表面を表面処理する（表面処理の方法は溶射である）。このベース材３の裏面にはフィンを形成することもでき、その場合、フィンも含めて厚さが１０ｍｍとする。この場合、正方形の天板の厚さは１．２ｍｍとすることができる。
ベース材３の表面において対向する辺間の、好ましくは中央部分に、当該対向する辺間に渡る幅約３０ｍｍのアルミナからなる絶縁層５を緻密溶射により厚さ０．０５ｍｍの膜状に形成する。つまり、この絶縁層の最大幅は５０ｍｍである。得られた絶縁層５の縦断面の顕微鏡写真から、この絶縁層５の空隙率は３％であった。
この絶縁層５に配線を施し、フリップチップ方式で発光素子７を等間隔で実装した。
なお、絶縁層５の幅ｂと発光素子７の幅ａとは、ｂ＞２ａの関係が好ましい。封止材と基板（絶縁膜）の密着性を確保するためである。
封止ガラス９には低融点ガラス（酸化亜鉛系ガラス）を用いた。封止ガラス９の幅ｃは２０ｍｍとして、絶縁層５のエッジとの間に１０ｍｍのマージン（非被覆領域）を取った。
封止ガラス９の高さは０．７ｍｍとした。
封止ガラス９の高さは０．７ｍｍとした。
このように形成された実施例の発光装置１では、薄い絶縁層５を幅広にしてこれへ広く封止ガラス９を形成しても、基板部６が変形することはなかった。なお、封止ガラス９の形成温度は６００℃であった。封止ガラス９の形成後は大気中で自然放熱させた。
なお、本発明者らの検討によれば、絶縁層５の空隙率が１０％を超えると、気密性が確保できない。また、空隙に水等が浸入したとき絶縁性が損なわれるおそれがあるので好ましくない。なお、絶縁層の材料をベース材３の表面へ直接供給して絶縁層を形成する方式として、溶射を採用したとき、得られた絶縁層の空隙率は５％以下となった。
なお、本発明者らの検討によれば、絶縁層５の空隙率が１０％を超えると、気密性が確保できない。また、空隙に水等が浸入したとき絶縁性が損なわれるおそれがあるので好ましくない。なお、絶縁層の材料をベース材３の表面へ直接供給して絶縁層を形成する方式として、溶射を採用したとき、得られた絶縁層の空隙率は５％以下となった。
以下、この発明の他の実施例を説明する。なお、図１の実施例と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図２に示す発光装置１１では、絶縁層１５の厚さを維持して被覆幅を小さくした。最大長は３５ｍｍである。それに応じて封止ガラス１９の幅も小さくなった。
かかる実施例の発光装置においても、基板部６には何ら損傷が生じない。
図２に示す発光装置１１では、絶縁層１５の厚さを維持して被覆幅を小さくした。最大長は３５ｍｍである。それに応じて封止ガラス１９の幅も小さくなった。
かかる実施例の発光装置においても、基板部６には何ら損傷が生じない。
図３に示す発光装置２１では、絶縁層２５の厚さに傾斜を設けた。この様に、膜厚に傾斜を設ける場合、溶射による成形が望ましい。即ち、中央部の絶縁層２５の厚さを図１のそれと同じとし、辺側に向かってその厚さを順次薄くしている。これにより、絶縁層とベース材の間に生じる歪が低減される。
かかる実施例の発光装置においても、基板部６には何ら損傷が生じない。
かかる実施例の発光装置においても、基板部６には何ら損傷が生じない。
以上において説明した本発明の異なる実施形態や変形例の要素を、実現不可能な場合を除き、互いに組み合わせて実施してもよく、そのような実施の態様も本発明の範囲に含まれる。
本発明は上記発明の各局面や実施形態やその変形例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
本発明は上記発明の各局面や実施形態やその変形例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
１、１１、２１…発光装置
３…ベース材
５、１５、２５…絶縁層
７…発光素子
９、１９…封止ガラス
３…ベース材
５、１５、２５…絶縁層
７…発光素子
９、１９…封止ガラス
Claims (4)
- ベース材と、
該ベース材の表面に積層される絶縁層であって、封止ガラスとの密着性に優れた絶縁層と、
該絶縁層上にマウントされる発光素子と、を備えてなる発光装置であって、
前記絶縁層は前記ベース材の表面へその材料を直接供給して形成され、かつその空隙率は１０％以下である、発光装置。 - 前記絶縁層はアルミナからなり、前記ベース材は該アルミナより熱伝導率の高い材料からなり、
前記絶縁層はその平面視において最大長が３５ｍｍ以上の部分を有し、かつその膜厚は０．５ｍｍ以下である、請求項１に記載の発光装置。 - 前記絶縁層の厚さは０．２５ｍｍ以下である、請求項２に記載の発光装置。
- 前記ベース材はアルミニウムからなり、その厚さは０．２５ｍｍ以上である、請求項２又は３に記載の発光装置。
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