JP5298422B2 - 発光装置用の支持体及びそれを用いた発光装置 - Google Patents
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Description
また、Ag基体と、その表面に形成されたAg−Mg合金から成る保護膜とから構成された反射膜であって、リフレクタ用に使用できるものが知られている(例えば特許文献2参照)。
まず、銀めっき層の問題点を述べる。銀は硫黄成分と反応しやすく、空気中の硫黄成分と反応して表面に硫化物を形成するという性質がある。硫化物が形成されると、銀の表面は黄色〜茶色に変色して反射率が低下する。つまり、セラミック支持体に形成された銀めっき層も、経時的に表面が硫化して反射率が低下するといえる。また、硫黄成分は空気中や様々な材料中に潜在的に含まれているため、凹部を封止材料で封止した場合であっても、銀めっき層と硫黄成分との接触を完全に遮断することは困難である。よって、特許文献1のようなセラミックパッケージは、長期間にわたって使用すると銀めっき層の表面が硫化して、反射率が低下していくものと考えられる。
また、本発明に使用される電極層は、Ag合金から成る電極反射層と、この電極反射層の表面側に形成された接合層とを備えている。接合層は、ワイヤボンディング性を向上させるために、Au又はAu合金が使用されている。しかしながら、接合層を薄膜にすることにより、電極層に到達した光は、接合層を通過して電極反射層で反射されるため、引用文献1に比べると光の損失を抑制することができる。
接合層は、ワイヤボンディング性が向上できれば十分なので、例えば、薄膜にしすぎてピンホールや未成膜部分が残っているような薄膜であっても問題ない。このとき、接合層から電極反射層が部分的に露出するが、電極反射層がAg合金から形成されているので硫化等が起こりにくく、電極反射層の反射率が低下しにくい。
そして、本発明では、同じAg合金から電極反射層と周辺部反射層を形成しているので、例えば電解メッキにより同時に成膜することができ、工程数を低減できる利点もある。
前記支持体の前記素子載置領域の内部に固定され、前記電極層と導通された発光素子と、を備えている。
本発明の発光装置は、支持体の電極層に到達した光が、Ag合金から成る反射層(電極反射層)で反射されるので、使用される発光素子の発光が短波長光でも長波長光でも、光損失の小さい発光装置になる。また、2つの反射層(電極反射層と周辺部反射層)がいずれも耐食性の高いAg膜で形成されているので、長期間にわたって使用しても、反射層の反射率が低下しにくい。よって、反射層の反射率低下に起因する発光装置の輝度低下が起こりにくい。
図1は、本発明にかかる発光装置10であり、発光素子32と、その発光素子32を保護する支持体12と、発光素子32を外部環境から密封する封止樹脂36とから構成されている。支持体12は、発光素子32を載置するための凹状の素子載置領域14を備えている。図1では、この素子載置領域14内に発光素子32を実装した後に、封止樹脂36によって素子載置領域14内を充填している。本実施の形態では、発光素子32は、絶縁性基板に形成された半導体発光素子であり、半導体側(図中で上側)に2つの素子電極が形成されている。
電極反射層22、42は、第1電極層20及び第2電極層40に到達した光を反射するための層であり、Ag合金膜から形成されている。電極反射層22、42の膜厚は、光を透過しないだけの厚さが必要であるが、特に、2μm以上20μm以下であるのが好ましい。膜厚が2μmより薄いと、Ag合金膜の結晶性を充分なものとできないので反射率が十分でなく、また、光が透過して光の損失が起こる可能性があるので好ましくない。膜厚が20μmより厚くなっても、膜厚の増加による耐久性や反射性能が改善されることはなく、単に製造コストが高くなるだけなので好ましくない。
接合層22、24の材料として用いられるAu又はAu合金は、上述したように青色〜緑色の光に対する反射率が低いため、特に青色〜緑色の光を発光する発光素子32を用いる場合に、このような膜厚とすることで反射率の高い支持体とすることができる。
よって、内壁18の反射率を高くすることにより、同じ発光素子32を用いたとしても発光装置10の輝度を高めることができる。本実施の形態では、この内壁18に、Ag合金膜から成る内壁反射層26を形成している。内壁反射層26の膜厚は、光を透過しないだけの厚さが必要であるが、特に、2μm以上20μm以下であるのが好ましい。膜厚が2μmより薄いと、Ag合金膜の結晶性を充分なものとできないので反射率が十分でなく、また、光が透過して光の損失が起こる可能性があるので好ましくない。膜厚が20μmより厚くなっても、膜厚の増加による耐久性や反射性能が改善されることはなく、単に製造コストが高くなるだけなので好ましくない。
ただし、内壁反射層26と電極反射層22、42とは、それぞれ電気的に分離されている必要がある。これは、電極反射層22、42の表面のみに、続けて接合層をメッキして電極層20、40を形成するが、そのとき内壁反射層26に接合層がメッキされないようにするためである。
なお、内壁反射層26の表面粗さRaは、第1電極層20及び第2電極層40と同程度であれば、いずれの金属層も同様のめっき条件で形成できる。
セラミック材料からなる支持体の本体に、内壁反射層26や電極反射層22、42等の金属膜を密着させるには、まずセラミック材料の表面のうち、内壁反射層26及び電極反射層22、42を形成する位置をメタライズし、そして、そのメタライズにより形成されたメタライズ層50の表面に、順次金属膜を内壁反射層26及び電極反射層22、42を形成する。メタライズ層50は、セラミックの表面と強力に固着しており、その上に形成される内壁反射層26や電極反射層22、42が剥離しにくくなる。
なお、メタライズ層50は、WやMo等を有する導電ペーストを塗布することで形成できる。
例えば、発光素子32をフェースアップ実装すると、活性層33の高さHactは80〜130μm程度になるので、フェースアップ実装用の支持体12では、内壁反射層26の下端の高さHrefは、少なくとも130μm未満にされ、好ましくは80μm未満にされる。
また、発光素子32をフリップチップ実装すると、活性層33の高さHactは10〜20μm程度になるので、フリップチップ実装用の支持体12では、内壁反射層26の下端の高さHrefは、少なくとも20μm未満にされ、好ましくは10μm未満にされる。
よって、いずれの実装方法にも好適な支持体12とするには、内壁反射層26の下端の高さHrefを10μm未満にするのが好ましい。
上述のように、内壁反射層26の下端は、活性層33よりも底部16側に位置するのが好ましいが、底部16に達しても構わない。さらに、内壁反射層26は、電極層20、40に接触しない範囲であれば、底部16まで延設してもよい。
セラミック用の原料粉末に有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形して2枚のセラミックグリーンシートを得る。上側用のセラミックグリーンシートには、素子載置領域14形成用の貫通孔を打ち抜き加工で形成し、そして、下側用のセラミックグリーンシートの上に積層する。
メタライズ層50をセラミック材料の表面に形成するには、セラミックグリーンシートの段階で所定位置にWやMo等を含む導電ペーストを塗布し、その後にセラミックグリーンシートを焼結する。本実施の形態では、素子載置領域14の底部16と内壁18とに、内壁反射層26及び電極反射層22、42に対応した形状寸法の導電ペーストを印刷法により塗布し、その後に焼結して形成することができる。
焼結が完了したセラミック支持体12には、内壁反射層26及び電極反射層22、42に対応するメタライズ層50が形成されている。それぞれのメタライズ層50の上に、内壁反射層26と電極反射層22、42とを電解めっき法により形成する。
内壁反射層26と電極反射層22、42に対応したメタライズ層50のそれぞれに電極を取り付け、Ag合金用のめっき浴に浸漬する。そして、電解めっき用の対極をめっき浴に入れて、導通することにより、メタライズ層50の上にAg合金層(内壁反射層26と電極反射層22、42)を形成する。内壁反射層26及び電極反射層22、42が所定の膜厚になったら、めっき浴から取り出し、洗浄する。
電極反射層22、42の表面に、Au合金から成る接合層を電解めっき法により形成する。セラミック支持体12をAu合金用のめっき浴に浸漬し、電極反射層22、42に対応したメタライズ層50に取り付けた電極と、電解めっき用の対極との間に通電して、電極反射層22、42の表面のみにAu合金薄膜(接合層24、44)を形成する。接合層24、44は薄膜であるので、フラッシュメッキで形成する。接合層24、44が所定の膜厚になったら、めっき浴から取り出し、洗浄する。
ここまでの工程より、セラミック支持体12が得られる。
しかしながら、それらの金属材料の層は、スパッタ法や蒸着法等によって形成することもできる。この場合には、メタライズ層50を必要としないので、メタライズ層50の形成工程を減らすことができる点で有利である。
また、素子載置領域に形成する接合層よりも下、支持体側の各層と、その周辺部に形成する各層とを、同様の材料、同様の層構成、及び同様の膜厚から形成すれば、それらの層を同時に形成して工程を少なくすることができるので好ましい。例えば、本実施の形態では、電極反射層22、42と、内壁反射層26とを同様の材料、同様の層構成、及び同様の膜厚から形成すれば、それらの反射層を同時に形成して工程を少なくすることができるので好ましい。
得られたセラミック支持体12の素子載置領域14に発光素子32を実装する。第1電極層20と、発光素子32の絶縁基板の表面とを、ダイボンド48によって接着する。そして、発光素子32の各電極と、第1電極層20及び第2電極層40とを、それぞれ導電ワイヤ34によって接続する。
液体状の封止樹脂36を凹状の素子載置領域14の中にポッティングし、その後に固化させることにより、発光素子32を外部環境から封止し、図1の発光装置10を得ることができる。
図2に図示した実施の形態2にかかる発光装置10は、第1電極層20及び第2電極層40の構造、及び内壁反射層26の構造が、実施の形態1とは異なっている以外は、実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、内壁反射層26及び電極反射層22、42の上面には、保護層28が形成されている。また、内壁反射層26及び電極反射層22、42の下面には密着層30が形成されている。以下に保護層28及び密着層30について説明する。また、本実施の形態の特徴をより判りやすくするために、発光素子32の直下部分を拡大して、図3に示す。
保護層28は、内壁反射層26及び電極反射層22、42を形成した後に、電解めっき法を用いて形成することができる。保護層28は膜厚が薄いので、フラッシュメッキで形成する。
また、保護層28は、接合層24の表面側に形成することもできる。その場合には、接合層24と導電ワイヤ34等の導電性部材とが直接接合可能なように、保護層28を一部除去して接合層24の表面を露出させる等の処理が必要となり、工程が増えることになる。よって、保護層28は好ましくは接合層24の下に形成される。
密着層30は、内壁反射層26及び電極反射層22、42を形成する前に、電解めっき法により形成することができるが、特に、ストライクめっきにより形成すると、密着性を向上させることができるので好ましい。ストライクめっきとは、金属成分の少ないストライク浴で、高い電流密度で短時間にめっきする手法であり、メタライズ層50表面の酸化物の除去、活性化とめっきとが同時に進行し、次工程のめっきの密着性を向上させることができる。
本実施の形態では、密着層30は内壁反射層26及び電極反射層22、42に形成されているが、密着層30を内壁反射層26のみ、又は電極反射層22、42のみに形成する形態にすることもできる。しかしながら、密着層や保護層を設ける場合は、内壁反射層26及び電極反射層22、42の両方に同様の材料及び膜厚で設ける構造とすれば、同時に形成して工程を少なくすることができるので好ましい。
図4に図示した実施の形態3にかかる発光装置10は、第1電極層20を小さくして、代わりに素子載置部46を形成している点で実施の形態1とは異なっているが、それ以外は実施の形態1と同様である。
実施の形態1では、発光素子32は、大きく形成した第1電極層20の上に固定されていたが、本実施の形態では、第1電極層20の寸法を第2電極層40と同等とし、代わりに発光素子32を実装するための素子載置部46を形成する。なお、第1電極層20の寸法と第2電極層40との寸法は必ずしも同等でなくてもよく、一方が他方よりも大きく形成することもできる。素子載置部46は、電極反射層22、42と同様に、反射率が高く耐食性に優れたAg合金から形成されている。素子載置部46は、内壁反射層26及び電極反射層22、42と同じAg合金で同じ膜厚にすることにより、同一工程で形成して製造工程を減らすことができる。また、素子載置部46には、電極反射層22、42と同様に、上述の保護層28や密着層30を形成することもできる。
図5〜図7に図示した実施の形態4にかかる発光装置10は、封止樹脂36の一部又は全部を、蛍光体を含有する蛍光封止樹脂38に変更した点で実施の形態1〜3とは異なっているが、それ以外は実施の形態1〜3と同様である。
蛍光体封止樹脂38に含まれる蛍光体は、発光素子32からの光の一部を異なる波長に変換し、元の発光と混色させて発光装置10の発光色を決定するのに使用される。例えば、発光素子32に青色発光の窒化物半導体発光素子を使用し、蛍光体に青色光を励起光として黄色に発光するものを使用すれば、青色と黄色とは補色の関係にあるため、白色発光の発光装置10を得ることができる。
図5は、蛍光体封止樹脂38を、発光素子32を完全に覆う程度に充填している。蛍光体封止樹脂38の上面から開口15までの間には、何も充填されていない。
図6及び図7は、蛍光体封止樹脂38が素子載置領域14の底部16に配置され、その上側に蛍光体封止樹脂38よりも蛍光体量の少ない封止樹脂36が配置されている。すなわち、素子載置領域14は封止樹脂によって完全に封止されている。図6のように蛍光体封止樹脂38を配置するには、まず蛍光体封止樹脂38を素子載置領域14全体に充填し、その後に蛍光体を沈降させて2層化する。図7のように蛍光体封止樹脂38を配置するには、図5のように蛍光体封止樹脂38を部分的に充填し、その上に封止樹脂36を充填する。
(1)接合層24を形成するときのメッキ条件やメッキ液を調節する。
接合層24を電解めっきで形成するときに、電流量を増やす、又はめっき液に添加する平滑剤の量を反射層形成時よりも少なくするもしくは平滑剤を添加しない。
(2)電極反射層22の表面、又は接合層24の表面を粗面化する。
表面の粗面化は、化学的又は機械的に行うことができる。
以下に、実施の形態1〜4の発光装置10の各構成部材について詳述する。
なお、本発明では、反射層22、26、42や、接合層24、44等の金属層が複数積層されているが、各層の間に明瞭な界面が存在しても、しなくてもよい。すなわち、隣接する層の界面において、各層を構成する材料が一部混在するような形態であっても、本発明の効果が得られる程度に各層の材料が配置されていれば本発明に好ましく利用できる。
内壁反射層26、電極反射層22、24及び素子載置部46は、Ag合金膜から形成されている。Ag合金には、良好な耐硫化性と高い反射率とが求められている。特に、合金元素としてMg、Cu、Co、Zn、Cd、Au、Al、Ga、In、Ge、Sn、Ru、Ir、Pd及びPtのうち、少なくとも1種を含有するAg合金は、耐硫化性を有し、反射率も高いので、内壁反射層26、電極反射層22、24及び素子載置部46に好適である。
接合層24、44は、Au又はAu合金の薄膜から形成されている。好適なAu合金としては、合金元素として、Ce、Ga、Ge、Hg、In、Pt、Rh、Si、Sn、Ti又はTlから成る群から選択された少なくとも1種を含有するものが挙げられる。
保護層28は、Ag合金よりも耐食性の高い金属材料から形成されており、特に、反射率も高いと好ましい。好適な金属材料としては、Ni、Rh、Pt、Pd、Ru、Os又はIr等がある。
メタライズ層50及び密着層30は、内壁反射層26、電極反射層22、24を支持体12の表面に固定するための層である。
メタライズ層50は、セラミック表面に固着する材料が選択される。例えば、W、Mo、Cuが好適である。
密着層30は、内壁反射層26及び電極反射層22、24と密着性の良い金属材料から形成されている。好適な金属材料としては、Ni、Au、Rh、Pt、Pd、Ru、Os又はIr等がある。
支持体12の電極層20、40と半導体発光素子32とは、導電性部材を用いて電気的に接続されている。導電性部材に好適な材料は、Ag、Cu又はAuである。実施の形態1〜4では、導電性部材として導電ワイヤ34を用いている。
導電ワイヤ34は、電気抵抗が小さく、ワイヤボンディングしても切れにくく、そして接合層24、44との密着性が高い材料から形成されている。特に、本発明では、電極層20及び40の表面に形成される接合層24、44の膜厚が、通常の発光装置に比べて薄いので、導電ワイヤ34には、接合層24、44と強い結合を形成できる材料が選択される。導電ワイヤ34に好適な材料は、Ag、Cu又はAuである。
なお、実施の形態1〜4では、支持体12に半導体発光素子32をフェースアップ実装する形態を示しており、支持体12の電極層20、40と半導体発光素子32とを導電ワイヤ34を用いて電気的に接続している。しかしながら、本発明の半導体発光素子10では、半導体発光素子32をフリップチップ実装することもでき、この場合には、導電ワイヤ34に代えて、バンプや金属ペースト等の導電性接着剤を導電性部材として用いて電極層20、40と半導体発光素子32とを電気的に接続することができる。導電性接着剤は、Ag、Cu又はAuを含むと、接合層24、44との密着性が高くできるので好ましい。
支持体12の本体は、ガラスエポキシ樹脂やセラミック材料から形成することができる。好適なセラミック材料としては、酸化アルミニウム質焼結体(アルミナセラミックス)、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体又はガラスセラミックス質焼結体等がある。
なお、実施の形態1〜4では、支持体12として、図1、2、4〜7に示すように凹部を有する支持体を用いているが、平板状の支持体を用いることもできる。平板状の支持体を用いる場合には、周辺部反射層と電極層は同じ平面上に形成される。平板状の支持体は、凹部を有する支持体よりも容易に製造することができる。一方、凹部を有する支持体は、傾斜した内壁に周辺部反射層を形成でき、上述のように発光素子32からの発光を反射させながら集光可能であることから、集光性や光取り出し効率の点からは、平板状の支持体よりも凹部を有する支持体を用いる方が好ましい。
支持体12の素子載置領域14内には、発光ダイオード32と蛍光体の発光を透過する材料から成る封止材料36が充填されている。封止部材36に適した透光性の封止材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変成シリコーン樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリイミド、及びそれらの樹脂材料を複数混合した混合樹脂等の樹脂材料や、ガラス等の無機材料が挙げられる。
発光素子32には、半導体発光素子が好適である。特に、本発明の支持体12の性能が発揮できる発光装置10には、緑色〜青色に発光する発光素子が利用でき、例えば、窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を用いた発光ダイオードが挙げられる。この発光ダイオードは、InxGa1-xN(0<x<1)を活性層として有しており、その混晶比によって発光波長を約365nmから650nmで任意に変えることができる。
蛍光体は、発光素子32からの光の一部を異なる波長に変換し、元の発光と混色させて発光装置10の発光色を決定するのに使用される。例えば、青色の窒化物半導体発光素子と組み合わせて使用される黄色の蛍光体としては、Eu、Ce等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体、Eu等のランタノイド系、Mn等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類硫化物、アルカリ土類チオガレート、アルカリ土類窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、又は、Ce等のランタノイド系元素で主に付活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩又はEu等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか1以上が利用できる。
Claims (13)
- 発光素子を載置するための素子載置領域に、電極層及び当該電極層と別体に形成された素子載置部を備えた発光装置用の支持体と、
前記支持体の前記素子載置部に固定された発光素子と、
を含む発光装置であって、
前記電極層が、表面側から、接合層と、電極反射層と、をこの順に有し、
前記電極反射層はAg合金膜から形成され、
前記接合層は、膜厚が0.1nm以上100nm以下のAu膜又はAu合金膜から形成されており、
前記素子載置部は、Ag合金膜から成り且つ表面が前記接合層に覆われておらず、
前記発光素子の発光波長が400〜550nmであることを特徴とする発光装置。 - 前記電極層の周辺部に、Ag合金膜から形成された周辺部反射層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記電極反射層及び/又は前記周辺部反射層の表面側に、Ni、Rh、Pt、Pd、Ru、Os及びIrから成る群から選択された少なくとも1種から成る保護層が、前記発光素子からの光を透過可能な薄さで形成されていることを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 前記保護層の膜厚が0.1nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
- 前記電極反射層及び前記周辺部反射層の膜厚が、2μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記電極反射層及び前記周辺部反射層の支持体側に、さらに、Ni、Au、Rh、Pt、Pd、Ru、Os及びIrから成る群から選択された1種から成る密着層が形成されていることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記支持体が、絶縁性部材又は絶縁性の積層基板から形成されており、
前記電極層及び前記周辺部反射層が、メタライズ層を介して前記支持体に固着されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記周辺部反射層の下端が、少なくとも前記発光素子の活性層よりも底部側にあることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記発光素子が蛍光体を含む封止樹脂で覆われており、前記周辺部反射層の少なくとも一部が前記封止樹脂から露出しており、前記封止樹脂から露出した前記周辺部反射層の表面粗さ(Ra)が、前記電極層の表面粗さ(Ra)よりも小さいことを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記Ag合金膜が、合金元素として、Mg、Cu、Co、Zn、Cd、Au、Al、Ga、In、Ge、Sn、Ru、Ir、Ni、Rh、Os、Pd及びPtから成る群から選択された少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記素子載置部の表面粗さは、150nm以上350nm以下であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記支持体が、セラミック又はガラスエポキシ樹脂から形成されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記発光素子と、前記電極層の接合層とが導電ワイヤによって導通されており、
前記導電ワイヤが、Ag、Cu又はAuから成ることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の発光装置。
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