JP5832318B2

JP5832318B2 - 発光素子搭載用基板およびそれを用いた発光装置

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Publication number: JP5832318B2
Application number: JP2012016746A
Authority: JP
Inventors: 征憲岡本; 崇介西浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013157447A

Description

本発明は、高い反射性を有する発光素子搭載用基板およびそれを用いた発光装置に関する。

近年、ＬＥＤ（Light Emission Diode）電球に代表される発光素子を搭載した発光装置は、高輝度化および白色化に対する改良が図られ、携帯電話や大型の液晶テレビ等のバックライトとして利用されている。その中で、高い反射性を有するだけでなく、従来の発光素子搭載用基板に用いられてきた合成樹脂に比べて、熱伝導性および機械的強度が高く、耐熱性や耐久性に優れ、長期間紫外線に曝されても劣化しないという理由から、アルミナセラミックスやガラスセラミックスを基材とした発光素子搭載用基板が注目されている。

また、発光素子搭載用基板には、発光素子から発せられる光の発光効率を高めるために、発光素子が搭載される基板の表面に、発光素子を囲繞する壁面を有する、いわゆる枠体付きの発光素子搭載用基板が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

ＬＥＤ電球は、近年、携帯電話など小型の電子機器等の照明として利用されているが、スマートフォンに代表されるように、小型の電子機器はますます高性能化と高機能化が図られていることから、このような小型の電子機器に搭載されるＬＥＤ電球にも更なる小型化と高輝度化が求められており、そのため発光素子搭載用基板にも小型化への要求が高まっている。

特開２００６−２６１２９０号公報

ところが、セラミックス製の発光素子搭載用基板は、上述のように、熱伝導性には優れているものの、セラミックスを基材として枠体付きの発光素子搭載用基板を作製し、それを小型化した場合には、基板の面積とともに、枠体の厚みも薄くなることから、発光素子から発せられた光が枠体を透過しやすくなり発光効率が低下するという問題があった。

従って、本発明は、高熱伝導性を有するとともに、枠体部における光の透過を低減でき、発光効率の高い発光素子搭載用基板とそれを用いた発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光素子搭載用基板は、セラミック粒子の焼結体からなる、上面の中央部に発光素子の搭載面を有する基体部と、該基体部に一体的に形成され、前記基体部上で前記搭載面を囲むように配置されている枠体部と、を備えている発光素子搭載用基板であって、前記基体部および前記枠体部を構成する焼結体はともに気孔率が５％以下であり、前記セラミック粒子の長辺／短辺の比をアスペクト比としたときに、前記基体部と前記枠体部と
は、平均アスペクト比の異なるセラミック粒子により構成されており、前記枠体部を構成するセラミック粒子は前記基体部を構成するセラミック粒子よりも前記平均アスペクト比が０．１以上小さいものである。

本発明の発光装置は、上記の発光素子搭載用基板の前記搭載部に発光素子を備えている
ことを特徴とする。

本発明によれば、高熱伝導性を有するとともに、枠体部における光の透過を低減でき、発光効率の高い発光素子搭載用基板とそれを用いた発光装置を得ることができる。

（ａ）（ｂ）は、本実施形態の発光素子搭載用基板の一例を模式的に示す断面模式図および平面図である。図１（ａ）のＡ部およびＢ部の拡大図である。本実施形態の発光装置を示す断面模式図である。本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程を示す模式図である。

図１（ａ）（ｂ）は、本実施形態の発光素子搭載用基板の一例を模式的に示す断面模式図および平面図である。図２は、図１（ａ）のＡ部およびＢ部の拡大図である。

本実施形態の発光素子搭載用基板は、発光素子を搭載するための搭載面１を有する基体部３と、その搭載面１を囲むように配置されている枠体部５とが一体的に形成されたものである。基体部３および枠体部５は、いずれもセラミック粒子７の焼結体により形成されており、気孔率が５％以下である。また、基体部３と枠体部５とは、平均アスペクト比の異なるセラミック粒子７により構成されており、枠体部５を構成するセラミック粒子７は基体部３を構成するセラミック粒子７よりも平均アスペクト比が０．１以上小さい。

これにより、高熱伝導性であり、光の透過を低減できる枠体部５を備えた発光効率の高い発光素子搭載用基板を得ることができる。

すなわち、本実施形態の発光素子搭載用基板は、枠体部５を構成するセラミック粒子７と基体部３を構成するセラミック粒子７との間でセラミック粒子７の平均アスペクト比に違いをつけることによって、発光素子から発せられる光の指向性および反射率の向上に寄与する部分である枠体部５の特性と、発光素子から出る熱を逃がす部分である基体部３におけるそれぞれの特性を高めることができる。

つまり、枠体部５を構成するセラミック粒子７の平均アスペクト比が小さいと、セラミック粒子７が球形に近い形状であるために、各セラミック粒子７が放射状に光を反射させることが可能になることから、枠体部５における光の散乱が高まり、これにより枠体部５における光の透過を抑制でき、その結果、発光効率を向上させることができる。

一方、基体部３側を平均アスプクト比の大きいセラミック粒子７により形成した場合には、セラミック粒子３の熱伝導性が長手方向に高いことを利用して、基体部３を高熱伝導性にすることができ、こうして高熱伝導性と高反射性を同時に併せ持つ発光素子搭載用基板を得ることができる。この場合、枠体部５は、例えば、断面視したときに、単位面積当たりに存在するセラミック粒子７の数が多く、セラミック粒子７の輪郭を明確に見ることができる程度の焼結状態を有しているのがよい。

これに対し、基体部３および枠体部５の焼結体の気孔率がいずれも５％よりも高い場合には、焼結体の機械的強度が低下するとともに、吸水率が高くなるために、発光素子搭載用基板としての信頼性が低下してしまう。また、枠体部５の気孔率が５％よりも高くなると、気孔によって光が透過しやすくなり、発光効率が低下してしまう。

また、枠体部５を構成するセラミック粒子７と基体部３を構成するセラミック粒子７との間でセラミック粒子７の平均アスペクト比に違いの無い構成では、高い熱伝導率と光の指向性および反射率の高いことを効率良く達成できる発光素子搭載用基板を得ることは困難である。

本実施形態の発光素子搭載用基板としては、特に、枠体部５は平均アスペクト比が１．５以下のセラミック粒子７により構成されており、基体部３は平均アスペクト比が１．５以上のセラミック粒子７の焼結体によって構成されていることが望ましい。

この場合、基体部３および枠体部５のそれぞれの焼結体を構成するセラミック粒子７の平均粒径は１〜１０μｍ程度であるのがよく、特に、枠体部５を構成するセラミック粒子７の平均粒径が基体部５を構成するセラミック粒子７の平均粒径よりも小さいことが光の反射率を高めつつ、基体部３における熱伝導性を高めるという点で望ましい。

また、基体部３の焼結体を構成するセラミック粒子７の平均アスペクト比は、基体部３の機械的強度を高くできるという点で、３以下、特に２以下であることが望ましい。

ここで、焼結体の気孔率は、断面研磨した試料の電子顕微鏡写真を用いて、まず、写真上に認められる気孔の総面積を画像解析により求め、次に、その気孔の総面積を写真の面積で除して求める。この場合、気孔は最大径が０．１μｍ以上であるものを選択することとし、それ以下の気孔は除くようにする。

基体部３および枠体部５の焼結体を構成するセラミック粒子７の平均アスペクト比および平均粒径は、得られた発光素子搭載用基板を断面研磨し、走査型電子顕微鏡観察して得られた写真を画像解析して求める。

具体的には、走査型電子顕微鏡により撮影した写真上で、セラミック粒子７が１０〜３０個程度入る円を描き、この円内に存在する各セラミック粒子７について、それぞれ長辺および短辺の長さを測定し、長辺／短辺の比から各セラミック粒子７のアスペクト比を求め、次いで、これらの平均値から平均アスペクト比を求める。

セラミック粒子７の平均粒径は、同じ領域の各セラミック粒子７の輪郭から面積をそれぞれ求め、円の面積から直径を算出し、このようにして求めた直径の平均値を求めて、これを平均粒径とする。

また、本実施形態の発光素子搭載用基板では、枠体部５は、搭載面１を囲繞する部分の壁面９が上側に開口径を大きくするようなすり鉢状であり、枠体部５の焼結体は、その枠体部５を平面視したときに、搭載面１側から上方側に向けて、単位面積当たりに存在するセラミック粒子７の数が多くなっていることが望ましい。

枠体部５が上記のようなすり鉢状の構造である場合には、搭載面１側から上方側へ向けて枠体部５の厚みｔが次第に薄くなっていくが、本実施形態の発光素子搭載用基板では、枠体部５を構成するセラミック粒子７の単位面積当たりの数が搭載面１側から上方側に向けて多くなっているために、セラミック粒子７の粒界による光の反射率の低下を抑えることができ、これにより発光素子搭載用基板に設けられた枠体部５の全面からより均一に光を反射させることができる。

本実施形態の構成は、枠体部５の厚みｔが１００〜１０００μｍ、特に、１００〜５００μｍと極めて薄い構成の発光素子搭載用基板に好適なものとなる。

ここで、枠体部５が基体部３に一体的に形成されるというのは、枠体部５と基体部３とが同時焼成されて焼結されたものという意味である。

また、この発光素子搭載用基板は、基体部３と枠体部５とが同じ材質であるのがよい。基体部３と枠体部５とが同じ材質であると、同時焼成される際に、基体部３と枠体部５との焼結速度が近いことから発光素子搭載用基板の反りや変形を低減することができるからである。この場合、同じ材質というのは、基体部３および枠体部５に含まれる主成分のセラミック成分が同じであるという意味である。ここで、主成分とは、基体部３および枠体部５に含まれるセラミック成分の含有量が８０質量％以上である場合をいう。

なお、基体部３および枠体部５は、高い熱伝導性を有し、かつ高強度であるという点でアルミナを主成分とし、これにＳｉおよびＭｇなどの添加剤を含有するものが望ましい。

図３は、本実施形態の発光装置を示す断面模式図である。本実施形態の発光装置は、上述した発光素子搭載用基板の搭載部１に発光素子１１を備えていることを特徴とするものである。この発光装置は、基体部３および枠体部５が緻密な焼結体によって形成されているとともに、基体部３と枠体部５とを平均アスペクト比が異なるセラミック粒子により形成された基板を採用していることから、発光素子１１から発せられた光を枠体部５から指向性良く、高い効率で発光させることが可能になるとともに、熱伝導性にも優れた発光装置となる。

なお、本実施形態の発光素子搭載用基板には、必要に応じて、その表面や内部に、発光素子や外部電源と接続するための導体層を設けてもよい。

次に、本実施形態の発光素子搭載用基板および発光装置の製造方法について説明する。図４は、本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程を示す模式図である。

まず、図４（ａ）に示すように、基体部３および枠体部５を形成するためのシート状成形体２１を作製する。その組成は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を主成分とし、これにＳｉＯ_２粉末およびＭｇＯ粉末を所定量添加した混合粉末を用いる。

次に、この混合粉末に対して、有機バインダを溶媒とともに添加してスラリーや混練物を調製した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法を用いてシート状成形体２１を形成する。

なお、発光素子搭載用基板を製造する場合、必要に応じて、シート状成形体２１の表面や内部に、発光素子や外部電源と接続するための導体層となる導体パターンを形成してもよい。

次に、図４（ｂ）に示すように、一方の面に凸部２３を有する金型を用意し、この金型を用いて、作製したシート状成形体をプレス成形し、凸部２３に対応する部分が凹部となる成形体２５を形成する。

このプレス成形の工程において、シート状成形体２１は、金型の凸部２３によって加圧された部分と、凸部２３の周囲の部分とでは、加圧後の成形体２５の密度が異なってくる。

すなわち、図４（ｃ）に示すように、金型の凸部２３の周囲の部分で加圧された領域２７は、凸部２３の部分で加圧された領域２９に比較してシート状成形体２１の厚みの変化
が小さいことから、領域２７は領域２９に比較して成形体２５における生密度が低くなる。つまり、領域２９は領域２７よりも生密度が高くなっている。

次に、この成形体２５を所定の温度条件で焼成することにより発光素子搭載用基板を得ることができる。

こうして得られた発光素子搭載用基板は、成形体２５における領域２７（低密度）と領域２９（領域２７よりも高密度）のそれぞれの生密度に依存して焼成後において焼結状態が異なってくる。

生密度が低くなっている領域２７は、成形体２５の状態で、領域２９よりもセラミック粉末の接し方が弱いために、焼成過程においてもセラミック粉末の成分の拡散が領域２９のセラミック粉末に比べて遅く、このため、この領域２７のセラミック粉末は領域２９のセラミック粉末よりも粒成長が遅くなる。

一方、生密度の高い領域２９は、成形体２５の状態で領域２７の部分に比較してセラミック粉末が強固に接していることから、焼成過程においてセラミック粉末の成分が拡散しやすく、このためセラミック粉末は粒成長しやすくなる。

その結果、成形体２５を気孔率が５％以下になるように焼結させても、成形体２５の密度の低い方の領域２７はセラミック粉末の粒成長の度合いが小さいために、平均アスペクト比が小さくなり、一方、成形体２５の密度の高い方の領域２９はセラミック粉末の粒成長の度合いが大きいために、平均アスペクト比を大きくすることができる。

こうして、基体部３および枠体部５を構成する焼結体がともに気孔率が５％以下であり、枠体部５を構成するセラミック粒子７が基体部３を構成するセラミック粒子７よりも平均アスペクト比の小さい発光素子搭載用基板を得ることができる。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末９３質量％に対して、ＳｉＯ_２粉末を５質量％、ＭｇＯ粉末を２質量％の割合で混合した後、さらに、有機バインダーとしてアクリル系バインダーを１９質量％、ワックスとしてパラフィンワックスを３質量％、有機溶媒としてトルエンを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて平均厚みが８００μｍのシート状成形体を作製した。

次に、得られたシート状成形体に対し、図４（ｂ）に示した構造の金型を用いて、８０℃の温度で加熱プレスを行い、切断して、図４（ｃ）に示すような構造の成形体を形成した。次に、大気中、１５１０〜１５５０℃の温度にて１時間の焼成を行った。

得られた発光素子搭載用基板は、平面の面積が３ｍｍ×３ｍｍ、枠体部の厚み（基体部の表面の搭載部の高さにおける厚み）が３００μｍ、枠体部の搭載面からの高さが２００μであった（基体部の搭載面の領域の厚みは４００μｍ）。

比較例として、シート状成形体の全体を、上記した凸部を有する金型を用いた成形時の凸部の領域が受ける圧力と同じ圧力で加圧した後、切削加工を施して、枠体部と基体部とが一体化された成形体を作製し、次いで、同じ焼成条件にて焼成したものを作製した。

作製した発光素子搭載用基板はいずれも搭載面を囲繞する部分の壁面が上側に開口径を大きくするようなすり鉢状の形状となっていた。

次に、得られた発光素子搭載用基板を加工して搭載面の部分の基体部を切り出して熱伝導率を測定した。

また、得られた発光素子搭載用基板の搭載面にＬＥＤ素子を実装し、この発光素子を導線で電源と結線し、発光素子の発光強度を１００％としたときに、発光素子が実装された枠体部の上面を黒い板で覆って、枠体部の側面から検出される光の量の割合を評価した。

焼結体の気孔率は、断面研磨した試料の電子顕微鏡写真を用いて、まず、写真上に認められる気孔の総面積を画像解析により求め、次に、その気孔の総面積を写真の面積で除して求めた。この場合、気孔は最大径が０．１μｍ以上であるものを選択し、それ以下の気孔は除くようにした。

基体部および枠体部の焼結体を構成するセラミック粒子の平均アスペクト比および平均粒径は、得られた発光素子搭載用基板を断面研磨し、走査型電子顕微鏡観察して得られた写真を画像解析して求めた。具体的には、走査型電子顕微鏡により撮影した写真上で、セラミック粒子７が約２０個入る円を描き、この円内に存在する各セラミック粒子について、それぞれ長辺および短辺の長さを測定し、長辺／短辺の比から各セラミック粒子のアスペクト比を求め、次いで、これらの平均値から平均アスペクト比を求めた。

セラミック粒子の平均粒径は、同じ領域の各セラミック粒子の輪郭から面積をそれぞれ求め、円の面積から直径を算出し、このようにして求めた直径の平均値を求めて、これを平均粒径とした。

枠体部を高さ方向に３等分して、各領域におけるセラミック粒子を評価したところ、本発明の試料は、いずれも枠体部の搭載面側から上方側に向けてセラミック粒子の数が多くなっていたが、比較例の試料（試料Ｎｏ．１）の枠体部は搭載面側から上方側まで単位面積当たりに存在するセラミック粒子の数に変化は見られなかった。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、試料Ｎｏ．２〜５では、基体部および枠体部の気孔率がいずれも３．８％以下であり、枠体部の側面から検出される光の量の割合が２０％以下であった。また、これらの試料はいずれも熱伝導率は１５Ｗ／ｍＫ以上であった。

また、枠体部のセラミック粒子の平均アスペクト比が１．５以下であり、基体部のセラミック粒子の平均アスペクト比が１．５以上である試料Ｎｏ．３〜５では、枠体部の側面から検出される光の量の割合が１８％以下であり、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以上であった。

一方、試料Ｎｏ．１は、基体部および枠体部の気孔率が３．１％以下であり、熱伝導率が１７Ｗ／ｍＫであったが、光の量の割合が２８％であり、透過率が高かった。

また、試料Ｎｏ．６は、気孔率が５％以上であったため、熱伝導率が１１Ｗ／ｍ・Ｋ、光の量の割合が３５％であった。

１・・・・・・・搭載面
３・・・・・・・基体部
５・・・・・・・枠体部
７・・・・・・・セラミック粒子
１１・・・・・・発光素子
２１・・・・・・シート状成形体
２３・・・・・・凸部
２５・・・・・・成形体
２７・・・・・・金型の凸部の周囲の部分で加圧された領域
２９・・・・・・金型の凸部の部分で加圧された領域

Claims

セラミック粒子の焼結体からなる、上面の中央部に発光素子の搭載面を有する基体部と、該基体部に一体的に形成され、前記基体部上で前記搭載面を囲むように配置されている枠体部と、を備えている発光素子搭載用基板であって、前記基体部および前記枠体部を構成する焼結体はともに気孔率が５％以下であり、前記セラミック粒子の長辺／短辺の比をアスペクト比としたときに、前記基体部と前記枠体部とは、平均アスペクト比の異なるセラミック粒子により構成されており、前記枠体部を構成するセラミック粒子は前記基体部を構成するセラミック粒子よりも前記平均アスペクト比が０．１以上小さいことを特徴とする発光素子搭載用基板。
前記枠体部は平均アスペクト比が１．５以下のセラミック粒子により構成されており、前記基体部は平均アスペクト比が１．５以上のセラミック粒子の焼結体によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子搭載用基板。
前記枠体部は、前記搭載面を囲繞する部分の壁面が上側に開口径を大きくするようなすり鉢状であり、前記枠体部を平面視したときに、前記枠体部の焼結体は、前記搭載面側から上方側に向けて、単位面積当たりに存在する前記セラミック粒子の数が多くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子搭載用基板。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発光素子搭載用基板の前記搭載面に発光素子を備えていることを特徴とする発光装置。