CN102214775A - 发光元件搭载基板及使用了该基板的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具备光反射率高且因腐蚀而造成的反射率的下降少的反射层、光获取效率和散热性得到了提高的发光元件搭载用基板及使用了该基板的发光装置。发光元件搭载用基板的特征在于，包括具有搭载发光元件的搭载面的基板主体、形成于该基板主体的搭载面的一部分的含银反射层、形成于该反射层上的由玻璃和陶瓷填料构成的玻璃质绝缘层，该玻璃质绝缘层在300μm的跨度中的表面翘曲在5μm以下。

Description

发光元件搭载基板及使用了该基板的发光装置
技术领域
本发明涉及发光元件搭载用基板及使用了该基板的发光装置，特别涉及可防止反射率的下降的发光元件搭载用基板及使用了该基板的发光装置。
背景技术
近年来，伴随发光二极管元件(发光元件)的高亮度化、白色化，使用发光元件的发光装置被用作照明、各种显示器、大型液晶电视的背光源等。一般要求搭载发光元件的发光元件搭载用基板具备能够高效地反射由元件发射的光的高反射性。
因此，目前以使发光元件发射的光尽可能地向前方反射为目的，尝试在基板表面设置反射层。作为该反射层，可例举具备高反射率的银反射层。
但是，银易腐蚀，放置后表面会生成Ag2S等化合物而易使光反射率下降。作为其对策，提出了用有机硅树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂等树脂被覆银的表面的方法(参照专利文献1)。但是，采用该方法时水分或腐蚀性气体会从树脂中或银反射层和树脂的界面进入，经过一段时间就会使银反射层腐蚀，因此很难用于要求长期可靠性的产品。
另外，为了防止银反射层的腐蚀，提出了用玻璃层被覆银的表面的方法(参照专利文献2)。但是，由于该公报中记载的玻璃层在烧成时发生结晶化，因此烧成时的基板的收缩和玻璃层的收缩出现较大差异而使得烧成后的基板发生翘曲，不足以适用于产品。另外，烧成时银反射层和玻璃层反应，也会出现由黄色变为褐色的所谓的银显色的问题。
此外，提出了用银显色程度小的玻璃膜被覆银反射层的方法(参照专利文献3)。此时，将粉末玻璃形成为糊状，将其涂布于形成于基板上的银反射层上，干燥，与基板同时进行烧成而获得玻璃膜，为了获得良好的被覆性，必须使用烧成时充分流动的玻璃。
专利文献1：日本专利特开2007-67116号公报
专利文献2：日本专利特开2009-231440号公报
专利文献3：WO 2010/021367
发明内容
如上所述，为了防止银反射层的腐蚀，尝试用玻璃层进行被覆。但是，随着发光元件的小型化及发光元件搭载基板的小型化，虽然对发光元件搭载基板实施了散热措施，但能够确认出现了散热效率下降的现象。
对其原因进行研究后发现，在发光元件搭载部附近形成有元件连接端子的基板的散热效果下降特别明显。对形成有元件连接端子的发光元件搭载基板进行分析后可知，保护银反射层的玻璃层的端部的膜厚比其它部分的膜厚要厚。即，在玻璃层表面产生翘曲(日文：うねり)，将发光元件置于玻璃层上时，发光元件和玻璃层之间产生间隙，为了堵住该间隙而填入热传导系数小的树脂，发光元件被固定，这样就导致了热传导系数的下降。
所述“玻璃层的端部”不仅是指玻璃层的外周的端部，也包括形成于发光元件搭载面的玻璃层的孔(为元件连接端子等而形成的孔)的周围。
考虑到以上的情况，本发明的目的是提供发光元件搭载部的平坦性高、发光元件的散热性优良的发光元件搭载用基板及使用了该基板的发光装置。
以往，为了获得良好的被覆性，要求改善烧成时的玻璃的流动性。但是，流动性得到改善后，表面张力的影响会大于玻璃的粘性阻力的影响，玻璃层的被覆图案的端部的厚度要大于从图案的端部到内侧的部分的厚度，从而在表面产生翘曲。
根据该机理，本发明者认为首先应该采用提高构成玻璃被覆层的玻璃的软化点、提高烧成时的玻璃粘度的方法来抑制玻璃被覆层表面的翘曲。但是，如果提高玻璃的软化点，则会产生很难完成与含银反射层的共烧或烧成时不易流动而导致烧结不足的负面影响。
因此，探讨了在玻璃中混合陶瓷填料而形成为玻璃质绝缘层、以此来抑制表面翘曲的方法，结果发现，采用微粒作为进行混合的陶瓷填料可抑制翘曲，能够获得散热性良好的基板。
本发明为解决以上问题提出下述发光元件搭载用基板。该发光元件搭载用基板包括具有搭载发光元件的搭载面的基板主体、形成于该基板主体的搭载面的一部分的含银反射层、形成于该反射层上的由玻璃和陶瓷填料构成的玻璃质绝缘层，从该玻璃质绝缘层的端部测得的最大翘曲在5μm以下。另外，所述陶瓷填料的平均粒径(D50)在2.5μm以下，玻璃质绝缘层中含有40体积％以下的该微粒陶瓷填料。
此外，作为发光装置，具备所述发光元件搭载基板和被搭载于所述基板主体的搭载面的发光元件。
可期待本发明的发光元件搭载用基板具备以下的效果。
通过使构成玻璃质绝缘层的玻璃中含有微粒陶瓷填料，玻璃质绝缘层的表面的翘曲得到抑制。藉此，发光元件与玻璃质绝缘层的间隙缩小，可提高将热量通过玻璃质绝缘层散发至正下方的银反射层的效果。此外，由于陶瓷填料为微粒，因此光的散射非常小。所以，来自反射层的光不会被散射，能够被直射。
本发明的发光装置中使用所述发光元件搭载用基板而使得反射层的反射率不易下降，因此能够在期待维持长时间的发光效率的同时期待获得良好的散热性。
附图说明
图1是用于本发明的基板的剖视图的一例。
图2是将发光元件配置于用于本发明的基板的剖视图的一例。
图3是本发明的发光装置的剖视图的一例。
图4是将发光元件配置于本发明的发光装置的基板的俯视图及剖视图的一例。
图5是表示表1的例1及例3的发光元件搭载面的一部分的表面状态的图。
符号说明：1···LTCC基板，2···导体层(反射层)，3···外覆层，4···贯通导体，5···密封树脂(荧光体层)，6···发光元件，7···键合丝，8···镀金层。
具体实施方式
本发明的发光元件搭载用基板的特征在于，包括具有搭载发光元件的搭载面的基板主体、形成于该基板主体的搭载面的一部分的含银反射层、形成于该反射层上的由玻璃和陶瓷填料构成的玻璃质绝缘层，具有从该玻璃质绝缘层的端部测得的最大翘曲在5μm以下的平坦性。另外，还有该玻璃质绝缘层可在900℃以下烧结、含有40体积％以下的平均粒径在2.5μm以下的微粒陶瓷填料。
这里，所述“玻璃质绝缘层的端部”与“玻璃层的端部”的含义相同，不仅是指玻璃质绝缘层的外周的端部，还包括形成于发光元件搭载面的玻璃质绝缘层的孔(为元件连接端子等而形成的孔)的周围。
基板主体是图1所示的整体为平板状的构件，或者是图2所示的形成有凹部使得发光元件搭载面位于低一台阶的位置的构件。对于构成基板的材质无特别限定，但由于必须对用于玻璃质绝缘层的玻璃进行烧成，所以优选无机材料。从热传导系数及散热性、强度、成本的角度考虑，可例举氧化铝陶瓷、低温共烧陶瓷(以下称为LTCC)、氮化铝等。采用LTCC时，可通过对基板和反射层和被覆该反射层的玻璃质绝缘层进行共烧而形成基板主体。另外，采用LTCC时，也容易在基板内形成内部配线。
反射层主要采用反射率高的银，但也可使用银钯混合物或银铂混合物等金属。
玻璃质绝缘层是用于保护其下层的反射层不受腐蚀(特别是银的氧化或硫化等)等的层。为了同时实现足够的被覆性和表面的平坦性，最好含有玻璃和陶瓷填料。玻璃质绝缘层中包含的玻璃可在900℃以下烧结。该玻璃是用于使玻璃质绝缘层达到致密程度的成分。
陶瓷填料可使用选自二氧化硅填料、氧化铝填料、氧化锆填料、氧化钛填料的至少1种。可采用作为粒径的平均粒径D50(以下也简称为D50)在2.5μm以下的填料。特好的是D50在0.5μm以下。本说明书中D50是通过激光衍射法测得的值。
玻璃质绝缘层中的陶瓷填料的含量可由粒径决定。
D50为1～2.5μm时，其含量为10～40体积％。上限较好为35体积％以下，更好为30体积％以下。下限较好为13体积％以上，更好为17体积％以上。
D50低于1μm时，其含量为1～20体积％。上限较好为15体积％以下，更好为10体积％以下。下限较好为2体积％以上。
如果陶瓷填料的含量超过以上两个上限，则玻璃质绝缘层的流动性劣化，易出现烧结不足。低于以上两个下限时，可能不易获得最大翘曲的改善效果。
玻璃质绝缘层的表面平坦性以从其端部测得的最大翘曲计优选在5μm以下。最大翘曲如果超过5μm，则在搭载发光元件时会产生发光元件和搭载面之间的间隙扩大的部分，可能会导致散热性劣化。较好为4μm以下，更好为3μm以下。
该最大翘曲最好在从端部开始的一定距离间测定。该距离至少为200μm，较好为300μm以上。这是因为测定距离小于200μm时有可能仅测定了翘曲的倾斜面而无法测到最大翘曲。另外，也可以如图5所示从端部测定，测定从最高点开始的所述的一定距离。象这样通过从最高点测定最大翘曲，无论有无与玻璃质绝缘层的端部邻接的构件(例如，侧壁或元件连接端子等)，都能够测定所要的最大翘曲值。例如，从图4所示的位于元件连接端子的周围的玻璃质绝缘层的端部测定最大翘曲时(没有与端部邻接的构件的状态)，所要测定的最大翘曲可能为从端部(例如，发光元件搭载面)至最高点为止的距离。即，该值包括玻璃质绝缘层的厚度，因此为了获得所要的值，必须除去玻璃质绝缘层的厚度。
所述玻璃最好能够与反射层同时烧成，更好是在与反射层同时烧成时不会与银反应而产生开口孔等缺陷。即，与反射层同时烧成时，可配合所用的基板主体的材料，在500～900℃的范围内选择烧成温度对玻璃质绝缘层进行烧结而实现致密化。
以被覆反射层的形式对玻璃质绝缘层进行烧成时，银离子在构成玻璃质绝缘层的玻璃中扩散。另外，因为玻璃组成或构成发光元件搭载用基板的基板材料及含银金属材料、烧成气氛或温度条件等，在玻璃中扩散的银离子有时会与用于在玻璃质绝缘层上密封而填充的有机硅树脂反应，在高温高湿的条件下引发变为茶色的变色。为了抑制该变色，有效的方法是使构成玻璃质绝缘层的陶瓷填料不含氧化铝。
作为发光元件，可例举LED元件。更具体为发射的光激发荧光体而使其发出可见光的元件，可例示蓝色发光型LED元件或紫外发光型LED元件。但是，并不限于这些，只要是可激发荧光体而使其发出可见光的发光元件即可，可根据发光装置的用途及目标发光色等使用各种发光元件。
本发明的发光装置中最好设置荧光体层。荧光体被从发光元件发射的光或从反射层反射的光激发而发出可见光，通过该可见光与从发光元件发射的光的混色，或者通过从荧光体发出的可见光或可见光本身的混色来获得作为发光装置所要的发光色。对于荧光体的种类无特别限定，可根据目标发光色或从发光元件发射的光等适当选择。
荧光体层是将荧光体混合、分散于有机硅树脂或环氧树脂这样的透明树脂而形成的层。荧光体层可被覆发光元件的外侧而形成(参照图3)，也可在直接被覆发光元件而形成的被覆层上另外设置荧光体层。即，荧光体层优选形成在发光装置的形成发光元件侧的最上层。
本发明的发光装置典型的是在基板表面具有将发光元件电连接的端子部，除该端子部以外的区域都被玻璃质绝缘层覆盖。此时，发光元件的安装可通过例如用环氧树脂或有机硅树脂将发光元件接合于基板上(小片接合)的同时利用金线等键合丝将发光元件上表面的电极与基板的底座部连接的方法来完成；或者可通过例如将设于发光元件背面的焊锡凸点、Au凸点、Au-Sn共晶凸点等凸点电极以倒装片方式与基板的管脚或底座部连接的方法等来完成。
所述基板主体只要可设置反射层和保护该反射层的玻璃质绝缘层即可，无特别限定，以下对基板主体为LTCC基板的例子进行说明。
LTCC基板是将玻璃粉末、氧化铝粉末等耐火物填料的混合物进行烧成而制得的基板，是可与含银反射层及玻璃质绝缘层同时烧成而制造的基板。这里，“含银反射层”表示反射层由银糊形成时银糊包含的用于形成糊料的成分可残存包含于所形成的反射层，或者可含有用于提高银的耐久性的其它成分。含银反射层表示银含量在90质量％以上的反射层，包括银合金。例如可含有10质量％的钯，或者可含有最多3质量％的铂。
用于LTCC基板的玻璃粉末与氧化铝粉末等耐火物填料通常形成生片来使用。例如，首先向玻璃粉末和氧化铝粉末等中添加聚乙烯醇缩丁醛树脂或丙烯酸树脂等树脂以及根据需要采用的邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸丁基苄基酯等增塑剂等并混合。然后，添加甲苯、二甲苯、丁醇等溶剂来制成浆料，再将该浆料通过刮刀法等以片状成形于聚对苯二甲酸乙二醇酯等的膜上。最后，将该成形为片状的材料干燥而除去溶剂制成生片。这些生片上可根据需要用银糊通过丝网印刷等形成布线图案或通孔等。
对于构成LTCC基板的玻璃组成无特别限定，例如以摩尔％表示SiO2为60.4％、B2O3为15.6％、Al2O3为6％、CaO为15％、K2O为1％、Na2O为2％。
LTCC基板的制造中所用的玻璃粉末可通过将以熔融法得到的玻璃粉碎来制造。粉碎的方法只要不有损于本发明的目的即可，没有限定，可以是干法粉碎，也可以是湿法粉碎。湿法粉碎的情况下，较好是使用水作为溶剂。此外，粉碎中可适当使用辊式粉碎机、球磨机、喷射磨等粉碎机。玻璃在粉碎后根据需要进行干燥和分级。
对于氧化铝粉末的粒度和形状等无特别限定，典型的是使用平均粒径D50为3～5μm左右的氧化铝粉末。可例举例如昭和电工株式会社(昭和電工社)制的AL-45H。玻璃粉末与氧化铝粉末的配比例如为玻璃粉末40质量％、氧化铝粉末60质量％。
将所述生片烧成后根据需要加工成所要的形状就制成了基板。此时，被烧成体可以是1片也可以是多片生片重叠而得的层叠体。所述烧成典型的是在800～900℃下保持20～60分钟来进行。更典型的烧成温度是850～880℃。
下面，对玻璃质绝缘层进行说明。
该玻璃质绝缘层较好是含有玻璃和陶瓷填料的层。作为这里使用的玻璃的一例，可例举以氧化物基准的摩尔％表示包含20～85％的SiO2，0～40％的B2O3，0～20％的Al2O3，0～50％的选自MgO、CaO、SrO和BaO中的至少1种，0～16％的Na2O及K2O中的至少1种的玻璃。
玻璃质绝缘层的厚度典型的是5～30μm。如果小于5μm，则可能被覆性不够，因此优选5μm以上。如果超过30μm，则影响发光元件的散热性，可能会导致发光效率下降。
玻璃质绝缘层例如通过将玻璃的粉末制成浆料后进行丝网印刷并烧成而形成。但是，只要是可平坦地形成厚度典型的为5～30μm的玻璃质绝缘层的方法，则没有特别限定。
本发明的玻璃质绝缘层中较好是含有60体积％以上的玻璃。如果低于60体积％，则烧成时的烧结不充分，可能会破坏被覆性。为了提高烧结性，更好的是含有70体积％以上。另外，含有40体积％以下的陶瓷填料。陶瓷填料的含量典型的是1体积％以上。通过含有陶瓷填料，可缓解玻璃质绝缘层的表面翘曲，能够提高散热性。
为了缓解烧成后的玻璃质绝缘层的表面翘曲，所述陶瓷填料优选为微粒，D50为1.0μm以下，较好为0.5μm以下。如果进一步为0.1μm以下，则含有极少量的陶瓷填料就能够获得非常平滑的表面。另外，由于光的散射非常小，因此还具备来自反射层的光不被散射而是被直射的特征。对其材质无特别限定，只要是不会带来有损反射率的吸收的材料即可。
实施例
以下，通过图4对本发明的实施例进行说明。本发明并不限定于这些实施例。
[实施例1]
首先制作用于获得发光元件搭载用基板主体1的生片。生片如下制作。按照60.4摩尔％SiO2、15.6摩尔％B2O3、6摩尔％Al2O3、15摩尔％CaO、1摩尔％K2O、2摩尔％Na2O的比例掺合、混合原料，将该原料混合物装入铂坩埚中在1600℃熔融60分钟后，倒出该熔融状态的玻璃并冷却。通过氧化铝制球磨机粉碎该玻璃40小时，制成基板主体用玻璃粉末。还有，粉碎时的溶剂采用乙醇。
按照该基板主体用玻璃粉末为40质量％、氧化铝填料(昭和电工株式会社制，商品名：AL-45H)为60质量％的比例掺合、混合，从而制成玻璃陶瓷组合物。向50g该玻璃陶瓷组合物中掺入、混合15g有机溶剂(将甲苯、二甲苯、2-丙醇、2-丁醇以质量比4∶2∶2∶1混合而得的溶剂)、2.5g增塑剂(邻苯二甲酸二-2-乙基己酯)、5g作为粘合剂的聚乙烯醇缩丁醛(电气化学工业株式会社(デンカ社)制，商品名：PVK#3000K)以及0.5g分散剂(毕克化学公司(ビツクケミ一社)制，商品名：BYK180)，制成浆料。
将该浆料通过刮刀法涂布于PET膜上并使其干燥，制成烧成后的厚度为0.15mm的生片。
然后，通过在基板主体1上涂布银糊并烧成而形成反射层2。该银糊如下制作：将银粉末(大研化学工业株式会社(大研化学工業社)制，商品名：S400-2)和作为载体(vehicle)的乙基纤维素以质量比90∶10的比例掺合，按照固体成分达到87质量％的条件分散于作为溶剂的α-萜品醇后，在瓷研钵中进行1小时的混炼，再通过三辊机进行3次分散而制得。
接着，将玻璃粉末和陶瓷填料粉末混合而成的混合物作为玻璃糊料涂于反射层2上并烧成而形成玻璃质绝缘层3。此时，以完全不覆盖形成于基板主体1的发光元件搭载面侧的元件连接端子的条件印刷玻璃糊料形成图案。用于该玻璃糊料的调制的玻璃粉末如下制造。首先按照表1记载的玻璃组成的摩尔％掺合、混合原料，将该原料混合物装入铂坩埚中在1600℃熔融60分钟后，倒出该熔融状态的玻璃并冷却。通过氧化铝制球磨机粉碎该玻璃8～60小时，制成玻璃膜用玻璃粉末。在瓷研钵中对该玻璃粉末和陶瓷填料按照表1记载的比例混合而成的混合物60质量％与树脂成分(以质量比85∶15的比例含有乙基纤维素和α-萜品醇)40质量％掺合而成的材料进行1小时的混炼，再通过三辊机进行3次分散，藉此制得玻璃糊料。表1中的例1和例5为比较例，例2～4及6～7为实施例。
在以上获得的生片的表面通过丝网印刷法涂布银糊和玻璃糊料，形成反射面用生片。然后，以反射面用生片的玻璃糊料为上侧，即，最外层的条件层叠未涂布过银糊和玻璃糊料的生片。接着，在反射面用生片的玻璃糊料侧再层叠成为侧壁的形成有发光元件搭载面用孔的生片并热压接使其一体化，藉此获得未烧成发光元件搭载用基板。然后，于550℃保持5小时进行脱脂，再于870℃保持30分钟进行烧成，制得发光元件搭载用基板。
用触针式表面粗糙度·轮廓形状测定装置(东京精密株式会社(東京精密社)制サ一フコム)测定玻璃质绝缘层3表面的表面形状。表1记载的例1及例3的最大翘曲的测定结果示于图5。(a)是表示例1的测定结果的图，(b)是表示例3的测定结果的图。该最大翘曲是图4的俯视图所示的从右侧的元件连接端子的发光元件侧端部朝向发光元件测得的翘曲值，测定距离是最高点至300μm为止的长度。
在以上制得的试验用发光元件搭载用基板上搭载2个双线型发光二极管元件，使得它们位于绝缘性保护层的搭载面上的一对元件连接端子间，制得发光装置。具体来讲，利用接合材料(信越化学工业株式会社制，商品名：KER-3000-M2)将发光二极管元件(昭和电工株式会社制，商品名：GQ2CR460Z)固定于所述位置，将2个发光元件所具有的一对电极中的外侧的一方与位于各发光元件的外侧的元件连接端子分别通过键合丝电连接。另外，将2个发光元件所具有的一对电极中的内侧的一方之间通过键合丝电连接。
然后，用密封剂(信越化学工业株式会社制，商品名：SCR-1016A)进行密封构成图中所示的密封层。密封剂采用相对于密封剂含有20质量％的荧光体(化成光学株式会社(化成オプトニクス社)制，商品名P46-Y3)的试剂。
<评价>
对于表1所示的由例1～7获得的发光装置通过以下的方法测定了热阻。
[热阻]
使用热阻测定器(岭光音电机株式会社(嶺光音電機社)制，商品名：TH-2167)测定发光装置中的发光元件用基板的热阻。还有，施加电流设为35mA，通电至电压降达到饱和，通过由下降的电压和发光元件的温度-电压降特性推导出的温度系数算出饱和温度，求出热阻。
结果示于表1。还有，结果以将形成了不含陶瓷填料的玻璃层的现有的发光装置的热阻设为100％时的百分比表示。数值小时表示散热性良好，数值大时表示散热性差。
对制得的发光装置通入规定的电流，测定电流达到稳定时的发光元件部的温度，藉此评价散热性。其结果示于表1。确认具备最大翘曲在5μm以下的平坦性的元件的热阻在约80％以下，散热性高。
另外，对于所得发光装置的总光束量，装置即使长时间使用后也未出现银显色导致的总光束量的下降。
[表1]
Figure BSA00000468444700111
产业上利用的可能性
可用于移动电话和大型液晶TV等的背光源。

Claims (6)

1.发光元件搭载用基板，其特征在于，包括具有搭载发光元件的搭载面的基板主体、形成于该基板主体的搭载面的一部分的含银反射层、形成于该反射层上的由玻璃和陶瓷填料构成的玻璃质绝缘层，从该玻璃质绝缘层的端部测得的最大翘曲在5μm以下。
2.如权利要求1所述的发光元件搭载用基板，其特征在于，所述最大翘曲在从所述玻璃质绝缘层的端部开始到300μm为止的距离间测得。
3.如权利要求1或2所述的发光元件搭载用基板，其特征在于，所述玻璃质绝缘层中含有40体积％以下的平均粒径在2.5μm以下的陶瓷填料。
4.如权利要求1～3中任一项所述的发光元件搭载用基板，其特征在于，所述发光元件用端子部形成于所述基板主体上，所述玻璃质绝缘层形成于除该端子部以外的区域。
5.如权利要求1～4中任一项所述的发光元件搭载用基板，其特征在于，所述搭载面是形成于所述基板主体的凹部。
6.发光装置，其特征在于，发光元件被搭载于权利要求1～5中任一项所述的发光元件搭载用基板的所述玻璃质绝缘层上，并且该发光装置具有覆盖所述发光元件而形成的荧光体层。
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