JP2006093565A - 発光素子用配線基板ならびに発光装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱放散性及び信頼性に優れた発光素子用配線基板並びに発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも、平板状のセラミックスからなる絶縁基体１と、該絶縁基体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３、５、７と、前記絶縁基体１の一方の主面に発光素子２１を搭載する搭載部９とを具備してなる発光素子用配線基板１１において、前記絶縁基体１よりも高い熱伝導率を有し、前記絶縁基体１と同時焼成された貫通金属体８が、前記絶縁基体１を貫通して設けられてなるとともに、前記貫通金属体８の前記絶縁基体１と接する側面に傾斜部または段差部が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

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。そして、その実装形態は通電量が小さく、発熱が小さいことから発光素子を樹脂に埋め込んだ、いわゆる砲弾型が主流を占めている（特許文献１参照）。
そして、近年では、発光素子を用いた発光装置の高輝度、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（特許文献２、３参照）。
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と低いことからそ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高や、難焼結性のため高温での焼成が必要であり、プロセスコストが高く、また、熱膨張係数が４〜５×１０−６／℃と小さいため、汎用品である１０×１０−６／℃以上の熱膨張係数を持つプリント基板へ実装した際に、熱膨張差により接続信頼性が損なわれ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、熱膨張係数はプリント基板に近づくため、樹脂系の配線基板とプリント基板の実装信頼性の問題は発生しないが、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、実装信頼性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、熱放散性及び実装信頼性に優れた発光素子用配線基板ならびに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、少なくとも、平板状の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発光素子を搭載する搭載部とを具備してなる発光素子用配線基板において、前記絶縁基体よりも高い熱伝導率を有し、前記絶縁基体と同時焼成された貫通金属体が、前記絶縁基体を貫通して設けられてなるとともに、前記貫通金属体の前記絶縁基体と接する側面に傾斜部または段差部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記貫通金属体が、該発光素子用配線基板に搭載される発光素子の搭載面積よりも大きな断面積を有することが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記貫通金属体の一方の端面が、他方の端面よりも大きいことが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記貫通金属体の搭載部側と反対の端面が、搭載部側の端面よりも大きいことが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記貫通金属体の少なくとも一方の端面が絶縁膜で覆われていることが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記絶縁基体の熱膨張係数が、８．５×１０−６／℃以上であることが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記絶縁基体の熱伝導率が、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記絶縁基体が、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体からなることが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記絶縁基体が、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体からなることが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記導体層および貫通金属体がＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分とすることが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記発光素子用配線基板の主面における前記絶縁基板と前記貫通金属体との境界を、金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層により被覆することが望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記発光素子用配線基板の搭載部が形成された側の主面に、発光素子を収容するための枠体が形成されてなることが望ましい。
本発明の発光装置は、以上説明した本発明の発光素子用配線基板に発光素子を搭載してなることを特徴とする。
本発明の発光素子用配線基板の製造方法は、セラミックグリーンシートと略同一厚みの金属シートを、セラミックグリーンシートを貫通するように設けられた貫通穴内に装填してなる複合成形体を作製する工程と、前記複合成形体と貫通穴形状が異なる他の複合成形体とを積層して、複合積層体を作製する複合積層体作製工程と、前記複合積層体を同時焼成する工程と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の発光素子用配線基板の製造方法は、前記金属シートが、前記金属シートが、少なくとも、平均粒子径が１〜５μｍのＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種の粉末と有機樹脂からなる混合物に、セラミック粉末を０〜５重量％と有機溶剤を添加したスラリーを作製する工程と、前記スラリーをドクターブレード法によってシート状に成形するシート成形工程と、により形成されてなることが望ましい。
本発明の発光素子用配線基板は、絶縁基体をセラミックスにより形成することにより、発光素子用配線基板の熱伝導率を樹脂モールド基板より高いすることができるとともに、絶縁基体が長期間にわたって光源によって分子構造が変化することがないため、色調変化（黒色化など）や、特性の劣化がほとんど起こらず、高い信頼性を実現することができる。しかも、絶縁基体よりもさらに高い熱伝導率を有する貫通金属体を絶縁基体を貫通して設けることで、発光素子から発生する熱を更に速やかに発光素子用配線基板外へ放散することができるため、発光素子が過剰に加熱されることを防止できる。さらに、前記貫通金属体の前記絶縁基体と接する側面に傾斜部または段差部が設けることにより、金属体とセラミック部の接触面積を大きくすることができるとともに、傾斜部または段差部により、金属体と絶縁基体とが物理的に固定されるため、金属体と絶縁基体の接着強度を十分に確保することができる。
また、貫通金属体の断面積を、発光素子用配線基板に搭載される発光素子の搭載面積よりも大きくすることにより、放熱部分が増加し、更に発光素子から発生する熱を速やかに放散することができる。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記貫通金属体の一方の端面を、他方の端面よりも大きくすることにより、実質的に金属体領部の面積が増加し、金属体とセラミック部の接触面積を大きくすることができ、金属体と絶縁基体部の接着強度を十分に確保することができる。
また、前記貫通金属体の搭載部側と反対の端面を、搭載部側の端面よりも大きくすることにより、発光素子から発生する熱を、素子から水平または、垂直方向に効率よく熱放散できるため、輝度低下を防ぐ、あるいは、また、さらに高輝度にすることが可能となる。
また、貫通金属体の少なくとも一方の端面を絶縁膜で覆うことにより、外部端子との短絡が防止でき、また、発光装置をプリント板などに実装する際に貫通金属体直下に配線を配すことが可能となるため機器を小型化することができる。また、絶縁膜を発光素子搭載側に形成した場合には、発光素子電極間の短絡を防止でき、発光素子のフリップチップ実装を簡便にすることができる。
また、絶縁基体の熱膨張係数を８．５×１０−６／℃以上とすることで、貫通金属体との熱膨張差を小さくすることができるため、貫通金属体と絶縁基体との接合信頼性を向上させることができる。また、絶縁基体の熱膨張係数が大きくなっているため、貫通金属体の金属含有量も増加させることができ、貫通金属体の熱伝導率も高くすることができる。また、絶縁基体の熱伝導率を、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることで、絶縁基体の放熱性をさらに向上させることができ、発光素子用配線基板の放熱性が向上する。
また、絶縁基体を、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体により形成することで、絶縁基体の熱膨張係数を１０×１０−６／℃程度に制御できるため、汎用品である１０×１０−６／℃以上の熱膨張係数を持つプリント基板への実装信頼性を向上させることができる。
また、絶縁基体を、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体により形成することで、安価な原料を使用できるため、安価で、しかも放熱性に優れた発光素子用配線基板を得ることができる。
また、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分として導体層および金属体を形成することで、絶縁基体との同時焼成による表面および内部配線形成が可能となり、且つ熱放散性に優れた安価な発光素子用配線基板を得ることができる。
また、前記発光素子用配線基板の主面に形成された、前記絶縁基板と前記貫通金属体との境界を、金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層により被覆することで貫通金属体と絶縁基体との熱膨張差を緩衝し、両者の境界間におけるクラックの発生を抑制できる。
また、発光素子用配線基板の搭載部の主面に、発光素子を収納するための枠体を設けることで、発光素子を保護できるとともに、発光素子の周辺に蛍光体などを容易に配置することができる。また、枠体により発光素子の発する光を反射させて所定の方向に誘導することもできる。
以上説明した本発明の発光素子用配線基板に発光素子を搭載した本発明の発光装置によれば、発光素子からの発熱を速やかに装置外に放出することができるため、発熱による輝度低下を抑制できる。
また、本発明の発光素子用配線基板の製造方法によれば、セラミックグリーンシートと略同一厚みの金属シートを用いて貫通金属体を形成することで、従来の導体ペーストを用いて貫通金属体を形成する場合に比べ、格段に大きな断面積を有する貫通金属体を形成することが可能となり、放熱性に優れ、平坦な発光素子用配線基板を容易に作製することができる。
また、平均粒子径が１〜５μｍのＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種の粉末と有機樹脂からなる混合物に、セラミック粉末を０〜５重量％と有機溶剤を添加したスラリーを作製する工程と、前記スラリーをドクターブレード法によってシート状に成形するシート成形工程により、金属シートを作製することで、導電率の高い金属体を容易に作製することができる。
本発明の発光素子用配線基板は、例えば、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、セラミックスにより形成された絶縁基体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端子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、接続端子５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と同時焼成して形成され、絶縁基体１を貫通して設けられた貫通金属体８から構成されている。そして、本発明の発光素子用配線基板１１によれば、絶縁基体１よりも高い熱伝導率を有する貫通金属体８が、絶縁基体１と同時焼成され、絶縁基体１を貫通して設けられてなることが重要である。
この発光素子用配線基板１１の一方の接続端子３ａと他方の接続端子３ｂとの間には、発光素子を搭載するための搭載部９が形成されている。
また、例えば、本発明の発光素子用配線基板１１には、図１（ｂ）に示すように、搭載部９側に、搭載される発光素子を収納するための枠体１３が形成されて構成されている。
このような発光素子用配線基板１１において、絶縁基体１より高い熱伝導率を有する貫通金属体８を設けることにより、発光素子から発生する熱を速やかに放散することができるため、発光素子の輝度低下を防ぐことが可能となる。
そして、本発明においては、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、貫通金属体８の絶縁基体１と接する側面に傾斜部または段差部を設けることが重要である。このように貫通金属体８の側面に凸部あるいは凹部を形成することで、貫通金属体８と絶縁基体１との接触面積を大きくすることができる。
この貫通金属体８の側面に傾斜部または段差部が形成されている形態とは、例えば、図１（ａ）のように、貫通金属体８の側面が傾斜して貫通金属体８の一方の端面よりも他方の端面が大きくなっている形態や、図１（ｂ）に示すように、貫通金属体８の側面が階段状になっている形態や、図１（ｃ）に示すように、貫通金属体８の側面の中央部に凸部が形成された形態を意味するものである。
また、図１（ｃ）とは、逆に貫通金属体８の側面の中央部に凹部が形成されていてもよいことはいうまでもない。
例えば、図１（ａ）、（ｂ）のように、貫通金属体８の一方の端面が他方の端面より大きい場合には、貫通金属体８が鍔の機能を発揮し、特に、一方方向に抜けにくくなる。
また、貫通金属体８の断面積を、該発光素子用配線基板に搭載される発光素子の搭載面積よりも大きな断面積とすることにより、発光素子からの発熱を水平方向に素早く放散させることができる。特に、断面積は、１．１倍以上が良く、更に好適には１．２倍以上とすることが望ましい。
また、図１（ｃ）のように、貫通金属体が絶縁基体１の主面方向から固定されている場合には、さらに強固に凸部あるいは凹部により、貫通金属体８と絶縁基体１とが物理的に固定されるため、貫通金属体８と絶縁基体１との接着強度を十分に確保することができる。
いずれの場合においても、貫通金属体８が、絶縁基体１と分離しにくくなるように、両者の接触面積を増加させ、また、物理的に分離しにくい形状にすることが重要である。
この凸部、凹部の大きさは、絶縁基体１のＸ−Ｙ方向に１００μｍ以上、特に２００μｍ以上形成することが、貫通金属体８と絶縁基体１との接合信頼性を向上させる点で重要である。
また、例えば、図２（ａ）に示すように、絶縁膜６を発光素子搭載側の主面１ａに形成することにより、発光素子電極間の短絡を防止でき、発光素子のフリップチップ実装を簡便にすることができる。
また、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、貫通金属体８の外部端子５側の端面を絶縁膜６で覆うことにより、外部端子５との短絡が防止でき、また、発光装置をプリント板などに実装する際に貫通金属体８直下に配線を配すことが可能となるため機器の小型化を実現することができる。この絶縁膜６は、絶縁性を有する素材により形成され、例えば、絶縁基体１と同じ素材で絶縁基体１や貫通金属体８と同時焼成して形成する場合には、工程を増加させる必要がない。また、絶縁膜６は、樹脂により形成してもよく、その場合には、絶縁基体１と貫通金属体８とを同時焼成した後で、スラリー状の樹脂を所定の部分に塗布、硬化することで容易に形成することができる。
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／℃以上とすることが望ましく、貫通金属体８や外部のプリント基板など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を被覆するために設けられる樹脂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、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、絶縁基体自体からの熱放散性が向上し、発光素子の輝度低下を防ぐことが可能となる。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、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁基体１は、ＭｇＯを用いることにより作製できる。
そして、例えば、この絶縁基体１として、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体を用いることで、絶縁基体の熱膨張係数を１０×１０−６／℃程度に制御できるため、汎用品である１０×１０−６／℃以上の熱膨張係数を持つプリント基板への実装信頼性が向上できる。また、熱伝導率についても、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を達成することができる。
なお、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、ＭｇＯのピークが主ピークとして検出されるようなもので、ＭｇＯ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０．１〜８μｍの純度９９％以上のＭｇＯ粉末に、平均粒径０．１〜８μｍのＹ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３などの希土類元素酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２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１３００〜１７００℃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。また、あるいは、ＭｇＯを含有するＭｇＡｌ２Ｏ４やＭｇＯ・ＳｉＯ２系の複合酸化物を添加してもよい。そして、焼結助剤などのＭｇＯ以外の組成物の添加量については、ＭｇＯを主結晶とする緻密体を得るために、望ましくは３０質量％以下、更に望ましくは、２０質量％以下とすることが望ましい。特に、焼結助剤などのＭｇＯ以外の組成物の添加量を１０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ＭｇＯ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３質量％以上、さらには５質量％以上添加することが望ましい。
また、この絶縁基体１として、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体を用いたばあいには、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、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ２Ｏ３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ２Ｏ３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Ａｌ２Ｏ３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍのＭｎ２Ｏ３、ＳｉＯ２、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Ａｌ２Ｏ３以外の組成物の添加量については、Ａｌ２Ｏ３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Ａｌ２Ｏ３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Ａｌ２Ｏ３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Ｓｉ３Ｎ４などを主結晶とする焼結体を用いても良い。
このようなＭｇＯやＡｌ２Ｏ３を主成分とする組成物に、さらに、バインダー、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、表面や内部に接続端子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、接続端子３、外部電極端子５、貫通導体７、貫通金属体８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。
かかる貫通金属体８は、実質的に同一厚みのセラミックグリーンシートと、金属材料からなる金属シート（を作製する工程と、セラミックグリーンシートの所定箇所に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を形成したセラミックグリーンシートに金属シートを積層する工程と、セラミックグリーンシートにおける貫通孔形成部分を金属シート側から押圧することによって、金属シートの一部を前記貫通孔内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートとを一体化した成形体を同時焼成することで形成できる。
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。
また、金属シートは、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有機樹脂（バインダー）及びトルエンを溶媒として混合し、スラリーを作製し、ドクターブレード法等を用いてシート成形することにより形成できる。
また、図３に示すように、絶縁基体１の主面における絶縁基体１と貫通金属体８との境界を、金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層１２により被覆することが望ましい。これらの被覆層１２で貫通金属体８と絶縁基体１との境界を被覆することにより、両者の熱膨張差を緩衝し、境界でのクラックの発生を抑制することができる。
この被覆層１２を金属またはセラミックスで形成する場合には、絶縁基体１と同時焼成することが工程数の削減の点で望ましい。また、被覆層１２として樹脂を用いる場合には、絶縁基体１の焼成工程の後で絶縁基体１と貫通金属体８との境界を塞ぐように樹脂を印刷し、硬化処理などを行って、被覆層１２を形成することができる。なお、被覆層１２として樹脂を用いる場合には、樹脂成分に加えて、１０〜５０体積％のセラミック粉末を含有させることで、被覆層１２の耐水性及び熱放散性を向上させることができる。
この被覆層１２は、異なる材質の被覆層１２を複数、積層して形成してもよく、仮に、絶縁基体１と貫通金属体８との境界にクラックが発生したとしても、クラックが表層に進展することを防止することができることから、樹脂を含有する被覆層１２を最外層に形成することが最も望ましい。
この被覆層１２としてセラミックスを用いる場合には、絶縁基体１に用いた組成と同様の組成のセラミックスを用いることが、焼結性、被覆層１２と絶縁基体１との接着性という観点から望ましい。
また、この被覆層１２として金属を用いる場合には、貫通金属体８に用いた組成と同様の組成の金属を用いることが、焼結性、被覆層１２と貫通金属体８との接着性という観点から望ましい。
また、被覆層１２として、金属を用いる場合には、セラミックス粉末を含有させることが、焼結挙動の制御や熱膨張係数の制御が可能となるため望ましい。
また、枠体１３を、セラミックスにより形成することで、絶縁基体１と枠体１３とを同時焼成することができ、工程が簡略化されるため、安価な発光素子用配線基板１１を容易に作製することができる。また、セラミックスは耐熱性、耐湿性に優れているため、長期間の使用や、悪条件での使用にも、優れた耐久性を有する発光素子用配線基板１１となる。
また、安価で、加工性に優れた金属により枠体１３を形成することで、複雑な形状の枠体１３であっても、容易に安価に製造することができ、安価な発光素子用配線基板１１を供給することができる。この金属製の枠体１３は、例えば、ＡｌやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等などにより好適に形成することができる。また、枠体１３の表面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどからなるめっき層（図示せず）を形成してもよい。
なお、このように枠体１３を金属により形成する場合には、予め、絶縁基体１の主面１ａに金属層１７を形成し、この金属層１７と枠体１３とを、例えば、共晶Ａｇ−Ｃｕろう材等からなるろう材（図示せず）を介して、ろう付けすることができる。
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４（ａ）に示すように発光素子２１として、ＬＥＤチップ２１などを搭載し、ボンディングワイヤ２３により発光素子２１に給電することにより、発光素子２１を機能させることができ、発光素子２１からの発熱を貫通金属体から速やかに放出するためことができるため、ヒートシンク等の放熱部材が不要となり、実装される電気機器の小型化に寄与できるとともに、熱膨張係数をプリント基板に近いものとすることにより、プリント基板やモールド材との熱膨張係数のミスマッチを抑制できるため、接合信頼性の高い発光装置２５ができる。なお、ヒートシンクを設けることで、更に放熱性が向上することはもちろんであり、例えば、ヒートシンクのような冷却装置を設けることを排除するものではない。
また、発光素子用配線基板１１に形成された搭載部９に、例えば発光素子２１として、ＬＥＤチップ２１などを搭載し、ボンディングワイヤ２３により、ＬＥＤチップ２１と接続端子３と電気的に接続して、給電することにより、発光素子２１の放射する光を絶縁基体１や枠体１３に反射させ、所定の方向へと誘導することができるため、高効率の発光装置２５となる。また、絶縁基体１並びに枠体１３の熱伝導率が高いため、発光素子２１からの発熱を速やかに放出することができ、発熱による輝度低下を抑制できる。
また、図４（ｂ）に示すように、発光素子２１を搭載した側の発光素子用配線基板１１の主面１ａに、枠体１３を搭載した発光装置２５では、枠体１３の内側に発光素子２１を収納することで、容易に発光素子２１を保護することができる。
なお、図４（ａ）、（ｂ）に示した例では、発光素子２１は、接着剤２９により発光素子用配線基板１１に固定され、電力の供給はワイヤボンド２３によりなされているが、発光素子用配線基板１１との接続形態は、フリップチップ接続であってもよいことはいうまでもない。
また、発光素子２１は、モールド材３１により被覆されているが、モールド材３１を用いずに、蓋体（図示せず）を用いて封止してもよく、また、モールド材３１と蓋体とを併用してもよい。蓋体を用いる場合であって、発光素子２１を用いる場合には蓋体は、ガラスなどの透光性の素材を用いることが望ましい。
なお、発光素子２１を搭載する場合には、必要に応じて、このモールド材３１に発光素子２１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、貫通導体７を設けた例について説明したが、貫通導体７を設けない場合であってもよく、また、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。
次に、本発明の発光素子用配線基板１１の製造方法について説明する。
まず、焼成することで絶縁基体１となるセラミックグリーンシート４０と、貫通金属体８となる金属シート４３を作製する。
セラミックグリーンシート４０は、従来周知のドクターブレード法などにより、セラミック粉末と樹脂、溶剤などから形成されるセラミックスラリーからシート状に形成される。
また、金属シート４３も同様に、金属粉末と、樹脂と、溶剤とを所定の割合で混合して調製した金属スラリーから、従来周知のドクターブレード法などにより、シート状に形成される。なお、金属スラリーには必要に応じてセラミック粉末を含有させてもよい。
セラミックグリーンシート４０並びに金属シート４３に用いるセラミック粉末、金属粉末の粒径は平均粒径で０．０１〜１０μｍ程度のものが好適に用いられ、特に、１〜５μｍの範囲の粉末が取り扱いや焼結性に優れている。
次に、例えば、図５（ａ）に示すように、打ち抜き穴３７を具備する金型３９の上面に、セラミックグリーンシート４０を配置する。
次に、図５（ｂ）に示すように、以上説明したセラミックグリーンシート４０に、金属シート４３を重ねる。なお、この金属シート４３は、セラミックグリーンシート４０と略同一厚みであることが望ましい。
次に、図５（ｃ）に示すように、押し金型３５で、金属シート４３をセラミックグリーンシート４０に挿入するようにする。
次に、不要な部分の金属シート４３とセラミックグリーンシート４０とを除去することで、図５（ｄ）に示すようなセラミックグリーンシート４０の一部を貫通するように金属シート４３が形成された複合成形体５０を形成することができる。
また、必要に応じて、図６（ａ）に示すように、複合成形体５０は他の複合成形体５０や、他のセラミックグリーンシートと積層することで、多層の発光素子用配線基板１１を作製することができる。なお、この積層の際に、積層する一方のセラミックグリーンシート４０と、他方のセラミックグリーンシート４０に装填した金属シート４３の形状を異なるようにすることが重要である。また、あるいは、同じ形状の金属シート４３であったとしても積層位置をずらすことで、金属シート４３が焼成されて貫通金属体８となったときに、貫通金属体８の側面に凸部あるいは凹部を形成することができるのはいうまでもない。
また、絶縁基体１と同様なセラミックス成分を含有するセラミックスラリーを用いて、スクリーン印刷により、複合成形体５０の貫通グリーン金属体４３ａの主面側または対向面側の面を覆うように絶縁膜６となる成形体を形成し、同時焼成することにより、図２（ａ）、（ｂ）に示すような貫通金属体８の端面を覆うような絶縁膜６を形成することができる。
なお、絶縁膜６は、複合成形体５０を焼成した後で、例えば、樹脂などにより形成してもよい。
また、さらに、図６（ｂ）に示すようにセラミックグリーンシート４０と貫通グリーン金属体４３ａとの露出した境界を被覆するように、セラミックスを主成分とする被覆層１２となる被覆層成形体４４を形成し、同時焼成することで、図３に示すような発光素子用配線基板１１となる。
また、図６（ｃ）に示すように複合成形体５０は、例えば、貫通金属体と同様な金属成分を含有する被覆層１２となる被覆層成形体４５を形成し、同時焼成して形成することもできる。
また、図６（ｄ）に示すように複合成形体５０を焼成した後、絶縁基体１と貫通金属体８との露出した界面を被覆するように、樹脂を含有する被覆層４６を形成することもできる。
なお、被覆層４６の形成にあたっては、被覆層４６をスクリーン印刷により形成し、熱或いは光により発光素子用配線基板１１の表面に形成した被覆層４６を硬化させることで、所望の形状の被覆層４６を形成することができる。
また、貫通金属体８の形成は上記方法に限られるものではなく、例えば、セラミックグリーンシート４０に所定形状の貫通孔を形成し、この貫通孔に金属粉末を含有する導体ペーストを充填した複合成形体５０を焼成することによっても作製可能である。
なお、セラミックスを含有する被覆層４４、貫通金属体８と同様な金属成分を含有する被覆層４５を形成する為のペーストをスクリーン印刷等で被覆することで、絶縁体層１と貫通金属体８の界面における微細な隙間を埋めることが出来、界面組織の緻密化をより確実に達成できるのである。
また、金属シート４３は、平均粒子径が１〜５μｍの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有機樹脂（バインダー）及びトルエンを溶媒として混合し、スラリーを作製し、ドクターブレード法等を用いてシート成形することにより形成できる。
純度９９％以上、平均粒径が１μｍのＭｇＯ粉末、純度９９％以上、平均粒子径１．０μｍのＹ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を用いて、表１に示す割合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、セラミックスラリーを調整した。しかる後に、このセラミックスラリーを用いてドクターブレード法にてグリーンシートを作製した。
また、平均粒子径１〜５μｍのＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ粉末およびセラミック材料として平均粒子径１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を用いて、表１に示す割合で金属粉末と無機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。
また、金属シートは、導体ペーストと同様の割合で、表１に示す金属粉末と無機粉末と成形用有機樹脂（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、金属シートとなる金属スラリーを調整した。しかる後に、この金属スラリーを用いてドクターブレード法にてセラミックグリーンシートと実質的に同一厚みの金属シートを作製した。
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。
そして、セラミックグリーンシートの所定箇所に貫通穴を形成し、セラミックグリーンシートにおける貫通穴形成部分を金属シートから押圧することによって、金属シートの一部を貫通穴内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートとを一体化した。その際、焼成後に、表３に示す形状となるように、貫通金属体となる金属シートをセラミックグリーンシートを貫通するように装填した。
なお、貫通金属体は、発光素子用配線基板の主面から見たとき、正方形になるようにし、発光素子用配線基板の略中心に配置されるように形成した。また、絶縁基体は、それぞれ約２００μｍの厚みの絶縁層を３層積層した形態となった。
このようにして作製した金属シートと一体化したセラミックグリーンシートを３層、組み合わせ、位置合わせし、積層圧着し、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．６ｍｍの積層体を作製した。
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端子を形成し、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、接続端子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。なお、ＭｇＯの耐薬品性がＡｌ２Ｏ３などと比較すると低いため、めっき処理液の濃度を薄くし、めっき処理温度を低くして、発光素子用配線基板の表面状態が劣化しないようにして、本発明の発光素子用配線基板のめっき処理を行った。
また、原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒子径１．３μｍのＭｎ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ２粉末を用いて、表２に示す割合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セラミックグリーンシートを作製した。
また、導体ペーストや金属シートについては表２の割合でＭｇＯを主成分とする場合に用いたものと同様の工程で調整して作製した。
さらに、一部の発光素子用配線基板には、搭載部が形成された側に１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの外形寸法を有し、絶縁基体と接する側の内径が４ｍｍ、逆側の内径が８ｍｍのテーパー状の貫通穴を有する絶縁基体と同様の材質からなる枠体を形成した。なお、枠体を絶縁基体と同じ材質で形成した発光素子用配線基板については、絶縁基体と枠体とをグリーンシートにて一体物として形成し、同時焼成を行って作製した。
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を用いて出力１．５Ｗの発光素子であるＬＥＤチップを搭載部に実装し、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／℃のエポキシ樹脂からなるモールド材で覆い、発光装置を得た。
得られた発光装置を、−５５℃〜１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル行い、試験後、貫通金属体と絶縁基体間の界面の剥離状況を確認した。
また、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。
得られた絶縁基体を粉砕し、Ｘ線回折により絶縁基体の主結晶相を同定した。
また、絶縁基体及び貫通金属体の熱伝導率は、それぞれを個別に形成した試料を用いてレーザーフラッシュ法により測定し、熱膨張係数はＴＭＡにより、２５〜４００℃の範囲で測定した。
また、作製した発光素子用配線基板の絶縁基体と貫通金属体との接着状態を確認するため、押し抜き試験として、１ｍｍΦの円柱棒を貫通導体のチップ側の端面に押し当てながらヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎにて荷重をかけてゆき、貫通導体が押し抜かれたときの荷重を測定した。
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４に示す。
Figure 2006093565
Figure 2006093565
Figure 2006093565
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表４に示すように、貫通金属体の側面に凹凸がない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．２２、２３では押し抜き試験では２００ｇの荷重で貫通金属体が押し抜かれた。
一方、本発明の貫通金属体の側面に凹凸が形成された試料Ｎｏ．２、１５、１８、１９、２０、２１では、４００〜５００ｇの荷重まで押し抜かれることなく、貫通金属体と絶縁基体との間の接着信頼性も十分なものであった。
また、貫通金属体がない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２４、２５は、貫通金属体による熱放散がないため、発光装置に通電した際に発生するＬＥＤチップからの熱を十分に放散することができず、ＬＥＤチップが所定の温度を超えてしまい、ＬＥＤチップの発光効率が低下してしまい、十分な発光強度が得られなかった。
一方、本発明の試料Ｎｏ．１〜２１では、ＬＥＤチップの過剰な加熱も発生せず、高い発光効率を実現することができた。また、貫通金属体と絶縁基体との間の接着信頼性も十分なものであった。
特に、枠体を形成した試料Ｎｏ．１〜１１および１３〜２１では、枠体を設けなかった場合に比べ、光特性が、さらに向上した。
本発明の発光素子用配線基板の断面図である。 絶縁膜を設けた本発明の発光素子用配線基板の断面図である。 被覆層を設け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。 本発明の発光素子用配線基板の工程を説明する断面図である。 本発明の発光素子用配線基板の工程を説明する断面図である。
符号の説明
１・・・絶縁基体
３・・・接続端子
５・・・外部電極端子
６・・・絶縁膜
７・・・貫通導体
８・・・貫通金属体
９・・・搭載部
１１・・・発光素子用配線基板
１２・・・被覆層
１３・・・枠体
１３ａ・・・枠体の内壁面
２１・・・発光素子
２５・・・発光装置
３１・・・モールド材
４０・・・セラミックグリーンシート
４３・・・金属シート
５０・・・複合成形体

Claims (15)

  1. 少なくとも、平板状の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発光素子を搭載する搭載部とを具備してなる発光素子用配線基板において、前記絶縁基体よりも高い熱伝導率を有し、前記絶縁基体と同時焼成された貫通金属体が、前記絶縁基体を貫通して設けられてなるとともに、前記貫通金属体の前記絶縁基体と接する側面に傾斜部または段差部が設けられていることを特徴とする発光素子用配線基板。
  2. 前記貫通金属体が、該発光素子用配線基板に搭載される発光素子の搭載面積よりも大きな断面積を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子用配線基板。
  3. 前記貫通金属体の一方の端面が、他方の端面よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子用配線基板。
  4. 前記貫通金属体の搭載部側と反対の端面が、搭載部側の端面よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  5. 前記貫通金属体の少なくとも一方の端面が絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  6. 前記絶縁基体の熱膨張係数が８．５×１０−６／℃以上であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに発光素子用配線基板。
  7. 前記絶縁基体の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに発光素子用配線基板。
  8. 前記絶縁基体が、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  9. 前記絶縁基体が、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  10. 前記導体層および貫通金属体がＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  11. 前記発光素子用配線基板の主面における前記絶縁基板と前記貫通金属体との境界を、金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層により被覆したことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  12. 前記発光素子用配線基板の搭載部が形成された側の主面に、発光素子を収容するための枠体が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  13. 請求項１乃至１２のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板の搭載部に発光素子を搭載してなることを特徴とする発光装置。
  14. セラミックグリーンシートと略同一厚みの金属シートを、セラミックグリーンシートを貫通するように設けられた貫通穴内に装填してなる複合成形体を作製する工程と、前記複合成形体と貫通穴形状が異なる他の複合成形体とを積層して、複合積層体を作製する複合積層体作製工程と、前記複合積層体を同時焼成する工程と、を具備することを特徴とする発光素子用配線基板の製造方法。
  15. 前記金属シートが、少なくとも、平均粒子径が１〜５μｍのＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種の粉末と有機樹脂からなる混合物に、セラミック粉末を０〜５重量％と有機溶剤を添加したスラリーを作製する工程と、前記スラリーをドクターブレード法によってシート状に成形するシート成形工程と、により形成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子用配線基板の製造方法。

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