JP2006100364A - 発光素子用配線基板および発光装置ならびに発光素子用配線基板の製造方法 - Google Patents

発光素子用配線基板および発光装置ならびに発光素子用配線基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】熱放散性に優れた発光素子用配線基板およびその製造方法並びに発光装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、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、該絶縁基体1との同時焼成によって形成され、かつ銅を10〜70体積%、タングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有し、かつ銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が粒子として分散含有された導体層3、5、7と、前記絶縁基体1の一方の主面に発光素子を搭載する搭載部9とを具備してな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および発光装置ならびに発光素子用配線基板の製造方法に関する。
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、通電量も大きく、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、配線導体の抵抗値が高くハイパワーのLEDを用いた場合には配線層自体の発熱により、LEDの輝度が低下する。さらには、配線層は熱伝導体としても作用するため、従来からアルミナ材料に適用されるWやMoを主成分とした配線導体では熱伝導率が低く、この配線層自体からの発熱も放熱させるために、絶縁層に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、配線層を含めた配線基板全体の熱伝導性に優れ、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、配線層を低抵抗かつ高熱伝導化した発光素子用配線基板および発光装置ならびに発光素子用配線基板の製造方法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、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、該絶縁基体との同時焼成によって形成され、かつ銅を10〜70体積%、タングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有し、かつ銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が粒子として分散含有された導体層と、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、前記絶縁基体が、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有する相対密度が95%以上のセラミックス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、前記銅体層が、銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が平均粒径1〜10μmの粒子として分散含有して形成が望ましい。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記配線層のシート抵抗が配線層厚み15μm換算で、8mΩ/□以下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、前記絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径が1.0〜5.0μmであることを特徴とする。
更に、前記絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子の粒界相にMnAlおよびMnSiが析出して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、前記搭載部の直下に、前記絶縁基体を貫通して貫通金属体が形成さ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。
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記枠体が、セラミックス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、前記枠体が、金属から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の搭載部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、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有するグリーンシートを形成する工程と、該グリーンシートの表面に、銅含有粉末を10〜70体積%と、平均粒径が1〜10μmのタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種以上を30〜90体積%の割合で含有してなる導体ペーストを回路パターン状に印刷塗布する工程と、該グリーンシートを複数層積層、一体化した積層体を形成する工程と、該積層体を非酸化性雰囲気中で最高焼成温度が1200〜1500℃となる条件で焼成して絶縁基体を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
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で、樹脂モールド基板より高い熱伝導率を有し、且つ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、高い信頼性を確保することができる。また、さらに、この絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に、該絶縁基体との同時焼成によって形成され、かつ銅を10〜70体積%、タングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有し、かつ銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が粒子として分散含有された導体層を設けることで、配線基板が絶縁基板との同時焼成時において、配線材料の融点よりも高い温度で焼成された場合であっても、表面配線層、並びに内部配線層の保形性を維持するとともに、連続的な低抵抗金属を形成できるために低抵抗化を図ることができる。これにより、ハイパワーの発光素子を搭載した場合でも、配線層自体の発熱を抑制でき、更には、熱伝導の高いCuの連続層が形成できることから金属からなる配線層が高熱伝導体として作用するため、発光素子からの熱を、例えば、従来の酸化アルミニウムを主成分とする配線基板よりもはるかに効果的に伝達できるため、発光装置の輝度を高めることができる。
また、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有させることで、酸化アルミニウムを主成分とする粉末の混合体を1200〜1500℃の比較的低温領域で焼結させることが可能となる。このような組成の絶縁基体を用いることで、1500℃以下の比較的低温域の焼成が可能となり、融点の低いCuを用いた場合でも、Cuの揮発が少ないため、配線層の材料として適用できる。ただし、配線層の形状を保持するためのコア材の存在が不可欠である。これに対して、銅を10〜70体積%、タングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有させることで、配線層中に含まれるCuの融点以上の温度で焼成した場合においても、Cuが溶融して、流動することによる配線層の断線を抑制できる。
また、溶融するCuの保形材として働く高融点のW又はMoの保形層が平均粒径1〜10μmの粒子状に分散・含有されてなることが重要である。これにより、低抵抗、高熱伝導の金属材料であるCuのおいては連続的な組織が形成できることになる。したがって、本発明の発光素子用配線基板によれば、安価で、熱伝導率が高く、しかも、低抵抗の配線層を具備する優れた発光素子用配線基板を提供することができる。
また、主成分が酸化アルミニウムである絶縁基体において、前記配線層のシート抵抗を配線層厚み15μm換算で、8mΩ/□以下にすることで、通電時の配線層における発熱を解消できる。
また、絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径を1.0〜5.0μmにすることで、微細な結晶構造を形成することができる。微細な結晶粒径を形成することで、絶縁基体の強度を高めることができる。実使用環境下では発光素子への通電が繰り返されたり、素子の発光に伴い急激に基板温度が上昇するため、配線層や金属枠体、或いは配線基板の固定冶具との間で、熱応力が発生し、基板が割れたり、接続端子部が絶縁層部分から破壊したりする問題がある。絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子を微細化することで絶縁層の強度を向上できるため、前述のような基板割れを回避でき、配線基板の信頼性を高めることができる。
また、絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子の粒界相にMnAlおよびMnSiの結晶層が析出するようにすることにより、酸化アルミニウムを1500℃以下の低温で焼結させることができる。粒界相のMnAlおよびMnSiは1150℃の低温域で溶融するために、粒界相にMnAlおよびMnSiが析出するような組成ならば、液相形成に伴う酸化アルミニウの再配列と液相焼結作用により1500℃以下で焼結できるのである。
また、発光素子用配線基板の搭載部の直下に、絶縁基体を貫通する貫通金属体を形成することで、発光素子が発する熱を貫通金属体を経由して迅速に放散させることができる。
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、発光素子の発熱による輝度低下を抑制できる。なお、前記枠体をセラミックにて形成することで、絶縁基体と同時焼成にて形成できるため、製造工程を大きく削減できるため低コストで配線基板を形成することが可能である。また、前記枠体を金属にて形成することで、光の反射率をより高めることができると同時に、金属枠体の高熱伝導効果により、発光素子の熱をよりスムーズに伝達できるため、装置の信頼性を高めることができる。
本発明の発光素子用配線基板の製造方法によれば、安価で、熱伝導率が高く、しかも、低抵抗の配線層を具備する優れた発光素子用配線基板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)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3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とから構成されている。
そして、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。
本発明の発光素子用配線基板11によれば、外部電極端子5、接続端子3と外部電極端子5並びに貫通導体7が、銅を10〜70体積%とタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%含有する配線層により形成されることが重要である。外部電極端子5、接続端子3と外部電極端子5並びに貫通導体7などを上記の高熱伝導で、低抵抗の銅を含有する配線層により形成することで、配線層を格段に低抵抗、高熱伝導とすることができ、熱放散性に優れた発光素子用配線基板11となる。
また、絶縁基体1が、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有する相対密度が95%以上のセラミックスにより構成されることが望ましい。
即ち、本発明の発光素子用配線基板11は、絶縁基体1の材料として安価で汎用性の高い酸化アルミニウムを主成分とすることが望ましく、この絶縁基板1の熱伝導性および高強度化を達成する上では、相対密度が95%以上、特に97%、さらには98%以上の高緻密体から構成されるものであり、さらに熱伝導率は10W/m・K以上、特に15W/m・K以上、さらには17W/m・K以上であることが望ましい。
また、前記銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が平均粒径1〜10μmの粒子として分散含有されてなることが望ましい。
また、Cuを含有する外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7などの配線層は、絶縁基板1との同時焼成によって形成されたものである。これにより、配線層の形成が容易にできるため、発光素子用配線基板11の低価格化を達成できる。外部電極端子5、接続端子3の形成は絶縁基体1との同時焼成に限られるものではなく、絶縁CVDなどの薄膜形成法によって形成することも可能である。
なお、本発明では、絶縁基体1と、外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7との同時焼結における配線層の保形性を維持する上で1200〜1500℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても絶縁基体1を相対密度95%以上に緻密化することが重要である。
かかる観点から、本発明における絶縁基体1は、酸化アルミニウムを主成分とするもの、具体的には酸化アルミニウムを84質量%以上の割合で含有するものを用いることが望ましいのであるが、酸化アルミニウムの焼結性を向上させるために、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有することが重要である。即ち、Mn化合物量がMn換算で2.0質量%以上の領域において、1200℃の温度で絶縁基体1の緻密化を達成できる。また、Mn化合物量をMn換算で5.0質量%以下にすることで、絶縁基体1の十分な絶縁性が確保することができる。このMn化合物の最適な範囲は、Mn換算で3.0〜10.0質量%である。同時に、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有することが必要である。即ち、Si化合物量がSiO換算で2.0質量%以上の領域において、Mn化合物の添加量と同様に1200℃の温度で絶縁基体1の緻密化を達成できる。また、15.0質量%以下にすることで、熱伝導率15W/m・K以上の十分な熱伝導率を確保できる。Si化合物の最適な範囲は、SiO換算で3.0〜10.0質量%である。
また、この絶縁基体1中には、第3の成分として、銅含有導体との同時焼結性を高める上でMgO、CaO、SrO等のアルカリ土類元素酸化物を合計で0.4〜8.0質量%の割合で含有せしめることが望ましい。
上記酸化アルミニウム以外の成分は、酸化アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
助剤成分を含有する粒界相にMnAlおよびMnSiの結晶層を析出させることが好ましい。これにより、酸化アルミニウムを1500℃以下の低温で焼結させることができる。粒界相のMnAlおよびMnSiは1150℃の低温域で溶融し、液相を形成する為に、酸化アルミニウムの低温焼成には重要な化合物である。MnAlおよびMnSiの結晶層が粒界に析出することが重要であるが、何れの結晶層も低温で液相を生成することから、何れか一方の結晶相のみであってもよい。
なお、粒界相に析出させる結晶相は、助剤として用いるMnやSiOの添加量を変化させることで制御することができる。
また、絶縁基体1を形成する酸化アルミニウム主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、1.0〜5.0μmであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径を1.0μm以上とすることで絶縁基体1の熱伝導率を満足することができることに加えて、グリーンシート化の際の粉末の取り扱いが比較的容易であり、シート化の際の乾燥に伴うクラックが発生せず十分な歩留まりが得られる。一方、平均粒径を5.0μm以下にすることで絶縁基体1の焼結性が確保でき、焼結に伴い15W/m・K以上の熱伝導率を有する絶縁基体1を得ることができる。
一方、外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7については、銅を10〜70体積%、WまたはMoの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有することが重要である。これにより、配線層の低抵抗化と、前記絶縁基板1との同時焼結性を達成するとともに、外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7の同時焼成後の保形性を維持することができ、さらに、外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7の抵抗を8mΩ/□よりも低くすることができる。また、銅を70体積%よりも少なく、かつWやMoを30体積%よりも多くすることで、同時焼成後の配線層の保形性を満足できる。特に外部電極端子5、接続端子3において、にじみなどが発生したり、溶融した銅によって電極部が凝集して断線が生じるとともに、絶縁基体1と配線層の熱膨張係数差により配線層の剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、銅が40〜60体積%、W、Moのうち少なくとも1種が60〜40体積%である。
また、本発明においては、WまたはMoは、平均粒径1.0〜10.0μmの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることも重要である。ここで、上記平均粒径を1.0μm以上とすることで、外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7の配線形状を保つとともに組織がより緻密化するため、配線層の抵抗を低くすることができる。一方、WまたはMoの平均粒径を10μm以下にすることで銅のマトリックスがWやMoの粒子によって分断されることもなく、配線層の抵抗を安定的に低くでき、銅成分の分離を抑制できる。WまたはMoは平均粒径1.3〜5.0μm、特に1.3〜3.0μmの大きさで分散されていることが最も望ましい。
ここで、外部電極端子5、接続端子3を含む配線層のシート抵抗が配線厚み15μm換算で8mΩ/□以下であることが望ましい。これによって、微細な配線を基板内部に形成しても電気抵抗値を低く出来ることから基板を小型化した場合であっても配線自体の発熱を抑えることができ、発光装置の高輝度化に効果がある。更に、8mΩ/□以下に低抵抗化することで発光装置の応答性も向上させることができる。さらにシート抵抗は6mΩ/□以下、特に4.5mΩ/□以下であることが好ましい。
さらに、貫通導体7においても外部電極端子5、接続端子3を含む配線層と同材質から構成されると同時に、同じ抵抗値を有することが好ましい。これにより、貫通導体が、熱伝導体としても働き、発光装置の高輝度化に効果をもたらす。ただし、貫通導体は、配線層と比較し断面積が大きいことから、回路上の抵抗値は低くなることから、Cuを含有しない導体材料から構成されてもなんら問題ない。
また、外部電極端子5、接続端子3並びに貫通導体7中には、絶縁基板1との密着性を改善するために、酸化アルミニウム、または絶縁基体1と同じ成分のセラミックスを0.05〜2体積%の割合で含有させることも可能である。
さらに、酸化アルミニウムとの銅の融点を越える温度での同時焼成によって、銅成分が絶縁基体1中に拡散する場合があるが、本発明によれば、少なくとも銅を含む配線層の周囲の絶縁基体1のセラミックスへの銅の拡散距離が20μm以下、特に10μm以下であることが望ましい。これは、銅の絶縁基体1への拡散距離が20μmを超えると、配線層間の絶縁性が低下し、発光素子用配線基板11としての信頼性が低下するためである。
また、発光素子用配線基板11の放熱性を高めるために、配線基板の電気的機能に関与しない内層導体や貫通金属を形成することも可能である。
また、本発明の発光素子用配線基板11には、図2(a)、(b)に示すように、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を貫通して設けられていることが望ましい。
即ち、貫通金属体8を設けることにより、貫通金属体8を伝熱経路として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、発光素子が過度に加熱されることを防止でき、発光素子の輝度低下を防ぐことが可能となる。そして、図2(a)に示すように、貫通金属体8は、複数の円柱の集合体や、あるいは、図2(b)に示すように塊状等の種々の形態であってもよい。
また、貫通金属体8の形態を、図2(b)に示すように、発光素子用配線基板11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ものとすることが好ましい。貫通金属体8の断面積を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。特に、貫通金属体8の断面積は、発光素子の搭載面積に対して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。
ここで、図2(a)に示すような複数の円柱の集合体である貫通金属体8は、一般的にサーマルビアと呼ばれ、セラミックグリーンシートにレーザー加工等で形成された貫通孔に導体ペーストをスクリーン印刷法等により埋め込み、同時焼成することにより得られるものであり、図2(b)に示すような塊状の貫通金属体8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形成して複合成形体50を作製し、同時焼成することにより得られるものである。
この図2(a)に示すようなサーマルビアは、通常、200μm前後の直径の円柱形状を呈するものである。一方、図2(b)に示すような塊状の貫通金属体8は、例えば、搭載される発光素子と同じような大きさを有するものであって、例えば、直径あるいは一辺の長さが500μm、1000μmを越えるものである。従って、サーマルビアを用いる場合よりも、放熱面積が広くなるため、格段に高い放熱性を実現することができる。
また、貫通金属体8となる導体ペーストとして、金属粉末と無機粉末との混合体を用いることで、例えば、セラミックグリーンシートに形成した貫通孔に、金属粉末と無機粉末との混合体を充填して同時焼成することができ、絶縁基体1と貫通金属体8とが強固に接合された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、この貫通金属体8には、電気回路としての機能を付与することもでき、小型で、しかも放熱性に優れた発光素子用配線基板11となる。
また、例えば、本発明の発光素子用配線基板11は、図1(b)や、図2(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とが望ましい。
そして、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を形成する場合には、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の搭載部9側の主面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。
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、このLEDチップ21を蛍光体などを含有する樹脂31により覆い、LEDチップ21に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、図3(a)〜図4(d)に示すような高効率で熱の偏在が抑制された発光装置25となる。また、発光素子用配線基板11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。
つぎに、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。
例えば、上述した酸化アルミニウム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、シート状の成形体であるセラミックグリーンシートを作製する。次に、このセラミックグリーンシートに貫通孔を形成し、さらに、セラミックグリーンシートの表面や、セラミックグリーンシートに設けた貫通孔などに、銅を10〜70体積%、WまたはMoの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有する導体ペーストを印刷、充填したのち、このセラミックグリーンシートを積層し、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、このようにして絶縁基体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。
そして、枠体13を、セラミックスにより形成する場合には、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を形成する場合には、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の搭載部9側の主面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。
なお、上記の例では、絶縁基体1としてアルミナを主成分とするものについて、説明しているが、本発明の配線層を形成することができるのであれば、他の組成の絶縁基板1を用いてもよいことはいうまでもない。
酸化アルミニウム粉末(平均粒径1.5μm)に対して、Mn、並びにSiOを表1に示すような割合で添加するとともに、MgOを0.5質量%の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として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厚さ250μmのシート状に成形した。そして、所定箇所にホール径180μmのビアホールを形成した。
次に、平均粒径が5μmの銅粉末と、平均粒径が0.8〜12μmのW粉末あるいはMo粉末とを表1に示す比率で混合し、アクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として導体ペーストを作製した。
そして、シート状成形体上に上記導体ペーストを印刷塗布し、各シート状成形体のビアホール導体にも上記配線層用導体ペーストを充填した。
また、貫通金属体の形成に関しては、前記ビアホール導体と同様の方法にて形成した。このときのビア形状は、焼成後の寸法が0.2mmΦ、ビアピッチ0.5mmにて形成した。
上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して積層体を作製した。
また、発光素子よりも面積の大きい貫通金属体の形成は、金属粉末とバインダーより構成される金属シートを金型を用いた打ち抜き、嵌め込み法により形成した。
同様の方法で形成した貫通金属層を形成したシートを複数層位置合わせして積層圧着して積層体を作製した
その後、この積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中(N+Oまたは大気中)で脱脂、焼成を行った後、表1に示した焼成温度にて、配線基板を得た。
また、配線基板の表面配線層に対して、配線の導体抵抗、長さ、幅、厚みを測定した後、厚さ15μmの導体に換算したシート抵抗(mΩ/□)を算出した。また、組織を走査型電子顕微鏡にて観察を行い、表面配線層中のWおよび/またはMo粒子の粒径を測定した。その結果を表1に示した。また、配線基板を外観検査し、表面配線層のにじみの発生および表面配線層の剥離等の有無を観察した。結果は、表1に示した。
さらに、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、接続端子と貫通金属体と絶縁基体間の接着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、相対密度をアルキメデス法によって測定した。
以上の工程により作製した発光素子用配線基板の特性結果を表1に示す。
Figure 2006100364
表1に示す本発明の範囲外の配線層のCu量が10体積%未満である試料No.20は配線層に含有されるCuが少ない為に熱伝導媒体としての効果がほとんど無く、全放射束が低くなり、また、実装サイクル試験後の剥離が確認された。同様に、配線層にCuを含有しない試料No.37も全放射束が低くなり、実装サイクル試験後の剥離が確認された。
また、配線層のCu量が、70体積%を超える試料No.26は、配線、ビア、並びに貫通金属体、特に配線とビアにおいて、含有するCuが焼成中に溶融・分離する現象が見られ、配線層の断線、Cuの偏析(析出)から、シート抵抗値が著しく高くなったり、配線基板として機能しない結果になった。
一方、配線導体材料にCuを用いることが可能な、本発明の試料においては、配線材料にWやMoなどの高融点金属を併用することで、焼成中に溶融するCuの保形性を向上させ、配線層の抵抗上昇を回避できた。同時に、貫通金属体を用いることにより、圧倒的な熱伝導性を確保できるため、発光装置として作動させた場合、装置を繰り返し作動させた際に配線基板が過剰に加熱されることがなく、優れた全放射束を示すとともに十分な接続信頼性が得られた。
また、特に、複数の円柱状の貫通金属体を形成した試料No.35、並びに、面積の大きい貫通金属体を形成した試料No.36では、熱伝導率の大きいCuを含有する金属層が形成されていることから、高放熱効果により、発光装置としての全放射束値が大きく向上し、高輝度の発光装置を得ることができた。
(a)は、本発明の発光素子用配線基板の断面図であり、(b)は、枠体を設けた本発明の発光素子用配線基板の断面図である。 (a)、(b)は、図1(a)、(b)の配線基板に貫通金属体を形成した本発明の発光素子用配線基板の断面図である。 (a)、(b)は、図1(a)、(b)の配線基板に発光素子を搭載した本発明の発光装置の断面図である。 (c)、(d)は、図2(a)、(b)の配線基板に発光素子を搭載した本発明の発光装置の断面図である。
符号の説明
1・・・絶縁基体
3・・・接続端子
5・・・外部電極端子
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
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

Claims (12)

  1. 少なくとも、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、該絶縁基体との同時焼成によって形成され、かつ銅を10〜70体積%、タングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種を30〜90体積%の割合で含有し、かつ銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が粒子として分散含有された導体層と、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ことを特徴とする発光素子用配線基板。
  2. 前記絶縁基体が、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有する相対密度が95%以上のセラミックスからな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. 前記銅体層が、銅からなるマトリックス中にタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種が平均粒径1〜10μmの粒子として分散含有して形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子用配線基板。
  4. 前記配線層のシート抵抗が配線層厚み15μm換算で8mΩ/□以下である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. 前記絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径が1.0〜5.0μmであることを特徴とする請求項2乃至4のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  6. 前記絶縁基体の酸化アルミニウム結晶粒子の粒界相にMnAlおよびMnSiOが析出してなることを特徴とする請求項2乃至5のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  7. 前記搭載部の直下に、前記絶縁基体を貫通して貫通金属体が形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  8. 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7のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  9. 前記枠体が、セラミックスからなることを特徴とする請求項1乃至8のうちいずれかに記載の発光素子搭載用配線基板。
  10. 前記枠体が、金属からな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搭載用配線基板。
  11. 請求項1乃至10のうちいずれかの発光素子搭載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。
  12. 少なくとも、酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン化合物をMn換算で2.0〜15.0質量%、Si化合物をSiO換算で2.0〜15.0質量%の割合で含有するグリーンシートを形成する工程と、該グリーンシートの表面に、銅含有粉末を10〜70体積%と、平均粒径が1〜10μmのタングステン、モリブデンの内から選ばれる少なくとも1種以上を30〜90体積%の割合で含有してなる導体ペーストを回路パターン状に印刷塗布する工程と、該グリーンシートを複数層積層、一体化した積層体を形成する工程と、該積層体を非酸化性雰囲気中で最高焼成温度が1200〜1500℃となる条件で焼成して絶縁基体を形成することを特徴とする発光素子用配線基板の製造方法。







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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008177445A (ja) * 2007-01-22 2008-07-31 Ngk Spark Plug Co Ltd 配線基板
WO2008142804A1 (ja) * 2007-04-25 2008-11-27 Kabushiki Kaisha Toshiba マグネトロン用セラミックス部品およびそれを用いたマグネトロン並びにマグネトロン用セラミックス部品の製造方法
WO2009022808A2 (en) * 2007-08-13 2009-02-19 Lg Electronics Inc. Circuit board for light emitting device package and light emitting unit using the same
US7501660B2 (en) 2004-06-29 2009-03-10 Osram Opto Semiconductors Gmbh Housing for an electronic component
JP2009170499A (ja) * 2008-01-11 2009-07-30 Ngk Spark Plug Co Ltd パッケージ
WO2009097722A1 (zh) * 2008-01-31 2009-08-13 Jin, Peng 垂直结构的半导体外延薄膜封装及其制造方法
WO2011037185A1 (ja) * 2009-09-24 2011-03-31 京セラ株式会社 実装用基板、発光体、および実装用基板の製造方法
JP2011159968A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Advanced Optoelectronic Technology Inc 化合物半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法
JP2011176189A (ja) * 2010-02-25 2011-09-08 Kyocera Corp 表面実装型発光素子用配線基板およびこれを備えた発光装置
JP2012156560A (ja) * 2012-05-21 2012-08-16 Kyocera Corp アルミナ質焼結体および配線基板

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7501660B2 (en) 2004-06-29 2009-03-10 Osram Opto Semiconductors Gmbh Housing for an electronic component
JP2008177445A (ja) * 2007-01-22 2008-07-31 Ngk Spark Plug Co Ltd 配線基板
JP5450059B2 (ja) * 2007-04-25 2014-03-26 株式会社東芝 マグネトロン用ステムおよびそれを用いたマグネトロン並びにマグネトロン用ステムの製造方法
WO2008142804A1 (ja) * 2007-04-25 2008-11-27 Kabushiki Kaisha Toshiba マグネトロン用セラミックス部品およびそれを用いたマグネトロン並びにマグネトロン用セラミックス部品の製造方法
WO2009022808A2 (en) * 2007-08-13 2009-02-19 Lg Electronics Inc. Circuit board for light emitting device package and light emitting unit using the same
WO2009022808A3 (en) * 2007-08-13 2009-04-16 Lg Electronics Inc Circuit board for light emitting device package and light emitting unit using the same
JP2009170499A (ja) * 2008-01-11 2009-07-30 Ngk Spark Plug Co Ltd パッケージ
WO2009097722A1 (zh) * 2008-01-31 2009-08-13 Jin, Peng 垂直结构的半导体外延薄膜封装及其制造方法
JPWO2011037185A1 (ja) * 2009-09-24 2013-02-21 京セラ株式会社 実装用基板、発光体、および実装用基板の製造方法
WO2011037185A1 (ja) * 2009-09-24 2011-03-31 京セラ株式会社 実装用基板、発光体、および実装用基板の製造方法
JP2011159968A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Advanced Optoelectronic Technology Inc 化合物半導体素子収納用パッケージ及びその製造方法
JP2011176189A (ja) * 2010-02-25 2011-09-08 Kyocera Corp 表面実装型発光素子用配線基板およびこれを備えた発光装置
JP2012156560A (ja) * 2012-05-21 2012-08-16 Kyocera Corp アルミナ質焼結体および配線基板

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