JP2006100444A - 発光素子搭載基板およびそれを用いた発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より小型、低背で、放熱性のよい、より輝度、照度を高くできる発光素子搭載用基板、およびそれを用いた発光装置を提供すること。
【解決手段】 発光素子搭載基板は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に形成された金属から成る光反射層４と、光反射層４の上面に形成された絶縁層５と、絶縁層５の上面に形成された、発光素子６の電極が電気的に接続される配線導体３とを具備している。これにより、配線導体３同士の隙間より光が絶縁基板１に透過して光損失が生じるのを防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子搭載基板および発光装置に関し、特に照明用途などの高輝度で、高発熱を伴う発光素子搭載基板および発光装置に関するものである。

近年、半導体を用いた青色や紫外線の発光が可能な小型の発光装置が実用化されている。半導体を用いた発光装置は、従来の蛍光灯などに比べて、小型化が容易で、製品寿命が長く、消費電力が小さいといった多くの利点があるため、利用が急速に広がっている。さらに、蛍光灯では環境的側面から敬遠される水銀を使用しており、水銀を用いない半導体を用いた発光装置は、環境面からも使用が促進されつつある。

しかしながら、半導体を用いた発光装置は、蛍光灯のように一般照明に使用できるほど十分な輝度、照度が得られておらず、さらに輝度、照度を高めるための開発が進められている。

半導体を用いた発光装置は、主に半導体よりなる発光素子と発光素子搭載基板とから構成される。発光装置の輝度を高めるために、半導体よりなる発光素子の改良が進められる一方で、それを実装する発光素子搭載基板についても、それを構成する絶縁基板に、従来の有機樹脂よりなる有機樹脂基板から、より放熱性の高いセラミック基板を使用することが検討されている。

一方で、多くの発光素子を高密度に発光素子搭載基板に実装することで、１つの発光素子を用いた発光装置よりも、2倍、3倍の輝度、照度を得ることが検討されている。多くの発光素子を高密度に実装するためには、発光素子搭載基板に形成するパターン状の配線層を高精度で微細なものにする必要がある。

また、発光素子と発光素子搭載基板とを電気的に接続するために、これまでワイヤーボンディングを用いて接続されることが主流であったが、発光装置の高さを低くして、低背化するために、フリップチップボンディングによって発光素子と発光素子搭載基板とを接続することも検討されている。
特開平11-8414号公報 特開平11-186612号公報

しかしながら、特許文献１に述べられているような発光装置によれば、発光素子搭載基板の絶縁基板をセラミック基板として、より放熱性の高い窒化アルミニウム質焼結体を用いた場合、配線層のパターンとパターンの隙間部から発光素子の光が漏れるという問題があった。すなわち、窒化アルミニウム質焼結体はアルミナ質焼結体に比べて、熱伝導率が５倍以上高いため、発光装置の放熱性を高めることができ、より高い輝度、照度が得られるが、窒化アルミニウム質焼結体は透光性であるため、パターン状の配線層同士の隙間から光が漏れて、絶縁基板の窒化アルミニウムを透過することにより光損失が生じるという問題があった。

一方、特許文献２に述べられているような発光装置によれば、絶縁基板の上に形成された配線層のパターンとパターンの隙間部に反射パラボラを設けることにより、発光素子から放出された光を効率的に反射させることが提案されている。この反射パラボラは、より効率的な反射を行うためには、金属メッキ、特にＡｇメッキが有効であると記載されている。しかしながら、より効率よく発光素子の光を反射させるために反射パラボラを大きくすると、配線層との反射パラボラとのギャップが小さくなり、電気的にショートする問題があった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、より小型、低背で、放熱性のよい、より輝度、照度を高くできる発光素子搭載用基板、およびそれを用いた発光装置を提供することにある。

本発明の発光素子搭載用基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の上面に形成された金属から成る光反射層と、該光反射層の上面に形成された絶縁層と、該絶縁層の上面に形成された、発光素子の電極が電気的に接続される配線導体とを具備していることを特徴とする。

また、本発明の発光素子搭載用基板において、好ましくは、上記本発明の内容に加えて、前記絶縁層は透明であり、前記配線導体は前記絶縁層の上面の一部に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の発光素子搭載用基板において、好ましくは、上記本発明の内容に加えて、前記絶縁層は、前記光反射層の上面の一部に形成されているとともに、前記絶縁層の上面の全面に前記配線導体が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子搭載基板と、前記配線導体に電気的に接続された前記発光素子とを具備していることを特徴とする。

また、本発明の発光装置において、好ましくは、前記配線導体は一対のものが対向して形成されており、前記発光素子の一主面に形成された一対の電極が一対の前記配線導体に接合材を介して電気的に接続されており、前記光反射層は前記発光素子の直下に位置するとともに対向する一対の前記配線導体間に位置するように形成されていることを特徴とする。

本発明の発光素子搭載用基板によれば、絶縁基板と、絶縁基板の上面に形成された金属から成る光反射層と、光反射層の上面に形成された絶縁層と、絶縁層の上面に形成された、発光素子の電極が電気的に接続される配線導体とを具備しているため、配線導体をより高密度に配置することができるとともに、発光素子より下側に放出された光や発光素子の下側に侵入してきた光を光反射層によって高効率に反射させることができる。その結果、より輝度、照度の高い小型の発光装置を形成することができる。

すなわち、光反射層と配線導体とが上下方向に絶縁層を介して積層されているため、平面視において光反射層と配線導体とを接近させても光反射層と配線導体とがショートすることはないので、配線導体同士をより近づけて高密度化することができるとともに、平面視において絶縁基板を光反射層と配線導体とによって隙間なく覆うことができ、光が光反射層と配線導体との隙間から絶縁基板を透過することによって光損失が生じるのをきわめて有効に防止できる。

また、本発明の発光素子搭載用基板において、好ましくは、記載の絶縁層は透明であり、配線導体は絶縁層の上面の一部に形成されているため、配線導体と光反射層とが配線導体に比べて大きな面積の絶縁層によってより良好に電気的なショートを防止できるとともに、発光素子より放出された光が透明の絶縁層を透して光反射層によって反射されることから、光損失が生じることもない。さらに、絶縁層の厚みを調整すれば絶縁層表面で反射する光と絶縁層を透過して光反射層で反射する光との干渉により光の増強を行なうこともできる。その結果、絶縁性に優れるとともに、より輝度、照度の高い発光装置を形成することができる。

また、本発明の発光素子搭載用基板において、好ましくは、絶縁層は、光反射層の上面の一部に形成されているとともに、絶縁層の上面の全面に配線導体が形成されているため、絶縁層によって光反射層と配線導体とが電気的にショートすることがなく、また、平面視において絶縁基板を光反射層と配線導体とによって隙間なく覆うことができ、光が光反射層と配線導体との隙間から絶縁基板を透過することによって光損失が生じるのをきわめて有効に防止できる。

さらに、本発明の発光装置によれば、上記本発明の発光素子搭載基板と、配線導体に電気的に接続された発光素子とを具備しているため、上記本発明の発光素子搭載基板の特徴を有する、より輝度、照度の高い発光装置とすることができる。

また、本発明の発光装置によれば、配線導体は一対のものが対向して形成されており、発光素子の一主面に形成された一対の電極が一対の配線導体に接合材を介して電気的に接続されており、光反射層は発光素子の直下に位置するとともに対向する一対の配線導体間に位置するように形成されているため、発光素子から下側に放出された光や、発光装置内で反射してきた光を良好に反射させて光損失が生じるのを有効に防止し、より輝度、照度の高い発光装置とすることができる。

本発明の発光素子搭載用基板を図１に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の発光素子搭載用基板の実施の形態の代表的な例を示す発光素子搭載用基板の断面図である。この図において１は絶縁基板、２は絶縁基板１に形成され、絶縁基板１の表裏を電気的に導通させる導体柱、３は絶縁基板の表裏面に形成される配線導体で、この配線導体３は、密着金属層３ａ、拡散防止層３ｂおよび主導体層３ｃが順次積層されてなる。４は絶縁基板１上のパターン状の配線導体３同士の隙間に形成される光反射層で、５は反射層４と配線層３とを電気的に絶縁させるための絶縁層である。この発光素子搭載用基板に発光素子が実装されることにより本発明の発光装置が完成するが、図１において、６が発光素子、７が発光素子搭載用基板と発光素子６とを電気的、機械的に接続するＡｕ等から成る導体バンプである。

絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，ガラスセラミックス，窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体等のセラミックスや、石英、ダイヤモンド、サファイア、立方晶窒化硼素、または表面に酸化膜を形成したシリコンのうち少なくとも１種から成る。これらは体積抵抗率ρが10¹⁰Ωｍ以上の良好な絶縁性が得られるので絶縁基板１に好適である。

なお、絶縁基板１は、窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，ダイヤモンド，表面に酸化膜を形成したシリコンから成るのがより好ましい。これらの絶縁基板１の熱伝導率は40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、絶縁基板１の上面に接着固定される発光素子６が発する熱を絶縁基板１を介して良好に外部に伝達することができるため、発光素子６を長時間にわたり正常かつ安定に、より高輝度、高照度で作動させることが可能となる。

導体柱２は、絶縁基板１にブラスト法などで貫通穴を形成し、スパッタリング法などによって下地層を形成し、その後めっき法などによって貫通穴を充填されてなる。導体柱２の材料は導通抵抗が小さく、熱伝導がよく、かつめっきで容易に形成できる銅（Ｃｕ）を主成分とするものがよい。

配線導体３は、メタライズ法やめっき法、薄膜形成法などによって形成された金属から成り、微細化という観点からは薄膜形成法により形成された金属であるのがよい。このような薄膜形成法によって形成された配線導体３としては、例えば、絶縁基板１との密着性を良好にするための密着金属層３ａ、密着金属層３ａと主導体層３ｃとの間で金属成分が拡散するのを防止するための拡散防止層３ｂ、および電気導電性を良好にするとともに光反射性も良好である主導体層３ｃが順次積層されてなるものが用いられる。

絶縁基板１の上面に順次積層される密着金属層３ａ、拡散防止層３ｂおよび主導体層３ｃは、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法により積層され、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工される。

密着金属層３ａは、例えばチタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ニオブ（Ｎｂ），アルミニウム（Ａｌ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金または窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）等のうち少なくとも１種類から成るのがよい。また拡散防止層３ｂは、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），Ａｌ，ニッケル（Ｎｉ），Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＴｉ−タングステン（Ｗ）合金等のうち少なくとも１種類から成るのがよい。さらに主導体層３ｃは、例えば、Ｃｕ、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、Ａｌ等のうち少なくとも１種類から成るのがよい。なお、主導体層３ｃがＣｕ等のように表面が酸化して光反射率が低下しやすい金属からなる場合は酸化防止のために、例えばＣｕの場合、Ｎｉ,Ａｕ等のめっきを表面に形成した方がよい。

密着金属層３ａの厚さは0.01〜0.2μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、絶縁基板１の上面に密着金属層３ａを強固に密着させることが困難となる傾向にあり、0.2μｍを超えると、密着金属層３ａの成膜時の内部応力によって密着金属層３ａの剥離が生じ易くなる。

また、拡散防止層３ｂの厚さは0.05〜１μｍ程度が良く、0.05μｍ未満ではピンホール等の欠陥が発生して拡散防止層３ｂとしての機能を果たしにくくなる傾向にあり、１μｍを超えると成膜時の内部応力により拡散防止層３ｂの剥離が生じ易くなる。

さらに、主導体層３ｃの厚さは0.1〜５μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向にあり、５μｍを超えると成膜時の内部応力により主導体層３ｃの剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点で薄く形成することが好ましい。

光反射層４は、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ_２Ｎ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，ＮｉまたはＴｉ−Ｗ合金等のうち少なくとも１種類から成るのがよい。また絶縁層５は、ＳｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２などの無機材料、またはエポキシ，ポリイミド，ベンゾシクロブテンなどの有機材料のうち少なくとも１種類から成るのがよい。また無機材料と有機材料を重ねて形成させたり、複合したりしてもよい。

絶縁層５は光反射層４と配線導体３とを上下方向において絶縁するためのものである。絶縁層５は透明であってもよく、透明でなくてもよい。絶縁層５が透明でない場合、光反射層５の上面の一部に絶縁層５を形成するとともに、絶縁層５の上面全面に配線導体３を形成するようにするのがよい。これにより、平面視において光反射層４の露出部と配線導体３とが連続して絶縁基板１の上面が金属によって覆われることとなり、光が絶縁基体１を透過することによって光損失が生じるのを有効に防止できる。

また、絶縁層５が透明である場合、光が絶縁層５を透過して光反射層４で反射されるので、絶縁層５は光反射層４の全面に形成されてもよく一部に形成されてもよい。好ましくは、絶縁層５は、発光素子６が発光する光の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）であるのがよい。これにより、絶縁層５表面で反射した光と、光反射層４で反射した光とが干渉して光を増強することができる。

反射層４と絶縁層５も、配線層３と同じように蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法により積層され、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工される。

また、主導体層３ｃのさらに上面にアルミニウム膜等の光反射率の高い金属を形成してもよい。

そして、上記発光素子搭載基板にＡｕなどから成る導体バンプ７を用いて発光素子６が電気的、機械的に接続されることにより、本発明の発光装置となる。この発光装置において、発光素子６は、ＧａＮ基板をベースに形成されたものでも、サファイア基板をベースに形成されたものでもどちらでもかまわない。また、他の材料をベースにしたものでもよい。

また、発光素子６の配線導体３への電気的接続は、Ａｕなどの導体バンプ７を用いずに、ＡｕＳｎなどのロウ材によってフリップチップ接続することによって行なってもよい。

また、発光素子６から発光される光の波長を変えるために、発光素子６を取り囲むように蛍光体材料を塗布してもよい。さらに透光性の樹脂により発光素子６周辺をモールドしてもよい。

さらに、発光素子６の水平方向に放出される光を垂直方向の光として反射させるために絶縁基板１の上面にリフレクタを設けてもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことは何等差し支えない。

本発明の発光素子搭載基板および、本発明の発光装置の断面図である。

符号の説明

１ ：絶縁基板
３ ：配線導体
４ ：光反射層
５ ：絶縁層
６ ：発光素子

Claims (5)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板の上面に形成された金属から成る光反射層と、該光反射層の上面に形成された絶縁層と、該絶縁層の上面に形成された、発光素子の電極が電気的に接続される配線導体とを具備していることを特徴とする発光素子搭載基板。
2. 前記絶縁層は透明であり、前記配線導体は前記絶縁層の上面の一部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子搭載基板。
3. 前記絶縁層は、前記光反射層の上面の一部に形成されているとともに、前記絶縁層の上面の全面に前記配線導体が形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子搭載基板。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光素子搭載基板と、前記配線導体に電気的に接続された前記発光素子とを具備していることを特徴とする発光装置。
5. 前記配線導体は一対のものが対向して形成されており、前記発光素子の一主面に形成された一対の電極が一対の前記配線導体に接合材を介して電気的に接続されており、前記光反射層は前記発光素子の直下に位置するとともに対向する一対の前記配線導体間に位置するように形成されていることを特徴とする請求項４記載の発光装置。

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