JP2006128265A - 発光素子用配線基板ならびに発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱放散性及び実装信頼性に優れた発光素子用配線基板並びに発光装置を提供する。
【解決手段】平板状の絶縁基体１と、該絶縁基体１を貫通して設けられた貫通孔２と、前記絶縁基体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１ａに発光素子２１を搭載する搭載部１０と、を具備してなる発光素子用配線基板１１であって、前記絶縁基体１よりも高い熱伝導率と、前記絶縁基体１と異なる熱膨張係数とを有する金属体８が、前記絶縁基体に設けられた貫通孔２に挿入されるとともに、前記金属体８と前記貫通孔２の壁面とが実質的に乖離し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、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、平板状の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して設けられた貫通孔と、前記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であって、前記絶縁基体よりも高い熱伝導率と、前記絶縁基体と異なる熱膨張係数とを有する金属体が、前記絶縁基体に設けられた貫通孔に挿入されるとともに、前記金属体と前記貫通孔の壁面とが実質的に乖離し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、前記金属体の少なくとも一方の端面に、前記貫通孔よりも大きな寸法を有する金属板が接合されており、該金属板の鍔部が前記絶縁体の表面に接合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、前記金属板が、前記金属体の両端面に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、前記金属体と、前記貫通孔の壁面との乖離幅が５０μｍ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、前記絶縁基体が樹脂を含有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、前記貫通孔に挿入された金属体の最小断面積が、発光素子の搭載面積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、前記金属体の断面積が、前記搭載部側よりも前記搭載部の反対側で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、前記金属板と前記絶縁基体とが、接合層を介して接合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、前記接合層が、金属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、前記接合層が、樹脂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、前記金属体が電気回路を形成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、前記金属体がＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ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、前記金属板がＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ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、前記搭載部が形成された側の前記絶縁基体の主面の搭載部の周囲に、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、平板状の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して設けられた貫通孔と、前記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備えた発光素子用配線基板と、該搭載部に搭載された発光素子と、該発光素子と前記導体層とを接続する接続配線と、を具備してなる発光装置であって、前記発光素子用配線基板が、以上説明した発光素子用配線基板であることを特徴とする。
本発明の発光素子用配線基板は、絶縁基体よりも、更に高い熱伝導率を有する金属体を、絶縁基体を貫通して設けられた貫通孔に挿入して、接合することで、発光素子用配線基板の熱伝導率を向上させることができ、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、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。なお、この金属体としては、殆どボイドが無い状態で、また、内部に金属以外のセラミック粉末やガラス成分などを含有しないものを用いることが望ましい。すなわち、例えば、金属箔や金属板を加工することで得た緻密で金属以外の成分を実質的に含有しない金属体を用いることが望ましい。
そして、この金属体と絶縁基体に設けられた貫通孔の壁面とは、乖離しており、金属体と絶縁基体の熱膨張係数が異なっていても、両者の熱膨張差に起因する応力が発生しないため、金属体と絶縁基体の破損を防止することができ、熱放散性と格段に高い信頼性を有する発光素子用配線基板となる。また、仮に、温度変化によって、金属体と絶縁基体とが接触するとしても、両者の間に発生する応力を小さくすることができるため、両者の破損を抑制することができる。
また、貫通孔に挿入した金属体を、金属体の少なくとも一方の端面に形成した貫通孔よりも大きな寸法の金属板を介して絶縁基体に接合することにより、金属体の固定と、空隙の確保を容易に行うことができる。しかも、この金属板は放熱板としても機能するため、さらに放熱性の優れた発光素子用配線基板となる。
また、この金属板を金属体の両端面に形成することで、金属体に効率よく伝熱し、金属体から効率よく放熱することができるため、さらに放熱性の優れた発光素子用配線基板となる。
また、金属体と、貫通孔の壁面との乖離幅を５０μｍ以上とすることで、温度変化によっても金属体と、絶縁基体とが接触することを抑制することができるとともに、乖離幅に余裕があるために製造も容易になる。
また、絶縁基体として、樹脂よりも高熱伝導なセラミックを用いることで、さらに、発光素子用配線基板の放熱性を高めることができ、発光素子用配線基板の高輝度化が可能となる。
また、樹脂により形成される絶縁基体を用いた場合には、安価で、実用上、十分な熱放散性を有する発光素子用配線基板を得ることができる。
また、金属体の搭載面に対して平行な断面の最小断面積を、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、金属内の伝熱性能が向上し、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、金属体の断面積を搭載部側よりも搭載部と反対側で大きくすることで、金属体による伝熱性が向上するとともに、放熱面が大きくなり放熱性が向上する。
また、金属板と絶縁基体とを、接合層により接合することで、金属板と絶縁基体とを容易に固定することができる。
この接合層として金属を用いた場合には、金属体と絶縁基体との間の熱伝導も向上するため、発光素子用配線基板の放熱性がさらに向上する。
また、接合層を樹脂とすることにより、金属体と絶縁基体間の熱応力を接合層で吸収することができるため、信頼性が高く、更には、低コストな発光素子用配線基板を得ることができる。
また、金属体に、電気回路としての機能を付与することにより、導通端子を別途設ける必要がなくなり、発光素子用配線基板の小型化、作製工程数の低減、コストの低減をともに達成することができる。
また、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも１種を主成分として金属体や金属板を形成することで、放熱性に優れたより高輝度な発光素子用配線基板を得ることができる。特に、金属体や金属板が電気回路を形成している場合には、電気特性に優れた発光素子用配線基板となる。
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。
本発明の発光素子用配線基板は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、平板状の絶縁基体１と、この絶縁基体１の表裏面を貫通するように形成された貫通孔２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、絶縁基体１を貫通して設けられた貫通孔２に挿入され、絶縁基体１に接合された絶縁基体１よりも熱伝導率が高い金属体８と、金属体８を絶縁基体１に接合するための金属板９から構成されている。
本発明の発光素子用配線基板１１においては、絶縁基体１に形成された貫通孔２の壁面と、金属体８とが、実質的に乖離していることが重要であり、金属体８と貫通孔２の壁面とを乖離させることにより、両者の間に熱膨張差に起因する応力が発生することを防止することができる。
また、仮に、温度変化によって、金属体８と貫通孔２の壁面とが接触した場合であっても、両者の間に発生する応力は、非常に小さいため、両者の破損を抑制することができる。
そして、金属体８と貫通孔２の壁面との間に形成された空隙の幅、言い換えると金属体８と貫通孔２の壁面との距離、乖離幅を、室温の状態で５０μｍ以上とすることが望ましい。金属体８と貫通孔２の壁面との距離を上記のようにすることで、仮に、温度変化により金属体８と貫通孔２の壁面との距離が小さくなったとしても、両者が接触することを防止することができる。また、多少の金属体８の位置ずれであれば、なんら問題が発生することがない。
また、組み立てを容易にするという観点からは、乖離幅を１００μｍ以上、さらには２００μｍ以上とすることが望ましい。
なお、金属体８と貫通孔２の壁面とが、実質的に乖離している状態とは、金属体８の側面のうち少なくとも５０％が絶縁基体１と乖離している状態を意味し、さらに、金属体８の側面のうち７０％以上、特に９０％が絶縁基体１と乖離していることが望ましい。
例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように金属体８の端面に設けた金属板９の鍔部９ａを絶縁基体１の表面に接合することで、金属体８と貫通孔２の壁面とを１００％乖離させることができる。
そして、絶縁基体１と金属板９とを接合させるため、両者を、金属、樹脂、セラミックスの群から選ばれる少なくとも１種を含有する接合層１８により接合することが望ましい。
接合層１８は、例えば、半田やＡｇ−Ｃｕろうなどの金属により、容易に形成することができる。その場合には、接合層１８と絶縁基体１との間に、メタライズ層（図示せず）を設けることで、金属からなる接合層１８がメタライズ層によく濡れるため、金属板９の接合が容易に、しかも強固にできる。
また、例えば、接合層１８は、樹脂により形成することもできる。その場合には、熱硬化性樹脂や、２液混合型の、いわゆる接着剤を用いてもよい。このように、接合層１８を樹脂により形成する場合には、安価にしかも迅速に金属板９と絶縁基体１とを接合することができる。
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１０が形成されている。そして、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、搭載部１０側に金属板９が形成されている場合には、この金属板９の表面が搭載部１０となる。また、金属板９が搭載部１０側に形成されていない場合には、金属体８の端面が搭載部１０となり、金属体８の端面に発光素子を搭載することになる。
また、例えば、本発明の発光素子用配線基板１１には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、搭載部１０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。
このような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金属体８が、絶縁基体１に形成された貫通孔２に挿入され、しかも、貫通金属体８が貫通孔２の壁面と乖離していることが重要であり、本発明の発光素子用配線基板１１に搭載される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。
特に、この金属体８として無垢の金属により形成された金属体８を用いることで、内部に、気泡や、セラミックス粉末、ガラスなどを含有する複合体を用いる場合に比べて、金属体８の熱伝導率を格段に高くすることができ、さらに放熱性に優れた発光素子用配線基板１１となるのである。
そして、このような金属体８は、例えば、高熱伝導で、低抵抗で、比較的安価なＣｕからなる金属製の板や、金属製の箔をプレス機などにより、所望の形状に打ち抜き加工するなどして容易に作製することができる。
また、複雑な形状の金属体８は、プレス加工や、鋳込みや、研磨加工、粉末冶金などの手法により形成することができる。また、このほかの従来周知の加工方法を用いて金属体８を作製してもよいことは言うまでもない。
また、金属体８ならびに金属板９の素材としては、Ｃｕ以外にも、Ａｌや、あるいは、Ｃｕ−Ｗなどの複合材を用いることができる。この２種以上の金属を含有するＣｕ−Ｗなどの複合材を用いる場合には、用いる金属とその比率を制御することで、所望の特性を有する金属体８ならびに金属板９を作製することができる。また、金属体８ならびに金属板９が合金により形成されていてもよいのは勿論である。また、金属体８ならびに金属板９が複数の部材を組み合わせて構成されていてもよい。また、金属体８と金属板９とが一体物とした場合には、両者を接合する工程が省けるため、安価にしかも迅速に本発明の発光素子用配線基板１１を作製することができる。
また、金属板９の熱膨張係数を発光素子に近づけることが、金属板と９と発光素子との接合信頼性を高めるためには望ましく、例えば、熱膨張係数が１０×１０ −６ ／℃以下のＣｕ−ＷやＭｏ等を用いることが望ましい。
なお、金属体８は、発光素子の搭載部１０を平坦にするため、絶縁基体１と実質的に同一厚みであることが望ましい。
このような金属体８は、安価に容易に入手できるだけでなく、種々の形態の絶縁基体１に容易に取り付けることができるため、搭載される発光素子の性能に応じて、種々の形態の絶縁基体１を用い、性能とコストをふまえて最適の組み合わせとすることができる。
また、図１（ａ）に示すように、この金属体８の形状を、金属体８の側面が貫通方向に対して平行になるようにした場合には、安価な金属体８となる。
それに対して、図１（ｂ）に示すように、金属体８の側面のうち少なくとも一部が、貫通方向に対して非平行になるようにした場合には、言い換えると、金属体８の側面を階段状にした場合あるいはテーパー状にした場合には、わずかに金属体８のコストは上昇するものの、発光素子の熱を有効に放散できる。特に、搭載部１０と逆側の金属体８の端面の面積を大きくした場合には、熱の伝達経路が広くなり、発光素子用配線基板１１の放熱性がさらに向上する。特に、金属体８の一方の端面が、他方の端面の１．１倍以上の面積を有することが望ましく、更に好適には１．２倍以上とすることが望ましい。
つぎに、絶縁基体１について説明する。この発光素子用配線基板１１に用いる絶縁基体１は、例えば、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などのセラミックス基板や、有機系の樹脂基板を好適に用いることができる。
そして、絶縁基体１として、セラミック基板を用いた場合には、高剛性である点、発光素子の発する光や熱による変質がない点、比較的高熱伝導性の素材が多い点で、高性能で長寿命の発光素子用配線基板１１となる。
また、絶縁基体１として、低温焼成基板、いわゆるガラスセラミックスを用いた場合には、熱伝導率や、強度や、剛性こそＡｌ２Ｏ３などの１０５０℃以上の温度域で焼成されるセラミックスには劣るものの、熱膨張係数を容易に制御することができるため、容易に金属体８との熱膨張係数の整合を図ることができる。また、配線層として低抵抗のＣｕや、Ａｇなどを同時焼成することができるため、発光素子以外の部分の電気的な損失や発熱を抑制することができる。
また、絶縁基体１として、樹脂を用いた場合には、安価な発光素子用配線基板１１となる。なお、絶縁基体１の剛性や、強度ならびに吸湿性や、耐熱性を向上させるため、セラミック粉末や、ガラスクロスを含有する樹脂基板を用いることが望ましい。
これらのいずれの絶縁基体１を用いた場合でも、絶縁基体１に形成する貫通孔２の壁面と金属体８とを乖離させることで絶縁基体１や金属体８の破損を防止でき、格段に信頼性に優れた発光素子用配線基板１１となるのである。
これらの絶縁基体１として用いられる素材について、以下に詳細に説明する。
たとえば、ＭｇＯを主結晶とする絶縁基体１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。
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が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。
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質焼結体を用いた場合には、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。
このようなＡｌ２Ｏ３質焼結体は、例えば、平均粒径０．１〜８μｍ、望ましくは０．５〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ２Ｏ３粉末に、平均粒径０．１〜２．０μｍ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１３００〜１７００℃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。
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が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。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絶縁基体１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体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。
なお、シート状の成形体には、焼成工程の前に、金属体８を挿入するための貫通孔２となる孔を予め形成しておく必要があるのは言うまでもない。
また、絶縁基体１として、低温焼成基板を用いる場合についても、素材と焼成温度の点で異なるものの、基本的に同様の手順で、貫通孔２や配線層を備えた絶縁基体１を作製することができる。
また、絶縁基体１として、樹脂を用いる場合には、従来周知のプリント配線基板等に用いられるガラス−エポキシ基板を用いるのが望ましい。ガラス−エポキシ基板に対して、通常のプリント配線基板の製造方法により、接続端子３、外部電極端子５、貫通導体７を形成し、更に、金属体８を形成するための貫通孔をドリル、レーザー等で形成する。
次に、以上説明した貫通孔２を設けた種々の絶縁基体１に対して、金属体８ならびに金属板９を準備し、貫通孔２内に金属体８を挿入して、金属板９とおよび金属体８の間と、金属板９と絶縁基体１との間に接合層１８を介在させて、これらを接合することにより、図１（ａ）、（ｂ）に示すような発光素子用配線基板１１を得ることができる。なお、図１（ａ）、（ｂ）では、搭載部側１０のみに金属板９を形成した例を示しているが、この金属板９は金属体８の搭載部１０側と反対側の端面のみに形成してもよく、金属体８の両端部に形成してもよい。特に、金属体８の両端面に金属板９を形成した場合には、熱放散性が向上する点で望ましい。
また、金属体８と金属板９とが一体物であってもよいことはいうまでもない。
ここで用いる接合層１８としては、金属、セラミックス、樹脂のいずれかもしくは複合体からなる接着剤が好適に用いられる。
接合層１８に関して、金属を用いる場合には、Ａｇ−Ｃｕ―Ｔｉ等のいわゆる活性金属法により絶縁基体１と素子搭載用の金属板９および搭載部１０と逆側の裏面の金属板９および金属体８と一括にて接合することができ、工程を簡略化できる。また、半田等の低融点の金属を用いることもできる。用いられる半田としては、従来周知の錫６０〜１０％−鉛４０〜９０％や、鉛を含まない鉛フリー半田が挙げられる。
そして、半田を用いた場合には、窒素雰囲気のリフロー炉へ２３０℃×１０秒の条件で処理して、絶縁基体１と金属体８とを接合することができる。
また、接合層１８として、樹脂を用いる場合には、一般的に用いられるエポキシ樹脂系の接合剤を用いることが望ましい。
そして、それぞれの接合剤の硬化温度に応じて、例えば、８０〜１５０℃、２０〜４０分の条件で接合剤を硬化し、接合層１８を介して絶縁基体１と金属体８とを接合することができる。
この樹脂を用いた接合は、安価で、しかも容易である点で優れている。特に、樹脂からなる絶縁基体１と組み合わせた場合には、接合力が高くなるとともに、比較的低温での処理が可能であることから、絶縁基体１に与えるダメージがほとんどなく、界面等にクラックの無い信頼性の高い発光素子用配線基板１１を作製することができる。
また、接合層１８として、セラミックスを用いる場合として、例えば、低融点のガラスを例示できる。このような低融点のガラスを用いることで、比較的低温（６００℃以下）での接合が可能となり、接合により発生する応力を小さくすることができる。
また、接合層１８として、金属、セラミックス、樹脂を複合化して用いることができるのは言うまでもない。たとえば、金属粉末、セラミック粉末、樹脂とを混合することで接合層の熱膨張係数を制御することもでき、絶縁基体１の特性に応じた接合を行うことができる。
このような発光素子用配線基板１１に形成された配線回路に用いる導体および金属体８を、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌのうち少なくとも１種を主成分として形成することで、電気特性、放熱性に優れた、安価な発光素子用配線基板１１を得ることができる。
また、接続端子３および搭載部１０側に形成した金属板９の表面にＡｌめっきやＡｇめっきを施すことにより、腐食に対する抵抗力が向上し、発光素子用配線基板１１の信頼性が向上するとともに、接続端子３および金属板９の反射率を向上させることができる。
このような発光素子用配線基板１１の搭載部１０側の主面には、枠体１３を設けることが望ましく、例えば、セラミックスからなる絶縁基体１を用いる場合には、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、セラミック製の枠体１３を用いることで長期間の使用や、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の内壁面１３ａには、反射率を向上させるため、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、従来周知の錫６０〜１０％−鉛４０〜９０％や、鉛を含まない鉛フリー半田等（図示せず）の半田による接合や、共晶Ａｇ−Ｃｕろう材等からなるろう材（図示せず）を介してのろう付けよる接合をすることができる。
また、樹脂系の接着剤を用いてもよいことはいうまでもなく、素材としては、樹脂系の接合層１８と同様のものを用いることができる。
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２（ａ）、（ｂ）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、接続配線２３であるボンディングワイヤ２３により、発光素子２１と接続端子３とを電気的に接続し、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からの発熱を金属体８から速やかに放出することができるため、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、安価な発光装置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。
そして、発光素子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、高効率の発光装置２５となる。また、金属体８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２（ａ）、（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２（ａ）、（ｂ）に示した例では、発光素子２１は、接合剤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。なお、蓋体としては、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。
また、以上説明した例では、全て、枠体１３を設けた形態について説明しているが、枠体１３を具備しない形態であってもよいのはいうまでもない。
また、枠体１３の内壁１３ａは、発光素子２１が発する光を反射するために傾斜させてもよく、さらに、ボウルのように湾曲させることが望ましい。
発光素子用配線基板の絶縁基体の原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１μｍのＭｇＯ粉末、純度９９％以上、平均粒子径１μｍのＹ２Ｏ３粉末を用いて、ＭｇＯ粉末９５質量％、Ｙ２Ｏ３５質量％の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、平均粒子径２μｍのＷ、Ｃｕ粉末、平均粒径１．０μｍのＡｌ２Ｏ３を用いて、Ｗ５０質量％、Ｃｕ５０質量％、Ａｌ２Ｏ３５質量％の割合で金属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。
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、貫通導体を形成するための直径が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。また、打ち抜き加工時にビアホールとともに、金属体を挿入するための貫通孔を形成した。
このようにして作製したグリーンシートを組み合わせ、位置合わせし、積層圧着し、焼成後の寸法が、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．６ｍｍとなる積層体を作製した。
なお、この積層体は、枠体を設けないもの、セラミック製の枠体を設けるもの、金属製の枠体を設けるものの３種類を作製した。
セラミック製の枠体を設けるものについては、積層体の発光素子が搭載される搭載部側には、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの外形寸法を有し、前記積層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、この枠体となる成形体は前記積層体と熱圧着にて一体物として形成した。
また、金属製の枠体を設けるものについては、積層体の搭載部側の枠体と接する部分に導体ペーストをスクリーン印刷して金属層を形成した。
そして、枠体となる成形体と一体化した積層体を露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて９００℃で脱脂を行った後、引き続き、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて表１に示す最高温度で２時間保持して焼成した。
その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉめっきを施した。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。
なお、金属体を挿入するための貫通孔は、図１（ｃ）に示すように、貫通孔の壁面に凹凸を設け、階段状としたものと、図１（ａ）、（ｂ）に示すように凹凸を設けない２種類の形状となるように加工した。
そして、焼成後の貫通孔と、貫通孔に挿入する金属体との乖離幅が表２の値となるようにした。また、金属体の厚みは絶縁基体と略同一となるように加工した。なお、表２に用いた金属体の組成を示しているが、単独の金属元素を用いたものについては、純度９９％以上の無垢金属体を用いている。また、Ｃｕ−Ｗと記載した金属体については、Ｃｕ：２０質量％、Ｗ：８０質量％の組成を用いた。また、表２に、この金属体の相対密度と熱膨張係数、熱伝導率、金属体と絶縁基体との隙間の幅である乖離幅を示す。なお、焼成後の絶縁基体の熱膨張係数は１０×１０−６／℃であった。また、絶縁基体の熱伝導率は、４５Ｗ／ｍ・Ｋであった。なお、熱膨張係数の測定は、ＴＭＡを用いて、２５〜４００℃の温度範囲で行った。また、熱伝導率の測定は、レーザーフラッシュ法により測定した。
次に、絶縁基板の貫通孔に金属体を挿入し、金属体と接合する面にＡｇ−Ｃｕろうがクラッドされた金属板を、金属体と絶縁基体とに接合されるようにセットし、８５０℃の窒素水素混合雰囲気中に通炉することにより、Ａｇ−Ｃｕろうを介して、金属板と金属体および絶縁基体を接合し、発光素子用配線基板を得た。
その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉ、Ａｕめっきを施した。
尚、金属体にＡｌを用いるときは、金属板へのクラッド材をＡｇ−Ｃｕろうに代えて、Ａｌ−Ｓｉろうを用い、６００℃の真空雰囲気中にて接合した。
次に、金属製の枠体を設けた試料については、熱膨張係数が２３×１０−６／℃、熱伝導率が２３８Ｗ／ｍ・ＫのＡｌ製金属枠体を、半田を用いて枠体を絶縁基体に接合して作製した。
更に、これらの発光素子用配線基板の搭載部にエポキシ樹脂系接着剤をディスペンサーを用いて塗布し、１ｍｍ□の出力１．５Ｗの発光素子であるＬＥＤチップを実装し、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用いて、−５５℃〜１２５℃の温度サイクル試験を５０００サイクル行い、試験後、金属体と絶縁基体間ならびに金属板と絶縁基体との接合界面の状態を確認した。
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。
また、比較例として、金属体を貫通孔に挿入し、金属体を絶縁基体の貫通孔に、接合材を用いて、直接接合して形成した発光素子用配線基板を作製し、実施例と同様の試験を行った。
原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が０．６μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒子径０．４μｍのＭｇＯ粉末、純度９９％以上、平均粒径０．３μｍのＳｉＯ２粉末を用いて、Ａｌ２Ｏ３粉末９９．５質量％、ＭｇＯ粉末０．３質量％、ＳｉＯ２粉末０．２質量％の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、平均粒子径０．８μｍのＭｏ粉末、平均粒径０．３μｍのＡｌ２Ｏ３、平均粒径１．μｍのＮｂＮを用いて、Ｍｏ７４質量％、Ａｌ２Ｏ３２５質量％、ＮｂＮ１質量％の割合で金属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。
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、貫通導体を形成するための直径が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。また、打ち抜き加工時にビアホールとともに、金属体を挿入するための貫通孔を形成した。
なお、金属体を挿入するための貫通孔の形成は、実施例１と同様にして加工した。
また、金属体に関してもＭｇＯを主成分とする場合と同様に、表２に示す材料を用いた。
なお、金属体の熱膨張係数については表２に示す。焼成後の絶縁基体の熱膨張係数は７．２×１０−６／℃であった。また、絶縁基体の熱伝導率は、２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。なお、熱膨張係数の測定は、ＴＭＡを用いて、２５〜４００℃の温度範囲で行った。また、熱伝導率の測定は、レーザーフラッシュ法により測定した。
このようにして作製したグリーンシートを組み合わせ、位置合わせし、積層圧着し、焼成後の寸法が、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９００℃で脱脂を行った後、引き続き、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて表１に示す最高温度で２時間保持して焼成した。
その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉめっきを施した。
次に、絶縁基板の貫通孔に金属体を挿入し、金属体と接合する面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろうがクラッドされた金属板を、金属体と絶縁基体とに接合されるようにセットし、８５０℃の真空雰囲気中に保持することにより、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろうを介して、金属板と金属体および絶縁基体を接合し、発光素子用配線基板を得た。
その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉ、Ａｕめっきを施した。
尚、金属体にＡｌを用いるときは、金属板へのクラッド材をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろうに代えて、Ａｌ−Ｓｉろうを用い、６００℃の真空雰囲気中にて接合した。
その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉ、Ａｕめっきを順次施した。
実施例２においては金属製の枠体を用いた。用いた枠体の材質としては、熱膨張係数が２３×１０−６／℃、熱伝導率が２３８Ｗ／ｍ・ＫのＡｌ製金属枠体を用いた。また、金属製の枠体については、接続端子並びに外部電極端子を形成する導体ペーストを用いて、絶縁基体の搭載部側の枠体が搭載される部分に金属層を形成したのち、半田を用いて枠体を絶縁基体に接合して発光素子用配線基板を作製した。
これらの発光素子用配線基板に接合剤としてエポキシ樹脂をディスペンサーを用いて塗布し、１ｍｍ□の出力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５０００サイクル行い、試験後、金属体と絶縁基体間の接合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。
絶縁基体として樹脂を用いる場合には、まず、ガラス−エポキシ基板からなる熱膨張係数は１６×１０−６／℃、厚み０．６ｍｍのプリント配線基板の両面に銅箔が形成された銅貼り基板を用いて、従来周知のサブトラクティブ法により、接続端子、外部電極端子、貫通導体、貫通孔を形成した。なお、貫通導体は、銅めっきにより形成した。なお、このガラス−エポキシ基板の熱膨張係数は１６×１０−６／℃であった。また、絶縁基体の熱伝導率は、１Ｗ／ｍ・Ｋであった。なお、熱膨張係数の測定は、ＴＭＡを用いて、２５〜４００℃の温度範囲で行った。また、熱伝導率の測定は、レーザーフラッシュ法により測定した。
また、枠体は金属製の枠体を用い、熱膨張係数が２３×１０−６／℃、熱伝導率が２３８Ｗ／ｍ・ＫのＡｌ製金属枠体を用いた。また、金属製の枠体を設けた発光素子用配線基板については、接続端子並びに外部電極端子を形成する銅箔を用いて、貫通孔の外周に金属板と接合する部分、および絶縁基体の搭載部側の枠体が搭載される部分に金属層を形成した。
次に、絶縁基体の貫通孔に、金属体を挿入後、半田がクラッドされた金属板、Ａｌ製金属枠体を絶縁基体の所定の位置にセットし、半田を用いて枠体、金属板、金属体を絶縁基体に接合し、発光素子用配線基板を作製した。
なお、半田は従来周知の錫４０％−鉛６０％を用い、窒素雰囲気のリフロー炉へ２３０℃×１０秒の条件で接合した。
これらの発光素子用配線基板に接合剤としてエポキシ樹脂をディスペンサーを用いて塗布し、１ｍｍ□の出力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５０００サイクル行い、試験後、金属体と絶縁基体間の接合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。
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２に示す。
なお、作製した試料を切断して断面を観察したところ、いずれの試料においても、絶縁基体と金属体とは１００％乖離していた。
Figure 2006128265
Figure 2006128265
表２に示すように、金属体を貫通孔に挿入し、金属体を絶縁基体の貫通孔に、接合材を用いて、直接接合して形成した本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１では、−５５℃〜１２５℃の温度サイクル試験の３０００サイクル後に、金属体と絶縁基体間の接合界面が剥離し、信頼性に劣ることがわかる。
一方、本発明の発光素子用配線基板である試料Ｎｏ．２〜４９は、絶縁基体の熱伝導率の影響は受けるものの、緻密な金属体を用いて、優れた放熱性、光特性を有するとともに、高い信頼性を有する発光素子用配線基板となった。
は、本発明の発光素子用配線基板の断面図である。 は、本発明の発光装置の断面図である。 は、金属体の形状を示す断面図である。
符号の説明
１・・・絶縁基体
２・・・貫通孔
３・・・接続端子
５・・・外部電極端子
７・・・貫通導体
８・・・金属体
９・・・金属板
９ａ・・搭載部
１０・・搭載部
１１・・発光素子用配線基板
１３・・枠体
１３ａ・・枠体の内壁面
１７・・・金属層
１８・・・接合層
２１・・・発光素子
２３・・・接続配線、ワイヤボンド
２５・・・発光装置
２９・・・接合剤
３１・・・モールド材

Claims (16)

  1. 平板状の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して設けられた貫通孔と、前記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であって、前記絶縁基体よりも高い熱伝導率と、前記絶縁基体と異なる熱膨張係数とを有する金属体が、前記絶縁基体に設けられた貫通孔に挿入されるとともに、前記金属体と前記貫通孔の壁面とが実質的に乖離していることを特徴とする発光素子用配線基板。
  2. 前記金属体の少なくとも一方の端面に、前記貫通孔よりも大きな寸法を有する金属板が接合されており、該金属板の鍔部が前記絶縁体の表面に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用配線基板。
  3. 前記金属板が、前記金属体の両端面に形成されてな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. 前記金属体と、前記貫通孔の壁面との乖離幅が５０μｍ以上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. 前記絶縁基体が樹脂を含有してな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。
  7. 前記貫通孔に挿入された金属体の最小断面積が、発光素子の搭載面積よりも大きい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. 前記金属体の断面積が、前記搭載部側よりも前記搭載部の反対側で大きい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. 前記金属板と前記絶縁基体とが、接合層を介して接合されてい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用配線基板。
  10. 前記接合層が、金属であ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. 前記接合層が、樹脂であ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。
  12. 前記金属体が電気回路を形成す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. 前記金属体がＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ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１２のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  14. 前記金属板がＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ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１３のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  15. 前記搭載部が形成された側の前記絶縁基体の主面の搭載部の周囲に、枠体が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  16. 平板状の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して設けられた貫通孔と、前記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備えた発光素子用配線基板と、該搭載部に搭載された発光素子と、該発光素子と前記導体層とを接続する接続配線と、を具備してなる発光装置であって、前記発光素子用配線基板が、請求項１乃至１５の発光素子用配線基板であることを特徴とする発光装置。

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