JP2006128511A - 発光素子用セラミック基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率の高い冷却機能を有し、ひいては照明用等に使用した場合も素子や基板の温度上昇を効果的に抑制できる発光素子用セラミック基板を提供する。
【解決手段】 発光素子用セラミック基板１は、セラミックからなる板状の基板本体１Ｍと、基板本体１Ｍの第一主表面上に積層配置されるとともに第一貫通孔３１４が板厚方向に形成された補助金属板２９と、該補助金属板２９の第一貫通孔３１４の内側において基板本体１Ｍの第一主表面に配置され、搭載される発光素子チップ４の通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッド１６とを備える。補助金属板２９の第一貫通孔３１４は、その内周面が発光素子チップ４からの発光光束の反射面２９Ｒとされてなる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発光素子用セラミック基板に関する。

特開２００３−２４３７１７号公報 特開２００２−２４６６５２号公報 特開２００１−２２３３８８号公報 特開２００４−２２８９５号公報 特開２００３−３４７６００号公報

従来の半導体発光素子は、表示用などの小型素子が主要な用途を占めていたが、半導体素子が高い光変換効率を有し、発熱も少なく、また、蛍光ランプのように水銀を使用しないので環境保護上の観点においても望ましいことから、照明用光源として注目を集めている。特に、ＩｎＧａＡｌＮ系の化合物を用いた高輝度の青色系発光素子が実現した背景を受け、光の三原色に相当する赤、緑、青の単色光をそれぞれ出力する発光素子を組み合わせて、種々の混合色（例えば白色）発光を可能とする発光素子が多数開発され、照明用として実用化されている。

従来、発光素子の搭載基板は、高分子材料で絶縁層を構成したプリント基板が用いられることも多かった。しかし、照明用に発光素子を用いようとする場合、表示用等の一般の発光素子と比較してその通電電流レベルは非常に高く、長時間の連続点灯も考慮すると、その発熱が大きな問題となる。特に、小寸法の光源で遠方を照らし出す必要がある自動車のヘッドライトでは、光源への電流集中が著しく、使用時に光源周辺が非常に高温化しやすい問題がある。そこで、照明用での高発熱を考慮して、セラミック製の基板を用いることが検討されている（特許文献１〜５）。

照明用としての長期間の寿命を確保するには、該発光素子が搭載される基板の放熱性を高めることが必要不可欠となる。セラミックの熱伝導率はそれ程良好ではなく、アルミナ等の比較的高熱伝導率のセラミックを使用したとしても、放熱特性の向上には限界がある。上記の特許文献には、発光素子の通電路を兼ねる金属薄層でセラミック基板表面を覆い、放熱効果を高める構造が開示されているが、熱伝導率が小さいセラミック基板本体の厚さ方向の熱伝導改善がなおざりにされているために、基板表層部をなす金属薄層に熱伝導の経路が偏るため熱抵抗が大きくなり、十分な放熱効果は期待できない。

本発明の課題は、効率の高い冷却機能を有し、ひいては照明用等に使用した場合も素子や基板の温度上昇を効果的に抑制できる発光素子用セラミック基板を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の発光素子用セラミック基板の第一は、セラミックからなる板状の基板本体と、基板本体の第一主表面上に積層配置されるとともに第一貫通孔が厚さ方向に形成された補助金属板と、該補助金属板の第一貫通孔の内側において基板本体の第一主表面に配置され、搭載される発光素子チップの通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッドとを備え、
補助金属板の第一貫通孔は、その内周面が発光素子チップからの発光光束の反射面とされてなることを特徴とする。

上記本発明の発光素子用セラミック基板の第一の構成では、内側面が反射面となる第一貫通孔が厚さ方向に形成された補助金属板を基板本体の第一主表面上に積層配置し、該第一貫通孔の内側において基板本体の第一主表面に発光素子チップを搭載することにより、発光素子チップから放出される発光光束の、基板主表面側への指向性を高めることができる。また、補助金属板は、第一貫通孔の内側面を反射面として機能できる程度に厚く形成される。また、基板本体上に積層された高熱伝導率の補助金属板が上記のように厚く形成され、熱容量が増大しているので、発光素子が発生する熱によりセラミック製の基板本体が加熱されても、該補助金属板が基板本体の熱を速やかに奪い取り、面内に拡散させるので、基板本体全体に渡って均一かつ良好な放熱特性を実現できる。

この場合、補助金属板の厚さを発光素子チップの厚さよりも厚くしておけば、反射面の面積が増大し、かつ、補助金属板の熱容量も増大するので、反射による発光光束の指向性向上効果と放熱改善効果との両方を効果的に高めることができる。他方、発光素子チップの側面からの発光光束を、チップ主表面法線方向に効果的に反射させるには、補助金属板の第一貫通孔の内側面が形成する反射面を、補助金属板の第一主表面側から第二主表面側に縮径する傾斜面としておくことが望ましい。

次に、本発明の発光素子用セラミック基板の第二は、アノードとカソードの一方をなす第一電極が第一主表面に、他方をなす第二電極が第二主表面に形成された発光素子チップを搭載するためのセラミック基板であって、
セラミックにより板状に形成され、第一電極をワイヤボンディングするための基板側端子が第一主表面に形成されるとともに、自身の厚さ方向にステージ装着孔が形成された基板本体と、
ステージ装着孔内に挿入され、該挿入方向における一方の端面が基板本体の第一主表面に露出して素子搭載面を形成されてなり、発光素子チップの第二電極が導電性接着剤層を介して素子搭載面に実装される金属ステージと、を備えたことを特徴とする。

上記本発明の発光素子用セラミック基板の第二の構成では、セラミック製の基板本体にステージ装着孔を形成し、ここに挿入された金属ステージの端面を素子実装面として発光素子チップを実装するようにした。これにより金属ステージは、発光素子チップへの通電路として機能し、素子のシンク電流を大きくしてもその抵抗発熱を小さく留めることができるほか、金属ステージ自体が高熱伝導率であり熱容量も高くなることから、発光素子チップの発熱を速やかに吸収することができ、ひいてはセラミック製の基板本体の放熱特性を大幅に向上することができる。

また、本発明の発光素子用セラミック基板の第三は、
セラミックからなる板状の基板本体と、基板本体の第一主表面側に露出する形で形成され、基板に搭載される発光素子チップの通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッドとを備え、
基板本体の第一主表面に開口するとともに、該基板本体の厚さ方向の途中の位置に底面が位置するように第二貫通孔が形成され、素子搭載用金属パッドが該第二貫通孔の底面上に形成されてなり、
さらに、基板本体は、第二貫通孔の底面を形成する第一セラミック層と、同じく側面を形成する第二セラミック層とを有し、第一セラミック層を第二セラミック層よりも熱伝導率の大きいセラミックにて構成したことを特徴とする。

素子搭載用金属パッドを介して発光素子チップが直接搭載される第一セラミック層を、その上に積層される第二セラミック層よりも熱伝導率の大きいセラミックにて構成することにより、発光素子チップからの放熱を促進することができる。また、基板本体の全体を高価な高熱伝導率のセラミック（例えば窒化アルミニウム）で構成するのではなく、放熱促進への寄与が小さい第二セラミック層を、より安価な低熱伝導率のセラミック（例えば酸化アルミニウム）で構成することにより、基板本体の材料コストを削減することができる。

本発明の照明モジュールは、上記本発明の発光素子用セラミック基板と、該発光素子用セラミック基板の素子搭載用金属パッド上に実装される照明用光源をなす発光素子とを備えたことを特徴とする。特に、これを発光駆動に伴う発熱量が特に大きい照明用モジュールに適用すれば、照明を長時間点灯しつづけても光源となる発光素子の温度上昇が効果的に抑制され、寿命を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の発光素子用セラミック基板の第一を用いた照明モジュールの一例を示す断面模式図であり、図２は平面模式図である。照明モジュール３０１の要部をなす発光素子用セラミック基板１は、セラミック層１５と金属層２４，２５，２６とが交互に積層された基板本体１Ｍを有する。セラミック層１５は熱伝導率の比較的良好な酸化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム等で構成される。他方、金属層２４，２５，２６及び１６は、これらのセラミックと同時焼成が可能なＷやＭｏなどの高融点金属にて構成される。ただし、いずれも材質はこれらに限定されない。

基板本体１Ｍの第一主表面側には、第一貫通孔３１４が厚さ方向に形成された補助金属板２９が積層されている。具体的には、基板本体１Ｍの第一主表面に形成された接合用メタライズ層２８に対し、ろう材層２９によりろう付け接合されたものである。該補助金属板２９の第一貫通孔３１４の内側において基板本体１Ｍの第一主表面には、搭載される発光素子チップ４の通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッド１６が配置されている。そして、補助金属板２９の第一貫通孔３１４は、その内周面が発光素子チップ４からの発光光束の反射面２９Ｒとされている。補助金属板２９は、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ（又はそれらのいずれかを主成分として５０質量％以上含有する合金）等で構成されている。本実施形態では、少なくともその反射面２９Ｒが、Ａｇ等の反射率が良好な金属からなる反射金属層２９Ｐで覆われている。また、補助金属板２９の厚さは発光素子チップ４の厚さよりも厚い。

補助金属板２９の第一貫通孔３１４の内側に発光素子チップ４を搭載することにより、発光素子チップ４から放出される発光光束の、基板主表面側への指向性を高めることができる。また、補助金属板２９は、第一貫通孔３１４の内側面を反射面２９Ｒとして機能できる程度に厚く（例えば３μｍ〜１００μｍ）形成されて熱容量が増大しているので、発光素子チップ４が発生する熱によりセラミック製の基板本体１が加熱されても、該補助金属板２９が基板本体１Ｍの熱を速やかに奪い取り、面内に拡散させるので、均一かつ良好な放熱特性を実現できる。その結果、照明を長時間点灯しつづけても光源となる発光素子チップ４の温度上昇が効果的に抑制され、寿命を向上することができる。

本実施形態では、補助金属板２９の厚さが発光素子チップ４の厚さよりも大きいので反射面２９Ｒの面積が増大し、かつ、補助金属板２９の熱容量も増大するので、反射による発光光束の指向性向上効果と放熱改善効果との両方がより効果的に高められている。反射面２９Ｒは、補助金属板２９の第一主表面側から第二主表面側に縮径する傾斜面（テーパ面でも凹状湾曲面でいずれでもよい）とされている。発光素子チップ４の側面から放出される発光光束を、基板主表面法線方向に反射する効果は、上記傾斜面の傾斜角度θが３０°以上６０°以下（例えば４５°）に調整された場合に顕著である。

以下、さらに詳細に説明する。
基板本体１Ｍの厚さ方向途中位置には、基板本体１Ｍの板面に沿う面状形態をなすとともに、素子搭載用金属パッド１６上に搭載された発光素子チップ４の面内放熱路として機能する金属製の放熱用面導体２５が埋設されている。基板本体１Ｍはセラミック製なので熱伝導率が比較的小さいが、金属製の放熱面導体２５がその厚さ方向の途中の位置に介在することで複数のセラミック層１５に分割され、個々の層１５は厚さ方向の熱拡散距離が縮小される。発光素子チップ４から発生する熱は、基板本体１Ｍの厚さ方向の途中に位置する放熱用面導体２５で面内方向に熱拡散が促進され、かつ、これに隔てられた厚さの小さい個々のセラミック層１５を順次厚さ方向に拡散させることで、基板本体１Ｍの全体に渡ってより均一かつ良好な放熱特性を実現できる。

基板本体１Ｍは、第二主表面を覆う形で裏面側面導体２６が配置され、基板本体１Ｍを厚さ方向に貫通する形で素子搭載用金属パッド１６と裏面側面導体２６とを電気的に接続するとともに、素子搭載用金属パッド１６上に搭載された発光素子チップ４の厚さ方向放熱路として機能する放熱ビア導体２７が形成されている。発熱源となる発光素子チップ４を搭載するための素子搭載用金属パッド１６が、放熱ビア導体２７により裏面側面導体２６とを直結されることで、セラミック製の基板本体１Ｍは、その厚さ方向の放熱効率がさらに向上する。

この構造は、発光素子チップ４がアノードとカソードの一方が第一主表面に、他方が第二主表面に形成され、該第二主表面にて素子搭載用金属パッド１６上に実装される場合に特に有効である。この構造であると、発光素子チップ４はチップ主表面法線方向に通電され、発光駆動のシンク電流をより大きく取りやすくなり、照明用の大電流面発光駆動に有利となる。そして、上記の構造では通電経路をなす放熱ビア導体２７が、その大きなシンク電流の向きに一致する形で配置されるので、基板内での余分な抵抗発熱も小さくなる効果も加わって、大電流が流れるにも拘わらず発熱による温度上昇が一層生じ難くなる。上記の効果を高めるには、放熱ビア導体２７を発光素子チップ４の直下に配置すること、あるいは放熱ビア導体２７を、発光素子チップ４を取り囲む形で複数配置することが有効である。

図１においては、発光素子チップ４の第一主表面が光取り出し面とされ、その一部領域を覆う形でアノード又はカソードとなる第一電極１９が形成されている。他方、発光素子チップ４の第二主表面は全面が第二電極２０に覆われており、Ａｇペースト等の導電性接着材層１８により素子搭載用金属パッド１６上に接着されている。

図１の発光素子用セラミック基板１においては、補助金属板２９は、その第一主表面側の最上層部を形成しており（ただし、透明樹脂モールド１ｃを除く）、放熱効果が高められている。反射金属層２９Ｐは反射面２９Ｒだけでなく、補助金属板２９の第一主表面も一体的に覆っている。そして、補助金属板２９は発光素子チップ４の通電経路を形成するとともに、自身の第一主表面発光素子チップ４のアノード側もしくはカソード側の電極１９とワイヤボンディングされている。これにより、補助金属板２９を発光素子チップ４の接続端子に兼用することで、基板構造をより簡略化でき、また、補助金属板２９の第一主表面全体をボンディングに利用できるので、自動ボンダを用いる場合でもボンディングの位置決め精度がそれほど要求されず、工程の簡略化を図ることができる。本実施形態では、基板本体１Ｍを厚さ方向に貫通する形で導電経路形成用ビア８が配置され、該導電経路形成用ビア８が接合用メタライズ層２４を介して補助金属板２９に導通し、光取り出し側電極１９と該補助金属板２９とが通電用ワイヤＷを介して接続されている。なお、導電経路形成用ビア８には、セラミック層１５間の境界位置に対応して接続用パッド８ｂが配置され、放熱用面導体２５，裏面側面導体２６のそれぞれとは隙間９ｈにより絶縁分離されている。上記構造により、基板本体１Ｍの第二主表面側において発光素子チップ４の裏面側は裏面側面導体２６に、光取り出し面側は導電経路形成用ビア８の端子パッド８ｃに各々導通する形となる。なお、発光素子チップ４は、基板本体１Ｍの第一主表面とともにエポキシ樹脂等からなる透明樹脂モールド１ｃにより覆われている。

次に、図２に示すように、放熱用面導体２５は、素子搭載用金属パッド１６上に搭載される発光素子チップ４の投影領域を包含するように、該発光素子チップ４よりも大面積に形成されている。なお、図１では放熱用面導体２５を一層のみ設けているが、これを複数層設けてもよい。

また、図１に示すように、放熱用面導体２５と素子搭載用金属パッド１６とが、前述の放熱ビア導体２７により接続されている。この構造により、放熱用面導体２５による面内の熱拡散効果と、放熱ビア導体２７による厚さ方向の熱拡散効果とが組み合さって放熱が三次元的に進行し、発光素子チップ４や基板１の温度上昇を極めて効果的に抑制できる。本実施形態では、素子搭載用金属パッド１６は発光素子チップ４よりも大面積に形成され、放熱用面導体２５は該素子搭載用金属パッド１６よりも大面積に形成されている。素子搭載用金属パッド１６を発光素子チップ４よりも大面積に形成することで、発光素子チップ４の該素子搭載用金属パッド１６への（導電性接着材による）実装がより容易となる。また、発光素子チップ４の搭載面における該素子搭載用金属パッド１６自身による面内熱拡散効果も高められ、さらに、複数本の放熱ビア導体２７を配置する構造を考慮する上でも有利に作用する。

図３は、図１の照明モジュール３０１の、製造工程の一例を示すものである。まず、工程１に示すように、セラミック層１５（図１）となるべきセラミックグリーンシート１１５を用意する。該セラミックグリーンシート１１５は、セラミック誘電体層の原料セラミック粉末に溶剤（アセトン、メチルエチルケトン、ジアセトン、メチルイソブチルケトン、ベンゼン、ブロムクロロメタン、エタノール、ブタノール、プロパノール、トルエン、キシレンなど）、結合剤（アクリル系樹脂（例えば、ポリアクリル酸エステル、ポリメチルメタクリレート）、セルロースアセテートブチレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなど）、可塑剤（ブチルベンジルフタレート、ジブチルフタレート、ジメチルフタレート、フタル酸エステル、ポリエチレングリコール誘導体、トリクレゾールホスフェートなど）、解膠剤（脂肪酸（グリセリントリオレートなど）、界面活性剤（ベンゼンスルホン酸など）、湿潤剤（アルキルアリルポリエーテルアルコール、ポリエチレングリコールエチルエーテル、ニチルフェニルグリコール、ポリオキシエチレンエステルなど）などの添加剤を配合して混練し、周知のドクターブレード法等によりシート状に成形したものである。該セラミックグリーンシート１１５には、ビア導体を配置するための貫通孔１０８ｈ，１２７ｈを、ドリリング、パンチングあるいはレーザー穿孔により予め形成しておく。

まず、工程１に示すように、貫通孔１０８ｈ，１２７ｈを金属ペーストで充填し、ビア導体パターン１２７とする。そして、工程２に示すように、上記のセラミックグリーンシート１１５の第二主表面に、裏面側面導体２６及び端子パッド８ｃとなる金属パターン１２６，１０８ｃを形成する。配線層金属パターン１２６は、金属粉末のペーストを用いて公知のスクリーン印刷法により形成される。金属粉末のペーストは、金属粉末に、エチルセルロース等の有機バインダと、ブチルカルビトール等の有機溶剤を適度な粘度が得られるように配合・調整したものである。また、上記のセラミックグリーンシート１１５の第一主表面に、第２種放熱用面導体２５（及び底面メタライズ層２４Ｐ）ならびに接続用パッド８ｂとなる金属パターン１２５（１２４Ｐ），１０８ｂを印刷形成する。セラミックグリーンシート１１５の第一主表面及び第二主表面の印刷の順序は反転できる。

次いで、工程３に示すように、その上に、別のセラミックグリーンシート１１５を重ね、接続用メタライズ層２４及び素子搭載用金属パッド１６となる金属パターン１２４，１１６を同様に印刷形成する。上記のグリーン積層体を焼成した後、補助金属板２９をろう付けする。そして、発光素子チップ４を実装し、ワイヤＷをボンディングした後、樹脂モールド１ｃを形成して図１の照明モジュール３０１が完成する。

以下、本発明の発光素子用セラミック基板の、種々の変形例について説明する。なお、図１の発光素子用セラミック基板１との共通部分には同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。まず、図４の発光素子用セラミック基板５１は、補助金属板２９の第一主表面上に補助セラミック層３１５が配置され、該補助セラミック層３１５には第一貫通孔３１４に対応する第二貫通孔１４が形成されている。この構成によると、第一貫通孔３１４と第二貫通孔１４とによって、発光素子チップ４が配置される凹部の深さが実質的に深くなり、発光素子チップ４の主表面法線方向への発光光束の指向性をより高めることができる。補助セラミック層３１５の第二主表面にはメタライズ層２８が形成され、ろう材層３０により補助金属板２９に接合されている。また、図５の発光素子用セラミック基板５２は、第一貫通孔３１４に対応する位置にて基板本体１Ｍの第一主表面に開口するとともに、該基板本体１Ｍの厚さ方向の途中の位置に底面が位置する第二貫通孔１４が形成され、素子搭載用金属パッド１６が該第二貫通孔１４の底面上に形成されてなる。この構造によっても、発光素子チップ４の主表面法線方向への発光光束の指向性をより高めることができる。また、図４の構造と比較すると、基板本体１Ｍ側に第二貫通孔１４を形成することで、補助セラミック層３１５を用いずとも同様の効果が得られ、セラミック基板全体の構造をより簡略化できる利点がある。

図６の発光素子用セラミック基板５３は、図４の発光素子用セラミック基板５１の構造をベースとして、第二貫通孔１４の内周縁に沿って、開口部から底面に向けて縮径する形態の反射面を有する反射金属部６をさらに形成した例である。補助金属板２９の反射面２９Ｒに反射金属部６の反射面６Ｒが連なって、反射面積が大きくなり、基板主表面側への照明光の指向性を高める効果が一層著しくなる。図６においては、第二貫通孔１４の内側に、補助金属板２９の貫通孔３１４の周縁部を延出させ、これと第二貫通孔１４の内側面を覆う側面メタライズ層７とにまたがるろう材フィレット部（例えばＡｇ系ろう材あるいはＣｕ系ろう材で構成され、表面には反射率を高めるためのＡｇメッキが施される）により反射金属部６を形成している。このようにすると、補助金属板２９と側面メタライズ層７とが作る凹状部のエッジに沿ってろう材を流し込むことで反射金属部６を簡単に形成できる。また、反射金属部６をなすフィレットの内周面がテーパ面（あるいは凹状アール面）となり、発光素子チップ４の側面から放出される発光光束を、基板主表面法線方向に反射する効果が高められ、照明光の指向性がより向上する。

図７の発光素子用セラミック基板５４は、図５の発光素子用セラミック基板５２の構造をベースとして、図６と同様の反射金属部６をさらに形成した例である。ここでは、第二貫通孔１４の底面外周縁を覆う底面メタライズ層２４Ｐと、第二貫通孔１４の内側面を覆う側面メタライズ層７とにまたがるろう材フィレット部により反射金属部６を形成している。第二貫通孔１４の底面上にて、素子搭載用金属パッド１６と底面メタライズ層２４Ｐとの間には、下地となるセラミック層を露出させる形で隙間部１７が形成されている。底面メタライズ層２４Ｐと側面メタライズ層７とが作る凹状部にろう材を流し込んだ際に、隙間部１７はろう材が素子搭載用金属パッド１６側に流れ込むことを防止し、ひいては反射金属部６をなすフィレットの角度θを規定する役割を果たす。

（実施の形態２）
図８は、本発明の発光素子用セラミック基板の第二を用いた照明モジュールの一例を示す断面模式図である。照明モジュール３０１の要部をなす発光素子用セラミック基板５５は、アノードとカソードの一方をなす第一電極１９が第一主表面に、他方をなす第二電極２０が第二主表面に形成された発光素子チップ４を搭載するためのものであり、セラミック層１５が複数積層された板状の基板本体１Ｍを有する。基板本体１Ｍは、セラミック層１５の材質は実施の形態１と同様であるが、自身の厚さ方向にステージ装着孔１５ｈが形成されている。また、第一電極１９をワイヤボンディングするための基板側端子８ａが第一主表面に形成されている。

そして、上記のステージ装着孔１５ｈ内には金属ステージ３１５が挿入されている。金属ステージ３１５は例えばＣｕやＣｕ−Ｗ合金等からなり、挿入方向における一方の端面が基板本体１Ｍの第一主表面に露出して素子搭載面を形成している。そして、発光素子チップ４の第二電極２０が導電性接着材層（例えばＡｇペースト）１８を介して素子搭載面に実装されている。

金属ステージ３１５は、発光素子チップ４への通電路として機能し、素子のシンク電流を大きくしてもその抵抗発熱を小さく留めることができる。また、発光素子チップ４よりも大体積であり、金属ステージ１自体が高熱伝導率で容量も高くなることから、発光素子チップ４の発熱を速やかに吸収することができ、ひいてはセラミック製の基板本体１Ｍの放熱特性を大幅に向上することができる。

金属ステージ３１５の外側面には、ステージ装着孔１５ｈの内側面に形成された装着孔側係合部１５Ｓと係合することにより、該ステージ装着孔１５ｈへの挿入方向において金属ステージ３１５を抜け止めするためのステージ側係合部３１５Ｓが形成されてなる。これにより、ステージ装着孔１５ｈへの金属ステージ３１５の組み付けが容易になる。本実施形態では、ステージ装着孔１５ｈの内側面途中位置に形成した段付き面１５Ｓを装着孔側係合部とし、金属ステージ３１５の外側面に形成した段付き面３１５Ｓをステージ側係合部としているが、金属ステージ３１５の外側面とステージ装着孔１５ｈの内周面を、各々ステージ側係合部及び装着孔側係合部をなすテーパ面としてもよい。なお、本実施形態では、金属ステージ３１５の内周面にシール用金属層１５ａを形成し、摩擦により金属ステージ３１５を固定している。また、図１２に変形例として示すように、接合金属部６０を介して金属ステージ３１５をステージ装着孔１５ｈに接合してもよい。本実施形態では、接合金属部６０をろう付け金属部として形成し、これを装着孔側係合部（段付き面１５Ｓ）に配置している。具体的には、装着孔側係合部に基板本体１Ｍに、これと同時焼成される金属（例えば、Ｗなど）からなる基板側メタライズ層６０ｂを形成し、Ａｇ系ろう材あるいはＣｕ系ろう材からなるろう材層６０ａを介してステージ側係合部（段付き面３１５Ｓ）とろう付け接合している。基板側メタライズ層６０ｂとろう材層６０ａとが接合金属部６０を形成している。

基板本体１Ｍの第一主表面には、該基板本体１Ｍの厚さ方向の途中の位置に底面が位置するように第二貫通孔１４が形成され、素子搭載用金属パッド１６が該第二貫通孔１４の底面上に形成されている。また、基板本体１Ｍ部には、第二貫通孔１４の周囲において底面の延長上に埋設された放熱用面導体２４が設けられている。これにより、発光素子チップ４の搭載面内での熱拡散効果がさらに高められている。

また、セラミック基板５５には、第二貫通孔１４の底面外周縁を覆う底面メタライズ層２４Ｐと、第二貫通孔１４の内側面を覆う側面メタライズ層７とが形成され、それら底面メタライズ層２４Ｐと側面メタライズ層７とにまたがるろう材フィレット部により反射金属部６が形成されている。第二貫通孔１４の底面上にて、素子搭載用金属パッド１６と底面メタライズ層２４Ｐとの間には、下地となるセラミック層を露出させる形で隙間部１７が形成されている。放熱用面導体２４は、その内縁部が第二貫通孔１４の側面よりも内側に延出し、該延出部により底面メタライズ層２４Ｐが形成されている。また、底面メタライズ層２４Ｐ上に、熱容量の大きくかつ高熱伝導率の反射金属部６（フィレット）が搭載され、これが面内熱拡散経路を担う第２種放熱用面導体２４と直結されるので、放熱効果の改善にも寄与する。

図９の発光素子用セラミック基板５６は、本発明の第一と第二とを組み合わせたものに相当する。すなわち、図８のセラミック基板５５の構成に、基板本体１Ｍの第一主表面上に積層配置されるとともに第一貫通孔３１４が厚さ方向に形成された補助金属板２９を付け加えたものである。基板本体１Ｍのステージ装着孔１５ｈは該補助金属板２９の貫通孔３１４内に開口している。これにより、放熱効果がさらに高められる。

（実施の形態３）
図１０に示す発光素子用セラミック基板５７は、セラミックからなる板状の基板本体１Ｍと、基板本体１Ｍの第一主表面側に露出する形で形成され、基板に搭載される発光素子チップ４の通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッド１６とを備える。基板本体１Ｍには、第一主表面に開口するとともに、該基板本体１Ｍの厚さ方向の途中の位置に底面が位置するように第二貫通孔１４が形成され、素子搭載用金属パッド１６が該第二貫通孔１４の底面上に形成されている。

基板本体１Ｍは、第二貫通孔１４の底面を形成する第一セラミック層１５と、同じく側面を形成する第二セラミック層２１５とを有し、第一セラミック層１５を第二セラミック層２１５よりも熱伝導率の大きいセラミックにて構成されている。具体的には、第二セラミック層２１５を酸化アルミニウム、第一セラミック層１５を窒化アルミニウムで形成することができる。これにより、基板全体の放熱効果をより高めることができ、また、基板全体を高価な窒化アルミニウムで構成する場合よりも、材料コストを削減することができる。基板本体１Ｍは、セラミック層１５が複数積層された板状に形成され、実施の形態１及び２で既に説明したのと同様の構造の放熱用ビア導体２７、反射金属部６及び放熱面導体２２４が形成されている。

セラミック層２１５，１５を異材質セラミックで構成しようとした場合、材質の異なるセラミックは焼成温度や収縮率が異なるため、同時焼成することは一般には難しい。そこで、上記のように、材質の異なる各セラミック層２１５，１５をそれぞれ別焼成した後、図１１に示すように両者をろう材２２４ｓにより接合し、図１０に示すように、そのろう材層を放熱用面導体２２４とすることで、異材質のセラミック層２１５，１５を含むセラミック基板５７を容易に実現できる。

上記のようなセラミック基板５１〜５７を用いた照明モジュール３０１は、自動車用ヘッドランプの光源として利用することができる。

本発明の発光素子用セラミック基板の第一実施形態を示す断面模式図。 図１の平面図。 図１の発光素子用セラミック基板の製造方法を示す工程説明図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第二実施形態を示す断面模式図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第三実施形態を示す断面模式図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第四実施形態を示す断面模式図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第五実施形態を示す断面模式図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第六実施形態を示す断面模式図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第七実施形態を示す断面模式図。 本発明の発光素子用セラミック基板の第八実施形態を示す断面模式図。 図１０の発光素子用セラミック基板の製造方法を示す工程説明図。

符号の説明

１，５１〜５７ 発光素子用セラミック基板
１Ｍ 基板本体
４ 発光素子チップ
６ 反射金属部
７ 側面メタライズ層
１４ 第二貫通孔
１５，２１５ セラミック層
１５ｈ ステージ装着孔
１５Ｓ 装着孔側係合部
１６ 素子搭載用金属パッド
１７ 隙間部
１８ 導電性接着材層
１９ 第一電極
２０ 第二電極
２４，２５ 放熱用面導体
２４Ｐ 底面メタライズ層
２６ 裏面側面導体
２７ 放熱ビア導体
２９ 補助金属板
２９Ｒ 反射面
３０１ 照明モジュール
３１４ 第一貫通孔
３１５ 金属ステージ
３１５Ｓ ステージ側係合部

Claims (8)

1. セラミックからなる板状の基板本体と、前記基板本体の第一主表面上に積層配置されるとともに第一貫通孔が厚さ方向に形成された補助金属板と、該補助金属板の前記第一貫通孔の内側において前記基板本体の第一主表面に配置され、搭載される発光素子チップの通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッドと、を備え、
   前記補助金属板の前記第一貫通孔は、その内周面が前記発光素子チップからの発光光束の反射面とされてなることを特徴とする発光素子用セラミック基板。
2. 前記補助金属板の厚さは前記発光素子チップの厚さよりも厚い請求項１に記載の発光素子用セラミック基板。
3. 前記基板本体の板面に沿う面状形態をなすとともに、前記基板本体の厚さ方向の途中の位置に埋設されてなり、前記素子搭載用金属パッド上に搭載された前記発光素子チップの面内放熱路として機能する金属製の放熱用面導体を備えた請求項１又は請求項２に記載の発光素子用セラミック基板。
4. 前記基板本体の第二主表面を覆う形で裏面側面導体が配置され、前記基板本体を厚さ方向に貫通する形で前記素子搭載用金属パッドと前記裏面側面導体とを電気的に接続するとともに、前記素子搭載用金属パッド上に搭載された前記発光素子チップの厚さ方向の放熱路として機能する放熱ビア導体が形成されてなる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子用セラミック基板。
5. 請求項３に記載の前記放熱用面導体と前記素子搭載用金属パッドとが、前記放熱ビア導体により接続されてなる請求項４記載の発光素子用セラミック基板。
6. 前記補助金属板は、発光素子用セラミック基板の第一主表面側の最上層部を形成している請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子用セラミック基板。
7. 前記補助金属板の第一主表面上に補助セラミック層が配置され、該補助セラミック層には前記第一貫通孔に対応する第二貫通孔が形成されている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子用セラミック基板。
8. 前記第一貫通孔に対応する位置にて前記基板本体の第一主表面に開口するとともに、該基板本体の厚さ方向の途中の位置に底面が位置する第二貫通孔が形成され、前記素子搭載用金属パッドが該第二貫通孔の底面上に形成されてなる請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子用セラミック基板。

Images