JP2006147999A - 発光素子用配線基板並びに発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高反射率である発光素子用配線基板とそれを用いた発光装置を提供する。
【解決手段】１層以上の絶縁層１を備えた絶縁基体３と、該絶縁基体３の表面に形成された前記絶縁基体３よりも高い全反射率の表面反射層１１と、前記絶縁基体３および前記表面反射層１１の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された配線層５、７、９とを具備してなることを特徴とする。
【選択図】図２

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配線基板およびそれらの素子を搭載した発光装置に関する。

近年、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。

このような発光装置においては、発光素子を搭載する発光素子用配線基板は、反射率の低い樹脂基板や、透光性のあるＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどにより形成されている（特許文献１、２参照）。
特開平１０−２１５００１号公報 特開平１１−１１２０２５号公報

しかしながら、反射率の低い樹脂を用いた場合には、取り出せる光の量が少なく、また、一般的なＡｌＮや、Ａｌ_２Ｏ_３は、透光性があり、且つ白色やクリーム色に呈色しているため、発光素子から放射された光が透過したり、特定波長が吸収されたりするため、発光素子から放射された光が基板側面や裏面部に漏れるため所望な方向の発光が小さくなり、また、演色性が低いという問題があった。

すなわち、反射率が高く、光漏れが少なく、演色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、反射率が高く、光漏れが少ない演色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ことを目的とする。

本発明の発光素子用配線基板は、絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成され、前記絶縁基体よりも高い全反射率を有する表面反射層と、前記表面反射層又は前記絶縁基体の主面に形成された発光素子を搭載する搭載部と、該搭載部に搭載される発光素子と接続される配線層と、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、前記絶縁基体が窒化アルミニウム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、前記表面反射層の全反射率が７０％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、前記表面反射層が、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、前記表面反射層が、無機フィラーを含有した樹脂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、前記表面反射層が、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化亜鉛の群から選ばれる１種以上を含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、前記表面反射層の厚みが２５μｍ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が、１層以上の絶縁層からなるとともに、前記搭載部側の表面に形成された前記絶縁層の透光率が２０％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、前記絶縁基体の熱伝導率が、１００Ｗ／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、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は、絶縁基体の表面に形成され、絶縁基体よりも高い全反射率の表面反射層を具備することで、絶縁基体の全反射率や、色調、透光率に影響を受けることなく、反射率が高く、光漏れが少なく、演色性に優れた発光素子用配線基板となる。

また、本発明の発光素子用配線基板は、絶縁層として高熱伝導率材である窒化アルミニウムを用いた場合には、発光素子から発生する熱を速やかに放出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とともに、絶縁基板の搭載部側の主面に前記絶縁層よりも高い全反射率を有する表面反射層を形成することにより、搭載部に搭載される発光素子が発する光の吸収や透過を抑えることができ、発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。

また、前記表面反射層の全反射率を７０％以上とすることで、発光素子からの放射光が絶縁基体を透過する、または、絶縁基体に吸収されることを効果的に防ぐことができ、特に発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。

また、前記表面反射層を、セラミックスにより形成することにより、高い反射率に加えて、高い熱伝導率を表面反射層に付与することができ、高い発光効率と高い熱放散性とを備えた発光素子用配線基板となる。

また、前記表面反射層を、無機フィラーを含有した樹脂とすることにより、安価で発光効率の良い発光素子用配線基板を容易に得ることができる。

また、前記表面反射層を、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化亜鉛からなる高反射材にて形成することにより、より高い全反射率が得られ、発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。

また、前記表面反射層を、無機フィラーを含有した樹脂とすることにより、安価に発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。

また、前記表面反射層の厚みを、２５μｍ以下にすることにより、反射層の熱抵抗を低く抑えられ、発光素子からの放熱性に優れた発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。

また、前記絶縁基体の透光率を、２０％以下とすることにより、光漏れを防ぎ、所望な方向からの発光が得られ、発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。

また、前記絶縁基体の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることで、熱放散性に優れた発光素子用配線基板となる。

また、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任意の方向に誘導することもできる。

また、枠体を安価で、加工性に優れた金属により形成することで、安価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、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、基板の特性による影響を抑制し、反射率が高く、光漏れが少なく、演色性に優れた発光装置となる。

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、絶縁層１ａ〜１ｃを積層してなる絶縁基体３と、この絶縁基体３の一方の主面３ａに形成された、搭載される発光素子との接続端子５と、絶縁基体３の他方の主面３ｂに形成された外部電極端子７と、接続端子５と外部電極端子７とを接続するために、絶縁基体３を貫通して形成された貫通導体９と、絶縁基体３の一方の主面３ａに形成された絶縁層１ａよりも高い全反射率を有する表面反射層１１とを具備している。

なお、本発明の発光素子用配線基板において、絶縁基体３は、バルク体であっても、図１（ａ）に示すような積層体であっても良い。

また、表面反射層１１が形成された側の発光素子用配線基板１３の主面には、発光素子が搭載される搭載部１５が形成されている。

この絶縁基板３は、熱伝導率の高い窒化アルミニウム質焼結体を用いることが望ましく、窒化アルミニウム質焼結体からなる絶縁層１ａと、絶縁層１ａの主面に形成された表面反射層１１とを組み合わせることで放熱性に優れ、例えば、光の反射率が低い窒化アルミニウム質焼結体を絶縁層１ａとして用いた場合であっても、発光素子用配線基板１３に搭載される発光素子からの光を効率よく利用することのできる発光素子用配線基板１３となるのである。

すなわち、この表面反射層１１によって搭載部に搭載される発光素子の放射する光が絶縁基板１の搭載部側の表面反射層１１により反射され、放射光が絶縁基体３に吸収、あるいは絶縁基体３を透過することを抑制することができる。

したがって、発光素子が直接、放射する光のみならず、絶縁基板１の主面に反射した光までも、任意の方向に誘導することができるため、より強い光を供給することが可能となり、発光効率を格段に高くすることができる。

つまり、本発明の発光素子用配線基板１３によれば、このような表面反射層１１を設けることで、絶縁基体３が、例えば、黒色であって非常に全反射率が低い場合であっても、あるいは、絶縁基体３の透光性が高い場合であっても、発光素子用配線基板１３の全反射率を高くすることができるのである。

そのため、絶縁基体３として、高熱伝導のＡｌＮや、安価で高強度のＡｌ_２Ｏ_３や、安価な樹脂製のプリント基板を用いた場合であっても、高い全反射率を実現することができ、絶縁基体３の特性を活かした発光素子用配線基板１３となる。

なお、絶縁基板１の搭載部１５側の表面反射層１１の全反射率は、７０％以上、特に、７５％以上、さらに８０％以上とすることが望ましい。

そして、この表面反射層１１を、例えば、セラミックスにより形成することで、高い全反射率と高い熱伝導率を表面反射層１１に付与することができる。このようなセラミックスにより、表面反射層１１を形成するには、例えば、絶縁基体３の表面に、セラミック粉末を含有するペーストを塗布した後、所定の温度で熱処理し、表面反射層１１を焼き付けることもできる。また、あるいは、溶射やＣＶＤなどの手法を用いてもよい。

なお、セラミックス粉末を含有するペーストを用いて表面反射層１１を形成する場合には、ガラス成分を含有させることで、焼き付け温度が低下するため、容易に表面反射層１１を形成することができる。また、ナノサイズのセラミックス粉末を用いた場合には、セラミックス粉末の焼結性が格段に向上するため、熱伝導率を低下させるおそれのあるガラス粉末を用いる必要がなくなるため、全反射率が高く、しかも熱伝導率の高い表面反射層１１を比較的低温で容易に形成することができる。

また、表面反射層１１を、セラミック粉末からなるフィラーと、樹脂との複合材により形成する場合には、この複合材を塗布する工程と、必要により複合材を乾燥、あるいは硬化する工程により、容易に、安価に表面反射層１１を形成することができる。

その場合、表面反射層１１の反射率、熱伝導率を高くするために、フィラーの含有率は、３０体積％以上、特に、４０体積％以上とすることが望ましい。

また、表面反射層１１を形成するセラミックス粉末、あるいはフィラーとして、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化亜鉛からなる高反射材料を用いることにより、より高い全反射率が得られる。

また、表面反射層１１の厚みを、２５μｍ以下にすることにより、表面反射層１１の熱抵抗を低く抑えられ、発光素子からの放熱性に優れた発光効率の良い発光素子用配線基板１３を得ることができる。特に、表面反射層１１の厚みは２０μｍ以下、さらに１５μｍ以下とすることが望ましい。

また、絶縁基体３の透光率を２０％以下とすることにより、光漏れを防ぎ、所望な方向からの発光が得られ、発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。この絶縁基体３の透光率は、特に１５％以下、さらに１０％以下とすることが望ましい。

また、絶縁基体３の熱伝導率を１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることにより、発光素子からの放熱性に優れた発光効率の良い発光素子用配線基板を得ることができる。絶縁基体３の熱伝導率は、特に１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが望ましい。そして、このような高い熱伝導率を有する絶縁基体３は、例えば、窒化アルミニウム質焼結体を用いることで実現することができる。

なお、窒化アルミニウムを主結晶相とする窒化アルミニウム質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、窒化アルミニウムのピークが主ピークとして検出されるようなもので、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、平均粒径が１．０〜１．５μｍ窒化アルミニウム粉末に、平均粒径が１．０〜１．５μｍのＹ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣａＯなどの焼結助剤を添加した成形体を焼成することで得られるものである。

そして、このような絶縁基体３の表面あるいは内部に、接続端子５、外部電極端子７、貫通導体９を形成することで、発光素子用配線基板１３に配線回路を形成することができる。そして、これらの配線回路に用いる導体をＷ、Ｍｏのうち少なくとも１種を主成分として形成することで、絶縁基体３と同時焼成して、接続端子５、外部電極端子７、貫通導体９を形成することが可能となり、安価な発光素子用配線基板１３を得ることができる。

また、接続端子５の表面にＡｌやＡｇめっきを施すことにより、反射率を向上させることができる。

また、例えば、図１（ｂ）に示すように、発光素子用配線基板１３の搭載部１５側に、搭載される発光素子を収納するための枠体１６を形成してもよい。

この枠体１６は、発光素子の発する光を反射して、光を所望の方向に誘導する機能を有していることが望ましく、枠体１６についても、発光素子の放射光を受ける内壁面１６ａの全反射率が７０％以上であることが望ましい。特に、７５％以上、さらに８０％以上とすることが望ましい。

そして、枠体１６においても、絶縁基体３の場合と同様に、熱伝導率は、特に、１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが好ましく、さらに、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましい。

このような特性を有する枠体１６を、セラミックスにより形成することで、絶縁基体３と枠体１６とを同時焼成することができ、工程が簡略化されるため、安価な配線基板１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１３となる。

また、安価で、加工性に優れた金属により枠体１６を形成することで、複雑な形状の枠体１６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１３を供給することができる。この金属製の枠体１６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１６の表面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ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１６を金属により形成する場合には、予め、絶縁基体３の主面３ａまたは表面反射層１１の主面に金属層１７を形成し、この金属層１７と枠体１６とを、例えば、接着剤によって接着することができる。

また、枠体１６の形状を、底の抜けたボウル、あるいはパラボラアンテナのようにすることで光の誘導効率を向上させることができる。

そして、本発明の発光装置２７は、例えば、図２（ａ）に示すように、以上説明した本発明の発光素子用配線基板１３の搭載部１５に、発光素子２１として、ＬＥＤチップ２１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５と電気的に接続して形成されるものである。

本発明の発光装置２７によれば、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３の全反射率よりも高い全反射率を有する表面反射層１１や枠体１６に反射させ、任意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２７となる。

また、絶縁基体３並びに枠体１６として熱伝導率が高い材料を用いた場合には、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（ｂ）に示すように、枠体１６を搭載した発光装置２７では、枠体１６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、接着剤２９により配線基板１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１３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。

配線基板の原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１μｍの窒化アルミニウム粉末、純度９９％以上、平均粒子径１μｍのＥｒ_２Ｏ_３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．５μｍのＣａＯ粉末、純度９９％以上を用いて、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、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グリーンシートを作製した。

また、平均粒子径２μｍのＷ、Ｍｏ粉末を用いて、表１に示す割合で金属粉末を混合し、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。

同様に、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化亜鉛粉末を用いて、表２に示す割合で、アクリル系バインダとアセトンとを溶媒として混合し、反射層ペーストを調製した。

そして、上記の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。なお、発光素子を収納する部位は打ち抜き加工によって貫通穴を作製した。

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、外形１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚み１．０ｍｍの積層体を作製した。そして、非酸化性雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、窒素水素混合雰囲気にて１７００〜１８００℃の最高温度で２時間焼成した。その後、反射層ペーストをスクリーン印刷法によって所定のパターン状に印刷塗布した。その後、９００〜１０００℃にて熱処理を行い、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。

以上の工程により、表１に示すように、Ａ〜Ｊの形態の配線基板を作製した。

さらに、一部の配線基板の搭載部が形成された側には、図２に示す枠体を形成した。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。また、表３に示す金属製の枠体を設けた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、共晶Ａｇ−Ｃｕのロウ材を用いて、８５０℃の条件で、枠体を絶縁基体に接合して作製した。

これらの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、発光装置を得た。

得られた発光装置を有機基板に半田にて実装し、発光装置に０．４Ａの電流を通電し、全放射束測定を行った。

また、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、絶縁基体の熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。

また、得られた配線基板にて、表面反射層の全反射率、絶縁層の透光率は、分光側色計により、以下の測定機器および条件にて測定した。

＜測定機器＞ ミノルタ製ＣＭ−３７００ｄ
＜基準光源＞ Ｄ６５
＜波長＞ ３６０、４００、７４０ｎｍ
＜視野＞ １０°
尚、絶縁層の透光率の測定は、得られた絶縁基体を厚み０．４ｍｍまで研磨し、測定を行った。

金属製枠体付きは、Ｂの形態にＡｌ並びにＣｕ−Ｗ合金を上述の方法にて接着した。

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３に示す。

本発明の範囲外の表面反射層を具備しない試料Ｎｏ．１５は、絶縁基体の反射率が３０％と低いため、十分な発光強度が得られなかった。

一方、本発明の試料Ｎｏ．１〜１４は、チップからの発熱も小さく、しかも十分な発光強度が得られた。

（ａ）は、本発明の配線基板の断面図であり、（ｂ）は、枠体を設けた本発明の配線基板の断面図である。 （ａ）は、本発明の電気装置、発光装置の断面図であり、（ｂ）は、枠体を設けた本発明の電気装置、発光装置の断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁層
３・・・絶縁基体
５ａ、５ｂ・・・配線層、接続端子
７・・・配線層、外部電極端子
９・・・貫通導体
１５・・・搭載部
１３・・・配線基板
１６・・・枠体
１６ａ・・・枠体の内壁面
２１・・・発光素子
２７・・・発光装置

Claims (12)

1. 絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成され、前記絶縁基体よりも高い全反射率を有する表面反射層と、前記表面反射層又は前記絶縁基体の主面に形成された発光素子を搭載する搭載部と、該搭載部に搭載される発光素子と接続される配線層と、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. 前記絶縁基体が窒化アルミニウム質焼結体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. 前記表面反射層の全反射率が７０％以上であ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. 前記表面反射層が、セラミックスからなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
5. 前記表面反射層が、無機フィラーを含有した樹脂からな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。
6. 前記表面反射層が、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化亜鉛の群から選ばれる１種以上を含有することを特徴とする請求項４又は５のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
7. 前記表面反射層の厚みが２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１及至６のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
8. 前記絶縁基体が、１層以上の絶縁層からなるとともに、前記搭載部側の表面に形成された前記絶縁層の透光率が２０％以下であることを特徴とする請求項１及至７のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
9. 前記絶縁基体の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１及至８のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
10. 前記発光素子用配線基板の前記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９のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
11. 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１０のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
12. 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。
    
    

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