JP2006156447A - 発光素子用配線基板ならびに発光装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱放散性及び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】セラミックスからなる絶縁層１を複数積層してなる絶縁基体３と、該絶縁基体３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、７と、前記絶縁基体３を貫通して設けられた前記絶縁層１よりも高い熱伝導率を有する貫通金属体１１と、発光素子２５を搭載する搭載部１５と、を具備する発光素子用配線基板１７であって、該貫通金属体１１の側面に段差部が形成されているとともに、前記絶縁層１の積層面に、前記段差部の端部から前記絶縁層１の積層面に金属層１３が延設されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、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およびそ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化、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、温度上昇による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）。
そして、発光素子用配線基板の放熱性を改善する手段として、発光素子用配線基板に放熱穴を形成するとともに、発光素子が形成される側の放熱穴を覆う補助セラミックシートを設け、この補助セラミックシートに発光素子を搭載することが提案されている。また、この手法では、放熱穴に金属ペーストを充填することも提案されている（特許文献４参照）。
特開２００２−１２４７９０号公報 特開平１１−１１２０２５号公報 特開２００３−３４７６００号公報 特許３４６９８９０号公報
しかしながら、特許文献４に記載の方法では、放熱穴を形成した場合においても放熱穴の内部は熱伝導性の悪い空気が存在するのみで、放熱性を格段に向上させることは望めない。
また、放熱穴に金属ペーストを充填したとしても、そもそも、金属ペーストの熱伝導率は金属よりも格段に低く、放熱性の劇的な改善は見込めない。しかも、発光素子用配線基板と導体ペーストの固定、接続の信頼性に関する問題が依然、解決されていないのである。
従って本発明は、熱放散性、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、セラミックスからなる絶縁層を複数積層してなる絶縁基体と、該絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された導体層と、前記絶縁基体を貫通して設けられた前記絶縁層よりも高い熱伝導率を有する貫通金属体と、発光素子を搭載する搭載部と、を具備する発光素子用配線基板であって、該貫通金属体の側面に段差部が形成されているとともに、前記絶縁層の積層面に、前記段差部の端部から前記絶縁層の積層面に金属層が延設され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、前記金属層の段差部端部からの延設距離が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、前記貫通金属体が、該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な断面積を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、前記貫通金属体および前記金属層が、Ｗ、Ｍｏ、ＣｕおよびＡｇ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、前記貫通金属体および前記金属層が、金属とセラミックスとを含有する複合体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、前記貫通金属体が、電気回路を形成し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、前記絶縁基体の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、且つ熱膨張係数が８．５×１０−６／℃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、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ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、前記絶縁基体が、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３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、前記発光素子用配線基板の主面に形成された、前記貫通金属体のメタライズ層と前記絶縁基板との境界を金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層により被覆したことが望ましい。
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、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の製造方法は、少なくとも、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を作製する工程と、金属粉末と樹脂とを含有する導体ペーストを前記複合積層体のセラミックグリーンシートと金属シートとの境界を覆うように形成する工程と、少なくとも異なる大きさの金属シートが埋め込まれた前記複合成形体同士を積層して段差のある金属シートを具備する積層体を作製する工程と、該積層体を焼成する工程と、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、絶縁基体よりも、さらに高い熱伝導率を有する貫通金属体を、前記絶縁基体を貫通して設けることで、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るため、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。しかも、絶縁基体をセラミックスにより形成することにより、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、高い信頼性を有している。
さらに、貫通金属体の側面に段差を設けることで、貫通金属体と絶縁基体との接触面積が増加するために両者の接着力が増加して、貫通金属体が抜け落ちることがなくなる。しかも、前記貫通金属体の端部から前記絶縁基体の積層面に金属層を延設することにより、前記貫通金属体と前記絶縁基体の両者の熱膨張係数の相違に起因して発生する応力が、前記貫通金属体端部近傍に集中することを緩和できるため、配線基板に外力や熱衝撃力が印加されても、クラックや剥離がほとんど発生せず、高い接合信頼性を得ることができる。
また、前記貫通金属体を、該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な断面積とすることにより、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。
また、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分として前記貫通金属体および前記金属層を形成することで、絶縁基体との同時焼成による表面および内部配線形成が可能となり、且つ熱放散性に優れた安価な発光素子用配線基板を得ることができる。
また、前記貫通金属体および前記金属層を少なくとも金属材料とセラミック材料とを含有する複合体とすることにより、貫通金属体に所望の特性を制御することが容易となり、例えば、金属体との熱膨張係数を近づけた場合には、熱膨張のミスマッチによる金属体―発光素子用配線基板間でのクラック発生を抑制でき、且つセラミック材料が絶縁基体との接着強度を高めることができる。また、貫通金属体と絶縁基体とを同時焼成することが可能となり、工程を簡略化することもできる。
また、前記貫通金属体の少なくとも一方の端面を絶縁膜で覆うことにより、外部端子との短絡が防止でき、また、発光装置をプリント板などに実装する際に貫通金属体直下に配線を配すことが可能となるため機器を小型化することができる。また、絶縁膜を発光素子搭載側に形成した場合には、発光素子電極間の短絡を防止でき、発光素子のフリップチップ実装を簡便にすることができる。
また、前記貫通金属体の熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることで、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、且つ絶縁基体との熱膨張差Δαを４×１０−６／℃以下とすることにより、絶縁基体との熱膨張差を小さくすることができるため、貫通金属体と絶縁基体との接合信頼性を向上させることができる。
また、前記貫通金属体に、電気回路としての機能を付与することにより、導通端子が不要となり、発光素子用配線基板の小型化が可能となる。
また、前記絶縁基体を、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体により形成することで、安価な原料を使用できるため、安価な発光素子用配線基板を得ることができる。
また、絶縁基体の熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とし、且つ熱膨張係数を８．５×１０−６／℃以上とすることで、絶縁基体自体の放熱性を向上させることができ、貫通金属体との熱膨張差を小さくすることができるため、貫通金属体と絶縁基体との接合信頼性を向上させることができる。また、絶縁基体の熱膨張係数が大きくなっているため、貫通金属体の金属含有量も増加させることができ、貫通金属体の熱伝導率も高くすることができる。
また、絶縁基体を、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体により形成することで、絶縁基体の熱膨張係数を１０×１０−６／℃程度に制御できるため、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の実装信頼性が向上できる。
また、前記発光素子用配線基板の主面に形成された、前記絶縁基板と前記貫通金属体との境界を、金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層により被覆することで金属体と絶縁基体との熱膨張差を緩衝し、境界間でのクラックの発生を抑制できる。
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、発熱による輝度低下を抑制できる。
また、本発明の発光素子用配線基板の製造方法によれば、以上説明し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層１を積層して形成された絶縁基体３と、絶縁基体３の主面３ａに形成された発光素子との接続端子５、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、接続端子５と外部電極端子７とを電気的に接続するように、絶縁基体３を貫通して設けられた貫通導体９と、絶縁基体３を貫通して設けられた絶縁基体３よりも熱伝導率が高く側面に段差部が形成された貫通金属体１１及び貫通金属体１１の端部から絶縁基体３の積層面に延設された金属層１３から形成され、一方の接続端子５ａと他方の接続端子５ｂとの間には、発光素子を搭載するための搭載部１５が形成されている。
また、例えば、本発明の発光素子用配線基板１７は、図１（ｂ）に示すように、搭載部１５側に、搭載される発光素子から発せられる光を所定の方向に反射、誘導するための枠体１９が形成されている。この枠体１９は、金属や樹脂などからなる接着層２１によって絶縁基体３に接続されている。また、あるいは、枠体１９は、絶縁基体３と一体化して形成されていてもよい。
本発明の発光素子用配線基板１７によれば、発光素子用配線基板１７に搭載される発光素子からの熱を効率的に放熱するために、絶縁基体３よりも高い熱伝導率を有する貫通金属体１１が、絶縁基体３を貫通して設けられてなることが重要である。
また、貫通金属体１１は、図１（ａ）に示すように階段状の形態や、図１（ｂ）に示すように貫通金属体１１の露出面側を絞り込むような形状にすることにより、貫通金属体１１と絶縁基体３との接触面積が増加するため、両者の固定がより容易となる。特に、図１（ｂ）のように、絶縁基体３に埋設された部分の貫通金属体１１が、絶縁基体３から露出した部分の貫通金属体１１よりも大きくなるような形態では、貫通金属体１１を物理的に強固に固定することができる。
また、本発明の発光素子用配線基板１７によれば、段差部を設けた貫通金属体１１の端部の近傍に集中する応力を緩和するために、貫通金属体１１の段差部の端部から延設された金属層１３を有することも重要である。
このように貫通金属体１１を延設するように金属層１３を設けることで、段差部に集中する応力を緩和することができ、貫通金属体１１に段差部を設けた場合でも、絶縁基体３の積層面への亀裂の発生を抑制することができる。
すなわち、本発明の発光素子用配線基板１７によれば、貫通金属体１１に段差部を設けるとともに、この段差部から延設される金属層１３を設けることで、格段に放熱性が高く、しかも、絶縁層１の積層面への亀裂の発生が抑制された信頼性に優れた発光素子用配線基板１７となるのである。
また、金属層１３の延設された幅Ｗは、応力緩和の観点から５０μｍ以上とすることが望ましく、特に、２００μｍ以上、さらには４００μｍ以上とすることが望ましい。
また、貫通金属体１１の貫通方向に直交する面の最小断面積を発光素子用配線基板１７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１１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、断面積は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。
また、貫通金属体１１およびこれらの配線回路を形成する配線層５、７、９を、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ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、貫通金属体１１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１７を迅速に作製することができる。
なお、貫通金属体１１には、上記の金属に加えて、貫通金属体１１の熱膨張係数、焼結挙動を制御するために無機粉末を含有させることもできる。その含有量は、０〜５質量％の割合が望ましく、高熱伝導率を得るためには、０〜４質量％がより望ましく、好適には０〜３質量％が良い。
また、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３と貫通金属体１１とが強固に接合された発光素子用配線基板１７を容易に作製することができる。また、貫通金属体１１は、金属粉末と樹脂との複合体によっても形成することもできるが、その場合には、同時焼成することはできず、熱伝導率の低い樹脂を用いるために貫通金属体１１の熱伝導率も低下するという欠点がある。
貫通金属体１１の熱膨張係数を制御する上では、貫通金属体１１の熱膨張係数を絶縁基体３の熱膨張係数に近くすることが望ましく、両者の熱膨張ミスマッチを防ぐことで、さらに、高信頼性の発光素子用配線基板１７とすることができる。特に、絶縁基体３と貫通金属体１１との熱膨張係数差は４．０×１０−６／℃以下が良く、更に好適には２．０×１０−６／℃以下が良く、最も好適には１．０×１０−６／℃以下が良い。
また、この貫通金属体１１に、電気回路としての機能を付与した場合には、小型で、しかも放熱性に優れた発光素子用配線基板１７となる。
また、この絶縁基体３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１７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。
また、このような焼結体は、例えば、平均粒径１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ２Ｏ３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍ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１３００〜１５００℃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を１５質量％以下とした場合には、得られる絶縁基体３の大部分をＡｌ２Ｏ３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５質量％以上、さらには７質量％以上添加することが望ましい。なお、絶縁基体３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。
また、この発光素子用配線基板１７に用いる絶縁基体３の熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、且つ熱膨張係数を８．５×１０−６／℃以上とすることが望ましく、このような絶縁基板を用いた場合には、高熱伝導で、しかも、熱膨張係数の大きい貫通金属体１１や外部のプリント基板などとの熱膨張差を小さくすることができるため、接続信頼性を格段に高くすることができる。また、搭載される発光素子を被覆するために設けられる樹脂などとの接合信頼性も同時に改善されることはいうまでもない。
そして、例えば、この絶縁基体３として、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体を用いることで、絶縁基体の熱膨張係数を１０×１０−６／℃程度に制御できるため、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の実装信頼性が向上できる。また、熱伝導係数についても、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を達成することができる。
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、このような焼結体は、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ものである。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３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、絶縁基体３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５や外部電極端子７や貫通導体９などの配線層が形成された発光素子用配線基板１７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、貫通金属体１１を形成することで、発光素子用配線基板１７に配線回路を形成することができる。
かかる貫通金属体１１は、実質的に同一厚みのセラミックグリーンシートと、金属材料または、金属材料とセラミック材料からなる金属シートを作製する工程と、セラミックグリーンシートの所定箇所に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を形成したセラミックグリーンシートに金属シートを積層する工程と、セラミックグリーンシートにおける貫通孔形成部分を金属シート側から押圧することによって、金属シートの一部を前記貫通孔内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートとを一体化した成形体を焼成することで形成できる。
なお、この金属シートは、例えば、金属粉末に、必要に応じて樹脂、溶剤やセラミック粉末などを添加したスラリーをドクターブレード法などにより成形することで容易に作製することができる。
例えば、先ず、図２（ａ）に示すように、貫通穴５１が形成された下金型５３にセラミックグリーンシート５５を載置して、図２（ｂ）に示すように、上金型５７によりセラミックグリーンシート５５に貫通孔５９を形成した後、上金型５７と不要なセラミックグリーンシート５５ｂを除去する。
次に、図２（ｃ）に示すように、貫通孔５９が形成されたセラミックグリーンシート５５ｂの上に、予め作製しておいたセラミックグリーンシート５５ｂと略同じ厚みの金属シート６１を載置する。
次に、上金型５７により、貫通孔５９と重なる部分の金属シート６１ａを、図２（ｄ）に示すように、貫通孔５９内に押し込み、図３（ｅ）に示すように、上金型５７と不要な金属シート６１ｂとを除去することで、図３（ｆ）に示すようなセラミックグリーンシート５５ａと金属シート６１ａとが一体した複合シート６３を得ることができる。
次に、この複合シート６３に対して、図３（ｇ）に示すように、金属粉末と樹脂とを含有する導体ペーストを印刷して、焼成後に金属層となる金属層成形体６５を形成する。
次に、このようにして作製した金属層成形体６５、金属シート６１ａを備えた複合シート６３を、図３（ｆ）に示すように積層して作製した成形体を焼成することで図１に示すような発光素子用配線基板１７を容易に作製することができる。
また、金属シート６１ａをセラミックグリーンシート５５に押し込むにあたり、貫通孔５９を形成する工程と、金属シート６１ａをセラミックグリーンシート５５に押し込む工程とを同時に行っても良い。
また、図２、３では、貫通導体９については、触れていないが必要に応じ、貫通導体９を形成するための貫通孔を設け、導体ペーストをこの貫通孔に充填して、積層体を形成した後、焼成することで貫通導体９を形成することができるのはいうまでもない。
そして、これらの配線回路に用いる導体および貫通金属体１１を、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ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、貫通金属体１１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１７を得ることができる。
また、接続端子５および貫通金属体１１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、絶縁基体３の主面に形成された、絶縁基体３と貫通金属体１１との境界を、金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層２３により被覆することが望ましい。これらの被覆層２３で貫通金属体１１と絶縁基体３との境界を被覆することにより、両者の熱膨張差を緩衝し、境界でのクラックの発生を抑制することができる。
また、枠体１９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１９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１７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１７となる。
また、安価で、加工性に優れた金属により枠体１９を形成することで、複雑な形状の枠体１９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１７を供給することができる。この金属製の枠体１９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１９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１９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に金属パターン（図示せず）を形成し、この金属パターンと枠体１９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。
そして、以上説明した本発明の発光素子用配線基板１７の搭載部１５に、例えば、図４（ａ）に示すように発光素子２５として、ＬＥＤチップ２５などを搭載し、ボンディングワイヤ２７により発光素子２５に給電することにより、発光素子２５を機能させることができ、発光素子２５からの発熱を貫通金属体から速やかに放出するためことができるため、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、熱膨張係数をプリント基板に近いものとすることにより、プリント基板やモールド材との熱膨張係数のミスマッチを抑制できるため、接合信頼性の高い発光装置２９ができる。
この発光素子用配線基板１７と発光素子２５との接続には、金属や樹脂からなる接続層３１が用いられる。特に、発光素子２５の熱を貫通金属体１１に効率よく伝達するという観点から、接続層３１として半田、インジウム、ＡｕＳｎ合金などの金属を用いることが望ましい。
なお、本発明においても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。
また、発光素子用配線基板１７に形成された搭載部１５に、例えば発光素子２５として、ＬＥＤチップ２５などを搭載し、ボンディングワイヤ２７により、ＬＥＤチップ２５と接続端子５と電気的に接続して、給電することにより、発光素子２５の放射する光を絶縁基体３や枠体１９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２９となる。また、絶縁基体３並びに枠体１９の熱伝導率が高いため、発光素子２５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４（ｂ）に示すように、発光素子２５を搭載した側の発光素子用配線基板１７の主面３ａに、枠体１９を搭載した発光装置２９では、枠体１９の内側に発光素子２５を収納することで、容易に発光素子２５を保護することができる。
なお、図４（ａ）、（ｂ）に示した例では、発光素子２５は、接着剤２９により発光素子用配線基板１７に固定され、電力の供給はボンディングワイヤ２７によりなされているが、発光素子用配線基板１７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２５は、モールド材３３により被覆されているが、モールド材３３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３３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２５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２５を搭載する場合には、必要に応じて、このモールド材３３に発光素子２５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９を設けた例について説明したが、貫通導体９を設けない場合であってもよく、また、絶縁基体３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。
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、純度９９％以上、平均粒径１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を用いて、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ＭｇＯを主成分とするグリーンシートを作製した。
また、原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒子径１．３μｍのＭｎ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ２粉末を用いて、表２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Ａｌ２Ｏ３を主成分とするグリーンシートを作製した。
これらの表１、２のＡ〜Ｈの組成を有するセラミック粉末を含有するグリーンシートに対して、それぞれ、表１、２に示す導体ペーストと金属シートを作製した。
導体ペーストは、平均粒子径２μｍのＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ粉末およびセラミック材料として平均粒子径１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を用いて、表１、２に示す割合で金属粉末と無機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て調製した。
また、金属シートは、導体ペーストと同様の割合で、表１、２に示す金属粉末と無機粉末と成形用有機樹脂（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、金属シートとなる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と実質的に同一厚みの金属シートを作製した。
次に、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、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。
そして、セラミックグリーンシートの所定箇所に貫通孔を形成し、セラミックグリーンシートにおける貫通孔形成部分を金属シートから押圧することによって、金属シートの一部を貫通孔内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートとを一体化した。このセラミックグリーンシートと金属シートとを一体化したシートに、金属シートと同材質の導体ペーストを、焼成後に金属シートの端部から表３に示す所定量だけ、金属層が延設するようにスクリーン印刷法で塗布した。
このようにして作製した金属シートと一体化され、金属層となる導体ペーストを塗布され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、焼成後に外形１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．６ｍｍとなる積層体を作製した。
また、枠体をセラミックグリーンシートにより形成する試料については、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。
なお、その枠体と絶縁基体とを同時焼成して作製する試料については、焼成後に、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの外形寸法を有し、枠体の発光素子用配線基板の搭載部が形成された側に、絶縁基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枠体を形成した。
そして、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１３００〜１５００℃の最高温度で２時間焼成した。
こうして、図１（ａ）に示すような階段状の貫通金属体及び図１（ｂ）に示すような側面が凸状の貫通金属体を有する発光素子用配線基板を作製した。
なお、本実施例においては、いずれも３層の絶縁層の積層体により、発光素子用配線基板を作製した。表３において、貫通金属体の形状が、階段状と記載したものは、搭載部側から、順に０．７〜１．２ｍｍ□、２ｍｍ□、２ｍｍ□の形状の貫通金属体を形成したものである。側面凸状と記載したものは、搭載部側から、順に１ｍｍ□、２ｍｍ□、１ｍｍ□の形状の貫通金属体を形成したものである。
また、比較例として、貫通金属遺体の側面に凹凸がなく、金属層もない試料も作製した。なお、比較例においては、絶縁層を３層構造とし、３層の貫通金属体を全て１ｍｍ□として作製した。
また、他の比較例として、貫通金属体を設けない試料も作製した。
その後、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。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、一部の試料については、焼成した後で、絶縁基体と貫通金属体との境界にエポキシ樹脂を塗布し、１５０℃、１時間の条件で硬化させ、約２０μｍの厚みの被覆層を形成した。
また、金属製の枠体としては、熱膨張係数が２３×１０−６／℃、熱伝導率が２３８Ｗ／ｍ・ＫのＡｌ製金属枠体と、熱膨張係数が６×１０−６／℃、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・ＫのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製金属枠体とを用いた。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。
これらの発光素子用配線基板に接着剤として半田を用いて出力１．５Ｗの発光素子である１ｍｍ□の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５００サイクル行い、１００サイクルごとに基板を抜き取り、切断してＳＥＭ観察を行い貫通金属体と絶縁基体界面の接合状況を確認した。
また、発光装置に０．４Ａの電流を通電し、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主結晶相を同定した。
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、熱膨張係数はＴＭＡにより、２５〜４００℃の範囲で測定した。
また、一部の試料については、作製した発光素子用配線基板の絶縁基体と貫通金属体との接着状態を確認するため、押し抜き試験として、１ｍｍΦの円柱棒を貫通導体のチップ側の端面に押し当てながらヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎにて荷重をかけてゆき、貫通導体が押し抜かれたときの荷重を測定した。
なお、１ｍｍΦの円柱棒の貫通導体と接する部分には、貫通導体よりも０．１５ｍｍ小さい四角のアタッチメントを取り付けて、押し抜き加重を測定した。
以上の工程により作製した発光素子用配線基板の特性と、試験結果を表３に示す。
Figure 2006156447
Figure 2006156447
Figure 2006156447
表３に示すように、本発明の範囲外である貫通金属体がない試料Ｎｏ．２３では、放熱性が劣るため、全放射束が１６０ｍｗと低くなった。
また、本発明の範囲外である貫通金属体の側面に凹凸のない試料Ｎｏ．２２では、放熱性に問題はないものの貫通金属体の押し抜き試験において２００ｇの加重で貫通金属体が押し抜かれ、信頼性に難がある。
また、貫通金属体から延設された金属層がない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１、５は温度サイクル試験１００サイクルにおいて、Ｎｏ．１６は投入前の断面観察において、貫通金属体端部を起点に絶縁基体内部にクラックが発生していた。
一方、本発明の試料Ｎｏ．２〜４、６〜１５、１７〜２１は、１００サイクル経過後においても、貫通金属体と絶縁基体との界面にクラックや剥離といった異常はなく、ＬＥＤチップの過剰な加熱も発生せず、高い発光効率を実現することができた。
（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。 は、本発明の発光素子用配線基板の製造方法を説明するための断面図である。 は、本発明の発光素子用配線基板の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）は、本発明の発光装置の断面図であり、（ｂ）は、枠体を設けた本発明の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
５・・・接続端子
７・・・外部電極端子
９・・・貫通導体
１１・・・貫通金属体
１３・・・金属層
１５・・・搭載部
１７・・・発光素子用配線基板
１９・・・枠体
１９ａ・・・枠体の内壁面
２５・・・発光素子
２７・・・ボンディングワイヤ
２９・・・発光装置

Claims (13)

  1. セラミックスからなる絶縁層を複数積層してなる絶縁基体と、該絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に形成された導体層と、前記絶縁基体を貫通して設けられた前記絶縁層よりも高い熱伝導率を有する貫通金属体と、発光素子を搭載する搭載部と、を具備する発光素子用配線基板であって、該貫通金属体の側面に段差部が形成されているとともに、前記絶縁層の積層面に、前記段差部の端部から前記絶縁層の積層面に金属層が延設されていることを特徴とする発光素子用配線基板。
  2. 前記金属層の段差部端部からの延設距離が５０μｍ以上であ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. 前記貫通金属体が、該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な断面積を有することを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子用配線基板。
  4. 前記貫通金属体および前記金属層が、Ｗ、Ｍｏ、ＣｕおよびＡｇ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３のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  5. 前記貫通金属体および前記金属層が、金属とセラミックスとを含有する複合体であることを特徴とする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. 前記貫通金属体が、電気回路を形成していることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の発光素子用配線基板。
  7. 前記絶縁基体の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、且つ熱膨張係数が８．５×１０−６／℃以上であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに発光素子用配線基板。
  8. 前記絶縁基体が、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体から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. 前記絶縁基体が、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体からな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。
  10. 前記発光素子用配線基板の主面に形成された、前記貫通金属体のメタライズ層と前記絶縁基板との境界を金属、セラミックス、樹脂のうち少なくとも１種を主成分とする被覆層により被覆した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. 前記発光素子用配線基板の搭載部が形成された側の主面に、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。
  13. 少なくとも、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を作製する工程と、金属粉末と樹脂とを含有する導体ペーストを前記複合積層体のセラミックグリーンシートと金属シートとの境界を覆うように形成する工程と、少なくとも異なる大きさの金属シートが埋め込まれた前記複合成形体同士を積層して段差のある金属シートを具備する積層体を作製する工程と、該積層体を焼成する工程と、を具備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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