JP2006165029A - 発光素子実装用基板及び発光素子パッケージ体 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子からの光の取り出し効率に優れ、低コストで生産可能な発光素子実装用基板及びそれを用いた発光素子パッケージ体の提供。
【解決手段】 コア金属１２の表面に、原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料からなるホーロー層１３が設けられたことを特徴とする発光素子実装用基板１１。この発光素子実装用基板に発光素子１５が実装され、該発光素子が透明な封止樹脂１８により封止されていることを特徴とする発光素子パッケージ体１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を実装するための発光素子実装基板及び該基板に発光素子を実装してパッケージした発光素子パッケージ体に関する。

発光素子は外力からの保護、発した光の指向角の制御、発光素子への電力の供給などの観点から、パッケージ化されるのが一般的である（例えば、特許文献１，２参照）。
図４は、特許文献１に開示された従来の発光素子パッケージ構造の一例を示す図であり、このパッケージ構造は、実装した発光素子１から出射した光を前方に効率よく放射させるための傾斜面を持つ反射凹部と発光素子通電用の一対の電極４とを有するパッケージ５と、このパッケージ５内に実装されたＬＥＤなどの発光素子１と、該一方の電極４上に固定された該発光素子１と他方の電極４とを電気的に接続している金属細線２と、発光素子１を外気から封止するためにパッケージ５の反射凹部に充填された透明な封止樹脂３とから構成されている。

このような発光素子パッケージ構造において、ＬＥＤなどの発光素子の発光強度を高めるためには、パッケージの放熱性を高め、発光素子の昇温を抑制することが有効である。放熱性の高い材料としては、例えば、窒化アルミニウム、コアに金属を用いたメタル基板などが挙げられる。

従来の発光素子パッケージ構造において、前記反射凹部を有するパッケージを構成する材料としては、射出成型法で簡便に作製できるポリアミド系の樹脂などがコスト的な観点から最適な素材と言える。

一方、パッケージの放熱性を高めるため、セラミックス製のパッケージが近年用いられている。特に、アルミナ（酸化アルミニウム）は、可視光の表面反射率が高く、放熱性、電気絶縁性も高く、ＬＥＤなどの発光素子のパッケージとしては最適な素材と言える。
特開昭６２−２２４９８６号公報 特開２００３−３５７４９７号公報 特許第３０４５６０８号公報

しかしながら、図４に示したように傾斜面を持った反射凹部を樹脂で成型した場合、樹脂の光反射率がそれほど高くないことから、その反射凹部で発光素子からの光を効率良く反射させることができない。

また、アルミナ製のパッケージを作製する場合には、図示したような傾斜面を持つ反射凹部を有する構造は成型が困難であるという問題があった。この場合の成型法としては、ドリル加工のようにアルミナ基板を機械的に削って傾斜を持つ貫通孔を形成することが考えられるが、この場合、アルミナ基板が硬くて脆いという特性から、反射凹部の表面を平滑にすることが難しい。表面が平滑でない反射凹部を持ったパッケージを発光素子実装用基板に用いると、反射凹部の表面で光が散乱してしまい、光の取り出し効率が低下してしまう問題がある。

さらに、放熱性を向上させるため、反射凹部を有するパッケージの材料として窒化アルミニウムを用いた場合は、前記のアルミナと同様、反射凹部の表面の平滑性を保つのが難しく、さらに窒化アルミニウム自体の光反射率が低いことから、アルミナの場合と同様に、光の取り出し効率が低下してしまう問題がある。

また、特許文献２には、図５に示すように、傾斜面を持つ反射凹部を有するパッケージ５の該反射凹部に、反射率の良好な金属からなる反射体６を取り付けた構造が開示されているが、この構造は反射体６を組み立てるのに工数がかかり、製造コストが増加するため、パッケージを低コストで生産することが難しいという問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、発光素子からの光の取り出し効率に優れ、低コストで生産可能な発光素子実装用基板及びそれを用いた発光素子パッケージ体の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コア金属の表面に、原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料からなるホーロー層が設けられたことを特徴とする発光素子実装用基板を提供する。

本発明の発光素子実装用基板において、実装した発光素子から発する光を反射する傾斜面を持った反射凹部が設けられていることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板において、発光素子実装位置に延びる発光素子通電用の電極がホーロー層上に設けられたことが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子実装用基板に発光素子が実装され、該発光素子が透明な封止樹脂により封止されていることを特徴とする発光素子パッケージ体を提供する。

本発明の発光素子パッケージ体において、発光素子が発光ダイオードであることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板は、コア金属の表面に、原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料からなるホーロー層が設けられたものなので、ホーロー層表面の光反射率が高くなり、発光素子の発光強度が高くなり、発光素子からの光の取り出し効率に優れ、また低コストで生産することができる。
また、コア金属はセラミックスなどと比較して、機械加工が容易であり、傾斜面を持つ凹部を簡単に形成でき、該凹部にホーロー層を被覆形成することで光反射率の高い反射凹部を簡単に作製できるので、従来の反射板等を取り付ける構造の基板と比べ、組み立てに係わるコストを抑制できるとともに、反射板等を取り付けた構造において問題となる封止樹脂への気泡の混入を防ぐことができる。
また、コア金属はセラミックスなどと比較して、機械加工が容易であり、複数の発光素子を実装できるような複雑な基板構造であっても容易に作製でき、基板形状の設計自由度を広げることができる。
また、ホーロー層にアルミナを混ぜることにより、放熱性が向上し、ＬＥＤなどの発光素子の発光強度を向上できる。
本発明の発光素子パッケージ体は、前述した本発明に係る発光素子実装用基板に発光素子を実装し、発光素子を透明な封止樹脂により封止したものなので、発光素子からの光の取り出し効率に優れ、また低コストな発光素子パッケージ体を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の発光素子実装用基板及びそれを用いた発光素子パッケージ体の一実施形態を示す断面図であり、図１中、符号１０は発光素子パッケージ体、１１は発光素子実装用基板、１２はコア金属、１３はホーロー層、１４は電極、１５は発光素子、１６は金属細線、１７は反射凹部、１８は透明な封止樹脂である。

本実施形態の発光素子実装用基板１１は、反射凹部１７となる傾斜した壁面を持つ擂り鉢状の凹部を有するコア金属１２と、該コア金属１２の表面を覆うホーロー層１３と、該ホーロー層１３上に設けられた発光素子実装位置に延びる発光素子通電用の電極１４とから構成されている。また、本実施形態の発光素子パッケージ体１０は、前記発光素子実装用基板１１に発光素子１５が実装され、該発光素子１５が透明な封止樹脂１８により封止された構成になっている。

コア金属１２を覆うホーロー層１３は、表面の光反射率を向上させるため、ガラスなどの原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料からなっている。このホーロー層１３は、原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料を用いたことによって、コア金属１２表面に焼結後、割れを生じ難く、表面平滑性に優れ、表面の光反射率が高いものとなる。アルミナの添加量が５質量部未満であると、アルミナ添加によるホーロー層表面の光反射率向上効果が不十分となり、発光強度が低下する。一方、アルミナの添加量が５０質量部を超えると、コア金属１２表面に焼結後、割れを生じ易くなり、また表面平滑度が悪くなり、光の散乱によって発光強度が低下する。ホーロー層１３はコア金属１２の表面を全て覆って設けるだけでなく、少なくとも反射凹部１７側の面あるいは少なくとも反射凹部１７に積層されていれば良い。

コア金属１２の材質は、特に限定されないが、ホーロー層１３を強固に焼結でき、安価であり、かつ加工が容易な金属材料が好ましく、例えば、低炭素鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。また、ガラス層の密着性を向上させるため、金属表面を酸化処理してもよい。コア金属１２の形状も特に限定されず、例えば円板状、角板状などの種々の形状の金属板や凹凸を有する形状とすることができる。コア金属１２に反射凹部１７となる凹部を形成する方法も限定されず、ドリルなどによる切削加工法、研磨材による研磨加工などを用いて形成することができる。

コア金属１２の表面をホーロー層１３で覆ったホーロー基板の作製方法の一例を説明すると、まず、低炭素鋼板などのコア金属１２にプレス加工などによって反射凹部１７となる傾斜面を持った擂り鉢状の凹部を作製する。一方、適当な分散媒にガラス粉末と所定量のアルミナ粉（酸化アルミニウム）を混ぜてホーロー層形成用の分散液を作製する。次に、その分散液を前記コア金属１２の表面に塗布し、高温で焼結してホーロー層１３を作製する。コア金属１２に形成した凹部にもホーロー層１３が積層され、平滑で光反射率の高い傾斜面を持った反射凹部１７が形成される。

ドリル加工など機械的に切削して傾斜面を持つ反射凹部１７を作製する場合、前述したように表面の平滑度を保つことが難しいと言えるが、低炭素鋼のような金属は加工がし易いことと、さらに、表面の平滑度が確保できなくてもホーロー層１３を積層させることにより、凹凸のある部分は凹凸が補正されて、焼結後に得られるホーロー層１３表面の平滑度は一般に高い。従って、反射凹部１７の傾斜面の平滑度も高くなり、光反射率の高い反射凹部１７が容易に得られる。

発光素子１５に電力を供給する電極１４及び金属細線１６は、例えば以下の（１）〜（３）の方法により形成できる。
（１）反射凹部１７内に、厚膜銀ペースト層で電気回路を作製し、ギャップを介して対向した一方の電極１４に発光素子１５を実装し、他方の電極１４に金ワイヤなどの金属細線１６をボンディングする。
（２）金属箔などで電極１４を用意し、これをホーロー層１３上に接着し、発光素子１５を前記（１）と同様に実装すると共に、電気的に接続する。
（３）反射凹部１７外に用意した電極と、反射凹部１７内のホーロー層１３上に実装した発光素子１５とを金ワイヤなどの金属細線１７でボンディングして電気的に接続する。

本発明において用いる発光素子１５は特に限定されないが、ＬＥＤ、レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子が好適に用いられる。また本発明において用いる発光素子１５の発光色は、特に限定されず、青色、緑色、赤色あるいはそれ以外の発光色でも良く、さらに、窒化物系化合物半導体からなる青色発光の半導体素子と、該青色系の光の少なくとも一部を吸収して可視波長域の光に波長変換する蛍光体（例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体など）を組み合わせた白色ＬＥＤを用いても良い。

反射凹部１７内に発光素子１５を実装後、反射凹部１７に透明な封止樹脂１８を充填し、発光素子１５を外気から封止する。この封止樹脂１８としては、例えば熱硬化型エポキシ樹脂などが用いられる。

このように構成された発光素子パッケージ体１０は、電極１４を通して発光素子１５に通電し、発光させた場合、発光素子１５から出射した光は、一部が直接外部に放射され、他部は基板の反射凹部１７表面で反射し、基板外部に出射する。

本実施形態の発光素子実装用基板１１は、コア金属１２の表面に、原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料からなるホーロー層１３が設けられたものなので、ホーロー層１３表面の光反射率が高くなり、発光素子１５の発光強度が高くなり、発光素子１５からの光の取り出し効率に優れ、また低コストで生産することができる。
また、コア金属１２はセラミックスなどと比較して、機械加工が容易であり、傾斜面を持つ凹部を簡単に形成でき、該凹部にホーロー層１３を被覆形成することで光反射率の高い反射凹部１７を簡単に作製できるので、従来の反射板等を取り付ける構造の基板と比べ、組み立てに係わるコストを抑制できるとともに、反射板等を取り付けた構造において問題となる封止樹脂１８への気泡の混入を防ぐことができる。
また、コア金属１２はセラミックスなどと比較して、機械加工が容易であり、複数の発光素子１５を実装できるような複雑な基板構造であっても容易に作製でき、基板形状の設計自由度を広げることができる。
また、ホーロー層１３にアルミナを混ぜることにより、放熱性が向上し、ＬＥＤなどの発光素子１５の発光強度を向上できる。
本実施形態の発光素子パッケージ体１０は、前述した発光素子実装用基板１１に発光素子１５を実装し、発光素子１５を透明な封止樹脂１８により封止したものなので、発光素子１５からの光の取り出し効率に優れ、また低コストな発光素子パッケージ体１０を提供できる。

なお、前記の構造において、発光面側に樹脂などにより光学的なレンズ体を成型し、指向角の制御などを行っても良い。また、前記（３）の構造の場合、金属細線１６をモールドするように樹脂を配置すると、信頼性の観点からも望ましい構造と言える。

図２は、本発明に係る発光素子実装用基板及びそれを用いた発光素子パッケージ体の別な実施形態を示す断面図であり、図１中、符号２０は発光素子パッケージ体、２１は発光素子実装用基板、２２はコア金属、２３はホーロー層、２４は電極、２５は発光素子、２６は金属細線、２７は反射凹部、２８は透明な封止樹脂である。

本実施形態では、１つの基板上に複数の発光素子２５を実装可能とした発光素子実装用基板２１及びその発光素子実装用基板２１に複数の発光素子２５を実装し、それぞれ封止樹脂２８によって封止してなる発光素子パッケージ体２０を例示している。本実施形態において、コア金属２２、ホーロー層２３、電極２４、発光素子２５、金属細線２６、反射凹部２７及び封止樹脂２８の各構成要素は、形状や発光素子実装個数は異なるが、前述した図１に示すコア金属１２、ホーロー層１３、電極１４、発光素子１５、金属細線１６、反射凹部１７及び封止樹脂１８と同様のものを用いることができる。

発光素子実装用基板２１に並べて実装される複数の発光素子２５は、同じ発光色のＬＥＤ等であっても良いし、異なる発光色のＬＥＤ等を順次、又はランダムに配置しても良い。例えば、大面積の発光素子実装用基板２１上に、多数の青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤを順次、又はランダムに配置することで、ＬＥＤを用いた表示装置を構成することができる。また、発光素子２５として白色ＬＥＤを用い、多数の白色ＬＥＤを大型の発光素子実装用基板２１に縦横に実装することで、大面積の平面型照明装置を構成することもできる。

以下の寸法のパッケージを準備し、窒化物系化合物半導体からなる青色ＬＥＤを電極上に実装した。実験では、添加するアルミナ粉の添加量を変量して評価した。

電極１４には、幅０．７ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ寸法の銅箔を用い、これを反射凹部１７に接着固定した。この固定にはエポキシ系の熱硬化型接着剤を使用した。

コア金属１２として、長さ５ｍｍ、厚さ１ｍｍの低炭素鋼を用いた。擂り鉢状の反射凹部１７が形成されるよう、ドリルにより凹部を形成した。凹部底面の寸法は反射凹部底面で直径１ｍｍ、深さは０．５ｍｍ、４５°の角度の傾斜が形成されている。凹部の配置は、各凹部が均等に配置するように配置した。

ホーロー層１３の原料であるガラス粉体を使用し、アルミナ粉末としてはアドマテックス社製のＡＯ−９０９Ｈ（粒径の中心が１０μｍ、１〜４０μｍ程度の分布を持つアルミナ粉）を使用した。これら２種類の粉末を表１中に示す比率で混合し、２−プロパノールと水からなる分散媒に分散させた。これを前記コア金属１２に塗布した。

次に、金属板とその金属板の対向電極であるアルミ板の距離が１５ｍｍになるように、金属板とアルミ板を配置した。さらに、これら金属板とアルミ板の間に、金属板を陰極側にして６００Ｖの直流電圧を印加して金属板にガラス粉体ＧＡ−４４を電着し、その後大気中８５０℃で焼成しガラス被覆層を形成することにより、ホーロー基板を作製した。次に、導電ペースト層は銅ペーストを焼成することにより電極を形成し、図１に示す発光素子実装用基板１１を作製した。ホーロー層１３の厚みは、２００μｍとなることを目標として試料を作製した。

ホーロー層を形成するガラス粉末添加量とアルミナ粉末添加量は表１に示す通りとした。表１中に示した実施例１〜６及び比較例１〜２のそれぞれの発光素子実装用基板１１を作製し、基板の外観を目視評価すると共に、ホーロー層の熱伝導率を測定した。また、これらにＬＥＤを実装して発光強度を測定し、比較した。実験結果を表１に示す。また、各試験の測定条件、評価基準は以下の通りとした。

＜発光強度＞
実施例１〜６及び比較例１〜２のそれぞれの発光素子実装用基板に、窒化物系化合物半導体からなる青色ＬＥＤ（Ｃｒｅｅ社製、商品名：Ｍｅｇａ ＢｒｉｇｈｔシリーズＣ４６０ＭＢ２９０−Ｓ０１００、発光波長４６０ｎｍ）を実装し、反射凹部を熱硬化性エポキシ樹脂で封止して、図１に示す発光素子パッケージ体を作製した。それぞれの発光素子パッケージ体に通電し、ＬＥＤを発光させ、大塚電子社製のＭＣＰＤ−３０００を用いて全光束量を測定した（単位：ｍｃｄ）。

＜基板外観＞
実施例１〜６及び比較例１〜２のそれぞれの発光素子実装用基板を目視確認し、割れなどの異常の有無を調べた。外観に異常のない試料は良好とし、目視で確認できる割れのあるものを一部割れ、として評価した。

＜熱伝導率＞
実施例１〜６及び比較例１〜２のそれぞれの発光素子実装用基板について、ホーロー層の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した（単位：Ｗ／ｍＫ）。測定はメルバック理工社製のレーザーフラッシュ法熱定数測定装置（ＴＣ−７０００）を用い、ホーロー基板のサイズがφ１０×１ｍｍ厚のものを作製して真空中で測定した。試験方法はＪＩＳ Ｒ１６１１−１９９１に準拠して行っている。

表１に示す結果から、ホーロー層の原料１００質量部のうち５質量部以上のアルミナ粉末を添加すると、ＬＥＤの発光強度が向上することが判る。これは、前述したように、基板の反射凹部での光反射率が高まっていることに起因していると言える。一方、ホーロー層の原料１００質量部のうち５０質量部を超えるアルミナ粉末を添加すると、基板のホーロー層に割れが発生した。ホーロー層の焼き付け工程での焼成温度では、アルミナ粉末は溶融しないため、アルミナ粉末が多量に含まれると、ホーローが金属に溶着し難くなるものと言える。従って、反射率が高く安定なホーロー層の作製には、ホーロー層の原料１００質量部のうちアルミナ粉末を５〜５０質量部の範囲内で添加すれば良いことが判る。なお、いずれの場合も封止樹脂の接着性が落ちることから発生する、封止樹脂の剥離などは全く認められなかった。

基板の熱伝導率も全種類について測定した。ホーロー基板自体、既知の通り放熱性は良好であることは知られているが（例えば、特許文献３参照。）、アルミナ粉末を添加することにより、その熱伝導率は僅かではあるが更に向上できることを確認した。このことから、発光素子実装用基板に要求される放熱性は従来以上の効果が期待できる。

図３は、粉末原料１００質量部のうち５０質量部のアルミナ粉末を添加して得られたホーロー層（実施例６）と、粉末原料を全てアルミナ粉末として得られたホーロー層（比較例２）とのそれぞれのホーロー層について可視光の表面反射率を測定した結果を示すグラフである。図３から、本発明に係るホーロー層は、可視光範囲においては、表面反射率に波長依存性が殆どないことが判る。従って、本発明に係るホーロー層は、白色を含めたいずれの発光色の発光素子でも効果があることがわかる。

本発明に係る発光素子実装用基板と発光素子パッケージ体の別な実施形態を示す断面図である。 本発明に係る発光素子実装用基板と発光素子パッケージ体の別な実施形態を示す断面図である。 本発明の実施例で作製したホーロー層の可視光の表面反射率を示すグラフである。 従来の発光素子パッケージ構造の一例を示す断面図である。 従来の発光素子パッケージ構造の別な例を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０…発光素子パッケージ体、１１，２１…発光素子実装用基板、１２，２２…コア金属、１３，２３…ホーロー層、１４，２４…電極、１５，２５…発光素子、１６，２６…金属細線、１７，２７…反射凹部、１８，２８…封止樹脂。

Claims (5)

1. コア金属の表面に、原料１００質量部のうちアルミナを５〜５０質量部添加したホーロー材料からなるホーロー層が設けられたことを特徴とする発光素子実装用基板。
2. 実装した発光素子から発する光を反射する傾斜面を持った反射凹部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用基板。
3. 発光素子実装位置に延びる発光素子通電用の電極がホーロー層上に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子実装用基板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用基板に発光素子が実装され、該発光素子が透明な封止樹脂により封止されていることを特徴とする発光素子パッケージ体。
5. 発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の発光素子パッケージ体。
   

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