JP2007149811A

JP2007149811A - 発光素子用配線基板及び発光装置

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Publication number: JP2007149811A
Application number: JP2005339879A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sasaki; 康博佐々木; Tomohide Hasegawa; 智英長谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】発光効率に優れ、充填材の浮き上りや落下が発生しない信頼性の高い発光素子用配線基板を提供する。
【解決手段】発光素子１３を収納する凹状の収納部を備えた発光素子用配線基板であって、前記収納部の内法が開口に向けて等しいかまたは大きくなっているとともに、前記収納部の側壁１０ａに外側に向けて複数の凹部１１が形成され、該凹部１１の周方向の長さが、前記凹部１１が形成された部分の前記収納部の全周よりも短く、同じ周上に形成された前記凹部１１の長さの合計が全周に対して４０〜８０％であ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（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を携帯電話や大型液晶ＴＶ等のバックライトへも用途が拡大してきている。

この用途拡大により発光素子の高輝度化が要求され、これに伴い、発光装置から発生する熱も増加しており、熱ストレスにより充填材が充填部から剥離するという問題が発生している。これに対して、凹状の収納部の底面に発光素子を実装し充填材を充填する収納部の開口端をひさしのようにつきだして、充填材の剥離及び落下を防ぐ構造がとられている（特許文献２参照）。

また、発光素子を実装し充填剤を充填する凹部の側壁に間隙を設けて充填剤の剥離及び落下を防ぐ構造がとられている（特許文献３参照）。
特開２００２−１３４７９０号公報特開２００４−１１１９３７号公報特開２００４−２８９１０６号公報

しかしながら、さらなる発光素子の高輝度化要求により、発光装置から発生する熱も増加傾向にあり、現状の構造では充填材の剥離及び落下防止が難しくなってきた。これに対し、特許文献２に記載の方法では、突き出し部により光が遮られ、光量が低下するという問題があった。特に、熱硬化時の収縮が大きな充填材では、剥離及び落下を防ぐためにつきだし部を長くしなければならないことから、つきだし部により、素子からの発光が遮られ、発光効率が大きく悪化するという課題がある。また、特許文献３に記載の方法でも、充填材と枠との接触長さが大きいために両者の間の熱膨張差による応力が発生して、充填材にクラックが発生したり、両者が剥離したりして長期にわたる充分な充填材の保持が困難である。

本発明は、発光素子からの光取り出しを阻害することなく、充填材の剥離及び落下を抑制することのできる発光素子用配線基板及び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、発光素子を収納する凹状の収納部を備えた発光素子用配線基板であって、前記収納部の内法が開口に向けて等しいかまたは大きくなっているとともに、前記収納部の側壁に外側に向けて複数の凹部が形成され、該凹部の周方向の長さが、前記凹部が形成された部分の前記収納部の全周よりも短く、同じ周上に形成された前記凹部の長さの合計が全周に対して４０〜８０％であ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、上記構成において、前記凹部が、周方向に長い溝を形成していることが望ましい。

本発明の発光装置は、以上のような本発明の発光素子用配線基板と、該発光素子用配線基板の収納部に収納された発光素子と、該発光素子および前記凹部とを一体的に覆うように前記収納部に充填された充填材とを具備することを特徴とする。

本発明の発光装置は、前記凹部が、前記発光素子の発光面よりも前記収納部の底側に形成されていることが望ましい。

本発明の発光素子用配線基板は、収納部の側壁に、収納部に充填される充填材を係止するための凹部を形成したことにより、発光素子からの光を遮ることによる発光効率の低減を招くことなく、充填材の剥離に起因する充填材の浮き上り及び落下を防ぐことができる。この凹部は、該凹部の周方向の長さを、前記凹部が形成された部分の収納部の全周よりも短くし、同じ周上に形成された凹部の長さの合計を全周に対して４０〜８０％とすることで、充填材と凹部との接触長さを小さくできるため、収納部および凹部に充填される充填材と収納部の側壁との間に熱膨張差があったとしても、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に充填材にクラックが入ることや両者が剥離することを抑制することができる。

また、凹部を周方向に長くなるように形成して、溝を形成した場合には、さらに充填材を固定する能力が高くなる。

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凹部に発光素子を搭載し、さらに、この発光素子および凹部を一体的に充填材で覆う構造とすることで、充填材の剥離に伴う、充填材の浮き上がりや落下が抑制され、しかも発光素子からの光が遮られることがないため、長寿命で高効率な発光装置となる。

また、凹部を発光素子の発光面よりも凹部の底側に配置することで、凹部によるわずかな光の反射をも抑制することができる。

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、絶縁基体の一方の主面３ａに形成された接続端子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、絶縁基体の一方の主面３ａに形成された枠体１０と、この枠体１０により形成された収納部の側壁１０ａに充填材を係止するために形成された凹部１１とを備えている。

枠体１０は、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、誘導するために形成されるもので、発光素子から発せられる光を効率的に利用するために、この枠体１０により形成される収納部の内法は開口に向けて等しいかまたは大きくなっていることが重要である。この枠体１０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１０は、絶縁基体３と一体化して形成されていてもよい。

また、本発明の発光素子用配線基板によれば、枠体１０により形成された収納部の側壁１０に外側に向けて凹部１１が形成されてなることが重要である。この凹部１１により発光素子からの光を効率的に利用できるとともに、収納部に充填される充填材を収納部に強固に固定することができるのである。

この凹部１１の周方向の長さは、凹部１１が形成された部分の収納部の全周よりも短くなっているとともに、同じ周上に形成された凹部の長さの合計が全周に対して４０〜８０％であることが重要であり、これにより収納部およびに凹部１１に充填される充填材とこの充填材と接触する枠体１０との間で熱膨張差があったとしても、発生する応力を小さくすることができるため、充填材にクラックが入ることや充填材と枠体とが剥離することを抑制することができる。その結果、充填材の剥離に伴う、充填材の浮き上がりや落下を抑制することができるのである。

同じ周上に形成された凹部の長さの合計は、全周に対して５０％以上、さらに６０％以上とすることで充填材の保持力が向上する。また、７０％以下とすることで凹部１１による光の反射の損失を小さくすることができる。

なお、充填材の浮き上がりとは、充填材と凹部１１との間に剥離が発生し、この剥離が進展して凹部１１から充填材がはずれかけた状態を指し、この状態からさらに時間が経過すると充填材が凹部１１から落下することになる。

また、図１（ｂ）に示すように、凹部１１は、充填材の浮き上り、落下をアンカー効果で防ぐ機能を有するため周方向に複数設けることが望ましく、安定性の点からは特に３つ以上設けることが望ましい。

また、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、凹部１１を周方向に長く形成して、例えば溝状の凹部１１を設けた場合には、凹部１１一つあたりの充填材との接触面積が向上するためアンカー効果を向上させることができる。

なお、溝状に形成した凹部１１は、例えば、例えば図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように枠体１０の凹部の長さの合計を全周に対して４０〜８０％の範囲とすればよい。また、例えば螺旋状に形成してもよい。また、図１（ａ）に示す凹部１１と図２（ａ）に示す凹部１１とを共に形成して異なる高さに凹部１１を設けてもよい。

また、図１、２では凹部１１が周方向に長い溝状の例を示したが、例えば凹部１１の開口部が円状、あるいは正方形状であってもよく、その場合には、同じ周上に形成された凹部１１の長さの合計が全周に対して４０〜８０％となるように凹部の数を調整すればよい。

この凹部１１の最小径は、充填材が凹部１１に充填されやすいように０．１ｍｍ以上とすることが望ましく、さらには０．２ｍｍ以上が望ましい。また、凹部１１の深さは、アンカー効果を十分に発現させるために、０．１ｍｍ以上とすることが望ましく、さらには０．２ｍｍ以上、特に０．５ｍｍとすることが望ましい。

以上説明した本発明の発光素子用配線基板に、例えば図３（ａ）に示すように発光素子１３を搭載し、この発光素子１３と接続端子５とをワイヤ１５により接続し、さらに充填材１７が発光素子１３と凹部１１とを一体的に覆うように収納部に充填することで本発明の発光装置が得られる。

このような発光装置では、充填材１７が凹部１１に充填されることで充填材１７が凹部１１によって収納部内に強固に固定される。この固定方法は充填材１７と枠体１０の側壁１０ａあるいは絶縁基板１との接着力のみによるものではないため、仮に充填材１７の接着力が劣化したとしても充填材１７が収納部に固定された状態を維持することができる。

しかも、本発明の発光装置によれば、凹部１１が発光素子１３から発せられた光を遮ることが少ないために、発光効率の高い発光装置となる。

また、図４（ａ）に示すように、発光素子１３からの光をより効率的に利用するために凹部１１は発光素子１３の発光面１３ａよりも収納部の底側に形成されていることが望ましい。

このような形態とするには発光素子用配線基板と発光素子１３とを接続している樹脂や半田、ロウ材などからなる接着層１９の厚みを厚くしたり、あるいは発光素子用配線基板と発光素子１３との間に厚さを有する部材を介在させたりしてもよい。

なお、充填材１７は透明な樹脂を用いてもよく、あるいは蛍光体を分散させた樹脂を用いてもよい。また、凹部１１の形状は物理的に充填材１３を固定できる形態であればよく、図で説明した範囲に限られるものではない。

また、この絶縁基体３として、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３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を得ることができる。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ_２Ｏ_３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ_２Ｏ_３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Ａｌ_２Ｏ_３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍのＭｎ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、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Ａｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量については、Ａｌ_２Ｏ_３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Ａｌ_２Ｏ_３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Ａｌ_２Ｏ_３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Ｓｉ_３Ｎ_４などを主結晶とする焼結体を用いても良い。

Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする組成物に、さらに、バインダーおよび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・充填した後、このシートを積層し、酸化雰囲気や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を形成することで、発光素子用配線基板に配線回路を形成することができる。

また、枠体１５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１５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を容易に作製することができる。枠体１５に係穴を形成する場合は、シート状成形体の係穴を形成する所定の位置に、金型やパンチングなどで打ち抜き加工を施し、加工したシート状の成形体を積層する。この積層体を所定の凹部形状になるよう、上記方法で打ち抜くことで枠体１５を形成することができる。枠体１５を開口形状（側壁が傾斜）にする場合は、突起の先端が台形状の金型を押圧することで開口形状にすることができる。

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となる。

また、安価で加工性に優れた金属により枠体１５を形成することで、複雑な形状の枠体１５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を供給することができる。この金属製の枠体１５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。係穴を形成する場合は、切削加工やエッチング加工で所定の位置に形成することができる。

また、枠体１５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１５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１５とを、例えば共晶Ａｇ−Ｃｕろう材等からなるろう材などの接着層を介して接合することができる。

そして、以上説明した本発明の発光素子用配線基板の実装部３ａに、例えば、図１（ａ）に示すように発光素子１７を搭載し、充填材１３を充填する。ボンディングワイヤ１９により発光素子１７に給電することにより、発光素子１７を発光させることができる。この発光素子用配線基板と発光素子１７との接続には、金属や樹脂からなる接続層（図示せず）が用いられる。特に、発光素子１７の熱を効率よく伝達するという観点から、接続層として半田、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、絶縁基板１としてセラミック系の絶縁基板１について詳細に説明したが、絶縁基板１として樹脂系の絶縁基板１を用いてもよい。

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１．５μｍ、純度９９％以上のＡｌ_２Ｏ_３粉末９５重量％、平均粒子径１．３μｍ、純度９９％以上のＭｎ_２Ｏ_３粉末４重量％、平均粒径１．０μｍ、純度９９％以上のＳｉＯ_２粉末６重量％の比率で混合し、原料粉末に対して成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダ１０重量％と、溶媒としてトルエン５０重量％とを混合し、スラリーを調製した。しかる後に、ドクターブレード法にてＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするグリーンシートを作製した。

導体ペーストは、平均粒子径２μｍのＭｏ粉末およびセラミック材料として平均粒子径１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を５重量％混合し、さらに原料粉末に対してアクリル系バインダ３重量％と、フタルジブチルを１５重量％およびアセトンを７０重量％とを混合して、減圧ミキサーでアセトンを除去してペースト化した。

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、積層した。

そして、枠体となるセラミックグリーンシートの所定位置に打ち抜き加工を施し、積層圧着した。この打ち抜き加工部にテーパー状の金型を押し付けることで、焼成後の収納部の深さが０．８ｍｍ、開口径上部３．０ｍｍ、下部２．８ｍｍのテーパー状の貫通穴を有するテーパー状枠体を形成した。なお、表１に示すように、この枠体に側壁の中央と、最下部に上下方向、言い換えると厚み方向の開口径が０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの凹部を周方向に均等にそれぞれ３箇所形成した。なお、凹部の幅は表１に示す範囲で変化させた。また、一部の試料については凹部の深さを変化させた。

また、比較例として、開口部厚み０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍで溝構造になったリング状の凹部を側壁の中央と、最下部に有するテーパー状枠体も作製した。

また、他の形態の比較例として、打ち抜き加工したセラミックグリーンシートを枠体に積層して、開口上部に厚み０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍのひさしを有する枠体を備えた発光素子用配線基板を作製した。また、凹部のないこれらの枠体となる積層体と配線パターンを形成した積層体とを、さらに積層圧着して一体化した。

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＋２０℃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、図２に示すような凹部（枠体）に凹部を有する発光素子用配線基板、および、ひさし形状を有する発光素子用配線基板、凹部を有しない発光素子用配線基板を作製した。（絶縁基体の熱膨張係数７．５×１０^−６／℃、熱伝導率１５Ｗ／ｍ・Ｋ）その後、接続端子なら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。

また、金属製の枠体としては、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。この金属製の枠体には、切削加工により、先に述べたセラミック枠体に形成した２種類の凹部、および、ひさし形状を有する枠体ならびに凹部のない枠体を形成した。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、接続端子なら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後、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発光素子であるＬＥＤチップを搭載部に実装し、枠体に熱膨張係数が４０×１０^−６／℃のエポキシ樹脂からなる充填材を注入して、発光装置を得た。その際、充填材が発光素子と凹部とを一体的に覆うようにした。また、ひさし形状の枠体の場合には充填材がひさしと接触するように充填材を充填した。

得られた発光装置に対して、−４０℃〜＋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、充填材の接合状態をマイクロスコープで観察した。この温度サイクル試験結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例である凹部のない試料Ｎｏ．１、１９は、１００サイクルですでに充填材の浮き上がりが確認された。また、比較例である、凹部はあるものの凹部の比率が４０％未満の試料Ｎｏ．２、３、１０、１１、２０、２１、２８、２９では、３００サイクルで充填材の浮き上がりが確認された。また、比較例である、凹部はあるものの凹部の比率が８０％を超える試料Ｎｏ．８、９、１６、１７、２６、２７、３４、３５においても、４００サイクルで充填材の浮き上がりが確認された。また、ひさしを形成した試料Ｎｏ．１８、３６は、充填材の浮き上がりについては本発明の試料と同等の性能を示しているが、凹部先端のはりだしが０．１ｍｍあるため、ひさしの面積は０．９ｍｍ^２（π（（３／２）^２−（２．８／２）^２））で、開口径３ｍｍの面積は７．１ｍｍ^２であり、よって凹部の開口面積に対してひさしの占める割合は約１３％にもなり、発光を１割程度も遮っているため、光の取り出し効率が悪いことが判る。

一方、本発明の試料Ｎｏ．４〜７、１２〜１５、２２〜２５、３０〜３３では、いずれも５００サイクルでも充填材の浮き上がりが確認されなかった。なお、試料Ｎｏ．４〜７、１２〜１５については、凹部の深さを０．２ｍｍ、０．５ｍｍとした試験を行ったが、いずれも５００サイクルでも充填材の浮き上がりが確認されなかった。

なお、充填材の浮き上がりとは、発光素子用配線基板の主面から充填材が浮いた状態を意味している。

（ａ）は、本発明の発光装用配線基板の断面図であり、（ｂ）は、本発明の発光素子用配線基板の上面図である。（ａ）は、本発明の発光素子用配線基板の断面図であり、（ｂ）は、本発明の発光素子用配線基板の上面図である。は、本発明の発光装置の断面図である。は、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
１０・・・枠体
１１・・・凹部
１３・・・発光素子
１７・・・充填材

Claims

発光素子を収納する凹状の収納部を備えた発光素子用配線基板であって、前記収納部の内法が開口に向けて等しいかまたは大きくなっているとともに、前記収納部の側壁に外側に向けて複数の凹部が形成され、該凹部の周方向の長さが、前記凹部が形成された部分の前記収納部の全周よりも短く、同じ周上に形成された前記凹部の長さの合計が全周に対して４０〜８０％であることを特徴とする発光素子用配線基板。
前記凹部が、周方向に長い溝を形成し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。
請求項１または２に記載の発光素子用配線基板と、該発光素子用配線基板の収納部に収納された発光素子と、該発光素子および前記凹部を一体的に覆うように前記収納部に充填された充填材とを具備することを特徴とする発光装置。
前記凹部が、前記発光素子の発光面よりも前記収納部の底側に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。