JP2008277343A

JP2008277343A - 発光装置及びその製造方法

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Publication number: JP2008277343A
Application number: JP2007115927A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Wada; 聡和田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-04-25
Also published as: JP4915274B2

Abstract

【課題】従来の発光素子では基板とリフレクタとが別体であり、両者を正確に位置合わせすることに手間がかかっていた。また、両者を接着剤で貼り合わせていたため、この接着剤の層が発光素子からの光を吸収していた。
【解決手段】回路パターン１３を備える基板１２上へ直接金属ペーストを積層して金属ペースト層２０１を形成し、この金属ペースト層２１０へ凹部２０３を形成して回路パターン１３を表出するとともに、凹部２０３の側面を反斜面１８とする。金属ペースト層２０１を焼結して多孔質のリフレクタ２０とし、反射面１８に光反射層１９を形成する。その後、回路パターン１３へ発光素子３０をマウントして発光装置１０とする。
【選択図】図３

Description

本発明は発光装置及びその製造方法に関し、基板表面へ発光素子を実装するタイプの発光装置に好適である。

上記タイプの発光装置１の従来例を図１に示す（特許文献１参照）。従来例の発光装置１は回路パターンを有する絶縁基板２とリフレクタ３とを有する。絶縁基板２とリフレクタ３とにより筐体４が形成される。リフレクタ３は接着剤５により絶縁基板２の表面へ固定されている。図中符号７はＬＥＤチップであり、フリップチップの形式で絶縁基板２の回路パターンへ接続される。
本発明に関連する文献として特許文献２を参照されたい。

特開２００６−１８６２９７号公報特開２００３−１６３３８１号公報

図１に示す従来タイプの発光装置では、基板２とリフレクタ３とが別個に作成されている。光取出し効率を安定化するため、基板２とリフレクタ３とを正確に位置合わせする必要があるので、両者の貼り合わせに手間がかかる。
また、ＬＥＤチップ７はその側面からも光を放出している。このようにＬＥＤチップ７から側方へ放出された光はリフレクタ３の反射面８で反射されるべきものであるが、接着剤層５に照射される光はここで吸収され、効率良く反射されない。
特に発光装置１が小型化されていくと、接着剤層５の高さが無視できなくなる。また、接着剤のはみ出しも発光効率の低下や発光装置自体の劣化を引き起こすおそれがある。

この発明は上記課題の少なくとも一つを解決すべくなされた。
この発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
基板と該基板の上に形成されるリフレクタとを備えてなる発光装置の製造方法であって、
前記基板の上へ金属ペースト層を直接積層するステップと、
積層された金属ペースト層に反射面を形成するステップと、
前記金属ペースト層を焼結して前記リフレクタとするステップと、
前記反射面上に光反射層を形成するステップと、
を備える発光装置の製造方法。

このように規定されるこの発明の第１の局面の製造方法によれば、基板へ直接金属ペースト層が積層され、この金属ペースト層がそのままリフレクタとなるので、基板とリフレクタとの間に接着剤層を設ける必要がない。従って、接着剤の塗布工程を省略することができる。更には、基板とリフレクタとの位置合わせも不要になり、この点からも製造が容易に行える。
この発明により形成された発光装置は接着剤層を持たず、基板の表面から連続してリフレクタの反射面を形成できる。これにより、発光素子からその側方へ放射された光の全てを効率よく反射可能となり、光の取出し効率が向上する。

また、この発明の第２の局面で規定されるとおり、金属ペーストの焼結体の線膨張係数と基板のそれとを実質的に等しくすることが好ましい。
これにより、熱履歴による基板とリフレクタとの剥離を未然に防止できる。

上記において、金属ペーストは基板に対する接着性のある母材に金属粉を分散させたものからなる。ここに母材には、液性エポキシ樹脂等の硬化前の液状樹脂やアルコール等の有機溶剤を挙げることができる。
金属粉は母材中に分散可能であれば任意の材料を選択することができる。例えば金属粉として銅粉、銀粉、アルミニウム粉等を用いることができる。この金属粉が無いと（リフレクタが樹脂製となると）、リフレクタの線膨張係数を基板のそれと一致させることが困難である。
金属粉の選択及び／又は母材に対する金属粉の配合割合及び／又は焼成速度を調節するにより、リフレクタの導電性を制御することができる。例えば、有機溶剤を母剤とした金属ペーストを選択したときリフレクタは導電性を有するが、液状樹脂を母剤とした金属ペーストを選択したときは金属粉の配合割合を所定量より少なくするとリフレクタは絶縁性となる。

基板の材料は銅等の金属基板又はセラミックス基板が好ましく、その表面に周知の方法で回路パターンが形成される。
金属ペーストはこれに流動性をもたせて上記基板表面へ直接塗布して積層することができる。予め金属ペースト材料を層状に形成しておいて、何ら接着剤層を介在させることなく、これを基板へ重ね合わせても良い。
基板と金属ペースト層との接着性は金属ペースト層の母材が担保する。

金属ペースト層へ反射面を形成するには、基板表面へ金属ペーストを所定の厚みで平坦に形成しておいて、反射面に対応する部分を切削若しくはエッチングにより除去して、凹部を形成する。また、型成形若しくはスクリーン印刷により凹部を形成してもよい。この凹部の底部に基板の回路パターンを表出させてここへ発光素子をマウントする。これにより、凹部の周面が反射面となる。
また、板状の金属ペースト層を準備してこれへ上記と同様に反射面を形成し、当該金属ペースト層を基板へ、何ら接着剤層を介することなく、貼り合わせても良い。
反射面の形状は発光素子の実装数や発光装置の用途目的に応じて任意に設計可能である。例えば、実施例で示すように、お椀型や長穴型とすることができる。

反射面の形成された金属ペースト層は焼結されてリフレクタとなる。金属ペースト層の母材を有機溶剤としたとき、当該焼結によりその母材のほとんどが消失してリフレクタは多孔質となる。
かかる多孔質材料の表面は光反射効率が低いので、得られたリフレクタの反射面に光反射層を形成する。実施例では、銀のメッキ層で反射面を形成したが、蒸着、スパッタその他の金属薄膜形成技法を利用することができる。これらの中でも反射面の形成が容易なメッキが利用できるためには、リフレクタは導電性を有することが好ましい。また、反射層の形成材料も銀に限定されるものではなく、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の光反射率の高い材料を用いることができる。

以下、実施例に基づきこの発明を更に詳細に説明する。
図２にこの発明の実施例の発光装置１０を示す。図２（Ａ）はその平面側斜視図であり、図２（Ｂ）は同じく裏面側斜視図である。
実施例の発光装置１０は筐体１１と発光素子３０とを備えている。
筐体１１は基板１２とリフレクタ２０とから構成される。
基板１２はアルミナ製であり回路パターン１３を備えている（図３（Ｅ）参照）。この回路パターン１３において基板表面側のパターン１３１へ発光素子３０がマウントされる。符号の１４，１５はボンディングワイヤである。

リフレクタ２０は円錐台形の凹部２０３を備え、凹部２０３の底部において基板１１が表出している。凹部２０３の側壁が反射面１８となる。
リフレクタ２０は銅粉末を焼結したものであり、多孔質である。多孔質材料の表面は鏡面となり難いので、リフレクタ２０の表面には銀層１９がメッキにより積層されている（図３（Ｅ）参照）。

発光素子３０は発光装置の用途・目的に応じて任意のものを使用できるが、この実施例では短波長光を発生するIII族窒化物系化合物半導体発光素子を採用した。ここに、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。III族窒化物系化合物半導体において、III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
また、III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により形成される。素子を構成する全ての半導体層を当該ＭＯＣＶＤ法で形成する必要はなく、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を併用することが可能である。
発光素子の構成としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。発光層として量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。かかるIII族窒化物系化合物半導体発光素子として、主たる光受発光方向（電極面）を光デバイスの光軸方向にしたフェイスアップタイプや主たる光受発光方向を光軸方向と反対方向にして反射光を利用するフリップチップタイプを用いることができる。

次に、実施例の発光装置１０の製造方法について説明する（図３参照）。
先ず、アルミナ基板１２を準備し、これへビアホール１２０を穿設する（図３（Ａ）参照）。
次に、基板１２へ回路パターン１３を形成する。この回路パターン１３は表面側パターン部１３１、裏面側パターン部１３３及び両パターンを繋ぐビアパターン部１３５から構成される。表面側パターン部１３１は基板１２の表面に形成されて発光素子３０をマウントするとともに、ボンディングワイヤ１４，１５が架け渡される。裏面側パターン部１３３は基板１２の裏面に展開されて、発光装置１０を図示しない回路基板へ実装したとき、回路基板へ電気的に接続される端子となる。回路パターン１３は導電性金属（タングステン）からなる。表面側パターン部１３１、裏面側パターン部１３３及びビアパターン部はタングステンペーストをスクリーン印刷することにより形成される。

次に、表面側パターン部１３１を保護膜１３８で被覆する（図３（Ｃ）参照）。この保護膜１３８として、後述する金属ペーストの除去ステップで使用されるエッチング液に対して安定な材料が用いられる。この実施例では保護膜１３として母材をエポキシ樹脂とした白色セラミック含有ペーストを固化されたものを用いている。
次に、基板１２の表面へ金属ペーストを、何ら接着剤層を介することなく、直接に塗布し金属ペースト層２０１を形成する。
金属ペーストとして銅ペースト（三ツ星ベルト株式会社社製の商品名ＣＵＸ−Ｒ）を用いている。金属ペースト層の厚さは０．３ｍｍとした。なお、基板は１辺が２〜６ｍｍの正方形であり、その厚さは０．５ｍｍとしている。

次に、図３（Ｄ）の点線で示すように、金属ペースト層２０１の中央部分を切削により削除して凹部２０３を形成する。
凹部２０３の周面が反射面１８となる。当該切削により保護膜１３８と表面側パターン部１３１の一部が切削され、凹部２０３は図３（Ｅ）に示すように平坦になる。
なお、図４は保護膜１３８を省略した例を示す。図４の例に示すように、切削により凹部２０３を形成するときは、表面側パターン部１３９を厚く形成する。これにより、金属ペースト層２０１を除去するときに表面側パターン部１３９の表層部分が削除されても、最終的にはその下層部分の材料が残る。

次に、凹部２０３の形成されたワークから保護膜１３８を除去し、これを加熱して金属ペースト層２０１を焼結する。金属ペースト層２０１を焼結したものがリフレクタ２０となる（図３Ｅ参照）。焼結温度は５００℃である。
焼結により金属ペースト中の母材成分の一部又は全部が消失し、金属粉同士が結合する。従って、リフレクタ２０は原則導電性を有する。また母材成分が消失することにより、リフレクタ２０はポーラスとなる。
金属粉の配合割合や焼結条件の如何によっては、リフレクタ２０中に母材が多量に残存する場合がある。この場合は母材によりリフレクタの保形性が維持される。多量の母材が残存するとき、リフレクタは絶縁性となる。金属粉の配合割合は、かかる焼結工程を経た後の材料の線膨張係数が基板１２のそれと実質的に等しくなるように調整する。両者の線膨張係数を等しくすることにより、基板１２とリフレクタ２０との結合性が向上し、両者が分離することを未然に防止できる。

その後、凹部２０３に表出する基板１２の表面及び表面側パターン部１３１を保護膜（図示せず）で保護し、リフレクタ２０の表面へメッキする。
銀メッキ層１９の膜厚は１μｍである。銀メッキ層１９の膜厚は任意に選択可能である。銀メッキ層１９は少なくとも反射面１８へ積層されていればよい。
この状態の平面図を図５に示す。図６は広面積の基板１４０へ上記の製造方法を適用して図５のリフレクタ２０を集積した例を示す。基板１４０の周縁に形成された溝１４１は基板１４０をダイシングするときのガイドである。

銀メッキ時に用いた保護膜を除去した後、発光素子３０を表面側パターン部１３１へマウントする。その後、ワイヤボンディング１４及び１５を懸架して図１に示す発光装置を得る。
このようにして形成された発光装置１０によれば、基板１２上に直接リフレクタ２０が形成されるので、両者の間に接着剤層が存在しない。よって、発光素子３０からその側方へ放出された光の全てを反射面１８で反射可能となり、高い光取出し効率を達成できる。
また、かかる構成の発光装置１０を製造するにあたり、基板上のリフレクタの形状がリソグラフィにより規定されるので、基板に対してリフレクタが位置づれすることがない。基板の回路パターンに対するリフレクタの位置合わせを正確に行えることにより、特に発光装置１０を小型化していったとき、歩留まり向上を達成できる。

図７に他の実施例の発光装置２１０を示す。なお、図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置２１０ではリフレクタ２０の凹部２０４を長穴形状としている。かかる発光装置２１０によれば、リフレクタ２０の凹部２０４が広幅となったので、複数の発光素子３０のマウントが可能となる。その結果、発光出力が増大し、また発光色を多色化することができる。
図２の実施例の発光装置と同じ製造方法により、この実施例の発光装置２１０を形成することができる。

図８には他の実施例の発光装置３１０を示す。なお、図２の実施例と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図８（Ａ）はその平面側斜視図であり、図８（Ｂ）は裏面側斜視図である。この発光装置３１０は筐体３１１と発光素子３０とを備えている。筐体３１１は基板３１２とリフレクタ３２０とから構成される。基板３１２の角部は切り欠かれており、この切欠き部３１３へ導電性材料を充填することができる。これにより、発光装置３１０においてその上面側に端子機能を付与できる。
リフレクタ３２０の凹部３３０はその周面を発光素子３０へできるだけ近づけるために、椀状部分３３１を小径とするとともに、ボンディングワイヤ１４及び１５を付設するための角箱状の部分３３２が形成されている。
また、リフレクタ３２０は基板３１２より幅狭に形成されている。これにより、基板３１２の上面部分３１４を電気的接続部分として利用することができる。
かかる複雑な形状のリフレクタ３２０を基板３１２と別個に形成し、両者を接着剤で固定する構造とすると、基板３１２とリフレクタ３２０との位置合わせが困難になる。
既述のように金属ペースト層をリソグラフィで賦形し、これを焼結してリフレクタ３２０とすれば基板３１２とリフレクタ３２０との位置合わせには困難性を伴わない。

図９に他の実施例の発光装置４１０を示す。図９（Ａ）はその平面側斜視図であり、図９（Ｂ）は裏面側斜視図である。
この発光装置４１０は筐体４１１とフリップチップタイプの発光素子４３０とを備えている。筐体４１１は基板４１２とリフレクタ４２０とから構成される。基板４１２の角部は切り欠かれており、この切欠き部４１３へ導電性材料を充填することができる。これにより、発光装置４１０においてその上面側に端子機能を付与できる。
リフレクタ４２０には椀状の凹部４４０が形成されている。リフレクタ４２０は基板４１２より幅狭に形成されている。これにより、基板４１２の上面部分４１４を電気的接続部分として利用することができる。
かかる複雑な形状のリフレクタ４２０を基板４１２と別個に形成し、両者を接着剤で固定する構造とすると、基板４１２とリフレクタ４２０との位置合わせが困難になる。
既述のように金属ペースト層をリソグラフィで賦形し、これを焼結してリフレクタ４２０とすれば基板４１２とリフレクタ４２０との位置合わせには困難性を伴わない。
符号４５０は下面側パターン部である。

図１０に他の実施例の発光装置５１０を示す。なお、図２の実施例と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の発光装置５１０では、リフレクタ２０の両側が第２のアルミナ基板５２１，５２２で挟まれている。この第２のアルミナ基板５２１，５２２はアルミナ基板１２の上へ固着されている。
この発光装置５１０によれば、金属ペーストを第２のアルミナ基板５２１，５２２の間に充填できるので、金属ペースト層の形成が容易になる。
また、第２のアルミナ基板５２１，５２２でリフレクタ２０を挟持することにより、基板１２からリフレクタ２０が分離することをより確実に防止できる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１は従来例の発光装置の構成を示す斜視図である。図２はこの発明の実施例の発光装置を示し、図２（Ａ）はその平面側斜視図であり、図２（Ｂ）は同じく裏面側斜視図である。図３は実施例の発光装置の製造工程図である。図４は図３（Ｃ）の製造工程の他の態様を示す。図５は図３（Ｅ）で得られたワークの平面図である。図６は集積された図５のワークの平面図である。図７は他の実施例の発光装置を示す斜視図である。図８は他の実施例の発光装置を示し、図８（Ａ）はその平面側斜視図であり、図８（Ｂ）は同じく裏面側斜視図である。図９は他の実施例の発光装置を示し、図９（Ａ）はその平面側斜視図であり、図９（Ｂ）は同じく裏面側斜視図である。図１０は他の実施例の発光装置を示す斜視図である。

符号の説明

１，１０，２１０，３１０，４１０，５１０発光装置
２，１２，３１２，４１２基板
３，２０，３２０，４２０リフレクタ
４，１１，３１１，４１１，５１１筐体部
７，３０，４３０発光素子
８，１８反射面
１９銀メッキ層
２０３，３３０，４４０凹部

Claims

基板と該基板の上に形成されるリフレクタとを備えてなる発光装置の製造方法であって、
前記基板の上へ直接金属ペースト層を形成するステップと、
前記金属ペースト層に反射面を形成するステップと、
前記金属ペースト層を焼結して前記リフレクタとするステップと、
前記反射面上に光反射層を形成するステップと、
を備える発光装置の製造方法。
焼結後の金属ペーストからなる前記リフレクタの線膨張係数が前記基板と実質的に等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記金属ペーストは液状樹脂又は有機溶剤を母剤とする、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
基板と、該基板の上に直接形成された多孔質材料製のリフレクタと、該リフレクタの反射面上に積層された光反射層と、を備えてなる発光装置。
基板と該基板の上に形成されるリフレクタとを備えてなる発光装置用筐体の製造方法であって、
前記基板の上へ直接金属ペースト層を形成するステップと、
前記金属ペースト層に反射面を形成するステップと、
前記金属ペースト層を焼結して前記リフレクタとするステップと、
前記反射面上に光反射層を形成するステップと、
を備える発光装置用筐体の製造方法。
基板と、該基板の上に直接形成された多孔質材料製のリフレクタと、該リフレクタの反射面上に積層された光反射層と、を備えてなる発光装置用筐体。