JP2011151339A

JP2011151339A - 発光装置

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Publication number: JP2011151339A
Application number: JP2010061827A
Authority: JP
Inventors: Shota Shimonishi; 正太下西; Hiroyuki Tajima; 博幸田嶌; Yosuke Tsuchiya; 陽祐土屋
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP5505005B2

Abstract

【課題】発光素子が実装された基板の光反射率を高めることで、光束（特に波長が５００ｎｍ以下の光束）が高い発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発光素子１１を基板上に実装した発光装置１０において、基板は、セラミック基板２５の上面に金膜が配線パターン形成された配線基板２０であり、発光素子１１は、金膜の上に接合されて、フリップチップ実装され、発光素子１１が実装された部位を除く金膜の上には、銀膜２３が製膜され、銀膜２３の上には、５００ｎｍ以下の光の反射率を銀膜を単独で用いた場合より高くする誘電体多層膜３０が製膜されている発光装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を基板上に実装した発光装置に関するものである。

今日、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の発光素子が実装された発光装置の基板には、放熱性が優れることからセラミック基板が用いられている。また、信頼性の観点から配線パターン形成が金膜で行われている。ところが、金膜は光反射率が低い上に、セラミックは光透過率が高いことから、このようなセラミック基板を用いた発光装置は、他のものと比べ、明るさが劣っていた。そのため、表面に銀膜を形成して明るさを向上させることが検討されている。

しかし、銀は大気中等の酸素や硫黄等と反応して酸化物や硫化物等になりやすいため、銀膜は変色しやすく光反射率が低下するおそれがあった。そのため、銀膜上に保護膜を形成する技術が幾つか提案されている。具体的には、特許文献１には、少なくとも最表面が銀または銀を必須とする合金により構成されてなる金属反射部材をＳｉ−Ｎ結合を必須とするガラス膜で覆う技術が記載され、特許文献２には、反射板としての機能を有する銀メッキの表面にＳｉＯ_２膜を形成する技術が記載され、特許文献３には、反射板としての機能を有する銀メッキの表面に、加熱処理したチタン超薄膜又はアルミニウム超薄膜を形成する技術が記載されている。また、光反射膜ではないものの、特許文献４には、リードの銀メッキ表面を変性シリコーン樹脂等からなる薄膜コートで被覆する技術が記載されている。

しかしながら、特許文献１〜４に記載の技術は、銀膜の劣化のうち、硫黄等の異物との反応に対するものであり、光や熱による劣化については検討がなされていない。その上、上記のような保護膜を銀膜上に形成してしまうと、発光素子からの光が少なからず保護膜で吸収されてしまうことから、発光装置の明るさは低下するおそれがあった。また、銀膜は波長が５００ｎｍ以下の短波長光の反射率が低いことから、発光装置が４６０ｎｍ程度の青色光の取り出し効率を高めるためには、銀膜を設けるだけでは十分ではなかった。

特開２００９−３３１０７号公報特開２００９−２２４５３６号公報特開２００９−２２４５３７号公報特開２００８−１０５９１号公報

そこで、本発明は、発光素子が実装された基板の光反射率を高めることで、光束（特に波長が５００ｎｍ以下の光束）が高い発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の発光装置は、発光素子を基板上に実装した発光装置において、前記基板は、セラミック基板の上面に金膜が配線パターン形成された配線基板であり、前記発光素子は、前記金膜の上に接合されて、フリップチップ実装され、前記発光素子が実装された部位を除く前記金膜の上には、銀膜が製膜され、前記銀膜の上には、５００ｎｍ以下の光の反射率を前記銀膜を単独で用いた場合より高くする誘電体多層膜が製膜されている。

上記課題を解決するため、本発明の別の発光装置は、発光素子を基板上に実装した発光装置において、前記基板は、セラミック基板の上面に金膜が配線パターン形成された配線基板であり、前記発光素子は、前記金膜の上に接合されて、フリップチップ実装され、前記発光素子が実装された部位を除く前記金膜の上には、アルミニウム膜が製膜され、前記アルミニウム膜の上には、５００ｎｍ以下の光の反射率を前記アルミニウム膜を単独で用いた場合より高くする誘電体多層膜が製膜されている。

本発明における各要素の態様を以下に例示する。

１．発光素子
発光素子としては、特に限定はされないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード等が例示できる。発光素子の発光波長としては、特に限定はされないが、青色領域、紫色領域又は紫外領域にピークを有することが好ましい。青色領域、紫色領域及び紫外領域である短波長領域にピーク波長を有する発光素子を用いることにより、銀膜又はアルミニウム膜と誘電体多層膜とを設けたことによる効果がより得られる。
発光ダイオード又はレーザダイオードの半導体層材料としては、特に限定はされないが、上記のように短波長領域にピーク波長を有するものとしては、窒化ガリウム（ＧａＮ）系、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）系、炭化ケイ素（ＳｉＣ）系、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系等が例示できる。
また、発光素子は、金膜の上に接合されて、フリップチップ実装されることにより、発光等に伴う発熱により生じた熱を配線基板に伝熱して、温度上昇を抑制することができる。
また、発光素子を金膜上に接合するために用いられる材料としては、特に限定はされないが、Ａｕ−Ｓｎ（金と錫との合金）を用いることが、金膜との接合強度が得られて好ましい。

２．配線基板
配線基板にセラミック製の基板を用いることにより、上に実装された発光素子の発熱等による熱をよりよく放熱することができる。基板に用いられるセラミック材料としては、特に限定はされないが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）等が例示できる。
また、配線基板は、配線パターン形成される金膜と基板との間に他の金属からなる金属膜が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。このときの他の金属としては、特に限定はされないが、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等が例示でき、金属膜は、異なる金属からなる複数の金属膜が重ねられたものでもよい。また、配線基板は、セラミック基板の上面に、金膜が形成されていない素地部があってもよいし、なくてもよい。

３．銀膜
発光素子が実装された部位を除く金膜の上に銀膜を製膜することにより、金膜より光の反射性に優れる銀膜の効果が得られ、発光装置の光束を高めることができる。また、上記素地部の一部に、銀膜を製膜することにより、発光素子等からの光のうち配線基板に入ろうとする光を反射して、発光装置の光束を高めることができる。但し、素地部の一部に銀膜を製膜する場合には、配線パターン形成された金膜を短絡しないように製膜される。

４．アルミニウム膜
発光素子が実装された部位を除く金膜の上にアルミニウム膜を製膜することにより、金膜より光の反射性に優れるアルミニウム膜の効果が得られ、発光装置の光束を高めることができる。また、上記素地部の一部に、アルミニウム膜を製膜することにより、発光素子等からの光のうち配線基板に入ろうとする光を反射して、発光装置の光束を高めることができる。但し、素地部の一部にアルミニウム膜を製膜する場合には、配線パターン形成された金膜を短絡しないように製膜される。

５．誘電体多層膜
誘電体多層膜が銀膜又はアルミニウム膜上に製膜されることにより、酸化や硫化等による銀膜又はアルミニウム膜の劣化を抑制することができる。
誘電体多層膜は、透明な誘電体の無機化合物からなる膜が複数重ねられており、各膜を構成している無機化合物は同じでもよいし、異なっていてもよい。屈折率の違いにより光の反射率を向上させることができることから、異なる無機化合物膜が重ねられているものが好ましい。
誘電体多層膜に用いられる無機化合物としては、特に限定はされないが、透明（特に発光素子及び後述する蛍光体の発光波長に対し透明）な酸化物やフッ化物であることが好ましい。
透明な酸化物としては、特に限定はされないが、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２、５００ｎｍにおける屈折率が１．４６）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、５００ｎｍにおける屈折率が１．６３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２、５００ｎｍにおける屈折率が２．３５）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３、５００ｎｍにおける屈折率が１．８７）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２、５００ｎｍにおける屈折率が２．０５）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５、５００ｎｍにおける屈折率が２．１）、酸化セリウム（Ｃｅ_２Ｏ_３、５００ｎｍにおける屈折率が２．３）等が例示できる。
透明なフッ化物としては、特に限定はされないが、フッ化リチウム（ＬｉＦ、５００ｎｍにおける屈折率が１．３６）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２、５００ｎｍにおける屈折率が１．３８）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２、５００ｎｍにおける屈折率が１．４）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ_３、５００ｎｍにおける屈折率が１．４）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２、５００ｎｍにおける屈折率が１．４）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３、５００ｎｍにおける屈折率が１．５２）、フッ化ランタン（ＬａＦ_３、５００ｎｍにおける屈折率が１．５９）、フッ化セリウム（ＣｅＦ_３、５００ｎｍにおける屈折率が１．６３）等が例示できる。
このような無機化合物からなる膜の組み合わせとしては、特に限定はされないが、酸化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜及び酸化チタン膜の組み合わせが好ましい。
このような誘電体多層膜の全膜厚としては、特に限定はされないが、５０ｎｍ〜８０ｎｍの整数倍の厚さであり、且つ１５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。５０ｎｍ〜８０ｎｍの整数倍の厚さにすることにより、５００ｎｍ以下（特に４５０ｎｍ〜４６０ｎｍ）の光の反射をよくすることができる。また、１５０ｎｍ未満では、銀膜又はアルミニウム膜を保護する保護膜としての機能を確保しにくく、１０００ｎｍを超えると光の干渉による反射作用を得ることが難しくなる。より好ましくは、５０ｎｍ〜８０ｎｍの整数倍の厚さであり、且つ１５０ｎｍ〜５００ｎｍである。

６．蛍光体
発光装置は、発光素子から発せられる光により励起され、発光素子の発光波長とは異なる波長の光を発する蛍光体を発光素子の近傍に備えていてもよいし、備えていなくてもよい。そして、発光装置が蛍光体を備える場合には、銀膜やアルミニウム膜や誘電体多層膜は、発光素子からの光だけでなく、蛍光体からの光も反射する。
蛍光体としては、特に限定はされないが、ＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｕｍＧａｒｎｅｔ）蛍光体、ケイ酸塩蛍光体、これらの混合等が例示できる。
また、発光装置が蛍光体を備える場合の態様としては、特に限定はされないが、エポキシ樹脂やシリコーン等の封止剤中に蛍光体を分散させて用いる態様が例示できる。

本発明によれば、発光素子が実装された基板の光反射率を高めることで、光束（特に波長が５００ｎｍ以下の光束）が高い発光装置を提供することができる。

本発明の発光装置の平面及び正面の模式図である。本発明に用いた配線基板の平面図である。配線基板の反射率測定の模式図である。配線基板の反射率測定結果のグラフである。

本発明の実施例１の発光装置１０は、図１に示すように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の１辺が３．５ｍｍの正方形のセラミック基板２５（厚さ０．４ｍｍ）からなる配線基板２０と、配線基板２０の上面の略中央に実装されたＬＥＤチップ１１とを備えている。
ＬＥＤチップ１１は、青色領域にピーク波長を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）系のものである。また、ＹＡＧ蛍光体１６が均一に分散された封止剤１３によって覆われている。
図２に示す（なお、図２のａは、銀膜及び誘電体多層膜の製膜前の状態、即ち、配線パターン形成された金膜２２を示す。）ように、配線基板２０は、セラミック基板２５の上面にメッキにより金（Ａｕ）膜２２がパターン形成されたものである。配線基板２０の上面には、ＬＥＤチップ１１が実装される実装部２１があり、実装部２１には、金膜２２が露出している。金膜２２には、アノード電極とカソード電極とがあり、それぞれは互いに短絡しないようにして、配線基板２０外の回路へと繋がっている。なお、カソード電極側の２つの角には表面カソードマーク２７が形成されている。また、実装部２１に露出している金膜２２は、ＬＥＤチップ１１を金と錫との合金により接合（Ａｕ−Ｓｎ接合）し、フリップチップ実装している。
実装部２１の周りは、メッキにより銀（Ａｇ）膜２３（図２のハッチングの部分）が製膜されている。銀膜２３は、金膜２２上に形成されるとともに、配線基板２０に入ろうとする光をより多く反射するため、セラミック基板２５の上面の金膜２２が形成されていな素地部２６の略全体にも形成されている。但し、アノード電極とカソード電極とが銀膜２３によって短絡しないよう、アノード電極上に形成されているものとカソード電極上に形成されているものとの間には、銀膜２３がない欠落部２４がある。銀膜２３の上には、誘電体多層膜３０（図２のハッチングの部分）が製膜されている。

次に、配線基板２０上に形成された金膜２２、銀膜２３及び誘電体多層膜３０について説明する。
金膜２２は、膜厚が０．７μｍであり、その下には膜厚が０．２μｍの白金（Ｐｔ）膜があり、白金膜の下には膜厚が０．０６μｍのチタン（Ｔｉ）膜があり、チタン膜がセラミック基板２５に接している。
銀膜２３は、膜厚が１５０ｎｍであり、その下には、金膜２２との接着をよくするため、ニッケル（Ｎｉ）系の膜がある。
誘電体多層膜３０は、異なる３つの酸化物の膜からなっている。最上層は、膜厚が１５０ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜が製膜されており、酸化アルミニウム膜の下には、膜厚が共に２０ｎｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜と酸化チタン（ＴｉＯ_２）膜とが製膜されている。従って、誘電体多層膜３０の全膜厚は、１９０ｎｍであり、約６３ｎｍの３倍になっている。

上記のような銀膜２３と誘電体多層膜３０とを配線基板の上面に製膜したことによる効果を調べるため、配線基板２０と、銀膜及び誘電体多層膜がない比較例の配線基板とを、図３に示すように、積分球を用いて、波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの光の反射率を測定した。そして、その測定結果のグラフを図４に示す。

具体的には、各配線基板ｓを、その上面が積分球５０の内面と略同じレベルになるように積分球５０の開口部５１にセットした。なお、このように配線基板をセットするため、積分球５０の附属の蓋を用いることができず、開口部５１に多少の隙間が生じた。また、配線基板の上面は略平面になっていることから、配線基板の上面は積分球５０の内面と完全に同じ面にはならなかった。
そして、このようにセットされた配線基板ｓに、キセノン（Ｘｅ）ランプ５２を光源に用い、その光を直径約３ｍｍのスポット光ｉにして、図３のｂの円で囲んだ領域（ハッチングされた領域）に照射し、その反射光ｒの強度をディテクタ５３により測定した。
このようにして測定した配線基板の反射光の強度を、硫酸バリウムで内面がコートされた附属の蓋により積分球の開口部を塞いだとき（ブランク）の反射光の強度で割った値を反射率とした。

図４に示すように、配線基板２０の反射率は、測定した全波長領域で、従来の配線基板でもある比較例の配線基板より高くなっていた。例えば、波長４６０ｎｍにおいては、比較例の配線基板より、反射率が８１％向上した。

以上より、本実施例の発光装置１０は、比較例より光の反射率が高い配線基板２０を用いていることから、光束が高いものとなった。
特に、銀膜だけでは反射率の向上が期待できない、波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの光束が高いものとなった。
また、窒化アルミニウム製の配線基板２０を用いるとともに、その配線基板２０にＬＥＤチップ１１を金と錫との合金で接合して、フリップチップ実装していることから、放熱性が良くなった。そのため、銀膜２３の劣化が抑制され、発光装置１０は光束が高い状態を長期間維持することができた。
また、酸化アルミニウム膜、酸化ケイ素膜及び酸化チタン膜からなる誘電体多層膜３０で銀膜２３が覆われている。そのため、銀膜２３の劣化（特に硫化等）が抑制され、発光装置１０は光束が高い状態を長期間維持することができた。
また、酸化アルミニウム膜、酸化ケイ素膜及び酸化チタン膜からなる誘電体多層膜３０も光を反射することから、ＬＥＤチップ１１等から発せられる光による銀膜２３の劣化が抑制され、発光装置１０は光束が高い状態を長期間維持することができた。

次に、本発明の実施例２の発光装置４５について説明する。
発光装置４５は、銀膜の替わりにアルミニウム膜４３を上面に製膜した配線基板４０を用いた点が実施例１の発光装置１０と異なり、その他の点については、発光装置１０と同じである。そのため、図１、図２において、符号１０を付しているものが本実施例の発光装置４５に、符号２０を付しているものが本実施例の配線基板４０に、符号２３を付しているものが本実施例のアルミニウム膜４３にそれぞれ相当する。
また、アルミニウム膜４３は、膜を構成する材料を銀からアルミニウムに変更した以外は、実施例１の銀膜２３と同じである。

配線基板４０は、実施例１の配線基板２０と同じように積分球を用いて波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの光の反射率を測定した。そして、測定した全波長領域で、上記比較例（銀膜、アルミニウム膜及び誘電体多層膜がない）の配線基板より高くなっていた。

以上より、本実施例の発光装置４５は、比較例より光の反射率が高い配線基板４０を用いていることから、光束が高いものとなった。
特に、アルミニウム膜だけでは反射率の向上が期待できない、波長が３８０ｎｍ〜５００ｎｍの光束が高いものとなった。
また、窒化アルミニウム製の配線基板４０を用いるとともに、その配線基板４０にＬＥＤチップ１１を金と錫との合金で接合して、フリップチップ実装していることから、放熱性が良くなった。そのため、アルミニウム膜４３の劣化が抑制され、発光装置４５は光束が高い状態を長期間維持することができた。
また、酸化アルミニウム膜、酸化ケイ素膜及び酸化チタン膜からなる誘電体多層膜３０でアルミニウム膜４３が覆われている。そのため、アルミニウム膜４３の劣化が抑制され、発光装置４５は光束が高い状態を長期間維持することができた。
また、酸化アルミニウム膜、酸化ケイ素膜及び酸化チタン膜からなる誘電体多層膜３０も光を反射することから、ＬＥＤチップ１１等から発せられる光によるアルミニウム膜４３の劣化が抑制され、発光装置４５は光束が高い状態を長期間維持することができた。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。

１０発光装置
１１ＬＥＤチップ
１６蛍光体
２０配線基板
２１実装部
２２金膜
２３銀膜
２５セラミック基板
２６素地部
３０誘電体多層膜
４０配線基板
４３アルミニウム膜
４５発光装置

Claims

発光素子を基板上に実装した発光装置において、
前記基板は、セラミック基板の上面に金膜が配線パターン形成された配線基板であり、
前記発光素子は、前記金膜の上に接合されて、フリップチップ実装され、
前記発光素子が実装された部位を除く前記金膜の上には、銀膜が製膜され、
前記銀膜の上には、５００ｎｍ以下の光の反射率を前記銀膜を単独で用いた場合より高くする誘電体多層膜が製膜されている発光装置。
前記セラミック基板の上面には、前記金膜が形成されていない素地部があり、
前記素地部の一部に、銀膜が前記配線パターン形成された前記金膜を短絡しないように製膜されている請求項１記載の発光装置。
発光素子を基板上に実装した発光装置において、
前記基板は、セラミック基板の上面に金膜が配線パターン形成された配線基板であり、
前記発光素子は、前記金膜の上に接合されて、フリップチップ実装され、
前記発光素子が実装された部位を除く前記金膜の上には、アルミニウム膜が製膜され、
前記アルミニウム膜の上には、５００ｎｍ以下の光の反射率を前記アルミニウム膜を単独で用いた場合より高くする誘電体多層膜が製膜されている発光装置。
前記セラミック基板の上面には、前記金膜が形成されていない素地部があり、
前記素地部の一部に、アルミニウム膜が前記配線パターン形成された前記金膜を短絡しないように製膜されている請求項３記載の発光装置。
前記フリップチップ実装は、Ａｕ−Ｓｎ接合によるものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
前記発光素子は、青色領域、紫色領域又は紫外領域にピーク波長を有するものである請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
前記発光装置は、前記発光素子の近傍に蛍光体を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光装置。