JP2012067008A - 発光素子搭載用セラミックス基体 - Google Patents

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Abstract

【課題】紫外線から赤外線までの領域（350〜1000ｎｍ）における反射率が90％以上と高く、かつ、良好な機械的特性も備えた発光素子搭載用セラミックス基体を提供する。
【解決手段】含有量が94質量％以上97質量％以下の酸化アルミニウムと、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含む発光素子搭載用セラミックス基体１であって、基体１の表面１ａの9.074×10５μｍ２の表面積の部分において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以下であり、気孔数が7000個以上11000個以下であり、気孔分布における円相当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上の発光素子搭載用セラミックス基体１である。紫外線から赤外線までの領域における反射率が90％以上と高く機械的特性も良好な、発光装置21に好適な基体１となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を載置するための発光素子搭載用セラミックス基体に関する。
近年、大量生産が可能な高輝度で消費電力の少ない発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）が注目されている。そして、一般照明用の光源または電光表示板用の光源、さらには、携帯電話機，パソコンおよびテレビなど液晶を用いた画像表示装置のバックライトとしても広く利用されつつある。
このような発光素子を搭載するための基体には、表面に電極が形成されるため絶縁性であることが求められる。また、基体に反射材をコーティングしたものは、反射材が経時変化によって変色して反射率が低下したり、発光素子の発熱により基体から反射材が剥がれたりするなどの不具合が生じ易いので、基体自体が高反射率を有することが求められている。
このような要求に対し、特許文献１には、発光素子搭載用セラミックス基体として窒化アルミニウム焼結体を用いることが開示されている。
また、特許文献２には、光反射用材料として、アルミナ含有量が74.6〜100質量％の範
囲であって、その他の成分として炭酸バリウムを含み、焼結後の平均粒子径が2.5μｍ以
下のアルミナ74.6質量％の発光素子収納パッケージが提案されている。
また、特許文献３には、半導体発光素子用の高反射白色セラミック基板が、酸化アルミニウムとガラス質成分とからなり気孔率が５％以下である高反射白色セラミックスが開示されている。さらに、酸化アルミニウムとガラス質成分とからなり、酸化アルミニウムの含有率が75〜85重量％で、ガラス質成分としてシリカ，カルシウム，マグネシウムおよびバリウムを含有し、酸化アルミニウムの結晶粒径が0.5μｍ以下である高反射白色セラミ
ックスが開示されている。
また、特許文献４には、発光素子搭載部を囲繞する枠体を厚み0.8ｍｍ以上とし、この
枠体が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合に、アルミナ含有率が90〜99重量％、ＳｉＯ２，ＭｇＯおよびＣａＯの合計の含有量が１〜10重量％であるときには、波長400〜700ｎｍの光の反射率を80％以上にできることが開示されている。
国際公開第2007／034955号パンフレット 国際公開第2007／058361号パンフレット 特開2007−284333号公報 特開2004−207678号公報
しかしながら、特許文献１に開示された窒化アルミニウムからなる発光素子搭載用セラミック基体は、可視光の長い波長から赤外線領域までの反射率については開示されておらず、さらには、主成分である窒化アルミニウムが高価であるという問題が残っていた。
また、特許文献２に開示された発光素子収納パッケージは、アルミナ100質量％である
と焼結温度が高くなるという問題があった。さらに、焼結温度を下げるために添加剤として加える炭酸バリウムの量が多くなるとコストが高くなるという問題が残っていた。
さらに、特許文献３に開示された半導体発光素子用の高反射白色セラミック基板は、波長が450〜750ｎｍの反射率が90％以上のものが得られてはいるものの、実施例に示されているように高価なバリウムを３重量％含むものであるのでコストが高くなるという問題が残っていた。
また、特許文献４に開示された発光素子収納用パッケージは、このパッケージに使用されるセラミックスの反射率がセラミックス内部の気孔に起因することについては記載がなかった。
本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、基体となるセラミックス焼結体の低コスト化を図り、発光素子搭載用の基体としての高反射率が得られる発光素子搭載用セラミックス基体を提供することである。
本発明の発光素子搭載用セラミックス基体は、含有量が94質量％以上97質量％以下の酸化アルミニウムと、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含む発光素子搭載用セラミックス基体であって、基体の表面の9.074×10５μｍ２
の表面積の部分において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以下であり、気孔数が7000個以上11000個以下であり、気孔分布における円相当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上であることを特徴とするものである。
本発明の発光素子搭載用セラミックス基体によれば、含有量が94質量％以上97質量％以下の酸化アルミニウムと、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含む基体であって、この基体の表面の9.074×10５μｍ２の表面積の部分に
おいて、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以下
であり、気孔数が7000個以上11000個以下であり、気孔分布における円相当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上であることから、発光素子からの光が基体の表面で反射せずに基体の内部に入射しても、上記気孔率、気孔数、気孔分布を示す気孔を有していることにより、基体内部における反射光を増加させられるため、基体の反射率を向上し易くできる。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体に発光素子を載置した発光装置の構成の一例を示す断面図である。 本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体の表面への入射光が散乱する状態を示す概念図である。 本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体の表面へ被着させた導体に対する密着強度の測定方法を示す断面図である。
以下、本発明の発光素子搭載用セラミックス基体の実施の形態の例を説明する。
図１は本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体に発光素子を載置した発光装置の構成の一例を示す断面図である。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１（以下、基体１ともいう。）を用いた発光装置21は、発光素子２が搭載される基体１の一方の表面１ａに厚膜印刷法を用いて、カソード電極およびアノード電極用の電極（表電極）３ｃ，３ｄを被着させ、電極３ｃ，３ｄが形成された一部に、電極パッド３ａ，３ｂをメッキ等により形成し、この電極パッド３ａの上に半導体からなる発光素子２を載置している。そして、発光素子２のアノード電極（不図示）またはカソード電極（不図示）と電極パッド３ｂをボンディングワイヤ32により電気的に接合している。なお、ここでは、電極パッド３ａと発光素子２との接合については、電気的に接合できるものであれば、導電性接着剤を用いた接合、ボンディングワイヤ32による接合または半田バンプによる接合であっても何ら構わない。そして、発光素子２および電極パッド３ａ，３ｂを含む電極３ｃ，３ｄを樹脂等からなる封止部材31で被覆し、この封止部材31が発光素子２の保護とレンズ31ａの機能を併せ持っている。なお、電極３ｃ，３ｄおよびパッド電極３ａ，３ｂの露出部分には通常、透明のオーバーコートガラスを保護層として被着するが、ここでは説明を省略する。
また、電極（表電極）３ｃ，３ｄは、基体１に貫通した電極（貫通導電層）３ｅ，３ｆを経由して、基体１の他方の表面１ａ’に形成された電極（裏電極）３ｇ，３ｈと電気的に接合されている。
そして、この電極（裏電極）３ｇ，３ｈに外部の直流電源（不図示）またはＡＣ−ＤＣスイッチング電源（不図示）を接続して、カソード電極側に正の電圧をアノード電極側に負の電圧を印加することにより発光素子２のＰ−Ｎ接合部が発光する。このとき、封止部材31は、発光素子２の保護のみならず光の波長を選択的に変換する機能を持たせたものも多く、さらに封止部材31の外殻であるレンズ31ａにより光を拡散および放射する構造である。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の組成は、酸化アルミニウムの含有量が94〜97質量％で、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含有している。さらに、発光素子搭載用セラミックス基体１の表面の9.074×10５
μｍ２の表面積の部分において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、円相
当径0.8μｍ以上の気孔による気孔率が2.5〜4.5％の範囲であり、円相当径0.8μｍ以上の気孔の気孔数が7000〜11000個の範囲であり、円相当径0.8μｍ以上の気孔の気孔分布における円相当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上であることが重要である。
図２は、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体の表面への入射光が散乱する状態を示す概念図である。
図２に示すように、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１は、断面を結晶のサイズのレベルで見たとき、アルミナ粒子４と、酸化珪素等からなるガラス相（粒界相）５と、気孔６とを有している。なお、これらのアルミナ粒子４とガラス相５との間を界面７、気孔６とガラス相５との界面８としてある。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の表面１ａに照射された入射光11は、基体１によって反射する反射光13と、基体１の内部を透過して、入射光11が照射された一方の表面１ａとは反対側の他方の表面１ａ’から透過光12となる。
また、入射光11は、その一部が表面１ａで入射角度に対し同じ角度で逆方向に反射される正反射光13ａと、表面１ａで不特定な方向へ反射される拡散反射光13ｄとなるが、残りは基体１の内部に入り、アルミナ粒子４，気孔６およびガラス相５の少なくともいずれかを透過する透過光12となる。そして、この透過光12は、基体１内でアルミナ粒子４とガラ
ス相５との間の界面７で一部は拡散反射光13ｂとなり、また、気孔６とガラス相５との界面８で拡散反射光13ｃとなり、残りの光は、さらに基体１内部を透過光12となって進行していき、アルミナ粒子４とガラス相５との間の界面７と、気孔６とガラス相５との界面８とでの拡散反射光13ｂ，13ｃを生み出し表面１ａからの反射光13となる。そして、一部の光は、他方の表面１ａ’から透過光12として出てくる。
また、光の反射率を向上させるには、基体１の表面１ａに照射された入射光11は、表面１ａで正反射光13ａおよび拡散反射光13ｄとなるのがもっとも好ましく、表面側に存在する気孔６数を従来の発光素子搭載用セラミックス基体に比較し大幅に増やし、さらに、中央部側に向かうほどさらに、気孔６の存在数を増やすことにより、気孔６とガラス相５との界面８で透過光12の拡散反射光13ｃの発生の機会が増え、表面１ａからの反射光13を増加することができ反射率が向上し易くなる。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１は、主成分である酸化アルミニウムの含有量が94〜97質量％の範囲内であることから、不可避不純物を除く酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種との合計の含有量が残部の３〜６質量％となり、材料コストの高いバリウムを使用することなく、さらに通常の焼成温度よりも低い温度である1420〜1540℃の温度で焼成したとしても焼結性が十分高められることから、基体１の低コスト化を図ることができる。なお、バリウムを含むものであってはならないものではない。
また、アルミナ粒子４同士の間には酸化珪素等からなるガラス相５が形成されているために、基体１の発光素子２を搭載する一方の表面１ａに、電極３ｃ，３ｄを形成するための厚膜ペーストを塗布して厚膜焼成するとペーストに含まれる金属成分が表面１ａからガラス相５を伝わって内部に拡散するために、電極３ｃ，３ｄと基体１の密着強度を高めやすくなる。
さらに、基体１の発光素子２を搭載する表面１ａの9.074×10５μｍ２の表面積の部分
において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以
下であり、気孔数が7000個以上11000個以下としたことから、気孔率を高くすることなく
気孔数を増やしてガラス相５と気孔６との界面８の面積を広くすることができ、その結果、図２を用いて説明したように、基体１の表面１ａでの正反射光13ａおよび拡散反射光13ｄならびに基体１の内部での拡散反射光13ｂ，13ｃを増やして入射光11が入射した側の表面１ａの外部に反射するようにできる。また、基体１の内部のアルミナ粒子４を伝って他方の表面１ａ’側に透過しようとする光もガラス相５を透過するときに、気孔率と気孔数とを本実施形態の範囲にすることによって、ガラス相５と気孔６との界面８でより多くの光が拡散して反射するようにできることから、入射光11が入射した反対側の表面１ａ’から透過して出てくる光は少なくなって表面１ａに放出される反射光13を大幅に増加させやすく基体１の反射率を向上させやすくできる。このため、高価なバリウムを用いる必要がなく反射率を高められやすくできる。
さらにまた、基体１の発光素子２を搭載する表面１ａの9.074×10５μｍ２の表面積の
部分において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔分布における円相
当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上であることから、大きな気孔６があることに
よる機械的強度の低下を低減し易くなり、ガラス相５と気孔６との界面８の面積を広くすることができるので、反射光13を増加させやすくなる。
ここで、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の表面１ａの9.074×10５μ
ｍ２の表面積の部分における気孔６の気孔数は、機械的特性と反射率との双方が最良となる9000個以上11000個以下であり、円相当径0.8μｍ以上の気孔分布における円相当径1.6
μｍ以下の累積相対度数が75％以上とすることがより好ましく、焼結温度を1420〜1540℃程度とし、焼成時間を3.6〜21時間の範囲で行ない、基体１となる焼結体がより均一に焼
結されるように焼成炉内の温度バラツキを抑えるとともに、成形体の重ね枚数を少なくして昇温降温の温度プロファイルの厳密な制御を行なうことによって、このような基体１となる焼結体を得ることができる。
なお、気孔６の平均気孔径，気孔数，気孔率および気孔分布の測定については、基体１の試料の表面１ａを、例えば10μｍの深さまで鏡面研磨加工し、倍率を100倍にした金属
顕微鏡の画像をＣＣＤカメラに取り込み、画像解析装置を用いて解析して数値化する。具体的には、画像解析のソフトウェアには（株）三谷商事製の型名Ｗｉｎ ＲＯＯＦを使用し、9.074×10５μｍ２の表面積に対して、円相当径0.8μｍを閾値として各測定値を算出すればよい。
また、光の反射率の測定は、分光光度計（例えば（株）島津製作所製の分光光度計 型名ＵＶ−315と付属品の積分球ユニット 型名ＩＳＲ−3100）を用い、光源に50Ｗハロゲ
ンランプと重水素ランプとを使用し、波長範囲を200〜1000ｎｍとし、測定範囲は拡散反
射率（スリット20ｎｍ時７×９ｍｍ）として、マスクの使用はなしで、基準に硫酸バリウム粉体を用いて測定した。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１は、円相当径0.8μｍ以上の気孔につ
いて見たときに、基体１の表面側よりも中央部側の気孔数が多いことが好ましい。
ここで、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の表面側と中央部側とについて説明する。まず表面側とは、図３に示す基体１の一方の表面１ａまたは他方の表面１ａ’から厚み方向に10μｍ程度までの表層の部分を表面側とする。これは、一般的な厚膜ペースト印刷用のアルミナからなる基体（俗称：厚膜基板）において、導体である金属成分がペーストに添加されている導体密着用成分（例えばビスマスなど）とともにアルミナ基板の表面から内部に侵入する深さが約10μｍであることから、この範囲の表層を表面側とした。次に中央部側とは、基体１を厚み方向に３等分したときの真ん中の部分を中央部側とした。
そして、基体１の発光素子２を搭載する表面１ａの9.074×10５μｍ２の表面積の部分
において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以
下、気孔数が7000個以上11000個以下であって、かつ、円相当径0.8μｍ以上の気孔６について見たときに、基体１の表面側よりも中央部側の気孔数が多いときには、基体１の表面１ａから内部に透過中の光は、アルミナ粒子４とガラス相５との間を界面７と、気孔６とガラス相５との界面８とで、光の一部が拡散反射光13ｂ，13ｃとなり、残りの光はさらに透過中の光となり進行していくが、基体１の中央部側に近付くにつれ、気孔数が表面側よりも多くなることから、気孔６とガラス相５の界面８の面積も広くなり、拡散反射光13ｃの発生頻度が増加する。したがって、表面１ａへ放出される反射光13が増加する。
また、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の両表面側と中央部側との気孔数の関係は同等であることから、例えば、発光素子２は表面１ａ，１ａ’のいずれに搭載しても構わないため、発光装置21の製造工程において、基体１の表裏の方向性を考慮する必要がなく生産性を向上できる。
本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１は、酸化珪素の含有量が１質量％以上３質量％以下であることが好ましい。
酸化珪素の含有量が１質量％以上３質量％以下であれば、図２に示すように、気孔６を
除くアルミナ粒子４間の粒界に十分ガラス相５を形成することができる。また、通常の焼成温度より低い温度である1420〜1540℃の温度で基体１の表面１ａ，１ａ’は、電子部品用基板としては問題ない程度に焼結することから、基体１としての機械的強度は確保できる。
また、基体１の表面１ａ，１ａ’には、発光素子２を搭載するためにカソード電極およびアノード電極を始めとして図１に示すような電極３ｃ，３ｄ，３ｇおよび３ｈが形成されるが、厚膜ペーストを塗布して厚膜焼成して形成したときに、ペーストに含まれる金属が基体１の表面１ａ，１ａ’から、ガラス相５を伝わって内部に拡散して焼き付くことにより、印刷した電極３が基体１の表面１ａ，１ａ’に強固に密着し易くなる。このときに、酸化珪素の含有量が１質量％未満であると、アルミナ粒子４間に十分なガラス相５が形成されないことから、電極３に含まれる金属が表面１ａ，１ａ’からガラス相５に十分に拡散しないために、電極３の密着強度が低下し易くなる。
また、酸化珪素の含有量が３質量％を超えると、ガラス相５の割合が増すために機械的強度（曲げ強度）および硬度が低下し易くなる。さらに、ムライトなどの異常結晶が晶出するおそれがあり、これらの晶出物は電気的特性を低下させる原因になることがあるので、電子部品用基板としては酸化珪素の含有量が１質量％以上３質量％以下であることが好ましい。
また、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１は、表面１ａ，１ａ’における気孔の平均気孔径が1.0μｍ以上1.95μｍ以下であることが好ましい。
図２に示すように、基体１の一方の表面１ａに照射された入射光11は、基体１によって反射する反射光13と、一部の光は、基体１の内部を透過して、入射光11が照射された表面１ａとは反対側の基体１の他方の表面１ａ’から透過光12として出てくる。
ここで、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１によれば、気孔６とガラス相５との界面８でも、アルミナ粒子４とガラス相５との界面７で生じる拡散反射光13ｂと同様な拡散反射光13ｃが発生することにより、基体１の外部への反射光13の放出する機会が格段に増えるために、光の反射率が向上するものと考えられる。
ここでさらに、気孔６の平均気孔径が1.0〜1.95μｍの範囲内であれば、基体１の内部
での拡散反射光13ｂおよび拡散反射光13ｃが好適に発生するとともに、それらが基体１の表面１ａから外部に放出される機会が増加するものと考えられる。
次に、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体の製造方法の一例を説明する。
まず、発光素子搭載用セラミックス基体１を作製するための、平均粒径が1.4〜1.8μｍ程度の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の粉末と、酸化珪素（ＳｉＯ２）と、酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の少なくとも１種の粉末とを準備し、各粉末の合計含有量が100質量％となるように秤量した混合粉末を水等の溶媒とともに回
転ミルに投入して、混合する。次に、これにポリビニルアルコール，ポリエチレングリコール，アクリル樹脂またはブチラール樹脂等の中から一種の成形用バインダを、混合粉末100質量％に対して４〜８質量％程度を添加し、高純度のアルミナボールを用いて、さら
に回転ミルで混合してスラリーを得る。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法でシートを成形するか、このスラリーをスプレードライヤを用いて作製した造粒体を使用してロールコンパクション法によってセラミックスのシートを形成する。次に、製品形状とするための金型による加工もしくはレーザ加工によって未焼成の成形体を作製する。このとき成形体は、最終的に発光素子が搭載される基体１の単品でも良いが、量産性を考
慮すれば多数個取りの成形体とするのがより好ましい。そして、得られた成形体を、大気（酸化）雰囲気の焼成炉（例えば、ローラー式トンネル炉，バッチ式雰囲気炉およびプッシャー式トンネル炉）を用いて、最高温度が1420〜1540℃となるように設定して焼成することによって、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１を作製することができる。また、焼成時間を変更することによっても気孔数を増減することもできる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
まず、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）として平均粒径が1.6μｍ程度の粉末と、酸化
珪素（ＳｉＯ２）と、酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の少なくとも１種の粉末とを準備する。そして、各粉末の合計含有量が100質量％となるよう
に秤量した混合粉末を水等の溶媒とともに回転ミルに投入して混合する。
次に、これにアクリル樹脂の成形用バインダを添加し、高純度のアルミナボールを用いて、さらに回転ミルで混合してスラリーを得る。ここで、成形用バインダの添加量は混合粉末100質量％に対して４〜８質量％程度とする。この範囲内であれば、成形体の強度お
よび可撓性に問題がなく、また、焼成時に成形用バインダの脱脂が不十分となることによる不具合も発生しない。
次に、得られたスラリーを公知のドクターブレード法でシート状に成形し、このシートを金型で製品形状の寸法に加工する。
次に、この製品形状の成形体を焼結させるために、プッシャー式トンネル炉にて表１に示す温度条件にて焼成を行ない、基体１の厚みが0.635ｍｍであり、表１に示す様な試料
Ｎｏ．１〜33の発光素子搭載用セラミックス基体の試料を得た。また、焼成時間は、試料Ｎｏ．１〜23は９時間であり、試料Ｎｏ．24〜33は3.6〜21時間の範囲で増減させて焼成
させたものである。
この得られた発光素子搭載用セラミックス基体の試料について、気孔率，気孔数，気孔分布の累積相対度数，曲げ強度，導体の密着強度および反射率の測定を以下の方法で行なった。
基体１の気孔率，気孔数および気孔分布の累積相対度数の測定は、各試料の表面を表面から10μｍの深さまで鏡面研磨加工し、倍率が100倍の金属顕微鏡の画像をＣＣＤカメラ
によって取り込み、画像解析装置を用いて数値化した。具体的には、金属顕微鏡には（株）キーエンス製のマイクロスコープ 型名ＶＨＸ−500を用い、ＣＣＤカメラには（株）ニコン製のデジタルＳＩＧＨＴ 型名ＤＳ−２Ｍｖを用いて、画像解析のソフトウェアには
（株）三谷商事製の型名Ｗｉｎ ＲＯＯＦを使用して、9.074×10５μｍ２の表面積に対して、円相当径0.8μｍを閾値として各測定値を算出した。なお、測定数は各試料数１個で
、１回毎の測定面積が2.2685×10５μｍ２であり、計４箇所を測定して、測定総面積が9.074×10５μｍ２の表面積に対する各データを求めた。なお、他の装置等を用いて気孔数
を算出するときには、測定面積当たりの気孔数を9.074×10５μｍ２当たりの気孔数に換
算した値が7000個以上11000個以下となればよい。
また、各試料と同一組成、同一焼成条件で、ＪＩＳ Ｒ 1601に準拠して、予め長さが30ｍｍ、幅が10ｍｍ、厚みが0.8ｍｍの焼結体を作製し、焼結体のスパンが20ｍｍの中央部
に、0.5ｍｍ／分の荷重を印加し、焼結体が破壊するまでの最大荷重を測定して、三点曲
げ強度を算出した。なお、測定数は試料数10個について測定し、その平均値を求めた。
次に、図３は、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体の表面へ被着させた導体に対する密着強度の測定方法を示す断面図である。
図３に示すように、基体１の表面へ被着させた導体33に対する密着強度の測定方法は、被測定物である基体１の表面１ａに、厚膜ペースト（図示せず）を印刷して焼成後の寸法が２ｍｍ角で厚みが10μｍの銀パラジウム（田中貴金属工業（株）社製 型番ＴＲ4846）からなる導体33を形成し、約850℃で焼成した。次に、導体33の表面に、Ｓｎ−Ｐｂ（６
：４半田）系で全体に対してＡｇを２質量％とした半田34を用い、フラックスは、ロジン系合成樹脂にケトンとアルコール系溶剤とを混合したもので、商品名がＸＡ−100（タム
ラ化研（株）社製）を用い、225±５℃の温度で径が0.6ｍｍのメッキ導線（銅線にＳｎメッキ）35を半田付けして、測定用試料を準備した。次に、このメッキ導線35を7.62ｍｍ／分の速度で引っ張り、導体33が基体１から剥離するときの強度を測定して、基体１に対する導体の密着強度とした。この試験装置は、ダイ・シェアリング・テスタ（ＡＮＺＡ Ｔ
ＥＣＨ社製 型番 520Ｄ）を使用した。また、測定数は各試料数10個について測定し、そ
の平均値を求めた。なお、メッキ銅線35が導体33から剥離した場合はデータから除外し、導体33が基体１から剥離したときのみのデータを導体33の密着強度とした。
次に、反射率の測定は、測定器（図示せず）は（株）島津製作所製の分光光度計 型名
：ＵＶ−315と積分球ユニット 型名ＩＳＲ−3100とを用い、光源に50Ｗハロゲンランプと重水素ランプとを使用し、波長範囲を200〜1000ｎｍとし、測定範囲は拡散反射率（スリ
ット20ｎｍ時７×９ｍｍ）としてフィルターおよびマスクは使用しないで、反射率の基準として硫酸バリウム粉体を用いて測定した。なお、測定試料数は基体１の厚みが0.635ｍ
ｍのもの各１個について表面１ａの１箇所について測定した。
なお、試料Ｎｏ．３〜７，９，10，12，13および15〜33は、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の実施例であり、試料Ｎｏ．１，２，８，11および14は比較例である。
また、各試料の総合評価は、曲げ強度が310ＭＰａ以上であって、かつ、導体33の密着
強度が19ＭＰａ以上であって、さらに、波長350〜1000ｎｍ範囲の反射率が90％以上を満
足したものを合格とし、いずれか１つ以上の項目を満足しないものを不合格とした。
得られた結果を表１および表２に示す。
表１，２に示す結果から分かるように、比較例の試料Ｎｏ．１，２，８，11，14は、上記総合評価の各項目ののなかで、いずれか１つ以上の項目を満足しなかったために不合格であった。
まず、試料Ｎｏ．１は、焼成温度が高かったために気孔率および気孔数が少なくなり反射率が90%未満であった。試料Ｎｏ．２は、酸化アルミニウムの含有量が93.5％と低く、
第２成分である酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種との合計の含有量が多いため、気孔率と気孔数とが低くなり、反射率はどの波長帯においても90％未満と低かった。試料Ｎｏ．８は、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムのいずれも含有していないものであることから、焼結時の結晶粒成長が抑止できず、気孔率は高く、気孔数が少なくなり、反射率はどの波長帯においても90％未満と低くなり、さらに曲げ強度が他の試料に比べて低い値となったことが分かる。
また、試料Ｎｏ．11は、酸化珪素の含有量が0.5質量％と少ないため、導体33の密着強
度が10.5ＭＰａと低かった。試料Ｎｏ．14は、焼成温度をさらに低くしたことにより、アルミナ粒子の焼結不足となり、気孔数が多く、各波長帯における反射率は高いものの、曲げ強度がやや低い結果となった。
これに対して、本発明の実施例の試料Ｎｏ．３〜７，９，10，12，13および15〜33は、含有量が94質量％以上97質量％以下の酸化アルミニウムと、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含む発光素子搭載用セラミックス基体であって、基体の表面の9.074×10５μｍ２の表面積の部分において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以下であり、気孔数が7000個以上11000個以下であり、気孔分布における円相当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上であることから、波長350〜1000ｎｍの光の反射率が90％以上であって、曲げ強度が310ＭＰａ以上であり、導体33の密着強度も19ＭＰａ以上であり、総合評価は合格であった。
また、試料Ｎｏ．４〜６，９，10，12，13，17〜24，26，27，29，30，32および33は、表面１ａの9.074×10５μｍ２の表面積の部分における円相当径0.8μｍ以上の気孔の気孔数が9000〜11000個であり、通常反射率の評価で使用される波長500ｎｍにおける反射率が全て91％以上という、特に良い結果であった。このことから、円相当径0.8μｍ以上の気
孔の気孔数のより好ましい範囲は9000〜11000個であることが分かる。
また、本実施形態において、酸化カルシウムと酸化マグネシウムとは、少なくとも１つが含有されていることが必須であるが、酸化珪素は焼結性と、厚膜印刷による導体の密着強度と、反射率とのいずれも満足させるための必須成分であり、特に好ましい範囲は１〜３質量％であることが分かる。
次に、発光素子搭載用セラミックス基体１の表面側よりも中央部側の気孔数が多いことによる反射率との関係を調べた。
まず、実施例１で作製した試料Ｎｏ．12と同一の原料を用いて、実施例１と同様の工程で成形体を作製し、表３に示す焼成温度と焼成時間の増減率の条件で焼成して基体１を作製した。
気孔率の測定方法は実施例１と同一である。但し、中央部側の気孔数を測定するときは、基体１の厚みが0.635ｍｍであることから、基体１を表面１ａから約0.32ｍｍ研磨して
、この研磨面について実施例１と同様な方法で測定した。また、反射率は、ここでは波長500ｎｍについてのみ測定した。
得られた結果を表３に示す。
表３の結果から分かるように、表面側よりも中央部側の気孔数が多くなるにつれて反射率が増加していることから、発光素子搭載用セラミックス基体として良好に使用できることが分かる。
（実施例３）
実施例１で作製した比較例である試料Ｎｏ．１および14と、本実施形態の実施例である試料Ｎｏ．５，12および13とについて、実施例１の測定方法で、平均気孔径と、波長200
〜350ｎｍの反射率との測定を行なった。
得られた結果を表４に示す。
表４の結果から分かるように、平均気孔径が2.02μｍと大きい比較例の試料Ｎｏ．１は、波長350ｎｍ以下の反射率が急激に低くなっている。また、平均気孔径が0.95μｍと小
さい場合の反射率は、波長250ｎｍ以下の反射率が低くなっている。
本実施形態の実施例の試料Ｎｏ．５，12および13は、平均気孔径が1.00〜1.95μｍの範囲であり、反射率は、波長300ｎｍまでは80％以上で、波長250ｎｍまでは60％以上であり、課題となっている紫外線領域の反射率も著しく向上できている。
この結果における平均気孔径の作用は分からないものの、平均気孔径が１〜1.95μｍの
範囲であれば、近紫外線領域の反射率の向上に寄与することが分かる。
以上のように、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１は、材料コストの高いバリウムを使用することなく、さらに通常の温度より低い温度である1420〜1540℃の温度でも焼結性が高められることから、基体１の低コスト化を図ることができる。さらに、曲げ強度が高く、基体１に直接電極を厚膜印刷しても十分な導体の密着強度を有し、しかも可視光領域の全域から紫外線領域および赤外線領域の一部にもわたる広い範囲の波長において高反射率が得られるとともに、高反射率と機械的特性との双方を十分に満足することができる発光素子搭載用に好適なセラミックス基体である。
１：発光素子搭載用セラミックス基体（基体）
１ａ，１ａ’：表面
２：発光素子
３、33：導体
３ａ，３ｂ：電極パット、３ｃ，３ｄ：表電極、３ｅ，３ｆ：貫通導電層、３ｇ，３ｈ：裏電極
４：アルミナ粒子
５：ガラス相（粒界相）
６：気孔
７：界面（アルミナ粒子とガラス相との界面）
８：界面（気孔とガラス相との界面）
11：入射光
12：透過光
13：反射光
13ａ：正反射光、13ｂ：拡散反射光、13ｃ：拡散反射光、13ｄ：拡散反射光
21：発光装置
31：樹脂
32：レンズ
34：半田
35：メッキ導線
本発明の発光素子搭載用セラミックス基体は、セラミックス焼結体からなる発光素子搭載用セラミックス基体であって、前記基体は、発光素子が搭載される表面側よりも中央部側の気孔数が多いことを特徴とするものである。
本発明の発光素子搭載用セラミックス基体によれば、セラミックス焼結体からなる発光素子搭載用セラミックス基体であって、前記基体は、発光素子が搭載される表面側よりも中央部側の気孔数が多いことにより、基体中央部側の気孔とガラス相との界面の面積が広くなり、拡散反射光の発生頻度が増加する。したがって、表面へ放出される反射光が増加する。
以下、発光素子搭載用セラミックス基体の実施の形態の例を説明する。
ここで、本実施形態の発光素子搭載用セラミックス基体１の表面側と中央部側とについて説明する。まず表面側とは、図１に示す基体１の一方の表面１ａまたは他方の表面１ａ’から厚み方向に10μｍ程度までの表層の部分を表面側とする。これは、一般的な厚膜ペースト印刷用のアルミナからなる基体（俗称：厚膜基板）において、導体である金属成分
がペーストに添加されている導体密着用成分（例えばビスマスなど）とともにアルミナ基板の表面から内部に侵入する深さが約10μｍであることから、この範囲の表層を表面側とした。次に中央部側とは、基体１を厚み方向に３等分したときの真ん中の部分を中央部側とした。
以下、実施例を具体的に説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。
これに対して、実施例の試料Ｎｏ．３〜７，９，10，12，13および15〜33は、含有量が94質量％以上97質量％以下の酸化アルミニウムと、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含む発光素子搭載用セラミックス基体であって、基体の表面の9.074×10５μｍ２の表面積の部分において、円相当径0.8μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が2.5％以上4.5％以下であり、気孔数が7000個以上11000個以下
であり、気孔分布における円相当径1.6μｍ以下の累積相対度数が70％以上であることか
ら、波長350〜1000ｎｍの光の反射率が90％以上であって、曲げ強度が310ＭＰａ以上であり、導体33の密着強度も19ＭＰａ以上であり、総合評価は合格であった。

Claims (5)

  1. 含有量が９４質量％以上９７質量％以下の酸化アルミニウムと、酸化珪素と、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムの少なくとも１種とを含む発光素子搭載用セラミックス基体であって、基体の表面の９．０７４×１０５μｍ２の表面積の部分において、円相当径０．８μｍ以上の気孔について見たときに、気孔率が２．５％以上４．５％以下であり、気孔数が７０００個以上１１０００個以下であり、気孔分布における円相当径１．６μｍ以下の累積相対度数が７０％以上であることを特徴とする発光素子搭載用セラミックス基体。
  2. 円相当径０．８μｍ以上の気孔について見たときに、前記基体の表面側よりも中央部側の気孔数が多いことを特徴とする請求項１に記載の発光素子搭載用セラミックス基体。
  3. 前記酸化珪素の含有量が１質量％以上３質量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子搭載用セラミックス基体。
  4. 前記表面における平均気孔径が１．０μｍ以上１．９５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子搭載用セラミックス基体。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子搭載用セラミックス基体上に発光素子を載置したことを特徴とする発光装置。
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