JP2012104799A - セラミック基板 - Google Patents

Abstract

【課題】内周面の平滑性が高い側壁部を有するキャビティを備えるセラミック基板を提供する。
【解決手段】セラミック基板は、底壁部と、底壁部に積層され、底壁部と併せてキャビティを形成する側壁部とを備え、側壁部の内周面は、キャビティの開口側に向けて拡大するように傾斜している。側壁部は第１のセラミック層と第２のセラミック層とが積層されてなり、第１のセラミック層と第２のセラミック層の少なくとも一方が、端部が前記内周面に露出せず、側壁部の内部に存在する。第２のセラミック層は、第１のセラミック層の収縮終了温度以下では収縮しないものであり、例えば、第１のセラミック層よりも、１０００℃以下で焼結しない難焼結性セラミック粉末を多く含んでいる。
【選択図】 図１

Description

本発明はセラミック基板に関するもので、特に、発光素子を搭載するためのキャビティを備えるセラミック基板に関するものである。

近年、照明やディスプレイのバックライト等に、ＬＥＤ等の発光デバイスが使用されている。

発光デバイスは、発光素子と、発光素子を搭載するパッケージ基板とを備えている。パッケージ基板の材料としては、樹脂やセラミック等が用いられている。その中でもセラミックは耐熱性に優れるため、セラミック基板は発光デバイスのパッケージ基板として好ましい。

発光デバイスのパッケージ基板として用いるセラミック基板には、発光素子を搭載するためのキャビティが設けられている。キャビティは、発光素子を搭載するとともに発光素子が発する光を前方に反射させる役割を担っており、効率よく光を反射させるために、キャビティの側壁を構成する側壁部の内周面はキャビティの開口側に向かって拡大するように傾斜している。このパッケージ基板の反射効率は、発光デバイスの発光効率に大きく影響するため、パッケージ基板の反射効率を高めるために内周面の傾斜をいかに平滑に形成できるかが重要となる。この点について従来から様々な技術が開発されている。

例えば、特開２００７−９５９７３号公報（特許文献１）には、斜面の傾斜角度に対応している金型を用いて、セラミックグリーンシートにプレス加工を施して、セラミックグリーンシートの貫通穴に金型の凸部を圧入せしめることで、平滑な内周面を所望の角度に形成することが可能な電子部品用のパッケージの製造方法が開示されている。

特開２００７−９５９７３号公報

ところが、特許文献１の方法では、焼成前のセラミックグリーンシートの状態では平滑な斜面を形成できるものの、焼成後も内周面の平滑性を維持することが難しい。なぜなら、セラミックグリーンシートは焼成過程において収縮するため、焼成収縮により内周面が変形するおそれがあるからである。

そこで、本発明は、上述の課題を解決し、内周面の平滑性が高い側壁部を有するキャビティを備えるセラミック基板を提供することを目的とする。

本発明に係るセラミック基板は、底壁部と、底壁部に積層され、底壁部と併せてキャビティを形成する側壁部とを備えている。また、側壁部の内周面は、キャビティの開口側に向けて拡大するように傾斜している。

そして、上述の課題を解決するために、本発明に係る第１のセラミック基板は、側壁部が、第１のセラミック層と、第１のセラミック層の収縮終了温度以下では収縮しない第２のセラミック層とを積層してなることを特徴としている。また、第１のセラミック層と第２のセラミック層の少なくとも一方が、端部が内周面に露出せず、側壁部の内部に存在することを特徴としている。

ここで、第１のセラミック層の収縮終了温度以下では収縮しない第２のセラミック層は、第２のセラミック層の収縮開始温度が第１のセラミック層の収縮終了温度より高いことが好ましく、さらには、焼成過程において第２のセラミック層が収縮開始温度に達しないことが好ましい。

また、本発明に係る第２のセラミック基板は、上述の課題を解決するために、第１のセラミック層が１０００℃以下で焼結するガラスセラミックからなり、第２のセラミック層が、第１のセラミック層よりも、１０００℃以下で焼結しない難焼結性セラミック粉末を多く含んでいることを特徴としている。また、第２のセラミック層の端部が内周面に露出せず、側壁部の内部に存在することを特徴としている。

難焼結性セラミック粉末としては、例えばアルミナ粉末やジルコニア粉末が挙げられる。

また、本発明に係るセラミック基板では、第１のセラミック層または第２のセラミック層の、側壁部の内部に存在する端部から内周面までの最短距離が１４０μｍ以上２２０μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明に係るセラミック基板では、キャビティが、発光素子を搭載するためのものであることが好ましい。

また、本発明に係るセラミック基板では、内周面の全面が同一のセラミック材料で構成されていることが好ましい。

さらに、本発明に係るセラミック基板は、側壁部の内部に、内周面に沿って平行に電極が形成されていることが好ましく、特に、電極が銀を含むことが好ましい。

本発明に係る第１のセラミック基板によれば、側壁部が、第１のセラミック層と、第１のセラミック層の収縮終了温度以下では収縮しない第２のセラミック層とを積層してなるため、側壁部の寸法精度を高くすることができる。また、第１のセラミック層と第２のセラミック層の少なくとも一方は、端部が内周面に露出せず、側壁部の内部に存在するため、収縮挙動の異なるセラミック層の界面に応力が集中して内周面に角が生じるのを抑制することができる。そのため、本発明に係るセラミック基板は、キャビティを構成する側壁部の内周面の平滑性が高い。

また、本発明に係る第２のセラミック基板によれば、第１のセラミック層が１０００℃以下で焼結するガラスセラミックからなり、第２のセラミック層が、第１のセラミック層よりも、１０００℃以下で焼結しない難焼結性セラミック粉末を多く含んでいるため、焼成後の側壁部の寸法精度を高くすることができる。また、第２のセラミック層の端部が内周面に露出せず、側壁部の内部に存在するため、収縮挙動の異なるセラミック層の界面に応力が集中して内周面に角が生じるのを抑制することができる。そのため、本発明に係るセラミック基板は、キャビティを構成する側壁部の内周面の平滑性が高い。

また、第１のセラミック層または第２のセラミック層の、側壁部の内部に存在する端部から内周面までの最短距離が１４０μｍ以上２２０μｍ以下であると内周面の平滑性をさらに高めることができる。

また、キャビティが、発光素子を搭載するためのものであると、平滑性の高い内周面によって、発光素子から発する光の反射効率を向上させることができる。

さらに、内周面の全面が同一のセラミック材料で構成されていると、場所によって反射ばらつきが生じないため、反射効率をさらに高めることができる。

また、側壁部の内部に、内周面に沿って平行に電極が形成されていると、電極が反射層として機能し、光の反射効率をさらに向上させることができる。特に、電極が銀を含む場合には、電極が側壁部の内部に形成されており、基板表面に露出していないため、空気中の硫黄ガス等の影響によって銀が硫化されて反射効率が低下するのを防止することができる。

本発明の実施例１に係るセラミック基板の断面図である。 本発明の実施例１に係るセラミック基板の製造方法の一工程を示す断面図である。 本発明の実施例１に係るセラミック基板の製造方法の一工程を示し、図２に示す工程の後の工程を示す断面図である。 本発明の実施例３に係るセラミック基板の断面図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るセラミック基板１の断面図である。

セラミック基板１は、底壁部３と、底壁部４に積層された側壁部４とを備えている。側壁部４は積層方向に貫通する貫通穴を有しており、底壁部３と側壁部４によってキャビティ２が形成されている。側壁部４の内周面５は、キャビティ２の開口側に向けて拡大するように傾斜している。底壁部３と側壁部４は、それぞれ第１のセラミック層６と第２のセラミック層７とが積層されてなる。

キャビティ２は、例えば、底面に発光素子を搭載するとともに、側面によって発光素子の発する光を前方に反射するために用いられる。

底壁部３は、キャビティ２の底面を構成するためのものである。底壁部３は、１種類のセラミック層から構成されていてもよい。底壁部３と側壁部４とを同時焼成する場合には、第１のセラミック層６と第２のセラミック層７とが積層されていることが好ましい。底壁部２と側壁部３との収縮率を近似させることにより、基板全体の反りや、底壁部２と側壁部３との界面でデラミネーションやクラックが発生することを抑制することができるからである。

側壁部４は、キャビティ２の側面を構成するためのものである。側壁部４は、第１のセラミック層６と第２のセラミック層７とが積層されていなければならない。

また、側壁部４における第２のセラミック層７の端部８は、側壁部４の内周面５に露出せず、側壁部４の内部に存在している。内周面５に収縮挙動の異なるセラミック層の界面が存在すると、応力集中により角が生じるからである。

内周面５は、発光素子が発する光を前方に反射させるために、キャビティ２の開口側に向けて拡大するように傾斜している。

内周面５は、全面が同一のセラミック材料で構成されていることが好ましい。材料が異なれば反射率も異なるため、内周面５を構成する材料が場所によって異なると、反射ばらつきが生じて反射効率が低下するからである。本実施例では、図１に示すように、内周面５は全面が第１のセラミック層６で構成されている。なお、内周面５は、第１のセラミック層６と第２のセラミック層７とも異なる第３のセラミック層で構成されていてもよい。

第１のセラミック層６は、例えば１０００℃以下で焼結可能なガラスセラミックからなる。この場合、底壁部３や側壁部４の内部にＡｇ等の低抵抗金属からなる配線導体を形成することが可能になる。特に、発光素子の直下に放熱用のサーマルビアを形成すれば、放熱性に優れるセラミック基板を得ることができる点で好ましい。

第２のセラミック層７は、第１のセラミック層６の収縮終了温度では収縮しない材料からなる。本実施例では、第２のセラミック層７が焼成過程で収縮しないようにするため、１０００℃以下で焼結しない難焼結性セラミック粉末を第１のセラミック層６よりも多く含むセラミック材料を用いた。難焼結性セラミック粉末としては、アルミナ粉末やジルコニア粉末を用いることができる。また、本実施例における第２のセラミック層７は、単独では焼結しないため、第１のセラミック層６に含まれるガラス成分が流動することによって緻密化される必要がある。そのため、第２のセラミック層７は第１のセラミック層６よりも薄い。

次いで、本発明の実施例に係るセラミック基板１の製造方法について、図２および図３を参照しながら説明する。

まず、第１のセラミックグリーンシート６ａを準備する。

本実施例では、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃からなるガラスフリットと平均粒径２μｍからなるアルミナ粉末をボールミルで混合粉砕し、ガラスセラミック原料を作製した。そして、このガラスセラミック原料に、有機バインダー、可塑剤、溶剤をボールミルで混合して第１のセラミックスラリーを作製し、ＰＥＴフィルム上にドクターブレード法で厚さ２００μｍの第１のセラミックグリーンシート６ａを作製した。

次に、第２のセラミックグリーンシート７ａを準備する。

本実施例では、平均粒径１μｍからなるジルコニア粉末に有機バインダーと溶剤をボールミルで混合し第２のセラミックスラリーを作製し、ＰＥＴフィルム上にドクターブレード法で厚さ１０μｍの第２のセラミックグリーンシート７ａを作製した。本実施例で用いたセラミック材料は難焼結性セラミック材料であるジルコニア粉末のみを用いたため、第２のセラミックグリーンシート７ａは単独では焼結しない。

また、本実施例では、第２のセラミックグリーンシート７ａの厚みを１０μｍと薄くしたため、ハンドリング等の作業性の観点から、第１のセラミックグリーンシート６ａと第２のセラミックグリーンシート７ａからなる複合シートを作製した。具体的には、第１のセラミックグリーンシート６ａと第２のセラミックグリーンシート７ａを金型にいれて、ホットプレートで加熱した後、１軸油圧プレス機にて１０回連続プレスして第１のセラミックグリーンシート６ａと第２のセラミックグリーンシート７ａを接着し、複合シートを作製した。接着後、第１のセラミックグリーンシート６ａ側のキャリアフィルムを剥がした。

そして、この複合シートを５枚積層し、圧着して底壁部用積層体を作製した。

また、側壁部用積層体４ａを以下のようにして作製した。

まず、上述の複合シートに、レーザーパンチャーにて貫通孔を形成する。そして、図２に示すように、貫通孔を有する複合シートを貫通孔の小さい順に積層して圧着した後、静水圧プレス用の金型サイズにカットして階段状の貫通孔を有する中間積層体９を作製する。本実施例では、孔径が異なる９種類の複合シートを用意し、貫通孔の孔径が小さい順に１枚ずつ、合計９枚積層した。

次に、中間積層体９にカバー用セラミックグリーンシート１０を積層することで、カバー用セラミックグリーンシート１０によって中間積層体９の階段状の段差を吸収させるとともに、第２のセラミックグリーンシート７ａの端部８が内周面５に露出しないようにする。

具体的には、図２に示すように、底と壁のあるＵ字型の静水圧プレス用の金型１１の開口部に、ＰＥＴフィルム１２、中間積層体９、カバー用セラミックグリーンシート１０、ＰＰフィルム１３、発砲ゴム１４を順に嵌め込んでセットする。セットした金型１１の両面に金型１１の開口部より一回り大きいシリコンゴム１５で覆い、これを真空パック袋に挿入し、真空パック機でパッキングする。パックした試料を静水圧プレス機に投入して全体から圧力を加えると、図３に示すように、金型１１の内部には矢印の方向から圧力がかかり、中間積層体９がカバー用セラミックグリーンシート１０によって覆われる。最後に、最下層の第１のセラミックグリーンシート６ａの貫通穴の内側に沿ってカバー用セラミックグリーンシート１０を打ち抜いて、貫通穴を有する側壁部用積層体４ａを作製する。本実施例では、カバー用セラミックグリーンシート１０として第１のセラミックグリーンシート６ａを用いた。

そして、底壁部用積層体に、側壁部用積層体を積層し、圧着して未焼成のセラミック積層体を作製する。

最後に、未焼成のセラミック積層体を焼成して、セラミック基板１を作製する。本実施例では、トップ温度９００℃で焼成した。以上の工程を経て、セラミック基板１が得られる。

なお、底壁部３や側壁部４の内部に配線導体が形成されていると、配線パターンの位置によって焼成工程における収縮率は大きく影響されるため、焼成後の内周面５には凹凸が生じやすい。本発明の構成によれば、側壁部３や側壁部４の内部に配線導体を形成したとしても、内周面５の平滑性を高くすることができる。また、焼成過程において第１のセラミックグリーンシート６ａは平面方向に収縮しない分、積層方向に５０％程度収縮するため、未焼成の積層体の状態からキャビティの平面方向の大きさを変えずに内周面の傾斜角度を緩やかにすることが可能となる。そのため、本発明によれば、内周面の傾斜角度の調整が容易である。

実施例２では、第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離が、内周面５の平滑性に与える影響を確認するため、内周面５を形成するカバー用セラミックグリーンシート１０の厚みを１００μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、４００μｍの５種類用意し、その他の条件は実施例１と同様にしてセラミック基板１を作製した。焼成後の第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離は、それぞれ７０μｍ、１４０μｍ、１８０μｍ、２２０μｍ、２８０μｍであった。

これらの試料をマイクロスコープＶＨＸ−６００（キーエンス製）を用い、倍率２００倍にして確認した。

その結果、第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離が７０μｍの試料では、内周面５に微小な角が発生していることが確認できた。これは、カバー用セラミックグリーンシート１０の厚みが薄いため、中間積層体９の階段状の段差を吸収できなかったことと、第１のセラミックグリーンシート６ａと第２のセラミックグリーンシート７ａとの界面に生じる応力がカバー用セラミックグリーンシート１０の収縮に影響したものと推察される。

また、第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離が２８０μｍの試料では，内周面５に微小な角は発生していなかったが、内周面５全体が盛り上がるような、うねりが生じていることが確認できた。これは、第２のセラミックグリーンシート７ａから内周面５までの距離が遠いため、第２のセラミックグリーンシート７ａによるカバー用セラミックグリーンシート１０の収縮抑制効果が弱かったためであると推察される。

一方、第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離が１４０μｍ、１８０μｍ、２２０μｍの試料では、内周面５に微小な角やうねりは生じていなかった。

よって、第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離が１４０μｍ以上２２０μｍ以下であれば内周面５の平滑性を、特に、高くすることができる。

なお、実施例２では、第２のセラミック層７の端部８から内周面５までの最短距離が１４０μｍ以上２２０μｍ以下であれば特に良い効果が得られることを確認したのであって、上述の最短距離が１４０μｍ未満や２２０μｍを超えるものについても、従来のセラミック基板に比べると内周面は高い平滑性を有しており、本発明の範囲内であることは言うまでもない。

図４は、本発明の実施例３に係るセラミック基板２１の断面図である。

実施例３に係るセラミック基板２１は、側壁部２４の内部に、内周面２５に沿って平行に電極２０が形成されていることが特徴である。その他の点については実施例１に係るセラミック基板１と同様であるため省略する。

電極２０は、発光素子の発する光を前方に反射するための反射層として機能する。

電極２０の材料が銀を含む場合には、特に反射効率を高くすることができる。また、銀電極が内周面２５に露出していると、空気中に含まれる硫黄ガス等によって電極が硫化されて反射効率が低下してしまうが、本実施例のセラミック基板２１は、内周面２５が第１のセラミック層２６で構成されており、電極２０が側壁部２４の内部に形成されているため、電極の硫化による反射効率の低下を防止することができる。さらに、電極２０は、内周面２５に沿って平行に形成されているため、内周面２５が吸収する光を効率的に反射させることができる。

次いで、実施例３に係るセラミック基板２１の製造方法について、実施例１と異なる点のみを説明する。

実施例３では、中間積層体にカバー用セラミックグリーンシートを積層する際に、カバー用セラミックグリーンシートの上に導電性ペーストを塗布して導電膜を形成し、さらに導電膜の上から別のカバー用セラミックグリーンシートを積層した。こうすることで、２層のカバー用セラミックグリーンシートの内部に導電膜を存在させることができる。なお、導電性ペーストとしては、種々の公知のものを用いることができるが、実施例３では、平均粒径３μｍの銀粉末と、有機バインダーとしてのエチルセルロース、溶剤としてのテルピネオールを３本ロールで混合して作製した。

そして、この導電膜を内在させたカバー用セラミックグリーンシートを中間積層体に積層する。その後の工程は、実施例１と同様である。

この製造方法によれば、側壁部２４の内周面２５に沿って平行に電極２０を形成することができる。特に、側壁部２４の内周面２５は光の反射効率において重要となるため、実施例３のセラミック基板２１によれば、光の反射効率をさらに向上させることができる。

実施例３の効果を確認するために、電極を側壁部の内部に形成した場合、側壁部の表面に形成した場合、電極を形成しなかった場合の３つの試料について焼成直後の光反射率を測定したところ、それぞれ８９％、８１％、８４％となり、電極を側壁部の内部に形成した場合が最も光反射率が高くなることが確認できた。なお、測定機は島津製作所社製ＵＶ−ＶＩＳ２５００ＰＣを用い、測定波長５５０ｎｍで全反射値を測定した。

また、各試料を２５℃の０．０１％硫化ナトリウム水溶液に１時間浸漬する硫化試験後に、光反射率を測定したところ、電極を側壁部の内部に形成した場合の光反射率が８８％、側壁部の表面に形成した場合の光反射率が２８％、電極を形成しなかった場合の光反射率が８３％であった。よって、電極を側壁部の表面に形成した場合は硫化試験後に光反射率が大きく低下したのに対し、電極を側壁部の内部に形成した場合は硫化試験後も高い光反射率を維持できることが確認できた。

したがって、電極を側壁部の内部に形成した実施例３のセラミック基板２１では、焼成直後の光反射率が高く、また、硫化試験後にも光反射率を維持できる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

例えば、第２のセラミック層は、必ずしも単独で焼結しないものである必要はない。具体的には、第１のセラミック層の収縮終了後に収縮が開始するように、第１のセラミック層とはガラス転移点が異なるガラスセラミックを用いてもよい。この場合、第１のセラミック層が収縮しようとする温度領域では、第２のセラミック層が第１のセラミック層の平面方向への収縮を抑制し、第２のセラミック層が収縮しようとする温度領域では、焼結済の第１のセラミック層が第２のセラミック層の平面方向への収縮を抑制するため、全体として収縮率が小さく、寸法精度を高くすることができる。

ただし、この場合、第１のセラミック層と第２のセラミック層がお互いに収縮を抑制し合うため、第２のセラミック層が第１のセラミック層の収縮を抑制する実施例１の構成に比べて、第１のセラミック層と第２のセラミック層の界面により強い応力が発生しやすい。そのため、内周面の平滑性を向上させるためには、実施例１の構成が好ましい。

上記の変形例のように、第２のセラミック層が単独で焼結するものである場合、第２のセラミック層が内周面を構成していてもよい。実施例１の場合、第２のセラミック層は、単独では焼結せず、第１のセラミック層に含まれるガラス材料が流動することによって緻密化される必要があるため、カバー用セラミックグリーンシートとして第２のセラミックグリーンシートを用いた場合、第２のセラミック層を緻密化させることが難しい。これに対し、上述の変形例の場合は、第１のセラミック層と第２のセラミック層も単独で焼結するものであるため、どちらが内周面を構成してもよい。

また、指向性の高い発光デバイスとするために、セラミック基板の内周面にＡｇ等の電極を形成してもよい。なお、本発明に係るセラミック基板の構造は、内周面に電極を形成する場合にも有効な構造である。すなわち、内周面に第１のセラミック層と第２のセラミック層の両方が露出していると、両者の材料の違いから、場所によってＡｇの拡散量が異なり、結果的にＡｇ電極の表面に色むらが生じてしまう。しかし、本発明に係るセラミック基板の構造によれば、Ａｇ電極の表面に色むらの発生を抑制し、反射効率を向上させることができる。

１ セラミック基板
２ キャビティ
３ 底壁部
４ 側壁部
５ 内周面
６ 第１のセラミック層
７ 第２のセラミック層
８ 端部
９ 中間積層体
１０ カバー用セラミックグリーンシート
２０ 電極

Claims (7)

1. 底壁部と、前記底壁部に積層され、前記底壁部と併せてキャビティを形成する側壁部とを備えるセラミック基板であって、
   前記側壁部の内周面は、キャビティの開口側に向けて拡大するように傾斜しており、
   前記側壁部は、第１のセラミック層と、前記第１のセラミック層の収縮終了温度以下では収縮しない第２のセラミック層とを積層してなり、
   前記第１のセラミック層と前記第２のセラミック層の少なくとも一方は、端部が前記内周面に露出せず、側壁部の内部に存在する、セラミック基板。
2. 底壁部と、前記底壁部に積層され、前記底壁部と併せてキャビティを形成する側壁部とを備えるセラミック基板であって、
   前記側壁部の内周面は、キャビティの開口側に向けて拡大するように傾斜しており、
   前記側壁部は、第１のセラミック層と、前記第２のセラミック層とを積層してなり、
   前記第１のセラミック層はガラスセラミックからなり、
   前記第２のセラミック層は、前記第１のセラミック層よりも、１０００℃以下で焼結しない難焼結性セラミック粉末を多く含み、
   前記第２のセラミック層は、端部が前記内周面に露出せず、側壁部の内部に存在する、セラミック基板。
3. 前記第１のセラミック層または前記第２のセラミック層の、側壁部の内部に存在する端部から前記内周面までの最短距離が１４０μ以上２２０μｍ以下である、請求項１または２に記載のセラミック基板。
4. 前記キャビティは、発光素子を搭載するためのものである、請求項１ないし３のいずれかに記載のセラミック基板。
5. 前記内周面は、全面が同一のセラミック材料で構成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のセラミック基板。
6. 前記側壁部は、その内部に、内周面に沿って平行に電極が形成されている、請求項１ないし５のいずれかに記載のセラミック基板。
7. 前記電極は、銀を含む、請求項６に記載のセラミック基板。