JP2013026416A - 素子搭載基板及びこれを備えた発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色むら及び照度むらの発生を抑制することができるとともに、発光素子の絶縁耐圧を高めることができる素子搭載基板及びこれを備えた発光装置を提供する。
【解決手段】素子搭載基板２は、金属材料からなるベース２０と、ベース２０上に形成された絶縁層２１とを有し、絶縁層２１は、ＬＥＤ素子３の非搭載領域に形成されたエポキシ系樹脂からなる第１の絶縁層２１０と、ＬＥＤ素子３の搭載領域に形成された光拡散性粒子を分散させて含有したシリコーン系樹脂からなる第２の絶縁層２１１とを有し、第１の絶縁層２１０と第２の絶縁層２１１とは、枠状のダム部５により画定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を搭載する素子搭載基板及びこれを備えた発光装置に関する。

近年、高出力の発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子の開発が進められてきており、既に消費電力が数ワット単位の大出力タイプのものも製品化されている。ＬＥＤ素子は、発熱の少ないことが特徴であるが、高出力（高輝度）タイプのＬＥＤ素子は大電流が流れるため、無視できないレベルの発熱が生じる。このため、例えばＬＥＤ素子を搭載する素子搭載基板（金属製のベース）の裏面を外部に露出させ、この外部露出部からＬＥＤ素子による発生熱を効果的に放散してその信頼性を確保することが行われる。

従来、この種の発光装置には、光取出側に開口するダム部と、このダム部を接着する素子搭載基板と、この素子搭載基板のベースに搭載されるフェース・アップ実装型のＬＥＤ素子と、このＬＥＤ素子を封止する封止部とを備えたものが知られている（例えば特許文献１）。

このような発光装置においては、ＬＥＤ素子から発せられる光が封止部を介してダム部外に放射される。この場合、光の一部が素子搭載基板のベースに入射すると、この入射光がベースで反射され、封止部内に進む。これにより、光取出効率が高められる。

特開２０１０−２８３１５２号公報

しかしながら、特許文献１に示す発光装置においては、ＬＥＤ素子から様々な方向に発せられる各光の混合が不十分となり、このため色むら及び照度むらが発生していた。また、近年における安全性を確保する観点から、素子搭載基板のベースに対するＬＥＤ素子の絶縁耐圧を高める必要があった。

従って、本発明の目的は、色むら及び照度むらの発生を抑制することができるとともに、発光素子の絶縁耐圧を高めることができる素子搭載基板及びこれを備えた発光装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、（１）〜（５）の素子搭載基板及びこれを備えた発光装置を提供する。

（１）金属材料からなるベースと、前記ベース上に形成された絶縁層とを有し、前記絶縁層は、発光素子の非搭載領域に形成されたエポキシ系樹脂からなる第１の絶縁層と、前記発光素子の搭載領域に形成された光拡散性粒子を分散させて含有したシリコーン系樹脂からなる第２の絶縁層とを有し、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層とは、枠状のダム材により画定されている素子搭載基板。

（２）上記（１）に記載の素子搭載基板において、前記第１の絶縁層上に、外部接続用の電極が形成されている。

（３）上記（１）又は（２）に記載の素子搭載基板において、前記光拡散性粒子は、酸化チタンである。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の素子搭載基板の前記第２の絶縁層上に前記発光素子が搭載された発光装置。

（５）上記（４）に記載の発光装置において、前記枠状のダム材の枠内に前記発光素子を封止する封止部を形成した。

本発明によれば、色むら及び照度むらの発生を抑制することができるとともに、素子搭載基板のベースに対する発光素子の絶縁耐圧を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置を説明するために示す平面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 本発明の実施の形態に係る素子搭載基板を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係る発光装置のＬＥＤ素子を説明するために示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置の製造方法を説明するために示す断面図。（ａ）はＬＥＤ素子の搭載工程を、（ｂ）はダム部の形成工程を、（ｃ）はワイヤボンディング工程を、また（ｄ）はＬＥＤ素子の封止工程をそれぞれ示す。

[実施の形態]
以下、本発明の第１の実施の形態に係る素子搭載基板及びこれを備えた発光装置につき、図面を参照して詳細に説明する。

（発光装置の全体構成）
図１及び図２は発光装置を示す。図１及び図２に示すように、発光装置１は、素子搭載基板２と、素子搭載基板２に搭載されたフェース・アップ実装型のＬＥＤ素子３と、ＬＥＤ素子３を封止する封止部４と、封止部４及び素子搭載基板２と共にパッケージＰを形成するダム部５とから大略構成されている。

（素子搭載基板２の構成）
図３は素子搭載基板を示す、図３に示すように、素子搭載基板２は、ベース２０，絶縁層２１及び一対の導電部２２，２３（回路パターン）を有し、全体が平面矩形状の板部材によって形成されている。素子搭載基板２の厚さは約１．０ｍｍ程度の寸法に設定されている。素子搭載基板２の形成は、例えばベース２０の表面（素子搭載側面）２０ａに絶縁層２１の第１の絶縁層２１０，第２の絶縁層２１１（共に後述）を順次積層し、次に第１の絶縁層２１０及び第２の絶縁層２１１に跨って一対の導電部２２，２３を形成した後、一対の導電部２２，２３にそれぞれ外部接続用の電極６，７を形成することにより行われる。

ベース２０は、素子搭載基板２の一方側に配置され、全体が例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料によって形成されている。これにより、ＬＥＤ素子３から発せられる光がベース２０の素子搭載側面２０ａで反射される。また、ＬＥＤ素子３から発せられる熱が裏面２０ｂから放散される。

絶縁層２１は、ＬＥＤ素子３を搭載せず外部接続用の電極６，７を形成する領域に設けられた第１の絶縁層２１０、及びＬＥＤ素子３を搭載して封止部４を形成する領域に設けられた第２の絶縁層２１１を有する。第１の絶縁層２１０と第２の絶縁層２１１との境界は枠状のダム部５により画定されている。そして、絶縁層２１は、ベース２０と一対の導電部２２，２３との間に介在して配置され、ベース２０の素子搭載側面２０ａを被覆するように構成されている。

第１の絶縁層２１０は、ベース２０の素子搭載側面２０ａに傾斜する（本実施の形態では直交する）２方向に開口する貫通孔２１０ａを有し、全体の材料がエポキシ系樹脂によって形成されている。これにより、第１の絶縁層２１０の材料がエポキシ樹脂である場合、例えばシリコーン樹脂である場合と比べてコストの低廉化を図ることができる。第１の絶縁層２１０の層厚は例えば１２０μｍ程度の寸法に設定されている。

第２の絶縁層２１１は、その素子搭載側面２１１ａが第１の絶縁層２１０の素子搭載側面２１０ｂと略同一面上に配置され、全体の材料が光拡散性粒子を分散させて含有したシリコーン系樹脂によって形成されている。これにより、ＬＥＤ素子３から発せられる光が第２の絶縁層２１１内に入射すると、その内部においてベース２０で反射される前に、またベース２０で反射された後にそれぞれ様々な方向に拡散反射され、こられ拡散反射された光が混合される。また、第２の絶縁層２１１の材料がシリコーン樹脂である場合には、例えばエポキシ樹脂である場合と比べてＬＥＤ素子３で発生した光，熱による第２の絶縁層２１１の変色が抑制され、素子搭載基板２の長寿命化を図ることができる。

そして、第２の絶縁層２１１は、第１の絶縁層２１０の貫通孔２１０ａ内を充填し、ＬＥＤ素子３を搭載する素子搭載層として機能するように構成されている。第２の絶縁層２１１の光拡散性は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２），タルク又はガラス繊維等の光拡散材を母材（シリコーン樹脂）に分散させて有する。本実施の形態ではＴｉＯ_２の光拡散材が用いられる。第２の絶縁層２１１に含有される光拡散性粒子としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４），窒化ホウ素（ＢＮ）から選ばれる一種以上の無機系白色顔料が挙げられる。この中でも、化学的に安定なＴｉＯ_２を選択することが好ましい。第２の絶縁層２１１の層厚は第１の絶縁層２１０の層厚と略同一の寸法に設定されている。

（一対の導電部２２，２３）
一対の導電部２２，２３は、素子搭載基板２の面方向に互いに並列して配置され、かつ第１の絶縁層２１０の素子搭載側面２１０ｂ及び第２の絶縁層２１１の素子搭載側面２１１ａに跨って積層され、全体が例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属によって形成されている。

なお、一対の導電部２２，２３の表面には、ニッケル（Ｎｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ）などの材料による単数又は複数の金属層が必要に応じて形成される。

また、本実施の形態では、絶縁層２１上に一対の導電部２２，２３が積層されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、３つ以上の導電部を絶縁層上に積層してもよい。

一方の導電部２２は、ＬＥＤ素子３のｎ側電極３１（図４に示す）に接続する表面パターンによって形成されている。一方の導電部２２には、ＬＥＤ素子３（図１に示す）に対して電源電圧を供給するための電極６が形成されている。電極６の材料としては、例えばＡｕ，Ａｇ又はＡｌ等の金属材料が用いられる。

他方の導電部２３は、ＬＥＤ素子３のｐ側パッド電極３０ａ（図４に示す）に接続する表面パターンによって形成されている。他方の導電部２３には、ＬＥＤ素子３に対して電源電圧を供給するための電極７が形成されている。電極７の材料としては、電極６と同様に例えばＡｕ，Ａｇ又はＡｌ等の金属材料が用いられる。

（ＬＥＤ素子３の構成）
図４はＬＥＤ素子を示す。図４に示すように、ＬＥＤ素子３は、ｐ側電極３０及びｎ側電極３１を有し、素子搭載基板２における第２の絶縁層２１１の素子搭載側面２１１ａ（図１に示す）の略中央部に平面縦横方向に複数個（例えば１５個：縦方向に５個ずつ、横方向に３個ずつ）搭載され、かつｎ側電極３１が一方の導電部２２に、またｐ側電極３０（ｐ側パッド電極３０ａ）が他方の導電部２３にそれぞれワイヤ３２（図１に示す）によって接続されている。複数個のＬＥＤ素子３のうち横方向３個のＬＥＤ素子が直列に、また縦方向５列のＬＥＤ素子が並列にそれぞれ導電部２２，２３に対して電気的に接続されている。ＬＥＤ素子３としては例えば平面略矩形状の青色ＬＥＤ素子が用いられる。

そして、ＬＥＤ素子３は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる基板３３の表面にIII族窒化物系半導体を例えば７００℃の温度でエピタキシャル成長させることにより、バッファ層３４，ｎ型半導体層３５，発光層としてのＭＱＷ（Multiple Quantum Well：重量子井戸）層３６及びｐ型半導体層３７が順次形成され、発光面３８からピーク発光波長が例えば４３０ｎｍ〜４９０ｎｍである青色光を発するように構成されている。

ｐ側電極３０は、ｐ側パッド電極３０ａを有し、ｐ型半導体層３７の表面に設けられている。ｎ側電極３１は、ｐ型半導体層３７からＭＱＷ層３６及びｎ型半導体層３５にわたってその一部にエッチング処理を施すことにより露出した部位（ｎ型半導体層３５）の表面に設けられている。ｐ側電極３０の材料としては例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の酸化物からなる透明導電性材が、またｐ側パッド電極３０ａ及びｎ側電極３１の材料としては例えばＮｉ／Ａｕ，Ａｌ等の金属がそれぞれ用いられる。

（封止部４の構成）
封止部４は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダム部５内に収容され、全体がシリコーン系樹脂によって形成されている。そして、封止部４は、素子搭載基板２上におけるダム部５内でＬＥＤ素子３及びワイヤ３２を封止するように構成されている。封止部４の材料としては、シリコーン系樹脂の他に、エポキシ系樹脂，フッ素系樹脂を用いてもよい。封止部４には、ＬＥＤ素子３から発せられる青色光を受けて励起されることにより黄色光を発する蛍光体を含有してもよい。この場合、ＬＥＤ素子３から発せられる青色光とこの青色光で蛍光体が励起されて発する黄色光との混合により白色光が得られる。

（ダム部５の構成）
ダム部５は、パッケージＰの一部を構成し、第１の絶縁層２１０における貫通孔２１０ａの素子側開口周縁に一対の導電部２２，２３を介して接着され、全体が光取出方向に開口する光拡散粒子を分散させて含有したエポキシ系樹脂又はシリコーン系樹脂からなる円環部材によって形成されている。なお、光拡散性粒子としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４），窒化ホウ素（ＢＮ）から選ばれる一種以上の無機系白色顔料が挙げられる。この中でも、化学的に安定なＴｉＯ_２を選択することが好ましい。ダム部５の形状は、円形枠状の他に、矩形枠状，六角形枠状等の多角形枠状に形成してもよい。そして、ダム部５は、ＬＥＤ素子３から発せられる光を略円形状の発光パターンで外部に出射するように構成されている。

（発光装置１の製造方法）
次に、本実施の形態に示す発光装置１の製造方法につき、図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は発光装置の製造手順を示す。

本実施の形態に示す発光装置の製造方法は、「ＬＥＤ素子の搭載」，「ダム部の形成」，「ワイヤボンディング」及び「ＬＥＤ素子の封止」の各工程が順次実施されるため、これら各工程を順次説明する。

「ＬＥＤ素子の搭載」
図５（ａ）に示すように、例えばエポキシ樹脂等の絶縁性接着剤（図示せず）を用い、第２の絶縁層２１１の素子搭載側面２１１ａに複数個（本実施の形態では縦方向に５個×横方向に３個＝合計１５個）のＬＥＤ素子３を接着する。この際、ＬＥＤ素子３の接着は、その光取出側をｐ側パッド電極３０ａ及びｎ側電極３１（共に図４に示す）が指向するようにして行われる。これにより、素子集合搭載基板６には複数個のＬＥＤ素子３が搭載される。

「ダム部の形成」
図５（ｂ）に示すように、未硬化樹脂を枠状にディスペンス塗布した後、硬化させることにより形成する。なお、「ダム部の形成」の工程は、「ＬＥＤ素子の搭載」の工程を実施する前に実施してもよい。

「ワイヤボンディング」
図５（ｃ）に示すように、例えば銀粉含有の導電性接着剤を用い、複数個のＬＥＤ素子３を導電部２２，２３にワイヤ３２によって接続する。この場合、横方向に搭載された３個のＬＥＤ素子３のうち一方側のＬＥＤ素子３はｎ側電極３１が一方の導電部２２に、他方側のＬＥＤ素子３はｐ側パッド電極３０ａが他方の導電部２３にそれぞれワイヤ３２によって接続される。また、中央部のＬＥＤ素子３は一方側のＬＥＤ素子３のｐ側パッド電極３０ａに、他方側のＬＥＤ素３子のｎ側電極３１にそれぞれワイヤ３２によって接続される。

「ＬＥＤ素子の封止」
図５（ｄ）に示すように、ディスペンス塗布により封止部４となるシリコーン系の未硬化樹脂をダム部５内に滴下して充填した後、硬化させる。これにより、素子搭載基板２上における複数個のＬＥＤ素子３がワイヤ３２と共に封止部４によってダム部５内で封止される。

（発光装置１の動作）
次に、本実施の形態に示す発光装置１の動作につき、図１を用いて説明する。発光装置１の電極６，７に駆動電源（図示せず）を接続して所定の駆動電圧を印加すると、電極６，７から導電部２２，２３を介して全てのＬＥＤ素子３に駆動電流が流れ、これら各ＬＥＤ素子３が光を発して発光装置１の光取出方向（ダム部５外）に出射する。

この場合、ＬＥＤ素子３から発せられる光は、封止部４を透過して出射される光（１）、第２の絶縁層２１１の素子搭載側で拡散反射した後に封止部４を透過して出射される光（２）、第２の絶縁層２１１の内部で拡散反射した後に封止部４に進んでその内部を透過して出射される光（３）、及びベース２０の素子搭載側面２０ａで反射した後に第２の絶縁層２１１の内部で拡散反射してから封止部４に進んでその内部を透過して出射される光（４）等となる。

従って、本実施の形態においては、（１）〜（４）の光等が混合され、ＬＥＤ素子３から様々な方向に発せられる各光の混合が十分なものとなる。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）ＬＥＤ素子３から様々な方向に発せられる各光の混合が十分なものとなるため、色むら及び照度むらの発生を抑制することができる。

（２）ＬＥＤ素子３が金属製のベース２０に第２の絶縁層２１１を介して搭載されているため、ベース２０に対するＬＥＤ素子３の絶縁耐圧を高めることができる。

（３）ＬＥＤ素子３の非搭載領域に対応する第１の絶縁層２１０をエポキシ系樹脂により形成し、ＬＥＤ素子３の搭載領域に対応する第２の絶縁層２１１をシリコーン系樹脂により形成したので、ＬＥＤ素子３で発生した熱，光による絶縁層２１の劣化を防止しつつ、安価に絶縁層を形成することができる。

以上、本発明の素子搭載基板及びこれを備えた発光装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

１…発光装置、２…素子搭載基板、２０…ベース、２０ａ…表面（素子搭載側面）、２０ｂ…裏面、２１…絶縁層、２１０…第１の絶縁層、２１０ａ…貫通孔、２１０ｂ…素子搭載側面、２１１…第２の絶縁層、２１１ａ…素子搭載側面、３…ＬＥＤ素子、３０…ｐ側電極、３０ａ…ｐ側パッド電極、３１…ｎ側電極、３２…ワイヤ、３３…基板、３４…バッファ層、３５…ｎ型半導体層、３６…ＭＱＷ層、３７…ｐ型半導体層、３８…発光面、４…封止部、５…ダム部、Ｐ…パッケージ

Claims (5)

1. 金属材料からなるベースと、
   前記ベース上に形成された絶縁層とを有し、
   前記絶縁層は、発光素子の非搭載領域に形成されたエポキシ系樹脂からなる第１の絶縁層と、前記発光素子の搭載領域に形成された光拡散性粒子を分散させて含有したシリコーン系樹脂からなる第２の絶縁層とを有し、
   前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層とは、枠状のダム材により画定されている
   素子搭載基板。
2. 前記第１の絶縁層上に、外部接続用の電極が形成されている請求項１に記載の素子搭載基板。
3. 前記光拡散性粒子は、酸化チタンである請求項１又は２に記載の素子搭載基板。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の素子搭載基板の前記第２の絶縁層上に前記発光素子が搭載された発光装置。
5. 前記枠状のダム材の枠内に前記発光素子を封止する封止部を形成した請求項４に記載の発光装置。

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