JP2013140898A - 発光素子搭載用基板、発光裝置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程やＬＥＤ搭載工程での加熱時、基板のそりの発生が抑制される発光素子搭載用基板を提供する。
【解決手段】本発明によれば、絶縁層と、この絶縁層の一面に形成され且つパターンを有する第１金属層と、前記絶縁層の他方の面に形成され且つ前記絶縁層を貫通する柱状金属体を介して第１金属層に接続された第２金属層と、前記絶縁層の一面又は両面に設けられ且つパターンを有するレジスト層を備え、第１金属層と第２金属層は平面形状と厚さの少なくとも一方が異なっており、前記絶縁層は、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである、発光素子搭載用基板が提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光素子搭載用基板及び発光裝置に関する。

ＬＥＤ等の発光素子を搭載するための基板として、発光素子で発生した熱を効率的に外部に放出するために、絶縁層の両面に金属層を設け、両面の金属層を柱状金属体で接続する構造のものが知られている（例えば、特許文献１）。このような構造の基板を用い、柱状金属体の真上に発光素子を配置すると、発光素子で発生した熱が柱状金属体を通って速やかに基板の反対側に伝わるので、放熱性が高まり、その結果、発光素子の動作温度を低くすることができる。

特開２０１１−１０８６８８号公報

ここで、図１（ａ）〜（ｇ）を用いて、このような柱状金属体を有する基板の製造方法の一例を説明する（以下の方法は、先行技術であることを自認しない）。
まず、金属板上に所定のレジストパターンを配置した状態で金属板をエッチングして、図１（ａ）に示すような金属層１上に柱状金属体３が設けられた構造を得る。
次に、図１（ｂ）〜図１（ｃ）に示すように、プレスにより、凹状変形を許容するシート材２、金属層６、絶縁層５を張り合わせ、柱状金属体３に対応する位置に凸部を有し表面に金属層６が形成された図１（ｃ）に示す構造を得る。シート材２は、プレスの後に取り外す。
次にこの積層体の凸部を除去し柱状金属体３を露出させて、図１（ｄ）を得る。
次に、絶縁相５及び金属層６上にメッキ等によって金属層７を形成して、図１（ｅ）に示す構造を得る。金属層６と金属層７が合わさって、金属層８となる。
次に、金属層１及び金属層８上に所定のレジストパターンを配置した状態で金属層１及び金属層８をエッチングすることによって、金属層１及び金属層８のパターニングを行なって、図１（ｆ）に示す構造を得る。
次に、フォトレジストを全面に塗布、パターン露光、剥離しレジストパターンを形成後、１５０℃で熱処理してレジストを硬化させることによってレジスト層９を形成して図１（ｇ）に示す構造を得る。

柱状金属体を有する基板は、以上の方法で製造可能であるが、このような方法で製造した場合、基板に反りが発生する場合があり、また、得られた基板には、ＬＥＤ搭載工程で、熱がかかった場合に反りが発生する場合がある（そりが発生すると、各搭載工程でラインに基板が引っかかったりするトラブルや、そりを矯正した時に搭載されたＬＥＤチップが割れる恐れがある）。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、製造工程やＬＥＤ搭載工程での加熱時、基板のそりの発生が抑制される発光素子搭載用基板を提供するものである。

本発明によれば、絶縁層と、この絶縁層の一面に形成され且つパターンを有する第１金属層と、前記絶縁層の他方の面に形成され且つ前記絶縁層を貫通する柱状金属体を介して第１金属層に接続された第２金属層と、前記絶縁層の一面又は両面に設けられ且つパターンを有するレジスト層を備え、第１金属層と第２金属層は、平面形状と厚さの少なくとも一方が異なっており、前記絶縁層は、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである、発光素子搭載用基板が提供される。

本発明者らは製造工程やＬＥＤ搭載工程で反りが発生する原因について調べていたところ、絶縁層の両面に設けられた金属層が柱状金属体で接続されている基板においては、両面の金属層の平面形状や厚さが異なっている場合に、基板の反りが特に発生しやすいことに気がついた。そして、さらに詳細に調べると、両面の金属層の平面形状や厚さが異なっている場合には、基板に対して１５０℃程度の加熱処理を行った場合に生じる絶縁層の収縮が非対称となり、その非対称性が反りの原因になっていることが分かった。

このような反りは、柱状金属体を有する基板において特に顕著に発生するが、その原因について考察したところ、柱状金属体がない通常の基板では絶縁層が自由に変形できるので、非対称性が緩和されやすいが、柱状金属体を有する基板では、柱状金属体によって絶縁層の変形が阻害されて非対称性が緩和されにくく、そのために反りが顕著になったと考えられる。

次に、反りを緩和するための方法について検討を行ったところ、反りの緩和には、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである材料で絶縁層を形成すればいいことが分かった。柱状金属体を有する基板では、柱状金属体以外の部分においては絶縁層で柱状金属体を支える必要があるので、絶縁層は１０ＧＰａを超えるような高い貯蔵弾性率を有する材料で形成することが常識であったが、そのような常識に反して、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａであるという低貯蔵弾性率材料を用いて絶縁層を作成したところ、反りが実質的に消失し、かつ機械的特性にも特に問題が見られないという結果が得られ、本発明の完成に到った。

本発明は１５０℃での貯蔵弾性率を規定しているが、このように規定しているのは、製造工程やＬＥＤ搭載工程での加熱処理温度が１５０℃程度又はそれ以上であることから、この温度域での貯蔵弾性率が所定範囲内であることが課題解決には不可欠であるからである。

本発明の基板は、発光素子（例：ＬＥＤ）を搭載するためのものであり、第１金属層の配線パターン上に発光素子が搭載され、発光裝置が得られる。

図１（ａ）〜（ｇ）は、発光素子搭載用基板の製造方法の一例を示す断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態の発光素子搭載用基板の構造を示す断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態の発光素子搭載用基板上に発光素子を搭載した状態を示す断面図である。 図４（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１実施形態の発光素子搭載用基板の製造方法の一例を示す断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態の発光素子搭載用基板の構造を示す断面図である。 図６は、本発明の第２実施形態の発光素子搭載用基板上に発光素子を搭載した状態を示す断面図である。 図７は、本発明の実施例での、評価用基板のパターンを示す平面図である。 図８は、本発明の実施例での、評価用基板の個片部のパターンを示す平面図である。 図９は、本発明の実施例での、評価用基板の個片部のパターンを示す背面図である。 図１０は、本発明の実施例での、反りの評価方法を示す側面図である。

以下、本発明の種々の実施形態の発光素子搭載用基板について説明する。

＜第１実施形態＞
図２〜図４を用いて、本発明の第１実施形態の発光素子搭載用基板について説明する。
本発明の第１実施形態の発光素子搭載用基板１０は、絶縁層１１と、この絶縁層１１の一面に形成され且つパターンを有する第１金属層１３と、前記絶縁層１１の他方の面に形成され且つ前記絶縁層１１を貫通する柱状金属体１５を介して第１金属層１３に接続された第２金属層１７と、前記絶縁層１１の一面又は両面に設けられ且つパターンを有するレジスト層１９を備え、第１金属層１３と第２金属層１７は平面形状と厚さの少なくとも一方が異なっており、前記絶縁層１１は、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである。

＜＜金属層・柱状構造体・発光素子＞＞
本実施形態では、絶縁層１１の一面に、第１Ａパターン１３ａ及び第１Ｂパターン１３ｂを有する第１金属層１３が形成され、絶縁層１１の他方の面に、第２Ａパターン１７ａ及び第２Ｂパターン１７ｂを有する第２金属層１７が形成されている。第１Ａパターン１３ａと第１Ｂパターン１３ｂは、電気的に分離されている。第２Ａパターン１７ａと第２Ｂパターン１７ｂは、電気的に分離されている。

柱状金属体１５は、２つ設けられており、第１柱状金属体１５ａは、第１Ａパターン１３ａと第２Ａパターン１７ａを接続し、第２柱状金属体１５ｂは、第１Ｂパターン１３ｂと第２Ｂパターン１７ｂを接続する。第１柱状金属体１５ａは、第２柱状金属体１５ｂよりも、基板に垂直な断面図での幅が広い（言い換えると、平面図での面積が大きい）。

この基板は、図３に示すような両面に電極（正極及び負極）２２ａ，２２ｂを一つずつ有する発光素子２１を搭載することを想定している。幅が広い方の第１柱状金属体１５ａの直上の第１Ａパターン１３ａ上には、発光素子２１の一方の電極２２ａがはんだ付け等によって接続されており、他方の電極２２ｂは、第１Ｂパターン１３ｂにワイヤ２３を介して接続されている。

第２Ａパターン１７ａと第２Ｂパターン１７ｂの間に電圧を印加すると、その電圧は第１柱状金属体１５ａ及び第２柱状金属体１５ｂを介して第１Ａパターン１３ａ及び第１Ｂパターン１３ｂに伝わり、さらに発光素子２１の２つの電極２２ａ，２２ｂに伝わって、発光素子２１が発光する。

発光の際に発光素子２１からは熱が発生するが、発生した熱は、第１柱状金属体１５ａを介して第２Ａパターン１７ａに伝わって放熱される。このように発生した熱が速やかに発光素子２１から取り除かれるので、本実施形態のような柱状構造体を有する基板を用いれば、発光素子２１の動作温度を低下させることができる。

本実施形態では、第１柱状金属体１５ａは、通電と放熱の両方の役割を有しており、第２柱状金属体１５ｂは、通電の役割を有している。別の実施形態では、発光素子の一方の面に２つの電極が設けられている場合には、放熱用の柱状金属体を１つと、通電用の柱状金属体を２つ設け、放熱用の柱状金属体の直上に発光素子を配置し、ワイヤを介して２つの電極を２つの通電用の柱状金属体に接続するようにしてもよい。

第１金属層１３、第２金属層１７、及び柱状金属体１５は、種々の金属を用いて形成可能であり、導電性、熱伝導性、及びコスト等の観点から銅で形成することが好ましい。第１金属層１３及び第２金属層１７には、光の反射率を上げるため、銀メッキを施してもよい。また、発光素子２１の搭載後、通常、発光素子２１を覆うように透明樹脂等で凸レンズが形成される。

第１金属層１３及び第２金属層１７は、例えば、１０〜５００μｍである。放熱用の柱状金属体及び通電用の柱状金属体の大きさは、第１金属層１３側から見た場合の外接円の直径が例えば、それぞれ、１００〜５０００μｍ、及び３０〜１０００μｍである。

＜＜レジスト・絶縁層＞＞
第１金属層１３及び第２金属層１７のパターンの縁部には、レジスト層１９のパターンが配置される。レジスト層１９は、半田を弾く性質を有しており、実装時に金属層のパターンから半田がはみ出さないようにする。また、レジスト層１９は白色レジストを用いて形成することができ、この場合、発光素子２１で発生した光を反射して、発光強度を増大させる。レジスト層１９は、一般に、フォトレジストを全面に塗布、パターン露光、剥離し、レジストパターンを形成、その後、１５０℃程度（例：１２０〜１８０℃）で熱処理してレジストを硬化させることによって形成することができる。レジストを硬化させる温度は、例えば、１２０、１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，１８０℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

レジストを硬化させるための熱処理の際に、絶縁層１１も高温にさらされ、収縮する。このときの収縮の態様は、絶縁層１１の両面に形成されている金属層１３及び１７の平面形状及び厚さによって影響を受ける。金属層１３及び１７の厚さが同じで、かつ平面形状が絶縁層１１の中央面を対称面として面対称になっている場合には、絶縁層の収縮も面対称になって、基板の反りは発生しない。しかし、金属層１３及び１７の平面形状が面対称になっていない場合、及び金属層の厚さが異なる場合には、絶縁層の収縮も面対称にならず、その結果、基板のどちらか一方の面側の収縮量が他方の面側よりも大きくなる。柱状金属体を有する基板では、この柱状金属体が絶縁層のスムーズな変形を阻害するので、収縮量の差異が大きくなりやすい傾向がある。

一般に、柱状金属体を有する基板では、柱状金属体以外の部分の絶縁層で柱状金属体を支える必要があるので、絶縁層は１０ＧＰａを超えるような高い貯蔵弾性率を有する材料で形成される。しかし、このような絶縁層は基板の反りを促進することが分かった。そこで、本実施形態では、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである材料を用いて絶縁層１１を形成している。貯蔵弾性率が６ＧＰａ以下の場合には反りの発生が抑制される。また、貯蔵弾性率が小さすぎると基板の剛性が不十分になり、例えばワイヤ２３のボンディングの成功確率が低下する等の問題が生じるので、１５０℃における貯蔵弾性率は１０ＭＰａ以上である。１５０℃における貯蔵弾性率は、具体的には、例えば０．０１，０．１，１，２，３，４，５，６ＧＰａであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

絶縁層の貯蔵弾性率は、２０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの硬化物を試験体として用い、セイコー電子工業社製テンションモジュールＤＭＳ２１０を使用し、周波数１Ｈｚ、歪み０．０５％の条件で温度をスウィープして、引っ張りモードで動的粘弾性スペクトルを測定し、１５０℃における貯蔵弾性率Ｅ'の値を測定することによって求めることができる。

絶縁層１１に用いられる樹脂としては、耐熱性、電気絶縁性に優れた樹脂であればどのようなものであっても良いが、耐熱性や寸法安定性の点から熱硬化性樹脂が好ましく、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、などが使用できる。絶縁層１１の厚さは、４０μｍ以上４００μｍ以下が好ましく、更に好ましくは５０μｍ以上２００μｍ以下である。４０μｍ以上であれば電気絶縁性が確保できる。４００μｍ以上にすると柱状金属体を４００μｍ以上にしなければならないので、経済的に好ましくない。

＜＜製造方法＞＞
ここで、図４（ａ）〜（ｇ）を用いて、このような柱状金属体を有する基板の製造方法の一例を説明する。

まず、金属板上に所定のレジストパターンを配置した状態で金属板をエッチングして、図４（ａ）に示すような第２金属層１７上に柱状金属体１５が設けられた構造を得る。

次に、図４（ｂ）〜図４（ｃ）に示すように、プレスにより、凹状変形を許容するシート材１６、金属層１２、絶縁層１１を熱プレスにより張り合わせ、柱状金属体１５に対応する位置に凸部を有し表面に金属層１２が形成された図４（ｃ）に示す構造を得る。シート材１６は、プレスの後に取り外す。絶縁層１１は熱硬化性絶縁フィルムでもよいし、熱硬化性絶縁樹脂をガラス繊維に含浸させてシート状にしたプリプレグを用いてもよい。また、金属層１２と絶縁層１１が一体化した物でも良い。
次にこの積層体の凸部を除去し柱状金属体１５を露出させて、図４（ｄ）に示す構造を得る。除去する方法として研削や研磨による方法がある。

次に、絶縁層１１及び金属層１２上にメッキ等によって金属層１４を形成して、図４（ｅ）に示す構造を得る。金属層１２と金属層１４が合わさって、第１金属層１３となる。

次に、第１金属層１３及び第２金属層１７上に所定のレジストパターンを配置した状態で第１金属層１３及び第２金属層１７をエッチングすることによって、第１金属層１３及び第２金属層１７のパターニングを行なって、図４（ｆ）に示す構造を得る。

次に、フォトレジストを全面に塗布、パターン露光、剥離しレジストパターンを形成後、１２０〜１８０℃程度で熱処理してレジストを硬化させることによってレジスト層１９を形成して図４（ｇ）に示す構造を得て、本実施形態の基板の製造を完了する。

＜第２実施形態＞
次に、図５〜図６を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態の発光素子搭載用基板１０は、第１実施形態と類似しているが、第２金属層１７がベース放熱板となっている点が主に異なっている。この実施形態では、第１金属層１３にはパターンが形成されており、第２金属層１７にはパターンが形成されていない。このため、両者は、平面形状が異なっており、第１実施形態で説明したように絶縁層１１の収縮が面対称にならず、基板に反りが発生しやすいという点では第１実施形態と同様の課題が存在する。そして、第１実施形態と同様に、本実施形態においても、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである材料を用いて絶縁層１１を形成することによって、反りの問題を解決することができる。

また、第１実施形態の基板は、両面に電極を一つずつ有する発光素子２２を搭載することを想定していたが、本実施形態の基板は、図６に示すように、片面に２つの電極を備える発光素子２２を搭載することを想定している。本実施形態では、柱状金属体１５は、発光素子２２で発生した熱を基板の裏面側に効率的に移動させるために設けられている。発光素子２２への給電は、基板の第１金属層１３に設けられたパターン１３ａ、１３ｂを介して行われる。

実施例・比較例にかかる評価用基板は、次の方法で製造した。
銅板（厚さ２００μｍ）、銅箔（厚さ１８μｍ）、プリプレグ（厚さ１００μｍ）、銅張り積層板（厚さ１ｍｍ）をこの順で重ね合わせ、これらを積層プレス（１８０℃×１時間）で張り合わせた。銅板、プリプレグ、及び銅張り積層板は、縦横３４ｃｍ×５１ｃｍであり、銅箔は、縦横３２ｃｍ×４８ｃｍであり、周辺部１〜１．５ｃｍの領域で、銅板とプリプレグが直接接触するように配置した。

張り合わせた銅板の上に、エッチングレジストで６ｃｍ×６ｃｍの正方形を５行×８列を配置し、各６ｃｍ×６ｃｍの正方形に図７に示す碁盤目状のパターンを形成した（マス目の大きさは３．７ｍｍ×３．７ｍｍであり、各マス目に底面が１×１ｍｍの四角柱と、底面直径が０．２ｍｍの円柱の柱状金属体を形成するためのパターンを配置した。）。

この銅板をエッチングすることによって６ｃｍ×６ｃｍの正方形の中に高さ１００μｍの柱状金属体を形成した（図４（ａ）を参照）。柱状金属体は、底面が１×１ｍｍの四角柱と、底面直径が０．２ｍｍの円柱であり、各々３．７ｍｍピッチで配置した。

次に、柱状金属体を覆うように緩衝用フィルム（厚さ９０μｍ）、銅箔（厚さ１８μｍ）、評価用の硬化性絶縁樹脂フィルム（厚さ約８０μｍ）を配置した状態で加熱プレスして銅箔と硬化性絶縁樹脂フィルムを銅板に一体化させた後、研磨を行って、柱状金属体を露出させた（図４（ｂ）〜図４（ｄ）を参照）。

次に、銅メッキ（２７μｍ）を行って絶縁層上に厚さ３５μｍの銅層を形成した（図４（ｅ）を参照）。
次に基板の４辺を切断し、３１ｃｍ×４７ｃｍに切断し張り合わせた基板から柱状金属体が形成された基板を分離した。

次に、両面の銅層をエッチングして導電パターンを形成した（図４（ｆ）を参照）。
次に、両面に半田レジストを形成し１５０℃、１時間熱処理を行って硬化させ、銀メッキを行った後金型で６ｃｍ×６ｃｍの評価用基板の製造を完了した（図４（ｇ）を参照）。
評価用基板のパターンを図８〜図９に示す。図８〜図９において、斜線部は、半田レジストを示す。

＜加熱処理＞
評価基板のそりを測定後、評価基板を１５０℃の熱風式加熱器の中で１時間加熱し、室温に冷却後、再度そりを測定した。

図１０に示すように、得られた評価用基板を、凹面が上向きになるように常盤上に載置し、基板の端（図中の矢印の位置）での最大高さを測定した。この最大高さを以下、「反り値」と称する。そりの測定は、レーザー高さ測定計によりおこなった。

また、評価に用いた各硬化性絶縁樹脂フィルムについて、１５０℃における貯蔵弾性率を測定した。貯蔵弾性率と反り値の関係を表１に示す。なお、各硬化性絶縁樹脂フィルムについて、サンプルを３個作成し、平均値を求めた。

以上の結果から明らかなように、１５０℃における貯蔵弾性率が６ＧＰａより大きい従来の材料を用いて絶縁層を形成した場合には、１５０℃加熱後の基板の反り変化が大きくなってしまったが、１５０℃における貯蔵弾性率が６ＧＰａ以下の材料を用いて絶縁層を形成することによって、反りの変化を大幅に低減することができることが分かった。

Claims (3)

1. 絶縁層と、この絶縁層の一面に形成され且つパターンを有する第１金属層と、前記絶縁層の他方の面に形成され且つ前記絶縁層を貫通する柱状金属体を介して第１金属層に接続された第２金属層と、前記絶縁層の一面又は両面に設けられ且つパターンを有するレジスト層を備え、
   第１金属層と第２金属層は、平面形状と厚さの少なくとも一方が異なっており、前記絶縁層は、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである、発光素子搭載用基板。
2. 請求項１に記載の発光素子搭載用基板と、その上に搭載されている発光素子を備える、発光裝置。
3. 絶縁層と、この絶縁層の一面に形成され且つパターンを有する第１金属層と、前記絶縁層の他方の面に形成され且つ前記絶縁層を貫通する柱状金属体を介して第１金属層に接続された第２金属層を備える基板構造体を形成し、
   前記基板構造体の一面又は両面にレジストを所定パターンで配置した状態で１２０〜１８０℃で熱処理する工程を備え、
   第１金属層と第２金属層は、平面形状と厚さの少なくとも一方が異なっており、前記絶縁層は、１５０℃における貯蔵弾性率が１０ＭＰａ〜６ＧＰａである、発光素子搭載用基板の製造方法。