JP2013168426A - 発光素子搭載用基板、およびそれを用いた発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 枠体部の内壁に銀の膜を有する場合でも、コスト低減を図れるとともに、発光強度を高くできる発光素子搭載用基板および発光素子搭載用多連基板ならびにそれを用いた発光装置を提供する。
【解決手段】 中央部に発光素子２１の搭載面１を有する基体部３および基体部３上で前記搭載面１を囲むように配置された枠体部５と、枠体部５の内壁９に形成された銀の膜１１と、を備えている発光素子搭載用基板であって、枠体部５は、内壁９を周回する方向に、銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとが交互に配置されているとともに、銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとは、焼結体中の気孔率が異なっており、銀の膜が設けられていない部分１１ｂの焼結体の気孔率が銀の膜が設けられた部分１１ａの焼結体の気孔率よりも高い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高い反射性を有する発光素子搭載用基板、およびそれを用いた発光装置に関する。

近年、省エネ・環境保全の面から、液晶テレビを始めとして、液晶画面のバックライトや、一般家庭用照明のＬＥＤ（Light Emission Diode）化が進んでいる。ＬＥＤを発光素子とする発光装置は、蛍光灯や白熱電球に比較して寿命は約１０倍、電気代は約１／１０程度と、優れた点が多く、脚光を浴びている。

従来より、この種の発光装置は、ＬＥＤタイプの発光素子を各種基板の上に実装し、その発光素子を各種基板の上に形成した電極パターンにワイヤボンディングあるいはバンプ実装によって接続した構成となっている。

また、図６（ａ）（ｂ）に示されるように、発光素子搭載用基板１０１として、発光素子１０３から発せられる光の発光効率を高めるために、発光素子１０３が搭載される基板（基体部１０５）の表面に、発光素子１０３を囲繞する壁面１０６を有する、いわゆる枠体部１０７を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

その中で、高い反射性を有するだけでなく、従来の発光素子搭載用基板１０１に用いられてきた合成樹脂に比べて、熱伝導性および機械的強度が高く、耐熱性や耐久性に優れ、長期間紫外線に曝されても劣化しないという理由から、アルミナセラミックスやガラスセラミックスを基材とした発光素子搭載用基板１０１が注目されている。

さらに、発光素子搭載用基板１０１の枠体部１０７の内側の壁面１０６の全面には、発光素子１０３からの白色光の発光強度を向上させるために、４６０ｎｍ付近の波長の反射率が最も高い銀（Ａｇ）の膜１０９を形成し、反射板として使用するものが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

ところが、枠体部１０７の内壁１０６の全面に銀の膜１０９を形成すると、発光強度は高められるものの、銀の膜１０９を形成するコストが高くなり、コスト的に高価なものになるという問題がある。

特開２００６−２６１２９０号公報 特開２００７−１５８２１１号公報

従って、本発明は、枠体部の内壁に銀の膜を有する場合でも、コスト低減を図れるとともに、発光強度を高くできる発光素子搭載用基板、およびそれを用いた発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光素子搭載用基板は、ともにガラスセラミックス製の焼結体により構成され、中央部に発光素子の搭載面を有する基体部および該基体部上で前記搭載面を囲むように
配置された枠体部と、該枠体部の内壁に形成された銀の膜と、を備えている発光素子搭載用基板であって、前記枠体部は、前記内壁を周回する方向に、前記銀の膜が設けられた部分と前記銀の膜が設けられていない部分とが交互に配置されているとともに、前記銀の膜が設けられた部分と前記銀の膜が設けられていない部分とは、前記焼結体中の気孔率が異なっており、前記銀の膜が設けられていない部分の焼結体の気孔率が前記銀の膜が設けられた部分の焼結体の気孔率よりも高いことを特徴とする。

本発明の発光装置は、上記の発光素子搭載用基板の前記搭載部に発光素子を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、枠体部の内壁に銀の膜を有する場合でも、コスト低減を図れるとともに、発光強度を高くできる発光素子搭載用基板、およびそれを用いた発光装置を得ることができる。

（ａ）（ｂ）は、本実施形態の発光素子搭載用基板の一例を模式的に示す断面模式図および平面図である。 図１（ｂ）のＡ部およびＢ部の拡大図である。 銀の膜の設けられていない部分が枠体部の辺の方向に設けられているパターンを示す平面図である。 本実施形態の発光装置を示す断面模式図である。 本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程を示す模式図である。 （ａ）（ｂ）は、従来の発光素子搭載用基板の一例を模式的に示す断面模式図および平面図である。

図１（ａ）（ｂ）は、本実施形態の発光素子搭載用基板の一例を模式的に示す断面模式図および平面図である。図２は、図１（ｂ）のＡ部およびＢ部の拡大図である。

本実施形態の発光素子搭載用基板は、発光素子を搭載するための搭載面１を有する基体部３と、その搭載面１を囲むように配置されている枠体部５とを備えており、これらの基体部３および枠体部５はいずれもガラスセラミックス製の焼結体により構成されている。

この枠体部５の内壁９には銀の膜１１が設けられているが、本実施形態における枠体部５は、銀の膜１１がその内壁９を周回する方向に交互に配置されている。つまり、枠体部９の内壁９には銀の膜１１が設けられた部分１１ａと銀の膜１１が設けられていない部分１１ｂとが内壁９を周回する方向に交互に配置された構成となっている。

さらに、銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとは焼結体中の気孔率が異なっており、銀の膜が設けられていない部分１１ｂの焼結体（図１（ｂ）におけるＢの領域）の気孔率は銀の膜が設けられた部分１１ａの焼結体（図１（ｂ）におけるＡの領域）の気孔率よりも高い。

これにより、枠体部５の内壁９に銀の膜１１を有する場合でも、枠体部５の内壁９に形成する銀の膜１１が内壁９の全面ではなく部分的に形成されているために、枠体部５の内壁９の全面に銀の膜１１を形成する場合に比較して銀の膜１１のコスト低減を図れるとともに、発光強度を高くできる発光素子搭載用基板を得ることができる。

また、この発光素子搭載用基板では、枠体部５の銀の膜が設けられていない部分１１ｂ
の焼結体の気孔率が銀の膜が設けられた部分１１ａの焼結体の気孔率よりも高くなっている。焼結体がガラスセラミックス製であっても焼結体中の気孔率を高くすると、気孔１２によって光を散乱させることができるため、枠体部５の内壁９に銀の膜１１が設けられていなくても枠体部５の焼結体自体で高い反射率を得ることができる。

これに対し、枠体部５の銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとで焼結体の気孔率に違いの無い構成では枠体部５の銀の膜が設けられていない部分１１ｂにおいて光の透過率が高くなり高い光の反射率を得ることが困難となる。

なお、本実施形態の発光素子搭載用基板では、枠体部５の銀の膜が設けられていない部分１１ｂは、銀の膜が設けられた部分１１ａに比較して、例えば、断面視したときに、単位面積当たりに存在する気孔７の数が多くなっているのがよい。

ここで、焼結体の気孔率が異なるというのは、例えば、枠体部５の銀の膜が設けられた部分１１ａおよび銀の膜が設けられていない部分１１ｂのそれぞれの焼結体の気孔率を求めたときに、両者の気孔率の差が０．５％以上の差を有する場合をいう。

一方、焼結体の気孔率に違いの無い構成というのは、例えば、枠体部５の銀の膜が設けられた部分１１ａおよび銀の膜が設けられていない部分１１ｂのそれぞれの焼結体の気孔率を求めたときに、両者の気孔率の差が０．２％以下である場合である。

このような発光素子搭載用基板を構成する基体部３および枠体部５は放熱性を高めることができるという理由から、焼結体の気孔率がいずれも５％以下であるのがよい。

また、基体部３と枠体部５とは機械的強度を高くできるという点で一体的に形成されているのがよい。ここで、基体部３と枠体部５とが一体的に形成されているというのは、枠体部５と基体部３とが同時焼成されて焼結されたものという意味である。

また、この発光素子搭載用基板は基体部３と枠体部５とが同じ材質であるのがよい。基体部３と枠体部５とが同じ材質であると、同時焼成される際に、基体部３と枠体部５との焼結速度が近いことから発光素子搭載用基板の反りや変形を低減することができる。この場合、同じ材質というのは、基体部３および枠体部５に含まれる主成分のセラミック成分が同じであるという意味である。ここで、主成分とは、基体部３および枠体部５に含まれるガラス成分およびセラミック粒子のことをいい、それらを合わせた含有量が８０質量％以上である場合をいう。

焼結体の気孔率は、断面研磨した試料の電子顕微鏡写真を用いて、まず、写真上に認められる気孔の総面積を画像解析により求め、次に、その気孔の総面積を写真の面積で除して求める。この場合、気孔は最大径が０．１μｍ以上であるものを選択することとし、それ以下の気孔は除くようにする。

本実施形態の発光素子搭載用基板では、銀の膜１１は枠体部５の内壁９に面一に埋設されていることが望ましい。銀の膜１１が枠体部５の内壁９に面一に埋設されていると、銀の膜１１と枠体部５の内壁との間に段差を有しないことから、内壁からの不均一な光の反射を抑制することができ光の反射率をさらに高めることができる。

また、本実施形態の発光素子搭載用基板では、枠体部５は、搭載面１を囲繞する部分の壁面９が上側に開口径を大きくするようなすり鉢状であり、銀の膜１１が、基体部３の搭載面１に接する枠体部５の下端５ａから上端５ｂまでを覆う形状を有していることが望ましい。銀の膜１１が基体部３の搭載面１に接する枠体部５の下端５ａから上端５ｂまでを
覆う形状であると、すり鉢状をした枠体部５の開口部から広く光を反射させることが可能となる。

この場合、枠体部５の内壁９は搭載面１から上側に向けて凹状に湾曲していることが望ましい。枠体部５の内壁９が搭載面１から上側に向けて凹状に湾曲していると、内壁９が平坦となっている場合に比較して光の反射する面積を大きくできるために、銀の膜１１が枠体部５の内壁９に部分的に形成されている場合であっても発光素子から発せられた光の反射率をさらに高めることができる。

なお、本実施形態の発光素子搭載用基板では、銀の膜１１の欠損した部分は、例えば、図１（ｂ）に示した位置に他に、図３に示すように、枠体部５の辺に向く位置に設けられていても良いが、より好ましくは、図１（ｂ）に示すように、枠体部５が、対角線上の対向する位置に角部５ｃを有する矩形状を為しており、銀の膜１１が、対向する角部５ｃの方向（図１（ｂ）に矢印Ｈで示す内壁９から法線方向）の部分５ｄを除く内壁９の領域に設けられていることが望ましい。

図１（ｂ）に示すように、枠体部５の角部５ｃは、その厚みｔ１が枠体部５の角部５ｃ以外の辺５ｅの厚みｔ２に比較して厚くなっている。このため枠体部５の角部５ｃは辺５ｅよりも光が透過しにくくなる。枠体部５の厚みが薄く、光の透過しやすい辺５ｅの内壁９に銀の膜１１を形成し、辺５ｅ側よりも光が透過しにくい角部５ｃに銀の膜１１を設けない構成にすると、枠体部５の角部５ｃが銀の膜が設けられていない部分１１ｂとなり、この銀の膜が設けられていない部分１１ｂは銀の膜が設けられている部分１１ａに比較して気孔率の高い焼結体となっており、このために、光の透過をさらに抑制でき、逆に光の反射率を高めることができる。

この場合、枠体部５の角部５ｃの厚みｔ１は１００〜１０００μｍ、辺５ｅの厚みｔ２は８０〜８００μｍであるのがよい。

図４は、本実施形態の発光装置を示す断面模式図である。本実施形態の発光装置は、上述した発光素子搭載用基板の搭載部１に発光素子２０を備えていることを特徴とするものである。すなわち、この発光装置は、枠体部５の内壁９に、その内壁９を周回する方向に、銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとが交互に配置されており、銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとは焼結体中の気孔率が異なっており、銀の膜が設けられていない部分１１ｂの焼結体の気孔率が銀の膜が設けられた部分１１ａの焼結体の気孔率よりも高いという特徴を有する基板を採用している。

このような構成であると、枠体部５の内壁９に部分的に枠体部５の内壁９に形成する銀の膜１１の占有面積が内壁９の全面ではなく部分的であるため、枠体部５の内壁９の全面に銀の膜１１を形成する場合に比較して銀の膜１１に費やされるコストの低い発光装置を得ることができる。

また、この発光装置を構成する発光素子搭載用基板は、枠体部５の銀の膜が設けられていない部分１１ｂの焼結体中の気孔率が銀の膜が設けられた部分１１ａの焼結体の気孔率よりも高くなっているために、焼結体中において光をより散乱させることが可能となり、その結果、枠体部５の内壁９に銀の膜が設けられていなくても枠体部５の焼結体自体で高い反射率を得ることができる。これにより、発光素子１１から発せられた光を枠体部５から指向性良く、高い効率で発光させることが可能になるとともに、低コストの発光装置とすることができる。

なお、本実施形態の発光素子搭載用基板には、必要に応じて、その表面や内部に、発光素子や外部電源と接続するための導体層を設けてもよい。

次に、本実施形態の発光素子搭載用基板および発光装置の製造方法について説明する。図５は、本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程を示す模式図である。ここで、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＧ−Ｇ線における断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、基体部３および枠体部５を形成するためのシート状成形体２１を作製する。その組成は、例えば、ホウケイ酸ガラスなどのガラス粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末とを混合した混合粉末を用いる。

次に、この混合粉末に対して、有機バインダを溶媒とともに添加してスラリーや混練物を調製した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法を用いてシート状成形体２１を形成する。

次に、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、シート状成形体２１の表面に部分的に、銀の膜となる導体パターン２２を形成する。このとき導体パターン２２の厚みは、加圧後の変形や切れを防止し、下部のシート状成形体２１の密度を部分的に高められるという理由から平均値で１０〜３０μｍであるのがよい。

次に、図５（ｄ）に示すように、一方の面に凸部２３を有する金型を用意し、この金型を用いて、導体パターン２２を形成したシート状成形体２１をプレス成形し、凸部２３に対応する部分が凹部となる成形体２５を形成する。

このプレス成形の工程において、金型の凸部２３によって加圧されたシート状成形体２１のうち、導体パターン２２の下部のシート状成形体２１の部分（図５（ｂ）の符号２３ａ）は、導体パターン２２の無い部分（図５（ｂ）の符号２３ｂ）に比較して加圧後に生密度が高くなっている。

次に、この成形体２５を所定の温度条件で焼成することにより発光素子搭載用基板を得ることができる。

こうして得られた発光素子搭載用基板は、成形体２５における導体パターン２２のある部分２３ａと導体パターン２２の無い部分２３ｂとで、それぞれの生密度に依存して焼成後において焼結状態が異なってくる。

導体パターン２２の無い部分２３ｂのシート状成形体２１は生密度が低くなっており、成形体２５の状態で導体パターン２２のある部分２１ａのシート状成形体２１よりもガラス粉末およびセラミック粉末の接し方が弱いために、焼成過程においてもガラス粉末およびセラミック粉末の成分の拡散が導体パターン２２のある部分２１ａのシート状成形体２１のガラス粉末およびセラミック粉末に比べて遅い。このため導体パターン２２の無い部分２１ｂのシート状成形体２１は導体パターン２２のある部分２１ａのシート状成形体２１よりも緻密化が遅くなる。

一方、導体パターン２２のある部分２１ａのシート状成形体２１は成形体２５の状態で導体パターン２２の無い部分２１ｂのシート状成形体２１に比較してガラス粉末およびセラミック粉末が強固に接しており生密度が高くなっている。このため焼成過程においてガラス粉末およびセラミック粉末の成分が拡散しやすく、これにより緻密化しやすくなる。

その結果、成形体２５を焼結させたときに、導体パターン２２の無い部分２１ｂのシー
ト状成形体２１は緻密化の度合いが小さいために焼結体中の気孔率が高くなり、一方、成形体２５の密度の高い方の導体パターン２２のある部分２１ａのシート状成形体２１は緻密化しやすいために焼結体の気孔率を低くすることができる。

こうして、枠体部５の内壁９を周回する方向に銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとが交互に配置されており、銀の膜が設けられた部分１１ａと銀の膜が設けられていない部分１１ｂとは焼結体の気孔率が異なっており、さらに、銀の膜が設けられていない部分１１ｂの焼結体の気孔率は銀の膜が設けられた部分１１ａの焼結体の気孔率よりも高い発光素子搭載用基板を得ることができる。

ホウケイ酸ガラス粉末を６０質量％とＡｌ_２Ｏ_３粉末を４０質量％の割合で混合した後、さらに、有機バインダーとしてアクリル系バインダーを１９質量％、ワックスとしてパラフィンワックスを３質量％、有機溶媒としてトルエンを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて平均厚みが８００μｍのシート状成形体を作製した。

次に、得られたシート状成形体の表面に導体パターンを形成した。導体パターンの厚みは約２０μｍとした。導体パターンは、図５（ｂ）に示すような配置（試料Ｎｏ．１）と、導体パターンを印刷しない部分を図３に示すように枠体部の辺の方向に配置させたもの（試料Ｎｏ．２）および枠体部の内壁をその上端から下端にかけて湾曲とし、導体パターンを図５（ｂ）に示すような配置とした形状の３種類を作製した。この場合、銀の膜の欠損した部分の割合は、図１（ｂ）（および図３）に示す銀の膜の形状で、外周側の円周の長さを１００％としたときに３０％になるようにした。

次に、図５（ｄ）に示した構造の金型を用いて、８０℃の温度で加熱プレスを行い、切断して、図５（ｄ）の金型の下部側に示されるような構造の成形体を形成した。次に、大気中、９１０〜９５０℃の温度にて１時間の焼成を行った。

作製した発光素子搭載用基板はいずれも搭載面を囲繞する部分の壁面が上側に開口径を大きくするようなすり鉢状の形状となっており、導体パターンは枠体部の内壁に面一となるように埋設されていた。

比較例として、以下の試料を同様の方法にて作製した。試料Ｎｏ．４は、シート状成形体の表面に図６（ｂ）のような導体パターンを形成したものであり、試料Ｎｏ．５は、シート状成形体を図５（ｄ）に示すような金型で加圧した後、形成された枠体部の内壁に図５（ｂ）のような導体パターンを形成したものである。

得られた発光素子搭載用基板は、平面の面積が３ｍｍ×３ｍｍ、枠体部の厚み（基体部の表面の搭載部の高さにおける厚み）が３００μｍ、枠体部の搭載面からの高さが２００μであった（基体部の搭載面の領域の厚みは４００μｍ）。

また、得られた発光素子搭載用基板の搭載面にＬＥＤ素子を実装し、この発光素子を導線で電源と結線し、銀の膜に欠損部を設けなかった試料Ｎｏ．３の発光強度を１００％としたときの各試料（試料Ｎｏ．１、２、４および５）の発光強度比を求めた。

焼結体の気孔率は、基板の枠体部を切断し、断面研磨した後、電子顕微鏡を用いて断面写真を撮り、その写真上の単位面積当たりの領域に認められる気孔の総面積を画像解析により求め、次に、その気孔の総面積を写真の単位面積で除して求めた。この場合、気孔は最大径が０．１μｍ以上であるものを選択し、それ以下の気孔は除くようにした。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、銀の膜が設けられていない部分の気孔率が銀の膜が設けられた部分よりも高い試料Ｎｏ．１〜３はいずれも発光強度比が７５％以上であったが、試料Ｎｏ．５は枠体部の銀の膜が設けられていない部分の気孔率が１．５％と緻密化していたため枠体部の側面から光の透過が大きくなり発光強度が７０％であった。

また、試料Ｎｏ．１〜３は、枠体部の内壁の全周に銀の膜を形成した試料（試料Ｎｏ．４）に比較して、銀の膜が設けられていない部分の割合だけ銀のコスト低減を図ることができた。

１・・・・・・・搭載面
３・・・・・・・基体部
５・・・・・・・枠体部
５ａ・・・・・・枠体部の下端
５ｂ・・・・・・枠体部の上端
５ｃ・・・・・・枠体部の角部
５ｄ・・・・・・枠体部の角部の方向を法線方向とする部分
５ｅ・・・・・・枠体部の辺
７・・・・・・・気孔
９・・・・・・・内壁
１１・・・・・・銀の膜
１１ａ・・・・・銀の膜が設けられた部分
１１ｂ・・・・・銀の膜が設けられていない部
１２・・・・・・気孔
２０・・・・・・発光素子
２１・・・・・・シート状成形体
２１ａ・・・・・導体パターンのある部分
２１ｂ・・・・・導体パターンの無い部分
２３・・・・・・凸部
２５・・・・・・成形体

Claims (5)

1. ともにガラスセラミックス製の焼結体により構成された、中央部に発光素子の搭載面を有する基体部および該基体部上で前記搭載面を囲むように配置された枠体部と、該枠体部の内壁に形成された銀の膜と、を備えている発光素子搭載用基板であって、前記枠体部は、前記内壁を周回する方向に、前記銀の膜が設けられた部分と前記銀の膜が設けられていない部分とが交互に配置されているとともに、前記銀の膜が設けられた部分と前記銀の膜が設けられていない部分とは、前記焼結体中の気孔率が異なっており、前記銀の膜が設けられていない部分の焼結体の気孔率が前記銀の膜が設けられた部分の焼結体の気孔率よりも高いことを特徴とする発光素子搭載用基板。
2. 前記銀の膜が前記内壁に面一に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子搭載用基板。
3. 前記枠体部は、前記搭載面を囲繞する部分の壁面が上側に開口径を大きくするようなすり鉢状であり、前記銀の膜は前記基体部の前記搭載面に接する前記枠体部の下端から上端までを覆う形状を有してい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基板。
4. 前記枠体部が対角線上の対向する位置に角部を有する矩形状を為しており、前記銀の膜は前記角部に対向する部分を除く内壁の領域に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発光素子搭載用基板。
5. 請求項１乃至４のうちいずれかに記載の発光素子搭載用基板の前記搭載部に発光素子を備えていることを特徴とする発光装置。