JP2013172002A - 配線基板および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 搭載される発光素子から放射される光の反射率が高い絶縁基板および発光装置を提供する。
【解決手段】 発光素子の搭載部１ａを含む上面を有する絶縁基板１と、搭載部１ａに設けられた複数の配線導体２とを備えており、絶縁基板１が、搭載部１ａにおいて複数の配線導体２の間に凹部４を有しているとともに、凹部４の底部に光の反射層５が設けられている配線基板10である。反射層５により反射率が高められている。また、反射層５が凹部４の底部に位置しているため、隣り合う配線導体２同士の電気絶縁性の確保が容易である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子が搭載される配線基板、およびこの配線基板に発光素子が搭載されてなる発光装置に関するものである。

ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザ）等の発光素子は、一般に、発光素子搭載用の配線基板に搭載されて発光装置となり、照明用機器等の各種の発光用機器の部品として使用される。

発光素子は、光電変換により発光する発光部と、発光部に電流を供給するための電極とが、半導体基板の主面に設けられて形成されている。発光素子の中には、発光部および電極が設けられた主面が、配線基板の絶縁基板の上面に対向するようにして搭載されるもの、いわゆるフリップチップ型のものがある。

この場合、光半導体素子の電極は、配線基板の配線導体と対向し合い、はんだ等の接続材を介して電気的および機械的に接続される。発光素子の発光部で発生した光は、真上方向および下方向に放射される。下方向に放射された光は、対向する絶縁基板の上面で反射された後に、外部に向かって放射される。

フリップチップ型の場合、発光素子の発光部が配線基板の搭載部により近くなる。つまり、発光素子において熱が発生しやすい部分が絶縁基板に近い。そのため、配線導体を通して、発光素子から配線基板に熱を逃がしやすくなる。また、ボンディングワイヤで光半導体素子の電極と配線導体とが接続される場合に比べて発光装置の小型化が容易である。そのため、高い放熱性や小型化が要求される一般用照明装置や自動車用照明装置等に使用される。

特開2007−123764号公報

しかしながら、上記従来技術においては、発光素子で発生した光を外部に反射させる効率、つまり反射率を高めることが難しいという問題点があった。すなわち、隣り合う配線導体同士の電気絶縁性を確保する必要があるため、絶縁基板の上面に金属層等の反射層を設けることが難しい。そのため、絶縁基板における光の反射率を高めることが難しい。

本発明は上記従来の技術の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、いわゆるフリップチップ型の発光素子が搭載される配線基板であって、光の反射率が高い配線基板、および発光装置を提供することにある。

本発明の一つの態様による配線基板は、発光素子の搭載部を含む上面を有する絶縁基板と、前記搭載部に設けられた複数の配線導体とを備えており、前記絶縁基板が、前記搭載部において前記複数の配線導体の間に凹部を有しているとともに、該凹部の底部に光の反射層が設けられていることを特徴とする。

本発明の一つの態様による発光装置は、上記構成の配線基板と、発光部および電極を含む下面を有しており、該下面が前記搭載部に対向するように前記絶縁基板に搭載された発光素子とを備えており、前記配線基板の前記配線導体と前記発光素子の前記電極とが導電性接続材を介して互いに接続されていることを特徴とする。

本発明の一つの態様による配線基板によれば、絶縁基板が、搭載部において複数の配線導体の間に凹部を有しているとともに、これらの凹部の底部に光の反射層が設けられていることから、光の反射率が高い発光装置を作製することが可能な配線基板を提供することができる。

絶縁基板における光の反射率は、凹部の底部に設けられた反射層によって効果的に高められている。また、反射層は、例えば銀等の金属材料からなるものであったとしても、凹部の底部に設けられているため、隣り合う配線導体同士の間の電気絶縁性が反射層によって低下する可能性が低減されている。したがって、フリップチップ型の発光素子が搭載される配線基板であって、光の反射率が高い配線基板を提供することができる。

また、本発明の一つの態様による発光装置によれば、上記構成の配線基板に発光素子が搭載されてなることから、フリップチップ型であって光の反射率が高い発光装置を提供することができる。

本発明の実施形態の配線基板を示す断面図である。 本発明の実施形態の発光装置を示す断面図である。 図２に示す発光装置の要部を拡大して示す断面図である。 図１に示す配線基板の変形例における要部を示す断面図である。

本発明の配線基板および発光装置を、添付の図面を参照して説明する。以下の説明における上下の区別は、実際に配線基板および発光装置が使用されるときの上下を限定するものではない。また、可視光について、単に光という。

図１は本発明の実施形態の配線基板を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施形態の発光装置を示す断面図である。また、図３は、図２に示す発光装置の要部を拡大して示す断面図である。発光素子の搭載部１ａを含む上面を有する絶縁基板１と、搭載部１ａに設けられた配線導体２とにより配線基板10が基本的に構成されている。また、配線基板10に発光素子11が搭載されて発光装置20が基本的に構成されている。

配線基板10の配線導体２から発光素子11に電流が供給される。発光装置20において、発光素子11の主面（下面）に設けられた発光部11ａにおける光電変換で光が放射される。発光素子11から下方向に放射された光が絶縁基板１で反射して上方向、つまり外部に向かって放射される。また、発光素子11で発生した熱は、例えば配線導体２を介して絶縁基板１に伝わり、絶縁基板１の下面や側面等から外部に放散される。この発光素子11は、発光部11ａが絶縁基板１の上面１ａに対向して搭載される、いわゆるフリップチップ型の発光素子11である。また、発光装置20はフリップチップ型の発光装置である。発光装置20は、例えば一般照明用や自動車用等の照明機器に光源として実装されて用いられる。

絶縁基板１は、例えば四角板状や円板状等であり、上面の一部が、発光素子11が搭載される搭載部となっている。発光素子11としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザ）が挙げられる。発光素子11は、例えばガリウム−ヒ素系等の半導体基板の主面
（下面）に、光電変換により発光する電子回路からなる光電変換部11ｂが設けられている。

また、発光素子11の光電変換部11ｂが設けられた主面には接続導体（図示せず）が設けられている。接続導体は、配線基板10から発光素子11の光電変換部11ａに供給される電流用の導電路である。

絶縁基板１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミック焼結体，ガラス母材中に結晶成分を析出させた結晶化ガラスまたは雲母やチタン酸アルミニウム等の微結晶焼結体からなる、金属材料とほぼ同等の精密な機械加工が可能なセラミック材料（いわゆるマシナブルセラミックス）等のセラミック焼結体により形成されている。

絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、次のようにして作製することができる。すなわち、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素等の原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合して作製したスラリーをドクターブレード法やリップコータ法等のシート成形技術でシート状に成形することによってセラミックグリーンシートを作製して、その後、セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工によって適当な形状および寸法とするとともに、これを約1300〜1500℃の温度で焼成することによって作製することができる。

配線基板10および発光装置20における放熱性が重視される場合には、絶縁基板１としての熱伝導性が高い窒化アルミニウム質焼結体が用いられる。絶縁基板１が窒化アルミニウム質焼結体からなる場合にも、上記酸化アルミニウム質焼結体の場合と同様に、窒化アルミニウム等の原料粉末を用いて成形したセラミックグリーンシートを焼成することによって絶縁基板１を作製することができる。窒化アルミニウム質焼結体の場合の焼成温度は、約1700〜1900℃である。

配線導体２は、発光素子11に電流を供給するためのものであり、外部の電源（図示せず）から発光素子11に供給される電流の導電路として機能する。そのため、配線導体２の少なくとも一部は、発光素子11が搭載される搭載部１ａ内に位置するように設けられている。搭載部１ａに設けられた配線導体２が発光素子11の接続導体の所定部位と対向し合い、はんだ３等の導電性接続材を介して互いに電気的に接続されている。

配線導体２は、例えばタングステンやモリブデン、マンガン、銅、銀、パラジウム、金白金、チタン、ハフニウム等の金属材料によって設けられている。また、配線導体２は、メタライズ層やめっき層、蒸着層等の形態で絶縁基板１の上面に付着している。配線導体２は、異なる種類の金属材料からなる複数の層が順次絶縁基板１の上面に付着してなるものであってもよい。

配線導体２は、例えば、絶縁基板１が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、タングステンの粉末を有機溶剤およびバインダとともに混練して作製した金属ペーストを、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートの表面に塗布して同時焼成することによって、絶縁基板１に設けることができる。

また、配線導体２は、例えば、絶縁基板１が窒化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、活性金属としてチタン等を含む金属ペーストを絶縁基板１の上面に塗布して加熱することによって、絶縁基板１に設けることができる。チタン等の活性金属を介して、上記金属材料が絶縁基板１の上面に接合される。

配線導体２は、折れ線状等のいわゆる回路パターン状であってもよく、長方形状等の四角形状、円形状または楕円形状等のいわゆるパッド状であってもよい。搭載部１ａにおいて配線導体２が設けられた範囲は、例えば平面視において、搭載部１ａ全域の面積に対する面積比で約50〜90％程度に設定される。

配線導体２を介した発光素子11に対する電流の供給は、例えば以下のように行なわれる。すなわち、配線導体２について、搭載部１ａに設けられた部分から絶縁基板１の内部を経て絶縁基板１の下面等の電気的に導出するようにしておく。また、搭載部１ａに設けられた配線導体２と発光素子11の接続導体とを上記のようにはんだ３を介して接続する。この状態で、配線導体２のうち絶縁基板１の下面等に設けられた部位に外部の電源を接続すれば、配線導体２を介して発光素子11に所定の電流を供給することができる。

配線導体２と発光素子11の電極とを接続するはんだ３としては、スズ−鉛系はんだ（いわゆる共晶はんだ等）、スズ−銀系はんだ、スズ−銀−ビスマス系はんだ、スズ−銀−銅系はんだ、金−スズ系はんだ等が挙げられる。

また、絶縁基板１は、搭載部１ａにおいて複数の配線導体２の間に凹部４を有している。それぞれの凹部４の底部には光の反射層５が設けられている。そのため、光の反射率が高い発光装置20を作製することが可能な配線基板10を提供することができる。

絶縁基板１における光の反射率は、凹部４の底部に設けられた反射層５によって効果的に高められている。また、反射層５は、例えば銀等の金属材料からなるものであったとしても、凹部４の底部に設けられているため、隣り合う配線導体２同士の間の電気絶縁性が反射層５によって低下する可能性が低減されている。したがって、フリップチップ型の発光素子11が搭載される配線基板10であって、光の反射率が高い配線基板10を提供することができる。

凹部４は、例えば平面視で円形状、楕円形状または四角形状等である。また平面視における凹部４は、これらの形状であって外周の一部に凹凸を有するものであってもよく、これらの形状を組み合わせた形状であってもよい。また、凹部４の縦断面における形状は、例えば長方形状等である。言い換えれば、凹部４は、平面視において上記形状の穴である。

凹部４の開口部分の縁は、配線導体２に接していてもよく、配線導体２から離れていてもよい。つまり、平面視において、凹部４の外周と配線導体２の外周とが互いに接していてもよく、互いに離れていてもよい。ただし、凹部４の開口部分の縁と配線導体２との間の距離が長くなり過ぎると、その間で、光の反射率が比較的低い絶縁基板１の表面（上面）が露出する。そのため、発光装置20における光の反射率を高くすることが難しくなる可能性がある。したがって、凹部４の開口部分の縁と配線導体２とを互いに離す場合には、平面視における両者間の距離を10〜50μｍとすればよい。

凹部４は、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートに機械的な穴あけ加工やレーザ加工等の加工を施しておいて、焼成することによって形成することができる。また、凹部４は、焼成後の絶縁基板１にレーザ加工を施して形成することもできる。凹部４は、形成しやすさ等を考慮すれば、平面視における形状が円形状であることが好ましい。

反射層５は、例えば、前述したように銀等の金属材料によって設けられている。反射層５は、光（可視光）の反射率を考慮すれば、銀または銀を主成分とする金属材料からなるものであることが好ましい。なお、反射層５を形成する金属材料としては、銀以外に、金やアルミニウム等が挙げられる。

反射層５は、例えば凹部４の底部に上記金属材料のペーストを塗布し、これを加熱して凹部４の底部に付着させることによって設けることができる。また、反射層５は、無電解めっき法等のめっき法で設けることもできる。

凹部４の深さは、光の反射率の向上の上では浅いほど好ましい。しかし、凹部４を浅くし過ぎると、凹部４の底部に設けられた反射層５により、隣り合う配線導体２間の電気絶縁性が低くなる可能性がある。

また、凹部４の平面視における大きさは、光の反射率の向上の上では大きいほど好ましい。しかし、凹部４を大きくし過ぎると、隣り合う配線導体２同士の間隔が広くなる。つまり、搭載部１ａにおける配線導体２の密度を高めることが難しく、小型化および高集積化等の妨げになる可能性がある。

以上のような条件や、配線基板10としての生産性および経済性等を考慮すれば、凹部４は、平面視において１辺の長さが20〜1000μｍ程度の四角形状、または直径が20〜1000μｍの円形状とすることが好ましい。また、凹部４の深さは20〜200μｍ程度の範囲とする
ことが好ましい。

反射層５は、その上面が、直接に光を反射する反射面となる。この反射面である反射層５の上面は、発光装置20の用途、求められる機能および経済性（コスト）等に応じて、平坦な面、凹状に湾曲した面および凸状に湾曲した面の形状から適宜選択される。

反射層５の上面を平坦な面の形状とした場合、入射した光は、反射層５の上面で鏡面反射し、反射率が大きく、配光角度を大きくすることができる。

反射層５の上面を凹状に湾曲した面の形状とした場合、入射した光は、反射層５の上面で再帰反射し、反射率をさらに大きくすることができる。

反射層５の上面を凸状に湾曲した面の形状とした場合、入射した光は、反射層５の上面で乱反射し、配光角度をさらに大きくすることができる。

また、反射面（反射層５の上面）の表面粗さは、0.01〜1μｍの範囲が好ましい。この
範囲内において、表面粗さを小さくすると、鏡面反射性が高まり、反射率を大きくすることができる。また、表面粗さを大きくすると、乱反射性が高まり、配光角度を大きくすることができる。

また、複数の凹部４および反射層５が設けられているとき、それぞれの反射層５は互いに同様の材料からなるものである必要はない。また、互いに同様の形状および表面粗さの上面を有している必要はない。

例えば、複数の反射層５について、それぞれの上面（反射面）の傾斜を調整して、発光素子11から放射されて反射層５で反射される光が、発光装置20の上方の特定の方向で強くなるようにしてもよい。この場合には、配線基板10および発光装置20について、特定の方向への集光に適したものとすることができる。特定の方向とは、例えば図２に示す発光装置20において搭載部１ａの真上の方向である。発光装置20が自動車の前照灯に用いられる（横向きに実装される）場合には、前方に相当する。

また、複数の反射層５が設けられているとき、それぞれの反射層５の厚みは、互いに異なっていてもよい。例えば、搭載部１ａの外周部において反射層５の厚みを相対的に薄く
して、反射層５と絶縁基板１との熱膨張率の差に起因する応力による絶縁基板１の反り等の変形をより小さく抑えるようにしてもよい。

凹部４の深さについても、複数の凹部４の間で互いに異なっていてもよい。例えば、搭載部１ａの外周部において凹部４の深さを相対的に深くして、反射層５が絶縁基板１の厚み方向の中央部により近く位置するようにしてもよい。この場合、反射層５と絶縁基板１との熱膨張係数の差に起因する応力による絶縁基板１の反り等の変形をより小さく抑えるようにしてもよい。

図４は、図１に示す配線基板10の変形例を示す断面図である。図４において図１および図２と同様の部位には同様の符号を付している。なお、図４においては、配線基板10に発光素子11が搭載された状態で、つまり発光装置20として示している。図４に示す例において、配線導体２が側面視で台形状である。これ以外の点については前述した実施形態の配線基板10と同様である。実施形態の配線基板10と同様の事項については説明を省略する。なお、ここでいう台形状とは、搭載部１ａ側を下底とし、下底が上底よりも長い台形状、つまりは一般的な台形状を意味する。

配線導体２が側面視で台形状である場合、つまり配線導体２の側面が、下部から上部に向かって凹部４と反対側に傾斜している場合には、反射層５で反射して凹部４から放射された光が配線導体２で遮られることが、より一層低減される。そのため、より一層光の反射率が高い発光装置20を作製することが可能な配線基板10を提供することができる。

なお、上記のように配線導体２が台形状であることによる効果は、特に、反射層５（凹部４内）における光の反射の方向が斜め方向であるときに高い。つまり、反射層５の上面が、発光素子11の発光部11ａに対して傾斜しているときに有効である。

配線導体２を台形状とするときには、その側面の傾斜の角度（配線導体２の側面と絶縁基板１の上面とのなす角度）θが92〜120度程度であることが好ましい。この傾斜の角度
が92度以上であるときには、外部への光の放射が配線導体２で妨げられる可能性を低減する上でより有効である。また120度以下であるときには、平面視における配線導体２の面
積を小さく抑えて、配線基板10および発光装置20としての小型化を図る上でより有効である。

なお、複数の配線導体２について、その全部を、側面視で台形状とせずに、一部を台形状とし、他を長方形状等の他の形状とするようにしてもよい。

上記配線基板10および発光装置20において、反射層５が、ガラスビーズ（図示せず）が分散された樹脂材料からなるものであってもよい。この場合には、隣り合う配線導体２の間の電気絶縁性の確保がより一層容易な配線基板10および発光装置20を提供することができる。

ガラスビーズを形成する材料としては、例えばソーダ石灰ガラス、チタン‐バリウム系ガラス等が挙げられる。

ガラスビーズの形状は、例えば球状または楕円球状である。また、ガラスビーズは、球状であって表面の一部に凹凸を有するものであってもよい。また、個々のガラスビーズの大きさは、例えばガラスビーズが球形状の場合であれば、直径が20〜200μｍ程度にすれ
ばよい。

ガラスビーズによる光の反射は、いわゆる再帰性反射である。そのため、ガラスビーズ
は、反射層５の樹脂内に、一つの層になって含まれている。

なお、本発明の配線基板および発光装置は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変形が可能である。例えば、配線導体２の表面に銀めっき層や金めっき層を被着させて、光の反射率をより高くするようにしてもよい。

１・・・絶縁基板
２・・・配線導体
３・・・はんだ
４・・・凹部
５・・・反射層
10・・・配線基板
11・・・発光素子
11ａ・・発光部
20・・・発光装置

Claims (4)

1. 発光素子の搭載部を含む上面を有する絶縁基板と、
   前記搭載部に設けられた複数の配線導体とを備えており、
   前記絶縁基板が、前記搭載部において前記複数の配線導体の間に凹部を有しているとともに、該凹部の底部に光の反射層が設けられていることを特徴とする配線基板。
2. 側面視において前記配線導体が台形状であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 前記反射層が、ガラスビーズが分散された樹脂材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の配線基板と、
   発光部および電極を含む下面を有しており、該下面が前記搭載部に対向するように前記絶縁基板に搭載された発光素子とを備えており、
   前記配線基板の前記配線導体と前記発光素子の前記電極とが導電性接続材を介して互いに接続されていることを特徴とする発光装置。

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