JP2014116411A

JP2014116411A - 発光素子搭載用基板および発光装置

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Publication number: JP2014116411A
Application number: JP2012268423A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamazaki; 将山崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】発光素子搭載領域における平坦性を向上させつつ放熱性を向上させること。
【解決手段】発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域を含む上面を有する基体11と、基体11内に設けられた伝熱部材12および埋設伝熱層13とを含んでいる。伝熱部材12は、平面視において搭載領域の周囲の領域に配置されている。埋設伝熱層13は、平面視において搭載領域に重なるように配置されているとともに、伝熱部材12に熱的に結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオード等の発光素子が搭載される基板および発光装置に関するものである。

発光素子搭載用基板に関して、基体の発光素子の搭載領域の直下に設けられたサーマルビアを有する構造が提案されている。

特開2010−238941号公報

発光素子の搭載領域の直下にサーマルビアが設けられていると、発光素子搭載用基板の上面の発光素子の搭載領域において十分な平坦性を確保することができない場合がある。なお、十分な平坦性を確保することができない場合、例えば、発光素子が傾いて搭載されてしまい、発光強度分布における偏りが生じて、発光特性を十分に確保することができない可能性がある。

本願発明の一つの態様による発光素子搭載用基板は、発光素子の搭載領域を含む上面を有する基体と、基体内に設けられた伝熱部材および埋設伝熱層とを含んでいる。伝熱部材は、平面視において搭載領域の周囲の領域に配置されている。埋設伝熱層は、平面視において搭載領域に重なるように配置されているとともに、伝熱部材に熱的に結合されている。

発光素子搭載用基板は、平面視において発光素子の搭載領域の周囲の領域に配置された伝熱部材と、平面視において搭載領域に重なるように配置されて伝熱部材に熱的に結合されている埋設伝熱層とを含んでいることによって、発光素子の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子の放熱性を向上させた発光装置を実現することができる。

（ａ）は本発明の実施形態における発光装置の平面図を示しており、（ｂ）は（ａ）に示された発光装置のＡ−Ａにおける縦断面図を示している。図１（ｂ）に示された発光素子搭載用基板における放熱部材の例を示す縦断面図である。図１（ａ）に示された発光装置の変形例を示す平面図である。図１（ａ）に示された発光装置の変形例を示す平面図である。（ａ）は図１（ａ）に示された発光装置の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された発光装置のＡ−Ａにおける縦断面図を示している。図５（ａ）および（ｂ）に示された発光装置の変形例を示している。図５（ａ）および（ｂ）に示された発光装置の他の変形例を示している。（ａ）は図１（ａ）に示された発光装置の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された発光装置のＢ−Ｂにおける縦断面図を示している。（ａ）は図１（ａ）に示された発光装置の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された発光装置のＢ−Ｂにおける縦断面図を示している。図９（ａ）および（ｂ）に示された発光装置の変形例を示している。図１（ｂ）に示された発光装置の変形例を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、第１の実施形態における発光装置は、発光素子搭載用基板１と、発光素子搭載用基板１に実装された発光素子２とを含んでいる。発光装置は、発光素子２を覆っている被覆部材３をさらに含んでいる。なお、図１（ａ）において、被覆部材３は図示を省略されている。

発光素子搭載用基板１は、基体11と、基体11内に設けられた複数の伝熱部材12と、基体11内に設けられており複数の伝熱部材12に接続された複数の埋設伝熱層13とを含んでいる。また、発光素子搭載用基板１は、基体11の上面に設けられており複数の伝熱部材13に接続された上面伝熱層14と、基体11の下面に設けられており複数の伝熱部材13に接続された下面伝熱層15と、例えば基体11の表面に設けられた複数の配線導体16とを含んでいる。

基体11は、絶縁材料から成り、その材料例としては、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウム等のセラミックス、または樹脂等がある。基体11は、例えば平面視において矩形状を有する平板状のものである。

複数の伝熱部材12は、例えば、銅、銅−タングステン、タングステン、モリブデン、銀等の金属材料から成る。

複数の伝熱部材12は、図１（ａ）に示されているように、発光素子２の搭載領域に重ならないように配置されている。すなわち、複数の伝熱部材12は、発光素子２の搭載領域を囲む周囲領域に配置されている。ここでいう“発光素子２の搭載領域”とは、基体11の上面のうち平面視において発光素子２に重なる領域のことをいう。また、複数の伝熱部材12は、発光素子２の搭載領域を囲むように配置されている。

複数の伝熱部材12が発光素子２の搭載領域に重ならないように配置されていると、発光素子２の搭載領域の平坦性を向上させることができる。

なお、仮に、上下方向に延びる放熱部材12が発光素子２の搭載領域に重なるように設けられる場合には、例えば発光素子搭載用基板１の製造工程、または発光装置の動作時において、発光素子２の搭載領域における平坦性が損なわれる可能性がある。

例えば基体11がセラミックスから成るとともに複数の放熱部材12が金属材料から成る場合に、基体11および複数の伝熱部材12を一体的に焼成する際に、基体11および複数の伝熱部材12の収縮率の違いによって、発光素子２の搭載領域における平坦性が損なわれる可能性がある。

また、発光装置の動作時において発生した熱によって発光素子搭載用基板１が膨張する場合に、基体11および複数の伝熱部材12の熱膨張率の違いによって、発光素子２の搭載領域における平坦性が損なわれる可能性がある。

また、複数の伝熱部材12は、図１（ｂ）に示されているように、基体11を貫通して基体11の上面から下面にかけて設けられている。複数の伝熱部材12の上端および下端が基体11
から露出されていると、複数の伝熱部材12の上端および下端を上面伝熱層14および下面伝熱層15に接続することが可能となり、複数の伝熱部材12による放熱効率を向上させることができる。

複数の埋設伝熱層13は、図１（ｂ）に示されているように、互いに上下方向に配置されており、図１（ａ）に示されているように、平面視において発光素子２の搭載領域に重なるように配置されている。複数の埋設伝熱層13は、例えば、銅、銅−タングステン、タングステン、モリブデン、銀等の金属材料から成る。

上面伝熱層14は、図１（ｂ）に示されているように、複数の複数の伝熱部材12の上端を覆うように基体11の上面に設けられており、また、図１（ａ）に示されているように、平面視において発光素子２の搭載領域に重なるように配置されている。上面伝熱層14は、例えば、銅、銅−タングステン、タングステン、モリブデン、銀等の金属材料から成る。上面伝熱層14は、複数の伝熱部材12のそれぞれの上端に接続されており、複数の伝熱部材12に熱的に結合されている。

下面伝熱層15は、図１（ｂ）に示されているように、複数の複数の伝熱部材12の下端を覆うように基体11の下面に設けられており、また、図１（ａ）に示されているように、平面視において複数の埋設伝熱層13に重なるように配置されている。下面伝熱層14は、例えば、銅、銅−タングステン、タングステン、モリブデン、銀等の金属材料から成る。下面伝熱層14は、複数の伝熱部材12のそれぞれの下端に接続されており、複数の伝熱部材12に熱的に結合されている。

複数の配線導体16は、図１（ｂ）に示されているように、例えば基体11の上面から側面を経て下面にかけて設けられている。複数の配線導体16のそれぞれの下端部（すなわち、基体11の下面に設けられている部分）は外部端子として用いられる。

なお、複数の配線導体16としては、基体11を貫通して基体11の上面から下面にかけて設けられた複数のビア導体であってもよい。

また、複数の配線導体16としては、基体11の側面に設けられたキャスタレーションに設けられた側面導体を有するものであってもよい。そして、複数の配線導体16がキャスタレーションに設けられた側面導体と下面導体とを有するものであれば、この側面導体および下面導体に半田等の接合材を付着させるように発光装置を実装することができ、発光装置の実装基板に対する接合強度を向上させることができる。

発光素子２は、例えば半導体材料から成る発光ダイオード（ＬＥＤ）である。発光素子２は、駆動電流に応じて例えば紫外領域または青色領域の波長の第１次光を放射するものである。発光素子２は、上面伝熱層14上に搭載されているとともに、例えば複数のボンディングワイヤ４によって複数の配線導体16に電気的に接続されている。

被覆部材３は、基体11上に設けられており、発光素子２および複数のボンディングワイヤ４を被覆している。被覆部材３は、透光性部材と、必要に応じて透光性部材内に分散されて設けられた複数の蛍光粒子とから成る。透光性部材は、例えばシリコーン樹脂等の樹脂材料から成る。複数の蛍光粒子は、発光素子２から放射された第１次光によって励起されて第１次光よりも長い波長を有する第２次光を放射する。第２次光は、例えば発光素子２が紫外光を放射する場合には、青色、緑色および赤色の波長を有し、例えば発光素子２が青色光を放射する場合には、黄色の波長を有する。

本実施形態における発光素子搭載用基板１は、平面視において発光素子２の搭載領域の
周囲の領域に配置された伝熱部材12と、基体11内に設けられており伝熱部材14に熱的に結合されている埋設伝熱層13とを含んでいることによって、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性を向上させた発光装置を実現することができる。

なお、発光素子２の搭載領域における平坦性が損なわれると、例えば発光素子２が傾くことによって発光装置における発光強度分布に偏りが生じて発光特性が低下する可能性がある。

また、発光素子２は、温度が上昇し過ぎると、発光効率が低下する可能性がある。また、発光素子２によって発生された熱が被覆部材３内にこもると、被覆部材３（特に、例えばシリコーン樹脂等から成る透光性部材）が劣化して、発光素子２から放射された光の損失、または複数の蛍光粒子から放射された光の損失を招く可能性がある。

ここで、発光装置における放熱経路について図１（ｂ）を参照して説明する。なお、図１（ｂ）において、熱の伝導がブロック矢印によって模式的に示されている。

発光素子２から上面伝熱層14を介して伝熱部材12に伝導された熱は、上下方向に延びるように設けられた伝熱部材12によって基体11の下面へ伝導される。また、発光素子２の直下に伝導された熱は、埋設伝熱層13によって伝熱部材12へ伝導されるか、または、埋設伝熱層によって基体11の下面へ伝導される。なお、仮に、発光素子２の直下位置に埋設伝熱層13が存在しない構造である場合には、発光素子２の直下に伝導された熱を効率的に基体11の下面へ伝導することが困難になる可能性がある。

なお、例えば基体11がセラミックスから成る場合であって、伝熱部材12および埋設伝熱層13が、図２に示されているように、セラミックグリーンシートの積層体内において充填または塗布された金属ペーストが焼成されることによって形成されている場合には、伝熱部材12とは、充填された金属ペーストが焼成されることによって形成された金属部13ａと、塗布された金属ペーストが焼成されることによって形成された金属層13ｂとから成る部分のことをいう。図２において、伝熱部材12と呼ぶ部分が破線によって囲まれて示されている。

なお、図３に示されているように、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、伝熱部材12は、発光素子２の搭載領域を囲むように設けられた筒状のものであってもよい。伝熱部材12が筒状のものである場合、基体11に対する伝熱部材12の割合を増大させることができるため、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性をさらに向上させた発光措置を実現することができる。

また、図４に示されているように、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、複数の伝熱部材12は、発光素子２の搭載領域を囲むように設けられた例えば円柱状の複数の放熱ビア導体であってもよい。複数の伝熱部材12が複数の放熱ビア導体である場合に、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性を向上させるとともに、例えば熱膨張による変形を低減させた発光装置を実現することができる。なお、発光装置に変形が生じた場合、発光強度分布に変化が生じて、発光特性に関して損失が生じる可能性がある。

また、図５（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施形態の発光装置において、発光素子２がフリップチップ接続されているものであってもよい。発光素子２がフリップチップ接続されている例においては、複数の配線導体16の上方端部（すなわち、基体11の上面に設けられている部分）は、発光素子２の搭載領域まで延びるように設けられてい
る。そして、複数の伝熱部材12の上端が、複数の配線導体16の上方端部に接しないように基体11の内部に位置している。複数の伝熱部材12の上端は、複数の埋設伝熱層13のうちの一つによって覆われている。

なお、図５（ａ）および（ｂ）に示された技術的工夫は、図１、図３および図４に示された構造例においても適用し得る。

なお、図６（ａ）および（ｂ）に示されているように、複数の配線導体16の発光素子２に電気的に接続される端部が、埋設伝熱層13に対応するように同様の形状を有しており、平面視において埋設伝熱層13に重なるように配置されていると、発光素子２から複数の配線導体16の端部を介して埋設伝熱層13への伝導される熱の量が増大されて、発光素子２の放熱性をさらに向上させることができる。

また、図７（ａ）および（ｂ）に示されているように、複数の伝熱部材12、複数の埋設伝熱層13および複数の下面伝熱層15が電気的に独立した２つの構造体に分けられたものであれば、複数の伝熱部材12の上端が複数の配線導体16の端部に接続されて熱的に結合されているものであってもよい。複数の伝熱部材12の上端が複数の配線導体16の端部に熱的に結合されていることによって、発光素子２から複数の配線導体16の端部を介して複数の伝熱部材12へ伝導される熱の量が増大されて、発光素子２の放熱性をさらに向上させることができる。

また、図８（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、上面伝熱層14が基体11の側面にまで延在していてもよい。上面伝熱層14が基体11の側面にまで延在している場合、発光素子12から上面伝熱層14に伝わった熱が基体11の側方へも放散されやすくなり、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性をさらに向上させた発光装置を実現することができる。図８（ｂ）において、基体11の側方への熱の放散がブロック矢印によって模式的に示されている。

なお、上面伝熱層14が、基体11の複数の側面のうち複数の配線導体16が設けられている面とは異なる面において、基体11の側面にまで延在していると、上面伝熱層14の面積を広く確保しやすくなる。

さらに、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、上面伝熱層14が基体11の下面まで延在していてもよい。上面伝熱層14が基体11の下面にまで延在している場合、発光素子12から上面伝熱層14に伝わった熱が基体11の下面から実装基板へも伝わりやすくなり、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性をさらに向上させた発光装置を実現することができる。

なお、図８（ａ）および（ｂ）に示された技術的工夫は、図１および図３〜図５に示された構造例においても適用し得る。

また、図９（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、埋設伝熱層13が、基体11の側面まで延在していてもよい。埋設伝熱層13が基体11の側面まで延在している場合、埋設伝熱層13に伝わった熱が基体11の側面へ伝わりやすくなり、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性をさらに向上させた発光装置を実現することができる。なお、図９（ｂ）において、埋設伝熱層13による基体11の側面への熱の伝導がブロック矢印によって模式的に示されている。

さらに、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、基体11の側面まで延在された埋設伝熱層13が、基体11の側面にまで延在された上面伝熱層14に熱的に結合されていてもよい。埋設伝熱層13が基体11の側面にまで延在された上面伝熱層14に熱的に結合されている場合、埋設伝熱層13によって基体11の側面にまで伝えられた熱が基体11の側面に設けられた上面伝熱層14によって放散されて、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性をさらに向上させた発光装置を実現することができる。

なお、図９（ａ）および（ｂ）に示された技術的工夫は、図１および図３〜図５に示された構造例においても適用し得る。

また、図10（ａ）および（ｂ）に示されているように、基体11の側面まで延在された埋設伝熱層13が、基体11の側面に設けられた側面放熱層17に接続されていて熱的に結合されていてもよい。埋設伝熱層13が側面放熱層17に熱的に結合されていることによって、基体11の側面方向における放熱性を向上させることができる。

なお、図10（ａ）に示されているように、側面放熱層17が基体11の側面のうち配線導体16が設けられている側面にまで広がるように設けられていると、放熱面積を増大させることができる。側面放熱層17は、配線導体16から電気的に独立している。すなわち、側面放熱層17は、配線導体16から絶縁されている。

また、発光装置を実装基板に実装する際に、側面放熱層17を半田等の接合材によって実装基板に接続しておくと、実装強度の向上を図れるとともに、発光装置から実装基板への熱伝導量を増大させることができる。

また、図11に示されているように、本実施形態の発光素子搭載用基板１において、埋設伝熱層13が基体11の下面において基体11から露出されていてもよい。すなわち、埋設伝熱層13が基体11の内部から基体11の下面にかけて設けられていてもよい。埋設伝熱層13が基体11の内部から基体11の下面にかけて設けられている場合、埋設伝熱層13による基体11の下面への伝熱量を増大させることができ、発光素子搭載用基板１は、発光素子２の搭載領域における平坦性を向上させつつ発光素子２の放熱性をさらに向上させた発光装置を実現することができる。

さらに、基体11の下面にかけて設けられた埋設伝熱層13が下面伝熱層15に接続されていることによって熱的に結合されていると、埋設伝熱層13の下端まで伝導された熱を実装基板へ効率的に伝導させることができる。

なお、図11に示された技術的工夫は、図１および図３〜図９に示された構造例においても適用し得る。

１発光素子搭載用基板
11 基体
12 伝熱部材
13 埋設伝熱層
14 上面伝熱層
15 下面伝熱層
16 配線導体
２発光素子
３被覆部材
４ボンディングワイヤ

Claims

発光素子の搭載領域を含む上面を有する基体と、
該基体内に設けられており、平面視において前記搭載領域の周囲の領域に配置された伝熱部材と、
前記基体内に設けられており、平面視において前記搭載領域に重なるように配置されているとともに、前記伝熱部材に熱的に結合されている埋設伝熱層とを備えていることを特徴とする発光素子搭載用基板。
前記埋設伝熱層が、前記基体の側面まで達するように設けら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。
前記基体の側面に設けられた側面放熱層をさらに備えており、
前記埋設伝熱層が前記側面放熱層に熱的に結合されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子搭載用基板。
前記搭載領域に設けられた上面伝熱層をさらに備えており、
該上面伝熱層が、前記基体の側面まで延在されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子搭載用基板。
前記埋設伝熱層が、前記基体の下面において前記基体から露出されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光素子搭載用基板。
請求項１に記載の発光素子搭載用基板と、
前記搭載領域に設けられた発光素子とを備えていることを特徴とする発光装置。