JP2015037130A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特性及び信頼性の安定した発光装置を提供する。
【解決手段】互いに対向する第１の主面と第２の主面を有し、側面の一部に第１の主面から第２の主面まで切欠きが形成された基板と、基板の第１の主面上にフリップチップ実装された発光素子と、基板の第１の主面に配置され、発光素子の電極と接続された第１電極と、基板の第２の主面に配置された第２電極と、発光素子を覆って基板の第１の主面上に配置された透光性樹脂とを備え、第１電極と第２電極とが切欠きの表面に配置された側面金属膜によって電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フリップチップ実装された発光素子を有する発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子を光源に用いた発光装置が実用化されている。例えば、一枚のシート上に多数の発光素子を多連化して形成することで検査の自動化や量産化を容易にした発光装置（例えば特許文献１参照。）や、発光素子の周囲に反射板（リフレクタ）を兼ねた壁部を配置した発光装置（例えば特許文献２参照。）が提案されている。

特開昭６０−２６２４７６号公報 特開２００８−２６３２３５号公報

特許文献１に記載された発光装置は、印刷配線基板と枠状絶縁基板とを積層した積層基板の枠内部に発光素子を組み込んだ構造である。このため、枠状絶縁基板による光吸収によって光取り出し効率が低下する。更に、積層する基板間に隙間が生じ、封止樹脂や光の漏れが発生する場合がある。また、特許文献２に記載された発光装置では、リフレクタ用の樹脂が劣化した場合に光取り出し効率が低下する。

このように、発光素子を用いた発光装置について特性の低下や信頼性に対する対応が未だ不十分である。本発明は、特性及び信頼性の安定した発光装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）互いに対向する第１の主面と第２の主面を有し、側面の一部に第１の主面から第２の主面まで切欠きが形成された基板と、（ロ）基板の第１の主面上にフリップチップ実装された発光素子と、（ハ）基板の第１の主面に配置され、発光素子の電極と接続された第１電極と、（ニ）基板の第２の主面に配置された第２電極と、（ホ）発光素子を覆って基板の第１の主面上に配置された透光性樹脂とを備え、第１電極と第２電極とが切欠きの表面に配置された側面金属膜によって電気的に接続されている発光装置が提供される。

本発明によれば、特性及び信頼性の安定した発光装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る発光装置の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の構造を示す模式的な平面図である。 本発明の実施形態の第１電極の構造例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態の発光装置の実装例を示す模式図である。 本発明の実施形態の透光性樹脂の構造例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の製造方法を説明するための模式図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の切欠きの他の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の他の構造を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る発光装置の更に他の構造を示す模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る発光装置１は、図１に示すように、互いに対向する第１の主面１０１と第２の主面１０２を有する基板１０と、基板１０の第１の主面１０１上にフリップチップ実装された発光素子２０と、発光素子２０を覆って基板１０の第１の主面１０１上に配置された透光性樹脂３０とを備える。基板１０の第１の主面１０１には、発光素子２０の素子電極２１と接続された第１電極１１が配置されている。そして、基板１０の第２の主面１０２には第２電極１２が配置されている。

発光素子２０は、例えばＬＥＤチップである。発光素子２０の基板１０に対向する面に、アノード電極２１１とカソード電極２１２が配置されている。素子電極２１とは、カソード電極２１２及びアノード電極２１１の総称である。発光素子２０と基板１０間の電気的接続にボンディングワイヤが使用されていないため、例えば透光性樹脂３０の変形などによるボンディングワイヤの切断や変形が発生しない。このため、発光装置１では、発光素子２０と基板１０間の電気的接続が安定している。発光素子２０の素子電極２１には、金スズ（ＡｕＳｎ）膜などを採用可能である。

フリップチップ実装された発光素子２０では、発光素子２０の発熱源である半導体層側が基板１０に対向する。このため、熱伝導性の低いサファイア基板などの発光素子２０の基体側が基板１０と接触する場合に比べて、発光装置１では発光素子２０からの熱を第１電極１１を介して効率的に基板１０に放熱できる。したがって、発光装置１では特性の低下が抑制され、且つ信頼性が向上する。なお、発光素子２０の基体には、サファイア基板のほかに炭化珪素（ＳｉＣ）基板などが使用される。

基板１０はセラミック基板であり、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、窒化珪素（ＳｉＮ）基板などを採用可能である。フリップチップ実装される発光素子２０との密着性を考慮すると、基板１０は熱膨張係数が小さい材料が好ましい。このため、ＡｌＮ基板やＳｉＮ基板などが好適に採用される。

図２に示すように、第１の主面１０１及び第２の主面１０２と隣接する基板１０の側面の一部には、切欠き１０３が形成されている。図２に示した例では、基板１０の四隅に切欠き１０３が形成されている。図１に示すように、切欠き１０３は第１の主面１０１から第２の主面１０２まで形成される。なお、図２では透光性樹脂３０の図示を省略している。また、図２では第１電極１１及び側面金属膜１３を破線のハッチングで示している。太線は、後述する反射膜４０の外縁である。

発光装置１では、切欠き１０３の表面に配置された側面金属膜１３によって、第１電極１１と第２電極１２とが安定して電気的に接続されている。このため、発光装置１の信頼性が向上すると共に、接続不良による特性の低下が防止される。なお、図１に示すように、第１電極１１は、発光素子２０のアノード電極２１１に接続する配線パターン１１Ａと発光素子２０のカソード電極２１２に接続する配線パターン１１Ｂとを有する。そして、配線パターン１１Ａは側面金属膜１３を介して第２電極１２の配線パターン１２Ａに電気的に接続され、配線パターン１１Ｂは側面金属膜１３を介して第２電極１２の配線パターン１２Ｂに電気的に接続される。

発光装置１によれば、基板１０の内部を貫通するビアホールによって第１電極１１と第２電極１２とを接続する必要がない。このため、発光装置１の製造コストを抑制できる。なお、ビア内部に埋め込まれることの多い有機系材料は熱伝導率が低いために放熱性が低い。これに対し、発光装置１では、切欠き１０３に配置した側面金属膜１３によっても発光素子２０からの熱が効率的に放熱される。このため、基板１０にサーマルビアを形成しなくても、発光装置１の信頼性を確保できる。また、加熱工程で有機系材料が収縮してビアホール内部にボイドが発生しやすく、これによりビアホール内で電気的接続が切断するという問題がある。発光装置１では、側面金属膜１３によって第１電極１１と第２電極１２とが安定して電気的に接続される。

第１電極１１は、図３に示すように、膜厚が５０μｍ〜１００μｍ程度の厚い銅膜１１１からなる下層の上に、膜厚が例えば０．０５μｍ〜３μｍ程度のＮｉ−Ａｕ膜１１２からなる上層を配置した構造などが採用される。銅膜１１１は銅めっきなどによって形成される。銅膜１１１に膜厚の厚い厚銅めっきを採用することによって、放熱性が向上するという効果を奏する。ただし、銅膜１１１の膜厚が厚すぎると第１電極１１のパターニングが困難になり、薄いと放熱性が低下するという問題が生じる。発明者らの研究・調査により、第１電極１１の銅膜１１１の膜厚は５０μｍ〜１００μｍ程度が適切であるという知見が得られた。

なお、Ｎｉ−Ａｕ膜１１２のＮｉ膜は発光素子２０の素子電極２１であるＡｕＳｎ膜との接合に寄与し、Ａｕ膜は第１電極１１の酸化防止に寄与する。

また、銅膜１１１の表面粗さは、発光素子２０の素子電極２１の膜厚に応じて設定される。これは、発光素子２０を基板１０にフリップチップ実装する場合に第１電極１１の平坦性が低いと、発光素子２０の素子電極２１と第１電極１１との密着性が低下して、発光素子２０が基板１０から剥離する場合があるためである。

このため、発光素子２０の素子電極２１の膜厚よりも銅膜１１１の表面粗さを小さくする。ただし、素子電極２１に使用されるＡｕＳｎ材は高価であるため、素子電極２１の膜厚は薄いことが好まれる。例えば、素子電極２１の膜厚は３μｍ程度である。このため、第１電極１１の銅膜１１１の表面の算術平均粗さＲａは２μｍ以下であることが好ましい。

銅膜１１１の形成には、以下のような方法を採用可能である。例えば７０μｍの膜厚で銅膜を形成する。そして、表面研磨によって表面の粗さを２μｍ以下にしつつ、銅膜１１１の膜厚を５０μｍに調整する。

上記のように、厚銅めっきを第１電極１１に採用することにより、発光装置１の放熱性が向上する。また、厚銅めっきの表面を研磨することによって発光素子２０のフリップチップ実装に対応できると共に、放熱性が更に向上する。

なお、側面金属膜１３にも、第１電極１１と同様に、厚銅めっきなどを採用可能である。側面金属膜１３に厚銅めっきを採用することにより、発光装置１に発生した熱が側面金属膜１３からも効率的に放出される。

基板１０の第２の主面１０２上に配置された第２電極１２には、第１電極１１と同様に、厚銅めっきを採用できる。ただし、第２電極１２の表面は研磨しなくてもよい。或いは、他の金属膜を基板１０の第２の主面１０２上に形成して第２電極１２としてもよい。

第２電極１２は、図４に示すようにプリント基板１００上に発光装置１を配置した場合に、発光素子２０の素子電極２１とプリント基板１００上のパターン電極１１０とを電気的に接続する。このとき、第２電極１２の配線パターン１２Ａが、プリント基板１００上のパターン電極１１０の配線パターン１１０Ａに接続される。そして、第２電極１２の配線パターン１２Ｂが、プリント基板１００上のパターン電極１１０の配線パターン１１０Ｂに接続される。つまり、第２電極１２、側面金属膜１３、及び第１電極１１を介して、発光素子２０の素子電極２１とプリント基板１００のパターン電極１１０とが電気的に接続される。

なお、発光装置１はプリント基板１００に半田付けによって固着される。このとき、基板１０の側面には、図４に示すように半田２００がフィレット形状に付着する。一般的には、基板１０とプリント基板１００とがムラなく良好に半田付けされているか否かを確認するために、基板１０とプリント基板１００との間で半田２００が十分に広がっているかなどをＸ線を使用して透視するなどの方法が採られる。しかし、発光装置１の場合には、切欠き１０３における半田２００の這い上がりを目視により確認できる。したがって、発光装置１によれば、Ｘ線装置などを使用せずに、発光装置１とプリント基板１００の半田付け状態を容易に確認することができる。その結果、発光装置１の信頼性を向上させることができる。

また、発光装置１では、第１の主面１０１上に発光素子２０の出射光を反射する反射膜４０が配置されている。反射膜４０は、反射率の高い絶縁性の材料である。反射膜４０には、有機材料などからなる白色ペーストなどが好適に採用される。反射膜４０は、図１や図２に示すように、発光素子２０の配置された領域の残余の領域において第１の主面１０１上に配置される。

このため、第１の主面１０１において、発光素子２０の出射光が反射膜４０で反射される。その結果、第１電極１１や基板１０自体の反射率に関わらず、高い反射率を得ることができる。

例えば図３に示すように第１電極１１の最上層にＡｕ膜が配置された場合、Ａｕの反射率は７０％程度であるため、第１電極１１における発光素子２０からの出射光の反射率は低い。しかし、反射膜４０を第１の主面１０１上に配置することによって、発光素子２０からの出射光が高い反射率で反射される。具体的には、白色ペーストの場合の反射率は９５％程度である。

放熱性を考慮すると、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・ｋと低いアルミナ基板よりも、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・ｋ程度のＡｌＮ基板や９０Ｗ／ｍ・ｋ程度のＳｉＮ基板が、基板１０に好適である。一方、ＡｌＮ基板やＳｉＮ基板は灰色であり、白色のアルミナ基板に比べて表面での反射率が小さい。つまり、発光素子２０の出射光を効率的に反射することができない。

しかし、白色ペーストの反射膜４０を第１の主面１０１に塗布することにより、熱伝導率の高いＡｌＮ基板などを基板１０に採用した場合にも高い反射率を得ることができる。つまり、反射膜４０を第１の主面１０１に配置することによって、反射率の大小に関わらず、熱伝導率の高い基板１０を使用することができる。

また、白色ペーストなどの反射膜４０によって第１電極１１を被覆することによって、第１電極１１が保護されると共に、第１電極１１の劣化が抑制される。このため、発光装置１の信頼性を向上できる。

透光性樹脂３０は、発光素子２０の封止材及び発光装置１のレンズとして機能する。発光素子２０の出射光を透過する樹脂であれば、透光性樹脂３０に熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を採用可能である。透光性樹脂３０に透明樹脂を使用することによって、発光素子２０の出射光と同色の出力光Ｌを発光装置１から出力できる。

或いは、透光性樹脂３０に蛍光体樹脂を採用してもよい。発光素子２０の出射光によって励起されて励起光を放射する蛍光体を含有する蛍光体樹脂からなる層を透光性樹脂３０が有することにより、所望の色の出力光Ｌを発光装置１から出力できる。また、発光装置１から、発光素子２０の出射光と励起光とが混色された出力光Ｌを出力させることも可能である。なお、図５に示すように、蛍光体樹脂３１と透明樹脂３２とを積層して透光性樹脂３０を構成してもよい。

上記のように、発光装置１の出力光Ｌに対する所望の色に応じて、透光性樹脂３０の構造、材料を任意に選択可能である。

例えば、出射光が青色光の発光素子２０を使用した場合に、青色光に励起されて黄色光を放射するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などを透光性樹脂３０に含まれる蛍光体として用いる。このとき、発光素子２０から出射された青色光の一部が蛍光体を励起することにより、黄色光に波長変換される。蛍光体から放射された黄色光と発光素子２０から出射された青色光とが混合されることにより、白色の出力光Ｌが発光装置１から出力される。

なお、白色の出力光Ｌを得るための発光素子２０の出射光と蛍光体との組み合わせはこれに限られるものではない。例えば、近紫外光を出射する発光素子２０と、近紫外光によって励起されて赤色光、緑色光、及び青色光を放射する蛍光体を透光性樹脂３０に含有させてもよい。もちろん、発光装置１の出力光Ｌが白色光以外の場合にも、発光素子２０の出射光と蛍光体との種々の組み合わせを採用可能である。例えば、透明樹脂としてエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂などを採用可能である。また、蛍光体樹脂として前記の透明樹脂に蛍光材料、反射材料、拡散材などを混合したものなどを採用可能である。

以下に、発光装置１の製造方法の例を説明する。

先ず、基板１０の第１の主面１０１及び第２の主面１０２上に、厚銅めっきを形成する。このとき、既に説明したように、第１の主面１０１上には銅膜１１１に所望の膜厚よりも厚く厚銅めっきを形成し、表面を研磨することによって表面粗さの小さい銅膜１１１を形成する。

その後、基板１０の第１の主面１０１上に反射膜４０を形成する。例えば、白色ペーストを所定のパターンに印刷し、１６０℃〜５００℃で焼成する。これにより、発光素子２０が配置される領域を除いた領域に白色ペーストを配置する。

次いで、基板１０の第１の主面１０１の所定の領域に発光素子２０を配置する。このとき、例えば３００℃程度の温度で加熱して、第１の主面１０１上の第１電極１１と発光素子２０の素子電極２１とを接合する。

そして、発光素子２０を覆うように、基板１０の第１の主面１０１上に透光性樹脂３０を形成する。例えば、設定温度１６０℃程度のトランスファーモールド法により、透光性樹脂３０を形成する。

同一のセラミック基板に複数の発光装置１を形成した場合には、セラミック基板を個々の発光装置１に切り離す。そして、所定の特性を満たすか否か、発光装置１毎に試験を行う。

なお、基板１０の四隅に切欠き１０３が形成する場合には、例えば図６に示すように、個々の発光装置１毎に切り離す前のセラミック基板１５０に、破線で示した発光装置１同士の接続線の交差部に貫通孔１６０が設けられている。そして、セラミック基板１５０の主面上に厚銅めっきを形成すると、貫通孔１６０の内壁面にも厚銅めっきが形成される。このため、セラミック基板１５０を個々の発光装置１に切断した場合に、発光装置１の四隅には、表面に厚銅めっきが配置された切欠き１０３が形成される。一方、切欠き１０３以外の基板１０の側面には、セラミック基板１５０の切断面が露出する。

図２では、基板１０の四隅に切欠き１０３を形成する例を示したが、切欠き１０３を形成する位置はこれに限られない。例えば図７に示すように、基板１０の対向する２辺の中央付近に形成してもよい。或いは、４辺それぞれの中央付近に切欠き１０３を形成してもよい。

また、図１では透光性樹脂３０がドーム型である例を示した。しかし、透光性樹脂３０の形状はドーム型に限られない。

例えば図８に示すように透光性樹脂３０が角型であったり、図９に示すように透光性樹脂３０が逆円錐型であったりしてもよい。

なお、透光性樹脂３０がドーム型の場合には、図１に示したように、出力光Ｌはドーム型の透光性樹脂３０の頂点方向に出力される。これに対し、図８に示した透光性樹脂３０が角型の場合には、出力光Ｌは発光装置１の上方に放射状に出力される。また、図９に示した透光性樹脂３０が逆円錐型の場合には、出力光Ｌは発光装置１の上方に更に放射状に広がって出力される。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る発光装置１では、基板１０の側面に切欠き１０３を形成し、切欠き１０３の表面に第１電極１１と第２電極１２とを電気的に接続する側面金属膜１３を配置する。これにより、第１電極１１と第２電極１２とを安定して電気的に接続できる。このため、特性や信頼性の安定した発光装置１を実現できる。更に、基板１０にビアホールの形成が必要ないため、製造コストを抑制できる。

また、発光装置１をプリント基板１００上に半田付けする際に、切欠き１０３において半田の這い上がりを目視で確認できる。このため、発光装置１とプリント基板１００の半田付け状態を容易に確認でき、発光装置１の信頼性を向上させることができる。

更に、第１電極１１や側面金属膜１３を厚銅めっきで構成することにより、発光装置１の放熱性を向上できる。これにより、発光装置１の特性や信頼性の低下が抑制される。

なお、図１に示すように、発光素子２０の周囲には壁部が配置されていない。このため、例えば発光素子２０の周囲に配置された壁部の壁面に配置されたリフレクタ用の樹脂が劣化するなどして、光取り出し効率が低下することがない。更に、発光素子２０の周囲に壁部を配置しないことによって、発光装置１の配光性の自由度が増している。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、基板１０上に配置された発光素子２０が１つである例を示したが、発光装置１が複数の発光素子２０を備えてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

Ｌ…出力光
１…発光装置
１０…基板
１１…第１電極
１２…第２電極
１３…側面金属膜
２０…発光素子
２１…素子電極
３０…透光性樹脂
４０…反射膜
１００…プリント基板
１０１…第１の主面
１０２…第２の主面
１１１…銅膜
１１２…Ｎｉ−Ａｕ膜
１５０…セラミック基板
２００…半田

Claims (9)

1. 互いに対向する第１の主面と第２の主面を有し、側面の一部に前記第１の主面から前記第２の主面まで切欠きが形成された基板と、
   前記基板の前記第１の主面上にフリップチップ実装された発光素子と、
   前記基板の前記第１の主面に配置され、前記発光素子の電極と接続された第１電極と、
   前記基板の前記第２の主面に配置された第２電極と、
   前記発光素子を覆って前記基板の前記第１の主面上に配置された透光性樹脂と
   を備え、前記第１電極と前記第２電極とが、前記切欠きの表面に配置された側面金属膜によって電気的に接続されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記第１電極が、膜厚が５０μｍ乃至１００μｍの銅膜からなる層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記銅膜の表面の算術平均粗さが２μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記側面金属膜が、膜厚が５０μｍ乃至１００μｍの銅膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記発光素子の配置された領域の残余の領域において前記第１の主面上に配置された、前記発光素子の出射光を反射する反射膜を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記反射膜が絶縁性の白色ペーストであることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記透光性樹脂が透明樹脂であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
8. 前記透光性樹脂が、前記発光素子の出射光によって励起されて励起光を放射する蛍光体を含有する蛍光体樹脂からなる層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 前記透光性樹脂が、前記蛍光体樹脂からなる層と透明樹脂からなる層を重ねた積層構造を有することを特徴とする請求項８に記載の発光装置。

Images