JP2016031977A - 発光素子用基板および発光装置 - Google Patents

発光素子用基板および発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】メッキによる基体の腐食が抑制され、これにより発光素子を搭載するときの基体の割れが抑制された発光素子用基板を提供する。
【解決手段】発光素子用基板は、基体、放熱体、およびガラス層を有する。放熱体は、基体の少なくとも一方の主面に端部が貫通するように基体の内部に設けられている。ガラス層は、基体と放熱体との境界を覆うように上記主面側に設けられている。
【選択図】図3

Description

本発明は、発光素子用基板および発光装置に関する。
近年、発光ダイオード(LED)素子の高輝度、白色化に伴い、携帯電話や大型液晶TVのバックライトなどにLED素子を用いた発光装置が使用されている。このような発光装置については、LED素子の高輝度化により発熱量が増加しており、これによる温度上昇のために必ずしも十分な発光輝度が得られていない。
そこで、発光素子の温度上昇を抑制するために、発光素子用基板を構成する基体を貫通するように放熱体が設けられている。このような放熱体が設けられた発光素子用基板については、基体の容積に対する放熱体の容積の割合が大きくなるにつれて放熱性が向上して発光素子の温度上昇が抑制される。
しかし、基体の容積に占める放熱体の容積の割合が大きくなると、焼成により発光素子用基板を製造するときに、基体と放熱体との熱膨張差により、放熱体の周囲の基体が割れやすくなる。このような基体の割れを抑制するために、例えば、基体と放熱体との境界が金属材料からなる被覆層により被覆されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2006−41230号公報
近年、発光素子用基板の放熱性を高めるために基体の容積に占める放熱体の容積の割合が大きくなっており、また発光素子用基板に発光素子を搭載するときの生産性を高めるため温度条件が厳しくなっており、発光素子を搭載するときに放熱体の周囲の基体が割れやすくなっている。このような発光素子を搭載するときの基体の割れは、メッキ時に基体が腐食することが原因と考えられる。すなわち、発光素子用基板には、発光素子を搭載するときの半田の濡れ性を高めるためにメッキが行われている。メッキは、メッキ液に発光素子用基板を浸漬して行われるが、このメッキ液が酸性を有するために発光素子用基板を浸漬したときに基体が腐食する。
そして、発光素子用基板に発光素子が搭載されるときには、これらを接合する半田を溶融させるために発光素子用基板が高温に加熱される。この際、基体が腐食していると、基体と放熱体との熱膨張差により、放熱体の周囲の腐食した部分を基点として基体が割れやすくなる。特に、発光素子用基板に発光素子を搭載するときの生産性を高めるために温度条件が厳しい場合、放熱体の周囲の腐食した部分を基点として基体が割れやすくなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、メッキによる基体の腐食が抑制され、これにより発光素子を搭載するときの基体の割れが抑制された発光素子用基板の提供を目的としている。また、本発明は、このような発光素子用基板を有する発光装置の提供を目的としている。
本発明の発光素子用基板は、基体、放熱体、およびガラス層を有する。放熱体は、基体の少なくとも一方の主面に端部が貫通するように基体の内部に設けられている。ガラス層は、基体と放熱体との境界を覆うように上記主面側に設けられている。
本発明の発光装置は、発光素子用基板、および発光素子を有する。発光素子用基板は、基体、放熱体、およびガラス層を有する。放熱体は、基体の少なくとも一方の主面に端部が貫通するように基体の内部に設けられている。ガラス層は、基体と放熱体との境界を覆うように上記主面側に設けられている。発光素子は、発光素子用基板に搭載されている。
本発明によれば、基体と放熱体との境界を覆うガラス層を有することから、メッキ時の基体の腐食が抑制され、これにより発光素子を搭載するときの基体の割れが抑制される。
第1の実施形態の発光素子用基板を示す上面図。 図1に示す発光素子用基板の下面図。 図1に示す発光素子用基板のAA線矢視断面図。 放熱体の側面の角度θを説明する説明図。 放熱体と、ガラス層および第1の被覆層との位置関係を示す上面図。 放熱体と第2の被覆層との位置関係を示す上面図。 発光装置の第1の実施形態を示す上面図。 図7に示す発光装置のBB線矢視断面図。 第2の実施形態の発光素子用基板を示す上面図。 図9に示す発光素子用基板のCC線矢視断面図。
以下、発光素子用基板の実施形態について説明する。
図1は、発光素子用基板の第1の実施形態を示す上面図である。図2は、図1に示す発光素子用基板の下面図である。図3は、図1に示す発光素子用基板のAA線矢視断面図である。
例えば、図3に示されるように、発光素子用基板10は板状の基体11を有する。基体11は、発光素子が搭載される第1の主面11a、および第1の主面11aの反対側に配置される第2の主面11bを有する。基体11の内部には、放熱体12が設けられている。
第1の主面11a側には、基体11と放熱体12との境界を覆うようにガラス層13が設けられている。また、第1の主面11a側には、放熱体12の端面の全体とガラス層13の内周部とを覆うように第1の被覆層14が設けられている。さらに、第1の主面11a側には、配線導体15(図1)が設けられているとともに、第1の被覆層14および配線導体15を囲むように枠体16が設けられている。
一方、第2の主面11b側には、外部電極17、18が設けられている。また、基体11の内部には、配線導体15と外部電極17とを接続する図示しない貫通導体が設けられている。さらに、放熱体12の途中には、第2の被覆層19が設けられている。
基体11は、例えば、正方形状の平面形状を有し、第2の主面11b側から順に、第1の基体111、第2の基体112を有する。
基体11の厚さは、通常、0.2mm以上0.6mm以下である。また、第1の基体111、第2の基体112の各基体の厚さは、通常、0.1mm以上である。各基体の厚さが0.1mm以上の場合、各基体の製造に用いられるグリーンシートの取り扱いが良好になる。また、各基体の厚さが0.1mm以上の場合、グリーンシートへの放熱体12の形成が容易となる。各基体の厚さは、0.15mm以上がより好ましい。
一方、各基体の厚さは、0.30mm以下が好ましく、0.25mm以下がより好ましい。また、基体11が、第1の基体111と第2の基体112から構成される場合、第1の基体111の厚さと第2の基体112の厚さとの比は、3:7〜7:3の範囲が好ましく、4:6〜6:4の範囲がより好ましく、5:5(即ち、同じ厚さ)が特に好ましい。
基体11は、無機絶縁材料からなる。無機絶縁材料としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ガラスセラミックスなどが挙げられる。ガラスセラミックスは、ガラス粉末とセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体であり、低温同時焼成セラミックス(LTCC)などが挙げられる。
これらの中でも、焼成温度が低いことからガラスセラミックスが好ましい。例えば、発光素子用基板10には、光の反射率を高めるために、第1の主面11a側に銀反射膜が形成されることがある。ガラスセラミックスの場合、焼成温度が低いことから、銀反射膜を同時に焼成して形成できるために好ましい。また、ガラスセラミックスは、酸化アルミニウムに比べて加工性が良好であるために好ましい。
放熱体12は、基体11の厚さ方向に延びるように設けられている。このような放熱体12は、例えば、正方形状の断面形状を有する。ここで、厚さ方向とは、第1の主面11aや第2の主面11bに垂直な方向を意味する。また、断面形状とは、厚さ方向に垂直な断面の形状を意味する。
放熱体12の第1の主面11a側の端面の外縁は、発光素子の外縁よりも内側に位置していることが好ましい。放熱体12の外縁が発光素子の外縁よりも内側に位置している場合、光利用効率が良好となるために好ましい。
すなわち、放熱体12の端面を覆うように形成される第1の被覆層14は、通常、基体11の割れを抑制するために放熱体12よりも若干広い範囲に形成されている。そして、第1の被覆層14の表面には、通常、半導体素子を搭載するときの半田の濡れ性を高めるために、ニッケル(Ni)メッキ層および金(Au)メッキ層が順に形成されたNi/Auメッキ層などが形成される。
しかし、このようなメッキ層は半導体素子からの光を吸収しやすく、発光素子の外縁よりも放熱体12の外縁が外側に位置していると、当然に発光素子の外縁よりもメッキ層の外縁が外側に位置することとなり、半導体素子からの光を吸収しやすくなる。
発光素子の外縁よりも放熱体12の外縁が内側に位置している場合、発光素子の外縁よりも第1の被覆層14の外縁を内側に位置させることができ、これにより発光素子の外縁よりもメッキ層の外縁を内側に位置させて、半導体素子からの光の吸収を抑制できる。
図4は、放熱体12の側面の角度θを説明する説明図である。角度θは、側面に段差部を有する放熱体12の場合、基体11の厚さ方向に延びる第1の直線31と、各構成単位121、122における第2の主面11b側の表面と側面との境界により構成される角部を通過する第2の直線32とのなす角度である。
角度θは、20°以上が好ましい。角度θが20°以上の場合、第1の主面11a側の端面の面積に比べて第2の主面11b側の端面の面積が十分に大きくなるために放熱性が良好になる。角度θは、放熱性の観点から、30°以上がより好ましい。角度θは、放熱性の観点からは、70°程度もあれば十分であり、60°以下が好ましい。角度θは、特に45°程度が好ましい。
放熱体12の構成材料は、熱伝導性の高い金属材料が好ましい。このような金属材料としては、銅、銀、金などを主成分とするものが挙げられる。具体的には、銀、銀と白金、または銀とパラジウムからなる金属が好ましい。なお、第1の構成単位121の構成材料と、第2の構成単位122の構成材料は、同一でもよいし、異なってもよい。なお、基体11の構成材料がガラスセラミックス以外の場合、放熱体12の構成材料は、焼成時の変形などが抑制されることから、タングステン、モリブデンなどの高融点金属が好ましい。
ガラス層13は、例えば、第1の主面11a側および第2の主面11b側において基体11と放熱体12との境界を覆うように設けられている。通常、ガラス層13は、放熱体12の周囲に環状に存在する境界を一周するように設けられている。境界を覆うようにガラス層13が設けられることにより、境界付近の基体11へのメッキ液の接触が抑制され、これにより境界付近の基体11の腐食が抑制される。結果として、発光素子を搭載するときの境界付近の基体11の割れが抑制される。
ガラス層13は、境界だけでなく、境界付近の基体11も覆うように設けられていることが好ましい。境界付近の基体11も覆うようにガラス層13が設けられていることにより、基体11の腐食が広い範囲において抑制されることから、さらに割れの発生が抑制されやすくなる。
なお、通常、ガラス層13の熱伝導率は放熱体12の熱伝導率に比べて低いことから、放熱体12の端面を覆うようにガラス層13が設けられると放熱性が低下する。このため、ガラス層13は、放熱体12の端面を覆わないように設けられることが好ましい。
また、ガラス層13は、第1の主面11a側および第2の主面11b側から選ばれる少なくとも一方の主面側に設けられていればよいが、少なくとも第1の主面11a側に設けられていることが好ましい。
すなわち、第1の主面11a側については、通常、半導体素子の外縁と第1の被覆層14の外縁とが同じ位置になるか、半導体素子の外縁よりも第1の被覆層14の外縁が内側に位置するように第1の被覆層14が設けられており、第1の被覆層14によっては基体11の広い範囲が覆われておらず、境界付近の基体11が腐食により割れやすくなっている。一方、第2の主面11b側については、外部電極18により基体11の広い範囲が覆われることから、境界付近の基体11の腐食による割れが抑制されやすい。このため、ガラス層13は、少なくとも第1の主面11a側に設けられていることが好ましい。
境界からガラス層13の外縁までの距離(L、図3、図5)は50μm以上が好ましい。距離(L)が50μm以上の場合、ガラス層13により基体11の広い範囲が覆われるために好ましい。距離(L)は、100μm以上がより好ましく、150μm以上がさらに好ましい。
ここで、距離(L)は、例えば、第1の主面11a側と第2の主面11b側とで放熱体12の端面の面積が異なるために第1の主面11a側と第2の主面11b側とで境界の位置が異なるような場合、それぞれの主面側の境界を基準とすることが好ましい。
例えば、第1の主面11a側の距離(L)については、第2の基体112と第2の構成単位122との境界から第1の主面11a側のガラス層13の外縁までの距離とする。また、第2の主面11b側の距離(L)については、第1の基体111と第1の構成単位121との境界から第2の主面11b側のガラス層13の外縁までの距離とする。
ガラス層13は、例えば、基体11の第1の主面11aの全体を覆うように設けられてもよい。但し、基体11の第1の主面11aの全体を覆うようにガラス層13が設けられていると、基体11とガラス層13との熱膨張差により発光素子用基板10に反りが発生しやすくなる。このような反りの発生を抑制する観点から、距離(L)は、800μm以下が好ましく、600μm以下がより好ましく、500μm以下がさらに好ましい。
なお、距離(L)は、基体11と放熱体12との境界およびガラス層13のいずれも四角形状の平面形状を有する場合、境界およびガラス層13の各辺間の距離とする。また、境界およびガラス層13の一方が四角形状以外の平面形状を有する場合、境界とガラス層13の外縁との最短距離を距離(L)とする。
ガラス層13は、5μm以上50μm以下の厚みを有することが好ましい。ガラス層13の厚みが5μm以上の場合、基体11と放熱体12との境界の全体にガラス層13がムラなく形成されるために好ましい。ガラス層13の厚さは、7μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。一方、ガラス層13の厚みが50μm以下の場合、基体11とガラス層13との熱膨張差による発光素子用基板10の反りが抑制され、ガラス層13の形成も容易になる。ガラス層13の厚さは、40μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましく、20μm以下が特に好ましい。
ガラス層13の構成材料は、ガラス材料を含んでいればよいが、メッキ液により腐食されにくく、メッキ液から基体11を有効に保護できることから、ホウケイ酸ガラスを含むことが好ましい。
ホウケイ酸ガラスとしては、例えば、酸化物基準のモル%表示で、SiOの含有量が62%以上84%以下、Bの含有量が10%以上25%以下、Alの含有量が0%以上5%以下、NaOおよびKOの合計した含有量が0%以上5%以下、SiOおよびAlの合計した含有量が62%以上84%以下、MgOの含有量が0%以上10%以下、CaO、SrO、およびBaOの合計した含有量が5%以下のホウケイ酸ガラスが好ましい。
なお、ホウケイ酸ガラスは、必ずしも上記成分のみからなるものに限定されず、所定の効果を有する範囲内で他の成分を含有できる。他の成分を含有する場合、その合計した含有量は10%以下が好ましい。
また、ガラス層13は、反射率の向上などを目的として、各種のセラミックス粉末を含有できる。セラミックス粉末としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニム、酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化亜鉛などが挙げられる。
ガラス層13の熱膨張率は、基体11の熱膨張率よりも小さいことが好ましい。ガラス層13の熱膨張率が基体11の熱膨張率よりも小さいと、ガラス層13に圧縮応力が発生することから熱や衝撃が加えられたときに割れにくくなる。
第1の被覆層14は、基体11の割れを抑制するために設けられており、ガラス層13と併用することによりさらに基体11の割れを抑制するために設けられている。第1の被覆層14は、基体11の第1の主面11a側に配置されている。第1の被覆層14は、例えば、正方形状の平面形状を有しており、放熱体12の端面の全体を覆うように、また外縁が基体11と放熱体12との境界よりも外側に配置されてガラス層13の内周部を覆うように配置されている。このように、放熱体12とガラス層13とに跨るように、すなわち基体11と放熱体12との境界を跨るようにして第1の被覆層14が配置されることにより、ガラス層13のみが設けられたときよりも基体11の割れが抑制される。
境界から第1の被覆層14の外縁までの距離(L、図3、図5)は、30μm以上が好ましい。距離(L)が30μm以上の場合、基体11の割れが効果的に抑制される。距離(L)は、50μm以上がより好ましい。
一方、距離(L)が大きくなると、発光素子を搭載したときに、第1の被覆層14の外縁が発光素子の外縁よりも外側に位置するおそれがあり、この部分において発光素子の光が吸収されるおそれがある。距離(L)は、300μm以下が好ましく、250μm以下がより好ましい。
なお、距離(L)は、基体11と放熱体12との境界および第1の被覆層14のいずれも四角形状の平面形状を有する場合、境界および第1の被覆層14の各辺間の距離とする。また、境界および第1の被覆層14の一方が四角形状以外の平面形状を有する場合、境界と第1の被覆層14の外縁との最短距離を距離(L)とする。
ここで、第1の被覆層14とガラス層13との関係については、第1の被覆層14の外縁よりもガラス層13の外縁が外側に位置していることが好ましい。すなわち、第1の被覆層14については、メッキ層が設けられたときの光の吸収の観点から広い範囲に設けることができないが、ガラス層13については、このような問題がないことから広い範囲に設けることができる。従って、第1の被覆層14よりも広い範囲をガラス層13により覆うことで、第1の被覆層14の周辺の基体11の腐食による割れについても抑制できる。第1の被覆層14とガラス層13とは、距離(L)と距離(L)との差(L−L)が50μm以上となるように設けられることが好ましく、100μm以上となるように設けられることがより好ましい。
第1の被覆層14の厚さは、基体11の割れを抑制する観点から、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましい。また、第1の被覆層14の厚さは、熱膨張差による基体11の反りなどを抑制する観点から、20μm以下が好ましく、15μm以下がより好ましい。
第1の被覆層14の構成材料としては、基体11の割れを抑制する効果が高く、かつ熱伝導性が高いことから金属材料が好ましい。このような金属材料としては、銅、銀、金などを主成分とする金属が挙げられる。具体的には、銀、銀と白金、または銀とパラジウムからなる金属が好ましい。
第2の被覆層19は、基体11の割れを抑制するために設けられており、ガラス層13や第1の被覆層14と併用することによりさらに基体11の割れを抑制するために設けられている。第2の被覆層19は、例えば、正方形状の断面形状を有しており、第1の構成単位121と第2の構成単位122との間に配置されている。また、第2の被覆層19は、第1の構成単位121の端面の全体を覆うとともに、外縁が第1の基体111と第1の構成単位121との境界よりも外側となるように配置されている。このように、第1の基体111と第1の構成単位121とに跨るように第2の被覆層19が配置されることにより、第1の主面11aへと進行するような基体11の割れが抑制される。
第1の基体111と第1の構成単位121との境界から第2の被覆層19の外縁までの距離(L、図3、図6)は、0.05mm以上が好ましい。距離(L)が0.05mm以上の場合、基体11の割れが効果的に抑制される。距離(L)は、0.10mm以上がより好ましい。
一方、距離(L)が大きくなると、第1の基体111と第2の基体112とが剥離しやすくなる。このような剥離を抑制する観点から、距離(L)は、0.35mm以下が好ましく、0.30mm以下がより好ましい。
なお、距離(L)は、第1の基体111と第2の構成単位121との境界および第2の被覆層19のいずれも四角形状の平面形状を有する場合、境界および第2の被覆層19の各辺間の距離とする。また、境界および第2の被覆層19の一方が四角形状以外の平面形状を有する場合、境界と第2の被覆層19の外縁との最短距離を距離(L)とする。
第2の被覆層19の厚さは、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましい。また、第2の被覆層19の厚さは、熱膨張差による基体11の反りなどを抑制する観点から、20μm以下が好ましく、15μm以下がより好ましい。
なお、放熱体12が3以上の構成単位を有する場合、複数の構成単位間の一つに第2の被覆層19が設けられてもよいし、全ての構成単位間に第2の被覆層19が設けられてもよい。また、それぞれの第2の被覆層19が設けられる範囲は、それぞれの第2の主面11b側に接触して配置される構成単位を基準として定める。
第2の被覆層19の構成材料としては、金属材料、樹脂材料などが挙げられ、基体11の割れを抑制する効果が高く、かつ熱伝導性が高いことから金属材料が好ましい。このような金属材料としては、銅、銀、金などを主成分とする金属が挙げられる。具体的には、銀、銀と白金、または銀とパラジウムからなる金属が好ましい。
また、枠体16、配線導体15、外部電極17、18、図示しない貫通導体は、その形状などに制限はなく、必要に応じて形状などを選択できる。
以上、放熱体12の側面に段差部を有するものについて説明したが、このようなものとしては2つの構成単位を有するものに限られない。放熱体12の構成単位は、3以上でもよい。この場合、第2の被覆層19は、2以上の構成単位間の少なくとも1つの構成単位間に配置されていればよいが、2以上の構成単位全ての構成単位間に第2の被覆層19が配置されることが好ましい。
次に、発光装置の実施形態について説明する。
図7は、発光装置の第1の実施形態を示す上面図である。また、図8は、図7に示す発光装置のBB線矢視断面図である。
発光装置20は、第1の実施形態の発光素子用基板10を有する。発光素子用基板10には、第1の被覆層14上に発光素子21が搭載される。発光素子21は、1ワイヤータイプの発光素子であり、両主面に電極を有する。発光素子21の一方の電極は、ボンディングワイヤ22により配線導体15に電気的に接続されている。発光素子21の他方の電極は、第1の被覆層14に電気的に接続されている。なお、放熱体12は、放熱部としての機能に加えて、導電部としての機能を有する。
枠体16の内部には、発光素子21などを覆うように封止層23が設けられている。封止層23の構成材料としては、発光装置の封止材に一般的に用いられるシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの封止材が特に制限なく用いられる。
次に、発光素子用基板の第2の実施形態について説明する。
図9は、第2の実施形態の発光素子用基板を示す上面図である。また、図10は、図9に示す発光素子用基板のCC線矢視断面図である。
放熱体12は、側面に段差部を有するものに限られず、側面に傾斜部を有するものでもよい。このように側面に傾斜部を有するものについても、厚さ方向に複数の構成単位を有するものが挙げられ、例えば、第2の主面11b側から順に、第1の構成単位121、および第2の構成単位122を有するものが挙げられる。なお、第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様にして、ガラス層13、第1の被覆層14、第2の被覆層19などが設けられる。
また、放熱体12の側面の角度θは、20°以上が好ましい。ここで、角度θは、放熱体12が側面に傾斜部を有する場合、基体11の厚さ方向に延びる第1の直線と、放熱体12の側面を通過する第2の直線とのなす角度である。
次に、発光素子用基板の製造方法について説明する。
なお、以下では、基体11がガラスセラミックスからなるものを例に挙げて説明する。
発光素子用基板10は、以下の(A)〜(E)の工程を経て製造される。
(A)ガラス粉末とセラミックスフィラーとを含むガラスセラミックス組成物を用いて、グリーンシートを作製する(以下、シート作製工程と記す)。
(B)グリーンシートに放熱体12およびガラス層13などとなる未焼成層を形成する(以下、未焼成層形成工程と記す)。
(C)未焼成層が形成されたグリーンシートを積層する(以下、積層工程と記す)。
(D)積層されたグリーンシートを焼成する(以下、焼成工程と記す)。
(A)シート作製工程
ガラス粉末とセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物に、バインダー、必要に応じて、可塑剤、分散剤、溶剤などを添加してスラリーを調製する。このスラリーをドクターブレード法などによりシート状に成形し、乾燥させて、グリーンシートを製造する。この際、グリーンシートは、例えば、放熱体12の構成単位の個数に合わせて、複数の種類を製造することが好ましい。なお、それぞれの種類のグリーンシートは、1枚のシートからなる単層構造を有するものでもよいし、2枚以上のシートからなる積層構造を有するものでもよい。
ガラス粉末は、550℃以上700℃以下のガラス転移点(Tg)を有することが好ましい。ガラス転移点(Tg)が550℃未満の場合、脱脂が困難となるおそれがある。700℃を超える場合、収縮開始温度が高くなり、寸法精度が低下するおそれがある。
ガラス粉末は、800℃以上930℃以下で焼成したときに結晶が析出することが好ましい。結晶が析出する場合、十分な機械的強度が得られる。さらに、ガラス粉末は、DTA(示差熱分析)により測定される結晶化ピーク温度(Tc)が880℃以下であることが好ましい。結晶化ピーク温度(Tc)が880℃以下の場合、寸法精度が高くなる。
ガラス粉末は、ガラスを溶融法によって製造し、乾式粉砕法または湿式粉砕法により粉砕して得られる。湿式粉砕法の場合、溶媒に水を用いることが好ましい。粉砕は、例えばロールミル、ボールミル、ジェットミルなどの粉砕機が使用できる。
セラミックス粉末としては、従来からガラスセラミックスの製造に用いられるものを使用できる。セラミックス粉末としては、例えば酸化アルミニウム粉末、ジルコニア粉末、または酸化アルミニウム粉末とジルコニア粉末との混合物を好適に使用できる。
ガラス粉末とセラミックス粉末とを、配合、混合して、ガラスセラミックス組成物を得ることができる。ガラス粉末とセラミックス粉末との割合は、ガラス粉末が30質量%以上50質量%以下、セラミックス粉末が50質量%以上70質量%以下、が好ましい。ガラスセラミックス組成物には、バインダー、必要に応じて、可塑剤、分散剤、溶剤などを添加してスラリーを調製する。
バインダーとしては、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂などが挙げられる。可塑剤としては、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ブチルベンジルなどが挙げられる。また、溶剤としては、トルエン、キシレン、2−プロパノール、2−ブタノールなどの有機溶剤が挙げられる。
スラリーをドクターブレード法などによりシート状に成形し、乾燥させて、グリーンシートとする。グリーンシートは、複数枚が積層されたものでもよい。グリーンシートは、例えば、第1の基体111、第2の基体112、および枠体16となる3種を製造する。
(B)未焼成層形成工程
第1の基体111となるグリーンシートには、孔部を形成した後、この孔部にスクリーン印刷法により導体ペーストを充填して、焼成により第1の構成単位121となる未焼成放熱体層を形成する。また、グリーンシートの表面には、スクリーン印刷法によりガラスペーストを印刷して、焼成によりガラス層13となる未焼成ガラス層を形成する。さらに、スクリーン印刷法により導体ペーストを印刷して、焼成により第2の被覆層19および外部電極17、18となる未焼成導体層を形成する。第2の基体112となるグリーンシートには、孔部を形成した後、この孔部にスクリーン印刷法により導体ペーストを充填して、焼成により第2の構成単位122となる未焼成放熱体層を形成する。
また、このグリーンシートの表面には、スクリーン印刷法によりガラスペーストを印刷して、焼成によりガラス層13となる未焼成ガラス層を形成する。さらに、スクリーン印刷法により導体ペーストを印刷して、焼成により第1の被覆層14および配線導体15となる未焼成導体層を形成する。
枠体16となるグリーンシートには、第1の被覆層14および配線導体15を囲むような大きさの孔部を形成する。
導体ペーストとしては、例えば、銅、銀、金などを主成分とする金属粉末に、エチルセルロースなどのビヒクル、必要に応じて溶剤などを添加して、ペースト状としたものを使用できる。また、ガラスペーストとしては、例えば、ホウケイ酸ガラスなどのガラス粉末に、エチルセルロースなどのビヒクル、必要に応じて、セラミックス粉末、溶剤などを添加して、ペースト状としたものを使用できる。
(D)積層工程
未焼成層が形成された各グリーンシートを所定の順序で積層した後、これらを圧着して一体化する。
(E)焼成工程
一体化されたグリーンシートに対して、ガラスセラミックス組成物を焼結させるための焼成を行う。これにより、発光素子用基板10が得られる。なお、必要に応じて、焼成前に、バインダーなどを除去するための脱脂を行ってもよい。
脱脂温度は、500℃以上600℃以下が好ましい。脱脂時間は、1時間以上10時間以下が好ましい。脱脂温度が500℃以上、脱脂時間が1時間以上の場合、バインダーなどの除去が良好となる。脱脂温度が600℃以下、脱脂時間が10時間以下の場合、生産性などが良好となる。
焼成温度は、緻密化および生産性を考慮して、800℃以上930℃以下が好ましく、850℃以上900℃以下がより好ましく、860℃以上880℃以下がさらに好ましい。焼成時間は、20分以上60分以下が好ましい。焼成温度が800℃以上の場合、緻密化が良好となる。焼成温度が930℃以下の場合、変形が抑制されるとともに、生産性が良好となる。また、銀を含有する導体ペーストを用いた場合、焼成温度が880℃以下であると、軟化による変形が抑制される。
なお、上記製造方法では、ガラスペーストを印刷して未焼成ガラス層を形成する方法について説明したが、未焼成ガラス層を形成する方法は必ずしもガラスペーストを印刷する方法に限られない。例えば、同様のガラス組成を有するホウケイ酸ガラスなどのガラス粉末を用いて未焼成ガラス層となるグリーンシートを製造して、これを第1の基体111や第2の基体112となるグリーンシートに積層して未焼成ガラス層を形成してもよい。
このような発光素子用基板10には、例えば、発光素子21を接合するための半田の濡れ性を高める目的などから、第1の被覆層14の表面にメッキ層が形成される。メッキ層としては、例えば、第1の被覆層14側から順にニッケル(Ni)メッキ層および金(Au)メッキ層が形成されたNi/Auメッキ層などが挙げられる。
メッキ層の形成は、メッキ液に発光素子用基板10を浸漬して行われる。この際、基体11を覆うようにガラス層13が設けられていると、メッキ液の接触による基体11の腐食が抑制され、結果として発光素子21を搭載するときの割れが抑制される。
なお、メッキにおいては、発光素子21を搭載するときの基体11の割れを抑制するようなメッキ条件を採用することが好ましい。例えば、メッキを行うときの電流密度が高いと基体11が割れやすくなることから、メッキを行うときの電流密度を低くすることが好ましい。さらに、メッキ時間が長くなると基体11が割れやすくなることから、メッキ時間を短くすることが好ましい。
以下、本発明の実施例を説明する。
なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例1〜12]
表1に示すように、第1の主面11a側における基体11と放熱体12との境界からガラス層13の外縁までの距離(L)およびガラス層13の厚みを変更して、図1〜図3に示すような構造を有する評価用基板を作製した。なお、第1の主面11a側のガラス層13の距離(L)および厚みを除いて、各実施例の評価用基板の構成は同一とした。
評価用基板の詳細は、以下に示す通りである。評価用基板の外形は3mm×3mm、放熱体12の第1の構成単位121の外形は1.2mm×1.2mm、第2の構成単位122の外形は0.8mm×0.8mm、第1の基体111(第1の構成単位121も同様)および第2の基体112(第2の構成単位122も同様)の厚さはそれぞれ0.15mm、枠体16の厚さは0.4mmである。第1の被覆層14の外形は1.0mm×1.0mm、厚さは0.015mmであり、距離(L)は100μmである。第2の被覆層19の外形は1.4mm×1.4mm、厚さは0.015mmであり、距離(L)は100μmである。
また、評価用基板は、以下のようにして製造した。
酸化物基準のモル%表示で、SiOが60.4%、Bが15.6%、Alが6%、CaOが15%、KOが1%、NaOが2%となるように原料を配合、混合し、この原料混合物を白金ルツボに入れて1600℃で60分間溶融させた後、この溶融状態のガラスを流し出し冷却した。このガラスを酸化アルミニウム製ボールミルにより40時間粉砕してガラス粉末を製造した。なお、粉砕時の溶媒にはエチルアルコールを用いた。
このガラス粉末が40質量%、酸化アルミニウム粉末(昭和電工社製、商品名:AL−45H)が60質量%となるように配合し、混合することによりガラスセラミックス組成物を製造した。このガラスセラミックス組成物50gに、有機溶剤(トルエン、キシレン、2−プロパノール、2−ブタノールを質量比4:2:2:1で混合したもの)15g、可塑剤(フタル酸ジ−2−エチルヘキシル)2.5g、バインダーとしてのポリビニルブチラール(デンカ社製、商品名:PVK#3000K)5g、さらに分散剤(ビックケミー社製、商品名:BYK180)を配合し、混合してスラリーを調製した。
このスラリーをPETフィルム上にドクターブレード法により塗布し、乾燥させて、第1の基体111、第2の基体112、および枠体16となるグリーンシートを製造した。基体11、第1の基体111、第2の基体112の厚さは、このグリーンシートの厚さにより調整した。
各グリーンシートには、必要に応じて、孔部の形成を行い、導体ペーストまたはガラスペーストの充填または印刷により、放熱体12、ガラス層13、第1の被覆層14、第2の被覆層19となる未焼成層を形成した。また、ガラス層13の距離(L)および厚みの調整は、このときの印刷範囲および印刷厚みにより調整した。
なお、導体ペーストは、銀粉末(大研化学工業社製、商品名:S550)、ビヒクルとしてのエチルセルロースを質量比85:15の割合で配合し、固形分が85質量%となるように溶剤としてのαテレピネオールに分散した後、磁器乳鉢中で1時間混練を行い、さらに三本ロールにて3回分散を行って製造した。また、導体ペーストの充填、印刷は、スクリーン印刷により行った。
また、ガラスペーストは、ガラス粉末、ビヒクルとしてのエチルセルロースを質量比85:15の割合で配合し、固形分が85質量%となるように溶剤としてのαテレピネオールに分散した後、磁器乳鉢中で1時間混練を行い、さらに三本ロールにて3回分散を行って製造した。また、ガラスペーストの印刷は、スクリーン印刷により行った。
なお、ガラスペーストに用いたガラス粉末は、酸化物基準のモル%表示で、SiOが81.6%、Bが16.6%、KOが1.8%含有されるホウケイ酸ガラスからなる。
未焼成層が形成されたグリーンシートを所定の順序で積層した後、圧着して一体化した。その後、一体化されたグリーンシートに対して、脱脂温度550℃、脱脂時間5時間の脱脂を行った。さらに、脱脂温度870℃、脱脂時間30分間の焼成を行った。これにより、評価用基板を作製した。
[比較例1]
ガラス層13および第1の被覆層14を設けないこと以外は、実施例1と同様にして評価用基板を作製した。
次に、実施例および比較例の評価用基板について、メッキを行ってメッキ層を形成した。なお、実施例の評価用基板については、第1の被覆層14の表面にメッキ層を形成し、比較例の評価用基板については、放熱体12の表面にメッキ層を形成した。メッキは、ニッケルメッキ液、金メッキ液の順に評価用基板を浸漬して行った。ニッケルメッキ層の厚さは10μm、金メッキ層の厚さは0.3μmである。ニッケルメッキ液としてはスルファミン酸ニッケル水溶液、金メッキ液としてはシアン化金カリウム水溶液を用いた。
その後、実施例および比較例の評価用基板について、メッキ層上に金錫共晶ハンダを用いて外形が1mm×1mmの発光素子21を310℃で60秒加熱して接合した。接合後、光学顕微鏡を用いて、30倍の倍率で評価用基板の表面の割れを観察した。表1に、評価用基板の表面に何らかの割れが発生した割合(割れ発生率)を示す。また、表1に、実施例および比較例の評価用基板について、メッキ層を形成する前の反りの有無を示す。
Figure 2016031977
表1から明らかなように、ガラス層13および第1の被覆層14を有しない比較例の評価用基板は、発光素子21を接合したときの割れの発生率が高くなることが分かる。一方、ガラス層13および第1の被覆層14を有する実施例の評価用基板は、発光素子21を接合したときの割れの発生率が低くなることが分かる。また、ガラス層13の形成範囲や厚さが一定の範囲内にある場合、特に割れの発生率が低くなるとともに、反りの発生も抑制されることが分かる。
10…発光素子用基板、11…基体、12…放熱体、13…ガラス層、14…第1の被覆層、15…配線導体、16…枠体、17、18…外部電極、19…第2の被覆層、20…発光装置、21…発光素子、22…ボンディングワイヤ、31…第1の直線、32…第2の直線、111…第1の基体、112…第2の基体、121…第1の構成単位、122…第2の構成単位122。

Claims (9)

  1. 基体と、
    前記基体の少なくとも一方の主面に端部が貫通するように前記基体の内部に設けられる放熱体と、
    前記基体と前記放熱体との境界を覆うように前記主面側に設けられるガラス層と
    を有する発光素子用基板。
  2. 前記放熱体の端面の全体と前記ガラス層の内周部とを被覆する被覆層を有する請求項1記載の発光素子用基板。
  3. 前記主面は、発光素子が搭載される側の主面である請求項1または2記載の発光素子用基板。
  4. 前記放熱体の外縁が発光素子の外縁よりも内側に位置する請求項1乃至3のいずれか1項記載の発光素子用基板。
  5. 前記ガラス層の外縁が、前記放熱体の外縁から150μm以上外側に位置する請求項1乃至4のいずれか1項記載の発光素子用基板。
  6. 前記ガラス層は、5μm以上50μm以下の厚みを有する請求項1乃至5のいずれか1項記載の発光素子用基板。
  7. 前記ガラス層の熱膨張率が前記基体の熱膨張率よりも小さい請求項1乃至6のいずれか1項記載の発光素子用基板。
  8. 前記ガラス層は、酸化物基準のモル%表示で、SiOの含有量が62%以上84%以下、Bの含有量が10%以上25%以下、Alの含有量が0%以上5%以下、NaOおよびKOの合計した含有量が0%以上5%以下、SiOおよびAlの合計した含有量が62%以上84%以下、MgOの含有量が0%以上10%以下、CaO、SrO、およびBaOの合計した含有量が5%以下のホウケイ酸ガラスを有する請求項1乃至7のいずれか1項記載の発光素子用基板。
  9. 請求項1乃至8のいずれか1項記載の発光素子用基板と、
    前記発光素子用基板に搭載される発光素子と
    を有する発光装置。
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