JP2016115881A - 発光素子搭載用基板および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基板上の導体層に搭載される発光素子の傾きが抑制された発光素子搭載用基板を提供する。
【解決手段】発光素子２の搭載部１ａを含む上面を有する絶縁基板１と、搭載部１ａに設けられており、発光素子２の下面が対向して搭載される導体層３と、絶縁基板１の上面から上方向に突出して設けられており、導体層３を囲むように配置された複数の凸部４とを備える発光素子搭載用基板９である。発光素子２の搭載時の傾きが凸部４によって抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発光ダイオードまたは半導体レーザ等の発光素子が搭載される発光素子搭載用基板、および発光素子搭載用基板に発光素子が搭載されてなる発光装置に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）およびＬＤ（半導体レーザ）等の発光素子が、各種照明等の光源として多く用いられるようになってきている。このような発光素子は、その保護、外部との電気的な接続および発光効率の向上等のために、発光素子搭載用基板に搭載されて用いられる。発光素子搭載用基板に発光素子が搭載されてなる発光装置が、各種の照明機器等の機器に対して光源用の部品として実装される。

発光素子搭載用基板として一般に用いられているものは、例えば、平板状の絶縁基板の上面に発光素子の搭載部を有するものである。搭載部には、発光素子がろう材等によって接合される導体層が設けられる。また一般に、発光素子の電極が電気的に接続されるパッドが搭載部の周辺に設けられる。

導体層の上面に発光素子の下面が対向するように位置合わせされ、ろう材等によって発光素子が導体層に接合されて、発光装置が基本的に形成される。発光装置において、発光素子から放射される光のうち外部に直接放射されないものは絶縁基板の上面で反射されて外部に放射される。

特開2009−164210号公報

従来の発光素子搭載用基板および発光装置においては、例えば発光素子の接合時に溶融したろう材の流動等に起因して、発光素子の導体層に対する位置ずれが発生しやすく、この位置ずれによる発光素子の傾きが生じやすいという問題点があった。このような傾きが生じると、光の放射方向のずれや、このずれによる絶縁基板の上面における光の反射量の低減による発光効率の低下等の特性の低下が生じる可能性がある。

特に、近年、発光装置の小型化、高密度化の要求に応じて平面視における導体層の面積が小さくなり、これにともない発光素子と導体層との接合面積が小さくなる傾向があるため、上記の問題がさらに発生しやすくなってきている。

また、導体層に搭載される発光素子についても、素子としての発光の効率向上のため、外部に向かう面である上面の面積を、導体層に接合される面である下面に比べて大きくしたもの、つまり縦断面視で逆台形状のものが多用される傾向にある。このような発光素子自体の形状によっても、発光素子の傾きが発生しやすくなってきている。

本発明の一つの態様の発光素子搭載用基板は、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ており、発光素子の下面が対向して搭載される導体層と、前記絶縁基板の前記上面から上方向に突出して設けられており、前記導体層を囲むよう
に配置された複数の凸部とを含んでいる。

本発明の一つの態様の発光素子搭載用基板によれば、導体層の周囲に上記構成の凸部を有することから、発光素子の接合時における発光素子の横方向への動きが凸部によって抑制される。そのため、発光素子の導体層に対する位置ずれによる傾きの可能性が低減されている。

本発明の一つの態様の発光装置によれば、上記構成の発光素子搭載用基板に発光素子が搭載されてなることから、発光素子の位置ずれによる傾きが抑制された発光装置を提供することができる。

（ａ）は本発明の実施形態の発光素子搭載用基板および発光装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 図１に示す発光素子搭載用基板および発光装置の変形例における要部を示す平面図である。 図１に示す発光素子搭載用基板および発光装置の他の変形例における要部を拡大して示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は図１に示す発光素子搭載用基板および発光装置の他の変形例における要部を拡大して示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は図１に示す発光素子搭載用基板および発光装置の他の変形例における要部を拡大して示す断面図である。

本発明の発光素子搭載用基板および発光装置について、添付の図面を参照して説明する。発光素子は、ＬＥＤ（発光ダイオード）またはＬＤ（半導体レーザ）等である。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に発光素子搭載用基板等が使用されるときの上下を規定するものではない。また、以下の説明における反射率とは、可視光の反射率であり、発光素子が放射する光の反射率である。

図１（ａ）は、本発明の発光素子搭載用基板および発光装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。発光素子搭載用基板９は、平板状の絶縁基板１を有している。絶縁基板１の上面の中央部には発光素子の搭載部１ａが設けられている。搭載部１ａには発光素子２が搭載されて接合される導体層３が設けられている。この発光素子搭載用基板９の導体層３に発光素子２が接合されて発光装置10が基本的に形成されている。なお、図１（ａ）では、見やすくするために発光素子２の図示を省略して、その上面および下面の外周の位置のみを破線で示している。また、図１（ａ）は断面図ではないが、識別しやすくするために導体層３にハッチングを施している。

実施形態の発光素子搭載用基板９は、図１に示す領域を一つ有するものでもよく、図１に示す領域が複数個配列された多連のものであってもよい。多連のもの（図示せず）である場合には、複数個の発光素子（図示せず）が一つの発光素子搭載用基板に配列されて搭載される。この場合には、複数個の発光素子が搭載された一つの発光装置（図示せず）が形成される。

絶縁基板１は、上記のように例えば平板状であり、発光素子２を搭載し固定するとともに保護するための基体となる部分である。この絶縁基板１の上面の中央部等に発光素子の搭載部１ａが設けられている。図１（ａ）の例では後述する導体層３が設けられた部分が
、発光素子の搭載部１ａとして機能する。

発光装置10において搭載部１ａに搭載されている発光素子２が放射した光は、一部が直接上方に放射され、他の部分が絶縁基板１の上面で反射されて上方向に放射される。つまり絶縁基板１の上面は、発光素子２が放射した光を反射して外部に放射するための部分としても機能する。

絶縁基板１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ムライト質焼結体、チッ化アルミニウム質焼結体または炭化ケイ素質焼結体等の絶縁材料によって形成されている。

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、まず、酸化アルミニウムを主成分とし、酸化ケイ素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウム等の添加材が添加された原料粉末を有機溶剤およびバインダとともにシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製し、次に、必要に応じて複数のセラミックグリーンシートを積層して積層体とした後、焼成することによって図１に示すような絶縁基板１を作製することができる。

発光素子２は、例えば上記のように発光ダイオードや半導体レーザである。例えば、発光素子２として発光ダイオードが絶縁基板１の搭載部１ａに搭載されて、照明用等の発光装置10が作製される。

図１の例では、導体層３に搭載される発光素子２について、素子としての発光の効率向上のため、外部に向かう面である上面の面積が、導体層３に接合される面である下面に比べて大きい。つまり、発光素子２は、その厚み方向の断面視（縦断面視）で逆台形状のものが用いられている。この発光素子２の比較的面積が小さい下面が、導体層３の上面に対向して接合される。

導体層３は、搭載部１ａに搭載される発光素子２がろう材（図示せず）等を介して接合される部分である。導体層３は、発光素子２の電極と電気的に接続される接続パッドとして機能することもできる。

導体層３は、例えばタングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、パラジウム、金、白金、ニッケルおよびコバルト等の金属材料、またはこれらの金属材料を主成分とする合金材料から適宜選択された材料によって形成されている。これらの金属材料等は、メタライズ層またはめっき層等の金属層として絶縁基板１の露出表面に設けられている。また、これらの金属材料は、スパッタリング層または蒸着層等の薄膜層として設けられていてもよい。また、これらが複数種類組み合わされた複数層で設けられていてもよい。

例えば、導体層３がタングステンのメタライズ層を含むものである場合には、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、これらを同時焼成することによって導体層３を形成することができる。この場合、タングステンのメタライズ層の露出表面に、さらにニッケルおよび金等のめっき層が被着されていてもよい。

また、導体層３がめっき層を含む場合には、そのめっき層が銀めっき層を含むものであってもよい。銀めっき層は、例えば導体層３の最表面に設けられる。この場合には、銀の反射率が大きい（物性値として金属材料中で最も大きい）ため、発光装置10としての発光の効率をさらに高める上ではより有利である。すなわち、仮に導体層３の一部が発光素子２の外側に露出したときに、その露出した導体層３の表面で効果的にに光を反射できる。
また、そのような発光装置10を容易に製作することが可能な発光素子搭載用基板９を提供することができる。なお、導体層３の最表面に銀めっき層が設けられる場合には、透明なガラスまたは樹脂材料で銀めっき層を被覆して、銀めっき層の酸化および硫化等の劣化を抑制することが好ましい。

導体層３が接続パッドとして機能する場合には、発光素子２の下面の電極に対応するようなパターンで導体層３が配置される。発光素子２の電極が複数個であれば、それに対応するように複数の導体層３が配置される。

また、導体層３が接続パッドとして機能する場合には、導体層３から絶縁基板１の下面等の外表面にかけて配線導体（図示せず）が設けられていてもよい。配線導体は、例えば絶縁基板１の内部に設けれられた内部配線、絶縁基板１の厚み方向の少なくとも一部を貫通する貫通導体（いわゆるビア導体）および絶縁基板１の下面の接続パッド等を含んでいてもよい。

また、導体層３は、角部等の外周部に補助導体層３ａを有していてもよい。補助導体層３ａは、例えば余分なろう材を接合させるためのスペースとして機能する。余分なろう材とは、発光素子２と導体層３とをろう材を介して接合させるときに、両者を強固に接合させる上で十分なろう材の量に対して過剰なろう材である。余分なろう材が補助導体層３ａに接合することによって、ろう材の厚みに起因した発光素子２の傾きがより効果的に抑制される。また、ろう材の絶縁基板１の上面への広がりが抑制される。

なお、補助導体層３ａは、導体層３上に発光素子２を接合するときの位置決め用等のマークとして用いることもできる。

この導体層３の周囲に、絶縁基板１の上面から上方向に突出して複数の凸部４が設けられている。複数の凸部４は導体層３を囲むように配置されている。複数の凸部４は、それぞれ導体層３から一定の距離をおいて配置されている。このような凸部４が設けられていることから、発光素子２の接合時における発光素子２の横方向への動きが凸部４によって抑制される。そのため、発光素子２の導体層３に対する位置ずれ、および位置ずれに起因した傾きの可能性が低減されている。

したがって、発光効率の向上等において有利な発光装置10の作製が容易な発光素子搭載用基板９を提供することができる。また、発光効率の向上等において有利な発光装置10を提供することができる。

この場合、凸部４が導体層３の全周にわたって囲む枠状のものではなく、導体層３の外周から離れている、導体層３にろう材を介して発光素子２を搭載し、接合するときの位置合わせが凸部４で妨げられることが抑制されている。したがって、発光装置10の生産性が高い発光素子搭載用基板９を提供することができる。また、生産性の高い発光装置10を提供することができる。

導体層３は、平面視において、搭載部１ａに搭載される発光素子２よりも小さいものであってもよい。この場合には、絶縁基板１の上面のうち導体層３の外側で露出する部分の面積がより大きくなる。そのため、発光素子２が放射した光について絶縁基板１の上面で反射する量がより大きくなる。したがって、この場合には発光効率をより効果的に向上させることが可能な発光装置10を提供することができる。また、そのような発光装置10を容易に製作することが可能な発光素子搭載用基板９を提供することができる。

凸部４の厚み（絶縁基板１の上面から凸部４の上面までの距離）は、導体層３の厚み（
絶縁基板１の上面から導体層３の上面までの距離）以上であってもよい。この場合には、導体層３の上面から横方向にずれようとする発光素子２の側面が凸部４に接する。そのため、より効果的に発光素子２の位置ずれ、および位置ずれに起因した発光素子２の傾きを抑制することができる。

なお、凸部４の厚みが導体層３の厚みよりも小さい場合でも、仮に発光素子２の導体層３に対する位置ずれに起因して傾こうとしたときでも、その発光素子２の側面等の外周部分が凸部４に接することによって傾きが低減される。このような効果をより有効に得ることを考慮したときには、凸部４の厚みは、導体層３の厚みの１／２以上であることが望ましく、２／３以上であることがより望ましい。

凸部４は、例えば、セラミック材料、ガラス材料、有機樹脂材料またはこれらの複合材料によって形成されている。セラミック材料としては、例えば絶縁基板１と同様のセラミック材料が挙げられる。有機樹脂材料としては、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂およびポリイミド樹脂等が挙げられる。

凸部４は、光の反射率および生産性等を考慮すれば、絶縁基板１と同様のセラミック材料からなるものであることが好ましい。また、発光素子２との接触時の発光素子２の機械的な破壊の抑制考慮すれば、弾性率が比較的小さい有機樹脂材料からなるものであることが好ましい。

凸部４は、例えば絶縁基板１と同様のセラミック材料からなるものであるときには、絶縁基板１との同時焼成によって形成することができる。また、凸部４は、別体として作製したガラスまたは有機樹脂材料等からなるものがガラスまたは樹脂接着剤等の接合材（図示せず）によって絶縁基板１に接合されたものであってもよい。

平面視において発光素子２および導体層３が四角形状であるときに、凸部４は、例えば図２に示すように、少なくとも、導体層３の中心部を囲む仮想の三角形状の領域の各頂点に配置されているものであってもよい。なお、図２は図１に示す発光素子搭載用基板９および発光装置10の変形例における要部を示す平面図である。図２において図１と同様の部位には同様の符号を付している。図２において、見やすくするために発光素子２の下面の外周の位置のみを破線で示している。

この場合には、導体層３に搭載される発光素子２の中心部を囲む三つの位置で発光素子２の側面が凸部４に接するため、発光素子２の回転による位置ずれ（いわゆるθずれ）、およびそのθずれに起因した発光素子２の傾きを、より少ない凸部４で効果的に抑制することもできる。

したがって、搭載される発光素子２の位置ずれの抑制に対して有効であり、発光装置10を製作するときの生産性および経済性等の点でも有利な発光素子搭載用基板９を提供することができる。また、生産性および経済性等においても有利な発光装置10を提供することができる。

また、凸部４は、図１に示した例のように、導体層３の四つの辺のそれぞれに近接して配置されているものであってもよい。この場合には、平面視で四角形状の発光素子２の４辺の全部で、発光素子２の位置ずれが凸部４によってより確実に抑制される。したがって、発光素子２の位置ずれの抑制においてより有利な発光素子搭載用基板９、および発光装置10を提供することができる。

また、凸部４は、透明な樹脂材料によって形成されているものであってもよい。この場
合には、発光素子２から放射された光が凸部４を透過して絶縁基板１の上面で反射されやすい。そのため、発光効率の向上においてより有利な発光装置10を提供することができる。また、そのような発光装置10の作製が容易な発光素子搭載用基板９を提供することができる。

また、例えば図３に示すように、実施形態の発光素子搭載用基板９および発光装置10において、搭載部１ａに搭載される発光素子２の搭載面側（図における下面側）の長さをｄとし、導体層３および凸部４の互いに隣り合う外周（例えば長辺等の辺）同士の間の距離（ギャップ）をｓとしたとき、式、ｄ／２＞ｓが満足されていることが好ましい。つまり、一方向における導体層３と凸部４との間の距離は、その一方向における発光素子２の下面の長さの半分よりも小さいことが好ましい。なお、図３は、図１に示す発光素子搭載用基板９および発光装置10の他の変形例における要部を拡大して示す平面図である。図３において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

図３では、凸部４は、平面視で三角形状であるものを含んでいる。凸部４は、この例のように、平面視で四角形状に限らず、適宜、その形状が設定されていて構わない。

この場合には、凸部４と発光素子２との間の距離が十分に小さいため、発光素子２が搭載される時点で、発光素子２が傾く可能性がさらに低減されている。また、搭載時に凸部４に発光素子２が接することで、発光素子２の接合位置が導体層３上に位置決めされるセルフアライメントの効果が生じる可能性が高くなる。

図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図１に示す発光素子搭載用基板９および発光装置10の他の変形例における要部を拡大して示す断面図である。図４において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

図４（ａ）の例では、凸部４の厚みが導体層３の厚みよりも大きい。すなわち、凸部４の上面の位置が導体層３の上面の位置よりも上側になっている。そのため、導体層３の上面に搭載される発光素子２の傾きがより確実に凸部４によって抑制される。

図４（ｂ）の例では、凸部４の厚みが導体層３の厚みよりも小さい。また、凸部４の上面にさらに補助凸部４ａが設けられている。補助凸部４ａは、縦断面で外周が円弧状である。また、補助凸部４ａの上端の位置は導体層３の上面の位置よりも上側にある。この場合には、補助凸部４ａは、その円弧状の表面で発光素子２の側面に接する。この場合にも、図４（ａ）の例と同様に、導体層３の上面に搭載される発光素子２の傾きがより確実に凸部４および補助凸部４ａによって抑制される。

また、補助凸部４ａの曲面状の表面が発光素子２に接するため、凸部４（補助凸部４ａ）との接触による発光素子２の機械的な破壊の可能性の低減においてより有利である。

また、例えば凸部４をアクリル樹脂等の透明な樹脂で形成し、補助凸部４ａをシリコーン樹脂等の弾性率が比較的小さい樹脂で形成してもよい。これによって、凸部４における光の透過性を高く確保しながら、発光素子２の機械的な破壊の可能性の低減においても有効な発光素子搭載用基板９を提供することができる。

なお、平面視において、補助凸部４ａは、例えば発光素子２の下面の外辺に沿って直線状に設けられていてもよく、円形状のパターンで設けられていてもよい。発光素子２の傾きを抑制する上では、補助凸部４ａは発光素子２の下面の外辺に沿って直線状に設けられていることが好ましい。

図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図１に示す発光素子搭載用基板９および発光装置10の他の変形例における要部を拡大して示す断面図である。図５において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

図５（ａ）の例では、凸部４が縦断面視において台形状になっている。この場合には、凸部４の上部における幅（平面視における、凸部４の搭載部１ａ側の外辺とそれと反対側の外辺との間の距離）が小さい。つまり発光素子２に近い部分ほど凸部４の幅が小さい。そのため、発光素子２から放射された光が凸部４に遮られて外部への放射が妨げられる可能性がさらに低減されている。

図５（ｂ）の例では、発光素子２が直方体状であり、その側面が垂直である。また、凸部４の上面に、外側にはみ出るように他の例の補助凸部４ｂが設けられている。この補助凸部４ｂは、その先端が縦断面視において円弧状に成形されている。この場合には、発光素子２の垂直な側面に、補助凸部４ｂの円弧状に丸められた先端部が接する。そのため、発光素子２の位置ずれが、凸部４から内側にはみ出した補助凸部４ｂによって効果的に抑制される。また、発光素子２の機械的な破壊の抑制にも適している。また、凸部４の幅が比較的小さく抑えられるため、発光素子２から放射された光の外部への放射が凸部４に妨げられる可能性も低減されている。

前述したように、上記各実施形態の発光素子搭載用基板９に発光素子２が搭載されて実施形態の発光装置10が形成されている。この発光装置10は、上記のような発光素子搭載用基板９が含まれているため、発光素子２の位置ずれ、および位置ずれに起因した傾きが効果的に抑制されている。

１・・・絶縁基板
１ａ・・搭載部
２・・・発光素子
３・・・導体層
４・・・凸部
４ａ・・・補助凸部
４ｂ・・・補助凸部（他の例）
９・・・発光素子搭載用基板
10・・・発光装置

Claims (7)

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ており、発光素子の下面が対向して搭載される導体層と、
   前記絶縁基板の前記上面から上方向に突出して設けられており、前記導体層を囲むように配置された複数の凸部とを備えていることを特徴とする発光素子搭載用基板。
2. 平面視において、前記搭載部に搭載される発光素子よりも前記導体層の方が小さい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. 前記凸部の厚みが前記導体層の厚み以上であ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。
4. 平面視において、前記発光素子および前記導体層が四角形状であり、前記凸部は、少なくとも、前記導体層の中心部を囲む仮想の三角形状の領域の各頂点に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の発光素子搭載用基板。
5. 前記凸部は、前記導体層の四つの辺のそれぞれに近接して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の発光素子搭載用基板。
6. 前記凸部は、透明な樹脂材料によって形成されていることを特徴とする
   請求項１〜請求項５のいずれかに記載の発光素子搭載用基板。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の発光素子搭載用基板と、
   前記搭載部に搭載された発光素子とを備えることを特徴とする発光装置。

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