JP2017059789A

JP2017059789A - 発光モジュール用基板

Info

Publication number: JP2017059789A
Application number: JP2015185979A
Authority: JP
Inventors: 正弘藤田; Masahiro Fujita; 惣彦別田; Nobuhiko Betsuda
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2017-03-23

Abstract

【課題】基板の反りを抑制できる発光モジュール用基板を提供する。
【解決手段】基板15は、基材20と、導電パターン21と、金属層22と、樹脂層23とを有する。基材20は、板状に設けられたセラミック製である。導電パターン21は、基材20より熱膨張率が大きい金属により基材20の一主面20aに設けられ、半導体発光素子16と接続される。金属層22は、基材20より熱膨張率が大きい金属により基材20の他主面20bに設けられる。樹脂層23は、基材20より熱膨張率が大きいフィラーを含み、基材20の一主面20aの少なくとも一部を覆って設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、基材の主面に貼り合わせられた金属層を備えた発光モジュール用基板に関する。

ＬＥＤ(Light Emitting Diode)モジュールに用いられる基板としては、一般に、アルミナや窒化アルミニウム等により設けたセラミック基板、アルミニウム基材に絶縁層および銅配線層を設けたアルミベース基板、あるいはガラスエポキシ基板の３種類のいずれかが用いられる。近年、高出力を得るために高電力を投入するＬＥＤモジュールがあり、このようなＬＥＤモジュールに用いる基板としては、高い放熱性や反射率に加えて、屋外での使用を想定して電気絶縁性も求められている。そのため、セラミック基板の需要が増加している。

セラミック基板の場合、電気絶縁性および反射率については比較的高い水準で確保できるものの、熱伝導率についてはアルミニウムや銅等の金属と比較すると低い。そのため、近年、セラミック基材と金属とを貼り合わせたバイメタル構造のものが用いられている。このような基板は、例えばセラミック基材と銅とを貼り合わせ、さらに放熱構造と組み合わせることにより放熱性を高めることが可能となっている。

しかしながら、この構成の場合、金属材料の選定によっては、セラミック基材との熱膨張率(熱膨張係数)の差により基板全体に反りが発生することがある。このような反りの発生により、実装不良による歩留まりの低下や信頼性の悪化を招くことが懸念される。

特許第５５１６９８７号公報

本発明が解決しようとする課題は、基板の反りを抑制できる発光モジュール用基板を提供することである。

実施形態の発光モジュール用基板は、基材と、導電パターンと、金属層と、樹脂層とを有する。基材は、板状に設けられたセラミック製である。導電パターンは、基材より熱膨張率が大きい金属により基材の一主面に設けられ、半導体発光素子と接続される。金属層は、基材より熱膨張率が大きい金属により基材の他主面に設けられる。樹脂層は、基材より熱膨張率が大きいフィラーを含み、基材の一主面の少なくとも一部を覆って設けられる。

本発明によれば、基材と金属層との熱膨張率の大きさの相違に起因する膨張変形の差を樹脂層によって緩和し、基板の反りを抑制することが期待できる。

一実施形態の発光モジュール用基板を備えた発光モジュールを模式的に示す断面図である。同上発光モジュールを模式的に示す平面図である。同上発光モジュールの基板の製造工程を（ａ）ないし（ｆ）の順に模式的に示す説明図である。（ａ）は同上発光モジュール用基板を模式的に示す断面図、（ｂ）は同上発光モジュール用基板に熱を加えた状態を模式的に示す断面図である。

以下、一実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図１および図２は、発光モジュール10を示し、この発光モジュール10は、例えばベースライト等の照明器具に用いられるものである。

そして、この発光モジュール10は、絶縁性の基板15と、この基板15に実装される複数の半導体発光素子16と、これら半導体発光素子16を覆って設けられた図示しない蛍光体封止部とを少なくとも備えるＣＯＢモジュールである。

基板15は、例えばＤＰＣ（Direct Plated Copper）基板等の発光モジュール用基板であり、基材20と、電極である導電パターン21と、金属層22と、絶縁層である樹脂層23とを備えている。

基材20は、例えば窒化アルミニウムやアルミナを用いたセラミックにより板状に形成されている。この基材20の表面が実装面となる一主面20aであり、この一主面20aと反対側、すなわち裏側（背面側）が他主面20bとなっている。この基材20の形状は、照明器具の形状に応じて、四角形状や円形状等とすることができる。

導電パターン21は、基材20の一主面20aの一部のみに所定の形状にパターニングされて所定厚みで形成されている。この導電パターン21は、金属層22よりも面積が狭く設定されている。この導電パターン21は、図示しない外部回路と電気的に接続されており、半導体発光素子16に対して外部回路から給電されるように構成されている。また、この導電パターン21には、半導体発光素子16が半田実装される導電性めっき層であるランド部（電極部）25が設けられている。

金属層22は、基材20の他主面20bの全面に亘って所定厚みで形成されている。この金属層22は、導電パターン21と略等しい厚みに形成されている。この金属層22は、例えば半田によってヒートスプレッダに金属接合し、発光モジュール10の半導体発光素子16が発光時に発生する熱をヒートスプレッダに熱伝導して放熱するように構成されている。このヒートスプレッダとしては、例えば銅、あるいは銅−モリブデン（Ｍｏ）やアルミニウム−珪素（Ｓｉ）−炭素（Ｃ）等の複合金属材料を用いることができ、ＳｎＡｇ系の半田によって金属層22（基板15）と金属接合される。

そして、本実施形態において、導電パターン21および金属層22は、同一工程により同時に形成される。例えば、導電パターン21および金属層22は、例えばチタン等の金属のスパッタリングによって基材20の一主面20aおよび他主面20bに形成されたシード層の上に、銅（Ｃｕ）のめっき処理によって所定厚みの銅めっき層を形成したものである。これら導電パターン21および金属層22は、銅めっき層の上に、例えばニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）、あるいはニッケル／パラジウム（Ｐｄ）／金を電解めっき法や無電解めっき法等のめっき処理によってさらに金属めっき層を形成したものであってもよい。したがって、導電パターン21および金属層22は、基材20よりも熱膨張率（熱膨張係数、線膨張係数）が大きいものである。具体的に、基材20を構成する窒化アルミニウムの熱膨張率は４．６（×１０^-6μｍ／℃）、アルミナの熱膨張率は７．２（×１０^-6μｍ／℃）であるのに対して、導電パターン21および金属層22を構成する金の熱膨張率は１４．３（×１０^-6μｍ／℃）、銅の熱膨張率は１６．８（×１０^-6μｍ／℃）等である。

樹脂層23は、白色レジストとも呼ばれ、半導体発光素子16の直下に少なくとも一部が位置し、この半導体発光素子16からの光の反射率を向上するとともに基材20と金属層22との熱膨張率の差を調整する熱膨張率調整層である。この樹脂層23は、例えば絶縁性の合成樹脂に対してフィラーが混入されて構成され、基材20を構成する部材よりも大きく、かつ、金属層22を構成する金属よりも小さい熱膨張率を有している。この樹脂層23は、導電パターン21と略同一厚みに形成されている。したがって、基材20の一主面20a側には、導電パターン21と樹脂層23とが略面一に形成されており、これら導電パターン21および樹脂層23に対してランド部25が突出して配置されている。換言すれば、導電パターン21の表面21aと樹脂層23の表面23aとが同一面上に位置して設けられている。この樹脂層23は、半導体発光素子16が配置される領域、すなわち発光領域に対応する位置、かつ、導電パターン21を除く位置で基材20の一主面20aに設けられている。この樹脂層23は、基材20の一主面20aの面積の例えば５％以上３０％以下の面積の領域を覆って配置されている。この樹脂層23の熱膨張率は、フィラーの含有量を調整することで設定される。具体的に、本実施形態において、樹脂層23は、例えばフッ素系樹脂、あるいはシリコーン系樹脂に対して、白色粉末である酸化チタン、窒化ホウ素、およびガラスから選択される一または複数がフィラー（主材料）として混入された白色レジストである。エポキシ樹脂の熱膨張率は、４．５〜６．５（×１０^-6μｍ／℃）であり、酸化チタンの熱膨張率は、９．０（×１０^-6μｍ／℃）である。

半導体発光素子16は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）のベアチップが用いられる。本実施形態では、この半導体発光素子16は、フリップチップ実装方式によって半田接合部26を介して導電パターン21に対してランド部25にて電気的に接続される。すなわち、この半導体発光素子16は、第１の半導体層としてのＮ層および第２の半導体層としてのＰ層の電極部31N，31Pに、それぞれ半田接合部26としての第１の半田接合部26Nおよび半田接合部26としての第２の半田接合部26Pが互いに所定の間隔をあけて形成されている。これら２極の半田接合部26N，26Pは、例えば金（Ａｕ）／スズ（Ｓｎ）の合金からなる半田材料であり、四角形状に形成され、互いに絶縁された導電パターン21に対して電極部31N，31Pを接合している。また、半導体発光素子16は、２極の半田接合部26N，26Pが並ぶ方向に長い直方体形状に形成されている。なお、これら半導体発光素子は、基板15の略中央部に所定のピッチで密集して配置されている。

蛍光体封止部は、電気絶縁性および熱伝導性を有する例えばシリコーン樹脂であり、図示しない蛍光体を所定の濃度で含有し、半導体発光素子16（発光領域）を覆って基板15上に設けられている。蛍光体は、青色光を黄色光に波長変換する黄色蛍光体であり、例えば外周径が１７ｍｍ以上となっている。そして、この蛍光体封止部内において、半導体発光素子から放射された青色光と、この青色光の一部が蛍光体により波長変換された黄色光とが混合（混色）されることで、発光モジュール10（発光領域）として白色光が外部空間に放射される。

そして、基板15を製造する際には、まず、図３（ａ）に示すように、基材20の一主面20aに対してチタン（Ｔｉ）等の金属のスパッタリングによりシード層Ｓを形成するとともに、導電パターン21（図１）となる箇所を除いて、マスク部となるドライフィルムDFをフォトリソグラフィ等によりパターニングし、シード層Ｓの上に、銅（Ｃｕ）の電解めっきを施して導電パターン21を所定の厚み（例えば５０μｍ）まで成長させる。このように処理することで、微細なパターンを形成しやすいとともに、導電パターン21の厚みを大きくできる。なお、図示しないが、金属層22についても同様に形成できるため、導電パターン21と金属層22とを同工程で同時に形成してもよい。

次いで、ドライフィルムDFおよび不要なシード層Ｓ等のパターンをエッチングなどにより除去し（図３（ｂ））、導電パターン21を覆って基材20の一主面20a上に、樹脂層23（図１）を形成するためのフィラーを混入した流体状の熱硬化性の合成樹脂Ｒを印刷等によって例えば真空下で塗布する（図３（ｃ））。さらに、この合成樹脂Ｒを塗布した基材20をオーブンＯ内に収容し、所定温度（例えば１５０℃）で所定時間（例えば１時間）焼成することで合成樹脂Ｒを硬化させ、樹脂層23を形成する（図３（ｄ））。この結果、樹脂層23が硬化により収縮し、基材20を熱膨張率がこの基材20より大きい金属層22と樹脂層23とで挟む構造となることで、樹脂層23が基材20の導電パターン21を有するパターン面である一主面20aの伸び率を相対的に大きくし（図４（ａ）および図４（ｂ））、基材20と金属層22との熱膨張率の大きさの相違に起因する膨張変形の差を樹脂層23によって緩和でき、基板15の反りを抑制できる。

なお、この後、樹脂層23を研磨して導電パターン21を露出させることで、樹脂層23の表面23aと導電パターン21の表面21aとを面一に形成できる（図３（ｅ））。そして、露出した導電パターン21の表面21aに対して例えばニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）、あるいはニッケル／パラジウム（Ｐｄ）／金を用いた無電解めっき法等によりランド部25を３μｍ以上の厚みに形成し（図３（ｆ））、ランド部25にて半導体発光素子16を実装し、この半導体発光素子16を覆って蛍光体封止部を設けることで、発光モジュール10を完成できる。

特に、樹脂層23は、基材20よりも熱伝導率が高く、金属層22よりも熱伝導率が低いので、基材20と金属層22との熱伝導率の大きさの相違を適切に緩和できるとともに、金属層22側の反りが大きくなる逆反りを防止できる。

樹脂層23の厚みを、導電パターン21の厚みと同じ厚みにすることで、基板15の反りをより確実に抑制できる。

しかも、樹脂層23は、白色レジストとすることにより基板15としての反射率を向上させることができるので、この樹脂層23を少なくとも半導体発光素子16の位置（発光領域）にて基材20の一主面20aを覆って形成した発光モジュール10の光の取出効率を向上できる。

また、樹脂層23は、フィラーの含有量を調整することによって熱膨張率を調整できるので、樹脂層23に大面積を確保できない場合には、この熱膨張率を適宜調整することによって、少ない樹脂層23の面積でも基板15の反りを緩和できる。

この結果、半導体発光素子16等の実装不良による歩留まりの低下や信頼性の低下を防止できる。

なお、上記一実施形態において、樹脂層23に含まれるフィラーとしては、酸化チタン、窒化ホウ素、あるいはガラス等の他にも、熱膨張率が基材20を構成するセラミックよりも大きく、かつ、反射率が高い白色系のフィラーであれば好適に用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

15 発光モジュール用基板である基板
16 半導体発光素子
20 基材
20a 一主面
20b 他主面
21 導電パターン
22 金属層
23 樹脂層

Claims

板状に設けられたセラミック製の基材と；
この基材より熱膨張率が大きい金属によりこの基材の一主面に設けられ、半導体発光素子と接続される導電パターンと；
前記基材より熱膨張率が大きい金属により前記基材の他主面に設けられた金属層と；
前記基材より熱膨張率が大きいフィラーを含み、前記基材の一主面の少なくとも一部を覆って設けられた樹脂層と；
を具備することを特徴とする発光モジュール用基板。
前記樹脂層は、前記基材よりも熱伝導率が高く、前記金属層よりも熱伝導率が低い
ことを特徴とする請求項１記載の発光モジュール用基板。
前記樹脂層の厚みは、前記導電パターンの厚みと同じ厚みである
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光モジュール用基板。