JP2017175033A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱効率が高い半導体発光装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＬＥＤパッケージ１は絶縁性の低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）基板２の第１の面Ｓ１上の銅箔配線パターン３に半田層４によって装着される。ＬＴＣＣ基板２には銅製のヒートパイプ５が埋め込まれる。ヒートパイプ５の受熱側端部がＬＴＣＣ基板２内に埋込まれ、ヒートパイプ５の放熱側端部にはヒートシンク６が装着される。ＬＴＣＣ基板２は３つのＬＴＣＣシート２１、２２、２３を積層して低温焼成され、一体化されたものである。【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子等の半導体発光素子よりなる半導体発光装置及びその製造方法に関する。

ＬＥＤ素子においては、所望の明るさを達成するために投入された電力のうち、光出力として用いられなかった電力は熱となり自身を加熱する。従って、ＬＥＤ素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性を有する。また、ＬＥＤ素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。このため、ＬＥＤ素子及び蛍光体層の温度を適切な温度以下に抑える熱設計としてヒートシンク等の放熱構造を用いてＬＥＤ素子及び蛍光体層の熱を空気中に放散させる。特に、前照灯、フォグランプ等の光束を実現するためには、高出力ＬＥＤ素子を用いるので、放熱構造が大型化する。

図７は第１の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。

図７においては、蛍光体層で被覆されたＬＥＤ素子よりなるＬＥＤパッケージ１０１は放熱性かつ絶縁性ヒートダイを含んで構成される。ヒートダイは放熱基板としても作用するプリント配線基板１０３上に設けられる。プリント配線基板１０３は熱界面材料（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）層１０４を介してヒートシンク１０５に接合され、プリント配線基板１０３とヒートシンク１０５との間の熱抵抗を減少させる。

プリント配線基板１０３は絶縁層１０３１及び銅箔配線層１０３２よりなり、銅箔配線層１０３２の一部はプリント配線基板１０３のスルーホールに形成されてサーマルビア１０３３を形成する。尚、ＬＥＤパッケージ１０１のＬＥＤ素子は電極端子あるいは図示しないボンディングワイヤによってプリント配線基板１０３の銅箔配線層１０３２に電気的に接続されている。

このようにして、図７では、ＬＥＤパッケージ１０１において発生した熱はヒートダイから主にプリント配線基板１０３のサーマルビア１０３３を介してヒートシンク１０５に放熱される。

図８は第２の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。

図８においては、図７のプリント配線基板１０３の代りに、プリント配線基板２０３を設けてある。プリント配線基板２０３は、銅、アルミニウム等よりなる金属コア層２０３１、金属コア層２０３１上に設けられた絶縁層２０３２、及び絶縁層２０３２上に設けられた銅箔配線層２０３３よりなる。

このようにして、図８では、ＬＥＤパッケージ１０１において発生した熱はヒートダイから主にプリント配線基板２０３の金属コア層２０３１を介してヒートシンク１０５に放熱される。

図９は従来の電子部品装置を示す縦断面図である（参照：特許文献１の第３図）。

図９においては、電子部品３０１は絶縁層３０２１及び配線層３０２２よりなるプリント配線基板３０２上に設けられる。プリント配線基板３０２内には、絶縁性接着剤３０３ａを介してアルミニウムよりなる芯材３０３及びヒートパイプ３０４が設けられている。この場合、ヒートパイプ３０４の受熱側端部は芯材３０３内に埋込まれ、他方、ヒートパイプ３０４の放熱側端部には円板状放熱フィン３０５が設けられている。図９においては、ＬＥＤパッケージを電子部品３０１として用いることができる。

このようにして、図９では、電子部品３０１たとえばＬＥＤパッケージにおいて発生した熱は主にプリント配線基板３０２から芯材３０３及びヒートパイプ３０４を介して放熱フィン３０５に放熱される。

特開平４−１８８７８７号公報

しかしながら、図７に示す第１の従来のＬＥＤ装置においては、サーマルビア１０３３はプリント配線基板１０３のスルーホールへのめっきによって形成されるので、サーマルビア１０３３の厚さに制約があり、従って、熱抵抗を小さくできず、この結果、熱伝達率が小さく、放熱効率が低いという課題がある。

また、図８に示す第２の従来のＬＥＤ装置においては、絶縁層２０３２の存在のために熱抵抗が大きく、この結果、やはり、熱伝達率が小さく、放熱効率が低いという課題がある。

さらに、図９に示す従来の電子部品装置においては、芯材３０３は絶縁性接着剤３０３ａによってプリント配線基板３０２に接続され、また、ヒートパイプ３０４と芯材３０３との間には図示しない絶縁性接着剤及び空気層が存在し、従って、熱抵抗が大きく、この結果、やはり、熱伝導率が小さく、放熱効率が低いという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光装置は、第１の半導体発光パッケージと、ガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板と、低温焼成セラミックス基板の第１の面上に設けられ、第１の半導体発光パッケージが実装される第１の銅箔配線パターンと、低温焼成セラミックス基板内に受熱側端部が埋め込まれた銅製のヒートパイプとを具備するものである。

また、本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、耐熱性下型の中に、ガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる第１のセラミックスシート、銅製のヒートパイプ、ガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる第２のセラミックスシート、第１の銅箔配線パターン及び耐熱性上型を順番に組立てる組立工程と、組立工程後に、耐熱性下型と耐熱性上型とを加圧状態にしてヒートパイプ及び第１の銅箔配線パターンの溶解温度より低い温度で焼成して低温焼成セラミックス基板を形成する低温焼成工程と、低温焼成工程後、耐熱性下型及び耐熱性上型を取り外し、第１の銅箔配線パターン上に第１の半導体発光パッケージを実装する実装工程とを具備するものである。

本発明によれば、低温焼成セラミックス基板と銅箔配線パターン、ヒートパイプとの直接結合により熱抵抗が小さくなるので、熱伝導率を大きくでき、従って、放熱効率を大きくできる。

本発明に係るＬＥＤ装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は裏面図である。 図１のＬＥＤ装置の製造方法を説明するための図であって、（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程、（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。 図２の変更例を示す図であって、（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程、（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。 本発明に係るＬＥＤ装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は裏面図である。 図４のＬＥＤ装置の製造方法を説明するための図であって、（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程、（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。 図５の変更例を示す図であって、（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程、（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。 第１の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。 第２の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。 従来の電子部品装置を示す縦断面図である。

図１は本発明に係るＬＥＤ装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は裏面図である。

図１において、ＬＥＤパッケージ１はＬＥＤ素子たとえば青色ＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子を被覆した蛍光体層たとえば青色光を黄色光に変換するＹＡＧ層より構成され、絶縁性の低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）基板２の第１の面Ｓ１上の銅箔配線パターン３に半田層４によって装着される。

ＬＴＣＣ基板２には銅製のヒートパイプ５が埋め込まれる。この場合、ヒートパイプ５の受熱側端部がＬＴＣＣ基板２内に埋込まれ同時焼成され、他方、ヒートパイプ５の放熱側端部にはヒートシンク６が装着される。

ＬＴＣＣ基板２は３つのＬＴＣＣシート（ＬＴＣＣ基材）２１、２２、２３を積層して低温焼成され、一体化されたものである。この場合、ＬＴＣＣシート２１、２２は平板状をなしているが、ＬＴＣＣシート２２は、ヒートパイプ５を埋め込むために、コ字形状をなしている。また、ヒートパイプ５の受熱側端部はＬＴＣＣシート２２のコ字形状に合わせて平たく加工され、端面封止されている。他方、ヒートパイプ５の放熱側端部は丸形状断面とされている。

ＬＴＣＣ基板２の各ＬＴＣＣシート２１、２２、２３は、アルミナセラミックスにガラス成分で混合して構成され、これにより、銅箔配線パターン３及び銅製のヒートパイプ５の溶融温度約１３００℃より低い９００℃程度の焼成温度を実現する。

次に、図１のＬＥＤ装置の製造方法を図２を参照して説明する。尚、図２の（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を示し、図２の（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。

始めに、図２の（Ａ）ＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を説明する。１５００℃以上の耐熱性を有するアルミナ又は鉄製の下型２４及び上型２５を準備する。次いで、ＬＴＣＣシート２１、２２、ヒートパイプ５、ＬＴＣＣシート２３、銅箔配線パターン３及び上型２５を順番に下型２４の中へ収める。この場合、銅箔配線パターン３のＬＴＣＣシート２３側の面には、溶融温度が焼成温度９００℃に近い銀ペースト、銀粉、ゲルマニウム等をバインダとして予め付着させておく。また、ＬＴＣＣシート２２とヒートパイプ５とは同時に収められる。

次に、下型２４と上型２５とを加圧状態にして約９００℃でＬＴＣＣ基板を焼成する。ＬＴＣＣ基板の焼成後、下型２４及び上型２５を取外してＬＴＣＣシート２１、２２、２３が一体焼成されたＬＴＣＣ基板２が完成する。

次に、図２の（Ｂ）ＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を説明する。ヒートパイプ５の放熱側端部の開口から作動液たとえば水及びウィック５ａを入れた後、ヒートパイプ５の放熱側端部を封止してヒートパイプ５を完成する。

次に、ＬＥＤパッケージ１を銅箔配線パターン３上に半田層４によって実装する。尚、ＬＥＤパッケージ１を銅箔配線パターン３に直接ボンディングしてもよい。

最後に、ヒートシンク６をヒートパイプ５の放熱側端部にろう付等で結合する。

尚、銅箔配線パターン３はＬＴＣＣ基板の焼成後に高温焼付けしてもよい。

図１のＬＴＣＣ基板２は２つのＬＴＣＣシートを積層して低温焼成されたＬＴＣＣ基板２’とすることもできる。つまり、図１のＬＴＣＣシート２２を省略し、ＬＴＣＣシート２１、２３をより少し小さめのＬＴＣＣシート２１’、２３’によりＬＴＣＣ基板２’を形成することができる。この場合のＬＥＤ装置の製造方法を図３を参照して説明する。尚、図３の（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を示し、図３の（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。

始めに、図３の（Ａ）ＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を説明する。図２の（Ａ）の下型２４及び上型２５より小さい下型２４’及び上型２５’を準備する。次いで、ＬＴＣＣシート２１’、ヒートパイプ５、ＬＴＣＣシート２３’、銅箔配線パターン３及び上型２５’を順番に下型２４’の中へ収める。この場合、銅箔配線パターン３のＬＴＣＣシート２３’側の面及びヒートパイプ５の受熱側端部には溶融温度が焼成温度９００℃に近い銀ペースト、銀粉、ゲルマニウム等をバインダとして予め付着させておく。

次に、下型２４’と上型２５’とを加圧状態にして約９００℃でＬＴＣＣ基板を焼成する。ＬＴＣＣ基板の焼成後、下型２４’及び上型２５’を取外してＬＴＣＣシート２１’、２３’が一体焼成されたＬＴＣＣ基板２’が完成する。

以下、図３の（Ｂ）ＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程及びそれ以降の工程は図２の（Ｂ）の場合と同様である。

図４は本発明に係るＬＥＤ装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は裏面図である。尚、図４のＬＥＤ装置はＬＥＤバルブとして作用することができる。

図４においては、図１の構成要素に、ＬＥＤパッケージ１’、銅箔配線パターン３’、半田層４’及びソケット用鍔７を付加してある。すなわち、ＬＴＣＣ基板２の第２の面Ｓ２上の銅箔配線パターン３’に半田層４’によって装着される。また、ソケット用鍔７はＬＴＣＣ基板２とヒートシンク６との間に配置され、ヒートパイプ５がソケット用鍔７を貫通している。

次に、図４のＬＥＤ装置の製造方法を図５を参照して説明する。尚、図５の（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を示し、図５の（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。

始めに、図５の（Ａ）ＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を説明する。１５００℃以上を有する耐熱性のアルミナ又は鉄製の下型２４及び上型２５を準備する。次いで、銅箔配線パターン３’、ＬＴＣＣシート２１、２２、ヒートパイプ５、ＬＴＣＣシート２３、銅箔配線パターン３及び上型２５を順番に下型２４の中へ収める。この場合、銅箔配線パターン３のＬＴＣＣシート２３側の面及び銅箔配線パターン３’のＬＴＣＣシート２１側の面には、溶融温度が焼成温度９００℃に近い銀ペースト、銀粉、ゲルマニウム等をバインダとして予め付着させておく。また、ＬＴＣＣシート２２とヒートパイプ５とは同時に収められる。

次に、下型２４と上型２５とを加圧状態にして約９００℃でＬＴＣＣ基板を焼成する。ＬＴＣＣ基板の焼成後、下型２４及び上型２５を取外してＬＴＣＣシート２１、２２、２３が一体焼成されたＬＴＣＣ基板２が完成する。

次に、図２の（Ｂ）ＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を説明する。ヒートパイプ５の放熱側端部の開口から作動液たとえば水及びウィック５ａを入れた後、ヒートパイプ５の放熱側端部を封止してヒートパイプ５を完成する。

次に、ＬＥＤパッケージ１を銅箔配線パターン３上に半田層４によって実装すると共に、ＬＥＤパッケージ１’を銅箔配線パターン３’上に半田層４’によって実装する。尚、ＬＥＤパッケージ１、１’を銅箔配線パターン３、３’に直接ボンディングしてもよい。

次に、ヒートパイプ５の放熱側端部をソケット用鍔７に通してＬＴＣＣ基板２に固定する。

最後に、ヒートシンク６をヒートパイプ５の放熱側端部にろう付等で結合する。

尚、銅箔配線パターン３、３’はＬＴＣＣ基板の焼成後に高温焼付けしてもよい。

図４のＬＴＣＣ基板２も２つのＬＴＣＣシートを積層して低温焼成されたＬＴＣＣ基板２’とすることもできる。つまり、図４のＬＴＣＣシート２２を省略し、ＬＴＣＣシート２１、２３をより少し小さめのＬＴＣＣシート２１’、２３’によりＬＴＣＣ基板２’を形成することができる。この場合のＬＥＤ装置の製造方法を図６を参照して説明する。尚、図６の（Ａ）はＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を示し、図６の（Ｂ）はＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程を示す。

始めに、図６の（Ａ）ＬＴＣＣ基板の焼成前組立工程を説明する。図６の（Ａ）の下型２４及び上型２５より小さい下型２４’及び上型２５’を準備する。次いで、銅箔配線パターン３’、ＬＴＣＣシート２１’、ヒートパイプ５、ＬＴＣＣシート２３’、銅箔配線パターン３及び上型２５’を順番に下型２４’の中へ収める。この場合、銅箔配線パターン３のＬＴＣＣシート２３’側の面、銅箔配線パターン３’のＬＴＣＣシート２１’側の面、及びヒートパイプ５の受熱側端部には、溶融温度が焼成温度９００℃に近い銀ペースト、銀粉、ゲルマニウム等をバインダとして予め付着させておく。

次に、下型２４’と上型２５’とを加圧状態にして約９００℃でＬＴＣＣ基板を焼成する。ＬＴＣＣ焼成後、下型２４’及び上型２５’を取外してＬＴＣＣシート２１’、２３’が一体焼成されたＬＴＣＣ基板２’が完成する。

以下、図６の（Ｂ）ＬＴＣＣ基板の焼成後組立工程及びそれ以降の工程は図５の（Ｂ）の場合と同様である。

尚、上述の実施の形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いたが、本発明はレーザダイオード（ＬＤ）素子等の他の発光素子にも適用し得る。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内でのいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る半導体発光装置は、車両用灯具、たとえば前照灯、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）、及び液晶プロジェクタ等のリフレクタを用いた照明装置に利用できる。

１：ＬＥＤパッケージ
２、２’：ＬＴＣＣ基板
２１、２２、２３、２１’、２３’：ＬＴＣＣシート
３、３’：銅箔配線パターン
４、４’：半田層
５：ヒートパイプ
６：ヒートシンク
７：ソケット用鍔
Ｓ１：第１の面
Ｓ２：第２の面
１０１：ＬＥＤパッケージ
１０３：プリント配線基板
１０３１：絶縁層
１０３２：銅箔配線層
１０３３：サーマルビア
１０４：熱界面材料（ＴＩＭ）層
１０５：ヒートシンク
２０３：プリント配線基板
２０３１：金属コア層
２０３２：絶縁層
２０３３：銅箔配線層
３０１：電子部品
３０２：プリント配線基板
３０２１：絶縁層
２０２２：配線層
３０３：芯材
３０３ａ：絶縁性接着剤
３０４：ヒートパイプ
３０５：放熱フィン

Claims (9)

1. 第１の半導体発光パッケージと、
   ガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる低温焼成セラミックス基板と、
   前記低温焼成セラミックス基板の第１の面上に設けられ、前記第１の半導体発光パッケージが実装される第１の銅箔配線パターンと、
   前記低温焼成セラミックス基板内に受熱側端部が埋め込まれた銅製のヒートパイプと
   を具備する半導体発光装置。
2. さらに、第２の半導体発光パッケージと、
   前記低温焼成セラミックス基板の第２の面上に設けられ、前記第２の半導体発光パッケージが実装される第２の銅箔配線パターンと
   を具備する請求項１に記載の半導体発光装置。
3. さらに、前記ヒートパイプの放熱側端部に設けられたヒートシンクを具備する請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. さらに、前記低温焼成セラミックス基板の前記ヒートパイプ側に設けられたソケット用鍔を具備する請求項２に記載の半導体発光装置。
5. 耐熱性下型の中に、ガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる第１のセラミックスシート、銅製のヒートパイプ、ガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる第２のセラミックスシート、第１の銅箔配線パターン及び耐熱性状上型を順番に組立てる組立工程と、
   前記組立工程後に、前記耐熱性下型と前記耐熱性上型とを加圧状態にして前記ヒートパイプ及び前記第１の銅箔配線パターンの溶解温度より低い温度で焼成して低温焼成セラミックス基板を形成する低温焼成工程と、
   前記低温焼成工程後、前記耐熱性下型及び前記耐熱性上型を取り外し、前記第１の銅箔配線パターン上に第１の半導体発光パッケージを実装する実装工程と
   を具備する半導体発光装置の製造方法。
6. 前記組立工程は、さらに、前記ヒートパイプを囲むガラス成分を含むアルミナセラミックスよりなる第３のセラミックスシートを前記ヒートパイプと共に前記耐熱性下型に組立てる請求項５に記載の半導体発光装置の製造方法。
7. 前記組立工程は、前記耐熱性下型の中に、さらに、前記第１のセラミックスシートの前に第２の銅箔配線パターンを組立て、
   前記実装工程は前記第２の銅箔配線パターン上に第２の半導体発光パッケージを実装する請求項５に記載の半導体発光装置の製造方法。
8. さらに、前記耐熱性下型及び前記耐熱性上型を取り外した後に、前記ヒートパイプの放熱側端部にヒートシンクを設ける工程を具備する請求項５に記載の半導体発光装置の製造方法。
9. さらに、前記耐熱性下型及び前記耐熱性上型を取り外した後に、前記低温焼成セラミックス基板の前記ヒートパイプ側にソケット用鍔を設ける工程を具備する請求項７に記載の半導体発光装置の製造方法。
   
   

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