JP2018026587A - 光学素子用基板及び光学素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】高反射率を維持し、なおかつ、セラミックス基板とその上に形成された配線パターンとの密着性の高い光学素子用基板を得ること。
【解決手段】セラミックス基板１０と、セラミックス基板１０上に形成された中間層１１と、中間層１１上に形成された配線パターン１２を有し、中間層１１は透明で且つ絶縁性の金属酸化物膜であり、平面視において、少なくともセラミックス基板１０上の配線パターン１２が形成されていない領域に中間層１１の一部分が形成される光学素子用基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子用基板及び光学素子パッケージに関する。

発光ダイオード等の光学素子のパッケージに用いられる光学素子用基板は、光線が透過しその背面側に漏えいすると光線の利用効率が低下しエネルギーロスとなるため、反射率が高い方が好ましい。そのような基板材料として、多孔質アルミナセラミックス等のセラミックス基板が知られている。

かかるセラミックス基板を光学素子用基板として用いるためには、当然のその表面に配線パターンを形成しなければならない。一般的に用いられる配線パターンの形成方法には種々のものがあるが、導電性ペーストをスクリーン印刷等の方法で印刷し、焼成する方法は、工程が簡単で、材料の歩留まりも高い等メリットが多い。しかしながら、セラミックス基板上に配線パターンを導電性ペーストを用いて形成すると、形成されたパターンと基板との密着性が低く剥離しやすい欠点がある。

一方で、素子を基板に実装する方法には大きく分けて、ワイヤボンディングとフリップチップ実装の２種類がある。光学素子に関して言えば、完成するパッケージ自体のサイズを小型化し、また、発熱を光学素子用基板へ効率よく逃がすためには、フリップチップ実装のほうが優れているといえる。そこで、セラミックス基板上に光学素子を実装する際にもフリップチップ実装を採用したい。しかしながら、フリップチップ実装では、ワイヤボンディングと異なり、素子と基板の配線パターンとが剛に接続されるため、特に発熱量の多い光学素子の場合、昇温による変形などにより接続部に負荷が生じ、配線パターンが剥離する恐れがある。そのため、光学素子をセラミックス基板に実装する際に、導電性ペーストを用いて形成した配線パターンにフリップチップ実装を用いることができなかった。

例えば、特許文献１には、多孔質アルミナセラミックスを基板として用いた発光ダイオード用パッケージが記載されている。同文献記載の発光ダイオード用パッケージでは、発光ダイオード素子とベース体とは、金線でワイヤーボンディングされている。

一方、特許文献２には、セラミックス基板上にＡｇ及びＡｌからなる金属層をスパッタリング法により所望の電子回路パターンで形成した後、導体ペーストを同じ電子回路パターンで塗布した後焼成することにより、セラミックス基板と導体膜との密着性を高める技術が開示されている。しかしながら、同文献においては、かかるセラミックス基板を光学素子に適用することについては何ら考慮されていない。また、金属層と導体ペーストを正確に同じ電子回路パターンとなるように形成するのは技術的に困難が予想され、微細なパターンには適用が難しいと思われる。

特開２００７−２０１１５６号公報 特開平６−２０４６５６号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、高反射率を維持し、なおかつ、セラミックス基板とその上に形成された配線パターンとの密着性の高い光学素子用基板を得ること、及び、セラミックス基板上にフリップチップ実装により光学素子を実装した信頼性の高い光学素子パッケージを得ることである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）セラミックス基板と、前記セラミックス基板上に形成された中間層と、前記中間層上に形成された配線パターンを有し、前記中間層は透明で且つ絶縁性の金属酸化物膜であり、平面視において、少なくとも前記セラミックス基板上の前記配線パターンが形成されていない領域に前記中間層の一部分が形成され、前記セラミックス基板は、前記中間層を透過した光線を表面で反射することで反射率を維持する光学素子用基板。

（２）（１）において、前記中間層は、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム又はこれらの混合物層である光学素子用基板。

（３）（１）又は（２）において、前記中間層は、実質的に、前記セラミックス基板の全面を覆う光学素子用基板。

（４）（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記配線パターンは、金属粉末の焼結体を含む光学素子用基板。

（５）（１）乃至（４）のいずれかにおいて、前記セラミックス基板は、多孔質アルミナセラミックス基板である光学素子用基板。

（６）（１）乃至（５）のいずれかの光学素子用基板と、フリップチップ実装により前記配線パターンに接続された光学素子と、を有する光学素子パッケージ。

上記（１）又は（２）の側面によれば、高反射率を維持し、なおかつ、セラミックス基板とその上に形成された配線パターンとの密着性の高い光学素子用基板が得られる。

上記（３）の側面によれば、中間層をパターニングする工程が不要であり、製造コストが低く、短絡の心配のない光学素子用基板が得られる。

上記（４）の側面によれば、導電ペーストによる配線パターンの形成が可能である。

上記（５）の側面によれば、高反射率の光学素子用基板が得られる。

上記（６）の側面によれば、セラミックス基板上にフリップチップ実装により光学素子を実装した信頼性の高い光学素子パッケージが得られる。

本発明の実施形態に係る光学素子用基板１概略断面図である。 本発明の実施形態に係る光学素子パッケージの概略断面図である。 本発明の実施形態に係る光学素子用基板の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態に係る光学素子用基板の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態に係る光学素子用基板の製造方法を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態である光学素子用基板について図面を参照して説明する。

ここで、光学素子とは、発光ダイオードに代表される発光素子の他、フォトカプラやフォトダイオード等、電子−光子間の変換を何らかの形で行う素子を意味するものとする。また、素子とは、電子部品のうち、実装基板、封止樹脂や接続端子等の取扱いのために付加される部分を除く、その部品の機能を発現する基幹部分を指す。光学素子用基板は、基板のうち特に光学素子を実装するに適したものであり、光線利用率（すなわち、エネルギー効率）が高くなるよう反射率の高いものが選択される。光学素子が発光ダイオード等の発光素子である場合には、さらに、熱特性（耐熱性、熱伝導率、熱膨張率等）やコストが考慮される。

図１は、本発明の実施形態に係る光学素子用基板１の概略断面図である。光学素子用基板１は、セラミックス基板１０と、セラミックス基板１０上に形成された中間層１１、さらにその上に形成された配線パターン１２からなる。

セラミックス基板１０は、光学素子用基板１の用途や要求諸元に応じてその材質を選択すればよいが、ここでは、多孔質アルミナセラミックス基板である。

中間層１１は、セラミックス基板１０と配線パターン１２との間に介在し、両者の間の密着性を高める働きをする層であり、透明で且つ絶縁性の金属酸化物膜が選択される。中間層１１を構成する金属酸化物は、例えば、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム又はこれらの混合物である。

配線パターン１２は、平面視において所望のパターンとなるよう形成された導体膜であり、本実施形態では、金属粉末の焼結体を含む焼結体層１２０とその上に形成されたメッキ層１２１からなっている。焼結体層１２０は、銅或いは銀粉末等の金属粉末を適宜のバインダーや溶媒、補助剤と混合した導電ペーストを焼成することにより得られる導電性の層である。また、メッキ層１２１は、銅、銀、アルミニウム等の適宜の金属メッキにより得られる層である。なお、メッキ層１２１は不要であれば省略してもよい。

図示の通り、中間層１１は、本実施形態では、セラミックス基板１０の上面の全面を覆うように形成されている。そして、配線パターン１２はセラミックス基板１０の上面に部分的に形成されている。この構造において重要な点は、少なくとも配線パターン１２の強度を有する部分（すなわち、セラミックス基板１０との密着性が要求される部分）は中間層１１を介してセラミックス基板１０上に配置されている点と、中間層１１の平面形状と配線パターン１２の平面形状は一致せず、平面視において、少なくともセラミックス基板１０の配線パターン１２が形成されていない領域に中間層１１の一部分が形成される点である。製造上の観点からは、中間層１１は本実施形態のように実質的にセラミックス基板１０の上面の全面を覆うことが望ましい。また、配線パターン１２の強度の観点からは、中間層１１はその平面形状が配線パターン１２より大きく、配線パターン１２を包含するものであることが望ましい。なお、ここで「実質的に」とは、配線パターン１２と技術的関連がないセラミックス基板１０の周縁部等で部分的に中間層１１が形成されない部分がある場合を含むことを意味している。

すなわち、後ほど述べるように、中間層１１はスパッタリングやイオンプレーティング等の方法を用いて形成されるところ、中間層１１がセラミックス基板１０の実質的に上面の全面を覆う形状であれば、パターンマスクが必要ないので、その製造が容易でかつ低コストとなる。また、中間層１１の平面形状が配線パターン１２より大きく、配線パターン１２を包含するものであれば、配線パターン１２はその全ての領域が中間層１１の上にあることとなり、中間層１１を介してセラミックス基板１０に強固に密着することとなる。これに対し、配線パターン１２の一部分が中間層１１からはみ出しており、中間層１１を介することなくセラミックス基板１０に密着していると、密着性が低いかかる部分を起点として配線パターン１２が剥離する可能性がある。

図２は、本発明の実施形態に係る光学素子パッケージ２の概略断面図である。光学素子パッケージ２は、先に説明した光学素子用基板１の配線パターン１２上にフリップチップ実装により光学素子２０を接続し、全体を透明の封止樹脂２１により覆ったものである。そのため、配線パターン１２と光学素子２０とはバンプ２２により接合される。なお、本実施形態では光学素子２０は発光ダイオードである。また、配線パターン１２には光学素子パッケージ２を外部機器と電気的に接続するための端子が設けられるが、図２には示されていない。

図２に示す光学素子パッケージ２では、光学素子２０から光学素子パッケージ２の背面側に向けて、すなわち、セラミックス基板１０側に向けて出射した光線は、図中矢印Ａで示すように、中間層１１に入射する。ここで、中間層１１は透明であるので、光線は中間層１１を透過し、セラミックス基板１０の表面（もしくはその近傍）で反射され、光学素子パッケージ２の上面側へと取り出されることとなる。

続いて、本発明の実施形態に係る光学素子用基板１の製造方法を図３Ａ乃至３Ｃを参照して説明する。

まず、セラミックス基板１０を用意し、その表面にスパッタやイオンプレーティング等の適宜の手法で、金属膜１３を形成する。この金属膜１３は、酸化され酸化物となった際に、透明かつ絶縁性を有する前述の中間層１１となる材質が選択される。例えば、チタン、タングステン、アルミニウム又はこれらの合金である。この時点では金属膜１３は金属酸化物ではない。この状態を示しているのが図３Ａである。なお、金属膜１３を形成する際に適宜のマスクを用いてパターニングを行ってもよいが、特段その必要はない。

続いて、金属膜１３上に導電ペーストによりパターン１４を形成する。ここでパターン１４の形成方法には特に限定はなく、一般的なウェットプロセスを用いてよいが、版を使用する、いわゆる印刷による形成が簡便さとコストの点で望ましい。印刷の方法にも特に限定はなく、スクリーン印刷、凸／凹版印刷、グラビア印刷等の各種の方式を用いてよいが、図３Ｂでは、スクリーン３、スキージ４を使用するいわゆるスクリーン印刷によりパターン１４を形成する様子を模式的に示している。もちろん、導電ペーストに感光性を付与し、或いは感光性レジストをさらに用いて露光・現像を行ういわゆるフォトリソグラフィの手法によりパターン１４を形成してもよい。

そして、セラミックス基板１０を焼成する。この焼成は通常の酸化雰囲気中で行われ、これにより、金属膜１３は酸化して透明かつ絶縁性の中間層１１へと変化する。また、パターン１４を形成する導電ペーストに含まれる溶媒・有機物等が蒸発・焼失し、金属粉末の粒子同士が結合して焼結体となることにより、パターン１４は焼結体層１２０へと変化する。この結果が図３Ｃに示されている。焼成の条件、例えば温度や時間は、この金属膜１３の中間層１１への変化及びパターン１４の焼結体層１２０への変化が確実になされるように選択される。この過程で、中間層１１はセラミックス基板１０とパターン１４の双方と強く結び付き、焼結体層１２０のセラミックス基板１０への密着性を高める働きをする。また、パターン１４が形成されていない部分における金属膜１３は透明且つ絶縁性の中間層１１へと変化するため、隣接する焼結体層１２０間での短絡を起こすことはないし、セラミックス基板１０の反射率を低下させることもない。

最後に、焼結体層１２０に適宜の金属によりメッキを施し、メッキ層１２１を形成し、配線パターン１２を完成されることにより、図１に示す光学素子用基板１が得られる。

また、本発明の実施形態に係る光学素子パッケージ２の製造方法は、図３Ａ乃至３Ｃにて説明した方法にて得られた光学素子用基板１の配線パターン１２にフリップチップ実装により光学素子２０を接続するとともに必要な端子を作成し、さらに全体を封止樹脂２１で覆い硬化させるというものである。

以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１ 光学素子用基板、１０ セラミックス基板、１１ 中間層、１２ 配線パターン、１２０ 焼結体層、１２１ メッキ層、１３ 金属膜、１４ パターン、２ 光学素子パッケージ、２０ 光学素子、２１ 封止樹脂、２２ バンプ、３ スクリーン、４ スキージ。

Claims (6)

1. セラミックス基板と、前記セラミックス基板上に形成された中間層と、前記中間層上に形成された配線パターンを有し、
   前記中間層は透明で且つ絶縁性の金属酸化物膜であり、
   平面視において、少なくとも前記セラミックス基板上の前記配線パターンが形成されていない領域に前記中間層の一部分が形成され、
   前記セラミックス基板は、前記中間層を透過した光線を表面で反射することで反射率を維持する、
   光学素子用基板。
2. 前記中間層は、酸化チタン、酸化タングステン、酸化アルミニウム又はこれらの混合物層である請求項１記載の光学素子用基板。
3. 前記中間層は、実質的に、前記セラミックス基板の全面を覆う請求項１又は２記載の光学素子用基板。
4. 前記配線パターンは、金属粉末の焼結体を含む請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子用基板。
5. 前記セラミックス基板は、多孔質アルミナセラミックス基板である請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子用基板。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光学素子用基板と、
   フリップチップ実装により前記配線パターンに接続された光学素子と、を有する光学素子パッケージ。

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