JP4699042B2 - 発光素子用配線基板ならびに発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、発光ダイオード等の発光素子を搭載するための発光素子用配線基板ならびに発光装置に関する。
近年、高輝度の白色光を発生する発光素子が開発され、この発光素子を用いた発光装置は、携帯電話や大型液晶テレビ等のバックライトとして多く用いられるようになっている。しかしながら、発光素子の高輝度化が進むにつれて発光装置から発生する熱も増加しており、発光素子の輝度の低下を防止する為には、このような熱を発光素子より速やかに放散することのできる高熱放散性の発光素子用配線基板が必要となっている（特許文献１、２参照）。
特開平１１−１１２０２５号公報
特開２００３−３４７６００号公報
ところで、配線基板の絶縁基板としてはアルミナ製のものが一般に使用されていたが、アルミナでは、熱伝導率が約１５Ｗ／ｍ・Ｋと低い。従って、アルミナに代わるものとして高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムが注目されている。しかし、窒化アルミニウムは原料コストが高い上に、難焼結性のため高温での焼成が必要であり、プロセスコストが高いという問題がある。
一方、樹脂製の絶縁基板も使用されているが、樹脂製の絶縁基板は、非常に安価であるが、熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍ・Ｋと非常に低く、熱に対する問題に全く対処することができない。すなわち、安価で、熱伝導性に優れた絶縁基板を備えた配線基板は未だ提供されていない。
従って本発明の目的は、安価で、熱放散性に優れた絶縁基板を備えた発光素子用配線基板及び該配線基板を用いた発光装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、セラミックスから成る絶縁基板と、該絶縁基板の表面または内部に形成された配線導体層とを備え、該絶縁基板の一方の面上に発光素子が搭載される発光素子用配線基板において、
前記絶縁基板の発光素子が搭載される一方の面から該面の反対側の他方の面に向かって貫通して延びており且つ前記セラミックスよりも高い熱伝導率を有する放熱ブロックが設けられており、
該放熱ブロックは、前記絶縁基板から成るセラミックスと焼成されて一体化された複数の放熱ブロックからなり、該複数の放熱ブロックが、前記発光素子が搭載される搭載領域に間隔をあけて配列されているとともに、前記絶縁基板の一方の面から該面の反対側の他方の面に向かって貫通し、そのまま前記絶縁基板の他方の面から突出してそれぞれ凸部を形成し、前記絶縁基板の他方の面側には前記凸部による放熱面が形成されていることを特徴とする発光素子用配線基板が提供される。
前記絶縁基板の発光素子が搭載される一方の面から該面の反対側の他方の面に向かって貫通して延びており且つ前記セラミックスよりも高い熱伝導率を有する放熱ブロックが設けられており、
該放熱ブロックは、前記絶縁基板から成るセラミックスと焼成されて一体化された複数の放熱ブロックからなり、該複数の放熱ブロックが、前記発光素子が搭載される搭載領域に間隔をあけて配列されているとともに、前記絶縁基板の一方の面から該面の反対側の他方の面に向かって貫通し、そのまま前記絶縁基板の他方の面から突出してそれぞれ凸部を形成し、前記絶縁基板の他方の面側には前記凸部による放熱面が形成されていることを特徴とする発光素子用配線基板が提供される。
本発明の発光素子用配線基板においては、前記凸部が半球形状を有していることが好ましい。
本発明によれば、また、上記の発光素子用配線基板に発光素子を搭載してなることを特徴とする発光装置が提供される。
本発明の発光素子用配線基板では、セラミックス製の絶縁基板を用いているため、樹脂製絶縁基板を用いている場合に比して高い熱伝導率を有し、且つ長期間にわたって発光素子から発する光に暴露されても分子構造が変化することがないため、色調変化（黒色化など）や、特性の劣化が起こりにくく、高い信頼性を有している。
また、上記配線基板では、発光素子が搭載される領域に、該絶縁基板よりも高い熱伝導率を有する放熱ブロックが該絶縁基板を貫通するように形成されているため、発光素子から発生する熱を速やかに配線基板外へ放出することができる。特に、この放熱ブロックには、絶縁基板の発光素子搭載側面とは反対側の面に、該絶縁基板の面から突出して露出している凸部が形成されており、このような凸部が複数集まって放熱面を形成しているため、放熱面の表面積が大きくなり、効率よく熱を配線基板外へ放出して、発光素子の過剰な加熱を防止することができ、この結果、この配線基板に搭載される発光素子の輝度低下を防ぎ、あるいは高輝度にすることが可能となる。
従って、上記の発光素子用配線基板に発光素子が搭載された発光装置では、発光素子からの発熱を速やかに装置外に放出することができるため、発熱による輝度低下が少ない。
本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、発光素子用配線基板の概略側断面図であり、
図２は、図１（ｂ）の配線基板に形成されている放熱ブロックの凸部を拡大して示す図であり、
図３は、本発明の発光素子用配線基板の概略側断面図であり、
図４は、発光素子用配線基板の他の例の概略側断面図であり、
図５は、発光素子用配線基板に発光素子を搭載した発光装置の概略側断面図である。
図１は、発光素子用配線基板の概略側断面図であり、
図２は、図１（ｂ）の配線基板に形成されている放熱ブロックの凸部を拡大して示す図であり、
図３は、本発明の発光素子用配線基板の概略側断面図であり、
図４は、発光素子用配線基板の他の例の概略側断面図であり、
図５は、発光素子用配線基板に発光素子を搭載した発光装置の概略側断面図である。
発光素子用配線基板（全体として１１で示す）は、セラミックス製絶縁基板１を有しており、この絶縁基板１の表面或いは内部には配線導体層が形成されている。即ち、絶縁基板１の一方の面１ａ（後述する発光素子が搭載される側の搭載面）には、発光素子（図５において２１で示されている）に接続される接続端子３ａ，３ｂが形成され、絶縁基板１の他方の面１ｂには、外部電極端子５，５が形成されており、接続端子３ａ，３ｂと外部電極端子５，５とは、絶縁基板１を貫通して延びているビア導体７によって電気的に接続されている。このような接続端子３ａ，３ｂ、外部電極端子５，５及びビア導体７によって、配線導体層が形成されている。
本発明においては、放熱ブロック８が、発光素子が搭載される領域（図１において９で示す）に設けられていることが重要な特徴である。放熱ブロック８は、絶縁基板１を形成するセラミックスよりも熱伝導率の高い材料（具体的には、金属或いは合金）で形成されており、絶縁基板１の発光素子搭載面１ａからその反対側の他方の面１ｂに貫通して延びている。即ち、このような放熱ブロック８を形成することにより、搭載面１ａに搭載された発光素子から発生する熱を速やかに、絶縁基板１の他方の面１ｂから放散することができ、発熱による発光素子の輝度低下を防ぐことが可能となる。
また、上記の放熱ブロック８は、発光素子の搭載面１ａと反対側の面１ｂ側に、この面１ｂから突出して露出している凸部１０が形成されていることも重要である。即ち、図から明らかなように、このような凸部１０が複数形成されており、放熱ブロック８の放熱面は、このような複数の凸部１０により形成されている。これにより、放熱面の表面積が大きくなり、放熱効果を高めることができる。
本発明において、放熱ブロック８の凸部１０は任意の形態とすることができ、例えば、図１（ａ）では、凸部１０は矩形状の断面を有しており、図１（ｂ）では、凸部１０は半球形状を有しており、また図１（ｃ）の例では、複数の凸部１０が波形形状に形成されている。これらの中では、特に放熱面の表面積を増大させ、高い放熱効果を確保できるという点で、凸部１０を半球形状とすることが好ましい。
本発明において、上記のような放熱ブロック８は、例えば後述する図５に示されているように、搭載面１ａ側の面積が、搭載される発光素子２１の搭載面の面積よりも大きく形成されていることが好ましく、これにより、発光素子２１で発生した熱を有効に放熱ブロック８に伝達し、放熱することができる。
また、上記のような放熱ブロック８において、複数の凸部１０により形成されている放熱面の面積は、その搭載面１ａ側の面積の１．１倍以上、特に１．２倍以上に設定されていることが好ましく、これにより、放熱ブロック８に伝達された発光素子からの熱を、一層効率よく放熱することができ、さらにはこの発光素子用配線基板１１の小型化を実現する上でも好適である。
さらに、図１（ｂ）の凸部１０を拡大して示す図２を参照して、かかる凸部１０の高さｈは、通常、１０μｍ以上、特に２０μｍ以上とすることが、放熱効果を著しく高め、発光素子の過熱を防止する上で最も好適である。
上述した図１の例では、単一の放熱ブロック８が発光素子（２１）の搭載領域９に形成されているが、このような凸部１０を有する放熱ブロック８を、搭載領域９に複数配列して設けることもできる。
本発明の発光素子用配線基板１１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、小径の円柱形状の放熱ブロック８が複数、適当な間隔で、搭載領域９に配列されている。この場合、図３（ａ）の例では、各放熱ブロック８に形成されている凸部１０は矩形状断面を有しており、図３（ｂ）の例では、各放熱ブロック８に形成されている凸部１０は半球状断面を有している。但し、これらの例では、隣り合う放熱ブロック８の間隔が大きすぎると、放熱効果が著しく低減してしまうため、できるだけ単位面積当りに多くの放熱ブロック８を配置し、その間隔をできるだけ小さくすることが放熱効果を高める上で好ましい。また、これらの態様においては、凸部１０は、絶縁基板１の面１ｂから突出している部分の高さが、前述した範囲（１０μｍ以上、特に２０μｍ以上）にあることが好ましい。
上述した発光素子用配線基板１１では、後述する図５に示されているように、絶縁基板１の一方の面（搭載面）１ａの搭載領域９上に発光素子２１が搭載されるが、図４に示されているように、発光素子２１が接続される接続端子３ａ，３ｂを取り囲むようにして、セラミックス製或いは金属製の枠体１３を、例えば半田等の接着材１７により接着固定しておくことができる。このような枠体１３を設けることにより、この枠体１３内に発光素子を収納することができ、発光素子を保護できるとともに、発光素子の周辺に蛍光体などを容易に配置することができる。また、枠体１３により発光素子の発する光を反射させて所定の方向に誘導することもできる。このような枠体１３の内面１３ａには、図示されていないが、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇなどからなるめっき層を形成し、反射率を高めることができる。なお、枠体１３をセラミックスにより形成する場合には、絶縁基板１と、枠体１３とを同時焼成してもよい。
尚、上述した本発明の発光素子用配線基板１１において、放熱ブロック８には、所定の配線導体層を電気的に接続しておくことにより、放熱ブロック８に電気回路としての機能を持たせることもでき、これは、配線基板１１の小型化に有利である。
また、上述した接続端子３ａ，３ｂ、外部電極５、ビア導体７及び放熱ブロック８は、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属乃至合金により形成することが、絶縁基板１を構成するセラミックスとの同時焼成により、安価に配線基板１１を製造する上で好ましいが、特に接続端子３ａ，３ｂ、外部電極５及び放熱ブロック８の表面には、必要により、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｌやＡｇめっきを施すことが好ましい。これにより、これら部材の反射率を向上させ、発光素子の輝度低下を一層有効に防ぐことができる。
以上説明した例では、ビア導体７を設けた例について説明したが、必ずしもビア導体７を設ける必要は無く、例えば絶縁基板１の外面に沿って導体層を設けて接続端子３ａ，３ｂと外部電極端子５，５とを接続することも可能である。また、絶縁基体１が複数の絶縁層を積層した多層構造を有していてよいことは勿論である。
本発明において、絶縁基板１は、各種のセラミックスにより形成されるが、そのセラミックスの種類により、用途に応じた特性を付与することができる。
例えば、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体を用いて絶縁基板１を形成する場合には、絶縁基板１の熱膨張係数を１０×１０−６／℃程度に制御でき、汎用品であるプリント基板（１０×１０−６／℃以上の熱膨張係数を有している）への実装信頼性を向上させることができる。また、絶縁基板１の熱伝導係数を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができ、放熱性の点でも好適である。なお、ＭｇＯを主結晶相とするＭｇＯ質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、ＭｇＯのピークが主ピークとして検出されるようなもので、ＭｇＯの結晶を体積比率として、５０体積％以上含有していることが望ましい。
このようなＭｇＯ質焼結体は、例えば、平均粒径０．１〜８μｍの純度９９％以上のＭｇＯ粉末に、Ｙ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３などの希土類元素酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤粉末（通常、平均粒径０．１〜８μｍ）を添加した混合粉末より得られた成形体を、１３００〜１７００℃の温度範囲で焼成することによって得られるものである。また、上記のＭｇＯ粉末の代わりに、あるいはＭｇＯ粉末と共に、ＭｇＡｌ２Ｏ４やＭｇＯ・ＳｉＯ２系のＭｇＯ含有複合酸化物を用いることもできる。また、焼結助剤粉末の混合粉末中の含量は、焼成温度を低くして配線導体層等を形成する各種の金属と同時焼成を可能とするために、３質量％以上、さらには５質量％以上であることが好ましいが、ＭｇＯを主結晶とする緻密体を形成するという点では、通常、３０質量％以下、特に２０質量％以下、最も好適には１０質量％以下とすることが望ましい。
また、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体を用いて絶縁基板１を形成する場合には、製造コストを安価にするという利点がある。Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ２Ｏ３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ２Ｏ３の結晶を体積比率として、５０体積％以上含有していることが望ましい。
このようなＡｌ２Ｏ３質焼結体は、例えば、平均粒径１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ２Ｏ３粉末に、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｍｎ２Ｏ３の群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤粉末（通常、平均粒径１．０〜２．０μｍ）を添加した混合粉末を用いて形成された成形体を１３００〜１６００℃の温度範囲で焼成することによって得られる。
また、混合粉末中の焼結助剤粉末含量は、焼成温度を低くして配線導体層等を形成する各種の金属と同時焼成を可能とするために、５質量％以上、さらには７質量％以上であることが好ましいが、Ａｌ２Ｏ３を主結晶とする緻密体を得るために、１５質量％以下、特に１０質量％以下とすることが望ましい。
さらに、絶縁基板１の作製には、上記以外のセラミックス、例えばＡｌＮやＳｉ３Ｎ４、ムライトなどを主結晶とする焼結体を用いることもできる。また、１０００℃程度の温度で焼成されるＬＴＣＣを用いてもよい。
本発明の発光素子用配線基板１１を製造するには、先ず、上述したＭｇＯやＡｌ２Ｏ３の粉末と各種焼結助剤粉末との混合粉末に、バインダー、溶剤を添加して、成形用スラリーを作製し、ドクターブレード法等の公知の成形手段により、シート状の成形体（グリーンシート）を作製する。
次いで、このグリーンシートの所定位置にビア導体用のスルーホールをレーザ加工等によって形成し、この内部に、配線導体層の金属粉末を含有する導体ペーストを充填し、必要により、その表面或いは裏面に接続端子３ａ，３ｂや外部電極５，５に対応するパターンで導体ペーストをスクリーン印刷等により形成し、焼成用成形体を作製する。尚、この焼成用成形体は、必要により、前記のグリーンシートの複数毎を積層圧着したものであってもよい。
上記の焼成用成形体を、酸化雰囲気、還元雰囲気、あるいは不活性雰囲気において、前述した焼成温度で焼成することで、表面や内部に接続端子３ａ，３ｂや外部電極端子５，５やビア導体７などの配線導体層が形成された絶縁基板１が作製される。
尚、表面や裏面の配線導体層（接続端子３ａ，３ｂや外部電極端子５，５）は、蒸着等の薄膜法により形成することもできるし、金属箔を焼成用成形体の表面に転写するなどして形成できることはいうまでもない。
上記のようにして得られた絶縁基板１の所定位置に、放熱ブロック８用の貫通孔を、レーザ加工、研削加工等により形成する。この貫通孔に、予め切削やエッチング等により所定形状に成形された純度９９％以上の金属塊からなる放熱ブロック８を接着剤等で接合することにより、発光素子用配線基板１１を得ることができる。
前述した焼成用成形体の所定位置に、放熱ブロック用の金属成形体となる金属粒子を含む導体ペーストを充填し、これを所定温度で焼成することによっても、本発明の発光素子用配線基板１１を得ることができる。
このようにして形成された発光素子用配線基板１１には、例えば、図５に示すように、ＬＥＤチップなどの発光素子２１を搭載し、ボンディングワイヤ２３により接続端子３ａ，３ｂに発光素子２１を電気的に接続することにより、全体として２５で示す発光装置が得られる。
即ち、この発光装置２５では、接続端子３ａ，３ｂを介して発光素子２１に給電することにより、発光素子２１を機能させることができる。また、この発光装置２５では、発光素子２１からの発熱を、複数の凸部１０が形成された放熱ブロック８の放熱面から速やかに放出することができるため、発熱による輝度低下が抑制され、高輝度に発光させることができる。
本発明の発光素子用配線基板１１は熱放散性が良好であるため、発光装置２５にはヒートシンク等の放熱部材が不要となり、実装される電気機器の小型化に寄与できる。なお、ヒートシンクを設けることで、更に放熱性が向上するため、例えば、ヒートシンクのような冷却装置を発光装置２５に設けることも勿論可能である。
尚、図５（ａ）の発光装置２５は、図１（ｂ）の配線基板１１に発光素子２１を搭載したものであり、図５（ｂ）の発光装置２５は、図４に示された枠体１３が設けられている配線基板１１に発光素子２１を搭載したものであり、何れの場合も、発光素子２１は、接着剤２９により発光素子用配線基板１１に固定され、また、透明な樹脂製のモールド材３１により発光素子２１は被覆されている。
このような発光装置２５においては、電力の供給はワイヤボンド２３によりなされているが、発光素子用配線基板１１との接続形態は、フリップチップ接続であってもよいことはいうまでもない。
また、発光素子２１は、モールド材３１により被覆されているが、モールド材３１を用いずに、蓋体（図示せず）を用いて封止してもよく、また、モールド材３１と蓋体とを併用してもよい。蓋体を用いる場合には、蓋体は、ガラスなどの透光性の素材を用いることが望ましい。また、モールド材３１には発光素子２１が放射する光を波長変換するための蛍光体（図示せず）が添加されていてもよい。
以上のように、本発明の発光装置によれば、発光素子からの発熱を速やかに装置外に放出することができるため、発熱による輝度低下を抑制できる。
１：絶縁基板
３ａ，３ｂ：接続端子
５：外部電極端子
７：ビア導体
８：放熱ブロック
１０：凸部
１１：発光素子用配線基板
１３：枠体
２１：発光素子
２５：発光装置
３ａ，３ｂ：接続端子
５：外部電極端子
７：ビア導体
８：放熱ブロック
１０：凸部
１１：発光素子用配線基板
１３：枠体
２１：発光素子
２５：発光装置
Claims (3)
- セラミックスから成る絶縁基板と、該絶縁基板の表面または内部に形成された配線導体層とを備え、該絶縁基板の一方の面上に発光素子が搭載される発光素子用配線基板において、
前記絶縁基板の発光素子が搭載される一方の面から該面の反対側の他方の面に向かって貫通して延びており且つ前記セラミックスよりも高い熱伝導率を有する放熱ブロックが設けられており、
該放熱ブロックは、前記絶縁基板から成るセラミックスと焼成されて一体化された複数の放熱ブロックからなり、該複数の放熱ブロックが、前記発光素子が搭載される搭載領域に間隔をあけて配列されているとともに、前記絶縁基板の一方の面から該面の反対側の他方の面に向かって貫通し、そのまま前記絶縁基板の他方の面から突出してそれぞれ凸部を形成し、前記絶縁基板の他方の面側には前記凸部による放熱面が形成されていることを特徴とする発光素子用配線基板。 - 前記凸部が、半球形状を有している請求項１に記載の発光素子用配線基板。
- 請求項１又は２に記載の発光素子用配線基板に発光素子を搭載してなることを特徴とする発光装置。
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