JP5046507B2

JP5046507B2 - 発光素子用配線基板および発光装置

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Publication number: JP5046507B2
Application number: JP2005312589A
Authority: JP
Inventors: 秀洋有川; 康博佐々木; 智英長谷川; 美奈子泉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007123484A

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および発光装置に関する。

従来、ＬＥＤを用いた発光装置は、非常に発光効率が高く、しかも、白熱電球などと比較すると発光に伴い発生する熱量が小さいために様々な用途に用いられてきた。しかしながら、白熱電球や蛍光灯などと比較すると発光量が小さいために、照明用ではなく、表示用の光源として用いられ、通電量も３０ｍＡ程度と非常に小さいものであった（特許文献１参照）。

そして、近年では、発光素子を用いた発光装置を携帯電話や大型液晶ＴＶ等のバックライトへも用途が拡大してきている。

この用途拡大により発光素子の高輝度化が要求され、これに伴い、発光装置から発生す
る熱も増加しており、熱ストレスにより充填材が充填部から剥離するという問題が発生している。これに対して、凹状の収納部の底面に発光素子を実装し充填材を充填する収納部の開口端をひさしのようにつきだして、充填材の剥離及び落下を防ぐ構造がとられている（特許文献２参照）。
特開２００２−１３４７９０号公報特開２００４−１１１９３７号公報

しかしながら、さらなる発光素子の高輝度化要求により、発光装置から発生する熱も増加傾向にあり、現状の構造では充填材の剥離及び落下防止が難しくなってきた。また、熱硬化時の収縮が大きな充填材では、剥離及び落下を防ぐためにつきだし部を長くしなければならない。そうすると、つきだし部により、素子からの発光が遮られ、発光効率が悪化するという課題がある。

本発明は、発光素子からの光取り出しの阻害を抑制するとともに、充填材の剥離及び落下を抑制することのできる発光素子用配線基板及び発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光素子用配線基板は、発光素子を収納するための凹状の収納部を備えた発光素子用配線基板であって、前記収納部は、その内法が開口に向けて等しいかまたは大きくなっており、前記収納部の側壁のうち前記収納部の底側に、前記収納部の内側に螺旋状に突出し、前記底側に空間を有するように設けられた凸部を備えていることを特徴とする。

本発明の発光装置は、上記の発光素子用配線基板の前記収納部に発光素子が搭載された発光装置であって、前記収納部に、前記発光素子と前記凸部とを一体的に覆い、かつ前記凸部の下側の前記空間に回り込むように充填材が充填されていることを特徴とする。

本発明によれば、充填材の剥離に起因する充填材の浮き上り及び落下を防ぐことができ、さらに発光素子の発光面よりも下側の側壁に凸部を配置する事で発光素子からの光を遮ることによる発光効率の低減を招くことなく、充填剤を保持する事ができる。

本発明の発光素子用配線基板は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、セラミックスにより形成された絶縁層１を積層して形成された絶縁基体３と、絶縁基体の一方の主面３ａに形成された接続端子５、絶縁基体３の他方の主面３ｂに形成された外部電極端子７、接続端子５と外部電極端子７とを電気的に接続するように、絶縁基体３を貫通して設けられた貫通導体９と、絶縁基体の一方の主面３ａに形成された枠体１０と、この枠体１０により形成された収納部の側壁１０ａに充填材を係止するために形成された螺旋状の凸部１１（以下、単に、凸部１１と記す場合がある）とを備えている。この凸部１１の下側、つまり絶縁基体３側、あるいは収納部の底側には充填材１７を回り込ませ、充填材１７を係止するための空間１１ａが形成されている。

枠体１０は、搭載される発光素子から発せられる光を所定の方向に反射、誘導するために配設されるもので、この枠体１０の側壁１０ａは、発光素子よりの光の取り出し効率を高くするために、収納部の内法が開口に向けて等しいかまたは大きくなるように形成されている。この枠体１０は、金属や樹脂などからなる接着層２１によって絶縁基体３に接続されている。また、あるいは枠体１０は、絶縁基体３と一体化して形成されていてもよい
。

そして、絶縁基体の一方の主面３ａに発光素子１３を搭載し、この発光素子１３と接続端子５とをワイヤ１５により接続し、さらに充填材１７が発光素子１３と凸部１１とを一体的に覆うように収納部に充填し、凸部１１の下側の空間１１ａにまで充填材１７を回り込むようにすることで本発明の発光装置が得られる。また、本発明においては、発光素子１３からの光をより効率的に利用するために凸部１１は発光素子１３の発光面１３ａよりも下側の側壁に形成されている。

このような発光装置では、充填材１７が凸部１１を覆うように充填されることで充填材１７が凸部１１によって収納部内に強固に固定される。この固定方法は充填材１７と枠体１０の側壁１０ａあるいは絶縁基板１との接着力のみによるものではないため、仮に充填材１７の接着力が劣化したとしても充填材１７が収納部に固定された状態を維持することができる。

また、図２（ａ）に示すように、凸部１１は、充填材の浮き上り、落下をアンカー効果で防ぐ機能を有するため周方向に複数設けることが望ましく、安定性の点からは特に３つ以上設けることが望ましい。

また、例えば、図２（ｂ）に示すように、凸部１１を周方向に長く形成して、例えば堤状の凸部１１を設けた場合には、凸部１１一つあたりの充填材との接触面積が向上するためアンカー効果を向上させることができる。

なお、例えば、図３に示すように、堤状に形成した凸部１１は、枠体１０の全周にわたってリング状に形成してもよい。

しかも、本発明の発光装置によれば、凸部１１が発光素子１３から発せられた光を遮ることが少ないために、発光効率の高い発光装置となる。

この凸部１１の下側に形成される空間１１ａの深さ、言い換えると凸部１１の先端と、空間１１ａの最外部との経の差は、アンカー効果を十分に発現させるために、０．１ｍｍ以上とすることが望ましく、さらには０．２ｍｍ以上とすることが望ましい。

また、発光素子１３の発光面１３ａと凸部１１との高さの差は、光の損失を小さくするために０．１ｍｍ以上とすることが望ましく、さらに０．２ｍｍ以上とすることが望ましい。

このような形態とするには発光素子用配線基板と発光素子１３とを接続している樹脂や半田、ロウ材などからなる接着層１９の厚みを厚くしたり、あるいは絶縁基体３と発光素子１３との間に厚さを有する部材を介在させてもよい。

なお、充填材１７は透明な樹脂を用いてもよく、あるいは蛍光体を分散させた樹脂を用いてもよい。また、凸部１１の形状は物理的に充填材１３を固定できる形態であればよく、図で説明した範囲に限られるものではない。

また、この絶縁基体３として、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体を用いた場合には、安価な原料を使用でき、安価な発光装置を得ることができる。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ_２Ｏ_３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ_２Ｏ_３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。

また、このような焼結体は、例えば、平均粒径１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ_２Ｏ_３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍのＭｎ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯの群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を添加した成形体を１３００〜１５００℃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。

そして、焼結助剤などのＡｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量については、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶とする緻密体を得るために、望ましくは、１５質量％以下、更に望ましくは、１０質量％以下とすることが望ましい。特に、焼結助剤などのＡｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量を１５質量％以下とした場合には、得られる絶縁基体３の大部分をＡｌ２Ｏ３結晶により形成することができる。また、これらの焼結助剤は、焼成温度を低くするために５質量％以上、さらには７質量％以上添加することが望ましい。なお、絶縁基体３に用いるセラミックスとして、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４などを主結晶とする焼結体を用いても良い。

Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする組成物に、さらに、バインダー、溶剤を添加して、スラリーを作製し、例えば、ドクターブレード法により、シート状の成形体を作製し、さらに、その表面や、シート状の成形体に設けた貫通孔などに、少なくとも金属粉末を含有する導体ペーストを印刷、充填したのち、このシートを積層し、酸化雰囲気、還元雰囲気、あるいは不活性雰囲気で焼成することで、表面や内部に接続端子５や外部電極端子７や貫通導体９などの配線層が形成された発光素子用配線基板を作製することができる。また、配線層は、薄膜法により絶縁基板１の表面に形成したり、金属箔を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。

そして、このような絶縁基体３の表面あるいは内部に、接続端子５、外部電極端子７、貫通導体９を形成することで、発光素子用配線基板に配線回路を形成することができる。

また、枠体１０を、セラミックスにより形成することで、絶縁基体３と枠体１０とを同時焼成することができ、工程が簡略化されるため、安価な発光素子用配線基板を容易に作製することができる。枠体１０に突起部を形成する場合は、シート状成形体の突起を形成する所定の位置に、金型やパンチングなどで打ち抜き加工を施し、加工したシート状の成形体を積層する。この積層体を所定の凸部形状になるよう、上記方法で打ち抜くことで枠体１０を形成することができる。枠体１０を開口形状（側壁が傾斜）にする場合は、突起の先端が台形状の金型を押圧することで開口形状にすることができる。

また、セラミックスは耐熱性、耐湿性に優れているため、長期間の使用や、悪条件での使用にも、優れた耐久性を有する発光装置となる。

また、安価で、加工性に優れた金属により枠体１０を形成することで、複雑な形状の枠体１０であっても、容易に安価に製造することができ、安価な発光素子用配線基板を供給することができる。この金属製の枠体１０は、例えば、ＡｌやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等などにより好適に形成することができる。係穴を形成する場合は、切削加工やエッチング加工で所定の位置に形成することができる。

また、枠体１０の表面には、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇなどからなるめっき層（図示せず）を形成してもよい。

なお、このように枠体１０を金属により形成する場合には、予め、絶縁基体３の主面３ａに金属パターン（図示せず）を形成し、この金属パターンと枠体１５とを、例えば、共晶Ａｇ−Ｃｕろう材等からなるろう材などの接着層２１を介して、接合することができる。

なお、凸部１１の下側の空間１１は、例えば図１（ａ）に示すように、予め、枠体１０を凸部１１の下側に空間１１ａができるように形成してもよく、また、例えば、図１（ｂ）に示すように、接着層２１の厚みや面積を調整して形成することもできる。

そして、例えば、図１（ａ）に示すように、収納部に発光素子１３を搭載し、発光素子１３と接続電極５とをワイヤにて電気的に接続した後、発光素子１３と凸部１１とを一体的に被覆するように充填材１７を充填する。この発光素子用配線基板と発光素子１３との接続には、金属や樹脂からなる接続層１９が用いられる。特に、発光素子１３の熱を効率よく伝達するという観点から、接続層として半田、インジウム、ＡｕＳｎ合金などの金属を用いることが望ましい。

このような発光装置では、ボンディングワイヤ１５を介して発光素子１３に給電することにより、発光素子１３を機能させることができる。

なお、絶縁基板１としてセラミック系の絶縁基板１について詳細に説明したが、絶縁基板１として樹脂系の絶縁基板１を用いてもよい。

発光素子用配線基板の絶縁基体の原料粉末として純度９９％以上、平均粒径１．５μｍ、純度９９％以上のＡｌ_２Ｏ_３粉末９５重量％、平均粒子径１．３μｍ、純度９９％以上のＭｎ２Ｏ３粉末４重量％、平均粒径１．０μｍ、純度９９％以上のＳｉＯ_２粉末６重量％の比率で混合し、原料粉末に対して成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダ１０重量％と、トルエン５０重量％を溶媒として混合し、スラリーを調整した。しかる後に、ドクターブレード法にてＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするグリーンシートを作製した。

導体ペーストは、平均粒子径２μｍのＭｏ粉末およびセラミック材料として平均粒子径１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を５重量％混合し、さらに原料粉末に対してアクリル系バインダ３重量％とフタル酸ジブチルを１５重量％、アセトン７０重量％を混合して減圧ミキサーでアセトンを除去してペースト化した。

次に、上記のセラミックグリーンシートに対して、打ち抜き加工を施し、直径が１００μｍのビアホールを形成し、このビアホール内に、導体ペーストをスクリーン印刷法によって充填するとともに、配線パターン状に印刷塗布し、積層した。

そして、枠体となるセラミックグリーンシートの所定位置に打ち抜き加工を施し、積層圧着した。この打ち抜き加工部にテーパー状の金型を押し付けることで、焼成後の収納部の深さが０．８ｍｍ、開口径上部３．０ｍｍ、下部２．８ｍｍのテーパー状の貫通穴を有するテーパー状枠体を形成した。

また、このテーパー状枠体の下部に、焼成後の開口径２．５ｍｍ、厚み０．２ｍｍのセラミックグリーンシートと、開口径２．８ｍｍ、厚み０．２ｍｍのセラミックグリーンシートとを積層し、凸部を備えた枠体となる積層体を作製した。そして、これらの枠体とな
る積層体と配線パターンを形成した積層体とを、さらに積層圧着して一体化した。

また、比較例として、打ち抜き加工したセラミックグリーンシートを枠体に積層して、開口上部に厚み０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍのひさしを有する枠体を備えた発光素子用配線基板を作製した。また、凸部のないこれらの枠体となる積層体と配線パターンを形成した積層体とを、さらに積層圧着して一体化した。

そして、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、露点＋２０℃の窒素水素混合雰囲気にて１３００〜１５００℃の最高温度で２時間焼成した。

こうして、図１、図２に示すような凸部を有する発光装置、及び、ひさし形状を有する発光素子用配線基板、凸部を有しない発光素子用配線基板を作製した。（絶縁基体の熱膨張係数７．５×１０^−６／℃、熱伝導率１５Ｗ／ｍ・Ｋ）その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉ、ＡｕおよびＡｇめっきを順次施した。

これらの発光素子用配線基板に接着剤として半田を用いて発光素子であるＬＥＤチップを搭載部に実装し、枠体に熱膨張係数が４０×１０^−６／℃のエポキシ樹脂からなる充填材を注入して、発光装置を得た。その際、充填材が発光素子と凸部および凸部の下側に形成された空間とを一体的に覆うようにした。また、ひさし形状の枠体の場合には充填材がひさしと接触するように充填材を充填した。

なお、本発明の試料については、凸部の上面が発光素子の発光面よりも０．２ｍｍ低くなるようにするために、発光素子と絶縁基体との間に厚みが０．２ｍｍのＣｕ−Ｗ（Ｃｕ：４５体積％、Ｗ：５５体積％）の金属板を配設した。なお、発光素子と金属板、金属板と絶縁基体とは、ロウ材を用いて接合した。

得られた発光装置に対して、−４０℃〜１２５℃の温度サイクル試験を３００サイクル行い、１００サイクルごとに基板を抜き取り、充填材の接合状態をマイクロスコープで観察した。

ひさしも凸部もない枠体を用いた試料では、１００サイクルで充填材が剥離した。

一方、ひさしを設けた試料も本発明の凸部を設けた試料も３００サイクルを越えて充填材の剥離は観察されず、両者は十分な信頼性を示した。

また、発光装置に０．４Ａの電流を通電し、全放射束測定を行った。なお、全放射束測定は大塚電子社製の発光特性評価装置を用いて測定した。

全放射束測定は、ひさしを設けた試料に比べ、本発明の試料は７％高くなり、充填材の剥離を抑制できるとともに、光の取り出し効率に優れた発光装置となった。

本発明の発光装置の断面図である。本発明の発光装置の上面図である。本発明の他の形態の発光装置の上面図である。

１・・・絶縁層
３・・・絶縁基体
５・・・接続端子
７・・・外部電極端子
９・・・貫通導体
１０・・・枠体
１１・・・凸部
１１ａ・・・空間
１３・・・発光素子
１７・・・充填材

Claims

発光素子を収納するための凹状の収納部を備えた発光素子用配線基板であって、
前記収納部は、その内法が開口に向けて等しいかまたは大きくなっており、前記収納部の側壁のうち前記収納部の底側に、前記収納部の内側に螺旋状に突出し、前記底側に空間を有するように設けられた凸部を備えていることを特徴とする発光素子用配線基板。
請求項１に記載の発光素子用配線基板の前記収納部に発光素子が搭載された発光装置であって、前記収納部に、前記発光素子と前記凸部とを一体的に覆い、かつ前記凸部の下側の前記空間に回り込むように充填材が充填されていることを特徴とする発光装置。