JP5349416B2 - 発光素子搭載用基板および発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子が搭載される発光素子搭載用基板およびそれを用いた発光装置に関する。

近年、高輝度で高出力の発光素子を実装した発光装置が開発され、種々の分野に利用されている。このような発光装置は小型、軽量、低消費電力などの特徴を生かして、例えば、光プリンタヘッドの光源、液晶バックライトの光源、各種インジケータの光源などに利用されている。

近年、この発光装置が照明用として使用されるようになり、輝度および放熱性の点でより高特性の発光装置が要求されるようになってきた。また、照明用に使用される場合、発光装置の長寿命化が特に重要な問題である。

従来の発光素子搭載用基板の断面図を図３に示し、この従来の発光素子搭載用基板を用いた従来の発光装置の断面図を図４に示す。これらの図において、11は絶縁性および耐熱性に優れる、例えば、ＢＴ樹脂（ビスマレイミドトリアジン樹脂）、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）、ガラスエポキシ樹脂、液晶ポリマー、セラミックスあるいはシリコン基板等から成る絶縁基板、11ａは発光素子が搭載される搭載部、12は配線導体、14は発光素子搭載用基板、15は発光素子、16はボンディングワイヤ、17はリフレクタと呼ばれる枠体、18は発光素子15を保護する透明樹脂、19は発光装置である。

発光素子搭載用基板14は、上面に発光素子15の搭載部11ａを有する絶縁基板11と、この上面の搭載部11ａおよびその近傍から絶縁基板11の下面にかけて形成された配線導体12を具備し、搭載部11ａには発光素子15が銀（Ａｇ）ペーストや樹脂から成る接着剤でダイボンドされたり、ＳＢＢ（Stud Bump Bonding）法等で実装される。また、発光素子15の電
極（図示せず）は、配線導体12にＡｕ（金）から成るボンディングワイヤ16を介して電気的に接続され、発光素子15にはこれら配線導体12とボンディングワイヤ16を介して、外部電気回路基板（図示せず）から電力や駆動電流が供給される。

なお、配線導体12は、絶縁基板11がセラミックスから成る場合、タングステンやモリブデン−マンガン等を含む導体ペーストを絶縁基板11となるセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）に従来周知のスクリーン印刷法を用いて印刷し、これをグリーンシートと同時に焼成することにより絶縁基板11の所定の箇所にメタライズ層を形成し、その上にめっき法によりニッケル（Ｎｉ）めっき層やＡｕめっき層を施すことにより形成される。

また、絶縁基板11がＢＴ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ガラスエポキシ樹脂あるいは液晶ポリマー樹脂等の有機樹脂から成る場合、配線導体12は、絶縁基板11に圧着された銅箔をケミカルエッチングして所望のパターンにすることにより、あるいは、支持体に圧着された銅箔をケミカルエッチングして所望のパターンに形成してこの銅から成るパターンを絶縁基板１１に接着剤で貼り合せて転写させることにより形成される。

さらに、携帯電話やＰＨＳ（Personal Handyphone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の小型機器における液晶表示器等のバックライト用途に使用される発光素子搭載用基板14においては、その小型化に伴い、微細化・高精度化に適した薄膜形成技術によって形成された薄膜金属から成る配線導体12が使用されるようになってきている。
配線導体12が、例えば薄膜形成技術によって形成された薄膜金属から成る場合、配線導体12としては高輝度化の観点から、光の反射率の高い銀白色系金属であるアルミニウム（Ａｌ）等が好適に使用されている。

そして、絶縁基板11に発光素子15を実装した後、発光素子15は、これを保護するための透明樹脂18により覆われる。この透明樹脂18は、枠体17の内側に熱硬化性のエポキシ樹脂等を充填し、これを加熱硬化することにより形成される。なお、透明樹脂18は、発光素子15を発光素子搭載用基板14に強固に密着させる働きも有する。

このような発光装置19は、外部電気回路基板から供給される駆動電流によって発光素子15を発光させ、可視光を発光することにより、各種インジケータ、光センサ、ディスプレイ、ホトカプラ、バックライト、光プリンタヘッド用に用いられる。なお、発光装置19においては、絶縁基板11の表面や配線導体12の表面で可視光を反射させることにより発光素子15より発光した光をできるだけ有効に利用して高輝度化、高出力化、小型化を行う工夫が図られている。

特開平９−293904号公報 特開平11−354848号公報

しかしながら、上記従来の発光素子搭載用基板14では、配線導体12がＡｌから成る場合、発光素子15の電極と配線導体12とはＡｕから成るボンディングワイヤ16等の電気的接続部材を介して電気的に接続されるが、配線導体12のＡｌとボンディングワイヤ16のＡｕとが金属間化合物を生成し、パープルブレイク現象を引き起こす場合がある。パープルブレイク現象とは、ＡｌとＡｕが反応してＡｕＡｌ_２（紫色の化合物）を生じ、コンタクト抵抗が大きくなって破壊される現象をいう。その結果、発光素子15と発光素子搭載用基板14との電気的な接続の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、発光素子と発光素子搭載用基板との電気的な接続の信頼性を高めるとともに、高輝度化を可能とする発光素子搭載用基板および発光装置を提供することにある。

本発明の発光素子搭載用基板は、上面に発光素子の搭載部を有する絶縁基板と、該絶縁基板の上面の前記搭載部および、前記搭載部の周辺に形成された配線導体とを具備しており、前記配線導体は、チタン，クロムおよびニッケル−クロム合金のうちの少なくとも１種から成る密着金属層と、金から成る主導体層と、チタン，クロム，ニッケル−クロム合金および白金のうちの少なくとも１種から成る拡散防止層と、アルミニウムから成る光反射層とが順次積層されて成り、配線導体と発光素子の電極とを金から成るボンディングワイヤを介して電気的な接続を行なう部位において、光反射層および拡散防止層は形成されず主導体層が露出しており、光反射層は表面に保護膜が被着されていることを特徴とするものである。

本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子搭載用基板と、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体と電気的に接続された発光素子と、前記絶縁基板の上面に前記搭載部を囲繞するように取着された枠体と、該枠体の内部に搭載された前記発光素子を覆うように設けられた透明樹脂とを具備していることを特徴とする。

本発明の発光素子搭載用基板は、上面に発光素子の搭載部を有する絶縁基板と、絶縁基
板の上面の搭載部および、搭載部の周辺に形成された配線導体とを具備しており、配線導体は、チタン，クロムおよびニッケル−クロム合金のうちの少なくとも１種から成る密着金属層と、金から成る主導体層と、チタン，クロム，ニッケル−クロム合金および白金のうちの少なくとも１種から成る拡散防止層と、アルミニウムから成る光反射層とが順次積層されていることから、非活性な金属から成る拡散防止層によって発光素子の発熱の影響や経時変化による光反射層への金属拡散が抑えられ、光反射層の表面色調の変化がなく、発光素子からの光の反射率が劣化することなく反射率を一定の状態に保つことができる。

また、拡散防止層の抵抗値を計測することにより発光素子の発熱量を検出する温度センサとしての機能を持たせることができるので、発光素子を安定した高出力状態で動作させることができるようになり、発光素子から発光された光を効率良く装置外へ長時間にわたり安定して、高出力かつ高輝度で放射させることができる。その結果、より高出力で高輝度化された発光装置を実現できる発光素子搭載用基板とすることができる。

また、配線導体の発光素子の電極が電気的に接続される部位において、拡散防止層および光反射層を形成せず、主導体層を露出させておくことにより、アルミニウムから成る光反射層の成分が金から成るボンディングワイヤ等に拡散するのを有効に防止できるので、発光素子と発光素子搭載用基板との電気的な接続の信頼性の高い発光素子搭載用基板を提供することができる。

また、本発明の発光装置は、上記構成の発光素子搭載用基板と、搭載部に搭載されるとともに配線導体と電気的に接続された発光素子と、絶縁基板の上面に搭載部を囲繞するように取着された枠体と、枠体の内部に搭載された発光素子を覆うように設けられた透明樹脂とを具備していることから、アルミニウムから成る光反射層が形成された発光素子搭載用基板が発光素子から発光された光を効率よく反射することができるとともに、発光素子と発光素子搭載用基板とがボンディングワイヤ等を介して強固に接続されるので、高輝度化、高信頼性を有する発光装置を提供することができる。

本発明の発光素子搭載用基板の実施の形態の一例を示す断面図である。 図１の発光装置の断面図である。 従来の発光素子搭載用基板の断面図である。 図３の発光装置の断面図である。

次に本発明の発光素子搭載用基板および発光装置を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の発光素子搭載用基板の実施の形態の一例の断面図であり、図２は本発明の発光装置の実施の形態の一例の断面図である。

これらの図において、１は絶縁基板、１ａは発光素子の搭載部、Ａは配線導体のうちの主に電気導電路として機能する部位（以下、配線導体領域Ａという）、２ａは配線導体領域Ａの一部である密着金属層、２ｂは配線導体領域Ａの一部である主導体層、Ｂは配線導体のうちの主に光反射を行なうための部位（以下、配線導体領域Ｂという）、３ａは配線導体領域Ｂの一部である拡散防止層、３ｂは配線導体領域Ｂの一部である光反射層であり、主にこれで本発明の発光素子搭載用基板４が構成される。また、５は発光素子、６は電気的接続部材であるボンディングワイヤ、７は枠体、８は透明樹脂であり、主に発光素子搭載用基板４と、発光素子５と、枠体７と、透明樹脂８とで本発明の発光装置９が構成される。

絶縁基板１は、発光素子５の支持基板としての機能を有し、その大きさが例えば２ｍｍ×１ｍｍ×0.3ｍｍ程度の立方体状であり、その上面には発光素子５を搭載する搭載部１
ａを有している。このような絶縁基板１は、ＢＴ樹脂（ビスマレイミドトリアジン）やＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）、ガラスエポキシ樹脂、液晶ポリマー等の有機樹脂や、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスあるいはシリコン基板等の絶縁材料から成り、絶縁基板1が例えば酸化
アルミニウム質焼結体から成る場合、先ずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳiＯ_２）
、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状と成し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに必要に応じて複数枚積層し、これを約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

なお、絶縁基板１の材料として、特に酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体を用いた場合には、これらの材料の熱伝導率が40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、発光素子５が駆動時に熱を発しても、その熱は絶縁基板１を介して良好に伝達されて装置外に放熱される。そのため、発光素子５の放熱性が向上し、発光素子５を長期にわたり正常かつ安定的に作動されることも可能となる。

また、絶縁基板１は、その搭載部１ａや搭載部１ａ周辺から絶縁基板１の下面にかけて、それぞれ幅が100〜200μｍ程度、厚みが0.1〜0.5μｍ程度のチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金のうちの少なくとも１種から成る密着金属層２ａと、厚みが0.5〜2.0μｍ程度のＡｕから成る主導体層２ｂとが順次積層され、配線導体領域Ａが形成されている。また、図１および図２には、絶縁基板１の上面から側面を経て下面にかけて形成された配線導体領域Ａを形成した場合の例を示しているが、この他にも、例示はしていないが、上面および下面に形成された配線導体領域Ａ同士を絶縁基板１の内部に形成した貫通導体を介して電気的に接続しても良い。

配線導体領域Ａは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金のうちの少なくとも１種から成る密着金属層２aは、絶縁基板１に強固に密着する作用をなす。そして主導体層２ｂはＡｕから
成り、発光素子５との電気的接続を長期にわたり安定して実現することができるとともに発光素子５と外部電気回路基板との良好な電気導電路としての作用をする。

このような配線導体領域Ａは、真空蒸着法やスパッタリング法、フォトリソグラフィ法、電解めっき法、無電解めっき法等の従来周知の薄膜成形技術を用いることにより形成される。例えば真空蒸着法を用いて形成する場合には、絶縁基板１を真空蒸着装置の成膜室内に設置して、成膜室内の蒸着源に配線導体領域Ａの密着金属層２ａや主導体層２ｂと成る金属片を配置し、その後、成膜室内を真空状態（10^−２Ｐａ以下の圧力）にするとともに、蒸着源に配置された金属片を密着金属層２ａ、主導体層２ｂの順に順次加熱して蒸着させ、この蒸着した金属片の分子を絶縁基板１に被着させることにより、配線導体領域Ａと成る薄膜金属の層を形成する。そして、薄膜金属層が形成された絶縁基板１にフォトリソグラフィ法を用いて配線導体領域Ａのパターンと成るレジストパターンを形成した後、エッチングによって余分な薄膜金属層を除去することにより、配線導体領域Ａが形成される。

また、フォトリソグラフィ法の一つであるリフトオフ法を用いる場合、配線導体領域Ａの反転パターンと成るマスキング膜をフォトレジスト等で形成し、薄膜金属を被着させ、その後、マスキング膜を除去して配線導体領域Ａを形成してもよい。

なお、密着金属層２ａの厚みは0.1〜0.5μｍが好ましい。0.1μｍ未満では絶縁基板１
に強固に密着させることが困難となる傾向があり、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応
力によって絶縁基板１から剥離し易くなる傾向がある。

さらに、主導体層２ｂの厚みは0.5〜２μｍが好ましい。0.5μｍ未満では主導体層２ｂの電気抵抗が大きくなる傾向があるとともに、ボンディングワイヤ６の密着性が十分でなくなる傾向があり、２μｍを超えると、成膜時の内部応力によって剥離が生じ易くなる傾向がある。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点でなるべく薄く成膜することが望ましい。

配線導体領域Ｂは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、白金（Ｐｔ）のうちの少なくとも１種から成る拡散防止層３ａは、配線導体領域Ａの最表層の主導体層２ｂに強固に密着する作用および、主導体層２ｂのＡｕと光反射層３ｂのＡｌとで金属間化合物を生成することを妨げる拡散防止層の作用をなす。また、光反射層３ｂはＡｌから成り、ほぼ全ての波長領域の可視光に対して高い反射率を有するため、発光装置９の高輝度化を実現する上で、特に必要である。

なお、配線導体領域Ｂは、配線導体と発光素子５の電極との電気的な接続を行なう部位においては形成されずに配線導体領域Ａの主導体層２ｂが露出するようにしておくのがよい。これにより、配線導体と発光素子５の電極との電気的な接続を行なうためのＡｕから成るボンディングワイヤ６と配線導体とでパープルブレイク現象を引き起こすことなく、電気的な接続の信頼性の高い発光素子搭載用基板４とすることができる。

また、拡散防止３ａの厚みは0.1〜0.5μｍが好ましい。0.1μｍ未満では配線導体領域
Ａの最表層の主導体層２ｂに強固に密着させることが困難となる傾向があるとともに、ＡｕとＡｌとの金属間化合物を生成することを妨げる拡散防止層の作用が小さくなる傾向がある。また、0.5μｍを超えると、成膜時の内部応力によって配線導体領域Ａの最表層の
主導体層２ｂから剥離し易くなる傾向がある。

また、拡散防止層３ａは、光反射層３ｂの下地として成膜されることから、絶縁基板１の上面における表面粗さを改善することができ、その結果、拡散防止層３ａの上面をより平滑な表面状態とすることができる。拡散防止層３ａを設けない光反射層３ｂの表面の算術平均粗さＲａは、研磨された絶縁基板１の表面状態を反映し、Ｒａが0.1μｍ程度とな
るが、拡散防止層３ａを光反射層３ｂの下地に設けた場合の光反射層３ｂの表面の算術平均粗さＲａは、実施例においては、Ｒａ0.02μｍ以下とすることができた。よって、光反射層３ｂとなるＡｌ層等の厚みを薄くしても、より平滑な光反射層３ｂを得ることができ、高い光反射効率を得ることができる。

さらに、光反射層３ｂの下地としての拡散防止層３ａは非活性で安定した金属であることから、発光素子５の発熱や経時変化による主導体層２ｂから光反射層３ｂへの金属拡散が抑えられ、光反射層３ｂの表面色調の変化がなく、発光素子５からの光の反射効率が劣化することなく、光反射効率を一定の状態に保つことができる。

また、光反射層３ｂは、表面に保護膜が被着形成されているのがよい。これにより、光反射層３ｂの表面が腐食し、反射率が低下するのを有効に防止できる。このような保護膜は有機物や無機物などの透明膜であり、例えばアルミナ等の酸化物の薄膜が用いられる。光反射層３ｂ表面の対腐食性および光反射性を良好にするという観点からは、保護膜の厚みは0.1〜５μｍであるのがよい。

このような保護膜の形成方法としては、例えば、光反射層３ｂの表面の酸化条件を調整
することにより、光反射層３ｂの表面に薄膜状のアルミナから成る酸化物層を形成する方法が挙げられる。また、光反射層３ｂの表面に透明ガラスや透明樹脂を塗布することにより形成してもよい。

次に、本発明の発光装置９について説明する。本発明の発光装置９は、上述の発光素子搭載用基板４の搭載部１ａに発光素子５を搭載し、この発光素子５の電極と配線導体とを電気的に接続し、さらに絶縁基板１の上面に枠体７を発光素子５が搭載された搭載部１ａを囲繞するように取着させ、その後、枠体７の内側に搭載された発光素子５を透明樹脂８で覆うことにより製作される。

発光素子５としては、例えばＧａＮ系などの青色ＬＥＤ素子やＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などの赤色ＬＥＤ素子や緑色ＬＥＤ素子等が用いられる。また、発光素子５は、発光素子搭載用基板４の搭載部１ａにＡｇペーストやカーボンペースト、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）ペースト等の導電性粉末が混合されたペーストが塗布された上に載置された後、ペーストを加熱硬化させることにより、あるいはＳＢＢ（Stud Bump Bonding
）法等による金属バンプ等を用いて固定される。

また、発光素子搭載用基板４の搭載部１aを有する面には、搭載部１ａを取囲んで枠体
７が取着されており、これが後述する透明樹脂８を保持する枠体７となる。このような枠体７は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂や酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料、アルミニウム等の金属材料を用いて形成される。なお、枠体７が熱硬化性樹脂から成る場合は、発光素子搭載用基板４にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂接着剤を介して接合され、セラミック材料および金属材料から成る場合は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の樹脂接着剤あるいは、枠体７の絶縁基板１との接合部にＡｕ等の金属層を設けてＡｇ−Ｃｕろう等の金属ろう材や鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）合金、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金等の低融点ろう材を介して、接合される。

また、枠体７は、湿度や熱、紫外線等に対する高い耐候性を有するとともに、発光素子５が発光する光に対して高い光反射率を有することが望ましい。このため、枠体７を熱硬化性樹脂等の有機樹脂やセラミックス等で形成する場合、その内周面全体に金属膜を被着させて、光反射率を高めることが好ましい。

また、枠体７の内周面は、発光素子５が発した光が上方に放射されるようにするため、上方に向かって外側に広がる傾斜面とすることが好ましい。さらに、枠体７の内周面は、この内周面と絶縁基板１の上面とのなす角度35〜60°の傾斜面であることが好ましい。枠体７の内周面と絶縁基板１の上面とのなす角度が35°未満になると、発光素子５の発光した光の放射角度20°以上に広がり、分散する光の量が多くなり、発光装置９を前面から見たときの光の輝度が低下しやすくなる。一方、角度が60°を超えると、発光装置９の光が外部で短い距離で焦点を結び拡散していく光が多くなるので、発光装置９を前面から見たときの光の輝度が低下しやすくなる。

また、枠体７で囲まれた内部に搭載された発光素子５は、透明樹脂８によって覆われる。透明樹脂８は、絶縁基板１に発光素子５を実装した後、これを保護するための機能を有する。このような透明樹脂８は、熱硬化性のエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等から成り、発光素子５を実装後、枠体７で囲まれた内部にディスペンサ等により注入され、しかる後、加熱されることにより硬化する。なお、透明樹脂８は、発光素子５を発光素子搭載用基板４に強固に密着させる働きも有する。

かくして、上記本発明の発光素子搭載用基板４の搭載部１ａに発光素子５を搭載し、透
明樹脂８で覆うことにより発光装置９となる。この発光装置９は、発光素子５の電極と露出した配線導体領域Ａとをワイヤバンディング等で電気的に接続しているとともに、配線導体のボンディングエリア以外の部位には拡散防止層３ａを介して光の反射率の高いアルミニウムから成る光反射層３ｂが形成されているため、金から成る電気的接続部材に拡散するのを有効に防止することができるので、高輝度化を可能にするとともに、発光素子５と発光素子搭載用基板４との電気的な接続の信頼性が極めて高い高性能の発光装置９とすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等差し支えない。例えば、上記実施の形態の例では電気的接続部材をボンディングワイヤ６としているが、発光素子５の電極が発光素子５の下面に形成されたものを用い、パンプを介して配線導体に接続される場合においても、本発明が有効となるのは言うまでもない。

また、透明樹脂８の内部や上面に発光素子５の光を波長変換するための蛍光体を含有させて、白色光等の光を放出させるようにしてもよい。

１ ：絶縁基板
１ａ：搭載部
２ａ：密着金属層
２ｂ：主導体層
３ａ：拡散防止層
３ｂ：光反射層
４ ：発光素子搭載用基板
５ ：発光素子
７ ：枠体
８ ：透明樹脂
９ ：発光装置

Claims (2)

1. 上面に発光素子の搭載部を有する絶縁基板と、該絶縁基板の上面の前記搭載部および、前記搭載部の周辺に形成された配線導体とを具備しており、前記配線導体は、チタン，クロムおよびニッケル−クロム合金のうちの少なくとも１種から成る密着金属層と、金から成る主導体層と、チタン，クロム，ニッケル−クロム合金および白金のうちの少なくとも１種から成る拡散防止層と、アルミニウムから成る光反射層とが順次積層されて成り、前記配線導体と前記発光素子の電極とを金から成るボンディングワイヤを介して電気的な接続を行なう部位において、前記光反射層および前記拡散防止層は形成されず前記主導体層が露出しており、前記光反射層は表面に保護膜が被着されていることを特徴とする発光素子搭載用基板。
2. 請求項１記載の発光素子搭載用基板と、前記搭載部に搭載されるとともに前記配線導体と電気的に接続された発光素子と、前記絶縁基板の上面に前記搭載部を囲繞するように取着された枠体と、該枠体の内部に搭載された前記発光素子を覆うように設けられた透明樹脂とを具備していることを特徴とする発光装置。

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