JP5829582B2 - 反射材およびこの反射材上に発光素子を搭載してなる発光素子モジュール - Google Patents

反射材およびこの反射材上に発光素子を搭載してなる発光素子モジュール Download PDF

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Description

本発明は、反射材およびこの反射材上に発光素子を搭載してなる発光素子モジュールに関する。
一般照明や電光表示板の光源、さらには、携帯電話機、パソコンおよびテレビなどの液晶のバックライトに、輝度が高く、寿命が長く、消費電力の少ないなどのメリットを有している発光素子(LED)が広く利用されている。
そして、このような発光素子が搭載される基体は、表面に電極が形成されるものであることから絶縁性を有し機械的特性に優れたセラミック材料が用いられており、このようなセラミック材料からなる基体として、例えば特許文献1に、酸化アルミニウムとガラス質成分とからなり、内部断面における気孔率が5%以下である高反射白色セラミックスが提案されている。
特開2007−284333号公報
この特許文献1で提案された高反射白色セラミックスによれば、波長400〜740nmの可視光領域における光の反射率が90%以上であることが記載されているが、近年、波長450
nm付近の短波長帯の光が目の疲れやすさに影響しているとの報告が挙げられている。また、短波長帯の光の反射率を抑制することにより、植物を瑞々しく見せたり、美術品の劣化を抑えたりすることができるとの報告が挙げられている。そのため、セラミック材料からなる基体には、機械的特性に優れていることに加えて、可視光領域において、短波長帯の光の反射率を抑制しつつ、短波長帯以外の領域における光の反射率が高いことが求められている。
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、その目的は、機械的特性に優れているとともに、可視光領域における短波長帯の光の反射率を抑制しつつ、短波長帯以外の領域における光の反射率が高い反射材およびこの反射材上に発光素子を搭載してなる発光素子モジュールを提供することにある。
本発明の反射材は、構成する全成分を100質量%としたとき、Alの含有量がAl
換算で75質量%以上84質量%以下、Baの含有量がBaO換算で10質量%以上14質量%以下、SiをSiO換算で3質量%以上13質量%以下含む焼結体からなり、該焼結体中に、アルミナ、酸化バリウムおよびアノーサイトの結晶とSiを含むガラス相とを有することを特徴とするものである。
また、本発明の発光素子モジュールは、上記構成の反射材上に発光素子が搭載されていることを特徴とするものである。
本発明の反射材によれば、アルミナの存在によって優れた機械的特性を有し、短波長帯
の光をアノーサイトが吸収することによって短波長帯の光の反射率を抑制し、屈折率の大きい酸化バリウムの存在によって短波長帯以外の領域における光の反射率の高い反射材とすることができる。
また、本発明の発光素子モジュールによれば、アルミナの存在によって優れた機械的特性を有し、短波長帯の光をアノーサイトが吸収することによって短波長帯の光の反射率を抑制し、屈折率の大きい酸化バリウムの存在によって短波長帯以外の領域における光の反射率の高い反射材上に発光素子が搭載されていることから、目が疲れにくく、植物を瑞々しく見せることができたり、美術品の劣化を抑えたりすることができるため、光源やバックライトに好適に用いることができる。
本実施形態の反射材上に発光素子を搭載してなる発光素子モジュールの構成の一例を示す断面図である。 密着強度の測定方法を示す断面概略図である。
以下、本実施形態の反射材およびこの反射材に発光素子を搭載してなる発光素子モジュールの一例について説明する。図1は、本実施形態の反射材上に発光素子を搭載してなる発光素子モジュールの構成の一例を示す断面図である。
図1に示す発光素子モジュール10は、基体である反射材1の表面1a上に、電極3(3a,3b)、さらに電極パッド4(4a,4b)が形成され、電極パッド4a上に発光素子2が搭載(実装)され、発光素子2と電極パッド4bとが、ボンディングワイヤ5により電気的に接続されている。そして、発光素子2、電極3、電極パッド4およびボンディングワイヤ5は、樹脂等からなる封止部材6によって覆われている。なお、この封止部材6は、発光素子2の保護とレンズの機能を併せ持つものである。また、本実施形態の発光素子モジュール10は、本実施形態の反射材1上に発光素子2が搭載されている構成を必須とすればよく、図1に示す例に限られるものではない。また、本実施形態において、表面1aとは、発光素子2の搭載面のことである。
そして、本実施形態の反射材1は、構成する全成分を100質量%としたとき、Alの含
有量がAl換算で75質量%以上84質量%以下、Baの含有量がBaO換算で10質量%以上14質量%以下、SiをSiO換算で3質量%以上13質量%以下含む焼結体からなり、該焼結体中に、アルミナ、酸化バリウムおよびアノーサイトの結晶とSiを含むガラス相とを有することを特徴とする。
ここで、アノーサイトとは、定比組成の化学式がCaAlSiと表され、1個のCaOと、1個のAlと、2個のSiOとが化合した化合物であり、三斜晶系の結晶構造を持つ針状結晶である。
そして、本実施形態の反射材1は、構成する全成分を100質量%としたとき、Alの含
有量がAl換算で75質量%以上84質量%以下、Baの含有量がBaO換算で10質量%以上14質量%以下、SiをSiO換算で3質量%以上13質量%以下含むものであることから明らかなように、焼結体中において、アルミナは結晶中で最も多い(以下、主結晶と記載することもある。)ものである。このように、焼結体の主結晶がアルミナであることにより、本実施形態の反射材1は、優れた機械的特性を有する。
次に、酸化バリウムは、屈折率の大きい結晶であり、構成する全成分を100質量%とし
たとき、Baの含有量がBaO換算で10質量%以上14質量%以下含むことにより、短波長
帯(450nm付近)を含む可視光(400〜760nm)の全領域において光の反射率の高い焼
結体とすることができる。しかし、短波長帯の光の反射率が高いときには、目を疲れにくくしたり、植物を瑞々しく見せたり、美術品の劣化を抑える効果が低い。そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、焼結体がアノーサイトの結晶を有していることにより、短波長帯の光の反射率を抑制できることを見出した。なお、短波長帯の光の反射率を抑制することができるのは、アノーサイトが短波長帯の光を吸収するためと考えられる。
それゆえ、本実施形態の反射材1は、アルミナの存在によって優れた機械的特性を有し、短波長帯の光をアノーサイトが吸収することによって短波長帯の光の反射率を抑制し、屈折率の大きい酸化バリウムの存在によって短波長帯以外の領域における光の反射率の高い反射材1とすることができる。なお、Alの含有量がAl換算で75質量%未満であるときには、機械的特性に優れた焼結体を得ることができず、Alの含有量がAl換算で84質量%を超えるときには、酸化バリウムによる反射率向上効果が薄れるためなのか理由は明らかではないが、短波長帯以外の光の反射率が低くなる。また、Baの含有量がBaO換算で10質量%未満であるときには、可視光(400〜760nm)の全領域における光の反射率が低くなり、Baの含有量がBaO換算で14質量%を超えるときには、機械的特性を低下させる。
なお、焼結体を構成する成分であるSiは、アノーサイトに含まれるものと、ガラス相に含まれるものからなり、Siを含むガラス相を有していることにより、金属からなる電極3との濡れ性がよくなり、電極3の密着強度を高めることができるとともに反射率を高めることができる。
また、アノーサイトは、その存在量によって、機械的特性を高める効果も有する。これは、アノーサイトの結晶が針状結晶であり、存在量が増えることによって、主結晶であるアルミナの間にアノーサイトが絡み合って存在するためであると考えられる。
次に、アルミナ、酸化バリウム、アノーサイトの結晶の存在については、反射材1の表面1aを測定面とし、X線回折法により測定し、得られたX線回折の結果をJCPDSカードと照合して結晶構造を確認すればよい。例えば、CaAlSiを含んでいるときには、No.00-041-1486のJCPDSカードで照合できる。また、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、この走査型電子顕微鏡に付設のエネルギー分散型X線分析装置によってもアルミナ、酸化バリウム、アノーサイトの結晶の存在を確認することができる。
また、反射材1を構成する各成分の含有量については、蛍光X線(XRF)分析装置やICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析装置を用いることにより求めることができる。
次に、機械的特性については、3点曲げ強度で評価することができ、JIS R 1601−2008(ISO 17565:2003(MOD))に準拠して測定すればよい。
また、光の反射率については、分光光度計(例えば株式会社島津製作所製:UV−315お
よび付属品の積分球ユニット:ISR−3100)を用いて測定することができる。具体的には
、光源に50Wハロゲンランプと重水素ランプとを使用し、波長範囲を200〜1000nm、測
定範囲を7mm×9mmとして、フィルターおよびマスクを使用せず測定する。なお、ここでいう反射率とは、基準に用いる硫酸バリウム粉体の反射率を100%としたときの相対
値である。
また、本実施形態の反射材1は、アノーサイトの含有量が1.4質量%以上3.4質量%以下
であることが好ましい。このように、アノーサイトの含有量が1.4質量%以上3.4質量%以下であるときには、機械的特性および短波長帯以外の領域における高い光の反射率を維持しつつ、短波長帯の光の反射率を抑制することができる。
なお、本実施形態の焼結体において、上記した各成分構成や含有量を満たすときには、焼成によって生じるアノーサイトは微量なものであり、予め合成したアノーサイトを添加しなければ存在させることが困難なものであることから、蛍光X線分析法やICP発光分光分析法により求めたCa量からCaAlSiに換算した値をアノーサイトの含有量とする。
また、本実施形態の反射材1は、Siの含有量が、SiO換算で8質量%以上11質量%以下であることが好ましい。Siの含有量が、SiO換算で8質量%以上11質量%以下であるときには、電極3が金属からなる場合に、電極3との濡れ性がさらによくなり、電極3の密着強度をより高めることができるとともに反射率をより高めることができる。
なお、本実施形態の反射材1は、画像表示装置などで使用するバックライト用LEDの実装基板、植物や美術品の鑑賞用の照明の反射板、検査装置や加工装置などにおける長波長のレーザ光を反射するためのミラー板として利用することができる。また、乗用車から発せられるライトの光を反射することによって乗用車を進路方向に誘導するための進路板、光を反射することによって人の注意を惹きつけるための注意喚起反射板として使用してもよく、特に、本実施形態の反射材1は、短波長側の反射を制御できることから、霧や雨などの環境の中でも、視認性を強くすることができる。
そして、本実施形態の発光素子モジュール10は、本実施形態の反射材1上に発光素子2が搭載されていることにより、短波長帯の光の反射率が抑制されていることから、目が疲れにくく、植物を瑞々しく見せることができたり、美術品の劣化を抑えたりすることができるため、光源やバックライトに好適に用いることができる。
次に、本実施形態の反射材1の製造方法の一例を説明する。まず、平均粒径が1.4〜1.8μm程度の酸化アルミニウム(Al)粉末と、炭酸カルシウム(CaCO)粉末と、酸化珪素(SiO)粉末とを準備し、アノーサイトの組成比になるように秤量して水等の溶媒とともに回転ミルに入れて混合する。そして、これを乾燥した後、大気(酸化)雰囲気において、900℃以上1100℃以下の温度で0.5時間以上3時間以下の範囲で保持して仮焼を行なうことにより、アノーサイトに合成された仮焼体を得る。
次に、得られた仮焼体と、酸化アルミニウム(Al)粉末と、炭酸バリウム(BaCO)粉末と、酸化珪素(SiO)粉末とを所望量秤量して水等の溶媒とともにアルミナボールの入ったボールミル等に入れて混合・粉砕し、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル樹脂またはブチラール樹脂等の成形用バインダを添加し、さらに混合してスラリーを得る。
なお、成形用バインダの添加量は、仮焼体と各粉末との合計100質量部に対して4〜8
質量部程度とすればよい。このようにして、予め合成したアノーサイトを用いれば、アノーサイトの含有量の調整を容易に行なうことができる。また、予め合成したアノーサイトを用いれば、Al−SiO−CaO系状態図に照らしてアノーサイトが存在しにくい組成であっても、アノーサイトを含有させることが可能となる。
また、このスラリー作製時に、焼結助剤として炭酸マグネシウム(MgCO)粉末もしくは酸化マグネシウム(MgO)粉末を添加してもよい。また、上述した製造方法において、バリウム源、カルシウム源およびマグネシウム源として炭酸化合物粉末(BaCO
、CaCO、MgCO)を用いたのは、溶媒として水を用いる場合において各粉末の分散状態を良好にすることができるからである。なお、酸化物粉末(BaO、CaO、MgO)を用いてもよいことはいうまでもない。
次に、得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法でシートを成形するか、このスラリーをスプレードライヤによって噴霧造粒して得られた顆粒を用いてロールコンパクション法によってシートを形成する。次に、金型プレスもしくはレーザ加工によって製品形状または製品近似形状の成形体を得る。このとき成形体は、反射材1の量産性を考慮すれば多数個取り可能な成形体とすることが好ましい。そして、得られた成形体を、大気(酸化)雰囲気の焼成炉(例えば、ローラー式トンネル炉、バッチ式雰囲気炉およびプッシャー式トンネル炉)を用いて、1420℃以上1500℃以下の最高温度で、4時間以上8時間以下の範囲で保持して焼成することによって、本実施形態の反射材1を得ることができる。このような温度範囲および焼成時間としたのは、予め合成したアノーサイトを分解させることなく緻密な焼結体を得ることができるからである。なお、必要に応じて研磨加工や研削加工を施しても良い。
次に、本実施形態の発光素子モジュール10の製造方法の一例を図1に基づいて説明する。本実施形態の反射材1を基体とし、表面1aに厚膜印刷法により電極3(3a,3b)を形成する。次に、電極3上に電極パッド4(4a,4b)をメッキ等により形成する。次に、電極パッド4a上に半導体からなる発光素子2を搭載する。そして、導電性接着剤を用いた接合、または半田バンプによる接合によって、ボンディングワイヤ5で発光素子2と電極パッド4bとを電気的に接続する。次に、電極3および電極パッド4をオーバーコートガラスにより保護し、最後に、樹脂等からなる封止部材6で被覆することにより、本実施形態の発光素子モジュール10を得ることができる。
なお、発光素子モジュール10を構成する反射材1に貫通孔を設けて、貫通孔内に金属からなる貫通導体を形成したり、さらに、反射材1の他方主面にも電極を形成したりすることによって、発光素子に生じた熱を、電極3を介して貫通導体、さらに貫通導体を介した他方主面の電極から放熱させることによって放熱特性を向上させることもできる。
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
表1に示す組成の焼結体を作製し、機械的特性や反射率等の確認を行なった。まず、試料No.1〜17の作製方法について説明する。平均粒径が1.6μmの酸化アルミニウム粉
末と、炭酸カルシウム粉末と、酸化珪素粉末とを準備し、アノーサイトの組成比になるように秤量して、水とともに回転ミルに入れて混合した。そして、これを乾燥した後、大気雰囲気において、1000℃の温度で2時間保持して仮焼することにより、アノーサイトに合成された仮焼体を得た。
次に、得られた仮焼体と、焼成後の組成が表1に示した値になるように、酸化アルミニウム粉末と、炭酸バリウム粉末と、酸化珪素粉末とを秤量して溶媒である水とともにアルミナボールの入ったボールミルに入れて混合・粉砕した。次に、成形用バインダとして仮焼体と各粉末との合計100質量部に対して6質量部のアクリル樹脂を添加し、さらに混合
してスラリーを得た。
次に、得られたスラリーをドクターブレード法で焼成後の厚みが1mmとなるようにシート状に成形し、このシートを金型で製品形状に打ち抜き成形体を得た。そして、この製品形状の成形体をプッシャー式トンネル炉に入れて、1420℃以上1500℃以下の最高温度で
、5時間保持して焼成することによって、見掛け密度が95%以上の焼結体(試料No.1〜17)を得た。なお、試料No.18については、仮焼体を作製する工程を除いて試料No.1〜17と同様の工程で作製した。
そして、得られた試料No.1〜18について、X線回折による結晶の確認、各成分の含有量、3点曲げ強度、反射率の測定を行なった。まず、X線回折法により測定し、得られたX線回折の結果をJCPDSカードと照合して結晶構造を確認した。その結果、試料No.18については、アノーサイトの存在が確認されなかったのに対し、他の試料については、アルミナ、酸化バリウム、アノーサイトの各結晶が存在することが確認された。また、X線回折結果において、すべての試料でガラス相の存在を示すハローパターンが確認された。そのため、エネルギー分散型X線分析装置を用いてマッピングを確認したところ、アルミナや酸化バリウムの結晶の存在箇所以外のところに、Siが確認され、Siを含むガラス相が存在していることを確認した。
次に、ICP発光分光分析装置を用いて、Al、Ba、Si、Caの金属元素量を求め、それぞれ、Al、BaO、SiO、CaOに換算した。また、Caについては、Caの金属元素量からCaAlSiに換算した。結果を表1に示す。
次に、3点曲げ強度については、厚みを1mmとしたこと以外は、JIS R 1601−2008に準拠して測定した。なお、各試料のn数は11とし、最小値と最大値を省き、残り9点の平均値を求め、3点曲げ強度の値とし表1に示した。
次に、反射率については、分光光度計(株式会社島津製作所製:UV−315および積分球
ユニット:ISR−3100)を用いて、光源に50Wハロゲンランプと重水素ランプとを使用し
、波長測定範囲を200〜1000nm、測定範囲を7mm×9mmとしてフィルターおよびマ
スクは使用せず測定した。なお、反射率は、測定した硫酸バリウム粉体の反射率を100%
としたときの相対値のことであり、表1には450nm(短波長帯)および600nmにおける反射率を示した。
Figure 0005829582
表1に示す結果から分かるように、アノーサイトの結晶を有していない試料No.18は、3点曲げ強度が255MPaと低く、450nmにおける反射率が抑制されたものではなかった。また、Al換算での含有量が75質量%未満である試料No.1は、3点曲げ強度が249MPaと低く、Al換算での含有量が84質量%を超える試料No.6は、600nmにおける反射率が低かった。また、BaO換算での含有量が10質量%未満である試料No.7は、450nmおよび600nmにおける反射率が低かった。また、BaO換算での含有量が14質量%を超える試料No.12は、3点曲げ強度が低かった。
これらに対し、構成する全成分を100質量%としたとき、Alの含有量がAl
算で75質量%以上84質量%以下、Baの含有量がBaO換算で10質量%以上14質量%以下、SiをSiO換算で3質量%以上13質量%以下含む焼結体からなり、焼結体中に、アルミナ、酸化バリウムおよびアノーサイトの結晶とSiを含むガラス相とを有する試料No.2〜5,8〜11,13〜17は、3点曲げ強度が260MPa以上であり、450nmにおける光の反射率が80.5%以上89.3%以下であり、600nmにおける反射率が90%を超える結果
が得られており、機械的特性に優れているとともに、可視光領域における短波長帯の光の反射率を抑制しつつ、短波長帯以外の領域における光の反射率が高い反射材となることが分かった。
また、試料No.13〜17を比較すると、試料No.14〜16は、3点曲げ強度が280MP
a以上であり、450nmにおける光の反射率が86.5%以上87.5%以下であり、600nmにおける反射率が90%を超える結果が得られており、アノーサイトの含有量は、1.4質量%以
上3.4質量%以下であることが好ましいことが分かった。
表2に示す組成の焼結体を作製し、機械的特性および密着強度の確認を行なった。なお、焼結体の作製方法は、実施例1の試料No.1〜17と同様の方法で行なった。試料No
.19は、実施例1の試料No.15と同じである。
次に、得られた各試料の表面1aに電極3の形成を行なった。まず、電極3を形成する厚膜ペーストには、株式会社ノリタケカンパニー社製の厚膜ペースト(品名:NP−4301L)を使用した。このペースト中の金属粉末の主要構成は、銀が99質量%、マグネシウムが0.1質量%、ビスマスが0.5質量%、銅が0.3質量%、その他成分が0.1質量%であり、平均粒径は0.4μmである。また、バインダは、エチルセルロースと混合溶剤とを金属粉末100質量部に対して17.6質量部添加されたものである。
そして、焼成後の電極3の寸法が10mm角で平均厚みが10.5μmとなるステンレス製のスクリーンで表面1aを覆い、スキージを移動させることによって厚膜ペーストを印刷した。次に、温度80℃で1時間の乾燥処理を行なった後、株式会社ヤマザキ電機製の厚膜乾燥焼成炉に入れ、大気雰囲気において840℃の最高温度で焼成した。なお、IN−OUT
の焼成時間は1時間とした。これにより、表面1aに電極3を形成した試料No.19〜23を得た。
次に、密着強度の測定方法を説明する。図2は、密着強度の測定方法を示す断面図である。まず、密着強度を測定するための準備として、各試料ともに電極3の大きさが2×2mmとなるようにエッチングを施した。次に、フラックス(タムラ化研株式会社製 XA−100)と、Sn−Pb(6:4)系で全体に対してAgを2質量%含む半田20を用い
、この電極3の表面に、厚みが0.6mmのめっき導線21(銅線にSnめっき)を接合(半
田付け)した。
次に、試験装置として、ANZA TECH社製のダイ・シェアリング・テスタ(型番:520D)を用いて、めっき導線21を7.62mm/分の速度で引っ張り、電極3が剥離した
ときの強度を測定した。なお、測定数は各試料につき11個測定し、最小値と最大値を省き、残り9点の平均値を密着強度として表2に示した。
なお、各成分の含有量および3点曲げ強度については、実施例1と同様の方法により行なった。得られた結果を表2に示す。
Figure 0005829582
表2に示す結果から分かるように、試料No.20〜22は、3点曲げ強度が270MPa以
上かつ電極3との接合強度が12N/2×2mm以上の結果が得られており、SiO換算での含有量が8質量%以上11質量%以下であることが好ましいことが分かった。
1 :反射材(基体)
1a:表面
2 :発光素子
3 :電極
4 :電極パッド
5 :ボンディングワイヤ
6 :封止部材
10 :発光素子モジュール

Claims (4)

  1. 構成する全成分を100質量%としたとき、Alの含有量がAl換算で75質量%以上84質量%以下、Baの含有量がBaO換算で10質量%以上14質量%以下、SiをSiO換算で3質量%以上13質量%以下含む焼結体からなり、該焼結体中に、アルミナ、酸化バリウムおよびアノーサイトの結晶とSiを含むガラス相とを有することを特徴とする反射材。
  2. 前記アノーサイトの含有量が1.4質量%以上3.4質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の反射材。
  3. Siの含有量が、SiO換算で8質量%以上11質量%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の反射材。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の反射材上に発光素子が搭載されていることを特徴とする発光素子モジュール。
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