JP5840937B2

JP5840937B2 - ガラスセラミック焼結体と、これを用いた反射部材および発光素子搭載用基板、ならびに発光装置

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Publication number: JP5840937B2
Application number: JP2011257837A
Authority: JP
Inventors: 愼太郎齊藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013115122A

Description

本発明は、外形加工性に優れたガラスセラミック焼結体と、これを用いた反射部材および発光素子搭載用基板、ならびに発光装置に関する。

近年、発光素子を搭載した発光装置は、高輝度化および白色化に対する改良が図られ、携帯電話や大型の液晶テレビ等のバックライトとして利用されている。その中で、高反射性を有するだけでなく、従来の発光素子搭載用基板に用いられてきた合成樹脂に比べて、耐熱性や耐久性に優れ、長期間紫外線に曝されても劣化しないという理由から、ガラスセラミック焼結体が注目されている。

例えば、特許文献１には、セラミック原料として、ホウ珪酸ガラスと、アルミナと、カルシウムなど２族元素と、金属ニオビウムまたは酸化ニオビウムとを用いることにより可視光領域において高い反射率を示すガラスセラミック焼結体が開示されている。

特開２００９−６４８４２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたガラスセラミック焼結体は、当該ガラスセラミック焼結体中に硬度の高いアルミナ粒子を含有していることから、ダイシングソー等を用いた外形加工や切断処理工程において、ガラスセラミック焼結体の表面にクラックあるいは脱粒に起因する欠陥が発生しやすいという問題があった。

従って、本発明は、外形加工や切断の処理工程において、表面にクラックあるいは脱粒に起因する欠陥の発生し難いガラスセラミック焼結体とそれを用いた反射部材および発光素子搭載用基板ならびに発光装置を提供することを目的とする。

本発明のガラスセラミック焼結体は、ガラス相中に、アノーサイト相と、石英相と、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相と、ジルコニア相とを有し、前記ガラス相の含有量が２６〜４４質量％、前記アノーサイト相の含有量が５〜３５質量％、前記石英相の含有量が１〜９質量％、前記カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１４質量％および前記ジルコニア相の含有量が１７〜４１質量％であることを特徴とする。

本発明の反射部材は、上記のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする。

本発明の発光素子搭載用基板は、発光素子を搭載するための搭載部を備えた絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部側に、前記搭載部を囲うように設けられた反射部材とを有し、前記絶縁基体および前記反射部材のうち少なくとも一方が上記のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする。

本発明の発光装置は、前記の発光素子搭載用基板の前記搭載部に発光素子を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、外形加工や切断の処理工程において、表面にクラックあるいは脱粒に
起因する欠陥の発生し難いガラスセラミック焼結体と、それを用いた反射部材および発光素子搭載用基板ならびに発光装置を得ることができる。

（ａ）は、本実施形態のガラスセラミック焼結体を示すもので、マザー基板を切断した後の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態の発光素子搭載用基板の一例を示す断面図である。

本実施形態のガラスセラミック焼結体の一例について図１を基に説明する。図１（ａ）は、本実施形態のガラスセラミック焼結体を示すもので、マザー基板を切断した後の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

本実施形態のガラスセラミック焼結体１は、ガラス相中に、アノーサイト相と、石英相と、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相と、ジルコニア相とを有するものである。本実施形態のガラスセラミック焼結体１では、ガラス相のマトリックス中に、アノーサイト相、石英相、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相およびジルコニア相などの結晶相が存在する構成となっているために、ガラスセラミック焼結体１の表面はガラス相に覆われている。このためガラスセラミック焼結体１の表面付近における結晶相やフィラーの脱粒による欠けなどの欠陥を小さくすることができる。

また、上記ガラスセラミック焼結体１では、ガラス相中に含まれる結晶相のうち硬度が最も高い石英（α−石英）でも、モース硬度が７程度であることから、アルミナ（モース硬度９）などモース硬度が７よりも高い結晶相を含むガラスセラミック焼結体１に比較して、外形加工や切断の処理工程において、ガラスセラミック焼結体１の表面のみならず内部においてもクラックや脱粒等に起因する欠陥３のサイズを小さくすることができる。この場合、例えば、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅（最大値）を７０μｍ以下にできる。

また、本実施形態のガラスセラミック焼結体１は、上述のように、ガラス相中に、石英相（α−石英、屈折率１．４５）とともに、アノーサイト（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８、屈折率１．５８）相を有し、さらには、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相（例えば、Ｃａ_２ＺｒＳｉ_４Ｏ_１２、屈折率１．７〜２．１）およびジルコニア相（屈折率２．４）とを有している。これにより可視光線の波長の領域（波長４００〜７００ｎｍ）における光の反射率を９０％以上にできるとともに、可視光線の波長の領域よりも波長の短い近紫外線の波長の領域（３８０ｎｍ以下）における光の反射率を６９％以上にすることが可能になる。

これは、ガラスセラミック焼結体の表面がガラス相に覆われており、表面のガラス相中およびこのガラス相の下層側において、石英相の周囲に、屈折率の異なるアノーサイト相とカルシウム・ジルコニウム・シリケート相とジルコニア相とが混在して均一に分散している構成となっているために、それぞれの結晶相が波長の短い光に対応して反射することが可能となり、また、ガラスセラミック焼結体の表面付近において光の乱反射が起きやすくなっているためであると考えられる。

また、本実施形態のガラスセラミック焼結体では、ガラス相の含有量が２６〜４４質量％、アノーサイト相の含有量が５〜３５質量％、石英相の含有量が１〜９質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１４質量％およびジルコニア相の含有量が１７〜４１質量％であるときには、３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率を９０％以上にすることができる。この中で、ガラス相、アノーサイト相、石英相および
カルシウム・ジルコニウム・シリケート相のそれぞれの含有量を上記範囲とし、ジルコニア相の含有量を１８〜４１質量％としたときには、３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率を９１％以上にすることができる。

また、ガラス相の含有量が３２〜４４質量％、アノーサイト相の含有量が２２〜２６質量％、石英相の含有量が５〜９質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１０質量％およびジルコニア相の含有量が１８〜３０質量％であるとともに、石英相の平均粒径が０．９〜５．５μｍであるときには、３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率を９１％以上に維持した状態で、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を５５μｍ以下にできる。

また、アノーサイト相、石英相およびカルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量をそれぞれ２２〜２６質量％、５〜９質量％および６〜１０質量％とし、ガラス相の含有量を３２〜４２質量％、ジルコニア相の含有量を２２〜３０質量％として、石英相の平均粒径を１．９〜５．５μｍとしたときには、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を５５μｍ以下に維持した状態で３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率を９２％以上に高めることができる。

さらに、アノーサイト相および石英相のそれぞれの含有量を２２〜２６質量％および５〜９質量％の範囲とし、石英相の平均粒径を１．９〜５．５μｍとして、ガラス相の含有量を３４〜４２質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量を６〜９質量％およびジルコニア相の含有量を２２〜２７質量％としたときには、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を４５μｍ以下に小さくすることができる。

さらに、上記組成において、石英相の平均粒径を１．９〜３．８μｍとしたときには、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を４０μｍ以下とさらに小さくすることができる。

次に、本実施形態のガラスセラミック焼結体１を発光素子搭載用基板に適用した例について説明する。図２は、本実施形態の発光素子搭載用基板の一例を示す断面図である。

本実施形態の発光素子搭載用基板は、発光素子（図示せず）を搭載するための搭載部１１を備えた絶縁基体１３と、絶縁基体１３の上面および下面に設けられた導体層１５と、絶縁基体１３の上面および下面に設けられた導体層１５同士を接続するための貫通導体１７とを有し、さらに絶縁基体１３の上面において、搭載部１１を囲うように設けられた反射部材１９とを有するものであり、絶縁基体１３および反射部材１９のうち少なくとも一方が本実施形態のガラスセラミック焼結体１からなるものである。

上述したように、本実施形態のガラスセラミック焼結体１は、切断や研磨などの外形加工性に優れており、ガラスセラミック焼結体１の表面に発生する欠陥３のサイズを小さくすることができることから、このようなガラスセラミック焼結体１を発光素子搭載用基板の絶縁基体１３および反射部材１９のうち少なくとも一方に適用した場合には、欠陥３が小さく、かつ可視光領域のみならず、波長が４００ｎｍよりも短い近紫外線の波長の領域においても高い反射率を示す発光素子搭載用基板を得ることができる。この場合、発光素子搭載用基板として外観検査での不良率を低減できるという点で欠陥３のサイズ（図１（ｂ）に示す幅ｗ）は、最大値が７０μｍ以下であることが望ましい。

また、上記した発光素子搭載用基板の搭載部１１に発光素子を取り付けた発光装置は、発光素子搭載用基板を構成する絶縁基体１３および反射部材１９のうち少なくとも一方が可視光領域のみならず、波長が４００ｎｍよりも短い近紫外線の波長の領域においても高
い反射率を示すものであることから、広い波長の範囲にわたって高い発光特性を示すものとなる。

次に、本実施形態のガラスセラミック焼結体１の製造方法について説明する。まず、原料粉末として、ガラス粉末と、石英粉末と、ジルコニア（ＺｒＯ_２）粉末とを準備する。この場合、ガラス粉末は、アノーサイト相（ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８）相が析出しやすいという理由から、Ｓｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｎをそれぞれ含有するホウ珪酸ガラス粉末を用いることが好ましい。また、原料粉末中にジルコニア粉末を含ませると、ガラス粉末を構成しているＣａ等のアルカリ土類元素の酸化物と二酸化珪素との間で高屈折率のカルシウム・ジルコニウム・シリケート相（例えば、Ｃａ_２ＺｒＳｉ_４Ｏ_１２）とジルコニア相との共存系が形成されやすくなり、これにより高い光の反射率を有するガラスセラミック焼結体１を得ることが可能となる。この場合、原料粉末中に含まれる石英粉末の含有量は２〜１５質量％、特に３〜７質量％であることが望ましいが、石英粉末の平均粒径としては１〜６μｍ、特に、１〜４μｍであるものを用いることが好ましい。

また、原料粉末中に含まれるジルコニア粉末の含有量は５〜５５質量％、１５〜４０質量％、特に、２０〜２５質量％とすることが望ましいが、ジルコニア粉末は石英粉末よりも平均粒径の小さい粉末を用いることが望ましく、平均粒径は０．３〜１．０μｍ、特に、０．３〜０．８μｍであるものを用いることが好ましい。原料粉末として、平均粒径が１μｍ以下のジルコニア粉末を用いると、石英相の周囲に微粒のカルシウム・ジルコニウム・シリケート相を形成することができるとともに、アノーサイト相も微粒化することが可能となり、さらには、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相に導入されずに残ったジルコニア相も上記のアノーサイト相およびカルシウム・ジルコニウム・シリケート相と共存させることが可能となり、これにより紫外線および近紫外線の波長の領域における光の反射率がさらに高いガラスセラミック焼結体１を得ることが可能となる。

次に、ガラス粉末と、石英粉末と、ジルコニア粉末とを有機ビヒクルとともにボールミルなどの攪拌混合機を用いて成形用の混合体を調製する。

次に、調製した成形用の混合体を所定の形状に成形した後、８００〜１０００℃の温度で焼成することによって本実施形態のガラスセラミック焼結体またはこのガラスセラミック焼結体からなる反射部材を得ることができる。

また、発光素子搭載用基板の絶縁基体１３を製造する場合には、成形用の混合体をスラリー状にした上で、ドクターブレード法等の成形法によりシート状成形体を形成し、次に、このシート状成形体を打ち抜き加工により貫通孔を形成した後、作製したシート状成形体のうち導体層１５および貫通導体１７を有する部分となるシート状成形体にＡｇまたはＣｕを主成分とする導体ペーストを用いて導体パターンを形成する。次に、導体パターンが形成されたシート状成形体と、必要に応じて導体パターンを形成していないシート状成形体とを組み合わせて所望の層数になるように積層して生の積層体を作製し、この後、所定の条件にて焼成することにより発光素子搭載用基板となるマザー基板を作製する。

次に、マザー基板を所定の寸法で切断することにより本実施形態の発光素子搭載用基板の絶縁基体１３が得られる。マザー基板を本実施形態のガラスセラミック焼結体により形成した場合には、切断あるいは外形加工の処理工程において、表面にクラックや脱粒に起因する欠陥の発生を抑制することが可能となり、外観が良好であり、かつ光の反射特性に優れた発光素子搭載用基板を得ることができる。

まず、原料粉末として、重量比率でＳｉＯ_２：Ｂ_２Ｏ_３：Ａｌ_２Ｏ_３：ＣａＯ：ＭｇＯ
：ＺｎＯ＝４９：８：１８：２１：１：３の割合の組成を有するホウケイ酸ガラス粉末（平均粒径：２．５μｍ）と、石英（α−石英）粉末と、ジルコニア（ＺｒＯ_２）粉末（平均粒径：０．５μｍ）とを表１の割合で秤量し、次に、この原料粉末１００質量部に対して、アクリルバインダーを１４質量部、可塑剤としてＤＯＰを５質量部、溶剤としてトルエンを３０質量部含む有機ビヒクルを添加し、ボールミルを用いて４０時間ほど混合し、スラリーを作製した。次に、このスラリーをドクターブレード法を用いて成形して平均厚みが０．２ｍｍのシート状成形体を作製した。

次に、このシート状成形体を３枚貼り合わせ、加圧積層することにより、生の積層体を作製した後、表１に示す最高温度で１時間焼成して、縦、横、厚みが、それぞれ６０ｍｍ、５０ｍｍ、０．４ｍｍのマザー基板を作製した。

次に、マザー基板を、ダイシングソー（ＤＩＳＣＯ社製ＤＡＤ３３５０）により切断して、長さ、幅、厚みがそれぞれ約５０ｍｍ、約５ｍｍ、約０．４ｍｍの試料片を１０個作製した。次に、切断した１０個の試料片を実体顕微鏡を用いて観察し、試料片に発生した欠けなどの欠陥を観察し、稜線に垂直な方向の幅の最大値を表１に記した。切断後の試料片はいずれにも稜線付近のみに微小な欠け（チッピング）が発生していた。

次に、シート状成形体を２枚貼り合わせ、加圧積層することにより、生の積層体を作製した後、切断して、欠けの評価に用いた基板と同じ条件にて焼成して、反射率測定用の基板を作製した。反射率測定用の基板のサイズは縦、横、厚みが、それぞれ３０ｍｍ、３０ｍｍ、０．２５ｍｍとした。作製した反射率測定用基板の反射率を分光測色計（コニカミノルタ製ＣＭ−３７００ｄ）を用いて波長３６０〜７２０ｎｍの範囲にて測定し、３６０ｎｍ、４３０ｎｍ、５４０ｎｍ、７００ｎｍでの反射率を全反射率から求めた。

また、ガラスセラミック焼結体中に存在する各結晶相およびガラス相の割合は、ガラスセラミック焼結体を粉砕し、Ｘ線回折により得られるメインピーク位置をＪＣＰＤＳに照らして同定するとともに、リートベルト解析を行うことにより求めた。

ガラスセラミック焼結体中に含まれる石英相の平均粒径は、マザー基板から切り出したガラスセラミック焼結体の一部を樹脂中に埋め、断面の研磨を行った後、研磨した試料について走査型電子顕微鏡を用いて内部組織の写真を撮り、その写真上に約５０個入る円を描き、円内および円周にかかった結晶粒子を選択し、次いで、各結晶粒子の輪郭を画像処理して、各結晶粒子の面積を求め、同じ面積をもつ円に置き換えたときの直径を算出し、その平均値より求めた。このとき走査型電子顕微鏡に備えられているＸ線マイクロアナライザにより結晶相に含まれる主成分の元素を同定して、Ｓｉ以外には酸素しか検出されなかった結晶相を石英相として同定した。

比較例として、石英（α−石英）粉末の代わりアルミナ粉末を用いた試料を、上記と同様の方法にて作製し、同様の評価を行った（表１の試料Ｎｏ．１５）。

表１の結果から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜７、９〜１４および１６〜２７では、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピングの幅が７０μｍ以下であった。また、これらの試料は、波長３６０〜７００ｎｍにおける反射率がいずれも６９％以上であった。

また、ガラスセラミック焼結体中に含まれるガラス相の含有量が２６〜４４質量％、アノーサイト相の含有量が５〜３５質量％、石英相の含有量が１〜９質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１４質量％およびジルコニア相の含有量が１７〜４１質量％である試料Ｎｏ．３〜７、９〜１４、１６、１８、２０、２１、２６および２７では、３６０ｎｍにおける反射率が９０％以上であり、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピングの幅が７０μｍ以下であった。

また、ガラスセラミック焼結体中に含まれるガラス相の含有量が３２〜４４質量％、アノーサイト相の含有量が２２〜２６質量％、石英相の含有量が５〜９質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１４質量％およびジルコニア相の含有量が１８〜４１質量％である試料Ｎｏ．３〜７、１０〜１４、１６、１８、２０、２１、２６および２７では、３６０ｎｍにおける反射率が９１％以上であり、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピングの幅が７０μｍ以下であった。

また、ガラス相の含有量が３２〜４４質量％、アノーサイト相の含有量が２２〜２６質量％、石英相の含有量が５〜９質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１０質量％およびジルコニア相の含有量が１８〜３０質量％であるとともに、石英相の平均粒径が０．９〜５．５μｍである試料Ｎｏ．３〜５、１０〜１３、１８、２０、２６および２７では、３６０ｎｍにおける反射率が９１％以上であり、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピングの幅が５５μｍ以下であった。

また、アノーサイト相、石英相およびカルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量をそれぞれ２２〜２６質量％、５〜９質量％および６〜１０質量％とし、ガラス相の含有量を３２〜４２質量％、ジルコニア相の含有量を２２〜３０質量％として、さらに、石英相の平均粒径を１．９〜５．５μｍとした試料Ｎｏ．４、５、１０〜１２、１８、２０、２６および２７では、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を５５μｍ以下に維持した状態で、３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率が９２％以上であった。

さらに、アノーサイト相および石英相のそれぞれの含有量を２２〜２６質量％および５〜９質量％の範囲とし、また、石英相の平均粒径を１．９〜５．５μｍとして、ガラス相の含有量を３４〜４２質量％、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量を６〜９質量％およびジルコニア相の含有量を２２〜２７質量％とした試料Ｎｏ．４、５、１０〜１２、２６および２７では、３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率が９２％以上であり、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を４５μｍ以下であった。

またさらに、上記組成において、石英相の平均粒径を１．９〜３．８μｍとした試料Ｎｏ．４、５、１０〜１２および２６では、３８０ｎｍ以下の波長の領域における光の反射率を９２％以上に維持しつつ、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピング幅を４０μｍ以下に低減できた。

これに対し、石英（α−石英）粉末の代わりアルミナ粉末を用いた試料（試料Ｎｏ．１５）は、ダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピングの幅が１００μｍであった
。
また、石英粉末およびジルコニア粉末の両方を混合せず、ガラス粉末のみにより作製した試料（試料Ｎｏ．８）もダイシングソーを用いた切断加工におけるチッピングの幅が８０μｍと大きかった。

１・・・・・ガラスセラミック焼結体
３・・・・・欠陥
１１・・・・搭載部
１３・・・・絶縁基体
１５・・・・導体層
１７・・・・貫通導体
１９・・・・反射部材

Claims

ガラス相中に、アノーサイト相と、石英相と、カルシウム・ジルコニウム・シリケート相と、ジルコニア相とを有し、前記ガラス相の含有量が２６〜４４質量％、前記アノーサイト相の含有量が５〜３５質量％、前記石英相の含有量が１〜９質量％、前記カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１４質量％および前記ジルコニア相の含有量が１７〜４１質量％であることを特徴とするガラスセラミック焼結体。
前記ガラス相の含有量が３２〜４４質量％、前記アノーサイト相の含有量が２２〜２６質量％、前記石英相の含有量が５〜９質量％、前記カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜１０質量％および前記ジルコニア相の含有量が１８〜３０質量％であるとともに、前記石英相の平均粒径が０．９〜５．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載のガラスセラミック焼結体。
前記ガラス相の含有量が３２〜４２質量％および前記ジルコニア相の含有量が２２〜３０質量％であるとともに、前記石英相の平均粒径が１．９〜５．５μｍであることを特徴とする請求項２に記載のガラスセラミック焼結体。
前記ガラス相の含有量が３４〜４２質量％、前記カルシウム・ジルコニウム・シリケート相の含有量が６〜９質量％および前記ジルコニア相の含有量が２２〜２７質量％であることを特徴とする請求項３に記載のガラスセラミック焼結体。
前記石英相の平均粒径が１．９〜３．８μｍであることを特徴とする請求項４に記載のガラスセラミック焼結体。
請求項１乃至５のうちいずれかに記載のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする反射部材。
発光素子を搭載するための搭載部を備えた絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部側に、前記搭載部を囲うように設けられた反射部材とを有し、前記絶縁基体および前記反射部材のうち少なくとも一方が請求項１乃至５のうちいずれかに記載のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする発光素子搭載用基板。
請求項７に記載の発光素子搭載用基板の前記搭載部に発光素子を備えていることを特徴
とする発光装置。