JP5894352B1 - 発光素子搭載用基板および発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高輝度かつ高い発光効率を長期間にわたって発揮可能な発光素子搭載用基板およびこの発光素子搭載用基板に発光素子を搭載してなる発光装置を提供する。【解決手段】 セラミックスからなる基板と、該基板上に設けられ、主成分が金または銀である金属層と、該金属層の少なくとも一部を覆うように設けられた樹脂層とを備える発光素子搭載用基板であって、前記樹脂層が、白金を含み、前記金属層の表面に、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物が存在している発光素子搭載用基板である。【選択図】 図1
Description
本発明は、発光素子搭載用基板およびこの発光素子搭載用基板に発光素子を搭載してなる発光装置に関する。
消費電力の少ない発光素子としてLED(発光ダイオード)が注目されており、このような発光素子の搭載には、絶縁性の基板が用いられ、この基板上には、回路(配線)となる金属層が設けられている。
このような構成において、LEDの光出力時の熱は、発光素子の性能や信頼性に影響を及ぼすものであるため、低出力LEDであれば基板として樹脂を用いることができるものの、近年においては、さらに高輝度であることが求められていることから、中出力LEDの基板としてアルミナ質焼結体、高出力LEDの基板として窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられている。
また、上記構成の基板に発光素子を搭載してなる発光装置には、発光効率の向上が求められていることから、基板上に設けられる金属層を白色系の色調の樹脂で覆うことが行なわれている(特許文献1参照)。
発光効率を高めるために、基板上に設けられる金属層を白色系の色調の樹脂で覆った場合、LEDの高輝度化にあたり、樹脂よりも熱伝導率が高く、放熱性の高いセラミックスを基板として用いていることにより、金属層には多くの熱が伝わることとなる。そして、金属層として、放熱性の高い金や銀を用いた場合、金属層に伝わる多くの熱によって、金属層と樹脂との密着性が低くなり、金属層からの樹脂の剥離によって発光効率が低下するおそれがある。そのため、今般においては、セラミックスからなる基板上に、主成分が金または銀である金属層、さらに金属層の少なくとも一部を覆うように設けられた樹脂層を備える構成の発光素子搭載用基板において、金属層と樹脂との剥離が生じるおそれが少ないことが要求されている。
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、高輝度かつ高い発光効率を長期間にわたって発揮可能な発光素子搭載用基板およびこの発光素子搭載用基板に発光素子を搭載してなる発光装置を提供することを目的とする。
本発明の発光素子搭載基板は、セラミックスからなる基板と、該基板上に位置する金属層と、該金属層の少なくとも一部を覆う樹脂層とを備え、前記樹脂層が白金を含み、前記金属層の表面に、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物が存在しており、前記金属層は、主成分が銀であり、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含んでいることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は、上記構成の本発明の発光素子搭載用基板に、発光素子が搭載されてなることを特徴とするものである。
本発明の発光素子搭載用基板によれば、放熱性に優れているとともに、樹脂層と金属層の密着強度が高いことから、高輝度かつ高い発光効率を長期間にわたって発揮することができる。
また、本発明の発光装置によれば、上記構成の本発明の発光素子搭載用基板に、発光素子が搭載されてなることにより、高い信頼性を有する。
以下、本実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態の発光素子搭載用基板を備える発光装置の一例を示す断面図である。なお、以降の図において同一の部材については、同一の番号を付するものとする。
図1に示すように、本実施形態の発光素子搭載用基板10は、セラミックスからなる基板1と、基板1上に設けられ、主成分が金または銀である金属層2と、金属層2の少なくとも一部を覆うように設けられた樹脂層3とを備えている。なお、金属層2における主成分とは、金属層2を構成する成分の合計100質量%のうち、50質量%を超える成分のことである。
また、本実施形態の発光装置20は、上述した構成の発光素子搭載用基板10に発光素子4が搭載されてなるものである。なお、図1においては、発光素子4がボンディングワイヤ5により、金属層2aに並設された金属層2bに電気的に接続されている例を示している。また、図示していないが、発光素子4を保護するために、発光素子搭載用基板10における発光素子4を含む発光素子4の搭載された側の面を封止材で覆っても構わない。また、封止材は、波長変換のための蛍光物質などを含有したものであってもよい。
そして、本実施形態の発光素子搭載用基板10は、基板1がセラミックスからなることにより、高い絶縁性に加えて、優れた機械的特性を有する。また、金属層2は、主成分が金または銀であることにより、金属層2の電気抵抗率が低く熱伝導率が高く、高い放熱性を有するため、高輝度で発熱量の大きい発光素子4の搭載が可能となる。そして、樹脂層3は、基板1および金属層2よりも反射率が高いことが好適である。このように、基板1および金属層2よりも反射率が高い樹脂層3を設けたときには、発光素子搭載用基板10の発光効率が向上する。特に、基板1の色調が暗色系である場合には、基板1の表面が、樹脂層3で覆われていることが好適である。
そして、本実施形態の発光素子搭載用基板10は、樹脂層3が白金を含み、金属層2の表面2cに、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物が存在している。このように、樹脂層3が白金を含み、金属層2の表面2cに、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物が存在していることにより、本実施形態の発光素子搭載用基板10における金属層2と樹脂層3とは、高い密着強度を有する。
ここで、高い密着強度を有することができる詳細なメカニズムは明らかではないが、金属層2の表面2cにおいて、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物の存在が確認されていることから、樹脂層3に含まれる白金が酸化触媒として作用し、樹脂層3に含まれる酸素と、金属層2となるペーストに含まれるマグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種とが酸化反応を起こすことによると考えられる。
このように、金属層2と樹脂層3との密着強度が高いことにより、金属層2の表面2cから樹脂層3が剥離するおそれが少なくなるため、本実施形態の発光素子搭載用基板10は、高輝度かつ高い発光効率を長期間にわたって発揮することができるものとなる。なお、金属層2に含まれる、マグネシウム、カルシウムおよび銅は、金属層2の表面2c以外の領域において、金属として存在しても、化合物として存在してもよいが、銅に関しては、放熱性の観点から、金属で存在することが好適である。
そして、本実施形態の発光素子搭載用基板10を構成する基板1は、酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの複合焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体またはムライト質焼結体を用いることができる。なお、加工性が比較的容易でありながら機械的強度に優れている観点からは、基板1は酸化アルミニウム質焼結体からなることが好適である。また、放熱性に優れているという観点からは、基板1は窒化アルミニウム質焼結体からなることが好適である。
また、基板1には、貫通孔を形成してもよい。基板1に貫通孔を形成し、その貫通孔に導電性物質からなる貫通電極を形成すれば、外部電源と接続することができる。また、その貫通孔に高熱伝導性物質からなるサーマルビアを形成すれば、基板1の放熱特性を向上させることができる。
次に、本実施形態の発光素子搭載用基板10を構成する樹脂層3は白金を含んでいるものであるが、上述したように、基板1よりも反射率が高いことが好適であり、具体的には、白色を呈するものであることが好適である。このような白色を呈する樹脂層3としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの主成分に、酸化チタン、酸化アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化バリウム、硫酸バリウムなどの白色無機フィラーを含有したものが挙げられる。
次に、金属層2の第1の例としては、主成分が銀であり、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含んでいる構成が挙げられる。
このような構成を満たしているときには、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であることにより、優れた放熱性備えつつ、金属層2と樹脂層3とは、高い密着強度を有する。ここで、高い密着強度を有するものとなるのは、銅を20質量%以上40質量%以下含むことにより、金属層2の表面において、樹脂層3に含まれる白金による酸化触媒作用を得られる領域が広くなるためであると考えられる。また、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含んでいることにより、基板1を構成する成分と熱処理時に反応して化合物を形成するため、基板1と金属層2とは強固に接合されることとなる。
そして、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの含有量は、好適には、合計で1質量%以上8質量%以下である。なお、含有量とは、金属層2を構成する成分の合計100質量%のうちの占有量のことである。
また、金属層2の第2の例としては、主成分が銀であり、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含み、さらに、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステンの少なくとも一つを含んでいる構成が挙げられる。このような構成を満たしているときには、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステンは、融点が高い金属であることから、金属層2の形成において、所定位置からのはみ出しが少なく、金属層用ペースト印刷時からの形状保持性が高いため、微細な配線が可能となる。なお、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステンの含有量は、好適には、合計で3質量%以上20質量%以下である。
さらに、金属層2の第3の例としては、主成分が銀であり、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含み、さらに、インジウム、亜鉛および錫の少なくとも一つを含んでいる構成が挙げられる。
さらにまた、金属層2の第4の例としては、主成分が銀であり、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含み、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステンの少なくとも一つを含み、さらに、インジウム、亜鉛および錫の少なくとも一つを含んでいる構成が挙げられる。
このように、金属層2において、インジウム、亜鉛および錫の少なくとも一つを含んでいるときには、熱処理時の溶融により、金属層2における空隙を少なくすることができる。なお、インジウム、亜鉛および錫の含有量は、好適には、合計で0.5質量%以上5質量%以下である。
また、金属層2の第5の例としては、主成分が金または銀であり、ガラス成分の含有量が0.5質量%以上5質量%以下であり、マグネシウム、カルシウムおよび銅の合計の含有量が酸化物換算で0.1質量%以上5.0質量%以下である構成が挙げられる。
上述した第5の例のように、金属層2におけるマグネシウム、カルシウムおよび銅の合計含有量が酸化物換算で0.1質量%以上5.0質量%以下であるときには、主成分の含有量が高いため、金属層2は高い放熱性を有しつつ、金属層2と樹脂層3との実用上十分な密着強度を有するものとなる。
また、樹脂層3における白金の含有量は、0.05質量%以上0.15質量%以下であることが好適である。この範囲の白金の含有量であれば、コスト増加を抑えつつ、金属層2と樹脂層3とにおいて高い密着強度を有することができる。
なお、金属層2および樹脂層3に含まれる成分の確認方法としては、例えば、発光素子搭載用基板10を切断し、クロスセクションポリッシャー(CP)にて研磨した断面を観察面として、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて1000倍以上10000倍以下の倍率で観察し、付設のEDS(エネルギー分散型X線分析装置)を用いることにより確認することができる。もしくは、金属層2および樹脂層3をそれぞれ削り取り、ICP発光分光分析装置(ICP)または蛍光X線分析装置(XRF)を用いることによっても確認することができる。
また、金属層2の表面2cに、マグネシウム、カルシウム、銅の酸化物が存在しているか否かについては、水酸化ナトリウム水溶液のような強アルカリ性溶液を塗布し膨潤させることによって金属層2上の樹脂層3を取り除くか、樹脂層3を削り取ることによって、金属層2の表面を露出させる。その後、SEMに付設のEDSや電子線マイクロアナライザ(EPMA)によるマッピングにより、例えば、マグネシウムの酸化物を確認したいときには、マグネシウムおよび酸素のマッピングを確認し、マグネシウムと酸素との存在位置が重なり合う部分の有無によって確認すればよい。
また、金属層2および樹脂層3の成分の含有量を確認する方法としては、金属層2や樹脂層3をそれぞれ削り取り、ICPやXRFを用いて測定すればよい。なお、金属層2の第5の例のような構成である場合には、酸素を除くガラス成分を構成する元素、マグネシウム、カルシウムおよび銅の含有量をICPやXRFを用いて測定して求めた後、それぞれ酸化物に換算して求めればよい。具体的には、酸素を除くガラス成分を構成する元素が珪素であるときはSiO2、マグネシウムはMgO、カルシウムはCaO、銅はCuOである。
また、樹脂層3は、表面3aに高さ1.5μm以上の突起3bを複数有し、突起3bが規則性をもって配列していることが好適である。このような構成を満たしているときには、反射率が高まるとともに、突起3bの表面積が増えることによって樹脂層3に籠る熱を効率よく放散することができる。なお、発光素子4を保護するために封止部材を設けることや、接触等による突起3bが脱落することによる不具合が生じること等に鑑みれば、突起3bの高さは5.0μm以下であることが好適である。
樹脂層3の表面3aにおける突起3bに関し、図2を用いて説明する。図2は、樹脂層3の表面3aの一例を示す、(a)は平面図であり、(b)は(a)におけるA−A線での断面図である。突起3bは、円錐状、三角錐状または四角錐状であり、図2には、円錐状である突起3bを示している。そして、突起3bの規則性をもった配列とは、図2(a)に示すように、樹脂層3の表面3a上に、突起3bが一定の間隔で存在している状態のことであり、隣り合う突起3bの頂点間の距離の誤差が±10μm以内であることを指す。このような形態を本実施形態において規則性をもった配列という。
そして、樹脂層3の表面3aにおける突起3bが規則性をもって配列しているか否かの確認方法としては、まず、表面3aを目視により突起3bが複数存在することを確認した後、複数の突起3bのうち、各頂点を結ぶ直線で発光素子搭載用基板10を切断し、CPにて研磨した断面を観察面として、光学顕微鏡またはSEMを用いて1000倍以上10000倍以下の倍率で観察し、頂点間の距離を測定する。また、各頂点が結ばれるとともに、先の直線と略直角で交わる直線で発光素子搭載用基板10を切断し、CPにて研磨した断面を観察面として、光学顕微鏡またはSEMを用いて1000倍以上10000倍以下の倍率で観察し、頂点間の距離を測定する。そして、この測定値の誤差が±10μm以内であれば樹脂層3の表面3aに突起3bが規則性をもって配列しているとすればよい。
また、突起3bの高さについては、上述した観察面において、突起3bの左右の隆起していない部分を結ぶ線を基準線として、高さを求め、10個の突起3bの高さの平均を求めればよい。また、突起3b間の間隔については、各頂点が結ばれるように測定すれば、公知の接触型もしくは非接触型粗さ測定器や形状測定器を使用することによって確認することができる。
また、金属層2の表面2cにおいては、算術平均粗さRaが、0.3μm以上0.8μm以下であることが好適である。このような構成を満たしているときには、金属層2と樹脂層3とにおいて高い密着強度を有するものとなる。なお、発光素子搭載用基板10において、金属層2の表面2cとは、樹脂層3に覆われて露出していない面のことである。
そして、金属層2の表面2cの算術平均粗さRaの確認方法としては、例えば、樹脂層3を水酸化ナトリウム水溶液のような強アルカリ性溶液を塗布し膨潤させることによって金属層2上の樹脂層3を取り除くか、樹脂層3を削り取ることによって、金属層2の表面2cを露出させる。その後、接触型もしくは非接触型粗さ測定器を用いて、JIS B 0601−2001に基づいて測定し、この作業を任意の5箇所で行なう。そして、得られた測定値の平均を本実施形態における金属層2の表面2cの算術平均粗さRaの値とする。
以下、本実施形態の発光素子搭載用基板10の製造方法の一例について説明する。まず、基板1として、公知の成形方法および焼成方法により、例えば、窒化アルミニウム質焼結体や酸化アルミニウム質焼結体を準備する。なお、酸化アルミニウム質焼結体の形成にあたっては、基板1の反射率を向上させるべく、酸化バリウム(BaO)や酸化ジルコニウム(ZrO2)を含ませてもよい。
そして、基板1に貫通孔を形成する場合は、成形体形成時に外形状とともに孔を形成するか、外形状のみが加工された成形体に対しパンチング、ブラストまたはレーザーによって孔を形成するか、焼結体にブラストまたはレーザーによって孔を形成すればよい。なお、基板1の厚みは、例えば、0.15mm以上1.5mm以下である。
次に、金属層2の製造方法として、上述した第1、第2、第4、第5の例について説明する。なお、第1、第2、第4の例の金属層2となる金属層用ペーストに関しては、基板1として、窒化アルミニウム質焼結体を用い、第5の例の金属層2となる金属層用ペーストに関しては、酸化アルミニウム質焼結体を用いる。
まず、金属層2の第1の例としては、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下の銀粉末、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下の銅粉末、平均粒径が0.5μm以上5.0μm以下のチタン粉末、有機ビヒクルを準備し、所望量秤量して混合することにより、金属層用ペースト(第1)を作製する。銀粉末、銅粉末およびチタン粉末における質量比率は、例えば、銀:銅:チタンを63:34:3とする。
なお、有機ビヒクルとは、有機バインダを有機溶剤に溶解したものであり、例えば、有機バインダと有機溶剤との質量比率は、有機バインダ1に対し、有機溶剤が2〜6である。そして、有機バインダとしては、例えば、ポリブチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル類、ニトロセルロース、エチルセルロース、酢酸セルロース、ブチルセルロース等のセルロース類、ポリオキシメチレン等のポリエーテル類、ポリブタジエン、ポリイソプレン等のポリビニル類から選択される1種もしくは2種以上を混合して用いることができる。
また、有機溶剤としては、例えば、カルビトール、カルビトールアセテート、テルピネオール、メタクレゾール、ジメチルイミダゾール、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルホルムアミド、ジアセトンアルコール、トリエチレングリコール、パラキシレン、乳酸エチル、イソホロンから選択される1種もしくは2種以上を混合して用いることができる。
また、金属層2の第2の例としては、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下の銀粉末、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下の銅粉末、平均粒径が0.5μm以上5.0μm以下のチタン粉末、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下のモリブデン粉末、有機ビヒクルを準備し、所望量秤量して混合することにより、金属層用ペースト(第2)を作製する。銀粉末、銅粉末、チタン粉末およびモリブデン粉末における質量比率は、例えば、銀:銅:チタン:モリブデンを56:27:2:15とする。
また、金属層2の第4の例としては、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下の銀粉末、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下の銅粉末、平均粒径が0.5μm以上5.0μm以下のチタン粉末、平均粒径が1.0μm以上5.0μm以下のモリブデン粉末、平均粒径が2.0μm以上10.0μm以下の錫粉末、有機ビヒクルを準備し、所望量秤量して混合することにより、金属層用ペースト(第4)を作製する。銀粉末、銅粉末、チタン粉末、モリブデン粉末、錫粉末における質量比率は、例えば、銀:銅:チタン:モリブデン:錫を55:25:3:15:2とする。
次に、金属層2の第5の例としては、平均粒径が0.5μm以上3.5μm以下である銀粉末と、ガラス粉末と、平均粒径が0.3μm以上1.5μm以下である、マグネシウム粉末、カルシウム粉末および銅粉末の少なくとも一つ(以下、無機粉末と記載する。)と、有機ビヒクルとを準備する。
なお、ガラス粉末は、軟化点が500℃以上700℃以下のものを用いることが好適であり、特に、600℃以上700℃以下のものを用いることが好適である。また、ガラス粉末の平均粒径は、金粉末または銀粉末の平均粒径に対して8%以上60%以下であることが好適である。軟化点が600℃以上700℃以下であるとき、また、ガラス粉末の平均粒径が、金属粉末の平均粒径に対して8%以上60%以下であるときには、金属層用ペースト中に含まれるガラス粉末が、焼成の際に軟化しやすく、基板1側へ動きやすくなり、基板1と金属層2の接合強度を向上させることができる。
そして、このようなガラス粉末の種類としては、例えば、R2O−B2O3−SiO2系(R:アルカリ金属元素)、SiO2−Bi2O3−B2O3系、R2O−SiO2−B2O3−Bi2O3系、SiO2−ZnO−B2O3系、R2O−SiO2−B2O3−ZnO系などが挙げられる。
そして、銀粉末、ガラス粉末、無機粉末、有機ビヒクルを所望量秤量して混合することにより、金属層用ペースト(第5)を作製する。このときの配合量としては、例えば、銀ペースト100質量%のうち、銀粉末を77.0質量%以上87.0質量%以下、ガラス粉末を0.5質量%以上5質量%以下、無機粉末を0.1質量%以上5.0質量%以下、有機ビヒクルを10質量%以上20質量%以下の範囲とすればよい。
そして、第1、第2、第4の金属層用ペーストを用いた際のその後の工程としては、まず、大気雰囲気において、800℃以上900℃以下の温度で基板1を熱処理する。次に、公知のスクリーン印刷法等により、いずれかの金属層用ペーストを印刷して乾燥させる。その後、真空雰囲気において、790℃以上860℃以下の最高温度で、3分以上15分以下保持することにより金属層2を形成する。
次に、樹脂層3となるペースト(以下樹脂層用ペーストと記載する。)を準備する。樹脂層用ペーストは、例えば、白金を含むシリコーン樹脂原料と白色無機フィラー粉末を有機溶剤中に分散させたものである。
このとき、白金を含むシリコーン樹脂原料の主成分としては、オルガノポリシロキサン、オルガノハイドロジェンポリシロキサン、白金含有ポリシロキサンなどが挙げられる。また、白色無機フィラーとしては、酸化チタン、酸化アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化バリウム、硫酸バリウムなどが挙げられる。なお、樹脂層3における白金の含有量は、0.05質量%以上0.15質量%以下となるように調整することが好適である。
また、樹脂層用ペーストの作製においては、樹脂層3における低分子シロキサンの含有量が200ppm以下になるように調整することが好適である。低分子シロキサンは、溶融された金属をはじきやすい性質をもつため、金属層2の表面2cにおけるボンディングワイヤ5を密着する領域に、低分子シロキサンが存在するおそれを少なくするためである。上述したように調整すれば、金属層2の表面2cにおいて、ボンディングワイヤ5の密着処理を容易に行なうことができる。
なお、樹脂層用ペーストにおける質量比率としては、例えば、白金を含むシリコーン樹脂原料が1に対し、白色無機フィラーが0.5〜4、有機溶剤が20〜100となるように調合する。なお、架橋剤、希釈剤、反応抑制剤なども適宜加えて構わない。
そして、得られた樹脂層用ペーストを、基板1や金属層2における所望領域を覆うように印刷する。ここで、突起3bを樹脂層3の表面3aに設けるためには、突起3bの形状を形成可能な型を準備し、樹脂ペーストを印刷した後にこの型を押し当て、その後引き離せばよい。
次に、印刷した樹脂ペーストを140℃以上200℃以下の最高温度で0.5時間以上3時間以下保持して熱処理する。なお、樹脂層3の厚みは、例えば、10μm以上70μm以下である。以上の工程までを経ることにより、本実施形態の発光素子搭載用基板10を得ることができる。
次に、第5の金属層用ペーストを用いた際のその後の工程としては、公知のスクリーン印刷法等により、第5の金属層用ペーストを印刷して、80℃以上150℃以下で乾燥する。そして、例えば、大気雰囲気において、820℃以上900℃以下の最高温度で5分以上3時間以下保持することにより金属層2を形成する。この後の樹脂層3の形成については、上述した方法と同様の方法により行なえばよい。
次に、金を主成分とする金属層2の製造方法について説明する。金を主成分とする金属層2としては、有機溶媒に、金含有有機化合物を含む金レジネートおよび無機粉末を含む金レジネートペーストを用いればよい。
そして、準備した金レジネートペーストを用いて、公知のスクリーン印刷法等により基板1に印刷し、その後、80℃以上150℃以下で乾燥する。そして、例えば、大気雰囲気において、400℃以上900℃以下の最高温度で5分以上3時間以下保持することにより金属層2を形成する。この後の樹脂層3の形成については、上述した方法と同様の方法により行なえばよい。
なお、金属層2の厚みを所望の厚みとするには、印刷、乾燥および熱処理を繰り返したり、印刷および乾燥までの工程を複数回行なった後に一括して熱処理したりすればよい。
そして、金属層2の厚みは、例えば、銀を主成分とする金属層2の場合は、5μm以上70μm以下であり、金を主成分とする金属層2の場合は、0.5μm以上10μm以下である。
また、金属層2の表面には、部分的にめっき処理を行なってもよい。このようにめっき処理を行なうことによって、発光素子4やボンディングワイヤ5などの密着処理がしやすくなり、酸化による金属層2の腐蝕を抑制することができる。めっきの種類としては公知のめっきであればよく、例えば、金めっき、銀めっきまたはニッケル−金めっきなどが挙げられる。
そして、上述した製造方法により得られた本実施形態の発光素子搭載用基板10は、樹脂層3が、白金を含み、金属層2が、金または銀を主成分とするとともに、金属層2の表面2cに、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物が存在していることから、金属層2の電気抵抗率が低く熱伝導率が高いことによって高い放熱特性を有しているとともに、金属層2と樹脂層3との密着強度が高いため、高輝度かつ高い発光効率を長期間にわたって発揮することができる。
さらに、本実施形態の発光素子搭載用基板10の作製において、分割溝が形成された基板1を用いて、上述した方法により金属層2および樹脂層3を形成し、その後分割すれば、多数個の発光素子搭載用基板10を効率よく作製可能である。なお、本実施形態の発光素子搭載用基板10の製造方法は上述した製造方法に限るものではない。
次に、図2に示す本実施形態の発光装置20であれば、例えば、本実施形態の発光素子搭載用基板10の金属層2上に、発光素子4を搭載し、ボンディングワイヤ5で接続することによって得ることができる。このようにして作製された本実施形態の発光装置20は、高い信頼性を有する。
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。
金属層における酸化物換算したマグネシウム、カルシウムおよび銅の含有量を異ならせた試料を作製し、信頼性試験を行なった。まず、酸化珪素および酸化マグネシウムを焼結助剤とし、酸化アルミニウムの含有量が96質量%の酸化アルミニウム質焼結体からなる厚さ0.32mmの基板を準備した。
次に、金属層となる金属層用ペーストとして、平均粒径が2.0μmである銀粉末と、平均粒径が1.3μmであり、軟化点が630℃であるR2O−B2O3−SiO2系のガラス粉末と、無機粉末(マグネシウム粉末、カルシウム粉末、銅粉末)と、有機ビヒクルとを準備した。
そして、配合量としては、ガラス粉末を2.5質量%、有機ビヒクルを15質量%とし、無機粉末を、金属層を構成する成分100質量%のうち、酸化物換算した含有量が表1に示す量となるように秤量し、残部を銀粉末とした。そして、これらを混ぜ合わせることにより、金属層用ペーストを得た。
そして、スクリーン印刷法により、それぞれの基板に対し、それぞれの金属層用ペーストを印刷した。その後、100℃で乾燥し、大気雰囲気において900℃の最高温度で15分保持して熱処理した。なお、熱処理後の金属層の厚みは10μmとした。
次に、樹脂層用ペーストとして、有機溶剤中に白金含有ポリシロキサンと酸化チタンからなる白色無機フィラー粉末を分散させたものを準備した。なお、白金は、樹脂層を構成する成分の合計100質量%のうち、0.1質量%の含有量となる量を樹脂層用ペーストに含むものとした。
そして、得られた樹脂層用ペーストを、金属層の少なくとも一部の表面を覆うように所望位置に印刷した。そして、150℃の最高温度で1時間保持する熱処理を行なった。なお、樹脂層の厚みは20μmとした。このようにして、試料No.1〜21を得た。なお、各試料は20個ずつ準備した。
次に、信頼性試験について説明する。温度85℃、湿度85%に設定した加速寿命試験装置の中に試料を載置した。そして、各試料を1個ずつ50時間ごとに取出し、樹脂層の表面上にポリエステルフィルムを貼り付け、それを上方へ引くことによってピール試験を行ない、金属層からの樹脂層の剥離が確認されたときの時間を表1に示した。
表1に示すように、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物を金属層に含んでいることにより、耐久時間が長くなることがわかった。また、金属層におけるマグネシウム、カルシウムおよび銅の合計の含有量が、酸化物換算で0.1質量%以上5.0質量%以下であることにより、さらに耐久時間が長くなることがわかった。なお、試料No.4,9,14,19は、1000時間後においても、金属層からの樹脂層の剥離は確認されなかった。
なお、金属層の表面に関し、EPMAを用いて、Mg、Ca、Cu、Oについてマッピングを確認したところ、試料No.2〜21については、Mg、Ca、Cuのいずれかと、Oとが重なり合う部分があることが確認された。
以上の結果を含め、金属層の主成分が金または銀であることによって放熱性が高いことを鑑みれば、本実施形態の発光素子搭載用基板は、放熱性に優れつつ、樹脂層と金属層の密着強度が高いため、高輝度かつ高い発光効率を長期間にわたって発揮することができることがわかった。
次に、金属層の構成の異なる試料を作製し、金属層の接合強度、金属層の形状保持性、金属層における空隙量の確認を行なった。
まず、平均粒径が2.5μmの銀粉末、平均粒径が2.5μmの銅粉末、平均粒径が1.0μmのチタン粉末、平均粒径が2.0μmのモリブデン粉末、平均粒径が5.0μmの錫粉末、有機ビヒクルを準備し、表2に示す含有量となるように秤量して混合することにより、金属層用ペーストを作製した。
そして、基板としては窒化アルミニウム質焼結体を用い、大気雰囲気において、850℃の温度で基板を熱処理した。次に、スクリーン印刷法により、それぞれの基板に対し、それぞれの金属層用ペーストを印刷して乾燥させた。その後、真空雰囲気において、820℃の最高温度で、5分保持することにより金属層を形成した。なお、熱処理後の金属層の厚みは15μmとした。
そして、金属層の引きはがし強さをJIS C 6481−1996に準拠して測定することにより、接合強度を評価した。測定にあたっては、まず、金属層の大きさが2×2mm2となるようにエッチングを施し、フラックスと半田とを用い、金属層の表面に、厚みが0.6mmのめっき導線(銅線にSnめっき)を接合(半田付け)して行なった。なお、接合強度に関して表2においては、試料No.23を基準とし、試料No.23より引きはがし強さの値が小さい試料にB、試料No.23に比べて引きはがし強さの値が同等若しくは超える試料にAで示した。
また、同じスクリーンを用いて金属層を形成したものであることから、試料No.27を基準に、形状保持性について評価した。なお、評価方法は、平面視した際の金属層形状が試料No.27よりも大きい試料をBとし、平面視した際の金属層形状が試料No.27と同等の試料をAとした。
また、超音波探傷法により基板と金属層との間の空隙を平面視した面積Svを測定し、観察面積Soに対する面積占有率(Sv/So×100)を求め、空隙量とした。ここで、超音波探傷法の測定条件は、探傷周波数を50MHz,ゲインを30dB、スキャンピッチを100μmとし、試料No.25を基準に、試料No.25よりも空隙量の値が大きい試料をB、試料No.25と同等若しくは空隙量の値が小さ試料をAとした。
また、金属層を削り取ることによりサンプリングし、ICPを用いて含有量を求めた。さらに、各試料を切断し、CPにて研磨した断面を測定面としてEPMAのマッピングを確認したところ、試料No.23〜33については、基板の表面側において、チタンと窒素(基板である窒化アルミニウム質基板を構成する成分)とが重なり合う部分が存在した。結果を表2に示す。
表2に示すように、金属層が、チタンを含んでいることにより、基板との接合強度が高まることがわかった。また、モリブデンを含んでいることにより、金属層の形状保持性が高まることがわかった。さらに、錫を含んでいることにより、空隙を少なくできることがわかった。そして、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であれば、金属層と樹脂層とは高い密着強度を有しているものであることから、基板との密着強度が高かったり、形状保持性が高かったり、空隙の少なければ、さらに信頼性の高い発光素子搭載用基板となることがわかった。
また、チタン粉末に替えて、ジルコニウム粉末、ハフニウム粉末、ニオブ粉末を用いた場合にも、基板との接合強度は高まった。さらに、モリブデン粉末に替えて、オスミウム粉末、レニウム粉末、タングステン粉末を用いた場合にも、金属層は、高い形状保持性を有していた。また、錫粉末に替えて、インジウム粉末、亜鉛粉末を用いた場合にも、空隙は少なかった。
次に、樹脂層の表面性状を異ならせた試料を作製し、反射率の測定を行なった。なお、樹脂層の表面性状に関すること以外は、実施例1の試料No.4と同じ方法により作製した。
なお、試料No.35については、樹脂層形成後の表面にブラスト処理を施し、突起を形成した。また、試料No.36〜39については、樹脂層用ペーストを印刷した後に、円錐状であり、図2に示すような規則的な配列となるような型を用いて押圧して突起を形成した。
そして、試料No.35〜39について突起の各頂点を結ぶ直線で切断した後、CPにて研磨した断面を観察面として、SEMを用いて2000倍の倍率で観察し、試料No.35については、隣り合う突起の頂点を基準線とし、突起間の窪みの深さを測定し、10カ所における深さの平均値を突起高さとした。また、試料No.36〜39については、突起の左右の隆起していない部分を結ぶ線を基準線として、高さを測定し、10カ所における高さの平均値を突起高さとした。なお、試料No.36〜39における前後左右の突起の間隔は50μmであった。
次に、分光側色計を用いて波長450nmにおける各試料の樹脂層の反射率を測定した。結果を表3に示す。
表3に示すように、樹脂層の表面に高さ1.5μm以上の突起3bを複数有し、突起が規則性をもって配列していることにより、反射率が向上することがわかった。
次に、金属層の表面性状を異ならせた試料を作製し、信頼性試験を行なった。
各試料は、金属層の表面性状に関すること以外は、実施例1の試料No.4と同じ方法により作製した。
なお、金属層の表面性状の加工は、金属層形成後に、金属層の表面の算術平均粗さRaが表4に示した値になるように、ブラスト処理により行なった。そして、実施例1と同じ方法で信頼性試験を行なった。結果を表4に示す。
表4に示すように、金属層の表面における算術平均粗さRaが、0.3μm以上0.8μm以下であることにより、耐久時間が長くなることがわかった。そして、これらの実施例の結果より、本実施形態の発光素子搭載用基板は、放熱性に優れているとともに、樹脂層と金属層の密着強度が高いことから、これに発光素子を搭載してなる発光装置は、高い信頼性を有するものとなることがわかった。
1:基板
2:金属層
3:樹脂層
4:発光素子
5:ボンディングワイヤ
10:発光素子搭載用基板
20:発光装置
2:金属層
3:樹脂層
4:発光素子
5:ボンディングワイヤ
10:発光素子搭載用基板
20:発光装置
Claims (7)
- セラミックスからなる基板と、
該基板上に位置する金属層と、
該金属層の少なくとも一部を覆う樹脂層とを備える発光素子搭載用基板であって、
前記樹脂層が、白金を含み、前記金属層の表面に、マグネシウム、カルシウムおよび銅の少なくとも一種の酸化物が存在しており、
前記金属層は、主成分が銀であり、銅の含有量が20質量%以上40質量%以下であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびニオブの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする発光素子搭載用基板。 - 前記金属層は、モリブデン、オスミウム、レニウムおよびタングステンの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の発光素子搭載用基板。
- 前記金属層は、インジウム、亜鉛および錫の少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光素子搭載用基板。
- 前記樹脂層は、表面に高さ1.5μm以上の突起を複数有し、該突起が規則性をもって配列していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の発光素子搭載用基板。
- 前記金属層の表面における算術平均粗さRaが、0.3μm以上0.8μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の発光素子搭載用基板。
- 前記樹脂層はシリコーン樹脂を主成分とし、前記シリコーン樹脂中の低分子シロキサンの含有量が200ppm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の発光素子搭載用基板。
- 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の発光素子搭載用基板に、発光素子が搭載されてなることを特徴とする発光装置。
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