JP5965158B2

JP5965158B2 - 発光装置及びその製造方法

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Publication number: JP5965158B2
Application number: JP2012034038A
Authority: JP
Inventors: 裕司重枝
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP2013171924A

Description

本発明は、配線基板に発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）素子等の発光素子を搭載した半導体発光装置に関する。

ＬＥＤ素子を配線基板に搭載した発光装置が、照明、バックライト、産業機器等に従来から用いられてきた。このような発光装置では、発光素子の高輝度化が進められている。また、発光装置の高輝度化にともなって、発光装置内での発熱量が増加するため、発光装置内において生じた熱を効率良く発光装置の外部に伝達させ、放熱効率を高める要求が高まっている。

発光素子を搭載するセラミック基板の表面に銀からなる反射層を設けて、光取り出し効率を高める技術が知られている。このような装置においては、反射層を形成する銀が反応性の高い硫黄と結合して反射率の低い硫化銀が生成され、反射層の反射率が低下してしまうことを防止するために、反射層を被覆するガラスからなる被覆層が形成されている。また、放熱効率を高めるために、発光素子を搭載する基板上面から裏面に貫通する銀等の熱伝導率の高い材料からなる放熱ビアが形成されている（特許文献１）。

特開２０１０−３４４８７号公報

上述したような発光装置においては、ガラスの特性故にガラス層を平坦に形成するのが困難であるため、ガラス被覆層の表面に大きな凹凸が存在していた。特に、放熱ビア上の領域では、セラミック基板とビア内に充填されている銀との熱膨張率の差異によって製造時の焼結工程において発生する凹凸のために、ビア近傍のガラス被覆層表面にさらに大きな凹凸が発生していた。

これらの凹凸のため、被覆層表面にシリコーン樹脂を介して搭載した発光素子の裏面と基板上面との距離が大きくなってしまい、発光素子と基板裏面との間の熱抵抗が大きくなってしまっていた。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、発光素子からの発熱を効率的に放熱できる発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、上面から下面まで貫通している放熱ビアを有する基板と、基板と放熱ビアとの境界部上を覆うように基板上に形成された光反射層と、光反射層上に形成された透光性の保護層と、保護層の上部に部分的に埋設されるよう、境界部の上方領域に少なくとも一部が重なる位置に配置され、保護層よりも熱伝導率が高い材料から構成される素子搭載板と、素子搭載板上に搭載されている発光素子と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の製造方法は、上面から下面まで貫通している孔部を有し、焼成によって基板を構成するセラミックグリーンシートを用意し、孔部に放熱ビアを形成するための熱伝導性材料を充填し、セラミックグリーンシートと熱伝導性材料との境界部上を覆うようにセラミックグリーンシートの上面に光反射層を形成するための光反射性材料を塗布し、光反射性材料上に透光性の保護層を形成するための透光性材料を塗布し、透光性材料の上部に一部埋設するようにかつ境界部の上方領域に少なくとも一部が重なる位置に、素子搭載板を配置して積層構造体を形成するステップと、積層構造体を焼成して、基板、放熱ビア、光反射層、及び保護層を形成するステップと、素子搭載板上に発光素子を搭載するステップと、を有し、放熱ビアは基板よりも熱伝導率が高く、素子搭載板は保護層よりも熱伝導率が高い、ことを特徴とする。

本発明の発光装置では、保護層の上部に、保護層内に一部埋設するような態様で、発光素子搭載用の熱伝導率の高い素子搭載板が設けられている。それによって、発光装置の放熱効率を向上させることができる。

本発明の発光装置の平面図である。本発明の発光装置の断面図である。本発明の発光装置の断面図である。本発明の発光装置の製造方法の各工程における断面図である。本発明の発光装置の製造方法の各工程における断面図である。本発明の発光装置の製造方法の各工程における断面図である。本発明の発光装置の製造方法の各工程における断面図である。本発明の発光装置の変形例の断面図である。本発明の発光装置の変形例の断面図である。本発明の発光装置の変形例の断面図である。

以下に、本発明の発光装置１について、図１ａ、ｂを参照しつつ説明する。図１ａは、本発明の発光装置１の光放射面側からみた平面図である。図１ｂは、図１ａにおける１ｂ−１ｂ線に沿った断面図である。

基板１１は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low Temperature Co-fired Ceramics）または高温同時焼成セラミックス（ＨＴＣＣ：High Temperature Co-fired Ceramics）等からなる矩形の平面形状を有する基板であり、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス、有機バインダー及び可塑剤からなるグリーンシートを焼成して形成される。基板１１上面には、例えば、上記グリーンシート上にＡｕ等のペーストを印刷し、後にグリーンシートともに焼成することによって、ＬＥＤ素子１３への電力供給のための電極（図示せず）が形成されている。

基板１１の中央には、基板１１の上面から下面に貫通している、例えば、直径５００μｍの円を底面とする円柱状の孔部１７に、基板１１よりも熱伝導率の良い、例えばＡｇ等を充填した放熱ビア１９が形成されている。放熱ビア１９は、上記グリーンシートに、例えば、パンチング加工を施して円柱状の孔部１７を形成し、孔部１７にＡｇペーストを充填して、グリーンシートと共に焼成することによって形成される。放熱ビア１９を形成する材料は、基板１１よりも熱伝導率が良い材料ならば他の金属等、様々な材料が利用可能である。

反射層２１は、基板１１の上面を覆うように形成されている。反射層２１は、例えば、厚さ２０μｍの層状のＡｇ等の光反射性部材からなっており、例えば、上記グリーンシート上にＡｇ等のペーストを印刷して、上記グリーンシートと共に焼成することによって形成される。

保護層２３は、反射層２１の上面を覆うように形成されている。保護層２３は、例えば、厚さ３０μｍの層状の透光性部材で有り、ガラス材等からなっている。保護層２３は、例えば、反射層２１を形成するペースト上にガラス材のペーストを印刷し、上記グリーンシート等と共に焼成することによって形成される。保護層２３は、反射層２１を外部環境から封止して、反射層２１が硫黄等によって劣化することによる、反射層２１の反射性の低下を防止する。尚、保護層２３は、ガラス以外であっても、反射層２１を外部環境から封止可能でありかつ透光性を有するものであれば何でもよい。

素子搭載板２５は、保護層２３を形成する部材より熱伝導率が高い部材、例えば、セラミックからなり、一辺が８００μｍの正方形の平面形状を有し、３０μｍの厚さを有する板状部材である。素子搭載板２５は、例えば、基板１１に使用されるグリーンシートと同様のグリーンシートを焼成し、その後、切断・分割することによって板状に形成される。素子搭載板２５は、放熱ビア１９の真上の保護層２３上に、一部が保護層２３内に埋設されかつ反射層から離間するように設けられている。また、基板１１の表面に垂直な方向からみた上面視において、放熱ビア１９は素子搭載板２５によって覆い隠される、または当該上面視において、放熱ビアの上面全体を包含する位置に配されている。すなわち、基板１１に平行な面に投影したときに、放熱ビア１９が、素子搭載板２５の内側にあるように配されている（図１ａ）。

かかる構成によって、放熱ビア１９に起因した反射層２１表面の凹凸にかかわらず、保護層２３上に、素子搭載板２５及び発光素子１３を基板１１の表面に対して平行に配置することが可能である。そのため、表面に凹凸のある被覆層上に発光素子が搭載された従来の発光装置と比較して、発光素子と基板裏面との間の熱抵抗を小さくすることができる。また、素子搭載板２５は、保護層２３よりも熱伝導率が高いので、素子搭載板２５を用いる本願発光装置１は、保護層２３の上面に直接ＬＥＤ素子１３を搭載する従来の発光装置よりも、ＬＥＤ素子１３と基板１１の裏面との間の熱抵抗が低減されている。

尚、素子搭載板２５に用いられる部材は、保護層２３よりも熱伝導率が良い部材であればよく、例えば、Ｃｕ、Ａｌ等の金属でもよいが、基板１１を形成するセラミックグリーンシートを焼成する際の高熱（例えば、約９００℃）下での変形が少ない高融点の部材（例えば、ＭｇまたはＷ）であるのが好ましい。また、素子搭載板２５としては、熱伝導性の高い高温焼成セラミックス（ＨＴＣＣ）を用いることも好ましい。また、素子搭載板２５は、図２のように、基板１１の表面に垂直な方向からみた上面視において、放熱ビア１９の一部のみを覆い隠す、または放熱ビアの一部のみと重なる位置に配されていてもよい。すなわち、素子搭載板２５は、基板１１の表面に垂直な方向からみた上面視において、基板１１と放熱ビア１９との境界部を覆う位置（すなわち当該境界部の上方領域に重なる位置）に配されていてもよい。この場合でも、放熱ビア１９と基板１１との境界部上方に生じる光反射層２１表面の凹凸にかかわらず、素子搭載板２５及びその上に搭載するＬＥＤ素子１３を、基板１１の上面と平行に配置しかつ熱抵抗を低下させることができる。また、素子搭載基板２５には、光反射率の高い材料を用いることが好ましいが、反射層２１での反射を利用できるよう、発光素子が搭載可能な程度の大きさで小さく形成することが好ましい。

ＬＥＤ素子１３は、一辺が４５０μｍの正方形の平面形状を有し、１２０μｍの厚さを有している。ＬＥＤ素子１３は、素子搭載板２５の上面に、例えば、シリコーン樹脂系またはエポキシ樹脂系等の接着材を介して搭載されている。接着材は、透光性樹脂に限られず、反射率や熱伝導率を高める材料を添加することができる。ＬＥＤ素子１３は、上面にＰ電極及びＮ電極を有しており、当該Ｐ電極及びＮ電極は、例えば、Ａｕ（Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌ等の導電体でもよい）のボンディングワイヤ（図示せず）を介して電極（図示せず）に電気的に接続されている。

このように、本発明の発光装置１では、ＬＥＤ素子１３を表面に凹凸を有する保護層２３に直接搭載せずに、保護層２３上に、保護層２３内部に一部埋設されておりかつ保護層２３よりも熱伝導率の高い素子搭載板２５を介して搭載している。素子搭載板２５は、反射層２１と接しない程度にその下部が保護層２３の上部に埋設されて、上部が保護層２３の上面から露出している。これにより、放熱ビア１９近傍の反射層２１表面と保護層２３との界面の凹凸が大きい領域、すなわち、素子搭載板２５を介さない場合に保護層２３表面の凹凸が大きくなってしまっていた放熱ビア１９近傍の領域にも、ＬＥＤ素子１３を保護層２３上に基板１１と平行に配置することが可能であり、熱伝導率の高い放熱ビア１９による熱消散効果を最大限に利用することが可能である。さらに、基板１１と放熱ビア１９との境界、あるいは、放熱ビア１９の上方に凹凸が生じた場合に懸念される各種不具合のない信頼性の高い発光装置１を提供することができる。というのも、基板と放熱ビアとの境界、あるいは、放熱ビアの上方に凹凸が生じた場合には、ＬＥＤ素子１３が基板１１の上面に対して傾斜して配置されることが懸念され、ＬＥＤ素子１３の上面に形成された電極に対して給電ワイヤを接続するワイヤボンディング工程において、ＬＥＤ素子１３を画像認識する際にＬＥＤ素子１３上面の反射状態が通常時と異なるために、ワイヤボンディングができない場合が生じる可能性がある。また、凹凸の程度が大きい場合には、ＬＥＤ素子１３の光軸がずれて、所望の輝度や配光が得られなくなる可能性がある。

次に、図３ａ−ｄを参照して、本発明の発光装置１の製造方法について説明する。尚、焼成前のグリーンシート、ペースト等には、参照符号に「Ａ」を付している。

はじめに、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス、有機バインダー及び可塑剤からなるセラミックグリーンシートを基板１１の大きさに合わせて切断した基板グリーンシート１１Ａを用意する。

次に、図３ａに示すように、基板グリーンシート１１Ａの中央に、放熱ビア１９を形成するための孔部１７を、例えばパンチング加工を用いて形成する。そして、孔部１７に、例えばスクリーン印刷で、基板１１よりも熱伝導率が高いＡｇ等の材料からなる熱伝導性材料のペースト１９Ａを充填する。

次に、図３ｂに示すように、基板グリーンシート１１Ａの上面全体に、Ａｇペースト等の光反射性材料のペースト２１Ａを、例えばスクリーン印刷で塗布し、光反射性材料のペースト２１Ａを覆うように、ガラスペースト等の透光性材料のペースト２３Ａをスクリーン印刷で塗布する。

次に、図３ｃに示すように、透光性材料のペースト２３Ａ上に、予め所定の大きさに形成されたセラミックまたは金属等からなる板状部材である素子搭載板２５を載置する。素子搭載板２５を載置した後、素子搭載板２５を上方から基板１１の方向に押圧して、素子搭載板２５の一部を透光性材料のペースト２３Ａ内に埋没させる。この際、押圧は、素子搭載板２５が光反射性材料のペースト２１Ａに接しない程度に行う。

次に、必要ならば最終的に製造される装置の厚みに応じてグリーンシートを積層し、窒素雰囲気下で焼成を行い（ＬＴＣＣの場合、焼成温度は約９００度）、グリーンシート１１Ａ、熱伝導性材料のペースト１９Ａ、光反射性材料のペースト２１Ａ、透光性材料のペースト２３Ａの硬化を行う。その後に、図３ｄに示すように、素子搭載板２５上にシリコーン樹脂等からなる接着剤を塗布し、接着剤上にＬＥＤ素子１３を搭載して接着剤を加熱硬化し、ワイヤボンディングでＬＥＤ素子１３と電極（図示せず）との電気的接続を形成する。その後、必要に応じて、ＬＥＤ素子１３上に樹脂を滴下して硬化することでＬＥＤ素子１３を樹脂封止（図示せず）する等の工程を行い、分割・個片化処理を行って発光装置１が完成する。尚、ＬＥＤ素子１３を搭載する前に、基板１１等の分割・個片化処理を行うこととしてもよい。

上記実施例では、１つの放熱ビア１９が設けられているが、図４に示す発光装置２のように、複数の放熱ビア１９が形成されていてもよい。また、図５に示す発光装置３のように１つの放熱ビア上に複数の素子搭載板２５及びＬＥＤ素子１３が配されていてもよい。また、放熱ビア１９は、必ずしも素子搭載板２５の真下に設ける必要は無い。例えば、図６に示す発光装置４のように、素子搭載板２５は、基板１１の表面に垂直な方向からみた上面視において、放熱ビア１９と全く重なっていない位置に配されていてもよい。この場合であっても、放熱ビア１９または保護層２３の性質に起因して保護層２３の表面に生じる凹凸にかかわらず、素子搭載板２５及びＬＥＤ素子１３を基板１１の上面に対して平行に載置しかつ熱抵抗を低下させる効果が得られる。

また、上記実施例においては、放熱ビア１９の底面よりも素子搭載板２５の平面形状が大きい構成となっているが、素子搭載板２５の平面形状は、ＬＥＤ素子１３の底面よりも大きければよい。また、素子搭載板２５は、正方形以外でもよく、例えば、長方形、円形、楕円形等様々な形状をとることが可能である。

また、上記実施例においては、光反射層２１は、基板上面全体を覆う構成になっているが、ＬＥＤ素子１３から射出された光を、発光装置１の光放射方向に反射する機能を果たせるならば、基板上面の一部のみを覆う構成としてもよい。

また、上記実施例においては、光反射層２１が放熱ビア１９の上面の全体を覆う場合について説明したが、放熱ビア１９と基板１１との境界部の少なくとも一部を覆うように形成されていてもよい。反射層２１表面に生じる凹凸（素子搭載板２５を設けない構成においては保護層２３表面に生じる凹凸）は、放熱ビア１９上方および放熱ビア１９と基板１１との境界部上方に生じ得るが、特に、放熱ビア１９と基板１１との境界部上方に生じる凹凸の方が大きいため、放熱ビア１９と基板１１との境界部とＬＥＤ素子１３底面との間に素子搭載板２５を配置することにより、ＬＥＤ素子１３を基板１１の上面に対してほぼ平行に載置することができるためである。

上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び使用される発光素子等に応じて、適宜選択することができる。

１、２、３発光装置
１１基板
１１Ａ基板グリーンシート
１３ＬＥＤ素子
１７孔部
１９放熱ビア
１９Ａ熱伝導性材料のペースト
２１反射層
２１Ａ光反射性材料のペースト
２３保護層
２３Ａ透光性材料のペースト
２５素子搭載板

Claims

発光装置の製造方法であって、
上面から下面まで貫通している孔部を有し、焼成によって基板を構成するセラミックグリーンシートを用意し、前記孔部に放熱ビアを形成するための熱伝導性材料を充填し、前記セラミックグリーンシートと前記熱伝導性材料との境界部上を覆うように前記セラミックグリーンシートの上面に光反射層を形成するための光反射性材料を塗布し、前記光反射性材料上に透光性の保護層を形成するための透光性材料を塗布し、前記透光性材料の上部に一部埋設するようにかつ前記境界部の上方領域に少なくとも一部が重なる位置に、素子搭載板を配置して積層構造体を形成するステップと、
前記積層構造体を焼成して、前記基板、前記放熱ビア、前記光反射層、及び前記保護層を形成するステップと、
前記素子搭載板上に発光素子を搭載するステップと、を有し、前記放熱ビアは前記基板よりも熱伝導率が高く、前記素子搭載板は前記保護層よりも熱伝導率が高い、ことを特徴とする発光装置の製造方法。
前記素子搭載板を、前記セラミックグリーンシートの上面に垂直な方向からみて、前記放熱ビアの上面全体を包含するように構成することを特徴とする請求項１に記載の発光装置の製造方法。
前記素子搭載板をセラミックまたは金属から形成すること特徴とする請求項１または２に記載の発光装置の製造方法。