JP6039417B2

JP6039417B2 - 発光素子搭載用基板およびそれを用いた発光装置

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Publication number: JP6039417B2
Application number: JP2012286792A
Authority: JP
Inventors: 洋二古久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014130870A

Description

本発明は、高い反射性を有す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、省エネ・環境保全の面から、液晶テレビを始めとして、液晶画面のバックライトや、一般家庭用照明のＬＥＤ（Light Emission Diode）化が進んでいる。ＬＥＤを発光素子とする発光装置は、蛍光灯や白熱電球に比較して寿命は約１０倍、電気代は約１／１０程度と、優れた点が多く、脚光を浴びている。

従来より、この種の発光装置は、ＬＥＤタイプの発光素子を各種基板の上に実装し、その発光素子を各種基板の上に形成した電極パターンにワイヤボンディングあるいはバンプ実装によって接続した構成となっている。

こうした中、高い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、熱伝導性および機械的強度が高く、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、アルミナセラミックスやガラスセラミックスを基材とした発光素子搭載用基板が注目されている。

また、こうしたセラミック製の発光素子搭載用基板（以下、基板という場合がある）においては、近年、基板の内部に複数の貫通導体（サーマルビアという場合がある）を配置し、これらの貫通導体を基板内部の面内に広がる導体層で連結させて、発光素子の搭載面とは反対側の裏面側に熱を逃がすようにし、放熱性を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、上記のような発光素子搭載用基板では、貫通導体を連結する導体層が発光素子の搭載面の直下に広がっているために、導体層が発光素子の搭載面である反射面に投影され、反射面が導体層の色で透けて着色されたようになり、このため発光素子搭載用基板の反射面における反射特性が低下するという問題があった。

特開２０１１−４４６１２号公報

従って本発明は、放熱性とともに反射特性に優れた発光素子搭載用基板およびそれを用いた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用基板は、セラミック層が複数積層され、表面に発光素子用の搭載部を有する白色系の絶縁基体と、該絶縁基体の内部において、前記セラミック層を厚み方向に貫いている複数の貫通導体と、該複数の貫通導体に接続され、前記セラミック層の主面に形成されている導体層と、を具備してなる発光素子用基板であって、前記導体層は、隣り合う前記貫通導体間で、前記表面とは反対側に凸となるように湾曲していることを特徴とする。

本発明の発光装置は、上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、放熱性とともに反射特性に優れた発光素子搭載用基板およびそれを用いた発光装置を得ることができる。

本発明の発光素子搭載用基板の一実施形態を模式的に示した斜視図である。図１のＡ−Ａ’線断面図である。（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図１に示したＢ線、Ｃ線およびＤ線の層における平面図である。従来の発光素子搭載用基板を模式的に示した斜視図である。図４のＡ−Ａ’線断面図である。図５の変形例であり、図５に比較して、導体層の搭載面から距離が大きい状態を示したものである。本発明の発光装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程に用いる変形した導体パターンを有する基体シートを作製する工程を示すものである。本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程を示す模式図である。

図１は、本実施形態の発光素子搭載用基板を模式的に示した斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。図３の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図１に示したＢ線、Ｃ線およびＤ線の層における平面図である。

本実施形態の発光素子搭載用基板は、複数のセラミック層１ａ、１ｂ、１ｃが積層され、表面に発光素子用の搭載部３を有する白色系の絶縁基体１を母体としており、この絶縁基体１の内部にはセラミック層１ａ、１ｂ、１ｃを厚み方向に貫く貫通導体５が形成されている。ここで、セラミック層１ａについては枠体部、セラミック層１ｂについては表層部およびセラミック層１ｃについては基体部という場合がある。

また、絶縁基体１を構成するセラミック層１ａ、１ｂ、１ｃの主面には導体層７が形成されており、導体層７は貫通導体５に接続された構成となっている。また、絶縁基体１の表面の搭載部３の周囲は発光素子の反射面９となっている。なお、図１および図２では、絶縁基体１の表面側には枠体部を設けた構造を示しているが、この枠体部の内壁も発光素子の反射面９として機能するようになっている。

さらに、この実施形態の発光素子搭載用基板において、導体層７は、貫通導体５に接続した部位７ａと貫通導体５から離れた部位７ｂとで搭載面３（反射面９）のある表面からの深さが異なり、貫通導体５から離れた部位７ｂにおける表面からの距離ｔ_１が貫通導体５に接続した部位７ａにおける表面からの距離ｔ_０よりも大きくなっている。

つまり、この発光素子搭載用基板では、図２に示すように、貫通導体５に接続されている導体層７が貫通導体５の周囲で折れ曲がり、貫通導体５の近傍から離れるに従って導体層７の絶縁基体１の搭載部３からの距離が大きくなるように変形している。

本実施形態の発光素子搭載用基板によれば、貫通導体５を連結する導体層７が発光素子の搭載面３の直下に広がっているような面の形状をしていても導体層７が発光素子の搭載
面３を含む反射面９に投影されにくく、反射面９が導体層７の色で透けて着色されたような状態が低減される。これにより発光素子搭載用基板の反射面９における反射特性の低下を抑えることができる。

ここで、図４は、従来の発光素子搭載用基板を模式的に示した斜視図である。図５は、図４のＡ−Ａ’線断面図である。図６は、図５の変形例であり、図５に比較して、導体層の搭載面から距離が大きい状態を示したものである。

例えば、図４および図５に示した従来の発光素子搭載用基板を例にすると、従来の発光素子搭載用基板では、絶縁基体１０１の搭載面１０３および反射面１０９の下方側の内部において貫通導体１０５に接続され、セラミック層１０１ｂとセラミック層１０１ｃとの間の面内に広がるように形成された導体層１０７は、この界面のほぼ全域において搭載面１０３および反射面１０９にほぼ水平になるように形成されている。

導体層１０７のほぼ全域がこのように搭載面１０３および反射面１０９にほぼ水平になるように形成されている場合には、貫通導体１０５の上端１０５ａと反射面１０９との間の距離が短いときには、発光素子から導体層１０７までの距離が短い分、導体層１０７による集熱により高い放熱性を示すものの、導体層１０７の全域が反射面１０９に近いために、導体層１０７の色がセラミック層１０１ｂに透けてしまい、セラミック層１０１ｂが白色から着色されたような状態となるため反射面１０９における反射特性が低下する。

一方、図６に示した発光素子搭載用基板のように、導体層１０７のほぼ全域がこのように搭載面１０３および反射面１０９にほぼ水平になるように形成されている場合に、貫通導体１０５の上端１０５ａと反射面１０９との間の距離が長いときには、導体層１０７の全域が反射面１０９から遠いために、導体層１０７の色がセラミック層１０１ｂに透けにくくなり、セラミック層１０１ｂの色が本来の白色系の状態を維持しやくなるために反射面１０９における反射特性の低下は低減されるが、一方で、発光素子から導体層１０７までの距離が長いことから、貫通導体１０５および導体層１０７による集熱性が弱まるために発光素子搭載用基板の放熱性が低下してしまう。

これに対し、本実施形態の発光素子搭載用基板では、図２に示したように、貫通導体５に接続されている導体層７が貫通導体５の周囲で折れ曲がり、貫通導体５の近傍から離れるに従って導体層７の絶縁基体１の搭載部３からの距離が大きくなるように変形していることから、貫通導体５の部分を除いて導体層７の位置が絶縁基体１の反射面９から遠くなっている。これにより貫通導体５を連結する導体層７が発光素子の搭載面３の直下に広がっているような面の形状をしていても、導体層７は貫通導体５の上端５ａの部分を除いて発光素子の搭載面３を含む反射面９に投影されにくくなり、反射面９が導体層７の色で透けて着色されたような状態になることを軽減することができる。その結果、発光素子搭載用基板の反射面９における反射特性の低下を抑えることが可能となる。

この場合、導体層７の貫通導体５から離れた部位７ｂは、貫通導体５から離れる方向に向けて、表面（反射面９）からの深さが次第に大きくなっていることが望ましい。導体層７の貫通導体５から離れた部位７ｂが貫通導体５から離れる方向に向けて、次第に深くなるように湾曲していると、導体層７の鋭い折れ曲がりが無いために、折れ曲がった２つの面による色のコントラストを低減することができ、これにより反射特性の低下を抑えることができる。

また、このとき導体層７は、貫通導体５から離れる方向に向けて、表面（反射面９）とは反対側に凸となるように湾曲しているのが良い。導体層７が貫通導体５を中心にして曲がっているときに、貫通導体５の側面に沿うように下側に向けて凸となるように曲がっていると、導体層７の反射面９からの距離の大きい領域をより大きく広げることができる。その結果、導体層７を貫通導体５の近傍を除いて透ける領域をより減少させることができる。こうして反射面９での反射特性を低減することができる。

この実施形態の発光素子搭載用基板に適用される絶縁基体１としては、白色系のセラミックス材料であれば好適であるが、機械的強度や反射特性の点でガラスセラミックスあるいはアルミナ質セラミックスを適用することがのぞましい。

貫通導体５および導体層７には、絶縁基体１との同時焼成を可能とする金属材料であれば良いが、絶縁基体１がガラスセラミックスの場合には銀または銅を用いるのがよく、一方、絶縁基体１がアルミナ質セラミックスの場合には、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）あるいはこれらの合金を用いるのがよい。この場合、絶縁基体１の反射面９に透ける領域をより小さくし、絶縁基体１の反射面９における反射特性を高めるとともに、貫通導体５による放熱性を高めるという理由から、貫通導体５の直径は３０〜１００μｍであることが望ましい。

なお、このような直径の貫通導体５を有する絶縁基体１としては、主面の面積が１ｍｍ×１ｍｍ以上であることが好ましい。このような面積の絶縁基体１に形成される導体層７（ここではセラミック層１０１ａとセラミック層１０１ｂとの間の界面に形成される導体層７）としては、その１層における総面積が絶縁基体１の主面の面積の３０％以上であることが望ましい。

導体層７の形状としては、図３に示したようなベタ面を取る矩形状のみならず細長い配線パターンの形状であっても良い。

図７は、本発明の発光装置の一実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光装置は、上述した発光素子搭載用基板の搭載部３に発光素子１３を備えていることを特徴とするものである。この発光装置は、発光素子搭載用基板を構成する導体層７が、貫通導体５に接続した部位７ａと貫通導体５から離れた部位７ｂとで搭載面３のある表面からの深さが異なり、貫通導体５から離れた部位７ｂにおける表面からの距離ｔ_１が貫通導体５に接続した部位７ａにおける表面からの距離ｔ_０よりも大きいことにより、放熱性とともに反射特性に優れた発光装置を得ることができる。

次に、本実施形態の発光素子搭載用基板および発光装置の製造方法について説明する。図８は、本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程に用いる変形した導体パターンを有する基体シートを作製する工程を示すものである。図９は、本実施形態の発光素子搭載用基板の製造工程を示す模式図である。

まず、セラミック層１ａ（枠体部）、セラミック層１ｂ（表層部）、セラミック層１ｃ（基体部）を形成するためのシート状成形体２１を作製する。その組成は、例えば、ガラスセラミックスの場合、ホウケイ酸ガラスなどのガラス粉末とＡｌ_２Ｏ_３粉末とを混合した混合粉末を用いる。また、アルミナ質セラミックスの場合には、Ａｌ_２Ｏ_３粉末にＭｎ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２、ＭｇＯなどの焼結助剤を適宜添加したものを用いる。

次に、この混合粉末に対して、有機バインダを溶媒とともに添加してスラリーや混練物を調製した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法を用いてシート状成形体を形成する。

作製したシート状成形体２１を枠体部用シート（図９の２１ａ）、表層用シート（図９の２１ｂ）、基体用シート（図９の２１ｃ）として適用する。

次に、作製したシート状成形体にそれぞれＮＣパンチングや金型を用いて、貫通孔を形成する。

次に、貫通孔を形成したシート状成形体のうち表層用シート（図９の２１ｂ）および基体用シート（図９の２１ｃ）となるシート状成形体に貫通導体および導体層となる導体パターンを形成する。このとき導体パターンを形成するための導体ペーストには、シート状成形体の材質に応じて、銀、銅、タングステンおよびモリブデンのうちのいずれかの金属材料を適用する。

次に、表層用シート２１ｂおよび基体用シート２１ｃとなるシート状成形体の貫通孔にスクリーン印刷法により導体ペースト注入して生の貫通導体２５を形成した後、続いて、導体層７となる導体パターン２７をシート状成形体の貫通孔を含めた主面上に形成する。

次に、生の貫通導体２５および導体パターン２７を形成したシート状成形体のうち、基体用シート２１ｃとなるシート状成形体に対しては、図８に示すように、凹凸を有する金型２９を用いてプレス加工を行い基体用シート２１ｃを作製する。このとき用いる金型２９としては、シート状成形体の貫通孔に当たる部分が凹状に、一方、貫通孔以外の部分が凸状になるように加工されているものを用いる。

次に、シート状成形体に貫通穴を形成して枠体部用シート２１ａとなるシート状成形体を作製し、この枠体部用シート２１ａと、表層用シート２１ｂおよび基体用シート２１ｃとを仮積層し、この後、加圧積層する。このとき表層用シート２１ｂから基体用シート２１ｃ側に生のシートが入り込み貫通導体の周囲の凹部に充填され、こうして生の積層体を得る。

次に、生の積層体を所定の温度条件で焼成することにより、図１に示すような発光素子搭載用基板を得ることができる。次に、この発光素子搭載用基板の搭載部３に発光素子１３を実装することにより発光装置を得ることができる。

ホウケイ酸ガラス粉末を６０質量％とＡｌ_２Ｏ_３粉末を４０質量％の割合で混合した後、さらに、有機バインダーとしてアクリル系バインダーを１９質量％、ワックスとしてパラフィンワックスを３質量％、有機溶媒としてトルエンを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて平均厚みが１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍのシート状成形体を作製した。ここで、平均厚みが１００μｍのシート状成形体は表層用シート（図９の２１ｂ）として、平均厚みが１５０μｍのシート状成形体は枠体部用シート（図９の２１ａ）として、および平均厚みが２００μｍのシート状成形体は基体用シート（図９の２１ｃ）として使用した。

次に、平均厚みが１５０μｍのシート状成形体には枠体部となるように貫通穴を形成した。また、平均厚みが１００μｍのシート状成形体には搭載部となる部分に貫通孔を形成し、導体ペーストを印刷して、貫通孔に充填し、また、その発光素子との接続を行うための導体パターンを形成した。

平均厚みが２００μｍのシート状成形体にもまず貫通孔を形成し、導体ペーストを印刷して、貫通孔に充填し、また、その主面の両面に導体パターンを形成し、次いで、図８に示すように金型を用いて８０℃にてプレスを行い、基体用シート（２１ｃ）を作製した。凹凸の深さについては、表１に示すような寸法になるよう調整した。

また、金型の凸部の先端の形状を丸くした金型を用いた基体用シートも作製した。

次に、作製した枠体部用シート、表層用シートおよび基体用シートを図９に示すように重ねて密着させて発光素子搭載用基板の焼成前の積層体を作製した。

次に、大気中、９１０〜９５０℃の温度にて１時間の焼成を行い、発光素子搭載用基板を得た。なお、作製した発光素子搭載用基板のうち、金型の凸部の先端の形状を丸くした金型を用いた基体用シートを用いて作製したものは、導体層が貫通導体の近傍から離れる方向に、下層側に凸となるように湾曲した形状を有するものとなっていた。

比較例として、基体用シートを金型を用いたプレスを行わない方法により図５および図６に示す構造の発光素子搭載用基板を同様の条件で作製した。

得られた発光素子搭載用基板の評価として、以下を実施した。

＜熱抵抗評価＞
発光素子搭載用基板全体で５Ｗの負荷をかけた時の負荷前後の基板の温度上昇を測定し、熱抵抗を評価した。値については２０W以上を不可と判断した。

＜反射率測定＞
発光素子搭載用基板の５ｍｍ平方角部分で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での反射率の平均値を求めた。値は８０％以下を不可と判断した。

表１から明らかなように、基体部内の導体層を変形させた試料（試料Ｎｏ．１、２）では、熱抵抗が１０℃／Ｗ以下、反射率が８５％以上であった。特に、導体層を湾曲させた試料Ｎｏ．２は、反射率が８７％であった。

これに対し、基体部内の導体層が水平な形状の試料（試料Ｎｏ．３、４）のうち、搭載面から貫通導体の上端までの距離が短い場合（試料Ｎｏ．３）には、熱抵抗は８℃／Ｗと低かったものの、反射率が７５％であった。一方、搭載面から貫通導体の上端までの距離が長い場合には反射率は９０％であったものの、熱抵抗が５０℃／Ｗと大きかった。

１、１０１・・・・・・・・絶縁基体
１ａ、１０１ａ・・・・・・セラミック層（枠体部）
１ｂ、１０１ｂ・・・・・・セラミック層（表層部）
１ｃ、１０１ｃ・・・・・・セラミック層（基体部）
３、１０３・・・・・・・・搭載部
５、１０５・・・・・・・・貫通導体
７、１０７・・・・・・・・導体層
９、１０９・・・・・・・・反射面
１３・・・・・・・・・・・発光素子
ｔ・・・・・・・・・・・・反射面と貫通導体の上端と間の距離
ｔ_０・・・・・・・・・・・導体層の貫通導体と接続した部位と反射面との距離
ｔ_１・・・・・・・・・・・貫通導体から離れた位置における導体層と反射面との距離
２１・・・・・・・・・・・シート状成形体
２１ａ・・・・・・・・・・枠体部用シート
２１ｂ・・・・・・・・・・表層用シート
２１ｃ・・・・・・・・・・基体用シート
２５・・・・・・・・・・・生の貫通導体
２７・・・・・・・・・・・導体パターン
２９・・・・・・・・・・・金型

Claims

セラミック層が複数積層され、表面に発光素子用の搭載部を有する白色系の絶縁基体と、該絶縁基体の内部において、前記セラミック層を厚み方向に貫いている複数の貫通導体と、該複数の貫通導体に接続され、前記セラミック層の主面に形成されている導体層と、を具備してなる発光素子用基板であって、前記導体層は、隣り合う前記貫通導体間で、前記表面とは反対側に凸となるように湾曲していることを特徴とする発光素子用基板。
前記導体層は、前記搭載部の直下に広がった面の形状を有して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。
前記導体層は、細長い形状であ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。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発光素子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。