JP6798455B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、実装基板上に発光素子が実装された発光装置の製造方法に関する。特に実装基板の製造方法に特徴を有するものである。

車両のヘッドランプなど大電流を流すＬＥＤのパッケージには、絶縁性で伝熱特性がよいＡｌＮ基板が多く用いられている。光取り出しを高めるためには、ＬＥＤからＡｌＮ基板側に放射された光を反射させた方がよく、ＡｌＮ基板上にＤＢＲ層やＡｇなどの高反射金属からなる金属層を設けることが考えられる。しかし、ＡｌＮ基板表面には凹凸があり、ＤＢＲ層や反射金属層を設けたとしても十分に反射率を高めることができない。

特許文献１には、ＡｌＮからなる基板上に発光素子が搭載された発光装置が記載されており、ＡｌＮ基板の表面を研磨して平坦化し、その後にＡｌやＡｇからなる金属層を設けることが記載されている。このように基板表面を平坦化してから金属層を設けることで、反射率の向上を図っている。

特開２００７−２６６６４７号公報

しかし、ＡｌＮ基板はセラミックであるため加工することが難しく、コストがかかる。また、平坦化のために研磨すると表面の結晶粒が取れ、返って表面平坦性が悪化してしまう問題があった。表面の平坦化が不十分であると反射率も十分に向上しない。

そこで本発明の目的は、実装基板の反射率を向上させることである。

本発明は、セラミックからなる実装基板上に発光素子が実装された発光装置の製造方法において、実装基板の製造工程は、セラミックからなる基板上に、金属層を形成する金属層形成工程と、金属層表面を研削して平坦化する研削工程と、金属層上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、誘電体層上に、発光素子と接続する電極層を形成する電極層形成工程と、を有することを特徴とする発光装置の製造方法である。

電極層の形成後、誘電体層上および電極層上であって発光素子と接続する領域を除いて、干渉によって発光素子からの光を反射するように厚さが設定された反射誘電体層を形成する反射誘電体層形成工程をさらに有していてもよい。反射誘電体層によって電極層のうち発光素子の接続する領域以外の領域によって光が吸収されるのを抑制することができ、また光を反射させて外部に取り出すことができるので、発光装置の発光効率をより向上させることができる。

金属層と誘電体層の間に、高反射な金属からなる反射金属層を設ける工程をさらに有していてもよい。あるいは、金属層自体を高反射率な金属としてもよい。実装基板の反射率をより向上させることができ、発光装置の発光効率をより向上させることができる。

研削工程は、金属層表面の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下となるように研削する工程とするのがよい。金属層表面での反射率がより向上するため、発光装置の発光効率をより向上させることができる。

また、誘電体層は、干渉によって発光素子からの光を反射するように厚さが設定されていることが望ましい。たとえば誘電体多層膜（ＤＢＲ）とすることが望ましい。誘電体層による反射によって発光装置の発光効率をより向上させることができる。

本発明は、表面の算術平均粗さＲａが１００ｎｍ以上の基板を用いる場合に特に有効である。

本発明によれば、実装基板の反射率を向上させることができるため、発光装置の発光効率を向上させることができる。また、本発明はセラミック基板を研磨する工程を含まないため、低コストに発光装置を製造することができる。

実施例１の発光装置の構成を示した図。 実装基板１の構成を示した図。 電極層１３のパターンを示した図。 実施例１の発光装置の製造工程を示した図。 実施例２の発光装置の製造工程を示した図。 実装基板の構成の変形例を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光装置の構成を示した図である。図１のように、実施例１の発光装置は、実装基板１と発光素子２を有しており、実装基板１上に発光素子２が実装されている。発光素子２は従来知られている任意の構造のものでよく、発光素子２は蛍光体を混合した樹脂層に覆われていてもよい。たとえば、青色発光の発光素子２を黄色蛍光体を混合した樹脂層で覆った構成とすることで白色発光の発光装置を実現したものであってよい。

次に、実装基板１の構成について詳しく説明する。実装基板１は、図２のように、基板１０と、基板１０上に設けられた金属層１１と、金属層１１上に設けられた誘電体層１２と、誘電体層１２上に設けられた電極層１３と、を有している。

基板１０は、ＡｌＮからなり、その表面には凹凸があり、その算術平均粗さＲａは３００ｎｍである。ＡｌＮは熱伝導特性に優れているため、発光素子２の熱を基板１０を介して外部へと効率的に伝導させることができる。これにより、放熱性の高い発光装置を実現している。

基板１０の材料はＡｌＮに限らず、絶縁性のセラミックであれば任意の材料でよい。たとえば、ＡｌＮ以外にも、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、などを用いることができる。ただし、実施例１のように熱伝導率の高いＡｌＮが特に好ましい。また、表面の算術平均粗さが１００ｎｍ以上の基板を用いる場合に特に有効である。そのような表面の凹凸が大きい基板であっても、実施例１によれば反射率を向上させることが可能である。

金属層１１は、基板１０上に設けられており、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｌからなる。ここで、「／」は積層を意味し、Ａ／ＢはＡ、Ｂの順に積層した構造であることを意味する。以下、材料の説明において同様である。金属層１１の各層の厚さは、基板１０側から順に、５０ｎｍ、１００ｎｍ、３０００ｎｍである。

金属層１１の表面は、研削によって鏡面状に平坦化されている。これにより、誘電体層１２を透過して金属層１１表面に達する光の反射率を高め、発光装置の発光効率向上を図っている。

金属層１１表面の算術平均粗さは、３０ｎｍ以下とすることが望ましい。実装基板１の反射率をより向上させることができるので、発光装置の発光効率をより向上させることができる。より望ましくは２０ｎｍ以下、さらに望ましくは１０ｎｍ以下である。

また、金属層１１の厚さは上記の値に限らないが、光が金属層１１を透過してしまわないように１００ｎｍ以上の厚さとすることが望ましい。より望ましくは２００ｎｍ、さらに望ましくは３００ｎｍ以上である。

なお、実施例１では、反射率の高い金属（たとえば発光素子２の発光波長に対して９０％以上の反射率）であるＡｌを用いることで反射率の向上を図っているが、他の反射率の高い金属を用いてもよい。たとえば、Ａｇ、Ｒｈなどを用いることができる。また、反射率の高くない金属を用いてもよく、たとえばＣｕ、Ａｕなどを用いてもよい。ただし、金属層１１として反射率の高くない金属を用いる場合には、金属層１１と誘電体層１２との間に反射率の高い金属からなる反射金属層１５を設けることが望ましい（図６参照）。反射金属層１５は、たとえばＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｇなどであり、各層の厚さは金属層１１側から順に５０ｎｍ、１００ｎｍである。反射金属層１５を設ける場合には、金属層１１として反射率の高くない材料も用いることができるので、材料選択の幅を広げることができる。たとえば、反射率は低いものの研削が容易な金属や、印刷など厚く形成することが容易な金属を用いることができ、金属層１１の表面を鏡面状に研削することが容易となる。

誘電体層１２は、研削によって平坦化された金属層１１の表面上に設けられている。誘電体層１２は、屈折率の異なる誘電体を所定の膜厚で交互に繰り返し積層させた誘電体多層膜（ＤＢＲ）であり、光の干渉を利用した反射膜である。この誘電体層１２により、光取り出し側（実装基板１側とは反対側）に放射された発光素子１からの光を光取り出し側へと反射し、光取り出し率を高めている。実施例１では、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ を用いている。もちろん、他の材料を用いてもよい。ここで、金属層１１の表面が鏡面化されている結果、誘電体層１２の各層の界面も鏡面状となる。そのため、誘電体層１２の反射率を向上させることができ、誘電体多層膜が設定通りの反射率となるようにすることも容易である。たとえば、誘電体層１２の各層界面の算術平均粗さＲａも３０ｎｍ以下とすることが望ましい。

なお、誘電体層１２は、多層膜である必要はなく、単層であってもよい。単層、多層のいずれの場合であっても、光の干渉によって高反射率となるように厚さが設定されていることが望ましい。たとえば、誘電体層１２を単層とする場合は、誘電体層１２を厚さλ／（４ｎ）、ここでλは発光素子２の発光波長、ｎは誘電体層１２の屈折率、とすることで、誘電体層１２に垂直に入射する発光素子２からの光を効率的に反射させることができる。

電極層１３は、誘電体層１２上の所定の領域に設けられている。図３は、電極層１３の平面パターンを示した図である。図３のように、電極層１３は、２つの長方形状の接合電極部１３ａと、２つの接合電極部１３ａにそれぞれ接続する線状の外部接合部１３ｂとを有している。接合電極部１３ａは、発光素子２の接合電極と接合される領域である。外部接合部１３ｂは、実施例１の発光装置の外部と接続される領域である。電極層１３は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなり、各層の厚さは誘電体層１２側から順に５０ｎｍ、１００ｎｍ、１０００ｎｍである。

次に、実施例１の発光装置の製造工程について、図４を参照に説明する。

まず、実装基板１の製造工程について説明する。ＡｌＮからなる基板１０を用意し、基板１０上に蒸着やスパッタなどにより金属層１１を形成する（図４（ａ）参照）。ここで、基板１０表面に凹凸が存在するため、金属層１１の表面にも凹凸が形成される。金属層１１の厚さは、次工程で金属層１１表面が研削されることを考慮して、３μｍ以上の厚さに形成することが望ましい。ただし、厚すぎても形成に時間がかかるため、１０μｍ以下とするのがよい。

なお、実施例１では基板１０表面を研磨して平坦化する必要はない。高コストなセラミックの研磨工程を省略できるので、発光装置の製造コストを低減することができる。

また、金属層１１の形成は、蒸着やスパッタの他、印刷などにより行うことができる。印刷であれば、金属層１１を厚膜（たとえば３〜１０μｍ）とする場合にも容易に形成可能である。蒸着やスパッタの場合、リフトオフに用いるレジストが熱によって変質しないように冷却期間を挟む必要があり、形成に時間がかかってしまう。一方、印刷であれば、金属ペーストや金属ナノインクを用いて容易に厚膜の形成が可能である。

印刷で金属層１１を形成する場合、まず、下地層としてＴｉ／Ａｕを蒸着やスパッタにより形成する。Ｔｉは基板１０との密着性改善、Ａｕは金属ペーストなるいは金属ナノインクとの密着性改善のために用いる。

次に、下地層上に、印刷によって金属ペーストあるいは金属ナノインクを塗布する。印刷方法はスクリーン印刷、インクジェット印刷など任意の方法を用いることができるが、スクリーン印刷が簡便で好ましい。金属ペースト、金属ナノインクの金属は、Ａｕ、Ｃｕなどを用いることができる。信頼性の点からはＡｕを用いることが好ましい。また、Ｃｕを用いる場合には、下地層のＡｕは省略することができる。

次に、加熱して金属ペーストや金属ナノインク中の溶剤を蒸発させ、バインダーを分解させる。さらにその後、洗浄して溶剤の残渣を取り除く。以上によって厚膜の金属層１１を短時間でパターン精度よく形成することができる。

次に、金属層１１表面を研削して金属層１１表面の凹凸を除去し、鏡面状に平坦化する（図４（ｂ）参照）。たとえば、金属層１１表面の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下となるように研削することが望ましい。機械的な加工であるため金属層１１の材料に依存することがなく、また削る厚さの設定も容易である。研削は、たとえばダイヤモンドバイト、砥石などによって行うことができ、これらの研削方法によれば容易かつ高精度に研削する厚さを制御することができる。

研削後の金属層１１の厚さは１００ｎｍ以上とすることが望ましい。これよりも薄いと金属層１１による光の反射が十分でなく、基板１０側に透過してしまう光が生じてしまう。より望ましくは２００ｎｍ以上、さらに望ましくは３００ｎｍ以上である。また、研削後の金属層１１の厚さは３０００ｎｍ以下とすることが望ましい。金属層１１がこれよりも厚くても反射率には特に影響がなく、また形成に時間がかかるためである。より望ましくは２０００ｎｍ以下、さらに望ましくは１０００ｎｍ以下である。

次に、金属層１１上に、蒸着やスパッタによりＳｉＯ₂ 膜とＴｉＯ₂ 膜を交互に形成し、誘電体層１２を形成する（図４（ｃ））。ＳｉＯ₂ 膜とＴｉＯ₂ 膜の厚さは、光の干渉によって高反射率（たとえば９０％以上）となるように設定する。金属層１１の表面が平坦であるため、誘電体層１２の各層界面も平坦であり、その結果、反射率も向上している。

なお、金属層１１として反射率の低い金属を用いる場合には、反射率の高い金属からなる反射金属層１５を形成し、その後、反射金属層１５上に誘電体層１２を形成するとよい。

次に、誘電体層１２上に、蒸着とリフトオフによって、所定のパターンの電極層１３を形成する（図４（ｄ）参照）。

次に、製造した実装基板１の接合電極部１３ａと、発光素子２の接合電極の位置を合わせて、加熱圧着やＡｕバンプなどの方法によって接合する。以上によって実施例１の発光装置が製造される。

実施例１の発光装置の製造方法の効果をまとめると次の通りである。

第１に、金属層１１表面が鏡面状に平坦化されているため、その表面での反射率が高く、発光素子２から実装基板１側へ放射された光を効率的に反射させることができる。その結果、発光装置の発光効率を向上させることができる。

第２に、金属層１１表面が鏡面状に平坦化されている結果、誘電体多層膜である誘電体層１２の各層界面も鏡面状に形成することができる。そのため、誘電体層１２の反射率を設定通りの値とすることが容易となる。

第３に、セラミックである基板１０表面の研磨を必要としないため、高コストなセラミックの研磨工程を省略することができ、発光装置の製造コストを低減することができる。

実施例２の発光装置の製造方法は、実施例１の発光装置の製造方法における実装基板１の製造工程を次のように変更したものである。図４（ｂ）までは同一の製造工程であるため省略する。

実施例２では、金属層１１表面の研削後、金属層１１上に、ＳｉＯ₂ からなる厚さ３００ｎｍの誘電体層２２をＣＶＤ法によって形成する（図５（ａ）参照）。誘電体層２２は実施例１と同様に誘電体多層膜としてもよい。また、金属層１１として反射率の高くない金属を用いる場合には、実施例１と同様に、金属層１１と誘電体層１２との間に反射率の高い金属からなる反射金属層１５を設けることが望ましい。

次に、誘電体層２２上に、実施例１と同様のパターンの電極層１３を蒸着、リフトオフによって形成する（図５（ｂ）参照）。

次に、誘電体層２２上、および電極層１３上に、蒸着やスパッタによって反射誘電体層２５を形成する。反射誘電体層２５は、ＳｉＯ₂ 膜とＴｉＯ₂ 膜を所定の厚さで交互に繰り返し積層させた誘電体多層膜である。誘電体多層膜に限らず、光の干渉によって高反射率となるように厚さが設定されているのであれば単層でもよい。次に、フォトリソグラフィ、ドライエッチングによって、反射誘電体層２５のうち電極層１３の接合電極部１３ａ上部に当たる領域を除去し、電極層１３の接合電極部１３ａ表面を露出させる（図５（ｃ）参照）。

以上、実施例２によれば、反射誘電体層２５によって光を反射させる面積を広く取ることができる。特に、電極層１３のうち、発光素子２と接続しない領域である外部接合部１３ｂを反射誘電体層２５で覆うことができる。そのため、外部接合部１３ｂに向かう光の吸収を抑制することができ、反射させて外部へ光を取り出すことができる。その結果、発光装置の発光効率を向上させることができる。

本発明の発光装置は、車両のヘッドランプ、一般照明など各種光源として利用することができる。

１：実装基板
２：発光素子
１０：基板
１１：金属層
１２、２２：誘電体層
１３：電極層
２５：反射誘電体層

Claims (7)

1. セラミックからなる実装基板上に発光素子が実装された発光装置の製造方法において、
   前記実装基板の製造工程は、
   セラミックからなる基板上に、金属層を形成する金属層形成工程と、
   前記金属層表面を研削して平坦化する研削工程と、
   前記金属層上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
   前記誘電体層上に、前記発光素子と接続する電極層を形成する電極層形成工程と、
   を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 前記電極層の形成後、前記誘電体層上および前記電極層上であって前記発光素子と接続する領域を除いて、干渉によって前記発光素子からの光を反射するように厚さが設定された反射誘電体層を形成する反射誘電体層形成工程をさらに有する、
   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。
3. 前記金属層と前記誘電体層の間に、高反射な金属からなる反射金属層を設ける工程をさらに有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置の製造方法。
4. 前記金属層は、高反射な金属からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光装置の製造方法。
5. 前記研削工程は、前記金属層表面の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下となるように研削する工程である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
6. 前記誘電体層は、干渉によって前記発光素子からの光を反射するように厚さが設定されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。
7. 前記基板は、表面の算術平均粗さＲａが１００ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法。