JPWO2014141691A1 - 発光モジュール - Google Patents

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Abstract

LEDモジュール(1)は、絶縁性を有する樹脂に銅が埋め込み形成された第1基板(10)と、第1基板(10)の銅の上に配置され、当該銅とはんだ接合された第2基板(20)と、第2基板(20)の上に形成された実装電極(40)と、第2基板(20)の上方に配置され、実装電極(40)とAuSn接合されたLED(30)とを備える。

Description

本発明は、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の発光素子を備える発光モジュールに関する。
LED等の半導体発光素子は、高効率及び高寿命であるので、種々の機器の光源として広く利用されている。例えば、LEDは、ランプや照明装置等において照明用光源として用いられたり、液晶表示装置においてバックライト光源として用いられたりしている。
一般的に、LEDは、LEDモジュールとしてユニット化又はパッケージ化されて各種機器に内蔵されている。具体的に、LEDモジュールは、基板と、基板の上に配置された1つ以上のLEDとを備える。
この種のLEDモジュールとして、例えば特許文献1には、基板と、基板の上に配置されたサブマウントと、サブマウントの上にフリップチップ実装されたLEDとを備えるフリップチップデバイスが開示されている。
特開2012−60173号公報
近年、より明るい照明装置が要望されており、LEDモジュールの高ワット化が望まれている。この場合、LEDモジュールにおけるLEDの数を増加させることが考えられる。
一方、LEDは、発光によりLED自身から熱が発生し、この熱によってLEDの温度が上昇して発光効率が低下するとともに信頼性が低下する。このため、LEDの数を増加させると発熱量も増加して、LEDの発光効率及び信頼性が低下する。
そこで、LEDを配置する基板のサイズを大きくし、隣り合うLEDの素子間隔を広げることによってLEDの放熱性を向上させることが考えられる。これにより、LEDの数の増加によってトータルの発熱量が大きくなったとしても、LEDの温度上昇を抑えることができる。
しかしながら、狭角配光用照明装置等もあるように、一般的に、機器内におけるLEDモジュールのスペースは限られており、基板のサイズを大きくするには限界がある。逆に、LEDモジュールの小型化が要望されており、より小さい基板サイズで従来と同等以上のワット数を確保しなければならない場合もある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、小型化が可能で、かつ優れた放熱性を有する信頼性の高い発光モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る発光モジュールの一態様は、絶縁性を有する樹脂に銅が埋め込み形成された第1基板と、前記銅の上に配置され、当該銅とはんだ接合された第2基板と、前記第2基板の上に形成された実装電極と、前記実装電極の上方に配置され、当該実装電極と金スズ接合された発光素子とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記発光素子は、前記実装電極と接合される素子電極を有し、前記実装電極は、前記素子電極と略同等の外形であってもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第2基板の前記第1基板側の主面の全面が、前記銅とはんだ接合されていてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第2基板の上にはアルミニウム膜が形成されており、前記アルミニウム膜は、前記発光素子が発する光を反射する反射膜であり、かつ、前記発光素子を発光させるための電流が流れる配線であり、前記実装電極は、前記アルミニウム膜の上に、かつ、当該アルミニウム膜と接触させて形成されていてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第2基板の上にはアルミニウム膜が形成されており、前記実装電極は、前記アルミニウム膜の上に形成されており、さらに、前記金スズ接合によって前記実装電極の上に形成された金スズ層を備え、前記実装電極は、ニッケル、パラジウム、金、チタン、白金及び銅の中から選ばれる少なくとも1種類の金属材料又は当該金属材料を含む合金層によって構成された単層又は複数層であってもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記アルミニウム膜の上には保護膜が形成されていてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記保護膜は、前記実装電極が形成された箇所には形成されていなくてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記保護膜は、二酸化シリコン膜であってもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第1基板は、反射性を有するレジストで覆われていてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記レジストは、前記第2基板が配置される箇所を開口するように形成されていてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第1基板の導電部と前記第2基板の導電部とは、アルミニウムからなるワイヤで接続されていてもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第2基板にはんだ接合された前記銅を第1の銅とすると、前記第1基板は、さらに、前記樹脂に埋め込み形成された第2の銅を有し、前記第1の銅は、電気的に浮いている銅板であり、前記第2の銅は、前記発光素子を発光させるための電流が流れる銅配線であっててもよい。
また、本発明に係る発光モジュールの一態様において、前記第2基板は、シリコン基板であってもよい。
本発明によれば、小型化が可能で、かつ優れた放熱性を有する信頼性の高いLEDモジュールを実現することができる。
図1の(a)は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの平面図であり、図1の(b)は、(a)のA−A’線における同LEDモジュールの断面図である。 図2は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの一部切り欠き斜視図である。 図3の(a)は、比較例のLEDモジュールにおけるアルミニウム膜と実装電極との関係を示す図であり、図3の(b)は、(a)のB−B’線における断面図である。 図4の(a)は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールにおけるアルミニウム膜と実装電極との関係を示す図であり、図4の(b)は、(a)のB−B’線における断面図である。 図5の(a)〜(e)は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの製造方法における各工程を説明するための図である。 図6は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールにおける第1基板の作製方法を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
(実施の形態)
以下の実施の形態では、発光モジュール(発光装置)の一例としてLEDモジュールについて説明する。
まず、本発明の実施の形態に係るLEDモジュール1の構成について、図1を用いて説明する。図1(a)は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A’線における同LEDモジュールの断面図である。
図1(a)及び図1(b)に示すように、本実施の形態に係るLEDモジュール1は、第1基板10と、第1基板10の上方に配置された第2基板20と、第2基板20の上方に配置されたLED30とを備える。
第2基板20の上には一対の実装電極40が形成されている。LED30は、一対の実装電極40とAuSn接合(金スズ接合)されており、LED30と実装電極40との間にはAuSn層(金スズ層)50が形成されている。AuSn層50としては、例えば、AuSnはんだを用いることができる。
また、第1基板10と第2基板20とははんだ接合されており、第1基板10と第2基板20との間にははんだ層60が形成されている。はんだ層60のはんだ材料としては、AuSn層50におけるAuSnはんだよりも融点の低いものを用いることが好ましく、例えばSn−Ag系はんだを用いることができる。これにより、LED30がAuSn接合された第2基板20を、第1基板10にはんだ接合することができる。つまり、第2基板20にLED30をAuSn接合した後に第1基板10と第2基板20とをはんだ接合する場合であっても、第1基板10と第2基板20とのはんだ接合時にAuSn層50が再溶融することがないので、AuSn層50の再溶融によるLED30の位置ずれ等が発生しない。
なお、はんだ層60のはんだ材料としては、その他に、Sn系又はIn系等の一般的な電子部品の接合に用いられる汎用のはんだ材料を用いてもよい。
以下、LEDモジュール1における各構成部材及び各構成部材の接続関係について詳細に説明する。
第1基板10は、絶縁性を有する樹脂に銅が埋め込み形成された基板である。後述するように、本実施の形態における第1基板10は、搭載する電子部品との電気的な導通を行う配線基板(配線板)として機能するとともに、搭載する電子部品の熱引きを促す放熱基板(ヒートシンク)として機能する。なお、本実施の形態において、第1基板10は矩形基板であるが、円形又は多角形等の矩形以外の形状の基板を用いてもよい。
第1基板10は、樹脂材料からなるベース樹脂部11と、銅材料からなる薄板状の銅板部12とによって構成されている。ベース樹脂部11を構成する樹脂材料としては、例えば、熱伝導性フィラーとバインダー樹脂とを含む熱伝導性樹脂組成物を用いることができる。
この場合、熱伝導性フィラーは、熱伝導率が2W/m・K以上のものを用いるとよい。また、熱伝導性フィラーとしては、モース硬度が異なる複数の無機フィラーを用いることが好ましく、例えば、モース硬度が5以上の硬質フィラーと、モース硬度が3以下の軟質フィラーとを混ぜたもの用いることができる。なお、モース硬度とは、引掻きに対する傷の付き易さを示すものであり、10段階のモース硬度(旧モース硬度)として表すことができる。
モース硬度が5以上の硬質フィラーの具体例としては、例えば、酸化アルミニウム(モース硬度:9)、酸化マグネシウム(モース硬度:6)、溶融シリカ(モース硬度:7)、結晶シリカ(モース硬度:7)、窒化アルミニウム(モース硬度:7)、窒化ケイ素(モース硬度:9)、炭化ケイ素(モース硬度:9)、酸化亜鉛(モース硬度:4〜5)を挙げることができる。
モース硬度が3以下の軟質フィラーの具体例としては、例えば、珪藻土(モース硬度:1〜1.5)、窒化ホウ素(モース硬度:2)、水酸化アルミニウム(モース硬度:2.5)、水酸化マグネシウム(モース硬度:2.5)、炭酸カルシウム(モース硬度:3)、タルク(モース硬度:1)、カオリン(モース硬度:1〜2)、クレー(モース硬度:2.5〜3)、マイカ(モース硬度:2.5〜3)を挙げることができる。
また、バインダー樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いることができ、また、これらの樹脂を組み合わせたものを用いてもよいが、熱伝導性フィラーをより高密度に充填でき熱伝導率向上効果が高いという観点からは、熱硬化性樹脂を用いるとよい。
熱硬化性樹脂としては、さらに成形性や機械的強度に優れるという観点から、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ系アクリレート樹脂、又は、エポキシ樹脂等を用いるとよい。また、熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、エラストマー系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エンジニアリングプラスチック等を用いることができる。
また、熱伝導性樹脂組成物において、バインダー樹脂中の熱伝導性フィラー(硬質フィラー、軟質フィラー)は50体積%以上95体積%未満にするとよい。熱伝導性フィラーの含有量が50体積%未満になると、熱伝導性フィラーを配合することによる熱伝導性樹脂組成物の熱伝導率向上効果が得られないおそれがある。一方、熱伝導性フィラーの含有量が95体積%以上になると、熱伝導性樹脂組成物の粘度が過度に高くなり、成型性が急激に悪化するおそれがある。
さらに、バインダー樹脂中に含まれる硬質フィラーと軟質フィラーとの割合は、硬質フィラー/軟質フィラー=95/5〜50/50とするとよい。硬質フィラーと軟質フィラーの割合がこの範囲から外れて軟質フィラーの割合が小さい場合には、粒子変形を起こすフィラーが少ないために粒子間における接触面積が小さくなり十分な熱伝導率向上効果が得られないおそれがある。一方、軟質フィラーの割合が多くなって上記範囲から外れている場合には、硬質フィラーによる軟質フィラーの変形が十分に起こらないために十分な熱伝導率向上効果が得られないおそれがある。硬質フィラーと軟質フィラーとの割合が上記範囲に含まれるように構成することで、高い熱伝導率を有する熱伝導性樹脂組成物を得ることができる。
このようにして得られる熱伝導性樹脂組成物を押圧加工により成形して形状を固定化すると、軟質フィラーが硬質フィラーにより押圧され、その押圧された状態で軟質フィラーの表面が硬質フィラーにより変形して軟質フィラーと硬質フィラーとが面接触する。これにより、熱伝導率の高いベース樹脂部11を得ることができるので、放熱性に優れた第1基板10を実現することができる。
なお、ベース樹脂部11の樹脂材料としては、上記の熱伝導性樹脂組成物に限らず、他の樹脂組成物を用いてもよい。この場合、熱伝導性フィラーを含まないものを用いてもよい。
また、ベース樹脂部11は、銅板部12を収容するように成形されており、第1基板10の底部を構成する平板状の基部11aと、基部11aから第1基板10の主面垂直方向に突出するように設けられた環状の壁部11bとによって構成されている。壁部11bは、銅板部12が形成された領域(銅形成領域)を囲むように設けられている。本実施の形態における壁部11bは、平面視したときに、矩形環状(額縁状)に設けられている。
銅板部12は、銅表面が露出するようにしてベース樹脂部11に埋め込まれており、本実施の形態では、第1銅板部(第1の銅)12aと第2銅板部(第2の銅)12bとの複数にパターン形成されている。つまり、第1銅板部12aと第2銅板部12bとは、同一の銅板をパターニングすることによって形成することができる。
第1銅板部12aの上には第2基板20が配置される。第1銅板部12aと第2基板20とは、はんだ接合されている。第1銅板部12aは、主にヒートシンク(放熱部材)として機能するので、一定以上の厚みとすることが好ましい。例えば、第1銅板部12aの厚みを150μm以上とすることにより、第1基板10として十分な放熱性能を確保することができる。本実施の形態では、第1銅板部12aの厚みは、175μmとしている。
本実施の形態において、第1銅板部12aは電気的に浮いた状態であり、第1銅板部12aにはLED30を発光させるための電流が流れない。つまり、第1銅板部12aは、少なくともLED30の素子電極31(p側電極31a、n側電極31b)の電位に対して電気的に浮いている。
また、第1銅板部12aの平面視における面積は、第2基板20の平面視における面積よりも大きい。つまり、第1基板10を平面視したときに、第1銅板部12aは、第2基板20からはみ出すように形成されている。
このように、熱伝導率の高い金属材料であるはんだを用いて第1銅板部12aと第2基板20とをはんだ接合することにより、樹脂接着材を用いて第1銅板部12aと第2基板20とを接合する場合と比べて、第1銅板部12aと第2基板20との間の熱抵抗を小さくすることができる。したがって、第1基板10と第2基板20との間の熱伝達効率を向上させることができる。
第2銅板部12bは第1銅板部12aと分離して形成されている。つまり、第2銅板部12bと第1銅板部12aとは電気的にも物理的にも接続されておらず、第2銅板部12bと第1銅板部12aとの間には隙間が設けられている。
本実施の形態における第2銅板部12bは、LED30を発光させるための電流が流れる銅配線として機能し、高電位側の銅配線と低電位側の銅配線との2つの銅配線としてパターニングされている。後述するように、本実施の形態では、第1基板10の表面を覆うようにレジスト13が形成されており、第1銅板部12aと第2銅板部12bとの間の隙間にはレジスト13が埋め込まれている。
なお、第2銅板部12bは、第1銅板部12aと同じ銅板を用いて形成されるので、第2銅板部12bの板厚は、第1銅板部12aの板厚と同じである。
第2銅板部12bには、第2基板20の上面に形成されたアルミニウム膜70(第1配線部71、第2配線部72)と電気的に接続するためのボンディングパッド部として一対の接続部(基板接続部)12b1が設けられている。一対の接続部12b1とアルミニウム膜70(第1配線部71、第2配線部72)とはワイヤ80によってワイヤボンディングされている。ワイヤ80は、例えばアルミニウム(Al)からなる金属線(Alワイヤ)である。このように、第1基板10の導電部(接続部12b1)と第2基板20の導電部(アルミニウム膜70)とをアルミニウムからなるワイヤ80によって接続することで、ワイヤ80に当る光を反射させることができる。したがって、LEDモジュール1の光取り出し効率を向上させることができる。
一対の接続部12b1は、レジスト13に開口を形成することによって構成されている。なお、接続部12b1には、別途パッド電極を形成してもよい。
さらに、第2銅板部12bには、外部給電用部材と電気的に接続するための一対の接続端子(外部給電用部材接続部)12b2が設けられている。接続端子12b2は、LEDモジュール1の外部から直流電力を受電するための外部接続端子である。一対の接続端子12b2は、例えばソケット型に構成することができ、樹脂製のソケットと、直流電力を受電するための導電ピンとを有する。当該導電ピンは、第2銅板部12bと電気的に接続されている。
接続端子12b2に例えばコネクタ線が装着されることによって、接続端子12b2は、コネクタ線を介して電力の供給を受ける。なお、接続端子12b2としては、ソケットに給電用のリード線の金属芯線を直接差し込むような構成としてもよいし、あるいは、ソケット型ではなく、接続部12b1と同様に金属表面が露出するような金属電極であってもよい。
本実施の形態において、第1基板10は、レジスト13で覆われている。レジスト13は、反射性及び絶縁性を有する樹脂材料によって構成された絶縁膜であり、例えば高反射率の白色レジストを用いることができる。
第1基板10の表面をレジスト13で覆うことによって、第1基板10に当たる光を反射させることができる。これにより、LEDモジュール1の光取り出し効率を向上させることができる。
さらに、銅板部12の表面をレジスト13で被覆することによって、銅板部12の表面酸化を抑制することができる。また、配線として機能する第2銅板部12bが絶縁性のレジスト13で被覆されるので、第1基板10の絶縁性(耐圧)も向上させることができる。
また、本実施の形態において、レジスト13は、第2基板20が搭載される箇所と、第2銅板部12bにおける接続部12b1及び接続端子12b2とを開口するように形成されており、これらの箇所を除いた部分にレジスト13が形成されている。つまり、レジスト13は、第1基板10における他の部材との電気的接続箇所以外の全ての部分に形成されている。
これにより、第1基板10を平面視したときに、第1基板10の主面全体をレジスト13で覆うことができるので、レジスト13による光反射面積を最大化することができる。したがって、LEDモジュール1における光取り出し効率を一層向上させることができる。なお、第1基板10にその他の電子部品を実装する場合には、レジスト13は、当該電子部品が搭載される箇所も開口するように形成される。つまり、電子部品の搭載箇所にはレジスト13を形成しない。
第2基板20は、第1基板10とLED30との間に配置される。本実施の形態における第2基板20は、LED30を搭載するためのインターポーザ(配線中継基板)を構成するベース基板であり、第1基板10の上に実装される。したがって、第2基板20には、第1基板10の配線(第2銅板部12b)とLED30とを電気的に導通させるための配線(中継配線)が形成されている。また、第2基板20は、LED30で発生する熱を放熱するための放熱部材としても機能する。
第2基板20としては、シリコン基板、又は、アルミナ(Al)や窒化アルミニウム(AlN)等からなるセラミック基板等を用いることができる。本実施の形態では、第2基板20として、矩形状のシリコン基板を用いている。
第2基板20の上面には、アルミニウム膜(アルミニウム層)70が形成されている。アルミニウム膜70は、LED30が発する光を反射する反射膜であるとともに、LED30を発光させるための電流が流れる配線である。
アルミニウム膜70は、高電位側の第1配線部71と低電位側の第2配線部72との2つに分離されて形成されている。また、第2基板20の上面のほぼ全体は、第1配線部71と第2配線部72とによって覆われている。これにより、より多くの光を反射させることができるので、LEDモジュール1の光取り出し効率を向上させることができる。
第1配線部71及び第2配線部72には、ワイヤ80によって第1基板10における第2銅板部12bの一対の接続部12b1と電気的に接続するためのボンディングパッド部として、接続部71a及び72aが設けられている。
また、アルミニウム膜70の上には光透過性を有する保護膜90が形成されている。これにより、アルミニウム膜70が酸化したり硫化したりしてアルミニウム膜70の光反射率が低下することを抑制できる。
本実施の形態における保護膜90は、アルミニウム膜70上の実装電極40が形成された箇所及び接続部71a及び72aを除いて形成されている。これにより、アルミニウム膜70の酸化及び流化による光反射率の低下を最小化できる。なお、接続部71a及び72aは、保護膜90に開口を形成することによって構成されている。
保護膜90としては、例えば二酸化シリコン膜(SiO膜)等の透明保護膜を用いることができる。SiO膜等の透明保護膜は光透過率が高いので、保護膜90として透明保護膜を用いることによって、アルミニウム膜70の反射率を維持しつつ、アルミニウム膜70の酸化及び硫化を抑制することができる。
また、アルミニウム膜70の一部の表面上には、実装電極40が形成されている。つまり、実装電極40は、アルミニウム膜70と接触するようにしてアルミニウム膜70の上に形成されている。本実施の形態では、一対の実装電極40の一方が第1配線部71の表面上に形成されており、一対の実装電極40の他方が第2配線部72の表面上に形成されている。
実装電極40は、LED30を第2基板20にAuSn接合する際のパッド部材(パッド電極)であり、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、金(Au)、チタン(Ti)、白金(Pt)及び銅(Cu)の中から選ばれる少なくとも1種類の金属材料又は当該金属材料を含む合金層によって構成された単層又は複数層である。これにより、接合信頼性の高いAuSn層50を用いてLED30を第2基板20に実装することができる。
本実施の形態において、実装電極40は、アルミニウム膜70からAuSn層50に向かって(第2基板20からLED30に向かう方向に沿って)、Niからなる第1金属層41、Pd又はPtからなる第2金属層42、及び、Auからなる第3金属層43によって構成されている。これらの金属層は、スパッタ法、蒸着法又はめっき法によって形成することができる。
また、実装電極40の上にはAuSn層50が形成されている。本実施の形態では、第3の金属層73の上にAuSn層50が形成されている。LED30と実装電極40との間にはAuSn層(金スズ層)50が形成されている。本実施の形態では、AuSn層50として、AuSnはんだを用いている。AuSnはんだは、めっき法、蒸着法、又は、ペースト法によって実装電極40上に形成することができる。
実装電極40において、第2金属層42は、バリア層として機能する。また、第1金属層41を挿入することによって、アルミニウム膜70と第2金属層42との接合性を向上させることができる。また、第3金属層43を挿入することによって、第2金属層42とAuSn層50との接合性を向上させることができる。
また、第2基板20は、第1基板10における第1銅板部12aとはんだ接合されており、第2基板20と第1銅板部12aとの間には、はんだ層60が形成されている。本実施の形態では、第2基板20の下面にはパッド部材(パッド電極)100が形成されている。第2基板20は、この下面に形成されたパッド部材100がはんだ接合されることによって第1基板10に固定されている。つまり、はんだ層60はパッド部材100と第1基板10(第1銅板部12a)との間に形成されている。
パッド部材100は、第2基板20の上面に形成される金属層と同様の金属材料の構成となっており、第2基板20からはんだ層60に向かって、アルミニウムからなるアルミニウム膜170と、Niからなる第1金属層141、Pd又はPtからなる第2金属層142及びAuからなる第3金属層143からなる実装電極140との複数層によって構成されている。これらの金属層は、スパッタ法、蒸着法又はめっき法によって形成することができる。
LED30は、発光素子の一例であって、所定の電力により発光する。本実施の形態において、LED30は、直流電力が通電されることによって単色の可視光を発するベアチップ(LEDチップ)である。LED30としては、青色光を発する青色LEDチップ、赤色光を発する赤色LEDチップ又は緑色光を発する緑色LEDチップの可視域波長帯の光を発するLEDチップだけではなく、紫外線発光のLEDチップを用いることもできる。
LED30(LEDチップ)は、例えば、基板上に積層された複数の窒化物半導体層と当該窒化物半導体層の上面に形成された素子電極31とを備える。素子電極31は、p側電極31aとn側電極31bとからなる。
LED30は、フリップチップ実装によって第2基板20に実装されており、素子電極31が第2基板20に向くようにして配置される。LED30の素子電極31と実装電極40とはAuSn接合されており、素子電極31と実装電極40との間にはAuSn層50が形成されている。
本実施の形態では、さらに、素子電極31とAuSn層50との間には、金層(Au層)32が形成されている。金層32を設けることによって、AuSn層50と素子電極31との接合性を向上させることができる。金層32は、例えば、スパッタ法、蒸着法又はめっき法によって形成することができる。
なお、LED30には、素子電極31が形成されていなくても構わない。この場合、LED30におけるp型半導体層及びn型半導体層に金層32を直接接続すればよい。
また、図示しないが、LED30を覆うように封止部材を形成してもよい。封止部材は、例えば、透明樹脂又は蛍光体含有樹脂である。蛍光体含有樹脂を用いる場合、LEDモジュール1から白色光を放出させるために、例えば、LED30として青色LEDチップを用い、かつ、封止部材として、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系の黄色蛍光体粒子が含有された透光性シリコーン樹脂を用いることができる。これにより、青色LEDチップが発した青色光の一部は封止部材に含まれる黄色蛍光体粒子によって黄色光に波長変換され、黄色蛍光体粒子に吸収されなかった青色光と黄色蛍光体粒子によって波長変換された黄色光とが混ざって白色光となって封止部材から放出される。なお、青色LEDチップとしては、例えばInGaN系の材料によって構成された、中心波長が440nm〜470nmの窒化ガリウム系の半導体発光素子を用いることができる。
以上のようにして、本実施の形態におけるLEDモジュール1を構成することができる。
なお、本実施の形態では、第2基板20に搭載するLED30の個数は1個としたが、複数のLED30を第2基板20に搭載してもよい。
例えば、図2に示すように、第1基板10の第1銅板部12aとはんだ接合された第2基板20の上に複数のLED30を実装してもよい。これにより、複数のLED30が実装されたLEDモジュールを実現することができる。
以上、本実施の形態に係るLEDモジュール1によれば、LED30と第2基板20とが実装電極40を介してAuSn接合されるとともに、第2基板20と第1基板10の第1銅板部12aとがはんだ接合されている。
これにより、LED30と第2基板20とを高熱伝導率のAuSn層50で接合することができる。さらに、第2基板20と第1基板10の第1銅板部12aとを高熱伝導率のはんだ層60で接合することができる。この結果、LED30で発生した熱を、第2基板20とその両面の金属層(AuSn層50、はんだ層60)を介して効率良く第1基板10の第1銅板部12aに伝導させて、板状の第1銅板部12aで二次元的に拡散させることができる。これにより、LED30の熱引きを効率良く行うことができるので、LED30の温度上昇を抑制することができる。
このように、本実施の形態に係るLEDモジュール1によれば、高い放熱性を得ることができる。これにより、複数のLED30が第2基板20の一面上に比較的密に配置された場合であっても、各LED30の温度上昇を十分に抑制することができる。したがって、LEDモジュール1を小型化することができるとともに、複数のLED30の発熱量増加による発光効率の低下を抑制することができる。また、基板サイズを変更することなくLED30の実装数を増加させることができるので、高ワット(高光束)でより明るいLEDモジュールを実現することができる。
したがって、高光束化及び小型化が可能で、優れた放熱性及び高い信頼性を有するLEDモジュールを実現することができる。
また、本実施の形態では、各実装電極40は、LED30のp側電極31a及びn側電極31bの外形と略同等である。つまり、各実装電極40の全側面とp側電極31a(n側電極31b)の全側面とが面一である。これにより、LED30と実装電極40との間の熱伝導経路を最大化して熱抵抗を最小化することができる。したがって、LED30で発生する熱を効率良く第2基板20に伝導させることができるので、LEDモジュール1の放熱性を一層向上させることができる。
また、本実施の形態では、図1(a)に示すように、第1銅板部12aの第2基板側の面積は、第2基板20の第1基板側の主面の面積よりも大きい。つまり、第2基板20の第1基板側の主面の全面が、第1銅板部12aとはんだ接合されている。これにより、第1基板(第1銅板部12a)と第2基板20との間の熱伝導経路を最大化して熱抵抗を最小化することができる。したがって、第2基板20に伝導したLED30の熱を効率良く第1基板10に伝導することができるので、LEDモジュール1の放熱性をさらに向上させることができる。
また、本実施の形態では、アルミニウム膜70は、光反射膜、配線、及び、接続部(ボンドディングパッド部)を兼用しているので、アルミニウム膜70の面積を最大化することできる。これにより、LEDモジュール1の光取り出し効率を向上させることができる。
この点について、図3及び図4を用いて説明する。図3は、比較例のLEDモジュールにおける、第2基板、アルミニウム膜及び実装電極の構成を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B’線における断面図である。また、図4は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールにおける、第2基板、アルミニウム膜及び実装電極の構成を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B’線における断面図である。なお、図4(a)は、図1(a)を90度回転させたときの状態を示している。
図3(a)及び図3(b)に示すように、比較例のLEDモジュール1Aでは、アルミニウム膜70Aと、LEDに接合される一対の実装電極40Aとは、第2基板20Aの同一面上において分離して形成されている。具体的には、実装電極40Aには引き出し電極40Aaが接続されており、アルミニウム膜70Aは、一対の実装電極40Aと引き出し電極40Aaを避けるような形状でパターニングされている。
一方、図4(a)及び図4(b)に示すように、本実施の形態におけるLEDモジュール1では、上述のとおり、アルミニウム膜70(第1配線部71、第2配線部72)の上に一対の実装電極40が形成されており、アルミニウム膜70を光反射膜として機能させるだけではなく、配線及び接続部(ボンディングパッド部)としても利用している。
これにより、本実施の形態におけるアルミニウム膜70(図4(a))は、比較例におけるアルミニウム膜70A(図3(a))と比べて、平面視したときの面積を大きくすることができる。つまり、アルミニウム膜の反射面積を大きくすることができる。したがって、LEDモジュールの光取り出し効率を向上させることができる。
次に、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの製造方法について、図5及び図6を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの製造方法を説明するための図である。なお、図5では、第2基板20に複数のLED30が実装されたLEDモジュールの製造方法を示している。また、図6は、本発明の実施の形態に係るLEDモジュールの製造方法における第1基板の作製方法を説明するための図である。
まず、図5(a)に示すように、所定形状の樹脂に銅が埋め込み形成された第1基板10を作製する。
具体的には、図6(a)に示すように、作製する第1基板10の外形と同じ形状の所定の金型201に、ペースト状等の所定の樹脂材料からなる樹脂塊11Aを配置し、当該樹脂塊11Aの上に銅板12Aを配置する。樹脂塊11Aとしては、ベース樹脂部11を構成する樹脂材料としては、上記の熱伝導性樹脂組成物を用いることができる。例えば、モース硬度が5以上の硬質フィラーとモース硬度が3以下の軟質フィラーとを含む熱伝導性フィラーと、バインダー樹脂とを含む熱伝導性樹脂組成物を用いることができる。
その後、例えば平板加圧装置202によって銅板12Aの表面に対して押圧力を加えることによって樹脂塊11Aを加圧平坦化し、樹脂塊11Aを平面的に押し広げて薄膜化する。これにより、樹脂塊11Aを平板状に成形するとともに樹脂塊11Aの外形を金型201の形状に沿った形状に成形することができる。このようにして、銅板12Aの表面を露出させた状態で、かつ、当該銅板12Aが樹脂材料に埋め込まれた状態で、ベース樹脂部11を形成することができる。なお、樹脂塊11Aを加圧する際に、熱を加えてもよい。
その後、銅板12Aが埋め込まれた樹脂材料を硬化させる。このとき、加熱することによって硬化させてもよい。
その後、銅板をエッチング等して銅板をパターニングすることによって、銅板を複数の銅板部に分離する。
これにより、図5(a)に示すように、ベース樹脂部11に複数の銅板部12が埋め込み形成された第1基板10を作製することができる。
次に、図5(b)に示すように、実装部品をはんだ接合するために、第1基板10における銅板部12上の所定の箇所にはんだ60Aを形成する。本実施の形態では、LED30が搭載された第2基板20と、接続端子(コネクタ)12b2と、静電保護素子(ツェナーダイオード)とを実装するので、これらの実装部分にはんだを印刷する。
次に、図5(c)に示すように、第1基板10のはんだ印刷した箇所に、LED30が搭載された第2基板20と、接続端子(コネクタ)12b2と、静電保護素子とをマウントして、リフローによって第2基板20と第1基板10とをはんだ接合する。
次に、図5(d)に示すように、ワイヤ80によってワイヤボンディングを行う。具体的には、第1基板10のボンディングパッド部と、アルミニウム膜70(不図示)におけるボンディングパッド部とをワイヤボンディングする。
その後、図5(e)に示すように、必要に応じて、LED30を封止するように封止部材300を塗布する。例えば、複数のLED30の一つ一つに封止部材300をポッティングする。
これにより、第2基板(インターポーザ)20に複数のLED30が搭載されたLEDモジュールを作製することができる。
以上、本発明に係るLEDモジュールについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記の実施の形態では、発光素子としてLEDを例示したが、発光素子としては、半導体レーザ等の半導体発光素子、有機EL(Electro Luminescence)又は無機EL等のEL素子等、その他の固体発光素子を用いてもよい。
その他に、各実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
1、1A LEDモジュール(発光モジュール)
10 第1基板
11 ベース樹脂部
11A 樹脂塊
11a 基部
11b 壁部
12 銅板部
12A 銅板
12a 第1銅板部
12b 第2銅板部
12b1、71a、72a 接続部
12b2 接続端子
13 レジスト
20、20A 第2基板
30 LED(発光素子)
31 素子電極
31a p側電極
31b n側電極
32 金層
40、40A、140 実装電極
40Aa 引き出し電極
41、141 第1金属層
42、142 第2金属層
43、143 第3金属層
50 AuSn層
60 はんだ層
60A はんだ
70、70A、170 アルミニウム膜
71 第1配線部
72 第2配線部
80 ワイヤ
90 保護膜
100 パッド部材
201 金型
202 平板加圧装置
300 封止部材

Claims (13)

  1. 絶縁性を有する樹脂に銅が埋め込み形成された第1基板と、
    前記銅の上に配置され、当該銅とはんだ接合された第2基板と、
    前記第2基板の上に形成された実装電極と、
    前記実装電極の上方に配置され、当該実装電極と金スズ接合された発光素子とを備える
    発光モジュール。
  2. 前記発光素子は、前記実装電極と接合される素子電極を有し、
    前記実装電極は、前記素子電極と略同等の外形である
    請求項1に記載の発光モジュール。
  3. 前記第2基板の前記第1基板側の主面の全面が、前記銅とはんだ接合されている
    請求項1又は2に記載の発光モジュール。
  4. 前記第2基板の上にはアルミニウム膜が形成されており、
    前記アルミニウム膜は、前記発光素子が発する光を反射する反射膜であり、かつ、前記発光素子を発光させるための電流が流れる配線であり、
    前記実装電極は、前記アルミニウム膜の上に、かつ、当該アルミニウム膜と接触させて形成されている
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光モジュール。
  5. 前記第2基板の上にはアルミニウム膜が形成されており、
    前記実装電極は、前記アルミニウム膜の上に形成されており、
    さらに、前記金スズ接合によって前記実装電極の上に形成された金スズ層を備え、
    前記実装電極は、ニッケル、パラジウム、金、チタン、白金及び銅の中から選ばれる少なくとも1種類の金属材料又は当該金属材料を含む合金層によって構成された単層又は複数層である
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光モジュール。
  6. 前記アルミニウム膜の上には保護膜が形成されている
    請求項4又は5に記載の発光モジュール。
  7. 前記保護膜は、前記実装電極が形成された箇所には形成されていない
    請求項6に記載の発光モジュール。
  8. 前記保護膜は、二酸化シリコン膜である
    請求項6又は7に記載の発光モジュール。
  9. 前記第1基板は、反射性を有するレジストで覆われている
    請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光モジュール。
  10. 前記レジストは、前記第2基板が配置される箇所を開口するように形成される
    請求項9に記載の発光モジュール。
  11. 前記第1基板の導電部と前記第2基板の導電部とは、アルミニウムからなるワイヤで接続されている
    請求項1〜10のいずれか1項に記載の発光モジュール。
  12. 前記第2基板にはんだ接合された前記銅を第1の銅とすると、前記第1基板は、さらに、前記樹脂に埋め込み形成された第2の銅を有し、
    前記第1の銅は、電気的に浮いている銅板であり、
    前記第2の銅は、前記発光素子を発光させるための電流が流れる銅配線である
    請求項1〜11のいずれか1項に記載の発光モジュール。
  13. 前記第2基板は、シリコン基板である
    請求項1〜12のいずれか1項に記載の発光モジュール。
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