WO2012133899A1 - 発光素子用基板および発光装置 - Google Patents
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- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
- H01L25/075—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L33/00
- H01L25/0753—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L33/00 the devices being arranged next to each other
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
- H01L33/642—Heat extraction or cooling elements characterized by the shape
Definitions
- the present invention relates to a light emitting element substrate and a light emitting device using the same.
- a substrate for a light-emitting element for mounting such a light-emitting element has a structure in which a wiring conductor layer for connecting the light-emitting element and an external electrode is disposed on or inside an insulating substrate such as a ceramic substrate. Is often used. Further, in such a light emitting device, generally, a sealing layer made of a silicone resin or an epoxy resin is provided to protect the light emitting element and the wiring conductor layer mounted on the light emitting element substrate.
- a light emitting device having a structure in which white light emission is obtained in combination with a light emitting element by dispersing and blending a fluorescent material in a sealing layer has been put into practical use.
- LTCC Co-fired Ceramics
- the LTCC substrate does not necessarily have a high thermal conductivity
- the LTCC substrate is made of, for example, a high thermal conductive metal material such as copper or silver in order to quickly dissipate the heat generated as the light emitting element increases in brightness.
- a thermal radiation layer such as a thermal via is embedded in a substrate to reduce thermal resistance (see Patent Document 1).
- Many LTCC substrates have a structure in which a wiring conductor layer is disposed inside the substrate for the purpose of protecting the constituent metals from oxidation and corrosion.
- the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has a sufficient heat dissipation when used as a light emitting device, and suppresses a decrease in light emission luminance over time due to discoloration of the sealing layer.
- An object of the present invention is to provide a light emitting element substrate.
- Another object of the present invention is to provide a light-emitting device that has sufficient heat dissipation and excellent long-term use stability in which a decrease in light emission luminance over time due to discoloration of a sealing layer is suppressed.
- the substrate for a light emitting device of the present invention comprises a sintered body of a glass ceramic composition containing a first glass powder and a first ceramic powder, and a mounting surface that is a mounting portion on which a light emitting device is mounted.
- a is, wherein the concentration of the silver contained in the glass of the coating layer is not more than 0.3 mass% in terms of Ag 2 O.
- the coating composition preferably contains a second ceramic powder.
- a ceramic powder substantially free of alumina powder as the second ceramic powder is contained in the coating composition, or alumina as the second ceramic powder.
- the ceramic powder mainly containing powder is contained in the coating composition so that the content of the alumina powder is 1 to 10% by mass is preferable.
- the first ceramic powder comprises an alumina powder and a ceramic powder having a higher refractive index than alumina.
- the ceramic powder is preferably contained.
- the metal layer mainly composed of silver is parallel to the mounting surface, and the distance from the mounting surface to the upper surface of the metal layer is 50 to 150 ⁇ m. Thus, it is preferably embedded in the base.
- the coating layer preferably has a thickness of 10 to 50 ⁇ m.
- the light emitting element substrate of the present invention when this is used as a light emitting device, it has sufficient heat dissipation and can suppress a decrease in light emission luminance over time due to discoloration of the sealing layer.
- the light-emitting device of the present invention has sufficient heat dissipation and suppresses a decrease in light emission luminance over time due to discoloration of the sealing layer, and is excellent in long-term use stability.
- the substrate for a light-emitting element of the present invention comprises a sintered body of a glass ceramic composition containing a first glass powder and a first ceramic powder, and a mounting surface that is a mounting portion on which the light-emitting element is mounted.
- an LTCC substrate in which a metal layer made of silver or a silver alloy is wired as an inner layer has a paste layer of silver or a silver alloy in a green sheet produced using a glass ceramic composition containing alumina powder as a ceramic powder. After being formed by screen printing or the like, it is manufactured by simultaneous firing.
- silver ions (Ag + ) diffuse from the silver layer or silver alloy layer to the glass component in the LTCC, and the silver ions are localized around the surface of the alumina powder.
- a high concentration silver ion layer is formed. It is considered that a part of the silver ion layer localized on the surface of the alumina powder formed thereby is exposed on the surface of the LTCC substrate.
- a sealing layer such as a silicone resin, silver ions (Ag + ) present on the surface of the LTCC substrate are transferred to the sealing layer.
- the coating layer according to the present invention is composed of a sintered body of the coating composition mainly composed of the second glass powder.
- the coating layer is coated.
- the layer is composed only of glass made of a sintered body of the second glass powder.
- the coating composition contains, for example, the second ceramic powder in addition to the second glass powder, the second ceramic powder or the like is dispersed in the glass obtained by sintering the second glass powder. It becomes composition.
- the glass of the coating layer refers only to a glass portion formed by sintering the second glass powder, and when the second ceramic powder or the like is included, it is a portion excluding the ceramic powder component. is there.
- the concentration of silver is a content contained in the glass is the concentration expressed in mass% in terms of the concentration of Ag 2 O.
- the concentration of silver converted to the concentration of Ag 2 O is simply referred to as “silver concentration” as necessary.
- the silver concentration in the glass is determined by electron beam microanalysis of the glass of the coating layer after firing on the LTCC substrate in which a metal layer mainly composed of silver is wired as an inner layer, which becomes a light emitting element substrate. The value measured using an apparatus (EPMA: Electron Probe Micro Analyzer). Since the silver concentration in the glass of the coating layer does not change with time after firing, the timing of measurement is not limited as long as it is after firing.
- the diffusion of silver ions into the glass is performed uniformly if the thickness is 50 ⁇ m or less, which is assumed as the thickness of the coating layer, and localizes silver ions such as alumina powder. Even when the component is present in the glass, the component itself is uniformly dispersed in the glass. Therefore, a predetermined size of the glass portion of the coating layer by the electron beam microanalyzer, for example, 0.3 ⁇ m 3 or more. By measuring the silver concentration in an arbitrary analysis region, the silver concentration of the entire coating layer can be obtained. Although the silver concentration of the entire coating layer may be measured using the electron beam microanalyzer, measurement of the silver concentration of the entire coating layer is not always essential in the present invention.
- the structure of the substrate for the light emitting element is the above structure, so that when this is used as a light emitting device, it has sufficient heat dissipation and the emission luminance decreases with time due to discoloration of the sealing layer. Can be suppressed.
- FIG. 1A is a plan view showing an embodiment of a light emitting device substrate of the present invention
- FIG. 1B is a sectional view taken along line XX.
- the light emitting element substrate 1 has a substantially flat base 2 that is mainly composed of the light emitting element substrate 1 and has a substantially square shape when viewed from above.
- the substrate 2 is made of a sintered body of a glass ceramic composition containing the first glass powder and the first ceramic powder, and the upper surface on which the light emitting element is mounted is used as the mounting surface 21 when the light emitting element substrate is used. Have. In this example, the opposite surface is referred to as a non-mounting surface 23.
- the shape, thickness, size, etc. of the substrate are not particularly limited, and can be the same as those usually used as a substrate for a light emitting device.
- the light emitting element substrate 1 further includes a frame 3 joined to the peripheral portion of the base mounting surface 21 so as to form a cavity having a bottom surface 24 that is a substantially circular portion at the center of the mounting surface 21 of the base 2. .
- the side surface of this cavity is comprised by the wall surface inside the frame 3.
- FIG. 1 in the substrate 1 for light emitting elements a total of four light emitting elements are mounted in a substantially annular shape such as a square shape from the center of the cavity bottom surface 24 and eight light emitting elements are mounted in a substantially annular shape such as an octagonal shape on the outer side.
- the base body 2 preferably has a bending strength of 250 MPa or more, for example, from the viewpoint of suppressing damage or the like when the light emitting element is mounted and thereafter used.
- the substrate 2 preferably has diffuse reflectivity from the viewpoint of further improving the light extraction efficiency when it is used as a light emitting device, and the degree of diffuse reflectivity can provide light extraction efficiency equivalent to a silver reflective film. Is preferred.
- the haze value measured by JIS K 7105 is used as an index for evaluating diffuse reflectance, the value is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more.
- the raw material composition, sintering conditions, and the like of the sintered body of the glass ceramic composition including the first glass powder and the first ceramic powder constituting the substrate 2 will be described in the method for manufacturing a light emitting element substrate described later.
- the material constituting the frame 3 is preferably the same as the LTCC material constituting the base 2 in consideration of the adhesion to the base 2.
- the non-mounting surface 23 of the base 2 is provided with a pair of external connection terminals 5 serving as an anode and a cathode electrically connected to an external circuit.
- twelve anodes and cathodes on the bottom surface 24 of the cavity are formed on the non-mounting surface 23 so as not to be short-circuited in the middle by using connection vias and wiring circuits embedded in the base 2 by a normal method.
- the pair of anodes and cathodes are electrically connected to each other.
- FIG. 1B is a cross-sectional view including one mounting portion 22 of the twelve mounting portions 22 and a pair of element connection terminals 4 formed in the mounting portion.
- the base 2 has a metal layer 6 mainly composed of silver parallel to the mounting surface 21 in the inside thereof as described later.
- the base upper layer 2b and the base lower layer 2a are manufactured. It has the structure laminated
- the upper surface of the substrate upper layer 2 b is the mounting surface 21, and the lower surface of the substrate lower layer 2 a is the non-mounting surface 23.
- connection vias 8b are electrically connected to a pair of connection vias 8b provided so as to penetrate the base body upper layer 2b.
- the connection via 8b is connected to each region of the metal layer 6 divided in the cross section shown in FIG. 1B, and the connection via 8a penetrates the base lower layer 2a from each region of the metal layer 6.
- Each of them is connected to a pair of external connection terminals 5 formed on the lower surface thereof, that is, the non-mounting surface 23.
- the metal layer 6 functions as a heat dissipation layer, but also plays a role as a wiring circuit in the present embodiment.
- the connection vias 8a and 8b are collectively referred to as a connection via 8.
- the metal layer 6 is also referred to as a wiring circuit 6.
- the connection from each pair of element connection terminals 4 formed in the other eleven mounting portions 22 to the pair of external connection terminals 5 on the non-mounting surface is not shown in FIG. 1B. Same as shown.
- the element connection terminal 4, the external connection terminal 5, and the connection via 8 and the wiring circuit 6 embedded in the base 2 are connected to the wiring circuit 6 and the connection via embedded in the element connection terminal 4 ⁇ the base 2 from the light emitting element.
- the position and shape of the arrangement are not limited to those shown in FIG. It can be adjusted as appropriate.
- one pair of a pair of electrodes and a pair of terminals means a pair composed of an anode and a cathode.
- wiring conductors The constituent materials of these element connection terminals 4, external connection terminals 5, and connection vias 8 and wiring circuits 6 embedded in the substrate 2 (hereinafter sometimes collectively referred to as “wiring conductors”) are usually light emitting. Any material can be used without particular limitation as long as it is the same constituent material as the wiring conductor used in the element substrate. Specific examples of the constituent material of these wiring conductors include metal materials mainly composed of copper, silver, gold and the like. Among such metal materials, a metal material mainly composed of silver is preferably used. Specifically, a metal material composed of silver, a metal material composed of silver and platinum, or a metal material composed of silver and palladium.
- the wiring circuit 6 will be described in detail in the explanation part of the metal layer 6.
- the electroconductive protective layer which has conductivity (Not shown) is preferably formed so as to cover the whole including its end edges.
- the thickness of the metal layer is preferably 5 to 15 ⁇ m.
- the conductive protective layer is not particularly limited as long as it is made of a conductive material having a function of protecting the metal layer. Specific examples include a conductive protective layer made of nickel plating, chrome plating, silver plating, nickel / silver plating, gold plating, nickel / gold plating, or the like.
- the element connection terminal 4 is composed of solder, gold, gold-
- a metal plating layer having a gold plating layer as at least the outermost layer.
- the conductive protective layer may be formed of only a gold plating layer, but is more preferably formed as a laminated structure of a nickel / gold plating layer in which gold plating is performed on nickel plating.
- the thickness of the conductive protective layer is preferably 2 to 20 ⁇ m for the nickel plating layer and 0.1 to 1.0 ⁇ m for the gold plating layer.
- the substrate 1 for light emitting element has a metal layer 6 mainly composed of silver embedded in a surface parallel to the mounting surface 21 in the base 2.
- the metal layer 6 is provided so as to function as the wiring circuit in addition to the function as a heat dissipation layer for reducing thermal resistance. Therefore, the metal layer 6 functions as an anode and a cathode that are electrically connected from the mounting surface 21 to the non-mounting surface 23 on the parallel surfaces. Therefore, it is preferable that the metal layer 6a is provided so as not to be short-circuited and to secure as large an area as possible.
- the edge of the metal layer 6 on the surface parallel to the mounting surface 21 on which the metal layer 6 is formed reaches the side surface of the substrate 2 in order to protect the metal layer 6 from oxidation, corrosion, and the like.
- the distance L between the edge of the metal layer 6 and the side surface of the substrate is 50 ⁇ m or more, more preferably 75 ⁇ m or more.
- upper and lower substrate constituent members that is, the substrate upper layer 2b and the substrate lower layer 2a.
- the substrate upper layer 2b and the substrate lower layer 2a are also referred to as a substrate component member having the formation surface of the metal layer 6 as a boundary surface.
- the formation area of the metal layer 6 is adjusted so that the substrate 2 is sufficiently adhered and manufactured.
- the metal layer 6 is provided independently of a wiring conductor such as a wiring circuit
- the distance between the edge of the metal layer 6 and the edge of the wiring conductor is 100 ⁇ m or more in order to prevent a short circuit or the like. More preferably, it is formed to be 150 ⁇ m or more.
- the upper limit of the distance L is determined by the size, specification, shape, and the like of the light emitting device.
- the material constituting the metal layer 6 is not particularly limited as long as it is a material having thermal conductivity mainly composed of silver.
- the metal material mainly composed of silver refers to a material having a silver content of more than 50% by mass with respect to the total amount of the metal material. Specifically, the metal material composed of simple silver or silver at a ratio of 95% by mass or more.
- a metal material composed of silver and platinum or silver and palladium is preferably included.
- Specific examples of the metal material composed of silver and platinum or silver and palladium include metal materials in which the ratio of platinum or palladium to the total amount of the metal material is 5% by mass or less.
- “mainly ...” means, for example, “the B composition mainly containing the component A”, and the A component is 50% by mass with respect to the total amount of the B composition. The relationship which contains exceeding is shown.
- the film thickness of the metal layer 6 is preferably 8 to 50 ⁇ m, more preferably 10 to 20 ⁇ m, and particularly preferably 13 to 16 ⁇ m. If the thickness of the metal layer 6 is less than 8 ⁇ m, sufficient heat dissipation may not be obtained, and if it exceeds 50 ⁇ m, it is economically disadvantageous and deformation due to a difference in thermal expansion from the substrate body may occur during the manufacturing process. There is.
- the upper surface of the metal layer 6, that is, the surface on which the light emitting element is mounted has surface flatness.
- the surface flatness is 0.15 ⁇ m or less as the surface roughness Ra at least in a portion where the light emitting element is mounted from the viewpoint of ease of manufacturing while ensuring sufficient heat dissipation.
- it is 0.1 ⁇ m or less.
- the surface roughness Ra is the arithmetic average roughness Ra, and the value of the arithmetic average roughness Ra is represented by 3 “Definition and display of defined arithmetic average roughness” of JIS: B0601 (1994). Is done.
- the distance from the mounting surface 21 of the base 2 to the upper surface of the metal layer 6 depends on the design of the light emitting device, it is laminated on and under the metal layer 6 and the metal layer 6 while ensuring sufficient heat dissipation. In consideration of deformation due to a difference in thermal expansion with respect to the substrate constituting member, it is preferably 50 to 150 ⁇ m, more preferably 80 to 120 ⁇ m. Further, when the metal layer 6 mainly composed of silver is disposed at such a position of the substrate so as to be parallel to the mounting surface 21 of the base body 2, the occurrence of silver coloring of the present invention can be suppressed and the light emitting device. In particular, the effect of suppressing the temporal decrease in the light emission luminance is remarkable.
- an example of the metal layer 6 formed in a direction parallel to the mounting surface 21 of the base body 2 is shown as a metal layer mainly composed of silver embedded in the base body in order to ensure heat dissipation.
- the silver-based metal layer embedded in the base body may be a thermal via embedded in the base body in a direction perpendicular to the mounting surface of the base body in order to reduce thermal resistance.
- the thermal via has a columnar shape smaller than the mounting portion, and a plurality of thermal vias may be provided directly below the mounting portion. When the thermal via is provided, it can be provided from the non-mounting surface to the vicinity of the mounting surface so as not to reach the mounting surface of the base as necessary.
- the flatness of the mounting surface, particularly the mounting portion can be improved, the thermal resistance can be reduced, and the inclination when the light emitting element is mounted can be suppressed.
- the wiring circuit is usually provided separately from the metal layer 6 having the above-described configuration.
- the thermal via can be provided so as to penetrate from the mounting surface to the non-mounting surface of the substrate.
- a part of the metal layer mainly composed of silver embedded in the base may reach the constituent surface of the base, in this case, the mounting surface or the non-mounting surface.
- substrate constituent surface is used as a general term for a mounting surface, a non-mounting surface, and a side surface of the substrate.
- the light emitting element substrate of the present invention has sufficient heat dissipation by disposing the metal layer mainly composed of silver in the base body made of LTCC as described above.
- the light emitting element substrate 1 includes the entire surface of the bottom surface 24 of the cavity excluding the 12 light emitting element mounting portions 22 formed on the mounting surface 21 and the vicinity thereof, and the interface between the base 2 and the frame 3.
- the coating layer 7 is formed in such a manner that the edge reaches an area near the outer periphery of the bottom surface of the cavity.
- the coating layer 7 is made of a sintered body of a coating composition mainly composed of the second glass powder, and the concentration of silver contained in the glass of the coating layer 7 is 0.3% by mass in terms of Ag 2 O. It is as follows.
- the width M of the coating layer 7 sandwiched between the base 2 and the frame 3 is preferably about 100 ⁇ m.
- the coating layer 7 is provided to reach the side surface of the base 2, the adhesion between the base 2 and the frame 3 may be impaired, which is not preferable.
- the edge of the mounting portion 22 and the edge of the coating layer 7 have a risk that the glass overlaps the electrode due to printing misalignment, and the electrode does not function as an electrode.
- the distance N from the edge 7 is preferably 50 ⁇ m or more, and more preferably 100 ⁇ m or more.
- the upper limits of the width M and the distance N described above are determined by the dimensions, specifications, shapes, etc. of the light emitting device.
- the light emitting element substrate 1 is a light emitting element substrate in which the light emitting element is metal-connected to the element connection terminal 4 provided in the mounting portion 22 on the mounting surface 21.
- the covering layer 7 is disposed in the region excluding the mounting portion 22 and the vicinity thereof.
- the edge of the element connection terminal and the edge of the coating layer 7 are separated by 50 ⁇ m or more because there is a risk that the glass overlaps the electrode due to printing misalignment and the electrode does not function.
- 100 ⁇ m or more is more preferable.
- the vicinity of the mounting portion 22 refers to, for example, a region within 30 ⁇ m from the outer peripheral edge of the mounting portion, and the vicinity of the region where the element connection terminals are disposed refers to the outer periphery of the region where the element connection terminals are disposed, for example. The region within 30 ⁇ m is shown.
- the coating layer 7 having such a configuration, the base 2 made of the LTCC at the time of sintering is changed from the metal layer 6 mainly composed of silver wired in the inner layer to the LTCC base.
- the diffusion of silver ions reaching the surface of 2 can be substantially stagnated by this coating layer, and the amount of silver ions reaching the surface of the coating layer can be greatly reduced.
- silver ions generally contained in the sealing layer are reduced even when the light-emitting element is mounted and then sealed with the sealing layer. It is possible to suppress a decrease in luminance with time due to the formation of silver colloid due to the action of a catalyst and the like, and further due to silver color formation due to the aggregation.
- the glass powder is formed on an LTCC substrate in which a metal layer mainly composed of silver of the configuration of the present invention is wired as an inner layer.
- the coating layer is formed as a sintered body of the coating composition containing, the glass powder is not particularly limited as long as the concentration of silver contained in the glass is 0.3% by mass or less.
- the softening point (Ts) of the second glass powder is preferably 930 ° C. or lower, and more preferably 880 ° C. or lower.
- the firing temperature must exceed the softening point of the glass powder.
- the metal layer mainly composed of silver which is the inner layer wiring of the LTCC substrate which is usually co-fired with the second glass powder is excessively softened at the time of firing. The shape may not be maintained.
- the metal layer mainly composed of silver used in the present invention may be excessively soft when it exceeds 880 ° C. depending on its composition.
- the softening point of the second glass powder is preferably 750 ° C. or higher.
- SiO 2 is 70 to 84%
- B 2 O 3 is 10 to 25%
- Al 2 O 3 is 0 to 5 in terms of mol% in terms of oxide.
- % At least one selected from the group consisting of Na 2 O and K 2 O in total 0 to 5%, MgO 0 to 10%, at least one selected from the group consisting of CaO, SrO and BaO in total
- a glass powder containing 0 to 5% and having a total content of SiO 2 and Al 2 O 3 of 70 to 84% in terms of mol% in terms of oxide in the glass powder can be mentioned.
- “%” represents an oxide conversion mol% unless otherwise specified.
- the coating composition containing this as a main component is fired simultaneously with the LTCC substrate in which the metal layer mainly composed of silver is disposed in the substrate.
- the interface between the coating layer and the sealing layer made of silicone resin hardly develops color, thereby reducing the emission luminance of the light-emitting device over time. Can be suppressed.
- SiO 2 serves as a glass network former and is an essential component for increasing chemical durability, particularly acid resistance. If the content of SiO 2 is less than 70%, the acid resistance may be insufficient. On the other hand, if the SiO 2 content exceeds 84%, the glass transition point, which is also indicated as the glass softening point or Tg, may be excessively high.
- B 2 O 3 is an essential component that becomes a glass network former. If the content of B 2 O 3 is less than 10%, the softening point may become excessively high, and the glass may become unstable. On the other hand, if the content of B 2 O 3 exceeds 25%, it is difficult to obtain stable glass, and chemical durability may be lowered.
- the content of B 2 O 3 is preferably 12% or more.
- Al 2 O 3 is an optional component that may be added within a range of 5% or less in order to enhance the stability and chemical durability of the glass. If the content of Al 2 O 3 exceeds 5%, there is a possibility that the transparency of the glass decreases. On the other hand, if the content of Al 2 O 3 exceeds 5%, silver coloring may occur easily.
- the total content of SiO 2 content and Al 2 O 3 in the glass powder is 70% or more and 84 %% less. If the total content of SiO 2 and Al 2 O 3 is less than 70%, chemical durability may be insufficient. On the other hand, if the total content of SiO 2 and Al 2 O 3 exceeds 84%, the softening point and the glass transition point may be excessively increased.
- Na 2 O and K 2 O are optional components that can be added within a range where the total content does not exceed 5% in order to lower the softening point and the glass transition point.
- chemical durability, particularly acid resistance may be lowered, and electrical insulation may be lowered.
- silver coloring may easily occur.
- Na 2 O and K 2 O preferably contain at least one selected from these, and the total content of Na 2 O and K 2 O is preferably 0.9% or more.
- MgO is an optional component that may be added within a range not exceeding 10% in order to lower the softening point and the glass transition point and increase the stability of the glass. When the content of MgO exceeds 10%, silver coloring may easily occur.
- the content of MgO is preferably 8% or less.
- CaO, SrO, and BaO are optional components that may be added within a range where the total content of these does not exceed 5% in order to lower the softening point and glass transition point and increase the stability of the glass. is there. When adding these, it is sufficient to contain at least one selected from the group consisting of CaO, SrO, and BaO. If the total content of CaO, SrO, and BaO exceeds 5%, the acid resistance may decrease. On the other hand, if the total content of CaO, SrO, and BaO exceeds 5%, silver coloring may easily occur.
- the said glass powder preferably used as a 2nd glass powder is not necessarily limited to what consists only of the said component, and can contain components other than the above in the range which does not impair the effect of this invention.
- lead oxide is not contained.
- the total content is preferably 10% or less.
- the covering layer 7 has an acid resistance of preferably 100 ⁇ g / cm 2 or less, more preferably 30 ⁇ g / cm 2 or less, still more preferably 5 ⁇ g / cm 2 or less, and particularly preferably 1 ⁇ g / cm 2 or less.
- the acid resistance of the coating layer 7 exceeds 100 ⁇ g / cm 2 , the glass component of the coating layer 7 is eluted in the plating solution of the metal layer 6, and the continuous operation may be hindered when manufacturing the substrate for the light emitting element.
- the coating layer 7 may become cloudy and the reflectivity may decrease.
- the acid resistance of the coating layer 7 was evaluated by immersing it in 700 cm 3 of an oxalate buffer solution having a pH of 1.68 and a temperature of 85 ° C., and measuring the amount of mass loss after 1 hour.
- Glass powders preferably used as the second glass powder for example, SiO 2 is 78% to 83%, B 2 O 3 is 16% to 18%, so that the reflectance of the coating layer 7 can be increased.
- Glass powder comprising 0.9% to 4% in total of at least one selected from Na 2 O and K 2 O, 0 to 0.5% Al 2 O 3 and 0 to 0.6% CaO , "Glass Powder A").
- SiO 2 becomes a glass network former. If the content of SiO 2 is less than 78%, chemical durability may be reduced. On the other hand, when the content of SiO 2 exceeds 83%, the softening point and the glass transition point may be excessively increased.
- the content of SiO 2 is preferably 80% or more. Further, the content of SiO 2 is preferably 82% or less.
- B 2 O 3 is a glass network former.
- the content of B 2 O 3 is less than 16%, the softening point and the glass transition point may be excessively high.
- the content of B 2 O 3 exceeds 18%, it is difficult to obtain a stable glass, and chemical durability may be lowered.
- the content of B 2 O 3 is preferably 17% or less.
- Al 2 O 3 may be added in a range of 0.5% or less in order to enhance the stability and chemical durability of the glass.
- the content of Al 2 O 3 exceeds 0.5%, the softening point and the glass transition point may be excessively increased. If the content of Al 2 O 3 exceeds 0.5%, silver coloring may occur easily.
- Na 2 O and K 2 O are added to lower the softening point and the glass transition point, and it is necessary to contain at least one of Na 2 O and K 2 O.
- the softening point and the glass transition point may be excessively high.
- the total content of Na 2 O and K 2 O exceeds 4%, chemical durability, particularly acid resistance may be lowered, and electric insulation may be lowered.
- the total content of Na 2 O and K 2 O exceeds 4%, silver coloring may easily occur.
- the total content of Na 2 O and K 2 O is preferably 1.0% or more, more preferably 1.5% or more.
- the total content of Na 2 O and K 2 O is preferably 3% or less, more preferably 2% or less.
- CaO may be added in a range not exceeding 0.6% in order to lower the softening point and the glass transition point and increase the stability of the glass. If the content of CaO exceeds 0.6%, the softening point and the glass transition point may be excessively lowered, and crystallization is promoted, so that transparent glass may not be obtained. On the other hand, if the CaO content exceeds 0.6%, silver coloration tends to occur.
- glass powders preferably used as the second glass powder include, for example, 72 to 78% of SiO 2 and 13 of B 2 O 3.
- SiO 2 becomes a glass network former.
- chemical durability may be lowered.
- the content of SiO 2 exceeds 78%, the glass softening point or glass transition point may be excessively high.
- the content of SiO 2 is preferably 73% or more. Further, the content of SiO 2 is preferably 76% or less.
- B 2 O 3 is a glass network former. If the content of B 2 O 3 is less than 13%, there is a possibility that the softening point or glass transition point of the glass becomes excessively high. On the other hand, if the content of B 2 O 3 exceeds 18%, it is difficult to obtain a stable glass, and chemical durability may be lowered.
- the content of B 2 O 3 is preferably 17% or less.
- MgO is added to lower the softening point and glass transition point and to increase the stability of the glass.
- the softening point and the glass transition point may be excessively high, and the glass may become unstable.
- the content of MgO exceeds 10%, silver coloring may occur easily.
- the content of MgO is preferably 4% or more.
- the content of MgO is preferably 8% or less, more preferably 6% or less.
- Na 2 O and K 2 O are added to lower the softening point and the glass transition point, and it is necessary to contain at least one of Na 2 O and K 2 O.
- the softening point and the glass transition point may be excessively high.
- the total content of Na 2 O and K 2 O exceeds 4%, chemical durability, particularly acid resistance may be lowered, and electrical insulation may be lowered.
- the total content of Na 2 O and K 2 O exceeds 4%, silver coloring may easily occur.
- the total content of Na 2 O and K 2 O is preferably 1.0% or more, more preferably 1.5% or more.
- the total content of Na 2 O and K 2 O is preferably 3% or less.
- the glass powder that is preferably used as the second glass powder is not necessarily limited to the above-mentioned “glass powder A” or “glass powder B” consisting of only the respective components, and does not impair the effects of the present invention.
- components other than the above can be contained in both “glass powder A” and “glass powder B”.
- lead oxide is not contained.
- the total content is preferably 10% or less.
- the second glass powder is not limited to the glass powders having the respective compositions described above, and glass powders having compositions different from these can be used as long as the conditions in the present invention are satisfied.
- the second glass powder used in the present invention is prepared by mixing glass raw materials so as to have the glass composition as described above, mixing them, producing glass by a melting method, and subjecting the obtained glass to a dry pulverization method or a wet pulverization method. Can be obtained by crushing. In the case of the wet pulverization method, it is preferable to use water as a solvent.
- the pulverization can be performed using a pulverizer such as a roll mill, a ball mill, or a jet mill.
- 50% particle diameter of the second glass powder 0.5 [mu] m or more, is preferably not more than 4 [mu] m.
- the 50% particle size of the glass powder is less than 0.5 ⁇ m, the glass powder tends to aggregate, making handling difficult, and the time required for pulverization may be too long.
- the 50% particle size of the glass powder exceeds 4 ⁇ m, the glass softening temperature may increase or the sintering may be insufficient.
- the adjustment of the particle diameter can be performed by classification as necessary after pulverization, for example.
- the 50% particle size is measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus.
- the laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device (trade name: SALD2100) manufactured by Shimadzu Corporation was used.
- the maximum particle size of the second glass powder is preferably 20 ⁇ m or less. When the maximum particle size exceeds 20 ⁇ m, the sinterability of the glass powder is lowered, and undissolved components remain in the sintered body, which may reduce the reflectivity of the coating layer 7.
- the maximum particle size of the glass powder is more preferably 10 ⁇ m or less.
- the coating composition whose sintered body forms the coating layer 7 is composed mainly of the second glass powder.
- a metal layer mainly composed of silver wired in the inner layer on the base 2 made of the LTCC at the time of sintering. 6 the diffusion of silver ions reaching the surface of the LTCC substrate 2 is substantially stagnated by this coating layer, and the amount of silver ions reaching the surface of the coating layer can be greatly reduced. It is possible to suppress a decrease in light emission luminance over time due to silver coloring generated at the interface between the stop layer and the substrate.
- the coating layer 7 is formed of the coating composition consisting only of the second glass powder
- the coating composition that is, the second glass has high fluidity in an unfired state, and is undulated during firing. Deformation tends to occur. Therefore, when the coating layer 7 is formed with the coating composition consisting only of the second glass powder, an uneven surface is likely to be formed on the surface of the fired body, and the flatness is lowered.
- the second ceramic powder used in the coating composition for such purposes preferably includes a ceramic powder substantially free of alumina powder, and the content thereof is as follows in the coating composition: An embodiment containing 1 to 20% by mass is exemplified. In such a blending amount, a ceramic powder substantially free of alumina powder as the second ceramic powder is blended with the coating composition, whereby the diffusion layer of silver ions is substantially stagnated in the resulting coating layer. It is possible to form a coating layer having a flat surface while greatly reducing the amount of silver ions reaching the surface. In addition, when the ceramic composition containing more than 20 mass% and substantially not containing alumina powder is blended in the coating composition, the coating layer 7 may be insufficiently sintered.
- the behavior of silver ions in the LTCC substrate during firing is as described above, and the silver ions diffused in the glass component are localized particularly around the surface of the alumina powder to form a high concentration silver ion layer. To do. It is considered that a part of the silver ion layer localized on the surface of the alumina powder formed thereby is exposed on the surface of the LTCC substrate. Therefore, when the second ceramic powder is blended in the coating composition for the purpose of surface flatness, a ceramic powder substantially free of alumina powder is used.
- the phrase “substantially free of alumina powder” means that the content of alumina powder in the ceramic powder is less than 0.1% by mass.
- a ceramic powder such as an alumina powder
- a component having a content exceeding 50 mass% is used as the name of the powder as a constituent component of the powder.
- ceramic powder containing Al 2 O 3 in excess of 50 mass% is referred to as alumina powder.
- the alumina powder containing Al 2 O 3 at a high content is not substantially contained. It is particularly preferred.
- “including Al 2 O 3 at a high content” means that the Al 2 O 3 content is 95% by mass or more.
- the second ceramic powder that does not substantially contain the alumina powder conventionally used ceramic powder can be used without particular limitation as long as it is other than the alumina powder.
- it may be blended in the coating composition at the above ratio.
- a more preferable blending amount is 5 to 10% by mass in the coating composition.
- the 50% particle size of the second ceramic powder is preferably, for example, not less than 0.5 ⁇ m and not more than 4 ⁇ m.
- a ceramic powder mainly containing alumina powder as the second ceramic powder can be blended with the coating composition as necessary.
- the content include an aspect in which the content of the alumina powder is 1 to 10% by mass in the coating composition.
- a more preferable content is such that the content of the alumina powder is 1 to 5% by mass in the coating composition.
- ceramic powder other than alumina powder in the coating composition within a range not impairing the above effects.
- a compounding quantity 5 mass% or less is mentioned as mass% of ceramic powder other than an alumina powder with respect to the total amount of an alumina powder and the other ceramic powder.
- the ceramic powder used in combination with the alumina powder include at least one ceramic powder selected from the group consisting of zirconia powder, titania powder, and silica powder.
- the thickness of the coating layer 7 is preferably 10 to 50 ⁇ m, and more preferably 20 to 30 ⁇ m.
- the coating layer 7 can sufficiently diffuse the silver ions reaching the surface of the LTCC substrate 2 from the metal layer 6 mainly composed of silver wired in the inner layer.
- the amount of silver ions reaching the surface of the coating layer cannot be reduced so much.
- silver coloration occurs at the interface between the sealing layer and the coating layer, which may cause a decrease in light emission luminance of the light emitting device with time.
- the thickness of the coating layer 7 exceeds 50 ⁇ m, the volume of the coating layer 7 becomes excessive, and the thermal conductivity may decrease, or the reflectance of the coating portion may decrease, and the light extraction efficiency may decrease. There is.
- the embodiment in the light emitting element substrate of the present invention has been described by way of example, the light emitting element substrate of the present invention is not limited thereto. As long as it does not contradict the spirit of the present invention, the configuration can be changed as necessary.
- a method for manufacturing a light emitting element substrate of the present invention will be described below by taking the light emitting element substrate 1 shown in FIG. 1 as an example.
- 1 can be manufactured by a manufacturing method including, for example, the following (A) green sheet manufacturing step, (B) paste layer forming step, (C) laminating step, and (D) firing step.
- A green sheet manufacturing step
- B paste layer forming step
- C laminating step
- D firing step.
- symbol as the member of a finished product is attached
- a ceramic base and a green sheet for a ceramic base are indicated by the same reference numeral 2
- a metal layer and a paste layer for a metal layer are indicated by the same reference numeral 6, and the others are the same.
- the sheet-like molded product obtained in the above (A) is subjected to (B) paste layer forming step and subjected to lamination in the (C) step.
- a through hole is formed in the shape of the bottom surface 24 of the concave portion 4 (for example, a circle) at the center of the sheet-like molded product obtained in (A) by a normal method in this step. What was formed and obtained was subjected to lamination in step (C).
- the base green sheet 2 and the frame green sheet 3 are not necessarily formed of a single green sheet, and may be a laminate of a plurality of green sheets.
- the substrate green sheet 2 is further changed into a substrate lower layer green sheet 2a and a substrate upper layer green sheet 2b. Separately described. Note that these green sheets may also be composed of a plurality of sheets.
- B 2 O 3 is a glass network former. If the content of B 2 O 3 is less than 13%, there is a possibility that the glass melting point or the glass transition point becomes excessively high. On the other hand, when the content of B 2 O 3 exceeds 18%, it is difficult to obtain a stable glass, and the chemical durability may be lowered.
- the content of B 2 O 3 is preferably 14% or more, more preferably 15% or more. Further, the content of B 2 O 3 is preferably 17% or less, more preferably 16% or less.
- the said glass powder preferably used as a 1st glass powder is not necessarily limited to what consists only of the said component, It can contain another component in the range with which various characteristics, such as a glass transition point, are satisfy
- the total content is preferably 10% or less.
- the 50% particle size of the glass powder is preferably 0.5 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
- the 50% particle size of the glass powder is less than 0.5 ⁇ m, the glass powder is likely to aggregate, making it difficult to handle and uniformly dispersing.
- the 50% particle size of the glass powder exceeds 2 ⁇ m, the glass softening temperature may increase or the sintering may be insufficient.
- the particle size is adjusted by, for example, classification as necessary after pulverization.
- a slurry is obtained by adding a binder and, if necessary, a plasticizer, a dispersant, a solvent and the like to the glass ceramic composition.
- a binder for example, polyvinyl butyral or acrylic resin is preferably used.
- plasticizer for example, dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, butyl benzyl phthalate, or the like is used.
- organic solvents such as toluene, xylene, 2-propanol, 2-butanol and the like are preferably used.
- (B) Paste layer forming step In the (B) step, various paste layers for simultaneous firing are formed on the substrate green sheet 2 obtained above, that is, the substrate lower layer green sheet 2a and the substrate upper layer green sheet 2b. .
- (B-1) a wiring conductor paste layer is formed on both the substrate lower layer green sheet 2a and the substrate upper layer green sheet 2b.
- (B-2) a metal layer paste layer mainly composed of silver is formed on the substrate lower layer green sheet 2a, and (B-3) a coating layer paste layer is formed on the substrate upper layer green sheet 2b.
- the element connection terminal paste layer 4 As a method for forming the element connection terminal paste layer 4, the external connection terminal paste layer 5, the connection via paste layer 8, and the wiring circuit paste layer, a method of applying the above-mentioned conductor paste by a screen printing method or application And a filling method.
- the film thicknesses of the element connection terminal paste layer 4 and the external connection terminal paste layer 5 to be formed are adjusted so that the film thicknesses of the finally obtained element connection terminals and external connection terminals become the predetermined film thicknesses.
- (B-2) Metal layer paste layer forming step mainly composed of silver A metal layer mainly composed of silver at the predetermined position on the upper surface of the green sheet 2a for the substrate lower layer on which the paste layer for wiring conductor is formed.
- the paste layer 6 is formed so that it functions as both a heat dissipation layer and a wiring circuit.
- the film thickness of the metal layer paste layer 6 mainly composed of silver is adjusted such that the finally obtained metal layer mainly composed of silver has the predetermined film thickness.
- the metal layer paste mainly composed of silver a paste obtained by adding the above-described metal material containing silver as a main component to a vehicle such as ethyl cellulose and, if necessary, a solvent or the like can be used.
- (B-3) Cover Layer Paste Layer Formation Step A pair of element connection terminal paste layers on the upper surface of the substrate upper layer green sheet 2b on which the wiring conductor paste layer is formed, that is, on the mounting surface 21.
- the coating layer paste layer 7 is formed so as to include all the regions that become the bottom surface 24 of the cavity except for the 12 mounting portions 22 including 4 and the vicinity thereof, and the edge reaches the vicinity region of the bottom surface of the cavity.
- a paste obtained by adding a vehicle such as ethyl cellulose to the above coating composition and, if necessary, a solvent or the like can be used.
- the film thickness of the coating layer paste layer 7 to be formed is adjusted so that the film thickness of the coating layer 7 finally obtained becomes the desired film thickness.
- step (D) Firing step After the step (C), the obtained unsintered light emitting device substrate 1 is degreased to remove a binder or the like as necessary, and the glass ceramic composition or the like is sintered. Is fired (firing temperature: 800 to 930 ° C.).
- Degreasing is preferably held at a temperature of 500 ° C. or more and 600 ° C. or less for 1 hour or more and 10 hours or less.
- the degreasing temperature is less than 500 ° C. or the degreasing time is less than 1 hour, the binder or the like may not be sufficiently removed.
- the degreasing temperature is about 600 ° C. and the degreasing time is about 10 hours, the binder and the like can be sufficiently removed.
- productivity and the like may be lowered.
- the firing time is appropriately adjusted in the temperature range of 800 ° C. to 930 ° C. in consideration of obtaining a dense structure of the base 2 and the frame 3 and maintaining the productivity and the shape of the metal layer mainly composed of silver. To do. Specifically, it is preferable to hold at a temperature of 850 ° C. or more and 900 ° C. or less for 20 minutes or more and 60 minutes or less, and particularly preferably a temperature of 860 ° C. or more and 880 ° C. or less. If the firing temperature is less than 800 ° C., the base 2 and the frame 3 may not be obtained as a dense structure. On the other hand, if the firing temperature exceeds 930 ° C., the substrate may be deformed and the productivity may decrease. In addition, the metal layer paste layer 6 containing metal powder mainly composed of silver wired in the inner layer of the base 2 may be excessively softened, so that a predetermined shape may not be maintained.
- the manufacturing method was demonstrated about an example of embodiment of the board
- the light emitting element substrate of the present invention includes a step of producing a multi-piece connecting substrate, which is usually used when producing a wiring substrate such as a light emitting element substrate, and dividing the same, depending on the size. You may obtain by the method of obtaining and producing each wiring board. In that case, as long as the timing of division is after the firing, it may be before the light emitting element is mounted, or after the light emitting element is mounted, before the solder fixing and mounting to the printed wiring board or the like.
- the light-emitting device of the present invention is, for example, as shown in FIG. 2 as a plan view (a) and a YY sectional view (b). Twelve light emitting elements 11 such as LED elements are mounted on 12 mounting portions 22 corresponding to the pair of element connection terminals 4.
- the light emitting element 11 has a pair of bump electrodes on the back surface, and is electrically connected to the element connection terminal 4 by metal connection via solder, gold, gold-tin eutectic or the like.
- the light emitting device 10 is further configured by providing a sealing layer 12 made of a mold resin so as to fill the cavity while covering the light emitting element 11 arranged as described above on the bottom surface 24 of the cavity. .
- a silicone resin is preferably used because of its excellent light resistance and heat resistance.
- a conventionally known silicone resin used as a mold resin for a light-emitting device can be used without particular limitation. Further, by adding a catalyst such as platinum or titanium to such a mold resin, the mold resin can be quickly cured.
- the light obtained as the light-emitting device 10 can be appropriately adjusted to a desired light emission color by mixing or dispersing a phosphor or the like in the sealing mold resin. That is, by mixing and dispersing the phosphor in the sealing layer, the phosphor excited by the light emitted from the light emitting element 11 emits visible light, and the visible light and the light emitted from the light emitting element 11 As a result, the light emitting device 10 can obtain a desired light emission color.
- the type of the phosphor is not particularly limited, and is appropriately selected according to the type of light emitted from the light emitting element and the target emission color.
- the arrangement of the phosphor is not limited to the method of mixing and dispersing in the sealing layer 12 as described above. For example, a phosphor layer may be provided on the sealing layer 12. is there.
- the 50% particle size ( ⁇ m) of the obtained glass powders 1 to 5 was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: SALD2100). Further, the softening point of the glass powders 1 to 5 was measured by using a differential thermal analyzer (trade name: TG-DTA2000, manufactured by Bruker AXS, Inc.) at a temperature increase rate of 10 ° C./min. did.
- Alumina powder made by Showa Denko KK, trade name: AL-45H, D 50 : 2 ⁇ m
- Silica powder (Nippon Aerosil Co., Ltd., trade name: AEROSIL380, D 50: 10nm)
- Zirconia powder (Daiichi Rare Element Chemical Industries, trade name: HSY-3F-J, D 50 : 0.6 ⁇ m)
- the slurry is applied on a PET film by a doctor blade method, and a plurality of dried green sheets are laminated to form a substantially flat plate-like green sheet 2a for a substrate lower layer having a thickness after firing of 0.35 mm,
- the substrate upper layer green sheet 2b having a substantially flat plate shape and a thickness after firing of 0.15 mm and the shape outside the frame are the same as the substrate green sheet 2, and the shape inside the frame has a diameter of 4.
- a green sheet 3 for a frame body having a substantially circular shape of 4 mm and a frame height of 0.5 mm was manufactured.
- the light-emitting element substrate 1 is manufactured as a multi-piece connecting substrate, and is divided into pieces after firing, which will be described later, for a substantially square light-emitting element having an outer size of 5 mm ⁇ 5 mm. A substrate 1 was obtained. The following description will explain one section of the multi-cavity connection board that will become one light-emitting element substrate 1 after division.
- the frame 3 is laminated in such a manner that the entire region including the bottom surface 24 of the cavity excluding the region near the mounting portion 22 from the end edge to 70 ⁇ m is included and the end edge reaches the region near the outer periphery of the bottom surface of the cavity.
- the coating layer paste layer 7 was formed so that the frame 3 would have a width of 100 ⁇ m.
- the film thickness of the coating layer paste layer 7 was adjusted so that the film thickness of the finally obtained coating layer 7 was 20 ⁇ m.
- connection via paste layer 8a reaching the lower surface of the base layer lower layer green sheet 2a, that is, the non-mounting surface 23, from the two regions of the metal layer paste layer 6 to be the anode and the cathode, respectively.
- the connection via paste layer 8b was formed.
- a pair of external connection terminal paste layers 5 are connected to the pair of connection via paste layers 8a corresponding to the anode and cathode, as described above. It formed by the screen printing method using the paste for wiring conductors.
- a rated current is applied with respect to each of the 12 LED elements 11 using a voltage / current generator (made by Advantest Corporation, brand name: R6243), and light emission is carried out.
- the total luminous flux (lumen) of the light obtained from the apparatus 10 was measured as the initial total luminous flux.
- the light-emitting device 10 was subjected to a test in which the light-emitting device 10 was allowed to stand for 250 hours in an environment of a temperature of 85 ° C. and a humidity of 85%, and the total luminous flux after the test was measured in the same manner as described above. (%) Was calculated.
- the light emitting devices using the light emitting element substrates of Examples 1 to 12 had no silver color at the interface between the coating layer and the silicone resin sealing layer, and the luminance over time (total luminous flux) It was found that there was almost no reduction in the amount.
- This is composed of a sintered body of a coating composition mainly composed of glass powder having a specific glass composition, and the concentration of silver contained in the glass of the coating layer obtained by sintering is Since it is 0.3% by mass or less in terms of Ag 2 O, from the metal layer 6 mainly composed of silver disposed in the inner layer to the base 2 made of LTCC at the time of sintering, the surface of the LTCC base 2 is formed. This is due to the fact that the diffusion of the silver ions that have reached the point is substantially stagnated by this coating layer, and the amount of silver ions that reaches the surface of the coating layer is greatly reduced.
- the coating layer does not have the configuration of the present invention, so that the diffusion of silver ions reaching the surface of the LTCC base 2 is performed.
- the amount of silver ions on the surface of the coating layer, which cannot be stagnated by the coating layer, is comparable to the amount of silver ions on the surface of the LTCC substrate on which the coating layer of Comparative Example 3 is not formed.
- the luminance was greatly reduced due to silver coloring at the interface between the coating layer and the silicone resin sealing layer.
- SYMBOLS 1 Substrate for light emitting elements (substrate for unsintered light emitting element), 2 ... Substrate (green sheet for substrate), 3 ... Frame body (green sheet for frame body), 4 ... Element connection terminal (element connection terminal paste layer) ), 5... External electrode terminals (external connection terminal paste layer), 6... Metal layer mainly composed of silver (metal layer paste layer, wiring circuit), 7. Cover layer (cover layer paste layer), 8. 8a, 8b ... connection via (connection via paste layer), 21 ... mounting surface, 22 ... mounting portion, 23 ... non-mounting surface, 24 ... bottom surface of cavity, 11 ... light emitting element, 12 ... sealing layer, 10 ... light emission apparatus
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Abstract
発光装置とした際に、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下を抑制しうる発光素子用基板およびこれを用いた長期使用安定性に優れる発光装置を提供する。 ガラス粉末とセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体からなり、一部が発光素子の搭載される搭載部となる搭載面を有する基体と、基体に埋設された銀を主体とする金属層と、発光素子の電極と電気的に接続される前記搭載面上に形成された素子接続端子と、搭載部および素子接続端子形成部を除く搭載面上に形成された、第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなる被覆層と、を有する発光素子用基板であって、被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下である発光素子用基板。
Description
本発明は、発光素子用基板およびこれを用いた発光装置に関する。
近年、発光ダイオード(LED)素子の高輝度、白色化に伴い、照明、各種ディスプレイ、大型液晶TVのバックライト等として発光ダイオード素子を用いた発光装置が使用されている。しかしながら、発光ダイオード素子の高輝度化に伴って発熱量が増加し、その温度が過度に上昇するために、必ずしも十分な発光輝度を得られない。このため、発光ダイオード素子等の発光素子を搭載するための発光素子用基板として、発光素子から発生する熱を速やかに放散し、十分な発光輝度を得られるものが求められている。
従来、このような発光素子を搭載するための発光素子用基板としては、セラミックス基板等の絶縁基板の表面あるいは内部に発光素子と外部電極を接続する配線導体層が配設された構造からなるものが多く使用されている。また、このような発光装置では、一般的には、発光素子用基板に搭載された発光素子や配線導体層を保護するためにシリコーン樹脂やエポキシ樹脂からなる封止層が設けられており、さらに封止層に蛍光材料を分散配合することで発光素子との組合せで白色発光を得る構造の発光装置も実用化されている。
また、最近では、このような発光素子用のセラミックス基板として、低温焼成化、低誘電率化および、高電気伝導性の銅、銀配線が同時焼成可能なことから、低温同時焼成セラミックス(Low Temperature Co-fired Ceramics。以下、LTCCと示す。)により構成された絶縁基板が提案されている。
LTCC基板は、例えば、ガラスとアルミナ粉末とからなり、これらの屈折率差が大きく、またこれらの界面が多く、その厚みが利用する波長よりも大きいことから、高い反射率を得ることができる。これにより、発光素子からの光を効率よく利用し、結果として発熱量を低減できる。また、光源による劣化の少ない無機酸化物からなるために、長期間に亘って安定した色調を保つことができる。
しかしながら、LTCC基板は必ずしも熱伝導率が高くないことから、上記発光素子の高輝度化に伴って増加する発熱を速やかに放散するために、例えば、銅や銀のような高熱伝導金属材料からなるサーマルビア等の放熱層を基板内に埋設し、熱抵抗を低減させることが行われている(特許文献1参照)。また、LTCC基板においては、酸化や腐食等から構成金属を保護する目的で配線導体層を基板内部に配設する構造を採るものが多い。
ところが、このようなLTCC基板において内層に配線する配線導体層やサーマルビア等の金属層の構成金属として銀や銀合金を用いると、該LTCC基板上に発光素子を搭載し、シリコーン樹脂等の封止層により封止した場合、LTCC基板とシリコーン樹脂等の封止層との界面で茶色や黄色等の発色が起こり、さらに長時間使用によって発色の色合いが濃くなり、発光装置としての輝度が低下するという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、発光装置とした際に、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下を抑制しうる発光素子用基板の提供を目的とする。また、本発明は、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下が抑制された長期使用安定性に優れる発光装置の提供を目的とする。
本発明の発光素子用基板は、第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体からなり、一部が発光素子の搭載される搭載部となる搭載面を有する基体と、前記基体に埋設された銀を主体とする金属層と、発光素子の電極と電気的に接続される前記搭載面上に形成された素子接続端子と、前記搭載部およびその近傍、ならびに前記素子接続端子形成部およびその近傍を除く前記搭載面上に形成された、第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなる被覆層と、を有する発光素子用基板であって、前記被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下であることを特徴とする。
本発明の発光素子用基板において、前記第2のガラス粉末は、酸化物換算のモル%表示で、SiO2を70~84%、B2O3を10~25%、Al2O3を0~5%、Na2OおよびK2Oからなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0~5%、MgOを0~10%、CaO、SrOおよびBaOからなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0~5%含有し、該ガラス粉末における酸化物換算のモル%表示での、SiO2とAl2O3の合計含有量が70~84%であることが好ましい。
本発明の発光素子用基板において、前記被覆用組成物は第2のセラミックス粉末を含有することが好ましい。具体的には、前記第2のセラミックス粉末としてアルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末を、前記被覆用組成物中に、1~20質量%含有する態様や、前記第2のセラミックス粉末としてアルミナ粉末を主体として含有するセラミックス粉末を、前記被覆用組成物中に、前記アルミナ粉末の含有量が1~10質量%となる態様が好ましい。
本発明の発光素子用基板において、基体を構成するガラスセラミックス組成物の焼結体については、前記第1のセラミックス粉末が、アルミナ粉末と、アルミナよりも高い屈折率を有するセラミックスの粉末と、を含有するセラミックス粉末であることが好ましい。
また、本発明の発光素子用基板において、前記銀を主体とする金属層は、前記搭載面と平行となるように、かつ前記搭載面から前記金属層の上面までの距離が50~150μmとなるように前記基体に埋設されていることが好ましい。
また、本発明の発光素子用基板において、前記被覆層の厚さは、10~50μmであることが好ましい。
また、本発明の発光素子用基板において、前記銀を主体とする金属層は、前記搭載面と平行となるように、かつ前記搭載面から前記金属層の上面までの距離が50~150μmとなるように前記基体に埋設されていることが好ましい。
また、本発明の発光素子用基板において、前記被覆層の厚さは、10~50μmであることが好ましい。
本発明の発光装置は、上記本発明の発光素子用基板と、前記発光素子用基板の搭載部に搭載される発光素子と、を有することを特徴とする。また、本発明の発光装置は、前記基体および前記被覆層の表面の一部または全部が、白金触媒を含むシリコーン樹脂で封止されてなることが好ましい。
上記した数値範囲を示す「~」とは、特段の定めがない限り、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用され、以下本明細書において「~」は、同様の意味をもって使用される。
上記した数値範囲を示す「~」とは、特段の定めがない限り、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用され、以下本明細書において「~」は、同様の意味をもって使用される。
本発明の発光素子用基板によれば、これを発光装置とした際に、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下を抑制できる。また、本発明の発光装置は、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下が抑制され、長期使用安定性に優れる。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
本発明の発光素子用基板は、第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体からなり、一部が発光素子の搭載される搭載部となる搭載面を有する基体と、前記基体に埋設された銀を主体とする金属層と、発光素子の電極と電気的に接続される前記搭載面上に形成された素子接続端子と、前記搭載部およびその近傍、ならびに前記素子接続端子形成部およびその近傍を除く前記搭載面上に形成された、第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなる被覆層と、を有する発光素子用基板であって、前記被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下であることを特徴とする。上記した第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物としては、低温焼成化、低誘電率化および、高電気伝導性の銅、銀配線が同時焼成可能なことから、低温同時焼成セラミックス(LTCC)が好ましい。
本発明の発光素子用基板において、上記LTCCからなる基体内に埋設される銀や銀合金からなる銀を主体とする金属層は、主として熱抵抗を低減する放熱の機能を有する。
上記従来の銀や銀合金で構成される金属層が内層に配線されたLTCC基板に、発光素子が搭載され、シリコーン樹脂等で封止された発光装置において、LTCC基板とシリコーン樹脂等の封止層との界面で起こる茶色や黄色等の発色は、銀発色と呼ばれる現象が原因と考えられる。
銀や銀合金で構成される金属層が内層に配線されたLTCC基板は、例えば、セラミックス粉末としてアルミナ粉末を含むガラスセラミックス組成物を用いて作製したグリーンシート内に銀や銀合金のペースト層をスクリーン印刷等で形成した後、同時焼成することで製造される。
上記従来の銀や銀合金で構成される金属層が内層に配線されたLTCC基板に、発光素子が搭載され、シリコーン樹脂等で封止された発光装置において、LTCC基板とシリコーン樹脂等の封止層との界面で起こる茶色や黄色等の発色は、銀発色と呼ばれる現象が原因と考えられる。
銀や銀合金で構成される金属層が内層に配線されたLTCC基板は、例えば、セラミックス粉末としてアルミナ粉末を含むガラスセラミックス組成物を用いて作製したグリーンシート内に銀や銀合金のペースト層をスクリーン印刷等で形成した後、同時焼成することで製造される。
ここで、まず、この同時焼成の過程で、銀層や銀合金層からLTCC中のガラス成分に銀イオン(Ag+)が拡散し、さらにこの銀イオンがアルミナ粉末の表面周辺に局在化して高濃度銀イオン層を形成する。これによって形成されたアルミナ粉末の表面等に局在する銀イオン層の一部が、LTCC基板表面にも露出する状態となると考えられる。
また、このようにして得られたLTCC基板上に発光素子を搭載し、シリコーン樹脂等の封止層により封止した場合、LTCC基板表面に存在する銀イオン(Ag+)が、封止層に含有される白金触媒等と接触することにより還元されてAg0となり、凝集してコロイド粒子化し発色する。これによってLTCC基板とシリコーン樹脂等の封止層との界面で茶色や黄色等の変色が起こると考えられる。
また、このようにして得られたLTCC基板上に発光素子を搭載し、シリコーン樹脂等の封止層により封止した場合、LTCC基板表面に存在する銀イオン(Ag+)が、封止層に含有される白金触媒等と接触することにより還元されてAg0となり、凝集してコロイド粒子化し発色する。これによってLTCC基板とシリコーン樹脂等の封止層との界面で茶色や黄色等の変色が起こると考えられる。
したがって、本発明の発光素子用基板においては、LTCC基板表面に存在する上記銀イオンを、これを還元する作用を有する成分を含むシリコーン樹脂等の封止層にまで到達させないように、焼結時にLTCC基板表面から構成成分内への銀イオンの拡散性が低い被覆組成物の焼結体からなる被覆層、すなわち第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなり、焼結して得られる被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下である被覆層で被覆したものである。なお、本発明の発光素子用基板において、被覆層の構成成分はガラスを主体とするため、LTCC基板の反射性はほとんど阻害されない。
ここで、本発明に係る被覆層は、第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなるが、被覆用組成物が第2のガラス粉末のみからなる場合には、被覆層は第2のガラス粉末の焼結体からなるガラスのみで構成される。被覆用組成物が第2のガラス粉末以外に例えば第2のセラミックス粉末等を含有する場合には、被覆層は第2のガラス粉末が焼結したガラス中に第2のセラミックス粉末等が分散した構成となる。本発明において、被覆層のガラスとは、上記第2のガラス粉末が焼結してなるガラス部分のみをいい、第2のセラミックス粉末等が含まれている場合は、セラミックス粉末成分を除く部分である。また、ガラス中に含まれる含有割合である銀の濃度は、Ag2Oの濃度に換算した質量%で表す濃度である。
以下、本明細書において、Ag2Oの濃度に換算した銀の濃度を、必要に応じて単に「銀濃度」と記載する。また、本明細書において、ガラス中の銀濃度は、発光素子用基板となる、銀を主体とする金属層が内層に配線されたLTCC基板上で焼成後の被覆層のガラスについて電子線マイクロ分析装置(EPMA:Electron Probe Micro Analyzer)を用いて測定された値をいう。なお、焼成後は被覆層のガラス中の銀濃度は経時的に変化しないため、焼成後であれば測定の時期は限定されない。また、銀イオンのガラス中への拡散は、被覆層の厚みとして想定される50μm以下の厚みであれば均一に行われることが確認されており、アルミナ粉末のような銀イオンを局在化させる成分がガラス中に存在する場合も、その成分自体がガラス中に均一に分散しているため、上記電子線マイクロ分析装置によって被覆層のガラス部分の所定の大きさ、例えば0.3μm3以上の任意の分析領域の銀濃度を測定することで、被覆層全体の銀濃度とすることができる。上記電子線マイクロ分析装置を用いて被覆層全体の銀濃度を測定してもよいが、本発明においては必ずしも被覆層全体としての銀濃度測定が必須とされるわけではない。
本発明においては、発光素子用基板の構成を上記構成とすることで、これを発光装置とした際に、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下を抑制可能とした。
以下、本発明の発光素子用基板の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態は、基板上の1対の素子接続端子上に、裏面に1対の電極を有する発光素子が金錫共晶ハンダなどの金属接続により搭載されるタイプの発光素子を12個搭載する発光素子用基板の例を示すが、本発明はこれに限定されず、バンプによる接続やフリップチップボンディングなどの方法を用いるタイプの発光素子であってもよい。
図1は、本発明の発光素子用基板の一実施形態を示す平面図(a)、およびそのX-X線断面図(b)である。
図1は、本発明の発光素子用基板の一実施形態を示す平面図(a)、およびそのX-X線断面図(b)である。
発光素子用基板1は、これを主として構成する略平板状の、かつ上から見た形状が略正方形の基体2を有する。基体2は、第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体からなり、発光素子用基板とした際に発光素子を搭載する上側の面を搭載面21として有する。本例においてはその反対側の面を非搭載面23とする。基体の形状、厚さ、大きさ等は、特に制限されず、通常、発光素子用基板として用いられるものと同様にできる。すなわち、本発明において、上記した第1のガラス粉末とは、基体2の材料であるガラスセラミック組成物に含有されるガラス粉末をいい、第1のセラミックス粉末とは、基体2の材料であるガラスセラミック組成物に含有されるセラミック粉末をいう。
なお、本明細書において、「略平板状の基体」とは、上側、下側の主面、すなわち搭載面、非搭載面がともに目視レベルで平板形状と認識できるレベルの平坦面を有する基体をいう。また、以下同様に、略を付けた表記は、特に断わらない限り目視レベルでそのように認識できるレベルのことをいう。
発光素子用基板1は、さらに、基体2の搭載面21の中央の略円形部分を底面24とするキャビティを構成するように、基体の搭載面21の周縁部に接合された枠体3を有する。なお、このキャビティの側面は、枠体3の内側の壁面で構成されている。発光素子用基板1においては、キャビティ底面24の中央よりに4個の発光素子を四角形状等の略環状に、その外側に8個の発光素子を八角形状等の略環状に搭載するように合計12か所の搭載部22を有する。
基体2は、発光素子の搭載時、その後の使用時における損傷等を抑制する観点から、例えば抗折強度が250MPa以上が好ましい。基体2は、また、発光装置とした際の光取り出し効率をより向上させる観点から拡散反射性を有するものが好ましく、拡散反射性の程度としては銀反射膜に相当する光取り出し効率が得られるものが好ましい。なお、拡散反射性を評価する指標として、JIS K 7105により測定されるヘイズ値が用いられるが、その値は95%以上が好ましく、98%以上がより好ましい。
基体2を構成する第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体の原料組成、焼結条件等については、後述する発光素子用基板の製造方法において説明する。また、枠体3を構成する材料は、基体2との密着性を考慮すると、基体2を構成するLTCC材料と同じものが好ましい。
基体2と枠体3で形成されるキャビティの底面24、すなわち基体2の搭載面21上には、搭載部22に搭載される発光素子が、その裏面に有する1対の電極と金錫半田等を介して金属接続が可能なように、上記12か所の搭載部22内に各1対の素子接続端子4が形成されている。基体2の非搭載面23には、外部回路と電気的に接続されるアノードとカソードとなる1対の外部接続端子5が設けられている。ここで上記キャビティの底面24における各12個のアノードとカソードは、通常の方法で基体2内部に埋設された接続ビアや配線回路を用いて、途中で短絡しないように、非搭載面23に形成された1対のアノードとカソードにそれぞれ電気的に接続されている。
以下、図1(b)に示す断面図を参照ながら、搭載面21上の素子接続端子4から非搭載面23の外部接続端子5への電気的な接続を説明する。図1(b)の断面図は、上記12か所の搭載部22のうちの1か所の搭載部22およびその搭載部内に形成された1対の素子接続端子4を含む断面図である。本実施形態の発光素子用基板において、基体2は、後述の通りその内部に搭載面21と平行する銀を主体とする金属層6を有することから、例えば、基体上層2bと基体下層2aが製造過程で積層された構成を有する。基体上層2bの上面が搭載面21であり、基体下層2aの下面が非搭載面23である。
ここで、搭載面21に形成された上記1対の素子接続端子4は、基体上層2bを貫通するように設けられた1対の接続ビア8bに電気的に接続されている。接続ビア8bは、図1(b)で示される断面において分割された金属層6のそれぞれの領域に接続されており、金属層6の各領域からそれぞれ接続ビア8aが、基体下層2aを貫通してその下面、すなわち非搭載面23に形成された1対の外部接続端子5にそれぞれ接続している。なお、後述の通り金属層6は、放熱層として機能するが、本実施形態においては配線回路としての役割も果たしている。以下、接続ビア8a、8bは総称して接続ビア8という。また、金属層6を配線回路6ともいう。他の11か所の搭載部22内に形成された各1対の素子接続端子4から、非搭載面の1対の外部接続端子5への接続については図示されないが、図1(b)で示されるのと同様である。
素子接続端子4、外部接続端子5および基体2内部に埋設された接続ビア8や配線回路6については、これらが発光素子から素子接続端子4→基体2内部に埋設された配線回路6や接続ビア8→外部接続端子5→外部回路へと、アノードとカソードが短絡することなく電気的に接続される限りは、その配設される位置や形状は、図1に示されるものに限定されず、適宜調整できる。なお、本明細書において、1対の電極および1対の端子における1対は、アノードとカソードで構成される1対を意味する。
これら素子接続端子4、外部接続端子5および基体2内部に埋設された接続ビア8や配線回路6(以下、これらをまとめて「配線導体」ということもある。)の構成材料は、通常、発光素子用基板に用いられる配線導体と同様の構成材料であれば特に制限なく使用できる。これら配線導体の構成材料として、具体的には、銅、銀、金等を主体とする金属材料が挙げられる。このような金属材料のなかでも、銀を主体とする金属材料が好ましく用いられる。具体的には、銀からなる金属材料、銀と白金からなる金属材料、または銀とパラジウムからなる金属材料である。なお、配線回路6については金属層6の説明部分で詳述する。
なお、素子接続端子4や外部接続端子5においては、これら端子を構成する所望の金属材料からなる金属層上に、この層を酸化や硫化から保護し、かつ導電性を有する導電性保護層(図示せず)を、その端縁を含む全体を覆うように形成する構成とするのが好ましい。ここにおいて、上記金属層の厚さは、好ましくは5~15μmである。導電性保護層としては、上記金属層を保護する機能を有する導電性材料で構成されていれば、特に制限されない。具体的には、ニッケルメッキ、クロムメッキ、銀メッキ、ニッケル/銀メッキ、金メッキ、ニッケル/金メッキ等からなる導電性保護層が挙げられる。
本発明においては、これらのうちでも、上記素子接続端子4および外部接続端子5を被覆保護する導電性保護層として、例えば、素子接続端子4については、後述する発光素子の半田、金、金-錫共晶等のバンプ電極と良好な金属接続が得られる等の点から、少なくとも最外層に金メッキ層を有する金属メッキ層を用いることが好ましい。導電性保護層は、金メッキ層のみで形成されていてもよいが、ニッケルメッキの上に金メッキを施したニッケル/金メッキ層の積層構成として形成されていることがより好ましい。この場合、導電性保護層の膜厚としては、ニッケルメッキ層が2~20μm、金メッキ層が0.1~1.0μmが好ましい。
発光素子用基板1は、基体2内の上記搭載面21と平行となる面に埋設された銀を主体とする金属層6を有する。本実施形態において、該金属層6は熱抵抗を低減する放熱層としての機能に加え、上記配線回路として機能するように設けられている。したがって、金属層6は、上記平行となる面で搭載面21から非搭載面23に電気的に接続されるアノードとカソードの機能を果たす。そのため、金属層間6aは、短絡しないように、かつできる限り広い面積を確保するように設けられることが好ましい。
ただし、通常、酸化や腐食等から金属層6を保護するために、金属層6が形成された上記搭載面21と平行となる面における金属層6の端縁は、基体2の側面にまで達しないように、好ましくは金属層6の端縁と基体側面との距離Lが50μm以上となるように、より好ましくは75μm以上となるように形成される。また、この金属層6の形成面を境界面とする上下の基体構成部材(すなわち、基体上層2bおよび基体下層2a。以下、基体上層2bおよび基体下層2aを併せて基体構成部材ともいう。)が、十分に密着して基体2として製造されるように金属層6の形成面積は調整される。
なお、金属層6が配線回路等の配線導体と独立して設けられる場合には、短絡等を防ぐために金属層6の端縁と配線導体の端縁との距離が、100μm以上となるように、より好ましくは150μm以上となるように形成される。なお、上記した距離Lの上限は、発光装置の寸法、仕様、形状等によって決められる。
なお、金属層6が配線回路等の配線導体と独立して設けられる場合には、短絡等を防ぐために金属層6の端縁と配線導体の端縁との距離が、100μm以上となるように、より好ましくは150μm以上となるように形成される。なお、上記した距離Lの上限は、発光装置の寸法、仕様、形状等によって決められる。
金属層6を構成する材料としては、銀を主体とする熱伝導性を有する材料であれば特に制限されない。銀を主体とする金属材料とは、金属材料全量に対する銀の含有量が50質量%を超えるものをいい、具体的には、銀単体からなる金属材料、または銀を95質量%以上の割合で含む、銀と白金、または銀とパラジウムからなる金属材料が、好ましく挙げられる。銀と白金または銀とパラジウムからなる金属材料として、具体的には、金属材料全量に対する白金またはパラジウムの割合が5質量%以下の金属材料が挙げられる。
ここで、本明細書において、「…を主体とする…」とは、例えば「A成分を主体とするB組成物」としたときに、A成分をB組成物の全量に対して50質量%を超えて含有する関係を示す。
ここで、本明細書において、「…を主体とする…」とは、例えば「A成分を主体とするB組成物」としたときに、A成分をB組成物の全量に対して50質量%を超えて含有する関係を示す。
また、金属層6の膜厚については、8~50μmが好ましく、10~20μmがより好ましく、13~16μmが特に好ましい。金属層6の膜厚が8μm未満では十分な放熱性が得られないおそれがあり、また、50μmを超えると経済的に不利であるとともに製造過程で基板本体との熱膨張差による変形が起こるおそれがある。
十分な放熱性を得るために金属層6の上面、すなわち発光素子を搭載する側の面は、表面が平坦である表面平坦性を有することが好ましい。この表面平坦性として具体的には、十分な放熱性を確保しつつ、かつ製造上の容易性の観点から、少なくとも発光素子が搭載される部分において、表面粗さRaとして、0.15μm以下が好ましく、0.1μm以下がより好ましい。なお、表面粗さRaは算術平均粗さRaのことであり、算術平均粗さRaの値は、JIS:B0601(1994年)の3「定義された算術平均粗さの定義及び表示」によって表される。
基体2の搭載面21から金属層6の上面までの距離は、発光装置の設計にもよるが、十分な放熱性を確保しながら、金属層6と、金属層6の上、下に積層される基体構成部材との熱膨張差による変形等を考慮すると、50~150μmであることが好ましく、80~120μmであることがより好ましい。また、基板のこのような位置に銀を主体とする金属層6が基体2の搭載面21と平行するように配設されている場合に、本発明の銀発色の発生を抑制し発光装置とした際の発光輝度の経時的低下を抑える効果が特に顕著である。
なお、本実施形態では、放熱性確保のため、基体内に埋設された銀を主体とする金属層として、基体2の搭載面21に平行する方向に形成された金属層6の例を示したが、基体内に埋設された銀を主体とする金属層としては、熱抵抗を低減するために基体の内部に基体の搭載面と直交する方向に埋設したサーマルビアであってもよい。サーマルビアは、例えば搭載部より小さい柱状であり、搭載部の直下に複数設けられる構成としてもよい。サーマルビアを設ける場合には、必要に応じて、基体の搭載面に達しないように、非搭載面から搭載面の近傍にかけて設けることもできる。このような配置とすることで、搭載面、特に搭載部の平坦度を向上させることができ、熱抵抗を低減し、また発光素子を搭載したときの傾きも抑制できる。また、この場合、通常、配線回路は、上記した構成の金属層6とは別に設けられる。
また、熱抵抗の低減を重視する場合には、サーマルビアは、基体の搭載面から非搭載面にかけて貫通して設けることもできる。このように基体内に埋設された銀を主体とする金属層は、必要に応じてその一部が基体の構成面、この場合は、搭載面や非搭載面に到達していてもよい。ここで、「基体の構成面」の用語は、基体の搭載面、非搭載面、および側面の総称として用いられる。
本発明の発光素子用基板は、このようにLTCCからなる基体内に銀を主体とする金属層を配設することで、十分な放熱性を有する。
本発明の発光素子用基板は、このようにLTCCからなる基体内に銀を主体とする金属層を配設することで、十分な放熱性を有する。
発光素子用基板1は、上記搭載面21上に形成された12か所の発光素子の搭載部22およびその近傍を除く、キャビティの底面24の全面を含み、基体2と枠体3との界面のキャビティ底面の外周近傍領域に端縁が達する形に形成された被覆層7を有する。被覆層7は、第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなり、被覆層7のガラス中に含まれる銀の濃度はAg2Oに換算して0.3質量%以下である。
なお、この場合、基体2と枠体3に挟まれる被覆層7の幅Mは、100μm程度が好ましい。被覆層7を基体2の側面に達する位置まで設けると基体2と枠体3の密着性が損なわれることがあり、好ましくない。また、搭載部22の端縁と被覆層7の端縁とは、印刷ズレによって電極上にガラスが重なってしまい、電極として機能しなくなる危険があることから、搭載部22の端縁と被覆層7の端縁との距離Nは、50μm以上であることが好ましく、100μm以上がより好ましい。なお、上記した幅M、距離Nの上限は、発光装置の寸法、仕様、形状等によって決められる。
なお、この場合、基体2と枠体3に挟まれる被覆層7の幅Mは、100μm程度が好ましい。被覆層7を基体2の側面に達する位置まで設けると基体2と枠体3の密着性が損なわれることがあり、好ましくない。また、搭載部22の端縁と被覆層7の端縁とは、印刷ズレによって電極上にガラスが重なってしまい、電極として機能しなくなる危険があることから、搭載部22の端縁と被覆層7の端縁との距離Nは、50μm以上であることが好ましく、100μm以上がより好ましい。なお、上記した幅M、距離Nの上限は、発光装置の寸法、仕様、形状等によって決められる。
ここで、本実施形態においては、発光素子用基板1は、発光素子を搭載面21上の搭載部22内に設けられた素子接続端子4に金属接続するタイプの発光素子用基板であることから、被覆層7は、搭載部22およびその近傍を除く領域に配設されている。本発明を1ワイヤタイプや2ワイヤタイプのワイヤボンディングにより発光素子を搭載する発光素子用基板に適用する場合には、通常、搭載部およびその近傍の他に、搭載部と離れて搭載面上の1または2か所に配設される素子接続端子の配設領域およびその近傍を除いて、被覆層は形成されることになる。その場合も、素子接続端子の端縁と被覆層7の端縁とは、印刷ズレによって電極上にガラスが重なってしまい、電極として機能しなくなる危険があることから、50μm以上離れていることが好ましく、100μm以上がより好ましい。上記した搭載部22の近傍とは、たとえば、搭載部の外周縁から、30μm内の領域を示し、また素子接続端子の配設領域の近傍とは、たとえば素子接続端子の配設領域の外周縁から、30μm内の領域を示す。
本発明の発光素子用基板においては、このような構成の被覆層7を有することで、焼結時に上記LTCCからなる基体2に、内層に配線された銀を主体とする金属層6からLTCC基体2の表面にまで到達した銀イオンの拡散を、この被覆層で概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量を大幅に軽減できる。これにより本発明の発光素子用基板においては、これを発光装置とした際に、発光素子搭載後、封止層で封止した場合でも、一般的に封止層に含まれる銀イオンを還元する触媒等の作用による銀コロイドの形成とさらにその凝集による銀発色が原因となる発光輝度の経時的な低下を抑制できる。
本発明の発光素子用基板において、被覆層7を形成するための第2のガラス粉末としては、本発明の構成の銀を主体とする金属層を内層に配線するLTCC基板上に、該ガラス粉末を含む被覆組成物の焼結体として被覆層を形成した際に、ガラス中に含まれる銀の濃度が0.3質量%以下となるガラス粉末であれば特に制限されない。
上記第2のガラス粉末の軟化点(Ts)は、930℃以下が好ましく、880℃以下がより好ましい。通常、ガラス粉末を焼成して緻密な焼結体を得るためには焼成温度が該ガラス粉末の軟化点を超えることが必要となる。上記第2のガラス粉末の軟化点が930℃を超えると、通常これと同時焼成されるLTCC基板の内層配線である銀を主体とする金属層が、焼成の際に過度に軟化して所定の形状を維持できなくなるおそれがある。また、本発明に用いる銀を主体とする金属層は、その組成によって、880℃を超えると過度に軟化するものもある。したがって、第2のガラス粉末として、軟化点が930℃以下、好ましくは880℃以下のものを用いることにより、上記銀を主体とする金属層の過度の軟化による変形を生じさせることなく、これを含む被覆組成物と、銀を主体とする金属層を内層に配線するLTCC基板とを、同時に焼成できる。一方、一般に、軟化点の低いガラス粉末は、上記銀発色が生じやすい。したがって、第2のガラス粉末の軟化点は、750℃以上が好ましい。
このような第2のガラス粉末として、具体的には、酸化物換算のモル%表示で、SiO2を70~84%、B2O3を10~25%、Al2O3を0~5%、Na2OおよびK2Oからなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0~5%、MgOを0~10%、CaO、SrOおよびBaOからなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0~5%含有し、該ガラス粉末における酸化物換算のモル%表示での、SiO2とAl2O3の合計含有量が70~84%であるガラス粉末が挙げられる。以下、ガラス組成の記載において「%」は、特に断りのない限り、酸化物換算のモル%表示を表す。
第2のガラス粉末として、上記組成のガラス粉末を用いることにより、これを主体として含有する被覆組成物を、基板内部に銀を主体とする金属層が内層に配置されたLTCC基板と同時に焼成しても、得られた発光素子用基板を発光装置とした際に被覆層とシリコーン樹脂等からなる封止層の界面がほとんど発色することはなく、それによって発光装置における発光輝度の経時的な低下を抑制できる。
上記ガラス粉末において、SiO2は、ガラスのネットワークフォーマとなり、化学的耐久性、とくに耐酸性を高くするために必須の成分である。SiO2の含有量が70%未満であると、耐酸性が不十分となるおそれがある。一方、SiO2の含有量が84%を超えると、ガラスの軟化点やTgとも標記されるガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。
B2O3は、ガラスのネットワークフォーマとなる必須の成分である。B2O3の含有量が10%未満であると、軟化点が過度に高くなるおそれがあり、またガラスが不安定となるおそれもある。一方、B2O3の含有量が25%を超えると、安定なガラスを得ることが難しく、また化学的耐久性が低下するおそれもある。B2O3の含有量は、好ましくは12%以上である。
Al2O3は、ガラスの安定性、化学的耐久性を高めるために5%以下の範囲で添加してもよい任意の成分である。Al2O3の含有量が5%を超える場合、ガラスの透明性が低下するおそれがある。また、Al2O3の含有量が5%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。
なお、このガラス粉末におけるSiO2の含有量とAl2O3の含有量の合計は、70%以上、84%%以下である。SiO2の含有量とAl2O3の含有量の合計が70%未満であると、化学的耐久性が不十分になるおそれがある。一方、SiO2の含有量とAl2O3の含有量の合計が84%を超えると、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。
Na2OおよびK2Oは、軟化点やガラス転移点を低下させるために、合計した含有量が5%を超えない範囲で添加できる任意の成分である。Na2OおよびK2Oの含有量の合計が5%を超えると、化学的耐久性、特に耐酸性が低下するおそれがあり、電気絶縁性も低下するおそれがある。また、Na2OおよびK2Oの含有量の合計が5%を超える場合、銀発色が生じやすくなるおそれがある。
Na2OおよびK2Oは、これらから選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましく、Na2OおよびK2Oの合計した含有量が0.9%以上であることが好ましい。
Na2OおよびK2Oは、これらから選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましく、Na2OおよびK2Oの合計した含有量が0.9%以上であることが好ましい。
MgOは、軟化点やガラス転移点を低下させると共に、ガラスの安定性を高めるために10%を超えない範囲で添加してもよい任意の成分である。MgOの含有量が10%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。MgOの含有量は、好ましくは8%以下である。
CaO、SrO、BaOは、軟化点やガラス転移点を低下させると共に、ガラスの安定性を高めるために、これらを合計した含有量が5%を超えない範囲で添加してもよい任意の成分である。これらを添加する場合、CaO、SrO、およびBaOからなる群から選ばれる少なくとも1種を含有すればよい。CaO、SrO、BaOの含有量の合計が5%を超えると、耐酸性が低下するおそれがある。また、CaO、SrO、BaOの含有量の合計が5%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。
なお、第2のガラス粉末として好ましく用いられる上記ガラス粉末は、必ずしも上記成分のみからなるものに限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で上記以外の成分を含有できる。なお、この実施形態では鉛酸化物は含有していない。上記以外の成分を含有する場合、その合計した含有量は10%以下が好ましい。
被覆層7は、その耐酸性が100μg/cm2以下が好ましく、より好ましくは30μg/cm2以下であり、さらに好ましくは5μg/cm2以下であり、特に好ましくは1μg/cm2以下である。
被覆層7の耐酸性が100μg/cm2を超えると、金属層6のメッキ処理溶液中に被覆層7のガラス成分が溶出し、発光素子用基板を製造する際に、連続運転が妨げられたり、被覆層7が白濁し、反射率が低下したりするおそれがある。
なお、被覆層7の耐酸性は、pH1.68、温度85℃のシュウ酸塩緩衝液700cm3の中に浸漬し、1時間経過後の質量減少量を測定することにより評価した。
被覆層7の耐酸性が100μg/cm2を超えると、金属層6のメッキ処理溶液中に被覆層7のガラス成分が溶出し、発光素子用基板を製造する際に、連続運転が妨げられたり、被覆層7が白濁し、反射率が低下したりするおそれがある。
なお、被覆層7の耐酸性は、pH1.68、温度85℃のシュウ酸塩緩衝液700cm3の中に浸漬し、1時間経過後の質量減少量を測定することにより評価した。
第2のガラス粉末として好ましく用いられる上記ガラス粉末のうちでも、例えば、被覆層7の反射率を高められるものとして、SiO2が78%~83%、B2O3が16%~18%、Na2OとK2Oから選ばれる少なくとも1種が合計で0.9%~4%、Al2O3が0~0.5%、CaOが0~0.6%からなるガラス粉末(以下、「ガラス粉末A」と示す。)が好ましい。
以下に、「ガラス粉末A」の組成について説明する。
SiO2は、ガラスのネットワークフォーマとなる。SiO2の含有量が78%未満であると、化学的耐久性が低下するおそれがある。一方、SiO2の含有量が83%を超えると、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。SiO2の含有量は、好ましくは80%以上である。また、SiO2の含有量は、好ましくは82%以下である。
SiO2は、ガラスのネットワークフォーマとなる。SiO2の含有量が78%未満であると、化学的耐久性が低下するおそれがある。一方、SiO2の含有量が83%を超えると、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。SiO2の含有量は、好ましくは80%以上である。また、SiO2の含有量は、好ましくは82%以下である。
B2O3は、ガラスのネットワークフォーマとなる。B2O3の含有量が16%未満の場合、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。一方、B2O3の含有量が18%を超えると、安定なガラスを得ることが難しく、また化学的耐久性が低下するおそれもある。B2O3の含有量は、好ましくは17%以下である。
Al2O3は、ガラスの安定性、化学的耐久性を高めるために0.5%以下の範囲で添加してもよい。Al2O3の含有量が0.5%を超えると、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。Al2O3の含有量が0.5%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。
Na2O、K2Oは、軟化点やガラス転移点を低下させるために添加され、Na2OまたはK2Oの少なくともいずれか一方を含有することが必要である。Na2OおよびK2Oの含有量の合計が0.9%未満の場合、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。一方、Na2OおよびK2Oの含有量の合計が4%を超える場合、化学的耐久性、特に耐酸性が低下するおそれがあり、電気絶縁性も低下するおそれがある。また、Na2OおよびK2Oの含有量の合計が4%を超える場合、銀発色が生じやすくなるおそれがある。Na2OおよびK2Oの含有量の合計は、好ましくは1.0%以上、より好ましくは1.5%以上である。また、Na2OおよびK2Oの含有量の合計は、好ましくは3%以下、より好ましくは2%以下である。
CaOは、軟化点やガラス転移点を低下させると共に、ガラスの安定性を高めるために0.6%を超えない範囲で添加してもよい。CaOの含有量が0.6%を超えると、軟化点やガラス転移点が過度に低くなるおそれがあり、また結晶化を促進するため、透明なガラスを得られないおそれがある。また、CaOの含有量が0.6%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。
また、第2のガラス粉末として好ましく用いられる上記ガラス粉末のうちでも、被覆層7の反射率を高められる他のガラス粉末としては、例えば、SiO2が72~78%、B2O3が13~18%、Na2OとK2Oから選ばれる少なくとも1種が合計で0.9~4%、MgOが2~10%からなるガラス粉末(以下、「ガラス粉末B」と示す。)も好ましい。
以下に、「ガラス粉末B」の組成について説明する。
SiO2は、ガラスのネットワークフォーマとなる。SiO2の含有量が72%未満の場合、化学的耐久性が低下するおそれがある。一方、SiO2の含有量が78%を超えると、ガラスの軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。SiO2の含有量は、好ましくは73%以上である。また、SiO2の含有量は、好ましくは76%以下である。
SiO2は、ガラスのネットワークフォーマとなる。SiO2の含有量が72%未満の場合、化学的耐久性が低下するおそれがある。一方、SiO2の含有量が78%を超えると、ガラスの軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。SiO2の含有量は、好ましくは73%以上である。また、SiO2の含有量は、好ましくは76%以下である。
B2O3は、ガラスのネットワークフォーマとなる。B2O3の含有量が13%未満の場合、ガラスの軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。一方、B2O3の含有量が18%を超えると、安定なガラスを得ることが難しく、また化学的耐久性が低下するおそれもある。B2O3の含有量は、好ましくは17%以下である。
MgOは、軟化点やガラス転移点を低下させると共に、ガラスの安定性を高めるために添加される。MgOの含有量が2%未満の場合、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがあり、またガラスが不安定となるおそれがある。一方、MgOの含有量が10%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。MgOの含有量は、好ましくは4%以上である。また、MgOの含有量は、好ましくは8%以下、より好ましくは6%以下である。
Na2O、K2Oは、軟化点やガラス転移点を低下させるために添加され、Na2OまたはK2Oの少なくともいずれか一方を含有することが必要である。Na2OおよびK2Oの含有量の合計が0.9%未満の場合、軟化点やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。一方、Na2OおよびK2Oの含有量の合計が4%を超えると、化学的耐久性、特に耐酸性が低下するおそれがあり、電気絶縁性も低下するおそれがある。また、Na2OおよびK2Oの含有量の合計が4%を超えると、銀発色が生じやすくなるおそれがある。Na2OおよびK2Oの含有量の合計は、好ましくは1.0%以上、より好ましくは1.5%以上である。また、Na2OおよびK2Oの含有量の合計は、好ましくは3%以下である。
なお、第2のガラス粉末として好ましく用いられる上記ガラス粉末は、必ずしも上記「ガラス粉末A」または「ガラス粉末B」において上記各成分のみからなるものに限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で上記以外の成分を「ガラス粉末A」、「ガラス粉末B」ともに含有できる。なお、この実施形態では鉛酸化物は含有していない。上記以外の成分を含有する場合、その合計した含有量は10%以下が好ましい。
また、第2のガラス粉末としては、上記各組成のガラス粉末に限定されず、上記本発明における条件を満足する限りにおいて、これらとは異なる組成のガラス粉末を用いることもできる。
本発明に用いる第2のガラス粉末は、上記したようなガラス組成となるようにガラス原料を配合し、混合し、溶融法によってガラスを製造し、得られたガラスを乾式粉砕法や湿式粉砕法によって粉砕することにより得ることができる。湿式粉砕法の場合、溶媒として水を用いることが好ましい。粉砕は、例えばロールミル、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて行うことができる。
なお、第2のガラス粉末の50%粒径(以下D50と表記することもある。)は、0.5μm以上、4μm以下が好ましい。ガラス粉末の50%粒径が0.5μm未満の場合、ガラス粉末が凝集しやすく、取り扱いが困難となると共に、粉末化に要する時間が長くなりすぎるおそれもある。一方、ガラス粉末の50%粒径が4μmを超えると、ガラス軟化温度の上昇や焼結不足が発生するおそれがある。粒径の調整は、例えば粉砕後に必要に応じて分級により行うことができる。
なお、本明細書において、50%粒径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定したものをいう。レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置としては、島津製作所社製、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(商品名:SALD2100)を使用した。
なお、本明細書において、50%粒径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定したものをいう。レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置としては、島津製作所社製、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(商品名:SALD2100)を使用した。
また、第2のガラス粉末の最大粒径は20μm以下が好ましい。最大粒径が20μmを超えると、ガラス粉末の焼結性が低下し、焼結体中に未溶解成分が残留して、被覆層7の反射性を低下させるおそれがある。ガラス粉末の最大粒径は、より好ましくは10μm以下である。
本発明の発光素子用基板1において、その焼結体が被覆層7を形成する上記被覆用組成物は、上記第2のガラス粉末を主体として構成される。上記第2のガラス粉末のみからなる被覆用組成物の焼結体で被覆層7を形成させることで、焼結時に上記LTCCからなる基体2に、内層に配線された銀を主体とする金属層6からLTCC基体2の表面にまで到達した銀イオンの拡散を、この被覆層で概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量を大幅に軽減でき、これを発光装置とした際に、封止層と基板の界面で発生する銀発色が原因となる発光輝度の経時的な低下を抑制できる。
しかし、被覆層7を上記第2のガラス粉末のみからなる被覆用組成物で形成した場合、被覆用組成物、すなわち第2のガラスは未焼成状態での流動性が高く、焼成時にはうねり等による変形が生じやすい。したがって、上記第2のガラス粉末のみからなる被覆用組成物で被覆層7を形成すると、焼成体表面に凹凸面が生じやすく、その平坦度が低下する。これを防ぐために、被覆用組成物においては必要に応じて上記第2のガラス粉末に加えて第2のセラミックス粉末を配合することが好ましい。
このような目的において上記被覆用組成物に用いる第2のセラミックス粉末として、好ましくは、アルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末が挙げられ、その含有量としては、上記被覆用組成物中に、1~20質量%含有する態様が挙げられる。このような配合量で第2のセラミックス粉末としてアルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末を上記被覆用組成物に配合することで、得られる被覆層で銀イオンの拡散を概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量を大幅に軽減しつつ、平坦な表面を有する被覆層の形成が可能となる。なお、上記被覆用組成物中に、20質量%を超えてアルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末を配合すると、被覆層7が焼結不足になるおそれがある。
焼成時のLTCC基板内における銀イオンの挙動については、上記に説明した通りであり、ガラス成分中に拡散した銀イオンは、特にアルミナ粉末の表面周辺に局在化して高濃度銀イオン層を形成する。これによって形成されたアルミナ粉末の表面等に局在する銀イオン層の一部が、LTCC基板表面にも露出する状態となると考えられる。
したがって、表面平坦性の目的で被覆用組成物に第2のセラミックス粉末を配合する場合には、アルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末を用いる。なお、アルミナ粉末を実質的に含まないとは、セラミックス粉末におけるアルミナ粉末の含有量が0.1質量%未満をいう。ここで、本明細書において、アルミナ粉末等のセラミックス粉末を表示する場合、その粉末の構成成分として含有量が50質量%を超える成分を粉末の名称として用いる。例えば、Al2O3を50質量%を超えて含有するセラミックス粉末をアルミナ粉末という。
したがって、表面平坦性の目的で被覆用組成物に第2のセラミックス粉末を配合する場合には、アルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末を用いる。なお、アルミナ粉末を実質的に含まないとは、セラミックス粉末におけるアルミナ粉末の含有量が0.1質量%未満をいう。ここで、本明細書において、アルミナ粉末等のセラミックス粉末を表示する場合、その粉末の構成成分として含有量が50質量%を超える成分を粉末の名称として用いる。例えば、Al2O3を50質量%を超えて含有するセラミックス粉末をアルミナ粉末という。
ここで、第2のセラミックス粉末として、アルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末を用いる場合、上述したアルミナ粉末の中でも、Al2O3を高い含有率で含むアルミナ粉末を、実質的に含有しないことが特に好ましい。ここで、「Al2O3を高い含有率で含む」とは、Al2O3含有量が95質量%以上をいう。
このような、アルミナ粉末を実質的に含まない第2のセラミックス粉末としては、アルミナ粉末以外であれば、従来から用いられるセラミックス粉末が特に制限なく適用可能である。具体的には、たとえば、ジルコニア粉末、チタニア粉末、およびシリカ粉末からなる群から選ばれる少なくとも1種のセラミックス粉末であれば、上記被覆用組成物に上記割合で配合してもよい。より好ましい配合量は、上記被覆用組成物中に5~10質量%である。第2のセラミックス粉末の50%粒径は、例えば0.5μm以上、4μm以下が好ましい。
また、被覆層に拡散反射性を持たせる目的で、必要に応じて被覆用組成物に上記第2のセラミックス粉末としてアルミナ粉末を主体として含有するセラミックス粉末を配合でき、この場合の被覆組成物における含有量として、上記被覆用組成物中に、上記アルミナ粉末の含有量が、1~10質量%で含有する態様が挙げられる。より好ましい含有量は上記被覆用組成物中に、上記アルミナ粉末の含有量が、1~5質量%である。
このような配合量で第2のセラミックス粉末としてアルミナ粉末を主体として含有するセラミックス粉末を上記被覆用組成物に配合することで、得られる被覆層で銀イオンの拡散を概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量を大幅に軽減しつつ、拡散反射性を有する被覆層の形成が可能となる。なお、上記被覆用組成物中に、10質量%を超えてアルミナ粉末を配合すると、被覆層7が銀イオンの拡散を停滞させることが困難となり、被覆層と封止層の界面で銀発色が発生するおそれがある。
このような配合量で第2のセラミックス粉末としてアルミナ粉末を主体として含有するセラミックス粉末を上記被覆用組成物に配合することで、得られる被覆層で銀イオンの拡散を概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量を大幅に軽減しつつ、拡散反射性を有する被覆層の形成が可能となる。なお、上記被覆用組成物中に、10質量%を超えてアルミナ粉末を配合すると、被覆層7が銀イオンの拡散を停滞させることが困難となり、被覆層と封止層の界面で銀発色が発生するおそれがある。
なお、この場合、被覆用組成物にアルミナ粉末以外のセラミックス粉末を上記効果を損なわない範囲で配合することも可能である。配合量としてはアルミナ粉末とそれ以外のセラミックス粉末の合計量に対するアルミナ粉末以外のセラミックス粉末の質量%として、5質量%以下が挙げられる。アルミナ粉末と組合せて用いるセラミックス粉末としては、ジルコニア粉末、チタニア粉末、およびシリカ粉末からなる群から選ばれる少なくとも1種のセラミックス粉末が挙げられる。
被覆層7の厚さは、10~50μmであることが好ましく、20~30μmであることがより好ましい。被覆層7の厚さが10μm未満の場合、基体2に、内層に配線された銀を主体とする金属層6からLTCC基体2の表面にまで到達した銀イオンの拡散を、被覆層7で十分に停滞させることができず、被覆層表面まで到達する銀イオン量をあまり減少できないことがある。これによって封止層と被覆層の界面で銀発色が発生し、発光装置の発光輝度の経時的な低下を招くことがある。一方、被覆層7の厚さが50μmを超えると、被覆層7の体積が過大となって熱伝導性が低下したり、被覆部の反射率が低下し、光取り出し効率が低下したりするおそれがある。
以上、本発明の発光素子用基板における実施形態について例を挙げて説明したが、本発明の発光素子用基板はこれらに限定されない。本発明の趣旨に反しない限度において、また必要に応じて、その構成を適宜変更できる。
また、本発明の発光素子用基板の製造方法について、図1に示される発光素子用基板1を例にして以下に説明する。図1に示される発光素子用基板1は、例えば、以下の(A)グリーンシート作製工程、(B)ペースト層形成工程、(C)積層工程、(D)焼成工程を含む製造方法により製造できる。なお、製造に用いる部材については、完成品の部材と同一の符号を付して説明する。例えば、セラミック基体とセラミック基体用グリーンシートとは、同じ2の符号をもって表記し、また、金属層と金属層用ペースト層とは、同じ6の符号をもって表記しており、他も同様である。
(A)グリーンシート作製工程
(A)工程は、第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物を用いて、発光素子用基板の基体を構成する基体用グリーンシート2および枠体を構成する枠体用グリーンシート3を作製する工程である。具体的には、基体用グリーンシート2および枠体用グリーンシート3は、以下に説明する第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物にバインダー、必要に応じて可塑剤、分散剤、溶剤等を添加して調製されたスラリーを、ドクターブレード法等により、焼成後の形状・膜厚が上記所望の範囲内となるような所定の形状、膜厚のシート状に成形し、乾燥させることで作製できる。上記ガラスセラミックス組成物としては、特に低温同時焼成セラミックス(LTCC)が好ましい。
(A)工程は、第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物を用いて、発光素子用基板の基体を構成する基体用グリーンシート2および枠体を構成する枠体用グリーンシート3を作製する工程である。具体的には、基体用グリーンシート2および枠体用グリーンシート3は、以下に説明する第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物にバインダー、必要に応じて可塑剤、分散剤、溶剤等を添加して調製されたスラリーを、ドクターブレード法等により、焼成後の形状・膜厚が上記所望の範囲内となるような所定の形状、膜厚のシート状に成形し、乾燥させることで作製できる。上記ガラスセラミックス組成物としては、特に低温同時焼成セラミックス(LTCC)が好ましい。
基体用グリーンシート2については、上記(A)で得られたシート状成形物が、(B)ペースト層形成工程を経て、(C)工程での積層に供される。枠体用グリーンシート3については、上記(A)で得られたシート状成形物の中央部に、この工程で、通常の方法により凹部4の底面24の形(例えば、円形)に貫通孔を形成し、得られたものが(C)工程での積層に供される。基体用グリーンシート2、枠体用グリーンシート3は、必ずしも単一のグリーンシートからなる必要はなく、複数枚のグリーンシートを積層したものであってもよい。本実施形態においては、基体2内に搭載面と平行する銀を主体とする金属層を配設することから、基体用グリーンシート2をさらに基体下層用グリーンシート2a、基体上層用グリーンシート2bに分けて説明する。なお、これらグリーンシートもさらに複数枚で構成されていてもよい。
(ガラスセラミックス組成物およびスラリーの調製)
上記ガラスセラミックス組成物に用いる第1のガラス粉末は、必ずしも限定されないものの、ガラス転移点が550℃以上、700℃以下が好ましい。ガラス転移点が550℃未満の場合、脱脂が困難となるおそれがあり、700℃を超える場合、収縮開始温度が高くなり、寸法精度が低下するおそれがある。
上記ガラスセラミックス組成物に用いる第1のガラス粉末は、必ずしも限定されないものの、ガラス転移点が550℃以上、700℃以下が好ましい。ガラス転移点が550℃未満の場合、脱脂が困難となるおそれがあり、700℃を超える場合、収縮開始温度が高くなり、寸法精度が低下するおそれがある。
また、800℃以上、930℃以下で基体用グリーンシートを焼成したときに結晶が析出することが好ましい。結晶が析出しない場合、十分な機械的強度を得ることができないおそれがある。さらに、DTA(示差熱分析)により測定される結晶化ピーク温度(Tc)が880℃以下が好ましい。結晶化ピーク温度(Tc)が880℃を超える場合、寸法精度が低下するおそれがある。
このような第1のガラス粉末としては、例えば、酸化物換算のモル%表示で、SiO2を57%~65%、B2O3を13~18%、CaOを9~23%、Al2O3を3~8%、K2OおよびNa2Oから選ばれる少なくとも一方を合計で0.5%~6%以下含有するものが好ましい。これにより、得られる基体や枠体の表面の平坦度を向上させることが容易となる。
ここで、SiO2は、ガラスのネットワークフォーマとなる。SiO2の含有量が57%未満の場合、安定なガラスを得ることが難しく、また化学的耐久性も低下するおそれがある。一方、SiO2の含有量が65%を超える場合、ガラス溶融温度やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。SiO2の含有量は、好ましくは58%以上、より好ましくは59%以上、特に好ましくは60%以上である。また、SiO2の含有量は、好ましくは64%以下、より好ましくは63%以下である。
B2O3は、ガラスのネットワークフォーマとなる。B2O3の含有量が13%未満の場合、ガラス溶融温度やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。一方、B2O3の含有量が18%を超える場合、安定なガラスを得ることが難しく、また化学的耐久性も低下するおそれがある。B2O3の含有量は、好ましくは14%以上、より好ましくは15%以上である。また、B2O3の含有量は、好ましくは17%以下、より好ましくは16%以下である。
Al2O3は、ガラスの安定性、化学的耐久性、および強度を高めるために添加される。Al2O3の含有量が3%未満の場合、ガラスが不安定となるおそれがある。一方、Al2O3の含有量が8%を超える場合、ガラス溶融温度やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。Al2O3の含有量は、好ましくは4%以上、より好ましくは5%以上である。また、Al2O3の含有量は、好ましくは7%以下、より好ましくは6%以下である。
CaOは、ガラスの安定性や結晶の析出性を高めると共に、ガラス溶融温度やガラス転移点を低下させるために添加される。CaOの含有量が9%未満の場合、ガラス溶融温度が過度に高くなるおそれがある。一方、CaOの含有量が23%を超える場合、ガラスが不安定となるおそれがある。CaOの含有量は、好ましくは12%以上、より好ましくは13%以上、特に好ましくは14%以上である。また、CaOの含有量は、好ましくは22%以下、より好ましくは21%以下、特に好ましくは20%以下である。
K2O、Na2Oは、ガラス転移点を低下させるために添加される。K2OおよびNa2Oは、少なくともいずれか一方が添加される。K2OおよびNa2Oの合計した含有量が0.5%未満の場合、ガラス溶融温度やガラス転移点が過度に高くなるおそれがある。一方、K2OおよびNa2Oの合計した含有量が6%を超える場合、化学的耐久性、特に耐酸性が低下するおそれがあり、電気的絶縁性も低下するおそれがある。K2OおよびNa2Oの合計した含有量は、0.8%以上5%以下が好ましい。
なお、第1のガラス粉末として好ましく用いられる上記ガラス粉末は、必ずしも上記成分のみからなるものに限定されず、ガラス転移点等の諸特性を満たす範囲で他の成分を含有できる。他の成分を含有する場合、その合計した含有量は10%以下が好ましい。
本発明に用いる第1のガラス粉末は、上記したようなガラス組成となるようにガラス原料を配合し、混合し、溶融法によってガラスを製造し、得られたガラスを乾式粉砕法や湿式粉砕法によって粉砕することにより得られる。湿式粉砕法の場合、溶媒として水を用いることが好ましい。粉砕は、例えばロールミル、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて行う。
ガラス粉末の50%粒径は、0.5μm以上、2μm以下が好ましい。ガラス粉末の50%粒径が0.5μm未満の場合、ガラス粉末が凝集しやすく、取り扱いが困難となると共に、均一に分散させることが困難となる。一方、ガラス粉末の50%粒径が2μmを超える場合、ガラス軟化温度の上昇や焼結不足が発生するおそれがある。粒径の調整は、例えば粉砕後に必要に応じて分級することにより行う。
一方、第1のセラミックス粉末としては、従来からLTCC基板の製造に用いられるものを特に制限なく用いることができ、例えばアルミナ粉末、ジルコニア粉末、またはアルミナ粉末とジルコニア粉末との混合物を好適に用いる。また、本発明において特に好ましく用いられる、拡散反射性を有するLTCCを作製する場合には、上記セラミックス粉末として、アルミナ粉末とともに、アルミナよりも高い屈折率を有するセラミックスの粉末(以下、高屈折率セラミックス粉末と示す。)を使用することが好ましい。
高屈折率セラミックス粉末は、焼結体(基板)の反射率を向上させるための成分であり、例えば、チタニア粉末、ジルコニア粉末、および安定化ジルコニア粉末からなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。アルミナの屈折率が1.8程度であるのに対して、チタニアの屈折率は2.7程度、ジルコニアの屈折率は2.2程度であり、アルミナに比べて高い屈折率を有している。アルミナ粉末と高屈折率セラミックス粉末の配合比としては、アルミナ粉末:高屈折率セラミックス粉末が質量比で90:10~60:40となる範囲が好ましい。第1のセラミックス粉末の50%粒径は、上記いずれの場合も、例えば0.5μm以上、4μm以下が好ましい。
このような第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを、例えば第1のガラス粉末が30質量%以上、50質量%以下、第1のセラミックス粉末が50質量%以上、70質量%以下となるように配合、混合することによりガラスセラミックス組成物を得る。
このガラスセラミックス組成物に、バインダー、必要に応じて可塑剤、分散剤、溶剤等を添加することによりスラリーを得る。バインダーとしては、例えばポリビニルブチラール、アクリル樹脂等を好適に用いる。可塑剤としては、例えばフタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ブチルベンジル等を用いる。また、溶剤としては、トルエン、キシレン、2-プロパノール、2-ブタノール等の有機溶剤を好適に用いる。
(B)ペースト層形成工程
(B)工程では、上記で得られた基体用グリーンシート2、すなわち基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bに同時焼成するための各種ペースト層を形成する。まず、基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bの両方に(B-1)配線導体用ペースト層を形成する。次いで、基体下層用グリーンシート2aに(B-2)銀を主体とする金属層用ペースト層を形成し、基体上層用グリーンシート2bに(B-3)被覆層用ペースト層を形成する。
(B)工程では、上記で得られた基体用グリーンシート2、すなわち基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bに同時焼成するための各種ペースト層を形成する。まず、基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bの両方に(B-1)配線導体用ペースト層を形成する。次いで、基体下層用グリーンシート2aに(B-2)銀を主体とする金属層用ペースト層を形成し、基体上層用グリーンシート2bに(B-3)被覆層用ペースト層を形成する。
(B-1)配線導体用ペースト層形成工程
基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bには、まず、導体ペーストを用いて配線導体用ペースト層(素子接続端子用ペースト層4、外部接続端子用ペースト層5、および接続ビア用ペースト層8)を形成する。具体的には、まず、基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bに、それぞれ最終的に基体の内部に埋設される構成となる、接続ビア用ペースト層8aおよび、接続ビア用ペースト層8bを形成する。これらは、素子接続端子用ペースト層4から外部接続端子用ペースト層5へアノードとカソードの別に電気的に短絡なく接続されるように形成される内部配線導体用ペースト層である。
基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bには、まず、導体ペーストを用いて配線導体用ペースト層(素子接続端子用ペースト層4、外部接続端子用ペースト層5、および接続ビア用ペースト層8)を形成する。具体的には、まず、基体下層用グリーンシート2aおよび基体上層用グリーンシート2bに、それぞれ最終的に基体の内部に埋設される構成となる、接続ビア用ペースト層8aおよび、接続ビア用ペースト層8bを形成する。これらは、素子接続端子用ペースト層4から外部接続端子用ペースト層5へアノードとカソードの別に電気的に短絡なく接続されるように形成される内部配線導体用ペースト層である。
次いで、基体下層用グリーンシート2aの下側の面、すなわち非搭載面23となる面に上記内部配線導体用ペースト層に接続する1対の外部接続端子用ペースト層5を形成する。また基体上層用グリーンシート2bの上側の面、すなわち搭載面21となる面の所定の位置に12対の素子接続端子用ペースト層4を形成する。
ここで、本実施形態においては、下記(B-2)の通り、金属層用ペースト層6と兼用の配線回路用ペースト層は、基体下層用グリーンシート2aの上側の面に形成されるが、必要に応じて、基体上層用グリーンシート2bを2枚のグリーンシートで構成し、2枚のグリーンシート間に、さらに別の配線回路用ペースト層を形成してもよい。
ここで、本実施形態においては、下記(B-2)の通り、金属層用ペースト層6と兼用の配線回路用ペースト層は、基体下層用グリーンシート2aの上側の面に形成されるが、必要に応じて、基体上層用グリーンシート2bを2枚のグリーンシートで構成し、2枚のグリーンシート間に、さらに別の配線回路用ペースト層を形成してもよい。
配線導体用ペースト層の形成に用いる導体ペーストとしては、例えば銅、銀、金等を主成分とする金属粉末に、エチルセルロース等のビヒクル、必要に応じて溶剤等を添加してペースト状としたものを使用できる。なお、上記金属粉末としては、銀からなる金属粉末、銀と白金からなる金属粉末、または銀とパラジウムからなる金属粉末が好ましく用いられる。
素子接続端子用ペースト層4、外部接続端子用ペースト層5、および接続ビア用ペースト層8や配線回路用ペースト層の形成方法としては、スクリーン印刷法により上記導体ペーストを、塗布する方法、あるいは塗布し、充填する方法が挙げられる。形成される素子接続端子用ペースト層4および外部接続端子用ペースト層5の膜厚は、最終的に得られる素子接続端子および外部接続端子の膜厚が上記所定の膜厚となるように調整される。
(B-2)銀を主体とする金属層用ペースト層形成工程
上記配線導体用ペースト層が形成された基体下層用グリーンシート2aの上側の面の上記所定位置に、銀を主体とする金属層用ペースト層6を、これが放熱層および配線回路の両方として機能するように形成する。銀を主体とする金属層用ペースト層6の膜厚は、最終的に得られる銀を主体とする金属層の膜厚が上記所定の膜厚となるように調整される。
銀を主体とする金属層用ペーストとしては、上に説明した銀を主成分として含む金属材料をエチルセルロース等のビヒクル、必要に応じて溶剤等を添加してペースト状としたものを使用できる。
上記配線導体用ペースト層が形成された基体下層用グリーンシート2aの上側の面の上記所定位置に、銀を主体とする金属層用ペースト層6を、これが放熱層および配線回路の両方として機能するように形成する。銀を主体とする金属層用ペースト層6の膜厚は、最終的に得られる銀を主体とする金属層の膜厚が上記所定の膜厚となるように調整される。
銀を主体とする金属層用ペーストとしては、上に説明した銀を主成分として含む金属材料をエチルセルロース等のビヒクル、必要に応じて溶剤等を添加してペースト状としたものを使用できる。
(B-3)被覆層用ペースト層形成工程
上記配線導体用ペースト層が形成された基体上層用グリーンシート2bの上側の面、すなわち搭載面21の、各1対ずつの素子接続端子用ペースト層4を含む12か所の搭載部22およびその近傍を除くキャビティの底面24となる領域を全て含み、さらにキャビティ底面の近傍領域に端縁が達する形に、被覆層用ペースト層7を形成する。
被覆層用ペーストは、上記被覆用組成物に、エチルセルロース等のビヒクル、必要に応じて溶剤等を添加してペースト状としたものを使用できる。形成される被覆層用ペースト層7の膜厚は、最終的に得られ被覆層7の膜厚が上記所望の膜厚となるように調整される。
上記配線導体用ペースト層が形成された基体上層用グリーンシート2bの上側の面、すなわち搭載面21の、各1対ずつの素子接続端子用ペースト層4を含む12か所の搭載部22およびその近傍を除くキャビティの底面24となる領域を全て含み、さらにキャビティ底面の近傍領域に端縁が達する形に、被覆層用ペースト層7を形成する。
被覆層用ペーストは、上記被覆用組成物に、エチルセルロース等のビヒクル、必要に応じて溶剤等を添加してペースト状としたものを使用できる。形成される被覆層用ペースト層7の膜厚は、最終的に得られ被覆層7の膜厚が上記所望の膜厚となるように調整される。
(C)積層工程
上記(B)工程で得られた、各種ペースト層が形成された基体下層用グリーンシート2a上に、各種ペースト層が形成された基体上層用グリーンシート2bを積層し、さらにその上に上記(A)工程で作製した枠体用グリーンシート3を積層して、未焼結発光素子用基板1を得る。
上記(B)工程で得られた、各種ペースト層が形成された基体下層用グリーンシート2a上に、各種ペースト層が形成された基体上層用グリーンシート2bを積層し、さらにその上に上記(A)工程で作製した枠体用グリーンシート3を積層して、未焼結発光素子用基板1を得る。
(D)焼成工程
上記(C)工程後、得られた未焼結発光素子用基板1について、必要に応じてバインダー等を除去するための脱脂を行い、ガラスセラミックス組成物等を焼結させるための焼成(焼成温度:800~930℃)を行う。
上記(C)工程後、得られた未焼結発光素子用基板1について、必要に応じてバインダー等を除去するための脱脂を行い、ガラスセラミックス組成物等を焼結させるための焼成(焼成温度:800~930℃)を行う。
脱脂は、例えば500℃以上、600℃以下の温度で1時間以上、10時間以下保持することが好ましい。脱脂温度が500℃未満もしくは脱脂時間が1時間未満の場合、バインダー等を十分に除去できないおそれがある。脱脂温度は600℃程度、脱脂時間は10時間程度とすれば、十分にバインダー等を除去できる。一方、脱脂温度を600℃超、脱脂温度を10時間超とすると、かえって生産性等が低下するおそれがある。
また、焼成は、基体2および枠体3の緻密な構造の獲得と生産性および銀を主体とする金属層の形状の維持を考慮して、800℃~930℃の温度範囲で適宜時間を調整する。具体的には、850℃以上、900℃以下の温度で20分以上、60分以下保持することが好ましく、特に860℃以上、880℃以下の温度が好ましい。焼成温度が800℃未満では、基体2および枠体3が緻密な構造として得られないおそれがある。一方、焼成温度は930℃を超えると基体が変形するなど生産性等が低下するおそれがある。また、基体2の内層に配線される銀を主体とする金属粉末を含有する金属層用ペースト層6が過度に軟化するために所定の形状を維持できなくなるおそれがある。
このようにして、未焼結発光素子用基板1が焼成され発光素子用基板1が得られるが、焼成後、必要に応じて素子接続端子4および外部接続端子5の全体を被覆するように、上に説明した、ニッケルメッキ、クロムメッキ、銀メッキ、ニッケル/銀メッキ、金メッキ、ニッケル/金メッキ等の通常、発光素子用基板において導体保護に用いられる導電性保護層をそれぞれ形成できる。これらのうちでも、ニッケル/金メッキの2層構成の保護層が好ましく用いられ、例えば、ニッケルメッキ層はスルファミン酸ニッケル浴等を使用して、金メッキ層はシアン化金カリウム浴等を使用して、それぞれ電解メッキによって形成できる。
以上、本発明の発光素子用基板の実施形態の一例について、その製造方法を説明したが、上記各部の形成順序等については、発光素子用基板の製造が可能な限度において適宜変更できる。
また、本発明の発光素子用基板は、そのサイズにより、通常、発光素子用基板のような配線基板を作製する際に用いられる、多数個取りの連結基板を作製し、これを分割する工程を得て個々の配線基板を作製する方法により作製されてもよい。その場合、分割のタイミングは、上記焼成後であれば、発光素子を搭載する前でもよいし、発光素子搭載後、プリント配線基板等に半田固定・実装される前でもよい。
また、本発明の発光素子用基板は、そのサイズにより、通常、発光素子用基板のような配線基板を作製する際に用いられる、多数個取りの連結基板を作製し、これを分割する工程を得て個々の配線基板を作製する方法により作製されてもよい。その場合、分割のタイミングは、上記焼成後であれば、発光素子を搭載する前でもよいし、発光素子搭載後、プリント配線基板等に半田固定・実装される前でもよい。
次に、本発明の発光装置について説明する。本発明の発光装置は、例えば、図2に平面図(a)と、そのY-Y線断面図(b)を示すように、発光素子用基板1が有するキャビティの底面24に設けられた12対の素子接続端子4に対応する12か所の搭載部22にLED素子等の12個の発光素子11が搭載されたものである。発光素子11は、裏面に1対のバンプ電極を有し、半田、金、金-錫共晶等を介して金属接続によって素子接続端子4に電気的に接続されている。発光装置10は、さらに、キャビティの底面24に上記のように配設された発光素子11を覆いながら、キャビティを充填するようにモールド樹脂からなる封止層12が設けられることにより構成されている。
封止層12を構成するモールド樹脂としては、耐光性、耐熱性の点で優れているため、シリコーン樹脂が好ましく用いられる。シリコーン樹脂としては、発光装置のモールド樹脂として用いられる従来公知のシリコーン樹脂が、特に制限なく用いられる。また、このようなモールド樹脂に、白金、チタン等の触媒を添加することにより、モールド樹脂の速やかな硬化が可能となる。
なお、封止用のモールド樹脂に蛍光体等を混合または分散させることにより、発光装置10として得られる光を、所望の発光色に適宜調整できる。すなわち、蛍光体を封止層に混合、分散させることにより、発光素子11から放射される光によって励起された蛍光体が可視光を発光し、この可視光と発光素子11から放射される光とが混色して、発光装置10として所望の発光色を得ることができる。蛍光体の種類は特に限定されず、発光素子から放射される光の種類や目的とする発光色に応じて適宜選択される。なお、蛍光体を配置するには、上記のようにして封止層12に混合・分散させる方法に限らず、例えば封止層12の上に蛍光体の層を設けるようにすることも可能である。
本発明の発光装置10によれば、発光素子の搭載部およびその近傍を除くLTCC基板の搭載面を、上記第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなり、焼結して得られる被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下である被覆層で被覆したことにより、焼結時に上記LTCCからなる基体2に、内層に配線された銀を主体とする金属層6からLTCC基体2の表面にまで到達した銀イオンの拡散を、この被覆層で概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量を大幅に軽減できる。これにより、一般的に封止層に含まれる銀イオンを還元する触媒等の作用による銀コロイドの形成と、さらにその凝集による銀発色の発生を抑制でき、これが原因となる発光輝度の経時的な低下を抑制できる。
また、本発明の発光装置10によれば、基板の内部に銀を主体とする金属層を放熱層として埋設した熱抵抗の小さい発光素子搭載用基板1を用いることで、発光素子11の過度な温度上昇を抑制し、高輝度に発光できる。
このような本発明の発光装置10は、例えば携帯電話や大型液晶ディスプレイ等のバックライト、自動車用あるいは装飾用の照明、その他の光源として好適に用いることができる。
このような本発明の発光装置10は、例えば携帯電話や大型液晶ディスプレイ等のバックライト、自動車用あるいは装飾用の照明、その他の光源として好適に用いることができる。
以下に、本発明の実施例を説明する。なお本発明はこれら実施例に限定されない。
[実施例1~12、比較例1~3]
以下に説明する方法で、図2に示した発光装置と同様の構造の実施例1~12および比較例1~2の試験用発光装置を作製した。上記各発光装置において、異なるのは被覆層の構成材料のみである。また、比較例3として、図2に示す発光装置において被覆層を有しない以外は、図2に示す発光装置と全く同じ構成の試験用発光装置を作製した。
なお、以下の説明においては、上記同様、焼成の前後で部材に用いる符号は同じものを用いた。
以下に説明する方法で、図2に示した発光装置と同様の構造の実施例1~12および比較例1~2の試験用発光装置を作製した。上記各発光装置において、異なるのは被覆層の構成材料のみである。また、比較例3として、図2に示す発光装置において被覆層を有しない以外は、図2に示す発光装置と全く同じ構成の試験用発光装置を作製した。
なお、以下の説明においては、上記同様、焼成の前後で部材に用いる符号は同じものを用いた。
<被覆層用ペーストの調製>
まず、被覆層形成用の各種のガラス粉末を製造した。すなわち、SiO2、B2O3、Al2O3、CaO、Na2OおよびK2Oの各成分が表1に示す組成(モル%)のガラスとなるように、ガラス原料を調合、混合し、この原料混合物を白金ルツボに入れて1500~1600℃で60分間溶融させた後、溶融状態のガラスを流し出し冷却した。得られたガラスを、アルミナ製ボールミルにより20~60時間粉砕して5種類のガラス粉末1~5を得た。なお、粉砕時の溶媒にはエチルアルコールを用いた。
ここでガラス粉末1~3は、本発明に係る被覆層形成用の被覆用組成物が主として含有する第2のガラス粉末であり、ガラス粉末4、5は比較例用のガラス粉末である。
まず、被覆層形成用の各種のガラス粉末を製造した。すなわち、SiO2、B2O3、Al2O3、CaO、Na2OおよびK2Oの各成分が表1に示す組成(モル%)のガラスとなるように、ガラス原料を調合、混合し、この原料混合物を白金ルツボに入れて1500~1600℃で60分間溶融させた後、溶融状態のガラスを流し出し冷却した。得られたガラスを、アルミナ製ボールミルにより20~60時間粉砕して5種類のガラス粉末1~5を得た。なお、粉砕時の溶媒にはエチルアルコールを用いた。
ここでガラス粉末1~3は、本発明に係る被覆層形成用の被覆用組成物が主として含有する第2のガラス粉末であり、ガラス粉末4、5は比較例用のガラス粉末である。
得られたガラス粉末1~5の50%粒径(μm)を、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(島津製作所社製、商品名:SALD2100)を用いて測定した。また、ガラス粉末1~5の軟化点を、示差熱分析装置(ブルカーAXS社製、商品名:TG-DTA2000)を用いて昇温速度10℃/分の条件で1000℃まで昇温して測定した。
上記で得られたガラス粉末1~5と、以下のセラミックス粉末を表2に示す割合で配合して、被覆用組成物を調製した。なお、表2の第4列の「ガラス:セラミック」の欄の表記は、前記被覆用組成物中における第2のガラス粉末と第2のセラミック粉末の含有割合を重量%で示したものであり、たとえば、実施例2において、「95:5」とは、前記被覆用組成物中、第2のガラス粉末が95重量%、第2のセラミック粉末が5重量%であることを意味し、他の例においても同様である。
・アルミナ粉末(昭和電工社製、商品名:AL-45H、D50:2μm)
・シリカ粉末(日本アエロジル社製、商品名:AEROSIL380、D50:10nm)
・ジルコニア粉末(第一稀元素化学工業社製、商品名:HSY-3F-J、D50:0.6μm)
・アルミナ粉末(昭和電工社製、商品名:AL-45H、D50:2μm)
・シリカ粉末(日本アエロジル社製、商品名:AEROSIL380、D50:10nm)
・ジルコニア粉末(第一稀元素化学工業社製、商品名:HSY-3F-J、D50:0.6μm)
上記で得られた被覆用組成物と樹脂成分とを60:40の質量比で配合し、磁器乳鉢中で1時間混練を行い、さらに三本ロールにて3回分散を行って、被覆層用ペーストを作製した。なお、樹脂成分は、エチルセルロースとαテレピネオールとを質量比85:15で調合し分散したものを使用した。
<試験用発光装置の作製>
発光素子用基板1の基体2および枠体3を作製するための基体下層用グリーンシート2a、基体上層用グリーンシート2b、および枠体用グリーンシート3を作製した。
まず、酸化物換算のモル%表示で、SiO2を60.4%、B2O3を15.6%、Al2O3を6%、CaOを15%、K2Oを1%、Na2Oを2%の組成のガラスとなるようにガラス原料を配合、混合し、この原料混合物を白金ルツボに入れて1600℃で60分溶融させた後、この溶融状態のガラスを流し出し冷却した。このガラスをアルミナ製ボールミルにより40時間粉砕して第1のガラス粉末を製造した。なお、粉砕の溶媒にはエチルアルコールを用いた。
発光素子用基板1の基体2および枠体3を作製するための基体下層用グリーンシート2a、基体上層用グリーンシート2b、および枠体用グリーンシート3を作製した。
まず、酸化物換算のモル%表示で、SiO2を60.4%、B2O3を15.6%、Al2O3を6%、CaOを15%、K2Oを1%、Na2Oを2%の組成のガラスとなるようにガラス原料を配合、混合し、この原料混合物を白金ルツボに入れて1600℃で60分溶融させた後、この溶融状態のガラスを流し出し冷却した。このガラスをアルミナ製ボールミルにより40時間粉砕して第1のガラス粉末を製造した。なお、粉砕の溶媒にはエチルアルコールを用いた。
このガラス粉末が35質量%、アルミナ粉末(昭和電工社製、商品名:AL-45H)が40質量%、ジルコニア粉末(第一稀元素化学工業社製、商品名:HSY-3F-J)が25質量%となるように配合し、混合することによりガラスセラミックス組成物を製造した。このガラスセラミックス組成物50gに、有機溶剤(トルエン、キシレン、2-プロパノール、2-ブタノールを質量比4:2:2:1で混合したもの)15g、可塑剤(フタル酸ジ-2-エチルヘキシル)2.5g、バインダーとしてのポリビニルブチラール(デンカ社製、商品名:PVK#3000K)5g、さらに分散剤(ビックケミー社製、商品名:BYK180)0.5gを配合し、混合してスラリーを調製した。
このスラリーをPETフィルム上にドクターブレード法により塗布し、乾燥させたグリーンシートを複数枚積層して、略平板状であって焼成後の厚さが0.35mmとなる基体下層用グリーンシート2a、略平板状であって焼成後の厚さが0.15mmとなる基体上層用グリーンシート2b、および枠外の形状が基体用グリーンシート2と同様であり、枠内の形状が焼成後において直径4.4mmの略円形状であって、枠高さが0.5mmである枠体用グリーンシート3をそれぞれ製造した。なお、本実施例においては、発光素子用基板1を多数個取りの連結基板として製造し、後述の焼成後に、1個ずつに分割して、5mm×5mmの外寸の略正方形の発光素子用基板1とした。以下の記載は、多数個取り連結基板のうちの、分割後、1個の発光素子用基板1となる一区画について説明する。
一方、導電性粉末(銀粉末:大研化学工業社製、商品名:S550)と、ビヒクルとしてのエチルセルロースとを、質量比85:15の割合で配合し、固形分が85質量%となるように溶剤としてのαテレピネオールに分散した後、磁器乳鉢中で1時間混練を行い、さらに三本ロールにて3回分散を行って配線導体用ペーストを製造した。
また、銀を主体とする金属層用ペーストは、銀粉末(大研化学工業社製、商品名:S400-2)と、ビヒクルとしてのエチルセルロースとを質量比90:10の割合で配合し、固形分が87質量%となるように溶剤としてのαテレピネオールに分散した後、磁器乳鉢中で1時間混練し、さらに三本ロールにて3回分散して製造した。
基体上層用グリーンシート2bの上側の面は、基体2と枠体3とで形成されるキャビティの底面24の中央よりに4個の発光素子を四角形状等の略環状に、その外側に8個の発光素子を八角形状等の略環状に搭載するように合計12か所の搭載部22を有する。各搭載部22にはそれぞれ1対の素子接続端子用ペースト層4が形成されるが、その前に、各素子接続端子用ペースト層4に対応する位置に孔空け機を用いて直径0.3mmの貫通孔を形成しスクリーン印刷法により上記で得られた配線導体用ペーストを充填して接続ビア用ペースト層8bを形成した。その後、接続ビア用ペースト層8b上に、配線導体用ペーストを用いて上記12対の素子接続端子用ペースト層4をスクリーン印刷法により形成した。
上記配線導体用ペースト層が形成された基体上層用グリーンシート2bの上側の面、すなわち搭載面21の、各1対ずつの素子接続端子用ペースト層4を含む12か所の搭載部22およびその端縁から70μmまでの搭載部22の近傍領域を除くキャビティの底面24となる領域を全て含み、さらにキャビティ底面の外周近傍領域に端縁が達する形に、具体的には、枠体3が積層されたときに、その枠体3が踏む幅が100μmとなるように被覆層用ペースト層7を形成した。被覆層用ペースト層7の膜厚は、最終的に得られ被覆層7の膜厚が20μmとなるように調整した。
基体下層用グリーンシート2aの上側の面に銀を主体とする金属層用ペースト層6を、放熱層および配線回路の両方として機能するようにスクリーン印刷法により形成した。すなわち、基体下層用グリーンシート2aの上側の面の外縁から100μm内側の位置にその端縁が達し、かつ上記各12個の接続ビア用ペースト層8bに分配されていたアノードとカソードをそれぞれ接続する形の2領域に、できる限り広範囲に金属層用ペースト層6を形成した。ここで基体下層用グリーンシート2aの上面における金属層用ペースト層6の形成面積の占める割合は、72%であった。なお、金属層用ペースト層6の膜厚は、最終的に得られる銀を主体とする金属層の膜厚が10μmとなるように調整した。
また、上記アノードおよびカソードとなる金属層用ペースト層6の2領域から、それぞれ1個ずつ基体下層用グリーンシート2aの下側の面、すなわち非搭載面23に達する接続ビア用ペースト層8aを上記接続ビア用ペースト層8bと同様に形成した。基体下層用グリーンシート2aの非搭載面23には、上記アノードとカソードに対応する1対の接続ビア用ペースト層8aに接続するように1対の外部接続端子用ペースト層5を、上記同様、配線導体用ペーストを用いてスクリーン印刷法により形成した。
上記で得られた、各種ペースト層付き基体下層用グリーンシート2aの上に、各種ペースト層付き基体上層用グリーンシート2bを積層し、その上に上記で得られた枠体用グリーンシート3を積層して未焼結多数個取り連結基板を得た。上記で得られた未焼成多数個取り連結基板に、未焼結発光素子用基板1の各区画が焼成後に5mm×5mmの外寸となるような分割用のカットラインを入れた後、550℃で5時間保持して脱脂を行い、さらに870℃で30分間保持して焼成を行って多数個取り連結基板を製造した。得られた多数個取り連結基板をカットラインに沿って分割して発光素子用基板1を製造した。
<評価>
[1]銀濃度の測定
上記各実施例および比較例で得られた発光素子用基板1を、焼成後24時間放置した後に、その被覆層7におけるガラス中の銀濃度を、電子線マイクロ分析装置(EPMA)を用いて測定した。ここで、ガラス中とは、被覆層7において他の成分、例えばアルミナ粉末等のセラミックス粉末が含まれないガラスだけの領域を示すものとする。なお、EPMAによる分析領域は、任意に選択された0.3μm3の領域とした。ただし、上記各実施例および比較例間では同じ位置を測定した。測定結果を、Ag2Oに換算した値として表2に示す。
[1]銀濃度の測定
上記各実施例および比較例で得られた発光素子用基板1を、焼成後24時間放置した後に、その被覆層7におけるガラス中の銀濃度を、電子線マイクロ分析装置(EPMA)を用いて測定した。ここで、ガラス中とは、被覆層7において他の成分、例えばアルミナ粉末等のセラミックス粉末が含まれないガラスだけの領域を示すものとする。なお、EPMAによる分析領域は、任意に選択された0.3μm3の領域とした。ただし、上記各実施例および比較例間では同じ位置を測定した。測定結果を、Ag2Oに換算した値として表2に示す。
[2]光束量の経時変化試験
次に、上記各実施例および比較例で得られた発光素子用基板1に、各12個ずつの発光ダイオード(LED)素子を搭載して、図2に示す発光装置を作製した。すなわち、発光素子用基板上の12か所の搭載部に形成された各1対の素子接続端子につき、裏面に1対の電極を有するLED素子1個を金錫半田接着により接続し、合計12個のLED素子を搭載した。さらに封止剤を用いてモールド封止層を形成した。なお、封止剤としては、封止用シリコーン樹脂(信越化学工業社製、商品名:SCR-1016A)を用いた。また、用いた封止剤は、封止用シリコーン樹脂に対して蛍光体(化学オプトニクス社製、商品名P46-Y3)を20質量%の割合で含有する。
次に、上記各実施例および比較例で得られた発光素子用基板1に、各12個ずつの発光ダイオード(LED)素子を搭載して、図2に示す発光装置を作製した。すなわち、発光素子用基板上の12か所の搭載部に形成された各1対の素子接続端子につき、裏面に1対の電極を有するLED素子1個を金錫半田接着により接続し、合計12個のLED素子を搭載した。さらに封止剤を用いてモールド封止層を形成した。なお、封止剤としては、封止用シリコーン樹脂(信越化学工業社製、商品名:SCR-1016A)を用いた。また、用いた封止剤は、封止用シリコーン樹脂に対して蛍光体(化学オプトニクス社製、商品名P46-Y3)を20質量%の割合で含有する。
上記各実施例および比較例の発光装置10について、12個のLED素子11のそれぞれに対して、電圧/電流発生器(アドバンテスト社製、商品名:R6243)を用いて定格電流を印加し、発光装置10から得られる光の全光束量(ルーメン)を、初期全光束量として測定した。その後、これらの発光装置10を、温度85℃、湿度85%の環境下で250時間放置する試験を行い、試験後の全光束量を上記同様にして測定し、初期全光束量からの低下率(%)を算出した。
全光束量の測定は、積分球(直径6インチ)内に発光装置10を設置し、全光束測定装置(スペクトラコープ社製、商品名:SOLIDLAMBDA・CCD・LED・MONITOR・PLUS)を用いて行った。測定結果を表2に示す。
全光束量の測定は、積分球(直径6インチ)内に発光装置10を設置し、全光束測定装置(スペクトラコープ社製、商品名:SOLIDLAMBDA・CCD・LED・MONITOR・PLUS)を用いて行った。測定結果を表2に示す。
表2から明らかなように、実施例1~12の発光素子用基板を用いた発光装置では、被覆層とシリコーン樹脂封止層との界面での銀発色がなく、経時的な輝度(全光束量)の低下がほとんど生じないことが認められた。これは、被覆層が特定のガラス組成を有するガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体により構成されており、焼結して得られる被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下となっていることから、焼結時に上記LTCCからなる基体2に内層に配置された銀を主体とする金属層6からLTCC基体2の表面にまで到達した銀イオンの拡散を、この被覆層で概ね停滞させ、被覆層表面まで到達する銀イオン量が大幅に軽減されていることによる効果である。
これに対して、比較例1、2の発光素子用基板を用いた発光装置では、被覆層が本発明の構成をとっていないことから、LTCC基体2の表面にまで到達した銀イオンの拡散を、被覆層で停滞させることができず、被覆層表面の銀イオン量が比較例3の被覆層が形成されていないLTCC基体の表面における銀イオン量と同程度になっており、このような発光素子用基板を用いた発光装置では、被覆層とシリコーン樹脂封止層との界面での銀発色により、輝度が大きく低下していることがわかった。
本発明の発光素子用基板は、十分な放熱性を有するとともに、封止層の変色等による発光輝度の経時的な低下が抑制され、長期使用安定性に優れており、LED発光装置用として有用である。
なお、2011年3月31日に出願された日本特許出願2011-077239号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
なお、2011年3月31日に出願された日本特許出願2011-077239号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
1…発光素子用基板(未焼結発光素子用基板)、2…基体(基板用グリーンシート)、3…枠体(枠体用グリーンシート)、4…素子接続端子(素子接続端子用ペースト層)、5…外部電極端子(外部接続端子用ペースト層)、6…銀を主体とする金属層(金属層用ペースト層、配線回路)、7…被覆層(被覆層用ペースト層)、8、8a、8b…接続ビア(接続ビア用ペースト層)、21…搭載面、22…搭載部、23…非搭載面、24…キャビティの底面、11…発光素子、12…封止層、10…発光装置
Claims (10)
- 第1のガラス粉末と第1のセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体からなり、一部が発光素子の搭載される搭載部となる搭載面を有する基体と、
前記基体に埋設された銀を主体とする金属層と、
発光素子の電極と電気的に接続される前記搭載面上に形成された素子接続端子と、
前記搭載部およびその近傍、ならびに前記素子接続端子形成部およびその近傍を除く前記搭載面上に形成された、第2のガラス粉末を主体とする被覆用組成物の焼結体からなる被覆層と、を有する発光素子用基板であって、
前記被覆層のガラス中に含まれる銀の濃度がAg2Oに換算して0.3質量%以下である発光素子用基板。 - 前記第2のガラス粉末が、酸化物換算のモル%表示で、SiO2を70~84%、B2O3を10~25%、Al2O3を0~5%、Na2OおよびK2Oからなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0~5%、MgOを0~10%、CaO、SrOおよびBaOからなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0~5%含有し、該ガラス粉末における酸化物換算のモル%表示での、SiO2とAl2O3の合計含有量が70~84%である請求項1に記載の発光素子用基板。
- 前記被覆用組成物が、第2のセラミックス粉末を含有する請求項1または2に記載の発光素子用基板。
- 前記第2のセラミックス粉末が、アルミナ粉末を実質的に含まないセラミックス粉末であって、前記被覆用組成物における前記第2のセラミックス粉末の含有量が、前記被覆用組成物中に1~20質量%である請求項3に記載の発光素子用基板。
- 前記第2のセラミックス粉末が、アルミナ粉末を主体として含有するセラミックス粉末であって、前記被覆用組成物における前記アルミナ粉末の含有量が、前記第2のガラス粉末100質量部に対して、1~10質量部の割合である請求項3に記載の発光素子用基板。
- 前記第1のセラミックス粉末が、アルミナ粉末と、アルミナよりも高い屈折率を有するセラミックスの粉末と、を含有する請求項1~5のいずれか1項に記載の発光素子用基板。
- 前記金属層が、前記搭載面と平行となるように前記基体に埋設され、かつ前記搭載面から前記金属層の上面までの距離が、50~150μmである請求項1~6のいずれか1項に記載の発光素子用基板。
- 前記被覆層の厚さが、10~50μmである請求項1~7のいずれか1項に記載の発光素子用基板。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の発光素子用基板と、
前記発光素子用基板の搭載部に搭載される発光素子と、
を有することを特徴とする発光装置。 - 前記基体および前記被覆層の表面の一部または全部が、白金触媒を含むシリコーン樹脂で封止されてなる請求項9に記載の発光装置。
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