(57)【要約】【課題】  発光素子の高密度化及び放熱性を高める。【解決手段】  基板３には、底面２５とその周囲を囲む側面２６とからなる凹部４が形成されている。発光素子５は、導電性接着材２７によって凹部３の底面２５に接続されている。基板３上には、絶縁性接着層２８を介してｎ側導出配線６及びｐ側導出配線７が形成されている。発光素子５のｎ側電極８及びｐ側電極１０は、ワイヤ９，１１を介してｎ側導出配線６及びｐ側導出配線７に接続されている。凹部４は、千鳥状に配列されており、底面２５はプレス加工によって平滑化されている。よって、発光素子５の高密度化及び放熱性が高まる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面とその周囲を囲む側面とからなる凹部が形成された基板と、前記凹部の底面に導電性接着材によって接続された発光素子と、前記基板上に形成され、前記発光素子の電極が電気的に接続された配線とを備えたことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記凹部は、平面形状が円形であって、その内径は深さ方向に進むに従い小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記凹部は、千鳥状に複数配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
【請求項４】
前記凹部には樹脂材が充填され、この樹脂材によって前記発光素子が封止されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の発光装置。
【請求項５】
前記樹脂材は、前記凹部から上方へ膨出しており、膨出部分が凸レンズ状になっていることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
【請求項６】
前記凹部の上方に、上方へ突出した凸レンズが設けられていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の発光装置。
【請求項７】
前記基板は、アルミニウム基板であることを特徴とする請求項１ないし６いずれか記載の発光装置。
【請求項８】
前記導電性接着材は、銀ペーストであることを特徴とする請求項１ないし７いずれか記載の発光装置。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の発光装置の製造方法であって、平坦な基板を物理的方法又は化学的方法によって切削することにより凹部を形成する工程と、前記凹部の底面をプレス加工によって平滑化する工程と、平滑化された前記底面に導電性接着材を塗布する工程と、塗布された前記導電性接着材の上に発光素子を載置する工程とを含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に発光ダイオードなどの発光素子を実装してなる発光装置、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、高輝度（高光度）、つまり目視での認識性を高めることが有利とされていたため、素子サイズは、０．２５〜０．４ｍｍ角程度の大きさとされていた。この発光ダイオードの駆動電流は通常１０〜３０ｍＡ程度であって、駆動電圧は発光波長によって異なるものの、投入電力は０．０２〜０．１２Ｗ程度であった。
【０００３】
近年、青色光を発する青色発光ダイオードが製品化されたことにより、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の発光ダイオードの輝度が高められ、いわゆる「３ｉｎ１」方式による白色光の合成が可能となった。また、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を用いた白色の発光装置が製品化され、従来のような高輝度化だけではなく、物体を照らす能力である高照度化が求められるようになっている。これに伴い、発光ダイオードの素子サイズは０．６〜１ｍｍ角と拡大され、より発光量を増やす方向に進んでいる。
【０００４】
しかし、発光ダイオードを実装する一般的なパッケージの熱抵抗は大きく（砲弾型や表面実装型のパッケージでは１５０〜４００Ｋ／Ｗ程度）、上記のように拡大された素子サイズでは、投入電力は０．１〜４Ｗ程度まで増大するので、発熱による発光効率の低下、出力低下、及び駆動性能の劣化が問題となっている。特に、発光ダイオードからの発熱はその近傍に局在するので、放熱性能を改善することは主要課題となりつつある。
【０００５】
この問題を改善するパッケージとして、熱抵抗が１０〜１５Ｋ／Ｗと低い、高出力パッケージがある（非特許文献１参照）。しかしながら、発光ダイオードをパッケージに実装する場合には、このパッケージをさらに高熱伝導性の基板（例えば、アルミニウム基板）に実装する必要があり、パッケージと該基板との間で熱抵抗が発生して放熱性能が低下すること、及び高密度化が困難であることなどが問題である。
【０００６】
このため、発光ダイオードをパッケージを用いずに直接上記基板へ実装することにより高密度化を行うようにした、いわゆるチップオンボード（chip on board）実装方式が提案されており、さらに、基板上に凹部（窪み）を多数設け、各凹部の底部に発光ダイオードを実装したものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【非特許文献１】渡辺智，「高効率LED開発と照明への展望」，照明学会誌，社団法人照明学会，２００２年１月，第８６巻，第１号，ｐ．２０
【特許文献１】実開昭６２−８４９４２号公報
【特許文献２】実開昭６０−４５４５２号公報
【特許文献３】特許２５１１７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１，２記載の発光装置には、発光ダイオードと基板との接続部分（実装部分）の詳細構造は開示されていない。特許文献３の発光装置には該詳細構造が開示されているが、発光ダイオードを絶縁層を介して基板に接続するようになっている。従って、高輝度化及び高照度化を図った従来の発光装置は、発光ダイオードの高密度化を図るほど発光ダイオードの発光時に発生する発熱量が多く、基板へ効率よく放熱することができないといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発光ダイオードなどの発光素子を基板に高密度に実装することができ、かつ放熱性の高い発光装置、及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の発光装置は、底面とその周囲を囲む側面とからなる凹部が形成された基板と、前記凹部の底面に導電性接着材によって接続された発光素子と、前記基板上に形成され、前記発光素子の電極が電気的に接続された配線とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
なお、前記凹部は、平面形状が円形であって、その内径は深さ方向に進むに従い小さくなっていることが好ましい。また、前記凹部は、千鳥状に複数配列されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記凹部には樹脂材が充填され、この樹脂材によって前記発光素子が封止されていることが好ましい。また、前記樹脂材は、前記凹部から上方へ膨出しており、膨出部分が凸レンズ状になっていることが好ましい。これに代えて、前記凹部の上方に、上方へ突出した凸レンズを設けることも好適である。
【００１２】
また、前記基板は、アルミニウム基板であることが好ましい。また、前記導電性接着材は、銀ペーストであることが好ましい。
【００１３】
本発明の発光装置の製造方法は、平坦な基板を物理的方法又は化学的方法によって切削することにより凹部を形成する工程と、前記凹部の底面をプレス加工によって平滑化する工程と、平滑化された前記底面に導電性接着材を塗布する工程と、塗布された前記導電性接着材の上に発光素子を載置する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係わる発光装置は、底面とその周囲を囲む側面とからなる凹部が形成された基板と、凹部の底面に導電性接着材によって接続された発光素子と、基板上に形成され、発光素子の電極が接続された配線とを備えるので、高密度化を可能とし、かつ発光素子の発光時に発生する熱を基板へ効率よく放熱することができる。これにより、発熱起因に伴う光出力の低下、点灯後に生じる光出力の低下、素子劣化などが改善される。
【００１５】
請求項２に係わる発光装置は、凹部の平面形状が円形であって、その内径は深さ方向に進むに従い小さくなっているので、凹部内の光を効率よく取り出すことができる。請求項３に係わる発光装置は、凹部が千鳥状に複数配列されているので、さらに高密度化を図ることができる。
【００１６】
請求項４に係わる発光装置は、凹部に樹脂材が充填され、この樹脂材によって発光素子が封止されているので、発光素子を保護し、故障の発生を低減することができる。請求項５に係わる発光装置は、樹脂材が凹部から上方へ膨出しており、膨出部分が凸レンズ状になっているので、凹部内の光をさらに効率よく取り出すことができる。請求項６に係わる発光装置は、凹部の上方に、上方へ突出した凸レンズが設けられているので、請求項５に係わる発光装置と同等の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に発光装置２の平面図を示す。アルミニウム（Ａｌ）やセラミクスなどからなる高熱伝導性の基板３の表面には、円形の凹部４（直径１．８ｍｍ程度）が複数個形成されている。凹部４は高密度化に適した千鳥状に配列されており、各凹部４には矩形の発光素子５（１辺１ｍｍ程度）が設けられている。なお、発光素子５の発光波長帯域は、発光装置２の用途に応じた帯域に設定され、全て同一の帯域であっても、それぞれ異なる帯域であってもよい。
【００１８】
基板３の表面には、ｎ側導出配線６とｐ側導出配線７とが交互に設けられている。ｎ側導出配線６には、ワイヤ９を介して発光素子５のｎ側電極８が電気的に接続され、ｐ側導出配線７には、ワイヤ１１を介して発光素子５のｐ側電極１０が電気的に接続されている。ワイヤ９，１１は、金（Ａｕ）などで形成された導電性金属細線である。
【００１９】
各発光素子５は、ｎ側導出配線６とｐ側導出配線７とに挟まれるように配設されている。ｎ側導出配線６またはｐ側導出配線７を挟んで隣接する２つの発光素子５は、その間の該導出配線を共有している。このような構成により、発光装置２は、横一列ごとに発光素子５のオン／オフ制御がなされる。
【００２０】
図２に、図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図を示す。発光素子５（高さ１００μｍ程度）は、サファイア（Ａｌ2Ｏ5）基板２０上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系のｎ層２１及びｐ層２２からなる発光層を積層し、ｎ層２１及びｐ層２２の露出面にｎ側電極８及びｐ側電極１０をそれぞれ形成してなるＬＥＤチップにより構成されている。詳しくは図示しないが、ｎ層２１及びｐ層２２は、それぞれクラッド層と光ガイド層とからなり、ｎ層２１の光ガイド層とｐ層２２の光ガイド層とはアンドープ活性層を介して隣接している。また、ｎ層２１の最下部にはバッファ層が形成されており、該バッファ層はサファイア基板２０の上面に接している。また、ｎ側電極８の表面には、ワイヤ９の一端を接続する半田バンプ２３が形成され、ｐ側電極１０の表面には、ワイヤ１１の一端を接続する半田バンプ２４が形成されている。
【００２１】
基板３（厚み２ｍｍ程度）に形成された凹部４（深さ５００μｍ程度）は、深さ方向に進むに従い内径が小さくなる、いわゆるテーパ状（すり鉢状）であり、底面２５と、その周囲を囲む側面２６とからなる。この底面２５には、サファイア基板２０の下面を銀（Ａｇ）ペーストなどの導電性接着材２７によって接着することにより、発光素子５が実装されている。
【００２２】
凹部４の底面２５及び側面２６は、発光素子５が発する光を効率よく上方へ放出するように、凹凸が少なく鏡面状に仕上げられている。なお、発光素子５として、青色ＬＥＤチップを用いる場合には、その発光波長（４５０ｎｍ程度）に対して反射率の大きなアルミニウムを基板３として選択することにより、上方への光取り出し効率が向上する。
【００２３】
凹部４以外の基板３の表面には絶縁性接着層２８が形成されており、絶縁性接着層２８の上には、前述のｎ側導出配線６及びｐ側導出配線７が銅箔などの金属薄膜によって形成されている。ｎ側導出配線６の露出部には、上記ワイヤ９の他端を接続する半田バンプ２９が形成され、ｐ側導出配線７の露出部には、上記ワイヤ１１の他端を接続する半田バンプ３０が形成されている。ｎ側導出配線６及びｐ側導出配線７の露出部以外の表面には、レジスト材などからなる被覆膜３１が形成されている。
【００２４】
また、凹部４には、光透過性を有する樹脂材３２（例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂などの有機高分子）が充填されており、発光素子５は、樹脂材３２により封止されている。これにより、発光素子５が保護され、故障の発生が低減する。なお、樹脂材３２によって、発光素子５からの放出光、底面２５若しくは側面２６からの反射光が損なわれることはない。
【００２５】
このように、発光素子５は、高熱伝導性を有する基板３に導電性接着材２７を介して直接実装されているので、発光素子５の発光時に発生する熱は、基板３へ効率よく放熱される。なお、導電性接着材２７は、この放熱性を高めるためにはなるべく厚みが薄いほうがよいが、薄すぎる場合には発光素子５と基板３との密着性が損なわれるため、適度な厚さ（例えば、１０〜２０μｍ程度）とすることが好ましい。
【００２６】
次に、図３〜図７を参照して発光装置２の具体的な製造方法を説明する。まず、図３に示すように、平坦な基板３の表面全体に絶縁性接着層２８を形成し、絶縁性接着層２８の上に所定の形状の金属薄膜を貼着してｎ側導出配線６及びｐ側導出配線７を交互に複数形成した後、全面にレジスト材を塗布して露光・現像することにより、該導出配線部分のみに開口を有する被覆膜３１を形成する。続いて、図４に示すように、ｎ側導出配線６とｐ側導出配線７との間に位置する領域を、被覆膜３１、絶縁性接着層２８、基板３の順に切削して、テーパ状の凹部４を複数個形成する。
【００２７】
この切削には、ドリルなどによる物理的方法や、エッチングなどによる化学的方法を用いる。いずれの切削方法を用いても、凹部４の側面２６は滑らかになるが、底面２５は粗くなり凹凸が残る。このため、この後、底面２５に平坦な表面を有する押圧体（不図示）を所定の圧力で当接させ、プレス加工を行うことにより、図５に示すように、底面２５を平滑化する。次いで、図６に示すように、底面２５に導電性接着材２７を塗布し、図７に示すように、導電性接着材２７の上にサファイア基板２０が下面となるように発光素子５を積載する。
【００２８】
導電性接着材２７によって発光素子５が基板３に固着された後、発光素子５のｎ側電極８とｎ側導出配線６との間、及び発光素子５のｐ側電極１０とｐ側導出配線７との間をワイヤボンディングし、凹部４に樹脂材３２を充填することにより、図２に示した発光装置２の素子構造が完成する。
【００２９】
この製造方法では、平滑化した底面２５の上に導電性接着材２７を塗布するようにしたので、底面２５上に形成された導電性接着材２７の膜厚を薄く、均一にすることができ、発光素子５から基板３への放熱性を高めることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態において凹部４に充填した樹脂材３２を、図８に示すように、凹部４から上方へ膨出させ、膨出部分を凸レンズ状に形成するようにしてもよい。樹脂材３２をこのような形状とすることにより、発光素子５から発せられた光は、上方へ放出する際に集光されるので、光取り出し効率がさらに向上する。
【００３１】
また、樹脂材３２を凸レンズ状に形成する代わりに、図９に示すように、凹部４の上方に、上方へ突出した凸レンズ４０を設けるようにしても上記と同等な効果が得られる。凸レンズ４０は、例えば、ポリカーボネート樹脂、ボリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂など光透過性樹脂材で形成されたものであり、接着剤４１によって被覆膜３１に固着されている。
【００３２】
図１０に、凹部４の形状の変形例を示す。同図において、凹部４は比較的浅く形成されており、発光素子５は、凹部４内から上方へはみ出している。また、凹部４の側面２６は、底面２５に対してほぼ垂直となるように形成されており、凹部４は円筒形になっている。その他の構成については、上記実施形態と同様であり、同一の部材には同符号を付している。
【００３３】
図１１に、発光素子５の変形例を示す。このように、ｐ側電極５１及びｎ側電極５２が下向きとなるようにして、ＬＥＤチップ５０を基体（ヒートシンク）５３に実装したものを発光素子５としてもよい。これはフリップチップと称される実装方式である。基体５３は、半絶縁性シリコン５４、その上面に形成された電極層５５ａ，５５ｂ、及びその下面に形成された金属層５６によって構成されている。
【００３４】
電極層５５ａ，５５ｂは、それぞれ例えばチタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層、金（Ａｕ）層が下から順に積層されてなる。電極層５５ａとｐ側電極５１、電極層５５ｂとｎ側電極５２は、金（Ａｕ）ボールバンプ５７ａ，５７ｂによってそれぞれ接続されている。電極層５５ａは上記ワイヤ１１によってｐ側導出配線７に接続され、電極層５５ｂは上記ワイヤ９によってｎ側導出配線６に接続される。金属層５６は、例えばアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、上記導電性接着材２７を介して凹部４の底面２５に接着される。
【００３５】
図１２に、発光素子５の別の変形例を示す。このように、ｐ側電極６１及びｎ側電極６２が上下に配設されたＬＥＤチップ６０を基体（ヒートシンク）６３に実装したものを発光素子５としてもよい。基体６３は、半絶縁性シリコン６４、その上面に形成された電極層６５、及びその下面に形成された金属層６６によって構成されている。
【００３６】
電極層６５は、例えばチタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層、金（Ａｕ）層が下から順に積層されてなる。電極層６５とｎ側電極６２は、半田バンプ６７によって接続されている。ｐ側電極６１は上記ワイヤ１１によってｐ側導出配線７に接続され、電極層６５は上記ワイヤ９によってｎ側導出配線６に接続される。金属層６６は、例えばアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、上記導電性接着材２７を介して凹部４の底面２５に接着される。
【００３７】
上記実施形態では、１つの凹部４内に１つの発光素子５を設けたが、本発明はこれに限定されず、１つ凹部４内に複数の発光素子５を設けるようにしてもよい。図１３（Ａ）は、発光波長帯域が同じ４つの発光素子５を１つの凹部４内に設けた例である。図１３（Ｂ）は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）と発光波長帯域が異なる３つの発光素子５を１つの凹部４内に設け、「３ｉｎ１」方式による白色光の合成を行い得るようにした例である。
【００３８】
なお、上記実施形態において、凹部４の平面形状を円形としたが、これに限られず、他の形状（例えば、矩形）としてもよい。また、凹部４を千鳥状に配列したが、これに限られず、他の配列（例えば、正方配列）としてもよい。また、ｎ側導出配線６及びｐ側導出配線７を横方向に延在するように配列したが、これには限られず、各発光素子５の点灯制御の方式に応じて配線パターンを適宜変更してよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
上記実施形態に示した本発明の発光装置は、スチルカメラ、ビデオカメラなど、画像撮影装置の照明光源やフラッシュ光源、プリンタの光源、あるいは表示用パネルやそのバックライトなどに利用可能である。また、上記「３ｉｎ１」方式や、蛍光体などを用いて放射光を白色化することにより、室内の照明としても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】発光装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【図３】発光装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図４】発光装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図５】発光装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図６】発光装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図７】発光装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図８】樹脂材を凸レンズ状にした例を示す縦断面図である。
【図９】凹部の上方に凸レンズを設けた例を示す縦断面図である。
【図１０】凹部の形状の変形例を示す縦断面図である。
【図１１】発光素子の変形例を示す縦断面図である。
【図１２】発光素子の別の変形例を示す縦断面図である。
【図１３】凹部内に複数の発光素子を配設した例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
２  発光装置
３  基板
４  凹部
５  発光素子
６  ｎ側導出配線
７  ｐ側導出配線
８  ｎ側電極
１０  ｐ側電極
２０  サファイア基板
２５  底面
２６  側面
２７  導電性接着材
２８  絶縁性接着層
３１  被覆膜
３２  樹脂材
４０  凸レンズ
【図１】
2006253288.tif 000003
【図２】
2006253288.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006253288.tif 000011
【図１０】
2006253288.tif 000012
【図１１】
2006253288.tif 000013
【図１２】
2006253288.tif 000014
【図１３】
2006253288.tif 000015