(57)【要約】【課題】  効率の高い冷却機能を有し、ひいては照明用等に使用した場合も素子や基板の温度上昇を効果的に抑制できる発光素子用セラミック基板を提供する。【解決手段】  発光素子用セラミック基板１は、セラミック層１５と金属層２４，２５，２６とが交互に積層された基板本体１Ｍを有する。基板本体１Ｍの第一主表面側には、搭載される発光素子チップ４の通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッド１６が露出形成されている。そして、基板本体１Ｍの厚さ方向途中位置には、基板本体１Ｍの板面に沿う面状形態をなすとともに、素子搭載用金属パッド１６上に搭載された発光素子チップ４の面内放熱路として機能する金属製の放熱用面導体２４，２５が埋設されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックからなる板状の基板本体と、前記基板本体の第一主表面側に露出する形で形成され、基板に搭載される発光素子チップの通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッドと、前記基板本体の板面に沿う面状形態をなすとともに、前記基板本体の厚さ方向の途中の位置に埋設されてなり、前記素子搭載用金属パッド上に搭載された前記発光素子チップの面内放熱路として機能する金属製の放熱用面導体とを備えたことを特徴とする発光素子用セラミック基板。
【請求項２】
前記基板本体の第二主表面を覆う形で裏面側面導体が配置され、前記基板本体を厚さ方向に貫通する形で前記素子搭載用金属パッドと前記裏面側面導体とを電気的に接続するとともに、前記素子搭載用金属パッド上に搭載された前記発光素子チップの厚さ方向の放熱路として機能する放熱ビア導体が形成されてなる請求項１記載の発光素子用セラミック基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子用セラミック基板及びそれを用いた照明モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−２４３７１７号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６６５２号公報
【特許文献３】特開２００１−２２３３８８号公報
【特許文献４】特開２００４−２２８９５号公報
【特許文献５】特開２００３−３４７６００号公報
【０００３】
従来の半導体発光素子は、表示用などの小型素子が主要な用途を占めていたが、半導体素子が高い光変換効率を有し、発熱も少なく、また、蛍光ランプのように水銀を使用しないので環境保護上の観点においても望ましいことから、照明用光源として注目を集めている。特に、ＩｎＧａＡｌＮ系の化合物を用いた高輝度の青色系発光素子が実現した背景を受け、光の三原色に相当する赤、緑、青の単色光をそれぞれ出力する発光素子を組み合わせて、種々の混合色（例えば白色）発光を可能とする発光素子が多数開発され、照明用として実用化されている。
【０００４】
従来、発光素子の搭載基板は、高分子材料で絶縁層を構成したプリント基板が用いられることも多かった。しかし、照明用に発光素子を用いようとする場合、表示用等の一般の発光素子と比較してその通電電流レベルは非常に高く、長時間の連続点灯も考慮すると、その発熱が大きな問題となる。特に、小寸法の光源で遠方を照らし出す必要がある自動車のヘッドライトでは、光源への電流集中が著しく、使用時に光源周辺が非常に高温化しやすい問題がある。そこで、照明用での高発熱を考慮して、セラミック製の基板を用いることが検討されている（特許文献１〜５）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
照明用としての長期間の寿命を確保するには、該発光素子が搭載される基板の放熱性を高めることが必要不可欠となる。セラミックの熱伝導率はそれ程良好ではなく、アルミナ等の比較的高熱伝導率のセラミックを使用したとしても、放熱特性の向上には限界がある。上記の特許文献には、発光素子の通電路を兼ねる金属薄層でセラミック基板表面を覆い、放熱効果を高める構造が開示されているが、熱伝導率が小さいセラミック基板本体の厚さ方向の熱伝導改善がなおざりにされているために、基板表層部をなす金属薄層に熱伝導の経路が偏るため熱抵抗が大きくなり、十分な放熱効果は期待できない。
【０００６】
本発明の課題は、効率の高い冷却機能を有し、ひいては照明用等に使用した場合も素子や基板の温度上昇を効果的に抑制できる発光素子用セラミック基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の発光素子用セラミック基板は、セラミックからなる板状の基板本体と、基板本体の第一主表面側に露出する形で形成され、基板に搭載される発光素子チップのアノード又はカソードのいずれかが電気的に接続される素子搭載用金属パッドと、基板本体の板面に沿う面状形態をなすとともに、基板本体の厚さ方向の途中の位置に埋設されてなり、素子搭載用金属パッド上に搭載された発光素子チップの面内放熱路として機能する金属製の放熱用面導体とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の照明モジュールは、上記本発明の発光素子用セラミック基板と、該発光素子用セラミック基板の素子搭載用金属パッド上に実装される照明用光源をなす発光素子とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の発光素子用セラミック基板によると、セラミックからなる基板本体の厚さ方向の途中の位置に金属製の放熱用面導体が埋設形成されている。基板本体はセラミック製なので熱伝導率が小さいが、金属製の放熱面導体が厚さ方向の途中の位置に介在することで、セラミックからなる基板本体が該放熱面導体によって複数層に分割され、個々の層は厚さ方向の熱拡散距離が縮小される。そして、埋設された放熱用面導体に熱流束が到達すれば、金属の熱伝導率は非常に良好なので、面内の熱拡散は速やかに進行できる。その結果、発光素子から発生する熱を、基板本体途中に位置する放熱用面導体で面内方向熱拡散を促進しつつ、これに隔てられた厚さの小さい個々のセラミック層を順次厚さ方向に拡散させることで、基板本体全体に渡って均一かつ良好な放熱特性を実現できる。特に、これを発光駆動に伴う発熱量が特に大きい照明用モジュールに適用すれば、照明を長時間点灯しつづけても光源となる発光素子の温度上昇が効果的に抑制され、寿命を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の発光素子用セラミック基板を用いた照明モジュールの一例を示す断面模式図であり、図２は平面模式図である。照明モジュール３０１の要部をなす発光素子用セラミック基板１は、セラミック層１５と金属層２４，２５，２６とが交互に積層された基板本体１Ｍを有する。セラミック層１５は熱伝導率の比較的良好な酸化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム等で構成される。他方、金属層２４，２５，２６（及び１６）は、これらのセラミックと同時焼成が可能なＷやＭｏなどの高融点金属にて構成される。ただし、いずれも材質はこれらに限定されない。
【００１１】
基板本体１Ｍの第一主表面側には、搭載される発光素子チップ４の通電端子が電気的に接続される素子搭載用金属パッド１６が露出形成されている。そして、基板本体１Ｍの厚さ方向の途中の位置には、基板本体１Ｍの板面に沿う面状形態をなすとともに、素子搭載用金属パッド１６上に搭載された発光素子チップ４の面内放熱路として機能する金属にて構成される放熱用面導体２４，２５が埋設されている。基板本体１Ｍはセラミックにて構成されるので熱伝導率が比較的小さいが、金属にて構成される放熱用面導体２４，２５がその厚さ方向の途中の位置に介在することで複数のセラミック層１５に分割され、個々の層１５は厚さ方向の熱拡散距離が縮小される。発光素子チップ４から発生する熱は、基板本体１Ｍの厚さ方向の途中に位置する放熱用面導体２４，２５で面内方向に熱拡散が促進され、かつ、これに隔てられた厚さの薄い個々のセラミック層１５を順次厚さ方向に拡散させることで、基板本体１Ｍの全体に渡って均一かつ良好な放熱特性を実現でき、照明を長時間点灯しつづけても光源となる発光素子チップ４の温度上昇が効果的に抑制され、寿命を向上することができる。
【００１２】
以下、さらに詳細に説明する。
基板本体１Ｍは、第二主表面を覆う形で裏面側面導体２６が配置され、基板本体１Ｍを厚さ方向に貫通する形で素子搭載用金属パッド１６と裏面側面導体２６とを電気的に接続するとともに、素子搭載用金属パッド１６上に搭載された発光素子チップ４の厚さ方向の放熱路として機能する放熱ビア導体２７が形成されている。発熱源となる発光素子チップ４を搭載するための素子搭載用金属パッド１６が、放熱ビア導体２７により裏面側面導体２６とを直結されることで、セラミック製の基板本体１Ｍは、その厚さ方向の放熱効率がさらに向上する。
【００１３】
この構造は、発光素子チップ４がアノードとカソードの一方が第一主表面に、他方が第二主表面に形成され、該第二主表面にて素子搭載用金属パッド１６上に実装される場合に特に有効である。この構造であると、発光素子チップ４はチップ主表面法線方向に通電され、発光駆動のシンク電流をより大きく取りやすくなり、照明用の大電流面発光駆動に有利となる。そして、上記の構造では通電経路をなす放熱ビア導体２７が、その大きなシンク電流の向きに一致する形で配置されるので、基板内での余分な抵抗発熱も小さくなる効果も加わって、大電流が流れるにも拘わらず発熱による温度上昇が一層生じ難くなる。上記の効果を高めるには、放熱ビア導体２７を発光素子チップ４の直下に配置すること、あるいは放熱ビア導体２７を、発光素子チップ４を取り囲む形で複数配置することが有効である。
【００１４】
図１においては、発光素子チップ４の第一主表面が光取り出し面とされ、その一部領域を覆う形でアノード又はカソードとなる光取り出し側電極１９が形成されている。他方、発光素子チップ４の第二主表面は全面が裏面電極２０に覆われており、Ａｇペースト等の導電性接着材１８により素子搭載用金属パッド１６上に接着されている。また、基板本体１Ｍを厚さ方向に貫通する形で導電経路形成用ビア８が配置され、その基板第一主表面側の端部に一体化されたパッド８ａに対し、光取り出し側電極１９が通電用ワイヤＷを介して接続されている。導電経路形成用ビア８には、各セラミック層１５間の境界位置に対応して接続用パッド８ｂが配置され、各面導体２４，２５，２６とは隙間９ｈにより絶縁分離されている。上記構造により、基板本体１Ｍの第二主表面側において発光素子チップ４の裏面側は裏面側面導体２６に、光取り出し面側は導電経路形成用ビア８の端子パッド８ｃに各々導通する形となる。なお、発光素子チップ４は、基板本体１Ｍの第一主表面とともにエポキシ樹脂等からなる透明樹脂モールド１ｃにより覆われている。
【００１５】
図１においては、放熱用面導体は、素子搭載用金属パッド１６よりも基板本体１Ｍの第二主表面側に位置するように埋設された第１種放熱用面導体２５を有する。基板本体１Ｍの厚さ方向において、素子搭載用金属パッド１６よりも深い位置に第１種放熱用面導体２５を埋設することで、発光素子チップ４よりも下側に位置する基板本体部分が複数のセラミック層１５，１５に分割され、基板厚さ方向の放熱効果がさらに高められる。この効果は、図２に示すように、該第１種放熱用面導体２５を、素子搭載用金属パッド１６上に搭載される発光素子チップ４の投影領域を包含するように、該発光素子チップ４よりも大面積に形成した場合に著しい。なお、図１では第１種放熱用面導体２５を一層のみ設けているが、これを複数層設けてもよい。
【００１６】
また、図１の実施形態では、第１種放熱用面導体２５と素子搭載用金属パッド１６とが、前述の放熱ビア導体２７により接続されている。この構造により、第１種放熱用面導体２５による面内の熱拡散効果と、放熱ビア導体２７による厚さ方向の熱拡散効果とが組み合さって放熱が三次元的に進行し、発光素子チップ４や基板１の温度上昇を極めて効果的に抑制できる。本実施形態では、素子搭載用金属パッド１６は発光素子チップ４よりも大面積に形成され、第１種放熱用面導体２５は該素子搭載用金属パッド１６よりも大面積に形成されている。素子搭載用金属パッド１６を発光素子チップ４よりも大面積に形成することで、発光素子チップ４の該素子搭載用金属パッド１６への（導電性接着材による）実装がより容易となる。また、発光素子チップ４の搭載面における該素子搭載用金属パッド１６自身による面内熱拡散効果も高められ、さらに、複数本の放熱ビア導体２７を配置する構造を考慮する上でも有利に作用する。
【００１７】
次に、図１のセラミック基板１においては、基板本体１Ｍの第一主表面に開口するとともに、該基板本体１Ｍの厚さ方向の途中位置に底面が位置するように素子搭載切欠き部１４が形成され、素子搭載用金属パッド１６が該素子搭載切欠き部１４の底面上に形成されている。発光素子チップ４を素子搭載切欠き部１４の底面に実装することにより、発光素子チップ４の側面に向う発光光束を、素子搭載切欠き部１４の内側面で反射させることができ、基板主表面側への照明光の指向性を高めることができる。この場合、素子搭載切欠き部１４の内周縁に沿って、開口部から底面に向けて縮径する形態の反射面を有する反射金属部６を形成しておくと、特にこの効果が著しくなる。
【００１８】
上記のような素子搭載切欠き部１４を設けることで、放熱用面導体は、基板本体１Ｍ部に対し、素子搭載切欠き部１４の周囲において底面の延長上に埋設された第２種放熱用面導体２４を有するものとすることができる。これにより、発光素子チップ４の搭載面内での熱拡散効果を高めることができる。
【００１９】
図１の実施形態では、素子搭載切欠き部１４の底面外周縁を覆う底面メタライズ層２４Ｐと、素子搭載切欠き部１４の内側面を覆う側面メタライズ層７とが形成され、反射金属部６はそれら底面メタライズ層２４Ｐと側面メタライズ層７とにまたがるろう材フィレット部（例えばＡｇ系ろう材あるいはＣｕ系ろう材で構成され、表面には反射率を高めるためのＡｇメッキが施される）６にて形成することができる。このようにすると、底面メタライズ層２４Ｐと側面メタライズ層７とが作る凹状部のエッジに沿ってろう材を流し込むことで反射金属部６を簡単に形成できる。また、反射金属部６をなすフィレットの内周面がテーパ面（あるいは凹Ｒ面）となり、発光素子チップ４の側面から放出される発光光束を、基板主表面法線方向に反射する効果が高められ、照明光の指向性がより向上する。
【００２０】
図２に示すように、素子搭載切欠き部１４の底面上にて、素子搭載用金属パッド１６と底面メタライズ層２４Ｐとの間には、下地となるセラミック層を露出させる形でろう材ストップ隙間部１７が形成されている。底面メタライズ層２４Ｐと側面メタライズ層７とが作る凹状部にろう材を流し込んだ際に、ろう材ストップ隙間部１７はろう材が素子搭載用金属パッド１６側に流れ込むことを防止し、ひいては反射金属部６をなすフィレットの角度θを規定する役割を果たす。発光素子チップ４の側面から放出される発光光束を、基板主表面法線方向に反射する効果は、該角度θが３０°以上６０°以下（例えば４５°）に調整された場合に顕著である。
【００２１】
なお、前述の第２種放熱用面導体２４は、その内縁部が素子搭載切欠き部１４の側面よりも内側に延出させることができる。これにより、該延出部により底面メタライズ層２４Ｐを形成することができ、第２種放熱用面導体２４と底面メタライズ層２４Ｐとを一括形成できるので工程の簡略化に寄与する。また、底面メタライズ層２４Ｐ上に、熱容量の大きくかつ高熱伝導率の反射金属部６（フィレット）が搭載され、これが面内熱拡散経路を担う第２種放熱用面導体２４と直結されるので、放熱効果の改善にも寄与する。また、図１のセラミック基板１の構成では、結果的に第１種放熱用面導体２５との第２種放熱用面導体２４との双方を備えることとなり、放熱効果が一層高められている。
【００２２】
図３は、図１の照明モジュール３０１の、製造工程の一例を示すものである。まず、工程１に示すように、セラミック層１５（図１）となるべきセラミックグリーンシート１１５を用意する。該セラミックグリーンシート１１５は、セラミック誘電体層の原料セラミック粉末に溶剤（アセトン、メチルエチルケトン、ジアセトン、メチルイソブチルケトン、ベンゼン、ブロムクロロメタン、エタノール、ブタノール、プロパノール、トルエン、キシレンなど）、結合剤（アクリル系樹脂（例えば、ポリアクリル酸エステル、ポリメチルメタクリレート）、セルロースアセテートブチレート、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなど）、可塑剤（ブチルベンジルフタレート、ジブチルフタレート、ジメチルフタレート、フタル酸エステル、ポリエチレングリコール誘導体、トリクレゾールホスフェートなど）、解膠剤（脂肪酸（グリセリントリオレートなど）、界面活性剤（ベンゼンスルホン酸など）、湿潤剤（アルキルアリルポリエーテルアルコール、ポリエチレングリコールエチルエーテル、ニチルフェニルグリコール、ポリオキシエチレンエステルなど）などの添加剤を配合して混練し、周知のドクターブレード法等によりシート状に成形したものである。該セラミックグリーンシート１１５には、ビア導体を配置するための貫通孔１０８ｈ，１２７ｈを、ドリリング、パンチングあるいはレーザー穿孔により予め形成しておく。
【００２３】
まず、工程１に示すように、貫通孔１０８ｈ，１２７ｈを金属ペーストで充填し、ビア導体パターン１２７とする。そして、工程２に示すように、上記のセラミックグリーンシート１１５の第二主表面に、裏面側面導体２６及び端子パッド８ｃとなる金属パターン１２６，１０８ｃを形成する。配線層金属パターン１２６は、金属粉末のペーストを用いて公知のスクリーン印刷法により形成される。金属粉末のペーストは、金属粉末に、エチルセルロース等の有機バインダと、ブチルカルビトール等の有機溶剤を適度な粘度が得られるように配合・調整したものである。また、上記のセラミックグリーンシート１１５の第一主表面に、第２種放熱用面導体２５（及び底面メタライズ層２４Ｐ）ならびに接続用パッド８ｂとなる金属パターン１２５（１２４Ｐ），１０８ｂを印刷形成する。セラミックグリーンシート１１５の第一主表面及び第二主表面の印刷の順序は反転できる。
【００２４】
次いで、工程３に示すように、その上に、別のセラミックグリーンシート１１５を重ね、第１種放熱用面導体２４及び素子搭載用金属パッド１６となる金属パターン１２４，１６を同様に印刷形成する。そして、工程４に示すように、さらに別のセラミックグリーンシート１１５には、素子搭載切欠き部１４となる貫通孔１０７を形成し、内面に側面メタライズ層７となる金属パターン１０７を塗布形成する。また、パッド８ａとなる金属パターン１０８ａも形成し、積層体の最上層となるようにこれも重ね合わせる。上記のグリーン積層体を焼成した後、さらに反射金属部６を形成する。そして、発光素子チップ４を実装し、ワイヤＷをボンディングした後、樹脂モールド１ｃを形成して図１の照明モジュール３０１が完成する。
【００２５】
以下、本発明の発光素子用セラミック基板の、種々の変形例について説明する。なお、図１の発光素子用セラミック基板１との共通部分には同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。まず、図４のセラミック基板５０は、図１のセラミック基板１から第２種放熱用面導体２４を省略したものに相当する（逆に、第１種放熱用面導体２５を省略した構成とすることもできる）。
【００２６】
図５のセラミック基板５１は、基板本体１Ｍの厚さ方向への投影関係において、第１種放熱用面導体２５と第２種放熱用面導体２４との間に重なり領域が形成されており、その重なり領域にて第１種放熱用面導体２５と第２種放熱用面導体２４とを接続する補助放熱ビア導体２２７が形成されている。補助放熱ビア導体２２７により、第１種放熱用面導体２５と第２種放熱用面導体２４とをつなぐ厚さ方向の放熱路が形成され、基板全体の放熱効果が高められる。図５では、素子搭載用金属パッド１６と第１種放熱用面導体２５とをつなぐ放熱ビア導体２７を省略しているが、図中に一点鎖線（図２と同様の配置形態）で示すように、該放熱ビア導体２７も合せて設けることが可能であり、この場合は基板の厚さ方向の放熱効果がより一層高められる。なお、第１種放熱用面導体２５と第２種放熱用面導体２４との重なり領域は、素子搭載用金属パッド１６の外側に形成される形となっている。
【００２７】
図６に示すセラミック基板５２は、放熱用面導体２２４に対し第一主表面側に隣接するセラミック層２１５と第二主表面側に隣接するセラミック層１５とが異なる材質のセラミックからなり、放熱用面導体２２４は、それら異材質のセラミック層２１５，１５をろう付け接合するろう材層とされている。セラミック基板５２をなす複数のセラミック層２１５，１５を異材質セラミックで構成しようとした場合、材質の異なるセラミックは焼成温度や収縮率が異なるため、同時焼成することは一般には難しい。そこで、上記のように、放熱用面導体２２４を境界として、材質の異なる各セラミック層２１５，１５をそれぞれ別焼成した後、図７に示すように両者をろう材２２４ｓにより接合し、そのろう材層を放熱用面導体２２４とすることで、異材質のセラミック層２１５，１５を含むセラミック基板５２を容易に実現できる。
【００２８】
この場合、異なる材質のセラミック層２１５，１５の一方１５を素子搭載用金属パッド１６の第二主表面側に隣接配置し、当該セラミック層１５が他のセラミック層よりも熱伝導率の大きいセラミック（例えば、セラミック層２１５を酸化アルミニウム、セラミック層１５を窒化アルミニウムで形成した場合）にて構成すれば、基板全体の放熱効果をより高めることができ、また、基板全体を高価な窒化アルミニウムで構成場合するよりも、材料コストを削減することができる。
【００２９】
図８のセラミック基板５３は、図２のセラミック基板１とは異なる構造の発光素子チップ２０４が搭載されることを前提としている。この発光素子チップ２０４は、チップの第一主表面に電極が形成されず、第二主表面側にアノード端子２０４Ａとカソード端子２０４Ｃを形成した構造になっている。アノード端子２０４Ａは素子搭載用金属パッド１６に、カソード端子２０４Ｃは、素子搭載用金属パッド１６から電気的に絶縁された補助パッド８ｔにそれぞれ半田付け等により面実装されている。
【００３０】
具体的には、図９に示すように、素子搭載用金属パッド１６の一部が切り欠かれ、その切欠き部８ｉ内に、導電経路形成用ビア８に導通するパッド８ａと、該パッド８ａに一端が導通し、他端に補助パッド８ｔが形成されたリード部８ｌが形成されている。また、基板本体１Ｍには素子搭載切欠き部が形成されず、その平坦な第一主表面の全面が素子搭載用金属パッド１６をなす面導体により覆われている。そして、発光素子チップ２０４からの発光光束を反射させる反射鏡１５０が基板本体１Ｍに対して別アセンブリされている。
【００３１】
上記のようなセラミック基板５０〜５３を用いた照明モジュール３０１は、自動車用ヘッドランプの光源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の発光素子用セラミック基板の第一実施形態を示す断面模式図。
【図２】図１の平面図。
【図３】図１の発光素子用セラミック基板の製造方法を示す工程説明図。
【図４】本発明の発光素子用セラミック基板の第二実施形態を示す断面模式図。
【図５】本発明の発光素子用セラミック基板の第三実施形態を示す断面模式図。
【図６】本発明の発光素子用セラミック基板の第四実施形態を示す断面模式図。
【図７】図６の発光素子用セラミック基板の製造方法を示す工程説明図。
【図８】本発明の発光素子用セラミック基板の第五実施形態を示す断面模式図。
【図９】図８の平面図。
【符号の説明】
【００３３】
１，５０〜５３  発光素子用セラミック基板
１Ｍ  基板本体
４  発光素子チップ
６  反射金属部
７  側面メタライズ層
１４  素子搭載切欠き部
１５，２１５  セラミック層
１６  素子搭載用金属パッド
１７  ろう材ストップ隙間部
２４，２５  放熱用面導体
２５  第１種放熱用面導体
２４  第２種放熱用面導体
２４Ｐ  底面メタライズ層
２６  裏面側面導体
２７  放熱ビア導体
【図１】
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【図２】
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【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】
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