(57)【要約】【課題】  メタルコア基板上にフリップチップ実装用のフェイスダウン構造を持つＬＥＤ素子の実装を可能とし、ＬＥＤ照明用のＬＥＤモジュールとして、高出力、高輝度、高密度でも、照明品質の信頼性と長期耐久性を持たらし、高光束を可能とする、ＬＥＤモジュールの構造とモジュールの製造方法に関する。【解決手段】  メタルコア基板に形成されたパターン電極とフリップチップ型のＬＥＤ素子の電極との接合に、素材として最高レベルの電気伝導度と熱伝導性を持ち、かつ、焼結による接着が可能な金粒子ペーストをピン転写法で利用することにより、接着層（ジャンクション部分）や接着界面に温度や温度変化によるひずみが少ない、熱伝導性と放熱性の優れたＬＥＤモジュールが得られ、高出力、高輝度、高密度でも、ＬＥＤ照明の照明品質の信頼性と長期の耐久性を持つＬＥＤモジュールを実現可能とした。【選択図】図−３
2018093153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ、または銅、またはステンレスの基板上に絶縁膜を形成し、パターン電極と称される回路を描いた基板（メタルコア基板）を用いたＬＥＤモジュールの製造方法
【請求項２】
メタルコア基板のＬＥＤ素子搭載電極部分またはパターン電極全体に金メッキ、または金蒸着で０．１−１ミクロンの金の薄膜層を形成する工程からなるＬＥＤモジュールの製造方法
【請求項３】
金の薄膜を形成したパターン電極上に、金粒子からなるペーストをピン転写で、フリップチップ実装、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子の電極構造に合わせた接着層を形成する工程からなるＬＥＤモジュールの製造方法。
【請求項４】
ピン転写により電極回路表面に形成された金粒子ペーストに上記ＬＥＤ素子の電極部分を圧着して、ＬＥＤ素子を密着させる工程からなるＬＥＤモジュール製造方法
【請求項５】
密着後１５０℃以上２５０℃以下で加熱して、金粒子を焼結固化させ、パターン電極とＬＥＤ素子を接着させる工程からなるＬＥＤモジュールの製造方法
【請求項６】
金粒子ペーストは、金粒子と、揮発性を持つ溶剤成分だけからなり、揮発性成分は沸点が２２０℃以下１２０℃以上である一種類または複数種類混合された溶剤からなる組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法
【請求項７】
上記金粒子ペーストに使用される金粒子は、粒径分布が０．０５μｍから０．５μｍである金粒子含有ペースト組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法
【請求項８】
上記金粒子ペーストは、粘度が４０〜７０Ｐａ・ｓの範囲内にあることを特長とする金粒子含有ペースト組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ＬＥＤ素子を実装するパッケージ、モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】  地球温暖化、二酸化炭素削減に対する意識の高まりを受け、消費電力が極めて少ないＬＥＤは、従来の照明器具（白熱電球、蛍光灯、ＨＩＤなど）を置き換え、各種照明用途へ急速に普及してきている。そして、さらに高出力、高輝度、高光束のＬＥＤ光源を開発すれば、大きく用途が拡大することが期待されている。
しかし、ＬＥＤ素子は、発光時の温度が高くなると、ＬＥＤ素子自身の劣化が進みやすく、発光効率が低下するという本質的な問題を抱えている。
したがって、高輝度、高光束をめざし、高出力にすればするほど、発光温度が高くなり、発光効率の低下による照明品質（輝度、光束量）の低下とＬＥＤの劣化による製品品質（耐久性等）に懸念が出てくる。【０００３】  したがって、高出力、高輝度、高光束のＬＥＤの光源、照明を実用化するには、高出力、高輝度で耐久性を持つＬＥＤ素子の開発だけではなく、高出力、高輝度の発光時に、内部に溜まる熱を逃がすことができ、ＬＥＤ素子の温度を極力あげることのない、熱伝導性と放熱性を持つモジュールの構造や、熱抵抗の小さい実装方法が重要とされている。
そのため、高出力、高輝度のＬＥＤモジュールには、ガラスエポキシ系基板など有機系樹脂基板ではなく、絶縁性を持ちながらも、熱伝導性にも優れるセラミック系基板にして、基板上にＬＥＤ素子をダイレクトに実装することにより熱伝導性を改善する構造がとられている。この場合、電極の接合はワイヤーボンディングする構造となっている。（図―１）【０００４】  しかし、近年、図−１の構造では、金などの極細線でボンディングされるワイヤーボンディング部が構造的な弱点となって耐久性が懸念されるようになり、高出力、高輝度のＬＥＤ素子は、電極と接着層が同一面となるフリップチップ実装ができ、光効率の高いフェイスダウン型のＬＥＤ素子をセラミックス基板に実装する構造がとられるようになっている。（図−２）。【０００５】  フリップチップ実装、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子を基板上に実装するには、その接合部分が、接着層と電極（ジャンクション）とを兼ねるため、基板回路表面とＬＥＤ素子との接合面に、接着性とともに導電性を有する導電性接着材料が必要となる。この場合、熱伝達経路も兼ねるため、熱伝導性もよくなければならない。
また、ＬＥＤ素子は数ミリ角の大きさであり、ＬＥＤ素子の表面に形成されるＰ極、Ｎ極の電極はさらに小さなものとなる。電極表面に形成される接着層は、その電極の大きさに合わせられる微細加工性も要求される。
すなわち、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子をフリップチップ実装する接着材料には、接着力とともに電気伝導性と熱伝導性に高い性能を必要とし、かつＬＥＤ素子の表面の電極に合わせて形成できる微細加工性が要求されることになる。【０００６】  また上記接着材料はＬＥＤ素子との接着に使われるため、ＬＥＤ素子自身の結晶構造にダメージを与える懸念があるため、接着工程では３００℃以下の温度で接着できることが望ましい。
そのため、ＬＥＤ素子の接着材料には、融点が３００℃以下となる金／すず合金、すず／銀／銅合金のはんだ材料や、高分子の接着剤成分に銀、銅など電気伝導度も熱伝導性も高い金属粒子を分散した金属ペーストがもっぱら使われることになる。【０００７】  ＬＥＤ点灯時には、フリップチップ実装フェイスダウン構造のＬＥＤ素子の接合部には、ジャンクションとしての抵抗により接着層も発熱するようになる。
この接着接合部内部に局部的に発生する熱は、フリップチップ型ＬＥＤ素子のＰ極、Ｎ極が小さく、接合面積が小さいことから、接着剤として利用する素材の電気伝導度や熱伝導率のわずかな違いで、大きく変わることになる。この発熱がモジュール構造へのさまざまなひずみを与え、接着材料の接着界面の接着性にも影響を及ぼす。
当然、このひずみは、高輝度を狙い、高出力にして、オンオフをくりかえすほど大きくなり、接着界面への影響は大きくなる。【０００８】  したがって、フリップチップ型で高輝度、高出力で照明品質、長期耐久性など信頼性のあるＬＥＤモジュールとするには、できるだけ高い電気伝導度と熱伝導性を持ち、かつ微小面積であっても強い接着力がある材料で接着層を形成することと、微小な面積の接合部であってもＬＥＤの点灯に伴い発生する熱をモジュール内部に留めることのない、放熱の良い、熱抵抗の小さいモジュールの構造とすることが必要である。【０００９】  セラミックスは絶縁性があり、かつ熱伝導性もよいことから、フリップチップ型ＬＥＤ素子の実装用基板としては、専らセラミックス基板が使われている。
しかし、セラミックス基板は、硬くて、脆く、加工しにくいなどセラミックス固有の短所を持っている。そのため、セラミックスを基板としたＬＥＤモジュールは、実際の照明器具への搭載時に、ＬＥＤモジュール支持体や放熱部位とモジュール基板との間に空気層など熱伝導性を阻害する構造ができやすく、実際の照明器具への実装では、放熱が良く、熱抵抗の小さい搭載が難しい。【００１０】  一方、金属基板は、熱伝導性を阻害する絶縁膜を確保する必要があるものの、金属自身はセラミックスに比べ熱伝導性はきわめて良く、加工性、強度もあり、しかも安価である。
金属基板をＬＥＤモジュールの基板に使えれば、熱伝導性の悪化を招く絶縁層を形成したとしても、照明器具への搭載時の熱伝導設計の容易さを考えると、結果として放熱性も良く、熱抵抗の小さい構造を持つＬＥＤ照明の設計が可能となり、高輝度、高出力で照明品質、長期耐久性など信頼性のあるＬＥＤ照明用のモジュールとなる。【００１１】  セラミックス基板にフリップチップ実装、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子を実装するのに使われる接着材料である、金／すず合金、すず／銀／銅合金などのはんだ材料では、純粋な金や銀に比べると電気抵抗は高く、熱伝導性に劣る。しかも融点が低いため、高輝度、高出力点灯時の温度によっては、接着性にも懸念がでてくる、またＬＥＤ電極に合わせる微細加工が難しい。高分子の接着成分を有する金属ペーストでは、印刷などの微細加工性は伴うが、接着層に高分子材料が残り、電気伝導性も熱伝導性ともに、使用する金属よりも大幅に低下することが避けられず、ジャンクション温度の上昇と接着性への影響が避けられない。また、導電性ペーストで使用される銀はマイグレーションの懸念をも有している。【００１２】  特開２００７−３２４５２３、再表２０１２／０４６６４１によれば、貴金属を微粒子化しペーストとすることにより、印刷などの微細加工性を伴いながら、３００℃以下という低温で、導電性など貴金属材料の持つ特性を維持したまま、半導体素子などの強固な接合に使えることが開示されている。【００１３】  貴金属である金の微粒子からなるペーストを利用すれば、微細加工性を伴う接着剤となり、金の持つ高電気伝導性と熱伝導性を持った接着層を形成できる。【００１４】  すなわち、メタルコア基板に形成されたパターン電極とフリップチップ型のＬＥＤ素子の電極との接合に、素材として最高レベルの電気伝導度と熱伝導性を持ち、かつ、焼結による接着が可能な金粒子ペーストを微細加工可能なピン転写法で利用することにより、接着層（ジャンクション部分）や接着界面に温度や温度変化によるひずみが少ない、熱伝導性と放熱性の優れたＬＥＤモジュールが得られ、高出力、高輝度、高光束でも、照明品質の信頼性と長期の耐久性を持つＬＥＤ照明を可能とするＬＥＤモジュールの実現を可能とした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３２４５２３
【特許文献２】再表２０１２／０４６６４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】  フリップチップ実装用のフェイスダウン構造を持つＬＥＤ素子をメタルコア基板上に実装したＬＥＤモジュールであり、高出力、高輝度でも、照明品質の信頼性と長期耐久性を持たらし、ＬＥＤ素子を高密度に実装でき、高光束を可能とする、ＬＥＤモジュールの構造とモジュールの製造方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  アルミまたは銅またはステンレスなどの熱伝導率が良く、加工性がある金属基板上に絶縁フィルムなどで絶縁膜を形成し、絶縁膜上に回路（パターン電極）が描かれたメタルコア基板を必須とする、ＬＥＤモジュールの製造方法である。
パターン電極を形成する銅の表面に、直接金粒子を焼結させても、十分な接着力は得られない。強固な密着力を期待するには、回路の電極接合部分は、金の表面になるよう改質しておくことが必須である。この場合０．１ミクロン以下では十分な接着力は得られず、０．１ミクロン以上であれば、接着力を確保できるが１ミクロン以上となるとモジュールコストに影響するようになる。
したがって、ＬＥＤ素子搭載電極部分またはパターン電極全体に金メッキまたは金蒸着で０．１−１ミクロンの金の薄膜層を形成する工程を有するＬＥＤモジュールの製造方法である。【００１８】  ＬＥＤ素子の表面にある微細なＰ極、Ｎ極の電極に合わせた、パターン電極上に焼結接着層を形成させるには、金を粒子化してペースト状にして、そのペーストをピン転写によりパターン電極上の、ＬＥＤ素子の表面にあるＰ極、Ｎ極の電極位置に合わせた接着層として形成させることが好適である。
すなわち、金の薄膜を形成したパターン電極上に、金粒子からなるペーストをピン転写でＬＥＤ素子の電極構造に合わせた接着層を形成し、ピン転写により電極回路表面に形成された金粒子ペーストにＬＥＤ素子の電極部分を圧着して、ＬＥＤ素子を密着させさせる工程からなる、ＬＥＤモジュールの製造方法であり、密着後１５０℃以上２５０℃以下で加熱して、金粒子を焼結固化させ接着させる工程からなるＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２１】  上記工程に用いられる金粒子のペーストは、焼結固化した後の接合層に電気伝導性と熱伝導性を阻害する残留物があってはならない。そのため金粒子ペーストは焼結固化過程で揮発する成分と金粒子のみの成分で構成されることが必須である。
焼結固化過程で揮発する成分とは、沸点を持つ溶剤であり、溶剤の沸点が高すぎると焼結固化過程後にも、接着層に残留物として残り、電気伝導性と熱伝導性を阻害するだけでなく密着力をも阻害する。
また、沸点が低すぎると、ピン転写の接着層形成工程で揮発するため、微細な接着層の形成が困難となるばかりか、加温過程で突沸することがあり、微細な加工を難しくする。
したがって、金粒子ペーストは、金粒子と、揮発性を持つ溶剤成分だけからなり、揮発性成分は沸点が２２０℃以下１２０℃以上である一種類または複数種類混合された溶剤からなる組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２２】  金ペーストの焼結固化温度は、ＬＥＤ素子の結晶構造の劣化を考慮すると、３００℃以下、好ましくは２５０℃以下で焼結することが好ましい。一方、金粒子の焼結温度は、粒径に依存するため、粒径が小さくなると、常温でも焼結が始まり、金粒子ペーストとしての貯蔵安定性が損なわれる。
また、粒径が大きくなると焼結温度が高くなると同時に、ペーストの流動性が悪くなり、ピン転写による、微細な接着層形成を困難にする。
したがって、上記金粒子含有ペーストに使用される金粒子は、粒径分布が０．０５μｍから０．５μｍである金粒子含有ペースト組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２３】  金粒子ペーストは、ピン転写に最適な作業性を有しなければならない。
最適な作業性とは、金粒子ペーストの組成として、溶剤中に金粒子が細密充填した付近に存在すると考えられる。
例えば、溶剤量が少ないと接着層内にボイドが存在し、突沸の原因になったり、溶剤量が多くなるとピン転写後に流動性を持ち、ＬＥＤ素子の圧着後に電極に合った精密で安定した転写層の確保が難しくなるなど、いわゆる転写の作業性を悪化させる。
これらの、ピン転写における好適な作業性は、金粒子含有ペーストの持つ粘度によって規定することができる。
すなわち、上記金粒子含有ペースト組成物は、粘度が４０〜７０Ｐａ・ｓの範囲内にあることを特長とするＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２４】  実際のＬＥＤモジュールの作成では、メタルコア基板上にＬＥＤ素子を複数個並べてつないでもよく、そののち、蛍光体を含む封止材料で封止してする工程を経て実際に供せられる。（図−５）
上記工程により形成されたＬＥＤモジュールのＬＥＤ素子単位の実装構造を図−３に示す。【００２５】  本構造を持つＬＥＤモジュールは、ジャンクション部分に金の持つ、素材の中で最高レベルの電気伝導性、熱伝導性を最大限活かすことができ、ジャンクション部分の発熱も抑えられる精密で強固な接着層を形成できる。
しかも、金粒子の焼結による接着であるため、接着後には接着層の融点が、金自身の融点（１０００℃）に近くなるため、耐熱性の良い、温度変化に影響されない安定した接着層を形成できる。
その結果、メタルコア基板を利用したＬＥＤモジュールが可能となり、熱抵抗の小さい、放熱性の優れたＬＥＤ照明器具の設計を可能とする。
したがって、高出力、高輝度でも、照明品質の信頼性と長期耐久性を確保でき、ＬＥＤ素子を高密度に実装可能でもある、ＬＥＤ照明用ＬＥＤモジュールを供することになる。
【発明の効果】
【００２６】上記構造と製造方法で作成したメタルコア基板ＬＥＤモジュールは、ＬＥＤ素子と電極回路との間に熱ストレスを与える長期耐久性試験で、極めて良好である結果を得た。
【発明を実施するための形態】
【００２７】  以下に、本発明について、実施例および比較例をあげ、効果について詳しく説明する。本発明はこれら実施例のみに限定するものではない。
【００２８】ＬＥＤ素子実装用メタルコア基板の作成
ＬＥＤ素子の実装実験に供される基板は、図−４に示すように、絶縁フィルムにより絶縁膜を形成したアルミ基板上に、８個のＬＥＤ素子を実装できるように、８か所のＬＥＤ素子の電極構造に合わせた部分を持ち、それぞれのＬＥＤ素子が直列につながれた電極回路が形成されたものである。
実施例、比較例ともに、本構造を持つ基板を使ってモジュール化する。
【００２９】実施例
上記実装用メタルコア基板のパターン電極のＬＥＤ素子実装部分に無電解めっきにより、０．２ミクロンの金薄膜層を形成した。
深さ２０ミクロン、幅０．５ｃｍの溝が形成されているペーストテーブルの溝に、ピン転写用に組成調整した金粒子ペースト（田中貴金属製  ＡｕｒｏＦＵＳＥ）の塗布シートをスキージにより作成する。
作成された塗布シートに、ＬＥＤ素子の電極と同じ面積と形状のヘッドを持つ転写ピンで金粒子ペーストを転写ピンのヘッドに転写させ、それを電極パターン上のＬＥＤ電極該当位置に転写し、金粒子ペーストバンプを形成した。
この金粒子ペーストバンプにＬＥＤ素子の電極を合わせ圧着させ、乾燥炉に入れ、２００℃で３０分加熱した。
その後、８個のＬＥＤ素子全体に蛍光体を含む封止樹脂で封止してＬＥＤモジュールとした。
【００３０】比較例１
実装用メタルコア基板に、接着層としてＬＥＤ素子の電極部位に金／すず合金が形成されているＬＥＤ素子８個を、パターン電極の表面をＬＥＤ素子メーカーの推奨するフラックス処理を施したのち、ＬＥＤ素子メーカーの推奨する温度と時間で実装した。
その後、８個のＬＥＤ素子全体に蛍光体を含む封止樹脂で封止してＬＥＤモジュールとした。
比較例２
実装用メタルコア基板に、接着層としてＬＥＤ素子の電極部位にすず／銀／銅合金が形成されているＬＥＤ素子８個を、パターン電極の表面をＬＥＤ素子メーカーの推奨するフラックス処理を施したのち、ＬＥＤ素子メーカーの推奨する温度と時間で実装した。
その後、８個のＬＥＤ素子全体に蛍光体を含む封止樹脂で封止してＬＥＤモジュールとした。
【００３１】評価
８個のＬＥＤ素子が搭載されたメタルコア基板ＬＥＤモジュールについて、一定の負荷電力を一定時間与え、発熱させたのち、オフにして室温レベルに低下させるという、接着層の発熱・冷却をくりかえす、ＬＥＤ素子と電極回路との間に熱ストレスを与える試験を実施し、サイクル数とＬＥＤ素子の点灯状況を確認した。
今評価では、負荷電力は２４ボルト、３５０ｍＡ、負荷時間は１５分、発熱・冷却のサイクルはそれぞれ１５分とした。
【発明の効果】
【００３２】  サイクル数とＬＥＤ素子の点灯状況
2018093153.tif 000003
【図−１】
2018093153.tif 000004
【図−２】
2018093153.tif 000005
【図−３】
2018093153.tif 000006
【図−４】
2018093153.tif 000007
【図−５】
2018093153.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月15日(2017.3.15)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、ＬＥＤ素子を実装するパッケージ、モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】地球温暖化、二酸化炭素削減に対する意識の高まりを受け、消費電力が極めて少ないＬＥＤは、従来の照明器具（白熱電球、蛍光灯、ＨＩＤなど）を置き換え、各種照明用途へ急速に普及してきている。そして、さらに高出力、高輝度、高光束のＬＥＤ光源を開発すれば、大きく用途が拡大することが期待されている。
しかし、ＬＥＤ素子は、発光時の温度が高くなると、ＬＥＤ素子自身の劣化が進みやすく、発光効率が低下するという本質的な問題を抱えている。
したがって、高輝度、高光束をめざし、高出力にすればするほど、発光温度が高くなり、発光効率の低下による照明品質（輝度、光束量）の低下とＬＥＤの劣化による製品品質（耐久性等）に懸念が出てくる。【０００３】  したがって、高出力、高輝度、高光束のＬＥＤの光源、照明を実用化するには、高出力、高輝度で耐久性を持つＬＥＤ素子の開発だけではなく、高出力、高輝度の発光時に、内部に溜まる熱を逃がすことができ、ＬＥＤ素子の温度を極力あげることのない、熱伝導性と放熱性を持つモジュールの構造や、熱抵抗の小さい実装方法が重要とされている。
そのため、高出力、高輝度のＬＥＤモジュールには、ガラスエポキシ系基板など有機系樹脂基板ではなく、絶縁性を持ちながらも、熱伝導性にも優れるセラミック系基板にして、基板上にＬＥＤ素子をダイレクトに実装することにより熱伝導性を改善する構造がとられている。この場合、電極の接合はワイヤーボンディングする構造となっている。（図−１）【０００４】  しかし、近年、図−１の構造では、金などの極細線でボンディングされるワイヤーボンディング部が構造的な弱点となって耐久性が懸念されるようになり、高出力、高輝度のＬＥＤ素子は、電極と接着層が同一面となるフリップチップ実装ができ、光効率の高いフェイスダウン型のＬＥＤ素子をセラミックス基板に実装する構造がとられるようになっている。（図−２）。【０００５】  フリップチップ実装、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子を基板上に実装するには、その接合部分が、接着層と電極（ジャンクション）とを兼ねるため、基板回路表面とＬＥＤ素子との接合面に、接着性とともに導電性を有する導電性接着材料が必要となる。この場合、熱伝達経路も兼ねるため、熱伝導性もよくなければならない。
また、ＬＥＤ素子は数ミリ角の大きさであり、ＬＥＤ素子の表面に形成されるＰ極、Ｎ極の電極はさらに小さなものとなる。電極表面に形成される接着層は、その電極の大きさに合わせられる微細加工性も要求される。
すなわち、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子をフリップチップ実装する接着材料には、接着力とともに電気伝導性と熱伝導性に高い性能を必要とし、かつＬＥＤ素子の表面の電極に合わせて形成できる微細加工性が要求されることになる。【０００６】  また上記接着材料はＬＥＤ素子との接着に使われるため、ＬＥＤ素子自身の結晶構造にダメージを与える懸念があるため、接着工程では３００℃以下の温度で接着できることが望ましい。
そのため、ＬＥＤ素子の接着材料には、融点が３００℃以下となる金／すず合金、すず／銀／銅合金のはんだ材料や、高分子の接着剤成分に銀、銅など電気伝導度も熱伝導性も高い金属粒子を分散した金属ペーストがもっぱら使われることになる。【０００７】  ＬＥＤ点灯時には、フリップチップ実装フェイスダウン構造のＬＥＤ素子の接合部には、ジャンクションとしての抵抗により接着層も発熱するようになる。
この接着接合部内部に局部的に発生する熱は、フリップチップ型ＬＥＤ素子のＰ極、Ｎ極が小さく、接合面積が小さいことから、接着剤として利用する素材の電気伝導度や熱伝導率のわずかな違いで、大きく変わることになる。この発熱がモジュール構造へのさまざまなひずみを与え、接着材料の接着界面の接着性にも影響を及ぼす。
当然、このひずみは、高輝度を狙い、高出力にして、オンオフをくりかえすほど大きくなり、接着界面への影響は大きくなる。【０００８】  したがって、フリップチップ型で高輝度、高出力で照明品質、長期耐久性など信頼性のあるＬＥＤモジュールとするには、できるだけ高い電気伝導度と熱伝導性を持ち、かつ微小面積であっても強い接着力がある材料で接着層を形成することと、微小な面積の接合部であってもＬＥＤの点灯に伴い発生する熱をモジュール内部に留めることのない、放熱の良い、熱抵抗の小さいモジュールの構造とすることが必要である。【０００９】  セラミックスは絶縁性があり、かつ熱伝導性もよいことから、フリップチップ型ＬＥＤ素子の実装用基板としては、専らセラミックス基板が使われている。
しかし、セラミックス基板は、硬くて、脆く、加工しにくいなどセラミックス固有の短所を持っている。そのため、セラミックスを基板としたＬＥＤモジュールは、実際の照明器具への搭載時に、ＬＥＤモジュール支持体や放熱部位とモジュール基板との間に空気層など熱伝導性を阻害する構造ができやすく、実際の照明器具への実装では、放熱が良く、熱抵抗の小さい搭載が難しい。【００１０】  一方、金属基板は、熱伝導性を阻害する絶縁膜を確保する必要があるものの、金属自身はセラミックスに比べ熱伝導性はきわめて良く、加工性、強度もあり、しかも安価である。
金属基板をＬＥＤモジュールの基板に使えれば、熱伝導性の悪化を招く絶縁層を形成したとしても、照明器具への搭載時の熱伝導設計の容易さを考えると、結果として放熱性も良く、熱抵抗の小さい構造を持つＬＥＤ照明の設計が可能となり、高輝度、高出力で照明品質、長期耐久性など信頼性のあるＬＥＤ照明用のモジュールとなる。【００１１】  セラミックス基板にフリップチップ実装、フェイスダウンの構造を持つＬＥＤ素子を実装するのに使われる接着材料である、金／すず合金、すず／銀／銅合金などのはんだ材料では、純粋な金や銀に比べると電気抵抗は高く、熱伝導性に劣る。しかも融点が低いため、高輝度、高出力点灯時の温度によっては、接着性にも懸念がでてくる、またＬＥＤ電極に合わせる微細加工が難しい。高分子の接着成分を有する金属ペーストでは、印刷などの微細加工性は伴うが、接着層に高分子材料が残り、電気伝導性も熱伝導性ともに、使用する金属よりも大幅に低下することが避けられず、ジャンクション温度の上昇と接着性への影響が避けられない。また、導電性ペーストで使用される銀はマイグレーションの懸念をも有している。【００１２】  特開２００７−３２４５２３、再表２０１２／０４６６４１によれば、貴金属を微粒子化しペーストとすることにより、印刷などの微細加工性を伴いながら、３００℃以下という低温で、導電性など貴金属材料の持つ特性を維持したまま、半導体素子などの強固な接合に使えることが開示されている。【００１３】  貴金属である金の微粒子からなるペーストを利用すれば、微細加工性を伴う接着剤となり、金の持つ高電気伝導性と熱伝導性を持った接着層を形成できる。【００１４】  すなわち、メタルコア基板に形成されたパターン電極とフリップチップ型のＬＥＤ素子の電極との接合に、素材として最高レベルの電気伝導度と熱伝導性を持ち、かつ、焼結による接着が可能な金粒子ペーストを微細加工可能なピン転写法で利用することにより、接着層（ジャンクション部分）や接着界面に温度や温度変化によるひずみが少ない、熱伝導性と放熱性の優れたＬＥＤモジュールが得られ、高出力、高輝度、高光束でも、照明品質の信頼性と長期の耐久性を持つＬＥＤ照明を可能とするＬＥＤモジュールの実現を可能とした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３２４５２３
【特許文献２】再表２０１２／０４６６４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】  フリップチップ実装用のフェイスダウン構造を持つＬＥＤ素子をメタルコア基板上に実装したＬＥＤモジュールであり、高出力、高輝度でも、照明品質の信頼性と長期耐久性を持たらし、ＬＥＤ素子を高密度に実装でき、高光束を可能とする、ＬＥＤモジュールの構造とモジュールの製造方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  アルミまたは銅またはステンレスなどの熱伝導率が良く、加工性がある金属基板上に絶縁フィルムなどで絶縁膜を形成し、絶縁膜上に回路（パターン電極）が描かれたメタルコア基板を必須とする、ＬＥＤモジュールの製造方法である。
パターン電極を形成する銅の表面に、直接金粒子を焼結させても、十分な接着力は得られない。強固な密着力を期待するには、回路の電極接合部分は、金の表面になるよう改質しておくことが必須である。この場合０．１ミクロン以下では十分な接着力は得られず、０．１ミクロン以上であれば、接着力を確保できるが１ミクロン以上となるとモジュールコストに影響するようになる。
したがって、ＬＥＤ素子搭載電極部分またはパターン電極全体に金メッキまたは金蒸着で０．１−１ミクロンの金の薄膜層を形成する工程を有するＬＥＤモジュールの製造方法である。【００１８】  ＬＥＤ素子の表面にある微細なＰ極、Ｎ極の電極に合わせた、パターン電極上に焼結接着層を形成させるには、金を粒子化してペースト状にして、そのペーストをピン転写によりパターン電極上の、ＬＥＤ素子の表面にあるＰ極、Ｎ極の電極位置に合わせた接着層として形成させることが好適である。
すなわち、金の薄膜を形成したパターン電極上に、金粒子からなるペーストをピン転写でＬＥＤ素子の電極構造に合わせた接着層を形成し、ピン転写により電極回路表面に形成された金粒子ペーストにＬＥＤ素子の電極部分を圧着して、ＬＥＤ素子を密着させさせる工程からなる、ＬＥＤモジュールの製造方法であり、密着後１５０℃以上２５０℃以下で加熱して、金粒子を焼結固化させ接着させる工程からなるＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２１】  上記工程に用いられる金粒子のペーストは、焼結固化した後の接合層に電気伝導性と熱伝導性を阻害する残留物があってはならない。そのため金粒子ペーストは焼結固化過程で揮発する成分と金粒子のみの成分で構成されることが必須である。
焼結固化過程で揮発する成分とは、沸点を持つ溶剤であり、溶剤の沸点が高すぎると焼結固化過程後にも、接着層に残留物として残り、電気伝導性と熱伝導性を阻害するだけでなく密着力をも阻害する。
また、沸点が低すぎると、ピン転写の接着層形成工程で揮発するため、微細な接着層の形成が困難となるばかりか、加温過程で突沸することがあり、微細な加工を難しくする。
したがって、金粒子ペーストは、金粒子と、揮発性を持つ溶剤成分だけからなり、揮発性成分は沸点が２２０℃以下１２０℃以上である一種類または複数種類混合された溶剤からなる組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２２】  金ペーストの焼結固化温度は、ＬＥＤ素子の結晶構造の劣化を考慮すると、３００℃以下、好ましくは２５０℃以下で焼結することが好ましい。一方、金粒子の焼結温度は、粒径に依存するため、粒径が小さくなると、常温でも焼結が始まり、金粒子ペーストとしての貯蔵安定性が損なわれる。
また、粒径が大きくなると焼結温度が高くなると同時に、ペーストの流動性が悪くなり、ピン転写による、微細な接着層形成を困難にする。
したがって、上記金粒子含有ペーストに使用される金粒子は、粒径分布が０．０５μｍから０．５μｍである金粒子含有ペースト組成物であるＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２３】  金粒子ペーストは、ピン転写に最適な作業性を有しなければならない。
最適な作業性とは、金粒子ペーストの組成として、溶剤中に金粒子が細密充填した付近に存在すると考えられる。
例えば、溶剤量が少ないと接着層内にボイドが存在し、突沸の原因になったり、溶剤量が多くなるとピン転写後に流動性を持ち、ＬＥＤ素子の圧着後に電極に合った精密で安定した転写層の確保が難しくなるなど、いわゆる転写の作業性を悪化させる。
これらの、ピン転写における好適な作業性は、金粒子含有ペーストの持つ粘度によって規定することができる。
すなわち、上記金粒子含有ペースト組成物は、粘度が４０〜７０Ｐａ・ｓの範囲内にあることを特長とするＬＥＤモジュールの製造方法である。【００２４】  実際のＬＥＤモジュールの作成では、メタルコア基板上にＬＥＤ素子を複数個並べてつないでもよく、そののち、蛍光体を含む封止材料で封止してする工程を経て実際に供せられる。（図−５）
上記工程により形成されたＬＥＤモジュールのＬＥＤ素子単位の実装構造を図−３に示す。【００２５】  本構造を持つＬＥＤモジュールは、ジャンクション部分に金の持つ、素材の中で最高レベルの電気伝導性、熱伝導性を最大限活かすことができ、ジャンクション部分の発熱も抑えられる精密で強固な接着層を形成できる。
しかも、金粒子の焼結による接着であるため、接着後には接着層の融点が、金自身の融点（１０００℃）に近くなるため、耐熱性の良い、温度変化に影響されない安定した接着層を形成できる。
その結果、メタルコア基板を利用したＬＥＤモジュールが可能となり、熱抵抗の小さい、放熱性の優れたＬＥＤ照明器具の設計を可能とする。
したがって、高出力、高輝度でも、照明品質の信頼性と長期耐久性を確保でき、ＬＥＤ素子を高密度に実装可能でもある、ＬＥＤ照明用ＬＥＤモジュールを供することになる。
【発明の効果】
【００２６】上記構造と製造方法で作成したメタルコア基板ＬＥＤモジュールは、ＬＥＤ素子と電極回路との間に熱ストレスを与える長期耐久性試験で、極めて良好である結果を得た。
【発明を実施するための形態】
【００２７】  以下に、本発明について、実施例および比較例をあげ、効果について詳しく説明する。本発明はこれら実施例のみに限定するものではない。
【００２８】ＬＥＤ素子実装用メタルコア基板の作成
ＬＥＤ素子の実装実験に供される基板は、図−４に示すように、絶縁フィルムにより絶縁膜を形成したアルミ基板上に、８個のＬＥＤ素子を実装できるように、８か所のＬＥＤ素子の電極構造に合わせた部分を持ち、それぞれのＬＥＤ素子が直列につながれた電極回路が形成されたものである。
実施例、比較例ともに、本構造を持つ基板を使ってモジュール化する。
【００２９】実施例
上記実装用メタルコア基板のパターン電極のＬＥＤ素子実装部分に無電解めっきにより、０．２ミクロンの金薄膜層を形成した。
深さ２０ミクロン、幅０．５ｃｍの溝が形成されているペーストテーブルの溝に、ピン転写用に組成調整した金粒子ペースト（田中貴金属製  ＡｕｒｏＦＵＳＥ）の塗布シートをスキージにより作成する。
作成された塗布シートに、ＬＥＤ素子の電極と同じ面積と形状のヘッドを持つ転写ピンで金粒子ペーストを転写ピンのヘッドに転写させ、それを電極パターン上のＬＥＤ電極該当位置に転写し、金粒子ペーストバンプを形成した。
この金粒子ペーストバンプにＬＥＤ素子の電極を合わせ圧着させ、乾燥炉に入れ、２００℃で３０分加熱した。
その後、８個のＬＥＤ素子全体に蛍光体を含む封止樹脂で封止してＬＥＤモジュールとした。
【００３０】比較例１
実装用メタルコア基板に、接着層としてＬＥＤ素子の電極部位に金／すず合金が形成されているＬＥＤ素子８個を、パターン電極の表面をＬＥＤ素子メーカーの推奨するフラックス処理を施したのち、ＬＥＤ素子メーカーの推奨する温度と時間で実装した。
その後、８個のＬＥＤ素子全体に蛍光体を含む封止樹脂で封止してＬＥＤモジュールとした。
比較例２
実装用メタルコア基板に、接着層としてＬＥＤ素子の電極部位にすず／銀／銅合金が形成されているＬＥＤ素子８個を、パターン電極の表面をＬＥＤ素子メーカーの推奨するフラックス処理を施したのち、ＬＥＤ素子メーカーの推奨する温度と時間で実装した。
その後、８個のＬＥＤ素子全体に蛍光体を含む封止樹脂で封止してＬＥＤモジュールとした。
【００３１】評価
８個のＬＥＤ素子が搭載されたメタルコア基板ＬＥＤモジュールについて、一定の負荷電力を一定時間与え、発熱させたのち、オフにして室温レベルに低下させるという、接着層の発熱・冷却をくりかえす、ＬＥＤ素子と電極回路との間に熱ストレスを与える試験を実施し、サイクル数とＬＥＤ素子の点灯状況を確認した。
今評価では、負荷電力は２４ボルト、３５０ｍＡ、負荷時間は１５分、発熱・冷却のサイクルはそれぞれ１５分とした。
【発明の効果】
【００３２】
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【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図−１】ワイヤーボンディングによりセラミック基板へダイレクト実装したＬＥＤ素子の実装構造
【図−２】電極と接着層が同一面であるフリップチップ実装によるＬＥＤ素子の実装構造
【図−３】金粒子を用いたフリップチップ実装によるＬＥＤ素子の実装構造
【図−４】実際の評価に供される、８個のＬＥＤ素子を搭載するＬＥＤモジュールの電極回路とモジュール基板の構造
【図−５】実際の評価に供したＬＥＤモジュールの構造