(57)【要約】 【課題】基体と素子載置体との接合強度が高く、かつ発光にともなう熱の放熱効率が高い発光素子載置用構造体を提供する。【解決手段】Ｓｉを含むセラミックスからなる基体と、前記基体の一方主面に配置された、発光素子を載置するための平面部、および前記平面部から突出した突状部、を有する素子載置体と、を備え、前記素子載置体は、Ｓｉを含むセラミックスからなり、前記基体と前記素子載置体とが、前記基体および前記素子載置体の少なくともいずれか一方よりもＳｉ含有率が高く、前記基体の主成分元素と同一の元素を主成分とする接合層を介して接合されていることを特徴とする、発光素子載置用構造体を提供する。 【選択図】  図１
2011138840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを含むセラミックスからなる基体と、
前記基体の一方主面に配置された、発光素子を載置するための平面部、および前記平面部の周囲に配された突状部、を有する素子載置体と、を備え、
前記素子載置体は、Ｓｉを含むセラミックスからなり、
前記基体と前記素子載置体とが、前記基体および前記素子載置体の少なくともいずれか一方よりもＳｉ含有率が高く、前記基体の主成分元素と同一の元素を主成分とする接合層を介して接合されていることを特徴とする、発光素子載置用構造体。
【請求項２】
前記基体および前記素子載置体が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の発光素子載置用構造体。
【請求項３】
前記素子載置体表面に、前記発光素子と電気的に接続するための導電体層が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子載置用構造体。
【請求項４】
前記基体の前記一方主面に、前記素子載置体表面の前記導電体層と電気的に接続するための導体配線が設けられていることを特徴とする請求項３記載の発光素子載置用構造体。
【請求項５】
前記素子載置体は、少なくとも前記平面部の表面に凸部を備え、
前記導電体層が、前記平面部の表面から前記凸部の側面にかけて被着されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子載置用構造体。
【請求項６】
前記凸部の前記側面は傾斜しており、前記平面部の表面とのなす角が鈍角であることを特徴とする請求項５記載の発光素子載置用構造体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子載置用構造体と、
前記基体の他方主面の周縁部と接合する上面、および前記基体の前記他方主面と対向する内側主面を備える筐体と、
前記基体および前記筐体に囲まれた内部に封入された冷媒と、
前記内部に収容され、前記冷媒が内部を通過する多孔質セラミック体と、
を備えることを特徴とする発光素子冷却機構。
【請求項８】
前記多孔質セラミック体は、前記基体の他方主面と接合していることを特徴とする請求項７記載の発光素子冷却機構。
【請求項９】
前記多孔質セラミック体は、平面視において前記素子載置体の前記平面部と対応する領域に設けられていることを特徴とする請求項８記載の発光素子冷却機構。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子載置用構造体と、
前記素子載置体表面に設けられた、前記発光素子と電気的に接続するための導電体層と、
前記素子載置体の前記平面部に載置された、前記導電体層と電気的に接続された発光素子と、を備えてなることを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子載置用構造体、発光素子冷却機構、および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＬＥＤ等の発光素子を収納する発光素子収納用パッケージには、発光素子からの発光を効率的に集光・照射するための集光機能に加え、発光素子から発せられる大量の熱を放出するための放熱機能が求められている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、いわゆるグリーンシート積層法によって形成した導体配線付きセラミック基板を、発光素子載置体として用いるとともに、例えばアルミニウムからなる金属フィンを備える放熱体に、この発光素子載置体を接合した構成の発光素子収納用パッケージの例が記載されている。
【０００４】
下記特許文献１には、積層セラミック基板と金属からなる放熱体とを、例えば半田からなる接合層を介して接合した形態や、カシメピン等を用いて積層セラミック基板と放熱体とを係合させる形態が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８９８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、例えば半田等の接合部材を用い、セラミック積層体と放熱体とを接合した場合、セラミック積層体と接合部材と放熱体との熱膨張係数の違いに起因した疲労劣化によって、接合強度が比較的早く低減してしまうという課題があった。
【０００７】
また、カシメピン等を用いて係合させた場合、セラミック積層体表面と、放熱体表面との密着度が比較的低いので、セラミック積層体から放熱体への熱伝導が比較的小さく、放熱効率が低いという課題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明は、Ｓｉを含むセラミックスからなる基体と、前記基体の一方主面に配置された、発光素子を載置するための平面部、および前記平面部の周囲に配された突状部、を有する素子載置体と、を備え、前記素子載置体は、Ｓｉを含むセラミックスからなり、前記基体と前記素子載置体とが、前記基体および前記素子載置体の少なくともいずれか一方よりもＳｉ含有率が高く、前記基体の主成分元素と同一の元素を主成分とする接合層を介して接合されていることを特徴とする、発光素子載置用構造体を提供する。
【００１０】
また、上記発光素子載置用構造体と、前記基体の他方主面の周縁部と接合する上面、および前記基体の前記他方主面と対向する内側主面を備える筐体と、前記基体および前記筐体に囲まれた内部に封入された冷媒と、前記内部に収容され、前記冷媒が内部を通過する多孔質セラミック体と、を備えることを特徴とする発光素子冷却機構を、新たに提供する。
【００１１】
また、上述の発光素子載置用構造体と、前記素子載置体表面に設けられた、前記発光素子と電気的に接続するための導電体層と、前記素子載置体の前記平面部に載置された、前記導電体層と電気的に接続された発光素子と、を備えてなることを特徴とする発光装置も、併せて提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発光素子載置用構造体、発光素子冷却機構、および発光装置は、基体と素子載置体との接合強度が高く、かつ、素子載置体から基体への熱伝導効率が高いので、発光にともなう熱の放熱効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の発光装置の一実施形態である発光装置について説明する図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図を、それぞれ示している。
【図２】図１に示す発光装置における、素子載置体と基体との接合部近傍を拡大して示す概略断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ基体及び素子載置体がいずれもアルミナ質セラミックスからなる場合の、図１に示すＡ、Ｂ、Ｃ点に相当する位置の組成分析の結果の模式図である。
【図４】(ａ)および（ｂ）は、基体と素子載置体の接合状態について説明する概略断面図であり、(ａ)は基体と素子載置体とが当接した状態、（ｂ）は基体と素子載置体とが接合した状態を示している。
【図５】素子載置体について説明する概略説明図であり、（ａ）は素子載置体の概略斜視図、（ｂ）は素子載置体から導体層を削除した状態に対応する概略斜視図である。
【図６】素子載置体に発光素子が載置された状態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線における概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線における概略断面図、（ｄ）は、（ｂ）に示す破線部を拡大して示す図である。
【図７】配線付冷却体について説明する図であり、（ａ）は配線付冷却体の概略斜視図、（ｂ）は概略平面図、（ｃ）は概略断面図を、それぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の発光装置の一実施形態である発光装置５０について説明する図であり、図１（ａ）は概略斜視図、図１（ｂ）は概略断面図を、それぞれ示している。発光装置５０は、本発明の発光素子冷却機構の一実施形態である配線付冷却体３０と、配線付冷却体３０に載置された例えばＬＥＤからなる発光素子５２と、を備えて構成されている。
【００１５】
配線付冷却体３０は、基板３２と、基体３２の一方主面に配置された素子載置体３４と、筐体３６と、基体３２と筐体３６とで囲まれた内部に収容された多孔質セラミック体３８と、基体３２と筐体３６とで囲まれた内部に封入された冷媒３９と、基体３２の表面に設けられた配線パターン４２と、配線パターン４２と素子載置体３４表面の導体層４６とを電気的に接続するワイヤ４４と、を備えて構成されている。
【００１６】
素子載置体３４は、表面に導体層４６が設けられており。発光素子５２は、この導体層４６と電気的に接続されており、導体層４６から供給された電力に応じて発光するよう構成されている。導体層４６は、基体３２の表面の配線パターン４２とも電気的に接続されており、配線パターン３２を介して導体層４６に電力が供給されるに。
【００１７】
本実施形態の素子載置体３４は、可視光領域を比較的良好に反射する、例えばアルミナを主成分として構成されており、ＬＥＤ発光素子５２からの発光は、図１(ａ)の上側方向に向けて比較的良好に反射される。発光装置５０では、基体３２および素子載置体３４がいずれも、Ｓｉを含む、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とするセラミックスからなる。基体３２と素子載置体３４とは、基体３２および素子載置体３４よりもＳｉ含有率が高く、基体３２の主成分元素と同一の元素（すなわち、Ａｌ、およびＯ）を主成分とする接合層５５を介して、比較的強固に接合されている。また、発光素子５２は、発光にともなって比較的大きな熱が発生するが、本実施形態では、基体３２と素子載置体３４とが、いずれの主成分とも同一の成分からなる接合層５５を介して、高い密着度で接合されている。このため、素子載置体３４から基体３２への熱伝導効率も高く、発光素子５２にともなう発熱は、効率的に基体３２の側へ放熱される。また、基体３２と素子載置体３４と接合層５５との熱膨張係数の違いも小さく、また接合強度も高く、発光素子の発熱にともなう接合層５５の接合強度の劣化が抑制されている。
【００１８】
また、図１に示す発光装置５０では、発光素子５２が実装された冷却体（の蓋体１２ｂ）が、冷却体の内部に封入された冷媒によって直接冷却される。発光装置５０は、発光素子５２の温度を比較的低く抑えた状態で、発光素子５２からの発光を、図６中の上側方向に向けて高い効率で照射させることができる。発光装置５０は、長期にわたって高い安定性をもって、入力電力に対して比較的高い光量の光を照射することができる。
【００１９】
図２は、発光装置５０における、素子載置体３４と基体３２との接合部近傍を拡大して示す概略断面図である。本実施形態では、Ｓｉ成分を含むアルミナセラミックスからなる基体３２に、基体３２に含まれるＳｉ化合物と同じ元素を含むＳｉ化合物を主成分とする接合層５５を介して、素子載置体３４が接合されている。
【００２０】
接合層５５は、基体３２および素子載置体３４に含まれるＳｉ成分が素子載置体３４との接合面側に溶出して形成されたものである。Ｓｉ化合物を主成分とする。かかる接合層５５で接合された構造体は、接合層として別の材質からなる接着剤を準備することなく、密着性の高い接合を実現することができる。また、基体３２から溶出したＳｉ化合物成分を主成分とする接合層５５を介して接合するので、接合部が非常に薄く均一な高寸法精度の構造体を得ることができる。また、ガラス成分等のＳｉ成分は粘性が比較的高いので、例えば構造体に応力がかかった場合、セラミック粒子間に存在するこのＳｉ成分により、応力が緩和される。
【００２１】
ここで、基体３２は、多結晶セラミックスおよび単結晶から選択され、多結晶セラミックスとしては、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、コージライト、ジルコニアなどを主成分とするセラミックスがあげられる。特に多結晶セラミックスの主成分が酸化物であると、接合層５５による接合強度を比較的高くすることができる。
【００２２】
また、主成分が非酸化物である場合、接合する前に極表面を酸化させた基体３２を用いると接合強度を高めることができる。さらに、基体３２が単結晶である場合は、サファイア、水晶、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、珪酸ビスマス（Ｂｉ１４Ｓｉ３Ｏ１２）、エメラルド（Ｂｅ３Ａｌ２Ｓｉ６Ｏ１８）などが挙げられる。基体３２中に含まれるＳｉ成分の濃度としては、０．０１重量％以上であることが好ましい。
【００２３】
また、基体３２が多結晶セラミックスの場合、Ｓｉ成分は多結晶セラミックス中の粒界層に介在することが望ましい。粒界層に介在していることより、接合時の熱処理にＳｉ成分が基体３２と素子載置体３４の接合界面に溶出しやすく、より接合強度の高い接合層５５として作用することができる。また、そのＳｉ成分は、酸化物、炭化物、硼化物、窒化物のいずれかもしくはそれらの複合物であり、基体３２には、Ｓｉ成分が少なくとも一種以上を含まれることが好ましく、さらにガラス質であることが望ましい。
【００２４】
なお、Ｓｉ成分以外の成分としては特に限定されないが、Ｓｉ成分がガラス質である場合、その融点を下げる元素およびその化合物であることが好ましい。ガラス質の融点を下げることにより、接合時の熱処理温度を低く設定することができ、その結果、基体３２および素子載置体３４への残留応力を緩和することができる。また、Ｓｉ成分の粘性を下げる元素及びその化合物であることも好ましい。Ｓｉ成分の粘性が下がることにより、熱処理時に基体３２と素子載置体３４との接合界面にＳｉ成分が溶出し易くなり、接合層５５の形成を容易にするとともに、熱処理時間を短縮することができる。したがって、Ｓｉ成分以外の成分としては、マグネシウム化合物、カルシウム化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物、硼素化合物、鉛化合物およびこれらの化合物などがあげられる。
【００２５】
素子載置体３４は、多結晶セラミックス、単結晶および金属から選択された材質を主成分とする。素子載置体３４にはＳｉ成分が必ずしも含まれる必要はないが、接合強度を高める目的で素子載置体３４もＳｉ成分を含むセラミックスからなることが好ましい。これは、接合層５５側に基体３２、素子載置体３４の両者からＳｉ成分が溶出し、Ｓｉ化合物が接合面に十分な量で介在することとなるため、接合強度をより高くできる。ここで、基体３２及び素子載置体３４は、緻密質もしくは多孔質であってもよいが緻密質であることが好ましく、また板状、ブロック状などの形状は何でもよい。
【００２６】
また、基体３２と素子載置体３４との間のＳｉ成分は、基体３２および素子載置体３４の双方に対して、含有割合がより高いことが好ましい。Ｓｉ成分が高い場合、接合部に発生した応力を緩和する効果がより高く、発光装置としての信頼性はより高くなる傾向にある。
【００２７】
図２に示す波線は、基体３２および素子載置体３４中のＳｉ濃度の分布を示しており、基体３２中のＳｉ濃度の少ない部分をα、素子載置体３４中のＳｉ濃度の少ない部分をβとして示す。本発明の複合セラミック体１０は、基体３２と素子載置体３４および接合層５５を積層した構造であるが、Ｓｉ濃度が接合面に向かって減少することにより、見かけ上、基体３２と接合層５５および素子載置体３４と接合層５５との間にさらに別の層（α、β）が形成されており、このα、β層が応力緩和層として作用し、複合セラミック体１０の接合強度を向上させるとともに、割れやクラックの抑制に作用していると考えられる。本実施形態では、基体３２または素子載置体３４のＳｉ濃度が接合面に向かって減少していることが好ましい。
【００２８】
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ基体３２及び素子載置体３４がいずれもアルミナ質セラミックスからなる場合の図１に示すＡ、Ｂ、Ｃ点に相当する位置の組成分析の結果の模式図である。図４(ａ)（ｂ）は、基体３２と素子載置体３４の接合状態について説明する概略断面図であり、(ａ)は基体３２と素子載置体３４とが当接した状態、（ｂ）は基体３２と素子載置体３４とが接合した状態を示している。組成分析は、接合面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した後、ＥＤＳ分析により元素の定性分析を行った。図３から明らかなように、基体３２の内部であるＡ点に対して接合面近傍のＢ点のＳｉ濃度が減少していることがわかる。Ｓｉ濃度は接合面に向かって連続的に減少しているものであり、図２における波線は便宜上示したものである。Ｓｉ濃度が接合面に向かって減少するのは、基体３２および素子載置体３４のいずれか一方であっても構わない。
【００２９】
ここで、基体３２および素子載置体３４がアルミナセラミックスからなる場合を例にとってこの現象をより詳しく説明しておく。
【００３０】
図４（ａ）、（ｂ）において、５４はアルミナ粒子、５６は粒界ガラス層を示す。
【００３１】
基体３２および素子載置体３４は、接合前に接合面となる面に鏡面研磨加工を行う。鏡面研磨された基体３２、素子載置体３４の面は、主成分であるアルミナ粒子５４がむき出しに成っており、その周りをＳｉを主成分とする粒界ガラス層３６が取り囲んだ状態になっている。
【００３２】
この状態の面同士を向き合わせて図４（ａ）に示すように機械的に密着させる。このようにして、鏡面研磨した面同士を合わせて図４（ａ）に示すように機械的に密着させた状態とした後、高温で熱処理を行う。熱処理を行う前の機械的に密着させた状態では、接合面近傍に存在するＳｉの濃度は、基体３２及び素子載置体３４の内部と比較して低い。この状態で１０００℃〜１８００℃の高温で熱処理を行うと、アルミナセラミックスからなる、基体３２及び素子載置体３４のそれぞれの接合面近傍の粒界ガラス層３５の成分が、基体３２及び素子載置体３４の接合面に拡散移動し、図３（ｂ）に示すように接合層５５が形成される。この粒界ガラス層３６の主成分はＳｉであり、拡散は接合面近傍で顕著であるため、Ｓｉ成分が接合面側に移動するため、基体３２及び素子載置体３４の、接合面近傍のＳｉ濃度は内部に比較して接合層５５近傍で減少することになる。このようにして、接合層５５の近傍ではＳｉ濃度が減少すると同時に接合層５５が形成されるので、接合強度を高めることができるとともに、接合層５５６によって接合時の熱応力を緩和するので、接合部分に発生する割れ、クラックが抑制されている。
【００３３】
なお、基体３２及び素子載置体３４の間に位置する接合層５５は、その厚みが２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
これにより、基体３２と素子載置体３４の接合界面の層が実質的に観察されず、目視的には接合界面のない接合を得ることができる。なお、上述の通り接合層５５の厚み、接合界面は透過電子顕微鏡で観察することができ、その観察のための試料は通常の方法で作製することができる。本実施形態では、基体３２、素子載置体３４に含まれるＳｉ成分の溶出により接合されており、別に準備した接着剤を用いないことから、接合層５５は厚みが２００ｎｍ以下と非常に薄く均一となる。
【００３５】
なお、接合層５５は、Ｓｉ成分の他に酸素原子を含むことが好ましい。酸素原子を含むことによりＳｉ成分の粘性を低くすることができるとともに、接合強度を高めることができる。また、接合層５５の厚み精度を高めることができ、基体３２と素子載置体３４の平行度を良好なものにすることができる。
【００３６】
また、接合層５５の成分は溶融ガラスであるため、基体３２と素子載置体３４との隙間（原子レベルでの空間）を無くすことが可能となり、高いレベルの強度を保持している。従って、接合層５５の存在により、基体３２と素子載置体３４の接合部で、高い伝熱性能および高い耐熱性を有することができる。
【００３７】
次に、素子載置３４について、図面を参照して説明する。図５は素子載置体３４について説明する概略説明図であり、（ａ）は素子載置体３４の概略斜視図、（ｂ）は素子載置体３４の概略斜視図である。図６は、素子載置体３４に発光素子５２が載置された状態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線における概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線における概略断面図である。また、図６（ｄ）は、図６（ｂ）に示す破線部を拡大して示す図である。
【００３８】
素子載置体３４は、発光素子５４（図６参照）が載置されて用いられる。素子載置体３４は、表面に導体層４６と、電極体４９と、を有して構成されている。素子載置体３４は、発光素子５２が載置される平面部６４を備え、この平面部６４の周囲を囲むように、発光素子からの光を反射するための斜面６６を備える突部６８が設けられている。突部６８の頂面６９は、平面部６４に略平行とされている。
【００３９】
素子載置体３４では、凸状部６１が、平面部６４から斜面６６にかけて連続して設けられている。凸状部６１は頂部に近づくにつれて断面積が小さい略三角形状の断面を有しており、凸状部６１の側面６７と素子載置体３４の平面部６４とのなす角αは、９０°＜αとなっている。また、凸状部６１の側面６７と素子載置体３４の斜面６６とのなす角βについても、９０°＜βとなっている。
【００４０】
図に示すように、凸状部６１は、素子載置体３４の表面に環状に連続している。連続した凸状部６１によって囲まれた２つの凹部２１は、隣接配置された構成とされている。
【００４１】
素子載置体３４は、セラミックスを主成分として構成されている。ＬＥＤからなる発光素子５２を載置するための素子載置体３４では、セラミックスは例えばアルミナを主成分とすることが好ましい。アルミナは、発光素子５２からの発光に対して良好な反射性を有している。また、数ｍｍから１ｍｍ以下の微細な構造も、成型によって比較的容易に形成することができる。また、メタライズ技術を用い、比較的容易に表明に電極を形成することができる。これらの点でアルミナは、素子載置体３４を構成する材質として好ましく用いられるが、その他のセラミック材料や樹脂材料なども、用途に応じて用いることができ、素子載置体３４の材質は特に限定されない。
【００４２】
導電層４６は、平面部６４から斜面６６にかけて連続して設けられ、平面部６４から斜面６６にかけて外側方向に引き出されている。導電層４６は、上記凹部２１の内部を満たすように設けられており、図６（ｂ）および（ｃ）に示すように、素子載置体３４の平面部６４から凸状部６１の側面６７にかけて被着されている。導電層４６は、例えばメタライズ層上にメッキ層が積層された、公知の多層金属膜構造で構成されている。導電層４６は、例えば、Ｍｏ−Ｍｎメタライズ層上に、Ｎｉメッキ層およびＡｕメッキ層が積層されて構成されている。なお、本実施形態では、凸状部６１の高さに対し、導電層４６の高さが低く設定されている。逆をいえば、導電層４６が凸状部６１から溢れ出さない高さに、凸状部６１の高さが設定されている。なお、導電層４６は、凸状部６１の高さに比べて高くてもよい。例えば、表面張力によって凸状部６１から盛り上がった形状に、導電層４６が形成されていてもよい。
【００４３】
電極体４９は、突部６８の頂面６９に形成されており、一部が凸状部６１を乗り越える形で導電層４６と接続している。
【００４４】
平面部６４から斜面６６にかけて導電層４６を形成する際、例えばメタライズ工程を用いると、平面部６４と斜面６６との境界の角部近傍において、断線等の不良が発生し易い。また、平面部６４の周囲を囲むように突部６８が設けられており、電極形成用の治具等の動きは制限される。例えば凸状部６１がない状態では、素子載置体３４のサイズが小さいほど、断線による不良や、電極形状不良による性能バラツキおよび短絡などが生じやすい。
【００４５】
素子載置体３４、凸状部６１の側面６７によって、導電層４６の電極幅（図１（ｃ）における横方向長さ）や位置および形状が規定される。これにより、導電層４６の形状および位置精度は、比較的高くされている。例えば電極幅が１ｍｍ以下と微細な電極であっても、位置および形状が高精度に規定される。
【００４６】
発光素子５２は公知の発光ダイオード素子であり、図６に示すように、素子載置体３４の平面部６４上に、導電層４６を介して配置されている。本実施形態では、発光素子５２が、それぞれ電気的に独立した２箇所の導電層４６と、フリップチップ接続されている。発光素子５２には、導電層４６を介して電力が供給されており、供給された電極に応じて発光素子５２が発光する。
【００４７】
電極体４９は、例えばワイヤ４４等を介して、基体３２表面の配線パターン４２と接続され、この外部電源を介して供給される電力によって、発光素子５２が発光する。本実施形態では、ワイヤ９と発光素子５２とを離間させることができるので、ボンディング処理などの配線工程における、発光素子５２の損傷等を抑制することができる。
【００４８】
発光素子５２は、発光にともなって発熱し、発光素子５２の配置領域近傍では、導電層４６および素子載置体３４が発熱に応じて熱膨張する。例えばセラミックスからなる素子載置体３４と、例えば多層金属層からなる導電層４６とでは熱膨張係数が異なり、発光にともなう上記熱膨張の程度が異なる。発光体２０では、平面部６４のみでなく、素子載置体３４の凸状部６１の斜面６６にも、導電層４６が被着されており、素子載置体３４と導電層４６との被着強度が強い。また、素子載置体３４に比べて導電層４６がより大きく膨張・収縮した場合も、この凸状部６１によって導電層４６の幅方向の膨張は抑制されており、幅方向に沿った応力が抑制される。また、発光体２０では、凸状部６１は頂部に近づくにつれて断面積が小さい略三角形状の断面を有し、機械強度が比較的強い。このため、ＬＥＤ素子２の発光・消光にともなう熱応力がかかっても、この凸状部６１に亀裂や割れ等が比較的生じ難い。また、側面６７と斜面６６とのなす角αは、鈍角すなわち９０°＜αとなっており、導電層４６は平面部６４に垂直な方向へは膨張・収縮し易くなっている。発光体２０では、素子載置体３４と導電層４６との接合面における歪が抑制されるとともに、平面部６４に垂直な方向に応力が分散される。
【００４９】
発光体２０は、導電層４６が所定形状および所定位置に高精度に形成されるとともに、発光にともなう、導電層４６の剥離等の故障が発生し難い。発光体２０は、電気的性能および発光効率が比較的高く、動作信頼性も比較的高い。
【００５０】
図７は、配線付冷却体３０について説明する図である。図７では配線付冷却体３０から配線パターン４２、ワイヤ４４、導体層４６、発光素子５２、を除いた状態を示している。図７（ａ）は概略斜視図、図１（ｂ）は概略平面図、図１（ｃ）は概略断面図を、それぞれ示している。
【００５１】
配線付冷却体３０は、基体３２と筐体３６と、内部空間に封入された多孔質セラミック体３８と、を備えて構成されている。基体３２と筐体３６との内部空間には、例えば水（Ｈ２Ｏ）や有機溶媒を主成分とした冷媒３９が封入されている。
【００５２】
基体３２には、貫通孔７８が設けられており、この貫通孔７８は封止部材７９によって閉塞されている。筐体３６および基体３２はいずれも、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする緻密質セラミックスを主成分としている。ここで、緻密質セラミックスとは、平均気孔径が例えば３．０ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以下のセラミックスのことをいう。なお、平均気孔径は、例えば測定対象部材の任意の断面の、電子顕微鏡または光学顕微鏡による観察像から求められる。例えば平均気孔径は、測定対象部材の任意の断面を、倍率２０〜１００倍で観察し、この観察像の０．５〜３０ｍｍ２の測定面積の範囲に存在する気孔の最長径の値の平均値のことをいう。各値は、観察像を肉眼で確認して求めてもよく、また撮影した観察像を画像処理して求めてもよい。
【００５３】
また、多孔質セラミック体３８は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やアランダムを主成分とする多孔質セラミックスを主成分としている。多孔質セラミック体３８は、冷却体の対向する２つの内側主面に接合した第１多孔質セラミック体３８ａと、対向する主面間に設けられた第２多孔質セラミック体３８ｂと、を備えて構成されている。第１多孔質セラミック体３８ａの平均気孔径は、第２多孔質セラミック体３８ｂの平均気孔径に比べて、より大きくされている。
【００５４】
このため、第１多孔質セラミック体３８ａでは、冷却体の内部空間に封入された冷媒は、第２多孔質セラミック体３８ｂに比べて短時間のうちに、比較的広い領域に渡ってスムーズに分散される。また、第２多孔質セラミック体３８ｂでは、第１多孔質セラミック体３８ａに比べて毛細管力が比較的強い。このため、冷却体の内部空間に封入された冷媒が、冷却体の内部を、図１（ｃ）の上下方向に良好に分散される。例えば、冷却体の配置方向に関わらず、重力に逆らう方向にも、冷媒が良好に分散される。また、一方の内側主面から他方の内側主面にわたって立設した第２多孔質セラミック体３８ｂが設けられているので、配線付冷却体３０は、例えば主面に略垂直な方向にかかる外力に対する変形等が少なく、耐久性も比較的高い。
【００５５】
ここで多孔質セラミックスとは、セラミックス粒子に、例えばガラス成分等が混在したものも含む。例えば多孔質セラミックスとしては、例えばアランダム粗粒からなる第１粒子と、これら第１粒子同士を結合するガラス成分と、を主成分として構成されていてもよい。なお、アランダム粒子とは、アルミナを主成分とし、例えば酸化チタンおよび酸化鉄を含有した粒子である。アランダム粒子は加熱することで粒成長し、加熱条件を調整することで加熱後の粒径を制御することができる。
【００５６】
また多孔質セラミック体３８は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分として構成してもよい。アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の気孔率や気孔径は、焼成温度を低くするにしたがって、大きくなる。冷却体、第１多孔質セラミック体３８ａ、第２多孔質セラミック体３８ｂ、をいずれもアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）によって構成した場合でも、各部材を作製する際の焼成温度を相違させ、各部材の気孔率を相違させることができる。
【００５７】
例えば、多孔質セラミック体３８を、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分として構成する場合、アルミナの焼成温度を調整することで、多孔質体の気孔径や気孔率を制御することもできる。例えば、１１００℃で焼成した多孔質体を第１多孔質セラミック体３８ａとして用い、１２００℃で焼成した多孔質体を第２多孔質セラミック体３８ｂとして用いれば良い。
【００５８】
また、多孔質セラミック体は、粒径の大きなセラミック粒子と粒径の小さなセラミック粒子を混合し、焼結させた構造としてもよい。典型的には、粒径の大きなセラミック粒子の平均粒径は、０．２〜２．０ｍｍであり、粒径の小さなセラミック粒子の平均粒径は０．１ｍｍ以下である。多孔質セラミックス中に存在する、粒径の大きなセラミック粒子の割合は４０〜８０体積％であることが好ましい。セラミックス粒子の材質はアルミナが好ましい。アルミナは、高温の水などの溶媒に対する耐食性に優れているためである。粒径の異なるセラミックス粒子が混合された構造を選択することにより、平均気孔径を所定の範囲に設定することができる。例えば、多孔質セラミック体の平均気孔径を、０．０５〜１ｍｍの範囲に比較的容易に設定することができる。なお、多孔質セラミックス体には、ガラス成分を例えば５〜２５質量％含有させることが好ましい。ガラス成分は、セラミック粒子同士を強固に接合する作用があるため、比較的高い強度を有する多孔質セラミック体が得られる。
【００５９】
図７に示す配線付冷却体３０では、複数の第２多孔質セラミック体３８ｂが、分散して配置されている。本実施形態の配線付冷却体３０では、第２多孔質セラミック体３８ｂに挟まれた流動路９１が、平面視において、中央部から周辺に向けて放射状に伸びるように形成されている。蒸発した気相の溶媒の一部は、この流動部９１も通過して、冷却体の周辺部に速やかに到達して冷却・凝集される。
【００６０】
配線付冷却体３０では、第１多孔質セラミック体３８ａの毛細管力によって、液相の冷媒が面方向に分散されて保持されている。また、第２多孔質セラミック体３８ｂが、一方の内側主面から他方の内側主面に連なっており、冷却器の配置姿勢に関わらず、毛細管力が比較的強い第２多孔質セラミック体３８ｂを介して、双方の内側主面の第１多孔質セラミック体３８ａに冷媒が分散されている。
【００６１】
発光素子５２は、図７（ｂ）（ｃ）に表されているように、第２多孔質セラミック体３８ｂの配置領域に対応して設けられている。このため、発光素子５２の発光にともなう発熱が、効率良く冷却される。
【００６２】
なお、  配線付冷却体３０における第２多孔質セラミック体３８ｂの形状や配置については、図１（ａ）に示す形態に限定されず、所望の特性に応じて種々の形状・配置に設定すればよい。また、所望の特性に応じて、第１多孔質セラミック体３８ａおよび第２多孔質セラミック体３８ｂの気孔径や気孔率を、部分的に変化させてもよい。
【００６３】
以下、発光素子５２が発熱した状態における、配線付冷却体３０の機能について説明する。発光素子５２が発熱した場合、発光素子５２の発光にともなう発熱は、素子載置体３４から接合層５５を介してスムーズに基体３２に伝熱する。基体３２に伝わった熱は、内側主面に接合されている第１多孔質セラミック体３８ａの中心部近傍（破線領域内およびその近傍）を中心に、熱が伝達する。第１多孔質セラミック体３８ａの中心部近傍に保持されている冷媒が、この熱によって気化し、冷却体に伝達された熱は気化熱として奪われる。気化した気相状態の冷媒は、主に流動路９１を通過し、中心部近傍から周辺部へと移動（流動）する。この際、気相状態の冷媒の一部は、第１多孔質セラミック体３８ａや第２分散部１２ｂ内も通過する。冷却体の周辺部では、気相状態の冷媒が凝集して液相に戻り、第１多孔質セラミック体３８ａ内を移動して、中心部近傍へと還流する。
【００６４】
配線付冷却体３０では、冷却体および内部の多孔質セラミック体３８が、いずれもセラミックスを主成分として構成されている。このため、封入される冷媒等によって生じる、冷却体や多孔質セラミック体３８の腐食がほとんどない。また、冷却体もセラミックスで構成されており、冷却体の絶縁性を非常に高くすることができる。このため、半導体集積回路や発光素子等を、冷却体の表面に直接接触させて、効率良く冷却することができる。
【００６５】
以下、発光装置５０の製造方法の一例について説明しておく。
【００６６】
（１）素子載置体３４の作製
まず、素子載置体３４を作製する。最初に、アルミナ粉末と、焼結助剤粉末とを混合し、水を添加して湿式粉砕する。粉砕後、有機結合材としてポリビニルアルコールなどを添加、混合することによりスラリーを作製する。スラリーを噴霧乾燥し、顆粒を作製する。金型を用いて顆粒を加圧成形し、生成形体をする。この金型の形状は、焼成後に基体の形状が得られるように設計されている。例えば金型には、焼成後に凸状部となるように凹部が形成されている。生成形体を１５００〜１７００℃で焼成して、アルミナを主成分とする素子載置体３４を作製する。その後、必要に応じて、バリを除去するために基体表面をバレル研磨し、さらに洗浄、乾燥しても良い。凸状部の高さは、例えば０．０２〜０．４ｍｍであり、好ましくは０．０５〜０．２ｍｍである。凸状部の幅は、例えば０．０５〜０．６ｍｍであり、好ましくは０．１〜０．４ｍｍである。
【００６７】
（２）基体３２、筐体３６の作製
冷却体の筐体３６および基体３２は、例えば以下のように作製することができる。まず、酸化アルミニウム粉末９６〜９９．９質量％と、酸化珪素、炭酸カルシウム、酸化マグネシウムの各粉末を含む焼結助剤粉末０．１〜４質量％とからなる原料粉末を混合し、ポリエチレングリコールなどの有機結合材をこの原料粉末１００質量部に対して３〜８質量部添加、混合し、水を添加してスラリーとする。このスラリーを噴霧乾燥機により噴霧乾燥し、得られた顆粒をゴム型に充填し、静水圧により加圧して成形体を作製する。得られた成形体を加工して、筐体３６および基体３２各々の形に近い形状に切削し、いわゆるニアネット成形体を作製する。このニアネット成形体を、焼成炉で１５００〜１７００℃で焼成し、焼結体を作製する。焼結体を加工して筐体３６および基体３２を作製する。
【００６８】
（３）第１および第２多孔質セラミック体の作製
また、第２多孔質セラミック体３８ｂを作製しておく。第２多孔質セラミック体３８ｂは、たとえば上記冷却体と同様の工程でニアネット成型体を構成し、このニアネット成型体を１５００℃未満の温度、好ましくは１０００℃程度の温度で焼成する。例えば、酸化アルミニウム粉末を主成分とするニアネット成型体を、比較的低い温度で焼成することで、比較的大きな気孔径を有するアルミナ焼結体を作製することができる。かかる工程により、ブロック状の複数の第２多孔質セラミック体３８ｂを作製しておく。
【００６９】
次に、第１多孔質セラミック体３８ａを形成すると同時に、第２多孔質セラミック体３８ｂを配置固定する。まず、筐体３６および蓋体１２ｂの内側主面の全体に、ガラスペーストを、スクリーン印刷、刷毛などを用いて厚み０．２ｍｍ程度に塗布する。ガラスペーストは、例えば、融点が６５０〜１０００℃の硼珪酸ガラスからなる粉末と、少量の有機結合材と、少量の有機溶剤とを混合、混練することで作製されたものを用いればよい。なお、貫通孔１８の部分には、ガラスペーストの塗布工程の後、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を充填し、熱硬化させておく。
【００７０】
次に、筐体３６および基体３２の内側主面全体に、第１多孔質セラミック体３８ａの原料を配置する。第１多孔質セラミック体３８ａの原料としては、以下のように作製したものを用いればよい。まず、アランダムを加熱して粒成長させた後、振動篩いを用いて、例えば粒径０．１〜３．０ｍｍ程度の範囲内のアランダムのみを選択的に回収する。回収したアランダム１００質量部に対して、上述のガラスペーストを例えば７〜２５質量％（有機結合材と有機溶剤を除く）添加・混合し、第１多孔質セラミック体３８ａの原料を作製する。なお、アランダムに代わって、略球状のガラスまたはセラミックであって、径が例えば０．５〜３．０ｍｍの範囲内のものを選別した原料を混合したものを、第１多孔質セラミック体３８ａの原料としてもよい。
【００７１】
（４）各部材の接合
素子載置体３４と、筐体３６、基体３２を接合する。まず、素子載置体３４、筐体３６、および蓋体１２ｂそれぞれの接合面を、例えば表面粗さＲａで０．０５μｍ以下となるような鏡面研磨加工を行う。鏡面研磨された面は、主成分であるアルミナ粒子がむき出しであり、その周りをＳｉを主成分とする粒界ガラス層５６が取り囲んだ状態になっている。この状態の面同士を向き合わせて、接合面同士を機械的に密着させた状態とした後、高温で熱処理を行う。この状態で１０００℃〜１８００℃の高温で熱処理を行うと、アルミナセラミックスからなる筐体３６および基体３２、のそれぞれの接合面近傍の粒界ガラス層の成分が、筐体３６および基体３２の接合面に拡散移動し、筐体３６と基体３２との接合部近傍に、溶出したＳｉ成分を含むＳｉ化合物を主成分とする接合層５５が形成され、この接合層５５によって接合時の熱応力が緩和され、筐体３６と基体３２との接合部近傍の、接合層５５近傍に発生する割れ、クラックは抑制される。
【００７２】
（５）導体配線の形成
次に、素子載置体３４に導電層４６を形成する。作製した素子載置体３４の凸状部６１で囲まれた凹部領域に、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末を含有するペーストを塗布する。このペースト塗布では、ペーストが、素子載置体３４の凸状部６１で囲まれた領域の範囲内に、高精度に規定されて配置される。この後、ペーストが配置された状態で、全体を還元雰囲気で加熱処理する。加熱により、素子載置体３４に被着された第１金属層が形成される。この後、第１金属層の上に、第２金属層であるメッキ層を形成する。メッキは、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキの順に行う。Ｎｉメッキの厚みは、例えば１〜１０μｍとし、Ａｕメッキの厚みは例えば０．１〜３μｍとされる。
【００７３】
この後、素子載置体３４に、電極体４９を形成する。また、この際同時に、基体３２の表面に配線パターン４２を形成する。平坦な頂面６９に配置される電極体４９、および基体３２に配置される配線パターン４２は、スクリーン印刷法など、公知の印刷配線技術を用いて作成すればよい。側面６７ａは、頂面６９から平面部６４の中央に近づくにつれて鉛直下側に近づくよう傾斜しており、スクリーン印刷等によって電極ペーストを塗布した場合も、この側面６７ａに沿って凸状部を乗り越える形で、電極ペーストが導電層４６と接続する。例えば、スクリーン印刷法を用いて、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末を含有するペーストを所定形状に塗布して還元雰囲気で加熱処理を行い、所定形状のメタライズ層を形成する。この際、ペーストは凸状部を乗り越えて、導電層４６と接続する。その後、このメタライズ層表面に、ＮｉメッキおよびＡｕメッキを順次積層して電極体４９を形成する。
【００７４】
例えば、予め配線パターンが施された発光素子載置体を用いた場合、１０００℃〜１８００℃の高温で熱処理を行うと、予め施されていた配線が溶融してしまう虞がある。本実施形態では、素子載置体３４と、筐体３６、基体３２を、高温に加熱して直接接合した後に、印刷によって、導電層４６および配線パターン４２を形成している。本実施形態の素子載置体３４は、凸状部６１の側面６７によって、導電層４６の電極幅（図１（ｃ）における横方向長さ）や位置および形状が規定される。これにより、印刷などの手法を用いた場合も、導電層４６の形状および位置精度は、比較的高くされている。
【００７５】
（６）冷媒の封入
次に、この冷却体の内部に、液相の冷媒を封入する。冷媒は、貫通孔７８を介して冷却体の内部に封入される。その後、貫通孔７８に、金属やその他無機物、有機物などが固着されて、封止部材７９によって封止された冷却体が構成される。例えば、貫通孔７８に金属部材を配置して、外部から圧力を加えてこの部材を変形させる（いわゆるカシメ）ことで、封止部材１９によって封止された冷却体を構成する。なお、冷媒の封入には、加熱追出法、真空ポンプ法、ガス液化法など、従来公知の方法を用いればよい。
【００７６】
（７）発光素子の配置
次に、発光素子５２を配置する。発光素子５２は、電極５２を介して平面部６４上に配置する。発光素子５２の図示しない電極は、導電層４６と対向するように配置され、発光素子５２の電極と導電層４６とがフリップチップ接合によって接合される。なお、発光素子５２の実装には、発光素子５２と導電層４６とが電気的に接続できる方法を選択できる。例えば、実装方法は、半田付け方法、金属ワイヤを介して接続するワイヤボンディング等を用いても構わない。
【００７７】
本実施形態の製造方法では、第１多孔質セラミック体３８ａをアランダム粒子によって、第２多孔質セラミック体３８ｂをアルミナセラミックス焼結体によって、それぞれ構成している。第１多孔質セラミック体３８ａおよび第２多孔質セラミック体３８ｂの構成材料は、それぞれ限定されない。例えば第１多孔質セラミック体３８ａおよび第２多孔質セラミック体３８ｂの双方を、アルミナセラミックスで構成してもよく、また第１多孔質セラミック体３８ａおよび第２多孔質セラミック体３８ｂの双方を、アランダム粒子によって構成してもよい。アランダム粒子もアルミナセラミックス焼結体も、それぞれの製造工程における温度条件を相違させることで、平均気孔径を変化させることが可能であり、第１多孔質セラミック体３８ａおよび第２多孔質セラミック体３８ｂの気孔径および気孔率を、それぞれ所望の範囲に調整することができる。
【００７８】
例えば、第１多孔質セラミック体３８ａと第２多孔質セラミック体３８ｂに、それぞれ異なる温度条件で加熱されたアランダム粒子を用いることで、同一材料からなり粒径がそれぞれ異なるセラミックス粒子を各々主成分とする、第１多孔質セラミック体３８ａと第２多孔質セラミック体３８ｂとを作製することができる。この際、図２に断面図で示すように、第１多孔質セラミック体３８ａに含まれるセラミックス粒子（アランダム粒子）５１同士を結合させるガラス成分６１と、第２多孔質セラミック体３８ｂに含まれるセラミックス粒子（アランダム粒子）５２同士を結合させるガラス成分６２と、がそれぞれ溶融して固化して、第１多孔質セラミック体３８ａと第２多孔質セラミック体３８ｂとが接合される。この場合、第１多孔質セラミック体３８ａと第２多孔質セラミック体３８ｂとの接合部分では、同一の材質からなり大きさの異なる粒（アランダム粒子）が混合された状態となっている。このため、接合部分において、大きな応力の発生や、異なる物質の接触にともなう化学反応の進行等が抑制されている。
【００７９】
本実施形態の配線付冷却体３０では、各部材が比較的高い強度で接合されており、外力による歪みや割れの発生等も抑制されており、配線付冷却体３０からのパーティクルの発生も抑制されている。
【００８０】
本実施形態の製造方法で作製された冷却器は、接着剤など、有機溶媒等の不純物を含む部材を用いずに、高い気密性を有する冷却器を構成することができる。本実施形態の製造方法で作製された冷却器は、筐体３６、基体３２、第１多孔質セラミック体３８ａ、第２多孔質セラミック体３８ｂ、ぞれぞれの接合部分において、大きな応力の発生や、異なる物質の接触にともなう化学反応の進行等が抑制されている。本実施形態の配線付冷却体３０では、各部材が比較的高い強度で接合されており、外力による歪みや割れの発生等も抑制されており、配線付冷却体３０からのパーティクルの発生も抑制されている。
【００８１】
また、基体３２と素子載置体３４も、接合層５５を介して直接されており、熱伝導性および接合強度も比較的高い。
【００８２】
発光素子５２は、発光にともなって比較的大きな熱が発生する。発光装置５０では、発光素子５２が実装された素子載置体３４が、冷却体の内部に封入された冷媒によって直接冷却される。発光装置５０は、発光素子５２の温度を比較的低く抑えた状態で、発光素子５２からの発光を、図１中の上側方向に向けて高い効率で照射させることができる。発光装置５０は、長期にわたって高い安定性をもって、入力電力に対して比較的高い光量の光を照射することができる。以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
３０  配線付き冷却体
３２  基体
３４  発光素子
３６  筐体
３８  多孔質セラミック体
４２  配線パターン
４４  ワイヤ
４６  導体層
５０  発光装置
５５  接合層
【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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