(57)【要約】【課題】発光素子２で生成される熱を効率よく放熱することができ、かつ高信頼性の発光装置を提供する。【解決手段】基板１の貫通孔３に、第一導電材料４と第二導電材料５を積層して充填し、この上部に発光素子を配置する。これにより、気密性が高く且つ高熱伝導性の貫通電極を形成し、発光素子２で生成される熱を外部に放熱できるようにするとともに、外部からの水分やガスの浸入を防止する。第一導電材料を導電フィラーにバインダーを添加した焼結型導電ペーストで作製し、第二導電材料を熱硬化型樹脂に導電フィラーを添加した樹脂硬化型導電ペーストで作製することが適している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔が形成された基板と、前記貫通孔に充填された導電材料と、前記基板の表面に実装された発光素子と、前記発光素子を被覆封止する封止材と、を備え、
前記発光素子は前記導電材料の上に配置され、前記導電材料は第一導電材料と第二導電材料が積層して構成されることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記第一導電材料は導電フィラーにバインダーを添加した焼結型導電ペーストから作製され、前記第二導電材料は熱硬化型樹脂に導電フィラーを添加した樹脂硬化型導電ペーストから作製されたことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記第二導電材料の厚みは前記基板の厚みの１０〜２０％であることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記焼結型導電ペーストが、導電性フィラーを９０％以上含有することを特徴とする請求項２または３に記載の発光装置。
【請求項５】
前記導電性フィラーが、平均粒径１００ｎｍ以下の第一導電性フィラーと平均粒径１〜５μｍの第二導電性フィラーからなり、前記第一導電性フィラーの配合比率が３０〜５０％であることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記第二導電材料は、前記第一導電材料より前記発光素子に近い側に設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項７】
前記導電材は、前記基板の裏面から突出して設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項８】
前記導電材の突出した部分の面積は前記貫通孔の面積より大きいことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記基板は窪みを持つ形状のガラス基板であり、前記貫通孔は前記窪みに形成され、前記発光素子は前記窪みの底面に形成され、前記封止材が前記窪みに供給されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子をパッケージ実装した構成の発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体発光素子は高発光効率化、高輝度化が進み、液晶ディスプレイ用バックライトや照明用途への実用化が加速している。しかし特性の改善と共に、発光素子の発熱量が増え、パッケージの低熱抵抗化、高信頼性化がより求められるようになってきた。
【０００３】
図４に、導電性材料又は高熱伝導性材料を充填した貫通孔が形成された基板を使用した発光装置の断面構造を表す。セラミックス、ガラス、または樹脂等の基板１に貫通孔３、３ａ、３ｂが形成され、導電性材料１６が埋設されている。基板１には斜面で構成された開口部を持つガラエポ基板２１が接合されている。この開口部には、発光素子を覆うように封止材９が充填されている。導電性材料１６の上面には金属パターン１２が設けられている。図中、両側の金属パターン１２には発光素子の１対の電極に電気的に接続するワイヤー１４が設けられている。したがって、発光素子２には基板１の下面に形成された１対の端子電極８ａ、８ｂから電圧が印加できる。また、図の中央の貫通孔３の上方には発光素子２が配置され、発光素子２によって発生した熱は金属パターン１２から貫通孔３内に充填された熱伝導性の高い導電性材料１６を伝わり、基板の下面からの放熱をより効率的に行うことができる。このとき、基板の下面には放熱を促進する放熱用金属パターン１８が設けられている。これにより、低熱抵抗化を図ることができ、高信頼性かつ高性能の発光装置を得ることが可能となる（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、貫通孔３の内部に導電性材料又は放熱性材料を埋設する方法としては、基板に貫通孔を形成し、印刷により金属ペーストを充填する方法、貫通孔の側壁にメッキ処理を施してＣｕやＮｉ等の金属膜を堆積する方法、或いは、基板に形成した貫通孔に、金属を埋め込んで貫通電極とする方法などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２０９７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載される発光装置の場合、貫通孔内は１種類の導電性材料又は高熱伝導性材料が埋設されており、埋設される材料によって、得られる貫通電極の熱伝導性、信頼性等の特性が決定する。例えば、一般的に、セラミックス、ガラス、又は樹脂等からなる基板に形成された貫通孔に樹脂硬化型の金属ペーストを充填して形成された貫通電極の場合、金属ペーストは樹脂によって基板との良好な接着性が得られるが、樹脂の添加量によって熱伝導性は急激に低下する。例えば、一般的な樹脂硬化型銀ペーストでは２０〜３０％の樹脂が配合されているが、熱伝導率は１〜１０Ｗ／ｍＫであり、最近の高輝度の発光素子用としては熱伝導率が不足している。樹脂の添加量を低減すれば熱伝導率は向上できるが、基板との接着性が不足して水分やガスなどが容易に浸入しやすい状態になり、信頼性を低下させる原因となる。
【０００７】
また、高熱伝導性を有する材料として、焼結型の金属ペーストが知られており、この材料を貫通孔に充填することにより高熱伝導の貫通電極が得られるが、４００℃以上の高温で焼成することが必要になるため、ペースト自体の収縮が大きく、またペーストと基板との熱膨張率差の影響も大きくなる。そのため、貫通孔側壁と金属ペーストとの間に隙間が発生して、水分やガスなどが容易に浸入しやすい状態になり、信頼性を低下させる。
【０００８】
また、セラミックス、又はガラスからなる基板に形成された貫通孔に、金属を埋設して貫通電極を形成する方法があるが、基板と金属の熱膨張率差により基板にクラック等が発生し易くなるため、基板の強度を低下させるとともに、発生する隙間から水分やガスなどが容易に浸入しやすい状態になり、信頼性を低下させる原因となる。このため、良好な特性をもつ貫通電極を形成することは容易ではない。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、貫通孔側壁と充填する導電ペーストとの間に生じる隙間、基板へのクラック発生がなく、且つ高熱伝導性の貫通電極を有することにより、高信頼性且つ低熱抵抗の発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明は、貫通孔が形成された基板と、貫通孔に充填された導電材料と、基板の表面に実装された発光素子と、発光素子を被覆封止する封止材を備えた発光装置において、発光素子を導電材料の上に配置し、導電材料を第一導電材料と第二導電材料を積層して構成することとした。
【００１１】
さらに、第一導電材料を導電フィラーにバインダーを添加した焼結型導電ペーストから作製し、第二導電材料を熱硬化型樹脂に導電フィラーを添加した樹脂硬化型導電ペーストから作製することとした。このとき、第二導電材料の厚みを基板の厚みの１０〜２０％とした。
【００１２】
また、焼結型導電ペーストとして、導電性フィラーを９０％以上含有する焼結型導電ペーストを用いることとした。さらに、この導電性フィラーを、平均粒径１００ｎｍ以下の第一導電性フィラーと平均粒径１〜５μｍの第二導電性フィラーで構成し、第一導電性フィラーの配合比率を３０〜５０％とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の発光装置は、発光素子から発生した熱が２種類の導電材料を介して効率よく放熱されるとともに、貫通孔から浸入する水分やガスを減少させることが両立されるため、気密性が高く且つ高熱伝導性の発光デバイスが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る発光装置の断面模式図である。
【図２】本発明の実施例に係る発光装置の断面模式図である。
【図３】本発明の実施例に係る発光装置の断面模式図である。
【図４】従来公知の発光装置の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の発光装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の発光装置の断面構造を示す模式図である。基板１には複数の貫通孔３が形成されており、それぞれの貫通孔には２種類の導電材料が充填されている。すなわち、導電材料は第一導電材料４と第二導電材料５が積層して構成されている。そして、複数の貫通孔３の上部にダイアタッチ材１３を介して発光素子２が実装されている。図１では貫通孔３は複数存在しているが、一つでもかまわない。また、図示しない封止材により発光素子２は被覆され、外気と遮断される。第一導電材料４は導電フィラーにバインダーを添加した焼結型導電ペーストから形成され、第二導電材料５は熱硬化型樹脂に導電フィラーを添加した樹脂硬化型導電ペーストから形成されている。このとき、第二導電材料５の厚み（ｔ５）は貫通孔３の厚さすなわち基板１の厚さの１０〜２０％、第一導電材料４の厚み（ｔ４）は基板１の厚さの８０〜９０％とする必要がある。このように、貫通孔３に充填された導電材料は第一導電材料４と第二導電材料５が積層した構成であり、この貫通孔３が発光素子２の直下に設けられているため、発光素子２で発生した熱が効率よく放熱されるとともに、貫通孔から浸入する水分やガスを防止することが可能になる。このように、気密性が高く且つ高熱伝導性の発光デバイスが実現できる。また、図１では、第二導電材料５が発光素子２に近い側に設けられているが、積層順を逆にして、第一導電材料４を発光素子２に近い側に設けることもできる。なお、基板１の裏面（発光素子が実装されていないほうの表面）に放熱を促進するための金属層を形成してもよい。
【００１６】
さらに、焼結型導電ペーストに含まれる導電性フィラーを、平均粒径１００ｎｍ以下の第一導電性フィラーと平均粒径１〜５μｍの第二導電性フィラーを混合して構成させてもよい。
【００１７】
ここで、第一導電材料３を構成する焼結型導電ペーストに含まれる導電性フィラーの含有率、また導電性フィラーの平均粒径と含有比率を変えたときの信頼性と熱伝導性を評価した結果を以下の表１に示す。
【００１８】
【表１】
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表１では、焼結型導電ペーストに含まれる導電性フィラーの含有率（重量比）を８５〜９５％とし、平均粒径１００ｎｍ以下の第一導電性フィラーと平均粒径１〜５μｍの第二導電性フィラーの含有比率（重量比）を変えたときの特性を調べた。ここで、間隙／クラックは、導電ペーストの焼結時の収縮によって生じるクラックまたは貫通孔壁との隙間を言い、発生がないものを○、微小なクラック／隙間が生じたものを△、大きなクラックが発生するものを×としている。×評価のものは、第二導電材料５となる樹脂硬化型導電ペーストを充填しても気密性を確保できないことを確認している。また、熱伝導性は、熱伝導率を評価しており、１００Ｗ／ｍ・ｋ以上のものを○、５０〜１００Ｗ／ｍ・ｋの範囲のものを△、５０Ｗ／ｍ・ｋ以下のものを×としている。
【００１９】
表１の評価結果より、１００ｎｍ以下の粒径の第一導電性フィラーが多い場合は焼結時の収縮がおおきく、間隙／クラックが発生する。一方、平均粒径の大きい第二導電性フィラーが多い場合は熱伝導性が低下する。両特性を満足するためには、平均粒径１００ｎｍ以下の第一導電性フィラーと、平均粒径１〜５μｍの第二導電性フィラーを混合し第一導電性フィラーの配合比率を３０〜５０％とすればよい。また、導電性フィラーの含有率が少ない焼結型導電ペーストでは熱伝導性が低下するとともに、バインダー量が増えることにより焼結時の収縮が大きく、間隙／クラックも増大するために、９０％以上の含有率であることが必要である。
【００２０】
そこで、焼結型導電ペーストとして、導電性フィラーの含有率が９０％であり、平均粒径５０ｎｍの第一導電性フィラーを４０％、平均粒径２.５μｍの第二導電性フィラーを６０％添加した材料を用い、印刷法で貫通孔３に充填し、その上にディスペンサー法で樹脂硬化型導電ペーストを充填した。その際の焼結型導電ペーストと樹脂硬化型導電ペーストの充填比率を変えたときの評価結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
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表２では気密性と熱伝導性を評価しており、前者は浸透液による試験を、後者は発光素子２２のジャンクションからケースまでの熱抵抗が１０℃／Ｗ以下を○、２０℃／Ｗ以下を△、それ以上を×としている。
【００２２】
表２の結果から、気密性を確保するための樹脂硬化型導電ペーストは、１０％以上充填すると効果を発揮し始めるが、３０％以上充填すると熱伝導性が急激に低下する。樹脂硬化型導電ペーストを１０〜２０％、すなわち焼結型導電ペーストを９０〜８０％充填することにより気密性と熱伝導性を両立した貫通電極を得ることができる。ここで、充填比率とは焼結型導電ペーストで形成される第一導電材料４と樹脂硬化型導電ペーストで形成される第二導電材料５の厚さでも表現できる。すなわち、第二導電材料５の厚さを基板厚みの１０〜２０％とし、第一導電材料４の厚さを基板厚みの８０〜９０％とする。最近の高輝度型発光素子のように放熱性の重要度が高い場合は、焼結型導電ペーストの充填比率を９０％とすること、すなわち、第一導電材料４の厚さを基板厚みの９０％とすることが望ましい。
【００２３】
さらに、焼結型導電ペースト及び樹脂硬化型導電ペーストに、セラミックスやガラスに対して密着性のよい低融点ガラス粉を含有させてもよい。これにより、導電材料はより気密性が高まるとともに、貫通孔との密着性が向上する。
以下、本発明に係る発光装置を具体的に説明する。
【００２４】
（実施例１）
本実施例の発光装置の断面構成を図２（ａ）、（ｂ）に模式的に示す。本実施例では、第一導電材料４と第二導電材料５が積層する導電材料が充填された貫通孔を貫通電極として用いた場合を説明する。ここでは、中央部に窪み６が形成されたガラス基板１１を基体として用いている。窪み６の底面には貫通孔３ａ、３ｂが形成されている。貫通孔には第一導電材料４と第二導電材料５が積層して充填されている。この貫通孔３ａ、３ｂに充填された導電材料により貫通電極７ａ、７ｂが形成されている。図２（ａ）に示した発光装置は、１個の発光素子の直下に１個の貫通電極を形成した構成である。図２（ｂ）に示した発光装置は、１個の発光素子の直下に、窪み６の底面からガラス基板１１の裏面にかけて４５°の角度で放射状に広がった貫通電極を形成した構成である。発光素子２はボンディング材１５を介して貫通電極７ａの上に配置されている。ボンディング材１５は、バンプや導電性接着剤を含んでおり、発光素子２を窪み６の底部に接着固定している。発光素子２の下面には図示しない電極が形成されており、貫通電極７ａとボンディング材１５を介して電気的に接続される。また、発光素子２の上面にも図示しない電極が形成されており、ワイヤー１４により貫通電極７ｂに接続されている。ガラス基板１１の裏面には、端子電極８ａ、８ｂが互いに分離して形成されており、貫通電極７ａ、７ｂとそれぞれ接続している。そのため、発光素子２は、端子電極８ａと８ｂから電力の供給を受けることができる。本実施例では、端子電極８ａ、８ｂをガラス基板１１の裏面に導電性ペーストを印刷し硬化させることにより形成した。
【００２５】
このような構成により、発光素子２で発生した熱はボンディング材１５、第一導電材料４と第二導電材料５が積層された貫通電極７ａ、及び端子電極８ａを経由して効果的に放熱されとともに、貫通孔から浸入する水分やガスを防ぐことが可能になる。
【００２６】
なお、図示しないが、窪み６の内壁面と底面には反射膜が形成され、発光素子２からの発光を反射する反射面として機能している。さらに、窪み６には外部から不純物や水分等の混入を防止する封止材が充填され、発光素子２とワイヤー１４を覆っている。
【００２７】
本実施例では、ガラス基体１１は、シリコン酸化物を主体とする通常のガラス材料の成形により一体的に作成した。このとき、窪み６や貫通穴３ａ、３ｂを同時に形成できる。そのため、基板や枠部を個別に加工し、接着する必要がない。
【００２８】
（実施例２）
本実施例の発光装置の断面構成を図３（ａ）〜（ｃ）に模式的に示す。本実施例では、発光素子の直下に位置する貫通孔３を貫通電極として用いない構成を説明する。その他は実施例１と同様なので、重複する説明は適宜省略する。ガラス基板１１の窪み６の底面には貫通孔３、３ａ、３ｂが形成されている。それぞれの貫通孔には第一導電材料４と第二導電材料５が積層して充填されている。発光素子２は、第一導電材料４と第二導電材料５が積層して充填された貫通孔３の上部にダイアタッチ材１３により固定されている。
【００２９】
図３（ａ）に示した発光装置では、ガラス基板１１の裏面から突出した第一導電材料４が、端子電極８ａ、８ｂと同じ厚みとなる高さまで、貫通孔３に導電材料が充填されている。図３（ｂ）に示した発光装置では、ガラス基板１１の裏面から突出した第一導電材料４が、貫通孔の面積より広い範囲に広がっている。ここでも、端子電極８ａ、８ｂと同じ厚みとなる高さまで貫通孔３に導電材料が充填されている。図３（ｃ）に示した発光装置では、貫通孔３が窪み６の底面からガラス基板１１の裏面にかけて４５°の角度で放射状に広がって形成されており、ガラス基板１１の裏面から突出した第一導電材料４が端子電極８ａ、８ｂと同じ厚みとなる高さまで、導電材料が貫通孔３に充填されている。ここでは、第一導電材料４が突出した部位の大きさはガラス基板１１の裏面における貫通孔の大きさと同じになっている。このように、導電材料を突出させると、発光装置を搭載する部材に導電材料を密着させやすくなるため、外部への放熱効果がより向上することが期待できる。
【００３０】
また、発光素子２が配置されていない領域の貫通孔３ａ、３ｂにより貫通電極７ａ、７ｂが形成されている。貫通孔３ａ、３ｂにも第一導電材料４と第二導電材料５が積層して充填されている。発光素子２の上面には図示しない一対の電極が形成されており、貫通電極７ａ、７ｂと一対のワイヤー１４により接続されている。ガラス基板１１の裏面には端子電極８ａ、８ｂが互いに分離して形成されており、貫通電極７ａ、７ｂとそれぞれ接続している。そのため、発光素子２は、端子電極８ａと８ｂから電力の供給を受けることができる。
【００３１】
上述した各実施例では、１箇所の窪み６に対して１つの発光素子２を配置し、１つの発光素子２に対して１個の貫通孔３を形成した構成であったが、これに限定されるものではなく、例えば、１箇所の窪み６に対して複数の発光素子を配置してもよい。また、１つの発光素子に対して複数個の貫通孔３が設けられた構成でもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１  基板
２  発光素子
３  貫通孔
４  第一導電材料
５  第二導電材料
６  窪み
７ａ、７ｂ  貫通電極
８ａ、８ｂ  端子電極
１１  ガラス基板
１３  ダイアタッチ材
１４  ワイヤー
１５  ボンディング材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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