(57)【要約】【課題】放熱性がよく、信頼性の高い発光モジュールを提供する。【解決手段】基板12上に、無機の銀微粒子を主成分とする接合部材14を介して、ＬＥＤチップ13を実装する。無機の銀微粒子を主成分とする接合部材14は、ＬＥＤチップ13から基板12へ効率よく熱伝導し、放熱性を向上させ、また、劣化しにくく、安定した接合強度を維持する。【選択図】図１
2011091213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；
基板に実装される半導体発光素子と；
基板と半導体発光素子との間に介在してこれらを接合する無機の金属微粒子を主成分とした接合部材と；
を具備していることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
接合部材は、金属微粒子として平均粒径が１μｍ以下の銀微粒子を主成分とする
ことを特徴とする請求項１記載の発光モジュール。
【請求項３】
請求項１または２記載の発光モジュールと；
発光モジュールの基板が配設される放熱部材と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子を用いた発光モジュール、およびこの発光モジュールを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体発光素子を用いた発光モジュールでは、配線パターンが形成された基板上に半導体発光素子としてＬＥＤチップを実装し、このＬＥＤチップを配線パターンにワイヤボンディングで電気的に接続するようにした構成がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
基板上にＬＥＤチップを実装する際には、一般に、基板上に有機物であるシリコーン樹脂などの接合部材を塗布し、この接合部材上にＬＥＤチップを配置し、接合部材の硬化によって基板上にＬＥＤチップを接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５００８３４号公報（第４−５頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の発光モジュールでは、基板とＬＥＤチップとの間に介在してこれらを接合する接合部材に、シリコーン樹脂が多く用いられているが、シリコーン樹脂は熱伝導率が１Ｗ／ｍｋ程度と低く、ＬＥＤチップが発生する熱を基板へ効率よく熱伝導できず、基板側からの放熱が効率的でなく、また、シリコーン樹脂は有機物であるため、劣化しやすく、安定した接合強度を維持できず、発光モジュールの信頼性に問題がある。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、放熱性がよく、信頼性の高い発光モジュールおよび照明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】
【０００７】
請求項１記載の発光モジュールは、基板と；基板に実装される半導体発光素子と；基板と半導体発光素子との間に介在してこれらを接合する無機の金属微粒子を主成分とした接合部材と；を具備しているものである。
【０００８】
基板は、例えば、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂などの非金属材料や、アルミニウムなどの金属材料のいずれを用いても構わない。半導体発光素子が実装される基板の表面には反射層や配線パターンが形成されていてもよい。
【０００９】
半導体発光素子は、例えば、ＬＥＤチップやＥＬ素子などが含まれ、これらをＣＯＢ（Chip On Board）方式で基板に直接実装するようにしてもよいし、表面実装形のＳＭＤ（Surface Mount Device）パッケージとして基板に実装するようにしてもよい。基板に実装される半導体発光素子の数は１つでも複数でも構わない。
【００１０】
接合部材は、例えば、金属微粒子を溶剤に分散させたペーストを例えばスクリーン印刷により基板に塗布し、基板のペースト上に半導体発光素子を配置した後に基板を加熱炉で加熱し、ペーストを焼成することにより、基板と半導体発光素子との間に介在してこれらを接合する。金属微粒子には、例えば、銀、銅、アルミニウム、金、およびそれらの複合材などが用いられ、熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の高い熱伝導性を有する。
【００１１】
請求項２記載の発光モジュールは、請求項１記載の発光モジュールにおいて、接合部材は、金属微粒子として平均粒径が１μｍ以下の銀微粒子を主成分とするものである。
【００１２】
銀微粒子は、平均粒径が１μｍ以下のいわゆるナノ銀と呼ばれるもので、基板および半導体発光素子との接着力が高く、好適であり、さらに、高い熱伝導性が得られる。金属微粒子の粒径が１μｍより大きいと、基板および半導体発光素子との接着力が低下するので、好適ではなく、さらに、熱伝導性も低下する。
【００１３】
銀微粒子の平均粒径のより最適な範囲は０．５μｍ以下であり、この範囲であれば、接着力および熱伝導性の観点から好適であり、さらに、焼成温度も比較的低くできるので、実装時に他の部材への熱的な不具合を生じ難くできる。
【００１４】
銀微粒子の平均粒径の下限値については、銀微粒子の平均粒径が小さくなるほどコストが高くなるので、平均粒径が１μｍ以下銀微粒子を用いることの効果とコストとの兼ね合いによって決まることになる。
【００１５】
請求項３記載の照明装置は、請求項１または２記載の発光モジュールと；発光モジュールの基板が配設される放熱部材と；を具備しているものである。
【００１６】
放熱部材は、照明装置の装置本体や、ヒートシンクなどのいずれでも構わず、基板と熱的に結合される高い熱伝導性を有する部材であればよい。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の発光モジュールによれば、基板と半導体発光素子との間に介在してこれらを接合する接合部材として、金属微粒子を主成分とした接合部材を用いるため、半導体発光素子から基板へ効率よく熱伝導でき、半導体発光素子の放熱性を向上できるとともに、無機の金属微粒子を主成分とするために劣化しにくく、安定した接合強度を維持でき、信頼性の高い発光モジュールを提供できる。
【００１８】
請求項２記載の発光モジュールによれば、請求項１記載の発光モジュールの効果に加えて、接合部材は、金属微粒子として粒径が１μｍ以下の銀微粒子を主成分とするため、接合部材の熱伝導率が高いとともに、接合部材と基板および半導体発光素子との密着性が高く、半導体発光素子から基板への熱伝導性を向上でき、さらに、接合部材と基板および半導体発光素子との密着性が高いことで、接着力も向上できる。
【００１９】
請求項３記載の照明装置によれば、請求項１または２記載の発光モジュールを用いるため、信頼性の高い照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施の形態を示す発光モジュールの一部の断面図である。
【図２】同上発光モジュールの製造方向を(a)(b)の順に説明する一部の断面図である。
【図３】同上発光モジュールの接合部材の銀微粒子と基板との接合状態を模式的に示し、(a)は銀微粒子の粒径が小さい場合の基板との接合状態を模式的に示す断面図、(b)は銀微粒子の粒径が大きい場合の基板との接合状態を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１において、11は発光モジュールで、この発光モジュール11は、基板12、この基板12の一面である表面12aに実装される複数の半導体発光素子としてのＬＥＤチップ13、基板12とＬＥＤチップ13との間に介在してこれらを接合する接合部材14、およびこれらＬＥＤチップ13を封止する封止部材15などを備えている。
【００２３】
基板12は、例えば、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂などの非金属材料、あるいはアルミニウムなどの金属材料にて平板状に形成された基板本体17を有している。基板12（基板本体17）の表面12aには、その表面12aの全域に例えば白色の絶縁物や銀メッキなどによる反射層18が形成されているとともに、この反射層18上にレジスト層や配線パターン19が形成されている。反射層18が導電性を有する場合にはレジスト層を介して配線パターン19が形成されている。
【００２４】
ＬＥＤチップ13は、透光性を有する四角形状のサファイア基板の表面に半導体発光層が積層され、この半導体発光層上に一対の電極パッドが形成されており、一対の電極パッドを通じて定電流が供給されることによって青色光を発光する。そして、ＬＥＤチップ13は、ＣＯＢ（Chip On Board）方式で基板12に実装されており、サファイア基板の裏面側が接合部材14を介して基板12の表面12aに接合され、各電極パッドが配線パターン19や隣り合うＬＥＤチップ13の電極パッドにボンディングワイヤ22によって電気的に接続されている。基板12に実装された複数のＬＥＤチップ13は、全てまたはグループ毎に、ボンディングワイヤ22によって直列に接続されている。
【００２５】
接合部材14は、無機の金属微粒子として、平均粒径が１μｍ以下、より最適な範囲は０．５μｍ以下の銀微粒子（いわゆるナノ銀）を主成分とし、熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の高い熱伝導性、および導電性を有している。基板12にＬＥＤチップ13を接合する際には、銀微粒子が溶剤に分散された銀ペースト25（図２参照）が用いられ、この銀ペースト25が基板12の表面12aであって各ＬＥＤチップ13の実装位置に塗布され、塗布された銀ペース上にＬＥＤチップ13が配置された後に、銀ペースト25が焼成あるいは自然乾燥にて硬化して形成されている。
【００２６】
接合部材14による接合状態では、ＬＥＤチップ13が接合部材14側に押し込まれて、ＬＥＤチップ13の一部が接合部材14に埋没した状態にあり、ＬＥＤチップ13の裏面と基板12の表面12aとの互いに対向する対向面間に介在する対向面接合部14a、およびＬＥＤチップ13の側面（周面）より外側に突出するとともにそのＬＥＤチップ13の側面（周面）の一部に接合する側面接合部14bが一体に形成されている。
【００２７】
封止部材15は、例えば、ＬＥＤチップ13が実装された基板12の表面12aに蛍光体を含有した透明樹脂をベタ塗り塗布することによって形成されており、ＬＥＤチップ13を封止している。蛍光体は、ＬＥＤチップ13が発する青色光によって励起されて主に黄色光を放出する黄色蛍光体である。そして、ＬＥＤチップ13を一次光源として、面状の二次光源となる封止部材15の表面の光出射面からは白色光が出射される。
【００２８】
なお、基板12の表面12aには、ＬＥＤチップ13の実装領域の周囲に枠状のリフレクタが配置されており、このリフレクタの内側に封止部材15が充填されて形成されている。
【００２９】
次に、発光モジュール11の製造について説明する。
【００３０】
基板12の表面12aであって、各ＬＥＤチップ13の実装位置、および配線パターン19の形成位置に対応して、接合部材14を構成する銀ペースト25をスクリーン印刷機械によるスクリーン印刷によって一度に塗布する。図２(a)には、基板12の表面12aであってＬＥＤチップ13の実装位置に、銀ペースト25をスクリーン印刷によって塗布した状態を示す。
【００３１】
図２(a)に示すように、基板12の表面12aであって、各ＬＥＤチップ13の実装位置に塗布された各銀ペースト25上に、実装機械によって各ＬＥＤチップ13を配置する。
【００３２】
図２(b)に示すように、銀ペースト25上に各ＬＥＤチップ13を配置する際、または配置した後、実装機械、または別の加圧機械が複数有する各治具28を各ＬＥＤチップ13の表面に接触させ、各治具28により各ＬＥＤチップ13を例えば０．０１ｇの加圧力で基板12側へ向けて垂直に加圧する。これにより、各ＬＥＤチップ13が各銀ペースト25に押し込まれて、各ＬＥＤチップ13の一部が各銀ペースト25に埋没した状態となる。このとき、ＬＥＤチップ13の裏面と基板12の表面12aとの間からＬＥＤチップ13の周囲に余分な銀ペースト25が押し出され、銀ペースト25の一部がＬＥＤチップ13の側面に回りこんで接合する。
【００３３】
その後、基板12を加熱炉で加熱して銀ペースト25を５００℃以下の温度で焼成して接合部材14として形成するか、あるいは銀ペースト25を自然乾燥にて硬化させて接合部材14として形成する。このとき、接合部材14とともに配線パターン19も同一工程で形成でき、製造工程を簡略化できる。
【００３４】
なお、ＬＥＤチップ13の裏面と基板12の表面12aとの間から余分な銀ペースト25を押し出さずに、銀ペースト25を焼成または自然乾燥させて接合部材14を形成した場合には、銀ペースト25の溶媒が蒸発するガスのために接合部材14に空胴ができ、熱伝導性や結合強度が低下してしまうことになるが、ＬＥＤチップ13の裏面と基板12の表面12aとの間から余分な銀ペースト25を押し出してから、銀ペースト25を焼成または自然乾燥させて接合部材14を形成するため、接合部材14に空胴ができるのを抑制し、高い熱伝導性および結合強度を得ることができる。
【００３５】
このように形成された接合部材14は、図１に示すように、ＬＥＤチップ13の裏面と基板12の表面12aとの互いに対向する対向面間に介在する対向面接合部14a、およびＬＥＤチップ13の側面（周面）より外側に突出するとともにそのＬＥＤチップ13の側面（周面）の一部に接合する側面接合部14bが一体に形成され、ＬＥＤチップ13を基板12に接合している。
【００３６】
ワイヤボンディング機械によって、ＬＥＤチップ13の電極パッドと配線パターン19や隣り合うＬＥＤチップ13の電極パッドとをボンディングワイヤ22で電気的に接続し、基板12に実装された複数のＬＥＤチップ13の全てまたはグループ毎に直列に接続する。
【００３７】
基板12の表面12aにリフレクタを接着固定し、このリフレクタの内側に封止部材15を構成する透明樹脂を充填し、ＬＥＤチップ13を封止する。
【００３８】
このようにして形成された発光モジュール11は、配線パターン19を通じてＬＥＤチップ13に定電流が供給されることにより、ＬＥＤチップ13が発光し、このＬＥＤチップ13を一次光源として、面状の二次光源となる封止部材15の表面の光出射面から白色光が出射される。
【００３９】
ＬＥＤチップ13の発光時に、ＬＥＤチップ13から発生する熱は、主に、接合部材14を通じて基板12に熱伝導され、基板12から放熱される。
【００４０】
このとき、基板12とＬＥＤチップ13との間に介在してこれらを接合する接合部材14が、銀微粒子を主成分とし、熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の高い熱伝導性を有しているため、ＬＥＤチップ13から基板12へ効率よく熱伝導でき、基板12からの放熱性を向上できる。そのため、ＬＥＤチップ13の温度が過度に高くなるのを防止でき、あるいはＬＥＤチップ13に対する入力電力を大きくして高出力化を図ることができる。
【００４１】
さらに、接合部材14は、無機の銀微粒子を主成分とするため、熱などの影響による劣化がしにくく、安定した接合強度を維持でき、信頼性の高い発光モジュール11を提供できる。
【００４２】
また、接合部材14は、金属微粒子として平均粒径が１μｍ以下の銀微粒子を主成分とするため、接合部材14と基板12の表面12aおよびＬＥＤチップ13の裏面や側面との密着性が高く、ＬＥＤチップ13から基板12への熱伝導性を向上でき、さらに、接合部材14と基板12およびＬＥＤチップ13との密着性が高いことで、接着力も向上できる。
【００４３】
ここで、平均粒径が１μｍ以下の銀微粒子を用いることによる熱伝導性および接着力の向上に関して、図３を参照して説明する。図３(a)は銀微粒子31の粒径が小さい場合の基板12との接合状態を模式的に示す断面図であり、図３(b)は銀微粒子31の粒径が大きい場合の基板12との接合状態を模式的に示す断面図である。なお、銀微粒子31の接着力とは、基板12やＬＥＤチップ13との接着を意図するものである。
【００４４】
まず、銀微粒子31の熱伝導性に関しては、基本的な機能として、図３(b)に示すように、銀微粒子31の平均粒径が大きく（１μｍより大きく）なると、(1)焼成温度が高くなる、(2)高温焼成した後であっても銀微粒子31間で溶融して接着している箇所と溶融接着まではしていない箇所が多く存在することになる。これに対し、図３(a)に示すように、銀微粒子31の平均粒径が１μｍ以下で小さいと、(1)焼成温度が低くなる、(2)焼成後に銀微粒子31間で溶融接着される領域が多くなる。そのため、銀微粒子31の平均粒径が１μｍ以下で小さいほど、各銀微粒子31間で連続する領域が多くなりやすので、熱伝導性が向上することになる。
【００４５】
次に、銀微粒子31の接着力に関しては、基板12の表面12aに微細な凹凸が生じている場合、図３(b)に示すように、銀微粒子31の粒径が大きいと、銀微粒子31が基板12の表面12aに微細な凹凸まで食い込まず、基板12との接着力が低下する。それに対して、図３(a)に示すように、銀微粒子31の粒径が小さいと、銀微粒子31が基板12の表面12aに微細な凹凸にしっかりと食い込み、基板12との接着力が向上する。なお、銀微粒子31とＬＥＤチップ13の裏面との接着力についても同様である。
【００４６】
したがって、銀微粒子31の平均粒径が１μｍ以下の小さいものが、熱伝導性および接着力の向上に好適である。
【００４７】
また、接合部材14は、製造工程において、ＬＥＤチップ13が銀ペースト25に押し込まれて、ＬＥＤチップ13の一部が銀ペースト25に埋没した状態となることにより、ＬＥＤチップ13の裏面と基板12の表面12aとの互いに対向する対向面間に介在する対向面接合部14aとともに、ＬＥＤチップ13の側面（周面）より外側に突出するとともにそのＬＥＤチップ13の側面（周面）の一部に接合する側面接合部14bが形成されるため、この側面接合部14bにより、基板12の表面12aに平行な方向に対するＬＥＤチップ13の固定強度が高く、ＬＥＤチップ13の位置ずれや脱落を確実に防止できる。
【００４８】
また、接合部材14が銀微粒子を主成分とする場合には、ＬＥＤチップ13の基板12側へ向かう光、つまり、ＬＥＤチップ13の半導体発光層からサファイア基板内に導光される光を接合部材14で前方へ反射させて封止部材15から出射させることができ、発光モジュール11の光出力効率を向上できる。
【００４９】
次に、上述した発光モジュール11を用いた照明装置について説明する。
【００５０】
照明装置については、図示を省略するが、上述した発光モジュール11の基板12の裏面12bが面接触して熱的に結合された状態に配設される放熱部材を備えている。
【００５１】
放熱部材は、照明装置の装置本体や、ヒートシンクなどのいずれでも構わず、基板12と熱的に結合される高い熱伝導性を有する部材であればよい。
【００５２】
この照明装置によれば、上述した発光モジュール11を用いるため、信頼性の高い照明装置を提供できる。
【００５３】
なお、本発明は、前記実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、接合部材14が主成分とする無機の金属微粒子は、銀微粒子に限らず、銅、アルミニウム、金、およびそれらの複合材などの微粒子でもよく、熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の高い熱伝導性を有していればよい。
【符号の説明】
【００５４】
11    発光モジュール
12    基板
13    半導体発光素子としてのＬＥＤチップ
14    接合部材
31    銀微粒子
【図１】
2011091213.tif 000003
【図２】
2011091213.tif 000004
【図３】
2011091213.tif 000005