(57)【要約】【課題】色むらが抑制された小型で熱放散に優れた発光素子用配線基板並びに発光装置を提供する。【解決手段】セラミックスからなる絶縁基体１と、該絶縁基体１に同時焼成されて埋設された焼結金属体３とを具備してなり、該焼結金属体３は上端３ａが前記絶縁基体１の上面１ａ以下に位置しているとともに発光素子２３を収容する凹部５を有しており、該凹部５の外側の前記絶縁基体１の表面１ａに前記発光素子２３と電気的に接続される接続電極７が配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる絶縁基体と、該絶縁基体に同時焼成されて埋設された焼結金属体とを具備してなり、該焼結金属体は上端が前記絶縁基体の上面以下に位置しているとともに発光素子を収容する凹部を有しており、該凹部の外側の前記絶縁基体の表面に前記発光素子と電気的に接続される接続電極が配置されていることを特徴とする発光素子用配線基板。
【請求項２】
前記焼結金属体が、前記絶縁基体を貫通するように埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用配線基板。
【請求項３】
前記絶縁基体の下面に接続端子が配置されるとともに、該接続端子と前記接続電極とが前記絶縁基体の内部に設けられた内部配線によって電気的に接続され、前記発光素子用配線基板の厚み方向において、前記接続端子と前記焼結金属体とが前記絶縁基体を介して重なるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子用配線基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子用配線基板の前記凹部に発光素子が収容され、該発光素子の電極が前記発光素子用配線基板の前記接続電極に電気的に接続されてい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、発光ダイオード等の発光素子を搭載するための発光素子用配線基板および発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤを用いた発光装置は、非常に発光効率が高く、しかも、白熱電球などと比較すると発光に伴い発生する熱量が小さいために様々な用途に用いられてきた。しかしながら、白熱電球や蛍光灯などと比較すると発光量が小さいために、照明用ではなく、表示用の光源として用いられ、通電量も３０ｍＡ程度と非常に小さいものであった。（例えば特許文献１を参照。）。
【０００３】
そして、近年では、発光素子を用いた発光装置の高輝度、白色化に伴い、携帯電話や大型液晶ＴＶ等のバックライトに発光装置が多く用いられてきている。しかしながら、発光素子の高輝度化に伴い、発光装置から発生する熱も増加しており、発光素子の輝度の低下をなくす為には、このような熱を素子より速やかに放散する高い熱放散性を有する発光素子用配線基板が必要となっている（例えば特許文献２を参照。）。
【０００４】
また、放熱性を考慮した基板構造としては、発光素子で発生した熱を効果的に拡散させるために、金属などの高熱伝導体と発光素子とを構造的に接触させて放熱性を高める配線基板が必要となっている（例えば特許文献３を参照。）。
【０００５】
ところが、特許文献３では、絶縁基体に金属体を充填した配線基板が提案されているが、発光素子作動時の昇降温に伴い金属体が絶縁基体から剥離し、実装後の信頼性が劣化する。さらに金属体が絶縁基体から外れ、配線が断裂することによってＬＥＤが機能しなくなる。
【０００６】
これに対して、特許文献４では、絶縁基体と同時焼成された貫通金属体が提案されており、放熱性と信頼性に優れた配線基板となっている。（例えば特許文献４を参照。）
また、発光装置には小型であることも求められており、金属からなる放熱基部を設けるとともに、発光素子を収容する凹部を設けた発光素子用配線基板が報告されている（例えば特許文献５を参照。）。
【特許文献１】特開２００２−１３４７９０号公報
【特許文献２】特開２００３−３４７６００号公報
【特許文献３】特許第３２５９４２０号公報
【特許文献４】特開２００６−９３５６５号公報
【特許文献５】特開２００６−８０１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献４に記載の発明においては、発光素子から発せられる光が貫通導体のみならず絶縁基体や電極に照射されるため、各々の反射率や色調の差により、光の利用効率が低下したり、色むらが生じるなどの欠点がある。
【０００８】
これに対し、特許文献５に記載の発明においては、色むらを抑制することはできるものの、放熱基部と絶縁体である下封止部とを別々に作製し両者を熱圧着しているため、放熱基部と下封止部とはそれぞれが部材として破壊や変形することなく取扱が可能な程度の強度、すなわち大きさを確保することが必要となるため小型化が困難であるという欠点がある。
【０００９】
したがって、本発明は、光利用効率に優れ、色むらが少なく、放熱性に優れ、小型化が可能な発光素子用配線基板および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】
本発明の発光素子用配線基板は、セラミックスからなる絶縁基体と、該絶縁基体に同時焼成されて埋設された焼結金属体とを具備してなり、該焼結金属体は上端が前記絶縁基体の上面以下に位置しているとともに発光素子を収容する凹部を有しており、該凹部の外側の前記絶縁基体の表面に前記発光素子と電気的に接続される接続電極が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記焼結金属体が、前記絶縁基体を貫通するように埋設されていることが望ましい。
【００１２】
また、本発明の発光素子用配線基板は、前記絶縁基体の下面に接続端子が配置されるとともに、該接続端子と前記接続電極とが前記絶縁基体の内部に設けられた内部配線によって電気的に接続され、前記発光素子用配線基板の厚み方向において、前記接続端子と前記焼結金属体とが前記絶縁基体を介して重なるように配置されていることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の発光装置は、以上説明した発光素子用配線基板の前記凹部に発光素子が収容され、該発光素子の電極が前記発光素子用配線基板の前記接続電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発光素子用配線基板は、発光素子を収容する凹部を備えた焼結金属体をセラミックスからなる絶縁基体とを同時焼成して、焼結金属体を絶縁基体に埋設することで小型化することが容易となる。また、発光素子から発せられる光の大半が焼結金属体に照射され、絶縁基体や配線に照射されないため、各々の反射率や色調の差による光の利用効率の低下や、色むらが生じないことから、光利用効率を高くすることができ、色むらを少なくすることが可能となる。
【００１５】
さらに、焼結金属体を、絶縁基体を貫通するようにして設けることで、発光素子からの発熱を凹部底面から発光素子が搭載されている反対側の主面へも装置外へ放出することができるため、発光素子が過剰に加熱されることを防止でき、さらに高輝度にすることが可能となる。
【００１６】
また、発光素子用配線基板の下面に接続端子を設け、発光素子用配線基板の厚み方向において、絶縁基体に比べ熱伝導性に優れた接続端子と焼結金属体とが絶縁基体を介して重なるように配置することで接続端子の面積を確保しながら、発光素子用配線基板の放熱性も維持することができる。
【００１７】
以上説明した本発明の発光素子用配線基板に発光素子を搭載した本発明の発光装置によれば、小型で、色むらが少なく、放熱性に優れた発光装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の発光素子用配線基板は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、セラミックスからなる絶縁基体１と、この絶縁基体１に同時焼成されて埋設された焼結金属体３とを具備しており、この焼結金属体３は、焼結金属体３の上端３ａが絶縁基体１の上面１ａ以下に位置しているとともに、発光素子を収容する凹部５を有しており、この凹部５の外側の絶縁基体１の表面１ａに発光素子と電気的に接続される接続電極７が配置されている。
【００１９】
このように焼結金属体３が絶縁基体１と同時焼成されて埋設されていることから、焼結金属体３と絶縁基体１とを一体的に形成することができるため、個別に作成し、組み立てる必要がないため、小型の発光素子用配線基板９を容易に作製することができる。
【００２０】
また、焼結金属体３の上端３ａを絶縁基体１の上面１ａ以下に位置させるとは、焼結金属体３の上端３を絶縁基体１の上面１ａと一致させるか、あるいは焼結金属体３を絶縁基体１の内側に配置することである。焼結金属体３をこのように配置することにより発光素子用配線基板９の低背化を容易に達成できる。
【００２１】
また、発光素子用配線基板９の下面１ｂに接続端子１１を設け、絶縁基体１の内部に配置された内部配線１３によって、接続端子１１と接続電極７とを電気的に接続することで、立体的な電気回路を内蔵させて発光素子用配線基板９を小型化することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、発光素子から出力される光の大半は、そのまま出力されるか、凹部５の底面５ａあるいは凹部の内壁面５ｂに反射されるため、反射光の色むらが生じにくいという利点もある。
【００２３】
特に、焼結金属体３は、放熱性の観点から厚みが厚いことが望ましい。そして、特に、図１（ｂ）に示すように焼結金属体３が絶縁基体１を貫通するように埋設されていることが放熱性を向上させる観点から望ましい。なお、焼結金属体３が絶縁基体１を貫通する形態とは、絶縁基体１を貫通するように形成された貫通孔の上下方向にわたって焼結金属体３が配置されている形態を意味している。
【００２４】
放熱性に限っていえば、図１（ｂ）のように焼結金属体３の側壁が垂直となるようにするか、あるいは発光素子用配線基板９の下面側で焼結金属体３が大きくなるようにすることが望ましい。
【００２５】
しかしながら、このような形態では接続端子１１の面積を大きくすることが困難となるために、本発明の発光素子用配線基板９を用いた発光装置を外部回路基板に実装する際に位置決めが困難となる場合がある。
【００２６】
そのため、図１（ｃ）に示すように発光素子用配線基板９の下面側で焼結金属体３が小さくなるように焼結金属体３の側面に段差を設けることで、絶縁基体１を貫通するように焼結金属体３を設けた場合であっても接続端子を大きくすることができる。
【００２７】
そして、図１（ｃ）に示すように、発光素子用配線基板９の厚み方向において、接続端子１１と焼結金属体３とが絶縁基体１を介して重なるように配置した場合には外部回路基板への実装性が向上するとともに、焼結金属体３と接続端子１１との間に絶縁基体１が介在はするものの熱伝導性に優れた焼結金属体３と接続端子１１とを近づけることができるため、熱伝導性に優れた距離の小さな熱伝達経路を形成することができるため、放熱性にも優れたものとなる。
【００２８】
すなわち、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の形態のうち、図１（ｂ）に示す形態の発光素子用配線基板９が放熱性の観点からは最も優れている。一方、放熱性は若干劣るものの、図１（ａ）、（ｃ）に示す形態の発光素子用配線基板９は、外部回路基板との実装性に優れるという利点がある。
【００２９】
なお、接続端子１１と焼結金属体３とが絶縁基体１を介して重なるとは、発光素子用配線基板９の上方向から垂直に絶縁基体１を透過するように見たときに接続端子１１と焼結金属体３とが少なくとも一部で重なり合うように配置されていることを意味している。
【００３０】
発光素子用配線基板９の下面において、焼結金属体３の露出する面積が等しい場合には、接続端子１１と焼結金属体３とが重なる面積は大きいほど放熱性が向上する。また、発光素子用配線基板９を半田などを介して外部基板に実装する場合には、多少の位置ずれが生じた場合であっても、物理的に位置ずれの許容範囲が大きくなるとともに、溶融した半田の表面表力によるアライメントの効果が増大するため、実装性が高くなる。
【００３１】
また、接続端子１１と焼結金属体３との間に介在する絶縁基体１の厚みは薄いほど放熱性が向上するが、絶縁性を確保する観点から３０μｍ以上とすることが望ましい。
【００３２】
この絶縁基板１となるセラミックスとしては、安価で製造しやすい点ではＡｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体が優れている。また、高価ではあるが、熱伝導性、強度に優れたＡｌＮ質焼結体やＳｉ３Ｎ４質焼結体を用いてもよい。
【００３３】
また、この発光素子用配線基板９に用いる絶縁基体１の熱膨張係数を８．５×１０−６／℃以上とすることで、焼結金属体や外部のプリント基板などとの接続信頼性を格段に高くすることができる。また、搭載される発光素子を被覆するために設けられる封止樹脂などとの接合信頼性も同時に改善されることはいうまでもない。特に、９．０×１０−６／℃以上が好ましく、１０．０×１０−６／℃以上がより好ましく、例えば、８．５×１０−６／℃以上の絶縁基体１は、フォルステライトやＭｇＯを用いることにより作製することができる。また、１０．０×１０−６／℃以上の絶縁基体１は、ＭｇＯを用いることにより作製することができる。
【００３４】
また、発光素子用配線基板９に用いる絶縁基体１の熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることで、絶縁基体１自体からの熱放散性が向上し、発光素子の輝度低下を防ぐことが可能となる。特に、３５Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、更には４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、最も好適には、４５Ｗ／ｍ・Ｋ以上が良い。例えば、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁基体は、純度９９％以上の高純度アルミナやＭｇＯを用いることにより作製することができる。
【００３５】
また、この絶縁基体１として、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体を用いたばあいには、安価な原料を使用でき、安価な発光素子用配線基板９を得ることができる。
【００３６】
なお、Ａｌ２Ｏ３を主結晶相とするＡｌ２Ｏ３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ２Ｏ３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ２Ｏ３の結晶を体積比率として、５０体積％以上含有していることが望ましい。
【００３７】
また、このような焼結体は、例えば、平均粒径１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ２Ｏ３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍのＭｎ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯの群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤を添加した成形体を１３００〜１５００℃の温度範囲で焼成することによって得られるものである。
【００３８】
そして、焼結助剤などのＡｌ２Ｏ３以外の組成物の添加量については、Ａｌ２Ｏ３を主結晶とする緻密体を得るために、望ましくは１５質量％以下、更に望ましくは、１０質量％以下とすることが望ましい。特に、焼結助剤などのＡｌ２Ｏ３以外の組成物の添加量を１５質量％以下とした場合には、得られる絶縁基体１の大部分をＡｌ２Ｏ３結晶により形成することができる。また、これらの焼結助剤は、焼成温度を低くするために５質量％以上、さらには７質量％以上添加することが望ましい。
【００３９】
このようなＡｌ２Ｏ３を主成分とする組成物に、さらに、バインダ、溶剤を添加して、スラリーを作製し、例えば、ドクターブレード法により、シート状の成形体を作製し、さらに、その表面や、シート状の成形体に設けた貫通孔などに、少なくとも金属粉末を含有する導体ペーストを印刷、充填したのち、このシートを積層し、酸化雰囲気、還元雰囲気、あるいは不活性雰囲気で焼成することで、絶縁基体１に、接続電極７、接続端子１１、貫通導体１３が配置された、配線回路を備えた発光素子用配線基板９を作製することができる。また、配線回路は、薄膜法により絶縁基板１の表面に形成したり、金属箔を成形体の表面に転写するなどして形成できることはいうまでもない。
【００４０】
配線回路に用いる導体は、導体成分としてＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分とし、これにセラミック粉末を０〜５重量％の割合で添加したものにアクリル系バインダ及びアセトンを溶媒として混合し、導体ペーストを調整し、スクリーン印刷法等を用いて、セラミックグリーンシート上に印刷塗布することにより形成できる。
【００４１】
また、焼結金属体３は、セラミックグリーンシートと、このセラミックグリーンシートと実質的に同一厚みの金属材料からなる金属シートを作製する工程と、セラミックグリーンシートの所定箇所に貫通孔を形成する工程と、貫通孔を形成したセラミックグリーンシートにあらかじめ貫通孔を形成しておいた金属シート、あるいは貫通孔を形成していない金属シートを積層する工程と、セラミックグリーンシートにおける貫通孔形成部分を金属シート側から押圧することによって、金属シートの一部を前記貫通孔内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートとを一体化した成形体を同時焼成することで形成できる。
【００４２】
このような金属シートは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇのうち少なくとも１種を主成分とし、これにセラミック粉末を０〜５重量％の割合で添加したものに有機樹脂（バインダ）及びトルエンを溶媒として混合し、スラリーを作製し、ドクターブレード法等を用いてシート成形することにより形成できる。
【００４３】
また、凹部５には、金属面が露出しているので、別の工程で導体を印刷する必要はないため、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどからなるめっき層（図示せず）を容易に形成でき、光利用効率を向上させることができる。
【００４４】
そして、以上説明した本発明の発光素子用配線基板９に、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように発光素子２３として、ＬＥＤチップ２３などを半田や樹脂などの接着剤２５を介して搭載し、ボンディングワイヤ２７により発光素子２３の端子（図示せず）と接続電極７とを接続し、凹部５に収容された発光素子２３、ボンディングワイヤ２７並びに接続電極７を覆うように封止樹脂２９で覆うようにすることで、本発明の発光装置３１となる。
【００４５】
また、本発明の発光装置３１においては、特に発光素子２３の上端が絶縁基板１の上面１ａ以下に位置するように凹部５の深さを調節することが望ましく、これにより発光素子２３から出力された光が凹部５の底面５ａおよび凹部の内壁面５ｂのみで反射されるため色むらを抑制することができる。
【００４６】
なお、必要に応じて、この封止樹脂２９に発光素子２３が放射する光を波長変換するための蛍光体（図示せず）を添加してもよい。
【００４７】
また、以上説明した例では、内部配線１３を設けた例について説明したが、内部配線１３を設けない場合であってもよいことは勿論である。
【００４８】
なお、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図２（ａ）、（ｂ）の例では焼結金属体３の上から見た大きさは、図における金属焼結体３の幅が同じ部分では一定となっており、上から見た形状は、四角であっても、円であってもよく、必要に応じ種々の形状とすればよい。
【実施例】
【００４９】
原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１．５μｍのＡｌ２Ｏ３粉末を９０質量％、純度９９％以上、平均粒子径１．３μｍのＭｎ２Ｏ３粉末を５質量％、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ２粉末を５質量％で原料粉末を混合し、成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダと、トルエンを溶媒として混合し、スラリーを調整した。
【００５０】
しかる後に、ドクターブレード法にてセラミックグリーンシートを作製した。
【００５１】
また、平均粒子径１．５μｍのＷ粉末を５０質量％および平均粒子径３．５μｍのＣｕ粉末を５０質量％で金属粉末とアクリル系バインダとアセトンとを溶媒として混合し、導体ペーストを調製した。
【００５２】
また、金属シートは、導体ペーストと同様の割合で金属粉末と成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダと、トルエンを溶媒として混合し、金属シートとなる金属スラリーを調整した。しかる後に、この金属スラリーを用いてドクターブレード法にてセラミックグリーンシートと実質的に同一厚みの金属シートを作製した。
【００５３】
そして、上記のセラミックグリーンシートに対して、打ち抜き加工を施し、直径が１００μｍのビアホールを形成し、このビアホール内に、導体ペーストをスクリーン印刷法によって充填するとともに、配線パターン状に印刷塗布した。
【００５４】
そして、焼成後の厚みが２００μｍとなるセラミックグリーンシートの所定箇所に貫通穴を形成し、セラミックグリーンシートにおける焼結金属体形成部分を金属シートから押圧することによって、金属シートの一部を貫通穴内に埋め込み、セラミックグリーンシートと金属シートとを一体化した。
【００５５】
また、発光素子を収容する凹部は、金属シートに壁面が斜めになるように打ち抜き加工を施して形成した。このように壁面を斜めとするためには、例えば、打ち抜き加工を施した金属シートに壁面が斜めになるように金型を押しあててもよいが、ここでは、以下のようにして作製した。
【００５６】
すなわち、打ち抜きピンの外形寸法よりも、ダイスの内径寸法が異なり、ダイスの内径寸法が大きな金型を用いて逆テーパー状の凹部を形成した。
【００５７】
この時、あらかじめ絶縁層に金属シートを埋め込んだものを２枚、位置を合わせて積層して用意した。なお、焼結金属体は、発光素子用配線基板の略中心に配置されるように形成した。
【００５８】
このようにして、例えば、図１（ａ）に示すような焼成後に外形５ｍｍ×５ｍｍ×厚み０．８ｍｍとなる積層体を作製した。また、この積層体は焼成後に３ｍｍ角の焼結金属体に深さが２００μｍで、底面の寸法が１ｍｍ角、開口部の寸法が１．４ｍｍ角の凹部が形成されるものである。
【００５９】
そして、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１３００〜１７００℃の最高温度で２時間焼成した。そして、絶縁基体の一方の主面に接続電極を備え、他方の主面に接続端子を備え、そして両者を内部配線で接続した発光素子用配線基板を作製した。
【００６０】
その後、焼結金属体、接続電極並びに接続端子の表面にＮｉ、ＡｕおよびＡｇめっきを順次施した。
【００６１】
これらの発光素子用配線基板に接着剤としてエポキシ樹脂を用いて出力１．５Ｗの発光素子であるＬＥＤチップをその上端が凹部の中に完全に収容されるように搭載部に実装し、ボンディングワイヤによりＬＥＤチップと接続端子とを結線し、さらに、ＬＥＤチップと接続端子とを熱膨張係数が４０×１０−６／℃のシリコーン樹脂からなる封止樹脂で覆い発光装置を得た。
【００６２】
また、発光装置に０．４Ａの電流を通電し、色むらの有無を目視にて判断した。また、通電から１時間後に全放射束を測定した。この全放射束が大きいものほど放熱性に優れていると判断できる。
【００６３】
以上の工程により作製した発光素子用配線基板の試験結果を表１に示す。なお、表中に焼結金属体の全体の厚みが記載してあるが、焼結金属体は凹部から連続して積層されており、例えば、焼結金属体の合計厚みが６００μｍの場合には３層連続して焼結金属体が形成された下に絶縁基体が１層形成されたことを示している。
【００６４】
また、表１において、重なりの有無の欄で有と記載された試料は、発光素子用配線基板の厚み方向において焼結金属体と接続電極とが３ｍｍ×１．１ｍｍの面積で重なっているものである。
【表１】
2008034550.tif 000003
【００６５】
表１に示すように、凹部も焼結金属体もない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１では色むらがあり、全放射束が低かった。
【００６６】
一方、本発明の試料Ｎｏ．２〜５では、色むらが全く確認できず、全放射束も高いものであった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の発光素子用配線基板の断面図である。
【図２】本発明の発光装置の断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・絶縁基体
１ａ・・・絶縁基体の上面
１ｂ・・・絶縁基体の下面
３・・・焼結金属体
３ａ・・・焼結金属体の上端
５・・・凹部
７・・・接続電極
９・・・発光素子用配線基板
１１・・・接続端子
１３・・・内部配線
１１・・・封止部
１５・・・発光素子用配線基板
２３・・・発光素子
３１・・・発光装置
【図１】
2008034550.tif 000004
【図２】
2008034550.tif 000005