(57)【要約】【課題】透光性アルミナ基板と、この透光性アルミナ基板の表面に形成されている配線パターンとを備えている透光性配線基板において、熱サイクル印加後に配線パターンの透光性アルミナ基板への接着を維持し、かつ配線基板の透光性が得られるようにすることである。【解決手段】透光性配線基板８は、透光性アルミナ基板１と、この透光性アルミナ基板１の表面１ａに形成されている配線パターン２とを備えている。透光性アルミナ基板１の表面１ａに平滑面５と粗面６とが形成されており、配線パターン２が粗面６上に形成されており、平滑面５上に形成されていない。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性アルミナ基板と、この透光性アルミナ基板の表面に形成されている配線パターンとを備えている透光性配線基板であって、
前記透光性アルミナ基板の前記表面に平滑面と粗面とが形成されており、前記配線パターンが前記粗面上に形成されており、前記平滑面上に形成されていないことを特徴とする、透光性配線基板。
【請求項２】
前記平滑面の面粗度Ｒａが０．１〜０．３μｍであり、前記粗面の面粗度Ｒａが０．５〜３．０μｍであることを特徴とする、請求項１記載の透光性配線基板。
【請求項３】
前記透光性アルミナ基板におけるアルミナ以外の不純物量が０．２質量％以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の透光性配線基板。
【請求項４】
前記透光性アルミナ基板の平均粒径が１５μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の透光性配線基板。
【請求項５】
前記配線パターンがスクリーン印刷により形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の透光性配線基板。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の透光性配線基板を製造する方法であって、
アルミナ原料粉末を型を用いてゲルキャスト成形して成形体を得、この際前記金型に前記平滑面に対応する平滑部と前記粗面に対応する粗面部とが設けられている成形工程、
前記成形体を焼結させることによって前記透光性アルミナ基板を得る焼結工程、および
前記透光性アルミナ基板の前記粗面上に前記配線パターンを形成する工程
を有することを特徴とする、透光性配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性が高く、かつ熱サイクル後にも配線パターンの付着強度の高い透光性配線基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミナセラミックスは電気絶縁性、化学的安定性といった特徴から電子部品用基板として広く使われている。近年では高熱伝導性といった特徴を活かし、半導体発光素子用の基板として使われるケースも増加している。ただし、一般的なアルミナセラミックスは不透明であり、半導体発光素子から出射される光のうち、直接利用できるのは片面のみであり、基板反対面側に出射する光は反射等の処置を行い利用している（特許文献１）。透光性のある基板を用いれば、こういった構造は必要なくなるが、一般的な透光性材料であるガラスや樹脂を基板として用いると熱伝導率が低いため、半導体発光素子の温度が上昇し、発光素子の発光効率そのものが落ちてしまう。
【０００３】
一方、アルミナセラミックスの中でも特に高純度なものは、真空や水素といった還元雰囲気焼成を行うことで高い透光性を有するようになり、高圧ナトリウムランプやメタルハライドランプといった高輝度放電灯用の発光管として使われている（特許文献2）。
【０００４】
透光性アルミナセラミックスは、透光性に加えて高い熱伝導性を持ち、これを半導体発光素子用の基板として使用することができれば、温度上昇による発光効率低下を起こすことなく、発光素子両面からの光の取出しが可能となる（特許文献3）。
【０００５】
また、アルミナ基板の表面に、金属による配線パターンを形成することが行われている。ここで配線パターンとアルミナ基板との接着性を向上させるために、アルミナ基板の全面にわたってアルカリ、酸またはイオンビーム等を用いてエッチングし、次いで配線パターンを形成することが知られている（特許文献４，５）。また、アルミナ基板の表面に、アルミナ粒子よりも大きな凹凸を設ける方法が知られている（特許文献６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２４３７１７号公報
【特許文献２】特許２７８０９４１号公報
【特許文献３】特開２００２−２８９９２５号公報
【特許文献４】特開昭６１−２５１５８９号公報
【特許文献５】特開平５−２４９５９号公報
【特許文献６】特開２０１０−３０２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アルミナ基板を半導体発光素子用の基板として用いる場合、発光素子への給電のための配線パターンを基板表面に形成する必要がある。配線パターンは通常、銀や銅のペーストを厚膜プロセスで印刷したあと、加熱処理をすることで、ペースト内に含まれるバインダー成分と基板に含まれるアルミナ以外の成分（主としてＳｉＯ２）とを結合させることで密着させる。ところが、透光性アルミナセラミックスは一般アルミナに比べ高純度であり、不純物の量が極めて少ないため密着性が不足し、点灯による温度サイクルの繰り返しにより配線パターンが剥がれ易くなる。
【０００８】
透光性アルミナセラミックスにおいても、結晶粒界には少量ながら不純物が存在するが、透光性を高めるためには結晶粒子の径をできるだけ大きくする必要があり、結晶粒子径が大きくなると相対的に基板表面に現れる結晶粒界の面積が小さくなるため、更にこの問題が顕著となる。
【０００９】
アルミナ中の不純物成分を多くすれば、配線パターンへの密着性を高めることが可能であるが、透光性が低下し、発光素子から出射される光の利用が難しくなる。また、結晶粒子径を小さくすれば、密着性の改善は可能であるが、透光性が低下し、発光素子から出射される光の利用が難しくなる。
【００１０】
本発明者は、この問題を解決するため、特許文献４、５、６に記載のような方法も試みてみた。特許文献４では、透光性ではないアルミナ基板を酸・アルカリによってエッチングしており、これによってアルミナ基板表面を全面にわたって微細に粗している。エッチング前後において面粗度は変わらない。次いでアルミナ基板上に配線パターンを蒸着している。
【００１１】
しかし、本発明者の検討では、酸・アルカリエッチングによって透光性アルミナ基板の表面を処理しても、透光性アルミナの場合には前述のように不純物が少ない上、平滑度も高い。このため、特許文献４記載のような、面粗度が上がらないような微細なエッチングでは、配線パターンの密着性改善の効果がなく、熱サイクル後に配線パターンが剥離する。また、エッチングによって透光性アルミナ基板の面粗度を粗くすると、光の透過率が低下する。
【００１２】
また、特許文献５記載のようにイオンビームを用いて透光性アルミナ基板の表面をエッチングすることも検討した。しかし、この方法でも、特許文献４と同様の問題が生ずる。
【００１３】
特許文献６記載のように、アルミナ粒子よりも大きな凹凸を設ける方法も検討した。しかし、透光性アルミナの場合には、透光性を発現させるためにアルミナ粒子の平均粒径が非常に大きい。このため、アルミナ粒子よりも十分に大きな凹凸を設けると、微細なパターンや複雑なパターンを基板表面に形成することができず、配線の微細化に対応できない。このため、透光性配線基板の分野では産業上利用できない技術である。しかも、透光性アルミナ粒子よりも十分に大きい凹凸が基板表面にあると、配線パターンを基板表面にスクリーン印刷するときに、印刷用製版の損傷を引き起こす。
【００１４】
本発明の課題は、透光性アルミナ基板と、この透光性アルミナ基板の表面に形成されている配線パターンとを備えている透光性配線基板において、熱サイクル印加後に配線パターンの透光性アルミナ基板への接着を維持し、かつ配線基板の透光性が得られるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、透光性アルミナ基板と、この透光性アルミナ基板の表面に形成されている配線パターンとを備えている透光性配線基板であって、
透光性アルミナ基板の表面に平滑面と粗面とが形成されており、配線パターンが粗面上に形成されており、前記平滑面上に形成されていないことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記透光性配線基板を製造する方法であって、
アルミナ原料粉末を型を用いてゲルキャスト成形して成形体を得、この際金型に平滑面に対応する平滑部と粗面に対応する粗面部とが設けられている成形工程、
成形体を焼結させることによって透光性アルミナ基板を得る焼結工程、および
透光性アルミナ基板の粗面上に配線パターンを形成する工程
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、透光性アルミナ基板の表面に平滑面と粗面とを形成し、配線パターンを粗面上に形成し、平滑面上に形成しないことによって、熱サイクル印加後に配線パターンの透光性アルミナ基板への接着を維持し、かつ配線基板の透光性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る配線基板８を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、透光性アルミナ基板１の模式的断面図であり、（ｃ）は、配線パターンを設けた後の配線基板８の断面図である。
【図２】配線基板の透光性の測定法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、アルミナ原料粉末を成形、焼結させることによって、透光性アルミナ基板を作製する。この時点では、透光性アルミナ基板の表面は平滑面をなしている。これは、基板表面が粗れていると、基板の全透過率が著しく低下するからである。
【００２０】
次いで、図１（ｂ）に示すように、基板１の表面１ａのうち、配線パターン形成領域３に粗面を形成する。本例では、配線パターンを形成しない領域４には粗面を形成していない。次いで、図１（ａ）（ｃ）に示すように、配線パターン形成領域３において、粗面６上に配線パターン２を形成する。配線パターン２は、粗面６上に形成されており、平滑面５上には形成されていない。
【００２１】
（透光性アルミナ基板）
透光性アルミナは、例えば発光ダイオード素子用をマウントする基板として使用でき、これによって発光ダイオード素子の寿命を飛躍的に延長することが可能である。
【００２２】
透光性アルミナ基板の厚さは0.2ｍｍ以上、2mm以下であることが好ましい。基板が薄すぎると、衝撃で割れやすくなり、あるいは直線透過光の比率が高くなりすぎ、光の拡散が不足する。基板が厚すぎると、全光線透過率が低くなり、放熱性も低下する。
【００２３】
透光性アルミナ基板の可視光域の直線透過率は、光の拡散のため、４０％以下とすることが好ましく、１５％以下とすることが更に好ましい。透光性アルミナ基板の前方全透過率は、発光効率の観点から３０％以上が好ましい。
【００２４】
基板を構成する透光性アルミナの結晶粒径は特に限定されないが、透光性を得るという観点から、１５μｍ以上とすることが好ましく、２０μｍ以上とすることが更に好ましい。また、アルミナの結晶粒径は、１００μｍ以下とすることが好ましく、４０μｍ以下とすることが更に好ましい。
【００２５】
また、基板を構成する透光性アルミナの相対密度は、透光性を確保するという観点からは、９８％以上とすることが好ましく、９９％以上とすることが更に好ましい。アルミナ内の気孔は、入射する光を散乱させ、全光線透過率を著しく低下させる。
【００２６】
透光性アルミナ基板の成形方法は特に限定されず、ドクターブレード法、押し出し法、ゲルキャスト法など任意の方法であってよい。特に好ましくは、基板をゲルキャスト法を用いて製造する。好適な実施形態においては、セラミック粉末、分散媒およびゲル化剤を含むスラリーを注型し、このスラリーをゲル化させることによって成形体を得、この成形体を焼結させる。
【００２７】
特に好ましくは、純度９９．９％以上（好ましくは９９．９５％以上）の高純度アルミナ粉末に対して、１５０〜１０００ｐｐｍの助剤を添加した原料を用いる。このような高純度アルミナ粉末としては、大明化学工業株式会社製の高純度アルミナ粉体を例示できる。
前述した助剤としては、酸化マグネシウムが好ましいが、ZrO2, Y2O3,La2O3,
Sc2O3も例示できる。
【００２８】
好適な実施形態においては、透光性アルミナ基板におけるアルミナ以外の不純物量が０．２質量％以下であり、これによって全透過率が向上する。不純物量が少ないことによって、配線パターンとの熱サイクル印加後の接着性が低下するので、本発明が特に有効である。
【００２９】
原料粉末の平均粒径は特に限定されないが、低温焼結での緻密化および透光性向上という観点からは、０．５μｍ以下が好ましく、０．４μｍ以下が更に好ましい。一層好ましくは、原料粉末の平均粒子径は０．３μｍ以下（一次粒子径）である。この平均粒径の下限は特に限定されない。原料粉末の平均粒子径は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による原料粉末の直接観察によって決定できる。
なお、ここでいう平均粒子径とはＳＥＭ写真(倍率：Ｘ３００００。任意の２視野)上における２次凝集粒子を除く１次粒子の（最長軸長＋最短軸長）／２の値のｎ＝５００平均値のことである。
【００３０】
ゲルキャスト法は、以下の方法を例示できる。
（１）  無機物粉体とともに、ゲル化剤となるポリビニルアルコール、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のプレポリマーを、分散剤と共に分散媒中に分散してスラリーを調製し、注型後、架橋剤により三次元的に架橋してゲル化させることにより、スラリーを固化させる。
（２）  反応性官能基を有する有機分散媒とゲル化剤とを化学結合させることにより、スラリーを固化させる。
【００３１】
（粗面および平滑面）
本発明では、透光性アルミナ基板の表面に平滑面と粗面とが形成されている。平滑面の面粗度Ｒａは、全透過率の向上という観点からは、０．３μｍ以下が好ましい。また、平滑面の面粗度の下限は特にないが、加工上は０．１μｍ以上が実際的である。
【００３２】
また、粗面の面粗度Ｒａは、熱サイクル印加後の配線パターンとの接着性という観点からは、０．５μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることが更に好ましい。また、粗面の損粗度Ｒａを３．０μｍ以下とすることによって、微細なパターンを印刷する際のかすれや断線、印刷時のスクリーンマスクの破損を防止できる。
【００３３】
粗面および平滑面の面粗度Ｒａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１で規定される中心線平均表面粗さであり、例えば、ＪＩＳ  Ｂ  ０６５１で規定されるような触針式表面粗さ測定器によって測定する。
【００３４】
本発明では、配線パターンが粗面上に形成されており、平滑面上に形成されていない。好適な実施形態においては、図１（ｃ）に示すように、配線パターン２が粗面６の全面を被覆しており、粗面６が基板表面側に露出していない。ただし、粗面６の一部が配線パターン２に被覆されずに基板表面に露出していても良い。この場合には、粗面６のうち露出部分の面積が粗面６の全面積の１０％以下であることが好ましい。また、平滑面は基板表面に露出している。
【００３５】
（粗面および平滑面の形成方法）
透光性アルミナ基板に平滑面を形成するには、成形金型に平滑面に対応する平滑部を設けることができる。また、透光性アルミナ基板の表面をダイヤモンドペースト等を用いて、研磨加工することによって、平滑面を形成できる。
【００３６】
透光性アルミナ基板に粗面を形成するには、成形金型に粗面に対応する粗面部を設けることができる。また、透光性アルミナ基板の表面を全面にわたって平滑面とした後、この平滑面のうち配線パターン形成領域を軸付き砥石等によりフライス加工することによって粗面を形成できる。
【００３７】
（配線パターンの形成）
配線パターンを形成する方法としては、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、パッド印刷法がある。
【００３８】
また、配線パターンを形成する際の熱処理温度は、５００〜１０００℃が好ましい。また、配線パターンの材質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、またはこれらを含む化合物が好ましい。更に配線パターンの厚さは  本発明の観点からは、０．５〜２０μｍが好ましい。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
透光性アルミナセラミックス基板１を、以下のようにして作製した。すなわち、原料粉末としてアルミナ粉末１００重量部、及びマグネシア０．０２５重量部、分散媒として多塩基酸エステル３０重量部、ゲル化剤として、MDI樹脂４重量部、分散剤としてマリアリムAKM0351（商品名、日本油脂株式会社製）２重量部及び触媒としてトリエチルアミン０．２重量部を混合したものを用いた。このスラリーを、配線パターンに該当する部分の表面に粗面部を設けたアルミニウム合金製の型に室温で注型後、室温で１時間放置し、固化してから離型した。さらに、室温、次いで９０℃のそれぞれの温度にて2時間放置して、基板状の粉末成形体を得た。これを大気中１２００℃で仮焼し、仮焼体を得た。
【００４０】
次いで、この仮焼体を、水素：窒素＝3:1の雰囲気中１８００℃で焼成し、緻密化及び透光化させた。この結果、表面に配線パターンに対応する粗面を設けた透光性アルミナセラミックス基板を得ることができた。この基板の粗面の表面粗度を測定したところ、Ｒａ＝０．５μmであり、それ以外の平滑面の面粗度Ｒａは０．１μmであった。
【００４１】
得られた基板１の表面１ａに、所望の配線パターンを持つスクリーン製版を用いて銀ペーストを印刷した。その後、９５℃の乾燥器で15分乾燥させ、８５０℃の温度で熱処理を行い、配線パターン２を基板１の粗面に密着させた。
【００４２】
この配線パターン上に半田付けを行い、接着強度を測定したところ、１８Ｎ/mm２と十分な強さがあることがわかった。更に、−４０℃と２００℃を３０分毎に交互に繰り返す温度サイクルを１０００回行った後、接着強度を測定したところ、１０Ｎ/ｍｍ２と初期値よりは劣るものの、依然として十分な強さがあることがわかった。
【００４３】
また、この基板の配線パターン以外の部分の前方全透過率を測定したところ、６５％であった。ただし、前方全透過率は、図２に模式的に示す装置で測定した。すなわち、光源１０から波長５５５ｎｍの単色光を矢印Ａのように配線基板８の表面１ａに入射させ、背面１ｂ側から矢印Ｂのように積分球１2の各点に向かって放射される放射光を検出器１１によって検出する。
【００４４】
（実施例２〜４）
実施例１と同様にして配線基板８を作製した。ただし、粗面および平滑面の面粗度Ｒａを、表１に示すように変更した。測定結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
2012238654.tif 000003
【００４６】
表１から分かるように、本発明の実施例では、熱サイクルを１０００サイクル印加した後の配線パターンの接合強度が高く維持されており、配線基板の全透過率も高い。
【００４７】
（比較例１〜５）
実施例１と同様にして配線基板８を作製した。ただし、透光性アルミナ基板の表面の面粗度Ｒａを、表２に示すように変更した。測定結果を表２に示す。
【００４８】
【表２】
2012238654.tif 000004
【００４９】
比較例１、２では、透光性アルミナ基板の面粗度が低いので、配線基板の全透過率は高い。しかし、熱サイクルを１０００サイクル印加した後に配線パターンが剥離していた。比較例３、４、５では、熱サイクルを１０００サイクル印加した後に、配線パターンの接合強度はある程度得られたが、しかし配線基板の全透過率が低く、透光性配線基板としては使用が困難なものである。
【図１】
2012238654.tif 000005
【図２】
2012238654.tif 000006