(57)【要約】【課題】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。【解決手段】透光性配線基板８は、透光性アルミナ基板１と、透光性アルミナ基板１上に形成されている配線パターン２とを備える。透光性アルミナ基板１を構成する透光性アルミナにおけるＳｉＯ２の含有量が１５０〜３００質量ｐｐｍであり、ＭｇＯの含有量が１００〜２５０質量ｐｐｍであり、ＳｉＯ２の含有量がＭｇＯの含有量より多く、ＳｉＯ２およびＭｇＯを除くアルミナ純度が９９．９質量％以上であり、結晶粒子径が２０μｍ以上である。透光性アルミナ基板１の配線パターン２以外の部分の前方全透過率が５０％以上である。【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上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を構成する透光性アルミナにおけるＳｉＯ２の含有量が１５０〜３００質量ｐｐｍであり、ＭｇＯの含有量が１００〜２５０質量ｐｐｍであり、ＳｉＯ２の含有量がＭｇＯの含有量より多く、ＳｉＯ２およびＭｇＯを除くアルミナ純度が９９．９質量％以上であり、結晶粒子径が２０μｍ以上であり、前記透光性アルミナ基板の配線パターン以外の部分の前方全透過率が５０％以上であることを特徴とする、透光性配線基板。
【請求項２】
前記透光性アルミナが、還元雰囲気中で１７００℃以上、１９００℃以下で焼成された焼結体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の前記配線パターンの印刷されている表面の面粗度Ｒａが０．３μｍ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。
【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）。なお、本出願人は、特許文献７において、均質な透光性アルミナ焼結体からなる発光ダイオード素子用拡散板を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２４３７１７
【特許文献２】特許２７８０９４１
【特許文献３】特開２００２−２８９９２５
【特許文献４】特開昭６１−２５１５８９
【特許文献５】特開平５−０２４９５９
【特許文献６】特開２０１０−３０２８０
【特許文献７】特開２００７−２５８２２８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アルミナセラミックス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る等の問題が発生しやすくなる。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明者は、この問題を解決するため、特許文献３、４、５に記載のような方法も試みてみた。特許文献３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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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】
【００１４】
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上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を構成する透光性アルミナにおけるＳｉＯ２の含有量が１５０〜３００質量ｐｐｍであり、ＭｇＯの含有量が１００〜２５０質量ｐｐｍであり、ＳｉＯ２の含有量がＭｇＯの含有量より多く、ＳｉＯ２およびＭｇＯを除くアルミナ純度が９９．９質量％以上であり、結晶粒子径が２０μｍ以上であり，透光性アルミナ基板の配線パターン以外の部分の全透過率が５０％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、透光性アルミナ基板の透光性を維持しつつ、熱サイクル印加後にも配線パターンのアルミナ基板表面からの剥離を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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る。
【図２】透光性アルミナ基板１の配線パターン形成領域６上に配線パターン７を設けた後の配線基板８の断面図である。
【図３】平均粒径の測定方法を説明するため模式図である。
【図４】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】
【００１７】
（配線基板の形成手順）
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とが好ましく、これによって基板の全透過率を高くできる。
【００１８】
好適な実施形態においては、図１、図２に示すように、透光性アルミナ基板１の表面１ａを平滑面とする。１ｂは背面であるが、平滑面とすることが好ましい。次いで、図２に示すように、配線パターン形成領域６において、基板表面１ａに配線パターン７を形成する。配線パターン７は、非形成領域５には形成されていない。３ははんだ付け部分である。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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配線パターン以外の部分の前方全透過率は、発光効率の観点から５０％以上が好ましい。
【００２２】
（透光性アルミナ）
基板を構成する透光性アルミナの平均結晶粒径は、上述のような高度の透光性を得るという観点から、２０μｍ以上とすることが好ましい。また、アルミナの結晶粒径は、基板強度を維持し、および直線透過光の比率が多くなりすぎないように、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。
【００２３】
なお、ここでいう平均結晶粒径とは、以下の方法により測定された値である。
（１）  焼結体の表面の顕微鏡写真（１００〜２００倍）を撮影し、単位長さの直線が横切る粒子の数を数える。これを異なる３箇所について実施する。なお、単位長さは５００μｍ〜１０００μｍの範囲とする。
（２）  実施した３箇所の粒子の個数の平均をとる。
（３）  下記の式により、平均粒径を算出する。
［算出式］
Ｄ＝（４／π）×（Ｌ／ｎ）
［Ｄ：平均粒径、Ｌ：直線の単位長さ、ｎ：３箇所の粒子の個数の平均］
平均粒径の算出例を図３に示す。異なる３箇所の位置において、それぞれ単位長さＬ（例えば５００μｍ）の直線３０が横切る粒子３２の個数が２２、２３、１９としたとき、平均粒径Ｄは、上記算出式により、
Ｄ＝（４／π）×［５００／｛（２２＋２３＋１９）／３｝］＝２９．９μｍ
となる。
【００２４】
透光性アルミナ基板を構成する透光性アルミナにおけるＳｉＯ２の含有量は１５０〜３００質量ｐｐｍとする。この範囲内において、透光性アルミナ基板の透光性を維持しつつ、熱サイクル印加後にも配線パターンのアルミナ基板表面からの剥離を防止できることを見いだした。ＳｉＯ２の含有量は、２００ｐｐｍ以上とすることが更に好ましい。
【００２５】
透光性アルミナ基板を構成する透光性アルミナにおけるＭｇＯの含有量は１００〜２５０質量ｐｐｍとする。この範囲内において、透光性アルミナ基板の透光性を維持しつつ、熱サイクル印加後にも配線パターンのアルミナ基板表面からの剥離を防止できることを見いだした。ＭｇＯの含有量は、１５０ｐｐｍ以上とすることが更に好ましく、また２００ｐｐｍ以下とすることが更に好ましい。
【００２６】
また、ＳｉＯ２の含有量がＭｇＯの含有量より多いことが必要である。本発明の観点からは、ＳｉＯ２の含有量とＭｇＯの含有量との差は、３０質量ｐｐｍ以上であることが好ましく、５０質量ｐｐｍ以上であることが更に好ましい。またＳｉＯ２の含有量とＭｇＯの含有量との差は、２００質量ｐｐｍ以下であるが、１５０質量ｐｐｍ以下であることが更に好ましい。
【００２７】
透光性アルミナにおけるＳｉＯ２の含有量、ＭｇＯの含有量は、誘導結合プラズマ原子発光分析法によって各元素量を測定し、酸化物量に換算する。
【００２８】
透光性アルミナにおいて、ＳｉＯ２およびＭｇＯを除くアルミナの純度が９９．９質量％以上であり、これによって全透過率が向上する。アルミナに対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、これを改善するという点で本発明が特に有効である。透光性アルミナ基板におけるアルミナの純度は９９．９５％以上が一層好ましい。基板のアルミナ純度は、誘導結合プラズマ原子発光分析法によって基板内のアルミニウム元素量を測定し、酸化物量に換算する。
透光性アルミナ基板に含まれる、ＳｉＯ２およびＭｇＯ、およびアルミナ以外の成分としては、以下が挙げられる。基板を構成するセラミックスにおけるこれらの成分の含有量は、ＳｉＯ２、ＭｇＯおよびアルミナの残部であり、０．１質量％以下である。
（１）  焼結助剤として添加されるＺｒ、Ｙ、Ｓｃ等の元素の酸化物（３００〜１０００質量ｐｐｍが好ましい）
（２）  アルミナ原料や基板の製造過程で混入したＦｅ、Ｎａ，Ｃａ、Ｋ等の酸化物や、Ｗ、Ｍｏといった金属成分
【００２９】
（透光性アルミナ基板の製造）
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。
【００３０】
特に好ましくは、純度９９．９５％以上（好ましくは９９．９９％以上）の高純度アルミナ粉末に対して、ＭｇＯおよびＳｉＯ２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。
【００３１】
透光性アルミナ基板の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。
【００３２】
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。
【００３３】
次いで、還元性雰囲気下で粉末を成形体を焼結させる。この還元性雰囲気としては、H2が挙げられる。また、焼結温度は１７００℃〜１９００℃が好ましく、１７５０℃〜１８５０℃が更に好ましい。
【００３４】
（平滑面）
好適な実施形態においては、透光性アルミナ基板の表面に平滑面が形成されており、配線パターンに被覆されていない領域に露出している。これによって、配線基板全体の透過率を向上させ、確保することができる。平滑面の面粗度Ｒａは、全透過率の向上という観点から、０．３μｍ以下が更に好ましい。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。
【００３５】
平滑面は、配線パターンに被覆されていない領域に露出しているが、好ましくは、配線パターン領域を含む全面にわたって平滑面が露出している。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、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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（配線パターン）
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】
（実験１）
図１、図２に示すような形態の透光性配線基板８を作製した。
具体的には、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、アルミナ純度９９．９９質量％の高純度アルミナ粉末に対して、酸化マグネシウム３００質量ｐｐｍ、シリカ粉末３５０質量ｐｐｍ、ポリビニルアルコール２質量％、ポリエチレングリコール０．５質量％、水５０質量％を加え、１時間ボールミルによって粉砕し、混合し、スプレードライヤーで、２００℃付近で乾燥させ、平均粒径約７０μｍの造粒粉末を得た。この造粒粉末を、２０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力下でプレス成形し、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、水素：窒素＝3:1の雰囲気中１８００℃で仮焼体を焼成し、緻密化及び透光化させた。この結果、ＭｇＯ、ＳｉＯ２の含有量がそれぞれ２５０質量ｐｐｍ、３００質量ｐｐｍである透光性アルミナ基板を得ることができた。ＭｇＯ、ＳｉＯ２の含有量は、誘導結合プラズマ質量分析法によって測定した。この基板の組成を誘導結合プラズマ原子発光分析を用いて測定したところ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２の含有量を除いたアルミナの純度は９９．９０質量％であった。
【００４１】
得られた透光性アルミナ基板の表面に、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、配線パターンを基板表面に密着させた。
【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、１２Ｎ/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のない部分（肉厚１ｍｍ）の前方全透過率を測定したところ、５５％であった。ただし、前方全透過率は、図４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】
（実験２〜２０）
実験１と同様にして透光性配線基板を作製し、各種特性を測定した。ただし、高純度アルミナ粉末に対して添加する酸化マグネシウム、シリカの添加量を種々変更することによって、得られる焼結体の組成を、表１、表２、表３に示すように変更した。結果を各表に示す。
【００４５】
【表１】
2013100199.tif 000003
【００４６】
【表２】
2013100199.tif 000004
【００４７】
【表３】
2013100199.tif 000005
【００４８】
表からわかるように、本発明によれば、透光性配線基板の透光性を確保しつつ、熱サイクル印加後の接着性を著しく改善することができる。
【図１】
2013100199.tif 000006
【図２】
2013100199.tif 000007
【図３】
2013100199.tif 000008
【図４】
2013100199.tif 000009