JP4789671B2

JP4789671B2 - 発光素子用配線基板ならびに発光装置

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Publication number: JP4789671B2
Application number: JP2006087280A
Authority: JP
Inventors: 正光鬼谷; 智英長谷川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007266172A

Description

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ならびに発光装置に関する。

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、ＬＥＤの大きさ０．１ｍｍ程度、発熱量も０．０１Ｗ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。）。

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いる。また、間接照明やスポットライトなどの小型照明にも多く用いられている。しかしながら、発光素子の高輝度化に伴い、ＬＥＤの大きさも１ｍｍ、ＬＥＤからの発熱量も５Ｗと飛躍的に増加しており、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。

このため、半導体素子を内蔵する半導体装置では半導体素子を効率よく冷却するためにヒートシンクを具備することが行われてきたように（例えば特許文献２参照。）、発光素子用配線基板においても、素子からの熱を放散させる構造として、ヒートシンクを内蔵した配線基板構造が提案されている（例えば特許文献３参照。）。

一方、携帯電話などに搭載される発光装置においては小型の要求が非常に強く、発行装置自体の大きさが５ｍｍ□程度と小さく、今後も更なる小型化が進むと予測される。また、照明用の代替として適用する場合には、発光量を増やす観点から狭いスペースに多数の発光装置を配置することが必要になるため、照明用途に適用する場合にも発光装置の小型化が非常に重要になる。

このような背景の下、今後、益々高出力に向かうことは必至であり、前述のように発光素子の高発熱化に対応し、かつ発光装置の小型化とあわせて、発光素子を搭載する配線基板の小型化および高熱伝導化が重要となる。そして、このように小型に対する要求が強い発光素子用配線基板においては、過大な放熱部材は不要であることはもちろん、放熱部材を接合する為の余分な面積も削除しなければならない。
特開２００２−１３４７９０号公報特開平１０−３２１７５９号公報特開２００５−３３１９４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の発明では半導体チップの熱を効率よく冷却するために、ヒートシンクを用いているが、封止性を維持するため絶縁基体とヒートシンクとの接合層幅を１ｍｍ以上とするため、ヒートシンクを含む配線基板の小型化には適用できないのが現状である。

また、特許文献３のように絶縁層として樹脂を用い、半導体素子として発光素子を用いた場合には、絶縁層の熱膨張係数が大きいため、ヒートシンクと絶縁層との熱膨張差を小さくできることからＣｕなどの熱伝導率の高い金属からなるヒートシンクを用いることができるものの、微細な配線を形成することが困難で、しかも樹脂の熱伝導率が非常に小さいために、大型のヒートシンクを用いざるを得ず、発光素子に比べ、非常に大きな寸法のヒートシンクを内蔵した発光装置が流通している。

つまり、安価で、小型で、熱放散性に優れ、実装信頼性に優れた配線基板は未だ提供されていないのである。

従って本発明は、安価で、小型で、熱放散性に優れた発光素子用配線基板ならびに発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光素子用配線基板は、平板状のセラミックスからなる絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に導体層が形成され、前記絶縁基体の主面間を貫通する貫通孔に金属体が挿入されて接合材により前記絶縁基体と前記金属体とが接合された発光素子用配線基板であって、前記貫通孔の内壁が段差を有するとともに、前記金属体の側面に、前記段差と上下に重なり合うように噛み合う段差が設けられており、前記貫通孔の段差および
前記金属体の段差の上下方向に互いに向い合う接合面同士および前記貫通孔側の前記接合面より上側および前記接合面より下側の少なくとも一方において、前記貫通孔の内壁と前記金属体とが、前記接合面の近傍のみで接合されており、かつ互いに向い合う前記接合面の距離が前記貫通孔の外周方向へ向けて変化していることを特徴とする。

また、本発明の発光素子用配線基板は、前記絶縁基体に前記接合材が接合される接合用の金属層が配されてなることが望ましい。

また、本発明の発光素子用配線基板は、前記金属面が前記絶縁基体に埋め込まれた焼結金属体であることが望ましい。

また、本発明の発光素子用配線基板は、前記接合面の幅が１ｍｍ未満であることが望ましい。

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に発光素子を搭載してなることを特徴とする。

本発明の発光素子用配線基板によれば、段差の重なり合う幅を格段に小さくできるとともに、充分な封止性を維持することができる。そのため、発光素子用配線基板の小型化と熱放散性を向上させることができる。

また、本発明の発光素子用配線基板によれば、絶縁基体に接合用の金属面を配することで、精度よく、絶縁基体と金属体との間に接合材を配置することができる。

また、本発明の発光素子用配線基板によれば、前記金属面を絶縁基体に埋め込まれた焼結金属により形成することで、絶縁基体の焼成工程で同時に金属面を形成することができるため、工数やコストを削減することができる。

また、本発明の発光素子用配線基板によれば、接合面の幅は、容易に１ｍｍ未満とすることができ、小型で封止性に優れた発光素子用配線基板となる。

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、発光素子からの発熱を速やかに装置外に放出することができるため、発熱による輝度低下を抑制できる。

また、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、小型で熱放散性に優れた発光装置となる。

本発明の発光素子用配線基板は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、平板状の絶縁基体１と、この絶縁基体１の表裏面を貫通するように形成された貫通孔２と、絶縁基体１の主面１ａに形成された発光素子との接続端子３、絶縁基体１の他方の主面１ｂに形成された外部電極端子５、接続端子３と外部電極端子５とを電気的に接続するように絶縁基体１を貫通して設けられた貫通導体７と、絶縁基体１を貫通して設けられた貫通孔２に挿入され、絶縁基体１に接合された絶縁基体１よりも熱伝導率が高い金属体８から構成されている。そして、一方の接続端子３ａと他方の接続端子３ｂとの間には、発光素子を搭載するための搭載部９が形成されている。この搭載部９は金属体８の端面に形成されることが熱放散性の観点から望ましい。

そして、絶縁基体１と金属体８とを接合させるため、両者の間には金属の接合材１０が形成されている。

本発明の発光素子用配線基板１１では、接合材１０は、例えば図２（ａ）に示すように接合面８ａ、１２ａの上下もしくは、図２（ｂ）または図２（ｃ）に示すように接合面８ａ、１２ａの上下いずれかの接合面８ａ、１２ａの近傍に介在していることが重要である。

本発明においては、絶縁基体１ならびに金属体８にお互い上下に重なり合うように噛み合うような段差を設け、それぞれの段差の重なり合う接合面と、この接合面の近傍の貫通孔２の内壁と金属体の側面で、絶縁基体１と金属体８とを接合することにより、十分な接合面積を確保して、段差の重なり合う幅Ｗを格段に小さくするとともに、充分な封止性を維持することができる。

つまり、金属体８と絶縁基体１との両者の側面同士で全面的に接合した場合には、金属体８の表面に露出した金属体８の角部８ｂに最も応力が集中するため、金属体８の角部ｂを絶縁基体１に接続、固定することなくフリーな状態を保つことで、絶縁基体１と金属体８の間の割れや剥離を回避することができる。なお、接合材１０の介在しない深さが基板表面から０．０５ｍｍよりも小さい場合には、接合材１０が絶縁基体１表面や金属体表面にはみ出しやすくなり、これにより発光素子を水平に搭載できなくなり、所望の発光特性を得ることができなくなる恐れがある。好ましくは、０．１ｍｍ以上、特に０．１５ｍｍ以上が望ましい。

しかも、絶縁基体１と金属体８の段差同士が向かい合う接合面８ａ、１２ａのみならず、この段差の近傍を利用して接合面積を広げることで十分な接合信頼性を確保しつつ、発光素子用配線基板１１の小型化が可能となるのである。

なお、図２（ｂ）または図２（ｃ）のように接合面となる段差部分の一方の近傍のみに接合材１０が形成された場合でも、接合信頼性は十分に確保することができるが、特には段差の上下において応力を釣り合わせ、発光素子用配線基板１１の反りを抑制するために段差の上下の近傍の側壁に接合材１０を介在させることが望ましい。

また、絶縁基体１の段差と金属体８の段差とが重なりあう接合面の幅Ｗは、小型化の観点から１ｍｍ未満とすることが望ましい。そして、本発明の発光素子用配線基板１１によれば、従来困難であった絶縁基体１の段差と金属体８の段差とが重なりあう幅Ｗを１ｍｍ未満とした場合であっても十分な封止性を維持することができるのである。そして、この幅Ｗは、０．８ｍｍ以下、さらに０．６ｍｍ以下とすることが望ましい。また、０．１ｍｍ以上、特に０．２ｍｍ以上とすることが望ましい。

また、絶縁基体１と金属体８とは金属からなるロウ材で接合するものであるが、セラミックスからなる絶縁基体１と接合材１０を十分に接合させる為に、接合材１０が介在する絶縁基体１の貫通孔２の内壁には絶縁基体１と同時焼結により形成された金属層１２が形成されていることが望ましい。この金属層１２の接合面１２ａが接合材１０と濡れやすくなるために、接合材１０が絶縁基体１に形成された金属層１２と金属体８とを容易に接合させることができる。

この金属層１２は、例えば絶縁基体１を形成する焼結前のセラミックグリーンシートの貫通孔側壁に金属ペーストをスクリーン印刷法により塗布する方法や、或いは貫通孔内壁部のみに金属粉末を分散させた金属シートを配置させて、その他の絶縁層とを積層した後、焼成して形成することもできる。その他、金属層１２を焼成後の絶縁基体に焼き付ける等の熱処理により形成してもよい。特に、金属層１２と絶縁基体１とを同時焼成した場合には、言い換えると金属層１２を焼結金属により形成した場合には金属層１２と絶縁基体１とが強固に接合されるばかりでなく、安価で容易に発光素子用配線基板１１を作製することもできる。

また、図３（ａ）、（ｂ）に示すように貫通孔２と金属体８に形成した段差部分の接合面において、金属体８と絶縁基体１との距離を貫通孔２の外周に向けて変化させることがよい。つまり、接合材１０の溜め部が形成されることにより、基板表面への接合材１０の流出、はみ出しを抑制できるばかりでなく、接合材１０が、絶縁基体１と金属体８間に発生する応力を緩和するため接合信頼性が高まる。この絶縁基体１の主面と略平行な面における金属体との距離を変化させるためには、焼成前の絶縁基体１の前駆体にあらかじめ穴加工や、型押し、或いはエッチング処理にて所定形状を形成しておくことで、絶縁基体１を熱処理した後も同形状を得ることが可能となる。また、逆に、金属体８にも加工を行うことにより、所望の形状を形成することができる。

なお、図３（ｃ）に示すように、貫通孔２と金属体８に形成した段差部分の接合面において、絶縁基体における貫通孔２の外周方向に向けて接合面が連続的に傾斜することで、金属体８の接合面８ａと金属層１２の接合面１２ａの距離を外周方向で変化させることができる。これにより、接合材１０の溜め部が形成されることにより、基板表面への接合材１０の流出、はみ出しを抑制できるばかりでなく、接合材１０が、絶縁基体１と金属体８間に発生する応力を緩和するため接合信頼性が高まる。

なお、絶縁基体１の接合面１２ａを傾斜させる為の方法としては、前述の型押し以外にも、孔径の異なる貫通孔が形成されたグリーンシートを積層熱圧着する際に、高い圧力・温度を掛けて積層することにより、貫通孔外周に向けて、傾斜をもつ接合面を形成することができる。また、図３（ｃ）には接合面距離が貫通孔外周に向けて大きくなる場合の断面形状の一例を示しており、その他、外周方向に向けて接合面間の距離を小さくすることによっても同様の効果が得られる。更に、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には絶縁基体に加工を施した場合を例示したが、金属体８に同様の形状を形成しても良い。

また、図３（ｃ）に示すように、貫通孔２の段差の上下の貫通孔側壁面と金属体８の側壁面との距離Ｃ２を０．３ｍｍ以下にすることが望ましい。両者の距離が０．３ｍｍよりも大きい場合、貫通方向と略平行な壁面において、貫通孔２と金属体８の間への接合材１０の移動が不十分となることがあり、段差の近傍において接合材１０が形成されない場合があり、特性ばらつきが大きくなる恐れがある。なお、距離Ｃ２は、組み立て性と接合材１０の充填性、言い換えると金属体８の側壁と絶縁基体に形成した金属層１２の隙間に生じる毛細管力による接合材１０の流れ性の観点より、特に０．１〜０．２ｍｍが望ましい。

以上説明したようにして、それぞれの段差の重なり合う接合面と、この接合面の近傍の貫通の内壁と金属体の側壁のみで、絶縁基体と金属体とを接合することにより、段差の重なり合う幅を格段に小さくするとともに、充分な封止性を維持することができる。

そして、貫通孔２に挿入され、固定される金属体８は、貫通方向に垂直な面における最大寸法が１〜３ｍｍであり、貫通方向の最大寸法が０．１５〜０．６ｍｍであることが望ましい。すなわち、貫通孔２に貫通方向に垂直な面における最大寸法が１〜３ｍｍである金属体８を挿入、固定することにより、発光素子用配線基板１１の小型化を促進しつつ、発光素子からの発熱を速やかに放熱させることが可能となり、本願発明においては金属体８が貫通方向の最大寸法が０．１５〜０．６ｍｍである板状あるいは扁平な形状をしており、容易に変形し、絶縁基体１と金属体８との熱膨張差に起因して、両者の間に発生する応力を緩和し得る形状を備えるものであることが特に望ましい。

また、この金属体８の貫通方向に垂直な面における最大寸法は１ｍｍ以上であることが望ましく、１ｍｍより小さくなると発光素子からの発熱を十分に熱放散できず、輝度の低下を招く。また、３ｍｍより大きくなると発光素子用配線基板１１の小型化が困難になる。好適には１．５ｍｍ以上が望ましく、２〜３ｍｍが最も望ましい。この寸法にすることにより発光素子からの発熱を水平方向に良好に放散させることができる。また、金属体８の貫通方向の最大寸法は０．１５ｍｍ以上が望ましい。金属体８が０．１５ｍｍより薄くなると箔状になるため、扱い時に破れや折れが発生し、金属体８として取り扱いが難しくなる。また、０．６ｍｍより厚くなると金属体８としての剛性が高くなり、変形しにくくなるため、ロウ付け時などの絶縁基体１と金属体８との熱膨張差に起因して、両者の間に発生する応力により絶縁基体１にクラックなどが生じやすくなり、信頼性が低下する。好適には０．４ｍｍ以下が望ましく、０．１５〜０．３ｍｍが最も望ましい。この寸法にすることにより発光素子からの熱を速やかに放散すると同時に、容易に変形し、絶縁基体１と金属体８との熱膨張差に起因して、両者の間に発生する応力を緩和することが望ましい。

なお、金属体８の側面に段差を設ける場合には、図１のように金属体８の一方の端面と、他方の端面との大きさが異なっている必要はない。例えば、金属体８の一方の端面と、他方の端面との大きさが同じであっても、金属体８の挿入に支障のない範囲の凹凸を金属体８の側面に設けることができるのは言うまでもない。

また、図１のように、金属体８の一方の端面を他方の端面よりも大きくすることで、金属体８を貫通孔２に挿入する際の位置決めが容易になるために、組立性が格段に向上するという利点もある。

さらに、搭載部９と反対側の金属体８の端面の面積を大きくすることで、熱の伝達経路が広くなり、発光素子用配線基板の放熱性がさらに向上する。特に、金属体８の一方の端面が、他方の端面の１．１倍以上の面積を有することが望ましく、更に好適には１．２倍以上とすることが望ましい。

このようにして、小型で絶縁基体１より高い熱伝導率を有する金属体８を設けることにより、本発明の発光素子用配線基板に搭載される発光素子から発生する熱を速やかに放散することができるため、発光素子の輝度低下を防ぐことが可能となる。

そして、このような金属体８は、高熱伝導で、低抵抗で、比較的安価なＣｕやＡｌからなる金属板や、金属箔をプレス機などにより、所望の形状に打ち抜き加工するなどして容易に作製することができる。

また、複雑な形状の金属体８は、プレス加工や、鋳込みや、研磨加工、粉末冶金などの手法により形成することができる。また、このほかの従来周知の加工方法を用いて金属体８を作製してもよいことは言うまでもない。

また、金属板８の素材としては、ＣｕやＡｌ以外にもＡｇ、あるいは、Ｃｕ−Ｗなどの複合材を用いることができる。この２種以上の金属を含有するＣｕ−Ｗなどの複合材を用いる場合には、用いる金属とその比率を制御することで、所望の特性を有する金属体８を作製することができる。また、金属体８が合金により形成されていてもよいのは勿論である。また、金属体８が複数の部材を組み合わせて構成されていてもよい。

なお、金属体８は、発光素子の搭載部９を平坦にするため絶縁基体１と実質的に同一厚みであることが望ましい。

このような金属体８は、安価に容易に入手できるだけでなく、種々の形態の絶縁基体１に容易に取り付けることができるため、搭載される発光素子の性能に応じて、種々の形態の絶縁基体１を用い、性能とコストをふまえて最適の組み合わせとすることができる。

つぎに、絶縁基体１について説明する。この発光素子用配線基板１１に用いる絶縁基体１は、例えば、ＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３などのセラミックス基板を好適に用いることができる。

そして、絶縁基体１として、セラミック基板を用いた場合には、高剛性である点、発光素子の発する光や熱による変質がない点、比較的高熱伝導性の素材が多い点で、高性能で長寿命の発光素子用配線基板１１となる。

また、絶縁基体１として、低温焼成基板、いわゆるガラスセラミックスを用いた場合には、熱伝導率や、強度や、剛性こそＡｌ_２Ｏ_３などの１０５０℃以上の温度域で焼成されるセラミックスには劣るものの、熱膨張係数を容易に制御することができるため、容易に金属体８との熱膨張係数の整合を図ることができる。また、配線層として低抵抗のＣｕや、Ａｇなどを同時焼成することができるため、発光素子以外の部分の電気的な損失や発熱を抑制することができる。

これらの絶縁基体１として用いられる素材について、以下に詳細に説明する。

たとえば、絶縁基体１として、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３質焼結体を用いた場合には、安価な原料を使用でき、安価な発光素子用配線基板１１を得ることができる。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３を主結晶相とするＡｌ_２Ｏ_３質焼結体とは、例えば、Ｘ線回折によって、Ａｌ_２Ｏ_３のピークが主ピークとして検出されるようなもので、Ａｌ_２Ｏ_３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。

このようなＡｌ_２Ｏ_３質焼結体は、例えば、平均粒径０．１〜８μｍ、望ましくは１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のＡｌ_２Ｏ_３粉末に、平均粒径１．０〜２．０μｍのＭｎ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、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１３００〜１６００℃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。

そして、焼結助剤などのＡｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量については、Ａｌ_２Ｏ_３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Ａｌ_２Ｏ_３以外の組成物の添加量が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Ａｌ_２Ｏ_３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。なお、絶縁基体１に用いるセラミックスとして、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４などを主結晶とする焼結体を用いても良い。

このようなＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする組成物に、さらに、バインダー、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、表面や内部に接続端子３や外部電極端子５や貫通導体７などの配線層が形成された絶縁基体１を作製することができる。また、配線層は、薄膜法により絶縁基体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。

なお、シート状の成形体には、焼成工程の前に、金属体８を挿入するための貫通孔２となる孔を予め形成しておく必要があるのは言うまでもない。

また、絶縁基体１として、低温焼成基板を用いる場合についても、素材と焼成温度の点で異なるものの、基本的に同様の手順で、貫通孔２や配線層を備えた絶縁基体１を作製することができる。

次に、以上説明した貫通孔２を設けた種々の絶縁基体１に対して、Ｃｕからなる金属体８を準備し、貫通孔２内に金属体８を挿入して、金属からなる接合材１０により絶縁基体１と金属体８を接合させ、発光素子用配線基板１１を得ることができる。

また、接続端子３および金属体８の表面にＡｌめっきやＡｇめっきを施すことにより、腐食に対する抵抗力が向上し、発光素子用配線基板１１の信頼性が向上するとともに、接続端子３および金属体８の反射率を向上させることができる。

このような発光素子用配線基板１１の搭載部９側の主面には、枠体を設けることも可能であり、例えば、セラミックスからなる絶縁基体１を用いる場合には、枠体を、セラミックスにより形成することで、絶縁基体１と枠体とを同時焼成することができ、工程が簡略化されるため、安価な発光素子用配線基板１１を容易に作製することができる。

また、安価で、加工性に優れた金属により枠体を形成することで、複雑な形状の枠体であっても、容易に安価に製造することができ、安価な発光素子用配線基板１１を供給することができる。この金属製の枠体は、例えば、ＡｌやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等などにより好適に形成することができる。また、枠体の内壁面には、反射率を向上させるため、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどからなるめっき層を形成してもよい。

なお、このように枠体を金属により形成する場合には、共晶Ａｇ−Ｃｕロウ材等からなるロウ材を介してのろう付けや、半田による接合をすることができる。

また、樹脂系の接着剤を用いてもよいことはいうまでもなく、素材としては、一般的に用いられるエポキシ樹脂系の接着剤を用いることが望ましい。

そして、以上説明した本発明の発光素子用配線基板１１に、例えば、図４（ａ）に示すように発光素子２１として、ＬＥＤチップ２１などを搭載し、ボンディングワイヤ２３により、発光素子２１と接続端子３とを電気的に接続し、発光素子２１に給電することにより、発光素子２１を機能させることができ、発光素子２１からの発熱を金属体８から速やかに放出することができるため、ヒートシンク等の放熱部材が不要となり、実装される電気機器の小型化に寄与できるとともに、安価な発光装置２５ができる。なお、ヒートシンクを設けることで、更に放熱性が向上することはもちろんであり、例えば、ヒートシンクのような冷却装置を設けることを排除するものではない。

また、発光素子用配線基板１１に形成された搭載部９に、例えば発光素子２１として、ＬＥＤチップ２１などを搭載し、ボンディングワイヤ２３により、ＬＥＤチップ２１と接続端子３と電気的に接続して、給電することにより、発光素子２１の放射する光を絶縁基体１や枠体に反射させ、所定の方向へと誘導することができるため、高効率の発光装置２５となる。また、金属体８の熱伝導率が高いため、発光素子２１からの発熱を速やかに放出することができ、発熱による輝度低下を抑制できる。

なお、図４（ａ）に示した例では、発光素子２１は、接着剤２９により発光素子用配線基板１１に固定され、電力の供給はワイヤボンド２３によりなされているが、発光素子用配線基板１１との接続形態は、フリップチップ接続であってもよいことはいうまでもない。

また、発光素子２１は、モールド材３１により被覆されているが、モールド材３１を用いずに、蓋体（図示せず）を用いて封止してもよく、また、モールド材３１と蓋体とを併用してもよい。なお、蓋体としては、ガラスなどの透光性の素材を用いることが望ましい。

なお、発光素子２１を搭載する場合には、必要に応じて、このモールド材３１に発光素子２１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。

また、以上説明した例では、貫通導体７を設けた例について説明したが、貫通導体７を設けない場合であってもよく、また、絶縁基体１が多層に積層されている形態であってもよいことは勿論である。

また、以上説明した例では、全て、枠体を具備しない形態について説明しているが、枠体を設けた形態であってもよいのはいうまでもない。

原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が１．０μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末、純度９９％以上、平均粒子径１．３μｍのＭｎ_２Ｏ_３粉末、純度９９％以上、平均粒径１．０μｍのＳｉＯ_２粉末を用いて、Ａｌ_２Ｏ_３粉末９０質量％、Ｍｎ_２Ｏ_３粉末５質量％、ＳｉＯ_２粉末５質量％の割合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。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。

また、平均粒子径２μｍのＷ、Ｃｕ粉末、平均粒径１．０μｍのＡｌ_２Ｏ_３を用いて、Ｗ８０質量％、Ｃｕ２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３５質量％の割合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
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、貫通導体を形成するための直径が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。また、打ち抜き加工時にビアホールとともに、金属体を挿入するための貫通孔を形成した。

更に、貫通孔内壁と金属体側壁に介在する接合材が絶縁基体と強固に接合するように、スクリーン印刷法により、貫通孔の内壁面となるグリーンシートの打ち抜き面或いは、接合面に導体ペーストを印刷した。

このようにして作製した焼成後に厚みが０．３ｍｍとなるグリーンシートを２枚、位置合わせし、積層圧着し、焼成後の寸法が、外形５ｍｍ×５ｍｍ×厚み０．６ｍｍとなる積層体を作製した。なお、この積層体は、枠体を設けないものである。

また、絶縁基体の接合面を、貫通孔の内側で金属体の接合面との距離が小さくなるようにした試料はグリーンシートの積層前に接合面となる部分を金型を用いて凸部と凹部との高さの差が５０μｍとなるようにした。

また、貫通孔と金属体の間に介在する接合材に対し、段差部の接合面のみに接合材が介在する場合と、接合面の上下いずれかの接合面近傍に接合材が介在する場合と、接合面の上下両方に接合材が介在する場合の試料を作製するに当たり、半田を用いた接合材が基板表面まで介在する場合と、接合面を含む接合面近傍のみに介在する場合の試料を作製する為に、貫通孔内壁に形成した金属層の寸法を表１に示すように変化させた。

以下では、図６の模式図に示すように、段差を設けた円柱状の金属体８の端面のうち直径が小さい方の直径を２ｍｍとしＬ１で示す、反対の端面の直径を３ｍｍとしＬ２で示す、接合面よりも上側の接合材が形成されない領域の深さをＤ１、接合面よりも下側の接合材が形成されない領域の深さをＤ２、接合面間の距離をＣ１、接合面同士の重なりの幅をＷ、金属体と絶縁基体との隙間の距離をＣ２とする。

そして、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて９００℃で脱脂を行った後、引き続き、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１３００度で２時間保持して焼成した。

その後、接続端子並びに外部電極端子の表面にＮｉ、Ａｕめっきを順次施した。

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ディスペンサーを用いて塗布し、出力１．５Ｗの発光素子であるＬＥＤチップを搭載部に実装し、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／℃のエポキシ樹脂からなるモールド材で覆い、発光装置を得た。

得られた発光装置を、−５５℃〜１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル行い、試験後、金属体と絶縁基体間の接合界面の剥離状況を確認した。

また、発光装置に０．４Ａの電流を通電し、１時間後に全放射束測定を行った。

以上の工程により作製した発光素子用配線基板の特性と、試験結果を表１に示す。

表１に示すように、段差をもたない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１、２では、温度サイクル試験後に金属体と絶縁基体の接合部に接合材の剥離が見られた。また、接合面の上下の領域のいずれにも接合材が形成されていない試料Ｎｏ．１５では、接合面積が十分に確保されず、金属体と絶縁基体の接合部に接合材の剥離が見られた。また、金属体と絶縁基体との間のすべての領域に接合材がある試料Ｎｏ．１９でも接合材の剥離が見られ、しかも基板表裏面への接合材の染み出しが確認された。

一方、発光素子用配線基板である試料Ｎｏ．３〜１４、並びにＮｏ．１６〜１８は、金属体と絶縁基体との間で剥離が確認されず、優れた接合信頼性と放熱性、光特性を有する発光素子用配線基板となった。ここで、表１における試料Ｎｏ．１７が本発明の試料であり、試料Ｎｏ．３〜１４、１６および１８は参考資料である。

特に、接合面の重なり幅が、１ｍｍを下回る試料であっても、剥離が全く確認されないことから、本発明によれば小型化も容易に行うことができる。

（ａ）は、接合面とその上側に接合材を設けた本発明の発光素子用配線基板の断面図であり、（ｂ）は、接合面とその下側に接合材を設けた本発明の発光素子用配線基板の断面図である。（ａ）は、接合面とその上下に接合材を設けた本発明の発光素子用配線基板の要部拡大図であり、（ｂ）は、接合面とその上側に接合材を設けた本発明の発光素子用配線基板の要部拡大図であり、（ｃ）は、接合面とその下側に接合材を設けた本発明の発光素子用配線基板の要部拡大図である。（ａ）、（ｂ）は、絶縁基体の接合面に凹凸を設けた本発明の発光素子用配線基板の要部拡大図であり、（ｃ）は、絶縁基体の接合面に傾斜を設けた本発明の発光素子用配線基板の要部拡大図である。本発明の発光装置の断面図である。本発明の実施例における発光素子用配線基板の形状を説明する断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
２・・・貫通孔
３・・・接続端子
５・・・外部電極端子
７・・・貫通導体
８・・・金属体
８ａ・・金属体の接合面
８ｂ・・金属体の角部
９・・・搭載部
１０・・接合材
１１・・発光素子用配線基板
１２・・金属層
１２ａ・金属層の接合面
２１・・発光素子
２５・・発光装置

Claims

平板状のセラミックスからなる絶縁基体の表面又は内部のうち少なくとも一方に導体層が形成され、前記絶縁基体の主面間を貫通する貫通孔に金属体が挿入されて接合材により前記絶縁基体と前記金属体とが接合された発光素子用配線基板であって、前記貫通孔の内壁が段差を有するとともに、前記金属体の側面に、前記段差と上下に重なり合うように噛み合う段差が設けられており、前記貫通孔の段差および前記金属体の段差の上下方向に互いに向い合う接合面同士および前記貫通孔の前記接合面より上側および前記接合面より下側の少なくとも一方において、前記貫通孔の内壁と前記金属体とが、前記接合面の近傍のみで接合されており、かつ互いに向い合う前記接合面の距離が前記貫通孔の外周方向へ向けて変化していることを特徴とする発光素子用配線基板。
前記絶縁基体に前記接合材が接合される接合用の金属層が配されてな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。
前記金属層が前記絶縁基体に埋め込まれた焼結金属体であ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。
前記接合面の幅が１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子用配線基板。
請求項１乃至４のいずれかに記載の発光素子用配線基板に発光素子を搭載してなることを特徴とする発光装置。