JP5451451B2

JP5451451B2 - 表面実装型発光素子用配線基板およびこれを備えた発光装置

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Publication number: JP5451451B2
Application number: JP2010039966A
Authority: JP
Inventors: 美奈子泉; 智英長谷川; 秀洋有川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP2011176189A

Description

本発明は、例えば、発光ダイオード等の発光素子を搭載するための表面実装型発光素子用配線基板およびこれを備えた発光装置に関する。

発光ダイオード等の発光素子を搭載した発光装置は消費電力が小さいことから、電光表示板や液晶表示板の光源、携帯電話機やデジタルカメラ等のライト、室内灯などの様々な分野で利用されている。

このような発光装置は、上面に発光素子の搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の上面に形成された前記発光素子と電気的に接続される接続電極と、前記絶縁基体の下面に形成され、前記接続電極と電気的に接続された外部接続端子とを備えた表面実装型発光素子用配線基板の前記接続電極の上面に発光素子を実装し、前記発光素子および前記接続電極等を透光性の封止樹脂で覆うことにより構成されている。そして、前記絶縁基体としては、前記発光素子からの光を効率良く反射させるために、白色のアルミナ質セラミックスにより形成したものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−６０２４３号公報

しかしながら、絶縁基体の上面には発光素子以外に、金属材料からなる接続電極が形成されており、この接続電極の色が絶縁基体を構成する白色のアルミナ質セラミックスとは異なる色を呈しているために、発光素子から発した光が接続電極で吸収されてしまい、発光効率を高めることができないといった課題があった。

そこで、本発明の表面実装型発光素子用配線基板は、酸化マンガンを含有する緻密質のアルミナ質セラミックスからなり、上面に発光素子の搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の上面に形成された前記発光素子と電気的に接続される接続電極と、前記絶縁基体の下面に形成され、前記接続電極と電気的に接続された外部接続電極と、前記絶縁基体の上面に前記接続電極の少なくとも一部を覆うように形成された被覆層とを備え、前記被覆層が、アルミナを主成分とし、酸化マンガンを０．２〜１．８質量％含有するとともに、気孔率が１７〜３３％である白色のアルミナ質セラミックスからなることを特徴とする。

また、前記被覆層を構成するアルミナ質セラミックス中の酸化マンガンが、前記絶縁基体を構成するアルミナ質セラミックスから拡散したものであることが好ましい。

また、本発明の発光装置は、前記表面実装型発光素子用配線基板の前記接続電極の上面に前記発光素子が搭載されていることを特徴とする。

本発明の表面実装型発光素子用配線基板によれば、接続電極の一部を覆う被覆層と絶縁基体との密着性を高めることができるとともに、被覆層における反射率を高めることができる。そのため、本発明の表面実装型発光素子用配線基板を用いた発光装置によれば、従
来と比較して発光効率をさらに高めることができる。

本発明の実施形態の発光装置の一例を示す断面図である。図１の発光装置を構成する表面実装型発光素子用配線基板を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

図１に示す発光装置１は、表面実装型発光素子用配線基板（以下、単に配線基板ということもある）１０と、この配線基板１０の搭載部７に実装された発光ダイオード等の発光素子２０と、この発光素子２０を覆うように配線基板１０上に設けられた透光性の封止樹脂２１とを有している。

配線基板１０は、酸化マンガンを含有する緻密質でかつ白色のアルミナ質セラミックスからなり、上面に発光素子２０の搭載部７を有する絶縁基体２と、この絶縁基体２の上面に形成された接続電極３と、絶縁基体２の下面に形成され、接続電極７と電気的に接続された外部接続電極４と、絶縁基体２の上面に接続電極３の少なくとも一部を覆うように形成された被覆層６とを備え、この被覆層６が、アルミナを主成分とし、酸化マンガンを０．２〜１．８質量％含有するとともに、気孔率が１７〜３３％である白色のアルミナ質セラミックスからなる。

絶縁基体２の上面に形成された接続電極３は、搭載部７に実装された発光素子２１と電気的に接続される電極として機能し、絶縁基体２の下面に形成された外部接続電極４は、外部配線基板等と電気的に接続するための電極として機能する。接続電極７と外部接続電極４との電気的接続は、絶縁基体２内に形成されたビアホール導体５を介して接続されている。なお、接続電極７と外部接続電極４との電気的接続は、絶縁基体２の上面から側面を介して下面にわたって形成された配線層を介して接続することもできる。

絶縁基体２の搭載部７に実装された発光素子２０は、絶縁基板２の上面に形成された接続電極３とボンディングワイヤ７を介して電気的に接続されており、この状態で、絶縁基体２の上面に設けられた透光性の封止樹脂２１によって、発光素子２０、ボンディングワイヤ７、接続電極３および被覆層６の表面がモールドされている。

そして、発光素子２０を発光させると、その光を透光性の封止樹脂２１を通して外方へ照射するようになっている。

このとき、発光素子２０から発した光の一部は、封止樹脂２１と外気との境界で反射されて、絶縁基体２の上面に戻るものもあるが、絶縁基体２が緻密質でかつ白色のアルミナ質セラミックスからなるため、戻ってきた光を効率良く反射させて外方へ導くことができる。また、絶縁基板２の上面には、該絶縁基板２とは異なる色を呈する接続電極３が設けられているため、戻ってきた光の全部または一部を吸収するおそれがあるが、この実施形態の配線基板１０によれば、ボンディングワイヤ７と接続される領域を除いた他の領域を、アルミナを主成分とし、酸化マンガンを０．２〜１．８質量％含有するとともに、気孔率が１７〜３３％である白色のアルミナ質セラミックスからなる被覆層６で被覆してあることから、この被覆層６の上面に戻ってきた光は効率良く外方へ反射させることができる。つまり、接続電極３の一部を覆う被覆層６を設けることで、配線基板１０の上面の大部分を白色のアルミナ質セラミックスにより形成することができるため、封止樹脂２１と外気との境界で反射されて戻ってくる光を効率良く反射して外方へ照射することができる。
そのため、この実施形態の配線基板１０を備える発光装置１は従来と比較して発光効率をさらに高めることができる。

ところで、接続電極３、外部接続電極４およびビアホール導体５を形成する材質としては、銅とタングステンの合金、銅とモリブデンの合金、モリブデンなどを用いることができる。

また、絶縁基体２を形成するアルミナ質セラミックスとしては、例えば、平均粒径１．０〜２．０μｍの純度９９％以上のアルミナ粉末に対し、焼結助剤として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯの群から選ばれる少なくとも１種と、Ｍｎ_２Ｏ_３とを添加した成形体を、１２５０〜１３５０℃の温度範囲で焼成したものを用いることができる。

焼結助剤の添加量については、アルミナを主結晶とする緻密質体を得るために、望ましくは１５質量％以下、更に望ましくは１０質量％以下とすることが良い。特に、焼結助剤の添加量を１５質量％以下とした場合には、得られる絶縁基体２の大部分をアルミナ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、焼成温度を低くし、接続電極３、外部接続電極４およびビアホール導体５との同時焼結を可能とするために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。

また、被覆層６は絶縁基体２と同時焼結にて接合されており、被覆層６を形成するアルミナ質セラミックスとしては、アルミナ粒子同士がネック形成している程度の焼結状態であり、気孔率が１７〜３３％であることが重要である。アルミナ粒子間でネックが形成されている場合、光を乱反射し易く、発光素子から生じる光を発光装置外へ効率良く出すことができる。ここで、ネック形成している焼結状態とは、孤立気孔が発生していない状態を指す。そして、気孔率が１７％未満である場合、被覆層６を絶縁基体２と同時焼成する際に、絶縁基体２を形成するアルミナ質セラミックスからのＭｎの被覆層６への拡散量が多くなり、被覆層６の色を白色とすることができなくなるからであり、また、気孔率が３３％より多くなると、被覆層６として必要な強度が得られなくなるからである。

また、被覆層６を形成するアルミナ質セラミックスが白色を呈していることが重要である。被覆層６が白色でない場合、発光素子２０の光が吸収されてしまうため、発光効率が低下する。ここで、白色を呈するとは、被覆層６の明度が８０以上であることをいう。明度が８０未満の場合、光の吸収量が多くなり、発光効率を低下させる原因となる。そのため、被覆層６の明度は特に８５以上が望ましい。

そして、前記被覆層６は、アルミナを主成分として、ＭｎをＭｎＯ換算で０．２〜１．８質量％含有していることが重要であり、他の焼結助剤として、ＭｇをＭｇＯ換算で０．１〜７質量％、ＣａをＣａＯ換算で０．１〜７質量％を含有することが望ましい。アルミナを主成分とすることで、アルミナ質セラミックスからなる絶縁基体２との間に不要な副生成物を生じることなく、強度を保って接続することができる。また、被覆層６と絶縁基体２とを同時焼結にて接合しているとともに、被覆層６中の酸化マンガンが、絶縁基体２との同時焼結によって絶縁基体２を構成するアルミナ質セラミックス中から拡散したものであることから、被覆層６と絶縁基体２との接合強度を高めることができる。さらに、被覆層６は、上記組成を有することにより、焼結状態をネック成長で留めて反射率を高め、かつ絶縁基体２との接続信頼性を保つことができる。ＭｎがＭｎＯ換算で０．２質量％未満、の場合は、絶縁基体２との接続信頼性が低下し、ＭｎがＭｎＯ換算で１．８質量％より多い場合は、焼成時に被覆層６の焼結が進行してしまい、反射率が低下する。より好ましい範囲としては、ＭｎをＭｎＯ換算で０．２〜１質量％、ＭｇをＭｇＯ換算で０．２〜５質量％、ＣａをＣａＯ換算で０．２〜５質量％含有することが良い。

また、被覆層６中には、Ｍｎ、ＭｇおよびＣａ元素を含む化合物を有することが望ましい。このような化合物を被覆層６中に含むことにより、絶縁基体２との接続強度を強固なものにすることができる。

なお、絶縁基体２および被覆層６をそれぞれ形成するアルミナ質セラミックスは、例えば、Ｘ線回折によって、アルミナのピークが主ピークとして検出される材質で、アルミナ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。

次に、この実施形態に係る発光装置１の製造方法について具体的に説明する。
まず、配線基板１０を製造するために、絶縁基体２を形成するためのセラミックグリーンシート、接続電極３、外部接続電極４およびビアホール導体５を形成するための導体ペースト、および被覆層６を形成するためのセラミックペーストを準備する。

セラミックグリーンシートは、主成分としてのアルミナ粉末に対し、焼結助剤として、Ｍｎ_２Ｏ_３と、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯの群から選ばれる少なくとも１種とを混合するとともに、さらにバインダーと溶剤とを所定の割合で混合して調整したセラミックスラリーから、従来周知のドクターブレード法などによりシート状に成形したセラミックグリーンシートを作製する。セラミックグリーンシートに用いるアルミナ粉末の粒径としては、平均粒径が０．０１〜１０μｍ程度のものが良く、特に、１〜５μｍの範囲の粉末が取り扱いや焼結性の点で望ましい。また、焼結助剤の平均粒径としては、１．０〜２．０μｍのものを用いることが良い。

導体ペーストは、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｍｏのうち少なくとも１種を主成分とする導体ペーストを準備する。これらの金属または合金を用いることで、絶縁基体２と同時焼成して、接続電極３、外部接続電極４およびビアホール導体５を形成することが可能となり、安価な配線基板１０を製造することができる。導体ペーストは金属粉末、バインダーおよび溶剤を所定の割合で混合し、溶剤を減圧過熱等によって除くことにより作製される。必要に応じてセラミック粉末を含有させてもよい。導体ペーストに用いる金属粉末、セラミック粉末の粒径は、平均粒径が０．０１〜１０μｍ程度のものが良く、特に、１〜５μｍの範囲の粉末が取り扱いや焼結性の点で望ましい。

セラミックペーストは、主成分としてのアルミナ粉末に対し、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯの群から選ばれる少なくとも１種の焼結助剤と、バインダーと、溶剤とを所定の割合で混合し、溶剤を減圧過熱等によって除くことにより作製される。セラミックペーストに用いるアルミナ粉末、焼結助剤の粒径は、平均粒径で０．０１〜１０μｍ程度のものが良く、特に、１〜５μｍの範囲の粉末が取り扱いや焼結性の点で望ましい。

次に、セラミックグリーンシートにマイクロドリルやレーザー等によりビアホールを形成し、印刷等の方法でこのビアホールに導体ペーストを充填し、また、セラミックグリーンシートの表面に導体ペーストを印刷して電極パターンを形成する。そして、最表層のセラミックグリーンシートには、焼成後に接続電極３となる電極パターンを形成するとともに、ボンディングワイヤ７が接続される領域以外の領域を覆うようにセラミックペーストを印刷する。

そして、これらのセラミックグリーンシートを所望の構造となるよう複数積層し、酸化雰囲気、還元雰囲気、あるいは不活性雰囲気で１２５０〜１３５０℃の温度範囲で焼成すると、セラミックグリーンシート中のＭｎがセラミックペ―スト中へ拡散し、最終的に、酸化マンガンを含有する緻密質のアルミナ質セラミックスからなり、上面に発光素子２０の搭載部７を有する絶縁基体２と、この絶縁基体２の上面に形成された発光素子２０と電気的に接続される接続電極３と、絶縁基体２の下面に形成され、接続電極３とビアホール
導体５を介して電気的に接続された外部接続電極４と、絶縁基体２の上面に接続電極３の一部を覆うように形成された、アルミナを主成分とし、酸化マンガンを０．２〜１．８質量％含有するとともに、気孔率が１７〜３３％である白色のアルミナ質セラミックスからなる被覆層とを備えた配線基板１０を作製する。

なお、接続電極３の表面には、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｌやＡｇなどからなるめっき層（図示せず）を形成し、発光素子２０が発する光の反射率を高めることもできる。

そして、得られた配線基板１０の搭載部７に、発光素子２０を金属や樹脂からなる接合層１９を介して実装し、この発光素子２０の端子（図示せず）と、接続電極３とをボンディングワイヤ７で接続したあと、発光素子２０、接続電極３およびボンディングワイヤ７を透光性の封止樹脂２１でモールドすることで、発光装置１を製造することができる。

なお、図１および２に示した発光装置１では、発光素子２０等を封止樹脂２１により被覆した例を示したが、封止樹脂２１を用いずに、蓋体（図示せず）を用いて封止してもよく、封止樹脂２１と蓋体とを併用してもよい。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。

また、必要に応じて、封止樹脂２１に発光素子２０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。

さらに、放熱性を向上させるために、例えば、絶縁基体２にヒートシンクのような冷却装置を接合したり、あるいは放熱性を高めるための金属導体を絶縁基体２中に埋設しても構わない。

またさらに、発光素子２０として、リップチップ型（フェースダウン構造）の発光素子２０を用いることもできる。この場合、リップチップ型（フェースダウン構造）の発光素子２０と接合される絶縁基体２上の接続電極３の一部を被覆層で覆うように構成してあれば良い。

このように、図１および２を基に実施形態について説明したが、本発明の発光装置および表面実装型発光素子用配線基板は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改良や変更したものでもよいことはいうまでもない。

（配線基板）
絶縁基体の原料粉末として、純度９９％以上、平均粒径が１．５μｍのアルミナ粉末、純度９９％以上、平均粒径２μｍのＳｉＯ_２粉末、純度９９％以上、平均粒子径１．５μｍのＭｎ_２Ｏ_３粉末を用い、表１に記載の絶縁基体組成の比率で混合を行った。ただし、ＭｎＯ比率はＭｎ_２Ｏ_３比率に換算している。そして、この粉体混合物に、バインダーとしてアクリル系バインダーと、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Ｃｕ粉末を３０質量％、平均粒子径２μｍのＷ粉末を７０質量％と、アクリル系バインダーとアセトンとを混合し、溶剤を減圧過熱等によって除くことにより導体ペーストを調製した。

さらに、純度９９％以上、平均粒径１．５μｍのアルミナ粉末、純度９９％以上、平均粒径２μｍのＳｉＯ_２粉末、純度９９％以上、平均粒径２μｍのＭｇＯ粉末、純度９９％以上、平均粒径２μｍのＣａＯ粉末、純度９９％以上、平均粒径１．５μｍのＭｎ_２Ｏ_３
粉末を用い、表１に記載の被覆層原料組成の比率で混合を行った。ただし、表１中、ＭｎＯの比率はＭｎ_２Ｏ_３比率に換算している。そして、この粉体混合物にアクリル系バインダーとアセトンを溶媒として混合し、溶剤を減圧過熱等によって除くことによりセラミックペーストを調製した。

そして、絶縁基体となる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、焼成後にビアホール導体となる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、表面に、焼成後に接続電極となる配線パターンを印刷塗布した。

さらに、焼成後に接続電極となる電極パターンの一部を覆うようにセラミックペーストをスクリーン印刷法によって塗布した。

このようにして作製したセラミックグリーンシートを複数組み合わせ、位置合わせし、積層圧着して積層体を作製した。

その後、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表１に記載の焼成温度で２時間保持して焼成を行い、配線基板を作製した。なお、接続電極、外部接続電極の厚みは１０μｍ、被覆層の厚みは２０μｍとした。

次いで、絶縁基体の表面に露出する接続電極および外部接続電極に、Ｎｉ、ＡｕおよびＡｇめっきを順次施した。

作製した配線基板は、５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの板状の絶縁基体で、その表面に１．２×１．２の発光素子の搭載部、および１×１．５ｍｍの接続電極を備え、接続電極にはその一部を覆うように、１．５×１ｍｍの被覆層が形成されている。

また、被覆層の接続強度を評価するサンプルを作製した。具体的には、焼成後の絶縁基体の寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍとなるようにセラミックグリーンシートを積層し、セラミックグリーンシート上に焼成後に２ｍｍ×２ｍｍとなるようにセラミックペーストを塗布し、その後配線基板と同様に焼成を行って評価サンプルを製作した。

（反射率評価）
配線基板の接続電極上の被覆層（１×１ｍｍ）の全反射率を測定した。測定には、分光測色計を用いた。マスクサイズはφ１０ｍｍのものを使用し、全反射率は４５０ｎｍの値を表１に示した。

（被覆層の組成）
被覆層の断面を鏡面研磨し、波長分散型のX線分光器（ＷＤＳ：Wavelength Dispersive
X-ray Spectrometer）にて被覆層の定量を行い、組成を表１に示した。

（気孔率）
樹脂に埋め込んで鏡面研磨したサンプルのＳＥＭ像を撮影し、粒子部分と気孔部分のコントラスト差を利用して、画像解析を用いて被覆膜の面積に対する気孔の面積を算出し、気孔率として表１に示した。

（被覆層の強度評価）
評価サンプルの被覆層にエポキシ樹脂を含浸させて硬化したのち、熱硬化性樹脂を用いて金具を接着した。そして、ロードセルを用いて金具を垂直に引っ張り、被覆層が絶縁基
体から剥がれたときの強度を評価し、結果を表１に示した。

そして、被覆層の反射率が９０％以上で、かつ引張り強度試験の結果が３９．２Ｎ以上であったものを良好とした。

この結果、被覆層が、酸化マンガンを０．２〜１．８質量％の範囲で含有し、気孔率が１７〜３３％の範囲である白色のアルミナ質セラミックスからなる試料Ｎｏ．２〜４および１０〜１７のものは、被覆層の反射率が９０％以上で、かつ引張り強度が３９．２Ｎ以上と良好であった。そのため、この配線基板を用いて発光装置を構成すれば、発光効率を従来と比較してさらに高められることが判る。

１・・・発光装置
２・・・絶縁基体
２ａ・・・発光素子の搭載部
３・・・接続電極
４・・・外部接続電極
５・・・ビアホール導体
６・・・被覆層
７・・・ボンディングワイヤ
１０・・・表面実装型発光素子用配線基板
１９・・・接合層
２０・・・発光素子
２１・・・封止樹脂

Claims

酸化マンガンを含有する緻密質のアルミナ質セラミックスからなり、上面に発光素子の搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の上面に形成された前記発光素子と電気的に接続される接続電極と、前記絶縁基体の下面に形成され、前記接続電極と電気的に接続された外部接続電極と、前記絶縁基体の上面に前記接続電極の少なくとも一部を覆うように形成された被覆層とを備え、前記被覆層が、アルミナを主成分とし、酸化マンガンを０．２〜１．８質量％含有するとともに、気孔率が１７〜３３％である白色のアルミナ質セラミックスからなることを特徴とする表面実装型発光素子用配線基板。
前記被覆層を構成するアルミナ質セラミックス中の酸化マンガンが、前記絶縁基体を構成するアルミナ質セラミックスから拡散したものであることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型発光素子用配線基板。
請求項１または２に記載の表面実装型発光素子用配線基板の前記接続電極の上面に前記発光素子が搭載されていることを特徴とする発光装置。