JP5850450B2

JP5850450B2 - 高反射率セラミック基板

Info

Publication number: JP5850450B2
Application number: JP2011265180A
Authority: JP
Inventors: 理松本; 光隆高橋
Original assignee: Maruwa Co Ltd
Current assignee: Maruwa Co Ltd
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: JP2013116838A

Description

本発明は発光素子の光反射部に用いる、発光素子をマウントするための高光反射率かつ高強度であるアルミナジルコニア焼結基板に関する。

近年、ＬＥＤを用いた発光素子の普及に伴い、発光効率を高めるための高反射率セラミック基板が望まれている。アルミナ基板は安価であり、また、白色度が高く、他のセラミック基板に比べて反射率が高いことから、多くの発光素子パッケージに用いられている。しかし、汎用アルミナ基板の反射率は７０〜８０％であり、さらなる改善の余地がある。

アルミナ基板の反射率を向上させる方法として、アルミナセラミック中に２〜６重量部の硫酸バリウムを添加する方法や（特開２００６―６２９１２号公報）、多量のガラス成分を添加する方法が報告されており（特開２０１１―９０３２５号公報、特開２０１１−７９７０４号公報）、これら反射率を改善したアルミナ基板の反射率は９０％を超えるものある。しかしながら、このような方法で反射率を向上させたセラミック中には多くのガラス成分が存在するので、汎用アルミナと同等の強度を併せ持つことは困難となる。

また、焼結温度を意図的に低下させ、セラミック基板中に多量の気孔を有するアルミナセラミックスが報告されている（特開２００６−１０８１８０号公報）。しかし、このような多量の気孔が存在する、焼結不足の基板の三点曲げ強度は大きく低下する。また、メタライズ時のウェットプロセスの際に薬液浸透が生じ、デメリットが多い。

一方で、９０％以上の反射率を有し、従来よりも高い４００ＭＰａの三点曲げ強度を有したガラスセラミックも特許文献３で報告されているが、それでも汎用アルミナの三点曲げ強度と同等、若しくはそれ以下の値である。

反射率を向上させるためにセラミック基板内にガラス相となる高屈折フィラーや気孔などを多量に介在させると、基板破壊時に発生するクラックは低強度であるガラス相や気孔を進行し、基板強度の低下を招く。そのため、９０％以上の反射率を維持したまま、４００ＭＰａ以上の三点曲げ強度を有するアルミナ質基板を作製することは容易ではない。

また、アルミナ粒子のマトリクスにナノジルコニア粒子を分散させると、気孔率２.２％までは強度の高いアルミナジルコニア複合セラミック体が得られることが報告されているが（特開２０１０―２４１２８号公報）、光反射率に着目して反射体として用いる観点はない。

基板に汎用アルミナを用い、めっき法により銀反射膜をマウント基板上に形成し、反射効率を高める方法も報告されている（特開２００４―２０７６７２号公報）。しかし、銀皮膜は硫化によって、皮膜部の反射率が低下するという欠点があり、基板自体の反射率を向上させることが望ましい。

特開２００６―６２９１２号公報特開２０１１―９０３２５号公報特開２０１１―７９７０４号公報特開２００６―１０８１８０号公報特開２０１０―２４１２８号公報特開２００４―２０７６７２号公報

セラミックスの光学的特性は気孔や粒界散乱の影響を大きく受けるので、反射率を向上させるためには、それらを焼結体内部に介在させる必要がある。しかしながら、強度も気孔や粒界の影響を受ける。特に、気孔が焼結体内部に多数存在すると強度低下の原因となることから、反射率と強度は背反する関係にある。発光素子の小型化や放熱性向上のためには９０％以上の反射率を維持し、高い強度を有する基板開発が必要である。

具体的な強度値としては５５０ＭＰａ以上である。強度値が５５０ＭＰａ以上であれば汎用アルミナの強度値４５０ＭＰａを大きく上回り、外部応力に十分耐えることができ、基板の薄型化が可能となる。

したがって、本発明の課題は４５０〜８５０nmの光波長領域における光反射率が９０％以上かつ三点曲げ強度が５５０ＭＰａ以上であるアルミナジルコニア焼結基板を提供することである。

セラミック基板の強度を維持しつつ反射率を向上させる方法のひとつとして、焼結基板内部の気孔を必要最低限に抑えることが重要である。

アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とＺｒＯ_２とＹ_２Ｏ_３の合計を１００重量部としたときに、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＺｒＯ_２を７〜１０重量部と、Ｙ_２Ｏ_３を０.０１〜１重量部とからなり、該Ａｌ_２Ｏ_３の公称粒径が１.４０〜１.９０μmかつ、任意の基板研磨面における気孔の占有面積が前記基板研磨面に対して２.０〜５.０％であるアルミナジルコニア焼結基板であって、４５０〜８５０nmの光波長領域における光反射率が９０％以上かつ三点曲げ強度が５５０ＭＰａ以上であるアルミナジルコニア焼結基板。

前記アルミナジルコニア焼結基板は、板厚０.２〜１mmであるとする。

このセラミック焼結基板を用いると、基板加工時に発生する基板割れの低減、マウント基板の薄型化による小型化を図ることが可能であり、特に発光素子搭載用として用いると、放熱性の向上、発光効率の向上といった効果も発揮する。

焼結基板A〜Ｃの４５０〜８５０nmの波長に対する反射率。焼結基板A〜Ｃの鏡面研磨とサーマルエッチング後の５０００倍ＳＥＭ像。実施例及び比較例の(a)Ａｌ_２Ｏ_３公称粒径に対する強度及び反射率と(b)気孔率に対する強度及び反射率 (a)部分安定化ジルコニアの添加量を変化させた焼結基板A, N, O,Ｐの４５０〜８５０nmの波長に対する反射率と、(b)部分安定化ジルコニア添加量に対する反射率と強度の値。部分安定化ジルコニア１０％,９％,７％添加焼結基板の板厚に対する反射率の値。

以下に、本発明を実施するための形態について詳述するが、本発明はこれらに限定されない。

最初に調合工程において、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２とＹ_２Ｏ_３の合計を１００重量部とし、ＳｉＯ_２, ＣａＯ, ＭｇＯ, ＴｉＯ_２いずれか１種以上からなる焼結助剤を０.６重量部以下と、界面活性型分散剤を０.５重量部と、キシレンとイソプロピルアルコールの混合溶媒２０重量部を添加して、粉砕後の平均粒径が０.５〜２μm程度になるように、アルミナ玉石を用いて粉砕混合する。その後、バインダーとしてポリビニルブチラールを５重量部と、可塑剤としてアジピン酸ジオクチルを３重量部と、前述したものと同様の溶媒２０重量部を加え、バインダーが完全に溶解・混合されるまで、ボールミルによって攪拌混合した後、スラリーを作製する。

前記スラリーはドクターブレード法によってフィルム上に塗布され、８０〜１２０℃で乾燥し、溶媒を蒸発させる。その後、フィルムから剥離し、グリーンシートを得た。得られたグリーンシートをプレス加工により所定の形状に型抜きし、３００〜５００℃で有機成分を除去し、１５２５〜１６００℃で２時間焼成して板厚０.２〜１.６mmのセラミック焼結基板を得た。１５２５℃よりも低いと焼結が不十分となり、十分な基板強度が得られない。また、１６００℃よりも高いと粒成長とそれに伴う気孔の減少が進み、光反射率が低下してしまう。板厚は０.２〜１mmの範囲が望ましい。０.２mmよりも薄いと透過光が増加することで反射率は低下し、さらには、外部応力に対して弱くなる。１mmよりも厚いと発光素子の小型化が困難になり、さらには、発光素子の放熱性が低下する。

本発明の原料組成であるＹ_２Ｏ_３は、正方晶ＺｒＯ_２を部分安定化させるため、ＺｒＯ_２に固溶した部分安定化ＺｒＯ_２の状態で存在している。なお、Ａｌ_２Ｏ_３の粒成長を促進し、焼結温度を低下させるために、ＳｉＯ_２やＣａＯに代表されるような焼結助剤を１重量部まで加えることも可能である。

比重ρはアルキメデス法により、次のように求めた。基板の乾燥質量をＷ_１、飽水基板の水中質量をＷ_２、飽水基板表面に付着した水分を拭きとった後の飽水質量をＷ_３として、ρ＝Ｗ_１／（Ｗ_３―Ｗ_２）の計算式から求めた。

相対密度は次のように求めた。Ａｌ_２Ｏ_３の密度を３.９０g/cm³, ＺｒＯ_２の密度を６.０５g/cm³とし、それらの混合比から求めた理論密度に対する前記計算比重との相対値を計算した。

光反射率はＯｃｅａｎ
ＯｐｔｉｃｓのＵＳＢ４０００分光器を用いて、積分球法により測定した。標準白板としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用い、この標準白板の反射率を１００％として、各基板の反射率を相対値として測定した。

三点曲げ強度は島津製作所のＡＧ−ＩＳを用い、ＪＩＳ
Ｒ１６０１に基づいて測定した。

Ａｌ_２Ｏ_３の公称粒径は、走査型電子顕微鏡の５０００倍ＳＥＭ像を用いた切断法により求め、測定した粒切片に１.１２８をかけたものを公称粒径とした。

気孔率は、鏡面研磨とサーマルエッチングを行った基板表面を走査型電子顕微鏡で観察し、任意の５０００倍ＳＥＭ画像５枚それぞれについて気孔面積を測定し、観察面積に対する気孔の占有面積の平均値として求めた。

部分安定化ＺｒＯ_２を５〜１０重量部の範囲で変化させたグリーンシートを作製し、１５２５〜１６００℃の範囲で焼成を行い、板厚０.３４mmの焼結基板を得た。試料A〜Ｃ及びＮ〜Pは焼結助剤が不介在、試料Ｄ〜Ｆは０.１５重量部、試料Ｇ〜Ｋは０.３重量部、試料Ｌ及びＭは０.６重量部の焼結助剤を添加した焼結基板である。また、試料Ｎ〜Ｐは試料Ａの配合過程において、部分安定化ＺｒＯ_２の添加量を９重量部、７重量部及び５重量部とした焼結基板である。得られた基板の比重、相対密度及び強度、４５０〜８５０nmの波長に対する平均反射率を表１に示す。また、代表例として焼結基板Ａ〜Cの４５０〜８５０nmの波長に対する反射率を図１に、研磨面の５０００倍ＳＥＭ像を図２に示す。

図１に示すように、焼結基板A及びBは４５０〜８５０nmの波領域全体において反射率が９０％を超えている。

図２(ａ)に示すように、本発明の実施例である焼結基板Aは可視光波長と同程度の気孔が適切に分散しており、可視光が効率よく反射し、強度低下も引き起こされない。図２(ｂ)に示す比較例Ｂ内部に存在する気孔の数は多く、気孔同士がつながった大きな形状のものが見うけられる。このため、９０％以上の反射率は得られているが、三点曲げ強度の値は低下する。一方、図２(ｃ)に示す比較例C内部に気孔はあまり存在せず、強度は増加するが、気孔と粒子界面が減少することで反射率が低下してしまう。

表1に示した測定結果を元に、Ａｌ_２Ｏ_３公称粒径と気孔率に対する強度及び反射率を図３に示す。９０％以上の反射率を得るためには、１.９０μm以下のＡｌ_２Ｏ_３公称粒径かつ２.０％以上の気孔率とする必要がある。一方、５５０ＭＰａ以上の強度を得るためには、１.４０μm以上のＡｌ_２Ｏ_３公称粒径かつ５.０％以下の気孔率とする必要がある。以上のことから、Ａｌ_２Ｏ_３公称粒径が１.４０〜１.９０μmかつ、気孔率が２.０〜５.０％であれば、４５０〜８５０nmの波長に対する９０％以上の反射率と５５０ＭＰａ以上の三点曲げ強度を同時に達成することができる。

比較例Ｂ及びＪの焼結基板は、Ａｌ_２Ｏ_３公称粒径が１.９０μm以下かつ気孔率が２.０％以上であるので、９０％以上の光反射率を達成する条件を満たすが、焼結体内部に多くの気孔が存在するために強度が低くなってしまう。

比較例C, F, K, Mの焼結基板は、気孔率が５.０％以下であるので、５５０ＭＰａ以上の強度を達成する条件を満たすが、気孔や粒子界面が少なく、反射率が低くなってしまう。

図４に(a)部分安定化ジルコニアの添加量を変化させた焼結基板A,N,O,Ｐの４５０〜８５０nmの波長に対する反射率と、(b)部分安定化ジルコニア添加量に対する反射率と強度の値を示す。部分安定化ジルコニアの添加量が５〜１０％の範囲で、焼結基板の反射率は９０％を超えている。しかし、５％添加焼結基板の強度は５００ＭＰａ以下であった。反射率９０％以上かつ強度５５０ＭＰａ以上を得るためには、部分安定化ジルコニアの添加量を７％以上とする必要がある。

部分安定化ＺｒＯ_２を１０重量部とし、１５２５〜１６００℃の範囲で焼成を行い、種々の厚さの焼結基板を得た。板厚に対する反射率の測定値を図５に示す。

反射率は板厚の減少とともに低下し、板厚が０.２mmよりも薄くなると透過光の割合が増加するために９０％以上の反射率を得ることが難しくなる。一方、板厚を増加させると反射率は増加するが、マウント基板としての放熱性が低下してしまうため、１mm以下であることが望ましい。

本発明は発光素子の光反射部に用いる、発光素子をマウントするための高光反射率かつ高強度基板として利用することができる。

Claims

アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とＺｒＯ２とＹ２Ｏ３の合計を１００重量部としたときに、Ａｌ２Ｏ３を主成分として、ＺｒＯ２を７〜１０重量部と、Ｙ２Ｏ３を０.０１〜１重量部とからなり、該Ａｌ２Ｏ３の公称粒径が１.４０〜１.９０μmかつ、任意の基板研磨面における気孔の占有面積が前記基板研磨面に対して２.０〜５.０％であるアルミナジルコニア焼結基板であって、４５０〜８５０nmの光波長領域における光反射率が９０％以上かつ三点曲げ強度が５５０ＭＰａ以上である発光素子用アルミナジルコニア焼結基板。
板厚が０.２〜１mmの範囲である請求項１記載の発光素子用アルミナジルコニア焼結基板。