JP2005209763A - 発光装置及び発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 発光装置におけるさらなる放熱効果の向上を図り、高い信頼性を維持しながら低消費電力で高輝度に発光させることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 上面に凹部を有する基板５と、凹部底面に載置された発光素子１７とからなる発光装置１０であって、基板５は、凹部底面に導電性及び／又は放熱性材料９、１８が埋設された貫通孔６、７、８を有し、かつ、凹部を含む上面及び下面に、それぞれ、貫通孔６、７、８に埋設された導電性及び／又は放熱性材料９、１８と接触する金属パターン１１〜１６を備えており、発光素子１７は、金属パターン１１上に載置されてなる発光装置。
【選択図】 図１
【解決手段】 上面に凹部を有する基板５と、凹部底面に載置された発光素子１７とからなる発光装置１０であって、基板５は、凹部底面に導電性及び／又は放熱性材料９、１８が埋設された貫通孔６、７、８を有し、かつ、凹部を含む上面及び下面に、それぞれ、貫通孔６、７、８に埋設された導電性及び／又は放熱性材料９、１８と接触する金属パターン１１〜１６を備えており、発光素子１７は、金属パターン１１上に載置されてなる発光装置。
【選択図】 図１
Description
本発明は、発光装置及び発光装置の製造方法に関するものである。
近年、高輝度、高出力の半導体発光素子や小型で高感度の発光装置が開発され種々の分野に利用されている。このような発光装置は、小型・軽量、低消費電力等の特徴をいかして、例えば、光プリンターヘッドの光源、液晶バックライト光源、各種メータの光源、各種読み取りセンサー等の種々の分野に利用されている。
例えば、このような発光装置の一例として、図６に示すような発光装置４２がある。この発光装置は、凹部を有し、この凹部底面から引き出されたリード電極４１が一体成形されたプラスチック製のパッケージ４０を用いており、この凹部底面から露出されたリード電極４１上に、発光素子としてＬＥＤチップ４３がダイボンドされている。また、ＬＥＤチップ４３は、その表面に形成された各電極（図示せず）がパッケージ４０に設けられたリード電極４１に、金線４４などによって電気的に接続されている。このように凹部内に配置されたＬＥＤチップ４３は透光性のモールド樹脂４５によって封止されている。これにより、パッケージ内部に配置されたＬＥＤチップやワイヤなどは水分、外力など外部環境から保護され、信頼性の高い発光装置が得られる。
通常、発光素子は、電力消費により熱を発する。上述したような構成の発光装置４２は、発光素子から発生する熱を、リード電極４１を介して基板側に逃している。
しかし、発光素子の出力を向上させるために発光装置４２に大電流を投下すると、パッケージ４０による放熱効果が十分でないため、発光素子の温度は上昇し、素子の動作速度や周囲に存在する樹脂の劣化等を引き起こすのみならず、発光効率が低下するという問題がある。また、リード電極４１を折曲加工してパッケージ４０の下面に引き出しているため、リード電極４１の加工に伴うストレスがパッケージ４０又はリード電極４１自体にかかり、接触不良や断線等の不具合を招くことがある。さらに、リード電極４１を折曲加工するため、パッケージ４０にある程度の厚みが必要とされ、さらなる小型化、軽量化を図ることが困難になる。
しかし、発光素子の出力を向上させるために発光装置４２に大電流を投下すると、パッケージ４０による放熱効果が十分でないため、発光素子の温度は上昇し、素子の動作速度や周囲に存在する樹脂の劣化等を引き起こすのみならず、発光効率が低下するという問題がある。また、リード電極４１を折曲加工してパッケージ４０の下面に引き出しているため、リード電極４１の加工に伴うストレスがパッケージ４０又はリード電極４１自体にかかり、接触不良や断線等の不具合を招くことがある。さらに、リード電極４１を折曲加工するため、パッケージ４０にある程度の厚みが必要とされ、さらなる小型化、軽量化を図ることが困難になる。
また、図７に示すように、上面に凹部を有する基板５０が用いられ、凹部の底面は熱発散パッド５２で被覆されており、この露出した熱発散パッド５２上に、ＬＥＤチップ５１が搭載されてなる発光装置５３が提案されている(例えば、特許文献１）。
このような発光装置５０では、ＬＥＤチップ５１は、熱発散パッド５２上に直接載置されるため、熱発散効果を高めることができる。
特開平２００３−３１８５０号公報
このような発光装置５０では、ＬＥＤチップ５１は、熱発散パッド５２上に直接載置されるため、熱発散効果を高めることができる。
しかし、最近では、高密度実装に対応するために、さらなる小型化・薄型化に加え、高性能及び高信頼性を有する発光装置が望まれており、これに応じてさらなる放熱性の向上を図り、発光装置の性能及び信頼性を確保することが要求されている。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発光装置におけるさらなる放熱効果の向上を図り、高い信頼性を維持しながら低消費電力で高輝度に発光させることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発光装置におけるさらなる放熱効果の向上を図り、高い信頼性を維持しながら低消費電力で高輝度に発光させることが可能な発光装置を提供することを目的とする。
本発明の発光装置は、上面に凹部を有する基板と、前記凹部底面に載置された発光素子とからなる発光装置であって、前記基板は、凹部底面に導電性及び／又は放熱性材料が埋設された貫通孔を少なくとも１個有し、かつ、凹部を含む上面及び下面に、それぞれ、前記貫通孔に埋設された導電性及び／又は放熱性材料と接触する金属パターンを備えており、前記発光素子は、前記金属パターン上に載置されてなることを特徴とする。
上記発光装置においては、発光素子が、貫通孔の上方の金属パターン直上に載置されていることが好ましい。
また、貫通孔は複数個形成されていてもよい。
さらに、基板の上面及び下面に形成された金属パターンは、それぞれ、少なくとも２つの電気的に分離されたパターンとして形成され、該２つの電気的に分離されたパターンが発光素子の一対の端子電極として機能するものであってもよい。
また、導電性及び／又は放熱性材料が、半田、金属ペースト、導電ペースト又は金属薄膜と樹脂との組み合わせ材料であってもよいし、金属パターンが、金、銅、ニッケル、クロム、銀もしくはこれら金属の合金の単層膜又は積層膜により形成されていてもよい。
また、貫通孔は複数個形成されていてもよい。
さらに、基板の上面及び下面に形成された金属パターンは、それぞれ、少なくとも２つの電気的に分離されたパターンとして形成され、該２つの電気的に分離されたパターンが発光素子の一対の端子電極として機能するものであってもよい。
また、導電性及び／又は放熱性材料が、半田、金属ペースト、導電ペースト又は金属薄膜と樹脂との組み合わせ材料であってもよいし、金属パターンが、金、銅、ニッケル、クロム、銀もしくはこれら金属の合金の単層膜又は積層膜により形成されていてもよい。
本発明の発光装置の製造方法は、上面及び下面に金属薄膜が形成された第１基板に貫通孔を形成する工程、
該貫通孔内に導電性及び／又は放熱性材料を埋め込む工程、
前記第１基板の上面及び下面の金属薄膜をパターニングする工程、
凹部を構成する貫通孔が形成された第２基板を、前記第１基板上に張り合わせて上面に凹部を有する基板を形成する工程、
該上面に凹部を有する基板における凹部表面に金属薄膜を形成する工程、
得られた基板上に発光素子を実装する工程からなることを特徴とする。
該貫通孔内に導電性及び／又は放熱性材料を埋め込む工程、
前記第１基板の上面及び下面の金属薄膜をパターニングする工程、
凹部を構成する貫通孔が形成された第２基板を、前記第１基板上に張り合わせて上面に凹部を有する基板を形成する工程、
該上面に凹部を有する基板における凹部表面に金属薄膜を形成する工程、
得られた基板上に発光素子を実装する工程からなることを特徴とする。
本発明の発光装置によれば、基板上面に形成された金属パターン上に発光素子が載置されているために、発光素子によって生じた熱を、金属パターンを通して、基板上面側から、効率的に発散させることができる。加えて、金属パターンが貫通孔内に埋設された導電性及び／又は放熱性材料と接触しており、さらにこの貫通孔は、基板下面に形成された金属パターンと接触しているために、発光素子によって生じた熱が、貫通孔を伝わって、発光素子の実装部から直接基板下面の金属パターンを通して効率的に発散させることができる。しかも、貫通孔内には導電性及び／又は放熱性材料が埋設されているため、凹部内にモールドした場合であっても、モールド樹脂が貫通孔から漏れることがなく、信頼性の高い良好な発光装置を得ることができる。
また、発光素子が貫通孔上の金属パターン直上に載置されている場合には、発光素子が載置された箇所において、金属パターンを介して直接貫通孔内の導電性及び／又は放熱性材料に熱が伝わることとなり、基板の上下面からの放熱をより効率的に行うことができる。
さらに、貫通孔が複数個形成されている場合には、発光素子で発生した熱をさらに効果的に基板下面の金属パターンに伝えることができ、放熱効果をより顕著に発揮させることができる。
また、基板の上面及び下面に形成された金属パターンが、それぞれ、少なくとも２つの電気的に分離されたパターンである場合には、２つの電気的に分離されたパターンを、発光素子の一対の端子電極として機能させることができ、放熱のために形成した金属パターンと別個に端子電極を形成する必要がなく、より構造がシンプルで、安価な発光素子を得ることができる。しかも、従来のリード電極のように、屈曲加工が施されていないため、リード電極の加工に伴うストレスがパッケージやリード電極自体にかかることがなく、さらに、基板の貫通孔によって端子電極自体が保護されるために、接触不良や断線等の不具合を防止することができる。
さらに、貫通孔が複数個形成されている場合には、発光素子で発生した熱をさらに効果的に基板下面の金属パターンに伝えることができ、放熱効果をより顕著に発揮させることができる。
また、基板の上面及び下面に形成された金属パターンが、それぞれ、少なくとも２つの電気的に分離されたパターンである場合には、２つの電気的に分離されたパターンを、発光素子の一対の端子電極として機能させることができ、放熱のために形成した金属パターンと別個に端子電極を形成する必要がなく、より構造がシンプルで、安価な発光素子を得ることができる。しかも、従来のリード電極のように、屈曲加工が施されていないため、リード電極の加工に伴うストレスがパッケージやリード電極自体にかかることがなく、さらに、基板の貫通孔によって端子電極自体が保護されるために、接触不良や断線等の不具合を防止することができる。
さらに、導電性及び／又は放熱性材料が、金属又は合金、金属ペースト、導電ペースト又は金属薄膜と樹脂との組み合わせ材料である場合には、導電性を確保しながら放熱性を十分に発揮させることができるため、発光効率をより向上させることができ、発光装置の長寿命化を図ることができる。
また、金属パターンが、金、銅、ニッケル、クロム、銀、これら金属の合金の単層膜又は積層膜により形成されている場合には、放熱効率が良好であるとともに、導電性が良好であるために、より低消費電力化を図ることができ、高信頼性かつ高性能の発光装置を得ることが可能となる。
また、金属パターンが、金、銅、ニッケル、クロム、銀、これら金属の合金の単層膜又は積層膜により形成されている場合には、放熱効率が良好であるとともに、導電性が良好であるために、より低消費電力化を図ることができ、高信頼性かつ高性能の発光装置を得ることが可能となる。
本発明の発光装置の製造方法によれば、発光素子が発生する熱を効率的に発散させることができ、高性能及び高信頼性の発光装置を、簡便な製造方法により実現することができ、製造コストの上昇を抑制し、安価な発光装置を製造することができる。
本発明の発光装置は、少なくとも基板と発光素子とから構成される。
基板は、上面に凹部を有する形状であれば、その種類、材料は特に限定されるものではなく、通常当該分野で用いられている基板のすべてを用いることができる。例えば、ガラス；ガラスエポキシ；セラミック、アルミナ；ポリエステル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、アクリル等の樹脂基板；IMS基板、メタルコア基板、ホーロー基板等の金属系基板；等、種々のものを利用することができる。なお、上面の凹部は、平板状の基板の上面をくりぬくなどの加工を施すことにより形成してもよいし、平板状の基板の上に、貫通孔又は穴が形成された別の平板状の基板を貼り付けることにより形成してもよいし、これらを組み合わせて形成してもよい。
基板は、上面に凹部を有する形状であれば、その種類、材料は特に限定されるものではなく、通常当該分野で用いられている基板のすべてを用いることができる。例えば、ガラス；ガラスエポキシ；セラミック、アルミナ；ポリエステル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、アクリル等の樹脂基板；IMS基板、メタルコア基板、ホーロー基板等の金属系基板；等、種々のものを利用することができる。なお、上面の凹部は、平板状の基板の上面をくりぬくなどの加工を施すことにより形成してもよいし、平板状の基板の上に、貫通孔又は穴が形成された別の平板状の基板を貼り付けることにより形成してもよいし、これらを組み合わせて形成してもよい。
上面の凹部の形状及び大きさは特に限定されるものではなく、例えば、平面形状は、円形、楕円形、多角形等、種々の形状とすることができる。また、断面形状は、矩形、底面よりも上面が大きいテーパー状、逆テーパー状等、種々の形状とすることができる。なかでも、光の取り出し効率を考慮して、底面よりも上面が大きい逆円錐台形状が好ましい。また、凹部の上面における面積は、２〜１０ｍｍ２程度、深さは、例えば、０．２〜０．８ｍｍ程度が挙げられる。なお、基板は、凹部底面、つまり最も薄い部分において、０．２〜０．８ｍｍ程度、凹部の上面、つまり最も厚い部分において、０．４〜１．６ｍｍ程度の厚みが挙げられる。これにより、発光装置の形成工程中及び発光装置としての十分な強度を確保することができるとともに、発光素子からの光の取り出しを効率的に行うことができる。
基板は、凹部底面に少なくとも１個の貫通孔を有している。また、２個以上の貫通孔を有していてもよい。貫通孔の大きさは特に限定されるものではなく、基板上に載置する発光素子よりも小さめ、例えば、凹部底面において０．０３〜０．２ｍｍ２程度の面積を有することが適当である。なお、貫通孔の形状は、例えば、平面形状が円形、楕円形、多角形等、種々の形状とすることができ、断面形状が矩形、テーパー状、逆テーパー状等、種々の形状とすることができる。なかでも、貫通孔に導電性及び／又は放熱性材料を埋設することを考慮して、矩形であることが好ましい。貫通孔が複数個形成される場合には、全ての貫通孔が同じ形状及び大きさでなくてもよい。
貫通孔内に埋設される導電性及び／又は放熱性材料とは、少なくとも放熱性又は導電性のいずれかを有している材料であって、好ましくは、放熱性と導電性との双方の機能を有している材料を意味する。なお、このような機能は、必ずしも１種類の材料で発揮するのみならず、２種以上の材料を貫通孔内で組み合わせて用いて発揮するものでもよい。導電性及び／又は放熱性材料の指標として、例えば、熱伝導率が１０〜５００Ｗ／ｍ・ｋ程度の材料が挙げられる。このような材料としては、金属又は合金、金属ペースト、導電ペースト又は金属薄膜と樹脂との組み合わせ材料等が挙げられる。具体的には、半田、アルミニウム、銅、銀、クロム、金等を単独又は組み合わせて含有する金属ペースト、これら金属の単層膜又は積層膜を貫通孔内面に形成し、この膜内にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、アクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリノルボルネン樹脂、変性シリコーン樹脂、非晶質ポリアミド樹脂、フッ素樹脂等を埋設したもの等が挙げられる。
また、基板の凹部を含む上面及び下面のそれぞれに、金属パターンが形成されている。金属パターンは、上面及び下面の双方において、それぞれ、貫通孔内に埋設された導電性及び／又は放熱性材料に接触しており、好ましくは、電気的に接続されている。両者の接触は、貫通孔を完全に覆うように金属パターンが配置しており、貫通孔に埋設された導電性及び／又は放熱性材料の上面又は下面の全面で行われることが好ましいが、導電性及び／又は放熱性材料の上面又は下面の一部のみが金属パターンと接触するのみでもよい。
金属パターンは、金属膜によって形成されるのであれば、その種類は特に限定されない。例えば、抵抗が低い材料、金、銅、ニッケル、クロム、銀、これら金属の合金の単層膜又は積層膜等が挙げられる。膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、５〜５０μｍ程度が挙げられる。パターンの平面形状は特に限定されるものではなく、発光素子の放熱及び発光素子の端子電極の双方の役割を適切に発揮し得るような形状であることが好ましい。
具体的には、基板の凹部を含む上面においては、凹部底面の一部の領域以外の全領域（凹部の底面の一部、側面及び上面）を被覆した１つのパターン；凹部底面の一部の領域以外の全領域を被覆した第１パターンと、凹部底面の一部の領域内に、第１パターンとは電気的に分離した第２パターンとの２つのパターン；凹部底面の一部の領域以外の全領域を被覆した第１パターンと、凹部底面の一部の領域内に、第１パターンとは電気的に分離した第２及び第３パターンとの３つのパターン（ただし、第２パターンと第３パターンとは電気的に分離されている）等が挙げられる。このようなパターンとすることにより、特に、発光素子の放熱性を良好にすることができる。
具体的には、基板の凹部を含む上面においては、凹部底面の一部の領域以外の全領域（凹部の底面の一部、側面及び上面）を被覆した１つのパターン；凹部底面の一部の領域以外の全領域を被覆した第１パターンと、凹部底面の一部の領域内に、第１パターンとは電気的に分離した第２パターンとの２つのパターン；凹部底面の一部の領域以外の全領域を被覆した第１パターンと、凹部底面の一部の領域内に、第１パターンとは電気的に分離した第２及び第３パターンとの３つのパターン（ただし、第２パターンと第３パターンとは電気的に分離されている）等が挙げられる。このようなパターンとすることにより、特に、発光素子の放熱性を良好にすることができる。
また、基板の下面においては、略全面を被覆する１つのパターン；電気的に分離された２つのパターン；電気的に分離された３つのパターン等が挙げられる。なお、パターンの形状及び大きさは、基板の大きさ、この発光装置を実装するための基板の配線パターン等によって、適宜変更することができる。このようなパターンとすることにより、特に、端子電極として表面実装が可能な配線パターンを得ることができる。
基板の上面又は下面の金属パターンは、基板の凹部底面に載置された発光素子の一対の電極に電気的に接続されることにより、基板の上面又は下面に引き出した一対の端子電極として機能させることができる。例えば、基板の上面及び下面に形成された金属パターンが、それぞれ、２つの電気的に分離されたパターンとして形成され、貫通孔が例えば２個形成されている場合には、この２つの電気的に分離されたパターン（上面において第１パターン、第２パターン；下面において第１パターン、第２パターン）は、貫通孔を通して、上面及び下面の第１パターン同士が電気的に接続され、上面及び下面の第２パターン同士が電気的に接続されることになる。よって、上面又は下面の第１パターンが第１の端子電極、上面又は下面の第２パターンが第２の端子電極として、一対の端子電極とすることができる。なお、一対の端子電極は、双方とも上面にあってもよいし、双方とも下面にあってもよいし、下面と上面にそれぞれ１つづつあってもよい。
金属パターンの上であって、基板の上面における凹部底面には、発光素子が載置されている。また、発光素子は、貫通孔の上方の金属パターン上に形成することが好ましい。これにより、発光素子によって発生した熱が、基板上面の金属パターンのみならず、直接貫通孔内に埋設された導電性及び／又は放熱性材料に、続いて、基板下面の金属パターンに効率的に伝わり、放熱効率が向上する。
なお、基板の上面に形成された凹部底面に貫通孔が１個のみ形成されている場合には、上述したように、その貫通孔の上方に発光素子が載置されていることが好ましい。また、貫通孔が２個以上形成されている場合には、貫通孔の1個が発光素子の下方に配置していることが好ましい。ただし、いずれの場合においても、貫通孔は少なくとも発光素子の近傍に、つまり、発光素子によって発生した熱を貫通孔から発散させることができる位置に配置していればよい。
なお、基板の上面に形成された凹部底面に貫通孔が１個のみ形成されている場合には、上述したように、その貫通孔の上方に発光素子が載置されていることが好ましい。また、貫通孔が２個以上形成されている場合には、貫通孔の1個が発光素子の下方に配置していることが好ましい。ただし、いずれの場合においても、貫通孔は少なくとも発光素子の近傍に、つまり、発光素子によって発生した熱を貫通孔から発散させることができる位置に配置していればよい。
本発明の発光装置における発光素子は、当該分野で公知のものの全てを包含する。例えば、ＬＥＤチップ、レーザーダイオード等が挙げられる。これらは、当該分野で公知の方法により作製されたものであり、公知の構成を有していればよい。
具体的には、ＺｎＳｅやＧａＮなど種々の半導体を用いたものが挙げられる。なかでも、蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を用いたものが好ましい。また、この窒化物半導体には、任意に、ボロンやリンを含有させてもよい。なお、半導体の材料やその混晶度によって発光波長を適宜調整することができる。発光素子を構成する半導体は、ＭＩＳ接合、ｐｉｎ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものでもよい。また、発光層を量子効果が生ずる薄膜に形成した単一量子井戸構造や多重量子井戸構造としてもよい。
窒化物半導体を使用する場合、発光素子を形成するための基板にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ及びＧａＮ等の材料が挙げられる。結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。なお、サファイア基板上には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等のバッファ層が形成されていてもよい。このサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体を形成させることができる。
特に、窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子の一例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成等が挙げられる。ｐ型層上に金属層を積層した後、半導体用基板を除去してもよい。
特に、窒化物半導体を使用したｐｎ接合を有する発光素子の一例として、バッファ層上に、ｎ型窒化ガリウムで形成した第１のコンタクト層、ｎ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成させた第１のクラッド層、窒化インジウム・ガリウムで形成した活性層、ｐ型窒化アルミニウム・ガリウムで形成した第２のクラッド層、ｐ型窒化ガリウムで形成した第２のコンタクト層を順に積層させたダブルへテロ構成等が挙げられる。ｐ型層上に金属層を積層した後、半導体用基板を除去してもよい。
本発明の発光装置においては、発光素子は、１つの基板の凹部底面に１つのみ載置されていてもよいが、２つ以上の発光素子が載置されていてもよいし、発光素子のほかに、例えば、ツェナーダイオード、コンデンサ等の保護素子が組み合わせられていてもよい。これらの保護素子は、当該分野で公知のものの全てを利用することができる。
本発明の発光装置の製造方法においては、上面及び下面に金属薄膜が形成された第１基板に貫通孔を形成する工程、この貫通孔内に導電性及び／又は放熱性材料を埋め込む工程、第１基板の上面及び下面の金属薄膜をパターニングする工程、凹部を構成する貫通孔が形成された第２基板を、第１基板上に張り合わせて上面に凹部を有する基板を形成する工程、上面に凹部を有する基板における凹部表面に金属薄膜を形成する工程、得られた基板上に発光素子を搭載し、ワイヤボンディングする工程からなる。これらの工程は、必ずしもこの順に行わず、順序が前後してもよいし、各工程の前後に別の工程が行われてもよい。
上面及び下面に金属薄膜が形成された第１基板は、基板の上面及び下面に、電解めっき、スパッタ法、真空蒸着法等の種々の方法を利用して金属薄膜を形成することにより得ることができる。また、市販のものを利用してもよい。
第１基板に貫通孔を形成する方法は、フォトリソグラフィ及びエッチング工程、ドリルによる穿孔等の公知の方法を利用することができる。
また、貫通孔内に導電性及び／又は放熱性材料を埋め込む際には、(i)まず、貫通孔の内側に金属等による薄膜を形成し、その後、金属ペーストや樹脂等を充填してもよいし、(ii)貫通孔上に金属膜を形成することにより貫通孔をこの金属膜で埋設し、その後、貫通孔以外の領域に形成された金属膜を除去してもよいし、(iii)金属ペースト又は導電ペースト等を直接貫通孔に充填してもよい。金属膜の形成及び金属ペースト等の充填は、当該分野で公知の方法を利用することができる。
金属薄膜をパターニングする方法は、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法を利用することができる。
第１基板に貫通孔を形成する方法は、フォトリソグラフィ及びエッチング工程、ドリルによる穿孔等の公知の方法を利用することができる。
また、貫通孔内に導電性及び／又は放熱性材料を埋め込む際には、(i)まず、貫通孔の内側に金属等による薄膜を形成し、その後、金属ペーストや樹脂等を充填してもよいし、(ii)貫通孔上に金属膜を形成することにより貫通孔をこの金属膜で埋設し、その後、貫通孔以外の領域に形成された金属膜を除去してもよいし、(iii)金属ペースト又は導電ペースト等を直接貫通孔に充填してもよい。金属膜の形成及び金属ペースト等の充填は、当該分野で公知の方法を利用することができる。
金属薄膜をパターニングする方法は、フォトリソグラフィ及びエッチング工程等の公知の方法を利用することができる。
第２基板の第１基板への張り合わせは、特に限定されることなく、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の公知の接着剤を用いて行うことができる。
凹部表面に金属薄膜を形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、電解めっき法が挙げられる。このめっき法では、条件及びめっき液の種類を変えることにより、積層膜を形成してもよい。なお、積層膜の場合には、１層目を形成した後、パターニングを行い、さらに２層目を形成してもよく、必ずしも、積層膜の全てが同じパターンで形成されなくてもよい。このように凹部表面に金属薄膜を形成することにより、この金属薄膜が、凹部底面において所定の形状にパターニングされていた金属薄膜と一体化し、金属パターンを構成することができる。
凹部表面に金属薄膜を形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、電解めっき法が挙げられる。このめっき法では、条件及びめっき液の種類を変えることにより、積層膜を形成してもよい。なお、積層膜の場合には、１層目を形成した後、パターニングを行い、さらに２層目を形成してもよく、必ずしも、積層膜の全てが同じパターンで形成されなくてもよい。このように凹部表面に金属薄膜を形成することにより、この金属薄膜が、凹部底面において所定の形状にパターニングされていた金属薄膜と一体化し、金属パターンを構成することができる。
基板に発光素子を搭載し、ワイヤボンディングする方法は、当該分野で通常用いられる方法を利用して行うことができる。
なお、本発明の発光装置の製造方法においては、上記工程の全てを行った後、封止樹脂を基板上に充填することが好ましい。これにより、発光素子からの光の色相、光度、指向特性、演色性等を調整することができ、光の取り出し効率を向上させることができ、さらに湿気や酸化による発光素子の劣化を防止することができる。
なお、本発明の発光装置の製造方法においては、上記工程の全てを行った後、封止樹脂を基板上に充填することが好ましい。これにより、発光素子からの光の色相、光度、指向特性、演色性等を調整することができ、光の取り出し効率を向上させることができ、さらに湿気や酸化による発光素子の劣化を防止することができる。
以下に、本発明の発光装置を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１
この実施の形態の発光装置を図１に示す。また、この発光装置１０を構成する基板上面の金属パターンの形状を図２（ａ）に、基板下面の金属パターンの形状を図２（ｂ）にそれぞれ示す。
この発光装置１０は、ガラスエポキシによって形成された厚さ０．３〜０．５ｍｍ程度の基板１の上に、接着剤層２によって、テーパー形状の貫通孔（傾斜角度：４５°程度、凹部底面となる部分の直径：２〜２．５ｍｍ程度）が形成された厚さ０．３〜０．５ｍｍ程度のガラスエポキシからなる基板４が貼り合わせられて構成された基板５を利用して形成されている。
この実施の形態の発光装置を図１に示す。また、この発光装置１０を構成する基板上面の金属パターンの形状を図２（ａ）に、基板下面の金属パターンの形状を図２（ｂ）にそれぞれ示す。
この発光装置１０は、ガラスエポキシによって形成された厚さ０．３〜０．５ｍｍ程度の基板１の上に、接着剤層２によって、テーパー形状の貫通孔（傾斜角度：４５°程度、凹部底面となる部分の直径：２〜２．５ｍｍ程度）が形成された厚さ０．３〜０．５ｍｍ程度のガラスエポキシからなる基板４が貼り合わせられて構成された基板５を利用して形成されている。
この基板５の凹部底面において、底面の直径方向に３個の貫通孔６、７、８が形成されている。底面の略中央の貫通孔７は、他の２個の貫通孔６、８よりも若干大きめに形成されている。貫通孔７及び６、８の大きさは、例えば、直径０．４〜０．６ｍｍ程度及び０．２〜０．４ｍｍ程度である。貫通孔６、７、８の内側には、めっきによる銅薄膜９が形成され、その内部には金属ペースト１８が埋設されている。例えば、銀ペーストの熱伝導率は２５Ｗ／ｍ・ｋ程度である。金属ペースト１８としては、銀ペーストや銅ペースト等を使用することができる。
基板５の凹部を含む上面には、図２（ａ）に示すように、３つ金属パターン１１、１２、１３が形成されている。１つの金属パターン１１は、基板５の凹部底面の一部を除いて、上面の略全面にわたって形成されている。また、他の金属パターン１２、１３は、凹部底面の一部において、金属パターン１１と、例えば、０．０５〜０．２ｍｍ程度離間することにより、それぞれ電気的に分離し、かつ貫通孔６、８をそれぞれ覆うように形成されている。
金属パターン１１、１２、１３は、それぞれ、膜厚１０〜１５μｍ程度のめっきによる銅薄膜の上に、電解めっきによるＮｉ−Ａｇ膜（Ｎｉ厚３μｍ以上、Ａｇ厚３μｍ以上）が形成された積層膜により形成されている。
金属パターン１１、１２、１３は、それぞれ、膜厚１０〜１５μｍ程度のめっきによる銅薄膜の上に、電解めっきによるＮｉ−Ａｇ膜（Ｎｉ厚３μｍ以上、Ａｇ厚３μｍ以上）が形成された積層膜により形成されている。
基板５の下面には、図２（ｂ）３つの金属パターン１４、１５、１６が形成されている。各金属パターン１４、１５、１６は、それぞれ電気的に分離するように配置しており、貫通孔６、７、８と、それぞれ１対１で電気的に接続している。
また、基板５の凹部底面には、発光素子１７が載置されており、発光素子１７における一対の電極が、凹部底面に形成された金属パターン１２、１３にそれぞれワイヤ１９によりボンディングされている。
さらに、発光素子１７が載置された基板５の凹部には、蛍光体を含有したシリコーン樹脂からなる封止樹脂３により封止されている。
また、基板５の凹部底面には、発光素子１７が載置されており、発光素子１７における一対の電極が、凹部底面に形成された金属パターン１２、１３にそれぞれワイヤ１９によりボンディングされている。
さらに、発光素子１７が載置された基板５の凹部には、蛍光体を含有したシリコーン樹脂からなる封止樹脂３により封止されている。
このような発光装置１０は、以下のように形成することができる。
まず、平坦な基板１の上面及び下面に、標準的なめっき技術により銅薄膜を形成する。
次いで、基板１の所定の領域に、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、貫通孔６、７、８を形成する。
さらに、貫通孔６、７、８が形成された基板１を上述した標準的なめっき技術によりめっきし、貫通孔６、７、８内に銅薄膜９を形成する。その後、内面に銅薄膜９が形成された貫通孔６、７、８内に、金属ペースト１８を、貫通孔６、７、８表面が基板５の凹部底面と略面一になる程度に充填する。
続いて、基板１の上面に形成された銅薄膜を、例えばフォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所定の形状にパターニングする。なお、この際のパターニングによって、基板１上に基板４を張り合わせる領域の銅薄膜を除去しておく。また、基板１の下面において、銅薄膜を、例えばフォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所定の形状にパターニングする。
まず、平坦な基板１の上面及び下面に、標準的なめっき技術により銅薄膜を形成する。
次いで、基板１の所定の領域に、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、貫通孔６、７、８を形成する。
さらに、貫通孔６、７、８が形成された基板１を上述した標準的なめっき技術によりめっきし、貫通孔６、７、８内に銅薄膜９を形成する。その後、内面に銅薄膜９が形成された貫通孔６、７、８内に、金属ペースト１８を、貫通孔６、７、８表面が基板５の凹部底面と略面一になる程度に充填する。
続いて、基板１の上面に形成された銅薄膜を、例えばフォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所定の形状にパターニングする。なお、この際のパターニングによって、基板１上に基板４を張り合わせる領域の銅薄膜を除去しておく。また、基板１の下面において、銅薄膜を、例えばフォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所定の形状にパターニングする。
その後、所定の貫通孔が形成された基板４を、接着剤層２を介して、基板１上に張り合わせ、発光素子１７を載置するための基板５を形成する。
次いで、所定形状のレジストパターンを、基板５の上面及び下面に形成し、上述した標準的なめっき技術により、銅薄膜を形成し、続いて、Ｎｉ−Ａｇ薄膜を銅薄膜上に積層して、基板５の上面及び下面に、金属パターン１１〜１６を形成する。
次いで、所定形状のレジストパターンを、基板５の上面及び下面に形成し、上述した標準的なめっき技術により、銅薄膜を形成し、続いて、Ｎｉ−Ａｇ薄膜を銅薄膜上に積層して、基板５の上面及び下面に、金属パターン１１〜１６を形成する。
上記工程とは別に、標準的な発光素子の形成技術により表面実装（ＳＭＤ）型の発光素子１７、例えば、活性層として単色性発光ピークが可視光である４７５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ半導体を有する窒化物半導体発光素子を形成する。
まず、洗浄したサファイア基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体を成膜する。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇを切り替えることによってｎ型窒化物半導体やｐ型窒化物半導体となる層を形成する。これにより、サファイア基板上に、アンドープの窒化物半導体であるＧａＮ層、Ｓｉドープのｎ型コンタクト層となるｎ型ＧａＮ層、アンドープの窒化物半導体であるＧａＮ層、多重量子井戸構造の活性層（バリア層となるＧａＮ層、井戸層となるＩｎＧａＮ層を１ペアとして５ペア積層し、最後にバリア層となるＧａＮ層を積層）、Ｍｇドープのｐ型クラッド層であるＡｌＧａＮ層、Ｍｇドープのｐ型コンタクト層であるｐ型ＧａＮ層を順次積層する。
次いで、エッチングによりサファイア基板上の窒化物半導体に同一面側で、ｐ型コンタクト層およびｎ型コンタクト層の各表面を露出させる。次に、ｐ型コンタクト層上にＲｈ、Ｚｒをターゲットとしたスパッタリングを行い、拡散電極を設ける。
さらに、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕをターゲットとしたスパッタリングを行い、拡散電極およびｎ型コンタクト層の一部に対し、それぞれＷ／Ｐｔ／Ａｕの順に積層させｐ側台座電極とｎ側台座電極を同時に形成する。
得られた半導体ウェハにスクライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子１７を形成する。
さらに、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕをターゲットとしたスパッタリングを行い、拡散電極およびｎ型コンタクト層の一部に対し、それぞれＷ／Ｐｔ／Ａｕの順に積層させｐ側台座電極とｎ側台座電極を同時に形成する。
得られた半導体ウェハにスクライブラインを引いた後、外力により分割させ発光素子１７を形成する。
金属パターン１１〜１６を形成された基板５の凹部底面に、発光素子１７をダイボンドして搭載し、ｐ側台座電極及びｎ側台座電極と、金属パターン１２、１３とを、それぞれワイヤボンディングして電気的に接続する。
さらに、基板５の凹部に、蛍光体を含有したシリコーン樹脂からなる封止樹脂３をポッティングにより注入し、凹部が略平坦になる程度まで充填し、発光装置１０を完成する。
さらに、基板５の凹部に、蛍光体を含有したシリコーン樹脂からなる封止樹脂３をポッティングにより注入し、凹部が略平坦になる程度まで充填し、発光装置１０を完成する。
この実施の形態における発光装置１０は、上述したような構成により、発光素子１７から発生した熱が発光素子１７直下の金属パターン１１に伝わり、金属パターン１１に沿って、発光装置１０の上面の略全面から発散させることができ、放熱効率が向上する。また、発光素子１７の熱は、発光素子１７の下方の貫通孔を伝わって、基板５の下面の金属パターン１５により発散され、放熱効率がより向上する。
さらに、基板５上面の凹部の側面が傾斜しており、凹部表面に、反射効率の良好な金属パターン１１が形成されているため、これらがリフレクタとして機能し、発光素子１７からの光の取り出し効率が向上する。
さらに、基板５上面の凹部の側面が傾斜しており、凹部表面に、反射効率の良好な金属パターン１１が形成されているため、これらがリフレクタとして機能し、発光素子１７からの光の取り出し効率が向上する。
また、発光素子１７における一対の電極が、発光素子１７の近傍に形成された金属パターン１３、１２に接続され、さらに、これら金属パターン１３、１２が貫通孔６、８を通して、基板５の下面の金属パターン１４、１６に電気的に接続されているために、これら金属パターン１４、１６が端子電極として機能し、この発光装置１０を実装基板に表面実装することが可能となる。
さらに、封止樹脂１９を基板の凹部に封止する際に、貫通孔は導電性及び／又は放熱性材料である金属ペースト１８により完全に塞がれているために、封止樹脂１９が基板の下面に漏れることなく、製造歩留まりが良好となる。
さらに、封止樹脂１９を基板の凹部に封止する際に、貫通孔は導電性及び／又は放熱性材料である金属ペースト１８により完全に塞がれているために、封止樹脂１９が基板の下面に漏れることなく、製造歩留まりが良好となる。
また、従来のように、基板５の上面から下面へ、折曲によって端子電極が加工されていないために、基板５や端子電極自体にストレスがかからず、信頼性の高い発光装置を得ることができる。しかも、端子電極自体が貫通孔によって保護される形態となるために、断線等の不具合を防止することができる。
さらに、発光装置の製造方法においては、上述したような非常に放熱性が向上し、信頼性及び性能において向上した発光装置を、簡便な方法により、製造コストの上昇と招くことなく実現することができる。
さらに、発光装置の製造方法においては、上述したような非常に放熱性が向上し、信頼性及び性能において向上した発光装置を、簡便な方法により、製造コストの上昇と招くことなく実現することができる。
実施の形態２
この実施の形態の発光装置は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、発光素子１７の下方における貫通孔７に代えて、発光素子１７の近傍に貫通孔２６、２７を形成した以外、実施の形態１の発光装置１０と同様である。
このように、発光素子１７の下方でなくても、近傍に貫通孔を設けることにより、さらに貫通孔の数を増やすことにより、放熱効果を良好にすることができる。
この実施の形態の発光装置は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、発光素子１７の下方における貫通孔７に代えて、発光素子１７の近傍に貫通孔２６、２７を形成した以外、実施の形態１の発光装置１０と同様である。
このように、発光素子１７の下方でなくても、近傍に貫通孔を設けることにより、さらに貫通孔の数を増やすことにより、放熱効果を良好にすることができる。
実施の形態３
この実施の形態の発光装置は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、基板５上面の金属パターン１２が金属パターン１１と合体して金属パターン２１を構成することにより、基板５上面に２つの電気的に分離された金属パターン２１、１３が配置された点、貫通孔２８として、貫通孔８よりも若干大きくなり、位置が若干移動した点、さらに、基板５の下面において、貫通孔７と貫通孔２８とが同じ金属パターン３５に電気的に接続された点以外は、実質的に、実施の形態１の発光装置１０と同様である。
この実施の形態の発光装置は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、基板５上面の金属パターン１２が金属パターン１１と合体して金属パターン２１を構成することにより、基板５上面に２つの電気的に分離された金属パターン２１、１３が配置された点、貫通孔２８として、貫通孔８よりも若干大きくなり、位置が若干移動した点、さらに、基板５の下面において、貫通孔７と貫通孔２８とが同じ金属パターン３５に電気的に接続された点以外は、実質的に、実施の形態１の発光装置１０と同様である。
このように、発光素子１７の一対の電極において、一方は上面の金属パターン１３、貫通孔６及び下面の金属パターン１４と接続され、一方の端子電極が金属パターン１４とし、他方は、上面の金属パターン２１と接続され、他方の端子電極が金属パターン２１とする構成とすることにより、実装を、表面実装のみならず、基板上下において自由に行うことができる。
また、貫通孔２８が大きいことに起因してより放熱効果を向上させることができる。
また、貫通孔２８が大きいことに起因してより放熱効果を向上させることができる。
実施の形態４
この実施の形態の発光装置は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、発光素子１７の下方における貫通孔７に代えて、発光素子１７の近傍に貫通孔２９を形成した以外、実施の形態３の発光装置と同様である。
この実施の形態の発光装置は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、発光素子１７の下方における貫通孔７に代えて、発光素子１７の近傍に貫通孔２９を形成した以外、実施の形態３の発光装置と同様である。
このように、発光素子１７の一対の電極において、一方は上面の金属パターン１３、貫通孔６及び下面の金属パターン１４と接続され、一方の端子電極が金属パターン１４とし、他方は、上面の金属パターン２１と接続され、他方の端子電極が金属パターン２１とする構成とすることにより、実装を、表面実装のみならず、基板上下において自由に行うことができる。
また、貫通孔が発光素子１７の下方に形成されていなくても、貫通孔２８、２９が大きいことに起因してより放熱効果を向上させることができる。
また、貫通孔が発光素子１７の下方に形成されていなくても、貫通孔２８、２９が大きいことに起因してより放熱効果を向上させることができる。
本発明の発光装置及びその製造方法は、バックライト光源、ディスプレイ、照明、車両用ランプ等の各種光源に利用することができる。
１ 基板
２ 接着剤層
３ 封止樹脂
４ 基板
５ 基板
６、７、８、２６、２７、２８、２９ 貫通孔
９ 銅薄膜
１０ 発光装置
１１、１２、１３、１４、１５、１６、３５、３６ 金属パターン
１７ 発光素子
１８ 金属ペースト
１９ ワイヤ
２ 接着剤層
３ 封止樹脂
４ 基板
５ 基板
６、７、８、２６、２７、２８、２９ 貫通孔
９ 銅薄膜
１０ 発光装置
１１、１２、１３、１４、１５、１６、３５、３６ 金属パターン
１７ 発光素子
１８ 金属ペースト
１９ ワイヤ
Claims (7)
- 上面に凹部を有する基板と、前記凹部底面に載置された発光素子とからなる発光装置であって、
前記基板は、凹部底面に導電性及び／又は放熱性材料が埋設された貫通孔を少なくとも１個有し、かつ、凹部を含む上面及び下面に、それぞれ、前記貫通孔に埋設された導電性及び／又は放熱性材料と接触する金属パターンを備えており、
前記発光素子は、前記金属パターン上に載置されてなることを特徴とする発光装置。 - 発光素子が、貫通孔の上方の金属パターン上に載置されてなる請求項１に記載の発光装置。
- 貫通孔が複数個形成されてなる請求項１又は２に記載の発光装置。
- 基板の上面及び下面に形成された金属パターンは、それぞれ、少なくとも２つの電気的に分離されたパターンとして形成され、該２つの電気的に分離されたパターンが発光素子の一対の端子電極として機能する請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光装置。
- 導電性及び／又は放熱性材料が、金属又は合金、金属ペースト、導電ペースト又は金属薄膜と樹脂との組み合わせ材料である請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光装置。
- 金属パターンが、金、銅、ニッケル、クロム、銀もしくはこれら金属の合金の単層膜又は積層膜により形成されてなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光装置。
- 上面及び下面に金属薄膜が形成された第１基板に貫通孔を形成する工程、
該貫通孔内に導電性及び／又は放熱性材料を埋め込む工程、
前記第１基板の上面及び下面の金属薄膜をパターニングする工程、
凹部を構成する貫通孔が形成された第２基板を、前記第１基板上に張り合わせて上面に凹部を有する基板を形成する工程、
該上面に凹部を有する基板における凹部表面に金属薄膜を形成する工程、
得られた基板上に発光素子を実装する工程からなることを特徴とする発光装置の製造方法。
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