JP2006339224A - Ｌｅｄ用基板およびｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れるとともに製造が簡単なＬＥＤ用基板、およびこのＬＥＤ用基板を用いたＬＥＤパッケージを提供とする。
【解決手段】ＬＥＤ用基板(1)は、放熱部(10)の平坦面にＬＥＤ取付孔(14)が穿設された絶縁層(11)が接合され、前記絶縁層(11)上に配線パターンを有する配線部(12)が設けられていることを特徴とする。また、ＬＥＤパッケージ(2)は、前記ＬＥＤ用基板(1)のＬＥＤ取付孔(14)内において、放熱部(10)上にＬＥＤチップ(20)が実装され、該ＬＥＤチップ(10)が配線部(12)に電気的に接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ＬＥＤ用基板、特に放熱性に優れたＬＥＤ用基板、およびこのＬＥＤ用基板を用いたＬＥＤパッケージに関する。

従来より、ＬＥＤチップを用いたＬＥＤパッケージとして図３Ａに示す構成のものが提案されている。このＬＥＤパッケージ(30)は、金属基板(31)の表面に絶縁層(32)および銅箔よりなる配線部（配線パターン）(33)が積層された基板(34)にＬＥＤチップ(20)が実装され、ＬＥＤチップ(20)がボンディングワイヤ(21)を介して配線部(33)と電気的に接続されたものである。前記金属基板(32)としてはアルミニウム等の熱伝導性金属が用いられ、絶縁層(32)としてはガラスエポキシシート等が用いられている。また、前記ＬＥＤチップ(20)としては例えば、サファイヤ基板上に窒化ガリウム系の発光部を形成したものが用いられている。

また、セラミック基板上にＬＥＤチップをアクリル系接着剤で接合したＬＥＤパッケージも提案されている（特許文献１参照）。

また、上述のＬＥＤパッケージでは、ＬＥＤチップの光を効率良く前面側に取り出すためにＬＥＤチップの周囲に反射部や枠体を設けた構造としている。例えば、図３Ａに示したＬＥＤパッケージ(30)では、ＬＥＤチップ(20)の周囲に円錐状に開口した反射部材(35)を接着した構造を示している。

また、図３Ｂは従来のもう一つのＬＥＤパッケージ(40)を示している。このＬＥＤパッケージ(40)は金属基板(31)、絶縁層(32)、配線部(33)を積層した基板(34)にざくり加工で凹所を形成して凹所(36)の底部にＬＥＤチップ(20)を実装したものであり、ＬＥＤチップ(20)を金属板(31)に直接実装することで放熱性の向上を図ったものである（特許文献２参照）。

さらに図３Ｃに示すように、金属板に直接ＬＥＤチップを実装するタイプのＬＥＤパッケージ(41)では金属基板(42)に突出部(43)を設け、さらにこの突出部(43)に凹所(44)を形成し、該凹所(44)の底部にＬＥＤチップ(20)を実装するととも突出部(43)を反射部として用いることがが提案されている。図３Ｃにおいて、(32)は絶縁層、(33)は配線部、(45)は樹脂封止部である。（特許文献３参照）。
特開２００４−２９６７９２号公報 特開２０００−３５３８２７号公報 特開２００３−１５２２２５号公報

ところで、近年のＬＥＤチップは発熱量が大きいため、なお一層高い放熱性が求められている。しかしながら、図３Ａの絶縁層(32)上にＬＥＤチップ(20)を実装したＬＥＤパッケージ(30)、あるいはセラミック基板にアクリル系接着剤でＬＥＤチップを接合したＬＥＤパッケージでは、増大する発熱量に対して放熱性が不十分であった。

また、図３ＢのＬＥＤパッケージ(40)では、絶縁層(32)を介さずに金属基板(31)にＬＥＤチップ(20)を実装することで放熱性は改善されたが、側方に放射された光を効率良く前方に取り出すことができず反射効率が低下してしまうという問題があった。

また、図３ＣのＬＥＤパッケージ(41)では金属基板(42)に突出部(43)および凹所(44)を形成するためには複雑な加工が必要であり、生産性に問題があった。また、凹所(36)(44)を形成する加工を施すと加工面の表面平滑度が悪くなり、ＬＥＤチップ(20)との接合性が悪くなることもあった。

本発明は、上述した技術背景に鑑み、放熱性に優れるとともに簡単な工程で製造できるＬＥＤ用基板、およびこのＬＥＤ用基板を用いたＬＥＤパッケージの提供を目的とする。

即ち、本発明のＬＥＤ用基板は下記〔１〕〜〔５〕に記載の構成を有する。

〔１〕 放熱部の平坦面にＬＥＤ取付孔が穿設された絶縁層が接合され、前記絶縁層上に配線パターンを構成する配線部が設けられていることを特徴とするＬＥＤ用基板。

〔２〕 前記放熱部は金属板またはヒートシンクである前項１に記載のＬＥＤ用基板。

〔３〕 前記ＬＥＤ取付孔の周囲に反射部が設けられている前項１または２に記載のＬＥＤ用基板。

〔４〕 前記絶縁層と配線部との合計厚さがＬＥＤチップの高さよりも小さい前項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。

〔５〕 前記絶縁層はガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシシートである前項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。

また、本発明のＬＥＤ用基板の製造方法は下記〔６〕〔７〕に記載の構成を有する。

〔６〕 シート状の絶縁層の一面側に配線パターンを構成する配線部を接合して配線板を製作する配線板製作工程と、前記配線板にＬＥＤ取付孔を穿設する穿孔工程と、放熱部の平坦面に前記配線板の他面側を接合する接合工程とを有することを特徴とするＬＥＤ用基板の製造方法。

〔７〕 配線板製作工程において絶縁層の他面側に接着層を積層して三層の配線板を製作し、前記接合工程において熱プレスにより放熱部に前記配線板を接合する前項６に記載のＬＥＤ用基板の製造方法。

さらに、本発明のＬＥＤパッケージは下記〔８〕〜〔１０〕の構成を有する。

〔８〕 前項１〜５のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板において、ＬＥＤ取付孔内で放熱部上にＬＥＤチップが実装され、該ＬＥＤチップが配線部に電気的に接続されていることを特徴とするＬＥＤパッケージ。

〔９〕 前記配線板の上面がＬＥＤチップの上面よりも低いものとなされている前項８に記載のＬＥＤパッケージ。

〔１０〕 前記配線板の取付用孔内および反射部内が樹脂で封止されている前項８または９に記載のＬＥＤパッケージ。

〔１〕の発明にかかるＬＥＤ用基板によれば、ＬＥＤチップを放熱部に直接実装できるため、放熱効率が良い。また、放熱部には何ら加工する必要がないため、製造工程が簡単で生産性が良い。

〔２〕の発明にかかるＬＥＤ用基板によれば、特に放熱効率が良い。

〔３〕〔４〕の各発明にかかるＬＥＤ用基板によれば、ＬＥＤチップが放射する光を効率良く前方に取り出すことができる。

〔５〕の発明にかかるＬＥＤ用基板によれば、ＬＥＤ取付孔の形成が容易である。

〔６〕〔７〕の各発明にかかるＬＥＤ用基板の製造方法によれば、本発明のＬＥＤ用基板を製造できる。

〔８〕〔１０〕の各発明にかかるＬＥＤパッケージによれば、ＬＥＤチップが放熱部に直接実装されているため、放熱効率が良い。

〔９〕の発明にかかるＬＥＤパッケージによれば、ＬＥＤチップが放射する光を効率良く前方に取り出すことができる。

図１に本発明のＬＥＤ用基板(1)の一実施形態を示し、図２に前記ＬＥＤ用基板(1)を用いたＬＥＤパッケージ(2)の一実施形態を示す。

ＬＥＤ用基板(1)は、アルミニウムや銅等の金属平板からなる放熱部(10)の表面に絶縁層(11)接着層(13)を介して積層され、この絶縁層(11)上に配線パターンに形成された銅箔からなる配線部(12)が積層され、さらに配線部(12)上に樹脂シート(16)が積層一体化されたものである。前記絶縁層(11)にはＬＥＤ取付孔(14)が穿設されるとともに、樹脂シート(16)にはＬＥＤ取付孔(14)より径が大きくかつ開口側でさらに径大となされた円錐孔(17)が穿設されている。この円錐孔(17)には、孔の内周形状に対応し、内周面を鏡面加工したアルミニウム製リング(18)が嵌入され、反射部を形成している。そして、ＬＥＤ取付孔(14)および円錐孔(17)により放熱部(10)が露出し、かつＬＥＤ取付孔(14)の周囲では配線部(12)が露出している。

前記ＬＥＤ用基板(1)は、例えば以下の工程により製造される。
〔１〕配線板製作工程
シート状の絶縁層(11)の一面側に所要の配線パターンを有する配線部(12)を接合し、他面側にホットメルト接着剤による接着層(13)を接合し、三層構造の配線板(15)を製作する。
〔２〕穿孔工程
前記配線板(15)のＬＥＤ取付予定位置にＬＥＤ取付孔(14)を穿設する。
〔３〕反射部製作工程
樹脂シート(16)に円錐孔(17)を穿設する。円錐孔(17)の小径側（配線板に接合される側側）の直径は配線板(15)のＬＥＤ取付孔(14)よりも大きく形成する。そして、円錐孔(17)内にリング(18)を嵌入する。
〔４〕接合工程
放熱部(10)上に、配線板(15)と樹脂シート(16)とをＬＥＤ取付孔(14)と円錐孔(17)の位置を合わせて重ね、熱プレスする。この熱プレスにより、放熱部(10)と配線板(15)、配線板(15)と樹脂シート(15)が一体に接合されるとともに、接着層(13)と絶縁層(11)、絶縁層層(11)と配線部(12)もさらに強固に接合され、ＬＥＤ用基板(1)となる。

上述したＬＥＤ用基板(1)において、放熱部(10)は、熱伝導性が良く配線板(15)を接合する面に凹凸がなく平坦なものを使用する。例えば、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属平板、あるいはこれらの金属製のヒートシンクを推奨できる。ヒートシンクは、平板上に多数のフィンを櫛歯状に立設したもの、作動流体を封入したートパイプ、内部に冷却液を流通させる冷却器等を例示できる。これらはいずれも優れた放熱性を有しＬＥＤチップ(20)が発生する熱を効率良く放熱できる。また、前記放熱部(10)と接着層(13)との接着力を向上させるために、放熱部(10)の表面に陽極酸化皮膜を形成することも好ましい。陽極酸化皮膜のポア内に接着層(13)を構成する接着剤が入り込み、アンカー効果による高い接着力を得ることができる。皮膜の種類は限定されず任意の皮膜等を適宜用いることができる。このような陽極酸化皮膜の厚さは０．１〜５μｍとするのが好ましい。

絶縁層(11)の材料は限定されず、樹脂、セラミック等の周知のものを任意に用いることができる。特に推奨できる材料はガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシシートである。ガラスエポキシシートは、電気的特性および機械的特性が優れているとともに柔軟性があり、取付用孔(14)を打ち抜く際にも割れることがなく穿設作業を容易に行える。また、絶縁層(11)は放熱部(10)の全域に存在している必要はなく、配線部(12)下に存在して放熱部(10)と配線部(12)とを絶縁できれば良い。

配線部(12)の材料も限定されず、銅、アルミニウム等の周知のものを任意に用いることができる。

接着層(13)もまた、放熱部(10)および絶縁層(11)の両者に接合可能なものであれば材質は限定されない。上述したようにエポキシ樹脂等のホットメルト接着剤を用いて熱プレスにより放熱部(10)に接合しても良いし、粘着性の接着剤を用いて放熱部(10)に貼付しても良い。

また、ＬＥＤチップ(20)の光を前方（図面の上方）に効率良く取り出すために、前記配線板(15)の厚さは取付予定のＬＥＤチップ(20)よりも小さいことが好ましい。特に好ましい配線板(15)の厚さはＬＥＤチップの高さの２／３以下である。一般に、ＬＥＤチップ(20)においては主として上面から光が放射され、一部は側面上部からも放射される。このため、配線板(15)の厚さをＬＥＤチップ(20)の高さよりも小さくして、配線板(15)の上面をＬＥＤチップ(20)の上面よりも低くすれば、光を効率良く前方に取り出すことができる。また、配線板(15)の厚さをＬＥＤチップ(20)の２／３以下とすれば、側方に放射される光も確実に反射部で反射させて前方に取り出すことができる。

また、図２に例示した反射部は樹脂シート(16)の円錐孔(17)に鏡面加工されたアルミニウム製のリング(18)を嵌入したものであるが、表面が鏡面に加工されたものであればアルミニウム製に限定されない。また、リング(18)に代えて、円錐孔(17)の壁面を銀等でめっきして反射膜を形成するものとしても良い。また、配線板(15)への接合は上述したように放熱部(10)、配線板(15)、樹脂シート(16)を重ねて熱プレスにより一括して接合する他、放熱部(10)と配線板(15)を接合後に別途樹脂シート(16)を接合しても良い。さらに、樹脂シートを用いることなく図３Ｂに例示したようなリング状の反射部材(35)を取り付けても良い。

なお、本発明のＬＥＤ用基板は、製造方法を上述した工程に限定するものではない。例えば、絶縁層と配線部の二層構造の配線板を製作し、この配線板を接着剤により放熱部に接合しても良いし、全ての部材を一工程で接合して良い。

図２のＬＥＤパッケージ(2)において、前記ＬＥＤ用基板(1)のＬＥＤ取付孔(14)の底部、即ち放熱部(10)上にＬＥＤチップ(20)が実装され、ＬＥＤチップ(20)はボンディングワイヤ(21)を介して配線部(13)に電気的に接続されている。また、前記配線板(15)のＬＥＤ取付孔(14)内および樹脂シート(16)の円錐孔(17)内は樹脂(19)が充填されて封止されている。ＬＥＤチップ(20)の接合には例えば銀ペーストが用いられ、封止樹脂には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等が用いられる。また、前記ＬＥＤチップ(20)の種類も何ら限定されず、任意のＬＥＤチップを用いることができる。例えば、サファイヤ基板上に窒化ガリウム系の発光部を形成したＬＥＤチップを挙示できる。

上記ＬＥＤパッケージ(2)は、ＬＥＤチップ(20)が絶縁層を介することなく直接放熱部(10)に実装されているため、ＬＥＤチップ(20)で発生した熱が速やかに放熱部(10)に吸熱され放熱される。前記ＬＥＤ用基板(1)は放熱部(10)の平坦面を何ら加工することなく前記配線板(15)を接合したものであるから、製造工程が簡単であり生産性が良い。また、放熱部(10)に凹所や突出部を形成するための加工が不要であるため、既存の各種放熱部をそのまま利用することができ、ＬＥＤチップの接合性も良い。しかも、配線板(15)の厚さをＬＥＤチップ(20)よりも薄く形成したことで光を効率良く前方に取り出すことができる。

上述した〔１〕〜〔４〕の工程に基づき、図１に示すＬＥＤ用基板(1)を製作した。

放熱部(10)として、熱伝導性の高い６０００系合金からなり厚さ１ｍｍのアルミニウム平板を用い、表面に厚さ０．１μｍの陽極酸化皮膜を形成した。また、絶縁層(11)として厚さ０．１ｍｍのガラスエポキシシート、配線部(12)として厚さ０．０１８ｍｍの銅箔、接着層(13)として厚さ０．０４ｍｍのエポキシ樹脂シートを用いた。
〔１〕配線板製作工程
前記絶縁層(11)の一面側に配線パターンの配線部(12)を接合し、他面側に接合層(13)を接合し、三層構造で厚さ０．１５８ｍｍの配線板(15)を製作した。
〔２〕穿設工程
前記配線板(15)の所要位置に直径２．５ｍｍのＬＥＤ取付孔(14)を穿設した。
〔３〕反射部製作工程
樹脂シート(16)に小径側直径が４ｍｍ、大径側直径が６ｍｍの円錐孔(17)を穿設し、円錐孔(17)に内周面を鏡面加工したアルミニウム製リング(18)を嵌入した。
〔４〕接合工程
前記放熱部(10)上に、配線板(15)と樹脂シート(16)とをＬＥＤ取付孔(14)と円錐孔(17)の位置を合わせて重ね、これらを熱プレスして一体に接合し、ＬＥＤ用基板(1)とした。

さらに、上記工程で製作したＬＥＤ用基板(1)を用いて図２に示すＬＥＤパッケージ(2)を製作した。

前記ＬＥＤ用基板(1)のＬＥＤ取付孔(14)内に、１ｍｍ×１ｍｍ×高さ０．３ｍｍの角形ＬＥＤチップ(20)を銀ペーストを用いて放熱部(10)に接合した。前記銀ペーストの厚さは０．１ｍｍであり、放熱部(10)の上面からＬＥＤチップ(20)の上面までの高さは０．４ｍｍとなった。従って、前記配線板(15)の厚さ（０．１５８ｍｍ）は実質的にＬＥＤチップ(20)の約４０％となっている。次に、前記ＬＥＤチップ(20)と配線部(12)とをボンディングワイヤ(21)で電気的に接続した。そして、前記ＬＥＤ取付孔(14)内および円錐孔(17)内に、封止樹脂(19)としてシリコン樹脂を充填し、ＬＥＤパッケージ(2)とした。

さらに、同じ材料を用い、ＬＥＤチップを放熱部に直接取り付ける本発明構造のＬＥＤ用基板(3)（図４Ａ）、および絶縁層上に取り付ける従来構造のＬＥＤ用基板(4)（図４Ｂ）を製作し、放熱性能比較試験を行った。

ＬＥＤチップ(20)として１ｍｍ×１ｍｍ×高さ０．３ｍｍ、出力１Ｗの角形ＬＥＤチップ、放熱部(10)として６０００系合金からなり１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ１ｍｍのアルミニウム平板、絶縁層(11)として厚さ０．０８ｍｍガラスエポキシシート、配線部(12)として厚さ０．０３５ｍｍの銅箔、接着層(13)として厚さ０．０４ｍｍのエポキシ樹脂シートを用いた。なお上記実施例と同様に、放熱部(10)の表面には厚さ０．１μｍの陽極酸化皮膜を形成した。

図４Ａに示すＬＥＤ用基板(3)においては、上述した実施例と同様に三層構造の配線板(15)に穿設したＬＥＤ取付孔(14)内において放熱部(10)上にＬＥＤチップ(20)を実装し、ボンディングワイヤ(21)で配線部(12)に接続した。一方、図４Ｂに示すＬＥＤ用基板(4)は、絶縁層(11)を接合層(13)を介して放熱部(10)上に接合したものであり、絶縁層(11)上にＬＥＤチップ(20)を実装し、ボンディングワイヤ(21)で配線部(12)に接続した。

これらのＬＥＤ用板(3)(4)に通電して基板の表面温度を測定したところ、図４ＡのＬＥＤ用基板(3)は８４℃、図４ＢのＬＥＤ用基板(4)は１１７℃であった。これらの比較によりＬＥＤチップを放熱部に直接実装することにより放熱性能が向上することを確認できた。

本発明のＬＥＤ用基板は放熱性に優れているため、発熱量の大きい高輝度ＬＥＤを搭載したＬＥＤパッケージに好適に利用できる。

本発明のＬＥＤ用基板の一実施形態を示す断面図である。 本発明のＬＥＤパッケージの一実施形態を示す断面図である。 従来のＬＥＤパッケージの一例を示す断面図である。 従来のＬＥＤパッケージの他の例を示す断面図である。 従来のＬＥＤパッケージのさらに他の例を示す断面図である。 放熱性能比較試験に用いた本発明構造のＬＥＤ用基板の断面図である。 放熱性能比較試験に用いた従来構造のＬＥＤ用基板の断面図である。

符号の説明

1,3…ＬＥＤ用基板
2…ＬＥＤパッケージ
10…放熱部
11…絶縁層
12…配線部
13…接着層
14…ＬＥＤ取付孔
15…配線板
18…リング（反射部）
19…封止樹脂
20…ＬＥＤチップ

Claims (10)

1. 放熱部の平坦面にＬＥＤ取付孔が穿設された絶縁層が接合され、前記絶縁層上に配線パターンを構成する配線部が設けられていることを特徴とするＬＥＤ用基板。
2. 前記放熱部は金属板またはヒートシンクである請求項１に記載のＬＥＤ用基板。
3. 前記ＬＥＤ取付孔の周囲に反射部が設けられている請求項１または２に記載のＬＥＤ用基板。
4. 前記絶縁層と配線部との合計厚さがＬＥＤチップの高さよりも小さい請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。
5. 前記絶縁層はガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシシートである請求項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。
6. シート状の絶縁層の一面側に配線パターンを構成する配線部を接合して配線板を製作する配線板製作工程と、前記配線板にＬＥＤ取付孔を穿設する穿孔工程と、放熱部の平坦面に前記配線板の他面側を接合する接合工程とを有することを特徴とするＬＥＤ用基板の製造方法。
7. 配線板製作工程において絶縁層の他面側に接着層を積層して三層の配線板を製作し、前記接合工程において熱プレスにより放熱部に前記配線板を接合する請求項６に記載のＬＥＤ用基板の製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板において、ＬＥＤ取付孔内の放熱部上にＬＥＤチップが実装され、該ＬＥＤチップが配線部に電気的に接続されていることを特徴とするＬＥＤパッケージ。
9. 前記配線板の上面がＬＥＤチップの上面よりも低いものとなされている請求項８に記載のＬＥＤパッケージ。
10. 前記配線板の取付用孔内および反射部内が樹脂で封止されている請求項８または９に記載のＬＥＤパッケージ。
    

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