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JP2007027433A - 発光装置 - Google Patents

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JP2007027433A
JP2007027433A JP2005207700A JP2005207700A JP2007027433A JP 2007027433 A JP2007027433 A JP 2007027433A JP 2005207700 A JP2005207700 A JP 2005207700A JP 2005207700 A JP2005207700 A JP 2005207700A JP 2007027433 A JP2007027433 A JP 2007027433A
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substrate
recess
light emitting
hole
emitting device
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JP2005207700A
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Shinichi Sano
真一 佐野
Hiroaki Murata
博昭 村田
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Mitsubishi Cable Industries Ltd
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Mitsubishi Cable Industries Ltd
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Abstract

【課題】脱落し難い樹脂モールドを備えながらも、外部の放熱構造体に対して基板の裏面をより大きな面積にて接触させることが可能な発光装置を提供すること。
【解決手段】金属ベース11を有する基板1のおもて面1aに、反射用凹所3を設け、該凹所3内にLEDチップ5を実装する。金属ベース11が露出した該基板1の裏面1bには、該反射用凹所3に対応する領域3bの周囲近傍に凹部2を設け、この凹部2とおもて面1aとを結ぶ貫通孔4を設ける。LEDチップ5を覆う樹脂モールド6は、おもて面1aの側に形成されたおもて側部分6aと、上記凹部2の内部に収容された裏側部分6bとを有する。これらの部分6a、6bは、貫通孔4を通じた一体成形によって形成する。以上の構成によって、基板の裏面1bが平坦に保たれているので外部放熱構造体と大きな面積で接触させることが可能となっており、しかも、樹脂モールド6が脱落し難い。
【選択図】図1

Description

本発明は、金属ベースを有する基板の上に実装した発光ダイオード(LED)のチップに、さらに樹脂モールドを施した構成を有する発光装置に関するものである。
図13に示すように、絶縁金属基板100の上にLEDチップ500を実装し、これを樹脂モールド600で封止した構造を有する発光装置(または発光モジュール)が知られている(例えば、特許文献1など)。樹脂モールド600のうち、LEDチップ500を覆っている部分600aはレンズとして機能する。
絶縁金属基板100は、アルミニウムからなる金属ベース101の表面に、絶縁層102を介して、銅箔からなる導体層103を形成したものであって、この導体層103は該絶縁層102の上で配線パターンを呈している。太線で描いた図中の501は、LEDチップ500の電極と導体層103とを接続するボンディングワイヤである。
絶縁金属基板100には貫通孔400が設けられるとともに、樹脂モールド600は、LEDチップ500を覆う部分600aと、該基板100の裏面側に位置する部分600bとから構成され、これらの部分600a、600bを、該貫通孔400を通して一体成形することにより、該樹脂モールド600の基板100からの脱落防止が図られている。
上記のような絶縁金属基板を用いた発光装置は、金属ベース101の良好な熱伝導性によって、ガラスエポキシ基板を用いた発光装置に比べて放熱性が優れている。従って、LEDの温度上昇を抑えることができるので、同じ電流値でLEDを点灯させたときの発光効率を高くしたり、あるいは、より大きな電流をLEDに加えて出力を高めることが可能となる。
しかしながら、この発光装置は、基板100の裏面側に樹脂モールド600bが突き出しているために、金属ベース101からなる基板100の裏面を、ヒートシンクなどの外部の放熱構造体の装着平面に広い面積をもって密着させることができない。そのために、外部の放熱構造体を利用した放熱性の更なる向上を図り難く、金属ベース101の持つ利点を十分に活用できないという問題がある。
特許第2739279号公報
本発明の目的は、樹脂モールドが脱落し難いモールド構造を確保しながらも、外部の放熱構造体に対して金属ベースからなる基板の裏面をより大きな面積にて接触させることが可能な発光装置を提供することにある。
本発明は、次の特徴を有するものである。
(1)金属ベースを有する基板の一方の主面であるおもて面には、発光ダイオードチップが実装され、
該基板の他方の主面である裏面には、前記金属ベースが露出しており、該裏面には凹部が設けられ、該凹部内とおもて面とを結ぶ貫通孔が該基板に設けられ、これら凹部と貫通孔とは、それぞれの内部の空間が前記発光ダイオードチップの直下の領域を含まないように設けられ、
前記発光ダイオードチップは樹脂モールドによって封止されており、該樹脂モールドは、基板のおもて面側で発光ダイオードチップを覆うおもて側部分と、前記凹部内に収容さ
れている裏側部分とを有し、該裏側部分は上記貫通孔を通過し得ない大きさを有し、該おもて側部分と裏側部分とが、該貫通孔を通じた一体成形によって形成されていることを特徴とする、発光装置。
(2)上記凹部内には上記貫通孔が複数開口している、上記(1)記載の発光装置。
(3)上記基板のおもて面には反射用凹所が形成され、上記発光ダイオードチップは該反射用凹所内に実装されており、上記貫通孔が、上記基板のおもて面において該反射用凹所の外側に開口している、上記(1)または(2)記載の発光装置。
(4)上記凹部と貫通孔とが、それぞれの内部の空間が上記反射用凹所の直下の領域を含まないように設けられている、上記(3)記載の発光装置。
(5)上記基板のおもて面には、発光ダイオードチップが複数実装され、
各発光ダイオードチップを覆う樹脂モールドのおもて側部分は、それぞれレンズ状に形成されたレンズ部となっており、
前記複数のレンズ部同士は、基板のおもて面上に沿ったモールド樹脂からなるおもて面側連結部によって互いに連結されるとともに、貫通孔を通して基板の裏面側においても、モールド樹脂からなる裏面側連結部によって互いに連結されており、該裏面側連結部は、該連結部を収容し得るように基板の裏面側に形成された上記凹部の内部に収容されている、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の発光装置。
本明細書では、説明の便宜上、金属ベースを有する基板(以下、単に「基板」ともいう)の一方の主面(LEDチップが実装される側の面)を「おもて面」と呼び、他方の主面(金属ベースが露出した面であり、かつ凹部が形成される側の面)を「裏面」と呼んでいる。
本発明の発光装置では、基板の裏面に凹部を設けるとともに、LEDチップを封止する樹脂モールドを、該基板のおもて面側に位置するおもて側部分と、凹部内に収容された裏側部分とを有するように構成し、該おもて側部分と裏側部分とを、貫通孔を通じた一体成形によって形成している。樹脂モールドの裏側部分は、上記貫通孔を通過し得ない大きさとされ、それによって、樹脂モールドの基板からの脱落が防止される。
しかも、樹脂モールドの裏側部分は凹部内に収容され、基板の裏面から突き出すことがないので、基板の裏面を、ヒートシンクなどの外部の放熱構造体に対して、広い面積をもって密着させることが可能となっており、外部の放熱構造体を利用した放熱性の更なる向上を容易に達成することができる。
また、凹部および貫通孔は、その内部の空間がLEDチップの直下の領域を含まないように設けられるので、〔基板の裏面に放熱構造体を密着させたときの放熱性が、これら凹部や貫通孔の形成によって著しく低下する〕といった問題が生じることはない。
図1は、本発明による発光装置の構造の一例を示した断面図である。
図1の例では、金属ベースを有する基板1として、金属ベース11、絶縁層12、導体層13が積層されてなる絶縁金属基板が用いられており、該基板のおもて面1aに、反射用凹所3が設けられ、該反射用凹所内の底部にLEDチップ5が実装されている。
LEDチップ5は軟質樹脂8により被覆され、更にその外側を覆う樹脂モールド6により封止されている。
基板1の裏面1bには、凹部2が設けられている。図1に示す素子では、この凹部2は、裏面1bにおいて反射用凹所3に対応する領域3bの周囲を包囲する、環状の溝となっている。
さらに、基板1には、凹部2とおもて面1aとを結ぶ貫通孔4が設けられている。該貫通孔4は、おもて面1aにおいて反射用凹所3の外側に開口しているので、反射用凹所3の反射効果を損なうことがない。
樹脂モールド6は、基板1のおもて面1a側において発光ダイオードチップを覆ってい
るおもて側部分6aと、凹部2の内部に収容されている裏側部分6bとを有し、おもて側部分6aと裏側部分6bとが、貫通孔4を通じた一体成形によって形成されている。
樹脂モールド6は、裏側部分6bが貫通孔4を通過し得ない大きさを有しており、それだけでも基板1からの脱落が防止されるのであるが、好ましい態様として、おもて側部分6aと裏側部分6bとを複数の貫通孔4を通して一体成形すれば、複数の貫通孔での樹脂の連絡が全て破壊されない限り、樹脂モールド6が基板1から脱落することがない。
なお、樹脂モールド6は、このようなモールド構造のみにより基板1に保持されていてもよいが、樹脂モールド6と基板1の表面との界面に接着力が働くように、樹脂モールド6の材料を選択したり、基板1の表面処理を行うことがより好ましい。
樹脂モールドの裏面部分6bは、凹部2の内部に収まっており、基板の裏面1bからは突出していない。そのために、基板の裏面1bは、ヒートシンクの装着平面に対してより広い接触面積をもって密着することができる。
LEDチップ5の直下の領域(図1において、LEDチップに接触する面から裏面に至るまでの、一点鎖線で挟まれた部分)は、基板の裏面1bをヒートシンクの装着平面に密着させたときに、LEDチップ5と該ヒートシンクとを結ぶ最短経路と重なる。従って、この領域と、凹部2や貫通孔4の内部の空間(この空間には熱伝導性の低い樹脂モールド6の材料樹脂が充填されるかまたは充填に至らない場合には空気が存在する。)とが重ならないようにすることは、金属ベース11の良好な熱伝導性を有効活用するうえで重要である。図1の例では、LEDチップ5の直下の領域のみならず、反射用凹所3の直下の領域を避けるように凹部2および貫通孔4が形成されているので、LEDチップ5で発生する熱を極めて効率良くヒートシンクに逃がすことができる。
当該発光装置の製造方法を、図1、図2を参照して説明する。図1と図2とは、完成図とその加工途上図との関係にあり、同一箇所には同じ符号が対応している。図2(a)〜(e)では、図面の煩雑化を避けるために、符号の重複的な記入を省略している。例えば、図2(a)に記入した符号は、それ以降の図(b)〜(e)には記入していない。下記の説明では、図1または図2に記載されている符号を図面の順番に関係なく、適宜引用する。
まず、図1、図2(a)に示すように、金属ベースを有する基板1として絶縁金属基板を準備する。この例の絶縁金属基板は、金属ベース11の上に、絶縁層12、導体層13が積層されてなるものである。好ましい絶縁金属基板の具体例としては、アルミベースの上に、絶縁性樹脂(組成物)からなる絶縁層、銅箔からなる導体層が順に形成されたアルミベース基板が挙げられる。
金属ベース11の厚さは、裏面に凹部2を十分な深さに形成することができるように、1mm以上であることが好ましく、2mm〜6mmであることがより好ましい。6mmを超える厚さの金属ベース11を用いてもよいが、6mm程度あれば強度も十分となるので、これより厚くすることは材料の浪費となる。
導体層13は、反射用凹所3を形成する前に、所定の配線パターンにパターニングしておく。該パターニングは、サブトラクティブな方法(絶縁層の全面に形成された導体層から不要な部分を取り除いて配線パターンを残す方法)であっても、アディティブな方法(導体層が形成されていない絶縁層の上に、導体層を最初からパターニングされた状態に形成する方法)であってもよい。配線パターン自体は、従来の、プリント基板上にLEDチップを実装した発光装置において用いられている、公知の配線パターンを適宜採用することができる。
反射用凹所の形成予定領域3aには、反射用凹所3を形成したときに、該凹所3の内面(底面、側面)が導体層13によって覆われた状態(正負の部分を分けるため導体層の無い部分が存在する)となるように、導体層13をパターニングしておく。これは、金属膜
からなる導体層13を反射層として用いるためである。反射層として利用する導体層13の表面には、LEDチップ5の発光波長に応じて、当該発光波長での反射率が良好な金属を用いた光沢メッキを施すことが好ましい。
また、導体層の中でも、LEDチップ5を実装する際に、ハンダやボンディングワイヤが接合される部分は、表面に金をメッキしておくことが好ましい。
次に、図1、図2(a)に示すように、基板の裏面1bにおいて〔絶縁金属基板1のおもて面1aにおける反射用凹所3の形成予定領域〕3aに対応する領域3bの周囲に、凹部2を加工する。加工方法としては、切削加工やプレス加工などが挙げられる。
凹部の深さは、樹脂モールドのうちの該凹部内に収容される裏側部分を、十分な強度を持つ厚さに成形できるように、0.5mm以上とすることが好ましく、1mm以上とすることがより好ましい。同時に、金属ベースが最も薄くなった部分の厚さ(凹部の内面と、金属ベースのおもて面側の表面との間の距離のうち最短部分の寸法)を0.3mm以上確保することが好ましい。
特に、凹部を溝として形成する場合には、該溝を形成した後の金属ベースの強度や、溝を横切る方向の熱伝導性が良好に維持されるように、凹部の内面と、金属ベースのおもて面側の表面との距離を、0.5mm以上確保することが好ましい。
金属ベースの厚さが2mm以上ある場合には、凹部の深さを金属ベースの厚さの半分以下かつ0.5mm〜1.5mmの範囲内とすることが好ましい。
基板の裏面における凹部の開口部の大きさは、特に限定されないが、外部の放熱構造体の装着平面との接触面積をより大きくとるためには、該開口部を過度に大きくすることは好ましくない。
樹脂モールドを基板のおもて面の側に抜け難くするという点からは、樹脂モールドの裏側部分の断面積は、貫通孔の断面積よりも僅かに大きくすれば十分である。
樹脂モールドを基板のおもて面の側に抜こうとしたとき、樹脂モールドに加わる引張応力は、凹部よりも細い貫通孔4内に収容された部分(以下「孔内部分」という。)6cに集中する。この引張応力は孔内部分6cの中でも、最も断面積の小さな部分に集中し、その結果、該部分に伸びが生じると、それに伴って該部分の断面積が減少するために、該部分への更なる応力集中が生じることになる。このようなことから、樹脂モールドの裏側部分6bは殆ど引張応力を受けることがなく、従って、引張応力によって伸び、それに伴い断面が収縮することもない。よって、裏側部分6bの断面積を、貫通孔4の断面積に対してそれ程大きくしなくても、該裏側部分6bが貫通孔4の内部に引っ張り込まれることはない。
上記より、基板の裏面1bにおける凹部2の開口部の大きさを設定するにあたっては、樹脂モールドの裏側部分6bが、貫通孔4の断面積の1.1倍以上の断面積を有し得るようにすることが好ましい。なお、ここでいう断面積は、貫通孔4の長手方向に垂直な断面における断面積のことを指している。
次に、図2(b)に示すように、基板1のおもて面1aに、反射用凹所3をプレス加工にて形成する。このプレス加工は、型と型との間で絶縁金属基板1に圧縮加工を加える方法を用いて、基板の裏面1bが膨らまないように行う。
好ましい製造方法の一例として、反射用凹所3を形成する前に、基板の裏面1bに凹部2を切削などの方法で形成しておくと、プレス加工によって金属ベースの内部に生じる金属材料の流れ(図2(b)に太い矢印で示唆している)が、凹部2の内壁面が変形することで吸収され、基板の裏面1bの膨らみが抑制される。
凹部2と反射用凹所3の形成の順序はこれに限定されるものではなく、凹部2と反射用凹所3とを、プレス加工によって同時に形成してもよい。
反射用凹所3の形状は、該凹所の内側に実装されるLEDからの光を効率良く外界に反射し得るものがよく、従来公知の発光装置を参照してよいが、例えば、内部曲面が放物面反射鏡(parabolic reflector)となっているもの、半球状、円錐台状、角錐台状となっているものなどが挙げられる。また、該凹所3の底は、実装しようとするLEDチップまたは、LEDチップを固定したサブマウントを、安定した姿勢にて実装し得るよう、平坦面であることが好ましい。
反射用凹所3の深さ、側壁面の傾斜角などは、発光装置の仕様に応じて、設計すればよい。場合によっては、LEDチップ5を、その一部または全体が反射用凹所の側壁面の上端よりも上方に位置するように、実装してもよい。
次に、図2(c)に示すように、凹部2とおもて面1aとを結ぶ貫通孔4を形成する。
貫通孔4は、切削加工や、ダイスとパンチを用いた穴あけ加工により、形成することができる。
貫通孔4の形成は、凹部2の形成や反射用凹所3の形成より先に行ってもよい。
図3は、図2(c)の段階にある基板1の裏面1bを見たときの図である。
図3(a)、(b)において、ハッチングで示した部分は、円環状の溝とされた凹部2の開口部であり、該ハッチング部分の中の白く塗り潰した部分は、凹部の底面にある貫通孔4の開口部を示している。破線の内側は、基板の裏面1bにおいて、反射用凹所3に対応する領域である。
貫通孔4の開口形状に限定はなく、例えば、図3(a)に示すような円形や、図3(b)に示すような、細長い形状にすることができる。
貫通孔4の数に限定はなく、図3(a)の例では貫通孔4の数は4個であるが、図3(b)の例では2個である。貫通孔4を2個以上、より好ましくは3個以上設けると、樹脂モールド6が基板1により安定的に固定される。貫通孔4の開口形状を細長い形状にすることも、同様の効果がある。また、この効果を高めるためには、複数の貫通孔4を、できるだけ間隔を開けて設けることが好ましい。
貫通孔4の太さは、樹脂モールド6の成形時に材料樹脂が容易に流通し得る太さとする必要がある。一方で、貫通孔4を太くし過ぎると、該貫通孔4を通じて基板の裏面1b側に漏れる光の量が多くなる。これらを考慮して、貫通孔4の断面(長手方向に垂直な断面)の大きさは、最も狭い部分で、直径0.5mm〜2mm程度の円を包含し得る大きさとすることが好ましく、特に直径1mm〜1.5mmの円を包含し得る大きさとすることが好ましい。
また、貫通孔4は両端間で太さをできるだけ一定とすることが好ましい。貫通孔4の太さが一定でないと、その内部に収容される樹脂モールドの孔内部分6cの太さも一定でなくなるが、その場合、該孔内部分6cに引張応力が加わったときに、最も細い部分に応力が集中し、破断し易くなるからである。このことから、貫通孔4のそれぞれは、両端間における断面積(長手方向に垂直な断面の面積)の最大値が最小値の1.1倍以下となるようにすることが好ましい。
次に、図2(d)に示すように、反射用凹所3の内側にLEDチップ5を実装(基板面への接合と電気的な接続とを含む)する。
LEDチップは、従来公知のものを用いてよく、AlGaAs系半導体材料を用いた赤色LED、AlGaInP系半導体材料を用いた黄色LED、GaP系半導体材料を用いた緑色LED、ZnSe系半導体材料を用いた緑〜青色LED、GaN系半導体材料を用いた青色〜紫外LEDなどが例示される。チップのサイズに限定はなく、例えば、0.3mm角のものから、1mm角を越えるものまで使用できる。
LEDチップの実装方法自体は、従来技術を用いてよい。
導電性基板の上に発光素子構造が形成されてなるLED(例えば、GaAs基板を用いたAlGaAs系LED)では、通常、p側、n側の電極がチップの対向する2つの面上にそれぞれ設けられるため、その一方の電極を、ハンダや導電ペーストなどの導電性接合材料によって、導体層13をパターニングすることによって形成されたリード電極の一方に接続する(これがチップの接合を兼用する)。LEDチップの他方の電極は、ワイヤボンディングによって、他方のリード電極に接続する。
絶縁性基板の上に発光素子構造が形成されてなるLED(例えば、サファイア基板を用いたGaN系LED)では、p側、n側の電極がチップの一方の面側に設けられる。
このような電極構成を有するLEDチップは、基板側を反射用凹所3の底面に向けて接合し、両方の電極をワイヤボンディングする。
もしくは、LEDチップをフリップチップボンディング(フェイスダウン実装)することもできる。フリップチップボンディングでは、LEDチップの電極が設けられた面を反射用凹所3の底面に向けて、2つの電極を、導体層13のパターニングにより形成された2つのリード電極のそれぞれに、導電性接合材料により接合する。
更に他の方法として、LEDチップをサブマウントに対してフリップチップボンディングしたうえで、該サブマウントを反射用凹所3の底面に接合してもよい。なお、その場合も、基板に設ける凹部や貫通孔を、サブマウント上に接合されたLEDチップの直下となる領域を避けて設けることが、放熱性の向上にとって有利であることはいうまでもない。これは、LEDチップの発熱がサブマウントを介して基板に伝達される場合であっても、LEDチップの直下の領域が、基板の裏面に密着されたヒートシンクへの放熱における主要な伝熱経路と重なることに変わりはないからである。
ひとつの反射用凹所3の内側に、複数のLEDチップを実装することもできる。同じ発光波長のLEDチップを複数実装すれば、高出力の発光装置を得ることができる。また、赤色、緑色、青色のLEDチップを実装することにより、白色発光装置を得ることができる。
複数のLEDチップは、反射用凹所3の底面上に直接接合してもよいし、または、ひとつのサブマウント上に複数のLEDチップを接合したものを、反射用凹所3の底面に接合してもよい。あるいは、一部のLEDチップは直接、他の一部のLEDチップはサブマウントを介して、反射用凹所3の底面上に接合してもよい。
最後に、図2(e)に示すように、LEDチップ5を樹脂モールド6により封止する。
この例では、LEDチップ5の実装にワイヤボンディングを用いているために、ポッティングまたはモールドにより、ボンディングワイヤが完全に埋め込まれるように軟質樹脂8で被覆を施した後、硬質樹脂からなる樹脂モールド6が成形されている。
軟質樹脂8による被覆は必須ではないが、硬質樹脂で直接ボンディングワイヤを被覆すると、該硬質樹脂が温度変化に伴い膨張・収縮したときに、ボンディングワイヤの断線が発生し易くなる。そこで、ワイヤボンディングを行う場合には、一旦、軟質樹脂8で被覆した上で、硬質樹脂からなる樹脂モールド6を形成することが好ましい。
樹脂モールド6の成形は、おもて側部分6aの形状を有するキャビティおよび、該キャビティに連結された注入ゲート(および、必要に応じて該キャビティと該注入ゲートを連結するランナー)を備えた上型と、基板の裏面1bに密着する平坦面を備えた下型とで、基板1を挟み、該注入ゲートから該キャビティ内に材料樹脂を注入するとともに、該材料樹脂を貫通孔4を通して凹部2の内部まで導くことによって行うことができる(これら成形金型の各部は図示せず)。
このようなモールドの方法に関しては、特許文献1に開示された技術その他、公知技術を適宜参照することができる。
軟質樹脂8としては、シリコーン樹脂、ポリ−4−メチルペンテン、ウレタン樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン、ゴム系ポリマーなどが挙げられる。
樹脂モールド6の材料とする硬質樹脂は、金型成形が可能かつLEDのモールド材料として十分な透明性を有するものであればよく、エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂(ポリシロキサン系樹脂を含む)、ポリカーボネート、環状オレフィン系重合体などが挙げられる。LEDチップ5が、青色〜紫外領域の光を発生するものである場合には、脂環式エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、環状オレフィン重合体などの、劣化による黄変が生じ難い樹脂を用いることが好ましい。
LEDチップ5に、青色〜紫外領域の光を発生するものを用い、軟質樹脂8の中や樹脂モールド6の中に適当な蛍光体を分散させると、白色光を作りだすことができる(白色発光装置)。
軟質樹脂8や樹脂モールド6の中に、高屈折率の無機微粒子(例えば酸化チタンの微粒子)を添加し、実効的な屈折率を高めると、LEDチップ5からの光取り出し効率を改善することができる。
以上、図1に示す発光装置を例として説明したが、本発明の発光装置は図1に示す構成に限定されるものではない。
金属ベース11の材料には、アルミニウムの他にも、金、銀、銅、鉄、ニッケル、チタン、白金、ステンレス、その他、各種金属の単体や合金を用いることができる。アルミニウムや銅の単体や合金は、熱伝導性が良好で、加工性も良く、また材料コストも低いことから、特に好ましい材料として挙げられる。金属ベース11は、表面や内部に、コーティング、表面処理、貼り合わせ等により形成された積層構造を有するものであってもよい。
金属ベース11の上に形成する絶縁層12は、特に、絶縁層12の形成後に反射用凹所3をプレス加工で形成する場合には、該加工時に割れや欠けが発生しないように、柔軟性を有する樹脂材料で形成することが好ましい。使用可能な樹脂材料としては、エポキシ樹脂、(架橋)ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート、アクリル系樹脂などが例示される。これらの樹脂材料には、熱伝導性を高めるために、アルミナ粉末やガラス繊維などの無機フィラーを充填してもよい。
プレス加工を用いた反射用凹所3の形成を行わない場合や、金属ベース11に反射用凹所3を形成した後に絶縁層12を形成する場合など、製造工程で絶縁層12を塑性変形させる必要がない場合には、セラミック材料で絶縁層12を形成することもできる。
導体層13の材料は、導電性の良好な金属材料であればよく、好ましくは、銅、アルミニウムなどの単体や合金である。導体層13は多層構造であってもよく、例えば、銅層の表面にニッケルメッキを施したものや、その上に更に金メッキを施したものが挙げられる。
本発明の発光装置にいう〔金属ベースを有する基板〕は、当業界で絶縁金属基板と呼ばれている基板(金属ベースを有するプリント基板)に限定されるものではなく、例えば、凹部2、貫通孔4、反射用凹所3などを有する金属ベース11をまず形成し、その後で、絶縁層12や導体層13を積層したものであってもよい。
凹部2、貫通孔4、反射用凹所3などを有する金属ベース11は、例えば、金属製の板材を、プレス加工(鍛造加工)、エッチング、切削などの加工方法を用いて成形することにより作製したり、粉末成形法や鋳造法などの、型を用いた成形方法によって作製することができる。これらの加工・成形法は、適宜組み合わせることもできる。
金属ベース11のおもて面側に形成される絶縁層12は、金属ベース11のおもて面側
の全面を覆っている態様に限定されず、例えば、配線パターンに形成された導体層13と金属ベース11の間にのみ存在させてもよい。
樹脂やセラミックからなる絶縁層12は塗布、印刷などの方法により形成することができ、必要に応じて加熱を加え、材料の硬化や焼結処理を行う。
導体層13は、例えば、金属箔の貼り合わせや、メッキ法(無電解メッキや、蒸着、スパッタリングなどの気相法)、金属微粒子層を焼結させる方法で形成することができる。導体層13のパターニングは、前述のように、エッチングにより不要な部分を除去するサブトラクティブな方法、または、マスクプロセスや印刷法を用いて、初めから必要なパターンに導体層13を形成するアディティブな方法で行うことができる。これらを併用することもできる。
基板の裏面1bに設ける凹部2と、該凹部2と基板おもて面1aとを結ぶ貫通孔4の形状、寸法、配置などは、樹脂モールド6の脱落防止の目的を達成し得るものであればよく、樹脂モールドのおもて側部分6aの大きさ、形状や位置と関係付けて、適宜決定すればよい。
基板の裏面1bに設ける凹部2の形状に限定はなく、環状の溝の他、線状(曲線、直線)の溝としてもよいし、開口部の平面形状を円形、楕円形、(正)多角形などとすることもできる。
凹部2は、回転対象性を有する窪み(ドリルのような回転刃を有する切削工具による形成に適した形状である)であってもよいし、或いは、そのような対象性がなく、見る方向によって断面形状が異なっていてもよい。また、凹部2が溝である場合、溝の断面形状は長手方向に沿って一定であってもよいし、変化していてもよい。
図4は、凹部2の断面形状を例示する図である。
該断面形状は、図4(a)のような矩形、図4(b)のような台形、図4(c)のような半円形、図4(d)に示すような凸字形、その他、任意の形状とすることができる。図4(e)に示すように、基板の裏面における開口部よりも、内部が広がった形状を有するものであってもよい。
凹部2は、長手方向に直交する断面がこれらの形状を有する溝であってもよいし、どの方向から見ても断面がこれらの形状である、回転対象性を有する窪みであってもよい。
凹部2の内壁には、ネジが切られていてもよい。
図5(a)〜(c)は、凹部2および貫通孔4の開口形状および平面配置を例示する図であり、それぞれ、基板の裏面1bの側から見た図である。凹部2の開口部にはハッチングを施しており、該ハッチングを施した領域中にある白く塗り潰した部分は、該凹部2の内壁に開口した貫通孔4の開口部を示している。中央の黒く塗り潰した方形部分は、おもて面に実装されたLEDチップを裏面に投影したものであり、二点鎖線は樹脂モールドのおもて側部分の輪郭線を示している。
図5(a)の例では、開口形状円形の凹部2が、樹脂モールドのおもて側部分6aの下方に3箇所設けられ、該凹部2のそれぞれの内側に開口形状円形の貫通孔4が1つずつ開口している。
図5(b)の例では、樹脂モールドのおもて側部分6aは、そのX−X断面を図6に示すとおり、外周形状を定める外側の平坦部分6a−sと、中央で盛り上がったレンズ状部分6a−tとからなる。レンズ状部分6a−tの胴体外周の形状は、図5(b)に輪郭を破線で示すとおり円形であり、平坦部分6a−sの外周形状は、二点鎖線で示すように角が丸まった方形である。基板の裏面には、平坦部分6a−sの4つの角部に対応する位置に、開口形状円形の凹部2がそれぞれ形成されている。該凹部2の内部と基板のおもて面1aとを結ぶ貫通孔4は、各凹部内に1つずつ開口している。
図5(c)の例では、基板の裏面1bに、直線的な溝である凹部2が2つ、平行に形成されている。各凹部2の開口部は、樹脂モールドのおもて側部分6aの輪郭線の外側には
み出している。凹部2のそれぞれの内側には、該凹部2の内部と基板のおもて面1aとを結ぶ、開口形状円形の貫通孔4が、2つずつ開口している。
貫通孔4は、前記のように、両端部間で太さをできるだけ一定とすることが望ましいが、太さが変化している態様とすることも妨げられない。
貫通孔4の内壁面には、ネジが切られていてもよい。
基板の裏面1bに形成される凹部2と、該凹部2の内側に開口する貫通孔4との境界が、滑らかであってもよい。図7(a)〜(c)は、そのような場合の、凹部2と貫通孔4が出合う部分の態様を例示する断面図である。凹部2と貫通孔4との間に明確な境界は存在しないが、いずれの場合も、本発明の目的が達成し得ることは明らかである。
本発明の発光装置は、反射用凹所3を必須の構成とするものではないが、発光装置の目的に応じて特定の方向に出射光を集め、エネルギー効率を向上させるためには、反射用凹所3を設けることが好ましい。
反射用凹所3は、基板のおもて面1aに対して窪んでいることを必須とするものではなく、反射用凹所3と基板のおもて面1aとの位置関係は、図8(a)に示すように、反射用凹所3の側壁面が基板のおもて面1aに対して突出していてもよいし、図8(b)に示すように、反射用凹所3の底面が、基板のおもて面1aより上方にあってもよい。
反射用凹所3は、金属ベース11のおもて面側の表面を加工することなく、絶縁層12に窪みを設けたり、絶縁層12および導体層13を形成した上に、反射枠を接合することにより形成してもよい。
図9(a)、(b)は、反射用凹所3をこれらの方法で形成した発光装置の断面図を示す模式図である。
図9(a)に示す発光装置における基板1は、例えば、反射用凹所3や必要な貫通孔を有する絶縁層12を、金型を用いて成形し、その上に導体層13からなる配線パターンを形成したアセンブリーを作製し、これを、別途準備した金属ベース11(凹部2や貫通孔4が形成されている)の表面に、貫通孔同士の位置合わせをして、貼り付けることにより、作製することができる。
図9(b)の例では、基板のおもて面側の表面に反射用凹所を加工することなく、導体層13の上に、反射枠14を接合することで反射用凹所3としている。
反射用凹所3の内面に設ける反射膜は、導体膜13とは別途に形成してもよく、無機フィラーを充填した白色の樹脂層や、金属蒸着層などとすることができる。
基板1の上に実装するLEDチップ5またはサブマウントが絶縁性基板を用いたものであり、該絶縁性基板の側を基板1のおもて面1aに向けて接合する場合(LEDチップ5またはサブマウントの側の電極と、基板1側のリード電極の接続を全部ワイヤボンディングにより行う場合でもある)、基板1の表面の、LEDチップ5またはサブマウントを固定する部位の絶縁層12および導体層13を除去して、金属ベース11の表面に、LEDチップ5またはサブマウントの絶縁性基板を直接接合すると、放熱性を更に向上させることができる。
樹脂モールドの裏側部分6bは、図1に示す発光装置のように、凹部2の内側を完全に充たしている必要はなく、図10(a)、(b)に例示するように、凹部2の内部に空間を残して収容されていてもよい。樹脂モールド6の形成に用いる金型の下型の設計により、所望の態様に形成することができる。
以上、樹脂モールドのおもて側部分6aがレンズ状に形成された、図1に示す発光装置を例に、レンズ状の樹脂モールドの1単位部分を拡大して説明したが、本発明は、基板のおもて面側にレンズ状の樹脂モールドが1単位のみ形成されてなる発光装置から、大面積の基板の上に多数のLEDチップが実装されてなるモジュール型の発光装置まで、種々の
発光装置に適用することができる。
図11は、本発明に係るモジュール型の発光装置の断面構造例を示す図である。図11(a)の例では、基板1のおもて面側にレンズ状の単発的な樹脂モールド6が複数配列された構成となっており、図11(b)の例では、多数のLEDチップ5が、ひとつの樹脂モールド6によって一体的に被覆されている。
基板のおもて面上に、樹脂モールドをレンズ状に形成した部分(以下「レンズ部」という。)を複数形成する場合、成形用の金型の構造を簡素化して、ひとつのゲートから注入した材料樹脂が、分岐したランナーによって複数のレンズ部用キャビティに導入される構造とすることができる。このような金型を用いて成形される樹脂モールドのおもて側部分の構造例を、図12(a)に示す。
図12(a)において、6a−1はレンズ部である。図12(a)に示す構造では、金型のランナー内で成形された部分が、おもて面上でレンズ部どうしを連結するおもて面側連結部6a−2として残っている。
ところで、上記のようにおもて面側連結部6a−2を残した場合、樹脂モールド6の成形後の材料樹脂の収縮や膨張によって、基板が反る場合がある。
この基板の反りを抑えるためには、図12(b)、(c)に例示するように、基板の裏面側にも、モールド樹脂からなる裏面側連結部6a−3を形成し、それによって、前記おもて面側連結部に起因する反りを相殺させればよい。また、その場合の裏面側連結部6a−3は、基板の裏面から突き出さないように、該樹脂モールドの裏側部分と同様に、基板裏面に凹部(溝状を呈する場合が多い。以下、裏面側連結部のための凹部を、「連結用溝部」とも言う)を形成し、その内部に収容すべきである。連結用溝部によって、樹脂モールドの裏側部分を凹部内に収容した作用効果が損なわれることがない。
裏面側連結部6a−3の配置パターンは、おもて面側連結部6a−2による反りを相殺し得るものであればよく、おもて面側連結部とは異なるパターンであってもよい。裏面側連結部の配置パターンを、おもて面側連結部の配置パターンに対して裏面側で対応し略一致するようなパターンとしておけば、反りを好ましく相殺し得る。また、その場合、おもて面側連結部と裏面側連結部とを、貫通孔で連結しておけば、おもて面側連結部と裏面側連結部との一体成形も容易になる。
連結用溝部と、樹脂モールドの裏側部分を収容する凹部とを連通することによって、一体成形のための貫通孔を共有することができる。また、図12(b)に中央部の貫通孔4mとして例示するように、おもて面側連結部6a−2と裏面側連結部6a−3とを直接連通させる専用の貫通孔を設けてもよい。
図12(b)は、図12(a)のY−Y断面図であって、図12(a)に示すおもて面側連結部6a−2に対応して、レンズ部どうしを基板の裏面側で連結する裏面側連結部6a−3が設けられている。この裏面側連結部6a−3は、基板の裏面から突出しないように、基板の裏面に形成された凹部内に収容されている。
図12(c)は、図12(a)、(b)に示す装置に用いられる基板の裏面を見た図であって、おもて面側連結部6a−2に対応して十字形に形成される裏面側連結部6a−3を収容し得るよう、中央部分に、連結用溝部を兼用する凹部2が十字形のパターンに形成されている。図12(c)において、ハッチング部分は凹部2の開口部であり、該ハッチング部分中の白く塗り潰した部分は、該凹部2の内壁に開口した貫通孔の開口部であり、二点鎖線で示しているのは、おもて側部分におけるレンズ部6a−1の輪郭線である。
上記のように、おもて面側連結部6a−2に対応して、裏面側でレンズ部どうしを連結する裏面側連結部6a−3を設けることにより、おもて面側の連結部6a−2の収縮と、裏面側連結部6a−3の収縮とが拮抗し、基板の反りが抑えられる。裏面側連結部6a−3の断面積を、おもて面側の連結部6a−2の断面積と略同じとすると、反り抑制の効果
が高くなる。
図1に示す構造の発光装置を、次の手順により作製した。
基板としては、厚さ3mmのアルミベース上に、エポキシ樹脂からなる厚さ80μmの絶縁層、厚さ35μmの銅箔の表面に銀メッキが施されてなる導体層が形成された、3cm×3cmの正方形状のアルミベース基板を用いた。
エッチング法により配線パターンを形成した後、基板の裏面側に直径約15mm、開口部の幅約3mm、深さ約1mmの、上面形状が円環状、断面形状が矩形状の溝を、切削加工により形成した。配線パターンは、後で実装される3個のLEDチップのそれぞれに、個別に通電を行うことのできるパターンとした。
次に、基板のおもて面側に、直径約4mmの反射用凹所を、その中心部が基板の裏面側に形成した円環状の溝の中心の上方に位置するように形成した。該反射用凹所の形成にはプレス加工を用い、裏面が膨らまないように、基板を両側から型で挟んで圧縮した。
次に、基板の裏面側に形成した円環状の溝の底部と基板のおもて面とを結ぶ、1mm×2mmの長方形状の開口形状を有する貫通孔を、穴あけ加工により形成した。
次に、反射用凹所の底面に、発光波長460nm、チップサイズが0.3mm角のInGaN系青色LEDチップを3個接合し、各LEDチップの電極に対してワイヤボンディングを行った。青色LEDチップはサファイア基板を用いたもので、サファイア基板側を反射用凹所の底面に向けて接合し、p電極、n電極の両方に対してワイヤボンディングを行った。
次に、ボンディングワイヤが埋め込まれるように、軟質シリコーン樹脂をポッティングして、青色LEDチップを被覆した後、エポキシ樹脂によりレンズ状のモールドを形成した。該モールドは、所定のモールド形状に合わせた金型を用いて、エポキシ樹脂が貫通孔を通して基板の裏面側に設けた溝内に充填されるように行った。
以上の工程を経て、本発明による青色発光装置を得た。
得られた青色発光装置のアルミベース基板の裏面を、熱抵抗値10℃/Wのヒートシンクの装着面(4cm×4cm)に、放熱用接着剤を用いて接着し、連続通電試験を行った。
連続通電試験は、周囲温度を25℃とし、アルミベース基板上に実装した青色LEDチップのそれぞれに、同時に20mAの電流を流す条件で行った。
通電開始から1時間後の光量を測定したところ、初期値の98%だった。
比較例として、アルミベース基板の裏面に溝を形成せず、反射用凹所を形成する際の加工を絞り加工として、基板の裏面側を突出させるとともに、基板に形成した貫通孔を通して樹脂モールドを基板の裏面側に回りこませたこと以外は、実施例と同様の青色発光装置(図13に示す構造の青色発光装置)を作製した。
この比較例の青色発光装置を、装着面にザグリ加工を施したヒートシンクの、該装着面に、実施例で用いたものと同じ放熱用接着剤を用いて接着した。このザグリ加工は、アルミベース基板の裏面側に位置する樹脂モールド600bが、わずかなクリアランスをもってザグリ穴の内部にちょうど収容されるように行った。それによって、アルミベース基板の裏面のうち、樹脂モールド600bにより覆われていない部分と、ヒートシンクの装着面の平坦部(ザグリ加工していない部分)とを密着させることができた。
ヒートシンクに接着した比較例の青色発光装置について、実施例と同様の方法で通電試験を行ったところ、1時間通電したところで光量が初期値と比較して80%となった。実施例の青色発光装置と比べて放熱性が低いために、LEDチップの温度が上昇し、発光効率が低くなったものと考えられる。
本発明の発光装置は、脱落し難い樹脂モールドを備えながらも、金属ベースからなる基板の裏面が平坦に維持されているので、外部の放熱構造体に対して基板の裏面を充分に大きな面積で接触させることが可能となっている。
LEDチップでの発熱を、効率よく効果的に外部の放熱構造体へ逃がすことが可能となるため、該LEDチップの大電流駆動が可能となり、それに伴ない発光出力を増大させることが可能となる。
また、LEDチップの温度上昇を抑えることで、発光効率の低下が抑えられる他、発光波長が安定化し、また素子の長寿命化も期待できる。
GaN系LED(青色〜紫外線発光)のように、発光波長の短いLEDは、原理的に動作電圧が高いことから発熱量が大きいので、本発明の有用性が顕著となる。特に、照明用途では、チップをラージサイズ(例えば、一辺1mm程度の方形など)として、実装個数を削減することが望ましいとされているが、その場合も、1個のラージチップに流す電流が大きくなり、発熱量が大きくなるので、本発明の有用性が顕著となる。
本発明の発光装置の構造の一例を模式的に示した断面図である。 本発明の製造方法の各工程を説明するための図である。 図2(c)の段階において、基板の裏面を見たときの図である。 凹部の断面形状を例示する図である。 本発明の装置における凹部と貫通孔の開口形状およびそれらの配置パターンを例示する図である。図5(a)〜(b)のいずれも、基板の裏面を見た図である。 図5(b)のX−X断面を示す図である。 本発明の装置における凹部と貫通孔とが出合う部分の態様を示す断面図である。 本発明における反射用凹所の態様を例示する断面図である。 本発明における反射用凹所の態様を例示する断面図である。 本発明における樹脂モールドの裏側部分の態様を例示する断面図である。 本発明に係るモジュール型の発光装置の断面構造例を示す図である。 本発明における樹脂モールドのバリエーションを例示する図である。図12(a)は上面図、図12(b)は、図12(a)のY−Y断面図、図12(c)は下面図である。 従来の発光装置の構造を示した図である。
符号の説明
1 基板
2 凹部
3 反射用凹所
4 貫通孔
5 発光ダイオード(LED)チップ
6 樹脂モールド

Claims (5)

  1. 金属ベースを有する基板の一方の主面であるおもて面には、発光ダイオードチップが実装され、
    該基板の他方の主面である裏面には、前記金属ベースが露出しており、該裏面には凹部が設けられ、該凹部内とおもて面とを結ぶ貫通孔が該基板に設けられ、これら凹部と貫通孔とは、それぞれの内部の空間が前記発光ダイオードチップの直下の領域を含まないように設けられ、
    前記発光ダイオードチップは樹脂モールドによって封止されており、該樹脂モールドは、基板のおもて面側で発光ダイオードチップを覆うおもて側部分と、前記凹部内に収容されている裏側部分とを有し、該裏側部分は上記貫通孔を通過し得ない大きさを有し、該おもて側部分と裏側部分とが、該貫通孔を通じた一体成形によって形成されていることを特徴とする、発光装置。
  2. 上記凹部内には上記貫通孔が複数開口している、請求項1記載の発光装置。
  3. 上記基板のおもて面には反射用凹所が形成され、上記発光ダイオードチップは該反射用凹所内に実装されており、上記貫通孔が、上記基板のおもて面において該反射用凹所の外側に開口している、請求項1または2記載の発光装置。
  4. 上記凹部と貫通孔とが、それぞれの内部の空間が上記反射用凹所の直下の領域を含まないように設けられている、請求項3記載の発光装置。
  5. 上記基板のおもて面には、発光ダイオードチップが複数実装され、
    各発光ダイオードチップを覆う樹脂モールドのおもて側部分は、それぞれレンズ状に形成されたレンズ部となっており、
    前記複数のレンズ部同士は、基板のおもて面上に沿ったモールド樹脂からなるおもて面側連結部によって互いに連結されるとともに、貫通孔を通して基板の裏面側においても、モールド樹脂からなる裏面側連結部によって互いに連結されており、該裏面側連結部は、該連結部を収容し得るように基板の裏面側に形成された上記凹部の内部に収容されている、請求項1〜4のいずれかに記載の発光装置。
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