JP4091063B2 - 発光素子実装用基板および発光素子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す場合がある。）などの発光素子を実装するための発光素子実装用基板およびこれを備えた発光素子モジュールに関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子は、照明装置、液晶画像装置のバックライト、交通信号機などに適用されるようになり、さらなる発光強度の向上が要求されている。発光素子の発光強度は、印加する電流量の増大によって高めることができるが、これと同時に、発光素子は発熱を伴うため、放熱をより効率的に行う必要がある。放熱が十分でない場合、発光素子は点灯中に高温になるため、発光効率が低下してしまい、目標とする発光強度が得られない。また、発光素子を長期的に使用する場合、放熱が十分でないと長期間発光素子が高熱を発し続けるので発光素子の信頼性が低下し、不点灯などの不具合が発生する可能性が高くなる。

また、発光素子は外力や湿気などの外部環境からの保護のため、一般的にはパッケージ化される。さらに、発光素子から発する光を効率的に前方に放射するため、２枚の金属基板を組み合わせると共に、一方の金属基板の所定位置にカップ加工部を形成し、該カップ加工部内に発光素子を実装した照明装置が知られている（例えば特許文献１、２参照）。
特開２００１−３３２７６８号公報 特開２００１−３３２７６９号公報

特許文献１、２に記載された照明装置では、カップ加工部を形成した金属基板と他の金属基板を用意して組み立てる工程を要するため、コストの増加を招く問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、発光素子からの光の取り出し効率に優れ、低コストで生産可能な発光素子実装用基板およびこれを備えた発光素子モジュールを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、発光素子から発する光を所定方向に向けて反射する反射カップ部が形成された金属基材と、この金属基材の表面を被覆するホーロー層とを有する発光素子実装用基板であって、前記ホーロー層の厚さが３０μｍ〜５０μｍの範囲内であって、大気中でガラス粉末を焼成したガラスからなり、前記反射カップ部の底面の直径が２．１ｍｍ以下で、前記底面上に形成されたホーロー層の表面には、前記反射カップ部の底面の中央の位置で１，０００μｍ角のエリア内におけるホーロー層の高低差が１０μｍ以内である、発光素子を実装するための平坦な実装エリアが確保されていることを特徴とする発光素子実装用基板を提供する。
また、本発明は、上述の発光素子実装用基板と、この発光素子実装用基板の反射カップ部の底面の前記実装エリアに実装された発光素子を具備することを特徴とする発光素子モジュールを提供する。

本発明によれば、反射カップ部を有する発光素子実装用基板を一枚の金属基材より構成することができるので、基板の構造が単純となり、組立コストを抑制できる。また、金属基材の表面に所定の厚さのホーロー層を設けているので、放熱性および電気絶縁性に優れると共に反射カップ部の平坦性を確保することができる。これにより、発光素子の発光強度を高くすることができる上、発光素子の実装エリアを確保して発光素子モジュールの製作上の歩留まりを向上することができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本形態例の発光素子モジュールを示す断面図であり、図２は、本形態例の発光素子実装用基板を示す断面図である。

図１、図２に示す発光素子実装用基板１１は、発光素子１５から発する光を所定方向に向けて反射する反射カップ部１４が形成された金属基材１２と、この金属基材１２の表面を被覆するガラス成分より構成されるホーロー層１３とを有するホーロー基板からなる（以下、発光素子実装用基板１１をホーロー基板１１という場合がある）。ホーロー基板は、加工により金属基材１２を自由な形状とすることができる上、任意の表面形状を有する金属基材１２の上にホーロー層１３を形成することができるので、電気絶縁性を保つこともできる。さらに本発明においてホーロー層１３の厚さは、３０μｍ〜５０μｍの範囲内である。

また、図１に示す発光素子モジュール１０は、反射カップ部１４の底面１４ｂに実装された発光素子１５と、発光素子１５が接続された第１の電極１７と、第１の電極１７から分割された状態で発光素子実装用基板１１の上面に設けられた第２の電極１８と、発光素子１５を第２の電極１８に電気的に接続するワイヤボンド１６と、反射カップ部１４内に充填、硬化されて発光素子１５を封止している透明な封止樹脂１９とを備えて構成されている。

ホーロー基板１１の金属基材１２は、各種の金属材料を用いて作製でき、その材料は限定されないが、安価で加工しやすい金属材料、例えば、極低炭素鋼、低炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼材が好ましい。金属基材１２の形状は特に限定されず、例えば矩形板状とすることができるが、特にこれに限定されず、発光素子モジュール１０の用途等に応じて適宜選択が可能である。反射カップ部１４を形成する個数は特に限定されるものではなく、図示したように１個でも良いし、複数個設けても良い。ホーロー基板１１の上面における反射カップ部１４の配置も、適宜設計が可能であり、特に限定されない。

金属基材１２に反射カップ部１４を形成する方法としては、ドリルなどの切削工具を用いた切削加工、金属プレスによる絞り加工、超硬砥石を用いた研磨加工などを用いることができる。なかでも、金属プレスによる絞り加工は、生産性や加工コストの観点から好ましい。発光素子１５が実装される反射カップ部１４の底面１４ｂは、発光素子１５の実装エリアを十分に確保する面積を有する平面とされる。反射カップ部１４の底面１４ｂの周囲を囲む側面１４ａは、金属基材１２の表面に向かって開口面積が拡大するテーパ状の傾斜面とすることが好ましい。側面１４ａと底面１４ｂとの境界部は、図示した形状でもよいし、該境界部に溝を設けることもできる。

金属基材１２の表面に設けられるホーロー層１３の材料は、従来より金属表面にホーロー層を形成するために用いられるガラスを主体とした材料の中から選択して使用できる。なかでもアルカリフリーのガラス材料が好ましく、このガラス材料の熱伝導率は約１Ｗ／ｍＫである。本発明において、ホーロー層１３の厚さは、３０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内としている。ホーロー層１３の厚さが３０μｍ未満であると、放熱性が良好となる反面、薄すぎるために部分的にコア金属が露出してしまい、電気絶縁性が保てない。ホーロー層１３の厚さが厚すぎると、電気絶縁性は十分に保てるが、放熱性は低下するという問題がある。

さらに、ホーロー層１３の厚さが５０μｍを超えた場合、図３に示すように、ホーロー層１３を構成するガラス材料が反射カップ部１４の底面１４ｂの縁の部分にたまって盛り上がった部分１３ａが生じるおそれがある。盛り上がった部分１３ａの上に電極１７、１８を形成すると、その素地であるホーロー層１３の表面起伏の影響が出てしまうため、発光素子１５の実装に適した平坦な箇所を十分に確保することが難しい。ホーロー層１３の厚さを３０μｍ〜５０μｍの範囲内とすることにより、反射カップ部１４の底面１４ｂ上に形成されたホーロー層１３の平坦性および発光素子１５の実装エリアを確保することができる。

発光素子１５としては、特に限定されないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子が好適に用いられる。また発光素子１５の発光色は、特に限定されず、青色、緑色、赤色あるいはそれ以外の発光色いずれでも良い。具体例としては、窒化化合物半導体などの青色発光素子や緑色発光素子、リン化ガリウム（ＧａＰ）に代表される赤色発光素子や赤外発光素子等が挙げられる。また、窒化化合物半導体などの青色発光素子を反射カップ部１４内に実装し、封止樹脂１９中に青色励起の黄色発光蛍光体（例えば、セリウムを賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体）を含有させ、白色ＬＥＤを構成しても良い。

ホーロー基板１１に複数の反射カップ部１４を設けて発光素子１５を並べて実装する場合、各発光素子１５の種類や発光色も特に限定されるものではない。例えば交通信号機等の用途には、発光素子１５の発光色を１色に揃えても良いし、表示装置の場合には、異なる発光色のＬＥＤ等を規則的あるいは不規則に配置しても良い。さらに、大面積のホーロー基板１１上に、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤと赤色ＬＥＤの組み合わせから構成される画素を多数配列することで表示装置を構成することができる。また、発光素子１５として白色ＬＥＤを用い、多数の白色ＬＥＤをホーロー基板１１に縦横に実装することで、大面積の平面型照明装置を構成することもできる。

ワイヤボンド１６としては、金（Ａｕ）などからなる金属線などが用いられる。このワイヤボンド１６の接続は、従来より発光素子１５等の接続に用いるワイヤボンディング装置を用いてボンディングすることができる。

ホーロー基板１１の上面に設けられる電極１７、１８は、例えば厚膜銀ペーストにより反射カップ部１４の外側から内部まで伸ばして形成することができる。また、銅箔をプレス成形して反射カップ部１４に装着することで電極１７、１８を形成することも可能である。

反射カップ部１４内には、必要に応じて発光素子１５および発光素子１５と電極１７、１８との接続部を封止するため、光透過率の高い封止樹脂１９を設けることができる。封止樹脂１９としては、熱硬化性エポキシ樹脂、紫外線硬化性エポキシ樹脂、シリコン樹脂などを例示することができる。
なお、図１に示す発光素子モジュール１０の構造では、ホーロー基板１１の上面に電極１７、１８が露出する構造となるが、その露出した部分に電気絶縁を確保するため、樹脂などの電気絶縁体を配しても良い。
また、封止樹脂１９の上方または発光素子モジュール１０全体の上方に、必要に応じて樹脂やガラスなどの透明媒質からなるレンズ体を組み合わせることもできる。

本形態例の発光素子実装用基板１１によれば、反射カップ部１４を有する金属基材１２を１枚用いて発光素子実装用基板１１を構成することができるので、基板の構造が単純となり、組立コストを抑制できる。また、金属基材１２の表面に所定の厚さのホーロー層１３を設けているので、放熱性および電気絶縁性に優れると共に反射カップ部１４の底面１４ｂの平坦性を確保することができる。これにより、本形態例の発光素子モジュール１０では発光素子１５の発光強度を高くすることができる上、発光素子１５の実装エリアを確保して、発光素子モジュール１０の製作上の歩留まりを向上することができる。

（ホーロー基板の作製）
１．５ｍｍ厚の低炭素鋼の条体を縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの寸法に裁断し、ドリルあるいは金属プレス加工により反射カップ部１４を形成した。反射カップ部１４の寸法は、深さを０．６ｍｍ、底面１４ｂの直径をφ２．１ｍｍ、側面１４ａの傾斜角度を４５°とした。加工後の金属板の表面をガラスで被覆してホーロー層１３を設けることによりホーロー基板１１を作製した。ホーロー層１３の形成は以下の方法で行った。

ガラス粉末を２−プロパノール等の適当な分散媒に分散させ、その分散媒質中に反射カップ部１４を有する金属基材１２を浸漬し、さらに対極となる電極をも同分散媒質中に入れ、金属基材１２と対極との間を通電することにより、ガラス粉末を金属基材１２の表面に電着した。その後、大気中でガラス粉末を焼成することにより、ガラスからなるホーロー層１３を金属基材１２の表面に強固に被覆させた。さらに強固に被覆するために、金属基材１２（低炭素鋼）の表面を酸化処理させておいても良い。

ホーロー層１３の厚さを１０〜３００μｍを目標として変量し、表１に示すように、複数のホーロー基板１１を作製した。各ホーロー基板１１について、ホーロー層１３の厚さ（被覆厚）、放熱性（熱抵抗値）、電気絶縁性、反射カップ底面の平坦度について評価した。その結果を表１に示す。

（放熱性の評価）
放熱性の評価は、以下のとおり行った。
発光素子１５に電力供給を行うための電極を作製し、図１に示す電極構造となるように銀ペーストを塗布し、その後焼き付けてホーロー基板１１を作製した。次に、青色発光素子（Ｃｒｅｅ社製、ＸＢ９００）を銀ペーストにより基板上の電極１７にダイボンド（図示略）を用いて接続し、さらに、発光素子１５に対向する電極１８に金線からなるワイヤボンド１６を用いて接合した。その後、反射カップ部１４内に、上部が表面張力で十分盛り上がるまで熱硬化性のエポキシ樹脂を入れ、硬化させて封止樹脂１９とした。以上により、発光素子モジュール１０を作製した。

最初に、予備試験として、各発光素子モジュール１０について、電圧値と温度との関係を示すグラフを以下の方法により作製した。
まず、発光素子モジュール１０を一定温度の状態に放置し、低い電流値（今回は１０ｍＡ）で１秒後の電圧値を測定した。ここで低い電流値とした理由は、高い電流を通電すると、素子自体の発熱により雰囲気温度と素子自体の温度が加算されてしまうためである。この方法により、複数の雰囲気温度に対して電圧値を測定し、グラフ化した。

次に、本試験として、各発光素子モジュール１０について、熱抵抗値を以下の方法により作製した。
雰囲気温度を室温（２５℃）とし、そのとき３５０ｍＡの電流を１時間通電し、その後１０ｍＡまで急激に電流値を落とした後の電圧値を測定した。この電圧値を予め作製しておいた電圧値と温度との関係を示す上記グラフと照合し、電圧値から換算した温度を発光素子の温度（Ａ）とした。さらに、基板裏面の温度（Ｂ）を熱電対により同時に測定した。熱抵抗値は、発光素子と基板裏面の温度差（Ａ−Ｂ）を、投入した電力（電流×電圧）で割ることにより求めた。

（電気絶縁性の評価）
ホーロー基板１１の反射カップ部１４を設けた側の全面に銀ペーストを塗布し、焼成して電気絶縁性評価用の基板を作製した。この評価用基板の両面に電極を接続し、１０００Ｖの直流電流を通電して耐圧試験を行った。この耐圧試験によって電気絶縁性を保った場合にＯＫ、電気絶縁性を保てなかった場合にＮＧと評価した。

（反射カップ底面の平坦度）
発光素子１５の実装に必要なエリアを、反射カップ部１４の底面１４ｂの中央の位置で１，０００μｍ角とし、そのエリア内におけるホーロー層１３の高さの最大値−最小値を記録した。高さの最大値と高さの最小値との差の絶対値（高低差）が１０μｍ以内であるときにＯＫ、高低差が１０μｍを超えた場合にＮＧと評価した。

（評価結果）
以上の評価から、反射カップ部１４を有する発光素子実装用ホーロー基板１１のホーロー層１３の厚さは、３０〜１００μｍの範囲が適当であることを確認した。
なお、電気絶縁性の評価のための耐圧試験後、ＮＧと評価された評価用基板を調査したところ、部分的に内部の鋼板が露出していることを確認した。このことから、耐圧試験で不合格になったサンプルは、目標としたホーロー層の膜厚が薄すぎたため、部分的にガラスが付着しなかったものということができる。また、本発明においては、上述したように、反射カップ部１４の底面１４ｂの平坦性の観点から、ホーロー層１３の厚さを３０μｍ〜５０μｍの範囲内とすることが望ましい。

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子が実装された各種製品、例えば照明装置、表示装置、交通信号機などに利用することができる。

本発明の発光素子モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の発光素子実装用基板の一例を示す断面図である。 発光素子実装用基板の反射カップ部の底面の隅にホーロー層の盛り上がりが生じた状態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０…発光素子モジュール、１１…発光素子実装用基板（ホーロー基板）、１２…金属基材、１３…ホーロー層、１４…反射カップ部、１５…発光素子。

Claims (2)

1. 発光素子から発する光を所定方向に向けて反射する反射カップ部が形成された金属基材と、この金属基材の表面を被覆するホーロー層とを有する発光素子実装用基板であって、
   前記ホーロー層の厚さが３０μｍ〜５０μｍの範囲内であって、大気中でガラス粉末を焼成したガラスからなり、前記反射カップ部の底面の直径が２．１ｍｍ以下で、前記底面上に形成されたホーロー層の表面には、前記反射カップ部の底面の中央の位置で１，０００μｍ角のエリア内におけるホーロー層の高低差が１０μｍ以内である、発光素子を実装するための平坦な実装エリアが確保されていることを特徴とする発光素子実装用基板。
2. 請求項１に記載の発光素子実装用基板と、この発光素子実装用基板の反射カップ部の底面の前記実装エリアに実装された発光素子を具備することを特徴とする発光素子モジュール。

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