JP2006269758A - 発光素子実装用ホーロー基板、発光素子モジュール、表示装置、照明装置及び交通信号機 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱性が高く、実装性に富む発光素子実装用ホーロー基板、該ホーロー基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、これを用いた照明装置、表示装置及び交通信号機の提供。
【解決手段】 金属コアをホーロー層で覆ったホーロー基板１１に発光素子給電用の配線が設けられた発光素子実装用ホーロー基板であって、前記ホーロー基板にねじ止め部が設けられたことを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板。前記ねじ止め部は、めねじ１３であることが好ましい。この発光素子実装用ホーロー基板上に発光素子１２が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュール１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を実装するための発光素子実装用ホーロー基板、該ホーロー基板に発光素子を実装したＬＥＤモジュール等の発光素子モジュール、この発光素子モジュールを用いた照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。

照明装置、表示装置及び交通信号機などの用途にＬＥＤなどの発光素子を適用する場合、チップ状のＬＥＤや、砲弾型・表面実装パッケージのような状態で提供されるＬＥＤなどの発光素子を基板上に複数実装した発光素子モジュールを作製し、この発光素子モジュールをそのまま用いたり、あるいは本体部に取り付けて用いることが多い。この種の発光素子モジュールの従来技術としては、例えば特許文献１に開示されている。

図３は、従来の発光素子モジュールを例示する図であり、図３（ａ）は発光素子モジュールの平面図、（ｂ）は断面図である。この従来の発光素子モジュールは、ガラスエポキシ製の基板１上に複数のＬＥＤなどの発光素子２を実装して構成されている。図示していないが、この基板１の表面には、発光素子給電用の配線が設けられ、各発光素子１の電極端子は、いずれかの配線にダイボンディングやワイヤボンディングなどによって電気的に接続されている。また、この基板１の隅部には、この発光素子モジュールを本体部に取り付けるためのスルーホール３が穿設されている。

図４は、前述した従来の発光素子モジュールを本体部５に取り付けた状態を示す図であり、図４（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。従来の発光素子モジュールの取り付け構造は、本体部５側の所定位置にねじ止め用のめねじ６が設けられ、この本体部５上に発光素子モジュールの基板１を載せ、それぞれのめねじ６とスルーホール３とを位置合わせし、基板１側からねじを挿入し、本体部５側のめねじに螺着することによって発光素子モジュールを取り付けている。
特開平７−３０２９３１号公報

従来の発光素子モジュールは、基板の放熱性が悪いため、発光素子の点灯時に発生した熱が十分に放熱されず、発光素子が高温になってしまう。ＬＥＤなどの半導体で作られた発光素子は熱に弱い構造であるため、自身の発熱によって性能の劣化や寿命の短縮、更には破損が発生するおそれがある。特に、特許文献１に記載されているようなＬＥＤを集積させたタイプのＬＥＤモジュールでは、密集したＬＥＤ素子の放熱、特に中央に位置するＬＥＤ素子の発熱が充分に放熱されないため、その傾向が顕著であった。

また、図４及び図５に示すように、本体部５に発光素子モジュールを取り付ける場合、発光素子モジュールの基板１にスルーホール３を設け、これと対応する本体部５の部位にめねじ６を設けてねじ固定を行う必要がある。そのねじ固定のためには、基板１上面にねじ頭部４が接触している必要があるため、実装した発光素子２や基板上の配線とねじ頭部４とが干渉せずに、基板１の中央部にねじ止めを確保することが難しい問題がある。特に、発光素子２を密集させた構造の場合、その中央部にねじ頭部４を配置するのは困難である。そのためねじ固定できるのは、基板１外周部分のみとなってしまう。そのため、発光素子モジュールのサイズを大きくした場合、図５に示すように、基板１の中央部が浮き、隙間７が生じてしまったり、振動の原因になってしまうという欠点があった。
また、基板１の発光素子実装面側にねじ頭部４が存在しているので、ねじ頭部４を基板１の外周部分（例えば隅部）に配置しても、ねじ頭部４の周縁と発光素子２やその配線との間に絶縁のための隙間Ｌ１を設けるためには、基板１の周縁を余分に拡張しなければならない。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、放熱性が高く、実装性に富む発光素子実装用ホーロー基板、該ホーロー基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、これを用いた照明装置、表示装置及び交通信号機の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、金属コアをホーロー層で覆ったホーロー基板に発光素子給電用の配線が設けられた発光素子実装用ホーロー基板であって、前記ホーロー基板にねじ止め部が設けられたことを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板を提供する。

本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、前記ねじ止め部は、めねじであることが好ましい。

本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、前記前記ホーロー基板の表面のうち前記ねじ止め部の孔内のみにホーロー層がなく、コア金属が露出していることが好ましい。

本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、少なくとも１つの前記ねじ止め部は、ホーロー基板の面上に設定される複数の発光素子実装位置のうち任意の２つの発光素子実装位置がなす線分又は任意の３つ以上の発光素子実装位置がなす多角形の内部に設けられたことが好ましい。

本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、前記ねじ止め部は、ホーロー基板の周縁部又は隅部に複数設けられているとともに、ホーロー基板の中央部に１つ以上設けられていることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子実装用ホーロー基板上に発光素子が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュールを提供する。

本発明の発光素子モジュールにおいて、前記発光素子の形状が、砲弾型、表面実装型、チップオンボード型のいずれかであることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを有する照明装置を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを有する表示装置を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを有する交通信号機を提供する。

本発明の発光素子実装用ホーロー基板は、ホーロー基板にねじ止め部が設けられた構造であるので、放熱性が良好であり、発光素子から発する熱を効率よく放熱でき、発光素子の昇温を抑制できるので発光素子の長寿命化を図ることができる。また、ねじ止め部としてめねじを設けることによって、ホーロー基板を他の部材にねじ止めする際に他の部材側からねじを挿入して固定することで発光素子実装面側にねじ頭部を配置する必要がなくなるので、ホーロー基板の中央部にもねじ止め部を設けることができ、発光素子の実装性及び基板の取り付け安定性を向上することができる。

本発明の発光素子モジュールは、前述した本発明に係る発光素子実装用ホーロー基板に発光素子を実装したものなので、基板の放熱性が良好であり、発光素子から発する熱を効率よく放熱でき、発光素子の昇温を抑制できるので発光素子の長寿命化を図ることができる。また、ねじ止め部としてめねじを設けることによって、ホーロー基板を他の部材にねじ止めする際に他の部材側からねじを挿入して固定することで発光素子実装面側にねじ頭部を配置する必要がなくなるので、ホーロー基板の中央部にもねじ止め部を設けることができ、発光素子の実装性及びモジュールの取り付け安定性を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態を示す図であり、図１（ａ）は発光素子モジュール１０の平面図、（ｂ）は同じ発光素子モジュール１０の断面図、図２（ａ）は同じ発光素子モジュール１０の取り付け状態を示す平面図、（ｂ）はその断面図である。本実施形態の発光素子モジュール１０は、金属コアをホーロー層で覆ってなり、発光素子給電用の配線が設けられた発光素子実装用ホーロー基板１１（以下、ホーロー基板と記す。）の一方の面（発光素子実装面）側に複数の発光素子１２を実装して構成されている。

本実施形態において用いられるホーロー基板１１は、基板の外周部分、例えばそれぞれの隅部と、基板中央部とに、ねじ止め部としてめねじ１３が設けられている。それぞれのめねじ１３は、孔内のみにホーロー層がなく、コア金属が露出している。なお、図示した例では、四角形をなすホーロー基板１１のそれぞれの隅部に１つずつ、中央部に１つの合計５つのめねじ１３を設けているが、ホーロー基板１１の形状やめねじ１３の配置は本例示にのみ限定されるものではない。

本発明の発光素子モジュールに使用する発光素子１２としては、ＬＥＤが好ましいが、これに限定されず、半導体レーザダイオード（ＬＤ）素子、有機ＥＬ素子などを用いることもできる。また、発光素子としては、出射光が可視光〜紫外光の範囲の各種発光素子の中から選択して用いることができ、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体に代表される青色発光、緑色発光の発光素子でも良く、また、ＧａＰに代表される赤色の発光素子でも良い。また、青色ＬＥＤをホーロー基板上に実装し、封止樹脂に青色励起黄色発光体を混ぜておいて、白色ＬＥＤモジュールを作製することも可能である。

このホーロー基板１１の製造方法について述べる。コア金属として、例えば、低炭素鋼板を用い、所定の形状に裁断する。適当な分散媒にガラス粉末を分散させた液中に前記コア金属を吊るし、さらにそのコア金属と対向する位置に電極を配し、ガラスをコア金属に電着させる。次に、取り出したコア金属を高温で焼成してガラスをコア金属の表面に焼き付ける。次に、印刷用の銀ペーストなどを所望の細線パターンに沿って塗布し、焼き付けて、ホーロー層上に発光素子給電用の配線を形成する。次に、ホーロー基板１１の所定位置にドリル加工及びねじ切り加工を行って、めねじ１３を形成する。なお、前記のめねじ形成法に変えて、コア金属に予めめねじ１３を設けておき、めねじ１３をねじ等を塞いでおいて、ホーロー処理をすることもできる。

このホーロー基板１１は、放熱性が良好なホーロー基板にねじ止め部を設けた構造であるので、発光素子１２から発する熱を効率よく放熱でき、発光素子１２の昇温を抑制できるので発光素子１２の長寿命化を図ることができる。また、ねじ止め部としてめねじ１３を設けることによって、ホーロー基板１１を本体部１４にねじ止めする際に本体部１４側からねじを挿入して固定することで発光素子実装面側にねじ頭部を配置する必要がなくなるので、ホーロー基板１１の中央部にもねじ止め部を設けることができ、発光素子１２の実装性及び基板の取り付け安定性を向上することができる。

次に、前記ホーロー基板１１への発光素子１２の実装について説明する。なお、本例示では上下両面側に電極端子を有する発光素子１２をホーロー基板１１上に実装する場合を説明しているが、使用する発光素子１２はこれに限定されない。まず、ホーロー基板１１の発光素子実装面上に設けられた一方の配線上に、発光素子１２を半田、銀ペーストなどを用いてダイボンディングする。さらに発光素子１２の反対側（上側）の電極端子を、それぞれの周囲にある他方の配線にワイヤボンディングによって接続する。その後、封止樹脂によって発光素子１２を封止する。これによって図１に示す発光素子モジュール１０が作製される。

この発光素子モジュール１０を本体部１４に取り付ける場合を図２を参照して説明する。本体部１４には、発光素子モジュール１０を取り付ける位置に、めねじ１３に対応する皿ねじ穴１５を形成してある。なお、本体部１４側にねじ頭部が突出しても問題が生じない場合は、本体部１４側にスルーホールを穿設した構成としてもよい。本体部１４上に発光素子モジュール１０を載せ、皿ねじ穴１５とめねじ１３の位置合わせを行う。次に、本体部１４の裏面側からねじ（図示せず）を挿入し、めねじ１３に螺着する。全てのめねじ１３にねじを螺着することで、発光素子モジュール１０が本体部１４に安定した状態で取り付けることができる。また、ねじ頭部は、本体部１４側にあり、ねじ頭部は皿ねじ穴１５に収まることで、ねじ頭部が突出することはない。

この発光素子モジュール１０の取り付け構造では、ねじ止めに用いるねじ頭部は本体部１４側になり、発光素子モジュール１０の発光素子実装面側には邪魔なねじ頭部がないので、ねじ止め部は、めねじ１３の円周部分だけとなり、発光素子１２及び配線とめねじ１３とが重ならないように容易に設計することができ、その結果、ホーロー基板１１の中央部にもねじ止めを施すことができる。また、ねじ止め部が縮小できるので、めねじ１３と発光素子１２及び配線との隙間Ｌ２が十分にとれ、両者の絶縁を簡単に確保でき、またねじ止め部が縮小できるので、発光素子モジュール１０のサイズを従来より小型化できる。

ホーロー基板１１に設けためねじ１３の孔内は、ホーロー基板１１のコア金属が露出しているため、ねじ嵌合を行うことによって本体部１４と非常に良好な熱的接触を得ることが可能となる。

また、ホーロー基板１１自体がめねじ１３を有するため、発光素子実装面側においてねじ頭部を避ける必要がなくなるので、高密度に発光素子１２を集積させた発光素子モジュール１０を設計する場合でも、発光素子１２が集合している中央部にねじ止め用のめねじ１３が設けやすくなっている。これによって発光素子１２から発生する熱が密集する箇所に放熱用経路を設けることができ、さらに発光素子モジュール１０を本体部１４へ安定して固定することができる。前者によって、発光素子１２の長寿命化や発色の安定性などが図れ、後者によって、特に大きな発光面積を有する発光素子モジュールにおいて安定な取り付けが可能となるなどの効果が得られる。さらに、両者により本体部１４と発光素子モジュール１０の熱的接触が向上するため、さらに放熱効果が高まるという相乗的な効果が得られる。

さらに、ホーロー基板１１が前記ねじ止め構造を有することによって、本体部１４に発光素子モジュール１０を取り付ける上で、本体部１４側にめねじを設けなくても接合を行うことが可能となるという利点もある。この利点によって、本体部がＡｌＮなどのセラミック等の脆性が高い部材や、剛性の低い樹脂、加工性が非常に悪くねじ部を設けることが困難な材料であっても発光素子モジュールの取り付けを行うことが容易となる。本体部１４が金属部材を用いた場合でも、図２のように皿ねじなどを用いることで、ケース全体のスペース削減が可能となる。

本実施形態の発光素子モジュール１０は、前述した通り白色ＬＥＤモジュールを構成することにより、照明装置に適用することができる。
また、青色発光素子、緑色発光素子及び赤色発光素子をホーロー基板１１に適宜配置することで、表示装置を構成することもできる。
同じく、青色発光素子、黄色発光素子又は赤色発光素子をホーロー基板１１に集中して配置することで、交通信号機を構成することもできる。
これらの照明装置、表示装置及び交通信号機は、前記発光素子モジュール１０を用いたものなので、従来品よりも発光素子１２の実装密度を高めることができ、長寿命となり、本体部に安定して取り付けることができる。

（本発明のＬＥＤモジュール）
ホーロー基板上に、チップＬＥＤを搭載可能な配線パターンを形成し、かつホーロー基板の四隅と中央にめねじを形成した。これらのめねじの孔内にはホーロー層がなく、コア金属を露出させた。このホーロー基板上にチップＬＥＤをダイボンド・ワイヤボンドを用いて実装し、図１に示す発光素子モジュールを作製した。さらに、得られた発光素子モジュールを本体部に載せ、本体部側から皿ねじを挿入し、めねじに螺着して取り付け、図２に示す取り付け構造とした。

（従来のＬＥＤモジュール）
一方、従来のガラスエポキシ製の基板を用い、該基板に配線を形成し、前記と同様にチップＬＥＤの実装、本体部への取り付けを行った。本体部への取り付けは、基板の四隅にスルーホールを設け、本体部側にめねじを設け、基板側からねじを挿入し、螺着した。

両方の発光素子モジュールに同じ条件で給電し、ＬＥＤを発光させ、チップの温度変化を測定した。
その結果、従来のＬＥＤモジュールでは、チップ温度が常温より５０℃上昇していた。
一方、本発明のＬＥＤモジュールは、常温より２０℃までの上昇に抑制できた。これはホーロー基板上に搭載されたＬＥＤチップの発光時の発熱が、ホーロー基板を介して、本体部などに放熱されるためである。

本発明の一実施形態を示し、（ａ）は発光素子モジュールの平面図、（ｂ）は断面図である。 図１に示す発光素子モジュールの取り付け状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 従来の発光素子モジュール示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 図３に示す発光素子モジュールの取り付け状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 従来の発光素子モジュールの取り付けにおいて部材間に隙間が生じる状態を説明する断面図である。

符号の説明

１０…発光素子モジュール、１１…ホーロー基板（発光素子実装用ホーロー基板）、１２…発光素子、１３…めねじ（ねじ止め部）、１４…本体部、１５…皿ねじ穴。

Claims (10)

1. 金属コアをホーロー層で覆ったホーロー基板に発光素子給電用の配線が設けられた発光素子実装用ホーロー基板であって、前記ホーロー基板にねじ止め部が設けられたことを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板。
2. 前記ねじ止め部が、めねじであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用ホーロー基板。
3. 前記前記ホーロー基板の表面のうち前記ねじ止め部の孔内のみにホーロー層がなく、コア金属が露出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子実装用ホーロー基板。
4. 少なくとも１つの前記ねじ止め部は、ホーロー基板の面上に設定される複数の発光素子実装位置のうち任意の２つの発光素子実装位置がなす線分又は任意の３つ以上の発光素子実装位置がなす多角形の内部に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用ホーロー基板。
5. 前記ねじ止め部は、ホーロー基板の周縁部又は隅部に複数設けられているとともに、ホーロー基板の中央部に１つ以上設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子実装用ホーロー基板。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子実装用ホーロー基板上に発光素子が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュール。
7. 前記発光素子の形状が、砲弾型、表面実装型、チップオンボード型のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の発光素子モジュール。
8. 請求項６又は７に記載の発光素子モジュールを有する照明装置。
9. 請求項６又は７に記載の発光素子モジュールを有する表示装置。
10. 請求項６又は７に記載の発光素子モジュールを有する交通信号機。
    

Images