JP2006270002A - 発光ダイオード実装用金属基板及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、ヒートスプレッターを不要となり、導電性パターンの面積を縮小できるとともに、小型軽量化を実現することを課題とする。
【解決手段】上部にＬＥＤ１７を実装するための凹部１２を有した金属基板本体１１と、前記凹部を含む金属基板本体１１上に形成された絶縁層１３と、この絶縁層１３上に形成された導電性パターン１４とを具備したＬＥＤ実装用金属基板１６であり、前記絶縁層１３は、球状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜９３％含む第１絶縁層１３ａと、この第１絶縁層上に形成され，破砕状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜８５％含む第２絶縁層１３ｂとの少なくとも２層を有する構成であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発光ダイオード実装用金属基板及び発光装置に関する。

周知の如く、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、バックライト光源、表示灯などの各種電気、電子機器に使用されている。ＬＥＤのうち高輝度ＬＥＤは、信号機や照明用に需要が見込まれているが、高輝度を保ち、信頼性を向上させるために様々な設計が行われている。例えば、ヒートシンクや実装パッドの面積等を大きくして温度上昇を抑え、ＬＥＤの発熱を抑制する試みが行われている。

従来、ＬＥＤを実装した発光装置としては、例えば図３、図４、図５に示すような構成のものが知られている。

（１）図３の発光装置
図中の符番１は、ヒートシンクを示す。このヒートシンク１上には、厚み１．６ｍｍの絶縁層（ＦＲ−４）２を介してＬＥＤ３や導電性パターンとしての銅箔パターン４が形成されている。前記ＬＥＤ３と銅箔パターン４とはワイヤボンディング５により接続されている。前記ＬＥＤ３は、透明な樹脂製外囲器６により樹脂封止されている。なお、銅箔パターン４上には、放熱効果を持たせるためのヒートスプレッター（図示せず）が部分的に設けられている。

（２）図４の発光装置
但し、図３の装置と同部材は同符番を付して説明を省略する。図中の符番７はアルミ基板を示す。このアルミ基板７上には、厚み０．１〜０．２ｍｍの絶縁層２を介してＬＥＤ３や銅箔パターン４が形成されている。前記絶縁層２上でかつＬＥＤ３の周囲には、内側の壁面が末広がりに傾斜した筒状の反射板８が設けられている。

（３）図５の装置
但し、図３、図４の装置と同部材は同符番を付して説明を省略する。図５の発光装置の特徴は、ＬＥＤが搭載される領域に対応するアルミ基板９に凹部１０が設けられている点にある。この凹部９は、従来、アルミ基板９の上部を研削加工することにより形成されている。

上述した図３、図４、図５の発光装置に夫々使用されたＦＲ４基板、アルミ基板７、アルミ基板９の熱抵抗（℃／Ｗ）を，銅箔パターンの面積を２００ｍｍ^２，５００ｍｍ^２，１０００ｍｍ^２と変えて調べたところ、下記表１に示す結果が得られた。

表１より、ＦＲ−４基板の場合は、熱抵抗を低減するためにはＬＥＤを接続する銅箔パターンの面積を大きくする必要があることが分かる。一方、金属基板の場合には、アルミ基板上に厚み０．１〜０．２ｍｍの絶縁層が形成された構成になっているため、熱抵抗は大幅に低減できるが、小型化に限界があった。特に、凹部を形成する金属基板の場合、凹部を形成する際にバリが出やすく、加工が難しく実用化が困難である。従来、下記特許文献１のように、金属基板上に絶縁層、導体部を順次形成した半導体搭載回路用金属基板が知られている。
特開平８−１３９２２１号公報

この発明は、こうした事情を考慮してなされたもので、従来のような放熱効果を持たせるためのヒートスプレッターを不要となり、導電性パターンの面積を縮小できるとともに、小型軽量化を実現しえる発光ダイオード実装用金属基板及び発光装置を提供することを目的とする。

（１）この発明に係る発光ダイオード実装用金属基板は、上部に発光ダイオードを実装するための凹部を有した金属基板本体と、前記凹部を含む金属基板本体上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された導電性パターンとを具備した発光ダイオード実装用金属基板であり、前記絶縁層は、球状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜９３％含む第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され，破砕状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜８５％含む第２絶縁層との少なくとも２層を有する構成であることを特徴とする。

（２）この発明に係る発光装置は、前記（１）記載の発光ダイオード実装用金属基板と、前記金属基板の凹部に搭載された発光ダイオードと、この発光ダイオードと前記導電性パターンとを接続するワイヤボンディングと、前記発光ダイオードを樹脂封止する外囲器とを具備することを特徴とする。

この発明によれば、熱抵抗を従来のＦＲ４積層基板と比べて減少させることにより、ＬＥＤの実装に際して放熱効果を持たせる為のヒートスプレッターが必要でなく、また銅箔パターンの形成面積を縮小できる。また、従来の発光装置で使用した金属基板と同一厚さが可能になるので、電気、電子機器の小型軽量化を実現できる。更に、ＬＥＤが搭載される金属基板本体に傾斜角６０°以下の側壁面を有した凹部をプレスにより設けた構成であるため、ＬＥＤからの光を凹部の側壁面で反射させることができ、集光の効果を有する。

以下、本発明について更に詳しく説明する。
この発明において、前記絶縁層は、球状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜９３％含む第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され，破砕状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜８５％含む第２絶縁層との少なくとも２層を有する構成である。

ここで、第１絶縁層、第２絶縁層の充填材の粒径を夫々０．０１〜５０μｍとした理由は、粒径が０．０１μｍ未満では充填材の流動性が無くなり、粒径が５０μｍを超えると空隙率が大きくなって熱伝導率が低くなるからである。また、更に詳述すれば、充填材の粒径は０．０１μｍあるいは５０μｍの一方に偏っているのではなく、約粒径１０μｍを中心として最小径０．０１μｍ、最大径５０μの大小の粒径が混ざり合っていることが好ましい。

第１絶縁層中の充填材を重量比で６０〜９３％とした理由は、６０％未満では金属基板の熱伝導率が悪くなる傾向があり、９３％を超えると金属基板の強度が低下する傾向があるからである。また、第２絶縁層中の充填材を重量比で６０〜８５％とした理由は、６０％未満では金属基板の熱伝導率が悪くなる傾向があり、８５％を超えると充填材を入れることが物理的に不可能であるとともに、また金属基板の強度が低下する傾向があるからである。

この発明において、前記絶縁層は少なくとも第１絶縁層と第２絶縁層の２層を有した構成であるが、前記第２樹脂層上に更に充填材を含まない第３樹脂層を形成してもよい。この理由は、こうした第３樹脂層を設けることにより、得られた金属基板に可撓性を持たせるためである。

この発明において、前記金属基板本体の凹部は、その底辺の径が１〜１５ｍｍ、深さが０．２〜１ｍｍ、及び前記凹部の側壁面が底面に対する傾斜角が６０°以下であることが好ましい。傾斜角を６０°以下とするのは、６０°を超えると、前記凹部に形成される絶縁層のダメージが大きくなるからである。また、前記凹部の底辺の径を１〜１５ｍｍとするのは、金属基板に実装するＬＥＤ大きさに基づく。

実際、凹部の深さを変えて、深さと絶縁破壊電圧との関係を調べたところ、下記表２に示す結果が得られた。但し、金属基板本体の厚さは３ｍｍ、絶縁層は後述する実施例１で使用する第１絶縁層、第２絶縁層及び第３絶縁層の材料による３層構造（厚み０．２４ｍｍ）とした。また、表２で「深さ０」とは凹部の無いフラットな金属基板の場合を意味する。

表２より、凹部の深さが深くなるにつれて絶縁破壊電圧が低下することが分かる。上述したように、凹部の深さ０．２〜１ｍｍとしたのは、絶縁層のダメージを受けない許容範囲を採用したことによる。

この発明において、前記凹部の底辺周辺の前記金属基板本体の裏面に、前記凹部の底辺直下に位置する金属基板本体から凹部の底辺の径の０．３〜３倍の距離に深さ０．５〜２ｍｍの溝が形成されていることが好ましい。この溝の形状は例えば平面的に見て環状であり、上記深さに規定した理由は、深さが０．５ｍｍ未満では放熱効果が十分でなく、深さが２ｍｍを超えると金属基板の強度が弱くなるからである。また、前記溝の位置を上記のように規定した理由は、一般にＬＥＤが発熱する傾向にあり、このＬＥＤ周辺からの放熱効果を効率よく行うためである。

この発明において、前記導電性パターンに銀メッキもしくは金メッキが施すことが好ましい。このメッキ処理により、ＬＥＤからの光がメッキ処理面で反射するため、集光の効果を期待できる。

次に、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
この発明の実施例１に係るＬＥＤ実装用金属基板を用いた発光装置について、図１を参照して説明する。
図中の符番１１は、上部に深さ（Ｈ）０．５ｍｍのプレスによる凹部１２を有したアルミからなる金属基板本体を示す。この金属基板本体１１上には、３層構造の絶縁層１３を介して導電性パターンとしての銅箔パターン１４ａ，１４ｂが形成されている。これらの銅箔パターン１４ａ，１４ｂ上には、銀メッキ処理によるメッキ層１９が形成されている。前記絶縁層１３は、下記表３に示す第１絶縁層１３ａ，第２絶縁層１３ｂ，第３絶縁層１３ｃから構成される。

第１絶縁層１３ａは、球状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材としての球状酸化アルミニウム（商品名：ＣＢ−Ａ１０，昭和電工（株）社製）を重量比で９３％含んでいる。第２絶縁層１３ｂは、第１絶縁層上に形成され，破砕状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材としての破砕酸化アルミニウム（商品名：Ａ−４２，昭和電工（株）社製）を重量比で８５％含んでいる。第３絶縁層１３ｃは、充填材を含まない層で、第２絶縁層１３ｂ上に形成されている。

前記凹部１２の底辺周辺の前記金属基板本体１１の裏面に、前記凹部１２の底辺直下に位置する金属基板本体１１から凹部１２の底辺の径（Ｄ）の０．３〜３倍の距離に深さ０．５ｍｍの環状の溝１５が形成されている。また、前記凹部１２の側壁面１２ａが底面に対する傾斜角（θ）は６０°である。下記表３は、各絶縁層の樹脂、充填材、ＮＢＲゴム、硬化促進剤、破砕酸化アルミ、球状アルミの配合割合、及金属基板の熱伝導率を示している。

なお、表３中、樹脂１としてはフェノールノボラック樹脂を、樹脂２としてはビスフェノール形エポキシ樹脂を、樹脂３としてはクレゾールノボラック形エポキシ樹脂を夫々用いた。また、第１絶縁層に球状粒子の充填材を配した理由は、金属基板本体に凹部を加工する際に、樹脂と球状粒子が圧縮に対して、応力緩和の働きを持つからである。更に、第２絶縁層では樹脂と充填材の破損を緩和する作用効果が見られた。第３樹脂層の加入により凹部加工時の応力緩和が一層向上することが確認された。

以上のように、上部に凹部１２が形成され裏面に溝１５が形成された金属基板本体１１と、この金属基板本体１１上に形成され，第１絶縁層１３ａ，第２絶縁層１３ｂ及び第３絶縁層１３ｃよりなる３層構造の絶縁層１３と、この絶縁層１３上に形成された銅箔パターン１４ａ，１４ｂと、これら銅箔パターン１４ａ，１４ｂ上に形成されたメッキ層１９から本発明のＬＥＤ実装用金属基板１６が構成されている。こうした構成の金属基板によれば、以下に述べる効果を有する。

１）熱抵抗が従来のＦＲ４積層基板（１．６ｍｍ厚み）に比べて半減されたことにより、ＬＥＤの実装に際して放熱効果を持たせる為のヒートスプレッターが必要でなく、また銅箔パターンの形成面積を縮小できる。

２）図５の従来の発光装置で使用した金属基板と同一厚さが可能になったので、電気、電子機器の小型軽量化を実現できる。

３）ＬＥＤ１７が搭載される金属基板本体１１に傾斜角６０°の側壁面を有した凹部１２が形成された構成であるため、図３の従来の発光装置に比べ、ＬＥＤからの光を凹部１２の側壁面で反射させることができ、集光の効果を有する。特に、銅箔パターン１４ａ，１４ｂ上にメッキ層１９が形成されているため、ＬＥＤ１７からの光がメッキ層１９で反射するため、集光の効果を一層期待できる。

４）充填材を含まない第３絶縁層１３ｃが第２絶縁層１３ｂ上に形成されているため、得られる金属基板に可撓性を持たせることができる。

下記表４は、図３の従来のＦＲ基板、図４，５の従来の金属基板、及び図１の金属基板（本発明品）を用いた場合において、熱抵抗（℃／Ｗ）を、銅箔パターンの面積を２００ｍｍ^２，５００ｍｍ^２，１０００ｍｍ^２と変えた場合の熱抵抗（℃／Ｗ）を示す。但し、ＬＥＤと金属基板間の熱抵抗は、図１に示すような電気的な接続（一点鎖線）を行うことにより行う。

但し、表４において、実装基板の寸法は５０ｍｍ×５０ｍｍ、金属基板のベース厚さは３ｍｍ、銅箔パターンの厚さは０．０７ｍｍとした。

図６は、上記表４のＦＲ−４基板（図３）、金属基板（図４）及び本発明の金属基板について、銅箔パターンの面積とＬＥＤ実装基板の熱抵抗との関係を図示した特性図を示す。図６より、本発明品が従来の金属基板と比べて熱抵抗の点で著しく改善されていることが明らかである。

実施例１に係る発光装置は、図１に示すように、金属基板１６の凹部１２が位置する銅箔パターン１４ａ上にメッキ層１９を介してＬＥＤ１７が搭載され、前記ＬＥＤ１７と銅箔パターン１４ａ，１４ｂ上のメッキ層１９間はワイヤボンディング１８により電気的に接続され、更に前記ＬＥＤ１７及びワイヤボンディング１８は透明な樹脂製外囲器２０により樹脂封止された構成になっている。ここで、前記外囲器２０の樹脂材料としては、ＧＥ東芝シリコーン（株）製品の透明２成分付加型シリコーンポッティング樹脂を用いた。

こうした構成の発光装置によれば、図１のような従来の発光装置と比べて輝度が改善され、熱抵抗も改善される。従って、この発光装置は、表示等以外にハイパワーＬＥＤの照明等や信号機用など幅広い使用が見込まれる。

（実施例２）
この発明の実施例２に係るＬＥＤ実装用金属基板を用いた発光装置について、図２を参照して説明する。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。本金属基板及び該金属基板を用いた発光装置は、絶縁層が２層構造である点を除いて図１と同じ構成となっている。前記金属基板の一構成である第１絶縁層及び第２絶縁層の組成は下記表５に示すとおりである。

実施例２に係る金属基板は、上部に凹部１２が形成され裏面に溝１５が形成された金属基板本体１１と、この金属基板本体１１上に形成され，第１絶縁層１３ａ及び第２絶縁層１３ｂよりなる２層構造の絶縁層１３と、この絶縁層１３上に形成された銅箔パターン１４ａ，１４ｂと、これら銅箔パターン１４ａ，１４ｂ上に形成されたメッキ層１９から構成されている。

また、実施例２に係る発光装置は、前記金属基板１６の凹部１２が位置する銅箔パターン１４ａ上に搭載されたＬＥＤ１７と、前記ＬＥＤ１７と銅箔パターン１４ａ，１４ｂ上のメッキ層１９間を電気的に接続するワイヤボンディング１８と、前記ＬＥＤ１７及びワイヤボンディング１８を樹脂封止する透明な樹脂製外囲器２０から構成されている。下記表５は、各絶縁層の樹脂、充填材、ＮＢＲゴム、硬化促進剤、破砕酸化アルミ、球状アルミの配合割合、及金属基板の熱伝導率を示している。

なお、表５中、樹脂１としてはフェノールノボラック樹脂を、樹脂２としてはビスフェノール形エポキシ樹脂を、樹脂３としてはクレゾールノボラック形エポキシ樹脂を夫々用いた。また、第１絶縁層に球状粒子の充填材を配した理由は、金属基板本体に凹部を加工する際に、樹脂と球状粒子が圧縮に対して、応力緩和の働きを持つからである。更に、第２絶縁層では樹脂と充填材の破損を緩和する作用効果が見られた。

実施例２の金属基板によれば、実施例１と同様、上記１）〜３）に記載した効果が得られる。また、実施例２の発光装置によれば、実施例１と同様、輝度や熱抵抗の点で改善が見られる。

なお、この発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、金属基板の凹部に位置するメッキ層にシリカ粉混入の透明樹脂（例えば、ＧＥ東芝シリコーン（株）製品の透明２成分付加型シリコーンポッティング樹脂）を塗布してもよい。これにより、反射効率が良くなり、こうした金属基板を用いた発光装置の輝度を一層高めることができる。また、前記シリカ粉以外に、絶縁性の顔料をＬＥＤの発光色（青、白等）に合わせて選択することにより、色調を変化できる硬化が認められた。更に、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらには、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明の実施例１に係る発光ダイオード実装用金属基板を備えた発光装置の断面図。 この発明の実施例２に係る発光ダイオード実装用金属基板を備えた発光装置の断面図。 ヒートシンクを用いた従来の発光装置の概略断面図。 アルミベース金属基板を用いた従来の発光装置の概略断面図。 アルミベース金属基板を用いた従来の他の発光装置の概略断面図。 従来及び本発明の金属基板を用いた場合の、ＬＥＤ実装用導電性パターンの面積と金属基板の熱抵抗との関係を示す特性図。

符号の説明

１１…ＬＥＤ実装用金属基板本体、１２…凹部、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…絶縁層、１４ａ，１４ｂ…銅箔パターン（導電性パターン）、１５…溝、１６…ＬＥＤ実装用金属基板、１７…発光ダイオード（ＬＥＤ）、１８…ワイヤボンディング、１９…メッキ層、２０…樹脂製外囲器。

Claims (6)

1. 上部に発光ダイオードを実装するための凹部を有した金属基板本体と、前記凹部を含む金属基板本体上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された導電性パターンとを具備した発光ダイオード実装用金属基板であり、
   前記絶縁層は、球状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜９３％含む第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され，破砕状で粒径０．０１〜５０μｍ、熱伝導率２０ｗ／ｍ・ｋ以上の充填材を重量比で６０〜８５％含む第２絶縁層との少なくとも２層を有する構成であることを特徴とする発光ダイオード実装用金属基板。
2. 前記第２の樹脂層上に、更に充填材を含まない第３の樹脂層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード実装用金属基板。
3. 前記凹部は、その底辺の径が１〜１５ｍｍ、深さが０．２〜１ｍｍ、及び前記凹部の側壁面が底面に対する傾斜角が６０°以下であることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の発光ダイオード実装用金属基板。
4. 前記凹部の底辺周辺の前記金属基板本体の裏面に、前記凹部の底辺直下に位置する金属基板本体から凹部の底辺の径の０．３〜３倍の距離に深さ０．５〜２ｍｍの溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか記載の発光ダイオード実装用金属基板。
5. 前記導電性パターンに銀メッキもしくは金メッキが施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか記載の発光ダイオード実装用金属基板。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか記載の発光ダイオード実装用金属基板と、前記金属基板の凹部に搭載された発光ダイオードと、この発光ダイオードと前記導電性パターンとを接続するワイヤボンディングと、前記発光ダイオードを樹脂封止する外囲器とを具備することを特徴とする発光装置。

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