JP2006287020A - Led部品およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】LEDチップの発熱を効率的に放熱させることができる生産性に優れた表面実装型のLED部品とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は、配線基板1の中央部に貫通孔12を設け、この貫通孔12の内部にLEDチップ4を搭載した放熱板7を接合した構造とし、前記LEDチップ4と配線基板1はワイヤ5により電気的に接続し、透明樹脂6によってLEDチップ4とワイヤ5を埋設した構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、放熱性に優れた表面実装型のLED部品(発光ダイオード)およびその製造方法に関するものである。
従来、この種のLED部品としては、LEDチップを各種基板の上に実装し、そのLEDチップを各種基板の上に形成した電極パターンにワイヤボンディングあるいはバンプ実装によって接続し、LEDチップの表面にレンズを兼ねた透明な絶縁体を形成した構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
図15は前記公報に記載されている従来の表面実装型のLED部品の断面図を示すものである。
図15に示すように、表面実装型のLED部品は、両端に導体配線部200が形成された配線基板100と、一方の導体配線部200に接着剤300を用いて搭載されたLEDチップ400と、LEDチップ400と導体配線部200と配線接続するための金などからなるワイヤ500をワイヤボンディング工法で接続し、このワイヤ500とLEDチップ400の表面を覆うように形成された保護層600とから構成されている。
また、配線基板100には平坦な銅張りプリント基板が用いられており、LEDチップ400は配線基板100の上に接着剤300としてAgペーストを用いてダイボンディングされている。さらに、配線基板100の両端の導体配線部200はプリント基板などに表面実装した時の半田接続部となっている。
特開2004−207369号公報
しかしながら、前記従来の構成では、LED部品が長時間連続発光したときにLEDチップ400の発熱による温度上昇で発光効率が低下するという問題があった。そのため、長時間安定して高輝度化を実現するために銅張り基板からなる配線基板100に代えて、熱伝導性の良好なアルミナ基板も使用されるようになってきている。さらに、最近ではLEDチップ400を照明設備及び車載用ヘッドライト等に搭載することが考えられてきており、そのためには駆動電流を数十mA程度から1A程度の大電流を供給する必要性が生じてきている。これらの要求に応えるために非常に高価な窒化アルミニウム基板の使用も検討されている。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、LEDチップの発熱を効率的に放熱させることができる生産性に優れた表面実装型のLED部品とその製造方法を実現することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明は、配線基板の中央部に貫通孔を設け、この貫通孔の内部にLEDチップを搭載した放熱板を接合し、前記LEDチップと配線基板はワイヤにより電気的に接続し、透明樹脂によってLEDチップとワイヤを埋設した構成とするものである。
本発明のLED部品およびその製造方法は、LEDチップの発熱を放熱性の良好な放熱板で効率的に放熱させることでLEDチップの温度上昇を抑制すると同時にLEDチップの搭載部にのみ高熱伝導材料を使用することによって、生産性に優れたLED部品およびその製造方法を実現することができる。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1におけるLED部品およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の実施の形態1における表面実装型のLED部品の構造を説明するための断面図であり、図2は他の例のLED部品の断面図である。
図1において、配線基板1はガラエポ樹脂などの樹脂基板あるいはアルミナ基板などのセラミック基板を用いることが望ましく、この配線基板1には配線と表面実装部品としての端子電極の役割を有する配線パターン2を形成している。この配線パターン2には銅あるいは銀などの電極材料を用いることが望ましい。
そして、この配線基板1の中央部には貫通孔12を設けており、この貫通孔12の内部に配線基板1よりも熱伝導性に優れた放熱板7を配置した構成としている。さらに、この放熱板7の一面にはLEDチップ4を導電性を有する接着剤3によってダイボンディングによって接合し、さらに配線パターン2の一部に設けた端子パッドとLEDチップ4とは金などのワイヤ5を用いてワイヤボンディングすることによって、電気的に接続した構成としている。このような構成において、放熱板7の熱伝導率を配線基板1の熱伝導率よりも高くしておくことが重要であり、配線基板1には生産性の観点からガラスエポキシなどの樹脂基板を用いることが好ましく、その他の配線基板1としては、ポリイミド基板、ガラス基板SOI基板(表面を酸化被膜によって絶縁処理したシリコン基板)あるいは琺瑯基板なども用いることができる。また、より高輝度と耐熱信頼性を要求されるLED部品に対してはアルミナなどを主成分とするセラミック基板を用いることがより望ましい。
また、放熱板7には熱伝導性に優れる金属材料がより好ましく、特に熱伝導性に優れた金属材料としては、アルミニウム(240(W/m・K))、銅(400(W/m・K))、銀(430(W/m・K))などが好ましい。この熱伝導性に優れた金属板を放熱板7に用いるとともに、配線基板1に生産性に優れたガラエポ基板、ポリアミド、ポリイミドなどの樹脂基板を用いたり、耐熱性に優れたセラミック基板を用いることができる。
さらに、放熱板7に耐熱性と絶縁性に優れたアルミナやフォルステライト、ステアタイト、低温焼結セラミック基板等のセラミック基板を用いて、より耐熱性と絶縁性に優れたLED部品を実現することもできる。また、より高い放熱性と耐熱性を要求される用途に対してはより熱伝導性に優れた窒化アルミニウム、炭化ケイ素などのセラミック材料を用いることも可能である。
また、図1に示したような構成とすることにより、LED部品を実装する回路基板の上に放熱用の銅板を配置形成しておき、この銅板の上に熱伝導性に優れる接着剤などによって放熱板7を固着することによって放熱板7から放熱される熱を回路基板の上に形成した銅板に直接放熱することができる。
さらに、放熱板7に金属材料を用いることにより、LED部品を回路基板などに実装する際、放熱板7を介して回路基板に接地接続したり、放熱板7と回路基板とを熱伝導性に優れた接着剤あるいは半田によって固着することによって、実装強度を高めることも可能である。
また、LEDチップ4と放熱板7との絶縁性が必要になるときには、LEDチップ4を実装する金属からなる放熱板7の一面に薄く絶縁膜を形成すれば良い。このとき、前記絶縁膜は放熱性を阻害することから、絶縁膜の厚みは薄くすることが望ましい。
なお、放熱板7にLEDチップ4の放熱を高めることに必要最小限の窒化アルミや炭化ケイ素等のより高熱伝導性を有するセラミック材料を用いることも可能である。
次に、配線パターン2は銅箔を貼ったガラエポ基板あるいはアルミナ基板の表面に形成した銅電極をフォトエッチング法、メッキ法を用いて形成したり、導体ペーストを印刷することによって形成することが可能である。この導体ペーストは銀あるいは銅を含んだ樹脂系導体ペーストを用いることができ、ナノ金属粉体や有機金属を用いた導電性の良好な導体ペーストを使用してもよい。また、配線基板1にアルミナ基板などのセラミック材料を用いるときには500℃以上、1400℃以下で焼成する高温焼成用の導体ペーストを用いることができる。この高温焼成用の導体ペーストは、銀、金、白金およびこれらの合金などの貴金属材料、あるいは銅、ニッケル、タングステン、モリブデンおよびこれらの合金などの卑金属材料を用いることが望ましい。
また、LED部品を回路基板の上に半田材料で接合する場合、電極材料の相互拡散によって配線パターン2の材料が変化しないように配線パターン2の半田接合部にニッケルメッキ膜やスズメッキ膜などを積層しておくことが望ましい。
次に、LEDチップ4およびワイヤ5の絶縁保護とレンズとしての役割を果たす透明樹脂6は熱硬化型のアクリル樹脂あるいはエポキシ樹脂等を使用することが望ましい。
次に、図2に示す他の例のLED部品の構成について説明する。
図2に示すLED部品の構成において、図1に示したLED部品の構成と大きく異なっている点は、配線基板1の厚みより放熱板7を薄くすることにより、LEDチップ4の搭載面を配線基板1の平面よりも低くし、放熱板7の一面を底面として配線基板1の貫通孔12の内部の壁面を利用したキャビティ構造を形成していることである。さらに、このキャビティ構造を形成する貫通孔12の内周部にはテーパを設け、このテーパの傾きをLEDチップ4が発光したときの反射板として利用したものである。
このような構成とすることにより、図1に示したLED部品に比較して、より発光効率に優れたLED部品を実現することができる。この貫通孔12の内周部に設けたテーパの形状は光を効率よく反射する形状に加工することが好ましく、このテーパの形状を円錐状、曲線状に適宜加工することによって反射率の優れたLED部品を実現することができる。
さらに、このテーパを設けた貫通孔12の内周部の表面には反射性に優れた金属材料を用いて薄膜形成した反射膜8を設けている。この反射膜8を設けることによって、より発光効率に優れたLED部品を実現することができ、この反射膜8は金属薄膜を形成することによって形成することができる。
なお、この反射膜8はLEDチップ4を実装した放熱板7の表面にも形成することが可能であり、より反射性に優れたLED部品とすることができる。
次に、本発明のLED部品の製造方法について図3〜図7を用いて説明する。本実施の形態1では、放熱板7を金属材料とし、配線板1をアルミナ基板とし構成したLED部品の製造方法について説明する。
まず、第一の工程として、図3に示すように個片に分割するための分割溝と個片化されたLED部品の端子電極となるためのスルホール孔11と、放熱板7を挿入するための貫通孔12を予め穴開け加工したアルミナ基板を配線基板1として作製した(以降、アルミナ基板1と呼ぶ)。
次に、図4に示すように、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法によってアルミナ基板1の両面とスルホール孔11の内壁に配線パターン13、14を形成した。
次に、第二の工程として、図5に示すように熱伝導性に優れたアルミニウム、銅等の金属材料を所定の形状を有する放熱板7に加工した後、第三の工程として、この放熱板7を貫通孔12の内部に圧入あるいは接着剤にて接合して固定する。この時、放熱板7の接合に用いる接着剤は熱伝導性を低下させることから、放熱性の良好なサーマルビアやダイボンド用の導電性接着剤等を使用することが望ましい。
次に、第四の工程として、図6に示すように接着剤3を用いてLEDチップ4を放熱板7の一面に固着する。
その後、第五の工程として、ワイヤボンディング装置を用いてLEDチップ4と配線基板1の配線パターン13に設けた電極パッド部とをワイヤボンド実装することによって金のワイヤ5で電気的に接続する。
次に、第六の工程として、絶縁保護とLEDチップ4より発光した光を集束させるレンズの役目をする透過性に優れたアクリル樹脂あるいはエポキシ樹脂などの透明樹脂6でコーティングする。このとき、透明樹脂6の形状は所定のレンズの形状となるように粘度あるいは塗布方法を適宜選択して形成することができる。また、この透明樹脂6によって配線基板1と放熱板7との接合の補強を果たす役割を持たせることも可能である。
次に、図7に示すように、アルミナ基板1をスルホール孔11の部分で半分に切断あるいは分割ブレークすることによって、個片化して個別の表面実装用のLED部品を製造することができる。
以上説明してきたように、本実施の形態1のようなLEDチップ4を搭載する配線基板1の一部に形成した貫通孔12の内部に熱伝導性に優れた放熱板7を配置することで、放熱性に優れるとともに生産性にも優れた表面実装型のLED部品およびその製造方法を実現することができる。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2におけるLED部品およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図8は本発明の実施の形態2における表面実装型のLED部品の構造を説明するための断面図であり、図9は他の例を説明するための断面図である。
図8、図9において、本実施の形態2におけるLED部品の構成が実施の形態1と大きく異なっている点は放熱板7a、7bの形状である。この放熱板7a、7bには凹部を設けてキャビティ構造を形成している点が大きな特徴である。
図8および図9に示した放熱板7a、7bとしてはアルミニウム、銅あるいは銀等の熱伝導性に優れた金属を機械加工することによってキャビティ構造を形成したものであり、このキャビティ構造の底面にはLEDチップ4を実装できるスペースを設けた構成としている。
また、この放熱板7a、7bのキャビティ構造を形成している凹部の内周部には金型成形あるいは研磨などによってテーパを設けることによって反射面9を形成している。この反射面9のテーパ形状を所定の傾斜角度を持たせることにより、放熱板7a、7bのキャビティ構造の底面に搭載するLEDチップ4の放射光を効率よく集光したり、発光効率を高めたりすることによってLED部品の発光状態を制御することができる。
なお、この凹部の内周部のテーパを設けた反射面9の表面を鏡面にすることにより光の反射をより良好にすることができる。
また、この反射面9にはLEDチップ4の光をより有効に反射させるために、表面にメッキや蒸着等の薄膜技術によって、より反射率の高い材料を反射膜(図示せず)として形成することによって、より反射特性を高めたLED部品を実現することができる。従って、放熱板7a、7bには熱伝導性に優れた金属材料を用い、この放熱板7a、7bに形成した凹部の内周部には反射性に優れた反射膜を形成することによって生産性と発光効率に優れたLED部品を実現することもできる。
次に、図9に示すように放熱板7bに金属板を用いて金型成型によって爪部10を同時に金型成形によって形成することも可能であり、このような爪部10を設けることによって、配線基板1の貫通孔12へ放熱板7を挿入する時に挿入する深さを一定に保持安定させることが可能となる。
なお、この爪部10は鍔のような連続した突起を有したものであっても構わない。
以上のように、本実施の形態2において、LEDチップ4を搭載する放熱板7a、7bに金属材料などを用いて機械加工することによって容易にキャビティ構造を放熱板7に形成することができるとともに、反射面9を同時に形成することも可能となり、このような構成とすることによってLED部品の低背化を実現できるとともに、生産性に優れたLED部品を実現することができる。
なお、熱伝導性に優れたセラミック材料を用いて前記放熱板7a、7bの形状に成形して形成することも可能であり、この場合には前記の作用に加えてより耐熱性に優れたLED部品を実現することができる。
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3におけるLED部品およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図10〜図13は本発明の実施の形態2におけるLED部品の製造方法を説明するための断面図であり、図14は本実施の形態3におけるLED部品の他の例の断面図である。
本発明の実施の形態3における表面実装型のLED部品の基本的な構造は図8に示した構造を有しており、本実施の形態3におけるLED部品が実施の形態2と大きく異なっている点は放熱板7aの材質である。本実施の形態3におけるLED部品は図8の放熱板7aに代えて放熱板7cとしており、この放熱板7cには熱伝導性に優れた金属フィラを含んだ樹脂によって構成している。この放熱板7cに用いる金属フィラとしては、銅、アルミニウム、金、銀などの粉末をエポキシ樹脂などと混練することによって樹脂ペーストとし、この金属フィラを含有した樹脂ペーストを配線基板1に形成した貫通孔12の内部に充填した後、熱硬化させることによって放熱板7cの形成と配線基板1との接合を同時に行うことができることから、生産性に優れたLED部品を実現することができる。
さらに、この金属フィラに代えて無機フィラとすることにより、前記作用に加えて絶縁性に優れたLED部品とすることができる。これに用いる無機フィラとしては酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどを用いることによって、放熱性と生産性に優れたLED部品を実現することができる。すなわち、この放熱板7cは熱伝導性の良好な金属粉末またはセラミック粉末を熱伝導用のフィラとして添加した樹脂ペーストを配線基板1の貫通孔12の内部に充填した後、加熱硬化させる工程において、金型成形あるいは機械加工によって、放熱板7cに凹部を形成することによってキャビティ構造を設けた構成としたものである。それ以外の内容については実施の形態2とほぼ同様の構成を有しているのでここでの説明は省略する。このような構成とすることによって配線基板1と放熱板7cとの接合を前記樹脂ペーストの加熱硬化時に同時に行うことができるとともに、樹脂ペーストの材料組成を変化させることによって配線基板1と放熱板7cの膨張係数を制御することが可能となる。
次に、本実施の形態3におけるLED部品の製造方法について図10〜図14を用いて説明する。
まず、第一の工程として、図10に示すように配線パターン13、14を形成するとともに、スルホール孔11と貫通孔12を穴開け加工したアルミナ基板を配線基板1として作製する。
次に、第二の工程として、スクリーン印刷法で銀などの金属フィラを含有した樹脂ペースト22を充填した後、第三の工程として充填した樹脂ペーストを加熱硬化させて放熱板7と配線基板1とを接合する。これに用いる金属フィラとしては熱伝導率に優れた金、銀、アルミニウム、銅などの金属粉末がより好ましく、さらに、この金属フィラの含有率を変化させることによって所定の放熱板7を設計することができる。
また、金属フィラと同様に無機フィラを用いることもでき、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどの熱伝導性に優れたセラミック粉末を用いることによって、耐熱性、耐湿性などの耐久特性に優れたLED部品を実現することができる。
なお、この樹脂ペースト22には硬化収縮の少ない材料を使用することが望ましい。
次に、加熱硬化させた樹脂ペースト22を図11に示すような放熱板7cの形状に機械加工によって形成する。このときの放熱板7cの形状は実施の形態2で説明した放熱板7aと同様の機能を持たせることができる。その後、銀あるいは銅などの導体ペーストを用いて印刷法によって、配線基板1の両面とスルホール孔11の内壁に配線パターン13、14を形成する。
その後、第四の工程として、図12に示すように接着剤3を用いてLEDチップ4を放熱板7cの凹部の底面に固着する。
次に、第五の工程として、さらにワイヤボンディング装置でLEDチップ4と配線基板1の配線パターン13の一部に設けたパッド部に金のワイヤ5を用いてワイヤボンディングを行って電気的に接続する。
次に、第六の工程として、LEDチップ4とワイヤ5を保護することと、発光した光の集光を行うレンズの役目をさせるための透過性に優れた透明樹脂6を用いてコーティングする。その後、スルホール孔11を分割の基準として、分割することによって所定の形状に個片化することによって図13に示した表面実装型のLED部品を作成することができる。
以上のように、本実施の形態3においてLEDチップ4を搭載する配線基板1に生産性に優れた放熱板7cを形成することができるようになり、小型の低背化可能なLED部品およびその製造方法を実現することができる。
また、図14に示すように、フィラを含んだ樹脂ペーストから構成している放熱板7cの凹部の底面に、平坦性と熱伝導性のより良好な金属やセラミック材料で形成した放熱板34を配置することも可能である。このような構成とすることによって、より小型のLED部品とその製造方法を実現することができる。
また、前記放熱板34には熱伝導性に優れた金、銀、アルミニウムおよび銅等の金属材料やアルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウムなどのセラミック材料を用いることができる。
本発明は、表面実装型のLED部品において、配線基板に設けた貫通孔の内部にLEDチップを搭載する熱伝導性に優れた放熱板を接合した構成とすることにより、LEDチップの発光する時に発生する熱を効率的に放熱することを可能とした高輝度のLED部品およびその製造法として有用である。
本発明の実施の形態1におけるLED部品の断面図 同他の例を説明するためのLED部品の断面図 同製造方法を説明するための断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 本発明の実施の形態2におけるLED部品の断面図 同他の例を説明するための断面図 本発明の実施の形態3におけるLED部品の製造方法を説明するための断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同他の例を説明するためのLED部品の断面図 従来のLED部品の断面図
符号の説明
1 配線基板
2 配線パターン
3 接着剤
4 LEDチップ
5 ワイヤ
6 透明樹脂
7 放熱板
7a、7b、7c、7d 放熱板
8 反射膜
9 反射面
10 爪部
11 スルホール孔
12 貫通孔
13 配線パターン
14 配線パターン
15 キャビティ部
34 放熱板

Claims (24)

  1. 放熱板と、この放熱板の上に実装されたLEDチップと、このLEDチップと電気的に接合した配線基板とからなるLED部品であって、前記配線基板の中央部に貫通孔を設け、この貫通孔の内部に前記LEDチップを搭載した放熱板を接合し、前記LEDチップと配線基板はワイヤにより電気的に接続し、透明樹脂によってLEDチップとワイヤを埋設したLED部品。
  2. 放熱板の厚みを配線基板の厚みより薄くし、前記放熱板に搭載したLEDチップを放熱板と配線基板とで形成した凹部に配置した請求項1に記載のLED部品。
  3. 貫通孔の内周部をテーパ状にした請求項2に記載のLED部品。
  4. テーパ状にした貫通孔の内周部の表面に反射膜を設けた請求項3に記載のLED部品。
  5. 放熱板の一部に凹部を設けるとともに、その凹部の内周部の壁面をテーパ状にした請求項1に記載のLED部品。
  6. 放熱板の凹部の内周部の壁面に反射膜を設けた請求項5に記載のLED部品。
  7. 放熱板と配線基板を導電性接着剤にて接合した請求項1に記載のLED部品。
  8. 放熱板の熱伝導率を配線基板の熱伝導率よりも高くした請求項1に記載のLED部品。
  9. 放熱板を金属とした請求項1に記載のLED部品。
  10. 放熱板をセラミックとした請求項1に記載のLED部品。
  11. 放熱板を金属フィラを含有する樹脂とした請求項1に記載のLED部品。
  12. 金属フィラを銅、アルミニウム、銀、金とした請求項11に記載のLED部品。
  13. 放熱板を無機フィラを含有する樹脂とした請求項1に記載のLED部品。
  14. 無機フィラを酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウムとした請求項13に記載のLED部品。
  15. 配線基板に配線パターンと貫通孔を作製する第一の工程と、前記貫通孔の内部に配置することができる放熱板を作製する第二の工程と、前記配線基板と貫通孔の内部に放熱板を圧入または接着剤により接合する第三の工程と、前記放熱板の一面にダイボンド用接着剤を用いてLEDチップを接合する第四の工程と、前記LEDチップと配線基板とをワイヤにて接続する第五の工程と、前記LEDチップとワイヤを透明樹脂を用いて埋設する第六の工程を有したLED部品の製造方法。
  16. 第一の工程において、貫通孔の内周部にテーパを設ける請求項15に記載のLED部品の製造方法。
  17. 第一の工程において、テーパを設けた貫通孔の内周部の表面に光沢を有する反射膜を薄膜で形成する請求項16に記載のLED部品の製造方法。
  18. 第二の工程において、放熱板の一面に凹部を形成し、その凹部の内周部にテーパを形成する請求項15に記載のLED部品の製造方法。
  19. 第二の工程において、テーパを設けた放熱板の凹部の内周部の表面に光沢を有する反射膜を薄膜で形成する請求項18に記載のLED部品の製造方法。
  20. 配線基板に配線パターンと貫通孔を作製する第一の工程と、前記配線基板の貫通孔の内部に熱伝導性フィラを含有した樹脂ペーストを用いて充填することにより放熱板を形成する第二の工程と、前記充填された樹脂ペーストを加熱硬化することにより配線基板と放熱板を接合する第三の工程と、前記放熱板の一面にダイボンド用接着剤を用いてLEDチップを接合する第四の工程と、前記LEDチップと配線基板とをワイヤにて接続する第五の工程と、前記LEDチップとワイヤを透明樹脂を用いて埋設する第六の工程を有したLED部品の製造方法。
  21. 第一の工程において、貫通孔の内周部にテーパを設ける請求項20に記載のLED部品の製造方法。
  22. 第一の工程において、テーパを設けた貫通孔の内周部の表面に光沢を有する反射膜を薄膜で形成する請求項21に記載のLED部品の製造方法。
  23. 第二の工程において、放熱板の一面に凹部を形成し、その凹部の内周部にテーパを形成する請求項20に記載のLED部品の製造方法。
  24. 第二の工程において、テーパを形成した放熱板の凹部の内周部の表面に光沢を有する反射膜を薄膜で形成する請求項23に記載のLED部品の製造方法。
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