JP2006303191A - Ｌｅｄユニット - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して、表面実装型ＬＥＤの電極部と配線基板の回路パターンにおける端子部との間を接続している接合部にクラックが生じたり接合部が表面実装型ＬＥＤの電極部から剥離したりするのを防止することができ、信頼性を高めることができるＬＥＤユニットを提供する。
【解決手段】金属板３１の一表面上に樹脂層３２を介して回路パターン３３が形成された配線基板３を備え、回路パターン３３における端子部３３ａが表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂと接合材料からなる接合部４を介して接続されている。配線基板３は、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和するように端子部３３ａが変位可能となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面実装型ＬＥＤを配線基板に搭載したＬＥＤユニットに関するものである。

従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体（蛍光顔料、蛍光染料など）とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。ここに、上述の白色ＬＥＤとしては、砲弾型ＬＥＤに限らず、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを収納する収納凹所が形成されたパッケージと、パッケージの収納凹所内でＬＥＤを封止するシリコーン樹脂などの透明樹脂中に上記蛍光体を分散させた色変換部とを備えた表面実装型ＬＥＤが提供されている。

ところで、白色ＬＥＤに限らず、ＬＥＤは、従来の白熱電球や蛍光灯などに比べて、小型化、軽量化、省電力化を図れるといった長所があり、現在、表示用光源、ディスプレイ用光源、小型電球（白熱電球、ハロゲン電球など）の代替の光源、携帯電話の液晶パネル用光源（液晶パネル用バックライト）などとして広く用いられている。

また、最近の白色ＬＥＤの高出力化に伴い、白色ＬＥＤを照明用途に展開する研究開発が盛んになってきているが、上述の白色ＬＥＤを一般照明などのように比較的大きな光出力を必要とする用途に用いる場合、１つの白色ＬＥＤでは所望の光出力を得ることができないので、複数個の表面実装型ＬＥＤを１つの配線基板上に搭載したＬＥＤユニットを構成し、ＬＥＤユニット全体で所望の光出力を確保するようにしているのが一般的である（例えば、特許文献１，２，３参照）。なお、このようなＬＥＤユニットでは、各表面実装型ＬＥＤの電極部が半田などの接合材料からなる接合部を介して配線基板の回路パターンにおける端子部と接続される。
特開２００５−１８０４８号公報 特開２００４−７１９０８号公報 特開２００５−１２１５５号公報

ところで、上述のように複数個の表面実装型ＬＥＤを１つの配線基板上に搭載したＬＥＤユニットでは、個々の表面実装型ＬＥＤの発熱量は比較的少ないものの、表面実装型ＬＥＤの数の増加に伴って発熱量が多くなるので、配線基板に熱が蓄積されやすく、ＬＥＤユニット全体の温度が上昇しやすい傾向にある。

また、上述のＬＥＤユニットを用いた照明器具では、ＬＥＤの小型という利点を生かそうとして器具本体も従来の照明器具の器具本体に比べて小型化を目指す傾向にあり、ＬＥＤユニットの周囲に、電源部や制御部などの他の回路構成部品も近接して配置されるが、これら回路構成部品がＬＥＤユニットに対する熱源として作用するので、ＬＥＤユニットの周囲の熱源により、ＬＥＤユニットが更に暖められるといった状況が起こる。

上述のようにＬＥＤユニットを照明用途などに利用した場合には、点灯開始後の温度上昇と消灯後の温度下降との繰り返しによりＬＥＤユニットの膨張収縮が繰り返されるが、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して接合部にクラックが生じたり接合部が表面実装型ＬＥＤの電極部から剥離したりすることがあることが明らかになってきた。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して、表面実装型ＬＥＤの電極部と配線基板の回路パターンにおける端子部との間を接続している接合部にクラックが生じたり接合部が表面実装型ＬＥＤの電極部から剥離したりするのを防止することができ、信頼性を高めることができるＬＥＤユニットを提供することにある。

請求項１の発明は、金属板の一表面上に樹脂層を介して回路パターンが形成された配線基板を備え、回路パターンにおける端子部が表面実装型ＬＥＤの電極部と接合材料からなる接合部を介して接続されたＬＥＤユニットであって、配線基板は、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して接合部に発生する応力を緩和するように端子部が変位可能となっていることを特徴とする。

この発明によれば、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して接合部に発生する応力を緩和するように端子部が変位可能となっているので、点灯時の表面実装型ＬＥＤの発熱や周囲温度の変化などによりＬＥＤユニットが膨張収縮した際に、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して、表面実装型ＬＥＤの電極部と配線基板の回路パターンにおける端子部との間を接続している接合部にクラックが生じたり接合部が表面実装型ＬＥＤの電極部から剥離したりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記配線基板は、前記表面実装型ＬＥＤの搭載領域において前記金属板の前記一表面が露出しており、前記回路パターンにおける前記端子部を前記搭載領域の内側まで突出させることにより前記端子部が前記応力を緩和するように変位可能となっていることを特徴とする。

この発明によれば、前記表面実装型ＬＥＤと前記配線基板との熱膨張率の差に起因して前記接合部に発生する応力を緩和するように前記端子部が撓むことで前記端子部が変位することとなり、前記接合部にクラックが生じたり前記接合部が前記表面実装型ＬＥＤの前記電極部から剥離したりするのを防止することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記配線基板は、前記端子部の周囲に溝を形成することにより前記端子部が前記応力を緩和するように変位可能となっていることを特徴とする。

この発明によれば、前記配線基板における前記端子部の周囲に溝が形成されていることにより、前記表面実装型ＬＥＤと前記配線基板との熱膨張率の差に起因して前記接合部に発生する応力を緩和するように前記端子部が変位することとなり、前記接合部にクラックが生じたり前記接合部が前記表面実装型ＬＥＤの前記電極部から剥離したりするのを防止することができる。

請求項１の発明では、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して、表面実装型ＬＥＤの電極部と配線基板の配線パターンにおける端子部との間を接続している接合部にクラックが生じたり接合部が表面実装型ＬＥＤの電極部から剥離したりするのを防止することができ、信頼性を高めることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のＬＥＤユニットは、図１に示すように、表面実装型ＬＥＤ１と、表面実装型ＬＥＤ１が一表面側（図１における上面側）に搭載される配線基板３とを備えている。なお、図１では、表面実装型ＬＥＤ１を１つしか図示していないが、配線基板３には複数個の表面実装型ＬＥＤ１が搭載されている。

表面実装型ＬＥＤ１は、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０を実装するセラミック（例えば、アルミナ）製の実装基板２０とを備えている。実装基板２０は、パッケージを兼ねており、一表面（図１（ａ）にける上面）にＬＥＤチップ１０を収納する収納凹所２１が形成されており、ＬＥＤチップ１０の各パッド（図示せず）が電気的に接続される導電性材料からなる２つの配線パターン２２，２２を備えている。ここで、各配線パターン２２は、実装基板２０の収納凹所２１の内底面および内周面と、実装基板２０の上記一表面および側面および他表面（図１（ａ）における下面）とに跨って形成されており、収納凹所２１の内底面上に形成された一端部がチップ接続部２２ａを構成し、上記他表面における周部に形成された他端部が電極部２２ｂを構成している。なお、実装基板２０の外周形状は矩形状であって、実装基板２０における収納凹所２１は、当該収納凹所２１の内底面から離れるほど開口面積が大きくなっている。

ＬＥＤチップ１０は、青色の波長域の光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、ＧａＮ系化合物半導体材料からなる発光部が当該発光部にて発光する光に対して透明なベース基板であるサファイア基板の一表面側に形成されており、上記発光部を実装基板２０の収納凹所２１の内底面に対向させた形でフリップチップ実装されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、各パッド（図示せず）が金属材料（例えば、金など）からなるバンプ１２，１２を介して配線パターン２２，２２のチップ接続部２２ａ，２２ａと電気的に接続され且つ上記サファイア基板の他表面が光取り出し面となるように実装基板２０に実装されており、ＬＥＤチップ１０の発光部にて発光した光が上記サファイア基板を通して取り出される。

また、表面実装型ＬＥＤ１は、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されて発光する粒子状の黄色蛍光体を有する色変換部（図示せず）を備えており、ＬＥＤチップ１０から放射された光と黄色蛍光体から放射された光との合成光からなる白色の光が得られる。なお、上述の色変換部は、実装基板２０の収納凹所２１内でＬＥＤチップ１０を封止するシリコーン樹脂などの透明樹脂中に黄色蛍光体を分散させることにより構成してもよいし、シリコーン樹脂と黄色蛍光体とを混合した混合物をシート状に成形して、収納凹所２１の開口面を閉塞するように実装基板２０に対して固着してもよい。

したがって、表面実装型ＬＥＤ１では、電極部２２ｂ，２２ｂ間に図示しない電源部から電力を供給することにより、ＬＥＤチップ１０が発光するとともに上記色変換部の黄色蛍光体が発光するので、白色光が出力される。ここにおいて、電源部としては、例えば、交流電源を整流平滑するダイオードブリッジからなる整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサとを備えた構成のものを採用すればよい。

配線基板３は、例えば銅やアルミニウムなどの高熱伝導性を有する金属材料からなる金属板３１の一表面上にガラスエポキシ樹脂などの絶縁性を有する樹脂からなる樹脂層３２を介して金属材料からなる回路パターン３３が形成されている。回路パターン３３は、金属薄板をパターニングすることにより形成されている。ここで、配線基板３は、回路パターン３３における端子部３３ａが表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂと半田などの接合材料からなる接合部４を介して接続される。

また、配線基板３の金属板３１の上記一表面には、突台部３１ａが突設されており、突台部３１ａと実装基板２０の上記他表面の中央部に配設されている放熱用パッド２３とが半田などの接合材料からなる接合部２３を介して熱的に結合されている。すなわち、各表面実装型ＬＥＤ１で発生した熱を放熱用パッド２３および接合部２３を通して金属板３１へ伝熱して放熱することができるので、表面実装型ＬＥＤ１や、その内部に実装されたＬＥＤチップ１０の温度上昇を抑えることができる。なお、配線基板３は、各回路パターン３３の表面と突台部３１ａの表面とが略面一となるように突台部３１ａの突出寸法を設定してある。

ところで、配線基板３は、表面実装型ＬＥＤ１の搭載領域（表面実装型ＬＥＤに重なる領域）において金属板３１の上記一表面が露出するとともに、回路パターン３３における端子部３３ａが搭載領域の内側まで突出され、端子部３３ａと金属板３１の上記一表面との間に隙間３８が形成されており、端子部３３ａが厚み方向へ撓むことができるようになっている。つまり、配線基板３は、上記金属薄板の厚み寸法を、端子部３３ａが厚み方向へ撓むことができ且つ表面実装型ＬＥＤを支持できる程度の寸法に設定してあり、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和するように端子部３３ａが変形可能、言い換えれば、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和するように端子部３３ａが変位可能となっている。

以上説明した本実施形態のＬＥＤユニットでは、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和する方向に端子部３３ａが変位することになるので、点灯時の表面実装型ＬＥＤ１の発熱や周囲温度の変化などによりＬＥＤユニットが膨張収縮した際に、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して、表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂと配線基板３の回路パターン３３における端子部３３ａとの間を接続している接合部４にクラックが生じたり接合部４が表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂから剥離したりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。

（実施形態２）
本実施形態のＬＥＤユニットの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２に示すように、表面実装型ＬＥＤ１の構造が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

実施形態１における表面実装型ＬＥＤではＬＥＤチップ１が実装基板２０にフェースダウンでフリップチップ実装されていたのに対して、本実施形態における表面実装型ＬＥＤ１は、ＬＥＤチップ１０が平板状の実装基板２０の一表面側にフェースアップで実装されており、ＬＥＤチップ１０の各パッド（図示せず）がボンディングワイヤＷを介して配線パターン２２，２２と電気的に接続されている。また、本実施形態における表面実装型ＬＥＤ１では、実装基板２０の上記一表面側にシリコーン樹脂などの封止樹脂からなる封止部２４が設けられており、封止部２４上にシート状の色変換部（図示せず）が設けられている。

本実施形態のＬＥＤユニットにおいても、実施形態１と同様に、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和するように端子部３３ａが変位可能となっているので、点灯時の表面実装型ＬＥＤ１の発熱や周囲温度の変化などによりＬＥＤユニットが膨張収縮した際に、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して、表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂと配線基板３の回路パターン３３における端子部３３ａとの間を接続している接合部４にクラックが生じたり接合部４が表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂから剥離したりするのを防止することができ、信頼性を高めることができる。

（実施形態３）
本実施形態のＬＥＤユニットの構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、配線基板３の構造が相違している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の配線基板３は、回路パターン３３が金属板３１上の樹脂層３２上に積層されたガラスエポキシ基板３４の表面に形成された金属箔（例えば、銅箔など）をパターニングすることにより構成されており、本実施形態では、樹脂層３２とガラスエポキシ基板３４とで金属板３１と回路パターン３３との間に介在する樹脂層を構成している。なお、上記ガラスエポキシ基板３４には、金属板３１の突台部３１ａを挿通する矩形状の挿通孔３４ａが形成されている。

また、本実施形態の配線基板３では、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和するように端子部３３ａを変位可能とするために、各端子部３３ａ，３３ａの周囲に金属板３１の上記一表面に達する深さの複数の溝３５を形成してある。ここにおいて、各端子部３３ａ，３３ａそれぞれの周囲に形成された溝３５は、配線基板３における表面実装型ＬＥＤ１の搭載領域の外側において金属板３１の上記一表面に平行な面内で両端子部３３ａ，３３ａを結ぶ方向に直交する方向に沿って形成されており、各回路パターン３３は端子部３３ａの近傍部位の平面形状が溝３５を迂回するコ字状に形成されている。

しかして、本実施形態のＬＥＤユニットでは、配線基板３における端子部３３ａの周囲に溝３５が形成されていることにより、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して接合部４に発生する応力を緩和するように端子部３３ａが変位することとなり、接合部４にクラックが生じたり接合部４が表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂから剥離したりするのを防止することができる。

なお、図３に示した例では、配線基板３の各溝３５が金属板３１に達する深さまで形成してあるが、各溝３５は必ずしも金属板３１に達する深さまで形成する必要はなく、例えば、図４に示すように、樹脂層３２に達する深さの溝３５としてもよい。

（実施形態４）
本実施形態のＬＥＤユニットの構成を図５に示す。基本構成は実施形態３と略同じであって、実施形態３では表面実装型ＬＥＤ１の上記他表面の放熱用パッド２３と熱的に結合する突台部３１ａを金属板３１から連続一体に突設していたのに対して、本実施形態では、金属板３１において表面実装型ＬＥＤ１と重なる領域に、樹脂層３２の一部とガラスエポキシ基板３４の一部と上記金属箔の一部とからなる複数（図示例では、３つ）のランド部３６が形成されるように配線基板３に上記溝３５とは別の溝３７を設けてあり、各ランド部３６における金属箔の部分を半田のような接合材料からなる接合部５を介して放熱用パッド２３と熱的に結合してある。ここで、各ランド部３６の平面形状は、金属板３１の上記一表面に平行な面内で両端子部３３ａ，３３ａを結ぶ方向に直交する細長の長方形状となっている。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態のＬＥＤユニットでは、配線基板３における端子部３３ａの周囲に溝３５が形成されるとともに、各ランド部３６の周囲に溝３７が形成されていることにより、表面実装型ＬＥＤ１と配線基板３との熱膨張率の差に起因して各接合部４，５に発生する応力を緩和するように端子部３３ａおよびランド部３６における金属箔部分が変位することとなり、各接合部４，５にクラックが生じたり、接合部４が表面実装型ＬＥＤ１の電極部２２ｂから剥離したり、接合部５が放熱用パッド２３から剥離したりするのを防止することができる。

なお、図５に示した例では、配線基板３の各溝３５，３７が金属板３１に達する深さまで形成してあるが、各溝３５，３７の深さを浅くして図６に示すように樹脂層３２の途中まで形成するようにしてもよい。

実施形態１を示す概略断面図である。 実施形態２を示す概略断面図である。 実施形態３を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は配線基板の概略平面図である。 同上の他の構成例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は配線基板の概略平面図である。 実施形態４を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は配線基板の概略平面図である。 同上の他の構成例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は配線基板の概略平面図である。

符号の説明

１ 表面実装型ＬＥＤ
３ 配線基板
４ 接合部
１０ ＬＥＤチップ
１２ バンプ
２０ 実装基板
２１ 収納凹所
２２ 配線パターン
２２ａ チップ接続部
２２ｂ 電極部
３１ 金属板
３２ 樹脂層
３３ 回路パターン
３３ａ 端子部
３８ 隙間

Claims (3)

1. 金属板の一表面上に樹脂層を介して回路パターンが形成された配線基板を備え、回路パターンにおける端子部が表面実装型ＬＥＤの電極部と接合材料からなる接合部を介して接続されたＬＥＤユニットであって、配線基板は、表面実装型ＬＥＤと配線基板との熱膨張率の差に起因して接合部に発生する応力を緩和するように端子部が変位可能となっていることを特徴とするＬＥＤユニット。
2. 前記配線基板は、前記表面実装型ＬＥＤの搭載領域において前記金属板の前記一表面が露出しており、前記回路パターンにおける前記端子部を前記搭載領域の内側まで突出させることにより前記端子部が前記応力を緩和するように変位可能となっていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤユニット。
3. 前記配線基板は、前記端子部の周囲に溝を形成することにより前記端子部が前記応力を緩和するように変位可能となっていることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤユニット。

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