JP2006344690A - 発光素子実装用ホーロー基板、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明などの用途で高密度に発光素子を実装した場合に良好な放熱性を確保し得る発光素子実装用ホーロー基板及び該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール及び該発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び交通信号機の提供。
【解決手段】 コア金属の表面にホーロー層が被覆されてなり、一方の面に発光素子実装用の反射カップ部が設けられた発光素子実装用ホーロー基板であって、前記反射カップ部が設けられていない面の少なくとも一部に、ホーロー層が除去されてコア金属が露出した放熱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。この基板に発光素子を実装してなる発光素子モジュール。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を複数個実装するための発光素子実装用ホーロー基板に関し、特に、照明などの用途で高密度に発光素子を実装した場合に良好な放熱性を確保し得る発光素子実装用ホーロー基板及び該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール及び該発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。

ＬＥＤは近年、照明用光源として使用され始めているが、照明用として使用するには、多数のＬＥＤを配置し、多くの電力を投入する必要があるため、放熱性の高いＬＥＤ実装用基板が必要である。

ＬＥＤ実装用基板にＬＥＤを実装してなる従来のＬＥＤモジュールは、ガラスエポキシ樹脂などからなる絶縁回路基板に電極をパターン形成し、ＬＥＤから発する光を反射して前方へ効率よく反射するための反射部を有し、その反射部の底面部にＬＥＤを実装し、屈折率の高い透明樹脂によりＬＥＤを樹脂封止した構造になっている。

ところで、ＬＥＤを発光させる際、発光に寄与しない電力は、熱に変換され、発生した熱によりＬＥＤの温度が上昇し、ＬＥＤの発光効率が低下してしまうという問題がある。照明用のＬＥＤ実装用基板として、一般的に使用されているガラスエポキシ樹脂などからなる回路基板を使用した場合、放熱性が悪く、放熱対策は不十分である。

従来、放熱性のよい回路基板構造としては、例えば、特許文献１に開示されたものが提案されている。この特許文献１では、基板の放熱性を向上させるため、基板芯材の露出面に放熱用金属板を接続した構造になっている。
特開昭６４−２８８８６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、ＩＣ等の回路部品を高密度実装しようとした際の熱の影響を防ぐためのものであり、照明装置としての使用やＬＥＤを用いた装置構成は記載されていない。

多数のＬＥＤを基板に実装した場合、ＬＥＤからの発熱量は非常に多くなり、基板からの放熱性を向上させる必要がある。放熱性の高い基板としては、ホーロー基板が挙げられる。放熱性の高いホーロー基板を照明用ＬＥＤの実装用基板として用いることで、多数のＬＥＤを実装することが可能となる。しかし、より高輝度の照明用ＬＥＤモジュールを構成する場合には、より多くのＬＥＤ実装数が必要となり、もしくは高輝度ＬＥＤ素子が必要となり、ホーロー基板の放熱特性をさらに向上させる必要がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、照明などの用途で高密度に発光素子を実装した場合に良好な放熱性を確保し得る発光素子実装用ホーロー基板及び該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール及び該発光素子モジュールを有する照明装置、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、コア金属の表面にホーロー層が被覆されてなり、一方の面に発光素子実装用の反射カップ部が設けられた発光素子実装用ホーロー基板であって、前記反射カップ部が設けられていない面の少なくとも一部に、ホーロー層が除去されてコア金属が露出した放熱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、前記反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、電極がパターン形成され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、前記放熱部に凹凸が設けられ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、前記放熱部に、フィンを有する放熱構造体が接続されていることが好ましい。

また本発明は、本発明に係る前記発光素子実装用ホーロー基板の前記反射カップ部に、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、前記反射カップ部が透明樹脂によって樹脂封止されていることが好ましい。

本発明の発光素子モジュールにおいて、前記反射カップ部が蛍光体を混入した透明樹脂によって樹脂封止されていることが好ましい。

本発明の発光素子モジュールにおいて、前記発光素子として青色ＬＥＤと、黄色発光蛍光体とを組み合わせて白色発光素子を構成したことが好ましい。

また本発明は、本発明に係る前記発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び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、ホーロー基板のホーロー層を一部除去してコア金属を露出させた放熱部を設けた構成としたので、コア金属の全面がホーロー層で被覆された基板と比べて放熱性が向上し、この基板に発光素子を実装し点灯させた場合に発光素子から発する熱を放熱部から効率よく放熱することができるので、基板及び発光素子の温度上昇が抑えられ、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができる。
本発明の発光素子モジュールは、前記本発明の発光素子実装用ホーロー基板の反射カップ部に発光素子を実装してなるものなので、基板及び発光素子の温度上昇が抑えられ、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール１０（ＬＥＤモジュール、ＬＥＤパッケージなどとも称される。）は、コア金属２の表面にホーロー層３が被覆されてなり、一方の面（図示において基板下面側）に発光素子実装用の反射カップ部１Ａが複数設けられた発光素子実装用ホーロー基板１と、該発光素子実装用ホーロー基板１の反射カップ部１Ａ内に実装された発光素子６とを有している。本実施形態の発光素子実装用ホーロー基板１は、反射カップ部１Ａが設けられていない面に、ホーロー層３が除去されてコア金属２が露出した放熱部４が設けられている。

この発光素子実装用ホーロー基板１を構成するコア金属２の材料としては、表面にホーロー層３を強固に形成可能な金属であればよく、特に限定されず、例えば低炭素鋼板などが用いられる。また、コア金属２を覆っているホーロー層３は、ガラス粉末などを焼き付けて形成されている。

この発光素子実装用ホーロー基板１の発光素子実装面（図示において基板上面側）に設けられた反射カップ部１Ａは、平坦な底面とスロープ面とからなるすり鉢形状に形成されている。このスロープ面の傾斜角度（カップ角度；底面とスロープ面のなす角度）は１０°〜９０°程度、好ましくは４０°〜９０°程度とされる。

この発光素子実装用ホーロー基板１の発光素子実装面には、発光素子６に通電するための複数の電極５がパターン形成されている。この電極５は、適宜な電極パターンや回路パターンに沿って、銀ペーストや銅ペーストを印刷し、焼き付けることによって形成されている。

本実施形態において、前記放熱部４は、発光素子実装用ホーロー基板１の下面側のホーロー層３を除去してコア金属２を露出させた状態になっている。この放熱部４の形成領域は、発光素子実装用ホーロー基板１の下面側の一部であってもよいし、図１に示した如く下面全部としてもよい。また、この放熱部４を基板側面に拡張してもよい。さらに、この放熱部４は、発光素子モジュール１０を図示していない構造体に取り付ける場合に、構造体表面形状に合致するように加工したり、取付金具を係止するための凹部や凸部を設けることもできる。

この発光素子実装用ホーロー基板１に実装される発光素子６としてはＬＥＤが好ましい。発光素子モジュール１０を照明装置に適用する場合、発光素子６としては白色ＬＥＤが好ましい。この白色ＬＥＤとしては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体から作られた青色ＬＥＤと、青色光により励起されて黄色など青色以外の可視光を発する１種又は２種以上の蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤなどを用いることが望ましい。なお、前記蛍光体は、基板に実装した発光素子６を封止するための透明樹脂８中に混合、分散させて用いることが望ましい。

本実施形態の発光素子モジュール１０において、それぞれの発光素子６は、反射カップ部１Ａ底面上に実装されている。発光素子６の一方の電極端子は一方の電極５に電気的に接続され、また発光素子６の他方の電極端子は、金線７（ボンディングワイヤ）によって隣り合う他方の電極５に電気的に接続されている。

次に、前述した発光素子実装用ホーロー基板１及びそれを用いた発光素子モジュール１０の製造方法を説明する。
まず、コア金属作製用の低炭素鋼板などを用意し、これを適当な形状に切り出し、さらに機械加工を施して反射カップ部１Ａを形成し、コア金属２を作製する。
次に、前記コア金属２を、ガラス粉末を適当な分散媒に分散した液中に浸漬し、近傍に対向電極を配置し、コア金属２と該対向電極間に電圧を印加し、ガラス粉末をコア金属２の表面に電着させる。電着後、液中からコア金属２を引き上げて乾燥し、加熱炉に入れて所定温度域で加熱し、コア金属２の表面にガラス粉末を焼き付けて、薄く均一なホーロー層３を形成する。
次に、反射カップ部１Ａを形成していない面のホーロー層３をサンドブラスト法などによって除去し、コア金属２を露出させて放熱部４を形成する。また、前記放熱部４の形成前、或いは形成後に、スクリーン印刷などの方法によって電極形成パターンに沿って銀ペーストや銅ペーストを印刷し、その後焼き付けして電極５を形成する。
以上の各工程を行うことで、図１に示す発光素子実装用ホーロー基板１が得られる。

なお、前記放熱部４の形成方法は前記例示に限定されるものではなく、例えば、放熱部４を形成する領域にガラス粉末を付着させず、それ以外の表面のみにガラス粉末を付着させて焼き付ける方法、焼き付け前に放熱部４を形成する領域のガラス粉末を除去する方法、放熱部４を形成する領域のホーロー層３をエッチング除去する方法などを採用してもよい。

次に、前記のように作製した発光素子実装用ホーロー基板１の反射カップ部１Ａ底面上に、ダイボンディングによって発光素子６を実装し、次にワイヤボンディングを行って、金線７によってそれぞれの発光素子６と電極５とを電気的に接続する。その後、反射カップ部１Ａ内に、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透明樹脂８、あるいは透明樹脂に適当な蛍光体を混ぜたものを注入し、硬化させ、樹脂封止を行う。これによって、図１に示す発光素子モジュール１０が得られる。

本実施形態の発光素子実装用ホーロー基板１は、ホーロー層３を一部除去してコア金属２を露出させた放熱部４を設けた構成としたので、コア金属２の全面がホーロー層３で被覆された基板と比べて放熱性が向上し、この基板に発光素子６を実装し点灯させた場合に発光素子６から発する熱を放熱部４から効率よく放熱することができるので、基板及び発光素子の温度上昇が抑えられ、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができる。
本実施形態の発光素子モジュール１０は、この発光素子実装用ホーロー基板１の反射カップ部１Ａに発光素子６を実装してなるものなので、基板及び発光素子６の温度上昇が抑えられ、発光素子６の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができる。

前記の通り、本実施形態の発光素子モジュール１０は、多数の発光素子６を密集状態で実装しても、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができることから、各種の照明装置、表示装置及び交通信号機などとして有用である。

図２は、本発明の第２実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール１１は、前述した第１実施形態の発光素子モジュール１０と同様の構成要素を備えて構成され、発光素子実装用ホーロー基板１の放熱部４に凹凸を設け、放熱部４の表面積を拡大したことを特徴としている。

この放熱部４の凹凸は、発光素子実装用ホーロー基板１の機械強度に影響を及ぼさない程度の深さで放熱部４に形成することが望ましい。この凹凸の形状は、放熱部４の表面積を拡大できればよく、特に限定されない。この凹凸が、基板の長手方向又は幅方向に沿う溝状とし、その溝に空気を流通可能なように構成することで、放熱部４の放冷効率をより高めることができる。

本実施形態は、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、発光素子実装用ホーロー基板１の放熱部４に凹凸を設けたことによって、放熱部４の表面積が拡大されて放熱効率をより高めることができる。

図３は、本発明の第３実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール１３は、前述した第１実施形態の発光素子モジュール１０と同様の構成要素を備えて構成され、発光素子実装用ホーロー基板１の放熱部４に多数のフィンを持つ放熱構造体１２を取り付けたことを特徴としている。

この放熱構造体１２は、アルミなどの熱伝導率の高い金属で作られ、放熱性を高めるために多数のフィンを備えている。このフィンの寸法や枚数は限定されないが、このフィンが大きすぎると、発光素子モジュール１０のサイズが大型になるため好ましくない。

本実施形態は、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、発光素子実装用ホーロー基板１の放熱部４に、多数のフィンを持った放熱構造体１２を接続したことで、放熱部４の放熱効率をより高めることができる。

コア金属として、長さ１００ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの低炭素鋼板を用い、ドリル加工により反射カップ部を形成した。反射カップ部は、コア金属の長手方向に沿って一列に１４ｍｍ間隔で７個形成し、これを２列、合計１４個形成した。反射カップ部の寸法は、直径２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、角度４５度でスロープ部を作製した。
次に、ガラス粉体を分散媒に混ぜて均一に分散させた液を、前記コア金属の表面に塗布し、乾燥後、８５０℃で焼成し、ホーロー層を形成した。ホーロー層の厚さは２００μｍとなるようにし、反射カップ部が形成されている面の電極形成領域に銅ペーストを塗布し、焼成して厚さ０．１ｍｍの電極を形成してホーロー基板を製造した。

［実施例１］
前記のホーロー基板の反射カップ部を設けていない面にサンドブラスト処理を行い、ホーロー層の除去を行い、図１に示すように、コア金属が露出するように処理して放熱部を形成した。
この基板の反射カップ部に、発光素子として、出力２０ｍＷの青色ＬＥＤ素子を実装した。前記ホーロー基板に合計１４個の青色ＬＥＤ素子を実装し、黄色発光蛍光体粉末を混合したシリコーン樹脂で反射カップ部を封止し、白色ＬＥＤとした。
このＬＥＤ素子に６０ｍＡの駆動電流を流して発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基板中心部の温度は１３０℃であった。

［実施例２］
前記のホーロー基板の反射カップ部を設けていない面にサンドブラスト処理を行い、ホーロー層の除去を行い、コア金属が露出するように処理した。次に、コア金属が露出している面にドリル加工を行い、直径２ｍｍ、深さ０．２ｍｍの穴を作製し、図２に示すように、合計３０個の凹凸部分を設け、コア金属が露出している部分の表面積を大きくして放熱部を形成した。
図２に示すように、反射カップ部に出力２０ｍＷの青色ＬＥＤ素子を実装した。ホーロー基板に合計１４個ＬＥＤ素子を実装し、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂で反射カップ部を封止し、白色ＬＥＤモジュールとした。各ＬＥＤ素子に電流６０ｍＡを流し、発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基板中心部の温度は１１０℃であった。

［実施例３］
前記のホーロー基板の反射カップを設けていない面にサンドブラスト処理を行い、ホーロー層の除去を行い、図１に示すように、コア金属が露出するように処理した。コア金属が露出している面にアルミ製の多数のフィンを持つ長さ１０ｍｍの放熱構造体を取り付けた。
図３に示すように、反射カップ部に出力２０ｍＷの青色ＬＥＤ素子を実装した。ホーロー基板に合計１４個ＬＥＤ素子を実装し、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂で反射カップを封止し、白色ＬＥＤモジュールとした。各ＬＥＤ素子に電流６０ｍＡを流し、発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基板中心部の温度は８０℃であった。
ここで用いたアルミ製の放熱構造体は、放熱フィンの長さが大きいため、ＬＥＤ素子の温度を下げることができたが、ＬＥＤモジュールが大型になる。

［比較例］
図４に示すように、サンドブラスト処理を行わずにコア金属２全面をホーロー層３で被覆した発光素子実装用ホーロー基板１５を用い、反射カップ部に出力２０ｍＷの青色ＬＥＤ素子を実装した。ホーロー基板に合計１４個ＬＥＤ素子を実装し、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂で反射カップを封止し、白色ＬＥＤモジュール１４とした。各ＬＥＤ素子に電流６０ｍＡを流し、発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基板中心部の温度は１５０℃であり、コア金属を露出させた放熱部を設けた実施例１の基板よりも温度が高くなった。

本発明の第１実施形態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態を示す断面図である。 比較例で作製した発光素子モジュールの断面図である。

符号の説明

１…発光素子実装用ホーロー基板、１Ａ…反射カップ部、２…コア金属、３…ホーロー層、４…放熱部、５…電極、６…発光素子、７…金線、８…透明樹脂、１０，１１，１３…発光素子モジュール、１２…放熱構造体。

Claims (11)

1. コア金属の表面にホーロー層が被覆されてなり、一方の面に発光素子実装用の反射カップ部が設けられた発光素子実装用ホーロー基板であって、前記反射カップ部が設けられていない面の少なくとも一部に、ホーロー層が除去されてコア金属が露出した放熱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. 前記反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、電極がパターン形成されてい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. 前記放熱部に凹凸が設けられ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. 前記放熱部に、フィンを有する放熱構造体が接続されている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. 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の前記反射カップ部に、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。
6. 前記反射カップ部が透明樹脂によって樹脂封止されていることを特徴とする請求項５に記載の発光素子モジュール。
7. 前記反射カップ部が蛍光体を混入した透明樹脂によって樹脂封止されていることを特徴とする請求項５に記載の発光素子モジュール。
8. 前記発光素子として青色発光ダイオードと、黄色発光蛍光体とを組み合わせて白色発光素子を構成したことを特徴とする請求項７に記載の発光素子モジュール。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載の発光素子モジュールを有する照明装置。
10. 請求項５〜８のいずれかに記載の発光素子モジュールを有する表示装置。
11. 請求項５〜８のいずれかに記載の発光素子モジュールを有する交通信号機。
    

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