JP2007165507A - 発光素子実装用基板およびその製造方法、並びに、発光素子モジュール、表示装置、照明装置、交通信号機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子14から発する光を所定の方向に向けて反射する反射カップ部18が形成された金属基材12と、この金属基材12の表面を被覆する絶縁膜13とを有する発光素子実装用基板11において、絶縁膜13を、熱伝導性と放熱性とを兼ね備えたものとする。
【選択図】図1
Description
本発明の請求項10に係る照明装置は、請求項8に係る発光素子モジュールを有することを特徴とする。
本発明の請求項11に係る交通信号機は、請求項8に係る発光素子モジュールを有することを特徴とする。
図1中、符号10は発光素子モジュール、11は発光素子実装用基板、12は金属基材、13は絶縁膜、14は発光素子、15はワイヤボンド、16は封止樹脂、17は電極、18は反射カップ部、をそれぞれ示している。
また、絶縁膜13の厚みが10μm未満では、金属基材12の表面に設けられた絶縁膜13に亀裂が発生し、金属基材12が露出するおそれがあり、絶縁性の低下や、金属基材12の酸化などにより、発光素子実装用基板11の長期信頼性を損なうことがある。一方、絶縁層13の厚みが100μmを超えると、金属基材12の表面に設けられた絶縁膜13に亀裂が発生するおそれがあり、また、絶縁膜13を設ける際に、絶縁膜13を形成する材料が反射カップ部18の底部18aの周縁部に溜まり易く、実装スペースの減少によって底部18aに発光素子14を実装できなくなるおそれがある。さらに、厚い絶縁膜によって、放熱性が悪くなり、発光素子の発光特性を損なうおそれがある。
また、金属基材12の形状は、特に限定されるものではないが、発光素子モジュール10の用途などに応じて、適宜調整される。
これらの厚膜銀ペーストや銅箔をプレス成形してなるものを用いることにより、電極17を、絶縁膜13上で、かつ、金属基材12の反射カップ18を除く領域から、反射カップ部18の側部18bおよび底部18aに渡って設けることができる。
図2は、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際に用いられるエアロゾルデポジション成膜装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図2中、符号20はエアロゾルデポジション成膜装置、21はエアロゾル発生器、22はガスボンベ、23はマスフローコントローラ、24は配管、25は容器、26は成膜室、27Aは絶縁膜の原料となるエアロゾル化されていない微粒子、27Bは絶縁膜の原料となるエアロゾル化された微粒子、28は振動器、29は配管、30はノズル、31は基材保持台、32はメカニカルブースターポンプ、33はロータリーポンプ、をそれぞれ示している。なお、図2中、符号12は、図1に示した金属基材を示す。
また、エアロゾル発生器21は、微粒子27Aを収容した容器25と、この容器25を超音波振動、電磁振動または機械的振動により振動させて、微粒子27Aを一次粒子化する振動器28とから概略構成されている。エアロゾル発生器21における微粒子の一次粒子化により、緻密かつ均一な絶縁膜を形成することができる。
マスフローコントローラ23により、キャリアガスの流量などを制御することによって、エアロゾル発生器21の容器25内における微粒子27Aの発塵量や、成膜室26内において、ノズル30から噴出されるエアロゾル化された微粒子27Bの噴出量を制御することができる。
なお、微粒子27Aとして、チタン酸バリウム(BaTiO3)、PbZrO3−PbTiO3、Bi2Sr2Ca2Cu3O10などのペロブスカイト構造を有する酸化物セラミックスを用いる場合には、キャリアガスとしては酸化性のガスを用いてもよい。酸化性のガスとしては、例えば、酸素や空気が挙げられる。
また、ノズル30は、成膜室26内に設けられた基材保持台31上に配された金属基材12と所定の角度で対向するように配されている。
また、成膜室26には、この成膜室26内の圧力を低圧にするために、耐圧ホースなどを介してメカニカルブースターポンプ32が接続され、さらに、このメカニカルブースターポンプ32には、耐圧ホースなどを介してロータリーポンプ33が接続されている。
本発明に係る発光素子実装用基板を製造するには、まず、所定の形状、大きさに加工した金属基材12に、ドリルなどの切削工具を用いた切削加工、超硬砥石を用いた研磨加工、金属プレス成型機を用いたプレス加工などにより、反射カップ部18を形成する。
エアロゾルデポジション法とは、図2に示すようなエアロゾルデポジション成膜装置20を用い、低圧にて、金属基材12の表面にエアロゾル化した微粒子27Bを衝突させて、高熱伝導性の絶縁膜13を形成する成膜法である。
このエアロゾルデポジション法によれば、室温に非常に近い低温でも、様々な金属基材12上に高熱伝導性の絶縁膜13を形成することができる。すなわち、エアロゾルデポジション法によれば、アルミニウムやステンレスなどの融点が低い金属を主成分とする金属材料からなる金属基材上にも高熱伝導性の絶縁膜を形成することができる。
エアロゾル発生器21の容器25内に収容された微粒子27Aを振動器28により振動させながら、ガスボンベ22から、アルゴンガスなどのキャリアガスを容器25内に供給し、微粒子27Aをエアロゾル化する。そして、容器25内でエアロゾル化された微粒子27Bは、ガスボンベ22から容器25内に供給されているキャリアガスと共に、配管29を介して、ノズル30から金属基材12に向けて噴射される。これにより、ジェット流となった微粒子27Bが金属基材12上に堆積し、金属基材12上に絶縁膜13が形成される。
金属基材31の表面に対して、ノズル30から微粒子27Bが噴出する角度が50°を超えると、絶縁膜の平坦度が悪化して放熱性が悪化する。また、絶縁膜の平坦度が悪いので、金属や発光素子の実装が困難になり、信頼性が悪化する。
微粒子27Aの直径が21μmを超えると、金属材料に衝突する微粒子の運動エネルギーが大きくなり、金属材料がエッチングされてしまう。
本発明に係る発光素子モジュールを製造するには、まず、発光素子実装用基板11の絶縁膜13上に、所定の厚みに銀ペーストを塗布するか、または、あらかじめ反射カップ部の形状に応じて所定の形状に成形された銅箔などを配し、発光素子に電力を供給するための電極17を設ける。
次いで、金線からなるワイヤボンド15により、発光素子14と、電極17Aと離間して隣接する電極17Bとを電気的に接続する。
例えば、発光素子14として、多数の青色LED、緑色LED、赤色LEDを順次、またはランダムに配置することにより、LEDを用いた表示装置を構成することができる。
また、例えば、発光素子14として、白色LEDを用い、多数の白色LEDを大型の発光素子実装用基板11に縦横に実装することにより、大面積の平面型照明装置を構成することができる。
さらに、例えば、発光素子実装用基板11に実装する複数の発光素子14を同じ発色光のものとすることにより、交通信号機を構成することができる。
厚み1.5mmのアルミニウム基材を縦10mm×横10mmの寸法に切断した後、このアルミニウム基材に、ドリルあるいは金属プレス加工により、反射カップ部を形成した。反射カップ部は、深さを0.6mm、底部の直径を2.1mm、側部の傾斜角度を45°とした。
次いで、エアロゾルデポジション法により、アルミニウム基材の表面を被覆する絶縁膜を形成し、発光素子実装用基板を得た。絶縁膜の形成には、絶縁膜の原料としては、窒化アルミニウム微粒子を用い、キャリアガスとしては乾燥空気を用いた。
次いで、発光素子実装用基板の絶縁膜上に、所定の厚みに銀ペーストを塗布し、発光素子に電力を供給するための電極を設けた 。
次いで、青色発光素子(XB900、Cree社製)を、銀ペーストにより、絶縁膜上に設けた電極に電気的に接続した。
次いで、金線からなるワイヤボンドにより、青色発光素子と、この青色発光素子を接続した電極と離間して隣接する電極とを電気的に接続した。
次いで、反射カップ部内に、上部が表面張力で十分に盛り上がるまでエポキシ系の熱硬化型樹脂を入れ、この熱硬化型樹脂を硬化させて、封止樹脂を形成し、発光素子モジュールを得た。
雰囲気温度を室温(25℃)とし、発光素子モジュールに350mAの電流を1時間通電した後、電流値を10mAまで急激に落として、発光素子モジュールに印加されている電圧を測定した。電圧の測定には、電圧計を用いた。
あらかじめ測定しておいた発光素子モジュールに印加されている電圧と温度との関係から、測定した電圧から換算した温度を、発光素子の温度(A)とした。同時に、熱電対により、この発光素子モジュールを構成するアルミニウム基材の裏面(発光素子が実装されていない側の面)の温度(B)を測定した。
得られた発光素子の温度(A)と、アルミニウム基材の裏面の温度(B)との温度差(A−B)を、発光素子モジュールに投入した電力(電流×電圧)で除することにより、発光素子モジュールの熱抵抗値(℃/W)を算出した。
発光素子モジュールの反射カップ部が設けられている側の面の全面に、銀ペーストを塗布し、この銀ペーストを焼成して、電気絶縁性の評価用基板を作製した。
この評価用基板の反射カップ部が設けられている側の面と、反射カップ部が設けられていない側の面に、電極を接続し、評価用基板に1000Vの直流電流を通電して耐電圧試験を行い、発光素子モジュールの電気絶縁性を評価した。耐電圧試験には、あらかじめ決められた電圧を印加したときの絶縁破壊の有無を確認する方法を用いた。
この耐電圧試験において、発光素子モジュールが電気絶縁性を保った場合をOK、発光素子モジュールが電気絶縁性を保てなかった場合をNGとした。なお、電気絶縁性が保てるか否かの判断は、LED駆動時に流れる電流値が100mAを超えるか否かで行った。電流値が100mA以下の場合をOKとした。
発光素子モジュールの反射カップ部の底部に形成された絶縁膜について、その中央部の1000μm×1000μmの領域における厚みの最大値と最小値との差を測定し、反射カップ部の底部における絶縁膜の平坦度を評価した。絶縁膜の平坦度の測定には、接触式の段差計を用いた。
絶縁膜の厚みの最大値と最小値との差の絶対値が10μm以下の場合をOK、絶縁膜の厚みの最大値と最小値との差の絶対値が10μmを超える場合をNGとした。
また、絶縁膜の厚みの絶対値を変化させた時のLEDの発光効率を表5に示す。
この発光効率は、発熱の影響を評価するために、電流印加後5分経過してから測定した。また、LEDを発光させた直後の発光効率は、24.0〜26.0lm/Wであった。このことから、絶縁膜の膜厚は、10μm以下であることが放熱基板には必要であると言える。
発光素子実装用基板の絶縁膜の厚みを10μmとした。
(実施例2)
発光素子実装用基板の絶縁膜の厚みを30μmとした。
(実施例3)
発光素子実装用基板の絶縁膜の厚みを59μmとした。
(実施例4)
発光素子実装用基板の絶縁膜の厚みを100μmとした。
発光素子実装用基板の絶縁膜の厚みを5μmとした。
(比較例2)
発光素子実装用基板の絶縁膜の厚みを135μmとした。
上記の実施例1〜4、および、比較例1,2について、発光素子モジュールの熱抵抗値、電気絶縁性、反射カップ部の底部における絶縁膜の平坦度を評価した。
結果を表1に示す。
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料となるエアロゾル化されていない窒化アルミニウム微粒子の直径を1.1μmとし、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成した。
(実施例6)
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料となるエアロゾル化されていない窒化アルミニウム微粒子の直径を10μmとし、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成した。
(実施例7)
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料となるエアロゾル化されていない窒化アルミニウム微粒子の直径を21μmとし、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成した。
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料となるエアロゾル化されていない窒化アルミニウム微粒子の直径を25μmとし、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成した。
上記の実施例5〜7、および、比較例3について、反射カップ部の底部における絶縁膜の平坦度を評価した。
結果を表2に示す。
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料として、直径1.1μmの窒化ケイ素微粒子を用い、厚み100μmの絶縁膜を形成した。
(実施例9)
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料として、直径4.0μmの窒化アルミニウム微粒子を用い、厚み100μmの絶縁膜を形成した。
(実施例10)
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料として、直径5.0μmのダイヤモンド微粒子を用い、厚み100μmの絶縁膜を形成した。
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料として、直径2.5μmの窒化ホウ素微粒子を用い、厚み100μmの絶縁膜を形成した。
(実施例12)
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料として、直径1.0μmの酸化アルミニウム微粒子を用い、厚み100μmの絶縁膜を形成した。
(実施例13)
発光素子実装用基板の絶縁膜の原料として、直径2.0μmのシリカガラス微粒子を用い、厚み100μmの絶縁膜を形成した。
結果を表3に示す。
なお、参考として、各原料の熱伝導率(W/m・K)を表3に示す。
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面形状(反射カップ部の形状)に応じて、アルミニウム基材の表面に対して、窒化アルミニウム微粒子が噴出する角度を変化させた。具体的には、アルミニウム基材の表面(反射カップ部の側部や底部に対しても)と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に90°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(実験例2)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面に対して、窒化アルミニウム微粒子が噴出する角度を一定とした。
上記の実験例1,2について、反射カップ部の底部における絶縁膜の平坦度を評価した。
結果を表4に示す。
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に90°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(実施例15)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に80°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(実施例16)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に70°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に60°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(実施例18)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に50°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(実施例19)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に40°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に30°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(比較例5)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に20°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
(比較例6)
エアロゾルデポジション法により、発光素子実装用基板の絶縁膜を形成する際、アルミニウム基材の表面と窒化アルミニウム微粒子の噴射方向とのなす角が常に10°となるように、窒化アルミニウム微粒子の噴出方向を制御した。
上記の実験例14〜19、および、比較例4〜6について、反射カップ部の底部における絶縁膜の平坦度を評価した。
結果を表5に示す。
Claims (11)
- 発光素子から発する光を所定の方向に向けて反射する反射カップ部が形成された金属基材と、この金属基材の表面を被覆する絶縁膜とを有する発光素子実装用基板であって、
前記絶縁膜は、熱伝導性と放熱性とを兼ね備えていることを特徴とする発光素子実装用基板。 - 前記絶縁膜の厚みは10μm以上、100μm以下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基板。
- 前記金属基材はアルミニウム、ステンレスを主成分とする金属材料からなることを特徴とする請求項1に記載の発光素子実装用基板。
- 前記絶縁膜は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、シリカガラスから選択される1種または2種以上からなることを特徴とする請求項1に記載の発光素子実装用基板。
- 発光素子から発する光を所定の方向に向けて反射する反射カップ部が形成された金属基材と、この金属基材の表面を被覆する絶縁膜とを有する発光素子実装用基板の製造方法であって、
前記絶縁膜をエアロゾルデポジション法により形成することを特徴とする発光素子実装用基板の製造方法。 - 前記絶縁膜の原料として、エアロゾル化した微粒子を用い、前記金属基材に対して該微粒子を噴射し、該絶縁膜を形成する際に、前記金属基材の表面に対して前記微粒子が噴出する角度を0°以上、50°以下とすることを特徴とする請求項5に記載の発光素子実装用基板の製造方法。
- 前記微粒子の直径を21μm以下とすることを特徴とする請求項6に記載の発光素子実装用基板の製造方法。
- 請求項1ないし4に記載の発光素子実装用基板と、該発光素子実装用基板の反射カップ部に実装された発光素子と、を具備することを特徴とする発光素子モジュール。
- 請求項8に記載の発光素子モジュールを有することを特徴とする表示装置。
- 請求項8に記載の発光素子モジュールを有することを特徴とする照明装置。
- 請求項8に記載の発光素子モジュールを有することを特徴とする交通信号機。
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