JP2007214245A - 基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を高めるとともに照射効率を高めるＬＥＤ用基板を安価に提供することを目的としている。
【解決手段】凹部２ａを有する樹脂構造物よりなる絶縁体２の表面に反射率の高い表面を持つ、部品素子５に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層６６を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターン３を貼り付けることを特徴とする基板の製造方法であり、高い放熱性と回路パターンが反射板を兼ねることによる低コストを実現した。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば、ＬＥＤ発光機器に用い、ＬＥＤを装着して、ＬＥＤから生ずる熱を放熱するとともに、ＬＥＤから生ずる光の照射効率を高めた基板の製造方法に関するものである。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に従い、電子部品の高密度、高機能化が一層叫ばれている。そのため、電子部品の小型化、高機能化、また高密度実装により、電子部品の温度上昇が大きな問題となり、電子部品の放熱を高める方法が重要な課題となってきている。

電子部品の中でもＬＥＤは温度が上がりすぎると発光量が減少するという特性があり、発光量を上げるためには放熱が不可欠である。

ＬＥＤの放熱を高める技術として、ＬＥＤを金属基板に装着し、ＬＥＤの背面から熱を拡散する方式が知られている。

図１２は従来の金属基板３０にＬＥＤを装着した状態の断面図である。図１２において、従来の構成では、ＬＥＤ５ａが、金属基板３０上の配線パターン３２に装着されている。金属板３１と配線パターン３２の間には絶縁層３３がある。ＬＥＤ５ａは配線パターン３２と絶縁層３３を介して金属板３１へ放熱を行うことができる。

また、金属基板３０上には円錐形の穴を持つ樹脂ブロック３４が積層されており、この円錐形の穴の内側には光沢めっき３５が施されている。これはＬＥＤ５ａの側面から出る光を反射させて上面に出すための反射板の役目をするものである。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−１５９０４５号公報

上記従来の構成では、配線パターン３２は５０μｍ程度の厚さの銅箔であり、また絶縁層３３は樹脂フィルムであり熱伝導率が低いため十分な放熱ができないという問題点を有していた。また、ＬＥＤ５ａの発光は基板に垂直方向だけでなく平行方向にも行われるため平行方向に照射される光を生かすためにわざわざ反射板の機能を持つ部分めっきされたブロックを基板上に設置しなければならずコストアップになっていた。

本発明は上記問題点を解決するもので、放熱性を高めるとともに照射効率を高めるＬＥＤ用基板を安価に提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、円錐形の凹部を有する樹脂構造物とその表面に反射率の高い表面を持つ、部品素子となるＬＥＤ素子に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンを貼り付ける基板の製造方法を特徴とするものである。

上記製造方法により、凹部の底部に装着されたＬＥＤの側面から照射された光は凹部がリフレクターとなり基板と垂直方向に反射するため照射効率を上げることができる。また、ＬＥＤ素子に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンを有していることにより、ＬＥＤ素子から発生する熱を効率よく放熱することができる。また、このリフレクターを構成している導電性金属板からなる回路パターンは肉厚を厚くできるため熱伝導率が大きく、放熱性を高めることができる。放熱性や発光性の必要度に応じて、凹部を有する樹脂構造物の材料を選択したり、導電性金属板からなる回路パターンの面積を変えたり厚みを変えたりあるいは表面のめっきの種類を選択して反射率を変えるなどして、所望の特性を自由に得ることができる。

以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明のＬＥＤ用基板にＬＥＤを装着した状態の断面図、図２は同斜視図である。

図１において、アルミ製の基台１の上には、無機フィラーを含有した熱伝導性樹脂でできた絶縁体２がすり鉢状（円錐形状）の凹み２ａを有した状態で接合されており、その表面には厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が貼り付けられている。前記回路パターン３の表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている。ＬＥＤ５はこの基板の凹み２ａ部の底にフェイスダウンの状態で導電層となるバンプ６を介して接合されている。図１の矢印はＬＥＤ５から出る光の道筋を示す。この絶縁体２は、無機フィラーを含有した絶縁樹脂からなるとともに、この無機フィラーの熱伝導率を絶縁樹脂の熱伝導率よりも大きくしたものである。

なお、ＬＥＤ素子（部品素子）となるＬＥＤ５は、図示していないが、基台１平面と平行な平面を有する半導体層（ｎ型半導体層５ａ、ｐ型半導体層５ｂ）を積層して形成されている。ｎ型半導体層５ａ平面は、ＬＥＤ５の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状であり、ｐ型半導体層５ｂ平面は、ｎ型半導体層５ａが電源側との電気的接続をする電極部を設けるようにして残った平面の形状（面積）を有しており、ｎ型半導体層５ａの平面より小さい形状をしている。このＬＥＤ５の半導体層（ｎ型半導体層５ａ、ｐ型半導体層５ｂ）から回路パターン３への電気的接続は、図１に示すように導電層となるバンプ６で行っており、積層形成後の各半導体層の平面形状サイズに応じて複数のバンプを設けるなどして、各平面を全体的（全面的）に電気的接続させるようにしている。これにより、ＬＥＤ５からそれに対向する回路パターン３への接続が、熱伝導性の高い金属成分を主体とした導電層により広い接続面積（あるいは導電層の平面）で直接接続することができ、ＬＥＤ５から回路パターン３への熱伝導特性（放熱性）を格段に向上させることができる。

なお、ＬＥＤ５からバンプ６、あるいはバンプ６から回路パターン３への電気的接続に際して、必要に応じて金などの光の反射率の高い金属めっきによる電極層を介して行っていいということは言うまでも無い。

また、各半導体層（ｎ型半導体層、ｐ型半導体層）の電気的接続を行う接続平面形状は、長方形や台形などの四角形、Ｌ字形状、円弧形状など、互いにｎ型半導体層、ｐ型半導体層で異なるようにして組み合わせることで接続面積を大きくすることができ、放熱性がより高められる。

特に、ｐ型半導体層との接続は、円弧形状あるいは四角形とし、ｎ型半導体層との接続は、ｐ型半導体層の接続形状（円弧形状あるいは四角形）を切欠き残った形状とすることで、接続面積を大きくすることができ、放熱性がより高められる。

なお上記のように、２つの半導体層（ｎ型半導体層５ａ、ｐ型半導体層５ｂ）に対してその各平面全体を導電層を介して電気的に回路パターン３に接続しなくても、少なくとも１つの半導体層平面の全体を同様に回路パターン３に接続しても同様な効果を奏する。特に、ＬＥＤ素子の少なくとも一方の半導体層が、ＬＥＤ素子の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状であり、その平面全体を導電層を介して回路パターン３へ直接接続できる（すなわち、もう一方の接続は同一方向とは異なる方向に電気的接続する）構成の場合は、格段に放熱性を高めることができる。

また上記では、導電層はバンプ６としたが、それに限らず、導電性接着剤、あるいは一部にワイヤーボンディングで電気的接続を併用するなどして行ってもいいということは言うまでも無い。

無機フィラーは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＢＮおよびＡｌＮから選ばれる少なくとも一つを含んでいる。無機フィラーを用いると、放熱性が優れるが、特に、ＭｇＯを用いると線膨張係数を大きくでき、ＳｉＯ₂を用いると誘電率を小さくでき、ＢＮを用いると線膨張係数を小さくできる。

無機フィラーは略球形状で、その直径は０．１〜１００μｍであるが、粒径が小さいほど絶縁樹脂への充填率を向上できる。絶縁体２に占める無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために、７０〜９５重量％と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径３μｍと平均粒径１２μｍの２種類のＡｌ₂Ｏ₃を混合したものを用いている。この大小２種類の粒径のＡｌ₂Ｏ₃を用いることによって、大きな粒径のＡｌ₂Ｏ₃の隙間に小さな粒径のＡｌ₂Ｏ₃を充填できるので、Ａｌ₂Ｏ₃を９０重量％近くまで高濃度に充填できるものである。この場合、絶縁体２の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ程度となる。

熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも１種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。

絶縁体２の厚さは、薄くすれば、回路パターン３に装着したＬＥＤ５に生じる熱を基台１に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と、熱抵抗を考慮して最適な厚さに設定すれば良い。

金属製の基台１としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金からできている。特に、本実施の形態では、基台１の厚みを１ｍｍとしている。また、基台１としては、単なる板状のものだけでなく、より放熱性を高めるため、絶縁体２を積層した面とは反対側の面に、表面積を広げるためにフィン部を形成しても良い。全膨張係数は８×１０^-6／℃〜２０×１０^-6／℃としており、基台１やＬＥＤ５の線膨張係数に近づけることにより、基板全体の反りや歪みを小さくできる。

（実施の形態２）
図３は本発明の他の実施形態を示す断面図、図４は同斜視図である。

図３において、アルミ製の基台１の上には、無機フィラーを含有した熱伝導性樹脂でできた絶縁体２がすり鉢状の凹み２ａを有した状態で接合されており、その表面には厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が貼り付けられている。前記回路パターン３の表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている。ＬＥＤ５はこの基板の凹み２ａ部の底に設置されている。図３の矢印はＬＥＤ５から出る光の道筋を示す。ＬＥＤ５と回路パターン３との電気的配線はワイヤ７を用いたワイヤボンディング方式でも形成されている。

なお、ＬＥＤ素子（部品素子）となるＬＥＤ５は、図示していないが、基台１平面と平行な平面を有する半導体層（ｎ型半導体層、ｐ型半導体層）を積層して形成されている。ｎ型半導体層平面は、ＬＥＤ５の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状を有している。このＬＥＤ５の半導体層から回路パターン３への電気的接続は、図３に示すように金属層よりなる導電層６６で行っており、平面を全体的（全面的）に電気的接続させるようにしている。これにより、ＬＥＤ５から回路パターン３への接続が、熱伝導性の高い金属成分を主体とした導電層６６により広い接続面積（あるいは導電層の平面）で接続することができ、ＬＥＤ５から回路パターン３への熱伝導特性（放熱性）を格段に向上させることができる。

なお、ＬＥＤ５からバンプ６、あるいはバンプ６から回路パターン３への電気的接続に際して、必要に応じて金などの金属めっきによる電極層を介して行っていいということは言うまでも無い。

このように、ＬＥＤ素子の少なくとも一方の半導体層が、ＬＥＤ素子の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状であり、その平面全体を導電層を介して回路パターン３へ直接接続できる（すなわち、もう一方の接続は同一方向とは異なる方向に電気的接続する）構成の場合は、格段に放熱性を高めることができる。

（実施の形態３）
図５は本発明の他の実施形態を示す断面図である。

図５において、アルミ製の基台１の上には、無機フィラーを含有した熱伝導性樹脂でできた絶縁体２がすり鉢状の凹み２ａを有した状態で接合されており、その表面には厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が埋め込まれている。前記回路パターン３の表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている。ＬＥＤ５はこの基板の凹み２ａ部の底に設置されている。図５の矢印はＬＥＤ５から出る光の道筋を示す。ＬＥＤ５と回路パターン３との電気的配線はワイヤ７を用いたワイヤボンディング方式でも形成されている。

なお、ＬＥＤ素子（部品素子）となるＬＥＤ５は、図示していないが、基台１平面と平行な平面を有する半導体層（ｎ型半導体層、ｐ型半導体層）を積層して形成されている。ｎ型半導体層平面は、ＬＥＤ５の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状を有している。このＬＥＤ５の半導体層から回路パターン３への電気的接続は、図３に示すように金属層よりなる導電層６６で行っており、平面を全体的（全面的）に電気的接続させるようにしている。これにより、ＬＥＤ５から回路パターン３への接続が、熱伝導性の高い金属成分を主体とした導電層６６により広い接続面積（あるいは導電層の平面）で接続することができ、ＬＥＤ５から回路パターン３への熱伝導特性（放熱性）を格段に向上させることができる。

なお、ＬＥＤ５からバンプ６、あるいはバンプ６から回路パターン３への電気的接続に際して、必要に応じて金などの金属めっきによる電極層を介して行っていいということは言うまでも無い。

このように、ＬＥＤ素子の少なくとも一方の半導体層が、ＬＥＤ素子の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状であり、その平面全体を導電層を介して回路パターン３へ直接接続できる（すなわち、もう一方の接続は同一方向とは異なる方向に電気的接続する）構成の場合は、格段に放熱性を高めることができる。

（実施の形態４）
図６は本発明の他の実施形態を示す断面図である。

図６において、アルミ製の基台１の上には、無機フィラーを含有した熱伝導性樹脂でできた絶縁体２がすり鉢状の凹み２ａを有した状態で接合されており、その表面には無電解めっきによる回路パターン４が形成されている。この図６では図示していないが図５と同じく、ＬＥＤ５はこの基板の凹み２ａ部の底に設置され、ＬＥＤ５と回路パターン４との電気的配線はワイヤ７を用いたワイヤボンディング方式でも接続される。

なお、ＬＥＤ素子（部品素子）となるＬＥＤ５は、図示していないが、基台１平面と平行な平面を有する半導体層（ｎ型半導体層、ｐ型半導体層）を積層して形成されている。ｎ型半導体層平面は、ＬＥＤ５の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状を有している。このＬＥＤ５の半導体層から回路パターン３への電気的接続は、図３に示すように金属層よりなる導電層６６で行っており、平面を全体的（全面的）に電気的接続させるようにしている。これにより、ＬＥＤ５から回路パターン３への接続が、熱伝導性の高い金属成分を主体とした導電層６６により広い接続面積（あるいは導電層の平面）で接続することができ、ＬＥＤ５から回路パターン３への熱伝導特性（放熱性）を格段に向上させることができる。

なお、ＬＥＤ５からバンプ６、あるいはバンプ６から回路パターン３への電気的接続に際して、必要に応じて金などの金属めっきによる電極層を介して行っていいということは言うまでも無い。

このように、ＬＥＤ素子の少なくとも一方の半導体層が、ＬＥＤ素子の平面外形とほぼ同じ面積を有した形状であり、その平面全体を導電層を介して回路パターン３へ直接接続できる（すなわち、もう一方の接続は同一方向とは異なる方向に電気的接続する）構成の場合は、格段に放熱性を高めることができる。

このようなＬＥＤ用基板の製造工程は次の通りである。

図７は本発明のＬＥＤ用基板の製造工程を示す図である。

図７（ａ）において、表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が円錐形の凹部３ａを有するように成形されており、その円錐形の凹部３ａと嵌め合う凸部１１ａを有する下金型に固定された状態にあり、絶縁体２が積層されたアルミ製の基台１を上金型１２でガイドしながら押し板１３で押し込み、図７（ｂ）のごとく金型内で加圧と加熱を行い、未硬化の絶縁体２を硬化することにより回路パターン３が絶縁体２に埋め込まれ、一体化したＬＥＤ用基板が形成される。この時、絶縁体２に含まれる未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を上下金型１１，１２から取り出すに十分な硬さに硬化させるには１２０℃で１０分以上の時間を有する。そこでこの時間を短縮して生産性を上げるためにプレゲル材を混ぜる。プレゲル材は、熱可塑性樹脂パウダーであり、未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂の液状成分を吸収して膨張し、未硬化の絶縁樹脂がゲルとなるように作用する働きをする。プレゲル材は１２０℃の温度では１分程度で作用し、金型から取り出すに十分な硬さにすることができるため生産性を上げることができる。

上記のように、回路パターン３と基台１を形成した後に、図示はしていないがＬＥＤ５を導電層となるバンプあるいは導電性接着剤を介して回路パターン３に接続固定する。

図８は本発明のＬＥＤ用基板の他の製造工程を示す図である。

図８のように、表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が円錐形の凹部３ａを有するように成形されており、その円錐形の凹部３ａと嵌め合う凹部２ａを有する、すでに硬化した状態にある絶縁体２の上に接着剤（図示せず）を介して積層することにより回路パターン３を絶縁体２の上に貼り付けるものである。

そして、回路パターン３と基台１を形成した後、図示はしていないがＬＥＤ５を導電層となるバンプあるいは導電性接着剤を介して回路パターン３に接続固定する。

図９は本発明のＬＥＤ用基板の他の製造工程を示す図である。

図９のように、表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が、円錐形の凹部３ａを有するように成形されており、その円錐形の凹部３ａと嵌め合う凹部２ａを有する、未だ重合反応しておらずプレゲル材によって半硬化状態にある絶縁体２の上に積層した後に加熱することにより、回路パターン３を絶縁体２の上に貼り付けるものである。

そして、回路パターン３と基台１を形成した後、図示はしていないがＬＥＤ５を導電層となるバンプあるいは導電性接着剤を介して回路パターン３に接続固定する。

図１０は本発明のＬＥＤ用基板の他の製造工程を示す図である。

図１０のように、表面にはニッケル下地の錫めっき処理が施されている厚さ０．５ｍｍの銅板でできた回路パターン３が円錐形の凹部３ａを有するように成形されており、その円錐形の凹部３ａと嵌め合う凹部２ａを有する、未だ重合反応しておらずプレゲル材によって半硬化状態にある絶縁体２の上に積層した後に加熱することにより図１１のように、回路パターン３を絶縁体２の上に埋め込むものである。

そして、回路パターン３と基台１を形成した後、図示はしていないがＬＥＤ５を導電層となるバンプあるいは導電性接着剤を介して回路パターン３に接続固定する。

以上のように本発明のＬＥＤ用基板は、放熱性と光の反射による集光機能を持つことにより、また、回路パターンと反射板が一体となることにより低コストでＬＥＤの性能を十分引き出すことのできる基板を製造する用途などに有用である。

本発明の一実施の形態における基板にＬＥＤを装着した断面図 本発明の一実施の形態における基板にＬＥＤを装着した斜視図 本発明の他の実施の形態における基板にＬＥＤを装着した断面図 本発明の他の実施の形態における基板にＬＥＤを装着した斜視図 本発明の他の実施の形態における基板にＬＥＤを装着した断面図 本発明の他の実施の形態における基板にＬＥＤを装着した断面図 （ａ）（ｂ）は、本発明の一実施形態の基板の製造工程を示す断面図 本発明の基板の他の製造工程を示す断面図 本発明の基板の他の製造工程を示す断面図 本発明の基板の他の製造工程を示す断面図 図１０の基板の製造工程を示す断面図 従来の金属基板にＬＥＤを装着した状態の断面図

符号の説明

１ 基台
２ 絶縁体
３ 回路パターン
４ めっきによる回路パターン
５ ＬＥＤ素子
６ バンプ
７ ワイヤ
１１ 下金型
１２ 上金型
１３ 押し板
６６ 導電層

Claims (8)

1. 部品素子に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンが凹部を有するようにあらかじめ成形されており、前記凹部と嵌め合う凸部を有する金型に固定された状態で樹脂を積層し、金型内で加圧と加熱を行い、未硬化の前記樹脂を硬化することを特徴とする基板の製造方法。
2. 部品素子に有する２つ以上の半導体層平面の各全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンが、凹部を有するようにあらかじめ成形されていることを特徴とする請求項１に記載の基板の製造方法。
3. 導電層はバンプであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の基板の製造方法。
4. 樹脂がプレゲル材を含んでおり、半硬化状態にして金型から取り出すことを特徴とする請求項１に記載の基板の製造方法。
5. 樹脂を、凹部を有する樹脂構造物に成形した後硬化させ、その表面に、部品素子に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンを、熱伝導性接着剤を用いて貼り付けることを特徴とする基板の製造方法。
6. プレゲル材を含んだ樹脂を、凹部を有する樹脂構造物に、成形時に重合反応がほとんど進んでいない半硬化状態にしておき、その表面に、部品素子に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンを貼り付けた後加熱して硬化させることを特徴とする基板の製造方法。
7. 凹部を有する樹脂構造物の成形時に半硬化状態にしておき、その表面に、部品素子に有する少なくとも１つの半導体層平面の全面を、導電層を介して電気的接続する導電性金属板からなる回路パターンを埋め込んだ後加熱して硬化させることを特徴とする基板の製造方法。
8. ５００００Ｐａ以下の圧力の真空雰囲気中で行う請求項１〜７のいずれか一つに記載の基板の製造方法。

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