JP2007227489A - Heat dissipation substrate, its production method and light emitting module employing it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマテレビや携帯電話の基地局用に高放熱が要求される電源回路モジュール等の回路基板の用途や、液晶テレビ等のバックライトあるいは自動車のヘッドライト等に使われる放熱が要求される発光モジュールの用途に使われる放熱基板及びその製造方法並びにそれを用いた発光モジュールに関するものである。 The present invention requires the use of circuit boards such as power circuit modules that require high heat dissipation for plasma TV and mobile phone base stations, and heat dissipation used in backlights for liquid crystal televisions and headlights for automobiles. The present invention relates to a heat dissipation substrate used for the use of a light emitting module, a manufacturing method thereof, and a light emitting module using the same.
従来、この種の放熱基板としては、セラミック基板が使われている。そこで従来の放熱基板としては、LEDを用いた発光モジュールを例に説明する。 Conventionally, a ceramic substrate is used as this type of heat dissipation substrate. Therefore, as a conventional heat dissipation substrate, a light emitting module using LEDs will be described as an example.
従来、液晶テレビ等のバックライトには、冷陰極管等が使われてきたが、近年、LEDやレーザー等の半導体発光素子を、放熱性の基板の上に実装することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a cold cathode tube or the like has been used for a backlight of a liquid crystal television or the like, but in recent years, it has been proposed to mount a semiconductor light emitting element such as an LED or a laser on a heat dissipating substrate ( For example, see Patent Document 1).
図9は、従来の発光モジュールの一例を示す断面図である。図9において、セラミック基板1に形成された凹部には、発光素子2が実装されている。また複数のセラミック基板1は、放熱板3の上に固定されている。また複数のセラミック基板1は、窓部4を有する接続基板5で電気的に接続されている。そしてLEDから放射される光6は、接続基板5に形成された窓部4を介して、外部に放出される。なお図9において、凹部を有するセラミック基板1や接続基板5における配線及びLEDの配線等は図示していない。そしてこうした発光モジュールは、液晶等のバックライトとして使われている。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a conventional light emitting module. In FIG. 9, the
しかしLED等の発光素子2は、その発熱温度によって発光効率、発光色が影響を受ける。そのため発光素子2の冷却が重要となるが、セラミック基板1は放熱性が高くても、色々な形状に加工することが難しく高価であるため、より安価で加工性に優れた放熱基板が求められていた。
However, the
なおここでは発光モジュールを例にしたが、プラズマテレビや車載用の各種放熱が要求される基板でも同様であることは言うまでもない。
しかしながら、前記従来の構成では、その用途に応じて様々な形状のセラミック部材を使用する必要があるが、セラミック素材を複雑な形状に加工する必要があり、コストアップしやすいという課題を有していた。 However, in the conventional configuration, it is necessary to use various shapes of ceramic members according to the application, but it is necessary to process the ceramic material into a complicated shape, and there is a problem that the cost is easily increased. It was.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、セラミック部材の高放熱性を活かしながらも、セラミック部材自体を殆ど加工する必要のない、加工性に優れた高放熱基板を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a high heat dissipation substrate excellent in workability, which hardly uses the ceramic member itself while utilizing the high heat dissipation property of the ceramic member. Objective.
前記従来の課題を解決するために、本発明は、少なくとも一面以上に配線を形成したセラミック配線基板と、前記セラミック配線基板を固定する金属板と、前記セラミック配線基板上の配線と、電気的に接続した複数本のリードフレームとを、セラミックフィラー及び熱硬化性樹脂からなる伝熱樹脂により固定した放熱基板とするものである。 In order to solve the conventional problems, the present invention provides a ceramic wiring board having wiring formed on at least one surface, a metal plate for fixing the ceramic wiring board, wiring on the ceramic wiring board, and electrically A plurality of connected lead frames are used as a heat dissipation board fixed by a heat transfer resin made of a ceramic filler and a thermosetting resin.
本発明の放熱基板及びその製造方法並びにそれを用いた発光モジュールは、高放熱が要求される部分だけにセラミック配線基板を用いることで、セラミック素材の複雑な加工を不要とすることができる。 The heat dissipating board of the present invention, the manufacturing method thereof, and the light emitting module using the heat dissipating board can eliminate the need for complicated processing of the ceramic material by using the ceramic wiring board only in a portion where high heat dissipation is required.
つまり本発明の放熱基板では、高放熱が要求される部品だけを選択的に高価だが熱伝導性に優れたセラミック配線基板の上に実装し、更に前記セラミック配線基板を加工が容易で放熱性の優れた金属板の上に固定することで、セラミック配線基板に伝わった熱を、効率的に放熱できる。またセラミック配線基板には必要最小限の配線だけを残し、残りの面積を占める配線を、加工が容易で熱伝導性に優れたリードフレームとする。そしてこのリードフレームを、伝熱樹脂を用いて金属板から絶縁し、放熱基板の配線の一部とすることで、セラミック基板の小型化、低コスト化が可能となる。 In other words, in the heat dissipation board of the present invention, only components that require high heat dissipation are selectively mounted on a ceramic wiring board that is expensive but has excellent thermal conductivity. By fixing on an excellent metal plate, the heat transferred to the ceramic wiring board can be efficiently dissipated. Further, only the minimum necessary wiring is left on the ceramic wiring board, and the wiring occupying the remaining area is made into a lead frame that is easy to process and excellent in thermal conductivity. Then, the lead frame is insulated from the metal plate using a heat transfer resin and used as a part of the wiring of the heat dissipation substrate, whereby the ceramic substrate can be reduced in size and cost.
このように従来のセラミック主体の放熱基板では寸法的、形状的、コスト的に対応しきれなかった用途に対しても、本発明の高放熱基板の場合は、リードフレームや金属板を所定形状に加工し、伝熱樹脂で固定するという特徴を活かすことで対応できる。 As described above, in the case of the high heat dissipation substrate of the present invention, the lead frame and the metal plate are formed into a predetermined shape even for the use that cannot be dealt with in terms of size, shape, and cost with the conventional ceramic-based heat dissipation substrate. This can be done by taking advantage of the features of processing and fixing with heat transfer resin.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における放熱基板について、発光モジュールを例に説明する。なお発光モジュールとしては、例えばLEDや半導体レーザーのような発熱が課題となる発光素子を実装するものであるが、発光素子の代わりに発熱が課題となるトランス、半導体、トランジスタ、センサ部品等に対しても対応可能であり、プラズマテレビや車載用の放熱基板として使えることは言うまでもない。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the heat radiating substrate according to
図1は実施の形態1における放熱基板の斜視図と断面図であり、放熱部品の上に発光素子を実装した場合について説明するものである。
1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view of a heat dissipation board in
図1(A)は放熱基板の斜視図、図1(B)、図1(C)は放熱基板の断面図である。図1において、100はリードフレーム、102は伝熱樹脂、104は金属板、106は発光素子、108はセラミック配線基板、110は矢印である。 1A is a perspective view of the heat dissipation board, and FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views of the heat dissipation board. In FIG. 1, 100 is a lead frame, 102 is a heat transfer resin, 104 is a metal plate, 106 is a light emitting element, 108 is a ceramic wiring board, and 110 is an arrow.
図1(A)において、発光素子106は、例えば発熱が課題となるLEDや半導体レーザー等である。発光素子106はセラミック配線基板108の上に高密度に実装することが望ましい。発光素子106を高密度に実装することで、複数の発光素子106を互いに異なる発光色で発光させた場合での混色(あるいは色の混合によるホワイトバランス)を容易にでき、互いの温度バラツキも小さくできる。またセラミック配線基板108の小型化により、製品コストを抑えられる。
In FIG. 1A, a light-emitting
なお図1において、セラミック配線基板108の上に形成した配線や絶縁層(あるいは保護層)は共に図示していない。そして図1(A)に示すように複数本のリードフレーム100は、伝熱樹脂102に埋め込まれ(リードフレーム100の表面だけが露出する状態で)ている。このようにリードフレーム100を伝熱樹脂102に埋め込むことで、リードフレーム100と伝熱樹脂102の接着強度を高めると共に、リードフレーム100から伝熱樹脂102への熱伝導性を高められる。そしてリードフレーム100の一端を、セラミック配線基板108の上に形成された配線(図示していない)に電気的に接続する。そしてリードフレーム100の残された一端を、伝熱樹脂102から外部へ突き出すことで、この部分を取出し電極(外部電極、あるいは取付け用の電極端子)とする。こうして、数アンペアから数十アンペアの大電流に対応する。またリードフレーム100を実装の形態に合わせて折り曲げることもでき、折り曲げた状態でも発熱基板に必要な強度を確保できる。またリードフレーム100を通じて、セラミック配線基板108の熱を外部に伝導することができる。
In FIG. 1, neither wiring nor insulating layer (or protective layer) formed on the
図1(A)において、リードフレーム100を、伝熱樹脂102によって金属板104から絶縁する。なお図1(A)において、伝熱樹脂102は、セラミック配線基板108の周りを、あたかも額縁のように囲んでいるが、この形状にこだわる必要はない。
In FIG. 1A, the
次に図1(B)、図1(C)を用いて説明する。図1(B)、図1(C)は、図1(A)に示した放熱部品の任意の位置での断面図である。図1(B)、図1(C)に示すように、セラミック配線基板108を、金属板104の上に固定する。セラミック配線基板108は、その面積全体で金属板104の上に固定することが望ましい。このようにセラミック配線基板108と金属板104とを固定する面積を大きくするほど、セラミック配線基板108の熱を効果的に金属板104へ逃がすことができる。ここでセラミック配線基板108に比べ、金属板104の方を大きくすることが望ましい。セラミック配線基板108に比べ、金属板104の方を大きくすることで、セラミック配線基板108と金属板104の接触(もしくは固定)面積を最大とできる。
Next, description will be made with reference to FIGS. 1B and 1C. FIG. 1B and FIG. 1C are cross-sectional views of the heat dissipation component shown in FIG. As shown in FIGS. 1B and 1C, the
図1(B)、図1(C)に示すようにリードフレーム100を、伝熱樹脂102によって金属板104から絶縁する。ここで伝熱樹脂102としては、後に詳細を説明するように、セラミックフィラーを熱硬化性樹脂に添加してなる熱伝導性の高い材料を使うことが望ましい。伝熱樹脂102にセラミックフィラーを添加し、その熱伝導性を高めることで、セラミック配線基板108からリードフレーム100に伝わった熱を、伝熱樹脂102を介して金属板104に伝えられる。
As shown in FIGS. 1B and 1C, the
なお発熱が課題となる発光素子106は、セラミック配線基板108の表面に実装することが望ましい。これは図1(B)、図1(C)に示すように、セラミック配線基板108は金属板104の上に固定されているため、セラミック配線基板108の放熱特性が優れているためである。そして発熱部品である発光素子106を、セラミック配線基板108に実装する。発光素子106が樹脂封止された場合は半田付け、ベアチップ状態の場合はワイヤーボンダーやフリップチップ、バンプ等を用いた実装方法を選ぶことができる。このように発熱が課題となる発光素子106を、選択的にセラミック配線基板108の上に実装することで、発光素子106同士での熱バランスを均一に保てるため、発光モジュール全体内での発光バランスをとりやすくなる。
Note that it is desirable that the light-emitting
なお、図1(C)では、リードフレーム100を伝熱樹脂102に埋め込むと同時に、伝熱樹脂102の発光素子106に面した側に所定の傾きを形成している。図1(C)において、矢印110は発光素子106から放射された光が、伝熱樹脂102を反射面(あるいはリフレクター)として、前方に反射される様子を示すものである。
In FIG. 1C, the
次に図2を用いて、本発明の放熱基板の放熱メカニズムについて説明する。図2は、放熱基板の放熱メカニズムを説明する平面図と断面図である。ここで発熱部品としては、発光素子106を例にとり説明する。
Next, the heat dissipation mechanism of the heat dissipation substrate of the present invention will be described with reference to FIG. 2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a heat dissipation mechanism of the heat dissipation substrate. Here, the
図2(A)は平面方向における放熱メカニズムを説明する平面図である。図2(A)において発光素子106から発生した熱は、矢印110aに示すように発光素子106を搭載するセラミック配線基板108に伝わる。そしてセラミック配線基板108に伝わった熱は、リードフレーム100に伝わる。そしてリードフレーム100に伝わった熱は、リードフレーム100を埋め込む伝熱樹脂102に伝わる。またこの熱はリードフレーム100につながる外部回路(図示していない)に伝える。
FIG. 2A is a plan view illustrating a heat dissipation mechanism in the planar direction. In FIG. 2A, heat generated from the
図2(B)は、厚み方向における放熱メカニズムを説明する断面図である。図2(B)において、矢印110bは、発光素子106から発生する光を意味する。そして発光素子106は矢印110bのように発光すると共に、前記発光素子106に発生した熱は、矢印110cに示すようにセラミック配線基板108へ伝わる。そしてセラミック配線基板108に伝わった熱は、セラミック配線基板108を固定する金属板104に伝える。そして必要に応じて金属板104から放熱板(例えば、フィン等の放熱素子を取り付けたもの等、放熱板は図示していない)に伝える。このようにして、発光素子106を効果的に冷却できる。またリードフレーム100に伝わった熱は、伝熱樹脂102を介して金属板104に伝える。このように発光素子106に発生した熱を、放熱性に優れたセラミック配線基板108を介して、四方八方に(あるいは金属板104に)放熱することができる。
FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a heat dissipation mechanism in the thickness direction. In FIG. 2B, an
なおセラミック配線基板108の面積に比べ、金属板104の面積の方を大きくすることが望ましい。金属板104の面積を、セラミック配線基板108の面積よりも大きくすることで、セラミック配線基板108と金属板104の接合面積を最大にできるため、最小のコストで最大の放熱効果が得られる。
It is desirable to make the area of the
なおセラミック配線基板108と、金属板104は、金属部材もしくは樹脂材料もしくはガラス材料等の熱伝導性の高い部材で接合することで、セラミック配線基板108から金属板104への熱伝導性を高められる。ここでセラミック配線基板108の一面以上に配線を形成することが望ましい。そしてセラミック配線基板108の片面には、発光素子106やリードフレーム100を実装し、残りの片面(金属板104に面した側)に形成した配線(例えば、ベタパターンで)を形成しておき、この配線を利用して金属板104とセラミック配線基板108を接合することができる。例えば、金属板104との間を半田もしくは銀ロウもしくは200℃以上900℃未満で焼結もしくは溶融する金属部材で接合することができる。このように予めセラミック配線基板108の、金属板104側に配線を形成しておくことで、こうした金属部材のセラミック配線基板108に対する濡れ性を高めることができる。こうしたセラミック配線基板108の表面処理としては、焼成型の厚膜配線材料以外に、有機金属(金属の有機化合物であり熱処理することで金属薄膜をできる)や、薄膜(スパッタ等)を用いることもできる。このようにセラミック配線基板108の表面処理(配線形成もその一つ)を行っておくことで、またここで半田もしくは銀ロウもしくは200℃以上900℃以下で焼結もしくは溶融する金属部材に対しての濡れ性を高める。なおこうした金属部材としては市販のものを選ぶことができ、必要に応じてフラックス処理(あるいはフラックス材)を使うこともできる。また金属板104を表面処理やめっき(例えば、スパッタ等で金属蒸着したり錫めっきしたり)しておくことで、金属板104に銅のように熱伝導性は高いが、酸化しやすい部材に対してもその濡れ性を高めることできる。なおここでセラミック配線基板108と金属板104の接合を金属部材で行うのは、金属部材の熱伝導率が高いことが望ましい。なお必要に応じてガラス材料、樹脂材料を使うことができるが、この場合、できるだけ熱伝導率の高いもの(あるいは金属系あるいはセラミック系、あるいはグラファイトのような熱伝導の優れたフィラーを添加すること)を選ぶことが望ましい。なお金属板104とセラミック配線基板108の間を接合する部材は絶縁体である必要はない。これはセラミック配線基板108が絶縁体だからである。なお接合する部材に金属部材を用いる場合、その融点もしくは溶融温度が200℃未満の場合、セラミック配線基板108や、リードフレーム100に発光素子106を半田付けした場合に、再溶解してしまう可能性がある。また900℃より高くなる場合、金属板104の酸化を防止するために、より高価な部材を選ぶ必要がある。
The
次にセラミック配線基板108について図3〜図5を用いて説明する。図3は、複数のLED等の発光素子を発光させる回路図である。図3(A)は複数個の発光素子を個別に駆動する回路図、図3(B)は複数個の発光素子を同時に(並列に)駆動する回路図である。図3(A)、図3(B)において、112は抵抗であり、発光素子106に直列に挿入されている。このように発光素子106を駆動する場合、発光素子106に直列に抵抗112を挿入することが望ましい。抵抗112を直列に挿入することで、個々の発光素子106に印加される電圧が、発光素子106の最大定格未満に保つことができる。なお抵抗112としては、抵抗体あるいは抵抗素子(例えばチップ抵抗器や酸化ルテニウム等を用いた焼成タイプの厚膜抵抗体)を用いることができる。保護用の抵抗112としては発光素子106の特性にもよるが、例えば3〜4V程度の場合、数Ωから1KΩ程度が適当である。このように抵抗112を挿入することで、発光を安定化できると共に発光素子106の高寿命化を実現する。また図3(B)に示すように複数個の発光素子106を並列接続する場合、抵抗112を挿入することでは発光素子106に流れる電流(あるいは発光)のバラツキを抑えられる。なお抵抗112は、発光素子106の発光を安定化させるデバイスであれば、抵抗112として、他の保護素子(サーミスタ、半導体、ツエナーダイオード等)を使うことができることは言うまでもない。
Next, the
次に、セラミック配線基板108に抵抗112を形成する場合について、図4を用いて説明する。図4は、セラミック配線基板について説明する斜視図及び上面図である。図4(A)は、セラミック配線基板の斜視図であり、図1(A)から伝熱樹脂102を除いた状態に相当する。図4(A)において、セラミック配線基板108はその全面にわたって金属板104に固定している。これはセラミック配線基板108から金属板104への熱伝導を高めるためである。セラミック配線基板108の上には、発光素子106を複数個実装しているが、これは発熱が課題となる発光素子106をセラミック配線基板108の上に実装することで、その放熱効果を高めようとするものである。またリードフレーム100の一部を、セラミック配線基板108に接続することで、必要な配線の一部をリードフレーム100に置き換えることができ、セラミック配線基板108を小型化、低コスト化する。またセラミック配線基板108の上に配線120を形成する割合が低下するため、銀パラジウム等の高価な部材の使用量を減らすことができる。なお図4(A)において、セラミック配線基板108の表面の配線等は図示していない。
Next, the case where the
図4(B)は、セラミック配線基板の上面図である。図4(B)において、114はオーバーコート、116は窓、118は点線、120は配線である。ここでオーバーコート114としては、樹脂やガラス等の絶縁体であり、セラミック配線基板108上に形成された配線120を保護するものである。またオーバーコート114に形成された窓116を介して、配線120を外部に露出することができる。そしてこの窓116に露出した配線120の上に、発光素子106を実装することができる。なお配線120としては、銀や銀パラジウム、銅等の配線部材を使うことができる。
FIG. 4B is a top view of the ceramic wiring board. In FIG. 4B, 114 is an overcoat, 116 is a window, 118 is a dotted line, and 120 is a wiring. Here, the
図4(B)において、点線118aは、リードフレームの実装位置を示すものであり、オーバーコート114に形成した窓116に点線118aで示すようにしてリードフレーム100(図示していない)を実装する。また点線118bは、発光素子106の実装位置を示すものであり、オーバーコート114に形成した窓116に点線118bで示すようにして発光素子106(図示していない)を実装する。なおオーバーコート114を一種のソルダーレジストとして用いることで、発光素子106やリードフレーム100を実装しやすいが、オーバーコート114は必須ではない。例えば、発光素子106をベアチップ実装した後、透明な封止樹脂(シリコンゴム等の弾力性が有るものが望ましい。硬い樹脂の場合、発光素子106の熱膨張係数等によって配線ワイヤー等が断線する可能性がある)を保護材として使い前記発光素子106を埋めることができる。こうした場合、必要に応じてオーバーコート114を省略することもできる。またオーバーコート114として白色の光反射率の高い部材を選ぶことで、発光素子106から発生した光を効率的に前方に反射でき、その反射効率を高められる。
In FIG. 4B, a dotted
図4(B)において、抵抗112は、セラミック配線基板108の上に形成され、オーバーコート114で保護されている。ここで抵抗112としては、酸化ルテニウム等を用いた焼成タイプの厚膜タイプを用いることができる。厚膜タイプを用いることで、TCR(抵抗値の温度特性)の小さい(例えば200ppm/℃以下)ものを選べる。TCRの小さいものを選ぶことで、発光素子106の発熱によってセラミック配線基板108が温度上昇した場合でも、抵抗値の影響を少なくできる。なお抵抗112は、市販の角チップ抵抗器をセラミック配線基板108の上に半田実装しても良い。また図4(B)に示すように、HIC(ハイブリッド集積回路)のように、セラミック配線基板108の表面に印刷焼成や薄膜等の手法を用いて抵抗112を形成してもよい。このように抵抗112を直接、セラミック配線基板108の上に形成することで、角チップ抵抗器を用いる場合(角チップ抵抗器の場合、20125タイプで1/8〜1/4Wとその寸法でワット数が決まってしまう)に比べて、よりワット数を見かけ上増やすことができる。その結果、実質的に抵抗体のTCRを小さく保てるため、発光素子106の駆動を安定化できる。
In FIG. 4B, the
次に図5を用いて、セラミック配線基板の構造について説明する。図5は、セラミック配線基板の構造を示す断面図である。図5において、122はセラミック板であり、例えばアルミナ基板(Al2O3基板)や窒化アルミ基板(AlN基板)である。こうした基板は、グリーンシート法やキャスティング法、押し出し法等を用いて、厚み0.1mmから1mm程度(厚みは0.2mm〜0.65mm程度の範囲が使いやすい)までの範囲で安価なものが市販されている。またこうした基板の上に、形成する抵抗112、配線120、オーバーコート114等も市販されている。
Next, the structure of the ceramic wiring board will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the ceramic wiring board. In FIG. 5,
図5において、セラミック板122の上には、配線120が形成され、一部の複数の配線120間に抵抗112を形成する。配線120は、銀や銅を主体とした市販の部材を印刷もしくは薄膜、めっき等の手法を用いて形成する。そして配線120や抵抗112の上に、オーバーコート114を形成できる。そしてオーバーコート114に形成した窓116の内部に、配線120を露出することで、図5の矢印110が示すようにリードフレーム100や発光素子106を実装できる。なおこれらの実装には半田実装、溶接、バンプ等の物理的な接続方法を使うことができる。この場合オーバーコート114はソルダーレジストとしての効果も期待できる。また配線120をオーバーコート114で保護することで、オーバーコート114の上に、リードフレーム100や発光素子106を形成できることで、一種のブリッジ(あるいはジャンパーあるいは、多層配線)となるため、回路設計の自由度も上げられる。
In FIG. 5,
次に図6を用いて、本発明の放熱基板の製造方法の一例について説明する。図6は、放熱基板の製造方法を説明する断面図である。図6において、124は板材である。まず図6に示すように、市販の板材124を用意する。なお板材124は図5(A)に示すように取り扱いやすいようにコイル状に巻いたものを使うことできる。次に金型等(図示していない)を用いて、図6(B)に示すように板材124を所定形状に打抜き、リードフレーム100とする。次に、図6(C)に示すように、リードフレーム100と、金属板104の間に、セラミック配線基板108(図5に示したように、予め配線120等が形成されたもの)、伝熱樹脂102をセットする。なお伝熱樹脂102は予めシート状(あるいは板状、蒲鉾状、ドーナツ状)等に予備成型しておくことが望ましい。このように伝熱樹脂102を、板状、あるいは蒲鉾状等と、予めプリ成型しておくことで、プレス時に金属板104やリードフレーム100との界面に空気残りが発生することを防止でき、その放熱効果を高められる。
Next, an example of the manufacturing method of the heat sink of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a heat dissipation board. In FIG. 6,
そして矢印110が示すように、プレスや金型(共に図示していない)を用いて、金属板104とセラミック配線基板108、リードフレーム100を伝熱樹脂102によって固定する。この時、プレスや金型(共に図示していない)を加熱しておくことで、伝熱樹脂102を軟化させ、金属板104やリードフレーム100に対する密着を高めることができ、その状態で伝熱樹脂102を熱硬化させる。こうして、図6(D)に示すように、伝熱樹脂102で一体化した放熱基板を製造する。
As indicated by an
なお、図6(C)において、金属板104の表面にセラミック配線基板108を予め固定しておいても良い。この場合、例えばセラミック配線基板108の裏面側(金属板104に接する側)に配線120を厚膜や薄膜で形成しておき、この配線120と金属板104を半田や錫等の低融点金属で固定しておくことで、セラミック配線基板108から金属板104への熱伝導を高められる。
In FIG. 6C, the
図7は、金属板、セラミック配線基板、リードフレーム等を伝熱樹脂で固定する様子を示す斜視図であり、図6(C)の斜視図に相当する。図7において、金属板104の上に、予め所定パターンを形成したセラミック配線基板108や伝熱樹脂102、リードフレーム100等をセットする。そして矢印110で示すようにして加熱プレスする(加熱プレス装置は図示していない)ことで、これら部材を強固に一体化する。なお金属板104の上にセラミック配線基板108を銀ロウや半田、あるいは錫等を一種の接着層とすることで、これらを予め固定しておいても良い。またセラミック配線基板108の上にリードフレーム100を固定しておき、この状態で図7に示すように、伝熱樹脂102によって金属板104に固定しても良い。このようにして図8に示すように、リードフレーム100を伝熱樹脂102に埋め込んだ放熱基板を製造できる。
FIG. 7 is a perspective view showing a state in which a metal plate, a ceramic wiring board, a lead frame, and the like are fixed with heat transfer resin, and corresponds to the perspective view of FIG. In FIG. 7, on a
図8は完成した放熱基板に部品を実装する様子を説明する斜視図である。図8において、金属板104の上にはセラミック配線基板108が固定されている。そして金属板104上には、リードフレーム100が伝熱樹脂102に埋め込まれた状態で、その一端がセラミック配線基板108の配線120(図示していない)に接続されている。図8において、矢印110は、電子部品を実装する様子を示すものであり、例えば発光素子106を複数個、セラミック配線基板108の表面に実装することを示す。こうして発光素子106をセラミック配線基板108の表面に実装した後、発光素子106を透明な保護用樹脂(図示していない)で覆う(もしくは封止する)ことで、発光素子106を保護できる。またこの樹脂による発光素子106の封止時に、伝熱樹脂102が一種のダム(あるいは前記保護用樹脂が零れない土手)の役割をさせることもできるため、その作業性を高められる。
FIG. 8 is a perspective view for explaining a state in which components are mounted on a completed heat dissipation board. In FIG. 8, a
なお伝熱樹脂102として、硬化型樹脂中に高放熱性の無機フィラーが分散されたものを用いることが望ましい。なお無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1ミクロン以上100ミクロン以下が適当である(0.1ミクロン未満の場合、樹脂への分散が難しくなる場合があり、また100ミクロンを超えると伝熱樹脂102の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える)。そのため伝熱樹脂102におけ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3ミクロンと平均粒径12ミクロンの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。この結果、伝熱樹脂102の熱伝導率は5W/(m・K)程度となる。
As the
なおフィラーの充填率が70重量%未満の場合、熱伝導性が低下する場合が有る。またフィラーの充填率(もしくは含有率)が95重量%を超えると、未硬化の伝熱樹脂102の成型性に影響を与える場合があり、伝熱樹脂102とリードフレーム100の接着性(例えば埋め込んだ場合や、その表面に貼り付けた場合)に影響を与える可能性がある。なお無機フィラーとしてはAl2O3代わりに、MgO、BN、SiO2、SiC、Si3N4、及びAlNからなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでもよい。
In addition, when the filling rate of a filler is less than 70 weight%, thermal conductivity may fall. Further, if the filling rate (or content rate) of the filler exceeds 95% by weight, the moldability of the uncured
なおMgOを用いると線熱膨張係数を大きくできる。またSiO2を用いると誘電率を小さくでき、BNを用いると線熱膨張係数を小さくできる。こうして伝熱樹脂102の熱伝導率が1W/(m・K)以上20W/(m・K)以下のものを形成することができる。なお熱伝導率が1W/(m・K)未満の場合、発光モジュールの放熱性に影響を与える。また熱伝導率を20W/(m・K)より高くしようとした場合、フィラー量を増やす必要があり、プレス時の加工性に影響を与える場合がある。
If MgO is used, the linear thermal expansion coefficient can be increased. Further, when SiO 2 is used, the dielectric constant can be reduced, and when BN is used, the linear thermal expansion coefficient can be reduced. Thus, the
なお伝熱樹脂102からなる絶縁体の厚さは、薄くすれば、リードフレーム100に装着した発光素子106に生じる熱を金属板104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最適な厚さに設定すれば良い。
Note that if the thickness of the insulator made of the
なお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種類の樹脂を含むことが望ましい。具体的にはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが望ましい。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。伝熱樹脂102の厚みは、薄くすれば、リードフレーム100に装着した発光素子106に生じる熱を金属板104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である50ミクロン以上500ミクロン以下に設定すれば良い。
The thermosetting insulating resin desirably contains at least one kind of resin among epoxy resin, phenol resin and cyanate resin. Specifically, it is desirable to include at least one selected from the group consisting of epoxy resins, phenol resins, and isocyanate resins. These resins are excellent in heat resistance and electrical insulation. If the thickness of the
このように、伝熱樹脂102としては熱伝導性の良いフィラーを使うことができる。またフィラーとしては光反射性の優れた材料を選ぶことで、発光モジュールのような光学部品の場合、熱伝導性と光反射性(あるいは異なる単色光同士の混合による白色光の形成)を同時に高められる。なおプラズマTVや車載用の場合、黒色等の赤外線(あるいは遠赤外線)の放射率の高い色(例えば黒色)にすることが望ましい。
Thus, a filler with good thermal conductivity can be used as the
次にリードフレーム100の材質について説明する。リードフレーム100の材質としては、銅を主体とするものが望ましい。これは銅が熱伝導性と導電率が共に優れているためである。またリードフレーム100としての加工性や、熱伝導性を高めるためには、リードフレーム100となる銅素材に銅以外の少なくともSn、Zr、Ni、Si、Zn、P、Fe等の群から選択される少なくとも1種類以上の材料とからなる合金を使うことが望ましい。例えばCuを主体として、ここにSnを加えた合金(以下、Cu+Snとする)を用いることができる。Cu+Sn合金の場合、例えばSnを0.1wt%以上0.15wt%未満添加することで、その軟化温度を400℃まで高められる。比較のためSn無しの銅(Cu>99.96wt%)を用いて、リードフレーム100を作製したところ、導電率は低いが、出来上がった放熱基板において歪が発生する場合があった。そこで詳細に調べたところ、その材料の軟化点が200℃程度と低いため、後の部品実装時(半田付け時)や、発光素子106の実装後の信頼性確認時(発熱/冷却の繰り返し試験等)に変形する可能性があることが予想された。一方、Cu+Sn>99.96wt%の銅系の材料を用いた場合、実装された各種部品や複数個のLEDによる発熱の影響は特に受けなかった。また半田付け性やダイボンド性にも影響が無かった。そこでこの材料の軟化点を測定したところ、400℃であることが判った。このように、銅を主体として、いくつかの元素を添加することが望ましい。銅に添加する元素として、Zrの場合、0.015wt%以上0.15wt%以下の範囲が望ましい。添加量が0.015wt%未満の場合、軟化温度の上昇効果が少ない場合がある。また添加量が0.15wt%より多いと電気特性に影響を与える場合がある。また、Ni、Si、Zn、P等を添加することでも軟化温度を高くできる。この場合、Niは0.1wt%以上5wt%未満、Siは0.01wt%以上2wt%以下、Znは0.1wt%以上5wt%未満、Pは0.005wt%以上0.1wt%未満が望ましい。そしてこれらの元素は、この範囲で単独、もしくは複数を添加することで、銅素材の軟化点を高くできる。なお添加量がここで記載した割合より少ない場合、軟化点上昇効果が低い場合がある。またここで記載した割合より多い場合、導電率への影響の可能性がある。同様に、Feの場合0.1wt%以上5wt%以下、Crの場合0.05wt%以上1wt%以下が望ましい。これらの元素の場合も前述の元素と同様である。
Next, the material of the
なおリードフレーム100に使う銅合金の引張り強度は、600N/mm2以下が望ましい。引張り強度が600N/mm2を超える材料の場合、リードフレーム100の加工性に影響を与える場合がある。またこうした引張り強度の高い材料は、その電気抵抗が増加する傾向にあるため、実施の形態1で用いるようなLED等の大電流用途には向かない場合がある。一方、引張り強度が600N/mm2以下(更にリードフレーム100に微細で複雑な加工が必要な場合、望ましくは400N/mm2以下)とすることでスプリングバック(必要な角度まで曲げても圧力を除くと反力によってはねかえってしまうこと)の発生を抑えられ、形成精度を高められる。このようにリードフレーム100の材料としては、Cuを主体とすることで導電率を下げられ、更に柔らかくすることで加工性を高められ、更にリードフレーム100による放熱効果も高められる。なおリードフレーム100に使う銅合金の引張り強度は、10N/mm2以上が望ましい。これは一般的な鉛フリー半田の引張り強度(30〜70N/mm2程度)に対して、リードフレーム100に用いる銅合金はそれ以上の強度が必要なためである。リードフレーム100に用いる銅合金の引張り強度が10N/mm2未満の場合、リードフレーム100に発光素子106や駆動用半導体部品、チップ部品等を半田付け実装する場合、半田部分ではなくてリードフレーム100部分で凝集破壊する可能性がある。
The tensile strength of the copper alloy used for the
なおリードフレーム100の、伝熱樹脂102から露出している面(発光素子106や、図示していないが制御用ICやチップ部品等の実装面)に、予め半田付け性を改善するように半田層や錫層を形成しておくことで、ガラエポ基板等に比べて熱容量が大きく半田付けしにくいリードフレーム100に対する部品実装性を高められると共に、配線の錆び防止が可能となる。なおリードフレーム100の伝熱樹脂102に接する面(もしくは埋め込まれた面)には、半田層は形成しないことが望ましい。このように伝熱樹脂102と接する面に半田層や錫層を形成すると、半田付け時にこの層が柔らかくなり、リードフレーム100と伝熱樹脂102の接着性(もしくは結合強度)に影響を与える場合がある。なお図1から図8において、半田層や錫層は図示していない。
It should be noted that the surface of the
金属製の金属板104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、金属板104の厚みを1mmとしているが、その厚みはバックライト等の仕様に応じて設計できる(なお金属板104の厚みが0.1mm以下の場合、放熱性や強度的に不足する可能性がある。また金属板104の厚みが5mmを超えると、重量面で不利になる)。金属板104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、伝熱樹脂102を形成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(あるいは凹凸部)を形成しても良い。線膨張係数は8×10-6/℃〜20×10-6/℃としており、金属板104や発光素子106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。またこれらの部品を表面実装する際、互いに熱膨張係数をマッチングさせることは信頼性的にも重要となる。また金属板104を他の放熱板(図示していない)にネジ止めできる。
The
またリードフレーム100としては、銅を主体とした板材124を、少なくともその一部が事前に打抜かれたものを用いることができる。そしてリードフレーム100の厚みは0.1mm以上1.0mm以下(更に望ましくは0.3mm以上0.5mm以下)が望ましい。これはLED等の発光素子106を多数個制御するには大電流(例えば30A〜150Aであり、これは駆動するLEDの数によって更に増加する場合もある)が必要であるためである。またリードフレーム100の肉厚が0.10mm未満の場合、プレスが難しくなる場合がある。またリードフレーム100の肉厚が1mmを超えると、プレスによる打ち抜き時にパターンの微細化が影響を受ける場合がある。しかし本発明の場合、発光素子106を微細に実装する場合、リードフレーム100の上ではなくて、微細パターンの形成が可能なセラミック配線基板108の上に実装することができる。
As the
なおリードフレーム100の代わりに銅箔(例えば、厚み10ミクロン以上50ミクロン以下)を使うことは望ましくない。本発明の場合、LED等の発光素子106で発生する熱は、リードフレーム100を通じて広く拡散されることになる。そのためリードフレーム100の厚みが厚いほど、リードフレーム100を介しての熱拡散が有効となる。一方、リードフレーム100の代わりに銅箔を用いた場合、銅箔の厚みがリードフレーム100に比べて薄い分、熱拡散しにくくなる可能性があるためである。
It is not desirable to use a copper foil (for example, a thickness of 10 microns to 50 microns) instead of the
また全ての発熱素子をセラミック配線基板108の上に実装する必要は無い。発熱が課題となる素子だけを選んで、セラミック配線基板108の上に実装することでセラミック配線基板108の小型化が可能となる。また複数個の素子の素子温度のバラツキを抑えられる。また一部の発熱素子を、リードフレーム100の上に実装しても良い。このように、セラミック配線基板108に実装する部分とリードフレーム100の上に実装する部分とを分けることで、更に低コスト化が可能になる。またセラミック板122として、市販のアルミナ基板、窒化アルミナ基板等の高熱電導性の部材を使うことができる。またこうしたセラミック板122を、数cm角から十数cm角の大きさとし、この中に、例えば1mm角から10mm角程度の回路パターン(例えば図4(B)に示したようなもの)を、一括で多数個を作り込むことができる。こうして複数個を一括作製した後、ブレイク溝(切断用の割れ口)やレーザーで個片に分割することで、図4(B)に示したようなセラミック配線基板108を多数個製造できる。
Further, it is not necessary to mount all the heating elements on the
このように、本発明の場合、発熱が課題となる電子部品は、放熱性の高いセラミック配線基板108の上に実装し、電子部品に発生した熱は、前記セラミック配線基板108介して、金属板104に逃がすことになる。また配線120の一部をリードフレーム100とすることで、セラミック配線基板108の面積を小さくできると共に、リードフレーム100の特徴である大電流対応、加工性の良さ、放熱性の高さ等を活かすことができ、放熱基板の更なる用途の拡大が可能になる。
Thus, in the case of the present invention, the electronic component for which heat generation is a problem is mounted on the
こうして少なくとも一面以上に配線を形成したセラミック配線基板108と、前記セラミック配線基板108を固定する金属板104と、前記セラミック配線基板108上の配線120と、電気的に接続した複数本のリードフレーム100と、をセラミックフィラー及び熱硬化性樹脂からなる伝熱樹脂102により固定することで放熱基板の放熱性と加工性を改善する。
Thus, a plurality of
また金属板104の上に固定された、少なくとも一面以上に配線120を形成したセラミック配線基板108と、複数本のリードフレーム100と、セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂102と、からなる放熱基板の、前記リードフレーム100は前記伝熱樹脂102によって前記金属板104から絶縁された状態で、その一端はセラミック配線基板108の上に形成された配線120と電気的に接続され、他の一端は前記伝熱樹脂102から突き出して取出し電極とすることで放熱基板の放熱性と加工性を改善する。
Further, the
そして所定パターンに加工されたリードフレーム100と、金属板104の間に、表面に予め配線が形成されたセラミック配線基板108と、セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂102をセットし、金型を使って前記伝熱樹脂102を所定形状に熱硬化させ、前記金属板104と前記リードフレーム100と前記セラミック配線基板108を、前記伝熱樹脂102で一体化することで放熱基板を製造する。
Then, between the
また少なくとも一表面以上に配線を形成したセラミック配線基板108を、表面に固定した金属板104の上に、所定パターンに加工したリードフレーム100と、セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂102をセットし、金型を用いて前記伝熱樹脂102を所定形状に熱硬化させ、前記金属板104と前記リードフレーム100と前記セラミック配線基板108を、前記伝熱樹脂102で一体化することで放熱基板を製造する。こうして、放熱基板の取り扱い性を高めることができる。
In addition, a
なお全てのリードフレーム100の一端をセラミック配線基板108、あるいは取出し電極とする必要は無い。リードフレーム100を浮島状(あるいはセラミック配線基板108にも、外部電源にも接続されていない浮いた状態)としても良い。このように一部のリードフレーム100を浮島状とすることで、リードフレーム100自身で様々な回路パターンを形成できるため、その分、セラミック配線基板108の面積を小さくできる。
Note that it is not necessary that one end of every
また全ての部品をセラミック配線基板108の上に実装する必要はない。リードフレーム100の上にも部品を実装することでセラミック配線基板108の小型化が可能になる。またリードフレーム100の上に実装した部品から発生した熱も、リードフレーム100からセラミック配線基板108を介して、あるいは伝熱樹脂102を介して金属板104に放熱することができる。
Moreover, it is not necessary to mount all the components on the
以上のように、本発明にかかる高放熱基板及びその製造方法並びにそれを用いた発光モジュールを用いることで、プラズマテレビや車載用の放熱が要求される電源回路、あるいは液晶テレビのバックライト用の発光モジュール等を提供でき、機器の小型化や、高演色化の用途にも適用できる。 As described above, by using the high heat dissipation substrate, the manufacturing method thereof, and the light emitting module using the high heat dissipation substrate according to the present invention, a power supply circuit that requires heat dissipation for a plasma television or a vehicle, or a backlight for a liquid crystal television. A light emitting module or the like can be provided, which can be applied to downsizing of devices and high color rendering.
100 リードフレーム
102 伝熱樹脂
104 金属板
106 発光素子
108 セラミック配線基板
110 矢印
112 抵抗
114 オーバーコート
116 窓
118 点線
120 配線
122 セラミック板
124 板材
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記セラミック配線基板上の配線と、電気的に接続した複数本のリードフレームと、を、
セラミックフィラー及び熱硬化性樹脂からなる伝熱樹脂により固定した放熱基板。 A ceramic wiring board in which wiring is formed on at least one surface, a metal plate for fixing the ceramic wiring board,
A wiring on the ceramic wiring board and a plurality of electrically connected lead frames,
A heat dissipation substrate fixed by a heat transfer resin made of a ceramic filler and a thermosetting resin.
複数本のリードフレームと、
セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂と、
からなる放熱基板の、
前記リードフレームは前記伝熱樹脂によって金属板から絶縁された状態で、その一端はセラミック配線基板の上に形成された配線と電気的に接続され、他の一端は前記伝熱樹脂から突き出して取出し電極となっている放熱基板。 A ceramic wiring board fixed on a metal plate and having wiring formed on at least one surface; and
Multiple lead frames,
A heat transfer resin comprising a ceramic filler and a thermosetting resin;
Of the heat dissipation board consisting of
The lead frame is electrically insulated from the metal plate by the heat transfer resin, and one end thereof is electrically connected to the wiring formed on the ceramic wiring board, and the other end protrudes from the heat transfer resin. Heat dissipation board that is an electrode.
前記配線を保護する樹脂またはガラスを主体とした絶縁層からなる保護層と、を、
有している請求項1もしくは請求項2のいずれか一つに記載の放熱基板。 The ceramic wiring board has wiring mainly composed of silver or copper on its surface,
A protective layer made of an insulating layer mainly composed of a resin or glass for protecting the wiring,
The heat dissipation board according to claim 1, wherein the heat dissipation board is provided.
前記配線の間を接続する抵抗素子もしくは保護素子と、を、
有している請求項1もしくは請求項2のいずれか一つに記載の放熱基板。 The ceramic wiring board has a plurality of wirings formed on its surface,
A resistance element or a protection element for connecting between the wirings,
The heat dissipation board according to claim 1, wherein the heat dissipation board is provided.
金属板の間に、
表面に予め配線が形成されたセラミック配線基板と、
セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂をセットし、
金型を使って前記伝熱樹脂を所定形状に熱硬化させ、
前記金属板と前記リードフレームと前記セラミック配線基板を、前記伝熱樹脂で一体化する放熱基板の製造方法。 A lead frame processed into a predetermined pattern;
Between metal plates,
A ceramic wiring board having wiring formed in advance on the surface;
Set heat transfer resin consisting of ceramic filler and thermosetting resin,
Thermosetting the heat transfer resin into a predetermined shape using a mold,
A method of manufacturing a heat dissipation board, wherein the metal plate, the lead frame, and the ceramic wiring board are integrated with the heat transfer resin.
所定パターンに加工したリードフレームと、
セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂をセットし、
金型を用いて前記伝熱樹脂を所定形状に熱硬化させ、
前記金属板と前記リードフレームと前記セラミック配線基板を、前記伝熱樹脂で一体化する放熱基板の製造方法。 A ceramic wiring board with wiring formed on at least one surface is placed on a metal plate fixed to the surface.
A lead frame processed into a predetermined pattern;
Set heat transfer resin consisting of ceramic filler and thermosetting resin,
Thermosetting the heat transfer resin into a predetermined shape using a mold,
A method of manufacturing a heat dissipation board, wherein the metal plate, the lead frame, and the ceramic wiring board are integrated with the heat transfer resin.
前記セラミック配線基板上の配線と、電気的に接続した複数本のリードフレームと、を、
セラミックフィラー及び熱硬化性樹脂からなる伝熱樹脂により固定した放熱基板の、
前記セラミック配線基板上に複数の発光素子を実装した発光モジュール。 A ceramic wiring board in which wiring is formed on at least one surface, a metal plate for fixing the ceramic wiring board,
A wiring on the ceramic wiring board and a plurality of electrically connected lead frames,
Of the heat dissipation board fixed by the heat transfer resin made of ceramic filler and thermosetting resin,
A light emitting module comprising a plurality of light emitting elements mounted on the ceramic wiring board.
複数本のリードフレームと、
セラミックフィラーと熱硬化性樹脂とからなる伝熱樹脂と、
からなる放熱基板の、
前記リードフレームは前記伝熱樹脂によって金属板から絶縁された状態で、その一端はセラミック配線基板の上に形成された配線と電気的に接続され、他の一端は前記伝熱樹脂から突き出して取出し電極となっている放熱基板の、
前記セラミック配線基板上に複数の発光素子を実装した発光モジュール。 A ceramic wiring board fixed on a metal plate and having wiring formed on at least one surface; and
Multiple lead frames,
A heat transfer resin comprising a ceramic filler and a thermosetting resin;
Of the heat dissipation board consisting of
The lead frame is electrically insulated from the metal plate by the heat transfer resin, and one end thereof is electrically connected to the wiring formed on the ceramic wiring board, and the other end protrudes from the heat transfer resin. Of the heat dissipation substrate that is the electrode,
A light emitting module comprising a plurality of light emitting elements mounted on the ceramic wiring board.
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