JP2007311398A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の向きを一定にしつつ、高密度実装が可能な発光装置を提供する。
【解決手段】放熱性に優れた基板１１と、該基板１１の表面１１ａに実装された複数の発光素子１２と、基板１１上のすべての発光素子１２を直列接続する配線を具備する発光装置１０において、複数の発光素子１２は、基板１１の表面１１ａに互いに平行な複数の列１３をなし、かつ各発光素子１２の正極と負極の向きを一定にして配置され、同じ列１３に属する発光素子１２は、基板１１の表面１１ａに設けられた表面配線１４を介して隣接する発光素子１２，１２間が接続されることにより直列接続され、列１３，１３の間は、基板１１の裏面１１ｂに設けられた裏面配線１５および該裏面配線１５の両端において貫通孔１７を通して表面配線１４に接続された貫通配線１６を介して、低電位側の列の高電位側末端と高電位側の列の低電位側末端とが接続されるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の表面に複数の発光素子が実装されてなる発光装置に関する。

照明用途などへの応用が期待されるＧａＮ系発光ダイオードを応用した素子では、輝度向上のために発光ダイオード（ＬＥＤ）の電流を増加することで発光素子ひとつあたりの輝度を高める検討がなされている。また、ひとつのパッケージ内に複数個のＬＥＤを実装することで、発光装置ひとつあたりの輝度を高める検討がなされている。

特許文献１には、発光素子チップ配置用の複数の金属部を絶縁分離して金属基板が形成され、この金属基板の各金属部の配置面に発光素子チップが直接接続された光源装置が開示されている。
特許文献２には、多層基板に平行な巻線部分及び当該多層基板に垂直な巻線部分を含むコイルと、該コイルの内部に形成される導線とが、多層基板と一体的に形成されてなる多層基板内シールド線（図１（ａ）参照）が開示されている。
非特許文献１の図３（右）には、シリコン基板の上に絶縁樹脂層を介して２層の配線層を設けたウエハレベルパッケージにおいて、上側の配線層と下側の配線層を０．５巻きごとに交互に繰り返した構造としたソレノイドインダクタが開示されている。

特許文献３には、基層上にｎ型層、活性層、ｐ型層が重ねて形成された基板を用いてモノリシックに形成されたＬＥＤが、直列（図８Ｂ参照）または直並列（図９Ｂ参照）に表面配線で接続されたＬＥＤアレイが開示されている。
特許文献４には、金属ベース基板の片面に複数のＬＥＤが実装された照明光源が開示されており、ＬＥＤの接続例として、直並列接続（図６（ａ）参照）かラダー接続（図６（ｂ）参照）を採用するとの記載がある。
特許文献５には、半導体多層膜の部分的除去によって基板上に複数のＬＥＤを作製されたＬＥＤアレイにおいて、すべてのＬＥＤを直列接続した例（図３（ｂ）参照）が開示されている。また、給電端子を基板の裏側に設け、スルーホールを含む貫通配線を介してＬＥＤアレイの電極と接続することが記載されている。
特許文献６には、表面に導体配線を設けた支持基板の上に複数の半導体素子（発光素子）をフリップチップ実装した半導体装置が開示されている。また、発光素子がラダー接続された例（実施例２、図７参照）が記載されている。
特許文献７には、セラミック基板の上に複数の発光素子を搭載して直列または直並列に接続し（第５の実施の形態、図１４参照）、スルーホールを通じて基板の裏面側から電力を供給できるようにした発光装置が開示されている。
特許文献８には、複数のＬＥＤチップが基板の表面の配線によって直列接続された構造が開示されている。
特開２０００−２３６１１６号公報 特開２００５−３４７２８７号公報 「受動素子内蔵ウエハレベルパッケージ」、フジクラ技報、２００５年４月、第１０８号、第５２−５５頁 特開２００２−３５９４０２号公報 特開２００３−１２４５２８号公報 特開２００５−７９２０２号公報 特開２００５−１０９４３４号公報 特開２００６−８０３１２号公報 米国特許第６６３５９０２号明細書

特許文献１に記載された構造の場合、金属基板は、発光素子チップを絶縁分離するため複数の金属部が絶縁体で接合された状態になり、強度の信頼性に問題がある。
同一パッケージ内で複数の発光素子を直列接続する場合、図４，図５に示すように、基板５１，６１上で配線５４，６４を折り返して発光素子５２，６２を二次元的に配列した実装方法も考えられる。しかし、自動の実装機を使用して発光素子を実装するときには、実装途中で発光素子の正極と負極の向き（極性）を入れ替えることは難しいため、図４に示すように折り返しの部分にも発光素子５２を実装するようにすると、基板を１８０°反転させて実装機にかけなおすといった手間がかかり、コストアップの要因となる。図５に示すように、折り返しの部分に発光素子６２を搭載せず発光素子６２の向きを一方向のみとすると、折り返しの部分の配線６５のスペースによる実装密度の低下という問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光素子の向きを一定にしつつ、高密度実装が可能な発光装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、放熱性に優れた基板と、該基板の表面に実装された複数の発光素子と、基板上のすべての発光素子を直列接続する配線を具備し、前記複数の発光素子は、基板の表面に互いに平行な複数の列をなし、かつ各発光素子の正極と負極の向きを一定にして配置されており、同じ列に属する発光素子は、基板の表面に設けられた表面配線を介して隣接する発光素子間が接続されることにより直列接続されており、列の間は、基板の裏面に設けられた裏面配線および該裏面配線の両端において貫通孔を通して表面配線に接続された貫通配線を介して、低電位側の列の高電位側末端と高電位側の列の低電位側末端とが接続されていることを特徴とする発光装置を提供する。
表面配線と裏面配線とを接続する貫通配線は、１箇所あたり複数本の貫通孔を通して接続されていることが好ましい。

本発明の発光装置によれば、基板に表面実装された発光素子がすべて直列接続され、かつ折り返しの配線が基板の裏面に設けられていることにより、高密度実装が可能となる。また、発光素子の正極と負極の向きを一定にして基板上に搭載することができるので、発光素子の実装が容易になる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の発光装置の配線構造の一例を示す模式図であり、図１（ａ）は基板の表側の配線構造を示す平面図、図１（ｂ）は基板の裏側の配線構造を示す底面図である。図２は、本発明の発光装置の第２の例を示す模式図であり、図２（ａ）は基板の表側の配線構造を示す平面図、図２（ｂ）は基板の裏側の配線構造を示す底面図である。図３は、図１および図２に示す発光装置の接続図である。
なお、図１および図２において（ａ）、（ｂ）のそれぞれの四隅に記したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの符号は、基板の表側と裏側とで互いに対応する位置を示すため、図に添えたものである。すなわち、各図の（ｂ）に示す裏側配線図は、各図の（ａ）に示す表側配線図の姿勢にある装置を上下に反転した状態を表している。
図３に示す接続図は、基板の表側を紙面手前に向けて表したものであり、図３中、破線で表した配線は、基板の裏面に設けられる配線であることを示す。

図１および図２に示すように、本発明の発光装置１０は、放熱性に優れた基板１１と、該基板１１の表面１１ａに実装された複数の発光素子１２，１２，…と、基板１１上のすべての発光素子１２，１２，…を直列接続する配線１４，１５，１６を具備する。

本発明の発光装置１０において、発光素子１２，１２，…は、図３に示すように、各発光素子１２の正極と負極の向きを一定にして配置されている。このため、実装機を用いて基板１１上に発光素子１２を実装する工程が容易になり、コストの削減、生産性の向上を図ることができる。

複数の発光素子１２，１２，…は、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、基板１１の表面１１ａに互いに平行な複数の列１３，１３，…をなして配列されている。同じ列１３に属する発光素子１２は、基板１１の表面１１ａに設けられた表面配線１４を介して隣接する発光素子１２，１２間が接続されることにより直列接続されている。列１３と列１３との間は、図３に示すように、高電位側の列１３の低電位側末端と、低電位側の列１３の高電位側末端とを接続することにより、各列１３の発光素子１２がすべて直列接続される。

さらに本発明では、互いに隣接する列１３と列１３との間を接続する折り返しの配線として、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、基板１１の裏面１１ｂに設けられた裏面配線１５および該裏面配線１５の両端において貫通孔１７を通して表面配線１４に接続された貫通配線１６を設けることを特徴とする。これにより、折り返しのための配線を基板１１の表面１１ａ側に設ける（例えば図４，図５参照）ことが必要なくなり、基板表面１１ａ側では列１３同士の間隔をより狭くとることができる。よって、高密度実装が可能となる。

最も高電位の列の高電位側末端１３ａには、プラス端子１８が接続されており、最も低電位の列の低電位側末端１３ｂには、マイナス端子１９が接続されている。発光装置１０への給電は、プラス端子１８およびマイナス端子１９を通じて電力を供給することにより行われる。
本形態例の発光装置１０の場合、プラス端子１８およびマイナス端子１９は基板１１の裏面１１ｂ側に設けられ、これらの端子１８，１９は、貫通配線１６を介して発光素子１２と接続されている。これにより、基板表面１１ａに端子１８，１９のスペースを確保する必要がなく、基板１１の小面積化を図ることができる。

本形態例の発光装置１０に電力を供給すると、電流はプラス端子１８からマイナス端子１９へと流れる。すなわち電流は、基板１１の表面１１ａ側では同一方向（図１（ａ）および図２（ａ）で表面配線１４に沿って設けた矢印で示すように、右から左への方向）に流れる。発光素子１２の列１３を一列分通電した後、電流は、貫通配線１６を通じて裏側に流れ、基板１１の裏面１１ｂ側では裏面配線１５により逆方向（図１（ｂ）および図２（ｂ）で裏面配線１５に沿って設けた矢印で示すように、左から右への方向）に流れ、貫通配線１６を通じて表側に戻り、さらに次の列１３へと、順に通電する。このようにして、すべての発光素子１２が直列に接続されているので、１組の端子１８，１９に給電することによって、すべての発光素子１２に給電して点灯させることができる。

１列につき複数個の発光素子１２が直列接続されているため、列１３と列１３との間の電位差は、１つの発光素子１２に掛かる電圧と、１列あたりの発光素子１２の個数との積になる。例えば１つの発光素子１２に掛かる電圧が３．３Ｖであり、１列に発光素子１２が５個あるとすると、１列分の電位差は３．３Ｖ×５個＝１６．５Ｖとなる。例えば表面配線１４の隣接する電極２０，２０間には、１列分の電位差（上記の例では１６．５Ｖ）が掛かるので、絶縁をとるためにはその電位差に見合った配線間隔をとる必要がある。

図１〜３に示した例では、１つの列１３につき５個の発光素子１２を直列接続しており、１つの発光装置１０は、列１３を５列有している。すなわち２５個の発光素子１２が、５×５の配列とされている。しかし本発明はこの例に限られるものではなく、本発明によってｍ×ｎの素子配列を形成するとき、一列あたりの素子数ｍおよび列の数ｎは、ともに複数であれば何個でもよい。

次に、本形態例の発光装置１０を製造する方法について説明する。基板１１としては、発光素子１２の発熱を放熱しやすいように、放熱性に優れた基板が用いられる。具体例としては、半導体基板、金属基板などが例示できる。本発明においては、発光素子１２，１２，…を直列接続する配線１４，１５，１６は、詳しくは後述するが、基板１１の表面１１ａに設けられた表面配線１４、基板１１の裏面１１ｂに設けられた裏面配線１５、基板１１を貫通して表面配線１４と裏面配線１５とを接続する貫通配線１６を有する三次元の配線とされる。このため、基板１１としては、ウエハプロセスによって三次元の配線を容易に形成することが可能であるという観点から、シリコン単結晶基板を用いることが好ましい。

表面配線１４は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等、可視光に対して高い反射率を有する金属により形成することが好ましい。表面配線１４の反射率が高いと、発光素子１２の裏側に漏れる光が表面配線１４により反射され、発光装置の輝度を高めることができる。
これに対して裏面配線１５および貫通配線１６は、可視光に対する反射率が低い材質でも問題ない。裏面配線１５および貫通配線１６は、導電性に優れる点から、銅（Ｃｕ）などにより形成することが好ましい。

表面配線１４および裏面配線１５の端部には、貫通孔１７による貫通配線１６との接続を確実にするため、適当な面積を有する電極２０，２１を設けることが好ましい。貫通配線１６は、表面配線１４と裏面配線１５とを導通する構造であれば、特に限定されない。貫通配線１６を形成する方法としては、例えば貫通孔１７の内面に導体金属をめっきする方法、貫通孔１７の内部に導電性物質を充填する方法などが挙げられる。

発光素子１２としては、例えばＧａＮ系発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）が挙げられる。発光素子１２の正極および負極と表面配線１４との電気的接続は、はんだバンプを介したフリップチップ実装によることができる。フリップチップ実装の場合、発光素子１２の各電極と表面配線１４との間に複数のはんだバンプを用いて接続することが好ましい。この場合、いずれかのはんだバンプが導通していれば、発光素子１２に電力を供給することができるため、発光装置１０の故障確率を低減することができる。
なお、本発明において発光素子１２を表面配線１４上に実装する手法は、フリップチップ実装に限定されるものではない。例えば、ワイヤボンドやダイボンドなどによって配線上に発光素子１２を実装することもできる。

基板１１の表面１１ａにおいて、表面配線１４のない部分には、発光素子１２への給電に関係ないはんだバンプを形成することも可能である。この場合、そのようなはんだバンプは、発光素子１２や表面配線１４の短絡が生じないよう、絶縁に必要な間隔を確保できる位置に設けられる。このように、素子を実装するためのはんだバンプの個数を多くしておくと、発光装置１０をプリント基板等の上に実装するときに基板１１および発光素子１２の熱膨張に起因して基板１１に生じる応力が各はんだバンプに分散して負荷されるため、一つ一つのはんだバンプに加わる応力の大きさを低減することができる。これにより、はんだバンプの接続信頼性を向上することができる。

表面配線１４と裏面配線１５とを接続する貫通配線１６は、１箇所あたり複数本の貫通孔１７を通して接続されていることが好ましい。すなわち、複数の貫通孔１７による貫通配線１６が並列していることが好ましい。この場合、いずれかの貫通配線が導通していれば、表面配線１４と裏面配線１５との接続が保たれ、発光素子１２に電力を供給することができる。よって、発光装置１０の故障確率を低減することができる。

本形態例の発光装置１０は、複数のＬＥＤが搭載された基板であるため、これをＬＥＤのサブマウントとして利用することができる。発光装置１０をプリント基板やリードフレームなどに実装するとき、発光装置１０の端子１８，１９と、プリント基板等の配線との電気的接続は、はんだバンプを介したフリップチップ実装によることができる。フリップチップ実装の場合、発光装置１０の各端子１８，１９に複数のはんだバンプを形成することが好ましい。この場合、いずれかのはんだバンプが導通していれば、発光装置１０に電力を供給することができるため、発光装置１０の故障確率を低減することができる。
なお、本発明において発光装置１０を外部と接続する手法は、フリップチップ実装に限定されるものではない。例えば、ワイヤボンドやダイボンドなどによって発光装置を実装することもできる。

以上説明したように、本形態例の発光装置１０によれば、基板１１の表面１１ａに実装された発光素子１２，１２，…がすべて直列接続され、かつ各列１３の間に設けられる折り返しの配線１５が基板１１の裏面１１ｂに設けられているので、基板１１上に発光素子１２，１２，…をより高密度で実装することが可能となる。また、発光素子１２の正極と負極の向きを一定にして基板１１上に搭載することができるので、発光素子の実装が容易になる。

本発明の発光装置は、高輝度であるので照明用途に好適に用いることができる。ＬＥＤ表示装置や信号灯などの各種機器における光源としても、好適に用いることができる。

本発明の発光装置の第１の例を示す模式図であり、（ａ）は基板の表側の配線構造を示す平面図、（ｂ）は基板の裏側の配線構造を示す底面図である。 本発明の発光装置の第２の例を示す模式図であり、（ａ）は基板の表側の配線構造を示す平面図、（ｂ）は基板の裏側の配線構造を示す底面図である。 図１および図２に示す発光装置の接続図である。 表面配線により素子を直列接続した発光装置の配線構造の第１の例を示す平面図である。 表面配線により素子を直列接続した発光装置の配線構造の第２の例を示す平面図である。

符号の説明

１０…発光装置、１１…基板、１１ａ…基板の表面、１１ｂ…基板の裏面、１２…発光素子、１３…発光素子の列、１４…表面配線、１５…裏面配線、１６…貫通配線、１７…貫通孔。

Claims (2)

1. 放熱性に優れた基板と、該基板の表面に実装された複数の発光素子と、基板上のすべての発光素子を直列接続する配線を具備し、
   前記複数の発光素子は、基板の表面に互いに平行な複数の列をなし、かつ各発光素子の正極と負極の向きを一定にして配置されており、同じ列に属する発光素子は、基板の表面に設けられた表面配線を介して隣接する発光素子間が接続されることにより直列接続されており、列の間は、基板の裏面に設けられた裏面配線および該裏面配線の両端において貫通孔を通して表面配線に接続された貫通配線を介して、低電位側の列の高電位側末端と高電位側の列の低電位側末端とが接続されていることを特徴とする発光装置。
2. 表面配線と裏面配線とを接続する貫通配線は、１箇所あたり複数本の貫通孔を通して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。

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