JP2008021867A

JP2008021867A - 発光装置

Info

Publication number: JP2008021867A
Application number: JP2006193022A
Authority: JP
Inventors: Aya Kawaoka; あや川岡; Hideaki Kato; 英昭加藤
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】ＬＥＤランプをメタルコア基板に組付けてなる発光装置においてＬＥＤランプに対する放熱効率及び組付け安定性を向上させる。
【解決手段】メタルコア基板において金属板は凸状部分を有し、絶縁膜は金属板において凸状部分以外の部分に積層され、ＬＥＤランプは凸状部分に固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は発光装置に関する。更に詳しくは、この発明は発光装置のメタルコア基板の改良に関する。

ＬＥＤランプは発光時に発熱を伴うので、その放熱効率が悪いとＬＥＤランプ内がヒートアップし、発光素子の発光効率が低下するおそれがある。放熱効率を確保するためにメタルコア基板が用いられる。メタルコア基板の基材は熱伝導率の高い金属板であり、その金属板の表面は絶縁膜でコーティングされ、絶縁膜の上へ配線パターンが形成されている。
従来では、かかるメタルコア基板１０に対して図１に示すようにＬＥＤランプ２０が実装されていた。図中の符号１１は金属板、１３は絶縁膜、１４は配線パターン、１５は半田バンプである。バンプ１５はＬＥＤランプの前記ランプ２０のターミナル（図示せず）に接触する。
かかる構成では、ＬＥＤランプ２０と金属板１１との間に存在する絶縁層１３がＬＥＤランプ２０からの放熱の妨げとなる。
本件発明に関連する技術を開示する文献として特許文献1を参照されたい。
特開２００３―３０９２９２号公報

ＬＥＤランプ２０からの放熱効率を向上させるため、図２に示すように、メタルコア基板１０の絶縁膜１３を部分的に切除し、切除された部分に放熱ペースト１７を充填することが考えられる。これにより、ＬＥＤランプ２０と金属板１１との間に絶縁膜の存在しない部分が形成され、その部分においてＬＥＤランプ２０とメタルコア基板１０とは熱伝導率の高い放熱ペースト１７及び半田バンプ１５で接続されるため、ＬＥＤランプ２０からの放熱効率が向上する。
しかし、本発明者らの検討によれば、切除された部分へ導電ペースト１７を隙間無く埋め込むことは困難であるばかりか、その表面をフラットにすることも困難であった。導電ペースト１７の表面がフラットにならないと、ＬＥＤランプ２０が傾斜して実装され、その光軸がズレるおそれがある。即ち、ＬＥＤランプ２０の取付けが安定しない。

この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次のように規定される。即ち、
金属板の表面に絶縁膜が積層され、該絶縁膜の上に配線パターンが形成されているメタルコア基板と、
該メタルコア基板へ実装されるＬＥＤランプと、を備えてなる発光装置であって、
前記メタルコア基板において前記金属板は凸状部分を有し、前記絶縁膜は前記金属板において前記凸状部分以外の部分に積層され、前記ＬＥＤランプは前記凸状部分に固定されている、ことを特徴とする発光装置。

このように規定されるこの発明の発光装置によれば、図３に示すように、熱伝導率の高い金属板１１の凸状部分１７へＬＥＤランプ２０が直接（即ち、絶縁膜を介在させずに）固定される。これにより、ＬＥＤランプ２０の熱が効率よく金属板１１へ伝わり、そのヒートアップが確実に防止される。また、凸状部分は金属板と一体であり、後付けされたものではないため、その形状を容易に制御することができる。よって、ＬＥＤランプ２０を安定して固定することができる。
上記凸状部分１７の頂部は、この発明の他の局面で規定されるように、フラットに形成されることが好ましい。これにより、ＬＥＤランプ２０の取り付けが更に安定する。

メタルコア基板１０において凸状部分１７以外の部分、即ち金属板１１の平板部分１８は絶縁膜１３で被覆されている。この発明の第３の局面で規定される通り、この絶縁膜１３は金属板１１に対して固定されておらず、移動可能に積層されることが好ましい。ここに移動可能とは、金属板１１に対して絶縁膜１３がフリーな状態（即ち、物理的若しくは化学的な結合がない状態）ばかりでなく、絶縁膜１３が金属板１１と弾性体を介して結合されている場合であって、金属板１１の面方向に絶縁膜１３が移動可能なときを含むこととする。
絶縁膜１３は有機高分子材料や無機材料で形成されているため、金属板１１と線膨張係数が異なる。一般的には金属板１１の線膨張係数は絶縁膜１３のそれより大きい。その結果、ＬＥＤランプ２０が発光して高温状態となると、メタルコア基板１０も昇温され、線膨張係数の異なる金属板１１と絶縁層１３との間にストレスが生じ、このストレスが原因となって絶縁膜１３がひび割れしたり、剥離したりするおそれがある。
そこで上記のように、絶縁膜１３を金属板１１に対して移動可能な状態とすることにより、両者の線膨張係数に起因するストレスの発生を予防することができる。

上記において、メタルコア基板１０の基材となる金属板１１は銅、アルミニウム若しくはそれらの合金等の熱伝導性の高い金属材料からなる。この金属板１１において凸状部分１７はエッチング若しくはメッキにより形成することが好ましい。エッチングによる凸状部分１７の製造は、金属板１１において凸状部分１７をマスクし、他の部分をエッチングして薄肉化することによる。メッキによる凸状部分１７の製造は、金属板１１の基部（平板部分１８）の所望の部位へ電界メッキ若しくは無電界メッキを実行して当該基部と同一の材料若しくは異なる材料を積上げていくことによる。これらエッチング若しくはメッキによれば、凸状部分１７が他の平板部分１８より厚肉になる。凸状部分１７を厚肉に形成することにより、ＬＥＤランプ２０の熱を効率的に奪うことができる。
金属板１１をプレス加工することにより凸状部分を形成することもできる。この場合、凸状部分の裏側に凹部（凸状部分の裏側）が形成されることがある。この場合、メタルコア基板を照明器具等へ実施する時にメタルコア基板の底面と被実装体との接触面積が減少し、メタルコア基板の放熱性が低下する。従って、プレスにより形成された凹部へ放熱ペーストなどの熱伝導性物質を充填することが好ましい。

凸状部分１７の形状は任意に選択可能であるが、ＬＥＤランプ２０の取り付けを安定させるために、その頂部を平坦とすることが好ましい。ＬＥＤランプ２０の重心をかかる凸状部分２７の頂部の重心に一致させることが取付け安定性を確保する見地から更に好ましい。
凸状部分１７とＬＥＤランプ２０との接合態様も任意に選択することが出来る。例えば、図３に示すようにＬＥＤランプ２０の凸状部分１７に半田で接合する場合、凸状部分１７の頂部とこれと対向するＬＥＤランプ２０の裏面を半田と漏れ性の良好な金等が表層となるようにメタライズした後、クリーム半田を用いて接合する。また、接着剤を用いてこれらを接合してもよい。さらに、ＬＥＤランプ２０を必ずしも凸状部分１７に接合する必要はなく、単に接触させるだけでもよい。この場合、ＬＥＤランプ２０と凸状部分１７との間にシリコングリス等のサーマルグリスを介在させることが好ましい。パッケージの代りに発光素子をマウントしたサブマウントプレートを凸状部分１７へ固定することもできる。更には、フリップチップタイプの発光素子を直接凸状部分１７へ固定することも可能である。この場合、半田バンプ１５に代えて金合金等からなるスタッドバンプを用いてもよい。

メタルコア基板１０において、凸状部分１７以外の部分、即ち金属板１１の平坦な部分１８に絶縁膜１１が積層される。
この絶縁膜１１はその上に形成される配線パターン１４と金属板１１との間の絶縁性を確保するものであり、その材料及び膜厚は発光装置の用途、使用環境等に応じて適宜選択することができる。絶縁膜１１としてはエポキシ樹脂、ポリイミド等の高分子材料やセラミック材料を用いることができる。金属板１１の凸状部分１７に対応する部分を切り抜いたシートを予め形成し、当該切抜き部へ凸状部分１７を通すようにして、シートを金属板へ貼り合わせる。これにより、金属板１１へシートが積層されることとなる。勿論、金属板１１へ弾性を有する絶縁物質を塗布し、これを硬化することにより絶縁膜を形成することもできる。
絶縁膜１３と金属板１１との間には流動性のある接着剤を介在させることが好ましい。これにより、金属板１１に対して絶縁膜１３が面方向へ移動可能となり、両者の線膨張係数の違いに起因するストレスを吸収することができる。このことはまた、線膨張係数の違いを何ら考慮することなく絶縁膜１３の材料を選択可能であることを意味する。もって、材料選択の自由度が向上し、材料コストを低減することができる。

銅若しくは銅合金等の汎用的な導電金属からなる配線パターン１４は絶縁膜１３上へ任意の形状に形成される。シート状の絶縁膜１３を用いる場合、配線パターン１４を予め絶縁膜１３表面へ形成しておき、当該シートを金属板１１へ貼り付けることが好ましい。
この配線パターン１４は絶縁膜１３に対して固着されている。
本発明では、上記のＬＥＤランプ２０と凸状部分１７との接合と同じ工程でＬＥＤランプ２０と配線パターンとを半田バンプ１５を介して電気的に接続させる。

この発明が好適に適用されるＬＥＤランプは、高出力の発光素子を備えるタイプであり、例えばIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードを備えるものを挙げることができる。
ここにIII族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
III族窒化物系化合物半導体層を成長させる基板にはサファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。
ランプの構成も任意に選択することができる。トップビュータイプやサイドビュータイプのＳＭＤなどのパッケージを用いることができる。また、フリップチップタイプの発光素子をベアで凸状部分にマウントすることもできる。

次に、この発明の実施例について説明をする。
図４は実施例の発光装置２０を示し、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ方向から見た側面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ方向から見た側面図である。
実施例の発光装置２０はメタルコア基板３０とＬＥＤランプ５０とを備えてなる。
メタルコア基板３０は銅板３１を備える。銅板３１は略Ｈ字形の凸状部分３７と平板部分３８からなり、凸状部分３７の厚さは約５ｍｍである。即ち、この銅板３１は、厚さ約５ｍｍの基材において凸状部分３７に対応する部分をマスクし、非マスク部分をエッチングにより薄肉化して平板部分３８とした。平板部分３８の周縁は、更にエッチングを進行させて規定した。勿論、プレスにより平板部分３８の周縁を規定することもできる。

平板部分３８の表面にはエポキシ樹脂からなる絶縁膜３３が積層される。この絶縁膜３３は、エポキシ樹脂のシートを平板部分３８の形状に対応させて打ち抜き加工して得られる。このシートには予め配線パターン３４をプリントしておくことが好ましい。配線パターン３４は、図５に示すように、ビアホール３８、３９によって、メタルコア基板３０の裏面側まで配線することができる。
絶縁膜３３と銅板３１の平板部分３８の間には弾性を有する接着剤（例えば、シリコーンゴム）を介在させることが望ましい。この接着剤は、絶縁層３３と平板部分３８の表面とを緩く接合し、絶縁層３３は平板部分３３の面内方向の移動を許容する。

ＬＥＤランプ５０はIII族窒化物系化合物半導体からなる発光素子５１を備える。この発光素子５１はフリップチップタイプであり、サブマウント５３にマウントされる。サブマウント５３はセラミックス製のケーシング５２に固定され、サブマウント５３とケーシング５２の配線パターンとがボンディング結合されている。ケーシング５２の配線パターンはそのビアホール５８及び５９を介してメタルコア基板３０の配線パターン３４へ接続される。配線パターン３４とビアホール５８，５９のターミナルとの間には従来例と同様に半田バンプが介在される。
このＬＥＤランプ５０は、銅板３１の凸状部分３７へ載置され、その周縁部分が凸状部分３７の頂部表面へ半田付けされる。凸状部分３７とＬＥＤランプ５０との間に、配線パターン３４に用いたものと同一の若しくは同種のバンプを介在させて両者を固定することもできる。

このように構成された実施例の発光装置２０によれば、発光素子５１として高出力のＬＥＤを用いた場合にも、発光素子５１で生じた熱がサブマウント５３、ケーシング５９、凸状部分３７及び銅板３１の基部という順に伝達する。その間に、絶縁膜が何ら介在しないので、排熱効率に優れたものとなる。
また、凸状部分３７は銅板３１と一体であり、もともとマスクで保護された部分であるため、その平坦性が確保される。よって、ＬＥＤランプ３０を安定して取付けることができる。

この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１は従来例の発光装置におけるメタルコア基板とＬＥＤランプとの組付け態様を示す模式図である。図２はメタルコア基板とＬＥＤランプとの組付け態様の検討例を示す模式図である。図３はこの発明の発光装置におけるメタルコア基板とＬＥＤランプとの組付け態様を示す模式図である。図４はこの発明の実施例の発光装置を示し、図４（ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（ａ）のＡ方向から見た側面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ方向から見た側面図である。

符号の説明

１０、３０メタルコア基板
１１、３１金属板ｎ
１３、３３絶縁膜
１４、３４配線パターン
１５半田バンプ
１７、３７凸状部分
１８、３８平板部分
２０、５０ＬＥＤランプ

Claims

金属板の表面に絶縁膜が積層され、該絶縁膜の上に配線パターンが形成されているメタルコア基板と、
該メタルコア基板へ実装されるＬＥＤランプと、を備えてなる発光装置であって、
前記メタルコア基板において前記金属板は凸状部分を有し、前記絶縁膜は前記金属板において前記凸状部分以外の部分に積層され、前記ＬＥＤランプは前記凸状部分に固定されている、ことを特徴とする発光装置。
前記凸状部分の頂部は平坦であって前記ＬＥＤランプの下面へ固定され、前記メタルコア基板において前記凸状部分以外の部分の絶縁層に前記配線パターンが形成されてバンプを介して前記ＬＥＤランプへ電気的に接合される、ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記配線パターンは前記絶縁膜へ固定され、前記絶縁膜は前記メタルコア基板へ移動可能に積層されている、ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。