JP2008091952A - 発光素子実装用ホーロー基板の製造方法および発光素子モジュールの製造方法 - Google Patents

発光素子実装用ホーロー基板の製造方法および発光素子モジュールの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】放熱性に優れた発光素子実装用ホーロー基板の製造方法および発光素子モジュールの製造方法の提供。
【解決手段】本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法は、金属板に機械加工を施し、発光素子実装位置となる反射カップ部と放熱用スルーホールをそれぞれ形成してコア金属を作製するコア金属作製工程と、ガラス粉末を前記コア金属の表面に電着後、当該ガラス粉末が電着したコア金属を加熱し、前記コア金属の表面にガラス粉末を焼き付けることによりホーロー層を形成してホーロー基板を作製するホーロー基板作製工程と、前記放熱用スルーホールの内面に付着したホーロー層を除去し、前記放熱用スルーホールの内面にコア金属を露出させるコア金属露出工程と、前記ホーロー層上に導電ペーストにより電極および回路を形成する導電部形成工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、発光ダイオード(以下、LEDと記す。)などの発光素子を複数個実装するための発光素子実装用基板の製造方法に関し、特に、照明などの用途で、高密度に発光素子を実装した場合でも十分な放熱性を確保し得る発光素子実装用ホーロー基板の製造方法および発光素子モジュールの製造方法に関する。
近年、LEDは、照明用光源として使用され始めている。従来のLEDモジュールは、ガラスエポキシ樹脂などよりなる絶縁回路基板に電極をパターン形成し、LEDから発する光を反射して前方へ効率よく反射するための反射カップ部を備え、この反射カップ部の底面上にLED素子を実装し、屈折率の高い透明樹脂で樹脂封止した構造になっている。
LEDを点灯する際、発光に寄与しない電力は熱に変換される。LEDを照明用として使用するには、多数のLEDを基板に実装し、多くの電力を投入する必要があるため、放熱性の高い実装用基板が必要である。しかしながら、照明用のLED実装用基板として、従来より一般に使用されているガラスエポキシ樹脂などからなる回路基板を使用した場合、基板の放熱性が悪いために、発生した熱によりLEDの温度が上昇し、LEDの発光効率が低下してしまう問題がある。
従来、放熱性のよい回路基板構造として、特許文献1が提案されている。これは、基板の放熱性を向上させるために、基板芯材の露出面に放熱用金属板を接続した構造になっている。しかし、この特許文献1はIC等の回路部品を高密度実装しようとした際の熱の影響を防ぐためのものであり、照明装置としての使用やLEDを用いた使用の記載は認められない。
特開昭64−28886号公報
前述したように、多数のLEDを基板に実装した場合、LEDからの発熱量は非常に多くなり、基板からの放熱性を向上させる必要がある。放熱性の高い基板としてホーロー基板が挙げられる。放熱性の高いホーロー基板を照明用LED基板として用いることで、多数のLEDを実装することができる。
しかし、高輝度の照明用LEDモジュールを作製する場合、さらに多くのLEDを基板上に密集状態で実装することが必要となり、もしくは高輝度LED素子を用いることが必要となり、これを達成するには、基板の放熱特性をさらに向上させる必要がある。
また、照明用光源の場合、輝度ばらつきを少なくする必要があり、輝度ばらつきを低減するためには、LEDの電流を調整し、均一に発光させる必要がある。電流調整には電気回路に抵抗を実装することなどで行われるが、その場合、発熱体が基板に実装されることになるので、LED実装用基板の放熱特性をさらに向上させる必要がある。
本発明は前記事情に鑑みてなされ、放熱性に優れた発光素子実装用ホーロー基板の製造方法および発光素子モジュールの製造方法の提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、金属板に機械加工を施し、発光素子実装位置となる反射カップ部と放熱用スルーホールをそれぞれ形成してコア金属を作製するコア金属作製工程と、該コア金属作製工程の後、ガラス粉末を前記コア金属の表面に電着後、当該ガラス粉末が電着したコア金属を加熱し、前記コア金属の表面にガラス粉末を焼き付けることによりホーロー層を形成してホーロー基板を作製するホーロー基板作製工程と、該ホーロー基板作製工程の後、前記放熱用スルーホールの内面に付着したホーロー層を除去し、前記放熱用スルーホールの内面にコア金属を露出させるコア金属露出工程と、該コア金属露出工程の後、前記ホーロー層上に導電ペーストにより電極および回路を形成する導電部形成工程と、を有することを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板の製造方法を提供する。
また、本発明は、本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法により作製した発光素子実装用ホーロー基板の反射カップ部にダイボンディングにより発光素子を実装する発光素子実装工程と、ワイヤボンディングにより前記発光素子と前記発光素子実装用ホーロー基板の電極とを電気的に接続する接続工程と、該接続工程の後、前記反射カップ部内に透明樹脂を充填し、該透明樹脂を硬化させて前記発光素子を封止する封止工程と、を有することを特徴とする発光素子モジュールの製造方法を提供する。
本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法によって製造された発光素子実装用ホーロー基板は、ホーロー基板に1つ以上の放熱用スルーホールを設け、該放熱用スルーホール内面でコア金属を露出させた構成としたことで、発光素子の点灯時に発生した熱がコア金属に伝わり、コア金属全体に速やかに伝導するとともに、放熱用スルーホール内面のコア金属露出面から熱が外気に、あるいは放熱構造体に伝導されることで基板の放熱性が向上し、多数の発光素子を実装して点灯した場合でも基板の昇温が少なくなり、発光素子の発光効率を高レベルに維持することができ、発光素子の長期信頼性を向上することができる。
本発明の発光素子モジュールの製造方法によって製造された発光素子モジュールは、本発明に係る前記発光素子実装用ホーロー基板に発光素子を実装してなるものなので、多数の発光素子を実装して点灯した場合でも基板の昇温が少なくなり、発光素子の発光効率を高レベルに維持することができ、発光素子の長期信頼性を向上することができる。本発明の発光素子モジュールは、例えば、照明装置、表示装置、及び交通信号機として好適である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール11は、コア金属12の表面にホーロー層13が被覆されてなるホーロー基板に、1つ以上の放熱用スルーホール19が設けられ、且つ発光素子実装用の反射カップ部15が設けられた発光素子実装用ホーロー基板10に発光素子16を実装して構成されている。本実施形態において、放熱用スルーホール19の内面は、コア金属12が露出している。
発光素子実装用ホーロー基板10に設けられた反射カップ部15は、平坦な底面とスロープ面とからなるすり鉢形状又は溝状に形成されている。このスロープ面の傾斜角度(底面とスロープ面のなす角度)は10°〜90°程度、好ましくは40°〜90°程度とされる。本実施形態において、放熱用スルーホール19は、複数の反射カップ部15同士の中間の位置に穿設されている。
発光素子実装用ホーロー基板10の反射カップ部15が設けられている発光素子実装面には、発光素子16を駆動させる通電用の電極14や制御回路などの回路パターンが形成されている。この回路パターンに発光素子16の発光強度を調整する抵抗素子を含む場合、抵抗素子から発せられる熱を効率よく放熱するため、抵抗素子は放熱用スルーホール19の周辺に配置することが望ましい。
本実施形態において、発光素子実装用ホーロー基板10を構成しているコア金属12の材料としては、表面にホーロー層13を強固に形成可能な金属であればよく、特に限定されず、例えば低炭素鋼板などが用いられる。また、ホーロー層13は、ガラス粉末をコア金属12の表面に焼き付けて形成されている。また電極14及び回路パターンは、例えば、スクリーン印刷法などの方法によって所定のパターンに沿って銀ペーストや銅ペーストなどの導電ペーストを印刷し焼き付ける方法などによって形成することが望ましい。
この発光素子実装用ホーロー基板11に実装される発光素子16としてはLEDが好ましい。発光素子モジュール10を照明装置に適用する場合、発光素子16としては白色LEDが好ましい。この白色LEDとしては、例えば、窒化ガリウム(GaN)系半導体から作られた青色LEDと、青色光により励起されて黄色など青色以外の可視光を発する1種又は2種以上の蛍光体とを組み合わせた白色LEDなどを用いることが望ましい。なお、前記蛍光体は、基板に実装した発光素子16を封止するための透明樹脂18中に混合、分散させて用いることが望ましい。
本実施形態の発光素子モジュール11において、発光素子16は、反射カップ部15底面上に実装されている。発光素子16の一方の電極端子は一方の電極14と電気的に接続され、また発光素子16の他方の電極端子は、金線17(ボンディングワイヤ)によって隣り合う他方の電極14と電気的に接続されている。反射カップ部15には、必要に応じて蛍光体を混合させたエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透明樹脂18を注入、効果させることによって樹脂封止されている。
次に、前述した発光素子実装用ホーロー基板10及びそれを用いた発光素子モジュール11の製造方法を説明する。
まず、コア金属作製用の金属板を用意し、これを所望形状に切り出し、さらに機械加工を施して、発光素子実装位置となる反射カップ部15と放熱用スルーホール19をそれぞれ所望の個数形成し、コア金属12を作製する(コア金属作製工程)。
次に、前記コア金属12を、ガラス粉末を適当な溶媒に分散した液中に浸漬し、近傍に対向電極を配置し、コア金属12と該対向電極間に電圧を印加し、ガラス粉末をコア金属12の表面に電着させる。電着後、液中からコア金属12を引き上げて乾燥し、加熱炉に入れて所定温度域で加熱し、コア金属12の表面にガラス粉末を焼き付け、ホーロー層13を形成してホーロー基板を作製する(ホーロー基板作製工程)。
次に、放熱用スルーホール19の内面に付着したホーロー層をサンドブラスト法などの方法によって除去し、コア金属12を露出させる(コア金属露出工程)。なお、この放熱用スルーホール19内面に対するホーロー層除去は、前記電着時に放熱用スルーホール19を塞いで局部的に電着を防ぐ方法や、ホーロー層焼き付け前に放熱用スルーホール19内面のガラス粉末を除去しておく方法などにより代替可能である。
その後、スクリーン印刷などの方法によって、電極14及び回路の形成パターンに沿って銀ペーストなどの導電ペーストを印刷し、その後焼き付けして電極14及び必要な回路などの導電部を形成する(導電部形成工程)。以上の各工程を行うことで、発光素子実装用ホーロー基板10が得られる。
次に、前記のように作製した発光素子実装用ホーロー基板10の所定位置(反射カップ部15)にダイボンディングによって発光素子16を実装し(発光素子実装工程)、ワイヤボンディングを行い金線17によって発光素子16と電極14とを電気的に接続する(接続工程)。この後、反射カップ部15内に保護用の樹脂、あるいは、蛍光体を混合、分散させた樹脂を充填、硬化させ、透明樹脂18によって発光素子16を封止する(封止工程)。これによって、図1に示す発光素子モジュール11が作製される。
本実施形態の発光素子実装用ホーロー基板10は、ホーロー基板に1つ以上の放熱用スルーホール19を設け、該放熱用スルーホール19内面でコア金属12を露出させた構成としたことで、発光素子16の点灯時に発生した熱がコア金属12に伝わり、コア金属12全体に速やかに伝導するとともに、放熱用スルーホール19内面のコア金属露出面から熱が外気に伝導されることで基板の放熱性が向上し、多数の発光素子16を実装して点灯した場合でも基板の昇温が少なくなり、発光素子16の発光効率を高レベルに維持することができ、また発光素子16の長期信頼性を向上することができる。
本実施形態の発光素子モジュール11は、前記発光素子実装用ホーロー基板10に発光素子16を実装してなるものなので、多数の発光素子16を実装して点灯した場合でも基板の昇温が少なくなり、発光素子16の発光効率を高レベルに維持することができ、発光素子16の長期信頼性を向上することができ、例えば、照明装置、表示装置、及び交通信号機として好適である。
また、放熱用スルーホール19の周辺に電流調整用の抵抗素子を配置することで、抵抗素子の発熱による昇温を抑えることもできる。
図2は、本発明の第2実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール11は、前記第1実施形態の発光素子モジュールと同様の構成要素を備え、さらに、突起部を有する放熱構造体20が、該突起部を前記放熱用スルーホール19に嵌入した状態で接続されていることを特徴としている。
この放熱構造体20としては、例えばアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属からなり、一方の側に前記突起部が設けられ、他方の側に多数のフィン21が設けられたものが例示されるが、前記放熱用スルーホール19に接続した状態で基板の放熱性を向上させ得るものであればよく、本例示に限定されない。
本実施形態の発光素子モジュール11は、放熱構造体20を接続した構成としたので、放熱用スルーホール19から放熱構造体20を通して熱が効率よく伝わり、基板の放熱性をより向上することができる。
図3は、本発明の第3実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール11は、前記第2実施形態の発光素子モジュールと同様の構成要素を備え、さらに、放熱構造体20の突起部との間に、シリコーングリス、半田などの高熱伝導性接合剤22が設けられていることを特徴としている。
本実施形態の発光素子モジュール11は、放熱用スルーホール19から放熱構造体20を通して熱がさらに効率よく伝わり、基板の放熱性をより向上することができる。
[発光素子実装用基板]
コア金属として、長さ100mm、幅30mm、厚さ1.5mmの低炭素鋼板を用い、ドリル加工により反射カップ部を形成した。反射カップ部は、鋼板の長手方向に沿って一列当たり14mm間隔で7個、合計2列14個形成した。反射カップ部底面の寸法は直径2mm、深さ0.5mm、角度45度でスロープ部を作製した。
また、反射カップの間に直径3mmの放熱用スルーホールを、一列当たり14mm間隔で6個、合計3列18個穿設した。
次に、反射カップ部及び放熱用スルーホールを形成した鋼板(コア金属)の表面に、ガラス粉体を分散媒に混ぜた液を塗布し、850℃で焼成し、ホーロー層を形成した。ホーロー層の厚みは200μmとなるように調整し、放熱用スルーホール内面はサンドブラスト処理を行ってホーロー層を除去し、コア金属を露出させた。
次に、反射カップが形成されている面に、電極パターンに沿って銅ペーストを印刷し、その後焼成して厚み0.1mmの電極を形成した。
[実施例1]
放熱用スルーホールを有する前記ホーロー基板の反射カップ部内に、図1に示すように出力20mWの青色LED素子を実装した。ホーロー基板上に合計14個のLED素子を実装し、金線でワイヤボンドして電極とLEDを電気的に接続した。次に、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂を反射カップ部に注入し、硬化させて封止し、白色LEDとした。さらに電流調整用の抵抗素子を放熱用スルーホールの近くに実装した。
得られたモジュールのLED素子に60mAの電流を流して発光させ、基板の中心温度を測定したところ、中心部の温度は140℃であった。
[実施例2]
実施例1と同様に、放熱用スルーホールを有する前記ホーロー基板の反射カップ部内に出力20mWの青色LED素子を実装した。ホーロー基板上に合計14個のLED素子を実装し、ワイヤボンドした後、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂を反射カップ部に注入し、硬化させて封止し、白色LEDとした。さらに電流調整用の抵抗素子を放熱用スルーホールの近くに実装した。
図2に示すように、アルミ製の長さ10mmのフィンを持つ放熱構造体に、放熱用スルーホールとの接続部として、高さ2mm、直径3mmの接続突起物を一列当たり14mm間隔で6個、合計3列18個形成し、この接続突起物を放熱用スルーホールに差し込み、ホーロー基板と接続した。
実施例1と同じく、LED素子に60mAの電流を流して発光させ、基板の中心温度を測定したところ、中心部の温度は100℃であった。
[実施例3]
実施例1と同様に、放熱用スルーホールを有する前記ホーロー基板の反射カップ部内に出力20mWの青色LED素子を実装した。ホーロー基板上に合計14個のLED素子を実装し、ワイヤボンドした後、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂を反射カップ部に注入し、硬化させて封止し、白色LEDとした。さらに電流調整用の抵抗素子を放熱用スルーホールの近くに実装した。
図3に示すように、アルミ製の長さ10mmのフィンを持つ放熱構造体に、放熱用スルーホールとの接続部として、高さ2mm、直径3mmの接続突起物を一列当たり14mm間隔で6個、合計3列18個形成し、この接続突起物を放熱用スルーホールに差し込み、ホーロー基板と接続した。放熱構造体とホーロー基板の接続部には、熱伝導性の高いシリコーングリスを塗布し、接続を行った。
実施例1と同じく、LED素子に60mAの電流を流して発光させ、基板の中心温度を測定したところ、中心部の温度は90℃であった。熱伝導の高いシリコーングリスを接合剤に使用することで、放熱構造体とホーロー基板の接続が容易になり、また接続も確実にできるため、放熱性も向上した。
[比較例]
実施例1〜3で用いたものと同じサイズのホーロー基板であるが、図4に示すように放熱用スルーホールを形成していないホーロー基板を用い、その反射カップ部内に出力20mWの青色LED素子を実装した。図4中、符号1はホーロー基板、2は発光素子モジュール、3はコア金属、4はホーロー層、5は電極、6は反射カップ部、7は青色LED素子、8は金線、9は透明樹脂である。
このホーロー基板上に合計14個のLED素子を実装し、ワイヤボンドした後、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン樹脂を反射カップ部に注入し、硬化させて封止し、白色LEDとした。さらに電流調整用の抵抗素子を実装した。LED素子に60mAの電流を流して発光させ、基板の中心温度を測定したところ、中心部の温度は150℃であり、スルーホールを設けた実施例1のホーロー基板よりも温度が高くなった。
本発明の発光素子モジュールの第1実施形態を示す断面図である。 本発明の発光素子モジュールの第2実施形態を示す断面図である。 本発明の発光素子モジュールの第3実施形態を示す断面図である。 比較例で作製した発光素子モジュールを示す断面図である。
符号の説明
10…発光素子実装用基板、11…発光素子モジュール、12…コア金属、13…ホーロー層、14…電極、15…反射カップ部、16…発光素子、17…金線、18…透明樹脂、19…放熱用スルーホール、20…放熱構造体、21…フィン、22…高熱伝導性接合剤。

Claims (2)

  1. 金属板に機械加工を施し、発光素子実装位置となる反射カップ部と放熱用スルーホールをそれぞれ形成してコア金属を作製するコア金属作製工程と、該コア金属作製工程の後、ガラス粉末を前記コア金属の表面に電着後、当該ガラス粉末が電着したコア金属を加熱し、前記コア金属の表面にガラス粉末を焼き付けることによりホーロー層を形成してホーロー基板を作製するホーロー基板作製工程と、該ホーロー基板作製工程の後、前記放熱用スルーホールの内面に付着したホーロー層を除去し、前記放熱用スルーホールの内面にコア金属を露出させるコア金属露出工程と、該コア金属露出工程の後、前記ホーロー層上に導電ペーストにより電極および回路を形成する導電部形成工程と、を有することを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板の製造方法。
  2. 請求項1に記載の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法により作製した発光素子実装用ホーロー基板の反射カップ部にダイボンディングにより発光素子を実装する発光素子実装工程と、ワイヤボンディングにより前記発光素子と前記発光素子実装用ホーロー基板の電極とを電気的に接続する接続工程と、該接続工程の後、前記反射カップ部内に透明樹脂を充填し、該透明樹脂を硬化させて前記発光素子を封止する封止工程と、を有することを特徴とする発光素子モジュールの製造方法。

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