JP2008160128A - 印刷回路基板、これを含む発光装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子の発熱を効果的に放出できる印刷回路基板を提供する。
【解決手段】印刷回路基板10は、第1金属層12と、該第1金属層上に位置する絶縁層14と、該絶縁層上に位置する第2金属層16と、を含んで構成され、発光素子パッケージ50を装着するために、少なくとも第1金属層12の上面まで達する深さをもった装着溝40が形成されている。
【選択図】図3

Description

本出願は、2006年12月21日に出願された韓国特許出願10−2006−0131740号の優先権主張を含むものであり、その内容は参照としてここに組み込まれる。

本発明は、印刷回路基板、これを含む発光装置及びその製造方法に関するもので、特に、信頼性を向上させられる印刷回路基板、これを含む発光装置及びその製造方法に関するものである。

発光ダイオード(Light Emitting Diode :LED)は、化合物半導体薄膜を基板上に蒸着し、電界効果で発光を実現する素子である。最近は、照明や、通信用等の各種電子機器の表示部にも広く使用されている。その多様なLCDの応用分野の中でも、LCDなどの薄型TVにおけるバックライトユニット(Back Light Unit :BLU)や、蛍光灯に代わる照明用の分野で、非常に活発に研究が進められている。また、これら応用分野に適用するためのLEDの構造、材料、パッケージに関する研究も活発である。

LEDは、注入された電子と正孔が結合するときにエネルギーが光として放出されることで発光する。このときに、ある程度のエネルギーが熱として放出されるが、この熱は、パッケージングで適切なヒートシンクを適用することにより緩和される。

最近では、チップサイズが1mm×1mm以上の高出力LEDも開発され、10CD以上の明るさのLEDが実現されている。さらに、複数の高出力チップを配列した多様なLEDモジュールも、例えば電光掲示板、バックライトユニット、照明用モジュールなどに使用されている。これら製品においては、LEDの使用個数が多く、LEDの発熱によって温度が非常に高くなる。また、LEDの照度は熱に反比例するので、LEDを実装した印刷回路基板など、LEDモジュールにおける熱の問題を解決する必要がある。

本発明は、印刷回路基板、これを含む発光装置及びその製造方法に関し、上記課題を解決する。本発明の目的は、発光素子から出る熱を効果的に放出可能な印刷回路基板、当該印刷回路基板を含んだ発光装置及びその製造方法を提案することにある。本発明のその他の目的、特徴、利点も、以下の説明、実施の形態から明らかとなり、あるいは、本発明の実施を通して理解される。本発明の目的及び利点は、図面と共に明細書及び特許請求の範囲で指摘した構成によって達成される。

上記のような技術的課題を解決する第1の態様は、発光素子パッケージを実装する印刷回路基板であって、第1金属層と、該第1金属層上に位置した絶縁層と、該絶縁層上に位置した第2金属層と、発光素子パッケージを装着するために少なくとも前記第1金属層の上面に達する深さで形成された装着溝と、を含んで構成されることを特徴とする。

第2の態様は、発光装置であって、第1金属層と、該第1金属層上に位置した絶縁層と、該絶縁層と、該絶縁層上に位置した第2金属層と、少なくとも前記第1金属層の上面に達する深さで形成された装着溝と、該装着溝に装着された発光素子パッケージと、を含んで構成されることを特徴とする。

第3の態様は、発光装置の製造方法であって、第1金属層、絶縁層及び第2金属層を順次積層した印刷回路基板を準備する工程と、該印刷回路基板に、深さが少なくとも前記第1金属層の上面に達する装着溝を形成する工程と、該装着溝に、ヒートシンクを含む発光素子パッケージを装着する工程と、を含むこと特徴とする。

以上及び以下における本発明の詳細な記述は、例示及び説示であり、特許請求の範囲に記載した発明を説明するために提供するものである。

以下、図面に基づいて本発明の好ましい実施形態を説明する。図中、同様の部分には可能な限り共通の符号を使用する。これ以降、図面を参照して本発明の一例が詳述される。本発明は多様な修正及び変形が可能であり、以下にはそのうちの特定の実施形態が図面に基づいて説明される。しかしながら本発明は、ここに開示する特定の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義される本発明の思想に合致するすべての修正、均等及び代用を含んでいる。

層、領域又は基板などの要素が他の構成要素の“上(on)”に存在すると表現されている場合、層、領域又は基板などの要素が直接的に他の要素上に存在する場合、あるいは、それらの間に中間要素が存在している場合を想定することができる。また、表面などの構成要素の一部が“内部(inner)”と表現される場合、その要素の他の部分よりも素子の外側から離れていることを意味すると理解できる。さらに、“下(beneath)”や“重畳(overlies)”などの相対的な用語は、図面に示すように、一つの層又は領域と他の層又は領域との関係、あるいは、基板又は基準層に関連した層又は領域と一つの層又は領域との関係を説明するために用いられる。これらの用語は、図面描写の通りの方向に限られるわけではない。また、“直接(directly)”という用語は、間に介在する要素がないことを意味する。ここで使用する“及び/又は”は、関連項目の一つ以上の組み合わせとすべての組み合わせを含む意味である。“第1”及び“第2”などの用語は、多様な要素、成分、領域、層及び/又は区域を説明するために用いられるが、その要素、成分、領域、層及び/又は区域は、これら用語によって限定されてはならない。

<第1の例>
図1を参照して第1の例を説明する。

金属コア印刷回路基板を含む発光装置は、図1に示すように、印刷回路基板5に発光素子パッケージ6を実装して構成されている。

この発光装置の印刷回路基板5としては、多様な形態の回路基板を使用可能であるが、高出力発光素子パッケージを用いた発光モジュールの場合、第1金属層1、絶縁層2、第2金属層3及びソルダレジスト(Solder Resist)層4を順次積層した金属コア印刷回路基板(Metal Core Printed Circuit Board :MCPCB)が使用される。金属コア印刷回路基板の構造例では、第1金属層1としてアルミニウム層が用いられ、このアルミニウム層上に、回路を形成する第2金属層3として銅層が用いられる。そして、これら第1金属層1と第2金属層3との間に、エポキシなどの絶縁性物質を用いた絶縁層2が位置する。なお、第1金属層1及び第2金属層3には、アルミニウム、銅の他に、鉄、銀など多様な金属を使用可能である。

第2金属層3上にはソルダレジスト層4が位置するが、第2金属層3と部品との接続のために、ソルダ塗布部位のソルダレジスト層4は、除去されている。そのソルダレジスト層4の除去部分を介して、発光素子チップを搭載した発光素子パッケージ6が、ソルダ7によって金属コア印刷回路基板の第2金属層3に接続される。

このような発光装置の構造において、発光素子パッケージ6から発生する熱は、ソルダ7、第2金属層3、絶縁層2及び第1金属層1を通して空気中へ放出される。このとき、熱の放出は放熱面積に比例し、距離に反比例するので、熱の伝導は、発光素子パッケージ6に対して垂直方向となる。一般に、各物質間の境界が多いほど熱伝導率は低下し、放熱は放熱面積に比例し、距離に反比例する。上記の発光装置の構造では、熱の伝導経路が多くて伝導距離が長くなり、また、発光素子パッケージ6に直接接触するのが銅製の第2金属層3なので、第1金属層1まで熱が円滑に放出されないことがあり得る。

<第2の例>
以下、図2〜図4を参照して本発明の実施形態を説明する。

図2に示すように、印刷回路基板10は、第1金属層12、絶縁層14、第2金属層16及びソルダレジスト層18を順次積層して形成されている。そして、この印刷回路基板10には、発光素子パッケージを装着するために、少なくとも第1金属層12の上面まで達する深さをもった装着溝40が掘られている。図示のように、当該装着溝40は、第1金属層12の上面からさらに所定の深さ掘り下げてある。このような装着溝40は、発光素子パッケージを密接させて装着できるように、発光素子パッケージのサイズと実質的に相応するサイズで形成される。すなわち、装着する発光素子パッケージの種類及びサイズに応じて、装着溝40の形状及び深さを変えるとよい。

第1金属層12にはアルミニウム層が使用され、このアルミニウム層上に、回路を構成する第2金属層16が銅を使用して形成される。そして、これら第1金属層12と第2金属層16との間に、エポキシ等の絶縁性物質からなる絶縁層14が位置する。第1金属層12及び第2金属層16としては、アルミニウムや銅の他にも、鉄、銀など多様な金属を使用できる。第1金属層12は、回路を構成する第2金属層16よりも厚く形成されるが、これは、装着する発光素子パッケージの高さによって可変である。

以上のような印刷回路基板10の装着溝40に、図3に示すように、発光素子パッケージ50が装着される。発光素子パッケージ50は、実装部55が形成されたパッケージボディ51と、パッケージボディ51の下側に取り付けられたヒートシンク52と、実装部55に実装された発光素子53と、を含んで構成されている。実装部55は、内側に陥没した凹部として形成される。また、パッケージボディ51の側部には、発光素子53と電気的に接続されているリード54が設けられている。このリード54は、ソルダレジスト層18の開口部分に配設されるソルダ30を通して第2金属層16へ電気的に接続される。

図示のように、パッケージボディ51の下側にヒートシンク52が設けられて、熱伝導経路が形成されている。そして、ソルダ30がヒートシンク52と第1金属層12との間に塗布されており、発光素子53から発生する熱が第1金属層12へ効果的に伝導する。ヒートシンク52と第1金属層12との間にソルダ30が位置することで、発光素子パッケージ50と印刷回路基板10との固定が確実になると共に、ソルダ30を介してヒートシンク52と第1金属層12との接触面積が広くなる。

このヒートシンク52は、図3に示すように、発光素子パッケージ50を印刷回路基板10に実装したときに、第1金属層12と接触するだけの高さを有する。すなわち、ヒートシンク52は、発光素子パッケージ50から下側へ突出する形状とするのがよい。印刷回路基板10の各層の厚さ及び発光素子パッケージ50の高さを考慮して、リード54は、印刷回路基板10に形成された装着溝40に発光素子パッケージ50を装着したときに、発光素子パッケージ50のヒートシンク52と第1金属層12とが接触した状態で、ソルダリングに適した位置となるように配設される。

発光素子パッケージ50を装着するためのソルダ30としては、クリームソルダを用いることができる。ソルダ30は、塗布後に熱を加えるなどの適切な過程を通して硬化する。

以下、上記のような印刷回路基板10及び発光素子パッケージ50を含んで構成される発光装置の放熱経路を説明する。

上述のように、発光素子パッケージ50はヒートシンク52を通して第1金属層12と密着している。この密着状態の第1金属層12を通して、発光素子パッケージ50から発生した熱が放出される。言い換えると、発光素子パッケージ50の熱は、印刷回路基板10の第1金属層12に直接的に伝導するので、熱の伝導距離が短縮され、発光素子パッケージ50の放熱が効果的となる。

上記第1の例と比較してみると、第1の例の発光装置においては、ソルダ7、第2金属層3、絶縁層2及び第1金属層1を通して熱が伝導している。一方、第2の例による印刷回路基板10を含んで構成された発光装置においては、第1金属層12のみを通して熱が伝導し、外へ放出される。したがって、熱伝導に関わる層の数が減少し、熱伝導の距離も短くなり、放熱効果に優れている。

熱の伝導に関する理解を助けるために、熱抵抗値(Rth)の公式Rth=L/kA[℃/W]で説明する。式中のLは、熱の流れと垂直な面の厚さを示し、kは、熱伝導率(thermal conductivity)を示し、Aは、熱の流れと垂直な面の面積を示す。

熱抵抗値は、低いほど放熱効果に優れることを意味するが、熱抵抗値を下げるには、L値を小さく、A値を大きくすればよい。したがって、放熱効果を高めるには、熱の伝導距離、すなわち熱が通過する層の数を少なくするのがよい。

第1の例あるいは一般的なMCPCBの場合、熱抵抗値は、Rth=R2ndmetal+Rinsulatinglayer+R1stmetalで表現される。一方、第2の例による熱抵抗値は、Rth=R1stmetalで表現される。すなわち、本発明に係る第2の例の場合、第1の例や従来のMCPCBと比較して、第2金属層16による抵抗及び絶縁層14による抵抗が除かれるので、熱伝導が大きく向上する。

次に、図2〜図4を参考にして、第2の例による発光装置の製造方法について説明する。

まず、第1金属層12、絶縁層14、第2金属層16及びソルダレジスト層18を積層した印刷回路基板10を準備する(S10)。これは、高出力の発光素子を使用する発光素子モジュールの場合、二つの金属層12,16を含む金属コア印刷回路基板10を使用することが好ましいためである。ソルダレジスト層18は、第2金属層16を被覆する被覆層であるが、ソルダレジスト層18に代えて、例えば塗料、PSR層、ポリマーなどの層を、回路配線を構成する第2金属層16を被覆する層とする場合もある。

続いて、印刷回路基板10に、少なくとも第1金属層12の上面まで達する深さの装着溝40を、発光素子パッケージ装着用に形成する(S20)。この装着溝40は、コンピュータ数値制御(Computer Numerical Control :CNC)方式のドリル加工で形成することができる。装着溝40は、発光素子パッケージ50のサイズに応じてドリルサイズを変更することにより、異なったサイズで形成することができる。当該ドリル加工では、印刷回路基板10の設計に伴って要請されている装着溝40の情報に基づいて、X−Y座標を使用したコンピュータ数値制御方式により印刷回路基板10にホールを形成することができる。装着溝40の深さについては、発光素子パッケージ50のヒートシンク52の厚さを含んだ情報に基づいて、決定する。すなわち、発光素子パッケージ50の熱が第1金属層12へ直接的に伝導するように、ヒートシンク52と第1金属層12とが密接する装着溝40の深さが決定される。

継いで、発光素子パッケージ50を、装着溝40が形成された印刷回路基板10に装着する(S30)。この装着工程では、発光素子パッケージ50のヒートシンク52と、リード54を位置させる第2金属層16の部分とに、ソルダクリームを塗布し、そして、発光素子パッケージ50を装着する。この後、熱硬化などの硬化工程を通してソルダ30を硬化させ、ヒートシンク52と第1金属層12とを接続すると共にリード54と第2金属層16とを接続する。

上記の実施形態は、本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例に過ぎず、本発明は上記の例に限定されるわけではなく、多様な形態に変形可能である。このような技術的思想の多様な形態もすべて、本発明の保護範囲に属して当然である。

発光素子パッケージを実装した印刷回路基板の第1の例を示した断面図。 本発明の実施形態に係る印刷回路基板の断面図。 本発明の実施形態に係る発光装置の断面図。 本発明の実施形態に係る発光装置の製造工程を説明するフローチャート。

符号の説明

10 印刷回路基板
12 第1金属層
14 絶縁層
16 第2金属層
18 ソルダレジスト層
30 ソルダ
40 装着溝
50 発光素子パッケージ

Claims (20)

  1. 第1金属層と、
    該第1金属層上に位置する絶縁層と、
    該絶縁層上に位置する第2金属層と、
    発光素子パッケージを装着するために少なくとも前記第1金属層の上面に達する深さで形成された装着溝と、
    を含んで構成されることを特徴とする、発光素子パッケージを実装する印刷回路基板。
  2. 前記第1金属層がアルミニウム層であり、前記第2金属層が銅層であることを特徴とする請求項1記載の印刷回路基板。
  3. 前記第2金属層上のソルダレジスト層をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の印刷回路基板。
  4. 前記装着溝の幅が、装着される発光素子パッケージの幅に相応していることを特徴とする請求項1記載の印刷回路基板。
  5. 前記第1金属層の厚さが前記第2金属層よりも厚いことを特徴とする請求項1記載の印刷回路基板。
  6. 第1金属層と、
    該第1金属層上に位置する絶縁層と、
    該絶縁層上に位置する第2金属層と、
    少なくとも前記第1金属層の上面に達する深さで形成された装着溝と、
    該装着溝に装着された発光素子パッケージと、
    を含んで構成されることを特徴とする発光装置。
  7. 前記発光素子パッケージは、
    実装部を形成したパッケージボディと、
    前記実装部に実装された発光素子と、
    前記パッケージボディに設けられ、前記発光素子と電気的に接続されたリードと、
    前記パッケージボディの下側に接触するヒートシンクと、
    を含んで構成されることを特徴とする請求項6記載の発光装置。
  8. 前記リードは、前記第2金属層上に位置するソルダによって前記第2金属層と接続されることを特徴とする請求項7記載の発光装置。
  9. 前記第2金属層上に位置する被覆層をさらに含むことを特徴とする請求項6記載の発光装置。
  10. 前記被覆層がソルダレジスト層であることを特徴とする請求項9記載の発光装置。
  11. 前記ヒートシンクが前記第1金属層に接触することを特徴とする請求項7記載の発光装置。
  12. 前記ヒートシンクがソルダを通して前記第1金属層に接触することを特徴とする請求項11記載の発光装置。
  13. 前記第1金属層がアルミニウム層で、前記第2金属層が銅層であることを特徴とする請求項6記載の発光装置。
  14. 第1金属層、絶縁層及び第2金属層を順次積層した印刷回路基板を準備する工程と、
    該印刷回路基板に、深さが少なくとも前記第1金属層の上面に達する装着溝を形成する工程と、
    該印刷回路基板に形成した装着溝に、ヒートシンクを含む発光素子パッケージを装着する工程と、
    を含むこと特徴とする発光装置の製造方法。
  15. 前記装着溝を形成する工程において、当該装着溝をドリル加工を利用して形成することを特徴とする請求項14記載の製造方法。
  16. 前記装着溝を形成する工程において、コンピュータ数値制御(Computer Numerical Control :CNC)方式により加工制御することを特徴とする請求項14記載の製造方法。
  17. 前記発光素子パッケージを装着する工程において、前記発光素子パッケージをソルダによって装着することを特徴とする請求項14記載の製造方法。
  18. 前記ソルダは、前記発光素子パッケージと第2金属層とを接続し、前記発光素子パッケージのヒートシンクと前記第1金属層とを接続することを特徴とする請求項17記載の製造方法。
  19. 前記ソルダが位置している部分以外の前記第2金属層上に、ソルダレジスト層が位置していることを特徴とする請求項17記載の製造方法。
  20. 前記装着溝の深さは、前記発光素子パッケージのヒートシンクの厚さ情報に基づいて決定されることを特徴とする請求項14記載の製造方法。
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