JP2009007552A - 発光素子用熱可塑性樹脂組成物及びそれからなる成形品、並びにそれを用いてなる発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れた放熱性及び成形性を有し、安価に製造することができ、重量が軽い発光素子用熱可塑性樹脂組成物を提供する。
【解決手段】以下の成分(A)〜(C)を含む樹脂組成物。
(A)ポリブチレンテレフタレート、ポリアリーレンサルファイド、液晶ポリマー、シンジオタクチックポリスチレン及びポリフタルアミドからなる群から1以上選択される熱可塑性樹脂:20〜65重量%
(B)酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素からなる群から1以上選択されるセラミック系フィラー:15〜60重量%
(C)ガラス繊維及び/又は炭素繊維:5〜45重量%
(前記各成分の配合量は、成分(A)〜(C)の合計量に対する重量分率である)
【選択図】なし

Description

本発明は、発光素子用熱可塑性樹脂組成物及びそれからなる成形品、並びにそれを用いてなる発光素子に関する。さらに詳しくは優れた放熱性及び成形性に有し、安価に製造することができ、重量が軽い発光素子用熱可塑性樹脂組成物及びそれからなる成形品、並びにそれを用いてなる発光素子に関する。
1990年代以降、発光ダイオード(LED)の進歩は目覚しく、高出力化とともに多色化が進んでいる。実際、LEDは長寿命、省電力、温度安定性、低電圧駆動等の特徴が評価され、ディスプレイ、行き先表示板、車載照明、信号灯、非常灯、携帯電話、ビデオカメラ等へ応用されている。
上述のLEDを用いた発光装置は、通常、合成樹脂をリードフレームと一体成形してなるリフレクターにLEDを固定し、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の封止材で封止することにより製造されている。一方、LEDが発光する光を高輝度化するためには、LEDに高電流を流す必要がある。その際、LEDからの発熱量も増大するため、発熱対策が問題となっていた。
この問題に対して、特許文献1〜4では放熱部材として金属放熱板等を用いた発光装置を開示している。しかし、LED周辺部は電気的に絶縁する必要がある。従って、金属放熱板等を発光装置に用いる場合、何らかの絶縁処理を施す必要があり、価格、生産性及び成形性において課題があった。
特許文献5には、アノード及びカソードのリードフレームを有し、ランプ状の形状を有するLEDと、電極をインサートした発光装置を開示している。しかし、この構造の発光装置では、LEDランプから放熱板までの距離が長いため、放熱性が悪い(熱抵抗が高い)という問題があった。
特許文献6では、発光装置に用いることができる、熱硬化性樹脂、無機フィラー及び白色顔料からなる樹脂組成物が開示されているが、生産性が悪い(硬化時間が長い)という問題があった。
特開2005−166775号公報 特開2005−64047号公報 特開2003−243718号公報 特開2005−136137号公報 特開2004−247658号公報 特開2003−277479号公報
本発明の目的は、優れた放熱性及び成形性を有し、安価に製造することができ、重量が軽い発光素子用熱可塑性樹脂組成物を提供することである。
本発明によれば、以下の発光素子用熱可塑性樹脂組成物等が提供される。
1.以下の成分(A)〜(C)を含む発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
(A)ポリブチレンテレフタレート、ポリアリーレンサルファイド、液晶ポリマー、シンジオタクチックポリスチレン及びポリフタルアミドからなる群から1以上選択される熱可塑性樹脂:20〜65重量%
(B)酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素からなる群から1以上選択されるセラミック系フィラー:15〜60重量%
(C)ガラス繊維及び/又は炭素繊維:5〜45重量%
(前記各成分の配合量は、成分(A)〜(C)の合計量に対する重量分率である)
2.前記熱可塑性樹脂がポリアリーレンサルファイドである1に記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
3.前記熱可塑性樹脂がポリフェニレンサルファイドである1又は2に記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
4.前記セラミック系フィラーが窒化アルミニウム又は窒化ホウ素である1〜3のいずれかに記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
5.1〜4のいずれかに記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物を成形してなる成形体。
6.体積固有抵抗が10Ω・cm以上である5に記載の成形体。
7.熱伝導率が1.5W/mk以上である5又は6に記載の成形体。
8.荷重たわみ温度が180℃以上である5〜7のいずれかに記載の成形体。
9.LED架台の放熱部材である5〜8のいずれかに記載の成形体。
10.アノード側リードフレーム、カソード側リードフレーム及び9に記載のLED架台を有し、前記アノード側リードフレーム及び前記カソード側リードフレームが、前記LED架台に接触している発光素子。
11.前記アノード側リードフレーム及び前記カソード側リードフレームが金属薄板であり、前記アノード側リードフレーム及び前記カソード側リードフレームが前記LED架台に貼り付いてプリント配線基板構造を形成してなる10に記載の発光素子。
本発明によれば、優れた放熱性及び成形性を有し、安価に製造することができ、重量が軽い発光素子用熱可塑性樹脂組成物を提供することができる。
本発明の発光素子用熱可塑性樹脂組成物(以下、単に本発明の樹脂組成物という場合がある)は、以下の成分(A)〜(C)を含む。
(A)ポリブチレンテレフタレート、ポリアリーレンサルファイド、液晶ポリマー、シンジオタクチックポリスチレン及びポリフタルアミドからなる群から1以上選択される熱可塑性樹脂:20〜65重量%
(B)酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素からなる群から1以上選択されるセラミック系フィラー:15〜60重量%
(C)ガラス繊維及び/又は炭素繊維:5〜45重量%
(前記各成分の配合量は、成分(A)〜(C)の合計量に対する重量分率である)
熱可塑性樹脂(成分(A))の配合量は成分(A)〜(C)の合計量に対して20〜65重量%であり、好ましくは20〜55重量%、さらに好ましくは20〜45重量%である。
成分(A)の配合量が20重量%未満の場合、本発明の樹脂組成物の成形性が著しく低下し、所望の形状が得られないおそれがある。一方、成分(A)の配合量が65重量%を超える場合、本発明の樹脂組成物からなる成形体の熱伝導率が向上しないおそれがある。
セラミック系フィラー(成分(B))の配合量は成分(A)〜(C)の合計量に対して15〜60重量%であり、好ましくは20〜60重量%である。
成分(B)の配合量が15重量%未満の場合、本発明の樹脂組成物からなる成形体の熱伝導率が向上しないおそれがある。一方、成分(B)の配合量が60重量%を超える場合、本発明の樹脂組成物の成形性が著しく低下するおそれがある。
ガラス繊維及び/又は炭素繊維(成分(C))の配合量は成分(A)〜(C)の合計量に対して5〜45重量%であり、好ましくは5〜40重量%である。
成分(C)の配合量が5重量%未満の場合、本発明の樹脂組成物からなる成形体のハンダ耐熱性(荷重たわみ温度)が低くなるおそれがある。一方、成分(C)の配合量が45重量%を超える場合、本発明の樹脂組成物からなる成形体の熱伝導率が向上しないおそれがある。
上記成分(A)において、液晶ポリマーとしては、例えば、ケブラーに代表される全芳香族ポリアミド、ザイダーやベクトラに代表される全芳香族ポリエステル等が挙げられる。
本発明で用いる上記成分(A)のうち、好ましくはポリアリーレンサルファイドを用いる。
上記ポリアリーレンサルファイドは、繰り返し単位が下記式
−(Ar−S)−
(式中、Arはアリーレン基、Sは硫黄を示す。)
で示される重合体である。
本発明において、ポリアリーレンサルファイドは、好ましくはアリーレン基がフェニレン基であるポリフェニレンサルファイドである。このようなポリフェニレンサルファイドとしては、上記アリーレン基が例えば下記式で表されるポリフェニレンサルファイドが挙げられる。
Figure 2009007552
これらのフェニレン基からなるポリフェニレンサルファイドは、同一の繰り返し単位からなるホモポリマー、2種以上の異なるフェニレン基からなるコポリマー及びこれらの混合物のいずれでもよい。
また、ポリアリーレンサルファイドは、本発明の効果を損なわない範囲で、そのポリマー鎖の一部が他のポリマーで置換されていてもよい。
置換するポリマーとしては、ポリアミド系ポリマー、ポリエステル系ポリマー、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリスチレン系ポリマー、ポリオレフィン系ポリマー、含フッ素ポリマー、ポリオレフィン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、シリコーン系エラストマー等が挙げられる。
ポリアリーレンサルファイドは、例えば特公昭45−3368号公報、特公昭52−12240号公報等に記載の方法で製造することができる。
尚、上記ポリアリーレンサルファイドは、空気中で加熱して高分子量化してもよく、また、酸無水物等の化合物を用いて化学修飾してもよい。
本発明で用いるセラミック系フィラー(成分(B))は、好ましくは熱伝導率が5W/mk以上である。上記成分(B)のうち、電気特性の観点から、好ましくは窒化アルミニウム又は窒化ホウ素を用いる。
本発明で用いるガラス繊維(成分(C))は、その断面について特に制限はなく、その断面は扁平形状でもよく、円形状でもよい。また、その繊維長についても特に制限はないが、製造上の利便性の観点から、好ましくは繊維長が1mm〜5mmである。
本発明で用いる炭素繊維(成分(C))は、例えば直径6μmで繊維長1mm〜5mmのチョップストランドが好ましい。
本発明で用いるガラス繊維及び炭素繊維は、熱可塑性樹脂との接着強度を高める目的等で、その表面を有機化合物でコーティングする、多数のガラス繊維及び炭素繊維を有機化合物で収束する等の処理を施してもよい。
本発明の樹脂組成物は、成分(A)〜(C)から実質的になっていてもよく、また、これらの成分のみからなっていてもよい。「実質的になる」とは、本発明の樹脂組成物が成分(A)〜(C)のみからなり、これら成分の他に以下の添加剤を含みうることである。
本発明の樹脂組成物は、本発明の効果を損ねない範囲で、例えば離型剤、可塑剤、難燃剤、酸化防止剤、赤外輻射向上剤、金属不活性化剤及び相容化剤等の樹脂添加剤を含むことができる。
本発明の樹脂組成物は、放熱部材として金属を含まない。従って、本発明の樹脂組成物は成形性に優れ、安価に製造することができ、重量が軽いという利点がある。また、本発明の樹脂組成物は金属と比べて高い抵抗率を有するため、極性の異なるリードフレーム(電極)双方に同時に接触することができる。従って、本発明の樹脂組成物を用いることによりリードフレーム(電極)の設置自由度を高めることができ、製品のさらなる小型化及び薄型化が可能となる。
本発明の樹脂組成物の製造方法は特に限定されず、例えば公知の溶融混練法によって製造できる。具体的には、原料をヘンシェルミキサー、スパーフローター等の混合機で均一に混合した後、単軸あるいは2軸混練押出機、バンバリーミキサー、ニーダー、ミキシングロール等の公知の溶融混合機に供給して、280℃〜380℃の温度で混練することにより製造できる。
本発明の樹脂組成物の製造過程おいて、原料の混合順については特に限定はない。例えば、全ての原材料を一緒に配合してもよく、一部の原材料を配合して混練し、その後、残りの原材料を配合し混練してもよく、又は一部の原材料を配合後、単軸あるいは2軸押出機により混練し、混練中にサイドフィーダーを用いて残りの原材料を混合してもよい。また、例えば樹脂添加剤等の少量添加成分については、成形品を製造する際に添加してもよい。
本発明の樹脂組成物は、優れた放熱性及び成形性を有し、安価に製造することができ、重量が軽い。また、本発明の樹脂組成物はその優れた成形性から、切削加工なしに精密鍛造金型だけで小型・複雑形状部品を完成させることができる(ネットシェイプ)。従って、本発明の樹脂組成物からなる成形品は電子部品等に好適であり、例えば発光素子のLED架台の材料として好適である。
本発明の成形品の体積固有抵抗は好ましくは10Ω・cm以上であり、より好ましくは1015Ω・cm以上である。尚、体積固有抵抗は、ASTM D257に準拠して測定することができる。
本発明の成形品の熱伝導率は、放熱性の観点から、好ましくは1.5W/mk以上である。尚、熱伝導率は、ホットディスク法により測定することができる。
本発明の成形品の荷重たわみ温度は、鉛フリーハンダ適用の観点から、好ましくは180℃以上である。尚、荷重たわみ温度は、ASTM D648に準拠して測定することができる。
図1は、本発明の樹脂組成物からなる成形体をLED架台として用いた発光素子の一実施形態を示す概略断面図である。
図1の発光素子1において、LED架台10上にはリフレクター20が発光方向に対して開口して積層されている。リフレクター20には、アノード側にリードフレーム(+)30、及びカソード側にリードフレーム(−)32が差し込まれており、これらリードフレーム(+)30及びリードフレーム(−)32はLED架台10の凸部に接触している。
リードフレーム(+)30上には半導体チップ40が実装されており、リードフレーム(−)32と半導体チップ40はワイヤーボンディング50を介して接続されている。また、リフレクター20が形成している開口部は封止材60で封止されている。
LED架台10は、半導体チップ40が実装されたリードフレーム(+)30と接しているので、半導体チップ40の発光に伴う熱は、直接LED架台10に伝わる。LED架台10は本発明の樹脂組成物からなるので、優れた放熱性を有しており、発光に伴う熱はLED架台10を介して効率的に放熱することができる。また、LED架台10は本発明の樹脂組成物からなるので、高い体積固有抵抗を有し、互いに極性の異なるリードフレーム(+)30及びリードフレーム(−)32の両方に接して設置することができる。これは放熱の効率化の観点から、非常に有用である。
発光素子1は、好ましくはリードフレーム(+)30及びリードフレーム(−)32が金属薄板であり、リードフレーム(+)30及びリードフレーム(−)32がLED架台10に貼り付いて、プリント配線基板構造を形成する。
上記金属薄板としては、厚みが5〜300μmの銅箔が通常用いられる。また、熱可塑性樹脂との接着性(密着性)改善のため、金属薄板の接合面を粗化及び/又はシラン系カップリング材により表面処理を施してもよい。
このような金属薄板として、GTS−MP(古河サーキットフォイル株式会社製)等の銅箔が好適に用いることができる。
プリント配線基板構造の製造方法は特に限定されないが、好ましくは射出成形等によって成形した熱可塑性樹脂成形体上に銅箔を熱プレス成形して接合し、化学エッチングして電極パターンを形成し、この上にLEDを実装することによりプリント配線基板構造を製造する。
上記のように射出成形を用いることにより3次元複雑形状の発光素子が製造できる。
上述したように、発光素子1の発光に伴う熱は、効率的に放熱することができるので、発光素子1は高輝度化が容易である。また、ファン等による冷却が不要であるので、発光素子1の部品削減が可能である。
発光素子1において、リフレクター20、リードフレーム30、半導体チップ40、ワイヤーボンディング50及び封止材60は公知の部材を用いることができる。
尚、上記リフレクターはハンダ(例えば鉛フリーハンダ)を用いて他の電子部品と接合する場合があるので、リフレクターの材料である樹脂組成物の荷重たわみ温度は、好ましくは180℃以上である。リフレクターの材料である樹脂組成物は、好ましくは本発明の成分(A)の熱可塑性樹脂を含む。
本発明の発光素子は、本発明の樹脂組成物からなるLED架台及び予めリードフレームが差し込まれているリフレクターを、接着剤等を用いて接合することにより製造できる。接合方法としては、例えば、本発明の樹脂組成物をLED架台に射出成形すると同時に、上記リフレクターと接合する方法が挙げられる。
実施例及び比較例で使用した材料は以下の通りである。
ポリブチレンテレフタレート:N1300(三菱レーヨン株式会社製)
ポリフェニレンサルファイド:H1G(大日本インキ化学工業株式会社製)
液晶ポリマー:NX101(ガラス繊維含有量30重量%、新日本石油株式会社製)
シンジオタクチックポリスチレン:300ZC(出光興産株式会社製)
ポリフタルアミド:ET1001(ソルベー社製)
ポリカーボネート:A1900(出光興産株式会社製)
窒化アルミニウム:グレードH(株式会社トクヤマ製)
窒化ホウ素:グレードHGP(電気化学工業株式会社製)
酸化マグネシウム:グレード クールフィラーTM CF(タテホ化学工業株式会社製)
ガラス繊維:CSG3PA−830S(扁平ガラス繊維、日東紡株式会社製)
炭素繊維:TR06UB4E(三菱レーヨン株式会社製)
実施例1〜11
成分(A)の熱可塑性樹脂、成分(B)のセラミック系フィラー及び成分(C)のガラス繊維及び/又は炭素繊維を、表1に示す配合比となるようにそれぞれ量りとった。この原料をドライブレンドして混合原料を調製し、二軸混練押出機TEM37BS(東芝機械株式会社製)を用いて、樹脂温度320℃で溶融混練した。溶融混練して得られたペレットを、熱風乾燥機を用いて120℃で3時間乾燥し、評価した。結果を表1に示す。
得られたペレットの評価方法は以下の通りである。
(1)熱伝導率
IS80EPN(80t)射出成形機を用い、樹脂温度330℃及び金型温度135
℃で、得られたペレットからなる60×60×厚さ2mmの角板成形品を成形し、熱伝導率測定装置TPA−501(京都電子工業株式会社製)を用いてホットディスク法スラブシートモードにて熱伝導率を測定した。
(2)荷重たわみ温度
IS80EPN(80t)射出成形機を用い、樹脂温度330℃及び金型温度135℃で、得られたペレットからなる127×12.7×厚さ3.2mmの棒状成形品を成形し、ASTM D648に準拠し、荷重0.45MPa下での荷重たわみ温度を測定した。
(3)LED接合温度
IS80EPN(80t)射出成形機を用い、樹脂温度330℃及び金型温度135℃で、得られたペレットを成形し、LED架台を作製した。次に、作製したLED架台、半導体チップとしてEZ1000(CREE社製)、及びニッケルメッキを施した純銅製リードフレームを用いて、図1に示される発光素子を作製した。半導体チップが実装されたリードフレーム(−)の直下に熱電対を挿入し、発光素子に200mAの電流を流したときのLED接合温度を測定した。
(4)ハンダリフロー性
IS80EPN(80t)射出成形機を用い、樹脂温度330℃及び金型温度135℃で、得られたペレットからなる80×80×厚さ2mmの成形品を成形し、ハンダリフロー炉内(株式会社タムラ製作所製、TAS20−15N)に通して、熱処理後の成形品の外形寸法を顕微鏡で観察した。
成形品の幅、高さ及び奥行の全ての寸法変化が0.05%以内であったときは「○」とし、それ以外の場合は「×」とした。
尚、上記ハンダリフロー炉内の熱処理条件は以下の通りである。
150℃で120秒熱処理→(昇温速度:15℃/分)→
180℃で60秒熱処理 →(昇温速度:30℃/分)→
210℃で60秒熱処理→(降温速度:30℃/分)
(5)体積固有抵抗
IS80EPN(80t)射出成形機を用い、樹脂温度330℃及び金型温度135℃で、得られたペレットからなる80×80×厚さ2mmの平板成形品を成形し、ASTM D257に準拠し、体積固有抵抗を測定した。
Figure 2009007552
比較例1〜7
成分(A)の熱可塑性樹脂、成分(B)のセラミック系フィラー及び成分(C)のガラス繊維及び/又は炭素繊維を、表2に示す配合比となるようにそれぞれ量りとった以外は実施例1〜8と同様にしてペレットを製造し、同様に評価した。結果を表2に示す。尚、比較例9では、樹脂組成物の流動性低く、ペレットを製造することができなかったため、その特性を評価することができなかった。
Figure 2009007552
本発明の樹脂組成物からなる成形体は、発光ダイオード等に好適に用いることができる。
本発明の樹脂組成物からなる成形体を用いた発光ダイオードは、カー用ヘッドランプ、店舗用照明、車載用照明、信号灯等の照明器具、携帯電話、薄型TV、ビデオカメラ等のディスプレイに好適に使用できる。
本発明の樹脂組成物からなる成形体をLED架台として用いた発光素子の一実施形態を示す概略断面図である。
符号の説明
1 発光素子
10 LED架台
20 リフレクター
30 リードフレーム(+)
32 リードフレーム(−)
40 半導体チップ
50 ワイヤーボンディング
60 封止材

Claims (11)

  1. 以下の成分(A)〜(C)を含む発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
    (A)ポリブチレンテレフタレート、ポリアリーレンサルファイド、液晶ポリマー、シンジオタクチックポリスチレン及びポリフタルアミドからなる群から1以上選択される熱可塑性樹脂:20〜65重量%
    (B)酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素からなる群から1以上選択されるセラミック系フィラー:15〜60重量%
    (C)ガラス繊維及び/又は炭素繊維:5〜45重量%
    (前記各成分の配合量は、成分(A)〜(C)の合計量に対する重量分率である)
  2. 前記熱可塑性樹脂がポリアリーレンサルファイドである請求項1に記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
  3. 前記熱可塑性樹脂がポリフェニレンサルファイドである請求項1又は2に記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
  4. 前記セラミック系フィラーが窒化アルミニウム又は窒化ホウ素である請求項1〜3のいずれかに記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の発光素子用熱可塑性樹脂組成物を成形してなる成形体。
  6. 体積固有抵抗が10Ω・cm以上である請求項5に記載の成形体。
  7. 熱伝導率が1.5W/mk以上である請求項5又は6に記載の成形体。
  8. 荷重たわみ温度が180℃以上である請求項5〜7のいずれかに記載の成形体。
  9. LED架台の放熱部材である請求項5〜8のいずれかに記載の成形体。
  10. アノード側リードフレーム、カソード側リードフレーム及び請求項9に記載のLED架台を有し、
    前記アノード側リードフレーム及び前記カソード側リードフレームが、前記LED架台に接触している発光素子。
  11. 前記アノード側リードフレーム及び前記カソード側リードフレームが金属薄板であり、
    前記アノード側リードフレーム及び前記カソード側リードフレームが前記LED架台に貼り付いてプリント配線基板構造を形成してなる請求項10に記載の発光素子。
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