JP2009267415A - 大電力発光ダイオードランプ光源およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流駆動時においても発熱が有効に放出され効率を損ねることのない、低コストで製造可能な発光ダイオードランプを得ること。
【解決手段】絶縁体層および金属層を除去して形成された基板の貫通孔内に、熱伝導性板材上に載置された発光ダイオードチップを設ける。熱伝導性板材は発光ダイオードチップの一極に電気的に接続され、熱および電流を有効に伝導する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装型発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプに関し、より具体的には一般にプリント回路基板等に用いられるような、絶縁体層の表面に金属層を設けた形式の基板に対し、熱放出のための構成を設けたものに発光ダイオードチップを載置してなり、大電流駆動時においても発熱が有効に放出されるためにその効率を実質的に損ねることのない、低コストで製造可能な新規の発光ダイオードランプに関する。

従来のＬＥＤランプは、ＬＥＤチップをリードフレームと組み合わせてパッケージ化し、これをさらに回路基板等に実装したもの（図６）や、回路基板に直接接する電極金属上にＬＥＤチップを載せて熱放散を図るもの（図７）、回路基板の上層金属層を除去して両金属板を連結するアパーチャを製作して鍍金し、下層金属層上にフレットフォームを形成してチップを実装させるようにしたもの（図８）等、があったが、熱放散は十分ではなかった。また、放熱効率を高めるために、とくに熱放出通路を備えたセラミックス構造（図１０）や、金属スラグ（図９）またはアルミナイトライド（ＡｌＮ）−セラミックス基板を含むリードフレームを採用して放熱の問題の解決を試みたもの（図１１）が存在した。しかし、放熱機構を改善したこれらのＬＥＤランプは、複雑な構成や比較的高価な材料を使用するため生産コストが高く、また歩留まりが悪くなるといった問題があった。

また、リード線を付与したプリント回路基板を利用して、その上にＬＥＤチップを備え付けて作られるＬＥＤランプも提案されているが、これは、光の利用効率が低く、放熱も十分に行われないという問題があり、大きな駆動電圧が必要な用途に利用することは困難であった。

ＬＥＤ素子は、その性質上熱に弱く、とくに大電流下で駆動させるとＬＥＤチップ自身の発熱によりエネルギー効率が急激に低下し、寿命が短くなることもあるため、比較的輝度の低い電子機器の動作表示灯など、低出力の光源として主に用いられてきたが、とくに近年では道路信号などの屋外用ディスプレイにも使用の幅が広がってきており、蛍光灯や電球の代わりとなる光源としての役割が期待されている。そこで、大きな駆動電圧下でも効率的に放熱を行うことができ、かつ製造コストを低減することができる新しいＬＥＤランプの開発が強く求められている。

本発明は、ＬＥＤチップを載置するための基板として回路基板を利用した場合にとくに問題となる過度の発熱を防ぐとともに、大電流駆動を可能とし、かつ高いエネルギー効率を達成する新規の表面実装型ＬＥＤランプを提供することを目的とする。また、かかる表面実装型ＬＥＤランプを安価に製造することができる新規の製造方法を提供する。

本発明は、従来技術の課題を解決し、上記目的を達成するために、「上部金属層と下部絶縁体層とからなる基板であって、基板を上下方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔を有する、前記基板、基板の金属層に電気的に接続された、少なくとも１つの発光ダイオードチップ、および基板の下部に接合された、少なくとも所定の厚さを有する熱伝導性板材を備え、前記発光ダイオードチップは、前記基板を貫通する貫通孔を通じて熱伝導性板材上に載置されており、熱伝導性板材は、発光ダイオードチップの一極に電気的に接続され、他の一極と電気的に接続された基板の金属層と電気的に絶縁されている」という特徴を有する。

本発明は、従来のリードフレームとディスペンス工法を用いる一般的な方法に比べて、小型でかつ薄型でありながらも熱放出特性に優れ、大電流で駆動が可能であるとともに、エネルギー効率を大きく改善することができる。とくにＬＥＤランプを大量生産する場合にもその性能の均一さ、収率および量産性などの点において優れるため、全体としてもコスト低減が可能である。その結果として、ＬＥＤの需要創出に寄与し、同産業の発展に大きく寄与することが期待される。

本発明で好適に利用される回路基板を示す正面概略図である。 本発明の一態様のＬＥＤランプの底面図である。 本発明の一態様のＬＥＤランプの平面図である。 本発明の別の態様のＬＥＤランプの底面図である。 本発明のＬＥＤランプを製造する各工程を説明する図である。 従来のＬＥＤランプの図である。 従来のＬＥＤランプの図である。 従来のＬＥＤランプの図である。 従来のＬＥＤランプの図である。 従来のＬＥＤランプの図である。 従来のＬＥＤランプの図である。

本発明に係るＬＥＤランプの基本構造を図１を参照して以下に説明する。
本発明のＬＥＤランプにおいて、ＬＥＤチップは、絶縁体層および金属層を除去して形成された基板の貫通孔（凹部）内において、熱伝導性板材上に載置されている。ＬＥＤチップからはワイヤが伸びており、チップと基板の上面金属層とが電気的に接続されている。熱伝導性板材は、チップからの発熱を放出する通路として作用するように、チップの略真下に熱伝導および導電可能に接合される。

熱伝導性板材の周囲には、導電体を介して基板の上面金属層に電気的に接続された電極板材が配置される。ここで電極板材は、熱伝導性板材と絶縁されており、ＬＥＤチップの一極と接続されている。ＬＥＤチップの他極は、熱伝導性板材を電極として使用可能である。

ＬＥＤチップの上部には、シリコーンまたはエポキシなどの樹脂製のモールド部が設けられ、ＬＥＤチップを保護するとともに、出力光の光学的特性を変える効果が与えられる。つまり、モールド材料にＬＥＤ素子から放出される光の波長を変換するための蛍光剤、光を拡散させるための拡散剤または光の色を変化させるための色素などの各種添加剤を含めることによって、発光ランプとしての機能を追加ないし変更することが可能となる。

モールド部は、約２００〜１００μｍの厚さとすることが好ましく、上述したシリコーン、エポキシなどの屈折率１．４〜２．５程度の材料を用いるのが好ましい。とくに、ＬＥＤチップに光が吸収されることを防ぐために、ＬＥＤチップを構成する材料よりも屈折率が低い物資を使用するのが望ましい。

図２は、図１のＬＥＤランプの熱伝導性板材および電極板材を下方から見た図である。熱伝導性板材は、平面視で略十字の断面を有し、電極板材は、図示したように基板の４つの角にそれぞれ位置する。熱伝導性板材は、ＬＥＤチップの略真下にその中心が位置するように位置決めすることによって、チップからの発熱は、十字型の熱伝導性板材の大きな面積を通じて外部に放出されるので放熱の効率が極めて高い。ここで、熱伝導性板材の全表面を利用して放熱することができるように、十分な厚みを持たせるのがよく、約１５０μｍ以上とするのが好ましい。

図３は、本発明のＬＥＤランプの基板側から見た一態様を示した平面図であり、この場合は基板に３つの貫通孔が形成されている。基板の四隅には、上面金属層と下面金属層とを繋ぐ貫通孔が形成され導電体が充填されており、これらの導電体を通じて基板の金属層と、基板下方の電極板材とが電気的に接続され、これらが一方の電極として作用する。

電極板材は必須の構成要素ではなく、適宜省略することが可能である。電極板材を設けずに省略したものを図４に示す。なお、この場合には、図１および図３に示した導電体を設ける必要がなくなり、単に基板の金属層が単独で電極として作用することになる。

次に、本発明のＬＥＤランプを製造する方法について、図５を参照し、各工程に沿って説明する。
１）まず、回路基板の材料として一般的に使用されている、金属層と絶縁体層とから構成される基板を用意する。
２）次に、エッチングなど公知の方法で上部金属層を分離する。
３）貫通孔を基板の複数箇所に設けて、ＬＥＤチップ載置用の凹部および導電体充填用の空所とを形成する。

４）熱伝導性の板材（たとえば銅）を用意する。
５）熱伝導性板材を工程３）の処理を終えた基板と接合する。
６）熱伝導性板材を、ＬＥＤチップを載置するための放熱用の部分と、後述するように電極として利用する部分（電極用板材）とに分離する。
７）ダイシングにより各ＬＥＤランプ単位毎に切断する。

８）基板並びに熱伝導性板材の側面および上面を銅でメッキする。ここで、いかなる範囲を対象としてメッキ処理を行うかは、適宜必要に応じて定めることができる。しかし、工程２）で分離された金属層同士の間隙にメッキがなされて電気的絶縁状態を損ねないように配慮する必要がある。
９）工程３）で設けた空所に導電体を充填して上部金属層と電極板材とを直接電気的に接続する。
１０）さらに反射率を向上させるために、表面に銀や銅のような反射率の良い金属層を設けても良い。

以上の工程で作られた放熱構造を有するＬＥＤランプ基板に対して、基板の貫通孔を通じて、熱伝導性板材上にＬＥＤチップを載置する。

本発明の他の実施態様
モールドして形成されるモールド部とＬＥＤチップを載せた基板との結合性を高めるために、上部金属層と絶縁体層にまたがって延在する係合部を形成してもよい。すなわち、係合部は、上部金属層と絶縁体層の一部とを略垂直な方向に除去しておき、この除去された空間内にモールド材料を注入することによって形成される。係合部を形成するために予め除去される穴は、円柱、四角柱、下辺が上辺より長い梯形柱などの形状にすることもできる。

また、モールド部と基板との結合性を高める別の手段としては、基板とモールド部との接合面にアクリル、エポキシなどの電気絶縁体または電気絶縁性光反射体をプリントして、その上からモールド材料を注入することができる。絶縁体材料を間に挿入することによって、モールド材料との高い親和性を利用して基板とモールド部の結合がより強固になる。

本発明により、放熱効率の高いＬＥＤランプを容易かつ安価に製造できるので、ＬＥＤ素子を利用した高出力光源としての用途をさらに拡大し、以て産業の発展に大いに寄与することが期待される。

Claims (7)

1. 上部金属層と下部絶縁体層とからなる基板であって、基板を上下方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔を有する、前記基板、
   基板の金属層に電気的に接続された、少なくとも１つの発光ダイオードチップ、および
   基板の下部に接合された、少なくとも所定の厚さを有する熱伝導性板材を備え、
   前記発光ダイオードチップは、前記基板を貫通する貫通孔を通じて熱伝導性板材上に載置されており、
   熱伝導性板材は、発光ダイオードチップの一極に電気的に接続され、他の一極と電気的に接続された基板の金属層と電気的に絶縁されていることを特徴とする、表面実装型発光ダイオードランプ。
2. 熱伝導性板材が１５０μｍ以上の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の発光ダイオードランプ。
3. 熱伝導性板材が、発光ダイオードチップの載置位置に対応する箇所で交差する十字状の断面を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の発光ダイオードランプ。
4. 発光ダイオードチップの上部を覆うようにモールド部を形成してなる、請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードランプ。
5. 熱伝導性板材と電気的に分離され、基板の金属層と電気的に接続された電極板材とを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオードランプ。
6. 電極板材が、熱伝導製板材の周囲に設けられてなることを特徴とする、請求項５に記載の発光ダイオードランプ。
7. 表面実装型発光ダイオードランプを製造する方法であって、
   上部金属層と下部絶縁体層とからなる基板を用意するステップと、
   基板を貫通する貫通孔を少なくとも１箇所設けるステップと、
   基板の下部に熱伝導性板材を接合するステップと、
   基板に設けられた貫通孔に対応する位置において、発光ダイオードチップを熱伝導性板材上に載置するステップと、
   を含む、前記方法。

Images