JP2010114144A - Ｌｅｄ実装基板、および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント配線板にＬＥＤ素子を実装したＬＥＤ実装基板において、ＬＥＤの発光量損失を最小限に抑え、ＬＥＤ素子のリード端子とプリント配線板における端子パッドとの半田付け部分の接続強度を向上させて実装の信頼性を向上させる。
【解決手段】白色のソルダーレジスト１２が塗布されたプリント配線板１０ａ上にＬＥＤ素子２０が実装されたＬＥＤ実装基板１ａであって、前記プリント配線板には、ＬＥＤ素子の端子２３と接続されるパッド１３が形成され、前記端子と前記パッドとの配線領域を覆うように前記プリント配線板の表面に白色顔料を含んだ白色樹脂３０が塗布されているＬＥＤ実装基板としている。
【選択図】図１

Description

この発明は、基板上にＬＥＤ素子を実装してなるＬＥＤ実装基板に関する。具体的には、ＬＥＤ実装基板における輝度向上と信頼性向上技術の改良に関する。また、当該ＬＥＤ実装基板を備えた照明装置にも関する。

ＬＥＤは、低消費電力、長寿命という特徴を有し、最近では、高出力タイプのＬＥＤも普及し始め、照明用途にも採用されつつある。ＬＥＤを照明用途に使用する際には、例えば、基板上にＬＥＤ素子を実装し、その実装基板を照明器具に組み込んで光源としている。図１３に従来のＬＥＤ実装基板の構造を示した。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるｈ−ｈ矢視断面図である。ＬＥＤ実装基板１ｈは、プリント配線板１０ｈにＬＥＤ素子２０を実装したものであり、プリント配線板１０ｈは、印刷配線がパターニングされた基板１１表面にソルダーレジスト１２が塗布されてなり、ＬＥＤ素子２０は、パッケージ２１の上面中央に発光部２２があり、パッケージ２１の両端からリード端子２３が導出されている。ソルダーレジスト１２は、ＬＥＤ素子２０のリード端子２３と接続する端子パット１３の部分を露出させるために、窓１５が開口するようにパターニングされており、ＬＥＤ素子２０のリード端子２３は、そのパッド１３に半田付け１４により接続されている。

ＬＥＤは、懐中電灯などの投光用途で使用する場合、パラボラ状の反射板の中央にＬＥＤ素子の発光部のみを露出させ、ＬＥＤ実装基板の基板面を外部に露出させない構造となっている場合が多い。一方、照明用途では、ＬＥＤ素子の発光部だけではなく、ＬＥＤ素子のパッケージ上面とＬＥＤ素子が実装されているプリント配線板の上面（基板表面）とが露出した状態で照明器具に組み込まれる場合が多い。

このように基板表面を露出させるような使用形態では、基板表面にＬＥＤの光が吸収され光量が減少する。最近では、白色のソルダーレジストを基板表面に塗布し光量の損失を低減させているが、ＬＥＤのリード端子や、その端子が半田付けされるパッド部分はその部材の色のまま露出している。とくに、小型の基板を用いて一つのプリント配線板に一つのＬＥＤ素子を実装するような場合では、基板面積に対するＬＥＤ素子の相対実装面積が大きく、端子とその実装部分で大きな光量損失がある。光量損失は、ＬＥＤ実装基板が組み込まれる照明装置などの輝度を低下させる原因となる。光量を確保しようとしてＬＥＤの駆動電流を上げれば、ＬＥＤの寿命が短くなる。さらに高出力のＬＥＤを使用したりＬＥＤの数を増やしたりすれば、消費電力が増加する。いずれにしても、ＬＥＤの特徴を十分に活用できないことになる。

また、照明用途では、高輝度ＬＥＤを使用することになるため、素子に印加する電流が他の用途のＬＥＤ素子と比較して大きい。そのため、点灯時にＬＥＤが発熱し、点灯と消灯を繰り返すと、熱膨張と熱収縮による応力が端子とパッドとの半田付け部分に加わり、接触不良や断線などが発生する可能性がある。

本発明は、以上のような課題に鑑みなされたもので、その目的は、ＬＥＤ実装基板において、ＬＥＤの発光量損失を最小限に抑え、実装の信頼性を向上させることにある。

上記目的を達成するための本発明は、白色のソルダーレジストが塗布されたプリント配線板上にＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤ実装基板であって、前記プリント配線板には、ＬＥＤ素子の端子と接続されるパッドが形成され、前記端子と前記パッドとの配線領域を覆うように前記プリント配線板の表面に白色顔料を含んだ白色樹脂が塗布されているＬＥＤ実装基板としている。

前記ＬＥＤ素子と前記パッドとは、ワイヤボンディングにより接続され、前記白色樹脂は、当該パッドの形成領域を前記配線領域として覆うように塗布されているＬＥＤ実装基板とすることもできる。

前記プリント配線板の表面には、前記白色樹脂の塗布領域を限定するために、前記配線領域を取り囲む溝が画成されているＬＥＤ実装基板とすることもできる。この溝は、前記ソルダーレジストを剥離することで形成されていてもよい。

前記プリント配線板の表面には、前記白色樹脂の塗布領域を限定するために、前記配線領域を取り囲む堰が形成されているＬＥＤ実装基板とすることができる。この堰は、シルク印刷により形成されていてもよい。

なお、上記何れかのＬＥＤ実装基板に実装されているＬＥＤ素子を光源として備えた照明装置も本発明の範囲としている。

本発明のＬＥＤ実装基板および照明装置によれば、輝度の損失を最小限に抑えることができるとともに実装の信頼性を向上させることができる。それによって、高輝度化と低消費電力化とを両立でき、かつ長寿命化も期待できる。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
＜基板構造＞
図１は、本発明の第１の実施例におけるＬＥＤ実装基板の概略構造図である。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。例示したＬＥＤ実装基板１ａにおいて、プリント配線板１０ａは、アルミニウムのプレート上に絶縁体のシートを貼着した基板１１上に銅箔の回路パターンを形成した上で、白色のソルダーレジスト（白色レジスト）１２をその基板１１上に塗布したものである。また、白色レジスト１２は、ＬＥＤ素子２０のリード端子２３と接続するパッド１３や他の回路基板との接続に要するパターンが露出するように窓１５が開口している。

ＬＥＤ素子２０は、チップ型であり、箱状パッケージ２１の上面に発光部２２があり、側面から内部の素子本体に接続されたリード端子２３が導出されている。リード端子２３は、先端側が基板面と平行となるようにクランク状に下方に向けて屈曲している。リード端子２３の先端は、プリント配線板１０ａ表面の白色レジスト１２を矩形に開口してなる窓１５から露出させたパッド１３に半田１４によって接続されている。なお、以上の構造は、従来例として図１３に示したＬＥＤ実装基板１ｈと同様である。

しかし、第１の実施例のＬＥＤ実装基板１ａでは、リード端子２３、およびパッド１３の部分に白色の樹脂３０が塗布され、その樹脂３０がリード端子２３、およびパッド１３を含む半田付け部分１４を覆うようにプリント配線板１０に固着させている。当該実施例に使用した白色樹脂３０は、熱硬化型のエポキシ樹脂に、酸化チタンなどの反射率の高い物質を顔料として分散させたものである。もちろん、顔料となる物質（白色顔料）やそれが分散される樹脂は、上記した構成に限定されない。

＜輝度特性＞
上記第１の実施例におけるＬＥＤ実装基板１ａと図１３に示した従来のＬＥＤ実装基板１ｈについて、実際にＬＥＤ素子２０を発光させ、輝度を測定した。図２に測定方法の概略を示した。従来のＬＥＤ実装基板（従来例）１ｈと第１の実施例のＬＥＤ実装基板（実施例）１ａは、白色樹脂３０を塗布した以外は全く同じ構造であり、それぞれのＬＥＤ素子２０におけるリード端子２３部分を色彩輝度計を用いて測定角０．１゜にて測定した。図中、測定箇所４０を網掛けの円で示した。表１にその測定結果を示した。

上記表からも明らかなように、実施例の方が従来例に比べて約２０％以上輝度が高く、実施例では、光量損失が少ないことが明らかになった。これは、同じ消費電力では、ＬＥＤ実装基板単体で２０％の光量増となり、低い消費電力で従来と同じ輝度を得ることができることを意味する。すなわち、当該実施例のＬＥＤ実装基板１ａによれば、低消費電力化が達成できる。また、リード端子２３とパッド１３との接続部分が硬化した樹脂３０により補強され、点灯と消灯に伴う応力による接続不良や断線を防止することができ、低消費電力化によるＬＥＤ素子２０の長寿命化と、当該接続部分の信頼性向上にともなう長寿命化との相乗効果により極めて信頼性の高いＬＥＤ実装基板を実現できる。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
経験的に、リード端子２３やパッド１４は、白色樹脂３０の厚さが１ｍｍもあれば外部から透けて見えることがなく、十分に光量損失を防止することができる。しかし、白色樹脂３０の塗布面積が大きかったり、硬化前の樹脂の粘性が低かったりする場合、ある程度樹脂の量が多くないと、図３に示したＬＥＤ実装基板１ａ’のように、塗布した樹脂３０が流動してＬＥＤ素子２０のリード端子２３を完全に覆うことができず、光量損失を招く場合がある。そこで、本発明の第２の実施例として、上述したような白色樹脂３０の流動を防止し、必要最小限の白色樹脂を限られた範囲に確実、かつ効果的に塗布できる構造を備えたＬＥＤ実装基板を挙げる。

図４に、本発明の第２の実施例におけるＬＥＤ実装基板１ｂの構造を示した。（Ａ）は、第２の実施例におけるＬＥＤ実装基板１ｂの平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面図である。白色樹脂３０の塗布領域を限定するために、プリント配線板１０ｂの表面には、ＬＥＤ素子２０が実装される領域に溝５０が画成されいる。この構造により、塗布された白色樹脂３０は、プリント配線板１０ｂ上を流動し、この溝５０の外側の輪郭線５１を形成する側壁によって堰き止められ、その塗布領域が限定される。

溝５０は、例えば、ソルダーレジスト１２をパターニングすることで形成することができる。それによって、基板１１表面の配線パターンの形状や引き回しなどを変更する必要がない。もちろん、基板１１表面を削って溝３０を形成してもよい。この場合、溝５０の平面形状を閉じたループ状にすると、基板１１上に配線を引き回すための領域が限定される。このような場合では、配線パターンを基板１１の裏面に形成し、ＬＥＤ素子２０のリード端子２３に接続されるパッド１３と裏面の配線とをスルーホールにより接続すればよい。もちろん、溝５０の外側を配線領域としてもよい。あるいは、ループの一部を開口させ、その開口部から配線をループの内側に案内させてもよい。

第２の実施例では、白色樹脂３０を増量することなく所望の範囲に塗布し、ＬＥＤ素子３０のリード端子２３や、これに接続されるプリント配線板１０のパッド部分１３を確実に覆うことができる。もちろん、第１の実施例と同様に、輝度と実装の信頼性を向上させる効果を有している。

＝＝＝第３の実施例＝＝＝
本発明の第３の実施例におけるＬＥＤ実装基板は、第２の実施例と同じ作用・効果を奏するものである。図５に第３の実施例におけるＬＥＤ実装基板１ｃの構造を示した。当該図では、平面図（Ａ）と断面図（Ｂ）に加え、（Ｂ）における要部１００の拡大図を（Ｃ）に示した。第２の実施例において、白色樹脂３０の流動防止機構がプリント配線板１０ｂの表面に画成された溝５０であったのに対し、第３の実施例では、プリント配線板１０ｃの表面に凸設された堰６０としている点が異なっている。流動する白色樹脂３０を溝５０の外側の側壁で堰き止めるのではなく、文字通り、「堰」として白色樹脂３０の流動を堰き止め、白色樹脂３０の塗布領域を限定している。

この堰６０は、フォトリソグラフィの技術を用いて、感光性樹脂などをパターニングすることで形成することができるが、プリント配線板１０ｃ表面に文字を印刷する、周知のシルク印刷により形成すれば、文字とともに堰６０を一度の工程で形成することができ、コストや製造時間の増加もほとんどない。

＝＝＝ＬＥＤ素子の実装形態について＝＝＝
上記第１〜第３の実施例では、ＬＥＤ素子２０は、素子パッケージ２１から直接導出されたリード端子２３を備えていた。この例に限らず、リード端子２３がないベアチップのＬＥＤ素子の端子部とプリント配線板のパッドとをワイヤボンディングにより接続する形態も考えられる。本発明は、このような場合にも適用可能である。図６に、本発明におけるワイヤボンディングによる接続構造を備えたＬＥＤ実装基板１ｄを例示した。プリント配線板１０ｄの表面にベアチップのＬＥＤ素子２０ｄが接着層１７により固着されている。ＬＥＤ素子２０ｂのパッケージ２１表面に露出する端子２３ｄとパッド１３にはそれぞれワイヤ１６の両端が接続されている。そして、パッド１３とワイヤ１６との半田付け部分１４が白色樹脂３０で覆われている。

なお、本発明は、リード端子の形状が異なる様々なＬＥＤ素子にも適用可能であり、上記実施例と同様に輝度と実装強度を向上させることができる。図７、図８にリード端子の形状が異なるＬＥＤ素子とその実装構造を示した。これらの図において、（Ａ）はＬＥＤ素子の断面図であり、（Ｂ）はＬＥＤ素子の実装構造を示す断面図である。図７に、パッケージ２１の側面から導出されたリード端子２３ｅが、パッケージ２１の下面に回り込む形状のＬＥＤ素子２０ｅとその実装例を示した。また、パッケージ２１の下面にリード端子２３ｆが配設されているＬＥＤ素子２３ｆとその実装例を図８に示した。ＬＥＤ素子（２０ｅ，３０ｆ）のリード端子（２３ｅ，２３ｆ）は、リフロー半田付けなどによってパッド１３と接続され、白色樹脂３０は、パッケージ２１に沿いつつ、パッド１３を覆うように塗布されるとともに、パッケージ２１の下面にも充填されて、端子（２３ｅ，２３ｆ）とプリント配線板（１０ｅ，１０ｆ）の表面との間隙における光量損失も軽減している。

＝＝＝ＬＥＤ実装基板の取付けについて＝＝＝
また、ＬＥＤ実装基板は、照明装置などにビスなどで取り付けられる可能性もある。図９に、このような場合における本発明の適用例を示した。（Ａ）はそのＬＥＤ実装基板１ｇの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｇ−ｇ矢視断面図である。プリント配線板１０ｇの表面には、裏面まで貫通するビス１９を通すための孔１８が開口し、ＬＥＤ実装基板１ｇが装置などに取り付けられた際にはビス１９の頭が露出することになる。そこで、ＬＥＤ素子２０のリード端子２３部分に白色樹脂３０を塗布するとともに、同じ白色樹脂３０をビス孔１８を覆うように塗布している。この例では、ＬＥＤ実装基板１ｇが装置などに取り付けられた後に、その取付けに要したビス孔１８とビス１９の頭とを覆うように白色樹脂３１を塗布して硬化させている。このように、本発明のＬＥＤ実装基板では、ＬＥＤ素子の発光部以外で、白色ではない部分を白色樹脂で覆う形態にも及んでいる。

＝＝＝照明装置への適用例＝＝＝
図１０に、上記各実施例に示したＬＥＤ実装基板を照明装置の光源として使用する際の実施形態を例示した。この図では、照明装置の光源となる部品（光源部）７０の外観を示した。なお、この光源部７０の基本的な構造は、上記各実施例のＬＥＤ実装基板と同じである。すなわち、当該光源部７０は、凸型の平面形状をなすアルミニウムプレート上に絶縁体シートによる絶縁層を形成した基板を用い、その基板１０上に銅箔の回路パターンが形成されているとともに、パッド１３などの露出部分を除いた部分に白色レジストが塗布されてプリント配線板１０が構成される。そして、上記各実施例に示したように、ＬＥＤ素子２０のリード端子とパッドの上面が白色樹脂３０で覆われている。

また、図１１に上記光源部７０が取り付けられている照明装置８０を例示した。当該照明装置８０は、円形の開口形状を有する椀型の筐体８１の内側底部に上記光源部７０を取り付けた構造である。筐体８１は、白色の成型樹脂製で椀型の内側が反射板として機能する。光源部７０は、その基板裏面が、当該椀型筐体８１の内側底部と対面するように取り付けられている。光源部７０からの配線ケーブル７１は、筐体８１の底部から外部に案内されている。なお、この配線ケーブルは、白色の塩化ビニルで被膜されており、不要な光量損失を防止している。当該照明装置８０は、例えば、椀の開口がアレイ状となるように縦横に並べられるとともに、そのアレイ状開口の前面が透光性の看板で覆われることで、透過看板のバックライトとして使用される。

本発明の第１の実施例におけるＬＥＤ実装基板の構造図である。 上記第１の実施例と従来のＬＥＤ実装基板の輝度特性を比較するための輝度測定方法を示す図である。 上記第１の実施例において、不良発生の可能性を示す図である。 本発明の第２の実施例におけるＬＥＤ実装基板の構造図である。 本発明の第３の実施例におけるＬＥＤ実装基板の構造図である。 本発明のその他の実施例におけるＬＥＤ実装基板の構造図である。 本発明が適用可能なＬＥＤ素子の端子構造とその実装例を示す図である。 本発明が適用可能なＬＥＤ素子の端子構造とその実装例を示す図である。 本発明において、照明装置への取り付けを想定した実施例のＬＥＤ実装基板の構造図である。 本発明の一実施例に係る照明装置に取り付けられる発光部の外観図である。 上記照明装置の概略構造図である。 従来のＬＥＤ実装基板の構造図である。

符号の説明

１ａ〜１ｈ ＬＥＤ実装基板
１０，１０ａ〜１０ｈ プリント配線板
１１ 基板
１２ 白色のソルダーレジスト
１３ 端子パッド
１４ 半田付け部分
２０，２０ｄ〜２０ｆ ＬＥＤ素子
３０ 白色樹脂
５０ 溝
６０ 堰
７０ 発光部
８０ 照明装置

Claims (8)

1. 白色のソルダーレジストが塗布されたプリント配線板上にＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤ実装基板であって、
   前記プリント配線板には、ＬＥＤ素子の端子と接続されるパッドが形成され、
   前記端子と前記パッドとの配線領域を覆うように前記プリント配線板の表面に白色顔料を含んだ白色樹脂が塗布されている
   ことを特徴とするＬＥＤ実装基板。
2. 前記ＬＥＤ素子と前記パッドとは、ワイヤボンディングにより接続され、前記白色樹脂は、当該パッドの形成領域を前記配線領域として覆うように塗布されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ実装基板。
3. 前記プリント配線板の表面に形成されている白色以外の色部分に前記白色樹脂を塗布したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のＬＥＤ実装基板。
4. 前記プリント配線板の表面には、前記白色樹脂の塗布領域を限定するために、前記配線領域を取り囲む溝が画成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ実装基板。
5. 前記溝は、前記ソルダーレジストを剥離することで形成されていることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ実装基板。
6. 前記プリント配線板の表面には、前記白色樹脂の塗布領域を限定するために、前記配線領域を取り囲む堰が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ実装基板。
7. 前記堰は、シルク印刷により形成されていることを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ実装基板。
8. 請求項１〜７の何れかに記載のＬＥＤ実装基板に実装されているＬＥＤ素子を光源として備えた照明装置。

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