JP2010140820A - 灯具、配線基板及び配線基板の製造方法 - Google Patents

灯具、配線基板及び配線基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＬＥＤで発生した熱を効率よく外部へ熱伝導させることで、低コストでＬＥＤ及び周辺部品の劣化を防止すること。
【解決手段】高熱伝導性を有する筐体１１と、筐体１１に固着され、ＬＥＤ素子６０が実装された配線基板３０とを備え、配線基板３０は、絶縁層４０と、絶縁層４０の下面４１側に積層配置され、熱伝導部を形成する第１銅材層５０と、絶縁層４０の上面４２側に積層配置され、ＬＥＤ素子６０へ接続される配線パターン７１が形成される第２銅材層７０とを備え、絶縁層４０には、下面４２側に向けて第１銅材層５０が露出し、ＬＥＤ素子６０の底面６１を第１銅材層５０に接合して配置される開口部４３が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高輝度ＬＥＤを用いた灯具、配線基板及び配線基板の製造方法に関し、特に低コストで熱放出に優れ、高寿命化を図ることができる技術に関する。
ＬＥＤ（光半導体素子）は掲示板、信号等に広く採用されており、特に高輝度ＬＥＤはヘッドライト、バックライト、一般照明等に展開されている。ＬＥＤの発光効率は、年々向上しており、採用する用途は広がる傾向にある。なお、ＬＥＤは配線基板に実装されて用いられる。
しかしながら、蛍光灯と比べてＬＥＤ照明は製造コストが非常に高いという問題がある。また、ＬＥＤ照明は熱対策が難しいという問題がある。すなわち、ＬＥＤのエネルギ変換効率は現状で約２０％程度であり、残りの約８０％のエネルギは熱となる。このため、ＬＥＤ素子の放熱がうまく行われないとＬＥＤ素子及び周辺の蛍光体や反射部材が高温になり、劣化が進み寿命が短くなる。また、ＬＥＤ素子は、低温になるほど発光効率が高く、高温になるほど発光効率が低くなる特性がある。このようなことからＬＥＤの熱対策は重要な技術上の課題となっている。
ＬＥＤの熱対策として、ＬＥＤを主にアルミニウムを使った金属ベースのプリント配線板にダイボンディング及びワイヤボンディング実装し、ＬＥＤの熱をプリント配線板に伝熱して放熱する構造が知られている。また、ＬＥＤパッケージを金属ベースのプリント配線板に実装し、ＬＥＤの熱をプリント配線板に伝熱して放熱する構造が知られている。
放熱に使われる配線基板としては、例えば、アルミナや窒化アルミをベースとしたもの、アルミ・銅・鉄等の金属をベースにし、絶縁層・銅配線の３層構造になっているもの、ベース金属と銅配線の間に金属ポスト（ビア）を配置し、熱伝導の高いパスを作ったもの（例えば、特許文献１参照）、単なる絶縁層の片面に銅配線があるもの、絶縁層として、紙フェノール・コンポジット材・ガラスエポキシ等が用いたもの、ガラスエポキシやコンポジット材等の絶縁層にスルーホールが形成されている両面板等がある。
特開２００５−１６７０８６号公報
上述したＬＥＤ照明用の配線基板にあっては、次のような問題があった。すなわち、これらの配線基板は、高い放熱性を求めると製造コストが高くなるという傾向があるため、製造コストと放熱性は両立しないという問題がある。
例えば、上述した３層構造を有しているものは、まず、アルミ、銅、鉄等のベース金属に絶縁層を形成する。絶縁層の形成は、樹脂シートの貼り付けや樹脂のスクリーン印刷等によって行われる。次に銅箔を積層する。その後、パターン形成を行い、ソルダーレジスを形成し、実装方式に合わせて表面処理を行う。金属ベース基板は、１ｍｍから２ｍｍ程度の圧延金属板を使う。このように製造工程が複雑であり、製造コストが高くなる。
一方、熱伝導について検討してみると、ベース金属と銅配線の間に絶縁層があり、絶縁層の熱伝導率は一般的なエポキシ樹脂で０．２〜０．４Ｗ／ｍＫ、樹脂に無機フィラーを含んだものでも１〜数Ｗ／ｍＫレベルであり、金属の数十〜数百Ｗ／ｍＫに比べると熱伝導率が低く、熱抵抗が比較的高くなる。
そこで本発明は、光半導体素子で発生した熱を効率よく外部へ熱伝導させることで、低コストで光半導体素子及び周辺部品の劣化を防止することができる灯具、配線基板及び配線基板の製造方法を提供することを目的としている。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の灯具、配線基板及び配線基板の製造方法は次のように構成されている。
光半導体素子を用いた灯具において、高熱伝導性を有する筐体と、この筐体に固着され、上記光半導体素子が実装された配線基板とを備え、上記配線基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面側に積層配置され、熱伝導部を形成する第１銅材層と、上記絶縁層の他方の面側に積層配置され、上記光半導体素子へ接続される配線部が形成される第２銅材層とを備え、上記絶縁層には、上記他方の面側に向けて上記第１銅材層が露出し、上記光半導体素子の底面を上記第１銅材層に接合して配置される開口部が設けられていることを特徴とする。
光半導体素子を実装する配線基板において、絶縁層と、この絶縁層の一方の面側に積層配置され、熱伝導部を形成する第１銅材層と、上記絶縁層の他方の面側に積層配置され、上記光半導体素子へ接続される配線部が形成される第２銅材層とを備え、上記絶縁層には、上記他方の面側に向けて上記第１銅材層が露出し、上記光半導体素子の底面を上記第１銅材層に接合して配置される開口部が設けられていることを特徴とする。
光半導体素子を実装する配線基板の製造方法において、絶縁層の一方の面に第１の銅材層を形成し、上記絶縁層の他方の面に第２の銅材層を形成し、上記絶縁層に上記他方の面側から上記第１銅材層が露出するように上記絶縁層の一部を除去して開口部を形成し、上記開口部において上記光半導体素子の底面を上記第１銅材層に接合し、上記光半導体素子の電極を上記第２の銅材層に接合することを特徴とする。
光半導体素子を実装する配線基板の製造方法において、第１の電解銅箔のロール、絶縁体膜のロール、第２の電解銅箔のロールから、第１の電解銅箔、絶縁体膜、第２の電解銅箔をそれぞれ送出し、上記第１の電解銅箔、絶縁体膜、第２の電解銅箔圧着して積層すること特徴とする。
本発明によれば、光半導体素子で発生した熱を効率よく外部へ熱伝導させることで、低コストで光半導体素子及び周辺部品の劣化を防止することが可能となる。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置（灯具）１０を一部切欠して示す側面図、図２はＬＥＤ照明装置１０に組み込まれた配線基板３０を示す断面図、図３は配線基板３０の要部を示す断面図である。
ＬＥＤ照明装置１０は、アルミダイキャスト等の金属でできた筐体１１を備えている。筐体１１内部には、ＡＣ／ＤＣコンバータ等の電気回路２０が収容されている。筐体１１の上部には、配線基板３０がねじ止め、グリース、熱伝導シート等を介して高い熱伝導性を維持した状態で取り付けられている。また、筐体１１の下部にはソケット（不図示）に取り付けるための取付部１２が設けられている。なお、図１中１３は透光性のカバーを示している。
配線基板３０は、絶縁層４０と、絶縁層４０の下面４１側に積層配置され、熱伝導部を形成する第１銅材層５０と、絶縁層４０の上面４２側に積層配置され、ＬＥＤ素子６０へ接続される配線パターン７１が形成される第２銅材層７０とを備えている。配線パターン７１には後述する金属ワイヤ７３との接合を行うための表面処理剤７２が塗布されている。表面処理剤７２としては、金−ニッケル処理剤、銀処理剤、銀−ニッケル処理剤等がある。配線パターン７１はＬＥＤ素子６０の電極と金、アルミニウム、銅等の金属ワイヤ７３を用いて接続されている。
絶縁層４０の上面４２であって配線パターン７１が形成されていない箇所には、ソルダーレジスト９０がコーティングされている。ソルダーレジスト９０に光反射特性も持たせる場合があり、反射率の高い白色のソルダーレジストを用いる場合がある。
なお、配線基板３０は、ＬＥＤ素子６０が複数個実装されている。一般的にＬＥＤ照明装置では、複数のＬＥＤ素子６０が実装されている。また、ＬＥＤ素子６０は、青色タイプであり、ｐ型電極とｎ型電極が同じ方向に設けられている。
絶縁層４０には開口部４３が設けられ、上面４２側に向けて第１銅材層５０が露出し、ＬＥＤ素子６０の底面６１を第１銅材層５０に接合剤６２により接合して配置されている。接合剤６２として、はんだ材料、銀ペースト材料、樹脂系材料等であって高い熱伝導性を有するものが用いられる。
絶縁層４０と第２銅材層７０との厚さの合計ｔ１は、ＬＥＤ素子６０の厚さｔ２の半分より小さく設定されている。これは次のような理由による。すなわち、ＬＥＤ素子６０は上面からだけでなく、側面からも発光する特性を持っている。開口部４３の深さが深すぎると、ＬＥＤ素子６０の側面からの発光を絶縁層４０と第２銅材層７０が遮ってしまう。側面からの発光を遮らないためには、開口部４３の深さがある程度浅い、すなわち絶縁層４０と第２銅材層７０の合計の厚さが薄いことが必要である。ＬＥＤ素子６０の厚さｔ２は、サファイア基板をベースにしたＬＥＤ素子をカッティング（ブレーキング）するために一般的に１００〜２００μｍであり、ダイボンディング材のフィレット高さは最大５０μｍ程度で、フィレットがＬＥＤ素子６０の側面に被さっている部分は発光に寄与しないことから、絶縁層４０と第２銅材層７０の厚さの合計ｔ１は、５０μｍ以下が望ましい。したがって、絶縁層４０と第２銅材層７０との厚さの合計ｔ１は、ＬＥＤ素子６０の厚さｔ２の半分より小さく設定することが望ましい。
次に、各部材の材質・形状等について説明する。絶縁層４０は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ＢＴレジン等の樹脂、またそれら樹脂がガラスクロスに含浸されたもの、またそれら樹脂にフィラーが入っているもの等の絶縁物である。開口部４３は、レーザ加工やミリング等の機械的加工により除去される。
第１銅材層５０は、厚みが比較的厚い電解銅箔で形成されており、ＬＥＤ素子６０からの熱が直接伝導される。その厚みは電解銅箔を用いていることから最大４２０μｍの厚さまで製造が可能であり、製造性や放熱性を考慮すると７０μｍから４２０μｍまでの厚みを使う。通常金属ベース基板の場合は、１ｍｍから２ｍｍ程度の圧延金属板を使うが、電解銅箔を使うことにより、低コスト化が可能である。
第２銅材層７０は、厚みが比較的薄い電解銅箔を使った配線パターンまたは実装用フットプリントであり、後述するように１２、１８、３５μｍ等の電解銅箔Ｄ２をエッチングして形成したものである。
このように構成されたＬＥＤ照明装置１０では、電気回路２０を介して配線基板３０に電力が供給され、ＬＥＤ素子６０が発光する。このとき、ＬＥＤ素子６０で生じた熱は、第１銅材層５０に直接伝わり、さらに筐体１１に伝熱する。筐体１１は高熱伝導体であり、しかも表面積が大きいため、容易に放熱される。
次に、上述した配線基板３０の製造方法について説明する。配線基板３０は、基本材料Ｑを加工する。配線基板３０を構成する第１銅材層５０及び第２銅材層７０は、上述したように電解銅箔である。したがって、図４に示すように製造される。すなわち、硫酸銅及び硫酸を主成分とする酸性銅メッキ液に回転する陰極ドラムＷ上に銅を析出させ、ひきはがし、銅箔Ｄ１，Ｄ２を連続的に製造する方法がとられている。次に銅箔表面に粗度調整処理や防錆処理等の表面処理を施す。銅箔厚は一般的には１２μｍから４２０μｍまで製造されている。
ここでは、第１銅材層５０に対応する電解銅箔Ｄ１（厚さ７０μｍ以上）、第２銅材層７０に対応する電解銅箔Ｄ２（厚さ１２〜３５μｍ）を形成する。
一方、絶縁層４０は、ガラスクロスに樹脂を含浸し、乾燥することにより、ＢステージのプリプレグＰ（厚さ５０μｍ前後）を作る。プリプレグとは、Pre-impregnationの略で、事前に含浸させるという意味であり、具体的には、繊維に熱硬化樹脂含浸し、半硬化状態（すなわち樹脂のＢステージ）にしたものをいう。樹脂はエポキシ、フェノール、シアネート、ＢＴレジン等の熱硬化樹脂である。
図６に示すように、電解銅箔Ｄ１，Ｄ２とプリプレグＰをロール状態で準備し、ロールラミネータ装置Ｒで熱、ロール圧力、送りスピードの条件をコントロールし、連続的にラミネートする。この構成の場合、プリプレグの一般的なロール幅である１．２ｍで製造することができる。このようにして、電解銅箔−絶縁層−電解銅箔の３層構造の基本材料Ｑを製造することができる。
なお、図６に示すようなロールラミネータＲを用いる他、ロール状の電解銅箔Ｄ１，Ｄ２とプリプレグＰを規定のサイズに切断し、プレスで熱と圧力をコントロールして積層するようにしてもよい。このような方法であれば、一般的な銅張積層板を製造する積層プレスの設備を使うことができ、１．２ｍ×１ｍ、１．２ｍ×２ｍ、１．２ｍ×３ｍ等のサイズで製造することができる。
さらに、薄い電解銅箔に絶縁樹脂を塗布したＢステージ状にした樹脂付銅箔を厚い電解銅箔に積層する方法、プリプレグにガラスクロスが入っていないＢステージ状の樹脂フィルムを使うようにしてもよい。
このように形成された基本材料Ｑを、電解銅箔Ｄ２をエッチングして配線パターン７１を形成する。エッチングは、前処理、ドライフィルム貼り付け、露光、現像、エッチング、ドライフィルム剥離の順番で行うのが一般的である。
次に開口部４３の形成をレーザ加工等の方法によって絶縁層４０の部分除去を行う。この他、Ｚ軸コントロールのドリリング等の機械的方法で除去するようにしてもよい。除去加工後、開口部４３の底面に、樹脂残渣がある場合があるので、過マンガン酸を使ったデスミアまたはソフトエッチング処理により、クリーニングを施す。
次にソルダーレジスト９０を形成する。ソルダーレジスト９０は感光性と熱硬化タイプがあり、精度や用途によって使い分けすることができる。次に表面処理を施す。なお、場合によっては、ソルダーレジスト工程と表面処理工程は逆にしてもよい。
上述したように、本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１０によれば、ＬＥＤ素子６０で発生した熱を、絶縁層４０を経由しないで、直接第１銅材層５０に伝熱させることができるので放熱性を高めることができる。
また、圧延のアルミニウム板や銅板ではなく、低コストである電解銅箔を用いるので、例えば１．２ｍ幅のロールや銅張積層板を製造する設備を使って、１．２ｍ×１ｍ、１．２ｍ×２ｍ、１．２ｍ×３ｍ等の大型のサイズで積層ができるので、効率よく製造することができ、コストメリットがある。したがって、低コスト化と高放熱の両立が可能なＬＥＤ実装用プリント配線板を提供できる。
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る配線基板３０Ａを示す断面図である。図１２において図３と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１２においては、ＬＥＤ素子６０上には屈折率を調整する機能を有する樹脂材製のキャップ１００が設けられている。キャップ１００には、内部にＬＥＤ素子６０を搭載するための金属性の搭載部１０１が設けられており、この搭載部１０１が第１銅材層５０に接合されている。また、キャップ１００には、リードフレーム１０１が形成され、配線パターン７１に接続されている。
本実施の形態においても、ＬＥＤ素子６０で発生した熱を搭載部１０１を介して第１銅材層５０に伝熱させることができるため、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、キャップ１００ＬＥＤ素子６０から発光した光の波長を変換する蛍光物質を塗布、または、シリコーン樹脂内に含んでも良い。
なお、上述した実施の形態においては、電球型のＬＥＤ照明装置について説明したが、ダウンライト、ミニクリプトン、バックライト、ヘッドランプ等のＬＥＤ照明にも同様に適用することが可能である。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第１の実施の形態に係るＬＥＤ照明装置を一部切欠して示す側面図。 同ＬＥＤ照明装置に組み込まれた配線基板を示す断面図。 同配線基板の要部を示す断面図。 同配線基板の材料となる電界銅箔の製造工程を示す説明図。 同配線基板の材料となる絶縁層の製造工程を示す説明図。 同配線基板の製造工程を示す説明図。 同配線基板の製造工程を示す断面図。 同配線基板の製造工程を示す断面図。 同配線基板の製造工程を示す断面図。 同配線基板の製造工程を示す断面図。 同配線基板の製造工程を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る配線基板を示す断面図。
符号の説明
１０…ＬＥＤ照明装置（灯具）、１１…筐体、２０…電気回路、３０，３０Ａ…配線基板、４０…絶縁層、４３…開口部、５０…第１銅材層、６０…ＬＥＤ素子、６２…接合剤、７０…第２銅材層、７１…配線パターン、７２…表面処理剤、７３…金属ワイヤ、９０…ソルダーレジスト、Ｄ１，Ｄ２…電解銅箔、Ｐ…プリプレグ、Ｑ…基本材料。

Claims (5)

  1. 光半導体素子を用いた灯具において、
    高熱伝導性を有する筐体と、
    この筐体に固着され、上記光半導体素子が実装された配線基板とを備え、
    上記配線基板は、絶縁層と、
    この絶縁層の一方の面側に積層配置され、熱伝導部を形成する第１銅材層と、
    上記絶縁層の他方の面側に積層配置され、上記光半導体素子へ接続される配線部が形成される第２銅材層とを備え、
    上記絶縁層には、上記他方の面側に向けて上記第１銅材層が露出し、上記光半導体素子の底面を上記第１銅材層に接合して配置される開口部が設けられていることを特徴とする灯具。
  2. 光半導体素子を実装する配線基板において、
    絶縁層と、
    この絶縁層の一方の面側に積層配置され、熱伝導部を形成する第１銅材層と、
    上記絶縁層の他方の面側に積層配置され、上記光半導体素子へ接続される配線部が形成される第２銅材層とを備え、
    上記絶縁層には、上記他方の面側に向けて上記第１銅材層が露出し、上記光半導体素子の底面を上記第１銅材層に接合して配置される開口部が設けられていることを特徴とする配線基板。
  3. 上記絶縁層と上記第２銅材層との厚さの合計は、上記光半導体素子の厚さの半分より小さいことを特徴とする請求項２に記載の配線基板。
  4. 光半導体素子を実装する配線基板の製造方法において、
    絶縁層の一方の面に第１の銅材層を形成し、
    上記絶縁層の他方の面に第２の銅材層を形成し、
    上記絶縁層に上記他方の面側から上記第１銅材層が露出するように上記絶縁層の一部を除去して開口部を形成し、
    上記開口部において上記光半導体素子の底面を上記第１銅材層に接合し、
    上記光半導体素子の電極を上記第２の銅材層に接合することを特徴とする配線基板の製造方法。
  5. 光半導体素子を実装する配線基板の製造方法において、
    第１の電解銅箔のロール、絶縁体膜のロール、第２の電解銅箔のロールから、第１の電解銅箔、絶縁体膜、第２の電解銅箔をそれぞれ送出し、
    上記第１の電解銅箔、絶縁体膜、第２の電解銅箔圧着して積層すること特徴とする配線基板の製造方法。
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