JP2011124386A - 回路基板、高放熱コネクタ、その製造方法およびコネクタ付き回路モジュール - Google Patents
回路基板、高放熱コネクタ、その製造方法およびコネクタ付き回路モジュール Download PDFInfo
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Abstract
【課題】放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な高放熱コネクタを提供する。
【解決手段】第１および第２の面５０Ａ、５０Ｂを有する熱伝導板と、前記第１の面５０Ａに形成され、熱伝導ピン４０と係合可能な第１の孔５１および、電気的接続用の端子ピン３０と係合可能な第２の孔５２と、前記第２の面５０Ｂに形成され、前記端子ピン３０に対して、電気的に接続された接続用の端子部５３とを具備したＬＥＤ素子用コネクタ５０などの高放熱コネクタ、これを用いた回路基板１０、回路モジュール１を構成する。
【選択図】図１
【解決手段】第１および第２の面５０Ａ、５０Ｂを有する熱伝導板と、前記第１の面５０Ａに形成され、熱伝導ピン４０と係合可能な第１の孔５１および、電気的接続用の端子ピン３０と係合可能な第２の孔５２と、前記第２の面５０Ｂに形成され、前記端子ピン３０に対して、電気的に接続された接続用の端子部５３とを具備したＬＥＤ素子用コネクタ５０などの高放熱コネクタ、これを用いた回路基板１０、回路モジュール１を構成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、回路基板、高放熱コネクタ、その製造方法およびコネクタ付き回路モジュールに係り、特に、放熱性に優れた実装構造に関する。
近年、照明用の光源としては、小型で長寿命、かつ低消費電力であることから発光ダイオード（ＬＥＤ）素子が注目されるようになってきている。最近では、出力の大きなハイパワーＬＥＤ素子が出現し、自動車のヘッドライト、室内照明など、白熱灯や蛍光灯の代替光源としてハイパワーＬＥＤ素子の利用が検討されている。
しかしながら、照明用のハイパワーＬＥＤ素子は、素子自体が発熱し、素子が高温に曝されることにより、素子自体の劣化、あるいは、素子を覆う樹脂部材の熱劣化により、発光効率が低下し、寿命の低下を招くという問題があった。このような、課題を解決するため様々な放熱構造が検討されてきている。
しかしながら、照明用のハイパワーＬＥＤ素子は、素子自体が発熱し、素子が高温に曝されることにより、素子自体の劣化、あるいは、素子を覆う樹脂部材の熱劣化により、発光効率が低下し、寿命の低下を招くという問題があった。このような、課題を解決するため様々な放熱構造が検討されてきている。
そのひとつとして例えば、特許文献１では、図１４に示すように、外周部に複数の端子が導出された半導体素子１０１を実装した上記配線基板１１１を、高熱伝導性の金属材によって形成された放熱基板１１２の放熱凸部１１９に半導体素子１０１を接合して上記素子本体から発生する熱が上記放熱基板１１２に伝導されて放熱されるように構成した放熱構造を備える半導体装置が提案されている。この配線基板１１１は、絶縁基板１１３に配線層１１４を形成したものである。そして放熱基板１１２は、放熱凸部１１９のまわりに開口部１１８を具備しており、この開口部１１８を囲んで実装主面上に上記各端子とそれぞれ対向する複数の端子ランドとが形成され、これら端子ランドに対して相対する上記各端子をそれぞれ半田付けすることによって上記半導体素子１０１の上記素子本体を上記開口部１１８に浮かせかつ上記放熱パッド１０５を臨ませた状態で上記半導体素子１０１を配線基板１１１上に実装する。
しかしながら特許文献１では、素子本体からの発熱を効率良く放熱できるものの、素子本体を実装した半導体素子１０１（サブマウント基板）を更に配線基板に接続するため、配線基板の面積に対し素子本体の占める面積が小さくなり、全体の面積に対し発光部分の面積比が小さくなる。
このため、自動車のヘッドライトや、プロジェクタなどのように、光線の指向性を高めるためＬＥＤの実装密度を高くする必要がある場合には、特許文献１の半導体装置では十分に対応できなかった。このような課題を解決するためにサブマウント基板を直接放熱基板に実装するという方法をとり、限られたスペースで実装密度を高めることが出来る。このような方法においては、サブマウント基板と放熱基板との絶縁を確保する必要があり、例えば金属製の放熱基板とサブマウント基板とをシリコングリスを介して接続する方法、絶縁体である高放熱セラミック表面をメタライズし、サブマウント基板を半田付けするなどの接続方法をとることができる。
しかしながら金属製の放熱基板とシリコングリスを介して接続する場合には接続部の熱抵抗が大きくなり、放熱特性を十分に取ることができないという問題があった。
さらに高放熱セラミック表面をメタライズし、サブマウント基板を半田付けにより接続する場合にはＬＥＤ素子チップが発熱すると、各部材に熱膨張率差があるため、接合面に熱応力が生じ、長期信頼性にも問題があった。
しかしながら金属製の放熱基板とシリコングリスを介して接続する場合には接続部の熱抵抗が大きくなり、放熱特性を十分に取ることができないという問題があった。
さらに高放熱セラミック表面をメタライズし、サブマウント基板を半田付けにより接続する場合にはＬＥＤ素子チップが発熱すると、各部材に熱膨張率差があるため、接合面に熱応力が生じ、長期信頼性にも問題があった。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な実装構造を提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な高放熱コネクタを提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な高放熱回路基板を提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な回路モジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な高放熱コネクタを提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な高放熱回路基板を提供することを目的とする。
また、本発明は、放熱性が高く、小型で、確実な接合が可能な回路モジュールを提供することを目的とする。
そこで本発明の回路基板は、第１および第２の主面を有するとともに貫通孔の形成された基材と、
前記第１の主面に形成された素子搭載領域を有する回路パターンと、前記貫通孔に挿通された端子ピンと、前記第２の主面に接続された複数の熱伝導ピンを備えた熱伝導部とを有する。
この構成によれば、回路基板を構成する基材に熱伝導ピンを貼着するとともに、電気的接続用の端子ピンが挿入されているため、コネクタ接続が容易であり、また第２の主面側に接続端子となる端子ピンが突き出すように形成されているため、占有面積も少なく、放熱性に優れた実装構造が実現される。さらに熱伝導ピンを挿入することでコネクタに接続されるため、位置精度も良好で信頼性の高い実装構造が実現される。
前記第１の主面に形成された素子搭載領域を有する回路パターンと、前記貫通孔に挿通された端子ピンと、前記第２の主面に接続された複数の熱伝導ピンを備えた熱伝導部とを有する。
この構成によれば、回路基板を構成する基材に熱伝導ピンを貼着するとともに、電気的接続用の端子ピンが挿入されているため、コネクタ接続が容易であり、また第２の主面側に接続端子となる端子ピンが突き出すように形成されているため、占有面積も少なく、放熱性に優れた実装構造が実現される。さらに熱伝導ピンを挿入することでコネクタに接続されるため、位置精度も良好で信頼性の高い実装構造が実現される。
また本発明は、上記回路基板において、前記熱伝導部は、前記基材の前記第２の主面に複数の熱伝導ピンを接合して形成されたものを含む。
この構成によれば、素子チップ搭載面である第１の主面に相対向する面である第２の主面に熱伝導ピンが半田や、銀ペーストあるいはろう付けなどを用いて接合されるため、熱伝導ピンの高さ精度を高めることが出来る。また、銅板などの熱伝導性の高い板状体に複数の熱伝導ピンを接合したものを、機材の第２の主面に、半田や、銀ペーストあるいはろう付けなどを用いて接合してもよい。
この構成によれば、素子チップ搭載面である第１の主面に相対向する面である第２の主面に熱伝導ピンが半田や、銀ペーストあるいはろう付けなどを用いて接合されるため、熱伝導ピンの高さ精度を高めることが出来る。また、銅板などの熱伝導性の高い板状体に複数の熱伝導ピンを接合したものを、機材の第２の主面に、半田や、銀ペーストあるいはろう付けなどを用いて接合してもよい。
また本発明は、上記回路基板において、前記熱伝導ピンは、鍔部と、前記鍔部よりも小径の小径部とを具備したものを含む。
この構成によれば、コネクタの第１の孔への熱伝導ピンの挿入深さをこの段差部分で決定することが出来るため、コネクタに対する高さ方向の位置決めが容易となる。
この構成によれば、コネクタの第１の孔への熱伝導ピンの挿入深さをこの段差部分で決定することが出来るため、コネクタに対する高さ方向の位置決めが容易となる。
また本発明は、上記回路基板において、前記熱伝導ピンは、テーパ部を有するものを含む。
この構成によれば、コネクタの第１の孔への熱伝導ピンの挿入がより容易となる。
この構成によれば、コネクタの第１の孔への熱伝導ピンの挿入がより容易となる。
また本発明は、上記回路基板において、前記熱伝導ピンは、銅ピンであるものを含む。
この構成によれば、加工性が良好でかつ熱伝導性が高いため、放熱性が向上する。
この構成によれば、加工性が良好でかつ熱伝導性が高いため、放熱性が向上する。
そこで本発明のコネクタは、第１および第２の面を有する熱伝導板と、前記第１の面に形成され、熱伝導ピンと係合可能な第１の孔および、電気的接続用の端子ピンと係合可能な第２の孔と、前記第２の面に形成され、前記端子ピンに対して、電気的に接続された接続用の端子部とを具備した高放熱コネクタを構成する。
この構成によれば、熱伝導ピンをはめ込み式にすることで、接続用の端子部をコネクタの外周部に取り出す必要がなくなり、省スペース化を図ることができる。また、熱伝導板と回路基板との接続がシリコングリスを介することなく、熱伝導ピンのはめ込みで実現されるため、放熱性が向上する。また接着剤などで固定していないため、容易に着脱可能である。さらにまた熱膨張差による接合面の応力が緩和され、長期信頼性に優れたものとなる。さらにまたヘッドライト用の光源として用いる場合、光軸の角度調整が必要になり、煩雑な作業を伴う場合があるが、本発明の構成によれば、第１の孔に熱伝導ピンを挿入するとともに、第２の孔に端子ピンを挿入することで、確実かつ容易に位置合わせを行うことが出来る。第１の孔は第２の孔と同様、貫通孔でもよいし、有底孔でもよい。貫通孔を用いる場合は、熱伝導ピンの下方が直接空気に触れることで、放熱性を高めることができるという効果をもたせることもできる。また、熱伝導ピンを介して、コネクタと実装基板上の配線パターンとが短絡に至る場合も皆無ではなく、このような危険を防ぐためには、有底孔とした方が良い場合もある。
この構成によれば、熱伝導ピンをはめ込み式にすることで、接続用の端子部をコネクタの外周部に取り出す必要がなくなり、省スペース化を図ることができる。また、熱伝導板と回路基板との接続がシリコングリスを介することなく、熱伝導ピンのはめ込みで実現されるため、放熱性が向上する。また接着剤などで固定していないため、容易に着脱可能である。さらにまた熱膨張差による接合面の応力が緩和され、長期信頼性に優れたものとなる。さらにまたヘッドライト用の光源として用いる場合、光軸の角度調整が必要になり、煩雑な作業を伴う場合があるが、本発明の構成によれば、第１の孔に熱伝導ピンを挿入するとともに、第２の孔に端子ピンを挿入することで、確実かつ容易に位置合わせを行うことが出来る。第１の孔は第２の孔と同様、貫通孔でもよいし、有底孔でもよい。貫通孔を用いる場合は、熱伝導ピンの下方が直接空気に触れることで、放熱性を高めることができるという効果をもたせることもできる。また、熱伝導ピンを介して、コネクタと実装基板上の配線パターンとが短絡に至る場合も皆無ではなく、このような危険を防ぐためには、有底孔とした方が良い場合もある。
また本発明は、上記高放熱コネクタにおいて、前記熱伝導板は、導電性の板状体で構成され、前記第２の孔の内壁および第２の面は絶縁膜で被覆されており、前記第２の面に前記端子ピンに接続する端子部を具備したものを含む。
この構成により、熱伝導板に金属板などの電気伝導性材料を用いても、第２の孔の内壁を絶縁膜で被覆することで、信頼性の高い実装が可能となる。
この構成により、熱伝導板に金属板などの電気伝導性材料を用いても、第２の孔の内壁を絶縁膜で被覆することで、信頼性の高い実装が可能となる。
また本発明は、上記高放熱コネクタにおいて、前記熱伝導板は、電気的に絶縁性を有する板状体で構成されたものを含む。
この構成により、第２の孔の内壁を絶縁膜で覆う必要はなく、必要な部分のみ導電膜を形成すればよいため、短絡不良を低減することが出来る。
この構成により、第２の孔の内壁を絶縁膜で覆う必要はなく、必要な部分のみ導電膜を形成すればよいため、短絡不良を低減することが出来る。
また本発明は、上記回路基板と、前記回路基板上に搭載される素子チップと、上記高放熱コネクタとを具備し、回路モジュールを構成する。
この構成によれば、占有面積が小さく、放熱性に優れた回路モジュールを構成することができる。
この構成によれば、占有面積が小さく、放熱性に優れた回路モジュールを構成することができる。
また本発明は、上記回路基板の製造方法であって、絶縁性の貫通孔を備えた基材の第１の主面に配線導体層を形成し、回路パターンを形成する工程と、前記第２の主面に接着部材を形成する工程と、前記接着部材に前記熱伝導ピンを貼着する工程と、前記貫通孔に端子ピンを挿通する工程とを含む。
この方法によれば、接着剤層などの接着部材を介して熱伝導ピンを貼着しているため、容易に回路基板を形成することが可能となる。
この方法によれば、接着剤層などの接着部材を介して熱伝導ピンを貼着しているため、容易に回路基板を形成することが可能となる。
本発明によれば、熱伝導板と回路基板との接続がシリコングリスを介することなく、熱伝導ピンのはめ込みで実現されるため、回路モジュール全体としての放熱性が向上する。
さらにまた熱膨張差による接合面の応力が緩和され、長期信頼性に優れたものとなる。
また、熱伝導ピンをはめ込み式にすることで、接続用の端子部をコネクタの外周部に取り出す必要がなくなり、省スペース化を図ることができる。
さらにまたヘッドライト用の光源としてＬＥＤ素子を用いる場合、光軸の角度調整が必要になり、煩雑な作業を伴う場合があるが、本発明の構成によれば、第１の孔に熱伝導ピンを挿入するとともに、第２の孔に端子ピンを挿入することで、確実かつ容易に位置合わせを行うことが出来る。
さらにコネクタへの接続部を接着剤などで固定していないため、容易に着脱可能である。
さらにまた熱膨張差による接合面の応力が緩和され、長期信頼性に優れたものとなる。
また、熱伝導ピンをはめ込み式にすることで、接続用の端子部をコネクタの外周部に取り出す必要がなくなり、省スペース化を図ることができる。
さらにまたヘッドライト用の光源としてＬＥＤ素子を用いる場合、光軸の角度調整が必要になり、煩雑な作業を伴う場合があるが、本発明の構成によれば、第１の孔に熱伝導ピンを挿入するとともに、第２の孔に端子ピンを挿入することで、確実かつ容易に位置合わせを行うことが出来る。
さらにコネクタへの接続部を接着剤などで固定していないため、容易に着脱可能である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１のＬＥＤ回路モジュールを示す断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は同回路モジュールに用いられる高放熱コネクタとしてのＬＥＤ素子用コネクタの上面図及びこの断面図である。図３乃至図５は同回路モジュールの実装工程を示す図である。
本実施の形態の回路モジュール１は、図１に示すように、回路基板１０の第１の主面１０ＡにＬＥＤ素子チップ２０を搭載するともに、第２の主面１０Ｂに放熱機能を具えたＬＥＤ素子用コネクタ５０を具備し、ＬＥＤ素子チップからの熱をすみやかにＬＥＤ素子用コネクタ５０に逃がすことができ、放熱性が高く占有面積の小さい実装を可能にしたことを特徴とする。
図１は本発明の実施の形態１のＬＥＤ回路モジュールを示す断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は同回路モジュールに用いられる高放熱コネクタとしてのＬＥＤ素子用コネクタの上面図及びこの断面図である。図３乃至図５は同回路モジュールの実装工程を示す図である。
本実施の形態の回路モジュール１は、図１に示すように、回路基板１０の第１の主面１０ＡにＬＥＤ素子チップ２０を搭載するともに、第２の主面１０Ｂに放熱機能を具えたＬＥＤ素子用コネクタ５０を具備し、ＬＥＤ素子チップからの熱をすみやかにＬＥＤ素子用コネクタ５０に逃がすことができ、放熱性が高く占有面積の小さい実装を可能にしたことを特徴とする。
また回路基板１０は、素子搭載領域Ａを有するとともに、電気的接続用の貫通孔１２の形成された第１の主面１０Ａと、前記第１の主面１０Ａに対向する第２の主面１０Ｂとを有する基材１０Ｓと、第１の主面１０Ａに形成された回路パターン（１１ａ）としてのチタン層および回路パターン（１１ｂ）としての銅層（１１ｂ）と、この貫通孔に挿通された端子ピン３０と、第２の主面１０Ｂに接続された複数の熱伝導ピン４０とを有してなり、ＬＥＤ素子用コネクタ５０に対して着脱自在となるように形成されている。
前記基材は、絶縁構造を備えていることを特徴とする。金属製の基材に絶縁膜を備えた基材であってもよく、セラミックや、樹脂などのように基材自体が絶縁体であってもよい。絶縁体としては特に材質は限定されないがセラミックであることが望ましい。セラミックとしてはＡｌＮ（窒化アルミニウム）ベリリア、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが利用できる。中でも窒化アルミニウムは、熱伝導率が高く、無害であるため好適に利用することができる。
前記基材は、絶縁構造を備えていることを特徴とする。金属製の基材に絶縁膜を備えた基材であってもよく、セラミックや、樹脂などのように基材自体が絶縁体であってもよい。絶縁体としては特に材質は限定されないがセラミックであることが望ましい。セラミックとしてはＡｌＮ（窒化アルミニウム）ベリリア、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などが利用できる。中でも窒化アルミニウムは、熱伝導率が高く、無害であるため好適に利用することができる。
またこの回路基板１０の素子搭載領域ＡにはＬＥＤ素子チップ２０が搭載され、ボンディングワイヤ２１で回路パターン（１１ａ）、（１１ｂ）からなるボンディングパッドに接続されている。ここで回路パターンとしてはセラミックからなる基材１０Ｓ表面に形成された膜厚０．１〜０．５μｍのチタン層（１１ａ）と、このチタン層（１１ａ）をシード層としてメッキ法により形成される膜厚１〜３０μｍ程度 の銅層（１１ｂ）とで構成される。
回路基板１０を構成する薄膜の材質は、これらに限定されず、銅層に代えてチタン層の上にＮｉ層と金層（２層）であっても良い。
また、ボンディングワイヤ２１の接続部のみ金層あるいは表面を金層で被覆したボンディングパッドを備えても良い。
回路基板１０を構成する薄膜の材質は、これらに限定されず、銅層に代えてチタン層の上にＮｉ層と金層（２層）であっても良い。
また、ボンディングワイヤ２１の接続部のみ金層あるいは表面を金層で被覆したボンディングパッドを備えても良い。
次に、ＬＥＤ素子用コネクタに着脱自在に形成された回路基板の製造方法について説明する。
まず、ＡｌＮセラミックからなるあらかじめ貫通孔１２を備えた基材１０Ｓ（図３（ａ））を用意し、まず図３（ｂ）に示すように、第１の主面１０Ａ側にスパッタリング法によりチタン層（１１ａ）を形成する。そして、このチタン層（１１ａ）をシード層として無電解メッキ、電解メッキを行い、銅層（１１ｂ）を形成する。
そして図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、この銅層（１１ｂ）およびチタン層（１１ａ）をパターニングする。
まず、ＡｌＮセラミックからなるあらかじめ貫通孔１２を備えた基材１０Ｓ（図３（ａ））を用意し、まず図３（ｂ）に示すように、第１の主面１０Ａ側にスパッタリング法によりチタン層（１１ａ）を形成する。そして、このチタン層（１１ａ）をシード層として無電解メッキ、電解メッキを行い、銅層（１１ｂ）を形成する。
そして図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、この銅層（１１ｂ）およびチタン層（１１ａ）をパターニングする。
この後図３（ｄ）に示すように、基材１０Ｓの第２の主面１０Ｂに銀ペーストなどの導電性接着剤からなる４１を介して銅ピンからなる熱伝導ピン４０を固着し回路基板１０を得ることができる。ここで熱伝導ピン４０は図４に示すように径大の鍔部４０ＡとＬＥＤ素子用コネクタ５０に挿入される小径部４０Ｂとが一体形成されたものである。このように鍔部４０Ａを有しているため、ＬＥＤ素子用コネクタ５０の第１の孔５１への熱伝導ピン４０の挿入深さをこの段差部分で決定することが出来るため、コネクタに対する高さ方向の位置決めが容易となる。このようにして得られた回路基板１０が形成される。
このようにして得られた回路基板１０を用い、図６に示すように、ＬＥＤ素子チップ２０を接続する。そしてこのＬＥＤ素子チップ２０を、ボンディングワイヤ２１を介して基板上のボンディングパッド（銅層（１１ｂ）およびチタン層（１１ａ）の積層体）に、電気的に接続しＬＥＤユニットを得ることができる。
本実施の形態で用いられるＬＥＤ素子用コネクタ５０は、図２（ａ）および（ｂ）示したように、第１および第２の面５０Ａ，５０Ｂを有する熱伝導板５０Ｓと、この第１の面５０Ａに形成され、熱伝導ピン４０と係合可能な第１の孔５１および、電気的接続用の端子ピン（端子部）３０と係合可能な第２の孔５２と、前記第２の面５０Ｂに形成され、端子ピン３０に対して、電気的に接続された接続用の端子部（端子電極５３）とを具備している。この第２の孔５２の内壁にはチタン層と銅層との２層膜が形成され、この２層膜が前記第２の面まで到達して、端子電極５３を構成する。
次に、このＬＥＤ素子用コネクタ５０の製造方法について説明する。まず、熱伝導性の高い絶縁性材料であるＡｌＮ（原料）を焼結助剤、バインダと共に混合した原材料を、金型等を用いて成形し（図５（ａ））、脱脂、焼結することにより第１の孔５１有底孔として備え、第２の孔５２を貫通孔として備えた板状体からなるコネクタ基材としての熱伝導板５０Ｓを形成する（図５（ｂ））。そして、第２の面５０Ｂ側から、スパッタ法によりチタン層を形成し、第２の孔５２の内壁にもチタン層を形成する。そしてこのチタン層をフォトリソグラフィによりパターニングし、チタン層のパターンを得る。このチタン層パターンをシード層としてメッキを行いＣｕ層を形成し、第２の孔５２の内壁から、第２の面５０Ｂにのびる端子電極５３を形成し（図５（ｃ））、ＬＥＤ素子用コネクタ５０を形成する。
一方、ＬＥＤ素子用コネクタ５０は、実装基板のパッドに半田接続したり、自動車のヘッドランプ部に組み付け、ワイヤーハーネスと接続することもできる。このＬＥＤ素子用コネクタ５０は第２の面５０Ｂ側に放熱フィンなどを備えていてもよい。
図６に示すように、以上のようにして得られたＬＥＤユニット（図３（ｄ））をＬＥＤ素子用コネクタ５０（図２（ａ）および（ｂ））に実装し、図１に示したように、回路モジュールを構成する。
このようにして形成された回路モジュールは、回路基板を構成する基材１０Ｓに熱伝導ピン４０を貼着するとともに、電気的接続用の端子ピン３０からなる端子部が挿入されているため、コネクタ接続が容易である。また回路基板１０の第２の主面１０Ｂ側に装着されたＬＥＤ素子用コネクタ５０の第２の面５０Ｂ側に、接続端子となる端子部５３が形成されているため、占有面積も少なく、放熱性に優れた実装が実現される。さらに熱伝導ピン４０を挿入することでＬＥＤ素子用コネクタ５０に接続されるため、位置精度も良好で信頼性の高い実装が実現される。
また、この構成によれば、ＬＥＤ素子用コネクタの熱伝導板を電気的に絶縁性を有する材料で構成しているため、第２の孔の内壁を絶縁膜で覆う必要はなく、必要な部分のみ導電膜を形成すればよいため、短絡不良を低減することが出来る。
また、多数の熱伝導ピンでＬＥＤ素子用コネクタと回路基板が接続されているため、放熱が良好であるだけでなく、方向を確実に維持することができ、実装面の面方位を高精度に維持することができるとともに、はずれにくく、強固な接続が可能となる。
さらにまた熱伝導ピンは鍔部を有しているため、熱伝導板への挿入深さを正しく設定することができ、位置精度に優れた実装が可能となる。
なお、本実施の形態では、ＬＥＤ素子用コネクタの熱伝導板をＡｌＮセラミックで構成したが、ＢＮ，ベリリアなど熱伝導率の高い他のセラミックを用いても良い。また、セラミックの他、ベークライト、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂基板、あるいは金属粒子を含有する樹脂基板、金属板の埋め込まれた絶縁性基材などにも適用可能である。
また、グリーンシート法によるセラミックにも適用可能であり、またガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂などの樹脂基板も適用可能である。これらについても、放熱性を高めるために金属粒子や金属板を埋め込むことでより、信頼性の向上をはかることができる。グリーンシートで形成する場合、グリーンシート加工時に第１及び第２の孔を形成しておくようにすれば製造が容易である。また、加工後に打ち抜きにより第１及び第２の孔を形成してもよい。
加えて、第１および第２の孔の部分は、熱伝導ピンおよび端子ピンの挿入により、摩耗し易いため、第１および第２の孔の部分のみにそれぞれ、所望の特性のセラミックを埋め込み焼成した、埋め込みセラミックを用いるようにしてもよい。
なお、図７に示すように、マザーボードとしての実装基板１００上のボンディングパッド１０１上に高放熱コネクタとしてのＬＥＤ素子用コネクタ５０の裏面の端子部５３を接続しておくようにしてもよい。これにより、回路ユニットのみをＬＥＤ素子用コネクタ５０に対して着脱するだけで、実装基板１００上への電気的接続が常になされている状態にすることができる。
（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２のＬＥＤ回路モジュールを示す断面図である。前記実施の形態１では、ワイヤボンディングにより、ＬＥＤ素子チップ２０を搭載したが、本実施の形態では、ＬＥＤ素子チップ２０Ｆをフリップチップで回路基板１０上に搭載したことを特徴とするものである。
この例では、回路基板１０のボンディングパッド上にバンプ２２を形成しておき、このバンプ２２とＬＥＤ素子チップ２０Ｆを直接接続したものである。
ＬＥＤ素子用コネクタをはじめ、他の部分は前記実施の形態１と同様に形成されている。
この構成によっても放熱性に優れ、占有面積の小さい実装が可能となる。
図８は本発明の実施の形態２のＬＥＤ回路モジュールを示す断面図である。前記実施の形態１では、ワイヤボンディングにより、ＬＥＤ素子チップ２０を搭載したが、本実施の形態では、ＬＥＤ素子チップ２０Ｆをフリップチップで回路基板１０上に搭載したことを特徴とするものである。
この例では、回路基板１０のボンディングパッド上にバンプ２２を形成しておき、このバンプ２２とＬＥＤ素子チップ２０Ｆを直接接続したものである。
ＬＥＤ素子用コネクタをはじめ、他の部分は前記実施の形態１と同様に形成されている。
この構成によっても放熱性に優れ、占有面積の小さい実装が可能となる。
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３のＬＥＤ回路モジュールを示す断面図である。前記実施の形態１および２では、高放熱コネクタとしてのＬＥＤ素子用コネクタの熱伝導板となる５０Ｓコネクタ基材を、絶縁性材料すなわちセラミックで構成したが、本実施の形態では、Ｃｕからなる金属板５０Ｍで構成したものである。
本実施の形態では、貫通孔である第２の孔５２の内壁及び第２の面５０Ｂにポリイミド樹脂からなる絶縁膜５４を形成し、電気的分離をはかるようにしたことを特徴とするものである。また、ＬＥＤ素子用コネクタの第２の面５０Ｂには絶縁膜５４を介して端子電極５３が形成されている。
図９は本発明の実施の形態３のＬＥＤ回路モジュールを示す断面図である。前記実施の形態１および２では、高放熱コネクタとしてのＬＥＤ素子用コネクタの熱伝導板となる５０Ｓコネクタ基材を、絶縁性材料すなわちセラミックで構成したが、本実施の形態では、Ｃｕからなる金属板５０Ｍで構成したものである。
本実施の形態では、貫通孔である第２の孔５２の内壁及び第２の面５０Ｂにポリイミド樹脂からなる絶縁膜５４を形成し、電気的分離をはかるようにしたことを特徴とするものである。また、ＬＥＤ素子用コネクタの第２の面５０Ｂには絶縁膜５４を介して端子電極５３が形成されている。
製造に際しても、第２の孔５２に導体層を形成し、第２の孔５２内壁からＬＥＤ素子用コネクタの第２の面５０Ｂに延びる端子電極５３を形成するに先立ち、絶縁膜５４を形成する以外は前記実施の形態１と同様である。
この構成によれば、熱伝導板としてのコネクタ基材に金属を用いているため、より電気抵抗は小さく、信頼性の高い接続が可能となる。また金属に第１および第２の孔を形成する工程は、打ち抜きにより形成してもよい。その場合第１の孔は半抜き加工、第２の孔は打ち抜き加工とすることで、容易に形成することができる。
なお、前記実施の形態では、第２の孔内壁からコネクタの第２の面５０Ｂに延びる絶縁膜としてポリイミド樹脂を用いたが、酸化シリコン膜などの無機膜を用いてもよい。ここで、この第２の孔にはピンが挿脱されるため、内壁を構成する材料は耐摩耗性を有する膜を用いるのが望ましい。
さらにまたコネクタを構成する基材としては、金属のほかプリプレグを用いた積層基板などにも適用可能である。
このような積層基板を用いても放熱性を高めることが可能であるが、このとき、電気的絶縁を持たせるために、コネクタ基材に導電体を用いた場合と同様、第２の孔の内壁に絶縁膜を形成する必要がある。
このような積層基板を用いても放熱性を高めることが可能であるが、このとき、電気的絶縁を持たせるために、コネクタ基材に導電体を用いた場合と同様、第２の孔の内壁に絶縁膜を形成する必要がある。
（実施の形態４）
なお前記実施の形態１乃至３では、熱伝導ピンは段差を有する形状としたが、図１０に示すように、本実施の形態の熱伝導ピン４０Ｓでは、段差に代えてテーパ状を有する形状としたことを特徴とするものである。
この構成によれば、テーパ状の熱伝導ピン４０Ｓを用いているため、熱伝導ピン４０ＳのＬＥＤ素子用コネクタの第１の孔５１への挿入が容易となる上、強固な接続が可能となる。その結果、回路基板１０のＬＥＤ素子用コネクタ５０への接続が容易となり、容易でかつ確実な装着が可能となる
なお前記実施の形態１乃至３では、熱伝導ピンは段差を有する形状としたが、図１０に示すように、本実施の形態の熱伝導ピン４０Ｓでは、段差に代えてテーパ状を有する形状としたことを特徴とするものである。
この構成によれば、テーパ状の熱伝導ピン４０Ｓを用いているため、熱伝導ピン４０ＳのＬＥＤ素子用コネクタの第１の孔５１への挿入が容易となる上、強固な接続が可能となる。その結果、回路基板１０のＬＥＤ素子用コネクタ５０への接続が容易となり、容易でかつ確実な装着が可能となる
なお、実施の形態１と実施の形態４との複合案として図１１に示すように、鍔部４０Ａと、テーパ状のピン部４０Ｃとで構成してもよい。この構成によれば、熱伝導ピンの第１の孔５１への挿通が容易で、かつ鍔部の存在により、挿入深さなどの位置決めが容易となる。この場合、テーパ状のピン部４０Ｃの方が、孔に挿通され、摩耗し易いことから、展性に優れた材料で構成したり、表面を被覆するなどが必要な場合もある。従って、鍔部４０Ａと、テーパ状のピン部４０Ｃを構成する（円錐台状の）ピン部４０Ｃとを別材料で形成してもよい。
なお、前記実施の形態では、ＬＥＤ照明用のＬＥＤモジュールについて説明したが、パワー半導体など、発熱量の大きいデバイスでも利用することができる。
なお、前記実施の形態では、回路基板を構成する基材として、セラミック基板を用いたが、これに限定されることなく、積層基板、あるいは樹脂基板などにも適用可能であることはいうまでもない。
また、回路基板についても、ＡｌＮに限定されることなく、グリーンシートなど他のセラミックにも適用可能であり、またガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂などの樹脂基板、プリプレグを用いた積層基板などにも適用可能である。
ＡｌＮを使用した基材（１５×１０×１ｍｍ）と、高さ２．５ｍｍ太さ１ｍｍの円筒形(鍔なし)熱伝導ピン（銅ピン）１５本を前記基材の第２の主面に備えた回路基板と、ＬＥＤ素子チップ（５×５×０．２ｍｍ）とからなるＬＥＤユニットを、熱伝導板にアルミニウムを使用し熱伝導部と係合可能な直径１ｍｍの第１の孔(貫通孔)備えたコネクタ（２０×１５×３ｍｍ）に１．８７５ｍｍ差込み（ＬＥＤユニットをコネクタから０．６２５ｍｍ浮かせて）接続した回路モジュールを、モデルを用いて、ストラクチュラル リサーチ アンド アナリシス コーポレーション社製コスモスワークス（登録商標）を用いてシミュレーションを実施した。尚、シミュレーションでは、絶縁性を議論する必要はないため、１組の端子ピン、１組の第２の孔は特別に条件を設定せず、１５本の熱伝導ピンのうち２本、１５個の第１の孔のうち２個が端子ピン、第２の孔であるとして算出した。ＬＥＤ素子チップを発熱させ、ＬＥＤ素子チップとコネクタとの温度差から熱抵抗を算出した。熱抵抗は０．９９Ｗ／℃であった。
なお、基材（ＡｌＮ）、熱伝導ピン（銅）、コネクタ（Ａｌ）の物性値は下表１の通りである。
なお、基材（ＡｌＮ）、熱伝導ピン（銅）、コネクタ（Ａｌ）の物性値は下表１の通りである。
実施例１と同様のＬＥＤユニットを実施例１と同様のコネクタに２．５ｍｍ差込み（ＬＥＤユニットをコネクタに密着させて）接続した回路モジュールをモデルを用いて、シミュレーションを実施した。ＬＥＤ素子チップを発熱させ、ＬＥＤ素子チップとコネクタとの温度差から熱抵抗を算出した。熱抵抗は０．５３Ｗ／℃であった。
（比較例１）
（比較例１）
ＬＥＤ素子チップ（５×５×０．２ｍｍ）と、ＡｌＮからなる基材（１５×１０×１ｍｍ）とからなるＬＥＤユニットの基材の第２の主面側に厚さ０．１ｍｍのグリスを塗布し、アルミニウムを使用した放熱板（２０×１５×３ｍｍ）に接続した回路モジュールのモデルを用いて実施例１と同様にシミュレーションを行った。熱抵抗は１．４３Ｗ／℃であった。
以上のシミュレーション結果を図１２及び図１３に示す。図１２において、（ａ）は実施例１のように接続ピンを浮かせて実装した例、（ｂ）は接続ピンをコネクタに密着させて実装した例、（ｃ）は比較例としてのグリスを塗布した例である。図中温度の高い領域が濃く表示されている。図１３に熱抵抗の値を測定した結果を示す。実施例１，２では素子搭載領域を備えた回路基板を直接コネクタに接続しているため、実装密度を高めることができる上、グリスを塗布したのみの比較例に比べ、銅ピンを使用した実施例１，２では熱抵抗が小さくなっていることが確認でき、小型で実装密度が高く、放熱性が高く、確実な接合の回路モジュールを得ることができた。
実施例２では、ＬＥＤユニットをコネクタから浮かせて接続しているため、銅ピンに鍔を備えた回路基板に相当し、銅ピンに鍔を備えた回路基板でも同様に小型で実装密度が高く、放熱性が高く、確実な接合の回路モジュールを得ることができることが推測される。
１ 回路モジュール
１０ 回路基板
１０Ａ 第１の主面
１０Ｂ 第２の主面
１０Ｓ 基材
１１ａ，１１ｂ 回路パターン
１２ 貫通孔
２０ ＬＥＤ素子チップ
２１ ボンディングワイヤ
２２ バンプ
３０ 端子ピン
４０ 熱伝導ピン
４１ 接着部材
Ａ 素子搭載領域
５０ ＬＥＤ素子用コネクタ
５０Ａ 第１の面
５０Ｂ 第２の面
５０Ｓ 熱伝導板
５０Ｍ 熱伝導板（金属板）
５１ 第１の孔、
５２ 第２の孔
５３ 端子部（端子電極）
５４ 絶縁膜
１０ 回路基板
１０Ａ 第１の主面
１０Ｂ 第２の主面
１０Ｓ 基材
１１ａ，１１ｂ 回路パターン
１２ 貫通孔
２０ ＬＥＤ素子チップ
２１ ボンディングワイヤ
２２ バンプ
３０ 端子ピン
４０ 熱伝導ピン
４１ 接着部材
Ａ 素子搭載領域
５０ ＬＥＤ素子用コネクタ
５０Ａ 第１の面
５０Ｂ 第２の面
５０Ｓ 熱伝導板
５０Ｍ 熱伝導板（金属板）
５１ 第１の孔、
５２ 第２の孔
５３ 端子部（端子電極）
５４ 絶縁膜
Claims (11)
- 第1および第２の主面を有するとともに貫通孔の形成された基材と、
前記第１の主面に形成された素子搭載領域を有する回路パターンと、
前記貫通孔に挿通された端子ピンと、
前記第２の主面に接続された複数の熱伝導ピンを備えた熱伝導部とを有する回路基板 。 - 請求項１に記載の回路基板であって、
前記熱伝導部は、前記基材の前記第２の主面に複数の熱伝導ピンを接合して形成されたことを特徴とする回路基板。 - 請求項１または２に記載の回路基板であって、
前記熱伝導ピンは、鍔部と、前記鍔部よりも小径の小径部とを具備したことを特徴とする回路基板。 - 請求項１乃至３に記載の回路基板であって、
前記熱伝導ピンは、テーパ部を有することを特徴とする回路基板。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の回路基板であって、
前記熱伝導ピンは、銅ピンであることを特徴とする回路基板。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の回路基板であって、
前記基材はセラミック基板であることを特徴とする回路基板。 - 第１および第２の面を有する熱伝導板と、
前記第１の面に形成され、
熱伝導部と係合可能な第１の孔および、電気的接続用の端子ピンと係合可能な第２の孔と、
前記第２の面に形成され、
前記端子部に対して、電気的に接続された接続用の端子部とを具備した高放熱コネクタ。 - 請求項７に記載の高放熱コネクタであって、
前記熱伝導板は、導電性の板状体で構成され、
前記第２の孔の内壁および第２の面は絶縁膜で被覆されており、
前記第２の面に前記端子ピンに接続する端子部を具備した高放熱コネクタ。 - 請求項７に記載の高放熱コネクタであって、
前記熱伝導板は、電気的に絶縁性を有する板状体で構成された高放熱コネクタ。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の回路基板と、
前記回路基板上に搭載される素子チップと、
請求項７乃至９のいずれかに記載の高放熱コネクタとを具備した回路モジュール。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の回路基板の製造方法であって、
絶縁性の貫通孔を備えた基材の第１の主面に配線導体層を形成し、回路パターンを形成する工程と、
前記第２の主面に接着部材を形成する工程と、
前記接着部材に前記熱伝導ピンを貼着する工程と、
前記貫通孔に端子ピンを挿通する工程とを含む回路基板の製造方法。
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