JP2012074423A - Ｌｅｄモジュール - Google Patents

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剛司 乾
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Abstract

【課題】発光素子からの熱を確実に放熱するとともに、絶縁層などを除去した部位に熱伝導部材を配置する工程を不要として、製造工程を減らすことが可能なＬＥＤモジュールを提供する。
【解決手段】ＬＥＤモジュール１は、ＬＥＤチップ３が搭載されたパッケージ２と、パッケージ２が配列される基板１０とを備える。パッケージ本体２０の前後の側壁には、電極パッド４ａ、４ｂが設けられ、各電極パッド４ａ、４ｂと基板１０の配線パターンはハンダにより接合される。基板１０は、銅系金属からなるベース部材１１に絶縁層１２と配線パターン１３とが積層される。絶縁層１２は、パッケージ２が配置される部位の一部を取り除いて貫通部１５が形成され、この貫通部１５を介して対向するパッケージ２の裏面とベース部材１１との間にハンダ１６が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージ内にＬＥＤチップが搭載されたＬＥＤモジュールに関するものである。
従来、放電ランプやレーザ発振器などを光源として用いた光源装置が提供されているが、近年、低消費電力化や長寿命化などを目的として、ＬＥＤ（発光ダイオード）モジュールを光源とする光源装置が種々提案されている。例えば、塗料や接着剤や顔料などの紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して、樹脂を硬化・乾燥させる紫外線照射装置の紫外線照射源として、発光波長を紫外線領域に設定されたＬＥＤモジュールが用いられている。
この種の光源装置に用いられるＬＥＤモジュールでは、パッケージ内にＬＥＤチップを搭載し、このパッケージを所望の光量が得られるように、複数個並べてＬＥＤモジュールを構成している。また各ＬＥＤチップとしては、出力の大きなＬＥＤチップが用いられ、所望の光量が得られるよう設定されている。
このＬＥＤモジュールに通電し、ＬＥＤチップを発光させるとＬＥＤチップが発熱する。上述のように、この種のＬＥＤモジュールでは、出力の大きなＬＥＤチップを複数使用しており、ＬＥＤモジュールが発する熱も大きい。また、ＬＥＤチップの発光効率は負の温度係数を有しているので、ＬＥＤチップによる発熱量が増大するとＬＥＤモジュールの発光効率が低下するという問題があった。
そこで、例えば特許文献１に記載された発光ダイオードの実装構造のように、放熱効果を高めたＬＥＤモジュール及びその実装構造が提案されている。この特許文献１に記載された発光ダイオードの実装構造では、熱伝導率の高い金属製のベース部材の上面に絶縁層、配線パターン、レジストをそれぞれ積層して基板を形成し、ＬＥＤチップを配置したパッケージをその基板の表面に実装している。このとき、パッケージの裏面側に位置する基板の絶縁層やレジストを除去し、パッケージとベース部材との間にシリコンゴムなどの熱伝導部材を配置している。これにより、ＬＥＤチップから発した熱は、熱伝導部材及びベース部材を介して放熱され、放熱効果を高めている。
特開２００６−１００６８７号公報
ところで、上記特許文献１に記載されたＬＥＤモジュールを製造するには、まず、ベース部材上に絶縁層、配線パターン、レジストをそれぞれ積層し、その後、パッケージが実装される部位の絶縁層、配線パターン、レジストをそれぞれ除去する。この除去した部位に熱伝導部材を配置し、その上からＬＥＤチップを配置したパッケージを配置し、パッケージに設けられた電極と配線パターンとをハンダ付けする。このようにして、上記特許文献１に記載されたＬＥＤモジュールが製造されるのであるが、製造工程が多く複雑であった。
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、ＬＥＤチップからの放熱を確実に行うとともに、その製造工程を低減することが可能なＬＥＤモジュールを提供することにある。
上記目的を達成するために、本願のＬＥＤモジュールは、対向する側壁の外周面に電極を有し、電極と接続する発光素子が搭載されるパッケージと、銅系金属からなるベース部材と、絶縁材料からなりベース部材の表面に積層される絶縁層と、絶縁層の表面に形成され電極とハンダにより接続される導電性の配線パターンとを備え、絶縁層は、パッケージが配置される部位の一部を取り除いた貫通部を有し、貫通部を介して対向するパッケージの裏面とベース部材との間にハンダからなる放熱部を配置したことを特徴とする。
このＬＥＤモジュールにおいて、パッケージの裏面に金属製の放熱層を設けることが好ましい。
本願のＬＥＤモジュールによれば、絶縁層などを除去した部位に熱伝導部材を配置する工程が不要となり、発光素子からの熱を確実に放熱するとともに、製造にかかる工程を減らすことができる。
本実施の形態にかかるＬＥＤモジュールの要部を示す概略断面図である。 同ＬＥＤモジュールを構成する基板を示し、（ａ）は基板全体、（ｂ）は配線パターン、（ｃ）はレジスト層、（ｄ）は貫通孔をそれぞれ説明する為の平面図である。 同ＬＥＤモジュールを構成するパッケージを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のＬＥＤモジュール１は、例えば塗料や接着剤や顔料などの紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して、樹脂を硬化・乾燥させる紫外線照射装置に、紫外線の照射源として使用されるものである。なお、以下の説明では特に断りが無い限り、図２（ａ）における上下をＬＥＤモジュール１の前後、図２（ａ）における左右をＬＥＤモジュール１の左右、図１における上下をＬＥＤモジュール１の上下として説明を行う。
このＬＥＤモジュール１は、図１及び図２（ａ）に示すように、左右方向を長手方向とする矩形平板状に形成された基板１０の上面に、複数のパッケージ２が左右方向に並べられて構成される。この紫外線照射装置では、このＬＥＤモジュール１を左右方向に複数個並べ、さらに前後方向に複数列並べて配置することで、所定の領域に対して所望の光量が得られるよう設定されている。
パッケージ２は、図３（ａ）〜（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ３と、このＬＥＤチップ３に印加される電圧を制限する過電圧保護用のツェナーダイオードチップ６とを、パッケージ本体２０の表面に設けた凹部２１内に収納して構成される。
パッケージ本体２０は、例えばアルミナ、窒化アルミニウムなどの高放熱性セラミック材料により、前後方向を長手方向とする略直方体状に形成された射出成形品で構成される。このパッケージ本体２０の表面には、例えばＭＩＤ（三次元射出成形回路部品）技術を用いて、導電パターン２６、２７や電極パッド４ａ、４ｂがパターニングされている。
また、パッケージ本体２０の表面（図３（ｄ）の上面）には、上側から見た形状が左右方向を長辺方向とする長穴状に形成された凹部２１が設けられている。この凹部２１の底部には、パッケージ本体２０の左右方向および前後方向における中央位置にＬＥＤチップ３が配置されている。また凹部２１の底部には、ＬＥＤチップ３に対して左右方向の一端側（例えば右側）にツェナーダイオードチップ６が配置され、左右方向の他端側（左側）に後述するスルーホール２２が設けられている。
ここで、凹部２１の底部には、ＬＥＤチップ３とツェナーダイオードチップ６の間の部位、及び、ＬＥＤチップ３とスルーホール２２の間の部位から、それぞれ凹部２１の開口側（上側）に向かって突出するリブ２３ａ、２３ｂが設けられている。すなわち、パッケージ本体２０の凹部２１内部では、ＬＥＤチップ３とツェナーダイオードチップ６とスルーホール２２とが、リブ２３ａ、２３ｂによって分離された状態で前後方向に並べて設けられている。なお、リブ２３ａ、２３ｂの上面は、凹部２１ａに実装されたＬＥＤチップ３の上面よりも上側に位置している。
また、パッケージ本体２０の表面には、凹部２１の周縁に全周にわたって枠状の導電パターン２６が形成されている。この導電パターン２６は、凹部２１ａ、２１ｃに形成されたダイパッド部（図示せず）と連続して設けられ、ＬＥＤチップ３及びツェナーダイオードチップ６の下面側の電極（図示せず）と電気的に接続される。また、パッケージ本体２０の長手方向における一方側の端面（例えば、前方側の端面）には、導電パターン２６からパッケージ本体２０の裏面へと延長する電極パッド４ｂが形成されている。
また、パッケージ本体２０の裏面（図２（ｄ）における下面）には、パッケージ本体２０の後端からスルーホール２２を越えた辺りまで凹所２４が設けられている。パッケージ本体２０の裏面において凹所２４と他の部位との間には段差が設けられ、凹所２４の底面は、凹所２４を除くパッケージ本体２０の裏面よりも上側に位置している。この凹所２４に開口するスルーホール２２は、内周面はめっき加工が施されており、電極パッド４ｂが形成された側と逆側の端面（例えば、後方側の端面）に形成された電極パッド４ａと電気的に接続されている。
また、パッケージ本体２０の凹部２１ｂの略全体には、スルーホール２２に電気的に接続された導電パターン２７が形成されている。この導電パターン２７には、リブ２３ａ、２３ｂに形成されたボンディングパッド２８ａ、２８ｂが連続して設けられている。ボンディングパッド２８ａは、ＬＥＤチップ３の上面側の電極と、ツェナーダイオードチップ６の上面側の電極にそれぞれボンディングワイヤ（金属細線）２５ａ、２５ｂを介して接続されている。同様に、ボンディングパッド２８ｂ、ＬＥＤチップ３の上面電極（カソード電極）がボンディングワイヤ（金属細線）２５ｃを介して接続されている。
またパッケージ本体２０の裏面において、左右方向の中央部には、矩形板状にめっき加工された接合用パッド５が設けられている。
上述のように、パッケージ２は、パッケージ本体２０の前後の側壁に設けられた電極パッド４ａ、４ｂと、ＬＥＤチップ３及びツェナーダイオードチップ６とが電気的に接続される。これにより、電極パッド４ａ、４ｂ間に電力を供給することで、ＬＥＤチップ３が発光して紫外線を照射する。
基板１０は、熱伝導性の高い銅系金属からなるベース部材１１の上方側の表面に、絶縁層１２、配線パターン１３、レジスト層１４を積層して構成されている。また基板１０の四隅には、基板１０を紫外線照射装置に取り付ける為のネジ孔１０ａが設けられている。
さらに基板１０の表面の前後方向の両縁には、左右方向を長手方向とする矩形板状に形成され、銅などの導電性の高い金属からなる電流補強バー１８、１８が基板１０の上面側に取り付けられている。電流補強バー１８、１８は、後述するリフロー処理によって、パッケージ２とともに基板１０に取り付けられる。この電流補強バー１８は、基板１０の配線パターン１３に電気的に接続され、紫外線照射装置から供給される電力を配線パターン１３を介して各パッケージ２に供給する。ここで、紫外線照射装置からは電流値の大きな電力が供給されるが、この電流補強バー１８を基板１０に取り付けることにより、供給される電流に対する抵抗値を低減して、各パッケージ２に電流値の大きな電力を供給することができる。
基板１０の絶縁層１２は、耐熱性及び絶縁性を有するポリイミドを薄膜状（例えば、約１４μｍ程度の厚み）に成形したものであり接着剤などによってベース部材１１の表面全体を覆うようにして、ベース部材１１の表面に形成される。
また基板１０の配線パターン１３は、導電性能の高い金属を薄膜状（例えば、約１８μｍ程度の厚み）に形成した銅箔などからなる。この配線パターン１３は、図２（ｂ）の斜線部に示すように、絶縁層１２の上面のうち、前後方向の中央部及びネジ孔１０ａの周囲を除いた部位に設けている。また配線パターン１３は、基板１０の上面側に配置されたパッケージ２の電極パッド４ａ、４ｂがハンダ１７によって接続される（図１参照）。
また基板１０のレジスト層１４は、ハンダの付着を抑止するソルダーレジストであり、図２（ｃ）の斜線部に示すように、基板１０の前後方向の中央部及び周縁部の必要箇所に形成されている。またレジスト層１４は、パッケージ２の配列方向である左右方向に沿って、前後方向の中央側に凹んだ溝部１４ａ、１４ｂが、パッケージ２を配置する間隔に応じた所定の間隔で形成されている。ここで、各溝部１４ａ、１４ｂの幅は、パッケージ２を配置する際において、パッケージ２に設けられた電極パッド４ａ、４ｂの配置位置や大きさに基づいて設定されている。本実施の形態では、電極パッド４ｂが配置される側の溝部１４ａは、パッケージ２の左右方向の中央位置に溝部１４ｂよりも狭い幅に設定されている。また電極パッド４ａが配置される側の溝部１４ａは、パッケージ２の左右方向の寸法とほぼ等しい寸法に設定されている。これにより、隣り合うパッケージ２の電極パッド４ａ、４ｂのそれぞれの間にハンダが付着することを防いでいる。
また、基板１０の絶縁層１２及びレジスト層１４の各層は、図２（ｄ）に示すように、パッケージ２が配置される部位（基板１０の前後方向の略中央）が除去され、貫通部１５が形成されている。この貫通部１５は、少なくとも前後方向の大きさが、パッケージ２の外周よりも小さな形状に設定されている（図１参照）。
また、基板１０の貫通部１５の中央部には、パッケージ２で発生した熱を放熱するためのハンダ１６が設けられ、パッケージ２の背面に配置された接合用パッド５とベース部材１１とを熱的に接続している（図１参照）。
ここで、本実施例のＬＥＤパッケージ１の製造方法を説明する。まず、銅系金属からなるベース部材１１の上面全体に絶縁層１２を形成し、絶縁層１２をくり貫いて貫通部１５を設ける。次に、この絶縁層１２の上面に配線パターン１３を形成し、絶縁層１２及び配線パターン１３を覆うようにしてレジスト層１４を形成する。次に、配線パターン１３表面の基板１０における前後方向の中央側の縁部、配線パターン１３表面の電流補強バー１８と当接する部位、及び、ベース部材１１表面の貫通部１５の略中央部の各部位にクリームハンダをスクリーン印刷などによって形成する。その後、電流補強バー１８、１８及び複数のパッケージ２を基板１０に配置し、リフロー処理によって上述のクリームハンダを溶融する。これによりパッケージ２が基板１０に実装され、パッケージ２の電極パッド４ａ、４ｂと基板１０の配線パターン１３とが電気的に接続され、パッケージ２の接合用パッド５と基板１０のベース部材１１とが熱的に接続される。また同時に、電流補強バー１８、１８が基板１０に実装され、電流補強バー１８、１８と配線パターン１３とが電気的に接続される。
このようにして、パッケージ２のＬＥＤチップ３で発生した熱は、ハンダ１６及びベース部材１１を介して放熱され、ＬＥＤチップ３からの熱を確実に放熱することができる。また、パッケージ２の電極パッド４ａ、４ｂを配線パターン１３と電気的に接続する際に、接合用パッド５とベース部材１１とを熱的に結合するハンダ１６を同時に形成できるので、熱伝導部材を配置する工程が不要となり、製造工程を減らすことができる。
また、パッケージ２の背面には接合用パッド５を設けているので、パッケージ２のＬＥＤチップ３で発生した熱を、より確実に放熱することができる。
また、レジスト層１４には、パッケージ２の電極パッド４ｂ、４ａの配置位置にあわせて幅が設定された溝部１４ａ、１４ｂが設けられており、隣り合うパッケージ２の電極パッド４ａ、４ｂの間にハンダが付着するのを防ぐことができる。
１ ＬＥＤモジュール
２ パッケージ
３ ＬＥＤチップ
４ａ、４ｂ 電極パッド（電極）
５ 接合用パッド（放熱層）
１０ 基板
１１ ベース部材
１２ 絶縁層
１３ 配線パターン
１４ レジスト層
１５ 貫通部
１６ ハンダ（放熱部）
１７ ハンダ
２０ パッケージ本体

Claims (2)

  1. 対向する側壁の外周面に電極を有し、前記電極と接続する発光素子が搭載されるパッケージと、銅系金属からなるベース部材と、絶縁材料からなり前記ベース部材の表面に積層される絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成され前記電極とハンダにより接続される導電性の配線パターンとを備え、
    前記絶縁層は、前記パッケージが配置される部位の一部を取り除いた貫通部を有し、
    前記貫通部を介して対向する前記パッケージの裏面と前記ベース部材との間にハンダからなる放熱部を配置したことを特徴とするＬＥＤモジュール。
  2. 前記パッケージの裏面に金属製の放熱層を設けたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤモジュール。
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