JP2013125783A - Ｌｅｄ実装基板およびｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐マイグレーション性に優れ、かつ光の利用効率の高いＬＥＤ実装基板およびＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】
実施形態のＬＥＤ実装基板は、セラミックで構成された基板１と、基板１上に設けられた導電パターン２と、導電パターン２上に設けられたオーバーコート層（被覆層）３と、導電パターン２上に設けられたＬＥＤ素子７と、を具備している。導電パターン２は、第１の導電パターン２１１〜２１４と第２の導電パターン２２とを備え、第１の導電パターン２１１〜２１４はオーバーコート層３に被覆され、第２の導電パターン２２はオーバーコート層３に被覆されておらず、第１の導電パターン２１３と電気的に接続されるとともに、ＬＥＤ素子７と電気的に接続されており、オーバーコート層３はガラス、第１の導電パターン２１１〜２１４は銀（Ａｇ）、第２の導電パターン２２は銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明の実施形態は、液晶テレビ、液晶モニター、天井灯、方向指示灯、尾灯、ライセンス灯などの車載用照明等、様々な照明に用いられるＬＥＤ実装基板およびＬＥＤ照明装置に関する。

近年、放電灯や電球に置き換わる光源として、導電パターンを設けた基板にＬＥＤを実装したＬＥＤ実装基板が注目を浴びている。その基板には、樹脂製の基板と比較して熱伝導性に優れるセラミック製の基板が使用され始めており、ＬＥＤの弱点である放熱の問題が解決されると期待されている。

このようなＬＥＤ実装基板では、導電パターン同士が短絡する現象であるマイグレーションが発生しないことと、ＬＥＤ等で発生した光を効率よく利用することが要求される。

特開２０１１−１２９６４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、耐マイグレーション性に優れ、かつ光の利用効率の高いＬＥＤ実装基板およびＬＥＤ照明装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、実施形態のＬＥＤ実装基板は、セラミックで構成された基板と、前記基板上に設けられた導電パターンと、前記導電パターン上の少なくとも一部に設けられた被覆層と、前記導電パターン上に設けられたＬＥＤ素子と、を具備するＬＥＤ実装基板であって、前記導電パターンは、第１の導電パターンと第２の導電パターンとを備え、前記第１の導電パターンは前記被覆層に被覆され、前記第２の導電パターンは前記被覆層に被覆されておらず、前記第１の導電パターンと電気的に接続されるとともに、前記ＬＥＤ素子と電気的に接続されており、前記被覆層はガラス、前記第１の導電パターンは銀（Ａｇ）、前記第２の導電パターンは銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成されている。

第１の実施形態のＬＥＤ実装基板について説明するための図である。 第１の実施形態のＬＥＤ実装基板において一部の部品を取り外した状態について説明するための図である。 第１の実施形態のＬＥＤ実装基板の断面について説明するための図である。 実施例と比較例１〜３のマイグレーションとガラスの変色について説明するための図である。 パラジウム（Ｐｄ）の割合とマイグレーション発生時間について説明するための図である。 第２の実施形態のＬＥＤ照明装置について説明するための図である。 ＬＥＤ実装基板の第１の変形例について説明について説明するための図である。 ＬＥＤ実装基板の第２の変形例について説明について説明するための図である。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のＬＥＤ実装基板について、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態のＬＥＤ実装基板について説明するための図、図２は第１の実施形態のＬＥＤ実装基板において一部の部品を取り外した状態について説明するための図である。

ＬＥＤ実装基板は、主要部として基板１を備えている。基板１は、絶縁性および熱伝導性に優れた酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのセラミックからなる基板である。基板１の一方の面上には、導電パターン２が設けられている。導電パターン２上の少なくとも一部には、被覆層としてオーバーコート層３が設けられている。オーバーコート層３としては、透明性の高いことが望ましい。例えば、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）を含むビスマス系ガラスを使用することができる。

導電パターン２は、第１の導電パターン２１、第２の導電パターン２２および第３の導電パターン２３で構成されている。

第１の導電パターン２１は銀（Ａｇ）で構成された導体であり、さらに第１の導電パターン２１１〜２１４で構成されている。第１の導電パターン２１１は、基板１の端部に形成されており、その一部はオーバーコート層３で被覆されている。そのオーバーコート層３で被覆されていない一端上には金属端子４１が設けられ、他端の一部がオーバーコート層３で被覆されていない部分にはダイオード５の一端が設けられている。金属端子４１は、中央部に貫通孔４１１を備えたステンレスなどの金属からなる端子である。なお、貫通孔４１１が配置される基板１の同じ位置にも、貫通孔１１が形成されている。ダイオード５は、例えば後述する金属端子４２から金属端子４１への方向のみ電流が流れるように整流する整流素子である。

第１の導電パターン２１２、２１３は、基板１の中央部に形成されている。第１の導電パターン２１２の一端上にはダイオード５の他端が設けられ、他端上には抵抗層６が設けられている。抵抗層６は、電圧変動によるＬＥＤの破壊防止や明るさの変化抑制のために設けられた抵抗値をもつ層であり、例えば酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）で構成されている。なお、抵抗層６の他端は、第１の導電パターン２１３の一端上に設けられている。これら第１の導電パターン２１２、２１３および抵抗層６のほぼ全面はオーバーコート層３で被覆されている。

第１の導電パターン２１４は、基板１の端部に形成されており、その一部はオーバーコート層３で被覆されている。そのオーバーコート層３で被覆されていない一端上には、ステンレスなどの金属からなる金属端子４２が設けられている。この金属端子４２の中央部にも金属端子４１と同様に基板１の貫通孔１１と連通するように貫通孔４２１が形成されている。

第２の導電パターン２２は、銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成された導体である。その一端は第１の導電パターン２１３の他端と接続され、他端上にはＬＥＤ素子７が設けられている。ＬＥＤ素子７は、白色、赤色、緑色、青色などの光を発生させるＬＥＤチップであり、他端には金（Ａｕ）からなるボンディングワイヤ７１の一端が接続されている。

第３の導電パターン２３は、金（Ａｕ）で構成された導体である。その一端は第１の導電パターン２１４の他端と接続され、他端上にはボンディングワイヤ７１の他端が設けられている。

この第１の導電パターン２１３、２１４の他端のオーバーコート層３上には、ＬＥＤ素子７およびボンディングワイヤ７１を囲むように、円筒状のリフレクタ８が配置されている。その配置は、オーバーコート層３とリフレクタ８の間にシリコーン系の接着剤８１を介在させることで行われている。このリフレクタ８は白色系の樹脂からなり、基板１から離れるにつれて開口が広がる反射面を備えている。そのリフレクタ８の内部には、シリコーン系の充填材９が充填されており、ＬＥＤ素子７、ボンディングワイヤ７１および第２、第３の導電パターン２２、２３の一部が封止されている。

ここで、ＬＥＤ素子７付近の断面を図３を参照して説明する。この図は、イメージ図である点に留意すべきである。すなわち、基板１の厚みは０．６３５ｍｍ、第１、第２の導電パターン２１、２２およびオーバーコート層３の厚みは０．０１ｍｍ、第３の導電パターン２３の厚みは０．００５ｍｍ、ＬＥＤ素子７の厚みは０．５ｍｍ、リフレクタ８の高さは約１ｍｍ、第２の導電パターン２２と第３の導電パターン２３の距離ｄは０．３ｍｍであり、図面における各部材との寸法比は必ずしも一致しない。

この図からわかるように、第２の導電パターン２２の一端は、基板１と第１の導電パターン２１３の間に設けられている。具体的には、基板１の上に第２の導電パターン２２が形成され、その第２の導電パターン２２の一部のさらに上に第１の導電パターン２１３が形成されている。第３の導電パターン２３の一端も、基板１と第１の導電パターン２１４の間に設けられており、第１の導電パターン２１４は第３の導電パターン２３の一部のさらに上に形成されている。また、上述したように、第２の導電パターン２２および第３の導電パターン２３の残部は充填材９により封止されているため、第２の導電パターン２２と第３の導電パターン２３は、オーバーコート層３に直接被覆されておらず、接触もしていない。

次に、本実施形態のＬＥＤ実装基板の一製造方法について説明する。

まず、銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）を含むペーストをスクリーン印刷により基板１上に塗布し、第２の導電パターン２２を形成する。また、金（Ａｕ）を含むペーストをスクリーン印刷により基板１上に塗布し、第３の導電パターン２３を形成する。次いで、銀（Ａｇ）を含むペーストをスクリーン印刷により基板１上に塗布し、第１の導電パターン２１を形成する。その際、第１の導電パターン２１３、２１４は、その一部が第２、第３の導電パターン２２、２３の一部に重なるようにスクリーン印刷する。その後、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）を含むペーストを、その一部が第１の導電パターン２１２、２１３の一部と重なるようにスクリーン印刷により基板１上に塗布し、抵抗層６を形成する。

次に、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）などのガラスを含むペーストをスクリーン印刷により、第１の導体ペースト２１１、２１４の一部と、第１の導体ペースト２１２、２１３および抵抗層６のほぼ全面に塗布し、オーバーコート層３を形成する。そして、一対の金属端子４１、４２、ダイオード５、ＬＥＤ素子７、ボンディングワイヤ７１、リフレクタ８を配置し、最後に、リフレクタ８の内部にシリコーン系の充填材９を充填することで、ＬＥＤ実装基板を形成することができる。

上記のような実施形態において、第２の導電パターン２２のパラジウム（Ｐｄ）の割合を３０％（Ａｇ＝７０％、Ｐｄ＝３０％）とした実施例について、ＤＣ１６Ｖで点灯する点灯試験を行った。また、比較として、第２の導電パターン２２を銀（Ａｇ）で構成した比較例１と、第２の導電パターン２２を銀とプラチナの合金（Ａｇ／Ｐｔ。Ａｇ＝９９％、Ｐｄ＝１％）で構成した比較例２と、第１の導電パターン２１を銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ。Ａｇ＝７０％、Ｐｄ＝３０％）で構成した比較例３についても同様の点灯試験を行った。その結果を図４に示す。

結果からわかるように、実施例では５００時間以上、マイグレーションが発生せず、またオーバーコート層３の変色等もなく良好であった。一方、比較例１では１．５時間程度、比較例２では２時間程度で、第２の導電パターン２２と、金（Ａｕ）で構成した第３の導電パターン２３間でマイグレーションが発生した。比較例３では実施例同様、５００時間以上、マイグレーションは発生しなかったが、オーバーコート層３が黒く変色した。

比較例１や比較例２でマイグレーションが発生した原因は、銀（Ａｇ）および銀とプラチナの合金（Ａｇ／Ｐｔ）は耐マイグレーション性に劣るためである。ちなみに、銀とプラチナの合金（Ａｇ／Ｐｔ）は、半田付けの際に、基板上に形成した金属パターンなどが半田ごての方に付着して基板上の金属がなくなってしまう現象、いわゆる半田食われを抑制するために導電パターンに使用されることがある材料である。比較例３でオーバーコート層３が黒化した原因は、銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）とオーバーコート層３が反応したためである。オーバーコート層３が黒化すると、反射率低下が低下するため、光の利用効率が低下してしまう。

つまり、ガラスと接触する第１の導電パターン２１は銀（Ａｇ）、ＬＥＤ素子７を配置する第２の導電パターン２２は銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成し、かつガラスとは接触しないようにすることで、耐マイグレーション性に優れ、かつ光の利用効率の高いＬＥＤ実装基板を実現することができる。

図５は、銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）におけるパラジウム（Ｐｄ）の割合とマイグレーション発生時間について説明するための図である。なお、銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）におけるパラジウム（Ｐｄ）の割合は、ＥＰＭＡ装置により測定される銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）のＥｌｅｍｅｎｔ Ｍａｓｓ（％）から算出した割合である。

図から、パラジウム（Ｐｄ）の割合が増えるほど、マイグレーションが発生しにくくなることがわかる。例えば、パラジウム（Ｐｄ）の割合が３０％のときは、パラジウム（Ｐｄ）の割合が０％、すなわち銀（Ａｇ）が１００％のときと比較して、マイグレーションの発生時間が数十倍長くなる。また、パラジウム（Ｐｄ）の割合が１０％を超えると、マイグレーションの発生時間が長くなる傾向が生じ、また割合が２０％を超えると、マイグレーションの発生時間がさらに長くなる傾向が生じる。したがって、第２の導電パターン２２におけるパラジウム（Ｐｄ）の割合は、１０％以上、好適には２０％以上、最適には３０％以上であるのが望ましい。ただし、パラジウム（Ｐｄ）が多くなると、導体抵抗およびコストが高くなってしまうことから、パラジウム（Ｐｄ）の割合は８０％以下、さらには５０％以下であるのが望ましい。

また、マイグレーションをさらに抑制するためには、ＬＥＤ素子７を電気的に接続する２つのパターンの距離ｄを０．２ｍｍ以上、望ましくは０．３ｍｍ以上とするのが望ましい。

第１の実施形態においては、導電パターン２を、第１の導電パターン２１と第２の導電パターン２２とで構成し、第１の導電パターンをオーバーコート層３で被覆し、第２の導電パターン２２をオーバーコート層３で被覆せず、一端を基板１と第１の導電パターン２１の間に介在させるとともに、他端にＬＥＤ素子７を設け、オーバーコート層３をガラス、第１の導電パターン２１を銀（Ａｇ）、第２の導電パターン２２を銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成したことで、第２の導電パターン２２と第３の導電パターン２３間におけるマイグレーションの発生を抑制しつつ、オーバーコート層３の黒化を抑制することができるため、耐マイグレーション性に優れ、かつ光の利用効率の高いＬＥＤ実装基板を提供することができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態のＬＥＤ照明装置について説明するための図である。この第２の実施形態の各部について、第１の実施形態のＬＥＤ実装基板の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

この実施形態のＬＥＤ照明装置は、例えば車両のストップランプとして使用されるものであり、ベース１００を備えている。

ベース１００は、プラスチックの容器やアルミニウムからなるヒートシンクなどからなるものであり、載置面１０１を備えている。その載置面１０１には、一対の金属ピン１０２が突出している。この金属ピン１０２は、ベース１００の裏側に突出する金属端子と電気的に接続されており、その金属端子と点灯回路とを接続することで、一対の金属ピン１０２に電力を供給することが可能となる（図示なし）。

載置面１０１には、ＬＥＤ実装基板２００が接続されている。その接続は、金属端子４１、４２の貫通孔４１１、４２１に一対の金属ピン１０２を挿入したのち、両者を半田で固着することにより行われている。なお、本実施形態では、ＬＥＤ素子７には、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）系の赤色ＬＥＤを使用している。

第２の実施形態においては、ベース１００に第１の実施形態のＬＥＤ実装基板２００を接続したことで、マイグレーション等の不具合が少なく、かつ光の利用効率の高いＬＥＤ照明装置を提供できる。

本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、第１の導電パターン２１、第２の導電パターン２２などは、他の導電材料、ガラス、ペースト中に存在する有機溶剤、バインダ、不純物などを多少含んでいてもよい。すなわち、第１の導電パターン２１は銀（Ａｇ）のみ、第２の導電パターン２２は銀とパラジウムの合金のみ（Ａｇ／Ｐｄ）からなるものに限定されるものではなく、実施形態のような効果を阻害しない程度の他の成分は許容するものと解釈すべきである。

ＬＥＤ素子７は、図７に示すように、複数であってもよい。これにより、光を強めたり、ＬＥＤ素子７を異なるタイミングで発光させたりすることができる。また、リフレクタ８は、楕円状の筒としてもよい。また、各ＬＥＤ素子７を同じタイミングで点灯させる場合は、第３の導電パターン２３を一つにし、その導電パターン２３に全てのボンディングワイヤ７１を接続してもよい。

また、ＬＥＤ素子７は、図８に示すように、ボンディングワイヤレスのＬＥＤ素子７０に置き換えてもよい。この場合、ＬＥＤ素子７０は、二つの第２の導電パターン２２１、２２２で接続するのが望ましい。

この発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 基板
２ 導電パターン
２１、２１１〜２１４ 第１の導電パターン
２２ 第２の導電パターン
２３ 第３の導電パターン
３ オーバーコート層
７ ＬＥＤ素子

Claims (3)

1. セラミックで構成された基板と、前記基板上に設けられた導電パターンと、前記導電パターン上の少なくとも一部に設けられた被覆層と、前記導電パターン上に設けられたＬＥＤ素子と、を具備するＬＥＤ実装基板であって、
   前記導電パターンは、第１の導電パターンと第２の導電パターンとを備え、
   前記第１の導電パターンは前記被覆層に被覆され、前記第２の導電パターンは前記被覆層に被覆されておらず、前記第１の導電パターンと電気的に接続されるとともに、前記ＬＥＤ素子と電気的に接続されており、
   前記被覆層はガラス、前記第１の導電パターンは銀（Ａｇ）、前記第２の導電パターンは銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成されているＬＥＤ実装基板。
2. 前記第２の導電パターン中の銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）におけるパラジウム（Ｐｄ）の割合は、１０％以上、８０％以下である請求項１に記載のＬＥＤ実装基板。
3. ベースと、前記ベースに接続された請求項１に記載のＬＥＤ実装基板と、を備えるＬＥＤ照明装置。

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