JP2013201255A

JP2013201255A - 配線基板装置、発光モジュール、照明装置および配線基板装置の製造方法

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Publication number: JP2013201255A
Application number: JP2012068332A
Authority: JP
Inventors: Sohiko Betsuda; 惣彦別田; Hirotaka Tanaka; 裕隆田中; Takuya Honma; 卓也本間; Miho Watanabe; 美保渡邊; Kiyoshi Nishimura; 潔西村
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-10-03
Also published as: EP2642836A2; US20130250576A1; CN202662669U; EP2642836A3

Abstract

【課題】限られたセラミック基板のサイズの中で、配線パターンに大電流を流すことができるとともに高い放熱性を確保することができる配線基板装置を提供する。
【解決手段】配線基板装置20は、第１の面21aおよび第２の面21bを有するセラミック基板21を備える。セラミック基板21の第１の面21aに第１の電極層22aを形成し、セラミック基板21の第２の面21bに第２の電極層22bを形成する。第１の電極層22aと第２の電極層22bとは電気的に接続しない。第１の電極層22a上に配線パターン24である第１の銅めっき層23aを形成し、第２の電極層22b上に第２の銅めっき層23bを形成する。第１の銅めっき層23aと第２の銅めっき層23bとは電気的に接続しない。第２の銅めっき層23bにヒートスプレッダ37を熱的に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、配線パターンを有する配線基板装置、発光モジュール、照明装置および配線基板装置の製造方法に関する。

従来、例えば照明装置に用いられるＬＥＤモジュールでは、基板の一面に配線パターンを形成した配線基板装置が用いられている。配線基板装置の配線パターン上にはＬＥＤ素子が電気的に接続される。そして、点灯装置からの点灯電力が配線パターンからＬＥＤ素子に供給され、ＬＥＤ素子が点灯する。

また、ＬＥＤモジュールにおいては、高出力化が進み、この高出力化に伴って基板の高耐熱性および高放熱性が求められ、この要求を満たすためにセラミック基板を用いることが多い。セラミック基板においても、一般的なプリント配線基板と同様に、セラミック基板の一面に配線パターンを印刷によって形成するのが一般的である。

特開２０１２−９８３４号公報

ところで、ＬＥＤモジュールを高出力化するには、配線パターンからＬＥＤ素子に大電流を流すこと、および大電流を流すことでＬＥＤ素子の発熱量が増加するために高い放熱性を確保する必要がある。

しかしながら、従来の配線基板装置は、セラミック基板を用いているが、セラミック基板上の配線パターンは印刷によって形成しているため、配線パターンに大電流を流すことが困難であった。これは、印刷によって形成する配線パターンは厚みが薄く、電流が流れる断面積が小さいため、この配線パターンに大電流を流すと、配線パターンがジュール熱で溶けて断線してしまうことによる。また、配線パターンの幅を広げ、電流が流れる断面積を大きくすることもできるが、配線パターンの幅を非常に大きく広げなければ大電流に耐えることができず、そのため、セラミック基板が大形化してしまうことになる。

さらに、配線パターンに大電流を流すことができたとしても、ＬＥＤ素子の発熱量が増加するため、必要な放熱性が得られず、その結果、ＬＥＤ素子に大電流を流すことが困難となる。

このように、配線基板装置には、限られたセラミック基板のサイズの中で、配線パターンに大電流を流すことができ、さらに、高い放熱性を確保できることが求められている。

本発明が解決しようとする課題は、限られたセラミック基板のサイズの中で、配線パターンに大電流を流すことができるとともに高い放熱性を確保することができる配線基板装置、発光モジュール、照明装置および配線基板装置の製造方法を提供することである。

実施形態の配線基板装置は、第１の面および第２の面を有するセラミック基板を備えている。セラミック基板の第１の面に第１の電極層が形成され、セラミック基板の第２の面に第２の電極層が形成されている。第１の電極層と第２の電極層とは電気的に接続されていない。第１の電極層上に配線パターンである第１の銅めっき層が形成され、第２の電極層上に第２の銅めっき層が形成されている。第１の銅めっき層と第２の銅めっき層とは電気的に接続されていない。第２の銅めっき層にヒートスプレッダが熱的に接続されている。

本発明によれば、セラミック基板の第１の面側に配線パターンを第１の銅めっき層によって形成するため、配線パターンの厚みを増加させることが容易にでき、さらに、セラミック基板の第２の面側に第２の銅めっき層を形成し、第２の銅めっき層にヒートスプレッダを熱的に接続したため、セラミック基板からヒートスプレッダに効率よく熱伝導して放熱することができ、したがって、限られたセラミック基板のサイズの中で、配線パターンに大電流を流すことができるとともに、高い放熱性を確保することができる。

一実施形態を示す配線基板装置を用いた発光モジュールの断面図である。同上発光モジュールの一部を拡大した断面図である。同上配線基板装置の第１の銅めっき層（配線パターン）の説明図である。同上発光モジュールの正面図である。同上配線基板装置の製造方法を(a)〜(f)の順に示す断面図である。同上製造方法の違いによる配線パターンを示すもので、(a)は銅のめっき処理によって形成された配線パターンの断面図、(b)はエッチング処理によって形成した配線パターンの断面図である。同上発光モジュールを用いた照明装置の斜視図である。

以下、一実施形態を、図１ないし図７を参照して説明する。

図７に照明装置10を示す。照明装置10は、例えばライトアップなどに用いられる投光器である。照明装置10は、器具本体11を有し、器具本体11には投光窓12が設けられ、器具本体11内には投光窓12に対向する複数の発光モジュール13が収容されている。器具本体11内の下部には、発光モジュール13に点灯電力を供給する点灯装置14が収容されている。そして、点灯装置14から複数の発光モジュール13に点灯電力を供給することにより、複数の発光モジュール13が点灯し、光を投光窓12から放射する。

また、図１および図４に発光モジュール13を示す。発光モジュール13は、配線基板装置20を有している。

配線基板装置20は、四角形状のセラミック基板21を有している。このセラミック基板21の前面側が第１の面21a、裏面側が第２の面21bである。第１の面21aに第１の電極層22aが形成され、この第１の電極層22a上に第１の銅めっき層23aが形成されている。これら第１の電極層22aおよび第１の銅めっき層23aによって、所定の形状の配線パターン24が形成されている。一方、第２の面21bの略全域に第２の電極層22bが形成され、この第２の電極層22b上に第２の銅めっき層23bが形成されている。さらに、銅めっき層23a，23bの表面には、銅めっき層23a，23bを保護する金属めっき層25が形成されている。

電極層22a，22bは、例えばチタンなどの金属のスパッタリングによって形成されている。銅めっき層23a，23bは、銅のめっき処理によって形成され、また、金属めっき層25は、例えばニッケル／金のめっき処理、あるいはニッケル／鉛／金のめっき処理によって形成されている。セラミック基板21、電極層22a，22b、銅めっき層23a，23bおよび金属めっき層25によって、ＤＰＣ（Direct Plated Copper）基板26が形成されている。

第１の電極層22aと第２の電極層22bとは同じ厚みに形成されているとともに、第１の銅めっき層23aと第２の銅めっき層23bとは同じ厚みに形成されている。図３に示すように、第１の電極層22aの厚みＡは１μｍ程度であり、第１の銅めっき層23a（電流が流れる配線パターン24）の最小幅Ｂは５０〜７５μｍ、および厚みＣは３５〜１００μｍ（好ましくは５０〜７５μｍ）である。なお、配線パターンを印刷によって形成した場合の配線パターンの厚みは最大でも１０μｍ程度である。

図４に示すように、配線パターン24は、外部から点灯電力の供給を受ける一対の電極部27を有し、一対の電極部27間に複数の配線部28が並列に形成されている。そして、隣接する配線部28上に、複数のＬＥＤ素子29が実装されている。

図１に示すように、複数のＬＥＤ素子29は、フリップチップタイプなどの裏面側に一対の電極を有するタイプが用いられている。複数のＬＥＤ素子29の一対の電極は、半田ダイボンド層30によって第１の銅めっき層23aに電気的に接続されている。なお、ＬＥＤ素子は、フェースアップタイプのように表面側に電極を有し、ワイヤボンディングによってＬＥＤ素子の電極と配線パターン24とを接続するようにしてもよい。

図２に示すように、第１の銅めっき層23a上を含む第１の面21a側には、複数のＬＥＤ素子29から第１の距離L1を離して有機系レジスト層31が形成されている。この有機系レジスト層31上には、複数のＬＥＤ素子29に対向する有機系レジスト層31の端から第２の距離L2を離して無機レジストインク層32が形成されている。そして、有機系レジスト層31および無機レジストインク層32の表面が複数のＬＥＤ素子29から放出された光を反射する反射面33として形成されている。

有機系レジスト層31は、エポキシ樹脂を主成分とした白色のものが用いられるが、変色しやすい傾向がある。無機レジストインク層32は、セラミックを主成分とした白色のものが用いられ、変色し難い特性を有しているが、セラミックの粒径が大きいために光が透過しやすい傾向がある。そのため、有機系レジスト層31上に無機レジストインク層32を形成した２層構造とすることにより、高い反射効率を継続して維持することができる。

さらに、有機系レジスト層31はフォトレジストを用いてパターンニング形成することができるが、無機レジストインク層32は印刷によってパターンニング形成することになる。印刷によってパターンニング形成する無機レジストインク層32は、パターンニングの寸法精度が低く、ＬＥＤ素子29との距離が安定しないため、寸法精度分の余裕をとって第２の距離L2を大きくしている。第２の距離L2が大きいと、光の反射に寄与しない領域が大きくなり、反射効率が低下してしまう。そこで、パターンニング精度のよい有機系レジスト層31をＬＥＤ素子29に近付けて形成することにより、高い反射効率を得ることができる。そして、第１の距離L1は２５〜２００μｍ、第２の距離L2は５０〜２００μｍであり、第１の距離L1≦第２の距離L2となる関係を有する。

また、第１の面21a側には、複数のＬＥＤ素子29の実装領域を囲むように環状の反射枠34が設けられている。この反射枠34の内側に、複数のＬＥＤ素子29を封止する封止樹脂35が充填されている。封止樹脂35には、複数のＬＥＤ素子29が発生する光で励起する蛍光体が含有されている。例えば、発光モジュール13が白色の光を放射する場合には、青色発光のＬＥＤ素子29と黄色を主成分とする蛍光体が用いられる。ＬＥＤ素子29が発生する青色光と、ＬＥＤ素子29が発生する青色光で励起した蛍光体が発生する黄色光とが混ざり、封止樹脂35の表面から白色の光を放射する。なお、照射する光の色に応じて対応する色のＬＥＤ素子29および蛍光体が用いられる。

また、第２の銅めっき層23bには、ヒートスプレッダ37が半田層38を介して固定されているとともに熱的に接続されている。ヒートスプレッダ37は、板厚が０．１〜３ｍｍの銅板39を有し、銅板39の表面全体に例えばニッケルめっきなどの金属めっき層40が形成されている。ヒートスプレッダ37の四隅には、ねじで照明装置10の放熱部に固定するための取付孔41が形成されている。

次に、配線基板装置20のＤＰＣ基板26の製造方法を、図５を参照して説明する。

図５(a)に示すように、セラミック基板21の表面全体に、例えばチタンなどの金属をスパッタリングし、第１の電極層22aおよび第２の電極層22bを含む電極層22を形成する。

図５(b)に示すように、電極層22上にレジスト51をパターンニング形成する。

図５(c)に示すように、めっき処理装置の銅めっき溶液中にセラミック基板21を浸漬し、電極層22に通電することにより、レジスト51から露出する電極層22上に電解めっき処理を施し、所定の厚みの第１の銅めっき層23aおよび第２の銅めっき層23bを同時に形成する。このとき、第１の銅めっき層23aおよび第２の銅めっき層23bを同時に形成するため、第１の銅めっき層23aおよび第２の銅めっき層23bが同じ厚みになる。電解めっき処理の完了後は、セラミック基板21をめっき処理装置から取り出す。

図５(d)に示すように、セラミック基板21からレジスト51のみをエッチング処理によって除去する。

図５(e)に示すように、銅めっき層23a，23bの表面に金属めっき層25を形成する。すなわち、めっき処理装置の金属めっき溶液中にセラミック基板21を浸漬し、電極層22に通電することにより、銅めっき層23a，23bおよび電極層22上に電解めっき処理を施し、金属めっき層25を形成する。電解めっき処理の完了後は、セラミック基板21をめっき処理装置から取り出す。

図５(f)に示すように、セラミック基板21から銅めっき層23a，23bが積層されていない電極層22の部分をエッチング処理によって除去する。

このようにして、配線基板装置20のＤＰＣ基板26を製造する。

また、配線基板装置20のＤＰＣ基板26を用いて発光モジュール13を製造するには、図１および図２に示すように、第１の銅めっき層23a上を含む第１の面21a側に、有機系レジスト層31をフォトレジストを用いてパターンニング形成する。さらに、有機系レジスト層31上に、無機レジストインク層32を印刷によってパターンニング形成する。

配線パターン24（第１の銅めっき層23a）上に、複数のＬＥＤ素子29を半田ダイボンド層30によって電気的に接続する。

複数のＬＥＤ素子29の実装領域を囲むように環状の反射枠34を設け、反射枠34の内側に複数のＬＥＤ素子29を封止する封止樹脂35を充填する。

また、第２の銅めっき層23bにヒートスプレッダ37を半田層38によって固定するとともに熱的に接続する。

このようにして、発光モジュール13を製造する。

また、図７に示すように、複数の発光モジュール13を器具本体11内に配設する。この場合、ヒートスプレッダ37の取付孔41にねじを通して器具本体11の放熱部に固定し、ヒートスプレッダ37を器具本体11の放熱部に熱的に接続する。また、配線パターン24の一対の電極部27と点灯装置14とを電線によって電気的に接続する。

そして、点灯装置14から複数の発光モジュール13に点灯電力を供給することにより、各発光モジュール13の配線パターン24を通じて複数のＬＥＤ素子29に点灯電力が流れるため、複数の発光モジュール13が点灯し、複数の発光モジュール13からの光を投光窓12から放射する。

発光モジュール13の点灯時に複数のＬＥＤ素子29が発生する熱は、第１の銅めっき層23a、セラミック基板21、第２の銅めっき層23b、ヒートスプレッダ37へと効率よく熱伝導され、さらに、ヒートスプレッダ37から器具本体11の放熱部に効率よく熱伝導され、器具本体11の放熱部から放熱される。

そして、本実施形態では、セラミック基板21の第１の面21a側に配線パターン24を第１の銅めっき層23aによって形成するため、配線パターン24の厚みを増加させることが容易にできる。そのため、配線パターン24に大電流を流すことができ、発光モジュール13の高出力に対応できる。

さらに、セラミック基板21の第２の面21b側に第２の銅めっき層23bを形成するため、第２の銅めっき層23bからの高い放熱性を得ることができる。

したがって、限られたセラミック基板21のサイズの中で、配線パターン24に大電流を流すことができるとともに、高い放熱性を確保することができる。

また、第１の銅めっき層23aおよび第２の銅めっき層23bの厚みは同じである。つまり、めっき処理時に第１の銅めっき層23aおよび第２の銅めっき層23bを同時に形成することができ、製造効率を向上できる。

また、第１の電極層22aおよび第１の銅めっき層23aと第２の電極層22bおよび第２の銅めっき層23bとは電気的に接続されていないため、信頼性を確保することができる。

また、第１の銅めっき層23a（電流が流れる配線パターン24）の最小幅は５０〜７５μｍ、厚みは３５〜１００μｍであるため、幅を大きくすることなく、大電流を流すことができる。なお、第１の銅めっき層23aの厚みのより好ましい範囲は、大電流を流すうえで５０μｍ以上がよく、製造効率の点で７５μｍ以下がよく、５０〜７５μｍである。

また、第１の銅めっき層23aには１〜８アンペアの電流が流れるものであり、配線パターン24に流れる電流としては大電流であっても、第１の銅めっき層23aに大電流が流れるのを許容できる。

また、銅のめっき処理によって配線パターン24を形成することのさらなる利点を、図６を参照して説明する。図６(a)には銅のめっき処理によって配線パターン24を形成した本実施形態を示し、図６(b)にはエッチング処理によって配線パターン24を形成した比較例を示す。いずれにおいても、配線パターン24の幅をＢに形成し、隣接する配線パターン24間の間隙をＤに形成するものとする。

図６(b)に示すように、エッチング処理によって配線パターン24を形成した比較例では、配線パターン24の両側に傾斜部分が形成されるため、両側の傾斜部分の幅Ｅの分だけ配線パターン24のピッチが広くなり、大形化することになる。

それに対して、図６(a)に示すように、銅のめっき処理によって配線パターン24を形成した本実施形態では、配線パターン24（第１の銅めっき層23a）をパターンニングするレジスト51をエッチング処理によって除去できるため、配線パターン24の側部に傾斜部分が発生せず、配線パターン24のピッチを詰めることができ、小形化できる。

また、第２の銅めっき層23bにヒートスプレッダ37を熱的に接続したため、セラミック基板21からヒートスプレッダ37に効率よく熱伝導して放熱することができ、発光モジュール13の高出力に対応できる。

さらに、第２の銅めっき層23bとヒートスプレッダ37とを半田付け接続するため、第２の銅めっき層23bからヒートスプレッダ37への熱伝導性を向上できる。

また、配線基板装置20の第１の銅めっき層23a上に複数のＬＥＤ素子29を電気的に接続することにより、高出力化に対応できる発光モジュール13を提供できる。

また、第１の銅めっき層23a上に有機系レジスト層31が形成され、有機系レジスト層31上に無機レジストインク層32が形成されているため、高い反射効率を継続して維持することができる。すなわち、有機系レジスト層31は、エポキシ樹脂を主成分とした白色のものが用いられるが、変色しやすい傾向があり、一方、無機レジストインク層32は、セラミックを主成分とした白色のものが用いられ、変色し難い特性を有しているが、セラミックの粒径が大きいために光が透過しやすい傾向がある。そのため、有機系レジスト層31上に無機レジストインク層32を形成した２層構造とすることにより、高い反射効率を継続して維持することができる。

また、有機系レジスト層31はＬＥＤ素子29から第１の距離L1を離して形成し、一方、無機レジストインク層32はＬＥＤ素子29に対向する有機系レジスト層31の端から第２の距離L2を離して形成し、第１の距離L1≦第２の距離L2となる関係を有するため、高い反射効率を得ることができる。すなわち、有機系レジスト層31はフォトレジストを用いてパターンニング形成することができるが、無機レジストインク層32は印刷によってパターンニング形成することになる。印刷によってパターンニング形成する無機レジストインク層32は、パターンニング精度が低く、ＬＥＤ素子29との距離が安定しないため、精度分の余裕をとって第２の距離L2を大きくすることが好ましい。第２の距離L2が大きいと、光の反射に寄与しない領域が大きくなり、反射効率が低下してしまう。そこで、パターンニング精度のよい有機系レジスト層31をＬＥＤ素子29に近付けて形成することにより、高い反射効率を得ることができる。そして、第１の距離L1は２５〜２００μｍ、第２の距離L2は５０〜２００μｍとすることにより、上述の条件に合わせて各距離L1，L2を適切に設定できる。

また、ＬＥＤ素子29と有機系レジスト層31との間の第１の銅めっき層23a上には、金属めっき層25を形成しているため、第１の銅めっき層23aの腐食を防止し、保護できる。

なお、配線基板装置20は、ＬＥＤ素子29の実装用の配線基板装置に限らず、集積回路などの実装用の配線基板装置や、電源装置の電気部品を実装する配線基板装置にも適用することができる。

本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。

10 照明装置
11 器具本体
13 発光モジュール
20 配線基板装置
21 セラミック基板
21a 第１の面
21b 第２の面
22 電極層
22a 第１の電極層
22b 第２の電極層
23a 第１の銅めっき層
23b 第２の銅めっき層
24 配線パターン
25 金属めっき層
29 ＬＥＤ素子
31 有機系レジスト層
32 無機レジストインク層
37 ヒートスプレッダ
51 レジスト

Claims

第１の面および第２の面を有するセラミック基板と；
前記第１の面に形成された第１の電極層と；
前記第１の電極層とは電気的に接続されておらず、前記第２の面に形成された第２の電極層と；
前記第１の電極層上に形成された配線パターンである第１の銅めっき層と；
前記第１の銅めっき層とは電気的に接続されておらず、前記第２の電極層上に形成された第２の銅めっき層と；
前記第２の銅めっき層に熱的に接続されたヒートスプレッダと；
を具備していることを特徴とする配線基板装置。
前記第１の銅めっき層の厚みと前記第２の銅めっき層の厚みとは同じである
ことを特徴とする請求項１記載の配線基板装置。
前記第１の銅めっき層の最小幅は５０〜７５μｍ、厚みは３５〜１００μｍである
ことを特徴とする請求項１または２記載の配線基板装置。
前記第１の銅めっき層には１〜８アンペアの電流が流れる
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の配線基板装置。
請求項１ないし４いずれか一記載の配線基板装置と；
前記配線基板装置の前記第１の銅めっき層上に電気的に接続されたＬＥＤ素子と；
を具備していることを特徴とする発光モジュール。
前記第１の銅めっき層上に有機系レジスト層が形成され、前記有機系レジスト層上に無機レジストインク層が形成されている
ことを特徴とする請求項５記載の発光モジュール。
前記有機系レジスト層は、前記ＬＥＤ素子から第１の距離を離して形成され、
前記無機レジストインク層は、前記有機系レジスト層から第２の距離を離して形成されている
ことを特徴とする請求項６記載の発光モジュール。
前記第１の距離は２５〜２００μｍ、前記第２の距離は５０〜２００μｍである
ことを特徴とする請求項７記載の発光モジュール。
前記ＬＥＤ素子と前記有機系レジスト層との間の前記第１の銅めっき層上には、金属めっき層が形成されている
ことを特徴とする請求項７または８記載の発光モジュール。
器具本体と；
前記器具本体に配設された請求項５ないし９いずれか一記載の発光モジュールと；
を具備していることを特徴とする照明装置。
セラミック基板の表面全体に電極層を一体に形成することにより、前記セラミック基板の第１の面および第２の面に第１の電極層および第２の電極層を形成する工程と；
前記第１の電極層および前記第２の電極層上にレジストを形成する工程と；
めっき処理により前記第１の電極層上に第１の銅めっき層を形成するとともに前記第２の電極層上に第２のめっき層を形成する工程と；
前記第１の電極層および前記第２の電極層上の前記レジストを除去する工程と；
前記第１の電極層と前記第２の電極層とを電気的に絶縁する工程と；
前記第２の銅めっき層にヒートスプレッダを熱的に接続する工程と；
を具備していることを特徴とする配線基板装置の製造方法。
めっき処理により前記第１の銅めっき層および前記第２の銅めっき層を同時に形成し、同じ厚みの前記第１の銅めっき層および前記第２の銅めっき層を形成する
ことを特徴とする請求項１１記載の配線基板装置の製造方法。
前記第１の銅めっき層の最小幅を５０〜７５μｍ、厚みを３５〜１００μｍに形成する
ことを特徴とする請求項１１または１２記載の配線基板装置の製造方法。
前記第１の銅めっき層上にＬＥＤ素子を電気的に接続する工程を具備している
ことを特徴とする請求項１１ないし１３いずれか一記載の配線基板装置の製造方法。
前記第１の銅めっき層上に有機系レジスト層を形成し、前記有機系レジスト層上に無機レジストインク層を形成する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４いずれか一記載の配線基板装置の製造方法。
前記有機系レジスト層は、前記ＬＥＤ素子から第１の距離を離して形成し、
前記無機レジストインク層は、前記有機系レジスト層から第２の距離を離して形成する
ことを特徴とする請求項１５記載の配線基板装置の製造方法。
前記第１の距離を２５〜２００μｍ、前記第２の距離を５０〜２００μｍとする
ことを特徴とする請求項１６記載の配線基板装置の製造方法。