JP2015115578A - 発光装置、及びその製造方法 - Google Patents

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剛 安達
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Abstract

【課題】優れた放熱特性を有する発光装置、及びその製造方法を提供することを提供すること【解決手段】本発明にかかる発光装置１００は、金属基板１１と、金属基板１１上に設けられ、フレーク状のフィラ２２を含有する絶縁層１２と、絶縁層１２上に配置されたＬＥＤチップ１６と、を備えたものである。絶縁層１２において、フィラ２２の含有率が５０ｗｔ％以上となっていることが好ましい。フィラ２２は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ｈＢＮ、又はＭｇＯによって形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置、及びその製造方法に関する。
近年、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）タイプのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）モジュールが利用されている。例えば、特許文献１には、金属板と、樹脂板と、接着シートと、ＬＥＤチップとを備えた照明装置が開示されている（図２）。樹脂板は、良好な光の反射特性を得るために白色を呈するガラス粉末入りのエポキシ樹脂からなっている（段落００１５）。また、ＬＥＤの熱を外部に放出するために、金属板はアルミニウム又はその合金によって形成されている（段落００１７）。
特許文献２には、セラミック基板の上に実装されたチップ部品を、フレーク状フィラを含有する熱可塑性樹脂で封止する電子回路基板が開示されている。また、特許文献３には、金属基板と、金属基板上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に金属配線層を介して実装されたＬＥＤとを有する発光素子が開示されている（図４）。そして、積層圧延、転写によって、アルミニウム基板に凹凸を形成させることが記載されている（段落００４７）。
特開２００９−２８３３８５号公報 特開平０９−２１４１１１号公報 特開２０１１−１９９２３３号公報
特許文献１のようなＣＯＢタイプの照明装置（発光装置）では、ＬＥＤチップから発生する熱を放熱する必要がある。さらに、上記のＬＥＤモジュールにおいて、ＬＥＤチップをより高集積化することが望まれている。ＬＥＤチップを高集積化すると、ＬＥＤチップから発生する熱が集中するため、より効率的に放熱することが要求される。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、優れた放熱特性を有する発光装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる発光装置は、金属基板と、前記金属基板上に設けられ、フレーク状のセラミックフィラを含有する絶縁層と、前記絶縁層上に配置された発光素子と、を備えたものである。この構成により、絶縁層に熱伝導異方性を付与することができるため、放熱特性を向上することができる。
上記の発光装置では、前記絶縁層において、前記セラミックフィラの含有率が５０ｗｔ％以上となっていてもよい。こうすることで、面内方向の熱伝導率を高くすることができるため、より優れた放熱特性を得ることができる。
上記の発光装置では、前記セラミックフィラの比表面積が３〜１５ｍ２／ｇであってもよい。こうすることで、より優れた放熱特性を得ることができる。
上記の発光装置では、前記セラミックフィラの平均粒子径が０．５〜１５μｍであってもよい。こうすることで、より優れた放熱特性を得ることができる。
上記の発光装置では、前記絶縁層と前記金属基板との界面に凹凸が形成されていてもよい。こうすることで、絶縁層と金属基板との接触面積を広くすることができるため、より優れた放熱特性を得ることができる。
上記の発光装置では、前記セラミックフィラが、Ａｌ２Ｏ３、ｈＢＮ、又はＭｇＯによって形成されていることが好ましい。こうすることで、安価で優れた放熱特性を有する発光装置を提供することができる。
上記の発光装置では、前記絶縁層上に前記発光素子を固着する接着剤をさらに備えていてもよい。こうすることで、発光素子を確実に固着することができる。
本発明にかかる発光装置の製造方法は、金属基板の上に、フレーク状のフィラを含有する絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層の上に発光素子を実装するステップと、を備えるものである。この構成により、絶縁層に熱伝導異方性を付与することができるため、放熱特性を向上することができる。
本発明により、優れた放熱特性を有する発光装置、及びその製造方法を提供することができる。
実施の形態１にかかる発光装置の構成を示す断面図である。 絶縁層の構成を模式的に示す断面図である。 フィラを添加していない場合のＬＥＤチップからの熱拡散を示すイメージ図である。 フィラを添加した場合のＬＥＤチップからの熱拡散を示すイメージ図である。 実施の形態２にかかる発光装置の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
実施の形態１
本実施の形態にかかる発光装置は、例えば、ＣＯＢタイプのＬＥＤモジュールである。発光装置は、基板上に、ＬＥＤチップが実装された構成を有している。以下、図面を参照して実施の形態１に係る発光装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１にかかる発光装置１００の構成を示す断面図である。発光装置１００は、基板１０、接着剤１３、配線パターン１４、ダム材１５、ＬＥＤチップ１６、ワイヤ１７、封止樹脂１８を備えている。
基板１０は、金属基板１１と絶縁層１２の２層構造となっている。すなわち、メタルベースとなる金属基板１１の上に、絶縁層１２が形成されている。金属基板１１としては、Ａｌ又はＣｕ、あるいはこれらの合金が用いられている。金属基板１１として、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料を用いることが好ましい。基板１０は、図示しない、ヒートシンクや照明灯具などに固定される。
絶縁層１２は、例えば、白色樹脂によって形成されている。絶縁層１２としては、エポキシ樹脂、又はシリコーン樹脂などを用いることができる。絶縁層１２は金属基板１１の表面を覆っている。例えば、絶縁層１２は、金属基板１１のほぼ全面に形成されている。絶縁層１２の厚さは、例えば、５０μｍ〜１５０μｍとすることができる。さらに、絶縁層１２は、無機材料からなるフレーク状フィラを含有している。絶縁層１２の構成については、後述する。
絶縁層１２の上には接着剤１３が形成されている。接着剤１３は、例えば、透明樹脂によって形成されている。接着剤１３としては、熱硬化性樹脂などを用いることができる。接着剤１３は、ＬＥＤチップ１６を基板１０に固着する。ＬＥＤチップ１６は、接着剤１３を介して、基板１０の主面上に実装されている。基板１０には、発光素子であるＬＥＤチップ１６が複数実装される。ここで、ＬＥＤチップ１６が実装された領域を素子領域３０とする。
素子領域３０の外側において、絶縁層１２の上には、配線パターン１４が形成されている。配線パターン１４は、ＬＥＤチップ１６に給電するための給電端子となる。配線パターン１４は、ＬＥＤチップ１６と接続される。具体的には、ＬＥＤチップ１６の上面には、電極１９が設けられており、電極１９と配線パターン１４がワイヤ１７を介して接続される。ワイヤ１７は、素子領域３０の最外周のＬＥＤチップ１６を配線パターン１４に接続する。ワイヤ１７の一端は、電極１９とボンディングされ、他端は配線パターン１４とボンディングされる。
また、素子領域３０の中央のＬＥＤチップ１６は、隣接するＬＥＤチップ１６と接続される。したがって、ワイヤ１７は、隣り合うＬＥＤチップ１６を接続する。ワイヤ１７は、隣接するＬＥＤチップ１６の電極１９にボンディングされている。これにより、全てのＬＥＤチップ１６がワイヤ１７に接続され、配線パターン１４を介して電流を供給することができる。ワイヤ１７は、例えば、金線である。
さらに、ＬＥＤチップ１６の上には、封止樹脂１８が設けられている。ＬＥＤチップ１６は、封止樹脂１８によって封止されている。すなわち、封止樹脂１８が、複数のＬＥＤチップ１６、及びワイヤ１７を覆っている。封止樹脂１８は、例えば、蛍光体入りの透光性樹脂である。基板１０上に封止樹脂１８を設けることで、ＬＥＤチップ１６を湿気や外気から保護することができる。封止樹脂１８は、例えば、熱硬化性のシリコーン樹脂である。封止樹脂１８には、発光装置１００からの発光が所望の波長となるように蛍光体が含まれている。換言すると、封止樹脂１８が設けられている領域が、発光領域となる。
また、配線パターン１４の上には、ダム材１５が形成されている。ダム材１５は、封止樹脂１８の流出を防止するために設けられている。例えば、製造工程中において、未硬化の封止樹脂１８が、ダム材１５によって堰き止められる。これにより、ダム材１５が素子領域３０の外側に流出するのを防ぐことができる。ダム材１５としては、白色樹脂を用いることができる。このように、ダム材１５よりも内側に封止樹脂１８が設けられる。換言すると、ダム材１５が発光領域を規定する。
上記のように、絶縁層１２は、フレーク状フィラを含有している。ここで、フレーク状フィラを含有する絶縁層１２の構成について、図２を用いて説明する。図２は、フレーク状フィラを含有する絶縁層１２の構成を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、絶縁層１２は、ベースレジン２１とフレーク状のフィラ２２とを有している。ベースレジン２１にフレーク状のフィラ２２が添加されている。ベースレジン２１は上記のように、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂である。フィラ２２は、鱗片状になっている。すなわち、フィラ２２は、非球形であり、薄片状になっている。薄片状のフィラ２２は、面内方向に沿って配置されている。
フレーク状のフィラ２２は、セラミックフィラである。フィラ２２としては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ｈＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、又はＭｇＯ（酸化マグネシウム）等の無機材料を用いることが好ましい。これらの材料のフィラ２２は入手が容易であるため、安価に入手することができる。これらの材料を用いることで、製造コストを低減することができる。もちろん、フィラ２２は、上記の材料に限られるものではない。さらには、２種類以上の無機材料を混合したフィラ２２を用いてもよい。フィラ２２は、熱伝導率の高い材質であることが好ましい。また、フィラ２２は、白色のセラミック材料であることが好ましい。
絶縁層１２において、フィラ２２の含有率は、例えば、５０ｗｔ％以上となっている。このように、フレーク状のフィラ２２をベースレジン２１に高充填することで、絶縁層１２に熱伝導異方性を付与することができる。例えば、面内方向（基板１０の主面と平行方向）の熱伝導率は、３Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができる。一方、厚さ方向（基板１０の主面と垂直方向）の熱伝導率は、面内方向の熱伝導率の１／１０以下となる。このように、フレーク状のフィラ２２を用いることで、面内方向に熱を伝え易い熱伝導異方性を絶縁層１２に付与することができる。
ｈＢＮを用いた場合、平均粒子径を０．５μｍ〜１５μｍとすることが好ましい。平均粒子径を１５μｍ以下とすることで、ベースレジン２１に対してフィラ２２を５０ｗｔ％以上含有させた場合でも、クラックなどの発生を抑制することができる。また、平均粒子径を０．５μｍ以上とすることで、フィラ２２をフレーク状にすることができ、面内方向の熱伝導率を向上することができる。なお、本明細書において、「平均粒子径」とは、一般的に用いられる「レーザー回折・散乱法」によって求めた粒度分布における積算値５０％（メジアン径）での粒径を意味する。粒度分布は、フィラ２２の粒子に対してレーザー光を当てたときに得られる回折／散乱光の光強度分布データから計算する。
また、ｈＢＮを用いた場合、比表面積を３〜１５ｍ２／ｇとすることが好ましい。比表面積を３〜１５ｍ２／ｇとすることで、厚さ方向における熱伝導異方性に比して、面内方向における熱伝導異方性を高くすることができる。もちろん、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、又はＭｇＯについても、ｈＢＮと同様の比表面積、及び平均粒子径としてもよい。
図３、及び図４に、ＬＥＤチップ１６からの熱拡散のイメージ図を示す。図３は、フィラ２２を含有していない絶縁層３２を示し、図４は、フィラ２２を含有している絶縁層１２を示している。図３、図４では、熱拡散の様子がグラデーションで示されている。フィラ２２を含有していない場合、面内方向における熱伝導率が低くなり、放射状に熱が拡散している。すなわち、ＬＥＤチップ１６直下に熱が拡散しやすくなっており、ＬＥＤ直下の一点に熱が集中してしまう。
フィラ２２を添加した場合、絶縁層１２に面内方向の熱伝導異方性を付与することができる。したがって、熱がＬＥＤチップ１６直下の一点に熱が集中せずに、金属基板１１の全体に熱を拡散することができる。これにより、基板１０のより広い面積から放熱することができ、効果的に放熱することができる。
このように、フィラ２２を含有する絶縁層１２を用いることで、熱の伝わる方向を制御することができる。よって、ＬＥＤチップ１６から発せされる熱を拡散させることができ、高集積で実装したＬＥＤチップ１６への熱の影響を軽減することが可能になる。優れた放熱特性を得ることができる。例えば、ＬＥＤチップ１６を最小間隔１００μｍで高集積に実装しても、問題なく、通常通りの駆動が可能になる。よって、ＬＥＤチップ１６を高密度に集積することが可能になる。小型で高輝度の発光装置１００を実現することができる。このように、本実施の形態では、高性能の発光装置を提供することができる。この
次に、発光装置１００の製造方法について説明する。まず、Ａｌ又はＣｕ等の金属基板１１を用意する。また、フレーク状のフィラ２２を所定量含有させたベースレジン２１を用意する。例えば、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をベースレジン２１として、フィラ２２を添加する。フィラ２２がベースレジン２１内に均一に分散するように、十分に混ぜ合わせる。
フィラ２２を含有させたベースレジン２１を金属基板１１の上に形成する。例えば、フィラ２２を含有するベースレジン２１を金属基板１１に塗布する。そして、ベースレジン２１を加熱すると、ベースレジン２１が硬化する。これにより、金属基板１１上にフィラ２２を含有する絶縁層１２が形成される。金属基板１１と絶縁層１２との積層構造を有する基板１０が製造される。
次に、絶縁層１２の上に配線パターン１４を形成する。例えば、絶縁層１２の表面上に銅箔を貼り付けることによって、配線パターン１４を形成する。もちろん、配線パターン１４の形成は、銅箔の貼着に限らず、公知の手法を用いることができる。
次に、接着剤１３を用いて、絶縁層１２の上にＬＥＤチップ１６をダイボンディングする。これにより、複数のＬＥＤチップ１６が基板１０の上に固着される。ＬＥＤチップ１６は、素子領域３０内に配置される。ＬＥＤチップ１６は、電極１９が上になった状態で、基板１０の上に実装される。接着剤１３を用いることで、ＬＥＤチップ１６を基板１０に確実に固着することができる。
ＬＥＤチップ１６を基板１０の上に実装した後、ワイヤボンディングを行う。ＬＥＤチップ１６の電極１９にワイヤ１７がボンディングされる。上記したように、ワイヤ１７は、隣接するＬＥＤチップ１６を接続している。さらに、ワイヤ１７は、ＬＥＤチップ１６と配線パターン１４とを接続している。これにより、全てのＬＥＤチップ１６が接続される。よって、配線パターン１４を介した給電が可能になる。
次に、ダム材１５となる熱硬化性の白色樹脂を配線パターン１４の上に形成する。例えば、ディスペンサが素子領域３０を囲むように白色樹脂を塗布する。また、ダム材１５は、素子領域３０の外周全周に配置される。そして、白色樹脂を硬化することで、ダム材１５が形成される。なお、ダム材１５の形成箇所は、配線パターン１４の上に限られるものではない。例えば、ダム材１５を配線パターン１４の外側に形成してもよく、配線パターン１４上からはみ出して形成してもよい。
次に、ダム材１５が形成された領域よりも内側に、封止樹脂１８を形成する。例えば、ダム材１５で囲まれた領域に封止樹脂１８となる熱硬化性樹脂を塗布する。熱硬化性樹脂は、例えば、蛍光体を含有する透明なシリコーン樹脂である。熱硬化性樹脂は、ＬＥＤチップ１６、及びワイヤ１７を覆うように形成される。そして、熱硬化性樹脂を硬化することで、封止樹脂１８が形成される。ダム材１５が、封止樹脂の流出を防止している。すなわち、封止樹脂１８が形成される領域は、ダム材１５によって規定される。
このようにすることで、放熱特性の優れた発光装置１００が製造される。さらに、フレーク状のフィラ２２をベースレジン２１に添加することで、容易に放熱特性の優れた発光装置１００を製造することができる。なお、本実施の形態にかかる発光装置１００の製造方法は、上記の製造方法に限られるものではない。例えば、工程の順番を適宜変更又は省略することが可能である。例えば、絶縁層１２を用いてＬＥＤチップ１６を基板１０に固着できる場合は、接着剤１３の形成工程が不要となる。上記した材質や製法は、公的な一例であり、その他の材質や製法を用いることも可能である。
実施の形態２．
本実施の形態に係る発光装置２００の構成について、図５を用いて説明する。図５は、発光装置２００の構成を示す断面図である。本実施の形態では、金属基板１１の表面に凸部１１ａ、及び凹部１１ｂが設けられている。なお、凸部１１ａ及び凹部１１ｂ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、適宜説明を省略する。
金属基板１１の表面には、凸部１１ａ、及び凹部１１ｂが形成されている。複数の凸部１１ａと凹部１１ｂとが、交互に配置されている。したがって、金属基板１１と絶縁層１２との界面に凹凸が形成されている。このように金属基板１１の表面を突起状に加工して、粗面化する。こうすることで、金属基板１１と絶縁層１２の接触面積が広くなる。実施の形態１に比して、熱拡散能力を向上させることができる。より放熱特性の優れた発光装置２００を実現することができる。
なお、金属基板１１の表面に凸部１１ａ、及び凹部１１ｂを形成する手法は、公知の手法を用いることができる。例えば、エッチング加工、切削加工、プレス加工などにより、凸部１１ａ、及び凹部１１ｂを形成することができる。絶縁層１２を形成する前に、金属基板１１の表面を加工して、粗面化する。そして、粗面化された金属基板１１の上に、絶縁層１２を塗布する。こうすることで、金属基板１１と絶縁層１２の界面に凹凸を容易に形成することができる。
凹凸の高さは、１〜１０μｍ程度とすることが好ましい。絶縁層１２の厚さは、５０〜１５０μｍ程度であり、凸部１１ａの高さに比べて十分に厚くなっている。これにより、絶縁層１２の表面、すなわち、ＬＥＤチップ１６を実装する実装面が平坦になる。よって、ＬＥＤチップ１６の実装に対する影響を低減することができる。なお、凹凸は、金属基板１１の全面に設けてもよく、一部のみに設けてもよい。例えば、ＬＥＤチップ１６を実装する素子領域３０にのみ凹凸を設けてもよい。
上記の実施の形態１、２では、発光素子として、半導体発光素子であるＬＥＤチップ１６を用いたが、ＬＥＤチップ１６以外の発光素子を用いてもよい。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
１０ 基板
１１ 金属基板
１２ 絶縁層
１３ 接着剤
１４ 配線パターン
１５ ダム材
１６ ＬＥＤチップ
１７ ワイヤ
１８ 封止樹脂
１９ 電極
２１ ベースレジン
２２ フィラ
３０ 素子領域
１００、２００ 発光装置

Claims (8)

  1. 金属基板と、
    前記金属基板上に設けられ、フレーク状のセラミックフィラを含有する絶縁層と、
    前記絶縁層上に配置された発光素子と、を備えた発光装置。
  2. 前記絶縁層において、前記セラミックフィラの含有率が５０ｗｔ％以上となっている請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記セラミックフィラの比表面積が３〜１５ｍ２／ｇである請求項１、又は２に記載の発光装置。
  4. 前記セラミックフィラの平均粒子径が０．５〜１５μｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
  5. 前記金属基板の表面に凹凸が形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
  6. 前記セラミックフィラが、Ａｌ２Ｏ３、ｈＢＮ、又はＭｇＯによって形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置。
  7. 前記絶縁層上に前記発光素子を固着する接着剤をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光装置。
  8. 金属基板の上に、フレーク状のフィラを含有する絶縁層を形成するステップと、
    前記絶縁層の上に発光素子を実装するステップと、を備えた発光装置の製造方法。
JP2013259032A 2013-12-16 2013-12-16 発光装置、及びその製造方法 Pending JP2015115578A (ja)

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