JP2015130501A - 印刷回路基板及びこれを含む発光装置 - Google Patents

印刷回路基板及びこれを含む発光装置 Download PDF

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Abstract

【課題】放熱性に優れた印刷回路基板及びこれを含む発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子用印刷回路基板は、第１金属層１１１と、前記第１金属層の一面に形成される第２金属層１１２と前記第１金属層の他面に形成される第３金属層１１３とを含む基板と、前記第２金属層上に形成される絶縁層１２０と、前記絶縁層上に形成される回路パターン１３０と、を含み、前記絶縁層には、発光素子パッケージを収容するためのキャビティー１６０が形成され、前記第１金属層の熱伝導度は、前記第２金属層及び前記第３金属層の熱伝導度より高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、印刷回路基板及びこれを含む発光装置に関する。
発光素子(light emitting ｅｌｅｍｅｎｔ）は、電気を光に変換する素子である。代表的な発光素子としては、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）、半導体レーザー（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）などがある。
発光ダイオードは、電流の印加によってＰ−Ｎ半導体接合（Ｐ−Ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）で電子と正孔が会って光を出す素子であって、通常、発光ダイオードが搭載されたパッケージの構造で製作される。発光ダイオードパッケージは、印刷回路基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ、ＰＣＢ）上に装着され、該印刷回路基板に形成された電極から電流を印加されて発光動作するように構成される。
発光ダイオードパッケージにおいて、発光ダイオードから発生した熱は、発光ダイオードパッケージの発光性能及び寿命に直接的な影響を及ぼす。発光ダイオードから発生した熱が発光ダイオードに長時間とどまる場合、発光ダイオードを成す結晶構造に転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）及び不整合（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を発生させて、発光ダイオードパッケージの寿命を短縮させる要因となる。
これにより、発光ダイオードから発生した熱の放出を促進させるための技術が提案されている。一例として、放熱特性を高めるために放熱特性に優れた金属素材の印刷回路基板（Ｍｅｔａｌ ＰＣＢ：Ｍｅｔａｌ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）を発光ダイオードパッケージに適用する方式が使用され得る。
一方、発光ダイオードパッケージを金属素材の印刷回路基板に搭載する場合、酸化防止のために高価のメッキ工程が行われ、そのため、印刷回路基板のコストが上昇する。
本発明の目的は、印刷回路基板及びこれを含む発光装置を提供することにある。
本発明の一実施形態によれば、印刷回路基板は、第１金属層を含む基板と、前記基板上に形成され、発光素子パッケージを収容するためのキャビティーを含む絶縁層と、前記絶縁層上に形成される回路パターンと、前記回路パターン上に形成されるメッキ層とを含み、前記基板上には、前記メッキ層が形成されていない。
本発明の他の実施形態によれば、印刷回路基板は、第１金属層と、前記第１金属層の一面に形成される第２金属層と、前記第１金属層の他面に形成される第３金属層とを含む基板と、前記第２金属層上に形成される絶縁層と、前記絶縁層上に形成される回路パターンと、を含み、前記絶縁層には、発光素子パッケージを収容するためのキャビティーが形成され、前記第１金属層の熱伝導度は、前記第２金属層及び前記第3金属層の熱伝導度より高い。
本発明の一実施形態による発光装置は、第１金属層と、前記第１金属層の一面に形成される第２金属層と、前記第１金属層の他面に形成される第３金属層とを含む基板と、前記第２金属層上に形成され、キャビティーが形成される絶縁層と、前記絶縁層上に形成される回路パターンと、前記キャビティーに収容され、前記基板上に接合される発光素子パッケージと、を含み、前記第１金属層の熱伝導度は、前記第２金属層及び前記第３金属層の熱伝導度より高い。
本発明の実施形態によれば、高価のメッキを低減することによって、印刷回路基板のコストを低減する効果がある。
本発明の一実施形態による印刷回路基板を示す断面図である。 本発明の一実施形態による印刷回路基板を含む発光装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるワイヤボンディング用メッキ層を示す断面図である。
本発明は、多様な変更を行うことができ、さまざまな実施形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解しなければならない。
第１、第２などの序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するのに使用され得るが、前記構成要素は、前記用語に限定されるわけではない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的で使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、第１構成要素は、第２構成要素として命名されることができ、同様に、第２構成要素も第１構成要素として命名され得る。及び／またはという用語は、複数の関連された記載された項目の組み合わせまたは複数の関連された記載された項目のうちいずれかの項目を含む。
本出願で使用された用語は、ただ特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上、明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。
本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性をあらかじめ排除しないものと理解しなければならない。
異なって定義しない限り、技術的や科学的な用語を含んでここで使用されるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使用される事前に定義されているもののような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈しなければならないし、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味として解釈しない。
本文書で、各層、領域、パターンまたは構造物が基板、各層、領域、パッドまたはパターンの「上部／上（ｏｎ）」にまたは「下部／下（ｕｎｄｅｒ）」に形成されるものと記載される場合において、「上部／上（ｏｎ）」と「下部／下（ｕｎｄｅｒ）」は、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」または「他の層を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されることをすべて含む。また各層の「上部／上」または「下部／下の」に対する基準は、図面を基準として説明する。
また、図面において各層の厚さやサイズは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたり省略されたりまたは概略的に図示された。また、各構成要素のサイズは、実際サイズを反映するものではない。
以下、添付の図面を参照して実施形態を詳しく説明するが、参照符号に関係なく、同一または対応する構成要素は、同一の参照番号を付与し、これに対する重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態による印刷回路基板を示す断面図であり、図２は、本発明の一実施形態による印刷回路基板を含む発光装置を示す断面図である。また、図３は、本発明の一実施形態によるワイヤボンディング用メッキ層の一例を示す図である。
図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施形態による印刷回路基板１００は、基板１１０、絶縁層１２０、回路パターン１３０、保護層１４０、メッキ層１５０などを含むことができる。
基板１１０は、熱伝導度が高い第１金属層１１１を含むことができる。基板１１０は、第１金属層１１１の両面に配置される第２及び第３金属層１１２、１１３をさらに含むことができる。
第１金属層１１１は、例えば、熱伝導度が高い銅Ｃｕまたは銅合金を含むことができる。第１金属層１１１は、熱抵抗が低くて、発光素子パッケージ２００で発生する熱を外部に放出する放熱機能を行うことができる。
第１金属層１１１の厚さは、印刷回路基板１００が適用される製品の特性によって異なるように設計され得る。
これに限定されるものではないが、第１金属層１１１の厚さは、基板１１０の全体厚さの５０％〜９５％で設けられる。
例えば、基板１１０の全体厚さが１ｍｍの場合、第１金属層１１１の厚さは、５００μｍ〜９５０μｍを満たすことができる。
第２及び第３金属層１１２、１１３は、第１金属層１１１と異種の金属層であって、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことができる。
第２金属層１１２は、第１金属層１１１上に形成され、第１金属層１１１と絶縁層１２０との間に配置される。
第２金属層１１２は、第１金属層１１１と絶縁層１２０間の接着力を向上させることができる。また、第２金属層１１２は、キャビティー１６０によって露出する基板１１０表面の酸化防止機能を行うことができる。
第３金属層１１３は、第１金属層１１１の背面に形成される。
第３金属層１１３は、基板１１０表面の酸化防止機能を行うことができる。
アルミニウム素材は、熱伝導度が１８０Ｗ／ｍ．ｋ以上であり、高温耐熱性を有する。
アルミニウム素材は、銅素材に比べて相対的に軽量であるが、高い熱抵抗を有する。したがって、基板１１０において第２及び第３金属層１１２、１１３の厚さの比率が低いほど熱抵抗が減少する。一方、基板１１０において第２及び第３金属層１１２、１１３の厚さの比率が高いほど軽量の基板製造が可能であり、基板価格が減少する効果がある。
第２金属層１１２及び第３金属層１１３の厚さは、印刷回路基板１００が適用される製品の特性によって異なるように設計され得る。
これに限定されるものではないが、基板１１０において第２及び第３金属層１１２、１１３の厚さ、すなわち第２金属層１１２と第３金属層１１３を合わせた厚さの比率は、基板１１０の全体厚さの５％〜５０％を満たすことができる。また、第２及び第３金属層１１２、１１３それぞれの厚さは、基板１１０の全体厚さの２．５％〜２５％を満たすことができる。
例えば、基板１１０の全体厚さが１ｍｍの場合、第２金属層１１２と第３金属層１１３を合わせた厚さは、５０μｍ〜５００μｍでありうる。また、第２金属層１１２及び第３金属層１１３それぞれの厚さは、２５μｍ〜２５０μｍでありうる。
基板１１０において第２及び第３金属層１１２、１１３が占める厚さの比率が、５％より小さい場合、製造工程上で困難が発生し得、基板１１０表面の酸化防止機能を行いにくいことがある。また、基板１１０において第２及び第３金属層１１２、１１３が占める厚さの比率が５０％以上の場合、放熱性能が低くなり、発光ダイオードのように発熱量が大きい発光素子の実装には適用が難しいことがある。
第２金属層１１２と第３金属層１１３は、互いに同一の厚さで形成され得る。第２金属層１１２と第３金属層１１３は、互いに異なる厚さで形成されてもよい。
基板１１０は、耐久性を向上させるためにクラッド（ｃｌａｄ）基板で形成され得る。クラッド基板は、第１金属層１１１と第２及び第３金属層１１２、１１３を積層した後、熱間または冷間圧延方式で結合して形成され得る。
第２金属層１１２上には絶縁層１２０が配置され得る。
絶縁層１２０は、基板１１０と回路パターン１３０が電気的に連結されることを防止する機能を行う。
絶縁層１２０は、エポキシ樹脂、ポリエステル（ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）樹脂及びポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）樹脂よりなる群から選択され得る。
絶縁層１２０は、多様な方法で第２金属層１１２上に結合され得る。
絶縁層１２０は、第２金属層１１２上に真空蒸着（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方式で結合され得る。
絶縁層１２０は、仮硬化状態で第２金属層１１２上に積層された後、圧縮を通じて完全に硬化し、第２金属層１１２上に結合されてもよい。
絶縁層１２０は、第２金属層１１２上に液状塗布された後、硬化し、第２金属層１１２上に結合されてもよい。
絶縁層１２０には、発光素子パッケージ２００を収容するためのキャビティー１６０が貫通形成され得る。
キャビティー１６０は、上部が開放された開口部の形状で絶縁層１２０を貫通して形成される。これにより、第２金属層１１２の一部がキャビティー１６０の底面を形成し、キャビティー１６０の開口部を通じて外部に露出する。
これにより、第２金属層１１２は、キャビティー１６０を通じて外部に露出する基板１１０表面の酸化防止機能を行うことができる。
キャビティー１６０が形成されることによって、発光素子パッケージ２００と基板１１０間の絶縁層１２０が除去され、絶縁層１２０による熱抵抗要素が除去される。すなわち、キャビティー１６０を形成することによって、発光素子パッケージ２００から発生する熱が基板１１０に直接伝達され、印刷回路基板１００の放熱性能が向上する効果がある。
キャビティー１６０は、レーザー装備を利用した切断工程、コンピューター数値制御（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＣＮＣミーリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）工程、打ち抜き工程などによって形成され得る。
絶縁層１２０上には、回路パターン１３０が配置され得る。
回路パターン１３０は、伝導性を有する金属を利用して形成される。例えば、回路パターン１３０は、銅または銅を主成分とする銅合金で形成され得る。
回路パターン１３０上には、保護層１４０とメッキ層１５０が配置され得る。保護層１４０は、回路基板１００に対する電気的絶縁及び電気的／物理的衝撃緩和機能を行う。
保護層１４０は、ソルダレジスト（Ｓｏｌｄｅｒ Ｒｅｓｉｓｔ）、カバーレイ（ｃｏｖｅｒｌａｙ）などを利用して形成され得る。
メッキ層１５０は、回路パターン１３０と電気的に連結され、発光素子パッケージ２００をワイヤボンディングするためのボンディングパッドを形成する。
メッキ層１５０は、無電解銅メッキ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｃｏｐｐｅｒ Ｐｌａｔｉｎｇ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｐｐｅｒ Ｐｌａｔｉｎｇ）、ＥＮＩＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｅｌ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｇｏｌｄ）、ＥＮＥＰＩＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｅｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｐａｌｌａｄｉｕｍ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｇｏｌｄ）、ＥＮＡＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｅｌ Ａｕｔｏ−ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｇｏｌｄ）、ＥＮＡ２（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｅｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ａｕ ＆Ａｇ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｇｏｌｄ）、ＤＩＧ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｇｏｌｄ）または無電解シルバー（Ｓｉｌｖｅｒ）メッキ方式で形成され得る。
一例として、メッキ層１５０は、図３に示されたように、ＥＮＥＰＩＧ方式で形成され得る。図３を参照すれば、ＥＮＥＰＩＧ方式は、無電解ニッケル（Ｎｉ）、無電解パラジウム（Ｐｄ）、置換ゴールド（Ａｕ）の３層構造を形成する無電解メッキ方式である。ＥＮＥＰＩＧ方式によって形成されるメッキ層１５０は、ニッケル層１５１、パラジウム層１５２及びゴールド層１５３が順次に積層されて形成される。ＥＮＥＰＩＧ方式によって形成されるメッキ層１５０は、ニッケル層１５１とゴールド層１５３との間にパラジウム層１５２を含むことによって、ニッケル層１５１の熱拡散を抑制することができ、半田付け接合強度を向上させることができる。
さらに図２を参照すれば、発光装置は、印刷回路基板１００及び印刷回路基板１００に配置される発光素子パッケージ２００を含むことができる。
発光素子パッケージ２００は、セラミック基板２１０及びセラミック基板２１０上に配置される発光素子チップ２２０を含む。
発光素子パッケージ２００は、絶縁層１２０のキャビティー（図１の参照符号１６０を参照）に収容される。また、発光素子パッケージ２００は、伝導性接着剤３００を媒介体としてキャビティー１６０を通じて露出する基板１１０の第２金属層１１２上に接合され得る。
伝導性接着剤３００は、電気伝導性を有する接着剤であって、金属ペーストなどを含むことができる。
発光素子パッケージ２００のアノード（ａｎｏｄｅ）及びカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）端子に連結される各ワイヤは、メッキ層１５０を通じて回路パターン１３０に電気的に連結される。
一般的に印刷回路基板の製造過程で、基板と絶縁層が積層結合された後に回路パターン及びメッキ層が形成され得る。これにより、ワイヤボンディングのためのメッキ層と酸化防止層を形成するためのメッキ工程を別に進行することが難しい。ワイヤボンディングのためのメッキ層と酸化防止層を別途のメッキ工程で形成するためには、マスキング工程が必要であり、これは、不良発生率を増加させる要因として作用し得るからである。
本発明の実施形態によれば、印刷回路基板に第１金属層の両面にアルミニウム金属層を結合したクラッド基板を適用することによって、酸化防止層を別に形成する必要がない。また、アルミニウム材質の特性上、表面がメッキ工程に露出しても、アルミニウム金属層の表面にメッキ層が形成されていないので、別途のマスキング工程などを行う必要がない。
前述したように、本発明の実施形態では、酸化防止のために基板の表面に形成されるメッキ層をアルミニウム金属層に代替することによって、高仕様のメッキ領域を最小化し、メッキ工程で必要となる材料費を最小化することができる。また、ワイヤボンディング用メッキ層と酸化防止層を別に形成するために必要なマスキング工程などを省略することができ、印刷回路基板の価格競争力を高める効果がある。
一方、本発明の一実施形態では、銅金属層の両面にアルミニウム金属層を積層結合したクラッド基板素材で基板を形成する場合を例示したが、本発明の実施形態は、これに限定されない。
本発明の実施形態によれば、銅金属層は、熱伝導性能に優れた他の金属層に代替してもよい。
また、クラッド素材の基板を形成するために銅金属層の両面に結合する金属層は、アルミニウムと異種の金属層に代替されることができる。この場合、銅金属層の両面に結合する金属層は、銅とは異種の非鉄系金属であって、熱伝導度が１８０Ｗ／ｍ．ｋ以上の高温耐熱性を有し、メッキ工程に露出しても、表面にメッキ層が形成されない材質であることができる。例えば、アルミニウム金属層は、ニッケル（Ｎｉ）またはニッケル系合金で設けられる金属層、モリブデン（Ｍｏ）またはモリブデン系合金で設けられる金属層、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）で設けられる金属層などがアルミニウム金属層を代替して銅金属層上に積層され得る。
前記では、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野における熟練された当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解することができる。
１００ 印刷回路基板
１１０ 基板
１１１ 第１金属層
１１２ 第２金属層
１１３ 第３金属層
１２０ 絶縁層
１３０ 回路パターン
１４０ 保護層
１５０ メッキ層
１６０ キャビティー
２００ 発光素子パッケージ

Claims (20)

  1. 第１金属層を含む基板と、
    前記基板上に形成され、発光素子パッケージを収容するためのキャビティーを含む絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成される回路パターンと、
    前記回路パターン上に形成されるメッキ層とを含み、
    絶縁層がカバーしない前記基板の一部上には、前記メッキ層が形成されていないことを特徴とする印刷回路基板。
  2. 前記第１金属層が、銅を含む、請求項１に記載の印刷回路基板。
  3. 前記基板が、前記第１金属層の一面に形成され、前記第１金属層と異種の金属層である第２金属層をさらに含む、請求項１に記載の印刷回路基板。
  4. 前記第２金属層が、前記キャビティーによって露出する、請求項３に記載の印刷回路基板。
  5. 前記基板が、前記第１金属層の他面に形成され、前記第１金属層と異種の金属層である第３金属層をさらに含む、請求項３に記載の印刷回路基板。
  6. 前記第２金属層及び前記第３金属層が、前記第１金属層の表面酸化を防止する、請求項５に記載の印刷回路基板。
  7. 前記第２金属層及び第３金属層が、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びステンレススチールのうち少なくとも１つを含む、請求項５に記載の印刷回路基板。
  8. 前記第２金属層及び前記第３金属層の厚さが、前記基板の全体厚さの５％〜５０％を満たす、請求項５に記載の印刷回路基板。
  9. 前記第２金属層及び前記第３金属層それぞれの厚さが、前記基板の全体厚さの２．５％〜２５％を満たす、請求項５に記載の印刷回路基板。
  10. 前記メッキ層が、ニッケル層（Ｎｉ）、前記ニッケル層上に配置されるパラジウム層（Ｐｄ）及び前記パラジウム層上に配置されるゴールド層（Ａｕ）を含む、請求項１に記載の印刷回路基板。
  11. 第１金属層と、前記第１金属層の一面に形成される第２金属層と、前記第１金属層の他面に形成される第３金属層とを含む基板と、
    前記第２金属層上に形成される絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成される回路パターンとを含み、
    前記絶縁層には、発光素子パッケージを収容するためのキャビティーが形成され、
    前記第１金属層の熱伝導度は、前記第２金属層及び前記第３金属層の熱伝導度より高いことを特徴とする印刷回路基板。
  12. 前記第２金属層及び前記第３金属層が、前記第１金属層の表面酸化を防止する、請求項１１に記載の印刷回路基板。
  13. 前記第１金属層が銅を含む、請求項１１に記載の印刷回路基板。
  14. 前記第２金属層及び第３金属層が、アルミニウムＡｌ、ニッケルＮｉ、モリブデンＭｏ及びステンレススチールのうち少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の印刷回路基板。
  15. 前記第２金属層及び前記第３金属層の厚さが、前記基板の全体厚さの５％〜５０％を満たす、請求項１１に記載の印刷回路基板。
  16. 前記第２金属層及び第３金属層それぞれの厚さが、前記基板の全体厚さの２．５％〜２５％を満たす、請求項１１に記載の印刷回路基板。
  17. 前記第２金属層が、前記キャビティーによって露出する、請求項１１に記載の印刷回路基板。
  18. 前記回路パターン上に形成され、前記発光素子パッケージのワイヤボンディングのためのメッキ層をさらに含む、請求項１１に記載の印刷回路基板。
  19. 第１金属層と、前記第１金属層の一面に形成される第２金属層と、前記第１金属層の他面に形成される第３金属層とを含む基板と、
    前記第２金属層上に形成され、キャビティーが形成される絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成される回路パターンと、
    前記キャビティーに収容され、前記基板上に接合される発光素子パッケージとを含み、
    前記第１金属層の熱伝導度は、前記第２金属層及び前記第3金属層の熱伝導度より高いことを特徴とする発光装置。
  20. 前記発光素子パッケージが、伝導性接着剤によって前記基板上に接合される、請求項１９に記載の発光装置。
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