JP2018037612A

JP2018037612A - 発光素子搭載基板

Info

Publication number: JP2018037612A
Application number: JP2016171987A
Authority: JP
Inventors: 近江　武史; Takeshi Omi; 武史近江
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-03-08

Abstract

【課題】信頼性が高い発光素子搭載基板を実現する技術を提供する。【解決手段】発光素子搭載基板１４は、基材２０と、基材２０の上に設けられた絶縁層２４と、絶縁層２４の上に設けられた導電層２２と、を備える。導電層２２は、発光素子１２が搭載される少なくとも一対の離間したランド２８と、該ランド上のハンダ３２に生じる応力を低減する応力低減部と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、発光素子搭載基板に関する。

従来、発光素子を備える光源装置において、絶縁基板および導電層を積層した実装基板が用いられている。このような実装基板では、導電層の一部が露出した一対以上の離間したランドが形成されており、離間した一対のランドのそれぞれに、発光素子の対応する電極がハンダ付けされる（特許文献１参照）。

特開２０１６−８２０６６号公報

しかしながら、導電層を構成する金属層、絶縁性基板と、発光素子との間の線膨張係数に大きな差があると、ランド上のハンダ接合部に応力がかかりやすい。特に、温度サイクルにより繰り返し応力がかかると、ハンダにクラックが入るなどしてハンダ寿命が低下してしまう。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、信頼性が高い発光素子搭載基板を実現する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光素子搭載基板は、基材と、基材の上に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられた導電層と、を備える。導電層は、発光素子が搭載される少なくとも一対の離間したランドと、該ランド上のハンダに生じる応力を低減する応力低減部と、を有する。

この態様によると、ハンダに生じる応力が低減されるので、ハンダ自体のクラックやハンダと他の部分との剥離を抑制できる。

応力低減部は、ランドの周囲に設けられた肉抜き部であってもよい。これにより、スリットを挟んだハンダと反対側の導電層から受ける応力を低減できる。

肉抜き部は、導電層を貫通するスリットまたは孔であってもよい。これにより、スリットを挟んだハンダと反対側の導電層から受ける応力をより低減できる。

導電層は、銅の配線パターンを含んでもよい。基板は、アルミニウムを主成分とする金属基板であってもよい。

金属基板は、ケイ素を含有するアルミニウム合金からなってもよい。これにより、一般のアルミニウム基板と比較して、金属基板の線膨張係数が抑えられるため、ハンダに生じる応力を低減できる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、信頼性が高い発光素子搭載基板を実現できる。

本実施の形態に係る発光素子搭載基板を用いた車両用前照灯の要部断面図である。図２（ａ）は、参考例に係る発光素子搭載基板の上面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す発光素子搭載基板のＡ−Ａ断面図である。本実施の形態に係る発光素子搭載基板の上面図である。図４（ａ）は、図３に示す発光素子搭載基板のＢ−Ｂ断面図、図４（ｂ）は、図３に示す発光素子搭載基板のＣ−Ｃ断面図である。図５（ａ）は、第１の変形例に係る発光素子実装基板の上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す発光素子実装基板のＤ−Ｄ断面図である。第２の変形例に係る発光素子搭載基板の上面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、本実施の形態に係る発光素子搭載基板を用いた車両用前照灯１０の要部断面図である。

本実施の形態に係る車両用前照灯１０は、ＬＥＤチップ等の発光素子１２が搭載された発光素子搭載基板１４と、発光素子搭載基板１４が載置される放熱部材１６と、リフレクタ１８とを備える。発光素子１２は、リフレクタ１８の反射面を構成する楕円や放物面等の曲面の焦点近傍に配置されている。発光素子１２から下方に向けて出射した光は、リフレクタ１８で反射され、車両前方に所望の配光パターンを形成する。

近年、ＬＥＤチップの性能が向上し、従来よりも大出力（例えば１Ｗ以上）のＬＥＤチップが開発されつつある。このようなＬＥＤチップは、発熱が大きい。そのため、搭載基板の基材、絶縁層、導電層、ＬＥＤチップのそれぞれの線膨張係数に差があると、各接合部に応力が発生する。また、車両用灯具において点灯や消灯を繰り返すと、温度サイクルによって接合部へ繰り返し応力が発生する。

図２（ａ）は、参考例に係る発光素子搭載基板の上面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す発光素子搭載基板のＡ−Ａ断面図である。なお、図２（ａ）では、発光素子およびハンダの図示を省略している。

参考例に係る発光素子搭載基板１００は、銅やアルミニウムを主成分とする金属基板からなる基材２０と、銅箔からなる導電層２２と、基材２０と導電層２２とを電気的に絶縁する絶縁層２４と、基板表面を保護する保護膜２６とを備える。発光素子搭載基板１００においては、図２（ｂ）に示すように、基材２０の上に絶縁層２４が設けられており、絶縁層２４の上に導電層２２が設けられている。導電層２２は配線パターンを含んでいる。

導電層２２は、一部が露出した、発光素子１２が搭載される少なくとも一対の離間したランド２８が形成されている。一対のランド２８の間には、ランド２８同士が電気的に導通しないように、導電層２２が除去された溝３０が形成されている。発光素子１２は、裏面側の一対の電極のそれぞれが、対応する一対のランド２８と対向するように、ハンダ３２を介して発光素子搭載基板１００に搭載される。本実施の形態に係る発光素子１２の出力は、例えば１Ｗ以上である。

一般的に、発光素子１２の一つであるＬＥＤチップを構成するセラミックス材料の線膨張係数は４〜６［ｐｐｍ／℃］程度（例えば窒化アルミニウムは４．７［ｐｐｍ／℃］）なのに対して、導電層２２を構成する銅箔の線膨張係数は１７［ｐｐｍ／℃］程度である。そのため、発光素子１２が発熱すると、発光素子１２の膨張量ΔＬ１と導電層２２の膨張量ΔＬ２とに差が生じ、ハンダ３２に応力が発生する。特に、連続した導電層の領域Ｓ１が大きいと、昇温による膨張量も大きくなるため、ハンダ３２に発生する応力も大きくなると考えられる。

そこで、本発明者は、導電層に応力低減部を設けることで、ハンダ３２にかかる応力を低減することに想到した。図３は、本実施の形態に係る発光素子搭載基板１４の上面図である。図４（ａ）は、図３に示す発光素子搭載基板１４のＢ−Ｂ断面図、図４（ｂ）は、図３に示す発光素子搭載基板１４のＣ−Ｃ断面図である。なお、参考例に係る発光素子搭載基板１００と同じ構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。

図３、図４（ａ）に示すように、本実施の形態に係る発光素子搭載基板１４は、ランド２８の近傍に、ランド上のハンダ３２に生じる応力を低減する応力低減部としてスリット３４が導電層２２を貫通するように形成されている。スリット３４は、例えば、エッチング等の簡便な方法で形成できる。これにより、連続した導電層２２の領域Ｓ１’が小さくなり、昇温による膨張量ΔＬ２’も小さくなるため、ハンダ３２に発生する応力も低減できると考えられる。その結果、ハンダ３２自体のクラックや、ハンダ３２と発光素子１２や導電層２２との剥離を抑制できる。

なお、本実施の形態に係る発光素子搭載基板１４を用いて温度サイクル試験（熱衝撃試験）を行ったところ、参考例に係る発光素子搭載基板１００と比較して、サイクル数として２０％程度寿命が延びたことが確認された。

本実施の形態に係る一対のスリット３４は、一対のランド２８を中心に点対称となるように形成されている。ランド２８は、一辺が１〜２ｍｍ程度である。スリット３４は、ランド２８からの距離ｄ１が０．２〜０．８ｍｍ程度の位置に形成されている。スリット３４の幅Ｗ１は０．２〜０．６ｍｍ程度である。スリット３４の長辺の長さＬ３は１．０〜２．５ｍｍ程度である。溝３０の幅Ｗ２は０．２〜０．８ｍｍ程度である。一対のランド２８の長手方向の長さＬ４は２．２〜４．８ｍｍ程度である。図３（ａ）に示すスリット３４をＸ方向から見た場合、ランド２８と重なっている部分の長さＬ５は０．５〜１．５ｍｍ程度である。Ｌ字のスリット３４の短く突き出た部分の長さＬ６は０．３〜０．８ｍｍ程度である。

発光素子搭載基板１４において、導電層２２として銅箔を用いる場合、基材２０は銅板が好ましい。また、基材２０としてアルミニウムを主成分とする基板を用いる場合、低線膨張アルミニウム合金（線膨張係数１９〜２１［ｐｐｍ／℃］）が好ましい。具体的には、ＪＩＳＨ４０００に規定されているケイ素を含有するアルミニウム合金が好ましい。これにより、一般のアルミニウム基板と比較して、金属基板の線膨張係数が抑えられるため、ハンダに生じる応力を低減できる。

図５（ａ）は、第１の変形例に係る発光素子実装基板３６の上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す発光素子実装基板３６のＤ−Ｄ断面図である。図５（ａ）、図５（ｂ）に示す肉抜き部３８は、ランド２８の周囲に設けられている。肉抜き部３８は、導電層２２を完全に除去したものではなく、導電層２２の他の部分２２ａの厚みｔ１よりも薄い薄層部２２ｂを有するスリットである。薄層部２２ｂの厚みｔ２は、ｔ２≦０．５×ｔ１を満たすとよい。これにより、スリットを挟んだハンダと反対側の導電層から受ける応力を低減できる。

図６は、第２の変形例に係る発光素子搭載基板４０の上面図である。発光素子搭載基板４０は、一つのスリット３４の代わりに、導電層２２を貫通する円形の複数の孔４２を有し、全体としてＬ字状のスリットが形成されている。これにより、孔４２を挟んだハンダ３２と反対側の導電層２２から受ける応力をより低減できる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０車両用前照灯、１２発光素子、１４発光素子搭載基板、２０基材、２２導電層、２２ｂ薄層部、２４絶縁層、２６保護膜、２８ランド、３０溝、３２ハンダ、３４スリット、３６発光素子実装基板、３８肉抜き部、４０発光素子搭載基板、４２孔。

Claims

基材と、
前記基材の上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の上に設けられた導電層と、を備え、
前記導電層は、発光素子が搭載される少なくとも一対の離間したランドと、該ランド上のハンダに生じる応力を低減する応力低減部と、を有することを特徴とする発光素子搭載基板。
前記応力低減部は、前記ランドの周囲に設けられた肉抜き部であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子搭載基板。
前記肉抜き部は、前記導電層を貫通するスリットまたは孔であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子搭載基板。
前記導電層は、銅の配線パターンを含み、
前記基板は、アルミニウムを主成分とする金属基板である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子搭載基板。
前記金属基板は、ケイ素を含有するアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項４に記載の発光素子搭載基板。