JP2021034595A - Ｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性の高いアルミニウム基板上に白色層が積層した実装基板を備えていても、発光効率を高くできるＬＥＤ発光装置を提供することにある。【解決手段】ＬＥＤ発光装置１０において、実装基板１１に含まれるアルミニウム基板１１ｃは、純度が９９％以上である。このアルミニウム基板１１ｃは、広く用いられている純度の低いアルミニウム基板に比べ反射率が高い。このとき、ＬＥＤダイ１４から下方に放射され、白色層１１ｂに達し、白色層１１ｂで散乱されず、白色層１１ｂを透過した光線Ｌ３は、反射率の高いアルミニウム基板１１ｃで上方に反射される。この光線Ｌ３は、白色層１１ｂを通過するか、白色層１１ｂで散乱し、ＬＥＤ発光装置１０の発光効率を改善する。【選択図】図２

Description

本発明は、放熱性の高い基板上に複数のＬＥＤを実装したＬＥＤ発光装置に関する。

金属やセラミックからなる放熱性の高い基板上に、複数のＬＥＤを実装したＬＥＤ発光装置が知られている。例えば、特許文献１の図６には、ＬＥＤ発光装置に含まれるアルミニウム基板（高熱伝導基板）上に配置するＬＥＤ搭載基板が記載されている。このＬＥＤ搭載基板が記載されているは、熱硬化性樹脂、白色層及び銅層を備えるセラミックシート（銅張積層板１０１）の銅層をパターニングし、このパターニングにより形成した回路部（６）にＮｉ／Ａｕメッキ層（９）を形成し、その上にＬＥＤダイ（ＬＥＤ素子７）、リード線（８）等を接合している。このＬＥＤ搭載基板を備えたＬＥＤ発光装置は、アルミニウム基板による高い放熱性が確保されている中、白色層により一定レベルの反射率が確保される。なお、（）には、特許文献１における符号又は用語を示す。

特許第６０８９１４４号公報（図６）

しかしながら、特許文献１に記載されたＬＥＤ発光装置は、白色層が薄いので、高いレベルの拡散反射を確保できないため、発光効率の低下を招いている。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、放熱性の高いアルミニウム基板上に薄い白色層を積層した実装基板を備えていても発光効率を高くできるＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のＬＥＤ発光装置は、アルミニウム基板上に白色層が積層した実装基板を備え、前記アルミニウム基板は、純度が９９％以上であり、前記白色層は、白色微粒子を含有したオルガノポリシロキサンからなり、上面にパターニングされた銅層が形成され、前記銅層から露出した前記白色層に、複数のＬＥＤダイがダイボンディングされていることを特徴とする。

本発明のＬＥＤ発光装置において、実装基板に含まれるアルミニウム基板は、純度が９９％以上である。このアルミニウム基板は、広く用いられている純度の低いアルミニウム基板に比べ反射率が高い。このとき、ＬＥＤダイから下方に放射され、白色層に達し、白色層で散乱されず、白色層を透過した光は、反射率の高いアルミニウム基板で上方に反射される。この光は、白色層を通過するか、白色層で散乱し、ＬＥＤ発光装置の発光効率を改善する。

前記ＬＥＤダイは、封止樹脂で被覆されていても良い。

前記封止樹脂は、蛍光体を含有していても良い。

前記ＬＥＤダイは、周囲をダム材で囲まれ、前記封止樹脂は、前記ダム材が囲んだ領域に充填されていても良い。

以上のように、本発明のＬＥＤ発光装置は、アルミニウム基板上に薄い白色層が積層した実装基板を備えていても、発光効率を高くできる。

本発明の実施形態として示すＬＥＤ発光装置の平面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置の断面図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置における光線の説明図である。

以下、図１〜３を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。説明のため部材の縮尺は適宜変更している。

図１は、本発明の実施形態として示すＬＥＤ発光装置１０の平面図である。図１に示すように、ＬＥＤ発光装置１０は、実装基板１１上にダム材１２と封止樹脂１３を備えている。実装基板１１は、表面の大部分で白色層１１ｂが観察されるとともに、一部分でパターニングされた銅層１１ａが観察される。実装基板１１の左上及び右下の角部において略正方形をなす銅層１１ａは、＋側及び−側の電源電極である。また、実装基板１１の他の角部は、マザーボードへのネジ止めのため、１／４円状に切り欠かれている。

図２は、図１のＡ−Ａ´線に沿って描いたＬＥＤ発光装置１０の断面図である。なお、図１において断面の位置を示す一点鎖線の斜めの部分は描画していない。図２に示すように、実装基板１１は、アルミニウム基板１１ｃ上に白色層１１ｂと銅層１１ａが積層した積層体であり、白色層１１ｂ上には、複数のＬＥＤダイ１４が実装されている。ＬＥＤダイ１４同士、及びＬＥＤダイ１４と銅層１１ａとはワイヤ１５で接続している。また、ＬＥＤダイ１４を実装した領域の周辺にダム材１２が形成され、ダム材１２の内側に封止樹脂１３が充填されている。

なお、図２では、説明のためＬＥＤダイ１４の接続状態を簡略化して描いている。つまり、現実のＬＥＤ発光装置１０では、平面視するとほとんどのワイヤ１５が斜行して見えるが、図２ではワイヤ１５が断面に平行の設けられているよう描いている。また、いっぱんに、４０Ｖ程度の外部電源が扱い易いことから、ＬＥＤダイ１４の直列段数を１２段程度にすることが多いが、図２では図示しやすいように５段としている。また、ダム材１２に一部分が覆われている銅層１１ａは、電極部分を成す銅層１１ａと接続している（図１参照）。

実装基板１１に含まれる銅層１１ａは、もともとベタパターンであったものをパターニングしたものであり、パターニングの後、金メッキされる。白色層１１ｂは、酸化チタンや酸化アルミニウムからなる反射率の高い白色微粒子を含有したオルガノポリシロキサンからなり、脱水重合によりガラス化する。銅層１１ａの厚さは、３５μｍ程度であり、白色層１１ｂの厚さは、１００μｍ程度である。

実装基板１１に含まれるアルミニウム基板１１ｃは、アルミニウムの純度が９９％以上であり、可視光領域で反射率が９０％を超えている。これに対し、一般的に広く使われている低純度のアルミニウム基板は、可視光領域で反射率が７０〜８０％に留まる。

複数のＬＥＤダイ１４は、銅層１１ａから露出した白色層１１ｂの上面にダイボンディング材１４ａ（図３参照）でダイボンディングされている。ＬＥＤダイ１４は、青色発光
ダイオードであり、透明なサファイヤ基板上に薄い半導体層を備え、この半導体層に発光層とワイヤボンディング用電極が形成される。ＬＥＤダイ１４を被覆する封止樹脂１３は、蛍光体１３ａ（図３参照）を含有するシリコン樹脂からなり、周囲をダム材１２で囲まれている。ダム材１２は、酸化チタンを含有した白色シリコン樹脂からなり、太さが０．７〜１．０ｍｍ、高さが０．５〜０．８ｍｍである。

次に、ＬＥＤ発光装置１０の製造方法を説明する。ＬＥＤ発光装置１０は、いわゆる集合工法で製造するため、個片化すると多数の実装基板１１が得られる大判実装基板を作成する。大判実装基板の製造に際し、まず、銅箔（ベタ状の銅層１１ａ）に、白色微粒子を混練したオルガノポリシロキサンを塗布し白色層１１ｂを形成したセラミックシート、及び個片化すると多数のアルミニウム基板１１ｃが得られる大判アルミニウム基板を準備する（大判実装基板に係る部材についても図１、２で示した符号を使用する。以下同様。）。セラミックシートは、銅箔（銅層１１ａ）の厚さが３５μｍ程度であり、白色層１１ｂの厚が１００μｍ程度である。

次に、白色層１１ｂが大判アルミニウム基板に接触するようにして、セラミックシートを大判アルミニウム基板に積層し、この積層体（大判実装基板）を真空中で熱プレスする。これで、大判アルミニウム基板の表面と白色層１１ｂの表面とを脱水重合反応で強固に接続する。すなわち、オルガノポリシロキサン端部のＯＨ基と大判アルミニウム基板の表面に形成されたＯＨ基とが水分子（Ｈ２Ｏ）を生成する（脱水重合反応、）ことにより、オルガノポリシロキサン端部と大判アルミニウム基板の表面とが化学結合する。なお、ＬＥＤ発光装置１０では、白色層１１ｂと大判アルミニウム基板の表面との接合部において、樹脂接着層を設けていないことから、紫外線や青色光による樹脂の分解（劣化）を回避できている。

次に、銅箔（銅層１１ａ）をホトリソグラフィ法によりパターニングし、配線や電源電極を形成する。その後、パターニングで残った銅層１１ａを金メッキする。

次に、大判実装基板の上面（白色層１１ｂ上）にＬＥＤダイ１４を実装する。この他、大判実装基板に保護用のツェナーダイオード（図示していない）も実装する。ＬＥＤダイ１４及びツェナーダイオードを大判実装基板に搭載するとき、予め各素子を配置する位置にダイボンド材１４ａを塗っておき、そこにピッカーで各素子を配置する。その後、大判実装基板を加熱してダイボンド材１４ａ（図３参照）を硬化させる。

次に、ＬＥＤダイ１４間、及びＬＥＤダイ１４と配線の間をワイヤボンディングする。すなわち、ワイヤ１５は、１つのＬＥＤダイ１４のカソードと他のＬＥＤダイ１４のアノードとを接続すると共に、ＬＥＤダイ１４が直列接続したＬＥＤ列の端部のＬＥＤダイ１４と配線とを接続する。１つのＬＥＤ発光装置１０には、このようにして形成したＬＥＤ列が複数含まれる。また、ＬＥＤダイ１４と同様に、ワイヤ１５は、ツェナーダイオードと配線とを接続する。

次に、ダム材１２を形成する。ダム材１２は、ディスペンサのノズルを移動しながら、粘度が高い状態の白色シリコン樹脂を大判実装基板上に吐出し、ＬＥＤダイ１４の集合を取り囲むように形成する。このとき、ツェナーダイオード、配線の一部分、及びワイヤ１５の一部分は、ダム材１２に埋め込まれる。最後に大判実装基板を加熱し、ダム材１２を硬化する。

次に、ダム材１２の内側の領域に封止樹脂１３を充填する。ディスペンサを使って、ダム材１２の内側の領域に蛍光体を含有した封止樹脂１３を滴下する。その後、封止樹脂１３を加熱し硬化する。このようにして、封止樹脂１３は、大判実装基板の表面、ＬＥＤダ
イ１４及びワイヤ１５を被覆する。最後に、大判実装基板を個片化し、ＬＥＤ発光装置１０を得る。

図３は、ＬＥＤ発光装置１０における発光効率改善を説明するため、ＬＥＤ発光装置１０内の光線を示す説明図である。なお、図３では、図２に示した断面のうち、１つのＬＥＤダイ１４の近傍を拡大表示し、説明に必要な光線を追加している。ＬＥＤダイ１４は、前述のように、サファイヤ基板上に半導体層を備え、半導体層の一部分が発光する。つまり、図３に示すように、多くの光線Ｌ１は、ＬＥＤダイ１４の上面から上方に放射される一方、ＬＥＤダイ１４の側面から下方に向かって放射される光線Ｌ２、Ｌ３も存在する。

光線Ｌ２は、ＬＥＤダイ１４の側面から封止樹脂１３中に出射され、白色層１１ｂで拡散反射し、２次的な光線Ｌ２ａを生成する。光線Ｌ３は、ＬＥＤダイ１４の側面から封止樹脂１３中に出射され、アルミニウム基板１１ｃの表面で反射し、蛍光体１３ａで波長変換され、２次的な光線Ｌ３ａを生成する。なお、図示していないが、光線Ｌ３と同様にアルミニウム基板１１ｃの表面で反射し、白色層１１ｂで拡散される光線や、白色層１１ｂ及び封止樹脂１３を透過して外部に放射される光線も存在する。また、拡散及び波長変換により生成される２次的な光線は等方的である。

とくに、光線Ｌ３（前述の光線Ｌ３に類似する光線を含む）は、白色層１１ｂが薄い（１００μｍ程度）ため、白色層１１ｂで拡散反射されず、アルミニウム基板１１ｃに達し、ＬＥＤ発光装置１０の発光効率を改善する。すなわち、ＬＥＤ発光装置１０では、実装基板１１に含まれるアルミニウム基板１１ｃの純度が９９％以上であり、このアルミニウム基板１１ｃの反射率が、広く用いられている純度の低いアルミニウム基板の反射率に比べ１０〜２０％が高いので、白色層１１ｂを透過し、無視できない量の光線Ｌ３が、アルミニウム基板１１ｃの表面で効率よく反射され、白色層１１ｂが薄いにも関わらず発光効率が向上する。

ＬＥＤ発光装置１０では、ＬＥＤダイ１４は封止樹脂１３で被覆されていた。しかしながら、本発明のＬＥＤ発光装置は、必ずしもＬＥＤダイが封止樹脂で被覆されていなくても良い。例えば、いわゆる、リモートフォスファのように蛍光体を含有したガラスでＬＥＤダイを覆っても良い。これに対し、ＬＥＤ発光装置１０のようにＬＥＤダイ１４を封止樹脂１３で被覆すれば、ＬＥＤダイ１４やワイヤ１５の保護、及び波長変換などについて製造やサイズにおいてメリットが多い。

また、ＬＥＤ発光装置１０では、封止樹脂１３中に蛍光体１３ａを含有していた。しかしながら、本発明のＬＥＤ発光装置では、必ずしも封止樹脂中に蛍光体を含有する必要はない。例えば、ＬＥＤダイとして、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードを使用すれば、３つの発光色の強度比を調整することにより任意の発光色を得ることが可能になる。これに対し、ＬＥＤ発光装置１０のように封止樹脂１３中に蛍光体１３ａを含有させると、蛍光体の調整により任意の発光色が容易に獲得できるというメリットがある。

また、ＬＥＤ発光装置１０では、ＬＥＤダイ１４の周囲がダム材１２で囲まれ、封止樹脂１３がダム材１２の内側の領域に充填されていた。しかしながら、本発明のＬＥＤ発光装置では、必ずしもＬＥＤダイの周囲をダム材で囲み、封止樹脂をダム材が囲んだ領域に充填しななくても良い。すなわち、封止樹脂の粘度又はチクソ性を高くしておけばダム材は不要になる。これに対し、ＬＥＤ発光装置１０のように、ＬＥＤダイ１４の周囲をダム材１２で囲み、封止樹脂１３をダム材１２が囲んだ領域に充填すると、封止樹脂の粘度を低くでき製造しやすくできる。

また、ＬＥＤ発光装置１０では、銅箔（銅層１１ａ）に白色層１１ｃを塗布したセラミックシートをアルミニウム基板１１ｃに化学結合により接合していた。しかしながら、本発明のＬＥＤ発光装置は、アルミニウム基板１１ｃに白色層１１ｂを塗布してから銅層１１ａを形成し、実装基板１１を得ても良い。また、白色層１１ｂとアルミニウム基板１１ｃの表面とを接着しても良い。

１０…ＬＥＤ発光装置、
１１…実装基板、
１１ａ…銅層、
１１ｂ…白色層、
１１ｃ…アルミニウム基板、
１２…ダム材、
１３…封止樹脂、
１３ａ…蛍光体、
１４…ＬＥＤダイ、
１４ａ…ダイボンド材、
１５…ワイヤ、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２ａ、Ｌ３、Ｌ３ａ…光線。

Claims (4)

1. アルミニウム基板上に白色層が積層した実装基板を備え、
   前記アルミニウム基板は、純度が９９％以上であり、
   前記白色層は、白色微粒子を含有したオルガノポリシロキサンからなり、上面にパターニングされた銅層が形成され、
   前記銅層から露出した前記白色層に、複数のＬＥＤダイがダイボディンされている
   ことを特徴とするＬＥＤ発光装置。
2. 前記ＬＥＤダイは、封止樹脂で被覆されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
3. 前記封止樹脂は、蛍光体を含有している
   ことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ発光装置。
4. 前記ＬＥＤダイは、周囲をダム材で囲まれ、
   前記封止樹脂は、前記ダム材が囲んだ領域に充填されている
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のＬＥＤ発光装置。