JP3158994U

JP3158994U - 回路基板

Info

Publication number: JP3158994U
Application number: JP2009007732U
Authority: JP
Inventors: 仲燮宋; 経坡千
Original assignee: 株式会社Ｋｓ
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2019-10-29

Abstract

【課題】個別的に熱放出構造を製作するよりは製造工程が簡単で製造効率を向上させ得る発光素子用ＰＣＢ基板の構造を提供する。
【解決手段】基板２００の上面全体にわたって平面的に放熱板２１０を形成する。隣接した発光素子２３０、２３０の間で放電が発生せぬよう、放熱板２１０とリード線パターン２２０間に薄い絶縁膜２４０を構成する。最も重要な特徴は、基板２００の上面全体にわたり放熱板２１０が設けてある点である。発光素子２３０が作動して発生した熱は、広い面積の放熱板２１０全体に広がり、その次に基板２００全体にわたって伝導し、外気へと放出されることになる。従って、熱放出効率が従来より格段に向上する構造となっている。
【選択図】図２

Description

本考案は、電子素子のパッケージング用の例えばＰＣＢ製の回路基板に関するもので、詳細には基板に実装する、例えば光素子や電子素子の作動時、発生する熱をすばやく放出できると共に、光素子を実装する場合にはその放射光の可用性を極大化できるように構成した回路基板の構造に関する。

一般的に光素子や電子素子等は作動時に、内部抵抗等により相当な熱を発生する。その代表的なものがコンピュータのＣＰＵである。コンピュータのＣＰＵのように狭い面積内で強烈な熱を発する素子には、別途に専用冷却手段を配して稼動させるのが通例である。

もちろん、ＣＰＵ以外の基板に取り付ける素子からも作動時には熱が出る。したがって、基板自体の放熱問題を解決することが相当に重要な技術として浮かびあがってきている。

このような問題は、特に最近いろんな応用分野で使用量が多くなって来た発光素子の場合は、配列、配置（アレイ：ａｒｒａｙ）構造を採択、導入するので、いっそう深刻に考慮すべき問題となっている。

化合物半導体から生まれた発光素子はその製造技術が急ピッチに発達して来ており、今では携帯電話や多様な家電製品の光源として使用されており、さらには適切な照度をもつ一般照明用ランプまで広がりつつある。特に、照明用灯に採用すると、従来の白熱灯や水銀蛍光灯の光源よりエネルギー消費の面で優れるとともに、寿命も長いため、省エネルギー性を高め得る。

発光素子を照明用光源として使用するには、単位面積あたり数千カンデラ（ｃｄ）の輝度が必要であるが、もちろん１つの発光素子チップでそのような輝度の光を出すのは不可能である。そのため、一般的には多数個の発光素子を配列した構造、例えばＬＥＤアレイを構成し、必要とする輝度を得ている。

従来のＬＥＤアレイのような発光素子の配列構造を構成する時の問題点としては、各々の発光素子から放射される光が熱エネルギーとして失われることなく最大限光り活用する課題と発光素子からでる熱をいかに効率よく大気中に放出するかの問題であった。

図１は従来の印刷回路基板に発光素子アレイを実装した断面構造を示す。ただし、表面保護膜等の本考案と直接的な関係がない構造は省略してある。

図１に示す構造は、ＰＣＢ製の基板１３０上に、印刷等の手法により、銅線などのリード線パターンが形成してあり、その上部に高輝度発光可能な発光素子チップ１１０が設けてある。この印刷されたリード線上に発光素子チップ１１０を設けてあると、発光素子チップ１１０が光を放射するときに出る熱の一部１４０が発光素子チップ１１０自体を通じて放熱される。残りの熱１５０は、印刷されたリード線自体から、またはリード線を通じてその下部のＰＣＢ製の基板１３０に伝わり、放熱される。

しかしながらＰＣＢそのものは放熱性の特性が非常に悪いため、基板１３０を通じて放熱される熱量は極めて少ない。従って、発熱量が大きい素子チップを実装した場合には、素子の誤作動が生じやすくなったり、寿命が短くなったりする。そこで、発光素子の動作時の発熱問題を解決するために、パッケージ用印刷回路基板として、熱伝導性が優秀なアルミニウムやアルミナで作られたＰＣＢ代替基板が提示されている。

しかし、アルミニウム基板の場合、熱伝導及び熱放射特性は優れているが、電気伝導率が非常に大きく、割れやすいなどの加工性が劣る等の点など、その他幾つかの制限がある。従来使用されて来たもう一つの方法は、耐熱性および放射効率の向上を考慮した構造を事前に個別に発光素子の製造時に発光素子に取り付け、その後に、このような個々の回路を図１のＰＣＢプリント基板に接続するというものである。

しかし、この構造での製作費用は当然高くなり、製作効率面でも不利であり、しかも発光素子の集着化に支障があり、実際には満足できるような成果を得られなかった。

特開昭６３−３００５８８号公報特開昭６０−２００５４５号公報特開２００２−０３６２１３号公報特開２００３−００００００号公報特開２００２−０７６２１３号公報特開２００２−３１４００４号公報

前述の問題点を解決するためには、本考案は熱放出及び反射効率を極大化した構造をもつ発光素子用ＰＣＢ基板を提供することを目的とする。

本考案はＰＣＢ基板自体に熱放出構造を持たせることで、上述のように個別的に熱放出構造を製作するよりは製造工程が簡単で製造効率を向上させ得る発光素子用ＰＣＢ基板の構造を提供することも目的とする。

また本考案は、発光素子が実装されるＰＣＢ基板面の反対面に熱放出構造を持つ発光素子用ＰＣＢ基板の構造を提供することをも目的とする。

さらに本考案は、熱放出効果が優れる電気電子回路用ＰＣＢ基板の構造を提供することをも目的とする。

本考案の請求項１に係る回路基板は、上記目的を達成するために、基板材の一の面に、素子に電流を供給するリード線を設けた回路基板において、金属材からなり前記素子が発生させた熱を受け取って大気に放出するための放熱層を前記一の面の全面にわたって設けてなることを特徴とする。

同請求項２に係るものは、請求項１の回路基板において、前記放熱層と前記リード線間を電気的に絶縁するための絶縁層を設けてなることを特徴とする。

同請求項３に係るものは、請求項１または２の回路基板において、前記素子が光素子であり、前記放熱層と該光素子間で前記放熱層の全面にわたって形成されて前記光素子が発生させた光を反射する反射層を有することを特徴とする。

同請求項４に係るものは、請求項１から３のいずれかの回路基板において、前記基板材の前記一の面の反対側の他の面全体にわたって金属材からなる放熱層を備えるとともに、前記一の面側の放熱層と前記他の面側の放熱層を前記基板に形成した複数個のビアホールを介して互いに物理的に接続させてなることを特徴とする。

同請求項５に係るものは、請求項１から３のいずれかの回路基板において、前記他の面側の放熱層の表面における放熱面積を増やすための複数個個の凹凸部を前記基板材の前記一の面の反対側の他の面に形成してなることを特徴とする。

同請求項６に係るものは、請求項１から４のいずれかの回路基板において、前記絶縁層が、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末のうちの少なくともどの一つ以上の物質を含んで形成されてなるものであることを特徴とする。

同請求項７に係るものは、請求項３から６のいずれかの回路基板において、前記素子は光素子であり、前記一の面側の放熱層を不導体放熱層として形成し、該不導体放熱層と前記光素子間にて前記不導体放熱層全体にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を備えてなることを特徴にする。

同請求項８に係るものは、請求項７の回路基板において、前記不導体放熱層が前記光素子が生成する光に対して透明であり、該不導体放熱層と前記基板材との間に該基板材全面にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を形成してなることを特徴とする。

同請求項９に係るものは、請求項７または８のいずれかの回路基板において、前記回路基板の前記他の面全体にわたって第２の不導体放熱層を備え、前記一の面側の第１の不導体放熱層と該他の面側の第２の不導体とを、前記基板罪に形成された複数個のビアホールを介して互いに物理的に接続させてなることを特徴とする。

請求項１０に係るものは、請求項７から９のいずれかの回路基板において、前記絶縁層はエポキシの中に前記窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層であることを特徴にする。

請求項１１に係るものは、請求項７から９のいずれかの回路基板において、前記絶縁層はシリカの中に前記窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層であることを特徴にする。

同請求項１２に係るものは、請求項４から１０のいずれかの回路基板において、前記一の面の反対側の他の面全体にわたって金属材からなる放熱層を備えるものにおいて、前記放熱層は窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、銀微粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を含んで形成されてなること特徴とする。

同請求項１３に係るものは、請求項１０から１２のいずれかの回路基板において、前記絶縁層は２以上の多層構造からなることを特徴とする。

同請求項１４に係るものは、請求項３から１３のいずれかの回路基板において、前記発光素子がＬＥＤまたは発光ダイオードであり、これらを直列、並列、あるいは直並列混合させて配列してアレイを構成してなることを特徴とする。

なお本願において、第１面というのは基板のどちらの片面を意味するもので後述する第２面に対向される面を指す。

本考案は、素子が実装される基板自体に全面的な放出層の構造を設けることで、個別に素子に放出構造を形成する従来の技術に比べ、熱放出面積を増加させ、より効果的な熱放出を可能とし、従来よりも素子の集着度及び作動電流と安定性を格段に向上させ得る。

また本考案は、特に発光素子に応用される場合は、放熱層と反射層を共に構成することにより、個別に素子に放出構造を形成する従来の技術に比べ、その生産性と作動効率を高めることができる。

さらに本考案は、金属材料で基板本体が形成された場合の熱放出構造を提示し、金属材料基板と、その上部の絶縁層を利用して基板自体の熱伝導率を高め、さらに素早く熱放出させ得る。

従来のＰＣＢ基板構造を示す断面図本考案の第１実施例のＰＣＢ基板構造を示す断面図ビアホールが形成された本考案の第２実施例のＰＣＢ基板構造を示す断面図ビアホール及び凹凸が形成された本考案の第２実施例の変形例の基板構造を示す断面図反射膜が形成された本考案の第３実施例のＰＣＢ基板構造を示す断面図反射膜やビアホールが形成された本考案の基板構造を示す断面図（ａ）と、反射膜、ビアホール及び凹凸が形成された本考案の第４実施例の基板構造を示す断面図（ｂ）図６の構造にビアホールが形成された本考案の第５実施例の他の変形例の基板構造を示す断面図（ａ）、同凹凸が形成された本考案の基板構造を示す断面図（ｂ）絶縁層、放熱層が形成された本考案の第５実施例の基板構造を示す断面図絶縁層、放熱層及び反射層が形成された本考案の第５実施例の変形例の基板構造を示す断面図各種の光素子に本考案の基板を応用した形態を本考案の第６実施例として示す模式的断面図であり、メサ構造を持つ発光素子のフリップチップボンディング構造（ａ）、リード線がチップ下部に存在しない形態でチップ側面に配置されるタイプの構造（ｂ）、そしてメサ構造を持つレーザー素子のフリップチップボンディング構造（ｃ）を示す図各種電気素子に本考案のＰＣＢ基板を応用した形態を本考案の第７実施例として示す模式図本考案の第８の実施例である両面実装タイプの基板構造を示す断面図本考案の第９の実施例である金属材で基板本体が形成された構造を示す断面図エポキシ層で作られた絶縁層を持つ本考案の第１０の実施例である基板構造を示す断面図二重層で作られた絶縁層を持つ本考案の第１１の実施例である基板構造を示す断面図図１３の構造において下部に放熱板が追加された本考案の第１２の実施例である基板構造を示す断面図金属材からなる基板全体を囲むように形成された絶縁層を持つ本考案の第１３の実施例である基板構造を示す断面図図１３の構造において基板下部に凹凸部分を持つ本考案の第１４の実施例である基板構造を示す断面図図１６の構造において基板下部の絶縁層間の接触面積を増やすために基板下部に凹凸部分を形成した本考案の第１５の実施例である基板構造を示す断面図図１９の構造において下部の放熱層が２つの多重層に形成された本考案の第１５の実施例の変形例である基板構造を示す断面図図１７の構造において基板下部の凹凸部分及び二重放熱層構造に構成された本考案の第１６の実施例である基板構造を示す断面図

前述の問題点を解決するためには、本考案は、個別的な発光素子それぞれに発熱構造などを設置する代わりに、パッケージ用ＰＣＢ印刷回路基板自体に発光素子の発熱問題や発光性の極大化を可能にする構造を予め備えるようにし、そのようなＰＣＢ基板に、追加的な措置なしに多数個の発光素子を設計の通り表面実装してパッケージできるようにする。

以下、添付された図面を参照して本考案の望ましい幾つかの実施例について詳細に説明する。

図２は本考案の第１の実施例の断面図である。本実施例は、基板２００の上面全体にわたって平面的に設けた放熱板２１０が熱伝導性を有する電気的導体である金属材製等とした場合、隣接した発光素子２３０、２３０の間で放電が発生するおそれがあるので、放熱板２１０とリード線パターン２２０間に薄い絶縁膜２４０を追加して構成してある。なお図２ならびに以下の各図において基板の両端は図示の便宜上切断して描いてあるが、当業者であれば容易に想到し得るように、基板の一部を拡大して示したものであることと共に、放熱板や絶縁膜などが各々２次元的な層になってあることが理解できる。

本実施例で、最も重要な特徴は、基板２００の上面全体にわたり放熱板２１０が設けてある点である。即ち、発光素子２３０が作動し、発生する熱がよく伝わらない従来のＰＣＢ基板の下部、あるいは相対的に狭い銅のリード線２２０だけに通じて放熱せれるのではなく、発生した熱は広い面積の放熱板２１０全体に広がり、その次に基板２００全体にわたって伝導し、外気へと放出されることになる点である。従って、熱放出効率が従来より格段に向上する構造となっている。

特に従来は熱の放出にほとんど寄与出来なかった発光素子２３０、２３０の間の部位２５０でも熱放出ができるので、隣接して位置する発光素子２３０等を相対的に素早く冷却させることができる。このような冷却は熱の累積の問題の解消とともに素子の集積度および作動電流を向上させるのに相当重要な条件で、この構造を持つ本考案を利用すると高集積化された発光素子の配列製作が可能となり、輝度を高めることができる。

なお前記放熱板２１０はアルミニウム、銅など電気および熱伝導度が秀れた金属材で作ることが望ましい。また、前記絶縁膜また絶縁層２４０は約５μｍ〜３０μｍの厚みの熱伝導性に秀れたエポキシフィルム、熱硬化性樹脂、紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂などで作ることが望ましい。

図３は、ビアホール３１０がＰＣＢ基板３００に具現化された本考案の第２の実施例を示す断面図である。ビアホールとは一般的に半導基板に穿孔された形態の穴を言い、本考案でもそのような構造を採用できるが、本実施例ではＰＣＢ基板３００のところどころにこの穿孔穴相当部分（以上及び以下においてビアホール３１０と言う）が形成されて、このビアホールを通じて上部の放熱板３２０−Ａと下部の放熱板３２０−Ｂが互いに物理的につながっている。これは、面積が制限されるＰＣＢ基板において放熱面積を２倍に広げる効果を奏するので、熱放出効率も比例的に向上され得る構造である。

なお、ＰＣＢ基板３００上部の発光素子２３０および絶縁膜２１０は図２に示した実施例と同一ないし類似であるので重複する説明は省略する。

この実施例のように、ビアホール通じて上部の放熱層３２０−Ａが下部の放熱層３２０−Ｂにつながっている場合、上部の放熱層３２０−Ａからかつては放出され得なかった熱でも、熱勾配により迅速に下部の放熱層３２０−Ｂ方向に向かい、放熱層全体に広がりながら放熱される。従って、制限された面積のＰＣＢ基板において放熱面積を２倍に広げる効果を奏し、熱放出効率も比例的に向上させ得る構造となる。

図４は図３の実施例の変形例を示す断面図で、図３で示した基板３００の下部での放熱面積を増加させるため、基板３００の下部の放熱層３２０−Ｂに凹凸部分４１０を多数形成した構造を示すものである。このような凹凸構造の断面形状は、図示した四角形のもの以外にも、三角形、半円形等々種々の形状を採用可能であり、単位面積あたりの放熱量を大きくできる。

すなわち発光素子２３０の活性層から発生した光の一部は発光素子２３０の側面または底面方向に向かうが、この光を反射させないと素子の劣化と寿命に深刻な影響を与えることがある。また、このような光は素子の輝度向上には寄与できないので、これを発光面前面部に反射させ、発光素子全体として光放射効率を向上させる必要がある。したがって、この反射膜または反射層は発光素子にて必要な構造であると言える。

図５は前述した放熱板および絶縁膜以外に反射膜５２０を発光素子２３０の下部と基板５１０上部との間に追加的に備えた本考案の第３の実施例の断面図である。絶縁膜５３０および放熱板５４０は前述した実施例と同一または類似であるが、絶縁膜５３０は発光素子の光に対し透明でればあるほど好ましい。

すなわち本実施例の反射膜５２０は、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、光を高率で反射させるための染料などをスパッタリング、ＣＶＤ、スプレー塗膜あるいは電気メッキで放熱板５４０上に蒸着等して形成する。このように反射膜を予め形成してあるＰＣＢ基板５１０上には特別な構造物を持たない発光素子２３０自体だけ配置する。そのため、充分に高い反射性および熱放出効果を得ることができる。また、従来のように個別に発光素子に放熱構造または反射層構造を構成する必要がないので、製造効率及び集積度を高められて高輝度アレイの実現が可能になる。

なお一般的に、発光素子の活性層から発生した光りの一部は素子の側面または底面方向に向かうがこの光を反射させないと素子の劣化と寿命に深刻な影響を与えることがあることは既述の通りである。また、このような光は素子の輝度向上に寄与できないので、これを発光面前面部に反射させ、素子として全体的に光の放射効率を向上させる必要があるので、この反射膜または反射層は発光素子において必要な構造と言える。

図６（ａ）および図６（ｂ）は前述した図５の実施例のように反射膜６００と絶縁膜６３０を持つ基板６１０に、図３および図４の例のようにビアホール構造に凹凸部分６３０を形成した構造を有する本考案の第４実施例を示す断面図である。本実施例も放熱効果を高め得るものである。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示した実施例の他の変形例を示す断面図である。窒化アルミニウム微粉末を分散させたエポキシ膜だけを放熱板・絶縁膜として使用する場合にも、図３、図４の実施例のようにビアホール構造及びビアホール凹凸構造を共に形成させるのは当然なことであり、また、前述したすべての実施例で絶縁膜の代わりにこの窒化アルミニウム微粉末を分散させたエポキシ膜を電気的絶縁膜として使用可能である。これらの場合は、可視光線領域に対する高透過率が優れてあるためともに構成すると有用である。反射膜と共に構成する場合、反射膜はこの窒化アルミニウム微粉末を分散させたエポキシ膜の底面に構成することができる。

また、窒化アルミニウム膜だけで前記放熱板・絶縁膜を形成することができるが、この場合窒化アルミニウム膜は可視光線に対し不透明である。よって反射膜は、窒化アルミニウム膜の上、即ち発光素子及びリード線と窒化アルミニウム膜の間に形成される。

図８は熱伝導性が優秀でありながらも同時に不導体性質を持つ単一膜放熱板および絶縁板の機能を共に備える本考案の第５の実施例を示す断面図である。以下では、前記不導体放熱層を絶縁層・放熱層と言う。

熱伝導度が優れながらも電気的に不導体であれば、前述の実施例のように絶縁膜と放熱板は別に構成する必要はなく、一つの層で二つの機能を同時に遂行することができるので、工程効率と素子の作動安定性を向上させることができる。そのため、図８の実施例では伝導性リードパータン７１０とＰＣＢ基板７２０間に放熱板および絶縁膜の機能を果たせる高い熱伝導性の不導体膜７３０が形成してある。この高熱伝導性・不導体膜７３０は、電気絶縁性および熱伝導性に優れる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）微粉末をエポキシに分散させ固形化させた膜を使用可能である。

この場合、この高熱伝導性・不導体膜の熱伝導度はほぼ窒化アルミニウムと同じで、窒化アルミニウム粉末等が不導体であるエポキシに囲まれているために電気絶縁性を持つことになる。なお、絶縁層・放熱層７３０の材料としては、上述したものの他に、窒化ボロン（ＢＮ）、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム、炭素チューブ（ＣＴＮ）、ダイアモンド粉末、あるいはこれらを適切に混合して薄膜層を作ることができるものを採用できる。

図９は、図８に示した実施例の変形例を示す断面図である。上述した窒化アルミニウムの微粉末が分散されたエポキシは、その物自体が透明で、かつ窒化アルミニウムのバンドギャップが大きいので、上部の発光素子２３０からの可視光線はほとんど吸収しない。従って、図８に示すように、基板８２０上に、窒化アルミニウム粉末を分散させたエポキシ膜８１０下部に配した発光素子２３０の光を上部面に反射させる反射膜８３０を有する構成とすると、窒化アルミニウム粉末を分散させたエポキシ基材を通過した光はほとんど吸収されることなく反射されるので、反射膜の効果を高めることができる。

なお以上説明した構造では、発光素子を用いる場合を例にとって説明したが、その他の一般的なあるいは特殊な電子素子についても前記した本考案の構造を使用できるのは当然であり、本考案は図示し、上述した構成に限定されない。もちろん発光素子を用いない場合には、前記反射層８３０は不要である。

図１０は、各種の光素子に本考案の基板を応用した形態の基板構造を示す断面図であり、図１０（ａ）はメサ構造を持つ発光素子のフリップチップボンディング構造を、図１０（ｂ）はリード線がチップ下部に存在しない形態でチップ側面に配置されるタイプの構造を、そして図１０（ｃ）はメサ構造を持つレーザー素子のフリップチップボンディング構造を示す。すなわち本考案は、前述した実施例のように表面実装型（ＳＭＤ）の発光素子にも応用可能であるが、その他にもこれら図１０（ａ）〜（ｃ）からわかるように多様な発光素子およびレーザー素子にも使用可能である。

すなわち、図１０（ａ）のようなメサ構造を持つ発光素子のフリップチップボンディング構造１０１０、図１０（ｂ）の発光素子のようにリード線がチップ下部に存在しない形でチップの側面に配置される発光素子１０２０においても本考案の構造をそのまま使用可能である。また、図１０（ｃ）のようにメサ構造を持つレーザー素子１０３０のアレイ構造でも本考案の放熱板構造を使用可能であるから、本考案はこのような発光素子（ＬＥＤ）とレーザーダイオド（ＬＤ）を含む発光素子全体に応用して使えることがわかる。図中１０００が反射膜、１０４０が絶縁膜、１０５０が基板である。

さらに、本考案の応用としてはこのような光素子だけではなく、熱放出が必要とする様々な電気電子回路用ＰＣＢ基板の応用が可能になる。このような回路用ＰＣＢ基板に本考案を応用する場合、図１１に示すように、ＰＣＢ基板１１１０の１つの面上に形成されたリード線パターン１１２０上に素子１１３０を形成するか、あるいはリード線パターン１１４０側面に素子１１５０を形成する場合にも本考案の前述の実施例のように基板前面にわたって形成した放熱板１１６０及び絶縁膜１１７０を利用すると効果的な熱の放出が可能になる。参考のため、図１１は便宜上２つ以上の異なる素子構造を１つの基板に表した図としてある。なお、この図１１の回路用ＰＣＢ基板に前述したビアホール構造及びビアホール凹凸構造が使用可能なのは当然である。そして前述した放熱板１１６０が前述した窒化アルミニウム膜または窒化アルミニウム微粉末が分散されたエポキシ膜であれば、金属板を使用する場合と違い、前記絶縁膜１１７０が不要となるのは前述した場合と同様である。

図１２は本考案の第８の実施例を示したもので、この例は両面基板に素子を実装する場合に本考案が応用される形態を示すものである。すなわち、基板１２１０を中心とし両面基板に素子を実装する場合に本考案が応用される形態を示してある。基板１２１０を中心としてその両面に光素子およびリード線１２２０−Ａ、１２２０−Ｂが配置された放熱板１２３０−Ａ、１２３０−Ｂで代表される本考案の構成が示してある。このような構成は、両面で発光する必要がある交通信号機等で使用するのに適する。

図１３は、良好な熱伝導性を持つ金属材料からなる金属基板本体１７００が形成される本考案の第９の実施例を示す断面図である。この実施例では、本考案はプラスチック材料からなる基板を使用せず、金属製の基板を用い、基板の放熱性を向上させている。金属基板本体１７００にはアルミニウムかその合金を用いることが好ましいが、本考案はこれに限定されず、例えば鉄やその他の熱伝導率の高い金属材料であればどのようなものでも使用可能（使用に問題がある材料は当然除く）である。

金属基板本体１７００が金属材であるから、その上部にある銅配線やリード線１７２０などを絶縁するには、基板間に絶縁層を必ず設ける必要がある。既述の実施例と同様に、絶縁層１７１０は電気的に不導体性質を持ちながらも、同時に素子１７３０から発生される熱をすばやく下部に放出しなければならないので、熱伝導性も良いものでなければならない。しかしながら、大半の物質は電気絶縁性と熱伝導性がいつも共に増加するか、減少する性質を持っているため、本考案で必要とする、基板自体を金属材料にして絶縁しながら同時に熱放出効率が向上する絶縁層・放熱層を創出することは難しかった。

そこで本考案では、前記絶縁層・放熱層として、熱伝導性が良く、同時に電気を通さない窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層をつくり、従来の限界を克服した。前記絶縁層をなす窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層は、電気的に不導体でありながらも、同時に良い熱伝導性を持つ。

一つの実験例を示す。窒化チタニウム（ＴｉＮ）：７０重量％と炭素チューブ（ＣＴＮ）３０重量％をＣＶＤ工程で１〜１００μｍの厚さで蒸着させた場合、優れた熱伝導の特性と不導体性質が現われることを確認した。前記絶縁層１７１０の他の例としては、窒化ボロン粉末、窒化チタニウム粉末、窒化アルミニウム粉末、炭素チューブ粉末、ダイアモンド粉末、銀微粉末、またはこれらの合金粉末、あるいは混合粉末がエポキシや液状シリカ内に混在する形態としても使用することができる。

図１４は、エポキシ層で作られた絶縁層を持つ本考案の第１０の実施例である基板構造を示す断面図である。具体的には、この図は、エポキシ層１８００に前記材料１８１０を粉末状にして混在されてある模様を模式的に示す図で、エポキシ層１８００と液状シリカはそれ自体が不導体であるため、その内部に前記粉末状の材料１８１０が混在すると、粉末材料１８１０自体が不導体であり、また電気的に導通できる経路が形成されないため、電気的に不導体の性質を呈する。また、混在させた粉末粒子間の平均距離を極めて短くすることで、素子が発する熱を粉末状材料の間を通して素早く基板の下部に放出できる構造になっている。これを図中に矢印で示してある。なお参考までに、前記粉末状材料は微粉末であることが好ましいことは勿論である。その結果、図１４に示す構造は、全体として不導体ながらも同時に熱伝導性が優秀な基板として作用できるものとなる。

図１５は、前記絶縁層が二重層で作られた絶縁層を持つ本考案の第１１の実施例である基板構造を示す断面図である。この二層の絶縁層１９１０、１９２０の一層目の絶縁層１９１０は、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層であり、異なる層である第２の絶縁層１９２０は、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層であって、前記第１の絶縁層１９１０に使用されない物質からなる層である。

即ち、図１５の実施例は窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層中で、互いに異なる物質で形成した二つの層１９１０、１９２０を中間絶縁層として使用し、基板の絶縁性をさらに向上させ得る構造となっている。

図１６は、図１３の構造において下部に放熱板が追加された本考案の第１２の実施例である基板構造を示す断面図である。この実施例は、基板下部に熱放出特性が優れる第２放熱層を追加して備えた構造を有する。すなわち下部の第２放熱層２０００は上部の絶縁層１９１０、１９２０のように、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層を適切に混合した薄膜層をそのまま使用できるが、これらは物質が持つ熱伝導性が優秀であるからである。下部絶縁層２０００は必ずしも二層である必要はないので、１層だけで具現化し得る。

図１７は、金属材からなる基板全体を囲むように形成された絶縁層を持つ本考案の第１３の実施例である基板構造を模式的に示す断面図である。本実施例は、金属基板本体１７００全体を取り巻く１つの絶縁層・放熱層２１１０を持つものである。絶縁層・放熱層２１１０は金属基板保体１７００全体を側面まで覆っているが、このような構造はメッキやスプレイ・コーテイングなどで簡単に具現化できるという長所を持つ。即ち、複雑な真空蒸着工程等を施さなくても具現化でき、生産性を高め得る。

絶縁層・放熱層２１１０も、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層をその材料として使うことができる。

図１８は、図１３の構造において基板下部に凹凸部分を持つ本考案の第１４の実施例である基板構造を示す断面図である。本実施例は、金属基板本体１７００の下面に放熱のために凹凸部分２２１０を設けてある。凹凸部分２２１０の機能及び効果は先の実施例と同様であるので重複する説明は省略するが、凹凸部分２２１０は、金属基板本体１７００に別途で設ける形態と、基板本体に一体に設ける形態に大別される。凹凸部分２２１０を金属基板本体１７００と別途に作る場合は、熱伝導性が高い材質を選ぶが、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、またはこれらを適切に混合した薄膜層を利用して凹凸形態を別途に製作した後、これを金属基板本体１７００の下部に付着させる方法でも可能である。金属基板本体１７００と凹凸部分２２１０が一体型の場合は、プレス等で金属基板本体１７００に凹凸形状を形成する方式でも作り得る。また、金属基板本体１７００の下部を乾式、あるいは湿式方式でエッチングして凹凸を形成する方式も採用できる。当業者であれば種々適宜の方法を選択可能であろう。

図１９は、図１６の構造において基板下部の絶縁層間の接触面積を増やすために基板下部に凹凸部を形成した本考案の第１５の実施例である基板構造を示す断面図である。本実施例は、凹凸部分２３２０が下部の放熱層２３１０と一体型され例である。熱伝導度が優れる下部放熱層２３１０と金属基板本体１７００との接触面積を増大させるための凹凸構造となっている。

図２０は、図１９の構造において下部の放熱層が２つの多重層に形成された本考案の第１５の実施例の変形例である基板構造を示す断面図である。すなわち、図１９の構造よりさらに熱放出性を高めるために下部の放熱層２３１０、２４１０を二重に構成してある。第１放熱層２３１０と第２放熱層２４１０の構成物質は各々窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、銀微粉末のうち、どれか一つ以上を含んだものである。これら第１放熱層２３１０と第２放熱層２４１０は、互いに異なる物質を用いて異なる組成で構成することもでき、その形状も物質自体の層構造も、例えば各粉末物質がエポキシ膜、あるいはシリカ膜等の中に分散された形態で構成するなど種々の形態で構成できる。

図２１は、図１７の構造において基板下部の凹凸部分及び二重放熱層構造に構成された本考案の第１６の実施例である基板構造を示す断面図であり、図１７の構造に加え、上下部分にそれぞれ二重の放熱層が形成され、凹凸部分が下部に形成された構造である。各層は機能や製造に用いる物質、方法などは前述した実施例と同じか類似であるので重複する説明は省略する。

なお前述した実施例でも、基板の上下部の放熱層、絶縁層は２つ以上の多重層で構成することができる。また、本考案の上述した種々の実施例にて説明した構成等は互いに組み合わせて多様な形態で使用、採用することができる。

本考案は、この発光素子用基板にはＳＭＤ（表面実装部品：ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）構造やフリップチップボンディング構造が含まれるし、個別発光素子だけではなく、発光素子アレイの形態にも使用可能であり、したがって、特に光素子および発光素子が密集して配置される発光素子用基板に使用できる。

２００：基板
２１０：放熱板
２２０：リード線パターン
２３０：発光素子
２４０：絶縁膜
２５０：素子間の部位
３００：ＰＣＢ基板
３１０：ビアホール
３２０−Ａ、３２０−Ｂ：放熱板
３３０：基板
４１０：凹凸部分
５１０：基板
５２０：反射膜
５３０：絶縁膜
５４０：放熱板
６００：反射膜
６１０：基板
６３０：凹凸部分
７１０：伝導性リードパータン
７２０：ＰＣＢ基板
７３０：高熱伝導性・不導体膜
８１０：エポキシ膜
８３０：反射膜
１０００：反射膜
１０１０：フリップチップボンディング構造
１０２０：発光素子
１０３０：レーザー素子
１０４０：絶縁膜
１０５０：基板
１１１０：ＰＣＢ基板
１１２０：リード線パターン
１１３０：素子
１１４０：リード線パターン
１１５０：素子
１１６０：放熱板
１１７０：絶縁膜
１２１０：基板
１２２０−Ａ、１２２０−Ｂ：リード線
１２３０−Ａ、１２３０−Ｂ：放熱板
１７００：金属基板本体
１７１０：絶縁層
１７２０：リード線
１７３０：素子
１８００：エポキシ層
１８１０：粉末状の材料
１９１０、１９２０：絶縁層
２０００：第２放熱層
２１１０：絶縁層・放熱層
２２１０：凹凸部分
２３１０：放熱層
２３２０：凹凸部分
２４１０：放熱層

同請求項３に係るものは、請求項２の回路基板において、前記絶縁層が、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末のうちの少なくともどの一つ以上の物質を含んで形成されてなるものであることを特徴とする。

同請求項４に係るものは、請求項２の回路基板において、前記絶縁層はエポキシの中に前記窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層であることを特徴とする。

同請求項５に係るものは、請求項２の回路基板において、前記絶縁層はシリカの中に前記窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層であることを特徴とする。

同請求項６に係るものは、請求項２から５のいずれかの回路基板において、前記素子が光素子であり、前記放熱層と該光素子間で前記放熱層の全面にわたって形成されて前記光素子が発生させた光を反射する反射層を有することを特徴とする。

同請求項７に係るものは、請求項２から５のいずれかの回路基板において、前記素子は光素子であり、前記一の面側の放熱層を不導体放熱層として形成し、該不導体放熱層と前記光素子間にて前記不導体放熱層全体にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を備えてなることを特徴にする。

同請求項８に係るものは、請求項６または７の回路基板において、前記光素子がＬＥＤまたは発光ダイオードであり、これらを直列、並列、あるいは直並列混合させて配列してアレイを構成してなることを特徴とする。

同請求項９に係るものは、請求項７または８のいずれかの回路基板において、前記不導体放熱層が前記光素子が生成する光に対して透明であり、該不導体放熱層と前記基板材との間に該基板材全面にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を形成してなることを特徴とする。

請求項１０に係るものは、請求項７から９のいずれかの回路基板において、前記回路基板の前記一の面の反対側の他の面全体にわたって第２の不導体放熱層を備え、前記一の面側の第１の不導体放熱層と該他の面側の第２の不導体とを、前記基板材に形成された複数個のビアホールを介して互いに物理的に接続させてなることを特徴にする。

請求項１１に係るものは、請求項２から１０のいずれかの回路基板において、前記絶縁層は２以上の多層構造からなる層であることを特徴にする。

同請求項１２に係るものは、請求項１の回路基板において、前記基板材の前記一の面の反対側の他の面全体にわたって金属材からなる放熱層を備えるとともに、前記一の面側の放熱層と前記他の面側の放熱層を前記基板に形成した複数個のビアホールを介して互いに物理的に接続させてなること特徴とする。

同請求項１３に係るものは、請求項１の回路基板において、前記基板材の前記一の面の反対側の他の面全体にわたって金属材からなる放熱層を備えるものにおいて、前記放熱層は窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、銀微粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を含んで形成されてなることを特徴とする。

同請求項１４に係るものは、請求項１２または１３の回路基板において、前記他の面側の放熱層の表面における放熱面積を増やすための複数個の凹凸部を前記基板材の前記他の面に形成してなることを特徴とする。

同請求項４に係るものは、請求項２の回路基板において、前記絶縁層はエポキシの中に窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層であることを特徴とする。

同請求項５に係るものは、請求項２の回路基板において、前記絶縁層はシリカの中に窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層であることを特徴とする。

同請求項９に係るものは、請求項７の回路基板において、前記不導体放熱層が前記光素子が生成する光に対して透明であり、該不導体放熱層と前記基板材との間に該基板材全面にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を形成してなることを特徴とする。

Claims

基板材の一の面に、素子に電流を供給するリード線を設けた回路基板において、
金属材からなり前記素子が発生させた熱を受け取って大気に放出するための放熱層を前記一の面の全面にわたって設けてなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項１の回路基板において、
前記放熱層と前記リード線間を電気的に絶縁するための絶縁層を設けてなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項１または２の回路基板において、
前記素子が光素子であり、
前記放熱層と該光素子間で前記放熱層の全面にわたって形成されて前記光素子が発生させた光を反射する反射層を有する、
ことを特徴とする回路基板。
請求項１から３のいずれかの回路基板において、
前記基板材の前記一の面の反対側の他の面全体にわたって金属材からなる放熱層を備えるとともに、
前記一の面側の放熱層と前記他の面側の放熱層を前記基板に形成した複数個のビアホールを介して互いに物理的に接続させてなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項１から３のいずれかの回路基板において、
前記他の面側の放熱層の表面における放熱面積を増やすための複数個個の凹凸部を前記基板材の前記一の面の反対側の他の面に形成してなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項１から４のいずれかの回路基板において、
前記絶縁層が、窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末のうちの少なくともどの一つ以上の物質を含んで形成されてなるものである、
ことを特徴とする回路基板。
請求項３から６のいずれかの回路基板において、
前記素子は光素子であり、
前記一の面側の放熱層を不導体放熱層として形成し、
該不導体放熱層と前記光素子間にて前記不導体放熱層全体にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を備えてなる、
ことを特徴にする回路基板。
請求項７の回路基板において、
前記不導体放熱層が前記光素子が生成する光に対して透明であり、
該不導体放熱層と前記基板材との間に該基板材全面にわたって、前記光素子から発生した光を上部に反射させる反射層を形成してなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項７または８のいずれかの回路基板において、
前記回路基板の前記他の面全体にわたって第２の不導体放熱層を備え、
前記一の面側の第１の不導体放熱層と該他の面側の第２の不導体とを、前記基板罪に形成された複数個のビアホールを介して互いに物理的に接続させてなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項７から９のいずれかの回路基板において、
前記絶縁層はエポキシの中に前記窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層である、
ことを特徴にする回路基板。
請求項７から９のいずれかの回路基板において、
前記絶縁層はシリカの中に前記窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を粉末状態で分散させてなる層である、
ことを特徴にする回路基板。
請求項４から１０のいずれかの回路基板において、
前記一の面の反対側の他の面全体にわたって金属材からなる放熱層を備えるものにおいて、
前記放熱層は窒化ボロン、窒化チタニウム、窒化アルミニウム、炭素チューブ、ダイアモンド粉末、銀微粉末の中、少なくとも一つ以上の物質を含んで形成されてなる、
こと特徴とする回路基板。
請求項１０から１２のいずれかの回路基板において、
前記絶縁層は２以上の多層構造からなる、
ことを特徴とする回路基板。
請求項３から１３のいずれかの回路基板において、
前記発光素子がＬＥＤまたは発光ダイオードであり、これらを直列、並列、あるいは直並列混合させて配列してアレイを構成してなる、
ことを特徴とする回路基板。