JP3884057B2 - 発光素子実装用基板、発光モジュール及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を複数個実装するための発光素子実装用基板に関し、特に、照明などの用途で、高密度に発光素子を実装した場合に放熱性を確保しつつ別途に配線の引き回しをせずに基板内の導電層のみで複数の発光素子に給電が可能な発光素子実装基板及び該基板に発光素子を実装した発光モジュール及び該発光モジュールを有する照明装置に関する。

ＬＥＤなどの発光素子を基板に実装した発光モジュールを照明などの用途に使用する場合、１個の発光モジュールでは照明用光源として十分な明るさを得ることができないため、多数の発光モジュールを並べて配置することが行われている。この場合、個々の発光モジュールに対してそれぞれ電線をつないだり、あるいは大型の照明装置本体に形成しておいたコネクタに各発光モジュールを接続し、発光モジュールに対して必要な電源を供給していた（例えば、特許文献１参照。）。
またホーロー基板を使った電子回路構成の例としては、例えば、特許文献２，３が提案されている。
特開２００４−５５１６０号公報 特許第８９０８０９号公報 特開平４−８８６９４号公報

ＬＥＤなどの発光素子を基板に実装した発光モジュールを複数個連ねて用いる場合、使用する発光モジュールの数量が２，３個程度であれば、各発光モジュールに対して給電用の配線（電線）を引き回すことは容易である。しかし、より多数の発光モジュールを組み合わせる場合、発光モジュール実装用基板とは別に配線を引き回すのは煩雑であり、コスト上昇を招いてしまう。また、配線が外部から損傷を受けないようにするために、照明装置内部に納める場合、その収納スペースのために照明装置の設計が制限を受けることになる。

また、特にＬＥＤを使用した発光モジュールでは、ＬＥＤ素子の発熱により基板の温度が高くなるため、基板の裏面に配線を取り付けると、配線の絶縁材料の熱劣化を加速する可能性がある。

また、基板の表面に送り用の配線を形成する場合、他の電気回路との兼ね合いがあるため、十分な配線幅を確保するには、基板そのものの幅を広げる必要があり、装置の大型化を招いてしまう問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、放熱性が良く、基板内の配線のみで多数の発光素子を実装でき、しかも別の基板との接続が簡単にでき拡張性に優れた発光素子実装用基板と該基板に発光素子を実装してなる発光モジュール及び照明装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コア金属の表面にホーロー層が被覆されたホーロー基板の外側に、２層以上の導電層と各導電層間に設けられた絶縁層とが形成され、前記ホーロー層側に設けられた導電層は、ホーロー基板の一端から他端まで連通して設けられ、該導電層の長手方向に沿って実装される複数の発光素子に給電すると共に、ホーロー基板の両端に設けられた突出部の表面に該導電層が延設されて他の基板との接続部をなしていることを特徴とする発光素子実装用基板を提供する。

本発明の発光素子実装用基板において、発光素子を実装する導電層のうち、少なくとも発光素子を実装する部分は、コア金属の表面を被覆したホーロー層上に直接形成されていることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板において、前記ホーロー基板に凹部が設けられ、前記導電層のうち外側の導電層が前記凹部内に一部が延出するように形成され、該凹部に形成された導電層上に発光素子実装位置が設けられていることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子実装用基板に、発光素子が実装されてなることを特徴とする発光モジュールを提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る発光モジュールを有する照明装置を提供する。

本発明の発光素子実装用基板は、コア金属の表面にホーロー層が被覆されたホーロー基板の外側に、２層以上の導電層と各導電層間に設けられた絶縁層とが形成され、前記ホーロー層側に設けられた導電層は、ホーロー基板の一端から他端まで連通して設けられ、該導電層の長手方向に沿って実装される複数の発光素子に給電すると共に、ホーロー基板の両端に設けられた突出部の表面に該導電層が延設されて他の基板との接続部をなしている構成としたので、放熱性が良く、別途配線を引き回すことなく基板内の導電層を用いて多数の発光素子を実装でき、しかも別の基板との接続が簡単にでき拡張性に優れた発光素子実装用基板を提供することができる。

また、本発明の発光モジュール及び照明装置は、前記本発明の発光素子実装用基板を用い、別途配線を引き回すことなく基板内の導電体を用いて多数の発光素子を実装したものなので、小型化でき、また安価に提供することができる。しかも基板の接続部を介して別の発光モジュールとの接続が簡単にできるので、縦横に隙間なく多数連結でき、大面積の照明装置を簡単に実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の発光素子実装用基板の一実施形態を示す図であり、図１は発光素子実装用基板１の平面図、図２はこの発光素子実装用基板１における第１の導電層５の形成位置を示す透視図である。
また図３及び図４は、本発明の発光モジュールの一実施形態を示す図であり、図３は、図１に示す発光素子実装用基板１に複数の発光素子８を実装してなる発光モジュール１０の平面図、図４はこの発光モジュール１０の断面図である。

本実施形態の発光素子実装用基板１は、コア金属３の表面に第１のホーロー層４が被覆されたホーロー基板２の外側に、第１の導電層５と第２のホーロー層６と第２の導電層７とが順に積層形成されてなり、第１のホーロー層４上に設けられた第１の導電層５は、図２に示すように、ホーロー基板２の長手方向に沿って平行に２本設けられ、それぞれの第１の導電層５はホーロー基板２の一端から他端まで連通し、この第１の導電層５の長手方向に沿って実装される複数の発光素子８に給電すると共に、ホーロー基板２の両端に設けられた突出部の表面に該第１の導電層５が延設されて他の基板との接続部となる接続用端子１４をなしている。なお、中間部は省略しているが、本実施形態では発光素子８を３０個直列接続する構造としている。

本実施形態の発光素子実装用基板１において、コア金属３の材料としては、表面にホーロー層を強固に形成可能な金属であればよく、特に限定されず、例えば鋼板などが用いられる。また、第１のホーロー層４及び第２のホーロー層６は、ガラス粉末を焼き付けて形成されている。また第１の導電層５及び第２の導電層７は、例えば、スクリーン印刷法などの方法によって所定のパターンに沿って導電性銀ペーストを印刷し焼き付ける方法などによって形成することが望ましい。

本実施形態の発光素子実装用基板１において、図４に示すように、ホーロー基板２には、ホーロー基板２の長手方向に沿って発光素子実装位置となる溝１１（凹部）が設けられている。この溝１１は、２本の第１の導電層５間に設けられ、発光素子実装位置となる底面とテーパ状の壁面とを有している。

本実施形態の発光素子実装用基板１において、最外層の第２の導電層７は、略Ｚ字状をなし、ホーロー基板２の長手方向に沿って複数個が隣接して配置されている。第２の導電層７の一部は、前述した溝１１の底面に延設され、発光素子実装位置を形成している。溝１１内に形成された第２の導電層７は、第１のホーロー層４上に直接設けられており、第２の導電層７の溝１１以外の部分は、２列のうち一方の第１の導電層５上に形成された第２のホーロー層６上に形成されている。また、ホーロー基板２の端近傍に設けられた第２の導電層７はＬ字形をなし、その一部は２列のうち他方の第１の導電層５上に形成された第２のホーロー層６上に形成されている。

第２のホーロー層６には、第１の導電層５に通じる複数の穴が設けられ、これらの穴に厚膜銀ペーストを充填して焼き付けるか、あるいは半田で埋めることによって、上下の導電層を接続するための導電層接続部１２及び１３が形成されている。

ホーロー基板２の両端には、それぞれに正・負電極用の２つの接続用端子１４が突出形成されている。これらの接続用端子１４の表裏面のうち一方又は両方の面には、第１の導電層５が延設されている。第１の導電層５の両端は、基板への給電及び別な基板との接続のための接続用端子１４と電気的に接続されている。

なお、本実施形態では、１列の直列回路用の導電層を設けているが、発光素子８を実装する数量に応じて、基板内部で直列回路を複数形成してもよい。例えば、発光素子を３０個直列に接続したものが２列又はそれ以上ある構造とすることができる。

本実施形態の発光素子実装用基板１は、前記構成としたものなので、放熱性が良く、別途配線を引き回すことなく基板内の導電層５，７を用いて多数の発光素子８を実装でき、しかも別の基板との接続が簡単にでき拡張性に優れている。

次に、図３及び図４を参照して本発明の発光モジュールの一実施形態を説明する。本実施形態の発光モジュール１０は、図１に示す発光素子実装用基板１に複数の発光素子８を実装して構成されている。それぞれの発光素子１は、発光素子実装用基板１の溝１１内に延設された第２の導電層７上、すなわち発光素子実装位置に実装されている。

本実施形態の発光モジュール１０において、発光素子８としてはＬＥＤが好ましい。更に、発光モジュール１０を照明装置に適用する場合、発光素子８としては白色ＬＥＤが好ましい。この白色ＬＥＤとしては、例えば、窒化ガリウム系半導体から作られた青色ＬＥＤと、青色光により励起されて黄色など青色以外の可視光を発する１種又は２種以上の蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤなどを用いることが望ましい。なお、前記蛍光体は、基板に実装した発光素子８を封止するための透明樹脂中に混合、分散させて用いることが望ましい。

本実施形態の発光モジュール１０において、それぞれの発光素子８は、溝１１底面上に延設されている第２の導電層７上に実装されることにより、発光素子８の一方の電極端子が第２の導電層７に電気的に接続され、また発光素子８の一方の電極端子は、金細線などのボンディングワイヤ８によって隣り合う第２の導電層７の端部に電気的に接続されている。ホーロー基板２の長手方向両端に実装された発光素子８のうち、一端側の発光素子８は、ボンディングワイヤ９により一方の導電層接続部１２と接続されている。また、他端側の発光素子８は、Ｌ字形をなす第２の導電層７に実装され、その第２の導電層７は、電流調整及び素子の保護用の調整回路１５を介して、他方の導電層接続部１３に接続されている。これにより、発光素子実装用基板１に実装された複数の発光素子８は、一列に直列接続され、図２に示すように、負電極となる接続用端子１４と正電極となる他方の接続用端子１４間に電圧を印加することで、該基板に実装したすべての発光素子８に給電して発光させることができる。

次に、前述した発光素子実装用基板１及びそれを用いた発光モジュール１０の製造方法を説明する。
まず、コア金属作製用の金属板を用意し、これを長板状に切り出し、さらに機械加工を施して、発光素子実装位置となる溝１１を形成すると共に、接続用端子１４を形成するために両端をコ字状に加工し、コア金属３を作製する。
次に、前記コア金属３を、ガラス粉末を適当な溶媒に分散した液中に浸漬し、近傍に対向電極を配置し、コア金属３と該対向電極間に電圧を印加し、ガラス粉末をコア金属３の表面に電着させる。電着後、液中からコア金属３を引き上げて乾燥し、加熱炉に入れて所定温度域で加熱し、コア金属３の表面にガラス粉末を焼き付け、第１のホーロー層４を形成してホーロー基板２を作製する。
次に、スクリーン印刷などの方法によって図２に示す第１の導電層形成パターンに沿って、ホーロー基板２の一方の面側に厚膜銀ペーストを印刷し、その後焼き付けして第１の導電層５と接続用端子１４を形成する。
次に、前述した第１のホーロー層４の形成の場合と同様に、ガラス粉末を分散した液中に前記基板を浸漬し、第１の導電層５と対向電極間に電圧を印加し、第１の導電層５の表面にガラス粉末を電着させる。この時、導電層接続部１２，１３となる部分は、ガラス粉末を電着させないようにマスクしておくか、或いは電着後にガラス粉末を除去する。この基板を乾燥後、所定温度に加熱してガラスを焼き付けて第２のホーロー層６を形成する。
次に、スクリーン印刷などの方法によって、図１に示す第２の導電層形成パターンに沿って、厚膜銀ペーストを印刷し、その後焼き付けして第２の導電層７と導電層接続部１２，１３を形成する。以上の各工程を行うことで、図１に示す発光素子実装用基板１が得られる。

前記のように作製した発光素子実装用基板１の所定位置にダイボンディングによって発光素子８を実装し、さらに調整回路１５を形成し、ワイヤボンディングによってそれぞれの発光素子と第２の導電層７とを電気的に接続することで、図３に示す発光モジュール１０が得られる。
なお、この後必要に応じて、保護用の樹脂、あるいは、蛍光体を混合、分散させた樹脂を溝１１内に充填、硬化させ、発光素子８を封止する。

本実施形態の発光モジュール１０において、発光素子８は、溝１１内の第１のホーロー層４上に直接延設された第２の導電層７上に実装されているため、発光素子８から発する熱がコア金属３に伝導し易く、放熱性が良好である。また、ホーロー基板２の裏面に導電層や追加のホーロー層は形成されていないため、ホーロー基板２裏面側からの熱伝導による放熱にも影響を与えないと共に、ホーロー基板２裏面には電位が生じないので、金属などの筐体に固定しても安全である。

この発光モジュール１０を実際に使用する場合は、長尺の金属板筐体あるいは構造物に取り付けることが望ましい。例えば、両端部にアダプタを取り付けて、筐体に保持すると共に、アダプタ内で隣同士の基板の電気的接続をとるようにする。このようにして、１０個から数十個の発光モジュールを一列に並べて接続しても単一の電源で一番端のモジュールに対して電源を供給すれば、全てのモジュールに給電可能である。また、第１の導電層５に十分な幅を確保することで、電源から離れたモジュールにも十分に給電でき、電源から離れるに従って暗くなるということはない。

なお、本発明は、前述した実施形態にのみ限定されず、種々の変更や修正が可能である。例えば、発光素子を４列並べ、発光素子列のない部分の下層に第１の導電層５を設けた構成としてもよい。第１の導電層５は２列以上何列であってもよい。また、２次元配列により、単体モジュールを大光量化することもできる。
また、第１の導電層５は、片方の極のみに使用し、他方の極は、コア金属３と電気的接続をとるようにしてコア金属自体を送り線、基板内への給電用配線として利用することもできる。これによって送り線の断面積を多く取ることができる。

この発光モジュール１０は、前記発光素子実装用基板１を用い、別途配線を引き回すことなく基板内の導電体を用いて多数の発光素子８を実装したものなので、小型化でき、また安価に提供することができる。しかも接続用端子１４を介して図示していない別の発光モジュール１０との接続が簡単にできるので、縦横に隙間なく多数連結でき、大面積の照明装置を簡単に実現することができる。また、片端から供給した電力をあまり電圧を落とすことなく隣の発光モジュールに順次送ることで、多数の発光モジュール１０に容易に給電することができる。

厚さ２ｍｍの鋼板を長板状に切り出し、機械加工を施して、発光素子実装位置となる溝を形成すると共に、接続用端子を形成するために両端をコ字状に加工し、コア金属を作製した。
次に、前記コア金属の表面にガラスを電着し、その後焼結し、コア金属の表面を厚さ１００μｍ程度の第１のホーロー層で被覆してホーロー基板を作製した。
次に、ホーロー基板の一方の面側に、スクリーン印刷により、図２に示す第１の導電層形成パターンに従って厚膜銀ペーストを印刷し、その後焼き付けて厚さ３０μｍ程度の第１の導電層を形成した。
次に、第１の導電層に電圧を印加してガラスを電着し、その後焼結することで、第１の導電層の表面に厚さ１００μｍ程度の第２のホーロー層を形成した。
次に、図１の第２の導電層形成パターンに従って、スクリーン印刷により厚膜銀ペーストを印刷し、その後焼き付けて厚さ３０μｍ程度の第２の導電層を形成した。

このように作製した発光素子実装用基板は、全長３００ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ約１．５ｍｍ、溝底部の幅１．０ｍｍ、溝側壁部傾斜角度４５度、接続用端子長さ７ｍｍ、接続用端子幅７ｍｍ、第１の導電体の幅５ｍｍ、第２の導電体形成個数３０個であった。

この発光素子実装用基板の所定位置に、中心発光波長４６０ｎｍの青色ＬＥＤを３０個ダイボンディングにより実装し、金細線を用いたワイヤボンディングによって青色ＬＥＤと各導電層を接続した。次に、基板の溝内に、青色光により励起して黄色光を発する蛍光体を分散させたエポキシ樹脂を充填し、硬化させて各発光素子を封止し、白色光を発する照明装置用の発光モジュールを作製した。
同様に作製した４個の発光モジュールを、それぞれの接続用端子で接続して直線状に連結し、片端のモジュールの接続用端子から、２００ｍＡの直流電流を給電し、すべての発光モジュールを点灯させた。その結果、すべての発光モジュールが同等の照度で白色光を発し、給電側と反対側の発光モジュールが暗くなることはなかった。１時間点灯後、消費電力は約１９Ｗで基板表面の温度は３０℃であり、十分な放熱性を有していた。

本発明の発光素子実装用基板の一実施形態を示す平面図である。 図１の発光素子実装用基板における第１の導電層の透視図である。 本発明の発光モジュールの一実施例を示す平面図である。 図３の発光モジュールの断面図である。

符号の説明

１…発光素子実装用基板、２…ホーロー基板、３…コア金属、４…第１のホーロー層、５…第１の導電層、６…第２のホーロー層、７…第２の導電層、８…発光素子、９…ボンディングワイヤ、１０…発光モジュール、１１…溝（凹部）、１２，１３…導電層接続部、１４…接続用端子（接続部）、１５…調整回路。

Claims (5)

1. コア金属の表面にホーロー層が被覆されたホーロー基板の外側に、２層以上の導電層と各導電層間に設けられた絶縁層とが形成され、前記ホーロー層側に設けられた導電層は、ホーロー基板の一端から他端まで連通して設けられ、該導電層の長手方向に沿って実装される複数の発光素子に給電すると共に、ホーロー基板の両端に設けられた突出部の表面に該導電層が延設されて他の基板との接続部をなしていることを特徴とする発光素子実装用基板。
2. 発光素子を実装する導電層のうち、少なくとも発光素子を実装する部分は、コア金属の表面を被覆したホーロー層上に直接形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用基板。
3. 前記ホーロー基板に凹部が設けられ、前記導電層のうち外側の導電層が前記凹部内に一部が延出するように形成され、該凹部に形成された導電層上に発光素子実装位置が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子実装用基板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用基板に、発光素子が実装されてなることを特徴とする発光モジュール。
5. 請求項４の発光モジュールを有する照明装置。
   

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