JP4037423B2 - 発光素子実装用ホーロー基板の製造方法 - Google Patents

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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ホーロー基板に関し、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寸法精度と放熱性を向上させた発光素子実装用ホーロー基板とその製造方法、該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、該発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。
近年、ＬＥＤユニットなどの発光素子モジュールの製造方法においては、発光素子を電子基板などに直接実装する、所謂チップ・オン・ボード方式と呼ばれる製法が主流になりつつある。この方式は、電子基板上に砲弾型ＬＥＤや表面実装型ＬＥＤなどの発光素子を多数実装する形態に比べ、半製品プロセスが不要となり、構造も簡略化できるという利点をもっている。
一方、発光素子は、照明機器、液晶画像装置のバックライト、交通信号機などに適用されるようになり、さらなる発光強度の向上が要求されている。印加する電流量を増大させることにより、発光素子の発光強度を高めることができるが、この場合、同時に発光素子は発熱を伴うため、効率的に放熱する必要がある。放熱が十分でない場合、発光素子は点灯中に高温となって発光効率が低下してしまい、目標とする発光強度が得られなくなる。また、長期的に使用する場合、発光素子の信頼性が低下し、不点灯などの不具合が発生する可能性が高くなる。
発光素子を基板上に実装する場合、発光素子から発する光を効率的に前方に放射するため、図１に示すような、スロープ上の反射面を持つすり鉢状の反射カップ部を設け、その底面上に発光素子を実装することが望ましい。反射カップ部をすり鉢形状に形成することにより、光の方向を制御するとともに、発光素子を封止する樹脂を保持する役割も持たせることができる。
これらの要求を鑑みて、光の取り出し効率に優れ、低コストで生産可能な発光素子実装用基板として、ホーロー基板を使った基板などが考えられている。図１は、このホーロー基板を使った発光素子モジュールを例示する断面図であり、この発光素子モジュール２は、低炭素鋼板などからなるコア金属４の表面をガラスからなるホーロー層５で被覆してなり、すり鉢状の反射カップ部７が設けられ、且つ反射カップ部７が設けられた発光素子実装面に発光素子３への通電用の電極６が設けられた発光素子実装用ホーロー基板１を備え、この基板の反射カップ部７底面上にＬＥＤなどの発光素子３を実装して構成されている。発光素子３は、反射カップ部７の底面まで延設された一対の電極６，６の一方の電極上に実装され、金線８によって他方の電極と電気的に接続されている。発光素子３が実装された反射カップ部７は、封止樹脂９によって封止されている。
このホーロー基板は、コア金属を加工することにより自由な形状とすることができ、その形状のまま表面にガラスからなるホーロー層を形成することができるので、任意の形状をした状態で電気絶縁性も確保することができる。
図１に示すような反射カップ構造を持つホーロー基板は、そのコア金属を反射カップ部の形状となるように加工する必要がある。この加工方法としては、ドリルによる加工、金属プレスによる絞り加工などが挙げられるが、生産性、加工コストの観点からプレス加工が好ましい。金属を加工した後は、ガラスなどの絶縁物を積層させ、発光素子を実装する電極、あるいは電気回路を構成する電極を基板に形成することにより、発光素子実装用ホーロー基板が得られる。
反射カップ構造を持つ基板に電極を形成する方法としては、エッチングや導電ペーストの印刷による方法がある。エッチングによる電極形成はコストがかかるため、印刷方法が現在の主流である。
図１に示すような反射カップ構造を持つホーロー基板を作製する場合、ガラスなど絶縁物を積層させた後、発光素子を実装する電極、あるいは電気回路を構成する電極を形成する。この時、電極が厚い場合には、電極の平坦性が悪く、絶縁層が平坦であっても電極が平坦でなくなってしまうという問題があった。特に、発光素子を実装する箇所の電極は、平坦でないと発光素子を実装後の固着力が低くなるなど、実装工程での不良が多発するという大きな問題がある。また、電極を銀のペーストなどで印刷する場合、厚いと高コストになってしまうという問題もある。一方、電極が薄い場合、熱伝導性、特に基板に平行な方向への熱伝導性が悪くなり、十分な放熱性が得られなくなることが分かった。放熱が十分でない場合、発光素子は点灯中に高温となるため、発光効率が低下してしまい、目標とする発光強度が得られない。また、長期的に使用する場合、発光素子の信頼性が低下し、不点灯などの不具合が発生する可能性が高くなってしまう。また、ガラス層が露出してしまう部分があると、その部分での反射が悪くなり、全体として放出される光量が減ってしまうという問題もある。
一方、反射カップ形状があるような基板に電極を形成するにあたり、一般的なスクリーン印刷では、凹部が深くなると印刷ができないという問題もある。インクジェットプリンタなどのインク噴出方式による印刷法もあるが、インク噴出方式では、インクの噴出方向と被印刷面とが垂直であることが要求される。そのため上記のようなカップ形状を持つ基板に印刷するには必ずしも適してはおらず、傾斜している面と底面とを同様な厚さに印刷を行うには工夫が必要になるという問題があった。
このような凹部内面を印刷できる装置として、パッド印刷装置がある。パッド印刷装置は、印刷する画像に応じて凹部が形成された版面にインクを塗布することで、その凹部に流れ込んだインクを、パッドと呼ばれるインク転写用の弾性を有する媒体を用い、被印刷物上に転写することにより印刷を行うものである。そのようなパッドを用いることから、パッド印刷装置は、平面だけでなく曲面にも印刷できる、といった特徴を有している。このパッド印刷方法の特徴を生かすことによって、すり鉢状の反射カップ部内面側に電極を形成することが可能になる。しかし、このようなパッド印刷方法であっても、反射カップ部が深くなり、壁面の傾斜角度が大きくなると、図２に示すように、反射カップ部７の底面とスロープ面との境界部がうまく印刷できなくなったり、底面が平滑にならないなどの問題があった。
本発明は前記事情に鑑みてなされ、放熱性に優れ、反射カップ部の底面平坦性に優れた発光素子実装用ホーロー基板とその製造方法、該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、該発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び交通信号機の提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、金属材に平坦な底面とその周囲のスロープ部とを有する反射カップ部を形成したコア金属にホーロー材を焼き付けてホーロー層を形成し、次いで反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、前記反射カップ部内の電極の厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲となるように発光素子への通電用の電極を形成して発光素子実装用ホーロー基板を得る発光素子実装用ホーロー基板の製造方法であって、前記電極が、パッド印刷法によってホーロー層上に導電ペーストを印刷し、それを焼結して形成されることを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板の製造方法を提供する。
本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法において、反射カップ部内の電極を焼結した後に、電極の平滑化を行うことが好ましい。
本発明の発光素子実装用ホーロー基板は、反射カップ部内の電極の厚さを５μｍ〜１００μｍの範囲としたものなので、放熱性、反射カップ部の平坦性、放出される光量のいずれの観点からも優れた発光素子モジュールを提供することができる。
本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法において、電極を焼結した後に、反射カップ部内の電極の形状を整える平滑化工程を加えることにより、より良好な放熱性、反射カップ部の平坦性、放出される光量を得ることができる。
本発明の発光素子モジュールは、前述した本発明に係る発光素子実装用ホーロー基板に発光素子を実装してなるものなので、基板の放熱性が良く、光量の多い発光素子モジュールを提供することができる。
本発明は、図１に示すように、発光素子実装面に反射カップ部７を有している発光素子実装用ホーロー基板１において、発光素子実装面に形成される電極６の少なくとも反射カップ部７に焼き付けて形成される電極６の厚さの最適範囲を提案したものであり、本発明では、反射カップ部７内の電極６の厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは５μｍ〜５０μｍの範囲とすることを特徴としている。これにより、放熱性、反射カップ部の平坦性、放出される光量のいずれの観点からも良好な基板を得ることができる。反射カップ部７内の電極６の厚さが５μｍ未満であると外観が不良となり、また十分な放熱性が得られなくなる。また、反射カップ部７内の電極６の厚さが１００μｍを越えると、後述する焼結後の平滑化処理を行っても平坦度が悪くなり、発光素子を実装しにくくなるおそれがある。
さらに、本発明では、電極６を焼結した後に、反射カップ部７内の電極６の形状を整える平滑化工程を加えることにより、より良好な放熱性、反射カップ部の平坦性、放出される光量が得られるものである。
本発明に係る発光素子モジュールの基本的な構成は、例えば、図１に示すように、コア金属４の表面をホーロー層５で被覆してなり、すり鉢状の反射カップ部７が設けられ、且つ発光素子実装面に発光素子３への通電用の電極が設けられた発光素子実装用ホーロー基板１を備え、この基板の反射カップ部７底面上にＬＥＤなどの発光素子３を実装して構成できるが、本発明はこれに限定されない。図１の例示において、発光素子３は、反射カップ部７の底面まで延設された一対の電極６，６の一方の電極上に実装され、金線８によって他方の電極と電気的に接続されている。発光素子３が実装された反射カップ部７は、封止樹脂９によって樹脂封止されている。
反射カップ部７は、平坦な底面とスロープ面とからなるすり鉢形状又は溝状に形成されている。このスロープ面の傾斜角度は３０°〜７０°程度、好ましくは４０°〜６０°程度とされる。
発光素子実装用ホーロー基板１を構成しているコア金属４の材料としては、表面にホーロー層５を強固に形成可能な金属であればよく、特に限定されず、例えば低炭素鋼板などが用いられる。また、ホーロー層５は、ガラス粉末をコア金属４の表面に焼き付けて形成されている。また電極６は、パッド印刷法によって所定のパターンに沿って銀ペーストや銅ペーストなどの導電ペーストを印刷し、焼き付ける方法などによって形成することが望ましい。
この発光素子実装用ホーロー基板１に実装される発光素子３としてはＬＥＤが好ましい。発光素子モジュール２を照明装置に適用する場合、発光素子３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（ＧａＮ）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を封止するための封止樹脂９中に混合、分散させて用いることが望ましい。
発光素子３は、反射カップ部７底面上に実装されている。発光素子３の一方の電極端子は一方の電極６と電気的に接続され、また発光素子３の他方の電極端子は、金線８（ボンディングワイヤ）によって隣り合う他方の電極６と電気的に接続されている。
次に、前述した発光素子実装用ホーロー基板１及びそれを用いた発光素子モジュール２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、これを所望形状に切り出し、さらに機械加工を施して、発光素子実装位置となる反射カップ部７を所望の個数形成し、コア金属４を作製する。
次に、ガラス粉末を適当な溶媒に分散した液中に前記コア金属４を浸漬し、前記コア金属４の近傍に対向電極を配置し、コア金属４と該対向電極間に電圧を印加し、ガラス粉末をコア金属４の表面に電着させる。電着後、液中からコア金属４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４の表面にガラス粉末を焼き付け、ホーロー層５を形成してホーロー基板を作製する。
次に、パッド印刷法によって、電極６の形成パターンに沿って銀ペーストや銅ペーストなどの導電ペーストを印刷し、乾燥させる。この塗布量は、焼結後に反射カップ部７内の電極６の厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは５μｍ〜５０μｍの範囲となるように調整される。その後、焼結して電極６及び必要な回路を形成する。以上の各工程を行うことで、発光素子実装用ホーロー基板１が得られる。
印刷した導電ペーストを焼結した後、基板の表面形状に適合する押し面を持つ押圧部材、好ましくは弾性材料を押し面に有する押圧部材によって焼結後の電極６を押圧する平滑化処理を行うことが望ましい。
次に、前記のように作製した発光素子実装用ホーロー基板１の反射カップ部７底面上にダイボンディングによって発光素子３を実装し、ワイヤボンディングを行い金線８によって発光素子３と電極６とを電気的に接続する。この後、反射カップ部７内に保護用の樹脂、あるいは、蛍光体を混合、分散させた樹脂を充填、硬化させ、発光素子３を樹脂封止する。これによって発光素子モジュール２が作製される。
［試験１］
厚さ１．５ｍｍの低炭素鋼の条材を１０×１０ｍｍのサイズに裁断し、ドリルや金属プレス加工により、深さ０．６ｍｍ、底部直径２．０ｍｍ、傾斜角度４５度とした反射カップ部を形成してコア金属を作製した。
次に、反射カップ部を形成したコア金属の表面にガラス粉末を焼結し、厚さ５０μｍのホーロー層を形成してホーロー基板を作製した。
次に、導電ペーストとして銀ペーストを用い、前記ホーロー基板の表面に、パッド印刷により電極パターンを印刷した。なお、電極の作製方法は、特開平８−２９５００５号公報に開示されている方法を用いて行った。
銀ペーストで電極パターンを印刷後、乾燥させた。導電ペーストの乾燥方法は、前記導電ペーストが印刷された被印刷面を遠赤外線乾燥炉中で導電ペーストが指触乾燥するまで乾燥させる工程と、前記導電ペーストが指触乾燥された被印刷体を熱風循環乾燥炉中で完全乾燥させる工程とを行うことにより乾燥する。具体的には、まず、被印刷体を遠赤外線乾燥炉中で導電ペーストが指触乾燥するまで乾燥させる。指触乾燥は、仮乾燥とも呼ばれ、印刷または塗布された導電ペーストが指で触れても付着しない程度に乾燥されている状態である。遠赤外線は物質内部への浸透性が良く、導電ペーストを内部から加熱することが可能であり、その表面及び内部ともに短時間である程度乾燥させることができる。このため、導電ペーストの溶剤の蒸発は不十分で、樹脂の反応も不完全であり、塗膜の硬度、密着性、導電性等は本来の特性が得られていないが、被印刷体を積み重ねるには十分乾燥している。この指触乾燥した被印刷物を積み重ね、熱風循環乾燥炉中で完全乾燥させる。
印刷する銀ペーストの厚さを５μ〜１００μｍの範囲を目標として変量し、その時の反射カップ部底面の平坦度、外観、放熱性について評価した。平坦度と外観の評価結果を表１に示す。
Figure 0004037423
反射カップ部の平坦度の評価については、以下の通り行った。
発光素子の実装に必要なエリアを、反射カップ部底面の中央の位置で５００μｍ角とし、そのエリア内の高さの最大値−最小値を記録した。１０μｍ以内が目標値であり、その値で良否を判定した。
カップ底面の銀ペーストの平均厚さが５μｍ〜５０μｍの場合には、電極焼結後の平滑化を行わなくても十分な平坦度が得られ、外観も問題ないことが分かった（実施例１〜４）。一方、カップ底面の銀ペーストの平均厚さが５０μｍより厚い場合は、焼結後の状態では十分な平坦度が得られないことが分かった（実施例５，７、比較例１）。そこで、焼結後、電極に対し弾性を有する媒体を用いて押し付ける工程を加えて、平坦度を測定した。その結果、カップ底面の銀ペーストの平均厚さが１００μｍ間では十分な平坦度が得られることが分かった（実施例６，８）。しかし、銀ペーストの平均厚さが３００μｍの場合には、平滑化工程を加えても十分な平坦度は得られないことが分かった（比較例２）。
一方、カップ底面の電極の平均厚さが２．２μｍの場合には、下層のホーロー層が剥き出しになっている部分があり、外観上不良となることが分かった。特に、発光素子を実装する箇所は、下層が剥き出しになっていると断線することになってしまう。
つまり、
〜５μｍ：外観上不良。
５μｍ〜５０μｍ：電極焼結後の平滑化を行わなくても十分な平坦度が得られる。
５０μｍ〜１００μｍ：電極焼結後の平坦化を行うことで、十分な平坦度が得られる。
１００μｍ以上：十分な平坦度が得られない。
放熱性の評価は、以下の通り行った。
電極を形成したホーロー基板に青色発光素子（Ｃｒｅｅ社製、商品名ＸＢ９００）を銀ペーストにより基板の電極にダイボンドし、さらに、対向する電極に金線を用いて接合した。その後、その上部が表面張力で十分盛り上がるまで封止樹脂（熱硬化性のエポキシ樹脂）を反射カップ部内に入れた。
最初に一定温度の状態に上記発光素子モジュールを放置し、低い電流値（１０ｍＡ）で１秒後の電圧値を測定した。ここで、低い電流値とした理由は、高い電流を通電することにより、素子自体が発熱してしまうため、雰囲気温度と素子自体の温度が加算されてしまうためである。電圧値と温度の関係をグラフ化する。
雰囲気温度を室温（２５℃）とし、そのとき３５０ｍＡの電流を１時間通電し、その後１０ｍＡまで電流値を落とし、そのときの電圧値を読み取った。
前記の電圧値と温度の関係から電圧値を温度に換算した結果を発光素子の温度（Ａ）とし、さらに、基板の裏面の温度（Ｂ）を熱電対により同時に測定した。
熱抵抗値は、発光素子と基板裏面の温度差（Ａ−Ｂ）を、投入した電力（電流×電圧）で割ることにより求めた。
その結果、反射カップ部底面の銀ペーストの平均厚さが５μｍ以上の厚さのものでは、熱抵抗が１７〜１８℃／Ｗとほぼ一定であったが、反射カップ部底面の電極の平均厚さが２．２μｍの場合には、場所ごとにばらつきがあり、うまく測定できなかった。つまり、カップ底面の電極の平均厚さが２．２μｍの場合には、基板の温度が基板に平行な方向に不均一であり、良好な放熱性が得られていない。
以上の結果から、反射カップ部を持つ発光素子実装用ホーロー基板における電極の厚さは、５μｍ〜５０μｍの範囲が適当であることを確認した。また、電極を焼結した後に、反射カップ部内の電極の形状を整える平滑化工程を加えることでより平坦化すれば、反射カップ部を持つ発光素子実装用ホーロー基板における電極の厚さは１００μｍまでであれば、適当であることを確認した。
［試験２］
導電ペーストとして銅ペーストを用い、前記試験１と同様に、反射カップ部を持つホーロー基板を作製した。具体的には、１．５ｍｍ厚の低炭素鋼の条材を１０×１０ｍｍのサイズに裁断し、深さ０．６ｍｍ、底部直径２．１ｍｍ、スロープ部の角度４５度とした反射カップ部の成型を行い、金属板の表面をガラスで５０μｍ厚で被覆した。次に、導電ペーストとして銅ペーストで電極をパッド印刷により形成し、その後、乾燥させた。
次に、印刷する銅ペーストの厚さを２〜３００μｍの範囲で変量し、その時の反射カップ部底面の平坦度、外観、放熱性について評価した。その評価結果を表２に示す。
Figure 0004037423
その結果、銀ペーストの場合と全く同様に、
〜５μｍ：外観上不良。
５μｍ〜５０μｍ：電極焼結後の平滑化を行わなくても十分な平坦度が得られる。
５０μｍ〜１００μｍ：電極焼結後の平坦化を行うことで、十分な平坦度が得られる。
１００μｍ以上：十分な平坦度が得られない。
となることが分かった。
放熱性についても全く同様であり、カップ底面のペーストの平均厚さが５μｍ以上の厚さのものでは、熱抵抗が１７〜１８℃／Ｗとほぼ一定であったが、カップ底面の電極の平均厚さが２．６μｍの場合には、場所ごとにばらつきがあり、うまく測定できなかった。つまり、カップ底面の電極の平均厚さが２．６μｍの場合には、基板の温度が基板に平行な方向に不均一であり、良好な放熱性が得られていない。
前述した実施例では、ホーロー基板に１個の反射カップ部を作製した場合について説明したが、ホーロー基板上に複数の反射カップ部を設けてもよい。
封止樹脂は熱硬化性、紫外線硬化性のエポキシ樹脂でも、シリコーン樹脂などでもよい。
本発明で用いる発光素子は、窒化化合物半導体のような青色発光素子、緑色発光素子でも良く、ＧａＰに代表されるような赤色、赤外発光素子でもよい。
また、窒化化合物半導体のような青色発光素子を実装し、封止樹脂中に例えば、セリウムを賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体のような青色励起の黄色発光蛍光体を封止樹脂中に含有させ、白色ＬＥＤとしてもよい。特に、蛍光体などを反射カップ部内に分散させる場合には、光が拡散されるため反射カップ部に当たる光が多く、反射カップ部表面の反射がより重要となる。
発光素子モジュールの構造を例示する断面図である。 電極形成時に生じる電極の平坦度悪化の原因を説明する断面図である。
符号の説明
１…発光素子実装用ホーロー基板、２…発光素子モジュール、３…発光素子、４…コア金属、５…ホーロー層、６…電極、７…反射カップ部、８…金線、９…封止樹脂。

Claims (2)

  1. 金属材に平坦な底面とその周囲のスロープ部とを有する反射カップ部を形成したコア金属にホーロー材を焼き付けてホーロー層を形成し、次いで反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、前記反射カップ部内の電極の厚さが５μｍ〜１００μｍの範囲となるように発光素子への通電用の電極を形成して発光素子実装用ホーロー基板を得る発光素子実装用ホーロー基板の製造方法であって、
    前記電極が、パッド印刷法によってホーロー層上に導電ペーストを印刷し、それを焼結して形成されることを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板の製造方法。
  2. 反射カップ部内の電極を焼結した後に、電極の平滑化を行うことを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法。
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