JP4835917B2

JP4835917B2 - 発光素子搭載用配線板及びそれを使用した発光装置

Info

Publication number: JP4835917B2
Application number: JP2005309761A
Authority: JP
Inventors: 良治杉浦; 英樹吉田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007123329A

Description

本発明は、高輝度発光が可能で放熱性が要求される発光素子搭載用配線板及びそれを使用した発光装置に関するものである。

近年、この種の発光装置においては、高輝度化したＬＥＤ素子が開発され、これまでの携帯電話機等のテンキー照明やスポット的な照明の使用にとどまらず、屋外や屋内の各種ディスプレイ、交通や鉄道等の信号機、各種インジケータや液晶表示のバックライトやさらには照明自体として利用され始めてきており、より高い放熱性が要求されるようになっている。従来の発光装置は、貫通孔が設けられたステンレス基板と、上面に発光素子を搭載する凹部が設けられ、中央部の外周面に突起が形成された鋼板からなる反射体とを備え、反射体を貫通孔に嵌合させ突起を貫通孔の内壁に喰い込ませることにより反射体を貫通孔に取り付けて発光装置を形成するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、特開２００５−１３６２２４号公報には、フレキシブル配線基板に発光ダイオードのダイスを搭載するフレキシブル配線基板を貫通してヒートスプレッダを難変形部に備え、前記ダイスとフレキシブル配線基板の接続部とを金線で接続し、フレキシブル配線基板の易変形部をフレキシブルな反射部材とする発光ダイオード照明モジュールが記載されている。

特開２００２−３３５０１９号公報（段落「００１７」、図３）特開２００５−１３６２２４号公報（段落「００３９」、図２）

上述した従来の特許文献１の発光装置においては、貫通孔と反射体との間に反射体を貫通孔内に挿入するためのクリアランスが設けられており、このクリアランスの上端が開口しているため、封止樹脂によってＬＥＤチップが搭載された反射体を封止する際に、このクリアランス内に封止樹脂が浸入し易い。クリアランス内に封止樹脂が浸入すると、浸入した封止樹脂が硬化することによって、反射体と貫通孔との間の密着性が悪化したり、内部に亀裂が発生したりして、反射体の取付不良が発生するという問題があった。

また、特許文献２の発光ダイオード照明モジュールにおいては、フレキシブル配線基板を貫通して高輝度発光が可能な放熱容量が大きなヒートスプレッダを難変形部に設けることは接続固定が不安定であり、フレキシブル配線基板のフレキシブルな易変形部に反射部材を設けることは反射面の変形が大きく反射輝度が不安定である。
さらに重いヒートスプレッダとフレキシブル配線基板の難変形部や易変形部を接続することは発光ダイオードの搭載時の衝撃や長期間使用による接続信頼性に問題があった。

さらに、白色系の発光が要求される発光装置では、発光素子からの光を反射効率よく反射させるため、基板の反射表面や反射体の反射面に銀メッキやニッケルメッキを施すことが一般的である。
特に、銀メッキやニッケルメッキは、発光素子の発熱・紫外線などの高輝度発光により銀メッキやニッケルメッキが変色し反射光束低下が大きくなる。
当然、銅メッキや錫メッキも長期間使用によって発光効率が順次低下する。
従って、発光装置の輝度の安定化と長寿命化対応に問題があった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、反射体の取付不良を低減させ、発光装置の輝度の安定化と長寿命化対応に適した発光素子搭載用配線板及びそれを使用した発光装置を提供するところにある。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、貫通孔が設けられた配線板と、前記貫通孔に嵌合し発光素子が搭載される金属製（金属柱状）の支持体とを備えた発光素子を搭載する配線板において、前記発光素子を搭載する支持体を放熱機能と反射機能を兼ね備えた支持体とし、この支持体の上先端をフラット面に形成し、この面を搭載面兼反射面とし、このフラット面は配線板上面より高い位置に設けられ、該支持体の上先端のフラット面は貫通孔の孔径よりも径方向全体に膨出した貫通孔の面積より広い鍔を有し、該支持体の下端部は貫通孔の孔径よりも径方向に膨出した膨出部を有し、前記フラット面の面積は前記膨出部の面積よりも広くすることを特徴とする発光素子搭載用配線板である。

請求項２に係る発明は、貫通孔が設けられた配線板と、この貫通孔に嵌合し発光素子が搭載される金属製の支持体と、この支持体の上先端に搭載された発光素子と、この発光素子と前記配線板とを電気的に接続するワイヤーと、これら発光素子およびワイヤーを封止する封止樹脂とを備えた発光装置において、前記発光素子を搭載する支持体を放熱機能と反射機能を兼ね備えた支持体とし、前記支持体の上先端の形成したフラット面を搭載面兼反射面とし、このフラット面は配線板上面より高い位置に設けられ、該支持体の上先端のフラット面は貫通孔の孔径よりも径方向全体に膨出した貫通孔の面積より広い鍔を有し、該支持体の下端部は貫通孔の孔径よりも径方向に膨出した膨出部を有し、前記フラット面の面積は前記膨出部の面積よりも広くすることを特徴とする発光素子搭載用配線板である。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記支持体がアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成され、該支持体の上先端のフラット面が鏡面となっている支持体を備えた発光素子搭載用配線板である。

請求項４に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記支持体がアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成され、該支持体の上先端のフラット面が鏡面となっているている支持体を備えた発光装置である。

請求項１、請求項２に係る発明によれば、発光素子を搭載する支持体を放熱機能と反射機能を兼ね備えた支持体とし、前記支持体の上先端フラット面を発光素子を搭載する搭載面兼反射面とし、この配線板上面より高い位置のフラット面は、配線板の貫通孔の上端縁を覆う鍔を設けたことにより、この鍔によって支持体と貫通孔との間のクリアランス内への封止樹脂の浸入を阻止できる。このため、クリアランス内に浸入した封止樹脂の硬化に起因する支持体の取付不良を防止することができる。
また、支持体の下端部に貫通孔の孔径よりも大きい膨出部を設けたことにより、この膨出部と上端の鍔とによって支持体を安定して強固に取り付けられるから貫通孔からの抜けを防止することができる。また、支持体は金属柱状に形成したことにより、メッキや板状部材によって形成した場合と比較して熱を伝導させるための体積が増大するから放熱性が向上し熱伝導率の良い放熱機能と発光素子からの光を反射させる反射機能を兼ね備えた放熱体兼反射体（支持体）とすることができる。

請求項３、請求項４に係る発明によれば、発光素子を搭載する支持体を熱伝導率の良いアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成し、この支持体の上先端フラット面（反射面）を鏡面処理したものであり、発光素子の発熱・紫外線の高輝度発光と長時間使用において、支持体のフラット面はメッキ処理がされていないからメッキ被膜の変色による経時変化がなく、初期から光反射機能が高く、かつ輝度低下がほとんどない発光素子搭載用配線板が供給でき、かつ発光装置の輝度の安定化と長寿命化対応ができる。（発光装置の高輝度発光を維持できる。）

特に、白色系の発光が要求される発光素子搭載用配線板や発光装置では、発光素子からの光を反射効率よく反射させるため、反射面に銀メッキやニッケルメッキ等の被膜形成を施すことなく、支持体をアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成すると長期間使用によっても発光効率がほとんど低下しない発光装置の輝度の安定化と長寿命化対応が可能となる。

また、発光素子を搭載する支持体の上先端のフラット面を発光素子を装着する搭載面と発光素子の光を反射させる反射面の両用とし、この配線板上面より高い位置に設けたフラット面は貫通孔の平面積より広くした鍔とするから、反射面の上方に反射障害物が少ない構造の反射体となり、全体的に上方に発光させる指向性が要求されない（集光、分散光としない）照明等の発光光源に最適である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る発光装置に使用される発光素子搭載用配線板を示す断面図、図２は本発明に係る発光装置を説明するための斜視図（ａ）と断面図（ｂ）、図３は本発明に係る発光素子搭載用配線板や発光装置における輝度低下を示すグラフである。

先ず、図１を用いて本発明に係る発光素子搭載用配線板について説明する。
図１において、１の配線基板（例えば両面銅張積層板）にドリルによって、貫通孔７を設ける。この貫通孔７は大盤の積層板に格子状（グリッド）の多数個の第１の貫通孔７の孔明け加工を行う。

次いで、これら第１の貫通孔７を囲むように、それぞれの貫通孔７の周囲に複数個ずつ
配置される小径の第２の非貫通孔１７（図示なし）の孔明けレーザー加工を行い、端面電極用の非貫通孔１７を形成することもできる。

次いで、この両面銅張積層板に、無電解銅めっきによるパネルめっきを行い、銅箔上ならびに第１の貫通孔７，第２の非貫通孔１７（図示なし）の孔壁にめっき膜を形成する。さらに、エッチングによって回路を形成し、上側の第１の貫通孔７から離間した部位にワイヤーボンディング用のランド６（端子部）を形成し、このランド６と第２の非貫通孔１７とは導通するように形成する。
ワイヤーボンディング用のランド６（端子部）上ならびに第２の非貫通孔１７の孔壁にニッケルと金による貴金属めっきを行い、高い接続信頼性を確保する。

次に、第１の貫通孔７の上・下端縁に支持体２を貫通孔７に嵌合し実装する。
この支持体２は発光素子を搭載する支持体２の上先端をプレス加工などでフラット面１２とし、この発光素子の搭載面兼反射面であるフラット面１２は、この配線板上面より高い位置に配置し配線板の貫通孔７の孔径よりも径方向全体に膨出した貫通孔７の面積より広く、貫通孔７の上端縁を覆う鍔を設ける。

上記支持体の下端部の少なくとも一部に前記貫通孔の孔径よりも径方向に膨出した膨出部１３を有する金属柱状に形成する。
発光素子の搭載面兼反射面であるフラット面１２の面積は、上記に記載した貫通孔７の面積より広くすると共に、支持体の下端部に膨出した膨出部の面積より広くし、一つのフラット面１２に多数個の発光素子を搭載でき、かつ反射面の面積も広くすることが可能である。さらに、支持体の下端部に膨出した膨出部１３の厚みは放熱効果を高めるため貫通孔の上端縁を覆う鍔であるフラット面１２の厚みより厚くする。

このように、支持体２の下端部に配線板の貫通孔７の孔径よりも径方向に膨出した膨出部１３を配線板の第１の貫通孔７の下端縁に押し付けた状態で、支持体２の上端部を第１の貫通孔７の上端縁にプレス加工でかしめることにより搭載面兼反射面であるフラット面１２の鍔を形成する。

この支持体２の鍔と下端部の膨出部１３とが第１の貫通孔７の上・下端縁に密着した状態で取り付けられる。このため、支持体２が第１の貫通孔７に強固に取り付けられるから反射体２の取付不良を防止することができる。

また、支持体２に予め設けられた下端部の膨出部１３を第１の貫通孔７の下端縁に押し付けた状態で、支持体２の上端部を第１の貫通孔７の上端縁にプレス加工でかしめるから、支持体２の上・下端縁を折り返し鍔を形成することにより支持体２を第１の貫通孔７に取り付ける、いわゆるはとめ加工と比較して、貫通孔７の上端縁をプレス加工などでフラット面１２とし、このフラット面１２を搭載面兼反射面とする。この鍔に残留応力が発生しないから歩留まりを向上させることもできる。

つまり、金属柱状の支持体３は貫通孔７の上端縁に支持体２に予め設けられた金属柱状の支持体３の下端部の膨出部１３を貫通孔７の下端縁に押し付けた状態で、貫通孔７の上端縁に支持体２の上端縁を折り返し鍔を形成しフラット面として発光素子を搭載する支持体２の上先端のフラット面を搭載面兼反射面であるフラット面１２とするものである。
放熱体と反射体とを一体加工して、高い放熱機能（熱伝導率；２００Ｗ／ｍ・Ｋ〜５００Ｗ／ｍ・Ｋ）を有する放熱体と反射体とが同一金属材質から形成される反射体とする。

図２に示すように、前記配線板１の第１の貫通孔７に固定された支持体２の金属柱状の支持体３の上に、発光素子１４をダイボンディングによって接合し、発光素子１４の金属細線（ワイヤー）１５をプリント配線板１のランド６にワイヤーボンディングによって電気的に接続する。
次いで、発光素子１４および金属細線１５ならびにプリント配線板１のランド６を透明なモールド樹脂である封止樹脂１０１によって樹脂封止する。

このとき、支持体２の上端面に、第１の貫通孔７の上端縁に密着する鍔が設けられているため、封止樹脂１０１が支持体２の中央部の外周面と第１の貫通孔７の内周面との間に浸入するのを阻止することができる。このため、クリアランス内に浸入した封止樹脂の硬化に起因する支持体２の取付不良を防止することができる。

次いで、上記のように封止樹脂した後、支持体２を介して発光素子１４が実装されたプリント配線板１の貫通孔７の周囲に複数個ずつ配置される小径の第２の非貫通孔１７（図示なし）のほぼ中心の切断線に沿ってダイシング加工によって切断することにより、１個単位の発光装置１０を形成する。このとき、発光装置１０の側面と上面とに、ランド６と導通している側面端子部１８と上面端子部とが側面端子部１８の上面を金属導体で閉口した非貫通導通溝が形成される。このように、大盤のプリント配線板から非貫通孔１７上の分割切断線に沿ってダイシング切断することにより、一度に多数の１個単位の発光装置１０を製造することが可能なため量産性を向上させることができる。

また、支持体２を立体的な円柱状に形成したことにより、薄板によって形成した場合と比較して熱を伝導させるための体積が増大するから放熱性が向上する。また、支持体２の搭載面兼反射面であるフラット面１２がプリント配線板１の上面より高い位置に位置付けられているため、支持体２の上先端である搭載面兼反射面であるフラット面１２をプリント配線板１の上面より高い位置に設ける。フラット面１２である搭載面兼反射面は貫通孔の平面積より広くなると共に反射障害物が少ない構造の反射体となり、全体的に上方に発光させる指向性が要求されない照明等の発光光源に最適である。
反射体の搭載面兼反射面であるフラット面１２は、配線板の貫通孔７の孔径よりも径方向全体に膨出した貫通孔７の面積より広く、貫通孔７の上端縁を覆う鍔であるから、複数の発光素子１４を一つの反射体のフラット面に搭載させることができる。

なお、本実施の形態においては、支持体２を円柱状に形成したが、長円柱状、角柱状に形成してもよく、その場合には支持体２をプリント配線板１の第１の貫通孔７に嵌合させるだけで、支持体２の回り止めがなされる。また、支持体２の搭載面兼反射面であるフラット面１２の表面に反射率を高めるために高温加圧処理、蒸着処理や化学処理によって鏡面を形成した。また、支持体２をプリント配線板１の第１の貫通孔７に取り付けるのに、支持体２の下端部を第１の貫通孔７の下端縁にかしめることにより取り付けたが、支持体２の下端部の膨出部１３を第１の貫通孔７の下端縁にかしめることなく、支持体２の上先端にある鍔（反射体）を第１の貫通孔７の上端縁に超音波溶接によって取り付けるようにしてもよい。

図３は発光素子の発熱・紫外線などによる高輝度発光に対する輝度低下を示すグラフである。
つまり、従来は配線板１の反射体であるリフレクター等の反射板やスルーホール孔壁面に銅メッキ、ニッケルメッキ、銀メッキ等を施した配線板を使用していたため発光素子の発熱・紫外線などの高輝度発光と長時間使用によりニッケルメッキや銀メッキが変色し発光効率（ｌｍ／Ｗ）が低下していた。
グラフでは、縦軸に初期の全光束を１００％として点灯処理時間経過による光束低下率（％）、横軸に１２０℃の雰囲気中での点灯処理時間（hr）を示すものである。
参考として、発光装置の製品規格は40,000hrで初期の全光束の５０％以上を維持できることが目標である。

上記のグラフから解るように１２０℃の雰囲気中での点灯試験結果では、配線板の反射体に銀メッキを施した配線板（点線表示）は光束低下率（％）が40,000hrで約４０％に低下する。
本願発明の放熱体と一体となった反射体として、メッキ処理のされていない高反射アルミ板で閉孔した配線板（実線表示）は光束低下率（％）が40,000hrで２％〜３％未満と良好である。（発光装置の輝度低下がほとんどない高輝度発光を維持できる。）
つまり、メッキ処理のされていない熱伝導率の良い放熱体と一体となった反射体ならば発光装置の輝度の安定化と長寿命化対応ができる。

前記の金属柱状の支持体３の光反射機能において、メッキ処理を行わず全反射率を８０％以上とするには、熱伝導率の良い放熱体と、高反射率が良好な金属柱状の支持体３の選択が必要である。銅板、黄銅板、鋼板などは発光素子の高輝度発光による発熱・紫外線での経時変化によって金属板表面が変色して輝度低下する。

特に、配線板１の貫通孔７に取り付けた支持体２の上先端の搭載面兼反射面であるフラット面１２を白色系の光反射機能が高い金属柱状の支持体３として熱伝導率が高く、かつ反射表面が発光素子の発熱・紫外線などの高輝度発光と長時間使用により変色しないアルミニウム板、アルミニウム成形品、アルミニウム合金などが良く、特に、指向性が少ない反射光とするため正反射率を大きくするようにフラット面、特に反射面を正反射率を７０％以上とする鏡面仕上げとした高反射アルミニウム金属柱が良好である。

例えば、アルミ純度９９．５０％以上のアルミニウム金属柱（反射体）で表面を成形加工、アルマイト処理、蒸着処理などによる鏡面処理がされた材料なら、全反射率（正反射＋拡散反射）が８５％以上となる。なお、全体的に搭載面兼反射面であるフラット面１２の上方に発光させる指向性が要求されない照明等の発光光源とするには正反射率＝７０％以上〜９９％の反射体（反射面）が望ましい。

本発明に係る発光装置に使用される発光素子搭載用配線板を示す断面図である。本発明に係る発光装置を示し、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は断面図である。本発明に係る発光素子搭載用配線板や発光装置における輝度低下を示すグラフである。

符号の説明

１…配線板、２…支持体、３…金属柱状の支持体、７…貫通孔、６…ランド、
１０…発光装置、１２…フラット面、１４…発光素子、１５…金属細線。

Claims

貫通孔が設けられた配線板と、前記貫通孔に嵌合し発光素子が搭載される金属製の支持体とを備えた発光素子を搭載する配線板において、
前記発光素子を搭載する支持体を放熱機能と反射機能を兼ね備えた支持体とし、この支持体の上先端がフラット面で配線板上面より高い位置に設けられ、該支持体の上先端のフラット面は貫通孔の孔径よりも径方向全体に膨出した鍔を有し、該支持体の下端部は貫通孔の孔径よりも径方向に膨出した膨出部を有し、前記フラット面の面積は前記膨出部の面積よりも広くすることを特徴とする発光素子搭載用配線板。
貫通孔が設けられた配線板と、この貫通孔に嵌合し発光素子が搭載される金属柱状の支持体と、この支持体の上先端面に搭載された発光素子と、この発光素子と前記配線板とを電気的に接続するワイヤーと、これら発光素子およびワイヤーを封止する封止樹脂とを備えた発光装置において、
前記発光素子を搭載する放熱機能と反射機能を兼ね備えた支持体とし、この支持体の上先端がフラット面で配線板上面より高い位置に設けられ、該支持体の上先端のフラット面は貫通孔の孔径よりも径方向全体に膨出した鍔を有し、該支持体の下端部は貫通孔の孔径よりも径方向に膨出した膨出部を有し、前記フラット面の面積は前記膨出部の面積よりも広くすることを特徴とする発光装置。
請求項１記載の発光素子搭載用配線板において、
前記支持体がアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成され、該支持体の上先端のフラット面が鏡面となっていることを特徴とする発光素子搭載用配線板。
請求項２記載の発光装置において、
前記支持体がアルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成され、該支持体の上先端のフラット面が鏡面となっていることを特徴とする発光装置。