JP6677816B2 - 発光素子搭載用基板、発光装置および発光モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子搭載用基板、発光装置および発光モジュールに関する。
近年、従来の光源に比べて消費電力が小さく視認性に優れるＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子が、各種の発光装置（たとえば、自動車のヘッドランプ）の光源として採用されている。
ＬＥＤ素子の場合は、温度が上昇すると発光量が低下するという特性があるので、放熱対策を施して温度上昇を抑える必要がある。これに対し、一般には、ヒートシンク（「放熱部材」とも称する。）上にＬＥＤ素子を搭載する基板を固定し、ＬＥＤ素子で発生した熱をヒートシンクに逃がすという対策が講じられている。ただし、上記ヒートシンクのみでは十分な放熱効果が得られず、例えば特許文献１に記載されているように、基板−ヒートシンク間にグリス層（「グリース層」とも称する。）を設けることによって、放熱効果を改善する技術が開示されている。そして、より放熱効果の高い発光素子搭載用基板、発光装置および発光モジュールが求められている。
特開２０１４−１２０５０２号公報
本開示の発光素子搭載基板は、金属板と、絶縁層と、１以上の発光素子が搭載される電極層とが、この順に積層されて成る発光素子搭載用基板であって、
前記金属板は、前記絶縁層に接する面と対向する面に開口する非貫通のねじ孔が設けられ、
前記金属板におけるねじ孔の最深部に、当該金属板の硬度より低い硬度、または当該金属板の熱伝導率と同等以上の熱伝導率、を有する接合金属が配設される。
また、本開示の発光素子搭載基板は、金属板と、絶縁層と、１以上の発光素子が搭載される電極層とが、この順に積層されて成る発光素子搭載用基板であって、
前記金属板は、前記絶縁層に接する面と対向する面に開口する非貫通のねじ孔が設けられ、
前記金属板におけるねじ孔の最深部に、当該金属板の硬度より低い硬度であり、かつ当該金属板の熱伝導率と同等以上の熱伝導率を有する接合金属が配設される。
また、本開示の発光装置は、上記の発光素子搭載用基板と、１以上の発光素子と、を備える。
さらに、本開示の発光モジュールは、上記の発光装置と、前記ねじ孔に対応する位置に貫通孔を有するヒートシンクと、前記ねじ孔に螺合し、前記ヒートシンクと前記金属板とを締結するボルト、または該締結する全ねじおよびナットと、を備え、前記ボルト、または前記全ねじおよびナットの熱伝導率は、前記金属板の熱伝導率と同等以上である。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
第１実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した概観図である。 第１実施形態に係る発光素子搭載用基板の一例を模式的に示した平面図である。 図２Ａの発光素子搭載用基板を切断面線Ａ−Ａ’で切断した場合の断面図である。 第１実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した平面図である。 図３Ａの発光モジュールを切断面線Ｂ−Ｂ’で切断した場合の断面図である。 第２実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した平面図である。 図４Ａの発光モジュールを切断面線Ｃ−Ｃ’で切断した場合の断面図である。 第３実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した平面図である。 図５Ａの発光モジュールを切断面線Ｄ−Ｄ’で切断した場合の断面図である。 第４実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した平面図である。 図６Ａの発光モジュールを切断面線Ｅ−Ｅ’で切断した場合の断面図である。 第５実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した平面図である。
以下では、本実施形態である発光素子搭載用基板、発光装置および発光モジュールについて、添付の図面を参照しながら説明する。以下の説明において、上または上位などのように上下を区別して記載しているが、これは便宜的なものであり、実際に発光モジュールなどを使用する際の上下を限定するものではない。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に示した外観図である。図１に示す発光モジュール１は、たとえば自動車のヘッドライトに採用される部材であり、放熱用のヒートシンク４０の上に、ＬＥＤなどの発光素子２０を搭載した発光装置３０が配設され、ヒートシンク４０と発光装置３０とをボルト（図示せず）などによって固定している。ここで、ヒートシンク４０は一般的なヒートシンクであり、その材質は、たとえばアルミニウムである。また、発光装置３０の形状は平板状であり、そのサイズは、たとえば、縦２ｍｍ×横５ｍｍまたは縦３０ｍｍ×横４０ｍｍであり、その厚さは４〜６ｍｍ程度である。
なお、図１においては、発光素子を４個搭載した発光モジュールの例を示しているが、本実施形態では、４個に限らず、１個以上の発光素子を搭載するものとする。また、図１では、発光モジュール１における電源および配線などの図示は省略している。
図２Ａは、本実施形態に係る発光素子搭載用基板の一例を模式的に示した平面図であり、図２Ｂは、上記図２Ａの発光素子搭載用基板を切断面線Ａ−Ａ’で切断した場合の断面図である。図２Ｂに示すように、発光素子搭載用基板１０は、金属板１３の上位に絶縁層１２を有し、絶縁層１２の上位に電極層１１を有する積層構造を成している。なお、金属板１３の下位に裏面絶縁層１４を有していてもよい。
金属板１３は、たとえば、厚さが３ｍｍ以上５ｍｍ以下の銅板であり、後述するボルト（または全ねじ）と螺合するめねじ（たとえば、φ＝３ｍｍ）が切られたねじ孔１３ａが設けられている。
絶縁層１２は、たとえば厚さが０．１ｍｍの窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、または厚さが０．３ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。なお、絶縁層１２の材質としては、窒化アルミニウムであってもよい。なお、当該基板１０の反りを防止するために、裏面絶縁層１４を設けてもよい。この場合、裏面絶縁層１４の材質および厚さは、上記絶縁層１２と同一であってもよい。
電極層１１は、正極１１ａまたは負極１１ｂを有しており、たとえば厚さが１μｍ〜１００μｍの銅または金で構成されるパターンが配設されている。電極層１１の上には、発光素子が搭載される。
上記の発光素子搭載用基板１０によれば、発光素子で生じた熱を、金属板１３のねじ孔１３ａに螺合するボルトなどを介して、より確実に外部に伝達させることが可能となる。
図３Ａは、本実施形態に係る発光モジュールの一例を模式的に表した平面図であり、図３Ｂは、上記図３Ａの発光モジュールを切断面線Ｂ−Ｂ’で切断した場合の断面図である。図３Ｂに示すように、発光モジュール１は、上記の発光素子搭載用基板１０の上位に発光素子２０ａ〜２０ｄが搭載されており、発光素子搭載用基板１０（より具体的には、金属板１３）とヒートシンク４０とが、ボルト５０で締結されている。なお、発光素子搭載用基板１０とヒートシンク４０との間にグリス層６０を有していてもよい。
ここで、金属板１３とヒートシンク４０を締結する部材は、ボルトに限らず、ボルトと同様の機能を発揮する「全ねじおよびナット」であってもよい。
図３Ａに示すように、平面透視した場合は、電極層１１における、複数の発光素子２０ａ〜２０ｄが搭載される領域の中心と、ボルト５０の中心とが一致するように配設することで、放熱性の点で偏りのない、より高い放熱効果を有する発光モジュールを実現することが可能となる。
また、図３Ｂの矢印で示されるように、発光素子２０ａ〜２０ｄで生じた熱は、電極層１１、絶縁層１２および金属板１３を介し、さらにボルト５０を経てヒートシンク４０に伝導する。ここで、金属板１３の熱伝導率と、ボルト５０（または全ねじおよびナット）の熱伝導率とが等しいか、金属板１３の熱伝導率よりボルト５０の熱伝導率が大きい場合は、高い放熱効果を発揮する。上記の例としては、たとえば、金属板１３とボルト５０（または全ねじおよびナット）の材質を、いずれも銅としてもよい。
ここで、図２Ｂに示されるねじ孔１３ａの深さｂと、金属板１３の厚さａとは、
０．３ａ≦ｂ≦０．９ａ ・・・ （１）
の関係を有していてもよい。さらに、
０．５ａ≦ｂ≦０．９ａ ・・・ （２）
の関係を有していてもよい。上記の関係は、放熱効率と金属板の強度（最終的には発光素子搭載用基板の強度）との兼ね合いに基づいて決定してもよい。
上記のように発光モジュールを構成することで、発光素子で生じた熱を、金属板およびボルトを介して、より確実にヒートシンクに伝達させることが可能となる。
（第２実施形態）
上記第１実施形態に係る発光モジュール１においては、金属板１３のねじ孔１３ａに螺合させたボルト５０の先端と、これに対向するねじ孔１３ａの最深部（以下「ねじ孔の最深部」と称する。）１３ｂとの間には、空気層の間隙（以下「間隙」と称する。）１５が形成されてしまうので、この部分で放熱効果が低下する。このため、第２実施形態では、上記の間隙１５における放熱効果の低下を抑制するため、間隙１５に接合金属を配設することとした。
図４Ａは、第２実施形態に係る発光モジュールを模式的に示した平面図であり、図４Ｂは、上記図４Ａの発光モジュールを切断面線Ｃ−Ｃ’で切断した場合の断面図である。
図４Ｂに示すように、金属板１３の最深部１３ｂとボルト５０の先端５０ａとによって形成される間隙１５には、接合金属７０ａが設けられている。
接合金属７０ａは、（イ）金属板１３の硬度より低い硬度を有するか、または（ロ）金属板１３の熱伝導率と同等以上の熱伝導率を有していてもよい。さらに、（ハ）金属板１３の硬度より低い硬度であり、かつ金属板１３の熱伝導率と同等以上の熱伝導率を有する接合金属を配設することとしてもよい。
具体的には、たとえば、表１の数値に従い、金属板１３の材質を銅にした場合は、上記（イ）の例としては、接合金属７０ａの材質を、銀、金、アルミニウムおよびはんだなどとしてもよい。また、上記（ロ）の例としては、接合金属７０ａの材質を、銀などとしてもよい。さらに、上記（ハ）の例としては、接合金属７０ａの材質を、銀などとしてもよい。したがって、金属板１３の材質を銅にした場合は、接合金属７０ａの材質を、銀としてもよい。
このように、間隙１５に接合金属７０ａを配設することによって間隙１５における放熱効果の低下が抑制されるので、発光素子２０ａ〜２０ｄで生じた熱を、金属板１３を介して確実にボルト５０などに伝達させることが可能となる。
（第３実施形態）
本実施形態においては、上記の第２実施形態と同様の目的を達成しつつ、第２実施形態とは異なる形態で接合金属を配設した実施例を示す。図５Ａは、本実施形態に係る発光モジュールを模式的に示した平面図であり、図５Ｂは、上記図５Ａの発光モジュールを切断面線Ｄ−Ｄ’で切断した場合の断面図である。
図５Ｂに示すように、金属板１３におけるねじ孔１３ａの内面には、ボルト５０のおねじを取り囲むように接合金属７０ｂが配設されている。このように、金属板１３のねじ孔１３ａの内面全体を覆うように接合金属７０ｂを配設し、金属板１３のねじ孔１３ａとボルト５０のおねじとによって生じる間隙１５に接合金属７０ｂを充填することによって、発光素子２０ａ〜２０ｄで生じた熱を、金属板１３を介して確実にボルト５０に伝達させることが可能となる。なお、本実施形態における接合金属７０ｂの材質は、上記第２実施形態における接合金属７０ａの材質と同一の考え方で決定してもよい。
（第４実施形態）
本実施形態においては、上記の第２実施形態における接合金属に比べて、より放熱効果が高くなるように接合金属を配設した実施例を示す。図６Ａは、第４実施形態に係る発光モジュールを模式的に示した平面図であり、図６Ｂは、上記図６Ａの発光モジュールを切断面線Ｅ−Ｅ’で切断した場合の断面図である。
図６Ｂに示すように、金属板１３の最深部１３ｂよりもさらに奥部に小孔１３ｃを設け、この小孔１３ｃに接合金属７０ｃを充填することによって、金属板１３と接合金属とが接する表面積が増大したので、発光素子２０ａ〜２０ｄで生じた熱を、金属板１３を介して、より確実にボルト５０に伝達させることが可能となる。なお、本実施形態における接合金属７０ｃの材質は、上記第２実施形態における接合金属７０ａの材質と同一の考え方で決定してもよい。
（第５実施形態）
図７は、本実施形態に係る発光素子の搭載態様を模式的に示した平面図である。図７に示すように、複数の発光素子２０ａ〜２０ｄを、正極１１ｃおよび負極１１ｄを有する電極層１１の上に格子状に配置してもよい。そして、本実施形態においても、平面透視した場合に、電極層１１における、複数の発光素子２０ａ〜２０ｄが搭載される領域の中心と、ボルト５０の中心とが一致するように配設することで、偏りのない、より高い放熱効果を有する発光モジュールを実現することが可能となる。
本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 発光モジュール
１０ 発光素子搭載用基板
１１ 電極層
１１ａ，１１ｃ 正極
１１ｂ，１１ｄ 負極
１２ 絶縁層
１３ 金属板
１３ａ ねじ孔
１３ｂ 最深部
１３ｃ 小孔
１４ 裏面絶縁層
１５ 間隙
２０ 発光素子
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 発光素子
３０ 発光装置
４０ ヒートシンク
５０ ボルト
５０ａ ボルト５０の先端
６０ グリス層
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ 接合金属

Claims (12)

  1. 金属板と、絶縁層と、１以上の発光素子が搭載される電極層とが、この順に積層されて成る発光素子搭載用基板であって、
    前記金属板は、前記絶縁層に接する面と対向する面に開口する非貫通のねじ孔が設けられ、
    前記金属板におけるねじ孔の最深部に、当該金属板の硬度より低い硬度、または当該金属板の熱伝導率と同等以上の熱伝導率、を有する接合金属を配設したことを特徴とする発光素子搭載用基板。
  2. 金属板と、絶縁層と、１以上の発光素子が搭載される電極層とが、この順に積層されて成る発光素子搭載用基板であって、
    前記金属板は、前記絶縁層に接する面と対向する面に開口する非貫通のねじ孔が設けられ、
    前記金属板におけるねじ孔の最深部に、当該金属板の硬度より低い硬度であり、かつ当該金属板の熱伝導率と同等以上の熱伝導率を有する接合金属を配設したことを特徴とする発光素子搭載用基板。
  3. 平面透視した場合に、前記電極層における発光素子が搭載される領域と、前記金属板におけるねじ孔とは、少なくとも一部が重なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子搭載用基板。
  4. 平面透視した場合に、前記電極層における発光素子が搭載される領域の中心と、前記金属板におけるねじ孔の中心とは、一致することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光素子搭載用基板。
  5. 前記接合金属の材質は、はんだ、金、銀またはアルミ二ウムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子搭載用基板。
  6. 前記接合金属は、前記ねじ孔の内面全体に亘って配設されていることを特徴とする請求項５に記載の発光素子搭載用基板。
  7. 前記金属板は、前記最深部よりさらに奥部に小孔が設けられており、該小孔は前記接合金属で充填されていることを特徴とする請求項５に記載の発光素子搭載用基板。
  8. 前記ねじ孔の深さは、前記金属板の厚さの５０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子搭載用基板。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光素子搭載用基板と、
    １以上の発光素子と、を備えることを特徴とする発光装置。
  10. 請求項９に記載の発光装置と、
    前記ねじ孔に対応する位置に貫通孔を有するヒートシンクと、
    前記ねじ孔に累合し、前記ヒートシンクと前記金属板とを締結するボルト、または該締結する全ねじおよびナットと、を備え、
    前記ボルト、または前記全ねじおよびナットの熱伝導率は、前記金属板の熱伝導率と同等以上であることを特徴とする発光モジュール。
  11. 前記金属板と前記ヒートシンクとの間の裏面絶縁層であって、前記ねじ孔に対応する位置に貫通孔を有する裏面絶縁層を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の発光モジュール。
  12. 前記金属板、ならびに前記ボルト、または前記全ねじおよびナットの材質は銅であり、
    前記接合金属の材質は銀であり、
    前記裏面絶縁層の材質は、Ｓｉ３Ｎ４またはＡｌＮであることを特徴とする請求項１１に記載の発光モジュール。
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