JP7121188B2 - 素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置 - Google Patents
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Description
本開示は、素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置に関する。
従来技術の一例は、特許文献１および２に記載されている。
本開示の素子用基板は、セラミック製の絶縁基板と、
前記絶縁基板の第１面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
前記絶縁基板の第１面と反対側の第２面に当接された放熱部材と、
前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える構成である。
前記絶縁基板の第１面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
前記絶縁基板の第１面と反対側の第２面に当接された放熱部材と、
前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える構成である。
本開示の発光素子モジュールは、上述の素子用基板と、
前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える構成である。
前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える構成である。
本開示の発光装置は、上述の発光素子モジュールと、
前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える構成である。
前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える構成である。
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。
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子、および集積回路（ＩＣ）等の演算素子は、動作時に自己発熱する。発熱することによって素子の電気特性が低下したり、寿命が短くなったりするなどの悪影響を及ぼす。この自己発熱する素子を冷却するために、本開示の素子用基板が基礎とする構成では、素子を基板に実装し、基板をさらにヒートシンクなどの放熱部材上に配置して放熱している。
素子が十分に冷却されているかどうかなどを確認するために、素子の温度を検出するサーミスタを用いる場合がある。サーミスタは、例えば、ヒートシンクの温度を検出して間接的に素子の温度を確認している。
このような本開示の素子用基板が基礎とする構成では、間接的な温度検出であるので、応答性が悪く、精度の悪い検出温度に基づいて素子を制御することになる。素子の温度を高精度に検出するには、サーミスタの位置を素子に近付ける必要があり、例えば、素子用基板に電気的に接続されたフレキシブル基板にサーミスタを配置することが考えられる。
しかし、フレキシブル基板が、ヒートシンクなど金属製の放熱部材を空冷するための気流によって部分的に振動したり、変位したりすることで、サーミスタが放熱部材に接触して電気的な短絡が生じることがある。
以下、図面を用いて本開示の実施形態について説明する。図１は、本開示の第１実施形態である素子用基板を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線を切断面線とする素子用基板の断面図である。なお、素子用基板に実装される素子は、動作時に電流の印加によって自己発熱する素子であって、例えば、発光ダイオードまたは半導体レーザなどの発光素子、フォトダイオードなどの受光素子、ＣＰＵ（中央処理装置）などの演算素子、発熱抵抗体（ヒートエレメント）などの発熱素子、ＣＣＤ（電荷結合素子）などの撮像素子およびフラッシュメモリを始めとする半導体メモリ素子などである。
素子用基板１は、絶縁基板１０と、絶縁基板１０上に配設された電極配線１１と、絶縁基板１０に接合された放熱部材１２と、電極配線１１に電気的に接続されたフレキシブル基板１３と、フレキシブル基板１３に実装された温度検出素子１４と、接着剤層１５とを備える。
絶縁基板１０は、セラミック製であって、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板などの熱伝導性の高いセラミック基板を使用することができる。絶縁基板１０の外形の形状は、例えば、矩形状である。絶縁基板１０の第１面１０ａには、電極配線１１が配設されており、電極配線１１には、素子１６が電気的に接続される。本実施形態では、素子１６は、電極配線１１と同じ第１面１０ａに実装される。電極配線１１には、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、銀（Ａｇ）もしくは銅（Ｃｕ）、または、これらから選ばれる少なくとも１種以上の金属材料を含有する合金等の金属材料が用いられる。電極配線１１の露出する部分には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）めっき層またはニッケル層上に金（Ａｕ）めっき層を被着させてもよい。
放熱部材１２は、絶縁基板１０の第１面１０ａと反対側の第２面１０ｂに接合されている。放熱部材１２は、例えば、金属製の板状部材または金属製のヒートシンク等であって、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属材料で構成されている。本実施形態では、放熱部材１２は、金属製の板状部材である。絶縁基板１０と放熱部材１２とは、例えば、銀ろうなどのろう材を使用して接合することができる。
本実施形態では、放熱部材１２は、外形の形状が矩形状であり、放熱部材１２の外形が絶縁基板１０の外形よりも大きい。放熱部材１２は、平面視で、絶縁基板１０から延出した延出部分２０を含む。延出部分２０は、絶縁基板１０を取り囲むように位置している。放熱部材１２は、外形が大きいほど放熱面積および伝熱面積が大きく、素子１６の冷却能力に優れる。
フレキシブル基板１３は、例えば、ポリイミド等の樹脂材料からなる樹脂フィルム１３ａを可撓性の絶縁基板とし、樹脂フィルム１３ａの一表面上に信号配線１３ｂが配設されている。信号配線１３ｂの一方端が、電極配線１１に電気的に接続される。信号配線１３ｂの他方端は、後述の制御基板等に電気的に接続される。信号配線１３ｂと電極配線１１とは、例えば、はんだなどの接合材１７で接合される。
フレキシブル基板１３は、絶縁基板１０の第１面１０ａおよび放熱部材１２の延出部分２０に対向する第１部分３０と、第１部分３０に連なるとともに屈曲した第２部分３１とを含む。第１部分３０は、延出部分２０に対向する対向面３０ａを有しており、対向面３０ａに温度検出素子１４が実装されている。
温度検出素子１４は、例えば、サーミスタなどを用いることができる。対向面３０ａに実装されることで温度検出素子１４は、延出部分２０に近接し、または絶縁基板１０に近接もしくは接触して、延出部分２０の温度を検出する。延出部分２０は、絶縁基板１０の近傍であり、従来よりも素子用基板１に実装される素子に近い位置で高精度の温度検出が可能となる。さらに、温度検出素子１４が、絶縁基板１０に近接もしくは接触する構成であれば、絶縁基板１０の温度を検出してもよく、延出部分２０よりもさらに実装される素子に近い位置で高精度の温度検出が可能となる。
接着剤層１５は、温度検出素子１４と放熱部材１２（延出部分２０）との間および対向面３０ａと放熱部材１２（延出部分２０）との間の少なくとも一方に介在している。温度検出素子１４が放熱部材１２に近接していることから、温度検出素子１４が金属製の放熱部材１２に接触した場合に、電気的な短絡が発生してしまうおそれがある。本実施形態では、温度検出素子１４と放熱部材１２の延出部分２０との間に接着剤層１５を介在させている。接着剤層１５は、例えば、シリコーン樹脂を主成分としており、温度検出素子１４と放熱部材１２との間の電気的絶縁性を確保して、電気的短絡の発生を抑制することができる。さらに、接着剤層１５は、フレキシブル基板１３の対向面３０ａと放熱部材１２の延出部分２０との間にも介在している。接合材１７による信号配線１３ｂと電極配線１１との接合力に、接着剤層１５による第１部分３０と放熱部材１２との接着力が加わり、電極配線１１および放熱部材１２とフレキシブル基板１３との接合強度が向上する。温度検出素子１４が、絶縁基板１０に近接もしくは接触する構成であれば、温度検出素子１４に電気的な短絡が発生するおそれは小さいので、接着剤層１５は、フレキシブル基板１３の対向面３０ａと放熱部材１２の延出部分２０との間に介在しているだけであってもよい。また、温度検出素子１４が、絶縁基板１０に近接もしくは接触する構成であって、電極配線１１または素子１６に近接するような位置にある場合は、接着剤層１５を、電極配線１１と温度検出素子１４との間、素子１６と温度検出素子１４との間などにさらに介在させて、電気的短絡の発生を抑制するようにしてもよい。なお、接着剤層１５は、温度検出素子１４の位置によらず、対向面３０ａと絶縁基板１０との間にさらに介在していてもよい。
接着剤層１５の、温度検出素子１４と放熱部材１２の延出部分２０との間に介在する部分１５ａと、対向面３０ａと放熱部材１２の延出部分２０との間に介在する部分１５ｂとは、連なっていても、離れていてもよい。本実施形態では、部分１５ａと部分１５ｂとが連なっている。
フレキシブル基板１３の信号配線１３ｂは、樹脂フィルム１３ａの長手方向に延びる一対の配線１３ｂ１，１３ｂ２を含んでいる。一対の配線１３ｂ１，１３ｂ２は、一方の配線１３ｂ１が樹脂フィルム１３ａの幅方向の一方端部寄りに配設され、他方の配線１３ｂ２が樹脂フィルム１３ａの幅方向の他方端部寄りに配設される。温度検出素子１４は、樹脂フィルム１３ａの幅方向において、一対の配線１３ｂ１，１３ｂ２の間に位置する。
図３は、本開示の第２実施形態に係る素子用基板を示す断面図である。本実施形態は、接着剤層１５Ａの構成が異なること以外は、第１実施形態と同様であるので、同様の構成には同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態では、温度検出素子１４が接着剤層１５Ａに囲繞されている。このとき、接着剤層１５Ａの一部は、第１部分３０の対向面３０ａから温度検出素子１４の側面を覆うようにして放熱部材１２の側面にまで延びていてもよい。このように接着剤層１５Ａが対向面３０ａと放熱部材１２との間に介在していると、放熱部材１２とフレキシブル基板１３との接合強度がより向上する。
本実施形態の温度検出素子１４は、例えば、直方体形状である。その１つの面が第１部分３０の対向面３０ａに接合されており、この１つの面の反対側に位置する面は接着剤層１５Ａの部分１５ａに覆われており、残りの４つの面は全て対向面３０ａと放熱部材１２の延出部分２０との間に介在する部分１５ｂによって覆われている。このように、温度検出素子１４が接着剤層１５Ａに囲繞されていることで、温度検出素子１４が接着剤層１５Ａによって封止され、水分の付着および塵芥の付着などを低減して、温度検出素子１４による温度の検出精度をさらに高めることができる。
図４は、本開示の第３実施形態に係る発光素子モジュールおよび発光装置の概略断面図である。発光装置１００は、発光素子モジュール５０と、発光素子モジュール５０が載置されているヒートシンク６０と、ヒートシンク６０を空冷するファン７０と、を備える。また、発光装置１００は、発光素子モジュール５０とヒートシンク６０とを収容する筐体８０、およびフレキシブル基板１３に電気的に接続されている制御基板９０をさらに備える。本実施形態では、素子用基板１に実装される素子が発光素子であり、発光素子モジュール５０は、素子用基板１と発光素子１６Ａとを備えている。
ヒートシンク６０は、例えば、銅またはアルミニウムなどの金属材料で構成されている。ヒートシンク６０は、その形状は特に限定されないが、例えば、放熱効率を向上させるために複数のフィン６１を有する形状であってもよい。ヒートシンク６０の、フィン６１と反対側には、発光素子モジュール５０が載置される。発光素子モジュール５０のヒートシンク６０への固定は、例えば、放熱部材１２にねじ孔または貫通孔を設け、ねじ止めによるものであってもよく、放熱部材１２とヒートシンク６０とをろう材などで接合するものであってもよい。
ファン７０は、フィン６１に対向するように配置され、外部の空気を取り込んでフィン６１に向かう気流を発生させ、ヒートシンク６０を空冷する。図示していないが、筐体８０には、ファン７０によって内部に取り込まれた空気を排気する排気口が設けられている。
制御基板９０は、フレキシブル基板１３に電気的に接続され、フレキシブル基板１３の信号配線１３ｂを介して発光素子１６Ａに発光制御信号を送る。また、制御基板９０は、温度検出素子１４にも電気的に接続されており、検出された温度に応じた発光制御信号を発光素子１６Ａに送る。さらに、制御基板９０は、ファン７０にも電気的に接続されて、検出された温度に応じてファン７０の動作を制御してもよい。
筐体８０の、発光素子１６Ａに対向する部分には、発光素子１６Ａからの出射光を外部に取り出すための透光性の窓部材８１が設けられている。
このような構成の発光装置１００においては、ファン７０によって筐体８０の内部に取り込まれる、ヒートシンク６０を空冷するための気流によって、フレキシブル基板１３が振動または変位する場合がある。これに対し、接着剤層１５（１５Ａ）によって少なくともフレキシブル基板１３の第１部分３０は、電極配線１１および放熱部材１２に強固に接合されており、また、温度検出素子１４と放熱部材１２との間には、接着剤層１５（１５Ａ）が介在するので、温度検出素子１４が放熱部材１２に接触して電気的に短絡することを抑制できる。
図５は、本開示の第４実施形態に係る素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置の概略断面図である。本実施形態では、ヒートシンク６０が放熱部材１２を兼ねている。前述の各実施形態では、放熱部材１２を金属製の板状部材とする構成であるが、本実施形態は、板状部材の代わりに金属製のヒートシンク６０を用いた構成である。ヒートシンク６０は、第３実施形態で用いられるヒートシンク６０と同様のものを用いることができる。
本実施形態の素子用基板１は、上記のとおり、放熱部材として板状部材の代わりにヒートシンク６０を備えており、絶縁基板１０の第２面１０ｂが直接ヒートシンク６０に当接した構成であること以外は、第２実施形態と同様の構成である。また、発光素子モジュール５０は、ヒートシンク６０を備える素子用基板１に、素子として発光素子１６Ａが実装されている構成である。本実施形態の発光装置１００は、このような発光素子モジュール５０を備えていること以外は、第３実施形態の発光装置１００と同様の構成である。
絶縁基板１０のヒートシンク６０への固定は、例えば、絶縁基板１０にねじ孔または貫通孔を設け、ねじ止めによるものであってもよく、絶縁基板１０とヒートシンク６０とをろう材などで接合するものであってもよい。
ヒートシンク６０は、絶縁基板１０の第２面１０ｂが当接している当接面６０ａを有している。この当接面６０ａは、平面視で、絶縁基板１０から延出した延出領域６０ｂを含んでいる。延出領域６０ｂは、板状部材である放熱部材１２の延出部分２０と同様のものであり、フレキシブル基板１３の第１部分３０における対向面３０ａは、延出領域６０ｂに対向している。
本実施形態では、接着剤層１５Ａを、温度検出素子１４とヒートシンク６０の延出領域６０ｂとの間、およびフレキシブル基板１３の第１部分３０の対向面３０ａとヒートシンク６０の延出領域６０ｂとの間にそれぞれ介在させている。接合材１７による信号配線１３ｂと電極配線１１との接合力に、接着剤層１５Ａによる第１部分３０とヒートシンク６０との接着力が加わり、電極配線１１およびヒートシンク６０とフレキシブル基板１３との接合強度が向上する。
このような構成の発光装置１００においても、ファン７０によって筐体８０の内部に取り込まれる、ヒートシンク６０を空冷するための気流によって、フレキシブル基板１３が振動または変位する場合がある。これに対し、接着剤層１５（１５Ａ）によって少なくともフレキシブル基板１３の第１部分３０は、電極配線１１およびヒートシンク６０に強固に接合されており、また、温度検出素子１４とヒートシンク６０との間には、接着剤層１５（１５Ａ）が介在するので、温度検出素子１４がヒートシンク６０に接触して電気的に短絡することを抑制できる。
本開示は次の実施の形態が可能である。
本開示の素子用基板は、セラミック製の絶縁基板と、
前記絶縁基板の第１面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
前記絶縁基板の第１面と反対側の第２面に当接された放熱部材と、
前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える構成である。
前記絶縁基板の第１面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
前記絶縁基板の第１面と反対側の第２面に当接された放熱部材と、
前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える構成である。
本開示の発光素子モジュールは、上述の素子用基板と、
前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える構成である。
前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える構成である。
本開示の発光装置は、上述の発光素子モジュールと、
前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える構成である。
前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える構成である。
本開示の素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置によれば、素子の温度を温度検出素子によって高精度に検出できるとともに、フレキシブル基板に実装された温度検出素子の電気的短絡の発生を抑制し、フレキシブル基板と電極配線との接合強度を向上させることができる。
以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、各実施形態を互いに組み合わせる構成など種々の変更、改良が可能である。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、本開示の範囲は特許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、特許請求の範囲に属する変形または変更は全て本開示の範囲内のものである。
１ 素子用基板
１０ 絶縁基板
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
１１ 電極配線
１２ 放熱部材
１３ フレキシブル基板
１３ａ 樹脂フィルム
１３ｂ 信号配線
１３ｂ１，１３ｂ２ 配線
１４ 温度検出素子
１５，１５Ａ 接着剤層
１６ 素子
１６Ａ 発光素子
１７ 接合材
２０ 延出部分
３０ 第１部分
３０ａ 対向面
３１ 第２部分
５０ 発光素子モジュール
６０ ヒートシンク
６０ａ 当接面
６０ｂ 延出領域
６１ フィン
７０ ファン
８０ 筐体
８１ 窓部材
９０ 制御基板
１００ 発光装置
１０ 絶縁基板
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
１１ 電極配線
１２ 放熱部材
１３ フレキシブル基板
１３ａ 樹脂フィルム
１３ｂ 信号配線
１３ｂ１，１３ｂ２ 配線
１４ 温度検出素子
１５，１５Ａ 接着剤層
１６ 素子
１６Ａ 発光素子
１７ 接合材
２０ 延出部分
３０ 第１部分
３０ａ 対向面
３１ 第２部分
５０ 発光素子モジュール
６０ ヒートシンク
６０ａ 当接面
６０ｂ 延出領域
６１ フィン
７０ ファン
８０ 筐体
８１ 窓部材
９０ 制御基板
１００ 発光装置
Claims (11)
- セラミック製の絶縁基板と、
前記絶縁基板の第１面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
前記絶縁基板の第１面と反対側の第２面に当接された放熱部材と、
前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える素子用基板。 - 前記温度検出素子が、前記接着剤層に囲繞されている、請求項１記載の素子用基板。
- 前記フレキシブル基板は、帯状の樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの一表面上に配設された信号配線と、を有し、
前記信号配線は、前記樹脂フィルムの長手方向に延びる一対の配線を含み、
前記温度検出素子は、前記樹脂フィルムの幅方向において、前記一対の配線の間に位置する、請求項１または２に記載の素子用基板。 - 前記放熱部材が、金属製の板状部材である、請求項１～３のいずれか１つに記載の素子用基板。
- 前記板状部材は、平面視で、前記絶縁基板から延出した延出部分を含み、
前記対向面は、前記延出部分に対向している、請求項４記載の素子用基板。 - 前記放熱部材が、金属製のヒートシンクである、請求項１～３のいずれか１つに記載の素子用基板。
- 前記ヒートシンクは、前記第２面が当接している当接面を有し、
前記当接面は、平面視で、前記絶縁基板から延出した延出領域を含み、
前記対向面は、前記延出領域に対向している、請求項６記載の素子用基板。 - 請求項１～５のいずれか１つに記載の素子用基板と、
前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える発光素子モジュール。 - 請求項８記載の発光素子モジュールと、
前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える発光装置。 - 請求項６または７に記載の素子用基板と、
前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える発光素子モジュール。 - 請求項１０記載の発光素子モジュールと、
前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える発光装置。
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