JPWO2011004798A1

JPWO2011004798A1 - 素子搭載用セラミックス基板、ｌｅｄ搭載用セラミックス基板、ｌｅｄランプ及びヘッドライト並びに電子部品

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Publication number: JPWO2011004798A1
Application number: JP2011521913A
Authority: JP
Inventors: 福田　悦幸; 悦幸福田; 寛正加藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: JP2015019106A; EP2484957A1; WO2011004798A1; EP2484957B1; JP5839992B2; EP2484957A4; US9095051B2; US20120098020A1

Abstract

実施形態によれば、貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有する素子搭載用セラミックス基板が提供される。

Description

本発明の実施形態は、ＬＥＤなどの素子を搭載するためのセラミックス基板及びそれを用いたＬＥＤランプとヘッドライト並びに電子部品に関するものである。

ＬＥＤ（発光ダイオード）を使ったＬＥＤランプは、室内灯、液晶表示装置等のバックライトなど様々な分野に使われている。ＬＥＤランプは、放電灯、冷陰極管等と比べて消費電力が大幅に低減できることから各分野への適用が試みられている。その一つに自動車用ランプがある。自動車用ランプには、ヘッドライト、サイドランプ、バックランプ（ブレーキランプ）などがある。

例えば、ヘッドライトはＬＥＤからの光を反射板、拡散板、散乱板等を使って広範囲を照らすものである。ＬＥＤ光を使って効率良く広範囲を照らすには反射板、拡散板等とＬＥＤの位置を合わせて反射効率や拡散効率を上げることが有効である。また、複数のＬＥＤを搭載して発光強度を上げる方法も効果的である（例えば特許文献１）。一方、ＬＥＤチップは約１ｍｍ角と非常に小さな発光素子である。このため、位置合わせが正確にできないと十分な反射効率や拡散効率を得ることができない。

また、ＬＥＤは発光時に発熱するため放熱性の良い基板が求められている。さらに、自動車は当然ながら振動が激しく、そこに搭載されるヘッドライトにも振動対策が求められている。例えば、樹脂基板では強度が弱く、別途補強部材が必要である。

一方、振動対策として、特許文献２では第１屈曲部と第２屈曲部を有するヒートパイプを使うことが開示されている。このようなヒートパイプを使うことにより振動を吸収することができる。しかしながら、第１，第２の屈曲部という複雑な形状のヒートパイプが必要なためコストアップの要因となる。

また、ＬＥＤチップ以外の半導体素子や太陽電池素子においても位置合わせは重要である。素子の基板への取り付け位置がずれることは、電子部品の不良発生の原因となっている。

特開２００５−５６８４９号公報特開２００８−２０４８４４号公報

本発明の実施形態は、ＬＥＤチップの位置合わせが容易で、かつ強度の高いＬＥＤ搭載用セラミックス基板と、前記ＬＥＤ搭載用セラミックス基板を用いたＬＥＤランプ並びにヘッドライトとを提供しようとするものである。また、本発明の実施形態は、素子の位置決め性が向上された素子搭載用セラミックス基板と、前記素子搭載用セラミックス基板を用いた電子部品とを提供する。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ搭載用セラミックス基板は、貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有する。

本発明の実施形態に係るＬＥＤランプは、貫通孔と少なくとも１辺に面した凹部とを有するＬＥＤ搭載用セラミックス基板と、
前記ＬＥＤ搭載用セラミックス基板に搭載された発光ダイオードと
を備える。

本発明の実施形態に係るヘッドライトはＬＥＤランプを備え、
前記ＬＥＤランプは、
貫通孔と少なくとも１辺に面した凹部とを有するＬＥＤ搭載用セラミックス基板と、
前記ＬＥＤ搭載用セラミックス基板に搭載された発光ダイオードと
を備える。

本発明の実施形態に係る素子搭載用セラミックス基板は、半導体素子及び太陽電池素子よりなる群から選択される少なくとも１種類の素子を搭載するための素子搭載用セラミックス基板である。前記素子搭載用セラミックス基板は、貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを含む。

本発明の実施形態に係る電子部品は、貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを含むセラミックス基板と、
前記セラミックス基板に搭載され、半導体素子及び太陽電池素子よりなる群から選択される少なくとも１種類の素子と
を含む。

本発明の実施形態によれば、ＬＥＤチップの位置合わせが容易で、かつ強度の高いＬＥＤ搭載用セラミックス基板と、前記ＬＥＤ搭載用セラミックス基板を用いたＬＥＤランプ並びにヘッドライトとを提供することができる。

また、本発明の実施形態によれば、素子の位置決め性が向上された素子搭載用セラミックス基板と、前記素子搭載用セラミックス基板を用いた電子部品とを提供することができる。

本発明の実施形態に係るＬＥＤ搭載用セラミックス基板の平面図。本発明の別の実施形態に係るＬＥＤ搭載用セラミックス基板の平面図。本発明の実施形態に係るヘッドライトを示す概略図。比較例のＬＥＤ搭載用セラミックス基板を示す概略図。本発明の実施形態に係る電子部品を示す平面図。本発明の他の実施形態に係るヘッドライトを示す概略図。

まず、ＬＥＤ搭載用セラミックス基板を中心に説明する。

貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有するセラミックス基板によると、例えばヘッドライト等に用いられる実装基板に固定する際、凹部を実装基板に設けられた凸部（例えば、ねじ部）に嵌めこむことで位置決めを行うことができるため、基板の位置決めが容易になる。その結果、当該セラミックス基板に搭載されるＬＥＤ（発光ダイオード）と、ヘッドライト等に用いられるレンズ機能付きカバーとの位置ずれを小さくすることができるため、拡散効率を向上することができ、ＬＥＤランプの光強度、ひいてはヘッドライトの視認性を高めることが可能となる。

また、当該セラミックス基板は、機械的強度が高いため、例えばヘッドライト等の実装基板にねじ止めする際や、自動車等の振動が加わった際の基板の割れを防止することができる。

セラミックス基板としては、例えば、窒化珪素基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ等を挙げることができる。ＡｌＮ基板は、熱伝導率が高いために放熱性に優れている。一方、窒化珪素基板は、破壊靭性６ＭＰａ・ｍ^１／２以上と靭性が高いのでねじ止めの際に割れ難い。また、振動により割れるといった不具合がＡｌＮ基板に比して少ない。よって、基板の板厚を薄くしても基板の割れを回避することが可能となるため、ＡｌＮ基板と同等の放熱性を持ちながらも、ＡｌＮ基板に比して小型で、かつ軽量なＬＥＤ搭載用基板を実現できる。

なお、破壊靭性は、下記（１）式に示す新原の式を用いる新原法により求める。

新原の式＝０．０１１４Ｅ^0.4Ｐ^0.6ａ^-0.7（Ｃ／ａ−１）^-0.5 （１）
但し、Ｐは荷重（Ｋｇｆ）、ｄは圧痕の対角線長（ｍｍ）、Ｅはヤング率（Ｋｇｆ／ｍｍ²）、Ｃは圧痕の中心点から亀裂の長さ（ｍｍ）、ａは圧痕の対角線長の１／２（ｍｍ）である。

セラミックス基板は、三点曲げ強度が室温で５００ＭＰａ以上の機械的特性を有することが望ましい。これにより、ねじ止めの際の割れを防止できる。さらに好ましい範囲は、６００ＭＰａ以上である。

セラミックス基板として窒化珪素基板を使用する際、窒化珪素基板の板厚は、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが好ましい。板厚を０．２ｍｍ以上にすることにより、ねじ止めの際の割れを防止できる。また、板厚を１ｍｍ以下にすることにより、高い放熱性を得ることが可能となる。

窒化珪素基板は、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ３点曲げ強度が室温で６００ＭＰａ以上であることが好ましい。このような基板は、ねじ止めの際に割れ難く、かつ放熱性にも優れている。

ＬＥＤ搭載用セラミックス基板には、回路部を設けることができる。回路部にＬＥＤが実装される。回路部は、例えば、銅板あるいはＡｌ板を接合した金属回路板、金属薄膜を設けた薄膜回路層から形成することが可能である。銅回路板が接合されたセラミックス基板は、振動に対する強度に優れている。銅回路板は、例えば、活性金属接合法、直接接合法（ＤＢＣ法）により接合可能である。

また、回路部を搭載する基板表面において、回路部を形成しない領域にＬＥＤからの光を反射する反射層を設けてもよい。反射層は、ＬＥＤからの光を反射するものであれば特に限定されるものではないが、白色光の場合、酸化ケイ素膜や酸化チタン膜などの無機白色膜や有機レジストなどの有機白色膜が好ましい。また、反射層の膜厚は１００μｍ以下が好ましい。反射層の膜厚を１００μｍ以下にすることによって、反射層を設けたことによる基板の熱伝導率の低下を抑えることができるため、基板の放熱性を維持することができる。反射層の膜厚のより好ましい範囲は、２０μｍ以上、５０μｍ以下である。

次いで、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るＬＥＤ搭載用セラミックス基板の平面図である。ＬＥＤ搭載用セラミックス基板１（以下、基板１と称す）は、一方の長辺に面した１個の凹部２と、他方の長辺付近に位置する１個の貫通孔３とを有する。

基板１のサイズは、特に限定されるものではないが、一辺の長さが１０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下であることが望ましい。各辺の長さは、図１に例示されるように長辺Ｌ１と短辺Ｌ２それぞれの長さが１０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下であっても良いが、全ての辺が１０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下の範囲で同じ長さであっても良い。

貫通孔３の直径φは、ねじ止めに用いるねじサイズに応じて変わるものではあるが、回路部の設置面積を確保するために１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが望ましい。

凹部２のサイズは、ねじ止めに用いるねじサイズに応じて変わるものではあるが、回路部の設置面積を確保するために幅Ｗ１が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、かつ奥行Ｗ２が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが望ましい。ここで、幅Ｗ１とは、基板一辺と平行な凹部２の長さのうち最大長さで、奥行Ｗ２とは、基板一辺から凹部２の内壁までの距離のうち最大距離である。

貫通孔３と基板一辺との最短距離Ｌ３、凹部２と基板一辺との最短距離Ｌ４が１ｍｍ以上であることが望ましい。これにより、ねじ止めの際の基板の割れ等の破損を回避することができる。

基板１に設ける凹部２、貫通孔３の数は、１個もしくは複数個にすることができる。複数設ける場合、基板１の一辺に複数個設けても、各辺に１個ずつ設けても良い。例えば図２に例示されるように、複数の凹部２を基板１の長辺一辺に設けても良い。

本実施形態のＬＥＤ搭載用セラミックス基板にＬＥＤ（発光ダイオード）を搭載したＬＥＤランプの用途として、車載用が挙げられる。特に、ヘッドライト用として好適である。ヘッドライトの実施形態を図３に示す。なお、図１で説明したのと同様な部材については、同符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、ヘッドライト４は、トレー状の基台５と、レンズ機能を有するカバー６と、基台５及びカバー６を保持するためのホルダー７と、ＬＥＤランプ８とを有する。ホルダー７は、筒状をしており、その内部が支持板（ＬＥＤランプが固定される基板）７ａで仕切られている。支持板７ａで仕切られた下部に基台５が挿入されて固定されている。

ＬＥＤランプ８は、図１に示す基板１と、基板１に接合された回路部９と、回路部９に接合されたＬＥＤチップ１０とを有する。基板１の凹部２及び貫通孔３それぞれにスペーサ部材としてのワッシャ１１を介して挿入されたネジ１２によって、基板１は、ホルダー７の支持板７ａに固定されている。

図３にて付番１３で示す部材は、基板抑え部材である。基板抑え部材は、基板を抑える役目と放熱性を求められるためアルミニウム（またはアルミニウム合金）で出来ていることが望ましい。

レンズ機能を有するカバー６は、上面から見た平面形状は略四角形または円形をしており、また、カバー６の前面部分が外側に向かって張り出している。カバー６は、ホルダー７の支持板７ａで仕切られた上部に挿入されて固定され、支持板７ａとカバー６とで囲まれた空間内に、ＬＥＤランプ８が配置されている。

このような構成のヘッドライド４によれば、基板１をホルダー７の支持板７ａにねじ止めする際の基板１の割れを防止することが可能であると共に、自動車等の振動に対する基板１の破損を回避することができる。また、基板１の凹部２にネジ１２を嵌めこむことにより基板１の位置決めを行うことが可能となり、カバー６とＬＥＤチップ１０との位置決めが容易になるため、拡散効率を向上することができ、ＬＥＤランプ８の光強度、ひいてはヘッドライトの視認性を高めることが可能となる。

なお、前述した図３においては、ＬＥＤチップ１０の数を１個にしたが、ＬＥＤチップ１０を複数個設けることが可能である。また、窒化珪素基板は強度が高いことから、ネジ止めトルクを２０Ｎ・ｍ以上と強くできる。このため、強固な固定が必要なヘッドライト用基板に好適である。特に窒化珪素基板は貫通孔や凹部を具備していても６００ＭＰａ以上の強度を維持できるので好ましい。

また、ここまではＬＥＤチップを搭載する例を中心に説明したが、ＬＥＤチップ以外の半導体素子あるいは太陽電池素子などの素子を、実施形態のセラミックス基板に搭載することによって、電子部品における素子の位置決めを簡単かつ精度良く行うことができる。すなわち、実施形態のセラミックス基板は、素子の位置決め性が良好である。また、セラミックス基板として窒化珪素基板を使うことにより、ねじ止めトルクを大きくする効果をＬＥＤチップの場合と同様に得られる。そのため、半導体装置や太陽電池装置といった各種電子部品に実施形態のセラミックス基板を用いることにより、電子部品の不良発生を低減させることができる。

図５に、図１に示すセラミックス基板に太陽電池素子を搭載した電子部品の実施形態を示す。図１で説明したのと同様な部材については、同符号を付して説明を省略する。素子搭載用セラミックス基板１４は、一方の長辺に面した１個の凹部２と、他方の長辺付近に位置する１個の貫通孔３とを有する。太陽電池素子１５は、素子搭載用セラミックス基板１４に搭載されている。

このような構造の電子部品によれば、基板１４の凹部２を電子機器に設けられた凸部（例えば、ねじ部）に嵌めこむことで位置決めを行うことができるため、基板１４の位置決めが容易になる。これにより、電子機器内での太陽電池素子１５の位置ずれを小さくすることができる。その結果、太陽電池素子１５が他の部品と接触することに起因する電子機器の不良発生を低減することができる。また、位置ずれを考慮した余分なスペースを電子機器に設ける必要がないため、電子機器の体積効率を高めることができる。

なお、セラミックス基板に搭載する素子の数を複数にすることが可能である。また、太陽電池素子と半導体素子の双方をセラミックス基板に搭載することも可能である。

（実施例１〜５）
セラミックス基板１に、図１に示す凹部２および貫通孔３をパンチング加工により形成した。貫通孔の直径（φ）、貫通孔３と基板一辺との最短距離Ｌ３（ｍｍ）、凹部２の幅Ｗ１及び深さ（奥行）Ｗ２（ｍｍ）、凹部２と基板一辺との最短距離Ｌ４（ｍｍ）を下記表１に示す。

（比較例１〜２）
凹部及び貫通孔のいずれも形成していないセラミックス基板を用意した。

上記実施例及び比較例で用いるセラミックス基板の材質、室温での三点曲げ強度（ＭＰａ）、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、破壊靭性（ＭＰａ・ｍ^1/2）、サイズ（縦(L2)×横(L1）×厚さ（mm））を下記表１に示す。三点曲げ強度はＪＩＳ−Ｒ−１６０１に準じて測定した。また、熱伝導率はレーザーフラッシュ法を用いた。破壊靭性はＪＩＳ−Ｒ−１６０７のマイクロインディケーション法に準じて前記新原の式により求めた。

実施例１〜５、比較例１〜２に係るセラミックス基板にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ活性金属ろう材を用いて銅回路板（縦１５×横１５×厚さ０．６ｍｍ）を接合した。反り防止のための裏銅板を接合した。

各回路基板用いて銅回路板所定の位置にＬＥＤチップの実装工程を行いＬＥＤランプとした。実装工程は、ＬＥＤチップをＡｕ−Ｓｎ半田により銅板上に接合した。

次に、実施例１〜５のＬＥＤランプをねじ止めにより実装基板に固定し、ヘッドライトを製造した。ねじ止め工程は直径１．９ｍｍのねじと外径３ｍｍのワッシャーを介して、貫通孔および凹部の２か所でねじ止めを行った。ねじ止めのトルクは２５Ｎ・ｍとした。

一方、比較例１，２のＬＥＤランプは、図４に示すように基板２０の四隅を抑え冶具２１を介してねじ２２を用いて固定した。ねじ止め時のトルクは実施例と同様の値とした。

各基板のねじ止めの際に割れた基板の割合、位置ずれの発生した割合を測定した。その結果を表２に示す。

表２から明らかな通りに、実施例１〜５に係るセラミックス基板は基板が割れることは少なく、また位置ずれの発生も少なかった。特に、窒化珪素からなるセラミックス基板を用いた実施例１〜３では、基板の割れが皆無であった。一方、比較例１，２は四隅を固定するタイプのため、位置ずれの発生が大きかった。また、割れについても４か所にトルクがかかると割れる確率が上がった。

（実施例６〜１０）
Ｌ３、Ｌ４を表３のように変えた以外は実施例２（窒化珪素基板）または実施例５（アルミナ基板）と同じ基板を用意し、同様の測定を行った結果を以下に示す。

窒化珪素基板のように強度および靭性の高い窒化珪素基板であれば貫通孔および凹部が端辺から１ｍｍ以上（Ｌ３およびＬ４が１ｍｍ以上）であれば割れの防止が可能であることが分かる。一方、基板強度の弱いアルミナ基板を使う場合は２ｍｍ以上あけた方（Ｌ３およびＬ４が２ｍｍ以上）が好ましいことが分かる。そのため、窒化珪素基板の方が貫通孔および凹部を端に付けることができるので銅板を接合する面積を大きくすることまたは自由度を上げることができる。銅板を大きくすることまたは銅板の接合位置に自由度が上がれば、セラミックス基板上に複数個のＬＥＤチップを搭載することも可能である。

（実施例１１〜１６）
セラミックス基板を表４のものに変えて同様の測定を行った。なお、ねじ止めに用いるねじは貫通孔の直径または凹部サイズの直径よりも０．１ｍｍ小さい直径のねじを用いた。また、ねじ止めのトルクは実施例１と同様の数値とした。

表５から分かる通り、Ｌ３、Ｌ４が１ｍｍ未満の実施例１２、実施例１６では割れる基板の割合が増えた。このためＬ３、Ｌ４は１ｍｍ以上が好ましいと言える。また、この点を除けば各種サイズに本実施例にかかるセラミックス基板は優れた特性を示すことが分かる。つまり、ねじサイズに合わせた貫通孔直径、凹部サイズを形成することができるのであり、ＬＥＤの個数を増やした各種ＬＥＤランプ、さらにはヘッドライトに適用可能である。また、図６に示すように、回路部を形成しない領域に、例えば白色膜からなる反射層１６を設けることにより発光強度を向上させることもでき、ランプとしての特性を向上させることも可能である。なお、図６において、図３に示すのと同様な部材は同符号を付して説明を省略している。

また、ＬＥＤチップに換えて半導体素子（ＬＥＤチップ以外の半導体素子）または太陽電池素子を搭載する場合であっても位置決め性などの同様の効果が得られる。そのため、本発明の実施形態は、ヘッドライトに限らず各種電子部品に好適である。

１…ＬＥＤ搭載用セラミックス基板、２…凹部、３…貫通孔、４…ヘッドライト、５…トレー状の基台、６…レンズ機能を有するカバー、７…ホルダー、７ａ…支持板、８…ＬＥＤランプ、９…回路部、１０…ＬＥＤチップ、１１…ワッシャ、１２…ネジ、１３…基板抑え部材、２０…セラミックス基板、２１…抑え冶具、２２…ねじ。

Claims

貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを有するＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板は、窒化珪素基板である。
前記窒化珪素基板の板厚は、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下である請求項２に記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
前記窒化珪素基板は、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ室温での３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上である請求項３記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
回路部をさらに備える請求項４記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
一辺の長さが１０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下である請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
前記貫通孔の直径が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
前記凹部は、幅が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、かつ奥行が１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
前記貫通孔と基板一辺との最短距離が１ｍｍ以上である請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
前記凹部と基板一辺との最短距離が１ｍｍ以上である請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板。
請求項１記載のＬＥＤ搭載用セラミックス基板と、前記ＬＥＤ搭載用セラミックス基板に搭載された発光ダイオードとを備えるＬＥＤランプ。
前記発光ダイオードを複数個搭載した請求項１１記載のＬＥＤランプ。
自動車に搭載されるためのＬＥＤランプである請求項１１記載のＬＥＤランプ。
ヘッドライト用である請求項１１記載のＬＥＤランプ。
請求項１１記載のＬＥＤランプを備えるヘッドライト。
前記ＬＥＤランプが固定される基板と、前記ＬＥＤランプを覆うように前記基板に固定されるレンズ機能付きカバーとを備え、
前記ＬＥＤランプは、前記ＬＥＤ搭載用セラミックス基板の前記貫通孔及び前記凹部が前記基板にねじ止めされることで前記基板に固定される請求項１５記載のヘッドライト。
半導体素子及び太陽電池素子よりなる群から選択される少なくとも１種類の素子を搭載するための素子搭載用セラミックス基板であって、貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを含む素子搭載用セラミックス基板。
貫通孔と、少なくとも１辺に面した凹部とを含むセラミックス基板と、
前記セラミックス基板に搭載され、半導体素子及び太陽電池素子よりなる群から選択される少なくとも１種類の素子と
を含む電子部品。
前記素子の搭載個数は複数である請求項１８記載の電子部品。