KR101132421B1 - 발광소자 실장용 기판 및 발광소자 모듈 - Google Patents

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Abstract

발광소자로부터의 광의 취출효율이 뛰어나고, 저비용으로 생산 가능한 발광소자 실장용 기판을 제공한다. 상기 발광소자 실장용 기판(11)은 발광소자(15)로부터 발생하는 광을 소정 방향으로 향하여 반사하는 반사 컵부(14)가 형성된 금속기재(12)와, 상기 금속기재(12)의 표면을 피복하는 법랑층(13)을 가지고, 법랑층(13)의 두께를 30㎛ 내지 100㎛의 범위 내로 한다.
발광소자, 반사 컵부, 법랑층, 두께

Description

발광소자 실장용 기판 및 발광소자 모듈{Substrate for light-emitting device mounting and light-emitting device module}
본 발명은, 발광 다이오드(이하, LED라고 기록하는 경우가 있음) 등의 발광소자를 실장하기 위한 발광소자 실장용 기판 및 이를 구비한 발광소자 모듈에 관한 것이다.
본원은, 2005년 6월 7일에 일본에 출원된 특원 2005-167493호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
최근, 발광 다이오드(LED) 등의 발광소자는 조명장치, 액정화상장치의 백라이트, 교통 신호기 등에 적용되고, 한층 더 발광강도의 향상이 요구되고 있다. 발광소자의 발광강도는 인가하는 전류량의 증대에 따라 높일 수 있지만, 이와 동시에 발광소자는 발열을 동반하기 때문에, 방열을 보다 효율적으로 행할 필요가 있다. 방열이 충분하지 않은 경우, 발광소자는 점등 중에 고온이 되기 때문에 발광효율이 저하되어 버리고, 목표로 하는 발광강도를 얻을 수 없다. 또한, 발광소자를 장기적으로 사용하는 경우, 방열이 충분하지 않으면 장기간 발광소자가 고열을 계속 발하므로 발광소자의 신뢰성이 저하되어 점등이 되지않는 등의 결함이 발생할 가능성이 높아진다.
또한, 발광소자는 외력이나 습기 등의 외부환경으로부터의 보호를 위해서 일반적으로는 패키지화된다. 또, 발광소자로부터 발생하는 광을 효율적으로 전방에 방사하기 위해서 2장의 금속기판을 조합함과 동시에, 한쪽의 금속기판의 소정 위치에 컵 가공부를 형성하고, 상기 컵 가공부 내에 발광소자를 실장한 조명장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌1,2 참조)
특허문헌1 : 일본특허공개 2001-332768호 공보
특허문헌2 : 일본특허공개 2001-332769호 공보.
특허문헌1,2에 기재된 조명장치에서는, 컵 가공부를 형성한 금속기판과 다른 금속기판을 준비하여 조립하는 공정을 필요로 하기 때문에, 비용의 증가를 초래하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어져 발광소자로부터의 광의 취출효율이 뛰어나고, 저비용으로 생산 가능한 발광소자 실장용 기판 및 이를 구비한 발광소자 모듈을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 발광소자로부터 발생하는 광을 소정 방향으로 향하여 반사하는 반사 컵부가 형성된 금속기재와, 이 금속기재의 표면을 피복하는 법랑층을 가지는 발광소자 실장용 기판으로서, 상기 법랑층의 두께가 30㎛ 내지 100㎛의 범위 내인 발광소자 실장용 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상술한 발광소자 실장용 기판과, 이 발광소자 실장용 기판의 반사 컵부에 실장된 발광소자를 구비하는 발광소자 모듈을 제공한다.
본 발명에 의하면, 반사 컵부를 가지는 발광소자 실장용 기판을 1장의 금속기재로 구성할 수 있으므로, 기판의 구조가 단순해지고, 조립비용을 억제할 수 있다. 또한, 금속기재의 표면에 소정의 두께의 법랑층을 설치하고 있으므로, 방열성 및 전기 절연성이 뛰어남과 동시에 반사 컵부의 평탄성을 확보할 수 있다. 이에 의해, 발광소자의 발광강도를 높게 할 수 있는데다가, 발광소자의 실장영역을 확보하여 발광소자 모듈의 제작상의 수율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 발광소자 모듈의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 발광소자 실장용 기판의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3은 발광소자 실장용 기판의 반사 컵부의 저면의 모퉁이에 법랑층의 적층이 생긴 상태의 일례를 나타내는 단면도이다.
*부호의 설명
10 발광소자 모듈 11 발광소자 실장용 기판(법랑 기판)
12 금속기재 13 법랑층
14 반사 컵부 15 발광소자
이하, 실시예에 기초하여 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 형태예의 발광소자 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 형태예의 발광소자 실장용 기판을 나타내는 단면도이다.
도 1, 도 2에 나타내는 발광소자 실장용 기판(11)은, 발광소자(15)로부터 발 생하는 광을 소정 방향으로 향하여 반사하는 반사 컵부(14)가 형성된 금속기재(12)와, 이 금속기재(12)의 표면을 피복하는 유리성분으로 구성되는 법랑층(13)을 가지는 법랑 기판으로 이루어진다(이하, 발광소자 실장용 기판(11)을 법랑 기판(11)이라고 하는 경우가 있음). 법랑 기판은, 가공에 의해 금속기재(12)를 자유로운 형상으로 할 수 있는 데다가, 임의의 표면형상을 가지는 금속기재(12) 상에 법랑층(13)을 형성할 수 있으므로, 전기 절연성을 유지할 수도 있다. 또, 본 발명에 있어서, 법랑층(13)의 두께는 30㎛ 내지 100㎛의 범위 내이다.
또한, 도 1에 나타내는 발광소자 모듈(10)은 반사 컵부(14)의 저면(14b)에 실장된 발광소자(15), 발광소자(15)가 접속된 제1 전극(17), 제1 전극(17)으로부터 분할된 상태에서 발광소자 실장용 기판(11)의 상면에 설치된 제2 전극(18), 발광소자(15)를 제2 전극(18)에 전기적으로 접속하는 와이어 본드(16), 반사 컵부(14) 내에 충전, 경화되어 발광소자(15)를 봉지하고 있는 투명한 봉지수지(19)를 구비하여 구성되어 있다.
법랑 기판(11)의 금속기재(12)는 각종의 금속재료를 이용하여 제작할 수 있고, 그 재료는 한정되지 않지만, 저렴하고 가공하기 쉬운 금속재료, 예를 들어 극저탄소강, 저탄소강, 스테인레스강 등의 강재가 바람직하다. 금속기재(12)의 형상은 특히 한정되지 않고, 예를 들어 직사각형 판 형상으로 할 수 있지만, 특히 이에 한정되지 않고, 발광소자 모듈(10)의 용도 등에 따라 적절히 선택이 가능하다. 반사 컵부(14)를 형성하는 개수는 특히 한정되는 것은 아니고, 도시한 바와 같이 1개이어도 되고, 복수개 설치해도 된다. 법랑 기판(11)의 상면에서의 반사 컵부(14)의 배치도 적절히 설계가 가능하며, 특히 한정되지 않는다.
금속기재(12)에 반사 컵부(14)를 형성하는 방법으로서는 드릴 등의 절삭공구를 이용한 절삭가공, 금속 프레스에 의한 드로잉 가공, 초경숫돌을 이용한 연마가공 등을 이용할 수 있다. 그 중에서도, 금속 프레스에 의한 드로잉 가공은 생산성이나 가공비용의 관점에서 바람직하다. 발광소자(15)가 실장되는 반사 컵부(14)의 저면(14b)은, 발광소자(15)의 실장영역을 충분히 확보하는 면적을 가지는 평면이 된다. 반사 컵부(14)의 저면(14b)의 주위를 둘러싸는 측면(14a)은, 금속기재(12)의 표면으로 향하여 개구면적이 확대되는 테이퍼 형상의 경사면으로 하는 것이 바람직하다. 측면(14a)과 저면(14b)의 경계부는 도시한 형상이어도 되고, 상기 경계부에 홈을 설치할 수도 있다.
금속기재(12)의 표면에 설치되는 법랑층(13)의 재료는, 종래부터 금속 표면에 법랑층을 형성하기 위해 사용되는 유리를 주체로 한 재료 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
그 중에서도 알칼리가 없는 유리재료가 바람직하고, 이 유리재료의 열전도율은 약 1W/mK이다. 본 발명에 있어서, 법랑층(13)의 두께는 30㎛이상 100㎛이하의 범위 내로 하고 있다. 법랑층(13)의 두께가 30㎛미만이면, 방열성이 양호해지는 반면, 너무 얇기 때문에 부분적으로 코어 금속이 노출되어 전기 절연성을 유지할 수 없다. 법랑층(13)의 두께가 너무 두꺼우면, 전기 절연성은 충분히 유지할 수 있지만, 방열성은 저하된다는 문제가 있다.
또, 법랑층(13)의 두께가 100㎛을 넘는 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이, 법랑층(13)을 구성하는 유리재료가 반사 컵부(14)의 저면(14b)의 가장자리 부분에 모여 쌓인 부분(13a)이 생길 우려가 있다. 쌓인 부분(13a) 상에 전극(17, 18)을 형성하면, 그 기초인 법랑층(13)의 표면기복의 영향이 발생하기 때문에, 발광소자(15)의 실장에 적합한 평탄한 개소를 충분히 확보하기 어렵다. 법랑층(13)의 두께를 30㎛ 내지 100㎛의 범위 내로 함으로써, 반사 컵부(14)의 저면(14b) 상에 형성된 법랑층(13)의 평탄성 및 발광소자(15)의 실장영역을 확보할 수 있다. 이러한 관점에서, 보다 바람직한 법랑층(13)의 두께는 30㎛ 이상 5O㎛ 미만의 범위이다.
발광소자(15)로서는 특히 한정되지 않지만, 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 등의 반도체 발광소자가 매우 적합하게 이용된다. 또한, 발광소자(15)의 발광색은 특히 한정되지 않고, 청색, 녹색, 적색 혹은 그 이외의 발광색 어느 것이어도 된다. 구체예로서는, 질화화합물 반도체 등의 청색 발광소자나 녹색 발광소자, 인화갈륨(GaP)으로 대표되는 적색 발광소자나 적외 발광소자 등을 들 수 있다. 또한, 질화화합물 반도체 등의 청색 발광소자를 반사 컵부(14) 내에 실장하고, 봉지수지(19) 중에 청색 여기의 황색 발광형광체(예를 들어, 세륨을 부활(賦活)한 이트륨?알루미늄?가넷 형광체)를 함유시켜 백색 LED를 구성해도 된다.
법랑 기판(11)에 복수의 반사 컵부(14)를 설치하여 발광소자(15)를 나란히 실장하는 경우, 각 발광소자(15)의 종류나 발광색도 특히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 교통 신호기 등의 용도에는 발광소자(15)의 발광색을 1색으로 갖춰도 되고, 표시장치의 경우에는 다른 발광색의 LED 등을 규칙적 혹은 불규칙적으로 배치해도 된다. 또, 대면적의 법랑 기판(11) 상에 청색 LED와 녹색 LED와 적색 LED의 조합으로 구성되는 화소를 다수 배열함으로써 표시장치를 구성할 수 있다. 또한, 발광소자(15)로서 백색 LED를 이용하고, 다수의 백색 LED를 법랑 기판(11)에 종횡으로 실장함으로써 대면적의 평면형 조명장치를 구성할 수도 있다.
와이어 본드(16)로서는, 금(Au) 등으로 이루어진 금속선 등이 이용된다. 이 와이어 본드(16)의 접속은, 종래부터 발광소자(15) 등의 접속에 이용하는 와이어 본딩장치를 이용하여 본딩할 수 있다.
법랑 기판(11)의 상면에 설치되는 전극(17, 18)은, 예를 들어 후막의 은 페이스트에 의해 반사 컵부(14)의 외측에서 내부까지 퍼져 형성할 수 있다. 또한, 동박을 프레스 성형하여 반사 컵부(14)에 장착함으로써 전극(17, 18)을 형성하는 것도 가능하다.
반사 컵부(14) 내에는, 필요에 따라 발광소자(15) 및 발광소자(15)와 전극(17, 18)의 접속부를 봉지하기 위해서 광투과율이 높은 봉지수지(19)를 마련할 수 있다. 봉지수지(19)로서는, 열경화성 에폭시 수지, 자외선 경화성 에폭시 수지, 실리콘 수지 등을 예시할 수 있다.
또, 도 1에 나타내는 발광소자 모듈(10)의 구조에서는, 법랑 기판(11)의 상면에 전극(17, 18)이 노출되는 구조가 되지만, 그 노출된 부분에 전기절연을 확보하기 위해서 수지 등의 전기 절연체를 배치해도 된다.
또한, 봉지수지(19)의 상방 또는 발광소자 모듈(10) 전체의 상방에 필요에 따라 수지나 유리 등의 투명 매질로 이루어진 렌즈체를 조합할 수도 있다.
본 형태예의 발광소자 실장용 기판(11)에 의하면, 반사 컵부(14)를 가지는 금속기재(12)를 1장 이용하여 발광소자 실장용 기판(11)을 구성할 수 있으므로, 기판의 구조가 단순해지고, 조립비용을 억제할 수 있다. 또한, 금속기재(12)의 표면에 소정의 두께의 법랑층(13)을 설치하고 있으므로, 방열성 및 전기 절연성이 뛰어남과 동시에 반사 컵부(14)의 저면(14b)의 평탄성을 확보할 수 있다. 이에 의해, 본 형태예의 발광소자 모듈(10)에서는 발광소자(15)의 발광강도를 높게 할 수 있는 데다가, 발광소자(15)의 실장영역을 확보하여 발광소자 모듈(10)의 제작상의 수율을 향상할 수 있다.
실시예
(법랑 기판의 제작)
1.5mm 두께의 저탄소강의 원재를 세로 10mm×가로 10mm의 치수로 재단하고, 드릴 혹은 금속 프레스 가공에 의해 반사 컵부(14)를 형성하였다. 반사 컵부(14)의 치수는, 깊이를 0.6mm, 저면(14b)의 직경을 φ 2.1mm, 측면(14a)의 경사각도를 45˚로 하였다. 가공 후의 금속판의 표면을 유리로 피복하여 법랑층(13)을 설치함으로써 법랑 기판(11)을 제작하였다. 법랑층(13)의 형성은 이하의 방법으로 행하였다.
유리분말을 2-프로판올 등의 적당한 분산매에 분산시키고, 그 분산매질 중에 반사 컵부(14)를 가지는 금속기재(12)를 침지하며, 대극이 되는 전극도 같은 분산매질 중에 넣고, 금속기재(12)와 대극의 사이를 통전함으로써 유리분말을 금속기재(12)의 표면에 전착하였다. 그 후, 대기 중에서 유리분말을 소성함으로써, 유리로 이루어진 법랑층(13)을 금속기재(12)의 표면에 강고하게 피복시켰다. 더 강고하 게 피복하기 위해, 금속기재(12)(저탄소강)의 표면을 산화 처리시켜 두어도 된다.
법랑층(13)의 두께를 10 내지 300㎛을 목표로서 조절하여, 표 1에 나타내는 바와 같이 복수의 법랑 기판(11)을 제작하였다. 각 법랑 기판(11)에 대해, 법랑층(13)의 두께(피복두께), 방열성(열저항값), 전기 절연성, 반사 컵 저면의 평탄도에 대해 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
피복두께(㎛)
(측정값)		 열저항값(℃/W) 전기절연성
(내압시험결과)		 평탄도
(10㎛ 이내)
실시예1 30 17.2 OK OK
실시예2 51 17.2 OK OK
실시예3 100 17.6 OK OK
비교예1 148 18.1 OK NG(고저차15㎛)
비교예2 19 17.2 NG OK
(방열성의 평가)
방열성의 평가는 이하와 같이 행하였다.
발광소자(15)에 전력공급을 하기 위한 전극을 제작하여, 도 1에 나타내는 전극 구조가 되도록 은 페이스트를 도포하고, 그 후 도금하여 법랑 기판(11)을 제작하였다. 다음에, 청색 발광소자(Cree사제, XB900)를 은 페이스트에 의해 기판 상의 전극(17)에 다이본드(도시생략)를 이용하여 접속하고, 또 발광소자(15)에 대향하는 전극(18)에 금선으로 이루어진 와이어 본드(16)를 이용하여 접합하였다. 그 후, 반사 컵부(14) 내에 상부가 표면장력으로 충분히 부풀어질 때까지 열경화성의 에폭시 수지를 넣고, 경화시켜 봉지수지(19)로 하였다. 이상에 의해, 발광소자 모듈(10)을 제작하였다.
처음에, 예비시험으로서 각 발광소자 모듈(1O)에 대해 전압값과 온도의 관계를 나타내는 그래프를 이하의 방법에 의해 제작하였다.
우선, 발광소자 모듈(10)을 일정 온도의 상태로 방치하고, 낮은 전류값(이번에는 10mA)에서 1초 후의 전압값을 측정하였다. 여기서 낮은 전류값으로 한 이유는, 높은 전류를 통전하면, 소자 자체의 발열에 의해 분위기 온도와 소자 자체의 온도가 가산되어 버리기 때문이다.
이 방법에 의해, 복수의 분위기 온도에 대해 전압값을 측정하여 그래프화하였다.
다음에, 본 시험으로서 각 발광소자 모듈(1O)에 대해 열저항값을 이하의 방법에 의해 측정하였다.
분위기 온도를 실온(25℃)으로 하고, 그 때 350mA의 전류를 1시간 통전하고, 그 후 10mA까지 급격하게 전류값을 떨어뜨린 후의 전압값을 측정하였다. 이 전압값을 미리 제작해 둔 전압값과 온도의 관계를 나타내는 상기 그래프와 대조하여, 전압값에서 환산한 온도를 발광소자의 온도(A)로 하였다. 또, 기판 이면의 온도(B)를 열전쌍에 의해 동시에 측정하였다. 열저항값은, 발광소자와 기판 이면의 온도 차(A-B)를 투입한 전력(전류×전압)으로 나눔으로써 구하였다.
(전기 절연성의 평가)
법랑 기판(11)의 반사 컵부(14)를 설치한 측의 전면에 은 페이스트를 도포하고, 소성하여 전기 절연성 평가용의 기판을 제작하였다. 이 평가용 기판의 양면에 전극을 접속하고, 1000V의 직류 전류를 통전하여 내압시험을 행하였다. 이 내압시험에 의해 전기 절연성을 유지한 경우에 OK, 전기 절연성을 유지하지 못한 경우에 NG라고 평가하였다.
(반사 컵 저면의 평탄도)
발광소자(15)의 실장에 필요한 영역을 반사 컵부(14)의 저면(14b)의 중앙위치에서 1,000㎛각으로 하고, 그 영역 내에서의 법랑층(13)의 높이의 최대값-최소값을 기록하였다. 높이의 최대값과 높이의 최소값의 차의 절대값(고저차)이 1O㎛이내일 때에 OK, 고저차가 10㎛을 넘는 경우에 NG라고 평가하였다.
(평가결과)
이상의 평가로부터, 반사 컵부(14)를 가지는 발광소자 실장용 법랑 기판(11)의 법랑층(13)의 두께는 30 내지 100㎛의 범위가 적당함을 확인하였다.
또, 전기 절연성의 평가를 위한 내압시험 후, NG라고 평가된 평가용 기판을 조사한 바, 부분적으로 내부의 강판이 노출되어 있음을 확인하였다. 이로부터, 내압시험에서 불합격이 된 샘플은 목표로 한 법랑층의 막두께가 너무 얇기 때문에, 부분적으로 유리가 부착되지 않은 것이라고 할 수 있다.
본 발명은, LED 등의 발광소자가 실장된 각종 제품, 예를 들어 조명장치, 표시장치, 교통 신호기 등에 이용할 수 있다.

Claims (2)

  1. 금속기재의 표면을 피복하는 법랑층과 발광소자로부터 발생하는 광을 소정방향으로 향하여 반사하는 반사컵부가 형성된 상기 금속 기재를 갖는 발광소자 실장용 기판으로서,
    상기 법랑층은 상기 금속기재의 전체 표면을 피복하며,
    상기 법랑층의 두께가 30㎛ 내지 100㎛의 범위 내인 발광소자 실장용 기판.
  2. 청구항1에 기재된 발광소자 실장용 기판과, 상기 발광소자 실장용 기판의 반사 컵부에 실장된 발광소자를 구비하는 발광소자 모듈.
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