WO2006132222A1 - 発光素子実装用基板、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 - Google Patents

Abstract

　本発明に従い、コア金属の表面にホーロー層が被覆されてなり、一方の面に発光素子実装用の反射カップ部が設けられた発光素子実装用基板であって、前記反射カップ部が設けられていない面の少なくとも一部に、ホーロー層が除去されてコア金属が露出した放熱部が設けられた発光素子実装用ホーロー基板が提供される。また、この基板に発光素子を実装してなる発光素子モジュール、該発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置、及び交通信号機が提供される。

Description

明 細 書

発光素子実装用基板、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び 交通信号機

技術分野

[0001] 本発明は、発光ダイオード (以下、 LEDと記す。）などの発光素子を複数個実装す るための発光素子実装用基板に関し、特に、照明などの用途で高密度に発光素子 を実装した場合に良好な放熱性を確保し得る発光素子実装用基板及び該基板に発 光素子を実装した発光素子モジュール及び該発光素子モジュールを有する照明装 置、表示装置及び交通信号機に関する。

背景技術

[0002] LEDは近年、照明用光源として使用され始めているが、照明用として使用するには 、多数の LEDを配置し、多くの電力を投入する必要があるため、放熱性の高い LED 実装用基板が必要である。

[0003] LED実装用基板に LEDを実装してなる従来の LEDモジュールは、ガラスエポキシ 榭脂などカゝらなる絶縁回路基板に電極をパターン形成し、 LEDから発する光を反射 して前方へ効率よく反射するための反射部を有し、その反射部の底面部に LEDを実 装し、屈折率の高い透明榭脂により LEDを榭脂封止した構造になっている。

[0004] ところで、 LEDを発光させる際、発光に寄与しない電力は、熱に変換され、発生し た熱により LEDの温度が上昇し、 LEDの発光効率が低下してしまうという問題がある 照明用の LED実装用基板として、一般的に使用されているガラスエポキシ榭脂など からなる回路基板を使用した場合、放熱性が悪ぐ放熱対策は不十分である。

[0005] 従来、放熱性のよい回路基板構造としては、例えば、特許文献 1に開示されたもの が提案されている。この特許文献 1では、基板の放熱性を向上させるため、基板芯材 の露出面に放熱用金属板を接続した構造になっている。

[0006] ところで、例えば、図 9A、 9Bに示す LEDモジュール 150は、平坦な基板 151上に

LED152を多数配列したものである。この基板 151の四隅には、取付用の貫通穴 15 3が形成されている。

また、図 10A、 10B、 IOCに示す LEDモジュール 160は、 LEDから発する光の取り 出し効率を向上させるため、基板 161の表面に多数のカップ構造 162を形成し、カツ プ構造 162の底部に LED163を実装したものである。この基板 161の四隅には、取 付用の貫通穴 164が形成されている。この種の LEDモジュールとして、例えば特許 文献 2、 3には、 2枚の金属基板を組み合わせると共に、一方の金属基板の所定位置 にカップ加工部を形成し、該カップ加工部の底部に発光素子を実装した照明装置が 記載されている。

なお、図 9A、 9Bおよび図 10A、 10B、 10Cにおいて、基板上に設けられた電極等 は、図示を省略している。

特許文献 1：特開昭 64— 28886号公報

特許文献 2：特開 2001— 332768号公報

特許文献 3：特開 2001— 332769号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、特許文献 1に開示された技術は、 IC等の回路部品を高密度実装しよ うとした際の熱の影響を防ぐためのものであり、照明装置としての使用や LEDを用い た装置構成は記載されて ヽな ヽ。

[0008] 多数の LEDを基板に実装した場合、 LEDからの発熱量は非常に多くなり、基板か らの放熱性を向上させる必要がある。放熱性の高い基板としては、ホーロー基板が挙 げられる。放熱性の高いホーロー基板を照明用 LEDの実装用基板として用いること で、多数の LEDを実装することが可能となる。しかし、より高輝度の照明用 LEDモジ ユールを構成する場合には、より多くの LED実装数が必要となり、もしくは高輝度 LE D素子が必要となり、ホーロー基板の放熱特性をさらに向上させる必要がある。

[0009] また、カップ構造を用いた LEDモジュールにおいて、 LEDを多数実装するために は、図 10A、 10B、 10Cに示すように、基板 161の表面に多数のカップ構造 162を設 ける必要がある。この場合、カップ構造 162の数を増加するほど、図 11に示すように 、基板 161の片面から肉抜きをされたような状態となる。そのため、基板 161の中心 軸 165と、基板 161の厚み方向の中立軸 166とにズレが生じる。その結果、図 12に 示すように、基板 161の裏面に反り 167が生じることがある。また、図 9A、 9Bに示す ように、基板 151の表面が平坦な場合であっても、そりが発生することがある。基板の 反りは、基板の厚みが薄い場合、基板面積が大きい場合、また、基板の長手方向に 顕著である。

[0010] このような基板の反りによって、カップ構造の底部の平坦度が低下し、 LEDの実装 作業が困難になるおそれがある。また、 LEDと基板との接合が十分に得られず、剥 離しやすくなるという問題もある。さらに、図 13に示すように、基板 161に反り 167が あることで、 LEDモジュール 160に放熱器 170の取付を行う場合でも、基板 161と放 熱器 170の取付板部 171との間に隙間 168が生じてしまい、基板 161と放熱器 170 との接触を十分に得ることができなくなるおそれがある。この場合、 LEDを高出力で 駆動させるときや、多数の LEDを実装して駆動させるときに、 LEDから発生する熱量 をフィン 172から効率的に放熱できず、 LEDの温度が高くなつてしまい、発光効率の 低下や寿命の劣化などを引き起こす問題もある。

なお、図 11〜図 13において、基板上に設けられた電極等は、図示を省略している

[0011] LEDモジュール 160と放熱器 170との接触を改善するため、隙間 168に熱伝導シ ートゃグリスをはさむことも考えられる。しかし、この場合には、部品点数が増加して組 立工数の増大によるコスト上昇という問題がある。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明は前記事情に鑑みてなされ、照明などの用途で高密度に発光素子を実装 した場合に良好な放熱性を確保し得る発光素子実装用ホーロー基板及び該基板に 発光素子を実装した発光素子モジュール及び該発光素子モジュールを有する照明 装置、表示装置及び交通信号機の提供を目的とする。

[0013] 前記目的を達成するため、第 1の本発明は、コア金属の表面にホーロー層が被覆 されてなり、一方の面に発光素子実装用の反射カップ部が設けられた発光素子実装 用基板であって、前記反射カップ部が設けられていない面の少なくとも一部に、ホー ロー層が除去されてコア金属が露出した放熱部が設けられた発光素子実装用基板 を提供する。

[0014] 本発明の発光素子実装用基板において、前記反射カップ部が設けられた発光素 子実装面に、電極がパターン形成されて!ヽることが好ま 、。

[0015] 本発明の発光素子実装用基板において、前記放熱部に凹凸が設けられていること が好ましい。

[0016] 本発明の発光素子実装用基板において、前記放熱部に、フィンを有する放熱構造 体が接続されて ヽることが好ま 、。

[0017] また本発明は、本発明に係る前記発光素子実装用基板の前記反射カップ部に、発 光素子が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュールを提供する。

[0018] 本発明の発光素子モジュールにおいて、前記反射カップ部が透明榭脂によって榭 脂封止されて!/、ることが好ま 、。

[0019] 本発明の発光素子モジュールにおいて、前記反射カップ部が蛍光体を混入した透 明榭脂によって榭脂封止されて 、ることが好ま 、。

[0020] 本発明の発光素子モジュールにお!/、て、前記発光素子として青色 LEDと、黄色発 光蛍光体とを組み合わせて白色発光素子を構成したことが好ましい。

[0021] また本発明は、本発明に係る前記発光素子モジュールを有する照明装置、表示装 置及び交通信号機を提供する。

[0022] 前記課題を解決するため、第 2の本発明は、金属基材と、この金属基材の表面を被 覆するホーロー層とを有する発光素子実装用基板であって、前記金属基材は、発光 素子が実装される表側に平坦面を有する基板本体と、この基板本体の裏面から突設 された少なくとも 1つ以上のフィン力 なる放熱部とを有する発光素子実装用基板を 提供する。

前記金属基材の平坦面には、発光素子から発する光を所定方向に向けて反射す るカップ構造が形成されて 、ることが好まし 、。

前記放熱部は、少なくとも 2つ以上の板状のフィン力 構成することができる。前記 板状のフィンは、基板本体の長手方向に沿って互いに平行に設けることが好まし 、。 また、前記放熱部は、少なくとも 2つ以上のピン状のフィン力も構成することができる。 前記フィンは、発光素子の実装位置の裏側に設けられていることが好ましい。 前記フィンには、少なくとも 1つの穴が設けられていることが好ましい。 また本発明は、上述の発光素子実装用基板に発光素子が実装されてなることを特 徴とする発光素子モジュールを提供する。

発明の効果

[0023] 第 1の本発明の発光素子実装用基板は、ホーロー基板のホーロー層を一部除去し てコア金属を露出させた放熱部を設けた構成としたので、コア金属の全面がホーロー 層で被覆された基板と比べて放熱性が向上し、この基板に発光素子を実装し点灯さ せた場合に発光素子から発する熱を放熱部から効率よく放熱することができるので、 基板及び発光素子の温度上昇が抑えられ、発光素子の発光効率を高レベルに保つ ことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができる。

本発明の発光素子モジュールは、前記本発明の発光素子実装用基板の反射カツ プ部に発光素子を実装してなるものなので、基板及び発光素子の温度上昇が抑えら れ、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼 性を向上させることができる。

[0024] 第 2の本発明によれば、金属基材にフィンを一体に設けることにより、発光素子が実 装される基板本体の曲げ剛性を向上し、熱収縮力の影響を小さくさせることができる 。よって、発光素子の実装面やカップ構造の平坦度が向上し、基板の実装性や信頼 度を向上することができる。また、放熱器が一体化された発光素子モジュールを得る ことができるので、熱伝導シートやグリスの挿入が不要になり、部品点数の削減や組 立工数の減少が可能になる。

なお、本発明を照明装置として利用した場合、発光素子による発光面が下側に、放 熱器のフィンが上側に配置されるので、放熱器側の熱が自然対流によって上空に逃 げやすくなり、効率的な放熱を行うことが可能になる。

[0025] フィンを発光素子の実装位置の裏側に設けた場合、他の位置に設けた場合に比べ て、実装位置の平坦度を一層向上することができる。特に、発光素子の実装位置と するためにカップ構造を設けた場合、カップ構造の掘り込み深さを深くすることもでき る。このことにより、カップ構造の設計自由度が向上し、配光特性や光取り出し効率 等の向上を図ることが可能になる。 [0026] フィンに穴を設けた場合、発光素子モジュールをねじ止めするための貫通穴を設け る領域を基板本体側に確保する必要がなくなるため、発光素子の配置や電気配線 のパターンに関して自由度を向上することができる。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]本発明の第 1実施形態を示す断面図である。

[図 2]本発明の第 2実施形態を示す断面図である。

[図 3]本発明の第 3実施形態を示す断面図である。

[図 4]比較例で作製した発光素子モジュールの断面図である。

[図 5A]本発明に係る発光素子モジュールの第 4実施形態の概略構成を示す平面図 である。

[図 5B]本発明に係る発光素子モジュールの第 4実施形態の概略構成を示す正面図 である。

[図 5C]本発明に係る発光素子モジュールの第 4実施形態の概略構成を示す側面図 である。

[図 6A]図 5A〜5Cに示す発光素子モジュールにおいて、発光素子をカップ構造に 実装する実装構造を示す概略平面図である。

[図 6B]図 5A〜5Cに示す発光素子モジュールにおいて、発光素子をカップ構造に 実装する実装構造を示す詳細断面図である。

[図 7A]図 5Aの A— A線に沿う断面図である。

[図 7B]図 5Aの B— B線に沿う断面図である。

[図 8A]図 5A〜5Cに示す発光素子モジュールを本体部に取り付けた状態を示す正 面図である。

[図 8B]図 5A〜5Cに示す発光素子モジュールを本体部に取り付けた状態を示す側 面図である。

[図 9A]従来の発光素子モジュールの一例を概略示す平面図である。

[図 9B]従来の発光素子モジュールの一例を概略示す断面図である。

[図 10A]従来の発光素子モジュールの他の例を概略示す平面図である。

[図 10B]従来の発光素子モジュールの他の例を概略示す、 C C線に沿う断面図で ある。

[図 10C]従来の発光素子モジュールの他の例を概略示す、 D— D線に沿う断面図で ある。

[図 11]図 10A〜 10Cに示す発光素子モジュールの基板の中心軸と中立軸とのズレ を説明する概略図である。

[図 12]図 10A〜： LOCに示す発光素子モジュールの基板の反りを説明する概略図で ある。

[図 13]図 12に示す基板を放熱器に取り付けた状態を示す断面図である。

符号の説明

1 発光素子実装用ホーロー基板

1A 反射カップ部

2 コア金属

3 ホーロー層

4 放熱部

5 電極

6 発光素子

7 金線

8 透明榭脂

10、 11、 13 発光素子モジュール

12 放熱構造体

101 発光素子モジュール

102 基板本体

103 フィン

104 放熱部

105 平坦面

106 裏面

111 発光素子実装用基板 (ホーロー基板）

112 金属基材 113 ホーロー層

114 カップ構造

115 発光素子

118 穴 (取付穴）

発明を実施するための最良の形態

[0029] 以下、図面を参照して本発明の複数の実施形態を説明する。

図 1は、本発明の第 1実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジ ユール 10 (LEDモジュール、 LEDパッケージなどとも称される。）は、コア金属 2の表 面にホーロー層 3が被覆されてなり、一方の面（図示において基板下面側）に発光素 子実装用の反射カップ部 1Aが複数設けられた発光素子実装用ホーロー基板 1と、 該発光素子実装用ホーロー基板 1の反射カップ部 1A内に実装された発光素子 6と を有している。本実施形態の発光素子実装用ホーロー基板 1は、反射カップ部 1Aが 設けられていない面に、ホーロー層 3が除去されてコア金属 2が露出した放熱部 4が 設けられている。

[0030] この発光素子実装用ホーロー基板 1を構成するコア金属 2の材料としては、表面に ホーロー層 3を強固に形成可能な金属であればよぐ特に限定されず、例えば低炭 素鋼板などが用いられる。また、コア金属 2を覆っているホーロー層 3は、ガラス粉末 などを焼き付けて形成されて 、る。

[0031] この発光素子実装用ホーロー基板 1の発光素子実装面（図示において基板上面側 )に設けられた反射カップ部 1 Aは、平坦な底面とスロープ面とからなるすり鉢形状に 形成されている。このスロープ面の傾斜角度（カップ角度；底面とスロープ面のなす角 度）は 10° 〜90° 程度、好ましくは 40° 〜90° 程度とされる。

[0032] この発光素子実装用ホーロー基板 1の発光素子実装面には、発光素子 6に通電す るための複数の電極 5がパターン形成されている。この電極 5は、適宜な電極パター ンゃ回路パターンに沿って、銀ペーストや銅ペーストを印刷し、焼き付けることによつ て形成されている。

[0033] 本実施形態において、前記放熱部 4は、発光素子実装用ホーロー基板 1の下面側 のホーロー層 3を除去してコア金属 2を露出させた状態になっている。この放熱部 4の 形成領域は、発光素子実装用ホーロー基板 1の下面側の一部であってもよいし、図 1 に示した如く下面全部としてもよい。また、この放熱部 4を基板側面に拡張してもよい 。さらに、この放熱部 4は、発光素子モジュール 10を図示していない構造体に取り付 ける場合に、構造体表面形状に合致するように加工したり、取付金具を係止するため の凹部や凸部を設けることもできる。

[0034] この発光素子実装用ホーロー基板 1に実装される発光素子 6としては LEDが好まし い。発光素子モジュール 10を照明装置に適用する場合、発光素子 6としては白色 L EDが好ましい。この白色 LEDとしては、例えば、窒化ガリウム（GaN)系半導体から 作られた青色 LEDと、青色光により励起されて黄色など青色以外の可視光を発する 1種又は 2種以上の蛍光体とを組み合わせた白色 LEDなどを用いることが望ま U、。 なお、前記蛍光体は、基板に実装した発光素子 6を封止するための透明榭脂 8中に 混合、分散させて用いることが望ましい。

[0035] 本実施形態の発光素子モジュール 10にお 、て、それぞれの発光素子 6は、反射力 ップ部 1A底面上に実装されている。発光素子 6の一方の電極端子は一方の電極 5 に電気的に接続され、また発光素子 6の他方の電極端子は、金線 7 (ボンディングヮ ィャ）によって隣り合う他方の電極 5に電気的に接続されている。

[0036] 次に、前述した発光素子実装用ホーロー基板 1及びそれを用いた発光素子モジュ ール 10の製造方法を説明する。

まず、コア金属作製用の低炭素鋼板などを用意し、これを適当な形状に切り出し、 さらに機械加工を施して反射カップ部 1Aを形成し、コア金属 2を作製する。

次に、前記コア金属 2を、ガラス粉末を適当な分散媒に分散した液中に浸潰し、近 傍に対向電極を配置し、コア金属 2と該対向電極間に電圧を印加し、ガラス粉末をコ ァ金属 2の表面に電着させる。電着後、液中からコア金属 2を引き上げて乾燥し、カロ 熱炉に入れて所定温度域で加熱し、コア金属 2の表面にガラス粉末を焼き付けて、 薄く均一なホーロー層 3を形成する。

次に、反射カップ部 1 Aを形成していない面のホーロー層 3をサンドブラスト法など によって除去し、コア金属 2を露出させて放熱部 4を形成する。また、前記放熱部 4の 形成前、或いは形成後に、スクリーン印刷などの方法によって電極形成パターンに 沿って銀ペーストや銅ペーストを印刷し、その後焼き付けして電極 5を形成する。 以上の各工程を行うことで、図 1に示す発光素子実装用ホーロー基板 1が得られる

[0037] なお、前記放熱部 4の形成方法は前記例示に限定されるものではなぐ例えば、放 熱部 4を形成する領域にガラス粉末を付着させず、それ以外の表面のみにガラス粉 末を付着させて焼き付ける方法、焼き付け前に放熱部 4を形成する領域のガラス粉 末を除去する方法、放熱部 4を形成する領域のホーロー層 3をエッチング除去する方 法などを採用してもよい。

[0038] 次に、前記のように作製した発光素子実装用ホーロー基板 1の反射カップ部 1A底 面上に、ダイボンディングによって発光素子 6を実装し、次にワイヤボンディングを行 つて、金線 7によってそれぞれの発光素子 6と電極 5とを電気的に接続する。その後、 反射カップ部 1A内に、エポキシ榭脂ゃシリコーン榭脂などの透明榭脂 8、あるいは 透明樹脂に適当な蛍光体を混ぜたものを注入し、硬化させ、榭脂封止を行う。これに よって、図 1に示す発光素子モジュール 10が得られる。

[0039] 本実施形態の発光素子実装用ホーロー基板 1は、ホーロー層 3を一部除去してコ ァ金属 2を露出させた放熱部 4を設けた構成としたので、コア金属 2の全面がホー口 一層 3で被覆された基板と比べて放熱性が向上し、この基板に発光素子 6を実装し 点灯させた場合に発光素子 6から発する熱を放熱部 4から効率よく放熱することがで きるので、基板及び発光素子の温度上昇が抑えられ、発光素子の発光効率を高レ ベルに保つことができ、且つ長期使用状態での信頼性を向上させることができる。 本実施形態の発光素子モジュール 10は、この発光素子実装用ホーロー基板 1の 反射カップ部 1 Aに発光素子 6を実装してなるものなので、基板及び発光素子 6の温 度上昇が抑えられ、発光素子 6の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期 使用状態での信頼性を向上させることができる。

[0040] 前記の通り、本実施形態の発光素子モジュール 10は、多数の発光素子 6を密集状 態で実装しても、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができ、且つ長期使用 状態での信頼性を向上させることができることから、各種の照明装置、表示装置及び 交通信号機などとして有用である。 [0041] 図 2は、本発明の第 2実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジ ユール 11は、前述した第 1実施形態の発光素子モジュール 10と同様の構成要素を 備えて構成され、発光素子実装用ホーロー基板 1の放熱部 4に凹凸を設け、放熱部 4の表面積を拡大したことを特徴として 、る。

[0042] この放熱部 4の凹凸は、発光素子実装用ホーロー基板 1の機械強度に影響を及ぼ さない程度の深さで放熱部 4に形成することが望ましい。この凹凸の形状は、放熱部 4の表面積を拡大できればよぐ特に限定されない。この凹凸が、基板の長手方向又 は幅方向に沿う溝状とし、その溝に空気を流通可能なように構成することで、放熱部 4の放冷効率をより高めることができる。

[0043] 本実施形態は、前述した第 1実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、発光 素子実装用ホーロー基板 1の放熱部 4に凹凸を設けたことによって、放熱部 4の表面 積が拡大されて放熱効率をより高めることができる。

[0044] 図 3は、本発明の第 3実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジ ユール 13は、前述した第 1実施形態の発光素子モジュール 10と同様の構成要素を 備えて構成され、発光素子実装用ホーロー基板 1の放熱部 4に多数のフィンを持つ 放熱構造体 12を取り付けたことを特徴としている。

[0045] この放熱構造体 12は、アルミなどの熱伝導率の高!ヽ金属で作られ、放熱性を高め るために多数のフィンを備えている。このフィンの寸法や枚数は限定されないが、この フィンが大きすぎると、発光素子モジュール 10のサイズが大型になるため好ましくな い。

[0046] 本実施形態は、前述した第 1実施形態と同様の効果を得ることができ、さらに、発光 素子実装用ホーロー基板 1の放熱部 4に、多数のフィンを持った放熱構造体 12を接 続したことで、放熱部 4の放熱効率をより高めることができる。

実施例

[0047] コア金属として、長さ 100mm、幅 30mm、厚さ 1. 5mmの低炭素鋼板を用い、ドリ ル加工により反射カップ部を形成した。反射カップ部は、コア金属の長手方向に沿つ て一列に 14mm間隔で 7個形成し、これを 2列、合計 14個形成した。反射カップ部の 寸法は、直径 2mm、深さ 0. 5mm,角度 45度でスロープ部を作製した。 次に、ガラス粉体を分散媒に混ぜて均一に分散させた液を、前記コア金属の表面 に塗布し、乾燥後、 850°Cで焼成し、ホーロー層を形成した。ホーロー層の厚さは 20 0 mとなるようにし、反射カップ部が形成されている面の電極形成領域に銅ペースト を塗布し、焼成して厚さ 0. 1mmの電極を形成してホーロー基板を製造した。

[0048] [実施例 1]

前記のホーロー基板の反射カップ部を設けて ヽな 、面にサンドブラスト処理を行!ヽ 、ホーロー層の除去を行い、図 1に示すように、コア金属が露出するように処理して放 熱部を形成した。

この基板の反射カップ部に、発光素子として、出力 20mWの青色 LED素子を実装 した。前記ホーロー基板に合計 14個の青色 LED素子を実装し、黄色発光蛍光体粉 末を混合したシリコーン榭脂で反射カップ部を封止し、白色 LEDとした。

この LED素子に 60mAの駆動電流を流して発光させ、基板の中心温度を測定した ところ、基板中心部の温度は 130°Cであった。

[0049] [実施例 2]

前記のホーロー基板の反射カップ部を設けて ヽな 、面にサンドブラスト処理を行!ヽ 、ホーロー層の除去を行い、コア金属が露出するように処理した。次に、コア金属が 露出している面にドリル力卩ェを行い、直径 2mm、深さ 0. 2mmの穴を作製し、図 2に 示すように、合計 30個の凹凸部分を設け、コア金属が露出している部分の表面積を 大きくして放熱部を形成した。

図 2に示すように、反射カップ部に出力 20mWの青色 LED素子を実装した。ホー口 一基板に合計 14個 LED素子を実装し、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン榭脂 で反射カップ部を封止し、白色 LEDモジュールとした。各 LED素子に電流 60mAを 流し、発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基板中心部の温度は 110°Cであ つた o

[0050] [実施例 3]

前記のホーロー基板の反射カップを設けて!/ヽな 、面にサンドブラスト処理を行 、、 ホーロー層の除去を行い、図 1に示すように、コア金属が露出するように処理した。コ ァ金属が露出している面にアルミ製の多数のフィンを持つ長さ 10mmの放熱構造体 を取り付けた。

図 3に示すように、反射カップ部に出力 20mWの青色 LED素子を実装した。ホー口 一基板に合計 14個 LED素子を実装し、黄色発光蛍光体を混合したシリコーン榭脂 で反射カップを封止し、白色 LEDモジュールとした。各 LED素子に電流 60mAを流 し、発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基板中心部の温度は 80°Cであつ た。

ここで用いたアルミ製の放熱構造体は、放熱フィンの長さが大きいため、 LED素子 の温度を下げることができた力 LEDモジュールが大型になる。

[0051] [比較例]

図 4に示すように、サンドブラスト処理を行わずにコア金属 2全面をホーロー層 3で 被覆した発光素子実装用ホーロー基板 15を用い、反射カップ部に出力 20mWの青 色 LED素子を実装した。ホーロー基板に合計 14個 LED素子を実装し、黄色発光蛍 光体を混合したシリコーン榭脂で反射カップを封止し、白色 LEDモジュール 14とした 。各 LED素子に電流 60mAを流し、発光させ、基板の中心温度を測定したところ、基 板中心部の温度は 150°Cであり、コア金属を露出させた放熱部を設けた実施例 1の 基板よりも温度が高くなつた。

[0052] 図 5A、 5B、 5Cは、本発明の発光素子モジュールの第 4実施形態を示す概略構成 図であり、図 5Aは平面図、図 5Bは正面図、図 5Cは側面図である。図 6A、 6Bは、本 形態例の発光素子モジュールにお 、て、発光素子をカップ構造に実装する実装構 造を示す図面であり、図 6Aは概略平面図、図 6Bは詳細断面図である。図 7Aは図 5 Aの A— A線に沿う断面図であり、図 7Bは図 5Aの B— B線に沿う断面図である。図 8 A、 8Bは、図 5A、 5B、 5Cに示す発光素子モジュールを本体部に取り付けた状態を 示す図面であり、図 8Aは正面図、図 8Bは側面図である。

なお、図 6Bを除く図 5A、 5B、 5C〜図 8A、 8Bの各図において、基板上に設けら れた電極等は、図示を省略している。

[0053] 図 5A、 5B、 5Cに示す発光素子モジュール 101は、発光素子実装用基板 111に 多数の発光素子 115を実装したものである。本発明の発光素子実装用基板 111は、 金属基材 112と、金属基材 112の表面を被覆するホーロー層 113とを有するホー口 一基板が用いられる（以下、発光素子実装用基板 111をホーロー基板 111という場 合がある)。ホーロー基板は、加工により金属基材 112を自由な形状とすることができ る上、任意の表面形状を有する金属基材 112の上にホーロー層 113を形成すること ができるので、電気絶縁性を保つこともできる。

[0054] 金属基材 112は、ヒートシンクと同様の形状とされており、具体的には、発光素子 1 15が実装される表側に平坦面 105を有する基板本体 102と、この基板本体 102の裏 面 106から突設された少なくとも 1つ以上のフィン 103、 103、…からなる放熱部 104 とを有する形状とされている。基板本体 102は、平坦面 105上に発光素子 115を実 装するものとすることもできるが、光取り出し効率を向上するため、発光素子 115から 発する光を所定方向に向けて反射するカップ構造 114を基板本体 102の表側に形 成し、このカップ構造の底部に発光素子 115を実装することが好ま U、。

[0055] 図 5A、 5B、 5Cにおいて、発光素子 115をカップ構造 114に実装した実装構造 11 0は概略的に示している。この実装構造 110は、詳しくは図 6Bに示すように、カップ 構造 114の底面に実装された発光素子 115と、発光素子 115に接続されたワイヤボ ンド 116と、互いに分割された状態で基板 111上に設けられた電極 117、 117とを有 する。電極 117、 117のうち一方は、発光素子 115がダイボンド等（図示略）によって 接続される電極であり、他方はワイヤボンド 116を介して発光素子 115に接続される 電極である。なお、基板本体 102の平坦面 105上には、発光素子 115を駆動するこ とができるような基板配線パターンが設けられる。

[0056] 本形態例では、発光素子 115を実装する実装位置であるカップ構造 114は、金属 基材 112上に所定の間隔を介して縦横に配列している。なお、発光素子 115の実装 位置を設ける個数は特に限定されるものではなぐ少なくとも 1個以上であれば良い。 発光素子 115の実装位置の配置も、本実施形態に限定されることなぐ適宜設計が 可能である。

[0057] すり鉢状の窪みであるカップ構造 114を基板本体 102の表側に形成する方法とし ては、ドリルなどの切削工具を用いた切削加工、金属プレスによる絞り加工 (塑性カロ ェ）、超硬砥石を用いた研磨カ卩ェなどを用いることができる。なかでも、金属プレスに よる絞り加工は、生産性や加工コストの観点力 好ましい。発光素子 115が実装され るカップ構造 114の底面は、発光素子 115の実装エリアを十分に確保する面積を有 する平面とされる。カップ構造 114の底面の周囲を囲む側面は、金属基材 112の表 面に向力つて開口面積が拡大するテーパ状の傾斜面とすることが好ましい。

[0058] ホーロー基板 111の金属基材 112は、各種の金属材料を用いて作製でき、その材 料は限定されないが、安価で加工しやすい金属材料、例えば、極低炭素鋼、低炭素 鋼、ステンレス鋼などの鋼材が好ましい。特許第 2503778号公報には、銅製のヒート シンクの表面にガラス処理を行うことが記載されている力 銅材は鋼材と比較して高 価であること、また無酸素銅などの放熱性の高い材料を用いる場合には加工性が悪 く精密なカップ構造を再現性良く形成することが困難であること、さらに、銅材は鋼材 と比較して縦弾性係数が半分であるため、剛性が低く基板の反りが大きくなつてしまう ため、 LEDモジュール用の基板を作製するという目的には適さない。

[0059] 金属基材 112の形状は、図 5A、 5B、 5Cに示す例では、基板本体 102を矩形板状 とし、フィン 103を平行平板としている力 特にこれに限定されず、発光素子モジユー ル 101の用途等に応じて適宜選択が可能である。例えばフィン 103の形状を、先端 側に向力つて厚さが減少するテーパを有する板状としたり、ピン状などとすることも可 能である。放熱器としての性能を向上するため、放熱部 104は、フィン 103を少なくと も 2つ以上有することが好ましい。フィン 103の表面には、放熱性を高めるための黒 色塗料などを塗布しても構わな ヽ。

[0060] フィン 103、 103、…として板状のフィンを採用した場合、フィン 103、 103、…が基 板本体 102の長手方向に沿って互いに平行に設けることが好ま 、。ここで基板本 体 102の長手方向とは、基板本体 102の表側の平坦面 105に沿う寸法が最も大なる 方向をいう。これにより、基板本体 102の特に長手方向の曲げ剛性を向上することが できる。

[0061] また、フィン 103が突設される位置は、発光素子 115の実装位置の裏側とすること が好ましい。これにより、フィン 103を基板本体 102の裏面 106における他の位置か ら突設した場合に比べて、実装位置の平坦度を一層向上することができる。特に、発 光素子 115の実装位置とするためにカップ構造 114を設けた場合、カップ構造 114 の掘り込み深さを深くすることもできる。このことにより、カップ構造 114の設計自由度 が向上し、配光特性や光取り出し効率等の向上を図ることが可能になる。このため、 基板本体 102の表面が平坦なヒートシンク形状のブランクを用意して、フィン 103の 裏側を目標にしてカップ構造 114を形成することにより、フィン 103とカップ構造 114 とが基板本体 102の裏表に対向する配置とすることができる。

[0062] 本形態例のホーロー基板 111の場合、フィン 103、 103、 103のうち両側の 2枚に 取付用の貫通穴 118 (フィン 1枚につき 2個、合計 4個）が設けられている。このように 、フィン 103に取付用の穴 118を設けることにより、発光素子モジュール 101を本体 部 120にねじ止めするための貫通穴 118を設ける領域を基板本体 102側に確保す る必要がなくなるため、発光素子 115の配置や電気配線のパターンに関して自由度 を向上することができる。なお、取付用の貫通穴 118の個数や配置は、図示した形態 例に限定されることなぐ発光素子モジュール 101の用途や本体部 120の構造など に応じて、適宜設計が可能である。

[0063] 本形態例の場合、図 8A、 8Bに示すように、本体部 120側に雌ねじ部（ねじ穴） 121 を設け、取付部材 122としてボルト (雄ねじ)を用いることにより、貫通穴 118の内面は 平滑な面としている。そして、本体部 120に設けられた雌ねじ部 121と、フィン 103に 設けられた貫通穴 118の位置を合わせ両者を固定用のボルト 122にて締結すること により、本体部 120 (例えば筐体)への取付が可能となる。

[0064] なお、フィン 103に設ける穴 118は、取付部材 122の種類や取付方法により種々の 形態をとることができる。例えば、雌ねじを有するねじ穴としたり、一端が閉じためくら 穴、内部に係合部や嵌合部を有する穴などとすることも可能である。また、ホーロー 基板 111に適用できる取付用の穴の他の例としては、特開平 4—129287号公報に 記載された方式のねじ穴が挙げられる。該公報に記載のねじ穴は、ホーロー基板の 導体回路領域とホーロー基板のねじ止め部分との間に相互を隔離するホーロー層の ない溝を有するものであり、ねじ止めによるホーロー層のクラックが回路部に影響する ことがなぐ回路部の安全を確保できる。

[0065] 金属基材 112の表面に設けられるホーロー層 113の材料は、従来より金属表面に ホーロー層を形成するために用いられるガラスを主体とした材料の中力も選択して使 用できる。 なかでもアルカリフリーのガラス材料が好まし ヽ。ホーロー層 113を形成する方法は 特に限定されないが、例えば下記の方法によることができる。

[0066] まず、原料となるガラス粉末を 2—プロパノール等の適当な分散媒に分散させ、そ の分散媒質中に金属基材 112にホーロー層 113を設けたい部分を浸漬し、さらに対 極となる電極をも同分散媒質中に入れ、金属基材 112と対極との間を通電することに より、ガラス粉末を金属基材 112の所望の表面に電着する。その後、大気中でガラス 粉末を焼成することにより、ガラスからなるホーロー層 113を金属基材 112の所望の 表面に強固に被覆させることができる。さらに強固に被覆するために、金属基材 112 (低炭素鋼)の表面を酸化処理させてぉ 、ても良 、。

[0067] ホーロー層 113は、電気絶縁性を確保するため、少なくとも基板本体 102の表側、 すなわち平坦面 105上およびカップ構造 114内に設ければ良!、。ホーロー層 113の 厚さは、特に限定されないが、カップ構造 114を有する面については、 50 /ζ πι〜20 0 μ mの範囲内とすることが好ましい。基板本体 102の側面や裏面 106についてはガ ラスの電着が十分に行われず、上記数値範囲の厚さを満たせないことがある力 これ らの箇所にっ 、ては絶縁性や発光素子の実装性を厳密に要求されな 、ので、金属 基材 112に対する防鲭処理を十分に行うことによって機能を満足させることができる

[0068] 発光素子 115としては、特に限定されないが、発光ダイオード (LED)、レーザダイ オード (LD)などの半導体発光素子が好適に用いられる。また発光素子 115の発光 色は、特に限定されず、青色、緑色、赤色あるいはそれ以外の発光色いずれでも良 い。具体例としては、窒化化合物半導体などの青色発光素子や緑色発光素子、リン 化ガリウム (GaP)に代表される赤色発光素子や赤外発光素子等が挙げられる。また 、窒化化合物半導体などの青色発光素子をカップ構造 114内に実装し、カップ構造 114を封止する封止榭脂 (後述）中に青色励起の黄色発光蛍光体 (例えば、セリウム を賦活したイットリウム 'アルミニウム'ガーネット蛍光体)を含有させ、白色 LEDを構 成しても良い。含有する蛍光体については、黄色発光のものに限らず、緑色や赤色 などの色であっても良ぐさらに、 2種類以上が混合されていても良い。

[0069] ホーロー基板 111に複数のカップ構造 114を設けて発光素子 115を並べて実装す る場合、各発光素子 115の種類や発光色も特に限定されるものではない。例えば交 通信号機等の用途には、発光素子 115の発光色を 1色に揃えても良いし、表示装置 の場合には、異なる発光色の LED等を規則的あるいは不規則に配置しても良い。さ らに、大面積のホーロー基板 111上に、青色 LEDと緑色 LEDと赤色 LEDの組み合 わせ力 構成される画素を多数配列することで表示装置を構成することができる。ま た、発光素子 115として白色 LEDを用い、多数の白色 LEDをホーロー基板 111に 縦横に実装することで、大面積の平面型照明装置を構成することもできる。

[0070] ワイヤボンド 116としては、金 (Au)など力もなる金属線などが用いられる。このワイ ャボンド 116の接続は、従来より発光素子 115等の接続に用いるワイヤボンディング 装置を用いてボンディングすることができる。

[0071] ホーロー基板 111の上面に設けられる電極 117は、例えば厚膜銀ペーストにより力 ップ構造 114の外側から内部まで伸ばして形成することができる。また、銅箔をプレス 成形してカップ構造 114に装着することで電極 117を形成することも可能である。

[0072] カップ構造 114内には、必要に応じて発光素子 115および発光素子 115と電極 11 7との接続部を封止するため、光透過率の高い封止榭脂を設けることができる。封止 榭脂としては、適当な透明榭脂を用いることができ、具体例としては、熱硬化性ェポ キシ榭脂、紫外線硬化性エポキシ榭脂、シリコン榭脂などを例示することができる。 なお、図 6A、 6Bに示す発光素子 115の実装構造 110では、ホーロー基板 111の 上面である平坦面 105に電極 117が露出する構造となる力 その露出した部分に電 気絶縁を確保するため、榭脂などの電気絶縁体を配しても良 、。

また、封止榭脂の上方または発光素子モジュール 101全体の上方に、必要に応じ て榭脂ゃガラスなどの透明媒質カゝらなるレンズ体を組み合わせることもできる。

[0073] 以上説明したように、本形態例の発光素子実装用基板 111によれば、金属基材 11 2にフィン 103を一体に設けることにより、発光素子 115が実装される基板本体 102 の曲げ剛性を向上し、熱収縮力の影響を小さくさせることができる。よって、発光素子 115の実装面やカップ構造 114の平坦度が向上し、基板の実装性や信頼度を向上 することができる。また、放熱器として機能する放熱部 104が一体化された発光素子 モジュール 101を得ることができるので、熱伝導シートやグリスの挿入が不要になり、 部品点数の削減や組立工数の減少が可能になる。なお、本形態例の発光素子モジ ユール 101を照明装置として利用した場合、発光素子 115による発光面が下側に、 放熱部 104のフィン 103が上側に配置されるので、放熱部側の熱が自然対流によつ て上空に逃げやすくなり、効率的な放熱を行うことが可能になる。

産業上の利用可能性

本発明は、 LED等の発光素子が実装された各種製品、例えば照明装置、表示装 置、交通信号機などに利用することができる。

Claims

請求の範囲

[I] コア金属と、

コア金属の表面を被覆するホーロー層と、

基板の一方面に設けられる発光素子実装用の反射カップ部と、

基板の他方面のホーロー層を少なくとも部分的に除去してコア金属を露出させるこ とによって形成される放熱部と、

を含む発光素子実装用基板。

[2] 前記反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、電極力パターン形成されてい る請求項 1に記載の発光素子実装用基板。

[3] 前記放熱部に凹凸が設けられている請求項 1に記載の発光素子実装用基板。

[4] 前記放熱部に、フィンを有する放熱構造体が接続されている請求項 1に記載の発 光素子実装用基板。

[5] 請求項 1記載の発光素子実装用基板と、

該基板の反射カップ部に実装される発光素子と、

を含む発光素子モジュール。

[6] 前記反射カップ部が透明榭脂によって榭脂封止されている請求項 5に記載の発光 素子モジュール。

[7] 前記反射カップ部が蛍光体を混入した透明榭脂によって榭脂封止されている請求 項 5に記載の発光素子モジュール。

[8] 前記発光素子は、青色発光ダイオードと、黄色発光蛍光体とを組み合わせて構成 される白色発光素子である請求項 7に記載の発光素子モジュール。

[9] 請求項 5に記載の発光素子モジュールを有する照明装置。

[10] 請求項 5に記載の発光素子モジュールを有する表示装置。

[II] 請求項 5に記載の発光素子モジュールを有する交通信号機。

[12] (i)発光素子が実装される表側に平坦面を有する基板本体と、この基板本体の裏 面から突設された少なくとも 1つのフィンからなる放熱部と、を有する金属基材と、 (ii)前記金属基材の表面を被覆するホーロー層と、

を含む発光素子実装用基板。

[13] 前記金属基材の平坦面には、発光素子から発する光を所定方向に向けて反射す るカップ構造が形成されている請求項 12に記載の発光素子実装用基板。

[14] 前記放熱部は、少なくとも 2つの板状のフィン力も構成されている請求項 12に記載 の発光素子実装用基板。

[15] 前記板状のフィンは、基板本体の長手方向に沿って互いに平行に設けられている 請求項 14に記載の発光素子実装用基板。

[16] 前記放熱部は、少なくとも 2つのピン状のフィン力も構成されている請求項 12に記 載の発光素子実装用基板。

[17] 前記フィンは、発光素子の実装位置の裏側に設けられている請求項 14に記載の 発光素子実装用基板。

[18] 前記フィンに、少なくとも 1つの穴が設けられている請求項 14に記載の発光素子実 装用基板。

[19] 請求項 12記載の発光素子実装用基板と、

該基板に実装される発光素子と、

を含む発光素子モジュール。