JP2008085109A - 発光ダイオード実装用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を低下させることなく小型化を実現することを目的とする。
【解決手段】絶縁性基板１と、この絶縁性基板１の少なくとも一方の面に設けた、発光ダイオードのカソード端子およびアノード端子とそれぞれ電気的に接続するためのカソード電極３およびアノード電極２と、このカソード電極３およびアノード電極２を電気的に並列接続するとともに２０μｍ以下の放電間隔７を介して互いに対向配置された放電電極５と、前記放電間隔７を埋めるように設けて前記対向配置された放電電極５と電気的に接続された非直線性抵抗体６と、前記カソード電極３およびアノード電極２とそれぞれ接続されたカソード端子電極８ｂおよびアノード端子電極８ａからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電気保護機能を有する発光ダイオード実装用基板に関する。

以下、従来の発光ダイオード実装用基板について図面を参照しながら説明する。

青色発光ダイオードの急激な技術進展により、発光ダイオードによってほぼ全ての色を発光させることができるようになった。この進展にともない携帯電話の液晶バックライト、カメラのフラッシュ、信号等に発光ダイオードが既に用いられている。さらに発光効率が向上すれば、近い将来、照明の大部分が発光ダイオードに置き換わるかもしれないと言われている。

青色発光ダイオードの発光効率を向上させるためには、発光ダイオード自体の技術進展が重要であることは言うまでもないが、発光ダイオードを実装する基板の性能も重要となる。すなわち、発光ダイオード自身から発生する熱を効率よく逃がす放熱性、発光した光が基板にできるだけ吸収されない反射性が基板において重要であることはよく知られている。

また一般的な青色発光ダイオードはサファイア基板上に窒化ガリウム、窒化インジウムガリウムを成長させてｐｎ接合を形成しているが、それぞれの材料の格子定数が大きく異なるため、界面には格子欠陥が発生している。発光ダイオードの光量を大きくするためには断面積を大きくする必要があるが、これは格子欠陥の数を増やすことにつながり、過電圧により破壊される確率を高くしている。

特に最近静電気パルスによる過電圧付加が問題となっている。静電気パルスは青色発光ダイオードが搭載された電子機器と人体が接触した場合だけでなく、青色発光ダイオードを基板に実装する製造工程でも入力される。したがって青色発光ダイオードを実装する基板は、あらかじめ静電気対策がなされていることが望ましい。

図９は、従来の発光ダイオード実装用基板の上面図である。

従来、上記のような静電気パルスへの対策としては、図９のように発光ダイオード１０４のカソード電極ライン１０２とアノード電極ライン１０３間に、ツェナーダイオード１０５を電気的に並列に実装して接続し、静電気パルスをツェナーダイオード１０５にバイパスさせ、発光ダイオード１０４への過電圧付加を抑制する方法が行われている（例えば、特許文献１参照）。

しかしこの方法では、ツェナーダイオードを実装する面積が必要となるため、青色発光ダイオード基板の小型化を阻害する。また発光ダイオードを実装する前にツェナーダイオードを実装する必要があり、実装工程が複雑となる。またツェナーダイオードは青色発光ダイオードの高さと同等かまたは高いため、発生した光がツェナーダイオードに当たって反射し、結果として発光効率を低下させる原因となる。

また図１０に示すように、実装面積を小さくし、発生した光を阻害させないためにツェナーダイオードの上に発光ダイオードを立体的に実装する方法も考案されている。すなわち、図１０は、従来の発光ダイオードの側面図であり、第１ドープ領域２２１に接続された第１外部電極２２５、第１電極２２３、第２ドープ領域２２２とこの第２ドープ領域に接続された第２電極２２４からなるツェナーダイオード２２０の上にソルダーボール２１１、２１２を介して発光ダイオード２００の第１電極２０５、第２電極２０４が接続されている。この発光ダイオード２００は基板２０１上に第１エピタキシャル層２０２、第２エピタキシャル層２０３を積層し、前記第１電極２０５が第１エピタキシャル層２０２に前記第２電極２０４が第２エピタキシャル層２０３にそれぞれ接続されたものである。（例えば、特許文献２参照）。しかしこの工法では素子の小型化を阻害する。
特開２００５−２５９７５４号公報 特許第３７７１１４４号公報

そこで、本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、発光効率を低下させることなく小型化を実現することができる発光ダイオード実装用基板を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を有する。

本発明は、絶縁性基板と、この絶縁性基板の少なくとも一方の面に設けた、発光ダイオードのカソード端子およびアノード端子とそれぞれ電気的に接続するためのカソード電極およびアノード電極と、このカソード電極およびアノード電極を電気的に並列接続するとともに２０μｍ以下の放電間隙を介して互いに対向配置された放電電極と、前記放電間隙を埋めるように設けて前記対向配置された放電電極と電気的に接続された非直線性抵抗体と、前記カソード電極およびアノード電極とそれぞれ接続されたカソード端子電極およびアノード端子電極からなる構成としたものである。

本発明によれば、絶縁性基板上に非直線性抵抗体を薄く、かつ、小面積にて形成することができるので、発光ダイオード実装用基板として発光効率を低下させることなく小型化を実現することができる。

また、前記非直線性抵抗体は従来の技術を用いて形成することができるので前記効果を容易に得ることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の発光ダイオード実装用基板を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における発光ダイオード実装用基板の上面図、図２は図１のＡ−Ａ’線の断面図である。１は絶縁性基板である。絶縁性基板１は耐熱性、強度が高い方が良くセラミック材料が望ましい。そのなかでも発光ダイオードの放熱性を考慮し、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、または窒化ホウ素の一つを主成分とするセラミック材料であることがより好ましく、これにより放熱性の優れた基板とすることができる。

２、３は発光ダイオードを実装するための電極でありそれぞれアノード電極２、カソード電極３である。電極の材料は発光ダイオードが実装しやすい材料であれば特に限定しないが金などがよく用いられる。また電極の形成工法も発光ダイオードが安定して実装できる工法であれば特に限定しないが、スクリーン印刷工法、メッキ工法、スパッタ工法、フォトリソ工法などが使用できる。発光ダイオードは例えば発光ダイオード実装位置４に実装される。

５は放電電極であり放電間隔７が形成されている。放電電極５の材料、形成工法も特に限定しないが、発光ダイオードの前記アノード電極２、カソード電極３と同じ材料、工法であれば製造プロセスが簡単になり製造コストを低減できる。

放電間隔７の幅は２０μｍ以下と狭くしないと印加された静電気をこの放電電極５間でバイパスすることができない。放電間隔７の形成工法は特に限定されるものではないが、安定して同じ放電間隔幅が形成できる工法が好ましい。例えばスパッタ工法、フォトリソ工法などによるファインパターニング工法が用いられる。またその他の工法として放電間隔７のない放電電極５を形成した後、ＹＡＧレーザーなどによって放電電極５と絶縁性基板１の表面をカットすることにより放電間隔７を形成する工法も用いることができる。

放電間隔７の幅はより狭い方が低い電圧で静電気を放電することができるため好ましいが、あまり狭くしすぎるとショート不良を起こす原因となるため、放電間隔７の形成工法の精度に依存する。したがって、上記のファインパターニング工法やレーザーカット工法を用いる場合、５〜１０μｍ程度が工法の精度上適している。

放電間隔７を形成した状態では印加された静電気はアルミナ基板上の空気を放電することになるため、安定して放電できない。そこで放電間隔７を埋めるようにして非直線性抵抗体６を形成する。非直線性抵抗体６とは通常時は絶縁体であるが、静電気などによる高電圧が印加されると抵抗値が急激に低下し電流を流す材料である。最も簡単かつ小面積で薄く形成できる材料として、絶縁性樹脂に導電性微粉末を添加した材料があげられる。導電性微粉末間に絶縁性樹脂がいわゆる粒界のように存在し、電圧が印加されていない場合、もしくは低電圧が印加されている場合には、絶縁性樹脂の粒界によって絶縁性を示すが、静電気パルスのような高電圧が印加されると、電子がこの絶縁性樹脂を飛び越えるようになるため抵抗値が急激に低下し電流が流れる。

非直線性抵抗体６の形成工法は特に限定しないが、絶縁性樹脂と導電性微粉末を混練してペースト状にし、スクリーン印刷工法などを用いて放電間隔７の部分に形成した後、樹脂が硬化する温度で処理する工法などが考えられる。絶縁性樹脂は熱硬化性樹脂で絶縁性、耐熱性の高い材料が好ましく、例えばエポキシ樹脂などが考えられるが特に限定しない。

また導電性微粉末の種類も特に限定しないが、アルミニウムのようにその粉末表面に薄い絶縁層が形成される金属材料であれば絶縁性の粒界が二重構造となるためより好ましい。また導電性微粉末の粒径は細かくなるほど絶縁性樹脂によるいわゆる粒界が増えるため、絶縁性から導電性へ変化する電圧が高くなるため静電気パルスの抑制効果は低下するが、放電安定性、長寿命化には効果がある。通常１〜５μｍ程度の導電性粉末を用いるが特に限定しない。

非直線性抵抗体６は放電間隔７を埋めるように形成しておれば良いが、薄すぎると絶縁性樹脂が静電気の印加によって早く劣化してしまうが、特に厚く形成する必要もない。スクリーン印刷工法などによって硬化後２０〜４０μｍ程度形成できれば良いがこの厚みも特に限定しない。

８は入出力端子電極でありこれも材料、形成工法は特に限定しない。ただし入出力端子電極８はマザー基板の電極と固定されるため、例えば半田で固定する場合には半田耐熱性が要求される。またマザー基板のたわみ、歪みによる力がこの入出力端子電極８に負荷されるため、その負荷に耐えられる材料、構造にする必要がある。

このように構成した発光ダイオード実装用基板によれば、通常の電圧印加時には放電電極５の部分は絶縁体（高抵抗）であるため電流は流れず、発光ダイオードのアノード電極２、カソード電極３へ流れ、発光ダイオード（図示せず）を発光させる。また静電気パルスのような高電圧が印加された場合には、放電電極５の部分の抵抗値が大きく低下し、電流の大部分が放電電極５を通して流れ、発光ダイオードへはほとんど流れず、静電気パルス印加による発光ダイオードの破壊を防ぐことができる。

またこの放電電極５、非直線性抵抗体６、放電間隔７はいずれも大きな面積は必要なく、また薄く形成することができるため、図９のようなツェナーダイオードの実装と比較すると小面積化、薄型化を図ることができ、また発光ダイオードの発光効率を低下させることがない。またこれらは電極のファインパターニングまたはレーザーカットと、非直線性抵抗体の硬化だけのプロセスで形成することができる。酸化亜鉛を主成分とするバリスタセラミック材料を形成する工法と比較すると極めて低温で形成することができる。またツェナーダイオードや積層チップバリスタなどの静電気対策部品を実装する工法と比較すると、半田づけ工程が不要であるため極めてクリーンに形成することができる。これは発光ダイオードの実装工法に良い影響を与える。

（実施の形態２）
図３は、入出力端子電極８を、発光ダイオード実装面と反対側の面に形成した発光ダイオード実装用基板の上面図、図４は図３のＢ−Ｂ’線の断面図である。発光ダイオードのアノード電極２、カソード電極３と入出力端子電極８を接続するためには、絶縁性基板１を貫通する電極９が必要となる。この貫通電極９の材料と形成工法は特に限定しないが、この貫通電極９は熱放散の役割も担うことができるので、焼結した金属であることが好ましい。また貫通電極９はそれぞれの端子電極に一つずつ設けているが、電気的接続性の確保、放熱性の向上のため複数設けても良い。

また、図５は本実施の形態２における他の一例である発光ダイオード実装用基板の上面図、図６は図５のＣ−Ｃ’線の断面図、図７は図５のＤ−Ｄ’線の断面図である。この構成の方が放電間隔７の長さが長く放電可能な部分が増えるため、静電気パルスの抑制効果は向上する。

また図５〜図７において、１０は白色着色部である。絶縁性基板１にアルミナのように白色の材料を用いる場合には必要ないが、炭化珪素のように黒灰色の基板を用いる場合には発光ダイオードから発生した光の一部が基板に吸収され結果として発光効率が低下する。したがって、発光ダイオード周縁部を光反射率の高い白色または銀色に着色するのが好ましい。着色方法は特に規定しないが、例えば白色に着色するには、酸化チタンとガラスの混合物を印加形成し、緻密に焼成する温度で焼き付けることによって実現できる。

また、絶縁性基板１の発光ダイオード実装部の周縁部を物理的または化学的に研磨するなどの表面処理をして光反射率を向上させることも可能である。

他の構成については実施の形態１と同様である。

図８は発光ダイオードを多連接続する場合の発光ダイオード実装用基板の上面図である。各発光ダイオード（図示せず）に対して並列に放電電極５、非直線性抵抗体６、放電間隔７を形成すれば、入出力端子電極８から印加された静電気パルスによる過電圧、および各発光ダイオード間の電極から印加された静電気パルスによる過電圧のいずれに対しても発光ダイオードを保護することができる。また多連の場合、従来のツェナーダイオードを実装する例では発光ダイオードの数だけツェナーダイオードを実装する必要があったが、本発明によれば電極のファインパターニングまたはレーザーカットと、非直線性抵抗体材料の形成と硬化だけのプロセスで一括形成できるため大幅な工程短縮、コストダウンが実現できる。

以上のように本発明にかかる発光ダイオード実装用基板は、発光効率を低下させることなく小型化を達成し、実装工程および人体との接触によって発生する静電気パルスによる過電圧付加を抑制することができるので、例えば高出力の発光ダイオードフラッシュ、照明などに適用できる。

本発明の実施の形態１における発光ダイオード実装用基板の上面図 図１のＡ−Ａ’線断面図 本発明の実施の形態２における発光ダイオード実装用基板の上面図 図３のＢ−Ｂ’線断面図 本発明の実施の形態２における発光ダイオード実装用基板の上面図 図５のＣ−Ｃ’線断面図 図５のＤ−Ｄ’線断面図 本発明の実施の形態２における多連発光ダイオード実装用基板の上面図 従来の発光ダイオード実装用基板の上面図 従来の発光ダイオードの側面図

符号の説明

１ 絶縁性基板
２ アノード電極
３ カソード電極
４ 発光ダイオード実装位置
５ 放電電極
６ 非直線性抵抗体
７ 放電間隔
８ 入出力端子電極
８ａ アノード端子電極
８ｂ カソード端子電極
９ 貫通電極
１０ 白色着色部

Claims (6)

1. 絶縁性基板と、この絶縁性基板の少なくとも一方の面に設けた、発光ダイオードのカソード端子およびアノード端子とそれぞれ電気的に接続するためのカソード電極およびアノード電極と、このカソード電極およびアノード電極を電気的に並列接続するとともに２０μｍ以下の放電間隙を介して互いに対向配置された放電電極と、前記放電間隙を埋めるように設けて前記対向配置された放電電極と電気的に接続された非直線性抵抗体と、前記カソード電極およびアノード電極とそれぞれ接続されたカソード端子電極およびアノード端子電極からなる発光ダイオード実装用基板。
2. カソード端子電極およびアノード端子電極は、カソード電極およびアノード電極とは異なる、絶縁性基板の他方の面に設けた請求項１記載の発光ダイオード実装用基板。
3. 絶縁性基板は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素から選ばれた一つを主成分とする請求項１記載の発光ダイオード実装用基板。
4. 絶縁性基板における発光ダイオード実装部の周縁部は、発光ダイオードからの光の反射率を向上させるための表面処理がなされた請求項１記載の発光ダイオード実装用基板。
5. 絶縁性基板における発光ダイオード実装部の周縁部は、略白色または略銀色である請求項１記載の発光ダイオード実装用基板。
6. 非直線性抵抗体は、絶縁性樹脂と導電性微粉末からなる請求項１記載の発光ダイオード実装用基板。

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