JP2008193113A - 光源とその製造方法、照明装置、表示装置及び交通信号機 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射凹部を有するホーロー基板を効率よく低コストで作製できる反射凹部付きのホーロー基板からなる発光素子実装用基板に発光素子を実装してなる光源、該光源を備えた照明装置、表示装置及び交通信号機の提供。
【解決手段】 コア金属と、該コア金属の表面を被覆するホーロー層と、該ホーロー層の表面に形成された電極パターンとからなる発光素子実装用基板と、該発光素子実装用基板に実装された発光素子と、該発光素子を被覆する封止樹脂とからなる光源であって、前記発光素子は、前記コア金属に凹部を形成することによって設けられた発光素子実装用基板の反射凹部に実装されてなり、前記反射凹部の周りには、コア金属プレス加工時に発生する応力を緩和するとともに、前記反射凹部に実装した発光素子を封止樹脂で封止する際に該封止樹脂の流出を防止するための溝が形成されたことを特徴とする光源。
【選択図】 図３

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を実装するための発光素子実装用基板に実装してなる光源とその製造方法、該光源を備えた照明装置、表示装置、交通信号機に関する。

発光素子は、外力や湿気などの外部環境からの保護のため、通常は基板に実装し、さらに透明な樹脂で発光素子を封止してパッケージ化される。さらに、発光素子から発する光を集光、拡散などの制御を行うため、封止樹脂の上部にレンズ形状の突起を形成する場合もある。このようなレンズ形状を作製するには、例えば、硬化前の樹脂を表面張力により盛り上げて、その形状を保ったまま加熱硬化又は紫外線硬化させることにより、封止樹脂の上部をレンズ形状に仕上げることができる（例えば、特許文献１参照。）。
このようなレンズ形状の製造方法において、盛り上げる樹脂の盛り上げ量は、基板と樹脂の濡れ性に大きく影響を受ける。例えば、基板の表面状態のばらつきなどにより、封止樹脂の塗布量が多過ぎた場合や基板表面の濡れ性が良好であった場合、基板上面で硬化前の樹脂が流出してしまい、これを除去するのに手間がかかり、場合によっては流出した樹脂が基板側面などに設けられた電極を覆ってしまい、基板を半田で固定しようとした場合に電極に付着した樹脂が電気絶縁膜となって導通不良を招いてしまう問題がある。

近年、ＬＥＤは照明用途、交通信号機などへの適用が進められ、さらなる発光強度の向上が要求されている。印加する電流量を増大させることにより、ＬＥＤの発光強度を高めることができるが、この場合、同時に発光素子は発熱を伴うため、効率的に放熱する必要がある。放熱が十分でない場合、発光素子は点灯中に高温となるため、発光効率が低下してしまい、目標とする発光強度が得られなくなる。また、長期的に使用する場合、ＬＥＤの信頼性が低下し、不点灯などの不具合が発生する可能性が高くなる。

さらに、発光素子から発する光を効率的に前方に放射するためには、図４に示すような反射凹部を設けることが望ましい。図４に示す発光素子のパッケージ構造では、すり鉢状の反射凹部２を有し、一部が該反射凹部２内に延設された電極３が設けられているパッケージ１を用い、このパッケージ１の反射凹部２内の一方の電極３上にＬＥＤなどの発光素子４を実装し、また発光素子４と他方の電極３とを金線５によって電気的に接続し、さらに反射凹部２内に封止樹脂６を上部が盛り上がるように充填、硬化させてレンズ形状を形成した構成になっている。このパッケージ構造の光源は、電極３間に通電することで発光素子４を点灯し、発光素子４から発する光の一部は直接出射され、他部は反射凹部４で反射されて出射されるので、発光素子４から発した光を効率よくパッケージ前方に出射できるようになっている。
特開平９−１５３６４６号公報

放熱性の良好な基板として、例えば、図５に示すようなホーロー基板９が考えられる。このホーロー基板９は、すり鉢状の反射凹部１１が形成されたコア金属７の表面をガラス等からなる薄いホーロー層８で被覆して構成されている。ホーロー層８上には、一部が該反射凹部１１内に延設された電極３が設けられている。。
図５に示すような反射凹部１１を持つホーロー基板９は、そのコア金属７を反射凹部１１の形状となるように加工する必要がある。この加工方法としては、ドリルによる加工、金属プレスによる絞り加工などが挙げられるが、生産性、加工コストに観点から、プレス加工を用いることが望ましい。

しかしながら、金属プレスによる絞り加工を行う場合、コア金属の形状に特に考慮しなかった場合、金属プレスによる押し圧により、基板全体が反ったり、局部的に金属の逃げが発生して膨らみや突起が生じてしまい、これらの修正のために後加工が必要となり、生産効率が悪化する問題があった。図６は、コア金属の絞り加工において生じ易い、膨れや突起を例示する図であり、図６（ａ）が作製しようとするコア金属７の断面図、（ｂ）は反射凹部１１の裏面側に膨れ１２が発生した場合を示す断面図、（ｃ）は反射凹部１１の周縁が盛り上がって突起１３を生じた場合を示す断面図である。これらの膨れ１２や突起１３を生じ、研削加工などによって修正するには、多くの手間と時間を要する。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、反射凹部を有するホーロー基板を効率よく低コストで作製できる反射凹部付きのホーロー基板からなる発光素子実装基板に発光素子を実装してなる光源、該光源を備えた照明装置、表示装置及び交通信号機の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、コア金属と、該コア金属の表面を被覆するホーロー層と、該ホーロー層の表面に形成された電極パターンとからなる発光素子実装用基板と、該発光素子実装用基板に実装された発光素子と、該発光素子を被覆する封止樹脂とからなる光源であって、
前記発光素子は、前記コア金属に凹部を形成することによって設けられた発光素子実装用基板の反射凹部に実装されてなり、
前記反射凹部の周りには、コア金属プレス加工時に発生する応力を緩和するとともに、前記反射凹部に実装した発光素子を封止樹脂で封止する際に該封止樹脂の流出を防止するための溝が形成されたことを特徴とする光源を提供する。

本発明の光源において、前記反射凹部が円形をなし、前記溝が反射凹部の外周に同心円状に設けられていることが好ましい。

本発明の光源において、前記封止樹脂の上部がレンズ形状に突出していることが好ましい。

また本発明は、コア金属を用意し、該コア金属の反射凹部を形成する予定位置の外周に、ドリル加工により、コア金属プレス加工時に発生する応力を緩和するとともに、前記反射凹部に実装した発光素子を封止樹脂で封止する際に該封止樹脂の流出を防止するための溝を形成し、
次いで、該コア金属にプレス加工を施して反射凹部を形成し、
次いで、該コア基板の表面にホーロー層を形成してホーロー基板を作製し、
次いで、該ホーロー基板の表面に電極パターンを形成して発光素子実装用基板を作製し、
次いで、該発光素子実装用基板の反射凹部に発光素子を実装し、
次いで、反射凹部内に実装された発光素子を樹脂で封止し、前述した本発明に係る光源を得ることを特徴とする光源の製造方法を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る光源を有していることを特徴とする照明装置を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る光源を有していることを特徴とする表示装置を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る光源を有していることを特徴とする交通信号機を提供する。

本発明の光源は、発光素子を実装する反射凹部の周りに溝を形成したホーロー基板を用いているので、金属プレスによる絞り加工でコア金属を作製した場合、コア金属が反ったり、変形することなく反射凹部を形成することができ、変形等を修正するための後加工を行う必要がなくなり、効率よく安価に基板を作製することができる。
また、反射凹部の周りに溝を形成したので、封止樹脂を多量に塗布してしまった場合でも、基板の外側まで樹脂が流出せず、流出した樹脂によって電極表面に電気絶縁膜が形成される不具合を防ぐことができる。
また、コアが金属であるホーロー基板に発光素子を実装する構造としたので、放熱性が良好となり、多数の発光素子を実装した場合、発光素子１個あたりに通電する電力量を増やした場合でも、温度上昇による発光効率の低下を抑制でき、発光強度を期待通りに向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施形態を示す図であり、図１は、本発明の光源に用いられるコア金属２１の一例を示し、図１（ａ）はコア金属２１の側面図、（ｂ）は平面図である。図２は、本発明の光源に用いられる発光素子実装用基板２０の一例を示す断面図である。また図３は、図２に示す発光素子実装用基板２０に発光素子２９を実装して構成された本発明の光源２８の一例を示す断面図である。

本発明の光源に用いられる発光素子実装用基板２０は、一方の面側に発光素子２９の実装位置となる反射凹部２３と、その周囲に溝２４が設けられた図１に示すコア金属２１の表面に、ホーロー層２２を被覆してなるホーロー基板を主体とし、このホーロー基板の一方の面側に、一部が反射凹部２３に延設されている一対の電極２７を設けた構成になっている。

この発光素子実装用基板２０に形成された反射凹部２３は、すり鉢状をなしており、発光素子２９が実装される平坦な底面２５と、その周縁のテーパ面２６とを有している。
また、反射凹部２３の周囲に設けられた溝２４は、本例示にあっては反射凹部２３の外周に同心円状に設けられている。

コア金属２１の材質は、熱伝導率がよく、ホーロー層２２を強固に焼き付けることができる金属材料が好ましく、例えば、低炭素鋼板などが望ましい。
また、ホーロー層２２の材質は、コア金属２１の表面に薄く焼き付けることができ、十分な電気絶縁性が得られる材料が好ましく、例えば、ガラスなどが望ましい。

図３に示す光源２８は、前述した発光素子実装用基板２０を用い、その反射凹部２３の底面２５上に延設された一方の電極２７の上にダイボンドなどによって発光素子２９を実装し、発光素子２９と他方の電極２７とを金線３０で接続し、さらに上部が盛り上がった状態で反射凹部２３内を封止樹脂３１で封止した構成になっている。

発光素子２９は、窒化化合物半導体のような青色発光素子、緑色発光素子でもよく、ＧａＰで代表されるような赤色、赤外発光素子でもよい。また、窒化化合物半導体のような青色発光素子を実装し、封止樹脂３１中に、例えばセリウムを賦活したイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体のような青色励起の黄色発光蛍光体を分散させて、白色ＬＥＤとしてもよい。

次に、本発明の光源の製造方法の一例を説明する。
まず、コア金属２１とする金属板に、反射凹部２３の形成位置の周りに溝２４を形成する。この溝２４は、ドリル加工により形成する。
次に、前記金属板に、金属プレスによる絞り加工を施し、反射凹部２３を形成して図１に示す形状のコア金属２１を作製する。

反射凹部２３形成位置の外周に溝２４をあらかじめ設けておくことで、金属プレスによる絞り加工によって金属板に反射凹部２３を形成する際、押し圧で反射凹部２３を作製した時に発生する応力が、前記の溝２４の方向に発生するため、金属板全体が反ったり、金属板の一部が膨らむことが抑制される。

また、溝２４の幅を広めに取っておくことにより、絞り加工後に金属が逃げ込んだあとも一定量の幅の溝２４が残る。この溝２４が残存した状態で、基板表面をホーロー処理し、さらに電極を形成して発光素子実装用基板２０を用いて光源２８を作製する際に、封止樹脂３１が反射凹部２３から流出しても、これを溝２４で止めて他部への樹脂流出を防ぐことができる。

次に、前記コア金属１の表面にガラスを焼き付け、コア金属２１表面をホーロー層２２で被覆してホーロー基板とする。ホーロー層２２形成方法としては、例えば、ガラス粉末を２−プロパノールのような適当な分散媒に分散させ、その分散媒質中に前記コア金属２１を入れ、さらに対極となる電極を該分散媒中に挿入配置し、コア金属２１と対極間に通電することにより、ガラス粉末をコア金属２１表面に電着する。その後、ガラス電着後のコア金属２１を引き上げ、乾燥し、高温の焼付炉に入れて加熱し、ガラスを焼き付けることにより、コア金属２１表面に緻密で均一な薄いホーロー層２２を形成することができる。さらにホーロー層２２を強固に被覆するために、前記コア金属２１の表面を酸化処理させておいても良い。

次に、前記の通り作製したホーロー基板の表面に、発光素子２９に電力供給を行うための一対の電極２７を作製する。この電極２７は、図２に示すように、一部が反射凹部２３内に延設されるようなパターンに沿って銀ペースト又は銅ペーストを塗布し、その後焼き付けて作製することが望ましい。これによって図２に示す発光素子実装用基板２０が作製される。

次に、発光素子２９を銀ペーストにより反射凹部２３内の一方の電極２７上にダイボンドし、さらに、ワイヤボンディングを行って発光素子２９と他方の電極２７とを金線３０で接続する。その後、反射凹部２３内に、その上部が表面張力で十分盛り上がるまで封止樹脂、例えば、熱硬化性エポキシ樹脂を注入し、その形状を保ったまま硬化させ、レンズ形状を持つ封止樹脂３１を形成する。これによって、図３に示す光源２８が作製される。

本実施形態の発光素子実装用基板２０は、発光素子２９を実装する反射凹部２３の周りに溝２４を形成したホーロー基板を用いているので、金属プレスによる絞り加工でコア金属２１を作製した場合、コア金属２１が反ったり、変形することなく反射凹部２３を形成することができ、変形等を修正するための後加工を行う必要がなくなり、効率よく安価に基板を作製することができる。
また、反射凹部２３の周りに溝２４を形成したので、封止樹脂３１を多量に塗布してしまった場合でも、基板の外側まで樹脂が流出せず、流出した樹脂によって電極表面に電気絶縁膜が形成される不具合を防ぐことができる。
また、コアが金属であるホーロー基板に発光素子２９を実装する構造としたので、放熱性が良好となり、多数の発光素子を実装した場合、発光素子１個あたりに通電する電力量を増やした場合でも、温度上昇による発光効率の低下を抑制でき、発光強度を期待通りに向上させることができる。

なお、前述した例示では、プレス加工（絞り加工）を前提として説明したが、ドリル加工などの他の機械加工によってコア金属に反射凹部を形成する場合でも、反射凹部の周囲に溝を設けることにより、封止樹脂でレンズ体を形成する場合の樹脂の流出防止に効果があることは言うまでもない。
また、前述した例示では、ホーロー基板に１個の反射凹部を作製した場合について説明したが、周囲に溝を持つ反射凹部をホーロー基板上に複数個設けてもよい。

１．５ｍｍ厚の低炭素鋼板に、金属プレスによる絞り加工により反射凹部を形成する予定の位置の周縁部に円形状の溝をドリルにより作製した。寸法は内周φ１０ｍｍ、外周φ１２ｍｍ、深さ０．５ｍｍとなるように加工した。その後金属プレス加工により、図１に示すような形状となるよう金属板の打ち抜き、反射凹部の成型を行った。コア金属のサイズは、１５×１５ｍｍとし、反射凹部の寸法は、深さ０．６ｍｍ、底面φ２．１ｍｍ、テーパ面の傾斜角度４５°となるように作製した。その結果、反射凹部についてはほぼ設計通りの寸法が得られ、溝は当初２ｍｍの幅が平均で０．８ｍｍ程度と小さくなったことを確認した。

本発明の光源に用いられるコア金属の一例を示し、（ａ）はコア金属の断面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の光源に用いられる発光素子実装用基板の一例を示す断面図である。 本発明の光源の一例を示す断面図である。 従来の発光素子のパッケージ構造を例示する断面図である。 ホーロー基板の一例を示す断面図である。 コア金属の加工時に生じる膨らみや突起を例示する断面図である。

符号の説明

２０…発光素子実装用基板、２１…コア金属、２２…ホーロー層、２３…反射凹部、２４…溝、２５…底面、２６…テーパ面、２７…電極、２８…光源、２９…発光素子、３０…金線、３１…封止樹脂。

Claims (7)

1. コア金属と、該コア金属の表面を被覆するホーロー層と、該ホーロー層の表面に形成された電極パターンとからなる発光素子実装用基板と、該発光素子実装用基板に実装された発光素子と、該発光素子を被覆する封止樹脂とからなる光源であって、
   前記発光素子は、前記コア金属に凹部を形成することによって設けられた発光素子実装用基板の反射凹部に実装されてなり、
   前記反射凹部の周りには、コア金属プレス加工時に発生する応力を緩和するとともに、前記反射凹部に実装した発光素子を封止樹脂で封止する際に該封止樹脂の流出を防止するための溝が形成されたことを特徴とする光源。
2. 前記反射凹部が円形をなし、前記溝が反射凹部の外周に同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記封止樹脂の上部がレンズ形状に突出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源。
4. コア金属を用意し、該コア金属の反射凹部を形成する予定位置の外周に、ドリル加工により、コア金属プレス加工時に発生する応力を緩和するとともに、前記反射凹部に実装した発光素子を封止樹脂で封止する際に該封止樹脂の流出を防止するための溝を形成し、
   次いで、該コア金属にプレス加工を施して反射凹部を形成し、
   次いで、該コア基板の表面にホーロー層を形成してホーロー基板を作製し、
   次いで、該ホーロー基板の表面に電極パターンを形成して発光素子実装用基板を作製し、
   次いで、該発光素子実装用基板の反射凹部に発光素子を実装し、
   次いで、反射凹部内に実装された発光素子を樹脂で封止し、請求項１〜３のいずれかに記載の光源を得ることを特徴とする光源の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の光源を有していることを特徴とする照明装置。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の光源を有していることを特徴とする表示装置。
7. 請求項１〜３のいずれかに記載の光源を有していることを特徴とする交通信号機。

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