JP2008270325A - 静電気対策部品およびこれを用いた発光ダイオードモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れた小型で高強度の静電気対策部品およびこれを用いた発光ダイオードモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】セラミック基板１２とこの上に形成したバリスタ部１０とガラスセラミック層１４とを備えたセラミック焼結体と、このセラミック焼結体の表面に設けた一対の端子電極１３ａ、１３ｂと、端子電極１３ａ、１３ｂの反対側の面に設けた一対の外部電極と、セラミック焼結体の上下を貫通する熱伝導体部１５とを有する静電気対策部品であり、また、この静電気対策部品の熱伝導体部１５に発光ダイオード素子を搭載実装した発光ダイオードモジュールであり、熱伝導体部１５を設けることにより、搭載した部品が発する熱を効率的に放熱することができる静電気対策部品および発光ダイオードモジュールとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる静電気対策部品およびこれを用いた発光ダイオードモジュールに関するものである。

近年、携帯電話等の電子機器の小型化、低消費電力化は急速に進み、それに伴い電子機器の回路を構成する各種電子部品の耐電圧は低下してきている。

そのため、人体と電子機器の導通部が接触したときに発生する静電気パルスなどによる各種電子部品、特に半導体デバイスの破壊による電子機器の故障トラブルが増えてきている。

また、半導体デバイスの一種である発光ダイオードは、白色系の青色ダイオードの発達に伴い、ディスプレイデバイスのバックライトや小型カメラのフラッシュ等に用いられるなど、幅広い普及が見込まれている。しかしながら、これら白色系の発光ダイオードは静電気パルスに対する耐電圧が低く問題になりつつある。

従来、このような発光ダイオードの静電気パルスへの対策としては、静電気が入るラインとグランド間にバリスタやツェナーダイオードのような非直線抵抗特性を有する電子部品を介在させることによって静電気パルスをグランドにバイパスさせ、発光ダイオードに印加される高電圧を抑制する方法が行われている。

なお、発光ダイオードを静電気パルスから保護するために、バリスタやツェナーダイオードを用いた先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００２−３３５０１２号公報

しかしながら、上記従来の発光ダイオードとバリスタやツェナーダイオードとを組み合わせた構成では、発光ダイオードとバリスタやツェナーダイオードとを基板等の他の部材を介して接続したものであり、一体化していないため小型化が困難である。

また、発光ダイオードの発光量をより大きくするためには、より大きな電流を流す必要がある。しかし、流す電流量が大きくなればなる程、発光ダイオード自体の発熱が起こる。そして、この熱によって発光ダイオードが劣化し、発光効率の低下や寿命が短くなるといった結果を招くことになる。したがって、発光ダイオードの発光効率を下げず、寿命劣化を防ぐためには、発光ダイオードが発する熱を効率よく逃がす必要がある。しかしながら、比較的小型のパッケージ形状にしたチップタイプのものは、放熱機構がなく外装に樹脂を用いているため発光ダイオード素子の発する熱を効率よく逃がすことが困難である。

本発明は上記課題を解決するもので、放熱性に優れた小型で高強度の静電気対策部品およびこれを用いた発光ダイオードモジュールを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、セラミック基板とこのセラミック基板上にバリスタ層と内部電極とを交互に積層して形成したバリスタ部とさらにこのバリスタ部上に形成したガラスセラミック層とを備えたセラミック焼結体と、前記セラミック焼結体の一表面に設けた一対の端子電極と、前記セラミック焼結体の前記端子電極の反対側の面に設け前記内部電極および前記端子電極に電気的に接続した一対の外部電極と、前記セラミック焼結体を貫通する熱伝導体部とを有する静電気対策部品であり、これにより、バリスタ機能を内蔵した小型で高強度の静電気対策部品が実現できるとともに、発光ダイオードなどの電子部品素子を搭載実装した場合には、熱伝導体部を設けているので、搭載した部品が発する熱を効率的に放熱することができるという効果を有する。また、外部電極を端子電極の反対側に設けているので、配線基板等への実装面積を小さくすることができるという効果を有する。

また、本発明は、発光ダイオードを、上記の静電気対策部品の熱伝導体部に搭載し前記発光ダイオードの端子と前記静電気対策部品の端子電極とを電気的に接続して実装した発光ダイオードモジュールであり、これにより、静電気対策部品のバリスタ部で発光ダイオードが静電気パルスから保護されるので耐静電気パルス性に優れ、熱伝導体部で発光ダイオードが発する熱を効率的に放熱することができるので放熱性に優れ発光効率が良く、小型で実用的な発光ダイオードモジュールが実現できるという効果を有する。

本発明の静電気対策部品によれば、バリスタ機能を内蔵した小型で高強度の静電気対策部品が実現できるとともに、発光ダイオードなどの電子部品素子を搭載実装した場合には、搭載した部品が発する熱を効率的に放熱することができる静電気対策部品となる。そして、配線基板等への実装面積を小さくすることができる。

また、本発明の発光ダイオードモジュールによれば、耐静電気パルス性に優れ、放熱性に優れ発光効率が良く、小型で実用的な発光ダイオードモジュールが実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

（実施の形態）
以下、一実施の形態を用いて、本発明の静電気対策部品および発光ダイオードモジュールについて説明する。図１は本発明の一実施の形態における静電気対策部品の外観斜視図、図２は本発明の一実施の形態における静電気対策部品の図１のＡ−Ａ´での断面図、図３は本発明の一実施の形態における静電気対策部品の図１のＢ−Ｂ´での断面図、図４は本発明の一実施の形態における静電気対策部品の模式的分解斜視図である。図５は本発明の一実施の形態における発光ダイオードモジュールの断面図、図６は本発明の一実施の形態における発光ダイオードモジュールの等価回路図である。

図１、図２、図３、図４および図５において、１０はバリスタ部、１０ａ、１０ｂおよび１０ｃはバリスタ層、１１ａおよび１１ｂは内部電極、１２はセラミック基板、１３ａおよび１３ｂは端子電極、１４はガラスセラミック層、１５は熱伝導体部、１６ａおよび１６ｂは外部電極、１７は外部熱伝導体部、１９ａおよび１９ｂは接続用ビア導体、２０は発光ダイオード素子である。

図１、図２、図３および図４に示すように、本実施の形態における静電気対策部品は、セラミック基板１２と、このセラミック基板１２の上にバリスタ層１０ａ、１０ｂおよび１０ｃと内部電極１１ａおよび１１ｂとを交互に積層して形成したバリスタ部１０と、さらにこの上に積層して形成したガラスセラミック層１４とを備えたセラミック焼結体を有し、このセラミック焼結体のガラスセラミック層１４の表面に一対の端子電極１３ａおよび１３ｂを設け、このセラミック焼結体の端子電極１３ａおよび１３ｂの反対側の面に一対の外部電極１６ａおよび１６ｂを設けるとともに、セラミック焼結体の上下を貫通する熱伝導体部１５を設け、さらにセラミック焼結体の下面に熱伝導体部１５に接続する外部熱伝導体部１７を設けたもので、内部電極１１ａは接続用ビア導体１９ａを介して外部電極１６ａおよび端子電極１３ａと電気的に接続し、内部電極１１ｂは接続用ビア導体１９ｂを介して外部電極１６ｂおよび端子電極１３ｂと電気的に接続する構成としている。そして、本実施の形態における静電気対策部品に発光ダイオードなどの電子部品素子を搭載実装する場合には、セラミック焼結体の上面側の熱伝導体部１５が電子部品素子の搭載部分となり、端子電極１３ａおよび１３ｂが電子部品素子との電気的接続部分となる。

また、図５に示すように、本実施の形態における発光ダイオードモジュールは、本実施の形態における静電気対策部品の熱伝導体部１５の上に発光ダイオード素子２０を搭載し、金属線２１により、その一方の端子を端子電極１３ａに電気的に接続し、もう一方の端子を端子電極１３ｂに電気的に接続する構成としている。

そして、本実施の形態における発光ダイオードモジュールの回路は、図６に示す等価回路となる。図６において、２０１は内部電極１１ａおよび１１ｂとバリスタ層１０ｂとにより形成されたバリスタ、２０２および２０３は外部電極、２０４は発光ダイオードである。

上記したように、本実施の形態における静電気対策部品は、バリスタ部１０とガラスセラミック層１４とをセラミック基板１２上に積層し焼結して一体化したセラミック焼結体に、このセラミック焼結体を貫通する熱伝導体部１５を設けたものであり、本実施の形態における発光ダイオードモジュールは、セラミック焼結体の上面側の熱伝導体部１５に発光ダイオード素子２０を搭載したものであり、熱伝導体部１５を設けこれを熱伝導率の大きいものとすることにより、搭載した部品が発する熱を効率的に放熱することができる静電気対策部品および発光ダイオードモジュールとなる。また、セラミック焼結体の下面に熱伝導体部１５に接続する突出した外部熱伝導体部１７を設けることにより、外部の放熱板などに搭載接続した際に接続部の密着性を上げることができ、搭載した部品が発する熱をより効率的に放熱することができる。

続いて、本発明の一実施の形態における静電気対策部品の製造方法について、図４を用いて説明する。

まず、酸化亜鉛を主成分とするセラミック粉末と有機バインダからなる酸化亜鉛生シートを作製し準備した。また、アルミナおよびホウ珪酸ガラスを主成分とするガラス−セラミック粉末と有機バインダからなるガラス−セラミック生シートを作製し準備した。この時、これらの生シートの厚みはそれぞれ約３０μｍとした。なお、これらの生シートはそれぞれ焼成後に、酸化亜鉛生シートはバリスタ部１０となり、ガラス−セラミック生シートはガラスセラミック層１４となるものである。

図４に示すように、まず、バリスタ層１０ａ、１０ｂ、１０ｃとなる酸化亜鉛生シートおよびガラスセラミック層１４となるガラス−セラミック生シートのそれぞれの接続用ビア導体１９ａおよび１９ｂとなる位置に、パンチャーなどでスルーホールを設け、このスルーホールに銀ペーストを充填した。次に、バリスタ層１０ａとなる酸化亜鉛生シートに銀ペーストを用いスクリーン印刷法によって内部電極１１ａとなる導体層を形成した。その上に、銀ペーストを用いスクリーン印刷法で内部電極１１ｂとなる導体層を形成したバリスタ層１０ｂとなる酸化亜鉛生シートを積層した。さらに、その上に、バリスタ層１０ｃとなる酸化亜鉛生シートを積層してバリスタ部１０となる積層体を作製した。さらに、その上に、銀ペーストを用いスクリーン印刷法で端子電極１３ａおよび１３ｂとなる導体層を形成したガラスセラミック層１４となるガラス−セラミック生シートを積層し、バリスタ部１０およびガラスセラミック層１４となる積層体を作製した。この時、内部電極１１ａ、１１ｂとなる導体層および端子電極１３ａ、１３ｂとなる導体層は、図４に示すように、この後に形成する熱伝導体部１５ａとなる部分を避けて形成した。また、接続用ビア導体１９ａとなるスルーホールは、内部電極１１ａとなる導体層と端子電極１３ａとなる導体層とを接続する位置に設け、接続用ビア導体１９ｂとなるスルーホールは、内部電極１１ｂとなる導体層と端子電極１３ｂとなる導体層とを接続する位置に設けた。

次に、この積層体のバリスタ部１０とガラスセラミック層１４を貫くようにパンチャーなどでスルーホールを設けた後、このスルーホールに銀ペーストを充填した。このスルーホールに充填した銀ペーストが、焼成後に熱伝導体部１５ａとなるものである。

一方、セラミック基板１２として、３ヶ所の所定の位置にスルーホールを設けたアルミナ基板を用い、このアルミナ基板のスルーホールに銀ペーストを充填し、さらに、その一方の面の上に銀ペーストを用いスクリーン印刷法で外部熱伝導体部１７と外部電極１６ａおよび１６ｂとなる導体層を形成した。上記の３ヶ所のスルーホールに充填した銀ペーストが、焼成後に熱伝導体部１５ｂ、接続用ビア導体１９ａおよび１９ｂとなるものである。そして、熱伝導体部１５ｂは焼成後に上記積層体の熱伝導体部１５ａと一体化され熱伝導体部１５となり、接続用ビア導体１９ａは焼成後に上記積層体の接続用ビア導体１９ａと一体化され、接続用ビア導体１９ｂは焼成後に上記積層体の接続用ビア導体１９ｂと一体化されるものである。

次に、上記のスルーホールに銀ペーストを充填し導体層を形成したアルミナ基板上に、上記のスルーホールに銀ペーストを充填したバリスタ部１０およびガラスセラミック層１４となる積層体を貼りつけ、積層体ブロックとした。なお、上記のアルミナ基板の厚みは約１８０μｍ、導体層の厚みは約２．５μｍとし、熱伝導体部に使用した銀ペーストの銀のコンテントは８５ｗｔ％で、熱伝導体部の径は３００ミクロン、接続用ビア導体の径は１００ミクロンとした。また、印刷した導体層のパターンは、切断した後に図４に示した形状となるよう図示した形状を多数個縦横に配列したパターン形状とした。

次に、上記の積層体ブロックを大気中で加熱して脱バインダ処理した後、大気中で９３０℃まで加熱して焼成し、一体化した焼結体とした。続いて、外部電極および端子電極の部位にニッケル、金のめっきを施し、この積層体ブロックの焼結体を所定の寸法で切断分離し、個片として、図１、図２および図３に示した本実施の形態における静電気対策部品を得た。

作製した本実施の形態における静電気対策部品は、長手方向寸法が約２．０ｍｍ、幅方向寸法が約１．２５ｍｍ、厚み方向寸法が約０．３ｍｍであった。そして、外部電極１６ａと１６ｂ間のバリスタ電圧Ｖ_1mAすなわち１ｍＡの電流が流れる時の電圧は２７Ｖであった。

なお、上記の本実施の形態における製造方法においては、端子電極１３ａ、１３ｂ、外部電極６ａ、１６ｂおよび外部熱伝導体部１７を形成する方法として、アルミナ基板上にバリスタ部１０およびガラスセラミック層１４を設ける際に、これと同時に焼成して形成する方法を説明したが、アルミナ基板上にバリスタ部１０、ガラスセラミック層１４、熱伝導体部１５、接続用ビア導体１９ａおよび１９ｂを設けた焼結体とした後に、ガラスセラミック層１４上に端子電極１３ａ、１３ｂとなる銀ペーストの導体層を、アルミナ基板１２の一方の面の上に外部電極１６ａ、１６ｂおよび外部熱伝導体部１７となる銀ペーストの導体層を形成し、これらを焼付けして、端子電極１３ａ、１３ｂ、外部電極１６ａ、１６ｂおよび外部熱伝導体部１７を形成してもよい。また、この場合の焼結体は、多数個縦横に配列したブロックの焼結体でも個片の焼結体でもよいが、生産性の面からブロックの焼結体の段階で行うことが好ましい。

また、比較のために、図７にその模式的分解斜視図を、図８にその外観斜視図を示すような比較例の静電気対策部品を作製した。比較例の静電気対策部品が本実施の形態における静電気対策部品と異なる点は、熱伝導体部１５および外部熱伝導体部１７を設けていない点、および、外部電極を側面に設けている点である。

次に、本発明の一実施の形態における発光ダイオードモジュールの製造方法について、図５を用いて説明する。

上記の本実施の形態における静電気対策部品の熱伝導体部１５の上に、青色発光ダイオード素子２０を導電性接着剤によりダイボンドして搭載した後、ワイヤボンディング法により、青色発光ダイオード素子２０の一方の端子と端子電極１３ａとを金属線２１により接続し、青色発光ダイオード素子２０のもう一方の端子と端子電極１３ｂとを金属線２１により接続し、その後青色発光ダイオード素子２０を覆うように樹脂モールド（図示せず）して、図５に示す本実施の形態における発光ダイオードモジュールを作製した。

また、比較のために、上記の比較例の静電気対策部品を用い、上記と同様にして、比較例の静電気対策部品の上に青色発光ダイオード素子を実装して、比較例の発光ダイオードモジュールを作製した。なお、比較例の発光ダイオードモジュールの断面図は図９に示す。

そして、これら本実施の形態における発光ダイオードモジュールと比較例の発光ダイオードモジュールについて、以下のようにして放熱性を評価した。それぞれの発光ダイオードモジュールについて、本実施の形態における発光ダイオードモジュールは図１０に示すように、比較例については図１１に示すように、放熱板３０の上に実装した。なお、図示していないが、放熱板３０の表面には、外部電極１６ａおよび１６ｂが接触する部分のうち、少なくともグランド側の部分以外は絶縁処理し、電力を供給する配線を施している。そして、それぞれの青色発光ダイオード素子２０に対し、１Ｗの電力を印加しダイオードを発光させ、青色発光ダイオード素子２０の温度が飽和するまで電力を与え続けた。その時の青色発光ダイオード素子２０の温度は、比較例の発光ダイオードモジュールの場合が約１００℃であったのに対して、本実施の形態における発光ダイオードモジュールの場合は約８５℃であった。以上のように、本実施の形態１における発光ダイオードモジュールは、比較例の発光ダイオードモジュールに比べて放熱性が優れていることが判る。

また、青色発光ダイオード素子２０の温度が飽和した時における、それぞれの光強度を測定したところ、比較例の発光ダイオードモジュールの光強度比を１００とした時、本実施の形態における発光ダイオードモジュールの光強度比は約１１０であった。この結果から、本実施の形態における発光ダイオードモジュールは放熱性が優れているため、発光ダイオードの発光効率が低下するのを防止できていることが判る。

また、本実施の形態における静電気対策部品および発光ダイオードモジュールは、外部電極を端子電極の反対側に設けているので、比較例の静電気対策部品および発光ダイオードモジュールと比べて配線基板等への実装面積を小さくすることができる。

また、比較例の静電気対策部品は、外部電極を側面に設けているため、製造上、素子を個片に切断後、外部電極を付ける必要があり、外部電極のめっきや、発光ダイオード素子の実装を個片で行わねばならない。これに対し、本実施の形態における静電気対策部品は、内部電極、外部電極、端子電極をすべてスクリーン印刷法によって形成することができ、素子を個片に切断する前に外部電極を形成しているので、個片に切断する前に外部電極のめっきを行うことが可能となり、製造工法が単純化でき低コスト化できる。さらに、個片に切断する前に発光ダイオードなどの電子部品素子を搭載実装し、その後に個片に切断して発光ダイオードモジュールを製造することも可能となるので、発光ダイオードモジュールの製造工法が単純化でき低コスト化できる。

以上説明したように、本発明の静電気対策部品は、バリスタ機能を内蔵した小型で高強度の静電気対策部品が実現できるとともに、熱伝導体部を設けているので、搭載した部品が発する熱を効率的に放熱することができる。また、外部電極を端子電極の反対側に設けているので、配線基板等への実装面積を小さくすることができ、製造工法が単純化でき低コスト化することができる。

また、本発明の発光ダイオードモジュールは、バリスタ部で発光ダイオードが静電気パルスから保護されるので耐静電気パルス性に優れ、熱伝導体部で発光ダイオードが発する熱を効率的に放熱することができるので放熱性に優れ発光効率が良く、小型で実用的な発光ダイオードモジュールとなる。

なお、上記一実施の形態における静電気対策部品においては、端子電極はセラミック焼結体のガラスセラミック層の表面に設けたが、第二の例の静電気対策部品としては、図１２に示すように、端子電極はセラミック焼結体のガラスセラミック層の反対側の表面に設けても良い。そして、この第二の例の静電気対策部品を用いた発光ダイオードモジュールの断面図は、図１３である。この第二の例の静電気対策部品および発光ダイオードモジュールにおいても、上記一実施の形態と同様の効果が得られる。これに加えて、セラミック基板としてアルミナなど白色の基板を用いれば、発光ダイオードを実装した際、発光ダイオードの周りが反射率の高い白色であるため、発光ダイオードの発光効率をより高めることができる。

また、上記一実施の形態における静電気対策部品においては、バリスタ層およびガラスセラミック層は、セラミック基板のどちらかの面だけに設けたが、第三の例の静電気対策部品として図１４に示すように、バリスタ層およびガラスセラミック層は、セラミック基板の両面に設けても良い。そして、この第三の例の静電気対策部品を用いた発光ダイオードモジュールの断面図は、図１５である。この第三の例の静電気対策部品および発光ダイオードモジュールにおいても、前記一実施の形態と同様の効果が得られる。これに加えて、セラミック基板の両面にバリスタ層を設けることで、静電容量を大きくすることができ、その容量特性を利用したパスコンなどノイズフィルタとしての機能を付加することが容易となり、また、上下対称な材料構成になるため構成材料の熱収縮率の違いによる微妙な反りやゆがみがほとんど生じないため、放熱板との密着性が上がり、より放熱効率が向上し発光ダイオードの発光効率をより高めることができる。

本発明に係る静電気対策部品は、バリスタ機能を内蔵した小型で高強度の静電気対策部品が実現できるとともに、発光ダイオードなどの電子部品素子を搭載実装した場合には、搭載した部品が発する熱を効率的に放熱することができるので、これを用いた発光ダイオードモジュールは、耐静電気パルス性に優れ、放熱性に優れ発光効率が良く、小型で実用的な発光ダイオードモジュールとして特に有用である。

本発明の一実施の形態における静電気対策部品の外観斜視図 同静電気対策部品のＡ−Ａ´での断面図 同静電気対策部品のＢ−Ｂ´での断面図 同静電気対策部品の模式的分解斜視図 本発明の一実施の形態における発光ダイオードモジュールの断面図 同発光ダイオードモジュールの等価回路図 比較例の静電気対策部品の模式的分解斜視図 比較例の静電気対策部品の外観斜視図 比較例の発光ダイオードモジュールの断面図 本発明の一実施の形態における発光ダイオードモジュールの放熱性を評価する方法を説明するための断面図 比較例の発光ダイオードモジュールの放熱性を評価する方法を説明するための断面図 本発明の実施の形態における第二の例の静電気対策部品の断面図 本発明の実施の形態における第二の例の発光ダイオードモジュールの断面図 本発明の実施の形態における第三の例の静電気対策部品の断面図 本発明の実施の形態における第三の例の発光ダイオードモジュールの断面図

符号の説明

１０ バリスタ部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ バリスタ層
１１ａ、１１ｂ 内部電極
１２ セラミック基板
１３ａ、１３ｂ 端子電極
１４ ガラスセラミック層
１５、１５ａ、１５ｂ 熱伝導体部
１６ａ、１６ｂ 外部電極
１７ 外部熱伝導体部
１９ａ、１９ｂ 接続用ビア導体
２０ 発光ダイオード素子
２１ 金属線
３０ 放熱板
２０１ バリスタ
２０２、２０３ 外部電極
２０４ 発光ダイオード

Claims (6)

1. セラミック基板とこのセラミック基板上にバリスタ層と内部電極とを交互に積層して形成したバリスタ部とさらにこのバリスタ部上に形成したガラスセラミック層とを備えたセラミック焼結体と、前記セラミック焼結体の一表面に設けた一対の端子電極と、前記セラミック焼結体の前記端子電極の反対側の面に設け前記内部電極および前記端子電極に電気的に接続した一対の外部電極と、前記セラミック焼結体を貫通する熱伝導体部とを有する静電気対策部品。
2. 端子電極は、セラミック焼結体のガラスセラミック層の表面に設けた請求項１に記載の静電気対策部品。
3. 端子電極は、セラミック焼結体のガラスセラミック層の反対側の面に設けた請求項１に記載の静電気対策部品。
4. セラミック焼結体の端子電極の反対側の面に熱伝導体部に接続する外部熱伝導体部を設けた請求項１に記載の静電気対策部品。
5. バリスタ部をセラミック基板の両面に備えた請求項１に記載の静電気対策部品。
6. 発光ダイオードを、請求項１に記載の静電気対策部品の熱伝導体部に搭載し前記発光ダイオードの端子と前記静電気対策部品の端子電極とを電気的に接続して実装した発光ダイオードモジュール。

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