JP2010186958A - プリント回路板及びこれを備えた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無機質系のプリント配線板に実装された搭載部品からプリント回路板を経由する放熱性を向上できるプリント回路板を提供する。
【解決手段】プリント回路板２は無機質系のプリント配線板３とＬＥＤ（搭載部品）４を具備する。プリント配線板３は、金属製のベース５、熱拡散層６、絶縁層７、及び導体パターン８を有する。熱拡散層６はベース５よりも高い熱伝導率を有する金属材料を主成分として形成され、この熱拡散層６をベース５の一面に積層する。絶縁層７は無機材料を主成分として形成され、この絶縁層７を熱拡散層６上に積層する。金属製の導体パターン８を絶縁層７にプリント配線により設ける。ＬＥＤ４は通電中発熱を伴うものであって、このＬＥＤ４を導体パターン８に接続して絶縁層７上に実装したことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、通電により発熱する電子部品等の搭載部品が実装されたプリント回路板、及び発熱を伴って発光する発光ダイオードが実装されたプリント回路板を備える照明装置に関する。

低炭素鋼板等からなるコア金属の反射カップ部を有する表面に、ガラス粉末を焼き付けてなる薄いホーロー層を形成し、このホーロー層の表面に所定の回路パターンを形成し、発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）をホーロー層の反射カップ部の底面に実装し、このＬＥＤと回路パターンの電極をワイヤボンディングにより電気的に接続し、蛍光体入りの透明樹脂で反射カップ部内を封止した発光素子モジュールが、従来技術として知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この発光素子モジュールは、反射カップ部が設けられていない面のホーロー層が除去されてコア金属が露出しているので、そのプリント配線板にガラスエポキシ樹脂製の基板を用いたものだけではなく、コア金属の全面がホーロー層で被覆されたものよりも、放熱性に優れている。それにより、発光素子の発光効率を高レベルに保つことができる。

特開２００６−３４４６９０号公報（段落0004、0019-0029、図１）

特許文献１において、コア金属とホーロー層は無機材料製であり、これらと回路パターンにより無機質系のプリント配線板が形成されている。このプリント配線板は、有機材料を含んだプリント配線板に対して、使用環境の制約が少なく、製品としての信頼性に優れている。

ところで、こうした無機質系のプリント配線板で、そのコア金属とホーロー層の熱膨張率が大きく異なる場合には、プリント配線板の反りやホーロー層にひび割れ等を生じる可能性が高いため、回路パターンを有したホーロー層とコア金属の熱膨張率を近似させる必要がある。

ガラスからなるホーロー層の熱膨張率は低いので、それに近似する熱膨張率を有したコア金属の材料として使用可能な金属は限られていて、熱膨張率が高い金属材料、例えばアルミニウム及びその合金や胴及びその合金を用いることはできない。現状でホーロー層に適合するコア金属用の材料としては、例えば低炭素鋼等の鉄材又はステンレス鋼（ＳＵＳ）等を用いざるを得ない。

しかし、一般的に、熱膨張率が低い金属材料は、その熱伝導率も低いことが知られている。

そのため、特許文献１に記載の無機質系のプリント配線板は、コア金属を用いているものの、このコア金属の熱伝導率が低いことに応じてコア金属での熱抵抗値は比較的大きい。

これにより、特許文献１の発光素子モジュールのようにプリント配線板上にＬＥＤが実装されたプリント回路板の構成では、ＬＥＤが発した熱を、プリント配線板に通して外部に放出する性能が比較的低く、それに伴いＬＥＤの温度が上がり易いとともにその発光効率も低下し易い。

以上のように従来技術のプリント回路板は、その放熱性に改善の余地があるとともに、この回路板に実装されたＬＥＤのような発熱を伴う搭載部品の性能を維持することについても改善の余地がある、という課題がある。

前記の課題を解決するために、請求項１に係る発明のプリント回路板は、金属製のベース、このベースよりも高い熱伝導率を有する金属材料を主成分として形成され前記ベースの一面に積層された熱拡散層、無機材料を主成分として形成され前記熱拡散層上に積層された絶縁層、及びこの絶縁層にプリント配線された金属製の導体パターンを有した無機質系のプリント配線板と；前記導体パターンに接続して前記絶縁層上に実装され通電中発熱を伴う搭載部品と；を具備したことを特徴としている。

この発明で、無機質系のプリント配線板とは、その構成材料の全てが金属、ガラス、セラミックス等の無機材料製であるプリント配線板を指している。この発明で、ベースをなす金属材料としては、ＡｌやＣｕ等に比較して比較的熱伝導率が低い金属材料例えばＳＵＳや鉄系の材料を好適に用いることができる。更に、この発明で、ベースの一面とは、熱拡散層が積層される面を指しており、この一面への熱拡散層の積層領域は、ベース一面全体でも、一面内の一部領域であってもよい。

この発明で、熱拡散層がベースよりも高い熱伝導率を有する金属材料を主成分として形成されるとは、熱拡散層をなす金属元素の内で、この熱拡散層の熱伝導率を支配的に決定し、それにより、ベースよりも高い熱伝導率を熱拡散層に与える金属元素が、熱拡散層の主成分をなしている、ことを指している。この種の金属材料（金属元素）として、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｃ等を挙げることができる。これとともに、熱拡散層をなす金属材料には、前記金属元素の内から選択された金属元素に、熱拡散層に所要の特性を付与するための他の金属元素が添加されていても良い。更に、この発明で、ベースの熱伝導率に対する熱拡散層の熱伝導率は、熱拡散層の熱伝導率がベースの熱伝導率の倍以上であることが、本発明の課題を効果的に達成する上で好ましく、より好ましくは３倍以上であるとよく、しかも、熱拡散層の熱伝導率は絶縁層の熱伝導率の１０倍以上であることが本発明の課題を効果的に達成する上で好ましい。この発明で、絶縁層の主成分をなす無機材料としては、例えばガラス具体例としてホーロー、又はセラミックス等を挙げることができる。

この発明で、プリント配線板及びプリント回路板は、いずれもＪＩＳに記載の定義に従うものである。更に、プリント配線された導体パターンとは、搭載される部品間を接続するために絶縁層の表面又は表面と内部にも金属製の導電材料が所定のパターンによって形成された配線を指している。又、この発明で、搭載部品とは、導体パターンに接続されてこれとともにプリント回路を構成し、かつ、通電中発熱する回路部品を指しており、例えば、半導体パッケージ、半導体チップ、パワートランジスタ等を挙げることができ、半導体チップには半導体発光素子例えばＬＥＤ（発光ダイオード）も含まれる。

請求項１の発明では、通電に伴い搭載部品が熱を発する。この熱は、搭載部品の絶縁層への実装箇所で絶縁層に伝導され、更に、この絶縁層から熱拡散層に伝導された後、この熱拡散層からベースに伝導されて、このベースからプリント配線板の外部に放出される。こうした放熱経路において、無機材料である故に絶縁層の伝導率が低いことに従い、これに近似した熱伝導率を有したベースの熱抵抗が比較的高いにも係わらず、これら絶縁層とベースとの間に介在された熱拡散層がベースより高い熱伝導率を有しているので、この熱拡散層が絶縁層から受け取った熱は、熱拡散層全体に拡散されて、この熱拡散層の全域からベースに伝導される。したがって、搭載部品から無機質系のプリント配線板を経由する放熱性を向上でき、それに伴い搭載部品の温度過昇による性能の低下を抑制できる。

請求項２に係る発明のプリント回路板は、請求項１の発明において、前記熱拡散層の厚みが、前記ベース及び前記絶縁層の厚みより薄いことを特徴としている。

この発明で、ベースは例えば１mm以上の厚みであることが好ましく、これに対して絶縁層は例えば100μｍ（ミクロンメートル）以下の厚みであることが好ましい。これとともに、熱拡散層の厚みは、その熱拡散機能に支承を来たさない厚み範囲で、絶縁層の厚み以下の厚みとすることが好ましく、より好ましくは絶縁層の厚みの半分以下の厚みにするとよい。

請求項２の発明では、熱拡散層の熱伝導率がベースより高いことに伴いこの熱拡散層の熱膨張率が高く、この熱膨張率がベース及び絶縁層の熱膨張率に近似していないにも拘らず、ベース及び絶縁層の厚みより薄い熱拡散層の熱膨張及び熱収縮が、プリント配線板全体に対して支配的となることが抑制される。それにより、無機質系のプリント配線板の反りやひび割れを生じ難くできる。

請求項３に係る発明の照明装置は、請求項１又は２に記載のプリント回路板であって、かつ、この回路板が有した搭載部品が発光ダイオードからなるプリント回路板と；前記発光ダイオードを覆うように前記プリント回路板上に設けられた透光性の封止部材と；を具備したことを特徴としている。

この発明で、発光ダイオードには、例えばチップ状のＬＥＤを好適に用いることができるが、ＳＭＤ型又は砲弾型のＬＥＤを用いることもできる。これとともに、青色ＬＥＤに、これが発した青色光により励起されて黄色の光を放射する黄色蛍光体を組み合わせて、白色光の照明光を作る第１の照明装置とすることができる。又、紫外線ＬＥＤに、これが発した紫外線により励起されて赤色、緑色、青色の光を放射する赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体の夫々を組み合わせて、白色光の照明光を作る第２の照明装置とすることができる。或いは、赤色光を発する赤色ＬＥＤ、緑色光を発する緑色ＬＥＤ、及び青色光を発する青色ＬＥＤを最小単位として組み合わせて、このＬＥＤ群により白色光の照明光を作る第３の照明装置とすることができる。

更に、この発明で、封止部材には、有機材料からなる透明シリコーン樹脂等の透光性合成樹脂を用いることができるとともに、無機材料である透明ガラスを用いることができ、後者を選択する場合には照明装置の殆どの部材が無機材料製となる点で好ましい。この発明で、封止部材が発光ダイオードを覆うように設けられるとは、封止部材が、発光ダイオードを埋めた状態、又は、発光ダイオードを埋めていない状態を含んでいる。又、この発明を前記第１の照明装置として実施する場合、黄色蛍光体が混ぜられた封止部材を用いればよいが、演色性を向上させるための赤色蛍光体や緑色蛍光体が更に封止部材に混ぜられていても良い。更に、この発明を前記第２の照明装置として実施する場合、赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体の夫々が混ぜられた封止部材を用いればよい。又、この発明を前記第３の照明装置として実施する場合、蛍光体が混ぜられていない透光性の封止部材を用いればよい。

請求項３に係る発明の照明装置では、請求項１又は２の発明と同じ作用を得て、無機質系のプリント配線板に実装された発光ダイオードからプリント配線板を経由する放熱性を向上でき、それにより、発光ダイオードの発光性能の低下を抑制できる。

請求項１に係る発明のプリント回路板によれば、無機質系のプリント配線板に実装された搭載部品からプリント配線板を経由する放熱性を向上でき、それにより、搭載部品の性能の低下を抑制できる、という効果がある。

請求項２に係る発明のプリント回路板によれば、更に、無機質系のプリント配線板に反りやひび割れを生じ難い、という効果がある。

請求項３に係る発明の照明装置によれば、それが備えた無機質系のプリント配線板に実装された発光ダイオードからプリント配線板を経由する放熱性を向上でき、それにより、発光ダイオードの発光性能の低下を抑制できる、という効果がある。

本発明の一実施の形態に係る照明装置を示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図１を参照して詳細に説明する。

図中符号１は例えば照明器具具体的にはベースライトの面状光源として使用される照明装置を示している。この照明装置１は、無機質系のプリント回路板２と、封止部材１１を具備している。

プリント回路板２は、プリント配線板３と、複数の搭載部品例えば半導体発光素子具体的には発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称する。）４を備えている。

プリント配線板３は、板状のベース５、熱拡散層６、絶縁層７、及び導体パターン８を有している。

ベース５は、その熱伝導率が比較的低い金属例えばＳＵＳ製の平板からなる。ベース５の厚みは数mmである。照明装置１は、そのベース５の裏面（図１では下面）を図示しない前記ベースライトが備える金属製の器具本体に接してこの器具本体に装着され、それにより、ベース５から器具本体への熱伝導による放熱ができるように設けられる。

熱拡散層６はベース５の表面（図１では上面）に積層されている。熱拡散層６はベース５の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有した金属材料例えばＡｇを主成分としている。この熱拡散層６は、ベース５の表面にＡｇの微粒子が分散されたＡｇペーストを塗布し、この塗布されたペーストを焼成することにより形成されている。

Ａｇを主成分とした熱拡散層６の熱伝導率は、ベース５をなしたＳＵＳの熱伝導率の約１０倍も高い。この熱拡散層６の厚みは、ベース５及び後述する絶縁層７の厚みより薄く、好ましくは絶縁層７の厚みの半分以下例えば１０μｍ〜３０μｍの範囲で定められ、具体的には熱拡散層６の厚みは３０μｍである。

絶縁層７は熱拡散層６の表面（図１では上面）に積層されている。絶縁層７は無機材料を主成分として形成され、例えばガラスを材料としたホーロー層で作られている。この絶縁層７の熱伝導率は、ベース５の熱伝導率と近似しており、したがって、熱拡散層６の熱伝導率より低い。更に、絶縁層７の厚みは、ベース５の厚みより薄いが、熱拡散層６の厚みより厚く、例えば８０μｍである。

導体パターン８は金属製であって絶縁層７の表面にプリント配線されている。この導体パターン８は、例えばＡｇの微粒子が分散されたＡｇペーストをスクリーン印刷により所定のパターンで印刷しそれを焼成して絶縁層７に固着することで設けられている。

各ＬＥＤ４は、以上の構成のプリント配線板３の導体パターン８と接続して、このプリント配線板３上に実装されている。なお、各ＬＥＤ４は、プリント回路板２が面状に発光するように縦横に整列してマトリックス状に配設されている。

各ＬＥＤ４が実装された形態を説明する。すなわち、ＬＥＤ４は例えばチップ状の青色ＬＥＤからなる。ＬＥＤ４は、電気絶縁性で透明なサファイアからなる素子基板４ａの一面に半導体発光層４ｂを設けて形成され、半導体発光層４ｂは電極４ｃ，４ｄを有している。このＬＥＤ４は半導体発光層４ｂとは反対側の面を導体パターン８の一端部にダイボンド材９を用いて接着止めされている。導体パターン８の一端部とこの一端部にダイボンドされたＬＥＤ４の電極４ｃとは、これらにわたってワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１０ａで接続されている。同様に、前記導体パターン８の他端部とこれに隣接した他の導体パターン８の一端部にダイボンドされたＬＥＤ４の電極４ｄとは、これらにわたってワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１０ｂで接続されている。こうした接続により各ＬＥＤ４は、導体パターン８及びボンディングワイヤ１０ａ，１０ｂを介して直列回路をなして接続されている。ボンディングワイヤ１０ａ，１０ｂは例えばＡｕの細線からなる。

以上の構成のプリント回路板２上に、各ＬＥＤ４、導体パターン８、及びボンディングワイヤ１０ａ，１０ｂを覆うように好ましくは埋めて封止部材１１が設けられている。この封止部材１１は透光性材料からなる。これとともに封止部材１１には、ＬＥＤ４が発した青色の光で励起されて黄色の光を放射する蛍光体の粉末（図示しない）が混ぜられている。

照明装置１に図示しない電源装置により電源が供給されると、各ＬＥＤ４への通電がなされて、これらＬＥＤ４が一斉に点灯するので、照明装置１は面状に発光して、その下方（図１では上方）を照明する。この場合、各ＬＥＤ４が発した青色の光と、この光により励起された蛍光体が放射した黄色の光とが混じって白色光が形成されて、この白色光で照明が行われる。

この照明装置１の点灯中各ＬＥＤ４は熱を発するが、この熱は以下のようにプリント配線板３を経由して効率よく金属製の器具本体に放出できる。

すなわち、ＬＥＤ４の熱は、このＬＥＤ４が絶縁層７に接着止めされた実装箇所で絶縁層７に伝導され、更に、この絶縁層７から熱拡散層６に伝導される。そして、この後、熱拡散層６からベース５に伝導されて、このベース５からプリント配線板３の外部、つまり図示されない器具本体に放出される。

この放熱経路において、絶縁層７は無機材料であるホーロー層からなるので、この絶縁層７の熱伝導率はＡｌ等に比べて低い。これに伴い、絶縁層７の熱伝導率に近似したベース５の熱伝導率も低く、そのため、ベース５の熱抵抗は比較的高い。

それにも係わらず、前記プリント配線板３の絶縁層７とベース５との間に、ベース５及び絶縁層７より高い熱伝導率を有した熱拡散層６が介在されているので、この熱拡散層６が絶縁層７から受け取った熱が、熱拡散層６全体に拡散されて、この熱拡散層６の全域からベース５に伝導させることができる。

ベース５での熱抵抗は、ベース５の厚みに比例するとともに、ベース５の面積に反比例する。そのため、ベース５の厚みが同じでも、既述のように熱拡散層６の面積に応じてその全域に拡散された熱をベース５に与えて、このベース５の裏面から放出させることで、ＬＥＤ４からプリント配線板３を経由する放熱性を向上できる。

ちなみに、以上の実施形態で説明したプリント配線板３の諸条件は、ベース５がＳＵＳ製、熱拡散層６が厚さ３０μｍの銀製、絶縁層７が厚さ８０μｍのホーロー層製、導体パターン８が銀製であるが、これに対して前記諸条件において熱拡散層がなくベース５上に絶縁層７が直接積層された比較例のプリント配線板を作成し、これらの熱抵抗比を求めた結果、比較例の熱抵抗を１００とした場合、本実施形態に係るプリント配線板３の熱抵抗は８０であり、２０％熱抵抗が小さくなったことが確かめられた。なお、熱抵抗は、ＬＥＤ４の温度とベース５の温度を測定し、これらの測定値から計算して求めた。

以上のように無機質系のプリント配線板３はそのベース５及び絶縁層７の熱伝導率が低いにも拘らず、このプリント配線板３の放熱性が向上されたことにより、各ＬＥＤ４の温度上昇を抑制できる。これに伴い、各ＬＥＤ４の温度過昇による発光性能の低下を抑制できる。

更に、ベース５と絶縁層７の熱膨張率は近似しているので、これらの熱膨張及び熱収縮を原因としてプリント配線板３が反ることはない。これに対して、熱拡散層６の熱伝導率がベース５及び絶縁層７より高いことに伴い、この熱拡散層６の熱膨張率は、ベース５及び絶縁層７より高く、これらベース５及び絶縁層７の熱膨張率には近似していない。それにも拘らず、熱拡散層６の厚みがベース５及び絶縁層７の厚みより薄いので、この熱拡散層６の熱膨張及び熱収縮が、プリント配線板３全体に対して支配的となることが抑制される。したがって、以上のような熱拡散層６を備えたにも係らずプリント配線板３に反りやひび割れを生じ難い。

なお、本発明のプリント回路板は照明装置以外の用途にも使用でき、例えば、パーソナルコンピュータ等の電子機器が備えるプリント回路板として使用可能である。この場合、搭載部品として半導体パッケージ又は半導体チップ等が採用されるとともに、ベースの裏面が例えば放熱フィンを有した放熱部材に接触された状態で使用される。これにより、搭載部品が発してプリント配線板を経由した熱を最終的に放熱部材から大気中に放熱させることができる。

１…照明装置、２…プリント回路板、３…プリント配線板、４…ＬＥＤ（搭載部品）、５…ベース、６…熱拡散層、７…絶縁層、８…導体パターン、１１…封止部材

Claims (3)

1. 金属製のベース、このベースよりも高い熱伝導率を有する金属材料を主成分として形成され前記ベースの一面に積層された熱拡散層、無機材料を主成分として形成され前記熱拡散層上に積層された絶縁層、及びこの絶縁層にプリント配線された金属製の導体パターンを有した無機質系のプリント配線板と；
   前記導体パターンに接続して前記絶縁層上に実装され通電中発熱を伴う搭載部品と；
   を具備したことを特徴とするプリント回路板。
2. 前記熱拡散層の厚みが、前記ベース及び前記絶縁層の厚みより薄いことを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
3. 請求項１又は２に記載のプリント回路板であって、かつ、この回路板が有した搭載部品が発光ダイオードからなるプリント回路板と；
   前記発光ダイオードを覆うように前記プリント回路板上に設けられた透光性の封止部材と；を具備したことを特徴とする照明装置。

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