JP2011210974A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤは、発熱する発光素子で、この熱を放出しないとＬＥＤの駆動電流を増大できない。そのために、金属材料からなる金属基板を採用してＬＥＤの温度上昇を抑制している。しかしながら、金属基板とＬＥＤのパッケージは、熱膨張係数の違いからロウ材にクラックが発生してしまう。
【解決手段】 Ａｌから成る細長の金属基板２１には、長辺に沿ってＬＥＤパッケージ２２ガがｎ個配列され、第１の電極６ａは、前記アノード電極２３ａの外周よりも内側からハーフエッチングにより形成された溝が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）が列を成して設けられた照明装置に関するものである。

近年、地球温暖化の防止が叫ばれ、世界中で色々な対策が施されている。その中で、特に、太陽電池や風力発電等のいわゆる創エネ、燃料電池などの蓄エネ、そしてインバータ等の高効率使用の省エネなど、二酸化炭素の発生を抑止する技術として各社が開発を進めている。

そして、この省エネの一つとして、ＬＥＤが注目を浴びている。つまりこのＬＥＤは、白熱電球や蛍光灯の電力から比べて、かなり小電力で駆動できるからである。そのため、大型液晶ＴＶのバックライトとして用いられたり、家庭用の照明に用いられたり、更には車のヘッドライトに用いられたりする。

しかしながら、このＬＥＤは、困った温度特性を有する。例えば、特開２００１−２０３３９５号公報の図５で議論されている。

その説明によれば、本願図９に示すように、ＬＥＤのチップの表面温度（動作領域の温度）が、約８０度〜９５度Ｃを超えると、駆動電流を大きくしても、ＬＥＤの光量が増加せず、逆に減少してしまう特性を有している。

一番下の×でプロットしたカーブは、Ａｌ基板の電流対表面温度のカーブ、真ん中の三角でプロットしたカーブは、ＰＣＢ基板の電流対表面温度のカーブ、更に上のピークを持つカーブは、電流対ＬＥＤの光量を示す
そのため、できる限りＬＥＤの温度を下げ、駆動電流に対して、その光量が増大するようにしなければ、これ以上の光量の増大は望めない。例えばＬＥＤの実装基板として、プリント基板を採用すると、熱伝導率が小さいが為に、表面温度が２３０度も一度に上昇してしまい、電流を大量に流しても光量が増大しない。しかし、金属基板であれば、熱伝導率が大きいため、ＬＥＤの表面温度を８５度程度で維持できる。これは、ヒートシンクとして、そして放熱板として、金属基板が有効に働き、ＬＥＤの表面温度が下げられ、その分、駆動電流を増大できると同時に、その分、光量も拡大できる効果を有する。この様に、ＬＥＤの表面温度の低下を実現するために、何らかの方法で、ＬＥＤに発生する熱を、できる限り外へ放熱をさせなければならない。

この放熱性の優れた実装基板として、ＡｌやＣｕ等の金属、合金、アルミナやＡｌＮ等のセラミック等が候補に挙げられるが、最近のエコ的な思考から、重量的に軽量なＡｌが注目されている。これは、Ｃｕから比べると、若干熱伝導率は劣るが、コストも安く、しかも軽量であることが最大のポイントと考える。

特開２００１−２０３３９５号公報

しかしながら、この金属基板には、難題なポイントが立ちはだかっている。それは、熱膨張係数に関する問題である。以下に具体的な数値を列記する。

Ａｌ ：２３〜２５ ｐｐｍ／度Ｃ
半導体素子 ： ３．５ ｐｐｍ／度Ｃ
チップ抵抗 ： ７．０ ｐｐｍ／度Ｃ
チップコンデンサ：１０．０ ｐｐｍ／度Ｃ
半田 ：２３ ｐｐｍ／度Ｃ
つまり、ＬＥＤを金属基板に実装し、ＬＥＤから発生する熱を放出することは可能になるが、この数値からも判るように、実装基板であるＡｌと、ＬＥＤの熱膨張係数が異なり、一番弱い部分に大きく負荷が加わることに成る。

例えば、図８が、その原理を示したもので、金属基板にチップ素子が実装された状態を示すものである。その中で示す矢印は、熱膨張係数、つまり温度に対する伸び縮みを矢印で示してみた。金属基板の伸びが大であるため、半田に負荷がかかり、特に丸で示した部分、半田延面と素子裏面との角度が鋭角である程、そこに加わる負荷は大となる。

具体的には、ＬＥＤをセラミックパッケージで封止したＬＥＤパッケージ、リードフレームに実装して樹脂封止したＬＥＤパッケージは、実装性から半田を介して実装するが、Ａｌ基板の熱膨張係数が大きいため、半田に大きな負荷が加わる。初期は、それでも耐えているが、半田に加わる温度サイクル数は、時間の経過と共に増大し、最終的には、半田クラックが発生し、回路がオープン状態になり、ＬＥＤが発光しなくなる危惧がある。リードフレームでは、リードの柔軟性から、その応力の緩和が望めるが、セラミック基板で封止されると、一般には、セラミック基板の裏面に電極が被着された構造を採用するため、電極の裏面に設けられた半田に直接負荷が加わり、半田クラックを誘発する可能性がある。

本発明は、第１に、
セラミック基板と、前記セラミック基板の上に実装されたＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップと電気的に接続され、前記セラミック基板の裏面に設けられたアノード電極（またはカソード電極）、カソード電極（またはアノード電極）および放熱電極とを有するｎ個のＬＥＤパッケージと、
前記ｎ個のＬＥＤパッケージを配列可能な、細長のＡｌを主成分とする金属基板と、
前記金属基板全面に設けられた樹脂からなる絶縁層と、
前記絶縁層の表面に設けられ、前記アノード電極（またはカソード電極）、前記カソード電極（またはアノード電極）および放熱電極と対応して設けられた第１の電極、第２の電極および第3の電極とを有し、
前記第１の電極および前記アノード電極（またはカソード電極）、前記第２の電極および前記カソード電極（またはアノード電極）および第3の電極および前記放熱電極がロウ材により固着され、前記金属基板の長辺に沿って前記ｎ個のＬＥＤパッケージが実装された事で解決するものである。

本発明では、先ずは、ＬＥＤチップが入ったＬＥＤパッケージには、電極以外に放熱用の電極を設けて、ＬＥＤから発生する熱を積極的に実装基板に伝える構造としている。ＬＥＤチップの裏面は、セラミック基板の電極に接続され、サーマルビアを介して、セラミック基板裏面の放熱電極に伝わる構造を採用している。

しかも発光ダイオードを実装する実装基板には、導電パターンを加工することで、ロウ材に加わる応力を低減している。

具体的には、電極の周囲をハーフエッチングすることにより、応力の集中しやすい部分の半田量を増大し、半田クラックの抑制を図るものである。

本発明の照明装置を説明する図である。 本発明の照明装置を説明する図である。 本発明の照明装置を説明する図である。 本発明の照明装置を説明する図である。 本発明の照明装置を説明する図である。 本発明の照明装置の製造方法を示す図である。 本発明の照明装置を説明する図である。 従来の照明装置を説明する図である。 ＬＥＤをＡｌ基板およびプリント基板に実装した際の、電流対光量、電流対ＬＥＤの表面温度を説明する図である。

本発明は、図１（Ａ）に示すように、ＬＥＤチップ７が封止されたパッケージであるＬＥＤパッケージ１が金属基板２に実装されたＬＥＤモジュール３に関しての技術であり、特にハンダを代表するロウ材の疲弊、劣化に関するものである。

特に前記金属基板２は、ＣｕやＡｌを主成分とするもの、金属の合金が考えられる。しかしながら、車載用やＬＣＤＴＶ等への搭載が考慮され、軽量さからＡｌまたはＡｌを主材料とするもので説明していく。このＡｌ基板２は、厚みがおよそ１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下（例えば１．５ｍｍ）で、両主面はアルミニウムの酸化膜を主とした無機系絶縁膜（アルマイト膜）４により被覆される。更に、基板２の上面は、フィラーが充填された樹脂から成る絶縁層５により全面的に被覆されており、この絶縁層の上面にＣｕから成る導電パターン６が形成されている。尚、無機系絶縁膜は、省略されても良い。当然ながら、絶縁層５自体は、熱抵抗が大であるが、フィラーの充填量により熱抵抗を小さくすることが可能である。

続いてＬＥＤパッケージ１について説明する。ＬＥＤのベアチップ７は、セラミック基板８に実装される。このセラミック基板８は、このベアチップ実装のために、表面に導電パターン９ａ〜９ｃが設けられ、それに対応して裏面にも導電パターン１０ａ〜１０ｃが設けられている。ここで９ａ、１０ａは、ＬＥＤのアノード（またはカソード）電極（以下Ａ電極と呼ぶ）であり、９ｂ、１０ｂは、カソード（またはアノード）電極（以下Ｃ電極と呼ぶ）であり、それぞれはスルーホールｖｉａを介して電気的に接続されている。更には、ベアチップの裏面と熱的に結合されてなるアイランド９ｃは、セラミック基板８の裏面に設けられた放熱電極（以下Ｒｄ電極と呼ぶ）１０ｃとサーマルｖｉａ１１を介して熱的に結合されている。このサーマルｖｉａ１１は、熱伝導率の高い金属ペーストが焼成されたもので、特にＡｇまたはＣｕ等が採用される。更には、製造方法の簡略化を考えると、スルーホールｖｉａと同一材料が好ましい。尚、電極１０ａ、１０ｂは、セラミック基板８の裏面から、側面に沿って上方に延在している。断面図では、Ｌ字を横にしたものである。

続いて、セラミック基板８の周囲には、ＬＥＤパッケージ１の４側面となる枠体１２が設けられ、この枠体１２の内側は、ベアチップ７実装用のキャビティ１３と成る。更に、前記キャビティ１３の密封とＬＥＤ光の透過が考慮され、光透過性の蓋体１４が枠体の頭部に接着剤を介して固着される。

本発明は、ベアチップ７から発生する熱がサーマルｖｉａ１１を介して金属基板２に放出するため、ベアチップ７の温度上昇を抑制でき、その分ＬＥＤの駆動電流を上げることが可能となる。更には、図７に示すように、ＬＥＤバーにあたっては、ＬＥＤパッケージ１を十個以上実装されるため、どうしてもＬＥＤモジュール３全体の温度が上昇する。しかしながら、ヒートシンクや放熱板として機能する金属基板２を採用するため、温度上昇による不良を抑止することができる。特に、アンダーフィルを設ければ、半田の周りを樹脂で覆うことができ、常に半田に圧縮応力を与えることができる。

更に本発明は、裏面電極１０ａ、１０ｂとＲｄ電極１０ｃのパターンについて、Ｒｄ電極１０ｃの半田を犠牲にする構造を採用した。つまり電極６ａ、６ｂは、金属基板２に貼着された導電パターンで、それに対応してＬＥＤパッケージ１側のアノード電極、カソード電極１０ａ、１０ｂがロウ材を介して固着されている。同様に電極６ｃは、金属基板に貼着された導電パターンで、セラミック基板８の裏面側に設けられたＲｄ電極１０ｃとロウ材を介して固着されている。そしてこの放熱電極１０ｃの半田にクラックが発生するような構造とし、その結果、両端の電極１０ａ、１０ｂの半田に加わる応力を緩和させて、クラックの抑制を図ったものである。

具体的には、半田の延面と金属基板２裏面との角度で以下に説明する。先ずは、若干の定義について図１（Ｂ）を使って行う。

半田が溶けた面は、一般には湾曲したカーブを描く。例えば図１（Ａ）の放熱電極１０ｃと金属基板側の電極６ｃの半田の状態を図１（Ｂ）に模式的に示した。ラインＬ１は、セラミック基板８の底面であり、ラインＬ２は、金属基板２側の表面を示す。そしてセラミック基板８側には、Ｒｄ電極１０ｃが、金属基板２側には、電極６ｃがある。そして両者の間には半田が濡れており、電気的に接続されている。

ここでは、半田の延面とセラミック基板との角度を議論するのであるが、ここでは、以下の様にする。つまり半田は、放熱電極１０ｃの点Ｂ’を起点とし、金属基板の電極６ｃの点Ａを終点とし、その間で湾曲して濡れるか、放熱電極１０ｃの外周とセラミック基板との当接点Ｂを半田の起点とし、終点Ａとの間で湾曲を描いて濡れると考える。そして、前者の半田延面を直線Ａ−Ｂ‘として見做し、後者の半田延面を直線Ａ−Ｂとして見做す。そして半田はこの二つの延面の間のいずれかの位置でカーブを描いているので、これら２本の直線と水平ラインとの角度を総称してα３と定義する。この点は、図１（Ａ）にも記載され、放熱電極１０ｃの両側に示されたα３は、ほぼ対称なので実質同一としてα３とした。同様な方法で、アノード電極、カソード電極の内側の半田延面をα１とした。一方、α２は、セラミック基板の側壁またはパッケージの側壁と平行なラインＬ３と直線Ａ−Ｂ、または直線Ａ−Ｂ’との角度を総称してα２とした。

本来、従来例でも説明したように、この角度α１〜α３は、鈍角が好ましい。しかしながら、本発明では、電極６ｃを放熱電極１０ｃよりも一回り大きくし、平面的に見て、電極６Ｃの内側に放熱電極１０ｃの全体が入るように設け、α３を鋭角とした。

ＬＥＤモジュール３は、常に温度サイクルが加わり、時間とともに半田が疲弊して、結局は、時間の大小の違いはあるが、最後には、半田クラックが発生する場合がある。よってその時、敢えて、α３であるこの部分でクラックを発生させることで、α１、α２の部分に加わる応力を緩和するものである。しかも放熱電極から下方へ伝導する経路は、真下へ向かうものと、角度を持ってスカート状に放射される経路がある。よって、金属基板側の放熱電極６ｃが一回り大きいことから、より効率の高い放熱が可能となる。

本実施例は、セラミックパッケージで説明しているが、樹脂パッケージであっても同じ構造であれば、適用できるものである。
≪第２の実施の形態≫
続いて、図２から図7を採用して、第２の実施の形態について説明する。この実施例は、図７に示すように、ＬＣＤＴＶの側辺に取り付けられ、バックライトの一構成となるＬＥＤバー２０をテーマとしたものであり、金属基板２１やＬＥＤパッケージ２２は、前実施例と同様の構成である。前実施例は、半田延面との角度を議論したが、これからは、半田の厚みについて議論する。

まず、前実施例と同様に、ここの基板は、ＡｌまたはＡｌを主材料とした金属基板２１を採用し、厚みが１．０ｍｍ程度から２．０ｍｍ程度で、平面的なサイズは、幅が０．５ｃｍ程度で、長さが５０ｃｍ程度である。この長さは、ＴＶのサイズにより増減するが、原則として図２（Ａ）にある様に細長の形状である。またＬＥＤバーの幅は、原則ＬＣＤＴＶに取り付けられる導光板の厚みと実質同じであり、近年、ＬＣＤＴＶの厚みが薄くなっていることから、この幅は、０．５ｍｍから更に狭くなる傾向にある。

この細長の金属基板２１には、図７（Ａ）に示したように、ＬＥＤパッケージ２２が、ライン状に配列されて設けられている。特に、ＬＥＤパッケージは、一般には図７（Ａ）下の等価回路にあるように、直列接続されている。また熱膨張係数からくる伸びをできるだけ分散させるために、図７（Ａ）の上の等価回路図の如く、ＬＥＤバーを何本か使用し、並列接続させても良い。３つのＬＥＤが直列接続されたものが１つのＬＥＤバーであり、このＬＥＤバーが並列に接続されている。ここでは、ＬＥＤが３つであるが、この数は、限定されない。これは、両端に加わる電圧が下げられる事、どれかＬＥＤチップが動作不良になった場合でも、並列接続されたＬＥＤバーのどれかを取替えれば良い。

よって金属基板２１の上には、前記等価回路に対応して電極および配線が形成されている。特にＬＥＤパッケージ２２は、図１（Ａ）で説明した様に、Ａ電極、Ｃ電極、Ｒｄ電極が設けられ、図７（Ｃ）では、符号２３ａ、２３ｂ、２３ｃがそれに相当し、ＬＥＤパッケージ２２自体は点線で示した。

尚図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の丸で示した部分の拡大図であり、1つのＬＥＤパッケージの実装領域に設けられる導電パターンについて図示したものである。図７（Ｃ）は、Ｙ−Ｙ線の断面図、更に図７（Ｄ）は、Ｘ−Ｘ線の断面図である。

本発明のポイントは、図２（Ａ）に示すように金属基板２側の導電パターン６ａ、６ｂ、６ｃの厚みをコントロールしたことにある。（アノード電極に相当する導電パターン６ａを第１の電極、カソード電極に相当する導電パターン６ｂを第２の電極、そして放熱電極に相当する導電パターン６ｃを第３の電極とする。）
つまり放熱電極６ｃの膜厚をｄ１とし、第１、第２の電極６ａ、６ｂの厚みをｄ２とし、更には、Ｃ電極１０ａと第３の電極６ｃの間に在るロウ材の厚みをｔ１、Ａ電極１０ａと第１の電極６ａの間のロウ材の厚みおよびＣ電極１０ｂと第２の電極６ｂの間に在るロウ材の厚みをｔ２とした場合、
ｄ１＞ｄ２としたことで、ロウ材の厚みの関係は、ｔ２＞ｔ１となる。

つまり電極として機能するところのロウ材の厚みｔ２が厚く形成されるため、その分ロウ材の強度が向上する。更には、ｔ２が薄い分、ここに応力が集中し易くなり、先に薄い部分の疲弊が進み、電気的に接続として機能する所のロウ材のクラックを抑止することが可能となる。一方、アンダーフィル等でロウ材の周りを塗布しておけば、常に圧縮応力が加わり、更にクラックの抑止となる。また圧縮応力が加わるので、放熱電極の所のロウ材にクラックが発生しても、熱的結合の分断にならず、放熱の機能も持たせることができる。

次に、図２（Ｂ）について説明する。ここの異なる部分は、Ａ電極１０ａ、Ｃ電極１０ｂがセラミック基板８の側面に延在している。またはＬＥＤパッケージ１の側面に延在している構造である。それ以外は、図２（Ａ）と同じである。図１（Ａ）で説明したように、Ａ電極１０ａ、Ｃ電極１０ｂの所の角度α２の部分が鈍角となるため、更にロウ材の強度が向上する。

金属基板２に貼り合わされる導電パターン６は、当初は均一な膜厚である。よって第１の電極、第２の電極の部分をエッチング等で薄くして、第１の電極と第３の電極の膜厚に差を設けても良い。逆に第３の電極にＣｕ箔等を張り合わせて、膜厚に差を出しても良い。

続いて図３、図４について説明する。このケースは、Ａ電極６ａ、Ｃ電極６ｂの形状以外は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同じであり、異なる部分だけ説明する。

図３は、Ａ電極６ａ、Ｃ電極６ｂにハーフエッチングして溝を形成している。２つのタイプを右と左で図示したが、実際はどちらか一方が選択され、同じ形状が左右の電極に施される。この溝の深さは、電極の厚みよりも浅いものである。矢印の先に示したＡ電極６ａの平面図には、点線でＬＥＤパッケージ１を図示した。つまりＬＥＤパッケージの外側で且つ電極６ａの内側に溝の外側の側壁が位置し、ＬＥＤパッケージ１の内側に溝の内側の側壁が形成されるように溝が形成されている。更に、ソルダーレジスト等の絶縁体で外側の側壁まで、または溝の途中まで被覆すると、ロウ材の外側の延面は、溝に位置させることができる。よって放熱電極１０ａの側壁が下方へ濡れて延在するロウ材の厚みが厚くなり、ロウ材の強度を向上させることができる。

一方、Ｃ電極の溝の形状は、外側の側壁がなく、内側の側壁から外周まで一定の深さの溝が形成されている。これもロウ材の厚みを確保でき、ロウ材の疲弊を抑止することができる。

図４は、図３の構造と比較すれば、Ａ電極１０ａ、Ｃ電極１０ｂがセラミック基板８の側壁に延在するか、またはＬＥＤパッケージの側壁に延在されるものである。これも角度α２が鈍角となり更なる信頼性の向上が可能となる。

最後に図５および図６のケースを説明する。ここでは、ＬＥＤパッケージに実装されるベアチップ７が、今までのチップと異なる。つまりチップ７裏面がＣ電極および放熱電極として働く構造である。よって２つの電極で実現でき、本来の放熱電極は、削除できる。金属基板の上に設けられたＡ電極とＣ電極のパターンは、図３と同一である。やはりどちらか一方が選択されて形成される。

図６は、Ａ電極、Ｃ電極がセラミック基板の側壁まで延在されたもの、またはＬＥＤパッケージの側壁に延在されたものである。

１：ＬＥＤパッケージ
２：金属基板
３：ＬＥＤモジュール
４：無機系絶縁膜
５：絶縁層
６：導電パターン
７：ＬＥＤのベアチップ
８：セラミック基板
９ａ、１０ａ：Ａ電極
９ｂ、１０ｂ：Ｂ電極
９ｃ、１０ｃ：Ｒｄ電極
１１：サーマルｖｉａ
１２：枠
１３：中空部
１４：蓋体

Claims (5)

1. セラミック基板と、前記セラミック基板の上に実装されたＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップと電気的に接続され、前記セラミック基板の裏面に設けられたアノード電極（またはカソード電極）、カソード電極（またはアノード電極）および放熱電極とを有するｎ個のＬＥＤパッケージと、
   前記ｎ個のＬＥＤパッケージを配列可能な、細長のＡｌを主成分とする金属基板と、
   前記金属基板全面に設けられた樹脂からなる絶縁層と、
   前記絶縁層の表面に設けられ、前記アノード電極（またはカソード電極）、前記カソード電極（またはアノード電極）および放熱電極と対応して設けられた第１の電極、第２の電極および第3の電極とを有し、
   前記第１の電極および前記アノード電極（またはカソード電極）、前記第２の電極および前記カソード電極（またはアノード電極）および第3の電極および前記放熱電極がロウ材により固着され、前記金属基板の長辺に沿って前記ｎ個のＬＥＤパッケージが実装された事を特徴とする照明装置。
2. 前記金属基板上には、更に配線が設けられ、前記金属基板の長辺に沿って前記ｎ個のＬＥＤパッケージが電気的に直列接続される請求項１に記載の照明装置。
3. 前記Ｃ電極と前記放熱電極が兼ねられたＬＥＤパッケージである請求項１に記載の照明装置。
4. 前記放熱電極の厚みが、前記アノード電極（またはカソード電極）の膜厚よりも厚く形成されるか、または前記カソード電極（またはアノード電極）の膜厚よりも厚く形成される請求項１、請求項２または請求項３に記載の照明装置。
5. 前記第１の電極は、前記アノード電極（またはカソード電極）の外周より内側から、前記外周よりも外側まで、前記第１の電極の厚さよりも浅い溝が形成される請求項１、請求項２または請求項３に記載の照明装置。

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