JP4912624B2

JP4912624B2 - 発光素子実装用基板の製造方法及び発光素子モジュールの製造方法

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Publication number: JP4912624B2
Application number: JP2005173410A
Authority: JP
Inventors: 正和大橋
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: JP2006351666A

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の製造方法に関し、特に、放熱性に優れ、絶縁層に亀裂等が生じにくく良好な電気絶縁性が得られ、樹脂封止の際に気泡が入りにくい発光素子実装用基板の製造方法及び該基板に発光素子を実装した発光素子モジュールの製造方法に関する。

近年、発光素子は照明機器、液晶画像装置のバックライト、交通信号機などに適用されるようになり、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、発光素子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い。また、長期的に使用する場合、発光素子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まる。

また、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、一般にはパッケージ化される。さらに、発光素子から発する光を効率よく前方に向けて放射するため、また封止樹脂の塗布量を一定量に制御するために、図１に示すような反射カップ形状を設けることが望ましい。図１は、従来の発光素子モジュールを例示する図であり、この発光素子モジュール７は、表面に電極２が設けられた基板１上にＬＥＤなどの発光素子３を実装し、反射カップ形状を形成する反射部材６を取り付け、さらに発光素子３を封止樹脂５によって封止した構成になっている。発光素子３は、ダイボンド及び金属細線４によるワイヤボンドによって正負一対の電極２と電気的に接続されている。

発光素子に通電した場合の温度上昇を低減させるために、従来から採られている方法は、金属積層基板などに発光素子を実装する方法が挙げられる。特に、発光素子を基板に直接実装するチップ・オン・ボード方式は、放熱性向上に有効である（例えば、特許文献１参照。）。
また、基板に反射カップ体を貼り合わせて反射カップ構造を得る方法としては、例えば特許文献２が提案されている。

また、放熱性が良好であり、且つ比較的安価な基板材料としては、銅、銅合金、アルミニウムなどが挙げられる。アルミニウムを用いた基板の例としては、図２に示すように、アルミニウム板１０上に電気絶縁層１１を設け、この電気絶縁層１１上に電極や配線などの導電層１２を設けた積層構造を持ったアルミ積層基板が知られている。このアルミ積層基板では、電気的に良好な導電体であるアルミニウムと電気回路とを絶縁する必要があるので、アルミニウム板１０と導電層１２の間に樹脂などからなる電気絶縁層１１が設けられている。このようなアルミ積層基板は、シート状の各材料を用意し、それらを重ね合わせ、プレスなどによって加圧処理して製造される。
特開平１０−３０８５３６号公報特開２００３−２８２９４８号公報

従来の発光素子モジュールは、その製造性の観点から、図１に示すような表面実装型と呼ばれる形状に実装するのが一般的である。しかし、伝熱経路が長いという構造的な特徴から、その放熱性は不十分であった。

発熱体である発光素子を直接、金属を主体としたような放熱基板に実装する形態をとることにより、外部への放熱経路を短くすることができる。
発光素子から発生した熱は、放熱基板で拡散され、基板裏側から空気中に放散される。熱伝導率の高い放熱基板を用いることにより、発光素子の放熱性は十分となる。このような放熱基板としては、一般に図２に示すようなアルミ積層基板などが用いられる。
一方、発光素子から発する光を前方に効率よく導くためには、反射カップ部が必要となる。アルミ積層基板を用いて、この反射カップ部を得るためには、反射カップ体を別途作製し、接着剤等で基板に貼り合わせるなどの手段が採られる（特許文献２参照。）。しかし、この方法では、反射カップ体を貼り合わせる精度が悪い場合、反射カップ体と基板の間に空隙を生じる可能性があり、この場合、反射カップ部内に発光素子を封止するための樹脂を実装した場合、前記の空隙から気泡が入り込んで封止樹脂に気泡が残ってしまい、発光量の低下、配光特性の劣化などの不具合を生じる可能性がある。

これを解決するためには、アルミ積層基板に窪みをつけることが考えられる。しかし、アルミニウム板に反射カップ部となる所定形状の凹部を設け、電気絶縁をとるための薄膜状の樹脂シートを加圧などの張り合わせで作製しようとした場合、凹部内での傾斜部、平坦部で均一な加圧力を加えることは難しく、例えば、凹部の隅の部分で樹脂シートの密着性が劣る可能性が高くなる。密着性が悪くなることにより、アルミニウム板と樹脂シート（絶縁層）の間に気泡が発生し、発光素子からの熱の拡散が気泡の部分で妨げられることとなり、パッケージとしての放熱性が低下してしまう。また、長期使用時、例えば温度サイクルが負荷された場合、この絶縁層に割れなどが発生する可能性がある。
その他の反射カップ部形成方法として、アルミニウム板に絶縁層となる樹脂膜を加圧プレスなどの手段により貼り合わせた後、凹部を加圧プレスにより作製する方法が考えられる。この場合、樹脂とアルミニウム板の破断伸びの違いにより、加圧時に絶縁層が割れてしまう問題がある。また、アルミ積層基板に使用する樹脂は、高い放熱性を求めるため、無機物フィラーなど放熱性の良好な材料を多く含んで構成されることがあるが、この場合の樹脂膜は、一般的には破断伸びが低い材料となる。一方で、発光素子を実装する反射カップ部は、発光素子からの光を効率的に前方に放射するため、傾斜の角度は４５°〜７０°と急角度になる。この傾斜部が急な場合、プレス成型でカップ形状に追随させることは非常に難しい。この結果、反射カップ部を持った基板を作製する場合、絶縁層に亀裂や変形、凹凸などを生じる可能性が高まる。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、放熱性に優れ、絶縁層に亀裂等が生じにくく良好な電気絶縁性が得られ、樹脂封止の際に気泡が入りにくい発光素子実装用基板の製造方法及び該基板に発光素子を実装した発光素子モジュールの製造方法を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、発光素子実装面に反射カップ部を形成したコア金属の反射カップ部内の底部と傾斜部と反射カップの外側の平坦部である前記コア金属の前記発光素子実装面との上に、耐熱性樹脂又はその前駆体を含むワニスを薄膜状に塗布、硬化させて得られた電気絶縁樹脂層が設けられ、該電気絶縁樹脂層の厚さが１０μｍ〜４０μｍの範囲であり、該電気絶縁樹脂層上に導電層が設けられ、該導電層により、前記反射カップ部内の底部と傾斜部と反射カップの外側の平坦部とにかけて電極パターンが形成された発光素子実装用基板の製造方法であって、発光素子実装面に反射カップ部を形成したコア金属を用意し、前記ワニスの塗布をパッド印刷法で行うため、該ワニスを、転写しようとする厚みと同じ深さを有して所定の形状で作製した版に塗布してから、円錐形状のパッドを用いて前記コア金属の反射カップ部内の底部と傾斜部と反射カップの外側の平坦部である前記コア金属の前記発光素子実装面とに薄膜状に転写し、これを硬化させて前記電気絶縁樹脂層を形成し、次いで該電気絶縁樹脂層上に、形成する電極パターンに沿って導電ペーストの印刷をパッド印刷法で行うため、該導電ペーストを、前記電極形状となるように作製した版に塗布してから、前記と同じパッドを用いて前記電気絶縁樹脂層の上に転写し、これを焼き付けて前記導電層を形成することを特徴とする発光素子実装用基板の製造方法を提供する。

本発明の発光素子実装用基板の製造方法において、前記電気絶縁樹脂層が熱硬化型樹脂又は紫外線硬化型樹脂を硬化させてなることが好ましい。

本発明の発光素子実装用基板の製造方法において、前記電気絶縁樹脂層がポリイミドからなることが好ましい。

また本発明は、本発明に係る前記発光素子実装用基板の製造方法により発光素子実装用基板を製造した後、該発光素子実装用基板の反射カップ部内の底部に発光素子を実装することを特徴とする発光素子モジュールの製造方法を提供する。

本発明の発光素子実装用基板は、反射カップ部を形成したコア金属上に、耐熱性樹脂又はその前駆体を含むワニスを薄膜状に塗布、硬化させて電気絶縁樹脂層を設け、該電気絶縁樹脂層上に導電層を設けたものなので、放熱性に優れており、また反射カップ部を形成したコア金属上に樹脂シートを積層する従来方式の基板と比べ、絶縁層に亀裂が入ることなく、良好な電気絶縁性をもった基板を得ることができる。
本発明の発光素子実装用基板の製造方法によれば、予め反射カップ部を形成したコア金属上にワニスを塗布、硬化させて電気絶縁樹脂層を設け、その上に導電ペーストを印刷、焼き付けして導電層を形成するので、各層間に隙間を生じることがなく、基板に発光素子を実装し、それを樹脂封止する際に気泡が入り難く、封止樹脂への気泡混入による発光強度の低下や配光性悪化を防ぐことができる。
本発明の発光素子モジュールは、前記発光素子実装用基板に発光素子を実装してなるものなので、放熱性に優れ、良好な電気絶縁性が得られ、封止樹脂への気泡混入による発光強度の低下や配光性悪化のない、高品質なものとなる。従って、本発明の発光素子モジュールは、照明装置、表示装置及び交通信号機の光源として特に有用である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図３は、本発明に係る発光素子実装用基板の一実施形態を示す図である。本実施形態の発光素子実装用基板は、発光素子実装面にすり鉢状をなす反射カップ部２３が設けられたコア金属２０の発光素子実装面上に、ポリイミドなどの耐熱性樹脂からなる電気絶縁樹脂層２１が設けられ、該電気絶縁樹脂層２１上に発光素子への通電用の電極などの導電層２２が設けられた構成になっている。

このコア金属２０としては、熱伝導性がよく、加工性の良好な金属材料であればよく、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、銅合金、鋼材などを用いることが望ましい。

本実施形態において、コア金属２０に形成する反射カップ部２３は、平坦な底面とその周辺の傾斜面とを有するすり鉢状に形成されているが、溝状としてもよい。また、反射カップ部２３の形成個数は、１つに限定されず、複数個形成してもよい。

前記電気絶縁樹脂層２１は、耐熱性樹脂又はその前駆体を含むワニスをコア金属２０表面に薄膜状に塗布、硬化させることによって形成されている。このワニスとしては、熱硬化型樹脂、あるいは紫外線硬化型樹脂が用いられる。これを硬化させて得られる耐熱性樹脂としては、２５０℃前後のリフロー処理に耐えられる耐熱性を有し、硬化前に液状であり、薄膜に成型できる電気絶縁材料であれば使用でき、例えば、ポリイミド、ポリエステル系樹脂やエポキシ変性したポリエステル系樹脂などが挙げられる。電気絶縁樹脂層２１をポリイミドで形成する場合、その膜厚は１０μｍ〜４０μｍの範囲とすることが望ましい。該膜厚が１０μｍ未満であると、絶縁特性が低下するおそれがあり、４０μｍを超えると、基板の放熱性が悪化するおそれがある。

前記導電層２２は、印刷用銀ペーストや銅ペーストなどの導電ペーストを電気絶縁樹脂層２１上に印刷し、それを焼き付けることによって形成されている。

本実施形態の発光素子実装用基板は、反射カップ部２３を形成したコア金属２０上に、耐熱性樹脂又はその前駆体を含むワニスを薄膜状に塗布、硬化させて電気絶縁樹脂層２１を設け、該電気絶縁樹脂層２１上に導電層２２を設けたものなので、放熱性に優れている。また本実施形態の発光素子実装用基板は、反射カップ部を形成したコア金属上に樹脂シートを積層する従来方式の基板と比べ、電気絶縁樹脂層２１に亀裂が入ることなく、良好な電気絶縁性をもった基板を得ることができる。

次に、前述した発光素子実装用基板の製造方法の一例を説明する。
まず、反射カップ部２３を形成したコア金属２０を用意する。コア金属２０に反射カップ形状を形成する方法としては、例えば、ドリル加工、金属プレス成型などの方法が用いられる。
次に、コア金属２０の表面に耐熱性樹脂又はその前駆体を含むワニスを薄膜状に塗布、硬化させて電気絶縁樹脂層２１を形成する。
次に、該電気絶縁樹脂層２１上に、形成する電極パターンに沿って導電ペーストを印刷し、これを焼き付けて導電層２２を形成し、発光素子実装用基板を製造する。

コア金属２０上に、電気絶縁樹脂層２１形成用のワニスを塗布する際、及び電気絶縁樹脂層２１上に導電層２２形成用の導電ペーストを塗布する際には、パッド印刷法又はインクジェット法を用い、それぞれの材料を印刷することが望ましい。

この発光素子実装用基板の製造方法によれば、予め反射カップ部２３を形成したコア金属２０上にワニスを塗布、硬化させて電気絶縁樹脂層２１を設け、その上に導電ペーストを印刷、焼き付けして導電層２２を形成するので、各層間に隙間を生じることがなく、基板に発光素子を実装し、それを樹脂封止する際に気泡が入り難く、封止樹脂への気泡混入による発光強度の低下や配光性悪化を防ぐことができる。

図３に示す本実施形態の発光素子実装用基板は、例えば、図１に示すように、反射カップ部２３の底面上にＬＥＤなどの発光素子を実装し、反射カップ部に封止樹脂を充填、硬化させて発光素子を封止することによって、発光素子モジュールを得ることができる。

本発明で用いる発光素子は、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、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封止樹脂中に含有させ、白色ＬＥＤとしてもよい。
また、封止樹脂は熱硬化型、紫外線硬化型のエポキシ樹脂でも、シリコーン樹脂でもよい。

この発光素子モジュールは、前述した発光素子実装用基板に発光素子を実装してなるものなので、放熱性に優れ、良好な電気絶縁性が得られ、封止樹脂への気泡混入による発光強度の低下や配光性悪化のない、高品質なものとなる。この発光素子モジュールは、照明装置、表示装置及び交通信号機の光源として特に有用である。

１．５ｍｍ厚のアルミニウム板を１０×１０ｍｍサイズに切断し、反射カップの形状を深さ０．６ｍｍ、底部直径φ１．５ｍｍ、傾斜部の角度を４５°として成型した。本実施例において、このカップ形状の加工は、ドリル加工を用いたが、金属プレス成型などの方法で作製してもよい。次に、熱硬化性のポリイミドワニスをパッド印刷機により、所定の厚みとなるように反射カップ部も含め均一になるように塗布し、その後、３００℃の加熱オーブン中に３０分間置いて熱硬化させた。さらに、印刷用銀ペーストを同じくパッド印刷機を用いて、図３に示す構造となるように塗布した後、１５０℃の温度で３０分間加熱し硬化させた。本実施例で使用した材料のうち、ポリイミドワニスとしては、宇部興産社製のＵ−ワニス−Ａ（商品名）を用い、印刷用銀ペーストとしては、藤倉化成社製のＸＡ−４３６（商品名）を用いた。

作製した基板の放熱性、リフロー試験、絶縁耐圧試験の結果を表１に示す。放熱性の観点から、構成部材の中では最も熱伝導率の低いポリイミド膜の厚みを変量して評価を行った。

放熱性の評価は、以下の通り行った。
青色発光素子（Ｃｒｅｅ社、ＸＢ９００）を銀ペーストにより基板の電極にダイボンドし、さらに、対向する電極に金線を用いて接合した。その後、反射カップ部にその上部が表面張力で十分盛り上がるまで、熱硬化性のエポキシ樹脂を注入し、硬化させて発光素子を封止した。
最初に一定温度の状態に前記発光素子モジュールを放置し、低い電流値（１０ｍＡ）で１秒後の電圧値を測定した。ここで、低い電流値とした理由は、高い電流を通電することにより、素子自体が発熱してしまうため、雰囲気温度と素子自体の温度が加算されてしまうためである。電圧値と温度の関係をグラフ化する。
雰囲気温度を室温（２５℃）とし、そのとき３５０ｍＡの電流を１時間通電し、その後１０ｍＡまで電流値を落とし、その時の電圧値を読み取った。
前記の電圧値と温度の関係から電圧値を温度に換算した結果を発光素子の温度（Ａ）とし、さらに、基板の裏面の温度（Ｂ）を熱電対により同時に測定した。

熱抵抗値は、発光素子と基板裏面との温度差（Ａ−Ｂ）を、投入した電力（電流×電圧）で割ることにより求めた。

電気絶縁性の評価については、以下の通り行った。
前記の反射カップ部を作製した側の表面全体に銀ペーストを塗布し、熱硬化させて電気絶縁性用の基板を作製した。基板の両面に電極を接続し、１０００Ｖの直流電流を通電して評価した。

リフロー試験は、基板を２６０℃×１０秒（前処理３０℃、７０％、１６８時間）の温度プロファイルで加熱し、加熱終了後、目視にて絶縁部の変色、剥がれ、亀裂など有害な箇所の有無を確認し、有害な箇所がない場合を合格とした。なお、本試験の条件は、ＪＥＩＴＡＥＤ−４７０１３００３０１に準拠して設定した。

表１中、例４に示したように、電気絶縁樹脂層であるポリイミド層が５μｍ厚の場合、耐圧試験が不合格となった。このことは、部分的に樹脂が薄い部分も存在するためであり、その部分が高圧電流により絶縁破壊したものと考えられる。

一方、ポリイミドの層が６０μｍと厚い場合（例５）、熱抵抗値が高く、放熱性が問題となることが表１中の熱抵抗値からわかる。ポリイミドの厚みを１０〜４０μｍの範囲で変量した例１〜３のサンプルは特性上問題なく、また十分な放熱性を有するものと言える。この範囲が最も有効なものと言える。

［印刷法の検討］
ここで、パッド印刷機による電気絶縁樹脂層の作製の詳細について述べる。印刷元となる版を所定の形状で作製し、そこにポリイミドのワニスを塗布する。版の深さはアルミ基板に転写しようとするポリイミドの厚みと同じ深さとして、アルミ基板へのポリイミドの転写を行った。パッドに用いたゴム形状は、円錐形状のものを用い、材質はゴム硬度３０のシリコーンゴムを用いた。転写の結果、一回の転写で版の深さに相当する厚みのポリイミド材を、反射カップ部内の底部と傾斜部と、カップの外側の平坦部で、いずれも１０μｍの厚みと均一な厚さでポリイミド材を塗布することができた。このようにポリイミド材をアルミ基板に転写できることを確認した。

銀ペーストについても同様に、銀ペーストを電極形状となるように版を作製し、その版の深さは２０μｍとし、前記と同じゴムを用いてパッド印刷を行った。印刷後の銀ペーストの厚みを調べたところ、２０μｍであることを確認した。従来技術の欠点で述べたような反射カップ部の傾斜部での亀裂などの問題は全く発生しないことを確認した。

本実施例では、パッド印刷法で成型したパッケージについて述べたが、インクジェット法でも同様に作製できる。インクジェット法による描画手段としては、加熱発泡により気泡を発生し、液滴の吐出を行うサーマル方式の描画手段や、ピエゾ素子を利用する圧縮により、液滴の吐出を行うピエゾ方式の描画手段がある。
実験としてピエゾ方式を用い、硬化前のポリイミドを噴射し、塗布し、熱硬化させた後、２０μｍ厚のポリイミド膜上に銀ペーストを塗布し、加熱硬化し、電気回路を作製した。その結果、反射カップ底部、傾斜部でほぼ１０μｍの均一な厚みの電極を得ることができた。ピエゾ方式によるインクジェット法では、銀ペーストの場合、最大で５μｍ程度の膜厚でしか塗布ができないが、本実験では、重ねて塗布するように数回塗布を行った。

パッド印刷法、インクジェット法を用いた印刷の手法により、電気絶縁材であるポリイミド材と電極材料である銀ペーストを均一な厚み、目標通りの形状で作製できることを確認した。

なお、電気絶縁材に用いる材料として、紫外線硬化性のエポキシ樹脂などを用いてもよい。この場合もパッド印刷法あるいはインクジェット法によりペースト材を所定の厚みで塗布し、所定量の紫外線を照射して樹脂を硬化させることにより電気絶縁樹脂層を形成することができる。

銀ペースト材に関しては、ナノオーダーの微粒子を溶媒中に分散させたようなものがインクジェット法では望ましい。銀の粒子サイズが大きいと、インクジェットヘッドのノズル部分での銀粒子の詰まりなどが発生し、均一な銀ペースト材の噴射ができなくなる可能性がある。

［反射カップ部の配光性の評価］
青色発光素子（Ｃｒｅｅ社製、ＭＢ２９０）をダイボンド用銀ペーストにより本発明の基板電極上にダイボンドし、次に２５μｍ径の金ワイヤを用いて発光素子を実装した反対側の電極にワイヤボンドにより電気的に接続した。
さらに、封止樹脂としてシリコーン樹脂を用いて反射カップ部内に充填したのち、加熱して樹脂を熱硬化させて発光素子モジュールを作製した。例２の構造で発光素子を実装したサンプルと、図１に示した形状で例２と同じ反射カップ形状を持つパッケージに発光素子を実装したサンプルとの発光強度を比較した。その結果、いずれも全光束の光出力で４ｍＷと同じ結果が得られた。前述したパッド印刷法、インクジェット法で作製したパッケージに発光素子を実装した場合でも、光出力において所定の出力が得られることを確認した。

従来の発光素子モジュールを例示する断面図である。従来のアルミ積層基板を例示する断面図である。本発明の発光素子実装用基板の一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１…基板、２…電極、３…発光素子、４…金属細線、５…封止樹脂、６…反射部材、７…発光素子モジュール、１０…アルミニウム板、１１…電気絶縁層、１２…導電層、２０…コア金属、２１…電気絶縁樹脂層、２２…導電層、２３…反射カップ部。

Claims

発光素子実装面に反射カップ部を形成したコア金属の反射カップ部内の底部と傾斜部と反射カップの外側の平坦部である前記コア金属の前記発光素子実装面との上に、耐熱性樹脂又はその前駆体を含むワニスを薄膜状に塗布、硬化させて得られた電気絶縁樹脂層が設けられ、該電気絶縁樹脂層の厚さが１０μｍ〜４０μｍの範囲であり、該電気絶縁樹脂層上に導電層が設けられ、該導電層により、前記反射カップ部内の底部と傾斜部と反射カップの外側の平坦部とにかけて電極パターンが形成された発光素子実装用基板の製造方法であって、
発光素子実装面に反射カップ部を形成したコア金属を用意し、前記ワニスの塗布をパッド印刷法で行うため、該ワニスを、転写しようとする厚みと同じ深さを有して所定の形状で作製した版に塗布してから、円錐形状のパッドを用いて前記コア金属の反射カップ部内の底部と傾斜部と反射カップの外側の平坦部である前記コア金属の前記発光素子実装面とに薄膜状に転写し、これを硬化させて前記電気絶縁樹脂層を形成し、
次いで該電気絶縁樹脂層上に、形成する電極パターンに沿って導電ペーストの印刷をパッド印刷法で行うため、該導電ペーストを、前記電極形状となるように作製した版に塗布してから、前記と同じパッドを用いて前記電気絶縁樹脂層の上に転写し、これを焼き付けて前記導電層を形成することを特徴とする発光素子実装用基板の製造方法。
前記電気絶縁樹脂層が熱硬化型樹脂又は紫外線硬化型樹脂を硬化させてなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用基板の製造方法。
前記電気絶縁樹脂層がポリイミドからなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用基板の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用基板の製造方法により発光素子実装用基板を製造した後、該発光素子実装用基板の反射カップ部内の底部に発光素子を実装することを特徴とする発光素子モジュールの製造方法。