JP5987804B2 - 発光モジュール装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光モジュール装置に関し、更に詳しくは、照明装置、紫外線硬化装置および紫外線露光装置などの光源として用いられる、複数の発光素子を備えた発光モジュール装置に関する。

従来、例えば照明装置などにおいては、光源として、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子などの発光素子を発光源とする発光モジュール装置が用いられている。このようなＬＥＤ素子を発光源とする発光モジュール装置は、所期の発光強度を得るために、通常、複数のＬＥＤ素子を備えている。
然るに、ＬＥＤ素子は発光することに伴って熱を発生するものであることから、複数のＬＥＤ素子の各々が自らの発熱あるいは周囲からの受熱によって温度上昇して高温となりやすく、それに起因してＬＥＤ素子自体の発光効率が低下してしまう、という問題がある。

而して、ＬＥＤ素子を発光源とする発光モジュール装置としては、金属基板層の上面に樹脂よりなる絶縁層が形成された基板を用いることにより、ＬＥＤ素子から発生する熱を放熱する構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
具体的に、特許文献１の発光モジュール装置は、図４に示すように、金属基板層２１の上面に、絶縁層４１と金属製のリードフレーム４２とがこの順に積層されてなる基板を備えている。そして、リードフレーム４２には、配線パターン４３が形成されていると共に、複数の青色ＬＥＤ素子４５が配置されている。また、複数の青色ＬＥＤ素子４５は、各々、上面および下面に電極を有しており、これらの電極がリード線１８およびリードフレーム４２を介して配線パターン４３に電気的に接続されている。このようにして、複数の青色ＬＥＤ素子４５は、リード線１８、リードフレーム４２および配線パターン４３を介して直列に接続されている。
図４において、４６は、絶縁性を有する保持部材であり、４７は、過電圧防止用のツェナダイオードである。

また、金属基板層の上面に絶縁層が形成された基板を用いた発光モジュール装置の他の構成のものとしては、図５に示すように、金属基板層２１の上面に形成された樹脂よりなる絶縁層５１の上面に、配線層５２を介してＬＥＤ素子１１が配設されたものが用いられている。ＬＥＤ素子１１は、上面および下面に電極を有するものである。このような構成の発光モジュール装置において、配線層５２は、柱状の形状を有しており、厚み方向の断面積がＬＥＤ素子１１の下面の面積と略同等のものである。この配線層５２には、ＬＥＤ素子１１における下面の電極が電気的に接続されている。また、絶縁層５１の上面には、配線パターン（図示せず）が形成されており、この配線パターンには、リード線１８を介してＬＥＤ素子１１における上面の電極が電気的に接続されている。

しかしながら、このような構成の発光モジュール装置においては、複数のＬＥＤ素子を高密度に配置した場合には、ＬＥＤ素子の温度上昇を十分に抑制することができない、という問題がある。
すなわち、図４の発光モジュール装置においては、複数の青色ＬＥＤ素子４５から発生する熱は、共通のリードフレーム４２の上面から排熱されると共に、そのリードフレーム４２を介して、熱伝導率の低い絶縁層４１に伝達され、その絶縁層４１から金属基板層２１に伝達される。そのため、青色ＬＥＤ素子４５を高密度に配置した場合には、青色ＬＥＤ素子４５は、他の青色ＬＥＤ素子４５からの熱的影響を受けやすく、よって高温となりやすい。
また、図５の発光モジュール装置においては、ＬＥＤ素子１１から発生する熱は、厚み方向の断面積が小さい配線層５２を介して、熱伝導率の低い絶縁層５１に伝達され、その絶縁層５１から金属基板層２１に伝達される。そのため、ＬＥＤ素子１１を高密度に配置した場合には、配線層５２において、絶縁層５１を介して金属基板層２１に対して効率よく熱を伝達することができず、よってＬＥＤ素子１１は、自らの発熱および周囲に位置するＬＥＤ素子１１からの受熱によってより高温となりやすい。

このような問題は、発光モジュール装置を、例えば紫外線硬化装置および紫外線露光装置などの光源（紫外線光源）として用いる場合、すなわちＬＥＤ素子として、紫外線領域の光を放射する紫外線ＬＥＤ素子（ＵＶ−ＬＥＤ素子）、特に波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射する紫外線ＬＥＤ素子を用いる場合に、顕著となる。
すなわち、紫外線ＬＥＤ素子は、青色ＬＥＤ素子に比して入力電力に対する発光効率が低く、入力電力の６０％以上が熱に変換されるものである。そのため、発光モジュール装置に所期の発光強度を得るためには、より多数の紫外線ＬＥＤ素子をより高密度に配置することが必要とされる。よって、紫外線ＬＥＤ素子は、自らの発熱および他の紫外線ＬＥＤ素子からの熱的影響を受けやすく、より高温となりやすい。

一方、ＬＥＤ素子を発光源とする発光モジュール装置においては、複数のＬＥＤ素子をマトリクス配置、すなわち二次元的に配列した状態とし、これらの複数のＬＥＤ素子のうちの任意のＬＥＤ素子を点灯させることのできる構成が求められている。そして、複数のＬＥＤ素子のうちの任意のＬＥＤ素子を点灯させるためには、多重配線を形成する必要がある。
而して、このような構成の発光モジュール装置において、金属基板層の上面に絶縁層が形成された基板を用いる場合には、金属基板層上に複数の絶縁層を積層して多層配線構造を形成することが有効である。そのような構造においては、通常、ＬＥＤ素子が搭載される構成部材（例えば、図４におけるリードフレーム４２）の上面には絶縁層が積層されることとなり、当該構成部材の上面からはＬＥＤ素子から発生する熱を排熱することができない。そのため、ＬＥＤ素子から発生する熱を効率よく金属基板層に伝達することが必要とされる。

特開２０１１−２４９７３７号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、複数の発光素子を高密度に配置した場合であっても、発光に伴う発光素子の温度上昇が抑制され、高い発光効率の得られる発光モジュール装置を提供することにある。

本発明の発光モジュール装置は、金属基板層の上面に絶縁層が形成された基板上に、複数の発光素子が搭載されてなる発光モジュール装置において、
前記基板には、前記金属基板層の上面に形成された前記絶縁層の上面に、金属よりなり、電気伝導路および熱伝導路を形成する熱拡散パターン要素の複数が互いに離間した状態で二次元的に配置されてなる熱拡散パターンが形成されており、
前記熱拡散パターンにおける複数の熱拡散パターン要素の各々の上面には、上面側絶縁層を介して配線パターンが形成され、またその熱拡散パターン要素に熱的および電気的に接続された状態で１つの発光素子が配設されており、
前記熱拡散パターンの厚みが２００μｍ以上であり、
前記絶縁層、前記熱拡散パターンおよび前記発光素子を、当該絶縁層および当該熱拡散パターンの厚み方向に透視したとき、前記熱拡散パターン要素が占める領域が、当該熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の２倍の半径を有する領域を含み、
前記熱拡散パターンの厚みの７倍の値が、前記熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の２倍以上であることを特徴とする。

本発明の発光モジュール装置においては、前記発光素子は、下面および上面に電極を有しており、下面の電極が前記熱拡散パターン要素と電気的に接続されており、上面の電極がリード線と電気的に接続されていることが好ましい。

本発明の発光モジュール装置においては、前記発光素子は、波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射するものであることが好ましい。

本発明の発光モジュール装置においては、金属基板層の上面に形成された絶縁層の上面に熱拡散パターンが形成された基板上に、複数の発光素子が、当該熱拡散パターンと熱的および電気的に接続された状態で搭載されている。そして、熱拡散パターンは、特定の厚みを有しており、複数の熱拡散パターン要素が、複数の発光素子に対応するように、互いに離間した状態で配置されたものであることから、複数の発光素子の各々から受熱した熱を、絶縁層に対して十分に拡散させて伝達することができる。そのため、複数の発光素子の各々と金属基板層との間における熱抵抗が小さくなる。
従って、本発明の発光モジュール装置によれば、複数の発光素子において発生した熱を熱拡散パターンを介して金属基板層に効率よく伝達して外部に放熱することができる。そのため、複数の発光素子を高密度に配置した場合であっても、発光に伴う発光素子の温度上昇を抑制することができ、よって高い発光効率を得ることができる。

本発明の発光モジュール装置の構成の一例の概要を示す説明用断面図である。 図１の発光モジュール装置を上から透視した、熱拡散パターンおよび下面側絶縁層の厚み方向の投影面上における熱拡散パターン要素と素子用ポスト要素と発光素子との位置関係を示す説明図である。 実験例１において得られた、熱拡散板の厚みと加熱領域の平均温度との関係を示すグラフである。 従来の発光モジュール装置の構成の一例の概要を示す説明用断面図である。 従来の発光モジュール装置の構成の他の例の概要を示す説明用断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の発光モジュール装置の構成の一例の概要を示す説明用断面図であり、図２は、図１の発光モジュール装置を上から透視した、熱拡散パターンおよび下面側絶縁層の厚み方向の投影面上における熱拡散パターン要素と素子用ポスト要素と発光素子との位置関係を示す説明図である。
この発光モジュール装置１０は、発光源を構成する発光素子として、複数のＬＥＤ素子１１を備えてなるものである。これらの複数のＬＥＤ素子１１は、矩形平板状の基板２０の上面に搭載されており、この基板２０の上面において、互いに離間した状態で二次元的に配置されている。また、基板２０には、複数のＬＥＤ素子１１のうちの任意のＬＥＤ素子１１を点灯とすることのできる金属配線（多重配線）が形成されている。
この図の例において、複数のＬＥＤ素子１１は、基板２０の上面における中央部に形成された正六角形状のＬＥＤ素子配設領域内において、等間隔で格子状に配列されている。

基板２０は、矩形平板状の金属基板層２１の上面の全面に下面側絶縁層２２が形成されており、この下面側絶縁層２２の平坦な上面に、熱拡散パターンが形成されたものである。この熱拡散パターンは、複数の熱拡散パターン要素２５により構成されており、これらの複数の熱拡散パターン要素２５が、複数のＬＥＤ素子１１に対応するように、下面側絶縁層２２の上面において、互いに離間した状態で二次元的に配置されたものである。そして、複数の熱拡散パターン要素２５には、各々、上面における中央部に、当該上面に垂直な方向に突出して伸びる１つの素子用ポスト２６Ａが形成されており、この素子用ポスト２６Ａの上面にＬＥＤ素子１１が配置されている。このように、複数のＬＥＤ素子１１は、各々、対応する熱拡散パターン要素２５の上面に、素子用ポスト２６Ａを介して当該熱拡散パターン要素２５に熱的および電気的に接続された状態で配設されている。
また、基板２０には、熱拡散パターンの上面、すなわち複数の熱拡散パターン要素２５の上面、および下面側絶縁層２２の上面における熱拡散パターン要素２５が位置されていない面２３Ａを覆うように、上面側絶縁層２７が形成されている。この上面側絶縁層２７は、下面側絶縁層２２と一体化されており、この下面側絶縁層２２と上面側絶縁層２７との間には、複数の熱拡散パターン要素２５が埋設された状態とされている。そして、上面側絶縁層２７の平坦な上面には、配線パターン２８が形成されており、この配線パターン２８は、熱拡散パターンに電気的に接続されている。すなわち、配線パターン２８には、複数の熱拡散パターン要素２５が、これらの複数の熱拡散パターン要素２５の各々に形成された配線パターン用ポスト２６Ｂを介して電気的に接続されている。この配線パターン用ポスト２６Ｂは、熱拡散パターン要素２５の上面における素子用ポスト２６Ａと離間した位置に形成されている。
このように、基板２０は、金属基板層２１、下面側絶縁層２２、熱拡散パターン要素２５、上面側絶縁層２７および配線パターン２８の積層体よりなるものであり、多層配線構造を有している。
この図の例において、素子用ポスト２６Ａおよび配線パターン用ポスト２６Ｂは、各々、円柱状の形状を有している。また、素子用ポスト２６Ａは、上面のレベル位置が、上面側絶縁層２７の上面のレベル位置よりも上方（図１における上方）となる高さを有しており、その上面の寸法が、ＬＥＤ素子１１の下面の寸法と略同等のものである。ＬＥＤ素子１１は四角柱状の形状を有しており、上面および下面の寸法が１ｍｍ×１ｍｍのものであり、また素子用ポスト２６Ａの上面の寸法は直径１ｍｍである。そして、素子用ポスト２６Ａの上面は、全面がＬＥＤ素子１１の下面と接触した状態とされている。

基板２０において、金属基板層２１は、例えば銅などの熱伝導率が高い金属よりなるものであることが好ましい。
金属基板層２１は、図１に示されているように、通常、少なくとも下面側絶縁層２２が形成される一面が平坦面とされた板状のものであるが、その厚みは、例えば０．３〜５ｍｍである。

また、下面側絶縁層２２は、例えばエポキシ樹脂などの樹脂にセラミックフィラを混合して熱伝導性を強化したものよりなる。
下面側絶縁層２２の厚みは、例えば５０〜２５０μｍである。
また、上面側絶縁性層２７は、例えばエポキシ樹脂などの樹脂よりなる。
上面側絶縁層２７の厚みは、電気絶縁性を確保するために、５０〜２５０μｍであることが好ましい。特に、金属配線を多層化した場合には、上面側絶縁層２７の厚みは、５０〜１００μｍであることが好ましい。その理由は、熱伝導性の観点からであり、素子用ポスト２６Ａをなるべく薄くすることによってＬＥＤ素子１１の熱を熱拡散パターンに効率的に熱伝達することができるからである。ここに、上面側絶縁層２７の厚みとは、当該上面側絶縁層２７の上面と熱拡散パターン要素２５の上面との間の離間距離を示す。

素子用ポスト２６Ａは、熱拡散パターン要素２５とＬＥＤ素子１１とを熱的および電気的に接続する機能を有するものである。
この素子用ポスト２６Ａは、上面側絶縁層２７に形成された、ＬＥＤ素子１１の下面と熱拡散パターン要素２５の上面との間に伸びる穴の内部に設けられている。
そして、素子用ポスト２６Ａとしては、上面側絶縁層２７の穴の側面に金属めっき層を形成し、この金属めっき層が形成された穴の内部に、高熱伝導性部材を埋設することによって得られるものが用いられる。この高熱伝導性部材としては、金属フィラやセラミックフィラを混合したエポキシ樹脂などの樹脂よりなるもの、および金属棒などが用いられる。
素子用ポスト２６Ａの形状は、製造上は円柱状であることが好ましいが、機能的には他の形状であってもよい。
また、素子用ポスト２６Ａの大きさは、ＬＥＤ素子１１との接触面積比を５０％以上とすることができる寸法を有するものであればよく、このような大きさを有するものであれば、十分な熱伝導性を得ることができる。
この図の例において、配線パターン用ポスト２６Ｂは、めっき法によって形成された銅よりなるものである。

熱拡散パターンを構成する複数の熱拡散パターン要素２５は、各々、金属よりなり、エッチング処理などによってパターンが形成されたものである。そして、この熱拡散パターン要素２５は、対応するＬＥＤ素子１１から発生する熱を受熱して下面側絶縁層２２に伝達することのできる熱伝導機能を有すると共に、当該ＬＥＤ素子１１に対して給電をすることのできる電気伝導機能を有しており、電気伝導路および熱伝導路を形成するものである。よって、熱拡散パターンは、発光モジュール装置１０の金属配線（多重配線）の一部を構成するものである。すなわち、発光モジュール装置１０においては、配線パターン２８と熱拡散パターンとによって金属配線が構成されている。

この熱拡散パターン要素２５は、上面におけるＬＥＤ素子１１と熱的に接続される領域に比して、下面側絶縁層２２の上面に接触した状態とされる下面が大きい形状を有している。
また、熱拡散パターン要素２５は、図１および図２に示されているように、上面および下面が円形状に近似した点対称な形状を有しており、上面におけるＬＥＤ素子１１と熱的に接続される領域が、当該上面の中心部に形成されていることが好ましい。
そして、熱拡散パターン要素２５は、ＬＥＤ素子１１から受熱した熱を、下面側絶縁層２２に対して拡散させて伝達することができる熱拡散能を有するものである。具体的には、上面におけるＬＥＤ素子１１からの熱を受熱する領域（以下、「受熱領域」ともいう。）の面積に比して、下面における下面側絶縁層２２に対して熱を伝達する領域（以下、「熱伝達領域」ともいう。）が、受熱領域より大きいものである。そして、この受熱領域と熱伝達領域との間には、熱拡散パターン要素２５の厚み方向に伸びるように熱伝導路が形成される。
ここに、熱伝達領域は、下面側絶縁層２２の上面における熱拡散パターン要素２５が位置する領域（以下、「熱拡散パターン要素領域」ともいう。）よりも大きくなるものではないが、この熱拡散パターン要素領域のみによって定められるものではない。すなわち、熱伝達領域の大きさは、熱拡散パターン要素領域の大きさ、熱拡散パターン要素２５の厚みｔ、ＬＥＤ素子１１の種類およびＬＥＤ素子１１に対する入力電力などに応じて定められるものである。
この図の例において、熱拡散パターン要素２５は、正六角形状の板状体よりなるものであり、よって熱拡散パターン要素領域は正六角形状である。また、熱拡散パターン要素領域に係る正六角形状は、直径７．６ｍｍの円に内接する寸法を有している。そして、熱拡散パターン要素２５において、受熱領域は、上面の中心部における素子用ポスト２６Ａが形成された領域によって構成されている。一方、熱伝達領域は、下面におけるＬＥＤ素子１１の直下位置とその周辺領域によって構成されている。

熱拡散パターンの厚みｔは、５０μｍ以上とされ、好ましくは５０〜２０００μｍである。
ここに、熱拡散パターンにおいては、この熱拡散パターンを構成する複数の熱拡散パターン要素２５の各々の厚みが５０μｍ以上とされていれば、これらの複数の熱拡散パターン要素２５が同一の厚みを有していてもよく、また複数の熱拡散パターン要素２５の各々が異なる厚みを有していてもよい。

熱拡散パターンの厚みｔが５０μｍ以上であることにより、後述の実験から明らかなように、発光に伴うＬＥＤ素子１１の温度上昇を十分に抑制することができる。
一方、熱拡散パターンの厚みｔが５０μｍ未満である場合には、複数の熱拡散パターン要素２５の各々において、ＬＥＤ素子１１から受熱した熱を十分に拡散させた状態で下面側絶縁層２２に伝達することができなくなる。そのため、ＬＥＤ素子１１において発生した熱を、熱拡散パターン要素２５および下面側絶縁層２２を介して金属基板層２１に効率よく伝達することができなくなり、よってＬＥＤ素子１１の温度上昇を十分に抑制することができなくなる。
また、熱拡散パターンの厚みｔが２０００μｍを超える場合には、熱拡散パターンを所望に形成することができなくなるおそれがある。具体的に説明すると、例えば熱拡散パターンをエッチング処理によって形成する場合において、熱拡散パターン要素２５の側面が所望の形状とならず、その側面が所望の形状に対して崩れたものとなってしまう、という問題がある。

この熱拡散パターンにおいては、厚みｔを大きくすることによれば、熱拡散パターン要素２５の各々において熱伝導路長が長くなり、それに伴って熱伝達領域が小さくなる。そのため、熱拡散パターンの熱拡散能が小さくなるという弊害を伴うことなく、熱拡散パターン要素２５を小さく、すなわち熱拡散パターン要素領域を小さくすることができることから、複数のＬＥＤ素子１１を高密度に配置することができる。

また、熱拡散パターンにおいては、下面側絶縁層２２、熱拡散パターンおよびＬＥＤ発光素子１１を、下面側絶縁層２２および熱拡散パターンの厚み方向に透視したとき、熱拡散パターン要素２５が占める領域、すなわち熱拡散パターン要素領域が、当該熱拡散パターン要素２５に配設されたＬＥＤ素子１１を中心とした、当該ＬＥＤ素子１１の外縁を含む最小円の半径の２倍の半径を有する領域（以下、「素子基準領域」ともいう。）を含んでいることが好ましい。すなわち、熱拡散パターン要素領域は、素子基準領域以上の大きさを有することが好ましい。
また、熱拡散パターン要素領域は、熱拡散パターンの厚みｔの７倍の値が素子基準領域の半径の値以上であるとき、その径が素子基準領域の径以上であって、熱拡散パターンの厚みｔの７倍の半径を有する領域（以下、「第１のパターン厚み基準領域」ともいう。）以下の大きさを有することが更に好ましい。更には、熱拡散パターンの厚みｔの６倍の半径を有する領域（以下、「第２のパターン厚み基準領域」ともいう。）以上であって第１のパターン厚み基準領域以下である大きさを有することが特に好ましい。
熱拡散パターン要素領域が、素子基準領域以上であることにより、受熱領域を十分な大きさとすることができる。そして、熱拡散パターン要素領域を第２のパターン厚み基準領域以上の大きさとすることによれば、熱伝達領域を十分な大きさとすることができる。すなわち、熱伝達領域の大きさが熱拡散パターン要素２５によって制限されることが防止される。
また、熱拡散パターン要素領域が、第１のパターン厚み基準領域を超える大きさである場合には、ＬＥＤ素子１１を高密度に配置することができず、所期の発光強度を得ることができなくなるおそれがある。

熱拡散パターンにおいて、互いに隣接する熱拡散パターン要素２５の間の離間距離は、ＬＥＤ素子１１の種類および発光モジュール装置１０に必要とされる発光強度などに応じ、また熱拡散パターンの厚みｔおよび熱拡散パターン要素領域の大きさを考慮して適宜に定められるが、例えば１ｍｍとされる。

熱拡散パターンにおける複数の熱拡散パターン要素２５を構成する金属としては、熱伝導率および電気伝導率の観点から、銅が好ましい。

ＬＥＤ素子１１としては、種々のＬＥＤ素子を用いることができる。
そして、ＬＥＤ素子１１として、紫外線領域の光を放射する紫外線ＬＥＤ素子（ＵＶ−ＬＥＤ素子）、特に波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射する紫外線ＬＥＤ素子を用いた場合には、良好な放熱効果が得られる。具体的に説明すると、紫外線ＬＥＤ素子は発光に伴って発生する熱量が大きいものであることから、この紫外線ＬＥＤ素子をＬＥＤ素子１１として用いることによれば、この熱を効率的に外部に放熱し、発光に伴うＬＥＤ素子１１の温度上昇を十分に抑制することができる。
波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射する紫外線ＬＥＤ素子の具体例としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）系紫外線ＬＥＤ素子、およびアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）系紫外線ＬＥＤ素子などが挙げられる。

また、ＬＥＤ素子１１は、図１に示されているように、上面および下面に電極（図示せず）を有する縦型のものであることが好ましい。
ＬＥＤ素子１１が上面および下面に電極を有する縦型のものであることにより、上面の電極をリード線１８によって配線パターン２８に電気的に接続し、下面の電極を熱拡散パターン要素２５に電気的に接続することができ、それと共に熱拡散パターン要素２５にＬＥＤ素子１１を熱的に接続することができる。そのため、ＬＥＤ素子１１における活性層に均一に電流を供給することができ、しかも活性層において発生した熱を、効率よく熱拡散パターン要素２５に伝達して排熱することができる。

発光モジュール装置１０において、ＬＥＤ素子１１の密集度、具体的には基板２０におけるＬＥＤ素子配設領域の単位面積当たりのＬＥＤ素子１１の密集度は、１×１０^-3個／ｍｍ² 以上であることが好ましく、更に好ましくは０．０１〜０．１個／ｍｍ² である。
ＬＥＤ素子１１の密集度が１×１０^-3個／ｍｍ² 以上であることにより、ＬＥＤ素子１１として、波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射する紫外線ＬＥＤ素子を用いた場合においても高輝度化が図られ、発光モジュール装置１０に高い発光強度が得られる。
また、ＬＥＤ素子１１の密集度が０．１個／ｍｍ² を超える場合には、発光に伴うＬＥＤ素子１１の温度上昇を十分に抑制することができなくなるおそれがある。

このような構成の発光モジュール装置１０は、基板２０の上面に複数のＬＥＤ素子１１を搭載することによって製造することができる。
すなわち、金属基板層２１の上面に下面側絶縁層２２を形成し、その下面側絶縁層２２の上面に熱拡散パターンを形成する。更に、得られた金属基板層２１、下面側絶縁層２２および熱拡散パターンの積層体の上面に、素子用ポスト２６Ａおよび配線パターン用ポスト２６Ｂを形成すべき領域以外の領域を覆うようにして上面側絶縁層２７を形成する。それと共に、熱拡散パターン要素２５の上面に素子用ポスト２６Ａおよび配線パターン用ポスト２６Ｂを形成する。そして、上面側絶縁層２７の上面に、配線パターン２８を、配線パターン用ポスト２６Ｂに電気的に接続するように形成することにより、基板２０を得る。
次いで、基板２０の上面において、素子用ポスト２６Ａの上面にＬＥＤ素子１１を配設し、そのＬＥＤ素子１１と配線パターン２８とをリード線１８を介して電気的に接続することにより、発光モジュール装置１０が製造される。

この発光モジュール装置１０は、例えばヒートシンクの上面に、熱伝導性部材を介して接合されて用いられる。
ヒートシンクとしては、銅またはアルミニウム製の矩形平板状のものが用いられる。
また、熱伝導性部材としては、市販の放熱グリースや放熱シートなどが用いられる。

以上のような発光モジュール装置１０においては、基板２０に熱拡散パターンが設けられており、その熱拡散パターンは、熱拡散能を有する複数の熱拡散パターン要素２５が互いに離間した状態で配置されたものである。そのため、熱拡散パターンは、複数のＬＥＤ素子１１の各々から受熱した熱を、それぞれのＬＥＤ素子１１に対応する熱拡散パターン要素２５に形成される熱伝導路により、他の熱伝導路からの影響を受けることなく下面側絶縁層２２に対して十分に拡散させて伝達することができる。よって、下面側絶縁層２２が熱伝導率の小さいものであっても、複数のＬＥＤ素子１１の各々と金属基板層２１との間における熱抵抗が小さくなる。その結果、発光に伴って複数のＬＥＤ素子１１の各々において発生した熱を金属基板層２１に効率よく伝達することができる。
しかも、熱拡散パターンの熱拡散能は、ＬＥＤ素子１１の種類および発光モジュール装置１０に必要とされる発光強度などに応じ、熱拡散パターンの厚みｔおよび熱拡散パターン要素領域の大きさを調整することによって制御することができる。
従って、発光モジュール装置１０によれば、複数のＬＥＤ素子１１の各々において発生した熱を、それぞれのＬＥＤ素子１１に対応する熱拡散パターン要素２５を介して金属基板層２１に効率よく伝達して外部に放熱することができるため、複数のＬＥＤ素子１１を高密度に配置した場合であっても、発光に伴うＬＥＤ素子１１の温度上昇を抑制することができ、よって高い発光効率を得ることができる。

また、発光モジュール装置１０においては、熱拡散パターン要素２５の上面に上面側絶縁層２７を形成することにより、金属配線を形成するための領域を確保することができ、その上面側絶縁層２７上には配線パターン２８が形成されている。このように、上面側絶縁層２７の上面に配線パターン２８を形成することにより、金属配線を形成するために基板２０を大面積化する必要がなく、また配線パターン２８をＬＥＤ素子１１に近接するように形成することができる。そのため、配線形態の自由度が大きくなり、よって発光モジュール装置１０の設計の自由度が大きくなる。その結果、多重配線を形成することができ、よって発光モジュール装置１０を、複数のＬＥＤ素子１１がマトリクス配置されており、これらの複数のＬＥＤ素子１１のうちの任意のＬＥＤ素子を点灯させることのできる構成とすることができる。
しかも、熱拡散パターン要素２５の上面に上面側絶縁層２７が形成された構成においては、熱拡散パターン要素２５において、ＬＥＤ素子１１から受熱した熱を、上面から放熱することはできないが、それに起因する弊害が生じることがない。すなわち、発光モジュール装置１０においては、前述のように、複数のＬＥＤ素子１１の各々から発生する熱を効率よく金属基板層２１に伝達することができるため、複数のＬＥＤ素子１１の各々において、発光に伴う温度上昇が十分に抑制される。

この発光モジュール装置１０は、ＬＥＤ素子１１として、紫外線領域の光を放射する紫外線ＬＥＤ素子（ＵＶ−ＬＥＤ素子）、特に波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射する紫外線ＬＥＤ素子を用いるような用途、具体的には例えば紫外線硬化装置および紫外線露光装置などの光源（紫外線光源）として好適に用いることができる。
すなわち、発光モジュール装置１０によれば、ＬＥＤ素子１１として、入力電力に対する発光効率が低く、入力電力の６０％以上が熱に変換される紫外線ＬＥＤ素子が用い、そのＬＥＤ素子１１の複数を高密度に配置した場合であっても、これらの複数のＬＥＤ素子１１の温度上昇を十分に抑制することができる。そのため、当該発光モジュール装置１０に高い発光効率が得られ、所期の発光強度を得ることができる。

本発明の発光モジュール装置においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、発光モジュール装置は、上面側絶縁層が形成されていないものであってもよく、また上面側絶縁層の上面に更に絶縁層が形成されてなるものであってもよい。

以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。

〔実験例１〕
先ず、銅（熱伝導率３８３Ｗ／ｍＫ）よりなり、直径７ｍｍの円に内接する正六角形状であって厚みが１ｍｍの金属板基材の上面の全面に、セラミックフィラ入りエポキシ樹脂（熱伝導率５Ｗ／ｍＫ）よりなり、厚みが１００μｍの絶縁層が積層された積層体を７個用意した。
そして、６個の積層体における絶縁層の上面の全面を覆うよう、各々、銅（熱伝導率３８３Ｗ／ｍＫ）よりなり、直径７ｍｍの円に内接する正六角形状であって、厚みが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、５００μｍおよび１０００μｍの平板状の熱拡散板を積層した。
このようにして、金属板基材の上面に絶縁層が積層された正六角柱状の積層体と、金属板基材の上面に絶縁層と熱拡散板とがこの順に積層された５種類の正六角柱状の積層体との合計７種類の積層体を作製した。

作製した７種類の積層体について、下面（金属板基材の下面）の全面を、設定温度２６．８５℃（３００Ｋ）の条件で冷却しつつ、上面（金属板基材と絶縁層の積層体においては、絶縁層の上面であり、金属板基材と絶縁層と熱拡散板との積層体においては熱拡散板の上面）の中央部における１ｍｍ×１ｍｍの領域（以下、「加熱領域」ともいう。）を、熱流速１×１０⁶ Ｗ／ｍ² 、２×１０⁶ Ｗ／ｍ² および３×１０⁶ Ｗ／ｍ² の均一熱流速条件で加熱した。そして、加熱領域の温度を測定し、その平均温度を算出した。金属板基材と絶縁層と熱拡散板との積層体の結果を図３に示す。
図３において、菱形プロットは、熱流速１×１０⁶ Ｗ／ｍ² の均一熱流速条件で加熱した場合の測定値であり、四角プロットは、熱流速２×１０⁶ Ｗ／ｍ² の均一熱流速条件で加熱した場合の測定値であり、三角プロットは、熱流速３×１０⁶ Ｗ／ｍ² の均一熱流速条件で加熱した場合の測定値である。

以上の結果から、熱拡散板の厚みを５０μｍ以上とすることにより、加熱領域の温度上昇が抑制され、下面との温度差が小さくなることが明らかとなった。
すなわち、金属基板層の上面に形成された絶縁層の上面に、厚みが５０μｍ以上の金属製の熱拡散部材を配置し、その熱拡散部材の上面に１つの発光素子を熱的に接続することにより、発光素子と金属基板層との間における熱抵抗を小さくすることができ、発光に伴う発光素子の温度上昇を抑制できることが確認された。

１０ 発光モジュール装置
１１ ＬＥＤ素子
１８ リード線
２０ 基板
２１ 金属基板層
２２ 下面側絶縁層
２３Ａ 面
２５ 熱拡散パターン要素
２６Ａ 素子用ポスト
２６Ｂ 配線パターン用ポスト
２７ 上面側絶縁層
２８ 配線パターン
４１ 絶縁層
４２ リードフレーム
４３ 配線パターン
４５ 青色ＬＥＤ素子
４６ 保持部材
４７ ツェナダイオード
５１ 絶縁層
５２ 配線層

Claims (3)

1. 金属基板層の上面に絶縁層が形成された基板上に、複数の発光素子が搭載されてなる発光モジュール装置において、
   前記基板には、前記金属基板層の上面に形成された前記絶縁層の上面に、金属よりなり、電気伝導路および熱伝導路を形成する熱拡散パターン要素の複数が互いに離間した状態で二次元的に配置されてなる熱拡散パターンが形成されており、
   前記熱拡散パターンにおける複数の熱拡散パターン要素の各々の上面には、上面側絶縁層を介して配線パターンが形成され、またその熱拡散パターン要素に熱的および電気的に接続された状態で１つの発光素子が配設されており、
   前記熱拡散パターンの厚みが２００μｍ以上であり、
   前記絶縁層、前記熱拡散パターンおよび前記発光素子を、当該絶縁層および当該熱拡散パターンの厚み方向に透視したとき、前記熱拡散パターン要素が占める領域が、当該熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の２倍の半径を有する領域を含み、
   前記熱拡散パターンの厚みの７倍の値が、前記熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の２倍以上であることを特徴とする発光モジュール装置。
2. 前記発光素子は、下面および上面に電極を有しており、下面の電極が前記熱拡散パターン要素と電気的に接続されており、上面の電極がリード線と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール装置。
3. 前記発光素子は、波長４３６ｎｍ以下の紫外線を含む光を出射するものであることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール装置。
   

Images