WO2006132147A1 - 発光素子実装用ホーロー基板とその製造方法、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 - Google Patents

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Naoki Kimura
Masakazu Ohashi
Shunichirou Hirafune
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Fujikura Ltd.
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    • Y10S362/00Illumination
    • Y10S362/80Light emitting diode

Definitions

  • Hollow substrate for mounting light emitting element and manufacturing method thereof, light emitting element module, lighting device, display device, and traffic signal device
  • the present invention relates to a light-emitting element mounting enamel substrate for mounting a plurality of light-emitting elements such as light-emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs).
  • Light emitting element mounting hole with improved dimensional accuracy and heat dissipation when mounted on a substrate, a manufacturing method thereof, a light emitting element module having a light emitting element mounted on the substrate, an illumination device having the light emitting element module, a display
  • the present invention relates to a device and a traffic signal device.
  • light emitting elements have come to be applied to lighting equipment, backlights of liquid crystal imaging devices, traffic signals, and the like, and further improvement in light emission intensity is required.
  • Increasing the amount of current applied can increase the light emission intensity of the light emitting element.
  • the light emitting element simultaneously generates heat, and thus it is necessary to efficiently dissipate heat. If the heat radiation is not sufficient, the light emitting element becomes hot during lighting and the light emission efficiency decreases, and the target light emission intensity cannot be obtained.
  • a mortar-shaped reflecting cup portion having a reflecting surface on a slope as shown in FIG. It is desirable to provide a light emitting element on the bottom surface. By forming the reflective cup portion in a mortar shape, it is possible to control the direction of light and also to hold a resin that seals the light emitting element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a light-emitting element module using this single-hole substrate.
  • This light-emitting element module 2 has a hollow metal layer 5 having a glass force on the surface of a core metal 4 having a force such as a low carbon steel plate.
  • a light-emitting element 3 such as an LED is mounted on the bottom surface of the reflective cup portion 7 of the substrate.
  • the light emitting element 3 is mounted on one electrode of a pair of electrodes 6, 6 extending to the bottom surface of the reflecting cup portion 7, and is electrically connected to the other electrode by a gold wire 8.
  • the reflective cup portion 7 on which the light emitting element 3 is mounted is sealed with a sealing resin 9.
  • This enamel substrate can be formed into a free shape by covering the core metal, and an enamel layer made of glass can be formed on the surface as it is, so that any shape can be formed. In this state, electrical insulation can be secured.
  • a hollow substrate having a reflective cup structure as shown in FIG. 1 needs to be processed so that the core metal has the shape of a reflective cup.
  • press force is preferable from the viewpoint of power productivity and processing cost, such as adding by a drill and drawing by a metal press.
  • an insulating substrate such as glass is laminated, and an electrode for mounting the light emitting element or an electrode for forming an electric circuit is formed on the substrate, thereby obtaining a hollow substrate for mounting a light emitting element.
  • the thermal conductivity particularly the thermal conductivity in the direction parallel to the substrate, deteriorates, and it has become a component that sufficient heat dissipation cannot be obtained. If the heat radiation is not sufficient, the light emitting element becomes high temperature during lighting, so that the light emission efficiency is lowered and the target light emission intensity cannot be obtained. In addition, when used for a long period of time, the reliability of the light emitting element is lowered, and there is a high possibility of malfunctions such as non-lighting. In addition, if there is a portion where the glass layer is exposed, there is a problem that the reflection at that portion becomes worse and the amount of light emitted as a whole is reduced.
  • a pad printing apparatus as an apparatus that can print the inner surface of such a recess.
  • the pad printing device applies ink to the plate surface on which the recesses are formed according to the image to be printed, and the ink that has flowed into the recesses is covered with an ink transfer medium called a pad. Printing is performed by transferring onto a printed material. Since such a pad is used, the pad printing apparatus has a feature that it can print not only on a flat surface but also on a curved surface. By taking advantage of this pad printing method, it is possible to form an electrode on the inner surface side of the mortar-shaped reflection cup portion.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has a light emitting element mounting enamel substrate having excellent heat dissipation and excellent bottom flatness of the reflecting cup portion, a method for manufacturing the same, and a light emitting element having a light emitting element mounted on the substrate.
  • An object is to provide a module, a lighting device having the light emitting element module, a display device, and a traffic signal.
  • the present invention provides a reflective cup having a core metal, a hollow layer coated on the surface of the core metal, a light emitting element mounting surface, and a flat bottom surface and a surrounding slope portion.
  • Light-emitting element mounting comprising: a portion, and an electrode for energizing the light-emitting element, provided on the light-emitting element mounting surface and having a thickness in the reflective cup portion in the range of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m
  • An enamel substrate is provided.
  • the thickness of the electrode in the reflection cup portion is in the range of 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the present invention also includes a step of baking a hollow material on a core metal formed with a reflective cup portion having a flat bottom surface and a slope portion around the metal material to form a hollow layer, and the reflective cup portion Forming an electrode for energizing the light emitting element on the light emitting element mounting surface provided with a thickness of the electrode in the reflecting cup portion in a range of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • a method for manufacturing a hollow substrate for mounting a light emitting element is provided.
  • the electrode is preferably formed by printing a conductive paste on a hollow layer by a pad printing method and sintering it.
  • the present invention also provides a light emitting element module comprising the light emitting element mounting enamel substrate according to the present invention and the light emitting element mounted on the light emitting element mounting enamel substrate.
  • the present invention also provides a lighting device, a display device, and a traffic signal having the light emitting element module according to the present invention.
  • the invention's effect is to provide a lighting device, a display device, and a traffic signal having the light emitting element module according to the present invention.
  • the enamel substrate for mounting a light emitting element of the present invention has a thickness of the electrode in the reflection cup portion in the range of 5 ⁇ m to LOO m, so that heat dissipation, flatness of the reflection cup portion, and emission are achieved. It is possible to provide a light emitting element module that is excellent from any viewpoint of the amount of light.
  • a smoothing process for adjusting the shape of the electrodes in the reflecting cup portion is added, thereby improving the heat dissipation and the reflecting cup portion. Flatness and the amount of emitted light can be obtained.
  • the light-emitting element module of the present invention is formed by mounting the light-emitting element on the light-emitting element mounting enamel substrate according to the present invention described above, a light-emitting element module with a large amount of light with good heat dissipation of the substrate can be provided. .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of a light emitting element module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the cause of poor flatness of an electrode that occurs during electrode formation.
  • the present invention is a light emitting element mounting enamel substrate 1 having a reflective cup portion 7 on a light emitting element mounting surface, and at least electrodes 6 formed on the light emitting element mounting surface.
  • the optimum range of the thickness of the electrode 6 formed by baking on the reflecting cup portion 7 is proposed.
  • the present invention is characterized in that the thickness of the electrode 6 in the reflection cup portion 7 is in the range of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably in the range of 5 m to 50 m. This makes it possible to obtain a good substrate from the viewpoints of heat dissipation, flatness of the reflective cup portion, and the amount of emitted light.
  • the thickness of the electrode 6 in the reflecting cup 7 is less than 5 m, the appearance will be poor and sufficient heat dissipation will not be obtained.
  • the thickness of the electrode 6 in the reflection cup 7 is 100 m. If it exceeds, flatness will deteriorate even if a smoothing treatment after sintering, which will be described later, is performed, and it may be difficult to mount the light emitting element.
  • a smoothing process for adjusting the shape of the electrode 6 in the reflecting cup portion 7 is added, thereby providing better heat dissipation and flatness of the reflecting cup portion. The amount of light emitted can be obtained.
  • the basic configuration of the light-emitting element module according to the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, in which the surface of the core metal 4 is covered with a hollow layer 5, and a mortar-shaped reflection cup portion 7 is provided.
  • a light-emitting element mounting hollow substrate 1 having an electrode for energizing the light-emitting element 3 is provided on the light-emitting element mounting surface, and a light-emitting element 3 such as an LED is mounted on the bottom surface of the reflective cup portion 7 of the substrate.
  • the present invention is not limited to this. In the example of FIG.
  • the light emitting element 3 is mounted on one electrode of a pair of electrodes 6 and 6 extending to the bottom surface of the reflecting cup portion 7 and is electrically connected to the other electrode by a gold wire 8. ing.
  • the reflective cup portion 7 on which the light emitting element 3 is mounted is sealed with a sealing grease 9.
  • the reflection cup portion 7 is formed in a mortar shape or a groove shape having a flat bottom surface and a slope surface.
  • the slope angle of the slope surface is about 30 ° to 70 °, preferably about 40 ° to 60 °.
  • the material of the core metal 4 constituting the enamel substrate 1 for mounting the light-emitting element is not particularly limited as long as it is a metal capable of firmly forming the enamel layer 5 on the surface.
  • a low carbon steel plate Etc. are used.
  • the enamel layer 5 is formed by baking glass powder on the surface of the core metal 4.
  • the electrode 6 is preferably formed by printing and baking a conductive paste such as silver paste or copper paste along a predetermined pattern by a nod printing method.
  • the light emitting element 3 mounted on the enamel substrate 1 for mounting the light emitting element an LED is preferable.
  • white LED is preferable as the light emitting element 3.
  • a blue LED made of gallium nitride (GaN) semiconductor power is combined with one or more phosphors that are excited by blue light and emit visible light other than blue, such as yellow. It is desirable to use a white LED.
  • the phosphor is desirably mixed and dispersed in a sealing resin 9 for sealing a light emitting element mounted on a substrate.
  • the light emitting element 3 is mounted on the bottom surface of the reflection cup portion 7. One electrode terminal of the light emitting element 3 is electrically connected to one electrode 6, and the other electrode terminal of the light emitting element 3 is electrically connected to the other electrode 6 adjacent to each other by a wire 8 (bonding wire). Has been.
  • a metal plate for core metal production is prepared, cut into a desired shape, and further machined to form a desired number of reflecting cup portions 7 to be light emitting element mounting positions, thereby producing core metal 4. To do.
  • the core metal 4 is immersed in a liquid in which glass powder is dispersed in an appropriate solvent, a counter electrode is disposed in the vicinity of the core metal 4, and a voltage is applied between the core metal 4 and the counter electrode. Is applied, and the glass powder is electrodeposited on the surface of the core metal 4.
  • the core metal 4 is pulled up from the solution, dried, placed in a heating furnace and heated in a predetermined temperature range, and glass powder is baked on the surface of the core metal 4 to form a hollow layer 5 to produce a hollow substrate. To do.
  • a conductive paste such as a silver paste or a copper paste is printed along the formation pattern of the electrode 6 by a pad printing method and dried. This coating amount is adjusted so that the thickness of the electrode 6 in the reflection cup portion 7 is in the range of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably in the range of 5 ⁇ m to 50 ⁇ m after sintering. Thereafter, sintering is performed to form the electrode 6 and necessary circuits. By performing the above steps, the light-emitting element mounting enamel substrate 1 is obtained.
  • the pressed electrode 6 having a pressing surface conforming to the surface shape of the substrate, preferably a pressed member having an elastic material on the pressing surface, is preferably pressed against the sintered electrode 6 It is desirable to carry out the conversion process.
  • the light emitting element 3 is mounted on the bottom surface of the reflection cup portion 7 of the light emitting element mounting enamel substrate 1 manufactured as described above by die bonding, and wire bonding is performed. Electrically connects to electrode 6. Thereafter, a protective resin or a resin mixed and dispersed with a phosphor is filled and cured in the reflective cup portion 7 to seal the light emitting element 3 with the resin. Thereby, the light emitting element module 2 is manufactured.
  • Thickness of low carbon steel with a thickness of 1.5 mm is cut to a size of 10 x 10 mm, and is 0.6 mm deep, bottom diameter 2. Omm, tilt angle 45 degrees by drill or metal press A core metal was produced by forming a reflective cup part.
  • glass powder was sintered on the surface of the core metal on which the reflective cup portion was formed, and a 50 m thick enamel layer was formed to produce an enamel substrate.
  • the electrode pattern was printed with a silver paste and then dried.
  • the method for drying the conductive paste includes a step of drying the printed surface on which the conductive paste is printed in a far-infrared drying oven until the conductive paste is dry to the touch, and a printed material on which the conductive paste is touch-dried. Is dried by performing a complete drying process in a hot air circulating drying oven. Specifically, the printed material is first dried in a far-infrared drying oven until the conductive paste is dry to the touch. Finger touch drying is also called pre-drying, and is a state where the printed or applied conductive paste is dried to the extent that it does not adhere even if touched with a finger.
  • Far-infrared rays can heat a conductive paste with good penetration into the substance, and can be dried to some extent in a short time on both the surface and inside. For this reason, the evaporation of the solvent of the conductive paste is insufficient, the reaction of the resin is incomplete, and the original properties such as the hardness, adhesion and conductivity of the coating film are not obtained. It is dry enough to stack. The touch-dried substrates are stacked and dried completely in a hot air circulating drying oven.
  • the thickness of the silver paste to be printed was varied in the range of 5 to 100 m, and the flatness, appearance, and heat dissipation of the bottom face of the reflecting cup at that time were evaluated. Table 1 shows the results of evaluation of flatness and appearance.
  • the area required for mounting the light-emitting element was set to 500 m square at the center of the bottom of the reflector cup, and the maximum and minimum heights in that area were recorded.
  • the target value is within 10 / z m, and pass / fail was judged by that value.
  • a blue light emitting element (product name: XB900, manufactured by Cree) was die-bonded to the electrode of the substrate on the enamel substrate on which the electrode was formed, and further bonded to the opposite electrode using a gold wire. Thereafter, a sealing resin (thermosetting epoxy resin) was put in the reflection cup until the upper part was sufficiently raised by the surface tension.
  • the light emitting device module was left at a constant temperature, and the voltage value after 1 second was measured at a low current value (10 mA).
  • the reason for the low current value is that the device itself generates heat when a high current is applied, and the ambient temperature and the temperature of the device itself are added. Graph the relationship between voltage value and temperature.
  • the ambient temperature was room temperature (25 ° C). At that time, a current of 350 mA was applied for 1 hour, then the current value was reduced to 10 mA, and the voltage value at that time was read.
  • the relationship between the voltage value and the temperature was defined as the temperature (A) of the light emitting element, and the temperature (B) of the back surface of the substrate was simultaneously measured with a thermocouple.
  • the thermal resistance value was obtained by dividing the temperature difference (A ⁇ B) between the light emitting element and the backside of the substrate by the applied power (current X voltage).
  • the thermal resistance was almost constant at 17 to 18 ° CZW.
  • the average thickness of the electrode was 2., there was variation from place to place, and it was difficult to measure well. In other words, when the average thickness of the electrode on the bottom of the cup is 2, the temperature of the substrate is not uniform in the direction parallel to the substrate, and good heat dissipation is obtained.
  • the appropriate thickness of the electrode in the enamel substrate for mounting the light emitting element having the reflective cup portion was in the range of 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the thickness of the electrode on the light-emitting element mounting enamel substrate having the reflective cup portion can be improved by adding a smoothing step for adjusting the shape of the electrode in the reflective cup portion. It was confirmed that the value is suitable up to 100 ⁇ m.
  • a copper paste is used as the conductive paste, and the reflective cup portion is provided as in the first embodiment.
  • a hollow substrate was produced. Specifically, a reflective cup with a 1.5mm-thick low-carbon steel strip cut to a size of 10 x 10mm, a depth of 0.6mm, a bottom diameter of 2. lmm, and a slope angle of 45 degrees The surface of the metal plate was covered with glass to a thickness of 50 m. Next, an electrode was formed by pad printing with a copper paste as a conductive paste, and then dried.
  • the thickness of the copper paste to be printed was varied in the range of 2 to 300 ⁇ m, and the flatness, appearance, and heat dissipation of the bottom surface of the reflective power portion were evaluated.
  • the evaluation results are shown in Table 2.
  • the temperature of the substrate is not uniform in the direction parallel to the substrate, and good heat dissipation is obtained.
  • the case where one reflecting cup portion is formed on the enamel substrate has been described, but a plurality of reflecting cup portions may be provided on the enamel substrate.
  • the sealing resin may be a thermosetting or ultraviolet curable epoxy resin, or a silicone resin.
  • the light-emitting element used in the present invention may be a blue light-emitting element such as a nitride compound semiconductor or a green light-emitting element, or a red or infrared light-emitting element typified by GaP.
  • a blue light emitting element such as a nitride compound semiconductor is mounted, and a blue excited yellow light emitting phosphor such as yttrium 'aluminum' garnet phosphor activated with cerium is encapsulated in the encapsulated resin. It may be contained in a white LED.
  • a blue light emitting element such as a nitride compound semiconductor
  • a blue excited yellow light emitting phosphor such as yttrium 'aluminum' garnet phosphor activated with cerium is encapsulated in the encapsulated resin. It may be contained in a white LED.
  • a phosphor or the like since light is diffused, reflection on the surface of the reflection cup portion where the light hits the reflection cup portion becomes more important.

Abstract

 コア金属(4)の表面にホーロー層(5)が被覆されてなり、発光素子実装面に平坦な底面とその周囲のスロープ部とを有する反射カップ部(7)が設けられ、該発光素子実装面に発光素子(3)への通電用の電極(6)が設けられた発光素子実装用ホーロー基板(1)であって、前記反射カップ部(7)内の電極(6)の厚さが5μm~100μmの範囲である発光素子実装用ホーロー基板(1)である。

Description

明 細 書
発光素子実装用ホーロー基板とその製造方法、発光素子モジュール、照 明装置、表示装置及び交通信号機
技術分野
[0001] 本発明は、発光ダイオード (以下、 LEDと記す。)などの発光素子を複数個実装す るための発光素子実装用ホーロー基板に関し、特に、照明などの用途で、高密度に 発光素子を実装した場合に寸法精度と放熱性を向上させた発光素子実装用ホー口 一基板とその製造方法、該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、該発 光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。
本願は、 2005年 6月 7日に出願された特願 2005— 167499号に対し優先権を主 張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 近年、 LEDユニットなどの発光素子モジュールの製造方法にぉ 、ては、発光素子 を電子基板などに直接実装する、所謂チップ ·オン ·ボード方式と呼ばれる製法が主 流になりつつある。この方式は、電子基板上に砲弾型 LEDや表面実装型 LEDなど の発光素子を多数実装する形態に比べ、半製品プロセスが不要となり、構造も簡略 化できると 、う利点をもって 、る。
[0003] 一方、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って発光効率が低下してしまい、目標とする発光強 度が得られなくなる。
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くなる。
[0004] 発光素子を基板上に実装する場合、発光素子から発する光を効率的に前方に放 射するため、図 1に示すような、スロープ上の反射面を持つすり鉢状の反射カップ部 を設け、その底面上に発光素子を実装することが望ましい。反射カップ部をすり鉢形 状に形成することにより、光の方向を制御するとともに、発光素子を封止する榭脂を 保持する役割も持たせることができる。
[0005] これらの要求を鑑みて、光の取り出し効率に優れ、低コストで生産可能な発光素子 実装用基板として、ホーロー基板を使った基板などが考えられている。図 1は、このホ 一口一基板を使った発光素子モジュールを例示する断面図であり、この発光素子モ ジュール 2は、低炭素鋼板など力もなるコア金属 4の表面をガラス力もなるホーロー層 5で被覆してなり、すり鉢状の反射カップ部 7が設けられ、且つ反射カップ部 7が設け られた発光素子実装面に発光素子 3への通電用の電極 6が設けられた発光素子実 装用ホーロー基板 1を備え、この基板の反射カップ部 7底面上に LEDなどの発光素 子 3を実装して構成されている。発光素子 3は、反射カップ部 7の底面まで延設され た一対の電極 6, 6の一方の電極上に実装され、金線 8によって他方の電極と電気的 に接続されている。発光素子 3が実装された反射カップ部 7は、封止榭脂 9によって 封止されている。
[0006] このホーロー基板は、コア金属をカ卩ェすることにより自由な形状とすることができ、そ の形状のまま表面にガラス力 なるホーロー層を形成することができるので、任意の 形状をした状態で電気絶縁性も確保することができる。
[0007] 図 1に示すような反射カップ構造を持つホーロー基板は、そのコア金属を反射カツ プ部の形状となるように加工する必要がある。この加工方法としては、ドリルによる加 ェ、金属プレスによる絞り加工などが挙げられる力 生産性、加工コストの観点からプ レス力卩ェが好ましい。金属をカ卩ェした後は、ガラスなどの絶縁物を積層させ、発光素 子を実装する電極、あるいは電気回路を構成する電極を基板に形成することにより、 発光素子実装用ホーロー基板が得られる。
[0008] 反射カップ構造を持つ基板に電極を形成する方法としては、エッチングや導電べ 一ストの印刷による方法がある。エッチングによる電極形成はコストがかかるため、印 刷方法が現在の主流である。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0009] 図 1に示すような反射カップ構造を持つホーロー基板を作製する場合、ガラスなど 絶縁物を積層させた後、発光素子を実装する電極、あるいは電気回路を構成する電 極を形成する。この時、電極が厚い場合には、電極の平坦性が悪ぐ絶縁層が平坦 であっても電極が平坦でなくなってしまうという問題があった。特に、発光素子を実装 する箇所の電極は、平坦でないと発光素子を実装後の固着力が低くなるなど、実装 工程での不良が多発するという大きな問題がある。また、電極を銀のペーストなどで 印刷する場合、厚いと高コストになってしまうという問題もある。一方、電極が薄い場 合、熱伝導性、特に基板に平行な方向への熱伝導性が悪くなり、十分な放熱性が得 られなくなることが分力つた。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 可能性が高くなつてしまう。また、ガラス層が露出してしまう部分があると、その部分で の反射が悪くなり、全体として放出される光量が減ってしまうという問題もある。
[0010] 一方、反射カップ形状があるような基板に電極を形成するにあたり、一般的なスクリ ーン印刷では、凹部が深くなると印刷ができないという問題もある。インクジェットプリ ンタなどのインク噴出方式による印刷法もある力 インク噴出方式では、インクの噴出 方向と被印刷面とが垂直であることが要求される。そのため上記のようなカップ形状 を持つ基板に印刷するには必ずしも適してはおらず、傾斜している面と底面とを同様 な厚さに印刷を行うには工夫が必要になるという問題があった。
[0011] このような凹部内面を印刷できる装置として、パッド印刷装置がある。パッド印刷装 置は、印刷する画像に応じて凹部が形成された版面にインクを塗布することで、その 凹部に流れ込んだインクを、パッドと呼ばれるインク転写用の弾性を有する媒体を用 い、被印刷物上に転写することにより印刷を行うものである。そのようなパッドを用いる ことから、パッド印刷装置は、平面だけでなく曲面にも印刷できる、といった特徴を有 している。このパッド印刷方法の特徴を生かすことによって、すり鉢状の反射カップ部 内面側に電極を形成することが可能になる。しかし、このようなパッド印刷方法であつ ても、反射カップ部が深くなり、壁面の傾斜角度が大きくなると、図 2に示すように、反 射カップ部 7の底面とスロープ面との境界部がうまく印刷できなくなったり、底面が平 滑にならな 、などの問題があった。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明は前記事情に鑑みてなされ、放熱性に優れ、反射カップ部の底面平坦性に 優れた発光素子実装用ホーロー基板とその製造方法、該基板に発光素子を実装し た発光素子モジュール、該発光素子モジュールを有する照明装置、表示装置及び 交通信号機の提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、コア金属と、該コア金属の表面に被覆された ホーロー層と、発光素子実装面に設けられ、平坦な底面とその周囲のスロープ部とを 有する反射カップ部と、前記発光素子実装面に設けられ、前記反射カップ部内にお ける厚さが 5 μ m〜100 μ mの範囲である、発光素子への通電用の電極と、を備えた 発光素子実装用ホーロー基板を提供する。
[0013] 本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、前記反射カップ部内の電極の 厚さは、 5 μ m〜50 μ mの範囲であることが好ましい。
[0014] また本発明は、金属材に平坦な底面とその周囲のスロープ部とを有する反射カップ 部を形成したコア金属にホーロー材を焼き付けてホーロー層を形成する工程と、前 記反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、前記反射カップ部内の電極の厚さ が 5 μ m〜100 μ mの範囲となるように発光素子への通電用の電極を形成する工程 と、を備えた発光素子実装用ホーロー基板の製造方法を提供する。
[0015] 本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法において、前記電極は、パッド 印刷法によってホーロー層上に導電ペーストを印刷し、それを焼結して形成すること が好ましい。
[0016] 本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法において、反射カップ部内の 電極を焼結した後に、電極の平滑ィ匕を行うことが好ましい。
[0017] また本発明は、本発明に係る前記発光素子実装用ホーロー基板と、前記発光素子 実装用ホーロー基板に実装された発光素子と、を備えた発光素子モジュールを提供 する。
[0018] また本発明は、本発明に係る前記発光素子モジュールを有する照明装置、表示装 置及び交通信号機を提供する。 発明の効果
[0019] 本発明の発光素子実装用ホーロー基板は、反射カップ部内の電極の厚さを 5 μ m 〜: LOO mの範囲としたものなので、放熱性、反射カップ部の平坦性、放出される光 量のいずれの観点からも優れた発光素子モジュールを提供することができる。
本発明の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法において、電極を焼結した後 に、反射カップ部内の電極の形状を整える平滑ィ匕工程を加えることにより、より良好 な放熱性、反射カップ部の平坦性、放出される光量を得ることができる。
本発明の発光素子モジュールは、前述した本発明に係る発光素子実装用ホーロー 基板に発光素子を実装してなるものなので、基板の放熱性が良ぐ光量の多い発光 素子モジュールを提供することができる。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]図 1は、発光素子モジュールの構造を例示する断面図である。
[図 2]図 2は、電極形成時に生じる電極の平坦度悪ィ匕の原因を説明する断面図であ る。
符号の説明
[0021] 1 · · '発光素子実装用ホーロー基板、 2· · '発光素子モジュール、 3 · · '発光素子、 4
· · ·コア金属、 5 · · ·ホーロー層、 6 · · ·電極、 7· · ·反射カップ部、 8 · · ·金線、 9 · "封 止榭脂
発明を実施するための最良の形態
[0022] 本発明は、図 1に示すように、発光素子実装面に反射カップ部 7を有している発光 素子実装用ホーロー基板 1において、発光素子実装面に形成される電極 6の少なく とも反射カップ部 7に焼き付けて形成される電極 6の厚さの最適範囲を提案したもの である。本発明では、反射カップ部 7内の電極 6の厚さが 5 μ m〜100 μ mの範囲、 好ましくは 5 m〜50 mの範囲とすることを特徴としている。これにより、放熱性、反 射カップ部の平坦性、放出される光量のいずれの観点からも良好な基板を得ることが できる。反射カップ部 7内の電極 6の厚さが 5 m未満であると外観が不良となり、ま た十分な放熱性が得られなくなる。また、反射カップ部 7内の電極 6の厚さが 100 m を越えると、後述する焼結後の平滑化処理を行っても平坦度が悪くなり、発光素子を 実装しにくくなるおそれがある。
[0023] さらに、本発明では、電極 6を焼結した後に、反射カップ部 7内の電極 6の形状を整 える平滑ィ匕工程を加えることにより、より良好な放熱性、反射カップ部の平坦性、放出 される光量が得られるちのである。
[0024] 本発明に係る発光素子モジュールの基本的な構成は、例えば、図 1に示すように、 コア金属 4の表面をホーロー層 5で被覆してなり、すり鉢状の反射カップ部 7が設けら れ、且つ発光素子実装面に発光素子 3への通電用の電極が設けられた発光素子実 装用ホーロー基板 1を備え、この基板の反射カップ部 7底面上に LEDなどの発光素 子 3を実装して構成できる。し力しながら、本発明はこれに限定されない。図 1の例示 において、発光素子 3は、反射カップ部 7の底面まで延設された一対の電極 6, 6の 一方の電極上に実装され、金線 8によって他方の電極と電気的に接続されている。 発光素子 3が実装された反射カップ部 7は、封止榭脂 9によって榭脂封止されている
[0025] 反射カップ部 7は、平坦な底面とスロープ面とからなるすり鉢形状又は溝状に形成 されている。このスロープ面の傾斜角度は 30° 〜70° 程度、好ましくは 40° 〜60 ° 程度とされる。
[0026] 発光素子実装用ホーロー基板 1を構成しているコア金属 4の材料としては、表面に ホーロー層 5を強固に形成可能な金属であればよぐ特に限定されず、例えば低炭 素鋼板などが用いられる。また、ホーロー層 5は、ガラス粉末をコア金属 4の表面に焼 き付けて形成されている。また電極 6は、ノッド印刷法によって所定のパターンに沿つ て銀ペーストや銅ペーストなどの導電ペーストを印刷し、焼き付ける方法などによって 形成することが望ましい。
[0027] この発光素子実装用ホーロー基板 1に実装される発光素子 3としては LEDが好まし い。発光素子モジュール 2を照明装置に適用する場合、発光素子 3としては白色 LE Dが好ましい。この白色 LEDとしては、例えば、窒化ガリウム(GaN)系半導体力も作 られた青色 LEDと、青色光により励起されて黄色など青色以外の可視光を発する 1 種又は 2種以上の蛍光体とを組み合わせた白色 LEDなどを用いることが望ま U、。 なお、前記蛍光体は、基板に実装した発光素子を封止するための封止榭脂 9中に混 合、分散させて用いることが望ましい。
[0028] 発光素子 3は、反射カップ部 7底面上に実装されて 、る。発光素子 3の一方の電極 端子は一方の電極 6と電気的に接続され、また発光素子 3の他方の電極端子は、金 線 8 (ボンディングワイヤ)によって隣り合う他方の電極 6と電気的に接続されている。
[0029] 次に、前述した発光素子実装用ホーロー基板 1及びそれを用いた発光素子モジュ ール 2の製造方法を説明する。
まず、コア金属作製用の金属板を用意し、これを所望形状に切り出し、さらに機械 加工を施して、発光素子実装位置となる反射カップ部 7を所望の個数形成し、コア金 属 4を作製する。
[0030] 次に、ガラス粉末を適当な溶媒に分散した液中に前記コア金属 4を浸漬し、前記コ ァ金属 4の近傍に対向電極を配置し、コア金属 4と該対向電極間に電圧を印加し、ガ ラス粉末をコア金属 4の表面に電着させる。電着後、液中からコア金属 4を引き上げ て乾燥し、加熱炉に入れて所定温度域で加熱し、コア金属 4の表面にガラス粉末を 焼き付け、ホーロー層 5を形成してホーロー基板を作製する。
[0031] 次に、パッド印刷法によって、電極 6の形成パターンに沿って銀ペーストや銅ぺー ストなどの導電ペーストを印刷し、乾燥させる。この塗布量は、焼結後に反射カップ部 7内の電極 6の厚さが 5 μ m〜100 μ mの範囲、好ましくは 5 μ m〜50 μ mの範囲と なるように調整される。その後、焼結して電極 6及び必要な回路を形成する。以上の 各工程を行うことで、発光素子実装用ホーロー基板 1が得られる。
[0032] 印刷した導電ペーストを焼結した後、基板の表面形状に適合する押し面を持つ押 圧部材、好ましくは弾性材料を押し面に有する押圧部材によって焼結後の電極 6を 押圧する平滑化処理を行うことが望ま ヽ。
[0033] 次に、前記のように作製した発光素子実装用ホーロー基板 1の反射カップ部 7底面 上にダイボンディングによって発光素子 3を実装し、ワイヤボンディングを行 ヽ金線 8 によって発光素子 3と電極 6とを電気的に接続する。この後、反射カップ部 7内に保護 用の榭脂、あるいは、蛍光体を混合、分散させた榭脂を充填、硬化させ、発光素子 3 を榭脂封止する。これによつて発光素子モジュール 2が作製される。 実施例 1
[0034] 厚さ 1. 5mmの低炭素鋼の条材を 10 X 10mmのサイズに裁断し、ドリルや金属プ レスカ卩ェにより、深さ 0. 6mm,底部直径 2. Omm、傾斜角度 45度とした反射カップ 部を形成してコア金属を作製した。
次に、反射カップ部を形成したコア金属の表面にガラス粉末を焼結し、厚さ 50 m のホーロー層を形成してホーロー基板を作製した。
次に、導電ペーストとして銀ペーストを用い、前記ホーロー基板の表面に、ノッド印 刷により電極パターンを印刷した。なお、電極の作製方法は、特開平 8— 295005号 公報に開示されて 、る方法を用 、て行つた。
[0035] 銀ペーストで電極パターンを印刷後、乾燥させた。導電ペーストの乾燥方法は、前 記導電ペーストが印刷された被印刷面を遠赤外線乾燥炉中で導電ペーストが指触 乾燥するまで乾燥させる工程と、前記導電ペーストが指触乾燥された被印刷体を熱 風循環乾燥炉中で完全乾燥させる工程とを行うことにより乾燥する。具体的には、ま ず、被印刷体を遠赤外線乾燥炉中で導電ペーストが指触乾燥するまで乾燥させる。 指触乾燥は、仮乾燥とも呼ばれ、印刷または塗布された導電ペーストが指で触れて も付着しな 、程度に乾燥されて 、る状態である。遠赤外線は物質内部への浸透性が 良ぐ導電ペーストを内部力 加熱することが可能であり、その表面及び内部ともに短 時間である程度乾燥させることができる。このため、導電ペーストの溶剤の蒸発は不 十分で、榭脂の反応も不完全であり、塗膜の硬度、密着性、導電性等は本来の特性 が得られていないが、被印刷体を積み重ねるには十分乾燥している。この指触乾燥 した被印刷物を積み重ね、熱風循環乾燥炉中で完全乾燥させる。
[0036] 印刷する銀ペーストの厚さを 5 〜 100 mの範囲を目標として変量し、その時の 反射カップ部底面の平坦度、外観、放熱性について評価した。平坦度と外観の評価 結果を表 1に示す。
[0037] [表 1] カツフ底面の
平滑化工程 反射カップ底面の平坦度
電極の平均厚 [ m] 外観
の有無 (判断基準: 10 ju m以内)
(測定値)
実施例 1 無 4.9 O 良
実施例 2 無 1 1 OK 良
実施例 3 24 OK 良
実施例 4 50 OK 良
実施例 5 75 NG (高低差 13〃 m) 良
実施例 6 有 72 OK 良
実施例フ 無 104 NG (高低差 19 y m) 良
実施例 8 有 101 OK 良
比較例 1 303 NG (高低差 27 m) 良
比較例 2 有 297 NG (高低差 M m) 良
比較例 3 無 2.2 OK 不良
[0038] 反射カップ部の平坦度の評価については、以下の通り行った。
発光素子の実装に必要なエリアを、反射カップ部底面の中央の位置で 500 m角 とし、そのエリア内の高さの最大値—最小値を記録した。 10 /z m以内が目標値であり 、その値で良否を判定した。
[0039] カップ底面の銀ペーストの平均厚さが 5 μ m〜50 μ mの場合には、電極焼結後の 平滑ィ匕を行わなくても十分な平坦度が得られ、外観も問題な ヽことが分かった (実施 例 1〜4)。一方、カップ底面の銀ペーストの平均厚さが 50 mより厚い場合は、焼結 後の状態では十分な平坦度が得られないことが分力つた (実施例 5, 7、比較例 1)。 そこで、焼結後、電極に対し弾性を有する媒体を用いて押し付ける工程を加えて、平 坦度を測定した。その結果、カップ底面の銀ペーストの平均厚さが 100 mまでは十 分な平坦度が得られることが分かった (実施例 6, 8)。しかし、銀ペーストの平均厚さ 力 mの場合には、平滑ィ匕工程をカ卩えても十分な平坦度は得られないことが分 かった (比較例 2)。
[0040] 一方、カップ底面の電極の平均厚さが 2. 2 μ mの場合には、下層のホーロー層が 剥き出しになっている部分があり、外観上不良となることが分力つた。特に、発光素子 を実装する箇所は、下層が剥き出しになっていると断線することになつてしまう。 つまり、
〜5 /ζ πι:外観上不良。
5 μ m〜50 μ m:電極焼結後の平滑ィ匕を行わなくても十分な平坦度が得られる。 50 πι〜100 /ζ m:電極焼結後の平坦ィ匕を行うことで、十分な平坦度が得られる。 100 μ m以上:十分な平坦度が得られな!/ヽ。
[0041] 放熱性の評価は、以下の通り行った。
電極を形成したホーロー基板に青色発光素子 (Cree社製、商品名 XB900)を銀べ 一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、その上部が表面張力で十分盛り上がるまで封止榭脂 (熱硬化性のェポ キシ榭脂)を反射カップ部内に入れた。
最初に一定温度の状態に上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°C)とし、そのとき 350mAの電流を 1時間通電し、その後 10 mAまで電流値を落とし、そのときの電圧値を読み取った。
前記の電圧値と温度の関係力 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の温度差 (A— B)を、投入した電力(電流 X電 圧)で割ることにより求めた。
[0042] その結果、反射カップ部底面の銀ペーストの平均厚さが 5 μ m以上の厚さのもので は、熱抵抗が 17〜18°CZWとほぼ一定であつたが、反射カップ部底面の電極の平 均厚さが 2. の場合には、場所ごとにばらつきがあり、うまく測定できな力つた。 つまり、カップ底面の電極の平均厚さが 2. の場合には、基板の温度が基板に 平行な方向に不均一であり、良好な放熱性が得られて 、な 、。
[0043] 以上の結果から、反射カップ部を持つ発光素子実装用ホーロー基板における電極 の厚さは、 5 μ m〜50 μ mの範囲が適当であることを確認した。また、電極を焼結し た後に、反射カップ部内の電極の形状を整える平滑ィ匕工程を加えることでより平坦ィ匕 すれば、反射カップ部を持つ発光素子実装用ホーロー基板における電極の厚さは 1 00 μ mまでであれば、適当であることを確認した。
実施例 2
[0044] 導電ペーストとして銅ペーストを用い、前記実施例 1と同様に、反射カップ部を持つ ホーロー基板を作製した。具体的には、 1. 5mm厚の低炭素鋼の条材を 10 X 10m mのサイズに裁断し、深さ 0. 6mm、底部直径 2. lmm、スロープ部の角度 45度とし た反射カップ部の成型を行い、金属板の表面をガラスで 50 m厚で被覆した。次に 、導電ペーストとして銅ペーストで電極をパッド印刷により形成し、その後、乾燥させ た。
[0045] 次に、印刷する銅ペーストの厚さを 2〜300 μ mの範囲で変量し、その時の反射力 ップ部底面の平坦度、外観、放熱性について評価した。その評価結果を表 2に示す
[0046] [表 2]
Figure imgf000013_0001
[0047] その結果、銀ペーストの場合と全く同様に、
〜5 /ζ πι:外観上不良。
5 μ m〜50 μ m:電極焼結後の平滑ィ匕を行わなくても十分な平坦度が得られる。 50 πι〜100 /ζ m:電極焼結後の平坦ィ匕を行うことで、十分な平坦度が得られる。 100 μ m以上:十分な平坦度が得られな!/ヽ。
となることが分力つた。
[0048] 放熱性についても全く同様であり、カップ底面のペーストの平均厚さが 5 μ m以上 の厚さのものでは、熱抵抗が 17〜18°CZWとほぼ一定であつたが、カップ底面の電 極の平均厚さが 2. 6 mの場合には、場所ごとにばらつきがあり、うまく測定できなか つた o
つまり、カップ底面の電極の平均厚さが 2. 6 /z mの場合には、基板の温度が基板に 平行な方向に不均一であり、良好な放熱性が得られて 、な 、。 [0049] 前述した実施例では、ホーロー基板に 1個の反射カップ部を作製した場合につい て説明したが、ホーロー基板上に複数の反射カップ部を設けてもよい。
封止榭脂は熱硬化性、紫外線硬化性のエポキシ榭脂でも、シリコーン榭脂などでも よい。
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 素子でも良ぐ GaPに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、封止榭脂中に例えば、 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榭脂中に含有させ、白色 LEDとしてもよい。特に、蛍光体など を反射カップ部内に分散させる場合には、光が拡散されるため反射カップ部に当た る光が多ぐ反射カップ部表面の反射がより重要となる。
産業上の利用可能性
[0050] 本発明の活用例として、 LEDなどの発光素子を複数個実装するための発光素子 実装用ホーロー基板への適用が好適である。

Claims

請求の範囲
[1] コア金属と、
該コア金属の表面に被覆されたホーロー層と、
発光素子実装面に設けられ、平坦な底面とその周囲のスロープ部とを有する反射 カップ部と、
前記発光素子実装面に設けられ、前記反射カップ部内における厚さが 5 m〜: LO O /z mの範囲である、発光素子への通電用の電極と、を備えた発光素子実装用ホー ロー基板。
[2] 前記反射カップ部内の電極の厚さが 5 m〜50 mの範囲である請求項 1に記載 の発光素子実装用ホーロー基板。
[3] 金属材に平坦な底面とその周囲のスロープ部とを有する反射カップ部を形成したコ ァ金属にホーロー材を焼き付けてホーロー層を形成する工程と、
前記反射カップ部が設けられた発光素子実装面に、前記反射カップ部内の電極の 厚さが 5 μ m〜 100 mの範囲となるように発光素子への通電用の電極を形成する 工程と、を備えた発光素子実装用ホーロー基板の製造方法。
[4] 前記電極が、パッド印刷法によってホーロー層上に導電ペーストを印刷し、それを 焼結して形成される請求項 3に記載の発光素子実装用ホーロー基板の製造方法。
[5] 反射カップ部内の電極を焼結した後に、電極の平滑ィ匕を行う請求項 4に記載の発 光素子実装用ホーロー基板の製造方法。
[6] 請求項 1に記載の発光素子実装用ホーロー基板と、前記発光素子実装用ホーロー 基板に実装された発光素子と、を備えた発光素子モジュール。
[7] 請求項 6に記載の発光素子モジュールを有する照明装置。
[8] 請求項 6に記載の発光素子モジュールを有する表示装置。
[9] 請求項 6に記載の発光素子モジュールを有する交通信号機。
PCT/JP2006/311093 2005-06-07 2006-06-02 発光素子実装用ホーロー基板とその製造方法、発光素子モジュール、照明装置、表示装置及び交通信号機 WO2006132147A1 (ja)

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