(57)【要約】【課題】サブマウント基板と金属基板とを接着する接着剤層の熱膨張に起因する熱抵抗の増加を防止し、効率的な放熱が可能な発光装置を提供する。【解決手段】金属基板１１の上に、熱伝導性フィラーを含む接着剤層１４を介して、ＬＥＤ素子１３を実装したサブマウント基板１２を固定してなる発光装置であって、一端がサブマウント基板１２のＬＥＤ素子搭載面に当接し、他端が金属基板１１に固定された固定部材１５を備える。固定部材１５は熱膨張率が接着剤層１４の熱膨張率より低い材料から成る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板の上に、熱伝導性フィラーを含む接着剤層を介して、ＬＥＤ素子を実装したサブマウント基板を固定してなる発光装置であって、
一端が前記サブマウント基板のＬＥＤ素子実装面に当接し、他端が前記金属基板に固定された固定部材を備え、前記固定部材は熱膨張率が前記接着剤層の熱膨張率より低い材料から成ることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発光装置であって、
前記固定部材は、少なくとも前記サブマウント基板の対向する二辺に設けられることを特徴とする発光装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発光装置であって、
前記固定部材の他端は、溶接によって前記金属基板に固定されていることを特徴とする発光装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記固定部材は線熱膨張係数が１０［１０−６／℃］以下であることを特徴とする発光装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記固定部材は負の熱膨張率を有する材料から成ることを特徴とする発光装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光装置であって、前記固定部材は、鉄・ニッケル系合金、鉄・ニッケル・クロム合金、タングステン、タンタル、ハフニウム、モリブデン、ジルコニウムから選ばれる金属材料、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ジルコニウムから選ばれるセラミックス材料、または、シリコン酸化物、ニッケル酸化物、マンガン窒化物、鉄酸化物、タングステン酸化物から選ばれる負熱膨張率材料から成ることを特徴とする発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属基板上にＬＥＤ発光素子を搭載した発光装置に係り、特にＬＥＤ発光素子が実装されるサブマウント基板を金属基板に接着剤で固定した発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ発光素子を用いた発光装置は、多くの場合、ＬＥＤ素子を実装したセラミック製のサブマウント基板を金属基板上に固定した構造を持つ。サブマウント基板と金属基板は、フィラーを含む接着剤で固定されている（特許文献１）。一般に、ＬＥＤ素子は駆動され発光すると発熱するが、上記構造の発光装置の場合、この熱はＬＥＤ素子からサブマウント基板、接着剤層、金属基板へと順に伝導される。この際、フィラー含有接着剤は、サブマウント基板と金属基板の熱膨張率の差を緩和し、ＬＥＤ素子の駆動に伴い発熱した熱を金属基板側に伝導する機能を果たしている。このためフィラーとしては、カーボンや銀などの熱伝導率のよい材料が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９８６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したとおりＬＥＤ素子が発した熱がサブマウント基板から接着剤層に伝達され、接着剤層が加熱されると、その主成分である樹脂は熱膨張率が大きいため、熱によって膨張し、厚みが厚くなる。この様子を図９に模式的に示す。図９中（ａ）は熱膨張前の接着剤層を示し、（ｂ）は熱膨張によって厚みが厚くなった接着剤層を示している。図９（ａ）に示すように、フィラー粒子は、通常は接着剤層の主成分である樹脂中に粒子どうしが密着した状態で存在しているが、接着剤層の厚みが厚くなると、図９（ｂ）に示すように、フィラー粒子の凝集が弱くなり、粒子間に間隙ができ、フィラーによる熱伝導性が低下する。一般に接着剤である樹脂は熱伝導率がフィラーの熱伝導率に比べ格段に低い（例えば０．１Ｗ／ｍ・Ｋのオーダーである）ため、接着剤層の熱抵抗が高くなる。これにより接着剤層を介した金属基板への効率的な熱伝導が妨げられ、結果として製品性能の劣化を招くおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような接着剤の熱膨張に起因する熱抵抗の増加を防止し、効率的な放熱が可能な発光装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光装置は、金属基板とサブマウント基板との間に厚み方向の変化を防止する固定部材を設けることにより、上記課題を解決する。
【０００７】
すなわち本発明の発光装置は、金属基板の上に、熱伝導性フィラーを含む接着剤層を介して、ＬＥＤ素子を実装したサブマウント基板を固定してなる発光装置であって、一端が前記サブマウント基板のＬＥＤ素子搭載面に当接し、他端が前記金属基板に固定された固定部材を備え、前記固定部材は熱膨張率が前記接着剤層の熱膨張率より低い材料から成ることを特徴とする発光装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、固定部材によって金属基板とサブマウント基板との間にある接着剤層の熱膨張が抑制される。これにより接着剤層に含まれるフィラーの凝集状態を保つことができ、接着剤層における良好な熱伝導性を維持し、ＬＥＤ素子からの熱を放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の発光装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の発光装置の一実施形態を示す上面図、（ｂ）及び（ｃ）は変更例を示す。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の発光装置の固定部材と金属基板との固定構造例を示す図。
【図４】本発明の発光装置の製造方法の一例を示す図。
【図５】固定部材の変更例を示す図。
【図６】実施例の発光装置における温度と熱抵抗との関係を示すグラフ。
【図７】従来装置における接着剤層の温度による膜厚変化を示すグラフ。
【図８】従来装置における接着剤層の温度と熱抵抗との関係を示すグラフ。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、熱による接着剤層の熱伝導性の変化を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の発光装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の発光装置の一実施形態を示す図である。この発光装置は、アルミニウム等の金属基板１１の上に、接着剤層１４を介して、ＬＥＤ発光素子１３が実装されたサブマウント基板１２を固定した構造を有する。
【００１１】
ＬＥＤ発光素子１３は、公知の青色等の光を発光するＬＥＤ発光素子、或いはこのようなＬＥＤ発光素子と蛍光体等の波長変換材料とを組み合わせた発光素子であり、フェイスアップ素子、フリップ素子、ＭＢ素子など任意のタイプの発光素子を用いることができる。またその構造は、ＬＥＤ発光素子を蛍光体含有樹脂の層で覆った構造、ＬＥＤ発光素子の上に蛍光体プレートを重ねた構造など種々の構造をとりえる。
【００１２】
サブマウント基板１２は、ＬＥＤ発光素子１３に電力を供給するための回路パターンが形成されたセラミック製の基板で、表面にＬＥＤ発光素子１３の電極と電気的な接続を図るための電極が形成されている。電極は、ＬＥＤ発光素子１３のタイプによって異なるが、ＬＥＤ発光素子１３とはＡｕバンプ、はんだ材料、リード線（不図示）等で接続されている。
【００１３】
金属基板１１は、ＬＥＤ発光素子１３が実装されたサブマウント基板１２を、発光装置が適用される灯具等に固定するための基板となるもので、図１では平板状の部材として示しているが、適用する灯具等によって種々の形状を取りえる。
【００１４】
接着剤層１４は、主として、接着剤とフィラーを含む。接着剤としては、耐熱性の高い樹脂が用いられる。特に金属基板とセラミック製のサブマウント基板の熱膨張差を緩和させ、熱衝撃によるクラックの発生、剥離を防止するため、低弾性を有するシリコーン系樹脂が好適である。フィラーは接着剤層の熱伝導性を高めるために添加される。フィラーとしては、銀、カーボン等の熱伝導率の高い微粒子を用いることができ、特に熱伝導率が高い（４２９［Ｗ／ｍ・Ｋ］）の銀が好適である。なおフィラーは適宜、混合して用いてもよい。
【００１５】
接着剤層１４におけるフィラーの含有量は、特に限定されるものではないが、接着剤層全体に対し１０〜９０重量％、好ましくは３０〜８０重量％用いられる。このような顔料の範囲において、図９（ａ）に示したように、フィラーは微粒子が凝集した状態で樹脂中に分散し、熱伝導体として機能することができる。
【００１６】
接着剤層の厚みは、特に限定されるものではないが、１０〜３０μｍ程度である。
【００１７】
固定部材１５は、接着剤層１４の厚み方向の熱膨張を抑制するために設けられる部材であり、熱膨張率が接着剤層の熱膨張率より低い材料からなる。接着剤層の熱膨張率は、フィラーの含有量によっても若干異なるが、フィラー自体は数ｐｐｍ程度の低い熱膨張率であり樹脂の熱膨張率が支配的である。例えば接着剤層の樹脂がシリコーン系樹脂の場合、線熱膨張係数が数１０〜数１００［１０−６／℃］である。本実施形態の固定部材１５は、このような接着剤層の熱膨張率よりも熱膨張率が低い材料、好ましくは線熱膨張係数が１０［１０−６／℃］以下の材料を用いる。具体的には、鉄・ニッケル系合金、鉄・ニッケル・クロム合金（コバール）、チタン、タングステン、タンタル、ハフニウム、モリブデン、ジルコニウム等の金属材料や、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム等のセラミックス材料を用いることができる。また熱膨張率が１［１０−６／℃］以下のゼロ熱膨張材料や熱膨張率が負である負熱膨張材料を用いてもよい。負の熱膨張率を有する材料として、具体的には、シリコン酸化物、ニッケル酸化物、マンガン窒化物、鉄酸化物、タングステン酸化物、チタン酸アルミニウムなどが挙げられる。
【００１８】
固定部材１５は、サブマウント基板１２のＬＥＤ素子の搭載面に当接する部分と金属基板に接合される端部を持ち、断面の形状は、図１に示すように鍵型（Ｌ字状）である。具体的には、サブマウント基板１２の表面に当接する面を持つ水平部１５ａとこの水平部１５ａと金属基板１１とを連結する垂直部１５ｂとからなり、垂直部１５ｂの端部が金属基板１１に溶接によって固定されている。垂直部１５ｂの端部が金属基板１１に固定された状態で、水平部１５ａの下面はサブマウント基板１２の表面に密着している。すなわち、固定部材１５は、金属基板１１の上面から、サブマウント基板１２に接する水平部１５ａの下面までの高さが、接着剤層１４とサブマウント基板１２の厚みの合計と同じである。これにより、接着剤層１４の熱膨張を抑制し、熱膨張に伴う熱抵抗の増大を防止できる。
【００１９】
固定部材１５の上面から見た形状は、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、長方形であり、サブマウント基板１２の対向する二辺に沿って一対の固定部材を設けている。サブマウント基板１２の辺に沿った固定部材１５の長さは、図２（ａ）に示すように、サブマウント基板１２の一辺の長さと同程度としてもよいし、それより短くてもよい。また変更例として、図２（ｂ）に示すように、垂直部１５ｂを四角柱状として、サブマウント基板１２の外周を取り囲むようにしてもよいし、図２（ｃ）に示すように、サブマウント基板１２の対向する２つの角部或いは４つの角部に、隣接する辺を跨ぐように固定部材１５を取り付けることも可能である。
【００２０】
上述した固定部材１５の形状や配置は、サブマウント基板１２上にあるＬＥＤ発光素子１３との接続端子の位置や大きさに応じて、適宜選択、変更することができる。例えば、ＬＥＤ発光素子１３の電極との接続端子が、サブマウント基板１２の一つの辺の近傍にある場合には、その辺に直交する二辺に沿って固定部材１５を配置することができる。
【００２１】
固定部材１５の垂直部１５ｂの厚みは、特に限定されるものではないが、「固定部材１５の剛性」が「接着剤層の樹脂による熱応力」より大きくなるように、材料との関係で決める。固定部材１５の水平部１５ａがサブマウント基板１２と当接している領域の面積についても、「固定部材１５の剛性」が「接着剤層の樹脂による熱応力」より大きいという関係を保つことができればよいが、十分にサブマウント基板１２と接触し、これを固定するために、サブマウント基板１２端部からの幅が１００μｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
次に上記構成の発光装置の製造方法の一例を、図４を参照して、説明する。
まずＬＥＤ発光素子１３をサブマウント基板１２に実装し、機械的且つ電気的に固定する（Ｓ４０１）。一方、金属基板１１の、サブマウント基板１２を固定する領域の周囲に、固定部材１５の垂直部１５ｂを溶接により固定するためのザグリ穴１１ａを形成する（Ｓ４０２）。ザグリ穴の形状は、図３（ａ）に示すように断面が四角形の形状であってもよいし、（ｂ）に示すように断面が三角形であってもよい。ザグリ穴を設ける位置及びその上面の形状は、採用する固定部材１５の形状によって異なる。
【００２３】
また別に低熱膨張率材料から成る固定部材１５を用意する（Ｓ４０３）。この固定部材１５の垂直部１５ｂの端部は、金属基板１１のザグリ穴１１ａの形状に嵌合する形状に形成されている。
【００２４】
ザグリ穴を形成した金属基板１１の所定の位置に、ＬＥＤ発光素子１３を実装後のサブマウント基板１２を、フィラー入り接着剤で固定し、接着剤を硬化させて接着剤層１４を形成する（Ｓ４０４）。その後、用意した固定部材１５の垂直部１５ｂの端部を金属基板１１のザグリ穴１１ａに嵌合する。このとき水平部１５ａは、サブマウント基板１２に密着する。その後、固定部材１５の端部と金属基板１１を溶接によって接合する（Ｓ４０５）。
【００２５】
なお固定部材１５が、セラミックスの場合には、予めセラミックの全体或いは溶接すべき一部を、モリブデン、金、白金等の金属でメタライズをして置き、固相接合法や溶接法により接合する。なおメタライズは、モリブデンの場合、Ｍｏ−Ｍｎ法、金や白金の場合貴金属法で行うことができる。また、貴金属とセラミックの応力を緩和するために、これらの間に銅やアルミニウム等の軟金属中間層をメッキ等で形成しておいてもよい。これにより熱歪を緩和することができる。
なお以上は本発明の発光装置の製造方法の一例であって、本発明の発光装置の製造方法は上記方法に限定されるものではない。
【００２６】
本実施形態の発光装置によれば、固定部材１５によって、ＬＥＤ素子１３を実装したサブマウント基板１２が金属基板１１に対し固定され、接着剤層１４の熱膨張が抑制されるので、熱膨張に伴う熱抵抗の増加を確実に防止することができる。また接着不良によるサブマウント基板１２の剥がれ落ちも併せて防止することができる。
【００２７】
以上、本発明の発光装置の一実施形態を説明したが、本発明の発光装置は上記説明に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、図１では金属基板上に一つのＬＥＤ素子を実装している例を示したが、ＬＥＤ素子が複数実装されたマルチチップタイプの発光装置であっても同様に適用することができる。
【００２８】
また固定部材１５として、垂直な面と水平な面を持つ断面が鍵型の部材を示したが、固定部材１５は、金属基板上面からサブマウント基板表面に当接する面までの高さが一定（接着剤層とサブマウント基板の厚みの合計と同じ）であれば、その他の面の形状は任意であり、傾斜を持っていたり曲面であったりしてもよい。例えば、図５に示すように、水平部１５ａの端部を光反射性の傾斜面としてもよい。これによりＬＥＤ素子１３が側面からも発光する素子の場合、その側面からの光を上側（光出射側）に向けて発光効率を高めることも可能である。
【００２９】
また固定部材１５を溶接するために金属基板１１に形成するザグリ穴の形状も図３に示す形状に限定されないし、ザグリ穴ではなく貫通孔とすることも可能である。この場合には、固定部材１５の垂直部１５ｂを貫通孔に挿入して、水平部１５ａがサブマウント基板１２に密着するまで押圧した状態で、固定部材１５を金属基板１１に接合すればよいので、固定部材１５及びザグリ穴に高い寸法精度が要求されずに、固定部材１５の高さ（金属基板からサブマウント基板表面に当接する面までの高さ）を接着剤層とサブマウント基板の厚みの合計に一致させることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００３１】
＜実施例＞
ＬＥＤ素子を実装したサブマウント基板（窒化アルミニウム製、縦×横：５ｍｍ×３ｍｍ、厚み：０．５ｍｍ）を用意した。銅基板（厚み１．０ｍｍ）に、マイクロマシンを用いて、サブマウント基板の幅（３ｍｍ）に相当する間隔を持って、図３（ａ）に示すような、ザグリ穴（縦：４ｍｍ、横：０．３ｍｍ、深さ：０．５ｍｍ）を２つ形成した。次いで、２つのザグリ穴の間の領域に、ＬＥＤ素子を実装したサブマウント基板をＡｇフィラー入りシリコーン系接着剤で接着し発光装置を作製した。接着剤は、シリコーン樹脂（線熱膨張係数２００［１０−６／℃］）にＡｇフィラーを７０重量％の含有量で分散したものであり、接着剤層の厚みは１５μｍとした。
【００３２】
次いで図２（ａ）に示すような、鍵型のコバール製固定部材（線熱膨張係数：約５［１０−６／℃］）（垂直部の端部から水平部の下面までの高さ＝０．５ｍｍ+１５μｍ+０．５ｍｍ、水平部の幅＝金属基板との接触面の幅：０．３ｍｍ）を作製し、この一端を金属基板のザグリ穴に挿入し、固定部材の水平部がサブマウント基板に密着した状態で、固定部材と金属基板をスポット溶接した。
【００３３】
こうして作製した発光装置のＬＥＤ素子を駆動させて、温度変化に伴う熱抵抗（℃／Ｗ）の変化を測定した。測定方法は、過渡熱抵抗測定法を用いた。結果を図５に示す。図５のグラフからわかるように、温度を上昇させても熱抵抗はわずかな上昇がみられるだけでほとんど変化しなかった。なお熱抵抗のわずかな上昇はＡｇの熱伝導率の温度依存性によるものと推定される。
【００３４】
＜比較例＞
金属基板にザグリ穴を形成せず、固定部材を設けない以外は、実施例と同様にして発光装置を作製した。
【００３５】
この発光装置について、ＬＥＤ素子を駆動させた場合の温度上昇に伴う接着剤の膜厚の変化及び熱抵抗の変化を測定した。結果を図６及び図７に示す。図６に示すグラフからわかるように比較例の発光装置では、温度の上昇に伴いほぼ直線的に膜厚が増加した。またこれに伴い熱抵抗が上昇した。
【００３６】
これら実施例及び比較例の結果から、固定部材が接着剤の熱膨張を抑制しフィラーの凝集状態を維持していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の発光装置は、高出力の発光装置に多用されている構造の発光装置に好適に適用することができ、温度上昇による製品性能の劣化を防止することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１１・・・金属基板、１１ａ・・・ザグリ穴、１２・・・サブマウント基板、１３・・・ＬＥＤ素子、１４・・・接着剤層、１５・・・固定部材、１５ａ・・・水平部、１５ｂ・・・垂直部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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