(57)【要約】【課題】  高い熱伝導性と高い実装精度と高い生産性とを同時に満たすことができる発光素子実装用基板、発光素子モジュール、表示装置、照明装置及び交通信号機の提供。【解決手段】  コア金属をホーロー層で覆ってなり、外縁部の少なくとも一片側に搬送・位置決め用の複数個の貫通孔又は凹凸構造を有することを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板。この発光素子実装用ホーロー基板に発光素子が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュール。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア金属をホーロー層で覆ってなり、外縁部の少なくとも一片側に搬送・位置決め用の複数個の貫通孔又は凹凸構造を有することを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板。
【請求項２】
発光素子実装部に反射カップを有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子実装用ホーロー基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発光素子実装用ホーロー基板に発光素子が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の発光素子モジュールを有する照明装置。
【請求項５】
請求項３に記載の発光素子モジュールを有する表示装置。
【請求項６】
請求項３に記載の発光素子モジュールを有する交通信号機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を基板に実装する発光素子実装用ホーロー基板、該基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、この発光素子モジュールを用いた照明装置、表示装置及び交通信号機に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置、表示装置及び交通信号機などにＬＥＤ等の発光素子を採用する場合、発光素子の発光強度が重要課題となる。発光素子の発光強度を向上する手段として、発光素子に注入する電力を大きくすることが考えられる。発光素子に注入する電力を大きくする場合、電力の大きさに応じて発光素子の光強度は増大するが、同時に発光素子の発熱量が増大し、発光効率低下をまねいてしまう。このため、高い発光強度が必要な発光素子モジュールでは、アルミ積層基板やセラミック基板など放熱性の良い基板を用いるのが一般的である。
【０００３】
また、発光素子を照明装置、表示装置に用いる場合には、複数の発光素子を基板上に一定の間隔で縦横に配置するため、基板へ発光素子を実装する際の位置精度が重要課題となる。発光素子を基板に実装するには、基板に接合材を塗布した上に発光素子を搭載するダイボンダや、素子表面の電極パッドと基板上の電気回路を金ワイヤでつなぐワイヤボンダなどの装置を用いる。ダイボンダでは、図４に示すように、搬送路３に挿入された基板１をピン５や爪を持った機械アーム４で引っかけ、発光素子を実装する領域まで搬送し、位置決めを行ってから発光素子を実装する。このため、基板１にはピン５や爪を引っかけるための貫通孔２が設けられているのが一般的である。
【０００４】
この方法で発光素子を実装する場合、実装精度は基板の搬送と位置決めの精度で決定されるため、基板を作製する際の寸法精度が実装精度に大きく影響する。従って、高い実装精度が必要な発光素子モジュールでは、加工性の良いガラスエポキシ基板を用いるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ガラスエポキシ基板は、加工性に優れるが、熱伝導性が低いという特徴がある。高い発光強度を得るために発光素子に大きな電力を注入すると、発光素子から発生する熱を効率よく基板へと逃がすことができないため、発光素子の温度が上昇し、発光効率が低下したり、発光素子の寿命が短くなるなどの問題があった。
【０００６】
一方、セラミック基板は熱伝導性に優れるが、外部からの衝撃により割れやすいという特徴があり、基板に搬送・位置決め用の貫通孔を機械加工するのが困難である。また、セラミックスを焼結する前に予め貫通孔を穿設しておく方法もあるが、焼結時にセラミックスが収縮するため、十分な寸法精度が得られない。そのため、発光素子をセラミック基板に実装するには、搬送・位置決め用の貫通孔を持ったトレーに基板を固定し、トレーごと実装機にかける必要があった。この場合、基板をトレーに固定する作業に人手と時間を要するため、生産性が著しく低下するという問題があった。
また、前記の実装方法では発光素子の実装精度がトレーに対する基板の固定精度に依存することになるため、高い位置精度が得られない、基板ごとにバラツキが大きいという問題があった。この問題を解決するため、素子を実装する前に、実装する予定の電極位置をＣＣＤカメラの画像認識により予め確認してから素子を実装する方法も行われているが、この方法はＣＣＤカメラで基板上を走査して電極位置を探し出すのに時間を要するため生産性が低下する問題があった。
【０００７】
以上のように、これまで用いられてきた発光素子実装用基板は、発光素子モジュールに必要とされる高い熱伝導性と高い実装精度と高い生産性とを１つの基板で同時に満たすことができないという問題があった。
本発明は前記事情に鑑みてなされ、高い熱伝導性と高い実装精度と高い生産性とを同時に満たすことができる発光素子実装用基板、発光素子モジュール、表示装置、照明装置及び交通信号機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、コア金属をホーロー層で覆ってなり、外縁部の少なくとも一片側に搬送・位置決め用の複数個の貫通孔又は凹凸構造を有することを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板を提供する。
【０００９】
本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、発光素子実装部に反射カップを有することが好ましい。
【００１０】
また本発明は、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が実装されてなることを特徴とする発光素子モジュールを提供する。
【００１１】
また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを有する照明装置を提供する。
【００１２】
また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを有する表示装置を提供する。
【００１３】
また本発明は、前述した本発明に係る発光素子モジュールを有する交通信号機を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発光素子実装用ホーロー基板は、外縁部の少なくとも一片側に搬送・位置決め用の複数個の貫通孔又は凹凸構造を有するものなので、発光素子から発生する熱を効率よく基板側に逃がして発光素子の温度上昇を抑制でき、発光効率の低下を効果的に抑制することができる。
また、ホーロー基板はコア金属を薄いホーロー層で覆った構造なので、コア金属に搬送・位置決め用の複数個の貫通孔又は凹凸構造を形成した後にホーロー層を焼き付けしても十分な寸法精度のものが得られ、発光素子を基板上に高速・高精度に実装することができる。
またホーロー基板は、十分な寸法精度のものが得られることから、発光素子の実装時間を最小限に抑え、生産性を向上できる。
以上のように、本発明の発光素子実装用ホーロー基板は、高い熱伝導性と高い実装精度と高い生産性とを同時に満たすことができる
【００１５】
本発明の発光素子モジュールは、前述した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、基板コスト及びモジュール化のための加工コストを安価にすることができ、しかも高品質の発光素子モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る発光素子実装用ホーロー基板（以下、ホーロー基板と記す。）及び発光素子モジュールの第１実施形態を示す平面図である。本実施形態の発光素子モジュール１０は、外縁部の一片側に搬送・位置決め用の複数個の貫通孔１２が一列に設けられたホーロー基板１１に複数の発光素子１４を実装して構成されている。
【００１７】
ホーロー基板１１の一方の面（発光素子実装面）には、２列の基板電極１３Ａ，１３Ｂが設けられ、一方の基板電極１３Ｂ上に複数の発光素子１４がダイボンディングにより接合され、発光素子の一方の（下側の）電極パッドと該一方の基板電極１３Ｂとが電気的に接続されている。また、発光素子１４の他方の（上側の）電極パッドと他方の基板電極１３Ａとは、ワイヤボンディングにより金ワイヤ１５を介して電気的に接続されている。また、それぞれの発光素子１４は、封止樹脂１６によって封止されている。
【００１８】
ここで、ホーロー基板１１の製造方法について述べる。基板のコア金属には、低炭素鋼板などを用い、所望の形状・厚みに裁断する。同時に、搬送・位置決め用の貫通孔１２（又は凹凸構造）など、ホーロー基板１１の搬送・位置決めに必要な形状を機械加工やプレス加工で形成し、コア金属を作製する。
【００１９】
次に、適当な分散媒にガラス粉末を分散させた液中に、前記コア金属を吊るし、さらに、コア金属と対向する位置に電極を配し、液中のガラスをコア金属に電着させる。次に、ガラス電着後のコア金属を焼成し、ガラスをコア金属に焼き付けてホーロー層を形成する。このとき貫通孔１２の周縁にもガラスが電着し、焼成されるので、貫通孔１２の孔内も絶縁処理される。次に、ホーロー層上の所望の位置に銀ペーストを印刷して発光素子１４に電力を供給するための基板電極１３Ａ，１３Ｂを作製する。
【００２０】
次に、ホーロー基板１１への発光素子１４の実装について説明する。始めに、ダイボンダ装置を用いて、複数の発光素子１４をホーロー基板１１上の所定の位置に固定する。この際、発光素子１４とホーロー基板１１表面の基板電極１３Ｂとの接合には、半田や銀ペーストなどの接合材を使用する。次に、発光素子１１表面の他方の電極パッドと他方の基板電極１３Ａとをワイヤボンダを用いて金ワイヤ１５で接続し、電気的な接続をとる。
【００２１】
本発明は、発光素子モジュール用の基板として、ホーロー基板１１を用いたことを特徴とする。ホーロー基板１１は、コア金属とその表面を覆うホーロー層からなり、優れた熱伝導性を有する。このためセラミック基板と同様に、発光素子１４で発生した熱を基板側へ効率よく放熱し、発光素子１１の発光効率低下を効果的に抑制することができる。
【００２２】
本発明は、前記ホーロー基板１１に対して、搬送・位置決め用の貫通孔１２を形成したことを第二の特徴とする。ホーロー基板１１のコア金属として用いる低炭素鋼板は、機械的強度が高く、加工精度が高い。従って、ホーロー基板１１は、大型化してもそりが小さく、搬送・位置決め用の貫通孔１２を機械加工やプレス加工により精度良く、容易に形成することができる。そのため、トレーなどを用いなくても実装機上でホーロー基板１１を直接搬送して精度良く位置決めできるので、ＣＣＤカメラによる画像認識システムを使用しなくても、予め実装機に入力された実装位置の情報だけで、発光素子１４を基板上の所定の位置に光速・高精度に実装することができ、生産性を向上させることができる。
【００２３】
以上のように、発光素子モジュール１０の実装用基板として、搬送・位置決め用の貫通孔１２を有するホーロー基板１１を用いた場合、発光素子モジュール１０に必要とされる高い熱伝導性と高い実装精度と高い生産性とを一つの基板で同時に満たすことができる。
【００２４】
また、このホーロー基板１１は、機械的な剛性が高く、貫通孔１２を搬送・位置決め用途だけでなく、モジュール固定用のネジ止め穴としても利用することができるという特徴をもつ。
【００２５】
図２は、本発明に係るホーロー基板及び発光素子モジュールの第２実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール２０は、前述した第１実施形態による発光素子モジュール１０とほぼ同様の構成要素を備えて構成され、さらにコア金属２２をホーロー層２３で覆ったホーロー基板２１の発光素子実装位置の周囲を凹ませて反射カップ形状を形成し、この中央に発光素子１４を実装し、反射カップに封止樹脂１６を充填して発光素子１４を封止した構成になっている。
【００２６】
発光素子１４から発する光を基板前面へ取り出すため、基板に反射カップ形状を形成することは、発光素子の実装構造においては一般的である。本発明のホーロー基板の場合、図２に示すような反射カップをホーロー基板２１に形成することができる。この場合も、低炭素鋼板に対してプレス加工などの方法で予めカップ形状を形成したコア金属２２を用い、ホーロー層２３を電着、焼き付けし、さらに銀ペーストをカップ内にも塗布して基板電極１３Ａ，１３Ｂを形成することで、発光素子１４が発する光を基板前方に効率よく取り出すことができる。
【００２７】
図３は、本発明に係るホーロー基板及び発光素子モジュールの第３実施形態を示す断面図である。本実施形態の発光素子モジュール３０は、貫通孔に代えて両側部に凹凸部３２を設けたホーロー基板３１を用いており、それ以外は前述した第１実施形態による発光素子モジュール１０とほぼ同様の構成要素を備えて構成されている。
【００２８】
本実施形態は、前述した第１実施形態のホーロー基板及び発光素子モジュールと同様の効果が得られる。さらにこの凹凸部３２は搬送・位置決めに用いられるだけでなく、複数の基板を並べてつなぎ合わせる際などに、基板同士の嵌合用の位置決めに用いることもできる。また、この凹凸部３２をソケットで挟み込み、外部から電力を供給する電極として用いてもよい。
【００２９】
なお、本発明の発光素子モジュールに用いる発光素子については、特に限定されず、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体に代表される青色発光、緑色発光の発光素子でも良いし、ＧａＰに代表される赤色発光素子でもよい。また、ＬＥＤ以外にも、半導体レーザダイオード（ＬＤ）や有機ＥＬ素子などを用いることもできる。さらに、青色ＬＥＤをホーロー基板に実装し、封止樹脂に青色励起黄色発光蛍光体を混ぜておき、白色ＬＥＤモジュールを構成することもできる。
【００３０】
本発明の発光素子モジュールは、前述した通り白色ＬＥＤモジュールを構成することにより、照明装置に適用することができる。
また、青色発光素子、緑色発光素子及び赤色発光素子をホーロー基板に適宜配置することで、表示装置を構成することもできる。
同じく、青色発光素子、黄色発光素子又は赤色発光素子をホーロー基板に集中して配置することで、交通信号機を構成することもできる。
【実施例】
【００３１】
＜ホーロー基板の作製＞
１．５ｍｍの厚さの低炭素鋼板を５０ｍｍ×１００ｍｍのサイズに裁断し、鋼板の端から５ｍｍの位置に基板の搬送・位置決め用の内径２ｍｍの貫通孔を１０ｍｍ間隔となるようドリルによる機械加工を用いて穿設し、コア金属を作製した。
次に、分散媒にガラス粉末を分散させた液中に、前記コア金属を吊し、さらに、コア金属と対向する位置に電極を配し、ガラスをコア金属に電着した。次に、ガラス電着後のコア基板を焼成し、ガラスをコア金属に焼き付けてホーロー基板を作製した。得られたホーロー基板の貫通孔の内径は直径１．５ｍｍであり、基板表面のホーロー層の厚みは２００μｍであった。
このホーロー層上に銀ペーストにより、電極・電気回路をスクリーン印刷法を用いて作製し、焼き付けた。
【００３２】
＜発光素子の実装＞
青色に発光する発光素子（窒化ガリウム系化合物半導体青色ＬＥＤ）を前記ホーロー基板に実装した。始めにダイボンダを用い、発光素子表面の電極パッドと隣り合う電極を外径２５μｍの金ワイヤで電気的に接続した。さらにエポキシ樹脂で発光素子を封止し、発光素子モジュールとした。
【００３３】
比較のために、前記ホーロー基板と同形状のセラミック基板（貫通孔なし）を用意し、銀ペーストにより、電極・電気回路をスクリーン印刷法を用いて作製し、焼き付けた。このセラミック基板上に前記と同じダイボンダ機で同じ発光素子を実装した後に位置精度の比較を行った。
【００３４】
このとき基板の枚数は両基板ともそれぞれ５枚とし、発光素子の実装数は１０個／基板とした。また、接合材には銀ペーストを用いた。その結果、ホーロー基板では±５μｍの精度で発光素子を実装することができたのに対し、セラミック基板では±３０μｍの精度で実装された。また、この時セラミック基板を搬送用のトレーに固定するのに要した時間は作業者１人に対して３０秒／基板であった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発光素子モジュールの第１実施形態を示す平面図である。
【図２】本発明の発光素子モジュールの第２実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の発光素子モジュールの第３実施形態を示す平面図である。
【図４】基板の搬送形態を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０，２０，３０…発光素子モジュール、１１，２１，３１…ホーロー基板（発光素子実装用ホーロー基板）、１２…貫通孔、１３Ａ，１３Ｂ…基板電極、１４…発光素子、１５…金ワイヤ、１６…封止樹脂、２２…コア金属、２３…ホーロー層、３２…凹凸部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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