(57)【要約】【課題】発光装置において回路基板とサブマウント基板との固定部における伝熱性の耐久性を向上させる。【解決手段】ＬＥＤチップをマウントした回路基板と、該回路基板を支えるサブマウント基板と、回路基板とサブマウント基板とを固定する固定部とを備える発光装置であって、固定部は回路基板とサブマウント基板との間に、平面方向移動可能に、介在される伝熱性シートと、回路基板の外周をサブマウント基板へ固定する接着層と、を備える発光装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤチップをマウントした回路基板と
該回路基板を支えるサブマウント基板と、
前記回路基板と前記サブマウント基板とを固定する固定部とを備える発光装置であって、
前記固定部は前記回路基板と前記サブマウント基板との間に、平面方向移動可能に、介在される伝熱性シートと、
前記回路基板の外周を前記サブマウント基板へ固定する接着層と、
を備える発光装置。
【請求項２】
前記接着層は前記回路基板の外周の全周を、若しくは前記回路基板が矩形の場合は各角部を前記サブマウント基板へ固着する、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記伝熱性シートはグラファイトシートを含む請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記伝熱性シートは弾性を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５】
ＬＥＤチップをマウントした回路基板と該回路基板を支えるサブマウント基板との間に伝熱性シートを介在させるステップと、
前記回路基板の外周と前記サブマウント基板とを接着剤でつなぎ、前記伝熱性シートを前記回路基板と前記サブマウント基板とで圧縮した状態を維持して、前記接着剤を固化する、
発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置およびその製造方法に係り、より詳しくは、ＬＥＤチップをマウントした回路基板とこの回路基板を支えるサブマウント基板との間の伝熱性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤチップの出力を維持するには、ＬＥＤチップで発生した熱を効率よく外部へ排出することが必要である。
そのため従来では、ＬＥＤチップをマウントした回路基板（一般的に樹脂製）をサブマウント基板（一般的に金属製）で支えて、ＬＥＤチップの熱をサブマウント基板へ逃がして、ＬＥＤチップのヒートアップを防いできた。回路基板とサブマウント基板との接合は、専ら耐熱性の見地から高融点の半田が用いられてきた。
昨今では、ＬＥＤチップに対する更なる高出力化の要請から、回路基板の熱をサブマウント基板へより効率よく伝達させるために、両者の間にグラファイトシートに代表される伝熱性シートを介在させることが提案されている（特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２９４６９号公報
【特許文献２】特開２０１５−００８０７４号公報
【特許文献３】特開２０１５−１２６０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サブマウント基板に本来求められる機能は回路基板を機械的に安定して支えることにあるので、従来の発光装置では、回路基板とサブマウント基板に対して伝熱性シートが接着固定されていた。
ＬＥＤチップの高出力化にともないその発熱量が大きくなると、ＬＥＤチップがオンのときとオフのときとで、回路基板とサブマウント基板との対向面に大きな温度差が生じる。ここに、樹脂製の回路基板と金属製のサブマウント基板とでは線膨張係数に大きな差があるので、ＬＥＤチップのオン・オフに伴う温度変化が繰り返され、かつ、両者の対向面が伝熱性シートに接着固定されていると、当該対向面の膨張収縮差にともない伝熱性シートに繰り返しの応力が生じ、伝熱性シートにクラックの生じるおそれがある。このようにクラックが生じると、その空間部分での伝熱性が低下し、ひいては回路基板からサブマウント基板への熱伝導が不充分になるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の局面は次のように規定される。即ち、
ＬＥＤチップをマウントした回路基板と
該回路基板を支えるサブマウント基板と、
前記回路基板と前記サブマウント基板とを固定する固定部とを備える発光装置であって、
前記固定部は前記回路基板と前記サブマウント基板との間に、平面方向移動可能に、介在される伝熱性シートと、
前記回路基板の外周を前記サブマウント基板へ固定する接着層と、
を備える発光装置。
【０００６】
このように規定される第１の局面の発光装置によれば、回路基板とサブマウント基板との間に介在される伝熱性シートがその平面方向へ移動可能であるので、回路基板の線膨張係数とサブマウント基板のそれとが異なり、両者の対向面に繰返しの膨張収縮差が生じても、伝熱性シートに加えられた力は伝熱性シートの平面方向への移動に消費され、そこに大きな応力は生じない。よって、ＬＥＤチップのオン・オフに伴う温度変化が繰り返されても伝熱性シートにクラックは殆ど生じなくなる。即ち、回路基板とサブマウント基板との固定部における伝熱性の耐久性が向上する。
他方、接着層により回路基板の外周をサブマウント基板へ固定しているので、両者の間の機械的安定性も確保されている。
【０００７】
接着層は回路基板の外周の全周若しくは一部をサブマウント基板へ接着させればよく、回路基板が矩形のときはその各角部を接着剤でサブマウント基板へ接着すればよい（第２の局面）。
回路基板の外周全周へ接着層を配し、これで当該全周をサブマウント基板へ接着させることにより、回路基板とサブマウント基板との機械的安定性が向上する。この場合、伝熱性シートの平面方向移動性を確保するため、伝熱性シートへ接着剤を接触させず、伝熱性シートの外周全周を回路基板やサブマウント基板へ固定しないことが好ましい。なお、伝熱性シートの外周全周が両基板へ固定されても、伝熱性シートの全面が両基板へ固定されているものに比べると、応力が集中し難くなってクラック発生防止効果がある。
回路基板が矩形のときはその各角部を接着層でサブマウント基板へ固定する。これにより、回路基板とサブマウント基板との間に機械的安定性を確保できるとともに、両基板の間に配置される伝熱性シートの自由度（平面方向移動性）をより確実に確保できる。
【０００８】
上記において、伝熱性シートは従来使用していた高融点の半田より熱伝導率の高い材料を主成分とする。かかる熱伝導率の高い材料としてグラファイト、窒化ホウ素、炭化ケイ素等を挙げることができる（第３の局面）。グラファイトを主成分とするシートとして、単結晶に近い構造を持つ「高配向性」グラファイトシートを用いることができる。
ＬＥＤチップのオン・オフに伴う温度変化による回路基板とサブマウント基板との対向面の膨張収縮差に起因する応力を緩和するため、伝熱性シートは弾性を有することが好ましい（第４の局面）
【０００９】
この発明の第５の局面は次のように規定される。
ＬＥＤチップをマウントした回路基板と該回路基板を支えるサブマウント基板との間に伝熱性シートを介在させるステップと、
前記回路基板の外周と前記サブマウント基板とを接着剤でつなぎ、前記伝熱性シートを前記回路基板と前記サブマウント基板とで圧縮した状態を維持して、前記接着剤を固化する、
発光素子の製造方法。
このように規定される第５の局面の製造方法によれば、第１の局面で規定の発光素子を得ることができ、その結果、第１の局面で説明した作用及び効果が得られる。特にこの第５の局面の製造方法によれば、伝熱性シートが回路基板とサブマウント基板とで圧縮した状態となるので、両基板と伝熱性シートとの密着性が向上し、より効率よく熱を伝達できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１はこの発明の実施形態の発光装置の構造を示す模式図である。
【図２】図２は同じく回路基板とサブマウント基板との接着態様を示す平面図である。
【図３】図３はこの発明の他の実施形態の発光装置の構造を示す模式図である。
【図４】図４は同じく回路基板とサブマウント基板との接着態様を示す平面図である。
【図５】図５はこの発明の他の実施形態の発光装置の構造を示す模式図である。
【図６】図６は同じく回路基板とサブマウント基板との結合態様を示し、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１はこの発明の実施の形態の発光装置１の構造を示す模式図である。
この発光装置１は発光部１０及び回路部２０を備え、発光部１０及び回路部２０を構成するデバイスは金属製のサブマウント基板３０の上に固定されている。
この発光部１０ではＬＥＤチップ１１が回路基板１３にマウントされている。この例では、フリップチップタイプのＬＥＤチップ１１を採用しているが、勿論フェースアップタイプを用いることができ、回路基板１３にマウントすべきＬＥＤチップ１１の個数、出力、波長などは発光装置の用途や使用環境に応じて適宜選択できる。この例で採用する回路基板１３にはエポキシ樹脂を基体としその表面に回路パターンを形成したものを採用したが、基体の材料は樹脂やセラミックスなどの絶縁材料から任意に選択できる。回路パターンもホール等を介して三次元的に形成可能である。
【００１２】
回路基板１３とサブマウント基板３０との間には伝熱性シートとしてのグラファイトシート１７が介在される。
このグラファイトシート１７は回路基板１３とサブマウント基板３０の各対向面に対して平面方向へ移動可能である。ここに、平面方向へ移動可能とは、回路基板１３とサブマウント基板３０の対向面に熱膨張収縮差が生じたときにも、当該対向面に追従してグラファイトシート１７が平面方向に移動しないことを意味する。この例では、グラファイトシート１７を各基板１３、３０の各対向面に対して非接着状態としているが、接着したとしても接着層に弾性があればよい。
【００１３】
グラファイトシート１７は回路基板１３のサブマウント基板対向面（裏面）と相似形とすることが好ましく、高い伝熱性を維持するにはグラファイトシート１７を回路基板１３の裏面の全面に接触させることが好ましい。
なお、グラファイトシート１７を回路基板１３の裏面より若干小さくして、グラファイトシート１７の外縁が回路基板１３の裏面の外縁の内側に位置するようにしてもよい（図２（Ｂ））。これにより、グラファイトシート１７と接着層１８との接触が防止され、ないしは両者の接続が脆弱なものとなる。もって、グラファイトシート１７の平面方向自由度がより確実に確保される。
【００１４】
ここにグラファイトシートとはグラファイトを主成分としたシートであって、二次元に結晶化した炭素を層状に積み重ねたものやグラファイトをバインダで連結して層状にしたものが含まれる。
一般に前者のグラファイトシートは弾性を備えている。
グラファイトシートの代わりに、高い伝熱性を備えた材料（例えば、窒化ホウ素や炭化ケイ素）を主成分とするシートを用いることができる。
【００１５】
グラファイトシート１７の厚さは１〜２０μｍとする。より好ましくは１〜１０μｍである。
グラファイトシート１７を複数層（２〜ｎ枚重ね若しくは折畳）とすることもできる。複数層とすることにより、グラファイトシート１７にかかる平面方向の力が、層間のずれとして吸収される。
【００１６】
矩形の回路基板１３の各角部がサブマウント基板３０に対して、接着層１８を介して接着される。
この接着層１８の材料には樹脂製の回路基板１３を金属製のサブマウント基板３０へ接着でき、かつＬＥＤチップ１１からの熱に耐えられる耐熱性が要求される。
かかる接着材料としてエポキシ樹脂等を挙げることができる。
図１及び図２の例では回路基板１３の各角部へ接着層１８を付与したが、図３及び図４に示す発光装置１０１の通り、回路基板１３の外周の全周に接着層１９を付与することもできる。同様に、回路基板１３の外周の一部（辺の途中）へ接着層を付与してもよい。
接着層１８、１９の高さや厚みは回路基板１３をサブマウント基板３０へ安定して固定できれば特に限定されない。
意匠上及び熱の影響をできるだけ避けるため、接着層１８、１９の高さは、サブマウント基板３０の半ばの高さとすることが好ましい。
【００１７】
グラファイトシート１７が弾性を備える場合、回路基板１３をサブマウント基板３０へ接着させる際に、両者の間に介在されるグラファイトシート１７を圧縮した状態として接着剤を付与し、その状態で接着剤を硬化させて接着層１８、１９として、その後も当該圧縮状態を維持することが好ましい。これにより、回路基板１３−グラファイトシート１７−サブマウント基板３０が密着し、熱伝導がより確実に行われる。
【００１８】
グラファイトシート１７が弾性を備えるとき、図５及び図６に示した他の実施形態の発光装置２０１のように、サブマウント基板３０にリテーナ２３３を設け、このリテーナ２３３へ回路基板１３を締り嵌めとすることで、何ら接着剤を用いることなく、当該回路基板１３とサブマウント基板３０とを機械的に結合できる。
即ち、この例では、基板３０にリテーナ２３３が連結され、リテーナ２３３の一辺から垂直方向に、回路基板１３より狭幅のスリット２３２が形成される。このスリット２３２はリテーナ２３３内において拡幅してポケット２３１を形成する。このポケット２３１を規定する上縁２３５とサブマウント基板３０の本体とで回路基板１３とグラファイトシート１７とを挟持する。ここに、グラファイトシート１７が弾性を有するので、グラファイトシート１７と回路基板１３との積層体を上下方向へ圧縮しながらポケット２３１へ差し込み、圧縮を開放すると、上縁２３５とサブマウント基板３０の本体との間にグラファイトシート１７と回路基板１３との積層体が締り嵌めの状態で安定して連結される。ここに、グラファイトシートは回路基板１３及びサブマウント基板３０のいずれにも接着されていないし、ポケット２３１の開放側において、リテーナ２３３にも何ら拘束されていないので、面方向への移動の自由度が確保されている。
なお、この例ではリテーナ２３３も伝熱パスとなるので、回路基板１３からサブマウント基板３０への伝熱性がより向上する。
【００１９】
図１、３及び５において、回路部２０にはダイオード、抵抗及びコンデンサなどの汎用的な電子デバイスが、サブマウント基板３０へ直接マウントされる。回路基板１３はブリッジ１５若しくはボンディングワイヤ等により、回路部２０に電気的に接続される。
これらの構成は汎用的であり、発光装置の用途、使用環境等に応じて適宜設計される。
【００２０】
本発明は、前記各局面、前記実施形態、前記付記事項の記載に何ら限定されるものではない。前記各局面、前記実施形態、前記付記事項および特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。
【符号の説明】
【００２１】
１，１０１，２０１…発光装置
１１…ＬＥＤチップ
１３…回路基板
１７…グラファイトシート
１８，１９…接着層
【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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