(57)【要約】【解決課題】ＬＥＤ素子の高輝度化に対応したＬＥＤ用基板を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、熱伝導性を有する基板と、発光ダイオード素子を載置する１又は２以上の台座と、少なくとも１つの熱電変換素子からなる熱電モジュールと、を備える発光ダイオードデバイス用の基板であって、前記台座は基板に直接圧入又は加工されており、前記熱電モジュールと基板及び／又は台座とが接触している発光ダイオードデバイス用の基板である。本発明に係るＬＥＤ用基板では、熱電モジュールを用いることにより、ＬＥＤ素子の発熱を熱電モジュールによる発電に利用し、生じる電力をＬＥＤ駆動に利用するものである。そして、これによりＬＥＤ駆動のためのエネルギー効率を向上させている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性を有する基板と、発光ダイオード素子を載置する１又は２以上の台座と、少なくとも１つの熱電変換素子からなる熱電モジュールと、を備える発光ダイオードデバイス用の基板であって、
前記台座は基板に直接圧入又は加工されており、
前記熱電モジュールと基板及び／又は台座とが接触している発光ダイオードデバイス用の基板。
【請求項２】
熱電モジュールを構成する熱電変換素子は、Ｂｉ／Ｔｅ系材料よりなる請求項１記載の発光ダイオードデバイス用の基板。
【請求項３】
台座は銅又は銅合金よりなり、基板はアルミニウウム又はその合金、銅又は銅合金のいずれかよりなる請求項１又は請求項２記載の発光ダイオードデバイス用の基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードを適用するデバイスの製造に供される基板に関する、詳しくは、高輝度発光ダイオードの発熱を効率的に除去することのできる基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、駆動特性に優れ、振動や点灯の繰り返しに強いという特長を有すると共に、小型で寿命が長く消費電力が低いという利点から、古くから各種のインジケータ用の光源として利用されている。最近では、青色ＬＥＤの実用化によりその適用範囲の拡大が期待されており、フルカラーのＬＥＤディスプレイの開発が進行している。また、もう一つの傾向としてその高輝度化があり、これにより、車両用標識灯（ストップランプ、方向指示器等）、信号、外灯への応用も検討されている。これらＬＥＤデバイスの分野は今後の急成長が期待されている。
【０００３】
図５は、ＬＥＤデバイスの構成要素であるＬＥＤパッケージの構造の一例を概略示すものである。図５においてＬＥＤパッケージ２０は、ＬＥＤ素子１００と、ＬＥＤ素子１００を固定する台座１０１を備え、これらが樹脂１０２により固定されている。この台座１０１は、装置駆動により生じるＬＥＤ素子１００の発熱を吸収・放熱してＬＥＤ素子１００を冷却するヒートシンクとしての機能も有する。そして、ＬＥＤ素子１００からの発光は、透過プラスチック１０３を透過して外部へ放出される。また、ＬＥＤ素子１００とリードフレーム１０４とが接続されており、ＬＥＤ素子の駆動、制御はリードフレーム１０４を介して行われている（このＬＥＤパッケージの構造について開示するものとして特許文献１がある）。そして、上記各種のＬＥＤデバイスは、ＬＥＤパッケージを適宜基板上に搭載して製造される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５０９６７号公報
【０００５】
ところで、上述のようにＬＥＤの分野では高輝度化が進行しているが、ＬＥＤの高輝度化には発熱量の問題がある。即ち、発熱量の増大により動作環境がより苛酷となり、駆動安定性が憂慮される。また、ＬＥＤ素子の高輝度化が進行すると、その放熱が不十分となるおそれもある。そして、ＬＥＤ素子の冷却、放熱が不十分となれば、その熱が配線にそのまま伝わり、ＬＥＤレンズの軟化及び端子の破断、配線板自体の軟化、破損のおそれがある。
【０００６】
本件出願人は、高輝度ＬＥＤの適用を考慮したＬＥＤ用基盤として先行特許出願１に係るものにつき出願している。このＬＥＤ用基板は、上記従来のＬＥＤパッケージを適用することに替えて、基板に直接台座を埋め込みこれにＬＥＤ素子を搭載するものである。この基板は、ＬＥＤ素子の集積度を向上させることを目的としてなされたものであるが、台座材質として熱伝導性の高い銅又は銅合金を用い、更に放熱板の設置によりＬＥＤ素子からの放熱効率も考慮している。
【０００７】
【先行特許出願１】特願２００２−３０２９０２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＥＤ素子の高輝度化の要求は今後より高くなるものと予測される。本願出願人の上記ＬＥＤ基板はこれに応えるものであるが、更に改良することでこの要求により有効に応えることができる。本発明は以上のような背景の下になされたものであり、高輝度のＬＥＤ素子に対応可能な基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、既に開発された台座を直接基板に埋め込む形式を基本とし、これを改良する手段として、熱を電力に変換する熱電変換素子からなる熱電モジュールを用いることとした。
【００１０】
即ち、本発明は、熱伝導性を有する基板と、発光ダイオード素子を載置する１又は２以上の台座と、少なくとも１つの熱電変換素子からなる熱電モジュールと、を備える発光ダイオードデバイス用の基板であって、前記台座は基板に直接圧入又は加工されており、前記熱電モジュールと基板及び／又は台座とが接触している発光ダイオードデバイス用の基板である。
【００１１】
本発明は、ＬＥＤ素子からの発熱を熱電モジュールにより吸収させ、これによりＬＥＤ素子、基板の保護を図るものである。そして、本発明に係るＬＥＤ用基板では、熱電モジュールを用いることにより、ＬＥＤ駆動のためのエネルギー効率を向上させている。即ち、従来のＬＥＤ装置では、ＬＥＤ素子の発熱は単なる廃熱として放散処理していたが、本発明においてはこの発熱を熱電モジュールによる発電に利用し、生じる電力をＬＥＤ駆動に利用するものである。この点、高輝度のＬＥＤ素子の駆動電力も大きくなることから、本発明ではこの増大する駆動電力を補足することができる。従って、本発明は発熱の問題の解決に加え、ＬＥＤ装置の低消費電力という利点を維持することができる。
【００１２】
本発明において、ＬＥＤ素子の放熱に利用される熱電モジュールを構成する熱電変換素子とは、外部の温度差をいわゆるゼーベック効果により電力に変化することが可能な材料をいう。この熱電変換作用を有する材料としては、各種のものが知られており、テルライド（ビスマス／テルル系、鉛／テルル系等のテルル化合物）、シリサイド（シリコン／ゲルマニウム系、ケイ化鉄等のシリコン化合物）、銀／アンチモン／テルル（ＴＡＧＳ）や鉛／スズ／テルル（ＴＥＧＳ）等各種あるが、ＬＥＤデバイスは通常、常温（室温）で使用されることが多いことから、常温での発電効率に優れたビスマス／テルル系を含むものが好ましい。また、ビスマス／テルル系熱電変換素子としては、加熱時の電流の方向によりｐ型、ｎ型の２種類があるが、ｐ型材料として（Ｂｉ０．２５Ｓｂ０．７５）２（Ｔｅ０．９５Ｓｅ０．０５）３が、ｎ型材料としてＢｉ２（Ｔｅ０．９５Ｓｅ０．０５）３が用いられている。）が知られている。
【００１３】
また、熱電モジュールは、複数の熱電変換素子を備えるのが好ましい。ＬＥＤ素子の発熱を効果的に吸収すると共に、発電量を確保するためである。発電モジュールの構造としては、例えば、図１のようなものがある。この発電モジュールは、ｎ型、ｐ型複数の熱電変換素子を交互に組み合わせて配置し、これらを上下２枚の熱伝導性を有する吸熱板で挟持してなる。そして、一方の金属板を基板又は台座と接触させてＬＥＤの発熱を吸収させると共に熱電変換しリード線により電力を取り出すようになっている。この構造例の利点は、ｎ型及びｐ型熱電変換素子を組み合わせることで、電流の方向を一方向に制御することができ、電力を取り出す際のリード線構成をシンプルにしつつ、より多く熱電変換素子を配置することができる点にある。尚、この例の他、ｎ型、ｐ型いずれかの熱電変換素子のみを配置したものを用いても良い。
【００１４】
また、基板側の構成については、ＬＥＤ素子を搭載する台座は銅又は銅合金からなり、基板についてはアルミニウム又はアルミニウム合金又は銅又は銅合金からなるものが好ましい。台座を銅又は銅合金とするのは、熱伝導率及び加工容易性を考慮したものである。また、基板をアルミニウム等とするのは、軽量かつ熱伝導率が高いからである。尚、この基板上にはＬＥＤ素子を駆動のための配線が必要となるが、基板にアルミニウム等を適用する場合、基板上に配線用の樹脂を被覆することが好ましいが、この樹脂としては、ＬＥＤ素子の発熱を考慮すれば耐熱性に優れたものが好ましく、ポリイミド等を用いるのが好ましい。
【００１５】
熱電モジュールと基板との接合は、半田によるろう付けや銀ペーストによる接合が好ましい。尚、熱電モジュールと基板との接合は、基板上に配線用樹脂を被覆した後に行ってもよいが、樹脂被覆前に行ってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面と共に説明する。
【００１７】
本実施形態に係るＬＥＤデバイス用の基板の外観を図２に示す。図２のＬＥＤデバイス用の基板１は、アルミニウム基板１０（寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）の上にポリイミド樹脂層１１が形成されており、その上に所定の配線パターン１２がプリントされている。そして、基板１には台座１３が５ｍｍ間隔で圧入されている。また、基板１の裏面には熱電モジュール１４が接合されている。尚、ポリイミド樹脂層１１は、裏面にも形成されている。
【００１８】
この台座１３は銅製であり、中央に凹部を有する円柱形状を有する。台座１３の外観を図３に示す。台座１３は全面に硬質銀めっきを下地としてニッケル硬質めっきが総厚さ３μｍで施されている。
【００１９】
本実施形態に係るＬＥＤ用基板１は、以下に説明する工程で製造した（図４）。まず、アルミニウム基板１０の両面の所定領域にポリイミドを塗布してポリイミド樹脂層１１を形成し、これにエッチングにより配線パターン１２を形成する（図４（Ａ））。次に、基板１０の台座の圧入位置に対応する箇所に孔１５を空ける（図４（Ｂ））。このときの孔１５の径は、台座１３の径とほぼ同じとした。
【００２０】
そして、図４（Ｃ）のように、台座１３を基板１０の孔１５に圧入して固定し、基板の裏面に熱電モジュール１４を半田により接合してＬＥＤデバイス用の基板１とした。
【００２１】
このＬＥＤデバイス用の基板１について、ＬＥＤ素子を載置、接続し、更に、レンズを取り付けてＬＥＤ表示装置とを製造した。そして、これを給電系統に接続し、１０００時間連続駆動させたところ、駆動中において安定的な駆動が確認され、また駆動後も過度の発熱、基板の変形はみられなかった。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るＬＥＤデバイス用の基板によれば、ＬＥＤ素子の発熱を効率よく吸収し、更に、これをＬＥＤ駆動用の電力へと変換することができる。本発明は、高輝度のＬＥＤ素子にも対応可能であり、車両用標識灯、信号、ＬＥＤディスプレイ等、ＬＥＤが新たに応用されている各種デバイスへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱電モジュールの構造の例を示す図。
【図２】本実施形態に係るＬＥＤ用基板の概略を示す図。
【図３】本実施形態で用いた台座の外観、断面形状を示す図。
【図４】本実施形態で製造したＬＥＤ用の基板の製造工程を説明する図。
【図５】従来のＬＥＤパッケージの構造を示す図。
【符号の説明】
１  ＬＥＤ基板
１０  アルミニウム基板
１１  ポリイミド樹脂層
１２  配線パターン
１３  台座
１４  熱電モジュール
２０  ＬＥＤパッケージ
１００  ＬＥＤ素子
１０１  台座
１０２  樹脂
１０３  透過プラスチック
１０４  リードフレーム
【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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