(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面が絶縁処理された金属基板と、前記金属基板の表面に形成されたＣｕを主材料とする第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続されて前記金属基板に実装された複数の発光ダイオードとを少なくとも有する金属基板を採用した照射装置であり、
前記第１の導電パターンの上には、光沢の有る金属被膜が形成されて前記金属基板を反射板とするか、または前記導電パターンおよび前記金属基板を被覆する光沢の有る樹脂膜を形成することで前記金属基板を反射板とし、
前記金属基板の周辺、または前記金属基板の角部およびその近傍には、前記発光ダイオードの駆動回路であって定電流回路を構成する第２の導電パターンおよび前記第２の導電パターンと電気的に接続される回路素子が設けられている事を特徴とした金属基板を採用した照射装置。
【請求項２】
前記複数の発光ダイオードは、直列または並列接続される請求項１に記載の金属基板を採用した照射装置。
【請求項３】
前記回路素子は、ダイオード、トランジスタまたはＩＣからなるベアチップが実装される請求項２に記載の照射装置。
【請求項４】
前記直列接続された複数の発光ダイオードが設けられた前記金属基板を採用した照射装置が複数枚用意され、前記複数枚の前記金属基板を採用した照射装置は、電源ラインとグランドラインの間に並列接続される請求項２に記載の照射モジュール。
【請求項５】
前記複数の発光ダイオードが設けられた金属基板は、別の金属基板または別の実装基板に実装される請求項４に記載の照射モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混成集積回路装置であり、特に発光素子を複数個実装させた光照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず光を大量に照射する必要がある場合、一般には電灯等が用いられている。しかし、軽薄短小および省電力を目的として、図４の様にプリント基板１に発光素子２を実装させる場合がある。
【０００３】
この発光素子は、半導体で形成された発光ダイオード（Light Emitting Diode）が主ではあるが、他に半導体レーザ等も考えられる。
【０００４】
この発光ダイオード２は、２本のリード３，４が用意され、一方のリード３には、発光ダイオードチップ５の裏面（カソード電極またはアノード電極）が半田等で固着され、他方のリード４は、前記チップ表面の電極（アノード電極またはカソード電極）と金属細線６を介して電気的に接続されている。また前記リード３，４、チップ５および金属細線６を封止する透明な樹脂封止体７がレンズも兼ねて形成されている。
【０００５】
一方、プリント基板１には、前記発光ダイオード２に電源を供給するために、電極８，９が設けられ、ここに設けられたスルーホールに前記リードが挿入され、半田等を介して前記発光ダイオード２が電気的に接続されている。
【０００６】
例えば、特開平９−２５２６５１号公報には、この発光ダイオードを用いた光照射装置が説明されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した発光素子２は、樹脂封止体７、リード３，４等が組み込まれたパッケージで成るため、実装された基板１のサイズ、重量が大きくなり、また基板自身の放熱性が劣るため、全体として温度上昇を来す問題があった。そのため、半導体チップ自身も温度上昇し、駆動能力が低下する問題があった。
【０００８】
また発光ダイオード５は、チップの側面からも光が発光し、基板１側にも向かう光が存在する。しかし基板１がプリント基板でなるため、全ての光を上方に発射させる効率の高い発射ができない問題もあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題に鑑みて成され、第１に、基板を金属基板により構成することで解決するものである。
【００１０】
金属基板を採用することで、発光素子の温度上昇を防止でき、その分駆動電流を増加できるので、発光素子の発光強度を高めることができる。また金属基板は、一般に光沢性のある表面を有するため、金属基板全域を反射板とすることができる。
【００１１】
第２に、電極は、スリットを介して前記基板の実質全域に複数設けられ、隣接する一方の電極には、前記発光素子の裏面の電極が固着され、前記隣接する他方の電極は、前記発光素子の表面の電極が接続手段を介して接続されることで解決するものである。
【００１２】
基板全域に反射性の導電箔を貼り合わせ、この導電箔を間隔の狭いスリットで分離して電極を形成しているので、基板の実質全域を反射板とすることができる。
【００１３】
第３に、電極は、スリットを介して前記基板の実質全域に複数設けられ、隣接する一方の電極には、前記発光素子の裏面の電極が固着され、前記隣接する他方の電極は、前記発光素子の表面の電極が接続手段を介して接続され、前記基板は、金属基板より成ることで解決するものである。
【００１４】
第４に、発光素子の表面温度は、約８０度Ｃから約１００度Ｃを越えないように電流が流されることで解決するものである。
【００１５】
特に発光ダイオードは、約８０度Ｃから約１００度Ｃを越えるような電流を流しても、発射できる光の量は減少する。従ってこの温度を超えない電流を流すことで、余分な損失を無くすことができる。
【００１６】
第５に、前記電極は、Ｃｕを主材料とし、前記電極の表面には光反射に優れた膜が形成されることで解決するものである。
【００１７】
例えば、Ａｕ、Ｎｉ等は、その表面が鏡面に維持できるので、基板全域を反射板とすることができる。
【００１８】
第６に、前記膜は、耐酸化性を有する金属膜で成ることで解決するものである。
【００１９】
例えば、Ａｕ、Ｎｉ等は、酸化しないため、その表面の鏡面性を失うことがない。従って酸化性雰囲気にさらされても、反射性の優れた基板を維持できる。
【００２０】
第７に、前記発光素子には、前記発光素子を封止し、前記発光素子の光を集光するレンズが設けられることで解決するものである。
【００２１】
発光素子の光の中には、側面から発射される光もあり、レンズを採用すれば、前記側面から発射される光を上方に発射させることができる。
【００２２】
第８に、少なくとも前記発光素子を囲み前記基板に形成された流れ防止手段が設けられ、前記レンズは、この流れ防止手段に塗布された流動性の光透過樹脂が固化されて成ることで解決するものである。
【００２３】
第９に、金属基板にベアチップを実装する構造を採用することで、発光素子の温度上昇を防止し、
前記発光素子の周りにリング状に形成された流れ防止手段と、前記流れ防止手段で囲まれた領域に凸状に形成された光透過樹脂により、チップからの発射光を効率よく照射できる構造としている。
【００２４】
第１０に、耐酸化性の金属が被覆されたＣｕから成る電極を採用することで、Ｃｕの酸化によるコンタクト抵抗の上昇を防止できると同時に、金属特有の光沢性を利用し、基板側に向かって発光された光を反射させ、上方に向かった光をより多く発射させることができる。
【００２５】
第１１に、耐酸化性の金属が被覆されたＣｕから成る電極を採用することで、Ｃｕの酸化によるコンタクト抵抗の上昇を防止できると同時に、金属特有の光沢性を利用し、基板側に向かって発光された光を反射させ、しかも前記発光素子の周りにリング状に形成された流れ防止手段と、前記流れ防止手段で囲まれた領域に凸状に形成された光透過樹脂により、発射光を効率良く上方へ照射できる構造としている。
【００２６】
第１２に、前記耐酸化性の金属として、ＮｉまたはＡｕを採用する事で、金属細線とのコンタクト抵抗の上昇防止、反射効率の上昇を実現している。
【００２７】
第１３に、第１の電極と前記第２の電極により、前記金属基板全域を覆い、前記発光素子を前記金属基板に複数個設ける事で、光反射材料が実質基板全域に設けられ、且つ発光素子が複数点在されることになり、基板自身が光照射装置として機能することになり、輝度、発光強度共に向上できる構造となる。
【００２８】
第１４に、発光素子の固着領域および前記第２の電極における前記接続手段の固着領域を囲むように、前記金属基板全域に覆われた光反射性を有する絶縁被膜を設ければ、前述した第１３の解決手段と同様に実質基板全域を反射板とすることができ、効率の高い光照射が実現できる。
【００２９】
第１５に、光透過性樹脂の上に更に凸状の光透過性樹脂を設ける事で、半導体チップからの光を効率良く集光させ上方に発光させることができる。
【００３０】
第１６に、Ａｌ主材料とする基板を採用することで、放熱性、軽量性、加工性を実現でき、性能の向上を実現できるばかりか、光照射装置としての実装性も向上させることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、その概略を図１を参照しながら説明する。
【００３２】
まずプレスにより打ち抜かれた金属から成る混成集積回路基板１１がある。この混成集積回路基板１１は、Ａｌ、ＣｕやＦｅ等の導電材料が用いられる。
【００３３】
ここで混成集積回路基板として金属基板を用いた理由は、以下の点からである。第１の点は、発光素子から発生する熱を効率良く外部に放出できることである。
この点により、発光素子の温度上昇を防止でき、駆動能力を向上させることができる。詳しくは図８にて説明する。第２の点は、基板の平坦性から、上方に向かって発光される光以外の光を効率よく反射させて上方へ向かわせることができることである。また第３の点は、実装上のビス止め孔加工、放物面等の湾曲加工性等に優れるからである。
【００３４】
本発明では、加工性、軽量性が考慮されてＡｌが採用される。この場合、その表面は、絶縁性向上から、陽極酸化により酸化物が形成され、この上に絶縁性樹脂１２が形成される。また前記酸化膜は省略されても良い。
【００３５】
また電極１３、１４は、例えばＣｕを主材料とした箔より成り、配線、ランド、ボンデイング用のパッド、外部リード用の固着パッド等として機能し、第１の電極１３にはベアチップ状の発光ダイオード１５が設けられる。ここで発光ダイオードチップ１５の裏面は、カソード電極タイプとアノード電極タイプの２種類があり、図１では、カソード電極タイプである。これは直流電源の向きを変えるだけで、アノード電極タイプも実現できる。
【００３６】
そして金属基板を照射装置として機能させるため、発光ダイオード１５を複数個点在させている。この発光ダイオード１５の駆動回路は、別の基板で実現しているが、これら駆動回路を金属基板１１に実装させても良い。この場合、基板の周辺、特に角部およびその近傍に配線、ランド、ボンデイング用のパッド、外部との電気的接続パッド等がパターニングされ、配線間はチップコンデンサ、チップ抵抗および印刷抵抗等の部品、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ等が設けられる。ここでは、パッケージされた素子が実装されても良いが、ベアチップの方が、実装面積を少なくでき、反射面の面積をより広く取ることができる。これらは、全てを総称して回路素子と呼ぶ。
【００３７】
この回路素子はロウ材や導電ペースト等を介して電気的に固着され、印刷抵抗は、スクリーン印刷等で形成されても良い。また中には、前記半導体チップと配線を電気的に接続するため、チップ上の電極とボンディング用パッドとの間には金属細線が電気的に接続され、パッドには、必要があれば、半田を介して外部リードが電気的に接続されている。また実装上の問題から、基板の両側に少なくとも２個のビス止め孔が設けられる場合もある。
【００３８】
また金属基板１１上のＣｕのパターンは、絶縁性のフレキシブルシートに貼り合わされ、このフレキシブルシートが混成集積回路基板に貼り合わされても良い。
【００３９】
前述したとおり、金属基板１１の全面には絶縁性樹脂１２の膜が被着され、図では、前述した駆動回路が実装されない為、金属基板１１を二分するように二つの電極１３、１４が設けられている。もちろんショートが考慮され、スリットＳＬが設けられてお互いを離間している。
【００４０】
またこの第１の電極１３、第２の電極１４の表面にはＮｉが被着されている。Ｃｕの酸化防止、および酸化により光反射効率が低下するため、比較的酸化されにくく、光反射性に優れ、また金属細線とのボンディング性が良いためである。またＮｉの他には、Ａｕが考えられる。従って、金属基板１１全域は、実質光沢性のある前記金属が被着され、酸化性雰囲気にさらさせれも光反射板として機能する優れた基板となる。
【００４１】
一方、発光ダイオード１５は、第１の電極１３とのコンタクト抵抗が考慮され、図３の様に固着領域のＮｉ１８が取り除かれ、銀ペースト等の導電ペーストや半田等のロウ材１６を介してＣｕと電気的に固着される。また発光ダイオード１５表面の電極と第２の電極１４は、金属細線１７を介して接続される。一般に、金属細線としてＡｌが採用される場合は、超音波ボンディングによりＮｉと接続することができる。
【００４２】
更には、少なくとも発光ダイオード１５を封止するように光透過性の樹脂が設けられる。これはレンズ１９として機能するものであり、光の集光効率を高めるため凸状に形成されている。レンズ１９の材料は、透明樹脂であれば良く、ここではシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等が採用される。どちらも加熱硬化型で、加熱硬化時の粘度が小さいため、好ましい半球形状に安定して形成できない問題がある。シリコーン樹脂は、元々液状で、加熱硬化時もその粘度は、あまり変わらない。またエポキシ樹脂は、加熱硬化時にその粘度が低下する。どちらにしても安定したレンズ形状が難しいため、図１のように、発光ダイオード１５を囲むように、流れ防止手段２０を形成している。
【００４３】
エポキシ樹脂は、熱により徐々に黄変するが、シリコーン樹脂は、この変色が少ない。またエポキシ樹脂は、濡れ性が良く、逆にシリコーン樹脂は、はじきやすい。また硬化後のシリコーン樹脂は、ゴム状またはゲル状であり、エポキシ樹脂に比べて回路素子の接続手段である金属細線へのストレスが少ない。
【００４４】
例えば、流れ防止手段としてシリコーン樹脂を使うと、ここに貯められた樹脂（シリコーン樹脂やエポキシ樹脂）は、はじきやすく表面張力によりレンズ状に形成される。逆にエポキシ樹脂を流れ防止手段として使用すると濡れ性が良いため、レンズ形状になりにくい。よってここでは、流れ防止手段としてシリコーン樹脂を採用し、この中に更にシリコーン樹脂を塗布し、約１００度〜１５０度で仮硬化し、再度１５０度１時間で完全硬化させてレンズを形成している。
【００４５】
図１では、レンズのサイズが小さいために、金属細線１７の途中から第２の電極１４まで前記樹脂で覆わず構成しているが、図２、図３の様に完全に覆っても良い。完全に覆えば、金属細線の接続部の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
更には、図２のように、レンズを２段に形成しても良い。これはレンズの指向性を高めるために形成されている。ここでは、二段に形成するため、第１のレンズ２１、第２のレンズ２２は、ともに濡れ性の少ないシリコーン樹脂が採用されている。特に第２のレンズ２２は、第１のレンズ２１と濡れ性が悪くないとレンズ形状が実現できないからである。
【００４７】
この場合、シリコーン樹脂から成る流れ防止手段２０にシリコーン樹脂を凸状に塗布し、レンズ形状を維持しながら、約１００度〜１５０度、３０秒程度で仮硬化し、更にこの上に第２のレンズとしてシリコーン樹脂を塗布する。この際も、仮硬化を行い、条件は前回と同じである。そして最後に約１５０度、１時間で完全硬化を行う。
【００４８】
このように二段のレンズにすると、発射される光の指向性が優れ、光の発射効率が向上する。また両者共に、光が通過するため、フィラーは、混入されない方がよい。
【００４９】
一方、通称半田レジストと呼ばれる樹脂膜を電極１３、１４を含み全面に形成することがある。この場合、できるだけ光沢性のある膜を選択すれば、Ｎｉと同様に反射膜として活用できる。ただし、発光ダイオードの固着領域、金属細線の接続部は、取り除かれる。透明であれば、Ｎｉが主たる反射剤として機能し、色が付いているようならば、できるだけ反射効率の優れた白から成る膜が好ましい。
【００５０】
以上、図１は、第２の電極１４の表面がＮｉを採用しているため、金属細線１７のコンタクト抵抗がばらつく。従って、数ある発光ダイオード１５の内、コンタクト抵抗の少ない発光ダイオードに電流が集中し、特定の発光ダイオードが異常に明るかったり、また破壊に至ったりする問題があった。
【００５１】
そのため図５のように、電極３０と電極３１との間に発光ダイオード１５…を直列接続させ、発光ダイオード１５…に通過する電流値を一定にさせた。
【００５２】
電極３０、電極３１との間には、１０枚の電極が形成され、電極３２に発光ダイオードのカソード電極（またはアノード電極）と成るチップ裏面を固着し、アノード電極（またはカソード電極）と電極３０を金属細線１７で接続している。また電極３３に二番目の発光ダイオードのチップ裏面を固着し、チップ表面の電極と電極３２を金属細線３４で接続している。つまりカソード電極（またはアノード電極）となるチップ裏面が固着された金属基板上の電極は、次の発光ダイオードのアノード電極（またはカソード電極）から延在された金属細線と接続されている。この接続形態を繰り返して直列接続が実現されている。この場合も、銅箔から成る電極を反射板とするため、表面にはＮｉが被覆され、基板全域を実質反射板とするために、右の電極３０から左の電極３１までの１２個の電極で完全に覆われるようにパターニングされている。もちろん印加される電圧が考慮され、それぞれが電気的に分離される最小幅のスリットＳＬが形成される。
【００５３】
この構造によれば、直列接続された発光ダイオードのそれぞれに流れる電流は、同じ値を取るので、全ての発光ダイオードは、同じように光る。
【００５４】
ところが、途中のどれかが破壊され、電流が流れなくなると、全ての発光ダイオードは、発光を停止してしまう。
【００５５】
そのため、図６の様に、整流回路４０から延在されたＶcライン４１とＧＮＤライン４２との間に図５の基板を並列接続させている。しかも発光ダイオードが直列接続されて実装された基板ＳＵＢ１、ＳＵＢ２…を別途金属基板や他の実装基板に複数枚実装し、それぞれの基板ＳＵＢ１、ＳＵＢ２…に定電流回路Ｃ１、Ｃ２が設けられている。
【００５６】
この定電流回路は、一例であり、他の回路でも良い。図では、Ｔｒ１のコレクタが電極３１と接続され、エミッタは、抵抗Ｒ２を介してＧＮＤライン４２と接続されている。またＴｒ１のコレクタとベースの間には、抵抗Ｒ１が接続されている。そしてベースとＧＮＤライン４２との間には、ツェナーダイオード４３が接続されている。
【００５７】
Ｖcラインから基板ＳＵＢ１を通過する電流Ｉは、
Ｖz＝ＶBE+Ｉ＊Ｒ２の関係式からＩ＝（Ｖz−ＶBE）／Ｒ２と導き出される。
またこの定電流回路は、Ｖcライン４１と電極３０との間に形成しても良い。
更には定電流回路Ｃ１、Ｃ２…は、外付けでも、基板に実装されても良い。
【００５８】
以上、発光ダイオードが直列接続された金属基板ＳＵＢ１、ＳＵＢ２は、前記定電流回路により、電流値が決められるため、ＳＵＢ１、ＳＵＢ２の全ての発光ダイオードの明るさは、統一される。またＳＵＢ１の発光ダイオードの内、どれかが破壊しても、残りの基板ＳＵＢ２…が並列接続されているので、照射装置としてその機能を維持することができる。
【００５９】
図７は、概略図であるが、金属基板に前記定電流回路が実装された例を示すものである。図６の電極３１を二つの電極５０、５１に分け、その間に定電流回路に必要な配線パターンを形成し、必要な素子が実装されている。Ｔｒ１、ツェナーダイオード４３は、実装効率、放熱性が考慮され、ベアチップで実装される方がよい。また抵抗は、チップ抵抗や印刷抵抗で実現できる。もちろん、電極３０側に定電流回路を実装しても良い。
【００６０】
尚、定電流回路を図１の並列回路に組み込んでも良い。しかしこの場合、各発光ダイオードそれぞれに形成する必要があるため、金属基板のサイズの拡大、及びコストの面で不利である。
【００６１】
次に、流動性の透明樹脂が固化されて形成されたレンズの特性を、図８を参照しながら説明する。
【００６２】
図８は、左からレンズを形成しないもの、レンズを一段〜三段で形成したものの光量（ｍＷ）を調べたものである。レンズを構成する透明樹脂は、シリコーンで、塗布する際のエアー圧は、１．５Ｋｇｆ／ｃｍで、一段目は、１．３秒、二段目は、０．３秒、三段目は０．１秒吐出して形成されている。また光量の測定条件は、以下の様である。測定器は、アンリツのｏｐｉｃａｌ  ｓｅｎｓｅｒ  ＭＡ９４２２Ａで、測定波長は、６３３ｎｍ、測定電流は、５０ｍＡである。
【００６３】
レンズが付いていない状態で、平均２．２２ｍＷの光量あった。またレンズが一段から三段へと形成されると、その上昇率は、１８０％、１８５％、２０５％となった。従ってレンズを少なくとも１段設けることで、光量が増加することが判る。
続いて、金属基板を使う理由について、図９を参照しながら説明する。
左のＹ軸は光量を示し、発光ダイオードに５０ｍＡを流した時の光量を１００とし、算出したものである。右のＹ軸は、発光ダイオードの表面温度（度Ｃ）を示す。またＸ軸は、発光ダイオードに流れる電流（ｍＡ）を示す。三角の点で示されたカーブは、プリント基板上に実装された発光ダイオードの表面温度を示し、×印で示したカーブは、金属基板上に実装された発光ダイオードの表面温度を示す。また菱形で示すカーブは、金属基板上に実装された発光ダイオードの光量を示すものである。
【００６４】
これらのカーブから、発光ダイオードの表面温度が、約８０〜１００度Ｃを越えると、駆動電流を大きくしても、その光量は増加せず、逆に減少することが判る。つまりこの表面温度に成る駆動電流よりも多く流すと、増加した分損失が増えてしまい、効率が悪くなるため、この温度にならない駆動電流で発光ダイオードを駆動する必要がある。更に前記約８０〜１００度Ｃの表面温度における駆動電流で最高の輝度を実現できことも判る。
【００６５】
特に約２５０ｍＡの電流を流すと、プリント基板上の発光ダイオードの表面温度は、２３６度程度になるが、金属基板上の発光ダイオードの表面温度は、８５．８度Ｃと非常に低いことが判る。従って、金属基板を採用すれば、発光ダイオードの表面温度を大幅に低くすることができ、その分発光ダイオードの駆動電流を流せると同時に、発光ダイオードから発射される光量も増大できる事が判る。よって、金属基板を採用し、更にレンズを採用することにより更に光量を増大できる特徴を有する。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、金属基板を採用することで光照射装置の照射量を大幅に増大させることができる。しかもレンズを採用すれば更に照射量を増大できる。
【００６７】
また、金属基板にベアチップ状の発光ダイオードを実装するため、金属基板からの放熱性が向上し、発光ダイオード自身の温度上昇を抑制することができる。従ってより電流を流せ、光照射装置としての明るさを向上させることができる。
【００６８】
また金属基板には、光を反射させる電極が形成されているため、発光ダイオードの側面や裏面から発光される光を前記電極で反射させることができる。特にＮｉやＡｕ等の耐食性の優れた材料を銅箔パターンの上に形成すれば、金属細線とのボンディング性および反射効率を一度に実現させることができる。
【００６９】
また流れ防止手段を設ければ、透明樹脂を塗布することによりレンズとして形成することができ、より上方への発射効率を高めることができる。
【００７０】
更には、発光ダイオードの固着領域は、Ｎｉを取り除くことで、コンタクト抵抗の低下を実現でき、より電流を流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である混成集積回路装置の図である。
【図２】図１のレンズを二段にした時の図である。
【図３】図１の発光素子の実装形態を説明する図である。
【図４】従来の混成集積回路装置を説明する断面図である。
【図５】図１の発光ダイオードを直列接続にした図である。
【図６】図５の混成集積回路装置を採用した回路を説明する図である。
【図７】図６の定電流回路を金属基板に実装した図である。
【図８】レンズの有無による光量を説明する図である。
【図９】金属基板による光量増大を説明する図である。
【符号の説明】
１１                      金属基板
１３                      第１の電極
１４                      第２の電極
１５                      発光ダイオード
１９                      レンズ
【図１】
0004412787.tif 000002
【図２】
0004412787.tif 000003
【図３】
0004412787.tif 000004
【図４】
0004412787.tif 000005
【図５】
0004412787.tif 000006
【図６】
0004412787.tif 000007
【図７】
0004412787.tif 000008
【図８】
0004412787.tif 000009
【図９】
0004412787.tif 000010