(57)【要約】【課題】  発光素子を高密度実装することが可能な発光素子実装用ホーロー基板、該ホーロー基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、これを用いた表示装置、照明装置及び交通信号機の提供。【解決手段】  コア金属１４をホーロー層１５で覆ったホーロー基板にスルーホール１６が設けられ、該スルーホールに導電体を充填してなるスルーホール電極１７が設けられたことを特徴とする発光素子実装用ホーロー基板１３。該ホーロー基板に発光素子１１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１０。【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たホーロー基板にスルーホールが設けられ、該スルーホールに導電体を充填してなるスルーホール電極が設けられた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】
前記スルーホールの内面にホーロー層が設けられ、前記スルーホール電極と前記コア金属とが絶縁されてい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】
前記スルーホールの穴径がφ１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の発光素子実装用ホーロー基板。
【請求項４】
前記スルーホール電極の周囲に反射カップ形状の凹部が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子実装用ホーロー基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか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６】
複数個の発光素子を前記スルーホール電極上に実装したことを特徴とする請求項５に記載の発光素子モジュール。
【請求項７】
発光素子から発する光により励起してそれと異なる波長の可視光を発する蛍光体を含む封止樹脂によって発光素子が封止されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子モジュール。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の発光素子モジュールを有する照明装置。
【請求項９】
請求項５〜７のいずれかに記載の発光素子モジュールを有する表示装置。
【請求項１０】
請求項５〜７のいずれかに記載の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。）などの発光素子を実装するための発光素子実装用ホーロー基板、該ホーロー基板に発光素子を実装したＬＥＤモジュール等の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、表示装置およ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向上が重要課題となる。発光素子から発する光の強度を向上させる手段として、複数の発光素子を高密度で実装して同時に点灯する（例えば、特許文献１参照。）、発光素子にかける電流値を増大することが考えられる。高密度で複数の発光素子を基板や表面実装型パッケージに実装して発光素子モジュールを作製しようとする場合、例えば、図５に示すような電極配置をとることが考えられる。図５（ａ）は発光素子モジュールの平面図、（ｂ）は断面図である。この発光素子モジュールは、基板４上に実装領域に向けて左右から屈曲した形状の複数の電極３…を設け、その実装領域の一方の電極３上にそれぞれ発光素子１を実装し、かつ他方の電極と発光素子１とをワイヤボンド２で電気的に接続し、さらに実装領域を封止樹脂５で一括して封止した構成になっている。
【０００３】
さらに、複数の発光素子を実装することにより、発光素子からの発熱量が増大するため、アルミ積層基板やセラミック基板が使用されるのが一般的である。一方で、発光素子に投入する電流量を増加させる場合でも、発光素子一個当たりの発生熱量が増大するため、前記と同様な放熱基板が必要となる。なお、放熱をうまく行わない場合は、発光素子の動作時の温度（ジャンクション温度）が高くなるため、発光素子の発光効率は低下し、さらに発光素子の長期信頼性が低下してしまう。
【特許文献１】特開２００１−３２６３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述したように複数の発光素子を実装するためには、個々の発光素子に対して個別に正負の電極を用意する必要がある。一方で、適用しようとする照明装置、表示装置および交通信号機などの製品サイズには、適正な範囲があるため、発光素子モジュールのサイズを単純に大型化することはできない。所定のサイズ以内で発光素子モジュールを作製するという前提で、さらに多数の発光素子を基板に実装しようとした場合、高密度に実装する必要がある。
【０００５】
また、実装する発光素子の数量を増やすことにより、発光素子から発生する熱量は増大するため、前記の信頼性などの観点から放熱基板を用いる必要がある。一般のセラミックスなどの放熱基板は、その材料特性のうち、熱による収縮率が大きいという観点からファインピッチの電極を作製することは難しく、その電極設計から高密度に実装することは事実上難しい。
【０００６】
一方、アルミ積層基板においては、電極は銅箔の張り合わせ、印刷による電極形成などによってファインピッチ化は可能である。図５に示したような電極構造を基板上に作製しようとした場合、作製する電極の数が多いこと、複雑であることから、技術的な難易度が高く、このような高密度の電極作製は可能な限り避けたい。そこで、基板上の発光素子搭載部の中央部などに共通電極を設ける構造が考えられる。共通電極も簡略化するためには、基板にスルーホールを設けて一方の電極を基板の裏面に導通させることが好ましい。しかし、アルミ積層基板の場合、その積層構造において、基板裏面にアルミニウム板を配しているために、基板の絶縁性が確保できない問題がある。図６は、アルミ積層基板の一例を示す図であり、図６中、符号６はアルミ板、７は絶縁層、８は基板電極である。アルミニウムは導電性の材料であることは言うまでもないが、スルーホールで裏側に電気回路を回すことを考えると、アルミ板に電気が流れてしまうことになる。アルミ板全体を共通電極とすることは可能であるが、絶縁されていない構造なので、安全上好ましい形態ではない。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、発光素子を高密度実装することが可能な発光素子実装用ホーロー基板、該ホーロー基板に発光素子を実装した発光素子モジュール、これを用いた照明装置、表示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たホーロー基板にスルーホールが設けられ、該スルーホールに導電体を充填してなるスルーホール電極が設けられた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、前記スルーホールの内面にホーロー層が設けられ、前記スルーホール電極と前記コア金属とが絶縁されていることが好ましい。
またスルーホール電極を構成するスルーホールの穴径は１．０ｍｍ以上が望ましい。
【００１０】
本発明の発光素子実装用ホーロー基板において、前記スルーホール電極の周囲に反射カップ形状の凹部が設けられたことが好ましい。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の発光素子モジュールにおいて、複数個の発光素子を前記スルーホール電極上に実装したことが好ましい。
【００１３】
本発明の発光素子モジュールにおいて、発光素子から発する光により励起してそれと異なる波長の可視光を発する蛍光体を含む封止樹脂によって発光素子が封止された構成としてもよい。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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】
【００１７】
本発明の発光素子実装用ホーロー基板は、ホーロー基板に設けたスルーホールに導電体を充填したスルーホール電極を有するものなので、このスルーホール電極上に発光素子を実装する場合に優れた放熱性が得られる。また、スルーホール電極とホーロー基板との絶縁を確保できる。
本発明の発光素子モジュールは、前述した本発明に係る発光素子実装用ホーロー基板のスルーホール電極に発光素子を実装したものなので、基板の電極構造が単純化でき、高密度の実装が可能となる。また、発光素子を実装したスルーホール電極は、ホーロー基板のホーロー層によってコア金属から絶縁されているので、スルーホール電極であっても十分に電気絶縁性を確保できる。さらにスルーホール電極を金属で構成することで、十分な放熱性を確保でき、スルーホール電極上に複数の発光素子を集中して実装することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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モジュールの第１実施形態を示し、図１（ａ）は発光素子モジュール１０の平面図、（ｂ）は断面図である。本実施形態の発光素子モジュール１０は、コア金属１４をホーロー層１５で覆ってなり、中央部にスルーホール１６が穿設され、該スルーホール１６に金属等の導電体を充填してなるスルーホール電極１７が設けられた発光素子実装用ホーロー基板１３（以下、ホーロー基板と記す。）を有し、このホーロー基板１３のスルーホール電極１７上に複数の発光素子１１を実装した構成になっている。
【００１９】
このホーロー基板１３の一方の面側には、導電体からなる基板電極１８Ａが所望の回路パターンに沿って設けられている。また、ホーロー基板１３の裏面側には、共通電極であるスルーホール電極１７に接続されて基板裏面の適所（例えば基板周縁）まで延びる裏面電極１８Ｂが設けられている。
【００２０】
スルーホール電極１７上に実装された複数の発光素子１１は、本例示では上下両側にそれぞれ電極端子を備えているタイプの発光素子１１を用い、その下側の電極端子をスルーホール電極１７に半田や銀ペーストを用いてダイボンディングすることで固定され、かつスルーホール電極１７と下側の電極端子とが電気的に接続されている。また、発光素子１１の上側の電極端子は、ワイヤボンド１２によって基板電極１８と電気的に接続されている。このワイヤボンド１２は金ワイヤなどが好ましい。
【００２１】
スルーホール電極１７に実装された複数の発光素子１１は、封止樹脂１９によって一括して封止されている。この封止樹脂１９には、発光素子１１から発する光により励起してそれと異なる波長の可視光を発する蛍光体を混ぜることもできる。
【００２２】
スルーホール１６に充填される導電体としては、銀、アルミニウム、半田などの金属で構成することが望ましいが、これらに限定されない。スルーホール１６の形状は円形に限定されず、多角形などの形状としてもよい。またスルーホール１６の直径は、発光素子１１の実装が可能であればよく、発光素子１１のサイズや発光素子モジュール１０の用途などに応じて適宜設定し得る。
【００２３】
ホーロー基板１３にスルーホール１６を設ける場合、コア金属１４に予めスルーホール１６を穿設しておき、このスルーホール付きのコア金属１４の全面にガラスを焼き付けてホーロー層１５を形成することにより、スルーホール１６の内面もホーロー層１５により絶縁処理されるため、銀、アルミニウム、半田などの金属で構成するスルーホール電極１７は、コア金属１４と電気的に接することはない。
【００２４】
次に、ホーロー基板１３の製造方法について述べる。コア金属１４として、例えば、低炭素鋼板を用い、所定の形状に裁断するとともに、発光素子１１を配置する位置に所定の径のスルーホール１６を穿設する。その後、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１４を吊るし、さらにそのコア金属１４と対向する位置に電極を配し、ガラスをコア金属１４に電着させる。さらに、取り出したコア金属１４を高温で焼成してガラスをコア金属１４の表面に焼き付ける。次に、印刷用の銀ペーストなどを用い、基板電極１８Ａ及び裏面電極１８Ｂの形成位置に塗布し、焼成してホーロー基板１３を完成させる。このとき、スルーホール１６内部もガラスが電着し、焼成されるので、スルーホール１６の内面も絶縁処理される。次に、スルーホール１６内部に銀ペースト、半田などの金属材を流し込み、基板裏側に導通するスルーホール電極１７を形成する。
【００２５】
このホーロー基板１３は、スルーホール１６に導電体を充填したスルーホール電極１７を有するものなので、このスルーホール電極１７上に発光素子１１を実装する場合に優れた放熱性が得られる。また、スルーホール１６内面側にもホーロー層１５を設けておくことで、スルーホール電極１７とホーロー基板１３との間の電気的な絶縁を確保できる。
【００２６】
次に、前記のように作製したスルーホール電極１７付きのホーロー基板１３への発光素子１１の実装について説明する。まず、ホーロー基板１３のスルーホール電極１７に複数の発光素子１１を半田、銀ペーストなどを用いて発光素子１１をダイボンドする。さらに発光素子１１の反対側（上側）の電極端子を、スルーホール電極１７の周囲に配した基板電極１８Ａの端部にワイヤボンド１２にて接続することで、電気的な接続をとる。その後、封止樹脂１９によって発光素子１１を覆って封止する。
【００２７】
本実施形態の発光素子モジュール１０は、前述したホーロー基板１３のスルーホール電極１７に発光素子１１を実装したものなので、基板の電極構造が単純化でき、高密度の実装が可能となる。
また、発光素子１１を実装したスルーホール電極１７は、ホーロー基板１３のホーロー層１５によってコア金属１４から絶縁されているので、スルーホール電極１７であっても十分に電気絶縁性を確保できる。
さらにスルーホール電極１７を金属で構成することで、十分な放熱性を確保でき、スルーホール電極１７上に複数の発光素子１１を集中して実装することが可能となる。
【００２８】
図２は、本発明に係る発光素子モジュールの第２実施形態を示す図である。本実施形態の発光素子モジュール２０は、図１に示す第１実施形態の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、さらにホーロー基板１３のスルーホール電極１７の周囲に反射カップ形状の凹部を設けたことを特徴としている。
【００２９】
発光素子１１から発する光の方向を基板前面に対して配光するため、反射カップ形状を構成しておくことは、発光素子モジュールの実装構造においては一般的である。前記の発光素子モジュール２０用のホーロー基板１３の場合、図２に示すような反射カップ形状を作製することができる。この場合、ドリル加工などの機械加工によりコア金属１４の所定位置に反射カップ形状とその内部にスルーホール１６を穿設し、そのコア金属１４をホーロー処理することにより、図２に示すようなホーロー基板１３および発光素子モジュール２０を作製することができる。この凹部内は、発光素子１１の実装後、封止樹脂１９によって埋めることができる。
【００３０】
本実施形態のホーロー基板１３及び発光素子モジュール２０は、前述した第１実施例と同様の効果が得られ、さらにスルーホール電極１７の周囲に反射カップ形状の凹部を設けたことによって、発光素子１１から発する光を基板前面側に効率よく配光することができる。
【００３１】
図３は、本発明に係る発光素子モジュールの第３実施形態を示す図である。本実施形態の発光素子モジュール３０は、図１に示す第１実施形態の発光素子モジュール１０で用いたものと同じホーロー基板１３を用いているが、両電極端子が片面（上面又は下面）にある発光素子１１を用いた点で異なっている。本実施形態では、発光素子１１の両電極端子を上向きにした状態でスルーホール電極１７上に実装し、一方の電極端子を基板電極１８Ａに、他方の電極端子をスルーホール電極１７に、それぞれワイヤボンド１２によって電気的に接続している。本実施形態の発光素子モジュール３０は、前述した第１実施例と同様の効果が得られる。
【００３２】
図４は、本発明に係る発光素子モジュールの第４実施形態を示す図である。本実施形態の発光素子モジュール４０は、図１に示す第１実施形態の発光素子モジュール１０で用いたものと同じホーロー基板１３を用いているが、両電極端子が片面（上面又は下面）にある発光素子１１を用いた点で異なっている。本実施形態では、発光素子１１の両電極端子を下向きにし、一方の電極端子を基板電極１８Ａに、他方の電極端子をスルーホール電極１７に、それぞれ導電性のボンド４１で固定したフリップチップボンディング構造になっている。本実施形態の発光素子モジュール４０は、前述した第１実施例と同様の効果が得られ、さらに、発光素子１１のワイヤボンディング工程を省くことができるので、生産性を高めることができる。
【００３３】
本発明の発光素子モジュールに使用する発光素子としては、ＬＥＤが好ましいが、これに限定されず、半導体レーザダイオード（ＬＤ）素子、有機ＥＬ素子などを用いることもできる。また、発光素子としては、出射光が可視光〜紫外光の範囲の各種発光素子の中から選択して用いることができ、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く、また、ＧａＰに代表される赤色の発光素子でも良い。また、青色ＬＥＤをホーロー基板上に実装し、封止樹脂に青色励起黄色発光体を混ぜておいて、白色ＬＥＤモジュールを作製することも可能である。
【００３４】
また、本発明の発光素子モジュールは、基板の放熱性も良く、長期点灯時の信頼性も高いものと言え、また本発明の発光素子モジュールに用いているホーロー基板は機械的な剛性を高くすることができ、またネジ穴なども形成できる特徴をもつ（特開平４−１２９２８７号公報参照。）。従って、本発明の発光素子モジュールは、照明装置、表示装置及び交通信号機への適用も十分可能である。
【実施例】
【００３５】
＜ホーロー基板の作製＞
１．５ｍｍの厚さの低炭素鋼板を１０×５０ｍｍのサイズに裁断し、スルーホール電極となる位置に内径３ｍｍの穴をドリルによる機械加工により穿設してスルーホール付きコア金属を作製した。
分散媒中にガラス粉末を入れて分酸させた液中に前記コア金属を吊し、さらにその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させた。さらに、取り出したコア金属を高温で焼成してガラスをコア金属表面に焼き付けた。焼成後に得られたホーロー基板のスルーホール内径は２．５ｍｍとなり、基板全体のホーロー層の厚みは２００μｍとした。さらに、そのスルーホール内に銀ペーストを充填してスルーホールを塞ぎ、スルーホール電極を形成した。
このスルーホール電極付きのホーロー基板上に銀ペーストにより電極、電気回路をスクリーン印刷し、焼き付けた。
【００３６】
＜発光素子の実装＞
前記ホーロー基板のスルーホール電極上に、発光素子として青色ＬＥＤ（窒化ガリウム系化合物半導体、電極端子が上下にあるタイプ）を銀ペースト実装した。青色ＬＥＤのもう一方の電極端子は、直径２５μｍの金線を用いたワイヤボンド法により基板電極に接続した。さらに、エポキシ樹脂により青色ＬＥＤを封止し、図１に示す構造の発光素子モジュールを作製した。
【００３７】
得られた発光素子モジュールの各電極間に１０００Ｖの電圧をかけて電気耐圧試験を行い、コア金属への絶縁性を調べたところ、ｎ＝２０の試験で絶縁性に問題ないことを確認した。
【００３８】
＜スルーホール径の検討＞
前述したホーロー基板の作製と同様にして、表１に示す通りスルーホール径をφ５００μｍ、φ１０００μｍ、φ１５００μｍと変量したホーロー基板を作製し、それぞれのホーロー基板のスルーホール外観を調べた。
【００３９】
【表１】
2007013027.tif 000003
【００４０】
コア金属に開ける穴径を変量してホーロー層を作製した結果、スルーホール径がφ１０００μｍ以上の場合（例２，３）、スルーホール電極を構成することができたが、スルーホール径がφ５００μｍの場合（例１）、ガラスで穴がふさがれてしまい、貫通孔を作ることができなかった。このことからスルーホール径はφ１０００μｍ以上が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の発光素子モジュールの第１実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【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実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の発光素子モジュールの第４実施形態を示す断面図である。
【図５】従来の発光素子モジュールを例示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】従来のアルミ積層基板の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０，２０，３０，４０…発光素子モジュール、１１…発光素子、１２…ワイヤボンド、１３…ホーロー基板、１４…コア金属、１５…ホーロー層、１６…スルーホール、１７…スルーホール電極、１８Ａ…基板電極、１８Ｂ…裏面電極、１９…封止樹脂、４１…ボンド。
【図１】
2007013027.tif 000004
【図２】
2007013027.tif 000005
【図３】
2007013027.tif 000006
【図４】
2007013027.tif 000007
【図５】
2007013027.tif 000008
【図６】
2007013027.tif 000009