(57)【要約】【課題】ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージの実装用基板として、基板上の局部的な冷却効果を発揮させることが可能で、かつ、接合界面の少ない実装構造を提供し、密着界面加工の負担を大幅に軽減させた、安価で、生産性の良いＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージ搭載用のメタル基板を提供する。【解決手段】スルーホールを作成したメタル基板に電着塗装で、絶縁膜形成を行い、絶縁されたメタル基板のスルーホール内にペルチェ素子を形成し、ペルチェ効果を生ずるＰ型素子とＮ型素子との接合部分となる電極上にＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを搭載することを可能とする、基板の構造と製造方法【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２か所、又はそれ以上のスルーホールを形成したメタル基板に、そのスルーホール内面を含め全面に絶縁膜を形成してなるスルーホールを有するメタル基板のスルーホール内に、お互い隣接するようにＰ型半導体素子、材料、Ｎ型半導体素子、材料を挿入させてなるＰ型半導体素子、Ｎ型半導体素子内蔵メタル基板
【請求項２】
上記スルーホール内に形成されたＰ型半導体素子とＮ型半導体素子がペルチェ効果を発生させる接合部分となるように、絶縁膜が形成されたメタル基板の表面に電極が形成されてなるペルチェ素子内蔵メタル基板
【請求項３】
上記絶縁膜形成方法が電着塗装方法であるペルチェ素子内蔵メタル基板の製造方法
【請求項４】
上記電着塗装に用いられる電着塗料が電解活性型電着塗料であるペルチェ素子内蔵メタル基板の製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電子デバイスを実装するための、パッケージ、モジュール基板に関する。
【背景技術】
【０００２】  地球温暖化、二酸化炭素削減に対する意識の高まりを受け、消費電力が極めて少ないＬＥＤ、特に白色ＬＥＤは、省エネ技術として液晶ディスプレイのバックライト、自動車ヘッドライトなど各種光源用途、従来の照明器具（白熱電球、蛍光灯、ＨＩＤなど）の置き換わりなど各種照明用途への期待が高まっている。そして、今後大きく用途を拡大するためには、高輝度、高光束のＬＥＤ光源の開発が必要とされている。【０００３】  しかし、ＬＥＤは、発光温度が高くなるほど、ＬＥＤ自身の劣化が進み、発光効率が低下するという本質的な問題を抱えている。高輝度、高光束をめざし、高出力にすればするほど、発光温度が高くなり、発光効率の低下による照明品質（輝度、光束量）の低下とＬＥＤの劣化による製品品質（耐久性等）に懸念が出てくる。【０００４】  従って、３Ｗ以上の高出力ＬＥＤの光源、照明への製品化には、高輝度で耐久性のあるＬＥＤ素子の開発だけではなく、発光温度を上げることのない熱伝導性と放熱性を持つ実装用基板や、熱抵抗を上げない実装方法、照明品質を維持できる駆動電源の開発が伴って初めて可能になるとされている。【０００５】  実装用基板としては、従来から汎用的に用いられていたガラスエポキシ系基板を代表とする熱伝導率の悪い有機系樹脂基板から、熱伝導性の良いセラミック系基板、金属基板の利用に移行している。【０００６】  セラミックスは熱伝導性がありながら、絶縁性もあり、ＬＥＤ用のパッケージ基板として熱対策に適した性質を持っておりＬＥＤ電球などのＬＥＤ実装用基板として使われている。しかし、硬くて脆く、加工しにくいなどセラミックス固有の性質を持つため、大面積化が難しく、支持体への架装が難しいなど、使い方は電球のように比較的小面積に限られる。【０００７】  金属基板は、熱伝導性も良く、加工性、強度もあり、大面積化も可能で、使用用途、使い方には広がりを持つ材料であるが、導電体であるため、ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを実装する時には、金属基板との絶縁が必要な個所に、絶縁を確保することが必要となる。絶縁フィルム、シート、接着剤などを使って絶縁を確保するが、これらは有機材料でできていることが多く、熱伝導率を低下させてしまう。【０００８】  ＬＥＤ素子やＬＥＤパッケージを光源や照明器具に組み立てていく場合には、製品の形状と上記の基板の持つ長所短所を考慮して、支持体としての金属基板上にセラミックス基板を載せるなど、組み合わされて使用される。さらに、高出力になると、基板に対して、熱を逃がすための放熱部品（ヒートシンク）を組み合わせる必要が出てくる。【０００９】  基板を組み合わせたり、ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを基板上に実装したり、放熱部品を組み合わせたりする場合には、その間に接合する界面が存在するようになる。
固体間の接合界面には必ず隙間が出来、空気層が形成されるため、熱伝導性と密着性が大きく阻害される。これを改善するために接着シート、フィルム、グリース、ジェルなどの密着界面加工材料を使った密着界面加工が必須となっている。しかし、これらの密着界面加工材料も有機材料で出来ているため、熱伝導性を低下させる原因ともなる。【００１０】  ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを基板に実装し、光源や照明製品に組み立てていく過程で固体間の接合界面が多くなるほど、密着界面加工する個所が増えることになり、構造も複雑になり、熱伝導性も低下する。複雑な構造は生産性の低下と製品品質の信頼性低下を招き、ＬＥＤの光源、照明器具のコストアップにもつながる。熱伝導性の悪化は、ＬＥＤが高出力になるほど影響が大きくなり、高出力ＬＥＤを実用化し、ＬＥＤ光源、照明のいろいろな分野への普及を進めるための大きな妨げになっている。【００１１】  一方、ＬＥＤの照明の品質（輝度、光束量等）については基板の熱伝導性とは関係なく、電源の工夫により維持させることができる。例えば、定電流電源で発光させればＬＥＤ自身の発光効率の低下を、印加する電圧で補償することができ照明の品質（輝度、光束量等）は維持できる。しかし、ＬＥＤの劣化によるＬＥＤ素子の寿命低下や、消費電力の増大が危惧される。特に高出力用途では大きな課題となる。【００１２】  従って、ＬＥＤの発光効率を低下させる原因である発光温度を高めないことが、ＬＥＤの劣化による寿命や消費電力に対する信頼性を確保することであり、熱伝導性や放熱性に頼るだけでなく、ＬＥＤ素子を直接冷却するという能動的制御を加えることが本質的な課題解決方法である。【００１３】  ペルチェ素子は、Ｐ型半導体からなるＰ型素子とＮ型半導体からなるＮ型素子とを交互に電気接続し、直流を通電した場合にＰ型素子とＮ型素子との接合部分にベルチェ効果といわれる冷却／発熱効果を発生する素子である。従って、可動部分がないため、騒音もなく、信頼性の高い、冷却方法として、一部のＬＥＤ光源の冷却に適用されている。ペルチェ素子の電子冷熱モジュールの基本構造を図−１に示す。【００１４】  ＬＥＤを冷却するのにペルチェ素子を利用する例は、既に提案されている（参考に、開示されている特許文献を掲載する）。
これらの文献によれば、実際にペルチェ素子をＬＥＤの冷却に適用しようとする場合、図−１の構造を持つ電子冷熱モジュールをＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを搭載した基板上に搭載することを基本としている。【００１５】  ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを搭載した基板の裏面に搭載する方法やＬＥＤから離れた、ＬＥＤ搭載基板上に置かれている例もある。これらの構造では、冷却したいＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージとの間に基板が存在することになり、冷却効率が低下するだけでなく、冷却が基板全体に及び、ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージ自体への冷却効果も損なわれる。又、固体間の接合界面も増えることになり、実装構造も複雑になる。【００１６】  さらに、図−１の構造を持つ電子冷熱モジュールでは、いずれかの面全体が冷却側で他方の面全体が発熱側となる。従って、実際の利用においては、両面の温度差によりひずみが発生し、接合部分の接合強度によっては、長期の使用では剥離をおこす危惧を持っている。【００１７】  高出力になると、ペルチェ素子の電子冷熱モジュールに放熱部位（ヒートシンク）が必要とされるなど、前述の実装構造とひずみの課題がおおきくなり、長期信頼性のある高出力のＬＥＤ光源、照明の実現を極めて難しくしている。
【先行技術文献】
【００１８】
【特許文献】
【特許文献１】特許公開平１１−１６３４１０、
【特許文献２】特許公開２００５−２７６９７６、
【特許文献３】特許公開２００６−２５３２７４、
【特許文献４】特許公開２００６−２６８０６６、
【特許文献５】特許公開２００６−５９９３０、
【特許文献６】特許公開２００８−１９２９４０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】  局部的な冷却効果を発揮させることが可能で、発熱側と冷却側の温度差によるひずみの影響を小さく出来る構造を持つ電子冷熱モジュールであり、かつ、ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージの実装時に、接合界面の少ない実装構造を可能とするメタルベース基板を提供し、信頼性が高く、安価で、生産性の良い高出力ＬＥＤ光源、ＬＥＤ照明の実用化に供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】  本発明者は、上記の目的を達成するために、スルーホールを作成したメタル基板に電着塗装で、絶縁膜形成を行い、絶縁されたメタル基板のスルーホール内にペルチェ素子を形成し、ペルチェ効果を生ずるＰ型素子とＮ型素子との接合部分となる電極上にＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを搭載することを可能とする、ペルチェ素子を内蔵した基板の構造と製造方法を考えるに至った。【００２１】  すなわち、本発明の請求項１では、２か所、又はそれ以上のスルーホールを形成したメタル基板に、そのスルーホール内面を含め、絶縁膜を形成してなるスルーホールを有するメタル基板のスルーホール内に、お互い隣接するようにＰ型半導体素子、材料、Ｎ型半導体素子、材料を挿入させ、Ｐ型半導体素子、Ｎ型半導体素子をメタル基板内に内蔵してなる構造を特徴とするメタル基板である。【００２２】  請求項２では、スルーホール内に形成されたＰ型半導体素子とＮ型半導体素子がペルチェ効果、熱電変換効果を発生させる接合部分となるように、絶縁膜が形成されたメタル基板の表面上にＰ型半導体素子とＮ型半導体素子をつなぐ電極が形成されてなる構造を特徴とするベルチェ素子内蔵メタル基板である。【００２３】  請求項３は、上記絶縁膜形成方法が電着塗装方法であるペルチェ素子内蔵メタル基板の製造方法である【００２４】  絶縁膜は、封入したＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子のお互いがメタル基板を通して導通してしまうことを避けるためでありスルーホール内への形成と電極形成部分については必須となる。【００２５】  メタル基板への絶縁膜の形成方法については、絶縁シート、絶縁フィルムの利用では、接合界面がシート、フィルムの表、裏の２面に出来、密着界面加工の必要な個所が２面になり、実装構造が複雑になるだけでなく、スルーホール内への絶縁膜形成が難しく、適用は困難である。ＣＶＤによれば、スルーホール内への絶縁膜形成は可能であるが、真空系の容器を必要とし、生産性が悪く、基板のコストアップにつながる。従って、スルーホール内への絶縁膜を形成するためには、つきまわり性を有し、しかも、膜形成技術として生産性の良い電着塗装方法が好適である。さらに電着塗装とすることにより、絶縁膜形成に伴う、密着界面加工の個所が１面だけとなるメリットがある。【００２６】  請求項４は、上記電着塗装に用いられる電着塗料が電解活性型電着塗料であるベルチェ素子内蔵メタル基板の製造方法である。【００２７】  電解活性型電着塗料は、付きまわり性が特に優れているためスルーホール内も含めメタル基板全体に均一な絶縁膜形成が出来、しかも高硬度で、密着性の良い、固有体積抵抗の高い塗装膜が得られるため（文献ＴＥＣＮＯ−ＣＯＳＭＯＳ  ２００３  Ｍａｒ．Ｖｏｌ．１６）、ペルチェ素子内蔵メタル基板の絶縁膜形成に好適である。
【発明の効果】
【００２８】  本発明によるペルチェ素子内蔵のメタル基板の電極上に、ＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージを実装し、内蔵されたペルチェ素子に通電することによりペルチェ効果である冷却効果をＬＥＤ素子、ＬＥＤパッケージに直接作用させられ、ＬＥＤ素子の発光温度を下げることができる。かつ、接合界面の少ない実装構造を可能とし、密着界面加工の負担を大幅に軽減させ、安価で、生産性が良く、高信頼性の高出力ＬＥＤ光源、照明の実用化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ペルチェ素子の電子冷熱モジュールの基本構造の断面図である。
【図２】ＬＥＤ光源、照明用ペルチェ素子内蔵メタル基板の構造の断面図である。
【図１】
2012039050.tif 000003
【図２】
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