JP4880358B2

JP4880358B2 - 光源用基板及びこれを用いた照明装置

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Publication number: JP4880358B2
Application number: JP2006142552A
Authority: JP
Inventors: 和夫青木; 幸雄吉川; 建和氏家
Original assignee: Koha Co Ltd
Current assignee: Koha Co Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-05-23
Also published as: JP2007317701A

Description

本発明は、光源用基板及びこれを用いた照明装置に関し、特に、光源用素子が発生する熱の放熱性に優れた光源用基板及びこれを用いた照明装置に関する。

環境問題、特にエネルギー削減において低消費電力であるＬＥＤは、今後照明用としての需要が見込まれる。照明用のためには従来の数十ミリアンペアでは、蛍光灯と比較して明るさが不十分である。そのため、十分な明るさを確保するには、数百ミリアンペアの領域での使用が必須となる。しかし、数百ミリアンペアを流すと、熱の問題が発生するため、パッケージングにおいて、効率よく熱を逃がす必要がある。

そこで、金属ベ−スと、片面に絶縁体を介して設けられた電極とを具備し、絶縁体が第１絶縁層と第２絶縁層とからなり、第１絶縁層がガラス繊維不織布に酸化アルミニウム等からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したもので、第２絶縁層が芳香族ポリアミド繊維不織布もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に熱硬化性樹脂を塗布含浸した回路用金属基板が、放熱性と耐絶縁性に優れた回路用金属基板として提案されている(例えば、特許文献１参照)。

また、金属基板として、金属板に絶縁層及び配線性金属箔を順に積層してなる積層物の配線性金属箔をエッチングして配線回路を形成した金属ベース回路基板の裏面に、放熱フィンを半田付けするためのニッケルめっきまたは金めっきを施した金属ベース回路基板が提案されている(例えば、特許文献２参照)。
特開平０８−２３６８８４号公報特開平０６−１２５１５５号公報

しかし、従来の多くのＬＥＤパッケージングは配線パターンが形成されたエポキシ樹脂基板にＬＥＤをマウントし、エポキシ樹脂基板をヒートシンクに実装する方法であり、素子から熱抵抗の大きいエポキシ樹脂を介してヒートシンクに接続している。総計としての熱抵抗は、各部材の熱抵抗の合計の為、他の部材の熱抵抗をいくら下げてもエポキシ樹脂の為に熱抵抗の総計は下がらないという欠点を有している。このため、発光素子を大電流領域で使用できず、高出力化にも限界が生じていた。

また、例えば、特許文献１に開示された回路用金属基板では、実装面と反対側には放熱向上のための対策は施されてなく、放熱効果は十分とは言えず、また、特許文献２に開示された金属ベース回路基板では、基板下に放熱フィンを装着して熱を逃がしたり、強制冷風の方法を用いていたが、いずれの方法においても、厚み方向においてスペースが必要となるため、照明器具としても大きくなるという問題がある。

また、実装面から効率よくＬＥＤからの光を照射させることが必要であるが、従来の金属基板を用いた回路基板では、主に放熱性を考慮し、他の機能、例えば、光源用基板として要求される高い反射率等が考慮されていなかった。

従って、本発明の目的は、熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な光源用基板及びこれを用いた照明装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、光源用素子が実装される光源用基板であって、高い熱伝導性を有するベース基板と、前記ベース基板の前記光源用素子が実装される実装面側の面に形成された高い熱伝導性、及び熱放射性を有する絶縁層と、前記絶縁層を介して前記実装面側に形成された配線パターンと、前記ベース基板の前記実装面側と反対側の面に形成された高い熱放射性を有する放熱層とを有し、前記絶縁層の厚さは、前記放熱層の厚さよりも厚く設定されていることを特徴とする光源用基板を提供する。

また、前記ベース基板は、金属基板であってもよく、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅系合金であってもよい。また、前記絶縁層は、セラミック、アルミナ、窒化アルミニウム、及び、アルミアルマイトのいずれかにより形成されていてもよく、プラズマ溶射、陽極酸化、スピンコート、ＣＶＤ、ＰＶＤ、及び、蒸着のいずれかの方法により形成されているものであってもよい。また、前記絶縁層は、可視光領域では高い反射率を示す材料により形成されるものであってもよく、また、前記光源用素子の反射板として利用できる白色の絶縁材料により形成されるものであってもよく、具体的には、溶射アルミナ又は溶射Ｙ_２Ｏ_３であってもよい。また、前記放熱層は、表面が粗面又は凹凸面により形成されているものでもよく、アルミアルマイト、アルミナ、及び、窒化アルミニウムのいずれかにより形成されていてもよく、プラズマ溶射、陽極酸化、スピンコート、ＣＶＤ、ＰＶＤ、及び、蒸着のいずれかの方法により形成されているものであってもよい。

また、本発明は、上記目的を達成するために、光源用基板に光源用素子が実装された照明装置であって、前記光源用基板は、上記いずれかに記載の光源用基板であることを特徴とする照明装置を提供する。

本発明の光源用基板及びこれを用いた照明装置によれば、熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な光源用基板及びこれを用いた照明装置を可能とすることができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光源用基板及び光源用基板に光源用素子が実装された照明装置を示す図である。図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る光源用基板及び照明装置の構成を断面図で示すものであり、（ｂ）は、ＬＥＤで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路を示す図である。

第１の実施の形態に係る光源用基板１１は、高い熱伝導性を有するベース基板１と、光源用素子が実装される実装面側に形成された第１の絶縁層２と、実装面と反対側に形成された放熱層５と、第１の絶縁層２を介して実装面上に形成された配線パターン６とからなる。ここで、光源用素子とは、ＬＥＤ，ＬＤ等の光源となる発光素子と、この発光素子を駆動あるいは制御するために必要となる回路素子あるいは周辺素子を含む。

また、照明装置１２は、ベース基板１上にはんだバンプ７を介して金属の配線パターン６と電極８が電気的に接続されてＬＥＤ１０が実装されている。発光素子としては、ＬＥＤの他に、レーザ等の光を出射するものであれば本装置に適用できる。

ベース基板１は、高い熱伝導性を有するものとするが、熱伝導率が高く、従来から一般に実装基板として使用されている、例えば、エポキシ樹脂基板の熱伝導率より高ければよく、金属基板であることが好ましい。特に、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅系合金等の熱伝導率に優れる材質で形成された基板であることが好ましい。本実施の形態では、３ｍｍ厚のアルミニウム基板を用いた。

第１の絶縁層２は、ベース基板１と配線パターン６との絶縁性が十分確保され、高い熱伝導性を有するものであればよいが、例えば、セラミック、アルミナ、窒化アルミニウム、及び、アルミアルマイト等が挙げられる。本実施の形態では、８０μｍ厚のアルミナ層を用いた。

放熱層５は、高い熱放射性を有する材料により形成され、空気に接する側の表面を粗面あるいは凹凸面に形成してもよく、また、一般的なヒートシンクと同様の形状に形成したものであってもよい。放熱層５を構成する材料としては、例えば、アルミアルマイト、アルミナ、及び、窒化アルミニウム等が挙げられる。本実施の形態では、５０μｍ厚のアルミアルマイト層を用いた。また、放熱層５は、例えば、プラズマ溶射、陽極酸化、スピンコート、ＣＶＤ、ＰＶＤ、蒸着により形成することができる。

ＬＥＤ１０は、バンプ７によりベース基板１に固着され、ベース基板１に所定のパターンで配線された金属の配線パターン６とＬＥＤ１０の２つの電極８で電気的に接続されている。

尚、上記の説明、及び、図１では、照明装置１２は、ベース基板１にＬＥＤ１０が1個実装されたものを示したが、これに限らず、ベース基板１にＬＥＤ１０を複数個実装して照明装置１２を構成するようにしてもよい。

（第１の実施の形態による作用効果）
高い熱伝導性を有するベース基板１を用いた場合、アルミニウム等の金属は高い熱伝導率を有し、熱抵抗が小さく、ＬＥＤ１０で発生する熱がベース基板１を通して拡散されるので、ＬＥＤ１０の放熱に有利な効果を有する。

また、放熱層５の放射率は大きいため、ＬＥＤ１０を大電流領域で使用しても、効率的に熱を放射することができ、高輝度の照明が可能となる。

（従来例との比較）
図４は、従来の回路用金属基板及びこれに光源用素子が実装された照明装置を示す図である。図４（ａ）は、回路用金属基板及び照明装置の構成を断面図で示すものであり、（ｂ）は、ＬＥＤで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路を示す図である。

図４（ａ）において、従来の照明装置は、エポキシ樹脂で形成されたエポキシ基板１０２とアルミニウム基板１０１とが貼り合わされた実装基板上に、はんだバンプ１０７を介して配線パターン１０６と電極１０８が電気的に接続されてＬＥＤ１１０が実装されている。

ここで、図１（ｂ）に示した第１の実施の形態に係る照明装置のＬＥＤで発生する熱の放熱モデルと、図４（ｂ）に示した従来の照明装置のＬＥＤで発生する熱の放熱モデルとを比較する。各図の点線で囲まれた部分の熱抵抗を比較する。実装面１０ｍｍ×１０ｍｍ、エポキシ樹脂層厚８０μｍ、ＬＥＤと基板の接合部でのジャンクション温度１００℃、周囲温度３０℃と仮定する。

従来の照明装置における実装では、エポキシ樹脂で形成されたエポキシ基板１０２からアルミニウム基板１０１までの伝導による熱抵抗は次のようになる。エポキシ基板の熱抵抗Ｒ_１０２＝２．６７℃／Ｗとアルミニウム基板の熱抵抗Ｒ_１０１＝０．１３℃／Ｗを合成して２．８℃／Ｗ。また、放射の熱抵抗Ｒ_１０３＝１０２７０．２８℃／Ｗと自然対流の熱抵抗Ｒ_１０４＝８３７．６２℃／Ｗを合成して、７７４．４６℃／Ｗである。よって、卜一タルの熱抵抗７７７．２６℃／Ｗとなる。

一方、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置では、裏面に高い熱放射性材料の放熱層５を形成しているので、第１の絶縁層２であるアルミナ層からベース基板１であるアルミニウム基板までの伝導による熱抵抗は次のようになる。ベース基板１の熱抵抗Ｒ_１＝０．１３℃／Ｗと第１の絶縁層２の熱抵抗Ｒ_２＝０．０２℃／Ｗ、放熱層５の熱抵抗Ｒ_５＝０．００５９℃／Ｗを合成して０．１５５９℃／Ｗ。また、放射の熱抵抗Ｒ_１３＝１１６５．８７℃／Ｗと自然対流の熱抵抗Ｒ_１４＝８３７．６２℃／Ｗを合成して４８７．４３℃／Ｗである。よって、トータルの熱抵抗は４８７．５９℃／Ｗとなる。

ベース基板１の裏面に高い熱放射性材料の放熱層５を薄くコーティングしたことにより放射による熱抵抗が小さくなり、第１の実施の形態では従来に比べて、トータルでの熱抵抗が37%減少して大きな放熱効果を有する。また、放熱層の空気に触れる側の表面を粗面又は凹凸面により形成することにより、放射面積の増大及び対流伝熱の増大を図ることができ、さらに放熱効果を向上させることができる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る光源用基板に発光素子を実装することにより、大電流領域においても使用可能で、高出力化にも対応可能な照明装置が可能となる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る光源用基板及び光源用基板に光源用素子が実装された照明装置を示す図である。図２は、第２の実施の形態に係る光源用基板及び照明装置の構成を断面図で示すものである。

第２の実施の形態に係る光源用基板１１は、高い熱伝導性を有するベース基板１と、光源用素子が実装される実装面側に形成された第２の絶縁層３と、実装面と反対側に形成された放熱層５と、第２の絶縁層３を介して実装面側に形成された金属の配線パターン６とからなる。ここで、光源用素子とは、ＬＥＤ，ＬＤ等の光源となる発光素子と、この発光素子を駆動あるいは制御するために必要となる回路素子あるいは周辺素子を含む。

ベース基板１は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

第２の絶縁層３は、ベース基板１と配線パターン６との絶縁性が十分確保され、高い熱伝導性を有し、かつ、可視光領域では高い反射率を示し、赤外領域では高い放射性を示す材料により形成されている。また、可視光領域で高い反射率となるために、光源用素子の反射板として利用できる白色の絶縁材料により形成されている。尚、白色に限られず、本発明の実施の形態に係る照明装置が照明として利用できるものであればよく、上記照明色が得られる反射スペクトル特性を有していれば光源用素子の反射板として利用できる。

第２の絶縁層３を構成する材料としては、例えば、溶射アルミナ又は溶射Ｙ_２Ｏ_３が挙げられる。この第２の絶縁層３は、絶縁性と共に高い熱伝導性を十分発揮させるために、層厚さは厚い方が好ましく、本実施の形態では８０μｍとしている。

放熱層５は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

図３は、第２の実施の形態に係る光源用基板に光源用素子が実装され、光源用素子及び第２の絶縁層３を覆うようにカバー１３が形成された照明装置を示す図である。光源用素子から発光した光は、カバー１３を通して照明装置の外へ出射すると共に、高い反射率を有する第２の絶縁層３を反射板として反射し、カバー１３を通して照明装置の外へ出射される。

（第２の実施の形態による効果）
第１の実施の形態による効果に加え、実装面側に高い反射率を有する第２の絶縁層３を形成しているので、放熱に優れると共に反射効率の高い照明装置が可能となる。また、図３に示したように、カバーを有する照明装置等では、カバー内部で反射した光が高い反射率を有する第２の絶縁層３を反射板として再度反射されて照明装置の外へ出射するので、特に反射効率の高い照明装置が可能となる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）高い熱伝導性を有するベース基板１を用いた場合、アルミニウム等の金属は高い熱伝導性を有し、熱抵抗が小さく、ＬＥＤ１０で発生する熱がベース基板１を通して拡散されるので、ＬＥＤ１０の放熱に有利な効果を有する。
（２）放熱層５の放射率は大きいため、ＬＥＤ１０を大電流領域で使用しても、効率的に熱を放射することができ、高輝度の照明が可能となる。
（３）ベース基板１の実装面側に高い反射率を有する第２の絶縁層３を形成しているので、放熱に優れると共に反射効率の高い照明装置が可能となる。

従って、以上をまとめると、本発明の光源用基板によれば、熱抵抗が小さく放熱効果及び反射効率が高いので、これを用いて照明装置を構成すれば、発光素子を大電流領域で使用可能となり、また、高出力化にも対応可能な照明装置を可能とすることができる。

（ａ）は、第１の実施の形態に係る光源用基板及び照明装置の構成を断面図で示すものであり、（ｂ）は、ＬＥＤで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る光源用基板及び光源用基板に光源用素子が実装された照明装置を示す図である。第２の実施の形態に係る光源用基板に光源用素子が実装され、光源用素子及び第２の絶縁層３を覆うようにカバー１３が形成された照明装置を示す図である。（ａ）は、回路用金属基板及び照明装置の構成を断面図で示すものであり、（ｂ）は、ＬＥＤで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路を示す図である。

符号の説明

１ベース基板
２第１の絶縁層
３第２の絶縁層
５放熱層
６配線パターン
７はんだバンプ
８電極
１０ＬＥＤ
１１光源用基板
１２照明装置
１３カバー

Claims

光源用素子が実装される光源用基板であって、
高い熱伝導性を有するベース基板と、
前記ベース基板の前記光源用素子が実装される実装面側の面に形成された高い熱伝導性、及び熱放射性を有する絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記実装面側に形成された配線パターンと、
前記ベース基板の前記実装面側と反対側の面に形成された高い熱放射性を有する放熱層とを有し、
前記絶縁層の厚さは、前記放熱層の厚さよりも厚く設定されていることを特徴とする光源用基板。
前記ベース基板は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅系合金の金属基板であることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記絶縁層の厚さは、８０μｍであり、前記放熱層の厚さは、５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記絶縁層は、セラミック、アルミナ、窒化アルミニウム、及び、アルミアルマイトのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記絶縁層は、プラズマ溶射、陽極酸化、スピンコート、ＣＶＤ、ＰＶＤ、及び、蒸着のいずれかの方法により形成されることを特徴とする請求項４に記載の光源用基板。
前記絶縁層は、可視光領域では高い反射率を示す材料により形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記絶縁層は、前記光源用素子の反射板として利用できる白色の絶縁材料により形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記絶縁層は、溶射アルミナ又は溶射Ｙ_２Ｏ_３により形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の光源用基板。
前記放熱層は、表面が粗面又は凹凸面により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記放熱層は、アルミアルマイト、アルミナ、及び、窒化アルミニウムのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の光源用基板。
前記放熱層は、プラズマ溶射、陽極酸化、スピンコート、ＣＶＤ、ＰＶＤ、及び、蒸着のいずれかの方法により形成されることを特徴とする請求項１０に記載の光源用基板。
光源用基板に光源用素子が実装された照明装置であって、
前記光源用基板は、請求項１から１１のいずれかに記載の光源用基板であることを特徴とする照明装置。