JP2013098269A - 放熱性を有する基板の製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ照明が、普及しつつあるが、発熱量が大きいため素子の耐久性が短く、その普及を妨げている。効率よく放熱させる構造の照明機器の製造方法を提供することにより、ＬＥＤチップの輝度低下、寿命低下の改善によって、マーケットの拡大を実現する。
【解決手段】熱伝導性の悪い絶縁シート層を使用しない構造の基板とする改良と熱伝導性の良好な銅板による放熱を実現するために、ガラエポ基板８上の銅箔３と、ＬＥＤチップの電極６とをハンダでつなぎ、電極の端を熱伝導性ゲル１２で銅板１０と結合させて、放熱し易い構造を実現した。樹脂層の使用をできるだけ避けることにより冷却器に熱を伝えて、効率よく放熱させる構造の照明機器の製造方法を確立した。高い放熱性を有する新規なガラエポ基板８を有するＬＥＤ照明器の製造法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＥＤチップによって発生する熱を、効率よく放熱器に導くための新規な基板の製造法に関する。

家庭の電燈やテレビ、さらに商工業分野の照明に、ＬＥＤ照明が、省エネの点から徐々に普及している。ＬＥＤチップを取付けるベースには、アルミ基板が広く使用されている。アルミニウムは、金銀銅についで熱伝導率が高く、２３６Ｗ／ｍＫの数値を有している。しかし、ＬＥＤ基板構造が適切でなく、熱伝導を阻害し、ＬＥＤチップの低寿命化や回路素子の破壊、ハンダの劣化等のトラブルが発生し、耐久性が問題になっている。

そこで、本発明者は、あまり検討されていない絶縁シート層の省略、さらに下記の（１）式で表される熱伝導率の向上のためのファクターの見直しを行うことにした。熱伝導率kは、熱の伝わり易さを表す値であり、板状材料の厚さが１ｍ、内外温度差が１℃あるときに、どれぐらい熱を伝えるかを表す数値で、この値が大きいほど熱伝導性が高い。
k＝Ｗ／ｍＫ ・・・・（１）
ここで、kは熱伝導率、Ｗは熱量、ｍは板状材料の厚さ、Ｋは絶対温度である。

通常のＬＥＤ照明では、ＬＥＤチップを、銅パターン、絶縁シート及びアルミベースからなるアルミ基板に取付けて使用している。ＬＥＤチップは、図１に示すように、その電極を銅パターンとハンダ付けにより取付けている。この構造の場合には、ＬＥＤ電極からアルミベースに電流が流れないようにするために、銅パターンとアルミベースの間の絶縁シートが必須である。ハイパワーＬＥＤでは、発熱量が多く、アルミベースの上に絶縁シートがあると、熱の移動が妨害され、ＬＥＤチップの寿命が短くなる。これがＬＥＤの普及の妨げになっていた。

ＬＥＤと高放熱基板をキーワードとして、公報テキスト検索を公開特許公報と公開実用新案公報について実施した。ヒット件数は１件で、特許文献１であった。貫通孔又はスリット状の貫通孔を設けて、熱の移動を容易にする技術であった。

高熱伝導基板に、高熱伝導絶縁膜を接合させる技術が開発され、発表されている（非特許文献１）。銅バンプによって層間接続を行って、温度上昇を抑える技術が公開されている（非特許文献２及び３）。

特開２００６−１４７３３３

ＯＫＩテクニカルレビュー ２０１０年４月 第２１６号 電気化学工業の新会社設立発表 ２００７年４月１７日 デンカＡＧＳＰ株式会社 ホームページ 高放熱基板の基本構成

通常使用されているアルミ基板を見ると、アルミの熱伝導率が、２３６であっても銅箔シートとアルミ基板の間に、絶縁シートが挟まれているため、熱伝導ができない構造になっている。絶縁のためには、熱伝導率０．２以下の樹脂を使用せざるを得ないからである。本発明者は、従来の基板の構造に関する考え方から脱却して、放熱性の良い、すなわち熱伝導性に優れた基板の採用を課題とした。また、基板と放熱器の接点も、密着が悪く、空気を含むことがあると、同様に熱伝導の妨げになっていた。また、従来のアルミ基板構造では、二つの絶縁層を有するＬＥＤパッケージであり、絶縁層を少なくするのが大きな課題である。

従来の技術は、図１のように、アルミニウムベースの上に、絶縁層を設けてあり、これが熱移動を妨げていることが分った。この課題を解決するために、チップをブリッジタイプにしたのが、一つの効果であり、図２のように絶縁層を省略できることが実現した。ハンダ付けする銅箔３の代わりに、図２のように銅板７を使用して、アルミベースを使用しないで、ハンダ４のみで、銅板と電極との短絡を図る構造とした。

図２の構造では、量産の過程で自動化できないプロセスがあり、図２のＬＥＤ基板では、コスト高のため採算が合わなかった。そこで、図３の構造を開発して、高放熱性を実現した。すなわち、ブリッジ構造は維持したまま、ＬＥＤ電極の下を銅パターンとし、両者をハンダ付けをした。アルミ基板は、ガラエポ基板に変更した。ブリッジ状の基板の上にＬＥＤチップがあり、そのすき間に、断面がＴ字型の銅板を差込み、ＬＥＤ電極との間を熱伝導ゲルで接合させた。さらに、基板へのＴ字型の銅板の接合は、熱伝導絶縁塗料を接着剤として採用した。

さらに、放熱性を向上させるために、図４の構造の突起のあるアルミニウム放熱器の突起部分を、チップの下の穴に差込み固定して、放熱性を向上させた。

アルミ基板の時には、初期温度２０℃で、点灯時間後には、ＬＥＤチップが６８℃まで
上昇していたが、本考案の構造では、４０℃の温度上昇に留まった。これまでの構造では、絶縁シートと基板、基板と放熱器の間の接着層の２か所で、熱伝導を妨げていたが、基板内の絶縁層がなくなり、絶縁層は１か所となった。熱伝導ゲルによって、熱伝導率３９８のＴ型銅板の一次放熱器へ熱移動がスムースに行えるようになった効果である。基板と放熱器の接合に当っては、接着樹脂を少なくし、空気層を含まないように丁寧に接着することに留意して、温度上昇を抑える効果が生まれた。

従来の一般的なＬＥＤチップの装着模式図 銅板をベースとし熱伝導性を改良してブリッジタイプにＬＥＤチップを装 着した現行品の基板模式図 第１次放熱器で、断面Ｔ字型の銅板のはめ込み式とし、ハンダ又は熱伝導 ゲルと熱伝同塗料によって個定した模式図、塗料の厚みを拡大した模式 図である。 銅板の放熱器に代わって設置するフィンの模式図

図３によって説明する。所定サイズのガラエポ基板８の上に銅パターン３を印刷し、ＬＥＤ取り付けパターンの中央にスリット穴をあけ、その穴に銅の第１次放熱器１０であるＴ型断面のプレート突起を、基板の穴に、はめ込んで基板を組み立て、ＬＥＤチップの反対面に熱伝導絶縁塗料１１を、塗布する。出来上がった基板にＬＥＤチップをハンダにより実装する。熱伝導絶縁塗料には、窒化アルミ、銅の粉末、熱伝導性のホイスカー等から選択された熱伝導物質が練り込んであり、製作した基板のＬＥＤチップから放熱機又は、放熱ケースに熱移動がスムースに起る構造にした。ハンダや絶縁シートの接着剤は、空気層を含まないように、可能な限り平滑に塗布することが重要である。

冷却をさらに効果的に実施するために、図４に示すような放熱器または放熱ケースに突起の出たものを採用して、一段と放熱性を向上させることも出来る。

銅パターン３が印刷された１ｍｍ厚さの３０ｍｍ×４０ｍｍの大きさのガラエポ基板３・４に、図３の８のように、基板にスリット穴をあけて、ＬＥＤ電極６をハンダ付けして、ブリッジタイプに、ＬＥＤチップ５・６と基板３・８が接合された後、ブリッジの間に、Ｔ字型の突起のある銅板１０を差込みその先を熱伝導ゲル１２で固めた形を採用する。

銅パターン３が印刷された１ｍｍ厚さの３０ｍｍ×４０ｍｍの大きさのガラエポ基板３・４に、図３の８のように、ＬＥＤ電極６の間に基板にスリット穴をあけて、その穴にＴ字型の突起のある銅板１０を差込み、接着材で接着し、出来上がった基板上に、ＬＥＤ電極をハンダ付けして、ＬＥＤ基板を作る。

製造手順としては、ＬＥＤチップが二極で一極が放熱端子と共用の場合には、放熱端子側に穴をあけ、銅のＴ型第一次放熱器１０の突起部分を差込み、接着剤で固定して熱伝導絶縁塗料１１により電気絶縁性を付与した。

出来上がった基板にＬＥＤチップを実装して完成させる。これでＬＥＤチップから発生する熱は、熱伝導ゲルの熱伝導性物質により銅板に伝わり放熱された。放熱用の銅板は、極めて小量の熱伝導接着剤である塗料でガラエポに固定させており、テストでは、１時間の点灯でのＬＥＤチップの温度上昇は、４２℃に抑えられた。熱伝導性の良好なＬＥＤ照明器となった。

これまで、ＬＥＤチップの熱は、アルミ基板の背面の金属板に伝わりにくかった。そのためＬＥＤチップの輝度低下、寿命低下が起った。これが原因で普及をさまたげてきた。絶縁層の省略と熱伝導の改良技術を取り入れた本発明によって、ＬＥＤチップの温度上昇が抑えられ、耐久性の向上が実現でき、高出力ＬＥＤが必要な工場や劇場の照明への利用が拡大すると考えている。また、基板の小型によりＬＥＤ以外でも放熱の必要な場合でも効率よく放熱ができる。

１アルミ基板のアルミベース
２絶縁層
３銅箔層
４ハンダ層
５ＬＥＤチップ
６ＬＥＤの電極
７銅板
８ガラエポ基板
９ハンダ
１０銅のＴ型第一次放熱器
１１熱伝導絶縁塗料
１２熱伝導ゲル
１３アルミニウム放熱器

Claims (3)

1. 複数の銅パターンが印刷された所定サイズのガラエポ基板に、ＬＥＤチップが二つの電極と一つの放熱電極の合計三つの電極を有するチップでは、中央の放熱電極の位置に穴をあけて基板を製作し、その穴に第一次放熱器のＴ字型の突起のある銅板又はアルミニウム放熱器の突起部を差込み、銅板やアルミニウム放熱器を、熱伝導絶縁塗料を塗布して固定して、出来上がった基板にハンダと熱伝導ゲルを使用してＬＥＤチップを実装して完成させることを特徴とする放熱性を有する基板の製造法
2. 複数の銅パターンが印刷された所定サイズのガラエポ基板に、ＬＥＤチップが二極で一極が放熱端子と共用の場合には、放熱用端子側に穴をあけて基板を製作し、その穴にＴ字型の突起のある銅板又はアルミニウム放熱器の突起部を差込み、銅板やアルミニウム放熱器を、熱伝導絶縁塗料を塗布して固定して、出来上がった基板にハンダと熱伝導ゲルを使用してＬＥＤチップを実装して完成させることを特徴とする放熱性を有する基板の製造
3. 第一次放熱器のＴ型の銅板の先とＬＥＤ電極の接合を電気絶縁の必要な場合は、窒化アルミ、ダイヤ等の微粉末、電気絶縁性が必要でない場合には、銅、アルミナ、ナノカーボンから選択した微粉末の混入した熱伝導ゲルによって行うことを特徴とする請求項１又は２のＬＥＤ基板の製造法