発光装置及びその形成方法
【課題】放熱性に優れた、抗高圧特性をもち、実装工程を減少し、コストを低減した、発光装置およびその形成方法を提供する。
【解決手段】第一表面２００ａを含むベース２００と、前記第一表面上に形成される導電性線路層３００と、基板４１０及び前記基板上に設置される少なくとも一の発光ダイオード４５０を含む発光ダイオードモジュール４００と、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板が表面実装法で前記導電性線路層に表面実装法で設置され、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。
【解決手段】第一表面２００ａを含むベース２００と、前記第一表面上に形成される導電性線路層３００と、基板４１０及び前記基板上に設置される少なくとも一の発光ダイオード４５０を含む発光ダイオードモジュール４００と、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板が表面実装法で前記導電性線路層に表面実装法で設置され、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置及びその形成方法に関し、特に放熱に優れた発光装置及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とする発光装置は、ＬＥＤの寿命及び輝度がともに温度の増加に伴って減少し、且つ大部分のＬＥＤの電気エネルギーが熱エネルギーに変わることから、優れた放熱メカニズムが必要となる。また、照明への応用上、高輝度を実現するため、ＬＥＤモジュールは通常複数のＬＥＤチップを含み且つ高パワーのＬＥＤチップを使用する。また、光学上の要求から、単一光源をシミュレーションし易いように、各ＬＥＤチップ間は通常緊密に配列されるが、このような設計に対する放熱上の要求がさらに高まっている。
【０００３】
したがって、発光装置上、特に照明装置上には、ＬＥＤモジュールの基板に優れた熱伝導率が必要なだけでなく、ＬＥＤモジュールを実装するベース（台座）にも優れた放熱力（高放射率）が必要であるほか、各素子間の界面（インタフェイス）にも、十分に低い熱抵抗（界面ボイド）によりＬＥＤ接合部の温度（ＬＥＤのｐ−ｎ接合温度）を低下させて、ＬＥＤの寿命をより長く、そして輝度をより高くする必要がある。
【０００４】
ＬＥＤモジュールの設計について、例えばアメリカ特許第７，４８９，０７６号、日本特許公開公報２００６−２６１２９０号やアメリカ公開特許２００５１３３８０８号などには、セラミック基板を使用したＬＥＤモジュールによって放熱と発光特性を改善することが開示されている。このほか、例えばアメリカ特許７，７５９，１４４号にはサンドイッチ型のセラミック基板のＬＥＤパッケージが開示され、前記サンドイッチ型セラミック基板の上下表面に直接接合（ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄｉｎｇ）する銅層が設けられている。これによって、各素子間の界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）がいずれも優れた熱伝導効果を有することが開示されている。
【０００５】
しかしながら、ＬＥＤモジュールを台座に実装して、発光装置若しくは照明装置を構成する際に、台座は通常立体型であるので、台座のＬＥＤモジュールを実装する位置は、従来の製造台でＬＥＤモジュールを実装するには使いにくく、一般に人力によりねじなどの固定部材を使って、ＬＥＤモジュールを閉めて固定する必要がある。ＬＥＤモジュールと台座間の熱抵抗を減少させるために、通常その接合部に熱伝導シート及び放熱ペーストなどを使用するが、熱伝導シートであれ、放熱ペーストであれ、その熱伝導率は高くなく（〜３Ｗ／ｍ−Ｋ）、熱が有効に底部にあるベース（台座）まで伝わらず、熱伝導に関する課題が残る。したがって、現行の発光装置は生産上自動化ができず、且つコストも高く、さらにＬＥＤモジュールと台座間の熱伝導が良くない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の従来ある欠点に鑑みてなされたものであり、産業上の要求を満たすため、放熱性に優れた発光装置及びその形成方法を提供することを目的の一とする。本発明の発光装置の設計によれば、ＬＥＤモジュールとベースの接合部の熱抵抗を改善し、且つベースの熱放射率を向上させ、発光装置全体の放熱効果を高める。これによって、操作時のＬＥＤ接合温度を降下することができ、ＬＥＤの使用寿命及び発光輝度を向上させる。
【０００７】
さらに、本発明は、発光装置であって、セラミックベースを使用することで抗高圧特性をもち、４０００Ｖ以上の電圧の衝撃に耐えうる、装置全体の（金属ベースに対して、より国際安全規範に符合する）リーク電流を検出できる値より極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる発光装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、発光装置であって、自動化プリント若しくはディスペンサー法により、ＬＥＤモジュールと立体形状の台座の接合を処理することで、実装工程を減少し、コストを低減し、且つＬＥＤモジュールと台座の接合部熱抵抗を低下させ発光装置の放熱効率を向上する発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の実施例によれば、発光装置の形成方法であって、立体形状を有し、第一表面を含むベースを準備する工程と、前記第一表面上に導電性線路層を形成する工程と、基板及び前記基板上に設置されるＬＥＤチップを含む発光ダイオードモジュールを準備する工程と、前記発光ダイオードモジュールの基板を表面実装法（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ）により前記導電性線路層上に設置して前記発光装置を形成する工程と、を含む、発光装置の形成方法を提供する。
【００１０】
実施例において、前記導電性線路層を前記第一表面上に形成する工程が、メタルペーストを用いて、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーにより前記第一表面にプリントした後、焼成して前記導電性線路層を形成する工程を含む。実施例において、前記メタルペーストはＡｇペーストであることが望ましい。
【００１１】
実施例において、前記表面実装法は、ソルダペーストにより前記基板と前記導電性線路層とをリフローソルダリングする。
【００１２】
実施例において、前記導電性線路層は、配線パターンを有してもよく、前記ソルダはスズペーストが望ましい。
【００１３】
実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、スズペーストと、スズペーストと前記基板の接合部と、スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率が５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズペーストの熱伝導率、Ｋ１はスズペーストと前記導電性線路層の接合部（ボイド（ｖｏｉｄ））の熱伝導率、Ｋ３はスズペーストと前記基板の接合部（ボイド）の熱伝導率を表す。
【００１４】
実施例において、前記スクリーン印刷法は特定治具と前記セラミックベースをカップリングさせて、前記メタルペーストを前記第一表面上に塗布する。
【００１５】
実施例において、前記セラミックベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間は、４０００Ｖ以上の電圧の衝撃に耐えることができ、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００１６】
本発明の別の実施例によれば、発光装置であって、第一表面を含むベースと、前記第一表面上に形成される導電性線路層と、及び基板及び前記基板上に設置される少なくとも一の発光ダイオードを含む発光ダイオードモジュールと、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板が表面実装法で前記導電性線路層に設置される発光装置を提供する。実施例において、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。前記ベースはセラミック材、好ましくは酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。
【００１７】
実施例において、前記発光ダイオードモジュール基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、スズペーストと、スズペーストと前記基板の接合部と、スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率は５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズペーストの熱伝導率、Ｋ１はスズペーストと前記導電性線路層の接合部（ボイド）の熱伝導率、Ｋ３はスズペーストと前記基板の接合部（ボイド）の熱伝導率を表す。実施例において、上記導電性線路層はＡｇペーストからなり、且つ配線パターンを有してもよい。実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズソルダペーストを含む。実施例において、前記セラミックベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間は、４０００Ｖ以上の電圧の衝撃に耐え、装置全体のリーク電流が、検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００１８】
したがって、本発明の発光装置及びその形成方法の設計は、生産上自動化ができ、且つコストを低下させ、さらにＬＥＤモジュールと台座との間の熱伝導率を上げることで発光装置全体の放熱性を向上して、操作時のＬＥＤ接合温度を降下することで、ＬＥＤの使用寿命及び発光輝度を向上させる。このほか、セラミックベースを使用することで抗高圧特性を有し、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際の、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の発光装置の略図である。
【図２】本発明の実施例による発光装置の略図である。
【図３】放熱効果シミュレーション用の発光装置の構造を示す平面図。
【図４】本発明の実施例による発光装置の形成方法の略図。
【図５】本発明の実施例による導電性線路層３００の形成方法のフローチャート、図５の右側は発光装置の断面図を示す。
【図６ａ】本発明の実施例による導電性線路層のパターンの略図。
【図６ｂ】本発明の実施例による発光装置の略図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の上記及びその他の技術内容、特徴及び効果について、図に示された実施形態を参照して、本発明の目的の達成に使われる技術手段と構造の特徴を詳細に説明する。以下、実施例で用いる方向に関する用語、上、下、左、右、前、後ろなどは、図面上の方向の参考に過ぎない。したがって、これら方向に関する用語は説明のためのものであって、本発明を制限しない。このほか、「Ａ層（若しくは素子）をＢ層（若しくは素子）上に設置する」という用語は、Ａ層が直接Ｂ層表面に接触して覆う態様に限られず、例えばＡ層とＢ層との中間にその他積層体を介する場合も範囲に含まれる。図中、同じ部材については同じ符号で表示する。
【００２１】
図１は従来の発光装置１０であって、ＬＥＤモジュール２０、ベース３０及び前記ＬＥＤモジュールと前記ベースとの間に挟まれる熱伝導シート４０とを含む。前記ＬＥＤモジュール２０は、基板及び前記基板上に設置される複数のＬＥＤチップを含み、前記基板は、アルミニウム基板、銅基板、メタルコア配線板（ＭＣＰＣＢ、ｍｅｔａｌ ｃｏｒｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム基板、その他セラミック基板などでもよい。ＬＥＤチップは、各種ＬＥＤチップ、若しくは高パワーＬＥＤチップでもよい。ベース３０は、例えばセラミックス、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの材料からなり、このほかベース３０の形状について、図１は一例であって、実際の必要に応じて各種形状に成形してもよいし、また各種放熱用鰭状パネルをつけても良く、又は放熱機能を有した各種形状でもよい。熱伝導シート４０は、例えば厚さ０．５ｍｍの含ケイ素（シリコン）高分子材などである。しかし、このような構成では、ＬＥＤモジュール２０と熱伝導シート４０の間、熱伝導シート４０とベース３０との間、接合部に多くの微細な空洞が存在し、放熱ペーストでこれら微細空洞を補填しても、熱伝導効果はやはりよくなく、放熱不良となって、ＬＥＤモジュールの温度が操作時間の増加に伴い上昇する。一方、ベース３０をメタル材を使用して作製するときに、コーティング材を塗布して絶縁層を形成するが、フィルム絶縁層は高圧に抵抗できないため、４０００Ｖの高圧テストを通過することができない。従って、４０００Ｖの衝撃下では安全テストを通過できない。
【００２２】
従って、上記の問題に鑑み、本発明は、優れた放熱メカニズムを有し、且つ安全テストを通過できる発光装置を提供する。図２は本発明の実施例である発光装置１００を示し、第一表面２００ａを含むベース２００と、前記第一表面２００ａ上に形成される導電性線路層３００と、基板４１０及び基板上に設けられた少なくとも一の発光ダイオード４５０を含む発光ダイオードモジュール４００と、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板４１０が前記導電性線路層３００上に表面実装法で設置されている。実施例において、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。前記ベースはセラミック材、好ましくは酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。発光装置は抗高圧特性を有し、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際に、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００２３】
前記表面実装法とは、従来の表面実装技術（ＳＭＴ， Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を利用し、ＬＥＤモジュールを前記導電性線路層上に固定する。例えば、まずベース上に金属配線を形成し、スクリーン印刷法若しくはディスペンサー法でＡｇペーストを前記ベースの第一表面にプリントした後、焼成を行い、それからステンレス板（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｅｎｃｉｌ）にスズペーストを塗布して、さらにリフローソルダリングしてから、フラックスを除去して、スズとＬＥＤモジュールの基板をボンディングする。これにより、ねじなどの結合部材を使用せずに、ベースとＬＥＤモジュールを結合することができる。このほか、前述の製作工程はアライメント点の設置や治具の利用により、容易に自動化できる。
【００２４】
前記導電性線路層３００の形成方法は、メタルペーストを使用してスクリーン印刷法により前記第一表面に塗布した後、焼成を行って前記導電性線路層を形成する。
【００２５】
実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、スズペースト、スズペーストと前記基板の接合部及びスズペーストと前記導電性線路層との接合部の有効熱伝導率は５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズの熱伝導率、Ｋ１はスズと前記導電性線路層のボイド（ｖｏｉｄ）の熱伝導率、Ｋ３はスズと前記基板のボイドの熱伝導率を表す。上記導電性線路層はＡｇペーストから構成されてもよく、且つ配線パターンを有している。実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズソルダペースト（又はスズペーストという）が含まれる。
【００２６】
本発明の別の実施例によれば、発光装置の形成方法が開示されている。図４のフローチャートに示すように、本発明の発光装置形成方法は、第一表面を含み、且つ立体形状を有するベースを提供する工程と、前記第一表面上に導電性線路層を形成する工程と、及び基板と基板上に設置される発光ダイオードチップを含む発光ダイオードモジュールを提供する工程と、及び前記発光ダイオードモジュールの基板を、表面実装法によって前記導電性線路層上に設置して前記発光装置を形成する工程、とを含む。実施例において、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。前記ベースはセラミック材、好ましくは酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。
【００２７】
発光装置のベースは通常立体形状であり、一般のプリント機は平板状の物体にプリントするため、本発明はスクリーン印刷法を利用して塗布を行う工程では、特殊な治具が必要となり、プリント機の改良をおこなってから本発明の発光装置のベースを処理する。別の実施例では、本発明はディスペンサーを使用して必要なパターンをプリントする。
【００２８】
実施例において、前記導電性線路層を前記第一表面上に形成する工程は、メタルペーストを利用し、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーで前記第一表面に塗布した後、焼成を行い前記導電性線路層を形成する。前記メタルペーストは、例えばＷ、Ｍｏ−Ｍｎ、 Ｃｕ、Ａｇなどのペーストであって、Ａｇペーストが好ましい。前記の表面実装法はソルダペーストによって、前記基板と前記導電性線路層のリフローソルダリングを行う。前記導電性線路層は配線パターンを有してもよく、上記ソルダペーストはスズペーストが好ましい。前記配線パターンは例えば、図６（ａ）に示すようなパターンである。
【００２９】
上記の発光装置の形成方法は、図４のフローチャートに示すように、セラミックベースを準備する工程Ｓ１０と、Ａｇのようなメタルペーストを用いて、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーによってメタルペーストを前記第一表面にプリントして、図６（ａ）に示すようなパターンを形成する工程Ｓ２０と、メタルペーストを焼成して前記導電性線路層を形成する工程Ｓ３０と、例えばスズソルダペーストを使用してＬＥＤモジュールの基板と前記導電性線路層をリフローソルダリングする工程Ｓ４０と、最後に本発明の発光装置を得る工程Ｓ５０とを含む。
【００３０】
別の実施例では、前記導電性線路層３００の形成方法が、第一金属層を形成する工程と、第二金属層を形成する工程と、パターンを有するフィルムを前記第二金属層上に形成する工程と、同時に前記第一金属層及び前記第二金属層をエッチングして前記第一金属層及び前記第二金属をパターン化する工程と、前記フィルムの残余を除去する工程とを含む。上記方法では、スパッタリング法を利用して前記第一金属層を形成するが、スパッタリングのターゲット材はＴｉ又はＴｉＷであり、電めっき法により前記第二金属層を形成し、前記第二金属層は銅層である。実施例において、パターンを有するフィルムを前記第二金属層に形成する方法として、スクリーン印刷法により前記パターンを有するフィルム若しくはドライフィルムを形成する。別の実施例では感光レジストを塗布した後露光、リソグラフィー、エッチングなどを行うことで前記パターンを有するフィルムを形成する。
【００３１】
例えば、図５には本発明の別実施例による導電性線路層３００の形成方法のフローチャートが示されている。このうち、パターンを有するフィルムの形成方法としてドライフィルムを使用し、パターン形成の方法としては、図５の右側に示す発光装置の断面図のとおりである。図５の断面図は各層の形成を明確に示すためのものであって、その大きさ、厚さの比は実際のサイズ比のとおりではない。図５において、３０１はベースを示し、３０２はシード金属層（第一金属層）、３０３は銅層（第二金属層）、３０４はフィルムを示す。工程Ｓ３１０はまず第一金属層をスパッタリングし、Ｔｉ又はＴｉＷからなるシード金属層とする。そして、工程Ｓ３２０では銅層をメッキして第二金属層を形成する。工程Ｓ３３０ではパターンを有するフィルムを前記第二金属層に形成する。工程Ｓ３４０ではエッチングにより前記第一金属層及び前記第二金属層をパターン化する。最後に工程Ｓ３５０でフィルムの残余を除去する。
【００３２】
発光装置のベースは通常立体形状であるので、一般のフォトリソグラフィー法では、平板状の物体に対してのみ露光・現像をするが、本発明のベースは回転コーターを利用したレジストの塗布及び現像を行うことができない。このほか露光機も通常このような立体形状のベースには適用できないため、本発明はフィルムにプリントする方法で、パターンをベース表面に形成し、その後ベースをエッチング液に浸漬させることで、導電性線路のパターンをベースの上表面に形成する。
【００３３】
実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間はスズペーストを含み、スズペーストと、スズペーストと前記基板の接合部と、スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率は５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズペーストの熱伝導率、Ｋ１はスズペーストと前記導電性線路層の接合部（ボイド（ｖｏｉｄ））の熱伝導率、Ｋ３はスズペーストと前記基板の接合部（ボイド）の熱伝導率を表す。
【００３４】
実施例において、前記スクリーン印刷法は特定治具と前記セラミックベースをカップリングさせて、前記メタルペーストを前記第一表面上に塗布する。
【００３５】
実施例において、前記セラミックベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間は、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際に、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００３６】
図３は放熱効果シミュレーションに用いる発光装置の構造の平面図である。このうち、５００はＬＥＤモジュールの基板（アルミニウム基板とする）、５０１はＬＥＤチップ（幅１ｍｍ×長さ１ｍｍ×厚さ２ｍｍ）、５２０はベース、５２１はベース上のビアホールを示す。シミュレーション計算において、ＬＥＤチップの熱流束（ｈｅａｔ ｆｌｕｘ）は１Ｗ／ｍｍ２であって、総需要放熱は９Ｗ、各部材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の接合部間の熱流束は連続である。アルミニウム基板の熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ−Ｋである。ベース５２０はセラミックベース又はアルミニウムベースを使用でき、セラミックベース（Ａｌ２Ｏ３）の表面積を２．０３７×１０−２ｍ２とすると、体積は３．６０５×１０−５ｍ３、熱伝導率は２４Ｗ／ｍ−Ｋ、放射率は０．９である。アルミニウムベース（Ａｌ）の表面積を２．０３７×１０−２ｍ２とすると、体積は３．６０５×１０−５ｍ３、熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ−Ｋ、アルミニウムベース表面に吹き付けるコーティング材の放射率は０．５〜０．７である。また、熱伝導シートの熱伝導率は５Ｗ／ｍ−Ｋ、スズソルダペーストの熱伝導率は６０Ｗ／ｍ−Ｋである。図３ではベース上にビアホール５２１を有しているが、ビアホール５２１は本発明の必要構成ではなく、別の実施例においてはベース上にベアホールを有してもよい。
【００３７】
放熱効果のシミュレーションの結果、（１）アルミニウム基板とセラミック基板との間で熱伝導シートを使用した場合、ＬＥＤ接合温度は９３．３℃であり、（２）アルミニウム基板とセラミック基板との間にスズソルダペーストを使用した場合、ＬＥＤ接合温度は８８．８℃に降下し、従来の熱伝導シートを使用した方法と比較して、本発明のスズソルダペーストを使用した放熱効果がより良いことが明らかである。且つこのシミュレーション結果では熱伝導シートとベース、熱伝導シートとアルミニウム基板接合部にあるボイドを考慮していないので、スズソルダペーストと熱伝導シートの実際の放熱効果は、このシミュレーションから得られた結果よりその差はさらに大きくなる。別の１６ＷＬＥＤランプのシミュレーションにおいて、本発明によれば、ＬＥＤチップの接合温度は８１℃に留まり、従来の構造をもつ８ＷＬＥＤランプの温度に相当する。つまり、本発明の１６ＷＬＥＤランプの接合温度は、従来構造の８ＷＬＥＤランプの接合温度とほとんど同じであるといえる。従って、本発明の設計によれば、放熱効果はより良い。
【００３８】
また、放射率が異なる場合の放熱効果を比較すると、アルミニウムベースでシミュレーションを行った場合、放射率が高いものは放熱効果がよりよいことが分かり、これによって金属アルミニウムの熱伝導率は高いが、放射率が低いので、アルミニウムベースの放射の放熱効果はセラミックベースより劣ることが分かる。
【００３９】
本発明の発光装置によれば、ベースはセラミック材からなり、その形状は図６（ｂ）に示すとおりである。図６（ａ）は前記ベースの上面に形成された導電性線路層を示し、ベース底部は螺旋状の、例えばＥ２６又はＥ２７など標準コネクタ（ｓｃｒｅｗ−ｃａｐ ｆｉｔｔｉｎｇｓ）を有するので、ベース末端の表面に導電用コネクタを有しＬＥＤモジュールと電気的に接続して、例えば家庭用のランプのランプ台と接続する。
【００４０】
上記の説明から、本発明の発光装置及びその形成方法の設計によれば、各素子間の熱抵抗を減少することで、且つ生産上自動化が可能であるのでコストを下げ、ＬＥＤモジュールとランプ台座との熱伝導率を向上させて発光装置全体の放熱性を上げ、操作時のＬＥＤ接合温度を降下させることでＬＥＤの使用寿命及び発光輝度を向上させる。このほか、セラミックベースを使用することで耐高圧特性を有し、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際に、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００４１】
以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 発光装置
２０ ＬＥＤモジュール
３０ ベース
４０ 熱伝導シート
１００ 発光装置
２００ ベース
２００ａ 第一表面
３００導電性線路層
３０２ シード金属層（第一金属層）
３０３ 銅層（第二金属層）
３０４ フィルム
４００ 発光ダイオードモジュール
４１０ 基板
４５０ 発光ダイオード
５００ 基板
５０１ ＬＥＤチップ
５２０１１年１０月１７日ベース
５２１ ビアホール
Ｓ１０〜Ｓ５０、Ｓ３１０〜Ｓ３５０：プロセスフロー
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置及びその形成方法に関し、特に放熱に優れた発光装置及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とする発光装置は、ＬＥＤの寿命及び輝度がともに温度の増加に伴って減少し、且つ大部分のＬＥＤの電気エネルギーが熱エネルギーに変わることから、優れた放熱メカニズムが必要となる。また、照明への応用上、高輝度を実現するため、ＬＥＤモジュールは通常複数のＬＥＤチップを含み且つ高パワーのＬＥＤチップを使用する。また、光学上の要求から、単一光源をシミュレーションし易いように、各ＬＥＤチップ間は通常緊密に配列されるが、このような設計に対する放熱上の要求がさらに高まっている。
【０００３】
したがって、発光装置上、特に照明装置上には、ＬＥＤモジュールの基板に優れた熱伝導率が必要なだけでなく、ＬＥＤモジュールを実装するベース（台座）にも優れた放熱力（高放射率）が必要であるほか、各素子間の界面（インタフェイス）にも、十分に低い熱抵抗（界面ボイド）によりＬＥＤ接合部の温度（ＬＥＤのｐ−ｎ接合温度）を低下させて、ＬＥＤの寿命をより長く、そして輝度をより高くする必要がある。
【０００４】
ＬＥＤモジュールの設計について、例えばアメリカ特許第７，４８９，０７６号、日本特許公開公報２００６−２６１２９０号やアメリカ公開特許２００５１３３８０８号などには、セラミック基板を使用したＬＥＤモジュールによって放熱と発光特性を改善することが開示されている。このほか、例えばアメリカ特許７，７５９，１４４号にはサンドイッチ型のセラミック基板のＬＥＤパッケージが開示され、前記サンドイッチ型セラミック基板の上下表面に直接接合（ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄｉｎｇ）する銅層が設けられている。これによって、各素子間の界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）がいずれも優れた熱伝導効果を有することが開示されている。
【０００５】
しかしながら、ＬＥＤモジュールを台座に実装して、発光装置若しくは照明装置を構成する際に、台座は通常立体型であるので、台座のＬＥＤモジュールを実装する位置は、従来の製造台でＬＥＤモジュールを実装するには使いにくく、一般に人力によりねじなどの固定部材を使って、ＬＥＤモジュールを閉めて固定する必要がある。ＬＥＤモジュールと台座間の熱抵抗を減少させるために、通常その接合部に熱伝導シート及び放熱ペーストなどを使用するが、熱伝導シートであれ、放熱ペーストであれ、その熱伝導率は高くなく（〜３Ｗ／ｍ−Ｋ）、熱が有効に底部にあるベース（台座）まで伝わらず、熱伝導に関する課題が残る。したがって、現行の発光装置は生産上自動化ができず、且つコストも高く、さらにＬＥＤモジュールと台座間の熱伝導が良くない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の従来ある欠点に鑑みてなされたものであり、産業上の要求を満たすため、放熱性に優れた発光装置及びその形成方法を提供することを目的の一とする。本発明の発光装置の設計によれば、ＬＥＤモジュールとベースの接合部の熱抵抗を改善し、且つベースの熱放射率を向上させ、発光装置全体の放熱効果を高める。これによって、操作時のＬＥＤ接合温度を降下することができ、ＬＥＤの使用寿命及び発光輝度を向上させる。
【０００７】
さらに、本発明は、発光装置であって、セラミックベースを使用することで抗高圧特性をもち、４０００Ｖ以上の電圧の衝撃に耐えうる、装置全体の（金属ベースに対して、より国際安全規範に符合する）リーク電流を検出できる値より極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる発光装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、発光装置であって、自動化プリント若しくはディスペンサー法により、ＬＥＤモジュールと立体形状の台座の接合を処理することで、実装工程を減少し、コストを低減し、且つＬＥＤモジュールと台座の接合部熱抵抗を低下させ発光装置の放熱効率を向上する発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の実施例によれば、発光装置の形成方法であって、立体形状を有し、第一表面を含むベースを準備する工程と、前記第一表面上に導電性線路層を形成する工程と、基板及び前記基板上に設置されるＬＥＤチップを含む発光ダイオードモジュールを準備する工程と、前記発光ダイオードモジュールの基板を表面実装法（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ）により前記導電性線路層上に設置して前記発光装置を形成する工程と、を含む、発光装置の形成方法を提供する。
【００１０】
実施例において、前記導電性線路層を前記第一表面上に形成する工程が、メタルペーストを用いて、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーにより前記第一表面にプリントした後、焼成して前記導電性線路層を形成する工程を含む。実施例において、前記メタルペーストはＡｇペーストであることが望ましい。
【００１１】
実施例において、前記表面実装法は、ソルダペーストにより前記基板と前記導電性線路層とをリフローソルダリングする。
【００１２】
実施例において、前記導電性線路層は、配線パターンを有してもよく、前記ソルダはスズペーストが望ましい。
【００１３】
実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、スズペーストと、スズペーストと前記基板の接合部と、スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率が５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズペーストの熱伝導率、Ｋ１はスズペーストと前記導電性線路層の接合部（ボイド（ｖｏｉｄ））の熱伝導率、Ｋ３はスズペーストと前記基板の接合部（ボイド）の熱伝導率を表す。
【００１４】
実施例において、前記スクリーン印刷法は特定治具と前記セラミックベースをカップリングさせて、前記メタルペーストを前記第一表面上に塗布する。
【００１５】
実施例において、前記セラミックベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間は、４０００Ｖ以上の電圧の衝撃に耐えることができ、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００１６】
本発明の別の実施例によれば、発光装置であって、第一表面を含むベースと、前記第一表面上に形成される導電性線路層と、及び基板及び前記基板上に設置される少なくとも一の発光ダイオードを含む発光ダイオードモジュールと、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板が表面実装法で前記導電性線路層に設置される発光装置を提供する。実施例において、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。前記ベースはセラミック材、好ましくは酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。
【００１７】
実施例において、前記発光ダイオードモジュール基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、スズペーストと、スズペーストと前記基板の接合部と、スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率は５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズペーストの熱伝導率、Ｋ１はスズペーストと前記導電性線路層の接合部（ボイド）の熱伝導率、Ｋ３はスズペーストと前記基板の接合部（ボイド）の熱伝導率を表す。実施例において、上記導電性線路層はＡｇペーストからなり、且つ配線パターンを有してもよい。実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズソルダペーストを含む。実施例において、前記セラミックベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間は、４０００Ｖ以上の電圧の衝撃に耐え、装置全体のリーク電流が、検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００１８】
したがって、本発明の発光装置及びその形成方法の設計は、生産上自動化ができ、且つコストを低下させ、さらにＬＥＤモジュールと台座との間の熱伝導率を上げることで発光装置全体の放熱性を向上して、操作時のＬＥＤ接合温度を降下することで、ＬＥＤの使用寿命及び発光輝度を向上させる。このほか、セラミックベースを使用することで抗高圧特性を有し、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際の、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の発光装置の略図である。
【図２】本発明の実施例による発光装置の略図である。
【図３】放熱効果シミュレーション用の発光装置の構造を示す平面図。
【図４】本発明の実施例による発光装置の形成方法の略図。
【図５】本発明の実施例による導電性線路層３００の形成方法のフローチャート、図５の右側は発光装置の断面図を示す。
【図６ａ】本発明の実施例による導電性線路層のパターンの略図。
【図６ｂ】本発明の実施例による発光装置の略図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の上記及びその他の技術内容、特徴及び効果について、図に示された実施形態を参照して、本発明の目的の達成に使われる技術手段と構造の特徴を詳細に説明する。以下、実施例で用いる方向に関する用語、上、下、左、右、前、後ろなどは、図面上の方向の参考に過ぎない。したがって、これら方向に関する用語は説明のためのものであって、本発明を制限しない。このほか、「Ａ層（若しくは素子）をＢ層（若しくは素子）上に設置する」という用語は、Ａ層が直接Ｂ層表面に接触して覆う態様に限られず、例えばＡ層とＢ層との中間にその他積層体を介する場合も範囲に含まれる。図中、同じ部材については同じ符号で表示する。
【００２１】
図１は従来の発光装置１０であって、ＬＥＤモジュール２０、ベース３０及び前記ＬＥＤモジュールと前記ベースとの間に挟まれる熱伝導シート４０とを含む。前記ＬＥＤモジュール２０は、基板及び前記基板上に設置される複数のＬＥＤチップを含み、前記基板は、アルミニウム基板、銅基板、メタルコア配線板（ＭＣＰＣＢ、ｍｅｔａｌ ｃｏｒｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム基板、その他セラミック基板などでもよい。ＬＥＤチップは、各種ＬＥＤチップ、若しくは高パワーＬＥＤチップでもよい。ベース３０は、例えばセラミックス、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの材料からなり、このほかベース３０の形状について、図１は一例であって、実際の必要に応じて各種形状に成形してもよいし、また各種放熱用鰭状パネルをつけても良く、又は放熱機能を有した各種形状でもよい。熱伝導シート４０は、例えば厚さ０．５ｍｍの含ケイ素（シリコン）高分子材などである。しかし、このような構成では、ＬＥＤモジュール２０と熱伝導シート４０の間、熱伝導シート４０とベース３０との間、接合部に多くの微細な空洞が存在し、放熱ペーストでこれら微細空洞を補填しても、熱伝導効果はやはりよくなく、放熱不良となって、ＬＥＤモジュールの温度が操作時間の増加に伴い上昇する。一方、ベース３０をメタル材を使用して作製するときに、コーティング材を塗布して絶縁層を形成するが、フィルム絶縁層は高圧に抵抗できないため、４０００Ｖの高圧テストを通過することができない。従って、４０００Ｖの衝撃下では安全テストを通過できない。
【００２２】
従って、上記の問題に鑑み、本発明は、優れた放熱メカニズムを有し、且つ安全テストを通過できる発光装置を提供する。図２は本発明の実施例である発光装置１００を示し、第一表面２００ａを含むベース２００と、前記第一表面２００ａ上に形成される導電性線路層３００と、基板４１０及び基板上に設けられた少なくとも一の発光ダイオード４５０を含む発光ダイオードモジュール４００と、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板４１０が前記導電性線路層３００上に表面実装法で設置されている。実施例において、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。前記ベースはセラミック材、好ましくは酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。発光装置は抗高圧特性を有し、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際に、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００２３】
前記表面実装法とは、従来の表面実装技術（ＳＭＴ， Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を利用し、ＬＥＤモジュールを前記導電性線路層上に固定する。例えば、まずベース上に金属配線を形成し、スクリーン印刷法若しくはディスペンサー法でＡｇペーストを前記ベースの第一表面にプリントした後、焼成を行い、それからステンレス板（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｅｎｃｉｌ）にスズペーストを塗布して、さらにリフローソルダリングしてから、フラックスを除去して、スズとＬＥＤモジュールの基板をボンディングする。これにより、ねじなどの結合部材を使用せずに、ベースとＬＥＤモジュールを結合することができる。このほか、前述の製作工程はアライメント点の設置や治具の利用により、容易に自動化できる。
【００２４】
前記導電性線路層３００の形成方法は、メタルペーストを使用してスクリーン印刷法により前記第一表面に塗布した後、焼成を行って前記導電性線路層を形成する。
【００２５】
実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、スズペースト、スズペーストと前記基板の接合部及びスズペーストと前記導電性線路層との接合部の有効熱伝導率は５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズの熱伝導率、Ｋ１はスズと前記導電性線路層のボイド（ｖｏｉｄ）の熱伝導率、Ｋ３はスズと前記基板のボイドの熱伝導率を表す。上記導電性線路層はＡｇペーストから構成されてもよく、且つ配線パターンを有している。実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズソルダペースト（又はスズペーストという）が含まれる。
【００２６】
本発明の別の実施例によれば、発光装置の形成方法が開示されている。図４のフローチャートに示すように、本発明の発光装置形成方法は、第一表面を含み、且つ立体形状を有するベースを提供する工程と、前記第一表面上に導電性線路層を形成する工程と、及び基板と基板上に設置される発光ダイオードチップを含む発光ダイオードモジュールを提供する工程と、及び前記発光ダイオードモジュールの基板を、表面実装法によって前記導電性線路層上に設置して前記発光装置を形成する工程、とを含む。実施例において、前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成される。前記ベースはセラミック材、好ましくは酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。
【００２７】
発光装置のベースは通常立体形状であり、一般のプリント機は平板状の物体にプリントするため、本発明はスクリーン印刷法を利用して塗布を行う工程では、特殊な治具が必要となり、プリント機の改良をおこなってから本発明の発光装置のベースを処理する。別の実施例では、本発明はディスペンサーを使用して必要なパターンをプリントする。
【００２８】
実施例において、前記導電性線路層を前記第一表面上に形成する工程は、メタルペーストを利用し、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーで前記第一表面に塗布した後、焼成を行い前記導電性線路層を形成する。前記メタルペーストは、例えばＷ、Ｍｏ−Ｍｎ、 Ｃｕ、Ａｇなどのペーストであって、Ａｇペーストが好ましい。前記の表面実装法はソルダペーストによって、前記基板と前記導電性線路層のリフローソルダリングを行う。前記導電性線路層は配線パターンを有してもよく、上記ソルダペーストはスズペーストが好ましい。前記配線パターンは例えば、図６（ａ）に示すようなパターンである。
【００２９】
上記の発光装置の形成方法は、図４のフローチャートに示すように、セラミックベースを準備する工程Ｓ１０と、Ａｇのようなメタルペーストを用いて、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーによってメタルペーストを前記第一表面にプリントして、図６（ａ）に示すようなパターンを形成する工程Ｓ２０と、メタルペーストを焼成して前記導電性線路層を形成する工程Ｓ３０と、例えばスズソルダペーストを使用してＬＥＤモジュールの基板と前記導電性線路層をリフローソルダリングする工程Ｓ４０と、最後に本発明の発光装置を得る工程Ｓ５０とを含む。
【００３０】
別の実施例では、前記導電性線路層３００の形成方法が、第一金属層を形成する工程と、第二金属層を形成する工程と、パターンを有するフィルムを前記第二金属層上に形成する工程と、同時に前記第一金属層及び前記第二金属層をエッチングして前記第一金属層及び前記第二金属をパターン化する工程と、前記フィルムの残余を除去する工程とを含む。上記方法では、スパッタリング法を利用して前記第一金属層を形成するが、スパッタリングのターゲット材はＴｉ又はＴｉＷであり、電めっき法により前記第二金属層を形成し、前記第二金属層は銅層である。実施例において、パターンを有するフィルムを前記第二金属層に形成する方法として、スクリーン印刷法により前記パターンを有するフィルム若しくはドライフィルムを形成する。別の実施例では感光レジストを塗布した後露光、リソグラフィー、エッチングなどを行うことで前記パターンを有するフィルムを形成する。
【００３１】
例えば、図５には本発明の別実施例による導電性線路層３００の形成方法のフローチャートが示されている。このうち、パターンを有するフィルムの形成方法としてドライフィルムを使用し、パターン形成の方法としては、図５の右側に示す発光装置の断面図のとおりである。図５の断面図は各層の形成を明確に示すためのものであって、その大きさ、厚さの比は実際のサイズ比のとおりではない。図５において、３０１はベースを示し、３０２はシード金属層（第一金属層）、３０３は銅層（第二金属層）、３０４はフィルムを示す。工程Ｓ３１０はまず第一金属層をスパッタリングし、Ｔｉ又はＴｉＷからなるシード金属層とする。そして、工程Ｓ３２０では銅層をメッキして第二金属層を形成する。工程Ｓ３３０ではパターンを有するフィルムを前記第二金属層に形成する。工程Ｓ３４０ではエッチングにより前記第一金属層及び前記第二金属層をパターン化する。最後に工程Ｓ３５０でフィルムの残余を除去する。
【００３２】
発光装置のベースは通常立体形状であるので、一般のフォトリソグラフィー法では、平板状の物体に対してのみ露光・現像をするが、本発明のベースは回転コーターを利用したレジストの塗布及び現像を行うことができない。このほか露光機も通常このような立体形状のベースには適用できないため、本発明はフィルムにプリントする方法で、パターンをベース表面に形成し、その後ベースをエッチング液に浸漬させることで、導電性線路のパターンをベースの上表面に形成する。
【００３３】
実施例において、前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間はスズペーストを含み、スズペーストと、スズペーストと前記基板の接合部と、スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率は５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上である。上記「有効熱伝導率」（Ｋｅｆｆ）とは、１／Ｋｅｆｆ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３と定義され、このうちＫ２はスズペーストの熱伝導率、Ｋ１はスズペーストと前記導電性線路層の接合部（ボイド（ｖｏｉｄ））の熱伝導率、Ｋ３はスズペーストと前記基板の接合部（ボイド）の熱伝導率を表す。
【００３４】
実施例において、前記スクリーン印刷法は特定治具と前記セラミックベースをカップリングさせて、前記メタルペーストを前記第一表面上に塗布する。
【００３５】
実施例において、前記セラミックベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間は、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際に、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００３６】
図３は放熱効果シミュレーションに用いる発光装置の構造の平面図である。このうち、５００はＬＥＤモジュールの基板（アルミニウム基板とする）、５０１はＬＥＤチップ（幅１ｍｍ×長さ１ｍｍ×厚さ２ｍｍ）、５２０はベース、５２１はベース上のビアホールを示す。シミュレーション計算において、ＬＥＤチップの熱流束（ｈｅａｔ ｆｌｕｘ）は１Ｗ／ｍｍ２であって、総需要放熱は９Ｗ、各部材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の接合部間の熱流束は連続である。アルミニウム基板の熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ−Ｋである。ベース５２０はセラミックベース又はアルミニウムベースを使用でき、セラミックベース（Ａｌ２Ｏ３）の表面積を２．０３７×１０−２ｍ２とすると、体積は３．６０５×１０−５ｍ３、熱伝導率は２４Ｗ／ｍ−Ｋ、放射率は０．９である。アルミニウムベース（Ａｌ）の表面積を２．０３７×１０−２ｍ２とすると、体積は３．６０５×１０−５ｍ３、熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ−Ｋ、アルミニウムベース表面に吹き付けるコーティング材の放射率は０．５〜０．７である。また、熱伝導シートの熱伝導率は５Ｗ／ｍ−Ｋ、スズソルダペーストの熱伝導率は６０Ｗ／ｍ−Ｋである。図３ではベース上にビアホール５２１を有しているが、ビアホール５２１は本発明の必要構成ではなく、別の実施例においてはベース上にベアホールを有してもよい。
【００３７】
放熱効果のシミュレーションの結果、（１）アルミニウム基板とセラミック基板との間で熱伝導シートを使用した場合、ＬＥＤ接合温度は９３．３℃であり、（２）アルミニウム基板とセラミック基板との間にスズソルダペーストを使用した場合、ＬＥＤ接合温度は８８．８℃に降下し、従来の熱伝導シートを使用した方法と比較して、本発明のスズソルダペーストを使用した放熱効果がより良いことが明らかである。且つこのシミュレーション結果では熱伝導シートとベース、熱伝導シートとアルミニウム基板接合部にあるボイドを考慮していないので、スズソルダペーストと熱伝導シートの実際の放熱効果は、このシミュレーションから得られた結果よりその差はさらに大きくなる。別の１６ＷＬＥＤランプのシミュレーションにおいて、本発明によれば、ＬＥＤチップの接合温度は８１℃に留まり、従来の構造をもつ８ＷＬＥＤランプの温度に相当する。つまり、本発明の１６ＷＬＥＤランプの接合温度は、従来構造の８ＷＬＥＤランプの接合温度とほとんど同じであるといえる。従って、本発明の設計によれば、放熱効果はより良い。
【００３８】
また、放射率が異なる場合の放熱効果を比較すると、アルミニウムベースでシミュレーションを行った場合、放射率が高いものは放熱効果がよりよいことが分かり、これによって金属アルミニウムの熱伝導率は高いが、放射率が低いので、アルミニウムベースの放射の放熱効果はセラミックベースより劣ることが分かる。
【００３９】
本発明の発光装置によれば、ベースはセラミック材からなり、その形状は図６（ｂ）に示すとおりである。図６（ａ）は前記ベースの上面に形成された導電性線路層を示し、ベース底部は螺旋状の、例えばＥ２６又はＥ２７など標準コネクタ（ｓｃｒｅｗ−ｃａｐ ｆｉｔｔｉｎｇｓ）を有するので、ベース末端の表面に導電用コネクタを有しＬＥＤモジュールと電気的に接続して、例えば家庭用のランプのランプ台と接続する。
【００４０】
上記の説明から、本発明の発光装置及びその形成方法の設計によれば、各素子間の熱抵抗を減少することで、且つ生産上自動化が可能であるのでコストを下げ、ＬＥＤモジュールとランプ台座との熱伝導率を向上させて発光装置全体の放熱性を上げ、操作時のＬＥＤ接合温度を降下させることでＬＥＤの使用寿命及び発光輝度を向上させる。このほか、セラミックベースを使用することで耐高圧特性を有し、４０００Ｖ以上の電圧を受けた際に、装置全体のリーク電流が検出できる値より低い、極めて低い値、例えば１ｎＡより低くすることができる。
【００４１】
以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 発光装置
２０ ＬＥＤモジュール
３０ ベース
４０ 熱伝導シート
１００ 発光装置
２００ ベース
２００ａ 第一表面
３００導電性線路層
３０２ シード金属層（第一金属層）
３０３ 銅層（第二金属層）
３０４ フィルム
４００ 発光ダイオードモジュール
４１０ 基板
４５０ 発光ダイオード
５００ 基板
５０１ ＬＥＤチップ
５２０１１年１０月１７日ベース
５２１ ビアホール
Ｓ１０〜Ｓ５０、Ｓ３１０〜Ｓ３５０：プロセスフロー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光装置の形成方法であって、
立体形状を
有する第一表面を含むベースを提供する工程と、
前記第一表面上に導電性線路層を形成する工程と、
基板及び前記基板上に設置される発光ダイオードチップを含む発光ダイオードモジュールを準備する工程と、
前記発光ダイオードモジュールの基板を表面実装法（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ）により前記導電性線路層上に設置して前記発光装置を形成する工程を含む、ことを特徴とする発光装置の形成方法。
【請求項２】
前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置の形成方法。
【請求項３】
前記導電性線路層を前記第一表面上に形成する工程が、メタルペーストを用いて、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーにより前記第一表面にプリントした後、焼成して前記導電性線路層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項４】
前記導電性線路層の形成方法が、
第一金属層を形成する工程と、
第二金属層を形成する工程と、
パターンを有するフィルムを前記第二金属層上に形成する工程と、
同時に前記第一金属層及び前記第二金属層をエッチングして前記第一金属層及び前記第二金属をパターン化する工程と、
前記フィルムの残余を除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項５】
前記表面実装法は、ソルダペーストにより前記基板と前記導電性線路層とをリフローソルダリングすることを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項６】
前記導電性線路層が配線パターンを有することを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項７】
前記メタルペーストがＡｇペーストであることを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項８】
前記メタルペーストがＡｇペーストであって、前記ソルダペーストがスズペーストであることを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項９】
前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、前記スズペーストと、前記スズペーストと前記基板の接合部と、前記スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率が５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項１０】
前記スクリーン印刷法は特定治具と前記ベースをカップリングさせて、前記メタルペーストを前記第一表面上に塗布することを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項１１】
前記ベースはセラミックから構成されると、前記ベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間が４０００Ｖ以上の電圧を受けるときの前記発光装置のリーク電流が１ｎＡより低いことを特徴とする請求項２記載の発光装置の形成方法。
【請求項１２】
ターゲット材がＴｉ又はＴｉＷであるスパッタリング法により、且つ電気めっき法を利用して前記第二金属層を形成する工程をさらに含み、前記第二金属層が銅層であることを特徴とする請求項４記載の発光装置の形成方法。
【請求項１３】
発光装置であって、
第一表面を含むベースと、
前記第一表面上に形成される導電性線路層と、及び
基板及び前記基板上に設置される少なくとも一の発光ダイオードチップを含む発光ダイオードモジュールと、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板が表面実装法で前記導電性線路層に設置されることを特徴とする発光装置。
【請求項１４】
前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成されることを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、前記スズペーストと、前記スズペーストと前記基板の接合部と、前記スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率が５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上であることを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１６】
前記導電性線路層が、Ａｇペーストからなり、配線パターンを有することを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１７】
前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズソルダペーストを含むことを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１８】
前記導電性線路層が、シード金属層、銅層の順で積層してなる多層構造であって、配線パターンを有することを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１９】
前記導電性線路層の製作方法が、第一金属層をスパッタリングし、Ｔｉ又はＴｉＷからなるシード金属層とする工程と、
銅層を電気めっきして第二金属層を形成する工程と、及び、
パターンを有するフィルムを前記第二金属層に形成し、エッチングにより前記第一金属層及び前記第二金属層を同時にパターン化した後、フィルムの残余を除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１８記載の発光装置。
【請求項２０】
前記ベースはセラミックから構成されると、前記ベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間が４０００Ｖ以上の電圧を受けるときの前記発光装置のリーク電流が１ｎＡより低いことを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１】
発光装置の形成方法であって、
立体形状を
有する第一表面を含むベースを提供する工程と、
前記第一表面上に導電性線路層を形成する工程と、
基板及び前記基板上に設置される発光ダイオードチップを含む発光ダイオードモジュールを準備する工程と、
前記発光ダイオードモジュールの基板を表面実装法（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔ）により前記導電性線路層上に設置して前記発光装置を形成する工程を含む、ことを特徴とする発光装置の形成方法。
【請求項２】
前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置の形成方法。
【請求項３】
前記導電性線路層を前記第一表面上に形成する工程が、メタルペーストを用いて、スクリーン印刷法若しくはディスペンサーにより前記第一表面にプリントした後、焼成して前記導電性線路層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項４】
前記導電性線路層の形成方法が、
第一金属層を形成する工程と、
第二金属層を形成する工程と、
パターンを有するフィルムを前記第二金属層上に形成する工程と、
同時に前記第一金属層及び前記第二金属層をエッチングして前記第一金属層及び前記第二金属をパターン化する工程と、
前記フィルムの残余を除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項５】
前記表面実装法は、ソルダペーストにより前記基板と前記導電性線路層とをリフローソルダリングすることを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項６】
前記導電性線路層が配線パターンを有することを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項７】
前記メタルペーストがＡｇペーストであることを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項８】
前記メタルペーストがＡｇペーストであって、前記ソルダペーストがスズペーストであることを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項９】
前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、前記スズペーストと、前記スズペーストと前記基板の接合部と、前記スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率が５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載の発光装置の形成方法。
【請求項１０】
前記スクリーン印刷法は特定治具と前記ベースをカップリングさせて、前記メタルペーストを前記第一表面上に塗布することを特徴とする請求項３記載の発光装置の形成方法。
【請求項１１】
前記ベースはセラミックから構成されると、前記ベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間が４０００Ｖ以上の電圧を受けるときの前記発光装置のリーク電流が１ｎＡより低いことを特徴とする請求項２記載の発光装置の形成方法。
【請求項１２】
ターゲット材がＴｉ又はＴｉＷであるスパッタリング法により、且つ電気めっき法を利用して前記第二金属層を形成する工程をさらに含み、前記第二金属層が銅層であることを特徴とする請求項４記載の発光装置の形成方法。
【請求項１３】
発光装置であって、
第一表面を含むベースと、
前記第一表面上に形成される導電性線路層と、及び
基板及び前記基板上に設置される少なくとも一の発光ダイオードチップを含む発光ダイオードモジュールと、を備え、前記発光ダイオードモジュールの基板が表面実装法で前記導電性線路層に設置されることを特徴とする発光装置。
【請求項１４】
前記ベースは、表面酸化処理をしたアルミニウム、表面に酸化層を有するアルミニウム、酸化アルミニウム及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる一の材質から構成されることを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズペーストを含み、前記スズペーストと、前記スズペーストと前記基板の接合部と、前記スズペーストと前記導電性線路層の接合部と、の有効熱伝導率が５０Ｗ／ｍ−Ｋ以上であることを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１６】
前記導電性線路層が、Ａｇペーストからなり、配線パターンを有することを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１７】
前記発光ダイオードモジュールの基板と前記導電性線路層との間にスズソルダペーストを含むことを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１８】
前記導電性線路層が、シード金属層、銅層の順で積層してなる多層構造であって、配線パターンを有することを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【請求項１９】
前記導電性線路層の製作方法が、第一金属層をスパッタリングし、Ｔｉ又はＴｉＷからなるシード金属層とする工程と、
銅層を電気めっきして第二金属層を形成する工程と、及び、
パターンを有するフィルムを前記第二金属層に形成し、エッチングにより前記第一金属層及び前記第二金属層を同時にパターン化した後、フィルムの残余を除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１８記載の発光装置。
【請求項２０】
前記ベースはセラミックから構成されると、前記ベースと前記発光ダイオードモジュールの基板との間が４０００Ｖ以上の電圧を受けるときの前記発光装置のリーク電流が１ｎＡより低いことを特徴とする請求項１３記載の発光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１４６９５２（Ｐ２０１２−１４６９５２Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８１７９（Ｐ２０１１−２２８１７９）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（５１１２５０６８８）フィティライト（エス） ピーティーイー． リミテッド タイワン ブランチ (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（５１１２５０６８８）フィティライト（エス） ピーティーイー． リミテッド タイワン ブランチ (1)
【Ｆターム（参考）】
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