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1. WO2020203372 - 素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置

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明 細 書

発明の名称 素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

0004   0005   0006  

図面の簡単な説明

0007   0008  

発明を実施するための形態

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043  

符号の説明

0044  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

図面

1   2   3   4   5  

明 細 書

発明の名称 : 素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置

技術分野

[0001]
 本開示は、素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置に関する。

背景技術

[0002]
  従来技術の一例は、特許文献1および2に記載されている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開昭58-193171号公報
特許文献2 : 特表2010-532214号公報

発明の概要

[0004]
 本開示の素子用基板は、セラミック製の絶縁基板と、
 前記絶縁基板の第1面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
 前記絶縁基板の第1面と反対側の第2面に当接された放熱部材と、
 前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
 前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
 前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える構成である。
[0005]
 本開示の発光素子モジュールは、上述の素子用基板と、
 前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える構成である。
[0006]
 本開示の発光装置は、上述の発光素子モジュールと、
 前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
 前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える構成である。

図面の簡単な説明

[0007]
 本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
[0008]
[図1] 本開示の第1実施形態に係る素子用基板を示す平面図である。
[図2] 図1のA-A線を切断面線とする素子用基板の断面図である。
[図3] 本開示の第2実施形態に係る素子用基板を示す断面図である。
[図4] 本開示の第3実施形態に係る発光素子モジュールおよび発光装置の概略断面図である。
[図5] 本開示の第4実施形態に係る素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置の概略断面図である。

発明を実施するための形態

[0009]
 発光ダイオード(LED)等の発光素子、および集積回路(IC)等の演算素子は、動作時に自己発熱する。発熱することによって素子の電気特性が低下したり、寿命が短くなったりするなどの悪影響を及ぼす。この自己発熱する素子を冷却するために、本開示の素子用基板が基礎とする構成では、素子を基板に実装し、基板をさらにヒートシンクなどの放熱部材上に配置して放熱している。
[0010]
 素子が十分に冷却されているかどうかなどを確認するために、素子の温度を検出するサーミスタを用いる場合がある。サーミスタは、例えば、ヒートシンクの温度を検出して間接的に素子の温度を確認している。
[0011]
 このような本開示の素子用基板が基礎とする構成では、間接的な温度検出であるので、応答性が悪く、精度の悪い検出温度に基づいて素子を制御することになる。素子の温度を高精度に検出するには、サーミスタの位置を素子に近付ける必要があり、例えば、素子用基板に電気的に接続されたフレキシブル基板にサーミスタを配置することが考えられる。
[0012]
 しかし、フレキシブル基板が、ヒートシンクなど金属製の放熱部材を空冷するための気流によって部分的に振動したり、変位したりすることで、サーミスタが放熱部材に接触して電気的な短絡が生じることがある。
[0013]
 以下、図面を用いて本開示の実施形態について説明する。図1は、本開示の第1実施形態である素子用基板を示す平面図である。図2は、図1のA-A線を切断面線とする素子用基板の断面図である。なお、素子用基板に実装される素子は、動作時に電流の印加によって自己発熱する素子であって、例えば、発光ダイオードまたは半導体レーザなどの発光素子、フォトダイオードなどの受光素子、CPU(中央処理装置)などの演算素子、発熱抵抗体(ヒートエレメント)などの発熱素子、CCD(電荷結合素子)などの撮像素子およびフラッシュメモリを始めとする半導体メモリ素子などである。
[0014]
 素子用基板1は、絶縁基板10と、絶縁基板10上に配設された電極配線11と、絶縁基板10に接合された放熱部材12と、電極配線11に電気的に接続されたフレキシブル基板13と、フレキシブル基板13に実装された温度検出素子14と、接着剤層15とを備える。
[0015]
 絶縁基板10は、セラミック製であって、例えば、酸化アルミニウム(Al )基板、窒化アルミニウム(AlN)基板、窒化珪素(Si )基板などの熱伝導性の高いセラミック基板を使用することができる。絶縁基板10の外形の形状は、例えば、矩形状である。絶縁基板10の第1面10aには、電極配線11が配設されており、電極配線11には、素子16が電気的に接続される。本実施形態では、素子16は、電極配線11と同じ第1面10aに実装される。電極配線11には、例えば、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、マンガン(Mn)、銀(Ag)もしくは銅(Cu)、または、これらから選ばれる少なくとも1種以上の金属材料を含有する合金等の金属材料が用いられる。電極配線11の露出する部分には、例えば、ニッケル(Ni)めっき層またはニッケル層上に金(Au)めっき層を被着させてもよい。
[0016]
 放熱部材12は、絶縁基板10の第1面10aと反対側の第2面10bに接合されている。放熱部材12は、例えば、金属製の板状部材または金属製のヒートシンク等であって、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)などの金属材料で構成されている。本実施形態では、放熱部材12は、金属製の板状部材である。絶縁基板10と放熱部材12とは、例えば、銀ろうなどのろう材を使用して接合することができる。
[0017]
 本実施形態では、放熱部材12は、外形の形状が矩形状であり、放熱部材12の外形が絶縁基板10の外形よりも大きい。放熱部材12は、平面視で、絶縁基板10から延出した延出部分20を含む。延出部分20は、絶縁基板10を取り囲むように位置している。放熱部材12は、外形が大きいほど放熱面積および伝熱面積が大きく、素子16の冷却能力に優れる。
[0018]
 フレキシブル基板13は、例えば、ポリイミド等の樹脂材料からなる樹脂フィルム13aを可撓性の絶縁基板とし、樹脂フィルム13aの一表面上に信号配線13bが配設されている。信号配線13bの一方端が、電極配線11に電気的に接続される。信号配線13bの他方端は、後述の制御基板等に電気的に接続される。信号配線13bと電極配線11とは、例えば、はんだなどの接合材17で接合される。
[0019]
 フレキシブル基板13は、絶縁基板10の第1面10aおよび放熱部材12の延出部分20に対向する第1部分30と、第1部分30に連なるとともに屈曲した第2部分31とを含む。第1部分30は、延出部分20に対向する対向面30aを有しており、対向面30aに温度検出素子14が実装されている。
[0020]
 温度検出素子14は、例えば、サーミスタなどを用いることができる。対向面30aに実装されることで温度検出素子14は、延出部分20に近接し、または絶縁基板10に近接もしくは接触して、延出部分20の温度を検出する。延出部分20は、絶縁基板10の近傍であり、従来よりも素子用基板1に実装される素子に近い位置で高精度の温度検出が可能となる。さらに、温度検出素子14が、絶縁基板10に近接もしくは接触する構成であれば、絶縁基板10の温度を検出してもよく、延出部分20よりもさらに実装される素子に近い位置で高精度の温度検出が可能となる。
[0021]
 接着剤層15は、温度検出素子14と放熱部材12(延出部分20)との間および対向面30aと放熱部材12(延出部分20)との間の少なくとも一方に介在している。温度検出素子14が放熱部材12に近接していることから、温度検出素子14が金属製の放熱部材12に接触した場合に、電気的な短絡が発生してしまうおそれがある。本実施形態では、温度検出素子14と放熱部材12の延出部分20との間に接着剤層15を介在させている。接着剤層15は、例えば、シリコーン樹脂を主成分としており、温度検出素子14と放熱部材12との間の電気的絶縁性を確保して、電気的短絡の発生を抑制することができる。さらに、接着剤層15は、フレキシブル基板13の対向面30aと放熱部材12の延出部分20との間にも介在している。接合材17による信号配線13bと電極配線11との接合力に、接着剤層15による第1部分30と放熱部材12との接着力が加わり、電極配線11および放熱部材12とフレキシブル基板13との接合強度が向上する。温度検出素子14が、絶縁基板10に近接もしくは接触する構成であれば、温度検出素子14に電気的な短絡が発生するおそれは小さいので、接着剤層15は、フレキシブル基板13の対向面30aと放熱部材12の延出部分20との間に介在しているだけであってもよい。また、温度検出素子14が、絶縁基板10に近接もしくは接触する構成であって、電極配線11または素子16に近接するような位置にある場合は、接着剤層15を、電極配線11と温度検出素子14との間、素子16と温度検出素子14との間などにさらに介在させて、電気的短絡の発生を抑制するようにしてもよい。なお、接着剤層15は、温度検出素子14の位置によらず、対向面30aと絶縁基板10との間にさらに介在していてもよい。
[0022]
 接着剤層15の、温度検出素子14と放熱部材12の延出部分20との間に介在する部分15aと、対向面30aと放熱部材12の延出部分20との間に介在する部分15bとは、連なっていても、離れていてもよい。本実施形態では、部分15aと部分15bとが連なっている。
[0023]
 フレキシブル基板13の信号配線13bは、樹脂フィルム13aの長手方向に延びる一対の配線13b1,13b2を含んでいる。一対の配線13b1,13b2は、一方の配線13b1が樹脂フィルム13aの幅方向の一方端部寄りに配設され、他方の配線13b2が樹脂フィルム13aの幅方向の他方端部寄りに配設される。温度検出素子14は、樹脂フィルム13aの幅方向において、一対の配線13b1,13b2の間に位置する。
[0024]
 図3は、本開示の第2実施形態に係る素子用基板を示す断面図である。本実施形態は、接着剤層15Aの構成が異なること以外は、第1実施形態と同様であるので、同様の構成には同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。本実施形態では、温度検出素子14が接着剤層15Aに囲繞されている。このとき、接着剤層15Aの一部は、第1部分30の対向面30aから温度検出素子14の側面を覆うようにして放熱部材12の側面にまで延びていてもよい。このように接着剤層15Aが対向面30aと放熱部材12との間に介在していると、放熱部材12とフレキシブル基板13との接合強度がより向上する。
[0025]
 本実施形態の温度検出素子14は、例えば、直方体形状である。その1つの面が第1部分30の対向面30aに接合されており、この1つの面の反対側に位置する面は接着剤層15Aの部分15aに覆われており、残りの4つの面は全て対向面30aと放熱部材12の延出部分20との間に介在する部分15bによって覆われている。このように、温度検出素子14が接着剤層15Aに囲繞されていることで、温度検出素子14が接着剤層15Aによって封止され、水分の付着および塵芥の付着などを低減して、温度検出素子14による温度の検出精度をさらに高めることができる。
[0026]
 図4は、本開示の第3実施形態に係る発光素子モジュールおよび発光装置の概略断面図である。発光装置100は、発光素子モジュール50と、発光素子モジュール50が載置されているヒートシンク60と、ヒートシンク60を空冷するファン70と、を備える。また、発光装置100は、発光素子モジュール50とヒートシンク60とを収容する筐体80、およびフレキシブル基板13に電気的に接続されている制御基板90をさらに備える。本実施形態では、素子用基板1に実装される素子が発光素子であり、発光素子モジュール50は、素子用基板1と発光素子16Aとを備えている。
[0027]
 ヒートシンク60は、例えば、銅またはアルミニウムなどの金属材料で構成されている。ヒートシンク60は、その形状は特に限定されないが、例えば、放熱効率を向上させるために複数のフィン61を有する形状であってもよい。ヒートシンク60の、フィン61と反対側には、発光素子モジュール50が載置される。発光素子モジュール50のヒートシンク60への固定は、例えば、放熱部材12にねじ孔または貫通孔を設け、ねじ止めによるものであってもよく、放熱部材12とヒートシンク60とをろう材などで接合するものであってもよい。
[0028]
 ファン70は、フィン61に対向するように配置され、外部の空気を取り込んでフィン61に向かう気流を発生させ、ヒートシンク60を空冷する。図示していないが、筐体80には、ファン70によって内部に取り込まれた空気を排気する排気口が設けられている。
[0029]
 制御基板90は、フレキシブル基板13に電気的に接続され、フレキシブル基板13の信号配線13bを介して発光素子16Aに発光制御信号を送る。また、制御基板90は、温度検出素子14にも電気的に接続されており、検出された温度に応じた発光制御信号を発光素子16Aに送る。さらに、制御基板90は、ファン70にも電気的に接続されて、検出された温度に応じてファン70の動作を制御してもよい。
[0030]
 筐体80の、発光素子16Aに対向する部分には、発光素子16Aからの出射光を外部に取り出すための透光性の窓部材81が設けられている。
[0031]
 このような構成の発光装置100においては、ファン70によって筐体80の内部に取り込まれる、ヒートシンク60を空冷するための気流によって、フレキシブル基板13が振動または変位する場合がある。これに対し、接着剤層15(15A)によって少なくともフレキシブル基板13の第1部分30は、電極配線11および放熱部材12に強固に接合されており、また、温度検出素子14と放熱部材12との間には、接着剤層15(15A)が介在するので、温度検出素子14が放熱部材12に接触して電気的に短絡することを抑制できる。
[0032]
 図5は、本開示の第4実施形態に係る素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置の概略断面図である。本実施形態では、ヒートシンク60が放熱部材12を兼ねている。前述の各実施形態では、放熱部材12を金属製の板状部材とする構成であるが、本実施形態は、板状部材の代わりに金属製のヒートシンク60を用いた構成である。ヒートシンク60は、第3実施形態で用いられるヒートシンク60と同様のものを用いることができる。
[0033]
 本実施形態の素子用基板1は、上記のとおり、放熱部材として板状部材の代わりにヒートシンク60を備えており、絶縁基板10の第2面10bが直接ヒートシンク60に当接した構成であること以外は、第2実施形態と同様の構成である。また、発光素子モジュール50は、ヒートシンク60を備える素子用基板1に、素子として発光素子16Aが実装されている構成である。本実施形態の発光装置100は、このような発光素子モジュール50を備えていること以外は、第3実施形態の発光装置100と同様の構成である。
[0034]
 絶縁基板10のヒートシンク60への固定は、例えば、絶縁基板10にねじ孔または貫通孔を設け、ねじ止めによるものであってもよく、絶縁基板10とヒートシンク60とをろう材などで接合するものであってもよい。
[0035]
 ヒートシンク60は、絶縁基板10の第2面10bが当接している当接面60aを有している。この当接面60aは、平面視で、絶縁基板10から延出した延出領域60bを含んでいる。延出領域60bは、板状部材である放熱部材12の延出部分20と同様のものであり、フレキシブル基板13の第1部分30における対向面30aは、延出領域60bに対向している。
[0036]
 本実施形態では、接着剤層15Aを、温度検出素子14とヒートシンク60の延出領域60bとの間、およびフレキシブル基板13の第1部分30の対向面30aとヒートシンク60の延出領域60bとの間にそれぞれ介在させている。接合材17による信号配線13bと電極配線11との接合力に、接着剤層15Aによる第1部分30とヒートシンク60との接着力が加わり、電極配線11およびヒートシンク60とフレキシブル基板13との接合強度が向上する。
[0037]
 このような構成の発光装置100においても、ファン70によって筐体80の内部に取り込まれる、ヒートシンク60を空冷するための気流によって、フレキシブル基板13が振動または変位する場合がある。これに対し、接着剤層15(15A)によって少なくともフレキシブル基板13の第1部分30は、電極配線11およびヒートシンク60に強固に接合されており、また、温度検出素子14とヒートシンク60との間には、接着剤層15(15A)が介在するので、温度検出素子14がヒートシンク60に接触して電気的に短絡することを抑制できる。
[0038]
 本開示は次の実施の形態が可能である。
[0039]
 本開示の素子用基板は、セラミック製の絶縁基板と、
 前記絶縁基板の第1面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
 前記絶縁基板の第1面と反対側の第2面に当接された放熱部材と、
 前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
 前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
 前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える構成である。
[0040]
 本開示の発光素子モジュールは、上述の素子用基板と、
 前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える構成である。
[0041]
 本開示の発光装置は、上述の発光素子モジュールと、
 前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
 前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える構成である。
[0042]
 本開示の素子用基板、発光素子モジュールおよび発光装置によれば、素子の温度を温度検出素子によって高精度に検出できるとともに、フレキシブル基板に実装された温度検出素子の電気的短絡の発生を抑制し、フレキシブル基板と電極配線との接合強度を向上させることができる。
[0043]
 以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、各実施形態を互いに組み合わせる構成など種々の変更、改良が可能である。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形または変更は全て本開示の範囲内のものである。

符号の説明

[0044]
 1   素子用基板
 10  絶縁基板
 10a 第1面
 10b 第2面
 11  電極配線
 12  放熱部材
 13  フレキシブル基板
 13a 樹脂フィルム
 13b 信号配線
 13b1,13b2 配線
 14  温度検出素子
 15,15A  接着剤層
 16  素子
 16A 発光素子
 17  接合材
 20  延出部分
 30  第1部分
 30a 対向面
 31  第2部分
 50  発光素子モジュール
 60  ヒートシンク
 60a 当接面
 60b 延出領域
 61  フィン
 70  ファン
 80  筐体
 81  窓部材
 90  制御基板
 100 発光装置

請求の範囲

[請求項1]
 セラミック製の絶縁基板と、
 前記絶縁基板の第1面に配設されており、素子が電気的に接続される電極配線と、
 前記絶縁基板の第1面と反対側の第2面に当接された放熱部材と、
 前記電極配線に電気的に接続されたフレキシブル基板と、
 前記フレキシブル基板の、前記放熱部材または前記絶縁基板に対向する対向面に実装された温度検出素子と、
 前記温度検出素子と前記放熱部材との間および前記対向面と前記放熱部材との間の少なくとも一方に介在する接着剤層と、を備える素子用基板。
[請求項2]
 前記温度検出素子が、前記接着剤層に囲繞されている、請求項1記載の素子用基板。
[請求項3]
 前記フレキシブル基板は、帯状の樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの一表面上に配設された信号配線と、を有し、
 前記信号配線は、前記樹脂フィルムの長手方向に延びる一対の配線を含み、
 前記温度検出素子は、前記樹脂フィルムの幅方向において、前記一対の配線の間に位置する、請求項1または2に記載の素子用基板。
[請求項4]
 前記放熱部材が、金属製の板状部材である、請求項1~3のいずれか1つに記載の素子用基板。
[請求項5]
 前記板状部材は、平面視で、前記絶縁基板から延出した延出部分を含み、
 前記対向面は、前記延出部分に対向している、請求項4記載の素子用基板。
[請求項6]
 前記放熱部材が、金属製のヒートシンクである、請求項1~3のいずれか1つに記載の素子用基板。
[請求項7]
 前記ヒートシンクは、前記第2面が当接している当接面を有し、
 前記当接面は、平面視で、前記絶縁基板から延出した延出領域を含み、
 前記対向面は、前記延出領域に対向している、請求項6記載の素子用基板。
[請求項8]
 請求項1~5のいずれか1つに記載の素子用基板と、
 前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える発光素子モジュール。
[請求項9]
 請求項8記載の発光素子モジュールと、
 前記発光素子モジュールが載置されているヒートシンクと、
 前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える発光装置。
[請求項10]
 請求項6または7に記載の素子用基板と、
 前記電極配線に電気的に接続された前記素子である発光素子と、を備える発光素子モジュール。
[請求項11]
 請求項10記載の発光素子モジュールと、
 前記ヒートシンクを空冷するファンと、を備える発光装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]