高周波PCB技術 - LEDスター基板とは

名前に「星」が含まれていますが、LEDスターボードは単なる「星型ヒートシンク」よりもはるかに複雑です。10年前、1～3Wの高出力LEDが従来の電球に取って代わり始めた頃、工場では2～3mm厚のアルミニウム基板を六角形または星形に打ち抜き、中央に取り付け穴を開け、熱の集中を防ぐためにエッジを間隔を空けていました。これがオリジナルの「星型」でした。今日では、星型、円形、四角形、さらには不規則な形状になることもあります。

現在、LEDスター基板のほぼ100%にMCPCBが使用されており、アルミニウム基板が主流です。銅基板は、一部のCOBパッケージや自動車のヘッドライトにのみ使用されています。一般的なアルミニウム基板の構造は、1.0～3.2mm厚のアルミニウム板（主に5052または6061合金）→50～150μmの熱伝導性絶縁層（一般に誘電体層と呼ばれる）→1～6オンスの銅箔回路層です。最も重要な指標は常に誘電体層の熱抵抗です。現在、主流メーカーは0.3～0.8 K·in²/Wを実現しており、日本電工やBergquist Ventecなどのトップメーカーは0.15 K·in²/W未満まで低減可能です。より一般的な単位に換算すると、0.2～0.5 K·cm²/Wとなります。これは、100WのLEDを1個点灯させた場合、その直下の基板からヒートシンクまでの温度上昇を10℃以内に抑えられることを意味します。

図　LED基板

誘電体層に使用される材料も急速に進化しています。2015年以前は、一般的なエポキシ樹脂充填熱伝導フィルムが使用されており、熱伝導率は1～3 W/m·Kでした。2018年以降は、セラミックフィラー（AlN、Al₂O₃）が標準となり、6～12 W/m·Kを優に上回ります。 2023年以降、一部のメーカーは相変化材料とグラフェンを誘電体層に組み込み、50W/m·Kを超える過渡熱伝導率を謳うようになりました。これは、レーザー投影や光通信用VCSELなど、瞬間出力が非常に高いアプリケーションに特に有効です。

表面処理も従来のHASL（ハイブリッドアクリル酸ステンレス鋼）から完全に移行しました。LEDスター基板は現在、ほぼすべて浸漬金（ENIG）で、金の厚みはワイヤボンディングと長期的な耐硫化性のバランスをとるため、一般的に0.05～0.2μmです。特に屋外大型スクリーンや自動車用ヘッドライトの分野では、顧客は図面に「金の厚み4～8μインチ + 耐硫化試験72時間」と直接指定するようになります。さらに極端な例として、一部の高級自動車用ヘッドライトでは、ブラックパッドのリスクを排除するため、ニッケル層を完全に廃止し、純金プロセス（金の厚み20～50μインチ）が求められています。

寸法精度と幾何公差に対する要求はますます厳しくなっています。以前は±0.3mmの星型基板エッジバリは顧客が許容できるものでしたが、現在では車載グレード製品では、輪郭精度0.05mm、取り付け穴位置精度±0.02mm、表面平坦度0.03mm/50mmが求められています。LEDの発光角度は基板の平坦度に直接影響を受けるため、わずかな反りでも配光曲線が乱れてしまいます。加工方法もパンチングからCNCフライス加工やレーザーカット＋化学バリ取りへと変化し、コストは倍増しましたが、歩留まりは85%から99.5%に向上しました。

最も興味深い変化は2024年以降に起こりました。ミニ/マイクロLEDの爆発的な普及に伴い、多くのメーカーが従来の「アルミ基板＋液浸金」という星型基板のコンセプトをガラス基板やセラミック基板に直接移植し始めました。ガラス基板は±5μmの線精度を実現でき、マイクロLEDの超微細ピッチに完璧に適合します。アルミナ/アルミナ窒化物セラミック基板は200W/m·Kを超える熱伝導率を誇り、誘電体層を必要とせず、真の「ゼロ熱抵抗」を実現します。コストは非常に高額ですが、ARグラス、車載HUD、レーザープロジェクションなどの分野で既に量産化が始まっています。

今日のLEDスター基板は、高度な熱管理、信頼性、光学的適合性を備えた完全なシステムレベルソリューションです。誘電体層の厚さ1マイクロメートル、金層の厚さ1マイクロインチ、そして平坦度0.01mmの精度は、最終的な光源が接合温度150℃で10年間安定して動作できるかどうかに直接影響を及ぼします。