JP2004342791A

JP2004342791A - Ｌｅｄランプおよびｌｅｄ照明具

Info

Publication number: JP2004342791A
Application number: JP2003136926A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Hattori; 邦裕服部
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP3938100B2

Abstract

【課題】従来のＬＥＤ照明具は電流を増加すると、温度上昇により発光効率の低下、発光波長の変動による色度変化、寿命の短縮をきたす。これら電流増加による特性低下を抑えた、高信頼性のＬＥＤ照明具を提供する。
【解決手段】給電用フレーム（１０２）と熱伝導性材料に切削、プレス、焼結等により底部がフラットな窪み（１０４）を設けた放熱プレート（１０３）を非導電性接着材（１０７）で一体化し、放熱フレーム（図４）を構成する。なお、窪みのフラット部にＬＥＤ素子（１０６）を搭載し、ＬＥＤ素子と給電用フレームは金線等、導電性細線（１０５）で接続されている。該ＬＥＤ素子の搭載された放熱プレートのＬＥＤ素子搭載面と反対面の一部（１０３ａ）を露出する形で樹脂モールドし、放熱プレート露出部よりヒートシンク等を用い、熱を除去する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱による発光効率の低下、および発光波長の変動を抑えた、信頼性の高いＬＥＤ照明具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から屋外照明灯、警告灯、ディスプレイ装置等の光源として、ＬＥＤディスクリートランプ（５１１）が搭載されている。しかし、複数のＬＥＤランプを集合体として回路基板（５１３）に搭載した場合、個々から発生する熱により灯具全体が高温となり、発光効率の低下、信頼性の低下を招く。その対策として筐体内部へ外気の取り込みの対策、またはＬＥＤディスクリートランプユニットとヒートシンクの空間部をフィラー入り樹脂（５１２）で埋め、熱拡散を期待している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、熱の発生源であるＬＥＤチップ搭載部と放熱樹脂（５１２）は断面０．２５ｍｍ^２のリードフレーム（５１１ａ）で繋がっているのみで、放熱効果は極めて悪い。それゆえ、１個当たりのＬＥＤ素子に注入できる電流値は２０ｍＡ程度であり、ＬＥＤランプの密度が大になればより低電流でしか使用できなくなる。
【０００４】
また、ＬＥＤディスクリートランプ（５１１）は回路基板と２本のリードでつながっており、前後または左右のどちらかに傾く可能性があり、集合体として使用する場合は点灯状態で個々の光軸の調整が必要となる欠点がある（図５参照）。
【０００５】
一方、銅箔層（６１７）、絶縁層（６１６）、金属ベース（６１５）の積層基板に絞り加工を施し、絞り加工部分にＬＥＤチップを搭載し、金属ベースの貫通穴を通してＬＥＤチップ搭載側のレンズを保持したＬＥＤユニットの製造法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
しかし、ＬＥＤ素子を搭載した積層金属基板を樹脂で一体成形するため、ユニットとしての光軸のズレは生じないものの、発光部の配置の変更には基板の絞り用金型、レンズ用金型等高額な金型費用が必要となる。また、熱源であるＬＥＤ素子は金属基板と絶縁層を介した回路部に搭載されており、ＬＥＤ素子から金属基板への熱抵抗は大きい。かつ、ＬＥＤ素子から離れた部分の金属ベース部からしか熱の除去ができない問題点がある。（図６参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−２０４５９５号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】特開平０６−３３４２２４号公報（第４頁、図１）
【０００８】
【開発が解決しようとする課題】上記のようにＬＥＤ素子で発生した熱の除去が十分でない場合、図９のグラフの従来品Ａおよび従来品Ｂに示すように、低電流値でしか注入電流に比例した光出力が得られず、大電流値では消費電力の無駄が生じると伴に発光素子の寿命も短くなる。また、発光波長についても図１０の従来品Ａおよび従来品Ｂに示すように、ＬＥＤ素子の接合部温度上昇に伴い長波長側にシフトし色調が変化する。
【０００９】
また、紫外線発光素子を励起光源とし蛍光材を間接的に発光させるＬＥＤランプにおいては発光素子の波長変動により蛍光材の発光効率が大きく影響され、期待される光度および色度が得られない問題がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】ＬＥＤ素子を熱伝導度の大きい材料に搭載し、ＬＥＤ素子の接合部で発生する熱を最短距離である裏面から放熱フィン等に伝導させＬＥＤ素子の温度上昇を抑えることで、電流値変化による特性の変動を最小限に抑え、特に大電流での発光効率の低下および寿命の短縮を防止する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態様を図に基づいて説明する。図４は本発明にかかるＬＥＤランプに使用するフレームの一例を示す斜視図である。表面側に底辺がフラット４０４ａで傾斜した反射面４０４ｂを備えた窪みと裏面側に本体４０３より小さい径の凸部を形成した熱伝導性材料と給電のためのワイヤーボンド可能なフレーム４０２を接着剤で一体化する。
【００１２】
ちなみに、図４の窪み部分について詳細に説明すると、使用するＬＥＤチップの幅をＷ１とすると、窪み底辺の直径Ｗは、Ｗ１×１．４１＋０．０２ｍｍ≦Ｗ≦Ｗ１×１．４１＋１．０ｍｍが望ましく、さらに望ましくは、Ｗ１×１．４１＋０．１ｍｍ≦Ｗ≦Ｗ１×１．４１＋０．５ｍｍである。
【００１３】
窪みの深さについては、使用するＬＥＤチップの高さをＴとすると、深さＨはＴ≦Ｈ＜Ｔ×５が望ましく、さらに望ましくは、Ｔ×２≦Ｈ≦Ｔ×３である。
【００１４】
また、反射面の広がり角度θは、底面に対し３０°以上が望ましい、さらに望ましくは４５°≦θ≦７５°であり、この範囲外ではレンズ面への取り出し効率が低下する。
【００１５】
次に、本発明の図１について説明する。放熱プレート１０３の窪み部底辺のフラット部１０４ａにＬＥＤチップ１０６を接着樹脂で搭載固定し、ＬＥＤチップ１０６の電極パターンと給電フレームをワイヤーボンドする。上記ＬＥＤチップの搭載された放熱フレームを、ＬＥＤチップ搭載面がレンズ側になるようモールド用型にセットする。なお、望ましくはＬＥＤチップを搭載した窪み部分に事前にシリコン系柔軟樹脂またはモールド材と同じ樹脂を充填しておくと気泡の混入防止に有効である。
【００１６】
続いて、放熱プレ−トの凸部１０３ａが露出するよう透明樹脂を充填する。なお、充填する樹脂は熱硬化、熱可塑のどちらの樹脂を使ってもよい。また、樹脂と凸部段差は、使用する放熱プレートと使用する樹脂の熱膨張係数を考慮し、ＬＥＤ点灯時に放熱プレートの凸部が常に水平、または突出するよう、樹脂充填量を調節しておく。
【００１７】
また、図７は上記本発明のＬＥＤランプを使った一例であり、詳細に説明する。穴を開けたエポキシ回路基板７１３の穴に本発明のＬＥＤランプを配置し、基板の回路とＬＥＤランプの給電フレーム７１２を半田等、導電性材料で接続固定する。次にＬＥＤランプ裏面側の放熱プレートの突出部に熱伝導性樹脂を塗布し、塗布面をヒートシンク等放熱器のフラット面と接触させる。ＬＥＤランプを搭載した基板と放熱器は、熱伝導性樹脂の厚みが薄くなるようネジ、またはリベットにより固定する。
【００１８】
【実施例１】厚さ２ｍｍ、直径５．８ｍｍの銅（還元銅）円板を、表面側に底面１０４ａの直径が０．８ｍｍ、反射面１０４ｂの角度が６０°、深さ０．５ｍｍの窪み、裏面側に直径５．０ｍｍ、段差０．６ｍｍの凸部１０３ａになるようプレス加工した放熱プレートの表面ドーナツ状フラット面に非導電性接着材ムロマックボンドＨ−３３３Ｃを薄く塗布し、プレスで打ち抜き下地に０．３μｍのニッケルめっき、表面に３μｍの銀メッキした給電フレーム１０２を１．０Ｋｇ／ｃｍ^２の加重を掛けた状態で１５０℃の雰囲気で３０分間硬化した。
【００１９】
なお、本実施例では接着強度２４０Ｋｇ／ｃｍ^２を使用したが、硬化後の接着強度が１５０Ｋｇ／ｃｍ^２以上が望ましい。また、非導電性接着剤の塗布はスタンピング方式で行ったが、スクリーン印刷、ディスペンス方式でもよい。硬化時の加重は２．０〜０．５Ｋｇ／ｃｍ^２が望ましく、加重を大きくすると電気絶縁されない場合が生じやすくなる。また、加重をかけない場合には接着材の厚みが不均一となり硬化後の接着強度にバラツキが生じ信頼性が落ちる原因となる。
【００２０】
上記、放熱プレートの窪み底面１０４ａにＬＥＤチップ１０６（チップサイズ０．３２ｍｍ角、チップ高さ０．２２ｍｍ、材質ＧａＮ／サファイヤ）を非導電性接着剤ムロマックボンドＨ３８６で配置固定し、ＬＥＤチップ表面の電極と給電フレーム１０２をφ２５μｍの金線１０５で接続した。ＬＥＤチップの固定に使用する非導電性樹脂は、透明または白色樹脂がより望ましく、着色樹脂は光の吸収によりレンズ面への光の取り出し効率が低下する。また、樹脂の色によっては本来のＬＥＤチップの発光色と異なる色度となる不具合が生じる。
【００２１】
続いて、ＬＥＤチップ搭載の窪み１０４に透明エポキシ樹脂を予備充填し、チップ搭載面側が下側になるよう金型に装着（金型についてもレンズ面が下）。透明エポキシ樹脂を金型と放熱プレート隙間から放熱プレートの凸部１０３ａとフラットになるよう注入し、１２０℃で硬化後、金型から取り外しφ７ｍｍ、高さ５．１ｍｍのＬＥＤランプ１３０を作成した。
【００２２】
なお、紫外線発光ＬＥＤチップを光源として可視光を得る場合は、窪み部１０４に蛍光剤を混和したシリコン樹脂を注入、硬化後に金型に装着すればよい。また、インサート成形等、他の成形方法を用いれば透明ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂等も使用できる。
【００２３】
【実施例２】上記実施例１と同寸法の放熱プレート３０３をアルミニウムの溶融成形で作成し、実施例１と同様の方法で給電フレームと一体化した。本放熱プレートの窪み部に、表面にワイヤーボンド可能なＡｕを蒸着したＡｌＮ（サイズ０．５ｍｍ角、厚み０．１ｍｍ）３０８を熱導電性樹脂で固定し、その上にＬＥＤチップ３０６ａ（チップサイズ０．３２ｍｍ角、チップ高さ０．２５ｍｍ、材質ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、表面ｎ電極、裏面ｐ電極）を導電性接着剤ムロマックボンドＡ−７１Ｓで接着した。つづいて、表面ｎ電極と給電フレーム３０２をφ２５μｍの金線３０５ａで接続し、もう片方の給電フレーム３０２とＡｌＮ（３０８）をφ２５μｍの金線３０５ｂで接続した。本実施例では２００Ｗ／ｍ・ＫのＡｌＮを使用したが、熱伝導度が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料であれば特に問題は生じなかった。
【００２４】
上記ＬＥＤチップを搭載した放熱プレートの窪み部に透明シリコン樹脂を充填、熱硬化後、放熱プレートの凸部フラット表面に樹脂が回り込まないよう設計された金型にセットし、透明ポリカーボネート樹脂を金型温度１６０℃、樹脂温度２８０℃の条件でインサート成形しＬＥＤランプ１３０を作成した。
【００２５】
【実施例３】φ７ｍｍの穴を開けたエポキシ回路基板７１３の穴部に、実施例１で作成した本発明のＬＥＤランプ７３０をはめ込み、基板上の回路とＬＥＤランプの給電フレームをハンダにより接続した。次に、本ＬＥＤランプの搭載された基板裏面に現われる放熱プレートのフラット部１０３ａに熱伝導性材料７１８（信越化学工業製オイルコンパウンドＧ７５１）を塗布し、ヒートシンクに搭載した。ＬＥＤランプの搭載された基板とヒートシンクはタッピングネジで固定の後、ＬＥＤランプ搭載面のレンズ部を除いて防湿樹脂７１２（東芝シリコンＴＳＥ３９９）を塗布し、ＬＥＤ照明具を作成した。本実施例では熱伝導率４．５Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナ混和シリコンオイルを使用したが、熱伝導性材料の膜厚が０．１ｍｍ以下で固定できれば２．０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率でも十分特性は確保できた。
【００２６】
【実施例４】内側に半径１５ｍｍの反射面および集光レンズ８２２を備えたヘッド部と放熱効率を向上させるため、外形２０ｍｍ、厚み２ｍｍの７枚のフィンを備えたヒートシンクをアルミニウム材で作成した。次に、実施例１で作成した本発明のＬＥＤランプの給電プレート１０２の＋極にケーブルを接続し、放熱プレートの凸部１０３ａに熱伝導性材料８１８（ＡＯＳ製５４０１２、熱伝導率２．５８Ｗ／ｍ・Ｋ）を塗布、ＬＥＤランプのレンズ側がヘッド部側になるようＬＥＤランプをセットした。一方ＬＥＤランプの他方の給電フレーム（−極）はヒートシンクと接触させ、ヘッド部をヒートシンクにねじ込みＬＥＤ照明具を作成した。
【００２７】また、導電性金属筐体に本実施例のＬＥＤ照明具を多数個配置した照明具の場合、制御回路の−極を筐体に接続することで煩雑な配線が不要となる。
【００２８】
【比較例１】実施例３の方法で、本発明のＬＥＤランプ２２４個を、７個直列３２並列の電気回路で、従来品と同じ同心円状に配置したＬＥＤ照明具を作成した。本比較例を点灯させＬＥＤランプ１個に流れる電流値を基準に、ディスクリートランプを搭載した従来品Ａ、金属積層基板を用いた従来品Ｂと比較した。図９、図１０に示すように、従来品Ａは３０ｍＡ付近まで比例的に出力は増加するものの、５０ｍＡを超えると出力は低下した。また、従来品Ｂについても９０ｍＡを超えると出力低下がみられた。発光波長についても、略ＬＥＤチップの温度と推測される波長変動をした。
【００２９】一方、本比較例で作成したＬＥＤ照明具は１６０ｍＡまで略比例的に光度が得られ、発光波長変動についても従来品の１／３〜１／２の変動であった。
【００３０】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明のＬＥＤランプおよびＬＥＤ照明具は熱による特性変動を非常に低く抑えることが可能となる。従って、光度・色度・変換効率等の特性の安定化、超寿命化の優れた効果を奏でる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＬＥＤランプの斜視図である。
【図２】本発明にかかるＬＥＤランプの断面図である。
【図３】本発明にかかるＬＥＤランプの一例を示す断面図である。
【図４】本発明のＬＥＤランプの放熱機構の説明図である。
【図５】従来のＬＥＤランプを搭載したユニットの断面図である。
【図６】従来の金属ベース基板を使ったＬＥＤユニットの断面図である。
【図７】本発明のＬＥＤランプを搭載したＬＥＤ照明具の断面図である。
【図８】本発明のＬＥＤランプを搭載したＬＥＤ照明具の断面図である。
【図９】比較例品の光出力を示すグラフ図である。
【図１０】比較例品の波長変動を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０１透明樹脂
１０２給電用フレーム
１０３放熱プレート
１０４凹部
１０６ＬＥＤチップ
５１１ＬＥＤディスクリートランプ
５１２放熱樹脂
６１５金属基板
６１６エポキシ絶縁層
７０９ヒートシンク
７１２防湿樹脂
７１３エポキシ回路基板
７１８放熱コンパウンド

Claims

導電性金属フレーム（１０２）と熱伝導度１５０Ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃以上の凹部（１０４）および凸部（１０３ａ）を形成した材料からなる放熱プレート（１０３）が非電導性樹脂で接続されているとともに、凹部（１０４）にＬＥＤチップ（１０６）が１個以上装着されており、かつＬＥＤチップ装着面側にレンズ特性を有する第一の樹脂モールド部（１０１ａ）と、放熱プレートの一部（１０３ａ）が露出するよう成形された第二の樹脂モールド部（１０１ｂ）が一体成形されていることを特徴とするＬＥＤランプ。
放熱のための熱伝導性金属（７０９）と請求項１に記載のＬＥＤランプ１個以上を熱伝導性材料（７１８）で接触させ放熱効果を向上させたＬＥＤ照明具。