JP2007266246A - Ｌｅｄモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤ素子からの熱を効率よく外部に放散させる放熱性に優れた表面実装型ＬＥＤモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】 ＬＥＤ素子３と、前記ＬＥＤ素子３をフリップチップ実装またはフェースアップ実装によって取り付けられる取付面を上部に有する基台２と、前記基台２の上部に前記ＬＥＤ素子３を配置するとともに、前記基台２と接触する面の外形が前記基台２の下部の外形よりも大きい光透過性の樹脂または光透過性のガラスからなる封止部材６と、を有し、セラミックスや樹脂を材料とした基台２の側面からＬＥＤ素子３からの熱を放熱することができるとともに、ＬＥＤ素子３を封止する封止材６の外表面からＬＥＤ素子３からの熱を放熱することができる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ＬＥＤモジュールに備える半導体発光素子の放熱を行う構造に関するものである。

従来の半導体発光素子（以下ＬＥＤ素子という。）は表示装置や比較的小さな光出力でも機能を発揮できる照明応用装置に使用されてきた。近年、光出力の大きな半導体発光が出現し、その応用商品が増えてきている。

しかしながら、光出力の増大に伴ってＬＥＤ素子から発生する熱も増大するため、そのＬＥＤ素子から発生する熱を放熱する必要がある。

ＬＥＤ素子から発生する熱はＬＥＤ素子自体の温度を上昇させ、さらにＬＥＤ素子周囲の封止樹脂の温度も上昇させる。ＬＥＤ素子や封止樹脂は温度が上昇すると寿命が短くなる。

そのためＬＥＤ素子や封止樹脂の放熱として、表面実装型ＬＥＤ素子は、発光素子チップと、発光素子チップを配置する基台と、ＬＥＤ素子チップに接続されるリードフレームと、少なくともＬＥＤ素子チップを覆うように形成された封止樹脂とを備え、基台およびリードフレームが封止樹脂により一体に固定される表面実装型発光素子であって、特に、表面側から見た基台の最下面が表示面側から見たリードフレームの最下面と略同じ面に位置し、さらに表面側から見た基台の最下面が封止樹脂から露出しているため、ＬＥＤ素子チップと基台の間の距離を小さくできるためＬＥＤ素子チップの基板への放熱性を高めることができる（例えば、特許文献１）。

特開２００２−２５２３７３号公報（段落「００１７」１１行目〜１５行目）

しかしながら、ＬＥＤモジュール全体を透明樹脂で覆っているため、熱伝導率の優れた材料で形成された基台から外方への熱放散が最適とはいえない。セラミックスや樹脂を材料とした基台に配置されたＬＥＤ素子からの熱を効率よく外部に放散させる放熱性に優れた表面実装型ＬＥＤモジュールを提供することを目的とする。

ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子をフリップチップ実装またはフェースアップ実装によって取り付けられる取付面を上部に有する基台と、前記基台の上部に備えて前記ＬＥＤ素子を封止するとともに、前記基台と接触する面の外形が前記基台の下部の外形よりも大きい光透過性の樹脂または光透過性のガラスからなる封止部材と、を有する。

セラミックスや樹脂を材料とした基台の側面からＬＥＤ素子からの熱を放熱することができるとともに、ＬＥＤ素子を封止する封止材の外表面からＬＥＤ素子からの熱を放熱することができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１を示すＬＥＤモジュールの斜視図であり、図２は、図１のＬＥＤモジュールのＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２のＬＥＤモジュールの構造について説明をする。
図１は、セラミックスや樹脂材料で形成され上面に凹部を有するすり鉢状の基台２と、この基台２の凹部に取り付けられるＬＥＤ素子３と、このＬＥＤ素子３を基台２に封止する封止材６を備えるＬＥＤモジュール１である。

図２は、図１のＬＥＤモジュール１のＡ−Ａ断面図であり、ＬＥＤモジュール１の基台２の底部から前記凹部の内側まで配線が引き込まれ、基台２の底部及び前記凹部の内側に電極４ａ〜４ｄを有する電路５ａ、５ｂを備え、前記凹部の内側の電極４ａ、４ｂ上にＬＥＤ素子３をフリップチップ実装またはフェースアップ実装によって取り付けられ、電路５ａ、５ｂと電気的に接続している。

ここでフリップチップ実装とは、ＬＥＤ素子３を基台２の前記凹部に実装する際に、ＬＥＤ素子３の電極（図示しない）を電極４ａ、４ｂに半田付けなどによって直接実装するもので、ＬＥＤ素子３のサファイア面をＬＥＤモジュール１の発光面側に配置するものである。

また、フェースアップ実装とは、ＬＥＤ素子３の基台２の前記凹部に実装する際に、サファイア面を実装（ダイボンディング）させ、ＬＥＤ素子３の電極（図示しない）を電極４ａ、４ｂとを金線（Ａｕワイヤー）などで配線（ワイヤーボンディング）するもので、ＬＥＤ素子３のサファイア面を前記凹部の電極４ａ、４ｂ側に配置するものである。

さらにＬＥＤ素子３を覆うように透明樹脂または透明ガラスなどの封止材６を基台２の上部に備えている。この封止材６は、基台２の凹部及びＬＥＤ素子３を封止する凸状に突出する部分を有するとともに、基台２の外縁から外方に向かって張り出すように形成するキノコ形状となっている。封止材６の基台２との接触面は、基台２の凹部の内側及びＬＥＤ素子３の表面と密着している。

また、この封止材６はＬＥＤ素子３の発光する光に励起されて発光する蛍光体（図示しない）を封入しており、例えばＬＥＤ素子３の発光する光が青色のときは、青色と補色関係にある黄色に発光する蛍光体を封入して、ＬＥＤ素子３の発光する光と、蛍光体によって励起する光との混色により白色を得ている。

なお、赤色、緑色、青色のようにＬＥＤ素子３の発光する発光色そのものを得たいとき、ＬＥＤ素子３の発光する発光色を混色するときなどは、封止材６に蛍光体を封入する必要はない。

次にＬＥＤ素子３の発熱による熱の流れを説明する。
ＬＥＤ素子３で発熱した熱は大きく分けて３つの経路で外方に放散される。

第１の熱伝導経路は、ＬＥＤ素子３から電路５ａ、５ｂを経由して、ＬＥＤモジュール１を実装する基板（図示しない）に伝導する。このようにＬＥＤ素子３の発熱する熱を基板に熱伝導して基板から外方へ放散する。

第２の熱伝導経路は、ＬＥＤ素子３と封止材６との接触面からＬＥＤ素子３の発熱が封止材６に熱伝達して、封止材６の外表面から熱放射及び空気の対流により外方に放散する。

この実施の形態の封止材６は、基台２の上方に位置し基台２の外側壁は封止材６で覆われず露出するので、前述した第２の熱伝導経路による放熱効果が高まる。

すなわち、第２の熱伝導経路では基台２の側面を封止材６で覆うことがないため、一般に熱伝導率が高く表面の放射率が高い材料で形成される基台２の側面からの熱放射や空気の対流による熱放散の効率がよくなる。

第３の熱伝導経路は、ＬＥＤ素子３と封止材６との接触面からＬＥＤ素子３の発熱が封止材６に熱伝導して、さらに封止材６に熱伝導した熱が基台２との接触面から基台２に熱伝達する。この基台２に熱伝達した熱は、基台２の外表面から熱放射及び空気の対流により外方へ放散する。

この実施の形態の封止材６は、基台２の上方に位置し基台２の外縁から外方に向かって張り出すように形成して、封止材６の外表面が大きくなるようにしているので、前述した第３の熱伝導経路による放熱効果が高まる。

すなわち、第３の熱伝導経路では封止材６の表面積が大きいため、表面積に比例して熱流の大きさが決まる熱放射の空気の対流による熱放散が大きくなる。

このように、ＬＥＤ素子３と、このＬＥＤ素子３をダイボンディング及びワイヤーボンディングによって取り付けられる取付面を有する基台２と、透明樹脂または透明ガラスからなる封止材６を前記基台２の取付面に備えるとともに、前記基台２と接触する面の大きさが前記基台２の取付面の面積よりも大きくなるように前記ＬＥＤ素子３を封止する封止材６とを有するので、基台２の外側面からの放熱性をよくするとともに、封止材６の表面積からの放熱性をよくすることができる。

実施の形態２．
本実施の形態は、実施の形態１に示すＬＥＤモジュール１の封止材６の形状を変えたものである。

図３は、本実施の形態２を示すＬＥＤモジュールの断面図であり、実施の形態１と同じ部分については同符号を付し、説明を省略する。

図３のＬＥＤモジュールの構造について説明する。
図３は、ＬＥＤ素子３を覆う封止材６ａの形状をキノコ形状とし、このキノコ形状のかさ部の外表面に梨地状の凹凸部を形成している。

このように、封止材６ａの外表面に凹凸部をつけることにより表面積を増やして、封止材６ａの表面と空気層の接触面を増やして、空気層に効率よく放熱している。

図４は、本実施の形態２を示すＬＥＤ素子３の発光する光の拡散を示す図である。
図４のＬＥＤモジュールにおけるＬＥＤ素子３の発光する光の拡散について説明する。

ＬＥＤ素子３は電極４ａ、４ｂから電力が供給されて発光する。この発光する光７ａ、７ｂは、一般的に封止材６の屈折率Ｎ１と空気中の屈折率Ｎ２との関係がＮ１＞Ｎ２であるので、封止材６の外表面で屈折をする。

まず、ＬＥＤ素子３から発光する光７ａについて説明する。
ＬＥＤ素子３から発光する光７ａの屈折は、封止材６の外表面Ａ面における垂線Ａ、封止材６の外表面Ａ面に入射するときの垂線Ａに対する入射角θ１ａ及び封止材６から空気中に出射されるときの垂線Ａに対する出射角θ２ａとするとき、Ｎ１・ｓｉｎθ１ａ＝Ｎ２・ｓｉｎθ２ａの関係になる。

したがって、ＬＥＤ素子３から発光する光７ａは、外表面Ａ面の垂線Ａを軸とするときＬＥＤモジュール１の中心方向から入射角θ１ａで入射するので、封止材６の外表面Ａ面でＬＥＤモジュール１の側面方向（Ａ方向）に出射角θ２ａで屈折する。

次にＬＥＤ素子３から発光する光７ｂについて説明する。
ＬＥＤ素子３から発光する光７ｂの屈折は、ＬＥＤ素子３から発光する光７ａと同様の関係が成り立ち、その関係は、Ｎ１・ｓｉｎθ１ｂ＝Ｎ２・ｓｉｎθ２ｂ（垂線Ｂ、垂線Ｂに対する入射角θ１ｂ、垂線Ｂに対する出射角θ２ｂ）となる。

したがって、ＬＥＤ素子３から発光する光７ｂは、外表面Ｂ面の垂線Ｂを軸とするときＬＥＤモジュール１の側面方向から入射角θ１ｂで入射するので、封止材６の外表面Ｂ面でＬＥＤモジュール１の正面方向（Ｂ方向）に出射角θ２ｂで屈折する。

すなわち、封止材６ａの外表面に凹凸部をつけることにより、指向性が強いＬＥＤ素子３を用いる場合であっても、封止材６ａの外表面の凹凸部への入射角及び屈折率によって光７ａ、７ｂが屈折するので、封止材６ａの外表面から得られる光は拡散し、ＬＥＤ素子３の発光する光の指向性を弱い拡散光を得ることができる。

このように、封止材６ａの外表面に梨地状の凹凸部を備えているので、封止材６ａと空気層との接触面を増やして、効率よくＬＥＤ素子３の放熱ができるとともに、梨地状の凹凸部によって、ＬＥＤ素子３の発光する光を拡散することができる。

なお、封止材６ａの外表面の梨地状の凹凸部ではなく、矩形状などであってもよい。

実施の形態３．
本実施の形態は、実施の形態１に示すＬＥＤモジュールの基台の形状を変えたものである。

図５は、本実施の形態３を示すＬＥＤモジュールの断面図、図６は、本実施の形態３を示す他のＬＥＤモジュールの断面図であり、実施の形態１と同じ部分については同符号を付し、説明を省略する。

図５のＬＥＤモジュールの構造について説明する。
図５は、基台２の上部側の側面から外側かつ水平方向に伸長した張り出し部８を設けて、基台２の上面を基台２の底部より外方に張り出している。この張り出し部８の上面には、封止材６を接触させている。

このように、基台２の上部側の側面から外側かつ水平方向に伸長した張り出し部８を設けているので、一般に熱伝導率が高く表面の放射率が高い材料で形成される基台２の表面積が大きくなり、基台２からの熱放射や空気の対流による熱放散の効率がよくなる。

また、図６に示すように、基台２の上部側の側面から外側かつ水平方向に伸長した張り出し部８とせず、基台２の上部側の外径を大きく、下部側の外径を小さくして全体の側面を上部から下部に向かって狭まるようにしてもよい。

実施の形態４．
本実施の形態は、実施の形態１に示すＬＥＤモジュールの基台２の形状を変えたものである。

図７は、本実施の形態４を示すＬＥＤモジュールの断面図、図８は、本実施の形態４を示す他のＬＥＤモジュールの断面図であり、実施の形態１〜実施の形態３と同じ部分については同符号を付し、説明を省略する。

図７のＬＥＤモジュールの構造について説明する。
図７は、基台２のすり鉢部表面と、基台２の上端から外方に伸長した張り出し部８に光を反射する部材（例えば、アルミニウム、銀）を蒸着して、反射層９を形成している。

図７に示すように、基台２の凹部に反射層９を備えることで、ＬＥＤ素子３の発光する光が反射層に当たって基台２の外方へ反射する。反射層に高い反射率のものを用いるほど反射による光のロスが少なくなることは明らかである。

したがって、基台２の凹部及び張り出し部８に反射層を備えることで、ＬＥＤ素子３が発光する光を封止材６から外部に照射して得られる光の取り出し効率が高まる。

さらに図８に示すように、基台２の上面に反射層９を形成するとともに、透明封止樹脂あるいは透明封止ガラスからなる封止材６ａの外表面に梨地状の凹凸部をつけると、ＬＥＤ素子３の発光する光が反射層９によって反射するため封止材６ａから外部に照射して得られる光の取り出し効率が高まり、また、封止材６ａの外表面の凹凸部の入射角及び屈折率によって、ＬＥＤ素子３からの光が屈折して、ＬＥＤ素子３が発光する光の指向性を弱めた拡散光を得ることができる。

実施の形態５．
本実施の形態は、実施の形態１に示すＬＥＤモジュール１の基台２の形状を変えたものである。

図９は、本実施の形態５を示すＬＥＤモジュールの断面図であり、実施の形態１と同じ部分については同符号を付し、説明を省略する。

図９のＬＥＤモジュールの構造について説明する。
平板状の基台２ａに電極４ａ、４ｂを備え、この電極４ａ、４ｂ上にダイボンディング及びワイヤーボンディングによってＬＥＤ素子３が取り付けられる。

ＬＥＤ素子３の上部に封止材６ｂが取り付けられ、ＬＥＤ素子３の近傍に蛍光体１０を封止して、ＬＥＤ素子３が発光する光が照射され蛍光体１０が励起して発光する。

ＬＥＤ素子３から発光する光はＰＮ接合面から発光するため、ＬＥＤ素子３の側面方向へ発光する光が強い。

したがって、ＬＥＤモジュール１から横方向への光を得たいとき、基台２ａを平板状にすると所望の光出力を得ることができる。

また、封止材６ｂに酸化チタンなどの拡散材を封入する、あるいは封止材６ｂの外表面をサンドブラストして細かな凹凸を設けることで、ＬＥＤ素子３の発光する光を拡散することができる。

ＬＥＤモジュールにおけるＬＥＤ素子の放熱構造に関するものである。

実施の形態１を示すＬＥＤモジュールの斜視図である。 図１に示すＬＥＤモジュールのＡ−Ａ断面図である。 実施の形態２を示すＬＥＤモジュールの断面図である。 実施の形態２のＬＥＤ素子の光の拡散を示す図である。 実施の形態３を示すＬＥＤモジュールの断面図である。 他の実施の形態３を示すＬＥＤモジュールの断面図である。 実施の形態４を示すＬＥＤモジュールの断面図である。 他の実施の形態４を示すＬＥＤモジュールの断面図である。 実施の形態５を示すＬＥＤモジュールの断面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤモジュール、２、２ａ 基台、３ ＬＥＤ素子、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 電極、５ａ、５ｂ 電路、６、６ａ、６ｂ 封止材、７ａ、７ｂ ＬＥＤ素子３の発光する光、Ｎ１ 封止材６の屈折率、Ｎ２ 空気中の屈折率、θ１ａ Ａ面に対する入射角、θ１ｂ Ｂ面に対する入射角、θ２ａ Ａ面に対する出射角、θ２ｂ Ｂ面に対する出射角、８ 張り出し部、９ 反射層、１０ 蛍光体。

Claims (6)

1. ＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子をフリップチップ実装またはフェースアップ実装によって取り付けられる取付面を上部に有する基台と、
   前記基台の上部に前記ＬＥＤ素子を配置するとともに、前記基台と接触する面の外形が前記基台の下部の外形よりも大きい光透過性の樹脂または光透過性のガラスからなる封止部材と、
   を有することを特徴とするＬＥＤモジュール。
2. 前記基台は、断面形状をすり鉢状とする凹部を前記上部に備え、
   前記封止部材は、前記凹部と接触する凸部を備えることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤモジュール。
3. 前記基台は、前記上端面から外側かつ水平方向に突出する張り出し部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤモジュール。
4. 前記基台は、側面の形状を前記基台の前記上部から前記下部に向かって狭まるように略傾斜面状に形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤモジュール。
5. 前記封止部材は、前記基台の前記上部側の面を覆うことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のＬＥＤモジュール。
6. 前記封止部材の前記ＬＥＤ素子が発光する光を透過して外部に光を出力する外表面に凹凸部を有することを特徴とする請求項１〜請求項５に記載のＬＥＤモジュール。

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