JP2019212658A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光領域内における温度の違いを抑制した発光装置を提供する。【解決手段】実装領域１１Ａを有する実装基板１１と、実装領域１１Ａに配置された複数の発光素子２０と、実装基板１１と複数の発光素子２０のそれぞれとを接着する複数の接着部６０と、発光素子２０の周囲に配置された枠体４０と、複数の発光素子２０を封止する様に前記枠体の内部に配置された封止部材５０と、を有し、実装領域１１Ａの周辺部において発光素子２０を実装基板１１に実装するための接着部６０の厚さは、実装領域１１Ａの中央部において発光素子２０を実装基板１１に実装するための接着部６０の厚さより厚くなるように設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置に関する。

ＬＥＤ（light-emitting diode）素子等の発光素子を利用した発光装置が、照明等に広く利用されている。

例えば、特許文献１には、ＣＯＢ（Chip On Board）方式を用いて複数個のＬＥＤチップを実装基板上に高密度に実装する発光装置が記載されている。

特開２０１７−５１３５号公報

ＣＯＢ方式の発光装置において複数の発光素子からの発する熱は、一般に、実装領域の中央部に比べて周辺部の方が放熱され易い。このため、発光装置が継続して点灯されると、実装領域の中央部に配置された発光素子の方が、周辺部に配置された発光素子に比べて高温になる傾向がある。実装領域内の位置の違いにより生じる発光素子間の温度差は、発光素子の周辺に配置された封止部材の色むら及び／又はクラックの原因となるため、小さくすることが好ましい。

本発明の目的は、発光素子間の温度差を減少させる発光装置を提供することである。

本発明に係る発光装置は、実装領域を有する実装基板と、実装領域に配置された複数の発光素子と、実装基板と複数の発光素子のそれぞれとを接着する複数の接着部と、発光素子の周囲に配置された枠体と、複数の発光素子を封止する様に枠体の内部に配置された封止部材と、を有し、実装領域の周辺部において発光素子を実装基板に実装するための接着部の厚さは、実装領域の中央部において発光素子を実装基板に実装するための接着部の厚さより厚くなるように設定されている。

本発明に係る発光装置によれば、発光素子間の温度差を減少させることが可能である。

（Ａ）は発光装置１の一例の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線断面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の部分拡大図である。 接着部６０の位置と厚さとの関係を示すグラフである。 発光装置１における熱伝達の状態を示す模式図である。 発光素子２０の温度に関する実験結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る発光装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

＜実施形態＞
図１（Ａ）は発光装置１の一例の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ´線断面図であり、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）において矢印Ａで示される部分の部分拡大図である。図１（Ａ）においては、封止部材の表示を省略している。

発光装置１は、基板１０、発光素子２０、枠体４０、封止部材５０、及び、接着部６０等を有する。

基板１０は、実装基板１１と、回路基板１２とを有する。実装基板１１は、正方形の形状を有し、その上面の中央に発光素子２０が実装される実装領域１１Ａを有する金属基板である。実装基板１１は、発光素子２０により発生した熱を放熱させる放熱基板としても機能するため、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムで構成され、その熱伝導率は、２３６（Ｗ/ｍ＊Ｋ）である。

なお、実装基板１１の形状は正方形以外の形状（例えば、長方形、円形等）であってもよく、実装基板１１の材質は耐熱性と放熱性に優れたものであれば、例えば銅など、別の金属でもよい。

回路基板１２は、実装基板１１と同じ大きさの同じ形状を有し、その中央部に円形の開口部１２Ａが形成される。回路基板１２は、裏面が接着シート等の接着部材によって実装基板１１の上に貼り付けられて固定される。実装基板１１の実装領域１１Ａは、開口部１２Ａから露出し、開口部１２Ａは、実装領域１１Ａの外縁を規定する。回路基板１２の表面には、開口部１２Ａを取り囲むように、一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂが形成される。また、回路基板１２の表面で対角に位置する２つの角部には、発光装置１を外部電源に接続するための一対の接続電極１７Ａ及び１７Ｂが形成され、それぞれ配線パターン１３Ａ、１３Ｂと接続している。一方の接続電極１７Ａはアノードであり、他方の接続電極１７Ｂはカソードである。回路基板１２及び一対の配線パターン１３Ａ、１３Ｂは、絶縁性の膜であるレジスト１４によって覆われ、保護される。

発光素子２０Ａ〜発光素子２０Ｄ（総称して単に発光素子２０という場合がある）は、矩形状に形成された青色系の半導体発光素子（以下、青色ＬＥＤ素子とも称する）であり、実装領域１１Ａ上に複数個配置される。４個の発光素子２０Ａは、実装領域１１Ａの中央部１１Ｃに配置され、１０個の発光素子２０Ｂは、中央部１１Ｃの外側に隣接するドーナツ型の第１周辺部１１Ｄに配置されている。１６個の発光素子２０Ｃは、第１周辺部１１Ｄの外側に隣接するドーナツ型の第２周辺部１１Ｅに配置され、１８個の発光素子２０Ｄは、第２周辺部１１Ｅの外側に隣接するドーナツ型の第３周辺部１１Ｆに配置されている。中央部１１Ｃ及び各周辺部の境界は、実装領域１１Ａの中心点１１Ｂを中心とする円形状である。発光素子２０の上面は、実装基板１１の表面と平行に配置され、下面は、接着部６０によって実装基板１１に接着される。発光素子２０には、発光波長域が４４０〜４５５ｎｍのＩｎＧａＮ系化合物半導体が用いられているが、発光素子２０は、青色光以外の光を発する素子であってもよい。

発光素子２０の総個数は一例であって、他の個数であってもよい。また、その場合、直列と並列についても発光装置に求められるスペックに応じて変更することもできる。

発光素子２０は、表面に一対の素子電極２１及び２２を有し、素子電極２１及び隣接する発光素子２０の素子電極２２は、ワイヤ３０によって電気的に接続されている。ワイヤ３０は、開口部１２Ａの外周側に位置する発光素子２０と回路基板１２の配線パターン１３Ａ又は１３Ｂとを接続し、複数の発光素子２０は、配線パターン１３Ａ及び１３Ｂを介して、接続電極１７Ａ及び１７Ｂの間に直列接続されている。配線パターン１３Ａと１３Ｂとの間には、ワイヤ３０によって直列接続された１２個の発光素子の組が、４組並列に接続されている。接続電極１７Ａ及び１７Ｂに不図示の外部電源から直流電圧が印加されることにより、複数の発光素子２０は、配線パターン１３Ａ、１３Ｂ及びワイヤ３０を介して直流電流を供給され、発光する。

枠体４０は、白色粉末を混入したシリコン樹脂を基板１０上に配置した後に硬化して形成された枠状の部材であり、複数の発光素子２０の周囲を囲む様に配置される。枠体４０の断面形状は中央が高く周辺が低い凸形状である。枠体４０は、封止部材５０の流出を防止する為のダム材であり、また、発光素子２０から枠体４０に向けて出射された光を反射して発光装置１の上方に出射させる。

封止部材５０は、透光性を有するシリコン樹脂に蛍光体が含有された部材であり、複数の発光素子２０を一体的に封止する為に枠体４０の内側に配置される。蛍光体として、発光素子２０が出射した青色光を吸収して黄色光に波長変換するＹＡＧ（yttrium aluminum garnet）が用いられ、青色光と蛍光体により波長変換された黄色光とが混合されることにより、発光装置１からは白色光が出射する。封止部材５０は、シリコン樹脂に代えてエポキシ樹脂など他の樹脂に蛍光体が含有された部材であってもよい。封止部材５０の熱伝導率は、０．１５（Ｗ/ｍ＊Ｋ）である。枠体４０を外縁とする封止部材５０の表面を発光領域５０Ａと称する場合がある。

接着部６０は、実装基板１１に発光素子２０を接着するためのダイボンド材が硬化した部材である。ダイボンド剤は、絶縁樹脂ペーストである。接着部６０の熱伝導率は、０．１５（Ｗ/ｍ＊Ｋ）である。接着部６０の厚さは、ダイボンド材が硬化した後の厚さであり、実装領域１１Ａの中央部１１Ｃから第３周辺部１１Ｆに向かって段階的に厚くなっている。接着部６０の厚さは、ダイボンド材の粘度、チクソ性等を調整することにより実現される。

図２は、接着部６０の位置と厚さとの関係を示すグラフである。

各発光素子２０を接着する接着部６０の厚さは、実装領域１１Ａの中心点１１Ｂから各発光素子２０の中心までの距離と、図２に示す関係とに従って設定されている。接着部６０の厚さは、接着部６０Ａの厚さｈ１を１としたときの相対的な厚さとして示されている。実施形態においては、発光素子２０Ａを接着する接着部６０Ａの厚さｈ１は２μｍ、発光素子２０Ｂを接着する接着部６０Ｂの厚さｈ２は６μｍである。また、発光素子２０Ｃを接着する接着部６０Ｃの厚さｈ３は２２μｍ、発光素子２０Ｄを接着する接着部６０Ｄの厚さｈ４は５０μｍである。

なお、図２に示す実装領域１１Ａの中心点１１Ｂから各発光素子２０の中心までの距離と接着部６０の厚さとの関係は一例であって、距離と厚さとが比例関係であるなど、他の関係であってもよい。

＜実施形態に係る発光装置の作用効果＞
図３は、発光装置１における熱伝達の状態を示す模式図である。

発光装置１において発生する熱の主なものは、発光素子２０から直接発生する熱と、封止部材５０に含まれる蛍光体が光の波長を変換する際に発生する熱であるが、ここでは発光素子２０から直接発生する熱について主に議論する。

実施形態に係る発光装置１において、発光素子２０が発光する際に発生した熱は、主に接着部６０を介して実装基板１１に伝達され、実装基板１１から発光装置１の外部に放熱される。また、実装領域１１Ａの中央部１１Ｃ内の接着部６０Ａより、第１周辺部１１Ｄ内の接着部６０Ｂは厚いため、接着部６０Ｂの熱抵抗は接着部６０Ａの熱抵抗より大きい。接着部６０Ａ及び６０Ｂの熱抵抗の違いにより、発光素子２０Ｂから接着部６０Ｂを介して実装基板１１に伝達される熱量は、発光素子２０Ａから接着部６０Ａを介して実装基板１１に伝達される熱量より少なくなる。発光素子２０Ｂから実装基板１１に伝達されない熱は、発光素子２０Ｂの温度を上昇させるが、発光素子２０Ｂの温度は発光素子２０Ａの温度より低いため、発光素子２０Ｂと発光素子２０Ａとの温度差は減少する。

発光素子２０Ｂと発光素子２０Ａとの温度差が減少することにより、それぞれの発光素子の近傍における封止部材５０の熱による変色の度合いが均一化されるため、発光素子２０Ａ及び２０Ｂの近傍の封止部材５０を経由して出射される光の色むらは減少する。また、発光素子２０Ｂと発光素子２０Ａとの温度差が減少することにより、発光素子２０Ａ及び２０Ｂの近傍において封止部材５０におけるクラックの発生は減少する。

上記した発光素子２０Ａと２０Ｂとの関係は、発光素子２０Ａと２０Ｃ、２０Ａと２０Ｄについても同様に成り立つ。このため、発光領域５０Ａ全体から出射される光の色むらは減少し、封止部材５０におけるクラックの発生は減少する。

＜実験結果＞
図４は、発光素子２０の温度に関する実験結果を示すグラフである。実験には図１に示す発光装置１を使用した。実験の主な条件を表１に示す。

一般に、発光素子２０Ａ〜２０Ｄの温度差が２℃以内であれば、封止部材５０の色むらの発生を許容範囲内に収めることができ、１０℃以内であれば、封止部材５０のクラックの発生を許容範囲内に収めることができる。ここで、色むらの発生が許容範囲内とは、ＣＩＥＬＡＢ色空間又はＣＩＥＬＵＶ色空間において、色差ΔＥ≦０．８である範囲をいう。実験の結果、図４に示すように４個の発光素子２０Ａの平均温度が約１４０℃、１０個の発光素子２０Ｂの平均温度が約１３８℃、１６個の発光素子２０Ｃの平均温度が約１３５℃、１８個の発光素子２０Ｄの平均温度が約１３１℃であった。温度差の最大値は、発光素子２０Ａと発光素子２０Ｄとの温度差の約９℃であったため、発光装置１は、封止部材５０の色むら及びクラックの発生を許容範囲内に収めることができた。

図１に示す発光装置１では、実装領域１１Ａの中心点１１Ｂからの距離に応じて４つの段階の高さの接着剤を利用したが、他の階数としてもよい。

以上説明した様に、実装領域内の中央部で発光素子と実装基板とを接着する接着部より、周辺部で発光素子と実装基板とを接着する接着部を厚くすることによって、発光領域内における発光素子間の温度差を減少させることができる。

１ 発光装置
１１ 実装基板
１１Ａ 実装領域
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 発光素子
４０ 枠体
５０ 封止部材
６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ 接着部

Claims (2)

1. 実装領域を有する実装基板と、
   前記実装領域に配置された複数の発光素子と、
   前記実装基板と前記複数の発光素子のそれぞれとを接着する複数の接着部と、
   前記発光素子の周囲に配置された枠体と、
   前記複数の発光素子を封止する様に前記枠体の内部に配置された封止部材と、を有し、
   前記実装領域の周辺部において前記発光素子を前記実装基板に実装するための前記接着部の厚さは、前記実装領域の中央部において前記発光素子を前記実装基板に実装するための前記接着部の厚さより厚くなるように設定されている、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記接着部の厚さは、前記実装領域の前記中央部から前記周辺部に向かって段階的に厚くなるように設定されている、請求項１に記載の発光装置。

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