JP5256547B2

JP5256547B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP5256547B2
Application number: JP2011021277A
Authority: JP
Inventors: 昌之礒谷; 和彦土肥; 純宇佐美; 猛宮下; 淳小西; 慎宮坂
Original assignee: CCS Inc
Current assignee: CCS Inc
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: JP2012160675A; WO2012105458A1

Description

本発明は、放熱性に優れた発光装置に関するものである。

従来、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて青色光又は紫外線を放射するＬＥＤ素子と種々の蛍光体とを組み合わせることにより、白色をはじめとするＬＥＤ素子の発光色とは異なる色の光を発する発光装置が開発されている。ＬＥＤ素子を用いたこのような発光装置は、小型、省電力、長寿命等の長所があり、表示用光源や照明用光源として広く用いられている。特に近時では高出力、高輝度のＬＥＤ素子が開発されてきており、その用途は益々増大の一途にある。

ところで、ＬＥＤ素子内部での電力損失は熱エネルギーに変換されジャンクション温度の上昇原因となるが、ＬＥＤ素子は温度に敏感で、温度が上昇してくると結晶の熱じょう乱が激しくなり、多数の電子・正孔対が発生し正常な動作が得られにくくなる。このため、ＬＥＤ素子が高出力化すると、ＬＥＤ素子の発熱量が増大し、その熱によってＬＥＤ素子そのものが劣化するという問題が生じている。また、蛍光体も熱に脆弱であることから、ＬＥＤ素子からの伝熱に起因する熱劣化による蛍光体の発光効率や輝度の低下も解決が急がれる問題である。

そこで、従来は、このようなＬＥＤ素子を用いた発光装置の下に放熱板を敷き、ここから熱を発散させるようにしている。更に積極的に発光装置を放熱又は冷却させる方法としては、例えば、発光装置内外に冷媒を循環させる方法が知られている（特許文献１）。

特開２００５−７９１４９号公報

しかしながら、発光装置内外に冷媒を循環させた場合、液漏れや腐食の問題が生じ、これらの防止策を採ると、製造コストの上昇という新たな問題が生じる。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、簡易な構造によって、効率的に放熱を行うことができる発光装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る発光装置は、上端面に開口する凹部を有した基体と、前記凹部内に実装されたＬＥＤ素子と、前記凹部の底面から起立して設けられた柱状放熱部材と、前記凹部内に充填された透光性材料からなる封止部材と、を備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、柱状放熱部材が基体凹部の底面から起立して設けられていることにより、蛍光体からの発熱及びＬＥＤ素子から封止部材内部へ放出された熱を、柱状放熱部材を介して効率的に基体に伝導することができる。このため、蛍光体及び封止部材内部に熱が蓄積するのを効果的に抑制することができるので、ＬＥＤ素子のジャンクション温度の上昇、蛍光体や封止部材の熱劣化等を効果的に防ぐことができる。

また、基体凹部の底面から起立した柱状放熱部材を、ＬＥＤ素子を凹部内（例えば、凹部の底面）に実装する際のガイドとして用いることにより、ＬＥＤ素子実装時の位置決め精度を高めることが可能となる。

柱状放熱部材に伝導された熱を更に効率的に放出するためには、前記柱状放熱部材の先端部に接して設けられて前記凹部の開口部を覆う透光性材料からなる板状放熱部材を備えていることが好ましい。このようなものであれば、封止部材内部から柱状放熱部材に伝導された熱を、柱状放熱部材の基端側（基体凹部の底面側）からだけでなく、柱状放熱部材の先端側（板状放熱部材側）からも放出することができる。

本発明に係る発光装置は封止部材内部に熱が蓄積されにくいものであるので、前記封止部材が、蛍光体を含有しているものであっても、熱劣化による蛍光体の発光効率や輝度の低下を効果的に抑制することができる。

このような構成の本発明によれば、柱状放熱部材という簡易な構造によって、封止部材内に蓄積した熱を効率的に放出することができるので、高出力かつ長寿命な発光装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る発光装置の模式的縦断面図。同実施形態における基体の平面図。他の実施形態における発光装置の模式的縦断面図。他の実施形態における発光装置の模式的縦断面図。他の実施形態における基体の平面図。他の実施形態における柱状放熱部材の斜視図。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る発光装置１は、図１に示すように、上端面２１に開口する凹部２２を有した基体２と、凹部２２の底面２２１に実装されたＬＥＤ素子３と、凹部２２の底面２２１から起立した柱状放熱部材４と、ＬＥＤ素子３を封止する封止部材５と、凹部２２の開口部を覆う板状放熱部材６と、を備えたものである。

各部を詳述する。
基体２は、上端面２１に開口する凹部２２を有するものであり、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等の熱伝導率が高い絶縁材料を成型してなるものが挙げられる。

基体２は、その凹部２２の底面２２１に後述するＬＥＤ素子３を実装するものであるが、当該底面２２１には、ＬＥＤ素子３が電気的に接続されるための配線導体（図示しない。）が形成されている。この配線導体が基体２内部に形成された配線層（図示しない。）を介して発光装置１の外表面に導出されて外部電気回路基板に接続されることにより、ＬＥＤ素子３と外部電気回路基板とが電気的に接続される。

基体２の凹部２２の側面２２２には段部２３が形成されており、当該段部２３の上端面に、その周縁部が載置されるように後述する板状放熱部材６を設置することにより、板状放熱部材６が基体２に対し、軸方向にも軸直交方向にも位置決めされるように構成してある。

また、基体２の凹部２２の側面２２２及び底面２２１を含む内面には、銀、アルミニウム、金等の金属メッキ等が施されることにより高反射率の金属薄膜が形成されており、リフレクタとして機能している。

ＬＥＤ素子３は、例えば、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体がｎ型層、発光層及びｐ型層の順に積層されたものであり、このようなＬＥＤ素子３は青色光や紫外線を発する。

ＬＥＤ素子３は、窒化ガリウム系化合物半導体を下（凹部２２の底面２２１側）にして凹部２２の底面２２１に半田バンプや金バンプ等（図示しない。）を用いてフリップチップ実装されている。

柱状放熱部材４は、ＬＥＤ素子３から封止部材５内部に放出された熱を吸収し、外部へ伝導して排出するためのものであり、凹部２２の底面２２１から起立するように設けられている。柱状放熱部材４は、基体２本体と同様に、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等の熱伝導率が高い絶縁材料からなるものであり、本実施形態においては、図２に示すように、１個のＬＥＤ素子３に対して４本の円柱状の柱状放熱部材４が、基体２と一体に成型されている。

封止部材５は、凹部２２に充実されてＬＥＤ素子３を封止するものであり、ＬＥＤ素子３から封止部材５へ効率良く光を取り出すためには、透光性及び耐熱性に優れるとともに、ＬＥＤ素子３との屈折率差が小さいシリコーン樹脂、ガラス等の透光性材料からなるものであることが好ましい。

本実施形態においては、ＬＥＤ素子３から発した光の波長を変換するために、封止部材５中には、蛍光体５１が分散されている。当該蛍光体５１としては特に限定されず、例えば、赤色蛍光体、緑色蛍光体、青色蛍光体、黄色蛍光体等が挙げられる。

蛍光体５１として、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体を用いた場合、白色光を発する発光装置１を構成することができ、なかでも、ＬＥＤ素子３として紫外線や青色光を発するものを用いた場合、その発光装置１が発する混合光は、プランク軌跡上を移動する、極めて太陽光に近い自然な白色となる。

板状放熱部材６は、ＬＥＤ素子３から封止部材５内部に放出された熱を、柱状放熱部材４を介して及び封止部材５から直接吸収し、当該熱を排出するためのものであり、柱状放熱部材４の先端面及び封止部材５の上端面に接するように、その周縁部が段部２３の上端面上に載置されて凹部２２の開口部を覆っている。このような板状放熱部材６としては、例えば、水晶、サファイア、ダイアモンド、窒化アルミニウム等の熱伝導率が高く透光性に優れた材料からなるものが挙げられる。

このような実施形態に係る発光装置１であれば、柱状放熱部材４が凹部２２の底面２２１から起立して設けられていることにより、ＬＥＤ素子３から封止部材５内部へ放出された熱を、柱状放熱部材４を介して効率的に基体２の底部や板状放熱部材６に伝導し、これらを経由して外部に排出することができるので、封止部材５内部に熱が蓄積するのを効果的に抑制することができる。このため、本実施形態に係る発光装置１によれば、ＬＥＤ素子３のジャンクション温度の上昇や、熱劣化による蛍光体５１の発光効率や輝度の低下、封止部材５の熱劣化等を、効果的に防ぐことができ、発光装置１の高出力化及び高寿命化を実現することができる。

また、本実施形態では柱状放熱部材４がＬＥＤ素子３の周囲を取り巻くように設置されているので、当該柱状放熱部材４をＬＥＤ素子３実装時のガイドとして用いることにより、ＬＥＤ素子３実装時の位置決め精度を高めることが可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、柱状放熱部材４の設置数としては特に限定されず、１本であっても複数本であってもよく、ＬＥＤ素子３の出力、その個数、柱状放熱部材４の熱伝導性等に応じて適宜選択すればよい。また、柱状放熱部材４の太さや形状も特に限定されず、例えば、多角柱状であってもよい。更に、柱状放熱部材４の表面積をより大きくして吸熱・放熱性能を高めるために、例えば、図６に示すように、その表面に、高さ方向に延びる複数本の突条部分からなるフィン４１が形成されていてもよい。なお、図６の（ａ）には角柱タイプの一例が、図６の（ｂ）には円柱タイプの一例が示してある。

また、柱状放熱部材４は基体２と一体として成型されたものでなくともよく、基体２とは別体として作成された後、凹部２２の底面２２１から起立するように設置されてもよい。この場合、柱状放熱部材４の材料としては基体２を構成するものとは異なるものを選択することができ、例えば、銅等の熱伝導率が高い金属により柱状放熱部材４を構成してもよい。

更に、発光装置１から射出される光の均一性が高い方が好ましい場合は、柱状放熱部材４の表面にも金属メッキ等を施して反射面としてもよいが、柱状放熱部材４の表面を反射面に加工するか否かは用途に応じて適宜選択すればよい。

ＬＥＤ素子３から発した光の波長を変換する必要がない場合は、封止部材５中に蛍光体５１が分散されていなくともよい。また、図３に示すように、封止部材５が複数層からなる層構造を有していて、いずれかの層中に蛍光体５１が分散されていてもよい。なお、図３に示す態様においては、封止部材５が上部層５ａと下部層５ｂとの２層からなる層構造を有していて、その上部層５ａ中に蛍光体５１が分散されている。

板状放熱部材６は必ずしも設けられていなくともよく、ＬＥＤ素子３からの発熱の程度に応じて適宜設置を決定すればよい。また、板状放熱部材６が設けられていない場合は、図４に示すように、柱状放熱部材４の先端部が封止部材５の上端面から突出し、封止部材５から柱状放熱部材４に伝導された熱を空気中に放出するように構成してあってもよい。

ＬＥＤ素子３の個数としては特に限定されず、前記実施形態のように１個であってもよいが、図５に示すように複数個であってもよく、目的・用途等に応じて適宜選択すればよい。

また、ＬＥＤ素子３は基体２に設けられた配線導体にワイヤボンディングを用いて接続されていてもよい。

その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

２・・・基体
２１・・・上端面
２２・・・凹部
２２１・・・底面
３・・・ＬＥＤ素子
４・・・柱状放熱部材
５・・・封止部材

Claims

上端面に開口する凹部を有した基体と、
前記凹部内に実装されたＬＥＤ素子と、
前記凹部の底面から起立して設けられた柱状放熱部材と、
前記凹部内に充填された透光性材料からなる封止部材と、を備えていることを特徴とする発光装置。
前記柱状放熱部材の先端部に接して設けられて前記凹部の開口部を覆う透光性材料からなる板状放熱部材を備えている請求項１記載の発光装置。
前記封止部材が、蛍光体を含有している請求項１又は２記載の発光装置。