JP2002223007A

JP2002223007A - 光源ユニット及びこれを用いた半導体発光照明装置

Info

Publication number: JP2002223007A
Application number: JP2001276312A
Authority: JP
Inventors: Tomio Inoue; 登美男井上; Kunihiko Obara; 邦彦小原; Mitsutomi Sogawa; 三臣十川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体発光素子の放熱を促し大電流印加によ
る高輝度化が可能な光源ユニット及びこれを用いた半導
体発光照明装置を提供する。【解決手段】半導体発光素子１と、半導体発光素子１
に熱伝達可能に連接されると共に電気的に接続されて第
１の電極になる放熱ブロック３と、放熱ブロック３の周
囲に絶縁膜４を挟んで熱伝達可能に設けられ、半導体発
光素子１に電気的に接続されて第２の電極になるスリー
ブ５と、半導体発光素子１、放熱ブロック３及びスリー
ブ５の一部を封止する樹脂部６とを有する。２つの電極
がそれぞれ放熱ブロックであるので、発熱による温度上
昇を抑えて発光輝度を上げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＥＤを利用した
半導体発光による照明装置に係り、特に放熱性をよくし
大電流の印加を可能として高輝度の発光が得られるよう
にした光源ユニット及びこれを用いた半導体発光照明装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から発光ダイオード（ＬＥＤ）を利
用したさまざまな半導体発光装置が開発されている。こ
の半導体発光装置の中で最も典型的なものは砲弾型のラ
ンプ状としたものと表面実装用のチップ型としたもので
あり、図１２にランプ状の半導体発光装置の従来例を示
す。

【０００３】図１２において、二股状のリードフレーム
５１の一方のリード５１ａの上端にマウント部５１ｂを
形成し、このマウント部５１ｂの上にサブマウント素子
５２を介してフリップチップ型の半導体発光素子５３が
導通接続されている。サブマウント素子５２はたとえば
静電気保護素子であり、下面にマウント部５１ｂに導通
させるための電極５２ａを形成し、上面の電極にはワイ
ヤ５４をリード５１ｃとの間にボンディングしている。
そして、ワイヤ５４を含めてリードフレーム５１の上端
はエポキシの樹脂パッケージ５５によって封止されてい
る。

【０００４】リードフレーム５１を介して半導体発光素
子５３に通電すると、半導体発光素子５３の基板に積層
した化合物半導体の活性層から発光する。この通電の際
には、半導体発光素子５３が発熱する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、半導体発光
素子５３からの発熱は樹脂パッケージ５５やリードフレ
ーム５１側に熱伝達されるが、樹脂パッケージ５５の放
熱性は低く、半導体発光素子５３を搭載しているリード
５１ａへの熱伝達量も少ない。特に、半導体発光素子５
３がサファイアを基板としてＧａＮ系化合物半導体を積
層した青色発光のものでは、サファイアの基板の熱伝導
率が低いので放熱性は格段に低い。また、サブマウント
素子５２にＳｉを用いることにより、これを経由した熱
の流れはよくなるが、リードフレーム５１が細いので結
果的に放熱性は悪くなる。

【０００６】このように従来の半導体発光装置では、半
導体発光素子５３から発生する熱の放熱性が低いので、
現状では２０ｍＡ程度の電流しか印加できない。これよ
りも大きな電流を印加すると半導体発光素子５３の温度
が上昇し、流す電流に比例して発光輝度が増加せず飽和
してしまうし、特性が劣化して発光輝度が低下してしま
う。したがって、半導体発光素子５３には小さな電流し
か印加できず、その発光輝度にも限界がある。このた
め、たとえば植物栽培用の光源や照明用の光源として利
用しようとする場合では、多数の半導体発光装置を備え
る必要があり、光源装置が複雑になるとともにコストも
高くなるという問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、半導体発光素子の放熱
を促し大電流印加による高輝度化が可能な光源ユニット
及びこれを用いた半導体発光照明装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体発光素
子に熱伝達可能に連接された第１の電極になる放熱ブロ
ックの周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に設けられて第
２の電極になるスリーブとを有する構成としたものであ
る。

【０００９】本発明によれば、発光素子で発生した熱
は、第１の電極の放熱ブロックにスムーズに流れて放熱
が促進され、また、第２の電極が第１の電極に絶縁膜を
挟んで熱伝達可能に設けられているので、第２の電極か
らの放熱も行うことができる。これにより、半導体発光
素子の放熱を促し大電流印加による高輝度化が可能な光
源ユニットが得られる。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、半導体
発光素子と、前記半導体発光素子に熱伝達可能に連接さ
れると共に電気的に接続されて第１の電極になる放熱ブ
ロックと、前記放熱ブロックの周囲に絶縁膜を挟んで熱
伝達可能に設けられ、前記半導体発光素子に電気的に接
続されて第２の電極になるスリーブと、前記半導体発光
素子、放熱ブロック及びスリーブの一部を封止する樹脂
部とを有することを特徴とする光源ユニットであり、２
つの電極がそれぞれ放熱ブロックであるので、発熱によ
る温度上昇を抑えて発光輝度をさらに上げることができ
る。

【００１１】請求項２に記載の発明は、前記放熱ブロッ
ク又は前記スリーブには、前記半導体発光素子の光を反
射する光反射壁が形成されていることを特徴とする請求
項１記載の光源ユニットであり、１つの部材に放熱体、
電極及び光反射体としての役割を兼用させることによっ
て、装置全体をコンパクトに形成することができる。

【００１２】請求項３に記載の発明は、前記放熱ブロッ
ク及び前記スリーブは、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｌを含むこと
を特徴とする請求項１又は２記載の光源ユニットであ
り、放熱性及び導電性に優れた材料を用いることによっ
て、半導体発光素子を効率よく発光させることができ
る。

【００１３】請求項４に記載の発明は、半導体発光素子
に熱伝達可能に放熱ブロックを連接し、前記放熱ブロッ
クを熱伝導性のフードに熱伝達可能に取り付けたことを
特徴とする半導体発光照明装置であり、半導体発光素子
への大電流の印加ができるので発光輝度を上げることが
でき照明装置として利用できるという作用を有する。

【００１４】請求項５に記載の発明は、前記フードは傘
状であって内部中央に前記放熱ブロックを嵌合する取付
け孔を備えるとともに外周面にフィンを形成しているこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体発光照明装置であ
り、フィンを備えることによりフードからの放熱が促進
されるので、半導体発光素子の放熱が十分に行なえ更に
一層輝度を高めることができるという作用を有する。

【００１５】（第１実施形態）図１は本発明の第１の実
施の形態に係る光源ユニットの縦断面図である。

【００１６】光源ユニット１１は、ＧａＮ系化合物半導
体をサファイア基板に積層した青色発光の半導体発光素
子１の表面をたとえば（Ｙ，Ｇｄ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ
₁₂：Ｃｅ等の蛍光物質を含む樹脂パッケージ１ａで封止
した光源を備えたものである。このように青色発光の半
導体発光素子１を蛍光物質を含む樹脂パッケージ１ａで
封止することにより、半導体発光素子１からの光が波長
変換されて白色発光として取り出される。

【００１７】半導体発光素子１は静電気保護用のツェナ
ーダイオードなどを利用したサブマウント素子２に導通
搭載されている。このサブマウント素子２は熱伝導のよ
いＳｉから成り、図示のように放熱ブロック３の上端に
Ａｇペーストを介して導通搭載されている。この放熱ブ
ロック３はＡｌやＡｇやＣｕまたはこれらの金属を少な
くとも１つ含む合金等のように熱伝導率の高い金属を素
材としたもので、下端部を除く外周には絶縁膜４を介し
て円筒状に形成された放熱ブロック３と同じ材質のスリ
ーブ５を放熱ブロック３に対して熱伝達可能に外挿して
いる。このスリーブ５は外周に雄ねじ５ａを形成したも
ので、サブマウント素子２との間をＡｕワイヤ２ａによ
ってボンディングしている。なお、放熱ブロック３は半
導体発光素子１のｐ側電極と導通する第１の電極にな
り、スリーブ５は半導体発光素子１のｎ側電極と導通す
る第２の電極になる。

【００１８】また、放熱ブロック３及びスリーブ５の上
端には、半導体発光素子１及びワイヤ２ａを含んで封止
するエポキシの樹脂部の一例である樹脂パッケージ６が
一体化されている。

【００１９】（第２実施形態）図２（Ａ）、（Ｂ）は、
本発明の第２の実施の形態における光源ユニットの縦断
面図と平面図であり、図１に示した光源ユニット１１と
同じ構成部材については共通の符号で指示し詳細な説明
は省略する。

【００２０】光源ユニット１２は、半導体発光素子１
と、放熱ブロック３と、絶縁膜４と、円筒状のスリーブ
１３と、砲弾型のランプ状に形成された樹脂部１４とを
有している。樹脂部１４は半導体発光素子１の全体を覆
い、さらに放熱ブロック３の上部とスリーブ１３の側部
の上半分を封止する。スリーブ１３には雄ねじが形成さ
れていないので、製造と取付けを容易に行うことができ
る。

【００２１】（第３実施形態）図３（Ａ）、（Ｂ）は、
本発明の第３の実施の形態における光源ユニットの縦断
面図と平面図であり、図２に示した光源ユニット１２と
同じ構成部材については共通の符号で指示し詳細な説明
は省略する。

【００２２】光源ユニット１５は、第２実施形態におけ
る光源ユニット１２のスリーブ１３の代わりにスリーブ
１６を用いたものである。スリーブ１６の内側に上下に
貫通して形成された孔部１７の上端部には、上側に向か
って徐々に拡径する円錐状の光反射壁１８が形成されて
いる。光反射壁１８は半導体発光素子１の側方に配置さ
れているので、光反射壁１８に当たった半導体発光素子
１の光を上方に反射して、光源ユニット１５の輝度を高
くすることができる。

【００２３】（第４実施形態）図４（Ａ）、（Ｂ）は、
本発明の第４の実施の形態における光源ユニットの縦断
面図と平面図であり、図３に示した光源ユニット１５と
同じ構成部材については共通の符号で指示し詳細な説明
は省略する。

【００２４】光源ユニット１９は、第３実施形態におけ
る光源ユニット１５の放熱ブロック３及びスリーブ１６
の代わりに放熱ブロック２０、スリーブ２１を用いたも
のである。放熱ブロック２０の上部には、下側に向かっ
て徐々に縮径する截頭円錐台状の溝部２２が形成されて
おり、溝部２２の側部は光反射壁２３を構成している。
スリーブ２１は、上端レベルを放熱ブロック２０の上端
に合わせて薄型の円筒状に形成されている。スリーブ２
１は薄型であるが、放熱ブロック２０に熱伝達可能に設
けられているので、放熱を効率よく行うことができる。

【００２５】（第５実施形態）図５（Ａ）、（Ｂ）は、
本発明の第５の実施の形態における光源ユニットの縦断
面図と平面図であり、図２に示した光源ユニット１２と
同じ構成部材については共通の符号で指示し詳細な説明
は省略する。

【００２６】光源ユニット２４は、第２実施形態に係る
光源ユニット１２に１台だけ設けられている半導体発光
素子１を、放熱ブロック３の上部に４台設けたもので、
それぞれのＡｕワイヤ２ａをスリーブ１３に９０度おき
にボンディングしている。放熱ブロック３及びスリーブ
１３を設けているので、複数台の半導体発光素子１を用
いた場合でも放熱を効率よく行い、輝度の低下を防止で
きる。

【００２７】（第６実施形態）図６は、本発明の第６の
実施の形態における光源ユニットの縦断面図であり、図
５に示した光源ユニット２４と同じ構成部材については
共通の符号で指示し詳細な説明は省略する。

【００２８】光源ユニット２５は、第５実施形態に係る
光源ユニット２４のスリーブ１３の代わりに外周下部に
雄ねじ２６を形成したスリーブ２５ａを有している。

【００２９】（第７実施形態）図７は、本発明の第７の
実施の形態における光源ユニットの縦断面図であり、図
３に示した光源ユニット１５と同じ構成部材については
共通の符号で指示し詳細な説明は省略する。

【００３０】光源ユニット２７は、第３実施形態に係る
光源ユニット１５に１台だけ設けられている半導体発光
素子１を、放熱ブロック３の上部に４台設けたものであ
る。

【００３１】（第８実施形態）図８は本発明の第８の実
施の形態における半導体発光照明装置の縦断面図であ
る。

【００３２】図８において、７はＡｌ，ＡｇやＣｕまた
はこれらの金属を少なくとも１つ含む合金を素材とした
傘状のフードである。フード７の上端部の中央には放熱
ブロック３の外周を接触させて嵌合する取付け孔７ａを
設けるとともに、外周面には放熱促進のためのフィン７
ｂを形成している。取付け孔７ａを開けた部分の下面に
絶縁材８を介して金属製のナット９が固定されている。
また、フード７の内周面には光反射率の高いＡｇのメッ
キや白色顔料の塗布を施すものとし、上端には商用交流
電源に接続され直流に変換する変換器１０を配置してい
る。この変換器１０に対してフードは正極として接続さ
れ、ナット９は負極として接続されている。

【００３３】光源ユニット１１はスリーブ５の雄ねじ５
ａをナット９に螺合させることによってフード７に一体
化される。すなわち、放熱ブロック３が取付け孔７ａに
嵌合してこの放熱ブロック３からフード７に熱伝達可能
とするとともに、放熱ブロック３は正極側に接続され、
スリーブ５は負極側に接続される。

【００３４】以上の構成において、電源から通電される
とフード７から放熱ブロック３、サブマウント素子２、
半導体発光素子１、Ａｕワイヤ２ａ、スリーブ５の順に
導通して電流が印加され、半導体発光素子１が発光す
る。この半導体発光素子１からの青色発光は蛍光物質を
含む樹脂パッケージ１ａによって白色に変換され、樹脂
パッケージ６から白色光が放出される。

【００３５】ここで、半導体発光素子１の発熱は熱伝導
率の高いＳｉから成るサブマウント素子２を介して熱伝
導率の高い放熱ブロック３に熱伝達される。そして、こ
の放熱ブロック３はフード７の取付け孔７ａに嵌合して
いるので、放熱ブロック３からの熱はフード７に熱伝達
される。すなわち、半導体発光素子１からの熱は熱伝導
率の高い放熱ブロック３によって抜熱されると同時にフ
ィン７ｂから放熱される。したがって、半導体発光素子
１の発熱による輝度の低下がないだけでなく、５０ｍＡ
以上の電流を流しても発熱による障害を発生しない。こ
のため、従来構造よりも高い電流値での印加が可能とな
るので、半導体発光素子１の発光輝度が格段に高くな
り、照明装置として好適に利用できる。

【００３６】（第９実施形態）図９はフードを大型にし
て２個の光源ユニットを組み込んだ例を示す要部の縦断
面図であり、図８に示したものと同じ構成部材について
は共通の符号で指示し詳細な説明は省略する。

【００３７】図９の例のように光源ユニット１１を２個
フード７に組み込むものでも、半導体発光素子１からの
熱は放熱ブロック３を介してフード７側に効率よく熱伝
達されて放熱される。したがって、光源ユニット１１に
大きな電流を印加して高輝度の発光が得られる。

【００３８】なお、以上の実施の形態では、青色発光の
半導体発光素子１からの光を白色に変換して放出するよ
うにしたが、その他の発光色の半導体発光素子であって
もよい。

【００３９】（第１０実施形態）図１０（Ａ）は光源ユ
ニット２４を用い、フードの形状を変更してフィンを省
略した例を示す要部の縦断面図であり、図５，図８に示
したものと同じ構成部材については共通の符号で指示し
詳細な説明は省略する。

【００４０】光源ユニット２４はフード２８に形成され
た取付け孔３０に対して軸方向に押し込むことによって
取り付けることができ、フード２８に取り付けられてい
る板ばね部材２９によって、半径方向内側に付勢された
状態で固定される。

【００４１】フード２８は、放熱ブロック３に対して十
分大きいので、フィンを省略しても余裕をもって放熱を
行うことができる。

【００４２】（第１１実施形態）図１０（Ｂ）は第１０
実施形態のフードの形状を変更して光源ユニット２４を
２又は４個用いた例を示す要部の縦断面図であり、図１
０に示したものと同じ構成部材については共通の符号で
指示し詳細な説明は省略する。

【００４３】このように、複数の光源ユニット２４を取
り付けたときでも効率よく放熱を行って、光源ユニット
２４に大きな電流を印加して高輝度の発光が得られる。

【００４４】

【実施例】図１１は、横軸に光源ユニットＡ〜Ｅに加え
た順方向電流（ｍＡ）、縦軸に相対輝度（％）を表した
グラフである。光源ユニットＡは、第２実施形態の光源
ユニット１２で、放熱ブロックとスリーブにＡｌを用い
たもの、Ｂは、光源ユニット１２で、放熱ブロックとス
リーブにＦｅを用いたもの、Ｃは、従来の砲弾型ランプ
でリードがＣｕのもの、Ｄは、砲弾型ランプでリードが
Ｆｅのもの、Ｅは、チップ型ＬＥＤである。

【００４５】相対輝度は、それぞれ順方向電流が２０ｍ
Ａの時の輝度を１００として表している。光源ユニット
Ａ、Ｂは、加えられる順方向電流を０〜１００ｍＡに増
加させたときに相対輝度が常に増加して、１００ｍＡの
ときの相対輝度が２５０％以上になっている。Ｃは、８
０ｍＡ程度のときに相対輝度２２０％程度に達し、これ
以上順方向電流を増加させても相対輝度は上がっていな
い。Ｄ、Ｅは、４０〜５０ｍＡ程度で飽和して、これ以
上順方向電流を増加させたときには、相対輝度が逆に下
がってしまう。光源ユニットの放熱ブロックとスリーブ
にＣｕを用いることによりさらに高輝度が得られること
がこの例から予測できる。

【００４６】このように、本発明に係る光源ユニットを
用いることによって、放熱を効率よく行い、相対輝度の
低下を防止することができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明では、２つの電極がそれぞれ放熱
ブロックであるので、発熱による温度上昇を抑えて発光
輝度をさらに上げることができ、また、１つの部材に放
熱体、電極及び光反射体としての役割を兼用させること
によって、装置全体をコンパクトに形成することができ
る。さらに、放熱ブロック及びスリーブは、Ａｇ、Ｃｕ
又はＡｌを含むので、放熱性及び導電性に優れた材料を
用いることによって、半導体発光素子を効率よく発光さ
せることができる。

【００４８】また、放熱ブロックを熱伝導性のフードに
熱伝達可能に取り付けたので、半導体発光素子への大電
流の印加ができ、発光輝度を上げることができ照明装置
として利用できる。さらに、半導体発光素子からの熱を
これに一体化した放熱ブロックを介してフードに熱伝達
して放熱させることができるので、半導体発光素子に大
電流を印加しても発熱による障害がなくなる。このた
め、半導体発光素子の輝度を格段に上げることができ、
照明装置として好適に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態における光源ユニット
の縦断面図

【図２】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第２実施の形態に
おける光源ユニットの縦断面図と平面図

【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第３実施の形態に
おける光源ユニットの縦断面図と平面図

【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第４実施の形態に
おける光源ユニットの縦断面図と平面図

【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第５実施の形態に
おける光源ユニットの縦断面図と平面図

【図６】本発明の第６実施の形態における光源ユニット
の縦断面図

【図７】本発明の第７実施の形態における光源ユニット
の縦断面図

【図８】本発明の第８実施の形態における半導体発光照
明装置の縦断面図

【図９】本発明の第９実施の形態における半導体発光照
明装置の縦断面図

【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１０実施の形
態における半導体発光照明装置の縦断面図と、第１１実
施の形態における半導体発光照明装置の縦断面図

【図１１】本発明の実施例に係る光源ユニットの性能を
示すグラフ

【図１２】従来の半導体発光装置の縦断面図

【符号の説明】

１半導体発光素子１ａ樹脂パッケージ２サブマウント素子２ａワイヤ３放熱ブロック４絶縁膜５スリーブ５ａ雄ねじ６樹脂パッケージ（樹脂部）７フード７ａ取付け孔７ｂフィン８絶縁材９ナット１０変換器１１光源ユニット１２光源ユニット１３スリーブ１４樹脂部１５光源ユニット１６スリーブ１７孔部１８光反射壁１９光源ユニット２０放熱ブロック２１スリーブ２２溝部２３光反射壁２４光源ユニット２５光源ユニット２５ａスリーブ２６雄ねじ２７光源ユニット２８フード２９板ばね部材３０取付け孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者十川三臣大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3K014 AA01 LA01 LB04 5F041 AA33 CA40 DA32 DA33 DA35 DA41 DA82 DA92 DC26 EE25 FF11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体発光素子と、前記半導体発光素子に熱伝達可能に連接されると共に電
気的に接続されて第１の電極になる放熱ブロックと、前記放熱ブロックの周囲に絶縁膜を挟んで熱伝達可能に
設けられ、前記半導体発光素子に電気的に接続されて第
２の電極になるスリーブと、前記半導体発光素子、放熱ブロック及びスリーブの一部
を封止する樹脂部とを有することを特徴とする光源ユニ
ット。
【請求項２】前記放熱ブロック又は前記スリーブに
は、前記半導体発光素子の光を反射する光反射壁が形成
されていることを特徴とする請求項１記載の光源ユニッ
ト。
【請求項３】前記放熱ブロック及び前記スリーブは、
Ａｇ、Ｃｕ又はＡｌを含むことを特徴とする請求項１又
は２記載の光源ユニット。
【請求項４】半導体発光素子に熱伝達可能に放熱ブロ
ックを連接し、前記放熱ブロックを熱伝導性のフードに
熱伝達可能に取り付けたことを特徴とする半導体発光照
明装置。
【請求項５】前記フードは傘状であって内部中央に前
記放熱ブロックを嵌合する取付け孔を備えるとともに外
周面にフィンを形成していることを特徴とする請求項４
記載の半導体発光照明装置。