JP2005005437A

JP2005005437A - 発光素子、照明装置、投射型表示装置

Info

Publication number: JP2005005437A
Application number: JP2003166350A
Authority: JP
Inventors: 秀也 ▲関▼; Hideya Seki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-11
Also published as: JP4269790B2

Abstract

【課題】ＬＥＤの放熱効率を高める。
【解決手段】ＬＥＤチップ１２を放熱体ブロック１１の上に配置するとともに、チップ１２と外部接続端子１３，１４との接続を、熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であるボンディングワイヤ１５ａ，１５ｂを用いて行なう。これにより、チップ１２の放熱を裏面側（放熱ブロック側）だけでなく表面側（第２の電極１２ｅ側）においても行なうことができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子及びこれを備えた照明装置、投射型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプロジェクタ（投射型表示装置）では、その光源として、古くはハロゲンランプ、近年は高輝度高効率である高圧水銀ランプ（ＵＨＰ）が多く用いられてきた。放電型のランプであるＵＨＰを用いた光源は高圧の電源回路を要し、大型で重く、プロジェクタの小型軽量化の妨げになっていた。また、ハロゲンランプよりは寿命が長いものの依然短寿命である他、光源の制御（高速の点灯、消灯、変調）が略不可能で、また立ち上げに数分という長い時間を要していた。
【０００３】
そこで最近、新しい光源としてＬＥＤ発光素子が注目されている。ＬＥＤは超小型・超軽量、長寿命である。また、駆動電流の制御によって、点灯・消灯、出射光量の調整が自由にできる。この点でプロジェクタの光源としても有望であり、既に小型・携帯用の小画面プロジェクタへの応用開発が始まっている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１２０３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在のところＬＥＤを光源とするプロジェクタにおいて十分な輝度を得ることは難しい。これは、ＬＥＤは効率の点でまだＵＨＰの１／２〜１／３程度であり、定格いっぱいの電流を注入しても得られる光量が小さいからである。めざましい技術革新によって上記効率は年々着実に向上しつつあり、数年後には現在のＵＨＰ並みのレベルに達する可能性もあるが、少なくとも近い将来、製品化可能なＬＥＤ光源プロジェクタにおいては、状況は変わらないであろう。なお、光量を稼ぐのにＬＥＤをアレイ化する方法があるが、これは発光点が大きくなることによる光学系としての照明光率の低下を招くので、あまり効果は得られない。
【０００６】
そこで、残された方法として考えられるのは、ＬＥＤの発光量を増やすことである。しかしながら、これは上記の通りＬＥＤの定格の制約があり、最大光量は定格と効率で自動的に決まっている。ＬＥＤの定格電流を決めているのは主に発熱量である。
【０００７】
従来のＬＥＤの構造の例を図３に示す。ＬＥＤは２極の素子であり、図３のように、電極１０２ａ，ｐ層１０２ｂ，発光層１０２ｃ，ｎ層１０２ｄ，電極１０２ｅを順に積層したチップ１０２が基板１０１（高出力ＬＥＤでは、前記基板は多くの場合放熱器を兼ねている）に実装されている。また、電極１０２ａ，１０２ｅと、外部接続端子であるリードフレーム１０４，１０３とを接続するために、電極１０２ａ，１０２ｅからそれぞれボンディングワイヤ１０６，１０５が引き出されている。そして、これらのチップ１０２やワイヤ１０５，１０６等を内包するようにレンズ体１０７が設けられている。
【０００８】
ここで、図３の構成では２極ともボンディングワイヤ１０５，１０６を用いているが、前記放熱器は多くの場合導体であることを用いて、基板１０１（＝放熱器）そのものを一方の極の端子とする場合もある。その場合、ボンディングワイヤは１本（即ち、ワイヤ１０５のみ）となる。
【０００９】
従来のＬＥＤでは、図３のようにチップ１０２の片側（即ち、基板１０１との接続面である第１の電極１０２ａ側）から放熱する構成となっており、十分な放熱効果が得られていなかった。よって発熱によるチップ１０２へのダメージのため、定格電流を大きくできず、最大光出力も小さくなっていた。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、放熱効率を高めた発光素子、及びこれを備えた照明装置、投射型表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述のように従来の構成では発光体の放熱が一面側のみで行なわれ、もう一方の面での放熱は十分になされていなかった。そこで、本発明者はこの他方の面での放熱効率を高めるべく、ボンディングワイヤを積極的に放熱に関与させる構造を創案した。
すなわち、上記目的を達成するために、本発明の発光素子は、放熱体の上に第１の電極と発光層と第２の電極とを順に積層してなり、上記第２の電極が、熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であるボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続されたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、現状の技術ではＬＥＤの外部量子効率は２０〜３０ｌｍ／Ｗであり、一般に注入電力の数％しか光エネルギーとして取出すことができない。即ち、注入電力の殆どが熱になると考えてよい。また、ＬＥＤの効率は温度上昇により低下するが、最も低下率の高い赤が３０％低下するのを使用上の限度とすると、ジャンクション温度の温度上昇は６０℃以内としなければならない。２ｗのＬＥＤを使用し、前記の通りその殆どが熱になるとすれば、放熱路のトータルの熱抵抗は３０℃／Ｗ以下である必要がある。
【００１２】
多くの熱はチップの前記基板側から伝達することが可能であるが、例えばその５０％に相当する量、即ち１ｗ相当の熱をボンディングワイヤから伝達できれば大きな放熱効率の向上となる。この場合、ボンディングワイヤを通る放熱路のトータルの熱抵抗は６０℃／Ｗ以下ならばよい。ボンディングワイヤ以降のパッケージ等の熱抵抗を５０℃／Ｗ程度に設計するのは可能であり、この場合ボンディングワイヤ分の熱抵抗は１０℃／Ｗとすればよくなる。ボンディングワイヤの太さとして許される断面積を２．５ｍｍ^２（これを複数本に分けた場合はその総面積）、長さを１０ｍｍとする。熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であれば、熱抵抗は（熱伝導率＊断面積／長さ）の逆数であるから、その値は１０℃／ｗとなる。よって、ボンディングワイヤの熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１ならば、光量の低下を３０％以下に抑えることができる。
【００１３】
したがって、本構成によれば、第２の電極に対して熱抵抗の小さいボンディングワイヤが熱的に接続されているため、放熱体と反対側の面において大きな放熱効果を期待できる。
【００１４】
ところで、ボンディングワイヤの熱抵抗を下げるためには、ワイヤを太く（即ち、断面積を大きく）する必要がある。この場合、ワイヤが発光面（第２の電極）を広く覆ってしまうと発光輝度が大幅に低下するため、ワイヤの平面形状は極力小さくすることが好ましい。具体的には、ボンディングワイヤを偏平形状とし、偏平面が主たる発光面である第２の電極の電極面に対して略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第２の電極とを接続することで、輝度低下を最小限に抑えながらワイヤの導電性及び放熱性を共に高めることができる。
【００１５】
また、上記ボンディングワイヤを複数のワイヤとして構成してもよい。上述のようにワイヤを太くしていくと電極との接合が困難となる。このため、ボンディングワイヤを。単独で設ける代わりに、第２の電極に対して複数のワイヤに分割して設けることで、接合を容易にできる。またこの場合、個々のワイヤをコンパクトにできるため、発光素子全体としての構成を小型化できる利点もある。
【００１６】
なお、ボンディングワイヤの材料としては、例えば従来用いられている金の他に、これよりも導電性の若干劣る銀，銅，アルミニウム、及びこれらの合金等を用いることができる。また、上述の材料にシリコン等を添加したものを用いてもよい。本発明では、第２の電極と外部接続端子とを複数のワイヤで接続するため、ワイヤに導電性が若干劣る材料を用いても発光特性が損なわれることはない。
【００１７】
また、本発明の発光素子は、放熱体の上に第１の電極と発光層と第２の電極とを順に積層してなり、上記第２の電極が熱伝導性の複数のボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続されたことを特徴とする。本構成によれば、第２の電極に対して熱抵抗の小さい複数のボンディングワイヤが電気的及び熱的に接続されるため、放熱体と反対側の面において少なくとも従来より大きな放熱効果を期待できる。
【００１８】
この際、ボンディングワイヤに熱抵抗の小さい（例えば、熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上）材料を用いることで、放熱を確実にすることができる。上記材料としては、例えば従来用いられている金の他に、これよりも導電性の若干劣る銀，銅，アルミニウム、及びこれらの合金等を用いることができる。また、上述の材料にシリコン等を添加したものを用いてもよい。本発明では、第２の電極と外部接続端子とを複数のワイヤで接続するため、ワイヤに導電性が若干劣る材料を用いても発光特性が損なわれることはない。
【００１９】
なお、ボンディングワイヤの熱抵抗を小さくするにはワイヤを太くする必要があるが、単にワイヤを太くすると発光面が広く遮蔽されて発光輝度が低下するため、ワイヤの平面形状は極力小さくすることが好ましい。具体的には、ワイヤを偏平形状とし、このワイヤの偏平面が第２の電極に略垂直となる状態で第２の電極に接合することで、輝度低下を最小限に抑えながらワイヤの導電性及び放熱性を共に高めることができる。
【００２０】
また、本発明の照明装置は上述の発光素子を備えたことを特徴とする。本照明装置では、発光素子の放熱性が高いため、大電流駆動が可能となり、照明の明るさを向上できる。
また、本発明の投射型表示装置は、上述の照明装置と、この照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、変調された光を投射する投射手段とを備えたことを特徴とする。これにより、高輝度な投射型表示装置を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１，図２を参照しながら本発明の一実施形態に係る投射型表示装置について説明する。図１は本実施形態の投射型表示装置の全体構成を示す概略図、図２は本投射型表示装置に備えられた発光素子の一構成例を示す図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の投射型表示装置は３板式の液晶プロジェクタであり、色合成手段としてのダイクロイッククロスプリズム４０の３つの光入射面４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂには、それぞれ光変調装置としての液晶装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが対向して配置され、各液晶装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの背面側（クロスダイクロイックプリズム４０と反対側）にはそれぞれＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色光を出射可能な照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが配置されている。
【００２３】
照明装置１０（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる複数の発光素子１（１Ｒ、１Ｇ，１Ｂ）を備えている。図２（ａ）は発光素子１の要部構成を示す断面図であり、図２（ｂ）はその電極構造のみを模式的に示す平面図である。
発光素子１は２極の素子であり、図２に示すように、第１の電極１２ａ，ｎ層１２ｂ，発光層１２ｃ，ｐ層１２ｄ，第２の電極１２ｅを順に積層したＬＥＤチップ（発光体）１２が放熱ブロック（放熱体）１１の上に実装されている。そして、チップ１２の各電極１２ａ，１２ｅをリードフレーム（外部接続端子）１３，１４に接続するために、発光体１２からは極の数より多いボンディングワイヤが引き出されている。
【００２４】
すなわち、第２の電極１２ｅからは複数（本実施形態では例えば２本）のボンディングワイヤ１５ａ，１５ｂが引き出され、それぞれリードフレーム１３に電気的及び熱的に接続されている。これらのワイヤ１５ａ，１５ｂには、この電極面での放熱性を高めるために、例えば銅等の熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の材料が用いられ、更に、ワイヤ太さが従来よりも太く構成されている。つまり、従来のワイヤの断面積が２５μｍ^２程度であるのに対して、本実施形態ではワイヤの断面積を例えば５２．５ｍｍ^２以上としている。これにより、放熱ブロック１１と反対側の電極面において、放熱ブロック１１側と同程度の放熱効果が得られるようになっている。
【００２５】
なお、ワイヤ１５ａ，１５ｂの断面積を大きくした場合、ワイヤ１５ａ，１５ｂが主たる発光面である第２の電極を広く覆ってしまうと、発光輝度が大幅に低下してしまう。このため、本実施形態ではワイヤ１５ａ，１５ｂを偏平な薄板状に加工し、その平面形状が極力小さくなるようにしている。具体的には、各ワイヤ１５ａ，１５ｂにおいて略矩形の断面の縦横の寸法比を１：２．５とし、平面視したときのワイヤの幅Ｗ１を１ｍｍ程度とし、これに垂直なワイヤの幅Ｗ２を２．５ｍｍ程度としている。
また、前記ボンディングワイヤによりＬＥＤから出射した光線が遮られた場合でも、ボンディングワイヤで反射しさらにＬＥＤ内の部材で反射する等により、何らかの経路を経て光の取出しができるようにするため、ワイヤ１５ａ，１５ｂの偏平面１５１には研磨処理及びメッキ処理等の平坦化処理が施されている。
【００２６】
そして、銀ペースト、あるいは直接接合等の方法により、この偏平面１５１が発光面に対して略垂直となる状態で、ワイヤ１５ａ，１５ｂと第２の電極１１ｅとを接続している。
【００２７】
一方、ＬＥＤチップ１２の第１の電極１２ａ側では放熱ブロック１１を介してチップ１２の熱が放熱されるため、ワイヤを放熱に関与させる必要性が小さい。このため、本実施形態では、第１の電極１２ａとリードフレーム１４とは、従来と同様に、細線（断面積が例えば２５μｍ^２程度）のボンディングワイヤ１５ｃで接続されている。
【００２８】
放熱ブロック１１には、チップ１２の実装面（チップ１２と放熱ブロック１１との接続面）を囲む位置に壁部１１ａが設けられている。壁部１１ａは、先端部側が基端部側よりも細いテーパ状の形状を有しており、そのチップ１２に対向する側面１１ｂがチップ１２に対して外側に傾いた傾斜面となっている。この傾斜面１１ｂには、アルミニウムや銀等の高反射率の金属膜或いは金属粉からなる光反射面が形成されており、チップ１２から等方的に出射された光を実装面に対して略垂直な方向に反射して、照明に寄与させるようになっている。
【００２９】
放熱ブロック１１，リードフレーム１３，１４は樹脂フレーム１９と一体に形成されており、この樹脂フレーム１９の上にはチップ１２やワイヤ１５ａ〜１５ｃを内包するようにレンズ体１７が設けられている。そして、レンズ体１７とフレーム１９との間にはシリコン・ジェル等の熱伝導性の高い流体１６が充填され、放熱効率を一層高めるようになっている。
【００３０】
照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂとこれに対応する液晶装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂとの間には、照明光の照度分布を液晶装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおいて均一化させるための照度均一化手段として、照明装置側から第１のフライアイレンズ２１、第２のフライアイレンズ２２が順次設置されている。第１のフライアイレンズ２１は複数の２次光源像を形成し、第２のフライアイレンズ２２は被照明領域である液晶装置の設置位置においてそれらを重畳する重畳レンズとしての機能を有する。これにより、発光素子１から出射された光は、その光の密度分布に関係なく液晶装置全面に均一な密度で照射される。
【００３１】
ダイクロイッククロスプリズム４０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造を有し、その貼り合わせ面４０ａ，４０ｂには誘電体多層膜からなる光反射膜（図示略）が十字状に形成されている。具体的には、貼り合わせ面４０ａには、液晶装置３０Ｒで形成された赤色の画像光を反射し、それぞれ液晶装置３０Ｇ，３０Ｂで形成された緑色及び青色の画像光を透過する光反射膜が設けられ、貼り合わせ面４０ｂには、液晶装置３０Ｂで形成された青色の画像光を反射し、それぞれ液晶装置３０Ｒ，３０Ｇで形成された赤色及び緑色の画像光を透過する光反射膜が設けられている。そして、ダイクロイッククロスプリズム４０の光出射面４０Ｅに導光された各色の画像光は投射レンズ（投射手段）５０によってスクリーン６０に投射されるようになっている。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、放熱ブロック１１と反対側の電極面に接続されるワイヤを複数本とし、各ワイヤ１５ａ，１５ｂを熱抵抗の小さい材料によって構成しているため、チップ１２を放熱ブロック側だけでなく、これと反対側の面からも十分に放熱させることができる。このため、従来のものに比べてチップ１２の放熱効率が高まり、大電流駆動による高輝度な照明が可能となる。
また、本実施形態ではワイヤ１５ａ，１５ｂを偏平形状とし、ワイヤを、その偏平面が発光面に対して略垂直となるようにして電極１１ｅに接合しているため、ワイヤの太さによる輝度低下を最小限に抑えながら、ワイヤ１５ａ，１５ｂの導電性及び放熱性を共に高めることができる。
【００３３】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態ではボンディングワイヤ１５ａ，１５ｂの材料を銅としたが、これ以外にも、上記材料として金，銀，アルミニウム等を用いることができる。銅やアルミニウム等は、従来用いられている金よりも導電性の点で劣るものの、本発明では電極１２ｅとリードフレーム１３とを従来よりも太い複数のボンディングワイヤで接続するため、素子１の発光特性が損なわれることはない。
【００３４】
また、上記実施形態では第２の電極１２ｅとリードフレーム１３とを電気的及び熱的に接続するワイヤを２本としたが、これを３本以上とすることも可能である。
また、第１の電極１２ａとリードフレーム１４とをボンディングワイヤ１５ｃで接続する代わりに、チップ１２をリードフレーム１４の上に直接実装してもよい。この場合、ワイヤ１５ｃは不要となる。
【００３５】
また、上述した投射型表示装置の構成はほんの一例であり、このような３板式のものに限らず、光変調装置を１つとした単板式の構成を採用することも可能である。この場合、照明装置はＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応して３つ設けてもよいし、１つの照明装置にＲ，Ｇ，Ｂの３種類の発光素子を設け、これを光変調装置の背面側に対置させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の概略構成図である。
【図２】同、投射型表示装置に備えられる発光素子の概略構成を示す図であり、（ａ）は全体構成を示す断面図、（ｂ）はその電極構造のみを模式的に示す平面図である。
【図３】従来の発光素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…発光素子、１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…照明装置、１１…放熱ブロック（放熱体）、１２…ＬＥＤチップ（発光体）、１２ａ…第１の電極、１２ｅ…第２の電極、１３，１４…リードフレーム（外部接続端子）、１５ａ，１５ｂ…ボンディングワイヤ、３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ…液晶装置（光変調装置）、５０…投射レンズ（投射手段）

Claims

放熱体の上に第１の電極と発光層と第２の電極とを順に積層してなり、
上記第２の電極が、熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であるボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続されたことを特徴とする、発光素子。
上記ボンディングワイヤが偏平形状を有し、この偏平面が上記第２の電極面と略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第２の電極とが接続されたことを特徴とする、請求項１記載の発光素子。
上記ボンディングワイヤが複数のワイヤからなることを特徴とする、請求項１又は２記載の発光素子。
上記ボンディングワイヤが金，銀，銅，アルミニウムの少なくともいずれかを含む材料からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの項に記載の発光素子。
放熱体の上に第１の電極と発光層と第２の電極とを順に積層してなり、
上記第２の電極が、熱伝導性の複数のボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続されたことを特徴とする、発光素子。
上記ボンディングワイヤの熱伝導率が４００／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上であることを特徴とする、請求項５記載の発光素子。
上記ボンディングワイヤが金，銀，銅，アルミニウムの少なくともいずれかを含む材料からなることを特徴とする、請求項５又は６記載の発光素子。
上記ボンディングワイヤが偏平形状を有し、この偏平面が上記第２の電極面と略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第２の電極とが接続されたことを特徴とする、請求項５〜７のいずれかの項に記載の発光素子。
請求項１〜８のいずれかの項に記載の発光素子を備えたことを特徴とする、照明装置。
請求項８記載の照明装置と、
上記照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、
変調された光を投射する投射手段とを備えたことを特徴とする、投射型表示装置。