JP2005005483A - 高輝度発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】すぐれた放熱特性を有し経年劣化を抑えて長期安定動作を確保出来る高輝度発光素子を提供する。
【解決手段】熱伝導性を有する基台11と、該基台11の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップ13と、基台11の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材17と、該枠状断熱部材17を介して配置され内部に空洞部18を形成する放熱部材16とを有し、発光素子チップ13で発生した熱を外部に放出すべく、前記基台11と前記放熱部材16とが前記枠状断熱部材17を介して接合されることによって形成される気密性を有する容器20を備え、該容器20の内部に作動流体19が封入されていることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子チップを搭載した高輝度発光素子に係わり、更に詳しくは放熱性を向上させるために改良した高輝度発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、発光素子チップとして化合物半導体であるLEDチップは、長寿命や小型化の特徴を生かして発光素子として幅広く利用されている。また、窒化ガリウム系化合物半導体等による青色を発光するLEDチップが開発され製品化されたことにより、その応用分野はカラー表示装置にまで広がり、携帯電話の小型カラーバックライト装置や車載用表示装置、更に高輝度高出力の照明用発光装置へとますます応用分野が拡大し、更なる高輝度、長寿命等が求められている。
【0003】
特に近年は、LEDチップを用いた表面実装タイプの発光素子が、小型化や優れた量産性を特徴として数多く製品化されている。しかし、これらの発光素子を高輝度高出力の用途で使用する場合、放熱対策が問題になる。LEDチップは一定の動作領域まで駆動電流と輝度がほぼ比例関係にあるので、高輝度を得るためには駆動電流を増やせばよい。しかし、駆動電流を増やすとそれに比例してLEDチップでの電力損失が増加し、大部分のエネルギーは熱に変換されてLEDチップの温度は上昇し高温となる。ここでLEDチップはその特性として、温度が低いほど発光効率(すなわち電流一光変換効率)が高いので、LEDチップが高温になると発光輝度は低下するという間題が生じる。また、LEDチップの動作寿命も高温動作になるほど短くなり、更には、LEDチップを封止している透過性の樹脂が熱による変色で透明度を低下させる等の問題もあり、高輝度高出力用途としては寿命や信頼性に大きな問題があった。
【0004】
これらの問題を解決するためには発光素子の放熱対策が不可欠であり、放熱手段としていくつかの提案がなされている。その一つは、熱伝導性を有する金属材料からなる一対の導電部材を絶縁部材で固着し、LEDチップを該一対の導電部材にまたがって実装させた発光素子が提案されている(例えば特許文献1参照)。以下、図4に基づいて従来の発光素子を説明する。図4に於いて従来の表面実装タイプの発光素子1は、熱伝導性を有し金属材料から成る一対の導電部材2a、2bと、該一対の導電部材2a、2bを電気的に分離し固着する絶縁部材3と、LEDチップ4と、LEDチップ4を封止する透光性を有する封止部材5とからなる。
【0005】
絶縁部材3は、その中央付近に凹部3aを有し、導電部材2a、2bの一部が露出されている。LEDチップ4は、絶縁部材3の凹部3aに配置され、絶縁部材3の凹部3aから露出する一対の導電部材2a、2bにまたがって実装され、導電部材2a、2bと電気的に結合されると共に熱的にも結合される。
また、プリント基板6には導電パターン6a、6bが形成されており、この導電パターン6a、6bと発光素子1の導電部材2a、2bとを電気的に接続させプリント基板6に発光素子1を実装する。
ここで導電パターン6a、6bからLEDチップ4に駆動電流を流すとLEDチップ4は発光するが、同時にLEDチップ4には電力損失が発生して発熱する。この熱はLEDチップ4と熱的に結合している導電部材2a、2bに効率よく伝達されるので、プリント基板6が熱伝導性の優れた材料であれば、効率の良い放熱を実現することが出来る。
【0006】
他の放熱の手段としては、基板にヒートパイプを取り付けた形態のものが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。ヒートパイプは密封された空洞部を備えており、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の輸送が行われるものである。もちろん、ヒートパイプを構成する容器を熱伝導することで運ばれる熱もあるが、ヒートパイプは主に作動流体による熱移動作用を意図した熱移動装置である。ヒートパイプの作動について簡単に記すと次のようになる。ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた熱により作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側では作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。そして液相に戻った作動流体は再び吸熱側に移動する。このような作動流体の相変態や移動により、熱の移動がなされる。
【0007】
ヒートパイプ内の作動流体としては通常、水や水溶液、アルコール、その他有機溶剤等が使用される。特殊な用途としては水銀を作動流体に用いる場合もある。前述したようにヒートパイプは内部の作動流体の相変態等の作用を利用するものであるから、密封された内部への作動流体以外のガス等の混入をなるべく避けるように製造されることになる。このような混入物は通常、製造途中に混入する大気(空気)や作動流体中に溶存している炭酸ガス等である。
【0008】
以下、図5、図6に基づいてヒートパイプを取り付けた発光素子の従来例について説明する。図5は斜視図、図6は側面断面図を示す。LEDモジュールMは矩形の基板7の一面に多数の凹所8を列設し各凹所8内にLEDチップ10を実装するとともに、各凹所8の下を通過するヒートパイプ9を設けて構成される。ここで基板7を樹脂成形基板で構成すれば、基板7の成形時にヒートパイプ9をインサート成形することでLEDモジュールMを製作することができる。前述した基板がプリント基板の場合はLEDチップ10を実装した面と対向する面に凹部を設け、この凹部にヒートパイプを配置する。このように基板7内でLEDチップ10の下にヒートパイプ9を通すことによりLEDチップ10を冷却することができる。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−307820号(第3頁、図1−図7)
【特許文献2】
特開平11−163410号(第3頁、図5−図6)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4で示した発光素子1は、プリント基板6に熱伝導性のすぐれたメタルコア基板等を用いれば放熱効果を期待できるが、メタルコア基板は熱の拡散に抵抗が生じ結果としてLEDチップの温度上昇が起こる。特に高輝度LEDチップは発熱量が多く120℃を越えるとジャンクションの熱劣化が発生するが、この対策としてMPU等のファンを使って空冷を行う事は可能だが音の問題や構造の複雑化につながるという問題があった。
【0011】
また、図5、図6に示したLEDモジュールMは、ヒートパイプ9とLEDチップ10の間に樹脂成形基板の一部が介在するため十分な放熱効果を発揮できないという問題があった。特に高輝度LEDチップが実装される場合、発熱量が多くなると共に発熱密度も高くなる。発熱密度が高くなるとヒートパイプの性能も熱を移動するだけでなく高密度の熱流速を低密度に拡散するという熱の拡散に関する要求にも対応しなければならず、この点においても十分な対応が出来ないという問題がある。さらに、LEDチップが実装された基板は様々な向きに配置される場合があり、ヒートパイプも様々な向きに配置された状態で性能を発揮しなければならないが、この点においても充分な対応が出来ないという問題があった。
【0012】
(目的)
本発明は、上記課題を解決し、すぐれた放熱特性を有し経年劣化を抑えて長期安定動作を確保出来るとともに、高輝度化を実現し併せて様々な向きに配置される場合に対応可能な高輝度発光素子を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の高輝度発光素子は、下記記載の構成を採用する。
【0014】
本発明の高輝度発光素子は、熱伝導性を有する基台と、該基台の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップと、基台の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材と、該枠状断熱部材を介して配置され内部に空洞部を形成する放熱部材とを有し、発光素子チップで発生した熱を外部に放出すべく、基台と放熱部材とが枠状断熱部材を介して接合されることによって形成される気密性を有する容器を備え、該容器の内部に作動流体が封入されていることを特徴とする。
【0015】
また、容器を形成する放熱部材の外側の面に放熱面積を大きくするための放熱凹部又は放熱凸部が形成されていることを特徴とする。
【0016】
また、容器の内部にウィックが設けられていることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、本実施形態における高輝度発光素子の断面図を示し、発光素子チップとしてLEDチップを1個搭載した例を示し、図2は、複数のLEDチップを搭載した例を示す。また、図3は、本実施形態における高輝度発光素子の放熱作用を説明するための図である。本実施形態における高輝度発光素子は、ヒートパイプ技術を応用して発光素子の高輝度化を実現することを特徴とする。以下、本発明の実施形態における高輝度発光素子について図1から図3を用いて説明する。
【0018】図1に示すように、本実施形態における高輝度発光素子は、熱伝導性を有する基台11と、基台11の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップとしてのLEDチップ13と、基台11の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材17と、枠状断熱部材17を介して配置され内部に空洞部18を形成する放熱部材16とを備えている。更にLEDチップ13で発生した熱を外部に放出するために、基台11と放熱部材16とが枠状断熱部材17を介して接合することによって形成する気密性を有する容器20を備えており、この容器20の内部に作動流体19が封入されている。
【0019】
本実施形態においてヒートパイプの役割を果たす容器20を構成する基台11、放熱部材16の材質は特に限定されるものではないが、熱伝導性に優れる銅材やアルミニウム材を用いることが望ましく本実施形態においては銅材を使用した。基台11の一方の面に配置されるLEDチップ13はエポキシ樹脂等により接合され熱伝達可能に実装されている。また、LEDチップ13は駆動電流を供給するためのリードフレーム12a、12bと金属細線からなるワイヤー14a、14bでそれぞれ電気的に接続されている。更に、LEDチップ13は透光性を有する封止部材15によって封止されている。一方、基台11の他方の面は、放熱部材16とガラス材からなる枠状断熱部材17で溶着接合されると共にシーリングされる。これによって密封された空洞部18が形成される。
【0020】
この空洞部18内には作動流体19が封入されている。作動流体18は容器20を形成する部材、即ち基台11、放熱部材16、枠状断熱部材17等の材質との適合性その他を考慮して選定すれば良く、例えば水(沸点100℃)、エタノール(沸点78.6℃)、アセトン(沸点56.6℃)等が適用できる。これらの温度特性に応じた循環冷却水を使用することによりLEDチップの過度の発熱を抑えることができる。本実施形態においては水を使用した。また、作動流体19の蒸発、凝縮の相変化がなされやすいように、空洞部18の内部は洗浄や、真空脱気等がなされている。
【0021】
更に、図示していないが空洞部18の中にウィックとしてメッシュを設けている。メッシュとは通常は網状のシートを指す。メッシュを設けることで、その毛細管作用による作動流体19の還流効果が期待でき、熱移動性能が一層向上する。また、容器20を形成する放熱部材16の外側の面に放熱面積を大きくするための放熱凸部16aが形成されている。これは、所謂放熱フィンであり、形状は放熱面積を大きくするための凹部であっても良い。
【0022】
次に図3を用いて、本実施形態における高輝度発光素子の冷却作用について説明する。図3(a)に示すようにLEDチップ13が発熱すると、この熱が基台11に伝わり基台11の温度が上昇する。これに伴い空洞部18の内部では基台11に接している作動流体19としての水が気化する。この気化した蒸気は図3(b)に示すように放熱部材16の内壁に接し冷却されて液化し、水滴21となる。放熱部材16は、前述したように放熱フィンとしての放熱凸部16aを有しており、これによって気化した蒸気が効率よく冷却される。次に図3(c)に示すように、放熱部材16の内壁に生じた水滴21は、基台11側に環流し再び作動流体19として作用することになる。この時、図示していないが空洞部18の中にウィックとして設けるメッシュの毛細管作用により作動流体19の還流効果が促進され熱移動性能が一層向上するようになっている。
【0023】
以上のように、本実施形態における高輝度発光素子は、LEDチップ13を熱伝導性を有する基台11に熱的結合して実装し、且つヒートパイプの作動原理を応用し放熱部材16とその内部に作動流体19を封入した容器20を備えることによって、LEDチップ13で発生した熱を周囲の空気層等に効率よく放熱することが可能である。この結果、発熱によるジャンクション劣化を抑えLED13の超寿命化を実現すると共に、LEDチップ13の温度上昇を最小限に抑え、大電流の駆動に充分耐えられ高輝度発光素子を提供することが出来る。
【0024】本実施形態においては1個のLEDチップを搭載した例で説明したが複数のLEDチップを搭載することが可能であり図2にその例を示す。尚、搭載できるLEDチップの数は2個に限定されることはなく広い面上に多数のLEDチップを配置することも容易であり、この場合も同様の効果を得ることが出来る。
【0025】
【発明の効果】
以上のように本発明における高輝度発光素子は、発光素子チップの発熱密度が高い場合にも優れた放熱特性を有し経年劣化を抑えて長期安定動作を確保出来るとともに、高輝度化を実現し併せて様々な向きに配置される場合に対応可能な高輝度発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態における高輝度発光素子を示す概略断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態における他の例を示す高輝度発光素子の概略断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態における高輝度発光素子の作用を説明するための概略断面図である。
【図4】従来技術における発光素子を示す斜視図である。
【図5】従来技術におけるヒートパイプを取り付けた発光素子を示す斜視図である。
【図6】図5における発光素子の断面図である。
【符号の説明】
1 発光素子
2a、2b 導電部材
3 絶縁部材
3a 絶縁部材の凹部
4 LEDチップ
5 封止部材
6 プリント基板
6a、6b 導電パターン
7 基板
8 基板の凹所
9 ヒートパイプ
10 LEDチップ
11 基台
12a、12b リードフレーム
13 LEDチップ
14a、14b ワイヤー
15 封止材
16 放熱部材
16a 放熱部材の凹凸部
17 枠状断熱部材
18 空洞部
19 作動流体
20 容器
21 水滴

Claims (3)

  1. 熱伝導性を有する基台と、該基台の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップと、前記基台の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材と、該枠状断熱部材を介して配置され内部に空洞部を形成する放熱部材とを有し、前記発光素子チップで発生した熱を外部に放出すべく、前記基台と前記放熱部材とが前記枠状断熱部材を介して接合されることによって形成される気密性を有する容器を備え、該容器の内部に作動流体が封入されていることを特徴とする高輝度発光素子。
  2. 前記容器を形成する放熱部材の外側の面に放熱面積を大きくするための放熱凹部又は放熱凸部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の高輝度発光素子。
  3. 前記容器の内部にウィックが設けられていることを特徴とする請求項1記載の高輝度発光素子。
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