JP2006005290A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱による電力損失を抑えることで、高輝度発光を可能とすると共に、実装基板の上面及び下面のいずれの面にも実装することができる高輝度タイプの発光ダイオードを提供することである。
【解決手段】 ダイボンド用の実装面２２ａを有する高熱伝導性の放熱基台２２と、この放熱基台２２上に載置され、前記実装面２２ａの一部を露出する孔部２７及び前記放熱基台２２の外周縁より外方に張り出す張出部２９を有する回路基板２４と、前記孔部２７を通して前記実装面２２ａ上に実装される発光素子２３と、この発光素子２３の上方を封止する透光性の樹脂体２５とを備え、前記張出部２９の外周縁に前記発光素子２３と導通するスルーホール２８を形成し、このスルーホール２８の上面及び下面に外部接続電極２８ａ，２８ｂを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放熱機能を備えた高輝度タイプの発光ダイオードに関するものである。

従来から発光ダイオードは、小型であると共に長寿命性といった特徴を生かして携帯電話機等の液晶パネルのバックライト光源に採用されている。また、近年においてはカラー発光するものや比較的広い範囲を高輝度で照明する高出力型のものも数多く製品化されている。このようなカラー発光や高出力タイプの発光ダイオードは、消費電力が多くなることから、放熱対策が重要な課題となっている。

一般的に発光ダイオードは、一定の動作領域までは駆動電流と輝度が略比例関係になるため、高輝度を得ようとする場合は駆動電流を増やせばよい。しかしながら、駆動電流を増やすと、それに比例して発光ダイオード内での電力損失が大きくなる。この電力損失は、大部分が熱に変換されたエネルギーであり、発光ダイオードの温度が上昇してしまう。ここで、発光ダイオードはその特性として、温度が低いほど発光効率（電流―光変換効率）が高いので、発光ダイオード内の温度上昇に伴って、発光輝度が低下するといった問題が生じる。また、発光ダイオードの動作寿命も高温動作になるほど短くなり、更には発光素子を封止している透光性の樹脂体が熱による変色で透明度が低下するといった問題もある。以上のような問題があるため、高出力と寿命等の信頼性の両方を満足するような発光ダイオードの製品化が困難であった。

これらの問題を解決するために、放熱対策が不可欠となっている。従来、このような放熱のための手段としていくつかの提案がなされている。その一つは、図８に示すように、熱伝導性を有する一対の導電部材２ａ，２ｂを電気的に分離する絶縁部材３で固定し、この絶縁部材３の上面を凹設した凹部３ａ内に発光素子４を前記一対の導電部材２ａ，２ｂにまたがって実装した後、透光性を有する封止部材５によって封止した発光ダイオード１（特許文献１参照）がある。前記発光ダイオード１は、前記導電部材２ａ，２ｂの一端をマザーボード等のプリント基板７に形成された電極パターン６ａ，６ｂ上に載置して半田接合される。また、放熱対策の他の手段として、発光素子を実装する基板と端子電極としてのリードフレームを同一材料とし、前記基板とリードフレームの最下面を略同じ面に位置させ、前記基板を直接回路基板に実装形成した発光ダイオード（特許文献２参照）が提案されている。
特開平１１−３０７８２０号公報 特開２００２−２５２３７３号公報

しかしながら、前記図８で示した発光ダイオード１は、発光素子４から発せられる熱を一対の導電部材２ａ，２ｂから電極パターン６ａ，６ｂを通してプリント基板７に放熱させているため、このプリント基板７に熱伝導性の優れたメタルコア基板を用いた場合は、放熱効果が期待できるが、コストの比較的安いガラスエポキシ材からなる通常のプリント基板では大きな放熱効果が期待できない。これは、ガラスエポキシ材の熱伝導率は、銅合金などの金属材料と比較して数百分の一程度と小さいので、熱抵抗が大きくなり発生した熱を効率よく逃すことができないからである。このため、効率のよい放熱を実現するためにはメタルコア基板の使用が不可欠であるが、基板材料が限定されることからコスト高になると共に、このメタルコア基板は両面配線が難しく高密度実装が困難であるといった問題がある。さらには、前記メタルコア基板は導電性材料であるために、表面に絶縁層を設けて絶縁する必要があるが、この絶縁層によって熱伝導率が低下し、十分な放熱効果を発揮できないといった問題も有している。

一方、特許文献２等に示されている発光ダイオードにおいても同様な問題がある。すなわち、基板は回路基板と密着して実装されるので、基板から回路基板への熱伝導率は比較的良好であるが、回路基板がガラスエポキシである場合には熱伝導率が悪くなり、大きな放熱効果は期待できない。

そこで、本発明の目的は、発熱による電力損失を抑えることで、高輝度発光を可能とすると共に、実装基板の上面及び下面のいずれの面に実装することができる高輝度タイプの発光ダイオードを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、ダイボンド用の実装面を有する高熱伝導性の放熱基台と、この放熱基台上に載置され、前記実装面の一部を露出する孔部及び前記放熱基台の外周縁より外方に張り出す張出部を有する回路基板と、前記孔部を通して前記実装面上に実装される発光素子と、この発光素子の上方を封止する透光性の樹脂体とを備え、前記張出部の外周縁に前記発光素子と導通するスルーホールを形成し、このスルーホールの上面及び下面に外部接続電極を設けたことを特徴とする。

本発明に係る発光ダイオードによれば、熱伝導率の高い放熱基台上に直接発光素子を実装した構造となっているので、前記発光素子から生じる熱を効率よく外部に逃すことができる。このため、消費電力を抑えつつ高輝度の発光が可能となる。また、前記発光素子と回路基板とが非接触であるため、回路基板側へ発光素子で生じた熱が伝播しない。これによって、前記回路基板が実装される他の実装基板への影響を最小限に抑えることができる。さらに、前記回路基板の外周縁が放熱基台の外周縁から突出したスルーホールを形成すると共に、このスルーホールの上面及び下面に外部接続電極が設けられているので、回路基板の上面あるいは下面のいずれの面からも実装が可能となる。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る発光ダイオードの実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの斜視図、図２は前記発光ダイオードの断面図である。

図１に示すように、本発明の発光ダイオード２１は、高熱伝導性を有する略直方体形状の放熱基台２２と、この放熱基台２２の略中央部に固定される青色の発光素子２３と、この発光素子２３を取り囲むようにして前記放熱基台２２の上に載置される回路基板２４と、前記発光素子２３を封止する透光性を有する樹脂体２５とからなっている。

前記放熱基台２２は、放熱効果を高めるために、熱伝導率の高い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金といった金属材料、あるいは、アルミ系セラミックスなどの非金属材料によって形成される。この放熱基台２２は、上面が前記発光素子２３をダイボンド実装するための実装面２２ａで、下面が図示しない装置等のフレームに接触させて熱を逃がす放熱面２２ｂとなっている。放熱効果を高めるためには、前記放熱面２２ｂを広くするのが好ましい。このため、図２に示したように、可能な限り放熱基台２２の表面積を広く、また、厚みを持たせて形成するのが効果的である。なお、前記放熱基台２２の形状については、直方体形状に限定されず、円筒形状であってもよい。

前記発光素子２３は、上面及び側面が発光面となっており、上面側に一対の素子電極部を有している。この発光素子２３は、前記放熱基台２２の実装面２２ａ略中央部に下面側を接着剤等によってダイボンドし、素子電極部を後述する回路基板２４にボンディングワイヤ２６を介してワイヤボンド実装接続される。

回路基板２４は、ガラスエポキシ樹脂やＢＴレジン（Bismaleimide Triazine Resin）等の絶縁材料で形成され、中央部に前記発光素子２３を露出させる孔部２７が設けられている。前記発光素子２３は、孔部２７から上面に露出させた状態で実装される。この孔部２７の周囲には、前記発光素子２３に備える一対の素子電極部とボンディングワイヤ２６を介して接続される図示しないボンディングパッド及び電極パターンが形成される。また、前記回路基板２４の外周縁には前記電極パターンと繋がるスルーホール２８が形成されている。図１及び図２に示されるように、回路基板２４は、前記放熱基台２２の実装面２２ａから外方向に張り出す張出部２９を有して広く形成され、前記張出部２９の周縁にスルーホール２８が形成されている。また、前記スルーホール２８の表面と裏面には一対の外部接続電極２８ａ，２８ｂが形成される。

樹脂体２５は、透光性を有するエポキシまたはシリコーン系の樹脂材が用いられ、回路基板２４上に設けられた封止枠体３０の内部に充填して形成される。また、この樹脂体２５に適宜イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体を含有させることによって、白色発光も可能となる。前記封止枠体３０は、発光素子２３を囲うようにして、回路基板２４上に接着剤を介して接合される。なお、前記封止枠体３０の内周面を鏡面加工、あるいは、金属膜などの光反射部材を設けることによって、前記発光素子２３から発せられる光をある方向に向けて高輝度発光させる反射枠体を形成することもできる。

前記構造の発光ダイオード２１を各種電子機器内に配設されているプリント基板に実装する場合は、図３及び図４に示すように、プリント基板３２に窓孔３３を開設し、この窓孔３３に前記放熱基台２２または封止枠体３０を通し、張出部２９の外周部に設けられている外部接続電極２８ａ，２８ｂを前記窓孔３３の縁部に半田付けすることによって行われる。本実施形態の発光ダイオード２１は、放熱基台２２に直接発光素子２３をダイボンドした構造となっているので、前記発光素子２３の発光に伴って放出される熱が前記放熱基台２２を通して空気中に発散されるが、前記放熱基台２２を各種電子機器の筐体に接触させることでより放熱効果を高めることができる。

前記発光ダイオード２１の実装形態としては二通り考えられる。第１の実装形態としては、図３に示したように、プリント基板３２に開設した窓孔３３に前記放熱基台２２を通し、放熱面２２ｂを図示しない電子機器の筐体３１の外表面に接触させて載置した後、プリント基板３２の縁部上に回路基板２４のスルーホール２８の下面に形成されている外部接続電極２８ｂを半田接続するものである。第２の実装形態としては、図４に示したように、プリント基板３２の窓孔３３の下から封止枠体３０を通し、前記プリント基板３２の下面側にスルーホール２８の上面に形成されている外部接続電極２８ａを半田接続するものである。前記第１及び第２の実施形態において、放熱面２２ｂを図示しない電子機器の筐体３１に接触させることがより大きな放熱効果を得る点で好ましい。本実施形態の発光ダイオード２１は、上述したように、張出部２９にスルーホール２８を設けた構造になっているため、前記スルーホール２８の上面及び下面に設けられている外部接続電極２８ａ，２８ｂのいずれの面からも接続が可能である。このため、前記図３及び図４で示したように、筐体３１に対するプリント基板３２の配設位置に応じて発光ダイオード２１の実装方向を変えることが可能となる。また、前記プリント基板３２の配設位置が予めわかっている場合は、その配設位置に合わせて前記放熱基台２２の厚みを設定することができ、より最適な放熱効果を得ることができる。

次に、上記図３及び図４に基づいて、発光ダイオード２１の発光及び放熱作用を説明する。前記発光素子２３に所定の駆動電圧を印加すると、前記発光素子２３は印加した駆動電圧と駆動電流との積に等しい電力を消費し、そのエネルギーの一部は光となって樹脂体２５を透過して外部に放射される。一方、光に変換されなかったエネルギーは熱となって発光素子２３全体から放出される。ここで、前記発光素子２３はその下面が放熱基台２２に接した状態となっているので、発生した熱は放熱基台２２に放熱され、放熱面２２ｂから筐体３１に効率よく逃がすことができる。前記放熱面２２ｂと接触させる筐体３１は、熱伝導率の高い金属部分に設定することで、より効果的な放熱作用が得られる。

また、前記回路基板２４にあっては、発熱源となる発光素子２３と接触しないように孔部２７から露出させているので、前記発光素子２３から生じる熱の影響を直接受けなくて済む。これによって、回路基板２４を接続しているプリント基板３２側への熱の拡散を抑えられ、電子回路の劣化や破壊を有効に防止することができる。

図５は第２実施形態の発光ダイオード４１を示したものである。この発光ダイオード４１は、素子電極部を上面と下面に有する発光素子４３を実装するための構造になっている。発光素子２３は、下面側の素子電極部を放熱基台２２の実装面２２ａに載置された専用のサブマウント基板４４に向けて実装され、上面側の素子電極部からはボンディングワイヤ２６によって回路基板２４に形成されている電極パターンに接続される。前記サブマウント基板４４は、放熱効果を高めるために、アルミ系セラミックス、または、シリコンが使用される。また、前記サブマウント基板４４の表面には、前記発光素子４３の下面側の素子電極部を表面実装するダイボンドパターンと、このダイボンドパターンから引き出される引出パターンが形成され、この引出パターンから延びるボンディングワイヤ２６によって回路基板２４の他方の電極パターンに接続される。この構造の発光ダイオード４１にあっては、発光素子４３で生じた熱が最初にサブマウント基板４４に拡散され、このサブマウント基板４４から放熱基台２２に拡散され、放熱面２２ｂから外部に放熱される。

図６に示す第３実施形態の発光ダイオード５１は、非金属材料を使用して放熱基台５２を構成したものである。前記放熱基台５２の材質としては、絶縁性と高熱伝導性を備えたアルミ系セラミックスが好ましい。このようなセラミックス材を使用することで、前記第２実施形態の発光ダイオード４１のように、サブマウント基板４４を介することなく、直接前記放熱基台５２上の実装面５２ａに電極パターンを形成することができる。また、前記放熱基台５２全体がセラミックスで形成されているため、十分な放熱効果も得ることができる。

上記実施形態の発光ダイオード２１，４１，５１は、いずれも単一の発光素子２３，４３によって構成したものであるが、前記放熱基台２２，５２上の実装面及び孔部２７を広く形成することによって複数の発光素子を実装することもできる。図７に示す第４実施形態の発光ダイオード６１は、放熱基台６２の実装面６２ａに赤、青、緑の三原色の発光色を備えた発光素子６３ａ，６３ｂ，６３ｃを実装し、この発光素子６３ａ，６３ｂ，６３ｃに対応させて、アノード電極（Ａ１〜Ａ３）及びカソード電極（Ｋ１〜Ｋ３）からなるスルーホールを回路基板６４の張出部６９に設けている。前記回路基板６４には、前記発光素子６３ａ，６３ｂ，６３ｃを露出させる孔部６７が開設され、その上方に封止枠体７０が設けられる。この発光ダイオード６１は、前記アノード電極（Ａ１〜Ａ３）及びカソード電極（Ｋ１〜Ｋ３）に印加する電圧を調整することによって、様々な発光色を得ることができると共に、複数の発光素子を備えたことに伴う大きな発熱量を放熱基台６２によって効果的に低減させることができる。

本発明に係る第１実施形態の発光ダイオードの斜視図である。 上記発光ダイオードの断面図である。 上記発光ダイオードの第１の実装例を示す図である。 上記発光ダイオードの第２の実装例を示す図である。 本発明の第２実施形態における発光ダイオードの断面図である。 本発明の第３実施形態における発光ダイオードの断面図である。 本発明の第４実施形態における発光ダイオードの斜視図である。 従来の放熱機能を備えた発光ダイオードの斜視図である。

符号の説明

２１，４１，５１ 発光ダイオード
２２，５２，６２ 放熱基台
２２ａ 実装面
２２ｂ 放熱面
２３，４３ 発光素子
２４ 回路基板
２５ 樹脂体
２６ ボンディングワイヤ
２７ 孔部
２８ スルーホール
２８ａ，２８ｂ 外部接続電極
２９，６９ 張出部
３０，７０ 封止枠体
４４ サブマウント基板

Claims (8)

1. ダイボンド用の実装面を有する高熱伝導性の放熱基台と、この放熱基台上に載置され、前記実装面の一部を露出する孔部及び前記放熱基台の外周縁より外方に張り出す張出部を有する回路基板と、前記孔部を通して前記実装面上に実装される発光素子と、この発光素子の上方を封止する透光性の樹脂体とを備え、
   前記張出部の外周縁に前記発光素子と導通するスルーホールを形成し、このスルーホールの上面及び下面に外部接続電極を設けたことを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記放熱基台は、金属、金属合金、または、セラミックで形成される請求項１記載の発光ダイオード。
3. 前記放熱基台は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミ系セラミックスのいずれかによって形成される請求項１または２記載の発光ダイオード。
4. 前記実装面上にサブマウント基板を載置し、このサブマウント基板を介して前記発光素子を実装した請求項１記載の発光ダイオード。
5. 前記サブマウント基板は、アルミ系セラミックス、または、シリコンで形成される請求項４記載の発光ダイオード。
6. 前記樹脂体の周囲に封止枠体、または、内周面に光反射部材を有する反射枠体を配設した請求項１記載の発光ダイオード。
7. 前記発光素子が、前記孔部から露出する実装面内に複数実装される請求項１記載の発光ダイオード。
8. 前記張出部に、前記発光素子と導通するスルーホールが複数形成される請求項１または７記載の発光ダイオード。

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