JP2006013237A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光ダイオード21から基板25への熱伝達性を向上させ、発光ダイオード21の基板25への実装時に基板25上の樹脂部品への熱影響も低減した発光装置11を提供する。
【解決手段】発光ダイオード21を発光ダイオード21より面積が大きく高熱伝達性を有するサブマウント31に実装し、サブマウント31を基板25に実装する。基板25上には発光ダイオード21を収容する収容部41を有する樹脂製の反射体40を設ける。収容部41に可視光変換樹脂層45を充填する。発光ダイオード21の熱をサブマウント31に効率よく伝達するとともにサブマウント31から基板25や可視光変換樹脂層45に拡散させて伝達し、放熱性を向上させる。発光ダイオード21を熱伝達性が良い共晶合金32でサブマウント31に実装する。予め発光ダイオード21を実装したサブマウント31を共晶合金32に比べて融点が低い銀ペースト33で基板25に実装する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を有する発光装置に関する。
従来、発光素子として例えば固体発光素子である発光ダイオードを光源とする発光装置では、金属基板上に発光ダイオードを直接実装し、発光ダイオードが挿入される挿入孔が形成されたプリント配線基板を接着剤によって金属基板上に固定するとともにこのプリント配線基板と発光ダイオードとをワイヤボンディングによって接続し、発光ダイオードやワイヤボンディングを被覆して透明樹脂部を設けている。ところで、発光ダイオードの温度上昇によって発光効率の低下、寿命の低下、透明樹脂部の劣化などの熱影響が生じるが、発光ダイオードを基板に直接実装することにより、発光ダイオードから基板への熱伝達効率を高め、放熱性の向上を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１５２２２５号公報（第４頁、図１）
しかしながら、発光ダイオードを基板に直接実装することで、発光ダイオードから基板への熱伝達効率を高め、放熱性を向上させようとしているが、発光ダイオードと基板との接触面積が小さいため、基板の材質によっては発光ダイオードから基板への熱伝達効率が低く、放熱性が低下する問題がある。
また、発光ダイオードから基板への熱伝達効率を高めるには発光ダイオードを熱伝達性のよい共晶合金などによって実装することが好ましいが、このような共晶合金は融点が高いため、発光ダイオードを共晶合金によって基板に実装する際に、基板上の樹脂部品や接着剤などが溶ける熱影響が生じる問題がある。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、発光素子の熱を基板に効率よく伝達し、放熱性を向上でき、また、発光素子の基板への実装時における基板上の他の部品などへの熱影響も低減できる発光装置を提供することを目的とする。
請求項１記載の発光装置は、発光素子と；発光素子より面積が大きく、発光素子を固定したサブマウントと；サブマウントを固定した基板とを具備しているものである。サブマウントは、高熱伝導性を有する材料が適し、大きさは発光素子の面積の５〜５０倍が好適である。発光素子は例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの固体発光素子を示す。
請求項２記載の発光装置は、発光素子と；発光素子より面積が大きく設けられ、発光素子が実装されたサブマウントと；サブマウントが実装された基板と；基板上に少なくともサブマウントの位置を除いて形成された導電層と；発光素子と導電層とを接続する接続手段とを具備しているものである。すなわち、導電層は、サブマウントと基板との間に介在しないように配設される。
請求項３記載の発光装置は、一対の電極を有する発光素子と；発光素子より面積が大きく設けられ、発光素子が実装されるとともに発光素子の一方の電極が接続された導電性を有するサブマウントと；サブマウントを実装する基板と；一対の接続部を形成して基板上に設けられ、一方の接続部および基板上にサブマウントが接続固定された導電層と；発光素子の他方の電極と導電層の他方の接続部とを接続する接続手段とを具備している
請求項４記載の発光装置は、請求項１ないし３いずれか一記載の発光装置において、基板上に設けられ、発光素子およびサブマウントを配設する収容部、および収容部の内面に反射面を有する反射体と；反射体の収容部に充填された可視光変換樹脂層と；を具備しているものである。可視光変換樹脂層は、蛍光体などを樹脂に分散させて形成してもよいし、蛍光体などを形成し、その上に樹脂層を設けて形成してもよい。
請求項５記載の発光装置は、請求項４記載の発光装置において、発光素子は、共晶合金を介してサブマウントに実装され、サブマウントは、銀ペーストを介して基板に実装され、反射体は、樹脂製であるものである。共晶合金は、例えば金と錫の合金などがある。
請求項６記載の発光装置は、請求項１ないし５いずれか一記載の発光装置において、発光素子は、サブマウントに実装される実装面、および実装面側に寄って設けられた発光部を有しているものである。
請求項１記載の発光装置によれば、発光素子をこの発光素子より面積が大きいサブマウントを介して基板に固定したため、発光素子の熱をサブマウントに効率よく伝達できるとともにこのサブマウントから基板に拡散させて伝達でき、放熱性を向上できる。また、サブマウントを用いることにより、例えば予め発光素子を熱伝達性のよい材料を用いて実装したサブマウントを融点が低い材料を用いて基板に固定することが可能となり、サブマウントの実装時における基板上の樹脂部品などに対する熱影響を低減できる。
請求項２記載の発光装置によれば、発光素子をこの発光素子より面積が大きいサブマウントを介して基板に実装したため、発光素子の熱をサブマウントに効率よく伝達できるとともにこのサブマウントから基板に拡散させて伝達でき、放熱性を向上でき、さらに、基板上に少なくともサブマウントの位置を除いて導電層を設け、発光素子と導電層とを接続手段で接続するため、サブマウントを基板に直接実装でき、サブマウントから基板に対する放熱性を向上できる。また、サブマウントを用いることにより、例えば予め発光素子を熱伝達性のよい材料を用いて実装したサブマウントを融点が低い材料を用いて基板に実装することが可能となり、サブマウントの実装時における基板上の樹脂部品などに対する熱影響を低減できる。
請求項３記載の発光装置によれば、発光素子をこの発光素子より面積が大きいサブマウントを介して基板の導電層上に実装したため、発光素子の熱をサブマウントに効率よく伝達できるとともにこのサブマウントから導電層および基板側に拡散させて伝達でき、放熱性を向上できる。また、サブマウントを用いることにより、例えば予め発光素子を熱伝達性のよい材料を用いて実装したサブマウントを融点が低い材料を用いて基板に実装することが可能となり、サブマウントの実装時における基板上の樹脂部品などに対する熱影響を低減できる。
請求項４記載の発光装置によれば、請求項１ないし３いずれか一記載の発光装置の効果に加えて、発光素子の熱をサブマウントに効率よく伝達するとともにサブマウントから基板や可視光変換樹脂層に拡散させて伝達し、放熱性を向上できる。
請求項５記載の発光装置によれば、請求項４記載の発光装置の効果に加えて、発光素子を共晶合金によってサブマウントに実装するため、発光素子からサブマウントへの熱伝達性を良好にでき、また、サブマウントの面積を発光素子より大きくして基板への熱伝達性を確保することにより、予め発光素子を実装したサブマウントを共晶合金に比べて融点が低い銀ペーストによって基板に実装することが可能となるため、サブマウントの実装時における樹脂製の反射体などに対する熱影響を低減できる。
請求項６記載の発光装置によれば、請求項１ないし５いずれか一記載の発光装置の効果に加えて、発光素子の発光部がサブマウントに実装される実装面側に寄って設けられているため、発光素子の発光部から発生する熱をサブマウント側に効率よく伝達でき、発光素子の温度上昇を低減できる。
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図１ないし図３に第１の実施の形態を示し、図１は発光装置の断面図、図２は発光装置の発光モジュールの正面図、図３は発光装置の正面図である。
図２および図３において、11は照明器具に用いられる発光装置で、この発光装置11は、四角形で薄形に形成された器具本体12を有し、この器具本体12の表面に四角形の開口部13が形成され、この開口部13内に四角形の複数の発光モジュール14がマトリクス状に配列され、これら複数の発光モジュール14によって発光面15が形成されている。
図１に示すように、各発光モジュール14は、発光素子としての固体発光素子であるチップ状の発光ダイオード21を有している。この発光ダイオード21は、図示しない一対の電極および一方の電極が配置される一面に面実装するための実装面22を有し、内部には実装面22と反対側より実装面22側に寄った位置に光を発光する発光部23が設けられている。
複数の発光ダイオード21は、例えば、銅箔を表面に付着させたガラスエポキシ樹脂または窒化アルミニウムなどの高熱伝導性かつ電気的絶縁性を有する材料、あるいはアルミニウムおよびシリコンなどの高熱伝導性かつ導電性を有する材料で形成された基板25の一面である表面の各実装位置26にマトリクス状に配置されて実装されている。
この基板25の実装面には、各発光ダイオード21の各実装位置26を除いて、例えば絶縁性を有する熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂などの接着剤で構成される絶縁層27が形成されている。さらに、この絶縁層27上には、回路パターン28を形成する例えば銅、金およびニッケルなどの導電層29が接着固定されている。
この基板25の実装面の各実装位置26には、発光ダイオード21がサブマウント31を介して実装されている。このサブマウント31は、窒化アルミニウム、ダイヤモンドなどの高熱伝導性かつ電気的絶縁性を有する材料、あるいはアルミニウムおよびシリコンなどの高熱伝導性かつ導電性を有する材料で、発光ダイオード21の実装面22の面積より大きく、面積比で５〜５０倍に形成されている。例えば、発光ダイオード21が０．３ｍｍ角で、サブマウント31は１ｍｍ角に形成されている。そして、サブマウント31が面積比で発光ダイオード21に対して５倍より小さいと、サブマウント31から基板25への十分な熱伝達効果が得られず、また、サブマウント31が面積比で発光ダイオード21に対して５０倍より大きいと、サブマウント31が大き過ぎるために、マトリクス状に配列される発光ダイオード21の間隔を広くとらなければならず、大形になる。
発光ダイオード21は例えば融点が３００℃程度で導電性を有する共晶合金としての低融点合金32によってサブマウント31に直接的に面実装されるとともに発光ダイオード21の一方の電極がサブマウント31に電気的に接続され、サブマウント31は例えば融点が１７０℃程度で導電性を有する導電性ペーストとしての銀ペースト33によって基板25に直接的に面実装されている。低融点合金32には、例えば融点が２８２℃の金と２０％の錫との合金などが用いられる。
発光ダイオード21は接続手段35によって導電層29に接続されている。すなわち、接続手段35では、ワイヤボンディングによる例えば金線のワイヤ36によって導電層29の回路パターン28の一方の接続部28aとサブマウント31とが接続され、同様のワイヤ37によって回路パターン28の他方の接続部28bと発光ダイオード21の他方の電極とが接続されている。
基板25の実装面側には、例えば絶縁性を有する熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂などの接着剤39を介して、例えばガラスエポキシ樹脂、エンジニアリングプラスチック、アルミニウムおよび窒化アルミニウムなどの高熱伝導性を有する材料で形成された反射体40が接着配置されている。この反射体40には、各実装位置26に対応して各発光ダイオード21およびサブマウント31がそれぞれ収容配置される複数の収容部41が開口形成されている。各収容部41は、基板25側に対して反対のレンズ48側つまり表面側の開口径が、基板25側つまり裏面側の開口径より大きく、基板25側からレンズ48側つまり裏面側から表面側へ向けて拡開されており、収容部41内に臨んで傾斜した反射面42が形成されている。反射面42には、例えば白色の酸化チタン、銀、ニッケル、アルミニウムなどの光反射率の高い反射膜43が形成されている。
収容部41には、発光ダイオード21、サブマウント31およびワイヤ36，37を被覆するように可視光変換樹脂層45が充填形成されている。この可視光変換樹脂層45は、発光ダイオード21からの紫外線から青色の励起光をこれら励起光より長波長の可視光に変換する蛍光体などの可視光変換物質を例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂および変性エポキシ樹脂などに分散されて形成されている。
反射体40の表面側には、例えば絶縁性を有する熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂などの接着剤47を介して、例えばポリカーボネートおよびアクリル樹脂などの透光性樹脂で形成されたレンズ48が配置されている。レンズ48は、各発光ダイオード21に対応してレンズ形状に形成されたレンズ部49を有し、各レンズ部49には、収容部41に対向して光が入射する凹状の入射面50が形成され、この入射面50に入射した光を反射させる反射面51、入射面50に入射した光および反射面51で反射する光が出射する出射面52が形成されている。これら複数のレンズ部48の出射面52で発光モジュール14に共通な発光面15が形成されている。
そして、発光ダイオード21を点灯させることにより、発光ダイオード21の光が可視光変換樹脂層45に入射し、この可視光変換樹脂層45に入射した光が反射体40の収容部41からレンズ48の入射面50に直接入射するか、反射体40の反射面51やサブマウント31などで反射して収容部41からレンズ48の入射面50に入射し、レンズ48を通じて出射面52つまり発光面15から出射する。
この発光ダイオード21の点灯時、発光ダイオード21をこの発光ダイオード21より面積が大きく高熱伝導性を有するサブマウント31を介して基板25に実装しているため、発光ダイオード21の熱をサブマウント31に効率よく伝達できるとともにこのサブマウント31から基板25に拡散させて伝達でき、放熱性を向上できる。また、発光ダイオード21の熱をサブマウント31から可視光変換樹脂層45側にも拡散させて伝達でき、レンズ48側からの放熱性も向上できる。
また、発光ダイオード21を低融点合金32によってサブマウント31に実装するため、発光ダイオード21からサブマウント31への熱伝達性を良好にでき、また、サブマウント31の面積を発光ダイオード21より大きくして基板25への熱伝達性を確保することにより、予め発光ダイオード21を実装したサブマウント31を低融点合金32に比べて融点が低い銀ペースト33によって基板25に実装することが可能となるため、サブマウント31の実装時における樹脂製の反射体40、絶縁層27や接着剤39などに対する熱影響を低減できる。
また、サブマウント31で発光ダイオード21の位置を基板25の表面位置より離したレンズ48側に配置できるので、発光ダイオード21の側面などから発光される光をも有効に利用でき、光取出効率を向上できる。
また、発光ダイオード21の発光部23がサブマウント31に実装される実装面22側に寄って設けられているため、発光ダイオード21の発光部23から発生する熱をサブマウント31側に効率よく伝達でき、発光ダイオード21の温度上昇を低減できる。
次に、図４に第２の実施の形態を示し、図４は発光装置11の断面図である。
基板25は、例えば、ガラスエポキシ樹脂、窒化アルミニウムなどの高熱伝導性かつ電気的絶縁性を有する材料で形成された絶縁基板としている。
この基板25の実装面には、絶縁層27が形成されず、回路パターン28を形成する例えば銅、金およびニッケルなどの導電層29が直接形成されている。この導電層29の回路パターン28の一方の接続部28aは実装位置26まで形成され、この一方の接続部28a上に発光ダイオード21がサブマウント31などを介して実装されているとともに発光ダイオード21の一方の電極がサブマウント31などを介して電気的に接続されている。
発光ダイオード21の他方の電極は、接続手段35のワイヤボンディングによる例えば金線のワイヤ37によって回路パターン28の他方の接続部28bに電気的に接続されている。
この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。すなわち、発光ダイオード21の点灯時、発光ダイオード21をこの発光ダイオード21より面積が大きく高熱伝導性を有するサブマウント31および導電層29を介して基板25に実装しているため、発光ダイオード21の熱をサブマウント31に効率よく伝達するとともにこのサブマウント31から導電層29および基板25側に拡散させて伝達することで、放熱性を向上できる。また、発光ダイオード21を低融点合金32によってサブマウント31に実装するため、発光ダイオード21からサブマウント31への熱伝達性を良好にでき、また、サブマウント31の面積を発光ダイオード21より大きくして基板25への熱伝達性を確保することにより、予め発光ダイオード21を実装したサブマウント31を低融点合金32に比べて融点が低い銀ペースト33によって基板25に実装することが可能となるため、サブマウント31の実装時における樹脂製の反射体40、絶縁層27や接着剤39などに対する熱影響を低減できる。
次に、図５に第３の実施の形態を示し、図５は発光装置11の断面図である。
基板25は、例えば、アルミニウムおよびシリコンなどの高熱伝導性かつ導電性を有する材料で形成された導電性基板としている。
この基板25の実装面には、絶縁層27が形成され、この絶縁層27上に、回路パターン28を形成する例えば銅、金およびニッケルなどの導電層29が形成されている。この導電層29の回路パターン28の一方の接続部28aは実装位置26まで形成され、この一方の接続部28a上に発光ダイオード21がサブマウント31などを介して実装されているとともに発光ダイオード21の一方の電極がサブマウント31などを介して電気的に接続されている。
発光ダイオード21の他方の電極は、接続手段35のワイヤボンディングによる例えば金線のワイヤ37によって回路パターン28の他方の接続部28bに電気的に接続されている。
この第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。すなわち、発光ダイオード21の点灯時、発光ダイオード21をこの発光ダイオード21より面積が大きく高熱伝導性を有するサブマウント31、導電層29および絶縁層27を介して基板25に実装しているため、発光ダイオード21の熱をサブマウント31に効率よく伝達するとともにこのサブマウント31から導電層29および絶縁層27を介して基板25側に拡散させて伝達することで、放熱性を向上できる。また、発光ダイオード21を低融点合金32によってサブマウント31に実装するため、発光ダイオード21からサブマウント31への熱伝達性を良好にでき、また、サブマウント31の面積を発光ダイオード21より大きくして基板25への熱伝達性を確保することにより、予め発光ダイオード21を実装したサブマウント31を低融点合金32に比べて融点が低い銀ペースト33によって基板25に実装することが可能となるため、サブマウント31の実装時における樹脂製の反射体40、絶縁層27や接着剤39などに対する熱影響を低減できる。
なお、発光装置11は、複数の発光モジュール14をマトリクス状に配列して構成したが、これら発光モジュール14を一体に形成した１つの発光モジュールで構成してもよい。
本発明の第１の実施の形態を示す発光装置の断面図である。 同上発光装置の発光モジュールの正面図である。 同上発光装置の正面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す発光装置の断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す発光装置の断面図である。
符号の説明
11 発光装置
21 発光素子としての発光ダイオード
22 実装面
23 発光部
25 基板
28a 一方の接続部
28b 他方の接続部
29 導電層
31 サブマウント
32 共晶合金としての低融点合金
33 銀ペースト
35 接続手段
40 反射体
41 収容部
42 反射面
45 可視光変換樹脂層

Claims (6)

  1. 発光素子と；
    発光素子より面積が大きく、発光素子を固定したサブマウントと；
    サブマウントを固定した基板と；
    を具備していることを特徴とする発光装置。
  2. 発光素子と；
    発光素子より面積が大きく設けられ、発光素子が実装されたサブマウントと；
    サブマウントが実装された基板と；
    基板上に少なくともサブマウントの位置を除いて形成された導電層と；
    発光素子と導電層とを接続する接続手段と；
    を具備していることを特徴とする発光装置。
  3. 一対の電極を有する発光素子と；
    発光素子より面積が大きく設けられ、発光素子が実装されるとともに発光素子の一方の電極が接続された導電性を有するサブマウントと；
    サブマウントを実装する基板と；
    一対の接続部を形成して基板上に設けられ、一方の接続部および基板上にサブマウントが接続固定された導電層と；
    発光素子の他方の電極と導電層の他方の接続部とを接続する接続手段と；
    を具備していることを特徴とする発光装置。
  4. 基板上に設けられ、発光素子およびサブマウントを配設する収容部、および収容部の内面に反射面を有する反射体と；
    反射体の収容部に充填された可視光変換樹脂層と；
    を具備していることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の発光装置。
  5. 発光素子は、共晶合金を介してサブマウントに実装され、
    サブマウントは、銀ペーストを介して基板に実装され、
    反射体は、樹脂製である
    ことを特徴とする請求項４記載の発光装置。
  6. 発光素子は、サブマウントに実装される実装面、および実装面側に寄って設けられた発光部を有している
    ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一記載の発光装置。
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