JP2006179894A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】強化された放熱能力をもち、電力リサイクルに適合する発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、基板、少なくとも１つの発光チップ、および、第１の放熱要素を備えている。基板が頂面および底面を有し、接点が頂面に配置されている。基板の頂面に配置された発光チップが接点と接触している。発光チップが、発光層、正電極、および負電極を備えている。発光層が励起されて、正電極と負電極との間に印加された電流によって光が放射される。第１の放熱要素は、発光チップによって生成された熱を発光素子から移動させるために基板の底面に配置され、それによって、発光チップの動作温度を低くできる。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は発光素子に関し、特に、強化された放熱能力および消費電力節約の発光素子に関する。
高い照度、迅速な応答、小容積、少ない汚染物、高信頼性、および、大量生産の利点を持つので、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、照明分野および消費電化製品開発においてますます広く使用されるようになっている。ＬＥＤは、現在、大きな掲示板、交通信号灯、携帯電話、光学読取装置、および、ファクシミリ装置および照明装置用の光源において使用されている。それ故に、発光効率が高くて照度が高いＬＥＤの研究および開発が非常に求められている。
図１を参照すると、従来の発光素子の概略図が図示されている。発光素子１００は、基板１１０、発光チップ１２０、複数の導線１３０、およびカプセル封入１４０からなる。発光チップ１２０は基板１１０の上に配置され、導線１３０を介して基板１１０と電気的に接続されている。カプセル封入１４０は、発光チップ１２０を覆うために、基板１１０の上に配置されている。
長時間動作の後に、または乏しい放熱条件の下での動作の後に、従来の発光チップ１２０の温度は増大される。それに伴って、発光層１２２の内部量子効率と、発光チップ１２０の発光効率とは減少される。しかしながら、発光チップ１２０の照度を持続するために、入力電力を増大させ、それに従って、分散する必要のある多くの熱が逆に生成されなければならない。その結果、発光チップ１２０の温度はいっそう高く上昇し、照度、発光効率、および寿命の減少をもたらす。
従って、本発明の目的は、強化された放熱能力を持つ発光素子を提供することである。
本発明の他の目的は、電力リサイクリングに適合されるような発光素子を提供し、それによって、消費電力を低減することである。
上記および他の目的によれば、本発明は発光素子を提供する。発光素子は、基板、少なくとも１つの発光チップ、および第１の放熱要素を備えている。基板は、複数の接点が配置された頂面と、底面とを有している。発光チップは、接点に接触し、基板の頂面に配置されている。発光チップは、発光層、正電極、および負電極を備えている。発光層が励起されて、正電極と負電極との間に印加される電流によって光が放射可能になる。第１の放熱要素は、基板の底面に配置されている。
発光素子の一態様によれば、基板は、たとえば、プリント回路基板またはシリコン系基板であっても良い。基板は、たとえば、複数の回路層と、少なくとも１つの誘電体層とからなり、それらは交互に互いに積層されている。前述の接点は最上回路層にある。
発光素子の一態様によれば、発光チップは、たとえば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、または青色ＬＥＤチップである。ある態様では、発光チップは、たとえば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、および青色ＬＥＤチップからなるＬＥＤチップであっても良い。
発光素子の一態様によれば、第１の放熱要素は、たとえば、金属パネルを含んでも良い。金属パネルは、たとえば、第１の表面と第２の表面とを有する。金属パネルの第１の表面は、基板の底面と接触している。ある態様では、第１の放熱要素は、たとえば、金属パネルの第２の表面に配置された複数のフィンをさらに含んでいる。金属パネルは、たとえば、銀、銅、またはアルミニウムからなる。前述のフィンは、たとえば、銀、銅、またはアルミニウムからなる。
本発明の一態様によれば、発光素子は、たとえば、基板の底面と第１の放熱要素との間に配置された第２の放熱要素を含んでいる。第２の放熱要素は、たとえば、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなる。ある態様では、第２の放熱要素は、たとえば、発光素子の基板内に配置されても良い。第２の放熱は、たとえば、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなる。第２の放熱は、第１の放熱に接触している。
発明の一態様によれば、発光素子は、たとえば、複数の導線とカプセル封入とをさらに含んでいる。発光チップの正電極と負電極とは、導線を介して基板の接点に接続されている。ある態様では、発光チップは、たとえば、複数のバンプをさらに含み、そのバンプによって発光チップの正電極と負電極とが基板の接点に接続される。
本発明は、基板、少なくとも１つの発光チップ、熱電変換器、および、第１の放熱要素を備えた発光素子を提供する。基板は、複数の接点が配置された頂面と、底面とを有する。発光チップは、基板の頂面に配置され、接点と接触している。発光チップは、発光層、正電極、および負電極を備えている。発光層が励起されて、正電極と負電極との間に印加された電流によって光が放射可能となる。熱電変換器は、基板の底面に配置され、発光チップによって生成された熱を吸収しその熱を電力に移すように適合されている。それから、電力は基板電極を介して発光チップに出力される。第１の放熱要素は、熱電変換器の底面に配置されている。
発光素子の一態様によれば、基板は、たとえば、プリント回路基板またはシリコン系基板であっても良い。基板は、たとえば、複数の回路層と少なくとも１つの誘電体層とからなり、それらは交互に互いに積層されている。前述の接点は最上回路層にある。
発光素子の一態様によれば、発光チップは、たとえば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、または青色ＬＥＤチップである。ある態様では、発光チップは、たとえば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、および青色ＬＥＤチップからなるＬＥＤチップである。
発光素子の一態様によれば、第１の放熱要素は、たとえば、金属パネルを含んでいる。金属パネルは、たとえば、第１の表面および第２の表面を有している。金属パネルの第１の表面は、熱電変換器の底面と接触している。ある態様では、第１の放熱要素は、たとえば、金属パネルの第２の表面に配置された複数のフィンをさらに含んでいる。金属パネルは、たとえば、銀、銅、またはアルミニウムからなる。前述のフィンは、たとえば、銀、銅、またはアルミニウムからなる。
本発明の一態様によれば、発光素子は、たとえば、熱電変換器の底面と第１の放熱要素との間に配置された第２の放熱要素を含んでいる。第２の放熱要素は、たとえば、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなる。
発明の一態様によれば、発光素子は、たとえば、複数の導線とカプセル封入とをさらに含んでいる。発光チップの正電極と負電極とは、導線を介して基板の接点に接続されている。ある態様では、発光チップは、たとえば、複数のバンプをさらに含み、そのようなバンプによって発光チップの正電極と負電極とが基板の接点に接続される。
発明の一態様によれば、熱電変換器は、たとえば、テルル化ビスマス、テルル化鉛、またはシリコンゲルマニウム合金からなる。
要するに、本発明による発光素子は、発光チップにより生成された熱を発光素子から排出する第１の放熱要素を利用して、より低い動作温度で発光チップを維持するとともに発光層の発光効率を向上させる。発光素子は、基板の底面に配置された熱電変換器をさらに含むことも可能である。熱電変換器は、発光チップから熱を吸収するとともにその熱を電力に変換するように適合されている。それから、電力は、基板の接点を介して発光チップに出力される。従って、発光素子は、消費された電力をリサイクルでき、排出された電力の損失をなくすことができる。
新規な本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲における事項を使って詳述される。本発明は、その目的および利点とともに、添付図面と併せて理解される以下の記述を参照することによって、最も良く理解可能であり、その図面では類似の符号は図において類似の要素として扱っている。
（実施の形態１）
図２ａを参照すると、本発明に係る第１の実施の形態による（ワイヤボンディングタイプの）発光素子が図示されている。発光素子２００ａは、基板２１０、少なくとも１つの発光チップ２２０、および第１の放熱要素２３０を備えている。基板２１０は、複数の接点２１６が配置された頂面２１２と、底面２１４とを有している。本実施の形態では、基板２１０は、たとえば、プリント回路基板、または、交互に互いに積層された複数の回路層と少なくとも１つの誘電体層とからなる回路基板であっても良い。接点２１６は、基板２１０の（不図示の）最上回路層に配置されている。
上述の発光チップ２２０は、接点２１６と接触し、基板２１０の頂面２１２の上に配置されている。発光チップ２２０は、発光層２２２、正電極２２４、および負電極２２６を備えている。発光層２２２が励起されて、正電極２２４と負電極２２６との間で印加された電流によって光が放射可能となっている。この実施の形態では、発光チップ２２０は、たとえば、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、または青色ＬＥＤチップである。また、発光チップは、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、および青色ＬＥＤチップからなるＬＥＤチップ、またはそれらのうちの２つからなるＬＥＤチップであっても良い。
発光素子２００ａは、たとえば、複数の導線２５０とカプセル封入２６０とをさらに備えている。発光チップ２２０の正電極２２４および負電極２２６は、導線２５０を介して基板２１０の接点２６０に接続されている。導線２５０は、銀、銅、または他の電気的な導電性材料からなる。さらに、カプセル封入２６０が、発光チップ２２０および導線２５０を覆うために基板２１０の上に配置されている。
なお、発光チップ２２０の動作温度を低くするために、発光素子２００ａは放熱要素２３０をさらに備えている。放熱要素２３０は、基板２１０の底面２１４に配置されている。放熱要素２３０は、たとえば、金属パネル２３２を備えている。金属パネル２３２は、たとえば、第１の表面２３２ａと第２の表面２３２ｂとを有している。金属パネル２３２の第１の表面２３２ａは、基板２１０の底面２１４と接触している。この実施の形態では、第１の放熱要素２３０は、たとえば、金属パネル２３２の第２の表面２３２ｂに配置された複数のフィン２３４をさらに含んでいる。より良い放熱効果を得るために、金属パネル２３２は、たとえば、銀、銅、またはアルミニウムからなる。また、金属パネル２３２の第２の表面２３２ｂの上の前述のフィン２３４は、たとえば、銀、銅、またはアルミニウムからなる。
図２ｂを参照すると、第１の実施の形態による（ワイヤボンディングタイプの）他の発光素子が図示されている。発光チップ２２０により生成された熱を素早く排出させるために、発光素子２００ｂは、基板２１０の底面２１４と第１の放熱要素２３０との間に配置された第２の放熱要素２４０をさらに備えている。この実施の形態では、第２の放熱要素２４０は、たとえば、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなる。第２の放熱要素２４０のマイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルは、平行線または放射状線の形状で配置されても良い。熱伝導率を向上させるために、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルが、単層流（気相または液相）または二重層流（気相および液相）を利用しても良い。この実施の形態では、第２の放熱要素２４０が、たとえば、銅、アルミニウム、銀、またはシリコンからなる。なお、本実施の形態の他の態様によれば、前述の第２の放熱要素２４０は、基板２１０内に配置されても良い。さらに、基板２１０内の第２の放熱要素２４０は第１の放熱要素２３０と接触している。
動作では、発光素子２００ｂの発光チップ２２０によって生成された熱が、発光チップ２２０の下の基板２１０に最初に伝導される。基板２１０は、吸収された熱を、発光チップ２２０によって生成された熱を発光素子２００ｂから排出するための第２の放熱要素２４０および第１の放熱要素２３０に順々に移動させ、それによって、発光チップ２２０の動作温度を低下させる。従って、発光層２２２の発光効率を向上できる。なお、第１の放熱要素２３０と第２の放熱要素２４０とは、ワイヤボンディングタイプの発光チップ２２０の中で適用されるように限定されていない。また、それらは、第２の実施の形態においてウエハボンディングタイプの発光チップ、または第３の実施の形態においてフリップチップボンディングタイプの発光チップの中でも適用可能である。
（実施の形態２）
図３を参照すると、本発明の第２の実施の形態によるウエハボンディングタイプの発光素子が図示されている。なお、第２の実施の形態で設けられた放熱要素は、第１の実施の形態で設けられた放熱要素と構造の点で類似またはそれと等価である。従って、第２の実施の形態での放熱要素の構造は再び説明されず、第１の実施の形態での放熱要素の符号は第２の実施の形態で使用され続ける。
発光素子２２０ｃは、基板２１０、少なくとも１つの発光チップ２２０、第１の放熱要素２３０、第２の放熱要素２４０、少なくとも１つの導線２５０、およびカプセル封入２６０を備えている。基板２１０は、少なくとも１つの接点２１６が配置された頂面２１２と、底面２１４とを有している。この実施の形態では、基板２１０は、たとえば、シリコン基板であっても良い。発光チップ２２０は、接点２１６と接触しており、基板２１０の頂面２１２の上に配置されている。発光チップ２２０は発光層２２２および電極２２８を備えている。発光層２２２が励起されて、電極２２８の上に印加された電流によって光が放射可能となる。さらに、発光チップ２２０の電極２２８は、導線２５０を介して基板２１０の接点２６０に接続されている。カプセル封入２６０は、発光チップ２２０および導線２５０を覆うために基板２１０の上に配置されている。
動作では、本発明による放熱構造（放熱要素２３０，２４０）は、発光素子２００ｃの発光チップ２２０によって生成される熱を排出し、それによって、発光チップ２２０の動作温度を低下させる。従って、発光層２２２の発光効率を向上できる。
（実施の形態３）
図４を参照すると、本発明の第３の実施の形態によるフリップチップボンディングタイプの発光素子が図示されている。第３の実施の形態における発光素子の構造は、第１の実施の形態とほぼ類似しており、従って、それらの間の相違のみがここでは記述される。第３の実施の形態では、発光素子２２０ｄは、たとえば、複数のバンプ２７０をさらに備えており、それらによって発光チップ２２０の正電極２２４と負電極２２６とが基板２１０の接点２６０に接続される。
動作では、発光素子２２０ｂの発光チップ２２０によって生成された熱が、バンプ２７０を介して発光チップ２２０の下の基板２１０に最初に伝導される。基板２１０は、吸収された熱を、発光チップ２２０によって生成された熱を発光素子２００ｄから排出するための第２の放熱要素２４０および第１の放熱射要素２３０に順々に移動させ、それによって発光チップ２２０の動作温度を低下させる。従って、発光層２２２の発光効率を向上できる。
上述によれば、発光チップは動作中に熱を生成する。発光チップによって生成される熱をリサイクルするために、本発明による発光素子は、火力を電力に変換するように適合された要素をさらに備えている。図５ａを参照すると、ワイヤボンディングタイプの発光素子が図示されている。発光素子２２０は熱電変換器２８０を備えている。なお、熱電変換器２８０は、ワイヤボンディングタイプの発光チップ２２０の中で適用されることに限定されない。また、それは、ウエハボンディングタイプまたはフィリップチップボンディングタイプの発光チップの中で適用可能でもある。本発明では、ワイヤボンディングタイプの発光チップ２２０が図示用に使用されている。
なお、第３の実施の形態は、第１の実施の形態と構造上類似しており、それらの間の一般的な相違だけがここでは記述される。発光素子２００ｅは、基板２１０、少なくとも１つの発光チップ２２０、熱電変換器２８０、および第１の放熱要素２３０を備えている。熱電変換器２８０は、基板２１０の底面２１４と第１の放熱要素２３０との間に配置されており、発光チップ２２０によって生成された熱を吸収するとともにその熱を電力に移すように適合されている。それから、電力は、基板２１０の電極を介して発光チップ２２０に出力される。この実施の形態では、熱電変換器は、たとえば、テルル化ビスマス、テルル化鉛、またはシリコンゲルマニウム合金からなる。なお、前述の熱電変換器２８０は、基板２１０の底面２１４と第１の放熱要素２３０との間に配置されていることに限定されるべきではない。また、それは、基板２１０の中に配置されても良く、その配置においては基板２１０内の熱電変換器２８０が第１の放熱要素２３０と接触していても良い。
発光チップ２２０によって生成された熱が、前述の熱電変換器２８０によって電力に変換可能になる。しかしながら、そのことは、発光素子２００ｅの動作温度が結果的に減少することを意味しない。従って、第１の放熱要素２３０は、発光チップ２２０によって生成された熱を発光素子２００ｅから排出するために熱電変換器２８０の底面２８２に配置され得る。
図５ｂを参照すると、ワイヤボンディングタイプの他の発光素子２００ｆが図示されている。発光素子は、本発明による熱電変換器を有している。発光チップ２２０によって生成された熱を素早く排出させるためには、発光素子２００ｆは、熱電変換器の底面２８２と第１の放熱要素２３０との間に配置される第２の放熱要素２４０をさらに備えている。この実施の形態では、第２の放熱要素２４０は、たとえば、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなる。第２の放熱要素２４０のマイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルは、平行線または放射状線の形状に配置可能である。なお、本発明は、ワイヤボンディングタイプの発光チップ２２０に限定されない。また、それは、ワイヤボンディングタイプまたはフィリップチップボンディングタイプの他の発光チップであっても良い。
動作では、発光素子２００ｆの発光チップ２２０によって生成された熱が、発光チップ２２０の下の基板２１０に最初に伝導される。基板２１０は、吸収された熱を、基板２１０の下の熱電要素２８０に移動させる。熱電変換器２８０は、その熱を電力に変換し、基板２１０の電極を介して発光チップ２１０に電力を出力する。
他方、吸収された熱は、発光素子２００ｆから第２の放熱要素２４０と第１の放熱要素２３０とによって順々に排出される。この実施の形態では、発光素子２００ｆは、発光チップ２２０の動作温度を低下できる。従って、発光層２２２の発光効率を向上できる。
要約すれば、本発明による発光素子は、発光チップによって生成された熱を発光素子から排出するために第１の放熱要素と第２の放熱要素とを備えている。従って、発光チップの動作温度を低下でき、発光層の発光効率を向上できる。その上、発光素子は、基板の底面に配置される熱電変換器をさらに備えていても良い。熱電変換器は、発光チップから吸収された熱を電力に変換するとともにその電力を発光チップに戻して出力するように適合されている。それ故に、発光素子は、消費電力をリサイクルし、排出される電力の損失をなくすことができる。
なお、発明における特定の実施の形態および例は、説明の目的のためにここでは記載されており、本発明の上述の好適な実施の形態の変形および変更が特定の要件を満たすようになされ得ることを当業者が理解するように、様々な等価な変形が発明の範囲内で可能である。このような開示は、発明の範囲を限定せずに発明を例示しようとされるものである。好適な実施の形態において記述された発明を組み込む全ての変形例は、付記された請求項の範囲内、または請求項となる資格のある等価物の範囲内にあるように解釈されるものである。
従来の発光素子の概略図である。 本発明の第１の実施の形態によるワイヤボンディングタイプの発光素子の概略図である。 本発明の第１の実施の形態によるワイヤボンディングタイプの他の発光素子の概略図である。 本発明の第２の実施の形態によるウエハボンディングタイプの発光素子の概略図である。 本発明の第３の実施の形態によるフリップチップボンディングタイプの発光素子の概略図である。 本発明による熱電変換器付きの（ワイヤボンディングタイプの）発光素子の概略図である。 本発明による熱電変換器付きの（ワイヤボンディングタイプの）他の発光素子の概略図である。

Claims (20)

  1. 発光素子であって、
    頂面および底面を有する基板と、前記頂面に配置された複数の接点と、
    前記基板の頂面に配置され前記接点に接触し、発光層と正電極と負電極とを備えており、前記発光層が励起されて前記正電極と前記負電極との間に印加された電流によって光が放射されるようにした少なくとも１つ発光チップと、
    前記基板の底面に配置された第１の放熱要素とを有することを特徴とする発光素子。
  2. 前記基板がプリント回路基板またはシリコン系基板であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  3. 前記第１の放熱要素が金属パネルからなり、前記金属パネルが第１の表面および第２の表面を有し、前記金属パネルの第１の表面が前記基板の底面と接触していることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  4. 前記第１の放熱要素が、前記金属パネルの第２の表面に配置された複数のフィンからなることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
  5. 前記基板の底面と前記第１の放熱要素との間に配置された第２の放熱要素をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  6. 前記第２の放熱要素が、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
  7. 前記第２の放熱要素が、銅、アルミニウム、銀、またはシリコンからなることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
  8. 前記基板に配置された第２の放熱要素をさらに備え、前記第２の放熱要素が、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなり、前記第１の放熱要素と接触していることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  9. 複数の導線およびカプセル封入をさらに備え、前記発光チップの正電極および負電極が前記導線を介して前記基板の接点に接続されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  10. 複数のバンプをさらに備え、前記バンプによって前記発光チップの正電極および負電極が前記基板の接点に接続されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  11. 発光素子であって、
    複数の接点が配置された頂面と底面とを有する基板と、
    前記基板の頂面に配置され前記基板の接点と接触しており、発光層と正電極と負電極とを備えており、前記発光層が励起されて前記正電極と前記負電極との間に印加された電流により光が放射されるようにした少なくとも１つの発光チップと、
    前記基板の底面に配置され、前記発光チップによって生成された熱を吸収するとともにその熱を電力に移すように適合された熱電変換器と、
    前記熱電変換器の底面に配置された第１の放熱要素とを有することを特徴とする発光素子。
  12. 前記基板が、プリント回路基板またはシリコン系基板であることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
  13. 前記第１の放熱要素が金属パネルからなり、前記金属パネルが第１の表面および第２の表面を有し、前記金属パネルの第１の表面が前記基板の底面に接触していることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
  14. 前記第１の放熱要素が、前記金属パネルの第２の表面に配置された複数のフィンからなることを特徴とする請求項１３記載の発光素子。
  15. 前記基板の底面と前記第１の放熱要素との間に配置された第２の放熱要素をさらに備えていることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
  16. 前記第２の放熱要素が、マイクロヒートパイプまたはマイクロチャンネルからなることを特徴とする請求項１５記載の発光素子。
  17. 前記第２の放熱要素が、銅、アルミニウム、銀、またはシリコンからなることを特徴とする請求項１５記載の発光素子。
  18. 複数の導線およびカプセル封入をさらに備えており、前記発光チップの前記正電極と前記負電極とが前記導線を介して前記基板の接点に接続されていることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
  19. 複数のバンプをさらに備え、前記バンプによって前記発光チップの前記正電極と前記負電極とが前記基板の接点に接続されていることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
  20. 前記熱電変換器が、テルル化ビスマス、テルル化鉛、またはシリコンゲルマニウム合金からなることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
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