JP2006210677A - Ｌｅｄ用ヒートブロックおよびそれを使用したｌｅｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のリードフレームによるＬＥＤ装置は、折り曲げ成形などが複雑なリードフレームをプレス成型するための金型および樹脂を成型するための金型が必要なため費用がかさむというばかりではなく、大容量の放熱が問題であり、また成型樹脂の表面に膜厚が均一な金属めっきを施すことが困難であるため反射効率が低下するという問題があった。
【解決手段】上記の課題を解決するため、熱伝導体積の大きい金属ブロックでチップ搭載部と反射枠とを一体に形成してあるため、この反射枠も発熱や発光による熱放散が良好となりＬＥＤ部品の輝度劣化を防止できる。さらに、ＬＥＤ用ヒートブロックの表面の粗さも均一に平滑にすることができるから反射効率と放熱効率を向上させたＬＥＤ装置を供給することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、実装されるＬＥＤチップの放熱性と反射効率を向上させたＬＥＤ用放熱板兼反射板からなるＬＥＤ用ヒートブロックおよびそれを使用したＬＥＤ装置に関するものである。

近年、高輝度化したＬＥＤチップが開発され、これまでの携帯電話機等のテンキー照明やスポット的な照明に使用されるばかりではなく、電気スタンド等の比較的広範囲の照明用として使用され始めてきており、より高い放熱性が要求されるようになっている。
従来のＬＥＤ装置は、絶縁基板に貫通孔を形成し、貫通孔の一方側の開口を金属板で覆い、貫通孔の壁面および金属板の表面ならびに絶縁基板の表面にめっきによって金属膜を形成し、金属板上にＬＥＤチップを実装し、ワイヤボンディングでＬＥＤチップと絶縁基板上の金属膜との間を電気的に接続したものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、図６に示すように、金属薄板によって形成したリードフレームに樹脂成形を施し、リードフレーム上にＬＥＤチップを実装した構造のＬＥＤ装置もある。すなわち、成形樹脂１００にすり鉢状の凹部１０１を設け、この凹部１０１の底部にリードフレーム１０２を埋設し、このリードフレーム１０２上にＬＥＤチップ１０３を搭載し、このＬＥＤチップ１０３とリードフレーム１０２の端子部１０４とを金属細線によってワイヤボンディング接続をしたものである。
なお、上述した従来技術のうち後者については、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。また、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特許第３１３７８２３号公報（段落「００２７」ないし「００３７」）。

上述した従来のＬＥＤ装置のうち前者の場合には、貫通穴の壁面の金属膜をめっきによって形成しているため、金属膜の膜厚を厚くするには自ずと限界があり、このため放熱性を向上させることができないという問題があった。
また、後者の場合には、リードフレーム１０２によって放熱性は向上するが大容量の熱放散が必要となる場合、さらにリードフレーム１０２を厚くすることになり成形精度が悪くなる。 及び折り曲げ成形で複雑なリードフレーム１０２を成型するための金型および樹脂を成型するための金型が必要なため費用がかさむというばかりではなく、成型樹脂１００の表面に膜厚が均一な金属めっきを施すことが困難であるため反射効率が低下するという問題があった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、新規のヒートブロック状のチップ搭載部を形成し、ＬＥＤ装置の放熱性の向上と反射効率の向上を図るとともに製造コストの低減を図ることにある。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ＬＥＤチップが搭載される放熱性の高い柱状ブロック上のチップ搭載部と、前記のブロック上のチップ搭載部を囲む周囲に枠状に形成した反射枠と、この柱状ブロックの上端外部または下端外周に連結する鍔とからなり、このブロック上のチップ搭載部と反射枠と鍔とを金属ブロックや金属板によって一体に形成し、平らな放熱用のＬＥＤチップ搭載部と、このＬＥＤチップ搭載部から表面外部に向かって傾斜した反射枠（反射部）とからなる陥没空間を形成した反射効率と放熱性効率の高い柱状のＬＥＤ用ヒートブロックである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記の陥没空間をＬＥＤチップ搭載部から上端外部に拡がる裁頭円錐台状に形成したＬＥＤ用ヒートブロックである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載のＬＥＤ用ヒートブロックを使用したＬＥＤ用ヒートブロックにおいて、
塑性加工によって放熱性の高いＬＥＤ用ヒートブロック上のＬＥＤチップ搭載部と、このＬＥＤチップ搭載部から表面外部に向かって傾斜した反射効率の高い反射枠（反射部）とからなる陥没した空間が形成されたＬＥＤ用ヒートブロックと、このＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴とＬＥＤチップを電気的に接続する端子部とが設けられたプリント配線板を備え、前記ヒートブロックを前記プリント配線板の貫通穴に嵌入させ、前記のＬＥＤ用ヒートブロック上のＬＥＤチップ搭載部に搭載したＬＥＤチップと前記プリント配線板の端子部とを電気的に接続した放熱性効率と反射効率の高いＬＥＤ装置である。

本発明によれば、金属の塊（金属製ブロック）となっているＬＥＤ用ヒートブロックによって形成した熱伝導体積（熱伝導容量）の大きい放熱ブロック上のＬＥＤチップ搭載部にＬＥＤチップを搭載するため放熱性が従来技術で公知となっている金属薄板状の配線板や金属板リードフレームに比較し大幅に向上する。

また、熱伝導体積の大きい金属ブロックでチップ搭載部と反射枠（反射部）とを一体に形成してあるため、この反射枠（反射板）も発熱や発光による熱放散が良好となりＬＥＤ部品の輝度劣化を防止できる。さらに、ＬＥＤ用ヒートブロックの表面の粗さも均一に平滑にすることができるから、この反射枠（反射板）内面上に形成する貴金属めっきやアルミ蒸着等の鏡面効果によって反射効率を向上させることができる。
また、ヒートブロックを成形するための金型のみを用意すればよいから、金型にかかるコストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係るＬＥＤ用放熱板兼反射板であるヒートブロックの全体を示す外観斜視図、図２は同じくＬＥＤ用ヒートブロックの断面図、図３は本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴が設けられたプリント配線板を説明するための断面図、図４は本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させた状態を説明するための断面図、図５は本発明に係るＬＥＤ装置を示す断面図である。

図１に全体を符号１で示すものは円柱状のＬＥＤ用ヒートブロックであって、ＬＥＤチップが搭載されるチップ搭載部（ランド）２と、ＬＥＤチップ搭載部を囲む枠状に形成した反射枠３と、この反射枠３の上端外部に連結する鍔４と、前記のＬＥＤ用ヒートブロック１の柱状外部に連結固定する縦状突起５とによって構成されている。

このＬＥＤ用ヒートブロック１は１枚のアルミ、黄銅、銅、Ｎｉ、Ｆｅ、ステンレスなどからなる厚板（厚みが０．５〜２．０ｍｍ）の金属板を打ち抜き加工や絞り加工によって形成することにより、上記チップ搭載部２と、このＬＥＤチップ搭載部２を囲む枠状に形成した反射枠（反射板）３と、この反射枠３の上端外部に連結する鍔４と、前記柱状ブロックであるヒートブロック１の柱状外部に連結固定する縦状突起５とが１枚の金属板や金属の塊（ブロック）によって一体に形成される。

また、ＬＥＤ用ヒートブロック１は円柱や角柱などの金属の塊（ブロック）からプレス等の塑性加工によってＬＥＤ用ヒートブロック１を成形加工しても良い。
つまり、このＬＥＤ用ヒートブロック１はチップ搭載部２と反射枠３と鍔４と縦状突起５とを金属ブロックや金属板の金属材料から一体の金属の塊（ブロック）として形成したものである。

本発明の一例として、Φ５．０の銅円柱から金型で絞り加工して図２の断面図で示すようなＬＥＤ用ヒートブロック１を成形した。図２の断面図で示すＬＥＤチップが搭載されるチップ搭載部２ランドは、金型によるプレス絞り加工によって凹型に陥没している底面が平らなＬＥＤチップ搭載部２であり、この陥没しているＬＥＤチップ搭載部２から上部表面に向かって拡がって傾斜した（傾斜角度６０度）反射枠３と、この反射枠３の上端外部に設けた鍔４とからなる裁頭円錐台状を呈する空間１０が陥没して設けられている。

なお、ヒートブロック１の柱状外部に連結固定する縦状突起５は裁頭円錐台状の円錐形とし、上端外部に設けた鍔４に近接している方を大きくしたテーパーの縦状突起物５とし４〜８個の複数個を連結付加させた。さらに、反射枠３はリフレクターとするものであり上部表面に向かって拡がっている傾斜角度は４５度〜７５度とし、内面に反射効率の良いめっきを施した反射板とする。

また、図２の断面図で示すＬＥＤチップ搭載部２から上部外部表面に拡がる陥没空間１０を裁頭円錐台状に形成したＬＥＤ用ヒートブロック１の反射部は、テーパー形状の他に放物線形状や段付きテーパー形状として反射効率の高いＬＥＤ装置とすることも可能である。

この凹型に陥没している空間１０の高さ（鍔４の上面からＬＥＤ用ヒートブロックのＬＥＤチップ搭載部２までの高さ）Ｔ１は０．８ｍｍとした。また、ＬＥＤ用ヒートブロック１の全体厚みＴ２は１．２ｍｍとし、このＴ２はプリント配線板の厚みとほぼ同一、又は厚くなるように形成されていることが良い。また、平坦なＬＥＤチップ搭載部２の底面形状は円形、長円形、角形などとし、底面サイズも深さも搭載するＬＥＤチップによって決まる。本例ではΦ１．０の円形とした。
なお、ＬＥＤ用ヒートブロック１の製造方法としては、上述したように打ち抜き加工をした後に絞り加工をするようにしたが、絞り加工をしてから打ち抜き加工をするようにしてもよいし、絞り加工と打ち抜き加工とを同時にするようにしてもよい。

このように金属ブロックの表面の粗さも均一に平滑に形成したＬＥＤ用ヒートブロック１の平坦な反射枠３の内面にニッケルめっきによる下地めっきを行い、その上に金、銀めっきの貴金属めっきを行う。また、アルミ蒸着や白色系めっきで反射面処理をしても良い。
この場合、金属ブロックによって形成された反射枠３の表面にめっきを行うため、この金属ブロック表面に形成された下地めっきとしてのニッケルめっきの膜厚が全体にわたって均一に形成される。このため、このニッケルめっき上に形成される金、銀、またはアルミめっきの表面が全体にわたって粗さ（凹凸）が極めて少ない鏡面状に形成されるため、この反射枠３の表面の反射効率を向上させることができる。

また、図７で示す本発明に係る第２のＬＥＤ用ヒートブロックについて説明する。
つまり、ＬＥＤ用ヒートブロック１の鍔４をＬＥＤチップ搭載部２の下部にあるヒートブロックの下端外周に連結して設け、ヒートブロック１の柱状外部に連結固定する縦状突起５は裁頭円錐台状の円錐形とし、下端外周に設けた鍔４に近接している方を大きくしたテーパー形状となる縦状突起物５を形成したものである。この第２のＬＥＤ用ヒートブロックはプリント配線板の貫通穴に下方面から嵌入させるものである。

次に、図３を用いて本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴１２が設けられたプリント配線板１１を説明する。
なお、同図においては、説明の便宜上、１個のＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴１２が設けられたプリント配線板のみを図示しているが、実際はＬＥＤ用のプリント配線板はマトリックス状に複数個の貫通穴が配置されている。
プリント配線板１１の所定箇所にドリルによって、貫通穴１２が設けられ、このプリント配線板１１の両面に所定の回路導体１７，１７を形成し、ＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴１２の上端周辺には前記ＬＥＤ用ヒートブロック１の反射枠３の表面に設けた鍔４を固定する導体パターン１４，１４を形成し、所定の回路導体１７，１７の必要な箇所にはＬＥＤチップと電気的に接続するワイヤーボンディング用端子部１６，１６を複数設けたプリント配線板１１である。

また、電気的に接続するワイヤーボンディング用端子部１６，１６やはんだ接続用ランド以外の配線用の回路導体１７，１７はソルダーレジスト１８で被覆することが良好である。
次いで、電気的に接続するワイヤーボンディング接続用端子部１６，１６やはんだ接続用ランド上にニッケルと金または銀による貴金属めっきを行いプリント配線板１１を形成する。なお、上記の貫通穴１２は穴内壁にめっき膜を形成しためっきスルーホールでもめっき膜のない非めっきスルーホールのどちらでも良い。

次に、図４を用いて、上記のように形成したプリント配線板１１と前述したＬＥＤ用ヒートブロック１とによってＬＥＤ装置を製造する方法について説明する。
同図において、プリント配線板１１のＬＥＤ用ヒートブロック１を嵌入させる図３で記載説明した貫通穴１２の上端周辺に設けた前記ＬＥＤ用ヒートブロック１の鍔４を固定する導体パターン１４，１４上にクリームはんだを塗布する。
しかる後、プリント配線板１１の該貫通穴１２にＬＥＤ用ヒートブロック１の反射枠３の表面に設けた鍔４の下端まで嵌入させた状態で、プリント配線板１１の該貫通穴１２にＬＥＤ用ヒートブロック１を載置し固定する。
なお、ＬＥＤ用ヒートブロック１の全体厚みＴ２をプリント配線板の厚みより厚くなるように形成し、ＬＥＤ用ヒートブロックのチップ搭載部の下部にある放熱ブロックの下端面が配線用の回路導体１７，１７より高くはみだすようにしても良い。

この状態で、プリント配線板１１とＬＥＤ用ヒートブロック１とを加熱炉内で加熱することにより、クリームはんだを再溶融させ、プリント配線板１１の導体パターン１４，１４上にＬＥＤ用ヒートブロック１の鍔４を接合し、同図に示すように、ＬＥＤ用ヒートブロック１をプリント配線板１１の貫通穴１２に嵌入させて接合する。また、ＬＥＤ用ヒートブロック１とプリント配線板１１の導体パターン１４，１４との電気的な接続が必要ない場合はクリームはんだを使用せず、接着剤や超音波溶接、レーザー溶接などで固定することもできる。

なお、ヒートブロック１の円柱上端外部に連結固定する縦状突起５は裁頭円錐台状の上端外部に設けた鍔４に近接している方を大きくしたテーパー形状であり、プリント配線板１１の貫通穴１２にヒートブロック１を嵌入（圧入）する際のガイド（くさびの役目）となり鍔４まで圧入するから嵌入位置が一定となり仮固定状態を安定させる。

次に図８で示す本発明に係る第２のＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入した状態を説明する。
前記の図７に示す本発明に係る第２のＬＥＤ用ヒートブロックをプリント配線板１１の該貫通穴１２に下方面から嵌入させるものである。つまり、プリント配線板１１の貫通穴１２周辺の下面にある導体パターン１４，１４上にＬＥＤ用ヒートブロック１の鍔４を接合し、同図に示すように、ＬＥＤ用ヒートブロック１をプリント配線板１１の貫通穴１２に下方面から嵌入させて接合する。従って、ＬＥＤ用ヒートブロックのチップ搭載部の下部にある放熱ブロックの下端面はプリント配線板１１の下面にある導体パターン１４，１４や配線用の回路導体１７，１７より下部表面に高く形成される。このＬＥＤ用ヒートブロック下部にある放熱ブロックの下端面に部品ケースの筐体を接触したり接続させることができる。

次いで、図５に示すように、このＬＥＤ用ヒートブロック１はチップ搭載部２上にＬＥＤチップ２２をダイボンディングによって載置し、ＬＥＤチップ２２の端子と金属細線２３をプリント配線板１１のワイヤーボンディング用端子部１６にワイヤーボンディング接続によって電気的に接続するものである。（本図では＋端子．−端子ともワイヤーボンディング接続とした）
同図に示すように、ＬＥＤ用ヒートブロック１のチップ搭載部２とＬＥＤチップ２２とプリント配線板１１の端子部１６とを発光光線を透過させる透明なモールド樹脂や発光色を白色光に変換させる白色変換モールド樹脂などの１次モールド樹脂２４によって樹脂封止して１個単位としたＬＥＤ装置３０を形成する。なお、上記の１次モールド樹脂２４を硬化させた後、前記１次モールド樹脂２４の上面を被覆するように発光光線を集光または分光させるレンズモールド樹脂となる透明な２次モールド樹脂２５を凸型曲面状に被せると輝度向上が図られる。

このＬＥＤ装置３０のＬＥＤ用ヒートブロック１の下面底部にＬＥＤ部品の筐体となる別途ヒートシンク筐体を取り付けることにより、ＬＥＤチップ２２からの発熱は、ＬＥＤ用ヒートブロック１からヒートシンクを介してＬＥＤ装置３０の外部に放出される。このとき、ＬＥＤチップ２２が搭載されているＬＥＤ用ヒートブロック１が金属ブロックによって形成されているため、ヒートブロックの厚みを所定の厚さ以上でかつ均一に形成することができるから放熱性がさらに向上する。

本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックの全体を示す外観斜視図である。 本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックの断面図である。 本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴が設けられたプリント配線板を説明するための断面図である。 本発明に係るＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入した状態を説明するための断面図。 本発明に係るＬＥＤ装置を示す断面図である。 従来のＬＥＤ装置の断面図である。 本発明に係る第２のＬＥＤ用ヒートブロックの断面図である。 本発明に係る第２のＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入した状態を説明する断面図。

符号の説明

１…ヒートブロック、２…チップ搭載部、３…ＬＥＤ用反射枠、４…鍔、５…縦状突起、
１０…空間、１１…プリント配線板、１２…貫通穴、１４…導体パターン、１６…端子部、
１７…回路導体、１８…ソルダーレジスト、２２…ＬＥＤチップ、２３…金属細線、
２４…１次モールド樹脂、２５…２次モールド樹脂、３０…ＬＥＤ装置。

Claims (3)

1. ＬＥＤチップが搭載される金属製ブロック上のチップ搭載部と、前記のブロック上のチップ搭載部を囲む枠状に形成した反射枠と、前記金属製ブロックに連結する鍔とからなり、このブロック上のチップ搭載部と反射枠と鍔とを金属ブロックや金属板によって一体に形成した放熱効果の高いＬＥＤチップ搭載部と、このＬＥＤチップ搭載部から表面外部に向かって傾斜した反射枠とからなる陥没空間を形成したことを特徴とするＬＥＤ用ヒートブロック。
2. 請求項１記載のＬＥＤ用ヒートブロックにおいて、前記の陥没空間をＬＥＤチップ搭載部から上端外部に拡がる裁頭円錐台状に形成したことを特徴とするＬＥＤ用ヒートブロック。
3. 請求項１または２記載のＬＥＤ用ヒートブロックにおいて、
   塑性加工によって放熱性の高いＬＥＤ用ヒートブロック上のＬＥＤチップ搭載部と、このＬＥＤチップ搭載部から表面外部に向かって傾斜した反射効率の高い反射枠とからなる陥没した空間が形成されたＬＥＤ用ヒートブロックと、このＬＥＤ用ヒートブロックを嵌入させる貫通穴とＬＥＤチップを電気的に接続する端子部とが設けられたプリント配線板を備え、
   前記のヒートブロックを前記プリント配線板の貫通穴に嵌入させ、上記のＬＥＤ用ヒートブロック上のＬＥＤチップ搭載部に搭載したＬＥＤチップと前記プリント配線板の端子部とを電気的に接続したことを特徴とするＬＥＤ装置。

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