JP2006294782A - 半導体光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 短パルスで駆動されるＬＥＤ素子をも効率良く冷却し、その部品数を増加することなく、安価に製造することが可能な半導体光源装置を提供する。
【解決手段】 熱拡散板２０１上に複数の発光ダイオードチップ２０２を備えた光源装置であり、複数の発光ダイオードチップを、熱電冷却素子であるペルチェ素子２０８によって冷却しており、各発光ダイオードチップを冷却するためのペルチェ素子を構成する一対の部材２０８（ｎ）、２０８（ｐ）を、各発光ダイオードチップの上にバンプ２０７によって電気的に接続し、発光ダイオードチップとペルチェ素子とを、それぞれ、熱拡散板上に一体に形成し、各々の発光ダイオードチップにおける発熱を、直接、熱拡散板や放熱板へ移動する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、熱拡散板の上に複数の発光ダイオードを配置して構成される半導体光源装置に関し、特に、かかる半導体光源装置における冷却構造に関するものである。
近年、半導体素子である発光ダイオードは、光の三原色である、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）を発光することが出来ることから、例えば、カラーディスプレイをはじめ、更には、これら赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の成分から白色光を発光することが可能な光源装置としても注目を集めている。なお、例えば、以下の特許文献１によれば、半導体素子である発光ダイオードのチップを多数、共有するサブマウント上に搭載した構造の半導体ＬＥＤアセンブリが既に知られている。
しかしながら、半導体素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、熱依存性が高い。即ち、ＬＥＤの温度が上昇すると、電力から光への変換効率が低下するという特性を有している。そのため、例えば、以下の特許文献２によっても知られるように、半導体熱電冷却素子であるペルチェ素子を用いて、かかる熱依存性の高いＬＥＤを冷却することが既に提案され、検討されている。
特開２００３−００８０８３号公報 特開２００４−３４２５５７号公報
ところで、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、通常、そのオン・オフタイミングを制御することにより輝度レベルを制御すること、即ち、パルス（短パルス）動作（駆動）が、一般的に行われている。そのため、かかるＬＥＤ素子の冷却についても、当該駆動パルスに応動して行うことが必要とされる。
しかしながら、特に、上記の特許文献２により開示された、ペルチェ素子を用いて照明装置を構成するＬＥＤチップの冷却構造では、当該ペルチェ素子は、その上に上記ＬＥＤチップを搭載する上部基板と、下部基板との間に挟まれて配置される構造となっている。なお、開示された構造では、多数のＬＥＤチップを直列に接続してなる光源アレイと、そして、やはり多数のペルチェ素子を直列に接続してなるペルチェモジュールとは、電気的に、直列に接続されており、そのため、時定数が大きいものとなってしまうという問題点があった。
そのため、上記の従来技術、特に、特許文献２に開示されたＬＥＤチップの冷却構造では、特に、短いパルスで駆動されるＬＥＤ素子を効率良く冷却するための構造としては、必ずしも十分ではないという問題点が指摘されていた。また、かかる多数のＬＥＤチップとペルチェ素子とを基板上に搭載してなる光源装置では、コストの削減を図るためにも、より部品数を低減することが望まれている。
そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて成されたものであり、すなわち、特に、短いパルスで駆動されるＬＥＤ素子をも効率良く冷却することが可能で、かつ、その部品数を大幅に増加することなく、安価に製造することが可能な半導体光源装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、熱拡散板上に複数の発光ダイオードチップを備えた光源装置であり、前記複数の発光ダイオードチップを、熱電冷却素子によって冷却する半導体光源装置であって、各発光ダイオードチップを冷却するための前記熱電冷却素子を構成する一対の熱電部材の一部を、前記各発光ダイオードチップの一部を介して電気的に接続し、もって、前記発光ダイオードチップと前記熱電部材とを、それぞれ、前記熱拡散板上に一体に形成した半導体光源装置が提供されている。
また、本発明によれば、前記した半導体光源装置において、前記熱拡散板上には、前記複数の発光ダイオードチップを搭載するための回路パターンが形成されており、前記熱電冷却素子を構成する熱電部材は、前記熱拡散板上に形成された回路パターンの一部に搭載されており、もって、前記発光ダイオードチップと前記熱電部材とを一体に形成することが好ましい。
また、本発明では、前記の半導体光源装置において、前記発光ダイオードチップの一部は、その一面に電極を取り付けた面付けタイプの電極構造を有するチップであり、その場合には、前記面付けタイプの電極構造を有する前記発光ダイオードチップの電極面と、前記前記熱電冷却素子を構成する熱電部材の表面との間を、ボンディングパッドによって接続することが好ましい。
さらに、本発明では、前記の半導体光源装置において、前記発光ダイオードチップの一部は、その上下の面に電極を取り付けた電極構造を有するチップであり、その場合には、前記発光ダイオードチップの上下の面に取り付けた電極の一方を、前記一対の熱電部材の一方の表面に接続すると共に、他方の前記熱電部材を前記回路パターンの一部に搭載し、当該他方の熱電部材の表面を、前記発光ダイオードチップの他方の電極にワイヤボンディングにより接続することが好ましい。
加えて、本発明によれば、前記した半導体光源装置であって、更に、前記熱拡散板の下面に取り付けられた放熱板を備えていることが好ましい。
以上に述べた本発明によれば、以下の詳細な説明からも明らかとなるように、半導体光源装置を構成する各々の発光ダイオードチップにおける発熱を、直接、それぞれに設けられた熱電冷却素子の働きにより、下方の熱拡散板や放熱板へ速やかに移動することが出来、特に、短いパルスで発光ダイオードをも効率良く冷却することが可能な半導体光源装置を提供することができる。加えて、その部品数を大幅に増加することなく、安価に製造することを可能とする。
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、添付の図１は、本発明の一実施の形態になる、熱拡散板上に複数の発光ダイオードチップを備えた光源装置１００の側面断面を示している。即ち、この光源装置は、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導に優れた部材により、図からも明らかなように、その裏面（図の下側の面）に多数の放熱フィン１０１を形成した放熱板１１０の上に、後に詳細に説明するが、例えば、シリコンの基板からなる熱拡散板の表面に多数の半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）のチップを搭載した、所謂、ＬＥＤ光源モジュール２００が搭載されている。なお、通常、このアルミニウム等の放熱板１１０の周囲には、例えば、樹脂の枠体１０２が接着剤などによって取り付けられており、上記ＬＥＤ光源モジュール２００を放熱板１１０の表面に搭載し、例えば、Ａｕワイヤによるワイヤボンディング１０３によって電気的な接続を行った後、更に、例えば、透明な樹脂を枠体１０２の内部に充填して透明樹脂層３００を形成し、光源装置１００として完成する。
次に、添付の図２には、上記光源装置１００の一部表面（但し、透明樹脂層３００の形成前）を拡大して示している。即ち、図において、その裏面に多数の放熱フィンを形成した放熱板１１０の表面上には、例えば、金属のフィラー等を混入した、又は、熱伝導性に優れた接着剤やボンディング材により、上述したＬＥＤ光源モジュール２００が取り付けられており、このモジュールを構成する上記シリコンの基板からなる熱拡散板２０１の表面には、多数の半導体ＬＥＤチップ２０２、２０２が搭載されていることが分る。なお、この図２におけるＡ−Ａ断面を、添付の図３に示す。
図３に明らかに示すように、裏面に多数の放熱フィンを形成したアルミニウムの放熱板１１０の表面上には、上記熱伝導性に優れた接着剤２０３を介して、シリコンの熱拡散板２０１が固定されており、この熱拡散板２０１の表面には、例えば、酸化雰囲気中において形成した酸化シリコンの絶縁層２０４が形成されており、その表面には、更に、例えば、金属の蒸着工程により、所定の配線パターン２０５が形成されている。なお、この図中の符号２０５は、上記アルミニウムの放熱板１１０上に形成された絶縁層であり、更に、その表面には、やはり、例えば上記金属の蒸着工程によって、所定の配線パターン２０６が形成されている。そして、この配線パターン２０６は、上記のワイヤボンディング１０３によって、熱拡散板２０１上の、即ち、ＬＥＤ光源モジュール２００の配線パターン１０５と、適宜、電気的に接続されている。また、この配線パターン２０６は、例えば、Ａｇ、又は、Ａｕ／Ｃｕの金属層によって形成されている。
なお、これらの配線パターン１０５、２０６の上面図を、添付の図４に示す。なお、この図からも明らかなように、熱拡散板２０１上に形成された配線パターン１０５の上には（なお、本例では、隣接する一対の配線パターン１０５、１０５に跨って）、上記した多数の半導体ＬＥＤチップ２０２、２０２が、それぞれ、実装されている。
ここで、再び、図３に戻り、上記配線パターン１０５、１０５の上には、例えば、Ａｕや半田等のバンプ２０７を介して、熱電冷却素子であるペルチェ素子を構成するための部材２０８、具体的には、ｐ型ビスマステルルのチップ及びｎ型ビスマステルルのチップが、交互に、搭載されている。そして、これら交互に搭載されたペルチェ素子の構成部材２０８（より具体的には、ｐ型ビスマステルルのチップ及びｎ型ビスマステルルのチップ）を跨いで、上記半導体ＬＥＤチップ２０２が、それぞれ、搭載されている。なお、ペルチェ素子では、特に、そのｐ型のチップとしては、上記のｐ型ビスマステルルのチップに代えて、アンチモンテルルを利用してもよい。
即ち、上述したように、光源装置１００を構成するＬＥＤ光源モジュール２００上において、多数の半導体ＬＥＤチップ２０２、２０２が、熱電冷却素子であるペルチェ素子を構成する部材２０８の上に、直接、接続されている。なお、この状態を示す拡大図を、添付の図５に示す。この図からも明らかなように、ペルチェ素子を構成する一対の部材２０８、２０８（一方は、ｐ型ビスマステルルチップ、他方はｎ型ビスマステルルチップ）がバンプ２０７を介して半導体ＬＥＤチップ２０２に接続されており、即ち、半導体ＬＥＤチップ２０２を含んで、ペルチェ素子のｐ−ｎ接続を構成している。
なお、更に、上記半導体ＬＥＤチップ２０２とペルチェ素子を構成する一対の部材２０８、２０８（一方は、ｐ型ビスマステルルチップ、他方はｎ型ビスマステルルチップ）との接続構造の詳細が、添付の図６に示されている。なお、この図６中においても、上記図５と同じ符号は、同様の構成を示している。
この図６からも明らかなように、本例の面付タイプ（素子の一方の面に、搭載に必要な電極が設けられる）のＬＥＤチップ２０２は、その下面に付近にｐ−ｎ接合面２１０を備えており、この接合面から、図に矢印で示す方向に光を発生する。なお、この面付タイプのＬＥＤチップ２０２は、その底面において、図に符号２１１で示すように、一対のｎ型電極２１１（−）と、底面をほぼ覆うようなｐ型電極２１２（＋）とを備えている。そして、これらの電極２１１、２１２に対応（対向）して、複数のボンディングパッド２０７を配置して、熱電素子であるペルチェ素子の上に、電気的に接続して搭載する。より具体的には、上記ＬＥＤチップ２０２の電極２１１、２１２に対応して、それぞれ、上記ペルチェ素子を構成する部材である、ｐ型ビスマステルルのチップ２０８（ｐ）とｎ型ビスマステルルのチップ２０８（ｎ）とが設けられている。なお、これらｐ型ビスマステルルのチップ２０８（ｐ）とｎ型ビスマステルルのチップ２０８（ｎ）との下には、それぞれ、上記熱拡散板２０１の表面上に形成された配線パターン１０５が位置している。
再び、上記の図５に戻り、上記のようにして、熱電冷却素子であるペルチェ素子を構成する部材２０８の上に、直接、接続されたＬＥＤチップ２０２に駆動電力（パルス電流）が供給されると、図の矢印Ｉの方向に電流が流れる。その結果、上記ＬＥＤチップ２０２のｐ−ｎ接合面から光が発生する（図中の矢印γを参照）と同時に、熱を発生する。なお、この時、上記のペルチェ素子においては、電流は、ＬＥＤチップ２０２を介して、ｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）からｐ型ビスマステルルチップ２０８（ｐ）へ向かって流れることから、その内部の電子及び陽子は図に示す方向に移動し、これにより、ＬＥＤチップ２０２で発生した熱を図の矢印Ｈの方向へ導くこととなる。即ち、各ＬＥＤチップ２０２は、その発光動作と同時に、発生した熱は、熱拡散板２０１の方向へ、更には、その裏面に多数の放熱フィンを形成したアルミニウムの放熱板１１０の方向へ向かって移動されることとなり、ＬＥＤチップ２０２の効率的な冷却が可能となる。
換言すれば、上記の冷却構造によれば、各々のＬＥＤチップ２０２は、電気的に、その下部に設けたれたペルチェ素子に接続されていることから、当該ＬＥＤチップを流れる駆動電流は、その直下のペルチェ素子において、熱移動の電子又は陽子となり、ＬＥＤチップの発熱を下方に速やかに移動する。なお、このことは、特に、比較的短い幅のパルス電流で駆動する場合、かかる短パルスに応答して必要とされる素子冷却のための時定数（冷却応答時間）を大幅に低減することが可能となることを意味する。なお、具体的には、上記の冷却構造によれば、駆動電流の最大定格値を略２倍に向上することが可能であった。
このように、光源装置１００を構成する放熱板１１０上に搭載され、かつ、その表面に多数のＬＥＤチップ２０２を搭載してなるＬＥＤ光源モジュール２００では、上記のように、各々のＬＥＤチップ２０２について、その下面に直接に接続されるペルチェ素子２０８（ｐ）、２０８（ｎ）によって効率的な冷却が可能となり、そのため、ＬＥＤ光源モジュール２００の表面におけるＬＥＤチップ２０２の搭載密度を更に向上し、及び／又は、ＬＥＤチップ２０２の高輝度化を図ることが可能となる。
また、上記の熱電冷却素子であるペルチェ素子を一体にしたＬＥＤチップ２０２の構成によれば、当該ペルチェ素子を構成するｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）とｐ型ビスマステルルチップ２０８（ｐ）の接続を、本来、上記ＬＥＤチップ２０２を搭載するために必要なボンディングパッド２０７によってＬＥＤチップ２０２をその上に搭載するだけで完成することが出来る。このことは、即ち、本来であれば、ペルチェ素子を構成する部材間の電気的な接続を図るために必要とされる部材を必要としないことであり、その製造工程の簡略化や装置の低価格化にとって、非常に有利である。
次に、添付の図７には、上記の端子構造とは異なり、１個のｎ型電極２１１（−）と、底面をほぼ覆うような１個のｐ型電極２１２（＋）をその底面側に備えたＬＥＤチップ２０２’について、これを、ペルチェ素子を構成する一対の部材２０８（ｐ）、２０８（ｎ）に接続する構造の詳細が示されている。なお、この図７中においても、上記図６と同じ符号は、同様の構成を示しており、かかる構成によっても、上記と同様の効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。
なお、以上に詳述した実施の形態では、上記ＬＥＤ光源モジュール２００を構成するシリコンの基板からなる熱拡散板２０１の表面には、多数の配線パターン１０５が形成され、その表面上にペルチェ素子を構成するｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）とｐ型ビスマステルルチップ２０８（ｐ）が、それぞれ、搭載されるものとして説明したが、しかしながら、本発明では、かかる構成に限定されることなく、例えば、上記熱拡散板２０１（より厳密には、その表面の絶縁層２０４）の表面に上記配線パターン１０５を形成した後、通常の半導体製造プロセスを利用することにより、上記ｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）とｐ型ビスマステルルチップ２０８（ｐ）の層を形成することも可能である。なお、このように、半導体製造プロセスを利用してペルチェ素子を構成することによれば、製造工程の簡略化や装置の低価格化にとっても、より有利となる。なお、上記にも述べたが、上記ｐ型ビスマステルルのチップに代えて、アンチモンテルルを利用してもよい。
また、添付の図８には、上記に説明した面付タイプのＬＥＤチップとは異なり、通常のｐ−ｎ型構造の（チップの上側にｎ型電極／下側にｐ型電極を有する）ＬＥＤチップ２０２’を用いた場合の、本発明の他の実施形態になる構造が示されている。この場合、図からも明らかなように、ＬＥＤチップ２０２’は、その下面に取り付けられたｐ型の電極（＋）を、上記熱拡散板２０１の表面に形成された正の配線パターン１０５（＋）の上に搭載したペルチェ素子を構成するｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）の表面に、やはり、ボンディングパッド２０７等を介して、直接、接続する。一方、ペルチェ素子を構成する他の部材であるｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）は、隣接して、上記熱拡散板２０１の表面に形成された負の配線パターン１０５（−）の上に搭載されており、このｎ型ビスマステルルチップ２０８（ｎ）の表面とＬＥＤチップ２０２’の表面上のｎ型の電極（−）との間を、ワイヤボンディング１０４で接続する。
すなわち、上記の構造によっても、ペルチェ素子を構成する一対の部材２０８（ｐ）、２０８（ｎ）が、ワイヤボンディング１０４を介して半導体ＬＥＤチップ２０２’に接続されており、即ち、半導体ＬＥＤチップ２０２を含んで、ペルチェ素子のｐ−ｎ接続を構成することとなる。なお、その時の電流の方向に応じて、ＬＥＤチップ２０２’のｐ型及びｎ型電極を、適宜、接続すればよい。
なお、上記他の実施の形態になる冷却構造によっても、上記した実施の形態と同様に、各ＬＥＤチップ２０２’は、その発光動作と同時に、発生した熱は、熱拡散板２０１及びアルミニウムの放熱板１１０の方向へ向かって移動し、効率的な冷却が可能となる。また、これにより、駆動のための短パルス電流に応答して時定数（冷却応答時間）を大幅に低減し、駆動電流の最大定格値を大幅に向上し、更には、その製造工程の簡略化や装置の低価格化にとっても非常に有利であることは言うまでもなかろう。
本発明の一実施の形態になる光源装置の全体構造を示す側面断面である。 前記光源装置のＬＥＤ光源モジュールを示すため、その一部表面を拡大して示す一部拡大斜視図である。 上記図２に示したＬＥＤ光源モジュールのＡ−Ａ断面を拡大して示す一部拡大断面図である。 上記ＬＥＤ光源モジュールを構成する熱拡散板の表面における配線パターンを示す一部拡大上面図である。 上記ＬＥＤ光源モジュールの半導体ＬＥＤチップの接続状態及びその動作を説明するための一部拡大断面図である。 上記半導体ＬＥＤチップとペルチェ素子の接続構造の詳細を示す展開斜視図である。 上記とは異なる端子構造の半導体ＬＥＤチップとペルチェ素子の接続構造の詳細を示す展開斜視図である。 本発明の他の実施の形態になる光源装置の半導体ＬＥＤチップの接続状態を説明するための一部拡大断面図である。
符号の説明
１００ 光源装置
１０１ 放熱フィン
１０５ 配線パターン
１１０ 放熱板
２００ ＬＥＤ光源モジュール
２０１ 熱拡散板
２０２ 半導体ＬＥＤチップ
２０７ バンプ
２０８ 熱電冷却素子（ペルチェ素子）部材
２０８（ｐ） ｐ型ビスマステルルのチップ
２０８（ｎ） ｎ型ビスマステルルのチップ

Claims (7)

  1. 熱拡散板上に複数の発光ダイオードチップを備えた光源装置であり、前記複数の発光ダイオードチップを、熱電冷却素子によって冷却する半導体光源装置であって、各発光ダイオードチップを冷却するための前記熱電冷却素子を構成する一対の熱電部材の一部を、前記各発光ダイオードチップの一部を介して電気的に接続し、もって、前記発光ダイオードチップと前記熱電部材とを、それぞれ、前記熱拡散板上に一体に形成したことを特徴とする半導体光源装置。
  2. 前記請求項１に記載した半導体光源装置において、前記熱拡散板上には、前記複数の発光ダイオードチップを搭載するための回路パターンが形成されており、前記熱電冷却素子を構成する熱電部材は、前記熱拡散板上に形成された回路パターンの一部に搭載されており、もって、前記発光ダイオードチップと前記熱電部材とを一体に形成したことを特徴とする半導体光源装置。
  3. 前記請求項１に記載した半導体光源装置において、前記発光ダイオードチップの一部は、その一面に電極を取り付けた面付けタイプの電極構造を有するチップであることを特徴とする半導体光源装置。
  4. 前記請求項４に記載した光源装置において、前記面付けタイプの電極構造を有する前記発光ダイオードチップの電極面と、前記前記熱電冷却素子を構成する熱電部材の表面との間を、ボンディングパッドによって接続したことを特徴とする半導体光源装置。
  5. 前記請求項２に記載した半導体光源装置において、前記発光ダイオードチップの一部は、その上下の面に電極を取り付けた電極構造を有するチップであることを特徴とする半導体光源装置。
  6. 前記請求項５に記載した光源装置において、前記発光ダイオードチップの上下の面に取り付けた電極の一方を、前記一対の熱電部材の一方の表面に接続すると共に、他方の前記熱電部材を前記回路パターンの一部に搭載し、当該他方の熱電部材の表面を、前記発光ダイオードチップの他方の電極にワイヤボンディングにより接続したこをと特徴とする半導体光源装置。
  7. 前記請求項１に記載した半導体光源装置であって、更に、前記熱拡散板の下面に取り付けられた放熱板を備えていることを特徴とする半導体光源装置。
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