JP2007043126A

JP2007043126A - Ｌｅｄを用いた照明器具

Info

Publication number: JP2007043126A
Application number: JP2006182470A
Authority: JP
Inventors: Yoji Urano; 洋二浦野; Takuya Nakatani; 卓也中谷; Yasuhiro Hidaka; 康博日高
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: JP5054331B2

Abstract

【課題】ＬＥＤチップの温度上昇を抑制でき光出力の高出力化を図れるＬＥＤを用いた照明器具を提供する。
【解決手段】一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されたＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が搭載された金属板からなるチップ搭載部材４１と、ＬＥＤチップ１０のアノード電極が電気的に接続されたリード端子４３と、ＬＥＤチップ１０のカソード電極が電気的に接続されたリード端子４２と、金属製の器具本体９０と、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０との間に介在し両者を電気的に絶縁し且つ両者を熱結合させる絶縁層８０とを備える。チップ搭載部材４１と各リード端子４２，４３とはリードフレームを用いて形成してある。絶縁層８０として有機グリーンシートを用い、有機グリーンシートにより上記両者を接合している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤを用いた照明器具に関するものである。

従来から、ＬＥＤチップとＬＥＤチップから放射された光によって励起されてＬＥＤチップとは異なる発光色の光を放射する波長変換材料としての蛍光体（蛍光顔料、蛍光染料など）とを組み合わせてＬＥＤチップの発光色とは異なる色合いの光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射するＬＥＤチップと蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。

また、最近の白色ＬＥＤの高出力化に伴い、白色ＬＥＤを照明用途に展開する研究開発が盛んになってきているが、上述の白色ＬＥＤを一般照明などのように比較的大きな光出力を必要とする用途に用いる場合、１つの白色ＬＥＤでは所望の光出力を得ることができないので、複数個の白色ＬＥＤを１枚の回路基板上に搭載したＬＥＤユニットを構成し、ＬＥＤユニット全体で所望の光出力を確保するようにしているのが一般的である（例えば、特許文献１）。

また、従来から、複数のＬＥＤチップと各ＬＥＤチップを実装する回路基板とを備えるＬＥＤユニットにおいて、各ＬＥＤチップのジャンクション温度の上昇を抑制して入力電力を大きくすることで光出力の高出力化を図るために、各ＬＥＤチップの発光部で発生した熱を効率良く外部に放熱させるための構造が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。

上記特許文献２に開示されたＬＥＤユニットでは、図１２に示すように、回路基板２００として、金属板２０１上に絶縁樹脂層２０２を介して導体パターン２０３が形成された金属基板を採用しており、各ＬＥＤチップ１０’で発生した熱が熱伝達部材２１０を介して金属板２０１に伝熱されるようになっている。ここにおいて、各ＬＥＤチップ１０’は、ＧａＮ系化合物半導体材料からなる発光部が絶縁体であるサファイア基板からなる結晶成長用基板の一表面側に形成されたＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、回路基板２００にフリップチップ実装されており、結晶成長用基板の他表面が光取り出し面となっている。

また、上記特許文献３に開示されたＬＥＤユニットでは、図１３に示すように、図１２の構成と同様に回路基板２００として、金属板２０１上に絶縁樹脂層２０２を介して導体パターン２０３が形成された金属基板を採用しており、各ＬＥＤチップ１０”で発生した熱が金属板２０１に伝熱されるようになっている。ここにおいて、各ＬＥＤチップ１０”は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されたものであり、アノード電極とカソード電極とのうち回路基板２００に近い側の電極が第１の導体板２１２に電気的に接続されるとともに、回路基板２００から遠い側の電極が第２の導体板２１３に金属細線からなるボンディングワイヤ２１４を介して電気的に接続されており、第１の導体板２１２および第２の導体板２１３それぞれが回路基板２００の回路パターン２０３と接合されている。
特開２００３−５９３３２号公報特開２００３−１６８８２９号公報（段落〔００３０〕、および図６）特開２００１−２０３３９６号公報（図６）

ところで、図１２や図１３に示した構成のＬＥＤユニットを照明器具に用いる場合、器具本体を金属製としてＬＥＤユニットの回路基板２００における金属板２０１を器具本体に熱的に結合させることでＬＥＤユニットの熱をより効率的に放熱させることが考えられるが、耐雷サージ性を確保するために、器具本体と回路基板２００の金属板２０１との間に例えばシート状の絶縁部材として例えばサーコン（登録商標）のようなゴムシート状の放熱シートを介在させる必要があり、各ＬＥＤチップ１０’，１０”の発光部から器具本体までの熱抵抗が大きくなってしまい、各ＬＥＤチップ１０’，１０”のジャンクション温度が最大ジャンクション温度を超えないように各ＬＥＤチップ１０’，１０”への入力電力を制限する必要があり、光出力の高出力化が難しかった。

また、回路基板２００の金属板２０１と器具本体との間に上述の放熱シートを介在させた場合には、金属板２０１と放熱シートとの密着不足により、両者の間に空隙が発生して熱抵抗が増大したり、各ＬＥＤチップ１０’，１０”の発光部ごとに器具本体までの熱抵抗がばらついていた。

また、上記特許文献２に開示されたＬＥＤユニットでは、ＬＥＤチップ１０’の発光部で発生した熱をＬＥＤチップ１０’のサイズよりも小さな熱伝達部材２１０を介して金属板２０１へ伝熱させるのでＬＥＤチップ１０’から金属板２０１までの熱抵抗が比較的大きく、結晶成長用基板であるサファイア基板を金属板２０１に熱結合させるように実装した場合には、サファイア基板の熱抵抗が大きくなってしまうという不具合もあった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ＬＥＤチップの温度上昇を抑制でき光出力の高出力化を図れるＬＥＤを用いた照明器具を提供することにある。

請求項１の発明は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが搭載された金属板からなるチップ搭載部材と、ＬＥＤチップのアノード電極が電気的に接続されたアノード側リード端子と、ＬＥＤチップのカソード電極が電気的に接続されたカソード側リード端子と、金属製の器具本体と、チップ搭載部材およびアノード側リード端子およびカソード側リード端子と器具本体との間に介在し両者を電気的に絶縁し且つ両者を熱結合させる絶縁層とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、従来に比べてＬＥＤチップの発光部から器具本体までの熱抵抗を小さくできて放熱性が向上し、ＬＥＤチップのジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。また、従来と同じ光出力で使用する場合には従来に比べてＬＥＤチップのジャンクション温度を低減できてＬＥＤチップの寿命が長くなるという利点がある。さらに、従来のような回路基板を用意する必要がなく低コスト化を図れるという利点もある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記チップ搭載部材が前記アノード側リード端子と前記カソード側リード端子とのうちの一方に連続一体に形成され、前記チップ搭載部材および前記アノード側リード端子および前記カソード側リード端子が絶縁性の合成樹脂成形品の保持枠に同時一体に成形されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップが搭載される前記チップ搭載部材が保持枠に保持されているので、取り扱いが容易になり、少なくとも前記チップ搭載部材および前記アノード側リード端子および前記カソード側リード端子が同時一体に成形された保持枠と前記ＬＥＤチップとの組を個別部品として、当該個別部品を前記器具本体に実装する前に検査することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記保持枠は、前記器具本体との対向面に、前記チップ搭載部材および前記アノード側リード端子および前記カソード側リード端子と前記器具本体との間の絶縁距離を確保する凸部が突設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記絶縁層の状態によらず、前記チップ搭載部材および前記アノード側リード端子および前記カソード側リード端子と前記器具本体とを確実に電気的に絶縁することができる。

請求項４の発明は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一面側に搭載される導電性プレートおよび当該導電性プレートの前記一面側に絶縁部を介して形成されＬＥＤチップのアノード電極およびカソード電極がそれぞれ電気的に接続されるリードパターンを有するチップ搭載部材と、金属製の器具本体と、チップ搭載部材と器具本体との間に介在し両者を電気的に絶縁し且つ両者を熱結合させる絶縁層とを備えることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記ＬＥＤチップは、ＳｉＣ基板もしくはＧａＮ基板からなる導電性基板の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成された発光部を備え、導電性基板の裏面に前記アノード電極と前記カソード電極との一方が形成されたものであることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの結晶成長用基板が導電性基板なので、結晶成長用基板がサファイア基板である場合に比べて結晶成長用基板の熱抵抗を低減することができ、放熱性が向上する。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記ＬＥＤチップのチップサイズよりも大きく且つ前記ＬＥＤチップと前記チップ搭載部材との間に介在して前記ＬＥＤチップと前記チップ搭載部材との線膨張率の差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ＬＥＤチップの前記導電性基板と前記サブマウント部材との線膨張率の差に起因して前記ＬＥＤチップが破損するのを防止することができ、信頼性を高めることができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記チップ搭載部材がＣｕにより形成され、前記サブマウント部材がＷもしくはＣｕＷにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記サブマウント部材と前記チップ搭載部材との直接接合が可能なので、前記サブマウント部材と前記チップ搭載部材とをろう材により接合する場合に比べて前記サブマウント部材と前記チップ搭載部材との接合部の熱抵抗を低減できる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記絶縁層は、熱硬化性の固着材により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記チップ搭載部材と前記絶縁層との密着不足により前記チップ搭載部材と前記絶縁層との間に空隙が発生して熱抵抗が増大したり、前記絶縁層の経年変化により前記チップ搭載部材と前記絶縁層との間に間隙が発生して熱抵抗が増大するのを防止することができる。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記固着材は、フィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シートからなることを特徴とする。

請求項１，４の発明では、従来に比べてＬＥＤチップの発光部から器具本体までの熱抵抗を小さくできて放熱性が向上し、ＬＥＤチップのジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の照明器具について図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態の照明器具は、例えばスポットライトとして用いられるものであり、支持台１００上に固定された回転基台１１０に一端部が軸ねじ１１１を用いて結合されたアーム１１２に対して金属（例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属）製の器具本体９０が結合ねじ１１３を用いて結合されている。

器具本体９０は、一面が開口した有底筒状に形成されており、複数個のＬＥＤチップユニット１が収納されている。ここにおいて、器具本体９０は、底壁９０ａに各ＬＥＤチップユニット１が絶縁層８０を介して実装され、開口部分が前カバー９１により閉塞されている。前カバー９１は、円板状のガラス板からなる透光板９１ａと、透光板９１ａを保持する円環状の窓枠９１ｂとからなり、窓枠９１ｂが器具本体９０に対して取り付けられている。ここにおいて、本実施形態では、絶縁層８０として、シリカやアルミナなどのフィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シート（例えば、溶融シリカからなるフィラーを高充填したエポキシ樹脂シートのような有機グリーンシート）からなる熱硬化性の固着材を採用しており、電気絶縁性を有するとともに熱伝導率が高く加熱時の流動性が高く凹凸面への密着性が高いので、各ＬＥＤチップユニット１と器具本体９０との間に上記エポキシ樹脂シートを介在させた後で上記エポキシ樹脂シートを加熱することでＬＥＤチップユニット１と器具本体９０とを接合することができる。また、透光板９１ａは、ガラス基板に限らず、透光性を有する材料により形成されていればよく、また、透光板９１ａに各ＬＥＤチップユニット１から放射された光の配光を制御するレンズを一体に設けてもよい。

器具本体９０内に収納された複数個のＬＥＤチップユニット１は、複数のリード線９３により直列接続されており、複数個のＬＥＤチップユニット１の直列回路の両端のリード線９３が器具本体９０の底壁９０ａに貫設された挿通孔９０ｃに挿通され、図示しない電源回路から電力が供給されるようになっている。なお、電源回路としては、例えば、商用電源のような交流電源の交流出力を整流平滑するダイオードブリッジからなる整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサとを備えた構成のものを採用すればよい。また、本実施形態では、器具本体９０内の複数個のＬＥＤチップユニット１を直列接続しているが、複数個のＬＥＤチップユニット１の接続関係は特に限定するものではなく、例えば、並列接続するようにしてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。

ＬＥＤチップユニット１は、矩形板状のＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きな矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０が搭載されたチップ搭載部材４１と、チップ搭載部材４１の一側縁に連続一体に形成された短冊状のリード端子４２と、チップ搭載部材４１における他側縁から離間して配置されたＴ字状のリード端子４３と、ＬＥＤチップ１０を囲むように配置されＬＥＤチップ１０の側面から放射された光をＬＥＤチップ１０の前方（図１における上方）へ反射させるリフレクタ（反射器）５０と、ＬＥＤチップ１０を覆う形でリフレクタ５０の前面側に取り付けられる保護カバー６０とを備えている。

チップ搭載部材４１と各リード端子４２，４３とは金属板（例えば、銅板など）からなるリードフレームを用いて形成してあり、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３は、絶縁性を有する矩形枠状の合成樹脂成形品からなる保持枠４５に同時一体に成形され当該保持枠４５の内側に各リード端子４２，４３のインナリード部４２ａ，４３ａおよびチップ搭載部材４１が配置されるとともに、保持枠４５の外側に各リード端子４２，４３のアウタリード部４２ｂ，４３ｂが配置されている。ここで、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０との間には上述の絶縁層８０が介在しており、絶縁層８０は、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０との両者を電気的に絶縁し且つ熱結合させる機能を有している。なお、本実施形態では、保持枠４５と、チップ搭載部材４１と、各リード端子４２，４３と、リフレクタ５０と、保護カバー６０と、絶縁層８０とでＬＥＤチップ１０のパッケージを構成している。また、本実施形態では、絶縁層８０を各ＬＥＤチップユニット１毎に設けているが、器具本体９０の底壁９０ａよりもやや小さい１つの絶縁層８０を複数個のＬＥＤチップユニット１に対して共用してもよい。

上記リードフレームの材料は銅に限らず、例えば、リン青銅などでもよい。また、本実施形態では、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３を保持枠４５に同時一体に成形してあるが、保持枠４５は必ずしも設ける必要はなく、チップ搭載部材４１とリード端子４２とを連続一体に形成する必要もない。ただし、チップ搭載部材４１とリード端子４２とを連続一体に形成するとともに上述の保持枠４５を備えている場合には、組立時などにおいてＬＥＤチップユニット１を個別部品として取り扱いやすくなり、各ＬＥＤチップユニット１を器具本体９０に実装する前に、容易に個別の検査を行うことができるという利点がある。

ＬＥＤチップ１０は、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップであり、結晶成長用基板としてサファイア基板に比べて格子定数や結晶構造がＧａＮに近く且つ導電性を有するｎ形のＳｉＣ基板からなる導電性基板１１を用いており、導電性基板１１の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成されて例えばダブルへテロ構造を有する積層構造部からなる発光部１２がエピタキシャル成長法（例えば、ＭＯＶＰＥ法など）により成長され、導電性基板１１の裏面に図示しないカソード電極（ｎ電極）が形成され、発光部１２の表面（導電性基板１１の主表面側の最表面）に図示しないアノード電極（ｐ電極）が形成されている。要するに、ＬＥＤチップ１０は、一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されている。上記カソード電極および上記アノード電極は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、上記カソード電極および上記アノード電極の材料は特に限定するものではなく、良好なオーミック特性が得られる材料であればよく、例えば、Ａｌなどを採用してもよい。

なお、本実施形態では、上記一方のリード端子４２がカソード側リード端子を構成し、上記他方のリード端子４３がアノード側リード端子を構成している。また、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりもチップ搭載部材４１から離れて側となるようにチップ搭載部材４１に搭載されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりもチップ搭載部材４１に近い側となるようにチップ搭載部材４１に搭載するようにしてもよい。光取り出し効率を考えた場合には、発光部１２をチップ搭載部材４１から離れた側に配置することが望ましいが、本実施形態では導電性基板１１と発光部１２とが同程度の屈折率を有しているので、発光部１２をチップ搭載部材４１に近い側に配置しても光の取り出し損失が大きくなりすぎることはない。

また、リフレクタ５０は、円形状に開口した枠状の形状であって、ＬＥＤチップ１０の厚み方向においてＬＥＤチップ１０から離れるに従って開口面積が大きくなる形状に形成されており、絶縁性を有するシート状の接着フィルムからなる固着材５５により各リード端子４２，４３と固着されている。なお、リフレクタ５０および固着材５５の外周形状は、保持枠４５の内周形状よりもやや小さな矩形状に形成されている。

ここにおいて、リフレクタ５０の材料としては、ＬＥＤチップ１０から放射される光（ここでは、青色光）に対する反射率が比較的大きな材料（例えば、Ａｌなど）を採用すればよい。なお、固着材５５には、リフレクタ５０の開口部に対応する円形状の開口部５５ａが形成されている。また、リフレクタ５０の内側には、ＬＥＤチップ１０を封止する透明な封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂など）をポッティングすることが望ましい。

保護カバー６０は、ＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った中心線上に中心が位置するように配置されるドーム状のカバー部６２と、カバー部６２の開口部の周縁から側方に連続一体に突出したフランジ部６１とを備え、フランジ部６１におけるリフレクタ５０側の面の周部に環状の位置決めリブ６１ａが突設されており、リフレクタ５０に対して安定して位置決めすることができるようになっている。なお、保護カバー６０は、リフレクタ５０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて接着すればよい。

また、保護カバー６０は、シリコーンのような透光性材料とＬＥＤチップ１０から放射された青色光によって励起されてブロードな黄色系の光を放射する粒子状の黄色蛍光体とを混合した混合物の成形品により構成されている。したがって、本実施形態におけるＬＥＤチップユニット１は、保護カバー６０が、ＬＥＤチップ１０から放射された光によって励起されてＬＥＤチップ１０の発光色とは異なる色の光を発光する色変換部を兼ねており、当該ＬＥＤチップユニット１全体として、ＬＥＤチップ１０から放射された青色光と黄色蛍光体から放射された光との合成光からなる白色の光を出力する白色ＬＥＤを構成している。なお、保護カバー６０の材料として用いる透光性材料は、シリコーンに限らず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどを採用してもよい。また、保護カバー６０の材料として用いる透光性材料に混合する蛍光体も黄色蛍光体に限らず、例えば、赤色蛍光体と緑色蛍光体とを混合しても白色光を得ることができる。また、ＬＥＤチップ１０の発光色がＬＥＤチップユニット１の所望の発光色と同じ場合には透光性材料に蛍光体を混合する必要はない。

ところで、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、上述のように発光色が青色の青色ＬＥＤチップを採用しており、導電性基板１１としてＳｉＣ基板を採用しているが、ＳｉＣ基板の代わりにＧａＮ基板を用いてもよく、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板を用いた場合には下記表１から分かるように、上記特許文献２のように結晶成長用基板として絶縁体であるサファイア基板を用いている場合に比べて、結晶成長用基板の熱伝導率が高く熱抵抗が小さい。また、ＬＥＤチップ１０の発光色は青色に限らず、例えば、赤色、緑色などでもよい。すなわち、ＬＥＤチップ１０の発光部１２の材料はＧａＮ系化合物半導体材料に限らず、ＬＥＤチップ１０の発光色に応じて、ＧａＡｓ系化合物半導体材料やＧａＰ系化合物半導体材料などを採用してもよい。また、導電性基板１１もＳｉＣ基板に限らず、発光部１２の材料に応じて、例えば、ＧａＡｓ基板、ＧｓＰ基板などから適宜選択すればよい。

また、ＬＥＤチップ１０は、上述のチップ搭載部材４１に、ＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも大きなサイズの矩形板状に形成されＬＥＤチップ１０とチップ搭載部材４１との線膨張率の差に起因してＬＥＤチップ１０に働く応力を緩和するサブマウント部材３０を介して搭載されている。サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能だけでなく、ＬＥＤチップ１０で発生した熱をチップ搭載部材４１においてＬＥＤチップ１０のチップサイズよりも広い範囲に伝熱させる熱伝導機能を有しており、チップ搭載部材４１におけるＬＥＤチップ１０側の表面の面積はＬＥＤチップにおけるチップ搭載部材４１側の表面の面積よりも十分に大きいことが望ましい。例えば、０．３〜１．０ｍｍ角のＬＥＤチップ１から廃熱を効率良く行うためには、チップ搭載部材４１と絶縁層８０との接触面積を大きくし、且つ、ＬＥＤチップ１０の熱が広範囲に亘って均一に熱伝導するようにして熱抵抗を小さくすることが好ましく、上記リードフレームを用いて形成されるチップ搭載部材４１におけるＬＥＤチップ１０側の表面の面積をＬＥＤチップ１０におけるチップ搭載部材４１側の表面の面積の１０倍以上とすることが望ましい。ここにおいて、サブマウント部材３０は、上記応力を緩和する機能を有していればよく、厚み寸法を上記特許文献１〜３に記載されたＬＥＤユニットにおける回路基板の厚み寸法に比べて小さくすることができるから、熱伝導率が比較的大きな材料を採用することにより、熱抵抗を小さくすることができる。

本実施形態では、サブマウント部材３０の材料としてＣｕＷを採用しており、ＬＥＤチップ１０は、上記カソード電極がサブマウント部材３０およびチップ搭載部材４１を介して上記一方のリード端子４２のインナリード部４２ａと電気的に接続され、上記アノード電極が金属細線（例えば、金細線、アルミニウム細線など）からなるボンディングワイヤ１４を介して上記他方のリード端子４３のインナリード部４３ａと電気的に接続されている。また、各リード端子４２，４３のアウタリード部４２ｂ，４３ｂには、それぞれ上述のリード線９３が半田からなる接合部９５を介して電気的に接続されている。

サブマウント部材３０の材料はＣｕＷに限らず、例えば下記表２から分かるように、線膨張率が導電性基板１１の材料である６Ｈ−ＳｉＣに比較的近く且つ熱伝導率が比較的高い材料であればよく、例えば、Ｗ、ＡｌＮ、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。ただし、サブマウント部材３０としてＡｌＮや複合ＳｉＣのような絶縁体を採用する場合には、例えば、サブマウント部材３０におけるＬＥＤチップ１０側の表面に上記アノード電極と接合される適宜の導体パターンを設けておき、当該導体パターンと上記一方のリード端子４２のインナリード部４２ａとをボンディングワイヤを介して電気的に接続すればよい。

ここにおいて、チップ搭載部材４１の材料がＣｕである場合、サブマウント部材３０として、ＣｕＷもしくはＷを採用すれば、サブマウント部材３０とチップ搭載部材４１とを直接接合することが可能なので、例えば下記表３に示すように、サブマウント部材３０とチップ搭載部材４１とをろう材を用いて接合する場合に比べて、サブマウント部材３０とチップ搭載部材４１との接合面積を大きくできてサブマウント部材３０とチップ搭載部材４１との接合部の熱抵抗を低減できる。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎを用いて接合する場合には、サブマウント部材３０における接合表面にあるかじめＡｕまたはＡｇからなる金属層を形成する前処理が必要である。

また、サブマウント部材３０の材料としてＷを採用してサブマウント部材３０とチップ搭載部材４１とを直接接合した場合、下記表４から分かるように、サブマウント部材３０とチップ搭載部材４１とを銀ろうを用いて接合した場合に比べて熱伝導率が大きくなり、熱抵抗を低減できる。なお、チップ搭載部材４１の材料がＣｕであり、サブマウント部材３０の材料としてＡｌＮ、複合ＳｉＣなどを採用した場合には、チップ搭載部材４１とサブマウント部材３０とは、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎを用いて接合する場合には、チップ搭載部材４１における接合表面にあるかじめＡｕまたはＡｇからなる金属層を形成する前処理が必要である。

以上説明した本実施形態の照明器具では、点灯時に各ＬＥＤチップユニット１で発生した熱を図１２や図１３に示した回路基板２００を通すことなく絶縁層８０を介して金属製の器具本体９０へ伝熱して放熱することができるので、図１２や図１３に示したＬＥＤユニットの回路基板２００を器具本体９０の底壁９０ａにゴムシート状の放熱シートを介在させた構成や絶縁層８０を介して熱結合させる構成に比べて、ＬＥＤチップ１０の発光部１２から器具本体９０までの距離および熱抵抗を小さくできて放熱性が向上し、ＬＥＤチップ１０の発光部１２のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。また、従来の照明器具の構成と同じ光出力で使用する場合には従来の照明器具の構成に比べてＬＥＤチップ１０のジャンクション温度を低減できてＬＥＤチップ１０の寿命が長くなるという利点がある。さらに、従来のような回路基板２００を用意する必要がなく低コスト化を図れるという利点や、ＬＥＤチップユニット１の配置の自由度が高くＬＥＤチップユニット１の個数の変更やレイアウト変更が容易になるという利点もある。

ここにおいて、上述のようにＬＥＤチップ１０とチップ搭載部材４１との間に介在させているサブマウント部材３０は、ＬＥＤチップ１０とチップ搭載部材４１との線膨張率の差が比較的小さい場合には必ずしも設ける必要はなく、ＬＥＤチップ１０とチップ搭載部材４１との間にサブマウント部材３０を介在させない場合の方が、ＬＥＤチップ１０と金属製の器具本体９０の底壁９０ａとの間の距離が短くなって、ＬＥＤチップ１０の発光部１２から器具本体９０までの熱抵抗をより小さくすることができ、放熱性がさらに向上するので、光出力のより一層の高出力化を図れる。

ところで、上述の絶縁層８０として上述の放熱シート（熱伝導シート）もしくは絶縁シートを採用した場合には、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３および保持枠４５と絶縁層８０との密着不足により図５に示すように両者の間に空隙８５が発生して熱抵抗が増大したりＬＥＤチップユニット１ごとに器具本体９０までの熱抵抗がばらついてしまうので、保持枠４５に荷重をかけるときのトルクを管理する必要がある。また、上述の絶縁層８０として絶縁グリースを採用した場合には、図６（ａ）に示すようにチップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３および保持枠４５と絶縁層８０との間に上述のような空隙８５が形成されるのを防ぐことができるが、絶縁層８０の経年変化（粘度変化、収縮など）により図６（ｂ）に示すように両者の間に間隙８６が発生して熱抵抗が増大したり、ＬＥＤチップユニット１ごとに器具本体９０までの熱抵抗がばらついてしまう恐れがある。

これに対して、本実施形態では、絶縁層８０として上述の熱硬化性の固着材（例えば、シリカやアルミナなどのフィラーを高充填したエポキシ樹脂シート）を採用しており、凹凸面への密着性が高いので、密着信頼性が向上するとともに経年変化が少なくなり、チップ搭載部材４１と絶縁層８０との密着不足によりチップ搭載部材４１と絶縁層８０との間に空隙８５が発生して熱抵抗が増大したり、絶縁層８０の経年変化によりチップ搭載部材４１と絶縁層８０との間に間隙８６が発生して熱抵抗が増大するのを防止することができる。なお、絶縁層８０における熱伝達のための有効接触面積を２５ｍｍ^２、絶縁層８０の厚みを０．１ｍｍとした場合、絶縁層８０の熱抵抗を１Ｋ／Ｗ以下に抑制するには、絶縁層８０の熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋ以上である条件を満足する必要があるが、上述の有機グリーンシートを採用すれば、この条件を満足することもできる。

（実施形態２）
本実施形態のＬＥＤを用いた照明器具の基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に示すように、ＬＥＤチップユニット１における保持枠４５の形状が若干相違する。なお、他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。

ところで、実施形態１では、ＬＥＤチップユニット１のチップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３における器具本体９０の底壁９０ａ側の各表面と保持枠４５における器具本体９０の底壁９０ａ側の表面とが略面一となっているので、絶縁層８０の材料して例えばエポキシ樹脂などの接着剤を採用した場合に、保持枠４５にかける荷重の大きさによっては絶縁層８０が図８（ｂ）に示すようにはみ出してしまい、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０とを電気的に絶縁できなくなってしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態における保持枠４５は、図８（ａ）に示すように器具本体９０の底壁９０ａとの対向面における４つの角部それぞれに、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０との間の絶縁距離を確保する凸部４５が突設されている。なお、凸部４５の突出寸法は絶縁層８０として採用する有機グリーンシートの厚み寸法よりも小さく設定してある。

しかして、本実施形態では、絶縁層８０の状態によらず、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０とを確実に電気的に絶縁することができる。すなわち、本実施形態では、組立時に器具本体９０の底壁９０ａとチップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３との間に絶縁層８０として用いる有機グリーンシートを介在させた後で荷重をかけたときに図８（ａ）に示すように有機グリーンシートがはみ出したりしても、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０の底壁９０ａとの間の距離が凸部４５の突出寸法よりも小さくなることがないので、チップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３と器具本体９０とをより確実に電気的に絶縁することができる。

（実施形態３）
本実施形態のＬＥＤを用いた照明器具の構成は実施形態１と略同じであって、図９〜図１１に示すように、ＬＥＤチップユニット１の構造が相違している。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるＬＥＤチップユニット１では、実施形態１におけるチップ搭載部材４１および各リード端子４２，４３および保持枠４５を設ける代わりに、ＬＥＤチップ１０が一面側に搭載される矩形板状の導電性プレート７１および当該導電性プレート７１の上記一面側に絶縁部７２を介して形成されＬＥＤチップ１０のアノード電極およびカソード電極がそれぞれ電気的に接続されるリードパターン７３，７３を有するチップ搭載部材７０を備えており、導電性プレート７１とＬＥＤチップ１０との間にサブマウント部材３０を介在させ、導電性プレート７１と器具本体９０の底壁９０ａとの間に有機グリーンシートからなる絶縁層８０を介在させている点などが相違する。

導電性プレート７１の材料としては、例えば、銅、リン青銅などの導電性を有し熱伝導率が比較的高い材料を採用すればよく、リードパターン７３，７３の材料としては、例えば、銅を採用すればよい。また、チップ搭載部材７０の絶縁部７２の材料としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などの絶縁性を有する樹脂を採用すればよい。ここにおいて、チップ搭載部材７０は、絶縁部７２の中央部に導電性プレート７１の上記一面の一部を露出させる矩形状の窓孔７５が形成されており、ＬＥＤチップ１０が窓孔７５の内側で導電性プレート７１の上記一面側に接合されたサブマウント部材３０を介して導電性プレート７１に搭載されている。なお、導電性プレート７１は、ＬＥＤチップ１０を搭載するリードフレームと同様の厚みを有していればよいから、厚み寸法を上記特許文献１〜３に記載されたＬＥＤユニットにおける回路基板の厚み寸法に比べて小さくすることができる。

また、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０の一表面側（図１０における上面側）のアノード電極（図示せず）がボンディングワイヤＷ１を介して一方のリードパターン７３の一端部（インナリード部）に電気的に接続され、ＬＥＤチップ１０の他表面側（図１０における下面側）のカソード電極（図示せず）がボンディングワイヤＷ２を介して他方のリードパターン７３の一端部（インナリード部）に電気的に接続され、各リードパターン７３の他端部がそれぞれリード線９３に半田からなる接合部９５を介して電気的に接続されている。なお、本実施形態では、上述のチップ搭載部材７０とリフレクタ５０と保護カバー６０とでＬＥＤチップ１０のパッケージを構成している。

ところで、本実施形態の照明器具では、絶縁層８０として用いる有機グリーンシートの平面サイズを導電性プレート７１の平面サイズよりも大きく設定すれば、有機グリーンシートと導電性プレート７１とが同じ平面サイズに形成されている場合に比べて、導電性プレート７１と金属製の器具本体９０との間の沿面距離を長くすることができ、照明器具用の光源として用いる場合の耐雷サージ性を高めることができる（ただし、一般的に屋内用の照明器具と屋外用の照明器具とで要求される沿面距離は異なり、屋外用の照明器具の方がより長い沿面距離を要求される）。ここにおいて、有機グリーンシートの厚みについては、耐雷サージ性の要求耐圧に応じて厚みを設計する必要があるが、熱抵抗を低減する観点からはより薄く設定することが望ましい。したがって、有機グリーンシートに関しては、厚みを設定した上で、沿面距離の要求を満足できるように平面サイズを設定すればよい。

また、上述のようにＬＥＤチップ１０とチップ搭載部材７０の導電性プレート７１との間に介在させているサブマウント部材３０は、ＬＥＤチップ１０と導電性プレート７１との線膨張率の差が比較的小さい場合には必ずしも設ける必要はなく、ＬＥＤチップ１０と導電性プレート７１との間にサブマウント部材３０を介在させない場合の方が、ＬＥＤチップ１０と金属製の器具本体９０の底壁９０ａとの間の距離が短くなって、ＬＥＤチップ１０の発光部１２から器具本体９０までの熱抵抗をより小さくすることができ、放熱性がさらに向上するので、光出力のより一層の高出力化を図れる。

また、本実施形態でも、組立時などにおいてＬＥＤチップユニット１を個別部品として取り扱いやすくなり、各ＬＥＤチップユニット１を器具本体９０に実装する前に、容易に個別の検査を行うことができるという利点がある。

実施形態１を示す要部概略断面図である。同上を示し、一部破断した概略側面図である。同上における要部概略斜視図である。同上における要部概略分解斜視図である。同上の要部説明図である。同上の要部説明図である。実施形態２における要部概略分解斜視図である。同上の要部説明図である。実施形態３を示す要部概略斜視図である。同上を示す要部概略断面図である。同上における要部概略分解斜視図である。従来例を示すＬＥＤユニットの概略断面図である。他の従来例を示すＬＥＤユニットの概略構成図である。

符号の説明

１ＬＥＤチップユニット
１０ＬＥＤチップ
１１導電性基板
１２発光部
１４ボンディングワイヤ
３０サブマウント部材
４１チップ搭載部材
４２リード端子（カソード側リード端子）
４３リード端子（アノード側リード端子）
５０リフレクタ
６０保護カバー
７０チップ搭載部材
７１導電性プレート
７２絶縁部
７３リードパターン
８０絶縁層（樹脂シート）
９０器具本体

Claims

一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが搭載された金属板からなるチップ搭載部材と、ＬＥＤチップのアノード電極が電気的に接続されたアノード側リード端子と、ＬＥＤチップのカソード電極が電気的に接続されたカソード側リード端子と、金属製の器具本体と、チップ搭載部材およびアノード側リード端子およびカソード側リード端子と器具本体との間に介在し両者を電気的に絶縁し且つ両者を熱結合させる絶縁層とを備えることを特徴とするＬＥＤを用いた照明器具。
前記チップ搭載部材が前記アノード側リード端子と前記カソード側リード端子とのうちの一方に連続一体に形成され、前記チップ搭載部材および前記アノード側リード端子および前記カソード側リード端子が絶縁性の合成樹脂成形品の保持枠に同時一体に成形されてなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤを用いた照明器具。
前記保持枠は、前記器具本体との対向面に、前記チップ搭載部材および前記アノード側リード端子および前記カソード側リード端子と前記器具本体との間の絶縁距離を確保する凸部が突設されてなることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤを用いた照明器具。
一表面側にアノード電極が形成されるとともに他表面側にカソード電極が形成されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップが一面側に搭載される導電性プレートおよび当該導電性プレートの前記一面側に絶縁部を介して形成されＬＥＤチップのアノード電極およびカソード電極がそれぞれ電気的に接続されるリードパターンを有するチップ搭載部材と、金属製の器具本体と、チップ搭載部材と器具本体との間に介在し両者を電気的に絶縁し且つ両者を熱結合させる絶縁層とを備えることを特徴とするＬＥＤを用いた照明器具。
前記ＬＥＤチップは、ＳｉＣ基板もしくはＧａＮ基板からなる導電性基板の主表面側にＧａＮ系化合物半導体材料により形成された発光部を備え、導電性基板の裏面に前記アノード電極と前記カソード電極との一方が形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＬＥＤを用いた照明器具。
前記ＬＥＤチップのチップサイズよりも大きく且つ前記ＬＥＤチップと前記チップ搭載部材との間に介在して前記ＬＥＤチップと前記チップ搭載部材との線膨張率の差に起因して前記ＬＥＤチップに働く応力を緩和するサブマウント部材を備えてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のＬＥＤを用いた照明器具。
前記チップ搭載部材がＣｕにより形成され、前記サブマウント部材がＷもしくはＣｕＷにより形成されてなることを特徴とする請求項６記載のＬＥＤを用いた照明器具。
前記絶縁層は、熱硬化性の固着材により形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のＬＥＤを用いた照明器具。
前記固着材は、フィラーからなる充填材を含有し且つ加熱時に低粘度化する樹脂シートからなることを特徴とする請求項８記載のＬＥＤを用いた照明器具。