JP2007088078A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 放熱性を向上した発光装置を提供する。
【解決手段】 ＬＥＤチップ１０が実装される実装基板２０に、流体からなる冷媒が通される流路２１ａを設けた。流路２１ａを設けない場合に比べ、放熱性が向上する。従って、ＬＥＤチップ１０への入力電力を大きくして光出力を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源として発光ダイオードチップを用いた発光装置に関するものである。
従来から、発光ダイオードチップ（以下、「ＬＥＤチップ」と呼ぶ。）を光源として用いた発光装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−８５７４８号公報
ここで、ＬＥＤチップは発光時に発熱する発熱部品であり、かつ温度の上昇に伴って光出力が低下するため、より高い光出力を得るためには放熱性の向上が要求される。
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、放熱性が向上した発光装置を提供することにある。
本発明は、発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが実装された実装基板と、当該実装基板における発光ダイオードチップの実装面側で発光ダイオードチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されて発光ダイオードチップおよび当該発光ダイオードチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたレンズと、発光ダイオードチップから放射された光によって励起されて発光ダイオードチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材とを備え、実装基板には流体からなる冷媒が通される流路が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、実装基板に流路が設られていない場合に比べて放熱性が向上する。従って、発光ダイオードチップへの入力電力を大きくして光出力を高くすることができる。
以下、本実施形態の発光装置について図１〜４を参照しながら説明する。
本実施形態の発光装置１は、ＬＥＤチップ１０と、ＬＥＤチップ１０が実装された実装基板２０と、実装基板２０におけるＬＥＤチップ１０の実装面側でＬＥＤチップ１０を囲む枠体４０と、枠体４０の内側に透明樹脂材料を充填して形成されてＬＥＤチップ１０および当該ＬＥＤチップ１０に接続されたボンディングワイヤ１４，１４を封止し且つ弾性を有する封止部５０と、封止部５０に重ねて配置されるレンズ６０と、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放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であってレンズ６０の光出射面６０ｂ側にレンズ６０を覆い光出射面６０ｂおよび枠体４０との間に空気層８０が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材７０とを備えている。なお、発光装置１は、ＡｌやＣｕのような熱伝導率の高い材料からなり上面が開放された収納凹部１００ａを有する有底円筒形状の器具本体１００に、収納凹部１００ａの底面上に設けられたグリーンシートからなる絶縁層９０を介して実装されて照明器具を構成する。このように、絶縁層９０として比較的に熱伝導率の高いグリーンシートを用いたことにより、絶縁層９０として例えば塩化ビニールのような比較的に熱伝導率の低い材料からなるシートを用いる場合に比べ、ＬＥＤチップ１０から器具本体１００までの熱抵抗を小さくすることができて放熱性が向上し、ＬＥＤチップ１０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。
実装基板２０は、ＬＥＤチップ１０が搭載される金属板２１と、金属板２１に積層されたガラスエポキシ基板からなる絶縁性基材２２とで構成されており、当該絶縁性基材２２における金属板２１側とは反対側の表面にＬＥＤチップ１０の図示しない両電極それぞれと電気的に接続される一対のリードパターン２３が設けられるとともに、絶縁性基材２２においてＬＥＤチップ１０に対応する部位に窓孔２４が設けられており、ＬＥＤチップ１０で発生した熱が絶縁性基材２２を介さずに金属板２１に伝熱できるようになっている。ここにおいて、金属板２１の材料としてはＣｕを採用しているが、熱伝導率の比較的高い金属材料であればよく、Ｃｕに限らず、Ａｌなどを採用してもよい。なお、金属板２１と絶縁性基材２２とは、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２５により固着されている。また、各リードパターン２３は、Ｎｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、色変換部材７０により覆われていない部位がアウターリード部２３ｂとなっている。
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側の電極であるカソード電極（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側の電極であるアノード電極（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、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１から離れた側となるように金属板２１に実装されているが、ＬＥＤチップ１０の発光部１２が導電性基板１１よりも金属板２１に近い側となるように金属板２１に実装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を金属板２１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を金属板２１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、ＬＥＤチップ１０は、上述の実装基板２０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と金属板２１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を介して実装されている。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で発生した熱を金属板２１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いる。本実施形態では、サブマウント部材３０の材料として熱伝導率が比較的高く且つ絶縁性を有するＡｌＮ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におけるＬＥＤチップ１０側の表面に設けられ上記カソード電極と接続される導体パターン（図示せず）および金属細線（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を介して一方のリードパターン２３と電気的に接続され、上記アノード電極がボンディングワイヤ１４を介して他方のリードパターン２３と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤチップ１０とサブマウント部材３０とは、例えば、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの半田や、銀ペーストなどを用いて接合すればよいが、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することが好ましい。また、サブマウント部材３０において、導体パターンの周囲には、ＬＥＤチップ１０から放射された光を反射する反射膜（例えば、Ｎｉ膜とＡｇ膜との積層膜）が形成されている。
サブマウント部材３０の材料はＡｌＮに限らず、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、複合ＳｉＣ、Ｓｉなどを採用してもよい。
上述の封止部５０の透明樹脂材料としては、シリコーン樹脂を用いているが、シリコーン樹脂に限らず、アクリル樹脂などを用いてもよい。
これに対して、枠体４０は、円筒状の形状であって、透明樹脂の成形品により構成されているが、当該成形品に用いる透明樹脂としては、シリコーン樹脂を採用している。要するに、本実施形態では、封止部５０の透明樹脂材料の線膨張率と同等の線膨張率を有する透光性材料により枠体４０を形成してある。ここに、本実施形態では、枠体４０を実装基板２０に固着した後で枠体４０の内側に上記透明樹脂材料を充填（ポッティング）して熱硬化させることで封止部５０を形成してある。なお、上記透明樹脂材料としてシリコーン樹脂に代えてアクリル樹脂を用いている場合には、枠体４０をアクリル樹脂の成形品により構成することが望ましい。
レンズ６０は、封止部５０側の光入射面６０ａおよび光出射面６０ｂそれぞれが凸曲面状に形成された両凸レンズにより構成されている。ここにおいて、レンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品により構成してあり、封止部５０と屈折率が同じ値となっているが、レンズ６０は、シリコーン樹脂の成形品に限らず、例えば、アクリル樹脂の成形品により構成してもよい。
ところで、レンズ６０は、光出射面６０ｂが、光入射面６０ａから入射した光を光出射面６０ｂと上述の空気層８０との境界で全反射させない凸曲面状に形成されている。ここで、レンズ６０は、当該レンズ６０の光軸がＬＥＤチップ１０の厚み方向に沿った発光部１２の中心線上に位置するように配置されている。なお、ＬＥＤチップ１０の側面から放射された光は封止部５０および空気層８０を伝搬して色変換部材７０まで到達し色変換部材７０の蛍光体を励起したり蛍光体には衝突せずに色変換部材７０を透過したりする。
色変換部材７０は、シリコーン樹脂のような透明材料と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、本実施形態の発光装置は、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が色変換部材７０の外面７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。なお、色変換部材７０の材料として用いる透明材料は、シリコーン樹脂に限らず、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、色変換部材７０の材料として用いる透明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。
ここで、色変換部材７０は、内面７０ａがレンズ６０の光出射面６０ｂに沿った形状に形成されている。したがって、レンズ６０の光出射面６０ｂの位置によらず法線方向における光出射面６０ｂと色変換部材７０の内面７０ａとの間の距離が略一定値となっている。なお、色変換部材７０は、位置によらず法線方向に沿った肉厚が一様となるように成形されている。色変換部材７０は、開口部の周縁を実装基板２０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。
さらに、実装基板２０を構成する金属板２１には、両端がそれぞれ金属板２１の側面に開口して冷媒が通される流路２１ａが設けられている。冷媒としては例えば水のような流体が使用される。各発光装置１の流路２１ａは例えば図２に示すようにパイプＰＩを介して互いに連結されるとともに放熱器ＨＥ及びポンプＰＯに連結される。ここにおいて、パイプＰＩを各発光装置１の流路２１ａとにより放熱器ＨＥとポンプＰＯとを含む環状の流路が形成され、ポンプＰＯにより各発光装置１と放熱器ＨＥとに冷媒が循環する。放熱器ＨＥは例えば、アルミニウムのような熱伝導率の高い材料からなり、蛇行した流路が内部に設けられて冷媒が溜まる容器の周囲に、外気との接触面積を増やすための放熱フィンが設けられたものである。
上記構成によれば、流路２１ａを設けない場合に比べて放熱性が向上する。従って、ＬＥＤチップ１０への入力電力を大きくして光出力を高くすることができる。
なお、上記のようにポンプＰＯによって冷媒を循環させる代わりに、対流によって冷媒を循環させるようにしてもよい。具体的には例えば、図５に示すように各発光装置１において流路２１ａをそれぞれパイプＰＩを介して放熱器ＨＥに接続し、放熱器ＨＥを流路２１ａよりも高い位置に支持する。すなわち、ＬＥＤチップ１０の熱によって温度が上昇して密度が低下した冷媒が放熱器ＨＥ内に流入し、放熱器ＨＥ内において温度が低下して密度が上昇した冷媒が流路２１ａに戻るといった対流により冷媒が循環する。この場合、流路２１ａの開口は１箇所でもよい。
また、上述の実施形態では、ＬＥＤチップ１０として、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結晶成長用基板の熱抵抗を小さくできる。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。
本発明の実施形態を示す断面図である。 同上を用いた照明器具の一例を示す斜視図である。 同上を示す一部破断した分解斜視図である。 同上を示す平面図である。 同上を用いた照明器具の別の例を示す斜視図である。
符号の説明
１ 発光装置
１０ ＬＥＤチップ
２０ 実装基板
２１ａ 流路

Claims (1)

  1. 発光ダイオードチップと、発光ダイオードチップが実装された実装基板と、当該実装基板における発光ダイオードチップの実装面側で発光ダイオードチップを囲む枠体と、枠体の内側に透明樹脂材料を充填して形成されて発光ダイオードチップおよび当該発光ダイオードチップに電気的に接続された一対のボンディングワイヤを封止し且つ弾性を有する封止部と、封止部に重ねて配置されたレンズと、発光ダイオードチップから放射された光によって励起されて発光ダイオードチップの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を透明材料とともに成形した成形品であって実装基板の前記実装面側でレンズおよび枠体を覆いレンズの光出射面および枠体との間に空気層が形成される形で配設されるドーム状の色変換部材とを備え、
    実装基板には流体からなる冷媒が通される流路が設けられていることを特徴とする発光装置。
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