JP2007142173A - Illuminator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照明装置に関し、特に、LED(Light Emitting Diode)を透光性を有する基板に実装して構成される照明装置に関する。 The present invention relates to a lighting device, and more particularly to a lighting device configured by mounting an LED (Light Emitting Diode) on a light-transmitting substrate.
環境問題、特にエネルギー削減において低消費電力であるLEDは、今後照明用としての需要が見込まれる。照明用のためには従来の数十ミリアンペアでは、蛍光灯と比較して明るさが不十分である。そのため、十分な明るさを確保するには、数百ミリアンペアの領域での使用が必須となる。しかし、数百ミリアンペアを流すと、熱の問題が発生するため、パッケージングにおいて、効率よく熱を逃がす必要がある。 LEDs with low power consumption for environmental problems, especially energy reduction, are expected to be used for lighting in the future. For illumination, the conventional tens of milliamps are insufficient in brightness as compared with fluorescent lamps. Therefore, in order to ensure sufficient brightness, use in the region of several hundred milliamps is essential. However, when a few hundred milliamperes are passed, a heat problem occurs. Therefore, it is necessary to efficiently release heat in packaging.
従来の方法では、基板下にヒートシンクなどを置いて熱を逃がしたり、強制冷風の方法を用いていたが、いずれの方法においても、厚み方向においてスペースが必要となるため、照明器具としても大きくなるという問題がある。また、実装面から効率よくLEDからの光を照射させることが必要である。 In the conventional method, a heat sink or the like is placed under the substrate to dissipate heat, or the method of forced cold air is used. However, in either method, a space is required in the thickness direction, so that it becomes large as a lighting fixture. There is a problem. Moreover, it is necessary to irradiate the light from LED efficiently from the mounting surface.
従来のLEDパッケージングは、配線パターンが形成された絶縁層にLEDをマウントし、絶縁層下には熱伝導性のよい金属基板を装着した照明装置が提案されている。 Conventional LED packaging has proposed an illumination device in which an LED is mounted on an insulating layer on which a wiring pattern is formed, and a metal substrate having good thermal conductivity is mounted under the insulating layer.
そこで、金属基板としては、金属板に絶縁層及び導電性金属箔を順に積層してなる積層物の導電性金属箔をエッチングして導電回路を形成した金属ベース回路基板の金属板の裏面、側面および導電回路の表面にニッケルめっきまたは金めっきを施した金属ベース回路基板が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, as the metal substrate, the back and side surfaces of the metal plate of the metal base circuit board in which the conductive metal foil of the laminate formed by sequentially laminating the insulating layer and the conductive metal foil on the metal plate is etched to form the conductive circuit. In addition, a metal base circuit board in which the surface of the conductive circuit is nickel-plated or gold-plated has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、金属ベ−スと、片面に絶縁体を介して設けられた電極とを具備し、絶縁体が第1絶縁層と第2絶縁層とからなり、第1絶縁層がガラス繊維不織布に酸化アルミニウム等からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したもので、第2絶縁層が芳香族ポリアミド繊維不織布もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に熱硬化性樹脂を塗布含浸した回路用金属基板が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかし、従来の装置によれば、発光素子が実装される基板は熱伝導率が小さく、熱抵抗が大きいので放熱効果が悪い。このため、ヒートシンクなどを置いて熱を逃がしたり、強制冷風等が必要となり、照明装置の大きさ、特に厚さ方向に大型化すると共に、発光素子を大電流領域で使用できず、高出力化にも限界が生じていた。 However, according to the conventional apparatus, the substrate on which the light emitting element is mounted has a low thermal conductivity and a high thermal resistance, so that the heat dissipation effect is poor. For this reason, it is necessary to dissipate heat by placing a heat sink, etc., forced cold air, etc., and the size of the lighting device, especially in the thickness direction, is increased, and the light emitting element cannot be used in a large current region, and high output is achieved. There was also a limit.
従って、本発明の目的は、熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な照明装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a lighting device that has a low thermal resistance and a high heat dissipation effect without using a heat sink or the like, can use a light emitting element in a large current region, and can cope with high output. is there.
本発明は、上記目的を達成するために、高い熱伝導性と透光性を有する基板と、前記基板に実装された発光素子と、前記発光素子を覆い前記発光素子からの出射光を反射して前記基板を透過させる反射部材とを有することを特徴とする照明装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate having high thermal conductivity and translucency, a light emitting element mounted on the substrate, a light emitting element that covers the light emitting element and reflects light emitted from the light emitting element. And a reflecting member that transmits the substrate.
また、前記基板は、窒化アルミニウム、サファイア、酸化ガリウム、又は、SiC基板であってもよく、また、前記発光素子は、LEDであってもよく、また、前記発光素子は、フリップチップ型のLEDであってもよい。また、前記反射部材は、蛍光体層を有するものであってもよく、シールドが可能な無機材料により形成されていてもよい。また、前記基板は、LED基板と同一であってもよい。また、前記LEDは、前記反射部材の方向へ前記LEDからの出射光を反射させる反射層を有するものであってもよい。 Further, the substrate may be an aluminum nitride, sapphire, gallium oxide, or SiC substrate, the light emitting element may be an LED, and the light emitting element is a flip chip type LED. It may be. Further, the reflecting member may have a phosphor layer, and may be formed of an inorganic material that can be shielded. The substrate may be the same as the LED substrate. The LED may have a reflective layer that reflects light emitted from the LED in the direction of the reflective member.
本発明の照明装置によれば、熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な照明装置を可能とすることができる。 According to the lighting device of the present invention, it is possible to provide a lighting device that has a low heat resistance and a high heat dissipation effect without using a heat sink or the like, can use a light emitting element in a large current region, and can cope with high output. be able to.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る照明装置を示す図である。図1(a)は、第1の実施の形態に係る照明装置の構成を断面図で示すものであり、(b)は、LEDで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an illumination apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the lighting apparatus according to the first embodiment, and FIG. 1B is an equivalent thermal circuit showing a heat dissipation model of heat generated by the LED.
第1の実施の形態に係る照明装置10は、透光性基板1に発光素子としてLED2が実装され、LED2を覆うように反射板7が透光性基板1に装着されている。発光素子としては、LEDの他に、レーザ等の光を出射するものであれば本装置に適用できる。
In the illumination device 10 according to the first embodiment, the
透光性基板1は、LED2の出射する光の波長が透過するものであれば良いが、窒化アルミニウムを基板状に形成したものが好ましい。その他、サファイア、酸化ガリウム、又は、SiC基板であっても同様に使用できる。この窒化アルミニウム基板等は、熱伝導性に優れたセラミックで、高強度、低熱膨張性、高い電気絶縁性、小さい誘電率を有する。
The
LED2は、クリアペースト6により透光性基板1に空気層を介することなく密着して固着され、透光性基板1に所定のパターンで配線された配線パターン3とLED2の2つの電極5を配線4で電気的に接続されている。また、LED2は、透光性基板1上に半導体層を結晶成長させて発光素子として形成することも可能であるので、透光性基板1をLED2の基板と同一のものとすることもできる。
The
反射板7は、LED2からの出射光を照明方向に反射させる反射部材の一実施形態であって、LED2を覆う内部側は、反射しやすいようにLED2の出射する光の波長を反射する反射部7aが形成されているのが好ましい。反射板7の形状は、LED2から出射する光を均等に透光性基板1の方向に反射するものが好ましい。反射部7aは、反射膜のスパッタ、反射層の塗布、反射シートの貼り付け、メッキ等により形成される。また、反射板7をシールドが可能な無機材料により形成することもでき、不要な電磁波の放射を防止あるいは軽減できる。
The reflecting plate 7 is an embodiment of a reflecting member that reflects the emitted light from the
尚、上記の説明、及び、図1では、照明装置10は、透光性基板1にLED2が1個実装され、それに対応して反射板7が装着されたものを示したが、これに限らず、透光性基板1にLED2を複数実装し、各LED2を各々反射板7が覆うように装着してもよく、また、複数のLED2を一括して反射板7が覆うように装着してもよく、また、これらの組合せによって照明装置10を構成するようにしてもよい。
In the above description and FIG. 1, the illumination device 10 is shown in which one
図2は、第1の実施の形態の変形例を示すもので、複数のLED2を透光性基板1に実装し、複数のLED2を一括して反射板7で覆うように構成した照明装置を示す図である。
FIG. 2 shows a modification of the first embodiment. An illuminating device configured such that a plurality of
(第1の実施の形態による作用効果)
図3は、本発明の第1の実施の形態の作用効果を示す図である。図3において、LED2からの光は下及び斜め下の方向に出射される。出射された光は、反射板7により反射され、透光性基板1を透過して図3の上方向、すなわち、照明対象に向う方向に照射される。LED2からの光は、所定の放射角で出射するので、反射板7の形状を適切に決めることにより、LED2から出射する光を均等に透光性基板1の方向に反射させ、透光性基板1を透過して照明される光をより均一なものにすることができる。
(Operational effects according to the first embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing the operational effects of the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the light from the
また、透光性基板1に窒化アルミニウムを用いた場合、窒化アルミニウムはアルミニウムに匹敵する高熱伝導率を有するため、熱抵抗が小さく、LED2で発生する熱が窒化アルミニウムの基板を通して拡散されるので、LED2の放熱に有利な効果を有する。
Further, when aluminum nitride is used for the
また、窒化アルミニウムの放射率は大きいため、LED2を大電流領域で使用しても、効率的に熱を放射することができ、高輝度の照明が可能となる。
Moreover, since the emissivity of aluminum nitride is large, even when the
また、窒化アルミニウムの基板は、数十kV/mmの絶縁耐圧を有すると共に高強度であるため、基板厚を薄くすることが可能となり、かつ、基板上にダイレクトにメタライズが可能となる効果を有する。 In addition, since the aluminum nitride substrate has a dielectric strength of several tens of kV / mm and high strength, the thickness of the substrate can be reduced, and metallization can be performed directly on the substrate. .
(従来例との比較)
図4は、従来の照明装置を示す図である。図4(a)は、従来の照明装置の構成を断面図で示すものであり、(b)は、LEDで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路である。
(Comparison with conventional example)
FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional lighting device. FIG. 4A is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional lighting device, and FIG. 4B is an equivalent thermal circuit showing a heat dissipation model of heat generated in the LED.
図4(a)において、従来の照明装置は、エポキシ樹脂で形成された絶縁基板101aとアルミ基板101bとが貼り合わされた実装基板上に、LED102がクリアペースト106により絶縁基板101aに空気層を介することなく密着して固着され、絶縁基板101aに所定のパターンで配線された配線パターン103とLED102の2つの電極105を配線104で電気的に接続されている。
4A, in the conventional lighting device, an
ここで、図1(b)に示した第1の実施の形態に係る照明装置のLEDで発生する熱の放熱モデルと、図4(b)に示した従来の照明装置のLEDで発生する熱の放熱モデルとを比較する。各図の点線で囲まれた部分の熱抵抗を比較する。実装面10mm×10mm、LEDと基板の接合部でのジャンクション温度100℃、周囲温度30℃と仮定する。 Here, a heat dissipation model of heat generated in the LED of the lighting device according to the first embodiment shown in FIG. 1B and heat generated in the LED of the conventional lighting device shown in FIG. 4B. Compare with the heat dissipation model. The thermal resistance of the part surrounded by the dotted line in each figure is compared. Assume that the mounting surface is 10 mm × 10 mm, the junction temperature at the junction between the LED and the substrate is 100 ° C., and the ambient temperature is 30 ° C.
従来の照明装置における実装では、エポキシ樹脂で形成された絶縁基板101aからアルミ基板101bまでの伝導による熱抵抗は、R101a+R101b=2.8℃/W、放射、自然対流による熱抵抗は、R108とR109を合成して、774.46℃/Wである。よって、卜一タルの熱抵抗777.26℃/Wとなる。 In the mounting in the conventional lighting device, the thermal resistance due to conduction from the insulating substrate 101a formed of epoxy resin to the aluminum substrate 101b is R 101a + R 101b = 2.8 ° C./W, and the thermal resistance due to radiation and natural convection is R 108 and R 109 are synthesized and the temperature is 774.46 ° C./W. Therefore, the thermal resistance of the total is 777.26 ° C./W.
一方、窒化アルミニウム基板の場合では、伝導による熱抵抗は、R1=0.15℃/W、放射、自然対流による熱抵抗は、R8とR9を合成して332.79℃/Wである。よって、トータルの熱抵抗は332.94℃/Wとなる。 On the other hand, in the case of an aluminum nitride substrate, the thermal resistance by conduction is R 1 = 0.15 ° C./W, and the thermal resistance by radiation and natural convection is 332.79 ° C./W by combining R 8 and R 9. is there. Therefore, the total thermal resistance is 332.94 ° C./W.
従って、窒化アルミニウム基板の伝導による熱抵抗は、従来の実装基板における伝導による熱抵抗のおよそ1/150に減少する。さらに窒化アルミニウム基板は高放射性を有することから、自然対流と放射を含めたトータルの熱抵抗が従来実装に比べて、57%減少する。 Therefore, the thermal resistance due to conduction of the aluminum nitride substrate is reduced to about 1/150 of the thermal resistance due to conduction in the conventional mounting substrate. Furthermore, since the aluminum nitride substrate has high radiation, the total thermal resistance including natural convection and radiation is reduced by 57% compared to the conventional mounting.
(第1の実施の形態の効果)
第1の実施の形態によれば、以下の効果を有する。
1 窒化アルミニウム基板は、高熱伝導率(アルミニウムに匹敵)を有するため、熱抵抗が小さい。
2 数十kV/mmの絶縁耐圧を有し、かつ、高強度であるため、基板厚を薄くすることが可能、かつ、基板上にダイレクトにメタライズが可能となる。
3 高放射率を有するため、効率的に熱を放射することが可能となり、大電流領域で使用できる。
4 透光性基板に反射板を付けることによって、基板の裏面方向に効率よく光を放射することが可能となる。
(Effects of the first embodiment)
The first embodiment has the following effects.
1 An aluminum nitride substrate has a high thermal conductivity (comparable to aluminum) and thus has a low thermal resistance.
2 Since it has a dielectric strength of several tens of kV / mm and high strength, the thickness of the substrate can be reduced, and metallization can be performed directly on the substrate.
3 Since it has a high emissivity, it is possible to radiate heat efficiently and it can be used in a large current region.
4. By attaching a reflecting plate to the translucent substrate, light can be efficiently emitted in the direction of the back surface of the substrate.
(第2の実施の形態)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る照明装置を示す図である。窒化アルミニウムを基板状に形成した透光性基板1に、LED2がクリアペースト6により空気層を介することなく密着して固着され、透光性基板1上に所定のパターンで配線された配線パターン3とLED2の2つの電極5をはんだペースト8によりはんだ付け処理が施されて電気的に接続されている。すなわち、上記のLED2は、フリップチップ型の発光素子として構成され、透光性基板1に実装されている。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing an illumination apparatus according to the second embodiment of the present invention. A
また、図5では、照明装置10は、透光性基板1にLED2が1個実装され、それに対応して反射板7が装着されたものを示したが、これに限らず、透光性基板1にLED2を複数実装し、各LED2を各々反射板7が覆うように装着してもよく、また、複数のLED2を一括して反射板7が覆うように装着してもよく、また、これらの組合せによって照明装置10を構成するようにしてもよい。
Moreover, in FIG. 5, although the illuminating device 10 showed what the LED2 was mounted in the translucent board |
(第2の実施の形態の効果)
第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加えて、次のような効果を有する。
(Effect of the second embodiment)
According to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects are obtained.
フリップチップ型の発光素子を、透光性基板1に実装することで、LED2で発生した熱は、主にはんだペースト8を介して透光性基板1へ伝導して外部へ放熱される。配線4に比べて断面積の大きなはんだペースト8を熱が伝導するので、効率的に熱を逃がすことができ、放熱効果が大きい。これにより、さらに大電流領域で使用することができる。
By mounting the flip-chip type light emitting element on the
また、配線4を使用しないので、実装工数の削減と、照明装置としての信頼性が向上する。 Further, since the wiring 4 is not used, the number of mounting steps can be reduced and the reliability as the lighting device can be improved.
(第3の実施の形態)
図6は、本発明の第3の実施の形態に係る照明装置を示す図である。この実施の形態は、第1の実施の形態に係る照明装置において、LED2と透光性基板1の間に反射層21を設け、また、反射板7の内面に蛍光体層22を設けたものである。この構成によれば、第1の実施の形態の効果に加え、反射層21により放射率がさらに向上すると共に、蛍光体層22により可視光としての放射量がさらに向上するという効果を有する。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing an illumination apparatus according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, in the lighting device according to the first embodiment, a reflective layer 21 is provided between the
(第4の実施の形態)
図7は、本発明の第4の実施の形態に係る照明装置を示す図である。この実施の形態は、第2の実施の形態に係る照明装置において、反射板7の内面に蛍光体層23を設けたものである。この構成によれば、第2の実施の形態の効果に加え、蛍光体層23により可視光としての放射量がさらに向上するという効果を有する。また、第3の実施の形態と同様に、LED2の上層部に反射層を設けることもでき、これにより、放射率をさらに向上させることができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing an illumination apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the phosphor layer 23 is provided on the inner surface of the reflecting plate 7 in the illumination device according to the second embodiment. According to this configuration, in addition to the effect of the second embodiment, the phosphor layer 23 has an effect that the amount of radiation as visible light is further improved. Further, similarly to the third embodiment, a reflective layer can be provided on the upper layer portion of the
(第5の実施の形態)
図8は、本発明の第5の実施の形態に係る照明装置を示す図である。この実施の形態は、第1〜4の実施の形態に係る照明装置において、反射板7の形状を放物線形状としたものである。この構成によれば、LED2と反射板7の位置関係により、照明方向を平行、発散、あるいは集束光をすることができ、方向性を備えた照明装置を可能とすることができる。また、LED2と透光性基板1の間に反射層21を設け、また、反射板7の内面に蛍光体層を設けることもできる。この構成によれば、反射層21により放射率がさらに向上すると共に、蛍光体層により可視光としての放射量がさらに向上するという効果を有する。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing an illumination apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, in the lighting device according to the first to fourth embodiments, the shape of the reflecting plate 7 is a parabolic shape. According to this configuration, depending on the positional relationship between the
1 透光性基板
2 LED
3 配線パターン
4 配線
5 電極
6 クリアペースト
7 反射板
8 はんだペースト
10 照明装置
21 反射層
22,23 蛍光体層
1
3 Wiring Pattern 4
Claims (8)
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