JP2008071895A

JP2008071895A - 照明装置

Info

Publication number: JP2008071895A
Application number: JP2006248442A
Authority: JP
Inventors: Akiko Saito; 明子斉藤; Shinji Nogi; 新治野木; Tomohiro Sanpei; 友広三瓶; Masahiro Izumi; 昌裕泉
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】本発明は、半導体発光素子から発生する熱を放熱するとともに、絶縁性及び光取り出し効率を向上させることのできる照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】請求項１に記載の発明は、放熱体２と；放熱体の一面側に配設された白色絶縁体３と；白色絶縁体に間隔を存して配設された複数の半導体発光素子５と；白色絶縁体に配設されて前記半導体発光素子に電気的に接続された導電体４と；前記複数の半導体発光素子を前記白色絶縁体上に接着する透光性接着層６と；を具備することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）チップ等の半導体発光素子を光源とした照明装置に関する。

従来、ＬＥＤ集合体モジュールにおいて、ＬＥＤ又はＬＥＤ素子から発生する熱を効率的に移動させて外部へ放出し、ＬＥＤ又はＬＥＤ素子の温度を低く抑えるようにした技術が知られている（特許文献１）。

すなわち、図３及び図４において、基台１の一方の面に厚みの薄い絶縁層１１を基台１と一体的に形成し、この絶縁層１１の基台１とは反対側の面（表面）にＬＥＤ素子１２をワイヤボンディングし、ＬＥＤ素子１２を隙間無く覆うようにして透明樹脂製の保護層１３を絶縁層１１の表面全体に設け、更に、基台１の他方の面側に、当該面から突出した複数の放熱部１４を基台１に一体的に形成したものである。

このように構成したＬＥＤ集合体モジュールのＬＥＤ素子１２に電流を流すと、ＬＥＤ素子１２は発熱し、この熱は、絶縁層１１を通して伝導により基台１及び放熱部１４に移動する。この熱移動は、この絶縁層１１の厚みが薄いことと、絶縁層１１と基台１が密着状態になっていることにより容易に行われる。基台１は外表面がヒートシンクとして働き、このとき放熱部１４は放熱フィンとして働き、放射、対流により外部に熱を放出する。

また、ＬＥＤ素子１２から放出される熱は、ＬＥＤ集合体モジュールの中央部で滞留しやすく、周辺部で放熱しやすい。そこで、放熱部１４の高さを、基台１の少なくとも一方の対向する端辺の中央部に挟まれる領域から突出した放熱部１４の方を、前記端辺の周辺部に挟まれる領域から突出した放熱部１４より高く形成し、放熱部１４の高さを変えることによって、中央部の放熱面積は周辺部の放熱面積に比べて大きくなるため、周辺部よりも多くの熱を放出することができる。これにより、ＬＥＤ集合体モジュールの温度を均一化することができるというものである。
特開２０００−３１５４６号公報（段落0026−0029、図３−図４）

上述したように、熱移動は、絶縁層１１の厚みが薄いことと絶縁層１１と基台１が密着状態になっていることにより容易に行われることになるが、厚みを薄くすればするほど、基台１が導電性の場合には絶縁距離を十分に確保しにくくなる。また、厚みを薄くすればするほど、ＬＥＤからの光は基台１方向に透過し、その結果、光取り出し効率が低下するおそれがある。

本発明は、半導体発光素子から発生する熱を放熱するとともに、絶縁性及び光取り出し効率を向上させることのできる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、放熱体と；放熱体の一面側に配設された白色絶縁体と；白色絶縁体に間隔を存して配設された複数の半導体発光素子と；白色絶縁体に配設されて前記半導体発光素子に電気的に接続された導電体と；前記複数の半導体発光素子を前記白色絶縁体上に接着する透光性接着層と；を具備することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記放熱体の他面側には放熱フィンが設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の照明装置において、白色絶縁体は、厚さ９０μｍ〜３０μｍの酸化チタンを含む熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の照明装置において、前記複数の半導体発光素子は一直線状であって複数列に配列され、前記放熱フィンは前記複数列と直交する方向に複数列設けられていることを特徴とする。

上記発明において、半導体発光素子には、窒化物半導体を好適に用いることができるが、この他に、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、ＩＩ−ＩＶ族系化合物半導体、ＩＶ−ＶＩ族系化合物半導体等を用いることも可能である。半導体発光素子の発光色は、青色、赤色、緑色のいずれであってもよく、使用する各半導体発光素子の発光色は、半導体発光素子毎に異なっていても、全てが同じであってもよい。

又、この発明で、白色を呈する絶縁材で形成された白色絶縁体は、その反射率が４００ｎｍ〜７４０ｎｍの波長領域で８５％以上であれば１００％に近いほど好ましい。この種の白色系絶縁材として、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム等の白色粉末の内の少なくとも一種が混入された熱硬化性樹脂を、紙や布等のシート基材に含浸させてなる接着シートを挙げることができる。

又、この発明で、透光性接着層には、例えばエポキシ樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂系のダイボンド材を用いることができる。透光性接着層は、その厚みが１００μm〜５００μmで、光の透過率が７０％以上であれば１００％に近いほど好ましい。この種の透光性接着層としては、特にシリコーン樹脂系の透光性接着層を好適に用いることができる。シリコーン樹脂系の透光性接着層は、紫外線から可視光の略全ての波長範囲の光に対して高い光透過率を有し、比較的短波長の光を長時間照射されても変色など劣化をし難い点で優れている。なお、以上の高分子接着剤に代えて低融点ガラスを透光性接着層として用いることも可能である。

又、この発明で、導電体は、白色絶縁体上にエッチング処理等によって設けられた銅箔等の金属箔で好適に形成できる。この導電体は、複数の半導体発光素子とワイヤボンディングなどにより電気的に接続され、複数の半導体発光素子を、直列、又は並列、若しくは直並列に接続して設けられる。更に、この発明で、複数の半導体発光素子が実装された白色絶縁体の一面を覆って各半導体発光素子を封止する透光性の封止部材を設けることは好ましいが、この封止部材は必要不可欠ではない。

請求項１の発明では、半導体発光素子から放射された光は白色絶縁体で反射され、熱は白色絶縁体を介して放熱体に移動し、放熱される。この照明装置では、半導体発光素子から放射された光を、各半導体発光素子の個々に対応する面積だけで反射するのではなく、各半導体発光素子を配設する上で必要な面積を有した白色絶縁体の略全領域で反射し、熱も放熱体に伝導させる。

請求項２の発明では、放熱フィンは上記熱を効率よく放熱する。

請求項３の発明では、光の反射効率を低下させずに絶縁性も確保する。

請求項４の発明では、半導体発光素子は直線状に配列され、白色絶縁体の全領域で見た場合に熱分布が均一となりにくいところ、直線状の半導体発光素子と直交する方向に配設された放熱フィンにより熱を伝導して放熱し熱分布を均一化する。

請求項１の発明の照明装置によれば、半導体発光素子から放射された熱を放熱し、光の取出し効率を向上しつつ絶縁性を確保することができる。

請求項２の発明の照明装置によれば、効率よく放熱できる。

請求項３の発明の照明装置によれば、放熱、光の取出し効率及び絶縁性を向上させることができる。

請求項４の発明の照明装置によれば、装置の熱分布を均一にでき、熱的影響による輝度ムラを抑制できる。

本発明の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１及び図２の符号１はＬＥＤパッケージを形成する照明装置を示している。この照明装置１は、放熱体２と、白色絶縁体３と、導電体４と、複数好ましくは多数のＬＥＤチップ例えば半導体発光素子５と、透光性接着層６と、リフレクタ７と、封止部材８とを備えて形成されている。

放熱体２は、金属又は絶縁材例えば合成樹脂製であり、一面側は照明装置１に必要とされる発光面積を得るために所定形状例えば長方形状をなし、他面側には放熱フィン２ａが形成されている。この放熱体２の裏面からの放熱性がよく、放熱体２の各部の温度を均一にできるに伴い、同じ波長域の光を発する半導体発光素子５の発光色のばらつきを抑制する上で好ましい。前記ばらつき抑制のためには、熱伝導性に優れた材料例えば熱伝導率が１０Ｗ/ｍ・Ｋ以上の材質で放熱体２を形成するとよく、そうした材料として金属材料例えばアルミニウム又はその合金を挙げることができる。また、放熱フィン２ａは一直線状に配列された複数の半導体発光素子と直交する方向に複数列設けられており、放熱フィン２ａにより熱を伝導して放熱するので熱分布が均一となりやすい。このため、照明装置の熱分布を均一にでき、熱的影響による輝度ムラを抑制できる。

白色絶縁体３は、所定数の半導体発光素子５を配設し得る大きさであって、例えば放熱体２の表面全体に被着されている。白色絶縁体３は、４００ｎｍ〜７４０ｎｍの波長領域で８５％以上の反射率を有した白色の絶縁材で形成されるのが好ましい。白色絶縁体３は、接着シートとなっており、酸化チタン等の白色粉末が混入された熱硬化性樹脂をシート基材に含浸させてなる。白色絶縁体３はそれ自体の接着性により放熱体２の表面となる一面に接着される。

また、白色絶縁体は、厚さ９０μｍ〜３０μｍの酸化チタンを含む熱硬化性樹脂で形成されているものが好適である。白色絶縁体の厚みと反射率と半導体発光素子１個当りの熱抵抗（℃／Ｗ）を調査すると、白色絶縁体の厚み３０μｍでの反射率は波長４６０ｎｍで８０．５６％，波長５５０ｎｍで８５．７９％であり、このときの熱抵抗は５５０（℃／Ｗ）であり、白色絶縁体の厚み９０μｍでの反射率は波長４６０ｎｍで８３．４４％，波長５５０ｎｍで８６．６９％であり、このときの熱抵抗は６００（℃／Ｗ）であり、白色絶縁体の厚み１２０μｍでの反射率は波長４６０ｎｍで８４．８８％，波長５５０ｎｍで８７．１４％であり、このときの熱抵抗は７００（℃／Ｗ）であった。膜厚が厚いほど反射率、熱抵抗とも高くなっている。

ここで、一般的な発光ダイオードの仕様は、半導体発光素子のジャンクション温度を１００℃で使用した場合の寿命が４００００ｈ（時間）であるので、ジャンクション温度を１００℃以下で使用する必要がある。そうすると、半導体発光素子１個当り、０．０６Wの投入で点灯させた場合の温度上昇は、白色絶縁体の厚み３０μｍでは３３℃、厚み９０μｍでは３６℃、厚み１２０μｍでは４２℃となる。

一方、５０００ｌｍ（ルーメン）の光束が得られる密閉形LED照明器具の周囲温度は６０〜７０℃になる。この温度に、上記温度上昇を足した値が、ジャンクション温度となるので、このジャンクション温度を１００℃以下とするためには、９０μm（上記３６℃に相当）以下で使用する必要がある。

また、半導体発光素子の厚みを薄くした場合は、半導体発光素子からの光が透過してしまうために、反射率が低下する。厚みと半導体発光素子１個当りの全光束（ｌｍ）の関係は、厚み３０μｍで５．７４（ｌｍ）（相対比９３．３％）、厚み９０μｍで６．０１（ｌｍ）（相対比９７．７％）、厚み１２０μｍで６．１５（ｌｍ）（１００．０％）であった。なお、実使用においては、全光束（ｌｍ）の低下については、１０％程度に抑制する必要があり、厚み３０μｍ以上の膜厚が必要である。以上より、白色絶縁体の厚さは９０μｍ〜３０μｍが適当である。

導電体４は、各半導体発光素子５への通電要素として、白色絶縁体３の放熱体２が接着された面とは反対側の面に接着されている。この導電体４は、例えば各半導体発光素子５を直列に接続するために、放熱体２及び白色絶縁体３の長手方向に所定間隔ごとに点在して２列形成されている。一方の導電体４列の一端側に位置された端側導電体４ａには給電パターン部４ｃが一体に連続して形成され、同様に他方の導電体４列の一端側に位置された端側導電体４ａには給電パターン部４ｄが一体に連続して形成されている。給電パターン部４ｃ，４ｄは白色絶縁体３の長手方向一端部に並べて設けられ、互いに離間して白色絶縁体３により絶縁されている。これらの給電パターン部４ｃ，４ｄの夫々に電源に至る図示しない電線が個別に半田付け等で接続されるようになっている。

半導体発光素子５は、例えば窒化物半導体を用いてなるダブルワイヤー型のＬＥＤチップからなる。この半導体発光素子５は、厚み方向の双方に光を放射できる。図１に示すように各半導体発光素子５は、放熱体２の長手方向に隣接した導電体４間に夫々配置されて、白色の白色絶縁体３の同一面上に透光性接着層６により接着されている。導電体４及び半導体発光素子５は白色絶縁体３の同一面上で直線状に並べられるので、この並び方向に位置した半導体発光素子５の側面５ａ，５ｂと導電体４とは近接して対向するように設けられている。透光性接着層６の厚みは１００μｍ〜５００μｍである。この透光性接着層６には、例えば１００μｍ以上の厚みで光透過率が７０％以上の透光性を有した接着剤、例えばシリコーン樹脂系の接着剤を好適に使用できる。

各半導体発光素子５の電極と半導体発光素子５の両側に近接配置された導電体４とは、ワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１５で接続されている。更に、前記二列の導電体４列の他端側に位置された端側導電体４ｂ同士も、ワイヤボンディングにより設けられたボンディングワイヤ１６で接続されている。したがって、本実施形態の場合、各半導体発光素子５は直列に接続されている。

リフレクタ７は、一個一個又は数個の半導体発光素子５ごとに個別に設けられるものではなく、白色絶縁体３上の全ての半導体発光素子５を包囲する単一のものであり、枠、例えば図１に示すように長方形の枠で形成されている。リフレクタ７は白色絶縁体３に接着止めされていて、その内部に複数の半導体発光素子５及び導電体４が収められているとともに、前記一対の給電パターン部４ｃ，４ｄはリフレクタ７の外部に位置されている。

リフレクタ７は、例えば合成樹脂で成形されていて、その内周面は反射面となっている。リフレクタ７の反射面は、ＡｌやＮｉ等の反射率が高い金属材料を蒸着又はメッキして形成できる他、可視光の反射率の高い白色塗料を塗布して形成することができる。或いは、リフレクタ７の成形材料中に白色粉末を混入させてリフレクタ７自体を可視光の反射率が高い白色とすることもできる。前記白色粉末としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、硫酸バリウム等の白色フィラーを用いることができる。なお、リフレクタ７の反射面は照明装置１の照射方向に次第に開くように形成することが望ましい。

封止部材８は、各半導体発光素子５及びボンディングワイヤ１５，１６等を埋めてリフレクタ７内に注入して固化されている。この封止部材８は、透光性材料例えば透明シリコーン樹脂や透明ガラス等からなる。封止部材８内には必要により蛍光体が混入される。例えば、各半導体発光素子５を青色ＬＥＤチップとした本実施形態では、これらの素子から発光された一次光（青色）を波長変換して異なる波長の二次光として黄色の光を出す蛍光体（図示しない）が、好ましい例として略均一に分散した状態に混入されている。

この組み合わせにより、半導体発光素子５から放出された青色の光の一部が蛍光体に当たることなく封止部材８を透過する一方で、半導体発光素子５から放出された青色の光が当たった蛍光体が、青色の光を吸収し黄色の光を発光して、この黄色の光が封止部材８を透過するので、これら補色関係にある二色の混合によって照明装置１の白色光を実現できる。

そして、この照明装置１では、各半導体発光素子５から白色絶縁体３に向けて放射された光は、白色絶縁体３に対する半導体発光素子５の投影面積部分に透光性接着層６を通って入射し、前記投影領域部分において光の取出し方向に反射される。それだけではなく、半導体発光素子５から白色絶縁体３に向けて放射された光の内で、半導体発光素子５の側面を通って出射した光は、半導体発光素子５の周囲に広がっている白色絶縁体３の面で光の取出し方向に反射される。勿論、前記出射光が封止部材８内の蛍光体に当たって得られる二次光の内で白色絶縁体３方向に放出された光も、白色絶縁体３で光の取出し方向に反射される。

このように各半導体発光素子５の個々に対応する面積だけで反射するのではなく、各半導体発光素子５を所定の配置で配設する上で必要な面積を有した白色絶縁体３の略全領域、詳しくは、リフレクタ７の内側において導電体４で覆われた部位を除く全領域で、各半導体発光素子５から放射された光を光の取出し方向に反射することができる。したがって、照明装置１の光の取出し効率を向上できる。

ところで、この光の放出方向に導電体４が近接している配置されている。しかし、導電体４の厚みは半導体発光素子の厚みより薄いので、半導体発光素子の側方に放出された光が、その進行方向において導電体４で吸収されて損失することが抑制される。この点においても光の取出し効率を向上できる。

更に、既に説明したように導電体４と半導体発光素子５とは、照明装置１の長手方向に真っ直ぐな列をなして延びるように配置されている。これにより、白色絶縁体３に占める導電体４の総面積が極小となって、白色絶縁体３の実質的な光反射面積をより多く確保できるので、この点でも光の取出し効率を向上できる。

加えて、前記照明装置１は複数の半導体発光素子５の全てを包囲する単一のリフレクタ７を備えている。このため、個々の半導体発光素子５から光の取出し方向に放射された光の内で、リフレクタ７で反射されることなく、出射される光量が増加する。したがって、リフレクタ７での反射に伴う光の損失が少なくなり、この点でも光の取出し効率を向上できる。なお、従来のように１個乃至数個の半導体発光素子ごとに放射状に広がる反射面を有したリフレクタが多数設けられていると、夫々のリフレクタ７の反射面に入射する光量が多く、その反射面での光の吸収による光の損失があるので、光の取出し効率が良くない。

その上、前記照明装置１では、その白色絶縁体３で反射された光の一部がボンディングワイヤ１５で遮られる。しかし、ボンディングワイヤ１５は各半導体発光素子５を直列に接続して設けられているので、各半導体発光素子５を並列接続する場合よりもボンディングワイヤ１５を減らすことができ、この点でも光の取出し効率を向上できる。なお、各半導体発光素子５を並列接続する場合は、帯状に連続するバスバーパターン部を各半導体発光素子５がなす列と平行に白色絶縁体３に形成して、このバスバーパターン部と半導体発光素子５とをボンディングワイヤで接続する必要がある。この構成は、白色絶縁体３の実質的な光反射面積が減るので、光の取出し効率をより向上させる上では好適ではない。

又、前記構成の照明装置１は、導電体４を設けるために必要な部材である白色絶縁体３上に、既述のように多数の半導体発光素子５を実装している。そのため、絶縁部材の上に半導体発光素子５から放射された光を反射する白色絶縁体を半導体発光素子ごとに形成する手間を格別に要しないので、容易かつ低コストで作ることができる。

すなわち、従来技術のように白色フィラーを混入した白色の絶縁性接着剤を用いて半導体発光素子の光を反射する構成で、微小な半導体発光素子毎にその大きさに合わせた微量の絶縁性接着剤の量を、この透光性接着層の厚みと大きさが規定値に収まるように塗布管理することは、製造技術的上難しい。これに対して、本実施形態の照明装置では、反射手段をなす白色絶縁体を形成するのに、微妙な塗布管理などを要しないので、既述のように製造が容易であり、それに伴いコストを低減できる。

それだけではなく、従来技術では、各絶縁性接着剤の塗布管理の難しさから各絶縁性接着剤の厚さが不揃いとなって、それらの熱抵抗がばらつきやすい。これにより、各絶縁性接着剤を通して半導体発光素子の放熱特性が微妙に異なり、各半導体発光素子の発光色がばらつくことがある。これに対して、本実施形態の照明装置で用いた白色絶縁体３は、予め接着シートとして所定の厚みに形成されたものであるから、この白色絶縁体３自体は各半導体発光素子５の温度のばらつきに何ら依存しない。したがって、各半導体発光素子５の発光色が微妙に異ならないようにできる点でも好ましい。

本発明の一実施形態に係る照明装置を一部切欠いて示す平面図。図１中Ｆ２−Ｆ２線に沿う断面図。従来例を示す照明装置の斜視図。同じく、断面図。

符号の説明

１…照明装置、２…放熱体、３…白色絶縁体、４…導電体、５…半導体発光素子、６…透光性接着層、７…リフレクタ、８…封止部材。

Claims

放熱体と；
放熱体の一面側に配設された白色絶縁体と；
白色絶縁体に間隔を存して配設された複数の半導体発光素子と；
白色絶縁体に配設されて前記半導体発光素子に電気的に接続された導電体と；
前記複数の半導体発光素子を前記白色絶縁体上に接着する透光性接着層と；
を具備することを特徴とする照明装置。
前記放熱体の他面側には放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
白色絶縁体は、厚さ９０μｍ〜３０μｍの酸化チタンを含む熱硬化性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
前記複数の半導体発光素子は一直線状であって複数列に配列され、前記放熱フィンは前記複数列と直交する方向に複数列設けられていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。