JP2008287960A

JP2008287960A - 照明装置

Info

Publication number: JP2008287960A
Application number: JP2007130490A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Okimura; 克行沖村
Original assignee: NEC Lighting Ltd
Current assignee: Hotalux Ltd
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-27
Also published as: CN101307893A; EP1993334A3; EP1993334A2; TW200847494A; KR20080101729A; US20100044741A1

Abstract

【課題】熱伝導特性に異方性を有する熱伝導部材の熱拡散特性を十分に活かすことが可能な照明装置を提供する。
【解決手段】本発明の照明装置は、基板に搭載された発光素子を有する発光ユニット２０と、発光ユニット２０を搭載した本体部１１と、を有する。本体部１１は、熱伝導性に異方性を有するグラファイトを有し、グラファイトは、発光ユニット２０と熱的に接触する内壁１１ｃを有する。グラファイトの異方性は、第１の熱伝導率を有するＺ方向と、第１の熱伝導率よりも高い熱伝導率の第２の熱伝導率を有するＸ₁方向とを含む。発光ユニット２０からの熱が伝達されるグラファイトの内壁１１ｃは、Ｘ₁方向に対して交差するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子としてＬＥＤチップを備えた照明装置に関する。

固体発光デバイスを用いて照明装置やバックライトユニットを作成する際、固体発光デバイスの発光効率を低下させないために充分な放熱が必要となる。

一般に、固体発光デバイスは、金属コアプリント基板へ実装して発光ユニットとして用いられる。この発光ユニットは、金属製の照明装置の本体にネジ止めされる。すわなち、放熱構造としては、金属製の照明装置の本体を放熱部材として用いるものが一般的であった。

このような構成の放熱構造において、さらに放熱を促進する必要がある場合は、金属製の本体の表面積を広くする、あるいはその厚さを増す方法が考えられる。

通常、照明装置の本体には熱伝導率の高い、鉄（熱伝導率：８０．３［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］）やアルミニウム（熱伝導率：２３７［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］）等の金属が使用されている。しかしながら、照明装置の本体の厚さを増加させると重量の増加に繋がり輸送時の弊害になる。また、このような重量増加は、照明装置が家庭用の天井直付け器具の場合、角形のローゼットの耐重量値である５［ｋｇ］を超えてしまう場合がある。

そこで、重量増加を伴うことなく放熱特性を向上させるため、照明装置の本体の材料にグラファイトを用いる方法が考えられる。例えば、グラファイト・アルミニウム複合材であるＧＣ３２０（株式会社ジェルテック製：密度：２．１７［ｇ／ｃｍ³］）を使用した場合、同じ体積の鉄（密度：７．９［ｇ／ｃｍ³］）を使用した場合に対しておよそ１／４の重量に軽減することができる。

図３にグラファイトを用いた、本発明に関連する照明装置の一例の模式的な側断面図を示す。

ＬＥＤチップ１０１は、モールド樹脂１０５に形成された開口内に配置されており、封止樹脂１０４により封止されている。また、ＬＥＤチップ１０１は、その下面がヒートシンク１０６に接触するようにヒートシンク１０６上に設けられている。ＬＥＤチップ１０１とリードフレーム電極１０２とはボンディングワイヤ１０３で電気的に接続されている。

リードフレーム電極１０２及びヒートシンク１０６はパターン配線１０９上に設けられている。リードフレーム電極１０２はハンダ１１２によりパターン配線１０９に固定されている。ヒートシンク１０６も、例えば、熱伝導性接着剤によりパターン配線１０９に固定されている。パターン配線１０９は、金属コアプリント基板１０７の絶縁層１０８上に形成されている。

金属コアプリント基板１０７は本体部１１１の主面１１１ａ上にネジ１１３によって固定されている。本体部１１１はグラファイト製である。すわなち、図３に示す照明装置は、金属コアプリント基板１０７の裏面全体にグラファイトが取り付けられた構成を有するものである。

ＬＥＤチップ１０１で発生した熱は、パターン配線１０９及び絶縁層１０８を介して金属コアプリント基板１０７に伝達される。金属コアプリント基板１０７に伝達された熱はさらに本体部１１１の主面１１１ａに伝達される。本体部１１１に伝達された熱は本体部１１１内を面方向に伝導、拡散し、最終的には本体部１１１の主面１１１ａから大気へと放熱される。

また、上記構成と同様の発光モジュールが特許文献１に開示されている。特許文献１の図１６に示されている発光モジュール４９は、絶縁基板３２の裏面全体にグラファイトシート等からなる放熱板５０が貼り合わせられている。
特開２００３−３２４２１４号公報

ところで、グラファイトの熱伝導率には異方性がある。例えばＧＣ３２０の熱伝導率は、所定方向への熱伝導率は３２０［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］であるのに対し、この所定方向に対して直交する方向の熱伝導率は１７２［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］である。

よって、グラファイトを放熱板として用いる場合、熱伝導率の異方性を考慮する必要がある。

ここで、図３の照明装置を参照しながらグラファイトによる放熱について考える。

まず、本体部１１１が、熱伝導率の高い方向が図３中Ｘ方向であるグラファイトについて考える。すわなち、熱伝導率の高い方向が、ＬＥＤチップ１０１で発生した熱が伝達される方向（Ｚ方向）と略直交する方向となる場合について考える。

この場合、ＬＥＤチップ１０１で発生した熱は、本体部１１１のＸ方向には良好に伝導される。一方、本体部１１１のＺ方向には熱伝導されにくい。この結果、グラファイト（本体部１１１）は、ＬＥＤチップ１０１側の表面付近のみが熱伝導に寄与するに留まり、本体部１１１の厚み全体を有効に利用することができない。つまり、この構成は、Ｘ方向に熱を多く伝導させるためグラファイトの厚みを増しても十分な効果を得ることができない。

一方、これとは逆に、本体部１１１が、熱伝導率の高い方向が図３中Ｚ方向であるグラファイトについて考える。すわなち、熱伝導率が高い方向が、ＬＥＤチップ１０１で発生した熱が伝達される方向と同方向となる場合について考える。この場合、ＬＥＤチップ１０１で発生した熱は、本体部１１１のＺ方向には良好に伝導される。一方、本体部１１１のＸ方向には熱伝導されにくい。この結果、グラファイト（本体部１１１）の全面に熱が伝導されにくいものとなる。つまり、この構成は、主面１１１ａの全面を放熱面として有効に利用することができない。

以上のように、本発明に関連する構成の照明装置ではグラファイトの熱拡散特性が十分に活かしきることが困難であった。

そこで、本発明は、熱伝導特性に異方性を有する熱伝導部材の熱拡散特性を十分に活かすことが可能な照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の照明装置は、基板に搭載された発光素子を有する発光ユニットと、発光ユニットを搭載した本体部と、を有し、本体部は、熱伝導性に異方性を有する熱伝導部材を有し、熱伝導部材は、発光ユニットと熱的に接触する熱伝達面を有し、異方性は、第１の熱伝導率を有する第１の方向と、第１の熱伝導率よりも高い熱伝導率の第２の熱伝導率を有する第２の方向とを含み、熱伝導部材は、熱伝達面が第２の方向に対して交差するように形成されている。

本発明によれば、発光ユニットからの熱は、高い熱伝導率を有する第２の方向と交差する方向の熱伝達面から熱伝導部材へと伝達される。すわなち、本発明は、熱が高熱伝導率の方向に向けて伝達されるため、第２の熱伝導率よりも低い第１の熱伝導率の影響を抑制しつつ、第２の方向へと熱を伝導させることができることとなる。これにより、本発明は、異方的な熱伝導率を有する熱伝導部材の熱拡散特性を十分に活かすことが可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（第１の実施例）
図１は本実施例の照明装置の模式的な側断面図である。

本発明の照明装置３０は、金属コアプリント基板７上に発光素子であるＬＥＤチップ１を備えた発光ユニット２０と、発光ユニット２０を搭載した本体部１１とを有する。また、本体部１１にはグラファイトが用いられている。グラファイトは熱伝導性に異方性を有する。その異方性は、第１の熱伝導率を有する第１の方向と、第１の熱伝導率よりも高い熱伝導率の第２の熱伝導率を有する第２の方向を含むものである。本実施例の本体部１１は、本体部１１の厚み方向が第１の方向（Ｚ方向）となり、放熱面として機能する主面１１ａと平行な方向が第２の方向（Ｘ方向、高熱伝導率の方向Ｘ₁）となるようにしている。すわなち、本実施例の本体部１１は、面方向への熱拡散特性が高くなるようにしてグラファイトを用いている。

ＬＥＤチップ１は、モールド樹脂５に形成された開口内に配置されており、封止樹脂４により封止されている。ＬＥＤチップ１とリードフレーム電極２とはボンディングワイヤ３で電気的に接続されている。リードフレーム電極２にも開口が形成されている。ＬＥＤチップ１はリードフレーム電極２の開口内に配置されている。また、ヒートシンク６もリードフレーム電極２の開口内に配置されている。すわなち、ＬＥＤチップ１はヒートシンク６上に設けられている。ＬＥＤチップ１で発生した熱の多くは、封止樹脂４側ではなくＬＥＤチップ１の下面からヒートシンク６へと伝達される。ヒートシンク６の材質としてはＣｕ、ＣｕとＺｒの合金、ＣｕとＦｅの合金、及びこれらに他の元素を添加したものやＡｌ等が用いられる。また、ＬＥＤチップ１とヒートシンク６との間の熱抵抗を低減させるため、例えば、両者をＡｕ−２０Ｓｎ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ等のハンダで接合するのが好ましい。

金属コアプリント基板７は、熱伝導性の良好な金属を主材としている。この金属コアプリント基板７上には絶縁層８が形成されている。絶縁層８は、例えば、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたものを用いてもよい。絶縁層８上には銅からなるパターン配線９が形成されている。リードフレーム電極２はパターン配線９にハンダ１２により固定されている。

本実施例の本体部１１には、上述したように、熱伝導性に異方性を有するグラファイトが用いられている。本体部１１には、例えば、グラファイト・アルミニウム複合材であるＧＣ３２０（株式会社ジェルテック製：密度：２．１７［ｇ／ｃｍ³］）を使用することができる。これは鉄の密度７．９［ｇ／ｃｍ³］のおよそ１／４であり、本体部１１を軽量なものとすることができる。

ＧＣ３２０の熱伝導率は、所定方向への熱伝導率は３２０［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］であるのに対し、この所定方向に対して直交する方向の熱伝導率は１７２［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］であり、熱伝導性に異方性を有する。本実施例では、１７２［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］が第１の熱伝導率であり、３２０［Ｗｍ^-1Ｋ^-1］が第２の熱伝導率である。

本体部１１は、熱伝導率が高くなる方向が主面１１ａに対して平行となるように構成している（図１中、高熱伝導率の方向Ｘ₁）。主面１１ａは放熱面として用いられる。

本体部１１には穴１１ｂが形成されており、この穴１１ｂに金属コアプリント基板７が圧入により嵌め込まれている。つまり、本体部１１の内壁１１ｃと金属コアプリント基板７の側壁７ａとが接触している。内壁１１ｃは、高熱伝導率の方向Ｘ₁に対して交差する方向に形成されている。本実施例では、内壁１１ｃと高熱伝導率の方向Ｘ₁とは直交している。なお、側壁７ａと内壁１１ｃとの間には熱伝達剤１３が塗布されている。熱伝達剤１３としては例えば、熱伝導性グリス、熱伝導性接着剤等が適用可能である。

次に、以上の構成を有する本実施例の照明装置における、ＬＥＤチップ１で発生した熱の伝達について説明する。

ＬＥＤチップ１で発生した熱は、ヒートシンク６、パターン配線９及び絶縁層８を介して金属コアプリント基板７に伝達される。金属コアプリント基板７に伝達された熱は、金属コアプリント基板７の下面７ｂから大気に放熱されるとともに、金属コアプリント基板７内をＸ方向に伝導する。Ｘ方向に伝導した熱は金属コアプリント基板７の側壁７ａから熱伝達剤１３を介して本体部１１の内壁１１ｃへと伝達される。本体部１１に伝達された熱は高熱伝導率の方向Ｘ₁に主として伝導される。熱は高熱伝導率の方向Ｘ₁に伝導されながら主面１１ａから大気へと放熱されることとなる。

本実施例の構成の場合、金属コアプリント基板７からの熱は、本体部１１の主面１１ａからではなく、高熱伝導率の方向Ｘ₁と直交する内壁１１ｃから伝達される。つまり、熱が高熱伝導率の方向Ｘ₁に向けて伝達されるため、本体部１１内のＸ方向への熱伝導に関しては、厚み方向（Ｚ方向）の熱伝導率に影響を抑制することができる。

このため、本実施例の構成によれば、グラファイトの厚み方向の熱伝導率が低くなるように本体部１１を構成しても本体部１１の厚み全体を有効に利用して熱をＸ方向に伝導させることができる。また、本実施例の構成によれば、本体部１１の厚みに比例してＸ方向への熱伝導量を増加させることが可能となる。

また、本実施例の構成の場合、主面１１ａと平行な方向への熱拡散特性は厚み方向に比べて高いため、主面１１ａを有効に活用して放熱することができる。

なお、本実施例では、本体部１１にグラファイトとアルミニウムとの複合材を用いた例を示した。すわなち、異方的な熱伝導率を有する材料と等方的な熱伝導率を有する材料とを組み合わせた熱伝導部材を本体部１１に用いた例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。すわなち、本体部１１に異方的な熱伝導率を有するグラファイトと樹脂との複合材を用いるものであってもよい。この場合、より軽量化を図ることができる。

本実施例では、ＬＥＤチップを一つ実装した照明装置の例を示した。これは、例えば青色ＬＥＤと、この青色ＬＥＤを励起光源として可視光へ変換する蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤとすることを想定したものである。ＬＥＤを青、緑、赤のＬＥＤとすることにより、フルカラーのバックライトとすることができる。
（第２の実施例）
図２に本実施例の照明装置の模式的な側断面図を示す。

本実施例の照明装置の基本的な構成は第１の実施例で示した照明装置と同様である。つまり、本体部１１は、第１の実施例と同様に高熱伝導率の方向Ｘ₁が主面１１ａに対して平行となるように構成しているが、金属コアプリント基板７が穴１１ｂに圧入されているのではなく、螺入されている点で異なる。なお、この他同一の構造部については同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。

金属コアプリント基板７の側壁は雄ねじ７ｃにタップ加工され、また、本体部１１の穴１１ｂの内壁は雌ねじ１１ｄにタップ加工されている。そして、金属コアプリント基板７が本体部１１の穴１１ｂに螺合して取り付けられている。なお、雄ねじ７ｃ及び雌ねじ１１ｄのねじピッチはできるだけ小さいほうが好ましい。ねじピッチをできるだけ小さくすることで巨視的には第１の実施例と同様に金属コアプリント基板７からの熱を高熱伝導率の方向Ｘ₁に向けて伝達することができるためである。

本実施例も第１の実施例と同様に金属コアプリント基板７からの熱は、本体部１１の主面１１ａからではなく内壁１１ｃから伝達される。このため、本実施例も第１の実施例と同様に、グラファイトの厚み方向の熱伝導率が低くなるように本体部１１を構成しても本体部１１の厚み全体を有効に利用して熱をＸ方向に伝導させることができる。

また、本実施例の構成は、第１の実施例と同様に、主面１１ａと平行な方向への熱拡散特性は厚み方向に比べて高いため、主面１１ａを有効に活用して放熱することができる。

本発明の第１の実施例の照明装置の模式的な側断面図を示す。本発明の第２の実施例の照明装置の模式的な側断面図を示す。本発明に関連する照明装置の模式的な側断面図を示す。

符号の説明

１チップ
２リードフレーム電極
３ボンディングワイヤ
４封止樹脂
５モールド樹脂
６ヒートシンク
７金属コアプリント基板
７ａ側壁
７ｂ下面
８絶縁層
９パターン配線
１１本体部
１１ａ主面
１１ｂ穴
１１ｃ内壁
１２ハンダ
１３熱伝導剤
２０発光ユニット
Ｘ₁ 本体部内の高熱伝導率の方向

Claims

基板に搭載された発光素子を有する発光ユニットと、
前記発光ユニットを搭載した本体部と、を有し、
前記本体部は、熱伝導性に異方性を有する熱伝導部材を有し、
前記熱伝導部材は、前記発光ユニットと熱的に接触する熱伝達面を有し、
前記異方性は、第１の熱伝導率を有する第１の方向と、前記第１の熱伝導率よりも高い熱伝導率の第２の熱伝導率を有する第２の方向とを含み、
前記熱伝導部材は、前記熱伝達面が前記第２の方向に対して交差するように形成されている照明装置。
前記熱伝導部材は、前記熱伝達面が前記第２の方向に対して直交するように形成されている請求項１に記載の照明装置。
前記熱伝導部材は、放熱面として機能する、前記熱伝達面と交差する方向に形成された主面を有し、前記主面と前記第２の方向とが平行となるように構成されている、請求項１または２に記載の照明装置。
前記熱伝導部材には前記熱伝達面を内壁とする穴が形成されており、前記発光ユニットの前記基板が前記穴に嵌め込まれている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。
前記基板は前記穴に圧入されている請求項４に記載の照明装置。
前記基板は前記穴に対して螺合している請求項４に記載の照明装置。
前記基板と前記熱伝達面との間に熱伝導性グリスまたは熱伝導性接着剤が塗布されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の照明装置。
前記熱伝導部材はグラファイトである請求項１ないし７のいずれか１項に記載の照明装置。
前記発光素子はＬＥＤチップである請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。