JP2009010047A - 発光ダイオードを用いた光源 - Google Patents

Abstract

【課題】支持基板の厚み寸法を確保しながらも発光ダイオードチップの温度上昇を抑制し、かつ別途の冷却装置を用いることなく発光ダイオードチップの温度上昇を抑制する。
【解決手段】器具フレーム７に取り付けられる支持基板１の厚み方向の一面に、複数個の発光ダイオードチップ２が配列される。支持基板１は、冷却用液体を通す流路３が厚み寸法内に形成されている。流路３は２本のヘッダ４ａ，４ｂと両ヘッダ４ａ，４ｂを連通させる複数本の枝管４ｃとを備える。支持基板１の外側面には、各ヘッダ４ａ，４ｂにそれぞれ連通する供給口５と排出口６とが設けられ、供給口５と排出口６との間で冷却用液体が流される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の発光ダイオードチップを配列することにより線光源ないし面光源を構成するのに適した発光ダイオードを用いた光源に関するものである。

一般に、光を利用して製造や加工を行う設備機器に組み込まれる光源では線光源や面光源を用いる場合があり、たとえば、紫外線硬化インキを用いる印刷機、建築板などの表面塗装に用いる紫外線硬化樹脂の乾燥機、印刷配線基板のエッチングパターンを形成する際に用いる露光機などの紫外線光源には、キセノンランプが多く使用されている。

しかしながら、キセノンランプは消費電力が大きく（印刷機に用いるものでは、たとえば５０ｋＷ）、しかも高価であって寿命が数千時間程度であることから、使用に伴う費用と交換に伴う費用とが大きくなるという問題を有している。

この種の問題を解決するために、発光ダイオードを利用することが考えられる。ただし、発光ダイオードの発光面は微小であって点光源であるから線状あるいは面状の発光領域を形成するには、複数個の発光ダイオードチップを支持基板上に配列する構成が採用される。

設備機器に組み込む光源ではないが、発光ダイオードを照明器具の光源として用いる構成例では、基板に複数個の発光ダイオードを配置することが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０００−３１５４６号公報

ところで、発光ダイオードは、温度が上昇すると発光輝度が低下するから、線光源や面光源を形成するために多数個の発光ダイオードチップを配列する場合には、発光ダイオードチップの温度上昇を抑制することが課題になる。

この種の問題を解決する構成としては、複数個の発光ダイオードチップを一面に配列した支持基板の他面に空冷式あるいは水冷式の冷却装置を配置したり、ヒートパイプ（ウィック式、サーモサイホン式）やペルチェ素子を冷却装置として配置したりすることが考えられる。

一般に、熱伝導において単位時間・単位断面積当たりの熱流束は、熱伝導率と熱勾配との積であるから、熱流束を大きくして冷却効率を高めるには、熱源である発光ダイオードチップと冷却装置との距離を小さくして熱勾配を大きくすることが有効である。

しかしながら、発光ダイオードチップは支持基板に搭載されており、支持基板には強度を保つための厚み寸法が必要であって支持基板の厚み寸法を極端に小さくすることはできないから、発光ダイオードチップと冷却装置との間の熱勾配が支持基板によって低下するという問題がある。

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、支持基板の厚み寸法を確保しながらも発光ダイオードチップの温度上昇を抑制することができるようにし、しかも別途の冷却装置を用いることなく発光ダイオードチップの温度上昇を抑制することを可能にした発光ダイオードを用いた光源を提供することにある。

請求項１の発明は、器具フレームに取り付けられる支持基板と、支持基板の厚み方向の一面に配列された複数個の発光ダイオードチップとを備え、支持基板の厚み寸法内に冷却用液体を通す流路が形成されていることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記支持基板は、前記発光ダイオードチップを厚み方向の一面に搭載した第１基板と、第１基板がその厚み方向の他面を接触させる形で接合された第２基板とからなり、第１基板と第２基板との対向面の少なくとも一方に前記流路を形成する溝部が設けられ、第１基板と第２基板とが接合されることにより支持基板の外側面に設けた供給口と排出口との間を連通させる流路が形成されることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、複数枚の前記第１基板が１枚の前記第２基板に搭載されることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記支持基板において少なくとも前記発光ダイオードチップを配列する一面に電気絶縁層を備えることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記電気絶縁層は、ＡｌＮからなることを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記支持基板の厚み方向において少なくとも器具フレーム側の一面は鏡面仕上げが施されていることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、支持基板の厚み寸法内に冷却用液体を通す流路を形成しているから、支持基板には流路を形成する厚み寸法が必要であって支持基板の厚み寸法が確保され、支持基板に所要の強度を持たせることができる。しかも、発光ダイオードチップを搭載する支持基板の内部に流路が形成されているから、発光ダイオードチップと冷却用媒体との距離を小さくすることができ、熱勾配を大きくして単位時間・単位面積当たりの熱流束を大きくとることが可能になる。すなわち、別途の冷却装置を用いることなく発光ダイオードチップの温度上昇を抑制することが可能になる。

請求項２の発明の構成によれば、支持基板が第１基板と第２基板とを接合して形成され、かつ第１基板と第２基板とを接合することにより第１基板と第２基板との対向面に形成した溝部により流路が形成されるから、第１基板と第２基板との対向面に沿って任意形状の流路を容易に形成することができる。第１基板と第２基板とを接合することなく支持基板を連続一体に形成しようとすれば、あらかじめ流路の形状を有する中子様の型を形成しておき、支持基板を形成した後に中子様の型を除去する作業が必要であって、作業工程が複雑な上に中子様の型を除去する際に型が破壊されるから、支持基板を作成する際の作業効率が低いが、第１基板と第２基板とを接合する構成を採用することにより、中子様の型が不要になり製造が容易になる。

請求項３の発明の構成によれば、１枚の第２基板に発光ダイオードチップを配列した複数枚の第１基板を搭載しているから、多数個の発光ダイオードチップを用いて線光源や面光源を構成する場合に、所望数の発光ダイオードチップを複数の第１基板に振り分けて搭載することになり、結果的に製造時の歩留まりの低下を抑制することができる。

請求項４の発明の構成によれば、支持基板において少なくとも発光ダイオードチップを配列する一面に電気絶縁層を備えるから、発光ダイオードチップと流路に流れる冷却用液体との間が絶縁される。したがって、冷却用液体として電気絶縁性を有する流体を用いる必要がなく、冷却用液体としてイオン交換水程度の安価なものを用いることができる。

請求項５の発明の構成によれば、電気絶縁層としてＡｌＮを用いているから、電気絶縁性が確保できるのはもちろんのこと、熱伝導もよく（熱伝導率がＣｕの半分程度）、発光ダイオードチップと冷却用液体との間の熱勾配を大きい状態に保ちながらも発光ダイオードチップと冷却用液体との間の電気絶縁性を維持することができる。

請求項６の発明の構成によれば、支持基板において器具フレームに接触する面が鏡面仕上げとなっているから、鏡面仕上げにしていない場合に比較すると、支持基板と器具フレームとの間の接触面積が微視的に見て増大する。すなわち、支持基板から器具フレームへの熱伝導の効率を高めることができ、このことによって発光ダイオードの温度上昇を抑制する効果が高くなる。

以下に説明する実施形態では、紫外線硬化樹脂の硬化などの目的で用いる紫外線光源を想定し、多数個の発光ダイオードチップを配列して線光源を形成するものとする。

（実施形態１）
本実施形態は、図２に示すように、短冊状の支持基板１に紫外線を発光する複数個の発光ダイオードチップ２を配列してある。支持基板１は、銅あるいはアルミニウムのような熱伝導率の大きい材料を用いて形成される。

発光ダイオードチップ２は、たとえば、一方の電極（たとえば、アノード）が支持基板１にダイボンドにより接合され、他方の電極が支持基板１に絶縁層を介して形成された導電パターンに金のような金属同士の常温接合により接合される。発光ダイオードチップ２を支持基板１に実装する形態は、必ずしもこの形態でなくてもよく、フリップチップ実装を行う構成や、ボンディングワイヤにより接続する構成などを採用することもできる。

発光ダイオードチップ２は、支持基板１の長手方向と短手方向とに沿った軸を有する長方形の単位格子からなる二次元格子の格子点に配置される。つまり、発光ダイオードチップ２はマトリクス状に配置される。図示例では、１枚の支持基板１に４×４個の発光ダイオードチップ２を配置した例を示しているが、１枚の支持基板１に配置する発光ダイオードチップ２の個数はとくに制限はない。ただし、１枚の支持基板１に配置する発光ダイオードチップ２の個数が多くなるほど１枚の支持基板１での消費電力が増加し発熱量が増加するとともに、歩留まりが低下したり故障率が増加したりする可能性があるから、１枚の支持基板１に搭載する発光ダイオードチップ２の個数は２００個程度までとするのが望ましい。発光ダイオードチップ２の配列ピッチは、たとえば１．５ｍｍ程度に設定される。

１枚の支持基板１の長手方向の寸法は１〜１５ｃｍ程度の範囲で適宜に選択される。もっとも、印刷機や乾燥機や露光機で扱う物品の幅寸法には、各種寸法があり、たとえば印刷物であれば、長手方向の寸法を１２７ｍｍとしておけば、長手方向に複数個連結することによって、各種の印刷物の寸法に対応することが可能になる。したがって、印刷機の光源として用いる用途では１２７ｍｍの支持基板１を用いるのが望ましい。

ところで、支持基板１には複数個の発光ダイオードチップ２が搭載されているから支持基板１は温度が上昇しやすい。支持基板１の温度が上昇すれば発光ダイオードチップ２の発光効率が低下し、結果的に輝度が低下する。支持基板１の温度上昇を抑制するために、支持基板１の厚み寸法内において支持基板１に冷却用液体を流す流路３を形成している。流路３の形状にはとくに制限はないが、支持基板１において発光ダイオードチップ２を配列している部位の全体をむらなく冷却可能とする形状が望ましい。

流路３の形状は、たとえば図１に示すように、支持基板１の対向する２辺に沿って延長された２本のヘッダ４ａ，４ｂと、ヘッダ４ａ，４ｂに直交し両ヘッダ４ａ，４ｂの間を連通させる複数本の枝管４ｃを備える形状、あるいは、図３に示すように、支持基板１の対向する２辺の間を往復する形で蛇行する１本の蛇行管４ｄを備える形状などを採用することができる。

ヘッダ４ａ，４ｂと枝管４ｃとを備える形状では、枝管４ｃの断面積をヘッダ４ａ，４ｂの断面積よりも小さくし、ヘッダ４ａ，４ｂから冷却用液体が各枝管４ｃに均等に流れるようにする。また、一方のヘッダ４ａは支持基板１の外側面に設けた供給口５に連通し、他方のヘッダ４ｂは支持基板１の外側面に設けた排出口６に連通する。図示例では、支持基板１において発光ダイオード２を配置した面に隣接し、かつ互いに反対面となる２面に供給口５と排出口６とをそれぞれ形成しているが、供給口５と排出口６とを同じ面に形成することも可能である。

上述したように、支持基板１は熱伝導率の高い金属材料により形成され、しかも発光ダイオードチップ２の一方の電極に電気的に接続されているから、冷却用の液体は絶縁性を有している必要がある。この種の液体は種々のものが知られているが、環境負荷を考慮して不純物を含まない純水を用いるのが望ましい。

冷却用液体は支持基板１の中を１回通過するだけで廃棄するのではなく、支持基板１の中を循環させることが望ましいが、純水を用いる場合には、循環させる間に金属イオンの溶け込みなどによって電気伝導率が上昇する可能性がある。このように冷却用液体の電気伝導率が上昇すると、支持基板１に電気的に接続されている発光ダイオードチップ２に流れる電流が冷却用液体を通る経路で漏洩する可能性が生じる。その結果、発光ダイオードチップ２の間で短絡が生じて個々の発光ダイオードチップ２に適正な電圧を印加できなくなる可能性が生じる。

そこで、図４に示すように、支持基板１の外側面のうち少なくとも発光ダイオードチップ２を配列する一面に電気絶縁層８を形成するのが望ましい。電気絶縁層８の材料は、電気絶縁性を持つだけではなく、熱伝導率の大きい材料が望ましい。この種の材料として、現状ではＡｌＮを用いることができるという知見が得られている。ＡｌＮはＣｕに比較して熱伝導率が半分程度であり、他の絶縁材料に比較すると熱伝導率が格段に大きいことがわかっている。したがって、支持基板１の一面にＡｌＮからなる電気絶縁層８を形成することにより、発光ダイオードチップ２から冷却用液体への熱流束の低下をほとんど起こさずに電気的絶縁を確保することが可能になる。したがって、冷却用液体としては不純物の混入や腐食性がなければよく、純水に代えてイオン交換水程度の安価な水を用いることが可能になる。

本実施形態では、線光源を構成することを目的としているから、図２に示すように、複数枚の支持基板１を器具フレーム７に取り付ける。各支持基板１は厚み方向において発光ダイオードチップ２を実装している面とは反対側の面を器具フレーム７に密着させた形でねじあるいは嵌合などの適宜の固定手段により取り付けられる。

器具フレーム７は金属材料により形成されており、発光ダイオード２で発生した熱の一部は器具フレーム７にも伝達される。支持基板１から器具フレーム７への熱流束を大きくするために、支持基板１において少なくとも器具フレーム７との接触面は鏡面仕上げが施される。したがって、鏡面仕上げを施していない場合に比較すれば、微視的に見て支持基板１と器具フレーム７との接触面積が大きくなり、それだけ支持基板１から器具フレーム７への熱伝導を向上させることができる。つまり、発光ダイオードチップ２の温度上昇の抑制に寄与する。

上述のように、支持基板１の内部に流路３を形成して発光ダイオードチップ２で発生した熱を強制的に廃棄するから、支持基板１の温度上昇を抑制し、発光ダイオードチップ２の発光効率の低下を抑制することができる。その結果、発光ダイオードチップ２に流す電流を増加させて発光輝度を高めることが可能であり、発光ダイオードチップ２を用いた輝度の高い紫外線光源を実現することができる。

上述の構成例では、望ましい実施形態として支持基板１が短冊状に形成された例を示したが、支持基板１の形状についてはとくに制限はない。

（実施形態２）
実施形態１の構成では、１枚の支持基板１に最大で２００個程度の発光ダイオードチップ２を実装するが、歩留まりを向上させるには、１６〜２０個程度の発光ダイオードチップ２を単位として扱うのが望ましい。本実施形態では、図５に示すように、第１基板１１と第２基板１２とを接合することにより支持基板１を形成し、かつ発光ダイオードチップ２を厚み方向の一面に配列した複数枚の第１基板１１を１枚の第２基板１２に搭載した例について説明する。ただし、本実施形態において説明する流路３の形成技術は、第１基板１１と第２基板１２とが一対一の場合でも採用できる。

図６に示すように、第１基板１１と第２基板１２との少なくとも一方には流路３を形成する溝部１３を設けてある（図示例では、第２基板１２に溝部１３を形成している）。したがって、第１基板１１と第２基板１２とを接合することにより、溝部１３の一面が閉塞され流路３として機能することになる。溝部１３は、機械加工によって形成することができるが、化学的エッチングあるいは物理的エッチングにより溝部１３を形成してもよい。また、第１基板１１と第２基板１２とは密着させる必要があるから、対向面を鏡面仕上げてにして金属同士の常温接合を行ったり、ガラスフリットを介在させて接合したり、超音波振動を与えながら加圧して接合したりする。

１枚の第２基板１２に複数枚の第１基板１１を搭載するにあたっては、第２基板１２において第１基板１１を搭載する一面に、各第１基板１１との間に形成した流路３を連通させる連結溝１４、１５を形成しておき、連結溝１４、１５を覆う蓋部材１６を第２基板１２に接合することにより、１枚の第２基板１２に形成された流路３を互いに連結溝１４、１５により互いに連結させてもよい。この構成を採用することにより、１枚の支持基板１に供給口５と排出口６とを１個ずつ設けるだけで、第２基板１２に搭載されたすべての各第１基板１１を冷却することが可能になる。

なお、上述の構成例では第２基板１２に溝部１３を形成しているが、第１基板１１に溝部１３を形成するほうが、発光ダイオードチップ２と冷却用液体との距離が近付き、発光ダイオードチップ２の温度上昇を抑制する効果を高めることができる。ただし、個々の第１基板１１に溝部１３を形成するから加工工数は増加する。

また、図７に示すように、第１基板１１にはヘッダ４ａ，４ｂの近傍を枝管４ｃの中央部よりも浅くした溝部１３ａを形成し、第２基板１２には、ヘッダ４ａ，４ｂになる２本の溝部１３ｂを形成するとともに、枝管４ｃに対応する部位に突部１３ｃを設けた形状としてもよい。図示例では、枝管４ｃの断面積が両端部において中央部よりも大きくなるようにし、かつ断面積が滑らかに変化するように溝部１３ａおよび突部１３ｃの形状を設定している。

図７に示す形状を採用することにより、大きな圧力が作用するヘッダ４ａ，４ｂの近傍において第１基板１１と第２基板１２との厚み寸法を確保し、かつ発光ダイオードチップ２が実装される枝管４ｃに対応する部位は厚み寸法を小さくして発光ダイオードチップ２と冷却用液体との間の熱勾配を大きくすることができる。

なお、上述した構成例では支持基板１を金属により形成しており、必要に応じて電気絶縁層８を設けているが、支持基板１の全体または一部をＡｌＮのような熱伝導率の大きい絶縁材料により形成してもよい。たとえば、発光ダイオードチップ２を実装する第１基板１１のみをＡｌＮで形成してもよい。ＡｌＮは、アルカリによって腐食されやすいから、支持基板１をＡｌＮで形成する場合には、冷却用液体と接触する部位に保護膜を形成する。保護膜は薄膜形成法で金属などの薄膜として形成することが可能であるが、レーザ光による熱酸化を行ってＡｌ_２Ｏ_３の薄膜を形成する方法を採用してもよい。他の構成および機能は実施形態１と同様である。

実施形態１を示す正面図である。 同上の斜視図である。 同上において他形状の流路を用いた例を示す正面図である。 同上の要部断面図である。 実施形態２を示す正面図である。 同上の断面図である。 同上において他形状の流路を用いた例を示す断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
２ 発光ダイオードチップ
３ 流路
４ａ，４ｂ ヘッダ
４ｃ 枝管
５ 供給口
６ 排出口
７ 器具フレーム
８ 電気絶縁層
１１ 第１基板
１２ 第２基板
１３ 溝部
１３ａ，１３ｂ 溝部

Claims (6)

1. 器具フレームに取り付けられる支持基板と、支持基板の厚み方向の一面に配列された複数個の発光ダイオードチップとを備え、支持基板の厚み寸法内に冷却用液体を通す流路が形成されていることを特徴とする発光ダイオードを用いた光源。
2. 前記支持基板は、前記発光ダイオードチップを厚み方向の一面に搭載した第１基板と、第１基板がその厚み方向の他面を接触させる形で接合された第２基板とからなり、第１基板と第２基板との対向面の少なくとも一方に前記流路を形成する溝部が設けられ、第１基板と第２基板とが接合されることにより支持基板の外側面に設けた供給口と排出口との間を連通させる流路が形成されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いた光源。
3. 複数枚の前記第１基板が１枚の前記第２基板に搭載されることを特徴とする請求項２記載の発光ダイオードを用いた光源。
4. 前記支持基板において少なくとも前記発光ダイオードチップを配列する一面に電気絶縁層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光ダイオードを用いた光源。
5. 前記電気絶縁層は、ＡｌＮからなることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオードを用いた光源。
6. 前記支持基板の厚み方向において少なくとも器具フレーム側の一面は鏡面仕上げが施されてい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項に記載の発光ダイオードを用いた光源。

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