JP2009010050A - Light source device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオードチップを用いた光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device using a light emitting diode chip.
従来から、放電ランプやレーザ発振器などを光源として用いた光源装置が提供されているが、近年、低消費電力化や長寿命化などを目的として、放電ランプなどの代わりに発光ダイオード(以下、LEDと称する)チップを光源として用いた光源装置が種々提案されている。例えば、紫外線を放射するLEDチップ(紫外線LEDチップ)を用いた光源装置(紫外線硬化装置)が提案されており、このような光源装置は、紫外線を受光することによって硬化する紫外線硬化材、例えば、紫外線硬化型のインク(インキともいう)などを硬化させる印刷システムなどに利用されている。 Conventionally, a light source device using a discharge lamp, a laser oscillator, or the like as a light source has been provided. In recent years, a light-emitting diode (hereinafter referred to as an LED) is used instead of a discharge lamp for the purpose of reducing power consumption or extending the life. Various light source devices using a chip as a light source have been proposed. For example, a light source device (ultraviolet curing device) using an LED chip that emits ultraviolet rays (ultraviolet LED chip) has been proposed, and such a light source device is an ultraviolet curable material that is cured by receiving ultraviolet rays, for example, It is used in a printing system that cures ultraviolet curable ink (also referred to as ink).
この種の光源装置としては、放電ランプなどを用いた従来の光源装置と同程度の光量が得られるように、複数(例えば、数十個)のLEDチップを一枚の支持基板に実装したものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、LEDチップに通電してLEDチップを発光させると、当然ながらLEDチップ自体が発熱する。このとき、LEDチップの数が少なければ問題ないが、上記光源装置のように、数十個のLEDチップを一枚の支持基板に実装したものでは、LEDチップによる発熱量が大幅に増えてしまう。そして、LEDチップの発光効率は負の温度係数を有しているため、発熱量が増えると、LEDチップの発光効率が低下してしまう。 Here, when the LED chip is energized to emit light, the LED chip itself naturally generates heat. At this time, there is no problem if the number of LED chips is small, but in the case where several tens of LED chips are mounted on a single support substrate as in the light source device, the amount of heat generated by the LED chips increases significantly. . And since the luminous efficiency of an LED chip has a negative temperature coefficient, if the emitted-heat amount increases, the luminous efficiency of an LED chip will fall.
そのため、上記のような光源装置は、支持基板におけるLEDチップ側とは反対側に配置された冷却手段(例えば、ヒート・パイプなどの冷却装置)に支持基板が熱的に結合された状態で使用されることが多い。 Therefore, the light source device as described above is used in a state where the support substrate is thermally coupled to cooling means (for example, a cooling device such as a heat pipe) disposed on the opposite side of the support substrate from the LED chip side. Often done.
上記のような冷却手段を用いれば、LEDチップが発生する熱を冷却手段で吸収できるので、光源装置のLEDチップの発光効率を改善できる。しかし、発熱量が増えれば増えるほど、高性能な冷却手段を用いる必要が生じ、光源装置の運用コストが高くなってしまうため、光源装置自体の冷却効率を向上したいという要望がある。 If the cooling means as described above is used, the heat generated by the LED chip can be absorbed by the cooling means, so that the light emission efficiency of the LED chip of the light source device can be improved. However, as the amount of heat generation increases, it becomes necessary to use a high-performance cooling means, and the operation cost of the light source device increases. Therefore, there is a demand for improving the cooling efficiency of the light source device itself.
ここで、光源装置の冷却効率を向上するには、支持基板の厚みを薄くして、LEDチップと冷却手段との間の距離を短くすることが考えられるが、支持基板の厚みを薄くすると、当然ながら、支持基板の強度(機械的強度)が弱くなり、光源装置を冷却手段に取り付ける際に、支持基板が破損してしまうといった別の問題が生じるおそれがあった。 Here, in order to improve the cooling efficiency of the light source device, it is conceivable to reduce the distance between the LED chip and the cooling means by reducing the thickness of the support substrate, but if the thickness of the support substrate is reduced, Naturally, the strength (mechanical strength) of the support substrate becomes weak, and when the light source device is attached to the cooling means, another problem that the support substrate is damaged may occur.
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、支持基板の強度の低下を抑制しながらも、冷却効率を向上できる光源装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a light source device capable of improving cooling efficiency while suppressing a decrease in strength of a support substrate.
上記の課題を解決するために、請求項1の発明では、支持基板と、当該支持基板に実装された複数のLEDチップとを備え、支持基板におけるLEDチップ側とは反対側に配置された冷却手段に支持基板が熱的に結合された状態で使用される光源装置であって、支持基板は、LEDチップが厚み方向の一面に配置されたベースシートと、LEDチップを露出させる開口部を有しベースシートの上記一面に接合されベースシートを補強するフレームとで構成されてなることを特徴とする。
In order to solve the above problems, in the invention of
請求項1の発明によれば、支持基板が、LEDチップが厚み方向の一面に配置されたベースシートと、厚み方向に貫通する開口部を有しベースシートの上記一面の全面を上記開口部よりLEDチップを露出する形で覆うように上記一面に接合されベースシートの強度(機械的強度)を補強するフレームとで構成されてなり、支持基板におけるLEDチップ側とは反対側に配置された冷却手段に熱的に結合された状態で使用されるから、支持基板のベースシートの厚みを薄くして、ベースシートの熱伝導率(熱伝導度)を高めることによって、LEDチップで発生した熱が冷却手段に伝わり易くなって、冷却効率を向上でき、しかも、ベースシートの厚みを薄くした場合であっても、フレームによってベースシートが補強されているから、支持基板の強度(機械的強度)の低下を抑制できる。 According to the first aspect of the present invention, the support substrate has a base sheet in which the LED chip is arranged on one surface in the thickness direction, and an opening that penetrates in the thickness direction. The entire surface of the one surface of the base sheet is formed from the opening. Cooling disposed on the side opposite to the LED chip side of the support substrate, which is composed of a frame that is joined to the one surface so as to cover the LED chip so as to be exposed and reinforces the strength (mechanical strength) of the base sheet. The heat generated by the LED chip is reduced by reducing the thickness of the base sheet of the support substrate and increasing the thermal conductivity (thermal conductivity) of the base sheet. Supports because the base sheet is reinforced by the frame even when the thickness of the base sheet is reduced, because it is easy to be transmitted to the cooling means and cooling efficiency can be improved. The reduction in strength of the plate (mechanical strength) can be suppressed.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、ベースシートは上記他面が鏡面仕上げされてなることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the base sheet has a mirror finish on the other surface.
請求項2の発明によれば、ベースシートの上記他面と冷却手段などの他部材との密着性を向上できるから、ベースシートと他部材との熱伝導度が向上し、冷却効率が向上する。
According to the invention of
請求項3の発明では、請求項1または2の発明において、ベースシートは絶縁性シートであることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明によれば、ベースシートが銅などの金属材料よりなる場合とは異なり、感電などの事故を防止できる。
According to the invention of
請求項4の発明では、請求項3の発明において、絶縁性シートの材料としてはAlNを用いたことを特徴とする。
The invention of
請求項4の発明によれば、AlNは絶縁性材料のなかでも比較的熱伝導率が高いので、冷却効率を向上できる。
According to the invention of
請求項5の発明では、請求項1〜4のうちいずれか1項の発明において、フレームの開口部は内側に複数のLEDチップが配置される形に形成されていることを特徴とする。
The invention of claim 5 is characterized in that, in the invention of any one of
請求項5の発明によれば、開口部とLEDチップとが一対一で対応する場合に比べれば、フレームの形状を簡単にできる。 According to the invention of claim 5, the shape of the frame can be simplified as compared with the case where the opening and the LED chip correspond one-to-one.
本発明は、支持基板の強度の低下を抑制しながらも、冷却効率を向上できるという効果を奏する。 The present invention has an effect that cooling efficiency can be improved while suppressing a decrease in strength of the support substrate.
本発明の一実施形態の光源装置1は、図1(a),(b)に示すように、支持基板2と、支持基板2に実装された複数(図示例では16)のLEDチップ3とを備えている。この光源装置1は、図1(a)および図2に示すように、支持基板2におけるLEDチップ側とは反対側(図1(a)における下面側)に配置された冷却手段4に支持基板2が熱的に結合された状態で使用される。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a
LEDチップ3は、例えば、紫外領域にピーク波長を有する紫外線LEDチップであって、フリップチップ実装が可能なものを用いている。ただし、これはあくまで一例であって、LEDチップ3を紫外線LEDチップに限定する趣旨ではない。
The
支持基板2は、図1(a)に示すように、ベースシート20と、ベースシート20に接合されてベースシート20を補強するフレーム21とで構成されてなる。
As illustrated in FIG. 1A, the
ベースシート20は、例えば、矩形状の絶縁性シートであって、その材料としては、AlN(窒化アルミニウム)を用いている。ベースシート20の厚み方向の一面側には、例えば図1(b)に示すように16個のLEDチップ3を4×4のマトリクス状(4行4列のマトリクス状)に接合されている。一方、ベースシート10の厚み方向の他面(図1(a)における下面)は鏡面仕上げ(鏡面加工)されており、これによってベースシート20の上記他面の平坦度を改善し、他の部材(本実施形態では冷却手段4)との密着性の向上を図っている。
The
フレーム21は、例えば、ベースシート20の外形サイズ以上の外形サイズの矩形板状に形成され、その厚みはベースシート20の厚みより十分大きく設定されている。なお、フレーム21の材料として、ベースシート20の材料よりも機械的強度が高い材料を用いた場合には、必ずしもフレーム21の厚みをベースシート20の厚みよりも厚くする必要はなく、所望の機械的強度が得られるような厚みに設定すればよい。
For example, the
フレーム21には、フレーム21を厚み方向(図1(a)における上下方向)に貫通する開口部21aが形成されている。開口部21aは、内側にベースシート20上に配置された複数(図示例では16)のLEDチップ3の全てが配置される形に形成されている。なお、開口部21aは、図1(b)に示すように、フレーム21の厚み方向に直交する面内における開口形状が正方形状となっているが、これに限定する趣旨ではなく、例えば円形状などであってもよい。フレーム21におけるベースシート20側とは反対側(図1(a)における上面側)には、配線パターン22が形成されている。配線パターン22は、外部の電源装置(図示せず)よりLEDチップ3に給電するための電路(図示せず)と、電極パッド22aとを有している。
The
このようなフレーム21は、LEDチップ3を開口部21aより露出させる形でベースシート20の上記一面に接合され、これによって図1(a),(b)に示す形の支持基板2が得られる。その後には、フレーム21に設けられた電極パッド22aとLEDチップ3の電極(図示せず)とが、ボンディングワイヤWによって電気的に接続される。したがって、本実施形態の光源装置1では、LEDチップ3は支持基板2にワイヤボンディングにより実装されている。なお、図1(a),(b)では、一部のボンディングワイヤWのみを図示し、図2では、ボンディングワイヤWおよび導電パターン22を省略している。
Such a
次に、光源装置1の冷却に用いられる冷却手段4について説明する。冷却手段4は、例えば、金属材料(例えば、金属材料のなかでも熱伝導度が高いアルミニウム等)により角筒状に形成された冷却用パイプ40と、冷却用パイプ40の内部空間からなる流路40aに図示しない水等の熱媒(熱媒体ともいう)を流すためのポンプ(図示せず)とを備えた、所謂水冷式の冷却装置である。なお、冷却手段4としては、上記熱媒として空気を用いた空冷式の冷却装置であってもよく、この場合、上記ポンプの代わりにファンが利用される。また、上記熱媒は、水や空気に限定されるものではなく、その他の流体であってもよい。
Next, the cooling means 4 used for cooling the
以上述べた光源装置1は、図1(a)に示すように、冷却手段4の冷却用パイプ40の一側面(図1(a)における上側面)に、ベースシート20の他面を接触させた形で、冷却手段4に取り付けられ、使用に供される。図2は、光源装置1を一の冷却手段4に複数取り付けた例を示している。
In the
そして、光源装置1の使用によってLEDチップ3で発生した熱は、ベースシート20に伝わった後に、冷却用パイプ40を介して流路40aを流れる熱媒に伝わり、温度が上昇した熱媒は流路40aを流れる間に冷却される。このようにして光源装置1のLEDチップ3は冷却手段4によって冷却される。
The heat generated in the
以上述べた本実施形態の光源装置1によれば、支持基板2におけるLEDチップ3側とは反対側(ベースシート20においてLEDチップ3が配置された厚み方向の一面側とは反対側の厚み方向の他面側)に配置された冷却手段4に支持基板2が熱的に結合された状態で使用されるため、支持基板2のベースシート20の厚みを薄くして、ベースシート2の熱伝導率(熱伝導度)を高めることで、冷却効率を向上できる。
According to the
また、ベースシート20の機械的強度を補強するフレーム21がベースシート20の上記一面に接合されているから、ベースシート20の厚みを薄くした場合であっても、支持基板2の機械的強度を向上できる。その上、光源装置1を冷却手段4に取り付ける際に、ベースシート20が破損したり、ベースシート20がその薄さのために変形してしまったりすることを抑制できて、光源装置1の冷却手段4への取り付けが容易に行えるようになる。
Further, since the
加えて、ベースシート20は上記他面が鏡面仕上げされてなるので、ベースシート20の上記他面と他部材である冷却手段4(の冷却用パイプ40)との密着性を向上できるから、冷却効率を向上できる。さらに、ベースシート20は絶縁性シートであるので、ベースシート20が銅などの金属材料よりなる場合とは異なり、感電などの事故を防止できる。しかも、絶縁性シートの材料として、絶縁性材料のなかでも比較的熱伝導率が高いAlNを用いたので、冷却効率を向上できる。
In addition, since the other surface of the
さらに、フレーム21の開口部21aは内側に複数のLEDチップ3が配置される形に形成されているので、開口部21aが内側に一つのLEDチップ3が配置される形に形成されている(開口部21aとLEDチップ3とが一対一で対応する)場合に比べれば、フレーム21の形状を簡単にでき、製造コストの低減が図れる。
Furthermore, since the
なお、本実施形態の光源装置1では、LEDチップ3を支持基板2にワイヤボンディングにより実装しているが、例えば、ベースシート20の厚み方向の一面側に、LEDチップ3用の配線パターン(図示せず)を形成して、LEDチップ3を支持基板2にフリップチップ実装するようにしてもよい。
In the
ところで、冷却手段4は、上述した水冷式や空冷式の冷却装置に限られるものではなく、その他の冷却装置であってもよい。例えば、冷却手段4としては、2種類の金属の接合部に電流を流すと一方の金属から他方へ熱が移動する(ペルチェ効果)を利用した板状の半導体素子であるペルチェ素子(ペルティエ素子ともいう)を利用したものであってもよいし、密閉容器内に作動流体(例えば水)を封入し作動流体の蒸発・凝縮により熱移動を行う伝熱装置であるヒート・パイプ(サーモ・サイフォン、サーモ・チューブともいう)を利用したものであってもよい。ヒート・パイプには、蒸発し気体となって移動した後に凝縮された作動液体を元の位置に戻す方法として、重力を利用するものと、ウィックなどによる毛細管現象を利用するものとがあるが、いずれを用いるかは光源装置1の使用形態に応じて適宜選択すればよい。例えば、光源装置1をベース部材11の上記一面を下方に向けて使用する場合には、重力を利用したヒート・パイプを用いればよい。
By the way, the cooling means 4 is not limited to the above-described water-cooled or air-cooled cooling device, but may be other cooling devices. For example, as the cooling means 4, a Peltier element (also called a Peltier element), which is a plate-like semiconductor element that utilizes a heat transfer from one metal to the other (Peltier effect) when an electric current is passed through a joint between two kinds of metals. Or a heat pipe (thermo siphon) that is a heat transfer device that encloses a working fluid (for example, water) in a sealed container and transfers heat by evaporation and condensation of the working fluid. It is also possible to use a thermotube). There are two types of heat pipes, one that uses gravity and the other that uses capillary action due to wicks, to return the condensed working liquid after evaporating and moving to gas to its original position. Which is used may be appropriately selected according to the usage pattern of the
なお、図1(a)および図2に示す例では、光源装置1を、冷却手段4に直接的に取り付けているが、例えば、ベースシート20の材料よりも熱伝導度が高い材料(例えば、本実施形態では、AlNよりも熱伝導度が高い銅など)よりなる伝熱板(図示せず)を光源装置1と冷却手段4との間に介在させるようにしてもよい。このような伝熱板によれば、ベースシート20の熱を拡散して冷却手段4に伝えることができるから、冷却効率の向上が図れる。ところで、このような伝熱板を用いる場合には、複数の光源装置1を伝熱板に取り付けてから、伝熱板を冷却手段4に取り付けるようにしてもよく、このようにすれば、複数の光源装置1を冷却手段4に取り付ける作業が容易に行えるという利点がある。
In the example shown in FIGS. 1A and 2, the
また、本実施形態の光源装置1の支持基板2は、フレーム21に一つのベースシート20を接合してなるものであるが、支持基板2は、フレーム21に複数のベースシート20を接合してなるものであってもよい。
Further, the
1 光源装置
2 支持基板
3 LEDチップ
4 冷却手段
20 ベースシート
21 フレーム
21a 開口部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
支持基板は、LEDチップが厚み方向の一面に配置されたベースシートと、LEDチップを露出させる開口部を有しベースシートの上記一面に接合されベースシートを補強するフレームとで構成されてなることを特徴とする光源装置。 A support substrate and a plurality of LED chips mounted on the support substrate are used, and the support substrate is used in a state where the support substrate is thermally coupled to a cooling unit disposed on the opposite side of the support substrate from the LED chip side. A light source device,
The support substrate is composed of a base sheet in which the LED chip is arranged on one surface in the thickness direction, and a frame that has an opening for exposing the LED chip and is bonded to the one surface of the base sheet to reinforce the base sheet. A light source device characterized by the above.
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