JP2009206422A - 表面実装型ｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】小形かつ使用温度範囲の広い高輝度表面実装型ＬＥＤパッケージを提供する。
【解決手段】本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージ１は、ＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２に接続されたカソード電極３１およびアノード電極３２と、カソード電極３１に接続されたカソード端子３３とアノード電極３２に接続されたアノード端子３４とを備えたパッケージ基板３と、ＬＥＤ素子２、カソード電極３１、アノード電極３２を封止する透光性樹脂層４と、カソード電極３１とカソード端子３３との間、またはアノード電極３２とアノード端子３４との間に接続されるとともに、ＬＥＤ素子２に近接して配置された正特性サーミスタ５とを含んでいる。正特性サーミスタ５は、最小抵抗値温度がＬＥＤ素子２の最高使用温度以下で、かつ当該最高使用温度の近傍となるように、抵抗温度特性が設定されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、高輝度（ハイパワー）の表面実装型ＬＥＤパッケージに関する。

近年、ＬＥＤパッケージを高輝度化（ハイパワー化）すべく、ＬＥＤ素子自体の発光効率の改善や、ＬＥＤ素子を大形化することで放熱性を高める改善、または、レンズや反射板を取り付けることで集光を図る改善等が行われてきた。
その結果、ＬＥＤパッケージは、表示用として２ｌｍ／Ｗ程度であった発光効率が、２０ｌｍ／Ｗさらには１００ｌｍ／Ｗに迫るレベルに達し、照明用途へ適用され得る状況になってきた。

ＬＥＤパッケージは、省エネルギーかつ長寿命であることから、環境対策の点でも優れており、照明用途には好適である。しかし、高輝度ＬＥＤパッケージは、発熱量が多いため、次の（１）〜（３）に示すような問題点を有していた。

（１）ＬＥＤパッケージは一般に、温度上昇と共に相対光度が低下する（図８参照）。それゆえ、発熱量が多くジャンクション温度が上昇し易い高輝度ＬＥＤパッケージでは、相対光度の低下が著しかった。

（２）ＬＥＤパッケージは一般に、温度上昇と共に順電圧Ｖｆが低下する（図９参照）。それゆえ、高輝度ＬＥＤパッケージを定電圧駆動すると、ジャンクション温度が上昇するにつれて駆動電流が増大し、電流値およびジャンクション温度が最大定格を超えてしまう問題があった。
電流値およびジャンクション温度が最大定格を超えてしまうと、ＬＥＤパッケージは劣化する。それゆえ、高輝度ＬＥＤパッケージは、定電圧駆動するには不向きであり、定電流駆動する以外に方法はなかった。
しかし、高輝度ＬＥＤパッケージを定電流駆動するには、定電流レギュレータ、ＰＩＣなどのプログラマブルＩＣまたはスイッチング電源などの定電流電源を使用する必要があり、大形化を招いていた。

（３）前述のとおりＬＥＤパッケージは高温で使用すると劣化するため、ジャンクション温度が最高使用温度を超えないよう、ディレーティングカーブ（周囲温度に対して使用可能な電流を示した温度と駆動電流の相関図）が規定される。
例えば図１０のディレーティングカーブでは、ジャンクション温度が最高使用温度（本例では１１０℃）を超えないように、周囲温度８０℃以上では急激に通電電流を下げなければならない。しかし、このディレーティングカーブは、放熱条件の悪い状況においてもジャンクション温度が最高使用温度を超えないよう、ある程度の余裕をもって設定されたものである。
それゆえ、ＬＥＤパッケージをディレーティングカーブに基づいて駆動すると、上記余裕分だけ使用温度範囲が狭くなり、その性能を十分に発揮できていなかった。

そこで、ＬＥＤ素子の明るさを補償すると同時に、ＬＥＤ素子が破壊されないよう順方向電流の最大値を規制する回路が提案されている（特許文献１参照）。この回路では、正特性サーミスタとＬＥＤ素子とが直列接続されている。

上記の正特性サーミスタは、特許文献１の図２に示されるように、所定温度以下の範囲では温度上昇に応じて抵抗値が減少する負特性を有し、所定温度以上の範囲では温度上昇に応じて抵抗値が増大する正特性を有している。

上記の回路によれば、所定温度以下の範囲内で温度上昇してＬＥＤ素子の明るさが減少すると、正特性サーミスタの負特性により抵抗値が減少して順方向電流が増大するため、明るさの減少が抑制される。
また、上記の回路によれば、所定温度を超えて温度上昇した際、正特性サーミスタの正特性により抵抗値が増大して順方向電流が減少するため、ＬＥＤ素子の破壊が未然に防止される。

実公昭６２−２５８３８号公報

しかしながら、上記特許文献１では、正特性サーミスタが、所定温度以下の温度範囲で抵抗温度特性が負抵抗を有し、所定温度を超えた温度範囲で抵抗温度特性が正特性を有することが記載されているにすぎず、上記特許文献１記載の回路において、必ずしもＬＥＤ素子の性能を十分に発揮している状態とはいえなかった。
すなわち、放熱条件の悪い状況を考慮すると、上述したように、ＬＥＤ素子のジャンクション温度が最高使用温度を超えないように、正特性サーミスタの抵抗温度特性が設定されるのが一般的であり、特許文献１記載の回路では、周囲温度が８０℃以上になると、正特性サーミスタの抵抗値が急激に上昇し、ＬＥＤ素子の駆動電流を大きく減少させている（特許文献１の第２図）。このため、周囲温度が８０℃以上では、発光素子として機能させることができず、使用温度範囲が狭くなってＬＥＤ素子の性能を十分に発揮することができなかった。
また、特許文献１には、ＬＥＤ素子と正特性サーミスタとを直列に接続した回路が記載されているだけであって、ＬＥＤ素子と正特性サーミスタとが構造上、どのように配置されるかは何ら記載されていない。したがって、ＬＥＤ素子の抵抗値が最小となる最小抵抗値温度を該ＬＥＤ素子の最高使用温度に対していかに設定するか、また、ＬＥＤ素子と正特性サーミスタとを構成上、どのように配置するかに関して改善の余地が残されていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小形かつ使用温度範囲の広い高輝度表面実装型ＬＥＤパッケージを提供することにある。

本発明者は、上記課題の解決を目指して種々検討を重ねた結果、高輝度の表面実装型ＬＥＤパッケージについては、ＬＥＤ素子のジャンクション温度に基づいて駆動することが最も有効であることを見出した。
そして、そのためには、正特性サーミスタを、正特性サーミスタの感知温度がＬＥＤ素子のジャンクション温度と同温度になるように、ＬＥＤパッケージに一体化させることが効果的であることを見出した。

すなわち、本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージは、ＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子に接続されたカソード電極およびアノード電極と、前記カソード電極に接続されたカソード端子と、前記アノード電極に接続されたアノード端子とを備えたパッケージ基板と、前記ＬＥＤ素子、前記カソード電極および前記アノード電極を封止する透光性樹脂層と、を含んでなる表面実装型のＬＥＤパッケージであって、前記カソード電極と前記カソード端子との間、または前記アノード電極と前記アノード端子との間に接続されるとともに、前記ＬＥＤ素子に近接して配置された正特性サーミスタをさらに含み、前記正特性サーミスタは、その抵抗値が最小となる最小抵抗値温度が前記ＬＥＤ素子の最高使用温度以下で、かつ当該最高使用温度の近傍となるように、抵抗温度特性が設定されていることを特徴とする。

前記パッケージ基板は、表面側に前記ＬＥＤ素子、前記カソード電極および前記アノード電極を備え、かつ、裏面側に前記カソード端子および前記アノード端子を備え、前記正特性サーミスタは、前記ＬＥＤ素子の裏面に配置されていることを特徴とする。

また、上記構成において、前記正特性サーミスタは、前記最小抵抗値温度以下の範囲では負の抵抗温度特性を有し、当該最小抵抗値温度以下の範囲で前記ＬＥＤ素子のジャンクション温度が上昇した際、前記ＬＥＤ素子に流れる電流を増大させることを特徴とする。

本発明者はさらに、セラミックパッケージ基板は熱伝導率が良いうえに、多層構造を容易に設計できることに着眼し、セラミックパッケージ基板に凹部を設けて、その凹部内に正特性サーミスタを設置することを見出した。

すなわち、本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージは、上記構成において、前記パッケージ基板がセラミック製であることを特徴とする。

また、上記構成において、前記パッケージ基板は内方に向けて窪んだ凹部を有し、前記正特性サーミスタは全体が前記凹部内に収容されていることを特徴とする。

そして、前記凹部は、前記パッケージ基板の裏面側において前記カソード端子と前記アノード電極とに挟まれた領域内に形成されていることを特徴とする。

本発明者はさらに、面実装型の正特性サーミスタを使用すれば、小形の表面実装型ＬＥＤパッケージと一体化し易く、容易にＬＥＤ素子の裏面に配置し得ることを見出した。

すなわち、本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージは、上記構成において、前記正特性サーミスタが面実装型の正特性サーミスタであることを特徴とする。

この発明によれば、ＬＥＤ素子と正特性サーミスタとが近接して配置されるとともに、正特性サーミスタがＬＥＤパッケージに一体化されているので、ＬＥＤ素子の劣化や破壊を防止しながらもＬＥＤパッケージを小形に構成することができる。
しかも、ＬＥＤ素子と正特性サーミスタとが近接して配置されることからＬＥＤ素子のジャンクション温度と正特性サーミスタの感知温度がほぼ同温度になる。このため、許容されるＬＥＤ素子のジャンクション温度（ジャンクション温度の最大値）とＬＥＤ素子の最高使用温度を一致させることができる。
よって、正特性サーミスタの最小抵抗値温度がＬＥＤ素子の最高使用温度以下で、かつ当該最高使用温度の近傍となるように、正特性サーミスタの抵抗温度特性が設定されることで、ＬＥＤ素子の最高使用温度の近傍までＬＥＤ素子を劣化させることなく、機能させることができる。つまり、従来技術に対して使用温度範囲を広げ、ＬＥＤ素子の性能を十分に発揮することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態につき説明する。
図１は本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージの一例を示す正面図であり、図２は図１の表面実装型ＬＥＤパッケージの平面図である。図３は図１の表面実装型ＬＥＤパッケージの底面図であり、図４は図１の表面実装型ＬＥＤパッケージのＸ−Ｘ線断面図である。

図１〜４に示されるように、本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージ１は主に、ＬＥＤ素子２と、ＬＥＤ素子２が実装されたパッケージ基板３と、ＬＥＤ素子２を封止する透光性樹脂層４と、パッケージ基板３に内蔵された正特性サーミスタ５とから構成されている。

ＬＥＤ素子２は、高輝度ＬＥＤ素子であり、１ｍｍ角程度の大きさとなっている。

パッケージ基板３は、熱伝導性の良い多層アルミナ製であり、５ｍｍ角程度の大きさとなっている。

パッケージ基板３の表面３ａには、ＬＥＤ素子２のカソード側が接続されたカソード電極３１と、ＬＥＤ素子２のアノード側がボンディングワイヤ６を介して接続されたアノード電極３２とが設けられている。そして、ＬＥＤ素子２、カソード電極３１およびアノード電極３２は、透光性樹脂層４によって封止されている。

パッケージ基板３の裏面３ｂには、カソード電極３１に接続されたカソード端子３３と、後述するサーミスタ用端子３６に接続されたアノード端子３４とが設けられている。

また、パッケージ基板３の裏面３ｂ側の中央部には、内方に向けて窪んだ凹部３ｃが設けられている。具体的には凹部３ｃは、パッケージ基板３の裏面側においてカソード端子３３とアノード端子３４とに挟まれた領域内に形成されている。
凹部３ｃの底面には、正特性サーミスタ５の両端子７ａ，７ｂが接続されるサーミスタ用端子３５，３６が設けられている。サーミスタ用端子３６は、前述のとおりアノード端子３４に接続されている。サーミスタ用端子３５は、アノード電極３２に接続されている。

正特性サーミスタ５は、面実装型の正特性サーミスタであり、パッケージ基板３の凹部３ｃ内に全体が収容される大きさとなっている。正特性サーミスタ５は、パッケージ基板３の凹部３ｃ内に配置され、サーミスタ用端子３５，３６に接続されている。

また、正特性サーミスタ５は、その抵抗値が最小となる温度（最小抵抗値温度）がＬＥＤ素子２の最高使用温度以下で、かつ当該最高使用温度の近傍となるように抵抗温度特性が設定されている。そして、正特性サーミスタ５は、ＬＥＤ素子２の最高使用温度以下の範囲（つまり使用温度範囲）では負の抵抗温度特性を有し、ＬＥＤ素子２の最高使用温度を超える範囲では正の抵抗温度特性を有している。

上記のように構成された表面実装型ＬＥＤパッケージ１は、カソード端子３３およびアノード端子３４が実装基板上の配線パターンに接続されて使用される。凹部３ｃ内に正特性サーミスタ５の全体が収容されているので、正特性サーミスタ５がパッケージ基板の裏面３ｂを越えて外方に飛び出すのを防止している。このため、ＬＥＤパッケージ１を基板上に支障なく実装することができる。そして、表面実装型ＬＥＤパッケージ１によれば、以下に示す効果が得られる。

例えば、ＬＥＤ素子２のジャンクション温度（＝周囲温度＋自己発熱温度）−相対光度特性が図８に、ＬＥＤ素子２の順電流−相対光度特性が図５に、かつ正特性サーミスタ５の抵抗−感知温度特性が図６に示すものである場合について考える。

ＬＥＤ素子２のジャンクション温度が室温（２５℃）から上昇すると、図８から明らかなように、ＬＥＤ素子２の相対光度は低下する。例えば、ジャンクション温度が２５℃から８０℃に上昇すると、ＬＥＤ素子２の相対光度は、２５℃を基準として約１８％低下する。このとき、図６に示す如く、正特性サーミスタ５は２５℃から８０℃の範囲では負の抵抗温度特性であるため、その抵抗値は約３０％低下する。

ここで、電源電圧が一定であり、正特性サーミスタ５の抵抗（Ｒｐｔｃ）とＬＥＤのオン抵抗（Ｒｌｅｄ）がほぼ等しいと仮定したとき、流れる電流Ｉの変化分ΔＩは、
Ｉ・Ｒｐｔｃ＋Ｉ・Ｒｌｅｄ
＝（Ｉ＋ΔＩ）・（Ｒｐｔｃ−ΔＲｐｔｃ）＋（Ｉ＋ΔＩ）・Ｒｌｅｄ
となり、Ｒｐｔｃ＝Ｒｌｅｄ、ΔＲｐｔｃ＝０．３×Ｒｐｔｃであるから、
ΔＩ／Ｉ＝０．３／（２−０．３）≒０．１８
となる。つまり、正特性サーミスタ５の抵抗値の変化によって、ＬＥＤ素子２に流れる電流（順電流）は約１８％増大することになる。

順電流が約１８％増大すると、図５に示す如く、ＬＥＤ素子２の相対光度は約１８％増大する。つまり、本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージ１によれば、正特性サーミスタ５の負の抵抗温度特性によって、温度上昇による相対光度の低下を補償し、常用温度領域（感知温度５５〜１１０℃）において安定な光出力を得ることができる。

次に、ＬＥＤ素子２のジャンクション温度が１１０℃を超えた場合について説明する。
仮に、１１０℃よりも高温側で正特性サーミスタ５が継続して負の抵抗温度特性を有する場合には、ＬＥＤ素子２に流れる電流が増え続ける。
これに対し、本発明の実施形態では、正特性サーミスタ５は、最小抵抗値温度がＬＥＤ素子２の最高使用温度以下で、かつ当該最高使用温度の近傍となるように抵抗温度特性が設定されている。例えば、図６に示す抵抗−温度特性では、感知温度１００℃付近が最小抵抗値温度となっており、感知温度１１０℃以上では、正特性サーミスタ５の抵抗値が急激に増加する。

さらに、この実施形態にかかるＬＥＤパッケージ１の構成によれば、熱伝導性の高いセラミック製パッケージ基板３上に正特性サーミスタ５がＬＥＤ素子２に近接して配置されているので、ＬＥＤ素子２のジャンクション温度と正特性サーミスタ５の感知温度とは、ほぼ同温度とすることができる。

このため、感知温度１１０℃以上の温度領域では、正特性サーミスタ５がＬＥＤ素子２に流れる順電流を抑制する。これにより、ＬＥＤ素子２の劣化や破壊を防止し、長寿命化を図ることができる。

このように、最小抵抗値温度が１００℃付近となるように正特性サーミスタ５の抵抗温度特性を設定しておくことにより、ＬＥＤ素子２のジャンクション温度を最高使用温度１１０℃以下に自動的に保ちながら、ＬＥＤパッケージ１を動作させることができる。
つまり、正特性サーミスタ５が周囲温度ではなくジャンクション温度を感知するため、種々の放熱条件を考慮してＬＥＤパッケージ１の使用温度範囲を設定する必要がなく、使用温度範囲を広げることができる。

さらに、本発明の実施形態によれば、最高使用温度以上の温度領域では自動的に駆動電流が制御されることから、新たに駆動電流を制御するための制御回路を設けることが不要となる。

また、本発明の実施形態によれば、パッケージ基板３上に正特性サーミスタ５をＬＥＤ素子２に近接して配置しているのでＬＥＤパッケージ１の小形化を図ることができる。さらに、この実施形態によれば、パッケージ基板３の裏面側に凹部３ｃを形成し、該凹部３ｃに正特性サーミスタ５の全体を収容しているので、ＬＥＤパッケージ１のさらなる小形化に寄与している。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は次のように変形して実施することができる。
上記実施形態においては、正特性サーミスタを収容する凹部をパッケージ基板の裏面中央部に設けたが、ＬＥＤ素子の近傍であればパッケージ基板のいずれの場所に設けてもよい。例えば、図７に示す如く、正特性サーミスタ５をパッケージ基板３の表面３ａに配置してもよい。また、正特性サーミスタは必ずしもチップ型でなくともよい。

また、正特性サーミスタはＬＥＤ素子に近接配置されていればよく、必ずしも凹部を設けてその内部に正特性サーミスタを収容する構成をとる必要はない。

また、ＬＥＤ素子の数は複数であってもよい。この場合、複数のＬＥＤ素子の総発熱量によってパッケージ基板が加熱されるが、総発熱量としての温度上昇を正特性サーミスタが感知するため、正特性サーミスタは１個でよい。

また、パッケージ基板は、熱伝導性の高いものであればよく、金属基板等であってもよい。

本発明の表面実装型ＬＥＤパッケージの一例を示す正面図である。 図１の表面実装型ＬＥＤパッケージの平面図である。 図１の表面実装型ＬＥＤパッケージの底面図である。 図１の表面実装型ＬＥＤパッケージのＸ−Ｘ線断面図である。 ＬＥＤ素子の順電流−相対光度特性の一例を示す図である。 正特性サーミスタの抵抗−温度特性の一例を示す図である。 変形例を示す図である。 ＬＥＤ素子のジャンクション温度−相対光度特性の一例を示す図である。 ＬＥＤ素子のジャンクション温度−電圧特性の一例を示す図である。 ＬＥＤパッケージの周囲温度−許容順電流特性の一例を示す図である。

符号の説明

１ 表面実装型ＬＥＤパッケージ
２ ＬＥＤ素子
３ パッケージ基板
３ａ 表面
３ｂ 裏面
３１ カソード電極
３２ アノード電極
３３ カソード端子
３４ アノード端子
４ 透光性樹脂層
５ 正特性サーミスタ
６ ボンディングワイヤ
７ａ、７ｂ 正特性サーミスタの電極

Claims (7)

1. ＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子に接続されたカソード電極およびアノード電極と、前記カソード電極に接続されたカソード端子と、前記アノード電極に接続されたアノード端子とを備えたパッケージ基板と、
   前記ＬＥＤ素子、前記カソード電極および前記アノード電極を封止する透光性樹脂層と、
   を含んでなる表面実装型のＬＥＤパッケージであって、
   前記カソード電極と前記カソード端子との間、または前記アノード電極と前記アノード端子との間に接続されるとともに、前記ＬＥＤ素子に近接して配置された正特性サーミスタをさらに含み、
   前記正特性サーミスタは、その抵抗値が最小となる最小抵抗値温度が前記ＬＥＤ素子の最高使用温度以下で、かつ当該最高使用温度の近傍となるように抵抗温度特性が設定されていることを特徴とする表面実装型ＬＥＤパッケージ。
2. 前記パッケージ基板は、表面側に前記ＬＥＤ素子、前記カソード電極および前記アノード電極を備え、かつ、裏面側に前記カソード端子および前記アノード端子を備え、
   前記正特性サーミスタは、前記ＬＥＤ素子の裏面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型ＬＥＤパッケージ。
3. 前記正特性サーミスタは、前記最小抵抗値温度以下の範囲では負の抵抗温度特性を有し、当該最小抵抗値温度以下の範囲で前記ＬＥＤ素子のジャンクション温度が上昇した際、前記ＬＥＤ素子に流れる電流を増大させることを特徴とする請求項１または２に記載の表面実装型ＬＥＤパッケージ。
4. 前記パッケージ基板がセラミック製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面実装型ＬＥＤパッケージ。
5. 前記パッケージ基板は内方に向けて窪んだ凹部を有し、
   前記正特性サーミスタは全体が前記凹部内に収容されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面実装型ＬＥＤパッケージ。
6. 前記凹部は、前記パッケージ基板の裏面側において前記カソード端子と前記アノード電極とに挟まれた領域内に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の表面実装型ＬＥＤパッケージ。
7. 前記正特性サーミスタが面実装型であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面実装型ＬＥＤパッケージ。

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