JP2010050367A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子に大電流を流すことで発生する熱を、効率よく放熱することで輝度向上を図ることが可能な発光装置を提供する。
【解決手段】絶縁性であるサファイア基板に化合物半導体が積層され、化合物半導体にボンディング電極が形成された発光素子６と、発光素子６の絶縁性基板がダイボンドされた搭載面側伝熱パターン１０と、発光素子６のボンディング電極とワイヤボンディングされたボンディングパッド１３と、ボンディングパッド１３が第２のスルーホール導体１５を介して接続された接続電極１６とが形成された基板２と、搭載面側伝熱パターン１０と第１の金属層２０を介在させて接着され、発光素子６を囲うように開口部３ａが形成された放熱体３とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に発光素子が搭載されると共に、発光素子からの熱を放熱する放熱体を備えた発光装置に関するものである。

発光装置は、発光素子に大電流を流して高輝度化を図ったものが知られている。発光素子に大電流を流すと輝度が向上するものの発熱も相当なものとなり、発光素子が過熱されることで性能低下を招く恐れがある。この発熱に対する対策を施した発光装置が特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載された半導体発光装置は、ＬＥＤ素子と、プリント基板と、熱伝導性の高い金属ブロックにより形成されたリフレクターとを有し、このリフレクターは反射面を形成するＬＥＤ素子実装凹部と脚部とが形成され、この脚部を実装基板に固着することで熱の放出性能を向上させたものである。
特開２００５−２２９００３号公報

特許文献１に記載の半導体発光装置は、プリント基板に形成された金属電極上に、金属ブロックで形成されたリフレクターを接着剤で接着しているので、接着剤として絶縁性のものを使用しているものと想定される。絶縁性の接着剤は一般的に伝熱性が低いので、ＬＥＤ素子からの熱が金属電極を介してリフレクターへと伝熱する経路の阻害要因となる。

従って、リフレクターが放熱効果の高い放熱体で形成されていても放熱効果が最大限に発揮されているとはいえない。

そこで本発明は、発光素子に大電流を流すことで発生する熱を、効率よく放熱することで輝度向上を図ることが可能な発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、発光素子がダイボンドされた第１の金属パターンが形成された基板と、前記発光素子を囲う開口部が形成された放熱体と、前記放熱体および前記第１の金属パターンとの間に介在して、前記放熱体および前記第１の金属パターンを接着する金属層とを備えたことを特徴とする。

本発明の発光装置は、発光素子がダイボンドされた第１の金属パターンに伝導した熱は熱伝導率の高い金属層に伝導し、そして熱放射率の高い放熱体へ伝熱して放熱することができるので、発光素子に大電流を流すことで発生する熱を、効率よく放熱することで輝度向上及び性能低下防止を図ることが可能である。

本願の第１の発明は、発光素子がダイボンドされた第１の金属パターンが形成された基板と、発光素子を囲う開口部が形成された放熱体と、放熱体および第１の金属パターンとの間に介在して、放熱体および第１の金属パターンを接着する金属層とを備えたことを特徴としたものである。

基板には、発光素子がダイボンドされる第１の金属パターンが形成されている。そして、この基板には、発光素子を囲う開口部が形成された放熱体が設けられている。この放熱体は、第１の金属パターンと金属層を介在させて接着されている。従って、発光素子がダイボンドされた第１の金属パターンに伝導した熱は、熱伝導率の高い金属層に伝導し、熱放射率の高い放熱体へ伝熱して放熱するので、発光素子からの熱は、伝熱する経路が阻害されることなく放熱させることができる。

本願の第２の発明は、発光素子とワイヤボンディングされた第２の金属パターンが設けられ、放熱体の開口部は、第２の金属パターン全体を露出するように形成されていることを特徴としたものである。

放熱体の開口部が、発光素子とワイヤボンディングされた第２の金属パターン全体を露出するように形成されているので、放熱体が第１の金属パターンと導体である金属層を介在させて接続されていても、放熱体と第２の金属パターンとは非導通状態である。つまり放熱体と、発光素子の電極同士が短絡しない状態で設けることができる。

本願の第３の発明は、発光素子は、絶縁性基板に化合物半導体が積層されたものであり、発光素子に設けられたｎ電極およびｐ電極は、２つの第２の金属パターンに、それぞれ接続されていることを特徴としたものである。

発光素子を絶縁性基板に化合物半導体を積層したものとすることで、発光素子のｎ電極とｐ電極とへの電源は、２つの第２の金属パターンを介して供給されるので、ダイボンドされた第１の金属パターンとは非導通状態である。従って、放熱体と発光素子とは、非導通状態なので、実装基板に実装したときに周囲の部品と短絡してしまい発光素子が発光しなくなってしまう事態を回避することができる。

本願の第４の発明は、放熱体上に、発光素子からの光を開口部の反射面で反射して主光出射方向へ出射する反射体が金属層を介在させて設けられていることを特徴としたものである。

放熱体上に更に反射体を設けても、放熱体と反射体とを、金属層を介在させているので、伝熱の度合いを低下させることなく接続することができる。

本願の第５の発明は、金属層は、半田、金、銀、銅のいずれか、またはこれらの金属を１種類以上含む合金で形成されていることを特徴としたものである。

金属層を半田、金、銀、銅のいずれか、またはこれらの金属を１種類以上含む合金で形成することで、熱伝導を低下させることなく、第１の金属パターンと放熱体、または放熱体と反射体とを接着することができる。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る発光装置を図１から図５に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置を説明する平面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る発光装置を説明する底面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る発光装置の断面図であり、（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線断面矢視図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ線断面矢視図である。図４は、基板を説明する平面図である。図５は、本実施の形態に係る発光装置に用いられる発光素子を説明する図である。

図１から図３に示すように本発明の実施の形態に係る発光装置１は、平面視して正方形状に形成されている。発光装置１は、基板２と、放熱体３と、樹脂封止部４と、反射体５と、発光素子６とを備えている。

基板２は、大きさが約４ｍｍ角で、厚みが０．４ｍｍのガラスエポキシ樹脂で形成され、発光素子６を搭載する搭載面Ｓ１と、この発光装置１を実装基板に実装するときの実装面Ｓ２とに金属パターンが形成されている。この金属パターンについて図２および図４に基づいて詳細に説明する。

図２および図４に示すように、基板２の搭載面Ｓ１には、４つの円形状の穴部Ｈを除いてほぼ全面に銅箔で形成された第１の金属パターンである搭載面側伝熱パターン１０が形成されている。搭載面側伝熱パターン１０には、発光素子６を搭載する際の位置合わせのための矩形状に切り欠いた位置合わせ部１０ａが、発光素子６が搭載される位置の周囲に４つ形成されている。搭載面側伝熱パターン１０は、第１のスルーホール導体１１により実装面Ｓ２に形成された実装面側伝熱パターン１２と接続されている。第１のスルーホール導体１１は、隣接する穴部Ｈの間に３つずつ設けられている。また、実装面側伝熱パターン１２は、略十字状に形成され銅箔の金属パターンである。実装面側伝熱パターン１２には、略十字状に形成されたうちの一つの端部を切り欠くことで極性表示１２ａが形成されている。

搭載面側伝熱パターン１０の穴部Ｈには、略リング状の隙間を開けて第２の金属パターンであるボンディングパッド１３が４つ形成されている。つまり、搭載面側伝熱パターン１０とボンディングパッド１３とは非導通状態に形成されている。発光素子６は、この４つ形成されたボンディングパッド１３のうちの２つを使用して、ｎ電極およびｐ電極とワイヤ１４で接続される。

ボンディングパッド１３は、第２のスルーホール導体１５により実装面Ｓ２に銅箔で形成された接続電極１６と接続されている。接続電極１６は、発光素子６が搭載された位置から基板２の角部に向かうように放射状に形成されている。接続電極１６は、正方形状に形成された基板２の各４つの角部に形成されているが、ワイヤ１４により発光素子６と導通するその内の２つを使って実装基板と導通する。

この接続電極１６と実装面側伝熱パターン１２との隙間は、短絡防止のために形成されたレジスト膜１７により覆われている。つまり接続電極１６と実装面側伝熱パターン１２とは非導通状態である。

放熱体３は、銅製で平面視して正方形状に形成され、中心部に円形状の開口部３ａを有した導体である。放熱体３の開口部３ａの周壁面は、外側に向かって徐々に広がるように形成されている。この放熱体３は、基板２に形成された搭載面側伝熱パターン１０と第１の金属層２０により接着されている。

放熱体３の開口部３ａには、発光素子６を封止する樹脂が充填され硬化することで形成された樹脂封止部４が形成されている。この樹脂封止部４は、発光素子６を封止すると共に、発光素子６からの光を波長変換して補色となる色を発光する蛍光体を樹脂に含有して発光素子６の光と蛍光体の光とを混色する機能を備えている。例えば本実施の形態に係る発光装置１が白色発光であり、発光素子６が青色であれば、蛍光体としては青色と混色して白く見えるように黄色に波長変換するものを使用している。

そして放熱体３上には、アルミ製の反射体５が設けられている。この反射体５は、開口部５ａが放熱体３の開口部３ａより更に広がるように開口部５ａが形成されることで、開口部５ａの周壁面が反射面となる。反射体５と放熱体３とは、第２の金属層２１により接着されている。

第１の金属層２０と第２の金属層２１とは、半田、金、銀、銅のいずれか、またはこれらの金属を１種類以上含む合金で形成されているのが望ましい。本実施の形態では、半田ペーストを塗布して硬化させて第１の金属層２０と第２の金属層２１を形成している。

図５に示すように、発光素子６は、青色発光素子であり、絶縁性基板の一つであるサファイア基板６ａに化合物半導体層であるｎ層６ｂ、発光層６ｃ、およびｐ層６ｄが積層されている。そしてｎ層６ｂにはｎ電極６ｅが、ｐ層６ｄにはｐ電極６ｆがそれぞれボンディング電極として設けられ、ワイヤ１４によってボンディングパッド１３と接続されている（図１参照）。この発光素子６は、銀ペーストなどの導電性接着剤を介在させて搭載面側伝熱パターン１０の中央部に搭載されている。

以上のように構成される本発明の実施の形態に係る発光装置１の伝熱の状態を図１から図３に基づいて説明する。

基板２の実装面Ｓ２側に形成された接続電極１６に電圧が印加されると、接続電極１６から第２のスルーホール導体１５、ボンディングパッド１３、そしてワイヤ１４を介して発光素子６に電流が流れ、発光素子６が発光する。

発光素子６が発光することで発生する熱は、搭載面側伝熱パターン１０の発光素子６がダイボンドされた位置から徐々に周囲に向かって伝導する。発光素子６は、サファイア基板６ａが搭載面側伝熱パターン１０と直接接触しているので、発光素子６が発生する熱の大部分は搭載面側伝熱パターン１０へ伝導させることができる。

搭載面側伝熱パターン１０全面に徐々に広がる熱は、第１の金属層２０を介して放熱体３へ伝導する。放熱体３では、高い放熱率を有した銅で形成されているので、熱を放熱体３の側方へ放熱する。

発光素子６のサファイア基板６ａは絶縁性であり、搭載面側伝熱パターン１０は発光素子６とワイヤ１４で接続されるボンディングパッド１３と非導通状態に形成されているので、放熱体３を、開口部３ａを除いて基板２の全面に、導電性である第１の金属層２０を介在させて設けていても、放熱体３と発光素子６とは非導通状態である。従って、放熱体３と搭載面側伝熱パターン１０が形成された基板２とを、第１の金属層２０で接着することで、放熱体３と発光素子６とを短絡させることなく、搭載面側伝熱パターン１０の熱を効率よく放熱体３へ伝導させることができる。

更に放熱体３には第２の金属層２１を介して反射体５が設けられているので、放熱体３からの熱は反射体５へ効率よく伝導し、反射体５から放熱する。

また、搭載面側伝熱パターン１０に伝導した熱は、第１のスルーホール導体１１を介して実装面側伝熱パターン１２へ伝導する。そして実装面側伝熱パターン１２へ伝導した熱は実装基板へ伝導して放熱することで、より放熱効果を高めることができる。

このように、発光素子６に大電流を流し発光輝度を向上させても、発光素子６からの熱を放熱する放熱体３が第１の金属層２０を介して基板２に接続しているので、効率よく伝熱させることができ、放熱体３により放熱させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、反射体５は、発光装置の配光特性と発熱量とに問題がなければ省略することができる。また放熱体３を熱伝導率および放熱率の高い銅としたが、銅と比較して熱伝導率および放熱率に大きな差がなければ他の放熱体とすることもできる。

また、発光素子６を絶縁性基板であるサファイア基板６ａに化合物半導体を積層したものとしたが、導電性基板としてもよい。その場合には実装面側伝熱パターンを発光装置のカソード電極とすることで実装基板と発光素子とを容易に導通させることができる。

本発明は、発光素子に大電流を流すことで発生する熱を、効率よく放熱することで輝度向上を図ることが可能なので、基板に発光素子が搭載されると共に、発光素子からの熱を放熱する放熱体を備えた発光装置に好適である。

本発明の実施の形態に係る発光装置を説明する平面図 本発明の実施の形態に係る発光装置を説明する底面図 本発明の実施の形態に係る発光装置の断面図、（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線断面矢視図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ線断面矢視図 基板を説明する平面図 本実施の形態に係る発光装置に用いられる発光素子を説明する図

符号の説明

１ 発光装置
２ 基板
３ 放熱体
３ａ 開口部
４ 樹脂封止部
５ 反射体
５ａ 開口部
６ 発光素子
６ａ サファイア基板
６ｂ ｎ層
６ｃ 発光層
６ｄ ｐ層
６ｅ ｎ電極
６ｆ ｐ電極
１０ 搭載面側伝熱パターン
１０ａ 位置合わせ部
１１ 第１のスルーホール導体
１２ 実装面側伝熱パターン
１２ａ 極性表示
１３ ボンディングパッド
１４ ワイヤ
１５ 第２のスルーホール導体
１６ 接続電極
１７ レジスト膜
２０ 第１の金属層
２１ 第２の金属層
Ｈ 穴部
Ｓ１ 搭載面
Ｓ２ 実装面

Claims (5)

1. 発光素子がダイボンドされた第１の金属パターンが形成された基板と、
   前記発光素子を囲う開口部が形成された放熱体と、
   前記放熱体および前記第１の金属パターンとの間に介在して、前記放熱体および前記第１の金属パターンを接着する金属層と
   を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子とワイヤボンディングされた第２の金属パターンが設けられ、
   前記放熱体の開口部は、前記第２の金属パターン全体を露出するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記発光素子は、絶縁性基板に化合物半導体が積層されたものであり、
   前記発光素子に設けられたｎ電極およびｐ電極は、２つの第２の金属パターンに、それぞれ接続されていることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記放熱体上に、前記発光素子からの光を開口部の反射面で反射して主光出射方向へ出射する反射体が金属層を介在させて設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
5. 前記金属層は、半田、金、銀、銅のいずれか、またはこれらの金属を１種類以上含む合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光装置。

Images