JP2011014769A

JP2011014769A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2011014769A
Application number: JP2009158680A
Authority: JP
Inventors: Koji Fushimi; 宏司伏見
Original assignee: Pearl Lighting Co Ltd
Current assignee: Pearl Lighting Co Ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】放熱特性に優れた発光ダイオードを提供する。
【解決手段】本発明は、発光ダイオード素子５を実装したセラミック製のベース体２の上部に、反射面１１を有する開口１０を形成したカバー体３を固定し、ベース体にそれを貫通するサーマルビア９を形成し、ベース体２の下面に、サーマルビア９と熱的に接触するように炭化ケイ素製の放熱体６を貼着した発光ダイオード１を特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、放熱性に優れ、高輝度発光が可能な発光ダイオードに関する。

近年、高輝度で低消費電力の発光体として、発光ダイオードが広く利用されてきている。その中で、放熱特性を向上することによって長寿命化を図った発光ダイオードとして、パッケージに２枚の板状のアルミナセラミックスを用いたものが利用されてきている。この発光ダイオードとしては、板状のセラミックスからなるベース体とカバー体とを貼着し、ベース体の表面に発光ダイオード素子を実装する一方、カバー体の略中央部にテーパー状の反射面を有する開口を形成したものが知られている（特開２００３−３７２９８号公報―特許文献１）。

このような発光ダイオードに対して、近年、高輝度化の要求が高く、発光ダイオード素子そのものの高輝度化に加えて、発光ダイオード用パッケージに形成した反射面の反射率の向上を図る必要があり、特開２００７−２０１１５６号公報（特許文献２）に記載のように、気孔直径や気孔率を変化させて反射率を大幅に改善したアルミナセラミックスをパッケージに用いた発光ダイオードが知られている。

ところが、このようなアルミナセラミックスをパッケージに用いた発光ダイオードにあっては、アルミナセラミックスが多孔質であるので熱伝導性に劣り、高出力発光ダイオードに採用するためにはその放熱性の改良が望まれていた。

特開２００３−０３７２９８号公報特開２００７−２０１１５６号公報

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、放熱特性に優れ、高輝度発光が可能な発光ダイオードを提供することを目的とする。

本発明は、発光ダイオード素子を実装したセラミック製のベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を固定し、前記ベース体にそれを貫通するサーマルビアを形成し、前記ベース体の下面に、前記サーマルビアと熱的に接触するように炭化ケイ素製の放熱体を貼着した発光ダイオードを特徴とする。

上記発明の発光ダイオードにおいては、前記カバー体の開口を、蛍光体膜を塗布した透明板にて封止したものとすることができる。

また、上記発明の発光ダイオードにおいては、前記カバー体の開口を、蛍光体膜を内面に塗布した透明なドームキャップにて封止したものとすることができる。

さらに、上記発明の発光ダイオードにおいては、前記カバー体の開口を、蛍光体を混入した透明樹脂板又は透明ドームキャップにて封止したものとすることができる。

本発明の発光ダイオードによれば、発光ダイオード素子を実装したセラミック反射板の底面に炭化ケイ素ＳｉＣの放熱体を貼着したので、この炭化ケイ素の高熱伝導性により放熱特性が改善でき、ひいては高輝度発光が可能な発光ダイオードを実現できる。

本発明の１つの実施の形態の発光ダイオードに用いるベース体及びカバー体の平面図。上記実施の形態の発光ダイオードに用いるベース体及びカバー体の、発光ダイオード素子の実装状態を示す平面図。上記の実施の形態の発光ダイオードに用いるベース体及びカバー体の底面図。。上記の実施の形態の発光ダイオードの一部破断した斜視図。本発明の第２の実施の形態の発光ダイオードの一部破断した斜視図。上記実施の形態の発光ダイオードにおけるドームキャップの製造工程の説明図。本発明の第３の実施の形態の発光ダイオードの一部破断した斜視図。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１〜図４に示すように、本発明の１つの実施の形態の発光ダイオード１は、２枚の矩形板状のアルミナセラミックスからなるベース体２とカバー体３とを貼り合わせた発光ダイオード用パッケージ４と、この発光ダイオード用パッケージ４のベース体２の上面に実装した複数個の発光ダイオード素子５と、ベース体２の底面に貼着した炭化ケイ素ＳｉＣの放熱体６で構成している。

ベース体２の表面の中央部に複数個、ここでは４個の発光ダイオード素子５をマウントし、直列に接続するための配線パターン７が形成してあり、この配線パターン７の素子マウント部７ａに発光ダイオード素子５を固定し、また、発光ダイオード素子５の表面に形成した電極と配線パターン７のリボン接合部７ｂとの間を金製リボン８で接続している。

ベース体２の各発光ダイオード素子５のマウント部と他の適切な複数箇所には、貫通孔に金属を充填した構造のサーマルビア９を形成している。発光ダイオード素子５をマウントする位置のサーマルビア９それぞれについては、その上面に発光ダイオード素子５の裏面をダイボンディングして、発光ダイオード素子５の裏面とサーマルビア９の上面とを高熱伝導ペーストを介して接続している。

カバー体３にはテーパー孔から成る開口１０を形成し、この開口１０の表面に反射面１１を形成している。

カバー体３の開口１０は、蛍光膜１２を塗布したガラス板１３にて封止してある。これにより、発光ダイオード素子５の光の一部で蛍光体を発光させ、発光ダイオード素子５の光と蛍光体の光との混色にて所望の色、例えば、白色発光を行う。

ベース体２及びカバー体３は、多孔質のアルミナセラミックス製であり、反射板として機能する。ベース体２の裏面に貼着した放熱体６は、炭化ケイ素ＳｉＣである。実寸法を例示すれば、ベース体２は縦×横×厚さ＝１３×１５×０．５［ｍｍ］であり、放熱体６の厚みは３［ｍｍ］である。

放熱体６の素材である炭化ケイ素は、高硬度で耐熱性に優れ、かつ、熱を伝えやすい性質を持っている。そのため、サーマルビア９にて伝熱される発光ダイオード素子５の熱を効果的に放熱し、ベース体２に熱がこもらないようにして発光ダイオード１の温度上昇を抑制する。

本実施の形態で採用する炭化ケイ素製の放熱体６の特性は次である。

商品名：イビデン社製のＳＣＲ−３０２
組織：Ｓｉ＋ＳｉＣの緻密質、黒色。

物性：密度３．０５［ｇ／ｃｍ^３］、気孔率０％、硬度２０Ｈｖ［ＧＰａ］、曲げ強度（Ｒ・Ｔ）２８０［ＭＰａ］、ヤング率（Ｒ・Ｔ）３４０［ＧＰａ］、熱膨張率（Ｒ・Ｔ〜８００℃）４．４［×１０^−６／℃］、熱伝導率（Ｒ・Ｔ）２２０［Ｗ／ｍ・ｋ］、最高使用温度（不活性雰囲気）１２００［℃］、比熱（Ｒ・Ｔ）６６０［Ｊ／Ｋｇ・Ｋ］、体積固有抵抗１０^０〜１０^１。

特徴：超高熱伝導、高剛性、耐熱衝撃。

上記構成の発光ダイオード１は、発光ダイオード素子５から放射された光をカバー体３の開口１０から外部へ放出する。その際に、発光ダイオード素子５から側方へ向けて放射された光は、カバー体３の反射面１１で反射して、カバー体３の開口１０から外部へ放出され、また、発光ダイオード素子５から下方へ向けて放射された光は、ベース体２の表面で反射して、カバー体３の開口１０から外部へ放出される。これと共に、カバー体３の開口１０に設けた蛍光膜１２は、発光ダイオード素子５の光の一部にて蛍光発光し、発光ダイオード素子５の光と蛍光体の光との混色にて所望の色の発光を行う。例えば、発光ダイオード素子５が白色発光ダイオード素子であり、蛍光膜１２の蛍光体が白色発光用のシリケート系蛍光体であれば、本実施の形態の発光ダイオード１からは白色光を放出することができる。

発光ダイオード素子５の発光時に発生する熱は、サーマルビア９にてベース体２の裏面の放熱体６まで伝達され、高熱伝導性の放熱体６にて効果的に放熱される。この結果、本実施の形態の発光ダイオード１では、ベース体２に熱がこもらないようにして発光ダイオード１の温度上昇を抑制することができ、結果的によりダイオード電流を発光ダイオード素子５に流し得て高輝度発光が可能となる。

上記実施の形態では、カバー体３の開口１０に蛍光膜１２を塗布したガラス板１３を設けたが、これに限らず、図５に示した第２の実施の形態の発光ダイオード１Ａのように、頂点部の膜厚が大きく周辺部に行くにしたがって膜厚が薄くなる態様で蛍光膜１４を内面に形成したドームキャップ１５を開口１０に取り付けてもよい。尚、図５の第２の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する要素には同一の符号を用いて示してある。

この第２の実施の形態の発光ダイオード１Ａの場合、ドームキャップ１５に対して不等厚の蛍光膜１４を形成する方法は、次による。図６（ａ）に示すように、ドームキャップ１５の凹面側を上向きにして、蛍光体粉末１２′を溶かし込んだ溶剤１６をドームキャップ１５の凹面内に満たす。ここで、蛍光体粉末１４′には、白色光を取り出すためにはシリケート系蛍光体の粉末を用い、溶剤１６としては、例えば、ミクニペイント株式会社製の超耐候性塗料「スプラ」シリーズの中の次のものを用いることができる。

硬化剤：Ｎｏ．９１６−１６２、ＮＹクリヤーＳＰ［Ｐ］
密着性向上剤：Ｎｏ．９−９９４５、密着性向上剤ＨＮ
希釈剤：Ｎｏ．９−００４８、ＮＹシンナー
次に、ドームキャップ１５の凹面内に蛍光体粉末１４′を溶かし込んだ溶剤１６を満たした後、溶剤１６を乾燥させる。図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、溶剤１６の乾燥工程で、溶剤１６は水平な液面から漸次気化、消散してゆく。このとき、溶剤１６の消散が進み、その液面が低くなって行くに従い蛍光体粉末１４′の濃度が漸次に濃くなってゆく。この結果として、図６（ｄ）に示すように、溶剤１６が完全に気化、消散した乾燥状態でドームキャップ１５の内面に残った蛍光体粉末１４′は、ドームキャップ１５の周縁部分から頂点部分に行くのに従って重力の影響で漸次層厚が増して行く形の層厚分布をなす蛍光膜１４となる。

上記の構成の発光ダイオード１Ａでは、発光ダイオード素子５を発光させると、蛍光膜１４により波長変換されてドームキャップ１５から放出される光の量と波長変換されずにドームキャップ１５を透過する光の量との割合が同等になる。このため、発光している発光ダイオード１Ａを外から見ると、真上から見ても横方向から見てもほぼ同じ白色で発光しているように見せることができる。

本発明は、図７に示した第３の実施の形態の発光ダイオード１Ｂの構成とすることもできる。この実施の形態の場合、蛍光体１７を混入した透明樹脂板１８を開口１０に取り付けた構成である。その他の構成は、第１、第２の実施の形態と共通する。

尚、ベース体２の中央部に設ける発光ダイオード素子５の数や発光色は上記実施の形態のものに限定されることはない。取り出す光の明るさに応じて発光ダイオード素子５の数は増減できる。また取り出す光の色に応じて発光ダイオード素子５の発光色も選択できる。

１，１Ａ，１Ｂ発光ダイオード
２ベース体
３カバー体
４発光ダイオード用パッケージ
５発光ダイオード素子
６放熱体
７配線パターン
８金製リード
９サーマルビア
１０開口
１１反射面
１２蛍光膜
１３ガラス板
１４蛍光膜
１５ドームキャップ
１７蛍光体
１８透明樹脂板

Claims

発光ダイオード素子を実装したセラミック製のベース体の上部に、反射面を有する開口を形成したカバー体を固定し、
前記ベース体にそれを貫通するサーマルビアを形成し、
前記ベース体の下面に、前記サーマルビアと熱的に接触するように炭化ケイ素製の放熱体を貼着したことを特徴とする発光ダイオード。
前記カバー体の開口を、蛍光体膜を塗布した透明板にて封止したことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
前記カバー体の開口を、蛍光体膜を内面に塗布した透明なドームキャップにて封止したことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
前記カバー体の開口を、蛍光体を混入した透明樹脂板又は透明ドームキャップにて封止したことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。