JP2011114342A - 発光素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発生する熱エネルギーの放熱特性を向上させることができる発光素子パッケージを提供するためのものである。
【解決手段】本発明に係る発光素子パッケージは、パッケージ胴体と、上記パッケージ胴体のキャビティーに実装される発光素子と、上記発光素子を封入する封入層と、上記発光素子に連結される電極と、を含み、上記パッケージ胴体は、上記封入層を構成する物質より相対的に小さい熱伝導度の物質からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子パッケージに関するものである。

発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）は電流を光に変換させる発光素子である。

このようなＬＥＤにより放出される光の波長はＬＥＤを製造することに使われる半導体材料に従う。これは、放出された光の波長が価電子帯（valence band）電子と伝導帯（conduction band）電子との間のエネルギー差を表す半導体材料のバンドギャップ（band-gap）に従うためである。

最近、発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）は輝度が徐々に増加するようになって、ディスプレイ用光源、自動車用光源、及び照明用光源に使われており、蛍光物質を利用したり多様な色のＬＥＤを組合せることによって効率に優れる白色光を発光するＬＥＤも具現可能である。

発光ダイオードに印加された電気的エネルギーは、大別して光エネルギーと熱エネルギーとに変換されるが、本発明の目的は、発生する熱エネルギーの放熱特性を向上させることができる発光素子パッケージを提供することにある。

本発明の他の目的は、発光ダイオードの放熱特性を向上させることによって、窮極的に発光素子パッケージの特性を向上させることができる発光素子パッケージを提供することにある。

本発明の実施形態に従う発光素子パッケージは、パッケージ胴体と、上記パッケージ胴体のキャビティーに実装される発光素子と、上記発光素子を封入する封入層と、上記発光素子に連結される電極と、を含み、上記パッケージ胴体は上記封入層を構成する物質より相対的に小さい熱伝導度の物質からなる。

本発明の他の実施形態に従う発光素子パッケージは、キャビティーが形成されたパッケージ胴体と、上記キャビティーに配置された複数の電極と、上記キャビティー内で上記電極に電気的に連結される発光素子と、上記発光素子の上に位置する樹脂物と、上記樹脂物の上に位置するレンズ部と、を含み、上記パッケージ胴体は上記レンズ部を構成する物質の熱伝導度より相対的に小さい熱伝導度を有する物質からなる。

本発明の発光素子パッケージによれば、発光ダイオードで発生する熱エネルギーの放熱経路を提供することが可能になり、これを通じて放熱特性を向上させることができる長所がある。

第１実施形態に従う発光素子パッケージを示す側断面図である。 本実施形態に従う発光素子パッケージの放熱特性を説明するための図である。 第１実施形態に従う発光素子パッケージの放熱効果を説明するために従来のパッケージと比較したシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に従う発光素子パッケージを示す側断面図である。 本発明に従う発光素子パッケージを含むバックライトユニットを説明する斜視図である。 本発明に従う発光装置を含む照明システムを説明する図である。

本発明を説明するに当たって、各層（膜）、領域、パターン、または構造物が、基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の層を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。

図面において、各層の厚さやサイズは説明の便宜及び明確性のために誇張、省略、または概略的に図示された。また、各構成要素のサイズは実際のサイズを全的に反映するのではない。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態に従う発光素子パッケージについて詳細に説明する。

図１は第１実施形態に従う発光素子パッケージを示す側断面図であり、図２は本実施形態に従う発光素子パッケージの放熱特性を説明するための図であり、図３は第１実施形態に従う発光素子パッケージの放熱効果を説明するために従来のパッケージと比較したシミュレーション結果を示す図である。

まず、図１を参照すると、発光素子パッケージ１００は、基板の上に形成される電極１２１、１２３と、第１電極１２１の上に実装される発光素子１２５と、基板の上部で発光素子１２５を覆いかぶせるように形成されるパッケージ胴体１１０と、を含む。

また、上記パッケージ胴体１１０のキャビティーに上記発光素子１２５を封入する封入層１３０を含み、上記封入層１３０の内に位置する蛍光体１３１を含む。即ち、上記パッケージ胴体１１０の内には所定の空間を形成するキャビティーが形成され、上記キャビティーの内に発光素子１２５及び封入層１３０が位置する。

上記電極１２１、１２３は、発光素子１２５の正極端子及び負極端子に接続するための第１及び第２電極１２１、１２３から構成される。上記第１及び第２電極１２１、１２３は印刷技法を通じて形成できる。上記第１電極１２１及び第２電極１２３は互いに電気的に分離され、上記パッケージ胴体１１０を貫通するように形成されることもできる。

そして、上記第１電極１２１及び第２電極１２３は、上記発光素子１２５で発生した光を反射させて光効率を増加させる役割をすることができ、実施形態に従って発光素子１２５で発生する熱を外部に放熱させる役割を遂行する。そして、上記第１電極１２１及び第２電極１２３は、例えば銅またはアルミニウム等の伝導性に優れる金属物質で形成される。

上記発光素子１２５は、ｎ側電極層とｐ側電極層とが全て発光素子構造物の上面に配置される水平型タイプの発光素子、ｎ側電極層とｐ側電極層とが全て発光素子構造物の下面に配置されるフリップチップタイプの発光素子、またはｎ側電極層とｐ側電極層とが各々発光素子構造物の上面と下面に配置される垂直型タイプの発光素子が適用できる。図１には垂直型タイプの発光素子が例示されており、上記発光素子１２５のｎ側電極層はワイヤー１２７を介して第１電極１２１と電気的に連結され、上記発光素子１２５のｐ側電極層は上記第２電極１２３と接触して連結される。例えば、上記発光素子１２５は、ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層を含む発光ダイオードで形成できる。

上記第１電極１２１及び第２電極１２３の上には、上記発光素子１２５を囲むようにキャビティーを含むパッケージ胴体１１０が形成される。上記パッケージ胴体１１０の内側面、即ち、キャビティーを形成する内周表面は、所定の傾きを有するように形成されれば、発光素子１２５で発生する光の反射を増大させて発光効率を向上させることができる。特に、上記パッケージ胴体１１０は熱伝導度の低い物質からなり、上記パッケージ胴体１１０の物質は上記封入層１３０の物質を考慮して設計される。

即ち、上記パッケージ胴体１１０の物質と封入層１３０の物質との間の熱伝導度の差を用いて、上記発光素子１２５の駆動に従って発生する熱を放熱させることができるようにする。例えば、上記パッケージ胴体１１０は、上記封入層１３０を構成する物質の熱伝導度（あるいは熱伝導率）より相対的に１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上小さい物質からなる。

好ましくは、上記パッケージ胴体１１０は、上記封入層１３０を構成する物質の熱伝導度の０．０１Ｗ／（ｍ・ｋ）の熱伝導度を有することができる。

したがって、上記発光素子１２５を中心に発生した熱は熱伝導度の低い物質であるパッケージ胴体１１０に移動するよりは、熱伝導度の高い物質の電極１２１、１２３と上側外部に移動するようになる。

即ち、上記封入層１３０に伝えられる熱は上記封入層１３０より高い熱伝導度を有する電極１２１、１２３に熱を伝達することによって放熱性が向上する。

結局、上記パッケージ胴体１１０の物質と封入層１３０の物質との熱伝導度の差を用いて熱の移動経路が形成されるものであり、これを通じて放熱特性を向上させることができる。

本実施形態の発光素子パッケージにおける熱伝達経路が図２にＨとして図示され、封入層１３０の下で発生する熱は相対的に熱伝導度の低いパッケージ胴体１１０に伝えられるよりは、上記発光素子１２５の上側外部と下側の電極に伝えられる。

これに対する実験結果は図３に図示され、図３の（ａ）は、シリコン材質の封入層と合成樹脂材質のパッケージ胴体からなって、熱伝導度において殆ど類似な既存の発光素子パッケージを示す図である。そして、図３の（ｂ）は、本実施形態に従ってパッケージ胴体１１０の熱伝導度より１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上大きい熱伝導度を有する物質で封入層１３０を形成した場合を示す図である。

実験結果、既存の発光素子パッケージの場合は最高温度が９３．４℃となり、熱抵抗は６８．４［Ｋ／Ｗ］となった。これに対して、本実施形態の発光素子パッケージの場合、最高温度は７４℃となり、熱抵抗は４９［Ｋ／Ｗ］となった。

そして、図３の（ａ）と（ｂ）には、熱伝達経路を確認することができる図面が図示されているが、既存の発光素子パッケージの場合は封入層の上側を通じた外部への放熱が極めて少なく、かつ金属の電極への放熱が集中されることが分かる。

これに対して、本発明による発光素子パッケージの場合、放熱経路が金属の電極方向と封入層の上側を通じた外部への放熱が共になされていることが分かる。即ち、上記パッケージ胴体１１０を単純に金属材質で構成するよりは上記封入層１３０の熱伝導度より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・ｋ）だけ小さい熱伝導度の物質で構成させることによって、放熱特性がより優れることになる。

図４は、第２実施形態に従う発光素子パッケージを示す側断面図である。第２実施形態に対する説明において、第１実施形態と同一な部分に対しては第１実施形態を参照し、重複説明は省略する。

図４を参照すると、発光素子パッケージ１００は、第１キャビティー１１５、第２キャビティー１１７、第１電極１２１、第２電極１２３、パッケージ胴体１１０、発光素子１２５、樹脂物１４０、及びレンズ部１５０を含む。

上記パッケージ胴体１１０の第１キャビティー１１５には、上記第１電極１２１及び第２電極１２３の一端が配置されることができ、その周りは第１キャビティー１１５の底面に対して垂直または傾斜して形成できる。上記第１キャビティー１１５には発光素子１２５が配置され、上記発光素子１２５は少なくとも１つの電極１２１の上にマッチされることができ、上記第１電極１２１及び第２電極１２３と電気的に連結される。そして、上記第１キャビティー１１５には複数のＬＥＤチップが載置されることができ、このような場合に上記電極１２１、１２３のパターンは変更できる。

上記パッケージ胴体１１０には第２キャビティー１１７が形成されることができ、上記第２キャビティー１１７は上記パッケージ胴体１１０の上部に形成され、上記第１キャビティー１１５は上記第２キャビティー１１７の中央下部に配置される。上記第２キャビティー１１７の直径は、上記第１キャビティー１１５の上部直径より大きく形成できる。

上記第１キャビティー１１５及び／または第２キャビティー１１７の空間は、上記パッケージ胴体１１０及び／または少なくとも１つの電極１２１、１２３により形成されることができ、このようなキャビティー空間は多様に変更できる。

上記第１キャビティー１１５には樹脂物１４０が形成される。上記樹脂物１４０には少なくとも１種の蛍光体及び／または拡散剤が添加されることができ、必ずこれに限定されるのではない。上記蛍光体は、黄色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体、及び青色蛍光体を含むことができる。そして、上記樹脂物１４０の表面は凹形状、凸形状、またはフラットな（平坦な）形状で形成されることができ、その表面にパターンが形成できる。

上記パッケージ胴体１１０の内の第１キャビティー１１５及び第２キャビティー１１７は、平面上の形態が円形または多角形の形態を有する溝の形状からなることができ、上記発光素子１２５から放出された光の一部は、上記第１キャビティー１１５の周り面で反射または透過できる。

第２実施形態でのパッケージ胴体１１０はやはり熱伝導度の低い物質からなるが、上記パッケージ胴体１１０は、上記レンズ部１５０の熱伝導度より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・ｋ）小さい熱伝導度を有する物質からなる。好ましくは、上記パッケージ胴体１１０は、上記レンズ部１５０を構成する物質の熱伝導度の０．０１倍の熱伝導度を有する。

この際、上記レンズ部１５０の熱伝導度は上記樹脂物１４０の熱伝導度と等しいか、あるいはそれよりも大きいことが好ましい。

即ち、上記発光素子１２５を中心に発生する熱は相対的に熱伝導度の低いパッケージ胴体１１０に伝えられるよりは、相対的に熱伝導度の高い上記第１電極１２１及び第２電極１２３に伝えられると共に、上記レンズ部１５０に伝えられることによって放熱される。即ち、前述した第１実施形態の場合と同様に、上記パッケージ胴体１１０をキャビティーの内に位置する物質（例えば、上記レンズ部）の熱伝導度より相対的に１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上小さい熱伝導度を有する物質で構成させることによって、放熱経路が形成されるようにする。

したがって、パッケージの放熱は、金属の電極１２１、１２３とレンズ部１５０を通じてなされて、発光素子１２５の上下方向に放熱経路が形成される。

前述したような本実施形態により、発光素子の駆動に従って発生する熱の放熱特性を向上させることができる長所がある。

前述した実施形態に従う発光素子パッケージは、バックライトユニット、指示装置、ランプ、街灯のような照明システムとして機能できる。

以下、図５及び図６を参考しつつ本発明の適用例を説明する。

図５は、本発明に従う発光素子パッケージを含むバックライトユニットを説明する斜視図である。

但し、図５のバックライトユニット１１００は照明システムの一例であり、これに限定されるのではない。

図５を参照すると、バックライトユニット１１００は、ボトムカバー１１４０、このボトムカバー１１４０の内に配置された光ガイド部材１１２０、及びこの光ガイド部材１１２０の少なくとも一側面または下面に配置された発光モジュール１１１０を含むことができる。また、光ガイド部材１１２０の下には反射シート１１３０が配置できる。

ボトムカバー１１４０は、光ガイド部材１１２０、発光モジュール１１００、及び反射シート１１３０が収納できるように上面が開口されたボックス（box）形状で形成されることができ、金属または樹脂で形成できる。しかしながら、これに限定されるのではない。

発光モジュール１１１０は、基板７００に載置された複数の発光装置６００を含むことができる。複数の発光装置６００は、光ガイド部材１１２０に光を提供する。

図示したように、発光モジュール１１１０は、ボトムカバー１１４０の内側面のうち、少なくともいずれか１つに配置されることができ、これによって光ガイド部材１１２０の少なくとも１つの側面に光を提供することができる。

但し、発光モジュール１１１０はボトムカバー１１４０の内で光ガイド部材１１２０の下に配置されて光ガイド部材１１２０の底面に向けて光を提供することもできる。これは、バックライトユニット１１００の設計に従って多様に変形可能である。

光ガイド部材１１２０は、ボトムカバー１１４０の内に配置できる。光ガイド部材１１２０は、発光モジュール１１１０から提供を受けた光を面光源化して、表示パネル（図示せず）にガイド（案内）できる。

このような光ガイド部材１１２０は、例えば、導光板（light guide panel；ＬＧＰ）でありうる。この導光板は、例えば、ポリメチルメタアクリレート（polymethyl metaacrylate；ＰＭＭＡ）のようなアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（polyethylene terephthalate；ＰＥＴ）、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリカーボネート（poly carbonate；ＰＣ）、及びポリエチレンナフタレート（polyethylene naphthalate）樹脂のうちの１つで形成できる。

この光ガイド部材１１２０の上側に光学シート１１５０が配置できる。

この光学シート１１５０は、例えば、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートのうち、少なくとも１つを含むことができる。例えば、光学シート１１５０は、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートが積層されて形成できる。この場合、拡散シート１１５０は、発光モジュール１１１０から出射された光を均等に拡散させ、この拡散された光が集光シートにより表示パネル（図示せず）に集光できる。この際、集光シートから出射される光はランダムに偏光された光である。輝度上昇シートは、集光シートから出射された光の偏光度も増加させることができる。集光シートは、例えば、水平または／及び垂直プリズムシートでありうる。そして、輝度上昇シートは、例えば照度強化フィルム（dual brightness enhancement film）でありうる。また、蛍光シートは、蛍光体が含まれた透光性プレートまたはフィルムでありうる。

光ガイド部材１１２０の下には反射シート１１３０が配置できる。反射シート１１３０は、光ガイド部材１１２０の下面を通じて放出される光を光ガイド部材１１２０の出射面に向けて反射できる。この反射シート１１３０は、反射率の良い樹脂、例えば、ＰＥＴ、ＰＣ、ポリビニルクロライド（poly vinyl chloride）、レジンなどで形成できるが、これに限定されるのではない。

図６は、本発明に従う発光装置を含む照明システムを説明する図である。但し、図６の照明システム１２００は照明システムの一例であり、これに対して限定するのではない。

図６を参照すると、照明システム１２００は、ケース胴体１２１０、このケース胴体１２１０に設けられた発光モジュール１２３０、及びケース胴体１２１０に設けられて外部電源から電源の提供を受ける連結端子１２２０を含むことができる。

ケース胴体１２１０は放熱特性の良好な物質で形成されることが好ましく、例えば金属または樹脂で形成できる。

発光モジュール１２３０は、基板７００及び該基板７００に載置される少なくとも１つの発光装置６００を含むことができる。

上記基板７００は、絶縁体に回路パターンが印刷されたものであることができ、例えば、一般印刷回路基板（printed circuit board；ＰＣＢ）、メタルコア（metal core）ＰＣＢ、軟性（flexible）ＰＣＢ、セラミックＰＣＢなどを含むことができる。

また、基板７００は光を効率の良く反射する物質で形成されるか、表面が光が効率的に反射されるカラー、例えば、白色、銀色などで形成できる。

基板７００の上には、少なくとも１つの発光装置６００が載置できる。

発光装置６００は、各々少なくとも１つの発光素子（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を含むことができる。発光素子は、赤色、緑色、青色、または白色の有色光を各々発光する有色発光素子、及び紫外線（ＵＶ；Ultra Violet）を発光するＵＶ発光素子を含むことができる。

発光モジュール１２３０は、色感及び輝度を得るために多様な発光素子の組合せを有するように配置できる。例えば、高演色性（ＣＲＩ）を確保するために、白色発光素子、赤色発光素子、及び緑色発光素子を組合せて配置できる。また、発光モジュール１２３０から放出される光の進行経路上には蛍光シートがさらに配置されることができ、蛍光シートは上記発光モジュール１２３０から放出される光の波長を変化させる。例えば、発光モジュール１２３０から放出される光が青色波長帯を有する場合、蛍光シートには黄色蛍光体が含まれることができ、発光モジュール１２３０から放出された光は上記蛍光シートを経て最終的に白色光と見られるようになる。

連結端子１２２０は、発光モジュール１２３０と電気的に連結されて電源を供給することができる。図６に示すように、連結端子１２２０はソケット方式により外部電源に螺合されるが、これに対して限定するのではない。例えば、連結端子１２２０は、ピン（pin）形態で形成されて外部電源に挿入されるか、配線により外部電源に連結されることもできる。

前述したような照明システムは、上記発光モジュールから放出される光の進行経路上に、光ガイド部材、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートのうち、少なくともいずれか１つが配置されて、希望する光学的効果が得られる。

図５及び図６で説明するバックライトユニット１１００及び照明システム１２００は、本発明の図１乃至図４で説明している発光素子パッケージを発光モジュール６１１１０、１２３０に含むことによって、優れる放熱効率が得られる。

以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるのではない。各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。

以上、実施形態を中心として説明したが、これは単に例示であり、本発明を限定するのでなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性から外れない範囲で以上に例示されていない種々の変形及び応用が可能であることが分かる。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができる。そして、このような変形及び応用に関連した差異点は特許請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (16)

1. パッケージ胴体と、
   前記パッケージ胴体のキャビティーに実装される発光素子と、
   前記発光素子を覆う樹脂層と、
   前記発光素子に連結される電極と、を含み、
   前記パッケージ胴体は、前記樹脂層を構成する物質より低い熱伝導度の物質からなり，
   前記パッケージ胴体と前記樹脂層とを構成する物質の熱伝導度の差は、少なくとも１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることを特徴とする発光素子パッケージ。
2. 前記樹脂層は、前記パッケージ胴体のキャビティー内に位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
3. 前記電極は、前記樹脂層の熱伝導度より高い熱伝導度を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
4. 前記電極は、前記発光素子の下部に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
5. 前記電極は、銅またはアルミニウムを含む合金で形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
6. 前記樹脂層の上に位置するレンズ部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子パッケージ。
7. 前記パッケージ胴体は、前記レンズ部を構成する物質の熱伝導度より低い熱伝導度を有する物質からなることを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ。
8. 前記パッケージ胴体と前記レンズ部とを構成する物質の熱伝導度の差は、少なくとも１０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ。
9. 前記樹脂物は、少なくとも１種の蛍光体を含むことを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ。
10. 前記キャビティーは、前記樹脂層を埋め込む第１キャビティー、そして前記レンズ部を埋め込む第２キャビティーを含むことを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ。
11. 前記第１キャビティーと前記第２キャビティーとは段差を有することを特徴とする請求項１０に記載の発光素子パッケージ。
12. 前記パッケージ胴体と前記レンズ部とを構成する物質の熱伝導度の差は、少なくとも０．０１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ。
13. 前記樹脂層は、前記発光素子からの熱を前記レンズ部及び前記電極に伝達することを特徴とする請求項６に記載の発光素子パッケージ。
14. 基板と、
    前記基板の上に配置される請求項１に記載の発光素子パッケージを含む発光モジュールと、
    を含むことを特徴とする照明システム。
15. パッケージ胴体と、
    前記パッケージ胴体のキャビティーに実装される発光素子と、
    前記発光素子を覆う樹脂層と、
    前記発光素子に連結される電極と、を含み、
    前記パッケージ胴体は、前記パッケージ胴体は、前記樹脂層を構成する物質より低い熱伝導度の物質からなり，
    前記パッケージ胴体と前記樹脂層とを構成する物質の熱伝導度の差は、少なくとも０．０１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であることを特徴とする発光素子パッケージ。
16. 前記樹脂層の上に位置するレンズ部を更に含み、
    前記パッケージ胴体は、前記レンズ部を構成する物質の熱伝導度より低い熱伝導度を有する物質からなることを特徴とする請求項１５に記載の発光素子パッケージ。