JP2012009631A - 発光装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の温度上昇を抑制するとともに、基板と放熱部との絶縁性を確保することが可能な発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、複数の発光素子３が表面側に実装された基板２と、この基板２に形成され、前記複数の発光素子３を電気的に接続するとともに、電界めっき処理された配線パターン２１と、この配線パターン２１に電気的に接続され、前記基板２の端縁部まで延出されて形成された接続パターン２２と、前記複数の発光素子３を被覆する封止部材４と、前記基板２の裏面側が当接さるとともに、前記接続パターン２２が延出された基板２の端縁部から離間するように段差Ｓが設けられて形成された放熱部１０とを備える発光装置１である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ＬＥＤ等の発光素子を用いた発光装置及び照明装置に関する。

近時、光源としてＬＥＤ等の発光素子を基板に複数配設して所定の光量を得るようにする照明装置が開発されている。この照明装置は、例えば、天井面等に直接的に取付けられる、いわゆる直付タイプのベース照明として用いられるようになっており、基板に複数のＬＥＤが例えば、マトリクス状に配列して実装されている。

これら複数のＬＥＤは、基板上に形成された配線パターンによって電気的に接続されている。そして、この配線パターンは電界めっきによってめっき処理することが行われている。
この電界めっき処理の工程において配線パターンに所定の電位を加えるため、予め配線パターンに電気的に接続される接続パターンが形成される。

特開２００９−５４９８９号公報

しかしながら、上記のような接続パターンは、電界めっき処理後、基板の端縁部まで延出して残留している。

ところで、ＬＥＤ等の発光素子は、その温度が上昇するに従い、光の出力が低下し、耐用年数も短くなる。このため、ＬＥＤやＥＬ素子等の固体発光素子を光源とする照明装置にとって、耐用年数を延したり発光効率の特性を改善したりするために、発光素子の温度が上昇するのを抑制することが必要である。

したがって、発光素子の温度上昇を抑制するため、基板に放熱部を当接して放熱性を向上することが試みられる。しかし、この場合、基板に形成された接続パターンと放熱部との絶縁距離の確保が困難となる課題が生じる。

本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、発光素子の温度上昇を抑制するとともに、基板と放熱部との絶縁性を確保することが可能な発光装置及び照明装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、複数の発光素子が表面側に実装された基板と、この基板に形成され、前記複数の発光素子を電気的に接続するとともに、電界めっき処理された配線パターンとを有している。この配線パターンには、基板の端縁部まで延出されて形成された接続パターンが電気的に接続されている。前記複数の発光素子は、封止部材によって被覆されている。また、前記基板の裏面側が当接さるとともに、前記接続パターンが延出された基板の端縁部から離間するように段差が設けられて形成された放熱部を備えている。

本発明によれば、発光素子の温度上昇を抑制するとともに、基板と放熱部との絶縁性を確保することが可能な発光装置及び照明装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す平面図である。 同発光装置を示す側面図である。 図１中、Ｙ−Ｙ線に沿って切断して示す一部斜視図である。 同発光装置の変形例を示す側面図である。 同発光装置の基板側において一部を切欠いて示す平面図である。 同基板における配線パターンを示す平面図である。 同基板における発光素子を実装した状態を拡大して示す平面図である。 図５中、Ｙ−Ｙ線に沿う模式的断面図である。 同発光素子の接続状態を示す結線図である。 発光装置を配設した天井直付タイプの照明装置を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す側面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１乃至図１０を参照して説明する。図１乃至図９は、発光装置１を示しており、図１０は、この発光装置１を用いた照明装置１１を示している。なお、各図において同一部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。

発光装置１は、図１乃至図３に示すように、基板２と、この基板２に実装された複数の発光素子３と、各発光素子３を覆う封止部材として蛍光体層４と、基板２が取付けられる放熱部１０とを備えている。

まず、基板２側について図５乃至図９を参照して説明する。図５に示すように、基板２の表面側には、複数の発光素子３が実装されている。図５は、一部を切欠いた状態（図示上、右側において、蛍光体層４及びレジスト層２３を除いた状態）を示している。

基板２は、ガラスエポキシ樹脂等の材料で細長の略長方形状に形成されている。基板２の長さ寸法Ｌは、２５０ｍｍ〜３００ｍｍであり、幅寸法Ｗは、３０ｍｍ〜４０ｍｍである。本実施形態では、具体的には、長さ寸法Ｌは、２８０ｍｍ、幅寸法Ｗは、３２ｍｍに形成されている。基板２の厚さ寸法は、０．５ｍｍ以上１．８ｍｍ以下が好ましく、本実施形態では、１ｍｍのものを適用している。

基板２の形状は、例えば、長手方向の両端がＲ形状に形成されていてもよい。また、基板２の材料には、セラミックス材料又は他の合成樹脂材料を適用できる。さらに、本発明は、各発光素子３の放熱性を高めるうえで、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れたべース板の一面に絶縁層が積層された金属製のべース基板を適用することを妨げるものではない。

図６に代表して示すように、基板２上には、配線パターン２１及び接続パターン２２が形成されている。配線パターン２１は、実装パッド２１ａと、給電導体２１ｂと、給電端子２１ｃとから構成されている。配線パターン２１は、各発光素子３に電力を供給するための給電路として機能する。実装パッド２１ａは、基板２上の大部分の領域を占めて形成されており、この実装パッド２１ａ上には、複数の発光素子３が配設され実装されるようになっている。この実装パッド２１ａからは、細幅の屈曲した給電導体２１ｂが連続的に延びていて、基板２の長手方向と直交する方向に延出している。

この実装パッド２１ａ及び給電導体２１ｂは、複数のブロック、具体的には、９個のブロックに形成されており、長手方向に配設されて、隣接する相互のブロック同士は、絶縁距離を空けて絶縁性が確保されるようになっている。

また、各実装パッド２１ａには、基板２の長手方向と直交する方向に並んで給電子２１ａ1が形成されており、同様に、給電導体２１ｂにも給電子２１ｂ1が形成されている。具体的には、それぞれ５個の凸状の給電子２１ａ1、２１ｂ1が等間隔で形成されている。

給電端子２１ｃは、実装パッド２１ａ又は給電導体２１ｂに接続されて基板２の両端側に配設されている。この給電端子２１ｃには、電源コネクタが接続されるようになっている。

接続パターン２２は、細幅であり、各実装パッド２１ａに接続されていて、基板２の鉛直方向に端縁部まで延出している。この接続パターン２２は、配線パターン２１を電界めっき処理する場合に使用される。つまり、配線パターン２１を電解めっきする際に、各実装パッド２１ａの部分を同電位にするための接続路として機能するものである。因みに、接続パターン２２の部分も同時にめっき層が形成される。

図４に示すように、配線パターン２１及び接続パターン２２は、三層構成であり、基板２の表面上に第一層Ａとして銅（Ｃｕ）、第二層Ｂとしてニッケル（Ｎｉ）が電解めっき処理されており、第三層Ｃには、反射率の高い銀（Ａｇ）が電解めっき処理されている。実装パッド２１ａの第三層Ｃ、すなわち、表層は、銀（Ａｇ）めっきが施されて反射層が形成されており、全光線反射率は、９０％と高いものとなっている。

この電解めっき処理においては、第二層Ｂのニッケル（Ｎｉ）の膜厚は、５μｍ以上、第三層Ｃの銀（Ａｇ）の膜厚は、１μｍ以上に形成するのが好ましく、このような膜厚寸法にすることにより、均一な膜厚形成が実現され反射率の均一化が可能となる。
また、基板２の表層には、発光素子３の実装領域や部品の実装部分を除いて、ほとんど全面に反射率の高い白色のレジスト層２３が積層されている。

なお、上記の電界めっき処理の工程について説明する。まず、各実装パッド２１ａに接続されている各接続パターン２２が共通に接続される接続パターンが形成された基板が用意される。この接続パターンは、各接続パターン２２を共通に接続するため、基板の長手方向に細幅の直線状に形成される。したがって、当初の基板は、図示上、接続パターン２２が延出する端縁部より幅方向に突出した形態をなしている。

そして、共通に接続された接続パターンを通じて、各接続パターン２２、配線パターン２１に例えば、負極側として電位が加えられて、正極側のめっき金属によってめっき層が形成される。このめっき処理後は、当初の基板における幅方向に突出した部分は、共通に接続された接続パターンを除去するように、この接続パターンに沿って切断され、図５及び図６に示すような基板２の形態となる。
よって、各接続パターン２２は、基板２の鉛直方向に端縁部まで延出して残留し、形成されることとなる。

図５、図７及び図８に示すように、複数の発光素子３は、ＬＥＤのベアチップからなる。ＬＥＤのベアチップには、例えば、白色系の光を発光部で発光させるために、青色の光を発するものが用いられている。このＬＥＤのベアチップは、シリコーン樹脂系の絶縁性接着剤を用いて、実装パッド２１ａ上に接着されている。

ＬＥＤのベアチップは、例えば、ＩｎＧａＮ系の素子であり、透光性のサファイア素子基板に発光層が積層されており、発光層は、ｎ型窒化物半導体層と、ＩｎＧａＮ発光層と、ｐ型窒化物半導体層とが順次積層されて形成されている。そして、発光層に電流を流すための電極は、ｐ型窒化物半導体層上にｐ型電極パッドで形成されたプラス側電極と、ｎ型窒化物半導体層上にｎ型電極パッドで形成されたマイナス側電極とで構成されている。これら、電極は、ボンディングワイヤ３１によって電気的に接続されている。ボンディングワイヤ３１は、金（Ａｕ）の細線からなっており、実装強度の向上とＬＥＤのベアチップの損傷低減のため金（Ａｕ）を主成分とするバンプを介して接続されている。

複数の発光素子３は、基板２の実装パッド２１ａ上に、基板２の長手方向と直交する方向に複数並べられて複数の列（発光素子列）を形成して実装されている。つまり、複数の発光素子３は、実装パッド２１ａに形成された給電子２１ａ1及び給電導体２１ｂに形成された給電子２１ｂ1に対応して実装パッド２１ａ上に接着されている。

したがって、一つの発光素子列には、５個の発光素子３が略等間隔で配設されていて、基板２の長手方向と直交する方向に、１８列の発光素子列が形成されて発光素子３の配設パターンが構成されている。

図７に示すように、例えば、図示上、中央の列に配設された複数の発光素子３は、プラス側電源から給電導体２１ｂ、給電子２１ｂ1、ボンンディングワイヤ３１を介して発光素子３のプラス側電極、発光素子３のマイナス側電極からボンンディングワイヤ３１を介して実装パッド２１ａへと接続されている。

また、図示上、中央の列の左側に隣接する列に配設された複数の発光素子３は、プラス側電源から実装パッド２１ａ、給電子２１ａ1、ボンンディングワイヤ３１を介して発光素子３のプラス側電極、発光素子３のマイナス側電極からボンンディングワイヤ３１を介して実装パッド２１ａへと接続されている。

以上のように接続された発光素子３は、図９に示すような接続状態となっている。つまり、電源側に対して、発光素子３が１０個並列に接続された並列回路が９個直列に接続されて直列回路を構成している。

この一つ並列回路における複数の発光素子３は、前記のように、基板２上に、５個ずつ２列の発光素子列に分割配置されていて、配設パターンとしては、１８列の発光素子列となっている。

このような接続状態では、各発光素子３のうちのいずれかがボンディングワイヤ３１の接続不良や断線等に起因して発光できなくなることがあっても発光装置１全体の発光が停止することはない。

また、図５及び図６に示すように、基板２の中間部の隣接する発光素子列間には、基板取付用の一対の取付穴５が形成されている。この取付穴５は、発光装置１を照明装置の本体等に取付ける場合に用いられる。具体的には、固定手段である取付ねじ５１が取付穴５に貫通し、照明装置の本体等の放熱部１０にねじ込まれて基板２が取付けられる。

通常、この取付穴５は、基板２の両端部に設けられるため、そのスペースを確保する必要があり、基板２がその分大形化することとなる。しかしながら、上記構成によれば、発光素子列間に取付穴５を形成して取付ねじ５１によって取付けることが可能であり、大形化するのを回避することができる。また、この場合、固定手段が金属製である場合には、絶縁距離を確保することが可能となる。さらに、固定手段は、基板２の両端部ではなく、長手方向の内側、つまり、基板２の中間部を固定するようになるので、基板２の反り等の変形を有効に抑制することができる。

図５及び図８に示すように、蛍光体層４は、透光性合成樹脂、例えば、透明シリコーン樹脂製であり、ＹＡＧ：Ｃｅ等の蛍光体を適量含有している。蛍光体層４は、個々の発光素子３を発光素子３ごとに被覆する複数の凸状蛍光体層４ａの集合から構成されている。凸状蛍光体層４ａは、山形の形状をなしていて、円弧状の凸状をなし、その裾部において隣接する凸状蛍光体層４ａと連なるように形成されている。したがって、蛍光体層４は、前記発光素子列に沿って複数の列を形成して、すなわち、１８列に形成されており、各発光素子３、ボンディングワイヤ３１を被覆し封止している。

蛍光体は、発光素子３が発する光で励起されて、発光素子３が発する光の色とは異なる色の光を放射する。発光素子３が青色光を発する本実施形態では、白色光を出射できるようにするために、蛍光体には青色の光とは補色の関係にある黄色系の光を放射する黄色蛍光体が使用されている。

蛍光体層４は、未硬化の状態で各発光素子３、ボンディングワイヤ３１に対応して塗布され、その後に加熱硬化又は所定時間放置して硬化されて設けられている。詳しくは、図示しないディスペンサから、粘度や量が調整された蛍光体を含有する透明シリコーン樹脂材料を未硬化の状態で各発光素子３、ボンディングワイヤ３１に対応して滴下して供給する。

なお、上記構成では、凸状蛍光体層４ａによって、個々の発光素子３を発光素子３ごとに被覆する場合について説明したが、例えば、２個や３個の複数の発光素子３をその複数の発光素子３ごとに被覆するように形成してもよい。

図８に示すように、基板２の裏面側には、放熱用の銅箔６のパターンが全面に亘って形成されている。このような構成によって、基板２全体の均熱化を図ることができ放熱性能を向上できる。なお、銅箔６には、レジスト層が積層されている。
次に、上記のように構成された基板２が取付けられる放熱部１０について、図１乃至図４を参照して説明する。

図に示すように、基板２は、その裏面側が放熱部１０に当接されて取付けられる。放熱部１０は、例えば、アルミニウム材料等からなる熱伝導性が良好な金属製の板材を折曲して形成されている。この放熱部１０は、基板２と略同様な長さ寸法を有し、樋状に形成されていて、中央部に凸部１０ａ有し、この凸部１０ａの両側に鍔部１０ｂを有している。したがって、この凸部１０ａと鍔部１０ｂとによって、図示上、鉛直方向に段差Ｓが設けられて段状に形成されている。
なお、鍔部１０ｂの角部には、放熱部１０を例えば、照明装置本体側に取付けるために用いられるねじ等の固定手段が貫通する貫通孔が形成されている。

このように構成された放熱部１０に基板２が取付けられる。具体的には、基板２の裏面側が放熱部１０の凸部１０ａの外面側に当接され、前記固定手段である取付ねじ５１が基板２の表面側からねじ込まれて取付けられる。

この取付状態においては、基板２の裏面側は、放熱部１０の凸部１０ａの外面側に接触し、熱的に結合される。また、放熱部１０には、段差Ｓが設けられているので、基板２との絶縁距離が確保できる。すなわち、前記電界めっき処理を行う場合の接続路として機能する接続パターン２２は、基板２の端縁部まで延出しているが、放熱部１０は、段差Ｓによって、この基板２の端縁部から離間するようになる。したがって、この段差Ｓが設けられることによって絶縁距離が確保され、絶縁性の向上を図ることができる。

なお、放熱部１０は、ヒートシンク、装置の本体、ケースあるいはカバー、反射板等と称されるものであってもよい。要は、基板２が熱的に結合される部材や部分を意味している。また、基板２と放熱部１０との接触は、部分的に行われるものであってもよい。さらに、図４に示すように、固定手段としては、合成樹脂製等の絶縁性を有し、弾性係合する部材５１ａを用いることができる。

次に、図１０を参照して上述の発光装置１を配設した照明装置１１について説明する。図においては、天井面に設置して使用される一般的な４０Ｗ蛍光灯形の照明装置と同等なサイズを有する天井直付タイプの照明装置１１を示している。照明装置１１は、細長で略直方体形状の本体ケース１１ａを備えており、この本体ケース１１ａ内には、前記発光装置１が４個直線状に接続されて配設されている。また、電源回路を備えた電源ユニットは、本体ケース１１ａに内蔵されている。なお、本体ケース１１ａの下方開口部には、拡散性を有する前面カバー１１ｂが取付けられている。

上記構成の発光装置１に電源回路により通電されると、各発光素子３が一斉に点灯されて、発光素子３から出射される光は、蛍光体層４を透過して放射され、発光装置１は白色の光を出射する面状光源として使用される。

発光素子３の発光中において、実装パッド２１ａは、各発光素子３が発した熱を拡散するヒートスプレッダとして機能する。発光装置１の発光中、発光素子３が放射した光のうちで基板２側に向かった光は、実装パッド２１ａの表層で主として光の利用方向に反射される。そのため、光の取出し効率を良好なものとすることができる。加えて、発光素子３が放射した光のうちで横方向へ向かった光は、反射率の高い白色のレジスト層２３の表面で反射され前面側へ放射される。

また、基板２の裏面側は、放熱部１０の凸部１０ａの外面側に接触し、熱的に結合されるので、各発光素子３から発生した熱は、主として基板２に伝導され、基板２の裏面側から放熱部１０へ伝導されて放熱される。
放熱部１０には、段差Ｓが設けられているので、基板２の端縁部との絶縁距離が確保され、絶縁性の向上を図ることができる。

以上のように本実施形態によれば、発光素子の温度上昇を抑制するとともに、基板と放熱部との絶縁性を確保することが可能な発光装置１及び照明装置１１を提供することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について図１１を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し重複した説明は省略する。

本実施形態では、放熱部１０の異なる形態を示している。図に示すように、段差Ｓが形成される側面が傾斜面をなしている。このような形態においても第１の実施形態と同様に基板と放熱部との絶縁性を確保することができる。
したがって、段差Ｓが形成される側面は、鉛直面や傾斜面、又は曲面等によって形成できる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、発光素子は、ＬＥＤ等の固体発光素子である。また、発光素子の実装個数は特段限定されるものではない。
照明装置としては、屋内又は屋外で使用される照明器具、ディスプレイ装置等に適用が可能である。

１・・・発光装置、２・・・基板、３・・・発光素子（ＬＥＤチップ）、
４・・・封止部材（蛍光体層）、１０・・・放熱部、１１・・・照明装置、
２１・・・配線パターン、２１ａ・・・実装パッド、２１ｂ・・・給電導体、
２２・・・接続パターン、３１・・・ボンディングワイヤ、Ｓ・・・段差

Claims (3)

1. 複数の発光素子が表面側に実装された基板と；
   この基板に形成され、前記複数の発光素子を電気的に接続するとともに、電界めっき処理された配線パターンと；
   この配線パターンに電気的に接続され、前記基板の端縁部まで延出されて形成された接続パターンと；
   前記複数の発光素子を被覆する封止部材と；
   前記基板の裏面側が当接さるとともに、前記接続パターンが延出された基板の端縁部から離間するように段差が設けられて形成された放熱部と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 前記複数の発光素子は、前記配線パターン上に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 装置本体と；
   装置本体に配設された請求項１又は請求項２に記載の発光装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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