JP2012009834A - 発光装置および照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 セラミックス基板を用い、放熱性の向上を図ることが可能な発光装置および照明装置を提供する。
【解決手段】 発光装置は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板上に形成された、電気的に非接続の金属熱伝導層と、前記金属熱伝導層上に実装された発光素子と、前記金属熱伝導層と前記発光素子との間に介在して、前記発光素子を前記金属熱伝導層に接合する金属接合層とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子を用いた発光装置および照明装置に関する。
近時、照明装置の光源としてＬＥＤが用いられるようになってきている。この光源は、基板に多数のＬＥＤのベアチップを実装し、各ＬＥＤチップをボンディングワイヤで電気的に接続して発光装置として構成するものである。
ＬＥＤ等の発光素子は、その温度が上昇するに従い、光出力の低下、特性の変動とともに寿命の低下をもたらす。このため、ＬＥＤ等の固体発光素子を光源とする発光装置では、寿命、効率の諸特性を改善するために発光素子の温度上昇を抑制する必要がある。
従来、発光装置の基板として、絶縁性を有し、熱膨張が少なく、また、放熱性および耐熱性が要求され、駆動電流として大電流を供給する用途にも好適なセラミックス基板が知られている。このセラミックス基板には、発光素子が樹脂材料の接着剤によって接合されて実装されるようになっている。
しかしながら、上記従来のものでは、発光素子が樹脂材料の接着剤によって接合されているため、発光素子から発生した熱が効率的に基板に伝導されず、放熱が効果的に行われないおそれが生じる。また、基板に複数の発光素子を実装する場合には、各発光素子の温度が不均一となり、個々の発光素子の光出力や発光色にばらつきが生じる可能性がある。
特開２００９−２９０２４４号公報 特開２０１０−３４４８７号公報
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、セラミックス基板を用い、放熱性の向上を図ることが可能な発光装置および照明装置を提供することを目的とする。
実施形態によれば、セラミックス基板と、前記セラミックス基板上に形成された、電気的に非接続の金属熱伝導層と、前記金属熱伝導層上に実装された発光素子と、前記金属熱伝導層と前記発光素子との間に介在して、前記発光素子を前記金属熱伝導層に接合する金属接合層とを有する発光装置が提供される。
本発明によれば、セラミックス基板を用い、発光素子から発生した熱の放熱性を向上でき、発光素子の温度上昇を抑制することができる発光装置およびこの発光装置を用いた照明装置が期待できる。
第１の実施形態に係る発光装置を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る発光装置の基板上の熱伝導層、正極側給電導体および負極側給電導体のパターンを示す平面図である。 第１の実施形態に係る発光装置を一部切り欠いた状態で示す平面図である。 図３のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 第１の実施形態に係る発光装置における熱伝導層の面積と発光素子の温度との関係を調べるための試料を模式的に示す断面図である。 図５の平面図である。 熱伝導層の面積と発光素子の温度との関係を示すグラフである。 熱伝導層の面積と発光素子の温度との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。 第３の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
セラミックス基板は、白色系の酸化アルミニウムや窒化アルミニウムを適用できるが、格別特定の材料に限定されるものではない。
金属熱伝導層としては、たとえば基板上の第一層として銅パターン、銅パターンの上の第二層としてニッケルめっき層、さらに第三層として銀めっき層を有するものが挙げられる。金属熱伝導層は、たとえば銅パターンの一層で構成してもよい。金属熱伝導層の材料は、特段限定されるものではない。また、金属接合層の材料も特段限定されるものではない。
発光素子は、ＬＥＤ等の固体発光素子を適用できる。さらに、発光素子の実装個数には特段制限はない。
発光装置は、照明装置の本体に組み込んで適用することができる。この場合、照明装置には、光源や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が含まれる。
（第１の実施形態）
本実施形態に係る発光装置について図１乃至図８を参照して説明する。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。
図１乃至図４に示すように、発光装置１は、セラミックス基板２と、この基板上に形成された金属熱伝導層３と、この金属熱伝導層上に実装された発光素子４と、前記金属熱伝導層３と発光素子４との間に介在された金属接合層５とを備えている。
基板２は、絶縁性を有し、白色系の酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックス材料から形成されている。基板２は、略四角形状に形成されており、各角部には、ねじ等の固定手段が係合する切欠部２ａが形成されている。
図２乃至図４に示すように、基板２の表面上には、熱伝導層３、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２が同様の層構成で積層されている。図２に示すように、熱伝導層３は、基板２の中央部に略四角形状に形成されている。正極側給電導体２１および負極側給電導体２２は、熱伝導層３の対向する辺に平行に、かつ熱伝導層３とは、離間距離（絶縁距離）を空けて、対をなして形成されている。したがって、熱伝導層３は、電気的には接続されない非接続の状態となり、電気的導体として作用するものではない。
そして、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２は、それぞれ全体が略Ｌ字状で線対称に形成されている。なお、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２の一端側は、給電端子部２３、２４として構成されている。
図４に示すように、これら熱伝導層３、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２は、三層構成であり、基板２上に、第一層Ａとして銅パターンがエッチングにより設けられている。この銅パターン層の上には、第二層Ｂとしてニッケル（Ｎｉ）が無電界めっき処理されており、第三層Ｃとして銀（Ａｇ）が無電解めっき処理されている。熱伝導層３、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２の第三層Ｃ、すなわち表層はいずれも銀（Ａｇ）めっき層であり、全光線反射率は９０％と高い。なお、基板２の表面上には、適宜レジスト層を形成してもよい。
基板２の熱伝導層３上には、複数の発光素子４が実装されている。発光素子４は、ＬＥＤのベアチップからなる。ＬＥＤのベアチップには、たとえば、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、金属材料からなる接合剤を用いて、熱伝導層３上に接合されている。したがって、熱伝導層３と発光素子４、すなわちＬＥＤのベアチップとの間には、熱伝導性を有する金属接合層５が形成されている。
具体的には、接合剤は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだであり、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層によって接合層５が形成される。この接合層５の形成にあたっては、まず、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが熱伝導層３上の発光素子４の配設位置に塗布される。次に、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの上に発光素子４を配置し、この状態で加熱して、約３００℃の高温でリフロー処理を施してＡｕ−Ｓｎ合金はんだを溶解させた後、冷却する。これによって、接合層５が形成され、発光素子４は、熱伝導層１上に接合される。なお、接合剤としては、金属材料のはんだとして鉛フリーはんだ等を用いてもよい。
これら複数の発光素子４は、マトリクス状に並べられて複数の列、たとえば、６列の発光素子列を形成している（図３参照）。
ＬＥＤのベアチップは、たとえば、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略直方体形状に形成されている。そして、発光層に電流を流すための電極は、上面側に設けられており、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４１によって電気的に接続されている。ボンディングワイヤ４１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。
具体的には、個々の発光素子列において、その列が延びる方向に隣接された発光素子４の異極の電極同士、つまり、隣接された発光素子４の内で一方の発光素子４のプラス側電極と、隣接された発光素子４の内で他方の発光素子４のマイナス側電極とがボンディングワイヤ４１で順次接続されている。これによって、個々の発光素子列を構成する複数の発光素子４は電気的に直列に接続される。したがって、複数の発光素子４は通電状態で一斉に発光される。
さらに、個々の発光素子列において、特定の発光素子、すなわち、列の端に配置された発光素子４ａの電極は、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２にボンディングワイヤ４１で接続されている。したがって、前記各発光素子列は電気的には並列に設けられていて、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２を通じて給電されるようになっている。そのため、各発光素子列の内のいずれか一列がボンディング不良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。
基板２の表面上には、枠部材２５が設けられている。枠部材２５には、たとえば、ディスペンサを用いて所定の粘度を有する未硬化のシリコーン樹脂を基板２上に枠状に塗布し、その後に加熱硬化することにより、基板２上に接着されている。この枠部材２５は、略四角形状に塗布され、熱伝導層３と同様な略四角形状の内周面を有している。内周面で囲まれた枠部材２５の内側に、熱伝導層３の全体、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２、各発光素子４が配設されている。つまり、発光素子４の実装領域は、枠部材２５によって囲まれた状態となっている。
枠部材２５は、上記のようにシリコーン樹脂で形成されるので、光や熱による劣化が生じ難く、表層に銀（Ａｇ）めっきが施された熱伝導層３、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２の変色を抑制することができる。したがって、これら熱伝導層３、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２による反射効率の低下を軽減できる。
枠部材の内側には、封止部材２６が充填されて基板２上に設けられている。封止部材２６は、透光性合成樹脂、たとえば、透明シリコーン樹脂製であり、熱伝導層３、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２、各発光素子４を封止している。
また、封止部材２６は、蛍光体を適量含有している。蛍光体は、発光素子４が発する光で励起されて、発光素子４が発する光の色とは異なる色の光を放射する。発光素子４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。封止部材２６は、未硬化の状態で枠部材２５の内側に所定量注入された後に加熱硬化させて設けられている。
図１に示すように、正極側給電導体２１および負極側給電導体２２の一端側の給電端子部２３、２４には、リード線２７がはんだ付けによって接続されるようになっている。このリード線２７には、図示しない点灯回路が電気的に接続されており、これにより発光素子４に点灯回路から電力が供給され、発光素子４が点灯制御されるようになっている。
上記構成の発光装置１に点灯回路により電力が供給されると、熱伝導層３は、電気的には非接続の状態となっているので、正極側給電導体２１からボンディングワイヤ４１、発光素子４、負極側給電導体２２へと通電され、封止部材２６で覆われた各発光素子４が一斉に発光されて、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。
この点灯中において、熱伝導層３は、各発光素子４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。各発光素子４が発した熱は、熱伝導性が良好な金属材料、つまり、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層によって形成された接合層５から熱伝導層３へ伝導され、この熱伝導層３に伝導された熱は、ここで拡散され、さらに、主として基板２に伝導されて放熱される。
また、発光装置１の点灯中、発光素子４が放射した光のうちで基板２側に向かった光は、熱伝導層３や正極側給電導体２１および負極側給電導体２２の表層で主として光の利用方向に反射される。
以上のように本実施形態によれば、セラミックス基板２の特性を生かし、かつ発光素子４から発生した熱の放熱性を向上でき、発光素子４の温度上昇を抑制することができる。また、各発光素子４の温度の均一化を図ることができ、個々の発光素子の光出力や発光色のばらつきを軽減することができる。
加えて、接合層５の形成が高温下で行われる場合には、基板２は、耐熱性を有しているので、基板２が熱によって損傷することを回避できる。
ところで、上記実施形態を前提として、本発明者は、図５乃至図８に示すように熱伝導層３の面積と発光素子４の温度との関係を調べた。具体的には、熱伝導層３の面積Ｍｓに対する発光素子４の接合面積Ｌｓの面積比率Ｒと、発光素子４の点灯時のジャンクション温度Ｔｊとの関係である。
図５および図６に示すように、基板２上に１個の発光素子４を実装したものを試料として用意した。この場合、熱伝導層３の面積Ｍｓは発光素子４の１個あたりの面積に相当する。実装した発光素子４が複数である場合には、発光素子４の１個あたりの面積は、熱伝導層３の全面積を発光素子４の実装個数で割った値である。発光素子４の接合面積Ｌｓは、発光素子４の１個あたりの発光素子４と熱伝導層３との接合面積であり、この接合面積は発光素子４の上面側の発光面積と近似している。なお、接合層５の面積が発光素子４よりも小さい場合には、厳密には発光素子４の１個あたりの接合面積Ｌｓは、発光素子４の１個あたりの接合層５の面積となる。このような試料において、熱伝導層３の面積Ｍｓと厚さ寸法ｔを変えたものを種々用意し、ジャンクション温度Ｔｊを測定した。
その結果、図７および図８に示すようなデータが得られた。まず、図７において、縦軸は、ジャンクション温度Ｔｊ［℃］を示し、横軸は、熱伝導層３の長さ寸法Ｌ［ｍｍ］を示している。この熱伝導層３の長さ寸法Ｌは、熱伝導層３の面積Ｍｓと相関を有しており、面積Ｍｓと代替できるものである。したがって、図示上、６％〜４０％の表示は、熱伝導層３の面積Ｍｓに対する発光素子４の接合面積Ｌｓの面積比率Ｒを示している。
面積比率Ｒが６％〜１００％の数種類の試料（（ａ）〜（ｋ）図８参照）で、厚さ寸法ｔを１８μｍ〜２５０μｍの間（（ａ）〜（ｇ）図７参照）で変えてジャンクション温度Ｔｊ［℃］を測定した。その結果、図に示すように面積比率Ｒが小さくなるほどジャンクション温度Ｔｊ［℃］は下降し、厚さ寸法ｔが増すほどジャンクション温度Ｔｊ［℃］が下がる傾向にあることが認められた。また、図７の線分（ｈ）は、熱伝導層３が「なし」で熱伝導層３を形成しておらず、発光素子４を直接基板２上に設けた場合のジャンクション温度Ｔｊ［℃］を示している。この場合、線分（ｈ）は、１１０℃であるから、これを基準に、１１０℃より上側の領域は、熱伝導層３を形成したことによる放熱効果がなく、１１０℃より下側の領域は、熱伝導層３を形成したことによる放熱効果があるということになる。因みに、面積比率Ｒが５％である試料は、熱伝導層３の厚さ寸法ｔが１８μｍ〜２５０μｍの全範囲でジャンクション温度Ｔｊが１１０℃より下側になる。
熱伝導層３を形成したことによる放熱効果が認められない領域、たとえば、領域Ｎ１は、面積比率Ｒが大きいため有効に熱が拡散せず、また、熱伝導層３が熱抵抗として作用し、基板２への熱伝導が妨げられていると考えられる。
したがって、図７に示すデータから、少なくとも面積比率Ｒが５％以上であれば、厚さ寸法ｔとの組み合わせ状態に応じて、熱伝導層３が「なし」である線分（ｈ）と同等以下のジャンクション温度Ｔｊとすることができ、発光素子４の温度上昇を有効に抑制できることが分かる。
次に、図８は、座標軸を変えて測定データを表したものである。すなわち、縦軸にジャンクション温度Ｔｊ［℃］を示し、横軸に熱伝導層３の厚さ寸法ｔ［μｍ］を示したものである。
図７と同様に、面積比率Ｒが小さくなるほどジャンクション温度Ｔｊ［℃］は下降し、厚さ寸法ｔが増すほどジャンクション温度Ｔｊ［℃］が下がる傾向にあることが認められる。また、同様に、線分（ｌ）を基準に、１１０℃より上側の領域は、熱伝導層３を形成したことによる放熱効果がなく、１１０℃より下側の領域は、熱伝導層３を形成したことによる放熱効果があるということになる。
しかし、熱伝導層３を形成したことによる放熱効果が認められない領域Ｎ２は、厚さ寸法ｔが増すにもかかわらず、ジャンクション温度Ｔｊ［℃］が上昇する傾向にあることが分かる。これは、熱伝導層３の厚さ寸法ｔが増加することにより、面積比率Ｒとの関係で熱伝導層３が熱抵抗として作用する度合いが高まることによると考えられる。
以上の図８に示すデータから、面積比率Ｒが４０％以下であれば、厚さ寸法ｔとの組み合わせ状態に応じて、熱伝導層３が「なし」である線分（ｌ）と同等以下のジャンクション温度Ｔｊとすることができ、発光素子４の温度上昇を有効に抑制できることが分かる。
上記のように、発光素子４の１個あたりの発光素子４と熱伝導層３との接合面積Ｌｓを、発光素子４の１個あたりの熱伝導層３の面積Ｍｓに対する比率を、５％以上４０％以下に設定することにより、放熱効果の向上を図ることができる。
（第２の実施形態）
図９を参照して、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板を用いた発光装置１を説明する。ＤＣＢ基板は、セラミックス基板２の裏面に厚さ約５０μｍの銅層１６を形成したものであり、セラミックス基板２の表面側の構造はたとえば図４と同様である。なお、図９においては、熱伝導層３が一層の金属層からなるように図示している。ＤＣＢ基板を用いた場合、表面側の熱伝導層３の厚さを２５０μｍ以上にすることもある。
（第３の実施形態）
発光装置１は、ＬＥＤランプとしての光源や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の装置本体に組み込んで照明装置として構成できる。
図１０を参照して、本実施形態に係る照明装置について説明する。この照明装置１００は、２つの発光装置１と、本体１０３と、凹面反射鏡１０４と、鏡支持部材１０５とを含む。発光装置１は、第１または第２の実施形態で説明したものを用いることができる。
本体１０３は、ケースをなすヒートシンク１３１と、受熱部１３５とを備えている。ヒートシンク３１は、略円板状のベース１３２の背面に垂直に取り付けられた放熱フィン１３３を一体に複数有している。受熱部１３５は、ベース１３２の厚みと同程度の厚みを有した直方体である。この受熱部１３５は、ヒートシンク１３１とは別体であって、ベース１３２に対して放熱フィン１３３と反対側の正面に取り付けられる。
凹面反射鏡１０４は、アルミニウムで作られた一対の凹面鏡部材１４１で構成される。各凹面鏡部材１４１の反射面は放物面に形成されているとともに、鏡面に仕上げられている。凹面鏡部材１４１は、光出射側に位置する半円弧状の縁１４１ａと、ヒートシンク１３１のベース１３２側に位置する座部１４１ｂを有している。座部１４１ｂは、ベース１３２に沿って平らに形成され、切欠１４１ｃを有している。凹面鏡部材１４１は、座部１４１ｂをヒートシンク１３１のベース１３２の正面に接触させ、切欠１４１ｃに掛かるようにベース１３２の固定孔に装着されるネジ１４２によって、ベース１３２に固定される。
ヒートシンク１３１の正面側に固定された一対の凹面鏡部材１４１は、受熱部１３５の両側に発光装置１に面しており、この受熱部１３５を境に面対称に配置されている。発光装置１の発光部となる蛍光体入りの封止部材は、凹面鏡部材１４１の放物面によって構成される反射面に対向する。発光装置１は、発光部の中心部が凹面鏡部材１４１の焦点に位置するように配置されている。
照明器具１００から放射される光束の中心から半径方向に離れた受熱部１３５の端部は、正面側から鏡押え１４５がビスで固定される。鏡押え１４５は、受熱部１３５に当接される取付片部１４５ａと、反射面に沿って折れ曲がった塞ぎ片部１４５ｂとを一体に有している。一対の凹面鏡部材１４１は、間に受熱部１３５が挿入されている分だけ、反射面が離れている。取付片部１４５ａが受熱部１３５にネジ止めされると、塞ぎ片部１４５ｂが凹面鏡部材１４１の間の隙間を塞ぐように配置される。これにより、凹面鏡部材１４１の縁１４１ａと塞ぎ片部１４５ｂの先端縁１４５ｃとは、円形に近似した形を形成する。
凹面反射鏡１０４のカバーを兼ねる鏡支持部材１０５は、円筒形の基部１０５ａと、この一端からラッパ状に拡がった支え部１０５ｂとで構成される。支え部１０５ｂは、基部１０５ａより大径なテーパー形状であり、正面側から見ると円形である。鏡支持部材１０５は、基部１０５ａをベース１３２の正面に突き当て、かつ、支え部１０５ｂを凹面反射鏡１０４の外周部裏面に接触させることによって、ベース１３２と凹面反射鏡１０４の周部との間に保持される。鏡支持部材１０５は、凹面反射鏡１０４を裏側から支持する。
鏡支持部材１０５は、予めベース１３２の正面側に配置されたのち、ベース１３２に固定される凹面鏡部材１４１によって保持される。鏡支持部材１０５の支え部１０５ｂに形成される開口縁１０５ｃは、凹面鏡部材１４１の縁１４１ａ及び鏡押さえ１４５の先端縁１４５ｃよりも前側、つまり、光出射側に位置されている。凹面反射鏡１０４及び鏡押え１４５は、鏡支持部材１０５内に収納される。ケーブル孔５ｄは、給電端子に接続される絶縁被覆電線を通すために設けられている。
本実施形態の照明装置によれば、上記発光装置が奏する効果を有する照明装置を提供することができる。
なお、本発明は、上記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。上記実施形態では、熱伝導層を銅、ニッケル、銀の三層構成で形成したものについて説明したが、これに限らず、たとえば、銅箔の一層で形成してもよい。また、熱伝導層を構成する材料は、格別特定のものに限定されるものではない。さらに、接合層を形成する金属材料も特定のものに限定されるものではない。
１…発光装置、２…セラミックス基板、３…金属熱伝導層、４…発光素子（ＬＥＤチップ）、５…金属接合層、１６…銅層、２５…枠部材、２６…封止部材、４１…ボンディングワイヤ。

Claims (3)

  1. セラミックス基板と；
    前記セラミックス基板上に形成された、電気的に非接続の金属熱伝導層と；
    前記金属熱伝導層上に実装された発光素子と；
    前記金属熱伝導層と前記発光素子との間に介在して、前記発光素子を前記金属熱伝導層に接合する金属接合層と
    を具備することを特徴とする発光装置。
  2. 前記発光素子１個あたりの前記金属熱伝導層との接合面積の、前記発光素子１個あたりの前記金属熱伝導層の面積に対する比率が、５％以上４０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 照明装置本体と；
    照明装置本体に配設された請求項１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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