JP2012023309A - 発光装置及び面状照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度かつ高い放熱性を備える、低コストの発光装置及び面状照明装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１０ａの発光が、ダイアタッチ材１０ｂ内部の磁性フィラー１２の表面の、銀の層１２ｂによって反射され、ＬＥＤチップ１０ａの出射面から、外部へと放出される。しかも、磁性フィラー１２により構成された、熱伝導ネットワーク構造１４によって、ＬＥＤチップ１０ａの熱がダイアタッチ材１０ｂを介して基材１０ｃへと分散される。しかも、少なくとも、ＬＥＤチップ１０ａ及び基材１０ｃを最短距離で結ぶ、ＬＥＤチップ１０ａ及び基材１０ｃの積層方向へと、ＬＥＤチップ１０ａの熱が分散されることで、高輝度かつ高い放熱性を備えるＬＥＤ１０を構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置及び面状照明装置に関するものである。

従来から、電子機器の表示画面や操作部を照明する為の発光装置として、発光ダイオード（ＬＥＤ）が広く用いられており、近年の白色発光ＬＥＤの高性能化に伴い、その使用対象は、フルカラー液晶画面のバックライト照明や、更には、シーリングライトやダウンライト等の照明装置にも広く用いられるようになっている。

図５（ａ）、（ｂ）には、フルカラー液晶画面のバックライト照明にも使用される面状照明装置１００の構造例が、模式的に示されている。面状照明装置１００の導光板１０１は、メタクリル樹脂やポリカーボネート樹脂等の透明樹脂材料からなる板状の導光体であり、その一方の主面である出射面１０１ａは、入光面１０１ｃに直交する方向に延在する同一形状の三角柱プリズムが同一間隔で形成され、対向する主面である反射面１０１ｂには、その面に入光した光を反射して、少なくともその一部を臨界角以下の入光角でもって出射面１０１ａに入光させるための拡散反射手段又は正反射手段１０１ｂが設けられている。

プリズムシート１０３は、例えばＰＥＴフィルム等の透明樹脂材料からなるシート状部材であり、その一主面１０３ａに、メタクリル樹脂やポリカーボネート樹脂からなる一方向に延在する多条の三角柱プリズムが形成されている。プリズムシート１０３は、導光板１０１の出射面１０１ａ上に、そのプリズム面１０３ａを導光板１０１の出射面１０１ａに対向させ、プリズムシート１０３のプリズムの延在方向が導光板１０１のプリズムの延在方向と直交するように配置される。そして、導光板１０１及びＬＥＤ１０２は、例えばアルミ合金製のハウジングフレーム１０４によって保持され、互いの位置精度が保証される。又、ハウジングフレーム１０４は、ＬＥＤ１０２の熱を逃がすためのヒートシンクとしても機能している。なお、ＬＥＤ１０２の裏面の反射膜、導光板１０１の下部に設けられる反射板は省かれて描かれている。

以上のように、白色発光ダイオードの高性能化は、バックライト照明の高輝度化を実現し、更には、面状照明装置の発光装置としても広く用いられるようになっている。
しかしながら、白色発光ＬＥＤの高性能化は、発光素子チップの発熱量の増大を招くこととなり、これに伴いＬＥＤの構造にも放熱性の向上が求められている。図６は、従来のＬＥＤ１０２の構造を模式的に示したものであるが、ＬＥＤチップ１０２ａは、高熱伝導性フィラー入り接着剤、又は、共晶等金属からなるダイアタッチ材１０２ｂを介して、高熱伝導性材料からなる基材（銅板等）１０２ｃに接合されることで、必要な放熱性を担保している（例えば、特許文献１、２参照）。なお、図６の例では、基材１０２ｃに対し、更に接着剤１０２ｄを介して、ヒートシンク等の高熱伝導材１０２ｅが固定されている。

特開２００６−２７０００２号公報 特開２００６−１９９９３７号公報

ところで、ＬＥＤ１０２のダイアタッチ材１０２ｂを、高熱伝導性フィラー入り接着剤で構成した場合には、ダイアタッチ材１０２ｂの熱伝導率は『Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ』の式に従うものとなり、熱伝導率の高いフィラーの体積充填率の大小が、熱拡散性の大小と密接に関係することになる。すなわち、ダイアタッチ材１０２ｂに必要な放熱性能を確保するためには、高価な高熱伝導性フィラーの充填率を高める必要があり、ＬＥＤ１０２のコストアップを避けることが出来ない。一方、ダイアタッチ材１０２ｂを共晶等金属で構成することは実際には接着の再現性や歩留まりに問題があり、大量生産によるコストダウンを図ることが出来ない場合がある。更に、従来のＬＥＤ１０２は、輝度向上の為にＬＥＤ１０２の裏面に反射膜を形成した上で、ダイアタッチ材１０２ｂにより基材１０２ｃに接合する場合もあるが、この場合にはＬＥＤ１０２のコストアップを免れることができない。
このようなＬＥＤ１０２の高コスト構造は、これを用いた発光装置や、フルカラー液晶画面のバックライト照明にも用いられる面状照明装置の、コストダウンを阻害する要因となっている。

本発明は上記課題に鑑みてされたものであり、その目的とするところは、高輝度かつ高い放熱性を備える、低コストの発光装置及び面状照明装置を提供することにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）発光素子チップを基材に接合するためのダイアタッチ材として、反射材料が表面にコートされた磁性フィラーを含有する接着剤が用いられている発光装置（請求項１）。
本項に記載の発光装置は、ダイアタッチ材内部の磁性フィラーを通じて、発光素子チップの熱が基材へと分散される。又、発光素子チップの発光が、ダイアタッチ材内部の磁性フィラー表面で反射され、発光素子チップの出射面から外部へと放出されるものである。

（２）上記（１）項において、前記磁性フィラーの表面にコートされた反射材料が、銀である発光装置（請求項２）。
本項に記載の発光装置は、発光素子チップの発光が、ダイアタッチ材内部の、磁性フィラーの表面にコートされた銀の層によって反射され、発光素子チップの出射面から外部へと放出されるものである。

（３）上記（１）、（２）項において、前記ダイアタッチ材に含有された磁性フィラーにより、前記発光素子チップと前記基材との間で配向され、ネットワーク構造が形成されている発光装置（請求項３）。
本項に記載の発光装置は、ダイアタッチ材内部において、磁性フィラーにより構成されたネットワーク構造、すなわち熱伝導ネットワーク構造によって、発光素子チップの熱がダイアタッチ材を介して基材へと分散されるものである。

（４）上記（３）項において、前記熱伝導ネットワーク構造は、少なくとも前記発光素子チップ及び前記基材の積層方向に形成されている発光装置。
本項に記載の発光装置は、発光素子チップの熱が、ダイアタッチ材内部での熱伝導ネットワーク構造の敷設方向、すなわち、少なくとも、発光素子チップ及び基材を最短距離で結ぶ、発光素子チップ及び基材の積層方向へと分散されるものである。

（５）上記（３）、（４）項において、前記熱伝導ネットワーク構造は、磁性フィラーが混入された樹脂材料が磁場中硬化されることにより形成されている発光装置。
本項に記載の発光装置は、磁性フィラーが混入された樹脂材料が磁場中硬化されることにより、磁場の方向に応じた熱伝導ネットワークが、ダイアタッチ材内部に構成される。そして、ダイアタッチ材内部の熱伝導ネットワークの敷設方向に応じて、発光素子チップの熱が分散されるものである。このように、磁界を利用して磁性フィラーを整列させることで、ダイアタッチ材を構成する樹脂に混入する磁性フィラーの充填率を高めることなく、熱伝導ネットワーク構造を形成するものである。又、磁界を利用して磁性フィラーを整列させることで、磁性フィラーが混入された樹脂材料が硬化完了するまでの間に、磁性フィラーが沈降して、磁性フィラーの分布に、熱伝導率及び光の反射効率を低下させるような偏りが生じることもない。

（６）上記（３）から（５）項において、前記磁性フィラーの材料が、鉄又はニッケルである発光装置。
本項に記載の発光装置は、鉄又はニッケルといった強磁性材が用いられることで、磁場中硬化による熱伝導ネットワーク構造が、ダイアタッチ材内部に構成されるものである。又、磁性フィラーの材料として、鉄（熱伝導率：８０Ｗ／ｍ・Ｋ）、ニッケル（熱伝導率：９０．７Ｗ／ｍ・Ｋ）等が用いられることで、ダイアタッチ材に必要な熱伝導性を与えるものである。しかも、鉄又はニッケルを磁性フィラーに用いることで、シリコーン樹脂等の、高耐熱性樹脂に混入して使用することが可能である。

（７）上記（１）から（６）項において、前記磁性フィラーに扁平フィラーが用いられる発光装置。
本項に記載の発光装置は、扁平フィラーが長手方向に連なって熱伝導ネットワーク構造が構成されることで、磁性フィラーが混入された樹脂材料が磁場中硬化される際の、磁性フィラー同士の連鎖が、各磁性フィラーの扁平形状により生じ易くなり、確実に熱伝導ネットワーク構造を形成して、ダイアタッチ材内部の熱伝導性が向上するものである。

（８）前記基材の、前記発光素子チップ実装下部を、ヒートシンクに直接密着させる放熱ブロックを備える発光装置。
本項に記載の発光装置は、放熱ブロックにより、発光素子チップからヒートシンクへの、直接的な放熱経路を構成したものである。

（９）導光板と、該導光板の一側端面に配置される点状光源とを含み、該点状光源から前記導光板へと入射する光が、前記導光板の少なくとも何れか一方の主面より出射されることで、前記導光板が全体的に発光する面状照明装置であって、該点状光源として、上記（１）から（８）のいずれか１項記載の発光装置を具備する面状照明装置（請求項４）。
本項に記載の面状照明装置は、（１）から（８）のいずれか１項記載の、高輝度かつ高い放熱性を備える、低コストの発光装置を、点状光源として具備することにより、高輝度の面状照明装置を低コストで実現するものである。

本発明はこのように構成したので、高輝度かつ高い放熱性を備える、低コストの発光装置及び面状照明装置を提供することが可能となる。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置の構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のダイアタッチ材内部の、熱伝導ネットワーク構造を形成する手法を示す説明図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る発光装置の構造の応用例を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のダイアタッチ材内部の、熱伝導ネットワーク構造を形成する手法を示す説明図である。 （ａ）は、図１又は図２に示された発光装置を、サイドビュー型ＬＥＤとして構成した場合の、全体構成を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の応用例に係る断面図である。 （ａ）は、図１又は図２に示された発光装置を、トップビュー型ＬＥＤとして構成した場合の、全体構成を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の応用例に係る断面図である。 従来の面状照明装置の構造例を示すものであり、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）はハウジングフレームも含めた断面図である。 図５の面状照明装置にも採用される、従来のＬＥＤの構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、同一の符号を付し、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る発光装置は、図１（ａ）に示されるように、ＬＥＤ１０として構成されたものである。又、ＬＥＤ１０を構成するＬＥＤチップ（発光素子チップ）１０ａは、ダイアタッチ材１０ｂを介して、高熱伝導性材料からなる基材（銅板等）１０ｃに接合されている。ここで、ダイアタッチ材１０ｂは、樹脂材料に、磁性フィラー１２が混入されてなるものであり、好ましくは、磁性フィラー１２による熱伝導ネットワーク構造１４が構成されてなるものである。

具体的には、ダイアタッチ材１０ｂを構成する樹脂材料として、シリコーン樹脂等の、高耐熱性と低粘性とを備える材料が用いられる。又、磁性フィラー１２は、図１（ａ）に拡大して示されるように、鉄（熱伝導率：８０Ｗ／ｍ・Ｋ）、ニッケル（熱伝導率：９０．７Ｗ／ｍ・Ｋ）等からなる磁性体粒１２ａを、高反射・高熱伝導性材料、本実施の形態では銀１２ｂでコートしたものである。又、その粒形も、図示のような球形のみならず、扁平形のものをその一部に混入し、又は、全部に用いることも可能である。また、粒形は、フレーク状や針状であってもよい。鉄、ニッケル等からなる磁性体粒１２ａは、一般的に光を吸収しやすい性質を有するが、高反射・高熱伝導性材料１２ｂでコートすることで、磁性フィラー１２の表面において、光の反射を促すことができる。

又、ダイアタッチ材１０ｂ内部に形成された、磁性フィラー１２による熱伝導ネットワーク１４構造は、図１（ｂ）に示されるように、磁性フィラー１２が、磁界１６の向きに整列した状態で、シリコーン樹脂等の樹脂材料が磁場中硬化されることにより、構成されるものである。図１（ｂ）の例では、磁界１６を励起するために一組のコイル１８が用いられており、ＬＥＤチップ１０ａ及び基材１０ｃの積層方向（図１（ｂ）の上下方向）に磁界１６を励起させて、この方向に磁性フィラー１２が整列するように、熱伝導ネットワーク構造１４を形成したものである。

又、磁性フィラー１２が混入された樹脂材料が磁場中硬化される際の、磁界の向きを、適宜適切に設定し、必要に応じた方向に熱伝導ネットワーク構造１４を形成することも可能である。例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示される例では、二組のコイル１８Ａ、１８Ｂを用い、ＬＥＤチップ１０ａ及び基材１０ｃの積層方向（図２（ｂ）の上下方向）の磁界１６Ａと、これに直交する方向の磁界１６Ｂを励起させて、互いに直交する方向に磁性フィラー１２が整列するように、熱伝導ネットワーク構造１４を形成している。

図３には、本発明の実施の形態に係る発光装置１０を、面状照明装置の点状光源に適した、サイドビュー型ＬＥＤとして構成した例を示している。まず、図３（ａ）の例では、板状の絶縁性基板２０の上面から下面に回り込むようにして、電極パターン（基材）２２が形成され、この電極パターンに対して、ダイアタッチ材１０ｂを介してＬＥＤチップ１０ａが接合されている。そして、ＬＥＤチップ１０ａの表側に設けられた電極パッド２４と、電極パターン２２とが、金ワイヤ２６によって電気的に接続されている。又、絶縁性基板２０上には、白色パッケージ２８が固定されている。白色パッケージ２８はランプシェードとして機能するものであり、ＬＥＤチップ１０ａを避けるための、すり鉢状の開口部２８ａを有している。そして、この開口部２８ａが、封止樹脂３０によって封止されている。又、絶縁性基板２０の下面に巻き込まれた配線パターン２２は、粘着テープ３２その他の適切な固定手段（例えば、半田付け）によって、バックライト筐体１０４（図５（ｂ）参照）に固定されている。

ところで、絶縁性基板２０、白色パッケージ２８は、ＬＥＤチップ１０ａからの光の反射率が高く、耐熱性に優れ、形成が容易なものが望ましく、例えば、ポリフタルアミド等のナイロン系の樹脂、各種液晶ポリマー等の熱可塑性樹脂が用いられる。なお、縁性基板２０と白色パッケージ２８とは、白色樹脂を用いて一体成形されていてもよい。封止樹脂３０は、例えば、硬質シリコーン系樹脂中に黄色発光の蛍光体であるセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）微粒子を混入したものである。又、ＬＥＤチップ１０ａは、例えば、サファイヤ基板上に、ＧａＮ、ＧａＡＩＮ等の窒化物系化合物半導体の積層からなる発光層が形成されたもの（青色発光の素子）が用いられている。

なお、図３（ｂ）の例は、図３（ａ）に示された電極パターン２２の、ＬＥＤチップ１０ａ実装下部を、バックッライト筐体１０４に直接密着させるための、放熱ブロック３４が設けられたものである。そして、この放熱ブロック３４により、ヒートシンクとして機能するバックッライト筐体１０４への、直接的な放熱経路を構成することで、更なる放熱性の向上を企図したものである。この放熱ブロック３４は、配線パターン２２と同様に銅製であっても良く、その他の熱伝導率の高い素材を用いるものであっても良い。

又、図４（ａ）の例は、本発明の実施の形態に係る発光装置１０を、トップビュー型ＬＥＤとして構成した例を示している。トップビュー型ＬＥＤは、シーリングライトやダウンライト等の照明装置の光源に適したものである。そして、図３（ａ）に示されたサイドビュー型ＬＥＤとの相違点は、サイドビュー型ＬＥＤが板状の絶縁性基板２０の下面に回り込むようにして、電極パターン（基材）２２が形成されているのに対し、図４（ａ）のトップビュー型ＬＥＤは、電極パターン（基材）２２が絶縁性基板２０の側面から外部に露出している点にある。又、シーリングライトやダウンライトの光源として使用する際には、絶縁性基板２０及び電極パターン２２は、粘着テープ３２その他の適切な固定手段（例えば、半田付け）によって、照明器具のヒートシンク３６に固定される。図４（ｂ）の例は、図４（ａ）に示された電極パターン２２の、ＬＥＤチップ１０ａ実装下部を、ヒートシンク３６に直接密着させるための、放熱ブロック３４が設けられたものである。
その他の構成については、図３（ａ）、（ｂ）に示されたサイドビュー型ＬＥＤと同様であり、詳しい説明を省略する。

さて、上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。まず、本発明の実施の形態によれば、ダイアタッチ材１０ｂ内部の磁性フィラー１２を通じて、ＬＥＤチップ１０ａの熱が基材１０ｃへと分散される。又、ＬＥＤチップ１０ａの発光が、ダイアタッチ材１０ｂ内部の磁性フィラー１２の表面の、銀の層１２ｂによって反射され、ＬＥＤチップ１０ａの出射面（上面）から、外部へと放出されることとなる。よって、従来のＬＥＤ１０２のごとく、裏面に反射膜を形成することなく、高輝度かつ高い放熱性を備えるＬＥＤ１０を構成することができる。
又、ダイアタッチ材１０ｂ内部において、磁性フィラー１２により構成されたネットワーク構造、すなわち熱伝導ネットワーク構造１４によって、ＬＥＤチップ１０ａの熱がダイアタッチ材１０ｂを介して基材１０ｃへと分散される。しかも、少なくとも、ＬＥＤチップ１０ａ及び基材１０ｃを最短距離で結ぶ、ＬＥＤチップ１０ａ及び基材１０ｃの積層方向へと、ＬＥＤチップ１０ａの熱が分散されることで、高輝度かつ高い放熱性を備えるＬＥＤ１０を構成することができる。

又、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示されるように、磁性フィラーが混入された樹脂材料が磁場中硬化されることにより、磁場の方向に応じた熱伝導ネットワーク１４がダイアタッチ材１０ｂ内部に構成される。そして、ダイアタッチ材１０ｂ内部の熱伝導ネットワーク１４の敷設方向に応じてＬＥＤチップ１０ａの熱が分散されるものである。このように、磁界を利用して磁性フィラー１２を整列させ、好ましくは隣接する磁性フィラー１２同士の端部を接触させることで、ダイアタッチ材１０ｂを構成する樹脂に混入する磁性フィラー１２の充填率を高めることなく、熱伝導ネットワーク構造１４を形成することができる。又、磁界を利用して磁性フィラー１２を整列させることで、磁性フィラー１２が混入された樹脂材料が硬化完了するまでの間に、磁性フィラー１２が沈降して、磁性フィラー１２の分布に、熱伝導率及び光の反射効率を低下させるような偏りが生じることもない。
従って、本発明の実施の形態に係るＬＥＤ１０を光源として用いた面状照明装置、シーリングライトやダウンライト等の照明装置は、何れも、低コストでかつ高輝度を実現することができる。

１０：ＬＥＤ、１０ａ：ＬＥＤチップ、１０ｂ：ダイアタッチ材、１０ｃ：基材、１２：磁性フィラー、１２ａ：磁性体粒、１２ｂ：銀、１４：熱伝導ネットワーク構造、 １６、１６Ａ、１６Ｂ：磁界、 １８、１８Ａ、１８Ｂ：コイル、２０：絶縁性基板、２２：電極パターン、２８：白色パッケージ、２８ａ：すり鉢状の開口部、３０：封止樹脂、３２：粘着テープ、３４：放熱ブロック、３６：ヒートシンク

Claims (4)

1. 発光素子チップを基材に接合するためのダイアタッチ材として、反射材料が表面にコートされた磁性フィラーを含有する接着剤が用いられていることを特徴とする発光装置。
2. 前記磁性フィラーの表面にコートされた反射材料が、銀であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記ダイアタッチ材に含有された磁性フィラーにより、前記発光素子チップと前記基材との間で配向され、ネットワーク構造が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
4. 導光板と、該導光板の一側端面に配置される点状光源とを含み、該点状光源から前記導光板へと入射する光が、前記導光板の少なくとも何れか一方の主面より出射されることで、前記導光板が全体的に発光する面状照明装置であって、該点状光源として、請求項１から３のいずれか１項記載の発光装置を具備することを特徴とする面状照明装置。