JP2012209348A - 発光装置及びこれを備えた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】本実施形態は、部品点数を増加することなく、電気的接続又は機械的接続の信頼性が高い発光装置及びこの発光装置を備えた照明器具を提供する。
【解決手段】
本実施形態によれば、セラミックス製の基材１２の実装面に直接接合又は蝋着されて所定のパターンで配設された正面金属部材１４に連続して形成された連結部である給電部１６が、正面金属部材１４よりも高さ寸法が大きくなるように形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＥＤチップ等の半導体発光素子を備える発光装置、及びこの発光装置を光源として備える照明器具に関する。

従来、半導体発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）チップを用い、このＬＥＤチップを１Ｗ以上の電力で点灯させる発光装置において、この発光装置のＬＥＤチップが実装される基板に、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板を用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

前記ＤＣＢ基板は、絶縁コアと、このコアの一面に所定のパターンで接合された第１金属層と、絶縁コアの前記一面と反対側の面に接合された第２金属層とを備えている。絶縁コアはセラミックス製であり、第１、第２の金属層は銅製である。第１、第２の金属層は直接接合又は蝋着によりセラミックス製の絶縁コアに接合されていて、第１金属層に複数のＬＥＤチップが実装されている。そして、第１金属層側に設けられている給電用の端子が基板の第１金属層にはんだ付け接続されている構成である。

特開２００５−７９５９３号公報

このような従来の発光装置において、給電部をはんだ付けによって設けてしまうと、高い温度環境での使用や点灯消灯による温度変化によって、はんだにクラックなどの劣化が発生するおそれがある。そこで、第１金属層と一体で給電部を形成することも考えられる。

しかしながら、単に第１金属層と連続して給電部を形成しようとすると強度が不足してしまう虞がある。その理由は、主として第１金属層は、導電パターンやＬＥＤチップを実装する領域として機能すればよいため偏平形状の薄形に形成されるものである。そして、このような第１金属層と連続して給電部を形成してしまうと給電部の接続部分は薄肉で形成されるため剛性が弱く電気的接続を行なう場合に不具合を生じる可能性があった。また、同様に仮に第１金属層を延設して固定部として用いようとしても上記同様に剛性が弱く機械的接続の強度維持が行なえない虞があった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、部品点数を増加することなく、電気的接続又は機械的接続の信頼性が高い発光装置及びこの発光装置を備えた照明器具を提供することを目的とする。

本発明の本実施形態における発光装置は、実装面及びこの実装面に対して反対側の裏面を有するセラミックス製の基材と、基材の実装面に直接接合又は蝋着されて所定のパターンで配設された正面金属部材と、正面金属部材と連続して形成されており、基材の外周よりも延出するように設けられるとともに、正面金属部材よりも高さ寸法が大きくなるように形成された連結部と、基材の裏面に直接接合又は蝋着された裏面金属部材と、正面金属部材に実装される半導体発光素子とからなる。

本発明の実施形態によれば、電気的接続又は機械的接続のために部品点数を増加することがないし、各接続の信頼性を高めることができる発光装置及びこの発光装置を備えた照明器具を提供できる。

本実施形態の発光装置を示す正面図である。 同じく図１の発光装置を示す裏面図である。 同じく図１の発光装置をＬＥＤチップが実装される前の状態で示す正面図である。 図１中矢印Ｆ８−Ｆ８線に沿う断面図である。 図１の発光装置が有するＬＥＤチップの配列パターンを示す平面図である。 図１の発光装置が有する給電部と給電端部との高さ寸法を示す説明図である。

実施形態に係る発光装置において、基板には、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＤＢＡ（Direct Brazing Aluminum）基板、ＡＭＣ（Active Metal Brazed Copper）基板等を用いることができる。ＤＣＢ基板は、セラミックス基材に金属部材として銅板を直接接合して形成されたものである。ＤＢＡ基板は、セラミックス基材に金属部材としてアルミニウム板を蝋着して形成されたものである。ＡＭＣ基板は、セラミックス基材に金属部材として銅板を蝋着して形成されたものである。

また、実施形態において、セラミックス基材には、Ａｌ２Ｏ３、ＡＬＮ、ＳｉＮ等の材料を用いることができる。

また、実施形態において、正面金属部材を所定のパターンで実装面に設けるには、一枚の金属部材を予め金型等で所定のパターンに打ち抜き成形したものを、セラミックス等の基材に接合した後、この金属部材の必要な部分間に設けられていてこの必要部分を支持していたブリッジ部等の不要な部分を切除して実現できる。或いは、一枚の金属部材をセラミックス基材に接合した後、エッチングによって所定のパターンに形成することもできる。

また、実施形態において、半導体発光素子には、例えばＬＥＤチップや有機ＥＬ等を用いることができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。発光装置２は、ＣＯＢ（chip on board）型のものであって、図１〜図５に示すように基板１１と、複数の半導体発光素子例えばＬＥＤチップ２１と、枠部材２５と、透光性の封止部材２７等を具備している。

基板１１は例えばＤＣＢ基板からなる。具体的には、図３等に示すように基材１２と、正面金属部材１４と、給電部１６と、裏面金属部材１８を備えている。

基材１２は、Ａｌ２Ｏ３、ＡＬＮ、ＳｉＮ等のセラミックス材料の平板で形成されている。図１及び図３に示すように板状の基材１２は、その周部例えば四隅の内の二つの隅部に凹部１２ａを有している。これら一対の凹部１２ａは、１８０°隔たって基材１２の対角線上に設けられている。これとともに、一対の凹部１２ａは、基材１２の周部を切り欠くように設けられていて、基材１２の周面及び厚み方向に夫々開放されている。

図１に示すように基材１２の正面をなす一面はＬＥＤチップ２１が実装される実装面１２ｂであり、基材１２の裏面１２ｃは実装面１２ｂと反対側の他面からなり、これら両面は平行である。

正面金属部材１４及び給電部１６は基材１２に対してその正面側に配置されている。詳しくは、基材１２の実装面１２ｂにＤＣＢ法により正面金属部材１４及び給電部１６が直接接合されている。正面金属部材１４はＬＥＤチップ２１の放熱及びこのチップの光りを反射するために設けられている。

裏面金属部材１８は基材１２に対してその裏面１２ｃ側に配置されている。詳しくは、基材１２の裏面１２ｃにＤＣＢ法により裏面金属部材１８が直接接合されている。正面金属部材１４、給電部１６、及び裏面金属部材１８はいずれも銅板である。

ＤＣＢ法による直接接合では、銅板の一面に酸化銅被膜を形成し、この酸化銅被膜をセラミックス製の基材１２に向けて基材１２に前記銅板を配置し、加熱炉において銅板の溶融温度より低く酸化銅被膜の溶融温度より高い温度で加熱することにより、銅板とセラミックス製の基材１２の接合界面に共晶溶融物を形成して、この共晶溶融物により前記銅板を基材１２の実装面１２ｂ又は裏面１２ｃに接合する。

実装面１２ｂに直接接合された正面金属部材１４は、マトリクス状に分割された複数のパターン部１４ａからなる。図５に示すように各パターン部１４ａは複数のＬＥＤチップ２１の実装位置に対応して縦横に間隔的に並べられ既述のようにマトリクス状に配設されている。

実装面１２ｂに直接接合された給電部１６は、パターン部１４ａの配列方向（例えば図５において左右方向）にこれらパターン部１４ａを間に置いて、これらパターン部１４ａの両側に隣接して配置されている。これら一対の給電部１６の一端部が実装面１２ｂに直接接合されていて、パターン部１４ａの配列方向の端に配置されたパターン部１４ａに夫々隣接して設けられている。

各給電部１６の他端部は、連結部である給電端部１６ａとして用いられ、基材１２の周部から基材１２外に向けて真っ直ぐに突出されている。この給電端部１６ａはその高さ位置を変えることなく例えば実装面１２ｂと平行に設けられている。この給電部１６は基材１２の中心に対し点対称に設けられているとともに、その給電端部１６ａは図１及び図３に示すように基材１２の凹部１２ａに対してずれて配置されている。給電部１６には図示しない給電用の絶縁被覆電線が接続される。

なお、図５に示すようにＬＥＤチップ２１を一方の配列方向毎に直列に接続したＬＥＤ直列回路を複数設けたので、ＬＥＤ直列回路毎に給電をする給電部１６が既述のように左右に一対形成されている。しかし、全てのＬＥＤチップ２１を直列に接続して給電する場合には、直列接続の両端位置のパターン部１４ａに隣接して給電部１６を形成すれば良い。

正面金属部材１４及び給電部１６の表面には、これら正面金属部材１４及び給電部１６より遥かに薄い図示しない金属層が積層されている。この金属層は、前記表面に例えば略３μｍの厚みでメッキされたニッケルメッキ層等からなる下地メッキ層と、この上に例えば略０.３μｍの厚みでメッキされた表層メッキ層とからなり、表層メッキ層は例えば銅又は銀或いは金等のメッキ層からなる。表層メッキ層を銀メッキ層で形成することは、正面金属部材１４をなす各パターン部１４ａでの光反射性能を高く確保できる点で好ましい。

基材１２の実装面１２ｂに正面金属部材１４及び給電部１６を所定のパターンで配設するには、所定厚みを有する一枚の金属材例えば銅板を、打ち抜きプレス機の金型等で所定のパターンに打ち抜き形成したものを実装面１２ｂに直接接合し、メッキ処理を施した後、実装面１２ｂに接合されている銅板からなる金属材の内で、必要な部位同士を接続していたブリッジ部の不要な部分を切除することによって実現できる。或いは、所定の厚みを有しかつ所定の大きさに形成された一枚の銅板からなる金属材を、基材１２の実装面１２ｂに直接接合した後、エッチングによって不要な部位を野祖いて所定のパターンに形成し、その後、残った必要部分、つまり、正面金属部材１４及び給電部１６に対してメッキ処理を施すことで実現可能である。

基材１２の裏面１２ｃにＤＣＢ法により直接接合された裏面金属部材１８は、基板１１の反り防止及び放熱等のために設けられていて、好ましくは図６に示すように基材１２の裏面１２ｃの略全域を覆っている。この裏面金属部材１８は、平板であるとともに、図１〜図３に示すように複数例えば２箇所に固定部１８ａを一体に有している。

固定部１８ａは、基材１２の周部より突出されていて、この基材１２の前記凹部１２ａに基材１２の裏側から臨んでいる。この固定部１８ａにねじ通し部例えばねじ通孔１９が形成されている。ねじ通し部は切り欠き状の凹みで形成することもできる。

板状の金属素材を材料として基材１２に接合された正面金属部材１４、給電部１６、及び裏面金属部材１８の厚みは、これらが基材１２に直接接合して設けられることにより所望の厚みとすることができ、例えば２００μｍ〜５００μｍの範囲で選択される。この厚みは金属メッキ層に比較して遥かに厚く、そのために、機械的強度を確保できる。

更に、裏面金属部材１８の厚みは、正面金属部材１４の給電部１６の厚みより薄い。こ

の裏面金属部材１８の厚みは、ＤＣＢ法による基板１１の製造での直接接合後に常温まで

温度降下する場合、正面金属部材１４側が凸となり裏面金属部材１８側が凹となるように

基板１１が反ることを抑制できるように、正面金属部材１４のパターンに応じて定められいる。

各ＬＥＤチップ２１には例えば青色発光をするＬＥＤチップが用いられている。これらのＬＥＤチップ２１は、図４に示すようにサファイア等からなる素子基板２１ａ上に単色の青色発光をする半導体発光層２１ｂが積層され、この半導体発光層２１ｂ上に正負一対の素子電極２１ｃが互いに配置された半導体ベアチップである。

ＬＥＤチップ２１は、その半導体発光層２１ｂと反対側に位置する素子基板２１ａの裏面をダイボンド材２２で各パターン部１４ａに夫々固定することによって基材１２の実装面１２ｂ上に実装されている。ダイボンド材２２は、銀ベースト又は樹脂接着剤例えば透明シリコーン樹脂等からなる。

各ＬＥＤチップ２１の実装は約３００℃の温度をかけながら行われる。この場合、正面金属部材１４及び給電部１６が基材１２の実装面１２ｂに占める面積と、裏面金属部材１８が基材１２の裏面１２ｃに占める面積との差、言い換えれば、これらの面積と厚みを元に換算が可能な基材表裏面での金属材のボリューム差に基づいて、基材１２の実装面１２ｂ側が凸となり裏面１２ｃ側が凹となるように基材１２が反ることを、正面金属部材１４及び給電部１６の厚みより裏面金属部材１８の厚みが薄いことにより抑制できる。

そして、本実施例によると、図４及び図５に示すように各ＬＥＤチップ２１の素子電極２１ｃとパターン部１４ａ及び給電部１６とはボンディングワイヤ２３によって電気的に接続されている。この場合、一方の極の素子電極２１ｃは、この電極を有したＬＥＤチップ２１が実装されたパターン部１４ａにボンディングワイヤ２３によって接続され、他方の極の素子電極２１ｃは、電極を有したＬＥＤチップ２１が実装されたパターン部１４ａに隣接した他のパターン部１４ａにボンディングワイヤ２３によって接続されている。更に、こうして直列接続されたＬＥＤチップ列の一端に位置したＬＥＤチップ２１の素子電極２１ｃが、一方の電極部１６にボンディングワイヤ２３によって接続され、前記ＬＥＤチップ列の他端に位置したＬＥＤチップ２１が実装されたパターン部１４ａが、他方の電極部１６にボンディングワイヤ２３によって接続されている。これにより、各ＬＥＤチップ列は、その列が延びる方向の両側に位置された給電部１６間に直列接続されている。

また、給電部１６は、正面金属部材１４と一体に形成されているが給電部１６のうちの基材１２から突出している給電端部１６ａは、正面金属部材１４及び基材１２と接合している給電部１６よりも高さ寸法が大きくなるように形成されているものである。この高さ寸法とは、正面金属基板１４及び給電部１６が基材１２に接合されている状態であって、基材１２、正面金属部材１４及び給電部１６の積層状態を正面から見た場合の正面金属部材１４の肉厚、同方向からの給電部１６及び同方向からの給電端部１６ａの肉厚の寸法のことを示す。そして、これを摸示的に示した図６において、高さ寸法Ａに対して、給電端部１６ａの高さ寸法Ｂの方が大きくなっている。また、本実施例においては、正面金属部材１４を基材１２にＤＣＢ法によって形成する際に給電部１６及び給電端部１６ａも一体で形成するものであるが、正面金属部材１４を基材１２に直接接合する過程において、基材１２に接合される正面金属部材１４部分及び給電部１６は、接合の過程で図６寸法Ａに示したように薄肉上の偏平形となる。これに対し、給電端部１６ａを基材１２から突出するような長さ寸法で給電部１６に予め形成することによって、延出した金属部分は基材１２との接合時による溶融等の影響を受け難いため、図６の寸法Ｂで示したように基材１２と接合する金属材よりも高さ方向に肉厚の形状となる。

このような給電部１６を形成することによって、給電端部１６ａの剛性を高めることが可能となる。そして、例えば給電部１６ａにおける電気的接続をスライド差込方式のコネクタ接続にする場合であっても接続動作時に給電端部１６ａが簡単に曲がってしまうような不具合を防ぐことができるし、例えば電気的接続を螺旋による螺合方式で実施しようとしても給電端部１６ａの曲がり過ぎによる電気的接続不良や給電端部１６ａ自体の切断等の不具合を抑制することができる。

なお、給電端部１６ａの構成箇所を本実施例のように構成する方法としては、正面金属部材１４及び給電部１６を基材１２にＤＣＢ法によって形成した後に肉厚の給電端部部１６ａを給電部１６に溶接等で固着することもできる。しかしながら、本実施例のように正面金属部材１４及び給電部１６と一体で給電端部１６ａを形成すると製造工程が煩雑とならないため製造コストを抑制することができるため好適である。

また、寸法Ａと寸法Ｂ好適な範囲としては寸法Ａに対して寸法Ｂが１０５％から１２０％の範囲に形成されているものである。この理由は、まず１０５％よりも小さい範囲となると剛性が正面金属部材１４及び給電部１６と略同一となることを示している。このことは、給電端部１６ａが所望の剛性となるようにするには、正面金属部材１４及び給電部１６の肉厚も給電端部１６ａに応じて設定することになってしまうので、正面金属部材１４及び給電部１６の材料取りが余分に多くなってしまうことになる。これでは、製造コストが上がってしまうと共に、製造時の基板と正面金属部材との接合条件を高めることになるため製造性も低下させることになって好適ではない。また、寸法Ａに対して寸法Ｂが１２０％以上にしようとすると正面金属部材１４及び給電部１６と同じ材料及び一体で給電端部１６ａを構成することは困難になるため、製造性が容易ではなくなり好適ではない。さらに、給電端部１６ａが肉厚すぎると、給電端部１６ａは、基材１２から突出する程度に長いものであるため、給電部１６と給電端部１６ａとの接合部分に応力がかかり、前記接合部が切断してしまう虞もある。したがって、製造性や製造コスト及び信頼性の観点から総合的に導かれた範囲は、上記１０５％から１２０％の範囲であった。

なお、本実施例においては、正面金属部材１４及び給電部１６と一体で形成したのは給電端部１６ａであるが、給電構造のみならず、基板１１を固着するための固着部を形成するものであっても適用できるものである。この場合は、給電部１６が電位を有している場合、絶縁性を確保するための構成が固着部に付与されるものである。そして、図示はしないが、本実施例の発光装置２は、例えばスポットライトや電球形状の照明装置等の器具本体に発光装置２を配置して使用する照明装置に適用することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…発光装置、１２…基材、１４…正面金属部材、１６ａ…連結部である給電端部、１８…裏面金属部材

Claims (2)

1. 実装面及びこの実装面に対して反対側の裏面を有するセラミックス製の基材と；
   基材の実装面に直接接合又は蝋着されて所定のパターンで配設された正面金属部材と；
   正面金属部材と連続して形成されており、基材の外周よりも延出するように設けられるとともに、正面金属部材よりも高さ寸法が大きくなるように形成された連結部と；
   基材の裏面に直接接合又は蝋着された裏面金属部材と；
   正面金属部材に実装される半導体発光素子と；
   を具備することを特徴とする発光装置。
2. 請求項１記載の発光装置と；
   発光装置が設けられる器具本体と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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