JP2014167908A - 高効率放熱構造を備えた電球型ｌｅｄ照明機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
電球型のＬＥＤ照明機器においては、特に６０Ｗ級以上を電球の寸法を変えないで、８００ルーメン以上の輝度を達成する必要があり、そのためには、ＬＥＤ基板の高効率の放熱を可能にする画期的なＬＥＤ基板の開発が求められている。
【解決手段】
この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器は、ＬＥＤ基板の材料としてサファイアの単結晶もしくは多結晶を使用し、その底面または両面に銅またはアルミニウムの放熱用金属基板を接合した構造の積層基板と、該積層基板の放熱用金属基板に放熱器を接続したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

ＬＥＤ基板の材料としてサファイアの単結晶もしくは多結晶を使用した高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器に関する。

半導体ＬＥＤを用いた照明は省電力化の本命となってきており、またＬＥＤ素子の発光輝度は年々改善され、１２０ルーメン（ｌｍ）から１５０、さらに２００ルーメンに達しようとしている。一方、ＬＥＤ素子に入力される電気エネルギーの大半は、ＬＥＤ素子自体の発熱に消費されるため、光エネルギーへの変還効率は高くないのが大きな問題とされている。

１）ＬＥＤ照明機器は４０，０００時間以上と長寿命なのに、取り替え式の従来の電球や蛍光管との互換性を市場から求められている。
このように、ＬＥＤ照明機器が電球型や蛍光管型から離れられないのは、経過的かもしれないが根強いものがある。
２）発光色の好みが普及の障害となっていたが、種々の改良によって解決に向かっている。
３）ＬＥＤ素子単体の発光量が充分でなかったところ、近年は１２０〜１５０ルーメンが、選択的に達成されているが、上述のように技術的には、ＬＥＤ基板の放熱がより重要な課題となっている。
より詳しくは、白熱電球が光と同時に赤外線として熱を放射するのに対し、ＬＥＤ照明では赤外線は放射されない。その分、ＬＥＤ素子自体が発熱してしまう。
そこで、ＬＥＤ素子にはそれぞれに「絶対最大定格温度」があってこの温度以下を保つことが必須となっている。この定格温度を一瞬でも超えると製品に劣化や破損が起こる可能性があるためである。この絶対最大定格温度とはジャンクション温度を指す。

したがってＬＥＤ照明機器としては、ＬＥＤ素子を搭載する基板の放熱能力を高めた構造の開発が緊急の課題となっている。
そのため例えば、特開２００７−１４２１７３号公報（特許文献１参照）には、高い熱伝導性と透光性を有する窒化アルミニウム、サファイア、酸化ガリウム、又は、ＳｉＣからなる基板と、基板に実装された発光素子と、発光素子を覆い発光素子からの出射光を反射して前記基板を透過させる反射部材とを有する構成が提案されている。

特開２００５−５５４４号公報（特許文献２参照）には、蛍光体と発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み合わせてなる発光素子であって、前記蛍光体は、熱伝導率λ（Ｗ／ｃｍＫ）と前記ＬＥＤからの光に対する吸収係数α（１／ｃｍ）との関係が、λα＞２である材料から選ばれ、かつ、前記ＬＥＤに用いる基板がＳｉＣ、ＧａＮ及びＡｌＮのいずれかから選ばれ、該ＬＥＤと前記蛍光体が接して配置されるか、または、前記ＬＥＤに用いる基板がサファイアであり、該ＬＥＤの基板側に前記蛍光体が接して配置された構造が提案されている。

特開２００４−１５２８０８号公報（特許文献３参照）における構造は、青色発光ダイオードチップからなる半導体発光素子と、半導体発光素子がフリップチップ実装される実装基板とを備えている。半導体発光素子は、サファイア基板からなるベース基板の一表面側に発光部が形成され、発光部にアノード電極およびカソード電極が設けられている。実装基板は、第１の金属板と第２の金属板とが電気絶縁性を有する絶縁性材料からなる絶縁部により連結されている。実装基板には、半導体発光素子のアノード電極がバンプを介して第１の金属板に電気的に接続され、半導体発光素子のカソード電極がバンプを介して第２の金属板に電気的に接続されている。

特開２００７−１４２１７３号公報 特開２００５−５５４４号公報 特開２００４−１５２８０８号公報

一般にＬＥＤ素子は質量が小さいため、通電開始直後に発生する熱によるダメージが大きい。そのため、熱伝導率の優れた素材、例えばサファイアとアルミニウム板の接合複合材を使用すれば、概略３０％の放熱性能の改善が見られた。しかしながら、非常に短い時間でも熱がこもると発光効率の低下とＬＥＤ素子の耐久性に影響することが確認されている。このように、ＬＥＤ素子は極めて狭い面積で急峻に発生する熱を瞬時に吸収し放熱する必要がある。
このような課題の解決のためには、基板上の指定位置に配置したＬＥＤ素子の真下で局所的かつ急峻な発熱を即時に吸収して放熱することが必要となる。
本発明はこのような放熱対策として、ＬＥＤ素子の底部に接触する放熱板と直結した放熱端子を設けたものであり、結果としてＬＥＤ素子は点灯時にかかる急瞬な加熱負荷を瞬時に吸収して放熱することが可能となり、その有効性が確認されたのである。

すなわちこの発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器は、ＬＥＤ基板の材料としてサファイアの単結晶もしくは多結晶を使用し、その底面または両面に銅またはアルミニウムの放熱用金属基板を接合した構造の積層基板を備え、ＬＥＤ素子の底面に放熱用金属基板と直結した放熱端子を取り付けたことを特徴とするものである。

この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器において、前記サファイアの単結晶もしくは多結晶からなるＬＥＤ基板は、前記ＬＥＤ素子の配置部分の中央部に溝を形成し、これと接合する放熱用金属基板の該当部位に設けた凸部を前記溝に係合させて、ＬＥＤ素子の底面と該放熱用金属基板の凸部からなる放熱端子とを直接接合したことをも特徴とするものである。

この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器において、前記サファイアの単結晶もしくは多結晶からなるＬＥＤ基板は、該基板を貫通する両端において同一径の筒状孔ないしテーパ形の筒状孔を形成され、前記筒状孔内に銅またはアルミニウムの放熱用金属を埋め込むことにより、ＬＥＤ素子底面を該放熱用金属からなる放熱端子と直接接合したことをも特徴とするものである。

以上のように、ＬＥＤ基板の材料として熱伝導率の高いサファイア基板を使用し、さらに基板の底面に銅またはアルミニウム等の金属を貼り合せる加工を行い、点灯時に発生するＬＥＤ素子からの発熱を、一次的には熱伝導率の優れたサファイア基板やさらに貼り合せた熱伝導率の優れた銅またはアルミニウム板で吸収し、熱を束帯化して放熱器（ヒートシンク）に誘導するのである。
さらに貼り合せた積層基板と放熱器（ヒートシンク）は極低温半田等により接続することが望ましい。

この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器は以上のように構成したので、次のような作用効果を奏することができる。
すなわち、一見途方もない高価と思われる材料である「サファイア」を提案したのは、従来の６０Ｗ型の白熱電球の寸法・形状のまま８００ルーメン以上の輝度を達成するために、極めて強力なヒートシンク機構が必須だったからである。
さらに「サファイア」をＬＥＤ発光素子の基板材料に使用した理由は、サファイアが熱伝導性に優れ、急激な熱変化に対応でき、機械的強度および対化学反応にも耐える強靭な材料だからである。

この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器の１実施例を示す概略断面図である。 ＬＥＤ基板部分の詳細を示す概略断面図である。 （ａ）は貫通部１６として貫通溝１６ａを採用した場合の１例を示す概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 （ａ）は貫通部１６として貫通溝１６ａを採用した場合の変形例を示す概略平面図、（ｂ）はアルミニウム板１２の概略端面図である。 （ａ）は貫通部１６として貫通孔１６ｃを採用した場合の変形例を示す概略平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子部分の拡大平面図、（ｃ）はＬＥＤ素子部分の変形例を示す拡大平面図である。

以下図面に基いて、この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器を説明する。
この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器の概略を示す図１において、サファイアの単結晶もしくは多結晶を使用したサファイア基板１１を用意し、その底面または両面にアルミニウム板１２を接合する。この接合に際しては、常温あるいは加熱を伴うような表面活性化接合タイプの接合や原子拡散接合タイプの接合等の加圧接合、異種の素材を接着できる特殊な接着剤を用いた接合方法や、その他の接合手段を適宜採用することができる。
なお、図１においてはアルミニウム板１２を例示したが、銅やその他の熱伝導性の良好な金属板を使用することができるのはいうまでもない。

このようにサファイア基板１１とアルミニウム板１２とを接合した積層基板１０には、得ようとする照度に応じて必要な個数のＬＥＤ素子１３が搭載されている。
もちろん、消費者の発光色の好みに合わせるよう、ＬＥＤ素子１３として白色ＬＥＤのみならず、所望の色合いに発光させることができるＬＥＤ素子１３の組合せを用いてもよい。

また、前記積層基板１０は、口金２１上のヒートシンク構造物２２に電源ユニット２３を搭載し、その上に立設した支持脚２４を介して所定の高さに保持されている。図において２５は、上端を前記積層基板１０の底面に接合し、下端を前記ヒートシンク構造物２２に接続したアルミニウム等からなるヒートシンク用支柱であり、前記積層基板１０の底面との接合面はより大きな面積となるようテーパ状に拡径されている。

すなわち、ＬＥＤ素子１３から発生する熱を、第一次的にはサファイア基板１１で、第二次的には貼り合せたアルミニウム板１２で熱流束をアルミニウム製ヒートシンク用支柱２５に流し、ヒートシンク構造物２２から放熱して前記積層基板１０の過熱を制御する方式である。
なお、前記ＬＥＤ素子１３は熱に弱いためターミナル端子に半田が使用できない。したがって、アルミニウム製ヒートシンク用支柱２５と積層基板１０の裏面のアルミニウム板１２とは、極低温半田にて接合することが望ましい。

図１において２６は電球型とするためのバルブで、ガラスその他のセラミック素材や耐熱性プラスチック、その他の材料で透明ないし半透明に形成され、ＬＥＤ素子１３からの光を透過できるよう構成したものである。

ＬＥＤ基板部分の詳細を示す図２において、サファイア（単結晶または多結晶）基板１１および放熱用のアルミニウム板１２からなる積層基板１０上には、ＬＥＤ素子１３が所定の間隔で搭載され、各ＬＥＤ素子１３の端子１３ａと各ＬＥＤ素子１３間に配置したＡｇ電極パッド１４とはワイヤ１５等で電気的に接続されている。
他方、前記積層基板１０のＬＥＤ素子１３が設置されている中央部には０．６ｍｍ程度の径もしくは幅に貫通部（貫通溝あるいは貫通孔）１６が設けてある。そしてこの貫通部１６内に充填ないし配置したアルミニウム接続部材（板状あるいは棒状）からなる放熱部材１７を直接ＬＥＤ素子１３のほぼ中央部に接続している。

図３（ａ）は貫通部１６として貫通溝１６ａを採用した場合の１例を示す概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
この例では、サファイア基板１１に接合するアルミニウム板１２の一部を切開し、切開した部位を直角に折り曲げてなる凸部１６ｂが上記の貫通溝１６ａにはめ合わされて接合した構造を示している。もちろん、積層基板１０の表面を均一にする必要がある。
図３において、１３は貫通溝１６ａに沿ってその上に搭載したＬＥＤ素子、１４は適宜位置に配置したＡｇ電極パッドである。

図４（ａ）は貫通部１６として貫通溝１６ａを採用した場合の変形例を示す概略平面図、（ｂ）はアルミニウム板１２の概略端面図である。
この例では、図３の例と同様にサファイア基板１１に接合するアルミニウム板１２の一部を切開している。そして、切開した部位を直角に折り曲げてなる凸部１６ｂが上記の貫通溝１６ａにはめ合わされて接合される構造を示している。もちろん、積層基板１０の表面を均一にする必要がある。
図４において、１８は外側の貫通溝１６ａの外側および内側の貫通溝１６ａの内側に沿って切開したアルミニウム板１２の開口部で、この開口部１８は放熱性を高めるとともには発光した光を裏面に通す役目も果たすことができる。
なお、前記アルミニウム板１２の開口部１８の切開手段としては、積層前のプレス加工やエッチング加工等があげられる。

図５（ａ）は貫通部１６として貫通孔１６ｃを採用した場合の変形例を示す概略平面図、（ｂ）はＬＥＤ素子部分の拡大平面図、（ｃ）はＬＥＤ素子部分の変形例を示す拡大平面図である。
この例では、サファイア基板１１の一部を円形に所定間隔で切開し、切開した貫通孔にアルミニウム素材を充填した柱状連結部１６ｄを上記の貫通孔１６ｃにはめ合わされて接合した構造を示している。もちろん、積層基板１０の表面を均一にする必要がある。
図５（ｂ）は前記貫通孔１６ｃの例として円形の貫通孔を、図５（ｃ）は前記貫通孔１６ｃの別の例として方形の貫通孔をそれぞれ示すものである。

なお、アルミニウム板１２等で構成するＬＥＤ基板を電球構造内において放熱構造物に放熱（ヒートシンク）のために接続する構造において、熱伝導性を損なうことなく堅牢に接続する方法としてはレーザ照射方式以外に望ましい方策はないように思われる。

この発明の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器によれば、長時間使用しても著しい温度上昇を招くことがないので、通常の住宅や事務室の照明機器としてのみならず、車載用や各種の測定機器における照明機器や照明器具として幅広い用途に使用することができる。

１０ 積層基板
１１ サファイア基板
１２ アルミニウム板
１３ ＬＥＤ素子
１３ａ 端子
１４ Ａｇ電極パッド
１５ ワイヤ
１６ 貫通部
１６ａ 貫通溝
１６ｂ 凸部
１６ｃ 貫通孔
１６ｄ 柱状連結部
１７ 放熱部材
１８ 開口部
２１ 口金
２２ ヒートシンク構造物
２３ 電源ユニット
２４ 支持脚
２５ ヒートシンク用支柱
２６ 電球型バルブ

Claims (3)

1. ＬＥＤ基板の材料としてサファイアの単結晶もしくは多結晶を使用し、その底面または両面に銅またはアルミニウムの放熱用金属基板を接合した構造の積層基板を備え、ＬＥＤ素子の底面に放熱用金属基板と直結した放熱端子を取り付けたことを特徴とする高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器。
2. 前記サファイアの単結晶もしくは多結晶からなるＬＥＤ基板は、前記ＬＥＤ素子の配置部分の中央部に溝を形成し、これと接合する放熱用金属基板の該当部位に設けた凸部を前記溝に係合させて、ＬＥＤ素子の底面と該放熱用金属基板の凸部からなる放熱端子とを直接接合したことを特徴とする請求項１記載の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器。
3. 前記サファイアの単結晶もしくは多結晶からなるＬＥＤ基板は、該基板を貫通する両端において同一径の筒状孔ないしテーパ形の筒状孔を形成され、前記筒状孔内に銅またはアルミニウムの放熱用金属を埋め込むことにより、ＬＥＤ素子底面を該放熱用金属からなる放熱端子と直接接合したことを特徴とする請求項１記載の高効率放熱構造を備えた電球型ＬＥＤ照明機器。

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