JP2015159165A - 半導体発光装置および放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効率の高い半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子３と、半導体発光素子３が実装された基板１とを有し、基板１には、半導体発光素子３が実装されている側の面に、半導体発光素子３を覆うように放熱レンズ２が搭載されている。放熱レンズ２は、半導体発光素子３がそのエネルギーギャップにより放射する放射光３０、および、半導体発光素子３が熱放射する赤外光３１に対して透明である。放熱レンズ２の放射光３０および赤外光３１についての屈折率は、半導体発光素子３の放射光３０および赤外光３１についての屈折率よりもそれぞれ大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱効率を高めた放熱装置に関し、特に放熱効率の高い半導体発光装置に関する。

半導体デバイスのハイパワー化に伴い、半導体発光素子を冷却するための放熱技術が重要となっている。一般的には、ヒートシンクを利用した冷却手段が知られており、受動的冷却手段と能動的冷却手段とに分けることができる。前者は、熱容量の大きなヒートシンクや放熱フィンを備えたヒートシンクを用い、空気の対流熱損失によって冷却を行うものである。後者は、特許文献１，２に開示されているように、ヒートシンク内に冷却水等の流体を流して熱を奪い取る構造のものである。

近年、更なる高出力化や高輝度化等が要求される半導体発光装置においては、効率よく冷却ができる冷却手段が望まれている。

特開平８−１３９４７９号公報 特開２００６−１９６７６号公報

半導体発光装置に能動的冷却手段を用いた場合、冷却水等の流体を利用するため、半導体発光装置自体の体積・重量が大型化し、延いては高額な発光装置となってしまう。また、温度上昇した冷却水等の流体を別系統の電力を利用して冷却する必要があるため、冷却装置を含めた半導体発光装置全体のエネルギー効率で計算すると、半導体発光装置の効率は低減してしまう。特に、一般照明への応用を意図したＬＥＤ照明分野においては、価格・重量・装填体積等の観点から能動的冷却手段を利用することは困難である。

一方、半導体発光装置に受動的冷却手段を用いた場合、空気の対流熱損失により冷却するため冷却効率が悪い。特に、閉空間・静止大気中で使用した場合、冷却能力は悪くなる。

また、いずれの場合もヒートシンクと半導体発光素子の実装基板（セラミックパッケージ）との密着性、ならびに、半導体発光素子と実装基板との密着性が、冷却効率に影響するという問題もある。ヒートシンクと実装基板の界面、および、半導体発光素子と実装基板の界面はそれぞれ、原子レベルで見ると、界面の原子同士は殆ど接触しておらず、点接触になっている。そのため、熱による原子の振動は界面で途切れる。これにより、界面で熱抵抗が上昇するという問題がある。

冷却水等の流体を用いず、かつ、空気の対流熱損失を利用しない放熱技術としては、放射熱損失を利用する手法がある。例えば、半導体発光素子の表面積を１ｃｍ^２として、半導体発光素子の放射率を仮に１とした場合、半導体発光素子の表面温度（Ｔｓ）が２００℃になっていたとすると、対流熱損失は高々１０ｍＷ程度であるのに対して、放射熱損失は２５０ｍＷ程度であるため、効率の良い放熱効果を得ることが出来る。なお、上記熱損失の計算においては、周囲温度（Ｔｒ）は２０℃、周囲への対流熱伝達率は静止大気中の値である５Ｗ／（ｍ^２Ｋ）を利用した。

対流熱損失と放射熱損失とで放射効果に大きな差が生じる理由は、以下の通りである。対流熱損失Ｐｃは、
Ｐｃ＝ｕ（Ｔｓ−Ｔｒ）＝ｕ（２００℃−２０℃）
で表され、物体の温度（Ｔｓ）と周囲温度（Ｔｃ）の温度差に比例した放熱を行う。ただし、ｕは物体の表面積と対流熱伝達率の積である。

これに対して、放射熱損失Ｐｒは、
Ｐｒ＝ｖ（Ｔｓ^４−Ｔｒ^４）＝ｖ（（２００℃）^４−（２０℃）^４）
で表され、物体温度（Ｔｓ）の４乗に比例した放熱を行うことが出来る。ただし、ｖは、物体の表面積と放射率とＳｔｅｆａｎ・Ｂｏｌｔｚｍａｎ定数との積である。

放射熱損失を利用した放熱も、一般的には放射率に依存し、かつ放射率は１以上の値を取ることが出来ないため、上記で記載した放熱量が最大値となる。しかしながら、現状の半導体発光素子に入力される電力は、凡そ、１ｃｍ^２当たり１Ｗ以上であるため、放射率１で計算した上記の放射熱損失量でも、半導体発光素子を冷却するには不十分である。そのため、更なる新原理に基づく効率の良い他の冷却手法の実現が望まれている。

本発明の目的は、放熱効率の高い半導体発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体発光装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子が実装された基板とを有し、基板には、半導体発光素子が実装されている側の面に、半導体発光素子を覆うように放熱レンズが搭載されている。放熱レンズは、半導体発光素子がそのエネルギーギャップにより放射する放射光、および、半導体発光素子が熱放射する赤外光に対して透明であって、放射光および赤外光についての屈折率が、半導体発光素子の放射光および赤外光についての屈折率よりもそれぞれ大きい。

本発明によれば、熱放射により放熱し、放熱効率の高い半導体発光装置を提供することができる。

黒体の放射スペクトルを示すグラフ。 実施形態の半導体発光装置の構造を示す説明図。 比較例の半導体発光装置構成を示す説明図。 比較例の封止樹脂の透過スペクトルの一例と、熱放射スペクトルを示すグラフ。 実施形態の半導体発光装置の別の構造例を示す説明図。 実施形態の半導体発光装置のさらに別の構造例を示す説明図。

物体を加熱することにより熱放射される光は、一般的に物体の放射率に依存した放射スペクトルを示すことが知られている。物体が黒体の場合は、放射率がすべての放射波長に亘って最大値の１を取り、以下の式（１）に示すプランクの放射則により、図１のような放射スペクトルを示す。

ただし、式（１）において、α＝３．７４７×１０^８Ｗμｍ^４／ｍ^２、β＝１．４３８７×１０^４μｍＫ、である。

本発明は、半導体発光素子やその実装基板等の物体が熱放射する赤外光を効率よく、外部に取り出すことにより、冷却効率を高める。

そのため、本発明の半導体発光装置は、図２に示すように、半導体発光素子３と、半導体発光素子３が実装された基板１とを有する構成であって、基板１には、半導体発光素子３が実装されている側の面に、半導体発光素子３を覆うように放熱レンズ２が搭載されている。放熱レンズ２は、半導体発光素子３がそのエネルギーギャップにより放射する放射光３０、および、半導体発光素子３が、上記式（１）により熱放射する赤外光の少なくとも一部の波長領域の光３１（以下赤外光３１と呼ぶ）に対して透明である。また、放熱レンズ２の、放射光３０および赤外光３１についての屈折率は、半導体発光素子３の放射光３０および赤外光３１についての屈折率よりもそれぞれ大きい。

このような屈折率の関係にすることにより、半導体発光素子３が熱放射する赤外光３１を、半導体発光素子と放熱レンズの界面でスネルの法則により全反射されることなく、放熱レンズ２に入射させることができる。即ち，半導体発光素子３内に閉じ込められていた赤外光３１を，高屈折率な放熱レンズ２で外部に強制的に放出させることができるので，赤外光３１を大気中に出力して放熱する場合と比較して大きな冷却効果を得ることできる。

また、放熱レンズ２の形状の効果により、赤外光は、放熱レンズ２と外部との界面２ａを通過して、外部に放射される。したがって、放熱レンズ２の界面２ａは、凸の曲面であることが望ましい。これにより、放熱レンズ２を通過する赤外光３１は、放熱レンズ２よりも外部の屈折率が小さくても、凸の曲面を臨界角以下の角度（曲面に垂直に近い角度）で通過し、高効率で外部に放射される。

このように、本発明では、半導体発光素子３を覆う放熱レンズ２を配置したことにより、熱放射により半導体発光素子３から放射される赤外光３１をスネルの法則により全反射させることなく、半導体発光素子３から放熱レンズ２に取り出し、放熱レンズ２の形状の効果により外部に放射するため、放熱効率を高めることができる。

このとき、放熱レンズ２は、赤外光３１に透明であるため、赤外光３１を吸収せず、効率よく放射できる。よって、放射熱損失により半導体発光素子３を高効率で冷却することができる。

また、放熱レンズ２は、半導体発光素子３がそのエネルギーギャップにより放射する放射光３０に対する屈折率が、半導体発光素子３よりも高いため、放射光３０についても全反射させることなく放熱レンズ２に入射させることできる。そして、放熱レンズ２の形状の効果により外部に放射することができる。即ち，半導体発光素子３内に閉じ込められていた放射光３０を，高屈折率な放熱レンズ２で外部に取り出すことができるので，放射光３０を大気中に出力する場合と比較して大きく増強させることできる。

例えば、半導体発光素子３の放射光３０が波長が４５０ｎｍであり、半導体発光素子３の温度が１５０〜２００℃である場合、式（１）による熱放射による赤外光３１の波長帯域は、凡そ１０００〜２０００ｃｍ^−１である。よって、放熱レンズ２を構成する材料としては、放射光３０および赤外光３１を吸収せず、かつ、これらの光に対する屈折率が、半導体発光素子３を構成する半導体，例えばＧａＮ（屈折率２．３），よりも屈折率よりも大きい材料を用いる。例えば、ＺｎＳ（屈折率２．４），ＺｎＳｅ（屈折率２．５），ＳｉＣ（屈折率２．７），ダイヤモンド（屈折率２．４）等を用いることができる。

図３に、比較例として、半導体発光素子３を一般的なドーム状の封止樹脂２０により封止した構造を示す。一般的には、封止樹脂２０として用いられるシリコーン系樹脂やカーボン系樹脂が用いられる。これらの樹脂の、熱放射による赤外光３１の波長帯域（凡そ１０００〜２０００ｃｍ^−１）に対する屈折率ｎ2は、１．５程度である。半導体発光素子３を構成する半導体，例えばＧａＮの屈折率２．３よりも小さい。よって、半導体発光素子３と放熱レンズ２との界面３ａにおいて、以下の式（２）で示されるスネルの法則により、臨界角θｃ以上で全反射が生じ、図３に示すように臨界角θｃ以上で界面３ａにおいて全反射される。よって、臨界角θｃ以上で界面３ａに入射する放射光および赤外光３１は、封止樹脂２０に入射することができず、外部に放射されない。
（数２）
ｓｉｎ(θ1)=(ｎ2／ｎ1)・ｓｉｎ(θ2)， （２）
ただし、θ1は、半導体発光素子３から出射された光が界面３ａに入射する角度、θ2は、界面３ａから放熱レンズ２に出射する角度である。ｎ1は、半導体発光素子３の屈折率、ｎ2は、放熱レンズ２の屈折率である。臨界角θｃは、θ2が９０度以上となるθ１の角度である。

また、封止樹脂２０としては、一般的にはシリコーン系樹脂やカーボン系樹脂が用いられるが、これらの樹脂は赤外光３１の波長域の透過率が低く、赤外光３１を吸収する。一例として、シリコーン系樹脂の透過率スペクトルを図４に示す。また、図４には、半導体発光素子３の温度が１５０〜２００℃である場合の熱放射による赤外光３１のスペクトル（凡そ１０００〜２０００ｃｍ^−１）も示す。樹脂の透過率は、赤外光３１の帯域において低いため、赤外光３１を吸収することがわかる。

よって、比較例では、臨界角θｃより小さい入射角で界面３ａに入射した赤外光３１は、放熱レンズ２０に入射できるが、封止樹脂２０により大部分が吸収される。

このように、従来の封止樹脂２０を用いた半導体発光装置では、半導体発光素子３から熱放射される赤外光３１は、界面３ａで全反射されてその一部しか封止樹脂２０に入射できず、しかも、入射した赤外光３１が、封止樹脂２０で吸収される。よって、極一部の赤外光３１のみが外部に放射される。したがって、放射熱損失により半導体発光素子３を冷却することができない。

なお、図２のように、基板１には、半導体発光素子３の熱が伝導して加熱され、基板は、その温度に応じた波長領域の赤外光３２を熱放射する。本発明の放熱レンズ２は、基板１にもその一部が接するため、放熱レンズ２の赤外光３２についての屈折率は、基板１の赤外光３２についての屈折率よりも大きいことが望ましい。これにより、基板１に半導体発光素子３の熱が伝導して基板１が加熱され、基板１が熱放射する赤外光３１についても放熱レンズ２は全反射させることなく取り込むことができ、外部に放射することができる。

基板１の半導体発光素子３が実装されている側の面とは逆側の面（裏面）からも、その温度に応じた波長域の赤外光３３が熱放射される。よって、基板１の裏面には、図５のように第２の放射レンズ５を配置してもよい。第２の放射レンズ５は、半導体発光素子３で加熱された基板３が熱放射する赤外光３３に対して透明であって、赤外光３３についての屈折率が、基板１の赤外光３３についての屈折率よりも大きいものを用いる。この場合は半導体発光素子３からの放射光透過性を考慮する必要が無いので，可視光領域で不透明な材料，例えば高抵抗Ｓｉ結晶およびＧｅ結晶を放熱レンズ２として用いることができる。

第２の放熱レンズ５の外部との界面は、外部に向かって凸の曲面であることが望ましい。

また、図６のように、基板の半導体発光素子が搭載されていない側の面には、複数の第２の放熱レンズ５を配列して配置する構成としてもよい。これにより、基板１の裏面の広い面積を第２の放熱レンズ５で覆うことができるため、より放射熱損失による冷却効率を高めることができる。また、隙間なく第２の放射レンズ５を配列することにより、より放射効率を高くでき、冷却効率を高めることができる。

また、配列する第２の放熱レンズ５の直径を小さくすることにより、第２の放熱レンズ５の厚みを抑制し、薄型の半導体発光装置を提供できる。

また、基板１の半導体発光素子３が実装されている側の面であって、半導体発光素子３が搭載されていない領域に、第２の放射レンズ５を配置することも可能である。

また、図６において、基板１上に半導体発光素子３が配列されている場合には、基板１の半導体発光素子３の実装されている側の面全体に、複数の放射レンズ２を隙間なく配列することも可能である。

なお、上述してきた説明では、半導体発光素子３が放射レンズ２で覆われる構成について説明したが、本発明は、この構成に限られるものではない。半導体発光素子３は、その光学特性を所望の特性にするために設計された封止樹脂やレンズで覆われたり、反射部材で囲まれている場合もある。また、半導体発光素子３の放射光３０が放射される側には、赤外光３１が放射されることが使用上望まれない場合もある。そのような場合には、基板１の半導体発光素子３が実装されていない側の面にのみ、第２の放射レンズ５を配置することが可能である。

また、基板１の上面および裏面のうち、赤外光３２や３３を放射させたい領域のみに、第２の放射レンズ５を配置することも可能である。これにより、所定の領域からのみ放射熱損失により冷却を行うことができる。

さらに、上述してきた説明では、半導体発光素子の発する熱を放射する構造であったが、本発明は、半導体発光素子に限らず、どのような物でも冷却対象とすることができる。すなわち、放熱レンズを物体上に配置することにより、放熱装置を構成することができる。

また、本発明の放熱レンズを用いて放熱する装置では、半導体発光素子３や基板１と放熱レンズ２、５との密着性が低くても、放熱することができるというメリットがある。熱伝導による熱冷却を行う場合には、熱が伝導する途中にある物体の界面において、原子レベルで物体同士が接触している必要がある。このため、界面には種々の放熱グリス，放熱ペーストを塗布し、圧着させる必要がある。これに対し、本発明の放熱レンズを利用した放射放熱においては，放熱レンズ２、５と半導体発光素子３や基板１との界面が若干離れ、非接触状態になっていても接触状態と同様の効果を得ることが出来る。具体的には、エバネッセント波が届く範囲内であれば、非接触であっても、放熱レンズ２，５に赤外光３１，３２，３３を入射させることができる。例えば１００ｎｍ以内であれば間隙があっても許容できる。

本発明の放熱レンズ２、５の材料は、上述した材料に限定されるものではない。半導体発光素子３または冷却すべき物体の発する熱以上の融点を有するVI属元素，炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、リン化物，ヒ素化物，硫化物，セレン化物，テルライド化物，アンチモン化物，Ｉ−VII属化合物，のいずれかであって、赤外光３１，３２，３３の透過率が高く、半導体発光素子３や、基板１との屈折率の関係が、上述した関係を満たすものを、選択して用いることができる。例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ、Ｂ４Ｃ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＬａＢ_６、ＺｒＢ_２、ＨｆＢ_２、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＣａＯ、ＣｅＯ_２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｌｕ２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＺｎＯ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＰ，ＢＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＡｌＡｓ，ＺｎＳ，ＣｄＳ，ＨｇＳ，ＰｂＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ，ＨｇＳｅ，ＰｂＳｅ，Ｓｅ，Ｔｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＴｅ，ＰｂＴｅ，ＳｎＴｅ，ＡｌＳｂ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂ，ＣｕＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，のいずれかまたはこれらの混合体で形成された材料のうちから選択して用いることができる。

また、基板１の材質としては、例えば、サファイア並びにＳｉＣを用いることができる。半導体発光素子３としては、ＧａＮ並びにＧａＡｓ等のIII−Ｖ属半導体結晶で作製されたLEDを用いることができる。

上述してきた半導体発光装置は、光源として用いることができる。よって、照明用光源、自動車用照明、プロジェクター用光源、液晶バックライト光源等として用いることが可能である。

１…基板、２…放熱レンズ、２ａ…界面、３ａ…界面、５…放熱レンズ、３０…半導体発光素子がエネルギーギャップによって放射する放射光、３１…半導体発光素子が熱放射する赤外光、３２…基板が熱放射する赤外光、３３…基板が熱放射する赤外光

Claims (11)

1. 半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装された基板とを有し、
   前記基板には、前記半導体発光素子が実装されている側の面に、前記半導体発光素子を覆うように放熱レンズが搭載され、
   前記放熱レンズは、前記半導体発光素子がそのエネルギーギャップにより放射する放射光、および、前記半導体発光素子が熱放射する赤外光の少なくとも一部の波長領域、に対して透明であって、前記放射光および前記赤外光の前記波長領域についての屈折率が、前記半導体発光素子の前記放射光および前記赤外光の前記波長領域についての屈折率よりもそれぞれ大きいことを特徴とする半導体発光装置。
2. 請求項１に記載の半導体発光装置において、前記放熱レンズの外部との界面は、外部に向かって凸の曲面であることを特徴とする半導体発光装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体発光装置において、前記放熱レンズの前記赤外光の前記波長領域についての屈折率は、前記基板の前記赤外光の前記波長領域についての屈折率よりもそれぞれ大きいことを特徴とする半導体発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体発光装置であって、前記放熱レンズの外部との界面の形状は、ドーム状であることを特徴とする半導体発光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体発光装置であって、前記基板の前記半導体発光素子が実装されている側の面とは逆側の面には、第２の放射レンズが配置され、
   前記第２の放射レンズは、前記半導体発光素子で加熱された前記基板が熱放射する赤外光に対して透明であって、前記赤外光についての屈折率が、前記基板の前記赤外光の前記波長領域についての屈折率よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
6. 請求項５に記載の半導体発光装置において、前記第２の放熱レンズの外部との界面は、外部に向かって凸の曲面であることを特徴とする半導体発光装置。
7. 請求項５に記載の半導体発光装置において、前記基板の前記半導体発光素子が搭載されていない側の面には、複数の前記第２の放熱レンズが配列されて配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
8. 請求項１に記載の半導体発光装置であって、前記基板の前記半導体発光素子が実装されている側の面であって、前記半導体発光素子が搭載されていない領域には、第２の放射レンズが配置され、
   前記第２の放射レンズは、前記半導体発光素子で加熱された前記基板が熱放射する赤外光の少なくとも一部の波長領域に対して透明であって、前記赤外光の前記波長領域についての屈折率が、前記基板の前記赤外光の前記波長領域についての屈折率よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
9. 請求項８に記載の半導体発光装置であって、前記放射レンズおよび前記第２の放射レンズは、前記基板の前記半導体発光素子が実装されている側の面で配列されて配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
10. 半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装された基板とを有し、
    前記基板には、前記半導体発光素子が実装されている側の面と逆側の面に放熱レンズが搭載され、
    前記放熱レンズは、前記基板が熱放射する赤外光の少なくとも一部の波長領域、に対して透明であって、前記赤外光の前記波長領域についての屈折率が、前記基板の前記赤外光の前記波長領域についての屈折率よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。
11. 熱を発する物体と、物体上に配置された放熱レンズとを有し、
    前記放熱レンズは、前記物体が熱放射する赤外光の少なくとも一部の波長領域に対して透明であって、前記赤外光の前記波長領域についての屈折率が、前記物体の前記赤外光の前記波長領域についての屈折率よりも大きく、前記放熱レンズの外部との界面は、外部に向かって凸の曲面であることを特徴とする放熱装置。

Images