JP2016162860A - Led light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、LED発光装置に関し、特に、蛍光体層を有するLED発光装置に関する。 The present invention relates to an LED light emitting device, and more particularly to an LED light emitting device having a phosphor layer.
近年、半導体素子であるLED素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く鮮やかな発光色を有することから、照明等に広く利用されるようになってきた。 In recent years, LED elements, which are semiconductor elements, have long life and excellent driving characteristics, and are widely used for illumination and the like because they are small in size, have high luminous efficiency, and have bright emission colors.
ベースに結合されたLED素子と、LED素子が発する光を波長変換する蛍光体と、蛍光体及びベースを熱的に接続する熱伝導体を有する発光装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A light emitting device having an LED element coupled to a base, a phosphor that converts the wavelength of light emitted from the LED element, and a thermal conductor that thermally connects the phosphor and the base is known (for example, Patent Document 1). reference).
上記発光装置では、LED素子が発する熱は、ベースへと伝わり、ベースから周囲へ放熱される。上記発光装置では、更に、蛍光体が発する熱は、熱伝導体を経由してベースへと伝わり、ベースから周囲へ放熱される。このように、LED素子及び蛍光体が熱的に接続された発光装置においては、両者が発する熱が混合してしまい、発光装置全体として効率良く放熱することが容易ではなかった。 In the light emitting device, the heat generated by the LED element is transmitted to the base and radiated from the base to the surroundings. In the light emitting device, the heat generated by the phosphor is further transmitted to the base via the heat conductor, and is radiated from the base to the surroundings. As described above, in the light emitting device in which the LED element and the phosphor are thermally connected, the heat generated by the both is mixed, and it is not easy to efficiently dissipate heat as the entire light emitting device.
そこで、本発明は、上述した問題点を解消することを可能としたLED発光装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the LED light-emitting device which made it possible to eliminate the trouble mentioned above.
また、本発明は、放熱性が向上したLED発光装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide an LED light emitting device with improved heat dissipation.
本発明に係るLED発光装置は、金属製の実装基板と、金属製の枠体と、開口部を有し、実装基板と枠体との間に配置された断熱性の回路基板と、開口部内で実装基板上に実装されたLED素子と、枠体上に固定された熱伝導性の透光性蓋部材と、LED素子から出射された光の少なくとも一部を波長変換するために、LED素子との間に間隔を空けて透光性蓋部材上に固定された蛍光体層と、を有することを特徴とする。 An LED light emitting device according to the present invention includes a metal mounting board, a metal frame, an opening, a heat insulating circuit board disposed between the mounting board and the frame, and an opening In order to convert the wavelength of at least a part of the light emitted from the LED element, the LED element mounted on the mounting board, the thermally conductive translucent lid member fixed on the frame, and the LED element, And a phosphor layer fixed on the light-transmitting lid member with a space therebetween.
本発明に係るLED発光装置では、回路基板は樹脂製の基板であることが好ましい。 In the LED light emitting device according to the present invention, the circuit board is preferably a resin substrate.
本発明に係るLED発光装置では、LED素子と蛍光体層とは、空気層により隔てられていることが好ましい。 In the LED light-emitting device according to the present invention, the LED element and the phosphor layer are preferably separated by an air layer.
本発明に係るLED発光装置では、LED素子と蛍光体層とは、樹脂層により隔てられていることが好ましい。 In the LED light emitting device according to the present invention, the LED element and the phosphor layer are preferably separated by a resin layer.
本発明に係るLED発光装置では、透光性蓋部材は単結晶サファイアから構成されることが好ましい。 In the LED light emitting device according to the present invention, it is preferable that the translucent lid member is made of single crystal sapphire.
本発明に係るLED発光装置では、回路基板上に固定された放熱フィルムを更に有し、枠体は、放熱フィルムの少なくとも一部の上に固定されることが好ましい。 In the LED light emitting device according to the present invention, it is preferable that the LED light emitting device further includes a heat dissipation film fixed on the circuit board, and the frame is fixed on at least a part of the heat dissipation film.
本発明に係るLED発光装置では、枠体は放熱フィンを有することが好ましい。 In the LED light emitting device according to the present invention, it is preferable that the frame body has a heat radiation fin.
本発明によれば、LED素子が発する熱が放熱する経路と蛍光体層が発する熱を放熱する経路を熱的に遮断する様にしたので、放熱性が向上したLED発光装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, the path for radiating the heat generated by the LED element and the path for radiating the heat generated by the phosphor layer are thermally blocked, so that an LED light emitting device with improved heat dissipation can be provided. It becomes possible.
以下、添付図面を参照して、本発明に係るLED発光装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。 Hereinafter, an LED light emitting device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.
図1(a)は本発明に係るLED発光装置1の斜視図であり、図1(b)は図1(a)に示すAA’線に沿った断面図である。
FIG. 1A is a perspective view of an LED light-
実装基板110は、その上面にLED素子130が実装される平面領域を有する基板であり、放熱性を高めるためにアルミニウムで構成される。実装基板110は、アルミニウムに限られるものではなく、耐熱性および放熱性に優れた他の素材で構成される金属基板であっても良い。実装基板110は略正方形の形状を有しているが、同様に、この形状に限られるものではない。
The
回路基板120は、実装基板110と同じ大きさの略正方形の形状を有し、その中心部には円形の開口部121が形成されている。回路基板120の下面は、接着シートにより実装基板110上に貼り付けられて固定される。回路基板120は、断熱性のガラスエポキシ(ガラス繊維にエポキシ樹脂を染みこませ熱硬化処理を施したもの)により形成される。ガラスエポキシの熱伝導率は概ね1W/(m・K)以下である。しかしながら、回路基板120は、ガラスエポキシ以外の熱伝導率の低い素材から形成されてもよい。言い換えると、回路基板120は後述する様にLED素子130が発する熱を放熱する経路と、蛍光体層160が発する熱を放熱する経路とを、熱的に十分に遮断できる程度の断熱性を有することが必要である。
The
回路基板120の上面には、接続電極123A及び接続電極123Bが、それぞれ形成されている。接続電極123A、123Bは一方がアノード電極で他方がカソード電極である。また、回路基板120の上面には、金属製の放熱端子125A及び放熱端子125Bが、それぞれ形成されている。
A
LED素子130は、青色光を発するLED素子であり、回路基板120の開口部21から露出している実装基板110上に実装される。LED素子130として、青色光以外の光を発するLED素子を用いても良い。開口部121から露出している実装基板110上には、LED素子130又は蛍光体層160が発する光を反射する効果を高めるための増反射膜を形成してもよい。増反射膜としては、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)及び二酸化チタン(TiO2)のように、屈折率の差が大きい誘電体の薄膜対から成る多層膜(当該薄膜対を複数積層してもよい)を用いることができる。
The
LED発光装置1には、21個のLED素子130が実装される。LED素子130の下面は、実装基板110と熱的に接続されるように、透明な絶縁性の接着剤により、実装基板110の上面に固定される。また、LED素子130は上面に一対の素子電極を有し、隣接するLED素子130の素子電極は、ボンディングワイヤ131により相互に接続される。開口部121の外周側に位置するLED素子130から出たボンディングワイヤ131は、接続電極123Aと導通されている配線パターン122A及び接続電極123Bと導通されている配線パターン122Bに接続される。接続電極123A、123Bに電圧が印加されることにより、LED素子130が発光する。なお、LED素子130の個数は21個に限定されるものではない。
In the LED
枠体140は、開口部121の大きさに合わせて構成された円形の枠体であり、回路基板120の上面で放熱フィルム124A、124Bの一部と重なる位置に固定される。枠体140は、アルミニウムから成るが、他の熱伝導率の高い素材から構成されてもよい。また、枠体140は、LED素子130から側方に出射された光を反射する機能を有していてもよい。
The
透光性蓋部材150は、単結晶サファイアから成り、枠体140の大きさに合わせて構成された円板状をしている。透光性蓋部材150は、枠体140と熱的に接続するように、且つ、LED素子130を覆う様に枠体140の上部に固定されている。単結晶サファイアの熱伝導率は、20℃においておよそ40W/(m・K)である。しかしながら、透光性蓋部材150の素材はこれに限るものではなく、透光性及び熱伝導性を有する限り他の素材から形成されてもよく、熱伝導率が高いものが好ましい。
The
蛍光体層160は、シリコン樹脂によるバインダ樹脂に、蛍光体粒子が分散混入されて構成された層である。なお、バインダ樹脂としてはエポキシ樹脂等を利用することができる。蛍光体層160は、LED素子130との間に間隔を設けて透光性蓋部材150の裏面上に固定される。蛍光体層160に含まれる蛍光体粒子は、LED素子130の青色光の少なくとも一部を波長変換して黄色光を発する。すなわち、LED素子130の青色光の少なくとも一部によって励起され、黄色光を発する。LED素子130の青色光と蛍光体粒子が発する黄色光とが混合し、透光性蓋部材150の上面からは白色光が発せられる。なお、蛍光体層160は、バインダ樹脂を有さず、焼結等の方法によって透光性蓋部材150の裏面に固定された蛍光体粒子からなる層であってもよい。この場合にも、蛍光体層160は透光性蓋部材150と熱的に接続される。
The
充填材170は、実装基板110、回路基板120、LED素子130、枠体140、透光性蓋部材150、及び蛍光体層160によって囲まれた空間に充填されたシリコン系の紫外線硬化樹脂であり、LED素子130と蛍光体層160とを隔てている。充填材170は、例えばエポキシ樹脂を利用することができる。充填材170は、実装基板110、枠体140、透光性蓋部材150、及び蛍光体層160のいずれの熱伝導率よりも極めて低い熱伝導率(例えば、約1W/(m・K)以下)を有する。
The
図2は、LED発光装置1の製造方法を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing the LED
図2(a)に示す様に、まず、上面に配線パターン122A、122B及び放熱フィルム123A、123Bが設けられた回路基板121を、実装基板110の上面に接着シートにより接着する。
As shown in FIG. 2A, first, the
次に、図2(b)に示す様に、21個のLED素子130を開口部121から露出した実装基板110上に、高熱伝導性のダイボンド材により接着する。
Next, as shown in FIG. 2B, 21
次に、図2(c)に示す様に、ボンディングワイヤ231によって、配線パターン122Aと122Bとの間に、7個のLED素子130が直列に接続されたグループ3つを互いに並列に接続する。
Next, as shown in FIG. 2C, three groups in which seven
次に、図2(d)に示す様に、枠体140を、放熱フィルム123A、123Bを覆う様に、回路基板120の上に高熱伝導性のダイボンド材により接着する。
Next, as shown in FIG. 2D, the
次に、充填材170を枠体140の内部に充填し、蛍光体層160が固定された円形の透光性蓋部材150を、蛍光体層160が実装基板110側になるように、枠体140の上部に高熱伝導性のダイボンド材により接着する。更に、透光性蓋部材150の上部から紫外線を照射して、充填材170を硬化させ、LED発光装置1を得る(図1参照)。
Next, the
図3は、LED発光装置1の放熱の様子を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the heat dissipation of the LED
LED素子130は、発光する際に熱を発する。上述の通り実装基板110の熱伝導率は充填材170の熱伝導率に比して極めて高いので、矢印T1に示す様に、LED素子130が発した熱の大部分は実装基板110内へ移動する。実装基板110に移動した熱は、実装基板110内を拡散しながら、矢印T2に示す様に、対流や熱伝導等によって実装基板110の外部へ放熱される。回路基板120は熱伝導率が低いため、実装基板110に移動した熱のほとんどは回路基板120内へは移動しない。以上の様にして、LED素子130が発する熱がLED発光装置1の外部へ放熱される。
The
一方、蛍光体粒子を含有する蛍光体層160は、LED素子130の光により蛍光体粒子が励起されて黄色光を発する際に熱を発する。上述の通り透光性蓋部材150の熱伝導率は充填材170の熱伝導率に比して極めて高いので、矢印T3に示す様に、蛍光体層160が発した熱の大部分は充填材170ではなく透光性蓋部材150内へと移動する。蛍光体層160から透光性蓋部材150内に移動した熱の大部分は、矢印T4に示す様に透光性蓋部材150内を拡散し、透光性蓋部材150内に移動した熱の一部分は矢印T7に示す様に外部へ放熱される。透光性蓋部材150内を拡散した熱の大部分は、矢印T5に示す様に、枠体140内へ移動する。
On the other hand, the
枠体140内に移動した熱の一部は、矢印T6に示す様に対流や熱伝導等によって枠体140の側面から外部へ放熱される。また、枠体140内に移動した熱の他の一部は、金属製の放熱フィルム124A、124Bへ移動し、放熱端子125A、125Bを経て外部の放熱部(例えば、放熱端子125A、125Bに熱的に接続されたLED発光装置1をパッケージングする装置の金属部材等)へ放熱される。回路基板120は熱伝導率が低いため、枠体140内に移動した熱のほとんどは回路基板120内へは移動しない。以上の様にして、蛍光体層160が発する熱がLED発光装置1の外部へ放熱される。
Part of the heat that has moved into the
上述の通り、LED発光装置1において、LED素子130が発する熱と蛍光体層160が発する熱とは異なる経路を移動し、互いに混合されることなく外部へと放熱される。したがって、LED発光装置1では、LED素子130が発する熱を放熱する経路と、蛍光体層160が発する熱を放熱する経路とを熱的に遮断する様にしたので、放熱性が向上する。
As described above, in the LED
図4(a)は本発明に係る他のLED発光装置2の斜視図であり、図4(b)は図4(a)に示すBB’線に沿った断面図である。
FIG. 4A is a perspective view of another LED
LED発光装置2では、LED発光装置1における充填材170の代わりに空気層270が設けられており、LED素子130と蛍光体層160は空気層270により隔てられている。LED発光装置2のその他の点は、LED発光装置1と同様である。
In the LED
一般に、空気は樹脂よりも熱伝導率が低い。そのため、両者が充填材によって隔てられたLED発光装置1よりも、両者が空気層によって隔てられたLED発光装置2の方が、LED素子と蛍光体層との間の熱の移動を妨げる効果が高い。したがって、LED発光装置2では、更に放熱性が向上する。
In general, air has lower thermal conductivity than resin. Therefore, the LED light-emitting
図5(a)は本発明に係る更に他のLED発光装置3の斜視図であり、図5(b)は図5(a)に示すCC’線に沿った断面図である。
FIG. 5A is a perspective view of still another LED
LED発光装置3では、LED発光装置1における枠体140の代わりに他の枠体340が設けられている。LED発光装置3のその他の点は、LED発光装置1と同様である。
In the LED
LED発光装置3の枠体340の側面には、多数の溝から成る放熱フィン341が設けられている。放熱フィン341の溝の深さ、幅、数、及び形状等は特に限定されない。また、放熱フィン341は、枠体340の全周に渡って設けられている必要はなく、枠体340の一部にのみ設けられていてもよい。
On the side surface of the
LED発光装置3では、放熱フィン341によって、枠体340が外部に接触する面積が増加する。よって、蛍光体層160に含有される蛍光体粒子から発せられ、透光性蓋部材150を通り枠体340に到達した熱が枠体340から外部へと放熱される効果が、更に高まる。したがって、LED発光装置3では、更に放熱性が向上する。なお、LED発光装置3では、LED発光装置2のように、充填材170を空気層に代えても良い。
In the LED
1、2、3 LED発光装置
110 実装基板
120 回路基板
130 LED素子
140、340 枠体
150 透光性蓋部材
160 蛍光体層
170 充填材
270 空気層
341 放熱フィン
1, 2, 3 LED
Claims (7)
金属製の枠体と、
開口部を有し、前記実装基板と前記枠体との間に配置された断熱性の回路基板と、
前記開口部内で前記実装基板上に実装されたLED素子と、
前記枠体上に固定された熱伝導性の透光性蓋部材と、
前記LED素子から出射された光の少なくとも一部を波長変換するために、前記LED素子との間に間隔を設けて前記透光性蓋部材上に固定された蛍光体層と、
を有することを特徴とするLED発光装置。 A metal mounting board;
A metal frame,
An insulating circuit board having an opening and disposed between the mounting board and the frame;
An LED element mounted on the mounting substrate in the opening;
A thermally conductive translucent lid member fixed on the frame;
In order to wavelength-convert at least a part of the light emitted from the LED element, a phosphor layer fixed on the translucent lid member with a space between the LED element,
The LED light-emitting device characterized by having.
前記枠体は、前記放熱フィルムの少なくとも一部の上に固定される、請求項1〜5の何れか一項に記載のLED発光装置。 Further comprising a heat dissipation film fixed on the circuit board,
The LED light-emitting device according to claim 1, wherein the frame is fixed on at least a part of the heat dissipation film.
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