JP2017103381A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の発光素子が実装される金属基板に複数の段差実装面を設けることで、各段差実装面における発熱量を均衡化し、全体的な発光の安定化を図ることのできる発光装置を提供することである。【解決手段】 中央に貫通孔１３を有する絶縁基板１２と、絶縁基板１２の裏面１２ｂ側に配置され前記貫通孔１３に露出する実装部１５を有する金属基板１４と、前記実装部１５に実装される複数の発光素子とを備えた発光装置１１において、前記実装部１５は前記貫通孔１３の中心部と外周部とで発光素子を実装する高さ位置が異なる第１段差実装面１６ａ及び第２段差実装面１７ａを有し、前記貫通孔１３の中心部の第１段差実装面１６ａより外周部の第２段差実装面１７ａを高くした。【選択図】 図４

Description

本発明は、金属基板によって形成される実装面に複数の発光素子を実装した照明用の発光装置に関するものである。

近年、電球や蛍光灯に代わる照明用の光源として、複数の発光素子（ＬＥＤ）を用いた照明装置が採用されるようになってきている。発光素子は電球等に比べて低消費電力であるが点状光源であるため指向性が狭い。このため、ＬＥＤ照明装置には、数十個乃至数百個程度の発光素子が使用され、これらの発光素子を透光性の樹脂で封止することによって、均一な明るさの発光面を形成している。

特許文献１には、複数の発光素子が実装されてなる発光面を有した発光モジュールが開示されている。この発光モジュールは、基板上に複数の発光素子が実装可能な円形状の広い実装部を設け、この実装部に実装された複数の発光素子を透光性の樹脂材によって封止して形成されている。

また、特許文献２には、発光素子を載置する凹部を設けるために金属基板を凹凸状に加工した金属基板を用いて形成された発光装置が開示されている。前記金属基板に形成される凹凸状の加工は、この上に実装される発光素子から発せられる光を効率よく外部に放出させるように形成されている。

特開２０１０−２８７６５７号公報 特開２００３−０６９０８３号公報

上記特許文献１に開示されている発光モジュールにあっては、複数の発光素子が同一高さの平面基板上に複数配列されているので、各発光素子の側面から発せられる光が隣接する発光素子に遮られることとなり、これによって発光の広がりが制限されていた。また、複数の発光素子を同一平面基板上に実装した場合、実装面の中心部に配置されている発光素子による発熱量が外周部に配置されている発光素子に比べて多くなる。このため、前記平面基板における熱分布に差が生じ、これによって放熱効率が低下する要因となっていた。このように、各発光素子が実装される部分の基板の発熱量に差が生じると、特に熱が発生しやすい基板の中心部に実装されている発光素子の寿命が短くなるといったおそれがあった。

また、特許文献２にあっては、突出した部分の金属面には一つの発光素子しか実装できない構造となっているので、実装する部分ごとの発熱量には大きな差が生じないが、多数の発光素子を実装する必要のある照明用の発光装置の基板としては不向きであった。

そこで、本発明の目的は、複数の発光素子が実装される金属基板に複数の段差実装面を設けることで、各段差実装面における発熱量を均衡化し、全体的な発光の安定化を図ることのできる発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発光装置は、中央に貫通孔を有する絶縁基板と、絶縁基板の裏面側に配置され前記貫通孔に露出する実装部を有する金属基板と、前記実装部に実装される複数の発光素子とを備えた発光装置において、前記実装部は前記貫通孔の中心部と外周部とで発光素子を実装する高さ位置が異なる複数の段差実装面を有し、この複数の段差実装面が前記貫通孔の中心部より外周部の方が高くなっていることを特徴とする。

本発明の発光装置によれば、金属基板によって形成される実装部がその中心部と外周部とで発光素子を実装する高さ位置が異なる複数の段差実装面を有して形成することで、中心部の金属基板の厚みを外周部に対して薄く形成することができる。このように、前記金属基板の中心部を薄くすることで、ここに実装されている発光素子から発生する熱を金属基板が実装されるマザーボード側へ素早く放熱させることができ、放熱効果を向上させることができる。

また、複数の段差実装面の高さ位置が前記貫通孔の中心部から外周部に向かって放射状に高くすることで、中心部の段差実装面で発生した熱を外周部の段差実装面に向けて段階的に伝導することができる。これによって、最も発熱量が高くなる中心部の段差実装面から外周部の段差実装面に向けて均等に熱を拡散させて外部に放熱させることができる。

本発明の発光装置の斜視図である。 上記発光装置の平面図である。 上記発光装置の断面図である。 上記発光装置の絶縁基板及び金属基板の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 上記発光装置における発光素子の配線を示す平面図である。 比較のために用いた本発明の発光装置の斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 比較のために用いた従来の第１の発光装置の断面図である。 比較のために用いた従来の第２の発光装置の断面図である。 本発明の発光装置と上記第１及び第２の発光装置との温度分布（絶対値）を比較したグラフである。 本発明の発光装置と上記第１及び第２の発光装置との温度分布（平滑度）を比較したグラフである。 本発明の他の実施形態の発光装置の断面図である。

以下、本発明に係る発光装置の第１実施形態を図１乃至図５に基づいて詳細に説明する。本発明の発光装置１１は、図４（ｂ）に示すように、枠部１２ａを残して貫通孔１３が設けられる矩形状の絶縁基板１２と、前記貫通孔１３を通して露出する実装部１５を有し、前記絶縁基板１２の裏面１２ｂ側に配置される金属基板１４と、図３に示すように、前記実装部１５に実装される複数の発光素子２７と、この複数の発光素子２７を封止する透光性の封止樹脂体１８とによって形成されている。

前記絶縁基板１２は、セラミックあるいは樹脂からなる絶縁性の薄板部材によって形成されており、図５に示すように前記絶縁基板１２の枠部１２ａを二分するようにして一対の電極パターン２６ａ，２６ｂが形成されている。また、前記一対の電極パターン２６ａ，２６ｂにはそれぞれ外部接続用の電極パッド１９ａ，１９ｂが設けられる。

前記金属基板１４は、図４（ａ），（ｂ）に示したように、前記絶縁基板１２の枠部１２ａが配置される凹部２０と、前記貫通孔１３から露出する実装部１５とを有して所定厚み（Ｔ１）に形成されている。前記実装部１５は、前記貫通孔１３に露出し、前記凹部２０に配置された絶縁基板１２と面一の高さを有する外周実装面１５ａと、前記実装部１５の中心部に設けられる第１段差実装面１６ａと、この第１段差実装面１６ａの周縁を取り囲むように設けられ第１段差実装面１６ａより高い第２段差実装面１７ａとを有し、各実装面が垂直壁からなる段差部１６ｂ，１７ｂによって仕切られている。

本実施形態では、図５に示したように、前記絶縁基板１２上に対向して形成されている一対の電極パターン２６ａ，２６ｂの間に発光素子２７をワイヤ２５によって複数直列接続したライン状の発光領域を複数並列に配設することによって、前記実装部１５上を複数の発光素子２７によって満たしている。前記各発光素子２７は、前記一対の電極パッド１９ａ，１９ｂに所定の電圧を印加することによって、全ての発光素子２７が同時に発光する。

前記段差部１６ｂ，１７ｂは、前記実装部１５上に実装される各発光素子２７の間を略二分するライン上に沿って設けられる。図４に示したように、前記第１段差実装面１６ａ及び第２段差実装面１７ａは、前記実装部１５の外周実装面１５ａの厚み（Ｔ１）から階段状に下降しており、それぞれ厚みが（Ｔ２）、（Ｔ３）となるように形成されている。前記金属基板１４は、厚みが薄く且つ広いほど放熱効果が高くなる。このため、前記第１段差実装面１６ａの厚み（Ｔ２）を最初に設定し、外周実装面１５ａに向けて段階的に放熱効果を抑えるように前記第２段差実装面１７ａの厚み（Ｔ３）を設定するのが好ましい。本実施形態では、前記第１段差実装面１６ａの厚み（Ｔ２）を約３５０μｍに設定した。

一般的に、本実施形態のような正方形状の実装部１５に対して、複数の発光素子２７を均等に配列した場合、前記実装部１５の中心部に実装されている発光素子群から発生する発熱量が最も高く、外周部にいくにしたがって発熱量が次第に低下する傾向にある。これは、実装部１５の中心部に配置されている発光素子群がその周囲の発光素子群に阻まれて熱が拡散しにくいことが要因の一つとなっている。このような発熱量の差は、前記実装部１５の表面だけではなく、裏面側でも同様である。

前記実装部１５における熱分布の不均衡は、実装されている発光素子２７の発光特性にも影響を及ぼし、発熱量の高い中心部に実装されている発光素子が周辺部に実装されている発光素子に比べて発光寿命等の経年変化に差が生じることとなる。これによって、長期に亘る使用に対して、部分的な発光ムラや発光不良等が発生しやすくなるといった問題があった。

本発明の発光装置１１にあっては、前記実装部１５がその中心部から外周部に向かって放射状に高くなるように設定された第１段差実装面１６ａ及び第２段差実装面１７ａによって形成されているので、前記金属基板１４の裏面が載置されるマザーボード等を介して外部に効率よく放熱させることができる。また、前記金属基板１４の内部においても前記第１段差実装面１６ａから第２段差実装面１７ａに向けて熱が拡散するため、実装部１５に実装されている複数の発光素子２７から発生する熱を効率よく分散させることができる。これによって、金属基板１４全体の放熱量を均衡化することができる。

次に、図６乃至図１０において、段差実装面を有する本発明の発光装置３１と、段差実装面を有さない２種類の発光装置３２，３３とによる比較検証結果を示す。図６乃至図８は、それぞれ金属基板１４と、この金属基板１４上に設けた実装部３５に実装される複数の発光素子２７と、前記実装部３５を封止する透光性の封止樹脂体１８とによって形成されている。ここで、図６に示した発光装置３１は、厚みがＴ１に設定された金属基板１４に対して厚みがＴ２となる段差実装面３６ａを有して形成されている。また、図７に示した発光装置３２は、厚みがＴ１で段差のない金属基板１４を用い、図８に示した発光装置３３は、前記段差実装面３６ａの厚みＴ２によって全体が薄く形成された金属基板１４を用いている。なお、前記各発光装置３１，３２，３３の実装部３５の平面サイズや発光素子２７の配列数及び配列間隔は、全て共通に設定した。

図９及び図１０は、上記図６乃至図８に示した発光装置３１，３２，３３それぞれの熱分布をシミュレーションによって求めたものである。図９に示したグラフは、金属基板の表面温度を絶対値で示したものである。このシミュレーションで用いた本発明の発光装置３１は、比較する発光装置３２，３３に対して、実装部３５の外周実装面３５ａにおける表面温度には差がないものの、段差実装面３６ａにおける表面温度が低くなる傾向となった。このことによって、図８に示したように、金属基板１４の実装部３５の厚みを薄くするだけでなく、図６に示したように、発熱量の多い中心部の段差実装面３６ａを薄く且つ広くし、外周実装面３５ａに向けて段階的に次第に厚みを増していく方が、熱の均等拡散には一定の効果があることが確認された。また、図１０に示したグラフは、各条件においてＭａｘ値で規格化したものであり、ＭａｘとＭｉｎとの差が緩和(平坦化)されていることを示している。通常時の温度勾配を平坦度０％としたときに、本発明では２％弱程度の平坦化される結果となっている。

また、図６に示した本発明の発光装置３１にあっては、図８に示した発光装置３３のように、金属基板１４全体を薄くするのではなく、発熱量の大きい中心部の段差実装面３６ａに限定して薄くしているので、必要十分な機械的強度を保持しつつ、熱の拡散を均等化することができる。

図１乃至図５に示した第１実施形態の発光装置１１では、第１段差実装面１６ａに実装されている発光素子群が第２段差実装面１７ａや外周実装面１５ａに実装されている発光素子群よりも低い位置にあり、段差部１６ｂ，１７ｂが垂直壁となっている。このため、発光面となる実装部１５側から見た場合に、前記第１段差実装面１６ａからの発光が第２段差実装面１７ａや外周実装面１５ａからの発光に比べて若干弱くなる場合がある。

図１１に示す第２実施形態の発光装置４１は、絶縁基板４２の裏面側に配置される金属基板４４が第１段差実装面４６ａ及び第２段差実装面４７ａを有して形成されているが、それぞれの段差部４６ｂ，４７ｂが実装面４５に面した正面方向に向けて傾斜させた傾斜壁として形成されている。このように、前記段差部４６ｂ，４７ｂを傾斜壁とすることで、前記第１段差実装面４６ａ及び第２段差実装面４７ａに実装されている発光素子２７の側面方向からの光が反射して正面側に向けて反射させることができる。これによって、第１段差実装面４６ａ及び第２段差実装面４７ａにおける発光強度の差を解消して全体的に均一な発光効果を得ることができる。

また、前記実装面４５を封止する封止樹脂体４８に対して、前記第１段差実装面４６ａ及び第２段差実装面４７ａの深さに対応した段差部を設けることによって、高低差のある前記第１段差実装面４６ａ及び第２段差実装面部４７ａにおける発光の強度を調整することもできる。

以上説明したように、本発明の発光装置にあっては、金属基板に形成される複数の発光素子の実装部が高さ位置の異なる複数の段差実装面によって形成されているので、前記実装部の発熱量の高い部分と低い部分とにおける熱分布を均衡化することができる。また、前記実装部の中心部に設けられる段差実装面を中心として、外周部の設けられる段差実装面を放射状に高くすることで、最も発熱量が高くなる中心部から外周部に向かって熱が拡散していくので、前記実装部における発熱の偏りを解消することができる。このようにして複数の発光素子が実装される実装部における発熱量を低減且つ均衡させることで、それぞれの発光素子を安全且つ安定した状態で発光させることができる。

１１ 発光装置
１２ 絶縁基板
１２ａ 枠部
１２ｂ 裏面
１３ 貫通孔
１４ 金属基板
１５ 実装部
１５ａ 外周実装面
１６ａ 第１段差実装面
１６ｂ 段差部
１７ａ 第２段差実装面
１７ｂ 段差部
１８ 封止樹脂体
１９ａ，１９ｂ 電極パッド
２０ 凹部
２５ ワイヤ
２６ａ，２６ｂ 電極パターン
２７ 発光素子
３１，３２，３３ 発光装置
３５ 実装部
３５ａ 外周実装面
３６ａ 段差実装面
４１ 発光装置
４２ 絶縁基板
４４ 金属基板
４５ 実装面
４６ａ 第１段差実装面
４６ｂ 段差部
４７ａ 第２段差実装面
４７ｂ 段差部
４８ 封止樹脂体

Claims (6)

1. 中央に貫通孔を有する絶縁基板と、絶縁基板の裏面側に配置され前記貫通孔に露出する実装部を有する金属基板と、前記実装部に実装される複数の発光素子とを備えた発光装置において、
   前記実装部は前記貫通孔の中心部と外周部とで発光素子を実装する高さ位置が異なる複数の段差実装面を有し、この複数の段差実装面が前記貫通孔の中心部より外周部の方が高くなっていることを特徴とする発光装置。
2. 前記複数の段差実装面の高さ位置が前記貫通孔の中心部から外周部に向かって放射状に高くなっている請求項１に記載の発光装置。
3. 前記複数の段差実装面はその間に設けられた段差部によって仕切られている請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 中央に貫通孔を有する絶縁基板と、絶縁基板の裏面側に配置され前記貫通孔に露出する実装部を有する金属基板と、前記実装部に実装される複数の発光素子とを備えた発光装置において、
   前記実装部は前記貫通孔の中心部に設けられた第１段差実装面と、第１段差実装面の周縁を取り囲むように設けられ第１段差実装面より高い第２段差実装面とを有し、各段差実装面が段差部によって仕切られていることを特徴とする発光装置。
5. 中央に貫通孔を有する絶縁基板と、絶縁基板の裏面側に配置され前記貫通孔に露出する実装部を有する金属基板と、前記実装部に実装される複数の発光素子とを備えた発光装置において、
   前記実装部は前記貫通孔の中心部に設けられた第１段差実装面と、第１段差実装面の周縁を取り囲むように設けられ第１段差実装面より高い第２段差実装面と、第２段差実装面の周縁を取り囲むように設けられ第２段差実装面より高い外周実装面とを有し、各実装面が段差部によって仕切られていることを特徴とする発光装置。
6. 前記段差部が垂直壁又は傾斜壁からなる請求項３乃至５のいずれかに記載の発光装置。

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