JP2024037339A - Light emitting device and light emitting device module - Google Patents
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Abstract
【課題】発光装置に含まれる半導体発光素子からの熱を効率的に外部に放散することが可能な発光装置及び発光装置モジュールを提供する。【解決手段】本発明の発光装置は、上面に金属配線を有しかつ絶縁性のセラミックからなる基板と、前記金属配線を介して前記基板の上面に接合された発光素子と、前記金属配線と電気的に絶縁されておりかつ各々が前記基板の下面に接合されて前記下面から下方に突出している複数の金属体を含む伝熱部と、を有する。【選択図】図2[Problem] To provide a light emitting device and a light emitting device module capable of efficiently dissipating heat from a semiconductor light emitting element included in the light emitting device to the outside. [Solution] The light emitting device of the present invention comprises a substrate having metal wiring on its upper surface and made of insulating ceramic, a light emitting element joined to the upper surface of the substrate via the metal wiring, and a heat transfer section including a plurality of metal bodies that are electrically insulated from the metal wiring and each of which is joined to the lower surface of the substrate and protrudes downward from the lower surface. [Selected Figure] Figure 2
Description
本発明は、半導体発光素子を含む発光装置及び発光装置モジュールに関する。 The present invention relates to a light emitting device and a light emitting device module including a semiconductor light emitting element.
従来から、半導体発光素子を含む発光装置と、当該発光装置の一方の面、特に、発光装置の光出射面と反対の面と取り付けられたヒートシンク等の放熱器を有する発光装置モジュールが知られている。 Conventionally, light-emitting device modules have been known that include a light-emitting device including a semiconductor light-emitting element and a radiator such as a heat sink attached to one surface of the light-emitting device, particularly the surface opposite to the light-emitting surface of the light-emitting device. There is.
例えば、特許文献1には、下面の表面上にネジが設けられた金属ベースと、金属ベースの上面に取付けられた発光ダイオード・チップと、金属ベースの上面に設置されかつ発光ダイオード・チップと電気的に接続された回路基板と、金属ベースの下面の側に金属ベースのネジを介して直接に機械連結されたヒートシンクと、を有する発光ダイオードが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a metal base with a screw provided on the lower surface, a light emitting diode chip attached to the upper surface of the metal base, and a light emitting diode chip and an electric light emitting diode chip installed on the upper surface of the metal base. A light emitting diode is disclosed having a circuit board connected to the metal base, and a heat sink mechanically coupled directly to the underside of the metal base via screws of the metal base.
特許文献1に記載の発光ダイオードにおいては、金属ベースとヒートシンクとを直接機械連結する場合、金属ベースとヒートシンクとの接触面における接触熱抵抗が大きいため、金属ベースとヒートシンクの間の熱抵抗が大きくなってしまう。 In the light emitting diode described in Patent Document 1, when the metal base and the heat sink are directly mechanically connected, the contact thermal resistance at the contact surface between the metal base and the heat sink is large, so the thermal resistance between the metal base and the heat sink is large. turn into.
また、特許文献1に記載の発光ダイオードにおいて、金属ベースとヒートシンクとの間に樹脂からなる母材に無機フィラーを分散させた一般的な熱伝導接着剤を用いる場合も、樹脂を母材とした熱伝導接着剤の熱伝導率が小さいため、金属ベースとヒートシンクの間の熱抵抗が大きくなってしまう。 In addition, in the light emitting diode described in Patent Document 1, when using a general thermal conductive adhesive in which an inorganic filler is dispersed in a resin base material between the metal base and the heat sink, the resin is used as the base material. Since the thermal conductivity of the thermally conductive adhesive is low, the thermal resistance between the metal base and the heat sink increases.
そのため、特許文献1に記載の発光ダイオードにおいては、金属ベースとヒートシンクとの接触面における接触熱抵抗又は熱伝導接着剤の熱抵抗によって、発光ダイオード・チップからヒートシンクへ効率的に熱伝導することができないという問題が挙げられる。 Therefore, in the light emitting diode described in Patent Document 1, heat can be efficiently conducted from the light emitting diode chip to the heat sink due to the contact thermal resistance at the contact surface between the metal base and the heat sink or the thermal resistance of the thermally conductive adhesive. The problem is that it cannot be done.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、発光装置に含まれる半導体発光素子からの熱を効率的に外部に放散することが可能な発光装置及び発光装置モジュールを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above points, and aims to provide a light emitting device and a light emitting device module that can efficiently dissipate heat from a semiconductor light emitting element included in the light emitting device to the outside. The purpose is
本発明に係る発光装置は、上面に金属配線を有しかつ絶縁性のセラミックからなる基板と、前記金属配線を介して前記基板の上面に接合された発光素子と、前記金属配線と電気的に絶縁されておりかつ各々が前記基板の下面に接合されて前記下面から下方に突出している複数の金属体を含む伝熱部と、を有することを特徴としている。 A light emitting device according to the present invention includes a substrate made of insulating ceramic and having metal wiring on the upper surface, a light emitting element bonded to the upper surface of the substrate via the metal wiring, and an electrical connection with the metal wiring. The heat transfer section includes a plurality of insulated metal bodies, each of which is bonded to the lower surface of the substrate and protrudes downward from the lower surface of the substrate.
また、本発明に係る発光装置モジュールは、上面に金属配線を有しかつ絶縁性のセラミックからなる基板と、前記金属配線を介して前記基板の上面に接合された発光素子と、前記金属配線と電気的に絶縁されておりかつ各々が前記基板の下面に接合されて前記基板の下面から下方に突出している複数の金属体を含む伝熱部と、を有する発光装置と、上面に前記発光装置の前記金属配線と電気的に接続された一対の回路配線を有する絶縁性の回路基板と、前記回路基板の下面に配された放熱器と、からなる発光装置モジュールであって、前記回路基板には、前記発光装置の前記複数の金属体に対応する位置のそれぞれに上面から下面まで貫通する複数の回路基板貫通孔が形成されており、前記発光装置の前記複数の金属体の各々は、前記回路基板の前記複数の回路基板貫通孔を通り抜けて前記回路基板の下面から突出しており、当該突出した部分において前記放熱器と金属からなる伝熱部接合材によって接合されていることを特徴としている。 Further, the light emitting device module according to the present invention includes a substrate having metal wiring on the upper surface and made of insulating ceramic, a light emitting element bonded to the upper surface of the substrate via the metal wiring, and the metal wiring. a light emitting device including a plurality of electrically insulated metal bodies, each of which is bonded to the lower surface of the substrate and protrudes downward from the lower surface of the substrate; A light emitting device module comprising: an insulating circuit board having a pair of circuit wires electrically connected to the metal wires; and a radiator disposed on the lower surface of the circuit board, the light emitting device module comprising: A plurality of circuit board through holes penetrating from an upper surface to a lower surface are formed at positions corresponding to the plurality of metal bodies of the light emitting device, and each of the plurality of metal bodies of the light emitting device is formed at a position corresponding to the plurality of metal bodies. It passes through the plurality of circuit board through-holes of the circuit board and protrudes from the lower surface of the circuit board, and is bonded to the heat radiator at the protruding portion by a heat transfer part bonding material made of metal. .
以下に本発明の実施例について詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。 Examples of the present invention will be described in detail below. In the following description and accompanying drawings, substantially the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals.
図1乃至図3を参照しつつ、実施例1に係る発光装置10の構成について説明する。図1は、実施例1に係る発光装置10の上面図である。また、図2は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った断面図である。また、図3は、図1に示した発光装置10の3-3線に沿った断面図である。なお、図1においては、基板11の上面上の各要素の構造及び位置関係を明確にするために、光反射体50(図2及び図3参照)の図示を省略している。
The configuration of a
(発光装置10)
発光装置10は、平板上の基板11と、基板11の上面から下面へと至る一対の電極である第1の配線電極13並びに第2の配線電極15と、基板11の上面に形成された中間配線17と、隣り合う第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17の各々の上面上に素子接合層30を介して接合された複数の発光素子20と、複数の発光素子20の上面上に配された波長変換体40と、基板11の上面において波長変換体40の上面を露出するように形成された光反射体50と、を有する。
(Light emitting device 10)
The
また、発光装置10は、基板11の下面に接合された金属層61及び金属層61の基板11反対の面である下面の表面に接合された伝熱ピン63を有する放熱構造60を備える。
The
(基板11)
基板11は、高い熱伝導性を有する窒化アルミニウム(AlN、熱伝導率:170W/m・K)からなる矩形の平面形状を有する平板上の基板である。基板11は、例えば、アルミナ(Al2O3)等の高い熱伝導性を有する他の絶縁性のセラミック基板であってもよい。
(Substrate 11)
The
第1の配線電極13及び第2の配線電極15は、基板11に形成されており、互いに離隔しかつ電気的に絶縁されている一対の金属電極である。
The
第1の配線電極13は、基板11の上面の長手方向の一端部側に形成された第1の内部配線13Iと、基板11の下面の長手方向の一端部側に形成された第1の実装電極13Oを有する。また、第1の配線電極13は、基板11を貫通しかつ第1の内部配線13Iと第1の実装電極13Oとを電気的に接続する第1の貫通電極13Vを有する。
The
第2の配線電極15は、上記第1の配線電極13と同様の構成を有しており、基板11の上面の長手方向の他端部側に形成された第2の内部配線15Iと、基板11の下面の長手方向の他端部側に形成された第2の実装電極15Oを有する。また、第2の配線電極15は、基板11を貫通しかつ第2の内部配線15Iと第2の実装電極15Oとを電気的に接続する第2の貫通電極15Vを有する。
The
中間配線17は、基板11の上面の第1の内部配線13Iと第2の内部配線15Iとの間に、長手方向に配列されかつ互いに離隔して配されている金属配線である。
The
第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17は、それぞれ基板11の表面に形成された銅(Cu)層を有し、当該Cu層の表面にニッケル(Ni)層及び金(Au)層がこの順に積層されている。
The
第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17は、例えば、蒸着等(高エネルギー金属粒照射による成膜:PVD(Physical Vapor Deposition))の真空成膜によって金属薄膜層が形成された後に、めっき等によって形成される。このように形成することによって、セラミックである基板11と、金属である第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17とは、密接に接合されている。他の形成方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、メッキ法などがある。このようにして形成した金属層は、その成膜界面において気密性を有する。すなわち、化学的又は/及び物理的に双方が強固に接合している。
The
これにより、基板11と第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
Thereby, the contact thermal resistance between the
また、金属である第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17は、高い熱伝導率を有する(Cu熱伝導率:約380W/m・K、Ni熱伝導率:約90W/m・K、Au熱伝導率:約300W/m・K)。よって、第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17から基板11へは、効率的に熱を伝導可能である。
In addition, the
(発光素子20)
発光素子20は、基板11の上面に配された発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)等の半導体発光素子である。実施例1においては、発光素子20として、青色の光を放射するLED素子を用いた。
(Light emitting element 20)
The
発光素子20は、透光性を有する板状の成長基板21と、成長基板21の下面に形成された発光層を含む半導体構造層(図示せず)と、当該半導体構造層の成長基板21と接する面と反対の面、すなわち下面に形成された一対の電極である素子電極23及び25と、を含む構造を有している。
The light-emitting
発光素子20は、素子電極23及び25が形成されている成長基板21の下面が基板11の上面と対向する向きで搭載されている。また、発光素子20は、素子電極23及び25の各々の下面が、第1の内部配線13I、第2の内部配線15I及び中間配線17の上面とそれぞれ素子接合層30を介して接合されている。すなわち、発光素子20は、能動面である半導体構造層が形成された面を反転して基板11に接合したフリップチップ態様の発光素子である。
The
発光素子20は、基板11の上面の互いに隣り合う配線を跨ぐように配されており、発光素子20の素子電極23及び25が当該互いに隣り合う配線のそれぞれの上面上に素子接合層30を介して接合されている。すなわち、発光素子20は、第1の配線電極13と第2の配線電極15との間において、中間配線17を介して電気的に直列に接続されている。
The
素子接合層30は、例えば、共晶接合によって形成された金錫(AuSn)等の金属合金である。すなわち、各々の配線と発光素子20とは、接合時の加熱によって溶融状態を経た金属合金によって密接に接合されている。言い換えれば、素子接合層30によって、各々の配線と発光素子20の素子電極23及び25とが互いに溶着されている。
The
これにより、発光素子20と第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
Thereby, the contact thermal resistance between the light emitting
また、発光素子20と第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17とが高い熱伝導率を有する金属合金であるAuSn(熱伝導率:約60W/m・K)で接合されているため、発光素子20から生じた熱は素子接合層30、第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17を介して効率的に基板11へと伝導される。
Further, the
(波長変換体40)
波長変換体40は、板状の形状を有し、発光素子20の各々の上面上に配されている。波長変換体40は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂又はアクリル樹脂等の透光性の樹脂によって発光素子20の各々の上面上に接合されている。
(Wavelength converter 40)
The
波長変換体40は、発光素子20と対向する面である下面から入光した発光素子20の放射光の一部を波長変換して上面から出光する。
The
実施例1においては、波長変換体40として、セリウム(Ce)をドープしたイットリウムアルミニウムガーネット(YAG:Ce、Y3Al5O12:Ce)の蛍光体粒子とバインダであるセラミック粒子とを混合して焼成を行った焼結体を用いた。また、実施例1においては、波長変換体40が発光素子20より放射された青色光の一部を黄色光に波長変換し、白色光を出光するように蛍光体粒子の含有率が調整されている。
In Example 1 , as the
(光反射体50)
光反射体50は、基板11の上面上において、第1の内部配線13I、第2の内部配線15I、中間配線17並びに発光素子20の各々の露出面、及び波長変換体40の側面を覆うように形成されている。
(Light reflector 50)
The
光反射体50は、発光素子20の側面から出射する光及び波長変換体40の側面から出射する光を各々の内方方向に反射し、波長変換体40の上面へと導光する。
The
実施例1においては、光散乱性粒子である酸化チタン(TiO2)粒子を混合した熱硬化性のシリコーン樹脂を用いた。 In Example 1, a thermosetting silicone resin mixed with titanium oxide (TiO 2 ) particles, which are light-scattering particles, was used.
(放熱構造60)
伝熱部としての放熱構造60は、基板11の下面に形成された金属層61及び金属層61の下面に配されている伝熱ピン63から構成され、発光素子20から生じる熱を基板11を介して発光装置10の外部に伝熱または放散する。
(Heat dissipation structure 60)
The
金属層61は、基板11の下面において、第1の実装電極13O及び第2の実装電極15Oと互いに離隔する領域に形成された金属からなる層である。すなわち、金属層61は、第1の配線電極13及び第2の配線電極15と互いに絶縁されている。
The
金属層61は、例えば、基板11の表面に形成されたCu層を有し、当該Cu層の表面にNi及びAuがこの順に積層されている。
The
金属層61は、例えば、蒸着等の真空成膜によって金属薄膜層が形成された後に、電解めっき等によって形成される。このように形成することによって、セラミックである基板11と、金属である金属層61とは、第1の配線電極13、第2の配線電極15及び中間配線17と同様に、密接に接合されている。
The
これにより、基板11と金属層61との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
Thereby, the contact thermal resistance between the
また、金属である金属層61は、高い熱伝導率を有する(Cu熱伝導率:約380W/m・K、Ni熱伝導率:約90W/m・K、Au熱伝導率:約300W/m・K)。よって、基板11から金属層61へは、効率的に熱を伝導可能である。
In addition, the
さらに、主材料がCuである金属層61は、基板11に比べて熱伝導率が大きい。よって、金属層61は、発光素子20から基板11に伝導された熱を集熱する集熱部としても機能する。
Furthermore, the
金属体としての伝熱ピン63は、例えば、Cuからなる金属であり、表面にNi層及びAu層がこの順に積層されている。実施例1においては、伝熱ピン63は、金属層61の下面に3行5列の計15本がマトリクス状に接合されている。
The
伝熱ピン63は、例えば、一方の端部に形成された円板状のヘッド部及び円柱のピン形状を有するピン状部からなる。伝熱ピン63は、当該ヘッド部が銀ろう材等のろう材65によってと金属層61の下面の表面にろう付けされることで金属層61に接合されている。すなわち、伝熱ピン63と金属層61とは、接合時の加熱によって溶融状態を経た金属を含む接合材料によって密接に接合されている。言い換えれば、ろう材65によって、伝熱ピン63と金属層61とが互いに接合されている。
The
これにより、金属層61と伝熱ピン63との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
Thereby, the contact thermal resistance between the
また、金属層61と伝熱ピン63とは、高い熱伝導率を有する金属を含む銀ろう材(熱伝導率:約100W/m・K)によって接合されているため、基板11からの熱は金属層61を介して効率的に伝熱ピン63へと伝導される。
Furthermore, since the
なお、実施例1においては、伝熱ピン63が円板状のヘッド部及び円柱状のピン状部からなる場合について説明したが、伝熱ピン63の形状はこれに限定されない。例えば、伝熱ピン63は、矩形の板状のヘッド部及び四角柱状のピン状部からなっていてもよいし、多角形の板状のヘッド部及び多角柱状のピン状部からなっていてもよい。
In addition, in Example 1, the case where the
実施例1の発光装置10は、上述の通り、発光素子20から伝熱ピン63までの間で樹脂材料を母材とする接合材を用いていない。また、金属と金属又は金属とセラミックをネジなどの機械的に密着させた接触熱抵抗の高い構造を有していない。すなわち、本発明の発光素子20から伝熱ピン63までの各部材間は、化学的又は/及び物理的に双方が強固に接合した構造となっている。
As described above, the
なお、高い放熱効果を得るには、伝熱ピン63の円柱状のピン状部の断面積の総和(ΣSp)を発光素子20の素子電極23及び25の面積の総和(ΣSe)で除した断面比(Rpe=ΣSp/ΣSe)が0.4~3倍程度とすることが好ましい。断面比(Rpe)が0.4以上あれば樹脂材料を母材とする接合部材より放熱性を向上できる。また、断面比(Rpe)を3以下とすることで基板11の面積を小さく抑えることができる。基板11の面積の拡大が可能なら、この限りではない。
Note that in order to obtain a high heat dissipation effect, the cross section is determined by dividing the sum of the cross-sectional areas (ΣSp) of the cylindrical pin-shaped portions of the heat transfer pins 63 by the sum of the areas of the
例えば、無機フィラーを含む樹脂材料からなる接合材は、熱伝導率が非常に低く(10W/m・K未満)、発光素子20から生じる熱を効率的に伝導する十分でない。また、母材が熱硬化性樹脂である場合、ボイドの発生又は加熱による硬化の収縮等により接合面に間隙が生じる可能性があり、接触熱抵抗が大きくなるおそれがある。
For example, a bonding material made of a resin material containing an inorganic filler has very low thermal conductivity (less than 10 W/m·K) and is not sufficient to efficiently conduct heat generated from the
実施例1の発光装置10においては、基板11、第1の配線電極13、第2の配線電極15、中間配線17、金属層61及び伝熱ピン63に熱伝導率が高いセラミック及び金属を用いている。また、それぞれの構成部材を接合する接合材においても、熱伝導率が高い接合材を用い、かつ接合部が非常に小さい接触熱抵抗となるように形成されている。
In the
よって、発光素子20から生じる熱を効率的に伝熱ピン63へと伝導し、外部に放散させることが可能となる。
Therefore, the heat generated from the
(発光装置モジュール100)
図4は、実施例1に係る発光装置10を搭載した発光装置モジュール100の断面図である。図4は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
(Light emitting device module 100)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a light emitting
発光装置モジュール100は、発光装置10と、回路基板70と、放熱器80と、を有する。発光装置モジュール100においては、回路基板70の上面に発光装置10が搭載され、回路基板70の下面に放熱器80が取り付けられている。
The light emitting
(回路基板70)
回路基板70は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂等からなる絶縁性の基板であり、発光装置10の搭載面である上面に発光装置10の第1の実装電極13O及び第2の実装電極15Oと電気的に接続する一対の回路配線73及び75を備えている。
(Circuit board 70)
The
また、回路基板70には、回路配線73と75との間の領域において発光装置10の伝熱ピン63に対向する位置に配されており、回路基板70の上面から下面まで貫通する複数の回路基板貫通孔70Hが形成されている。回路基板70に搭載されている発光装置10の伝熱ピン63の各々は、回路基板貫通孔70Hを通り抜けて回路基板70の下面から突出するように挿入されている。回路基板70と発光装置10とは、第1の実装電極13O及び第2の実装電極15Oと回路基板70の一対の回路配線73、75とがはんだ等の装置接合層78を介して接合されることで互いに接合されている。
Further, the
また、発光装置10の伝熱ピン63は、回路基板70の一対の回路配線73及び75と離隔し、電気的に絶縁されている。
Further, the
(放熱器80)
放熱器80は、回路基板70の下面に配されたヒートシンクである。放熱器80には、下面に放熱フィン81が形成されている。放熱器80は、放熱フィン81が形成されている下面と反対の面である上面が回路基板70の下面と対向するように配されている。
(Radiator 80)
The heat sink 80 is a heat sink placed on the bottom surface of the
放熱器80は、例えば、熱伝導率の高いアルミニウム(Al、熱伝導率:約220W/m・K)等の金属からなる。 The heat radiator 80 is made of a metal with high thermal conductivity, such as aluminum (Al, thermal conductivity: about 220 W/m·K), for example.
また、放熱器80の下面には、隣り合う放熱フィン81の間でありかつ伝熱ピン63の先端に対向する位置に複数の凹部80Fが形成されている。また、凹部80Fの各々の底部には、放熱器80の上面まで貫通する放熱器貫通孔80Hが形成されている。発光装置10の伝熱ピン63の先端は、放熱器80の上面から放熱器貫通孔80Hを通り、凹部80Fの内部まで至っている。
Further, a plurality of
放熱器80は、例えば、回路基板70及び放熱器80を貫通する絶縁性のプッシュピン等の固定具PPによって固定されている。
The heat radiator 80 is fixed by a fixture PP such as an insulating push pin that passes through the
放熱器80の凹部80Fには、はんだ等の金属を含む伝熱部接合材としての放熱器接合材85が充填されており、この放熱器接合材85によって伝熱ピン63と放熱器80とが接合されている。すなわち、伝熱ピン63と放熱器80とは、接合時の加熱によって溶融状態を経た金属を含む接合材料によって接合されている。言い換えれば、放熱器接合材85によって、伝熱ピン63と放熱器80とが互いに溶着されている。
The
これにより、伝熱ピン63と放熱器80との間の接触熱抵抗を小さくすることができる。
Thereby, the contact thermal resistance between the
また、伝熱ピン63と放熱器80とが高い熱伝導率を有する金属合金であるはんだである放熱器接合材85(熱伝導率:約60W/m・K)で接合されているため、伝熱ピン63からの熱が放熱器80へと効率的に伝導される。
Furthermore, since the
以上の構成により、実施例1の発光装置モジュール100においては、発光装置10の発光素子20から放熱器80までの間に、樹脂材料等を含む熱伝導率の低い部材を用いない放熱経路を形成することができる。さらに、各々の接合部は、接合時に溶融状態を経た金属を含む接合材によって密接に接合されているため、当該接合部の接合界面の接触熱抵抗を実質上において無視できる程度まで低減させることができる。
With the above configuration, in the light emitting
従って、実施例1によれば、発光装置10の発光素子20から生じる熱を効率的に放熱器80に伝導し、放熱器80から発光装置モジュール100の外部に放散することが可能となる。
Therefore, according to the first embodiment, the heat generated from the
なお、放熱器80は、ヒートシンクに限定されない。例えば、発光装置モジュール100が灯具として用いられる場合、放熱器80は、ブラケット、リフレクタ、筐体等であってもよい。言い換えれば、放熱器80は、放熱器そのものであっても良いし放熱器の機能を兼ねる固定具や筐体等の部材であってもよい。また、放熱器80は、発光装置10からの熱の放熱経路となる部材であってもよい。
Note that the heat sink 80 is not limited to a heat sink. For example, when the light emitting
(発光装置モジュール100の製造方法)
発光装置モジュール100は、以下の方法で製造可能である。
(Method for manufacturing light emitting device module 100)
The light emitting
まず、回路基板70の上面に形成された一対の回路配線73、75の上面上に装置接合層78の原料ペーストであるはんだペーストを塗布する(行程1)。
First, solder paste, which is a raw material paste for the
次に、発光装置10の伝熱ピン63を挿入しつつ第1の実装電極13O及び第2の実装電極15Oと装置接合層78の原料ペーストとを接触させる(行程2)。
Next, the first mounting electrode 13O and the second mounting electrode 15O are brought into contact with the raw material paste of the
この状態の回路基板70をリフロー炉に投入し、装置接合層78の原料ペーストを溶融させて回路基板70と発光装置10とを接合する(行程3)。
The
次に、回路基板70を上下反転させ、回路基板70から突出した伝熱ピン63を放熱器80の放熱器貫通孔80Hに挿入しつつ、放熱器80を固定具PPで固定する(行程4)。
Next, the
次に、放熱器80の凹部80Fに放熱器接合材85の原料であるはんだペーストを充填する(行程5)。
Next, the
その後、ヒートガン等の加熱手段によって放熱器接合材85の原料であるはんだペーストを溶融させ、伝熱ピン63と放熱器80とを接合する(行程6)。
Thereafter, the solder paste, which is the raw material for the heat
以上の行程を行うことによって、発光装置モジュール100が製造可能である。
By performing the above steps, the light emitting
実施例1においては、放熱器80の下面に凹部80F及び放熱器貫通孔80Hが形成された場合について説明した。しかし、放熱器80の構造はこれに限定されない。
In the first embodiment, a case has been described in which the
(発光装置モジュール100A)
図5は、実施例2に係る発光装置モジュール100Aの断面を示す図である。図5は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
(Light emitting
FIG. 5 is a diagram showing a cross section of a light emitting
実施例2においては、放熱器90の凹部90Fが放熱器90の上面に形成されている点で実施例1と相違する。発光装置10及び回路基板70の構成については実施例1と同様である。
The second embodiment differs from the first embodiment in that a
(放熱器90)
放熱器90の上面には、発光装置10の伝熱ピン63に対応する位置に凹部90Fが形成されている。
(Radiator 90)
A
発光装置10の伝熱ピン63は、回路基板70の上面から回路基板貫通孔70Hに挿入され、放熱器90の凹部90Fの内部まで至っている。
The
放熱器90の凹部90Fには、はんだ等の金属を含む放熱器接合材85が充填され、伝熱ピン63と放熱器90とが放熱器接合材85を介して接合されている。
The
実施例2の発光装置モジュール100Aにおいても、発光装置モジュール100と同様に、伝熱ピン63と放熱器90とは、接合時の加熱によって溶融状態を経た金属を含む接合材料によって密接に接合されている。
Also in the light emitting
また、発光装置モジュール100Aは、発光装置10の発光素子20から放熱器90までの間において、樹脂材料等を含む熱伝導率の低い部材を用いない放熱経路を形成することができる。
Further, the light emitting
従って、実施例2においても、発光装置10の発光素子20から生じる熱を効率的に放熱器90に伝導し、放熱器90から発光装置モジュール100Aの外部に放散することが可能となる。
Therefore, in the second embodiment as well, the heat generated from the
なお、実施例2の発光装置モジュール100Aの構成においては、図5に示すように、回路基板70の下面と放熱器90の上面とを所定距離離隔させるスペーサSPを設けることが好ましい。これにより、放熱器90の凹部90Fに充填された放熱器接合材85の原料であるはんだペーストの這い上がり又は漏れ出しを抑制することができる。
Note that in the configuration of the light emitting
(発光装置モジュール100Aの製造方法)
実施例2の発光装置モジュール100Aは、放熱器90を上記の構造とすることにより、はんだペーストの加熱接合工程の回数を削減することが可能である。
(Method for manufacturing light emitting
In the light emitting
具体的には、まず、回路基板70の上面に形成された一対の回路配線73、75の上面上に装置接合層78の原料ペーストであるはんだペーストを塗布する(行程1)。
Specifically, first, solder paste, which is a raw material paste for the
次に、放熱器90の凹部90Fに放熱器接合材85の原料であるはんだペーストを充填する(行程2)。
Next, the
次に、回路基板70の回路基板貫通孔70Hと放熱器90の凹部90Fとが対応する位置で固定されるように、放熱器90を固定具PPで固定する(行程3)。
Next, the
次に、発光装置10の伝熱ピン63を回路基板貫通孔70Hに挿入しつつ第1の実装電極13O及び第2の実装電極15Oと装置接合層78の原料ペーストとを接触させ、かつ伝熱ピン63と放熱器接合材85の原料であるはんだペーストとを接触させる(行程4)。
Next, while inserting the
この状態の回路基板70をリフロー炉に投入し、装置接合層78の原料ペースト及び放熱器接合材85の原料であるはんだペーストを溶融させ、発光装置10と回路基板70及び放熱器90とを接合する(行程5)。
The
以上の行程を行うことによって、より簡易的に発光装置モジュール100Aを製造可能である。
By performing the above steps, the light emitting
[変形例1]
実施例1の放熱構造60においては、基板11の下面に形成された金属層61の表面に伝熱ピン63をろう材65を用いてろう付けすることによって接合する場合について説明した。しかし、伝熱ピン63の接合方法はこれに限定されない。
[Modification 1]
In the
図6は、変形例1に係る発光装置10Aの断面図である。図6は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a
発光装置10Aにおいては、基板11の下面に、金属層61及び伝熱ピン63が一体的に形成された放熱構造60Aを有する点で実施例1の発光装置10と相違する。
The
放熱構造60Aは、基板11の下面に形成された金属層61の表面に伝熱ピン63が拡散接合によって接合されている。
In the
具体的には、放熱構造60Aは、基板11の下面に形成された金属層61に伝熱ピン63のヘッド部を押し当て、加熱及び加圧することにより、接触界面で金属層61の原子と伝熱ピン63の原子とを相互拡散させて接合を行う。
Specifically, the
拡散接合を行うことによって、金属層61と伝熱ピン63との界面がほぼ消失し、金属層61と伝熱ピン63とが一体的となった放熱構造60Aを形成することができる。
By performing diffusion bonding, the interface between the
これにより、金属層61と伝熱ピン63との界面における接触熱抵抗をほぼゼロとすることができる。よって、例えば、発光装置10Aを発光装置モジュール100に組み込んだ際に、発光素子20から生じる熱をさらに効率的に放熱器80に伝導させることができ、放熱器80から発光装置モジュール100の外部に放散することが可能となる。
Thereby, the contact thermal resistance at the interface between the
[変形例2]
図7は、変形例2に係る発光装置10Bの断面図である。図7は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
[Modification 2]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a
発光装置10Bにおいては、放熱構造60Bが金属層61を有さない点で実施例1の発光装置10と相違する。
The
放熱構造60Bは、伝熱ピン63が基板11の下面に活性ろう材65Aを介して直接接合されている。
In the
伝熱ピン63を基板11の下面に活性ろう材65Aを用いて直接ろう付けすることにより、発光素子20から伝熱ピン63までの間において部材間の接合箇所を少なくすることができる。
By directly brazing the
これにより、例えば、発光装置10Bを発光装置モジュール100に組み込んだ際に、発光素子20から放熱器80までの間の接合部における合成接触熱抵抗をさらに低減することが可能となる。
Thereby, for example, when the
[変形例3]
実施例1の発光装置10においては、金属層61の側の一方の端部にヘッド部を有する伝熱ピン63を用いる場合について説明した。しかし、伝熱ピン63の形状はこれに限定されない。
[Modification 3]
In the
図8は、変形例3に係る発光装置10Cの断面図である。図8は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a
発光装置10Cにおいては、放熱構造60Cの伝熱ピン63Aがヘッド部を有さないストレートピンである点で実施例1の発光装置10と相違する。
The
放熱構造60Cは、伝熱ピン63Aが基板11の下面に形成された金属層61の表面に銀ろう材等のろう材65によってろう付けされている。
In the
ストレートピンである伝熱ピン63Aを用いることによって、金属層61の表面に接合する伝熱ピン63Aの数量(密度)を増加させることができる。
By using the heat transfer pins 63A which are straight pins, the number (density) of the heat transfer pins 63A bonded to the surface of the
これにより、伝熱ピン63Aによって伝導可能な熱の量をさらに増加させることができ、発光素子20から生じる熱をさらに効率的に放熱器80に伝導させて、外部に放散させることが可能となる。
Thereby, the amount of heat that can be conducted by the
言い換えれば、例えば、発光装置10Bを発光装置モジュール100に組み込んだ際に、発光素子20から放熱器80までの間の熱経路の最小断面積を大きくすることで、伝熱ピン部分が熱経路のボトルネックとなり、そこに熱溜りが生ずることを防止することが可能である。
In other words, for example, when the
[変形例4]
図9は、変形例4に係る発光装置10Dの断面図である。図9は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
[Modification 4]
FIG. 9 is a cross-sectional view of a
発光装置10Dにおいては、放熱構造60Dの伝熱ピン63Bの金属層61の側と反対の側の端部に長球状の先端部63Tを有する点で実施例1の発光装置10と相違する。
The
先端部63Tは、例えば、発光装置モジュール100に組み込んだ際に、放熱器80の凹部80F内で放熱器接合材85に埋設されるように設けられる。
For example, the
先端部63Tを有することにより、先端部63Tが放熱器接合材85に対してアンカーとなることにより、伝熱ピン63B又は放熱器80に振動等による上下応力が加わった場合に、伝熱ピン63Bが放熱器接合材85から抜けることを防止することが可能となる。
By having the
さらに、先端部63Tは、放熱器80と接合する放熱器接合材85との接触面積を大きくすることができる。よって、伝熱ピン63Bからの熱をより効率的に放熱器80に伝導することが可能となる。
Further, the
なお、先端部63Tは、長球状の形状に限定されない。先端部63Tは、例えば、球状形状、潰し形状又は伝熱ピン63Bの径よりも大きい柱状形状であってもよい。先端部63Tは、放熱器接合材85との接触面積を増加させかつ放熱器接合材85からの、ひいては放熱器貫通孔80Hからの抜けを防止できる形状であればよい。
Note that the
[変形例5]
図10は、変形例5に係る発光装置10Eの断面図である。図10は、図1に示した発光装置10の2-2線に沿った位置に相当する断面である。
[Modification 5]
FIG. 10 is a cross-sectional view of a
発光装置10Eにおいては、放熱構造60Eの伝熱ピン63Cにおける金属層61の側と反対の側の端部近傍の領域に切り欠き部63Nを有する点で実施例1の発光装置10と相違する。
The
切り欠き部63Nは、例えば、発光装置モジュール100に組み込んだ際に、放熱器80の凹部80F内で放熱器接合材85に埋設されるような位置に設けられる。
For example, the
切り欠き部63Nを有することにより、切り欠き部63Nが放熱器接合材85に対してアンカーとなることにより、伝熱ピン63C又は放熱器80に振動等による上下応力が加わった場合に、伝熱ピン63Cが放熱器接合材85から抜けることを防止することが可能となる。
By having the
さらに、切り欠き部63Nは、放熱器80と接合する放熱器接合材85との接触面積を大きくすることができる。よって、伝熱ピン63Cからの熱をより効率的に放熱器80に伝導することが可能となる。
Furthermore, the
なお、切り欠き部63Nは、伝熱ピン63Cの全周に設けられていてもよいし、外周の一部に設けられていてもよい。
Note that the
また、切り欠き部63Nに代えて、伝熱ピン63Cの金属層61の側と反対の側の端部を含む領域が複数の凹凸形状となるように伝熱ピン63Cを粗面化してもよい。
Further, instead of the
伝熱ピン63Cは、放熱器接合材85との接触面積を増加させかつ放熱器接合材85からの、ひいては放熱器貫通孔80Hからの抜けを防止できる形状であればよい。
The
なお、本説明における実施例及び変形例の各部の構成は適宜組み合わせることが可能である。例えば、実施例2の発光装置モジュール100Aにおいて、変形例1乃至5に記載された放熱構造60A乃至60Eを有する発光装置10A乃至10Eを組み込むこともできる。
Note that the configurations of the respective parts of the embodiments and modifications in this description can be combined as appropriate. For example, in the light emitting
以上説明したように、本発明によれば、発光装置に含まれる半導体発光素子からの熱を効率的に外部に放散することが可能な発光装置及び発光装置モジュールを提供することが可能になる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a light emitting device and a light emitting device module that can efficiently dissipate heat from a semiconductor light emitting element included in the light emitting device to the outside.
10 発光装置
11 基板
13 第1の配線電極
15 第2の配線電極
17 中間配線
20 発光素子
21 成長基板
23 素子電極
25 素子電極
30 素子接合層
40 波長変換体
50 光反射体
60 放熱構造
61 金属層
63 伝熱ピン
65 ろう材
70 回路基板
73、75 回路配線
78 装置接合層
80、90 放熱器
81、91 放熱フィン
85 放熱器接合材
10
Claims (10)
前記金属配線を介して前記基板の上面に接合された発光素子と、
前記金属配線と電気的に絶縁されておりかつ各々が前記基板の下面に接合されて前記基板の下面から下方に突出している複数の金属体を含む伝熱部と、を有することを特徴とする発光装置。 a substrate made of insulating ceramic and having metal wiring on the top surface;
a light emitting element bonded to the upper surface of the substrate via the metal wiring;
A heat transfer section including a plurality of metal bodies that are electrically insulated from the metal wiring, each of which is bonded to the lower surface of the substrate and protrudes downward from the lower surface of the substrate. Light emitting device.
前記複数の金属体の各々は、前記金属層の表面に金属を含むろう材によって接合されていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 The substrate has a metal layer on a lower surface that is electrically insulated from the metal wiring,
The light emitting device according to claim 1, wherein each of the plurality of metal bodies is bonded to the surface of the metal layer with a brazing material containing metal.
前記複数の金属体の各々は、前記金属層の表面に拡散接合によって接合されていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 The substrate has a metal layer on a lower surface that is electrically insulated from the metal wiring,
The light emitting device according to claim 1, wherein each of the plurality of metal bodies is bonded to the surface of the metal layer by diffusion bonding.
前記複数の金属体は前記電極と離隔していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の発光装置。 The substrate has an electrode connected to the metal wiring and formed on the lower surface of the substrate,
6. The light emitting device according to claim 1, wherein the plurality of metal bodies are spaced apart from the electrode.
上面に前記発光装置の前記金属配線と電気的に接続された一対の回路配線を有する絶縁性の回路基板と、
前記回路基板の下面に配された放熱器と、からなる発光装置モジュールであって、
前記回路基板には、前記発光装置の前記複数の金属体に対応する位置のそれぞれに上面から下面まで貫通する複数の回路基板貫通孔が形成されており、
前記発光装置の前記複数の金属体の各々は、前記回路基板の前記複数の回路基板貫通孔を通り抜けて前記回路基板の下面から突出しており、当該突出した部分において前記放熱器と金属からなる伝熱部接合材によって接合されていることを特徴とする発光装置モジュール。 a substrate made of insulating ceramic and having metal wiring on its upper surface; a light emitting element bonded to the upper surface of the substrate via the metal wiring; and a light emitting element that is electrically insulated from the metal wiring and each of which a light emitting device comprising: a heat transfer section including a plurality of metal bodies bonded to a lower surface of a substrate and protruding downward from the lower surface of the substrate;
an insulating circuit board having a pair of circuit wires electrically connected to the metal wires of the light emitting device on its upper surface;
A light emitting device module comprising: a radiator disposed on the lower surface of the circuit board;
A plurality of circuit board through-holes are formed in the circuit board at positions corresponding to the plurality of metal bodies of the light emitting device, and penetrate from the top surface to the bottom surface,
Each of the plurality of metal bodies of the light emitting device passes through the plurality of circuit board through-holes of the circuit board and protrudes from the lower surface of the circuit board, and the heat sink and the metal conductor are connected to each other in the protruding portion. A light emitting device module characterized in that the module is bonded using a thermal bonding material.
前記当該複数の凹部のそれぞれの底部には、前記放熱器の上面まで貫通する複数の放熱器貫通孔が形成されており、
前記発光装置の前記複数の金属体の各々は、前記回路基板の前記複数の回路基板貫通孔及び前記複数の放熱器貫通孔をそれぞれ通り前記放熱器の前記複数の凹部内に至るまで挿入されており、
前記放熱器の前記複数の凹部のそれぞれには、前記伝熱部接合材が充填されていることを特徴とする請求項7に記載の発光装置モジュール。 The lower surface of the radiator has a plurality of recesses at positions facing the lower ends of the plurality of metal bodies of the light emitting device,
A plurality of radiator through holes are formed at the bottom of each of the plurality of recesses, and the plurality of radiator through holes that penetrate to the upper surface of the radiator are formed,
Each of the plurality of metal bodies of the light emitting device is inserted through each of the plurality of circuit board through-holes and the plurality of radiator through-holes of the circuit board and into the plurality of recesses of the radiator. Ori,
8. The light emitting device module according to claim 7, wherein each of the plurality of recesses of the radiator is filled with the heat transfer part bonding material.
前記発光装置の前記複数の金属体の各々は、前記回路基板の前記複数の回路基板貫通孔をそれぞれ通り前記放熱器の前記複数の凹部内に至るまで挿入されており、
前記放熱器の前記複数の凹部のそれぞれには、前記伝熱部接合材が充填されていることを特徴とする請求項7に記載の発光装置モジュール。 A plurality of recesses are formed on the upper surface of the radiator at positions facing the tips of the plurality of metal bodies of the light emitting device,
Each of the plurality of metal bodies of the light emitting device is inserted through each of the plurality of circuit board through holes of the circuit board and into the plurality of recesses of the radiator,
8. The light emitting device module according to claim 7, wherein each of the plurality of recesses of the radiator is filled with the heat transfer part bonding material.
10. The light emitting device according to claim 7, wherein the plurality of metal bodies of the light emitting device are mutually insulated from the pair of circuit wirings of the circuit board.
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