JP3469890B2 - 発光ダイオード及びこれを用いた発光装置とその製造方法 - Google Patents
発光ダイオード及びこれを用いた発光装置とその製造方法Info
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Description
れを用いた発光装置及びその製造方法に関するものとし
て、詳しくは放熱特性に優れ大面積のディスプレイ及び
照明設備に適する高密度実装用発光ダイオード及びこれ
を用いた発光装置とその製造方法に関するものである。
は固体発光表示素子(indicator)の一種である。LED
は光の3原色である赤(R)、緑(G)、青(B)を含んだ単
色LEDから、より多様な分野に応用できる白色光(W)
LEDが具現された。最近はランプ形態のLEDから基
板に実装が容易なチップ(SMD)形態のLEDに発展し
大面積の高密度LED実装がより可能になった。これに
伴ってLEDの応用分野は一般表示装置からディスプレ
イのバックライト用発光源はもちろん、白熱電球や蛍光
ランプ、街灯を代替できる次世代照明設備へと漸次その
活用範囲が拡大しつつある。LED照明設備の場合、一
般蛍光灯とは異なって点灯回路が単純でインバータ回路
と鉄心安定器が不要である。更に、LEDを用いた照明
設備は蛍光灯に比して電力消耗が少なく寿命が10倍以
上長い為維持や補修費を省けるという長所がある。
表例として、特開2000-315826号公報にはL
EDと蛍光体(phosphor)とから成る発光素子が開示され
ている。前記特開2000-315826号公報による
発光素子は図15(a)、(b)に示す如く、セラミッ
ク基板301に実装された青色LED303、青色LE
Dチップ303を覆っている第1透明性コーティング部
306、前記LEDチップ及び第1透明性コーティング
部上に配置されて蛍光物質を含有する第2透明性コーテ
ィング部306a及び前記LEDチップとワイヤー30
5により電気的に接続された電極304とを含んで成
る。こうした発光装置はLEDチップから放たれる可視
光と、該可視光を吸収し異なる可視光を放つ蛍光物質か
ら放たれる光との混合光である白色光を照射する。前記
発光装置は発光効率が優れ均一な白色の混色光を誘導で
きる。この他にも白色光を具現できるLEDは多数提案
されている(米国特許第5,998,925号、第6,06
9,440号)。
EDを用いた応用製品の特性劣化及び故障に係わる最大
の原因に挙げられるものは熱的ストレス(thermal stres
s)である。前記提案された諸LEDチップはもちろん一
般のLEDチップを図15(b)の如く、直接同一基板
上に高密度実装し信号灯や照明設備等に用いる場合にL
EDチップはより多くの熱を発散し、総発光面積に比例
して放熱量が増大する傾向を呈する。特に、青色LED
の場合、他の色の高輝度LEDに比して相対的に高い駆
動電圧を有する為に温度が増加する現象を見せる。その
上、照明設備の面積が大きいほど、LEDチップが高密
度に実装されるほど、LEDの特性劣化及び故障の発生
がより甚だしいことと思われる。また、既存の発光装置
は図15(b)の如き構造を有し放熱特性が良好ではな
く大面積の高密度LEDチップ実装に限界がある。
なされたものであり、その目的は、放熱性が優れ高密度
実装に適したLEDを提供することである。本発明の異
なる目的は、こうしたLEDを容易に製造せしめる方法
を提供することである。
用いて大面積に高密度実装する場合にも放熱特性の優れ
た発光装置を提供することである。また、本発明の他の
目的は、こうした発光装置を容易に製造せしめる方法を
提供することである。そして、本発明の更に異なる他の
目的は、こうした発光装置を用いた大面積の発光ユニッ
トアセンブリー(light emitting unit assembly for la
rge area)を提供することである。
に、本発明によるLEDは、1個の放熱穴(a hole for
heat sink)を設けるセラミック基板と、前記セラミック
基板上に位置されLED素子を実装できるよう前記放熱
穴を覆う一定形態の補助セラミックシートと、前記補助
セラミックシート上で前記放熱穴を中心に一定パターン
を形成する電極と、前記電極とワイヤーにより電気的に
接続され前記補助セラミックシート上に実装されるLE
D素子と、前記LED素子を囲みながら補助セラミック
シート上に積層される上部セラミックシートと、前記上
部セラミックシート内のLED素子を密封する絶縁層と
を備えたことを要旨とする。従って、放熱性が優れ高密
度実装に適したものとなる。前記放熱穴の内側には前記
補助セラミックシートとセラミック基板の接触部分に沿
って金属ペーストが塗布されることを要旨とする。前記
放熱穴の内側には金属ペーストが充填されることを要旨
とする。前記放熱穴の内側に充填される金属ペーストの
下部には前記セラミック基板に沿って金属板が付着され
ることを要旨とする。前記放熱穴の内側には金属ペース
トが充填され前記セラミック基板の下部には金属ペース
トが塗布されることを要旨とする。前記放熱穴の内側に
は金属塊(lump or slug)が挿入されることを要旨とす
る。前記セラミック基板及び補助セラミックシート又は
当該セラミック基板若しくは補助セラミックシートはア
ルミナまたはSiCであることを要旨とする。前記電極
はセラミック基板側からAg、Ni及びAu層で成るこ
とを要旨とする。前記絶縁層はエポキシまたはSi系透
明性樹脂であることを要旨とする。前記補助セラミック
シートはLED素子の下部に1個の放熱穴を更に設ける
ことを要旨とする。
によるLEDの製造方法は、1個の放熱穴を設けるセラ
ミック基板を備える段階と、前記セラミック基板上に補
助セラミックシートを積層する段階と、前記補助セラミ
ックシート上に前記放熱穴を中心に両側に一定形態のパ
ターン電極を設ける段階と、前記パターン電極の一部が
露出されるよう所定形状の開口部(opening)を設ける上
部セラミックシートを前記セラミック基板上に積層する
段階と、前記積層されるセラミック基板を同時焼成(co-
fire)する段階と、前記補助セラミック基板のパターン
電極上に電極を設けた後に放熱穴と対向する位置でLE
D素子を補助セラミックシート上に実装する段階と、前
記電極とLED素子を各々電気的に接続させた後に前記
上部セラミックシート内のLED素子を絶縁樹脂で密封
する段階とを備えたことを要旨とする。従って、放熱性
が優れ高密度実装に適したLEDを容易に製造せしめ
る。前記セラミック基板及び補助セラミックシート又は
当該セラミック基板若しくは補助セラミックシートはア
ルミナまたはSiCを用いることを要旨とする。前記電
極はセラミック基板上のAgペースト層にNi及びAu
層をめっきして成ることを要旨とする。前記絶縁樹脂は
エポキシまたはSi系透明性樹脂を用いて充填すること
を要旨とする。前記積層されるセラミック基板は800
〜1050℃で同時焼成されることを要旨とする。前記
放熱穴の内側には前記補助セラミックシートとセラミッ
ク基板との接触部分に沿って金属ペーストを塗布するこ
とを要旨とする。前記放熱穴の内側には金属ペーストを
充填することを要旨とする。前記放熱穴の内側に金属ペ
ーストを充填し前記セラミック基板の下部に金属板を付
着することを要旨とする。前記放熱穴の内側には金属ペ
ーストを充填し前記セラミック基板の下部に金属ペース
トを塗布することを要旨とする。前記放熱穴の内側には
金属塊(lump or slug)を挿入することを要旨とする。前
記補助セラミックシートには前記放熱穴より小さくLE
D素子より小さい他放熱穴を更に設けることを要旨とす
る。
によるLEDは、1個の放熱穴(a hole for heat sink)
を設け該穴の両側に一定形態の電極を設けたセラミック
基板と、前記セラミック基板上に位置されLED素子を
実装できるよう前記放熱穴を覆う一定形態の補助セラミ
ックシートと、前記電極とワイヤーによって電気的に接
続され前記補助セラミックシート上に実装されたLED
素子と、前記LED素子を囲みながらセラミック基板上
に設けられた上部セラミックシートと、及び前記上部セ
ラミックシート内のLED素子を密封している絶縁層と
を含んで成る。従って、放熱性が優れ高密度実装に適し
たものとなる。前記補助セラミックシートはLED素子
の下部に1個の放熱穴を更に設けることを要旨とする。
によるLEDの製造方法は、1個の放熱穴(a hole for
heat sink)を設けたセラミックシートを備え当該セラミ
ックシート上に一定形態のパターン電極を設けセラミッ
ク基板を製造する段階と、前記放熱穴を覆うよう前記セ
ラミック基板上に一定形態の補助セラミックシートを積
層する段階と、前記パターン電極の一部と補助セラミッ
クシートの一部または全部が露出されるよう所定形状の
開口部(opening)を設けた上部セラミックシートをセラ
ミック基板上に積層する段階と、前記セラミック基板を
同時焼成(co-fire)する段階と、前記セラミック基板の
パターン電極上に電極を設けた後、前記補助セラミック
シート上にLED素子を実装する段階と、及び前記電極
とLED素子を電気的に接続させた後、前記上部セラミ
ックシート内のLED素子を絶縁樹脂で密封する段階と
を含んで成る。従って、放熱性が優れ高密度実装に適し
たLEDを容易に製造せしめる。
によるLEDは、1個の放熱穴を設けるセラミック基板
と、前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装
できるよう前記放熱穴を覆う補助セラミックシートと、
前記補助セラミックシート上で放熱穴を中心に両側に設
けられる一定形態の電極と、前記放熱穴と対向して補助
セラミックシートとLEDとの間に位置し補助セラミッ
クシート上に設けられる一定パターンの他電極と、前記
補助セラミックシート上の他電極上に実装され補助セラ
ミック基板の電極とワイヤーにより電気的に接続される
LED素子と、前記LED素子を囲みながら補助セラミ
ックシート上に積層される上部セラミックシートと、前
記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶縁
層とを備えたことを要旨とする。従って、放熱性が優れ
高密度実装に適したものとなる。
よるLEDを用いた発光装置は、多数個の放熱穴(holes
for heat sink)を設けるセラミック基板と、前記セラ
ミック基板上に位置されLED素子を実装できるよう前
記放熱穴を覆う一定形態の補助セラミックシートと、前
記補助セラミックシート上で前記放熱穴を中心に設けら
れる一定パターンの電極と、前記電極とワイヤーにより
電気的に接続され前記補助セラミックシート上に実装さ
れるLED素子と、前記LED素子を囲みながら補助セ
ラミックシート上に積層される上部セラミックシート
と、前記上部セラミックシート内のLED素子を密封す
る絶縁層とを備えたことを要旨とする。従って、前記L
EDを用いて大面積に高密度実装する場合にも放熱特性
の優れたものとする。前記補助セラミックシートは各々
のLED素子の下部に1個の放熱穴を更に設けることを
要旨とする。
発明によるLEDを用いた発光装置の製造方法は、多数
個の放熱穴を設けるセラミック基板を備える段階と、前
記セラミック基板上に補助セラミックシートを積層する
段階と、前記補助セラミックシート上で前記放熱穴を中
心に両側に一定形態のパターン電極を設ける段階と、前
記パターン電極の一部が露出されるよう所定形状の開口
部を設ける上部セラミックシートを補助セラミックシー
ト上に積層する段階と、前記積層されるセラミック基板
を同時焼成する段階と、前記補助セラミックシートのパ
ターン電極上に電極を設けた後に放熱穴と対向する位置
でLED素子を補助セラミックシート上に実装する段階
と、前記電極とLED素子を各々電気的に接続させた後
に前記上部セラミックシート内のLED素子を絶縁樹脂
で密封する段階とを有することを要旨とする。従って、
前記LEDを用いて大面積に高密度実装する場合にも放
熱特性の優れたものとする発光装置を容易に製造せしめ
る。前記補助セラミックシートには前記放熱穴より小さ
くLED素子より小さい他放熱穴を更に設けることを要
旨とする。
発明によるLEDを用いた発光装置は、多数個の放熱穴
(holes for heat sink)を設け各穴の両側に一定形態の
電極を設けたセラミック基板と、前記セラミック基板上
に位置されLED素子を実装できるよう前記各放熱穴を
覆う一定形態の補助セラミックシートと、前記各電極と
ワイヤーによって電気的に接続され前記補助セラミック
シート上に各々実装された多数個のLED素子と、前記
多数個のLED素子を囲みながらセラミック基板上に設
けられた上部セラミックシートと、及び前記上部セラミ
ックシート内のLED素子を密封する絶縁層とを含んで
成る。従って、前記LEDを用いて大面積に高密度実装
する場合にも放熱特性の優れたものとする。前記補助セ
ラミックシートはセラミック基板上に位置され各々1個
の放熱穴を覆うよう独立した補助セラミックシートであ
ることを要旨とする。前記補助セラミックシートはセラ
ミック基板上に位置され各々少なくとも1個以上の放熱
穴を覆うよう独立した補助セラミックシートであること
を要旨とする。
発明によるLEDを用いた発光装置の製造方法は、多数
個の放熱穴を設けたセラミックシートを備え当該セラミ
ックシート上に一定形態のパターン電極を設けてセラミ
ック基板を製造する段階と、前記各放熱穴を覆うよう前
記セラミック基板上に一定形態の補助セラミックシート
を積層する段階と、前記パターン電極の一部と補助セラ
ミックシートの一部または全部が露出されるよう所定形
状の開口部を設けた上部セラミックシートをセラミック
基板上に積層する段階と、前記セラミック基板を同時焼
成する段階と、前記セラミック基板のパターン電極上に
電極を設けた後、前記補助セラミックシート上に多数個
のLED素子を各々実装する段階と、前記電極とLED
素子を各々電気的に接続させた後、前記上部セラミック
シート内のLED素子を絶縁樹脂で密封する段階とを含
んで成る。従って、前記LEDを用いて大面積に高密度
実装する場合にも放熱特性の優れたものとする発光装置
を容易に製造せしめる。前記セラミック基板上には各々
1個の放熱穴を覆うよう独立した補助セラミックシート
を積層することを要旨とする。前記セラミック基板上に
は少なくとも1個以上の放熱穴を覆うよう独立した補助
セラミックシートを積層することを要旨とする。前記セ
ラミック基板は放熱穴とは別途の放熱開口部(openings
for heat sink)を更に設けることを要旨とする。前記補
助セラミックシートには各々のLED素子の下部に1個
の放熱穴を更に設けることを要旨とする。
によるLEDを用いた発光装置は、多数個の放熱穴を設
けるセラミック基板と、前記セラミック基板上に位置さ
れLED素子を実装できるよう前記放熱穴を覆う補助セ
ラミックシートと、前記補助セラミックシート上で放熱
穴を中心に両側に設けられる一定形態の電極と、前記放
熱穴と対向し前記補助セラミックシートとLEDとの間
に位置して補助セラミックシート上に設けられる一定パ
ターンの他電極と、前記補助セラミックシート上の他電
極上に実装され補助セラミック基板の電極とワイヤーに
より電気的に接続されるLED素子と、前記LED素子
を囲みながら補助セラミックシート上に積層される上部
セラミックシートと、前記上部セラミックシート内のL
ED素子を密封する絶縁層とを備えたことを要旨とす
る。従って、前記LEDを用いて大面積に高密度実装す
る場合にも放熱特性の優れたものとする。
明によるLEDを用いた発光ユニットアセンブリー発光
装置は、請求項26記載の発光ダイオードを用いた発光
装置を多数個備えることを要旨とする。従って、大面積
の発光ユニットアセンブリーを実現できる。
本発明は多様な放熱設計によりLED及びこれを用いた
発光装置の熱的ストレスを最小化したものである。これ
に伴って、本発明はLED特性を向上させ次世代照明設
備の発光源として大変有用なものとなる。
によるLEDの一例を示す。図1(a)は本発明の一実
施の形態であるLEDの断面構成図で、図1(b)はそ
の平面図である。本発明によるLEDは図1(a)、
(b)に示す如く、大別するとセラミック基板11、前
記セラミック基板11上に積層された補助セラミックシ
ート12、上部セラミックシート16、発光素子13及
び電極14を含んでから成る。
11は1個の放熱穴11aを備える。更に、セラミック
基板11の表面上には前記放熱穴11aの両側に一定形
態のパターン電極を設ける。 前記放熱穴はLED素子
の下部に配置されLED素子から発生した熱を直接空中
に放出しLEDの熱的ストレスを最小化するのに大変適
している。もちろん放熱穴は必ずしも円形の必要はなく
四角または多角形等如何なる形状でも構わない。前記セ
ラミック基板はLED素子を高密度実装できる基板であ
れば如何なるものでも構わない。例えば、こうしたセラ
ミック基板としてアルミナ(alumina)、水晶(quartz)、
カルシウムジルコネート(calcium zirconate)、橄欖石
(forsterite)、SiC、黒鉛、熔融シリカ(fused silic
a)、ムライト(mullite)、菫青石(cordierite)、ジルコ
ニア(zirconia)、ベリリア(beryllia)及び窒化アルミニ
ウム(aluminum nitride)等を挙げることができる。 従
って、セラミック基板の材質は特別限定されないが中で
もアルミナまたはSiC材質が適している。より好まし
くはアルミナを用いることである。アルミナセラミック
は電気絶縁性および熱伝導率が高い。 更に、アルミナ
セラミックは耐熱性、耐化学性及び機械的強度が優れて
おり、特に放射線放出が少ないという長所を有する。更
に、アルミナセラミックはその上に金属導体配線パター
ンを設け焼成工程により積層型セラミックパッケージ(m
ulti-layer ceramic package; MLP)として用いることが
できる。こうしたパッケージとして用いられる場合、気
密性が優れている。
ミック基板上に位置されLED素子を実装できるよう前
記放熱穴を覆う。補助セラミックシート12も前記と同
様にアルミナまたはSiC材質を用いるのが最も適して
いる。前記補助セラミックシートはその形態や形状に拘
わらず多様に構成され得る。図1(b)では単に四角ま
たは菱形で示されているが、以後多様に提示される如
く、様々な形態から成り得る。発光素子のLED13は
前記補助セラミックシート上に実装されセラミック基板
上に設けられた電極14とワイヤー15やその他配線パ
ターン等によって電気的に接続される。本発明によるL
EDはLED素子の形態や種類に拘わらず適用できる。
従って、RGB LEDはもちろん白色光LEDのみな
らず多様な色相のLED素子にも適用し得ることは言う
までもない。LED素子はセラミック基板の周囲に沿っ
てセラミック基板上に設けられた上部セラミックシート
17により囲まれて絶縁層16により密封される。
蝕からLED素子を保護し、LED素子から照射される
光を通過させるよう透明材質から成る。好ましき絶縁層
の材質としてはエポキシまたはSi系透明性樹脂等を挙
げることができる。
の異なる実施の形態を示す。図2(a)、(b)の各種
LEDにおいて各符合は理解し易いよう図1(a)、
(b)に対応している。先ず、図2(a)はLED素子
23が実装された前記補助セラミックシート22に他放
熱穴22aが設けられたLEDを示す。前記他放熱穴2
2aはLED素子23より小さいことは当然である。更
に、セラミック基板21の放熱穴21aより小さく設け
るのが好ましい。図2(a)のLEDはLED素子23
が直接空気と接触する為に図1に示すLEDに比して放
熱特性が優れることが予測される。
形態のLEDを例示する。図2(a)に示すLEDとは
異なって、補助セラミックシート32がセラミック基板
31全体に亙って積層された構造から成る。更に、電極
34もセラミック基板でない補助セラミックシート32
に位置する。 こうした構造から成るLEDは以後に説
明する如く製造工程において大きな利点を有する。
(b)のLED構造において補助セラミックシート42
に1個の放熱穴42aを更に設けている。 図2(c)
に例示するLEDは図2(a)と図2(b)に例示した
LEDの長所を全て備えている。即ち、LEDから発生
した熱の放出が容易なばかりでなく製造工程においても
大きな利点を有する。
窒化物化合物を用いた青色または白色光LED素子の使
用にあたって適した電極を有する場合に該当する。しか
し、他の半導体化合物、即ちGaAs、GaP、Si
C、ZnSe等から成るLED素子の場合は基板自体の
電気伝導度に因り電界印加方式がLED素子の上・下部
により行われる。従って、この場合のLED素子は下方
に下部電極が設けられる。図2(d)にはこうしたLE
D素子に適するLEDの一例を示している。図2(d)
に例示するLEDは先に例示したLEDとは電極構造が
大きく異なる。従って、補助セラミックシート52上に
実装されたLED素子53は下部の他電極54aがワイ
ヤー55等により電極54と電気的に接続され得る。こ
の場合、セラミック基板51に放熱穴51aを設けてい
るが補助セラミックシートにも放熱穴を設けることがで
きる。
り効果的にLEDの熱的ストレスを抑えることができる
が、各々のLEDは放熱穴に導電性材料を塗布したり充
填する方法でより効果的に放熱特性を増進させ得る。図
3には図1のLEDに適用された方式を例示する。その
一方式として図3(a)は放熱穴11aの内側に補助セ
ラミックシート12とセラミック基板11との接触面に
沿って金属ペースト18aが塗布されたLEDを示す。
更に、図3(b)は前記放熱穴11aの内側に金属ペー
スト18bが充填されたLEDを例示する。更に、図3
(c)は放熱穴11aの内側に金属ペーストが充填され
た図3(b)のLEDの下部にセラミック基板11に沿
って金属板19が付着されたLEDである。図3(d)
は放熱穴11aの内側に金属塊(lump or slug)18dが
挿入されて金属ペーストで接着されたLEDを示す。図
3(e)に示したLEDは放熱穴11aの内側に金属ペ
ーストが充填された上にセラミック基板11の下部に沿
って全て金属ペースト18eが塗布された構造である。
これらLEDは全て放熱穴11aにより熱放出がより容
易に行う為に放熱穴だけ設ける場合に比して放熱特性が
優れている。こうした構造はもちろん図1に例示したL
EDのみならず多様に放熱設計された図2のLEDにも
同一に適用し得ることは言うまでもない。
次の如き工程を経て製造される。即ち、例えば、図1の
LEDの製造方法は、先ず1個の放熱穴11aを設けた
セラミックシート11を備える。前記セラミックシート
の放熱穴はパンチングにより簡単に設けることができ
る。次いで、セラミックシート上にはスクリーン印刷方
式等により一定形態のパターン電極14を設ける。前記
パターン電極は設計により多様に変更し得ることは言う
までもない。本発明においてはパターン電極としてAg
含有ペーストが適する。前記セラミック基板は1個また
は2個以上のセラミックシートを積層して構成すること
ができる。更に、セラミック基板には必要により他の配
線パターンを設けることができる。前記セラミック基板
を備えた後には前記放熱穴を覆うことのできる一定形態
の補助セラミックシート12を積層する。図2(b)に
例示されたLEDの場合、補助セラミックシート32を
セラミック基板31と同一の大きさにすればよい。
ラミックシートの一部または全部が露出されるよう所定
形状の開口部(opening)が設けられた上部セラミックシ
ート17を備え、これをセラミック基板上に積層する。
その後、前記セラミック基板は同時焼成を行う。この
際、同時焼成は約800〜1050℃で行うことが好ま
しい。
極上にめっきにより電極を設ける。本発明において電極
はセラミック基板上のAgペースト層にNi及びAuを
順次にめっきすることが好ましい。前記電極を設けた後
には補助セラミックシート12上に設けられたLED素
子13を実装する。その後、前記電極とLED素子とを
ワイヤー15により電気的に接続させてから、前記上部
セラミックシート17内のLED素子13を絶縁樹脂で
密封する。
明は前記の多様な放熱設計により得られる基本的な単位
発光素子であるLEDを用いて熱的ストレスが大幅に低
減される発光装置を提供する。本発明の発光装置は、前
記単品のLEDを1個のPCB基板に実装せず、LED
素子を一体化したパッケージ内で連続する金属パターン
電極上に実装したものである。
一例を示す。図4(a)は本発明の一実施の形態である
発光装置の断面構成で、図4(b)はその平面図であ
る。本発明による発光装置は図4に示す如く、大別して
セラミック基板111、前記セラミック基板上に積層さ
れた補助セラミックシート112、112'、上部セラ
ミックシート116、発光素子113、113' 及び電
極114を含んで成る。こうした発光装置は図1の多数
のLEDを組合せた如き構造を有する。
ミック基板111は多数個の放熱穴111a、111
a'を設けている。 更に、セラミック基板111の表面
上には前記放熱穴111a、111a'の両側に一定形
態のパターン電極が設けられている。前述のとおり、前
記放熱穴はLED素子の下部に配置されLED素子から
発生した熱を直接空中に放出してLEDの熱的ストレス
を最小化するのに大変適している。もちろん放熱穴は如
何なる形状でも構わない。セラミック基板はLED素子
を高密度実装し得る基板であれば如何なるものでもよ
い。セラミック基板の材質は前述のとおり、特別限定さ
れはしないが中でもアルミナまたはSiC材質が適当で
ある。より好ましくはアルミナを用いることである。
2'は前記セラミック基板上に位置され各々のLED素
子を実装できるよう前記放熱穴を覆っている。補助セラ
ミックシート112、112'も前記と同様にアルミナ
またはSiC材質を用いることが最も適する。前記補助
セラミックシートはその形態や形状に拘わらず多様に構
成することができる。図1(b)においては単に四角ま
たは菱形から成っているが、以後に多様に提示する如
く、様々な形態から成ることができる。更に、図4
(a)において補助セラミックシートはセラミック基板
111上に位置され各々1個の放熱穴111aを覆う独
立した補助セラミックシートや、各々少なくとも1個以
上の放熱穴を覆うよう独立した補助セラミックシートで
ある(図2(b)、図2(c)、図11(b)及び図1
2(b)参照)。
前記補助セラミックシート上に実装され、セラミック基
板上に設けられた電極114とワイヤー115やその他
配線パターン等により電気的に接続される。本発明によ
る発光装置に実装されるLEDはLED素子の形態や種
類に拘わらず適用可能である。従って、RGB LED
はもちろん白色光LEDのみならず多様な色相のLED
素子にも適用し得ることは言うまでもない。 LED素
子はセラミック基板の周囲に沿ってセラミック基板上に
設けられた上部セラミックシート117により囲まれ絶
縁層116で密封される。 前記絶縁層116はエポキ
シまたはSi系透明性樹脂等から成ることが好ましい。
の形態を示す。図5の各種発光装置において各符合は理
解し易いよう図4に対応している。先ず、図5(a)は
LED素子123、123'が実装された前記補助セラ
ミックシート122、122'に他放熱穴122a、1
22a'が設けられた発光装置を示す。こうした発光装
置は図2(a)の多くのLEDを組合せた如き構造を有
する。図5(a)による発光装置において放熱穴122
a、122a'はLED素子123、123'より小さい
ことは言うまでもない。更に、セラミック基板121の
放熱穴121a、121a'よりは小さく形成すること
が好ましい。図5(a)による発光装置はLED素子1
23、123'が直接空気と接触する為、図4に示した
発光装置に比して放熱特性が優れることが予測される。
形態の発光装置を例示する。図5(b)に示す発光装置
は図4に例示された発光装置とは異なって、補助セラミ
ックシート132がセラミック基板131全体に亙って
積層される構造を有する。更に、電極134もセラミッ
ク基板ではなく補助セラミックシート132に位置す
る。こうした発光装置は図2(b)に例示した多数のL
EDを組合せた構造を有し、以後の製造過程に示す如く
大きな利点を有する。
5(b)の発光装置の構造において補助セラミックシー
ト142に1個の放熱穴142a、142a'を更に設
けている。こうした発光装置は図2(c)に例示した多
数のLEDを組合せた構造を有する。
に例示した多数のLED素子を組合せた構造に適する場
合を示している。即ち、こうした発光装置は図2(d)
に例示した多数のLED素子を組合せた構造を有するも
のとして、基板自体の電気伝導度により電界印加方式が
LED素子の上・下部により行われる。前記発光装置は
補助セラミックシート152、152'上に実装された
LED素子153、153'の下部に位置する他電極1
54a、154'がワイヤー155、155'等により電
極154、154'と電気的に接続される。この場合に
セラミック基板151に放熱穴151aを設けている
が、補助セラミックシート上にも更に放熱穴を設けるこ
とができる。
より効果的にLEDの熱的ストレスを抑えることができ
るが、各々の発光装置は放熱穴に導電性材料を塗布した
り充填する方法でより効果的に放熱特性を増進すること
ができる。図7には図4の発光装置に適用された方式を
例示している。その一方式として図7(a)は放熱穴1
11aの内側に補助セラミックシート112とセラミッ
ク基板111との接触面に沿って金属ペースト118a
が塗布された発光装置を示す。更に、図7(b)は前記
放熱穴111aの内側に金属ペースト118bが充填さ
れた発光装置を例示している。更に、図7(c)は放熱
穴111aの内側に金属ペーストが充填された図7
(b)の発光装置においてLEDの下部にセラミック基
板111に沿って金属板119が付着された発光装置で
ある。図8(a)は放熱穴111aの内側に金属塊(lum
p or slug)118dが挿入され金属ペーストで接着され
た発光装置を示す。図8(b)に例示する発光装置は放
熱穴111aの内側に金属ペーストが充填された上にセ
ラミック基板111の下部に沿って全て金属ペースト1
18eが塗布された構造である。これらの発光装置は全
て放熱穴111aにより熱放出をより容易に行い放熱穴
だけ設けられた場合に比して放熱特性が優れている。こ
うした構造はもちろん図4に例示した発光装置のみなら
ず多様に放熱設計された図5,6の発光装置にも同一に
適用し得ることは言うまでもない。
の製造工程は基本的に単品のLED製造工程と類似する
のがより多様である。図4に例示された発光装置におけ
る本発明の製造方法を図9に基づいて説明すれば次のと
おりである。図9(a)と図9(b)に示す如く、先ず
パンチング工程により多数個の放熱穴111a、111
a'を設けたセラミックシートを備える。該セラミック
シート上には図9(c)の如くスクリーン印刷方式等に
より一定形態のパターン電極114を設ける。前記パタ
ーン電極114は設計により多様に変更し得ることは言
うまでもない。本発明においてはパターン電極としてA
g含有ペーストが適する。セラミック基板は1個または
2個以上のセラミックシートを積層して構成することが
できる。更に、セラミック基板には必要によって他の配
線パターンを設けることができる。前記セラミック基板
を備えた後には、図9(d)の如く前記放熱穴を覆うこ
とのできる一定形態の補助セラミックシート112、1
12'を積層する。前記補助セラミックシートは前記セ
ラミック基板上に各々1個の放熱穴を覆うよう設けるこ
とができるが、少なくとも1個以上の放熱穴を覆うよう
独立した補助セラミックシートから構成することもでき
る。図10はそうした一例を示している。図10(a)
ないし図10(c)に示す放熱装置の製造工程において
は、セラミック基板161の一連の放熱穴161a、1
61b、161cを共に覆うことのできる独立した補助
セラミックシート162をセラミック基板161上に積
層した後、上部セラミックシート167を積層する過程
を示す。更に、前記補助セラミックシートは各々LED
素子の下部に1個の放熱穴を更に設けるよう構成するこ
ともできる(図5(a)参照)。
電極の一部と補助セラミックシートの一部または全部が
露出するよう所定形状の開口部を設けた上部セラミック
シート117を備え、前記セラミック基板上に積層す
る。その後、前記セラミック基板は同時焼成を行う。こ
の際、同時焼成は約800〜1050℃で行うことが好
ましい。続いて、図9(f)の如く、前記セラミック基
板のパターン電極上にめっきにより電極を設ける。本発
明において電極はセラミック基板上のAgペースト層に
Ni及びAuを順次にめっきすることが好ましい。前記
電極を設けた後には補助セラミックシート112、11
2'上に備えたLED素子113、113'を実装する。
その後、前記電極114とLED素子とをワイヤーによ
り電気的に接続させてから、前記上部セラミックシート
117内のLED素子113、113'を絶縁樹脂で密
封する。
る製造工程を示す。こうした製造工程を経て得られる発
光装置は図6(a)の如き構造を有するであろう。図1
1に示した製造工程は図9の製造工程とは異なって、1
個の補助セラミックシート152を用いてもよいという
利点があり実際に製造工程が大幅に単純化され得る。図
11に提案した発光装置の製造方法は放熱穴151a、
151a'を設けたセラミック基板151上にパターン
電極が設けられず、補助セラミックシート152上に設
けられる。即ち、パンチング過程により前記放熱穴15
1a、151a'より小さく且つLED素子より小さい
他放熱穴152a、152a'を設けた補助セラミック
シートを備え、前記セラミック基板上に放熱穴の中心線
が一致するよう積層した後(図11(c))、補助セラミ
ックシート上に一定形態のパターン電極154を設ける
(図11(d))。以後の製造工程は図9と同一である。
限らず前記セラミック基板の放熱穴とは別途の放熱開口
部(openings for heat sink)を設けることもできる。図
12はそうした例を示す。図12にはセラミック基板1
71を製造する際に放熱穴171a、171a'とは別
途に前記放熱穴の周囲に放熱開口部の如き別途の放熱手
段をパンチングにより打ち抜いた過程を示す。こうした
構造を有する発光装置はLED素子から発生した熱をよ
り広い面積に至って空中に放熱できる為、多数の発光装
置を用い高密度で発光ユニットアセンブリーを組合せる
ことができ、更に発光ユニットアセンブリーの発光面を
より大面積に構成できるという利点を有する。
シート177は多様な形態から成ることができる。上部
セラミックシートはユーザーまたは使用条件等の外部環
境に合わせて多様な形状に設計することができる。図1
3は上部セラミックシートの多様な形状を例示してい
る。図13に示す前記上部セラミックシートの開口部ま
たは窓(windows)にはLED数を適切に配置して発光面
の面積と形態を効率的に決定し得る。
いてはこれまで説明した発光装置を少なくとも1個以上
配置して大面積の発光ユニットアセンブリーを構成する
ことができる。図14はそうした発光ユニットのアセン
ブリーの一例として、理解が容易なように図面において
上部セラミックシートは略した。本発明による発光ユニ
ットアセンブリーは発光ユニット210を適切に配置し
て成る。更に、発光ユニットアセンブリーでは上部に積
層される上部セラミックシートをパンチングにより形状
と形態を適切に形成し発光面積及び発光面の形状を調節
できるので、LED素子から照射される光の量も調節し
得る。特に、本発明の発光ユニットアセンブリーは多様
な放熱設計ができLED素子から発生する熱の放出が容
易なので、LED素子を高密度大面積に設計することが
できる。
な放熱設計によりLED素子から発生する熱の放出を効
率的に行いLED素子の熱的ストレスを最小化にできて
LED素子の安定的な動作を行える。更に、本発明は高
密度でLED素子を大面積基板に実装し得る発光装置を
提供する。こうした発光装置は多様な色相(full color)
を呈するディスプレー等の発光源のみならず白熱電球や
蛍光灯、街灯を代替し得る次世代照明設備に大変適す
る。
ある。
図である。
る。
る。
ものである。
部である。
図を例示するものである。
の一部である。
トの例示図である。
置の構成図である。
(b)は(a)の発光素子を用いた発光装置の断面図で
ある。
71 セラミック基板 111a、121a、131a、141a、151a、
161a、171a放熱穴 112、122、132、142、152、162、1
72 補助セラミックシート 113、123、133、143、153、163、1
73 発光ダイオード 114、124、134、144、154、164、1
74 電極 115、125、135、145、155、165、1
75 ワイヤー 116、126、136、146、156、166、1
76 絶縁層 117、127、137、147、157、167、1
77 上部セラミックシート
Claims (39)
- 【請求項1】 1個の放熱穴(a hole forh
eat sink)を設けるセラミック基板と、 前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装でき
るよう前記放熱穴を覆う一定形態の補助セラミックシー
トと、 前記セラミック基板上で前記放熱穴を中心に一定パター
ンを形成するパターン電極と、 前記パターン電極とワイヤーにより電気的に接続され前
記補助セラミックシート上に実装されるLED素子と、 前記LED素子を囲みながら前記セラミック基板上に積
層される上部セラミックシートと、 前記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶
縁層と、 を備えたことを特徴とする発光ダイオード。 - 【請求項2】 前記放熱穴の内側には前記補助セラミッ
クシートとセラミック基板の接触部分に沿って金属ペー
ストが塗布されることを特徴とする請求項1記載の発光
ダイオード。 - 【請求項3】 前記放熱穴の内側には金属ペーストが充
填されることを特徴とする請求項1記載の発光ダイオー
ド。 - 【請求項4】 前記放熱穴の内側に充填される金属ペー
ストの下部には前記セラミック基板に沿って金属板が付
着されることを特徴とする請求項3記載の発光ダイオー
ド。 - 【請求項5】 前記放熱穴の内側には金属ペーストが充
填され前記セラミック基板の下部には金属ペーストが塗
布されることを特徴とする請求項3記載の発光ダイオー
ド。 - 【請求項6】 前記放熱穴の内側には金属塊(lump
or slug)が挿入されることを特徴とする請求
項1記載の発光ダイオード。 - 【請求項7】 前記セラミック基板及び補助セラミック
シート又は当該セラミック基板若しくは補助セラミック
シートはアルミナまたはSiCであることを特徴とする
請求項1記載の発光ダイオード。 - 【請求項8】 前記パターン電極はセラミック基板側か
らAg、Ni及びAu層で成ることを特徴とする請求項
1記載の発光ダイオード。 - 【請求項9】 前記絶縁層はエポキシまたはSi系透明
性樹脂であることを特徴とする請求項1記載の発光ダイ
オード。 - 【請求項10】 前記補助セラミックシートはLED素
子の下部に1個の放熱穴を更に設けることを特徴とする
請求項1記載の発光ダイオード。 - 【請求項11】 1個の放熱穴を設けるセラミック基板
を備える段階と、 前記セラミック基板上に補助セラミックシートを積層す
る段階と、 前記セラミック基板上に前記放熱穴を中心に両側にパタ
ーン電極のための導電性ペースト層を設ける段階と、 前記導電性ペースト層の一部が露出されるよう所定形状
の開口部(opening)を設ける上部セラミックシ
ートを前記セラミック基板上に積層する段階と、 前記積層されるセラミック基板を同時焼成(co−fi
re)する段階と、 前記セラミック基板の導電性ペースト層上にメッキを施
しパターン電極を設けた後に、放熱穴と対向する位置で
LED素子を前記補助セラミックシート上に実装する段
階と、 前記パターン電極とLED素子を各々電気的に接続させ
た後に前記上部セラミックシート内のLED素子を絶縁
樹脂で密封する段階と、 を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項12】 前記セラミック基板及び補助セラミッ
クシート又は当該セラミック基板若しくは補助セラミッ
クシートはアルミナまたはSiCを用いることを特徴と
する請求項11記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項13】 前記パターン電極はセラミック基板上
のAgペースト層にNi及びAu層をめっきして成るこ
とを特徴とする請求項11記載の発光ダイオードの製造
方法。 - 【請求項14】 前記絶縁樹脂はエポキシまたはSi系
透明性樹脂を用いて充填することを特徴とする請求項1
1記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項15】 前記積層されるセラミック基板は80
0〜1050℃で同時焼成されることを特徴とする請求
項11記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項16】 前記放熱穴の内側には前記補助セラミ
ックシートとセラミック基板との接触部分に沿って金属
ペーストを塗布することを特徴とする請求項11記載の
発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項17】 前記放熱穴の内側には金属ペーストを
充填することを特徴とする請求項11記載の発光ダイオ
ードの製造方法。 - 【請求項18】 前記放熱穴の内側に金属ペーストを充
填し前記セラミック基板の下部に金属板を付着すること
を特徴とする請求項17記載の発光ダイオードの製造方
法。 - 【請求項19】 前記放熱穴の内側には金属ペーストを
充填し前記セラミック基板の下部に金属ペーストを塗布
することを特徴とする請求項17記載の発光ダイオード
の製造方法。 - 【請求項20】 前記放熱穴の内側には金属塊(lum
p or slug)を挿入することを特徴とする請求
項11記載の発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項21】 前記補助セラミックシートには前記放
熱穴より小さくLED素子より小さい他放熱穴を更に設
けることを特徴とする請求項11記載の発光ダイオード
の製造方法。 - 【請求項22】 1個の放熱穴を設けて当該穴の両側に
一定形態のパターン電極を設けるセラミック基板と、 前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装でき
るよう前記放熱穴を覆う一定形態の補助セラミックシー
トと、 前記パターン電極とワイヤーにより電気的に接続され前
記補助セラミックシート上に実装されるLED素子と、 前記LED素子を囲みながらセラミック基板上に設けら
れる上部セラミックシートと、 前記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶
縁層と、 を備えたことを特徴とする発光ダイオード。 - 【請求項23】 前記補助セラミックシートはLED素
子の下部に1個の放熱穴を更に設けることを特徴とする
請求項22記載の発光ダイオード。 - 【請求項24】 1個の放熱穴を設けるセラミックシー
トを備えて当該セラミックシート上に一定形態のパター
ン電極を設けてセラミック基板を製造する段階と、 前記放熱穴を覆うよう前記セラミック基板上に一定形態
の補助セラミックシートを積層する段階と、 前記パターン電極の一部と補助セラミックシートの一部
または全部が露出されるよう所定形状の開口部を設ける
上部セラミックシートを前記セラミック基板上に積層す
る段階と、 前記セラミック基板を同時焼成する段階と、 前記セラミック基板のパターン電極上に前記補助セラミ
ックシート上にLED素子を実装する段階と、 前記パターン電極とLED素子を電気的に接続させた後
に前記上部セラミックシート内のLED素子を絶縁樹脂
で密封する段階と、 を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。 - 【請求項25】 1個の放熱穴を設けるセラミック基板
と、 前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装でき
るよう前記放熱穴を覆う補助セラミックシートと、 前記セラミック基板上で放熱穴を中心に両側に設けられ
る一定形態のパターン電極と、 前記放熱穴と対向して前記補助セラミックシートとLE
D素子との間に位置し当該補助セラミックシート上に設
けられる一定パターンの他電極と、 前記補助セラミックシート上の他電極上に実装され前記
セラミック基板のパターン電極とワイヤーにより電気的
に接続されるLED素子と、 前記LED素子を囲みながら前記セラミック基板上に積
層される上部セラミックシートと、 前記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶
縁層と、 を備えたことを特徴とする発光ダイオード。 - 【請求項26】 多数個の放熱穴(holes for
heat sink)を設けるセラミック基板と、 前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装でき
るよう前記放熱穴を覆う一定形態の補助セラミックシー
トと、 前記セラミック基板上で前記放熱穴を中心に設けられる
一定形態のパターン電極と、 前記パターン電極とワイヤーにより電気的に接続され前
記補助セラミックシート上に実装されるLED素子と、 前記LED素子を囲みながら前記セラミック基板上に積
層される上部セラミックシートと、 前記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶
縁層と、 を備えたことを特徴とする発光ダイオードを用いた発光
装置。 - 【請求項27】 前記補助セラミックシートは各々のL
ED素子の下部に1個の放熱穴を更に設けることを特徴
とする請求項26記載の発光装置。 - 【請求項28】 多数個の放熱穴を設けるセラミック基
板を備える段階と、 前記セラミック基板上に補助セラミックシートを積層す
る段階と、 前記セラミック基板上で前記放熱穴を中心に両側に一定
形態のパターン電極を設ける段階と、 前記パターン電極の一部が露出されるよう所定形状の開
口部を設ける上部セラミックシートを前記セラミック基
板上に積層する段階と、 前記積層されるセラミック基板を同時焼成する段階と、 前記セラミック基板のパターン電極上に放熱穴と対向す
る位置でLED素子を補助セラミックシート上に実装す
る段階と、 前記パターン電極とLED素子を各々電気的に接続させ
た後に前記上部セラミックシート内のLED素子を絶縁
樹脂で密封する段階と、 を有することを特徴とする発光装置の製造方法。 - 【請求項29】 前記補助セラミックシートには前記放
熱穴より小さくLED素子より小さい他放熱穴を更に設
けることを特徴とする請求項28記載の発光装置の製造
方法。 - 【請求項30】 多数個の放熱穴を設け各穴の両側に一
定形態のパターン電極を設けるセラミック基板と、 前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装でき
るよう前記各々の放熱穴を覆う一定形態の補助セラミッ
クシートと、 前記各パターン電極とワイヤーにより電気的に接続され
前記補助セラミックシート上に各々実装される多数個の
LED素子と、 前記LED素子を囲みながらセラミック基板上に設けら
れる上部セラミックシートと、 前記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶
縁層と、 を備えたことを特徴とする発光ダイオードを用いた発光
装置。 - 【請求項31】 前記補助セラミックシートはセラミッ
ク基板上に位置され各々1個の放熱穴を覆うよう独立し
た補助セラミックシートであることを特徴とする請求項
30記載の発光ダイオードを用いた発光装置。 - 【請求項32】 前記補助セラミックシートはセラミッ
ク基板上に位置され各々少なくとも1個以上の放熱穴を
覆うよう独立した補助セラミックシートであることを特
徴とする請求項30記載の発光ダイオードを用いた発光
装置。 - 【請求項33】 多数個の放熱穴を設けるセラミックシ
ートを備え当該セラミックシート上に一定形態のパター
ン電極を設けてセラミック基板を製造する段階と、 前記各々の放熱穴を覆うよう前記セラミック基板上に一
定形態の補助セラミックシートを積層する段階と、 前記パターン電極の一部と補助セラミックシートの一部
または全部が露出されるよう所定形状の開口部を設ける
上部セラミックシートをセラミック基板上に積層する段
階と、 前記セラミック基板を同時焼成する段階と、 前記セラミック基板のパターン電極上に前記補助セラミ
ックシート上にLED素子を各々実装する段階と、 前記パターン電極とLED素子を各々電気的に接続させ
た後に前記上部セラミックシート内のLED素子を絶縁
樹脂で密封する段階と、 を有することを特徴とする発光ダイオードを用いた発光
装置の製造方法。 - 【請求項34】 前記セラミック基板上には各々1個の
放熱穴を覆うよう独立した補助セラミックシートを積層
することを特徴とする請求項33記載の発光ダイオード
を用いた発光装置の製造方法。 - 【請求項35】 前記セラミック基板上には少なくとも
1個以上の放熱穴を覆うよう独立した補助セラミックシ
ートを積層することを特徴とする請求項33記載の発光
ダイオードを用いた発光装置の製造方法。 - 【請求項36】 前記セラミック基板は放熱穴とは別途
の放熱開口部(openingsfor heat s
ink)を更に設けることを特徴とする請求項33記載
の発光ダイオードを用いた発光装置の製造方法。 - 【請求項37】 前記補助セラミックシートには各々の
LED素子の下部に1個の放熱穴を更に設けることを特
徴とする請求項33記載の発光ダイオードを用いた発光
装置の製造方法。 - 【請求項38】 多数個の放熱穴を設けるセラミック基
板と、 前記セラミック基板上に位置されLED素子を実装でき
るよう前記放熱穴を覆う補助セラミックシートと、 前記セラミック基板上で放熱穴を中心に両側に設けられ
る一定形態のパターン電極と、 前記放熱穴と対向し前記補助セラミックシートとLED
との間に位置して補助セラミックシート上に設けられる
一定パターンの他電極と、 前記補助セラミックシート上の他電極上に実装され前記
セラミック基板のパターン電極とワイヤーにより電気的
に接続されるLED素子と、 前記LED素子を囲みながら前記セラミック基板上に積
層される上部セラミックシートと、 前記上部セラミックシート内のLED素子を密封する絶
縁層と、 を備えたことを特徴とする発光ダイオードを用いた発光
装置。 - 【請求項39】 請求項26記載の発光ダイオードを用
いた発光装置を多数個備えることを特徴とする大面積の
発光ユニットアセンブリー。
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