JP5179875B2 - ヒートパイプを備える発光素子及び発光素子用のヒートパイプリードの製造方法 - Google Patents

ヒートパイプを備える発光素子及び発光素子用のヒートパイプリードの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は発光素子に関し、さらに詳しくは、ヒートパイプ電極を用いて発光チップから発する熱を冷却させることにより、発光素子の冷却能力を大幅に高めることのできる発光素子に関する。
従来のランプ型発光素子は、図1に示すように、電圧を印加すると光を発する発光チップ1と、発光チップ1のカソード及びアノードにそれぞれ接続されて発光チップ1に電圧を印加するための導電性金属材製の第1のリード2及び第2のリード3とを備える。第1のリード2の一端に形成されたカップ形状のパッドの上に発光チップ1が導電性接着剤により取り付けられ、第2リード3とはワイヤー4を介してボンディングされる。また、発光チップ1は、これを外部から保護するために絶縁材質のモールド部5によりモールドされる。このとき、第1のリード2及び第2のリード3は、一部が外部に露出されることにより外部から発光チップへ電圧が印加可能になっている。
上述の如き発光素子は、現在のところ、光の3原色、例えば赤色(R)、緑色(G)、青色(B)を含む単色の発光素子だけではなく、種々の分野に応用可能な白色光のLEDとしても実現されている。これにより、発光素子は、一般の表示装置におけるバックライト用の発光源にはもちろん、白熱電球や蛍光ランプ、街灯に代替えしうる次世代の照明システムへとその活用範囲が次第に広がっていく傾向にある。発光素子を用いた照明システムの場合、通常の蛍光灯とは異なり、点灯回路が単純であり、インバータ回路と鉄芯型安定器が不要である他、電力消費が低く、しかも、寿命が約10倍以上になることから、メンテナンスにかかるコストが安価であるという長所がある。
現在、この種の発光素子を照明用として用いるための研究が盛んになされている。しかしながら、発光素子の最大発光効率と熱放出とは互いに相関関係があるため、これを照明用として用いるためには、熱放出の問題の解決が先行する必要がある。すなわち、発光素子を照明用として用いる場合、従来に比べて、チップからの発熱が増えてしまい、素子内部のチップが受ける熱的ストレスが高くなる。これにより、製品の信頼性が低下するだけではなく、その寿命が短縮される。特に、図1に示すようなランプ型発光素子は、金属性リードフレームの熱伝導によってのみ熱を放出しているため、発光素子が受ける熱的ストレスが高くなるという問題が生じる。
このような問題を解決するために、熱伝導性に優れた金属物質製のヒートシンクまたはスラグ(slug)などの放熱部材を発光チップと基板との間に取り付けて発光素子の熱的ストレスをある程度低減させるのに成功している。
しかしながら、この場合、金属が持っている熱伝導度の限界と、放熱部材と基板との間、又は放熱部材とチップとの間の境界における熱伝達の不調による熱伝導度の低下が原因となって、発光素子の熱的ストレスの問題を効率よく解決することはできなかった。また、放熱部材と基板との間に所定の隙間ができ、その隙間に水分などの外部からの異物が侵入して素子の電気的な特性を破壊したり、あるいは、素子の発光特性を可変させたりするという問題点が生じていた。これらの理由から、このような放熱部材の熱伝導作用だけではより一層高い発光効率を期待することが困難であり、しかも、冷却負荷の上昇を効率よく解消することができないという問題点が生じていた。
従って、本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、発光チップからの発熱を最大限に速く冷却させて熱的ストレスを効率よく低減させることができ、しかも、発光チップに電流を印加可能なヒートパイプを備える発光素子を提供するところにある。
また、本発明の他の目的は、発光素子用のヒートパイプリードフレーム及びその製造方法を提供するところにある。
上記の目的を達成するために、本発明によれば、リードと、前記リードと所定の間隔だけ離れて位置するヒートパイプリードと、前記ヒートパイプリードの上に実装される発光チップと、前記発光チップと前記リードとを互いに接続するワイヤーと、前記リード、前記ヒートパイプリード、及び前記発光チップを封止するモールド部とを備えることを特徴とする発光素子が提供される。
望ましくは、前記ヒートパイプリードは、内部に設けられた少なくとも1つ以上の空間部と、前記空間部の内側壁に形成されるウィック(wick)と、前記空間部内に存在する流動体とを備える。このとき、前記流動体は、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、He、N、CHClF、NH、CCl、CClF−CClF、CClF、CClF−CClFからなる群より選択されるいずれか1種を含み、前記空間部の10〜70%が前記流動体により充填されている。なお、前記空間部に分離板がさらに取り付けられる。
望ましくは、上述のヒートパイプリードの上部には前記発光チップを実装するためのホールカップが形成される。
さらに、前記ヒートパイプリードは、前記モールド部の外部に突出する少なくとも2つの外部リード部と、前記外部リード部同士を接続する中心リード部とを備えてもよい。望ましくは、前記中心リード部には、前記発光チップを実装するためのホールカップが設けられている。
加えて、前記ヒートパイプリードに接続される放熱部材をさらに備えてもよい。
さらに、上記の目的を達成するために、本発明の他の形態によれば、基板と、前記基板に形成されるヒートパイプ電極と、前記ヒートパイプ電極と所定の間隔だけ離れて形成される電極と、前記ヒートパイプ電極の上に実装される発光チップと、前記発光チップと前記電極とを互いに接続するワイヤーと、前記発光チップを封止するモールド部とを備えることを特徴とする発光素子が提供される。
望ましくは、前記ヒートパイプ電極は、内部に設けられた少なくとも1つ以上の空間部と、前記空間部の内側壁に形成されるウィックと、前記空間部内に存在する流動体とを備える。上記の流動体としては、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、He、N、CHClF、NH、CCl、CClF−CClF、CClF、CClF−CClFからなる群より選択されるいずれか1種を含み、前記空間部の10〜70%が前記流動体により充填されている。そして、前記空間部の内側に分離板がさらに取り付けられてもよい。
望ましくは、上述のヒートパイプ電極は、前記基板の上部領域、或いは、前記基板の上部領域及び側面領域の両方に設けられる。もちろん、前記ヒートパイプ電極は、前記基板を貫通して形成されていてもよい。
加えて、前記ヒートパイプ電極に接続される放熱部材をさらに備えてもよい。
上記の目的を達成するために、本発明のさらに他の形態によれば、(a)内部空間と連通する開口部が一側面または下部に穿設されている第1のリードと、前記第1のリードと対応する第2のリードとを有する所定の支持板を用意する段階と、(b)前記第1のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階とを有することを特徴とする発光素子用のヒートパイプリードの製造方法が提供される。
ここで、前記第1のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階は、前記開口部を介して前記内部空間を真空引きする段階と、前記開口部を介して流動体を注入する段階と、前記開口部を封止する段階とを含む。
また、前記流動体を注入する段階前に、前記内部空間の内側壁にウィックを形成する段階をさらに含んでもよい。
本発明は、ヒートパイプにチップを実装することにより、発光素子の冷却効率を高めることができ、しかも、発光素子が受ける熱的ストレスを低減させることができる。
また、ヒートパイプをリードフレーム、リード端子または電極として形成することにより、既存の発光素子に取り込んでいた場合に比べて数倍ほど高い発熱効果を得ることができることから、照明用の素子の熱的ストレスを低減させることができ、外部の不純物が発光素子の内部に浸透するといった現象を防ぐことができる。
加えて、ヒートパイプを備える発光素子の外部にヒートパイプと接続されている放熱部材をさらに配設することにより、冷却効率及び発光チップの発光効率を極大化させることができる。
さらに、リードフレームの側壁または下部領域に穿設された開口部を介してリードフレームの内部空間に流動体を容易に注入することができる。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかし、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図中、同じ符号は同じ要素を示している。
図2は、ヒートパイプとこれを備える発光ダイオードの放熱原理を説明するための概念図である。
図2を参照すると、本発明によるヒートパイプリードフレーム10は、内部空間を持つパイプに流動体30を封入してなるものである。
図示のごとく、ヒートパイプリードフレーム10中における発光チップ40の実装された領域の真下に蒸発部が位置する。これにより、熱源である発光チップ40により蒸発部において流動体30が蒸発(気化)されながら熱源を冷却させ、気化した蒸気がヒートパイプリードフレーム10の内部の反対側の空間(空間)に移動しながら移送部を通って凝縮部において熱を放出し、再び液化されて壁面に沿って蒸発部に戻る。
また、内壁にウィック(wick)20を形成し、気体と液体との間の界面における毛細管圧の違いにより流動体30が蒸発部に戻れる能力を高めることができる。
この後、流動体30は、熱源である発光チップから再び熱を受けて蒸発する動作を繰り返し行う。このような原理に基づき、ヒートパイプは、流動体30の蒸発潜熱を用いて、小さな温度差でもっても外部からの動力を用いることなく、熱を効率よく移送することができる。すなわち、液体の温度変化による蒸発、凝縮の潜熱により熱を移動させることができる。
図2に示すように、ヒートパイプリードフレーム10は、内部が液体により充填されていてもよく、多孔質物質と液体が一緒に含まれていてもよい。流動体30は、ヒートパイプ熱交換器の性能を決める重要な因子であり、現在のところ、流動体の特性を改良するための研究が活発に行われている。
これまでは、流動体として主として水が用いられてきている。水は、高温であるほど表面張力が落ちるという特性があり、熱交換の効率を高めるには限界がある。このような水に代えて、アルコールまたはアンモニアを用いる方法と、ナノワイヤー入りナノ流動体などが実験中にある。
すなわち、流動体としてメタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、He、N、CHClF、NH、CCl、CClF−CClF、CClF、CClF−CClFからなる群より選択されるいずれか1種を用いるのである。また、上記のヒートパイプリードフレーム10のパイプとしては、Cu、Al、鋼鉄などの電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属を用いる。
以下、上述の構成と動作原理に基づくヒートパイプ一体型の発光素子について説明する。上述のヒートパイプ一体型のヒートパイプリードフレームは、その適用される発光素子の形態に応じて、パイプ型、フラット型、ループ型など種々に形成でき、その内部には所定の流動体が含まれている。
図3は、本発明の第1の実施形態による発光素子の断面図である。
図3を参照すると、本実施形態による発光素子は、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリードフレーム100と、ヒートパイプリードフレーム100から所定の間隔だけ離れて位置するリードフレーム120と、ヒートパイプリードフレーム100の上に実装されている発光チップ130と、発光チップ130とリードフレーム120とを互いに接続するためのワイヤー140とを備える。
ヒートパイプリードフレーム100は中空管状に製造され、その内部には所定の流動体110が注入されて密封されている。このような所定の流動体110を注入して密封するために、図3に示すように、所定の注入口112がさらに設けられている。ヒートパイプリードフレーム100としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)を含む電気伝導性及び熱伝導性に優れた物質を用い、その内部に注入される流動体110としては、メタノール、アセトン、蒸溜水及び水銀などの低沸騰点の種々の液体を用いる。リードフレーム120もまた、アルミニウム及び銅などの電気伝導性に優れた物質を用いて製造する。
これにより、ヒートパイプリードフレーム100の上部に実装されている発光チップ130が発光と同時に放出する熱は、ヒートパイプリードフレーム100の内部空間の上部領域近くの流動体110を気化させながら気化熱として吸収され、ヒートパイプリードフレーム100の下部領域の流動体110が位置する空間内において気化した蒸気が凝縮されながら外部に放出される。
このとき、ヒートパイプリードフレーム100の内部に、毛細管現象を用いて下部領域に位置する流動体110を上部に送るウィック(wick)(図示せず)をさらに設けることにより、冷熱効果をさらに高めることができる。この実施形態においては、流動体110の注入前に、ヒートパイプリードフレーム100の内部の側壁に多孔質のファイバー等を用いた毛細管を発生可能な所定のウィックを形成する。
また、ヒートパイプリードフレーム100の上部に実装されている発光チップ130とその下部の内部空間との間の間隔を最大限に縮めて吸熱効果を一層高めることができる。これにより、ヒートパイプリードフレーム100は、発光素子に所定の電流を供給するための電極及び発光素子の熱を冷却するための冷却手段(ヒートパイプ)として用いられる。
図3に示すように、ヒートパイプリードフレーム100の上部には発光チップ130を実装するための所定のホールカップ132を形成し、その内部に発光チップ130を実装する。この後、ホールカップ132の内の発光チップ130の上に蛍光体150を充填した後、所定のモールド部160を用いて発光チップ130とヒートパイプリードフレーム100及びリードフレーム120の上部領域を封止する。
また、ヒートパイプリードフレーム100の下部には、放熱のための別途の放熱部材170がさらに設けられる。
放熱部材170は、ヒートパイプリードフレーム100の下部領域の対流による冷却面積を増大させて、気化した流動体が再び液体として還元させながら放出する熱を効率よく放出可能にする。このような放熱部材170としては、放熱板または熱電素子を用いる。上述の発光チップ130は、ヒートパイプリードフレーム100に電気的に接続される。
本実施形態においては、上述の説明に限定されることなく、種々の実施形態が採用可能である。すなわち、発光チップ130の実装される面積をさらに広く形成することにより、発光チップ130から放出する熱の吸収をさらに増大させることができる。すなわち、図4に示す変形例のように、ヒートパイプリードフレーム100の内部空間が発光チップ130を囲むようにホールカップの周辺領域へまで形成されることにより、放熱効果を極大化させることができる。また、図5に示す変形例のように、ヒートパイプリードフレーム100の内部に1つ以上の空間、すなわち、多数のヒートパイプを設けることにより、冷却を行うこともできる。
図6は、第1の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフであり、図7は、第1の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。
図6及び図7中、「a」はアルミニウムリードフレームを持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフであり、「b」はヒートパイプリードフレームを持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフである。
図6のグラフから分かるように、従来のアルミニウムリードフレームの場合、印加された電力によるジャンクション温度が急激に増加している。これに対し、本実施形態によるヒートパイプリードフレームの場合、印加された電力によるジャンクション温度が緩やかに増加していることが分かる。
本実施形態によるヒートパイプリードフレームは、熱的負荷なしに、アルミニウムリードフレームに比べて約3倍以上の電力を用いることができる。
すなわち、図6より、従来のアルミニウムリーフフレームの場合、約0.4ワットの電力を印加した場合にジャンクション温度が約125℃になったのに対し、ヒートパイプリードフレームの場合、約1.3ワットの電力を印加したときにジャンクション温度が約125℃になったことが分かる。
このように、同じ温度の発熱である場合、アルミニウムリードフレームに比べて、ヒートパイプリードフレームに印加可能な電力量が3倍以上になることが分かる。
この実施形態によるヒートパイプリードフレームの熱抵抗は、アルミニウムリードフレームに比べて約3倍程度低くなる。図7に示すように、従来のアルミニウムリードフレームの場合、熱抵抗が約250℃/Wであるのに対し、この実施形態によるヒートパイプリードフレームの場合、熱抵抗が約75℃/Wであり、従来のアルミニウムリードフレームに比べて約3倍程度低い熱抵抗を持つことになる。
このように、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリードフレームを備える発光素子は、さらに高い電力にて、しかも、さらに低い熱抵抗にて駆動することができる。
これより、印加される電圧が上がるほど、熱抵抗は既存のリードフレームに比べて線形的に増えることが分かる。
本発明によるヒートパイプは、上述の如きランプタイプの発光素子の他に、種々のタイプのLEDにも用いることができる。以下、本発明の第2の実施形態によるヒートパイプ一体型リード端子を持つハイフラックス(high flux)タイプの発光素子について図面を参照して説明する。後述する第2の実施形態を説明するに当たり、上述の第1の実施形態と重なる部分の説明は省略する。
図8は、本発明の第2の実施形態による発光素子の斜視図であり、図9は、本発明の第2の実施形態による発光素子の断面斜視図である。
図8及び図9を参照すると、本実施形態による発光素子は、所定の電源を印加するためのリード端子220と、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリード端子200と、ヒートパイプリード端子200の上に実装されている発光チップ230と、リード端子220と発光チップ230が実装されているヒートパイプリード端子200との上部を封止するモールド部240とを備える。ヒートパイプリード端子200に発光チップ230が電気的に実装され、ワイヤー(図示せず)を介して発光チップ230とリード端子220とが電気的に接続される。
リード端子220は、モールド部240の外部に突出する2つの外部リード部と、2つの外部リード部同士を接続する中心リード部とを備える。ヒートパイプリード端子200もまた、モールド部の外部に突出する2つの外部リード部と、2つの外部リード部同士を接続する中心リード部とを備える。この種のヒートパイプリード端子200の外部リード部と中心リード部は一体型に、かつ、中空管状に製造し、その内部に所定の流動体210を封入する。ヒートパイプリード端子200の外部リードの一部には、放熱フィン、放熱板または熱電素子などの放熱部材が設けられる。
これにより、ヒートパイプリード端子200は、発光素子に所定の電流を供給するための電極としての役割と、発光素子の熱を冷却するための冷却手段(ヒートパイプ)としての役割を同時に果たす。
上記のリード端子220とヒートパイプリード端子200としては、電気伝導性及び熱伝導性に優れた物質を用いることが好ましい。リード端子220とヒートパイプリード端子200の外部リードには水平方向に突出部が形成されて、外部回路への挿着し易さを図っている。そして、モールド部240は四角形状の柱状に形成し、発光チップ230の上部領域には凸状レンズが設けられていることが好ましい。
図10は、第2の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフであり、図11は、第2の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。
図10及び図11中、「a」は、アルミニウムリード端子を持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフであり、「b」は、ヒートパイプリード端子を持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフである。
本実施形態によるヒートパイプリード端子は、熱的負荷なしに、アルミニウムリード端子に比べて約2倍以上の電力を用いることができる。
すなわち、図10より、従来のアルミニウムリーフ端子の場合に、約0.7ワットの電力を印加した場合にジャンクション温度が約125℃になったのに対し、ヒートパイプリード端子の場合に、約1.45ワットの電力を印加したときにジャンクション温度が約125℃になったことが分かる。
このように、同じ温度の発熱である場合、アルミニウムリード端子に比べて、ヒートパイプリード端子に印加可能な電力量が2倍以上になることが分かる。
本実施形態によるヒートパイプリード端子の熱抵抗は、アルミニウムリード端子に比べて、約2倍程度低くなる。図11に示すように、従来のアルミニウムリード端子の場合に熱抵抗が約150℃/Wであるのに対し、この実施形態によるヒートパイプリード端子の場合には熱抵抗が約69℃/Wであり、従来のアルミニウムリード端子に比べて約2倍程度低い熱抵抗を持つことになる。
このように、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリード端子を持つ発光素子は、さらに高い電力にて、しかも、さらに低い熱抵抗にて駆動することができる。
本発明はこれに限定されるものではなく、種々の形態の発光素子に適用可能である。
以下、図面に基づき、本発明の第3の実施形態によるヒートパイプ一体型の電極を備える表面実装型の発光素子について説明する。下記の第3の実施形態を説明するに当たって、上記第1及び第2の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
図12は、本発明の第3の実施形態による発光素子の断面図である。
図12を参照すると、本実施形態による発光素子は、基板300と、基板300の上部に設けられたヒートパイプ電極310と、ヒートパイプ電極310と所定の間隔だけ離れて設けられた電極320と、ヒートパイプ電極310の一端部の上に実装されている発光チップ330と、発光チップ330と電極320との間を接続するためのワイヤー360とを備える。
また、発光チップ330を封止するための別途のモールド部370をさらに備える。なお、発光チップ330の上部に配置されて目標とする光を放出するための蛍光体(図示せず)をさらに備えていてもよい。さらに、ヒートパイプ電極310の他端部と接続されている放熱部材350をさらに備える。上記の放熱部材350としては、放熱板または熱電素子を用いる。
図12において、基板の上側部の表面に沿って逆「L」字状のヒートパイプ電極310が形成されている。本実施形態によるヒートパイプ電極310は、逆「L」字状に内部空間が形成され、その内部空間の一部が流動体340により充填されている。本実施形態においては、発明を説明し易くするために、内部空間がやや誇張されている。もちろん、基板の表面領域に設けられた電極の形態に応じて、その内部空間は種々の形状に製造可能である。ヒートパイプ電極310は、所定の内部空間が形成されたヒートパイプ電極の内部を真空引きした後、内部空間に流動体340を封入してなる。
これにより、ヒートパイプ電極310は、発光素子に所定の電流を供給する電極としての役割と、発光素子の熱を冷却するための冷却手段(ヒートパイプ)としての役割を同時に果たす。ヒートパイプとして用いられる場合、発光チップ330が実装されるヒートパイプ電極310の一端部は蒸発部となり、基板300の側壁領域、すなわち、放熱部材350と接しているヒートパイプ電極310の他端部は凝縮部となり、これらの以外の領域は移送部となる。
図12に示すように、発光チップ330から発する熱を発光チップ330の下部に設けられたヒートパイプ電極310が吸収して放熱部材350に伝えることにより、冷却効率を高めることができる。
加えて、本実施形態の他の変形例として、ヒートパイプ一体型の電極を筐体やヒートシンクと同じ大きさに製造して用いてもよい。以下、図面に基づき、この実施形態による変形例を説明する。
図13及び図14は、本実施形態の変形例による発光素子の断面図である。
図13を参照すると、この変形例による発光素子は、ヒートパイプ一体型のヒートパイプ電極410と、ヒートパイプ電極410から所定の間隔だけ離れている電極420と、ヒートパイプ電極410の上部に実装されている発光チップ430と、ヒートパイプ電極410及び電極420と発光チップ430を封止するためのモールド部470と、発光チップ430と電極420とを接続するためのワイヤー460とを備える。また、ヒートパイプ電極410の下部には放熱部材450がさらに接続されている。
ヒートパイプ電極410は中空板状に製造され、その内部に所定の流動体440を封入する。しかしながら、ヒートパイプ電極410の形状及びその内部の形状は板状に限定されるものではなく、流動体440の気化と還元特性に応じて種々の形態のものが採用可能である。
一方、電極420は“[ ”状に形成して、下部の電極部を外部の電源端子と接続させる。この後、ヒートパイプ電極410の上に発光チップ430を実装した後、発光チップ430と電極420とをワイヤー460により接続させ、モールド工程を行うことにより、ヒートパイプ電極410及び電極420を固定するとともに、ヒートパイプ電極410及び電極420と発光チップ430を封止するモールド部470を形成する。
また、図14を参照すると、この変形例による発光素子は、基板400と、基板400を貫通してヒートパイプが一体に形成されたヒートパイプ電極410と、基板400に設けられた電極420と、ヒートパイプ電極410の上部に実装される発光チップ430と、発光チップ430と電極420とを接続するためのワイヤー460とを備える。また、発光チップ430を封止するための別途のモールド部470をさらに備える。さらに、ヒートパイプ電極410の下部には、放熱部材450がさらに接続されている。
ヒートパイプ状のヒートパイプ電極410は中空の四角筒状に製造され、その内部に所定の流動体440を封入してなる。また、電極420も基板の表面に沿って形成するが、ヒートパイプ電極410から所定の間隔だけ離れるようにして形成する。この後、ヒートパイプ電極410の上に発光チップ430を実装し、発光チップ430と電極420とをワイヤー460により接続させた後、モールド工程を行ってモールド部470を形成することにより、発光素子を製造する。
上述の図13及び図14に示す変形例の発光素子は、発光チップ430が実装されたヒートパイプ電極410の上側部においては気化現象により熱を吸収し、発光チップ430から遠く離れている下部領域においては気化した蒸気が液化されながら熱を放出している。このとき、放出熱は、ヒートパイプ電極410の下方に位置する放熱部材450を介して外部に伝わる。
もちろん、ヒートパイプ電極410の形状はこれに限定されるものではなく、種々の形状のものが採用可能である。以下、図面に基づき、このようなヒートパイプ電極の形状について説明する。
図15〜図18は、この変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。
図15に示すように、この変形例によるヒートパイプ電極410は、ヒートパイプ電極410の発光チップ430が実装される実装部と、熱が移動するパイプ部と、熱を外部に放出する放熱部とが水平方向に設けられるループ状を呈する。
実装部を介して入り込んだ熱は、これと接続されているパイプ部内の流動体の蒸発潜熱により放熱部の放熱部材450を介して外部に放出される。このような構造は、図13に示す発光素子の電極構造に用いることが有効である。
また、図16に示すように、ヒートパイプ電極410の内部空間を仕切るために、所定の分離板480を内部空間に設けることができる。これにより、ヒートパイプ電極410の側面荷重を支えることが可能になるだけではなく、図示のごとく、気体及び液体間の対流現象を強制的に誘導することができる。
図16において、点線の矢印は蒸気の移動を示し、実線の矢印は流動体の移動を示す。2枚の分離板480を基準として発光チップ430が実装された上部領域においては気化現象が起きて発光チップ430の熱を吸収して気化した蒸気が分離板480の間の領域に下降し、下降された蒸気は下部領域において凝縮されて熱を放出する。このような構造は、図14に示す発光素子の電極構造に用いることが有効である。
また、図17に示すように、ヒートパイプ電極410の内部空間に流動体440を格納可能な特定の形状の格納器490を設けることもできる。このとき、格納器490の上部領域には気化した蒸気が図面の前方に向かって移動し、格納器490内部の液状の流動体440が図面の後方に向かって移動循環する。これにより、電極が受ける荷重に耐えうるようになり、しかも、長板状にヒートパイプ電極410を製造してより広い面積でもって発生熱を吸収することにより、外部への放熱効果を高めることができる。
加えて、図18に示すように、ヒートパイプ電極410の内部に多数の空間を設け、それぞれの空間にそれぞれ流動体440を注入することにより、単一の内部空間に単一のヒートパイプの役割を果たせてもよい。すなわち、ヒートパイプ電極410の内部空間を単一の大きな筒状に形成してもよく、このほかに、蜂の巣形状に形成してもよい。もちろん、このような形状の内部空間内に所定の流動体440を注入してヒートパイプとして動作させる。また、ヒートパイプ電極410の内側壁に所定のウィックを形成して冷却効率を極大化させることができる。
上述の第1から第3の実施形態における構成要素は、それぞれの実施形態にのみ限定されるものではなく、異なる実施形態に置き換え可能である。また、本発明においては、ハートパイプ一体型のリードフレーム、リード端子及び電極の内部空間の少なくとも一部を流動体により充填することができる。これにより、流動体の対流現象を用いて、発光チップから発せられる熱を外部に放出することができる。
すなわち、リードフレーム及び電極の内部空間を流動体により10〜70%程度充填することもできる。また、リードフレーム及び電極の内部空間の形状としては、円形、楕円形、三角形、四角形などをはじめとする種々の図形が採用可能である。また、ヒートパイプの下部に別途の放熱部材を採用しないこともあるが、併用したときに冷却効率がさらに上がる。
上述のヒートパイプ一体型のリードフレーム、リード端子及び電極の製造方法は極めて様々である。以下、図面に基づき、本発明の第1の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明する。
図19及び図20は、本発明の一実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
図19を参照すると、所定の支持板500に、内部空間と一側面に開口部512を有する多数のヒートパイプリードフレーム510と、ヒートパイプリードフレーム510と対をなすリードフレーム520とを形成する。
以下、上記の支持板500とヒートパイプリードフレーム510及びリードフレーム520の詳細を説明する。
ヒートパイプリードフレーム510の上部には、発光チップを実装するための所定のホールカップが設けられている。ここで、ヒートパイプリードフレーム510及びリードフレーム520は同じ厚さに形成することもできるが、ヒートパイプリードフレーム510の厚さをリードフレーム520のそれよりも約6倍まで大きく形成することもできる。
このとき、支持板500とヒートパイプリードフレーム510及びリードフレーム520は一体に製造する。上記の支持板500は、アルミニウム又は銅をはじめとする熱伝導性及び電気伝導性に優れた物質を用いて形成する。
各々のヒートパイプリードフレーム510のリードフレーム520と対向するのとは反対の領域の一側部に開口部512が形成されている。これは、後続する流動体の注入工程を容易に行うためのものである。開口部512の形状としては、種々のものが採用可能である。
また、図示していないが、開口部512は、ヒートパイプリードフレーム510の内部空間を真空引きしてその内部に流動体を注入するために、ヒートパイプリードフレーム510の外側壁における開口部512の開口径が内側壁における開口径より広い円錐台形状に形成することが好ましい。また、開口部は、ヒートパイプリードフレーム510の一側壁から突設されていてもよい。この場合、突出した開口部に付加的なプラグにより蓋をしてヒートパイプリードフレーム510の内部空間を密閉封止する。
図20を参照すると、上記のように内部空間と、そこに接続された開口部512とを持つヒートパイプリードフレーム510の洗浄が完了した後、ヒートパイプリードフレーム510の内部空間を真空引きし、真空引きしたヒートパイプリードフレーム510の内部空間に流動体514注入し、この後、開口部を閉塞516で密閉してヒートパイプリードフレーム510を完成する。ここで、上記のヒートパイプリードフレーム510の内部空間の内面上にメッシュ形成方法、又は金属粉末の焼結方法を用いてウィック(図示せず)を形成することもできる。
ヒートパイプリードフレーム510の空間内への流動体514の注入を容易にするために、上記のヒートパイプリードフレーム510の開口部512を介してヒートパイプリードフレーム510の内部を真空引きにする。この後、開口部512に流動体514を注入して流動体514が漏れないように閉塞する。
図21〜図23は、本発明のヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
図21を参照すると、上述の図19及び図20の方法と同様にして得られたヒートパイプリードフレーム510の上部に発光チップ530を実装する。このとき、ヒートパイプリードフレーム510の上端部に発光チップ530を実装するが、もし、発光チップ530の実装のための所定のホールカップ領域が形成されている場合、ホールカップ内に発光チップ530を実装する。
その後、ワイヤリング工程によりヒートパイプリードフレーム510の上部に実装された発光チップ530とリードフレーム520とをワイヤー535により接続する。
図22及び図23を参照すると、上記の発光チップ530が実装されたヒートパイプリードフレーム530を所定のモールド金型540に入れてエポキシを用いたモールディングを行うことにより、モールド部550を形成する。その後、所定の切断工程によりヒートパイプリードフレーム510及びリードフレーム520を支持板500より分離して発光素子を製造する。
図24及び図25は、本発明の他の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
図24を参照すると、支持板600は、下部601、上部602、及び下部601と上部602を支持する支持部603と、これら各部によって定義される空洞を形成する。複数のヒートパイプリードフレーム610は、支持板600の上部602に突出してそれぞれの内部に形成される内部空間と、支持板600内部の空洞とヒートパイプリードフレーム610の内部空間とを連通する所定の開口部612と、ヒートパイプリードフレーム610と対をなすリードフレーム620とが形成してなる。
このとき、ヒートパイプリードフレーム610は、所定の金属性板を切削したり所定のモールド金型を用いたモールディングにより、図24に示すものと同じ形状(ヒートパイプリードフレーム610の内部が空間を有する形状)に形成する。その後、所定の洗浄工程を行い、ヒートパイプリードフレーム610の内部とリードフレーム620及び支持板600に付着している不純物を除去する。さらに、図26に示すように、支持板600は“[ ”形状に形成する。これにより、開口部612を容易に形成することができ、開口部612を介して流動体の注入を容易に行うことができる。
図25を参照すると、支持板600の上部602とヒートパイプリードフレーム610の内部空間と通じる開口部612を用いて、ヒートパイプリードフレーム610の内部空間を真空引きにした後、流動体614を注入する。その後、開口部612を所定の閉塞616で密閉することで流動体614の漏れを防ぐ。もちろん、真空引き前に、所定の成形方法によりヒートパイプリードフレーム610の内部側壁にウィック(図示せず)を形成させることもできる。
本実施形態においては、ヒートパイプリードフレーム610の下部領域に開口部612を形成することにより、ヒートパイプリードフレーム610及びリードフレーム620の製造時に生じるホコリなどの不純物がヒートパイプリードフレーム610の内部に付着することを防止することができ、ヒートパイプリードフレーム610の内部空間を容易に真空引きにできる他、流動体614の注入を容易に行うこともできる。
本発明のヒートパイプリードフレームは、図示のものに限定されるものではなく、種々の形状が採用可能である。すなわち、例えば、“[ ”形状または“−”形状のものが採用可能である。上記の如きヒートパイプリードフレームを用いて発光チップからの発熱を速やかに冷却させて、熱的ストレスを低減させることができる。一方、上述及び図示の実施形態においては、説明の都合のために、ヒートパイプリードフレームに単一のボンディングチップが実装されることを例にとって説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、2ボンディングチップも実装可能であることは言うまでもない。
従来の技術による発光素子の断面図である。 ヒートパイプとこれを備える発光ダイオードの放熱原理を説明するための概略断面図である。 本発明の第1の実施形態による発光素子の断面図である。 図3におけるA領域の変形例の拡大断面図である。 図3におけるA領域の変形例の拡大断面図である。 第1の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフである。 第1の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第2の実施形態による発光素子の斜視図である。 本発明の第2の実施形態による発光素子の断面斜視図である。 第2の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフである。 第2の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第3の実施形態による発光素子の断面図である。 本発明の変形例による発光素子の断面図である。 本発明の変形例による発光素子の断面図である。 図13、図14の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。 図13、図14の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。 図13、図14の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。 図13、図14の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。 本発明の一実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明の一実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明によるヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明によるヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明によるヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明の他の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明の他の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるリードフレームを説明するための概略断面図である。
符号の説明
100、510、610 ヒートパイプリードフレーム
110、340、440、514、614 流動体
112 注入口
120、520、620 リードフレーム
130、230、330、430、530 発光チップ
132 ホールカップ
140、360、460、535 ワイヤー
150 蛍光体
160、240、370、470、550 モールド部
200 ヒートパイプリード端子
220 リード端子
300、400 基板
310、410 ヒートパイプ電極
320、420 電極
350、450 放熱部材
480 分離板
490 格納器
500、600 支持板
512、612 開口部
514 閉塞
540 モールド金型

Claims (12)

  1. リードと、
    前記リードと所定の間隔だけ離れて位置するヒートパイプリードと、
    前記ヒートパイプリードの上に実装される発光チップと、
    前記発光チップと前記リードとを互いに接続するワイヤーと、
    前記リード、前記ヒートパイプリード、及び前記発光チップを封止するモールド部とを備え、
    前記リード及び前記ヒートパイプリードの一部は前記モールド部より突出し、
    前記ヒートパイプリードは内部に設けられた1つ以上の空間である1つ以上の空間部と、
    前記空間部の内側壁に形成されるウィック(wick)と、
    前記空間部内に存在する流動体とを備え、
    前記リード及び前記ヒートパイプリードは前記リード及び前記ヒートパイプリードと一体に形成された支持板より分離されて互いに離隔し、
    前記流動体は、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、He、N 、CHClF 、NH 、CCl 、CClF −CClF 、CCl F、CCl F−CClF からなる群より選択されるいずれか1種を含み、前記空間部の10〜70%が前記流動体により充填され、
    前記空間部に分離板が取付けられる
    ことを特徴とする発光素子。
  2. 前記ヒートパイプリードの上部には前記発光チップを実装するためのホールカップ(hole cup)が形成されることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  3. 前記ヒートパイプリードは、前記モールド部の外部に突出する少なくとも2つの外部リード部と、
    前記外部リード部同士を接続する中心リード部とを備えることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  4. 前記中心リード部には、前記発光チップを実装するためのホールカップが形成されることを特徴とする請求項に記載の発光素子。
  5. 前記ヒートパイプリードに接続される放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
  6. 基板と、
    前記基板に形成されるヒートパイプ電極と、
    前記ヒートパイプ電極と所定の間隔だけ離れて形成される電極と、
    前記ヒートパイプ電極の上に実装される発光チップと、
    前記発光チップと前記電極とを互いに接続するワイヤーと、
    前記発光チップを封止するモールド部とを備え、
    前記電極及び前記ヒートパイプ電極の一部は前記モールド部より突出し、
    前記ヒートパイプ電極は内部に設けられた1つ以上の空間である1つ以上の空間部と、
    前記空間部の内側壁に形成されるウィックと、
    前記空間部内に存在する流動体とを備え
    前記電極及び前記ヒートパイプ電極は前記電極及び前記ヒートパイプ電極と一体に形成された支持板より分離されて互いに離隔し、
    前記流動体は、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、He、N 、CHClF 、NH 、CCl 、CClF −CClF 、CCl F、CCl F−CClF からなる群より選択されるいずれか1種を含み、前記空間部の10〜70%が前記流動体により充填され、
    前記空間部の内側に分離板がさらに取り付けられる
    ことを特徴とする発光素子。
  7. 前記ヒートパイプ電極は、前記基板の上部領域、或いは、前記基板の上部領域及び側面領域の両方に形成されることを特徴とする請求項に記載の発光素子。
  8. 前記ヒートパイプ電極は、前記基板を貫通して形成されることを特徴とする請求項に記載の発光素子。
  9. 前記ヒートパイプ電極に接続される放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項に記載の発光素子。
  10. (a)内部空間と連通する開口部が第2のリードと対向するのとは反対の領域の一側部に穿設される第1のリードと、該第1のリードと対応する前記第2のリードとを有する所定の支持板を用意する段階と、
    (b)前記第1のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階とを有し、
    前記第1のリード及び前記第2のリードは、発光素子のモールド部を形成する際に、モールド部から突出する長さで切断され、前記支持板と分離されて互いに離隔される
    ことを特徴とする発光素子用のヒートパイプリードの製造方法。
  11. 前記第1のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階(b)は、前記開口部を介して前記内部空間を真空引きする段階と、
    前記開口部を介して流動体を注入する段階と、
    前記開口部を封止する段階とを含むことを特徴とする請求項10に記載の発光素子用のヒートパイプリードの製造方法。
  12. 前記流動体を注入する段階(b)の前に、前記内部空間の内側壁にウィックを形成する段階をさらに有することを特徴とする請求項10に記載の発光素子用のヒートパイプリードの製造方法。
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