JP5212532B2 - 発光装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオード(Light-Emitting Diode:以下、LEDという。)素子を光源とする発光装置に関し、特に、LED素子の発光に伴う熱の放熱性に優れ、生産性に優れる発光装置に関する。
LEDは、環境性、省電力性の点から光源としての用途に適しており、蛍光灯の代替光源の他、白色光源として小型の電子機器や、照明器具、灯具といった広範囲の用途が見込まれている。これに伴い、近年では高出力型、大光量型の様々なLEDを用いた発光装置が提案されているが、発光に伴う熱の問題が顕著化しており、高出力型のLED発光装置を実現するうえで放熱性をどのように確保するかが重要な問題となっている。
LED発光装置の放熱性を改善するものとして、高熱伝導性の板材からなり、LED素子を光源とする光源部を搭載するとともに、光源部の背面方向に放熱幅を有するように形成された放熱板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。)。
特許文献1の発光装置は、放熱板の端面にLED素子の搭載部を有し、この放熱板に設けられたスリットに他の放熱板を挿入することによって、2枚の放熱板が十字状に組み立てられるとともに、LED素子の背面方向に放熱幅を有している。また、放熱板を押出し加工により形成することもできる。
特許文献1の発光装置によれば、LED素子の光軸方向と平行な方向に放熱幅を有する放熱板を組み立てて放熱体を設けることで、LED素子から放射される光の放射性を阻害することなく、優れた伝熱性が得られ、かつ、大気放熱性の良好なものとできる。
国際公開第2005/043637号パンフレット(第7頁、図1、図9、図10、図12)
しかし、特許文献1の発光装置によると、以下の問題がある。
(1)放熱板の組み立てによって放熱体を形成するものでは、放熱板の挿入、固定等の位置決めを適切に行う必要があり、組み立てが煩雑で生産性の向上を図ることが難しいという問題がある。
(2)放熱体を押出し加工によって形成するものでは、押出し加工に耐えうる強度を有するように放熱板を形成する必要性が生じ、発光装置の小型化、放熱板の薄型化に限界がある。
従って、本発明の目的は、高出力化に対応できるとともに生産性、放熱性に優れる放熱体を備えた発光装置の製造方法を提供することにある。
(1)本発明は、上記目的を達成するため、表面に発光素子を搭載され裏面にメタライズされた配線パターン及び放熱パターンが設けられた素子搭載基板を有する光源と、放熱体と、を備え、前記配線パターンは、配線基板と電気的に接合され、前記放熱パターンは、前記配線基板に設けられた開部から前記放熱体と接合され、前記配線パターンと前記配線基板、及び、前記放熱パターンと前記放熱体は同一の接合材料により接合され、前記光源は、前記発光素子から発する熱を前記放熱パターンを介して前記放熱体へ直接伝熱する発光装置の製造方法において、前記光源の上面が光取出し側となるように前記発光素子をガラスにより封止して前記光源を形成し、前記光源を超音波接合によって前記光源の前記放熱パターンと前記放熱体とを接合することを特徴とする発光装置の製造方法を提供する。
(2)また、上記(1)に記載の、前記発光素子は前記素子搭載基板の表面に複数搭載され、前記素子搭載基板の厚さは、複数の前記発光素子の搭載間隔よりも薄いことを特徴とする。
)また、上記(1)または2)に記載の、前記光源は、平面視の面積が前記複数の発光素子の総面積の10倍以内であることを特徴とする。
)上記()に記載の、前記ガラスは、前記発光素子及び前記素子搭載基板と同等の熱膨張率を有することを特徴とする。
)上記(1)〜()の何れか1に記載の、前記放熱体は、表面に黒色層が形成されていることを特徴とする。
)上記(1)〜()の何れか1に記載の、前記放熱体は、70%以上の反射率を有することを特徴とする。
)上記()または(6)に記載の、前記放熱体は、表面がメッキ処理されていることを特徴とする。
本発明の発光装置の製造方法によれば、生産性、放熱性に優れる放熱体を備えることにより、高出力化に対応することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。 ガラス封止LEDおよびその実装部分を示す要部拡大図である。 ガラス封止されるLED素子の縦断面図である。 ガラス封止LEDに代わる光源としてのLEDを示す要部断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。 本発明の第3の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。 本発明の第4の実施の形態に係る発光装置の光取出し側から見た平面図である。 本発明の第5の実施の形態に係る発光装置の光取出し側から見た平面図である。 本発明の第6の実施の形態に係る発光装置の縦断面図である。 本発明の第7の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。 ガラス封止LEDおよびその実装部分を示す要部拡大断面図である。 発光装置の正面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の正面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の正面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の正面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の上面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の正面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の上面図である。 本発明の第8の実施の形態に係る発光装置の側面図である。 発光装置の上面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の上面図である。 本発明の第9の実施の形態に係る発光装置であって、(a)は側面図であり、(b)は上面図である。 発光装置の変形例を示し、(a)は側面図であり、(b)は上面図である。 発光装置の変形例を示し、(a)は縦断面図であり、(b)は上面図である。 発光装置の変形例を示し、(a)は側面図であり、(b)は上面図である。 変形例を示す発光装置の上面図である。 変形例を示す発光装置の側面図である。 変形例を示す発光装置の正面図である。 本発明の第10の実施の形態に係る発光装置の分解斜視図である。 発光装置の斜視図である。 放熱体の部品図であって、(a)は上側放熱体の上面図、(b)は下側放熱体の底面図である。 変形例を示すものであり、発光装置の斜視図である。 変形例を示すものであり、発光装置の斜視図である。 本発明の第11の実施の形態を示す発光装置の上面図である。 図34のA−A断面図である。 図34のB−B断面図である。
[第1の実施の形態]
(発光装置1の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。以下の実施の形態の説明では、発光装置1の幅方向をX、厚さ方向をY、高さ方向をZとしている。
この発光装置1は、LED素子をガラスで封止して形成されたガラス封止LED2と、高熱伝導性の板材によって形成された放熱板30をかしめ部31で一体化して形成された放熱体3とによって形成されており、ガラス封止LED2は、放熱体3の上面に固定されるとともに、放熱体3の上面に設けられる配線基板4の配線層41に電気的に接続されている。
図2は、ガラス封止LEDおよびその実装部分を示す要部拡大図であり、図3は、ガラス封止されるLED素子の縦断面図である。
ガラス封止LED2は、GaN系半導体材料からなるLED素子20と、LED素子20を搭載するAl2O3基板21と、LED素子20を封止する低融点ガラスからなるガラス封止部22とを有する。
Al基板21は、熱膨張率7.0×10−6/℃のAlからなり、LED素子20の実装側にタングステン(W)−ニッケル(Ni)−金(Au)等の導電性材料で設けられる回路パターン210と、LED素子20の実装側と反対側の底面に回路パターン210と同様の材料によって形成された回路パターン211と、実装側から底面側に貫通して設けられるビアホール212Aに形成されたビアパターン212と、基板中央下部に高熱伝導性材料によって設けられる放熱パターン213とを有し、ビアパターン212は回路パターン210および31を電気的に接続している。
回路パターン211と電気的に接続される配線基板4は、ベース材としての絶縁層40と、絶縁層40上に銅箔等の導電材料によって薄膜形成された配線層41とを有し、基板中央下部の放熱パターン213が位置する部分に開口部が設けられており、放熱パターン213を放熱体3に固定することで放熱体3への放熱経路が形成される。絶縁層40は、ポリイミド、ポリエチレン等の絶縁性材料で形成することができる。
ガラス封止部22は、600℃でホットプレス加工が可能な無色透明の低融点ガラスからなり、LED素子20、Al基板21と同等の熱膨張率(7×10−6/℃)を有している。
LED素子20は、図3に示すように、下地基板となるサファイア基板200上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によってバッファ層291と、n−GaN層292と、発光層293と、p−GaN層294とを順次成長させることによって形成されており、p−GaN層294からn−GaN層292にかけてエッチングにより除去して露出させたn−GaN層292にn側電極295が設けられている。また、p−GaN層294の表面には電流拡散用にpコンタクト電極296が設けられている。このLED素子20はAuスタッドバンプ5を介してAl2O3基板21の回路パターン210に電気的に接続されている。第1の実施の形態では、600μm角のサイズで形成されているLED素子20を用いるが、3mmまでのLED素子20を用いることができる。
放熱体3は、厚さ0.3mmの銅からなる放熱板30を予めプレス曲げ加工により成形したものであり、本実施の形態ではプレス未加工の放熱板30を中心としてその両側に曲げ角度加工の異なる放熱板30を4枚配置した5枚積層の放熱体3としている。放熱板30は、板中央部をかしめ31部で厚み方向に固定することにより一体化されており、めっき処理により反射率70%以上の反射率を有し、各放熱板30の幅方向端部がフィン30Aとして放射状に配置されるように加工されている。このようにして各フィン30A間に隙間が生じる構成となっている。この放熱体3の高さ(Z方向寸法)は50mmで形成されており、各放熱板30の側面となる図1における上面の中央部には配線基板4を介してガラス封止LED2が搭載されている。
かしめ部31は、積層された放熱板30に対してV字型の金型を用いてVかしめを行うことにより、V字型に押し出されたかしめ部分が放熱板30同士を摩擦接合する。また、丸Vかしめや丸かしめで接合しても良い。
(発光装置1の製造方法)
次に、発光装置1の製造方法について説明する。まず、銅の板材をプレス曲げ加工して放熱体3を構成する各部の形状を有した放熱板30を形成する。次に、複数の放熱板30が所定の放熱形状を形成するように厚み方向に重ねる。次に、重ねた放熱板30に対してかしめを行うことにより複数の放熱板30を一体化して放熱体3を形成する。次に、放熱板30の上面に接着剤によって配線基板4を固定する。次に、配線基板4の配線層41にガラス封止LED2の回路パターン211が位置するように位置決めを行い、Au−Sn接合によって回路パターン211と配線層41とを電気的に接続するとともに放熱パターン213を放熱体3に密着させる。次に、配線基板4の配線層41を図示しない外部の電源供給部と電気的に接続する。
(発光装置1の動作)
以下に、本実施の形態の発光装置1の動作について説明する。まず、電源供給部から電力を供給すると、配線基板4の配線層41を介してガラス封止LED2のLED素子20に電圧が印加され、そのことによってLED素子20の発光層203で発光する。この発光によって発光波長470nmの青色光がガラス封止部22を透過して図1のZ方向を主とする放射範囲に外部放射されるとともに、ガラス封止部LED2の底部の放熱パターン213からLED素子20の発光に伴って生じた熱が放熱体3に熱伝導する。放熱体3は、ガラス封止LED2から伝達される熱を高さ方向に伝達して熱引きを行うとともに、フィン30Aから熱を大気放散する。
(第1の実施の形態の効果)
本発明の第1の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)高熱伝導性の板材によって形成された放熱板30をかしめ部31で一体化し、薄板を積層して厚みを大に形成された部分を形成しているので、放熱体3の生産性に優れる。また、所望の放熱特性に応じて放熱板30の枚数の増減、および放熱形状の変更が容易に行えることから、LED素子20の使用数や、発熱量に応じた適切な放熱性を有する放熱体3の製造が可能になる。また、各放熱板30の側面に熱源となるガラス封止LEDが配置されているため、LED素子20が発する熱を各放熱板30へ直接伝熱できる。このため、各放熱板30間の熱伝達度に関係なく、バルク状のヒートシンクの先端を分岐させたものと同等の放熱性を極めて簡易な方法で実現できる。
(2)放熱体3に搭載されるガラス封止LED2と放熱体3とが放熱パターン213を介して熱伝導性良好に結合されるので、発光にともなう発熱の熱引き性が向上し、発光装置1の高出力化、大電流通電に対して安定した発光特性を長期にわたって付与できる。
(3)各放熱板30の幅方向端部が放射状に配置される構成を有することで、放熱体3の大気放熱性が高められる。また、発光装置1としての斬新な外観を付与することができる。
(4)光源部にガラス封止LEDを用いたので、必ずしも光源部の温度上昇を数10℃範囲に留めなくとも、樹脂封止のように熱膨張率が大きく、温度変化による応力で電気的断線が生じることや、部材の透明性が低下して光量劣化が生じるおそれがない。このため、放熱体3の放熱性が同一であっても、ガラス封止では樹脂封止の場合以上の電力を投入し、高出力化を図ることができる。
なお、第1の実施の形態では、光源部として青色光を放射する青色LED素子20を用いたガラス封止LED2を説明したが、青色以外の発光色の光を放射するLED素子20を用いたガラス封止LED2であっても良い。
また、ガラス封止部22は、青色光によって励起されることにより黄色光を発するYAG(Yttrium Aluminum Garnet)等の蛍光体を低融点ガラスに分散させたもの、あるいは蛍光体層として低融点ガラス内に配置したものからなる波長変換部を有し、青色光と黄色光との混合に基づく白色光を放射するものとしても良い。
また、白色光を放射するガラス封止LED2として、発光波長370nmの紫外光を発する紫外LED素子を使用し、ガラス封止部22の表面に層状に形成されたRGB蛍光体からなる蛍光体層を透過させることで白色光を得る構成であっても良い。
また、光源部は、ガラス封止LED2に限定されず、シリコーン等の樹脂を封止材料とする樹脂封止型パッケージを搭載することも可能である。
放熱体3は、銅材の代わりにアルミニウム材からなる放熱板30をかしめ部31によって一体化したものであっても良く、これらと同等の熱伝導率を有する材料によって形成されたものであっても良い。なお、熱伝導率は150W/m・k以上のものがより好ましい。また、放熱板30の一体化は、上記したかしめ接合に限らず、電気溶接や半田、ろう材等によるソルダー接合によるものであっても良い。
図4は、ガラス封止LEDに代わる光源としてのLEDを示す要部断面図である。
このLED2Aは、LED素子20を封止する蛍光体含有シリコーン23と、LED素子20を搭載するSiサブマウント24とを有し、配線基板4上に実装されている。
蛍光体含有シリコーン23は、シリコーンにYAG蛍光体を混合して形成されており、LED素子20の発する青色光によって励起されることにより生じる黄色光と青色光との混合によって白色光を生じる波長変換部を構成する。
Siサブマウント24は、LED素子20の実装側に設けられる回路パターン24Aと、回路パターン24Aに電気的に接続されるとともにサブマウント内を貫通して形成されるビアホールに設けられる導通パターン24Bと、LED素子20の実装面と反対側に設けられる放熱パターン213を有している。
配線基板4は、絶縁層40と、配線層41と、絶縁層40の表面に光反射層として設けられるAl蒸着膜42とを有し、LED素子20の導通パターン24Bと配線層41とが電気的に接続されるように絶縁層40に開口部4Aが設けられている。また、Siサブマウント24に設けられる放熱パターン213を放熱体3に当接させるための貫通穴4Bが設けられている。
このような樹脂封止型のLED2Aを光源として用いた場合でも、LED素子20の発光に伴う熱を効率良く放熱体3に伝達できるので、長時間の連続点灯でも安定した発光特性が得られる。
[第2の実施の形態]
(発光装置1の構成)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。以下の説明において、第1の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通する符号を付している。
この発光装置1は、第1の実施の形態で説明した放熱体3を構成するフィン30Aの端部を波板状に加工したものであり、その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
(第2の実施の形態の効果)
本発明の第2の実施の形態によると、フィン30Aの端部を波板状に加工したことにより、この部分の放熱面積を大にすることができ、放熱性の向上を図ることができる。また、これに限らず、エンボス加工を施すなどしても良い。
[第3の実施の形態]
(発光装置1の構成)
図6は、本発明の第3の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。
この発光装置1は、放熱体3の側面にガラス封止LED2を搭載し、LED素子20の光軸方向となるX方向に光を放射するようにしたものである。第3の実施の形態の放熱体3は、第1の実施の形態で説明した放熱体3を中央部で縦方向にカットし、その切断面となる側面がガラス封止LED2の実装面となっている。なお、図6におけるZ方向は無風状態の鉛直方向で放熱板が周囲の空気に対し高温になることにより生じる自然対流の方向、あるいは周囲空気の流動方向である。
(第3の実施の形態の効果)
本発明の第3の実施の形態によると、薄板を積層して厚みを大に形成された部分を放熱体3の側面方向に露出させることで、第1の実施の形態で説明したZ方向以外のX方向にも高出力の光を放射できる。また、放熱体3は空気空冷に適した方向に放熱板が形成されているので、優れた熱引きによって長時間でも安定した発光特性が得られる等放熱効果に優れる。なお、第2の実施の形態で説明したように、フィン30Aの端部を波板状に加工しても良い。
また、光源となるガラス封止LED2を1つ搭載したものとして説明したが、これに限らず、例えば、Z方向に複数個搭載したものとしても良い。
[第4の実施の形態]
(発光装置1の構成)
図7は、本発明の第4の実施の形態に係る発光装置の光取出し側から見た平面図である。
この発光装置1は、第1の実施の形態で説明した放熱体3に9個の青色LED素子20を搭載し、ガラス封止部22でガラス封止したガラス封止LED2を搭載しており、さらに、フィン30Aの外側に1mm厚の銅材からなる円筒状のケース部300を設けた構成を有する。ケース部300とフィン30AとはAu−Sn接合によって固定されている。
(第4の実施の形態の効果)
本発明の第4の実施の形態によると、ケース部300はLED素子20が発する光の外部放射経路とはならないので、肉厚部分により形成され、放熱体3をケース内側に収容した構成とすることで、フィン30Aの変形が保護されるとともにフィン30Aに対する空気の誘導性が高まり、放熱性の向上を図ることができる。図6に示すように標準サイズ(300μm角)のLED素子20を複数搭載する高輝度型のガラス封止LED2でも放熱性が不足することはなく、良好な熱引き性を有し、長時間の連続通電条件でも安定した発光特性を付与できる。
[第5の実施の形態]
(発光装置1の構成)
図8は、本発明の第5の実施の形態に係る発光装置の光取出し側から見た平面図である。
この発光装置1は、第4の実施の形態で説明した9個の青色LED素子20を搭載したガラス封止LED2を厚さ1mmの放熱板30と、厚さ0.3mmの放熱板30からなる放熱体3に搭載しており、厚みの大なる放熱板30は、端部が放熱体3の周囲を円筒状に包囲するケース部300を構成する。
(第5の実施の形態の効果)
本発明の第5の実施の形態によると、放熱体3を構成する厚みの大なる放熱板30を放熱体3の周囲に折り返すことにより、ケース部300を一体的に形成することができ、第4の実施の形態の好ましい効果に加えて機械的強度に優れる発光装置1が得られる。
[第6の実施の形態]
(発光装置1の構成)
図9は、本発明の第6の実施の形態に係る発光装置の縦断面図である。
この発光装置1は、第4の実施の形態で説明した発光装置1の光取出し側にアルミニウム板からなるガラス封止LED2を焦点とする回転放物面形状の光源に対向する反射鏡部50を取り付け、その光源に対向する反射鏡面50Aでガラス封止LED2から放射された光を反射し、放熱板30に沿ってガラス封止LED2の背面方向に導くことによりZ軸方向の反対側に取り出すようにしたものである。
(第6の実施の形態の効果)
本発明の第6の実施の形態によると、第1から第5の実施の形態の好ましい効果に加えて放熱性に優れ、高効率の外部放射を実現できる。光反射型の発光装置1が得られる。反射鏡面50Aで反射された光は放熱板30に沿って放熱体3の隙間を通りケース部300の外部に放射される。
例えば、白色光を放射するガラス封止LED2を放熱体3に搭載し、発光させた場合には、反射鏡面50Aで反射された光はレンズ効果のように波長によって屈折角が異なることはないので、色分離することなくケース部300の外部に放射されることにより、高輝度なだけでなく、良質な白色発光装置1とすることができる。
なお、光源に対向する反射鏡部50の形状は、平行光を外部放射する際にはガラス封止LED2を焦点とする回転放物面となる。放熱板30がZ軸に垂直に曲げられている場合、平行光を外部放射する。この反射鏡部形状が放熱板30に沿った方向に光を放射させることにより、放熱板30に達する光の割合が最も小さくなり、金属反射吸収による光ロスも小になるため、最も外部放射効率が高いものとできる。これに限らず、外部放射の配光を拡げる際には、回転楕円面となりX方向あるいはY方向いずれかがより広い配光とするためには回転楕円面でない楕円面となり、用途に応じ適宜形状を定めて良い。また反射鏡部50をアルミニウム板で形成する構成を説明したが、樹脂により反射鏡形状を形成し、AgやAlの蒸着等による鏡面処理を施したものでも良い。
[第7の実施の形態]
(発光装置101の構成)
図10は、本発明の第7の実施の形態に係る発光装置の斜視図である。
この発光装置101は、複数のLED素子をガラスで封止して形成された光源としてのガラス封止LED102と、高熱伝導性の板材によって形成された放熱板130をかしめ部131で一体化して形成された放熱体103とによって形成されている。すなわち、放熱体103は、互いに少なくとも一部分が離隔するよう連結された複数の放熱体130を有している。ガラス封止LED102は、放熱体103の上面に固定されるとともに、放熱体103の上面に設けられた配線基板104の配線層140に電気的に接続されている。
図11は、ガラス封止LEDおよびその実装部分を示す要部拡大断面図である。
図11に示すように、ガラス封止LED102は、フリップチップ型の複数のGaN系のLED素子20と、複数のLED素子20をマウントする多層構造の素子搭載基板121と、を有している。また、ガラス封止LED102は、Al2O3からなり厚さが0.25mmの素子搭載基板121の両面及び層内に、表面の回路パターン110、裏面の回路パターン111及びビアパターン112を有している。各回路パターン110,111は、素子搭載基板121の表面に形成されるW層110a,111aと、W層110a,111aの表面にめっきを施すことにより形成されるNi層110b,111b及びAu層110c,111cと、を含んでいる。さらに、素子搭載基板121の実装面と反対側の面には、各LED素子20にて生じた熱を外部へ放散する放熱パターン113がメタライズにより形成されている。放熱パターン113は、裏面の回路パターン111と同工程にて形成される。また、ガラス封止LED102は、各LED素子20を封止するとともに素子搭載基板121と接着され蛍光体107を含有するガラス封止部122を有している。
図10に示すように、青色光を発する各LED素子20は縦横について3個×3個の配列で並べられ、合計9個のLED素子20が1つの素子搭載基板121に実装されている。本実施形態においては、LED素子20は平面視にて0.34mm角で互いの縦横間の距離は600μmであり、ガラス封止LED102は平面視にて2.7mm角となっている。すなわち、素子搭載基板121の厚さは、LED素子20の搭載間隔はより小さくなっている。また、ガラス封止LED102は、平面視の面積が複数のLED素子20の総面積の10倍以内となっている。各LED素子20のp側電極は、ITO電極とこの上に
形成され比較的小さな2点のp側パッド電極とから構成されている。尚、ガラス封止LEDでは、素子搭載基板121とガラス封止部122との熱膨張率がともに小さくかつ同等であり、さらに化学結合あるいはアンカー効果によって接合されているため、これらの接合面積が小さくても、樹脂封止LEDのような剥離が生じないものとできる。
裏面の回路パターン111と電気的に接続される配線基板104は、ベース材としての絶縁層141と、絶縁層141上に銅箔等の導電材料によって薄膜形成された配線層140とを有し、基板中央下部の放熱パターン113が位置する部分に開口部が設けられており、放熱パターン113を放熱体103に固定することで放熱体103への放熱経路が形成される。絶縁層141は、例えば、ポリイミド、ポリエチレン等の絶縁性材料で形成されている。
ガラス封止部122は、600℃でホットプレス加工が可能な無色透明の低融点の熱融着ガラスからなり、LED素子20、素子搭載基板121と同等の熱膨張率(6×10−6/℃)を有している。すなわち、ガラス封止部122は、エポキシ系、シリコーン系等の樹脂材と比べてLED素子20に近い熱膨張率を有している。本実施形態においては、ガラス封止部122に、ZnO−SO−RO系(RはI族の元素から選ばれる少なくとも1種)のガラスが用いられる。ガラス封止部122には、蛍光体107が分散されている。
蛍光体107は、LED素子20の発光層203から発せられる青色光により励起されると、黄色領域にピーク波長を有する黄色光を発する黄色蛍光体である。本実施形態においては、蛍光体107としてYAG(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体が用いられる。尚、蛍光体107は、珪酸塩蛍光体や、YAGと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等であってもよい。
放熱体103は、厚さ0.3mmの銅からなる複数の放熱板130を有している。本実施形態においては、放熱板130として熱伝導率が400W/m・Kの無酸素銅が用いられる。各放熱板30は、板面が左右方向へ向いた上部130aと、上部130aの下端から左右方向外側へ傾斜し斜め下方へ延びる下部130bと、を有している。各放熱板130は予めプレス曲げ加工により成形したものであり、図12に示すように、各放熱板130の下部130bが下端に向かって互いに離隔するよう曲げ角度が設定されている。ここで、図12は、発光装置の正面図である。本実施形態においては、3組計6枚の放熱板130が、左右方向について対称な角度となるように、上部130aにて積層されている。
各放熱板130は、各上部130aを厚さ方向に貫通する上下一対のかしめ部131により一体的に固定されている。各放熱板130は、めっき処理により反射率70%以上の反射率を有し、各放熱板130の下部130bが、各放熱板30の会合部を中心として放射状に配置される。
かしめ部131は、積層された放熱板130に対してV字型の金型を用いてVかしめを行うことにより、V字型に押し出されたかしめ部分が放熱板130同士を摩擦により接合する。尚、かしめ部131のかしめ方法は任意であり、例えば、丸Vかしめや丸かしめで各放熱板130を接合しても良い。
(発光装置101の製造方法)
ここで、発光装置101の製造方法について説明する。まず、銅の板材をプレス曲げ加工して、上部130a及び下部130bが成型された放熱板130とする。次に、各放熱板130を上部130aにて厚み方向に重ね、積層された放熱板130に対してかしめを行うことにより各放熱板130を一体化して放熱体103とする。次いで、各放熱板130の上面に接着剤によって配線基板104を固定する。そして、配線基板104の配線層140にガラス封止LED102の回路パターン111が位置するように位置決めを行い、窒素雰囲気中にて300℃〜350℃でAu−Sn接合により回路パターン111と配線層140とを電気的に接続するとともに、放熱パターン113を放熱体103に密着させる。次いで、配線基板104の配線層140を図示しない外部の電源供給部と電気的に接続する。
(発光装置101の動作)
以下に、本実施の形態の発光装置101の動作について説明する。まず、電源供給部から電力を供給すると、配線基板104の配線層140を介してガラス封止LED102の各LED素子20に電圧が印加され、各LED素子20の発光層203で発光する。この発光によって発光波長470nmの青色光がガラス封止部122を透過して上方向を主とする放射範囲に外部放射されるとともに、ガラス封止部LED102の底部の放熱パターン113から各LED素子20の発光に伴って生じた熱が放熱体103に伝導する。放熱体103は、ガラス封止LED102から伝達される熱を高さ方向に伝達して熱引きを行うとともに、下部130bから熱を放散する。
(第7の実施の形態の効果)
本発明の第7の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)複数のLED素子20が実装されるガラス封止LED102としたので、ラージサイズのLED素子を実装する場合に比して素子内における熱の相互作用を減じることができ、熱抵抗を小さくすることができる。つまり、ラージサイズのLED素子の場合は複数のLED素子20が接した状態となるので、素子面積当たりの素子搭載基板121への放熱量が同じであっても、複数のLED素子20が間隔をおいて配置された場合の方が、LED素子20の温度上昇を低く抑えることができる。これに加え、熱膨張率が小さく高温状態でも封止材の膨張によるLED素子20への引張応力が生じないガラス封止LED102では、LED素子20の実装強度が小さくてよく、各LED素子20のp側電極がITO電極とこの上に形成され比較的小さなp側パッド電極とから構成されアノード、カソードそれぞれ1点の合計2点のバンプで実装されているので、従来の3点以上のバンプで実装されているものより発光効率が良好である。
(2)ガラス封止LED102の底部の放熱パターン113から熱を引き出すようにしたので、LED素子20同士の熱の相互作用を減じることができ、これによっても熱抵抗を小さくすることができる。特に、各LED素子20のマウント間隔よりも素子搭載基板121の厚さが薄くなっていることから、各LED素子20にて生じた熱は隣接するLED素子20方向よりも放熱パターン113方向へ多く伝達されることとなる。従って、これによっても発光効率を良好とすることができる。
(3)ガラス封止LED102を熱伝導率の比較的高いAu−Snによる実装としたので、はんだ等で実装する場合に比して放熱体103への熱の放散効率が高い。また、Au−Sn実装の際に300℃〜350℃まで加熱されることとなるが、ガラス封止部22の耐熱温度範囲内であることから、ガラス封止部122が変質するようなことはない。尚、ガラス封止部122は、ガラス転移温度(Tg点)以下であれば変質することはなく、ガラス転移温度以下で実装可能であれば、Au−Sn以外の材料を用いたとしても、同様の効果を得ることができる。このように、従来のシリコーン、エポキシ等の樹脂では不可能であった200℃以上での実装が実現される。
(4)高熱伝導性を有する銅の板材によって形成された放熱板130をかしめ部131で一体化し、薄板を積層することにより厚みを増した部分を形成しているので、フィン状に形成された一端側よりも他端側の厚みが増す放熱体103の生産性に優れる。また、所望の放熱特性に応じて放熱板130の枚数の増減、および放熱形状の変更が容易に行えることから、LED素子20の使用数や、発熱量に応じた適切な放熱性を有する放熱体103の製造が可能になる。さらに、各放熱板130の端面に熱源となるガラス封止LED102が配置されているため、各LED素子20が発する熱を各放熱板130へ直接的に伝熱することができる。このため、各放熱板130間の熱伝達度に関係なく、バルク状のヒートシンクの先端を分岐させたものと同等の放熱性を極めて簡易な方法で得ることができる。すなわち、従来公知のアルミニウム等のヒートシンクを用いると、一体成形であるので薄肉かつ長尺に成型することが困難であり、放熱系が大きくなるとともに複雑な形状に成型し難いという問題点があるが、本実施形態の発光装置101はこの問題点を解決することができる。
(5)各放熱板130の下部130bが放射状に配置される構成を有することで、放熱体103の表面積を大きくすることができ、放熱体103から熱を効率よく放散するとともに、放熱体103を小型軽量とすることができる。また、発光装置101としての斬新な外観を付与することができる。
(6)光源部にガラス封止LED102を用いたので、光源部の温度上昇を数10℃の範囲に留めなくとも、熱膨張率が比較的大きい樹脂部材による封止のように、温度変化に起因する応力で電気的断線が生じることはないし、封止部材の透明性が低下して光量が減少するおそれがない。このため、放熱体103の放熱性が同一であっても、ガラス封止では樹脂封止の場合以上の電力を投入し、高出力化を図ることができる。発明者らの実験では、一般には20mA通電するLED素子20に対して100mAの通電を行い、100℃の雰囲気で2000時間の連続点灯をしても光量が低下しないことが確認されている。
なお、第7の実施の形態では、光源部として青色光を放射する青色LED素子20を用いるとともに、ガラス封止部122に黄色の蛍光体107を分散させ、青色と黄色の組合せにより白色光を得る発光装置1を例示したが、例えば、紫外光を放射する紫外LED素子と、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るものであってもよい。さらに、蛍光体を用いずに、例えば、紫外、紫色、青色、緑色、赤色等のLED素子の発光色をそのまま取り出す発光装置にも本発明を適用可能である。
また、第7の実施の形態では、放熱板130として銅を用いたものを示したが、例えば、放熱板130を真鍮(熱伝導率:100W/m・K)、アルミニウム(熱伝導率:230W/m・K)等により形成してもよい。放熱板130としては、熱伝導率が高いものが好ましく、100W/m・K以上の材質により構成することが望ましい。また、放熱板130の一体化は、上記したかしめ接合に限らず、電気溶接や半田、ろう材等によるソルダー接合によるものであっても良い。
また、第7の実施の形態では、Au−Sn接合により回路パターン111と配線層140とを電気的に接続するものを示したが、例えば、はんだ接合によりこれらを接合してもよく、両者の接合方法は任意である。さらには、放熱体103にAuめっき、Au−Snめっき等を施し、超音波接合によってLED素子20の放熱パターン113と放熱体103とを接合してもよい。ここで、樹脂封止LEDにおいては、超音波を接合部に伝達することができないが、ガラス封止LEDにおいては超音波を接合部に伝達することができる。
また、第7の実施の形態では、各放熱板130が上部130aと下部130bの境界でのみ曲げられたものを示したが、例えば、図13に示すように、各放熱板130の先端側(下部130b)を複数回曲げるようにしてもよい。図13においては、下部130bを8回垂直に折り曲げたものを示している。これにより、単位体積あたりの各放熱板30の放熱面積を大きくすることができ、発光装置101のさらなる小型化を図ることができる。尚、各放熱板130を折り曲げずに、湾曲させるようにしてもよい。
さらに、第7の実施の形態では、各放熱板130の先端側(下部130b)が斜め下側へ延びて放射状に配置されたものを示したが、放熱板130の先端側の形状は任意であり、例えば、図14に示すように、各放熱板130が、上部130aの下端から左右外側へ水平に延びる水平部130cと、水平部130cの左右外端から下方へ延びる下部130dと、を有するようにしてもよい。図14では、各放熱板130の下部130dが所定の間隔をおいて平行に並んでいる。また、図14では、各放熱板130の露出部分の表面に、黒色層132が形成されている。黒色層132は、例えば、クロムメッキや樹脂により形成されている。放熱体3の露出部分を黒色とすることにより、当該露出部分における熱の放散効率が向上する。
さらにまた、図15に示すように、第7の実施形態におけるガラス封止LED102から発せられる光を中心軸方向(図15においては上方向)に反射させる光学系としての反射鏡133を設けてもよい。図15では、反射鏡133は、例えば、セラミック、金属が表面に蒸着された樹脂等からなり、ガラス封止LED102の下側及び側方を覆う半球状に形成されている。これにより、発光装置101の中心軸光度を向上させることができる。尚、反射鏡133を放熱板30により形成してもよく、この場合、部品点数を増大させることなく、放熱面積を大きくするとともに、中心軸光度を向上させることができる。また、ガラス封止LED102から入射する光学系は反射鏡133に限定されるものでなく、例えば、プリズム、レンズ等を用いることもできる。
また、第7の実施形態においては、各放熱板130がそれぞれ一枚の板状であるものを示したが、例えば図16に示すように、各放熱板130にフィン部130fを一体成形することによって、一部分が離隔するよう連結された複数の熱伝導性材料の板材を有する放熱体103を形成したものであってもよい。図16に示す発光装置101の放熱体103は、厚さ0.3mmの本体部130eと、本体部130eに一体に成形され厚さ0.2mmのフィン部130fと、を有する一対の放熱板130を有している。
図16の発光装置101について具体的に説明する。放熱板130の本体部130eは、板面が左右方向へ向きガラス封止LED102が搭載される中央部130gと、各中央部130gの前端及び後端から左右方向外側へ延びる延在部130hと、を有している。各放熱板130は、削りだしによって成形されている。各放熱板130は、中央部130gの左右内側の面にて面接触しており、Au−Sn接合、かしめ接合等によって接続固定されている。図16に示すように、各放熱板130は、延在部130hが互いに反対方向に延びていることから、少なくとも一部が離隔した状態となっている。ガラス封止LED102は、各放熱板130の中央部130g上面の前後中央に搭載されている。本体部130eには左右外側へ延びる複数のフィン部130fが前後に2.0mmの間隔をもって並設され、最も前と後に配置されるフィン部130fと延在部130hとの間隔もまた2.0mmとなっている。ここで、各フィン部130fは板状に形成されていることから、各フィン130fは互いに少なくとも一部分が離隔するよう連結された複数の板材となっている。この発光装置101では、1つの放熱板130に計7つのフィン部130fが設けられ、フィン部130fと延在部130hの左右方向寸法が同じことから、図16に示すように放熱板130は上面視にて全体として櫛形を呈し、図17に示すように正面視においては手前側の延在部130hのみが視認されるようになっている。
この発光装置101によれば、本体部130eとフィン部130fとで接合がないため、熱伝達時に接合抵抗が生じることがない。また、各フィン部130fの成形に曲折加工が不要であるので、各フィン部130fの形成に手間がかからず、量産化に適しており、製造コストの低減を図ることができる。
さらには、図18に示すように、放熱体103を一の部材により構成してもよい。図18には、放熱体103が一枚の放熱板130からなり、各放熱板130の左右両面に前後に等間隔で複数のフィン部130fを形成した発光装置101を示している。
[第8の実施の形態]
(発光装置201の構成)
図19は、本発明の第8の実施の形態に係る発光装置の側面図である。
この発光装置201は、LED素子20をガラスで封止して形成された光源としてのガラス封止LED202と、このガラス封止LED202が搭載されたアルミ基板205と、このアルミ基板205が搭載される放熱体203と、を有している。放熱体203は、高熱伝導性の板材によって形成された放熱板230をリベット231で一体化して形成されている。すなわち、放熱体203は、互いに少なくとも一部分が離隔するよう連結された複数の熱伝導性材料の放熱板230を有している。
図19に示すように、ガラス封止LED202は、例えばアルミナ等のセラミックからなる反射ケース202aの内部に、LED素子20がガラスによって封止された状態で実装されている。反射ケース202aの下面には外部端子が形成されており、アルミ基板205と電気的に接続されている。ガラス封止LED202とアルミ基板205とでLEDパッケージ206を構成している。
放熱体203は、厚さ0.3mmの銅からなる複数の放熱板230を有している。各放熱板230は、板面が上下方向へ向いた中央部230aと、中央部230aの左右端部から下方向へ延び板面が左右方向へ向いた一対の延在部230bと、を有している。各放熱板230は、中央部230aにて積層され、複数のリベット231によりかしめられている。ここで、リベット231の材質は金属でも樹脂でもよいが、例えば、銅、真鍮のような熱伝導率が高い材質が好ましい。各放熱板230は予めプレス曲げ加工により断面コ字状に成形したものであり、図16に示すように、各放熱板230の延在部230bが等間隔となるよう寸法が設定されている。本実施形態においては、LEDパッケージ206が、放熱体230における最も上側の放熱板230の中央部230aに固定されている。
図20は、発光装置の上面図である。図20に示すように、アルミ基板205は、一番上の放熱板230の中央部230aにねじ205aにより固定されている。ここで、ねじ205aの材質も任意であるが、例えば、銅、真鍮のような熱伝導率が高い材質が好ましい。アルミ基板205と放熱板230の上面とは面接触するよう構成されている。
(第8の実施の形態の効果)
本発明の第8の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)LEDパッケージ206を放熱体203に接続するようにしたので、LED素子20の裏面側に放熱パターンが形成されていないガラス封止LED202についても、アルミ基板205を介して放熱体203へ熱を放散することができる。本実施形態においては、ガラス封止LED202の反射ケース202aが熱伝導率の比較的高いアルミナであり、また、ガラス封止LED202が熱伝導率の比較的高いアルミ基板205に搭載されることから、LED素子20にて生じた熱はスムースに放熱板230まで伝達される。また、アルミ基板205と放熱板230とが面接触していることから、放熱体230への熱伝達経路を大きく確保することができる。
(2)高熱伝導性を有する銅の板材によって形成された放熱板230をリベット231で一体化し、薄板を積層することにより厚みを増した部分を形成しているので、フィン状に形成された両端側よりも中央側の厚みが増す放熱体203の生産性に優れる。また、所望の放熱特性に応じて放熱板230の枚数の増減、および放熱形状の変更が容易に行えることから、LED素子20の使用数や、発熱量に応じた適切な放熱性を有する放熱体203の製造が可能になる。さらに、各放熱板230の中央部230aに熱源となるLEDパッ
ケージ206が配置されているため、LED素子20が発する熱を各放熱板230へ直接伝熱できる。このため、各放熱板230間の熱伝達度に関係なく、バルク状のヒートシンクの先端を分岐させたものと同等の放熱性を極めて簡易な方法で得ることができる。
(3)各放熱板230の延在部230bが互いに離隔した構成を有することで、放熱体203の表面積を大きくすることができ、放熱体203から熱を効率よく放散するとともに、放熱体203を小型軽量とすることができる。また、発光装置201としての斬新な外観を付与することができる。
(4)光源部にガラス封止LEDを用いたので、光源部の温度上昇を数10℃の範囲に留めなくとも、熱膨張率が比較的大きい樹脂部材による封止のように、温度変化に起因する応力で電気的断線が生じることはないし、封止部材の透明性が低下して光量が減少するおそれがない。このため、放熱体203の放熱性が同一であっても、ガラス封止では樹脂封止の場合以上の電力を投入し、高出力化を図ることができる。
なお、第8の実施の形態では、1つの放熱体203に対して1つのLEDパッケージ206を搭載するものを示したが、例えば、図21に示すように、1つの放熱体203に対して複数のLEDパッケージ206を搭載するようにしてもよい。図21には、一番上の放熱板230に直列に3つのLEDパッケージ206を並べた発光装置201を図示している。この発光装置201においては、各LEDパッケージ206はねじ止めでなく、はんだにより放熱板230に接合されている。また、各放熱板230はリベットでなく、Au−Snメッキにより接合されている。すなわち、図21に示すように、この発光装置201は、締結具等を使用しておらず、すっきりとした外観を呈し、また、リフローによる製造が可能となっている。
また、第8の実施の形態では、反射ケース202a内にLED素子20が配置されたLEDパッケージ206を示したが、LEDパッケージの形態は適宜変更することができる。
[第9の実施の形態]
(発光装置301の構成)
図22は、本発明の第9の実施の形態に係る発光装置であって、(a)は側面図であり、(b)は上面図である。
この発光装置301は、複数のLED素子20をガラスで封止して形成された光源としてのガラス封止LED102と、ガラス封止LED102の放熱パターン113に接続される放熱体303とによって構成されている。放熱体303は、ガラス封止LED102の放熱パターン113と横断面にて同形状に形成されるブロック部材331と、板面を上下に向けた平板状の放熱板330と、図示しない金属板等に取り付けられる台座部材332と、を有している。すなわち、放熱体303は、互いに全部分が離隔するよう連結された複数の熱伝導性材料の放熱板330を有している。
放熱体303は、複数のブロック部材331と、複数の平板状の放熱板330と、を交互に積層させ、最も下側に位置するブロック部材331を台座部材332に接続することにより構成されている。各ブロック部材331は、銅からなり、上面視にてガラス封止LED102の放熱パターン113と重なるように配置される。各ブロック部材331の上下寸法は2.0mmである。熱伝導部としての各ブロック部材331は、各放熱板330を介在しているものの、全体としては放熱パターン113の下部から台座部材332まで延びる1本の柱を呈している。各ブロック部材331は、ガラス封止LED102と各放熱板330との間に介在し、ガラス封止LED102の熱を各放熱板に伝える。各放熱板330は、銅からなり、上面視にてガラス封止LED102より大きな正方形状に形成される。各放熱板330の上下寸法は0.3mmである。各放熱板330は、上面視中央にて各ブロック部材331により挟み込まれることにより固定されている。すなわち、図22(a)に示すように、各放熱板330は、各ブロック部材113の上下寸法の分だけ互いに離隔している。
台座部材332は、材質が銅であり、上面視にて各放熱板330と同形状に形成されている。台座部材332の上下寸法は1.0mmである。台座部材332は、図示しない金属板等に取り付けるためのねじ穴332aが形成されている。ガラス封止LED102の放熱パターン113と、各ブロック部材331と、各放熱板330と、台座部材332は、窒素雰囲気中にて300℃〜350℃でAu−Sn接合により接続され、接続後に防錆用表面塗装が施される。
(第9の実施の形態の効果)
(1)複数のLED素子20が実装されるガラス封止LED102としたので、ラージサイズのLED素子を実装する場合に比して素子内における熱の相互作用を減じることができ、熱抵抗を小さくすることができる。つまり、ラージサイズのLED素子の場合は複数のLED素子20が接した状態となるので、素子面積当たりの素子搭載基板121への放熱量が同じであっても、複数のLED素子20が間隔をおいて配置された場合の方が、LED素子20の温度上昇を低く抑えることができる。これに加え、熱膨張率が小さく高温状態でも封止材の膨張によるLED素子20への引張応力が生じないガラス封止LED102では、LED素子20の実装強度が小さくてよく、各LED素子20のp側電極がITO電極とこの上に形成され比較的小さなp側パッド電極とから構成されアノード、カソードそれぞれ1点の合計2点のバンプで実装されているので、従来の3点以上のバンプで実装されているものより発光効率が良好である。
(2)ガラス封止LED102の底部の放熱パターン113から熱を引き出すようにしたので、LED素子20同士の熱の相互作用を減じることができ、これによっても熱抵抗を小さくすることができる。特に、各LED素子20のマウント間隔よりも素子搭載基板121の厚さが薄くなっていることから、各LED素子20にて生じた熱は隣接するLED素子20方向よりも放熱パターン113方向へ多く伝達されることとなる。従って、これによっても発光効率を良好とすることができる。
(3)ガラス封止LED102を熱伝導率の比較的高いAu−Snによる実装としたので、はんだ等で実装する場合に比して放熱体103への熱の放散効率が高い。また、Au−Sn実装の際に300℃〜350℃まで加熱されることとなるが、ガラス封止部22の耐熱温度範囲内であることから、ガラス封止部122が変質するようなことはない。尚、ガラス封止部122は、ガラス転移温度(Tg点)以下であれば変質することはなく、ガラス転移温度以下で実装可能であれば、Au−Sn以外の材料を用いたとしても、同様の効果を得ることができる。このように、従来のシリコーン、エポキシ等の樹脂では不可能であった200℃以上での実装が実現される。
(4)ガラス封止LED102の放熱パターン113に、上面視にて同形状で放熱パターン113よりも熱伝導率が高いブロック部材331が接続されていることから、放熱パターン113に伝達される熱量をブロック部材331にて余裕をもって受け入れることができる。そして、複数のブロック部材331が放熱パターン113から熱の流れ方向に直列に並んでいることから、上側から下側の各ブロック部材331へ熱が淀みなく伝達していく。各ブロック部材331には、同じく銅からなる放熱板330が介在していることから、熱は各放熱板330を伝わって各放熱板330の表面から放散する。本実施形態においては、ブロック部材331との接触部分を除いては、放熱板330の表面が露出していることから、放熱面積を大きくすることができる。また、放熱体330の露出部分に防錆塗装が施されていることから、銅材が表面に露出する場合に比して熱の輻射効率が向上している。
(5)また、各ブロック部材331が全体として1本の柱状となっているので、放熱体303が構造的に安定しており、外力、熱等により各部材間で局部的な内部応力が生ずるようなことはなく、十分な強度、信頼性を確保することができる。
(6)さらに、高熱伝導性を有する銅の板材によって形成された放熱板330をブロック部材331と交互に積層するようにしたので、ガラス封止LED102の放熱特性に応じて放熱板330の枚数の増減が容易に行える。従って、LED素子20の使用数や、発熱量に応じた適切な放熱性を有する放熱体303の製造が可能になる。特に放熱板330の間隔を1〜4mmとすることで、強制空冷なしの自然対流での放熱性、低コスト性及びコンパクト性を有したものとできる。発明者らの実験では、同一の放熱性を得るために、放熱板330の枚数と放熱板330の間隔を変えたところ、放熱板330の間隔を1〜2mmとすることで、最もコンパクトな寸法とできる結果を得た。このため、ブロック部材331の高さを2mmとし、放熱板330の間隔を2mmとすることで、放熱性、低コスト性及びコンパクト性を最適なものとすることができる。
(7)さらにまた、各放熱板330が互いに離隔した構成を有することで、放熱体303の表面積を大きくすることができ、放熱体303から熱を効率よく放散するとともに、放熱体3を小型軽量とすることができる。特に大出力のLED素子20を狭い間隔で配列でき、大型のヒートシンクが不要となるので実用に際して極めて有利である。また、発光装置301としての斬新な外観を付与することができる。尚、強制空冷を行う場合は、放熱板330の間隔を1mm以下として、更なるコンパクト化を図ることが可能である。
(8)また、台座部材332にねじ穴332aを形成したことにより、発光装置301の固定が簡単容易である。さらに、発熱部分であるガラス封止LED202から最も離隔した台座部材332に締結部材が取り付けられるので、締結部材に加わる熱的な負荷を低減することができる。
尚、第9の実施形態においては、ブロック部材331と放熱板330とを交互に積層するものを示したが、例えば、図23に示すように、各ブロック部材331に代えて、平行に並ぶ各放熱板330を貫通する柱部材334を設けた構成としてもよい。柱部材334は、銅からなり、同一部材から切り出され円柱状に形成される。各放熱板330には柱部材334が挿通する平面視円形の挿通穴330aが形成される。また、各放熱板330の間には、銅からなるスペーサ335が介装されている。各スペーサ335にも、柱部材334が挿通する平面視円形の挿通穴335aが形成される。柱部材334の上部には、ガラス封止LED102の放熱パターン113に接続される接続部334aが形成される。接続部334aは、柱部材334の本体部334bに比して大径であり、一番上の放熱板330の上面と当接する。本体部334bの下端は台座部材332と接続されており、各スペーサ335と各放熱板330が接続部334aと台座部材332により狭持されている。図23においては、発光装置301の各部がAgろう接合により接続され、接続後に防錆塗装が施され、さらにガラス封止LED102がAu−Sn接合により実装されている。柱部材334は、複数部材の接合部が存在せず、接合部の熱抵抗の影響を受けず、ガラス封止LED102からの熱を図20の下方へ伝導する。柱部材334は、高熱伝導率の銅を材料とするので、全体が略同一温度となり、各放熱板330へ効率よく伝熱することができる。
また、図24に示すように、一番上の放熱板330の上面に、高反射層330bを形成してもよい。この高反射層330bは、放熱板330の表面に塗布された白色塗料であってもよいし、表面に蒸着された銀色の高反射率の金属であってもよいし、このように、放熱体303におけるガラス封止LED102から下方へ発せられる光について、放熱体303の反射率を向上させることにより、光取り出し効率を向上させることができる。尚、この発光装置301では、放熱板330と柱部材334の接合時に治具等により各放熱板330を離隔させておき、接合完了後に治具等を取り外すことにより製造される。
さらに、第9の実施形態においては、板面が上下に向いた平板状の各放熱板330を複数設けたものを示したが、例えば、図25に示すように、曲げ加工が施され上下に延びる各放熱板330を設けたものであってもよい。図25には、柱部材334が四角柱状に形成され、柱部材334の側面に複数の放熱板330がAu−Sn接合に接合されたものを図示している。図25(b)に示すように、各放熱板330は、柱部材334の側面に沿う形状の接合部330cと、接合部330cの端部から径方向外側へ延びる延在部330dと、を有している。この発光装置301では、柱部材334の4つの側面にそれぞれ2つの放熱板330が接合部330cを積層した状態で取り付けられている。また、図25(a)に示すように、柱部材334は、側面視にて各放熱板330よりも下方へ突出するよう形成されている。
また、第9の実施形態においては、各放熱板330が上下に並設されたものを示したが、各放熱板330の並設方向は任意であり、例えば図26〜図28に示すように、各放熱板330を前後に並設したものであってもよい。図26〜図28において、X、Y及びZ方向は、それぞれ、左右、前後及び上下方向である。図26に示すように、銅からなる複数の放熱板330は、上端側で前後に延びる柱部材334に接続されている。各放熱板330のうち、前後両端に配置されるものは厚さが0.3mm、前後内側に配置されるものは厚さが0.1mmとなっており、前後に0.2mmの間隔をおいて並設されている。柱部材334は銅からなり、図27に示すように、柱部材334の上面の前後中央にはガラス封止LED102が搭載されている。図28に示すように、柱部材334は、正面視にて左右2mm、上下6mmの長方形状を呈している。各放熱板330の左右中央上端には、柱部材334を受容するための切欠330eが形成されている。柱部材334と各放熱板330とは銀ろう接合により接合される。この発光装置301は、800℃以上に加熱して銀ろうにより柱部材334と各放熱板330とを接合した後、ガラス封止LED102が柱部材334に搭載される。この発光装置301によれば、Z方向が上側となるよう設置された場合であっても、X方向が上側となるよう設置された場合であっても、各放熱板330の空気を自然対流により外部へ送出することができる。
[第10の実施の形態]
(発光装置401の構成)
図29及び図30は本発明の第10の実施の形態に係り、図29は発光装置の分解斜視図、図30は発光装置の斜視図である。
図29に示すように、この発光装置401は、LED素子20をガラスで封止して形成された光源としてのガラス封止LED2と、ガラス封止LED2から発せられる光を反射させる反射鏡533と、高熱伝導性の板材によって形成された複数の放熱板430,530を一体化して形成された上側放熱体403及び下側放熱体503と、各放熱体403,503を被覆する被覆部材450(図30参照)と、を有している。すなわち、各放熱体403,503は、互いに少なくとも一部分が離隔するよう連結された複数の熱伝導性材料の放熱板430,530を有している。ガラス封止LED2は、上側放熱体403の下面に固定されるとともに、上側放熱体403の下面に形成された配線(図示せず)に電気的に接続されている。
上側放熱体403及び下側放熱体503は、それぞれ全体として円筒形状を呈し、上側放熱体403の下端と下側放熱体503の上端とで接続される。ガラス封止LED2と反射鏡533は、各放熱体403,503の接続部に介装されている。各放熱体403,503は、それぞれ、厚さ1.0mmの銅からなる複数の放熱板430,530を有している。本実施形態においては、径方向に分割された3つの放熱板430,530を、径方向に接続することにより、各放熱体403,503が構成されている。
図31は、放熱体の部品図であって、(a)は上側放熱体の上面図、(b)は下側放熱体の底面図である。
図31(a)に示すように、上側放熱体403の放熱板430は、上下に延び、上面視にて扇形状を呈している。各放熱板430は、中心角120°となるよう形成された一対の弦部430aと、各弦部430aの径方向外側から互いに近接するよう周方向へ延びる一対の弧部430bと、各弧部430bの先端から径方向内側へ延びる延在部430cと、を有している。各延在部430cは、所定の間隔をもって対面するよう配置される。このように形成された3つの放熱板430の弦部430aを互いに接続することにより、上側放熱体403が全体として円筒形状を呈することとなる。
本実施形態においては、各弦部430aの接続部分の下面にそれぞれガラス封止LED2が設けられる。すなわち、ガラス封止LED2から下側へ光が放射されることとなる。各ガラス封止LED2の設置位置は、各弦部430aの径方向中央である。
図31(b)に示すように、下側放熱体503の放熱板530は、上下に延び、上面視にて扇形状を呈している。各放熱板530は、中心角120°となるよう形成された一対の弦部530aと、各弦部530aの径方向外側から互いに近接するよう周方向へ延びる一対の弧部530bと、各弧部530bの先端から径方向内側へ延びる延在部530cと、を有している。各延在部530cは、所定の間隔をもって対面するよう配置される。
さらに、各放熱板530は、延在部530cの径方向内側端部から基端側の弦部530aと同方向に延びる第1折り返し部530dと、第1折り返し部530dの端部から基端側の弧部530bと同方向に延びる第2折り返し部530eと、を有している。このように形成された3つの放熱板530の弦部530aを互いに接続することにより、下側放熱体503が全体として円筒形状を呈することとなる。
上側放熱体403と下側放熱体503は、上面視にて、各弦部430a,530a、各弧部430b,530bが一致するよう接続される。下側放熱体503の上端には、上側放熱体403に設置された各ガラス封止LED2と上面視で重なるように、反射鏡533が設置される。反射鏡533は、例えば、金属が表面に蒸着された樹脂あるいは金属板等からなり、ガラス封止LED2の下側を覆う半球状に形成されている。各放熱板530の弦部530a及び第1折り返し部530dの上端には、反射鏡533を受容する切欠530fが形成される。この発光装置401では、反射鏡533によりガラス封止LED2の光が上方へ反射され、上側放熱体403の上部開口に集光された状態で光が取り出される。
被覆部材450は、各放熱体403,503よりも熱伝導率が小さい材料で形成され、円筒形状を呈している。本実施形態においては、この被覆部材450により、各放熱体403,503が一体となるよう外部からかしめられている。被覆部材450としては、レーザ溶接が容易な金属、例えば、ステンレスが用いられる。
(第10の実施の形態の効果)
本発明の第10の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
(1)ガラス封止LED2から出射した光を反射鏡533を用いて集光することで、発光装置401をスポット光源とすることができる。ここで、放熱系の内部にガラス封止LED2及び反射鏡533を配置する必要があるところ、ガラス封止LED2が実装される上側放熱体403と、反射鏡533が設けられる下側放熱体503とに分割して構成したので、発光装置401の組立が簡単容易である。また、分割された上側放熱体403と下側放熱体503が被覆部材450によりかしめられていることから、ガラス封止LED2にて生じた熱を上側放熱体403を介して下側放熱体503へ伝達することができる。
(2)また、各放熱体403,503を、熱伝導率が低い被覆部材450で覆うことで、被覆部材450が放熱体403,503に比して低温となり、発光装置401に隣接する外部部品等が過熱することはないし、発光装置401の把持等に際して極めて便利である。
(3)高熱伝導性を有する銅の板材によって形成された放熱板430,530を一体化し、薄板を積層することにより厚みを増した部分を形成しているので、放熱体403,503の生産性に優れる。また、所望の放熱特性に応じて放熱板430,530の枚数の増減、および放熱形状の変更が容易に行えることから、LED素子20の使用数や、発熱量に応じた適切な放熱性を有する放熱体403,503の製造が可能になる。さらに、放熱板430の端面に熱源となるガラス封止LED2が配置されているため、各LED素子20が発する熱を放熱板430へ直接的に伝熱することができる。
(4)各放熱板430,530が延在部530d,530eを有することで、各放熱体403,503の表面積を大きくすることができ、各放熱体403,503から熱を効率よく放散するとともに、各放熱体403,503を小型軽量とすることができる。下側放熱体503については、折り返し部530d,530eを有することから、表面積が格段に大きくなっている。
尚、第10の実施の形態においては、被覆部材450により各放熱体403,503の外面を全体的に覆うものを示したが、例えば、図32及び図33に示すように、被覆部材450により各放熱体403,503の外面の一部を覆うようにしてもよい。
図32には、被覆部材450が各放熱体403,503の接続部分近傍を覆うものを図示している。これにより、各放熱体403,503のかしめ機能を損なうことなく、各放熱体403,503の放熱性能を向上させることができる。
また、図33には、各放熱体403,503を全体的に覆う被覆部材450に複数の孔部450aを形成したものを示している。これにより、被覆部材450による把持性を損なうことはなく、各孔部450aを通じて各放熱体403,503の熱を外部へ放射することができ、実用に際して極めて有利である。
また、第10の実施の形態においては、放熱系を上側放熱体403と下側放熱体503とに分割したものを示したが、一体的に形成されたものであってもよいことは勿論である。また、放熱体403,503と被覆部材450の間に、熱伝導率の比較的高い材質を介装して、各放熱体403,503の間の熱伝導を良好としてもよい。さらに、上側放熱体403と下側放熱体503の形状も任意であり、前記実施形態のような円筒状の他、例えば、角筒状に形成してもよい。
[第11の実施の形態]
(発光装置601の構成)
図34から図36は、本発明の第11の実施の形態を示し、図34は発光装置の上面図、図35は図34のA−A断面図、図36は図34のB−B断面図である。
図34に示すように、この発光装置601は、LED素子620をガラスで封止して形成された光源としてのガラス封止LED602と、このガラス封止LED602が搭載される放熱体603と、を有している。放熱体603は、高熱伝導性の板材によって形成された複数の大型放熱板630と複数の小型放熱板635とをAu−Sn接合により一体化して形成されている。すなわち、放熱体603は、互いに少なくとも一部分が離隔するよう連結された複数の熱伝導性材料の放熱板630,635を有している。
本実施形態においては、LED素子620は、上面視にて220μm×480μmのサイズに形成され、前後に長尺となっている。そして、3つのLED素子を素子620を長尺方向に並べることでガラス封止LED602が構成されている。ガラス封止LED602は、上面視にて1.0mm×3.2mmのサイズに形成され、Al2O3基板の厚さが0.25mmであり、ガラス封止部の厚さが0.8mmとなっている。
放熱体603は、厚さ0.5mmの銅からなる2つの大型放熱板630と、厚さ0.1mmの銅からなる7つの小型放熱板635と、を有している。大型放熱板630は、板面が左右方向へ向きガラス封止LED602が搭載される中央部630aと、中央部630aの前端及び後端から左右方向外側へ延びる延在部630bと、を有している。図35に示すように、中央部630aの下端は、延在部630bの下端よりも上方に位置している。2つの大型放熱板630は、中央部630aの左右内側の面にて面接触しており、Au−Sn接合によって接続固定されている。
また、大型放熱板630の中央部630aには、ガラス封止LED602及び反射鏡633が配置される孔部630cが形成されている。ガラス封止LED602は、孔部630cの上部の下面に設置され、下方へ向かって光を放射する。反射鏡633は、この光を上方へ反射させるように、ガラス封止LED602の下方に設置される。反射鏡633は、例えば、金属が表面に蒸着された樹脂あるいは金属板等からなり、上方を開口しガラス封止LED602を焦点とする回転放物面形状に形成されている。また、反射鏡633は、周縁に外側へ延びるフランジ部633aを有している。図34に示すように、このフラ
ンジ部633aには大型放熱板630を受容する切欠633bが形成されており、反射鏡633が大型放熱板630に嵌め込まれている。
また、小型放熱板635は板面が前後方向へ向くよう並べられ、大型放熱板630の中央部630aの下端に接続される。図36に示すように、小型放熱板635の左右中央上端には、大型放熱板630を受容するための切欠635aが形成されている。小型放熱板635と大型放熱板630とはAu−Sn接合によって接続固定されている。
(第11の実施の形態の効果)
本発明の第11の実施の形態によると、ガラス封止LED602が外側に露出しないので、外観がすっきりとし、ガラス封止LED602の保護を的確に図ることができる。また、反射鏡633を設けたことにより、ガラス封止LED602から放射される光を所期の配光状態としてから外部へ放出することができる。さらに、外郭部をなす大型放熱板630を比較的厚く形成することで装置の強度及び耐久性を担保し、内側に配される小型放熱板635を比較的薄く形成することで軽量化を図ることができる。
[他の実施の形態]
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。
1…発光装置、2…ガラス封止LED、2A…LED、3…放熱体、4…配線基板、4A…開口部、4B…貫通孔、5…Auスタッドバンプ、20…LED素子、21…Al基板、22…ガラス封止部、23…蛍光体含有シリコーン、24…Siサブマウント、24A…回路パターン、24B…導通パターン、30…放熱板、30A…フィン、31…かしめ部、34…放熱体、40…絶縁層、41…配線層、42…Al蒸着膜、50…反射鏡部、50A…反射鏡面、101…発光装置、102…ガラス封止LED、103…放熱体、104…配線基板、107…蛍光体、110…回路パターン、110a…W層、110b…Ni層、110c…Au層、111…回路パターン、111a…W層、111b…Ni層、111c…Au層、112ビアパターン、113…放熱パターン、121…素子搭載基板、122…ガラス封止部、130…放熱板、130a…上部、130b…下部、130c…水平部、130d…下部、130e…本体部、130f…フィン部、130g…中央部、130h…延在部、131…かしめ部、132…黒色層、133…反射鏡、140…配線層、141…絶縁層、200…サファイア基板、201…発光装置、202…ガラス封止LED、202a…反射ケース、203…放熱体、205…アルミ基板、205a…ねじ、206…LEDパッケージ、210…回路パターン、211…回路パターン、212…ビアパターン、212A…ビアホール、213…放熱パターン、230…放熱板、230a…中央部、230b…延在部、231…リベット、290…サファイア基板、291…バッファ層、292…n−GaN層、293…発光層、294…p−GaN層、295…n側電極、296…pコンタクト電極、300…ケース部、301…発光装置、303…放熱体、330…放熱板、330a…挿通孔、330b…高反射層、330c…接合部、330d…延在部、330e…切欠、331…ブロック部材、332…台座部材、332a…ねじ穴、334…柱部材、334a…接続部、334b…本体部、335…スペーサ、335a…挿通孔、401…発光装置、403…上側放熱体、430…放熱体、430a…弦部、430b…弧部、430c…延在部、450…被覆部材、450a…孔部、503…下側放熱体、530…放熱体、530a…弦部、530b…弧部、530c…延在部、530d…第1折り返し部、530e…第2折り返し部、533…反射鏡、601…発光装置、602…ガラス封止LED、603…放熱体、620…LED素子、630…大型放熱板、630a…中央部、630b…延在部、630c…孔部、633…反射鏡、633a…フランジ部、633b…切欠、635…小型放熱板、635a…切欠

Claims (7)

  1. 表面に発光素子を搭載され裏面にメタライズされた配線パターン及び放熱パターンが設けられた素子搭載基板を有する光源と、
    放熱体と、
    を備え、
    前記配線パターンは、配線基板と電気的に接合され、
    前記放熱パターンは、前記配線基板に設けられた開部から前記放熱体と接合され、
    前記配線パターンと前記配線基板、及び、前記放熱パターンと前記放熱体は同一の接合材料により接合され、
    前記光源は、前記発光素子から発する熱を前記放熱パターンを介して前記放熱体へ直接伝熱する発光装置の製造方法において、
    前記光源の上面が光取出し側となるように前記発光素子をガラスにより封止して前記光源を形成し、
    前記光源を超音波接合によって前記光源の前記放熱パターンと前記放熱体とを接合することを特徴とする発光装置の製造方法
  2. 前記発光素子は前記素子搭載基板の表面に複数搭載され、
    前記素子搭載基板の厚さは、複数の前記発光素子の搭載間隔よりも薄いことを特徴とする請求項1に記載の発光装置の製造方法
  3. 前記光源は、平面視の面積が前記複数の発光素子の総面積の10倍以内であることを特徴とする請求項1または2に記載の発光装置の製造方法
  4. 前記ガラスは、前記発光素子及び前記素子搭載基板と同等の熱膨張率を有することを特徴とする請求項1に記載の発光装置の製造方法
  5. 前記放熱体は、表面に黒色層が形成されていることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の発光装置の製造方法
  6. 前記放熱体は、70%以上の反射率を有することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の発光装置の製造方法
  7. 前記放熱体は、表面がメッキ処理されていることを特徴とする請求項5または6に記載の発光装置の製造方法
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