JP5638922B2 - 発光装置および発光装置を備える照明装置 - Google Patents

発光装置および発光装置を備える照明装置 Download PDF

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Description

本発明は、発光素子を搭載した発光装置および発光装置を備える照明装置に関する。
従来より、スルーホール基板のスルーホールが金属で充填され、スルーホールの上に発光素子の裏側の電極の一方が接続され、スルーホール基板のスルーホールとは絶縁された導電性パターンに発光素子の裏側の電極の他方が接続された発光装置および発光装置を備える照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の発光装置および発光装置を備える照明装置は、スルーホールが金属で充填されているためにヒートシンクとしての役割を果たし、放熱性に優れたものとなるために、発光効率も高く保たれ、素子寿命も長くなる。
また、従来より、発光装置の絶縁基板を放熱するために、基体の上面の発光素子を搭載するための搭載部の周囲の備えた反射膜が、銀と金との全率固溶の合金である発光装置および発光装置を備える照明装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に記載の発光装置および発光装置を備える照明装置は、硫化により反射特性が低下しないようにできる。
特開２００２−２８９９２３号公報（図１、請求項１） 特開２０１０−１３５７２９号公報（図１、請求項１）
ところが、前述した特許文献１に記載された発光装置および発光装置を備える照明装置は、高放熱を実現する手段としてのスルーホールが、線膨張係数の差に基づいて基材との間に割れが発生したり、めっき処理が必要なビア形成によりコストが上昇したりする。
また、前述した特許文献２に記載された発光装置および発光装置を備える照明装置は、反射層として適用される金属材料が、反射率を上げるために表面粗さを小さくしなければならないのでコストが増加する。さらに、環境負荷に伴う変色により色ずれや光出力が低下する。
本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高放熱、高光出力、長寿命および低コスト化できる発光装置および発光装置を備える照明装置を提供することにある。
本発明に係る発光装置は、発光素子と、電気的絶縁性を有し、前記発光素子が搭載される基材と、前記基材の表面上に設けられる電気配線部材と、前記発光素子と前記電気配線部材とを電気的に接続する電気接続部材と、前記電気配線部材の領域を除いて、前記基材の表面の全体を覆うように前記基材の表面に接して設けられ、前記電気配線部材とは電気的に分離されると共に、前記発光素子から発せられた熱を広げる熱拡散部材と、前記電気接続部材と前記電気配線部材とを接続する領域を除いて、かつ前記熱拡散部材の領域を含めて前記基材の表面の全体を覆うように設けられ、前記発光素子から発せられた光を反射し、かつ電気的絶縁性を有する光反射部材と、前記発光素子を固定する、熱伝導性を有する接着材と、を有し、平面視において、前記接着材の占有面積は、前記発光素子の占有面積よりも広く、かつ前記発光素子は前記接着材の中央に位置し、前記熱拡散部材の占有面積は、前記接着材の占有面積よりも広く、かつ前記電気配線部材の占有面積よりも広く、前記発光素子の熱は、前記基材の表面上において、前記発光素子から前記接着材へと広がり、前記接着材の周囲の前記熱拡散部材に広がり、さらに前記熱拡散部材の全体に拡散され、かつ、前記電気配線部材と前記熱拡散部材とが空間により分離され、前記空間に前記光反射部材が充填される。
本発明に係る発光装置は、前記光反射部材は、前記基材が変色することを抑制する。
本発明に係る発光装置は、前記発光素子が、反射材料上に載置される。
本発明に係る発光装置は、前記発光素子が、前記熱拡散部材上に載置される。
本発明に係る発光装置は、前記接着材が、前記熱拡散部材の露出部分を覆う発光装置。
本発明に係る発光装置は、前記接着材が、透明または前記光反射部材以上の反射率を有する。
本発明に係る発光装置は、前記接着材が、前記熱拡散部材以上の反射率を有する。
本発明に係る発光装置は、前記電気接続部材と前記電気配線部材との接続部に高反射材が塗布される。
本発明に係る発光装置は、前記基材が、セラミックスを素材とする。
本発明に係る発光装置は、前記熱拡散部材が、前記基材以上の高熱伝導率を有する金属材料を素材とする。
本発明に係る発光装置は、前記電気配線部材が、Ｃｕ，Ａｌ，Ｗ，Ｎｉ，Ｐｄ，ＰｔおよびＡｇのうちの少なくとも１つの金属材料を素材とする。
本発明に係る発光装置は、前記光反射部材が、セラミックス，硫酸バリウム，炭酸カルシウムおよび酸化亜鉛のうちの少なくとも１つを含有し、少なくとも前記基材、前記熱拡散部材および前記電気配線部材以上の反射率を有する。
本発明に係る発光装置は、前記電気配線部材の長さが、０．１ｍｍ以上であって、２ｍｍ以下である。
本発明に係る発光装置は、前記光反射部材の厚みが、１０μｍ以上である。
本発明に係る発光装置は、前記発光素子が、複数搭載される発光装置。
本発明に係る発光装置は、前記発光素子が、ＬＥＤである。
本発明に係る発光装置および発光装置を備える照明装置によれば、高放熱、高光出力、長寿命および低コスト化できるという効果を奏する。
本発明に係る第１実施形態の発光装置を備える照明装置の縦断面図 本発明に係る第１実施形態の発光装置を備える照明装置の平面図 本発明に係る第２実施形態の発光装置を備える照明装置の縦断面図 本発明に係る第３実施形態の発光装置を備える照明装置の縦断面図 本発明に係る第４実施形態の発光装置を備える照明装置の縦断面図
以下、本発明に係る複数の実施形態の発光装置および発光装置を備える照明装置について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の照明装置１に装備される発光装置１０は、発光素子１１と、絶縁性を有し発光素子１１を載置する基材１２と、発光素子１１を点灯させるための充電部であるアノード側およびカソード側の一対の電気接続部材１３および電気配線部材１４と、発光素子１１から発せられた熱を広げるために、基材１２の表面の全体を覆うように配置される熱拡散部材１５と、発光素子１１から発せられた光を反射させるために電気接続部材１３および電気配線部材１４を接続する箇所を除き、熱拡散部材１５を含めて基材１２の表面の全体を覆うように配置される光反射部材１６と、発光素子１１を搭載する載置部材１７とで構成される。
発光素子１１は、ＬＥＤであって、サファイア基板の上にバッファ層，ｎ型半導体層，発光層，ｐ型半導体層を順に積層して形成される。ｎ型半導体層の表面にｎ型電極を形成し、ｐ型半導体層の表面にｐ型電極を形成する。ＬＥＤは、ｐ型電極とｎ型電極とを電源に接続して電流を流すことにより発光する。
従って、発光素子１１がＬＥＤであることにより、省エネ化でき、低コスト化できる。
なお、ＬＥＤの基板は、サファイアに限らず、ＧａＮ基板等の他の材料を用いてもよい。
発光素子１１は、光反射部材１６上に載置されている。
従って、発光素子１１の直下における熱拡散部材１５や基材１２での光の吸収や透過を抑制して高光反射を実現できる。
基材１２は、アルミナ，窒化アルミ等のセラミックスや、ガラスエポキシ，ポリイミド等のプラスチックスや、ガラスの成形品あるいはフィルム状に形成される。
従って、基材１２がセラミックスを素材とすることにより、有機材料以上の高熱伝導性と絶縁性を有しているために、ヒートシンク等を介さずに器具に直接固定でき、器具全体として低コスト化できる。
電気接続部材１３は、Ａｕを主成分とするボンディングワイヤであり、長さ寸法Ｌ１（図２参照）が０．１ｍｍ以上であって２ｍｍ以下である。電気接続部材１３は、長さ寸法が短すぎると、発光素子１１同士の熱や光が干渉し、これに反して、長さ寸法が長すぎると、ボンディングワイヤとしての形状や強度に影響を及ぼす。
従って、電気接続部材１３の長さ寸法が０．１ｍｍ以上であって２ｍｍ以下であることにより、発光素子１１同士の光と熱の干渉を防ぎ、かつ、ボンディングワイヤとしての形状および強度を保つために、光出力を増加でき、長寿命化できる。
電気接続部材１３と発光素子１１とを封止するための不図示の封止材が適用される。封止材は、屈折率がＬＥＤ基材よりも小さく、空気よりも大きい、シリコン樹脂やエポキシ樹脂等の透明材料を用いて成形される。封止材は、蛍光体を含有してもよく、外側に蛍光体を含有したキャップやシートを設置してもよい。
電気配線部材１４は、Ｃｕ微粒子を含有したインクを焼成させるか、あるいはＣｕ箔等により形成される。ただし、投入電流の関係により、例えば、投入電流が１Ａであって、Ｃｕの幅が１ｍｍの場合、約３５μｍ以上にするのが好ましい。
なお、電気配線部材１４は、Ｃｕに代えて、タングステン，ニッケル，ロジウム，パラジウム，白金，アルミニウム等で形成されてもよい。
従って、電気配線部材１４が、高熱伝導材料であるＣｕ，Ａｌ，Ｗ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｇ等の金属材料を素材とすることにより効率的に熱を下げて、発光素子直下の熱が下げられるために、光出力を増加できる。
ここで、電気接続部材１３と電気配線部材１４との接続部に、高反射材１８が塗布される。
従って、電気接続部材１３と電気配線部材１４との接続部に、高反射材１８が塗布されることにより、電気配線部材１４による光吸収を抑制できる。
熱拡散部材１５は、Ｃｕ微粒子を含有したインクを焼成させるか、あるいはＣｕ箔等により形成される。
なお、熱拡散部材１５は、Ｃｕでなくとも、ＡｇやＡｕあるいはＡｌ等の高熱伝導材料を用いてもよい。
従って、熱拡散部材１５が、高熱伝導材料であるＣｕ，Ａｌ，Ａｇ等の基材１２以上の高熱伝導率を有する金属材料を素材とすることにより効率的に熱を下げて、発光素子１１の直下の熱が下げられるために、光出力を増加できる。
熱拡散部材１５は、電気配線部材１４よりも広い領域を有する。
従って、熱拡散部材１５が電気配線部材１４よりも広い領域を有するために、熱拡散部材１５での熱の広がりが抑制されて低熱抵抗化が図られ、熱を効果的に拡散できる。
熱拡散部材１５は、載置部材１７よりも広い領域を有する。
従って、熱拡散部材１５が載置部材１７よりも広い領域を有するために、発光素子１１から載置部材１７へ広がった熱が熱拡散部材１５へ放熱されることにより、熱を効果的に拡散できる。
熱拡散部材１５は、電気配線部材１４との間が長さ寸法（図２参照）Ｌ２の絶縁部材または空間で分離される。
従って、熱拡散部材１５と電気配線部材１４とが絶縁部材または空間で分離されることにより、熱拡散部材１５として導電性の高熱伝導材料を用いることができる。
光反射部材１６は、絶縁性を有する白色材料を用いて成形されており、セラミックス，硫酸バリウム，炭酸カルシウム，酸化亜鉛等の無機フィラーを含有し、少なくとも基材１２、熱拡散部材１５および電気配線部材１４以上の反射率を有するインク材料であり、印刷やスプレー等により膜を形成する。
従って、光反射部材１６が、セラミックス，硫酸バリウム，炭酸カルシウム，酸化亜鉛等を含有し、少なくとも基材１２、熱拡散部材１５および電気配線部材１４以上の反射率を有することにより、光吸収を抑制できる。
光反射部材１６は、環境負荷により変色するような電気配線部材１４や基材１２であれば、白色材料の厚みは３０μｍ以上形成されるのが好ましい。ただし、白色材料の性能の向上により電気配線部材１４や基材１２の影響を受けないのであれば、厚さ寸法Ｔ１が１０μｍ程度まで薄くしてもよい。
従って、光反射部材１６の厚みが、１０μｍ以上であることにより、熱拡散部材１５、電気配線部材１４および基材１２による光吸収の影響を抑制できる。
載置部材１７は、シリコン樹脂製であって、透明であり、屈折率がＬＥＤ基材よりも大きく、封止材と同等あるいは、それ以上である。ただし、透明でなくとも、光反射部材１６に劣らない反射率を有していれば、白色等に着色されていてもよい。また、シリコン樹脂でなくとも、光や熱による変色等の劣化が抑制された材料であれば、エポキシ樹脂等であってもよい。
載置部材１７は、発光素子１１の搭載後の樹脂の厚みが、熱抵抗の観点から、薄ければ薄いほどよく、接着の観点も含め、１〜３μｍ程度に設定される。
従って、載置部材１７が透明または光反射部材１６以上の反射率を有することにより、載置部材１７による光吸収が抑制されて効率的に光を反射できる。
図２に示すように、熱拡散部材１５は、少なくとも発光素子１１を中心に、載置部材１７の広がり以上に、長さ寸法Ａ＜長さ寸法Ｃ，長さ寸法Ｂ＜長さ寸法Ｄの熱拡散領域１９が形成される。
このように、発光装置１０は、発光素子１１と、絶縁性を有し発光素子１１を載置する基材１２と、発光素子１１を点灯させるための充電部である一対の電気接続部材１３および電気配線部材１４と、発光素子１１から発せられた熱を広げるために、基材１２の表面の全体を覆うように配置される熱拡散部材１５と、発光素子１１から発せられた光を反射させるために電気接続部材１３および電気配線部材１４を接続する箇所を除き、熱拡散部材１５を含めて基材１２の表面の全体を覆うように配置される光反射部材１６と、発光素子１１を搭載する載置部材１７とで構成される。
従って、光反射部材１６が、基材１２の表面の全体を覆うことにより、発光素子１１からの熱を基材１２の全体に広げ、電気接続部材１３および電気配線部材１４を接続する箇所を除き、熱拡散部材１５を含めて基材１２の表面の全体を覆うことにより、熱拡散部材１５および基材１２での光吸収および光透過を抑制して低熱抵抗および高光反射を実現できる。また、使用環境の影響に伴う熱拡散部材１５や基材１２の変色による光出力および色度の性能の低下を抑制して高寿命化できる。
以上、説明したように第１実施形態の発光装置１０によれば、光反射部材１６が、基材１２の表面の全体を覆うことにより、発光素子１１からの熱を基材１２の全体に広げ、電気接続部材１３および電気配線部材１４を接続する箇所を除き、熱拡散部材１５を含めて基材１２の表面の全体を覆うことにより、熱拡散部材１５および基材１２での光吸収および光透過を抑制して低熱抵抗および高光反射を実現できる。また、第１実施形態の発光装置１０によれば、使用環境の影響に伴う熱拡散部材１５や基材１２の変色による光出力および色度の性能の低下を抑制して高寿命化できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、熱拡散部材１５が電気配線部材１４よりも広い領域を有するために、熱拡散部材１５での熱の広がりが抑制されて低熱抵抗化が図られ、熱を効果的に拡散できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、熱拡散部材１５が載置部材１７よりも広い領域を有するために、発光素子１１から載置部材１７へ広がった熱が熱拡散部材１５へ放熱されることにより、熱を効果的に拡散できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、熱拡散部材１５と電気配線部材１４とが絶縁部材または空間で分離されることにより、熱拡散部材１５として導電性の高熱伝導材料を用いることができる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、発光素子１１の直下における熱拡散部材１５や基材１２での光の吸収や透過を抑制して高光反射を実現できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、載置部材１７が透明または光反射部材１６以上の反射率を有することにより、載置部材１７による光吸収が抑制されて効率的に光を反射できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、電気接続部材１３と電気配線部材１４との接続部に、高反射材１８が塗布されることにより、電気配線部材１４による光吸収を抑制できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、基材１２がセラミックスを素材とすることにより、有機材料以上の高熱伝導性と絶縁性を有しているために、ヒートシンク等を介さずに器具に直接固定でき、器具全体として低コスト化できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、熱拡散部材１５が、高熱伝導材料であるＣｕ，Ａｌ，Ａｇ等の基材１２以上の高熱伝導率を有する金属材料を素材とすることにより効率的に熱を下げて、発光素子１１の直下の熱が下げられるために、光出力を増加できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、電気配線部材１４が、高熱伝導材料であるＣｕ，Ａｌ，Ｗ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｇ等の金属材料を素材とすることにより効率的に熱を下げて、発光素子直下の熱が下げられるために、光出力を増加できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、光反射部材１６が、セラミックス，硫酸バリウム，炭酸カルシウム，酸化亜鉛等を含有し、少なくとも基材１２、熱拡散部材１５および電気配線部材１４以上の反射率を有することにより、光吸収を抑制できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、電気接続部材１３の長さ寸法が０．１ｍｍ以上であって２ｍｍ以下であることにより、発光素子１１同士の光と熱の干渉を防ぎ、かつ、ボンディングワイヤとしての形状および強度を保つために、光出力を増加でき、長寿命化できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、光反射部材の厚みが、１０μｍ以上であることにより、熱拡散部材１５、電気配線部材１４および基材１２による光吸収の影響を抑制できる。
第１実施形態の発光装置１０によれば、発光素子１１がＬＥＤであることにより、省エネ化でき、低コスト化できる。
第１実施形態の照明装置１によれば、高放熱、高光出力、長寿命および低コスト化できる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の発光装置および発光装置を備える照明装置について説明する。
なお、以下の各実施形態において、前述した第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付することによって説明を簡略化あるいは省略する。
図３に示すように、本発明に係る第２実施形態の照明装置２に装備される発光装置３０は、熱拡散部材３１が、電気配線部材を兼ねる。
第２実施形態の発光装置３０によれば、熱拡散部材３１が電気配線部材を兼ねるために、電気配線部材を省略して簡素にできる。
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態の発光装置および発光装置を備える照明装置について説明する。
図４に示すように、本発明に係る第３実施形態の照明装置３に装備される発光装置４０は、発光素子１１が、熱拡散部材１５上に載置される。
また、発光装置４０は、載置部材１７が、熱拡散部材１５の露出部分を覆う。すなわち、載置部材１７の領域Ｅ≧熱拡散部材１５露出部である。
そして、発光装置４０は、熱拡散部材１５の反射率以上の反射率を有する白色シリコン樹脂により成形される。
第３実施形態の発光装置４０によれば、発光素子１１が熱拡散部材１５上に直接載置されることにより、低熱抵抗化が図られて放熱を効果的にできる。
第３実施形態の発光装置４０によれば、載置部材１７が熱拡散部材１５の露出部分を覆うことにより、熱拡散部材１５による光吸収が抑制されて光を効率的に反射できる。
第３実施形態の発光装置４０によれば、載置部材１７が熱反射部材１５以上の反射率を有することにより、載置部材１７による光吸収が抑制されて効率的に光を反射できる。
（第４実施形態）
次に、本発明に係る第４実施形態の発光装置および発光装置を備える照明装置について説明する。
図５に示すように、本発明に係る第４実施形態の照明装置４に装備される発光装置５０は、複数載置された発光素子５１，５２を備える。
第４実施形態の発光装置５０によれば、複数の発光素子５１，５２を載置した場合においても、高放熱、高光出力、長寿命および低コスト化できる。
なお、本発明の発光装置および発光装置を備える照明装置は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
１，２，３，４ 照明装置
１０，３０，４０，５０ 発光装置
１１，５１，５２ 発光素子
１２ 基材
１３ 電気接続部材
１４ 電気配線部材
１５ 熱拡散部材
１６ 光反射部材
１７ 載置部材
１８ 高反射材

Claims (17)

  1. 発光素子と、
    電気的絶縁性を有し、前記発光素子が搭載される基材と、
    前記基材の表面上に設けられる電気配線部材と、
    前記発光素子と前記電気配線部材とを電気的に接続する電気接続部材と、
    前記電気配線部材の領域を除いて、前記基材の表面の全体を覆うように前記基材の表面に接して設けられ、前記電気配線部材とは電気的に分離されると共に、前記発光素子から発せられた熱を広げる熱拡散部材と、
    前記電気接続部材と前記電気配線部材とを接続する領域を除いて、かつ前記熱拡散部材の領域を含めて前記基材の表面の全体を覆うように設けられ、前記発光素子から発せられた光を反射し、かつ電気的絶縁性を有する光反射部材と、
    前記発光素子を固定する、熱伝導性を有する接着材と、
    を有し、
    平面視において、前記接着材の占有面積は、前記発光素子の占有面積よりも広く、かつ前記発光素子は前記接着材の中央に位置し、前記熱拡散部材の占有面積は、前記接着材の占有面積よりも広く、かつ前記電気配線部材の占有面積よりも広く、
    前記発光素子の熱は、前記基材の表面上において、前記発光素子から前記接着材へと広がり、前記接着材の周囲の前記熱拡散部材に広がり、さらに前記熱拡散部材の全体に拡散され、
    かつ、前記電気配線部材と前記熱拡散部材とが空間により分離され、前記空間に前記光反射部材が充填される発光装置。
  2. 請求項１に記載の発光装置において、
    前記光反射部材は、前記基材が変色することを抑制する発光装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の発光装置において、
    前記発光素子が、前記光反射部材上に載置される発光装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記発光素子が、前記熱拡散部材上に載置される発光装置。
  5. 請求項１、請求項３、請求項４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記接着材が、前記熱拡散部材の露出部分を覆う発光装置。
  6. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記接着材が、透明または前記光反射部材以上の反射率を有する発光装置。
  7. 請求項１、請求項２、請求項５および請求項６のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記接着材が、前記熱拡散部材以上の反射率を有する発光装置。
  8. 請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記電気接続部材と前記電気配線部材との接続部に高反射材が塗布される発光装置。
  9. 請求項１ないし請求項８のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記基材が、セラミックスを素材とする発光装置。
  10. 請求項１ないし請求項９のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記熱拡散部材が、前記基材以上の高熱伝導率を有する金属材料を素材とする発光装置。
  11. 請求項１ないし請求項１０のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記電気配線部材が、Ｃｕ，Ａｌ，Ｗ，Ｎｉ，Ｐｄ，ＰｔおよびＡｇのうちの少なくとも１つの金属材料を素材とする発光装置。
  12. 請求項１ないし請求項１１のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記光反射部材が、セラミックス，硫酸バリウム，炭酸カルシウムおよび酸化亜鉛のうちの少なくとも１つを含有し、少なくとも前記基材、前記熱拡散部材および前記電気配線部材以上の反射率を有する発光装置。
  13. 請求項１ないし請求項１２のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記電気配線部材の長さが、０．１ｍｍ以上であって、２ｍｍ以下である発光装置。
  14. 請求項１ないし請求項１３のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記光反射部材の厚みが、１０μｍ以上である発光装置。
  15. 請求項１ないし請求項１４のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記発光素子が、複数搭載される発光装置。
  16. 請求項１ないし請求項１５のうちのいずれか１項に記載の発光装置において、
    前記発光素子が、ＬＥＤである発光装置。
  17. 請求項１ないし請求項１６のうちのいずれか１項に記載の発光装置を搭載した照明装置。
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