JPH1027926A - Photo-semiconductor device - Google Patents

Photo-semiconductor device

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Publication number
JPH1027926A
JPH1027926A JP18106396A JP18106396A JPH1027926A JP H1027926 A JPH1027926 A JP H1027926A JP 18106396 A JP18106396 A JP 18106396A JP 18106396 A JP18106396 A JP 18106396A JP H1027926 A JPH1027926 A JP H1027926A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light emitting
emitting element
heat
light
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP18106396A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Shimizu
義則 清水
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Nichia Chemical Industries Ltd
Original Assignee
Nichia Chemical Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nichia Chemical Industries Ltd filed Critical Nichia Chemical Industries Ltd
Priority to JP18106396A priority Critical patent/JPH1027926A/en
Publication of JPH1027926A publication Critical patent/JPH1027926A/en
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the photo-semiconductor device to be applicable for a long time at high output by containing a low melting point solid material at a normal temperature thermally coupled with a light emitting element arranged on a substrate. SOLUTION: A substrate 203 is used for fixing a light emitting element 101 so as to arrange said element 101 in various shapes. A heat accumulating means efficiently accumulates heat emitted from the light emitting element 101 to avert any unfavorable effect on the light emitted element itself and the driving action of the same. The heat accumulating means using the latent heat contains a low melting point member solid at normal temperature, The low melting point member 205 accumulates the heat by melting down the heat generated by the light emitting element 101 to suppress the temperature rise of the light emitting element 101. Through these processors, the safe and light photo-semiconductor device in long life and high efficiency to a specific wavelength generating on heat at all.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本願発明は、歯科用の光硬化
型コンポジットの硬化や画像出力装置などに利用できる
高出力の光半導体装置に係わり、特に発光素子からの発
光を高負荷・高出力で使用する場合においても、発光素
子の熱的破壊や寿命に及ぼす悪影響が極めて少ない光半
導体装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-output optical semiconductor device which can be used for curing a photocurable composite for dental use, an image output device, and the like. The present invention also relates to an optical semiconductor device which has very little adverse effect on thermal destruction and life of a light emitting element even when used.

【0002】[0002]

【従来の技術】発光ダイオード(以下、LEDともい
う。)は、初期の小電力、低輝度の光源から高輝度、超
高輝度へと進歩した。また、発光波長においても赤外か
ら黄緑へ最近はさらに青、緑やUV域まで広がり発光光
率ももはや電球かそれ以上に到達しようとしている。そ
うした状況の中でLEDなどの発光素子を単なる点光源
や信号源としてではなく高効率の波長選択可能な光源と
して利用しようとする動きがでてきた。特に短波長域の
光を利用する用途にはタングステン電球に比べ遥かに理
にかなった用途といえる。
2. Description of the Related Art Light emitting diodes (hereinafter, also referred to as LEDs) have advanced from low power and low luminance light sources to high luminance and ultra high luminance. In addition, the emission wavelength has recently expanded from infrared to yellow-green to blue, green, and UV regions, and the emission luminous efficiency is about to reach a light bulb or more. Under such circumstances, there has been a movement to utilize light emitting elements such as LEDs not only as point light sources or signal sources but also as highly efficient wavelength selectable light sources. In particular, it can be said that the use of light in a short wavelength range is far more reasonable than the use of a tungsten lamp.

【0003】例えば、歯科用の光硬化型コンポジットの
硬化にハロゲン電球が使われている。この硬化型コンポ
ジット装置の一例を図4に示す。コンポジットの硬化用
光源として470nm付近を透過するフィルターとハロ
ゲン電球を使用している。電池電源から供給された電力
をハロゲン電球に供給させることによって発光させる。
ハロゲン電球からの光は、レンズによって集光されつつ
波長を選択させるためのフィルターを介して集光され
る。このような機器は、大型であるので集光した光を光
ファイバーを介して口腔内に導いている。これによっ
て、所望のコンポジット配置部位にのみ照射させコンポ
ジットを硬化させることができる。
[0003] For example, a halogen bulb is used for curing a light-curable composite for dental use. FIG. 4 shows an example of the curable composite device. As a light source for curing the composite, a filter transmitting near 470 nm and a halogen bulb are used. Light is emitted by supplying electric power supplied from a battery power supply to a halogen bulb.
The light from the halogen bulb is focused by a lens through a filter for selecting a wavelength. Such a device is large in size, and condensed light is guided into the oral cavity via an optical fiber. Thereby, it is possible to cure the composite by irradiating only the desired composite arrangement site.

【0004】コンポジット硬化機器は、高出力光源で短
時間に樹脂の硬化などに利用するものである。ハロゲン
電球を用いたコードレス型歯科用の光硬化型コンポジッ
トの硬化機器としてNi−Cd電池などの電池電源で動
作させようとすると、30〜50Wが限度となる。この
場合、発熱が大きくハロゲン電球の光変換効率は約10
%である。ハロゲンランプの光は非常に広い波長域を持
つ白色光でありそのうち波長を選択させるための青色の
フィルターを通した有効光がさらに10%程度に減衰さ
れる。したがって、もとの電力に対する利用率は全体と
して1%近くとなり極めて低い。また消費電力が大きい
ため、電池電源の重量も重く体積も大きくならざるを得
ずコードレスの利点も半減してしまう。さらに、ハロゲ
ン電球用の集光部が必要であることやランプそのものが
高温になることから小型化にも限界があった。
A composite curing device is used for curing a resin in a short time with a high-output light source. If a cordless dental photocurable composite curing device using a halogen bulb is operated with a battery power source such as a Ni-Cd battery, the limit is 30 to 50 W. In this case, the heat generation is large and the light conversion efficiency of the halogen bulb is about 10%.
%. The light of the halogen lamp is white light having a very wide wavelength range, and the effective light passing through a blue filter for selecting a wavelength is attenuated to about 10%. Therefore, the utilization factor with respect to the original power is very low, being close to 1% as a whole. In addition, since the power consumption is large, the weight and the volume of the battery power supply must be large, and the advantage of the cordless is reduced by half. Further, since a condensing part for a halogen bulb is required and the temperature of the lamp itself becomes high, there is a limit to downsizing.

【0005】こうした用途には、LEDチップの狭いス
ペクトル、高い効率、低消費電力及び小型化が可能なこ
とはまさにうってつけである。例えば30Wのハロゲン
電球を想定した場合は、有効光出力は300mWであ
る。これを単純に出力5mWのLEDチップに代用する
と60個が必要となる。このような用途においては一体
型の光源として使用できるように光量も高く、しかもそ
の密度も高い必要がある。したがって、発光素子も高密
度に実装しなければならない。LEDチップは、1個あ
たりの大きさを350μm角程度のLEDチップとして
構成させることができる。したがって、8×8個として
も最大3mm角程度もあれば十分でありハンディ用に小
型化することができる。
[0005] For such applications, the narrow spectrum, high efficiency, low power consumption and miniaturization of LED chips are just the perfect thing. For example, assuming a halogen lamp of 30 W, the effective light output is 300 mW. If this is simply substituted for an LED chip with an output of 5 mW, 60 chips are required. In such an application, it is necessary that the light amount is high and the density is high so that it can be used as an integrated light source. Therefore, the light emitting elements must also be mounted at a high density. Each LED chip can be configured as an LED chip having a size of about 350 μm square. Therefore, a maximum of about 3 mm square is sufficient even for 8 × 8 pieces, and the size can be reduced for handy use.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、個々の
発光素子の発熱量がハロゲンランプと比較して少ないと
はいえ高密度に発光素子を配置させた光半導体装置は、
高出力で駆動させると発光素子自体が急激に昇温する。
半導体は一般的に熱に弱く、発光素子自体が、発生する
熱により発光波長のズレ、輝度の低下及び光度の不安定
化が生じたりする。また、発光素子自体が損傷してしま
う場合がある。したがって、長時間使用する或いは繰り
返し使用すると発光初期と発光後期とでは、その特性が
変化し所望通りに十分機能しない場合が生ずる。そのた
め発光素子の発光により生じた発熱を熱伝導率の高い良
熱伝導体であるヒートシンクやヒートパイプなどを利用
して外部に放出させることも考えられるが、LEDチッ
プを高密度に配置し高出力で駆動させる場合は、瞬時に
昇温し放熱部などを介して空気中等に放熱、拡散される
だけでは十分ではない。また、小型軽量化した場合、外
部に放熱部のみによって放熱させることは、放熱部近傍
に熱の影響を受ける部材などを配置することができな
い。さらに、冷却装置として送風ファン等新たな駆動手
段を用いることは、余分な電力を消費することとなる。
また、冷却のために高周波ノイズを発生する直流モータ
ーなどは、他の通信機器や医療用機器などの誤作動を引
き起こす要因として考えられるために好ましくない。
However, although the amount of heat generated by each light emitting element is smaller than that of a halogen lamp, an optical semiconductor device in which light emitting elements are arranged at a high density has a problem.
When driven at high output, the temperature of the light emitting element itself rises rapidly.
Semiconductors are generally vulnerable to heat, and the heat generated by the light emitting element itself may cause a shift in emission wavelength, a decrease in luminance, and an unstable light intensity. Further, the light emitting element itself may be damaged. Therefore, if the device is used for a long time or is used repeatedly, its characteristics change between the early stage and the late stage of light emission, and the device may not function as desired. For this reason, it is conceivable to release the heat generated by the light emission of the light emitting elements to the outside using a heat sink or heat pipe, which is a good thermal conductor having high thermal conductivity. In the case of driving by means of, it is not sufficient that the temperature is raised instantaneously and the heat is radiated and diffused into the air through a radiator or the like. In addition, in the case of reducing the size and weight, dissipating heat to the outside only by the heat radiating portion does not allow a member or the like affected by heat to be arranged near the heat radiating portion. Further, using a new driving means such as a blowing fan as a cooling device consumes extra power.
In addition, a DC motor that generates high-frequency noise for cooling is not preferable because it is considered as a factor that causes malfunction of other communication devices and medical devices.

【0007】一般的には、コードレスで使用することを
考慮すると軽量・小型化と高出力化は相反するものであ
るから当然のこととして連続的長時間に使用できるもの
ではない。半導体は熱的に弱く過大な電力の投入は極端
に半導体の寿命を縮めることになる。本願発明はこれら
の問題を解決するためになされたものであり、高出力で
長時間使用でき軽量小型化にすることが可能であると共
に、さらに光特性及び半導体特性に優れた光半導体装置
を提供することにある。
[0007] In general, in consideration of cordless use, light weight, small size, and high output are contradictory, so that it cannot be used continuously for a long time. Semiconductors are thermally weak and excessive power input will extremely shorten the life of the semiconductor. The present invention has been made to solve these problems, and provides an optical semiconductor device which can be used for a long time with high output, can be reduced in size and weight, and further has excellent optical characteristics and semiconductor characteristics. Is to do.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本願発明は、基板上に配
した半導体発光素子を電源からの電力によって発光させ
る光半導体装置において、前記基板上に配された発光素
子と熱的に結合した、常温において固体である低融点の
物質を含有する蓄熱手段を有する光半導体装置である。
According to the present invention, there is provided an optical semiconductor device in which a semiconductor light emitting element disposed on a substrate emits light by electric power from a power supply, wherein the semiconductor light emitting element is thermally coupled to the light emitting element disposed on the substrate. An optical semiconductor device having heat storage means containing a low-melting substance that is solid at normal temperature.

【0009】また、前記基板が、金属、セラミック、硝
子又はそれらを含むプラスチック複合体である光半導体
装置であり、前記発光素子と蓄熱手段との熱的結合をヒ
ートパイプによって接続させている光半導体装置であ
る。
[0009] Further, the substrate is an optical semiconductor device in which the substrate is a metal, ceramic, glass or a plastic composite containing them, and the optical coupling between the light emitting element and the heat storage means is connected by a heat pipe. Device.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本願発明は、発光素子が発熱した
熱を、比熱に比べて融解替熱が極めて大きい部材を利用
することによって蓄熱することにより、光特性及び半導
体特性に優れた軽量小型な光半導体装置とすることがで
きることを見いだした。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention provides a light-weight and small-size light-emitting device having excellent optical characteristics and semiconductor characteristics by storing heat generated by a light-emitting element by utilizing a member having a very large heat of fusion compared with specific heat. It has been found that the optical semiconductor device can be a simple optical semiconductor device.

【0011】即ち、発光素子の急激且つ大発熱量を有す
る発熱は、外部にのみ放出させるのでは十分ではない。
このような発光素子の発熱を低融点部材が含有された蓄
熱手段に一時的に蓄えておくことで、発光素子の昇温を
抑制し優れた光特性や半導体特性を維持しつつ光半導体
装置を小型軽量化することができるものである。
That is, it is not enough to release the heat generated by the light emitting element with a rapid and large amount of heat only to the outside.
By temporarily storing the heat generated by the light emitting element in the heat storage means containing the low melting point member, it is possible to suppress the temperature rise of the light emitting element and maintain the optical characteristics and the semiconductor characteristics while maintaining excellent optical characteristics and semiconductor characteristics. It is possible to reduce the size and weight.

【0012】以下、本願発明を詳述する。図1に本願発
明の概略模式図であり、高効率な波長選択可能な発光素
子としてLEDチップをフィルム状の基板上或いは銅板
上に固定させている。LEDチップは、光出力として4
70nmの発光波長を有し500mWを得るために窒化
ガリウム系化合物を利用した青色LEDを8×8個のマ
トリックス状として計64個を実装してある。蓄熱手段
は、常温において固体である金属ガリウムなどの低融点
の物質を含有する銅製フレームで構成されている。LE
Dチップが固定された基板は、蓄熱手段と熱的結合をさ
せるために蓄熱手段の銅製フレームから延長させた延長
部上に貼り付けられている。LEDチップは、電池電源
及び制御用の回路などとそれぞれ電気的に接続されるこ
とによって駆動可能に構成されている。このような構成
とすることによって、光半導体装置の駆動時において発
光素子から放出された熱は、銅製フレームによって常温
において固体である低融点の物質を含有する蓄熱手段に
熱伝導し、常温において固体である低融点の物質を加熱
する。伝導された熱により最初は比熱に反比例して温度
が上昇していくが充填物の融点に達するとそれ以上の温
度上昇はしなくなる。通常、融解替熱は比熱に比べて桁
違いに大きく少量の充填物でも相当な時間大電力の投入
に耐えるため大電力を投入したとしても発光素子からの
熱を十分吸収できる蓄熱手段とすることができる。昇温
を抑えられた発光素子は、安定した光特性及び半導体特
性を示すことができる。以下、本願発明の構成について
詳述する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic diagram of the present invention, in which an LED chip as a highly efficient wavelength-selectable light emitting element is fixed on a film-like substrate or a copper plate. LED chip has 4 light output
A total of 64 blue LEDs using a gallium nitride-based compound are mounted in a matrix of 8 × 8 to obtain 500 mW with an emission wavelength of 70 nm. The heat storage means is constituted by a copper frame containing a substance having a low melting point such as metallic gallium which is solid at normal temperature. LE
The substrate to which the D-chip is fixed is attached on an extension of the heat storage means extending from the copper frame for thermal coupling with the heat storage means. The LED chip is configured to be drivable by being electrically connected to a battery power supply, a control circuit, and the like. With this configuration, heat emitted from the light emitting element when the optical semiconductor device is driven is thermally conducted by the copper frame to the heat storage means containing a low-melting substance that is solid at room temperature, and solid at room temperature. Is heated. At first, the temperature rises in inverse proportion to the specific heat due to the conducted heat, but when the melting point of the filling is reached, the temperature does not rise any more. Normally, the heat of fusion is significantly higher than the specific heat, so that even a small amount of filling can withstand the input of large power for a considerable amount of time. Can be. A light-emitting element in which a rise in temperature is suppressed can exhibit stable optical characteristics and semiconductor characteristics. Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail.

【0013】(発光素子101)本願発明に用いられる
発光素子101としては、液相成長法やMOCVD法等
によりGaAlN、ZnS、ZnSe、SiC、Ga
P、GaAlAs、AlInGaP、InGaN、Ga
N、AlInGaN等の半導体を発光層として形成させ
たものが用いられる。半導体の構造としては、MIS接
合、PIN接合やPN接合を有したホモ構造、ヘテロ構
造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導
体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から
赤外光まで種種選択することができる。さらに、量子効
果を持たせるため発光層を単一量子井戸構造、多重量子
井戸構造とさせても良い。歯科用光半導体装置とするた
めには、歯科用コンポジットレンジの重合に最も有効で
あると考えられる470nmから480nmに高出力で
ピークを持つ窒化ガリウム系化合物半導体を利用したL
EDチップを用いることが特に好ましい。
(Light Emitting Element 101) As the light emitting element 101 used in the present invention, GaAlN, ZnS, ZnSe, SiC, Ga
P, GaAlAs, AlInGaP, InGaN, Ga
A light emitting layer formed of a semiconductor such as N or AlInGaN is used. Examples of the semiconductor structure include a homostructure having a MIS junction, a PIN junction, and a PN junction, a heterostructure, and a double heterostructure. The emission wavelength can be selected from ultraviolet light to infrared light depending on the material of the semiconductor layer and its degree of mixed crystal. Further, the light emitting layer may have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in order to have a quantum effect. In order to obtain a dental optical semiconductor device, a gallium nitride-based compound semiconductor having a high output peak from 470 nm to 480 nm, which is considered to be most effective for polymerization in a dental composite range, is used.
It is particularly preferable to use an ED chip.

【0014】こうしてできた半導体に真空蒸着法、スパ
ッタリングや熱、光、放電エネルギーなどを利用した各
種CVD法を用いて所望の電極を形成させる。半導体の
電極は、半導体の一方の面側に設けてもよいし、両面に
それぞれ設けてもよい。電極が形成された半導体ウエハ
ーをダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転する
ダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先
幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後(ハーフカット)、
外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端の
ダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより
半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン(経線)
を碁盤目状などに引いた後、外力によってウエハーを割
り半導体ウエハーからカットさせるなどしてLEDチッ
プを形成させる。
A desired electrode is formed on the semiconductor thus formed by using a vacuum evaporation method, sputtering, or various CVD methods utilizing heat, light, discharge energy, or the like. The semiconductor electrode may be provided on one surface side of the semiconductor, or may be provided on both surfaces. After directly cutting the semiconductor wafer on which the electrodes are formed by a dicing saw in which a blade having a diamond cutting edge is rotated, or after cutting a groove having a width wider than the cutting edge width (half cut),
The semiconductor wafer is broken by external force. Alternatively, a very thin scribe line (meridian) is formed on a semiconductor wafer by a scriber in which a diamond needle at the tip reciprocates linearly.
Are drawn in a grid pattern or the like, and then the wafer is split by an external force and cut from the semiconductor wafer to form LED chips.

【0015】発光素子としては、こうして形成されたL
EDチップそのものを基板に直接固定し利用しても良い
し、リードフレーム上にLEDチップを配置し、電気的
導通を取った後に樹脂保護体などを形成させたものを利
用することもできる。LEDチップを基板の導電性パタ
ーンなどと電気的に接続させるためには、導電性接着
剤、ハンダなどにより行っても良いし、金線、アルミニ
ウム線などを用いた導電性ワイヤーをワイヤーボンディ
ングさせても良い。
As a light emitting element, the L
The ED chip itself may be directly fixed to the substrate and used, or an LED chip may be arranged on a lead frame, and after electrical continuity is obtained, a resin protective body or the like may be used. In order to electrically connect the LED chip to the conductive pattern of the substrate, it may be performed by a conductive adhesive, solder, or the like, or by wire bonding a conductive wire using a gold wire, an aluminum wire, or the like. Is also good.

【0016】光半導体装置をRGBの各発光波長を選択
可能なように構成させるためには、RGBを発光する発
光素子を利用することができる。RGBが発光可能な発
光素子は、種々の半導体利用することができるが高輝度
な半導体材料として緑色及び青色の波長域には窒化ガリ
ウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤
色の波長域ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導
体やアルミニウム・インジウム・ガリウム・燐系の半導
体を用いることが好ましい。これにより、選択的に光照
射による露光加工などをさせることができる。
In order to configure the optical semiconductor device so that each of the emission wavelengths of RGB can be selected, a light emitting element that emits RGB light can be used. A light emitting element capable of emitting RGB can use various semiconductors, but it is preferable to use a gallium nitride-based compound semiconductor in green and blue wavelength regions as a high-luminance semiconductor material, and in a red wavelength region. It is preferable to use a gallium-aluminum-arsenic-based semiconductor or an aluminum-indium-gallium-phosphorus-based semiconductor. This makes it possible to selectively perform exposure processing by light irradiation or the like.

【0017】発光素子の総照射時間や総照射量は、使用
するコンポジットなどの種類、量などにより選択でき
る。したがって、発光素子の出力を多く且つ、発光素子
の数を増やすことによって発光素子の照射時間を短縮す
ることができる。発光素子は、駆動手段として各種駆動
制御回路を介して制御させることもできる。この駆動制
御回路を設けることによって、発光素子の断続発光や発
光出力制御、さらには電池電源の残量や蓄熱手段の温度
などによって発光光量や時間を制御させることもでき
る。光重合に用いられる光半導体装置においては、光重
合型コンポジットレンジが表面だけ重合反応が促進し内
部が未反応になることを防止させるために発光時間に比
例して発光強度などを向上させることもできる。このよ
うな発光素子の制御は、光半導体に設けられた種々の制
御手段により容易に形成させることができる。
The total irradiation time and the total irradiation amount of the light emitting element can be selected depending on the type and amount of the composite used. Therefore, the irradiation time of the light emitting element can be reduced by increasing the output of the light emitting element and increasing the number of light emitting elements. The light emitting element can be controlled via various drive control circuits as drive means. By providing this drive control circuit, it is possible to control the intermittent light emission and the light emission output of the light emitting element, and also to control the light emission amount and time according to the remaining amount of the battery power source and the temperature of the heat storage means. In an optical semiconductor device used for photopolymerization, the photopolymerization type composite range can improve the light emission intensity etc. in proportion to the light emission time in order to prevent the polymerization reaction from being promoted only on the surface and the inside from being unreacted. it can. Such a control of the light emitting element can be easily formed by various control means provided in the optical semiconductor.

【0018】発光素子は集積させた後、更にレンズを通
して光を収束させて用いることもできるし、個々の発光
素子ごとにレンズを用いて光を収束させると共に外部環
境から保護させても良い。また、レンズに染料及び/顔
料を含有させフィルター効果を持たせることによって発
光波長を更に選択させることもできる。
After the light emitting elements are integrated, the light may be further converged and used through a lens, or the light may be converged using a lens for each light emitting element and protected from the external environment. The emission wavelength can be further selected by including a dye and / or a pigment in the lens to have a filter effect.

【0019】(基板203)基板203は、発光素子1
01を固定するために用いられるものであって、基板の
パターンによって発光素子101を種々所望の形状に配
置することができるものである。発光素子101からの
発熱を蓄熱手段に伝導させるために基板自体を熱伝導性
の良い部材として形成させても良いし、他の熱伝導がよ
い部材と組み合わせて構成しても良い。具体的な、基板
としては、金属、セラミック、硝子又はそれらを積層さ
せたプラスチック複合体などが好適に使用することがで
きる。絶縁性の基板の場合は、発光素子との電気的導通
を取るために導電性パターンがメッキなどにより形成さ
せている。金属基板の場合は、SiO2、SiNなどを
各種CVD法などにより形成させた後、再び導電性パタ
ーンを形成させることもできる。熱伝導がよい金属部材
としては、銅、鉄、アルミニウム及びそれらの合金など
種々のものが挙げられる。また、ヒートパイプを利用し
て発光素子からの熱を蓄熱手段に伝熱させても良い。い
ずれにしても発光素子が配置された基板から効率よく蓄
熱手段に熱伝導できるものであればよい。なお、発光素
子をパルス駆動や交流駆動などさせたいときには、発光
素子などから生じる電磁波を吸収させる目的で金属製基
板を用いることがより好ましい。また、基板の形状は、
種々の形状とさせることができるが凹部形状とさせるこ
とによって発光素子からの光を容易に集光させることが
できる。
(Substrate 203) The substrate 203 is a light-emitting element 1
The light emitting element 101 is used to fix the light emitting element 101 in various desired shapes depending on the pattern of the substrate. In order to conduct heat generated from the light emitting element 101 to the heat storage means, the substrate itself may be formed as a member having good heat conductivity, or may be combined with another member having good heat conductivity. Specifically, as the substrate, metal, ceramic, glass, a plastic composite obtained by laminating them, or the like can be suitably used. In the case of an insulating substrate, a conductive pattern is formed by plating or the like in order to establish electrical conduction with the light emitting element. In the case of a metal substrate, a conductive pattern can be formed again after forming SiO 2 , SiN or the like by various CVD methods or the like. Various materials such as copper, iron, aluminum, and alloys thereof can be given as metal members having good heat conductivity. Further, heat from the light emitting element may be transferred to the heat storage means using a heat pipe. In any case, any material can be used as long as it can efficiently conduct heat from the substrate on which the light emitting elements are arranged to the heat storage means. Note that when the light-emitting element is to be driven by a pulse, an alternating current, or the like, it is more preferable to use a metal substrate for the purpose of absorbing electromagnetic waves generated from the light-emitting element or the like. The shape of the substrate is
Although various shapes can be used, the light from the light emitting element can be easily collected by using the concave shape.

【0020】(蓄熱手段)本願発明の蓄熱手段として
は、発光素子101からの熱を効率よく内部に蓄熱し発
光素子自体や発光素子の駆動に悪影響が生じないように
させるためのものである。したがって、発光素子の発熱
量によって種々のものや量が用いられる。蓄熱手段とし
ては、替熱を利用したものが効率よく発光素子からの熱
を効率よく吸収させることができるために常温(約25
℃)で固体の低融点部材を内包したものを利用すること
が好ましい。このような低融点部材205は、発光素子
101の発熱を溶融することによって蓄熱し、発光素子
101の昇温を抑制する。蓄熱手段が加熱されると低融
点部材の融点に達するまでは、比熱に比例して温度が上
昇する。そのため発光素子が安定駆動できる温度までで
溶融する部材であることが必要である。したがって、発
光素子の種類にもよるが融点が80℃以下のものが好ま
しく、より好ましくは50℃以下である。一旦、蓄熱さ
れた熱は、発光素子の駆動を停止させる及び/又は液冷
や空冷などによって蓄熱手段を強制的に冷却させると放
熱され、再び低融点部材が凝固し蓄熱することができ
る。LEDチップ101を高密度に配置した歯科用のコ
ンポジット硬化機器などの場合、発光素子の照射時間が
10秒から40秒程度であるが急激に昇温する。したが
って、通常の空冷などによる放熱では発光素子を十分に
冷却することができず、本願発明が特に有効となる。
(Heat Storage Means) The heat storage means of the present invention is for efficiently storing heat from the light emitting element 101 therein so that the light emitting element itself and the driving of the light emitting element are not adversely affected. Therefore, various types and amounts are used depending on the heat generation amount of the light emitting element. As the heat storage means, a means utilizing the renewed heat can efficiently absorb the heat from the light-emitting element, so that the room temperature (about 25
(° C.), it is preferable to use one containing a solid low melting point member. Such a low-melting member 205 accumulates heat by melting the heat generated by the light emitting element 101 and suppresses the temperature rise of the light emitting element 101. When the heat storage means is heated, the temperature rises in proportion to the specific heat until it reaches the melting point of the low melting point member. Therefore, it is necessary that the light-emitting element be a member that melts at a temperature at which the light-emitting element can be driven stably. Therefore, the melting point is preferably 80 ° C. or lower, more preferably 50 ° C. or lower, depending on the type of the light emitting element. The heat once stored is radiated when the driving of the light emitting element is stopped and / or the heat storage means is forcibly cooled by liquid cooling, air cooling, or the like, so that the low melting point member solidifies again and can store heat. In the case of a dental composite curing device in which the LED chips 101 are arranged at a high density, the irradiation time of the light emitting element is about 10 to 40 seconds, but the temperature rises rapidly. Therefore, the light emitting element cannot be sufficiently cooled by ordinary heat radiation by air cooling or the like, and the present invention is particularly effective.

【0021】蓄熱手段に蓄熱された熱の放熱は、室温に
戻すほかに空冷、強制空冷、水冷や油冷などの液冷で促
進させることもできるが、それらは光半導体装置から切
り離されて構成することができるため使用時の簡便さを
害することはない。具体的な蓄熱手段としては、熱伝導
性がよい銅、アルミニウムなどの容器中に金属ガリウム
やパラフィンなどを密閉封入させることなどによって形
成させることができる。 蓄熱手段中の低融点部材量
は、発光素子に投入される1回の電力より容易に算出で
きる。また、蓄熱手段の内部をひだ状などにすることに
より表面積を増やし熱伝導効率を向上させることもでき
る。なお、蓄熱手段の熱が使用時の制限とならないよう
に、所望に応じてセラミックや各種樹脂ケースなどの断
熱材で少なくとも一部を覆い使用することもできる。
The heat radiation of the heat stored in the heat storage means can be promoted by liquid cooling such as air cooling, forced air cooling, water cooling or oil cooling in addition to returning to room temperature, but they are separated from the optical semiconductor device. It does not hinder the convenience of use. Specific heat storage means can be formed by hermetically sealing metal gallium, paraffin, or the like in a container made of copper, aluminum, or the like having good heat conductivity. The amount of the low melting point member in the heat storage means can be easily calculated from one power input to the light emitting element. In addition, by making the inside of the heat storage means pleated or the like, the surface area can be increased and the heat transfer efficiency can be improved. Note that at least a part of the heat storage means may be used by covering it with a heat insulating material such as a ceramic or various resin cases, if desired, so that the heat of the heat storage means is not restricted during use.

【0022】(電源206)電源206としては、少な
くとも光半導体装置の発光素子101を駆動させること
ができればよい。したがって、商用電力を利用したもの
や一次電池や二次電池など種々のものが利用できるが、
コードレスとさせるためには電池電源が好ましい。一次
電池としては、リチウム電池、マンガン電池など、二次
電池としては、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウ
ム電池など種々のものが用いることができる。これらを
種々所望に応じて直列及び/又は並列に接続させること
によって電池電源とすることができる。電池電源は、独
立で駆動させることもできるし系統電源などからの電源
と共同して利用させることもできる。
(Power Source 206) The power source 206 only needs to drive at least the light emitting element 101 of the optical semiconductor device. Therefore, various things such as those using commercial power, primary batteries and secondary batteries can be used,
A battery power supply is preferred for cordless operation. Various batteries such as a lithium battery and a manganese battery can be used as a primary battery, and a lithium ion battery and a nickel cadmium battery can be used as a secondary battery. These can be connected in series and / or in parallel as desired to provide a battery power source. The battery power supply can be driven independently or can be used jointly with a power supply from a system power supply or the like.

【0023】(ヒートパイプ)ヒートパイプは、発光素
子の発光に伴う熱を蓄熱手段に効率よく熱伝導させるた
めのものである。このようなヒートパイプは、管の内壁
に毛細管構造を持たせた金属パイプの内部を真空にし、
作動液として少量の水・代替フロンなどを密封して形成
することができる。発光素子の熱は、ヒートパイプの一
端を加熱しその部分の作動液が蒸発する。蒸気流となっ
た作動液は、蓄熱手段と接触されている低温部へ高速移
動する。蒸気流が、低温部の管壁に接触し冷却されて凝
縮されると毛細管現象又は重力により発光素子と熱的に
接触された加熱部へと戻り繰り返し熱を連続的に輸送す
る。これによりLEDチップの発熱を効率よく蓄熱手段
に熱伝導させることができる。なお、ヒートパイプを低
融点の物質を充填した蓄熱手段中に挿入させ構成するこ
とでより効率よく熱伝導させることができる。以下本願
発明の具体的実施例について説明するが本願発明が実施
例のみに限定されるものでないことは言うまでもない。
(Heat Pipe) The heat pipe is used to efficiently conduct heat generated by light emission of the light emitting element to the heat storage means. Such a heat pipe evacuates the inside of a metal pipe with a capillary structure on the inner wall of the pipe,
It can be formed by sealing a small amount of water, alternative chlorofluorocarbon, etc. as the working fluid. The heat of the light emitting element heats one end of the heat pipe, and the working fluid in that portion evaporates. The working fluid that has become a vapor flow moves at a high speed to a low-temperature portion that is in contact with the heat storage means. When the vapor stream contacts the tube wall of the low temperature section and is cooled and condensed, it returns to the heating section that is in thermal contact with the light emitting element by capillary action or gravity, and repeatedly transports heat continuously. Thus, heat generated by the LED chip can be efficiently conducted to the heat storage means. The heat pipe can be more efficiently conducted by inserting the heat pipe into the heat storage means filled with a substance having a low melting point. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described, but it goes without saying that the present invention is not limited to only the embodiments.

【0024】[0024]

【実施例】【Example】

(実施例1)青色LED(発光波長450nm)とし
て、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた。洗浄させた
サファイヤ基板上にTMGガス、窒素ガス及びドーパン
トガスをキャリアガスと共に流し、MOCVD法で窒化
ガリウム系化合物半導体を成膜させた。ドーパントガス
を切り替えることによってN型導電性を有する窒化ガリ
ウム半導体とP型導電性を有する窒化ガリウム半導体を
形成しPN接合を形成させた。(なお、P型半導体とさ
せるために400℃以上でアニールさせてある。)
(Example 1) A gallium nitride-based compound semiconductor was used as a blue LED (emission wavelength: 450 nm). On the cleaned sapphire substrate, a TMG gas, a nitrogen gas and a dopant gas were flowed together with a carrier gas, and a gallium nitride-based compound semiconductor was formed by MOCVD. By switching the dopant gas, a gallium nitride semiconductor having N-type conductivity and a gallium nitride semiconductor having P-type conductivity were formed to form a PN junction. (It is annealed at 400 ° C. or higher to make it a P-type semiconductor.)

【0025】エッチングによりPN各半導体表面を露出
させた後、スパッタリングにより電極を形成させた。こ
うして出来上がった半導体ウエハーを分割させ発光素子
としてLEDチップを形成させた。銅パターンが形成さ
れたフレキシブル基板上にエポキシ樹脂を用いてLED
チップを固定する。また、導電性ワイヤーとしてAu線
を用いてLEDチップの各電極と銅パターンとをワイヤ
ーボンディングしそれぞれ電気的に接続させる。これに
よって、青LEDチップが直並列に8×8個、計64個
を30mm角内に実装した。この基板を蓄熱手段として働
き内部に金属ガリウム(m.p29.7℃)約15gを充
填した銅製フレームの先端部に貼り付けた。なお、歯科
用としてLEDチップが配列された基板を装置に対して
垂直に配置させ使用の簡便さを図っている。回路は図2
のように結線されている。各LEDチップは、順方向電
圧を60mAで0.1V以内に揃えてあり、個々の制限
抵抗は省略可能とした。電池電源としてNi−Cd二次
電池4本直列、約5Vを用い発光素子が配置された基板
と電気的に接続させてある。全体で4Aの電流を流し光
出力約500mWを得た。また電流1.3Aで200m
Wの出力を得た。この光半導体装置を歯科用コンポジッ
トとしてコンポジットレンジ(3M社製Silux Plus)に
光を30秒間照射させた。0.1gのコンポジットを完
全に硬化させた後でも、フレームの温度は33℃を越え
ることはなかった。また、コップ一杯の水(20℃)に
3分間付けることにより100回以上反復使用しても初
期と全く変わらず使用することができた。
After exposing the surface of each PN semiconductor by etching, an electrode was formed by sputtering. The semiconductor wafer thus completed was divided to form LED chips as light emitting elements. LED using epoxy resin on flexible board with copper pattern formed
Fix the tip. In addition, each electrode of the LED chip and the copper pattern are wire-bonded using an Au wire as a conductive wire to be electrically connected to each other. Thus, a total of 64 blue LED chips were mounted in a 30 mm square, 8 × 8 in series and parallel. This substrate was used as a heat storage means and attached to the tip of a copper frame filled with about 15 g of metal gallium (m.p. 29.7 ° C.). In addition, a substrate on which LED chips are arranged for dental use is arranged perpendicularly to the apparatus to facilitate use. Figure 2
It is connected like. The forward voltage of each LED chip was adjusted to within 0.1 V at 60 mA, and individual limiting resistors could be omitted. Four Ni-Cd secondary batteries are connected in series at about 5 V as a battery power supply, and are electrically connected to a substrate on which the light emitting elements are arranged. A current of 4 A was passed in total, and an optical output of about 500 mW was obtained. 200m at 1.3A
W output was obtained. The optical semiconductor device was used as a dental composite, and a composite range (Silux Plus manufactured by 3M) was irradiated with light for 30 seconds. Even after 0.1 g of the composite was completely cured, the temperature of the flame did not exceed 33 ° C. In addition, even if it was repeatedly used 100 times or more, it could be used as it was at the initial stage by immersing it in a glass of water (20 ° C.) for 3 minutes.

【0026】(比較例1)金属ガリウムの代わりに金属
銅バルクを入れた以外実施例1と同様にして構成させ
た。実施例1と同様に使用した結果、LEDチップ周辺
が昇温し初期特性に比べて発光波長がずれ、ついには発
光しないものもあった。
(Comparative Example 1) A configuration was made in the same manner as in Example 1 except that metal copper bulk was used instead of metal gallium. As a result of using the device in the same manner as in Example 1, the temperature around the LED chip was increased, the emission wavelength was shifted compared to the initial characteristics, and in some cases, the device did not emit light at last.

【0027】(実施例2)蓄熱手段に内包し、常温で固
体である低融点部材である金属ガリウムのかわりにパラ
フィン(m.p42〜44℃)を約10g使用し、金属ガ
リウムが内包された蓄熱手段内と発光素子の基板とをヒ
ートパイプにより接続させた以外は実施例1と同様に構
成させた。実施例1と同様、反復使用しても初期と全く
変わらず駆動させることができた。また、実施例1より
も安定したフレーム温度とすることができた。
Example 2 About 10 g of paraffin (m.p. 42-44 ° C.) was used in place of metal gallium, which is a low-melting member that is solid at room temperature and contained in heat storage means, and metal gallium was included. The configuration was the same as in Example 1 except that the inside of the heat storage means and the substrate of the light emitting element were connected by a heat pipe. As in the case of the first embodiment, even when used repeatedly, the drive could be carried out without any change from the initial stage. Further, the flame temperature could be more stable than in Example 1.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上の説明のように本願発明による光半
導体装置は、特定波長の強力な光を照射することがで
き、コンポジット樹脂の光硬化や各種感光材の露光、測
定器用の光源として紫外部から赤外部まで使用できる小
型照射装置とすることができる。
As described above, the optical semiconductor device according to the present invention can irradiate intense light having a specific wavelength, and can be used as a light source for photo-curing of a composite resin, exposure of various photosensitive materials, and a measuring instrument. A small irradiation device that can be used from the outside to the infrared region can be obtained.

【0029】また、ハロゲンランプなどに比べて装置を
小型化できると共に特定波長に対して遥かに効率が高い
光半導体装置とすることができる。熱を持たず安全で軽
く寿命が長い光半導体装置とすることができる。
Further, the size of the device can be reduced as compared with a halogen lamp or the like, and an optical semiconductor device having much higher efficiency for a specific wavelength can be obtained. An optical semiconductor device which is safe, light and has a long life without heat can be obtained.

【0030】本願発明の請求項2の構成とすることによ
って、より温度上昇を低下させた光半導体装置とするこ
とができる。
By adopting the structure of claim 2 of the present invention, an optical semiconductor device with a further reduced temperature rise can be obtained.

【0031】本願発明の請求項3の構成とすることによ
って、発光素子からの熱を効率よく蓄熱手段に伝導させ
ることにより発光素子を密集させ急激に昇温した場合に
おいても蓄熱させた光半導体装置とすることができる。
According to the third aspect of the present invention, an optical semiconductor device in which the heat from the light emitting elements is efficiently conducted to the heat storage means so that the light emitting elements are densely packed and heat is stored even when the temperature rises rapidly. It can be.

【0032】本願発明の請求項4の構成とすることによ
って、発光素子を安定して駆動させることができる温度
内で溶融するため安定した光半導体装置とすることがで
きる。
According to the configuration of the fourth aspect of the present invention, a stable optical semiconductor device can be obtained because the light emitting element is melted within a temperature at which the light emitting element can be driven stably.

【0033】[0033]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本願発明の光半導体装置を歯科用のコンポジッ
ト硬化機器に利用した模式図である。
FIG. 1 is a schematic view of an optical semiconductor device of the present invention used for a dental composite curing device.

【図2】本願発明の発光装置の概略上面図であり図1の
A−A断面図である。
FIG. 2 is a schematic top view of the light emitting device of the present invention, and is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

【図3】本願発明の回路図の一例である。FIG. 3 is an example of a circuit diagram of the present invention.

【図4】本願発明と比較のために示したハロゲンランプ
を用いた歯科用のコンポジット硬化機器の模式的断面図
である。
FIG. 4 is a schematic sectional view of a dental composite curing device using a halogen lamp shown for comparison with the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101・・・基板上に配置されたLEDチップ 102・・・電池電源収容ケース 203・・・発光素子を配置した基板 204・・・蓄熱手段の先端部 205・・・蓄熱手段中の低融点部材 206・・・電池電源 401・・・ハロゲンランプ 402・・・コンポジット硬化機器本体 403・・・反射鏡 404・・・レンズ 405・・・光ファイバー 406・・・電池電源 407・・・フィルター 101: LED chip disposed on a substrate 102: Battery power accommodating case 203: Substrate on which a light emitting element is disposed 204: Tip of thermal storage means 205: Low melting point member in thermal storage means 206: Battery power supply 401: Halogen lamp 402: Composite curing equipment body 403: Reflecting mirror 404: Lens 405: Optical fiber 406: Battery power supply 407: Filter

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板上に配した半導体発光素子を電源から
の電力によって発光させる光半導体装置において、 前記基板上に配された発光素子と熱的に結合した、常温
において固体である低融点の物質を含有する蓄熱手段を
有することを特徴とする光半導体装置。
1. An optical semiconductor device for emitting light from a semiconductor light emitting element disposed on a substrate by power from a power supply, the optical semiconductor device having a low melting point that is thermally coupled to the light emitting element disposed on the substrate and is solid at room temperature. An optical semiconductor device comprising heat storage means containing a substance.
【請求項2】前記基板が、金属、セラミック、硝子又は
それらの少なくとも一つを積層したプラスチィク複合体
である請求項1記載の光半導体装置。
2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is a metal, ceramic, glass, or a plastic composite obtained by laminating at least one of them.
【請求項3】前記発光素子と蓄熱手段との熱的な結合を
ヒートパイプによって行う請求項1記載の光半導体装
置。
3. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein said light emitting element and said heat storage means are thermally coupled by a heat pipe.
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