JPWO2017209149A1 - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
複数のCOBのLEDパッケージ用いて出射光量を増加させるとともに、それらのLEDパッケージの放熱性を向上させた発光装置を提供する。発光装置は、複数の開口部が形成された回路基板と、上面の端部に回路基板との接続電極が形成されたパッケージ基板、パッケージ基板上に実装された複数のLED素子および複数のLED素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有し、回路基板の裏面側から複数の開口部内にそれぞれ挿入され、接続電極が回路基板の裏面に電気的に接続された複数のLEDパッケージと、回路基板との間で複数のLEDパッケージのパッケージ基板を挟むように回路基板の裏面側に配置された放熱基板とを有する。
Description
本発明は、発光装置に関する。
1つの基板上に複数のLED(発光ダイオード)素子が実装され、蛍光体を含有する透光性の樹脂によりそれらのLED素子が一体的に封止されたCOB(Chip On Board)のLEDパッケージが知られている。こうしたLEDパッケージでは、各LED素子からの光とそれらの光により蛍光体を励起させて得られる光とを混合させることにより、用途に応じて白色光などが得られる。
また、特許文献1には、熱伝導性を有する基台と、基台に固着する導電部を備えた配線板と、基台の実装エリアに実装される発光素子チップとを有する高輝度発光素子が記載されている。この高輝度発光素子では、基台は発光素子チップからの熱を放熱するための放熱面を備え、配線板の導電部は発光素子チップと電気的接続部材によって接続されると共に、導電部の一部に発光素子チップを駆動する駆動電流を供給するための電気的接続面が設けられ、電気的接続面と基台の放熱面とが対向して配置されている。
また、特許文献2には、ベース絶縁基板の表面に形成された電極パターン上にLEDチップを実装し、そのLEDチップを透光性樹脂で封止した後、実装側の基板に設けられた貫通孔に封止樹脂部を埋設するように裏面実装して形成された裏面実装型LEDが記載されている。
発光装置の出射光量を増加させるためには、共通の回路基板(主回路基板、配線基板、マザーボード)上にCOBのLEDパッケージを複数個実装して発光装置を構成することが考えられる。しかしながら、一般に、COBのLEDパッケージでは、外部電源との接続電極がパッケージ基板の上面に形成されているため、回路基板の上面にLEDパッケージを実装しようとすると、回路基板とLEDパッケージとの間の電気的な接続をとることが難しい。また、発光装置を発光させたときには各LEDパッケージから熱が発生し、複数のLEDパッケージを用いれば、LEDパッケージの個数分だけ発熱量も多くなるため、それらの熱を効率よく外部に放出させる工夫が必要になる。
そこで、本発明は、複数のCOBのLEDパッケージを用いて出射光量を増加させるとともに、それらのLEDパッケージの放熱性を向上させた発光装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、回路基板にLEDパッケージを半田接続することにより発生する応力を緩和させて回路基板のたわみを生じにくくした発光装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、回路基板の開口部に回路基板の裏面側から実装されたLEDパッケージを含む発光装置の光取出し効率とLEDパッケージの接合強度を向上させることを目的とする。
開口部が形成された回路基板と、パッケージ基板、パッケージ基板上に実装されたLED素子およびLED素子を封止する封止樹脂を有し、回路基板の裏面側から開口部内に挿入され、パッケージ基板の端部が回路基板の裏面に半田接続されたLEDパッケージと、パッケージ基板に接触して回路基板の裏面側に配置された放熱基板とを有し、回路基板には、LEDパッケージが半田接続される接続位置に隣接する位置にスリットが形成されていることを特徴とする発光装置が提供される。
上記の発光装置では、パッケージ基板の対向する2つの角部が回路基板に半田接続され、スリットは、パッケージ基板の2つの角部に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の他の2つの角部に対応する位置で、LEDパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。
上記の発光装置では、パッケージ基板の四隅が回路基板に半田接続され、スリットは、パッケージ基板の四隅に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の各辺の中間に対応する位置で、LEDパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。
上記の発光装置は、LEDパッケージを複数個有し、回路基板には、複数のLEDパッケージがそれぞれ挿入される複数の開口部が形成され、各LEDパッケージのパッケージ基板は、弾性を有する放熱シートを介して放熱基板に接触していることが好ましい。
上記の発光装置は、LEDパッケージを複数個有し、回路基板には、複数のLEDパッケージがそれぞれ挿入される複数の開口部が形成され、回路基板の四隅が放熱基板に機械的に固定され、回路基板には、さらに、回路基板の四隅における固定位置に隣接する位置にも別のスリットが形成されていることが好ましい。
また、開口部が形成された回路基板と、パッケージ基板、パッケージ基板上に実装されたLED素子およびLED素子を封止する封止樹脂を有し、回路基板の裏面側から開口部内に挿入され、パッケージ基板の端部が回路基板の裏面側に接続されたLEDパッケージと、パッケージ基板に接触して回路基板の裏面側に配置された放熱基板と、開口部内において、封止樹脂を取り囲み、かつパッケージ基板の上面および開口部内の回路基板の端面に接触するように成形された光反射性の環状樹脂とを有することを特徴とする発光装置が提供される。
また、複数の開口部が形成された回路基板と、上面の端部に回路基板との接続電極が形成されたパッケージ基板、パッケージ基板上に実装された複数のLED素子および複数のLED素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有し、回路基板の裏面側から複数の開口部内にそれぞれ挿入され、接続電極が回路基板の裏面に電気的に接続された複数のLEDパッケージと、回路基板との間で複数のLEDパッケージのパッケージ基板を挟むように回路基板の裏面側に配置された放熱基板とを有することを特徴とする発光装置が提供される。
上記の発光装置では、複数のLEDパッケージの接続電極は、回路基板の裏面に半田接続され、回路基板には、複数のLEDパッケージの接続電極がそれぞれ半田接続される接続位置に隣接する位置にスリットが形成されていることが好ましい。
上記の発光装置では、複数のLEDパッケージの接続電極は、パッケージ基板の対向する2つの角部にそれぞれ形成され、スリットは、パッケージ基板の2つの角部に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の他の2つの角部に対応する位置で、複数のLEDパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。
上記の発光装置では、複数のLEDパッケージの接続電極は、パッケージ基板の四隅にそれぞれ形成され、スリットは、パッケージ基板の四隅に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の各辺の中間に対応する位置で、複数のLEDパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。
上記の発光装置では、複数のLEDパッケージのパッケージ基板は、弾性を有する放熱シートを介して放熱基板に接触していることが好ましい。
上記の発光装置では、回路基板の四隅が放熱基板に機械的に固定され、回路基板には、さらに、回路基板の四隅における固定位置に隣接する位置にも別のスリットが形成されていることが好ましい。
上記の発光装置は、複数の開口部のそれぞれにおいて、その開口部に挿入されたLEDパッケージの封止樹脂を取り囲み、かつパッケージ基板の上面およびその開口部内の回路基板の端面に接触するように成形された光反射性の環状樹脂をさらに有することが好ましい。
上記の発光装置では、環状樹脂は、開口部内で上方に向かうほどその開口部内の空間部分の径が大きくなるように傾斜した斜面を有することが好ましい。
上記の発光装置では、複数のLEDパッケージのそれぞれは、複数のLED素子を取り囲むようにパッケージ基板に形成され内部に封止樹脂が充填された樹脂枠をさらに有し、環状樹脂は、複数の開口部のそれぞれにおいて、その開口部内の回路基板の端面とその開口部に挿入されたLEDパッケージの樹脂枠との間にあるパッケージ基板上の領域を埋め尽くしていることが好ましい。
上記の発光装置では、放熱基板の上面から複数の開口部における回路基板の上面までの高さは、放熱基板の上面から複数のLEDパッケージの封止樹脂の上面までの高さよりも大きいことが好ましい。
上記の発光装置によれば、複数のCOBのLEDパッケージを用いることで出射光量が増加するとともに、それらのLEDパッケージの放熱性が向上する。
また、上記の発光装置によれば、回路基板にLEDパッケージを半田接続することにより発生する応力が緩和されて、回路基板のたわみが生じにくくなる。
また、上記の発光装置によれば、回路基板の開口部に回路基板の裏面側から実装されたLEDパッケージを含む発光装置の光取出し効率とLEDパッケージの接合強度が向上する。
以下、図面を参照しつつ、発光装置について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。
図1〜図3は、それぞれ、発光装置1の斜視図、上面図および側面図である。発光装置1は、回路基板2に裏面側から複数のLEDパッケージ4が実装され、さらにそれらの裏面側に放熱基板3が配置された構造を有する。図4は、放熱基板3が取り除かれた発光装置1の裏面図である。発光装置1は、発光部として21個のLEDパッケージ4を有し、例えば各種の照明用のLED光源装置として利用される。ただし、この21個は一例であり、LEDパッケージ4の個数は特に限定されず、例えば1個であってもよい。
図5は、回路基板2の上面図である。回路基板2(主回路基板、配線基板、マザーボード)は、ほぼ矩形の絶縁基板であり、機械的な強度および耐熱性を確保するために、例えば、FR−4(Flame Retardant Type 4)を基材とするガラスエポキシ基板などで構成される。図示した例では、LEDパッケージ4を挿入するための21個の開口部12が、回路基板2上にほぼ等間隔で形成されている。
図5に示すように、回路基板2における各開口部12の周囲には、ねじ穴17および「く」の字型のスリット16が、1つの開口部12当たり2個ずつ形成されている。2個のスリット16は開口部12を挟んで対向し、2個のねじ穴17も開口部12を挟んで対向しており、これらの計4個は、開口部12を取り囲む矩形の角部にそれぞれ配置されている。図2に示すように、ねじ穴17には、固定用のねじ15が取り付けられる。
図2および図5に示す回路基板2の左端には、発光装置1を外部電源に接続するための2個の電極13が形成されている。また、詳細は図示していないが、回路基板2には、電極13と各開口部12に実装されるLEDパッケージ4とを(すなわち、複数のLEDパッケージ4を互いに)電気的に接続するための配線パターンが形成されている。電極13が外部電源に接続されて電圧が印加されることにより、各LEDパッケージ4は発光する。その際、発光装置1のすべてのLEDパッケージ4が同時に発光してもよいし、回路基板2上の配線パターンによっては、一部のLEDパッケージ4のみが発光してもよい。
放熱基板3は、各LEDパッケージ4を回路基板2との間で挟むように、複数のLEDパッケージ4のパッケージ基板に接触して回路基板2の裏面側に配置された矩形の金属基板である。放熱基板3は、各LEDパッケージ4で発生した熱を発光装置1の外部に放出させるためのヒートシンクとして機能するため、例えば、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムまたは銅で構成される。ただし、放熱基板3の材質は、耐熱性と放熱性に優れたものであれば、アルミニウムおよび銅以外のものであってもよい。なお、図1〜図3に示すように、回路基板2および放熱基板3の四隅において、両者はねじ14により互いに固定されている。
図6は、図2のVI−VI線に沿った発光装置1の断面図である。図6に示すように、回路基板2の各開口部12には、厚さ方向の途中に段差が形成されており、開口部12の径は、上面側よりも裏面側の方が大きい。各LEDパッケージ4は、COBのLEDパッケージであり、パッケージ基板20、LED素子51、樹脂枠53および封止樹脂54を有し、回路基板2の裏面側から開口部12内に挿入されている。各LEDパッケージ4は、パッケージ基板20の端部で回路基板2の裏面側から開口部12内の段差部分に半田接続されている。ただし、回路基板2の開口部12には、図6に示したような段差が形成されていなくてもよく、各LEDパッケージ4は、開口部12の外側における回路基板2の裏面に半田接続されていてもよい。
図7(A)〜図7(D)は、LEDパッケージ4の構造および製造工程を説明するための斜視図である。
図7(A)に示すように、パッケージ基板20は、中央に開口部221が形成された絶縁基板22を金属基板21の上面に貼り付けて構成され、全体として矩形の形状を有する。金属基板21の上面は、その中央にLED素子51が実装される実装領域211を有し、金属基板21の裏面は、放熱基板3に接触している。金属基板21は、LED素子51および後述する蛍光体の粒子により発生した熱を放熱基板3側に放熱させる機能を有するため、放熱基板3と同様に、例えばアルミニウムまたは銅で構成される。
絶縁基板22の上面には、開口部221を2等分する中心線を挟んだ一方の側に円弧状の配線パターン23aが、他方の側に円弧状の配線パターン23bが、それぞれ開口部221を取り囲むように形成されている。また、絶縁基板22の上面で対角に位置する一方の角部には、配線パターン23aに連結した接続電極24aが、他方の角部には、配線パターン23bに連結した接続電極24bが、それぞれ形成されている。接続電極24a,24bが回路基板2に接続されて電圧が印加されることによって、LEDパッケージ4のLED素子51は発光する。
LED素子51は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体などで構成された、発光波長帯域が450〜460nm程度の青色光を出射する青色LEDである。ただし、LED素子51の発光波長帯域は特に限定されず、LED素子51は、例えば、緑色光を出射する緑色LEDまたは赤色光を出射する赤色LEDであってもよい。また、例えば、あるLEDパッケージ4のLED素子51は青色LEDであり、他のLEDパッケージ4のLED素子51は緑色LEDであるというように、LEDパッケージ4ごとにLED素子51の発光波長帯域が異なっていてもよい。
図7(B)に示すように、LEDパッケージ4では、複数のLED素子51が、円形の実装領域211上に格子状に配列して実装されている。図7(B)では、図示を簡単にするために、9個のLED素子51が実装された場合の例を示しているが、LEDパッケージ4に含まれるLED素子51の個数は特に限定されず、例えば1個であってもよい。
LED素子51の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤などにより、金属基板21の上面に固定されている。また、LED素子51は上面に1対の素子電極を有し、図7(C)に示すように、隣接するLED素子51の素子電極は、ボンディングワイヤ52(以下、単にワイヤ52という)により相互に電気的に接続されている。実装領域211の外周側に位置するLED素子51から出たワイヤ52は、絶縁基板22の配線パターン23aまたは配線パターン23bに接続されている。これにより、各LED素子51には、ワイヤ52を介して電流が供給される。
樹脂枠53は、実装領域211の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された円形の枠体であり、絶縁基板22の上面で、実装領域211上に実装されたLED素子51を取り囲むように、配線パターン23a,23bと重なる位置に固定されている。樹脂枠53は、封止樹脂54の流出しを防止するためのダム材であり、また、LED素子51から側方に出射された光を、LEDパッケージ4の上方(回路基板2の上面側)に向けて反射させる。
封止樹脂54は、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの無色かつ透明な熱硬化性樹脂で構成され、樹脂枠53により囲まれた実装領域211上の空間に充填されて、LED素子51およびワイヤ52を一体に被覆し保護(封止)する。なお、図6では、樹脂枠53および封止樹脂54の上面よりも回路基板2の上面の方が高い位置にあるが、回路基板2の厚さによっては、これらの高さは同じかまたは逆転していてもよい。
封止樹脂54は、LED素子51によって励起される蛍光体を含有してもよい。例えば、LED素子51が青色LEDである場合には、封止樹脂54は、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)などの黄色蛍光体を含有してもよい。この場合、LEDパッケージ4は、LED素子51からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。また、封止樹脂54は、例えば、黄色蛍光体と赤色蛍光体などの複数種類の蛍光体を含有してもよいし、LEDパッケージ4ごとに異なる種類の蛍光体を含有してもよい。
LEDパッケージ4の製造時には、図7(A)に示すパッケージ基板20の実装領域211に、図7(B)に示すように、複数のLED素子51が実装される。そして、図7(C)に示すように、LED素子51同士がワイヤ52で接続され、ワイヤ52を介して配線パターン23a,23bに電気的に接続される。次に、図7(D)に示すように、絶縁基板22の上面における開口部221の周囲に樹脂枠53が形成され、その後、樹脂枠53で囲まれた領域に封止樹脂54が充填される。これにより、図6に示すLEDパッケージ4が完成する。
なお、LEDパッケージ4における絶縁基板22の開口部221の形状は、図示した例とは異なり、矩形であってもよい。この場合、金属基板21の実装領域211と樹脂枠53も矩形になる。特に、多数のLED素子51を高密度に実装する場合には、実装領域211を矩形にして、各LED素子51を矩形の格子状に配置するとよい。また、回路基板2の開口部12も、図示した例とは異なり、矩形であってもよい。
発光装置1では、回路基板2の各開口部12に裏面側からLEDパッケージ4が実装されるので、パッケージ基板の裏面に電極がないCOBのLEDパッケージでも実装が容易であり、複数のLEDパッケージを用いて出射光量を容易に増加させることができる。また、発光装置1では、各LEDパッケージ4のパッケージ基板に接触して放熱基板3が配置されており、各LEDパッケージ4で発生した熱は放熱基板3を通して装置外部に放出されるので、放熱性が向上する。これらの点は、以下で説明する発光装置1A〜1Eについても同様である。
一般に、回路基板の開口部にLEDパッケージが実装された発光装置では、回路基板とパッケージ基板とが半田付けされたり、回路基板が例えばねじにより機械的に固定されたりすると、基板と半田の材質の違いによる線膨張応力や、ねじ止めによる応力が発生する。
図28(A)は、回路基板2’の裏面側にLEDパッケージが半田接続され、かつ回路基板2’とその裏面側の放熱基板3とがねじ止めされたときに発生する応力を説明するための上面図である。図28(B)は、図28(A)に示すXXVIIIB−XXVIIIB線に沿った断面図である。これらの図では、矩形のパッケージ基板20の上面に円形の樹脂枠53が形成され、その内側領域に図示しないLED素子が実装されて封止樹脂54で封止されたLEDパッケージが、回路基板2’の円形の開口部12’に回路基板2’の裏面側から半田25a,25bで接続された場合の例を示している。パッケージ基板20の裏面側は放熱基板3に接触しており、回路基板2’は、2本のねじ15を介して、LEDパッケージを挟んで放熱基板3に固定されている。
この場合、図28(A)および図28(B)に矢印Fhで示すように、半田25a,25bによる接合部分において、基板と半田の材質の違いや、半田接続が行われたときの熱に起因して、回路基板2’とパッケージ基板20には水平方向の応力が作用する。また、回路基板2’をねじ止めすることにより、図28(B)に矢印Fvで示すように、回路基板2’には鉛直方向の応力も作用する。これらの応力は、回路基板2’にたわみを生じさせるため、回路基板2’とパッケージ基板20との接続信頼性を低下させるおそれがある。特に、パッケージ基板20としてセラミック(Al2O3・AlNなど)基板を使用する場合には、セラミックは割れやすい材質であるために、この応力を緩和する工夫が必要になる。
図8(A)および図8(B)は、それぞれ、発光装置1の回路基板2におけるスリット16の働きを説明するための上面図および断面図である。図8(A)は、回路基板2の上面の部分拡大図であり、LEDパッケージ4のパッケージ基板20の位置も破線で示している。図8(B)は、図8(A)に示すVIIIB−VIIIB線に沿った断面図である。
図8(A)に示すように、パッケージ基板20は、接続電極24a,24bが形成されている対向する2つの角部において、半田25a,25bにより回路基板2の裏面側の配線パターンに接続されている。回路基板2のスリット16は、半田25a,25bの接続位置であるLEDパッケージ4の2つの角部に対応するように、その接続位置の近傍に形成されている。言い換えると、スリット16は、各LEDパッケージ4が半田接続される接続位置に隣接する位置に形成されている。なお、スリット16の形状は、例えば、図示した「く」の字型の形状とは異なり、一直線状であってもよいし、曲線状であってもよく、特に限定されない。
また、回路基板2は、パッケージ基板20における半田付けされていない他の2つの角部に対応する位置で、ねじ15によりパッケージ基板20(LEDパッケージ4)に固定されている。なお、この固定手段は、回路基板2とパッケージ基板20とを機械的に固定するものであれば、ねじに限らず、どのようなものでもよい。また、図28(B)に示すように、パッケージ基板20(開口部12)の周囲においても、回路基板2と放熱基板3とは、ねじ15により機械的に固定されていてもよい。
図8(A)および図8(B)に示すように、半田25a,25bによる接合部分において、回路基板2’とパッケージ基板20には水平方向の応力Fhが作用する。また、回路基板2をねじ止めすることにより、図8(B)に示すように、回路基板2には鉛直方向の応力Fvも作用する。しかしながら、回路基板2では、半田25a,25bの接続位置の近傍にスリット16が形成されていることにより、水平方向の応力Fhを打ち消す逆方向の力Fh’も作用するため、半田接続に起因する応力が緩和される。また、回路基板2では、スリット16が形成されていることにより、鉛直方向の応力Fvを打ち消す逆方向の力Fv’も作用するため、ねじ止めに起因する応力も緩和される。
図9は、別のLEDパッケージ4’の断面図である。LEDパッケージ4’は、金属基板21と絶縁基板22とが貼り合わされたパッケージ基板20に代えてセラミック基板30を有する点がLEDパッケージ4とは異なるが、その他の点ではLEDパッケージ4と同じ構成を有する。セラミック基板30もパッケージ基板の一例であり、発光装置1は、LEDパッケージ4に代えて、図9に示すLEDパッケージ4’を有してもよい。セラミック基板30は、その上面に配線パターンおよび接続電極が形成され、かつLED素子51が実装される平坦な基板であり、LEDパッケージ4の金属基板21と絶縁基板22の機能を兼ねている。
セラミックは比較的、熱伝導率が高いため、セラミック基板を使用すれば、パッケージ基板を開口部がない平坦な基板とすることが可能である。また、セラミック基板は割れやすい性質があるが、回路基板2にスリット16を設けることで、上記の通り応力の緩和効果が得られるため、パッケージ基板としてセラミック基板を用いた場合でも、セラミック基板の割れを防止することができる。
図10は、さらに別のLEDパッケージ5の断面図である。LEDパッケージ5は、パッケージ基板20に代えてリードフレーム40を有する点、およびレンズ樹脂55が追加されている点がLEDパッケージ4とは異なるが、その他の点ではLEDパッケージ4と同じ構成を有する。リードフレーム40もパッケージ基板の一例であり、発光装置1は、LEDパッケージ4に代えて、図10に示すLEDパッケージ5を有してもよい。
リードフレーム40は、上面にLED素子51が実装され裏面が放熱基板3に接触している実装部41と、実装部41よりも厚さが薄くLED素子51および回路基板2に電気的に接続されている電極部44a,44bとで構成される。実装部41と電極部44a,44bの間、および電極部44a,44bと放熱基板3の間には、絶縁樹脂42が充填されて互いに電気的に絶縁されている。リードフレーム40を有するLEDパッケージ5を使用すれば、LEDパッケージと放熱基板との間の電気的な絶縁性と、LEDパッケージから放熱基板への放熱性との両方を確保することが可能である。
レンズ樹脂55は、LEDパッケージ5が挿入された開口部12の上面側に形成されたほぼ半球状の部材であり、封止樹脂54の全体を覆い、封止樹脂54を通したLED素子51からの出射光を集光する。レンズ樹脂55は、LEDパッケージ5が回路基板2の裏面側から開口部12内に実装された後で、例えば、シリコーン樹脂などの透明樹脂を用いて、インジェクション成形により形成される。上記したLEDパッケージ4,4’を使用する場合にも、回路基板2の上面側にはこうしたレンズ樹脂を形成してもよい。
図11は、別の発光装置1Aの部分拡大図である。図11では、発光装置1Aにおける1つのLEDパッケージの部分のみを拡大して示している。図11に示したLEDパッケージは上記のLEDパッケージ4と同じものであるが、LEDパッケージ4とは異なり、パッケージ基板20の四隅が、半田25a,25b,25c,25dにより回路基板2Aの裏面側の配線パターンに接続されている。発光装置1Aでは、回路基板2Aは、1つのLEDパッケージ当たり4個のスリット16Aを有する。スリット16Aは、スリット16と同じ「く」の字型の形状を有し、半田25a,25b,25c,25dの接続位置であるLEDパッケージ4の四隅に対応するように、その接続位置の近傍に形成されている。
また、回路基板2Aは、各LEDパッケージ4のパッケージ基板20の各辺の中間に対応する位置で、4本のねじ15Aにより放熱基板3に固定されている。あるいは、ねじ15Aは、回路基板2Aとパッケージ基板20とを固定するものであってもよい。
図11に示したように、スリットの位置は2か所に限らず、4か所であってもよい。発光装置1Aでも、発光装置1と同様に、半田接続に起因する応力と、ねじ止めに起因する応力の緩和効果が得られる。
図12(A)および図12(B)は、それぞれ、さらに別の発光装置1Bの上面図および側面図である。発光装置1Bは、実装されているLEDパッケージ4の個数が15個である点、および各LEDパッケージ4のパッケージ基板20が放熱シート6を介して放熱基板3に接触している点が発光装置1とは異なるが、その他の点では発光装置1と同じ構成を有する。図12(A)および図12(B)の符号2Bは、発光装置1Bの回路基板を示す。放熱シート6は、熱伝導性および弾性を有するラバータイプのシートである。
回路基板に複数のLEDパッケージを実装した場合には、それらの半田付けの状態によっては、LEDパッケージごとに高さのバラつきが生じ得る。こうした高さのバラつきがあると、LEDパッケージ4と放熱基板3との間に隙間が生じてしまうことがあり、放熱基板3への放熱が不十分になるおそれがある。これに対処するためには、発光装置1Bのように、熱伝導性および弾性を有する放熱シート6を介して、各LEDパッケージ4のパッケージ基板20を放熱基板3に接触させるとよい。放熱シート6があれば、複数のLEDパッケージを回路基板に実装した場合の高さのバラつきを吸収することができ、各LEDパッケージから放熱基板への安定した熱接続が可能になる。
図13(A)〜図13(C)は、それぞれ、さらに別の発光装置1Cの上面図、側面図および部分拡大図である。図13(C)は、図13(A)および図13(B)に符号XIIICで示した部分の上面の拡大図である。発光装置1Cは、実装されているLEDパッケージ4の個数が15個である点、および回路基板2Cの四隅にスリット16Cが形成されている点が発光装置1とは異なるが、その他の点では発光装置1と同じ構成を有する。スリット16Cは、スリット16と同じ「く」の字型の形状を有し、回路基板2Cの4つの角部のそれぞれにおいて、回路基板2と放熱基板3とを固定するねじ14の周囲に、4個ずつ形成されている。
回路基板の四隅をねじなどで固定すると、回路基板にたわみが生じ、例えば回路基板の中央部分が盛り上がって、LEDパッケージの接続不良が生じることがある。これに対処するためには、発光装置1Cのように、回路基板2Cの四隅における固定位置に隣接する位置にも、上記のスリット16とは別のスリット16Cを設けるとよい。スリット16Cがあれば、スリット16と同様に、ねじ14により生じる応力の緩和効果が得られ、回路基板のたわみが少なくなるため、LEDパッケージの接続不良を回避することが可能になる。
図29は、裏面実装型のLEDパッケージを含む発光装置の例を示す断面図である。この発光装置では、金属基板21、絶縁基板22、LED素子51、樹脂枠53および封止樹脂54を有するLEDパッケージが、回路基板2Dの段差付きの開口部(貫通孔)内に回路基板2Dの裏面側から実装されている。このLEDパッケージは、絶縁基板22の上面端部に形成された接続電極24a,24bの部分で回路基板2Dに半田接続されており、LEDパッケージおよび回路基板2Dの裏面側には、放熱基板3が配置されている。LED素子51は、金属基板21の上面中央に実装され、金属基板21の上面外周部に固定された絶縁基板22上の配線パターン23a,23bにワイヤ52を介して電気的に接続され、さらに、絶縁基板22上の樹脂枠53内に充填された封止樹脂54によって封止されている。
図29に示した発光装置では、LEDパッケージの発光部である封止樹脂54の上面から側方に向かう出射光Lの一部は、回路基板2Dの端面2Eに照射される。通常、回路基板の開口部には反射を考慮した特別な加工は施されておらず、回路基板の端面の反射率は低いため、発光部からの出射光の一部がこの端面に照射されることで、光学的な損失(ケラレ)が発生する。回路基板の厚さ(端面の大きさ)によっては、LED素子からの全光束のうち数%の損失が生じることもあり、これによって、基板上方への光取出し効率が低下する。回路基板を薄くしたり、開口部の径を大きくしたりすればこの損失量は少なくなるが、機械的な強度の観点から回路基板にはある程度の厚さが必要であり、利用可能なスペースにも限りがあることから、開口部の径を拡大するにも限度がある。
また、図29に示したLEDパッケージは、絶縁基板22の端部に形成された接続電極24a,24bの部分のみで回路基板2Dに電気的かつ機械的に接続されているため、接合強度が弱く、その接合部分でLEDパッケージが剥がれやすい。したがって、裏面実装型のLEDパッケージを含む発光装置では、LEDパッケージと回路基板の間の接合強度を高める工夫も必要になる。そこで、以下では、光取出し効率とLEDパッケージの接合強度を向上させた発光装置を説明する。
図14〜図16は、それぞれ、さらに別の発光装置1Dの斜視図、上面図および側面図である。また、図17は放熱基板3が取り除かれた発光装置1Dの裏面図であり、図18は発光装置1Dの回路基板2Dの上面図であり、図19は図15のXIX−XIX線に沿った発光装置1Dの断面図である。発光装置1Dは、回路基板にスリット16が形成されておらず、代わりに各開口部12の周囲に環状樹脂56が形成されている点が発光装置1とは異なるが、その他の点では、発光装置1と同様の構成を有する。以下では、発光装置1Dについて、発光装置1とは異なる点を中心に説明し、発光装置1と重複する説明は省略する。
図15および図19に示すように、発光装置1Dは、複数の開口部12(図18を参照)のそれぞれにおいて、その開口部12内における回路基板2Dの端面の全周を囲むように塗布された環状樹脂56を有する。環状樹脂56は、光反射性の白色樹脂であり、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂などに、反射性のフィラーとして、酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、アルミナまたは窒化ホウ素などの粒子を混入させて構成される。
環状樹脂56の下端は、開口部12内に挿入されたLEDパッケージ4の樹脂枠53に接触せずにパッケージ基板20の上面端部を覆い、環状樹脂56の上端は、回路基板2Dの上面における開口部12の縁部にまで達している。すなわち、環状樹脂56は、LEDパッケージ4の封止樹脂54を取り囲み、かつそのLEDパッケージ4のパッケージ基板20の上面および開口部12内の回路基板2Dの端面(図29の端面2Eに相当するもの)に接触するように成形されている。環状樹脂56の表面は、開口部12内で上方に向かうほどその開口部12内の空間部分の径が大きくなるように単調に傾斜した斜面であることが好ましい。
なお、回路基板2Dの開口部12も、図示した例とは異なり、矩形であってもよい。この場合、環状樹脂56は、開口部12内における回路基板2Dの端面の全周を囲むように、矩形の枠状に成形される。
図20は、環状樹脂56の働きを説明するための発光装置1Dの部分断面図である。発光装置1Dでは、光反射性の環状樹脂56が開口部12内の回路基板2Dの端面に塗布されていることにより、図20に示すように、LEDパッケージ4の封止樹脂54の上面から側方に向かう出射光Lは、環状樹脂56の表面で発光装置1Dの上方に反射する。特に、環状樹脂56の表面を傾斜面にすることにより、出射光Lは、発光装置1Dの上方に反射しやすくなる。このため、発光装置1Dでは、環状樹脂56が設けられていない場合と比べて、LEDパッケージ4からの光取出し効率が向上する。
図20に示すように、発光装置1Dでは、放熱基板3の上面から開口部12における回路基板2Dの上面までの高さh1は、放熱基板3の上面からLEDパッケージ4の樹脂枠53の上端および封止樹脂54の上面までの高さh2よりも大きい。環状樹脂56は、このようにh1>h2である場合に、LEDパッケージ4からの光取出し効率を向上させるために特に有効である。
また、発光装置1Dでは、各LEDパッケージ4は、パッケージ基板20の端部で回路基板2Dの裏面側から開口部12内の段差部分に半田接続されており、さらに、開口部12内における回路基板2Dの端面を覆うように塗布された環状樹脂56によっても、回路基板2Dに固定されている。発光装置1Dでは、開口部12の全周にわたって環状樹脂56が回路基板2Dの端面とパッケージ基板20の上面に接触しているため、回路基板2DとLEDパッケージ4との接合面積が比較的広くなる。このため、発光装置1Dでは、環状樹脂56が設けられていない場合と比べて、回路基板2DとLEDパッケージ4との機械的な接合強度も向上する。
図21は、発光装置1DでLEDパッケージ4’を使用した場合の断面図である。図22は、発光装置1DでLEDパッケージ5を使用した場合の断面図である。発光装置1Dでも、図21および図22に示すように、LEDパッケージ4を、セラミック基板30を有するLEDパッケージ4’に代えてもよいし、リードフレーム40およびレンズ樹脂55を有するLEDパッケージ5に代えてもよい。LEDパッケージ5を使用する場合には、図22に示すように、レンズ樹脂55は、回路基板2Dの開口部12ごとに、封止樹脂54および環状樹脂56を覆うように配置されていてもよい。
図23(A)および図23(B)は、それぞれ、別の環状樹脂56A,56Bを使用した場合の発光装置1Dの部分断面図である。環状樹脂56A,56Bは、環状樹脂56と同様の材質で構成されるが、各開口部12内の回路基板2Dの端面2Eとその開口部12に挿入されたLEDパッケージ4の樹脂枠53との間にあるパッケージ基板20上の領域を埋め尽くしている。このように、開口部12の中央側における環状樹脂56Bの端部は、開口部12内に挿入されたLEDパッケージ4の樹脂枠53に接触していてもよい。図23(A)よりも図23(B)の場合の方が、環状樹脂として塗布される樹脂の量が多く、図23(B)では、環状樹脂56Bの端部は樹脂枠53の直上にまで達している。環状樹脂としてこれ以上の樹脂を塗布すると、環状樹脂が封止樹脂54の上面を覆ってしまい、発光の妨げになるので、樹脂の量は図23(B)の例よりも少ない方が好ましい。
なお、これまでに説明した各図では、樹脂枠53の断面が矩形であり、その上端が平坦面になっているが、図23(A)および図23(B)に示すように、樹脂枠53の断面は丸みを帯びた形状であってもよい。
図24(A)および図24(B)は、それぞれ、さらに別の環状樹脂56Cの上面図および断面図である。図24(B)は、図24(A)XXIVB−XXIVB線に沿った環状樹脂56Cの断面を示す。上記の環状樹脂56,56A,56Bは、各LEDパッケージ4が回路基板2Dに実装された後で、回路基板2D上に樹脂を塗布することで形成される。しかしながら、図24(A)および図24(B)に示す環状樹脂56Cのように、樹脂成型などにより環状樹脂を予め単体の部品として作製してもよく、それを回路基板2Dの各開口部12に嵌め込んでもよい。
図25は、さらに別のLEDパッケージ5’の断面図である。LEDパッケージ5’は、図10および図22に示すLEDパッケージ5と同様に、半球状のレンズ樹脂55’が形成されたLEDパッケージである。上記のLEDパッケージ5のレンズ樹脂55は、LEDパッケージ5が回路基板2に実装された後で回路基板2の開口部12の上面側全体を覆うように形成される。一方、LEDパッケージ5’のレンズ樹脂55’は、回路基板2Dの開口部12の上面側全体を覆うほど大きくはなく、LEDパッケージ5’の樹脂枠53および封止樹脂54の上方のみに広がるように、LEDパッケージ単体の段階で形成される。上記の発光装置1,1A〜1Dおよび次に説明する発光装置1Eでは、LEDパッケージ5’のように予めレンズ樹脂が形成されたLEDパッケージを用いてもよい。
図26は、さらに別の発光装置1Eの上面図である。発光装置1Eは、発光装置1Dのものと同じ環状樹脂56が追加されている点のみが上記の発光装置1とは異なり、その他の点では発光装置1と同様の構成を有する。発光装置1Eのように、1つの発光装置が、発光装置1のスリット16と発光装置1Dの環状樹脂56の両方の構成を有してもよい。これにより、発光装置1Eでは、発光装置1と同様に応力を緩和する効果と、発光装置1Dと同様に光取出し効率およびLEDパッケージ4の接合強度が向上する効果が得られる。
図27は、発光装置1Eにおける放熱基板の形状の例を示す図である。上記の発光装置1,1Dの放熱基板3は、発光装置内のすべてのLEDパッケージ4を覆うのに十分な大きさを有する1枚の金属基板で構成される。一方、図27に示した例における放熱基板3’は、符号3a,3bで示す2枚の金属基板で構成され、一方の放熱基板3aは一部のLEDパッケージ4に接触し、他方の放熱基板3bは残りのLEDパッケージ4に接触している。このように、発光装置の放熱基板は、必ずしも1枚ですべてのLEDパッケージに接触していなくてもよく、複数枚ですべてのLEDパッケージを覆うように配置されていてもよい。なお、放熱基板は、ヒートシンクとして機能するものであればよいので、その形状は平坦な板状のものに限らず、放熱フィンなどが形成されたものであってもよい。
Claims (10)
- 複数の開口部が形成された回路基板と、
上面の端部に前記回路基板との接続電極が形成されたパッケージ基板、前記パッケージ基板上に実装された複数のLED素子および前記複数のLED素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有し、前記回路基板の裏面側から前記複数の開口部内にそれぞれ挿入され、前記接続電極が前記回路基板の裏面に電気的に接続された複数のLEDパッケージと、
前記回路基板との間で前記複数のLEDパッケージの前記パッケージ基板を挟むように前記回路基板の裏面側に配置された放熱基板と、
を有することを特徴とする発光装置。 - 前記複数のLEDパッケージの前記接続電極は、前記回路基板の裏面に半田接続され、
前記回路基板には、前記複数のLEDパッケージの前記接続電極がそれぞれ半田接続される接続位置に隣接する位置にスリットが形成されている、請求項1に記載の発光装置。 - 前記複数のLEDパッケージの前記接続電極は、前記パッケージ基板の対向する2つの角部にそれぞれ形成され、
前記スリットは、前記パッケージ基板の前記2つの角部に対応するように形成され、
前記回路基板は、前記パッケージ基板の他の2つの角部に対応する位置で、前記複数のLEDパッケージまたは前記放熱基板に機械的に固定されている、請求項2に記載の発光装置。 - 前記複数のLEDパッケージの前記接続電極は、前記パッケージ基板の四隅にそれぞれ形成され、
前記スリットは、前記パッケージ基板の前記四隅に対応するように形成され、
前記回路基板は、前記パッケージ基板の各辺の中間に対応する位置で、前記複数のLEDパッケージまたは前記放熱基板に機械的に固定されている、請求項2に記載の発光装置。 - 前記複数のLEDパッケージの前記パッケージ基板は、弾性を有する放熱シートを介して前記放熱基板に接触している、請求項2〜4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記回路基板の四隅が前記放熱基板に機械的に固定され、
前記回路基板には、さらに、前記回路基板の四隅における固定位置に隣接する位置にも別のスリットが形成されている、請求項2〜5のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記複数の開口部のそれぞれにおいて、当該開口部に挿入されたLEDパッケージの前記封止樹脂を取り囲み、かつ前記パッケージ基板の上面および当該開口部内の前記回路基板の端面に接触するように成形された光反射性の環状樹脂をさらに有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記環状樹脂は、前記開口部内で上方に向かうほど当該開口部内の空間部分の径が大きくなるように傾斜した斜面を有する、請求項7に記載の発光装置。
- 前記複数のLEDパッケージのそれぞれは、前記複数のLED素子を取り囲むように前記パッケージ基板に形成され内部に前記封止樹脂が充填された樹脂枠をさらに有し、
前記環状樹脂は、前記複数の開口部のそれぞれにおいて、当該開口部内の前記回路基板の端面と当該開口部に挿入されたLEDパッケージの前記樹脂枠との間にある前記パッケージ基板上の領域を埋め尽くしている、請求項7または8に記載の発光装置。 - 前記放熱基板の上面から前記複数の開口部における前記回路基板の上面までの高さは、前記放熱基板の上面から前記複数のLEDパッケージの前記封止樹脂の上面までの高さよりも大きい、請求項7〜9のいずれか一項に記載の発光装置。
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