JPWO2018105448A1 - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
LEDパッケージが裏面側から開口部に実装される回路基板の機械的な強度と電気的な絶縁性を確保しつつ、LEDパッケージからの光取出し効率を向上させた発光装置を提供する。発光装置は、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に挿入され、パッケージ基板の上面の端部が回路基板の裏面に半田接続された少なくとも1つのLEDパッケージと、回路基板の裏面に固定され、パッケージ基板の側方を取り囲む絶縁性のスペーサとを有し、回路基板の裏面を高さの基準としたときに、LEDパッケージの発光面である封止樹脂の上面の高さが回路基板の上面の高さ以上に設定されている。
Description
本発明は、発光装置に関する。
セラミック基板または金属基板などの実装基板上に複数のLED素子が実装され、それらの素子が蛍光体含有樹脂で封止されたCOB(Chip On Board)のLEDパッケージが知られている。
特許文献1には、第一リードおよび第二リードを有する平板状のリードフレームと、第一リード上に載置された発光素子と、発光素子の周囲を取り囲む樹脂枠と、樹脂枠内に充填され発光素子を封止する第一封止樹脂と、樹脂枠および第一封止樹脂を覆う第二封止樹脂とを有する発光装置が記載されている。この発光装置では、樹脂枠の内面の下端は第一リード上のみに配置され、第二樹脂部材は、樹脂枠の外側において、第一リードと第二リードのそれぞれ少なくとも一部を覆い、第一リードの裏面のうち、発光素子の直下の領域が露出している。
特許文献2には、LEDチップなどの半導体チップを搭載し、配線基板に表面実装して用いる表面実装型セラミック基板が記載されている。この基板では、セラミック基板本体において外部接続用電極が設けられた部位と放熱用導体部が設けられた部位との間に接合部の応力緩和用のスリットが形成され、セラミック基板本体において引っ張り応力が集中する部位を含む肉厚部を形成することで、当該部位の厚み寸法を外部接続用電極が設けられた部位の厚み寸法よりも大きくしてある。
特許文献3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(発光ダイオード)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。
COBのLEDパッケージではパッケージ基板の上面に電極が設けられているので、COBのLEDパッケージを用いた発光装置を製造するためには、回路基板に開口部を設けて、その開口部に回路基板の裏面側からLEDパッケージを実装することが考えられる。こうした発光装置では、回路基板の機械的な強度を高めるために回路基板をある程度厚くする必要があり、回路基板が厚くなるとその開口部の深さも大きくなるので、LEDパッケージからの出射光の一部は、回路基板の開口部の端面(内壁)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、端面の反射率は低いため、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)が発生し、これによって回路基板の上方への光取出し効率が低下する。
また、こうした裏面実装型の発光装置では、回路基板の裏面にも配線パターンが設けられるとともに、回路基板の裏面側に、LEDパッケージで発生した熱を吸収するヒートシンクとして金属製の放熱基板が配置されることがある。この場合、回路基板と放熱基板の間で電気的な絶縁性を確保する(耐電圧を高める)必要もある。
本発明は、LEDパッケージが裏面側から開口部に実装される回路基板の機械的な強度と電気的な絶縁性を確保しつつ、LEDパッケージからの光取出し効率を向上させた発光装置を提供す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に挿入され、パッケージ基板の上面の端部が回路基板の裏面に半田接続された少なくとも1つのLEDパッケージと、回路基板の裏面に固定され、パッケージ基板の側方を取り囲む絶縁性のスペーサとを有し、回路基板の裏面を高さの基準としたときに、LEDパッケージの発光面である封止樹脂の上面の高さが回路基板の上面の高さ以上に設定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、封止樹脂の上面と回路基板の上面が同一平面であることが好ましい。
上記の発光装置は、回路基板の裏面側に配置され、LEDパッケージで発生した熱を装置外部に放出させる放熱基板をさらに有し、回路基板とスペーサは、回路基板とスペーサの両方を貫通するねじにより放熱基板に固定されていることが好ましい。
上記の発光装置では、少なくとも1つのLEDパッケージは複数のLEDパッケージを含み、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。
上記の発光装置では、放熱シートはLEDパッケージごとに設けられ、個々のLEDパッケージにおいて、放熱シートは当該LEDパッケージのパッケージ基板よりも側方に突出していることが好ましい。
上記の発光装置では、回路基板には、上面に配線パターンが形成されるとともに、開口部の内壁またはその内壁の周辺に回路基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が形成され、パッケージ基板には、上面の端部に接続電極が形成され、貫通孔内に半田が流れ込むことで、配線パターンと接続電極とが電気的に接続されていることが好ましい。
上記の発光装置によれば、LEDパッケージが裏面側から開口部に実装される回路基板の機械的な強度と電気的な絶縁性が確保されるとともに、LEDパッケージからの光取出し効率が向上する。
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の上面図、側面図および分解斜視図である。発光装置1は、回路基板2に裏面側から4個の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し、例えば各種の照明用のLED光源装置として利用される。図3では、放熱基板3の図示を省略している。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。図5は、図1のV−V線に沿った発光装置1の部分断面図である。なお、発光装置内のLEDパッケージ4の個数は特に限定されず、4個より多くても少なくてもよく、1個であってもよい。
回路基板2は、矩形の絶縁基板であり、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、回路基板2には、LEDパッケージ4を挿入するための4個の開口部12が形成されている。開口部12は、それぞれ矩形の形状を有し、縦2個および横2個の格子状に配列している。また、回路基板2の角部および中央付近には、複数のねじ穴15が形成されている。図1に示すように、ねじ穴15には固定用のねじ14が取り付けられ、回路基板2は、放熱基板3にねじ止めされている。
図6は、回路基板2の配線パターンを示す上面図である。図6に示すように、回路基板2には、4個の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(LEDパッケージ4の駆動用回路)17と、発光装置1を外部電源に接続するための2個の電極18a,18bとが形成されている。図示した例では、配線パターン17は、4個のLEDパッケージ4を直列数2個、並列数2個で直並列接続するように形成されている。電極18a,18bが外部電源に接続されて電圧が印加されることにより、4個のLEDパッケージ4は同時に発光する。ただし、配線パターン17と電極18a,18bの形状および配置は図示したものとは異なっていてもよく、配線パターン17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。
回路基板2の上面は、開口部12、ねじ穴15および電極18a,18bの部分を除いて例えば白色のレジストで覆われているため、配線パターン17は、図1および図3では図示されていない。
放熱基板3は、回路基板2および4個のLEDパッケージ4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で発生した熱を装置外部に放出させる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。
スペーサ6は、回路基板2の剛性および耐電圧を高めるための矩形の板材であり、回路基板2と同程度の厚さを有する。スペーサ6は、例えば、回路基板2と同様に、FR−4などの耐熱性および絶縁性を有する材料で構成される。スペーサ6は、回路基板2と放熱基板3の間に回路基板2と重ね合わせて配置され、回路基板2の裏面に、例えば耐熱性の両面テープ8を介して固定されている。また、スペーサ6は、回路基板2の開口部12に対応する位置に4個の矩形の開口部13を有し、回路基板2のねじ穴15に対応する位置にねじ穴15と同数のねじ穴16を有する。図3および図5に示すように、回路基板2の開口部12よりもスペーサ6の開口部13の方が一回り大きく、開口部13内では、回路基板2の裏面の一部が露出している。回路基板2とスペーサ6は、回路基板2とスペーサ6の両方を貫通するねじ14により、放熱基板3に固定されている。
スペーサ6は、例えばプラスチップ成形品として構成してもよく、その材質は回路基板2とは異なるものであってもよい。また、回路基板2とスペーサ6の間は、例えば接着材を用いて接着してもよい。
LEDパッケージ4は、図5に示すように、パッケージ基板20、LED素子51、樹脂枠53および封止樹脂54を有するCOBの発光部である。LEDパッケージ4は、回路基板2およびスペーサ6の裏面側から開口部12,13内に挿入されており、パッケージ基板20はスペーサ6の開口部13内に、樹脂枠53および封止樹脂54の部分は回路基板2の開口部12内に、それぞれ位置している。このため、パッケージ基板20の側方は、スペーサ6により取り囲まれている。LEDパッケージ4は、開口部13で露出した回路基板2の下面にパッケージ基板20の端部を半田25a,25bで接続することにより、回路基板2に対して固定(SMT実装)されている。
放熱シート7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り、シリコンベースの基材で構成される。放熱シート7は、パッケージ基板20よりも一回り大きい矩形のシート状の部材であり、LEDパッケージ4ごとに別々に設けられている。各LEDパッケージ4のパッケージ基板20は、弾性を有する放熱シート7を介して放熱基板3に接触している。
回路基板2に複数のLEDパッケージ4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4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、放熱基板3への放熱が不十分になることがある。しかしながら、発光装置1では、弾性を有する放熱シート7がLEDパッケージ4間の高さのバラつきを吸収するため、各LEDパッケージ4から放熱基板3への安定した熱接続が可能になる。
図5に示すように、個々のLEDパッケージ4において、放熱シート7はそのLEDパッケージ4のパッケージ基板20よりも側方に突出している。LEDパッケージ4と放熱基板3の間の絶縁性は放熱シート7により確保されるので、絶縁性の観点から、図示した例のように、放熱シート7をパッケージ基板20よりも水平方向に突出させ、その部分の長さ(沿面距離)をなるべく長く取ることが好ましい。図5に示すように、スペーサ6の開口部13には、パッケージ基板20と放熱シート7の大きさに合わせて、厚さ方向の途中に段差が形成されており、開口部13の径は、上面側よりも裏面側の方が大きい。ただし、スペーサ6の開口部13には、このような段差が形成されていなくてもよく、パッケージ基板20の外周における回路基板2と放熱シート7の間には隙間が形成されていてもよい。
図7は、比較例の発光装置100の部分断面図である。発光装置100は、回路基板2’、放熱基板3およびLEDパッケージ4を有する。LEDパッケージ4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、絶縁基板22上の樹脂枠53内に充填された封止樹脂54により封止されている。LEDパッケージ4は、回路基板2’の開口部内に回路基板2’の裏面側から挿入され、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2’に半田接続されている。放熱基板3は、回路基板2’およびLEDパッケージ4の裏面側に配置され、ねじ14により回路基板2’が固定されている。
発光装置100の回路基板2’は、例えば1mmの厚さを有する。一方、発光装置1の回路基板2の厚さは、例えば、回路基板2’の半分の0.5mmである。このように、発光装置1の回路基板2の厚さは発光装置100のものと比べて小さいが、回路基板2とスペーサ6を合わせれば、回路基板2’と同程度の厚さになる。スペーサ6があることにより、発光装置1では、発光装置100と比べて回路基板の厚さを薄くすることができ、そうしても回路基板の剛性(機械的な強度)は確保される。
発光装置100では、図7に示すように、LEDパッケージ4の発光面である封止樹脂54の上面は回路基板2’の上面よりも低い位置にあり、発光面は回路基板2’の開口部内に埋まっている。一方、発光装置1では、図5に示すように、封止樹脂54の上面(発光面)と回路基板2の上面は、同一平面(ほぼ面一)である。発光装置1では、発光装置100と比べて回路基板2の厚さが薄いことにより、LEDパッケージ4の樹脂枠53と封止樹脂54の厚さを大きくしなくても、発光面が回路基板2の開口部12内に埋まった状態を容易に回避することができる。なお、図示した例とは異なり、封止樹脂54の上面は回路基板2の上面よりも高い位置にあってもよい。すなわち、回路基板2の裏面を高さの基準としたときに、LEDパッケージ4の発光面である封止樹脂54の上面の高さは、回路基板2の上面の高さ以上であればよい。
発光装置100では、LEDパッケージ4からの出射光Lの一部が回路基板2’の開口部の端面2E(内壁)に照射されることで、光学的な損失(ケラレ)が発生する。発光装置100を発光させたときに得られる光束は、LEDパッケージ4を単体で発光させたときと比べて、2%程度低下する。発光装置100では、樹脂枠53と封止樹脂54の厚さを大きくして発光面を回路基板2’の開口部の上に出したとしても、LED素子51から封止樹脂54の上面までの距離がその分長くなるので、光取出し効率の低下は必ずしも改善されない。
一方、発光装置1を発光させたときに得られる光束は、LEDパッケージ4を単体で発光させたときと比べて0.4%程度の低下に留まり、パッケージ単体での発光時とほぼ同じである。すなわち、発光装置1では、LEDパッケージ4を裏面実装することによる光束低下は、発光装置100と比べて1.6%分改善される。発光装置1では、スペーサ6があることにより、LEDパッケージ4の厚さを変えずに回路基板2の厚さ(開口部12の深さ)を半減させることができるので、光束低下を抑えることが可能になる。
さらに、発光装置1では、スペーサ6があることにより、回路基板2を放熱基板3に固定したときでも放熱基板3との間で絶縁性が保たれるので、耐電圧も向上する。
図8(A)〜図8(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。以下では、LEDパッケージ4の構造の詳細について説明する。
図8(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、放熱シート7を介して放熱基板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側に放出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8(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8(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。ただし、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、9個より多くても少なくてもよく、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。LED素子51は上面に1対の素子電極を有し、図8(C)に示すように、隣接するLED素子51の素子電極は、ワイヤ(ボンディングワイヤ)52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を縁取るように形成された配線パターン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、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。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。あるいは、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8(A)に示すパッケージ基板20の実装領域211に、図8(B)に示すように、複数のLED素子51が実装される。図8(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8(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、LEDパッケージ4が完成する。
図8(A)〜図8(D)に示した例では、金属基板21の実装領域211、絶縁基板22の開口部221および樹脂枠53のいずれも円形であるが、これらの形状は矩形であってもよい。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、接続電極24a,24bの配置位置は、必ずしも絶縁基板22上で対角に位置する角部でなくてもよい。
図9(A)および図9(B)は、回路基板2の上面における1つの開口部12の周辺の拡大図である。回路基板2では、例えば図9(A)に示すように、各開口部12の対向する2つの内壁12a,12bに、回路基板2を厚さ方向に貫通する半円形の貫通孔(スルーホール)19がそれぞれ形成されていてもよい。あるいは、貫通孔19に代えて、例えば図9(B)に示すように、開口部12の内壁12a,12bの周辺に、回路基板2を厚さ方向に貫通する円形の貫通孔19’が形成されていてもよい。貫通孔19,19’は、その内部に半田(図5の半田25a,25b)が流れ込むことで、回路基板2の上面の配線パターン17とLEDパッケージの接続電極とを電気的に接続するためのものであり、配線パターン17に重なる位置に形成されている。貫通孔19,19’内に半田が流れ込むことで、回路基板2とLEDパッケージとの接続の機械的な強度も向上する。
図9(C)は、別のLEDパッケージ4’の上面図である。LEDパッケージ4’は、パッケージ基板20の対向する2辺に沿って接続電極24a’,24b’が形成されている点が上記のLEDパッケージ4とは異なる。貫通孔19,19’は、回路基板2に実装されるLEDパッケージの接続電極の位置に合わせて形成されるので、図9(A)および図9(B)に示す回路基板の場合には、図9(C)に示すようなLEDパッケージ4’が使用される。図示した例では、貫通孔19,19’は、開口部12の両側に2個ずつ形成されているが、その個数は特に限定されず、1個ずつでもよいし、開口部12の両側にそれぞれ3個以上形成されていてもよい。また、こうした貫通孔の形状は、半円形や円形に限らず、矩形などの他の形状であってもよい。
図10は、別のLEDパッケージ5を有する発光装置1’の断面図である。LEDパッケージ5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10に示すLEDパッケージ5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。
Claims (6)
- 開口部が形成された回路基板と、
パッケージ基板、前記パッケージ基板上に実装されたLED素子および前記LED素子を封止する封止樹脂を有し、前記回路基板の裏面側から前記開口部に挿入され、前記パッケージ基板の上面の端部が前記回路基板の裏面に半田接続された少なくとも1つのLEDパッケージと、
前記回路基板の裏面に固定され、前記パッケージ基板の側方を取り囲む絶縁性のスペーサと、を有し、
前記回路基板の裏面を高さの基準としたときに、前記LEDパッケージの発光面である前記封止樹脂の上面の高さが前記回路基板の上面の高さ以上に設定されている、
ことを特徴とする発光装置。 - 前記封止樹脂の上面と前記回路基板の上面が同一平面である、請求項1に記載の発光装置。
- 前記回路基板の裏面側に配置され、前記LEDパッケージで発生した熱を装置外部に放出させる放熱基板をさらに有し、
前記回路基板と前記スペーサは、前記回路基板と前記スペーサの両方を貫通するねじにより前記放熱基板に固定されている、請求項1または2に記載の発光装置。 - 前記少なくとも1つのLEDパッケージは複数のLEDパッケージを含み、
前記回路基板には、前記複数の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3に記載の発光装置。 - 前記放熱シートはLEDパッケージごとに設けられ、
個々のLEDパッケージにおいて、前記放熱シートは当該LEDパッケージの前記パッケージ基板よりも側方に突出している、請求項4に記載の発光装置。 - 前記回路基板には、上面に配線パターンが形成されるとともに、前記開口部の内壁または当該内壁の周辺に前記回路基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が形成され、
前記パッケージ基板には、上面の端部に接続電極が形成され、
前記貫通孔内に半田が流れ込むことで、前記配線パターンと前記接続電極とが電気的に接続されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の発光装置。
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