JP2006019557A - 発光装置とその実装方法、照明器具及びディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 高効率での放熱を簡便にかつ小スペースで実現し、発光素子の出力や発光波長を安定させ、発光素子としての信頼性を向上並びに長寿命化を図ることができる高品質な発光装置とその実装方法、照明器具及びディスプレイを提供する。
【解決手段】 基板１０上に複数の発光素子２０…２０がダイボンディング及びワイヤボンディングされる発光装置において、基板上面１０ｂに複数の凹部１１…１１が設けられ、各凹部１１…１１内に各発光素子２０…２０がダイボンディング及びワイヤボンディングされ、基板裏面面１０ｂに放熱用の溝１２…１２が設けられ、各溝１２…１２内にヒートパイプ３０…３０が当接して設けられる。ヒートパイプ３０の断面は、楕円状に形成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発光素子を用いた発光装置とその実装方法、照明器具及びディスプレイに関し、特に発光素子の放熱機構に関する。

照明器具やディスプレイ等の発光装置には、発光素子としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を使用したものが知られている。このような発光装置において、ＬＥＤを複数個実装する場合、大別して、樹脂でモールドしたＬＥＤを平面上に並べる方法と、ＬＥＤチップを基板上に載置して電極を接続し、その上から樹脂でモールドする方法とが知られている。この中でも、後者は、軽薄化、集積化の観点から、将来を嘱望されている。

しかしながら、特に後者は、発光素子から発せられた熱の放熱性が悪いため、装置全体として温度上昇を起こすという問題があった、このため、発光素子であるＬＥＤチップ自身も温度上昇し、出力変化や波長及び色度変化が生じるという問題があった。さらに、ＬＥＤとしての信頼性の低下や寿命が短くなるという問題があった。

このような問題を解決するため、樹脂でモールドしたＬＥＤを平面上に並べる方法に関し、基板に密着された放熱性シートと、この放熱性シートに密着され、フィン部を設けた放熱部材からなる構造（特許文献１参照）や、放熱フィンに加え、本体ケースからも放熱する方法（特許文献２参照）が提案されている。
特開平８−５０４５８号公報 特開２００１−４４５１７号公報

しかしながら、従来提案されている方法においては、放熱フィン周辺の空気が暖まってしまい、放熱効率が十分ではなかった。特に、これらの方法は、ＬＥＤチップを基板上に載置して、その上から樹脂でモールドする方法においては、放熱性が十分ではなく、上記の問題が顕著に生じていた。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、高効率での放熱を簡便にかつ小スペースで実現し、発光素子出力や発光波長を安定させ、発光素子としての信頼性を向上並びに長寿命化を図ることができる高品質な発光装置とその実装方法、照明器具及びディスプレイを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、請求項１記載の発明に係る発光装置は、基板上に複数の発光素子がダイボンディング及びワイヤボンディングされる発光装置において、前記基板の一方の面に複数の凹部が設けられ、前記各凹部内に前記発光素子がダイボンディング及びワイヤボンディングされ、前記基板の他方の面に放熱用の溝が設けられていることを特徴とする。

請求項２の発明に係る発光装置は、前記基板の他方の面にヒートパイプが設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明に係る発光装置は、前記ヒートパイプが前記放熱用の溝内に当接して設けられていることを特徴とする。

請求項４の発明に係る発光装置は、前記ヒートパイプの断面が楕円状であることを特徴とする。

請求項５の発明に係る発光装置は、前記ヒートパイプが前記発光素子の電気配線を兼ねていることを特徴とする。

請求項６の発明に係る発光装置は、前記発光素子がＬＥＤであることを特徴とする。

請求項７に係る発光装置の実装方法は、基板上に複数の発光素子がダイボンディング及びワイヤボンディングされる発光装置の実装方法において、前記基板の一方の面に複数の凹部と他方の面に放熱用の溝を形成する工程と、前記各凹部内に前記複数の発光素子をダイボンディング及びワイヤボンディングする工程とを有することを特徴とする。

請求項８に係る発光装置の実装方法は、前記基板の他方の面にヒートパイプを設ける工程をさらに有することを特徴とする。

請求項９に係る発光装置の実装方法は、前記ヒートパイプを設ける工程は、前記放熱用の溝内に前記ヒートパイプを当接して設けることを特徴とする。

請求項１０に係る発光装置の実装方法は、前記ヒートパイプの断面が楕円状であることを特徴とする。

請求項１１に係る発光装置の実装方法は、前記ヒートパイプが発光素子の電気配線を兼ねていることを特徴とする。

請求項１２に係る発光装置の実装方法は、前記発光素子がＬＥＤであることを特徴とする。

請求項１３に係る照明器具は、請求項１乃至６のいずれか１項記載の発光装置を用いたものである。

請求項１４に係るディスプレイは、請求項１乃至６のいずれか１項記載の発光装置を用いたものである。

請求項１、７、１３又は１４記載の発明によれば、基板上面に設けた凹部上に発光素子を載置し、基板裏面に放熱用の溝を設けたため、複雑な構造をとることなく、表面積を大きくした放熱用の溝を介して簡便にかつ高効率で放熱することができ、ペルチェ素子やヒートシンクを用いた放熱構造のようなスペースを必要としないためにより一層の小型化も可能である。これにより、高効率での放熱を簡便にかつ小スペースで実現し、発光素子の出力や発光波長を安定させ、発光素子としての信頼性を向上並びに長寿命化を図ることができる高品質な発光装置を提供することができる。

請求項２、８、１３又は１４記載の発明によれば、基板裏面にヒートパイプを設けたため、上記効果に加え、発光素子から発せられた熱を簡単により高効率で放熱することができる。

請求項３、９、１３又は１４記載の発明によれば、放熱用の溝内にヒートパイプを当接して設けたため、上記効果に加え、ヒートパイプを溝内にはめ込むだけでより簡単に組み立てることができ、発光素子から発せられた熱を簡単により一層高効率で放熱することができる。

請求項４、１０、１３又は１４記載の発明によれば、ヒートパイプの断面を楕円状に形成したため、上記効果に加え、基板裏面に当接する表面積をより大きく確保することができ、複雑な構造をとることなく、発光素子から発せられた熱を簡単により一層高効率で放熱することができる。

請求項５、１１、１３又は１４記載の発明によれば、ヒートパイプが発光素子の電気配線を兼ねるため、上記効果に加え、発光素子から発せられる熱をよりダイレクトに放熱することができる。また、発光素子の電気配線を省略できる分、配線構造を簡素に構築でき、工程数も低減でき、小スペース化をより一層効果的に実現できる。

請求項６、１２、１３又は１４記載の発明によれば、発光素子がＬＥＤであるため、上記効果を最大限に発揮して、ＬＥＤの出力や発光波長を安定させ、ＬＥＤとしての信頼性を向上並びに長寿命化をより一層図ることができる。

以下、本発明に係る発光装置及びその実装方法を実施するための最良の形態を添付図面を参照して説明する。

図１及び図２は、本実施例の発光装置の概略斜視図を示す。

図１に示す発光装置は、基板１０上にＬＥＤチップ（半導体チップ）から成る複数の発光素子２０…２０を載置して各電極を接続し、その上から樹脂でモールドして形成されるものである。

基板１０は、反射率を向上させるため、少なくとも基板上面（一方の面）１０ａは反射率の高い白色、もしくは金属光沢を持ち、全体は熱伝導性の良い材質で構成されることが望ましい。これらの特性を持つ材質として、セラミックス等が例示される。この基板１０において、基板上面１０ａには、各発光素子２０…２０が配置される複数の凹部１１…１１が、また基板裏面（他方の面）１０ｂには、表面積を増やすための複数の放熱用の溝１２…１２がそれぞれ形成されている。

各凹部１１…１１は、基板上面１０ａに、基板１０の互いに直交する縦横の二方向（以下、図中の例に従い「ＸＹ方向」と呼ぶ）に沿って、二次元状に所定間隔で配列して形成されている。各凹部１１…１１の壁面は、基板上面１０ａに垂直な方向（以下、図中の例に従い「Ｚ方向」と呼ぶ）に沿って形成されている。各凹部１１…１１の底部には、各発光素子２０…２０がダイボンディング及びワイヤボンディングされ、図示しない樹脂によりモールドされている。

各溝１２…１２は、基板上面１０ａのＸ方向に配列した各凹部１１…１１間を臨む基板裏面１０ｂの周期的な位置にＹ方向に延びて形成されている。各溝１２…１２の壁面は、Ｚ方向に沿って形成されている。各溝１２…１２内には、各発光素子２０…２０から発せられる熱に対する放熱性をより高めるため、複数のヒートパイプ３０…３０が取り付けられている。

各ヒートパイプ３０…３０は、細管とこの細管中に封入された熱輸送流体とからなるパイプから構成され、蒸発及び凝縮のサイクルにより効果的に高温部から低温部に熱を移動させるものである。高温部で暖められた流体は、低温部に移動して低温部で凝縮し、凝縮された流体は、毛細管作用を用いてウィックと呼ばれる心材を伝わらせることで高温部へ移動するというサイクルをとる。なお、本実施例では、ヒートパイプ３０の断面形状は楕円状のものが使用されるが、本発明はこれに限らず、他の形状、例えば円状や、図２に示すように平板状等であってもよい。

図１に示す発光装置は、凹部１１及び溝１２の壁面が、いずれも基板１０に垂直方向（Ｚ方向）、即ち直線状に形成されているが、壁面形状はこれに限らず、図２に示す発光装置のように、所望の方向（上方）へより高効率で照射することや、制作しやすいヒートパイプの形状に合わせることを目的として、凹部１１及び溝１２のそれぞれの壁面に角度をつけたり、その壁面形状を曲線（例えば楕円）状にしても良い。

図２に示す発光装置では、各凹部１１…１１の壁面は、各発光素子２０…２０から上方へより高効率で照射させるため、各凹部１１…１１の底部から開口側に向けて所定の角度で広がるよう形成されている。また、各溝１２…１２の壁面は、放熱性をより高めるため、ヒートパイプ３０の断面形状に合わせて楕円状に形成されている。

図３は、図２に示す発光装置の発光素子２０近傍の断面模式図を示す。

図３に示すように、基板上面１０ａの凹部１１の底部表面には、導電体層４０がそれぞれパターン形成されている。導電体層４０は、ＡｇやＷなどの金属が印刷され、その上から接着性を高める目的でＡｕメッキが施されている。発光素子２０は、導電体層４０上に接着剤等で接着され、発光素子２０の電極（正極、負極）は、発光素子２０の構造により金線等のワイヤーや、発光素子２０の裏面から導電体層４０上の導電性接着剤を介して導電体層４０の電極（正極、負極）に電気的に接続される。導電体層４０は、凹部１１の底部表面及び基板裏面１０ｂ間を略垂直方向（Ｚ方向）に貫通する正極及び負極用の２つのスルーホール（又はビアホール）４１、４１を介して基板裏面１０ｂに設けた正極及び負極用の配線端子４２、４２に電気的に接続される。

図４は、図２に示す発光装置を組み立てる実装方法を説明する概略斜視図、図５は、図４に示す方法で組み立てられた後の発光装置全体の斜視断面概略図をそれぞれ示す。

図４及び図５に示すように、発光装置の実装方法は、基板上面１０ａに各凹部１１…１１と基板裏面１０ｂに複数の放熱用の溝１２…１２とを形成する工程と、形成された各凹部１１…１１内に各発光素子２０…２０をダイボンディング及びワイヤボンディングしその後に樹脂モールドする工程と、形成された各溝１２…１２内に複数のヒートパイプ３０…３０を当接して設ける工程とを有する。ここで各ヒートパイプ３０…３０の両端部は、図４に示すように、基板１０のＸ方向に延設される２本のヒートパイプ３１、３１にそれぞれ接続されている。

上記各工程により、各溝１２…１２の壁面形状は、各ヒートパイプ３０…３０の断面形状、即ち楕円状に合うように曲線状に形成され、この各溝１２…１２内に、各ヒートパイプ３０…３０がはめ込まれる。

これによれば、細管とこの細管中に封入された熱輸送流体からなる各ヒートパイプ３０…３０が発光素子２０と熱的に結合され、発光素子２０から発せられた熱を効果的に発散させることができる。さらに、予め、基板裏面１０ｂの各溝１２…１２の形状を、各ヒートパイプ３０の形状に合うように作製しておくことにより、ヒートパイプ３０を各溝１２…１２内にはめ込むだけで簡単に高い放熱性を得ることができる。

従って、本実施例によれば、予め、基板上面１０ａに発光素子（ＬＥＤチップ）２０を載せる凹部１１を設け、基板裏面１０ｂに溝１２を設けた基板１０を作製し、凹部１１上に発光素子２０をダイボンディング及びワイヤボンディングしてその上から樹脂モールドし、溝１２にヒートパイプ３０をはめ込むだけで、複雑な構造をとることなく、発光素子２０から発せられた熱を簡単に高効率で放熱することができる。

特に、本実施例では、熱源である発光素子２０から放熱するヒートパイプ３０までの距離が短いため、その効果が大きい。さらに、本実施例によれば、ペルチェ素子やヒートシンクによる方法のように、スペースをも必要としないといった利点もある。

上記実施例のヒートパイプは、熱輸送流体を封入したパイプであるが、パイプの表面は通常金属であるため、パイプの表面に電気を流すことにより、ヒートパイプを発光素子の電気配線として利用する方法が考えられる。本実施例の発光装置は、この方法を用いたものである。

図６は、本実施例の発光装置において、各ヒートパイプ３０…３０を配線としても利用する場合の発光素子２０近傍の断面模式図を示す。この基本構造は、前述の図５と同様であるが、ヒートパイプ３０と導電体層４０を導通させるために、正極及び負極用の２つのスルーホール（又はビアホール）４１、４１の位置が異なり、図６に示すように、凹部１１のＸ方向の２つの壁面及びその凹部１１に隣接する両側２つの溝１２、１２の壁面間を所定の角度で斜めの方向に貫通して形成されている。

図７は、図６に示す発光装置を組み立てる実装方法を説明する概略斜視図を示す。

図７に示すように、ヒートパイプ３０が電気配線を兼ねる場合、正極用及び負極用の２種類のヒートパイプ３０ａ…３０ａ及び３０ｂ…３０ｂを交互に設ける必要があるため、隣接する発光素子（ＬＥＤチップ）２０とは正極及び負極の向きが反対になる。正極用のヒートパイプ３０ａ…３０ａは、その一端がＸ方向に延びた正極用のヒートパイプ３１ａに接続され、その他端がいずれにも接続されない構造となっている。これと同様に、負極用のヒートパイプ３０ｂ…３０ｂも、その一端がＸ方向に延びた正極用のヒートパイプ３１ｂに接続され、その他端がいずれにも接続されない構造となっている。これによれば、発光素子２０から発せられた熱をダイレクトに放熱することができるため、より一層高効率での放熱が可能となる。

従って、本実施例によれば、上記実施例１と同様の作用効果に加え、さらに、ヒートパイプ３０が発光素子２０の電気配線を兼ねることで、発光素子２０から発せられる熱をダイレクトに放熱することができる。

以上のように、本発明は、照明器具やディスプレイ等の複数の発光素子（ＬＥＤ）を用いた発光装置に適用できる。

本発明の実施例１に係る発光装置の概略斜視図である。 基板上面の凹部及び基板裏面の溝の壁面形状を変更した場合の発光装置の概略斜視図である。 図２に示す発光装置の発光素子近傍の断面模式図である。 図２に示す発光装置の実装方法を説明する概略斜視図である。 図４に示す実装方法により組み立てられた発光装置の概略斜視図である。 本発明の実施例２に係る発光装置の発光素子近傍の断面模式図である。 図６に示す発光装置の実装方法を説明する概略斜視図である。

符号の説明

１０ 基板
１０ａ 基板上面
１０ｂ 基板裏面
１１ 凹部
１２ 溝
２０ 発光素子
３０、３１ ヒートパイプ
４０ 導電体層
４１ スルーホール（又はビアホール）

Claims (14)

1. 基板上に複数の発光素子がダイボンディング及びワイヤボンディングされる発光装置において、
   前記基板の一方の面に複数の凹部が設けられ、
   前記各凹部内に前記発光素子がダイボンディング及びワイヤボンディングされ、
   前記基板の他方の面に放熱用の溝が設けられていることを特徴とする発光装置。
2. 前記基板の他方の面にヒートパイプが設けられていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記ヒートパイプが前記放熱用の溝内に当接して設けられていることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記ヒートパイプの断面が楕円状であることを特徴とする請求項２又は３記載の発光装置。
5. 前記ヒートパイプが前記発光素子の電気配線を兼ねていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の発光装置。
6. 前記発光素子がＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の発光装置。
7. 基板上に複数の発光素子がダイボンディング及びワイヤボンディングされる発光装置の実装方法において、
   前記基板の一方の面に複数の凹部と他方の面に放熱用の溝を形成する工程と、
   前記各凹部内に前記複数の発光素子をダイボンディング及びワイヤボンディングする工程とを有することを特徴とする発光装置の実装方法。
8. 前記基板の他方の面にヒートパイプを設ける工程をさらに有することを特徴とする請求項７記載の発光装置の実装方法。
9. 前記ヒートパイプを設ける工程は、前記放熱用の溝内に前記ヒートパイプを当接して設けることを特徴とする請求項８記載の発光装置の実装方法。
10. 前記ヒートパイプの断面が楕円状であることを特徴とする請求項８又は９記載の発光装置の実装方法。
11. 前記ヒートパイプが発光素子の電気配線を兼ねていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の発光装置の実装方法。
12. 前記発光素子がＬＥＤであることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項記載の発光装置の実装方法。
13. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の発光装置を用いた照明器具。
14. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の発光装置を用いたディスプレイ。
    
    

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