JP2015195299A - Light emitting diode module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の発光ダイオード素子を1枚の基板上に集積するように近接して配設してなる発光ダイオードモジュールに関する。特に、本発明は、比較的出力電力の大きい大光量の発光ダイオード式照明器具の光源に適する発光ダイオードモジュールに関する。 The present invention relates to a light emitting diode module in which a plurality of light emitting diode elements are arranged close to each other so as to be integrated on a single substrate. In particular, the present invention relates to a light emitting diode module suitable for a light source of a light emitting diode type lighting apparatus having a relatively large output power and a large light amount.
近年、発光ダイオード(LED,Light Emitting Diode)の技術の進歩にともなって、より高い照度が要求される照明の光源に発光ダイオードが利用されるようになってきている。本発明では、物体に照射された平面上の光の実質的な明るさを照度という。明るさの度合いが人の感覚的な影響を受けることから、必要に応じて客観的に定量的に明るさを示すために、照度を単位面積当たりに入射する全光束の量で表わす。 In recent years, with the progress of light emitting diode (LED) technology, light emitting diodes have come to be used as light sources for illumination that require higher illuminance. In the present invention, the substantial brightness of light on a plane irradiated on an object is referred to as illuminance. Since the degree of brightness is influenced by human sensation, the illuminance is expressed by the amount of the total luminous flux incident per unit area in order to objectively and quantitatively indicate the brightness as necessary.
厳密な意味で白色の発光ダイオード素子が存在しないので、2色または3色の発光ダイオード素子を組み合わせたり、青色の発光ダイオード素子に黄色の蛍光体を組み合わせることによって、白色光を得るようにされている。もっとも、発光ダイオード素子単体では、照明の光源として使用できる十分な光量を有していない。 Strictly speaking, there is no white light emitting diode element, so that white light can be obtained by combining two or three color light emitting diode elements, or by combining yellow light emitting diode elements with blue light emitting diode elements. Yes. However, the light emitting diode element alone does not have a sufficient amount of light that can be used as a light source for illumination.
そこで、発光ダイオードを照明の光源にする場合には、複数の発光ダイオード素子によって所要の光量の光を得るようにする。ただし、発光ダイオードが放射する光が指向性を有しているとともに、複数の発光ダイオード素子の個体間において同じ電流量で得ることができる光量にばらつきがある。 Therefore, when a light emitting diode is used as a light source for illumination, a required amount of light is obtained by a plurality of light emitting diode elements. However, the light emitted from the light emitting diode has directivity, and the amount of light that can be obtained with the same amount of current varies among the individual light emitting diode elements.
隣接する発光ダイオード素子同士が離れすぎると、供給する電流を大きくして光源の出力電力を増大させても、光源にまとまりがなく、体感的には照明として必要な明るさを得ることが難しい。複数の発光ダイオード素子で所要の照度を得る光源を形成するためには、発光ダイオード素子の構造は、砲弾型よりもチップ型が有利である。 If adjacent light emitting diode elements are too far apart, even if the supplied current is increased to increase the output power of the light source, the light source is not organized and it is difficult to experience the brightness required for illumination. In order to form a light source that obtains a required illuminance with a plurality of light emitting diode elements, the structure of the light emitting diode elements is more advantageous than the shell type.
チップ型の発光ダイオード式照明器具では、例えば、ダイボンディングによって発光ダイオード素子をプリント配線基板または絶縁層を有する金属基板にマウントし、蛍光体、透光部位、あるいは反射部材を含めて発光ダイオード素子をパッケージ化して照明器具の本体に取り付けるようにされている。 In a chip-type light-emitting diode type lighting fixture, for example, a light-emitting diode element is mounted on a printed wiring board or a metal substrate having an insulating layer by die bonding, and the light-emitting diode element including a phosphor, a translucent portion, or a reflecting member is mounted. It is packaged and attached to the body of the luminaire.
特に、本発明では、複数の発光ダイオード素子を1枚の基板上に集積するように近接して配設し、複数の発光ダイオード素子を封入する光透過性樹脂と、光透過性樹脂に含まれる蛍光体と、配線と、端子とを含めて一体化した光源のユニットを発光ダイオードモジュールという。発光ダイオードモジュールは、スイッチング素子や抵抗素子のような回路素子、放熱部材、あるいは反射部材を含むことがある。 In particular, in the present invention, a plurality of light-emitting diode elements are arranged close to each other so as to be integrated on a single substrate, and the light-transmitting resin enclosing the plurality of light-emitting diode elements is included in the light-transmitting resin. A unit of a light source integrated with a phosphor, wiring, and terminals is called a light emitting diode module. The light emitting diode module may include a circuit element such as a switching element or a resistance element, a heat radiating member, or a reflecting member.
発光ダイオードは、半導体であるので発熱する。温度がおよそ80℃を超えるような高温の環境下で点灯したまま発光ダイオードが放置されると、半導体が損壊する。特に、モジュールの構造である場合は、光源の温度が高くなることによって、多数の発光ダイオード素子が一斉に破損したり、配線が溶断または短絡したりすることによって、実質的に発光ダイオードモジュールが全損するおそれがある。 Since the light emitting diode is a semiconductor, it generates heat. If the light emitting diode is left standing in a high temperature environment where the temperature exceeds approximately 80 ° C., the semiconductor is damaged. In particular, in the case of a module structure, when the temperature of the light source becomes high, a large number of light emitting diode elements are damaged all at once, or the wiring is blown or short-circuited. There is a risk of damage.
また、発光ダイオード素子の温度が高くなるほど、電気エネルギを光に変換する発光効率が急激に低下して、設計上予定されている光量を得ることができなくなる。発光ダイオード素子に供給する電流を大きくすると発熱量が増大する。したがって、光源としてより多くの光量を得るためには、発光ダイオード素子の数を増やして、各発光ダイオード素子にかかる負担を大きくしないことが要求される。 In addition, as the temperature of the light emitting diode element increases, the light emission efficiency for converting electrical energy into light decreases rapidly, and the amount of light planned in design cannot be obtained. Increasing the current supplied to the light emitting diode element increases the amount of heat generation. Therefore, in order to obtain a larger amount of light as a light source, it is required to increase the number of light emitting diode elements and not to increase the burden on each light emitting diode element.
発光ダイオード素子の数を多くして光源全体としての出力電力を大きくするようにする場合、各発光ダイオード素子の発熱量が変わるわけではないので、光源の周囲の温度を下げることはできない。発光ダイオードモジュールにおいては、隣接する発光ダイオード素子同士が離れすぎないように近接して設けているので、発光ダイオード素子の数が多いほど光源の周囲の放熱効果が低下して発光ダイオード素子の温度が上昇するという悪循環に陥る。 When the number of light emitting diode elements is increased to increase the output power of the entire light source, the amount of heat generated by each light emitting diode element does not change, so the temperature around the light source cannot be lowered. In the light emitting diode module, the adjacent light emitting diode elements are provided close to each other so as not to be separated from each other. Therefore, as the number of light emitting diode elements increases, the heat dissipation effect around the light source decreases and the temperature of the light emitting diode elements increases. It falls into a vicious circle of rising.
殆どの発光ダイオード式照明器具では、複数の放熱フィンを備えるアルミニウムのヒートシンクが設けられている。ヒートシンクによって多数の発光ダイオード素子から発せられる熱を速やかに大気中に放熱させることによって、光源の温度の上昇が抑えられる。また、反射板(リフレクタ)によって光の取出し効率を向上させることによって、出力電力を増大せずに照度を高くして、可能な限り光源の周囲の温度が上昇しないように図られている。 Most light-emitting diode luminaires are provided with an aluminum heat sink having a plurality of heat dissipating fins. By quickly dissipating heat generated from a number of light emitting diode elements to the atmosphere by the heat sink, an increase in the temperature of the light source can be suppressed. Further, by improving the light extraction efficiency with a reflector (reflector), the illuminance is increased without increasing the output power so that the temperature around the light source does not increase as much as possible.
比較的高い照度が要求される照明器具では、より多くの発光ダイオード素子が要求されるので、1枚の基板上に配設される複数の発光ダイオード素子の密度が高くなり、出力電力も相応に大きい。例えば、屋外の競技施設に設置される投光器のように、比較的出力電力が大きい大光量の照明器具の場合、気温が高い時期には、期待される放熱効果を得ることができないかも知れない。屋外に設置される大光量の照明器具では、空気の対流による自然の放熱のみで光源の温度の上昇を抑えることは、相当困難である。 In lighting fixtures that require relatively high illuminance, more light-emitting diode elements are required, so the density of a plurality of light-emitting diode elements arranged on a single substrate is increased, and the output power is correspondingly increased. large. For example, in the case of a lighting device with a large amount of light that has a relatively large output power, such as a projector installed in an outdoor competition facility, the expected heat dissipation effect may not be obtained when the temperature is high. In a large-intensity lighting fixture installed outdoors, it is considerably difficult to suppress an increase in the temperature of the light source by only natural heat dissipation due to air convection.
送風ファンのような動力源を有し能動的に発光ダイオード素子を冷却する冷却装置を設けることによって、発光ダイオード素子の温度の上昇を抑えることが期待できる。しかしながら、動力源が要求される冷却装置を設けることは、消費電力をより多くし、照明器具の生産効率を低下させて生産コストを上げ、照明器具の重量をより大きくする。 By providing a cooling device that has a power source such as a blower fan and actively cools the light emitting diode element, it can be expected to suppress an increase in the temperature of the light emitting diode element. However, providing a cooling device that requires a power source increases power consumption, lowers the production efficiency of the luminaire, increases production costs, and increases the weight of the luminaire.
とりわけ、屋外に設置される照明器具の場合は、冷却装置も太陽光と風雪雨に曝されるため、冷却装置がより損傷しやすい。冷却装置が故障して動作が停止した状態で照明灯を点灯し続けると、光源の温度が急激に上昇して発光ダイオードモジュールが損傷する。そのため、照明器具の点検、修理、あるいは部品の交換といった維持管理に要する作業と費用の負担もより大きくなる。 In particular, in the case of a luminaire installed outdoors, the cooling device is also more easily damaged because the cooling device is also exposed to sunlight and wind and snow. If the illumination lamp is continuously turned on in a state where the cooling device fails and the operation is stopped, the temperature of the light source rises rapidly and the light emitting diode module is damaged. For this reason, the burden of work and costs required for maintenance such as inspection, repair, or replacement of parts of the lighting fixtures is further increased.
このようなことから、屋外の競技施設で使用できるような遠く離れた場所に要求される明るさを与えることができるほどのより大光量の発光ダイオード式投光器を実現するためには、これまでのようなヒートシンクによる放熱効率の向上とリフレクタによる光の取出し効率の向上、および発光ダイオード素子自体の発光効率の向上だけでは十分ではない。 For this reason, in order to realize a light-emitting diode type projector with a large amount of light that can provide the required brightness in a remote place that can be used in outdoor competition facilities, It is not sufficient to improve the heat radiation efficiency by such a heat sink, the light extraction efficiency by the reflector, and the light emission efficiency of the light emitting diode element itself.
発光ダイオード素子の光の取出し効率を向上させることによって発光効率を向上させる基本的な技術思想は、反射する特性を有する材料でなる微粉末を混入した光の拡散層または光を反射する反射層を設けることである。高い反射率を得ることができる有用な材料を“光拡散材”という。光拡散材として、例えば、アルミナ(アルミニウム)またはチタニア(酸化チタン)が知られている。なお、アルミニウムまたは酸化チタンは、化学式での表記Al2O3およびTiO2(二酸化チタン)であるときを含む。 The basic technical idea of improving the light emission efficiency by improving the light extraction efficiency of the light emitting diode element is to provide a light diffusion layer mixed with fine powder made of a material having a reflection characteristic or a reflection layer that reflects light. Is to provide. A useful material capable of obtaining a high reflectance is called a “light diffusing material”. As a light diffusing material, for example, alumina (aluminum) or titania (titanium oxide) is known. In addition, aluminum or titanium oxide includes a case where the chemical formula is Al 2 O 3 and TiO 2 (titanium dioxide).
発光ダイオード素子の半導体パッケージまたは発光ダイオードモジュールにおいては、発光ダイオード素子を取り付ける基板の表面に光の反射層を形成したり、半導体パッケージの筐体の側壁の内面に光の反射被膜を形成するようにされている。また、透光部位(光透過性樹脂)に光拡散材の微粉末を混入するようにされている。なお、光透過性樹脂に混入される微粉末は、フィラーと称されることがある。 In a light emitting diode element semiconductor package or light emitting diode module, a light reflecting layer is formed on the surface of a substrate to which the light emitting diode element is attached, or a light reflecting film is formed on the inner surface of the side wall of the semiconductor package housing. Has been. Further, a fine powder of a light diffusing material is mixed in a light transmitting part (light transmitting resin). The fine powder mixed in the light transmissive resin may be referred to as a filler.
具体的に、特許文献1および特許文献2は、発光ダイオード素子を取り付ける基板に光の反射層を形成する方法を開示している。特許文献3は、半導体パッケージの側壁の内面に光の反射被膜を形成する方法を開示している。特許文献4は、半導体パッケージの透光部位に光拡散材を適量混入する方法を開示している。上記特許文献に示される方法は、代表的な事例である。
Specifically,
光の反射層または拡散層を設けることは、光の取出し効率を向上させる上で有効である。特に、所望の照射方向に対して反対の方向に散乱する光を照射方向に反射させることは、光の取出し効率をより向上させるために重要である。要求される光量が大きい発光ダイオード式照明器具においては、1つの光源として設けることができる発光ダイオード素子の数が限界近くに達しているので、たとえ数%であっても、可能な限り光の反射率を向上させることが望まれている。 Providing a light reflecting layer or diffusing layer is effective in improving the light extraction efficiency. In particular, reflecting light scattered in a direction opposite to the desired irradiation direction in the irradiation direction is important for further improving the light extraction efficiency. In a light-emitting diode type lighting fixture that requires a large amount of light, the number of light-emitting diode elements that can be provided as one light source has reached the limit, so even if it is only a few percent, reflection of light is possible as much as possible. It is desired to improve the rate.
例えば、光源の出力電力が300Wを超えるような大容量の出力電力の既存の発光ダイオード式投光器では、多数の発光ダイオード素子がそれぞれ発する光を見掛け上1つの光源の光であるようにするために、数十mmないし百数十mm角程度の基板上に数百個の発光ダイオード素子を配設している。そのため、熱伝導率の低い基板の全面に反射層を形成させると、必要な放熱効果を得ることができなくなって発光ダイオードモジュールを損傷させる確率がより高くなる。 For example, in an existing light emitting diode type projector having an output power of a large capacity such that the output power of the light source exceeds 300 W, in order to make the light emitted from a large number of light emitting diode elements apparently be the light of one light source Hundreds of light emitting diode elements are disposed on a substrate of about several tens mm to several tens of mm square. Therefore, if the reflective layer is formed on the entire surface of the substrate having low thermal conductivity, the required heat dissipation effect cannot be obtained and the probability of damaging the light emitting diode module is further increased.
本発明は、上記課題に鑑みて、放熱効果と耐久性能の低下を十分に抑えて、光の取出し効率をより高くすることができる改良された発光ダイオードモジュールを提供することを主たる目的とする。本発明の発光ダイオードモジュールによって得ることができる利益は、実施の形態の説明において詳しく示される。 In view of the above problems, it is a primary object of the present invention to provide an improved light-emitting diode module capable of sufficiently suppressing a decrease in heat dissipation effect and durability and improving light extraction efficiency. The benefits that can be obtained by the light emitting diode module of the present invention will be described in detail in the description of the embodiments.
本発明の発光ダイオードモジュールは、上記課題を解決するために、銅基板(3)と、銅基板(3)の上の所定の領域(α)に配設される複数の発光ダイオード素子(2)と、銅基板(3)の所定の領域(α)に全面が密着するように取り付けられ複数の発光ダイオード素子(2)を電気絶縁状態で固着し発光ダイオード素子(2)の光のうち銅基板(3)の方向に向かう光を反射させる反射板(5)と、反射板(5)の反射面側の表面全面に設けられる真空蒸着によって形成される酸化チタン薄膜(7)と、蛍光体を含む光透過性樹脂によって反射板(5)と共に複数の発光ダイオード素子(2)を銅基板(3)の上で封入するパッケージ(11)と、を含んでなるようにする。 In order to solve the above problems, a light emitting diode module of the present invention has a copper substrate (3) and a plurality of light emitting diode elements (2) disposed in a predetermined region (α) on the copper substrate (3). And a plurality of light emitting diode elements (2) fixed in an electrically insulated state so that the entire surface is in close contact with a predetermined region (α) of the copper substrate (3). A reflecting plate (5) for reflecting light traveling in the direction of (3), a titanium oxide thin film (7) formed by vacuum deposition provided on the entire reflecting surface side of the reflecting plate (5), and a phosphor And a package (11) enclosing a plurality of light emitting diode elements (2) on the copper substrate (3) together with the reflector (5) by the light-transmitting resin.
より有力な発光ダイオードモジュール(1)は、反射板(5)がアルミニウムでなる。そのアルミニウムでなる反射板(5)は、反射面側の表面全面に真空蒸着によってアルミニウム薄膜を形成することが望ましい。 In the more effective light emitting diode module (1), the reflector (5) is made of aluminum. As for the reflecting plate (5) made of aluminum, it is desirable to form an aluminum thin film by vacuum deposition on the entire surface on the reflecting surface side.
また、好ましい発光ダイオードモジュール(1)は、適量のアルミニウムの微粉末を混入したシリコンペーストによって反射板(5)を銅基板(3)に接着してなる。また、発光ダイオードモジュール(1)は、銅基板(3)の少なくとも所定の領域(α)以外に鍍金層(4)を有する。その鍍金層(4)は、ニッケル鍍金層であることが望ましい。 Moreover, a preferable light emitting diode module (1) is formed by bonding the reflector (5) to the copper substrate (3) with a silicon paste mixed with an appropriate amount of aluminum fine powder. The light emitting diode module (1) has a plating layer (4) in addition to at least the predetermined region (α) of the copper substrate (3). The plating layer (4) is preferably a nickel plating layer.
本発明の発光ダイオードモジュールは、酸化チタン薄膜が形成されている反射板を銅基板に密着して取り付けてなる。そのため、発光ダイオード素子が発する熱は、短時間にダイオードモジュールの外に伝達され、放熱効果の低下を抑える。真空蒸着による酸化チタンの薄膜は、もとの反射板の表面を実質的に通過させるので、発光ダイオード素子の銅基板側に向かう可視光をより高効率で照射方向に反転させる。酸化チタンの薄膜は、例えば、アルミニウムの反射板では十分な反射率を得ることができない特定の波長の光を反射させる。 The light emitting diode module of the present invention is formed by attaching a reflector on which a titanium oxide thin film is formed in close contact with a copper substrate. Therefore, the heat generated by the light emitting diode element is transmitted to the outside of the diode module in a short time, and suppresses the deterioration of the heat dissipation effect. Since the titanium oxide thin film formed by vacuum deposition substantially passes the surface of the original reflector, visible light directed to the copper substrate side of the light-emitting diode element is reversed more efficiently in the irradiation direction. The titanium oxide thin film reflects light having a specific wavelength, for example, with which an aluminum reflector cannot provide sufficient reflectance.
本発明の発光ダイオードモジュールは、基板側に向かう可視光の反射率をより高くして光の取出し効率を向上させる。また、反射率が高くなることにともなって光源の周囲の温度の上昇が抑制される。その結果、多くの発光ダイオード素子が1枚の基板上に集積するように近接して配置されて1つの光源を形成し、光源における出力電力が比較的大きい大容量の発光ダイオード式照明器具において、照度を向上させることができる。 The light emitting diode module of the present invention improves the light extraction efficiency by increasing the reflectance of visible light toward the substrate side. In addition, an increase in the temperature around the light source is suppressed as the reflectance increases. As a result, in a large-capacity light-emitting diode type lighting fixture in which many light-emitting diode elements are arranged close to each other so as to be integrated on a single substrate to form a single light source, and the output power at the light source is relatively large, Illuminance can be improved.
図1は、本発明の発光ダイオードモジュールの適する実施の形態を示す。図1は、実施の形態の発光ダイオードモジュールの縦断面を模式的に示す。図1は、基本的に全ての重要な部位を図面に示すために、各部位の大きさを正確に反映していない。図2は、図1に示す実施の形態の発光ダイオードモジュールの外観を示す。図2は、光源の出力電力が360Wの発光ダイオード式投光器に適用することを想定して設計されている実施の形態の発光ダイオードモジュールを示す。以下に、図に示される実施の形態のモジュールの構成を具体的に説明する。 FIG. 1 shows a suitable embodiment of the light emitting diode module of the present invention. FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of a light emitting diode module according to an embodiment. FIG. 1 does not accurately reflect the size of each part in order to show basically all important parts in the drawing. FIG. 2 shows an appearance of the light emitting diode module according to the embodiment shown in FIG. FIG. 2 shows a light-emitting diode module according to an embodiment designed to be applied to a light-emitting diode projector having an output power of a light source of 360 W. The configuration of the module according to the embodiment shown in the drawings will be specifically described below.
実施の形態の発光ダイオードモジュール1では、複数の発光ダイオード素子2(2A,2B,2C)が銅基板3の上の所定の領域αに所定の間隔Lで並べて配設されている。図1に示される発光ダイオード素子2は、サファイアの絶縁基板の上に各半導体層と電極を積層したよく知られている一般的な構成を有する。したがって、実施の形態の発光ダイオードモジュール1は、チップオンボード(COB,Chip On Board)の構造を有する。
In the light emitting
複数の発光ダイオード素子2(2A,2B,2C)は、見掛け上、1つの光源になるような長さLの間隔で配置される。図1に示される実施の形態の発光ダイオードモジュール1では、全ての発光ダイオード素子2が等間隔で配設されている。発光ダイオード素子2の平面形状によって、各発光ダイオード素子2の縦方向の配列における間隔と、横方向の配列における間隔が異なることがある。
The plurality of light emitting diode elements 2 (2A, 2B, 2C) are arranged at intervals of a length L so as to appear as one light source. In the light emitting
図2に示される実施の形態の発光ダイオードモジュール1では、140mm×140mmの銅基板3の上の所定の領域αに400個のチップ型発光ダイオード素子2を配設している。電気的には、数個の発光ダイオード素子2を直列に接続した直列回路をそれぞれ並列に接続している。
In the light emitting
銅基板3の発光面側の表面には、銅基板3を腐蝕から保護するための金属鍍金が施されている。以下の説明では、銅基板3の発光ダイオード素子2が取り付けられる側の面を発光面として、発光面の反対側の面を非発光面という。金属鍍金で形成される鍍金層4は、銅基板3の発光面における少なくとも所定の領域α以外の表面に均一に設けられる。実施の形態の発光ダイオードモジュール1では、銅基板3の発光面側の表面全面に鍍金層4が設けられている。
A metal plating for protecting the
鍍金層4の鍍金材料は、ニッケルである。鍍金層4は、電気鍍金法によって形成されている。実施の形態のニッケル鍍金層4の鍍金厚は、約20μmである。鍍金層4の鍍金材料は、ニッケル以外に銅基板3の保護に有効である銅に対する鍍金性能が高い金属が適用できるが、発光ダイオードモジュール1が比較的光量の大きい光源を形成することを想定しているので、熱伝導性が良好な金属が選択される。
The plating material of the plating layer 4 is nickel. The plating layer 4 is formed by an electric plating method. The plating thickness of the nickel plating layer 4 of the embodiment is about 20 μm. As the plating material for the plating layer 4, a metal having high plating performance against copper, which is effective for protecting the
反射板5は、発光ダイオード素子2の光のうち銅基板2の方向に向かう光を正規の照射方向に反射させる。以下の説明では、反射板5の発光ダイオード素子2が取り付けられる側の面を反射面として、反射面の反対側の面を非反射面という。反射板5は、銅基板3の発光面側の所定の領域αに全面が密着するように取り付けられて固着される。反射板5の反射面側の表面上には、複数の発光ダイオード素子2がマウントされ、電気絶縁状態で固着される。
The reflecting
反射板5の材質は、90%以上の反射率を達成できる材料が選択される。また、発光ダイオードモジュール1が比較的光量の大きい光源を形成し得ることを想定しているので、反射板5の材質は、熱伝導性が比較的良好である材料が選択される。
As the material of the
実施の形態の発光ダイオードモジュール1における反射板5は、アルミニウム板である。後記の酸化チタン薄膜7との関係で、アルミニウム反射板5が適当である。反射板5の可視光の反射率を向上させるために、アルミニウム反射板5の反射面側の表面全面に真空蒸着によってアルミニウムまたは銀の粒子を均一に付着させるようにすることができる。
The reflecting
本発明において、アルミニウム以外の反射板5に適用できる金属材料として、例えば、銀がある。ただし、銀は、硫化して変質による変色を生じ、可視光の反射率を低下させることがある。反射板の反射面に変質しやすい材質を適用するときは、変質に対する対策が必要になることがある。
In the present invention, silver is an example of a metal material applicable to the
アルミニウム反射板5は、銅基板3の表面に形成されているニッケル鍍金層4を介在させて比較的高い熱伝導率を有するアルミニウムの微粉末を適量混入したシリコンペースト6によって接着されている。銅基板3と反射板5の間がアルミニウムの微粉末を含む柔軟なシリコンペースト6によって隙間なく密着されているので、銅基板3と反射板5との間の接触面積を最大にして、可能な限り高い熱伝導性が付与される。
The
ニッケル鍍金層4は、熱伝導率がそれほど高くはない。しかしながら、ニッケルは、少なくとも熱絶縁性の材料ではなく、鍍金厚が十数μm程度であることから、光源の放熱効果にそれほど重要な影響を与えない。ただし、銅基板3において発光面側でシリコンペースト6を介在させて反射板5と密接する所定の領域αにおける鍍金層4を限定的に除くことが可能である。銅基板3がアルミニウム反射板5と直接接触することによって、僅かであっても熱伝導率をより高くすることが期待できる。
The nickel plating layer 4 is not so high in thermal conductivity. However, since nickel is not at least a heat insulating material and has a plating thickness of about a dozen μm, it does not significantly affect the heat dissipation effect of the light source. However, the plating layer 4 in a predetermined region α in close contact with the reflecting
柔軟なシリコンペースト6は、銅基板3とアルミニウム反射板5との間の熱膨張差を吸収する。比較的基板の表面積が大きい実施の形態の発光ダイオードモジュール1において、70℃に達する可能性がある銅基板3とアルミニウム反射板5の熱変位にともなう銅基板3との間の接着の崩壊あるいは発光ダイオードモジュール1の変形を防ぐことができる。
The
アルミニウム反射板5の反射面側の表面全面に真空蒸着によって形成される酸化チタン薄膜7が設けられる。真空蒸着による酸化チタン薄膜7の膜厚は、基本的に粒子レベルに近い薄さであって、数百nmから数μmである。したがって、酸化チタン薄膜7は、微視的にアルミニウム反射板5を被覆しておらず、アルミニウム反射板5の反射面側の表面を実質的に透過させる。したがって、真空蒸着による酸化チタン薄膜7は、アルミニウム反射板5の可視光を反射させる作用を失わせない。
A titanium oxide
真空蒸着による酸化チタン薄膜7を有するアルミニウム反射板5は、高い反射率で銅基板3の方向に進行する可視光を正規の照射方向に反射させる。発光ダイオード素子2が発する光の波長は、約400nm−800nmであるが、アルミニウム反射板5は、約700nm−800nmの特定の波長の光を高い反射率で反射させることができない。酸化チタン薄膜7は、アルミニウム反射板5で十分に反射させることができない特定の波長の光を散乱させる。その結果、反射板5の全体としては、最大97%の高い反射率を得ることができる。
The
実施の形態の発光ダイオードモジュール1では、真空蒸着による酸化チタン薄膜(真空蒸着膜)は、例えば、光透過性樹脂に酸化チタン(二酸化チタン)の微粉末を混入した樹脂層(光透過性樹脂膜)に実質的に置き換えることができない。
In the light emitting
真空蒸着膜は、透過性樹脂膜よりも僅かでも高い反射率を得る。僅かな反射率の差が光源の性能に大きな影響を及ぼす。また、光透過性樹脂膜は、基本的に熱絶縁性であるため、熱伝導率を低下させる。比較的光量が大きく発熱による損傷のおそれがより高い発光ダイオードモジュールにおいて、発光ダイオード素子と銅基板との間の熱伝導性の低下は、無視することができない放熱効果の低下を招き、発光ダイオード素子を損傷させる可能性がある。 The vacuum deposited film obtains a slightly higher reflectance than the transmissive resin film. A slight difference in reflectance greatly affects the performance of the light source. Moreover, since the light-transmitting resin film is basically thermally insulating, the thermal conductivity is lowered. In a light-emitting diode module that has a relatively large amount of light and is more likely to be damaged by heat generation, a decrease in thermal conductivity between the light-emitting diode element and the copper substrate causes a decrease in the heat dissipation effect that cannot be ignored. May cause damage.
図1に示されるように、複数の発光ダイオード素子2(2A,2B,2C)は、アルミニウム反射板5を介在させて銅基板3の上の所定の領域αに配設されている。各発光ダイオード素子2は、アルミニウム反射板5の上にダイボンディングによって固着される。ボンディング材8を被覆層と見做すと、銅基板3および反射板5に対して電気的に絶縁する材料であることが望ましい。ボンディング材8は、例えば、エポキシ樹脂のような熱絶縁性の熱硬化樹脂を適用することができる。
As shown in FIG. 1, the plurality of light emitting diode elements 2 (2A, 2B, 2C) are arranged in a predetermined region α on the
すでに説明されているように、発光ダイオード素子2は、チップ型の構成を有し、絶縁性のサファイア基板の上に各層と電極が積層されている。そのため、仮にボンディング材8が導線性を有していたとしても、発光ダイオード素子2と銅基板3および反射板5との間は、電気的に絶縁されている。
As already described, the light-emitting
そのため、ボンディング材8は、電気的絶縁性を有する材料であることがより安全であるものの、厳密に電気的絶縁性が求められるものではなく、ボンディング材8に熱伝導性を有する微粉末を混入したり、熱伝導性を優先する物質を選択することができる。とりわけ、より発熱量が多い大光量の光源を形成する場合には、同時に可能な限り高い放熱効果を得るために、可能な範囲で熱伝導性を有する接着剤で発光ダイオード素子2をアルミニウム反射板5に固定することが望ましい。
Therefore, although it is safer that the
銅基板3の発光面側において、アルミニウム反射板5が設けられる所定の領域αの外側の表面上には、ポリイミドやポリエステルでなるフレキシブル配線基板9が貼り付けられる。フレキシブル配線基板9には、予め複数の発光ダイオード素子2にそれぞれ電流を供給する適する配線がプリントされている。
On the light emitting surface side of the
実施の形態の発光ダイオードモジュール1では、図2に示されるように、投光器の本体器具に光源として発光ダイオードモジュール1をより簡単に取付固定するために、図示しないアルミニウムのヒートシンクに銅基板3を取り付ける基板取付部位の周辺において、鍍金層4が設けられている銅基板3の発光面側の表面が部分的に露出されている。ただし、発光ダイオードモジュール1における発光面は、太陽光を直接受ける可能性があるので、銅基板3を敢えて露出させなくてもよい。
In the light emitting
図2に示されるように、銅基板3の発光面側の表面における所定の領域αの上に配設される全ての発光ダイオード素子2は、ベースに相当するアルミニウム反射板5と共に蛍光体を含む光透過性樹脂13によって1個のパッケージ11の中に封入される。全ての発光ダイオード素子2を収容するパッケージ11は、本質的に外枠のみで構成される。外枠は、フレキシブル配線基板9の上に設けられる。見掛け上、発光ダイオードモジュール1は、1つの光源11を形成する。
As shown in FIG. 2, all the light emitting
各発光ダイオード素子2では、ワイヤボンディングによって金線または銅線でなる導線12による配線が施される。導線12は、パッケージ11の中においてフレキシブル配線基板9のプリント配線と接続する。導線12は、アルミニウム反射板5と複数の発光ダイオード素子2(2A,2B,2C)と共にパッケージ11に収容される。
In each light emitting
光透過性樹脂で形成される透光部位13には、所望の光の色具合を考慮して適当な量の黄色の蛍光体が混合されている。実施の形態の発光ダイオードモジュールの透光部位13は、シリコン樹脂にハイアロン系の蛍光体を混合してなる。そのため、図2に示される発光ダイオードモジュール1では、発光ダイオード素子2を発光させていないとき、外見上、光源10の全体が黄色のように見える。
An appropriate amount of yellow phosphor is mixed in the light-transmitting
銅基板3は、例えば、図示しない多数の大きなフィンを有するアルミニウムのヒートシンクに取り付けられる。銅基板3とヒートシンクとの間にグラファイトシートのような高い熱伝導性を有する薄い弾性体を介在させて、銅基板3をヒートシンクに対して隙間なく密着させている。したがって、発光ダイオード素子2が発する光源の熱は、比較的短時間にヒートシンクに伝わって大気中に放熱される。
The
実施の形態の発光ダイオードモジュール1の場合、酸化チタン薄膜7が設けられているアルミニウム反射板5を具備し、400個の発光ダイオード素子2を有し出力電力360Wとして、同じ出力電力の従前の発光ダイオードモジュールの全光束が30,297lmであるときに、全光束が43,874lmであって、照度が44.81%向上する結果を得た。参考として、実施の形態の発光ダイオードモジュール1は、色温度が5360Kで、演色性が53Raである。
In the case of the light-emitting
以上のように構成される実施の形態の発光ダイオードモジュールは、チップオンボードの構造で多数の発光ダイオード素子を集積するように配設することができ、見掛け上、光源を1つにする。実施の形態の発光ダイオードモジュールは、比較的光量が大きい照明器具の光源として使用することができる。このとき、1枚の基板上に多数の発光ダイオード素子を配設しているので、出力電力を大きくすると、発光ダイオードモジュールが破損するおそれがある。 The light emitting diode module of the embodiment configured as described above can be disposed so as to integrate a large number of light emitting diode elements in a chip-on-board structure, and apparently one light source. The light-emitting diode module according to the embodiment can be used as a light source of a lighting fixture having a relatively large amount of light. At this time, since a large number of light emitting diode elements are arranged on a single substrate, the light emitting diode module may be damaged if the output power is increased.
実施の形態の発光ダイオードモジュールは、表面に真空蒸着による酸化チタン薄膜が設けられた反射板によってより高い反射率を得ることができ、出力電圧を大きくしないでより高い照度を得ることができる。そのため、発熱量が増大しない。また、可視光の反射率の向上は、光源の周囲の温度の低下を促進する。その結果、発光ダイオードモジュールの破損を防ぐことができる。 The light emitting diode module according to the embodiment can obtain a higher reflectance by a reflector having a titanium oxide thin film formed by vacuum deposition on the surface, and can obtain higher illuminance without increasing the output voltage. Therefore, the heat generation amount does not increase. Moreover, the improvement in the reflectance of visible light promotes a decrease in the temperature around the light source. As a result, the light emitting diode module can be prevented from being damaged.
発光ダイオード素子が発する熱は、比較的熱伝導率の高い反射板から銅基板に速やかに伝達する。銅基板に伝達した熱は、ヒートシンクに伝達され、大気中に放熱される。反射板を設けることによって、発光ダイオード素子の熱を直接銅基板に伝える場合に比べて熱伝導率が低下するために、発光ダイオード素子の損傷のおそれが高くなるが、実施の形態のモジュールでは、反射板を設けても熱伝導率の低下が十分に抑えられ、発光ダイオード素子が損傷しない。 The heat generated by the light emitting diode element is quickly transferred from the reflecting plate having a relatively high thermal conductivity to the copper substrate. The heat transferred to the copper substrate is transferred to the heat sink and dissipated into the atmosphere. By providing the reflecting plate, the thermal conductivity is reduced compared to the case where the heat of the light emitting diode element is directly transmitted to the copper substrate, so that the risk of damage to the light emitting diode element is increased, but in the module of the embodiment, Even if a reflector is provided, the decrease in thermal conductivity is sufficiently suppressed, and the light emitting diode element is not damaged.
本発明の発光ダイオードモジュールは、本発明の技術思想に反しない限り、実施の形態の発光ダイオードモジュールと同じ構成に限定されあに。すでにいくつかの例が示されているが、変形したり、置換したり、あるいは他の発明と組み合わせて実施することが可能である。 The light emitting diode module of the present invention is not limited to the same configuration as the light emitting diode module of the embodiment unless it is contrary to the technical idea of the present invention. Some examples have already been shown, but can be modified, replaced, or implemented in combination with other inventions.
本発明は、発光ダイオード式照明器具に適用できる。特に、屋外施設で使用する大型の発光ダイオード式投光器のような大光量の発光ダイオード式照明器具に適する。水銀灯式照明器具と同等の性能を発光ダイオード式照明器具に与えることが期待でき、水銀灯照明器具に比べて消費電力が少なく有害物質を使用しない発光ダイオード式照明器具の普及を促進し、社会の発展に貢献する。 The present invention can be applied to a light-emitting diode type luminaire. In particular, it is suitable for a light-emitting diode type lighting apparatus having a large light quantity such as a large light-emitting diode type projector used in outdoor facilities. It can be expected to give light emitting diode lighting fixtures the same performance as mercury lamp lighting fixtures, promote the spread of light emitting diode lighting fixtures that consume less power and do not use harmful substances compared to mercury lamp lighting fixtures, and develop society To contribute.
1 発光ダイオードモジュール
2 発光ダイオード素子
3 銅基板
4 鍍金層
5 反射板
6 シリコンペースト
7 酸化チタン薄膜(真空蒸着膜)
8 ボンディング材
9 フレキシブル配線基板
10 光源
11 パッケージ
12 導線
13 透過部位
DESCRIPTION OF
8
図2に示されるように、銅基板3の発光面側の表面における所定の領域αの上に配設される全ての発光ダイオード素子2は、ベースに相当するアルミニウム反射板5と共に蛍光体を含む光透過性樹脂13によって1個のパッケージ11の中に封入される。全ての発光ダイオード素子2を収容するパッケージ11は、本質的に外枠のみで構成される。外枠は、フレキシブル配線基板9の上に設けられる。見掛け上、発光ダイオードモジュール1は、1つの光源10を形成する。
As shown in FIG. 2, all the light emitting
光透過性樹脂で形成される透光部位13には、所望の光の色具合を考慮して適当な量の黄色の蛍光体が混合されている。実施の形態の発光ダイオードモジュールの透光部位13は、シリコン樹脂にサイアロン系の蛍光体を混合してなる。そのため、図2に示される発光ダイオードモジュール1では、発光ダイオード素子2を発光させていないとき、外見上、光源10の全体が黄色のように見える。
An appropriate amount of yellow phosphor is mixed in the light-transmitting
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