JP2019087570A - 発光装置およびｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤパッケージが接続される回路基板として片面基板を使用可能にして発光装置の製造コストを削減するとともに、回路基板によるＬＥＤパッケージからの光取出し効率の低下を防止する。【解決手段】発光装置１は、複数のＬＥＤパッケージ４と複数の開口部が形成され、かつ外部電源に電気的に接続するための配線パターン１３が表側の片面に形成された回路基板２を有し、複数のＬＥＤパッケージ４のそれぞれは、複数の開口部のうちの１つに収納されるパッケージ基板２０上に実装された複数のＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子を封止する封止樹脂４０と、パッケージ基板２０の対向する２つの端部に設けられ、回路基板２における１つの開口部の縁部とパッケージ基板２０とに固定されることでパッケージ基板２０を１つの開口部内につり下げるとともに、ＬＥＤ素子と配線パターン１３とを電気的に接続する正負の端子として機能する一対の実装端子６０を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光装置およびＬＥＤ（発光ダイオード）パッケージに関する。

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。

また、特許文献１には、対向する両側面より陽極端子と陰極端子が突出し、プリント基板の角穴に収められたときにこれらの端子がプリント基板上の正電極と負電極にそれぞれ接するＬＥＤのパッケージが記載されている。

特許文献２には、ダイボンド用の実装面を有する高熱伝導性の放熱基台と、放熱基台上に載置され、実装面の一部を露出する孔部および放熱基台の外周縁より外方に張り出す張出部を有する回路基板と、孔部を通して実装面上に実装される発光素子と、発光素子の上方を封止する透光性の樹脂体とを備え、張出部の外周縁に発光素子と導通する外部接続電極を設けた発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、プリント基板に開設された窓孔に放熱基台または封止枠体を通し、外部接続電極を窓孔の縁部に半田付けすることにより、プリント基板に実装される。

実開昭５７−０８８９４６号公報 特開２００６−００５２９０号公報

高い出射光量を得るためには、ＣＯＢのＬＥＤパッケージが共通の回路基板に複数個実装された発光装置が求められる。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、こうし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。この場合、回路基板を表裏の両面に配線パターンおよび接続電極を有する両面基板にする必要があり、また、機械的強度をもたせるために回路基板に適当なスペーサを設けて厚さを確保する必要もあるので、製造コストが高くなる。また、回路基板が厚くなるとその開口部の深さも大きくなるが、通常、回路基板には反射を考慮した特別な加工は施されていないので、開口部の内壁にＬＥＤパッケージからの光が当たることで光の損失が発生し、回路基板の上方への光取出し効率が低下する。

本発明の目的は、ＬＥＤパッケージが接続される回路基板として片面基板を使用可能にして発光装置の製造コストを削減するとともに、回路基板によるＬＥＤパッケージからの光取出し効率の低下を防止することである。

複数のＬＥＤパッケージと、複数の開口部が形成され、かつ複数のＬＥＤパッケージを外部電源に電気的に接続するための配線パターンが表側の片面に形成された回路基板とを有し、複数のＬＥＤパッケージのそれぞれは、複数の開口部のうちの１つに収納されるパッケージ基板と、パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子と、複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂と、パッケージ基板の対向する２つの端部に設けられ、回路基板における１つの開口部の縁部とパッケージ基板とに固定されることでパッケージ基板を１つの開口部内につり下げるとともに、複数のＬＥＤ素子と配線パターンとを電気的に接続する正負の端子として機能する一対の実装端子とを有する発光装置が提供される。

一対の実装端子は剛性を有し、複数のＬＥＤパッケージは、回路基板の厚さ方向に力が加えられたときに、一対の実装端子が変形することで厚さ方向に所定量だけ変位可能であり、厚さ方向に力が加えられていないときに、複数のＬＥＤパッケージのパッケージ基板の裏面は、所定量よりも少ない量だけ回路基板の裏面から突出していることが好ましい。

上記の発光装置は、回路基板の裏面側に固定され、複数の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、複数のＬＥＤパッケージのパッケージ基板の裏面は放熱基板に接触していることが好ましい。

一対の実装端子は、パッケージ基板に接続される第１の脚部、回路基板に接続される第２の脚部、ならびに第１および第２の脚部の上端同士を連結する連結部により構成される上に凸の形状を有することが好ましく、表面にスズめっきが施されたリン青銅で構成されることが好ましい。

複数のＬＥＤパッケージのパッケージ基板の側面に、パッケージ基板と回路基板とを電気的に絶縁するための樹脂が設けられていることが好ましい。

パッケージ基板と、パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子と、複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂と、パッケージ基板の対向する２つの端部に設けられ、開口部を有する回路基板における開口部の縁部に固定されることでパッケージ基板を開口部内につり下げるとともに、複数のＬＥＤ素子と回路基板の配線パターンとを電気的に接続する正負の端子として機能する一対の実装端子とを有するＬＥＤパッケージが提供される。

上記の発光装置およびＬＥＤパッケージによれば、ＬＥＤパッケージが接続される回路基板として片面基板が使用可能になるので発光装置の製造コストが削減されるとともに、回路基板によるＬＥＤパッケージからの光取出し効率の低下が防止される。

発光装置１の上面図および側面図である。 発光装置１の分解図である。 ＬＥＤパッケージ４の斜視図、上面図および断面図である。 発光装置１および比較例の発光装置１００の部分断面図である。

以下、図面を参照しつつ、発光装置およびＬＥＤパッケージについて説明する。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（Ａ）および図１（Ｂ）は、それぞれ、発光装置１の上面図および側面図である。図２は、発光装置１の分解図である。発光装置１は、回路基板２、放熱基板３およびＬＥＤパッケージ４を有し、例えば、照明器具、投光器またはイルミネーションなどのＬＥＤ光源として利用される。図示した例では、ＬＥＤパッケージ４の個数は４個であるが、発光装置内のＬＥＤパッケージ４の個数は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である。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、いずれも矩形の形状を有し、縦横２個ずつの格子状に配列している。図２に示すように、回路基板２の角部および中央付近には、複数のねじ穴１６が形成されている。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、ねじ穴１６に固定用のねじ１５が取り付けられることで、回路基板２と放熱基板３とは互いに固定されている。

回路基板２には、４個のＬＥＤパッケージ４を外部電源に電気的に接続するための配線パターン１３および接続電極１４ａ，１４ｂ（ＬＥＤパッケージ４の駆動用回路）が形成されている。回路基板２は、配線パターン１３と接続電極１４ａ，１４ｂが表（おもて）面のみに形成された片面配線の基板（片面基板）である。図示した例では、配線パターン１３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。接続電極１４ａ，１４ｂ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１３と接続電極１４ａ，１４ｂ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。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、ＬＥＤパッケージ４の斜視図、上面図および断面図である。各ＬＥＤパッケージ４は、パッケージ基板２０、ＬＥＤ素子３０、樹脂枠４０、封止樹脂５０および一対の実装端子６０を有するＣＯＢの発光部である。図３（Ｂ）は、実装端子６０が取り除かれたＬＥＤパッケージ４の斜視図であり、図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）のＩＩＩＤ−ＩＩＩＤ線に沿ったＬＥＤパッケージ４の断面図である。図３（Ｃ）の上面図では、樹脂枠４０を破線で示し、封止樹脂５０の記載を省略している。図１および図２に示すように、ＬＥＤパッケージ４は、回路基板２の開口部１２内に嵌め込まれ、実装端子６０を介して、開口部１２の縁部で回路基板２の配線パターン１３に固定され、開口部１２内につり下げられている。４個のＬＥＤパッケージ４が発光装置１の複数の発光部に相当する。

パッケージ基板２０は、金属基板２１と絶縁基板２２が貼り合わされた矩形の基板であり、回路基板２の開口部１２のうちの１つに収納される。金属基板２１は、ＬＥＤ素子３０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。金属基板２１の上面の中央はＬＥＤ素子３０の実装面であり、金属基板２１の裏面は放熱基板３に接触している。

絶縁基板２２は、例えば回路基板２と同様のガラスエポキシ基板であり、金属基板２１の上面に貼り付けられている。図３（Ｃ）および図３（Ｄ）に示すように、絶縁基板２２は、中央に矩形の開口部２２１を有し、開口部２２１を間に挟んだ長手方向の両側の上面に、配線パターン２３ａ，２３ｂを有する。絶縁基板２２の上面は、一部を除いてレジスト２５で覆われており、絶縁基板２２の上面において配線パターン２３ａ，２３ｂが露出している部分が接続電極２４ａ，２４ｂに相当する。配線パターン２３ａ，２３ｂおよび接続電極２４ａ，２４ｂは、ＬＥＤ素子３０を回路基板２の配線パターン１３に電気的に接続するためのものである。

図示した例とは異なり、パッケージ基板２０は、例えば１枚のセラミック基板であってもよい。この場合、そのセラミック基板は、上面にＬＥＤ素子３０が実装されるとともに配線パターン２３ａ，２３ｂが形成され、下面が放熱基板３に接触する基板であり、金属基板２１と絶縁基板２２の機能を兼ねる。

図３（Ｃ）および図３（Ｄ）に示すように、パッケージ基板２０の側面を含む外周部には、外周樹脂２６を設けることが好ましい。外周樹脂２６は、パッケージ基板２０と回路基板２とを電気的に絶縁させ、ＬＥＤパッケージ４の耐電圧を高める働きをする。外周樹脂２６は、必ずしもパッケージ基板２０の側面全体を覆っていなくてもよく、４つの側面のうちで、接続電極２４ａ，２４ｂおよび回路基板２上の配線パターン１３に近い短辺の２つの側面だけに設けられていてもよい。

ＬＥＤ素子３０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３０の発光波長帯域は特に限定されず、ＬＥＤ素子３０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３０は青色ＬＥＤであり、他のＬＥＤパッケージ４のＬＥＤ素子３０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３０の発光波長帯域が異なっていてもよい。

ＬＥＤ素子３０は、例えば透明な絶縁性の接着剤などで、開口部２２１内における金属基板２１の上面に固定されている。ＬＥＤ素子３０は、上面に１対の素子電極を有し、隣接するＬＥＤ素子３０の素子電極は、ワイヤ（ボンディングワイヤ）３１を介して相互に電気的に接続されている。図３（Ｃ）に示すように、ＬＥＤパッケージ４では、９個のＬＥＤ素子３０が、縦横３個ずつの正方格子状に配列して実装されており、直列数３個、並列数３個で、配線パターン２３ａと配線パターン２３ｂの間に直並列接続されている。これにより、各ＬＥＤ素子３０には、ワイヤ３１を介して電流が供給される。上記したＬＥＤ素子３０の個数、配置および接続関係は一例であり、これらは図示したものとは異なっていてもよい。

樹脂枠４０は、絶縁基板２２の開口部２２１の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された矩形の枠体であり、開口部２２１を縁取るように絶縁基板２２の上面に固定されている。樹脂枠４０は、封止樹脂５０の流出を防止するためのダム材であり、ＬＥＤ素子３０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。開口部２２１の形状は矩形に限らず、例えば円形であってもよく、この場合には、樹脂枠４０もその開口部に合わせて円形の形状を有してもよい。

封止樹脂５０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４０により囲まれた金属基板２１上の空間に充填されて、ＬＥＤ素子３０およびワイヤ３１を一体に被覆し保護（封止）する。封止樹脂５０は、例えば、青色ＬＥＤであるＬＥＤ素子３０によって励起されるＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）などの黄色蛍光体を含有する。この場合、ＬＥＤパッケージ４は、ＬＥＤ素子３０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。封止樹脂５０は、例えば、黄色蛍光体と赤色蛍光体などの２種類以上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。

実装端子６０は、図３（Ａ）に示すように、接続部６１，６２および連結部６３を有する。接続部６１は、その下面がパッケージ基板２０の上面に接続される第１の脚部であり、接続部６２は、その下面が回路基板２の上面に接続される第２の脚部である。連結部６３は、接続部６１と接続部６２の上端同士を連結する。これらにより、実装端子６０は、文字「Ｕ」を上下逆さまにしたような上に凸の形状を有する。実装端子６０は、パッケージ基板２０の長手方向の両端部に１つずつ設けられ、回路基板２における１つの開口部１２の縁部とパッケージ基板２０とに固定されることで、パッケージ基板２０をその開口部１２内につり下げる。

実装端子６０は、例えば、表面にスズめっきが施されたリン青銅で構成された導通部品であり、パッケージ基板２０の接続電極２４ａ，２４ｂ（すなわち、ＬＥＤ素子３０）と回路基板２の配線パターン１３とを電気的に接続する正負の端子として機能する。実装端子６０は、通常の半田リフローで溶融しないように、高融点半田およびＡｕＳｎなどで回路基板２およびパッケージ基板２０の上面に固定されている。さらに、実装端子６０は、剛性を有し、力が加えられたときに多少たわむことができる。このため、ＬＥＤパッケージ４は、回路基板２の厚さ方向に力が加えられたときに、実装端子６０の連結部６３が変形することで、その厚さ方向に所定量だけ変位可能である。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、発光装置１および比較例の発光装置１００の部分断面図である。図４（Ｂ）に示すように、発光装置１００は、回路基板２’、放熱基板３、ＬＥＤパッケージ４、スペーサ６および放熱シート７を有する。発光装置１００は、ＬＥＤパッケージ４が回路基板２’の裏面側から回路基板２’の開口部１２に実装されている点、回路基板２’が両面基板である点、および回路基板２’と放熱基板３の間にスペーサ６が、ＬＥＤパッケージ４と放熱基板３の間に放熱シート７がそれぞれ配置されている点が発光装置１とは異なる。発光装置１００のＬＥＤパッケージ４は、実装端子６０がない点を除けば発光装置１のものと同じであり、接続電極２４ａ，２４ｂ（図３（Ｂ）を参照）が回路基板２’の裏面に半田２５ａ，２５ｂで接続されている。

発光装置１００では、ＬＥＤパッケージ４を回路基板２’の裏面側から実装することにより、回路基板２’と放熱基板３の間に隙間ができるので、この隙間を埋め、回路基板２’の剛性を高めるために、スペーサ６が設けられている。スペーサ６は、例えばＦＲ−４を基材とするガラスエポキシ基板であり、回路基板２と放熱基板３の間に、例えば耐熱性の両面テープまたは接着材で固定されている。さらに、発光装置１００では、半田２５ａ，２５ｂの接続状態によってはパッケージ基板２０と放熱基板３の間に隙間ができるので、パッケージ基板２０が放熱基板３に確実に接触するように、弾性を有する放熱シート７が設けられている。

発光装置１００では、パッケージ基板２０の上面の接続電極２４ａ，２４ｂと接続するために、回路基板２’の表（おもて）面だけでなく裏面にも接続電極を設ける必要があり、したがって、回路基板２’を両面基板にする必要がある。これに対し、発光装置１では、ＬＥＤパッケージ４が回路基板２の表（おもて）面に接続されるので、回路基板２を片面基板にすることができ、その分、製造コストが削減される。

発光装置１００では、回路基板２’を厚くするとＬＥＤパッケージ４の上端が開口部１２内に埋もれ、開口部１２の内壁にＬＥＤパッケージ４からの光が当たることで光の損失が発生し得る。回路基板２’を薄くすると、回路基板２’にたわみが発生するので、それを防ぐためにスペーサ６が必要である。これに対し、発光装置１では、ＬＥＤパッケージ４が回路基板２の開口部１２に上方からつり下げられるので、開口部１２の内壁に起因する光の損失は発生しない。さらに、発光装置１では、発光装置１００のスペーサ６に相当するものは不要であり、ＬＥＤパッケージ４の高さのずれは実装端子６０により吸収されるため、発光装置１００の放熱シート７に相当するものも不要になる。したがって、発光装置１では、スペーサ６、それを貼り合わせるテープ、および放熱シート７を削減できるので、製造コストがさらに削減される。

発光装置１では、図４（Ａ）に示すように、回路基板２の厚さ方向に力が加えられていないときに、各ＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板２０（金属基板２１）の裏面は、回路基板２の裏面よりも下方に突出している。パッケージ基板２０と回路基板２の裏面の高さの差Δｄは、回路基板２の厚さ方向に力が加えられたときに、実装端子６０の連結部６３が変形することでＬＥＤパッケージ４がその方向に変位可能な量よりも少ない。このため、わずかな寸法のバラつきがあっても、回路基板２が放熱基板３に対してねじ止めされたときに、実装端子６０が変形することで、回路基板２とパッケージ基板２０の裏面を放熱基板３に確実に接触させることができる。

１ 発光装置
２ 回路基板
３ 放熱基板
４ ＬＥＤパッケージ
２０ パッケージ基板
３０ ＬＥＤ素子
４０ 樹脂枠
５０ 封止樹脂
６０ 実装端子

Claims (7)

1. 複数のＬＥＤパッケージと、
   複数の開口部が形成され、かつ前記複数のＬＥＤパッケージを外部電源に電気的に接続するための配線パターンが表側の片面に形成された回路基板と、を有し、
   前記複数のＬＥＤパッケージのそれぞれは、
   前記複数の開口部のうちの１つに収納されるパッケージ基板と、
   前記パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子と、
   前記複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂と、
   前記パッケージ基板の対向する２つの端部に設けられ、前記回路基板における前記１つの開口部の縁部と前記パッケージ基板とに固定されることで前記パッケージ基板を前記１つの開口部内につり下げるとともに、前記複数のＬＥＤ素子と前記配線パターンとを電気的に接続する正負の端子として機能する一対の実装端子と、を有する、
   ことを特徴とする発光装置。
2. 前記一対の実装端子は剛性を有し、
   前記複数のＬＥＤパッケージは、前記回路基板の厚さ方向に力が加えられたときに、前記一対の実装端子が変形することで前記厚さ方向に所定量だけ変位可能であり、
   前記厚さ方向に力が加えられていないときに、前記複数のＬＥＤパッケージの前記パッケージ基板の裏面は、前記所定量よりも少ない量だけ前記回路基板の裏面から突出している、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記回路基板の裏面側に固定され、前記複数の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、
   前記複数のＬＥＤパッケージの前記パッケージ基板の裏面は前記放熱基板に接触している、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記一対の実装端子は、前記パッケージ基板に接続される第１の脚部、前記回路基板に接続される第２の脚部、ならびに前記第１および第２の脚部の上端同士を連結する連結部により構成される上に凸の形状を有する、請求項２または３に記載の発光装置。
5. 前記一対の実装端子は、表面にスズめっきが施されたリン青銅で構成される、請求項２〜４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記複数のＬＥＤパッケージの前記パッケージ基板の側面に、前記パッケージ基板と前記回路基板とを電気的に絶縁するための樹脂が設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. パッケージ基板と、
   前記パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子と、
   前記複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂と、
   前記パッケージ基板の対向する２つの端部に設けられ、開口部を有する回路基板における前記開口部の縁部に固定されることで前記パッケージ基板を前記開口部内につり下げるとともに、前記複数のＬＥＤ素子と前記回路基板の配線パターンとを電気的に接続する正負の端子として機能する一対の実装端子と、
   を有することを特徴とするＬＥＤパッケージ。

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