JP2005005483A

JP2005005483A - 高輝度発光素子

Info

Publication number: JP2005005483A
Application number: JP2003167209A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Isoda; 寛人磯田
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】すぐれた放熱特性を有し経年劣化を抑えて長期安定動作を確保出来る高輝度発光素子を提供する。
【解決手段】熱伝導性を有する基台１１と、該基台１１の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップ１３と、基台１１の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材１７と、該枠状断熱部材１７を介して配置され内部に空洞部１８を形成する放熱部材１６とを有し、発光素子チップ１３で発生した熱を外部に放出すべく、前記基台１１と前記放熱部材１６とが前記枠状断熱部材１７を介して接合されることによって形成される気密性を有する容器２０を備え、該容器２０の内部に作動流体１９が封入されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子チップを搭載した高輝度発光素子に係わり、更に詳しくは放熱性を向上させるために改良した高輝度発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光素子チップとして化合物半導体であるＬＥＤチップは、長寿命や小型化の特徴を生かして発光素子として幅広く利用されている。また、窒化ガリウム系化合物半導体等による青色を発光するＬＥＤチップが開発され製品化されたことにより、その応用分野はカラー表示装置にまで広がり、携帯電話の小型カラーバックライト装置や車載用表示装置、更に高輝度高出力の照明用発光装置へとますます応用分野が拡大し、更なる高輝度、長寿命等が求められている。
【０００３】
特に近年は、ＬＥＤチップを用いた表面実装タイプの発光素子が、小型化や優れた量産性を特徴として数多く製品化されている。しかし、これらの発光素子を高輝度高出力の用途で使用する場合、放熱対策が問題になる。ＬＥＤチップは一定の動作領域まで駆動電流と輝度がほぼ比例関係にあるので、高輝度を得るためには駆動電流を増やせばよい。しかし、駆動電流を増やすとそれに比例してＬＥＤチップでの電力損失が増加し、大部分のエネルギーは熱に変換されてＬＥＤチップの温度は上昇し高温となる。ここでＬＥＤチップはその特性として、温度が低いほど発光効率（すなわち電流一光変換効率）が高いので、ＬＥＤチップが高温になると発光輝度は低下するという間題が生じる。また、ＬＥＤチップの動作寿命も高温動作になるほど短くなり、更には、ＬＥＤチップを封止している透過性の樹脂が熱による変色で透明度を低下させる等の問題もあり、高輝度高出力用途としては寿命や信頼性に大きな問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決するためには発光素子の放熱対策が不可欠であり、放熱手段としていくつかの提案がなされている。その一つは、熱伝導性を有する金属材料からなる一対の導電部材を絶縁部材で固着し、ＬＥＤチップを該一対の導電部材にまたがって実装させた発光素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。以下、図４に基づいて従来の発光素子を説明する。図４に於いて従来の表面実装タイプの発光素子１は、熱伝導性を有し金属材料から成る一対の導電部材２ａ、２ｂと、該一対の導電部材２ａ、２ｂを電気的に分離し固着する絶縁部材３と、ＬＥＤチップ４と、ＬＥＤチップ４を封止する透光性を有する封止部材５とからなる。
【０００５】
絶縁部材３は、その中央付近に凹部３ａを有し、導電部材２ａ、２ｂの一部が露出されている。ＬＥＤチップ４は、絶縁部材３の凹部３ａに配置され、絶縁部材３の凹部３ａから露出する一対の導電部材２ａ、２ｂにまたがって実装され、導電部材２ａ、２ｂと電気的に結合されると共に熱的にも結合される。
また、プリント基板６には導電パターン６ａ、６ｂが形成されており、この導電パターン６ａ、６ｂと発光素子１の導電部材２ａ、２ｂとを電気的に接続させプリント基板６に発光素子１を実装する。
ここで導電パターン６ａ、６ｂからＬＥＤチップ４に駆動電流を流すとＬＥＤチップ４は発光するが、同時にＬＥＤチップ４には電力損失が発生して発熱する。この熱はＬＥＤチップ４と熱的に結合している導電部材２ａ、２ｂに効率よく伝達されるので、プリント基板６が熱伝導性の優れた材料であれば、効率の良い放熱を実現することが出来る。
【０００６】
他の放熱の手段としては、基板にヒートパイプを取り付けた形態のものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。ヒートパイプは密封された空洞部を備えており、その空洞部に収容された作動流体の相変態と移動により熱の輸送が行われるものである。もちろん、ヒートパイプを構成する容器を熱伝導することで運ばれる熱もあるが、ヒートパイプは主に作動流体による熱移動作用を意図した熱移動装置である。ヒートパイプの作動について簡単に記すと次のようになる。ヒートパイプの吸熱側において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた熱により作動流体が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの放熱側に移動する。放熱側では作動流体の蒸気は冷却され再び液相状態に戻る。そして液相に戻った作動流体は再び吸熱側に移動する。このような作動流体の相変態や移動により、熱の移動がなされる。
【０００７】
ヒートパイプ内の作動流体としては通常、水や水溶液、アルコール、その他有機溶剤等が使用される。特殊な用途としては水銀を作動流体に用いる場合もある。前述したようにヒートパイプは内部の作動流体の相変態等の作用を利用するものであるから、密封された内部への作動流体以外のガス等の混入をなるべく避けるように製造されることになる。このような混入物は通常、製造途中に混入する大気（空気）や作動流体中に溶存している炭酸ガス等である。
【０００８】
以下、図５、図６に基づいてヒートパイプを取り付けた発光素子の従来例について説明する。図５は斜視図、図６は側面断面図を示す。ＬＥＤモジュールＭは矩形の基板７の一面に多数の凹所８を列設し各凹所８内にＬＥＤチップ１０を実装するとともに、各凹所８の下を通過するヒートパイプ９を設けて構成される。ここで基板７を樹脂成形基板で構成すれば、基板７の成形時にヒートパイプ９をインサート成形することでＬＥＤモジュールＭを製作することができる。前述した基板がプリント基板の場合はＬＥＤチップ１０を実装した面と対向する面に凹部を設け、この凹部にヒートパイプを配置する。このように基板７内でＬＥＤチップ１０の下にヒートパイプ９を通すことによりＬＥＤチップ１０を冷却することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３０７８２０号（第３頁、図１−図７）
【特許文献２】
特開平１１−１６３４１０号（第３頁、図５−図６）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４で示した発光素子１は、プリント基板６に熱伝導性のすぐれたメタルコア基板等を用いれば放熱効果を期待できるが、メタルコア基板は熱の拡散に抵抗が生じ結果としてＬＥＤチップの温度上昇が起こる。特に高輝度ＬＥＤチップは発熱量が多く１２０℃を越えるとジャンクションの熱劣化が発生するが、この対策としてＭＰＵ等のファンを使って空冷を行う事は可能だが音の問題や構造の複雑化につながるという問題があった。
【００１１】
また、図５、図６に示したＬＥＤモジュールＭは、ヒートパイプ９とＬＥＤチップ１０の間に樹脂成形基板の一部が介在するため十分な放熱効果を発揮できないという問題があった。特に高輝度ＬＥＤチップが実装される場合、発熱量が多くなると共に発熱密度も高くなる。発熱密度が高くなるとヒートパイプの性能も熱を移動するだけでなく高密度の熱流速を低密度に拡散するという熱の拡散に関する要求にも対応しなければならず、この点においても十分な対応が出来ないという問題がある。さらに、ＬＥＤチップが実装された基板は様々な向きに配置される場合があり、ヒートパイプも様々な向きに配置された状態で性能を発揮しなければならないが、この点においても充分な対応が出来ないという問題があった。
【００１２】
（目的）
本発明は、上記課題を解決し、すぐれた放熱特性を有し経年劣化を抑えて長期安定動作を確保出来るとともに、高輝度化を実現し併せて様々な向きに配置される場合に対応可能な高輝度発光素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の高輝度発光素子は、下記記載の構成を採用する。
【００１４】
本発明の高輝度発光素子は、熱伝導性を有する基台と、該基台の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップと、基台の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材と、該枠状断熱部材を介して配置され内部に空洞部を形成する放熱部材とを有し、発光素子チップで発生した熱を外部に放出すべく、基台と放熱部材とが枠状断熱部材を介して接合されることによって形成される気密性を有する容器を備え、該容器の内部に作動流体が封入されていることを特徴とする。
【００１５】
また、容器を形成する放熱部材の外側の面に放熱面積を大きくするための放熱凹部又は放熱凸部が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、容器の内部にウィックが設けられていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態における高輝度発光素子の断面図を示し、発光素子チップとしてＬＥＤチップを１個搭載した例を示し、図２は、複数のＬＥＤチップを搭載した例を示す。また、図３は、本実施形態における高輝度発光素子の放熱作用を説明するための図である。本実施形態における高輝度発光素子は、ヒートパイプ技術を応用して発光素子の高輝度化を実現することを特徴とする。以下、本発明の実施形態における高輝度発光素子について図１から図３を用いて説明する。
【００１８】図１に示すように、本実施形態における高輝度発光素子は、熱伝導性を有する基台１１と、基台１１の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップとしてのＬＥＤチップ１３と、基台１１の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材１７と、枠状断熱部材１７を介して配置され内部に空洞部１８を形成する放熱部材１６とを備えている。更にＬＥＤチップ１３で発生した熱を外部に放出するために、基台１１と放熱部材１６とが枠状断熱部材１７を介して接合することによって形成する気密性を有する容器２０を備えており、この容器２０の内部に作動流体１９が封入されている。
【００１９】
本実施形態においてヒートパイプの役割を果たす容器２０を構成する基台１１、放熱部材１６の材質は特に限定されるものではないが、熱伝導性に優れる銅材やアルミニウム材を用いることが望ましく本実施形態においては銅材を使用した。基台１１の一方の面に配置されるＬＥＤチップ１３はエポキシ樹脂等により接合され熱伝達可能に実装されている。また、ＬＥＤチップ１３は駆動電流を供給するためのリードフレーム１２ａ、１２ｂと金属細線からなるワイヤー１４ａ、１４ｂでそれぞれ電気的に接続されている。更に、ＬＥＤチップ１３は透光性を有する封止部材１５によって封止されている。一方、基台１１の他方の面は、放熱部材１６とガラス材からなる枠状断熱部材１７で溶着接合されると共にシーリングされる。これによって密封された空洞部１８が形成される。
【００２０】
この空洞部１８内には作動流体１９が封入されている。作動流体１８は容器２０を形成する部材、即ち基台１１、放熱部材１６、枠状断熱部材１７等の材質との適合性その他を考慮して選定すれば良く、例えば水（沸点１００℃）、エタノール（沸点７８．６℃）、アセトン（沸点５６．６℃）等が適用できる。これらの温度特性に応じた循環冷却水を使用することによりＬＥＤチップの過度の発熱を抑えることができる。本実施形態においては水を使用した。また、作動流体１９の蒸発、凝縮の相変化がなされやすいように、空洞部１８の内部は洗浄や、真空脱気等がなされている。
【００２１】
更に、図示していないが空洞部１８の中にウィックとしてメッシュを設けている。メッシュとは通常は網状のシートを指す。メッシュを設けることで、その毛細管作用による作動流体１９の還流効果が期待でき、熱移動性能が一層向上する。また、容器２０を形成する放熱部材１６の外側の面に放熱面積を大きくするための放熱凸部１６ａが形成されている。これは、所謂放熱フィンであり、形状は放熱面積を大きくするための凹部であっても良い。
【００２２】
次に図３を用いて、本実施形態における高輝度発光素子の冷却作用について説明する。図３（ａ）に示すようにＬＥＤチップ１３が発熱すると、この熱が基台１１に伝わり基台１１の温度が上昇する。これに伴い空洞部１８の内部では基台１１に接している作動流体１９としての水が気化する。この気化した蒸気は図３（ｂ）に示すように放熱部材１６の内壁に接し冷却されて液化し、水滴２１となる。放熱部材１６は、前述したように放熱フィンとしての放熱凸部１６ａを有しており、これによって気化した蒸気が効率よく冷却される。次に図３（ｃ）に示すように、放熱部材１６の内壁に生じた水滴２１は、基台１１側に環流し再び作動流体１９として作用することになる。この時、図示していないが空洞部１８の中にウィックとして設けるメッシュの毛細管作用により作動流体１９の還流効果が促進され熱移動性能が一層向上するようになっている。
【００２３】
以上のように、本実施形態における高輝度発光素子は、ＬＥＤチップ１３を熱伝導性を有する基台１１に熱的結合して実装し、且つヒートパイプの作動原理を応用し放熱部材１６とその内部に作動流体１９を封入した容器２０を備えることによって、ＬＥＤチップ１３で発生した熱を周囲の空気層等に効率よく放熱することが可能である。この結果、発熱によるジャンクション劣化を抑えＬＥＤ１３の超寿命化を実現すると共に、ＬＥＤチップ１３の温度上昇を最小限に抑え、大電流の駆動に充分耐えられ高輝度発光素子を提供することが出来る。
【００２４】本実施形態においては１個のＬＥＤチップを搭載した例で説明したが複数のＬＥＤチップを搭載することが可能であり図２にその例を示す。尚、搭載できるＬＥＤチップの数は２個に限定されることはなく広い面上に多数のＬＥＤチップを配置することも容易であり、この場合も同様の効果を得ることが出来る。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明における高輝度発光素子は、発光素子チップの発熱密度が高い場合にも優れた放熱特性を有し経年劣化を抑えて長期安定動作を確保出来るとともに、高輝度化を実現し併せて様々な向きに配置される場合に対応可能な高輝度発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における高輝度発光素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における他の例を示す高輝度発光素子の概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における高輝度発光素子の作用を説明するための概略断面図である。
【図４】従来技術における発光素子を示す斜視図である。
【図５】従来技術におけるヒートパイプを取り付けた発光素子を示す斜視図である。
【図６】図５における発光素子の断面図である。
【符号の説明】
１発光素子
２ａ、２ｂ導電部材
３絶縁部材
３ａ絶縁部材の凹部
４ＬＥＤチップ
５封止部材
６プリント基板
６ａ、６ｂ導電パターン
７基板
８基板の凹所
９ヒートパイプ
１０ＬＥＤチップ
１１基台
１２ａ、１２ｂリードフレーム
１３ＬＥＤチップ
１４ａ、１４ｂワイヤー
１５封止材
１６放熱部材
１６ａ放熱部材の凹凸部
１７枠状断熱部材
１８空洞部
１９作動流体
２０容器
２１水滴

Claims

熱伝導性を有する基台と、該基台の一方の面に熱伝達可能に実装される発光素子チップと、前記基台の他方の面の外周部に配置される枠状断熱部材と、該枠状断熱部材を介して配置され内部に空洞部を形成する放熱部材とを有し、前記発光素子チップで発生した熱を外部に放出すべく、前記基台と前記放熱部材とが前記枠状断熱部材を介して接合されることによって形成される気密性を有する容器を備え、該容器の内部に作動流体が封入されていることを特徴とする高輝度発光素子。
前記容器を形成する放熱部材の外側の面に放熱面積を大きくするための放熱凹部又は放熱凸部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の高輝度発光素子。
前記容器の内部にウィックが設けられていることを特徴とする請求項１記載の高輝度発光素子。