JP2007142173A

JP2007142173A - 照明装置

Info

Publication number: JP2007142173A
Application number: JP2005334271A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Aoki; 和夫青木; Yukio Yoshikawa; 幸雄吉川; Takekazu Ujiie; 建和氏家
Original assignee: Koha Co Ltd
Current assignee: Koha Co Ltd
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な照明を可能とする照明装置を提供する。
【解決手段】高い熱伝導性と透光性を有する基板と、基板に実装された発光素子と、発光素子を覆い発光素子からの出射光を反射して前記基板を透過させる反射部材とを有する構成とする。基板を、窒化アルミニウム、サファイア、酸化ガリウム、又は、ＳｉＣ基板とすると、放射率が大きいため、発光素子を大電流領域で使用しても効率的に熱を放射することができ、高輝度の照明が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関し、特に、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を透光性を有する基板に実装して構成される照明装置に関する。

環境問題、特にエネルギー削減において低消費電力であるＬＥＤは、今後照明用としての需要が見込まれる。照明用のためには従来の数十ミリアンペアでは、蛍光灯と比較して明るさが不十分である。そのため、十分な明るさを確保するには、数百ミリアンペアの領域での使用が必須となる。しかし、数百ミリアンペアを流すと、熱の問題が発生するため、パッケージングにおいて、効率よく熱を逃がす必要がある。

従来の方法では、基板下にヒートシンクなどを置いて熱を逃がしたり、強制冷風の方法を用いていたが、いずれの方法においても、厚み方向においてスペースが必要となるため、照明器具としても大きくなるという問題がある。また、実装面から効率よくＬＥＤからの光を照射させることが必要である。

従来のＬＥＤパッケージングは、配線パターンが形成された絶縁層にＬＥＤをマウントし、絶縁層下には熱伝導性のよい金属基板を装着した照明装置が提案されている。

そこで、金属基板としては、金属板に絶縁層及び導電性金属箔を順に積層してなる積層物の導電性金属箔をエッチングして導電回路を形成した金属ベース回路基板の金属板の裏面、側面および導電回路の表面にニッケルめっきまたは金めっきを施した金属ベース回路基板が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

また、金属ベ−スと、片面に絶縁体を介して設けられた電極とを具備し、絶縁体が第１絶縁層と第２絶縁層とからなり、第１絶縁層がガラス繊維不織布に酸化アルミニウム等からなる無機充填剤混合樹脂を塗布したもので、第２絶縁層が芳香族ポリアミド繊維不織布もしくはガラス繊維混抄芳香族ポリアミド繊維不織布に熱硬化性樹脂を塗布含浸した回路用金属基板が提案されている(例えば、特許文献２参照)。
特開平０６−１２５１５５号公報特開平０８−２３６８８４号公報

しかし、従来の装置によれば、発光素子が実装される基板は熱伝導率が小さく、熱抵抗が大きいので放熱効果が悪い。このため、ヒートシンクなどを置いて熱を逃がしたり、強制冷風等が必要となり、照明装置の大きさ、特に厚さ方向に大型化すると共に、発光素子を大電流領域で使用できず、高出力化にも限界が生じていた。

従って、本発明の目的は、熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な照明装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、高い熱伝導性と透光性を有する基板と、前記基板に実装された発光素子と、前記発光素子を覆い前記発光素子からの出射光を反射して前記基板を透過させる反射部材とを有することを特徴とする照明装置を提供する。

また、前記基板は、窒化アルミニウム、サファイア、酸化ガリウム、又は、ＳｉＣ基板であってもよく、また、前記発光素子は、ＬＥＤであってもよく、また、前記発光素子は、フリップチップ型のＬＥＤであってもよい。また、前記反射部材は、蛍光体層を有するものであってもよく、シールドが可能な無機材料により形成されていてもよい。また、前記基板は、ＬＥＤ基板と同一であってもよい。また、前記ＬＥＤは、前記反射部材の方向へ前記ＬＥＤからの出射光を反射させる反射層を有するものであってもよい。

本発明の照明装置によれば、熱抵抗が小さくヒートシンクなどを使用しなくても放熱効果が高く、発光素子を大電流領域で使用可能で高出力化にも対応可能な照明装置を可能とすることができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置を示す図である。図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る照明装置の構成を断面図で示すものであり、（ｂ）は、ＬＥＤで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路である。

第１の実施の形態に係る照明装置１０は、透光性基板１に発光素子としてＬＥＤ２が実装され、ＬＥＤ２を覆うように反射板７が透光性基板１に装着されている。発光素子としては、ＬＥＤの他に、レーザ等の光を出射するものであれば本装置に適用できる。

透光性基板１は、ＬＥＤ２の出射する光の波長が透過するものであれば良いが、窒化アルミニウムを基板状に形成したものが好ましい。その他、サファイア、酸化ガリウム、又は、ＳｉＣ基板であっても同様に使用できる。この窒化アルミニウム基板等は、熱伝導性に優れたセラミックで、高強度、低熱膨張性、高い電気絶縁性、小さい誘電率を有する。

ＬＥＤ２は、クリアペースト６により透光性基板１に空気層を介することなく密着して固着され、透光性基板１に所定のパターンで配線された配線パターン３とＬＥＤ２の２つの電極５を配線４で電気的に接続されている。また、ＬＥＤ２は、透光性基板１上に半導体層を結晶成長させて発光素子として形成することも可能であるので、透光性基板１をＬＥＤ２の基板と同一のものとすることもできる。

反射板７は、ＬＥＤ２からの出射光を照明方向に反射させる反射部材の一実施形態であって、ＬＥＤ２を覆う内部側は、反射しやすいようにＬＥＤ２の出射する光の波長を反射する反射部７ａが形成されているのが好ましい。反射板７の形状は、ＬＥＤ２から出射する光を均等に透光性基板１の方向に反射するものが好ましい。反射部７ａは、反射膜のスパッタ、反射層の塗布、反射シートの貼り付け、メッキ等により形成される。また、反射板７をシールドが可能な無機材料により形成することもでき、不要な電磁波の放射を防止あるいは軽減できる。

尚、上記の説明、及び、図１では、照明装置１０は、透光性基板１にＬＥＤ２が1個実装され、それに対応して反射板７が装着されたものを示したが、これに限らず、透光性基板１にＬＥＤ２を複数実装し、各ＬＥＤ２を各々反射板７が覆うように装着してもよく、また、複数のＬＥＤ２を一括して反射板７が覆うように装着してもよく、また、これらの組合せによって照明装置１０を構成するようにしてもよい。

図２は、第１の実施の形態の変形例を示すもので、複数のＬＥＤ２を透光性基板１に実装し、複数のＬＥＤ２を一括して反射板７で覆うように構成した照明装置を示す図である。

（第１の実施の形態による作用効果）
図３は、本発明の第１の実施の形態の作用効果を示す図である。図３において、ＬＥＤ２からの光は下及び斜め下の方向に出射される。出射された光は、反射板７により反射され、透光性基板１を透過して図３の上方向、すなわち、照明対象に向う方向に照射される。ＬＥＤ２からの光は、所定の放射角で出射するので、反射板７の形状を適切に決めることにより、ＬＥＤ２から出射する光を均等に透光性基板１の方向に反射させ、透光性基板１を透過して照明される光をより均一なものにすることができる。

また、透光性基板１に窒化アルミニウムを用いた場合、窒化アルミニウムはアルミニウムに匹敵する高熱伝導率を有するため、熱抵抗が小さく、ＬＥＤ２で発生する熱が窒化アルミニウムの基板を通して拡散されるので、ＬＥＤ２の放熱に有利な効果を有する。

また、窒化アルミニウムの放射率は大きいため、ＬＥＤ２を大電流領域で使用しても、効率的に熱を放射することができ、高輝度の照明が可能となる。

また、窒化アルミニウムの基板は、数十ｋＶ／ｍｍの絶縁耐圧を有すると共に高強度であるため、基板厚を薄くすることが可能となり、かつ、基板上にダイレクトにメタライズが可能となる効果を有する。

（従来例との比較）
図４は、従来の照明装置を示す図である。図４（ａ）は、従来の照明装置の構成を断面図で示すものであり、（ｂ）は、ＬＥＤで発生する熱の放熱モデルを示す等価熱回路である。

図４（ａ）において、従来の照明装置は、エポキシ樹脂で形成された絶縁基板１０１ａとアルミ基板１０１ｂとが貼り合わされた実装基板上に、ＬＥＤ１０２がクリアペースト１０６により絶縁基板１０１ａに空気層を介することなく密着して固着され、絶縁基板１０１ａに所定のパターンで配線された配線パターン１０３とＬＥＤ１０２の２つの電極１０５を配線１０４で電気的に接続されている。

ここで、図１（ｂ）に示した第１の実施の形態に係る照明装置のＬＥＤで発生する熱の放熱モデルと、図４（ｂ）に示した従来の照明装置のＬＥＤで発生する熱の放熱モデルとを比較する。各図の点線で囲まれた部分の熱抵抗を比較する。実装面１０ｍｍ×１０ｍｍ、ＬＥＤと基板の接合部でのジャンクション温度１００℃、周囲温度３０℃と仮定する。

従来の照明装置における実装では、エポキシ樹脂で形成された絶縁基板１０１ａからアルミ基板１０１ｂまでの伝導による熱抵抗は、Ｒ_１０１ａ＋Ｒ_１０１ｂ＝２．８℃／Ｗ、放射、自然対流による熱抵抗は、Ｒ_１０８とＲ_１０９を合成して、７７４．４６℃／Ｗである。よって、卜一タルの熱抵抗７７７．２６℃／Ｗとなる。

一方、窒化アルミニウム基板の場合では、伝導による熱抵抗は、Ｒ_１＝０．１５℃／Ｗ、放射、自然対流による熱抵抗は、Ｒ_８とＲ_９を合成して３３２．７９℃／Ｗである。よって、トータルの熱抵抗は３３２．９４℃／Ｗとなる。

従って、窒化アルミニウム基板の伝導による熱抵抗は、従来の実装基板における伝導による熱抵抗のおよそ１／１５０に減少する。さらに窒化アルミニウム基板は高放射性を有することから、自然対流と放射を含めたトータルの熱抵抗が従来実装に比べて、５７％減少する。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、以下の効果を有する。
１窒化アルミニウム基板は、高熱伝導率（アルミニウムに匹敵）を有するため、熱抵抗が小さい。
２数十ｋＶ／ｍｍの絶縁耐圧を有し、かつ、高強度であるため、基板厚を薄くすることが可能、かつ、基板上にダイレクトにメタライズが可能となる。
３高放射率を有するため、効率的に熱を放射することが可能となり、大電流領域で使用できる。
４透光性基板に反射板を付けることによって、基板の裏面方向に効率よく光を放射することが可能となる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置を示す図である。窒化アルミニウムを基板状に形成した透光性基板１に、ＬＥＤ２がクリアペースト６により空気層を介することなく密着して固着され、透光性基板１上に所定のパターンで配線された配線パターン３とＬＥＤ２の２つの電極５をはんだペースト８によりはんだ付け処理が施されて電気的に接続されている。すなわち、上記のＬＥＤ２は、フリップチップ型の発光素子として構成され、透光性基板１に実装されている。

また、図５では、照明装置１０は、透光性基板１にＬＥＤ２が1個実装され、それに対応して反射板７が装着されたものを示したが、これに限らず、透光性基板１にＬＥＤ２を複数実装し、各ＬＥＤ２を各々反射板７が覆うように装着してもよく、また、複数のＬＥＤ２を一括して反射板７が覆うように装着してもよく、また、これらの組合せによって照明装置１０を構成するようにしてもよい。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、次のような効果を有する。

フリップチップ型の発光素子を、透光性基板１に実装することで、ＬＥＤ２で発生した熱は、主にはんだペースト８を介して透光性基板１へ伝導して外部へ放熱される。配線４に比べて断面積の大きなはんだペースト８を熱が伝導するので、効率的に熱を逃がすことができ、放熱効果が大きい。これにより、さらに大電流領域で使用することができる。

また、配線４を使用しないので、実装工数の削減と、照明装置としての信頼性が向上する。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る照明装置を示す図である。この実施の形態は、第１の実施の形態に係る照明装置において、ＬＥＤ２と透光性基板１の間に反射層２１を設け、また、反射板７の内面に蛍光体層２２を設けたものである。この構成によれば、第１の実施の形態の効果に加え、反射層２１により放射率がさらに向上すると共に、蛍光体層２２により可視光としての放射量がさらに向上するという効果を有する。

（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る照明装置を示す図である。この実施の形態は、第２の実施の形態に係る照明装置において、反射板７の内面に蛍光体層２３を設けたものである。この構成によれば、第２の実施の形態の効果に加え、蛍光体層２３により可視光としての放射量がさらに向上するという効果を有する。また、第３の実施の形態と同様に、ＬＥＤ２の上層部に反射層を設けることもでき、これにより、放射率をさらに向上させることができる。

（第５の実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態に係る照明装置を示す図である。この実施の形態は、第１〜４の実施の形態に係る照明装置において、反射板７の形状を放物線形状としたものである。この構成によれば、ＬＥＤ２と反射板７の位置関係により、照明方向を平行、発散、あるいは集束光をすることができ、方向性を備えた照明装置を可能とすることができる。また、ＬＥＤ２と透光性基板１の間に反射層２１を設け、また、反射板７の内面に蛍光体層を設けることもできる。この構成によれば、反射層２１により放射率がさらに向上すると共に、蛍光体層により可視光としての放射量がさらに向上するという効果を有する。

本発明の第１の実施の形態に係る照明装置を示す図である。第１の実施の形態の変形例を示すもので、複数のＬＥＤ２を透光性基板１に実装し、複数のＬＥＤ２を一括して反射板７を覆うように構成した照明装置を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の照明作用を示す図である。従来の照明装置を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る照明装置を示す図である。本発明の第３の実施の形態に係る照明装置を示す図である。本発明の第４の実施の形態に係る照明装置を示す図である。本発明の第５の実施の形態に係る照明装置を示す図である。

符号の説明

１透光性基板
２ＬＥＤ
３配線パターン
４配線
５電極
６クリアペースト
７反射板
８はんだペースト
１０照明装置
２１反射層
２２，２３蛍光体層

Claims

高い熱伝導性と透光性を有する基板と、前記基板に実装された発光素子と、前記発光素子を覆い前記発光素子からの出射光を反射して前記基板を透過させる反射部材とを有することを特徴とする照明装置。
前記基板は、窒化アルミニウム、サファイア、酸化ガリウム、又は、ＳｉＣ基板であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記発光素子は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記発光素子は、フリップチップ型のＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記反射部材は、蛍光体層を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記反射部材は、シールドが可能な無機材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記基板は、ＬＥＤ基板と同一であることを特徴とする請求項３又は４に記載の照明装置。
前記ＬＥＤは、前記反射部材の方向へ前記ＬＥＤからの出射光を反射させる反射層を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の照明装置。