JP4269790B2 - 発光素子、照明装置、投射型表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子及びこれを備えた照明装置、投射型表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のプロジェクタ(投射型表示装置)では、その光源として、古くはハロゲンランプ、近年は高輝度高効率である高圧水銀ランプ(UHP)が多く用いられてきた。放電型のランプであるUHPを用いた光源は高圧の電源回路を要し、大型で重く、プロジェクタの小型軽量化の妨げになっていた。また、ハロゲンランプよりは寿命が長いものの依然短寿命である他、光源の制御(高速の点灯、消灯、変調)が略不可能で、また立ち上げに数分という長い時間を要していた。
【0003】
そこで最近、新しい光源としてLED発光素子が注目されている。LEDは超小型・超軽量、長寿命である。また、駆動電流の制御によって、点灯・消灯、出射光量の調整が自由にできる。この点でプロジェクタの光源としても有望であり、既に小型・携帯用の小画面プロジェクタへの応用開発が始まっている(例えば、特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−112031号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在のところLEDを光源とするプロジェクタにおいて十分な輝度を得ることは難しい。これは、LEDは効率の点でまだUHPの1/2〜1/3程度であり、定格いっぱいの電流を注入しても得られる光量が小さいからである。めざましい技術革新によって上記効率は年々着実に向上しつつあり、数年後には現在のUHP並みのレベルに達する可能性もあるが、少なくとも近い将来、製品化可能なLED光源プロジェクタにおいては、状況は変わらないであろう。なお、光量を稼ぐのにLEDをアレイ化する方法があるが、これは発光点が大きくなることによる光学系としての照明光率の低下を招くので、あまり効果は得られない。
【0006】
そこで、残された方法として考えられるのは、LEDの発光量を増やすことである。しかしながら、これは上記の通りLEDの定格の制約があり、最大光量は定格と効率で自動的に決まっている。LEDの定格電流を決めているのは主に発熱量である。
【0007】
従来のLEDの構造の例を図3に示す。LEDは2極の素子であり、図3のように、電極102a,p層102b,発光層102c,n層102d,電極102eを順に積層したチップ102が基板101(高出力LEDでは、前記基板は多くの場合放熱器を兼ねている)に実装されている。また、電極102a,102eと、外部接続端子であるリードフレーム104,103とを接続するために、電極102a,102eからそれぞれボンディングワイヤ106,105が引き出されている。そして、これらのチップ102やワイヤ105,106等を内包するようにレンズ体107が設けられている。
【0008】
ここで、図3の構成では2極ともボンディングワイヤ105,106を用いているが、前記放熱器は多くの場合導体であることを用いて、基板101(=放熱器)そのものを一方の極の端子とする場合もある。その場合、ボンディングワイヤは1本(即ち、ワイヤ105のみ)となる。
【0009】
従来のLEDでは、図3のようにチップ102の片側(即ち、基板101との接続面である第1の電極102a側)から放熱する構成となっており、十分な放熱効果が得られていなかった。よって発熱によるチップ102へのダメージのため、定格電流を大きくできず、最大光出力も小さくなっていた。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、放熱効率を高めた発光素子、及びこれを備えた照明装置、投射型表示装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述のように従来の構成では発光体の放熱が一面側のみで行なわれ、もう一方の面での放熱は十分になされていなかった。そこで、本発明者はこの他方の面での放熱効率を高めるべく、ボンディングワイヤを積極的に放熱に関与させる構造を創案した。
すなわち、上記目的を達成するために、本発明の発光素子は、放熱体の上に第1の電極と発光層と第2の電極とを順に積層してなり、上記第2の電極が、熱伝導率が400/W・m−1・K−1以上であるボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続されたことを特徴とする。
【0011】
ここで、現状の技術ではLEDの外部量子効率は20〜30lm/Wであり、一般に注入電力の数%しか光エネルギーとして取出すことができない。即ち、注入電力の殆どが熱になると考えてよい。また、LEDの効率は温度上昇により低下するが、最も低下率の高い赤が30%低下するのを使用上の限度とすると、ジャンクション温度の温度上昇は60℃以内としなければならない。2wのLEDを使用し、前記の通りその殆どが熱になるとすれば、放熱路のトータルの熱抵抗は30℃/W以下である必要がある。
【0012】
多くの熱はチップの前記基板側から伝達することが可能であるが、例えばその50%に相当する量、即ち1w相当の熱をボンディングワイヤから伝達できれば大きな放熱効率の向上となる。この場合、ボンディングワイヤを通る放熱路のトータルの熱抵抗は60℃/W以下ならばよい。ボンディングワイヤ以降のパッケージ等の熱抵抗を50℃/W程度に設計するのは可能であり、この場合ボンディングワイヤ分の熱抵抗は10℃/Wとすればよくなる。ボンディングワイヤの太さとして許される断面積を2.5mm2(これを複数本に分けた場合はその総面積)、長さを10mmとする。熱伝導率が400/W・m−1・K−1であれば、熱抵抗は(熱伝導率*断面積/長さ)の逆数であるから、その値は10℃/wとなる。よって、ボンディングワイヤの熱伝導率が400/W・m−1・K−1ならば、光量の低下を30%以下に抑えることができる。
【0013】
したがって、本構成によれば、第2の電極に対して熱抵抗の小さいボンディングワイヤが熱的に接続されているため、放熱体と反対側の面において大きな放熱効果を期待できる。
【0014】
ところで、ボンディングワイヤの熱抵抗を下げるためには、ワイヤを太く(即ち、断面積を大きく)する必要がある。この場合、ワイヤが発光面(第2の電極)を広く覆ってしまうと発光輝度が大幅に低下するため、ワイヤの平面形状は極力小さくすることが好ましい。具体的には、ボンディングワイヤを偏平形状とし、偏平面が主たる発光面である第2の電極の電極面に対して略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第2の電極とを接続することで、輝度低下を最小限に抑えながらワイヤの導電性及び放熱性を共に高めることができる。
【0015】
また、上記ボンディングワイヤを複数のワイヤとして構成してもよい。上述のようにワイヤを太くしていくと電極との接合が困難となる。このため、ボンディングワイヤを。単独で設ける代わりに、第2の電極に対して複数のワイヤに分割して設けることで、接合を容易にできる。またこの場合、個々のワイヤをコンパクトにできるため、発光素子全体としての構成を小型化できる利点もある。
【0016】
なお、ボンディングワイヤの材料としては、例えば従来用いられている金の他に、これよりも導電性の若干劣る銀,銅,アルミニウム、及びこれらの合金等を用いることができる。また、上述の材料にシリコン等を添加したものを用いてもよい。本発明では、第2の電極と外部接続端子とを複数のワイヤで接続するため、ワイヤに導電性が若干劣る材料を用いても発光特性が損なわれることはない。
【0017】
また、本発明の発光素子は、放熱体の上に第1の電極と発光層と第2の電極とを順に積層してなり、上記第2の電極が熱伝導性の複数のボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続されたことを特徴とする。本構成によれば、第2の電極に対して熱抵抗の小さい複数のボンディングワイヤが電気的及び熱的に接続されるため、放熱体と反対側の面において少なくとも従来より大きな放熱効果を期待できる。
【0018】
この際、ボンディングワイヤに熱抵抗の小さい(例えば、熱伝導率が400/W・m−1・K−1以上)材料を用いることで、放熱を確実にすることができる。上記材料としては、例えば従来用いられている金の他に、これよりも導電性の若干劣る銀,銅,アルミニウム、及びこれらの合金等を用いることができる。また、上述の材料にシリコン等を添加したものを用いてもよい。本発明では、第2の電極と外部接続端子とを複数のワイヤで接続するため、ワイヤに導電性が若干劣る材料を用いても発光特性が損なわれることはない。
【0019】
なお、ボンディングワイヤの熱抵抗を小さくするにはワイヤを太くする必要があるが、単にワイヤを太くすると発光面が広く遮蔽されて発光輝度が低下するため、ワイヤの平面形状は極力小さくすることが好ましい。具体的には、ワイヤを偏平形状とし、このワイヤの偏平面が第2の電極に略垂直となる状態で第2の電極に接合することで、輝度低下を最小限に抑えながらワイヤの導電性及び放熱性を共に高めることができる。
【0020】
また、本発明の照明装置は上述の発光素子を備えたことを特徴とする。本照明装置では、発光素子の放熱性が高いため、大電流駆動が可能となり、照明の明るさを向上できる。
また、本発明の投射型表示装置は、上述の照明装置と、この照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、変調された光を投射する投射手段とを備えたことを特徴とする。これにより、高輝度な投射型表示装置を実現できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図1,図2を参照しながら本発明の一実施形態に係る投射型表示装置について説明する。図1は本実施形態の投射型表示装置の全体構成を示す概略図、図2は本投射型表示装置に備えられた発光素子の一構成例を示す図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【0022】
図1に示すように、本実施形態の投射型表示装置は3板式の液晶プロジェクタであり、色合成手段としてのダイクロイッククロスプリズム40の3つの光入射面40R,40G,40Bには、それぞれ光変調装置としての液晶装置30R,30G,30Bが対向して配置され、各液晶装置30R,30G,30Bの背面側(クロスダイクロイックプリズム40と反対側)にはそれぞれR(赤),G(緑),B(青)の色光を出射可能な照明装置10R,10G,10Bが配置されている。
【0023】
照明装置10(10R,10G,10B)は、例えば発光ダイオード(LED)からなる複数の発光素子1(1R、1G,1B)を備えている。図2(a)は発光素子1の要部構成を示す断面図であり、図2(b)はその電極構造のみを模式的に示す平面図である。
発光素子1は2極の素子であり、図2に示すように、第1の電極12a,n層12b,発光層12c,p層12d,第2の電極12eを順に積層したLEDチップ(発光体)12が放熱ブロック(放熱体)11の上に実装されている。そして、チップ12の各電極12a,12eをリードフレーム(外部接続端子)13,14に接続するために、発光体12からは極の数より多いボンディングワイヤが引き出されている。
【0024】
すなわち、第2の電極12eからは複数(本実施形態では例えば2本)のボンディングワイヤ15a,15bが引き出され、それぞれリードフレーム13に電気的及び熱的に接続されている。これらのワイヤ15a,15bには、この電極面での放熱性を高めるために、例えば銅等の熱伝導率が400/W・m−1・K−1以上の材料が用いられ、更に、ワイヤ太さが従来よりも太く構成されている。つまり、従来のワイヤの断面積が25μm2程度であるのに対して、本実施形態ではワイヤの断面積を例えば52.5mm2以上としている。これにより、放熱ブロック11と反対側の電極面において、放熱ブロック11側と同程度の放熱効果が得られるようになっている。
【0025】
なお、ワイヤ15a,15bの断面積を大きくした場合、ワイヤ15a,15bが主たる発光面である第2の電極を広く覆ってしまうと、発光輝度が大幅に低下してしまう。このため、本実施形態ではワイヤ15a,15bを偏平な薄板状に加工し、その平面形状が極力小さくなるようにしている。具体的には、各ワイヤ15a,15bにおいて略矩形の断面の縦横の寸法比を1:2.5とし、平面視したときのワイヤの幅W1を1mm程度とし、これに垂直なワイヤの幅W2を2.5mm程度としている。
また、前記ボンディングワイヤによりLEDから出射した光線が遮られた場合でも、ボンディングワイヤで反射しさらにLED内の部材で反射する等により、何らかの経路を経て光の取出しができるようにするため、ワイヤ15a,15bの偏平面151には研磨処理及びメッキ処理等の平坦化処理が施されている。
【0026】
そして、銀ペースト、あるいは直接接合等の方法により、この偏平面151が発光面に対して略垂直となる状態で、ワイヤ15a,15bと第2の電極11eとを接続している。
【0027】
一方、LEDチップ12の第1の電極12a側では放熱ブロック11を介してチップ12の熱が放熱されるため、ワイヤを放熱に関与させる必要性が小さい。このため、本実施形態では、第1の電極12aとリードフレーム14とは、従来と同様に、細線(断面積が例えば25μm2程度)のボンディングワイヤ15cで接続されている。
【0028】
放熱ブロック11には、チップ12の実装面(チップ12と放熱ブロック11との接続面)を囲む位置に壁部11aが設けられている。壁部11aは、先端部側が基端部側よりも細いテーパ状の形状を有しており、そのチップ12に対向する側面11bがチップ12に対して外側に傾いた傾斜面となっている。この傾斜面11bには、アルミニウムや銀等の高反射率の金属膜或いは金属粉からなる光反射面が形成されており、チップ12から等方的に出射された光を実装面に対して略垂直な方向に反射して、照明に寄与させるようになっている。
【0029】
放熱ブロック11,リードフレーム13,14は樹脂フレーム19と一体に形成されており、この樹脂フレーム19の上にはチップ12やワイヤ15a〜15cを内包するようにレンズ体17が設けられている。そして、レンズ体17とフレーム19との間にはシリコン・ジェル等の熱伝導性の高い流体16が充填され、放熱効率を一層高めるようになっている。
【0030】
照明装置10R,10G,10Bとこれに対応する液晶装置30R,30G,30Bとの間には、照明光の照度分布を液晶装置30R,30G,30Bにおいて均一化させるための照度均一化手段として、照明装置側から第1のフライアイレンズ21、第2のフライアイレンズ22が順次設置されている。第1のフライアイレンズ21は複数の2次光源像を形成し、第2のフライアイレンズ22は被照明領域である液晶装置の設置位置においてそれらを重畳する重畳レンズとしての機能を有する。これにより、発光素子1から出射された光は、その光の密度分布に関係なく液晶装置全面に均一な密度で照射される。
【0031】
ダイクロイッククロスプリズム40は、4つの直角プリズムが貼り合わされた構造を有し、その貼り合わせ面40a,40bには誘電体多層膜からなる光反射膜(図示略)が十字状に形成されている。具体的には、貼り合わせ面40aには、液晶装置30Rで形成された赤色の画像光を反射し、それぞれ液晶装置30G,30Bで形成された緑色及び青色の画像光を透過する光反射膜が設けられ、貼り合わせ面40bには、液晶装置30Bで形成された青色の画像光を反射し、それぞれ液晶装置30R,30Gで形成された赤色及び緑色の画像光を透過する光反射膜が設けられている。そして、ダイクロイッククロスプリズム40の光出射面40Eに導光された各色の画像光は投射レンズ(投射手段)50によってスクリーン60に投射されるようになっている。
【0032】
したがって、本実施形態によれば、放熱ブロック11と反対側の電極面に接続されるワイヤを複数本とし、各ワイヤ15a,15bを熱抵抗の小さい材料によって構成しているため、チップ12を放熱ブロック側だけでなく、これと反対側の面からも十分に放熱させることができる。このため、従来のものに比べてチップ12の放熱効率が高まり、大電流駆動による高輝度な照明が可能となる。
また、本実施形態ではワイヤ15a,15bを偏平形状とし、ワイヤを、その偏平面が発光面に対して略垂直となるようにして電極11eに接合しているため、ワイヤの太さによる輝度低下を最小限に抑えながら、ワイヤ15a,15bの導電性及び放熱性を共に高めることができる。
【0033】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態ではボンディングワイヤ15a,15bの材料を銅としたが、これ以外にも、上記材料として金,銀,アルミニウム等を用いることができる。銅やアルミニウム等は、従来用いられている金よりも導電性の点で劣るものの、本発明では電極12eとリードフレーム13とを従来よりも太い複数のボンディングワイヤで接続するため、素子1の発光特性が損なわれることはない。
【0034】
また、上記実施形態では第2の電極12eとリードフレーム13とを電気的及び熱的に接続するワイヤを2本としたが、これを3本以上とすることも可能である。
また、第1の電極12aとリードフレーム14とをボンディングワイヤ15cで接続する代わりに、チップ12をリードフレーム14の上に直接実装してもよい。この場合、ワイヤ15cは不要となる。
【0035】
また、上述した投射型表示装置の構成はほんの一例であり、このような3板式のものに限らず、光変調装置を1つとした単板式の構成を採用することも可能である。この場合、照明装置はR,G,Bの各色に対応して3つ設けてもよいし、1つの照明装置にR,G,Bの3種類の発光素子を設け、これを光変調装置の背面側に対置させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の概略構成図である。
【図2】 同、投射型表示装置に備えられる発光素子の概略構成を示す図であり、(a)は全体構成を示す断面図、(b)はその電極構造のみを模式的に示す平面図である。
【図3】 従来の発光素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1,1R,1G,1B…発光素子、10R,10G,10B…照明装置、11…放熱ブロック(放熱体)、12…LEDチップ(発光体)、12a…第1の電極、12e…第2の電極、13,14…リードフレーム(外部接続端子)、15a,15b…ボンディングワイヤ、30R,30G,30B…液晶装置(光変調装置)、50…投射レンズ(投射手段)
Claims (8)
- 放熱体の上に第1の電極と発光層と第2の電極とを順に積層してなり、
上記第2の電極が、熱伝導率が400/W・m−1・K−1以上であるボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続され、
上記ボンディングワイヤが偏平形状を有し、この偏平面が上記第2の電極面と略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第2の電極とが接続されたことを特徴とする、発光素子。 - 上記ボンディングワイヤが複数のワイヤからなることを特徴とする、請求項1記載の発光素子。
- 放熱体の上に第1の電極と発光層と第2の電極とを順に積層してなり、
上記第2の電極が、熱伝導性の複数のボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続され、
上記ボンディングワイヤが偏平形状を有し、この偏平面が上記第2の電極面と略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第2の電極とが接続されたことを特徴とする、発光素子。 - 放熱体の上に第1の電極と発光層と第2の電極とを順に積層してなり、
上記第2の電極が、熱伝導性のボンディングワイヤを介して外部接続端子に導電接続され、
上記ボンディングワイヤが偏平形状を有し、この偏平面が上記第2の電極面と略垂直となる状態で、ボンディングワイヤと第2の電極とが接続されたことを特徴とする、発光素子。 - 上記ボンディングワイヤが銀,銅の少なくともいずれかを含む材料からなることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかの項に記載の発光素子。
- 上記第1の電極と外部接続端子とを接続するボンディングワイヤの断面積が、上記第2電極と外部接続端子とを接続するボンディングワイヤの断面積よりも小さいことを特徴とする、請求項1〜5のいずれかの項に記載の発光素子。
- 請求項1〜6のいずれかの項に記載の発光素子を備えたことを特徴とする、照明装置。
- 請求項7記載の照明装置と、
上記照明装置から出射された光を変調する光変調装置と、
変調された光を投射する投射手段とを備えたことを特徴とする、投射型表示装置。
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