JP4582786B2 - Light source device - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置、特にＬＥＤ素子を用いた光源装置に関するものであり、高輝度の光源を超小型で低コストに提供するものである。   The present invention relates to a light source device, particularly a light source device using an LED element, and provides a high-intensity light source at a small size and at low cost.

従来、ＬＥＤランプは砲弾型リードタイプや樹脂パッケージを用いた表面実装型タイプのランプとしてＬＥＤメーカーから提供されている。しかし、これらのタイプは従来の小電流で使う表示器用途には十分であったが、大電流高発熱の照明用光源用途には不向きである。
近年、ＬＥＤ素子の発光効率を高める開発が進められ、ＬＥＤチップ自体の改良やＬＥＤチップサイズの大型化を図ることで放熱性を高める改良、そしてチップ発光面上にレンズや反射板を取り付けることで集光を図った改良が行われてきた。
その結果、２ｌｍ／Ｗの発光効率であったＬＥＤ素子が３０ｌｍ／Ｗを超える効率レベルに達し、照明用途への適用が議論される状況になってきた。
ＬＥＤランプは、エネルギーロスが少なく省エネルギーであることや、長寿命であることから環境対策の点で優れており照明用途への期待が高まっている。
ただし、上述の改良されたＬＥＤランプを用いた場合でも照明器具を実現するためには光束が不足するため、複数のＬＥＤ素子を搭載して装置を構成する必要がある。 Conventionally, LED lamps have been provided by LED manufacturers as surface mount type lamps using a bullet-type lead type or a resin package. However, these types are sufficient for conventional display applications using a small current, but are not suitable for use as a light source for illumination with a large current and high heat generation.
In recent years, development to increase the luminous efficiency of LED elements has been promoted, improvement of LED chip itself and improvement of heat dissipation by increasing the size of LED chip, and attaching a lens or reflector on the chip light emitting surface Improvements have been made to collect light.
As a result, the LED element having a luminous efficiency of 2 lm / W has reached an efficiency level exceeding 30 lm / W, and the application to lighting applications has been discussed.
The LED lamp is excellent in terms of environmental measures because it has low energy loss and is energy saving, and has a long lifetime, and expectations for lighting applications are increasing.
However, even when the above-described improved LED lamp is used, in order to realize a lighting fixture, the luminous flux is insufficient, and thus it is necessary to configure a device by mounting a plurality of LED elements.

ところで、一口に照明器具といっても多種多様なものが含まれるが、高性能な照明装置を得るにあたって共通して言えることとして、高輝度の光源を可能な限り小型のまま提供することが第一義的に挙げられる。   By the way, although there are a wide variety of lighting fixtures in one bite, it can be said in common that a high-performance lighting device is provided by providing a high-intensity light source as small as possible. It is uniquely named.

確かに、複数のＬＥＤ素子を搭載して照明器具を構成するのであれば、ＬＥＤ素子数の多寡により光量を調整することができるので、コストを度外視すれば技術的には数百ｌｍの光量を必要とする蛍光灯等を代替することも可能といえる。しかしながら、当然発熱量も増加するため、従来構造のままでは器具が大型化してしまうという欠点があった。特に、照明器具の中でも大光量を要する照明器具（プロジェクター等の投光器類）では、高輝度大光束の光源を小型に実現する必要があるため、従来のＬＥＤ素子実装技術による器具設計では全く対応できない。
したがって現時点では、投光器等、大光量を要する照明器具に用いる光源を、大光量が得られる従来光源（キセノンランプや水銀ランプ等）に代えてＬＥＤ素子からなる光源装置で構成することは未だ実現されていなかった。 Certainly, if a lighting fixture is configured by mounting a plurality of LED elements, the amount of light can be adjusted depending on the number of LED elements. It can be said that the necessary fluorescent lamps can be substituted. However, since the amount of heat generation naturally increases, the conventional structure has a drawback in that the instrument becomes large. In particular, among lighting fixtures that require a large amount of light (projectors such as projectors), it is necessary to realize a high-luminance, high-luminous light source in a small size, and thus it is not possible to cope with fixture design using conventional LED element mounting technology. .
Therefore, at present, it is still realized that a light source used for a lighting apparatus that requires a large amount of light, such as a projector, is replaced with a conventional light source that can obtain a large amount of light (such as a xenon lamp or a mercury lamp), and a light source device including LED elements. It wasn't.

高輝度小型光源の用途として投光器の一種であるプロジェクターを例に挙げれば、照明器具として１０００ｌｍ以上の光束を直径約３ｃｍ以下の発光面積で作製することが要求される。この場合、３０ｌｍ／Ｗの高輝度ＬＥＤ素子を用いた場合でも３０個以上の素子を集積実装しなければならず、また将来技術として５０〜１００ｌｍ／Ｗの超高輝度素子が仮に開発された場合においても、１０個以上の素子実装が要求される。   Taking a projector as an example of a projector as an application of a high-intensity compact light source, it is required to produce a luminous flux of 1000 lm or more with a light emitting area of about 3 cm in diameter as a lighting fixture. In this case, even when a high-luminance LED element of 30 lm / W is used, 30 or more elements must be integrated and mounted, and as a future technology, an ultra-high-luminance element of 50 to 100 lm / W is tentatively developed However, 10 or more element mounting is required.

このような高密度の素子実装においては、エネルギーロスの少ない固体発光素子であるＬＥＤであっても、かなりな発熱密度となる。上記プロジェクターの例でいうと数十Ｗの熱損失をともなうため、放熱技術が大きな問題となっている。   In such a high-density element mounting, even a LED that is a solid light-emitting element with little energy loss has a considerable heat generation density. In the case of the projector described above, heat loss is several tens of watts.

放熱が不十分な場合、ＬＥＤ素子では、発熱による温度上昇により発光効率が大きく低下することや、ＬＥＤ素子封止樹脂の劣化を招くという問題がある。このとき、素子の発光特性を一定レベルに補正するために素子の出力制御を行うことも一策として考えられるが、その場合、素子への負担が更にかかり寿命を短縮してしまうという問題があった。加えて、Ｒ、Ｇ、Ｂなど発光色の違うＬＥＤ素子を複数用いて混色実装した場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のＬＥＤ素子では温度依存特性と素子寿命が夫々異なるため、経時的に発色性（演色性）が変化してしまうという問題があった。   When the heat radiation is insufficient, the LED element has a problem that the light emission efficiency is greatly reduced due to a temperature rise due to heat generation and the LED element sealing resin is deteriorated. At this time, it is conceivable to control the output of the element in order to correct the light emission characteristics of the element to a certain level. However, in this case, there is a problem that the burden on the element is further increased and the life is shortened. It was. In addition, when a plurality of LED elements having different emission colors such as R, G, and B are used for mixed color mounting, the temperature dependent characteristics and the element lifetimes of the LED elements for each color of R, G, and B are different. There was a problem that the color developability (color rendering) would change.

このように、高輝度の光源を可能な限り小型のまま提供するには、光束を効率良く取り出すことに加え、安定した放熱能力を確保出来る構成が求められる。
そこで、本発明の対象となるＬＥＤ光源装置について従来知られた構成を、光束を効率良く取り出す点、及び安定した放熱能力を確保する点の双方から検討する。 As described above, in order to provide a high-luminance light source as small as possible, a configuration that can secure a stable heat radiation capability in addition to efficiently extracting a light beam is required.
Therefore, a conventionally known configuration of the LED light source device that is an object of the present invention will be examined from both the viewpoint of efficiently extracting a luminous flux and securing a stable heat dissipation capability.

まずはじめに、光束を効率良く取り出す点に関して検討すると、従来知られたＬＥＤ光源装置には、チップを基板平面上に密集配置する構成を備えたものしか存在しなかった（特許文献１、２参照）。
一方、単に集積化だけを考えた場合には、プリント基板等では多層化（４層、６層基板等）を行う手法が多用されている。また、この多層基板中に部品を内蔵する等して、基板の他に部品を多層に配置して集積化を図った例もある。
しかしながら、光束を同一方向に効率よく取り出す手法として、発光素子チップを３次元的に配置する構成は、これまで試みられた例が無かった。 First, considering the point of efficiently extracting the luminous flux, only the LED light source devices known so far have a configuration in which chips are densely arranged on a substrate plane (see Patent Documents 1 and 2). .
On the other hand, when only integration is considered, a technique of multilayering (four-layer, six-layer substrates, etc.) is frequently used for printed boards and the like. There is also an example in which components are arranged in multiple layers in addition to the substrate by incorporating components in the multilayer substrate.
However, as a method for efficiently extracting the luminous flux in the same direction, there have been no examples of attempts to arrange the light emitting element chips in a three-dimensional manner.

次に、安定した放熱能力を確保する点に関し、近年では放熱性を重視するという観点から、パワーモジュール等の一部の技術分野ではガラス基材のエポキシ樹脂等の基板よりも熱伝導性に優れたセラミック基板や金属基板を使用する例が増加している。
しかしながら、前記のようにチップを基板平面上に密集配置する構成では、金属基板でも出力を上げるとすぐに放熱能力が不足してしまうことから、集積度を期待通りに向上させることができないという問題があった。
又これまでは、放熱性を重視するという観点から金属基板を使用することはあっても、金属基板単体で放熱能力を十分に確保出来ない場合には、金属基板を照明装置等の筐体（シャーシ又はカバー等）に結合するか、或いはこの金属基板の裏側に単に放熱ブロックを結合して対策することが行われているに過ぎなかった（特許文献２参照）。 Next, in terms of securing stable heat dissipation capability, in recent years, in view of emphasizing heat dissipation, in some technical fields such as power modules, it has better thermal conductivity than substrates such as glass-based epoxy resin. Examples of using ceramic substrates and metal substrates are increasing.
However, in the configuration in which the chips are densely arranged on the substrate plane as described above, even if a metal substrate is used, if the output is increased, the heat dissipating capability will be insufficient immediately, so that the degree of integration cannot be improved as expected. was there.
In the past, metal substrates were used from the viewpoint of placing great importance on heat dissipation, but if sufficient heat dissipation capability could not be secured with a single metal substrate, the metal substrate could be attached to a housing such as a lighting device ( It has only been taken countermeasures by connecting to a chassis or a cover) or simply connecting a heat dissipation block to the back side of this metal substrate (see Patent Document 2).

要するに、光束を同一方向に効率よく取り出すことに加えて、放熱能力を十分に確保可能な構成は、これまで提供されていなかったのである。
特開２００４−３２７１３８号公報 特開２００４−５５８００号公報 In short, in addition to efficiently extracting the luminous flux in the same direction, a configuration capable of sufficiently ensuring the heat dissipation capability has not been provided so far.
JP 2004-327138 A JP 2004-55800 A

従って本発明は、光束を同一方向に効率よく取り出すことに加えて、放熱能力を十分に確保することができる光源装置を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a light source device capable of sufficiently securing a heat radiation capability in addition to efficiently extracting a light beam in the same direction.

ＬＥＤ素子を光源として用いた照明器具において発光密度を向上させる上で、ＬＥＤ素子自体の発光効率を改善する以外の方法としては、ＬＥＤ素子の実装方法における飛躍的な革新が必要と言える。本発明者は、この実装方法における革新および上記課題の解決を目指して種々検討を重ねた結果、従来平面上に並べるだけであったＬＥＤ素子を３次元的に配置する新たな構造とすることで上記課題の解決を図った。
すなわち、本発明者は、放熱を担う基板を多重構造とすれば、各層が放熱効果を有するため単一層に発光素子が高密度に実装された場合に比べて熱拡散効率が倍化し、それゆえ隣接する素子間の熱干渉を考慮しなくても発光素子を狭ピッチに配置又は高密度に実装できることを見い出し、本発明を完成した。 In order to improve the light emission density in a luminaire using an LED element as a light source, it can be said that as a method other than improving the light emission efficiency of the LED element itself, drastic innovation in the mounting method of the LED element is necessary. As a result of various studies aimed at the innovation in this mounting method and the solution of the above problems, the present inventor has achieved a new structure in which LED elements that have only been arranged on a conventional plane are arranged three-dimensionally. The above problems were solved.
That is, the present inventor has a heat dissipation efficiency that is doubled compared to a case where light emitting elements are mounted in a single layer at a high density because each layer has a heat dissipation effect if the substrate for heat dissipation has a multiple structure. The present invention was completed by finding that light emitting elements can be arranged at a narrow pitch or mounted at a high density without considering thermal interference between adjacent elements.

上記課題を解決可能な本発明の光源装置は、（１）上下に基板を複数層重ね合わせた複数層の基板と、前記複数層の基板の夫々に実装された複数の発光素子と、を備え、前記複数層の基板のうちの上層側の基板には、これより下層の基板上に実装された前記発光素子の実装位置に対応した位置に貫通孔が設けられ、最上層の基板上に実装された前記発光素子が前記貫通孔を除く領域に配置されるとともに、前記最上層の基板に対し下層側の基板に実装された前記発光素子が前記貫通孔に収容されていることを特徴とするものである。このとき、上記光源装置では、隣接する２枚の基板の上層側の基板に設けられた貫通孔内に、下層側の基板上に実装された発光素子が収容されることになる。
これにより、ＬＥＤ素子を高密度に配置し、かつ実装することが可能となった。 The light source device capable of solving the present invention the above problems, (1) comprises a substrate of a plurality of layers superposed multiple layers of substrates vertically, and a plurality of light emitting elements mounted on each of the substrate of the plurality of layers , wherein the upper layer side of the substrate out of the substrate a plurality of layers, which from the through-holes at positions corresponding to the mounting position of the light emitting element mounted on the lower substrate is provided, mounted on the uppermost layer of the substrate The light emitting element is disposed in a region excluding the through hole, and the light emitting element mounted on a lower layer substrate with respect to the uppermost substrate is accommodated in the through hole. Is. At this time, in the light source device, the light emitting element mounted on the lower substrate is accommodated in the through hole provided in the upper substrate on the two adjacent substrates.
As a result, the LED elements can be arranged and mounted at high density.

又本発明は、上記の光源装置において更に、（２）前記貫通孔の開口面積が上方に向かって拡開する様に形成されていることを特徴とするものである。
従来は、ＬＥＤ素子の実装基板上に集光レンズや反射板を設けて集光度を上げる構造がとられてきた。しかし、新たにレンズや反射板を付加する構造のため取り付け精度の問題やコスト増の原因になっていた。
本発明（２）では、基板自身に集光効果をもたせる構造を案出し、これらの解決を得た。すなわち、本発明（２）によれば、基板の貫通孔の側壁が集光効果を担う構造のため、レンズや反射板などの新たな部品を個々のＬＥＤ素子に対して付加する必要が無くなった。 The present invention is further characterized in that, in the above light source device, (2) the opening area of the through hole is formed so as to expand upward.
Conventionally, a structure has been adopted in which a condensing lens or a reflector is provided on a mounting substrate of an LED element to increase the degree of condensing. However, because of the new structure of adding a lens and a reflector, it has caused problems of mounting accuracy and increased costs.
In the present invention (2), a structure in which the substrate itself has a light collecting effect has been devised, and these solutions have been obtained. That is, according to the present invention (2), since the side wall of the through hole of the substrate bears the light collecting effect, it is no longer necessary to add new components such as lenses and reflectors to the individual LED elements. .

同様に本発明は、上記（１）又は（２）の光源装置において更に、（３）前記基板が金属ベース基板またはセラミック基板からなることを特徴とするものである。
高発熱する高輝度ＬＥＤ素子の実装においては、放熱性を向上させるため高熱伝導性の基板が要求される。ここで、高熱伝導性の配線基板としては、パワーモジュール等に使われるアルミや銅をコアに用いた金属ベース配線基板のほか、アルミナや窒化アルミ等の高熱伝導性セラミック基板に配線パターンを形成した配線基板等が挙げられる。しかしながら、それらの基板は従来、単なる部品実装基板として用いられるに過ぎないものであった。
本発明（３）は、これら高熱伝導性基板を３次元的に有効利用することに着眼したものである。高熱伝導性の基板に傾斜貫通孔を形成することにより、基板自身に上記の集光機能を組み込むほか、放熱性を更に高めることが可能となった。 Similarly, according to the present invention, in the light source device of (1) or (2), (3) the substrate is made of a metal base substrate or a ceramic substrate.
In mounting a high-brightness LED element that generates high heat, a substrate with high thermal conductivity is required to improve heat dissipation. Here, as a highly heat conductive wiring board, in addition to a metal base wiring board using aluminum or copper as a core for power modules, a wiring pattern is formed on a high heat conductive ceramic board such as alumina or aluminum nitride. A wiring board etc. are mentioned. However, those substrates have been conventionally used only as component mounting substrates.
The present invention (3) focuses on effective utilization of these high thermal conductivity substrates three-dimensionally. By forming the inclined through-hole in the high thermal conductivity substrate, it is possible to further improve the heat dissipation in addition to incorporating the above-mentioned light collecting function into the substrate itself.

次に本発明は、上記（１）〜（３）の光源装置において更に、（４）前記発光素子が、実装される基板側に電極面が向けられて前記基板に実装されていることを特徴とするものである。
ＬＥＤ素子の実装密度を高めるためには、砲弾型のＬＥＤランプや表面実装型のＬＥＤランプを実装するだけでは不十分であり、ＬＥＤ素子を樹脂モールド前のベアチップの状態で実装する必要がある。ベアチップ実装の場合、ワイヤーボンド法を用いたフェイスアップ実装方法とフリップチップ法を用いるフェイスダウン実装方法がある。
ここで、フェイスアップ実装方法では、ワイヤーボンド接続のための電極がＬＥＤチップ発光面上に来るため発光面積が減じられるという欠点があった。従ってＬＥＤ素子から発せられる光の取り出し効率を高めるためには、発光面に電極等の障害物が来ないフェイスダウン実装方法が望ましい。
本発明（４）によれば、ＬＥＤチップを前記金属ベース配線基板やセラミック配線基板に対しフリップチップ法を用いて実装することにより、ＬＥＤチップを高密度に実装することが可能となると共に、光の取り出し効率を更に向上させることが可能になった。 Next, the present invention provides the light source device according to any one of (1) to (3), wherein (4) the light emitting element is mounted on the substrate with an electrode surface directed toward the substrate to be mounted. It is what.
In order to increase the mounting density of LED elements, it is not sufficient to mount a bullet-type LED lamp or a surface-mounted LED lamp, and it is necessary to mount the LED element in a bare chip state before resin molding. In the case of bare chip mounting, there are a face-up mounting method using a wire bond method and a face-down mounting method using a flip chip method.
Here, the face-up mounting method has a drawback that the light emitting area is reduced because the electrode for wire bonding connection is on the LED chip light emitting surface. Therefore, in order to improve the extraction efficiency of the light emitted from the LED element, a face-down mounting method in which an obstacle such as an electrode does not come to the light emitting surface is desirable.
According to the present invention (4), the LED chips can be mounted at a high density by mounting the LED chips on the metal base wiring board or the ceramic wiring board by using a flip chip method. It has become possible to further improve the take-out efficiency.

又本発明は、上記（１）〜（４）の光源装置であって、（５）前記基板の側面に少なくとも一部が接触する放熱手段を備えたことを特徴とするものである。
本発明（５）は、基板側面方向への熱放散を活用して、熱抵抗の減少と製品の小型化を図った点に特徴がある。本発明（５）によれば、基板側面を有効利用して放熱面積を増やし、熱拡散効率を向上させることが可能となった。 Further, the present invention is the light source device of (1) to (4) above, and (5) characterized in that it includes a heat radiation means that at least partly contacts the side surface of the substrate.
The present invention (5) is characterized in that heat dissipation in the side surface direction of the substrate is utilized to reduce the thermal resistance and downsize the product. According to the present invention (5), the side surface of the substrate can be effectively used to increase the heat radiation area, thereby improving the thermal diffusion efficiency.

その他本発明は、上記（１）〜（５）の光源装置において更に、（６）前記基板には、各層毎に夫々発光色が異なる発光素子が実装されていることを特徴とするものである。
白色発光ユニットとして用いることの多い照明器具用途において、発光波長の分布は演色性として重要な要素となる。
近年、蛍光体と青色或いは紫色のＬＥＤ素子の組み合わせによる白色ＬＥＤが商品化されているが、演色性を高めるためには赤色成分が不足するため、複数色のＬＥＤを混載することが試みられている。
複数色のＬＥＤを混載実装する場合の問題点は、各色のＬＥＤ毎に特性と経時変化が異なることから補正制御が困難な点が挙げられる。
しかしながら、本発明（６）の如く基板の多重構造を利用して各層に異なる色のＬＥＤ素子を割り振って実装し、さらに、各層に割り振られた各色ごとのＬＥＤ素子の出力を、これら各色のＬＥＤ素子の特性に応じて独立制御することにより、安定した高演色性を実現することが可能になる。
尚、各層への色配分はかならずしもＲ、Ｇ、Ｂの３原色に限定するものではない。本発明は当然、青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤ、または紫色ＬＥＤと黄色ＬＥＤ等の２色配分や、それ以上の４色配分にも応用可能である。 In addition, the present invention is characterized in that in the light source devices of the above (1) to (5), (6) the substrate is mounted with light emitting elements having different emission colors for each layer. .
In luminaire applications that are often used as white light emitting units, the emission wavelength distribution is an important factor for color rendering.
In recent years, white LEDs using a combination of phosphors and blue or purple LED elements have been commercialized. However, in order to improve color rendering, the red component is insufficient, so it has been attempted to mix LEDs of multiple colors. Yes.
A problem in the case of mounting a plurality of color LEDs in a mixed manner is that correction control is difficult because the characteristics and changes over time differ for each color LED.
However, as in the case of the present invention (6), LED elements of different colors are allocated and mounted on each layer by utilizing the multiple structure of the substrate, and further, the output of the LED elements for each color allocated to each layer is converted to the LED of each color. By performing independent control according to the characteristics of the element, it is possible to realize stable high color rendering.
The color distribution to each layer is not necessarily limited to the three primary colors R, G, and B. Naturally, the present invention can be applied to two-color distribution such as a blue LED and a red LED, or a purple LED and a yellow LED, or a four-color distribution more than that.

以上の通り、本発明によれば、光束を同一方向に効率よく取り出すことに加えて、放熱能力を十分に確保することが可能な装置構成を得ることが出来る。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an apparatus configuration capable of sufficiently ensuring the heat radiation capability in addition to efficiently extracting the light flux in the same direction.

尚以下では、本発明の説明に用いる用語につき定義をおくものとする。   In the following, terms used for describing the present invention are defined.

「フリップチップ接合」とは、バンプを形成したチップを、基板に逆さまに接続する技術を指し示すものとする。なお、「バンプ」とは、半導体チップの素子面に、蒸着法、メッキ法又は印刷法等により形成された突起電極をいう。
フリップチップ法は、パッケージを使用せずベアチップと内部配線だけにすることで実装密度を最大限に高めたものであり、電気的接続でワイヤを使わずに、金やハンダの小粒（バンプ）を用いて接続する実装方法である。 “Flip chip bonding” refers to a technique for connecting a chip on which a bump is formed upside down to a substrate. The “bump” refers to a protruding electrode formed on the element surface of the semiconductor chip by vapor deposition, plating, printing, or the like.
The flip chip method maximizes the mounting density by using only bare chips and internal wiring without using a package. Gold and solder particles (bumps) are used without using wires for electrical connection. It is a mounting method that uses and connects.

「熱抵抗」とは、半導体パッケージなどの放熱特性を表わす指標をいう。この指標は、ある冷却環境下にあるパッケージ内の半導体素子温度（ジャンクション（接合部）温度）を予測する際、或いは半導体素子温度をある許容温度以下に抑えるためのパッケージの冷却条件（風速、ヒートシンクなど）を決める場合等に活用するものである。熱抵抗の指標は、パッケージ等の放熱性の尺度を与えるものである。熱抵抗は、素子の温度に影響を与える電気的パラメータを利用して測定できる。
熱抵抗の値は、そのパッケージ等に固有の定数値ではなく、チップサイズ、消費電力、実装環境などにより変化する。
また熱抵抗は、半導体チップからの発熱を電流フローのように扱った際に、その電力に対して温度がどの程度上昇するかを規定するものである。この熱抵抗は、熱回路を電気回路に見立てて、電気伝導率を熱伝導率とすることで求められるものである。 “Thermal resistance” refers to an index representing heat dissipation characteristics of a semiconductor package or the like. This index is used for predicting the semiconductor element temperature (junction temperature) in a package under a certain cooling environment, or for cooling conditions of the package (wind speed, heat sink) to keep the semiconductor element temperature below a certain allowable temperature. Etc.). The index of thermal resistance gives a measure of heat dissipation of a package or the like. Thermal resistance can be measured using electrical parameters that affect the temperature of the device.
The value of the thermal resistance is not a constant value specific to the package or the like, but changes depending on the chip size, power consumption, mounting environment, and the like.
Further, the thermal resistance defines how much the temperature rises with respect to the electric power when the heat generated from the semiconductor chip is handled like a current flow. This thermal resistance is obtained by regarding the thermal circuit as an electrical circuit and converting the electrical conductivity into thermal conductivity.

「金属ベース基板」とは、アルミニウム、鉄、銅などのベース金属上にエポキシ樹脂やポリイミドなどの有機絶縁層を介して回路パターンを形成した基板をいう。金属基板、絶縁金属基板又は金属系基板とも呼ばれる。金属ベース基板で回路を形成した場合、基板の熱抵抗が非常に小さいため、大きなパワーが扱えることに加え、配線パターンでの発熱も効率よく放熱することが可能である。その他、回路全体が金属基板上にあるため、金属部分をＧＮＤとすることで回路から放射される不要輻射を大幅に低減することも可能である。
「セラミック基板」とは、基板材料にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）その他のセラミック材料を使用した配線基板をいう。一般的に、セラミック基板は他の有機基板に比べ、熱伝導性、電気絶縁性、及び耐熱性に優れる等の特性を有する。
「指向特性」とは、光出力を、ＬＥＤの主たる発光方向を基準として角度をずらして測定し、この時の出力を指向特性図にプロットしたものをいう。指向特性は、配光特性とも呼ばれる。 The “metal base substrate” refers to a substrate in which a circuit pattern is formed on a base metal such as aluminum, iron, or copper via an organic insulating layer such as epoxy resin or polyimide. Also called a metal substrate, an insulating metal substrate, or a metal-based substrate. When a circuit is formed using a metal base substrate, the thermal resistance of the substrate is very small, so that a large power can be handled and heat generated in the wiring pattern can be efficiently radiated. In addition, since the entire circuit is on the metal substrate, unnecessary radiation radiated from the circuit can be significantly reduced by setting the metal portion to GND.
“Ceramic substrate” refers to a wiring substrate using alumina (Al 2 O 3 ) or another ceramic material as a substrate material. In general, a ceramic substrate has characteristics such as excellent thermal conductivity, electrical insulation, and heat resistance compared to other organic substrates.
“Directional characteristics” refers to light output measured by shifting the angle with respect to the main light emitting direction of the LED, and plotting the output at this time in a directional characteristic diagram. Directional characteristics are also called light distribution characteristics.

ＬＥＤ素子を用いた従来技術では、直径３ｃｍ程度の発光面積では１０００ｌｍを超える光束を得ることはできない。例えば、市販の砲弾型や表面実装型の高出力ＬＥＤランプであって３０ｌｍ／Ｗ程度の高発光効率をもつ素子を用いたとしても、通常用いられる実装方式では放熱性能が低いため、定格出力は通常１００ｍＷ以下に制限される。その結果、１個のＬＥＤあたり最大でも３ｌｍの光出力に制限されるため、１０００ｌｍを超える光束を実現するためには３３４個以上ものＬＥＤランプを搭載しなければならないことになり、このままでは小型で高出力の発光光源を作ることはできない。   In the prior art using an LED element, a light flux exceeding 1000 lm cannot be obtained with a light emitting area of about 3 cm in diameter. For example, even if a commercially available bullet-type or surface-mount high-power LED lamp with an element having a high luminous efficiency of about 30 lm / W is used, the rated output is low because the heat dissipation performance is low in the mounting method used normally. Usually limited to 100 mW or less. As a result, since the light output is limited to 3 lm at the maximum per LED, it is necessary to mount 334 or more LED lamps in order to realize a luminous flux exceeding 1000 lm. A high-output light source cannot be made.

他方、ＬＥＤランプを実装する基板を高熱伝導性の金属ベース配線基板に換えることで、放熱性能の改善を図ることは可能である。しかしながら、依然として基板やＬＥＤパッケージがもつ熱抵抗による制限を受けることから、実現されている例としては３０ｌｍ／Ｗ級の発光効率を有するＬＥＤ素子を用い、直径約１０ｃｍの領域内に約１０個のＬＥＤ素子を実装したものが最高であり、現状では２００〜３００ｌｍの光束が得られる程度に留まっている。これ以上に小型で発光出力の高い光源を得るには、より発光効率の高いＬＥＤ素子が開発されるのを待つしかなかった。   On the other hand, it is possible to improve the heat dissipation performance by replacing the substrate on which the LED lamp is mounted with a metal base wiring substrate having high thermal conductivity. However, since it is still limited by the thermal resistance of the substrate and the LED package, an LED element having a luminous efficiency of 30 lm / W class is used as an example that is realized, and about 10 pieces in a region having a diameter of about 10 cm. An LED element mounted is the best, and at present, only 200 to 300 lm of light flux can be obtained. In order to obtain a light source having a smaller size and a higher light output, there is no choice but to wait until an LED element with higher light emission efficiency is developed.

本発明の実装技術と放熱技術によれば、将来の高発光効率ＬＥＤ素子開発を待たずに高効率で小型の高出力光源を提供することができる。一実施例によれば、直径３ｃｍの光源モジュール（後記実施例、図４参照）において、３０ｌｍ／Ｗの発光効率のＬＥＤチップを３７個実装し、素子あたり１Ｗの出力を与えた状態で、光源中心部の素子ジャンクション（接合部）温度を４９℃程度に抑えることが可能となる（強制冷却を併用する場合）。このとき、ＬＥＤ素子の定格温度８０℃を十分下回っていることから、さらに出力を引き上げることも可能であり、従って３０ｌｍ×３７個＝１１１０ｌｍ以上の大光束を余裕をもって得られることが分かる。   According to the mounting technology and the heat dissipation technology of the present invention, it is possible to provide a high-efficiency and small-sized high-output light source without waiting for the future development of a high light-emitting efficiency LED element. According to one embodiment, in a light source module having a diameter of 3 cm (see the embodiment described later, see FIG. 4), 37 LED chips with a light emission efficiency of 30 lm / W are mounted and an output of 1 W per element is given. The element junction (joint) temperature at the center can be suppressed to about 49 ° C. (when forced cooling is used together). At this time, since the rated temperature of the LED element is well below the 80 ° C., it is possible to further increase the output. Therefore, it can be seen that a large luminous flux of 30 lm × 37 = 1110 lm or more can be obtained with a margin.

本発明によれば、小型で大光束の光源が得られるので、小型のプロジェクターや強力スポット光源等を実現することができる。その他、高出力であることから、従来キセノンランプや水銀ランプといった高出力光源を必要としていた分野においても、これらの高出力ランプに代えて本発明のＬＥＤ光源装置を適用することが可能と言える。   According to the present invention, a light source having a small size and a large luminous flux can be obtained, so that a small projector, a powerful spot light source, or the like can be realized. In addition, because of the high output, it can be said that the LED light source device of the present invention can be applied in place of these high output lamps even in a field that conventionally requires a high output light source such as a xenon lamp or a mercury lamp.

以下、添付図面に基づき、本発明の光源装置について順を追って説明する。図１は本発明の光源ユニットの第１実施形態を示す図、図２は図１の光源ユニットにおけるＬＥＤチップが実装されている部分を拡大した図、図３は本発明の光源ユニットの第２実施形態を示す図、図４は本発明の光源ユニットを組み込んだ光源モジュールの一実施例を示す図、図５は光源モジュールの変形実施例を示す図である。   Hereinafter, the light source device of the present invention will be described in order with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a light source unit of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of a portion where an LED chip is mounted in the light source unit of FIG. 1, and FIG. 3 is a second diagram of the light source unit of the present invention. FIG. 4 is a view showing an embodiment, FIG. 4 is a view showing an embodiment of a light source module incorporating the light source unit of the present invention, and FIG. 5 is a view showing a modified embodiment of the light source module.

［第１実施形態］
まずはじめに、本発明の光源装置について、基本構成要素である光源ユニットの一実施形態を、図１に基づき具体的に説明する。図１Ａは本発明の光源ユニットの一実施形態を示す平面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 [First Embodiment]
First, an embodiment of a light source unit that is a basic component of the light source device of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1A is a plan view showing an embodiment of a light source unit according to the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1A.

図１に示すように、本実施形態では、直径３ｃｍのアルミ金属ベース基板１を２層で用いている。このアルミ金属ベース基板１は、厚さ２ｍｍのアルミ薄板の上に、熱伝導性絶縁層が５０〜８０μｍの厚みで形成され、その上に回路パターンが形成されたＣｕ箔が圧接された構造を有している。   As shown in FIG. 1, in this embodiment, an aluminum metal base substrate 1 having a diameter of 3 cm is used in two layers. This aluminum metal base substrate 1 has a structure in which a heat conductive insulating layer is formed with a thickness of 50 to 80 μm on a thin aluminum plate with a thickness of 2 mm, and a Cu foil on which a circuit pattern is formed is pressed. Have.

上層に該当する第１層のアルミ金属ベース基板１１上には、１ｍｍ角のＬＥＤチップＣが実装されている。また、基板第１層１１において、下層（第２層）のアルミ金属ベース基板１２上に実装されるＬＥＤチップＣの配置位置に対応する位置には、貫通孔４が設けられている。
次に、第２層のアルミ金属ベース基板１２上には、ＬＥＤチップＣが基板第１層１１に穿設された貫通孔４に対応する位置に実装されている。
このように、本実施形態では、隣接する２枚の基板の上層側の基板１１に設けられた貫通孔４内に、下層側の基板１２上に実装されたＬＥＤチップＣが収容されている。 A 1 mm square LED chip C is mounted on the aluminum metal base substrate 11 of the first layer corresponding to the upper layer. In the first substrate layer 11, a through hole 4 is provided at a position corresponding to the arrangement position of the LED chip C mounted on the lower layer (second layer) aluminum metal base substrate 12.
Next, the LED chip C is mounted on the second-layer aluminum metal base substrate 12 at a position corresponding to the through hole 4 formed in the first substrate layer 11.
Thus, in this embodiment, the LED chip C mounted on the lower layer substrate 12 is accommodated in the through hole 4 provided in the upper layer substrate 11 of two adjacent substrates.

この第１実施形態では、基板第１層１１及び基板第２層１２上には、共に紫外発光のＬＥＤチップが実装されている。なお、第２層のアルミ金属ベース基板１２は、第１層のアルミ金属ベース基板１１に高熱伝導性接着剤層を介して接合されている。   In the first embodiment, an ultraviolet light emitting LED chip is mounted on both the substrate first layer 11 and the substrate second layer 12. The second-layer aluminum metal base substrate 12 is bonded to the first-layer aluminum metal base substrate 11 via a high thermal conductive adhesive layer.

本実施形態では、第１層１１のＬＥＤチップＣと第２層１２のＬＥＤチップＣはそれぞれ、高密度配置となるよう、両層においてグリッド格子状に均等配置されている。これにより、基板の多重構造を利用して熱拡散効率を大幅に増大する効果を得ている。又本実施形態では、上記構成によってＬＥＤチップの高密度実装を実現している。   In the present embodiment, the LED chips C of the first layer 11 and the LED chips C of the second layer 12 are equally arranged in a grid lattice pattern in both layers so as to have a high density arrangement. As a result, the thermal diffusion efficiency is greatly increased by utilizing the multiple structure of the substrate. In the present embodiment, high-density mounting of LED chips is realized by the above configuration.

ついで、ＬＥＤチップ実装部の拡大図を図２に示す。図２Ａは貫通孔４の壁面５を垂直壁とした場合、図２Ｂは壁面５を傾斜させ、貫通孔４を、孔径が上方に向かって拡開する様に形成した場合を示している。   Next, an enlarged view of the LED chip mounting portion is shown in FIG. 2A shows a case where the wall surface 5 of the through hole 4 is a vertical wall, and FIG. 2B shows a case where the wall surface 5 is inclined and the through hole 4 is formed so that the hole diameter expands upward.

ところで、第１層１１の貫通孔４は、第２層１２のＬＥＤチップＣに対して光反射板の役割を果たすため、集光効果による光束ＵＰに寄与している。貫通孔４を、図２Ｂに示す通り開口面積が上方に向かって拡開する様に形成した場合、基板材質や壁面５の傾斜角にもよるが、図２Ａに示す垂直壁の場合と比較して最大２倍程度の光を取り出すことが可能となる。これは、貫通孔４の壁面５を反射面として考えた場合、この壁面５を傾斜させた方が、乱反射する光の成分が垂直壁の場合に比べて減少するためと考えられる。   By the way, the through-hole 4 of the first layer 11 plays a role of a light reflecting plate with respect to the LED chip C of the second layer 12, and thus contributes to the luminous flux UP due to the condensing effect. When the through-hole 4 is formed so that the opening area expands upward as shown in FIG. 2B, it depends on the substrate material and the inclination angle of the wall surface 5, but compared with the vertical wall shown in FIG. 2A. Thus, it is possible to extract about twice as much light. This is considered to be because when the wall surface 5 of the through-hole 4 is considered as a reflection surface, the component of the irregularly reflected light is reduced when the wall surface 5 is inclined as compared with the case of the vertical wall.

又図２に示すとおり、本実施形態では、ＬＥＤチップは、金バンプを用いたフリップチップ法（Ａｕ−Ａｕ接合）により基板１上に実装されている。ＬＥＤチップＣの電極は、実装される基板１側を向いており、フリップチップ接合部２を介して基板１上に形成された配線パターン３に接合されている。すなわち、フリップチップ接合部２は、ＬＥＤチップＣと基板１とを、電気的及び機械的に接続する役割を果たしている。
フリップチップ法による場合、ワイヤーボンド法による実装に比べ、発光面に光を阻害する電極やワイヤーがないため、光取り出し効率が約２倍に向上するという効果が得られる。さらに、フリップチップ法の場合、チップ中の発光層が基板側に近くなるため、チップから発する熱を基板へ効率よく放散でき、チップ温度を下げることに有用というさらなる効果も得られている。 As shown in FIG. 2, in this embodiment, the LED chip is mounted on the substrate 1 by a flip chip method (Au—Au bonding) using gold bumps. The electrode of the LED chip C faces the substrate 1 to be mounted, and is bonded to the wiring pattern 3 formed on the substrate 1 via the flip chip bonding portion 2. That is, the flip chip bonding portion 2 serves to electrically and mechanically connect the LED chip C and the substrate 1.
In the case of the flip chip method, there is no electrode or wire that obstructs light on the light emitting surface as compared with the mounting by the wire bond method, so that the effect of improving the light extraction efficiency by about twice can be obtained. Furthermore, in the case of the flip chip method, since the light emitting layer in the chip is close to the substrate side, the heat generated from the chip can be efficiently dissipated to the substrate, and the further effect of being useful for lowering the chip temperature is obtained.

本実施形態の光源ユニット１０に放熱フィンを取り付けて実際に光源装置を構成した場合（後記［実施例］参照）、３０ｌｍ／Ｗの発光効率を有する紫外発光ＬＥＤチップを計３７個、直径３ｃｍの基板上下２層に高密度実装することにより、３７Ｗの出力において１１１０ｌｍの光束を得ることが可能となる。   When a light source device is actually configured by attaching heat radiation fins to the light source unit 10 of this embodiment (see [Example] described later), a total of 37 ultraviolet light emitting LED chips having a light emission efficiency of 30 lm / W, a diameter of 3 cm. By high-density mounting on the upper and lower layers of the substrate, it becomes possible to obtain a light beam of 1110 lm at an output of 37 W.

［第２実施形態］
以下では、図３に基づき、本発明の光源ユニット１０の第２実施形態につき説明する。図３Ａは本発明の光源ユニットの第２実施形態を示す平面図、図３Ｂは図３ＡのＢ−Ｂ’線断面図である。
本実施形態では、直径３ｃｍのアルミ金属ベース基板１を３層で用いている。各層基板に対するＬＥＤチップＣの実装構造は第１実施形態と同じであるが、各層１１〜１３に配置したＬＥＤチップＣの発光色が異なる。 [Second Embodiment]
Below, based on FIG. 3, it demonstrates per 2nd Embodiment of the light source unit 10 of this invention. FIG. 3A is a plan view showing a second embodiment of the light source unit of the present invention, and FIG. 3B is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 3A.
In this embodiment, the aluminum metal base substrate 1 having a diameter of 3 cm is used in three layers. The mounting structure of the LED chip C on each layer substrate is the same as that of the first embodiment, but the emission color of the LED chip C arranged in each layer 11 to 13 is different.

第１実施形態では、高密度高光束の光源を実現する目的で同一発光色のＬＥＤチップＣを用いた例を示したが、本実施形態では、各層に異なる発光色のＬＥＤチップＣを使用した。すなわち本実施形態では、３層からなる基板の内、基板第１層１１には赤色、基板第２層１２には緑色、基板第３層１３には青色のＲ、Ｇ、Ｂ３原色のＬＥＤチップＣを実装し、その上で各層におけるＬＥＤ出力をそれぞれ独立に制御する構成とした。
また、本実施形態では、基板第１層１１から基板第３層１３におけるＬＥＤチップＣはそれぞれ、最密充填配置となるように正三角形格子状に配置されている。かかる構成であっても、基板の多重構造を利用して熱拡散効率を増大する効果が得られるほか、ＬＥＤチップＣを高密度に実装することが可能である。 In the first embodiment, an example in which the LED chip C having the same emission color is used for the purpose of realizing a light source having a high density and a high luminous flux is shown. However, in this embodiment, LED chips C having different emission colors are used for the respective layers. . That is, in the present embodiment, among the three-layer substrates, LED chips of R, G, and B3 primary colors that are red for the substrate first layer 11, green for the substrate second layer 12, and blue for the substrate third layer 13. C was mounted, and the LED output in each layer was controlled independently.
In the present embodiment, the LED chips C in the substrate first layer 11 to the substrate third layer 13 are arranged in an equilateral triangular lattice so as to be in a close-packed arrangement. Even in such a configuration, the effect of increasing the thermal diffusion efficiency by using the multiple structure of the substrate can be obtained, and the LED chips C can be mounted at a high density.

ところで、ＬＥＤチップは、発光色に応じて夫々異なる発光特性を持つデバイスである。この発光特性は、温度その他の環境条件によっても相違する。したがって、ＬＥＤ発光色の混色による発光特性を安定させるには、発光色ごとのＬＥＤチップにつき夫々類似した発光特性が得られるように、ＬＥＤ出力を各色毎に独立制御することが望ましい。
本実施形態では、上記の通り各層ごとに異なる発光色のＬＥＤを割り付けた上、ＬＥＤ出力を各層ごとに独立制御している。かかる構成によれば、各層で同じ放熱特性、ひいては温度特性が得られることから、安定した発光特性及び発光色が実現される。 By the way, the LED chip is a device having different emission characteristics depending on the emission color. This light emission characteristic varies depending on temperature and other environmental conditions. Therefore, in order to stabilize the light emission characteristics due to the color mixture of LED light emission colors, it is desirable to independently control the LED output for each color so that similar light emission characteristics can be obtained for each LED chip for each light emission color.
In this embodiment, as described above, LEDs having different emission colors are assigned to the respective layers, and the LED output is independently controlled for each layer. According to such a configuration, since the same heat dissipation characteristic and thus the temperature characteristic can be obtained in each layer, a stable light emission characteristic and emission color can be realized.

なお、本実施形態では、ＬＥＤチップＣを、各層毎に１：１：１の比率で実装してあるが、必ずしもこの比率で実装しておく必要はない。例えば、発光色の認識性に配慮した演色性の面からは、青色チップの数を減らしても構わない。このように、要求される演色性に応じて各層発光色のＬＥＤチップの数を適宜調整しても構わない。   In the present embodiment, the LED chips C are mounted at a ratio of 1: 1: 1 for each layer, but it is not always necessary to mount them at this ratio. For example, the number of blue chips may be reduced from the aspect of color rendering considering the recognizability of the emitted color. As described above, the number of LED chips of each layer emission color may be appropriately adjusted according to the required color rendering properties.

又以下では、上で説明した光源ユニットを用いて実際に照明装置を構成した一例につき説明する。図４に、本発明の光源装置（光源モジュール）の一実施例を示す。本実施例では、基本構成となる光源ユニット１０として、先に図１で示したものを用いている。図４Ａは本発明の光源モジュールの一実施例を示す平面図、図４Ｂは図４Ａに示す光源モジュールの側面図、図４Ｃは図４ＡのＣ−Ｃ’線断面図である。   Hereinafter, an example in which an illumination device is actually configured using the light source unit described above will be described. FIG. 4 shows an embodiment of the light source device (light source module) of the present invention. In the present embodiment, the light source unit 10 having the basic configuration uses the one shown in FIG. 4A is a plan view showing an embodiment of the light source module of the present invention, FIG. 4B is a side view of the light source module shown in FIG. 4A, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG.

本実施例では、光源モジュール２０は、光源ユニット１０と、これを収容する放熱フィン筐体２２と、光源ユニット１０を制御するための制御回路基板２６とからなっている。光源ユニット１０の側面と下部を覆うように構成された放熱フィン筐体２２は、アルミダイキャストにより作製されている。放熱フィン筐体２２の各放熱フィン２１は、一定角度間隔をあけて略放射状に備えられ、少なくとも一部が光源ユニット１０の側面に接する様構成されている。光源ユニット１０の各層基板（基板第１層１１及び基板第２層１２）は、高熱伝導性接着剤により接合されている。光源ユニット１０の各層基板上に形成されたＬＥＤ駆動用の配線回路は、引き出し電極リード２５を介して制御回路基板２６に接続されている。
又本実施例では、光源ユニット１０の前面に蛍光体樹脂層２３と集光レンズ２４が配されている。尚、蛍光体樹脂層２３の蛍光体樹脂は、ＬＥＤから放射された光の波長を調整するため、蛍光体を混合した透明樹脂からなっている。集光レンズ２４は、光源ユニット１０から取り出される全光束を配光するために設けてある。 In the present embodiment, the light source module 20 includes a light source unit 10, a radiating fin housing 22 that accommodates the light source unit 10, and a control circuit board 26 for controlling the light source unit 10. The heat radiating fin housing 22 configured to cover the side surface and the lower portion of the light source unit 10 is manufactured by aluminum die casting. The heat radiating fins 21 of the heat radiating fin housing 22 are provided substantially radially with a certain angular interval, and are configured to be in contact with at least a part of the side surface of the light source unit 10. Each layer substrate (the substrate first layer 11 and the substrate second layer 12) of the light source unit 10 is bonded by a high thermal conductive adhesive. The LED driving wiring circuit formed on each layer substrate of the light source unit 10 is connected to the control circuit substrate 26 via the extraction electrode lead 25.
In this embodiment, the phosphor resin layer 23 and the condenser lens 24 are disposed on the front surface of the light source unit 10. The phosphor resin of the phosphor resin layer 23 is made of a transparent resin mixed with a phosphor in order to adjust the wavelength of light emitted from the LED. The condensing lens 24 is provided to distribute the total luminous flux extracted from the light source unit 10.

本実施例の光源モジュール２０は、制御回路基板２６を一体化したものとなっている。制御回路基板２６は、光源ユニット１０の下方に設置されている。引き出し電極リード２５は、制御回路基板２６に載置された制御ＩＣ２７に接続されている。各層基板上に実装された各ＬＥＤチップＣの出力制御は、この制御ＩＣ２７により行われる。
尚、引き出し電極リード２５は、光源ユニット１０から自由に引き出し可能であり、リードの引き出し位置や本数に特に制限は無い。従って、リード本数を増やして、例えばサーミスタ素子を各層基板に搭載して温度検知等を行うことにより、さらに高精度の調光制御が可能となる。 The light source module 20 of the present embodiment is an integrated control circuit board 26. The control circuit board 26 is installed below the light source unit 10. The lead electrode lead 25 is connected to a control IC 27 placed on the control circuit board 26. Output control of each LED chip C mounted on each layer substrate is performed by this control IC 27.
The lead electrode leads 25 can be freely drawn from the light source unit 10, and there are no particular restrictions on the lead lead positions and the number of leads. Therefore, by increasing the number of leads, for example, by mounting a thermistor element on each layer substrate and performing temperature detection or the like, it is possible to perform light control with higher accuracy.

本実施例によれば、３０ｌｍ／Ｗの発光効率をもつＬＥＤチップＣを３７個実装し、一素子あたり１Ｗの出力を与えた状態で、冷却ファンによる強制空冷（冷却温度２５℃）を併用することにより、光源中心部の素子ジャンクション温度を６５℃程度に抑えることが可能となる。このとき、ＬＥＤ素子の定格温度８０℃を下回っていることから、さらに出力を上げることも可能であり、３０ｌｍ×３７個＝１１１０ｌｍ以上の大光束を余裕をもって得られることが分かる。
自然放熱による場合であっても、従来をはるかに超える量の光束を取り出すことが可能である。
このように、本実施例によれば極めて小型でありながら十分高輝度の光源を提供することが可能となる。本実施例の光源モジュールを利用すれば、例えばポケットサイズの小型プロジェクターを構成することも可能となる。 According to this embodiment, 37 LED chips C having a light emission efficiency of 30 lm / W are mounted, and forced air cooling with a cooling fan (cooling temperature 25 ° C.) is used in combination with an output of 1 W per element. As a result, the element junction temperature at the center of the light source can be suppressed to about 65 ° C. At this time, since the rated temperature of the LED element is lower than 80 ° C., it is possible to further increase the output, and it can be seen that a large luminous flux of 30 lm × 37 = 1110 lm or more can be obtained with a margin.
Even in the case of natural heat dissipation, it is possible to extract a much larger amount of light flux than in the past.
Thus, according to the present embodiment, it is possible to provide a light source having a sufficiently high brightness while being extremely small. If the light source module of this embodiment is used, for example, a pocket-sized small projector can be configured.

さらに、図４に示した放熱フィン筐体２２全体を覆うようにしてカバーを取り付け、各放熱フィン２１の間の部分を流路とした水冷方式を採用すれば、素子ジャンクション温度を４９℃程度まで抑えることが可能となる。
なお、水冷システムの具体例としては、カバー内に水を出入り可能にし、その水をマイクロポンプで循環させる構成が挙げられる。この場合、カバーから出た水を照明装置の筐体（シャーシ又はカバー）に設置したラジエーターに通し、最終的には、熱をラジエターからシャーシ等に逃がす構成とすることが好ましい。
このように、水冷方式を採用すれば、ＬＥＤ使用温度定格内での使用を考えても、各素子の出力を空冷時の２倍近くまで引き上げることが十分可能である。この場合、２０００〜２５００ｌｍ程度の最大光束が得られることから商業用プロジェクターの光源として利用することも可能であり、広範な用途への普及が期待できる。 Furthermore, if a cover is attached so as to cover the entire radiation fin housing 22 shown in FIG. 4 and a water cooling method using a flow path between the radiation fins 21 is adopted, the element junction temperature is reduced to about 49 ° C. It becomes possible to suppress.
A specific example of the water cooling system is a configuration in which water can enter and exit from the cover and the water is circulated by a micropump. In this case, it is preferable that water discharged from the cover is passed through a radiator installed in a casing (chassis or cover) of the lighting device, and finally heat is released from the radiator to the chassis.
In this way, if the water cooling method is adopted, it is possible to raise the output of each element to nearly twice that of air cooling even when considering use within the LED operating temperature rating. In this case, since a maximum light flux of about 2000 to 2500 lm can be obtained, it can be used as a light source for a commercial projector, and can be expected to be used for a wide range of applications.

［変形例］
以上、本発明につき各種実施形態等を用いて具体的に説明したが、本発明は上記各種実施形態等に記載の構成に限定されず、種々の設計変更が可能である。
例えば、本発明の光源装置が適用され得る用途の一例としてプロジェクターを挙げたが、スポットライトや自動車ヘッドライト等、小型高集積化が必要な種々の用途に適用することが可能である。 [Modification]
Although the present invention has been specifically described with reference to various embodiments and the like, the present invention is not limited to the configurations described in the various embodiments and the like, and various design changes are possible.
For example, a projector is given as an example of an application to which the light source device of the present invention can be applied. However, the projector can be applied to various applications such as spotlights and automobile headlights that require small size and high integration.

貫通孔４について、形状は円形孔に限らず、楕円や多角形等、所望の孔形状を選択し得る。各層に配置するＬＥＤの指向特性等に合わせて、各層毎に孔形状を変えても良い。夫々の貫通孔についても、下方から上方にかけて孔形状が連続的に変形（例えば円形から楕円形に）するもの等、具体的形状について特に限定は無い。
又貫通孔４を、開口面積が上方に向かって拡開する様に形成する場合、貫通孔４の壁面５を傾斜させる角度は、実際の適用例に合わせて適宜調整して構わない。一般的に、反射面積が増える程、光の取り出し効率が向上するものと考えられる。
さらに、貫通孔４の壁面５を、プリント配線基板のスルーホール同様にメッキ処理等して反射板としての特性を向上させ、光の取り出し効率をさらに改善する工夫を講じても構わない。
或いは、ＬＥＤチップから発せられる光の色その他の諸特性に合わせ、金属ベース基板そのものや貫通孔４の傾斜壁面部分５を、反射特性が最適な金属材料等から構成しても構わない。
その他、上記各実施形態等では、貫通孔４の傾斜壁面５は側断面視した状態で略直線状の傾きを備えているが、これを湾曲させて貫通孔４の内壁５全体が略放物面をなす様に形成しても良い。 About the through-hole 4, a shape is not restricted to a circular hole, A desired hole shape, such as an ellipse and a polygon, can be selected. The hole shape may be changed for each layer in accordance with the directivity characteristics of the LEDs arranged in each layer. There is no particular limitation on the specific shape of each through-hole, such as a shape in which the hole shape is continuously deformed from the bottom to the top (for example, from a circle to an ellipse).
When the through hole 4 is formed so that the opening area expands upward, the angle at which the wall surface 5 of the through hole 4 is inclined may be appropriately adjusted according to the actual application example. Generally, it is considered that the light extraction efficiency improves as the reflection area increases.
Further, the wall surface 5 of the through hole 4 may be plated to improve the characteristics as a reflection plate in the same manner as the through hole of the printed wiring board, so that the light extraction efficiency can be further improved.
Alternatively, the metal base substrate itself and the inclined wall surface portion 5 of the through-hole 4 may be made of a metal material having an optimum reflection characteristic in accordance with the color of light emitted from the LED chip and other characteristics.
In addition, in each of the above embodiments, the inclined wall surface 5 of the through hole 4 has a substantially linear inclination in a side sectional view, but this is curved so that the entire inner wall 5 of the through hole 4 is substantially parabolic. You may form so that a surface may be made.

図４の構成では、光源ユニット１０の前面に蛍光体樹脂層２３及び集光レンズ２４が配置されているが、これらの具体的構成に関しては、従来知られた構成を適宜採用し得る。蛍光体の特性についても特に限定は無い。また、これらのいずれか一方又は全部を省略しても構わない。さらに、光源ユニットの前面に拡散板等が配置される構成であっても構わない。   In the configuration of FIG. 4, the phosphor resin layer 23 and the condensing lens 24 are disposed on the front surface of the light source unit 10, but conventionally known configurations can be appropriately employed for these specific configurations. There is no particular limitation on the characteristics of the phosphor. Any one or all of these may be omitted. Furthermore, a configuration in which a diffusion plate or the like is disposed on the front surface of the light source unit may be used.

放熱フィン２１に関しては、図４に例示した様な各フィンを放射状に立設する構成に限られず、複数枚の薄い円環状のフィンを、光源ユニット１０の側面に沿うように、かつ、基板の積層方向に空隙を挟んで積層配置する構成であっても良い（図５参照）。尚、図５Ａは、本発明の光源モジュールの変形実施例を示す平面図、図５Ｂは図５Ａに示す光源モジュールの側面図、図５Ｃは図５ＡのＣ−Ｃ’線断面図である。
空冷ファンの配置位置についても特に限定は無く、例えば図４の制御回路基板２６の位置にファンを配置し、別の位置に制御回路基板２６を配置する構成としても良い。 The heat dissipating fins 21 are not limited to the configuration in which the fins as illustrated in FIG. 4 are erected in a radial manner, and a plurality of thin annular fins are arranged along the side surface of the light source unit 10 and on the substrate. A configuration may be employed in which the gaps are stacked in the stacking direction (see FIG. 5). 5A is a plan view showing a modified embodiment of the light source module of the present invention, FIG. 5B is a side view of the light source module shown in FIG. 5A, and FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG.
The arrangement position of the air cooling fan is not particularly limited. For example, the fan may be arranged at the position of the control circuit board 26 in FIG. 4 and the control circuit board 26 may be arranged at another position.

上記各実施形態等では、光源ユニット１０を構成する各層基板をアルミ金属ベース基板からなるものとしたが、基板材質についてはこれに限定されず、銅その他の熱伝導性金属として構わない。また、アルミナや窒化アルミ、或いは窒化シリコン等からなる高熱伝導性セラミック基板としても良い。
上記各実施形態等では、各ＬＥＤチップＣは、金バンプを用いたフリップチップ法により基板１に接続されているが、フリップチップ接合方式については、金バンプを用いたＡｕ−Ａｕ接合に限定されず、Ｃ４工法、Ａｕ−はんだ工法に代表される金属接合による接続方式、或いはＡＣＦ工法、ＮＣＰ工法に代表される接触接合による接続方式等、種々のものを採用して構わない。 In each of the above embodiments and the like, each layer substrate constituting the light source unit 10 is made of an aluminum metal base substrate, but the substrate material is not limited to this, and may be copper or other thermally conductive metal. Alternatively, a highly thermally conductive ceramic substrate made of alumina, aluminum nitride, silicon nitride, or the like may be used.
In each of the above embodiments, each LED chip C is connected to the substrate 1 by a flip chip method using gold bumps, but the flip chip bonding method is limited to Au-Au bonding using gold bumps. Alternatively, various methods such as a connection method using metal bonding typified by the C4 method and Au-solder method, or a connection method using contact bonding typified by the ACF method and the NCP method may be adopted.

その他、上記各実施形態等では、ＬＥＤチップＣをグリッド格子状や正三角形格子状に基板上に均等配置する例につき説明したが、各層におけるＬＥＤチップＣの具体的な配置の仕方について特に限定はなく、放射状や円環状にＬＥＤチップＣを配置する構成であっても構わない。ＬＥＤチップの実装個数についても配置する構成によって個数は限定されない。
光の取り出し方向についても、基板の積層方向に限られず、取り出し方向を変える構成でも良い。
上記各実施形態等では、基板を２層或いは３層積層した光源ユニット１０の構成につき説明したが、積層数については特に限定されず、例えば４層以上の構成を適宜採用して構わない。基板形状についても円盤状のものに限定されない。
ＬＥＤチップＣの種類や発光色、指向特性その他についても特に限定は無い。
さらに、上記各例では発光素子をＬＥＤとして説明したが、本発明は、ＥＬその他将来開発が期待される小型発光素子に対しても十分適用可能であることは言うまでも無い。 In addition, in each of the above-described embodiments and the like, the example in which the LED chips C are equally arranged on the substrate in a grid lattice shape or a regular triangle lattice shape has been described. However, the specific arrangement method of the LED chips C in each layer is not particularly limited. Alternatively, the LED chips C may be arranged radially or in an annular shape. The number of LED chips mounted is not limited depending on the arrangement.
The light extraction direction is not limited to the stacking direction of the substrates, and a configuration in which the extraction direction is changed may be used.
In each of the above embodiments and the like, the configuration of the light source unit 10 in which two or three layers of substrates are stacked has been described. However, the number of stacked layers is not particularly limited, and for example, a configuration of four or more layers may be adopted as appropriate. The substrate shape is not limited to a disk shape.
There is no particular limitation on the type, emission color, directivity, etc. of the LED chip C.
Further, in each of the above examples, the light emitting element has been described as an LED, but it goes without saying that the present invention is sufficiently applicable to EL and other small light emitting elements that are expected to be developed in the future.

以上説明したとおり、本願発明は、光束を同一方向に効率よく取り出すことに加えて、放熱能力を十分に確保する観点から、素子や基板を多層に構成した、新規かつ有用なるものである。   As described above, the present invention is novel and useful in which elements and substrates are formed in multiple layers from the viewpoint of ensuring sufficient heat dissipation capability in addition to efficiently extracting light beams in the same direction.

本発明の光源ユニットの第１実施形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the light source unit of this invention. 図１の光源ユニットにおける、ＬＥＤチップが実装されている部分を拡大した図である。It is the figure which expanded the part in which the LED chip is mounted in the light source unit of FIG. 本発明の光源ユニットの第２実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the light source unit of this invention. 本発明の光源ユニットを組み込んだ光源モジュールの一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the light source module incorporating the light source unit of this invention. 光源モジュールの変形実施例を示す図である。It is a figure which shows the modification Example of a light source module.

符号の説明Explanation of symbols

Ｃ 発光素子チップ
１ 基板
２ フリップチップ接合部
３ 配線パターン
４ 貫通孔
５ 壁面
１０ 光源ユニット
１１ 基板第１層
１２ 基板第２層
１３ 基板第３層
２０ 光源モジュール
２１ 放熱フィン
２２ 放熱フィン筐体
２３ 蛍光体樹脂層
２４ 集光レンズ
２５ 引き出し電極リード
２６ 制御回路基板
２７ 制御ＩＣ C Light-Emitting Element Chip 1 Substrate 2 Flip Chip Junction 3 Wiring Pattern 4 Through Hole 5 Wall Surface 10 Light Source Unit 11 Substrate First Layer 12 Substrate Second Layer 13 Substrate Third Layer 20 Light Source Module 21 Radiation Fin 22 Radiation Fin Housing 23 Fluorescence Body resin layer 24 Condensing lens 25 Lead electrode lead 26 Control circuit board 27 Control IC

Claims (6)

上下に基板を複数層重ね合わせた複数層の基板と、
前記複数層の基板の夫々に実装された複数の発光素子と、
を備え、
前記複数層の基板のうちの上層側の基板には、これより下層の基板上に実装された前記発光素子の実装位置に対応した位置に貫通孔が設けられ、
最上層の基板上に実装された前記発光素子が前記貫通孔を除く領域に配置されるとともに、前記最上層の基板に対し下層側の基板に実装された前記発光素子が前記貫通孔に収容されていることを特徴とする光源装置。 A substrate of a plurality of layers superposed multiple layers of the substrate up and down,
A plurality of light emitting elements mounted on each of the plurality of layers of substrates ;
With
A through hole is provided at a position corresponding to the mounting position of the light emitting element mounted on the lower layer substrate in the upper layer side substrate among the multiple layer substrates ,
The light emitting element mounted on the uppermost substrate is disposed in a region excluding the through hole, and the light emitting element mounted on a lower layer substrate with respect to the uppermost substrate is accommodated in the through hole. light source and wherein the are. 前記貫通孔の開口面積が上方に向かって拡開する様に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。   The light source device according to claim 1, wherein an opening area of the through hole is formed to expand upward. 前記基板が金属ベース基板またはセラミック基板からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。   The light source device according to claim 1, wherein the substrate is made of a metal base substrate or a ceramic substrate. 前記発光素子は、実装される基板側に電極面が向けられて前記基板に実装されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。   4. The light source device according to claim 1, wherein the light emitting element is mounted on the substrate with an electrode surface directed toward a substrate on which the light emitting element is mounted. 前記基板の側面に少なくとも一部が接触する放熱手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。   5. The light source device according to claim 1, further comprising a heat radiating unit at least partially contacting a side surface of the substrate. 前記基板には、各層毎に夫々発光色が異なる発光素子が実装されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源装置。   6. The LED light source device according to claim 1, wherein light emitting elements having different emission colors are mounted on the substrate for each layer.
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