JP5987804B2 - 発光モジュール装置 - Google Patents
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Description
然るに、LED素子は発光することに伴って熱を発生するものであることから、複数のLED素子の各々が自らの発熱あるいは周囲からの受熱によって温度上昇して高温となりやすく、それに起因してLED素子自体の発光効率が低下してしまう、という問題がある。
具体的に、特許文献1の発光モジュール装置は、図4に示すように、金属基板層21の上面に、絶縁層41と金属製のリードフレーム42とがこの順に積層されてなる基板を備えている。そして、リードフレーム42には、配線パターン43が形成されていると共に、複数の青色LED素子45が配置されている。また、複数の青色LED素子45は、各々、上面および下面に電極を有しており、これらの電極がリード線18およびリードフレーム42を介して配線パターン43に電気的に接続されている。このようにして、複数の青色LED素子45は、リード線18、リードフレーム42および配線パターン43を介して直列に接続されている。
図4において、46は、絶縁性を有する保持部材であり、47は、過電圧防止用のツェナダイオードである。
すなわち、図4の発光モジュール装置においては、複数の青色LED素子45から発生する熱は、共通のリードフレーム42の上面から排熱されると共に、そのリードフレーム42を介して、熱伝導率の低い絶縁層41に伝達され、その絶縁層41から金属基板層21に伝達される。そのため、青色LED素子45を高密度に配置した場合には、青色LED素子45は、他の青色LED素子45からの熱的影響を受けやすく、よって高温となりやすい。
また、図5の発光モジュール装置においては、LED素子11から発生する熱は、厚み方向の断面積が小さい配線層52を介して、熱伝導率の低い絶縁層51に伝達され、その絶縁層51から金属基板層21に伝達される。そのため、LED素子11を高密度に配置した場合には、配線層52において、絶縁層51を介して金属基板層21に対して効率よく熱を伝達することができず、よってLED素子11は、自らの発熱および周囲に位置するLED素子11からの受熱によってより高温となりやすい。
すなわち、紫外線LED素子は、青色LED素子に比して入力電力に対する発光効率が低く、入力電力の60%以上が熱に変換されるものである。そのため、発光モジュール装置に所期の発光強度を得るためには、より多数の紫外線LED素子をより高密度に配置することが必要とされる。よって、紫外線LED素子は、自らの発熱および他の紫外線LED素子からの熱的影響を受けやすく、より高温となりやすい。
而して、このような構成の発光モジュール装置において、金属基板層の上面に絶縁層が形成された基板を用いる場合には、金属基板層上に複数の絶縁層を積層して多層配線構造を形成することが有効である。そのような構造においては、通常、LED素子が搭載される構成部材(例えば、図4におけるリードフレーム42)の上面には絶縁層が積層されることとなり、当該構成部材の上面からはLED素子から発生する熱を排熱することができない。そのため、LED素子から発生する熱を効率よく金属基板層に伝達することが必要とされる。
前記基板には、前記金属基板層の上面に形成された前記絶縁層の上面に、金属よりなり、電気伝導路および熱伝導路を形成する熱拡散パターン要素の複数が互いに離間した状態で二次元的に配置されてなる熱拡散パターンが形成されており、
前記熱拡散パターンにおける複数の熱拡散パターン要素の各々の上面には、上面側絶縁層を介して配線パターンが形成され、またその熱拡散パターン要素に熱的および電気的に接続された状態で1つの発光素子が配設されており、
前記熱拡散パターンの厚みが200μm以上であり、
前記絶縁層、前記熱拡散パターンおよび前記発光素子を、当該絶縁層および当該熱拡散パターンの厚み方向に透視したとき、前記熱拡散パターン要素が占める領域が、当該熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の2倍の半径を有する領域を含み、
前記熱拡散パターンの厚みの7倍の値が、前記熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の2倍以上であることを特徴とする。
従って、本発明の発光モジュール装置によれば、複数の発光素子において発生した熱を熱拡散パターンを介して金属基板層に効率よく伝達して外部に放熱することができる。そのため、複数の発光素子を高密度に配置した場合であっても、発光に伴う発光素子の温度上昇を抑制することができ、よって高い発光効率を得ることができる。
図1は、本発明の発光モジュール装置の構成の一例の概要を示す説明用断面図であり、図2は、図1の発光モジュール装置を上から透視した、熱拡散パターンおよび下面側絶縁層の厚み方向の投影面上における熱拡散パターン要素と素子用ポスト要素と発光素子との位置関係を示す説明図である。
この発光モジュール装置10は、発光源を構成する発光素子として、複数のLED素子11を備えてなるものである。これらの複数のLED素子11は、矩形平板状の基板20の上面に搭載されており、この基板20の上面において、互いに離間した状態で二次元的に配置されている。また、基板20には、複数のLED素子11のうちの任意のLED素子11を点灯とすることのできる金属配線(多重配線)が形成されている。
この図の例において、複数のLED素子11は、基板20の上面における中央部に形成された正六角形状のLED素子配設領域内において、等間隔で格子状に配列されている。
また、基板20には、熱拡散パターンの上面、すなわち複数の熱拡散パターン要素25の上面、および下面側絶縁層22の上面における熱拡散パターン要素25が位置されていない面23Aを覆うように、上面側絶縁層27が形成されている。この上面側絶縁層27は、下面側絶縁層22と一体化されており、この下面側絶縁層22と上面側絶縁層27との間には、複数の熱拡散パターン要素25が埋設された状態とされている。そして、上面側絶縁層27の平坦な上面には、配線パターン28が形成されており、この配線パターン28は、熱拡散パターンに電気的に接続されている。すなわち、配線パターン28には、複数の熱拡散パターン要素25が、これらの複数の熱拡散パターン要素25の各々に形成された配線パターン用ポスト26Bを介して電気的に接続されている。この配線パターン用ポスト26Bは、熱拡散パターン要素25の上面における素子用ポスト26Aと離間した位置に形成されている。
このように、基板20は、金属基板層21、下面側絶縁層22、熱拡散パターン要素25、上面側絶縁層27および配線パターン28の積層体よりなるものであり、多層配線構造を有している。
この図の例において、素子用ポスト26Aおよび配線パターン用ポスト26Bは、各々、円柱状の形状を有している。また、素子用ポスト26Aは、上面のレベル位置が、上面側絶縁層27の上面のレベル位置よりも上方(図1における上方)となる高さを有しており、その上面の寸法が、LED素子11の下面の寸法と略同等のものである。LED素子11は四角柱状の形状を有しており、上面および下面の寸法が1mm×1mmのものであり、また素子用ポスト26Aの上面の寸法は直径1mmである。そして、素子用ポスト26Aの上面は、全面がLED素子11の下面と接触した状態とされている。
金属基板層21は、図1に示されているように、通常、少なくとも下面側絶縁層22が形成される一面が平坦面とされた板状のものであるが、その厚みは、例えば0.3〜5mmである。
下面側絶縁層22の厚みは、例えば50〜250μmである。
また、上面側絶縁性層27は、例えばエポキシ樹脂などの樹脂よりなる。
上面側絶縁層27の厚みは、電気絶縁性を確保するために、50〜250μmであることが好ましい。特に、金属配線を多層化した場合には、上面側絶縁層27の厚みは、50〜100μmであることが好ましい。その理由は、熱伝導性の観点からであり、素子用ポスト26Aをなるべく薄くすることによってLED素子11の熱を熱拡散パターンに効率的に熱伝達することができるからである。ここに、上面側絶縁層27の厚みとは、当該上面側絶縁層27の上面と熱拡散パターン要素25の上面との間の離間距離を示す。
この素子用ポスト26Aは、上面側絶縁層27に形成された、LED素子11の下面と熱拡散パターン要素25の上面との間に伸びる穴の内部に設けられている。
そして、素子用ポスト26Aとしては、上面側絶縁層27の穴の側面に金属めっき層を形成し、この金属めっき層が形成された穴の内部に、高熱伝導性部材を埋設することによって得られるものが用いられる。この高熱伝導性部材としては、金属フィラやセラミックフィラを混合したエポキシ樹脂などの樹脂よりなるもの、および金属棒などが用いられる。
素子用ポスト26Aの形状は、製造上は円柱状であることが好ましいが、機能的には他の形状であってもよい。
また、素子用ポスト26Aの大きさは、LED素子11との接触面積比を50%以上とすることができる寸法を有するものであればよく、このような大きさを有するものであれば、十分な熱伝導性を得ることができる。
この図の例において、配線パターン用ポスト26Bは、めっき法によって形成された銅よりなるものである。
また、熱拡散パターン要素25は、図1および図2に示されているように、上面および下面が円形状に近似した点対称な形状を有しており、上面におけるLED素子11と熱的に接続される領域が、当該上面の中心部に形成されていることが好ましい。
そして、熱拡散パターン要素25は、LED素子11から受熱した熱を、下面側絶縁層22に対して拡散させて伝達することができる熱拡散能を有するものである。具体的には、上面におけるLED素子11からの熱を受熱する領域(以下、「受熱領域」ともいう。)の面積に比して、下面における下面側絶縁層22に対して熱を伝達する領域(以下、「熱伝達領域」ともいう。)が、受熱領域より大きいものである。そして、この受熱領域と熱伝達領域との間には、熱拡散パターン要素25の厚み方向に伸びるように熱伝導路が形成される。
ここに、熱伝達領域は、下面側絶縁層22の上面における熱拡散パターン要素25が位置する領域(以下、「熱拡散パターン要素領域」ともいう。)よりも大きくなるものではないが、この熱拡散パターン要素領域のみによって定められるものではない。すなわち、熱伝達領域の大きさは、熱拡散パターン要素領域の大きさ、熱拡散パターン要素25の厚みt、LED素子11の種類およびLED素子11に対する入力電力などに応じて定められるものである。
この図の例において、熱拡散パターン要素25は、正六角形状の板状体よりなるものであり、よって熱拡散パターン要素領域は正六角形状である。また、熱拡散パターン要素領域に係る正六角形状は、直径7.6mmの円に内接する寸法を有している。そして、熱拡散パターン要素25において、受熱領域は、上面の中心部における素子用ポスト26Aが形成された領域によって構成されている。一方、熱伝達領域は、下面におけるLED素子11の直下位置とその周辺領域によって構成されている。
ここに、熱拡散パターンにおいては、この熱拡散パターンを構成する複数の熱拡散パターン要素25の各々の厚みが50μm以上とされていれば、これらの複数の熱拡散パターン要素25が同一の厚みを有していてもよく、また複数の熱拡散パターン要素25の各々が異なる厚みを有していてもよい。
一方、熱拡散パターンの厚みtが50μm未満である場合には、複数の熱拡散パターン要素25の各々において、LED素子11から受熱した熱を十分に拡散させた状態で下面側絶縁層22に伝達することができなくなる。そのため、LED素子11において発生した熱を、熱拡散パターン要素25および下面側絶縁層22を介して金属基板層21に効率よく伝達することができなくなり、よってLED素子11の温度上昇を十分に抑制することができなくなる。
また、熱拡散パターンの厚みtが2000μmを超える場合には、熱拡散パターンを所望に形成することができなくなるおそれがある。具体的に説明すると、例えば熱拡散パターンをエッチング処理によって形成する場合において、熱拡散パターン要素25の側面が所望の形状とならず、その側面が所望の形状に対して崩れたものとなってしまう、という問題がある。
また、熱拡散パターン要素領域は、熱拡散パターンの厚みtの7倍の値が素子基準領域の半径の値以上であるとき、その径が素子基準領域の径以上であって、熱拡散パターンの厚みtの7倍の半径を有する領域(以下、「第1のパターン厚み基準領域」ともいう。)以下の大きさを有することが更に好ましい。更には、熱拡散パターンの厚みtの6倍の半径を有する領域(以下、「第2のパターン厚み基準領域」ともいう。)以上であって第1のパターン厚み基準領域以下である大きさを有することが特に好ましい。
熱拡散パターン要素領域が、素子基準領域以上であることにより、受熱領域を十分な大きさとすることができる。そして、熱拡散パターン要素領域を第2のパターン厚み基準領域以上の大きさとすることによれば、熱伝達領域を十分な大きさとすることができる。すなわち、熱伝達領域の大きさが熱拡散パターン要素25によって制限されることが防止される。
また、熱拡散パターン要素領域が、第1のパターン厚み基準領域を超える大きさである場合には、LED素子11を高密度に配置することができず、所期の発光強度を得ることができなくなるおそれがある。
そして、LED素子11として、紫外線領域の光を放射する紫外線LED素子(UV−LED素子)、特に波長436nm以下の紫外線を含む光を出射する紫外線LED素子を用いた場合には、良好な放熱効果が得られる。具体的に説明すると、紫外線LED素子は発光に伴って発生する熱量が大きいものであることから、この紫外線LED素子をLED素子11として用いることによれば、この熱を効率的に外部に放熱し、発光に伴うLED素子11の温度上昇を十分に抑制することができる。
波長436nm以下の紫外線を含む光を出射する紫外線LED素子の具体例としては、窒化ガリウム(GaN)系紫外線LED素子、およびアルミニウム窒化ガリウム(AlGaN)系紫外線LED素子などが挙げられる。
LED素子11が上面および下面に電極を有する縦型のものであることにより、上面の電極をリード線18によって配線パターン28に電気的に接続し、下面の電極を熱拡散パターン要素25に電気的に接続することができ、それと共に熱拡散パターン要素25にLED素子11を熱的に接続することができる。そのため、LED素子11における活性層に均一に電流を供給することができ、しかも活性層において発生した熱を、効率よく熱拡散パターン要素25に伝達して排熱することができる。
LED素子11の密集度が1×10-3個/mm2 以上であることにより、LED素子11として、波長436nm以下の紫外線を含む光を出射する紫外線LED素子を用いた場合においても高輝度化が図られ、発光モジュール装置10に高い発光強度が得られる。
また、LED素子11の密集度が0.1個/mm2 を超える場合には、発光に伴うLED素子11の温度上昇を十分に抑制することができなくなるおそれがある。
すなわち、金属基板層21の上面に下面側絶縁層22を形成し、その下面側絶縁層22の上面に熱拡散パターンを形成する。更に、得られた金属基板層21、下面側絶縁層22および熱拡散パターンの積層体の上面に、素子用ポスト26Aおよび配線パターン用ポスト26Bを形成すべき領域以外の領域を覆うようにして上面側絶縁層27を形成する。それと共に、熱拡散パターン要素25の上面に素子用ポスト26Aおよび配線パターン用ポスト26Bを形成する。そして、上面側絶縁層27の上面に、配線パターン28を、配線パターン用ポスト26Bに電気的に接続するように形成することにより、基板20を得る。
次いで、基板20の上面において、素子用ポスト26Aの上面にLED素子11を配設し、そのLED素子11と配線パターン28とをリード線18を介して電気的に接続することにより、発光モジュール装置10が製造される。
ヒートシンクとしては、銅またはアルミニウム製の矩形平板状のものが用いられる。
また、熱伝導性部材としては、市販の放熱グリースや放熱シートなどが用いられる。
しかも、熱拡散パターンの熱拡散能は、LED素子11の種類および発光モジュール装置10に必要とされる発光強度などに応じ、熱拡散パターンの厚みtおよび熱拡散パターン要素領域の大きさを調整することによって制御することができる。
従って、発光モジュール装置10によれば、複数のLED素子11の各々において発生した熱を、それぞれのLED素子11に対応する熱拡散パターン要素25を介して金属基板層21に効率よく伝達して外部に放熱することができるため、複数のLED素子11を高密度に配置した場合であっても、発光に伴うLED素子11の温度上昇を抑制することができ、よって高い発光効率を得ることができる。
しかも、熱拡散パターン要素25の上面に上面側絶縁層27が形成された構成においては、熱拡散パターン要素25において、LED素子11から受熱した熱を、上面から放熱することはできないが、それに起因する弊害が生じることがない。すなわち、発光モジュール装置10においては、前述のように、複数のLED素子11の各々から発生する熱を効率よく金属基板層21に伝達することができるため、複数のLED素子11の各々において、発光に伴う温度上昇が十分に抑制される。
すなわち、発光モジュール装置10によれば、LED素子11として、入力電力に対する発光効率が低く、入力電力の60%以上が熱に変換される紫外線LED素子が用い、そのLED素子11の複数を高密度に配置した場合であっても、これらの複数のLED素子11の温度上昇を十分に抑制することができる。そのため、当該発光モジュール装置10に高い発光効率が得られ、所期の発光強度を得ることができる。
例えば、発光モジュール装置は、上面側絶縁層が形成されていないものであってもよく、また上面側絶縁層の上面に更に絶縁層が形成されてなるものであってもよい。
先ず、銅(熱伝導率383W/mK)よりなり、直径7mmの円に内接する正六角形状であって厚みが1mmの金属板基材の上面の全面に、セラミックフィラ入りエポキシ樹脂(熱伝導率5W/mK)よりなり、厚みが100μmの絶縁層が積層された積層体を7個用意した。
そして、6個の積層体における絶縁層の上面の全面を覆うよう、各々、銅(熱伝導率383W/mK)よりなり、直径7mmの円に内接する正六角形状であって、厚みが50μm、100μm、200μm、300μm、500μmおよび1000μmの平板状の熱拡散板を積層した。
このようにして、金属板基材の上面に絶縁層が積層された正六角柱状の積層体と、金属板基材の上面に絶縁層と熱拡散板とがこの順に積層された5種類の正六角柱状の積層体との合計7種類の積層体を作製した。
図3において、菱形プロットは、熱流速1×106 W/m2 の均一熱流速条件で加熱した場合の測定値であり、四角プロットは、熱流速2×106 W/m2 の均一熱流速条件で加熱した場合の測定値であり、三角プロットは、熱流速3×106 W/m2 の均一熱流速条件で加熱した場合の測定値である。
すなわち、金属基板層の上面に形成された絶縁層の上面に、厚みが50μm以上の金属製の熱拡散部材を配置し、その熱拡散部材の上面に1つの発光素子を熱的に接続することにより、発光素子と金属基板層との間における熱抵抗を小さくすることができ、発光に伴う発光素子の温度上昇を抑制できることが確認された。
11 LED素子
18 リード線
20 基板
21 金属基板層
22 下面側絶縁層
23A 面
25 熱拡散パターン要素
26A 素子用ポスト
26B 配線パターン用ポスト
27 上面側絶縁層
28 配線パターン
41 絶縁層
42 リードフレーム
43 配線パターン
45 青色LED素子
46 保持部材
47 ツェナダイオード
51 絶縁層
52 配線層
Claims (3)
- 金属基板層の上面に絶縁層が形成された基板上に、複数の発光素子が搭載されてなる発光モジュール装置において、
前記基板には、前記金属基板層の上面に形成された前記絶縁層の上面に、金属よりなり、電気伝導路および熱伝導路を形成する熱拡散パターン要素の複数が互いに離間した状態で二次元的に配置されてなる熱拡散パターンが形成されており、
前記熱拡散パターンにおける複数の熱拡散パターン要素の各々の上面には、上面側絶縁層を介して配線パターンが形成され、またその熱拡散パターン要素に熱的および電気的に接続された状態で1つの発光素子が配設されており、
前記熱拡散パターンの厚みが200μm以上であり、
前記絶縁層、前記熱拡散パターンおよび前記発光素子を、当該絶縁層および当該熱拡散パターンの厚み方向に透視したとき、前記熱拡散パターン要素が占める領域が、当該熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の2倍の半径を有する領域を含み、
前記熱拡散パターンの厚みの7倍の値が、前記熱拡散パターン要素に配設された前記発光素子を中心とした、当該発光素子の外縁を含む最小円の半径の2倍以上であることを特徴とする発光モジュール装置。 - 前記発光素子は、下面および上面に電極を有しており、下面の電極が前記熱拡散パターン要素と電気的に接続されており、上面の電極がリード線と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の発光モジュール装置。
- 前記発光素子は、波長436nm以下の紫外線を含む光を出射するものであることを特徴とする請求項1に記載の発光モジュール装置。
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