JP2010003968A

JP2010003968A - 発光装置

Info

Publication number: JP2010003968A
Application number: JP2008163325A
Authority: JP
Inventors: Norio Kanai; 教郎金井; Atsushi Takashima; 淳高島
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: JP5235105B2

Abstract

【課題】簡単、且つ安価な構成で、発光ダイオードの発熱を抑制することができる発光装置を提供する。
【解決手段】発光ダイオード２０が備える放熱ブロック２２を、熱伝導部３０を介して配線基板２１の放熱用パターン２７または電気導通用パターン２６に接続し、発光ダイオード２０の熱を熱伝導部３０を介して配線基板２１に伝導して配線基板２１から放熱させる。
【選択図】図２

Description

本発明は発光装置に係り、例えば、高出力タイプの発光ダイオードを用いた発光装置に関する。

発光ダイオードは、小型且つ長寿命であり、使い勝手がよいことから様々なところで使用されている。近年、発光効率の向上に伴って照明用に高出力タイプの発光ダイオードが数多く商品化されてきている。高出力タイプの発光ダイオードとしては、例えば、０．３ｍｍ角程度の比較的小型の発光素子を複数個用いて光出力を増大したもの、例えば、１．０ｍｍ角程度の比較的大型の発光素子を用い、大電流を流して光出力を増大したもの、あるいは、比較的大型の発光素子を複数個用いて光出力を更に増大したものなどが知られている。

多数の発光素子を用いたり、大電流を流すことによって発光ダイオードの消費電力が増大すると、これに伴って発熱量も多くなる。発熱によって発光ダイオードの温度が上昇すると、発光ダイオードの寿命や出力効率などの特性に悪影響を与えることが知られている。具体的には、温度上昇に伴って発光素子の寿命が短くなったり、発光素子を封止している透明シリコン樹脂などの周辺部材が変色して透明度が低下し、光出力が低下する虞がある。このため、消費電力の増加に伴う放熱対策が重要な課題となる。

従来の放熱対策としては、図１０に示すように、透光性を有する樹脂体２で封止された青色の発光素子１を、高熱伝導性の放熱ブロック３上に固定し、この青色の発光素子１を囲むように回路基板４を配置した発光ダイオード１０が知られている（例えば特許文献１参照）。この発光素子１は、放熱ブロック３に接着剤などによってダイボンドされており、ガラスエポキシ樹脂やＢＴレジンなどの絶縁材料からなる回路基板４の配線パターンに、素子電極部がボンディングワイヤ５によって電気的に接続されている。発光素子１の発光に伴って発生する熱は、放熱ブロック３を介して放熱されるので、放熱ブロック３を電子機器の筐体６などに接触・配置することによって放熱効率が高められる。
特開２００６−００５２９０号公報

特許文献１に記載の発光ダイオード１０を、例えば、照明器具として使用する場合、図１１に示すように、回路基板４の配線パターン７が、配線基板８の電気導通用パターン９に半田１１で接続される。また、放熱ブロック３は、放熱性およびクッション性の高いシリコンゲルまたはシリコンゴムなどのシート１２を挟んで筐体６に取り付けられる。

シート１２を放熱ブロック３と筐体６との間に介在させるのは、配線基板８の歪み、半田塗布量のばらつきなどによる発光ダイオード１０の傾き、筐体６の平坦度不良などによって、放熱ブロック３と筐体６とが密着しない場合が多く、筐体６を介しての放熱効果が得難いからである。また、放熱ブロック３を筐体６に直接取り付けると、歪みによって配線基板８に実装されている電子部品にストレスが作用して、故障の原因となる可能性があるからである。

このようなシート１２としては、通常、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ〜５Ｗ／ｍ・Ｋ程度のシートが使用される。５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するシートもあるが、非常に高価であり、通常製品への使用は困難である。また、熱伝導率の高いシートでも、せいぜい数十Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、必ずしも放熱効果が十分とは言えず、発光ダイオード１０の発熱を十分に抑えることができないという不都合があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単、且つ安価な構成で、発光ダイオードの発熱を抑制することができる発光装置を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、回路基板に実装された発光素子と、前記発光素子から発生した熱を外部に放熱するための放熱ブロックを備える発光ダイオードと、前記発光ダイオードの電極と電気的に接続される電気導通用パターン、および放熱用パターンを有する配線基板と、前記放熱ブロックと、前記放熱用パターンおよび前記電気導通用パターンの少なくとも一方とを接続する熱伝導部と、を備え、前記発光ダイオードで発生した熱が、前記熱伝導部を介して前記配線基板から放熱されることを特徴とする。

このように構成された発光装置においては、発光ダイオードが備える放熱ブロックを、熱伝導部を介して配線基板の放熱用パターンまたは電気導通用パターンに接続し、発光ダイオードの熱を、配線基板から放熱するようにしたので、簡単且つ安価な構成によって発光ダイオードの発熱を抑制することができる。これによって、発光素子の周辺部材の変色を防止して光出力低下を抑えることができる。また、発光素子の発熱による出力低下を防止することができる。

また、本発明は、前記電気導通用パターンの少なくとも一部と、前記放熱用パターンとが、接続されていることを特徴とする。

このように構成された発光装置においては、電気導通用パターンの少なくとも一部と、放熱用パターンとが接続されているので、放熱面積が増加し、発光ダイオードの熱を効率よく配線基板から放熱することができる。

また、本発明は、前記熱伝導部は、前記配線基板に対する前記発光ダイオードの位置を位置決めする位置決め機構を備えることを特徴とする。

このように構成された発光装置においては、熱伝導部が備える位置決め機構によって、発光ダイオードを配線基板に対して位置決めするので、発光ダイオードの位置ずれを防止することができる。従って、照射面の色むら発生を抑制することができる。

また、本発明は、前記位置決め機構は、前記熱伝導部に設けられた係止部と、前記配線基板に形成された係合部とからなり、前記係止部を前記係止部に係合させて前記発光ダイオードの位置決めを行うことを特徴とする。

このように構成された発光装置においては、位置決め機構が熱伝導部に設けられた係止部と、配線基板に形成された係合部とからなり、係止部を係止部に係合させて発光ダイオードの位置決めを行うので、簡単な機構によって発光ダイオードの位置ずれを確実に防止することができる。

また、本発明は、前記発光ダイオードから出射する光を集光または拡散させるレンズ部材を更に備え、
前記レンズ部材の一部を、前記配線基板に形成された穴または切欠きに嵌合させて、前記レンズ部材と前記配線基板との相対位置を位置決めすることを特徴とする。

このように構成された発光装置においては、レンズ部材の一部を配線基板の穴などに嵌合させて、レンズ部材と配線基板との相対位置を決めるので、配線基板に対して発光ダイオードの位置を位置決めする位置決め機構と併用すれば、レンズ部材と発光ダイオードとを所定の正しい位置に固定すると共に、両者の位置ずれを防止することができ、レンズ部材における反射などのロスを低減することができ、高出力の発光装置が得られる。

また、本発明は、黒レジストが前記配線基板の表面に設けられたことを特徴とする。

このように構成された発光装置においては、配線基板の表面に黒レジストを設けたので、配線基板から効率よく空気中に熱放射して、発光ダイオードの発熱を更に効果的に抑制することができる。

本発明によれば、発光ダイオードが備える放熱ブロックを、熱伝導部を介して配線基板の放熱用パターンまたは電気導通用パターンに接続し、発光ダイオードの熱を、配線基板から放熱するようにしたので、簡単且つ安価な構成によって発光ダイオードの発熱を抑制することができる。これによって、発光素子の周辺部材の変色を防止して光出力低下を抑えることができる。また、発光素子の発熱による出力低下を防止することができるという効果が得られる。

以下、本発明の各実施形態に係る発光装置を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る発光装置を裏面から見た斜視図、図２は図１に示す発光装置のＡ−Ｂ線での縦断面図である。なお、図２は上下逆にして示している。

図１および図２に示すように、第１実施形態の発光装置１００は、配線基板２１と、この配線基板２１上に実装された発光ダイオード２０とを備える。発光ダイオード２０は、高熱伝導率の材料からなる略直方体形状の放熱ブロック２２のほぼ中央部に、発光素子２３の下面が接着剤などによってダイボンドされて固定されている。放熱ブロック２２には、発光素子２３を取り囲むようにして回路基板２４が載置されている。

回路基板２４は、例えば、ガラスエポキシ樹脂やＢＴレジン（Bismaleimide Triazine Resin）などの絶縁材料からなる。また、放熱ブロック２２は、放熱効果を高めるため、熱伝導率の高い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属材料や、アルミニウム系セラミックスなどの非金属材料から形成される。

発光素子２３の素子電極部（図示せず）は、回路基板２４の配線パターンにボンディングワイヤ（いずれも図示せず）によって電気的に接続されている。発光素子２３は、透明シリコン樹脂などの透光性を有する樹脂２５によって封止されている。

配線基板２１は、例えば、ガラスエポキシ樹脂やＢＴレジンなどの絶縁材料からなり、裏面（図１においては上面）には、電気導通用パターン２６および放熱用パターン２７が形成されている。配線基板２１の電気導通用パターン２６は、発光ダイオード２０（回路基板２４）の配線パターン（図示せず）に半田２８によって半田付けされて電気的に接続されている。

放熱用パターン２７は、熱伝導部である導電ペースト３０によって放熱ブロック２２と接続されている。即ち、導電ペースト３０は、放熱用パターン２７、回路基板２４、および放熱ブロック２２に連続して塗布されている。これによって、放熱ブロック２２の熱は、導電ペースト３０を介して放熱用パターン２７に伝導される。導電ペースト３０は、市販の導電ペーストであり、１Ｗ／ｍ・Ｋ〜数十Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有する熱伝導部材でもある。

このような発光装置１００は、高い熱伝導率を有し、且つ低硬度でクッション性の高いシリコンゲルまたはシリコンゴムなどからなるシート３１を介して照明器具などの筐体３２に取り付けられている。クッション性の高いシート３１を介して筐体３２に取り付けることにより、配線基板２１の歪み、半田塗布量のばらつきなどによる発光ダイオード２０の傾き、筐体３２の平坦度不良などが吸収されて、放熱ブロック２２と筐体３２とが実質的に密着する。また、筐体３２への取付けによる発光装置１００の歪みを防止して、実装された電子部品にかかるストレスを低減させるので、電子部品の故障発生率が低減する。

本実施形態の発光装置１００によれば、発光素子２３の発光に伴って発生した熱は、放熱ブロック２２からシート３１を介して筐体３２に伝導されて、筐体３２の表面から放熱される。更に、放熱ブロック２２、および導電ペースト３０を介して放熱用パターン２７にも伝導され、広い面積を有する放熱用パターン２７からも効率的に放熱される。従って、簡単且つ安価な機構によって、発光ダイオード２０の発熱を大幅に抑制することができる。

放熱用パターン２７の面積は、広いほど大きな放熱効果が期待できることは当然である。また、導電ペースト３０に代えて半田を用いることもできる。更に、放熱用パターン２７から空気中への熱放射を高めるために、黒レジストを被せることも効果的である。

発光ダイオード２０の発熱を抑制することによって、熱による発光素子２３の寿命に与える悪影響を防止すると共に、発光素子２３を封止している透明シリコン樹脂などの周辺部材２５の変色による透明度の低下を防止して、光出力低下を抑制することができる。また、発光素子２３の発光効率は、温度が下がるほど高くなるので、結果として光出力を高めることができる。

また、導電ペースト３０は、一般的に銀などの金属やカーボンなどを含んでおり、電気導電率が高いので、放熱ブロック２２などに静電気が印加されても、導電ペースト３０を介して放熱用パターン２７に逃がすことができ、発光ダイオード２０（発光素子２３）にかかるストレスを低減することができる。

（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る発光装置を裏面から見た斜視図である。第２実施形態の発光装置は、配線基板の電気導通用パターンおよび放熱用パターンのパターンが異なる以外は、第１実施形態の発光装置と同様であるので、同一部分には同一符号または相当符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態の配線基板２１の電気導通用パターン２６と放熱用パターン２７とは、一部が共通パターン２９で接続されている。これにより、電気導通用パターン２６の一部（共通パターン部）を放熱用パターン２７として使用することができ、放熱面積が増大するので、更に効果的に発光ダイオード２０の熱を放熱して発熱を抑制することができる。

（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態に係る発光装置の斜視図、図５は図４に示す発光装置の裏面斜視図である。第３実施形態の発光装置は、配線基板の放熱用パターンが基板表面にも形成されている以外は、第１実施形態の発光装置と同様であるので、同一部分には同一符号または相当符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、第３実施形態の配線基板２１には、表面側の広い範囲に放熱用パターン２７Ａが形成されている。配線基板２１には、多数（図に示す実施形態では４個）のスルーホール３３が設けられており、表面側の放熱用パターン２７Ａが、スルーホール３３によって裏面側の放熱用パターン２７と接続されている。

これにより、放熱用パターン２７の面積を大幅に増大させることができ、放熱ブロック２２から裏面側の放熱用パターン２７に伝導された発光ダイオード２０の熱を、スルーホール３３を介して表面側の放熱用パターン２７Ａに伝導し、裏面側および表面側の放熱用パターン２７、２７Ａの両パターンから放熱させて、発熱を更に効果的に抑制することができる。ここで、スルーホール３３の数が多いほど、裏面側の放熱用パターン２７の熱を表面側の放熱用パターン２７Ａに均一に伝導することができ、放熱効率が高まる。

（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態に係る発光装置の縦断面図である。第４実施形態の発光装置１００は、筐体３２がシート３１を介して放熱ブロック２２に取り付けられ、更に、筐体３２が配線基板２１の放熱用パターン２７に接触した状態でねじ３４によって固定されている。これによって、シート３１を介する筐体３２からの放熱に加えて、放熱ブロック２２から放熱用パターン２７に伝導された熱も筐体３２から放熱されて、放熱効率が更に高められる。また、放熱ブロック２２などに静電気が印加されても放熱用パターン２７に逃がすことができ、発光ダイオード２０（発光素子２３）にかかるストレスを低減することができる。

（第５実施形態）
図７および図８は本発明の第５実施形態に係る発光装置の縦断面図である。第５実施形態の発光装置は、熱伝導部として位置決め機構を備える固定具が用いられている以外は、第３実施形態の発光装置と同様であるので、同一部分には同一符号または相当符号を付して説明を省略する。

固定具４０は、熱伝導率の高い銅、アルミニウムなどの金属製であり、放熱ブロック２２に嵌合する角穴４１が略中央部に設けられた本体部４２と、本体部４２から略直角に立設する一対の腕部４３とを備える。腕部４３の先端には、発光ダイオード２０の位置決め機構である爪状の係止部４４が形成されている。配線基板２１には、裏面側に電気導通用パターン２６と共に放熱用パターン２７が形成され、表面側にはスルーホール３３によって放熱用パターン２７と接続された放熱用パターン２７Ａが形成されている。

角穴４１に放熱ブロック２２が嵌合・固定された固定具４０は、一対の腕部４３がスルーホール３３に挿通され、係止部４４が係合部でもあるスルーホール３３に係合して、配線基板２１に対する発光ダイオード２０の位置決めが行われ、発光ダイオード２０の位置ずれが防止される。

これと同時に、放熱ブロック２２は、金属製の固定具４０を介して放熱用パターン２７、２７Ａと接続されるので、発光素子２３から放熱ブロック２２に伝導された熱は、固定具４０を介して放熱用パターン２７、２７Ａに伝導されて配線基板２１から効率的に放熱される。なお、図示しないが、発光ダイオード２０の回路基板２４に形成されている配線パターンは、配線基板２１の電気導通用パターン２６と電気的に接続されていることは言うまでもない。

本実施形態の発光装置１００は、先ず、電気導通用パターン２６にクリーム半田を塗布して発光ダイオード２０を実装した後、固定具４０の腕部４３をスルーホール３３に挿通して発光ダイオード２０を配線基板２１に固定する。そして、リフロー半田槽に通して半田付けして製作される。このとき、発光ダイオード２０は、固定具４０によって配線基板２１に位置決めされているので、位置がずれることはない。

なお、図８に示すように、固定具４０の係止部４４を、半田２８によって放熱用パターン２７Ａに半田付けすれば、更に放熱効果が高まる。また、放熱ブロック２２などに静電気が印加されても、金属製の固定具４０を介して放熱用パターン２７に逃がすことができ、発光ダイオード２０（発光素子２３）にかかるストレスを低減することができる。

（第６実施形態）
図９は本発明の第６実施形態に係る発光装置の縦断面図である。第６実施形態の発光装置は、レンズ部材を備える以外は、第５実施形態の発光装置と同様であるので、同一部分には同一符号または相当符号を付して説明を省略する。

レンズ部材５０は、発光ダイオード２０から出射する光を集光または拡散させるレンズ５１と、レンズ５１の光軸方向に延びる１対の脚部５２を有する。１対の脚部５２の先端に形成された位置決めピン５３は、配線基板２１に形成された穴５４に嵌合して、レンズ部材５０と配線基板２１との相対位置が固定されている。

このように、配線基板２１にレンズ部材５０を固定することによって、配線基板２１に対してレンズ部材５０を所定の位置に位置決めすることができ、第５実施形態で説明した発光ダイオード２０の位置決めを行う固定具４０と併用すれば、発光ダイオード２０とレンズ部材５０との相対的な位置ずれを防止して正確に位置決めすることが可能となる。これにより、レンズ性能を十分に発揮させて照射面の色むらなどの発生を防止することができる。

なお、本発明の発光装置は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。

その他、前述した各実施形態において例示した回路基板、放熱ブロック、発光ダイオード、電気導通用パターン、放熱用パターン、配線基板、熱伝導部、発光装置、位置決め機構、係止部、係合部、レンズ部材、穴、切欠き、黒レジスト等の材質，形状，寸法，形態，数，配置個所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明の第１実施形態に係る発光装置を裏面から見た斜視図図１に示す発光装置のＡ−Ｂ線での縦断面図本発明の第２実施形態に係る発光装置を裏面から見た斜視図本発明の第３実施形態に係る発光装置の斜視図図４に示す発光装置の裏面斜視図本発明の第４実施形態に係る発光装置の縦断面図本発明の第５実施形態に係る発光装置の縦断面図図７に示す固定具が配線基板に半田付けされた発光装置の縦断面図本発明の第６実施形態に係る発光装置の縦断面図従来の発光装置の縦断面図シートを介して筐体に取り付けられた従来の発光装置の縦断面図。

符号の説明

２０発光ダイオード
２１配線基板
２２放熱ブロック
２３発光素子
２４回路基板
２６電気導通用パターン
２７放熱用パターン
２７Ａ放熱用パターン
３０導電ペースト（熱伝導部）
３３スルーホール（係合部）
４０固定具（熱伝導部）
４４係止部（位置決め機構）
５０レンズ部材
５４配線基板の穴
１００発光装置

Claims

回路基板に実装された発光素子と、前記発光素子から発生した熱を外部に放熱するための放熱ブロックを備える発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの電極と電気的に接続される電気導通用パターン、および放熱用パターンを有する配線基板と、
前記放熱ブロックと、前記放熱用パターンおよび前記電気導通用パターンの少なくとも一方とを接続する熱伝導部と、
を備え、
前記発光ダイオードで発生した熱が、前記熱伝導部を介して前記配線基板から放熱されることを特徴とする発光装置。
前記電気導通用パターンの少なくとも一部と、前記放熱用パターンとが、接続されていることを特徴とする請求項１に記載した発光装置。
前記熱伝導部は、前記配線基板に対する前記発光ダイオードの位置を位置決めする位置決め機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した発光装置。
前記位置決め機構は、前記熱伝導部に設けられた係止部と、前記配線基板に形成された係合部とからなり、前記係止部を前記係止部に係合させて前記発光ダイオードの位置決めを行うことを特徴とする請求項３に記載した発光装置。
前記発光ダイオードから出射する光を集光または拡散させるレンズ部材を更に備え、
前記レンズ部材の一部を、前記配線基板に形成された穴または切欠きに嵌合させて、前記レンズ部材と前記配線基板との相対位置を位置決めすることを特徴とする請求項４に記載した発光装置。
黒レジストが前記配線基板の表面に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載した発光装置。