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JP2002335019A - 発光装置 - Google Patents

発光装置

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JP2002335019A
JP2002335019A JP2001109709A JP2001109709A JP2002335019A JP 2002335019 A JP2002335019 A JP 2002335019A JP 2001109709 A JP2001109709 A JP 2001109709A JP 2001109709 A JP2001109709 A JP 2001109709A JP 2002335019 A JP2002335019 A JP 2002335019A
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light emitting
emitting device
substrate
light
emitting element
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流高輝度発光が可能な発光装置に係り、
特に、リペアが可能で、安定駆動可能な発光装置を提供
することにある。 【解決手段】 貫通孔を持った基板(102)と、貫通孔と
勘合する支持部材(105)と、支持部材上に配置された発
光素子(101)とを有する発光装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は大電流高輝度発光が可能な
発光装置に係り、特に、リペアが可能で、安定駆動可能
な発光装置を提供することにある。
【0002】
【従来技術】今日、発光装置としてRGB(赤・緑・青
色)がそれぞれ高輝度に発光可能な発光ダイオードに加
え紫外線が発光可能な発光ダイオード、白色(例えば、
JIS8110で規定された白色を含む)が発光可能な発光ダ
イオードやレーザーダイオードが開発された。これらの
半導体発光素子は高輝度、低消費電力且つ長寿命化とい
う優れた特性を有している。そのため、屋外や屋内の各
種ディスプレイ、交通や鉄道などの信号機、各種インジ
ケータや標示や液晶装置のバックライトだけでなく、照
明自体として利用されはじめている。
【0003】このような発光装置はガラスエポキシ樹脂
の表面に銅箔のパターンが形成された基板上に複数のS
MD型発光ダイオードや砲弾型発光ダイオードを配置す
ると共に電気的に接続させユニットを構成させる。照明
や信号機などとして利用する場合は、各発光ダイオード
を直列及び/又は並列に接続するとともに電源に接続さ
せる。電源から電流を供給することによってユニットを
構成する各発光ダイオードが発光する。信号機や照明と
して利用する場合は、発光ダイオード上にレンズを設け
特定の領域の指向特性を向上させたり散乱させたりす
る。通常、半導体発光素子であるLEDに電流を多く流
すにしたがい、一定の電流までは比較的リニアに発光輝
度が上昇する。他方、LEDの温度上昇に反比例して発
光効率が低下する。また、温度上昇に伴い発光素子から
放出される光のスペクトルがシフトする場合がある。
【0004】このような問題を解決し、より明るい発光
装置を構成するためには図4に示す構成が考えられる。
図4には樹脂と比較して比較的熱伝導率のよいアルミや
セラミックス基板(402)上に絶縁層(405)、導電性パター
ン(403)を介してLEDチップ(401)を数多く密接配置させ
実装させてある。このような構成とすることによって、
光量を増大させつつ各発光素子に大電流を流しつつ安定
した特性を有するLEDパワーモジュールなどとするこ
とができる。
【0005】しかしながら、高熱伝導基板は半導体発光
素子の実装と、電気伝導、熱伝導を合わせた機能を有し
ているため総合的な効率が低く、信号機や照明用として
発光ダイオードを利用するためには、さらなる高輝度化
が求められる。また、LEDチップ(401)をアルミニウ
ムやセラミック上にダイボンド配置すると、LEDチッ
プの取り外しなど補修時にモジュール自体が損傷する可
能性がある。さらに、熱伝導性がよいため実装後に不具
合のあるLEDチップだけを取り出すことが難しく、そ
の過程において不具合のないLEDチップにまで熱及び
機械的損傷を与えることもある。特に、個別のLEDチ
ップを取り外し及び再実装する場合において、加熱する
と高熱伝導基板(402)のため補修部分だけでなく、隣接
する他の良好な部分までも加熱してしまい、モジュール
がすべて破壊される可能性もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本願発明
は高輝度に安定して発光可能な発光装置を提供すると共
に発光素子を比較的簡単に個別に取り外しでき補修が容
易である発光装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、貫通孔を持っ
た基板と、貫通孔と勘合する支持部材と、支持部材上に
配置された発光素子とを有する発光装置である。これに
より比較的簡単に発光装置を構成することができる。ま
た、支持体を貫通孔に勘合させていることから極めて薄
く発光装置を構成することができる。
【0008】本発明の請求項2の発光装置は、支持部材
が貫通孔を持った基板よりも熱伝導率が高い発光装置で
ある。これにより、発光素子と筐体となる基板との熱的
機能分離を図ることが容易となる。そのため、大電流を
流すことによって生ずる発光素子からの熱を支持部材か
ら効率よく外部に放出させることができる。
【0009】本発明の請求項3に記載の発光装置は、支
持部材が基板の貫通孔と着脱可能な発光装置である。こ
れにより、発光素子に不具合が生じた場合、基板や同時
に実装される他の半導体素子などに損傷を与えることな
く不具合が生じた発光素子のみを交換することができ
る。
【0010】本願発明の請求項4に記載の発光装置は、
支持部材にリフレクター構造を有する発光装置である。
これにより、発光素子からの光を効率よく外部に取り出
すことができると共に、貫通孔に挿入する支持部材自体
にリフレクター構造をもつ。そのため、リフレクター構
造を持ちつつも発光装置全体の厚みを極めて薄くするこ
とができる。
【0011】本願発明の請求項5に記載の発光装置は、
支持部材にメッキが施されている発光装置である。支持
部材の熱伝導と発光素子からの光の反射とを機能分離さ
せることでそれぞれの特性を高めることができる。ま
た、発光装置の表面から見ると基板自体の表面とは別に
支持部材だけがメッキされて見えるためキャビティの大
きさに合わせてメッキ部を比較的簡単に小さく形成させ
ることができる。また、リペア時に置いても新たに支持
部材の置き換えだけで済むため、あらかじめ基板にメッ
キが形成されている構成のものと比較してメッキ部を損
傷することはない。
【0012】本発明の請求項6の発光装置は、基板が表
面に導電性パターンが形成された硝子エポキシ樹脂から
なる発光装置である。これにより支持部材を発光素子か
ら電気的に分離させ導通と熱伝導とを機能分離させるこ
とができる。
【0013】本願発明の請求項7の発光装置は、支持体
部材が発光素子が配置される表面よりも底部が大きい。
画鋲の如き凸状の支持部材形状により、放熱効率を高め
信頼性を向上させることができると共に比較的簡単に実
装やリペアを行うことができ量産性を高めることができ
る。また底部が嵌合時のストッパーとして機能すること
もできる。
【0014】本願発明の請求項8の発光装置は、支持部
材が熱放出手段を有している。支持部材がヒートシンク
などの熱放出手段を有する構造に形成されていること
で、これに直接配置されている発光素子が熱による劣化
を受けにくくなる。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明者は種々実験の結果、発光
素子を実装する支持体とそれらを保持する特定形状の筐
体との関係を定めることにより、発光特性や実装性が向
上することを見出し本願発明をなすに至った。
【0016】即ち、本願発明は発光素子を保持実装する
基板を貫通孔を持った基板と、この貫通孔に着脱可能で
発光素子が実装される支持体とに分離することにより、
実装後に発光素子の不具合により取り替える必要がある
ときでも発光素子ではなく、支持体を基板から抜き取る
だけの極めて簡単な構成によって不具合のある発光素子
を他の発光素子に悪影響を与えることなく取り替えるこ
とができる。本発明の実施態様を図1及び図3に示す。
【0017】あらかじめリード電極を構成する銅箔パタ
ーン(103)が絶縁膜(106)を介して表面に形成されたステ
ンレス基板(102)にドリルなどを用いて複数の貫通孔(10
8)を形成させる。次に、平板状に突起が形成された銅板
を支持体(105)として利用する(図3(A)の工程)。
突起は基板の貫通孔に勘合できるように複数設けられて
おり、その先端にはLEDチップ(101)が配置されるよ
うにキャビティを構成している。支持体となる突起のつ
いた平板を基板の貫通孔(108)に勘合させる(図3
(B)の工程)。次に、各支持体を構成すべく、突起の
ついた平板をエッチングによって分離(310)する。これ
によって、複数の貫通孔に分離された支持体(105)が勘
合した状態となる。次の工程でサファイア基板上にpn
接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体層が形成され
たLEDチップ(101)を基板に羽目合わされた支持体を
構成するキャビティ内にエポキシ樹脂によってダイボン
ドする。
【0018】この場合、絶縁基板上に半導体が形成され
ているため、同一表面側から一対の電極を取り出すLE
Dの構成となっている。ダイボンド樹脂を硬化後、LE
Dチップの各電極と基板の表面に設けられた銅パターン
(103)とを金線(104)によって好適にワイヤーボンディン
グする。このようにして、LEDパワーモジュールを構
成することができる(図3(C)の工程)。なお、複数
の支持体が形成された場合について説明したが、一つだ
け形成された発光ダイオードとして形成できることはい
うまでもない。また、LEDパワーモジュール上には、
透光性の樹脂を設けてもよいし、またはレンズを設けて
もよい。レンズを設ける場合は、シリコンなどの樹脂を
介してもよいし、気体を封入させてもよい。このような
レンズは、予め成形されたものを用いてもよいし、硬化
性樹脂を用いて成形させても良く、成形には金型等を用
いてもよい。また、これらレンズには、発光ダイオード
からの発光波長によって励起されてそれよりも長波長の
光を発する蛍光物質を設けることもできる。これによ
り、発光素子からの光だけでなく、蛍光物質からの光を
も利用することができるので、様々な波長の光を有する
発光装置とすることができる。
【0019】次に、リペア時の工程例について説明す
る。上述の如き形成された発光装置のリード電極に電流
を流すことで発光検査を行うことができる(図3(D)
の工程)。発光検査の結果不具合のある発光素子(301)
がダイボンドされた支持部材を画像認識装置で位置を特
定する。発光観測面側から支持部材だけ基板からピンで
突き落とすことによって不具合の発光素子がダイボンド
された支持部材を取り除くことができる。続いて、不具
合のあった発光素子と基板上の導電性パターンとを電気
的に接続させていたワイヤーを機械的に除去した後、改
めて発光素子付き支持部材(305)を貫通孔に挿入する
(図3(E)の工程)。発光素子をワイヤーボンドする
ことによって比較的簡単な構成でリペアを容易に行うこ
とができる(図3(F)の工程)。以下本発明の各構成に
ついて詳述する。
【0020】(発光素子101,201)本発明の用い
られる発光素子は各種半導体発光素子を利用することが
できる。具体的半導体発光素子としては、サファイヤ、
SiC、スピネル、GaNなどの基板上にMOCVD法
などを利用してn型窒化物半導体及びp型窒化物半導体
を積層させたものを好適に利用することができる。Ga
N、GaAlN、InGaN、AlN、InN、InG
aAlN、GaInBNなどの窒化物半導体だけでなく
InGaP、GaP、GaAs、GaAlAs、Al
P、AlAs、ZnS、ZnSe、SiCなど各種半導
体を発光層に用いた発光素子を好適に利用することがで
きる。基板に導電性材料を用いた場合支持部材とAgペ
ーストやハンダなどによってダイボンドし電気的に導通
させてもよいし、間に絶縁層を介してもよい。
【0021】(基板102,202)本願発明に用いら
れる基板としては、貫通孔を有し支持部材が嵌合可能な
ものである。基板自体は支持部材を保持可能なものであ
り、はめ込みによって固定されるものでもよく、突起に
よって固定されるもの。ネジ式で固定されるもの、発光
素子などが破壊されない温度で溶融する金属やロウ材で
固定するものなど種々利用することができる。本発明の
基板は貫通孔を支持部材の嵌合に利用しているため比較
的簡単に製造できると共に放熱性、機械的強度など目的
に合わせて支持部材との機能分離することができる。ま
た、基板に設けられる貫通孔はドリルで開けることもで
きるし、レーザーにより設けることもできる。また、打
ち抜き加工によっても形成することができる。貫通孔の
形状も円他、発光素子の指向特性に合わせた支持部材に
合わせて楕円や四角形、三角形など種々選択することが
できる。このような基板の具体的材料として、あらかじ
めリード電極を構成する銅箔などの導電性パターンが表
面に形成された硝子エポキシ樹脂や銅、アルミニウムや
各種合金、セラミックなど種々のものを利用することが
できる。リード電極を表面に持つ基板として金属を用い
た場合は、電気的に絶縁すべくSiOやSiNxなど
の絶縁膜を形成後、銅、金、銀などの薄膜パターンやこ
れら金属を含む合金、これら金属を含む積層膜などCV
Dやスパッタによって形成させたものを好適に利用する
ことができる。 (支持部材105、205)本発明の支持部材とは発光
素子が配置されるものであり、基板の貫通孔と嵌合可能
なものである。発光素子が配置される支持部材の表面は
発光素子からの光を効率よく反射させるために、キャビ
ティを設けリフレクター構造としてもよい。また、反射
率の高い金属や合金などでメッキなどすることもでき
る。このような金属として金、銀、銅やニッケルや各種
合金を好適に利用することできる。支持部材自体の材料
としては発光素子からの熱を効率よく外部に取り出すた
めに高熱伝導性材料としてAu、Cu、Alやこれら合
金などを好適に利用することもできる。特に、銅やアル
ミニウムは加工のしやすさやなどから好適に利用するこ
とができる。
【0022】発光ダイオードを量産性よく形成させるた
めには平板状に発光素子が配置される複数の突起が形成
されるものを利用することができる。基板との嵌合後に
それぞれの発光素子用支持部材として分離させることも
できるし、そのまま利用することもできる。分離させる
場合は、各突起部の間隔や作業性を考慮して突起部が1
つずつ分離されるようにしてもよいし、2つ以上有する
ようなパーツに分離することもできる。また、支持持部
材をリード電極の一部として利用することもできる。な
お、支持部材と基板との位置決めや量産性を良くさせ支
持部材の抜け防止のために、支持部材の突出部(107)を
設けてもよい。基板には突出部対応する凹部を設けるこ
とが好ましい。
【0023】また、発光素子駆動時に発生する熱を効率
よく放出させるために、支持体に熱放出手段を有するこ
ともできる。熱放出手段としては、平板を大きくした
り、裏面(突起部の反対側の面)に凹凸を設けるなど表
面積を広げることにより放熱性を向上させる方法や、ヒ
ートパイプ等の熱を移動させる手段を設けて熱を離れた
位置に移動させる方法がある。
【0024】凹凸により表面積を広げる機構を有するも
のとしてはヒートシンクが挙げられる。ヒートシンク
は、熱を吸収してから放出する機構を有するものであ
り、具体的には、図5に示すように、支持体の裏面に凸
部が設けられた形状とする。このような構造とすること
で、表面積を大きくすることができるので、発光素子か
ら発生して支持体に蓄熱された熱を効率よく外部に放出
させることができる。凸部を大きくしたり数を増やした
りすることで表面積は大きくなるが、支持体自体も大き
くなるので、発光素子から放出される熱に応じて好まし
い形状や材料等を選択することができる。
【0025】また、ヒートパイプは、熱を効率よく熱伝
導させるもので、発光素子から離れた位置に効率よく熱
を伝導させることにより放出させることができる。この
ようなヒートパイプは、管の内壁に毛細管構造を持たせ
た金属パイプの内部を真空にし、作動液として少量の水
・代替フロンなどを密封して形成することができる。具
体的には、ヒートパイプの一端を発光素子が配置された
支持体に熱的に接続させ、他端はその支持体と離れた位
置に配置させる。発光素子から放出された熱は支持体を
通してヒートパイプの一端に達し、その加熱された部分
の作動液が蒸発する。蒸気流となった作動液は発光素子
が配置され加熱された一端よりも低温である他端へと移
動する。蒸気流が低温部の管壁に接触し冷却されて凝縮
されると毛細管現象または重力により発光素子と熱的に
接触された支持体へと戻り、繰り返し熱を連続的に輸送
することができる。このようにして発光素子の発熱を効
率よく熱伝導させることができる。ヒートパイプの他端
は、支持体と接続された一端から離れていれば、何も設
けなくても低温部として機能するが、より効果的に熱を
移動し放出させるには、冷却器や上記のようなヒートシ
ンクを設けてもよい。このように、発光素子を配置させ
る支持体に、熱放出手段に加えて熱伝達手段も設けるこ
とにより、基板と離れた位置に熱放出手段を配置させる
ことができるので、発光装置の形態に応じて様々な方法
で用いることができる。
【0026】(蛍光物質)本発明に利用可能な蛍光物質
は、発光素子から発せられる発光波長によって励起さ
れ、その光よりも長波長の可視光を発光可能な蛍光物質
ならば無機蛍光体でも有機蛍光体でもよく、また、発光
色は紫色〜赤色までの全ての可視光のものが適用でき
る。具体的には、無機蛍光体としてはケイ酸塩系蛍光
体、リン酸塩系蛍光体、アルミン酸系蛍光体、希土類系
蛍光体、酸希土類系蛍光体、硫化亜鉛系蛍光体などが挙
げられる。具体的には緑色系発光蛍光体では、YSi
:Ce,Tb、MgAl1119:Ce,Tb、
BaMgAl1627:Mn、(Zn,Cd)S:
Ag、ZnS:Au,Cu,Al、ZnS:Cu,A
l、SrAl:Eu、青色系発光蛍光体では(S
rCaBa)(POCl:Eu、(BaCa)
(POCl:Eu、BaMgAl
1627:Eu、Sr(POCl:Eu、S
:Eu、ZnS:Ag、Al、ZnS:A
g,Al(pigmented)、ZnS:AgCl、
ZnS:AgCl(pigmented)、赤色系発光
蛍光体ではYS:Eu、YS:Eu(pi
gmented)、Y:Eu、3.5MgO・
0.5MgF・GeO:Mn、Y(PV)O:E
u、5MgO・3LiO・Sb:Mn、Mg
TiO:Mn等が挙げられる。比較的発光効率が高い
ものとしては、緑色系発光蛍光体ではSrAl
Eu、青色系発光蛍光体ではSr(POCl:
Eu、赤色系発光蛍光体ではYS:Euが挙げら
れる。
【0027】以下本発明の具体的実施例について詳述す
るが、これのみに限られるものでないことは言うまでも
ない。
【0028】
【実施例】(実施例1)本発明を図2を用いて説明す
る。あらかじめリード電極を構成する銅箔パターン(20
3)が表面に形成された硝子エポキシ樹脂(202)にドリ
ル、エッチングやレーザなどを用いて貫通孔を形成させ
る。次に、平板状に突起が形成された金属板を支持体(2
05)として利用する。突起の先端にはLEDチップ(201)
が配置されLEDチップからの光を有効に外部に取り出
せれるようにキャビティを構成している。支持体(205)
となる突起のついた平板を基板(202)の貫通孔に勘合さ
せる。基板の貫通孔に支持部材が勘合した状態となる。
次の工程でサファイア基板上にpn接合を有する窒化ガ
リウム系化合物半導体層が形成されたLEDチップ(20
1)を支持体(205)を構成するキャビティ内にエポキシ樹
脂によってダイボンドする。
【0029】この場合、LEDチップ(201)は絶縁基板
上に半導体が形成されているため、同一表面側から一対
の電極を取り出す構成となっている。ダイボンド樹脂を
硬化後、LEDチップ(201)の各電極と基板(202)の表面
に設けられた銅パターン(203)とを金線(204)によって好
適にワイヤーボンディングする。次に、LEDチップ(2
01)からの光を効率よく集光するよう形成されたレンズ
(209)が基板(202)と密着して設けられている。内部には
不活性ガスやシリコン樹脂(210)などが封入されてい
る。この構成の発光装置とすることで比較的簡単にリペ
アが容易な発光装置とすることができる。なお、絶縁層
上にpn接合が形成されたLEDチップを用いている
が、支持体自体をリード電極の一部として利用する場合
や、絶縁スペーサを構成する場合などは半導体を介して
一対の電極が設けられたLEDチップを利用することが
できることは言うまでもない。
【0030】(実施例2)支持体として、図6に示すよ
うな裏面(突起部が形成された面と対向する面)に凹凸
を有する形状の支持体(511)を用いる。この支持体に
は、突起部が複数個形成されており、突起部の反対側の
面(裏面)には凹凸が形成されている。また、本実施例
では、レンズとして各突起部と対向する位置で光を集光
出来るようにレンズ状に形成された連続型レンズを用い
ているが、各発光素子ごとにレンズを設けていても何ら
問題はない。さらにこのレンズには、図に示すように、
レンズの内側、即ち発光素子と対向する側に蛍光物質が
設けられている。蛍光物質は、樹脂等に混入させて塗布
し、硬化させることでレンズの内側に設けることができ
る。蛍光物質はレンズの材料に混入させておいてもよ
い。このような支持体とレンズを用いる以外は、実施例
1と同様に行い、本発明の発光装置を得る。
【0031】(実施例3)レンズとして、予め成形され
たものを用いるのではなく、図7に示すようにシリコン
樹脂(714)等の透光性樹脂をポッティングして硬化させ
ることにより形成させるレンズを用いる以外は、実施例
1と同様に行い、本発明の発光装置を得る。レンズとし
て機能させているシリコン樹脂(714)は、支持体の突起
部及び発光素子、更には電極にボンディングされたワイ
ヤーまでを覆うように設けられていればよく、金型等を
用いずとも表面張力を利用してレンズ状に形成すること
ができる。
【0032】(実施例4)実施例3において、シリコン
樹脂を硬化後、金型を用いて図8のようにレンズ材料を
注入して2層構造のレンズを一体成形させて、本発明の
発光装置を得る。
【0033】
【発明の効果】 【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の発光装置を示す模式的断面図。
【図2】 本発明の他の発光装置を示す模式的断面図。
【図3】 本発明の発光装置の形成工程及びリペア工程
を示す工程図。
【図4】 本発明と比較のために示す発光装置の模式的
断面図。
【図5】 本発明の他の発光装置を示す模式的断面図。
【図6】 本発明の他の発光装置を示す模式断面図。
【図7】 本発明の他の発光装置を示す模式断面図。
【図8】 本発明の他の発光装置を示す模式断面図。
【符号の説明】
101、201、501、601、701、801…発
光素子としてのLEDチップ 102、202、502、602、702、802…貫
通孔が設けられた基板 103、203、503、603、703、803…リ
ード電極を構成する導電性パターン 104,204、504、604、704、804…発
光素子とリード電極とを電気的に接続させる電気的接続
部材 105、205、705、805…支持体 106、506、606、706、806…金属基板と
導電性パターンとを電気的に分離させる絶縁層 107、507、607、707、807…支持体に設
けられた抜け防止用の突出部 108…貫通孔 209…レンズ 210…不活性ガス 301…不良のLEDチップ 305…良好なLEDチップが配置された支持体 310…エンチングされ電気的に分離された分離溝 401…LEDチップ 402…金属基板 403…銅パターン 404…金線 405…SiO絶縁膜 511、612…凹凸を設けた支持体 613…連続型レンズ 616…蛍光物質 714、814…シリコン樹脂 815…一体成形されたレンズ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 貫通孔を持った基板(102)と、該貫通孔
    と勘合する支持部材(105)と、該支持部材上に配置され
    た発光素子(101)とを有する発光装置。
  2. 【請求項2】 前記支持部材(105)は貫通孔を持った基
    板(102)よりも熱伝導率が高い請求項1に記載の発光装
    置。
  3. 【請求項3】 前記支持部材(105)は基板(102)の貫通孔
    と着脱可能な請求項1乃至請求項2に記載の発光装置。
  4. 【請求項4】 前記支持部材(105)はリフレクター構造
    を有する請求項1乃至請求項3に記載の発光装置。
  5. 【請求項5】 前記支持部材(105)にメッキが施されて
    いる請求項1乃至請求項4に記載の発光装置。
  6. 【請求項6】 前記基板(102)は表面に導電性パターン
    が形成された硝子エポキシ樹脂である請求項1乃至請求
    項5に記載の発光装置。
  7. 【請求項7】 前記支持部材(105)は発光素子(101)が配
    置される表面よりも底部が大きい請求項1乃至請求項6
    に記載の発光装置。
  8. 【請求項8】 前記支持部材(105)は、熱放出手段を有
    する請求項1乃至請求項7記載の発光装置。
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