(57)【要約】【課題】ＬＥＤが高密度で実装された小型の多色光源を備えるＬＥＤ発光装置の提供。【解決手段】凹所にＬＥＤチップが搭載されるＬＥＤパッケージを２色以上かつ多数個集めてなるＬＥＤパッケージ群と、当該ＬＥＤパッケージ群が配置される実装基板と、ＬＥＤパッケージの底面と接触する放熱部材とを備えるＬＥＤ発光装置であって、ＬＥＤ実装密度が単位平方ｃｍ当り２個以上を満たすようにＬＥＤパッケージ群が実装されることを特徴とするＬＥＤ発光装置。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹所にＬＥＤチップが搭載されるＬＥＤパッケージを２色以上かつ多数個集めてなるＬＥＤパッケージ群と、当該ＬＥＤパッケージ群が配置される実装基板と、ＬＥＤパッケージの底面と接触する放熱部材とを備えるＬＥＤ発光装置であって、
ＬＥＤ実装密度が単位平方ｃｍ当り２個以上を満たすようにＬＥＤパッケージ群が実装されることを特徴とするＬＥＤ発光装置。
【請求項２】
前記実装基板の配線層が２層以上であることを特徴とする請求項１のＬＥＤ発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤが高実装密度された小型の多色光源を備えるＬＥＤ発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光部をＬＥＤ（Light Emitting Diode:発光ダイオード）に代替した照明器具が多数提案されている。ＬＥＤの発光量は年々増加しているものの、従来の白熱電球やハロゲン電球の代替とするためには、多数のＬＥＤを集積して発光部を構成する必要がある。しかしながら、多数のＬＥＤを集積配置した場合、局部的に発熱量が増加するため、冷却機構により発光部の熱を放熱することが必要である。
特許文献１では、実装基板の表面に多数のＬＥＤを突設し、該ＬＥＤの表面側を透光性のカバーで覆い、実装基板の背面側に放熱板を装着した集合型ランプにおいて、実装基板と放熱板との間に放熱性及び防水性を備えた樹脂からなり、カバーの周壁内面と基板とに付着する接着機能を備えてなる放熱層を介在させて実装基板と放熱板を固着した集合型ＬＥＤランプが提案されている。
【０００３】
ＬＥＤパッケージ自体に高放熱構造を持たせることも重要である。本発明者も、特許文献２において、所定の板厚を有する板材からなる金属プレートを曲げ加工して構成されたＬＥＤチップを搭載するための凹所を備えるＬＥＤパッケージ基板において、金属プレート、樹脂層からなる絶縁層および金属箔を接合した積層構成を設け、金属箔にスリット開口し、凹所にＬＥＤチップを装着する共に透明樹脂を充填してなるＬＥＤパッケージを構成し、ＬＥＤパッケージの平板状底部裏面を放熱体に固着或いは接触させて実装したＬＥＤモジュール装置を提案した。
【０００４】
ところで、近年、狭小空間においても実装ができるように、封入された冷媒の気化および凝縮によって発熱体を冷却するヒートパイプが提案されている。特許文献３では、気化した冷媒を拡散する蒸気拡散路及び凝縮した冷媒を還流させる毛細管流路を内部に有する平板状の本体部と、本体部の少なくとも２箇所の温度差を測定する温度測定部と、温度差を所定の閾値と比較して比較結果を出力する比較部と、比較結果に基づいて本体部の動作状態をヒートパイプの冷却能力を基準として判定し、判定結果を出力する判定部を備え、蒸気拡散路が気化した冷媒を水平方向に拡散し、毛細管流路が凝縮した冷媒を垂直もしくは垂直・水平方向に還流させるヒートパイプが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１１５６号公報
【特許文献２】特許第４９１４９９８号
【特許文献３】特開２００９−２５７７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
長い距離にわたって光を投射するためには光源部を小型で高輝度とすることが必要である。一般的に高輝度を確保しようとすれば高出力になる。高出力の場合は放熱が重要な課題であるが、放熱を良くしようとすれば、低熱抵抗のメタル基板を使うのが通例である。ところが光源部が複数色の場合は配線が２層以上になるためその分熱抵抗が大きくなりメタル基板でも放熱が難しくなり、高輝度を確保することが一層困難になる。すなわち、多色のＬＥＤパッケージを高出力で高密度に実装することが難しいという課題がある。また、高出力のＬＥＤ光源を構成した場合、巨大なヒートシンクを配置することが必要となり、光源部が巨大化されるという課題もある。
【０００７】
以上の課題を鑑み、本発明は、ＬＥＤが高密度で実装された小型の多色光源を備えるＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［１］本発明のＬＥＤ発光装置は、凹所にＬＥＤチップが搭載されるＬＥＤパッケージを２色以上かつ多数個集めてなるＬＥＤパッケージ群と、当該ＬＥＤパッケージ群が配置される実装基板と、ＬＥＤパッケージの底面と接触する放熱部材とを備えるＬＥＤ発光装置であって、ＬＥＤ実装密度が単位平方ｃｍ当り２個以上を満たすようにＬＥＤパッケージ群が実装されることを特徴とする。このＬＥＤ発光装置は、好ましくは次の付加的構成を備える。
［２］実装基板の配線層が２層以上であること。好ましくは、配線層が２層または３層であること。
［３］前記ＬＥＤパッケージの大きさが９平方ｍｍ以上であること。
［４］前記ＬＥＤパッケージは、外部接続用電極部と放熱部材が上下あるいは表裏に絶縁層を介して分離されていること。
［５］前記ＬＥＤパッケージ群が、複数個の赤色ＬＥＤパッケージ、複数個の緑色ＬＥＤパッケージおよび複数個の青色ＬＥＤパッケージからなること。好ましくは、各色の数を同数とする。
［６］前記ＬＥＤパッケージ群が、１５個以上であること、好ましくは数十個以上、より好ましくは数十個〜数百個のＬＥＤパッケージからなること。
［７］実装基板のＬＥＤ搭載区域において単位平方ｃｍ当り３個以上のＬＥＤパッケージが搭載されるようにする。
［８］実装基板のＬＥＤ搭載区域が薄型面光源を構成すること。本発明の薄型面光源を支柱の側周面に複数個配置することで、空間全体を照らすことが可能な照明装置を提供することが可能である。
［９］前記実装基板が、φ数十ｍｍ〜φ数百ｍｍまたはそれと同等の面積の平板であること。より具体的には、φ４０ｍｍ（または１２５６ｍｍ２）以下の実装基板に３０個以上のＬＥＤパッケージが配置されること、φ８０ｍｍ（または５０２４ｍｍ２）以下に１００個以上のＬＥＤパッケージが配置されること、が例示される。なお、実装基板は円形のものに限定されず、例えば四角形であってもよい。
［１０］ＬＥＤ発光装置の出力が、十Ｗ〜数百Ｗであること。
［１１］ＬＥＤパッケージから放射された光を集束するための少なくとも１個の一次光学系と、集束された光を投射するための少なくとも１個の二次光学系とを備えること。
【０００９】
本発明のＬＥＤ発光装置は、工事、警察などの用途に用いられるバルーン型投光装置にも適用することが可能である。従来のバルーン型投光装置は、白色のみで明るく照らすことしかできなかったが、本発明のＬＥＤ発光装置を光源とするバルーン型投光装置においては、赤、青、緑を含む様々な色を設定時間で変化させながら照らすことが可能である。具体的には、支持台または台車と、支持台または台車に立設した伸縮支柱と、伸縮支柱の上部に配設され、内部に空気が供給されることで所定形状に膨張するバルーンとを備える投光装置において、バールーンに本発明のＬＥＤ発光装置を内蔵させ、バルーンの外側全周方向に対し多色の光を投光可能とした投光装置が開示される。
【００１０】
前記ＬＥＤパッケージは、例えば、次の構成を備える。すなわち、所定の板厚を有する板材からなる金属プレートを曲げ加工してＬＥＤチップのためのＬＥＤパッケージ基板を構成し、該ＬＥＤパッケージ基板は、ＬＥＤチップ装着部およびＬＥＤチップの一対の電極を接続するための一対の接続部を上面に形成するだけの十分な面積を有する平板状底部と、該底部端の両側からそれぞれ立ち上がる壁部と、該壁部上部を外方向に折り曲げた接続電極部を一体に形成するように曲げ加工した金属プレートの上に、樹脂層からなる絶縁層を挟んで金属箔を接合した積層構成とし、前記絶縁層を構成する樹脂層は、５μｍ〜４０μｍの範囲にある膜厚を有するポリイミド樹脂であり、前記壁部上部を外方向に折り曲げた接続電極部の上端の金属箔を一対の外部接続電極として機能させるように、前記平板状底部上面の金属箔にスリット開口し、かつ、前記一対の外部接続電極の端部は、金属プレート端より内側に配置し、前記ＬＥＤパッケージ基板の平板状底部上面に、ＬＥＤチップを装着すると共に、該ＬＥＤチップの一対の電極をそれぞれ、前記スリットにより分離された前記平板状底部上面に設けた前記一対の接続部に接続し、かつ透明樹脂を前記壁部に挟まれた凹所に充填することにより構成したＬＥＤパッケージである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にれば、ＬＥＤパッケージが高密度で実装された小型の多色光源を備えるＬＥＤ発光装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を具体化するＬＥＤ発光装置の第１の構成例を示す平面図である。
【図２】第１の構成例に係る実装基板の側面断面図である。
【図３】第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置の側面断面図である。
【図４】第１の構成例に係る実装基板（試作品）の背面図であり、（ａ）はＬＥＤパッケージが配設される前の状態、（ｂ）はＬＥＤパッケージが配設された後の状態である。
【図５】第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置の組立手順を説明する図である。
【図６】本発明を具体化するＬＥＤ発光装置の第２の構成例を示す平面図である。
【図７】開口部及びそれを囲む配線を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、例示に基づき本発明を説明する。
《第１の構成例》
図１は、本発明を具体化するＬＥＤ発光装置１の第１の構成例を示す平面図である。例示のＬＥＤ発光装置は、３３個のＬＥＤパッケージ５１と、ＬＥＤパッケージ５１を装着するための開口を有する実装基板２と、ＬＥＤパッケージ裏面に固着された放熱板４１とを主要な構成要素とする。このＬＥＤ発光装置は薄型・平面光源を構成し、例えば、光源からの光を狭角（例えば、１０〜４０度）に集光する凹型ないしパラボラ型の光学系と組み合わせることで、スポットライトを構成することが可能である。
【００１４】
ＬＥＤパッケージ５１は、パッケージ基板５２上にＬＥＤチップ（ＬＥＤ素子）が固設され、電気的に接続された後、透明樹脂５（例えば、エポキシ系やシリコーン系のもの）で封止することにより構成されている。３３個のＬＥＤパッケージ５１は、１１個の赤色ＬＥＤ（１３ａ〜１４ｋ）、１１個の緑色ＬＥＤ（２３ａ〜２４ｋ）および１１個の青色ＬＥＤ（３３ａ〜３４ｋ）からなり、各ＬＥＤパッケージの透明樹脂５には、赤色光、緑色光または青色光を発光するための蛍光体がそれぞれ含まれる。但し、各パッケージは蛍光体ではなく、赤、青、緑の各色発光のチップを搭載したものでも良い。
【００１５】
パッケージ基板５２は、例えば金属プレート２１の曲げ加工により構成する（特許文献２参照）。より具体的には、金属プレート（銅とかアルミのような高熱伝導性の板状金属部材）の上に、ポリイミド樹脂からなる絶縁層を挟んで金属箔（例えば、銅箔）を接合した積層体を構成し、この金属箔を加工してスリット開口及び銅箔除去部を形成し、この積層体をＬＥＤチップ装着のための凹所５５を有するように金型を用いたプレス加工によって曲げ加工を行い、反射層を金属箔の上面に形成することによりパッケージ基板５２を構成する。第１の構成例では、凹所５５を上面視φ４．５ｍｍの大きさに構成している。
【００１６】
実装基板２の開口部８へのＬＥＤパッケージ５１の装着は、ＬＥＤパッケージの接続電極５４と実装基板の裏面配線５とを半田付６により接続することにより行う（図３参照）。これとは異なり、実装基板２のおもて面側から、開口部８にＬＥＤパッケージ５１をはめ込み、おもて面配線４と接続電極５３とを接続する態様（つば部５３が実装基板２に載置される態様）としてもよい。実装基板２に装着された各ＬＥＤパッケージ５１の底面は、放熱板４１の上面に高熱伝導性の接着材（半田を含む）４２を用いて接着されている。実装基板２と放熱板４１とは、ＬＥＤパッケージ５１の厚み分離間され、平行に配置されることとなる。
なお、図１では、１個のＬＥＤパッケージ５１に１個のＬＥＤチップを配置する態様を図示しているが、１個のＬＥＤパッケージ５１に複数個のＬＥＤチップを設けることも当然可能である。
【００１７】
図２は、第１の構成例に係る実装基板２の側面断面図である。図２に示すように、実装基板２は、おもて面および裏面に配線層（４，５）を有する平らなベース基板３により構成される。ベース基板３は、例えば、ガラスエポキシ基板とすることができるが、ポリイミドからなるテープ基板でもよい。ＬＥＤパッケージ５１の集積度を高めて配置するためには、配線を交差させることが必要である。そのため、実装基板２の配線層を多層構造としている。図１中、点線で示した配線（１５，２５，３５）が、第二配線層である。第１の構成例では、配線層を二層構造としているがこれに限定されず、配線層を三層構造あるいは四層構造としてもよい。
第一配線層４および第二配線層５は、例えば１２μｍ厚の銅箔である。第一配線層４、第二配線層５およびスルーホール部７は、メッキ層６（例えば、銅メッキ）により覆われている。実装基板２の少なくともおもて面には、反射効果を得るための白色レジスト９を例えば１５μｍ厚で塗布する。白色レジストに変えて例えば無機の白色塗料でも良い。白色塗料としては、白色無機粉末と二酸化珪素（ＳｉＯ２）を主要な成分とし、有機リン酸を含むジエチレングリコールモノブチルエーテルの溶剤でこれらを混ぜたインクが例示される。図２に示すように、側面および裏面も含め実装基板２の全ての面に白色塗料を塗布することにより、耐電圧性を高めてもよい。
【００１８】
第１の構成例に係る実装基板２は、φ３８ｍｍで３３個の開口部８と６個の接続電極（１１，１２，２１，２２，３１，３２）が設けられている。３３個の開口部８は略等間隔に配列されており、この裏面側に３３個のＬＥＤパッケージ５１が配置される。ＬＥＤパッケージ５１は、色毎に直列接続され、各色系統は各色用接続電極（１１，１２，２１，２２，３１，３２）にそれぞれ接続される。各色系統は、コントローラに接続されており、コントローラで各色系統の光の輝度を調節することにより、予め定められた色の集合（カラーセット）から選択された色の発光を実現することができる。コントローラは、無線モジュールを備えており、リモコンにより色及び輝度を遠隔から調節することが可能である。
【００１９】
選択した任意の一つの開口部８を囲む配線１０と隣接する開口部８を囲む配線１０との間隔は、上下方向共に０．４ｍｍであり、隣接するＬＥＤパッケージの凹所５５の間隔は上下方向共に０．７ｍｍである。高輝度を実現するためには、ＬＥＤパッケージの実装密度が２個／ｃｍ２以上、好ましくは３個／ｃｍ２以上となるようにする。別の観点からは、最も外側に配置された複数のＬＥＤパッケージ５１の外縁結んで囲まれた区域（ＬＥＤ搭載区域）において単位平方ｃｍ当り２個以上（好ましくは単位平方ｃｍ当り３個以上）のＬＥＤパッケージが搭載されるようにする。
【００２０】
図３は、第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置１の側面断面図である。図３に示すように、３３個のＬＥＤパッケージ１は、開口部８の裏面側を囲む配線５に半田付けされる。図４は、第１の構成例に係る実装基板（試作品）の背面図であり、（ａ）はＬＥＤパッケージ１が配設される前の状態、（ｂ）はＬＥＤパッケージ１が配設された後の状態である。水平方向に延びるつば部５３に設けられた接続電極５４は、つば部５３の側端より内側に入り込んでいるので、半田６がパッケージ基板端部にはみ出すことはない。ＬＥＤチップの発光面は、図中の上面側に向けられていて、パッケージ基板５２に遮られること無く上面に向けて発光する。実装基板２の裏面側にＬＥＤパッケージ１を配置する態様では、実装基板２の厚さ分が壁となり、そこに当る光がロスとなるため厚さが薄い程有利である。また、コスト面も考慮すると、実装基板２の配線層は二層構造あるいは三層構造とするのが好ましい。二層構造の実装基板２の厚さは、例えば８０〜１５０μｍ程度である。
【００２１】
集光効率を上げ様々な発光色や発光パターンを容易に生成するためには、多数個（例えば、数十個〜数百個或いは数十個〜数千個）のＬＥＤパッケージを狭面積にまとめて実装することが必要である。しかしながら、多数個を挟面積に実装するためには、ＬＥＤ素子から生じる発熱の問題を解消しなくてはならない。このため、各ＬＥＤパッケージ５１の熱を逃がすための構造が必要となる。第１の構成例では、実装基板２と空間的に分離された放熱板４１をパッケージ基板５２の底面に接着することにより、高い放熱性を実現している。
これに加え、ＬＥＤパッケージ５１の集積度を高めるためには、放熱板４１を熱伝導性に優れた材料、例えば銅板あるいは高性能放熱板で構成することが好ましく、好ましい構成例として放熱板４１を水冷構造（例えば、複数の微小開口を持つ薄銅板を積層し、上下を銅板で密閉した液室内で毛細管現象による環流が生じるヒートパイプ（特許文献３参照））を有するもの、或いは、水冷構造を有する放熱部材を積層したものにより構成することが開示される。放熱板４１の厚さは、例えば銅板の場合は０．３〜１．０ｍｍ程度であり、また水冷構造の場合は１〜２ｍｍ程度である。ＬＥＤパッケージ実装後における実装基板２の上面から放熱板４１の底面までの厚みは、例えば薄いものでは１〜２ｍｍ程度であり、厚いものでも２〜３ｍｍ程度である。
【００２２】
図５は、第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置１の組立手順を説明する図である。
ＳＴＥＰ１では、実装基板２を白色レジストが下面となるように表裏反転し、開口部８を囲む第二配線層５に半田６をスクリーン印刷等で塗布する。ＳＴＥＰ２では、ＬＥＤパッケージ５１を実装基板２にマウントし、熱処理でリフローさせ、電気的に接続する。ＳＴＥＰ３では、実装基板２を白色レジストが上面となるように表裏反転し、ＬＥＤパッケージ５１の底面に接着シート（接着材）５２を貼付し、接着シート５２をＬＥＤパッケージ５１と放熱板４１とで挟む。ＳＴＥＰ４では、実装基板２に熱処理（ベーク）を施すことにより、放熱板４１とＬＥＤパッケージ５１の底面とを固着する。なお、接着シートに替えてはんだ接続でも良い。以上の手順を経ることにより、第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置が完成する。
【００２３】
以上に説明した第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置１は、次の特長を有する。
（１）多色高輝度小面積
（２）高放熱
（３）高出力（４０Ｗ／φ３８ｍｍ）
（４）無限色対応
【００２４】
《第２の構成例》
図６は、本発明を具体化するＬＥＤ発光装置１の第２の構成例を示す平面図である。
第２の構成例に係る実装基板２は、φ７８ｍｍで１２６個の開口部８と１２個の接続電極（１１，１２，２１，２２，３１，３２）が設けられている。第２の構成例に係る実装基板２は二層構造であり、図６中、点線で示した配線（１５，２５，３５）が第二配線層である。１２６個の開口部８は略等間隔に配列されており、この裏面側に１２６個のＬＥＤパッケージ５１が配置される点は第１の構成例と同様である。
ＬＥＤパッケージ５１は、４２個の赤色ＬＥＤパッケージ、４２個の緑色ＬＥＤパッケージ、４２個の青色ＬＥＤパッケージから構成される。各色系統では、直列接続された２１個のＬＥＤパッケージからなる２つの系列が並列に接続されている。各色系統は、コントローラに接続されており、コントローラで各色系統の光の輝度を調節することにより、予め定められた色の集合（カラーセット）から選択された色の発光を実現することができる。
【００２５】
図７は、開口部８及びそれを囲む配線１０を示す平面図である。
ＬＥＤパッケージ５１は、第１の構成例と同様であるが、ＬＥＤチップが載置される凹所５５の上面視形状が角の丸い正方形である点で相違する。開口部８の大きさは４．５×４．５（ｍｍ）で、配線を含めた大きさは４．８×４．８（ｍｍ）である。開口部８を囲む配線１０には、対向する一対の分離部が設けられている。
１個のＬＥＤパッケージの消費電力は約２Ｗである。各色系統の明るさは、８，４００ｌｍ（≒１００ｌｍ／Ｗ×２Ｗ×４２）であり、三色合計で２５，２００ｌｍである。
【００２６】
以上に説明した第１の構成例に係るＬＥＤ発光装置１は、第１の構成例と同様、多色高輝度小面積、高放熱、高出力及び無限色対応の特長を備えている。
【００２７】
以上、本開示にて幾つかの実施形態を単に例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱せずに、その実施の形態には多くの改変例が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のＬＥＤ発光装置は、屋外景観照明、屋外スポット照明（工事用作業照明、警察検問用照明、建築作業用照明、看板用照明）、屋内スポット照明（例えば、飲食店ムード照明、カラオケ店ステージ照明、舞台・スタジオ用照明、ファッションショー用照明、アパレル店舗等用照明）等に好適である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＬＥＤ発光装置
２  実装基板
３  ベース基板
４  第一配線層
５  第二配線層
６  めっき層
８  開口部
７  スルーホール部
９  白色レジスト
１０  開口部を囲む配線
１１，１２  赤色用接続電極
１３ａ〜１３ｋ  赤色ＬＥＤパッケージ
１４  第一配線層（赤色系統）
１５  第二配線層（赤色系統）
１６  取付用穴
２１，２２  緑色用接続電極
２３ａ〜２３ｋ  緑色ＬＥＤパッケージ
２４  第一配線層（緑色系統）
２５  第二配線層（緑色系統）
３１，３２  青色用接続電極
３３ａ〜３３ｋ  青色ＬＥＤパッケージ
３４  第一配線層（青色系統）
３５  第二配線層（青色系統）
４１  放熱板（放熱部材）
４２  接着材
５１  ＬＥＤパッケージ
５２  パッケージ基板
５３  つば部
５４  接続電極
５５  凹所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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