(57)【要約】【課題】ｐ極およびｎ極にリードフレームを用いたＬＥＤパッケージ基板の放熱性を、ＬＥＤパッケージにヒートシンクを設けることなく向上させる。【解決手段】熱伝導の高いリードフレームの端部の一部を、ＬＥＤ素子より離れた位置まで伸ばした構造とすることによって、その部分より放熱の効果を高める。また、前記伸ばした部分をＬＥＤ照明装置筐体の外部まで突き出すことにより、いっそうその効果を高めることができる。これらの構造を持つＬＥＤパッケージ基板で、ＬＥＤ素子から発生する熱を効率よく放熱できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ素子を搭載し、ヒートシンクを有さないＬＥＤパッケージの基板であって、ＬＥＤ素子のｎ極に接続されるｎ電極とＬＥＤ素子のｐ極に接続されるｐ電極との最狭部の一部または全部にセラミックスが充填されており、前記ｎ電極およびｐ電極がリードフレームによって形成されたＬＥＤパッケージ基板において、
前期リードフレームの少なくとも一部がリードフレームの素子を搭載する面に対して、少なくとも１０ｍｍ以上ＬＥＤ素子の方向とは異なる温度のより低い方向に向かって伸びたＬＥＤパッケージ基板。
【請求項２】
前記リードフレームは熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の銅または銅化合物からなる請求項１に記載のＬＥＤパッケージ基板。
【請求項３】
前記リードフレームの延びた部分がＬＥＤ照明機筐体に固定されている請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ基板。
【請求項４】
前記リードフレームの延びた部分の一部がＬＥＤ照明装置の筐体外部に突出しているか、筐体外部に付属したヒートシンクに接した状態で固定されていることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤパッケージ基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ発光技術は年々進歩しており、大電圧化とそれに伴う発光量の増加が加速度的に伸びている。ところが、発光に伴う熱に対する対処法が追いついていない状態であり、小型のＬＥＤ装置では放熱に対する課題がまだ残されている。
【０００３】
放熱が十分でなければ、ＬＥＤ素子の発光効率が落たり、樹脂の封止部材が劣化したりする悪影響があり、これらは寿命を大きく短くする要因となる。
【０００４】
現在最も用いられているＬＥＤパッケージの構造は、ＡｌＮ（窒化アルミ）などの基板上に金メッキなどで回路を印刷し、それに設けられた所定の箇所にＬＥＤ素子を埋め込む方式である。この方法は高価なＡｌＮの焼結体を用いることや、金メッキなどの印刷が必要となるために、なかなか安価に製作することはできない。
【０００５】
そこで本出願人は、特許文献１に示すように、銅を基本フレームとして、用いる部材としては強度及び耐候性に優れるセラミックスを用いた放熱に有利なフリップチップ実装方式を用いることにより、放熱性を高めたＬＥＤパッケージ用基板を発明した。
【特許文献１】ＷＯ２００９／０５１１７８号国際公開特許  この文献には、放熱をリードフレーム（基本フレーム）を用いて行なう方法が述べられており、また、発熱が大きい場合には基本フレームのチップと裏側方向にヒートシンクを用いる方法が述べられている。
【０００６】
前記のように、発熱が大きい場合、対策としてヒートシンクを用いると（引用文献１図４、図５参照）パッケージのコストが上がることになる。また重量も大きくなるために、それを支えるＬＥＤパッケージ自体の全体の構造を若干強固にする必要がある。このこともコストに響くことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
銅などを基本フレームとして、ｐ極とｎ極とを隔てるために用いる部材としては、強度及び耐候性に優れるセラミックスを用いた放熱に有利なフリップチップ実装方式を用いることにより、放熱性を高めたＬＥＤパッケージ用基板において、発熱が大きい場合でもＬＥＤパッケージ基板にヒートシンクを用いることなく、低コストにてそれと同等以上の放熱特性を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の本発明は、ＬＥＤ素子を搭載したヒートシンクを有さないＬＥＤパッケージの基板であって、ＬＥＤ素子のｎ極に接続されるｎ電極とＬＥＤ素子のｐ極に接続されるｐ電極最狭部の一部または全部にセラミックスが充填されており、前記ｎ電極およびｐ電極がリードフレームによって形成されたＬＥＤパッケージにおいて、前期リードフレームの少なくとも一部がリードフレームの素子を搭載する面に対して、少なくとも１０ｍｍ以上、ＬＥＤ素子の方向とは異なる温度のより低い方向に向かって伸びたＬＥＤパッケージ基板である。１０ｍｍの基点はリフレクタの端部からである。
【０００９】
まず、本発明の特徴としては、コスト面で不利となるヒートシンクをＬＥＤパッケージに有さない。ＬＥＤ素子のｐ極とｎ極とにあたる部分はリードフレームによって形成されている。また、素子の周辺は絶縁性のセラミックスを充填する構造が基本となる。
【００１０】
この構造では、ｐ極或いはｎ極のリードフレームについては、素子を搭載する部分とそこから離れた部分の形状は自由に設定することが可能である。そのために、本発明ではリードフレームの端部側を伸ばし、その長さをリフレクタ端部より最低１０ｍｍとした。このさらに延びた部分は、ＬＥＤ素子からの熱伝導率は高いままに保たれた状態で連続しているために、放熱用の部分として使用することが可能である。最低を１０ｍｍとしたのは、これ以下では放熱の効果が十分でないためである。長さの上限は特に設けていないが、他の部品に影響を与えるように接触、近接しない範囲でないことは言うまでもない。また、前記部分は単なる直線状に限らずに渦巻状や断面をミアンダ型とした形状など、様々な形状であってもよい。また、リードフレームから延びた部分は１本とは限らずに、複数本設けることも可能である。
【００１１】
また、前記１０ｍｍ以上伸ばした部分は、位置的にはＬＥＤ素子とは異なる方向に伸ばす必要がある。前記部分は放熱が目的であるために、より温度の低い方向へ伸ばす必要がある。そのために発熱するＬＥＤとは異なる方向、具体的にはＬＥＤの発光面の背面に当たる空間に伸ばす必要がある。
【００１２】
請求項２に記載の本発明は、前記リードフレームは熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の銅または銅化合物からなる請求項１に記載のＬＥＤパッケージ基板である。ヒートシンクを用いない本発明品の場合は、リードフレームの熱伝導がその放熱性を大きく左右する。リードフレームの熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であれば、ＬＥＤ素子から発せられる高熱を十分に逃がすことが難しくなる。この熱伝導率は高ければ高いほどよい。
【００１３】
請求項３に記載の本発明は前記リードフレームの延びた部分がＬＥＤ照明機筐体に固定されている請求項１または２に記載のＬＥＤパッケージ基板である。
【００１４】
前記延びた部分は、弾力があるためにそのままでは他の部品などに接して悪影響を与える場合がある。そのためにＬＥＤ照明機の筐体内部に設けられた窒化アルミ製のワッシャーなど熱伝導率の高い絶縁部と固定することで、放熱性も上がり、ｐ極、ｎ極の絶縁をそこから取ることもできる。
【００１５】
請求項４に記載の本発明は、前記リードフレームの延びた部分の一部がＬＥＤ照明装置の筐体外部に突出しているか、筐体外部に付属したヒートシンクに接した状態で固定されていることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ基板である。
【００１６】
引用文献１などに示されたヒートシンクは、ＬＥＤ照明機の内部に対して熱を逃がすものであることに対し、本発明はその外部に対して熱を逃がすものである。内部に対して熱を逃がすと内部全体の温度が上がることがあるために、これを主に外部に対して行なうことによりＬＥＤ照明機内部の温度を低く保つことができる。
【００１７】
外部に対して熱を逃がす方法としては、一つ目に外部に対して突出したリードフレームの延びた部分を好ましくは３ｍｍ以上設けることであり、もう１つは外部に設けられたヒートシンクと接続することである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以下に示す効果のうち、少なくとも１つを実現する。
【００１９】
ＬＥＤパッケージ基板にヒートシンクを用いないために、コストダウンができる。また、パッケージの重量を軽くすることができる。
【００２０】
また、ＬＥＤ筐体外部または筐体外部に設けられたヒートシンクまで前記リードフレームの延びた部分を伸ばすことができるために、引用文献１のようにＬＥＤ素子近傍にヒートシンクを設けた場合と異なり、ＬＥＤ照明機外部へ熱を逃がすことができる。
【００２１】
また、リードフレームの放熱する部分で、絶縁も取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明請求項１に係る発明を、図１および従来技術（引用文献１）を示す図７（引用文献の図４（ｂ）を元にした図）を用いて説明する。
【００２３】
引用文献の構造は、図７に示すように、ｐ極、ｎ極を有するリードフレーム１０１、１０２の直下に１０８ｂ、１０８ｃに示されたヒートシンクを有している。このヒートシンクを用いて１０１及び１０２の向かって上面に搭載されたＬＥＤ素子の熱を、
ＬＥＤ素子（図示されず、Ａ部）〜リードフレーム（１０１，１０２）〜ヒートシンク（１０８ｂ、１０８ｃ）〜その下方の空気  
の経路で放熱を行なう。
【００２４】
ところで、このリードフレーム（１０８ｂ、１０８ｃ）は、リフレクタ１０７で側面を覆うよう図示されているが、側面のすべてを覆う必要はなく、図４中２００で示したようにリフレクタ１０７の外側にそのまま伸ばすことができる。
【００２５】
ここで本発明の図１の説明を行なう。
本発明のＬＥＤパッケージ基板は図４に追加で示したリードフレーム部２００を、図示するように素子とは異なる方向にさらに１０ｍｍ以上伸ばしたものである（２０１）。このＬＥＤパッケージ基板にはヒートシンクは備えていない。伸ばす方向は素子がある方向と異なる方向（この場合は図面下方）とする。この伸ばした部分が素子から発生する熱を、リードフレームの一部として温度が素子の周辺より比較的低いところまで伸びて、放熱を行なう。
【００２６】
請求項２に記載の本発明は、前記リードフレームを銅および銅合金で、熱伝導率が３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導の部材で製作するものである。本願発明は、熱の高い素子に近い部分からいかに熱を伝導するかがポイントとなるために、当然ながら熱伝導は高いほうがよい。
【００２７】
請求項３に係る発明を図２を用いて説明する。
【００２８】
請求項１の説明で得られたリードフレームの延びた部分２０１を、先端を絶縁部材であり、筐体に固定された受け２１０にて固定している。固定を行なわないと、特に請求項２で示したような銅や銅合金は柔らかく弾性変形があるために、他の部品に接近したり、接したりすることにより衝撃や熱的な悪影響を加えることがある。そこで、受け２１０で固定することにより、この問題を解決できる。
【００２９】
また、受け２１０の部材を絶縁部材としたのは、そこからｐ極、ｎ極の絶縁を取る作用も兼ねることができるためである。さらに、受け２１０を熱伝導の高い例えば窒化アルミ製とすることにより、よりいっそうの放熱が見込める。
【００３０】
請求項４に記載の本発明を図５（ａ）を用いて説明する。この図には筐体の一部に穴をあけたＬＥＤ照明機の一般的な構造を、説明のために示している。ＬＥＤパッケージ基板は３００、そこから伸びたリードフレームを２０１、ＬＥＤ照明機に設けられた外部と通じる穴部を３０１とした。なお、図５（ｂ）のようにＬＥＤ照明機の筐体外部に設けられたヒートシンク３０２を有している場合もある。
【００３１】
図５（ａ）には、リードフレームの延びた部分の一部がＬＥＤパッケージの外部に突出した模式図を示す。前述のように、ＬＥＤ照明機筐体内部に熱が蓄積されないために、内部の温度を低く保つことができる。
【００３２】
また、図５（ｂ）にはリードフレームの延びた部分の先端部がＬＥＤ照明機の筐体外部に設けられたヒートシンク３０２と接続されている例を示す。
【００３３】
これらの方法を用いることにより、ＬＥＤ照明機の筐体内に熱が蓄積しにくくなるために、また、その放熱部とＬＥＤを搭載しているリードフレームが高熱伝導材によって結ばれているために、その効果はより高くなる。
【００３４】
以下実施例により、より詳細に本発明を説明する。
【実施例】
【００３５】
（実施例１）
実施例１として、図２（ａ）に示すような、ＬＥＤ素子を搭載したヒートシンクを有さない、前記ｎ電極およびｐ電極がリードフレームによって形成され、リードフレームのうち一部がＬＥＤ素子とは異なるＬＥＤ素子とは対向する方向に向かって伸びた部分２００を有し、その長さが５０ｍｍであるＬＥＤパッケージ基板を作製した。
【００３６】
また、実施例２として、試料１と他の部分は同様で、リードフレームの伸びた部分２００を図２（ｂ）に示すようにミアンダ状に加工した２０２とした。この延びた部分の総長さは２００ｍｍである。
【００３７】
さらに、実施例３として、試料１と他の部分は同様でリードフレームの伸びた部分２００を窒化アルミ製の絶縁性の受けであるワッシャー２１０と密接に固定したものを作製した（図３参照）。
【００３８】
またさらに、実施例４として、図５（ａ）に示すようなリードフレームの伸びた部分２０１がＬＥＤ照明機筐体内部で５０ｍｍ、外部と通じる穴部３０１を経て外部に１０ｍｍ突出している試料を用いた。
【００３９】
最後に、実施例５として、図５（ｂ）に示すように、実施例４と同様でリードフレームの伸びた部分２０１がその端部にて、ＬＥＤ照明機筐体の外部に設けられたヒートシンク３０２に接続した試料を用いた。
【００４０】
比較例１として、図７に示すような引用文献１に示されたヒートシンクを用いた試料を用意した。
【００４１】
また、比較例２として、図８に示すように比較例１と他の部分は同様で、ヒートシンク１０８ｂ、１０８ｃのみを外した試料を用いた。
【００４２】
これらの実施例、比較例の試料を用いてＬＥＤ素子を１０個搭載したものに、電圧直流５Ｖ、電流０．３Ａで通電し、素子の表面温度をサーモグラフィーにて点灯時より連続して測定した。
【００４３】
なお、温度を正確に測るために、通常ＬＥＤ素子を封止する封止材は用いていない。
【００４４】
その結果、図６に示す結果を得た。
【００４５】
比較例１は従来技術であり、ヒートシンクを用いた試料のデータである。温度は約５０℃にて安定する。
【００４６】
これと比較して、実施例１は安定する温度が比較例１よりやや高かったが、実用には十分な値（約６０℃）であった。
【００４７】
また、実施例２及び３は、比較例１と比較して若干低い温度に留まり、リードフレームの伸びた部分による放熱効果が確認された。
【００４８】
なお、比較例２はＬＥＤパッケージにはヒートシンクもリードフレームの伸びた部分も有さない比較例であるが、他の実施例、比較例と比較して極めて温度が上がり、実用できない範囲であった。
【００４９】
また、実施例１と２との比較により、リードフレームの伸びた部分２００は、その総延長が長く、面積が広いほうがその効果が高まることが分かった。
【００５０】
さらに、実施例１と実施例３の比較より、受け２１０があるほうが、より放熱が高まることが分かった。なお、実施例３の形態では、リードフレームの伸びた部分２００を固定しているために、外部からの衝撃や、移動においても有利であるし、絶縁を確実に取ることもできた。
【００５１】
実施例４及び５の試料では、放熱の先が筐体外部であるために、比較例１の試料と比較して、明らかに温度が低く保たれ、優位性が見られた。特に、試料５では本実験で最も温度の低い値を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のリードフレームの一部を素子のある方向意外に伸ばした模式図である。
【図２】（ａ）本発明のリードフレームの一部を素子のある方向意外に伸ばした模式図である。（ｂ）リードフレームの伸ばした部分をミアンダ状とした模式図である。
【図３】本発明のリードフレームの一部を筐体に固定した受けで固定した模式図である。
【図４】従来技術のＬＥＤパッケージ基板の模式図である。
【図５】ＬＥＤ照明装置の筐体に外部へ通じる穴部を有したものに対して、リードフレームの一部を（ａ）一部を突き出したもの（ｂ）筐体外部のヒートシンクに固定したもの  の模式図である。
【図６】本発明の実施例と比較例とを用いた場合の、ＬＥＤ素子の温度変化である。
【図７】従来技術のＬＥＤパッケージの模式図である。
【図８】従来技術のＬＥＤパッケージからヒートシンクを取り除いた模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ  ＬＥＤ素子搭載部
１０１、１０２  リードフレームによるｐ極およびｎ極
１０３  セラミックス
１０７  リフレクタ
１０８（ａ）、（ｂ）ヒートシンク
１５０  ＬＥＤ照明機の筐体
１５１  プリント基板
１５２  リフレクタ
１５３  レンズ
１５４  電子部品
１５５  プリント基板と筐体の固定部品
２００  リードフレームの一部
２０１、２０２  リードフレームを伸ばした部分
２１０  筐体に固定された受け
３００  ＬＥＤパッケージ
３０１  筐体と外部の連通部
３０２  筐体外部のヒートシンク
【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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【図８】
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