(57)【要約】発光素子Ｄ１と、この発光素子Ｄ１で発生した熱を放熱する放熱部材１２を備えた基板１と、前記発光素子Ｄ１が放射する放射光Ｒのうち所定の角度より外側に進行する光Ｒ２を反射する反射要素２１４と前記放射光Ｒのうち所定の角度より内側に進行する光Ｒ１を屈折する屈折要素Ｆとを一体に備え前記基板１に一体的に取り付けられる第一のレンズ２とを具備し、前記反射要素２１４と前記屈折要素Ｆとにより、前記発光素子Ｄ１からの放射光Ｒが、同一方向に進行する平行光Ｈとなるように構成した。
2003098711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、この発光素子で発生した熱を放熱する放熱部材を備えた基板と、前記発光素子が放射する放射光のうち所定の角度より外側に進行する光を反射する反射要素及び前記放射光のうち所定の角度より内側に進行する光を屈折する屈折要素を一体に備え前記基板に一体的に取り付けられる第一のレンズとを具備し、前記反射要素と前記屈折要素とにより、前記発光素子からの放射光を、略同一方向に進行する光となるように構成している発光ダイオード装置。
【請求項２】
前記第一のレンズに前記発光素子を収納するチップ保護部を設け、このチップ保護部に樹脂等の透過性部材を充填していることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード装置。
【請求項３】
前記屈折要素が、中央に配置した凸レンズ部とその周りに同心円状に配置した複数の輪帯レンズ部とからなるフレネルレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の発光ダイオード装置。
【請求項４】
前記各輪帯レンズ部と発光素子との光軸方向に沿った距離が、中心のものほど大きくなるように設定している請求項３記載の発光ダイオード装置。
【請求項５】
前記各輪帯レンズ部の屈折面を非球面にしている請求項３又は４記載の発光ダイオード装置。
【請求項６】
一の輪帯レンズ部の屈折面とその外側に隣接する輪帯レンズ部の屈折面とを接続する接続面のなす角度を、前記発光素子の端から発し、その接続面の底端に向かって進行する光の角度と同一又はそれよりも光軸に近い角度に設定している請求項３、４又は５記載の発光ダイオード装置。
【請求項７】
前記基板が、前記放熱部材と前記発光素子との間に該放熱部材より熱伝導率の大きい熱伝導部材を介在させてなるものであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の発光ダイオード装置。
【請求項８】
前記基板が前記放熱部材の表面に取り付けた配線基板をさらに備えたものであって、前記発光素子に電力を供給するワイヤを、前記配線基板に直接接続していることを特徴とする請求項７記載の発光ダイオード装置。
【請求項９】
前記基板が、放熱部材とその放熱部材上を被覆する薄層状をなす絶縁体とその絶縁体上に設けられた配線パターンと備えたものであり、前記発光素子が、そのＰ層及びＮ層の境界を前記配線パターンへの接続面に近接させて配置した２５０ｍＡ以上の電流を流すことが可能な超高輝度タイプのものであって、前記発光素子を前記配線パターン上に所定の厚み寸法を有したスペーサを介在させて取り付けていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の発光ダイオード装置。
【請求項１０】
スペーサが導電性を有するものであることを特徴とする請求項９記載の発光ダイオード装置。
【請求項１１】
前記スペーサの熱膨張係数が、前記発光素子の熱膨張係数と放熱部材の熱膨張係数との間の値を有するものであることを特徴とする請求項９又は１０記載の発光ダイオード装置。
【請求項１２】
前記スペーサの熱膨張係数が、前記発光素子の熱膨張係数と放熱部材の熱膨張係数との間の値であって、放熱部材の熱膨張係数よりも、発光素子の熱膨張係数に近い値を有するものであることを特徴とする請求項１１記載の発光ダイオード装置。
【請求項１３】
前記平行光を集光する第二のレンズを、前記第一のレンズに取り付けていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載の発光ダイオード装置。
【請求項１４】
請求項９、１０、１１又は１２記載の発光ダイオード装置の製造方法であって、前記スペーサ上に発光素子を取り付けた後、そのスペーサを前記基板に取り付けるようにしていることを特徴とする発光ダイオード装置の製造方法。
【請求項１５】
前記スペーサ上に発光素子を接合材を用いてボンディングするとともに、スペーサを基板に前記接合材と異なる第２の接合材を用いて接合するようにしている請求項１４記載の発光ダイオード装置の製造方法。
【請求項１６】
前記接合材が金−スズ合金であり、前記第２の接合材が半田である請求項１５記載の発光ダイオード装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、製品の外観や傷、あるいは仕上がりの検査等に用いる発光ダイオード装置に関する。
背景技術
従来、例えば検査等用照明装置に用いられる発光ダイオード装置の光源部分では、その集光性能を向上させるため、該発光素子が放射する放射光を集光する砲弾型レンズを設けたり、また、発光素子近傍の光を発光方向側に反射させるリフレクタを該発光素子近傍に設けたりしている。
ところが、以上のような発光ダイオード装置では、発光素子から放射された放射光が、レンズ内部で反射して進行したり又リフレクタによって点光源とはならずに発光方向側に進行したりするため、発光素子が放射する放射光を一定の方向に進行する平行光にすることができず、例えば、集光レンズを用いて集光しようとしても集光が困難であり、小さなエリアに大光量の光を照射できないといった問題点があった。また、側方に放射された放射光は利用されていない等、無駄に放射されている放射光があるといった問題点があった。さらに、電流を多く投入すれば光量を得られるものの、発熱量が大幅に増加して素子が急速に劣化するという問題点があった。
そこで、本発明は、上述する問題を解決し、発光素子から放射される光を無駄なく集光し、小さな面積に大きな光量で照射し得る高性能な発光ダイオード装置の提供を行うことを主たる課題とするものである。
発明の開示
すなわち本発明は、発光素子と、この発光素子で発生した熱を放熱する放熱部材を備えた基板と、前記発光素子が放射する放射光のうち所定の角度より外側に進行する光を反射する反射要素と前記放射光のうち所定の角度より内側に進行する光を屈折する屈折要素とを一体に備え前記基板に一体的に取り付けられる第一のレンズとを具備し、前記反射要素と前記屈折要素とにより、前記発光素子からの放射光が、略同一方向に進行する平行光となるように構成したものである。
このような構成によれば、点光源として発光素子が放射する放射光を、同一方向に進行する平行光に集光することができる。そしてこのような平行光は、例えば非球面レンズ等を用いれば、小さな面積に集光することが容易にできるため、非常に集光性能に優れ集光点で高密度な光を照射でき得るといった高性能の発光ダイオード装置を供給できる。そして、このようなダイオード装置では、製品検査装置等の機器への組み込みや、組み込みの設計自由度も容易に行うことができる。
また、発光素子が放射する放射光の強さを弱めることなく該発光素子を保護し、発光素子からより効率よく光を取り出すためには、発光素子の表面での内面反射を低減させる必要がある。そのために前記第一のレンズに前記発光素子を収納するチップ保護部を設け、このチップ保護部に第一のレンズの屈折率と発光素子の屈折率との間の屈折率であって、より好ましくは第一のレンズの屈折率に近い樹脂等の透過性部材を充填しておくことが好適である。
さらに、前記放射光のうち所定の角度より内側に進行する光をコンパクトな構成で有効に集光するためには、前記屈折要素が、中央に配置した凸レンズ部とその周りに同心円状に配置した複数の輪帯レンズ部とからなるフレネルレンズであることが望ましい。
発光素子からでた光を通常の球面屈折レンズ或いは非球面屈折レンズで平行化すると、第１３図に示すように、外側にいくものほど密度が高くなる。一方、平行光を光ファイバやロッドレンズ等の光導入対象物Ｘに導入すべく再度集光させる場合、外側の光ほど中心光軸ＬＣとのなす角度が大きくなり、光導入対象物Ｘへの導入効率やその内部での伝達効率が悪化する。したがって、同図のように、外側にいくものほど光線密度の高い平行光Ｈは、光ファイバやロッドレンズへの導入を考えると効率の点で好ましいものではない。
かかる問題を解決し、光線密度の平均化された平行光を得るには、前記各輪帯レンズ部と発光素子との光軸方向に沿った距離が、中心のものほど大きくなるように設定しておく必要がある。ここで「輪帯レンズ部と発光素子との光軸方向に沿った距離」とは例えば輪帯レンズ部における屈折面の中心位置と発光素子との光軸方向に沿った距離のことである。
より好ましくは、各輪帯レンズ部の屈折面を非球面にしているものがよい。
発光素子は、点光源に極めて近いものではあるが実際にはある程度の発光面積を有する面発光源である。そのような発光素子からでた光をもれなく輪帯レンズ部の屈折面で屈折させ、光を無駄なく前方に射出するには、一の輪帯レンズ部の屈折面とその外側に隣接する輪帯レンズの屈折面とを接続する接続面のなす角度を、前記発光素子の端から発し、その接続面の底端に向かって進行する光の角度と同一又はそれよりも光軸に近い角度に設定しているものが望ましい。
点光源である発光素子を高輝度に発光させるためにはこの発光素子に大きな電流を流す必要があり、これによって発光素子で生じる熱の問題をクリアするには、前記基板が、前記放熱部材と前記発光素子との間に該放熱部材より熱伝導率の大きい熱伝導部材を介在させてなるものであることが好ましい。
また、発光素子部分での部材を削減し簡単に組み立て得るようにするためには、前記基板が前記放熱部材の表面に取り付けた配線基板をさらに備えたものであって、前記発光素子に電力を供給するワイヤを、前記配線基板に直接接続していることが望ましい。
さらに、前述したように光ファイバやロッドレンズに光を導入するには、前記平行光を集光する第二のレンズを、前記第一のレンズに取り付けたものが好適である。
一方、第１０図に示すように、２５０ｍＡ以上の電流を流すことが可能な超高輝度タイプの前記発光素子Ｄ１（パワーＬＥＤと称されている）において、放熱の関係からＰ層及びＮ層の境界を配線パターンＣへの接続面に極めて近接させている（数μｍ）構成のものが知られている。この種の発光素子Ｄ１を、放熱部材１２とその放熱部材１２上を被覆する薄層状をなす絶縁体１５とその絶縁体１５上に設けられた配線パターンＣと備えた基板１上に配設する場合、配線パターンＣに発光素子Ｄ１の接続面を直接半田付けすると、半田の溶融温度は比較的低いため、絶縁体１５が破壊されることはないが、周囲にはみ出た半田の盛り上がりで発光素子Ｄ１のＰ層及びＮ層が電気的に接続され、ショートするおそれがある。かといって、金−スズ合金等を使用して配線パターンＣと発光素子Ｄ１とを接続すると、前記盛り上がりは抑制できるものの、ボンディングの際の溶融熱で前記絶縁体１５が破壊される場合がある。
かかる不具合は、パワーＬＥＤの出現で顕著に惹起されたものであるが、これを一挙に解決するには、前記配線パターン上に前記発光素子を所定の厚み寸法を有したスペーサを介在させて取り付けたものが好適である。スペーサと配線パターンとを溶融温度の低い半田で接合することで絶縁体の破壊を防止できる一方、スペーサと発光素子とを盛り上がりの少ない金−スズ合金等で接合することにより、発光素子でのショートを防止できるからである。
さらにこのような構成であれば以下のような効果も奏し得る。
すなわち、発光素子を、当該基板より熱容量の小さい銅等の熱伝導に非常に優れたスペーサにボンディングするとき、スペーサに比較して熱容量の大きい基板に直接ボンディングするよりも加熱時間が短くなり、ボンディング熱による発光素子の劣化若しくは損傷を小さくすることができる。併せてスペーサに銅等の熱伝導に非常に優れた材質を用いることにより、発光時の熱による発光素子の損傷をも小さくすることができる。
また、基板を湾曲させるような必要が生じても、その力が直接発光素子には加わらないので、基板湾曲による発光素子の損傷や、接触不良を防止することができる。
加えて、スペーサの高さ分だけ発光素子が基板より突出することとなるので、光学系を取り付けやすく、発光素子から真横へ出るような光を反射させて有効に利用することが容易にできる。
また従来のものであれば発光素子と接合する部位が配線パターンであるため、配線パターン全体の面精度を必要とするが、本発明であればスペーサの頂面のみ所定の面精度を確保すればよく、製作の簡単化を図れる。
一方、ボンディングや発光時に、発光素子や基板、スペーサは温度が上下動し、そのことにより体積がそれぞれ膨縮する。しかして、各材質の熱膨張係数が大きく異なると、温度の上下動によって接合部分に応力が発生し、接触不良や破壊を招くおそれがある。これを防止し、スペーサによって熱応力の発生を緩和するには、前記スペーサを、その熱膨張係数が、前記発光素子の熱膨張係数と放熱部材の熱膨張係数との間の値を有するものにしておくことが好ましい。
具体的には、基板がアルミニウム、スペーサが導電性を有する例えば銅であることが望ましい。銅は、前述したように熱伝導性に優れ、発光素子で発生した熱を速やかに基板に伝達し、発光素子、スペーサ、基板間に生じる温度差を短時間に均一化するため、前記各部材間の温度差に起因して生じる熱応力をも抑制することができるうえ、導電性を有するため、ワイヤリングを一部省略することができるからである。
発光素子を熱応力から保護するためのより好ましいスペーサとしては、その熱膨張係数が、前記発光素子の熱膨張係数と放熱部材の熱膨張係数との間の値であって、放熱部材の熱膨張係数よりも、発光素子の熱膨張係数により近い値を有するものを挙げることができる。
発光素子は非常に小さくハンドリングが難しいため、これを取り付けるには複雑かつ高価な設備が必要となる。ところが、従来のように基板に直接取り付ける方法では、異なる基板が複数種類あったり、複数の発光素子を取り付けなければならない場合等に、その高価な設備をいちいち変えなければならないうえ、発光素子を直接ハンドリングするため、発光素子に欠陥が生じたりするといった不具合が生じる。さらに、そのような欠陥のある発光素子を、金−スズ合金を用いるなど、再度取り外しができない方法で基板に取り付けた場合に、基板ごと廃棄しなければならない。
しかしながら、前記スペーサ上に発光素子を取り付けた後、そのスペーサを前記基板に取り付けるようにした工程を含む発光ダイオード装置の製造方法であれば、発光素子をスペーサに取り付ける工程を、共通の設備で行うことができるため、設備簡略化が図れる。また、この段階で発光素子に欠陥が生じたものや、ボンディング、ワイヤリングに失敗したもの等を廃棄することができるため、従来のように基板ごと廃棄するような事態を防止できるうえ、よしんば基板に対するスペーサの接合ミス（位置ずれ等）があっても、半田接合であるため、これを取り外して再生することが可能となる。
さらに、スペーサを掴んで基板に取り付ければよく、発光素子に触れないため、基板実装時に発光素子が欠損するといった不具合も発生せず、品質の安定化を図れる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態について第１図〜第４図を参照して説明する。
第１図は、本発明の一実施形態における本システムを構成する発光ダイオード装置Ｄの略構造断面図である。
この発光ダイオード装置Ｄは、例えばパワーＬＥＤに利用される発光素子たるベアチップＤ１と、このベアチップＤ１を所定の配置領域に配設する基板１と、この基板１に支持されるとともに前記ベアチップＤ１が放射する放射光Ｒを所望の進行方向Ｐに進行する略平行光Ｈに変換する第一のレンズ２と、この第一のレンズ２の第一レンズ先端部２２０に添設される第二のレンズ３とを具備するものである。
なお、本実施形態では、第一のレンズ２における平行光Ｈの進行軸を「放射軸」として設定し、また、当該発光素子Ｄ１が放射光Ｒを放射する方向側を「発光方向側」、その反対方向を「反発光方向側」と定義して説明する。
以下、各部を詳述する。
ベアチップＤ１は、第１図〜第３図に示されるように、表面に所定の色を発色する発光面Ｄ１１を有する表面実装型のものである。なお、このベアチップＤ１は平面視略矩形上の１ｍｍ角程度の極小であるため、これを点光源として取り扱うことができる。
基板１は、第１図〜第３図に示すように、前記ベアチップＤ１で発生した熱を直接受ける熱伝導部材１４と、この熱伝導部材１４で受けた熱を放熱する放熱部材１２と、前記ベアチップに電力を供給するための配線基板１１とを厚み方向に階層的に配設した平面視略方形状のものである。また、これら各部は、反発光方向側から、放熱部材１２、熱伝導部材１４、配線基板１１の順に、熱伝導性の良い接着剤、シリコーン等のエラストマー、樹脂等により接着によって層状をなすように取り付けられている。
より具体的には、前記熱伝導部材１４は、前記ベアチップＤ１をその表面中央部に直接ボンディングし得るベアチップ取付面１４１を設けた平面視矩形薄板のものであって、前記ベアチップＤ１の発光面Ｄ１１の裏面全面と接する。そして、前記ベアチップＤ１より大きい面積を成すように形成されている。また、この熱伝導部材１４は、前記ベアチップＤ１が発熱した熱を、速やかに面方向に拡散し放熱部材１２に伝熱し得るように人工ダイヤモンド、窒化アルミニウム、放熱溶融樹脂、液状セラミック等の高い熱伝導率を有する材料で形成されている。さらに、この熱伝導部材１４の表面には、可視光領域の各波長を効率よく反射する反射率の大きい銀メッキコーティングＭを、形成した皮膜に耐食性に優れた特性を得られるイオンプレーティング方式により施している。
前記放熱部材１２は、前記ベアチップＤ１が発した熱を効率良く放熱し得る銅、アルミニウム等の放熱金属等の材料にて形成される略方形板状のものである。
前記配線基板１１は、前記ベアチップＤ１の厚みとほぼ同一の厚みを有し、その外形が前記放熱部材１２と略同一形状をなす薄板形状のものであって、前記放熱部材１２等に取り付けられている。そして、この表面１１０には、当該装置外部から電力が供給され得る配線パターンＣが形成されている。さらに、放熱部材１２に凹みを設け、そこに熱伝導部材１４を接着して、熱伝導部材１４の表面と放熱部材１２の表面とをほぼ面一な位置に設定し、熱伝導部材１４の表面に配置したベアチップＤ１を、該配線基板１１の該ベアチップＤ１と重合する位置に設けた前記熱伝導部材１４の一辺より略小さい直径を有した円柱状のベアチップ露出孔１１１より露出させるようにしている。しかして、ベアチップＤ１の発光面Ｄ１１は、前記配線基板１１の表面１１０とほぼ面一な位置に設定されることとなる。
また、配線パターンＣと前記ベアチップＤ１とは、ワイヤＷを介して通電可能に直接接続されており、該配線パターンＣに電力を供給することによってベアチップＤ１が発光する。
なお、本実施形態では、該基板１のコーナー部１２３、１２４には、ねじ孔ＮＮを形成し、このねじ孔ＮＮを利用して、図示しない検査機器本体等にねじ止め可能としている。
第一のレンズ２は、第１図、第４図に示すように、略ホーン形状に形成され大径部を先端面とするレンズ主要素部２１と、このレンズ主要素部２１の基端面２１１から反発光方向側に突出する突部２１２とを具備するものであって、これら各部は一体的に形成されている。また、この第一のレンズ２と前記基板１とが一体的にて組み立てられた状態では、前記基端面２１１が、前記基板１の配線基板１１の表面１１０と当接するように設定されており、該基端面２１１とベアチップＤ１の発光面Ｄ１１とがほぼ同一の高さとなる。
以下、各部を詳述する。
レンズ主要素部２１は、先端面２１０の中央部に凹けた略円柱形状をなす凹部Ｘの底面Ｆ１に屈折要素たるフレネルレンズＦを形成するとともに、前記基端面２１１の周端縁２１３から先端面の周端縁２２３に向かって伸びるそのほぼ全域に、放物線で表される反射要素２１４を形成してなるものである。
より具体的には、前記フレネルレンズＦは、ベアチップＤ１から放射される放射光Ｒの内、入射角度Ａより内側に進行して該フレネルレンズＦに入射するフレネル入射光Ｒ１を、放射軸Ｐと平行になるように屈折させ、第一レンズ先端部２２０に向けて進行するように屈折率が設定されている。なお、このフレネルレンズＦは、レンズ主要素部２１等と一体にて形成されるものとしたが、これに限らず、レンズ主要素部２１等と別体にて形成したものであっても構わない。
また、前記反射要素２１４は、前記ベアチップＤ１から放射される放射光Ｒのうち最も側方に放射される放射光の軌道Ｌより基盤側に位置付けた基端２２２から該レンズ主要素部２１の第一レンズ先端部周縁２２３との間に設けられる反射壁２２５を形成している。そして、この反射壁２２５は、前記ベアチップＤ１から放射される放射光Ｒの内、入射角度Ａより外側に進行して前記フレネルレンズＦに入射するフレネル入射光Ｒ１以外の放射光たるフレネル非入射光Ｒ２を、前記放射軸Ｐと平行になるように反射させ、第一レンズ先端部２２０に向けて進行するように、所定の形状を形成している。なお、本実施形態では、前記所定の形状のほぼ全域を、前記フレネル非入射光Ｒ２が、上述のような平行光Ｈの方向に進行し得る放物線形状としたが、平行光Ｈの方向に進行する形状であれば、これに限らず例えば指数関数等で表される形状であっても構わない。
突部２１２は、円柱形状のものであって、４つの突部２１２を、基端面２１１の周端縁２１３の内側に沿って均等な間隔で配置している。そして、この４個の突部２１２を、それぞれ前記基板１のレンズ取付用貫通孔１Ｈに挿入し、ハンダゴテ等で溶融硬化し熱カシメを行うことによって、第一のレンズ２と基板１とが一体化とするように取り付けている。なお、第一のレンズ２を基板１に取り付ける方法は、ねじを用いて取り付けるなど、本実施形態に限られるものではない。
さらに、このレンズ主要素部２１の基端部２０には、前記基端面２１１から発光方向側へ半球状に凹ませたチップ保護部２１５を形成している。そして、このチップ保護部２１５には、例えばシリコーンあるいはエポキシなどの耐熱性を有する透過性の材料を充填し、前記ベアチップＤ１及びワイヤＷ等を覆って保護するようにしている。
第二のレンズ３は、第１図に示すように、中央部３Ｃを反放射方向側に膨らむように形成した非球面レンズ部３１と、この非球面レンズ部３１の周側端縁３１０から伸びるように設けた円筒状のレンズ保持部３２とを具備するものである。そして、この第二のレンズ３は、非球面レンズ部３１のレンズ面３１１が、前記第一のレンズ２の凹部Ｘの開口Ｘ１に添設され、また、前記レンズ保持部３２の内側面３２１が、前記第一レンズ先端部周縁２２３に嵌まり込むようにしている。そして、以上のように第一のレンズ２に添設した第二のレンズ３において、第１図に示すように、第一のレンズ２から進行する平行光Ｈを集光角度ＦＡでその集光点たる集光点ＦＦに集光するように、前記非球面レンズ３１の曲率を設定している。なお、集光角度ＦＡは、非球面レンズ３１の曲率を変更することにより、本実施形態以外の任意の集光角度に設定できることはいうまでもない。
次に、以上のように構成された本発明の発光ダイオード装置の動作について説明する。
まず、配線パターンＣに電力が供給されると、電力を供給されたベアチップＤ１は放射光Ｒを放射する。この放射された放射光Ｒの内、フレネルレンズＦに入射したフレネル入射光Ｒ１は、フレネルレンズＦによって屈折されて放射軸Ｐと平行をなす平行光Ｈとなり、第一レンズ先端部２２０に向けて進行することとなる。一方、放射された放射光Ｒの内、フレネルレンズＦに入射しないフレネル非入射光Ｒ２は、反射壁２２５によって反射されて放射軸Ｐと平行をなす平行光Ｈとなり、第一レンズ先端部２２０に向けて進行することとなる。
このようにして、点光源のベアチップＤ１は放射光Ｒは、フレネルレンズＦ及び反射壁２２５によって、共に平行する平行光Ｈとして第一レンズ先端部２２０に到達する。
そして、第一レンズ先端部２２０に到達した平行光Ｈは、第二のレンズ３の非球面レンズ３１よって集光点ＦＦに集光され、この小さな面積の集光点ＦＦで大きな光量を得ることができることとなる。
ところで、ベアチップＤ１が放射光Ｒを放射しているとき、ベアチップＤ１では熱が発生する。このベアチップＤ１で発生した熱は、該ベアチップＤ１に接する熱伝導部材１４で速やかに拡散され放熱部材１２に伝わり、そしてこの放熱部材１２において放熱が行なわれる。このように、ベアチップＤ１で発生した熱を効率よく放熱することができるため、温度上昇などによるベアチップＤ１の発光性能や寿命の低下を防止することが可能となると同時に大電流を流すことができる。
以上のように本発明によれば、点光源としてベアチップＤ１から放射される放射光を無駄なく同一の方向に進行する平行光に集光することができる。そして、この平行光を、例えば、非球面レンズ等を用いれば、小さな面積に集光することが容易にできるため、非常に集光性能に優れ集光点で高密度な光を照射でき得るといった高性能の発光ダイオード装置を供給できる。
また、発光素子で発生した熱を効率よく放射することができるため、発光素子の発光性能や寿命の低下等を防ぐことができる。
さらに、レンズ等の集光部分と基板とが一体にて形成されており、また、第二のレンズを取り替えることにより任意の集光角度に集光できるため、様々な機器に組み込むといった設計自由度を大きくすることができ、各種製品等で配線チェックやキズのチェック等精密な検査が必要な、例えば製品検査装置の光源として、非常に好適に使用することができる。
また、発光素子が放射する放射光の強さを弱めることなく該発光素子を保護でき、さらに発光素子に電力を供給するワイヤＷを配線パターンＣに直接接続しているためこの発光素子部分での部材を少なくでき、かつ、ほぼ同一面に配置された発光素子と配線パターンとをワイヤで接続するといった結線作業等を非常に簡単に行うことができる発光ダイオード装置を提供できる。
なお、前記実施形態では、屈折要素Ｆとしてフレネルレンズを用いたが、これに限らず、ベアチップから入射したベアチップ入射光Ｒ１を屈折して平行光Ｈとして放射可能なものであれば、他のレンズ等に置き換えても構わない。他のレンズとしては、例えば、非球面レンズ等が考えられる。
また、基端２２２を、発光面Ｄ１１を反発光側に移動すれば、発光ダイオードＤ１が放射する放射光Ｒの内、前記Ｌより外側に進む利用していなかった放射光を反射壁２２５で反射させて第一レンズ先端部２２０に向けてに進行させることができるため、該発光ダイオード装置の集光性を一層向上することができる。
さらに、第二のレンズ３に非球面レンズ３１を用いたが、フレネルレンズ等任意の集光角度で集光可能なものであれば、これに限られるものではない。そして、この第二のレンズで任意の集光角度に集光した光を、光ファイバに入射させて、その反対側から入射した光と同一の角度を有した光として取り出すことができるため、任意の集光角度で集光点ＦＦに集光した光を、光ファイバーを介して離間した位置に導き、前記集光角度と同一の角度を有した放射角度で照射するといった実施態様も考えられる。また、複数の発光ダイオード装置に、このような光ファイバーを取り付ければ、より一層の光量を得ることも可能である。
また、前記実施形態では、１枚の基板１の上にベアチップＤ１や第１のレンズ２等を組み合わせたものを一つのみ設けるように設定しているが、これに限らず、１枚の基板の上に、ベアチップＤ１や第１のレンズ２等の組を複数組設けるような実施態様も考えられる。
さらに、前記実施形態では、熱伝導部材１４の表面に、銀メッキコーティングＭを施すようにしたが、近赤外線や紫外線等可視光領域以外の波長を反射する反射率の大きい材料をコーティングするようにしてもよい。また、この銀メッキコーティングＭを第５図に示すように、放熱部材１２に載置した熱伝導部材１４の表面にコーティングしたり、第６図に示すように、放熱部材１２の表面にコーティングしたりする実施態様も考えられる。
また、この銀メッキコーティングＭをイオンプレーティング方式により形成するようにしたが、形成した皮膜が耐食性に優れた特性となるその他のコーティング方法やメッキ方法等であればこれに限られるものではない。
また、熱伝導部材１４を、放熱部材１２と配線基板１１との間に挟むようにして取り付けていたが、この熱伝導部材１４を配線基板１１のベアチップ露出孔１１１より小さな面積にしてこのベアチップ露出孔１１１内に配置しても良い。
さらにまた、平行光が放射軸に対して±５°の範囲内の角度で進行するものであれば、上述した実施形態と同様の効果を得ることができるため、およそこの範囲内で平行光を進行させるようにしても構わない。
次に本発明の製造方法に着目した更に他の実施形態について第７図〜第１０図を参照して説明する。
この実施形態における発光ダイオード装置Ｄは、前記実施形態のものと基板１及び発光素子たるベアチップＤ１の構成のみが異なるため、その部分について以下に詳述する。なお、前記実施形態と対応する部材には同一の符号を付している。
ベアチップＤ１は、矩形ブロック状をなす表面実装型のもので、その底面をカソード、頂面をアノードとしＰ型半導体の底面に極めて薄い（数十μｍ）Ｎ型半導体を層状に設けたものである。このベアチップＤ１は、２５０ｍＡ以上の電流を流すことが可能ないわゆるパワーＬＥＤと称されるもので、通常のＬＥＤに比べ消費電力が大きく発生熱量も多い。そしてその熱が、主にＰ層とＮ層との境界Ｂから発生することから、放熱を効率よく行うため、底面すなわち基板１側に密着させる接続面Ｄ１ａに、前記境界Ｂを近接させた構造を有する。
基板１は、平面視略円形状をなす板状のもので、アルミニウムを素材とする放熱部材１２によって主として構成され、その放熱部材１２の頂面に薄層状をなす絶縁体１５を被覆し、さらにその絶縁体１５上に配線パターンＣを設けてなるものである。絶縁体１５は、例えばポリイミド樹脂やエポキシ系樹脂等を素材としたものであり、熱伝導を阻害しないように、数十μｍの極めて薄い層にしている。配線パターンＣは銅に金メッキを施してなるやはり薄いもので、本実施形態では、正負一対の配線パターンＣ（１）、Ｃ（２）とを設けている。
しかして本実施形態では、一方の配線パターンＣ（１）を、基板１の中央部を含む表面のほぼ全領域に拡がるものとし、その配線パターンＣ（１）上に、中実矩形ブロック体状をなすスペーサＳＰを介して、前記ベアチップＤ１を取り付けている。
このスペーサＳＰは、ベアチップＤ１よりも平面視面積が大きい例えば銅を素材とする導電性のものであり、前記配線パターンＣ（１）上に第２の接合材である例えばＳｎ−Ｐｂ系の半田により接合される。そしてその厚み寸法を配線パターンＣ（１）と当該スペーサＳＰとの境界から周囲にはみ出て盛り上がる半田よりも高くなるように設定している。また、このスペーサＳＰ上に、前記ベアチップＤ１の底面Ｄ１ａを、金−スズ合金を用いてボンディングしている。
次に、基板１にベアチップＤ１を取り付ける手順について説明する。まず、スペーサＳＰ上にベアチップＤ１の底面Ｄ１ａを、金−スズ合金を用いてボンディングする。このようにしてスペーサＳＰ及びベアチップＤ１の複合一体物を作成した後、これを基板１の配線パターンＣ（１）にボンディングする。具体的には基板１の配線パターンＣ（１）上にクリーム半田を塗布し、スペーサＳＰ及びベアチップＤ１の複合一体物を載せ、その後リフローすることにより、配線パターンＣ（１）上に、ベアチップＤ１の底面を電気的に接続された状態で固定する。そして、一方の端子用配線パターンＣ（２）とベアチップＤ１の頂面、すなわちアノードとをワイヤボンディングする。
このようなものであれば、はみ出た部分の盛り上がりが小さい金−スズ合金を用いてベアチップＤ１とスペーサＳＰを接合しているので、ベアチップＤ１のＰ層及びＮ層がその盛り上がり部分によって接続されることはなく、ショートを回避できる。また、先にベアチップＤ１とスペーサＳＰを接合した後、そのスペーサＳＰと基板１とを、絶縁体１５の耐熱温度より低い溶融温度の合金であるＳｎ−Ｐｂ系半田を用いて接合しているため、絶縁体１５の破壊が生じることもない。
さらに、スペーサＳＰに熱伝導性に優れた銅を用いるとともに、配線パターンＣ（１）も熱伝導性を阻害しないように大面積のものとしているため、発光によりベアチップＤ１で生じた熱が速やかに放熱部材１２に伝達され、熱によるベアチップＤ１の損傷を小さくすることができる。
また、基板１を湾曲させるような必要が生じても、その力が直接ベアチップＤ１には加わらないので、基板１の湾曲によるベアチップＤ１の損傷や、接触不良を防止することができる。
加えて、スペーサＳＰの高さ分だけベアチップＤ１が基板より突出することとなるので、光学系を取り付けやすく、ベアチップＤ１から真横へ出るような光を反射させて有効に利用することが容易にできる。
またベアチップＤ１と接合するスペーサＳＰの頂面のみ所定の面精度を確保すればよく、製作の簡単化を図れる。
加えて、ボンディングや発光時に、ベアチップＤ１や基板１、スペーサＳＰは温度が上下動し、そのことにより体積がそれぞれ膨縮するところ、スペーサＳＰの熱膨張係数が、前記ベアチップＤ１の熱膨張係数と放熱部材１２の熱膨張係数との間の値であるため、体積膨縮の違いによる熱応力の発生を緩和できる。ちなみに本実施形態ではスペーサＳＰは銅で、その熱膨張係数は約１６×１０−６／Ｋ、放熱部材１２はアルミニウムで、その熱膨張係数は約２３．７×１０−６／Ｋ、ベアチップＤ１はシリコンカーバイドで、その熱膨張係数は約４．２×１０−６／Ｋである。
またスペーサＳＰが熱伝導性に優れる銅であるため、ベアチップＤ１で発生した熱が速やかに基板１に伝達され、ベアチップＤ１、スペーサＳＰ、基板１部材間に生じる温度差を短時間に均一化できる、その結果、前記各部材Ｄ１、ＳＰ、１間の温度差に起因して生じる熱応力をも抑制することができる。
さらに、スペーサＳＰ上にベアチップＤ１を取り付けた後、そのスペーサＳＰを基板１に取り付けるようにしているため、ベアチップＤ１をスペーサＳＰに取り付けるという難しい工程を、基板１が異なっていても、共通の設備で行うことができる。したがって設備の共通化を図れるうえ、この段階でベアチップＤ１に欠陥が生じたものや、ボンディング、ワイヤリングに失敗したもの等を廃棄することができるため、従来のように基板１ごと廃棄するような事態を防止できる。
また、よしんば基板１に対するスペーサＳＰの接合ミス（位置ずれ等）があっても、半田接合であるため、これを取り外して再生することが可能となる。
さらに、スペーサＳＰを掴んで基板に取り付ければよく、ベアチップＤ１に触れないため、基板１への実装時にベアチップＤ１が欠損するといった不具合も発生せず、品質の安定化を図れる。
なお、スペーサは銅のような導電性を有するものに限られない。例えば絶縁体であれば窒化アルミを挙げることができる。このものは、その熱膨張係数が、シリコンベアチップの熱膨張係数と放熱部材の熱膨張係数との間の値であって、放熱部材の熱膨張係数よりも、ベアチップの熱膨張係数により近い値を有する。したがって、熱伝導性においては銅に比して若干劣るものの、ベアチップとの間に熱応力が発生しにくく、ベアチップの保護をより有効に図ることができる。なお、窒化アルミの場合、２ワイヤが必要である。また、基板及び発光素子側を向く各面をメタライズされたものが接合の点でより好ましい。
このように本実施形態によればパワーＬＥＤの出現により新たに発生した実装上の問題点及び放熱上の問題点等を効果的に解決できる。
次に屈折要素に係る他の実施形態について、第１１図、第１２図を参照して説明する。
この屈折要素は、中央に配置した凸レンズ部Ｆ１とその周りに同心円状に配置した複数の輪帯レンズ部Ｆ２とからなるフレネルレンズＦであるが、特にこの実施形態では、前記中心の輪帯レンズ部Ｆ２ほど、その屈折面Ｆ２１の所定位置（例えば中心位置）とベアチップＤ１との光軸Ｐ方向に沿った距離が大きくなるように設定している。より具体的には、各屈折面Ｆ２１の中心位置が断面でみて所定の円弧上に位置するようにし、このフレネルレンズＦで屈折し平行化された光Ｈの光線密度が可及的に平均化されるように構成している。
すなわち、ベアチップＤ１からでた光Ｒ１を通常の球面屈折レンズ或いは非球面屈折レンズＦで平行化すると、第１３図に示すように、外側にいくものほど密度が高くなる。一方、平行光Ｈを光ファイバやロッドレンズ等の光導入対象物Ｘに導入すべく再度集光させる場合、外側の光ほど中心光軸とのなす角度が大きくなり、前記光導入対象物Ｘへの導入効率やその内部での伝達効率が悪化する。したがって、同図のように、外側にいくものほど光線密度の高い平行光Ｈは、前記光導入対象物Ｘへの導入を考えると効率の点で好ましいものではない。
ところが本実施形態によれば、第１１図に示すように、平行光Ｈにおける光線密度の外側への偏りが緩和され、平均化されるため、通常の球面屈折レンズ等に比べ、光導入対象物Ｘに効率よく光を導くことができるようになる。
なお、各輪帯レンズ部Ｆ２の屈折面Ｆ２１は非球面にしている。
さらに本実施形態では、第１２図に示すように、一の輪帯レンズ部Ｆ２の屈折面Ｆ２１とその外側に隣接する輪帯レンズＦ２の屈折面Ｆ２１とを接続する接続面Ｆ２２のなす角度を、前記ベアチップＤ１の端から発し、その接続面Ｆ２２の底端に向かって進行する光Ｌの角度と同一又はそれよりも光軸ＬＣに近い角度に設定している。
このため、ある程度の発光面積を実際には有するベアチップＤ１からの光をもれなく輪帯レンズ部Ｆ２の屈折面Ｆ２１に導いて無駄なく有効に前方に屈折させることができる。
その他本発明は、上記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
産業上の利用可能性
以上に詳述したように本発明によれば、点光源として発光素子から放射される放射光を無駄なく同一の方向に進行する平行光に集光することができ、この平行光を、例えば、非球面レンズ等を用いれば、小さな面積に集光することが容易にできるため、非常に集光性能に優れ集光点で高密度な光を照射でき得るといった高性能の発光ダイオード装置を供給できる。そして表面検査や画像処理、医療用等の照明分野に特に大きな利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施形態におけるシステムを構成する発光ダイオード装置の略構造断面図である。
第２図は、同実施形態における基板の平面図である。
第３図は、同実施形態におけるベアチップの取付部分を拡大して示す縦断面図である。
第４図は、同実施形態における第一のレンズの縦断面図である。
第５図は、本発明の他の実施形態におけるベアチップの取付部分を拡大して示す縦断面図である。
第６図は、本発明のさらに他の実施形態におけるベアチップの取付部分を拡大して示す縦断面図である。
第７図は、本発明のさらに他の実施形態における基板の平面図である。
第８図は、同実施形態における基板の縦断面図である。
第９図は、同実施形態におけるベアチップの取付部分を拡大して示す縦断面図である。
第１０図は、従来におけるベアチップの取付部分を拡大して示す縦断面図である。
第１１図は、本発明のさらに他の実施形態における発光ダイオード装置の略構造断面図である。
第１２図は、同実施形態における第一のレンズの主要部縦断面図である。
第１３図は、本発明の屈折要素を非球面レンズで構成した一例を示す第一のレンズの主要部縦断面図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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