(57)【要約】本発明は、ヒートパイプを備える発光素子及び発光素子用のヒートパイプリードの製造方法に関する。また、本発明は、ヒートパイプリードまたは電極と、ヒートパイプリードまたはヒートパイプ電極の上に実装された発光チップとを備える発光素子を提供する。さらに、本発明による発光素子は、ヒートパイプリードまたは電極の端部に放熱板、熱電素子などの放熱部材をさらに設ける。これにより、ヒートパイプリードまたは電極を通じて既存のものに比べて一層高い放熱効果が得られる結果、照明用の素子の熱的ストレスを低減することができ、しかも、外部の不純物が発光素子の内部に浸透するといった現象を防ぐことができる。加えて、ヒートパイプの外側に放熱部材をさらに配設することにより冷却効率及び発光チップの発光効率を極大化させることができる。
2008513994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードと、
前記リードと所定の間隔だけ離れて位置するヒートパイプリードと、
前記ヒートパイプリードの上に実装される発光チップと、
前記発光チップと前記リードとを互いに接続するワイヤーと、
前記リード、前記ヒートパイプリード、及び前記発光チップを封止するモールド部とを備えることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ヒートパイプリードは、内部に設けられた少なくとも１つ以上の空間部と、
前記空間部の内側壁に形成されるウィック（ｗｉｃｋ）と、
前記空間部内に存在する流動体とを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記流動体は、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＨＣｌＦ２、ＮＨ３、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ２−ＣＣｌＦ２、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ−ＣＣｌＦ２からなる群より選択されるいずれか１種を含み、前記空間部の１０〜７０％が前記流動体により充填されることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記空間部に分離板がさらに取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ヒートパイプリードの上部には前記発光チップを実装するためのホールカップ（ｈｏｌｅ  ｃｕｐ）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記ヒートパイプリードは、前記モールド部の外部に突出する少なくとも２つの外部リード部と、
前記外部リード部同士を接続する中心リード部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記中心リード部には、前記発光チップを実装するためのホールカップが形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記ヒートパイプリードに接続される放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
基板と、
前記基板に形成されるヒートパイプ電極と、
前記ヒートパイプ電極と所定の間隔だけ離れて形成される電極と、
前記ヒートパイプ電極の上に実装される発光チップと、
前記発光チップと前記電極とを互いに接続するワイヤーと、
前記発光チップを封止するモールド部とを備えることを特徴とする発光素子。
【請求項１０】
前記ヒートパイプ電極は、内部に設けられた少なくとも１つ以上の空間部と、
前記空間部の内側壁に形成されるウィックと、
前記空間部内に存在する流動体とを備えることを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記流動体は、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＨＣｌＦ２、ＮＨ３、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ２−ＣＣｌＦ２、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ−ＣＣｌＦ２からなる群より選択されるいずれか１種を含み、前記空間部の１０〜７０％が前記流動体により充填されることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記空間部の内側に分離板がさらに取り付けられることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記ヒートパイプ電極は、前記基板の上部領域、或いは、前記基板の上部領域及び側面領域の両方に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記ヒートパイプ電極は、前記基板を貫通して形成されることを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記ヒートパイプ電極に接続される放熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
【請求項１６】
（ａ）内部空間と連通する開口部が一側面又は下部に穿設される第１のリードと、該第１のリードと対応する第２のリードとを有する所定の支持板を用意する段階と、
（ｂ）前記第１のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階とを有することを特徴とする発光素子用のヒートパイプリードの製造方法。
【請求項１７】
前記第１のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階（ｂ）は、前記開口部を介して前記内部空間を真空引きする段階と、
前記開口部を介して流動体を注入する段階と、
前記開口部を封止する段階とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の発光素子用のヒートパイプリードの製造方法。
【請求項１８】
前記流動体を注入する段階（ｂ）の前に、前記内部空間の内側壁にウィックを形成する段階をさらに有することを特徴とする請求項１６に記載の発光素子用のヒートパイプリードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子に関し、さらに詳しくは、ヒートパイプ電極を用いて発光チップから発する熱を冷却させることにより、発光素子の冷却能力を大幅に高めることのできる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のランプ型発光素子は、図１に示すように、電圧を印加すると光を発する発光チップ１と、発光チップ１のカソード及びアノードにそれぞれ接続されて発光チップ１に電圧を印加するための導電性金属材製の第１のリード２及び第２のリード３とを備える。第１のリード２の一端に形成されたカップ形状のパッドの上に発光チップ１が導電性接着剤により取り付けられ、第２リード３とはワイヤー４を介してボンディングされる。また、発光チップ１は、これを外部から保護するために絶縁材質のモールド部５によりモールドされる。このとき、第１のリード２及び第２のリード３は、一部が外部に露出されることにより外部から発光チップへ電圧が印加可能になっている。
【０００３】
上述の如き発光素子は、現在のところ、光の３原色、例えば赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を含む単色の発光素子だけではなく、種々の分野に応用可能な白色光のＬＥＤとしても実現されている。これにより、発光素子は、一般の表示装置におけるバックライト用の発光源にはもちろん、白熱電球や蛍光ランプ、街灯に代替えしうる次世代の照明システムへとその活用範囲が次第に広がっていく傾向にある。発光素子を用いた照明システムの場合、通常の蛍光灯とは異なり、点灯回路が単純であり、インバータ回路と鉄芯型安定器が不要である他、電力消費が低く、しかも、寿命が約１０倍以上になることから、メンテナンスにかかるコストが安価であるという長所がある。
【０００４】
現在、この種の発光素子を照明用として用いるための研究が盛んになされている。しかしながら、発光素子の最大発光効率と熱放出とは互いに相関関係があるため、これを照明用として用いるためには、熱放出の問題の解決が先行する必要がある。すなわち、発光素子を照明用として用いる場合、従来に比べて、チップからの発熱が増えてしまい、素子内部のチップが受ける熱的ストレスが高くなる。これにより、製品の信頼性が低下するだけではなく、その寿命が短縮される。特に、図１に示すようなランプ型発光素子は、金属性リードフレームの熱伝導によってのみ熱を放出しているため、発光素子が受ける熱的ストレスが高くなるという問題が生じる。
【０００５】
このような問題を解決するために、熱伝導性に優れた金属物質製のヒートシンクまたはスラグ（ｓｌｕｇ）などの放熱部材を発光チップと基板との間に取り付けて発光素子の熱的ストレスをある程度低減させるのに成功している。
【０００６】
しかしながら、この場合、金属が持っている熱伝導度の限界と、放熱部材と基板との間、又は放熱部材とチップとの間の境界における熱伝達の不調による熱伝導度の低下が原因となって、発光素子の熱的ストレスの問題を効率よく解決することはできなかった。また、放熱部材と基板との間に所定の隙間ができ、その隙間に水分などの外部からの異物が侵入して素子の電気的な特性を破壊したり、あるいは、素子の発光特性を可変させたりするという問題点が生じていた。これらの理由から、このような放熱部材の熱伝導作用だけではより一層高い発光効率を期待することが困難であり、しかも、冷却負荷の上昇を効率よく解消することができないという問題点が生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、発光チップからの発熱を最大限に速く冷却させて熱的ストレスを効率よく低減させることができ、しかも、発光チップに電流を印加可能なヒートパイプを備える発光素子を提供するところにある。
また、本発明の他の目的は、発光素子用のヒートパイプリードフレーム及びその製造方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、リードと、前記リードと所定の間隔だけ離れて位置するヒートパイプリードと、前記ヒートパイプリードの上に実装される発光チップと、前記発光チップと前記リードとを互いに接続するワイヤーと、前記リード、前記ヒートパイプリード、及び前記発光チップを封止するモールド部とを備えることを特徴とする発光素子が提供される。
【０００９】
望ましくは、前記ヒートパイプリードは、内部に設けられた少なくとも１つ以上の空間部と、前記空間部の内側壁に形成されるウィック（ｗｉｃｋ）と、前記空間部内に存在する流動体とを備える。このとき、前記流動体は、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＨＣｌＦ２、ＮＨ３、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ２−ＣＣｌＦ２、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ−ＣＣｌＦ２からなる群より選択されるいずれか１種を含み、前記空間部の１０〜７０％が前記流動体により充填されている。なお、前記空間部に分離板がさらに取り付けられる。
【００１０】
望ましくは、上述のヒートパイプリードの上部には前記発光チップを実装するためのホールカップが形成される。
さらに、前記ヒートパイプリードは、前記モールド部の外部に突出する少なくとも２つの外部リード部と、前記外部リード部同士を接続する中心リード部とを備えてもよい。望ましくは、前記中心リード部には、前記発光チップを実装するためのホールカップが設けられている。
加えて、前記ヒートパイプリードに接続される放熱部材をさらに備えてもよい。
【００１１】
さらに、上記の目的を達成するために、本発明の他の形態によれば、基板と、前記基板に形成されるヒートパイプ電極と、前記ヒートパイプ電極と所定の間隔だけ離れて形成される電極と、前記ヒートパイプ電極の上に実装される発光チップと、前記発光チップと前記電極とを互いに接続するワイヤーと、前記発光チップを封止するモールド部とを備えることを特徴とする発光素子が提供される。
【００１２】
望ましくは、前記ヒートパイプ電極は、内部に設けられた少なくとも１つ以上の空間部と、前記空間部の内側壁に形成されるウィックと、前記空間部内に存在する流動体とを備える。上記の流動体としては、メタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＨＣｌＦ２、ＮＨ３、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ２−ＣＣｌＦ２、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ−ＣＣｌＦ２からなる群より選択されるいずれか１種を含み、前記空間部の１０〜７０％が前記流動体により充填されている。そして、前記空間部の内側に分離板がさらに取り付けられてもよい。
【００１３】
望ましくは、上述のヒートパイプ電極は、前記基板の上部領域、或いは、前記基板の上部領域及び側面領域の両方に設けられる。もちろん、前記ヒートパイプ電極は、前記基板を貫通して形成されていてもよい。
加えて、前記ヒートパイプ電極に接続される放熱部材をさらに備えてもよい。
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明のさらに他の形態によれば、（ａ）内部空間と連通する開口部が一側面または下部に穿設されている第１のリードと、前記第１のリードと対応する第２のリードとを有する所定の支持板を用意する段階と、（ｂ）前記第１のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階とを有することを特徴とする発光素子用のヒートパイプリードの製造方法が提供される。
【００１５】
ここで、前記第１のリードの前記内部空間内に流動体を注入する段階は、前記開口部を介して前記内部空間を真空引きする段階と、前記開口部を介して流動体を注入する段階と、前記開口部を封止する段階とを含む。
また、前記流動体を注入する段階前に、前記内部空間の内側壁にウィックを形成する段階をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、ヒートパイプにチップを実装することにより、発光素子の冷却効率を高めることができ、しかも、発光素子が受ける熱的ストレスを低減させることができる。
また、ヒートパイプをリードフレーム、リード端子または電極として形成することにより、既存の発光素子に取り込んでいた場合に比べて数倍ほど高い発熱効果を得ることができることから、照明用の素子の熱的ストレスを低減させることができ、外部の不純物が発光素子の内部に浸透するといった現象を防ぐことができる。
【００１７】
加えて、ヒートパイプを備える発光素子の外部にヒートパイプと接続されている放熱部材をさらに配設することにより、冷却効率及び発光チップの発光効率を極大化させることができる。
さらに、リードフレームの側壁または下部領域に穿設された開口部を介してリードフレームの内部空間に流動体を容易に注入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかし、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図中、同じ符号は同じ要素を示している。
【００１９】
図２は、ヒートパイプとこれを備える発光ダイオードの放熱原理を説明するための概念図である。
図２を参照すると、本発明によるヒートパイプリードフレーム１０は、内部空間を持つパイプに流動体３０を封入してなるものである。
【００２０】
図示のごとく、ヒートパイプリードフレーム１０中における発光チップ４０の実装された領域の真下に蒸発部が位置する。これにより、熱源である発光チップ４０により蒸発部において流動体３０が蒸発（気化）されながら熱源を冷却させ、気化した蒸気がヒートパイプリードフレーム１０の内部の反対側の空間（空間）に移動しながら移送部を通って凝縮部において熱を放出し、再び液化されて壁面に沿って蒸発部に戻る。
また、内壁にウィック（ｗｉｃｋ）２０を形成し、気体と液体との間の界面における毛細管圧の違いにより流動体３０が蒸発部に戻れる能力を高めることができる。
【００２１】
この後、流動体３０は、熱源である発光チップから再び熱を受けて蒸発する動作を繰り返し行う。このような原理に基づき、ヒートパイプは、流動体３０の蒸発潜熱を用いて、小さな温度差でもっても外部からの動力を用いることなく、熱を効率よく移送することができる。すなわち、液体の温度変化による蒸発、凝縮の潜熱により熱を移動させることができる。
【００２２】
図２に示すように、ヒートパイプリードフレーム１０は、内部が液体により充填されていてもよく、多孔質物質と液体が一緒に含まれていてもよい。流動体３０は、ヒートパイプ熱交換器の性能を決める重要な因子であり、現在のところ、流動体の特性を改良するための研究が活発に行われている。
これまでは、流動体として主として水が用いられてきている。水は、高温であるほど表面張力が落ちるという特性があり、熱交換の効率を高めるには限界がある。このような水に代えて、アルコールまたはアンモニアを用いる方法と、ナノワイヤー入りナノ流動体などが実験中にある。
【００２３】
すなわち、流動体としてメタノール、アセトン、蒸溜水、水銀、Ｈｅ、Ｎ２、ＣＨＣｌＦ２、ＮＨ３、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌＦ２−ＣＣｌＦ２、ＣＣｌ３Ｆ、ＣＣｌ２Ｆ−ＣＣｌＦ２からなる群より選択されるいずれか１種を用いるのである。また、上記のヒートパイプリードフレーム１０のパイプとしては、Ｃｕ、Ａｌ、鋼鉄などの電気伝導性及び熱伝導性に優れた金属を用いる。
【００２４】
以下、上述の構成と動作原理に基づくヒートパイプ一体型の発光素子について説明する。上述のヒートパイプ一体型のヒートパイプリードフレームは、その適用される発光素子の形態に応じて、パイプ型、フラット型、ループ型など種々に形成でき、その内部には所定の流動体が含まれている。
【００２５】
図３は、本発明の第１の実施形態による発光素子の断面図である。
図３を参照すると、本実施形態による発光素子は、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリードフレーム１００と、ヒートパイプリードフレーム１００から所定の間隔だけ離れて位置するリードフレーム１２０と、ヒートパイプリードフレーム１００の上に実装されている発光チップ１３０と、発光チップ１３０とリードフレーム１２０とを互いに接続するためのワイヤー１４０とを備える。
【００２６】
ヒートパイプリードフレーム１００は中空管状に製造され、その内部には所定の流動体１１０が注入されて密封されている。このような所定の流動体１１０を注入して密封するために、図３に示すように、所定の注入口１１２がさらに設けられている。ヒートパイプリードフレーム１００としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）を含む電気伝導性及び熱伝導性に優れた物質を用い、その内部に注入される流動体１１０としては、メタノール、アセトン、蒸溜水及び水銀などの低沸騰点の種々の液体を用いる。リードフレーム１２０もまた、アルミニウム及び銅などの電気伝導性に優れた物質を用いて製造する。
【００２７】
これにより、ヒートパイプリードフレーム１００の上部に実装されている発光チップ１３０が発光と同時に放出する熱は、ヒートパイプリードフレーム１００の内部空間の上部領域近くの流動体１１０を気化させながら気化熱として吸収され、ヒートパイプリードフレーム１００の下部領域の流動体１１０が位置する空間内において気化した蒸気が凝縮されながら外部に放出される。
【００２８】
このとき、ヒートパイプリードフレーム１００の内部に、毛細管現象を用いて下部領域に位置する流動体１１０を上部に送るウィック（ｗｉｃｋ）（図示せず）をさらに設けることにより、冷熱効果をさらに高めることができる。この実施形態においては、流動体１１０の注入前に、ヒートパイプリードフレーム１００の内部の側壁に多孔質のファイバー等を用いた毛細管を発生可能な所定のウィックを形成する。
また、ヒートパイプリードフレーム１００の上部に実装されている発光チップ１３０とその下部の内部空間との間の間隔を最大限に縮めて吸熱効果を一層高めることができる。これにより、ヒートパイプリードフレーム１００は、発光素子に所定の電流を供給するための電極及び発光素子の熱を冷却するための冷却手段（ヒートパイプ）として用いられる。
【００２９】
図３に示すように、ヒートパイプリードフレーム１００の上部には発光チップ１３０を実装するための所定のホールカップ１３２を形成し、その内部に発光チップ１３０を実装する。この後、ホールカップ１３２の内の発光チップ１３０の上に蛍光体１５０を充填した後、所定のモールド部１６０を用いて発光チップ１３０とヒートパイプリードフレーム１００及びリードフレーム１２０の上部領域を封止する。
【００３０】
また、ヒートパイプリードフレーム１００の下部には、放熱のための別途の放熱部材１７０がさらに設けられる。
放熱部材１７０は、ヒートパイプリードフレーム１００の下部領域の対流による冷却面積を増大させて、気化した流動体が再び液体として還元させながら放出する熱を効率よく放出可能にする。このような放熱部材１７０としては、放熱板または熱電素子を用いる。上述の発光チップ１３０は、ヒートパイプリードフレーム１００に電気的に接続される。
【００３１】
本実施形態においては、上述の説明に限定されることなく、種々の実施形態が採用可能である。すなわち、発光チップ１３０の実装される面積をさらに広く形成することにより、発光チップ１３０から放出する熱の吸収をさらに増大させることができる。すなわち、図４に示す変形例のように、ヒートパイプリードフレーム１００の内部空間が発光チップ１３０を囲むようにホールカップの周辺領域へまで形成されることにより、放熱効果を極大化させることができる。また、図５に示す変形例のように、ヒートパイプリードフレーム１００の内部に１つ以上の空間、すなわち、多数のヒートパイプを設けることにより、冷却を行うこともできる。
【００３２】
図６は、第１の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフであり、図７は、第１の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。
図６及び図７中、「ａ」はアルミニウムリードフレームを持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフであり、「ｂ」はヒートパイプリードフレームを持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフである。
【００３３】
図６のグラフから分かるように、従来のアルミニウムリードフレームの場合、印加された電力によるジャンクション温度が急激に増加している。これに対し、本実施形態によるヒートパイプリードフレームの場合、印加された電力によるジャンクション温度が緩やかに増加していることが分かる。
本実施形態によるヒートパイプリードフレームは、熱的負荷なしに、アルミニウムリードフレームに比べて約３倍以上の電力を用いることができる。
【００３４】
すなわち、図６より、従来のアルミニウムリーフフレームの場合、約０．４ワットの電力を印加した場合にジャンクション温度が約１２５℃になったのに対し、ヒートパイプリードフレームの場合、約１．３ワットの電力を印加したときにジャンクション温度が約１２５℃になったことが分かる。
このように、同じ温度の発熱である場合、アルミニウムリードフレームに比べて、ヒートパイプリードフレームに印加可能な電力量が３倍以上になることが分かる。
【００３５】
この実施形態によるヒートパイプリードフレームの熱抵抗は、アルミニウムリードフレームに比べて約３倍程度低くなる。図７に示すように、従来のアルミニウムリードフレームの場合、熱抵抗が約２５０℃／Ｗであるのに対し、この実施形態によるヒートパイプリードフレームの場合、熱抵抗が約７５℃／Ｗであり、従来のアルミニウムリードフレームに比べて約３倍程度低い熱抵抗を持つことになる。
【００３６】
このように、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリードフレームを備える発光素子は、さらに高い電力にて、しかも、さらに低い熱抵抗にて駆動することができる。
これより、印加される電圧が上がるほど、熱抵抗は既存のリードフレームに比べて線形的に増えることが分かる。
【００３７】
本発明によるヒートパイプは、上述の如きランプタイプの発光素子の他に、種々のタイプのＬＥＤにも用いることができる。以下、本発明の第２の実施形態によるヒートパイプ一体型リード端子を持つハイフラックス（ｈｉｇｈ  ｆｌｕｘ）タイプの発光素子について図面を参照して説明する。後述する第２の実施形態を説明するに当たり、上述の第１の実施形態と重なる部分の説明は省略する。
【００３８】
図８は、本発明の第２の実施形態による発光素子の斜視図であり、図９は、本発明の第２の実施形態による発光素子の断面斜視図である。
図８及び図９を参照すると、本実施形態による発光素子は、所定の電源を印加するためのリード端子２２０と、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリード端子２００と、ヒートパイプリード端子２００の上に実装されている発光チップ２３０と、リード端子２２０と発光チップ２３０が実装されているヒートパイプリード端子２００との上部を封止するモールド部２４０とを備える。ヒートパイプリード端子２００に発光チップ２３０が電気的に実装され、ワイヤー（図示せず）を介して発光チップ２３０とリード端子２２０とが電気的に接続される。
【００３９】
リード端子２２０は、モールド部２４０の外部に突出する２つの外部リード部と、２つの外部リード部同士を接続する中心リード部とを備える。ヒートパイプリード端子２００もまた、モールド部の外部に突出する２つの外部リード部と、２つの外部リード部同士を接続する中心リード部とを備える。この種のヒートパイプリード端子２００の外部リード部と中心リード部は一体型に、かつ、中空管状に製造し、その内部に所定の流動体２１０を封入する。ヒートパイプリード端子２００の外部リードの一部には、放熱フィン、放熱板または熱電素子などの放熱部材が設けられる。
これにより、ヒートパイプリード端子２００は、発光素子に所定の電流を供給するための電極としての役割と、発光素子の熱を冷却するための冷却手段（ヒートパイプ）としての役割を同時に果たす。
【００４０】
上記のリード端子２２０とヒートパイプリード端子２００としては、電気伝導性及び熱伝導性に優れた物質を用いることが好ましい。リード端子２２０とヒートパイプリード端子２００の外部リードには水平方向に突出部が形成されて、外部回路への挿着し易さを図っている。そして、モールド部２４０は四角形状の柱状に形成し、発光チップ２３０の上部領域には凸状レンズが設けられていることが好ましい。
【００４１】
図１０は、第２の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフであり、図１１は、第２の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。
図１０及び図１１中、「ａ」は、アルミニウムリード端子を持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフであり、「ｂ」は、ヒートパイプリード端子を持つ発光素子のジャンクション温度と熱抵抗を示すグラフである。
【００４２】
本実施形態によるヒートパイプリード端子は、熱的負荷なしに、アルミニウムリード端子に比べて約２倍以上の電力を用いることができる。
すなわち、図１０より、従来のアルミニウムリーフ端子の場合に、約０．７ワットの電力を印加した場合にジャンクション温度が約１２５℃になったのに対し、ヒートパイプリード端子の場合に、約１．４５ワットの電力を印加したときにジャンクション温度が約１２５℃になったことが分かる。
このように、同じ温度の発熱である場合、アルミニウムリード端子に比べて、ヒートパイプリード端子に印加可能な電力量が２倍以上になることが分かる。
【００４３】
本実施形態によるヒートパイプリード端子の熱抵抗は、アルミニウムリード端子に比べて、約２倍程度低くなる。図１１に示すように、従来のアルミニウムリード端子の場合に熱抵抗が約１５０℃／Ｗであるのに対し、この実施形態によるヒートパイプリード端子の場合には熱抵抗が約６９℃／Ｗであり、従来のアルミニウムリード端子に比べて約２倍程度低い熱抵抗を持つことになる。
【００４４】
このように、ヒートパイプ一体型のヒートパイプリード端子を持つ発光素子は、さらに高い電力にて、しかも、さらに低い熱抵抗にて駆動することができる。
本発明はこれに限定されるものではなく、種々の形態の発光素子に適用可能である。
【００４５】
以下、図面に基づき、本発明の第３の実施形態によるヒートパイプ一体型の電極を備える表面実装型の発光素子について説明する。下記の第３の実施形態を説明するに当たって、上記第１及び第２の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００４６】
図１２は、本発明の第３の実施形態による発光素子の断面図である。
図１２を参照すると、本実施形態による発光素子は、基板３００と、基板３００の上部に設けられたヒートパイプ電極３１０と、ヒートパイプ電極３１０と所定の間隔だけ離れて設けられた電極３２０と、ヒートパイプ電極３１０の一端部の上に実装されている発光チップ３３０と、発光チップ３３０と電極３２０との間を接続するためのワイヤー３６０とを備える。
【００４７】
また、発光チップ３３０を封止するための別途のモールド部３７０をさらに備える。なお、発光チップ３３０の上部に配置されて目標とする光を放出するための蛍光体（図示せず）をさらに備えていてもよい。さらに、ヒートパイプ電極３１０の他端部と接続されている放熱部材３５０をさらに備える。上記の放熱部材３５０としては、放熱板または熱電素子を用いる。
【００４８】
図１２において、基板の上側部の表面に沿って逆「Ｌ」字状のヒートパイプ電極３１０が形成されている。本実施形態によるヒートパイプ電極３１０は、逆「Ｌ」字状に内部空間が形成され、その内部空間の一部が流動体３４０により充填されている。本実施形態においては、発明を説明し易くするために、内部空間がやや誇張されている。もちろん、基板の表面領域に設けられた電極の形態に応じて、その内部空間は種々の形状に製造可能である。ヒートパイプ電極３１０は、所定の内部空間が形成されたヒートパイプ電極の内部を真空引きした後、内部空間に流動体３４０を封入してなる。
【００４９】
これにより、ヒートパイプ電極３１０は、発光素子に所定の電流を供給する電極としての役割と、発光素子の熱を冷却するための冷却手段（ヒートパイプ）としての役割を同時に果たす。ヒートパイプとして用いられる場合、発光チップ３３０が実装されるヒートパイプ電極３１０の一端部は蒸発部となり、基板３００の側壁領域、すなわち、放熱部材３５０と接しているヒートパイプ電極３１０の他端部は凝縮部となり、これらの以外の領域は移送部となる。
図１２に示すように、発光チップ３３０から発する熱を発光チップ３３０の下部に設けられたヒートパイプ電極３１０が吸収して放熱部材３５０に伝えることにより、冷却効率を高めることができる。
【００５０】
加えて、本実施形態の他の変形例として、ヒートパイプ一体型の電極を筐体やヒートシンクと同じ大きさに製造して用いてもよい。以下、図面に基づき、この実施形態による変形例を説明する。
図１３及び図１４は、本実施形態の変形例による発光素子の断面図である。
【００５１】
図１３を参照すると、この変形例による発光素子は、ヒートパイプ一体型のヒートパイプ電極４１０と、ヒートパイプ電極４１０から所定の間隔だけ離れている電極４２０と、ヒートパイプ電極４１０の上部に実装されている発光チップ４３０と、ヒートパイプ電極４１０及び電極４２０と発光チップ４３０を封止するためのモールド部４７０と、発光チップ４３０と電極４２０とを接続するためのワイヤー４６０とを備える。また、ヒートパイプ電極４１０の下部には放熱部材４５０がさらに接続されている。
【００５２】
ヒートパイプ電極４１０は中空板状に製造され、その内部に所定の流動体４４０を封入する。しかしながら、ヒートパイプ電極４１０の形状及びその内部の形状は板状に限定されるものではなく、流動体４４０の気化と還元特性に応じて種々の形態のものが採用可能である。
一方、電極４２０は“［  ”状に形成して、下部の電極部を外部の電源端子と接続させる。この後、ヒートパイプ電極４１０の上に発光チップ４３０を実装した後、発光チップ４３０と電極４２０とをワイヤー４６０により接続させ、モールド工程を行うことにより、ヒートパイプ電極４１０及び電極４２０を固定するとともに、ヒートパイプ電極４１０及び電極４２０と発光チップ４３０を封止するモールド部４７０を形成する。
【００５３】
また、図１４を参照すると、この変形例による発光素子は、基板４００と、基板４００を貫通してヒートパイプが一体に形成されたヒートパイプ電極４１０と、基板４００に設けられた電極４２０と、ヒートパイプ電極４１０の上部に実装される発光チップ４３０と、発光チップ４３０と電極４２０とを接続するためのワイヤー４６０とを備える。また、発光チップ４３０を封止するための別途のモールド部４７０をさらに備える。さらに、ヒートパイプ電極４１０の下部には、放熱部材４５０がさらに接続されている。
【００５４】
ヒートパイプ状のヒートパイプ電極４１０は中空の四角筒状に製造され、その内部に所定の流動体４４０を封入してなる。また、電極４２０も基板の表面に沿って形成するが、ヒートパイプ電極４１０から所定の間隔だけ離れるようにして形成する。この後、ヒートパイプ電極４１０の上に発光チップ４３０を実装し、発光チップ４３０と電極４２０とをワイヤー４６０により接続させた後、モールド工程を行ってモールド部４７０を形成することにより、発光素子を製造する。
【００５５】
上述の図１３及び図１４に示す変形例の発光素子は、発光チップ４３０が実装されたヒートパイプ電極４１０の上側部においては気化現象により熱を吸収し、発光チップ４３０から遠く離れている下部領域においては気化した蒸気が液化されながら熱を放出している。このとき、放出熱は、ヒートパイプ電極４１０の下方に位置する放熱部材４５０を介して外部に伝わる。
【００５６】
もちろん、ヒートパイプ電極４１０の形状はこれに限定されるものではなく、種々の形状のものが採用可能である。以下、図面に基づき、このようなヒートパイプ電極の形状について説明する。
図１５〜図１８は、この変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。
【００５７】
図１５に示すように、この変形例によるヒートパイプ電極４１０は、ヒートパイプ電極４１０の発光チップ４３０が実装される実装部と、熱が移動するパイプ部と、熱を外部に放出する放熱部とが水平方向に設けられるループ状を呈する。
実装部を介して入り込んだ熱は、これと接続されているパイプ部内の流動体の蒸発潜熱により放熱部の放熱部材４５０を介して外部に放出される。このような構造は、図１３に示す発光素子の電極構造に用いることが有効である。
【００５８】
また、図１６に示すように、ヒートパイプ電極４１０の内部空間を仕切るために、所定の分離板４８０を内部空間に設けることができる。これにより、ヒートパイプ電極４１０の側面荷重を支えることが可能になるだけではなく、図示のごとく、気体及び液体間の対流現象を強制的に誘導することができる。
【００５９】
図１６において、点線の矢印は蒸気の移動を示し、実線の矢印は流動体の移動を示す。２枚の分離板４８０を基準として発光チップ４３０が実装された上部領域においては気化現象が起きて発光チップ４３０の熱を吸収して気化した蒸気が分離板４８０の間の領域に下降し、下降された蒸気は下部領域において凝縮されて熱を放出する。このような構造は、図１４に示す発光素子の電極構造に用いることが有効である。
【００６０】
また、図１７に示すように、ヒートパイプ電極４１０の内部空間に流動体４４０を格納可能な特定の形状の格納器４９０を設けることもできる。このとき、格納器４９０の上部領域には気化した蒸気が図面の前方に向かって移動し、格納器４９０内部の液状の流動体４４０が図面の後方に向かって移動循環する。これにより、電極が受ける荷重に耐えうるようになり、しかも、長板状にヒートパイプ電極４１０を製造してより広い面積でもって発生熱を吸収することにより、外部への放熱効果を高めることができる。
【００６１】
加えて、図１８に示すように、ヒートパイプ電極４１０の内部に多数の空間を設け、それぞれの空間にそれぞれ流動体４４０を注入することにより、単一の内部空間に単一のヒートパイプの役割を果たせてもよい。すなわち、ヒートパイプ電極４１０の内部空間を単一の大きな筒状に形成してもよく、このほかに、蜂の巣形状に形成してもよい。もちろん、このような形状の内部空間内に所定の流動体４４０を注入してヒートパイプとして動作させる。また、ヒートパイプ電極４１０の内側壁に所定のウィックを形成して冷却効率を極大化させることができる。
【００６２】
上述の第１から第３の実施形態における構成要素は、それぞれの実施形態にのみ限定されるものではなく、異なる実施形態に置き換え可能である。また、本発明においては、ハートパイプ一体型のリードフレーム、リード端子及び電極の内部空間の少なくとも一部を流動体により充填することができる。これにより、流動体の対流現象を用いて、発光チップから発せられる熱を外部に放出することができる。
【００６３】
すなわち、リードフレーム及び電極の内部空間を流動体により１０〜７０％程度充填することもできる。また、リードフレーム及び電極の内部空間の形状としては、円形、楕円形、三角形、四角形などをはじめとする種々の図形が採用可能である。また、ヒートパイプの下部に別途の放熱部材を採用しないこともあるが、併用したときに冷却効率がさらに上がる。
【００６４】
上述のヒートパイプ一体型のリードフレーム、リード端子及び電極の製造方法は極めて様々である。以下、図面に基づき、本発明の第１の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明する。
図１９及び図２０は、本発明の一実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
【００６５】
図１９を参照すると、所定の支持板５００に、内部空間と一側面に開口部５１２を有する多数のヒートパイプリードフレーム５１０と、ヒートパイプリードフレーム５１０と対をなすリードフレーム５２０とを形成する。
以下、上記の支持板５００とヒートパイプリードフレーム５１０及びリードフレーム５２０の詳細を説明する。
【００６６】
ヒートパイプリードフレーム５１０の上部には、発光チップを実装するための所定のホールカップが設けられている。ここで、ヒートパイプリードフレーム５１０及びリードフレーム５２０は同じ厚さに形成することもできるが、ヒートパイプリードフレーム５１０の厚さをリードフレーム５２０のそれよりも約６倍まで大きく形成することもできる。
【００６７】
このとき、支持板５００とヒートパイプリードフレーム５１０及びリードフレーム５２０は一体に製造する。上記の支持板５００は、アルミニウム又は銅をはじめとする熱伝導性及び電気伝導性に優れた物質を用いて形成する。
【００６８】
各々のヒートパイプリードフレーム５１０のリードフレーム５２０と対向するのとは反対の領域の一側部に開口部５１２が形成されている。これは、後続する流動体の注入工程を容易に行うためのものである。開口部５１２の形状としては、種々のものが採用可能である。
【００６９】
また、図示していないが、開口部５１２は、ヒートパイプリードフレーム５１０の内部空間を真空引きしてその内部に流動体を注入するために、ヒートパイプリードフレーム５１０の外側壁における開口部５１２の開口径が内側壁における開口径より広い円錐台形状に形成することが好ましい。また、開口部は、ヒートパイプリードフレーム５１０の一側壁から突設されていてもよい。この場合、突出した開口部に付加的なプラグにより蓋をしてヒートパイプリードフレーム５１０の内部空間を密閉封止する。
【００７０】
図２０を参照すると、上記のように内部空間と、そこに接続された開口部５１２とを持つヒートパイプリードフレーム５１０の洗浄が完了した後、ヒートパイプリードフレーム５１０の内部空間を真空引きし、真空引きしたヒートパイプリードフレーム５１０の内部空間に流動体５１４注入し、この後、開口部を閉塞５１６で密閉してヒートパイプリードフレーム５１０を完成する。ここで、上記のヒートパイプリードフレーム５１０の内部空間の内面上にメッシュ形成方法、又は金属粉末の焼結方法を用いてウィック（図示せず）を形成することもできる。
【００７１】
ヒートパイプリードフレーム５１０の空間内への流動体５１４の注入を容易にするために、上記のヒートパイプリードフレーム５１０の開口部５１２を介してヒートパイプリードフレーム５１０の内部を真空引きにする。この後、開口部５１２に流動体５１４を注入して流動体５１４が漏れないように閉塞する。
【００７２】
図２１〜図２３は、本発明のヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
図２１を参照すると、上述の図１９及び図２０の方法と同様にして得られたヒートパイプリードフレーム５１０の上部に発光チップ５３０を実装する。このとき、ヒートパイプリードフレーム５１０の上端部に発光チップ５３０を実装するが、もし、発光チップ５３０の実装のための所定のホールカップ領域が形成されている場合、ホールカップ内に発光チップ５３０を実装する。
その後、ワイヤリング工程によりヒートパイプリードフレーム５１０の上部に実装された発光チップ５３０とリードフレーム５２０とをワイヤー５３５により接続する。
【００７３】
図２２及び図２３を参照すると、上記の発光チップ５３０が実装されたヒートパイプリードフレーム５３０を所定のモールド金型５４０に入れてエポキシを用いたモールディングを行うことにより、モールド部５５０を形成する。その後、所定の切断工程によりヒートパイプリードフレーム５１０及びリードフレーム５２０を支持板５００より分離して発光素子を製造する。
【００７４】
図２４及び図２５は、本発明の他の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
図２４を参照すると、支持板６００は、下部６０１、上部６０２、及び下部６０１と上部６０２を支持する支持部６０３と、これら各部によって定義される空洞を形成する。複数のヒートパイプリードフレーム６１０は、支持板６００の上部６０２に突出してそれぞれの内部に形成される内部空間と、支持板６００内部の空洞とヒートパイプリードフレーム６１０の内部空間とを連通する所定の開口部６１２と、ヒートパイプリードフレーム６１０と対をなすリードフレーム６２０とが形成してなる。
【００７５】
このとき、ヒートパイプリードフレーム６１０は、所定の金属性板を切削したり所定のモールド金型を用いたモールディングにより、図２４に示すものと同じ形状（ヒートパイプリードフレーム６１０の内部が空間を有する形状）に形成する。その後、所定の洗浄工程を行い、ヒートパイプリードフレーム６１０の内部とリードフレーム６２０及び支持板６００に付着している不純物を除去する。さらに、図２６に示すように、支持板６００は“［  ”形状に形成する。これにより、開口部６１２を容易に形成することができ、開口部６１２を介して流動体の注入を容易に行うことができる。
【００７６】
図２５を参照すると、支持板６００の上部６０２とヒートパイプリードフレーム６１０の内部空間と通じる開口部６１２を用いて、ヒートパイプリードフレーム６１０の内部空間を真空引きにした後、流動体６１４を注入する。その後、開口部６１２を所定の閉塞６１６で密閉することで流動体６１４の漏れを防ぐ。もちろん、真空引き前に、所定の成形方法によりヒートパイプリードフレーム６１０の内部側壁にウィック（図示せず）を形成させることもできる。
【００７７】
本実施形態においては、ヒートパイプリードフレーム６１０の下部領域に開口部６１２を形成することにより、ヒートパイプリードフレーム６１０及びリードフレーム６２０の製造時に生じるホコリなどの不純物がヒートパイプリードフレーム６１０の内部に付着することを防止することができ、ヒートパイプリードフレーム６１０の内部空間を容易に真空引きにできる他、流動体６１４の注入を容易に行うこともできる。
【００７８】
本発明のヒートパイプリードフレームは、図示のものに限定されるものではなく、種々の形状が採用可能である。すなわち、例えば、“［  ”形状または“−”形状のものが採用可能である。上記の如きヒートパイプリードフレームを用いて発光チップからの発熱を速やかに冷却させて、熱的ストレスを低減させることができる。一方、上述及び図示の実施形態においては、説明の都合のために、ヒートパイプリードフレームに単一のボンディングチップが実装されることを例にとって説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、２ボンディングチップも実装可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】従来の技術による発光素子の断面図である。
【図２】ヒートパイプとこれを備える発光ダイオードの放熱原理を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による発光素子の断面図である。
【図４】図３におけるＡ領域の変形例の拡大断面図である。
【図５】図３におけるＡ領域の変形例の拡大断面図である。
【図６】第１の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】第１の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態による発光素子の斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による発光素子の断面斜視図である。
【図１０】第２の実施形態による発光素子のジャンクション温度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１】第２の実施形態による発光素子の熱抵抗のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の第３の実施形態による発光素子の断面図である。
【図１３】本発明の変形例による発光素子の断面図である。
【図１４】本発明の変形例による発光素子の断面図である。
【図１５】図１３、図１４の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。
【図１６】図１３、図１４の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。
【図１７】図１３、図１４の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。
【図１８】図１３、図１４の変形例によるヒートパイプ電極の形状を説明するための概略断面図である。
【図１９】本発明の一実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２０】本発明の一実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２１】本発明によるヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２２】本発明によるヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２３】本発明によるヒートパイプリードフレームを用いた発光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２４】本発明の他の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２５】本発明の他の実施形態によるヒートパイプリードフレームの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２６】本発明のさらに他の実施形態によるリードフレームを説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１００、５１０、６１０    ヒートパイプリードフレーム
１１０、３４０、４４０、５１４、６１４    流動体
１１２      注入口
１２０、５２０、６２０    リードフレーム
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０    発光チップ
１３２      ホールカップ
１４０、３６０、４６０、５３５    ワイヤー
１５０      蛍光体
１６０、２４０、３７０、４７０、５５０    モールド部
２００      ヒートパイプリード端子
２２０      リード端子
３００、４００    基板
３１０、４１０    ヒートパイプ電極
３２０、４２０    電極
３５０、４５０    放熱部材
４８０      分離板
４９０      格納器
５００、６００    支持板
５１２、６１２    開口部
５１４      閉塞
５４０      モールド金型
【図１】
2008513994.tif 000003
【図２】
2008513994.tif 000004
【図３】
2008513994.tif 000005
【図４】
2008513994.tif 000006
【図５】
2008513994.tif 000007
【図６】
2008513994.tif 000008
【図７】
2008513994.tif 000009
【図８】
2008513994.tif 000010
【図９】
2008513994.tif 000011
【図１０】
2008513994.tif 000012
【図１１】
2008513994.tif 000013
【図１２】
2008513994.tif 000014
【図１３】
2008513994.tif 000015
【図１４】
2008513994.tif 000016
【図１５】
2008513994.tif 000017
【図１６】
2008513994.tif 000018
【図１７】
2008513994.tif 000019
【図１８】
2008513994.tif 000020
【図１９】
2008513994.tif 000021
【図２０】
2008513994.tif 000022
【図２１】
2008513994.tif 000023
【図２２】
2008513994.tif 000024
【図２３】
2008513994.tif 000025
【図２４】
2008513994.tif 000026
【図２５】
2008513994.tif 000027
【図２６】
2008513994.tif 000028
【国際調査報告】
2008513994.tif 000029
2008513994.tif 000030