(57)【要約】【課題】  発光ダイオ−ドを用いた発光パッケ−ジにおいて、放熱特性に優れた発光パッケ−ジを提供する。【解決手段】  樹脂封止された発光ダイオードと、発光面とは反対側に配置された放熱部材とを具備する発光パッケージであって、前記放熱部材は、実質的に一方向に揃えられた熱伝導率５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素繊維束が熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導金属で接合された複合材料でなり、前記炭素繊維束の方向が発光パッケ−ジの内部から外部に向かう如く配置されている発光パッケージ。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂封止された発光ダイオードと、発光面とは反対側に配置された放熱部材とを具備する発光パッケージであって、前記放熱部材は、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維束が熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導金属で接合された複合材料であり、前記炭素繊維束の方向が発光パッケ−ジの内部から外部に向かう如く配置されていることを特徴とする発光パッケージ。
【請求項２】
放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率Ｖｆが３０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の発光パッケージ。
【請求項３】
放熱部材中の炭素繊維方向と垂直な断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の発光パッケージ。
【請求項４】
放熱部材中の高熱伝導金属は銅であって、金属組織が再結晶組織でなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光バッケージ。
【請求項５】
再結晶組織の平均結晶粒径が０．１μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の発光パッケージ。
【請求項６】
放熱部材中の高熱伝導金属はアルミニウムまたはアルミニウム合金であって、２．６Ｍｇ／ｍ３以下の密度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（以下ＬＥＤ）からの発熱を効果的に拡散できる構造を有する発光パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
白色発光ダイオードで代表される通り、従来の各種照明用光源の代替として、大出力ＬＥＤが提案されつつある。大出力ＬＥＤは、従来の白熱灯などと比較して長寿命であると言われており、白熱灯と比較して低消費電力化や小型化も可能である。更には、所定角度の範囲での発光により、光の有効活用が可能である特長をも有することから、太陽光の反射による疑似発光が嫌われる交通信号機の光源としての普及が進んでいる（例えば、非特許文献１参照）。
上述した利点を持つ大出力ＬＥＤであるが、ＬＥＤの発光スペクトルに短波長成分が含まれるため、封止あるいは蛍光体保持に使用される樹脂を劣化し、明るさが劣化していくという問題がある。
これに対して樹脂側からの改良として、従来のエポキシ樹脂から短波長側の光を吸収しにくいシリコン樹脂に変えるといった方策が提案されている。
【０００３】
また、樹脂の劣化は樹脂が高温になる程、加速される。従って、発光ダイオードで発生した熱を効率良く外部に拡散させるためのパッケージ構造も重要となっている。例えば、非特許文献２によれば、ＬＥＤチップ、もしくはＬＥＤチップが搭載された基板に銅製やその他金属系材料を使った放熱部材（ヒートシンク）を接着したパッケージ構造とすることにより、パッケージ内部の熱をパッケージ外部へ拡散する構造が提案されている。
【０００４】
一方、熱伝導の高い材料としては、金属材料の他に高熱伝導炭素繊維と金属との複合材料が知られている。この複合材料は金属材料の持つ熱伝導特性よりも更に高い熱伝導特性を有するものとして期待されている。（特許文献１参照）
【特許文献１】国際公開番号  WO2005/059194A1
【非特許文献１】LEDの特徴  LED照明推進協議会        インタ−ネット<URL:http://www.led.or.jp/about/features.htm>
【非特許文献２】日経エレクトロニクス  2005.4.25号  第86-93頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した非特許文献２に開示されるのは、銅に代表される金属材料を放熱部材として用いる方法である。しかしながら、金属材料の中では熱伝導性が良好とされる銅であっても、その熱伝導率は３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、しかも密度が８．９（Ｍｇ／ｍ３）と大きく重いという欠点がある。また、放熱材料として一般的なアルミニウムにおいては、その密度は２．７（Ｍｇ／ｍ３）と軽いものの、熱伝導率が２３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）しか得られないという問題がある。
【０００６】
大出力ＬＥＤは、上述した交通信号機の照明のみでなく、自動車等のヘッドランプとしての適用も期待されているが、発光パッケージとして十分な放熱特性が得られておらず、樹脂の劣化というＬＥＤ本来の性能とは異なるところで寿命となるという大きな問題を抱えており、更に用途を拡大する上での障害となっている。言い換えれば、樹脂の劣化を抑制可能な優れた放熱構造が採用できれば、光源として極めて有効なデバイスとなり、自動車等のヘッドランプ等への用途拡大が見込まれる。
それ故、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、放熱特性に優れたＬＥＤの発光パッケージを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、銅やアルミニウム等の金属よりも更に高い熱伝導率を有し、かつこれらの金属より軽量であるという特徴をもった炭素繊維と、高熱伝導金属を複合化した放熱部材がＬＥＤを用いた発光パッケージに好適であることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明は、樹脂封止された発光ダイオード（ＬＥＤ）と、発光面とは反対側に配置された放熱部材とを具備する発光パッケージであって、前記放熱部材は、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維束が熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導金属で接合された複合材料でなり、前記炭素繊維束の方向が発光パッケ−ジの内部から外部に向かう如く配置されている発光パッケージである。
【０００８】
また、本発明における放熱部材としては、放熱部材中に占める炭素繊維の部分の体積率Ｖｆとしては、３０〜９０％とすることが望ましい。
また、本発明における放熱部材としては、放熱部材中の炭素繊維方向と垂直な断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在することが望ましい。
本発明において、高熱伝導金属としては、銅やアルミニウム等が使用できるが、熱伝導性を重視するのであれば銅を選択し、軽量化を重視するのであればアルミニウムあるいはアルミニウム合金を選択するのが好ましい。
なお、高熱伝導金属として銅を選択した場合には、金属組織が再結晶組織であること、さらには、再結晶組織の平均結晶粒径が０．１μｍ〜２０μｍであることが好ましい。
また、本発明において、高熱伝導金属としてアルミニウムあるいはアルミニウム合金を選択した場合には、２．６Ｍｇ／ｍ３以下の密度とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＬＥＤを用いた発光パッケージから効率良く放熱できるため、樹脂の劣化を防止することができ、ＬＥＤ本来の長寿命特性を引き出すために欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
上述したように、本発明の重要な特徴の一つは、ＬＥＤを用いた発光パッケージに適用する放熱部材として、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維束が熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導金属で接合された複合材料を採用したことにある。
この放熱部材を適用した本発明の発光パッケ−ジの一例を模式図として図１に示す。図１は、樹脂５によって封止されたＬＥＤチップ１の発光面２と反対側に上述の複合材料でなる放熱部材３を配置したものであり、放熱部材３は炭素繊維４の方向が発光パッケ−ジの内部から外部に向かう如く配置されている。
【００１１】
本発明においては、図１に示すようにＬＥＤチップ１そのものを放熱部材に直接搭載し、リードワイヤ６でパッケージ基板７と接続する構成としても良いが、ＬＥＤチップが搭載された基板を放熱部材に搭載する構成としても良い。このとき、銀ペ−ストやシリコングリ−ス等を用いて放熱基板とＬＥＤチップ等を接着させることができる。この本発明の発光パッケ−ジにおいてＬＥＤチップ１で発生する熱は、上述した放熱部材３を伝わってパッケ−ジ外部に素早く拡散するので、樹脂５あるいはＬＥＤチップ１に熱がこもることがなく、樹脂５の劣化を防止することができる。
また、ＬＥＤチップ１を封止する樹脂５としては、ＬＥＤチップからの発光波長を所定の波長に変換する蛍光体を含有するものであっても良い。
【００１２】
以下、本発明に適用する放熱部材についての詳細を説明する。
高熱伝導性を有する炭素繊維の繊維方向の熱伝導率は５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、典型的には８００〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度と金属材料より高く、更に、その密度は２．２（Ｍｇ／ｍ３）程度と軽い。しかしながら、この炭素繊維を一方向に揃えて炭素繊維束としただけでは固化成形体とすることができないので、発光パッケ−ジ内の放熱部材として使用することは困難である。この炭素繊維束を固化成形するためには、炭素繊維束を樹脂や金属と接合して複合材料とする必要があるが、高熱伝導性の放熱部材を得る観点からは、熱伝導率の高い金属で接合することが必須である。
【００１３】
放熱部材に適用する金属としては、その熱伝導率が従来使用されている銅やアルミニウムよりも大きく劣る場合は、炭素繊維との複合材料を形成しても高熱伝導性を確保することが困難であるため、本発明においては、金属の中でも、特に熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属と規定した。尚、熱伝導率１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の金属としては、アルミニウム（２３８Ｗ／（ｍ・Ｋ））、金（３１６Ｗ／（ｍ・Ｋ））、銀（４２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、銅（３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ））のいずれかあるいはこれらを主体とする合金を用いることができるが、特に２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の高熱伝導率の確保とコスト面からはアルミニウムか銅が望ましく、軽量化を重視する場合にはアルミニウム、熱伝導性を重視する場合には銅を選択することが望ましい。
【００１４】
なお、炭素繊維には、繊維方向の熱伝導率が高い一方で、繊維の径方向の熱伝導率が低いという問題がある。しかし、ＬＥＤを用いた発光パッケージでは、図１に示すように少なくとも一方の面は、発光面となるため、光の透過を妨げない発光面の反対側から実質的に一方向にできるだけ多く熱を拡散させる必要がある。それ故、繊維の径方向、すなわち繊維と垂直な方向の熱伝導については、あまり考慮する必要がなく、逆に都合がよい。具体的には、前記炭素繊維束の方向を発光パッケ−ジの内部から外部に向かう如く配置することで、効率的に熱をパッケージの内部から外部へ拡散させることができる。
本発明において、放熱部材とＬＥＤチップ等との塗れ性の確保、或いは繊維の径方向への熱の拡散を確保したい場合には、放熱部材の繊維方向の端面に炭素繊維を露出させないように金属メッキ等による金属層を付加しても良い。
【００１５】
本発明において放熱部材中に占める炭素繊維の部分の望ましい体積率Ｖｆを３０〜９０％としたのは、３０％未満では熱伝導率を高める効果が小さく、逆に９０％を超える範囲では、炭素繊維間を埋める接合剤としての金属の量が、炭素繊維と比較して顕著に少ないために、炭素繊維と金属を均質に複合化した放熱部材を得ることが難しくなり、機械的強度にも劣るからである。機械的強度の面から、Ｖｆのより望ましい範囲は、放熱部材中の金属が銅の場合３０〜６０％、放熱部材中の金属がアルミニウムの場合３０〜７５％である。なお、本発明で言う炭素繊維の体積率の数値は、放熱部材の炭素繊維方向に垂直な断面を鏡面研磨後に光学顕微鏡で観察した際、視野中に占める炭素繊維の面積率に等しいとして取り扱うことができる。
【００１６】
更に、本発明の発光パッケ−ジのより望ましい範囲として、放熱部材中の炭素繊維方向と垂直な断面において、任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在することとした理由は、ＬＥＤで発生した熱を発光パッケ−ジの内部から外部に迅速に拡散させて樹脂の劣化を防ぐためには、放熱部材中の炭素繊維はできるだけ均一に分布していることが望ましいからである。炭素繊維の分布に偏りがあると、炭素繊維が密な部分の放熱は迅速に進む一方で、炭素繊維が疎な部分の放熱は遅く、結果として樹脂の劣化を招く懸念があるからである。任意の５０μｍ角の視野中に少なくとも１本以上の炭素繊維が存在していれば、炭素繊維の分布は、ほぼ均一と考えて良い。より望ましくは、任意の５０μｍ角の視野中に５本以上の炭素繊維が存在していると良い。
【００１７】
次に、放熱部材の熱伝導性を重視して放熱部材中の高熱伝導金属を銅とした場合に、望ましい範囲として、銅の部分における金属組織と平均結晶粒径を規定した理由を述べる。
銅の部分の金属組織を再結晶組織とした理由は、銅の再結晶組織が放熱部材における銅の部分の熱伝導率、ひいては放熱部材の熱伝導率を高めるために必要な組織であるからである。上述したように、銅の熱伝導率は３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ）と言われているが、銅の結晶中に塑性加工によって生じる転位や空孔等の格子欠陥が存在する場合には、これらの格子欠陥が熱の伝導を妨げるため、熱伝導率は３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ）より低下する。
【００１８】
それ故、銅が本来有する３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を発現させ、ひいては放熱部材の熱伝導率を高めるために、放熱部材における銅の部分は、格子欠陥のほとんど無い再結晶組織とすることが有効である。これにより、複合材料の母材（基地）となる銅の熱伝導率が大きく改善され、高い熱伝導率を有する放熱部材とすることができる。
尚、本発明の再結晶組織とは、再結晶が完全に終了した組織に観察される金属組織を指し、再結晶が完全に終了せず、未再結晶部が残存する組織に観察される金属組織を含まない。その理由は、未再結晶部には上述した格子欠陥が残存し、熱伝導率を低下させるからである。
【００１９】
望ましい範囲として、銅の部分の平均結晶粒径を規定した理由を述べる。
平均結晶粒径の下限を０．１μｍとしたのは、再結晶組織とした母材（銅の部分）に存在する結晶粒界の量を減らして熱を伝え易くするためである。結晶粒界は熱伝導の妨げとなるので、再結晶組織内に多量の結晶粒界が存在する場合には放熱部材の熱伝導率は低下する場合がある。再結晶組織の平均結晶粒径を０．１μｍ以上とすることにより、放熱部材における母材（銅の部分）を銅本来の３９７Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率とすることがより確実にできるので、望ましい下限として規定した。
一方、放熱部材における炭素繊維の体積率を高めていくと、母材（銅の部分）の体積率は減少し、再結晶組織とした母材の結晶粒の成長は炭素繊維によって妨げられることになる。よって、再結晶組織の平均結晶粒径の上限は炭素繊維の体積率に大きく影響され、後述する炭素繊維の好ましい体積率を考慮すれば、再結晶粒径の好ましい上限は２０μｍとすれば良い。より望ましい範囲は、０．５〜１０μｍである。
【００２０】
本発明では、発光パッケ−ジ内に配置する放熱部材は、複合材料であり、その製造方法としては、ホットプレスや放電プラズマ焼結等の加圧焼結による複合、あるいは含浸法による複合化等が適用できる。
例えば、銅と炭素繊維との放熱部材を得る好ましい方法としては、炭素繊維に銅メッキを施した後、実質的に一方向に揃えて黒鉛型に充填し、放電プラズマ焼結により加圧焼結して、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維束が銅で接合された複合材料を得ると良い。炭素繊維にあらかじめ銅メッキを施すことで、メッキ厚により炭素繊維同士の間隔が調整でき、炭素繊維を均一に分散することができる。
また、放電プラズマ焼結時の最高到達温度を６００〜１０５０℃、最高圧力を５〜１００ＭＰａ、最高到達温度での保持時間を０．１〜１．８ｋｓの範囲としておけば、放熱部材の銅の部分において、望ましい組織形態である再結晶組織、更には平均結晶粒径が０．１μｍ〜２０μｍである再結晶組織を得ることができる。また、銅メッキの厚さを、炭素繊維の直径ｄ（μｍ）に対して、（０．０５〜０．６０）×ｄ（μｍ）の範囲としておけば、炭素繊維の部分の体積率Ｖｆを３０〜９０％とすることができる。このようにして作製した複合材料を切断し、必要に応じて研磨等の調整を行うと、発光パッケ−ジの中に用いる放熱部材を得ることができる。
【００２１】
一方、放熱部材中の金属をアルミニウムにする場合には、アルミニウムをメッキすることは困難であるため、例えば、炭素繊維にアルミニウムの粉末を塗布した後、実質的に一方向に揃えて黒鉛型に充填し、放電プラズマ焼結により加圧焼結して、実質的に一方向に揃えられた炭素繊維束がアルミニウムで接合された複合材料を得ると良い。アルミニウムの融点は約６６０℃と銅の融点（約１０８０℃）と比較して低いので、放電プラズマ焼結時の最高到達温度は４００〜６３０℃が望ましく、最高圧力と最高到達温度での保持時間は、銅の場合と同様に、それぞれ５〜１００ＭＰａ、０．１〜１．８ｋｓの範囲が望ましい。この手法はアルミニウム合金にも好適である。このようにして作製した複合材料の密度は２．６（Ｍｇ／ｍ３）以下と軽く、軽量発光パッケージとして使用できる。
【００２２】
上述した放電プラズマ焼結を適用する方法によって得られた放熱部材の特性を表１に示す。このとき、使用した炭素繊維は直径１０μｍ、熱伝導率８００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。炭素繊維の部分の体積率Ｖｆは、銅を適用する場合は、銅メッキの厚さにより調整し、アルミニウムを適用する場合は、アルミニウム粉末量で調整した。
また、銅を適用する場合の放電ブラズマ焼結の条件は、最高到達温度９００℃、最高圧力５０ＭＰａ、保持０．９ｋｓ、アルミニウムの場合は、最高到達温度６１５℃、最高圧力５０ＭＰａ、保持０．３ｋｓである。
また、放熱部材として銅およびアルミニウムを用いた場合の典型的な組織として試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．５の金属ミクロ組織をそれぞれ、図２および図３に示す。
表１および図２および図３に示す放熱部材は、軽量かつ高熱伝導の特性を有しており、発光パッケージの放熱部材として好適である。
【００２３】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の発光パッケ−ジを示す模式図である。
【図２】本発明の発光パッケ−ジ内に配置する放熱部材の組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。
【図３】本発明の発光パッケ−ジ内に配置する放熱部材の組織の別の例を示す光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２５】
１．ＬＥＤチップ、２．発光面、３．放熱部材、４．炭素繊維、５．樹脂、６．リードワイヤ、７．パッケ−ジ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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