(57)【要約】【課題】  LED発光装置において、LED素子が設けられていない側の電極部材による放熱の寄与を増大させ、小型で放熱性能の高いLED発光装置とすることを目的とする。【解決手段】  絶縁性の支持部材と、この支持部材によって支持される第1電極部材と第２電極部材とを有し、LED素子は第1電極部材上に設けられ、第1電極部材と第2電極部材を連続するように絶縁性で支持部材よりも伝熱性の高い伝熱部材を設け、LED素子から延伸させられるワイヤは伝熱部材上面のワイヤボンディング用パッドにボンディングされ、伝熱部材を介して第2電極部材と導電させることで、LED素子から第1電極部材に広がる熱を伝熱部材によって第2電極部材に伝えることによって第2電極部材からの放熱も利用可能とする。【選択図】図３
2012109308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の支持部材と、
前記支持部材によって支持される第1電極部材および第２電極部材と、
前記第１電極部材上に設置されたLED素子と、
前記第１電極部材と前記第２電極部材を連結するように設置され、前記支持部材よりも高い伝熱性をもつ絶縁部材を母材とする伝熱部材と、
前記LED素子と前記第2電極部材とを導電するワイヤとを有し、
前記伝熱部材には前記ワイヤがボンディングされ、前記第2電極部材との導電を介するワイヤボンディング用パットが設けられたLED発光装置。
【請求項２】
前記伝熱部材は、前記LED素子の上面よりも低い高さである請求項1に記載のLED発光装置。
【請求項３】
前記支持部材によって支持され、前記第１電極部材および前記第２電極部材と電気的に独立している放熱用端子が設けられ、
前記伝熱部材は前記放熱用端子の上に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のLED発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はLED発光装置に関し、特に小型で高い放熱性能を有するLED発光装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のLED発光装置は特開２００５−２７７３８０に公開されているような構成となっている。すなわち、絶縁性基板上に一対の電極部材が設けられ、一方の電極部材にはLED素子が設けられ、もう一方の電極部材とはワイヤによって繋がれ、樹脂によって封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７７３８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
LED素子は通電させることで発熱する。この発熱はLED素子の発光効率を下げる原因ともなる。そのため高い放熱性能が求められている。
【０００５】
放熱は主に電極部材によって行われる。しかし、特許文献1のような構成の場合、LED素子が設けられている側の電極部材では熱が容易に広がっていくが、もう一方の電極部材にはほとんど熱が伝わらない。これは電極部材同士が離れており、熱の伝わりが悪い絶縁性基板を介してしか熱が伝わらなかったためである。
【０００６】
そのため、ワイヤで繋がれた側の電極部材への熱の伝わりが悪く放熱にほとんど寄与しなかった。放熱性能の高めるためにはLED素子が設けられた側の電極部材を大きくすることが考えられるが、そのためにはLED発光装置自体も大きくしなければいけなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、LED発光装置は、支持部材と、前記支持部材によって支持される第1電極部材と第２電極部材と、前記第１電極部材上に設置されたLED素子と、前記第１電極部材と前記第２電極部材上にまたぐように設置された絶縁性かつ高い伝熱性をもち前記第２電極部材と導電するワイヤパットが設けられた伝熱部材と、前記LED素子と前記ワイヤパッドを繋ぐワイヤ、とを有す。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、LED発光装置において小型で高い放熱性能のLED発光装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第1の実施形態の(a) 断面図、(b)上面図、(c)底面図
【図２】第1の実施形態に用いる伝熱部材の(a)断面図、(b)上面図
【図３】第1の実施形態における伝熱経路
【図４】第1の実施形態の実装図
【図５】第2の実施形態の(a) 断面図、(b)上面図、(c)底面図
【図６】第2の実施形態に用いる伝熱部材の(a)断面図、(b)上面図
【図７】第2の実施形態における伝熱経路
【図８】第2の実施形態の実装図
【図９】第3の実施形態の(a) 断面図、(b)上面図、(c)底面図
【図１０】第3の実施形態に用いる伝熱部材の(a)断面図、(b)上面図
【図１１】第3の実施形態の実装図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の実施に形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図1(a)〜(c)は本発明における第1の実施形態のLED発光装置10を図示したものである。図1(a)は第1の実施形態における断面図、図1(b)は上面図、図1(c)は底面図である。図1(a)は図1(b)のY-Yでの断面図となっている。
【００１２】
第1の実施形態においては絶縁性基板１上に金属膜によって設けられた2つの導電パターン5a、5bを設けている。アノードパターン5aにLED素子2を、導電性接着剤8を介して搭載されている。LED素子とカソードパターン5bとはワイヤ4を通じて導電させ、絶縁性で絶縁性基板1よりも熱伝導の大きい伝熱部材3がアノードパターン5aとカソードパターン5bの対向する端部を連結するように設けられている。さらにカソードパターン5b側のワイヤボンディング用パッド3bは伝熱部材3上面に設けられている。伝熱部材3上面のワイヤパッド3bはスルーホール7bを介しカソードパターン5bと導電している。さらに封止樹脂9によってLED素子2、伝熱部材3およびワイヤ4は封止させられている。
【００１３】
絶縁部材3の上面にワイヤボンディング用パッド3bを形成することで、LED発光装置10を小型化している。もし、ワイヤ4を直接カソードパターン5bに打とうとすると、カソードパターン5bに伝熱部材3とは重ならない別の領域を設けなければならず、LED発光装置10自体を大きくしなければならなくなってしまうためである。
【００１４】
伝熱部材3の厚みはLED素子2の厚みよりも薄くしている。これはLED素子2からの光を遮らないようにして配光に影響がないようにするためである。
【００１５】
また、絶縁性基板1の下面にはアノードパターン5a、カソードパターン5bそれぞれにスルーホ−ル7a、7bを通じて導電する背面パッド6a、6bが設けられている。この背面パッド6a、6bはLED発光装置10を実装させる実装基板と導電すると同時に熱的にも伝導させることができる。
【００１６】
図1(b)、(c)における丸い破線はカソードパターン5b側のスルーホール7bのある位置を表している。上面視で伝熱部材３はLED素子２の中心2aとスルーホール7bを結ぶ直線上においてアノードパターン5aとカソードパターン5bを連結している。LED素子からスルーホール7bまでの最端距離で熱を伝えることができるためである。
【００１７】
伝熱部材3はスルーホール7bの直上に重なるように配置され、かつ、ワイヤボンディング用パッド3bもスルーホール7bの直上に有る。熱はスルーホール7bを通るが、熱の経路が厚み方向に対しても最短とすることができるようにしている。
【００１８】
アノードパターン5a、カソードパターン5bを形成する金属膜はCu膜上にニッケルめっきまたは金めっきによって設けられる。導電性接着剤8は例えば半田、Agペースト、Auバンプなどを用いることができる。
【００１９】
図2(a)〜(b)は第1の実施形態に用いた伝熱部材3を図示したものである。図2(a)は第1の実施形態に用いた伝熱部材3おける断面図、図2(ｂ)は上面図である。図2(ｂ)の四角い破線は底面に設けられている接着用パッド3cを表している。丸い破線はスルーホールの位置を表している。
【００２０】
伝熱部材3は、絶縁部材3aが母材である。この絶縁部材3a上面にワイヤボンディング用パッド3bと、背面にLED発光装置10のアノードパターン5aとカソードパターン5bそれぞれに対応する接着用パッド3cが設けられている。ワイヤボンディング用パッド3bとカソードパターン5bに対応する接着用パッド3cは絶縁部材に設けられるスルーホールを介して導電している。アノードパターン5a、カソードパターン5bの接着用パッド3cは導電しないように離している。
【００２１】
ワイヤボンディング用パッド3bはワイヤ4が打てる程度の広さがあればかまわないが、本実施例においてはアノードパターン5a上の領域にまで広がるように設けている。これにより熱は母材3aからワイヤボンディング用パッド3bに伝わった後、ワイヤボンディング用パッド3bによっても平面方向に熱を広げることができるためである。
【００２２】
ワイヤボンディング用パッド3bとカソードパターン5bの導電はスルーホールのみならず、絶縁部材側面を引き回すように金属膜を設けることで行っても良い。ただし、LED発光装置に実装したときにアノードパターン5aと導電しないようにする必要がある。
【００２３】
接着用パッド3cは必ずしも必要なく、放熱部材を実装したときにワイヤボンディング用パッド3bとカソードパターン5bが導電していれば良い。例えば、スルーホールの一部を露出、もしくは半田と接触する位置まで金属膜を側面に引き回す、などであっても良い。ただし、接着用パッド3cがあることでパターンとの密着性をあげることができる為あることが好ましい。
【００２４】
絶縁部材3aは例えばAl2O3、AlN、BaTiO3、BNなどのセラミックのように絶縁性かつ熱伝導率が高いものを用いる。絶縁性基板1として用いられる材料は、例えば、熱伝導率がガラスエポキシ、ポリアミドなどの樹脂のように伝熱効率が10-1W/mKオーダーのものを用いるが、伝熱部材で用いるAl2O3、AlN、BaTiO3、BNでは101〜102W/mKと熱伝導率が絶縁性基板1よりも高いものが用いられる。
【００２５】
伝熱部材3自体の放熱効果の向上のため母材となる絶縁部材3aに粗しを設けても良い。
【００２６】
図3には第1の実施形態における伝熱経路を示した図である。ただし、絶縁性基板1を介した伝熱も行われているが上述のように絶縁性基板１を樹脂、絶縁部材3aをセラミックで設けた場合を想定し、ほとんど伝熱に寄与しないものとして省略した。
【００２７】
LED素子で発生した熱はアノードパターン5aに伝わる。アノードパターン5aに伝わった熱はスルーホール7aを通じて対応する背面パッド6aにさらに伝わる。伝熱経路Aはこの熱伝導を示している。
【００２８】
アノードパターン5aに伝わった熱の別の一部は伝熱部材3に伝わり、伝熱部材3からカソードパターン5bに伝わりスルーホール7bからカソードパターン下の背面パッド6bに伝わる。伝熱経路Bはこの熱伝導を示している。伝熱部材3による平面方向への伝熱は絶縁部材3a、ワイヤボンディング用パッド3aの両方で行なわれている。
【００２９】
図示してはいないがLED発光装置10内のアノードパターン5a、カソードパターン5b、伝熱部材3からも外部に放熱も行われている。従来においてはアノードパターン5aからの放熱がほとんどであった。しかし、本発明においては、従来は存在していなかった伝熱経路Bを設けることができたためカソードパターン5bから外部への放熱がさらに加わり、LED発光装置全体の放熱性能が向上することになる。
【００３０】
以下でカソードパターン5b側への伝熱について考察を行う。絶縁性基板1の熱伝導率をα1、伝熱部材3の絶縁部材3aの熱伝導率をα3、絶縁性基板１をアノードパターン5aとカソードパターン5bのパターン間、図1(b)においてはX-X線に沿って切断した場合の絶縁性基板1の断面積をS1、伝熱部材3を同様に切断した場合の絶縁部材3aの断面積をS3とする。伝熱部材3が無い従来ではカソードパターンには絶縁性基板1からのみ熱が伝わっていたが、この時の熱伝導はα1×S1で表される。これに対し伝熱部材3の熱伝導はα3×S3で表される。ここでは伝熱部材3の伝熱は絶縁部材3aのみで行われるものとして仮定している。本発明の熱伝導は両方の経路が考えられるためα1×S1＋α3×S3として表される。
【００３１】
ただし、伝熱の初期段階においては伝熱部材3もしくは絶縁性基板1のいずれか熱伝導の速いほうのみが先に熱を伝える。よって、熱伝導の初期段階においても伝熱部材3の効果を効果的に得るためにはα1×S1＜α3×S3が成り立っていることが好ましい。これは絶縁性基板1よりも伝熱部材3のほうが、熱伝導が速いことを示している。瞬間的な熱の発生を繰り返すパルス駆動の場合では熱伝導の初期段階が何度も繰り返されるため特にα1×S1＜α3×S3が成り立つことが効果的である。よって、絶縁性基板1および絶縁材料3aの材料と厚さは、この関係が成り立つように選ぶことでより確実な効果が見込める。
【００３２】
図4は第1の実施形態のLED発光装置10を実装基板11に実装したLED発光装置モジュールの1例である。実装基板11上にはアノードパターン12aに背面パッド6aが、カソードパターン12bに背面パッド6bが対応するようにLED発光装置10が設置され、IC制御部13がパターンを介してLED発光装置10を制御している。LED発光装置10内で前述のように背面パッド6a,6bに伝導された熱はさらに実装基板11のアノードパターン12a,カソードパターン12bに伝わり、これらのパターンを介して放熱される。矢印は熱が広がっていく様子を表している。従来のLED発光装置をもちいたLED発光装置モジュールにおいてはアノードパターン12a側にしかほとんど熱が伝わらなかったため、放熱にはほとんどアノードパターン12aしか寄与しなかった。図4のLED発光装置モジュールにおいてはやはり、従来においては存在していなかった伝熱経路Bを設けることができたため、さらにカソードパターン12bから外部への放熱が加わり放熱性能が向上することになる。
【００３３】
図5(a)〜(c)は本発明における第2の実施形態のLED発光装置20である。図5(a)は第2の実施形態における断面図、図5(ｂ)は上面図、図5(ｃ)は底面図である。図5(a)は図5(b)のY-Yでの断面図となっている。第1の実施形態との共通部分は同一の記号で表されている。
【００３４】
絶縁性基板１にアノードパターン5aとカソードパターン5b以外に第3のパターンである放熱用パターン5cと、放熱用パターン5cに対応する背面パッド6c、放熱用パターン5cと背面パッド6cをつなぐスルーホール7cが設けられている点で第1の実施形態と異なる。放熱用パターン5c、背面パッド6c、スルーホール7cはまとめて放熱用端子Rを形成している。
【００３５】
放熱用パターン5cはアノードパターン5a、カソードパターン5bのいずれにも電気的に独立している。
【００３６】
放熱用パターン5cと伝熱部材3との接着も、熱伝導が高いことから半田、Agペースト、Auバンプを用いることができる。
【００３７】
第2の実施形態においてもLED素子２からカソードパターン5bのスルーホール7bにまで平面方向に直線的に熱を伝えたいのは同様である。さらに放熱用パターン5cのスルーホール7cにも同様のことが言える。図5においては、放熱用パターン5cはアノードパターン5aとカソードパターン5bに挟まれる位置に設けられている。この場合上面視において放熱用パターン5cのスルーホール7cはLED素子2の中心2aとカソードパターン5bのスルーホール7bを結ぶ直線上に設けられ、最短距離による熱伝導が可能となっている。
【００３８】
図6(a)、(b)は第2の実施形態に用いる伝熱部材3を図示したものである。図6(a)は第1の実施形態に用いた伝熱部材3おける断面図、図6(ｂ)は上面図である。
【００３９】
上面にワイヤボンディング用パッド3bが、底面には接着用パッド3cが設けられている点で図2と同様である。ただし、放熱用パターン5cに対応する接着用パッド3dがさらに設けられている点で異なる。この接着用パッド3dはワイヤボンディング用パッド3bに対して絶縁している。
【００４０】
伝熱部材3は放熱用パターン5cとは底面に設けられた接着用パッド3dによって接触させられている。これにより伝熱部材3を介してLED素子2からの熱が伝わるようにしてある。接着用パッド3cと同様に接着用パッド3dは必ずしも必要ない。放熱用パターン5cと接することができればよく、例えば導電性接着剤8を介して熱の移動をさせられれば第1の実施形態で用いた伝熱部材3の構成のままでも良い。ただし、密着性の観点から接着用パッド3dを別に設けたほうが好ましい。
【００４１】
図７は第2の実施形態の伝熱経路を示した図である。伝熱経路A、伝熱経路Bは第1の実施形態と同様だが、アノードパターン5aから放熱部材3を伝わって放熱用パターン5c、さらにスルーホール7cを介して背面パッド6cに熱が伝わる伝熱経路Cが加わっている点で異なる。
【００４２】
図8は第2の実施形態のLED発光装置20を実装基板21に実装したLED発光装置モジュールの1例である。矢印は熱が広がっていく様子を表している。
【００４３】
第2の実施形態のLED発光装置を用いる場合は、LED発光装置の放熱用パターン5cに対応する放熱用パターン22cが実装基板に対しても設けられている。LED発光装置20の放熱用パターン5cと対応する背面パッド6cによって接触している。これにより伝熱経路Cからの熱が実装基板21の放熱用パターン22cに広がり放熱されることになる。
【００４４】
図8において放熱用パターン22cはチップ部品24のパターンと接続し、これも放熱に利用することを可能としている。チップ部品24にはチップ抵抗やコンデンサ、コンダクタのように比較的熱の影響が少ない受動部品のみが選ばれていることが好ましい。ただし、これに限らず放熱用パターン22cはアノードパターン22a、カソードパターン22bと電気的に独立していればどのようなパターンでもよく、例えば信号ラインやどのような部材にとってのアノードパターン、カソードパターンでもよくLED素子2と電気的に独立していれば良い。
【００４５】
図5〜8においてはLED発光装置の放熱用パターン5cはアノードパターン5a、カソードパターン5cに挟まれる位置としたが、これに限らない。同一の放熱部材3がいずれのパターンにも連結するように設けられればどのような配置でもよい。
【００４６】
図9(a)〜(c)は本発明における第3の実施形態のLED発光装置30を図示したものである。図9(a)は第3の実施形態における断面図、図9(b)は上面図、図9(c)は底面図である。図9(a)は図9(b)のY-Yでの断面図となっている。第1の実施形態との共通部分は同一の記号で表されている。
【００４７】
四角い破線は絶縁性基板1上のカソードパターン5bの位置を表している。LED素子2とカソードパターン5bが2つずつ設けられている点で第1の実施形態と異なる。
【００４８】
伝熱部材3は各LED素子2の中心2aと、より近接しているカソードパターン5bのスルーホール7bとを結ぶ直線上において、アノードパターン5aとカソードパターン5bを連結することが好ましい。
【００４９】
図10(a)、(b) は第3の実施形態に用いる伝熱部材3を図示したものである。上面には2つのワイヤボンディング用パッド3bが設けられ、それぞれが対応する底面に設けられた接着用パッド3cとスルーホールによって繋がっている。
【００５０】
伝熱経路は第1の実施例同様に伝熱経路Aと伝熱経路Bを有する。ただし、伝熱経路Bが2つのカソードパターン5bそれぞれに生じる点で異なる。
【００５１】
図11は第3の実施形態のLED発光装置30を実装基板31に実装したLED発光装置モジュールの1例である。図11においては2つのLED素子2を同一のIC制御部33によって制御している。矢印は熱が広がっていく様子を表している。
【００５２】
図9〜11においてはLED素子2が2つの場合を想定したがこれに限らず複数のLED素子2を設けても良い。伝熱部材３はアノードパターン5aと複数のカソードパターン5bに連結して設けられれば良い。また、各LED素子2は別々のカソードパターン5bに接続しているが、使用目的によっては同一のカソードパターン5bに接続されていても良い。この場合ワイヤボンディング用パッド3bは伝熱部材3が連結するカソードパターン5ｂと同数設けられる。
【００５３】
上記各実施形態においては絶縁性基板１のアノードパターン5a、カソードパターン5b、放熱用パターン5cと背面パッド6a,6b,6cはスルーホール7a,7b,7cを介して繋がっているが、絶縁基板の側面をパターンが引き回されることによって繋がっていても良い。ただし、スルーホールのほうが、熱が上下方向に直線的に上面のパターンから背面パッドに伝わるためより好ましい。
【００５４】
LED素子2は導電性接着剤8によってアノードパターン5aに接着させられているが、電気的な接続さえ確保されればこれに限定されない。非導電性接着剤によって接着させられ、アノードパターン5aともワイヤを通じて導電されていても良い。LED素子2はパターン上に設けられ、熱がLED素子から直接パターンに広がればよい。
【００５５】
上記各実施形態においてはLED素子2を接着しているのはアノードパターン5aとし、ワイヤ4によって導電しているのがカソードパターン5bとしているが、アノードとカソードは逆であっても良い。
【００５６】
上記各実施形態においてはLED発光装置の電極部材として絶縁性基板１上に設けた金属膜パターンを利用したが、これに限らず、例えばリードフレームを電極部材として利用したものであっても良い。電極部材が実装基板のパターンと接するか、半田のように熱伝導性の高い材料によって固定されれば同様の効果が期待できる。第2の実施形態における放熱用端子Rも代わりにリードフレームで設けても良く、アノード、カソードとは電気的に独立した端子であればよい。また、リードフレームの場合では絶縁性基板の代わりに樹脂で固めてもよく、リードフレームの上面はLED素子2を設置する領域と伝熱部材3を設置する領域を露出させつつ電極部材および放熱用端子を固定する絶縁性の支持部材があればよい。
【００５７】
伝熱部材は立方体の母材を使用したがアノードパターン5aとカソードパターン5bにまたがって設けられればどのような形状でも良く、例えば上面視で円形、扇形などでもよい。ただし、LED素子の一辺よりも幅広の辺を持つ形状であることが好ましい。幅広の辺をLED素子の辺と向かい合わすように設置させることで、LED素子の近くに設置でき、かつ平面状に広がる熱を効率よく捉えることができるためである。上面はワイヤ4 を打つため、底面は絶縁性基板1上に設置するため平面であることが望ましい。
【符号の説明】
【００５８】
１…絶縁性基板、２…LED素子、３…伝熱部材、3a…絶縁部材、3b…ワイヤボンディング用パッド、3c、3d…接着用パッド、4…ワイヤ、5a…アノードパターン、5b…カソードパターン、5c…放熱用パターン、6a、6b、6c…背面パッド、7a、7b、7c…スルーホール、8…導電性接着剤、10…第1の実施形態のLED発光装置、11…実装基板、12a…アノードパターン、12b…カソードパターン、13…IC制御部、20…第2の実施形態のLED発光装置、30…第3の実施形態のLED発光装置
【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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