JP2017199842A - Ｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れ、ＬＥＤ素子の高密度実装が可能なＬＥＤ光源装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ光源装置１は、絶縁性を有する基材４０の第１の主面４０ａに配線パターン４１が形成され、第１の主面４０ａと反対側の第２の主面４０ｂに金属層４２が形成された絶縁基板４と、絶縁基板４の第１の主面４０ａに配線パターン４１に接続されて所定の実装密度で実装された複数のＬＥＤ素子５と、絶縁基板４の金属層４２にボイド率が所定の値以下のはんだ層３を介して接続された金属ブロック２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ光源装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を高密度実装した高輝度高出力のＬＥＤ光源装置が提案されている（特許文献１参照）。

このＬＥＤ光源装置は、放熱機能を有する金属板と、金属板上に配置され、金属板を露出させる開口を有し、上面に配線パターンが形成された絶縁基板と、絶縁基板上に配線パターンに接続されて２層に実装され、層ごとに蛍光体含有樹脂で覆われた複数のＬＥＤ素子と、複数のＬＥＤ素子を囲むように絶縁基板上に設けられた円形の封止枠と、封止枠の内側に充填された拡散材入りの透明樹脂からなる封止材とを備える。

また、従来、ＬＥＤ素子に発生する熱を放熱し易くするため、ＬＥＤ素子をボイドのないＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を介してアルミナ基板に接合したＬＥＤ光源装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１５−７０２４２号公報 特開２００８−１０５４５号公報

しかし、従来の特許文献１に記載されたＬＥＤ光源装置は、ＬＥＤ素子を重ねて実装しているため、放熱性に劣るおそれがある。また、絶縁基板に金属板を露出させるための開口を形成しているため、ＬＥＤ素子を重ねずに配置した場合には、開口によってＬＥＤ素子を実装できる数が減るという欠点がある。

したがって、本発明の目的は、放熱性に優れ、ＬＥＤ素子の高密度実装が可能なＬＥＤ光源装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、絶縁性を有する基材の第１の主面に配線パターンが形成され、前記第１の主面と反対側の第２の主面に金属層が形成された基板と、前記基板の前記第１の主面に前記配線パターンに接続されて所定の実装密度で実装された複数のＬＥＤ素子と、前記基板の前記金属層にボイド率が所定の値以下の金属接合層を介して接合された放熱部材と、を備えたＬＥＤ光源装置を提供する。

本発明によれば、放熱性に優れ、ＬＥＤ素子の高密度実装が可能になる。

図１は、本発明の実施の形態に係るＬＥＤ光源装置の概略の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、図１に示すＬＥＤ光源装置の平面図である。 図３は、図２に示す枠部材の変形例を示すＬＥＤ光源装置の平面図である。 図４は、ボイド率が９０％の比較例１を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。 図５は、ボイド率が５１％の比較例２を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。 図６は、ボイド率が７％の実施例１を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。 図７は、ボイド率が２％の実施例２を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係るＬＥＤ光源装置の概略の構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示すＬＥＤ光源装置の平面図である。

このＬＥＤ光源装置１は、図１に示すように、金属ブロック２と、金属ブロック２の上面２ａにはんだ層３を介して設けられた絶縁基板４と、絶縁基板４に高密度実装された複数のＬＥＤ素子５と、複数のＬＥＤ素子５全体を囲むように絶縁基板４上に形成された枠部材６と、枠部材６の内側に複数のＬＥＤ素子５を覆うように形成された蛍光体含有樹脂層７と、蛍光体含有樹脂層７の表面を封止する封止樹脂８とを備える。ここで、金属ブロック２は、放熱部材の一例である。はんだ層３は、金属接合層の一例である。蛍光体含有樹脂層７及び封止樹脂８は、封止材の一例である。

また、ＬＥＤ光源装置１は、金属ブロック２の上面２ａにスペーサ９を介して設けられた給電基板１０と、給電基板１０に接続された一対の給電用ハーネス１１Ａ、１１Ｂとを備える。

金属ブロック２は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属から形成されている。金属ブロック２は、絶縁基板４の表面積及び体積と同等かそれよりも大きい表面積及び体積を有する。金属ブロック２は、金属ブロック２を固定するための貫通孔又はネジ穴が形成されているのが好ましい。また、金属ブロック２は、腐食防止、及びはんだ層３の形成のため、表面処理されているのが好ましい。

なお、放熱効果を高めるため、金属ブロック２の下面２ｂに、多数のフィンを有する放熱器を取り付けてもよい。放熱器は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属から形成されている。また、放熱器は、ヒートパイプを備えたものでもよい。また、放熱器は、ファンや水冷等の強制冷却機構を備えたものでもよい。

はんだ層３は、放熱性の観点より、ボイドの割合を示すボイド率が１０％以下又は７％以下が好ましく、２％以下がより好ましい。はんだ層３は、例えば、Ａｕを主成分とするＡｕ−Ｓｎ系合金や、Ｓｎを主成分とするＳｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金等を用いることができる。はんだ層３の厚さは、絶縁基板４のサイズにもよるが、例えば□２０ｍｍ程度であれば、例えば０．２ｍｍ以下又は０．１ｍｍ以下が好ましい。ボイド率の低いはんだ層３は、金属ブロック２と絶縁基板４とを減圧（例えば、１００Ｐａ〜２０ｋＰａ）下で接合することにより形成される。

絶縁基板４は、絶縁性を有する基材４０と、基材４０の上面の第１の主面４０ａに形成された配線パターン４１と、基材４０の下面の第２の主面４０ｂに形成された金属層４２とを備える。配線パターン４１は、例えば銅箔をエッチングして形成される。金属層４２は、例えば銅箔を用いることができる。配線パターン４１は、一端がＬＥＤ素子５の電極に接続され、他端が給電基板１０を介して給電用ハーネス１１Ａ、１１Ｂのコネクタに接続される。基材４０は、放熱性及び耐熱性の観点より、例えば、熱伝導率が大きい窒化アルミニウム等のセラミック基板を用いるのが好ましい。

ＬＥＤ素子５は、一対の電極を下面に有するフリップチップタイプのものを用いることができる。ＬＥＤ素子５は、例えば、青色光を出射する青色ＬＥＤ素子を用いることができる。ＬＥＤ素子５は、所定の実装密度で絶縁基板４上に実装されている。ＬＥＤ素子５の実装密度は、実装面積に対する発光面積の合計の比率で定義される。実装密度は、５０％以上が好ましい。実装面積は、枠部材６の内側の面積をいう。発光面積は、ＬＥＤ素子５の平面視の面積である。

枠部材６は、例えば正方形を有し、例えばシリコーン樹脂から形成される。なお、枠部材６は、正方形に限られず、長方形でも円形等の他の形状でもよい。枠部材６は、正方形や長方形の方がＬＥＤ素子５の実装密度を高める上で好ましい。

蛍光体含有樹脂層７は、樹脂７０と粒状の蛍光体７１とを所定の比率で混合して形成されたものである。樹脂７０は、ＬＥＤ素子５の発光波長に対して透過性を有し、かつ、蛍光体７１を保持できる材料から形成される。このような樹脂材料として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の透明樹脂を用いることができる。

ＬＥＤ素子５の出射光の色を青色とし、蛍光体として青色の光を黄色の光に変換するものを用いた場合、ＬＥＤ素子５から出射された青色光の一部は蛍光体によって黄色光に変換され、ＬＥＤ素子５から出射され、蛍光体によって黄色光に変換されなかった青色光と黄色光とが合成されてＬＥＤ光源装置１から白色光が出射される。

封止材８は、ＬＥＤ素子５の発光波長に対して透過性を有する材料から形成される。このような樹脂材料として、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の透明樹脂を用いることができる。なお、封止材８は、ＬＥＤ素子５から出射された光を拡散する拡散材を含有してもよい。

給電基板１０は、図２に示すように、８角形を有するが、この形状に限定されない。給電基板１０は、枠部材６が内側に入るように、枠部材６の外形よりもやや大きい開口１０ａを有する。給電基板１０の上面に配線パターン（図示せず）が形成されている。給電基板４の配線パターンの一端は、スルーホール１０ｂを介して絶縁基板４の配線パターン４１にはんだにより電気的に接続され、他端は、給電用ハーネス１１Ａ、１１Ｂのコネクタ１１１に電気的に接続される。

給電用ハーネス１１Ａ、１１Ｂは、電線１１０と、コネクタ１１１とを備える。コネクタ１１１は、給電基板１０の配線パターンの他端に表面実装されている。給電用ハーネス１１Ａ、１１Ｂは、給電基板１０の配線パターン、スルーホール１０ｂ及び絶縁基板４の配線パターン４１を介してＬＥＤ素子５に電気的に接続される。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の作用、効果を奏する。
（ａ）ＬＥＤ素子５の基材として熱伝導率の高い窒化アルミニウム製の絶縁基板４を用い、この絶縁基板４に金属ブロック２を減圧下ではんだ接合しているので、ＬＥＤ素子５から金属ブロック２に至る熱抵抗が小さくなり、放熱性に優れたＬＥＤ光源装置１を提供することができる。
（ｂ）放熱性に優れた構造を有していることに加えて枠部材７を四角にしているため、枠部材７の内側にＬＥＤ素子５を高密度実装することができる。
（ｃ）絶縁基板４よりも表面積及び体積が大きい金属ブロック２を絶縁基板４に接合しているので、枠部材６の内側の実装面積（発熱面積）が小さくても十分に熱拡散ができ、放熱性に優れたＬＥＤ光源装置１を提供することができる。

（枠部材の変形例）
図３は、図２に示す枠部材６の変形例を示すＬＥＤ光源装置の平面図である。図３に示すように、枠部材１６は円形でもよい。これにより、図２に示す枠部材６と比べてＬＥＤ素子５の実装密度が小さくなるが、光束のゆがみが少なくなるという利点がある。給電基板１０は、内側に枠部材１６が入るように枠部材１６の外形よりもやや大きい開口を有する。

（実施例１、２）
図４、図５及び図６は、はんだ層３のボイド率と温度ムラとの関係を示す図である。図４は、ボイド率が９０％の比較例１を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。図５は、ボイド率が５１％の比較例２を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。図６は、ボイド率が７％の実施例１を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。図７は、ボイド率が２％の実施例２を示し、（ａ）は温度ムラ、（ｂ）はボイドの状態を示す図である。図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）は、左側に温度のスケールを示す。図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｃ）、図７（ｂ）は、いずれも枠部材６の内側の領域を拡大して撮影した写真である。

比較例１、比較例２、実施例１及び実施例２は、はんだ層３のボイド率を除いて図２に対応する構成を有する。給電基板１０のサイズは、４０ｍｍ×４０ｍｍとした。ＬＥＤ素子５は、平面視のサイズで１ｍｍ×１ｍｍのものを用いたＬＥＤ素子５の実装数は、１１個×１１個＝１２１個とした。枠部材６の内側の面積（実装面積）は、１３ｍｍ×１３ｍｍ＝１６９ｍｍ^２とした。発光面積の合計は、１２１ｍｍ^２とした。したがって、ＬＥＤ素子５の実装密度は、発光面積／実装面積＝１２１／１６９＝０．７２＝７２％となる。

ボイド率が９０％の比較例１は、図４（ｂ）に示すように、ボイド３ａ、３ｂが広い範囲に渡って存在しているため、図４（ａ）に示すように、７０℃以上の高温の領域が広い範囲に渡って存在していることが分かる。ボイド率が５１％の比較例２は、図５（ｂ）に示すように、ボイド３ｃが存在しているため、図５（ａ）に示すように、比較例１よりも範囲は狭いが、７０℃以上の高温の領域が存在していることが分かる。ボイド率が７％の実施例１及びボイド率が２％の実施例２は、それぞれ図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、７０℃以上の高温の領域は存在しておらず、優れた放熱効果を発揮していることが分かる。

（実施例３）
実施例３は、図３に対応する構成としたものである。給電基板１０のサイズは、６０ｍｍ×６０ｍｍとした。ＬＥＤ素子５は、実施例１と同じの平面視のサイズで１ｍｍ×１ｍｍのものを用いた。ＬＥＤ素子５の実装数は、実施例１よりも増やして１３個×１３個＝１６９個とした。枠部材１６の内側の直径を２０ｍｍとしたことから、各部材１６の内側の面積（実装面積）は、直径２０ｍｍ×２０ｍｍ×π／４＝３１４ｍｍ^２とした。発光面積の合計は、１６９ｍｍ^２とした。したがって、ＬＥＤ素子５の実装密度は、発光面積／実装面積＝１６９／３１４＝０．５４＝５４％となる。ＬＥＤ素子５の実装率は、枠部材６の形状が四角の場合、７２％であるのに対し、枠部材１６の形状が円形の場合、５４％と小さくなった。実装率を高くするには、枠部材の形状を四角にした方がよいことが分かる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形可能である。

また、本発明の要旨を変更しない範囲内で、上記実施の形態の構成要素の一部を省くことが可能である。例えば、封止材８を省いてもよい。

１…ＬＥＤ光源装置、２…金属ブロック、２ａ…上面、２ｂ…下面、
３…はんだ層、３ａ〜３ｃ…ボイド、４…絶縁基板、５…ＬＥＤ素子、
６…枠部材、７…蛍光体含有樹脂層、８…封止樹脂、
９…スペーサ、１０…給電基板、１０ａ…開口、１０ｂ…スルーホール、
１１Ａ、１１Ｂ…給電用ハーネス、１６…枠部材、４０…基材、４０ａ…第１の主面、
４０ｂ…第２の主面、４１…配線パターン、４２…金属層、
７０…樹脂、７１…蛍光体、１１０…電線、１１１…コネクタ

Claims (5)

1. 絶縁性を有する基材の第１の主面に配線パターンが形成され、前記第１の主面と反対側の第２の主面に金属層が形成された基板と、
   前記基板の前記第１の主面に前記配線パターンに接続されて所定の実装密度で実装された複数のＬＥＤ素子と、
   前記基板の前記金属層にボイド率が所定の値以下の金属接合層を介して接合された放熱部材と、
   を備えたＬＥＤ光源装置。
2. 前記金属接合層の前記ボイド率は、７％以下である、
   請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
3. 前記ＬＥＤ素子の実装密度は、実装面積に対する発光面積の合計が５０％以上である、
   請求項１又は２に記載のＬＥＤ光源装置。
4. 前記基板は、窒化アルミニウムからなる、請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ光源装置。
5. 絶縁性を有する基材の第１の主面に配線パターンが形成され、前記第１の主面と反対側の第２の主面に金属層が形成された窒化アルミニウムからなる絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記第１の主面に前記配線パターンに接続されて５０％以上の実装密度でフリップチップ実装された複数のＬＥＤ素子と、
   前記絶縁基板上に前記複数のＬＥＤ素子を囲むように設けられた枠部材と、
   前記枠部材の内側に封止された透光性を有する封止部材と、
   前記絶縁基板の表面積及び体積よりも大きい表面積及び体積を有し、前記絶縁基板の前記金属層にボイド率が７％以下のはんだ層を介して接合された放熱部材と、
   を備えたＬＥＤ光源装置。