WO2017209149A1

WO2017209149A1 - 発光装置

Info

Publication number: WO2017209149A1
Application number: PCT/JP2017/020154
Authority: WO
Inventors: 田村　量; 賢治草野; 友一秋山; 今井　貞人; 高史飯野; 龍一羽田
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JPWO2017209149A1

Abstract

複数のＣＯＢのＬＥＤパッケージ用いて出射光量を増加させるとともに、それらのＬＥＤパッケージの放熱性を向上させた発光装置を提供する。発光装置は、複数の開口部が形成された回路基板と、上面の端部に回路基板との接続電極が形成されたパッケージ基板、パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子および複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有し、回路基板の裏面側から複数の開口部内にそれぞれ挿入され、接続電極が回路基板の裏面に電気的に接続された複数のＬＥＤパッケージと、回路基板との間で複数のＬＥＤパッケージのパッケージ基板を挟むように回路基板の裏面側に配置された放熱基板とを有する。

Description

発光装置

　本発明は、発光装置に関する。

　１つの基板上に複数のＬＥＤ（発光ダイオード）素子が実装され、蛍光体を含有する透光性の樹脂によりそれらのＬＥＤ素子が一体的に封止されたＣＯＢ（Chip On Board）のＬＥＤパッケージが知られている。こうしたＬＥＤパッケージでは、各ＬＥＤ素子からの光とそれらの光により蛍光体を励起させて得られる光とを混合させることにより、用途に応じて白色光などが得られる。

　また、特許文献１には、熱伝導性を有する基台と、基台に固着する導電部を備えた配線板と、基台の実装エリアに実装される発光素子チップとを有する高輝度発光素子が記載されている。この高輝度発光素子では、基台は発光素子チップからの熱を放熱するための放熱面を備え、配線板の導電部は発光素子チップと電気的接続部材によって接続されると共に、導電部の一部に発光素子チップを駆動する駆動電流を供給するための電気的接続面が設けられ、電気的接続面と基台の放熱面とが対向して配置されている。

　また、特許文献２には、ベース絶縁基板の表面に形成された電極パターン上にＬＥＤチップを実装し、そのＬＥＤチップを透光性樹脂で封止した後、実装側の基板に設けられた貫通孔に封止樹脂部を埋設するように裏面実装して形成された裏面実装型ＬＥＤが記載されている。

特開２００４－２６５９８６号公報特開２００８－２０５１０７号公報

　発光装置の出射光量を増加させるためには、共通の回路基板（主回路基板、配線基板、マザーボード）上にＣＯＢのＬＥＤパッケージを複数個実装して発光装置を構成することが考えられる。しかしながら、一般に、ＣＯＢのＬＥＤパッケージでは、外部電源との接続電極がパッケージ基板の上面に形成されているため、回路基板の上面にＬＥＤパッケージを実装しようとすると、回路基板とＬＥＤパッケージとの間の電気的な接続をとることが難しい。また、発光装置を発光させたときには各ＬＥＤパッケージから熱が発生し、複数のＬＥＤパッケージを用いれば、ＬＥＤパッケージの個数分だけ発熱量も多くなるため、それらの熱を効率よく外部に放出させる工夫が必要になる。

　そこで、本発明は、複数のＣＯＢのＬＥＤパッケージを用いて出射光量を増加させるとともに、それらのＬＥＤパッケージの放熱性を向上させた発光装置を提供することを目的とする。

　また、本発明は、回路基板にＬＥＤパッケージを半田接続することにより発生する応力を緩和させて回路基板のたわみを生じにくくした発光装置を提供することを目的とする。

　また、本発明は、回路基板の開口部に回路基板の裏面側から実装されたＬＥＤパッケージを含む発光装置の光取出し効率とＬＥＤパッケージの接合強度を向上させることを目的とする。

　開口部が形成された回路基板と、パッケージ基板、パッケージ基板上に実装されたＬＥＤ素子およびＬＥＤ素子を封止する封止樹脂を有し、回路基板の裏面側から開口部内に挿入され、パッケージ基板の端部が回路基板の裏面に半田接続されたＬＥＤパッケージと、パッケージ基板に接触して回路基板の裏面側に配置された放熱基板とを有し、回路基板には、ＬＥＤパッケージが半田接続される接続位置に隣接する位置にスリットが形成されていることを特徴とする発光装置が提供される。

　上記の発光装置では、パッケージ基板の対向する２つの角部が回路基板に半田接続され、スリットは、パッケージ基板の２つの角部に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の他の２つの角部に対応する位置で、ＬＥＤパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。

　上記の発光装置では、パッケージ基板の四隅が回路基板に半田接続され、スリットは、パッケージ基板の四隅に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の各辺の中間に対応する位置で、ＬＥＤパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。

　上記の発光装置は、ＬＥＤパッケージを複数個有し、回路基板には、複数のＬＥＤパッケージがそれぞれ挿入される複数の開口部が形成され、各ＬＥＤパッケージのパッケージ基板は、弾性を有する放熱シートを介して放熱基板に接触していることが好ましい。

　上記の発光装置は、ＬＥＤパッケージを複数個有し、回路基板には、複数のＬＥＤパッケージがそれぞれ挿入される複数の開口部が形成され、回路基板の四隅が放熱基板に機械的に固定され、回路基板には、さらに、回路基板の四隅における固定位置に隣接する位置にも別のスリットが形成されていることが好ましい。

　また、開口部が形成された回路基板と、パッケージ基板、パッケージ基板上に実装されたＬＥＤ素子およびＬＥＤ素子を封止する封止樹脂を有し、回路基板の裏面側から開口部内に挿入され、パッケージ基板の端部が回路基板の裏面側に接続されたＬＥＤパッケージと、パッケージ基板に接触して回路基板の裏面側に配置された放熱基板と、開口部内において、封止樹脂を取り囲み、かつパッケージ基板の上面および開口部内の回路基板の端面に接触するように成形された光反射性の環状樹脂とを有することを特徴とする発光装置が提供される。

　また、複数の開口部が形成された回路基板と、上面の端部に回路基板との接続電極が形成されたパッケージ基板、パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子および複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有し、回路基板の裏面側から複数の開口部内にそれぞれ挿入され、接続電極が回路基板の裏面に電気的に接続された複数のＬＥＤパッケージと、回路基板との間で複数のＬＥＤパッケージのパッケージ基板を挟むように回路基板の裏面側に配置された放熱基板とを有することを特徴とする発光装置が提供される。

　上記の発光装置では、複数のＬＥＤパッケージの接続電極は、回路基板の裏面に半田接続され、回路基板には、複数のＬＥＤパッケージの接続電極がそれぞれ半田接続される接続位置に隣接する位置にスリットが形成されていることが好ましい。

　上記の発光装置では、複数のＬＥＤパッケージの接続電極は、パッケージ基板の対向する２つの角部にそれぞれ形成され、スリットは、パッケージ基板の２つの角部に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の他の２つの角部に対応する位置で、複数のＬＥＤパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。

　上記の発光装置では、複数のＬＥＤパッケージの接続電極は、パッケージ基板の四隅にそれぞれ形成され、スリットは、パッケージ基板の四隅に対応するように形成され、回路基板は、パッケージ基板の各辺の中間に対応する位置で、複数のＬＥＤパッケージまたは放熱基板に機械的に固定されていることが好ましい。

　上記の発光装置では、複数のＬＥＤパッケージのパッケージ基板は、弾性を有する放熱シートを介して放熱基板に接触していることが好ましい。

　上記の発光装置では、回路基板の四隅が放熱基板に機械的に固定され、回路基板には、さらに、回路基板の四隅における固定位置に隣接する位置にも別のスリットが形成されていることが好ましい。

　上記の発光装置は、複数の開口部のそれぞれにおいて、その開口部に挿入されたＬＥＤパッケージの封止樹脂を取り囲み、かつパッケージ基板の上面およびその開口部内の回路基板の端面に接触するように成形された光反射性の環状樹脂をさらに有することが好ましい。

　上記の発光装置では、環状樹脂は、開口部内で上方に向かうほどその開口部内の空間部分の径が大きくなるように傾斜した斜面を有することが好ましい。

　上記の発光装置では、複数のＬＥＤパッケージのそれぞれは、複数のＬＥＤ素子を取り囲むようにパッケージ基板に形成され内部に封止樹脂が充填された樹脂枠をさらに有し、環状樹脂は、複数の開口部のそれぞれにおいて、その開口部内の回路基板の端面とその開口部に挿入されたＬＥＤパッケージの樹脂枠との間にあるパッケージ基板上の領域を埋め尽くしていることが好ましい。

　上記の発光装置では、放熱基板の上面から複数の開口部における回路基板の上面までの高さは、放熱基板の上面から複数のＬＥＤパッケージの封止樹脂の上面までの高さよりも大きいことが好ましい。

　上記の発光装置によれば、複数のＣＯＢのＬＥＤパッケージを用いることで出射光量が増加するとともに、それらのＬＥＤパッケージの放熱性が向上する。

　また、上記の発光装置によれば、回路基板にＬＥＤパッケージを半田接続することにより発生する応力が緩和されて、回路基板のたわみが生じにくくなる。

　また、上記の発光装置によれば、回路基板の開口部に回路基板の裏面側から実装されたＬＥＤパッケージを含む発光装置の光取出し効率とＬＥＤパッケージの接合強度が向上する。

発光装置１の斜視図である。発光装置１の上面図である。発光装置１の側面図である。放熱基板３が取り除かれた発光装置１の裏面図である。回路基板２の上面図である。図２のＶＩ－ＶＩ線に沿った発光装置１の断面図である。（Ａ）～（Ｄ）は、ＬＥＤパッケージ４の構造および製造工程を説明するための斜視図である。（Ａ）および（Ｂ）は、発光装置１の回路基板２におけるスリット１６の働きを説明するための上面図および断面図である。別のＬＥＤパッケージ４’の断面図である。さらに別のＬＥＤパッケージ５の断面図である。別の発光装置１Ａの部分拡大図である。（Ａ）および（Ｂ）は、さらに別の発光装置１Ｂの上面図および側面図である。（Ａ）～（Ｃ）は、さらに別の発光装置１Ｃの上面図、側面図および部分拡大図である。さらに別の発光装置１Ｄの斜視図である。発光装置１Ｄの上面図である。発光装置１Ｄの側面図である。放熱基板３が取り除かれた発光装置１Ｄの裏面図である。発光装置１Ｄの回路基板２Ｄの上面図である。図１５のＸＩＸ－ＸＩＸ線に沿った発光装置１Ｄの断面図である。環状樹脂５６の働きを説明するための発光装置１Ｄの部分断面図である。発光装置１ＤでＬＥＤパッケージ４’を使用した場合の断面図である。発光装置１ＤでＬＥＤパッケージ５を使用した場合の断面図である。（Ａ）および（Ｂ）は、別の環状樹脂５６Ａ，５６Ｂを使用した場合の発光装置１Ｄの部分断面図である。（Ａ）および（Ｂ）は、さらに別の環状樹脂５６Ｃの上面図および断面図である。さらに別のＬＥＤパッケージ５’の断面図である。さらに別の発光装置１Ｅの上面図である。発光装置１Ｅにおける放熱基板の形状の例を示す図である。（Ａ）および（Ｂ）は、回路基板２’の裏面側にＬＥＤパッケージが半田接続され、かつ回路基板２’とその裏面側の放熱基板３とがねじ止めされたときに発生する応力を説明するための上面図および断面図である。裏面実装型のＬＥＤパッケージを含む発光装置の例を示す断面図である。

　以下、図面を参照しつつ、発光装置について説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

　図１～図３は、それぞれ、発光装置１の斜視図、上面図および側面図である。発光装置１は、回路基板２に裏面側から複数のＬＥＤパッケージ４が実装され、さらにそれらの裏面側に放熱基板３が配置された構造を有する。図４は、放熱基板３が取り除かれた発光装置１の裏面図である。発光装置１は、発光部として２１個のＬＥＤパッケージ４を有し、例えば各種の照明用のＬＥＤ光源装置として利用される。ただし、この２１個は一例であり、ＬＥＤパッケージ４の個数は特に限定されず、例えば１個であってもよい。

　図５は、回路基板２の上面図である。回路基板２（主回路基板、配線基板、マザーボード）は、ほぼ矩形の絶縁基板であり、機械的な強度および耐熱性を確保するために、例えば、ＦＲ－４（Flame Retardant Type 4）を基材とするガラスエポキシ基板などで構成される。図示した例では、ＬＥＤパッケージ４を挿入するための２１個の開口部１２が、回路基板２上にほぼ等間隔で形成されている。

　図５に示すように、回路基板２における各開口部１２の周囲には、ねじ穴１７および「く」の字型のスリット１６が、１つの開口部１２当たり２個ずつ形成されている。２個のスリット１６は開口部１２を挟んで対向し、２個のねじ穴１７も開口部１２を挟んで対向しており、これらの計４個は、開口部１２を取り囲む矩形の角部にそれぞれ配置されている。図２に示すように、ねじ穴１７には、固定用のねじ１５が取り付けられる。

　図２および図５に示す回路基板２の左端には、発光装置１を外部電源に接続するための２個の電極１３が形成されている。また、詳細は図示していないが、回路基板２には、電極１３と各開口部１２に実装されるＬＥＤパッケージ４とを（すなわち、複数のＬＥＤパッケージ４を互いに）電気的に接続するための配線パターンが形成されている。電極１３が外部電源に接続されて電圧が印加されることにより、各ＬＥＤパッケージ４は発光する。その際、発光装置１のすべてのＬＥＤパッケージ４が同時に発光してもよいし、回路基板２上の配線パターンによっては、一部のＬＥＤパッケージ４のみが発光してもよい。

　放熱基板３は、各ＬＥＤパッケージ４を回路基板２との間で挟むように、複数のＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板に接触して回路基板２の裏面側に配置された矩形の金属基板である。放熱基板３は、各ＬＥＤパッケージ４で発生した熱を発光装置１の外部に放出させるためのヒートシンクとして機能するため、例えば、耐熱性および放熱性に優れたアルミニウムまたは銅で構成される。ただし、放熱基板３の材質は、耐熱性と放熱性に優れたものであれば、アルミニウムおよび銅以外のものであってもよい。なお、図１～図３に示すように、回路基板２および放熱基板３の四隅において、両者はねじ１４により互いに固定されている。

　図６は、図２のＶＩ－ＶＩ線に沿った発光装置１の断面図である。図６に示すように、回路基板２の各開口部１２には、厚さ方向の途中に段差が形成されており、開口部１２の径は、上面側よりも裏面側の方が大きい。各ＬＥＤパッケージ４は、ＣＯＢのＬＥＤパッケージであり、パッケージ基板２０、ＬＥＤ素子５１、樹脂枠５３および封止樹脂５４を有し、回路基板２の裏面側から開口部１２内に挿入されている。各ＬＥＤパッケージ４は、パッケージ基板２０の端部で回路基板２の裏面側から開口部１２内の段差部分に半田接続されている。ただし、回路基板２の開口部１２には、図６に示したような段差が形成されていなくてもよく、各ＬＥＤパッケージ４は、開口部１２の外側における回路基板２の裏面に半田接続されていてもよい。

　図７（Ａ）～図７（Ｄ）は、ＬＥＤパッケージ４の構造および製造工程を説明するための斜視図である。

　図７（Ａ）に示すように、パッケージ基板２０は、中央に開口部２２１が形成された絶縁基板２２を金属基板２１の上面に貼り付けて構成され、全体として矩形の形状を有する。金属基板２１の上面は、その中央にＬＥＤ素子５１が実装される実装領域２１１を有し、金属基板２１の裏面は、放熱基板３に接触している。金属基板２１は、ＬＥＤ素子５１および後述する蛍光体の粒子により発生した熱を放熱基板３側に放熱させる機能を有するため、放熱基板３と同様に、例えばアルミニウムまたは銅で構成される。

　絶縁基板２２の上面には、開口部２２１を２等分する中心線を挟んだ一方の側に円弧状の配線パターン２３ａが、他方の側に円弧状の配線パターン２３ｂが、それぞれ開口部２２１を取り囲むように形成されている。また、絶縁基板２２の上面で対角に位置する一方の角部には、配線パターン２３ａに連結した接続電極２４ａが、他方の角部には、配線パターン２３ｂに連結した接続電極２４ｂが、それぞれ形成されている。接続電極２４ａ，２４ｂが回路基板２に接続されて電圧が印加されることによって、ＬＥＤパッケージ４のＬＥＤ素子５１は発光する。

　ＬＥＤ素子５１は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体などで構成された、発光波長帯域が４５０～４６０ｎｍ程度の青色光を出射する青色ＬＥＤである。ただし、ＬＥＤ素子５１の発光波長帯域は特に限定されず、ＬＥＤ素子５１は、例えば、緑色光を出射する緑色ＬＥＤまたは赤色光を出射する赤色ＬＥＤであってもよい。また、例えば、あるＬＥＤパッケージ４のＬＥＤ素子５１は青色ＬＥＤであり、他のＬＥＤパッケージ４のＬＥＤ素子５１は緑色ＬＥＤであるというように、ＬＥＤパッケージ４ごとにＬＥＤ素子５１の発光波長帯域が異なっていてもよい。

　図７（Ｂ）に示すように、ＬＥＤパッケージ４では、複数のＬＥＤ素子５１が、円形の実装領域２１１上に格子状に配列して実装されている。図７（Ｂ）では、図示を簡単にするために、９個のＬＥＤ素子５１が実装された場合の例を示しているが、ＬＥＤパッケージ４に含まれるＬＥＤ素子５１の個数は特に限定されず、例えば１個であってもよい。

　ＬＥＤ素子５１の下面は、例えば透明な絶縁性の接着剤などにより、金属基板２１の上面に固定されている。また、ＬＥＤ素子５１は上面に１対の素子電極を有し、図７（Ｃ）に示すように、隣接するＬＥＤ素子５１の素子電極は、ボンディングワイヤ５２（以下、単にワイヤ５２という）により相互に電気的に接続されている。実装領域２１１の外周側に位置するＬＥＤ素子５１から出たワイヤ５２は、絶縁基板２２の配線パターン２３ａまたは配線パターン２３ｂに接続されている。これにより、各ＬＥＤ素子５１には、ワイヤ５２を介して電流が供給される。

　樹脂枠５３は、実装領域２１１の大きさに合わせて例えば白色の樹脂で構成された円形の枠体であり、絶縁基板２２の上面で、実装領域２１１上に実装されたＬＥＤ素子５１を取り囲むように、配線パターン２３ａ，２３ｂと重なる位置に固定されている。樹脂枠５３は、封止樹脂５４の流出しを防止するためのダム材であり、また、ＬＥＤ素子５１から側方に出射された光を、ＬＥＤパッケージ４の上方（回路基板２の上面側）に向けて反射させる。

　封止樹脂５４は、例えば、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂などの無色かつ透明な熱硬化性樹脂で構成され、樹脂枠５３により囲まれた実装領域２１１上の空間に充填されて、ＬＥＤ素子５１およびワイヤ５２を一体に被覆し保護（封止）する。なお、図６では、樹脂枠５３および封止樹脂５４の上面よりも回路基板２の上面の方が高い位置にあるが、回路基板２の厚さによっては、これらの高さは同じかまたは逆転していてもよい。

　封止樹脂５４は、ＬＥＤ素子５１によって励起される蛍光体を含有してもよい。例えば、ＬＥＤ素子５１が青色ＬＥＤである場合には、封止樹脂５４は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）などの黄色蛍光体を含有してもよい。この場合、ＬＥＤパッケージ４は、ＬＥＤ素子５１からの青色光と、それによって黄色蛍光体を励起させて得られる黄色光とを混合させることで得られる白色光を出射する。また、封止樹脂５４は、例えば、黄色蛍光体と赤色蛍光体などの複数種類の蛍光体を含有してもよいし、ＬＥＤパッケージ４ごとに異なる種類の蛍光体を含有してもよい。

　ＬＥＤパッケージ４の製造時には、図７（Ａ）に示すパッケージ基板２０の実装領域２１１に、図７（Ｂ）に示すように、複数のＬＥＤ素子５１が実装される。そして、図７（Ｃ）に示すように、ＬＥＤ素子５１同士がワイヤ５２で接続され、ワイヤ５２を介して配線パターン２３ａ，２３ｂに電気的に接続される。次に、図７（Ｄ）に示すように、絶縁基板２２の上面における開口部２２１の周囲に樹脂枠５３が形成され、その後、樹脂枠５３で囲まれた領域に封止樹脂５４が充填される。これにより、図６に示すＬＥＤパッケージ４が完成する。

　なお、ＬＥＤパッケージ４における絶縁基板２２の開口部２２１の形状は、図示した例とは異なり、矩形であってもよい。この場合、金属基板２１の実装領域２１１と樹脂枠５３も矩形になる。特に、多数のＬＥＤ素子５１を高密度に実装する場合には、実装領域２１１を矩形にして、各ＬＥＤ素子５１を矩形の格子状に配置するとよい。また、回路基板２の開口部１２も、図示した例とは異なり、矩形であってもよい。

　発光装置１では、回路基板２の各開口部１２に裏面側からＬＥＤパッケージ４が実装されるので、パッケージ基板の裏面に電極がないＣＯＢのＬＥＤパッケージでも実装が容易であり、複数のＬＥＤパッケージを用いて出射光量を容易に増加させることができる。また、発光装置１では、各ＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板に接触して放熱基板３が配置されており、各ＬＥＤパッケージ４で発生した熱は放熱基板３を通して装置外部に放出されるので、放熱性が向上する。これらの点は、以下で説明する発光装置１Ａ～１Ｅについても同様である。

　一般に、回路基板の開口部にＬＥＤパッケージが実装された発光装置では、回路基板とパッケージ基板とが半田付けされたり、回路基板が例えばねじにより機械的に固定されたりすると、基板と半田の材質の違いによる線膨張応力や、ねじ止めによる応力が発生する。

　図２８（Ａ）は、回路基板２’の裏面側にＬＥＤパッケージが半田接続され、かつ回路基板２’とその裏面側の放熱基板３とがねじ止めされたときに発生する応力を説明するための上面図である。図２８（Ｂ）は、図２８（Ａ）に示すＸＸＶＩＩＩＢ－ＸＸＶＩＩＩＢ線に沿った断面図である。これらの図では、矩形のパッケージ基板２０の上面に円形の樹脂枠５３が形成され、その内側領域に図示しないＬＥＤ素子が実装されて封止樹脂５４で封止されたＬＥＤパッケージが、回路基板２’の円形の開口部１２’に回路基板２’の裏面側から半田２５ａ，２５ｂで接続された場合の例を示している。パッケージ基板２０の裏面側は放熱基板３に接触しており、回路基板２’は、２本のねじ１５を介して、ＬＥＤパッケージを挟んで放熱基板３に固定されている。

　この場合、図２８（Ａ）および図２８（Ｂ）に矢印Ｆｈで示すように、半田２５ａ，２５ｂによる接合部分において、基板と半田の材質の違いや、半田接続が行われたときの熱に起因して、回路基板２’とパッケージ基板２０には水平方向の応力が作用する。また、回路基板２’をねじ止めすることにより、図２８（Ｂ）に矢印Ｆｖで示すように、回路基板２’には鉛直方向の応力も作用する。これらの応力は、回路基板２’にたわみを生じさせるため、回路基板２’とパッケージ基板２０との接続信頼性を低下させるおそれがある。特に、パッケージ基板２０としてセラミック（Ａｌ_２Ｏ_３・ＡｌＮなど）基板を使用する場合には、セラミックは割れやすい材質であるために、この応力を緩和する工夫が必要になる。

　図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、それぞれ、発光装置１の回路基板２におけるスリット１６の働きを説明するための上面図および断面図である。図８（Ａ）は、回路基板２の上面の部分拡大図であり、ＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板２０の位置も破線で示している。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すＶＩＩＩＢ－ＶＩＩＩＢ線に沿った断面図である。

　図８（Ａ）に示すように、パッケージ基板２０は、接続電極２４ａ，２４ｂが形成されている対向する２つの角部において、半田２５ａ，２５ｂにより回路基板２の裏面側の配線パターンに接続されている。回路基板２のスリット１６は、半田２５ａ，２５ｂの接続位置であるＬＥＤパッケージ４の２つの角部に対応するように、その接続位置の近傍に形成されている。言い換えると、スリット１６は、各ＬＥＤパッケージ４が半田接続される接続位置に隣接する位置に形成されている。なお、スリット１６の形状は、例えば、図示した「く」の字型の形状とは異なり、一直線状であってもよいし、曲線状であってもよく、特に限定されない。

　また、回路基板２は、パッケージ基板２０における半田付けされていない他の２つの角部に対応する位置で、ねじ１５によりパッケージ基板２０（ＬＥＤパッケージ４）に固定されている。なお、この固定手段は、回路基板２とパッケージ基板２０とを機械的に固定するものであれば、ねじに限らず、どのようなものでもよい。また、図２８（Ｂ）に示すように、パッケージ基板２０（開口部１２）の周囲においても、回路基板２と放熱基板３とは、ねじ１５により機械的に固定されていてもよい。

　図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すように、半田２５ａ，２５ｂによる接合部分において、回路基板２’とパッケージ基板２０には水平方向の応力Ｆｈが作用する。また、回路基板２をねじ止めすることにより、図８（Ｂ）に示すように、回路基板２には鉛直方向の応力Ｆｖも作用する。しかしながら、回路基板２では、半田２５ａ，２５ｂの接続位置の近傍にスリット１６が形成されていることにより、水平方向の応力Ｆｈを打ち消す逆方向の力Ｆｈ’も作用するため、半田接続に起因する応力が緩和される。また、回路基板２では、スリット１６が形成されていることにより、鉛直方向の応力Ｆｖを打ち消す逆方向の力Ｆｖ’も作用するため、ねじ止めに起因する応力も緩和される。

　図９は、別のＬＥＤパッケージ４’の断面図である。ＬＥＤパッケージ４’は、金属基板２１と絶縁基板２２とが貼り合わされたパッケージ基板２０に代えてセラミック基板３０を有する点がＬＥＤパッケージ４とは異なるが、その他の点ではＬＥＤパッケージ４と同じ構成を有する。セラミック基板３０もパッケージ基板の一例であり、発光装置１は、ＬＥＤパッケージ４に代えて、図９に示すＬＥＤパッケージ４’を有してもよい。セラミック基板３０は、その上面に配線パターンおよび接続電極が形成され、かつＬＥＤ素子５１が実装される平坦な基板であり、ＬＥＤパッケージ４の金属基板２１と絶縁基板２２の機能を兼ねている。

　セラミックは比較的、熱伝導率が高いため、セラミック基板を使用すれば、パッケージ基板を開口部がない平坦な基板とすることが可能である。また、セラミック基板は割れやすい性質があるが、回路基板２にスリット１６を設けることで、上記の通り応力の緩和効果が得られるため、パッケージ基板としてセラミック基板を用いた場合でも、セラミック基板の割れを防止することができる。

　図１０は、さらに別のＬＥＤパッケージ５の断面図である。ＬＥＤパッケージ５は、パッケージ基板２０に代えてリードフレーム４０を有する点、およびレンズ樹脂５５が追加されている点がＬＥＤパッケージ４とは異なるが、その他の点ではＬＥＤパッケージ４と同じ構成を有する。リードフレーム４０もパッケージ基板の一例であり、発光装置１は、ＬＥＤパッケージ４に代えて、図１０に示すＬＥＤパッケージ５を有してもよい。

　リードフレーム４０は、上面にＬＥＤ素子５１が実装され裏面が放熱基板３に接触している実装部４１と、実装部４１よりも厚さが薄くＬＥＤ素子５１および回路基板２に電気的に接続されている電極部４４ａ，４４ｂとで構成される。実装部４１と電極部４４ａ，４４ｂの間、および電極部４４ａ，４４ｂと放熱基板３の間には、絶縁樹脂４２が充填されて互いに電気的に絶縁されている。リードフレーム４０を有するＬＥＤパッケージ５を使用すれば、ＬＥＤパッケージと放熱基板との間の電気的な絶縁性と、ＬＥＤパッケージから放熱基板への放熱性との両方を確保することが可能である。

　レンズ樹脂５５は、ＬＥＤパッケージ５が挿入された開口部１２の上面側に形成されたほぼ半球状の部材であり、封止樹脂５４の全体を覆い、封止樹脂５４を通したＬＥＤ素子５１からの出射光を集光する。レンズ樹脂５５は、ＬＥＤパッケージ５が回路基板２の裏面側から開口部１２内に実装された後で、例えば、シリコーン樹脂などの透明樹脂を用いて、インジェクション成形により形成される。上記したＬＥＤパッケージ４，４’を使用する場合にも、回路基板２の上面側にはこうしたレンズ樹脂を形成してもよい。

　図１１は、別の発光装置１Ａの部分拡大図である。図１１では、発光装置１Ａにおける１つのＬＥＤパッケージの部分のみを拡大して示している。図１１に示したＬＥＤパッケージは上記のＬＥＤパッケージ４と同じものであるが、ＬＥＤパッケージ４とは異なり、パッケージ基板２０の四隅が、半田２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄにより回路基板２Ａの裏面側の配線パターンに接続されている。発光装置１Ａでは、回路基板２Ａは、１つのＬＥＤパッケージ当たり４個のスリット１６Ａを有する。スリット１６Ａは、スリット１６と同じ「く」の字型の形状を有し、半田２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの接続位置であるＬＥＤパッケージ４の四隅に対応するように、その接続位置の近傍に形成されている。

　また、回路基板２Ａは、各ＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板２０の各辺の中間に対応する位置で、４本のねじ１５Ａにより放熱基板３に固定されている。あるいは、ねじ１５Ａは、回路基板２Ａとパッケージ基板２０とを固定するものであってもよい。

　図１１に示したように、スリットの位置は２か所に限らず、４か所であってもよい。発光装置１Ａでも、発光装置１と同様に、半田接続に起因する応力と、ねじ止めに起因する応力の緩和効果が得られる。

　図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、それぞれ、さらに別の発光装置１Ｂの上面図および側面図である。発光装置１Ｂは、実装されているＬＥＤパッケージ４の個数が１５個である点、および各ＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板２０が放熱シート６を介して放熱基板３に接触している点が発光装置１とは異なるが、その他の点では発光装置１と同じ構成を有する。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）の符号２Ｂは、発光装置１Ｂの回路基板を示す。放熱シート６は、熱伝導性および弾性を有するラバータイプのシートである。

　回路基板に複数のＬＥＤパッケージを実装した場合には、それらの半田付けの状態によっては、ＬＥＤパッケージごとに高さのバラつきが生じ得る。こうした高さのバラつきがあると、ＬＥＤパッケージ４と放熱基板３との間に隙間が生じてしまうことがあり、放熱基板３への放熱が不十分になるおそれがある。これに対処するためには、発光装置１Ｂのように、熱伝導性および弾性を有する放熱シート６を介して、各ＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板２０を放熱基板３に接触させるとよい。放熱シート６があれば、複数のＬＥＤパッケージを回路基板に実装した場合の高さのバラつきを吸収することができ、各ＬＥＤパッケージから放熱基板への安定した熱接続が可能になる。

　図１３（Ａ）～図１３（Ｃ）は、それぞれ、さらに別の発光装置１Ｃの上面図、側面図および部分拡大図である。図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に符号ＸＩＩＩＣで示した部分の上面の拡大図である。発光装置１Ｃは、実装されているＬＥＤパッケージ４の個数が１５個である点、および回路基板２Ｃの四隅にスリット１６Ｃが形成されている点が発光装置１とは異なるが、その他の点では発光装置１と同じ構成を有する。スリット１６Ｃは、スリット１６と同じ「く」の字型の形状を有し、回路基板２Ｃの４つの角部のそれぞれにおいて、回路基板２と放熱基板３とを固定するねじ１４の周囲に、４個ずつ形成されている。

　回路基板の四隅をねじなどで固定すると、回路基板にたわみが生じ、例えば回路基板の中央部分が盛り上がって、ＬＥＤパッケージの接続不良が生じることがある。これに対処するためには、発光装置１Ｃのように、回路基板２Ｃの四隅における固定位置に隣接する位置にも、上記のスリット１６とは別のスリット１６Ｃを設けるとよい。スリット１６Ｃがあれば、スリット１６と同様に、ねじ１４により生じる応力の緩和効果が得られ、回路基板のたわみが少なくなるため、ＬＥＤパッケージの接続不良を回避することが可能になる。

　図２９は、裏面実装型のＬＥＤパッケージを含む発光装置の例を示す断面図である。この発光装置では、金属基板２１、絶縁基板２２、ＬＥＤ素子５１、樹脂枠５３および封止樹脂５４を有するＬＥＤパッケージが、回路基板２Ｄの段差付きの開口部（貫通孔）内に回路基板２Ｄの裏面側から実装されている。このＬＥＤパッケージは、絶縁基板２２の上面端部に形成された接続電極２４ａ，２４ｂの部分で回路基板２Ｄに半田接続されており、ＬＥＤパッケージおよび回路基板２Ｄの裏面側には、放熱基板３が配置されている。ＬＥＤ素子５１は、金属基板２１の上面中央に実装され、金属基板２１の上面外周部に固定された絶縁基板２２上の配線パターン２３ａ，２３ｂにワイヤ５２を介して電気的に接続され、さらに、絶縁基板２２上の樹脂枠５３内に充填された封止樹脂５４によって封止されている。

　図２９に示した発光装置では、ＬＥＤパッケージの発光部である封止樹脂５４の上面から側方に向かう出射光Ｌの一部は、回路基板２Ｄの端面２Ｅに照射される。通常、回路基板の開口部には反射を考慮した特別な加工は施されておらず、回路基板の端面の反射率は低いため、発光部からの出射光の一部がこの端面に照射されることで、光学的な損失（ケラレ）が発生する。回路基板の厚さ（端面の大きさ）によっては、ＬＥＤ素子からの全光束のうち数％の損失が生じることもあり、これによって、基板上方への光取出し効率が低下する。回路基板を薄くしたり、開口部の径を大きくしたりすればこの損失量は少なくなるが、機械的な強度の観点から回路基板にはある程度の厚さが必要であり、利用可能なスペースにも限りがあることから、開口部の径を拡大するにも限度がある。

　また、図２９に示したＬＥＤパッケージは、絶縁基板２２の端部に形成された接続電極２４ａ，２４ｂの部分のみで回路基板２Ｄに電気的かつ機械的に接続されているため、接合強度が弱く、その接合部分でＬＥＤパッケージが剥がれやすい。したがって、裏面実装型のＬＥＤパッケージを含む発光装置では、ＬＥＤパッケージと回路基板の間の接合強度を高める工夫も必要になる。そこで、以下では、光取出し効率とＬＥＤパッケージの接合強度を向上させた発光装置を説明する。

　図１４～図１６は、それぞれ、さらに別の発光装置１Ｄの斜視図、上面図および側面図である。また、図１７は放熱基板３が取り除かれた発光装置１Ｄの裏面図であり、図１８は発光装置１Ｄの回路基板２Ｄの上面図であり、図１９は図１５のＸＩＸ－ＸＩＸ線に沿った発光装置１Ｄの断面図である。発光装置１Ｄは、回路基板にスリット１６が形成されておらず、代わりに各開口部１２の周囲に環状樹脂５６が形成されている点が発光装置１とは異なるが、その他の点では、発光装置１と同様の構成を有する。以下では、発光装置１Ｄについて、発光装置１とは異なる点を中心に説明し、発光装置１と重複する説明は省略する。

　図１５および図１９に示すように、発光装置１Ｄは、複数の開口部１２（図１８を参照）のそれぞれにおいて、その開口部１２内における回路基板２Ｄの端面の全周を囲むように塗布された環状樹脂５６を有する。環状樹脂５６は、光反射性の白色樹脂であり、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂などに、反射性のフィラーとして、酸化チタン、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、アルミナまたは窒化ホウ素などの粒子を混入させて構成される。

　環状樹脂５６の下端は、開口部１２内に挿入されたＬＥＤパッケージ４の樹脂枠５３に接触せずにパッケージ基板２０の上面端部を覆い、環状樹脂５６の上端は、回路基板２Ｄの上面における開口部１２の縁部にまで達している。すなわち、環状樹脂５６は、ＬＥＤパッケージ４の封止樹脂５４を取り囲み、かつそのＬＥＤパッケージ４のパッケージ基板２０の上面および開口部１２内の回路基板２Ｄの端面（図２９の端面２Ｅに相当するもの）に接触するように成形されている。環状樹脂５６の表面は、開口部１２内で上方に向かうほどその開口部１２内の空間部分の径が大きくなるように単調に傾斜した斜面であることが好ましい。

　なお、回路基板２Ｄの開口部１２も、図示した例とは異なり、矩形であってもよい。この場合、環状樹脂５６は、開口部１２内における回路基板２Ｄの端面の全周を囲むように、矩形の枠状に成形される。

　図２０は、環状樹脂５６の働きを説明するための発光装置１Ｄの部分断面図である。発光装置１Ｄでは、光反射性の環状樹脂５６が開口部１２内の回路基板２Ｄの端面に塗布されていることにより、図２０に示すように、ＬＥＤパッケージ４の封止樹脂５４の上面から側方に向かう出射光Ｌは、環状樹脂５６の表面で発光装置１Ｄの上方に反射する。特に、環状樹脂５６の表面を傾斜面にすることにより、出射光Ｌは、発光装置１Ｄの上方に反射しやすくなる。このため、発光装置１Ｄでは、環状樹脂５６が設けられていない場合と比べて、ＬＥＤパッケージ４からの光取出し効率が向上する。

　図２０に示すように、発光装置１Ｄでは、放熱基板３の上面から開口部１２における回路基板２Ｄの上面までの高さｈ１は、放熱基板３の上面からＬＥＤパッケージ４の樹脂枠５３の上端および封止樹脂５４の上面までの高さｈ２よりも大きい。環状樹脂５６は、このようにｈ１＞ｈ２である場合に、ＬＥＤパッケージ４からの光取出し効率を向上させるために特に有効である。

　また、発光装置１Ｄでは、各ＬＥＤパッケージ４は、パッケージ基板２０の端部で回路基板２Ｄの裏面側から開口部１２内の段差部分に半田接続されており、さらに、開口部１２内における回路基板２Ｄの端面を覆うように塗布された環状樹脂５６によっても、回路基板２Ｄに固定されている。発光装置１Ｄでは、開口部１２の全周にわたって環状樹脂５６が回路基板２Ｄの端面とパッケージ基板２０の上面に接触しているため、回路基板２ＤとＬＥＤパッケージ４との接合面積が比較的広くなる。このため、発光装置１Ｄでは、環状樹脂５６が設けられていない場合と比べて、回路基板２ＤとＬＥＤパッケージ４との機械的な接合強度も向上する。

　図２１は、発光装置１ＤでＬＥＤパッケージ４’を使用した場合の断面図である。図２２は、発光装置１ＤでＬＥＤパッケージ５を使用した場合の断面図である。発光装置１Ｄでも、図２１および図２２に示すように、ＬＥＤパッケージ４を、セラミック基板３０を有するＬＥＤパッケージ４’に代えてもよいし、リードフレーム４０およびレンズ樹脂５５を有するＬＥＤパッケージ５に代えてもよい。ＬＥＤパッケージ５を使用する場合には、図２２に示すように、レンズ樹脂５５は、回路基板２Ｄの開口部１２ごとに、封止樹脂５４および環状樹脂５６を覆うように配置されていてもよい。

　図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）は、それぞれ、別の環状樹脂５６Ａ，５６Ｂを使用した場合の発光装置１Ｄの部分断面図である。環状樹脂５６Ａ，５６Ｂは、環状樹脂５６と同様の材質で構成されるが、各開口部１２内の回路基板２Ｄの端面２Ｅとその開口部１２に挿入されたＬＥＤパッケージ４の樹脂枠５３との間にあるパッケージ基板２０上の領域を埋め尽くしている。このように、開口部１２の中央側における環状樹脂５６Ｂの端部は、開口部１２内に挿入されたＬＥＤパッケージ４の樹脂枠５３に接触していてもよい。図２３（Ａ）よりも図２３（Ｂ）の場合の方が、環状樹脂として塗布される樹脂の量が多く、図２３（Ｂ）では、環状樹脂５６Ｂの端部は樹脂枠５３の直上にまで達している。環状樹脂としてこれ以上の樹脂を塗布すると、環状樹脂が封止樹脂５４の上面を覆ってしまい、発光の妨げになるので、樹脂の量は図２３（Ｂ）の例よりも少ない方が好ましい。

　なお、これまでに説明した各図では、樹脂枠５３の断面が矩形であり、その上端が平坦面になっているが、図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）に示すように、樹脂枠５３の断面は丸みを帯びた形状であってもよい。

　図２４（Ａ）および図２４（Ｂ）は、それぞれ、さらに別の環状樹脂５６Ｃの上面図および断面図である。図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）ＸＸＩＶＢ－ＸＸＩＶＢ線に沿った環状樹脂５６Ｃの断面を示す。上記の環状樹脂５６，５６Ａ，５６Ｂは、各ＬＥＤパッケージ４が回路基板２Ｄに実装された後で、回路基板２Ｄ上に樹脂を塗布することで形成される。しかしながら、図２４（Ａ）および図２４（Ｂ）に示す環状樹脂５６Ｃのように、樹脂成型などにより環状樹脂を予め単体の部品として作製してもよく、それを回路基板２Ｄの各開口部１２に嵌め込んでもよい。

　図２５は、さらに別のＬＥＤパッケージ５’の断面図である。ＬＥＤパッケージ５’は、図１０および図２２に示すＬＥＤパッケージ５と同様に、半球状のレンズ樹脂５５’が形成されたＬＥＤパッケージである。上記のＬＥＤパッケージ５のレンズ樹脂５５は、ＬＥＤパッケージ５が回路基板２に実装された後で回路基板２の開口部１２の上面側全体を覆うように形成される。一方、ＬＥＤパッケージ５’のレンズ樹脂５５’は、回路基板２Ｄの開口部１２の上面側全体を覆うほど大きくはなく、ＬＥＤパッケージ５’の樹脂枠５３および封止樹脂５４の上方のみに広がるように、ＬＥＤパッケージ単体の段階で形成される。上記の発光装置１，１Ａ～１Ｄおよび次に説明する発光装置１Ｅでは、ＬＥＤパッケージ５’のように予めレンズ樹脂が形成されたＬＥＤパッケージを用いてもよい。

　図２６は、さらに別の発光装置１Ｅの上面図である。発光装置１Ｅは、発光装置１Ｄのものと同じ環状樹脂５６が追加されている点のみが上記の発光装置１とは異なり、その他の点では発光装置１と同様の構成を有する。発光装置１Ｅのように、１つの発光装置が、発光装置１のスリット１６と発光装置１Ｄの環状樹脂５６の両方の構成を有してもよい。これにより、発光装置１Ｅでは、発光装置１と同様に応力を緩和する効果と、発光装置１Ｄと同様に光取出し効率およびＬＥＤパッケージ４の接合強度が向上する効果が得られる。

　図２７は、発光装置１Ｅにおける放熱基板の形状の例を示す図である。上記の発光装置１，１Ｄの放熱基板３は、発光装置内のすべてのＬＥＤパッケージ４を覆うのに十分な大きさを有する１枚の金属基板で構成される。一方、図２７に示した例における放熱基板３’は、符号３ａ，３ｂで示す２枚の金属基板で構成され、一方の放熱基板３ａは一部のＬＥＤパッケージ４に接触し、他方の放熱基板３ｂは残りのＬＥＤパッケージ４に接触している。このように、発光装置の放熱基板は、必ずしも１枚ですべてのＬＥＤパッケージに接触していなくてもよく、複数枚ですべてのＬＥＤパッケージを覆うように配置されていてもよい。なお、放熱基板は、ヒートシンクとして機能するものであればよいので、その形状は平坦な板状のものに限らず、放熱フィンなどが形成されたものであってもよい。

Claims

　複数の開口部が形成された回路基板と、
　上面の端部に前記回路基板との接続電極が形成されたパッケージ基板、前記パッケージ基板上に実装された複数のＬＥＤ素子および前記複数のＬＥＤ素子を封止する封止樹脂をそれぞれが有し、前記回路基板の裏面側から前記複数の開口部内にそれぞれ挿入され、前記接続電極が前記回路基板の裏面に電気的に接続された複数のＬＥＤパッケージと、
　前記回路基板との間で前記複数のＬＥＤパッケージの前記パッケージ基板を挟むように前記回路基板の裏面側に配置された放熱基板と、
　を有することを特徴とする発光装置。
　前記複数のＬＥＤパッケージの前記接続電極は、前記回路基板の裏面に半田接続され、
　前記回路基板には、前記複数のＬＥＤパッケージの前記接続電極がそれぞれ半田接続される接続位置に隣接する位置にスリットが形成されている、請求項１に記載の発光装置。
　前記複数のＬＥＤパッケージの前記接続電極は、前記パッケージ基板の対向する２つの角部にそれぞれ形成され、
　前記スリットは、前記パッケージ基板の前記２つの角部に対応するように形成され、
　前記回路基板は、前記パッケージ基板の他の２つの角部に対応する位置で、前記複数のＬＥＤパッケージまたは前記放熱基板に機械的に固定されている、請求項２に記載の発光装置。
　前記複数のＬＥＤパッケージの前記接続電極は、前記パッケージ基板の四隅にそれぞれ形成され、
　前記スリットは、前記パッケージ基板の前記四隅に対応するように形成され、
　前記回路基板は、前記パッケージ基板の各辺の中間に対応する位置で、前記複数のＬＥＤパッケージまたは前記放熱基板に機械的に固定されている、請求項２に記載の発光装置。
　前記複数のＬＥＤパッケージの前記パッケージ基板は、弾性を有する放熱シートを介して前記放熱基板に接触している、請求項２～４のいずれか一項に記載の発光装置。
　前記回路基板の四隅が前記放熱基板に機械的に固定され、
　前記回路基板には、さらに、前記回路基板の四隅における固定位置に隣接する位置にも別のスリットが形成されている、請求項２～５のいずれか一項に記載の発光装置。
　前記複数の開口部のそれぞれにおいて、当該開口部に挿入されたＬＥＤパッケージの前記封止樹脂を取り囲み、かつ前記パッケージ基板の上面および当該開口部内の前記回路基板の端面に接触するように成形された光反射性の環状樹脂をさらに有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の発光装置。
　前記環状樹脂は、前記開口部内で上方に向かうほど当該開口部内の空間部分の径が大きくなるように傾斜した斜面を有する、請求項７に記載の発光装置。
　前記複数のＬＥＤパッケージのそれぞれは、前記複数のＬＥＤ素子を取り囲むように前記パッケージ基板に形成され内部に前記封止樹脂が充填された樹脂枠をさらに有し、
　前記環状樹脂は、前記複数の開口部のそれぞれにおいて、当該開口部内の前記回路基板の端面と当該開口部に挿入されたＬＥＤパッケージの前記樹脂枠との間にある前記パッケージ基板上の領域を埋め尽くしている、請求項７または８に記載の発光装置。
　前記放熱基板の上面から前記複数の開口部における前記回路基板の上面までの高さは、前記放熱基板の上面から前記複数のＬＥＤパッケージの前記封止樹脂の上面までの高さよりも大きい、請求項７～９のいずれか一項に記載の発光装置。