JP6564615B2

JP6564615B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP6564615B2
Application number: JP2015104362A
Authority: JP
Inventors: 晋吾市川
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: JP2016219305A

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子等の半導体発光素子を用いた照明装置に関する。

最近、発光ダイオード（LED）素子の光出力の向上に伴い、屋外照明等のより高輝度が求められる用途への応用が進み、さらに大電力化の道を辿っている。他方、ＬＥＤ素子においては、投入電力の約７割が熱となり、自身の熱によって性能の低下及び寿命の短縮化を招く。従って、ＬＥＤ素子を用いた照明装置は適切な放熱構造を必要とする。

放熱構造を有する従来の照明装置は、ＬＥＤ素子を絶縁層を介して搭載（ダイアタッチ）する金属ベースプリント配線基板と、金属ベースプリント配線基板の背面に設けられた良熱伝導性のセラミック基材と、セラミック基材の背面に設けられ、熱を対流、放射させるためのヒートシンクとによって構成されている（参照：特許文献１）。

特開２０１１−９６４１６号公報

しかしながら、上述の従来の照明装置においては、セラミック基材とヒートシンクとの密着性確保を目的に、セラミック基材の設置面の表面粗さを抑えるための該設置面の微鏡面加工を必要とし、製造コストが高いという課題がある。また、金属ベースプリント配線基板を放熱特性向上のための無機系フィラを高充填した絶縁層が形成されたものとした場合、プレス抜型に高寿命金型を必要とするので、製造コストが高くなる。更に、セラミック基材として高熱伝導性の窒化アルミニウムを用いた場合、セラミック基材は高製造コストとなる。

また、上述の従来の照明装置は、金属ベースプリント配線基板のためにＬＥＤ素子直下に絶縁層を必要とし、従って、図１６に示すごとく、絶縁層による熱抵抗が無視できず、この結果、熱放散特性が低下するという課題もある。尚、図１６において、セラミック基材とヒートシンクとの間に接着層が挿入されているので、上述の絶縁層の熱抵抗にさらに接着層の熱抵抗が加わることで該照明装置全体として熱抵抗が大きくなっている。

上述の課題を解決するために、本発明に係る照明装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子が直接もしくは間接に搭載された素子搭載面を有する柱状部及び柱状部より横サイズが大きいフランジ状の嵌込部を結合してなるヒートスプレッダと、柱状部が挿入された貫通孔を有する有機樹脂プリント配線基板と、嵌込部が挿入されたザグリ部及びザグリ部に対向した錐台状立設部を有するヒートシンクとを具備し、錐台状立設部はヒートシンクのダイカスト成形の押出台座である。これにより、半導体発光素子、ヒートスプレッダ及びヒートシンクの錐台状立設部は一直線上に配置される。

本発明によれば、半導体発光素子の熱は絶縁層を介さず良熱伝導性のヒートスプレッダを介してヒートシンクに伝播するので、嵌込部（フランジ部）を有するヒートスプレッダによって熱抵抗を小さくでき、このヒートスプレッダに直線的に接続されたヒートシンクの錐台状立設部による熱の対流、放射効果によって放熱特性を向上できる。

本発明に係る照明装置の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は下面図である。図１の照明装置の製造方法のヒートスプレッダ準備工程を説明するためのもので、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。図１の照明装置の製造方法のＬＥＤ素子ダイアタッチ工程を説明するためのもので、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。図１の照明装置の製造方法のヒートシンク形成工程を説明するための断面図である。図１の照明装置の製造方法のヒートシンク仕上工程を説明するための断面図である。図１の照明装置の製造方法のヒートスプレッダ接合工程を説明するための断面図である。図１の照明装置の製造方法の有機樹脂プリント配線基板加工工程を説明するための断面図である。図１の照明装置の製造方法の有機樹脂プリント配線基板組立工程を説明するための断面図である。図１の照明装置の製造方法の発光部完成工程を説明するための断面図である。図１の照明装置の熱流の状況を説明するための断面図である。図１の照明装置の熱抵抗／熱容量（熱構造関数）特性を示すグラフである。図１の発光部の変更例を示す断面図である。図１の発光部の他の変更例を示す断面図である。図１の有機樹脂プリント配線基板の変更例を示す断面図である。図１のヒートスプレッダの嵌込部とヒートシンクとの接合部の変更例を示す断面図である。従来の照明装置の熱抵抗／熱容量（熱構造関数）特性を示すグラフである。

図１は本発明に係る照明装置の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は下面図である。

図１において、ヒートスプレッダ１は柱状部１１及びフランジ状の嵌込部１２よりなる。柱状部１１の素子搭載面１１ａ上にはＬＥＤ素子２が搭載されている。ヒートシンク３はダイカスト形成の際のエジェクタピン痕３ａを有する錐台状立設部（押出台座）３ｂ及び放熱フィン３ｃを有する。この場合、錐台状立設部３ｂは放熱フィン３ｃによって繋がっているように形成される。ヒートシンク３の上面は接着層４によって有機樹脂プリント配線基板５に接着される。また、有機樹脂プリント配線基板５上には制御回路基板６が搭載される。

ヒートシンク３の上面には、ザグリ部４ｄ、４ｄ’が形成される。ザグリ部４ｄにはヒートスプレッダ１の嵌込部１２を挿入される。ザグリ部４ｄ’はＬＥＤ素子２からの熱が制御回路基板６へ伝播するのを抑制するためのものである。

また、有機樹脂プリント配線基板５には貫通孔５ａが形成される。貫通孔５ａにはヒートスプレッダ１の柱状部１１が挿入される。

尚、図１において、８はボンディングワイヤ、９はダム、１０は透光性封止樹脂層であり、ＬＥＤ素子２を含めて発光部を構成する。

図１においては、ＬＥＤ素子２からの熱は絶縁層を介さずにヒートスプレッダ１を介してヒートシンク３に直接伝播する。また、ヒートスプレッダ１直下のヒートシンク３の熱はヒートスプレッダ１直下の錐台状立設部３ｂによる対流、放射によって放熱される。

図１の照明装置の製造方法を図２〜図９を参照して説明する。

始めに、図２を参照すると、ヒートスプレッダ準備工程において銅よりなるヒートスプレッダ１を準備する。ヒートスプレッダ１は素子搭載面１１ａを有する柱状部１１及び柱状部１１の底面にフランジ状の嵌込部（フランジ部）１２によりなる。柱状部１１の横サイズＤ１より大きい横サイズＤ２の嵌込部１２の存在により熱拡散特性が向上する。ヒートスプレッダ１は金、銀パラジウム等のメッキ処理がなされている。

次に、図３を参照すると、ＬＥＤ素子ダイアタッチ工程において、ＬＥＤ素子２をヒートスプレッダ１の素子搭載面１１ａにＡｕ−Ｓｎ共晶接合（図示せず）によってダイアタッチする。この場合、必要に応じてダイアタッチ面直下にモリブデン箔等の応力緩和剤を拡散接合等によって積層してもよい。

次に、図４を参照すると、ヒートシンク形成工程において、アルミニウム合金等によりなるヒートシンク３をダイカスト法で形成する。このとき、エジェクタピン痕３ａを有する錐台状立設部（押出台座）３ｂが形成される。この錐台状立設部３ｂは放熱フィン３ｃ（図１参照）に重複するように形成される。

次に、図５を参照すると、ヒートシンク仕上工程において、フラットエンドミルを用いたザグリ加工によってヒートスプレッダ１の嵌込部１２に対応するザグリ部３ｄ及び後述の制御回路基板６に対応するザグリ部３ｄ’を形成する。尚、ダイカストの場合のヒートシンク３の表面粗さは１２．５ｓ程度であるがフラットエンドミルを用いたザグリ加工によってザグリ部３ｄ、３ｄ’の表面粗さを１．６ｓ程度とし、ヒートスプレッダ１とヒートシンク３との熱伝導性を向上させる。尚、従来の金属ベースプリント配線基板の場合には、ヒートシンクの接触面に微鏡面加工が要求されているのに比較してフラットエンドミルによる仕上工程は低製造コストである。

次に、図６を参照すると、ヒートスプレッダ接合工程において、図３のヒートスプレッダ１の嵌込部１２を図５のヒートシンク３のサグリ部３ｄに挿入し、高熱伝導接着層７によって接着する。高熱伝導性接着層７としてはたとえば窒化アルミニウムの微粉末を含んだ高耐熱セラミック接着剤を用いる。尚、従来の金属ベースプリント配線基板の場合には、金属ベースプリント配線基板の接着面とヒートシンクの接着面との間に高価な熱伝導シートを全面に挿入し、さらに、金属ベースプリント配線の反りを矯正しながら均等の圧力を印加する必要があるので、製造コストが高い。

次に、図７を参照すると、有機樹脂プリント配線基板加工工程において、有機樹脂プリント配線基板５にヒートスプレッダ１用の貫通孔５ａを開口すると共に、制御回路基板６を搭載する。

次に、図８を参照すると、有機樹脂プリント配線基板組立工程において、貫通孔５ａが形成されかつ制御回路基板６が搭載された図７の有機樹脂プリント配線基板５を図６のヒートスプレッダ１が挿入されたヒートシンク３に接着層４によって接着する。このとき、ヒートスプレッダ１の柱状部１１が有機樹脂プリント配線基板５の貫通孔５ａに挿入される。接着層４としてはシリコーンエポキシ系のシート状接着剤を用いる。

最後に、図９を参照すると、発光部完成工程において、ＬＥＤ素子２のパッドと有機樹脂プリント配線基板５の配線パターンとの間にボンディングワイヤ８を施す。次いで、ＬＥＤ素子２及びボンディングワイヤ８を囲むようにディスペンサによってリング状のダム９を形成する。ダム９は高アスペクト比のシリコーンの高チクソ性樹脂よりなる。次いで、ダム９の内側にシリコーン樹脂またはエポキジ樹脂を滴下注入して透光性封止樹脂層１０で封止する。これにより、図１の照明装置は完成する。

図１０は図１の照射装置の熱流の伝播を説明する図である。

ＬＥＤ素子２で発生した熱流Ｑ_ｄはヒートスプレッダ１の柱状部１１を介して拡がりヒートスプレッダ１の嵌込部１２に伝播する。このとき、界面熱抵抗及び有機樹脂プリント配線基板５の低熱温度によって有機樹脂プリント配線基板５に伝播する熱流Ｑ_ｃｓは僅かである。

ヒートスプレッダ１の嵌込部１２に伝播した熱流Ｑ_ｄは嵌込部１２及び高熱伝導性接着層７によって２π空間に熱拡散して大きく垂直方向の熱流Ｑ_ｕ及び水平方向の熱流Ｑ_ｓに分かれる。ヒートスプレッダ１とヒートシンク３の錐台状立設部３ｂとは直線的に対向して配置されているので、熱流Ｑ_ｕは大きくなる。このとき、錐台状立設部３ｂの付根部分の径が大きくなれば、熱流Ｑ_ｕはさらに大きくなる。錐台状立設部３ｂの付根部分から先端部分へ伝播した熱流Ｑ_ｕは対流、放射効果によって放熱される。他方、熱流Ｑ_ｄに直交して拡散する熱流Ｑ_ｓは小さいが照射装置上方から見れば放射状となっており、放熱フィン３ｃの対流、放射効果によって放熱され、総量的に拡散効果によって放熱され、熱拡散の効果が大きい。

熱流Ｑ_ｓの一部熱流Ｑ_ｔは制御回路基板６の直下にも伝播するが、ザクリ部３d'の存在のために、制御回路基板６への熱流Ｑ_ｒは非常に小さくなる。この結果、ＬＥＤ素子２からの熱の制御回路基板６への伝播は抑止される。

図１１は図１の照射装置の熱抵抗/熱容量（熱構造関数）特性を示すグラフである。図１１に示すように、ＬＥＤ素子２からの熱は絶縁層を介さずヒートスプレッダ１を介してヒートシンク３に直接伝播するので、熱抵抗は従来に比較して非常に小さくなる。従って、ヒートスプレッダ１はＬＥＤ素子２の急激な発熱を吸収し、サージ等の大電流の印加時による急激な装置の劣化、事故の発生が軽減する。

図１２は図１の発光部の変更例を示す断面図である。

図１２の（Ａ）に示す第１の変更例においては、ＬＥＤ素子２をメタライズパターンが形成されたセラミックよりなるサブマウント２１を介してヒートスプレッダ１上に搭載する。この場合、ＬＥＤ素子２の表裏に電極が形成され、ボンディングワイヤ８はサブマウント２１上にも設けられる。

図１２の（Ｂ）に示す第２の変更例においては、ＬＥＤ素子２の表裏に電極パターンを形成すると共に、ヒートスプレッダ１の柱状部１１の素子搭載面１１ａ上に電極パターンを形成する。この場合、ボンディングワイヤ８はヒートスプレッダ１上にも設けられる。但し、ヒートスプレッダ１の嵌込部１２の底面を電気的に絶縁する絶縁層２２等を設ける。

図１２の（Ｃ）に示す第３の変更例においては、ＬＥＤ素子２を銅コア２３付のＬＥＤパッケージ２４とし、電極端子２５を有機樹脂プリント配線基板５上にスポット溶接する。この場合、銅コア２３は電気的に無接続である。

図１３は図１の発光部の他の変更例を示す断面図である。図１３においては、ＬＥＤ素子２として電極兼放熱端子２６付のＬＥＤ素子２を用いる。この場合、電極兼放熱端子２６の一部分をヒートスプレッダ１の柱状部１１にスポット溶接し、他方、電極兼放熱端子２６の他の部分を有機樹脂プリント配線基板５にスポット溶接する。この場合、ヒートスプレッダ１の嵌込部１２とヒートシンク３との間に絶縁層２７等を必要とする。

このように、ＬＥＤ素子２はヒートスプレッダ１の柱状部１１の上面に直接搭載される以外に、銅コア２３または電極端子２５を介して間接的に搭載される。

図１４は有機樹脂プリント配線基板の変更例を示す断面図である。図１４においては、有機樹脂プリント配線基板５を三次元有機樹脂プリント配線基板５'とする。三次元有機樹脂プリント配線基板５'はＬＥＤ素子２の回りに対して反射枠５１'を有し、また、反射枠５１'の上部にレンズ５２'を保持する。

図１５は図１のヒートスプレッダ１の嵌込部１２とヒートシンク３との接合部の変更例を示す断面図である。図１５においては、約８ｋＶ/ｃｍ（＝２００V/mil）の絶縁性を有する高熱伝導接着層７とヒートシンク３との間にさらにポリイミドよりなる高耐熱樹脂絶縁薄膜シート２８を挿入する。ポリイミド高耐熱樹脂絶縁薄膜シート２７は厚さ１２．７μm（＝０．５mil）程度で熱抵抗は１℃/W以下である。この場合、サグリ部３ｄの側壁をテーパ状にし、高熱伝導接着層７の接着保持力を強化する。尚、高耐熱絶縁薄膜シート２７に耐アーク性が要求される場合には、はがしマイカを選択してもよい。

尚、上述の実施の形態におけるＬＥＤ素子２は他の半導体発光素子たとえばレーザダイオード（ＬＤ）素子にも置換し得る。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内でいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る照明装置は、暗視カメラ、距離画像形成用カメラ等の赤外線放射ユニット、特に、小ロット生産、光源デザインにバリエーションが必要とされる照明装置に利用できる。

１：ヒートスプレッダ
１１：柱状部
１１ａ：素子搭載面
１２：嵌込部
２：ＬＥＤ素子
３：ヒートシンク
３ａ：エジェクタピン痕
３ｂ：錐台状立体部（押出台座）
３ｃ：放熱フィン
３ｄ、３ｄ'：ザグリ部
４：高熱伝導性接着層
５：有機樹脂プリント配線基板
５'：三次元有機樹脂プリント配線基板
５１'：反射枠
５２'：レンズ
５ａ：貫通孔
６：制御回路基板
７：接着層
８：ボンディングワイヤ
９：ダム
１０：透光性封止樹脂層
２１：サブマウント
２２：絶縁層
２３：銅コア
２４：ＬＥＤパッケージ
２５：電極端子
２６：電極兼放熱端子
２７：絶縁層
２８：高耐熱樹脂薄膜シート

Claims

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が直接もしくは間接に搭載された素子搭載面を有する柱状部及び該柱状部より横サイズが大きいフランジ状の嵌込部を結合してなるヒートスプレッダと、
前記柱状部が挿入された貫通孔を有する有機樹脂プリント配線基板と、
前記嵌込部が挿入された第１のザグリ部及び該第１のザグリ部に対向した錐台状立設部を有するヒートシンクと
を具備し、
前記錐台状立設部は前記ヒートシンクのダイカスト成形の押出台座である照明装置。
さらに、前記有機樹脂プリント配線基板上に搭載された制御回路基板を具備し、
前記ヒートシンクは前記制御回路基板に対向した第２のザグリ部を有する請求項１に記載の照明装置。
さらに、前記嵌込部と前記ヒートシンクとの間に設けられた高熱伝導性接着層を具備する請求項１に記載の照明装置。
さらに、前記高熱伝導性接着層と前記ヒートシンクとの間に設けられた高耐熱樹脂絶縁層を具備する請求項３に記載の照明装置。
前記第１のザグリ部の側壁はテーパ状となっている請求項１に記載の照明装置。
前記有機樹脂プリント配線基板は三次元有機樹脂プリント配線基板である請求項１に記載の照明装置。