ＬＥＤパッケージ
【課題】 ＬＥＤパッケージにおける放熱や熱膨張の問題を解決し、ＬＥＤパッケージを現在のものよりも大光量を得られるパッケージとでき、同時にコストも抑えることを課題とする。
【解決手段】 ＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部と、電極部と、ヒートシンク部からなるＬＥＤについて、前記電極部と前記ヒートシンク部管の絶縁層を剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いることで解決した。セラミックスを主とする材料はセラミックス粒子の相と、その周囲を取り囲む無機結合相からなる。
【解決手段】 ＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部と、電極部と、ヒートシンク部からなるＬＥＤについて、前記電極部と前記ヒートシンク部管の絶縁層を剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いることで解決した。セラミックスを主とする材料はセラミックス粒子の相と、その周囲を取り囲む無機結合相からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた発光装置のパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤを用いた発光装置は照明、光源、テレビなどに幅広く用いられている。
【０００３】
それらの発光装置は、従来の放電灯、蛍光灯やフィラメントを用いた発光よりも省電力にて遜色ない発光を行なうことができ、エネルギー的に有利である。特に携帯電話や携帯用ＧＰＳ地図、携帯用ゲーム機などは、持ち歩きが前提であるために電池にて駆動する。消費電力を抑えることはそれらの電池部分を軽量かつ小容量にすることができ、小型化や軽量化、電池以外の機能のための空間を確保することに有用である。
【０００４】
このようにＬＥＤは、省電力をその特徴とするが、同様にフィラメントや蛍光灯などに比べて長寿命という利点がある。そのために高所や交差点などの特に取替えのしにくい場所へ用いるのは有利である。
【０００５】
一方で、ＬＥＤの普及が進んでいない分野もある。
【０００６】
体育館や駅構内などの照明用や、競技場、球場、屋外施設、空港や港湾に用いられる屋外灯、自動車用のヘッドライトなどがこれにあたる。これらの省電力は望ましいが、一方で大光量を必要とする。同時に照明の取替えが煩雑となるために、長寿命が望まれる。
【０００７】
従来のＬＥＤパッケージの一例を図６に示す。
【０００８】
ＬＥＤパッケージは主としてＬＥＤ素子を有する発光部、素子へ電力を供給する電極部、発光部と電極部を電気的に接合するリードまたはバンプを構成として含む。電極部とヒートシンク部はガラスエポキシ樹脂などの絶縁体樹脂にて絶縁されている。
【０００９】
このようなＬＥＤパッケージからより多くの光量を取出すには、ＬＥＤ素子へ供給する電流値を上げれば大光量が得られる。ところが、問題として電流値を上げることにより、素子からはより多くの熱が発生することになり、ＬＥＤ素子が高温となり発光効率が著しく落ちるという問題がある。
【００１０】
この問題を解決するために、発光部と直接または間接的にヒートシンクを設けることができる。ヒートシンクはＣｕやＡｌなどの金属材料を主とする、安価で熱伝導性の良い材料が用いられる。
【００１１】
このヒートシンクを設けることである程度までの放熱は行なうことができ、ＬＥＤ素子を高熱から保護することは多くの場合可能である。
【００１２】
前記ヒートシンクは発光部と比較して大きな表面積及び容量を持たなければ、十分にその効果を発揮できずに発光部を中心として熱を効果的に逃がすことができなくなる。そのために、ヒートシンクは発光部と比較して通常１０〜数百倍の面積を持つのが一般的である。
【００１３】
ここで、ＬＥＤ素子と電極は変質しにくく電気抵抗が低いＡｕのような材質のワイヤーが用いられる。製造的には、ヒートシンク上に発光部と電極パターンを設け、それらをつなぐワイヤーをボンディングし、必要に応じて発光部を中心に樹脂封止する工程となる。ところが、直接電極を金属製のヒートシンクに直接パターンニングすることは、電流がヒートシンクへ流れてしまうため、できない。これを避けるには、電極とヒートシンクの間に絶縁体を挟むか、ヒートシンクの材質を絶縁性の物質に変える必要が生じる。
【００１４】
前者を選択するには、ヒートシンクとして絶縁性である樹脂かセラミックスを用いることが考えられるが、このうち樹脂はＬＥＤの素子からの発光が大光量になるほど、その光および発生する熱により劣化が進み、ＬＥＤパッケージの寿命が短くなる上に、後述する反射率が低下するために適さない。
【００１５】
一方、セラミックスを選択する場合は、前述の樹脂の劣化のような問題はないが、問題となるのは、これらセラミックスの熱膨張率である。熱膨張率はＣｕが１６．６（ｐｐｍ／Ｋ）、Ａｌが２３（ｐｐｍ／Ｋ）に対して、Ａｌ２Ｏ３が７．５（ｐｐｍ／Ｋ）、Ｓｉ３Ｎ４が３．５（ｐｐｍ／Ｋ）、ＺｒＯ２が１０．５（ｐｐｍ／Ｋ）、ＡｌＮが５（ｐｐｍ／Ｋ）と著しく低い。そのために、ＬＥＤパッケージの使用中に例えば常温より温度が１５０℃上昇すれば、直線距離が３ｍｍでＣｕのヒートシンクとＡｌ２Ｏ３の絶縁層であれば、両者間に約４μｍの長さの違いが生じる。ヒートシンク上にＡｌ２Ｏ３の膜を設け、昇温、降温のたびにこの長さが差として生じることは、両者を剥離をさせるのに十分である。剥離が起これば、そこから水分などがヒートシンクと封止樹脂間に入り込み、急激な昇温や降温にさらされるために、やがて封止樹脂とヒートシンクの剥離を生じさせる。結局、ヒートシンクをＣｕやＡｌなどの金属とした場合には、絶縁性セラミックスの熱膨張率がそれらの熱膨張率より小さいために、長期間の使用ができない。
【００１６】
次に後者を選択した場合であるが、絶縁体でかつ熱伝導率が十分に高い材質はＡｌＮ系セラミックス以外に実用できるものは見つかっていない。一般に入手できるＡｌＮセラミクスの熱伝導率は高いもので１８０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋのものもあり、熱伝導率の面ではヒートシンク材として使用できる。しかしながら、ＡｌＮ系セラミックスはＣｕやＡｌに対して極めて高価であり、安価に量産されるＬＥＤパッケージにはその価格が障碍となり採用できない。
【００１７】
以上をまとめると、現状では安価な絶縁性ヒートシンク材と、熱膨張がＣｕやＡｌなどの金属と近似した絶縁性セラミックスのいずれも工業的に得ることができず、大光量向けのＬＥＤの普及は滞っている状態である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平０５−２９９６９９
【特許文献２】特開平１１−３４６０２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明が解決すべき課題は、大光量用ＬＥＤ発光装置に用いるＬＥＤパッケージにおける電極部とヒートシンク部間の絶縁や熱膨張率差の問題を解決し、大光量を有するＬＥＤパッケージを安価に製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１に記載の本発明は、少なくともＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部と、ＬＥＤ素子に電力を供給する電極部と、ＬＥＤ発光部で発生した熱を放熱するヒートシンク部とを有し、前記電極部と前記ヒートシンク部を絶縁層にて絶縁したＬＥＤパッケージであって、前記ヒートシンク部の広面に前記ＬＥＤ発光部と、前記絶縁層を介して前記電極部とを設けた構造を有し、前記絶縁層に剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いたＬＥＤパッケージである。本発明のＬＥＤパッケージは大光量に対応するために、ヒートシンクを用いる。また、そのヒートシンクは、効率よい放熱のためにある程度の面積を必要とする。そのため、パッケージはヒートシンク上にＬＥＤ発光素子を含む発光部および発光部に電力供給する電極部を設ける構造が効率がよい。その際には、ヒートシンク部に絶縁性のセラミックス（たとえば窒化アルミ）を使用していない場合は、ヒートシンクに電流が流れてしまうために、電極部との間を絶縁する必要がある。絶縁層はヒートシンク材の熱膨張に対応するために、特に両者が接合されている場合、熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いることにより、両者を絶縁すると同時にヒートシンク部が熱膨張しても、ヒートシンク部、絶縁層、電極部のいずれも剥離や割れなどの破壊を起こさずに使用することができる。
接合は、同時に熱処理や焼付け、インクジェットやスクリーン印刷による固定、一方を塗布後に乾燥することによる一体化など、一定のせん断強度を有するように一体化できれば材料の形態および相性に合わせて選択可能である。
【００２１】
請求項３に記載の本発明は、前記接合のせん断接合強度が１００ｋＰａ以上である請求項２に記載のＬＥＤパッケージである。ヒートシンク部と絶縁層、絶縁層と電極部のせん断接合強度は１００ｋＰａ以上がよい。１００ｋＰａよりも低ければ、製造中や搬送中、使用中問わずに前記部材間に剥離が生じる恐れがあるためである。
【００２２】
請求項４に記載の本発明は、前記絶縁層の剛性率が前記せん断接合強度の１０００倍以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージである。絶縁層の剛性率は、その値が高ければ変形が容易でないために、ＬＥＤパッケージに温度変化がある際は絶縁層の熱膨張係数とヒートシンクの熱膨張係数が一致するか、極めて近くなければ、熱膨張係数が大きい方に接続面を介して引張られることになる。そのために、絶縁層はヒートシンク部との相対的な膨張または収縮に対して追従するのが望ましく、そのためには剛性率を低くする必要がある。
【００２３】
前記絶縁層の剛性率がせん断接合強度の１０００倍以上である場合、前記絶縁層とヒートシンク部との間に温度差が生じた際、熱膨張の差に伴う前記絶縁層のひずみ量が小さくなり、その結果前記絶縁層の応力の吸収能力が低下する結果、前記絶縁層とヒートシンク部との界面におけるせん断応力が大きくなりすぎ、前期絶縁層とヒートシンク界面において剥離が生じてしまう可能性が増大する。
【００２４】
請求項５に記載の本発明は、前記絶縁層の剛性率が１０ＧＰａ以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージである。
【００２５】
絶縁層の剛性率が高ければ、ヒートシンク部の熱膨張による引張りに追従することができず、絶縁層とヒートシンク部の熱膨張差により、密接に接した両者が剥離する。ヒートシンク部に例えば安価な金属であるアルミニウムや銅などを主とする材料を用いると、これらはセラミックス材料からなる絶縁層の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する。
【００２６】
ヒートシンク部と絶縁層の熱膨張係数が例えば１×１０−６（Ｋ−１）の差があれば、接している部分の長さ１ｍｍごとに、
１（ｍｍ）×１×１０−６（Ｋ−１）×１（Ｋ）＝１×１０−６（ｍｍ）
の長さの差が生じる。熱膨張係数の差が１０×１０−６（Ｋ−１）、温度が常温から１００Ｋ離れれば、その値は接している長さ１ｍｍあたり １×１０−３（ｍｍ）＝１（μｍ）となり、絶縁層の熱膨張量とは別にこの長さ伸張（または収縮）する材料でなければ絶縁層及びヒートシンクの破壊、もしくは両者の剥離が生じることになる。もちろん、これは前記条件の場合であり、これよりも絶縁層の伸縮が必要な条件もありえる。そのために必要な絶縁層の剛性率は１０ＧＰａ以下である。少なくとも１０ＧＰａ以下とすることで、用いられているヒートシンク材や温度条件、長さ、いずれにも破壊や剥離することなく追従することができ、現状のＬＥＤパッケージはもとより、実現されうるあらゆる大きさのＬＥＤパッケージで前記破損もしくは剥離を生じない。
【００２７】
絶縁層の剛性率の下限値は特に設けておらず、０でも構わないが、そのようなセラミックスは有り得ないために、実際はセラミックスの物性の限界により絶縁層の剛性率の下限は制限される。
【００２８】
請求項６に記載の本発明は前記セラミックスを主とする材料がセラミックス粒子の相と、その周囲を取り囲む無機結合相を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載のＬＥＤパッケージである。
【００２９】
このように前記セラミックスを主とする材料を、セラミックス粒子の相と、無機結合相の少なくとも２相とすることは、一方の相を熱膨張に追従可能な相とし、もう一方の相については後述する各種機能を持たせた相とすることができる。このように相の機能を分担させることにより、前記セラミックスを主とする材料を、各種機能を持ちつつ熱膨張に追従可能な材料とすることができる。
【００３０】
請求項７に記載の本発明は、前記無機結合相が金属アルコキシドの加水分解および脱水重合により形成された無機材質からなる請求項６に記載のＬＥＤパッケージである。
【００３１】
このように前記無機結合相を金属アルコキシドの加水分解および脱水重合により形成された無機材質とすることは、前記セラミックスを主とする材料の剛性率を低下させる機能を有する。剛性率を低くすることにより、ヒートシンク部および電極部との剥離が生じなくなる。
【００３２】
図５に模式図を示すように、ＬＥＤ発光部から発生した光は、直接照射したい対象に向かう部分（ａ）もあるが、ＬＥＤ発光部からは全方向に向かって発光しているために図中の（ｄ）や（ｅ）のようにそのほかの方向に向かう光は照射したい対象に直接到達しない。ここで、図中３の絶縁層が光を吸収しやすい材質であれば、光の多くの部分が照射対象には到達しなくなり、効率が悪化する。これに対処するには、絶縁層および設ける場合にはリフレクタを極力反射率の高い（＝光を吸収しにくい）材質とすればよい。そうすることにより、（ｄ）や（ｅ）のように絶縁層に照射された光も反射により照射対象に向かう量を増やすことができる（ｄ’）。
【００３３】
請求項８に記載の本発明は前記金属アルコキシドを成す金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒのいずれか１種またはそれ以上である請求項７に記載のＬＥＤパッケージである。
【００３４】
これらの金属元素が適している理由は以下の通りである。
【００３５】
Ａｌアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつＬＥＤ素子から発する光を好適に反射することができる（＝反射率が１に近い）ため、これを絶縁相としてＬＥＤパッケージに用いることが適している。この絶縁層を用いることにより、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３６】
Ｍｇアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつ反射率が１に近いために、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３７】
Ｓｉアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される透明の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつ透明であるため、前記セラミックス粒子を反射率が１に近い（＝＝反射率が１に近い）材料から選択し、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３８】
Ｔｉアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつ可視光領域においてＬＥＤ素子から発する光の反射率が１に近いために、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３９】
Ｚｒアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、反射率も１に近いために、ＬＥＤ素子から発する光を好適に反射することができるため、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
なお、これら金属アルコキシドを成す金属元素は単一で用いても良いが、２種以上の混合によっても用いることができ、その際にできる無機結合相はそれら金属アルコキシドの特性を併せたものとなる。
【００４０】
請求項９に記載の本発明は前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２のいずれか１種または２種以上を含み、前記絶縁体層の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上である請求項６に記載のＬＥＤパッケージである。
【００４１】
前記平均反射率は、硫酸バリウムの反射率を１００％とした相対値であり、島津製作所製の紫外可視光分光光度計ＵＶ３１５０を用いて測定した。前記絶縁体層の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上という値は、この方法にて得られた数値である。また、以後単に「平均反射率」と表記してこの方法による値を記載する。
【００４２】
セラミックスは前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＣａＳＯ４、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２（白鉛）のいずれか１種または２種以上からなるが、これは例えば前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２それぞれの高純度単体組成はもちろんのこと、これらに助剤や安定化剤を添加した低純度の組成や、これらの化合物も含む。
【００４３】
前記セラミックス粒子として、これらのセラミックスが適している理由は以下の通りである。
【００４４】
ＡｌＮは熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上と高いため、ＬＥＤパッケージの放熱をさらに向上させる機能を付加する。
【００４５】
Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯは熱伝導率がそれぞれ３０Ｗ／ｍＫ、４１Ｗ／ｍＫと極端に低くなく、かつ光の反射率が高いため、放熱性、光取り出し効率のバランスの取れたＬＥＤパッケージとすることができる。特にＭｇＯは平均反射率が９９％以上と高く、殆ど光を吸収せず、効率よく反射する。
【００４６】
ＢＮは熱伝導率が４０〜６０Ｗ／ｍＫと高く、反射率も１００％に近く、且つ剛性率も低いため放熱性、光取り出し効率、他部材との非剥離性のバランスの取れたＬＥＤパッケージとすることができる。
【００４７】
Ａｌ（ＯＨ）３、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＣａＳＯ４、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳはいずれも白色度が大きく、光取り出し効率の優れたＬＥＤパッケージとすることができる。特にＢａＳＯ４や（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２は平均反射率が９９％以上と極めて高く、ＬＥＤパッケージの光の取り出し効率を上げることができる。
【００４８】
請求項１０および１１に記載の本発明は、前記ヒートシンク部が金属を主成分とする材質からなる請求項１から請求項９のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ、および、特にその金属がＣｕかＡｌのいずれかであるＬＥＤパッケージである。ＬＥＤパッケージに用いるヒートシンク部には、熱伝導率が高い材料を用いる必要がある。特に本発明は大光量のＬＥＤ照明を中心に発明されたものであるために、その熱伝導はより高いものが要求される。同時に、様々な用途に実用されるためにはコストを低く抑える必要もある。
【００４９】
これらの要求に耐える材料は、金属または金属を主成分とする材料である。特にＣｕは熱伝導率が３９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）と優れており、材料の価格も低いためにコスト的にも有利である。同様にＡｌも熱伝導率が２３７（Ｗ／ｍ・Ｋ）と優れており、材料の価格も低いためにコスト的にも有利である。なお、ＣｕまたはＡｌはいずれも高純度である必要はなく、熱伝導率が極端に低くない範囲において、それぞれの合金を使用してもよい。
【００５０】
請求項１２および１３に記載の本発明は少なくともＬＥＤ搭載面にＬＥＤ素子から直接照射対象に向かわない光を反射し、照射対象方向へ向かう光量を増やす目的の光反射体であるリフレクタが設けられた請求項１から請求項１１のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ、およびそのリフレクタの光の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上であるＬＥＤパッケージである。
【００５１】
ＬＥＤ発光部にリフレクタを設けることは、光を照射したい対象物への投光量を増やせる結果、発光効率の高いＬＥＤパッケージとすることができ、またリフレクタの可視光反射率を８０％以上、より好ましくは９０％以上とすることにより、さらに効率の高いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００５２】
請求項１４に記載の本発明は前記ＬＥＤ発光部と、その周囲の絶縁層と、前記ＬＥＤ発光部に近接する電極部の少なくとも一部が、樹脂またはガラスにより封止された請求項１から請求項１３のいずれかに記載のＬＥＤパッケージである。
【００５３】
このように前記ＬＥＤ発光部と、その周囲の絶縁層と、前記ＬＥＤ発光部に近接する電極部の少なくとも一部を樹脂またはガラスにより封止することは、外部の環境からＬＥＤ発光部を保護し、その寿命を長くする効果を有する。
【発明の効果】
【００５４】
本発明はＬＥＤパッケージにおける放熱や熱膨張の問題を解決し、ＬＥＤパッケージを現在のものよりも大光量を得られるパッケージとでき、同時にコストも抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第一の形態（断面）
【図２】第一の形態（上面より）
【図３】第二の形態（断面）
【図４】第二の形態（上面より）
【図５】光の照射模式図
【図６】従来のＬＥＤパッケージの模式図
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本発明のＬＥＤパッケージは以下の構造とすることにより得られる。
【００５７】
ＬＥＤ素子は光量を増やすためには高電力を供給する必要がある。高電力化により生じる問題は、発生する熱の問題と、熱膨張による各部材間の相対的な変形である。このことは安価なヒートシンク材料（Ｃｕ、Ａｌなど。導電性がある）と、ヒートシンク材と絶縁して設けられる電極間の絶縁層の熱膨張率が大きく異なることに起因する。
【００５８】
本発明では絶縁層の材質を、剛性率が低い材質を使用することでこの問題を解決した。
【００５９】
パッケージの基部を構成するヒートシンク部上に各部材を設置した構造である。
【００６０】
図１および図２に示す第一の形態では、ヒートシンク部２の一広面上にＬＥＤ発光部とＬＥＤ発光部以外の部分には、剛性率が低くヒートシンク部２の熱膨張に追従可能なセラミックを主とする絶縁層３を設けている。この絶縁層３の働きにより、ヒートシンク部２上に電極箔または電極パターン４を形成することができる。電極パターン４はパッケージ外部の電源より電力を供給され（６）、ＬＥＤ発光部１に供給することでＬＥＤ素子を発光させる。ＬＥＤ素子の発光とともに発生した熱は、ＬＥＤ発光部１をヒートシンク上２に固定するボンディング材（図示せず）を介してヒートシンク部２に伝達して放熱される。ヒートシンク部２の温度上昇に伴いヒートシンク部２は膨張する。ヒートシンク部２上に設けられた絶縁層３はヒートシンク部３とともに熱膨張するが、この際に剛性率が高い、すなわち変形しにくい材質であると絶縁層３が破断するか、ヒートシンク部２との剥離が生じる。そのために絶縁層３を剛性率が低い、特に１０ＧＰａ以下の材質で構成することが適当である。この剛性率であれば、ヒートシンク部２の膨張に従って追従するために、絶縁層３の破断もヒートシンク部２との剥離も生じることがない。
【００６１】
絶縁層３はペースト状またはゲル状の前駆体材料を塗布し、乾燥固化させることによって形成できる。この前駆体材料は請求項７または請求項８に列記した金属アルコキシドの一部または全部が加水分解された状態のものを含んでいることが好ましく、乾燥固化は加水分解された金属アルコキシドが脱水重合を完了する温度以上で熱処理することが好ましい。この工程で絶縁層３とヒートシンク部２を接合できるが、両者を一定のせん断接合強度を持ち接合できるのであれば、接合方法はこの方法に限定されるものではない。
【００６２】
電極部４はこの絶縁層の上面（ヒートシンクと反対面）に設けることができる。電極の一端は電源と、もう一端はＬＥＤ発光部側と接続されている。ＬＥＤ発光部との接続は電気的に接続できて、耐熱性や耐候性に優れた材料で行なえばよい。最も簡便で適しているのは金属ワイヤーボンディングによる接合（５）である。
【００６３】
図３および図４示す第二の形態では、ヒートシンク部２上に絶縁層３を設け、この絶縁層３の上面（ヒートシンク側の裏面）に電極部４を設ける。電極はＬＥＤ素子に電力を供給するために少なくとも互いに接していない電極を、２部を設ければよい。ＬＥＤ素子発光部１はその２部に跨る状態で設置する。この構造の利点は、電極とＬＥＤ素子を直接接合するのが容易であり、第一の形態のようにボンディングワイヤー５を使用する必要がない。比較的不利な点としては、ＬＥＤ素子から発生した熱がヒートシンク部２に伝わる際に電極部４及び絶縁層３を介する点である。ＬＥＤ発光部１をヒートシンク部２に直接設置する場合に比べると、放熱特性がやや劣る。
【００６４】
以下に部材ごとに説明を加える。
【００６５】
（ＬＥＤ発光部）
ＬＥＤ発光部１が有するＬＥＤ素子は、特に限定するものではなく、大容量のＬＥＤを中心として紫外光、近紫外光、青色などどの波長を中心に発光するかに関わらず使用することができる。この際の大容量というのは消費電力として１０Ｗ程度のものから２０Ｗ程度、またはそれ以上のものを指す。
太陽光に近い光を求める場合には、近紫外光や青色を中心に発光するＬＥＤ素子を用い、黄色の光を示す蛍光体をＬＥＤ素子にコートすることで得ることができる。また、各種センサーや殺菌用光源、樹脂硬化用の光源などとして用いる場合には、紫外光を中心に発光するＬＥＤ素子を用いればよい。
ＬＥＤ発光部のヒートシンク部への固定はボンディング材を介して行う。ボンディング材としてはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、ハンダ、スズ等を含むものが適している。
【００６６】
（電極部）
電極部４は配線６を通じて外部からの電力をＬＥＤ発光部に供給する。電極の材質はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなど電気抵抗率の低い一般的な導電材料を用いればよい。
【００６７】
電極は絶縁層上にインクジェット形式やスクリーン印刷にて金属成分をパターンニングすることにより得られる。また、別の方法としては絶縁層上に金属箔を接着する方法でもよい。これらの方法で絶縁層上に電極部を接合できる。
また、図１および図２に示す形態のように、電極とＬＥＤ素子との接合にワイヤーを用いて接続してもよい。ワイヤーはＡｕの線が最もよいが、費用面で制限がある場合は電気抵抗が低く、耐久性のある他の金属線も使用できる。
【００６８】
（絶縁層）
絶縁層３は、正負電極間の短絡を絶ち、ＬＥＤ素子に正常な電力を供給できるようにする。さらに本発明では、絶縁層の材質には剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを用いる。このことは電流のＯＮおよびＯＦＦにより生じるＬＥＤパッケージの加熱および冷却に伴う、絶縁層とヒートシンク間の熱膨張差により生じる応力、およびあるいは絶縁層と電極間の熱膨張差により生じる応力を緩和し、各部材の破壊や部在韓の剥離を防ぎ、繰り返し使用に対する信頼性を向上させることができる。
【００６９】
ＬＥＤ素子からの発光は、照射対象方向に直接向かう光もあるが、いくらかの割合でパッケージ内の各部材に反射、吸収された上で照射対象方向に向かう光もある。一定の発光および電力で照射対象へ向かう光量を上げるには、各部材の光の反射率を上げ、吸収を抑えることにより、効率よく照射対象への光量を上げることができる。リフレクタはこの作用を狙って備えたものである。
【００７０】
図５に示すように本発明の形態で、照射対象に直接向かわない光が多く照射される部分は絶縁層部分と電極部分である。このうち面積の大部分を占める絶縁層の反射率は、照射対象に直接向かわない光の大部分が照射されている。そのために、絶縁層の反射率は光量を確保する上で重要な因子となる。吸収される光量が大きければ、同じ明るさを出すためにより高い電力が必要となり、その結果発熱も大きくなるためである。絶縁層の反射率を上げるためには、絶縁相中のセラミック粒子の材質を反射率の高い材質とすればよい。反射率が高く、前記無機結合相やヒートシンク部、電極部材料と化学反応を起こさない物質をセラミック粒子として用いることが好ましい。セラミック粒子として適当なのは酸化マグネシウム、硫酸バリウム、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、白鉛、硫化亜鉛、酸化亜鉛などの単体で平均反射率が高い材質である。これらをセラミックス粒子として用いることにより、３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上より好ましくは９０％以上の絶縁体を得ることができる。
また、前述の第二の形態では、電極上にＬＥＤ素子を設置する構造であり、ＬＥＤ素子で発生した熱の伝達が、ＬＥＤ素子〜絶縁層〜ヒートシンク と伝達するために、絶縁層自体も熱伝導率が高いほうが望ましい。熱伝導率を上げるには絶縁層中の前記フィラーをＡｌＮのような熱伝導率の高い物質を選択することで実現できる。
【００７１】
（ヒートシンク部）
ヒートシンク部２には前述のように熱伝導率の高い金属を用いる。ヒートシンクはその表面積が大きいほど冷却効果が上がるために、素子を搭載していない面、主に裏面には表面積を上げるために凹凸のある形状としてもよい。面積を広げるために大きくしてもよいが、素材の費用がかかることと、スペースを多く使うことから制限を受けることも多い。
ヒートシンクの材料としては安価で熱伝導率の高いＣｕやＡｌまたはそれらを主とする合金が適している。
【００７２】
（リフレクタ）
リフレクタ７はＬＥＤ素子の発光の吸収を少なくし、パッケージ外部に放射する光量を上げるために有効である。本発明ではリフレクタを必須の要件として挙げていない。これは、リフレクタを設けることによりコストが上がることがあり、また、パッケージスペースの都合上リフレクタを設ける十分なスペースが確保できないことがあるからである。光量の面だけから述べればリフレクタを設ける方が望ましい。そのために、用途やコストによって設けるか設けないかを選択すればよい。
【００７３】
なお、リフレクタに必要な要件としては、耐熱性が十分であること、光の反射率が高いこと、化学的安定性が高く耐久性があること等が挙げられる。その意味では上で説明した絶縁層と同材質をその表面に用いてもよい。また、図１や図３に描いているように、形状はＬＥＤパッケージの構造に合わせて、照射対象方向に光が照射されるように適宜選択すべきである。
【符号の説明】
【００７４】
１ ＬＥＤ発光部
２ ヒートシンク部
３ 絶縁層
４ 電極部
５ ボンディングワイヤー
６ 電源への配線
７ リフレクタ
８ 樹脂などの絶縁層
９ 光を照射したい対象
１０ ＬＥＤパッケージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた発光装置のパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤを用いた発光装置は照明、光源、テレビなどに幅広く用いられている。
【０００３】
それらの発光装置は、従来の放電灯、蛍光灯やフィラメントを用いた発光よりも省電力にて遜色ない発光を行なうことができ、エネルギー的に有利である。特に携帯電話や携帯用ＧＰＳ地図、携帯用ゲーム機などは、持ち歩きが前提であるために電池にて駆動する。消費電力を抑えることはそれらの電池部分を軽量かつ小容量にすることができ、小型化や軽量化、電池以外の機能のための空間を確保することに有用である。
【０００４】
このようにＬＥＤは、省電力をその特徴とするが、同様にフィラメントや蛍光灯などに比べて長寿命という利点がある。そのために高所や交差点などの特に取替えのしにくい場所へ用いるのは有利である。
【０００５】
一方で、ＬＥＤの普及が進んでいない分野もある。
【０００６】
体育館や駅構内などの照明用や、競技場、球場、屋外施設、空港や港湾に用いられる屋外灯、自動車用のヘッドライトなどがこれにあたる。これらの省電力は望ましいが、一方で大光量を必要とする。同時に照明の取替えが煩雑となるために、長寿命が望まれる。
【０００７】
従来のＬＥＤパッケージの一例を図６に示す。
【０００８】
ＬＥＤパッケージは主としてＬＥＤ素子を有する発光部、素子へ電力を供給する電極部、発光部と電極部を電気的に接合するリードまたはバンプを構成として含む。電極部とヒートシンク部はガラスエポキシ樹脂などの絶縁体樹脂にて絶縁されている。
【０００９】
このようなＬＥＤパッケージからより多くの光量を取出すには、ＬＥＤ素子へ供給する電流値を上げれば大光量が得られる。ところが、問題として電流値を上げることにより、素子からはより多くの熱が発生することになり、ＬＥＤ素子が高温となり発光効率が著しく落ちるという問題がある。
【００１０】
この問題を解決するために、発光部と直接または間接的にヒートシンクを設けることができる。ヒートシンクはＣｕやＡｌなどの金属材料を主とする、安価で熱伝導性の良い材料が用いられる。
【００１１】
このヒートシンクを設けることである程度までの放熱は行なうことができ、ＬＥＤ素子を高熱から保護することは多くの場合可能である。
【００１２】
前記ヒートシンクは発光部と比較して大きな表面積及び容量を持たなければ、十分にその効果を発揮できずに発光部を中心として熱を効果的に逃がすことができなくなる。そのために、ヒートシンクは発光部と比較して通常１０〜数百倍の面積を持つのが一般的である。
【００１３】
ここで、ＬＥＤ素子と電極は変質しにくく電気抵抗が低いＡｕのような材質のワイヤーが用いられる。製造的には、ヒートシンク上に発光部と電極パターンを設け、それらをつなぐワイヤーをボンディングし、必要に応じて発光部を中心に樹脂封止する工程となる。ところが、直接電極を金属製のヒートシンクに直接パターンニングすることは、電流がヒートシンクへ流れてしまうため、できない。これを避けるには、電極とヒートシンクの間に絶縁体を挟むか、ヒートシンクの材質を絶縁性の物質に変える必要が生じる。
【００１４】
前者を選択するには、ヒートシンクとして絶縁性である樹脂かセラミックスを用いることが考えられるが、このうち樹脂はＬＥＤの素子からの発光が大光量になるほど、その光および発生する熱により劣化が進み、ＬＥＤパッケージの寿命が短くなる上に、後述する反射率が低下するために適さない。
【００１５】
一方、セラミックスを選択する場合は、前述の樹脂の劣化のような問題はないが、問題となるのは、これらセラミックスの熱膨張率である。熱膨張率はＣｕが１６．６（ｐｐｍ／Ｋ）、Ａｌが２３（ｐｐｍ／Ｋ）に対して、Ａｌ２Ｏ３が７．５（ｐｐｍ／Ｋ）、Ｓｉ３Ｎ４が３．５（ｐｐｍ／Ｋ）、ＺｒＯ２が１０．５（ｐｐｍ／Ｋ）、ＡｌＮが５（ｐｐｍ／Ｋ）と著しく低い。そのために、ＬＥＤパッケージの使用中に例えば常温より温度が１５０℃上昇すれば、直線距離が３ｍｍでＣｕのヒートシンクとＡｌ２Ｏ３の絶縁層であれば、両者間に約４μｍの長さの違いが生じる。ヒートシンク上にＡｌ２Ｏ３の膜を設け、昇温、降温のたびにこの長さが差として生じることは、両者を剥離をさせるのに十分である。剥離が起これば、そこから水分などがヒートシンクと封止樹脂間に入り込み、急激な昇温や降温にさらされるために、やがて封止樹脂とヒートシンクの剥離を生じさせる。結局、ヒートシンクをＣｕやＡｌなどの金属とした場合には、絶縁性セラミックスの熱膨張率がそれらの熱膨張率より小さいために、長期間の使用ができない。
【００１６】
次に後者を選択した場合であるが、絶縁体でかつ熱伝導率が十分に高い材質はＡｌＮ系セラミックス以外に実用できるものは見つかっていない。一般に入手できるＡｌＮセラミクスの熱伝導率は高いもので１８０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋのものもあり、熱伝導率の面ではヒートシンク材として使用できる。しかしながら、ＡｌＮ系セラミックスはＣｕやＡｌに対して極めて高価であり、安価に量産されるＬＥＤパッケージにはその価格が障碍となり採用できない。
【００１７】
以上をまとめると、現状では安価な絶縁性ヒートシンク材と、熱膨張がＣｕやＡｌなどの金属と近似した絶縁性セラミックスのいずれも工業的に得ることができず、大光量向けのＬＥＤの普及は滞っている状態である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平０５−２９９６９９
【特許文献２】特開平１１−３４６０２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明が解決すべき課題は、大光量用ＬＥＤ発光装置に用いるＬＥＤパッケージにおける電極部とヒートシンク部間の絶縁や熱膨張率差の問題を解決し、大光量を有するＬＥＤパッケージを安価に製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１に記載の本発明は、少なくともＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部と、ＬＥＤ素子に電力を供給する電極部と、ＬＥＤ発光部で発生した熱を放熱するヒートシンク部とを有し、前記電極部と前記ヒートシンク部を絶縁層にて絶縁したＬＥＤパッケージであって、前記ヒートシンク部の広面に前記ＬＥＤ発光部と、前記絶縁層を介して前記電極部とを設けた構造を有し、前記絶縁層に剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いたＬＥＤパッケージである。本発明のＬＥＤパッケージは大光量に対応するために、ヒートシンクを用いる。また、そのヒートシンクは、効率よい放熱のためにある程度の面積を必要とする。そのため、パッケージはヒートシンク上にＬＥＤ発光素子を含む発光部および発光部に電力供給する電極部を設ける構造が効率がよい。その際には、ヒートシンク部に絶縁性のセラミックス（たとえば窒化アルミ）を使用していない場合は、ヒートシンクに電流が流れてしまうために、電極部との間を絶縁する必要がある。絶縁層はヒートシンク材の熱膨張に対応するために、特に両者が接合されている場合、熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いることにより、両者を絶縁すると同時にヒートシンク部が熱膨張しても、ヒートシンク部、絶縁層、電極部のいずれも剥離や割れなどの破壊を起こさずに使用することができる。
接合は、同時に熱処理や焼付け、インクジェットやスクリーン印刷による固定、一方を塗布後に乾燥することによる一体化など、一定のせん断強度を有するように一体化できれば材料の形態および相性に合わせて選択可能である。
【００２１】
請求項３に記載の本発明は、前記接合のせん断接合強度が１００ｋＰａ以上である請求項２に記載のＬＥＤパッケージである。ヒートシンク部と絶縁層、絶縁層と電極部のせん断接合強度は１００ｋＰａ以上がよい。１００ｋＰａよりも低ければ、製造中や搬送中、使用中問わずに前記部材間に剥離が生じる恐れがあるためである。
【００２２】
請求項４に記載の本発明は、前記絶縁層の剛性率が前記せん断接合強度の１０００倍以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージである。絶縁層の剛性率は、その値が高ければ変形が容易でないために、ＬＥＤパッケージに温度変化がある際は絶縁層の熱膨張係数とヒートシンクの熱膨張係数が一致するか、極めて近くなければ、熱膨張係数が大きい方に接続面を介して引張られることになる。そのために、絶縁層はヒートシンク部との相対的な膨張または収縮に対して追従するのが望ましく、そのためには剛性率を低くする必要がある。
【００２３】
前記絶縁層の剛性率がせん断接合強度の１０００倍以上である場合、前記絶縁層とヒートシンク部との間に温度差が生じた際、熱膨張の差に伴う前記絶縁層のひずみ量が小さくなり、その結果前記絶縁層の応力の吸収能力が低下する結果、前記絶縁層とヒートシンク部との界面におけるせん断応力が大きくなりすぎ、前期絶縁層とヒートシンク界面において剥離が生じてしまう可能性が増大する。
【００２４】
請求項５に記載の本発明は、前記絶縁層の剛性率が１０ＧＰａ以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージである。
【００２５】
絶縁層の剛性率が高ければ、ヒートシンク部の熱膨張による引張りに追従することができず、絶縁層とヒートシンク部の熱膨張差により、密接に接した両者が剥離する。ヒートシンク部に例えば安価な金属であるアルミニウムや銅などを主とする材料を用いると、これらはセラミックス材料からなる絶縁層の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する。
【００２６】
ヒートシンク部と絶縁層の熱膨張係数が例えば１×１０−６（Ｋ−１）の差があれば、接している部分の長さ１ｍｍごとに、
１（ｍｍ）×１×１０−６（Ｋ−１）×１（Ｋ）＝１×１０−６（ｍｍ）
の長さの差が生じる。熱膨張係数の差が１０×１０−６（Ｋ−１）、温度が常温から１００Ｋ離れれば、その値は接している長さ１ｍｍあたり １×１０−３（ｍｍ）＝１（μｍ）となり、絶縁層の熱膨張量とは別にこの長さ伸張（または収縮）する材料でなければ絶縁層及びヒートシンクの破壊、もしくは両者の剥離が生じることになる。もちろん、これは前記条件の場合であり、これよりも絶縁層の伸縮が必要な条件もありえる。そのために必要な絶縁層の剛性率は１０ＧＰａ以下である。少なくとも１０ＧＰａ以下とすることで、用いられているヒートシンク材や温度条件、長さ、いずれにも破壊や剥離することなく追従することができ、現状のＬＥＤパッケージはもとより、実現されうるあらゆる大きさのＬＥＤパッケージで前記破損もしくは剥離を生じない。
【００２７】
絶縁層の剛性率の下限値は特に設けておらず、０でも構わないが、そのようなセラミックスは有り得ないために、実際はセラミックスの物性の限界により絶縁層の剛性率の下限は制限される。
【００２８】
請求項６に記載の本発明は前記セラミックスを主とする材料がセラミックス粒子の相と、その周囲を取り囲む無機結合相を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載のＬＥＤパッケージである。
【００２９】
このように前記セラミックスを主とする材料を、セラミックス粒子の相と、無機結合相の少なくとも２相とすることは、一方の相を熱膨張に追従可能な相とし、もう一方の相については後述する各種機能を持たせた相とすることができる。このように相の機能を分担させることにより、前記セラミックスを主とする材料を、各種機能を持ちつつ熱膨張に追従可能な材料とすることができる。
【００３０】
請求項７に記載の本発明は、前記無機結合相が金属アルコキシドの加水分解および脱水重合により形成された無機材質からなる請求項６に記載のＬＥＤパッケージである。
【００３１】
このように前記無機結合相を金属アルコキシドの加水分解および脱水重合により形成された無機材質とすることは、前記セラミックスを主とする材料の剛性率を低下させる機能を有する。剛性率を低くすることにより、ヒートシンク部および電極部との剥離が生じなくなる。
【００３２】
図５に模式図を示すように、ＬＥＤ発光部から発生した光は、直接照射したい対象に向かう部分（ａ）もあるが、ＬＥＤ発光部からは全方向に向かって発光しているために図中の（ｄ）や（ｅ）のようにそのほかの方向に向かう光は照射したい対象に直接到達しない。ここで、図中３の絶縁層が光を吸収しやすい材質であれば、光の多くの部分が照射対象には到達しなくなり、効率が悪化する。これに対処するには、絶縁層および設ける場合にはリフレクタを極力反射率の高い（＝光を吸収しにくい）材質とすればよい。そうすることにより、（ｄ）や（ｅ）のように絶縁層に照射された光も反射により照射対象に向かう量を増やすことができる（ｄ’）。
【００３３】
請求項８に記載の本発明は前記金属アルコキシドを成す金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒのいずれか１種またはそれ以上である請求項７に記載のＬＥＤパッケージである。
【００３４】
これらの金属元素が適している理由は以下の通りである。
【００３５】
Ａｌアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつＬＥＤ素子から発する光を好適に反射することができる（＝反射率が１に近い）ため、これを絶縁相としてＬＥＤパッケージに用いることが適している。この絶縁層を用いることにより、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３６】
Ｍｇアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつ反射率が１に近いために、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３７】
Ｓｉアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される透明の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつ透明であるため、前記セラミックス粒子を反射率が１に近い（＝＝反射率が１に近い）材料から選択し、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３８】
Ｔｉアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、かつ可視光領域においてＬＥＤ素子から発する光の反射率が１に近いために、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００３９】
Ｚｒアルコキシドの加水分解・縮合重合により生成される白色の材質は、剛性率が５０ＭＰａ以下と低く、反射率も１に近いために、ＬＥＤ素子から発する光を好適に反射することができるため、これをＬＥＤパッケージに用いることで、熱膨張に起因する他部材との剥離がなく、かつ光取り出し効率の良いＬＥＤパッケージとすることができる。
なお、これら金属アルコキシドを成す金属元素は単一で用いても良いが、２種以上の混合によっても用いることができ、その際にできる無機結合相はそれら金属アルコキシドの特性を併せたものとなる。
【００４０】
請求項９に記載の本発明は前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２のいずれか１種または２種以上を含み、前記絶縁体層の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上である請求項６に記載のＬＥＤパッケージである。
【００４１】
前記平均反射率は、硫酸バリウムの反射率を１００％とした相対値であり、島津製作所製の紫外可視光分光光度計ＵＶ３１５０を用いて測定した。前記絶縁体層の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上という値は、この方法にて得られた数値である。また、以後単に「平均反射率」と表記してこの方法による値を記載する。
【００４２】
セラミックスは前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＣａＳＯ４、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２（白鉛）のいずれか１種または２種以上からなるが、これは例えば前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２それぞれの高純度単体組成はもちろんのこと、これらに助剤や安定化剤を添加した低純度の組成や、これらの化合物も含む。
【００４３】
前記セラミックス粒子として、これらのセラミックスが適している理由は以下の通りである。
【００４４】
ＡｌＮは熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫ以上と高いため、ＬＥＤパッケージの放熱をさらに向上させる機能を付加する。
【００４５】
Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯは熱伝導率がそれぞれ３０Ｗ／ｍＫ、４１Ｗ／ｍＫと極端に低くなく、かつ光の反射率が高いため、放熱性、光取り出し効率のバランスの取れたＬＥＤパッケージとすることができる。特にＭｇＯは平均反射率が９９％以上と高く、殆ど光を吸収せず、効率よく反射する。
【００４６】
ＢＮは熱伝導率が４０〜６０Ｗ／ｍＫと高く、反射率も１００％に近く、且つ剛性率も低いため放熱性、光取り出し効率、他部材との非剥離性のバランスの取れたＬＥＤパッケージとすることができる。
【００４７】
Ａｌ（ＯＨ）３、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＣａＳＯ４、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳはいずれも白色度が大きく、光取り出し効率の優れたＬＥＤパッケージとすることができる。特にＢａＳＯ４や（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２は平均反射率が９９％以上と極めて高く、ＬＥＤパッケージの光の取り出し効率を上げることができる。
【００４８】
請求項１０および１１に記載の本発明は、前記ヒートシンク部が金属を主成分とする材質からなる請求項１から請求項９のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ、および、特にその金属がＣｕかＡｌのいずれかであるＬＥＤパッケージである。ＬＥＤパッケージに用いるヒートシンク部には、熱伝導率が高い材料を用いる必要がある。特に本発明は大光量のＬＥＤ照明を中心に発明されたものであるために、その熱伝導はより高いものが要求される。同時に、様々な用途に実用されるためにはコストを低く抑える必要もある。
【００４９】
これらの要求に耐える材料は、金属または金属を主成分とする材料である。特にＣｕは熱伝導率が３９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）と優れており、材料の価格も低いためにコスト的にも有利である。同様にＡｌも熱伝導率が２３７（Ｗ／ｍ・Ｋ）と優れており、材料の価格も低いためにコスト的にも有利である。なお、ＣｕまたはＡｌはいずれも高純度である必要はなく、熱伝導率が極端に低くない範囲において、それぞれの合金を使用してもよい。
【００５０】
請求項１２および１３に記載の本発明は少なくともＬＥＤ搭載面にＬＥＤ素子から直接照射対象に向かわない光を反射し、照射対象方向へ向かう光量を増やす目的の光反射体であるリフレクタが設けられた請求項１から請求項１１のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ、およびそのリフレクタの光の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上であるＬＥＤパッケージである。
【００５１】
ＬＥＤ発光部にリフレクタを設けることは、光を照射したい対象物への投光量を増やせる結果、発光効率の高いＬＥＤパッケージとすることができ、またリフレクタの可視光反射率を８０％以上、より好ましくは９０％以上とすることにより、さらに効率の高いＬＥＤパッケージとすることができる。
【００５２】
請求項１４に記載の本発明は前記ＬＥＤ発光部と、その周囲の絶縁層と、前記ＬＥＤ発光部に近接する電極部の少なくとも一部が、樹脂またはガラスにより封止された請求項１から請求項１３のいずれかに記載のＬＥＤパッケージである。
【００５３】
このように前記ＬＥＤ発光部と、その周囲の絶縁層と、前記ＬＥＤ発光部に近接する電極部の少なくとも一部を樹脂またはガラスにより封止することは、外部の環境からＬＥＤ発光部を保護し、その寿命を長くする効果を有する。
【発明の効果】
【００５４】
本発明はＬＥＤパッケージにおける放熱や熱膨張の問題を解決し、ＬＥＤパッケージを現在のものよりも大光量を得られるパッケージとでき、同時にコストも抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第一の形態（断面）
【図２】第一の形態（上面より）
【図３】第二の形態（断面）
【図４】第二の形態（上面より）
【図５】光の照射模式図
【図６】従来のＬＥＤパッケージの模式図
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本発明のＬＥＤパッケージは以下の構造とすることにより得られる。
【００５７】
ＬＥＤ素子は光量を増やすためには高電力を供給する必要がある。高電力化により生じる問題は、発生する熱の問題と、熱膨張による各部材間の相対的な変形である。このことは安価なヒートシンク材料（Ｃｕ、Ａｌなど。導電性がある）と、ヒートシンク材と絶縁して設けられる電極間の絶縁層の熱膨張率が大きく異なることに起因する。
【００５８】
本発明では絶縁層の材質を、剛性率が低い材質を使用することでこの問題を解決した。
【００５９】
パッケージの基部を構成するヒートシンク部上に各部材を設置した構造である。
【００６０】
図１および図２に示す第一の形態では、ヒートシンク部２の一広面上にＬＥＤ発光部とＬＥＤ発光部以外の部分には、剛性率が低くヒートシンク部２の熱膨張に追従可能なセラミックを主とする絶縁層３を設けている。この絶縁層３の働きにより、ヒートシンク部２上に電極箔または電極パターン４を形成することができる。電極パターン４はパッケージ外部の電源より電力を供給され（６）、ＬＥＤ発光部１に供給することでＬＥＤ素子を発光させる。ＬＥＤ素子の発光とともに発生した熱は、ＬＥＤ発光部１をヒートシンク上２に固定するボンディング材（図示せず）を介してヒートシンク部２に伝達して放熱される。ヒートシンク部２の温度上昇に伴いヒートシンク部２は膨張する。ヒートシンク部２上に設けられた絶縁層３はヒートシンク部３とともに熱膨張するが、この際に剛性率が高い、すなわち変形しにくい材質であると絶縁層３が破断するか、ヒートシンク部２との剥離が生じる。そのために絶縁層３を剛性率が低い、特に１０ＧＰａ以下の材質で構成することが適当である。この剛性率であれば、ヒートシンク部２の膨張に従って追従するために、絶縁層３の破断もヒートシンク部２との剥離も生じることがない。
【００６１】
絶縁層３はペースト状またはゲル状の前駆体材料を塗布し、乾燥固化させることによって形成できる。この前駆体材料は請求項７または請求項８に列記した金属アルコキシドの一部または全部が加水分解された状態のものを含んでいることが好ましく、乾燥固化は加水分解された金属アルコキシドが脱水重合を完了する温度以上で熱処理することが好ましい。この工程で絶縁層３とヒートシンク部２を接合できるが、両者を一定のせん断接合強度を持ち接合できるのであれば、接合方法はこの方法に限定されるものではない。
【００６２】
電極部４はこの絶縁層の上面（ヒートシンクと反対面）に設けることができる。電極の一端は電源と、もう一端はＬＥＤ発光部側と接続されている。ＬＥＤ発光部との接続は電気的に接続できて、耐熱性や耐候性に優れた材料で行なえばよい。最も簡便で適しているのは金属ワイヤーボンディングによる接合（５）である。
【００６３】
図３および図４示す第二の形態では、ヒートシンク部２上に絶縁層３を設け、この絶縁層３の上面（ヒートシンク側の裏面）に電極部４を設ける。電極はＬＥＤ素子に電力を供給するために少なくとも互いに接していない電極を、２部を設ければよい。ＬＥＤ素子発光部１はその２部に跨る状態で設置する。この構造の利点は、電極とＬＥＤ素子を直接接合するのが容易であり、第一の形態のようにボンディングワイヤー５を使用する必要がない。比較的不利な点としては、ＬＥＤ素子から発生した熱がヒートシンク部２に伝わる際に電極部４及び絶縁層３を介する点である。ＬＥＤ発光部１をヒートシンク部２に直接設置する場合に比べると、放熱特性がやや劣る。
【００６４】
以下に部材ごとに説明を加える。
【００６５】
（ＬＥＤ発光部）
ＬＥＤ発光部１が有するＬＥＤ素子は、特に限定するものではなく、大容量のＬＥＤを中心として紫外光、近紫外光、青色などどの波長を中心に発光するかに関わらず使用することができる。この際の大容量というのは消費電力として１０Ｗ程度のものから２０Ｗ程度、またはそれ以上のものを指す。
太陽光に近い光を求める場合には、近紫外光や青色を中心に発光するＬＥＤ素子を用い、黄色の光を示す蛍光体をＬＥＤ素子にコートすることで得ることができる。また、各種センサーや殺菌用光源、樹脂硬化用の光源などとして用いる場合には、紫外光を中心に発光するＬＥＤ素子を用いればよい。
ＬＥＤ発光部のヒートシンク部への固定はボンディング材を介して行う。ボンディング材としてはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、ハンダ、スズ等を含むものが適している。
【００６６】
（電極部）
電極部４は配線６を通じて外部からの電力をＬＥＤ発光部に供給する。電極の材質はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなど電気抵抗率の低い一般的な導電材料を用いればよい。
【００６７】
電極は絶縁層上にインクジェット形式やスクリーン印刷にて金属成分をパターンニングすることにより得られる。また、別の方法としては絶縁層上に金属箔を接着する方法でもよい。これらの方法で絶縁層上に電極部を接合できる。
また、図１および図２に示す形態のように、電極とＬＥＤ素子との接合にワイヤーを用いて接続してもよい。ワイヤーはＡｕの線が最もよいが、費用面で制限がある場合は電気抵抗が低く、耐久性のある他の金属線も使用できる。
【００６８】
（絶縁層）
絶縁層３は、正負電極間の短絡を絶ち、ＬＥＤ素子に正常な電力を供給できるようにする。さらに本発明では、絶縁層の材質には剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを用いる。このことは電流のＯＮおよびＯＦＦにより生じるＬＥＤパッケージの加熱および冷却に伴う、絶縁層とヒートシンク間の熱膨張差により生じる応力、およびあるいは絶縁層と電極間の熱膨張差により生じる応力を緩和し、各部材の破壊や部在韓の剥離を防ぎ、繰り返し使用に対する信頼性を向上させることができる。
【００６９】
ＬＥＤ素子からの発光は、照射対象方向に直接向かう光もあるが、いくらかの割合でパッケージ内の各部材に反射、吸収された上で照射対象方向に向かう光もある。一定の発光および電力で照射対象へ向かう光量を上げるには、各部材の光の反射率を上げ、吸収を抑えることにより、効率よく照射対象への光量を上げることができる。リフレクタはこの作用を狙って備えたものである。
【００７０】
図５に示すように本発明の形態で、照射対象に直接向かわない光が多く照射される部分は絶縁層部分と電極部分である。このうち面積の大部分を占める絶縁層の反射率は、照射対象に直接向かわない光の大部分が照射されている。そのために、絶縁層の反射率は光量を確保する上で重要な因子となる。吸収される光量が大きければ、同じ明るさを出すためにより高い電力が必要となり、その結果発熱も大きくなるためである。絶縁層の反射率を上げるためには、絶縁相中のセラミック粒子の材質を反射率の高い材質とすればよい。反射率が高く、前記無機結合相やヒートシンク部、電極部材料と化学反応を起こさない物質をセラミック粒子として用いることが好ましい。セラミック粒子として適当なのは酸化マグネシウム、硫酸バリウム、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、白鉛、硫化亜鉛、酸化亜鉛などの単体で平均反射率が高い材質である。これらをセラミックス粒子として用いることにより、３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上より好ましくは９０％以上の絶縁体を得ることができる。
また、前述の第二の形態では、電極上にＬＥＤ素子を設置する構造であり、ＬＥＤ素子で発生した熱の伝達が、ＬＥＤ素子〜絶縁層〜ヒートシンク と伝達するために、絶縁層自体も熱伝導率が高いほうが望ましい。熱伝導率を上げるには絶縁層中の前記フィラーをＡｌＮのような熱伝導率の高い物質を選択することで実現できる。
【００７１】
（ヒートシンク部）
ヒートシンク部２には前述のように熱伝導率の高い金属を用いる。ヒートシンクはその表面積が大きいほど冷却効果が上がるために、素子を搭載していない面、主に裏面には表面積を上げるために凹凸のある形状としてもよい。面積を広げるために大きくしてもよいが、素材の費用がかかることと、スペースを多く使うことから制限を受けることも多い。
ヒートシンクの材料としては安価で熱伝導率の高いＣｕやＡｌまたはそれらを主とする合金が適している。
【００７２】
（リフレクタ）
リフレクタ７はＬＥＤ素子の発光の吸収を少なくし、パッケージ外部に放射する光量を上げるために有効である。本発明ではリフレクタを必須の要件として挙げていない。これは、リフレクタを設けることによりコストが上がることがあり、また、パッケージスペースの都合上リフレクタを設ける十分なスペースが確保できないことがあるからである。光量の面だけから述べればリフレクタを設ける方が望ましい。そのために、用途やコストによって設けるか設けないかを選択すればよい。
【００７３】
なお、リフレクタに必要な要件としては、耐熱性が十分であること、光の反射率が高いこと、化学的安定性が高く耐久性があること等が挙げられる。その意味では上で説明した絶縁層と同材質をその表面に用いてもよい。また、図１や図３に描いているように、形状はＬＥＤパッケージの構造に合わせて、照射対象方向に光が照射されるように適宜選択すべきである。
【符号の説明】
【００７４】
１ ＬＥＤ発光部
２ ヒートシンク部
３ 絶縁層
４ 電極部
５ ボンディングワイヤー
６ 電源への配線
７ リフレクタ
８ 樹脂などの絶縁層
９ 光を照射したい対象
１０ ＬＥＤパッケージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも
ＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部と、
ＬＥＤ素子に電力を供給する電極部と、
ＬＥＤ発光部で発生した熱を放熱するヒートシンク部
とを有し、前記電極部と前記ヒートシンク部を絶縁層にて絶縁したＬＥＤパッケージであって、
前記ヒートシンク部の広面に前記ＬＥＤ発光部と、前記絶縁層を介して前記電極部とを設けた構造を有し、
前記絶縁層に剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いた
ＬＥＤパッケージ。
【請求項２】
前記電極部と絶縁層、および、絶縁層とヒートシンク部が接合されている請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項３】
前記接合のせん断接合強度がいずれも１００ｋＰａ以上である請求項２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項４】
前記絶縁層の剛性率が前記せん断接合強度の１０００倍以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項５】
前記絶縁層の剛性率が１０ＧＰａ以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項６】
前記セラミックスを主とする材料がセラミックス粒子の相と、その周囲を取り囲む無機結合相を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項７】
前記無機結合相が金属アルコキシドの加水分解および脱水重合により形成された無機材質からなる請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項８】
前記金属アルコキシドを成す金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒのいずれか１種またはそれ以上である請求項７に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項９】
前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２のいずれか１種または２種以上を含み、前記絶縁体層の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上である請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１０】
前記ヒートシンク部が金属を主成分とする材質からなる請求項１から請求項９のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の金属が特にＣｕまたはＡｌである請求項１０に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１２】
少なくともＬＥＤ搭載面にＬＥＤ素子から直接照射対象に向かわない光を反射し、照射対象方向へ向かう光量を増やす目的の光反射体であるリフレクタが設けられた請求項１から請求項１１のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１３】
前記リフレクタの３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上である請求項１２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ発光部と、その周囲の絶縁層と、前記ＬＥＤ発光部に近接する電極部の少なくとも一部が、樹脂またはガラスにより封止された請求項１から請求項１３のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１】
少なくとも
ＬＥＤ素子を有するＬＥＤ発光部と、
ＬＥＤ素子に電力を供給する電極部と、
ＬＥＤ発光部で発生した熱を放熱するヒートシンク部
とを有し、前記電極部と前記ヒートシンク部を絶縁層にて絶縁したＬＥＤパッケージであって、
前記ヒートシンク部の広面に前記ＬＥＤ発光部と、前記絶縁層を介して前記電極部とを設けた構造を有し、
前記絶縁層に剛性率が低く、ヒートシンク部の熱膨張に追従可能なセラミックスを主とする材料を用いた
ＬＥＤパッケージ。
【請求項２】
前記電極部と絶縁層、および、絶縁層とヒートシンク部が接合されている請求項１に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項３】
前記接合のせん断接合強度がいずれも１００ｋＰａ以上である請求項２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項４】
前記絶縁層の剛性率が前記せん断接合強度の１０００倍以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項５】
前記絶縁層の剛性率が１０ＧＰａ以下である請求項３に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項６】
前記セラミックスを主とする材料がセラミックス粒子の相と、その周囲を取り囲む無機結合相を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項７】
前記無機結合相が金属アルコキシドの加水分解および脱水重合により形成された無機材質からなる請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項８】
前記金属アルコキシドを成す金属元素がＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒのいずれか１種またはそれ以上である請求項７に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項９】
前記セラミックス粒子がＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ（ＯＨ）３、ＢＮ、ＢａＳＯ４、ＣａＣＯ３、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳ、（ＰｂＣＯ３）２Ｐｂ（ＯＨ）２のいずれか１種または２種以上を含み、前記絶縁体層の３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上である請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１０】
前記ヒートシンク部が金属を主成分とする材質からなる請求項１から請求項９のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の金属が特にＣｕまたはＡｌである請求項１０に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１２】
少なくともＬＥＤ搭載面にＬＥＤ素子から直接照射対象に向かわない光を反射し、照射対象方向へ向かう光量を増やす目的の光反射体であるリフレクタが設けられた請求項１から請求項１１のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１３】
前記リフレクタの３８０〜７８０ｎｍの光の平均反射率が８０％以上である請求項１２に記載のＬＥＤパッケージ。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ発光部と、その周囲の絶縁層と、前記ＬＥＤ発光部に近接する電極部の少なくとも一部が、樹脂またはガラスにより封止された請求項１から請求項１３のいずれかに記載のＬＥＤパッケージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２０９４２５（Ｐ２０１２−２０９４２５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４０３２（Ｐ２０１１−７４０３２）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００２２９１７３）日本タングステン株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００２２９１７３）日本タングステン株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
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