JP2005276979A

JP2005276979A - Ｌｅｄ光源

Info

Publication number: JP2005276979A
Application number: JP2004086223A
Authority: JP
Inventors: 清 ▲たか▼橋; Kiyoshi Takahashi; Tadashi Yano; 正矢野; Masanori Shimizu; 正則清水; Noriyasu Tanimoto; 憲保谷本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】簡単な構成で確実に静電気に対する耐性を高めたＬＥＤ光源を提供することを目的としたＬＥＤ光源を提供すること。
【解決手段】本発明は、直列に３個以上接続された発光中心波長がＧａＮ系ＬＥＤの順方向の最後に順方向に整流ダイオードが直列接続された構成により、簡単な構成で確実に静電気に対する耐性を高めたＬＥＤ光源を提供することを目的としたＬＥＤ光源を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は静電気に対する耐性を高めたＬＥＤ光源に関する。

ＧａＮ系ＬＥＤは、ＧａＡｓ系ＬＥＤに比べて静電気に対する耐圧が低く、従来から多くの耐圧向上に関する検討が行われてきた。例えば、従来のＬＥＤ光源（チップ型発光素子）は、静電気に対する耐圧を高めるために、ＬＥＤの端子間に保護素子としてツェナーダイオードを並列に接続する例が示されている（例えば、特許文献１）。図７と図８は、特許文献１に記載された従来のＬＥＤ光源（チップ型発光素子）を示すものである。

図８において、ツェナーダイオードチップ５は、ＬＥＤチップ３に並列に接続されている。回路図で示したのが、図７である。
特開平１１−５４８０４号公報（図１、図４を参照）

しかしながら、ＬＥＤは１個あたりの光量が少なく、特に照明などの用途に使用するには、多数のＬＥＤを使用する必要がある。そのため、図７の構成では、ＬＥＤチップ１個ごとにツェナーダイオードを接続する必要となり、部品点数が多くなり、コスト的に現実的でない。また、回路構成も複雑となる。

そこで、多数のＬＥＤを使用する場合にツェナーダイオードの数を減らすために、図９の構成を考える。図９は、３２個の直列接続されたＬＥＤに並列に１個だけツェナーダイオードを接続する例である。ＬＥＤが点灯する方向に電圧が印加された場合、ＬＥＤ１個あたりの定格電圧が３．６Ｖとすると３．６×３２＝１１５Ｖとなる。このとき、ツェナーダイオードの両端にも１１５Ｖの電圧が発生する。１１５Ｖの高い電圧でブレークダウンしないツェナーダイオードは現在市販されておらず、本構成を実現することは実現不可能となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、簡単な構成で確実に静電気に対する耐性を高めたＬＥＤ光源を提供することにある。

上記従来の課題を解決するため、本発明のＬＥＤ光源は、３個以上直列に接続されたＧａＮ系のＬＥＤと、前ＬＥＤの順方向の最後に、順方向に直列接続された整流ダイオードと、を備える。

好適な実施形態として、前記整流ダイオードは、最大繰り返しピーク逆電圧（Maximum repetitive peak reverse voltage）Ｖ_ＲＲＭが１０００Ｖ以上である。

また、本発明のＬＥＤ光源は、３個以上直列に接続されたＧａＮ系のＬＥＤと、前記ＬＥＤの順方向の最後に、順方向に直列接続されたＧａＡｓ系のＬＥＤと、を備える。

以上のように、本発明は、直列に３個以上接続されたＧａＮ系ＬＥＤの順方向の最後に順方向に整流ダイオードが直列接続された構成により、簡単な構成で確実に静電気に対する耐性を高めたＬＥＤ光源を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるＬＥＤ光源の回路図を示すものである。

図１において、ＬＥＤ１０１は、ＧａＮ系であり、発光中心波長が３５０〜５５０ｎｍのＬＥＤである。ＬＥＤチップの大きさは、約０．３〜２ｍｍ角である。約３〜４Ｖで定格の光出力をする。ＬＥＤの定格電流は、発光層の面積に比例し、０．３ｍｍ角あたり１０〜６０ｍＡの電流のものが適当である。本実施の形態のＬＥＤ１０１は、発光中心波長が４７０ｎｍ、チップの大きさは、０．３ｍｍ角、定格は、３．６Ｖで２０ｍＡであるものを用いた。

ＬＥＤ１０１は、同種のものが３２個直列に接続されており、ＬＥＤの順方向（ＬＥＤが点灯するように電流を流した場合の方向、図中のＡからＢ方向）の最後に順方向に整流ダイオード１０２が接続されている。

整流ダイオード１０２は、最大繰り返しピーク逆電圧（Maximum repetitive peak reverse voltage）Ｖ_ＲＲＭが１０００Ｖのものが、２個直列に接続されている。本実施形態では、整流ダイオード１０２として、General semoconductor製の「表面実装型ダイオードＳ２Ｍ」（Ｖ_ＲＲＭ＝１０００Ｖ）を用いた。

このＬＥＤ光源の端子間には、直流１００〜１２０Ｖ程度が印加されたとき、ほぼ定格点灯するように設計されている。

図２は、このＬＥＤ光源の模式的な斜視図を示したものである。アルミニウム、セラミック、銅などの熱伝導率の高い材料を主成分とした基板２０１上に、上記ＬＥＤ１０１が、フリップチップで直接実装されている。ここで、直接実装とは、基板上の配線パタンとＬＥＤが接続用の金属のみを通して実装されている状態のことを示す。基板上には、図１に示すＬＥＤ光源の配線が２並列構成されており、合計６４個のＬＥＤ１０１と４個の整流ダイオード１０２で構成されている。ＬＥＤが実装されている範囲は２０ｍｍ角である。またこの部分の基板面積あたりの実装密度は、１６個／ｃｍ^２である。また、発光部の基板面積あたりの電力は、約１．２Ｗ／ｃｍ^２である。なお、前記実装密度は、１〜１００個／ｃｍ^２程度が用いられる。また、前記基板面積あたりの電力は、０．１〜１０Ｗ／ｃｍ^２程度が用いられる。

本実施の形態では、基板には、アルミニウムを主成分とするコンポジット基板上にバンプを介してＬＥＤ１０１がフリップチップ実装され、整流ダイオードが基板上に半田付けされている構成のものを用いた。基板２０１は、大きさが約２４ｍｍ×約２９ｍｍであり、厚みが約１ｍｍである。厚みのほとんどはＡｌでできている。基板上には、給電用の端子２０２がＬＥＤ実装面と同一面にあり、端子に電圧を印加することでＬＥＤが点灯するようになっている。端子は２並列のため４個ある。

また、整流ダイオード１０２は、ＬＥＤが実装された基板面と同一面に実装されている。

図には示さないが、基板２０１上の配線パタンは、ＬＥＤと接続される部分と端子２０２の部分以外の表面は、絶縁層で覆われており、外部からの静電気が基板のパタン上に印加されないようになっている。

このＬＥＤ光源の静電破壊試験の内容を以下に説明する。

この試験は、静電破壊試験の規格で決められているヒューマンボディーモデル（ＨＢＭ：人体帯電モデル）の方法に基づいて行った。以下この実験方法について説明する。図３に試験装置の回路図を示す。図中の直流電源３０１の電圧を変化させ、スイッチ３０２を操作し、２つの端子間を１秒おきに３回往復させる。スイッチをＣｈａｒｇｅ側にすると、電源３０１の電荷がコンデンサにチャージされ、スイッチ３０２をＤｉｓｃｈａｒｇｅ側にするとコンデンサに蓄えられた電荷が抵抗を通って、接続端子間３０３に接続されたＬＥＤ光源に電荷が印加される。

図２のＬＥＤ光源のどちらか一方の端子２０２と、図３の端子３０３を接続し、静電気破壊試験を行った。チェックの方法は、３２個の直列に接続されたＬＥＤに定格２０ｍＡに対して、１ｍＡの電流を流し、点灯しないＬＥＤ素子があった場合は、ＬＥＤ素子が破損したものとして判断した。直流電源３０１の電圧を徐々に高くして、上記実験を繰り返し、ＬＥＤ素子が１つも破損しない最大の電圧（電源３０１の電圧）を、ＬＥＤ光源の静電耐圧とした。

その結果、電圧の印加する方向が順方向の場合、耐圧は４ｋＶ、逆方向が４ｋＶとなった。ここで、本実施の形態のＬＥＤ光源は、一般照明など多様な用途に使用されることを考慮し、必要な耐圧は約１ｋＶと考え検討を進めた。この結果より、十分な耐圧を持つことがわかる。

これに対して、図１に示す本実施の形態のＬＥＤ点灯回路から整流ダイオード１０２を抜いた図５の回路構成で同様に静電破壊試験した。この場合、順方向が４ｋＶ、逆方向が６００Ｖとなり、静電耐圧の要求を満たさなかった。なお、ＬＥＤ１０１の１個だけの場合の静電破壊試験による耐圧は、逆方向が２００Ｖである。したがって、ＬＥＤが３２個直列で接続されている場合は、理論的にはＬＥＤ１個あたりの耐圧の３２倍の６．４ｋＶの耐圧を示すはずである。しかし、実際は約３倍程度しか耐圧を持っていないということになる。

図５において破壊されるＬＥＤの場所について説明する。図５において、電流の入力側から順にＤ１、Ｄ２、…、Ｄ３１，Ｄ３２と番号をつけたとき、逆方向の電圧を印加した場合に破損するＬＥＤは、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３とＤ３０、Ｄ３１、Ｄ３２との両端のＬＥＤが破損した。つまり、直列接続の両端側が破損する傾向にあった。一般的に定格電圧が同じＬＥＤを直列接続した場合は、全ＬＥＤに均等に電圧が印加されるはずなので、ＬＥＤが破損するのはこのような規則性が無いはずである。しかし、上記のように、直列接続したＬＥＤの両端部分が集中的に破損するというのは、以下のような現象が起こっているものと考えられる。静電破壊試験は、コンデンサの電荷を瞬間的にＬＥＤ素子に投入するため、瞬間的に大きな電圧、電流が印加される。このような過渡的な変化においては、ＬＥＤのもつ微小なコンダクタンスもしくはインダクタンスが影響を及ぼすようになり、直列したＬＥＤの端部に集中的に負荷がかかるものと考えられる。

図５の回路における直列接続のＬＥＤの両端が破損する結果から、直列接続の最後だけに保護素子である整流ダイオード１０２を接続しても、反対側の破損は防止できないと考えられる。しかし、実際には予想に反して、本実施の形態のように、直列接続の最後に整流ダイオード１０２を接続するだけで、静電耐圧の高いＬＥＤ光源を得ることができた。

なお、本実施の形態では、整流ダイオードを２個直列に接続した場合について示したが、同ダイオード（Ｖ_ＲＲＭ＝１０００Ｖ）を１個だけ接続した場合においても、順方向が４ｋＶ，逆方向が３ｋＶとなり十分な耐電圧を示す。この結果より、整流ダイオード１０２の数には限定がなく、静電破壊試験において１ｋＶ以上の耐圧を得ることができる整流ダイオードの最大繰り返しピーク逆電圧Ｖ_ＲＲＭがあれば良い。本実施形態は、整流ダイオード１０２としてGeneral semoconductor製の「表面実装型ダイオードＳ２Ｍ」（Ｖ_ＲＲＭ＝１０００Ｖ）を用いたが、この製品に限定されない。すなわち、整流ダイオード１０２のＶ_ＲＲＭが１０００Ｖ以上であれば、静電破壊試験において１ｋＶ以上の耐圧を得ることができる。

なお、整流ダイオード１０２の接続位置は、直列接続されたＬＥＤ１０１の順方向の最後に、ＬＥＤ１０１の順方向と同じ向きの順方向となるように接続しなければならい。整流ダイオード１０２の位置を変えた例を図４に示す。図４では、３２個が直列接続されたＬＥＤ１０１において、順方向の最後のＬＥＤ１０１のＤ３２とその前のＬＥＤ１０１のＤ３１との間にＬＥＤ１０１の順方向と同じ向きの順方向となるように１つの整流ダイオード１０２を接続した。この構成で静電破壊試験を実施した。その場合、ＬＥＤ１０１のＤ３２のみが最初に破壊された。このことから、整流ダイオード１０２は、直接接続されたＬＥＤ１０１の順方向の最後に、ＬＥＤ１０１の順方向と同じ向きに順方向で接続しなければならないことがわかる。

なお、ＬＥＤ１０１は発光色が同じでなくとも、ＧａＮ系であれば静電耐圧が低い素子であるので、同様の効果を得ることが出来る。

なお、本実施の形態の構成では、逆方向の耐圧を向上させることができるが、順方向については大きな効果を得ることができない。そこで、ＬＥＤを直列に接続することでＬＥＤ実質的に順方向の１ｋＶ以上の耐圧を得るには、ＧａＮ系ＬＥＤの場合、順方向で３個以上を直列すればよい。

なお、高光束を得ようとすると、なるべく高密度でＬＥＤを並べる必要があるが、本実施の形態のように放熱性の高い基板に直接実装することにより、ＬＥＤからの熱が効率よく基板を通して排熱されるためＬＥＤの実装密度を上げることが出来る。また、高密度で実装した場合、従来のようにＬＥＤ１個ずつにツェナーダイオードが必要ないので、簡易な構成かつ低コストな構成となるとともに、実装密度を上げることが出来る。また、本実施の形態に示すように、フリップチップ実装することによって、ＬＥＤと基板を結ぶワイヤが不要となり、より高密度のＬＥＤ実装密度を実現できる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態におけるＬＥＤ光源の回路図を示すものである。

これは、図１に示す実施の形態１と同様の構成で、整流ダイオード１０２を赤外線ＬＥＤ６０１を５個直列したものと置換したものであり、他の構成は実施の形態１と同様である。赤外線ＬＥＤ６０１は、ＧａＡｓを含む系であり、１個あたりの逆方向の静電耐圧は、ＧａＮ系の２００Ｖよりも高い。つまり、逆方向の静電耐圧がＧａＮ系ＬＥＤよりも高い素子を直列の最後に接続した構成である。本実施形態では、コーデンシ社製の赤外ＬＥＤＥＬ−ＩＣＬ３を使用した。ここで、ＧａＡｓ系とは、ＧａＡｓを含むもので、ＧａＡｌＡｓも含む。

このＬＥＤ光源を、実施の形態１と同様に静電破壊試験にて、静電耐圧を確認したところ、順方向４ｋＶ、逆方向２ｋＶと静電耐圧が１ｋＶ以上となることがわかった。このように、赤外線ダイオードを順方向の最後に接続することで、逆方向の静電耐圧を向上させることができる。また、ＬＥＤが５個の場合を示したが、１個の場合でも逆方向の静電耐圧を向上することはできる。ただし、直列数を増やすことで、静電耐圧を高くすることができる。

このように、ＧａＮ系の直列接続の最後にＧａＮ系よりも静電耐圧の高いＬＥＤを配置することで、ＧａＮ系のＬＥＤ光源の静電耐圧を向上させることができる。

また、赤外線ＬＥＤ６０１を使用し、残りのＬＥＤ１０１をすべて同一色とした場合は、ＬＥＤ６０１からの光は、人間には見えないので、ＬＥＤ１０１の色だけが目で確認できる。そのため、ＧａＮ系光源、例えば青色光源もしくは白色光源の発光色に影響を与えることがないという点で効果的である。

なお、本実施の形態では、赤外線ＬＥＤの場合を示したが、静電耐圧が使用するＧａＮ系のＬＥＤの耐圧よりも高いものであれば、他の発光色、例えば、赤色（ＧａＡｓ系ＬＥＤ）、オレンジ色（ＧａＡｓ系ＬＥＤ）などのＬＥＤでも同様の効果を有する。このとき、ＬＥＤ６０１を、赤色もしくはオレンジ色とした場合は、図示しないがＬＥＤ前面に混色手段（例えば、すりガラス状の散乱板など）を設けることによって、色ムラが少なくかつ赤の発光が多くなり、色再現性が改善されるという点で効果的である。

なお、直列するＧａＮ系のＬＥＤ１０１の数は、実施の形態１と同様に３個以上の場合、順方向も１ｋＶ以上となり好ましい。

なお、ＬＥＤ６０１は、ＬＥＤ１０１の順方向の最後につけなければならないことは実施形態と同様な理由である。

なお、上記すべての実施の形態において、ＬＥＤは発光中心波長が３５０〜５５０ｎｍのものを例示したが、ＬＥＤ周辺に蛍光体などの波長変換手段を用いたものも同様に効果を得られる。

なお、上記すべての実施の形態において、ＬＥＤに付加する整流ダイオード、赤外線ＬＥＤなどは、実施の形態に示すように基板のＬＥＤが実装されている面と同一面に実装されることが実装工程上好ましい。また、これらの素子もバンプを介して実装されることで放熱性が改善されるという効果も有する。

なお、上記すべての実施の形態において、小型の基板にＬＥＤを密集させて実装したＬＥＤ点灯回路の例を示したが、このような構成とすることで、小型の光源を得ることが出来る。もちろん、この実施の形態に限定されない。

また、上記すべての実施の形態において、基板にＬＥＤを実装しただけのものについて説明したが、ＬＥＤ周辺に蛍光体、反射鏡、レンズなどの光学系を形成したものでも同様の効果を有する。とくに、青色ＬＥＤと黄色の蛍光体を用いて、蛍光体の周辺部に反射鏡と、レンズを形成することで白色の光源を得ることが出来るため照明などの用途に適した光源をえることが出来る。この例を図１０に示す。図１０は、ＬＥＤ光源の部分断面図であり、このような構成とすることで白色の集光された輝度の高い光源を得ることができる。

なお、実施の形態１の図４と同様にＧａＡｓを含む系のＬＥＤの位置を変更し、順方向の最後ではなく途中においた場合についても検討したが、ＬＥＤの順方向の最後につけなければならないことも確認している。

本発明は、直列に３個以上接続されたＧａＮ系ＬＥＤの静電気に対する耐性を簡単な構成で確実に高めることができるので、ＬＥＤを利用した照明や光源に特に有用である。

本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源の回路図本発明の実施の形態１におけるＬＥＤ光源の概略図静電破壊装置の回路図本実施の形態１の点灯回路の整流ダイオードの位置を変更した図本実施の形態１の点灯回路から整流ダイオードを抜いた回路図本発明の実施の形態２におけるＬＥＤ光源の回路図従来のＬＥＤ光源（チップ型発光素子）の概略図従来のＬＥＤ光源（チップ型発光素子）の回路図従来のＬＥＤ光源を応用した回路図本発明の実施の形態におけるＬＥＤ光源の部分断面図

符号の説明

１０１ＬＥＤ
１０２整流ダイオード
２０１基板
２０２端子
３０１直流電源
３０２スイッチ
３０３端子
６０１赤外線ＬＥＤ

Claims

３個以上直列に接続されたＧａＮ系のＬＥＤと、
前記ＬＥＤの順方向の最後に、順方向に直列接続された整流ダイオードと、
を備える、ＬＥＤ光源。
前記整流ダイオードは、最大繰り返しピーク逆電圧（Maximum repetitive peak reverse voltage）Ｖ_ＲＲＭが１０００Ｖ以上である、請求項１に記のＬＥＤ光源。
３個以上直列に接続されたＧａＮ系のＬＥＤと、
前記ＬＥＤの順方向の最後に、順方向に直列接続されたＧａＡｓ系のＬＥＤと、
を備える、ＬＥＤ光源。