JP2007095855A - Ｌｅｄ光源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
ＬＥＤを用いた発光装置において、ＬＥＤチップからの発熱を効果的に放熱することが可能なＬＥＤ光源モジュールを提供する。
【解決手段】
ＬＥＤチップを、電極用パッドを備えた実装基板上に接着剤を用いて接合したＬＥＤ光源モジュールにおいて、実装基板のＬＥＤチップを搭載する面上に、ＬＥＤチップの接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合が、ＬＥＤチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴としている。

【選択図】図３

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたＬＥＤ光源モジュールに関するものである。

近年、１Ｗ以上の大電力を投入することが可能な高輝度タイプのＬＥＤチップが開発され、テレビやパソコン等に用いられる大型液晶ディスプレイ用のバックライトや照明灯、自動車のヘッドランプ等、高輝度な光源を必要とする機器への適用に向け開発が行われている。

高い輝度が必要とされる機器にＬＥＤ光源モジュールを適用するためには、ＬＥＤチップのさらなる高出力化が求められている。そのため、ＬＥＤチップへの投入電力が増加する傾向にあり、それに伴うＬＥＤチップからの発熱量も増大している。発熱によりＬＥＤチップの温度が上昇すると、寿命や発光効率などの諸特性に悪影響を与えることから、ＬＥＤチップの発光能力を十分に引き出しつつ、その信頼性を確保するためには、発生した熱を外部に効率良く放熱させることが重要となる。

従来のＬＥＤ光源モジュールの一例を、図１及び図２を用いて説明する。上面側にp電極２、下面側にｎ電極３を備えたＬＥＤチップ１を用いて形成されたＬＥＤ光源モジュールの断面図を図1に示す。表面にｐ電極層６とｎ電極層７が形成されたシリコンや窒化アルミ、ガラスエポキシなどから成る実装基板９上に、実装基板９のｎ電極層７とＬＥＤチップの下面側のｎ電極３を接着剤４により電気的に接続し、更にＬＥＤチップ１の上面側のｐ電極層２と実装基板のｐ電極層６とをボンディングワイヤ８により電気的に接続された構造から成る。ここで、接着剤には、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂を、Ａｇ等の微粒子と混ぜ合わせることにより形成され、高熱伝導性を有したＡｇペースト等が用いられる。

一方、上面側にｐ電極２とｎ電極３の両方を備えたＬＥＤチップ１を用いて形成したＬＥＤ光源モジュールの断面図を図２に示す。表面にｐ電極層６とｎ電極層７が形成されたシリコンや窒化アルミ、ガラスエポキシなどから成る実装基板９上に、ＬＥＤチップ１の下面側を接着剤４により接続する。この時、ＬＥＤチップの下面側は電気的に接続する必要がないため、実装基板９上に電極層を介さず、接着剤により接合される。ＬＥＤチップ１の上面側に形成されたｐ電極層２とｎ電極層３を、それぞれ、電気的に対応する実装基板９のｐ電極層６とｎ電極層７とをボンディングワイヤ８により電気的に接続された構造から成る。

通常、上記のようなＬＥＤ光源モジュールでは、LEDチップ１と実装基板９を接合している接着剤４の部分の熱抵抗が最も高い。そのため、ＬＥＤ光源モジュールの低熱抵抗化のためには、接着剤層４の熱抵抗を低減させることが最も効果的であり、そのためには、接着剤４の厚さ制御が重要となる。例えば従来技術では、実装基板９上のＬＥＤチップ搭載部に複数の凸部を均一に形成し、ＬＥＤチップを平行に保つことにより、接着剤４の厚さばらつきを抑制している。（例えば特許文献１）

特開２００５−１８３８９９

ＬＥＤチップへの投入電力増加に伴う発熱量増大に対して、従来のＬＥＤ光源モジュール構造では熱抵抗が高いため、ＬＥＤチップからの熱を効率よく放熱させることが困難になってきた。そのため、ＬＥＤチップの温度上昇を抑制できなくなってきており、ＬＥＤチップから発光する光の放射強度を低減させ、ＬＥＤ光源モジュールの寿命や発光効率が低下する等の問題点を有していた。そのため、ＬＥＤチップからの発熱を効率よく放熱させるため、ＬＥＤ光源モジュールの更なる低熱抵抗化が求められている。よって、ＬＥＤ光源モジュールの実装構造の中で熱抵抗が高い部分の一つである、接着剤層の熱抵抗を低減させることが課題となる。接着剤層の熱抵抗が高いのは、基板や電極層などに使用されている他の金属部材と比べて接着剤の熱伝導率が低く、更に、Ａｇ等の金属粒子が使用されているため、接合界面における接触熱抵抗が高いためである。そこで、接着剤層の熱抵抗を低減するために、その厚さをなるべく薄くする方法が有効である。

通常、ＬＥＤチップの搭載方法としては、実装基板のＬＥＤチップを搭載する面上に接着剤をディスペンサ等により塗布した後、ＬＥＤチップに荷重を加えることで接合される。そのため、接着剤の厚さはＬＥＤチップに加えられる荷重に依存するが、荷重を加えすぎるとＬＥＤチップが破損してしまうため、接着剤を薄くするためには限界があった。

そこで本発明は、ＬＥＤチップを実装基板上に接続するために用いる接着剤層の熱抵抗を低減させ、ＬＥＤチップからの発熱を効果的に外部へ放熱させることが可能なＬＥＤ光源モジュール構造を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、図３に示したように、電極用パッドを備えた実装基板９と、前記実装基板９上に搭載されたＬＥＤチップ１とを備えるＬＥＤ光源モジュールにおいて、実装基板９のＬＥＤチップを搭載する面上には、実装基板９に接合するＬＥＤチップ１の接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部５が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部５の面積の割合が、ＬＥＤチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴とする。

上記に示した複数の凸部５の上に、接着剤４をディスペンサ等により塗布した後、ＬＥＤチップ１に荷重を加えて接合することにより、ＬＥＤチップのｎ電極層３から実装基板のｎ電極層７までの接着剤４の厚さは、凸部５が無い従来の構造における厚さと同程度にすることができる。これは、凸部５が無い従来の構造の場合、ＬＥＤチップ１のｎ電極層３の全面にわたって荷重が加えられるのに対して、本発明の構造の場合、凸部５の上面の面積に荷重が集中的に加わるため、面積あたりの荷重が高くなるためである。そのため、ＬＥＤチップ下面から実装基板の電極層上面までの接着剤の厚みは、凸部が形成されている場合でも、凸部が無い場合と同程度の厚みにすることができる。このため、凸部の熱伝導率が接着剤よりも高い金属で形成された場合、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。

また、接着剤がディスペンサで塗布される場合、塗布された接着剤は中央が盛り上がった山形の形状となる。そのため、ＬＥＤチップに荷重を加えることにより押しつぶされた接着剤は、凸部間の溝を通って、ＬＥＤチップを搭載する面の中央から外周部に向かって濡れ広がる。その際、凸部がＬＥＤチップを搭載する面上に同じピッチで均等配置されていると、ＬＥＤチップを搭載する面の全面に接着剤を濡れ広げることが困難となる。そこで、ＬＥＤチップ搭載面の中心から外周部にかけて、ＬＥＤチップ搭載面の単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合を小さくすることにより、接着剤が各凸部間の溝を通って外周部へ押し出される際、接着剤をＬＥＤチップ搭載部全面に渡って均一に濡れ広げることが可能となる。

本発明により構成されたＬＥＤ光源モジュールによれば、実装構造部の熱抵抗を低減することが可能となり、ＬＥＤチップにおいて発生した熱を効率良く放散させることができる。従って、高い光出力を得ることが可能なＬＥＤ光源モジュールを得ることができる。

以下、本発明のＬＥＤ光源モジュールの詳細について説明する。
本発明では、実装基板の材料として、熱伝導率が高く、微細配線形成が可能であり、更に大量生産による低コスト化が可能なシリコンあるいは窒化アルミを用いるのが好ましい。なお、実装基板の材質をシリコンとした場合、その上面に酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁層を介して電極パターンが形成される。ＬＥＤチップは、実装基板上に放熱性に優れた接着剤を用いて接合される。接着剤は、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂を、Ａｇ等の微粒子と混ぜ合わせることにより形成されたＡｇペースト等を用いるのが好ましい。ここで、ＬＥＤチップは、素子の一方の面にｎ電極層を有し、反対側の面にはｐ電極層が形成されているタイプと、ＬＥＤチップの同じ面に両方の電極層が形成されているタイプとを用いる。

一方、大面積基板を必要とする機器へＬＥＤ光源モジュールを適用する場合、上記ＬＥＤチップを搭載した実装基板を大面積基板上へ複数個配置することで構成される。例えば、ＬＥＤ光源モジュールを液晶用バックライトとして用いる場合、液晶ディスプレイの短部の長さに合わせるために、ＬＥＤチップを搭載した実装基板を長尺状に直列配置させる必要がある。そこで、機械的強度及び熱伝導率の高い、金属をベース基板とした長尺状の金属配線基板を用いて、これらの上に複数個の実装基板を直列配置させる。以下に、本発明の実施形態について添付図面に従って説明する。

本発明のＬＥＤ光源モジュールの断面構造を図３に示す。ＬＥＤチップ１は、一方の面にｎ電極層、反対側の面にはｐ電極層が形成されている。該ＬＥＤ光源モジュールは、ＬＥＤチップ１の下面に形成されたｎ電極層３と実装基板９のｎ電極層７を接着剤４により接合し、ＬＥＤチップ１の上面に形成されたｐ電極層２と実装基板の上面に形成されたｐ電極層６が、ボンディングワイヤ８により電気的に接続された構造から成る。ここで、実装基板９におけるｎ電極層７のＬＥＤチップを搭載する面上には、実装基板９に接合するＬＥＤチップ１の接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部５が複数形成されている。
なお、下面側にｐ電極層、上面側にｎ電極層を有しているＬＥＤチップの場合も、それぞれの極に対応する実装基板上の電極層へ電気的に接続することで、同様のＬＥＤ光源モジュールを形成できることは言うまでもない。

実装基板９上のｎ電極層６、ｐ電極層７及び凸部５は、電解めっきあるいは無電解めっきにより形成された銅、ニッケル、チタン、金等の何れかの金属膜から成り、本実施例１ではフォトリソグフィ技術を用いてパターニングされている。なお、金属膜は電解めっきの代わりに蒸着法を用いて形成させることもできる。

次に、ｎ電極層６上に形成された凸部５の配置パターンについて、図４の（a）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を用いて説明する。なお、これらの図は、図３のＡ−Ａ'部分の平面図を示している。

実装基板９上へのＬＥＤチップ１の搭載は、接着剤４をｎ電極層７のＬＥＤチップを搭載する面上にディスペンサ等で塗布したあと、ＬＥＤチップ１に荷重を加えて接合される。この際、塗布された接着剤４は、中央部分が盛り上がった山形の形状となる。

接着剤４の熱抵抗を低減するためには、ＬＥＤチップ１の全面にわたって接着剤４を濡れ広げることが重要である。通常、濡れ率を上げるためには、接着剤をその接合面上に数箇所に渡って塗布される。しかしながら、ＬＥＤチップの場合はチップサイズが１ｍｍ角程度と非常に小さいため、接着剤はＬＥＤチップを搭載する面の中央部分に一箇所しか塗布することができない。

そこで、ＬＥＤチップを接合する面の全体に渡って接着剤４を濡れ広げるため、本実施例１における凸部５は、ＬＥＤチップを搭載する面の単位面積あたりに占める凸部５の面積の割合が、ＬＥＤチップの接合面の中心から外周部へかけて小さくなるように形成されている。これにより、ＬＥＤチップ１に荷重を加えた際、接着剤４は凸部間の溝を通って外周部へ濡れ広がり、接着剤の濡れ率を高くすることが可能となる。

図４の(a)〜（ｃ）は、これを実現するための凸部５の配置パターンを示している。図４の（a）は、面積が等しい複数の凸部５を、ＬＥＤチップを搭載する面の外周部分に比べ、中央部分が密となるように配置されている。また、図４の（ｂ）は、ＬＥＤチップ中央部分に配置された凸部５の面積が、外周部に配置された凸部５の面積よりも大きい場合の配置パターンである。ここで、実装基板９のｎ電極層７上に形成された凸部５の形状は、円柱状には限定されず、四角柱などであっても良い。図４の（ｃ）は、凸部５を長方形の形状とし、ＬＥＤチップを搭載する面の中央部分を中心とした放射線状に配置されたパターンである。

図４（a）〜(ｃ)に示した配置パターンとすることにより、ＬＥＤチップを搭載する面の単位面積あたりに占める凸部の面積の割合が、ＬＥＤチップを搭載する面の中心から外周部へかけて小さくなるため、ＬＥＤチップ１を搭載した際、ＬＥＤチップを搭載する面における接着剤の濡れ率を高めることができる。

一方、接着剤を実装基板のＬＥＤチップを搭載する面上にスクリーン印刷を用いて塗布する場合、ディスペンサで塗布する場合に比べて、接着剤の形状は山形とはならずに比較的平坦に塗布することができる。この場合、図４（ｄ）に示したように、凸部をストライプ状とすることが効果的となる。ＬＥＤチップに荷重を加えた際、接着剤はストライプ間の溝の部分に押し出されて濡れ広がるため、接着剤の厚みを薄くすることが可能となる。同様に、図５及び図６に示したように、実装基板９のｎ電極層７自体を、ストライプ状とすることによっても同じ効果が得られる。図６は、図５のＢ−Ｂ'の平面図である。ここで、ｎ電極層７をストライプ状とする場合、図６に示したように、各ストライプ状の一方の端部は電気的に接続するために互いに連結させ、一方の端部は接着剤を均一な厚さにするために開放された構造から成る。このような構造とすることにより、凸部５を形成するための加工工程を必要としないことから、低コストなＬＥＤ光源モジュールを得ることができる。

以上に示したように、実装基板９のＬＥＤチップを搭載する面上に複数の凸部５を形成し、該凸部５の上に接着剤４を塗布し、荷重を加えてＬＥＤチップ１を接合することにより、ＬＥＤチップと実装基板の間に介在する接着剤４の厚さは、凸部５が無い従来の構造における厚さと同様にすることが可能となる。これは、凸部５の有無に係わらずＬＥＤチップ１に同じ荷重を加えた場合、凸部５が無い従来の構造ではＬＥＤチップ１の全面に渡って荷重が加わるのに対して、本発明の構造の場合、凸部５の上部の面積に荷重が集中的に加わるため、面積あたりの荷重が高くなり、凸部５の上部からＬＥＤチップ１の下面までの接着剤４の厚みを更に薄くできるためである。そのため、ＬＥＤチップ下面から電極層上面までの接着剤層の厚みは凸部が形成されている場合でも、薄くすることが可能となる。これにより、接着剤と凸部から成る接合層は、凸部５の熱伝導率が接着剤よりも高い金属で形成された場合、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。

更に、ＬＥＤチップを搭載する面の単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合を、ＬＥＤチップを搭載する面の中心から外周部にかけて小さくなるよう形成させることにより、接着剤４の濡れ率を高めることができるため、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。

上面側のみにｐ電極とｎ電極が形成されたタイプのＬＥＤチップを用いて形成した場合の実施例２について、図７及び図８を用いて説明する。図８は、それぞれ 図７のC-C'の平面図の例である。該ＬＥＤチップ１では、図７に示したように、ｐ電極層２とｎ電極層３とがＬＥＤチップ１の上面側に形成されていることから、ＬＥＤチップ下面側の電気的な接続が不要となり、実施例１のような実装基板９上の電極層を介してＬＥＤチップを搭載する必要がない。つまり、実施例１の図４（a）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示した凸部５の配置パターンを、実装基板９のｎ電極層７を用いて形成することができる（図８）。この場合、実装基板９上にＬＥＤチップとの電気的に接続するためのｐ電極層６及びｎ電極層７をめっきプロセスで形成する際、該凸部５も同時に形成することが可能であるため、加工工程の簡略化及び低コスト化を実現できる。

本実施例３では、ＬＥＤ光源モジュールを液晶ディスプレイ用のバックライト光源として用いる場合について説明する。

ＬＥＤ光源モジュールを液晶ディスプレイ用のバックライト光源として用いるためには、ＬＥＤチップを搭載した実装基板を、液晶ディスプレイの端部に沿って直列状に配列させる必要がある。そのため、直列配置されたＬＥＤチップを電気配線するため、液晶ディスプレイ端部の形状に合った長尺形状の配線基板上にＬＥＤチップを搭載した実装基板を配列させるのが望ましい。図９に、長尺の金属配線基板１０の長手方向にＬＥＤチップ１を搭載した実装基板９を複数個配列された断面概略構造を、図１０にその断面詳細図を示す。ここで、長尺形状の金属配線基板１０には熱伝導率が高く、機械的強度に優れた銅やアルミ等の金属を用いるのが好ましい。

金属配線基板１０は、アルミあるいは銅から成るベース基板と、その上面に形成した絶縁層１１とｐ側電極１２、ｎ側電極１３から構成される。ここで、金属配線基板上の実装基板９を搭載する部分の絶縁層１１を除去した凹部とし、ベース基板と実装基板９を熱抵抗の高い絶縁層１１を介さずに直接搭載することによって、熱抵抗を低減させることができる。なお、実装基板９と金属配線基板１０の接合は、放熱性の高い接着剤４を用いて行われる。次に、金属配線基板１０のｐ側電極１２とｎ側電極１３を、実装基板９の電気的に対応する電極層と、ボンディングワイヤ８により電気的に接続することによって、液晶バックライト用のＬＥＤ光源モジュールが製造される。

本実施例３の場合、ＬＥＤチップを搭載した実装基板９を金属配線基板１０上に接着剤４により接合するため、接着剤４の厚みを薄くすることにより、熱抵抗を低減することが可能となる。

そこで、図１１に示したように、実装基板９のＬＥＤチップを搭載する面とは反対の面、すなわち金属配線基板１０との接合面を、ストライプ状に加工することにより、実施例１で示した効果と同様に、実装基板９と金属配線基板１０を接合している接着剤の厚みを薄くすることができる。特に、実装基板９にシリコンを用いた場合、溝の加工方法は異方性エッチングを用いることにより、大量生産ができるため低コストで形成することができる。以下、その詳細な加工方法について説明する。

シリコン単結晶基板には（１００）基板を使用し、その両面に酸化シリコン膜を熱酸化等により形成する。ここで、化学気相成長法で作製した窒化シリコン等を用いることもできる。次に、フォトリソグラフィ技術で、シリコン基板上にレジストを塗布、露光した後、パターンを形成し、エッチングにより酸化シリコン膜のパターニングを行う。このパターンは、適当な幅のストライプ状に形成されている。その後、不要なレジストを除去した後、酸化シリコン膜をマスクとし、ＫＯＨのようなアルカリ溶液である異方性エッチング液を用いて、シリコン単結晶基板のエッチングを行う。このとき、シリコン基板は結晶方位面とマスクパターンの方位を（１１０）面に合わせてエッチングを行うことにより、（１００）面で速く進み、（１１１）面で遅く進む。そのため、エッチングが進行するにつれて開口部が狭くなり、図１２に示したようなＶ溝形状になるまでエッチングが進行する。また、途中でエッチングを止めることで、図１３及び図１４に示したような台形状の溝を形成することもできる。エッチング終了後、酸化シリコン製のマスクはフッ酸を用いて除去する。

実装基板９の材質にシリコンを用いた場合、上記で示したように、異方性エッチングを用いた基板加工方法が適用できるため、大量生産が可能になり、低コストで形成することができる。このようなストライプ形状を備えたシリコン製の実装基板９を金属配線基板上に接着剤により接合することで、実施例１及び２で示した効果と同様に，接着剤層の厚みを薄く形成できるため、熱抵抗の低減が可能となる。よって、放熱性に優れたＬＥＤ光源モジュールを実現できる。

従来のＬＥＤ光源モジュールの断面図 従来のＬＥＤ光源モジュールの断面図 本実施例１のＬＥＤ光源モジュールの断面図 それぞれ 図３のA-A'の平面図の例 本実施例１のＬＥＤ光源モジュールの断面図 図５のＢ−Ｂ'の平面図 本実施例２のＬＥＤチップ光源モジュールの断面図 それぞれ 図７のC-C'の平面図の例 複数の実装基板を金属配線基板上に直列配置したＬＥＤ光源モジュールの断面図 本実施例３のＬＥＤ光源モジュールの断面図 本実施例３のＬＥＤ光源モジュールの断面図 図１１のシリコン実装基板の斜視図 本実施例３のＬＥＤ光源モジュールの断面図 図１３のシリコン実装基板の斜視図

符号の説明

１ ＬＥＤチップ
２ ＬＥＤチップのｐ電極層
３ ＬＥＤチップのｎ電極層
４ 接着剤
５ 凸部
６ 実装基板のｐ側電極
７ 実装基板のｎ側電極
８ ボンディングワイヤ
９ 実装基板
１０ 金属配線基板
１１ 金属配線基板の絶縁層
１２ 金属配線基板のｐ側電極
１３ 金属配線基板のｎ側電極

Claims (5)

1. ＬＥＤチップを、電極用パッドを備えた実装基板上に接着剤を用いて接合したＬＥＤ光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記ＬＥＤチップを搭載する面上には、上記実装基板に接合する上記ＬＥＤチップの接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合が、上記ＬＥＤチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
2. ＬＥＤチップを、実装基板上に接着剤を用いて接合したＬＥＤ光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記ＬＥＤチップを搭載する面上には、上記実装基板に接合する上記ＬＥＤチップの接合面の面積よりも小さいストライプ状の金属製の凸部が形成されたことを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
3. ＬＥＤチップを、実装基板上に接着剤を用いて接合したＬＥＤ光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記ＬＥＤチップ搭載部分がストライプ状の凹凸形状であることを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のＬＥＤ光源モジュールにおいて、金属をベース基板とする金属配線基板上に上記実装基板を複数個搭載したことを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
5. 請求項４に記載のＬＥＤ光源モジュールにおいて、上記実装基板がシリコンから成り、上記実装基板の上記ＬＥＤチップが搭載された面とは反対の面がストライプ状の凹凸形状であるとともに、上記金属配線基板との接着剤を介した接合面であることを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。

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