JP2007158210A - 発光モジュールとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】LED2の放熱基板としてセラミック基板1を用いた場合、セラミック基板1の加工が難しかった。
【解決手段】第2の凸部112が形成されたリードフレーム100と、第1の凸部110が形成された銅を主体とする金属板114を、途中に無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とを含んだ絶縁層である放熱樹脂102を介して一体化し、前記リードフレーム100にLED108を実装することで、LED108の発熱を、前記リードフレーム100に形成された第2の凸部114を反射部及び放熱部分として兼用することで、発光効率と放熱効率を高める。
【選択図】図1
【解決手段】第2の凸部112が形成されたリードフレーム100と、第1の凸部110が形成された銅を主体とする金属板114を、途中に無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とを含んだ絶縁層である放熱樹脂102を介して一体化し、前記リードフレーム100にLED108を実装することで、LED108の発熱を、前記リードフレーム100に形成された第2の凸部114を反射部及び放熱部分として兼用することで、発光効率と放熱効率を高める。
【選択図】図1
Description
本発明は、液晶テレビ等のバックライトを有する表示機器のバックライト等に使われる発光モジュール及びその製造方法に関するものである。
従来、液晶テレビ等のバックライトには、冷陰極管等が使われてきたが、近年、LEDやレーザー等の半導体発光素子を、放熱性の基板の上に実装することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
図8は、従来の発光モジュールの一例を示す断面図である。図8において、セラミック基板1に形成された凹部には、発光素子2が実装されている。また複数のセラミック基板1は、放熱板3の上に固定されている。また複数のセラミック基板1は、窓部4を有する接続基板5で電気的に接続されている。そしてLEDから放射される光6は、接続基板5に形成された窓部4を介して、外部に放出される。なお図8において、凹部を有するセラミック基板1や接続基板5における配線及びLEDの配線等は図示していない。そしてこうした発光モジュールは、液晶等のバックライトとして使われている。しかしセラミック素子1は加工が難しく高価であるため、より安価で加工性に優れた放熱基板が求められていた。
一方、液晶TVを始めとする表示装置側からは、色表示範囲の拡大が望まれている。こうしたニーズに対しては、白色LED等では、限界があるため、近年では、Red(赤)、Green(緑)、Blue(青)の単色発光素子を、更には紫色、橙色、赤紫、コバルトブルー等の特別色を発光する特色発光素子も加えることで、色表示範囲(色表示は具体的にはCIE表色系等)を広げることが試みられている。
こうしたニーズに対して、図8のような発光モジュールで対応した場合、セラミック基板1の凹部に、こうした発光素子を一個一個実装しながら、全体として均一な混色(混色して白色)を出して、色バランス(例えば、後述するホワイトバランス)を調整する必要がある。一方LED等の固体発光素子は温度が上昇すると発光効率が低下することが知られている。更にLEDの発光色の違いによって温度に対する発光効率の低下度合いも異なる。こうした理由により、例えば、液晶TVをONした直後は、LED部分が室温(例えば25℃)であるため、ホワイトバランスが保たれていても、LED部分の温度が上昇(例えば、40℃→50℃→60℃)に伴い、例えば特に赤色の発光効率が低下する等の現象が生じてしまい、色再現性やバックライトの輝度も変化してしまう可能性がある。
一方、図8に示すように、LED等の発光素子2が1個ずつ実装されたセラミック基板1を、放熱板3の上に並べた場合、放熱面から有利である一方、フィルターや拡散板等を用いて光を混ぜて白色を作成する(あるいはRGB+特別色の混合によって演色性の高い白色を作成する)ことが難しくなる。
そのため発光素子の更なる高輝度化(大きな電流を流す必要がある)、更にはマルチLED(複数個のLEDを高密度に実装すること)に対応できる多数個の発光素子が高密度で実装できる加工性が高く、放熱性の優れた発光モジュールが要求されている。
特開2004−311791号公報
しかしながら、前記従来の構成では、発光素子を実装する放熱基板が、セラミック基板であったため、加工性やコスト面で不利になるという課題を有していた。
本発明では、前記従来の課題を解決するものであり、セラミック基板の代わりに、リードフレームと絶縁体と金属板を使うことで、加工性の良い発光モジュールとその製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明はLED等の発光素子を、放熱性の高いリードフレームの上に直接実装し、更にリードフレームの熱は放熱樹脂を介して、裏面に形成した放熱用の金属板に伝えることになる。
本発明の発光モジュール及びその製造方法によって得られた発光モジュールは、LEDや半導体レーザー等の発光素子によって発生した熱を効率的に拡散することができ、LED等の発光素子を有効に冷却できる。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における発光モジュールについて、図1、図2を用いて説明する。
以下、本発明の実施の形態1における発光モジュールについて、図1、図2を用いて説明する。
図1は実施の形態1における発光モジュールを示す上面図及び断面図であり、図1(A)はその上面図、図1(B)は図1(A)の矢印104における断面図である。図1において、100はリードフレーム、102は放熱樹脂、104は矢印、106は点線、108はLEDであり、LED108はレーザー等の発光素子の一例として示したものであり、他の発光素子へ応用できることは言うまでもない。また110は第1の凸部、112は第2の凸部、114は金属板である。そして実施の形態1では、第1の凸部110が形成された金属板114と、第2の凸部112が形成されたリードフレーム100が用意され、前記第2の凸部112の中に、前記第1の凸部110が嵌め込まれ、放熱樹脂102を介して絶縁、固定されることになる。
まず図1(A)を用いて説明する。図1(A)において、リードフレーム100は複数個に分割された状態で、放熱樹脂102を介して互いに絶縁されている。また点線106はリードフレーム100の屈曲位置を示すものであり、リードフレーム100が図1(A)の点線106の位置で折れ曲がることで、図1(B)に示すような凸部110を形成することを示している。そしてLED108は、複数のリードフレーム100の上に跨るように形成されている(なおLED108は、必ずしも跨って実装される必要はない)。なおLED108の実装用のワイヤー線(ワイヤー線はワイヤーボンディング接続の場合であるが、導電性樹脂や半田(フリップチップ実装等の場合))等の部材も同様に図1において図示していない。
次に図1(B)を用いて説明する。図1(B)は、図1(A)の矢印104における断面図に相当する。図1(B)において、金属板114の一部には第1の凸部110が形成されている。同様にリードフレーム100の一部にも第2の凸部112が形成されている。そして前記第2の凸部112の中に、前記第1の凸部110が入るようになっている。こうして図1(B)に示すように、金属板114に形成された第1の凸部110の中に、前記リードフレーム100に形成された第2の凸部112が覆いかぶさった状態で放熱樹脂102を介して絶縁され、固定されることになる。そして放熱樹脂102に埋め込まれた前記リードフレーム100の一面が、外部に露出し、この露出した面にLED108等の放熱を要する部品が実装されることになる。そしてLED108等から発せられる熱は、リードフレーム100を介して、発光モジュール全体に広く拡散させることになる。
このように図1(B)に示すように、リードフレーム100と金属板114の凸状の形状を合わせることで、その間を絶縁する放熱樹脂102の厚みを薄く(更には均一に)することができ、リードフレーム100から金属板114への熱拡散性を高められる。そしてLED108で発生した熱は、リードフレーム100に伝わり、放熱樹脂102を介して、金属板114、更には金属板114に固定したヒートシンク116等の放熱部分(ヒートシンクや放熱部分は図示していない)等へ拡散する。
なお放熱樹脂102として、硬化型樹脂中に高放熱性の無機フィラーが分散されたものを用いることが望ましい。なお無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1ミクロン以上100ミクロン以下が適当である(なお0.1ミクロン未満の場合、樹脂への分散が難しくなる場合、また100ミクロンを超えると放熱樹脂102の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える)。そのため放熱樹脂102における無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために70から95重量%と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径3ミクロンと平均粒径12ミクロンの2種類のAl2O3を混合したものを用いている。この大小2種類の粒径のAl2O3を用いることによって、大きな粒径のAl2O3の隙間に小さな粒径のAl2O3を充填できるので、Al2O3を90重量%近くまで高濃度に充填できるものである。この結果、放熱樹脂102の熱伝導率は5W/(mK)程度となる。なお無機フィラーとしてはAl2O3代わりに、MgO、BN、SiO2、SiC、Si3N4、及びAlNからなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでもよい。
なお熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも1種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。放熱樹脂102厚みは、薄くすれば、リードフレーム100に装着したLED108に生じる熱を金属板114に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して最適な厚さである50ミクロン以上1000ミクロン以下に設定すれば良い。
図2は、実施の形態1における放熱メカニズムについて説明する上面図及び断面図である。図2(A)はその上面図、図2(B)はその断面図であり、それぞれ図1(A)、図1(B)に対応するものである。
図2(A)、(B)における矢印104a、104b、104cはそれぞれLED108に発生した熱の拡散方向を示すものである。図2(A)に示すように、LED108から発生した熱は、矢印104aが示すようにリードフレーム100を伝わって高速で放熱する。これは実施の形態1において、リードフレーム100に銅を主体とした熱伝導率の高いものを使うためである。そしてLED108に発生した熱は、図2(B)の矢印104bに示すようにリードフレーム100を介して広がると同時に、図2(B)の矢印104cが示すように放熱樹脂102を介して、金属板114にも伝わる。そして金属板114の熱は、必要に応じてヒートシンク等(図示していない)に伝わる。こうしてLED108に発生した熱を広く拡散できるため、LED108の効率的な冷却が可能となる。
また後述する図3等で説明するように、LED108で発生した熱を拡散させるリードフレーム100は、凸部110においてLED108から放射される光を前方に反射させる光反射面(光反射については図3で説明する)を兼用することになる。こうして凸部110を構成するリードフレーム100は、光反射部分と熱拡散部分を兼用することになり、効率的な発光と熱拡散を可能とする。
更に図2(B)に示すように、実施の形態1では、金属板114の凸部110の形状と、放熱樹脂102やリードフレーム100の凸部110の形状を合わせることによって、放熱樹脂102の厚みを薄く、均一にできる。そのためリードフレーム100や金属板114に比べて、熱伝導率が低い放熱樹脂102を用いた場合でも、その影響を最小限に抑えることができる。
この結果、凸部110の中に複数個のLED(更には高放熱が必要なLEDであっても)を高密度に実装することができる。
次に複数個のLED108を一つの凸部110に実装する場合について説明する。複数個のLED108を一つの凸部110において、図1(A)に示すようにリードフレーム100の上に実装できる。そして複数個のLED108は、複数のリードフレーム100から電流を供給され、それぞれ所定の色に発光する。このように複数個のLED108を高密度に実装することで互いの混色が容易となると共に、発光モジュールのコストダウンが可能となる。なお図1において、LED108とリードフレーム100の接続部や、LED108とリードフレーム100bの接続部(例えば、ワイヤーボンダーによる接続)は図示していない。
なお、放熱樹脂102の色は、白色(もしくは白色に近い無色)が望ましい。黒色や赤、青等に着色されている場合、発光素子から放射された光を反射させにくくなり、発光効率に影響を与えるためである。
またLED108の実装は、図1(B)に示すように、リードフレーム100による凸部110の底部に行うことが望ましい。LED108を、凹部の底部(つまり窪みの底)に形成することで、LED108の側面から放射される光を、窪みの壁面部分となるリードフレーム100あるいはリードフレーム100の間に露出する放熱樹脂102によって効果的に求める方向に反射でき、発光効率を高められる。
このように、複数の発光素子を凸部110の底面にてリードフレーム100の上に実装し、更にリードフレームを凸部110の側壁面にも広く形成(望ましくは側壁面の50%以上95%以下。なおリードフレーム100の側壁に占める面積割合が50%以下の場合、リードフレームによる熱伝導に影響し、リードフレーム表面による光反射量を減らす可能性がある。また95%を超えた(つまり側面における放熱樹脂102の露出割合が5%未満となった)場合、リードフレーム100の間隔を狭くした場合、短絡する可能性が高くなる。また金属板114としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金が望ましい。
なお金属板114に形成された第1の凸部110と、リードフレーム100に形成された第2の凸部112の間の放熱樹脂102の厚みは50ミクロン以上1000ミクロン以下が望ましい。更には100ミクロン以上300ミクロン以下が望ましい。絶縁層の厚みが50ミクロン以下の場合、金属板114とリードフレーム100の間の絶縁性が影響を受ける場合がある。またその厚みが1000ミクロンを超えると、リードフレーム100から金属板114への熱伝導性に影響を与える場合がある。
また絶縁層の厚みバラツキ(たとえばリードフレーム100と金属板114の間に挟まれた放熱樹脂の厚みのバラツキ、あるいは厚い部分と薄い部分の厚み差は、200ミクロン以下(更には100ミクロン以下)が望ましい。なお図1(B)で示すように、実施の形態1では金属板114に凸部110を形成することで、リードフレーム100と金属板114の間を絶縁する放熱樹脂の厚みの薄層化及び均一化が可能となる。そのためこの厚みバラツキ(あるいは厚み差)を小さくでき、効率的な冷却と薄層化が可能となる。なおリードフレーム100と金属板114に挟まれた放熱樹脂の厚みバラツキ(あるいは厚み差)が200ミクロン以上と大きくなった場合、リードフレーム100から金属板114への熱伝導性に影響を与える可能性がある。
なお凸部110の断面形状は、台形が望ましい。断面形状を台形とすることで凸部をLED108を囲うようなドーナツ状とすることで、底部に向かって狭くなる形状が形成でき、光の反射効率を高めるためである。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2における発光モジュールの一例について、図3を用いて説明する。図3は実施の形態2における発光モジュールの断面図である。図3において、118は樹脂、120はレンズである。図3(A)は、樹脂118をレンズ状に加工した場合、図3(B)は樹脂118の上にレンズ120を実装した場合である。
以下、本発明の実施の形態2における発光モジュールの一例について、図3を用いて説明する。図3は実施の形態2における発光モジュールの断面図である。図3において、118は樹脂、120はレンズである。図3(A)は、樹脂118をレンズ状に加工した場合、図3(B)は樹脂118の上にレンズ120を実装した場合である。
図3(A)、(B)において矢印104は、LED108から放射された光の方向を示すものである。図3(A)に示すように、LED108から放射された光は、矢印104に示すように、リードフレーム100の第1の凸部110(もしくは第1の凸部110を構成する壁面)で反射され、外部へと導かれる。なおここでリードフレームの表面処理の高光反射率化処理を行っておくことで、光の反射率を高められる。表面処理は、金やニッケルより銀の方が望ましい。これは銀の方が光の反射率が高いためである。また表面処理は光沢処理、無光沢処理(梨地処理等)を問わない。光沢がなくとも、銀等の反射率の高い部材を使うことで反射率を高められる。なお高光反射率化処理は、少なくともリードフレーム100の凸部110を形成する部分以上が望ましい。更に第1の凸部110以外のリードフレーム100には、半導体やチップ部品等を実装するために、半田濡れ性を高める処理を行っておくことが望ましい。こうした処理によって、リードフレーム100の自然酸化も防止できる。
なおLED108を覆う樹脂118は、PMMA(ポリメタクリレート)やシリコン系の透明な樹脂を用いることが望ましい。ここにエポキシ系の樹脂を用いた場合、エポキシの黄化防止のUV抑制剤を添加することが必要である。これはLEDが白色、更には青色光によってエポキシ樹脂が黄化する場合があるためである。またここにシリコン系等の柔らかい(少なくともエポキシ系より硬度が低い)ものを用いることが望ましい。柔らかい(柔軟性を有する)樹脂材料を用いることで、LED108が発熱し、熱膨張した際でのLED108とリードフレーム100の接続部への応力集中を防止できる。同様に、LED108とリードフレーム100をボンディング接続した際の、金製ワイヤーへの応力集中を低減できる(金製ワイヤーが切断されにくくなる)。
なお、第1の凸部110を形成する側面の面積の50%以上95%以下をリードフレーム100とすることが望ましい。なお放熱樹脂102は白色等の光反射率の高い色にすることが望ましい。しかし放熱樹脂102を白色にした場合でも、リードフレーム100の方が光反射率を高くなる場合がある。この場合、リードフレーム100の面積が50%未満の場合、側面における光反射は放熱樹脂102が主となり、発光モジュールの発光効率に影響を与える場合がある。またリードフレームの占める割合が95%以上となった場合、リードフレーム100の加工が難しくなる場合がある。
なおレンズ120の大きさは図3(A)に示すように凸部110の幅と同等、もしくはより大きくすることが望ましい。レンズ120の大きさを大きめにすることで、レンズ120を実装した時の遊び部分を大きくできるため、光学的な位置合わせを容易にできる。特にリードフレーム100や金属板114を、後述する図5等で説明するように金型成型等の手法を用いて加工することで、互いに高精度なものを得ることができる。その結果、リードフレーム100や金属板114の加工精度(特に第1の凸部110の底部と、第2の凸部112の平面との平行度を高められる)。またレンズ120を第1の凸部110の上にセットしただけで、光軸を高精度に合わせられる。
なお第1の凸部110の部分(あるいは第1の凸部110に囲まれた部分)に実装する発光素子は、少なくとも1種類以上の異なる発光色を有する発光素子であることが望ましい。異なる発光色を有する複数個のLED108を使うことで演色性を高められ、一つの凸部110の中にこれらを複数個高密度で実装することで互いの混色性を高められる。また複数個の発光素子の内、1個以上の発光色が白色とすることもできる。このように実施の形態2の構成では、その優れた放熱性を生かすことで、発光効率が温度の影響を受けやすい(あるいは影響の程度が異なる)LED108であっても、温度影響を受けにくい。また発光モジュール自体の温度が上昇した場合でも、リードフレーム100を介して個別にLED108を制御することができることは言うまでもない。
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3における発光モジュールの構造の一例について、図4を用いて説明する。図4はLEDを実装する凸部の形状を長丸(楕円、小判型等も含む)のドーナツ状とした発光モジュールの上面図である。図4に示すように、凹部の形状を細長いドーナツ状とすることで、発光モジュールの小型化と同時にLED108の実装個数や実装密度を高められる。
以下、本発明の実施の形態3における発光モジュールの構造の一例について、図4を用いて説明する。図4はLEDを実装する凸部の形状を長丸(楕円、小判型等も含む)のドーナツ状とした発光モジュールの上面図である。図4に示すように、凹部の形状を細長いドーナツ状とすることで、発光モジュールの小型化と同時にLED108の実装個数や実装密度を高められる。
図4において、リードフレーム100a、100b、100cは互いに絶縁された状態で加工されたリードフレームであり、点線106に従って凸状に盛り上がっている。そして第1の凸部110(もしくは第1の凸部110で囲まれた部分)にLED108a、108b、108cと複数個のLEDが実装されている。そして複数個のLED108a、108b、108cから放射された光は、リードフレーム100a、100b、100cの第1の凸部110の壁面部分(図4の点線106で囲まれたドーナツ状の部分)で反射される。また図4における矢印104(図4においては一部のみを図示している)は、LED108a、108b、108cから発生した熱が伝わる様子を示すものである。このようにLED108a、108b、108cから発生した熱は、図4や図2(A)、図2(B)に示したように、リードフレーム100a、100b、100cを介して放熱できる。このようにしてLED108の実装個数を増加することで、発光モジュールの輝度を高められる。
以下、本発明の実施の形態3における発光モジュールの製造方法の一例について、図5から図7を用いて説明する。
図5は、金属板の一部を凸状に加工する様子を説明する断面図である。図5(A)における金属板114aは加工前であり、図5(B)における金属板114bは加工後である。このようにして、一定の厚みの金属板を用い、これをプレス加工等によって、第1の凸部110を精度良く安価に形成できる。
図6、図7は発光モジュールの成型方法の一例を示す断面図である。図6において、122a、122bは金型、124は汚れ防止フィルムである。まず所定の金属板を、プレス等を用いて所定形状に打抜き、これをリードフレーム100とする。なおこの打抜き加工でリードフレーム100にバリが発生する場合もある。次に図6に示すように、リードフレーム100の下に未硬化状態の放熱樹脂102や、金属板114をセットする。そしてこれら部材を位置決めした状態で、金型122a、122bの間にセットする。次にプレス装置(図6には図示していない)によって、金型122a、122bを矢印104aの方向に動かすことによって、リードフレーム100が放熱樹脂102に押し付けられ、そして所定温度で加熱硬化する。また図6に示すように、リードフレーム100と、金型122aの間に汚れ防止フィルム124をセットしておくことが望ましい。また汚れ防止フィルム124は、例えば不織布等のように有る程度の空気透過性があるフィルム状のものを使うことが望ましい。こうすることで、リードフレーム100を、金型122a、122bを用いて、放熱樹脂102の中に押し付けた際、矢印104bで示すように空気を抜きやすくなり(汚れ防止フィルム124を介して、空気が抜ける)、リードフレーム100と放熱樹脂102の界面、あるいは金属板114と放熱樹脂102の界面に、空気残りの発生を防止できる。
なおリードフレーム100を金型成型によって所定の3次元形状に抜く際、リードフレーム100の端部に発生したバリの方向は、前記汚れ防止フィルム124側になるようにすることが望ましい。こうすることで、リードフレーム100をプレスした際、バリが汚れ防止フィルム124に喰い込むため、リードルレーム100の表面(例えば、LED108等の実装面)に放熱樹脂102が回り込むことを防止できる。
図7は、プレスが終了した後の断面図である。図7に示すように、金型122a、122bを矢印104aの方向に動かすことで、発光モジュールが完成する(なお図7の状態では、まだLED108等は実装されていない)。そして図7の発光モジュールに、LED108を実装し、更に樹脂118でカバーすることで、図1に示したような発光モジュールが完成する。なおバリはプレス時に無くせるが、必要な場合、プレス後も残すことができる。
次に、絶縁材料について更に詳しく説明する。放熱樹脂102は、フィラーと樹脂から構成されている。なおフィラーとしては、無機フィラーが望ましい。無機フィラーとしては、Al2O3、Mg、BN、SiO2、SiC、Si3N4、及びAlNからなる群から選択される少なくとも一種を含む一つを含むことが望ましい。なお無機フィラーを用いると、放熱性を高められるが、特にMgOを用いると線熱膨張係数を大きくできる。またSiO2を用いると誘電率を小さくでき、BNを用いると線熱膨張係数を小さくできる。こうして絶縁層102としての熱伝導率が1W/(m・K)以上20W/(m・K)以下のものを形成することができる。なお熱伝導率が1W/(m・K)未満の場合、発光モジュールの放熱性に影響を与える。また熱伝導率を20W/(m・K)より高くしようとした場合、フィラー量を増やす必要があり、プレス時の加工性に影響を与える場合がある。
また樹脂としては、熱硬化性樹脂を用いることが望ましく、具体的にはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが望ましい。
なお無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1〜100μmであるが、粒径が小さいほど樹脂への充填率を向上できる。そのため放熱樹脂102における無機フィラーの充填量(もしくは含有率)は、熱伝導率を上げるために70から95重量%と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径3ミクロンと平均粒径12ミクロンの2種類のAl2O3を混合したものを用いている。この大小2種類の粒径のAl2O3を用いることによって、大きな粒径のAl2O3の隙間に小さな粒径のAl2O3を充填できるので、Al2O3を90重量%近くまで高濃度に充填できるものである。この結果、放熱樹脂102の熱伝導率は5W/mK程度となる。なおフィラーの充填率が70重量%未満の場合、熱伝導性が低下する場合が有る。またフィラーの充填率(もしくは含有率)が95重量%を超えると、未硬化前の放熱樹脂102の成型性に影響を与える場合があり、放熱樹脂102とリードフレーム100の接着性(例えば埋め込んだ場合や、その表面に貼り付けた場合)に影響を与える可能性がある。
なお熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも1種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。
なお放熱樹脂102からなる絶縁体の厚さは、薄くすれば、リードフレーム100に装着したLED108に生じる熱を金属板114に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して最適な厚さに設定すれば良い。
次にリードフレーム100の材質について説明する。リードフレームの材質としては、銅を主体とするものが望ましい。これは銅が熱伝導性と導電率が共に優れているためである。またリードフレームとしての加工性や、熱伝導性を高めるためには、リードフレーム100となる銅素材に銅以外の少なくともSn、Zr、Ni、Si、Zn、P、Fe等の群から選択される少なくとも1種類以上の材料とからなる合金を使うことが望ましい。例えばCuを主体として、ここにSnを加えた、合金(以下、Cu+Snとする)を用いることができる。Cu+Sn合金の場合、例えばSnを0.1wt%以上0.15wt%未満添加することで、その軟化温度を400℃まで高められる。比較のためSn無しの銅(Cu>99.96wt%)を用いて、リードフレーム100を作成したところ、導電率は低いが、出来上がった放熱基板において特に凸部110の形成部等に歪が発生する場合があった。そこで詳細に調べたところ、その材料の軟化点が200℃程度と低いため、後の部品実装時(半田付け時)や、LED108の実装後の信頼性(発熱/冷却の繰り返し等)に変形する可能性があることが予想された。一方、Cu+Sn>99.96wt%の銅素材を用いた場合、実装された各種部品や複数個のLEDによる発熱の影響は特に受けなかった。また半田付け性やダイボンド性にも影響が無かった。そこでこの材料の軟化点を測定したところ、400℃であることが判った。このように、銅を主体として、いくつかの元素を添加することが望ましい。銅に添加する元素として、Zrの場合、0.015wt%以上0.15wt%の範囲が望ましい。添加量が0.015wt%未満の場合、軟化温度の上昇効果が少ない場合がある。また添加量が0.15wt%より多いと電気特性に影響を与える場合がある。また、Ni、Si、Zn、P等を添加することでも軟化温度を高くできる。この場合、Niは0.1wt%以上5wt%未満、Siは0.01wt%以上2wt%以下、Znは0.1t%以上5wt%未満、Pは0.005wt%以上0.1wt%未満が望ましい。そしてこれらの元素は、この範囲で単独、もしくは複数を添加することで、銅素材の軟化点を高くできる。なお添加量がここで記載した割合より少ない場合、軟化点上昇効果が低い場合がある。またここで記載した割合より多い場合、導電率への影響の可能性がある。同様に、Feの場合0.1wt%以上5wt%以下、Crの場合0.05wt%以上1wt%以下が望ましい。これらの元素の場合も前述の元素と同様である。
なおリードフレーム100に使う銅合金の引張り強度は、600N/mm2以下が望ましい。引張り強度が600N/mm2を超える材料の場合、リードフレーム100の加工性に影響を与える場合がある。またこうした引張り強度の高い材料は、その電気抵抗が増加する傾向にあるため、実施の形態1で用いるようなLED等の大電流用途には向かない場合がある。一方、引張り強度が600N/mm2以下(更にリードフレーム100に微細で複雑な加工が必要な場合、望ましくは400N/mm2以下)とすることでスプリングバック(必要な角度まで曲げても圧力を除くと反力によってはねかえってしまうこと)の発生を抑えられ、凹部の形成精度を高められる。このようにリードフレーム材料としては、Cuを主体とすることで導電率を下げられ、更に柔らかくすることで加工性を高められ、更にリードフレーム100による放熱効果も高められる。なおリードフレーム100に使う銅合金の引張り強度は、10N/mm2以上が望ましい。これは一般的な鉛フリー半田の引張り強度(30〜70N/mm2程度)に対して、リードフレーム100に用いる銅合金はそれ以上の強度が必要なためである。リードフレーム100に用いる銅合金の引張り強度が、10N/mm2未満の場合、リードフレーム100にLED108や駆動用半導体部品、チップ部品等を半田付け実装する場合、半田部分ではなくてリードフレーム100部分で凝集破壊する可能性がある。
なおリードフレーム100の、放熱樹脂102から露出している面(LED108や、図示していないが制御用ICやチップ部品等の実装面)に、予め半田付け性を改善するように半田層や錫層を形成しておくことで、ガラエポ基板等に比べて熱容量の大きく半田付けしにくい、リードフレーム100へ対する部品実装性を高められると共に、配線の錆び防止が可能となる。なおリードフレーム100の放熱樹脂102に接する面(もしくは埋め込まれた面)には、半田層は形成しないことが望ましい。このように放熱樹脂102と接する面に半田層や錫層を形成すると、半田付け時にこの層が柔らかくなり、リードフレーム100と放熱樹脂102の接着性(もしくは結合強度)に影響を与える場合がある。なお図1、図2において、半田層や錫層は図示していない。
金属製の金属板114としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金からできている。特に、本実施の形態では、金属板114の厚みを1mmとしているが、その厚みはバックライト等の仕様に応じて設計できる(なお金属板114の厚みが0.1mm以下の場合、放熱性や強度的に不足する可能性がある。また金属板114の厚みが50mmを超えると、重量面で不利になる)。金属板114としては、単なる板状のものだけでなく、より放熱性を高めるため、絶縁体を積層した面とは反対側の面に、表面積を広げるためにフィン部(あるいは凹凸部)を形成しても良い。全膨張係数は8×10-6/℃〜20×10-6/℃としており、金属板114やLED108の線膨張係数に近づけることにより、基板全体の反りや歪みを小さくできる。またこれらの部品を表面実装する際、互いに熱膨張係数をマッチングさせることは信頼性的にも重要となる。また金属板114を他の放熱板(図示していない)にネジ止めできる。
またリードフレーム100としては、銅を主体とした金属板を、少なくともその一部が事前に3次元の凸形状に打抜かれたものを用いることができる。そしてリードフレーム100の厚みは0.1mm以上1.0mm以下(更に望ましくは0.3mm以上0.5mm以下)が望ましい。これはLEDを制御するには大電流(例えば30A〜150Aであり、これは駆動するLEDの数によって更に増加する場合もある)が必要であるためである。またリードフレーム100の肉厚が0.10mm未満の場合、プレスが難しくなる場合がある。またリードフレーム100の肉厚が1mmを超えると、プレスによる打ち抜き時にパターンの微細化が影響を受ける場合がある。ここでリードフレーム100の代わりに銅箔(例えば、厚み10ミクロン以上50ミクロン以下)を使うことは望ましくない。本発明の場合、LEDで発生する熱は、リードフレーム100を通じて広く拡散されることになる。そのためリードフレーム100の厚みが厚いほど、リードフレーム100を介しての熱拡散が有効となる。一方、リードフレーム100の代わりに銅箔を用いた場合、銅箔の厚みがリードフレームに比べて薄い分、熱拡散しにくくなる可能性がある。
次に従来例1として、リードフレーム100の代わりに、銅箔(厚み10ミクロン)を用いて、図1に示したようなサンプル試作を試みた。まず市販の銅箔を所定形状にパターニングした後、プレスで凸形状に加工し、図6のようにして第1の凸部110が形成された金属板114と、汚れ防止フィルム124の間にセットしようとした。しかしプレス加工した銅箔は柔らかくて、取り扱いが難しかった。
次に従来例2として、銅箔を転写体の上で所定パターンに形成し、凸部等を有しない板状(あるいは平らな)の未硬化の放熱樹脂102の表面に貼り付けた。そして次にこの板状の未硬化の放熱樹脂102を、図6〜図7に示すように、金属板114と汚れ防止フィルム124の間にセットし、表面に突起を有する金型120aを用いてプレスしながら加熱し、樹脂硬化させた。こうして放熱樹脂102を成型するとともに金属板114には第1の凸部110相当の、銅箔には第2の凸部112相当の凸状を形成した。そしてこうして図1相当の凹凸が形成された銅箔の上に、LED108を実装し、放熱試験を行った。しかし銅箔はリードフレームに比べて厚みが薄いため、銅箔を介しての熱拡散の割合は少なかった。
次に従来例3として、配線形状に打抜いただけのリードフレーム100(図1に示すような第2の凸部112等の3次元加工は行っていない、板厚は0.3mm)を用意し、これを従来例2で用意した板状の未硬化の放熱樹脂102の上に貼り付け、図6〜図7に示すようにして、リードフレーム100の第2の凸部112加工と、放熱樹脂102の成型加工を同時に行ってみた。しかしリードフレーム100は硬いため、求めるような第2の凸部112の形状に加工することはできなかった。そして、放熱樹脂102と同時に凸部110を形成するには、銅箔のようにより薄い(より柔らかい)ものを使う必要があることが判った。
一方、実施の形態3の場合、図6、図7に示すように金型122a、122bで事前に成型しておいた、寸法形状の安定したリードフレーム100を用いることになる。そのためリードフレーム100として、厚みの厚いもの(例えば0.1mm〜1.0mmと、銅箔に比べて肉厚で曲がりにくいもの)を用いた場合でも、安価に高精度なものを所定の形状(打抜きや3次元的な加工も)に加工できる。そしてこうして予め加工成型したリードフレーム100と放熱樹脂102とが一体化することになるため、リードフレーム100の精度が高い状態に保てる。
更に放熱樹脂102とリードフレーム100とを加熱プレスする時の温度プロファイルを工夫することで、放熱樹脂が軟化(粘度低下)でき、リードフレーム100に対する影響も抑制できる。このようにリードフレーム100や金属板114の成型工程と、放熱樹脂102との成型工程を、別々に分けることによって厚みが厚くて放熱性の優れたリードフレーム100を使った発光モジュールを安価に形成できる。
更に実施の形態3の場合、LED108が実装されたリードフレーム100に第2の凸部112が形成され、この凸部112の壁面に形成されるリードフレーム100が、LED108から放射された光を反射させると共に、LED108から発生した熱はこの第2の凸部112側面を介して、発光モジュール全体に拡散させることができ、発光効率を高めると共に、その放熱効果を更に高められる。このように金属よりなる反射面を、リードフレーム100が兼用することで、リードフレーム100と放熱樹脂102との接続面積を広げられるため、リードフレーム100から放熱樹脂102へ熱を伝えやすくできる。更に図1等で示したように、金属板114を予め第1の凸部110に形成しておくことで、リードフレーム100と金属板114の間に形成された放熱樹脂102の厚みを薄く、均一にできるため、リードフレーム100→放熱樹脂102→金属板114への熱伝導性を高められることは言うまでもない。
このようにして、少なくとも一部が第1の凸部110が形成された金属板114と、少なくとも一部が第2の凸部112が形成された銅を主体とするリードフレーム100とが、前記第2の凸部の中に前記第1の凸部が嵌め込まれた状態で、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とからなる絶縁層によって固定され、前記凸部で囲まれた部分の前記リードフレーム100上に2個以上の発光素子が実装し、前記第2の凸部の側面の一部が光反射面になる発光モジュールを構成する。
また少なくとも一部が凸状(例えば第1の凸部110)に加工された金属板114と、少なくとも一部が凸状(例えば第2の凸部112)に加工されたリードフレーム100とを、途中に絶縁樹脂である放熱樹脂102を挟んだ状態で、互いに凸状部分同士を嵌め込むようにしてセットし、更に少なくとも前記リードフレーム100と金型122aの間に汚れ防止フィルム124を挿入した状態で、プレスして前記絶縁樹脂を硬化し、前記金属板114と前記リードフレーム100を固定した後、前記リードフレーム100にLED108等の発光素子を実装する発光モジュールを製造することができる。
以上のように、本発明にかかる発光モジュールを用いることで、多数個の発光素子を、安定して点灯できるため、液晶TV等のバックライト以外に、プロジェクター、投光機器等の小型化、高演色化の用途にも適用できる。
100 リードフレーム
102 放熱樹脂
104 矢印
106 点線
108 LED
110 第1の凸部
112 第2の凸部
114 金属板
116 ヒートシンク
118 透明樹脂
120 レンズ
122 金型
124 汚れ防止フィルム
102 放熱樹脂
104 矢印
106 点線
108 LED
110 第1の凸部
112 第2の凸部
114 金属板
116 ヒートシンク
118 透明樹脂
120 レンズ
122 金型
124 汚れ防止フィルム
Claims (14)
- 少なくとも一部が第1の凸部が形成された金属板と、
少なくとも一部が第2の凸部が形成された銅を主体とするリードフレームとが、
前記第2の凸部の中に前記第1の凸部が嵌め込まれた状態で、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とからなる絶縁層によって固定され、
前記凸部で囲まれた部分の前記リードフレーム上に2個以上の発光素子が実装され、
前記凸部の一部が光反射面になる発光モジュール。 - 金属板とリードフレームの間に形成された絶縁層の厚みは50ミクロン以上500ミクロン以下である請求項1記載の発光モジュール。
- リードフレームと金属板の間の絶縁層の厚みのバラツキは200ミクロン以下である請求項1記載の発光モジュール。
- リードフレームは、凸部を形成する側面の50%以上95%以下の面積を占める請求項1記載の発光モジュール。
- 複数個の発光素子は、少なくとも2種類以上の異なる発光色を有する発光素子である請求項1記載の発光モジュール。
- 複数個の発光素子の内、1個以上は発光色が白色である請求項1記載の発光モジュール。
- リードフレームの厚みは0.10mm以上1.0mm以下で、少なくとも絶縁層と一体化される前にその一部が凸部を有する形状に加工されたものである請求項1記載の発光モジュール。
- 前記絶縁層の熱伝導率が1W/(m・K)以上20W/(m・K)以下である請求項1に記載の発光モジュール。
- 無機フィラーは、Al2O3、MgO、BN、SiO2、SiC、Si3N4、及びAlNからなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項1に記載の発光モジュール。
- 熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項1に記載の発光モジュール。
- 絶縁層は白色である請求項1に記載の発光モジュール。
- 凸部の断面は、台形である請求項1に記載の発光モジュール。
- Snは0.1wt%以上0.15wt%以下、Zrは0.015wt%以上0.15wt%以下、Niは0.1wt%以上5wt%以下、Siは0.01wt%以上2wt%以下、Znは0.1wt%以上5wt%以下、Pは0.005wt%以上0.1wt%以下、Feは0.1wt%以上5wt%以下である郡から選択される少なくとも一種を含む銅を主体とするリードフレームを用いる請求項1記載の発光モジュール。
- 少なくとも一部が凸状に加工された金属板と、少なくとも一部が凸状に加工されたリードフレームとを、途中に絶縁樹脂を挟んだ状態で、互いに凸状部分を嵌め込むようにしてセットし、
更に前記リードフレームと金型の間に汚れ防止フィルムを挿入した状態で、プレスして前記絶縁樹脂を硬化し、前記金属板と前記リードフレームを固定した後、
前記リードフレームに発光素子を実装する発光モジュールの製造方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2005354406A JP2007158210A (ja) | 2005-12-08 | 2005-12-08 | 発光モジュールとその製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013008965A (ja) * | 2012-06-04 | 2013-01-10 | Panasonic Corp | 実装基板 |
KR101820694B1 (ko) * | 2011-08-18 | 2018-01-22 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 패키지 및 이를 포함하는 조명시스템 |
JP2020057660A (ja) * | 2018-09-28 | 2020-04-09 | 日亜化学工業株式会社 | 発光装置及びその製造方法 |
-
2005
- 2005-12-08 JP JP2005354406A patent/JP2007158210A/ja active Pending
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