JP2007194526A - 発光モジュールとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】LEDの放熱基板としてセラミック基板を用いた場合、セラミック基板の加工が難しかった。
【解決手段】一部が凹状に成型されたリードフレーム100の一部を光反射材104で固定し、前記リードフレーム100は導熱樹脂102を介して金属板112と一体化成型した後、発光素子108や発光素子108の後付が可能な反射リング114をセットすることで、発光素子108から発せられる光は、反射リング114で反射され、発光素子108から発生する熱はリードフレーム100から導熱樹脂102を介して金属板112に伝えることができ、発光モジュールの発光効率と放熱効率を高める。
【選択図】図1
【解決手段】一部が凹状に成型されたリードフレーム100の一部を光反射材104で固定し、前記リードフレーム100は導熱樹脂102を介して金属板112と一体化成型した後、発光素子108や発光素子108の後付が可能な反射リング114をセットすることで、発光素子108から発せられる光は、反射リング114で反射され、発光素子108から発生する熱はリードフレーム100から導熱樹脂102を介して金属板112に伝えることができ、発光モジュールの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9は、従来の発光モジュールの一例を示す断面図である。図9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9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9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部分の温度の上昇(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9に示すように、LED等の発光素子2が一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製する(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製する)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反射材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、発光素子の光はリング状の反射材で反射させる一方、前記発光素子で発生した熱はリードフレームから導熱樹脂を介して、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)、図1(B)は、それぞれ図1(A)の任意の部分での断面図である。図1において、100はリードフレーム、102は導熱樹脂、104は光反射材、106は点線、108は発光素子であり、発光素子108はLEDやレーザー等の発光素子である。また110は矢印、112は金属板、114は反射リングである。
そして実施の形態1では、金属板112の上に、導熱樹脂102を介して、予めその一部が凹状に加工されて、更に光反射材104によって固定されたリードフレーム100が絶縁、固定されることになる。そしてこのリードフレーム100の凹状の中に形成された光反射材104で囲まれた部分に発光素子108が実装される。そして発光素子108から発せられる光(図1(B)、(C)の矢印110に相当)が、反射リング114で前方に反射され、発光効率を高める。
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、導熱樹脂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)や図1(C)に示すような凹部を形成することを示している。そして発光素子108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(なお発光素子108は、必ずしも跨って実装される必要はない)。なお発光素子108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。
なお複数のリードフレーム100の発光素子108が実装される部分は、導熱樹脂102の代わりに、光反射材104で固定されている。またリードフレーム100の発光素子108が実装された部分の周囲は、リング状の反射リング114が固定されており、発光素子108から発せられた光は、前記反射リング114の側面で前方に反射されることとなる。
次に図1(B)を用いて説明する。図1(B)は、図1(A)の任意の位置における断面図に相当する。図1(B)において、リードフレーム100の一部が凹状に凹んでおり、この凹んだ部分の底部は、リードフレーム100とその隙間を埋める光反射材104で形成されている。そしてその上に形成された発光素子108から発せられる光は、矢印110で示すように反射リング114で反射され、発光効率を高める。
また図1(C)は、図1(B)と同様に図1(A)の任意の位置における断面図に相応する。図1(C)に示すように、発光素子108から発せられた光は、矢印110で示すように光反射材104や、反射リング114で前方に反射される。図1(C)に示すように、リードフレーム100の間にも光反射材104を形成することで、発光素子108の近傍での光反射率を高めることができる。このため一つ一つが異なる発光色を有する発光素子108を複数個、反射リング114で囲まれた面積内に実装した時でも、その混色(あるいは混色による白色の形成)を容易にできる。
次に図2を用いて、更に詳しく説明する。図2はリードフレームの形状を示す上面図であり、図1(A)から発光発光素子と反射リングを除去した上面図に相当する。図2より、リードフレーム100は、反射リング114や発光素子108の下にも形成されていることが判る。またリードフレーム100の先端部(もしくは発光素子108が実装される部分近辺)は、光反射材104で固定されていることがわかる。図2に示すように、リードフレーム100の間にも光反射材104を形成することで、発光素子108の近傍での光反射率を高めることができる。このため一つ一つが異なる発光色を有する発光素子を複数個、反射リング114で囲まれた面積内に実装した時でも、その混色(あるいは混色による白色の形成)を容易にできる。
次に図3を用いて、発光素子108で発生した熱が拡散する様子を示す。図3は熱が拡散する様子を示す図であり、図1(A)から発光素子108を省いたものである。図3(A)において、矢印110aは、発光素子108(図3(A)では図示していない)の熱の伝わる方向を示す矢印である。図3(A)より、発光素子108(図3(A)では図示していない)で発生した熱は、リードフレーム100に沿って、矢印110aの方向に拡散することが判る。
図3(B)は、図3(A)の断面における熱の拡散の様子を示す断面図である。図3において、発光素子108に発生した熱は、一部が凹部状に加工されたリードフレーム100を矢印110bの方向に、リードフレーム100の形状に沿って拡散することが判る。
図3(C)は、図3(A)の断面における熱の拡散の様子を示す断面図である。図3(C)に示すように、リードフレーム100に伝わった熱は、矢印110cが示すように、導熱樹脂102を介して金属板112に拡散することが判る。
なお導熱樹脂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(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導熱樹脂102の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える)。そのため導熱樹脂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、導熱樹脂102の熱伝導率は5W/(m・K)程度となる。なお無機フィラーとしてはAl2O3の代わりに、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。導熱樹脂102の厚みは、薄くすれば、リードフレーム100に装着した発光素子108に生じる熱を金属板112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。
このように、実施の形態1では、導熱樹脂102としては熱伝導性の良いフィラーを、光反射材104には光反射性の優れたフィラーをそれぞれ添加することで、熱伝導性や光反射性(あるいは異なる単色光同士の混合による白色光の形成)を高めることになる。
なお、導熱樹脂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。
なお光反射材104は、リング状(あるいはドーナツ状に)として、リードフレーム100が形成する凹部全体を覆っても良い。また光反射材104の側面の形状は、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。また凸部110の側面を放射状や二次曲線、三次曲線等とすることで、光の反射方向を最適化設計できることは言うまでもない。
(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製造方法の一例について、図4〜図5を用いて説明する。図4〜図5は、実施の形態2における発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図であり、116は透明樹脂、118はレンズである。
以下、本発明の実施の形態2における発光モジュールの製造方法の一例について、図4〜図5を用いて説明する。図4〜図5は、実施の形態2における発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図であり、116は透明樹脂、118はレンズである。
図4(A)は、リードフレーム100の断面であり、リードフレーム100の一部は、金型等で発光素子の実装部等がファインパターンに打抜かれている。図4(B)は、リードフレーム100の一部を、光反射材104で固定され、更にリードフレーム100の一部を折り曲げた様子を示す断面図である。リードフレーム100の一部を、光反射材104で固定することで、リードフレーム100の変形を防止できる。なお光反射材104としては、LEDチップ等の製造に使われる白色の樹脂を主体とした(必要に応じて白色顔料を添加した)樹脂材料を用いることができる。また部材は、射出成型できるため、その生産性を高められる。なおこの時、リードフレーム100の一部を折り曲げておくことができる。この折り曲げは、光反射材104の成型前であっても、成型後であっても良い。
次に図4(C)に示すように導熱樹脂102を用いて、光反射材104が形成されたリードフレーム100と、金属板112を一体化成型する。なおこの一体化成型において、金型を使ったプレス装置を使うことができる。また例えば80℃〜200℃の範囲(例えば180℃)で加熱することで、導熱樹脂102を金型(図示していない)の中で硬化できる。こうして導熱樹脂102によって、光反射材104が成型されたリードフレーム100と金属板112を導熱樹脂102で固定する。
次に図4(D)に示すようにして、発光素子108を実装する。なおここで発光素子108の実装は、半田実装、ワイヤーボンダーを使った実装、フリップチップ実装等、実装方法は任意のものを選ぶことができる。
図4(E)に示すように、反射リング114を矢印110で示すように実装する。ここで反射リング114に突起122等を形成しておくことで、反射リング114を導熱樹脂102やリードフレーム100に仮固定できる。このように発光素子108を実装した後で、反射リング114をセットすることで、発光素子108の実装性(実装密度を高めたり、実装時間を短くしたり)を高められる。このように、発光素子108を実装した後で、反射リング114をセットすることができるため、発光素子108を高密度実装する場合に、反射リング114の存在が邪魔にならない。反射リング114の固定は接着剤等を用いることもできるし、仮固定であっても良い(次の工程で樹脂埋めするため)。
次に図5(A)に示すように反射リング114で囲われた部分に、透明樹脂116aを流し込み、硬化させる。なお図5(A)に示すように透明樹脂116aは、反射リング114で囲まれた部分を適当に埋めればよい。また必要に応じて、反射リング114で囲まれた部分全体を透明樹脂116aで覆うことができる。この場合、図5(B)に示すように、反射リング114から溢れた透明樹脂116cを、反射リング114とリードフレーム100との隙間で受け止めるような構造とすることが望ましい。こうして工程の安定化が可能となる。
図5(C)は、透明樹脂116bの上にレンズ118をセットした状態を示す断面図である。このように溢れた透明樹脂116cを、反射リング114の外で、リードフレーム100との隙間で受け止めることで、レンズ118の実装性への影響を防止できる。また透明樹脂116cによって反射リング114をリードフレーム100で形成された凹部の中に固定することができる。
次に図6を用いて更に詳しく説明する。図6は反射リングの斜視図である。なお図6において光反射リングの中に実装された発光素子108や、リードフレーム100は図示していない。120は溝部、122は突起部である。
図6(A)に示すように、反射リング114の一部に、溝部120を形成しておくことで、透明樹脂116を矢印110aのようにディスペンサー等を用いて投入した場合、余分な透明樹脂116bを、矢印110bに示すようにして外部(図5(B)、図5(C)で説明した部分)に溜めることができる。
また図6(B)に示すように、反射リング114の一部に突起部122を形成することで、レンズ118を矢印110cのようにセットする場合での、位置合わせを確実にできる。なお必要に応じてレンズ118に突起部122に対応する凹部(図示していない)を形成することができる。
なお発光素子108を覆う透明樹脂116は、PMMA(ポリメチルメタクリレート)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、発光素子108が発熱し、熱膨張した際での発光素子108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、発光素子108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)。
なお発光モジュール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発光素子108を使うことで演色性を高められ、一つの光反射材で囲まれた領域内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108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)発光素子108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を介して個別に発光素子108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他の製造方法の一例について、図7を用いて説明する。図7は実施の形態3における発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。実施の形態2と実施の形態3の違いは、リードフレーム100の側面と下面を光反射材104が覆うこと(実施の形態3に相当)と、リードフレーム100の側面のみを光反射材104で覆うこと(実施の形態2に相当)である。実施の形態3に示すように、リードフレーム100の側面のみならず下面も光反射材104で覆うことで、リードフレーム100の変形を防止すると共に、リードフレーム100と金属板112のショートを防止できる。これはリードフレーム100と金属板112の間が、光反射材104と導熱樹脂102の多層によって絶縁されるためである。
以下、本発明の実施の形態3における発光モジュールの他の製造方法の一例について、図7を用いて説明する。図7は実施の形態3における発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。実施の形態2と実施の形態3の違いは、リードフレーム100の側面と下面を光反射材104が覆うこと(実施の形態3に相当)と、リードフレーム100の側面のみを光反射材104で覆うこと(実施の形態2に相当)である。実施の形態3に示すように、リードフレーム100の側面のみならず下面も光反射材104で覆うことで、リードフレーム100の変形を防止すると共に、リードフレーム100と金属板112のショートを防止できる。これはリードフレーム100と金属板112の間が、光反射材104と導熱樹脂102の多層によって絶縁されるためである。
図7(A)はリードフレーム100の断面図である。このようにリードフレーム100を平面状とすることで、プレス等による微細加工(あるい微細打抜き)が容易となる。
次に図7(B)に示すように、リードフレーム100の裏表を光反射材104によって固定する。この工程において、射出成型等の手法を用いることができる。こうしてリードフレーム100の変形を防止できる。また同時に壁部を形成できる。またリードフレーム100の裏面(導熱樹脂102側に)に光反射材104を埋め込める。こうして光反射材104の一部は、リードフレーム100同士の隙間と、リードフレーム100と導熱樹脂102の間で発光素子108の直下を避けた位置にも形成することができる。発光素子108の直下のリードフレーム100下に、光反射材104を形成しない理由は、リードフレーム100から導熱樹脂102への熱伝導に影響を与えないためである。
次に導熱樹脂102を用いて金属板112と一体化する。この一体化成型において熱プレス等(金型等も含め図示していない)を用いることができる。
なお図7(C)に示すように光反射材104で固定されたリードフレーム100と、導熱樹脂102aの一体化は、まず導熱樹脂102aとリードフレーム100を予備成型(あるいはプレゲル、プリゲル成型)した後で、金属板112を矢印110に示すように、押し当て、加熱硬化させても良い。また後述する図8(C)のように、リードフレーム100と、金属板112の間に導熱樹脂102をセットし、プレスして導熱樹脂102を硬化させてもよい。こうして図7(D)に示すような構造を形成し、発光素子108を実装した後、反射リング114を実装する。このように発光素子108を実装した後で、反射リング114を実装することで、発光素子108の実装性に影響を与えない。また反射リング114の一部に、突起部122等を形成しておくことで、反射リング114をリードフレーム100や導熱樹脂102の表面に仮止めする(仮止めした後、透明樹脂116で覆っても良い)。
あるいは、導熱樹脂102bのように、一部をリードフレーム100から露出させておき、これで反射リング114の位置決めを行ったり、反射リング114の仮止めを行ったりしても良い。
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4における発光モジュールの製造方法の一例について、図8を用いて説明する。
以下、本発明の実施の形態4における発光モジュールの製造方法の一例について、図8を用いて説明する。
図8は、光反射樹脂の形状を利用して、導熱樹脂の厚み制御を行う一例を示す断面図である。
図8(A)は、リードフレーム100に形成する光反射材104の形状の一例を示す断面図であり、光反射材104の下部は、リードフレーム100から下に露出して、金属板112を嵌め込む(更には金属板112とリードフレーム100の間に充填される導熱樹脂102の厚みを制御する)スペーサ部124となる。
図8(B)は、光反射材104とリードフレーム100が一体化された様子を示す断面図である。図8(B)において、リードフレーム100の下には、金属板112を嵌め込む(更に金属板112とリードフレーム100の間に充填される導熱樹脂102の厚みを制御する)スペーサ部124が形成されている。
図8(C)は、導熱樹脂102を用いて、リードフレーム100と金属板112を一体化する様子を示す断面図である。矢印110で示す方向に、金型(図示していない)を用いて光反射材104で一部が固定されたリードフレーム100と、金属板112の間に導熱樹脂102をセットし、導熱樹脂102を硬化させ、一体化成型する。
図8(D)は一体化成型された後の断面図であり、光反射材104によって形成されたスペーサ部124によって、金属板112とリードフレーム100隙間が一定となり、その間に導熱樹脂102が充填される。このように導熱樹脂102の充填を、金属板112とスペーサ部124の間に行うことで、金属板112の形状を四角形とした場合でもその四角の角の隅々まで導熱樹脂102を回りこませることができるため、リードフレーム100から導熱樹脂102を介して、金属板112への熱伝導の効率を高めることができる。そして反射部114を矢印110の方向にセットする。
ここで光反射材104の一部で、リードフレーム100の側面のみならず裏面も覆うことで、リードフレーム100の固定を確実化できると共に、リードフレーム100と金属板112のショートを防止できるため、導熱樹脂102の薄層化が可能となる。
また光反射材104の一部を、リードフレーム100と金属板112の隙間を保持するスペーサ部124として形成することで、リードフレーム100と金属板112の間の導熱樹脂102の成型精度を高めると共に、導熱樹脂102の細部や隙間への回りこみを確実にすることができる。
次に、絶縁材料について更に詳しく説明する。導熱樹脂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、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。こうして導熱樹脂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。そのため導熱樹脂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、導熱樹脂102の熱伝導率は5W/(m・K)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、未硬化前の導熱樹脂102の成型性に影響を与える場合があり、導熱樹脂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。
なお導熱樹脂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に装着した発光素子108に生じる熱を金属板112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を作製したところ、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、発光素子108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%の材料を用いた場合、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0.1wt%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114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に発光素子108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、導熱樹脂102から露出している面(発光素子108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の導熱樹脂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。このように導熱樹脂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と導熱樹脂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112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112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112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112の厚みが50mmを超えると、重量面で不利になる)。金属板112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。線膨張係数は8×10-6/℃〜20×10-6/℃としており、金属板112や発光素子108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112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。
更に導熱樹脂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、導熱樹脂が軟化(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の成型工程と、予め成型されたリードフレーム100と導熱樹脂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を使った発光モジュールを安価に形成できる。
こうして、金属板112と、前記金属板112の上の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である導熱樹脂102と、前記導熱樹脂102を介して固定され、一部に凹部が形成され、前記凹部の一部が光反射材104で固定された銅を主体とするリードフレーム100と、反射リング114と、からなり、前記反射リング114で囲まれた中のリードフレーム100上に実装された発光素子108の発光の一部が前記反射リング114で反射できる発光モジュールを提供する。
また金属板112と、前記金属板112の上の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である導熱樹脂102と、前記導熱樹脂102を介して固定され、一部に凹部が形成され、前記凹部の一部が光反射材104で固定された銅を主体とするリードフレーム100と、反射リング114と、前記反射リング114で囲まれた中の前記リードフレーム100上に実装された発光素子108と、前記発光素子108を覆う透明樹脂116と、からなり、前記透明樹脂116の一部は、前記反射リング114と前記リードフレーム100との隙間に溜まる構造を有している発光モジュールを提供する。
そして少なくとも一部に凹部が形成され、光反射材104で固定されたリードフレーム100と、金属板112の間に絶縁樹脂である導熱樹脂102を挟んだ状態で、前記導熱樹脂102を硬化し、前記金属板112と、光反射材104で固定された前記リードフレーム100を一体化した後、発光素子108並びに反射リング114を実装することで、発光モジュールを製造する。
また少なくとも一部に凹部が形成され、光反射材で固定されたリードフレーム100と、金属板112の間に絶縁樹脂である導熱樹脂102を挟んだ状態で、前記導熱樹脂102を硬化し、前記金属板112と、光反射材104で固定された前記リードフレーム100を一体化した後、前記凹部に発光素子108と反射リング114を実装した後、透明樹脂116で覆うことで、発光モジュールを製造する。
なお発光素子108の実装後に反射リング114をセットしても良いし、反射リング114をセットした後で、発光素子108をセットしても良い。これは工程設計の中で判断すれば良い。
なお光反射材104としては、TiO2やMgO等の白色セラミック粉、あるいはガラス粉、マイクロガラスビーズ等の光反射の高い光反射粉を耐熱性の高い熱可塑性の樹脂中に分散させたものを使うことができる。こうした部材としては表面実装用のLED用に様々なものが市販されており、こうした部材を使うことができる。またこうした市販の光反射材104を、リードフレーム100との成型方法としては射出成型等の量産性の高いものを選ぶことができる。なお光反射材104の可視光領域における光反射率は90%以上99.9%以下が望ましい。光反射率が90%未満の場合、反射リング114での反射効率に影響を与える。また光反射率を99.9%より高くしようとすると、光反射材104がとても高価なものとなる可能性がある。また光反射材104は白色が望ましい。白色にすることで、Red、Green、Blue等の単色光の混色を容易にする。
また発光素子108は、光反射材104で囲まれた面積内でリードフレーム上に実装され、更に透明樹脂116b等で覆うことで、発光素子108を保護できると共に、複数個の発光素子108の高密度ベア実装が可能となる。また複数個の発光素子108を高密度に実装することで、混色による白色を均一化しやすくなる。
またこの場合、複数個の発光素子108の内、1個以上は発色光が白色とすることで、混色を容易にする効果が得られる。
また反射リング114として、白色のセラミック素子(アルミナ焼結体等)や金属材料、樹脂材料、更には光反射材104を射出成型等によってリング状に成型したものを使うことができることは言うまでもない。また反射リング114を発光素子108の後に形成(後付け)することで、発行素子108の実装の邪魔にならない。
なお、光反射材104として、例えばポリカーボネート樹脂に白色顔料を分散したものを使って、射出成型することができる。特にポリカーボネート樹脂の場合、射出成型する前に、充分乾燥させることが望ましい。これはポリカーボネート樹脂が親水性樹脂であり、空気中の水分を吸収しているためである。そのため、乾燥することなく、射出成型を行うと、成型中に樹脂の加水分解反応が発生し、樹脂の分子量が低下して成型体の品質に影響を与える場合がある。そのため乾燥は、100℃以上(望ましくは110℃〜130℃で、4〜6時間行うことが望ましい)で行うことが望ましい。また成型温度250℃〜300℃の範囲が、金型温度は50℃〜120℃の間が望ましい。この範囲より温度が低い場合は、成形性に影響を与える場合がある。また成型温度がこの範囲より高い場合、成形性や成型体の樹脂の物性に影響を与える場合がある。
光反射材104用の樹脂としては、他にPPSや液晶ポリマーを選ぶことができる。こうした樹脂(例えば液晶ポリマー)の場合、射出温度は340℃前後(望ましくは270℃以上380℃以下が望ましい。この温度域未満は射出成型性に影響を与える場合があり、この温度域より高い場合樹脂に影響を与える場合がある)が望ましい。また同様に金型を100℃前後(望ましくは50℃以上130℃以下、この温度域より低い場合は成形性に影響を与える場合がある。またこの温度域より高い場合も同様である)に加熱することが望ましい。またここに添加する白色顔料としては、TiO2、Al2O3、MgO等を用いることができる。なおこれら顔料の粒径は10ミクロン以下0.01ミクロン以上(望ましくは5ミクロン以下0.1ミクロン以上)が望ましい。10ミクロンより大きい場合、成形性に影響を与える場合がある。また粒径が0.01ミクロン未満の場合、粉体の比表面積が大きくなりすぎ、射出成型時の流動性に影響を与える場合がある。
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 導熱樹脂
104 光反射材
106 点線
108 発光素子
110 矢印
112 金属板
114 反射リング
116 透明樹脂
118 レンズ
120 溝部
122 突起部
124 スペーサ部
102 導熱樹脂
104 光反射材
106 点線
108 発光素子
110 矢印
112 金属板
114 反射リング
116 透明樹脂
118 レンズ
120 溝部
122 突起部
124 スペーサ部
Claims (18)
- 金属板と、
前記金属板の上の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と、
前記絶縁層を介して固定され、一部に凹部が形成され、前記凹部の一部が光反射材で固定された銅を主体とするリードフレームと、
反射リングと、からなり、
前記反射リングで囲まれた中のリードフレーム上に実装された発光素子の発光の一部が前記反射リングで反射される発光モジュール。 - 金属板と、
前記金属板の上の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と、
前記絶縁層を介して固定され、一部に凹部が形成され、前記凹部の一部が光反射材で固定された銅を主体とするリードフレームと、
反射リングと、
前記反射リングで囲まれた中の前記リードフレーム上に実装された発光素子と、前記発光素子を覆う樹脂と、からなり、
前記樹脂の一部は、前記反射リングと前記リードフレームとの隙間に溜まる構造を有している発光モジュール。 - 反射リングは、可視光領域における光反射率が90%以上99.9%以下である請求項1もしくは請求項2のいずれかに記載の発光モジュール。
- 光反射材は、光反射粉が樹脂中に分散されてなる可視光領域における光反射率が90%以上99.9%以下である請求項1もしくは請求項の2のいずれかに記載の発光モジュール。
- 発光素子は、光反射材で囲まれた面積内でリードフレーム上に実装され、更に樹脂で保護されている請求項1記載の発光モジュール。
- 一つ一つが異なる発光色を有する発光素子が複数個、リング状の反射材で囲まれた面積内に実装されている請求項1もしくは請求項2のいずれか一つに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凹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。
- 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もしくは請求項2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もしくは請求項2に記載の発光モジュール。
- 絶縁層は白色である請求項1もしくは請求項2に記載の発光モジュール。
- 反射材は白色である請求項1もしくは請求項2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%以下である群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もしくは請求項2記載の発光モジュール。
- 光反射材の一部は、リードフレーム同士の隙間と、リードフレームと絶縁層の間で発光素子の直下を避けた位置にも、形成されている請求項1もしくは請求項2記載の発光モジュール。
- 光反射材の一部は、リードフレームと金属板の間の隙間を保持するスペーサを形成する請求項1もしくは請求項2記載の発光モジュール。
- 少なくとも一部に凹部が形成され、光反射材で固定されたリードフレームと、
金属板の間に絶縁樹脂を挟んだ状態で、前記絶縁樹脂を硬化し、
前記金属板と、光反射材で固定された前記リードフレームを一体化した後、
発光素子並びに反射リングを実装する発光モジュールの製造方法。 - 少なくとも一部に凹部が形成され、光反射材で固定されたリードフレームと、
金属板の間に絶縁樹脂を挟んだ状態で、前記絶縁樹脂を硬化し、
前記金属板と、光反射材で固定された前記リードフレームを一体化した後、
前記凹部に発光素子と反射リングを実装した後、透明樹脂で覆う発光モジュールの製造方法。
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JP2006013408A JP2007194526A (ja) | 2006-01-23 | 2006-01-23 | 発光モジュールとその製造方法 |
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2006
- 2006-01-23 JP JP2006013408A patent/JP2007194526A/ja active Pending
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