JP2007201228A - 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で覆い、発光素子108を実装し、前記リードフレーム100は導熱樹脂102を介して金属板112と一体化成型することで、発光素子108から発せられる光は、光反射材104や反射部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に伝えることで、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で覆い、発光素子108を実装し、前記リードフレーム100は導熱樹脂102を介して金属板112と一体化成型することで、発光素子108から発せられる光は、光反射材104や反射部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に伝えることで、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。しかしセラミック基板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(動作)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℃)するに伴い、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、放熱性の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(その際には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そして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、金属製のリードフレームと絶縁体と光反射材及び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、放熱性の高い金属製の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に形成した光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高放熱性を有する放熱樹脂を介して、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)、図1(C)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は屈曲位置を示す補助線、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に相当する。また110は発光素子108から発した光を示す矢印、112は金属板、114は反射部であり、光反射材104で形成されている。そして実施の形態1では、金属板112の上に、放熱樹脂となる導熱樹脂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。
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。また補助線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)の補助線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の上にまたがるように形成されている(なお発光素子108は、必ずしもまたが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。また必要に応じて、図1(C)に示すように、導熱樹脂102から外に伸びるリードフレーム100の一部を曲げることで、光モジュールのプリント配線基板等への実装性を高められることは言うまでもない。
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(光反射材104によってリードフレーム同士、またはリードフレーム間が固定される。ここで発光素子108が実装されたリードフレーム100の直下には光反射材104は無い方が望ましい。これは発光素子108の直下のリードフレーム100と、導熱樹脂102の間に光反射材104が形成された場合、リードフレーム100から導熱樹脂102への放熱に影響を与える可能性があるためである。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、光反射材104からなるリング状の反射材で囲むことで、発光素子108から発せられた光は、前記リング状の反射部114で前方へ反射でき発光効率を高められる。
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、この凹んだ部分に、光反射材104からなるリング状の反射部114が形成されている。そして、発光素子108から発せられた光は、リードフレーム100の間に形成された光反射材104のみならず、矢印110で示すように反射部114でも前方へ反射され、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で形成された反射部114で反射される。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を複数個、リング状の光反射材104(あるいは反射部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図であり、図1から反射部114や発光素子108を除去したものに相当する。図2より、リードフレーム100は、リング状の反射部114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判る(なお、図2において発光素子108は図示していない)。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、リング状の反射部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(B)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り、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、熱拡散性を低下させる影響を与える)。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70〜95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、逆に絶縁耐圧特性が低下することが問題となり、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、発光効率を低下させる影響を与えるためである。
なお反射部114は、リング状(あるいはドーナツ状)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。また反射部114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。また反射部114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で固定し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。こうした部材は、射出成型できるため、リードフレーム100の固定と同時に、リードフレームの上に反射部114も形成できる。
図4(C)は、リードフレーム100の一部を曲げた様子を示す。次に導熱樹脂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℃の範囲の任意の温度(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。
図4(D)は、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が固定された後の断面図である。次に図4(E)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。
次に、反射部114で囲まれた部分に、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、反射部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、反射部114で囲まれた部分全体を透明樹脂116bで覆うことができる。この場合、図5(B)に示すように、反射部114から溢れた透明樹脂116cを、反射部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。こうした構造によって製造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、反射部114の外で受け止めることができる。
次に図6を用いて更に詳しく説明する。図6は反射部の斜視図である。図6において反射部114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。図6において120は溝部、122は突起部である。
図6(A)に示すように、反射部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)の透明樹脂116c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、反射部114の一部に突起部122を形成することで、模式的に示したレンズ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(すなわち柔軟性を有する)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(すなわち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とすることができる。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個以上の発光色を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、温度の影響を受けにくい。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の発光量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の上下及びその側面を光反射材104が覆うこと(実施の形態3に相当)と、リードフレーム100の上部及びその側面を光反射材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の上下及びその側面も光反射材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(短絡)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の上下及びその側面を光反射材104が覆うこと(実施の形態3に相当)と、リードフレーム100の上部及びその側面を光反射材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の上下及びその側面も光反射材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(短絡)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(あるいは微細打抜き加工)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。次に図7(C)に示すようにリードフレーム100の一部を曲げる。そして導熱樹脂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加工等を用いることができる。
なお光反射材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、図7(D)に示すように金属板112を、矢印110の方向にプレスし、加熱硬化させてもよい。あるいは図8(C)で示すように同時に成型しても良い。なお図7(D)のように成型する場合、金属板112と導熱樹脂102aの間でのボイド(ボイドとは、密着不足等が原因で発生する空気層のこと)の発生を防止するため、例えば導熱樹脂102aの中央部を厚めにしたり、蒲鉾状にしたりして、空気残りを防止する。なお図7(D)に示すように導熱樹脂102bを光反射材104の側面まで回り込ませて成型することで、光反射材104で形成された反射部114と、導熱樹脂102bの接着強度を高められる。そして発光素子108を実装した後、透明樹脂116aを注入する。この際、溢れた透明樹脂116bは、図7(E)に示すように光反射材104と、リードフレーム100の隙間に溜める。こうして反射部114から溢れ出した透明樹脂116bを、前記リードフレーム上に形成された前記光反射材104とリードフレーム100との間に形成された凹部に溜まる構造を有することで、工程の安定性を高められる。
(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は光反射材の形状を利用して、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る。図8(A)において、光反射材104の上部は、リードフレーム100から上に露出して反射部114を、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の上には、発光素子(図示されていない)から発せられる光を反射する反射部114が形成されている。またリードフレーム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が成型されたリードフレーム100と、金属板112を押し付けて、導熱樹脂102を加熱、硬化させて一体化する。
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との隙間が一定となり、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、例えば金属板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を回り込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。
このように光反射材104の一部を、リードフレーム100の側面のみならず裏面も覆うようにすることで、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(短絡)を防止できるため、導熱樹脂102の薄層化が可能となる。
このように光反射材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込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一つを有することが望ましい。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を低下させる影響を与える。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、プレス加工時の加工性を低下させる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70〜95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、硬化前の導熱樹脂102の成型性を低下させる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)を低下させる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、逆に絶縁耐圧特性が低下するという問題となり、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の実装後の信頼性確認時(発熱/冷却の繰り返し試験等)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%の銅系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%以下の範囲が望ましい。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を低下させる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、軟化点の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、導電率を低下させる影響を与える可能性がある。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の加工性を低下させる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は、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元の位置にはねかえってしまうこと)の発生を抑えられ、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が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)を低下させる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近づけてマッチングさせることは信頼性確保の面でも重要となる。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、プレス加工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、プレス加工による打ち抜き時にパターンの微細化が影響を受け、加工精度が低下する場合がある。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とを加熱プレス加工する時の温度プロファイルを工夫することで、導熱樹脂102が軟化(粘度低下)でき、リードフレーム100に対する形状精度を低下させ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。
このようにして、金属板112と、前記金属板112の上に形成された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、からなり、前記凹部中のリードフレーム100に実装された発光素子108の発光の一部を、前記光反射材104から形成された反射部114で前方に反射させる構造を有す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の上に形成された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、一部に発光素子108が実装される凹部が形成され、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、からなり、前記凹部中のリードフレーム100に実装された発光素子108の発光の一部は、前記光反射材104で形成された反射部114で前方に反射させる構造を有すると共に、前記リードフレーム100上に実装された発光素子108は透明樹脂116で保護され、前記透明樹脂116の一部は、前記反射部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。
また一部が凹状に加工され、更に部分的にリング状に成型された光反射材104で固定されたリードフレーム100と、金属板112との間に、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を熱硬化し、前記金属板112と、前記光反射材104で固定された前記リードフレーム100を一体化した後、前記光反射材104で囲まれた部分中に露出した前記リードフレーム100に発光素子108を実装することで発光モジュールを製造する。
また一部が凹状に加工され、更に部分的にリング状の反射部114を形成する光反射材104で固定されたリードフレーム100と、金属板112との間に、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を熱硬化し、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、前記光反射材104で囲まれた部分中に露出した前記リードフレーム100に発光素子108を実装し、透明樹脂116で覆うことで、発光モジュールを製造できる。
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、反射部114での反射効率を低下させる影響を与える。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100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。
そして少なくとも一部が凹状に加工され、リング状に成型された光反射材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、金型にセットし、プレス加工して前記導熱樹脂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、前記光反射材104で囲まれた部分中に露出した前記リードフレーム100に発光素子108を実装することで、発光効率と放熱効率が共に優れている発光モジュールを製造できる。
あるいは少なくとも一部がリング状に成型された光反射材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、金型にセットし、プレス加工して前記導熱樹脂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、前記リードフレーム100の一部を凹状に曲げ、前記光反射材104で囲まれた部分中に露出した前記リードフレーム104に発光素子108を実装することでも発光モジュールを製造できる。
このように用途によっては、リードフレーム100を曲げ加工した後で、所定形状に打抜き、反射部114で固定し、この状態で導熱樹脂102を用いて金属板114と一体化することも、その逆も可能である。
なお、光反射材104としては、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を低下させる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。また成型温度は250℃〜300℃の範囲で、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、成形性を低下させる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を低下させる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を低下させる影響を与える場合があり、この温度域より高い場合は、樹脂特性を低下させる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を低下させる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、成形性を低下させる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を低下させる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 補助線
108 発光素子
110 矢印
112 金属板
114 反射部
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 補助線
108 発光素子
110 矢印
112 金属板
114 反射部
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、
前記金属板の上に形成された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からなり、
前記凹部中のリードフレームに実装された発光素子の発光の一部を、前記光反射材から形成された反射部で前方に反射させる構造を有する発光モジュール。 - 金属板と、
前記金属板の上に形成された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、一部に発光素子が実装される凹部が形成され、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からなり、
前記凹部中のリードフレームに実装された発光素子の発光の一部は、前記光反射材で形成された反射部で前方に反射させる構造を有すると共に、
前記リードフレーム上に実装された発光素子は透明樹脂で保護され、
前記透明樹脂の一部は、前記反射部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。 - 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。
- 光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部を形成する請求項1もしくは請求項2記載の発光モジュール。
- 一部が凹状に加工され、更に部分的にリング状に成型された光反射材で固定されたリードフレームと、金属板との間に、
絶縁樹脂を挟んだ状態で、前記絶縁樹脂を熱硬化し、
前記金属板と、前記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、
前記光反射材で囲まれた部分中に露出した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。 - 一部が凹状に加工され、更に部分的にリング状の反射部を形成する光反射材で固定されたリードフレームと、金属板との間に、
絶縁樹脂を挟んだ状態で、前記絶縁樹脂を熱硬化し、
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、
前記光反射材で囲まれた部分中に露出した前記リードフレームに発光素子を実装し、透明樹脂で覆う発光モジュールの製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006018805A JP2007201228A (ja) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | 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 |
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CN101901800A (zh) * | 2009-06-01 | 2010-12-01 | 东芝照明技术株式会社 | 发光模块及照明装置 |
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-
2006
- 2006-01-27 JP JP2006018805A patent/JP2007201228A/ja active Pending
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