JP4654942B2 - 面状照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、サイドライト方式の面状照明装置に関し、特に、液晶表示装置の照明手段として用いられる面状照明装置に関するものである。
携帯電話等に用いられる液晶表示装置用の補助光源には、導光板の側端面に一次光源を配置したサイドライト方式の面状照明装置が主として使用されている（以下、一次光源が配置された側端面を入光面ともいう）。サイドライト方式の面状照明装置の一次光源として、従来は冷陰極ランプが使用されていたが、現在では、冷陰極ランプと比較して取扱い性に優れ、小型化が容易であり、対衝撃性に優れた白色ＬＥＤ等の点状光源が多用されている。このような点状光源を用いた面状照明装置の適用分野は拡大する傾向にあり、携帯電話等に搭載される小型の液晶表示装置に限らず、例えば、比較的表示サイズが大きい車載ナビゲータに用いられる液晶表示装置の補助光源としての適用も検討されるようになってきている。
このような照明エリアの拡大に対応するためには、点状光源に供給する電流を増大し、それによって、点状光源１個当たりの出射光量を増大することが望ましい。しかしながら、点状光源に供給する電流が増大すると、発光に伴って発生する熱量も増大し、その発熱による温度上昇のため点状光源の発光効率が低下するという問題が生じる。
このため、点状光源から発生した熱を有効に外部に逃がす方法が種々検討されており、例えば、図５に示した面状照明装置１のように、導光板２と、フレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣともいう）４に実装された点状光源３と、それらを一体に保持するフレーム５とを有する面状照明装置において、フレーム５を構成する材料にアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属材料を用いることが提案されている。又、より効率的に熱を外部に逃がす手段として、ＦＰＣ４及びその背面の金属製の放熱板５ａに貫通孔を形成し、その貫通孔に熱伝導性の高い接着性充填剤を充填する構成を備えた点状光源の放熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この放熱装置では、点状光源の発熱中心となる発光部に最も近いパッケージ面である底面と金属材料からなる光源支持フレームとを、ＦＰＣよりも熱伝導性の高い接着性充填剤で接続することによって、放熱特性の改善が図られている。
特開２００２−１６２６２６号公報
しかしながら、従来の放熱構造によると、プリント基板上に実装された点状光源の熱は、主として、点状光源の電極端子からプリント基板の導体に伝達され、次いで、導体から更にプリント基板を構成する基材（例えば、ＦＰＣの場合にはベースフィルム）を介して背面側に伝達されて、背面の放熱板に到達するため、点状光源の熱を効率的に放熱するための放熱経路は十分ではなく、直接的な放熱面積も不足していた。特に、大電流タイプのＬＥＤを点状光源に用いる場合には、ＬＥＤのパッケージからの放熱量も増大するため、かかる問題はより顕著となる。
また、従来の面状照明装置において、ＦＰＣ等のプリント基板への点状光源の実装に際して、ランド部に盛られた半田による点状光源の実装浮きが生じる場合がある。一般に、導光板と点状光源との良好な結合効率を達成するためには、導光板の入光面の長手方向に直交する２軸方向に高い位置決め精度が要求されるものであるため、実装浮きによって点状光源のプリント基板からの高さにバラツキが生じると、図５に示した面状照明装置１のように、プリント基板（面状照明装置１ではＦＰＣ４）を導光板２の入光面２ａに対して平行に配置する形態においても、あるいは、プリント基板を導光板２の入光面２ａに対して直交するように配置する形態においても、結合効率の低下の要因となるといった問題がある。
さらに、点状光源の小型化に伴う実効的な実装面積の狭小化に伴って、長期にわたって安定した光の結合効率を得る上で、点状光源の実装強度の向上は重要な課題となってきており、実装浮きに伴う実装強度不足を解消することが要望されている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、点状光源からの熱をより効率的に放熱すると共に、点状光源をプリント基板上に高精度かつ高強度に実装することを可能とした面状照明装置を提供することにある。
上記課題を解決するための、本発明に係る面状照明装置は、導光板と、該導光板の側端面に配置される点状光源と、該点状光源が表側面に実装される両面プリント基板からなるプリント基板とを有する面状照明装置において、前記プリント基板の、前記点状光源が実装されるランド部にスルーホールが形成され、前記スルーホールの少なくとも一部に半田が充填されるとともに、前記プリント基板の表側面の一部に凹部が形成され、前記凹部の底面は前記プリント基板の裏側面の導体パターンからなり、前記凹部と前記点状光源の実装面とで構成される空間に熱伝導樹脂が充填されており、前記スルーホールの少なくとも一部に充填された半田は、加熱リフローソルダリング法における加熱工程中に充填された半田からなり、前記熱伝導樹脂は、加熱リフローソルダリング法による前記点状光源の実装工程内において前記凹部に充填された流動性のある熱伝導性樹脂からなることを特徴とする。
本発明によれば、プリント基板の、点状光源が実装されるランド部にスルーホールが形成され、そのスルーホールの少なくとも一部に、半田が充填されている構成により、点状光源から発生した熱を、点状光源の電極端子から、半田が充填されたランド部のスルーホールを通じて、直接、プリント基板の裏側面に伝達するための効率的な放熱経路が形成される。又、プリント基板に裏側面の導体パターンを底面とする凹部を形成し、その凹部と点状光源の実装面とで構成される空間に、熱伝導樹脂を充填することによって、点状光源から発生する熱をさらに効率的に放熱することができる。この構成は、使用するプリント基板がフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）の場合、ＦＰＣの強度を低下させることなく熱伝導樹脂を充填する空間を形成できるため、ＦＰＣに貫通孔を形成する構成と比較して、特に有利なものである。
又、本発明において、スルーホールの少なくとも一部に充填された半田は、過熱リフローソルダリング法における加熱工程中に充填される。
これによって、点状光源の実装時に、溶融した半田が点状光源の電極端子を表面張力により引き込みつつスルーホールに流入するため、点状光源を、その電極端子とランド部との間に介在する半田層を十分に薄くかつ一定に保持しつつプリント基板上に実装することができる。これによって、点状光源を、プリント基板からの高さを高精度に揃えつつ高い実装強度で実装することが可能となると共に、点状光源の実装面とプリント基板との間の間隙（空気層）が縮小され、放熱効果が更に向上する。そして、本発明によれば、点状光源の実装面とプリント基板との間の間隙が薄くかつ一定であることにより、熱伝導性樹脂の充填量の制御を容易に実施でき、熱伝導樹脂と点状光源の実装面とを確実に接触させることができる。
又、本発明において、前記プリント基板の裏側面の、少なくとも前記スルーホールが形成されている領域には、前記スルーホールに施されたメッキ膜と連続する導体パターンが形成されていることが望ましい。
この構成により、プリント基板の裏側面に伝達された熱を更に効率的に放熱することができる。
本発明はこのように構成したので、点状光源からの熱をより効率的に放熱すると共に、点状光源をプリント基板上に高精度かつ高強度に実装することを可能とした面状照明装置を提供でき、その結果として、面状照明装置の更なる高輝度化、輝度の均一化を図りつつ、薄型化を促進することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明するが、各図面は説明のためのものであり、必ずしも実際の形状、寸法を正確に反映するものではない。また、本発明に係る面状照明装置は、図５に示す面状照明装置１とその基本的な構成は同一であるため、重複する部分の説明は省略し、本発明の主要な特徴部分である光源部の構成について詳述する。その際、図５に示す面状照明装置１と同一の構成要素には同一の符号を付して参照する。
図１は、本発明の参考例における光源部３０の要部を示す断面図であり、図２は、本参考例におけるプリント基板である両面フレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣという）１０の要部を示す上面図である。ＦＰＣ１０は、ポリイミド等からなるベースフィルム６と、ベースフィルム６の両主面上に積層された銅箔等をパターニングして形成される導体パターン７Ｆ、７Ｒと、それぞれの導体パターン７Ｆ、７Ｒを覆うように積層されたポリイミド等からなるカバーフィルム８Ｆ、８Ｒを備えている。
ＦＰＣ１０の表側面１０Ｆ側の導体パターン７Ｆには、点状光源である白色ＬＥＤ（以下、ＬＥＤという）３が実装されるランド部２６が含まれている。ランド部２６には、壁面にメッキ膜が形成された複数のスルーホール４１が形成されており、スルーホール４１内には、後述する加熱工程の間に充填された半田４２が存在している。また、ＦＰＣ１０の裏側面１０Ｒの導体パターン７Ｒの、少なくともスルーホール４１が形成されている領域には、スルーホール４１に施されたメッキ膜と連続する導体パターン２０が形成されている。なお、図示は省略するが、ＬＥＤ３の電極端子３ａとランド部２６との間には半田層が介在しており、ＬＥＤ３は、その電極端子３ａをこの半田層を介してランド部２６に接合させることによって、ＦＰＣ１０上に実装されている。
さらに、カバーフィルム８Ｆには、少なくともランド部２６を露出する開口部２４が設けられており、ＦＰＣ１０の裏側面１０Ｒは、図示しない熱伝導テープ等を介して放熱板５ａに固着されている。本発明は、放熱板５ａおよび熱伝導テープの有無、もしくはその態様に限定されるものではないが、放熱板５ａは、例えば、アルミニウム等の高熱伝導性の金属材料からなり、また、熱伝導テープは、例えば、少なくとも室温下で安定した固体状であり、相当の粘着性または接着性、および、形状追随性を有する熱伝導性樹脂組成物を、テープ状に成形してなるものであることが好ましい。具体的には、熱伝導テープは、アクリル系樹脂組成物を剥離処理が施されたポリエチレンテレフタレートフィルム等に塗工することによって成形するものであってもよい。また、熱伝導テープとして、高温下で軟化または融解する樹脂組成物を使用し、ＬＥＤ３の発熱時に、ＦＰＣ１０および放熱板５ａとの接触部分における熱抵抗をさらに低減するものであってもよい。
なお、光源部３０は、電気的絶縁性を有する熱伝導テープによってＦＰＣ１０の裏面１０Ｒ側を覆うものであるため、この熱伝導テープ１２により導体パターン７Ｒの保護および絶縁が十分に確保されていれば、カバーフィルム８Ｒとして表面１０Ｆ側のカバーフィルム８Ｆよりも薄手のカバーフィルムを用いるか、あるいは、カバーフィルム８Ｒを使用することなくＦＰＣ１０を構成するものであってもよい。
次に、光源部３０の好ましい製作工程について説明する。
まず、ポリイミド等からなるベースフィルム６の両主面上に銅箔を張り合せてなる銅張積層板に、必要な導通用のスルーホールと共にランド部２６のスルーホール４１を形成し、エッチング等により導体パターン７Ｆ、７Ｒを形成する。次いで、所定形状に形成されたカバーフィルム８Ｆ、および（必要な場合には）カバーフィルム８Ｒを熱圧着等により積層してＦＰＣ１０が完成する。
次いで、完成したＦＰＣ１０上に、加熱リフローソルダリング法によりＬＥＤ３を実装する。すなわち、スルーホール４１が形成されたランド部２６上にペースト状のクリーム半田を塗布し、次いで、ＬＥＤ３を、その電極端子３ａがランド部２６上の所定の位置に配置されるようにマウントする。次いで、リフロー装置によりＬＥＤ３がマウントされたＦＰＣ１０を加熱して、クリーム半田を溶融した後、冷却して固化する。
最後に、ＦＰＣ１０の裏面１０Ｒと放熱板５ａとを熱伝導テープを介して固着し、ＦＰＣ１０を放熱板５ａに取り付ける。これによって、光源部３０が完成する。
ここで、加熱リフローソルダリング法によるＬＥＤ３の実装工程において、クリーム半田は、ランド部２６への塗布後、リフロー装置における加熱工程において溶融し、毛管現象および濡れ現象によりスルーホール４１内に流入する。このとき、ＬＥＤ３の電極端子３ａには、溶融したクリーム半田４１の界面張力によりランド部２６に向かって引き込まれる方向の力が作用する（フィレット効果）ため、次の冷却工程における固化により、電極端子３ａとランド部２６との間には、十分に薄く、かつ、それぞれのランド部２６間でほぼ一定の半田層が形成される。同時に、スルーホール４１内は、固化した半田４２が充填された状態となる。
これによって、ＬＥＤ３を、ＦＰＣ１０からの高さを高精度に揃えつつ高い実装強度で実装することが可能となると共に、ＬＥＤ３から発生した熱を、ＬＥＤ３の電極端子３ａから、熱伝導性の高い金属材料からなる半田４２が充填されたスルーホール４１を通じて、直接、ＦＣＰ１０の裏側面１０Ｒの導体パターン７Ｒに伝達するための、効率的な放熱経路が形成される。さらに、ＬＥＤ３の実装面３ｂと、実装面３ｂと対向する部分に露出するＦＰＣ１０のベースフィルム６との間の間隙（空気層）Ａが縮小されるため、ＬＥＤ３の実装面３ｂの、電極端子３ａ以外の部分からの放熱効果が更に向上する。
なお、スルーホール４１の断面形状は、加工性を考慮すれば円形が適しているが、必ずしもそれに限定されるものではない。また、その個数および配置形態も、図１及び図２に示された態様に限定されるものでなく、ＬＥＤ３の実装工程における様々な条件を勘案の上、適切に決定することができる。
次に、図３および図４を参照して本発明の一実施形態を説明するが、以下の説明において、上述した参考例と同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する部分の説明は適宜省略する。
図３は、本実施形態における光源部５０の要部を示す断面図であり、図４は、光源部５０で用いられるＦＰＣ４０の要部を示す上面図である。本実施形態におけるＦＰＣ４０は、図１、図２に示すＦＰＣ１０および光源部３０と基本的構成は同様のものであり、ポリイミド等からなるベースフィルム４６と、ベースフィルム４６の両主面上に積層された銅箔等をパターニングして形成される導体パターン４７Ｆ、４７Ｒと、それぞれの導体パターン４７Ｆ、４７Ｒを覆うように積層されたポリイミド等からなるカバーフィルム４８Ｆおよび（必要な場合には）カバーフィルム４８Ｒを備えている。ランド部２６には、上述した参考例と同様に、壁面にメッキ膜が形成された複数のスルーホール４１が形成されており、スルーホール４１内には、加熱リフローソルダリング法による実装工程における加熱工程の間に充填された半田４２が存在している。また、ＦＰＣ４０の裏側面４０Ｒの導体パターン４７Ｒの、少なくともスルーホール４１が形成されている領域には、スルーホール４１に施されたメッキ膜と連続する導体パターン２０が形成されている。さらに、ＦＰＣ４０の裏側面４０Ｒは、熱伝導テープ５５を介して放熱板５ａに固着されている。
本実施形態において、ＦＰＣ４０には、ベースフィルム４６のＬＥＤ３の実装面３ｂに対向する箇所に開口部５１が設けられ、また、裏面４０Ｒ側の導体パターン４７Ｒは、少なくとも開口部５１直下の部分５２を残してパターニングされており、この開口部５１直下の部分５２を底面とする凹部５３が形成されている。光源部５０では、このＦＰＣ４０に形成された凹部５３と、ＦＰＣ４０上に実装されたＬＥＤ３の実装面３ｂとで構成される空間に熱伝導樹脂５４が充填されている。また、ＦＰＣ４０の裏面４０Ｒ側のカバーフィルム４８Ｒには、凹部５３の底面５２が裏面４０Ｒ側にも露出するように、開口部２５が設けられている。
ここで、熱伝導樹脂５４は、電気的絶縁性および高熱伝導性を有する樹脂材料からなり、例えば、シリコーン系樹脂組成物、あるいは、アルミナ、窒化アルミウム、炭化ケイ素等の非導電性の熱伝導性フィラーを含有する任意の適切な樹脂組成物とすることができる。好ましくは、熱伝導樹脂５４は、相当の流動性を有しかつ乾燥・固化工程が不要なタイプの熱伝導剤であり、例えば、オイル状、グリース状、ペースト状に形成されたシリコーン系樹脂組成物を使用するものであってもよい。
熱伝導テープ５５は、少なくとも室温下で安定した固体状であり、好ましくは、相当の粘着性または接着性、および、形状追随性を有する熱伝導性樹脂組成物を、テープ状に成形してなるものである。例えば、熱伝導テープ５５は、アクリル系樹脂組成物を剥離処理が施されたポリエチレンテレフタレートフィルム等に塗工することによって成形するものであってもよい。また、熱伝導テープ５５として、高温下で軟化または融解する樹脂組成物を使用し、ＬＥＤ３の発熱時に、ＦＰＣ４０および放熱板５ａとの接触部分における熱抵抗をさらに低減するものであってもよい。
次に、本実施形態における光源部５０の好ましい製作工程について説明すれば、次の通りである。
まず、ポリイミド等からなるベースフィルム４６の両主面上に銅箔を張り合せてなる銅張積層板に、必要な導通用のスルーホールと共にランド部２６のスルーホール４１を形成し、エッチング等により導体パターン４７Ｆ、４７Ｒを形成する。次いで、ケミカルエッチング等によりベースフィルム４６の表面４０Ｆ側の所定の箇所に開口部５１を形成する。次いで、所定形状に形成されたカバーフィルム４８Ｆ、および（必要な場合には）カバーフィルム４８Ｒを熱圧着等により積層してＦＰＣ４０が完成する。
次いで、ＦＰＣ４０の凹部５３に熱伝導樹脂５１を充填した後、参考例における光源部３０の製作工程と同様の加熱リフローソルダリング法によりＬＥＤ３を実装する。
最後に、ＦＰＣ４０の裏面４０Ｒと放熱板５ａとを熱伝導テープ５５を介して固着し、ＦＰＣ５０を放熱板５ａに取り付ける。これによって、光源部５０が完成する。
以上のように構成された本実施形態における光源部５０は、上述した参考例における光源部３０と同様の作用・効果を有するものである。加えて、本実施形態における光源部５０では、熱源であるＬＥＤ３から、熱伝導樹脂５１、凹部５３の導体パターン４７Ｒからなる底面５２、および、熱伝導テープ５２を経て放熱板５ａに至る放熱経路が構成され、ＬＥＤ３から発生する熱を、さらに、効率良く放熱板５ａへと伝導して放熱するものである。
また、熱伝導樹脂５１の充填作業は、ＬＥＤ３の実装の直前に実施されるものであり、特に、充填機能を備えた実装装置を用いることによって、実質的にＬＥＤ３の実装工程内で実施することができる。これによって、充填作業の作業性が大幅に向上する。また、熱伝導樹脂５１は、ＬＥＤ３の実装後は、凹部５３とＬＥＤ３の実装面３ｂとで構成される空間に保持されるため、後続するＦＰＣの放熱板５ａへの取付け工程を熱伝導樹脂１１の他の部材への転移・付着等を考慮することなく実施可能となり、その作業性も大幅に向上するものである。それによって、熱伝導樹脂５１として、発熱体への密着性および空間への充填性等の点で有利な流動性のある熱伝導樹脂を好適に用いることができる。
さらに、ＬＥＤ３の実装前に実施される熱伝導樹脂５４の充填作業において、適切な熱伝導樹脂５４の量は、ＬＥＤ３実装後の実装面３ｂと、ＦＰＣ４０の導体パターン４７Ｆ面との間の間隙を考慮して決定する必要があり、導体パターン面４７Ｆから突出する凸状の表面を形成するように充填されるものである。しかるに、本実施形態における光源部５０では、電極端子３ａとランド部２６との間には、十分に薄く、かつ、それぞれのランド部２６間でほぼ一定の半田層が形成されているため、熱伝導性樹脂５４の充填量の制御を容易に実施でき、熱伝導樹脂５４とＬＥＤ３の実装面３ｂとを確実に接触させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る面状照明装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した参考例及び実施形態では、その基本的構成を図５に示す面状照明装置と同様のものとしたが、本発明は、点状光源が実装されたプリント基板を、導光板の入光面に対して直交するように配置した面状照明装置を含むものである。また、本発明に係る面状照明装置において、点状光源の適切な実装が可能な限り、そのプリント基板のランド部に形成されたすべてのスルーホールに半田が充填されている必要はない。
本発明の参考例における光源部の要部を示す断面図である。 図１に示す光源部で使用される両面フレキシブルプリント基板の要部を示す上面図である。 本発明の一実施形態における光源部の要部を示す断面図である。 図３に示す光源部で使用される両面フレキシブルプリント基板の要部を示す上面図である。 従来の面状照明装置の構成例を示す斜視図である。
符号の説明
１：面状照明装置、２：導光板、２ａ：側端面（入光面）、３：ＬＥＤ（点状光源）、３ｂ：実装面、５ａ：放熱板、７Ｆ，４７Ｆ：導体パターン（表面側）、７Ｒ，４７Ｒ：導体パターン（裏面側）、１０，４０：両面フレキシブルプリント基板（プリント基板）、２６：ランド部、４１：スルーホール、４２：半田、５２：底面、５３：凹部、５４：熱伝導樹脂

Claims (2)

  1. 導光板と、該導光板の側端面に配置される点状光源と、該点状光源が表側面に実装される両面プリント基板からなるプリント基板とを有する面状照明装置において、前記プリント基板の、前記点状光源が実装されるランド部にスルーホールが形成され、前記スルーホールの少なくとも一部に半田が充填されるとともに、前記プリント基板の表側面の一部に凹部が形成され、前記凹部の底面は前記プリント基板の裏側面の導体パターンからなり、前記凹部と前記点状光源の実装面とで構成される空間に熱伝導樹脂が充填されており、
    前記スルーホールの少なくとも一部に充填された半田は、加熱リフローソルダリング法における加熱工程中に充填された半田からなり、前記熱伝導樹脂は、加熱リフローソルダリング法による前記点状光源の実装工程内において前記凹部に充填された流動性のある熱伝導性樹脂からなることを特徴とする面状照明装置。
  2. 前記プリント基板の裏側面の、少なくとも前記スルーホールが形成されている領域には、前記スルーホールに施されたメッキ膜と連続する導体パターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面状照明装置。
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