JP5087294B2 - 発光ユニット製作装置、発光ユニットのレンズ成形装置、発光素子パッケージ及び発光ユニット製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ユニット製作装置、発光ユニットのレンズ成形装置、発光素子パッケージ及び発光ユニットの製造方法に係り、特に、光抽出効率と量産性を向上させることができる発光ユニット製作装置、発光ユニットのレンズ成形装置、発光素子パッケージ及び発光ユニットの製造方法に関する。

一般に、平板ディスプレイの一種である液晶表示装置（Liquid Crystal Display；ＬＣＤ）はそれ自体に発光能力がないため、外部から照射された照明光を選択的に透過させることによって画像を形成する。このために液晶表示装置の背面には光を照明する光源部が必要であり、これをバックライトユニット（Back Light Unit；ＢＬＵ）という。

このようなバックライトユニットは、液晶パネルの全面に亘って均一な光を照射することが要求される。したがって、このようなバックライトユニットの発光体が発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）の場合には、その発光ダイオードパッケージ上にレンズ（Lens）を備えて、照明光の輝度分布を均一にする必要がある。

発光ダイオードパッケージにレンズを設置する方法の一例には、エポキシ（Epoxy）やポリカーボネート（polycarbonate；ＰＣ）系樹脂でレンズを射出成形し、発光ダイオードパッケージに取り付ける方法がある。

このような発光ダイオードパッケージとレンズとの付着には、図１に示すように、発光ダイオードパッケージ１０の発光ダイオード１２の上側に封止材１１が埋め込められ、このように封止材１１の埋め込まれた発光ダイオードパッケージ１０の上側にレンズ２０を取り付ける方法が用いられる。

ここで、発光ダイオードパッケージ１０の封止材（encapsulate material）１１にはシリコン（silicone）等の物質が用いられるが、このようなシリコンからなる封止材１１にエポキシやＰＣ系物質で形成されたレンズ２０が取り付けられる場合には、下記のような問題が生じてしまう。

第一に、エポキシで形成されたレンズ２０を用いる場合、封止材１１を構成するシリコンとエポキシレンズ２０とが接着力を持たず、これら両物質間に空気層が形成される。

このように両物質間に空気層が形成されると、シリコン封止材１１とエポキシレンズ２０を通過する光の全反射現象によって、発光ダイオード１２から出る光の一部はレンズまで直接進行できなくなる。

このような全反射現象によって、光は封止材１１とレンズ２０との間において複雑な経路に沿って進行することになり、最終的に発光ダイオードパッケージ１０の外側に出射される光線の数は低減し、これによって光量値が小さくなって実際に明るさが低下してしまう。

また、レンズ２０を形成するエポキシ物質は、長時間高温に露出されると黄変現象が引き起こされる可能性があり、レンズ２０の製作時にレンズ２０が変色して光量が低下する主な原因となる。

第二に、ＰＣ系で射出成形されるレンズ２０を取り付ける場合にもシリコン封止材１１とＰＣレンズ２０間に界面が存在し、この界面間で発生する全反射現象によって発光ダイオードパッケージ１０の光量低下現象が生じることがある。

また、モジュール化した発光ダイオードパッケージの場合、リフロー（Reflow）工程によって発光ダイオードをモジュール（Module）化して製品を完成するが、このようなリフロー工程中には温度が略２７０℃まで上昇することがある。

しかしながら、ＰＣ系レンズ２０の場合、熱可塑性樹脂からなるために１６０℃以上の温度ではレンズが溶けて形状が変形するので、このようなリフロー工程でＰＣ系レンズを使用するには限界があった。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、その目的は、レンズと封止材間に生じる界面現象を根本的に解決することによって、光抽出効率を極大化し且つ量産性を向上させることができる発光ユニット製作装置、発光ユニットのレンズ成形装置、発光素子パッケージ及び発光ユニットの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための第１観点として、本発明は、発光ユニット製作装置において、少なくとも１つ以上の発光ユニットを介在して互いに結合される第１金型と第２金型とからなる金型と、前記第１金型及び前記第２金型のいずれか一側において、前記発光ユニットと対向する位置に形成されるレンズ形状の溝と、前記金型の外面から前記溝までつながる移動通路と、を備えて構成されることを特徴とする。

上記目的を達成するための第２観点として、本発明は、発光ユニットのレンズ成形装置において、発光ユニットを介在して互いに結合される第１金型と第２金型とからなる金型と、前記第１金型及び前記第２金型のいずれか一側において、前記発光ユニットと対向する位置に形成されるレンズ形状の溝と、前記金型の外面から前記溝までつながる移動通路と、前記移動通路につながる注入口と、を備えて構成されることを特徴とする。

上記目的を達成するための第３観点として、本発明は、発光素子パッケージにおいて、発光素子が装着されるパッケージボディと、前記発光素子の装着されたパッケージボディ上に直接形成されたレンズと、が備えられ、前記レンズと前記パッケージボディ間に界面がないことを特徴とする。

上記目的を達成するための第４観点として、本発明は、発光素子パッケージにおいて、発光素子が装着されるパッケージボディと、前記パッケージボディ上に位置する充填材と、前記充填材と一体に形成されるレンズと、を備えて構成されることを特徴とする。

上記目的を達成するための第５観点として、本発明は、発光ユニット製造方法において、発光ユニット上に充填材及びレンズを同時に形成する段階を含むことを特徴とする。

上記目的を達成するための第６観点として、本発明は、発光素子パッケージの製造方法において、パッケージボディに発光素子を装着する段階と、前記パッケージボディーに装着された発光素子上に直接レンズを形成する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、レンズと封止材間に生じる界面現象を根本的に解決することによって、光抽出効率を極大化し且つ量産性を向上させることが可能になる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明に係る好適な実施例を詳細に説明する。
本発明の様々な修正及び変形を許容する上で、その特定の実施例を図面に基づいて例示し、その詳細について以下に説明する。ただし、これらの特定の実施例は本発明を限定するためのものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の思想と合致するあらゆる修正、均等及び代用を含む。

図中の同一構成要素には可能な限り同一参照番号及び符号を共用し、各層及び領域の寸法は、明瞭性のために誇張して表す。また、ここで説明される各実施例は、相補的な導電型の実施例を含む。

例えば、第１、第２などの用語を、様々な要素、成分、領域、層及び／または部分を説明するために使用することができるが、それらの要素、成分、領域、層及び／または部分は、そのような用語によって限定されてはならないということは明らかである。

すなわち、それらの用語は、単に他の領域、層または部分からいずれかの要素、成分、領域、層または部分を区分するために使用されるものである。したがって、下記における第１領域、層または部分は、第２領域、層または部分という名称にもなりうる。

以下、本発明による発光ユニット製作装置の構成及び動作を、添付の図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施例＞

図２に示すように、本発明の第１実施例は、発光ユニット２００を介在して互いに結合される金型１００である。

この金型１００は、第１金型１１０と第２金型１２０とからなり、第１金型１１０と第２金型１２０のいずれか一側においては、発光ユニット２００と対向する位置にレンズ形状の溝１２１が形成され、金型１００には溝１２１とつながる移動通路１２２が形成される。

レンズ形状の溝１２１は、発光ユニット２００上に形成されるべきレンズの陰刻された形状で形成される。

このような溝１２１と移動通路１２２は、第１金型１１０と第２金型１２０のいずれかに形成されても良いが、本実施例では第２金型１２０に形成された例とする。

移動通路１２２は、該移動通路１２２が形成された第２金型１２０の外側と溝１２１間につながり、このような移動通路１２２の外端には注入口１２３が形成されることが好ましい。

このような移動通路１２２は、注入口１２３から各溝１２１に分岐されて複数形成されてもよく、注入口１２３から各溝１２１に至るまでの長さが同一となるように形成されることが好ましい。

注入口１２３は、移動通路１２２が形成された第２金型１２０に形成されてもよく、移動通路１２２よりも広い直径とすれば良く、図２のように漏斗状に形成されても良い。

また、発光ユニット２００は、第１金型１１０に配置され、第１金型１１０と第２金型１２０が結合されると、発光ユニット２００上にレンズ形状の溝１２１が位置するようになる。

この発光ユニット２００は、図示の如く、第１金型１１０上に複数個が配置されれば良く、したがって、レンズ形状の溝１２１もまた複数個配列されて形成される。

このような発光ユニット２００は、リードフレームを含む発光ダイオードパッケージであっても良く、また、印刷回路基板（printed circuit board；ＰＣＢ）上に配置された発光ダイオードであっても良い（図５参照）。

したがって、このような第１金型１１０と第２金型１２０とを結合し、注入口１２３からレンズ形成のための物質を注入してレンズを成形すると、複数の発光ダイオードパッケージからなる発光ユニット２００の上側に一度に複数のレンズを成形することが可能になる。

一方、第２金型１２０に形成されるレンズ形状の溝１２１は、図３に示すように、様々な形状のレンズ形状とすることができる。

このような多様なレンズ形状の溝１２１を含む第２金型１２０を利用すると、様々な形状のレンズを一度に同一の金型で成形することができるので、このように様々な形状のレンズを用いた多様な光の組み合わせを作ることができる。

一方、上述したように、移動通路１２２は、注入口１２３から各溝１２１に至るまでの長さが同一に形成されることが好ましいが、この時、各溝１２１と発光ユニット２００は、図４に示すように、少なくとも２つ以上の溝１２１または発光ユニット２００でそれぞれが構成される複数グループにグループ化されてもよい。

このような配列にすると、移動通路１２２が注入口１２３から各溝１２１に至るまでの長さを同一にするのに有利である。また、このような移動通路１２２は、注入口１２３から溝１２１が位置する各グループまでつながる第１通路１２２ａと、この第１通路１２２ａから分岐してそれぞれの溝１２１につながる第２通路１２２ｂとで構成されてもよい。

これにより、注入口１２３からレンズ形成のための液状物質が移動通路１２２に沿って移動するようになる。この時、液状物質は注入口１２３から溝１２１まで同じ圧力で注入される。それぞれのレンズ形状の溝１２１までの移動通路１２２の長さが異なる場合、液状物質の注入が均一になり難い。

このような第１金型１１０と第２金型１２０は、発光ユニット２００を介在して互いに結合される。この時、注入口１２３は、第１金型１１０と第２金型１２０間の空間、すなわち、レンズ形状の溝１２１の内部と発光ユニット２００によって定義される空間をレンズ形成のための液状物質で埋め込むために射出機（図示せず）と連結される。

その後、射出機からレンズ成形のための物質が注入され、このように注入された物質は、注入口１２３を介して溝１２１を含む第１金型１１０と第２金型１２０間の空間に注入される。

こうして注入されたレンズ成形のための物質が硬化し、発光ユニット２００上に結合されるレンズを成形する。
＜第２実施例＞

図５に示すように、本発明の第２実施例は、金型１００の第１金型１１０にレンズ形状の溝１１１が形成され、発光ユニット２００が第２金型１２０に設置された状態を示している。

ここで、溝１１１につながる移動通路１２２は、第１実施例と同様に第２金型１２０に形成され、このような移動通路１２２の端部には注入口１２３が位置する。

第２金型１２０に取り付けられる発光ユニット２００は、複数の発光ダイオードまたは発光ダイオードパッケージであり、特に、図５のように印刷回路基板（ＰＣＢ）２１０上に設置された複数の発光ダイオードパッケージ２２０を用いても良い。

このような印刷回路基板２１０上の発光ダイオードパッケージ２２０が第２金型１２０に配置された場合、移動通路１２２と印刷回路基板２１０とがつながるようにすることが好ましい。

各発光ダイオードパッケージ２２０に対応する第１金型１１０の箇所には、レンズ形状の溝１１１が位置するが、この時、レンズ形状の溝１１１は、発光ダイオードパッケージ２２０の全体を覆うことができるように形成されている。

このような第１金型１１０と第２金型１２０は発光ユニット２００を介在して互いに結合され、この時、注入口１２３は、第１金型１１０と第２金型１２０間の空間、すなわち、レンズ形状の溝１１１内部と発光ユニット２００によって定義される空間をレンズ成形のための液状物質で埋め込むために射出機（図示せず）と連結される。

以降、射出機からレンズ成形のための物質が注入され、このように注入された物質は、注入口１２３を介して移動通路１２２に注入され、このように移動通路１２２に沿って注入された物質は、溝１１１を含む第１金型１１０と第２金型１２０との間の空間に注入される。

こうして注入されたレンズ成形のための物質が硬化し、発光ユニット２００上に結合されるレンズを成形する。

それ以外の説明は、上記の第１実施例におけると同様なので省略する。
＜第３実施例＞

一方、発光ユニット２００が印刷回路基板２１０上の発光ダイオードパッケージ２２０である場合には、印刷回路基板２１０には回路を構成するために導線が印刷されている。

この場合、通常、第１金型１１０と第２金型１２０が結合する際に数トン（ton）の圧力が加えられるため、第１金型１１０と第２金型１２０との間に位置する印刷回路基板２１０上に印刷されている導線が損傷する恐れがある。

したがって、このように第１金型１１０と第２金型１２０の結合圧力によって印刷回路基板２１０上の導線が損傷するのを防止するために、第１金型１１０と第２金型１２０が結合される際に、各金型と印刷回路基板２１０との接触部に弾性または伸縮性の材質からなる基板保護部２３０、２３１が備えられてもよい。

すなわち、基板保護部２３０は、図６に示すように、レンズ形状溝１１１の周縁にそのレンズ形状の溝１１１と同じ形状にすることができ、特に、レンズ形状の溝１１１の縁部に帯状に形成されてもよい。

また、図７に示すように、基板保護部２３１は、印刷回路基板２１０上に形成されてもよい。このように印刷回路基板２１０上に形成された基板保護部２３１は、第１金型１１０と第２金型１２０が結合される時、印刷回路基板２１０と第１金型１１０間に加えられる圧力を和らげる。

一方、このような基板保護部２３１は、印刷回路基板２１０上の導線の高さよりも高く且つ円形の凹凸形状で形成されても良い。

以下、本発明による発光ユニット製作装置を用いてレンズを含む発光ユニットを製作する方法について説明する。

図８に示すように、第１金型１１０と第２金型１２０との間に発光ユニット２００とレンズ形状の溝１１１、１２１を整列した後、これらの第１金型１１０と第２金型１２０を結合させる（ステップＳ１）。

次いで、このように結合された第１金型１１０と第２金型１２０の温度を上昇させる（ステップＳ２）。これは、注入口１２３から注入される液状のレンズ形成物質が、移動通路１２２を通過する過程で硬化するのを防止するためである。

その後、注入口１２３から液状のレンズ成形物質をレンズ形状の溝１１１、１２１に注入する（ステップＳ３）。この時、上述したように、注入口１２３から各溝１１１、１２１に至るまでの移動通路１２２の長さが同一なので、上記レンズ成形物質を各溝１１１、１２１に均一に注入することができる。

ここで、上述の如く、注入口１２３から注入される液状のレンズ成形物質は、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂が好ましい。これは、エポキシ樹脂またはシリコン樹脂が熱硬化性樹脂で、金型１００における高温でも変形しないからである。

続いて、注入口１２３と移動通路１２２を通じてレンズ形状の溝１１１、１２１に注入された液状物質を硬化させる（ステップＳ４）。

その後、第１金型１１０と第２金型１２０を分離し、ダイレクト成形工程によって発光ユニット２００とレンズが一体に形成される発光ユニット２００を製造する。

このような過程によって製作された発光ユニット２００は、上述したように、発光ユニット２００とレンズが一体に形成されることから、発光ユニット２００をなす発光素子パッケージまたは発光素子が結合されたＰＣＢ基板とレンズ間に界面が存在しなくなる。

すなわち、発光ユニット２００上にレンズを結合するために接着剤の塗布などの過程を行う必要がないので、発光ユニット２００とレンズとの間には接着剤などによる界面が生じない。

この時、このようなダイレクト成形によって成形されるレンズは、発光ユニット２００上において充填材の役割を果たすことができる。この場合、充填材とレンズはエポキシ樹脂またはシリコン樹脂のような物質によって同時に形成されたものといえる。

上記の実施例は本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例であり、本発明は上記の実施例に限定されず、様々な形態の変形が可能であり、このような技術的思想の範囲内における様々な実施形態はいずれも本発明の保護範囲に属することは当然である。

従来の発光ダイオードとレンズを取り付ける方式を示す図である。 本発明の第１実施例を示す断面図である。 本発明のレンズ形状の溝の他の例を示す断面図である。 本発明の移動通路の一実施例を示す平面図である。 本発明の第２実施例を示す断面図である。 本発明の第３実施例を示す断面図である。 本発明の第３実施例の変形例を示す断面図である。 本発明の発光ユニット製作方法を説明するためのフローチャートである。

Claims (17)

1. 第１金型及び第２金型を有し、前記第１金型と第２金型との間に少なくとも一つの発光ユニットが位置するように前記第１金型と第２金型とが結合された金型と、
   前記第１金型または前記第２金型のいずれかにおいて、前記発光ユニットと対向する位置に形成され、かつレンズ形状を有する溝と、
   前記金型の外面に形成された注入口と、
   前記注入口から前記溝まで延在して形成され、前記注入口から注入された物質が移動する通路と、
   前記溝の周囲に位置している基板保護部と、を備える、発光ユニット製作装置。
2. 前記発光ユニットと溝は、複数個であることを特徴とする、請求項１に記載の発光ユニット製作装置。
3. 前記溝は、相異なる形状であることを特徴とする、請求項２に記載の発光ユニット製作装置。
4. 前記複数の発光ユニットと溝は、少なくとも２つ以上の発光ユニットと溝が複数個にグループをなすことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
5. 前記発光ユニットは、少なくとも１つ以上の発光ダイオードパッケージであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
6. 前記発光ダイオードパッケージは、印刷回路基板上に配置されたことを特徴とする、請求項５に記載の発光ユニット製作装置。
7. 前記移動通路は、前記注入口から複数の溝に分岐されたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
8. 前記注入口から各溝に至るまでの移動通路の長さはいずれも同一であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
9. 前記溝及び移動通路は、前記第１金型に形成されたことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
10. 前記溝は、第１金型に形成され、前記移動通路は、第２金型に形成されたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
11. 前記基板保護部は、前記発光ユニットが前記第１金型または前記第２金型と接する領域に配列された、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
12. 前記基板保護部は、弾性体で形成されたことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
13. 前記基板保護部は、前記レンズ形状の溝の縁部に沿って形成されたことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
14. 前記基板保護部は、前記発光ユニットに形成されたことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の発光ユニット製作装置。
15. 第１金型及び第２金型を有し、前記第１金型と第２金型との間に複数個の発光ユニットが位置するように前記第１金型と第２金型とが結合された金型と、
    前記第１金型または前記第２金型のいずれかに、前記複数個の発光ユニットと対向する位置にそれぞれ形成され、かつレンズ形状を有する複数個の溝と、
    前記金型の外面に形成された注入口と、
    前記注入口から前記複数個の溝まで延在して形成され、前記注入口から注入された物質が移動する通路と、
    前記溝の周囲に位置している基板保護部と、
    を備える、発光ユニットのレンズ成形装置。
16. 前記発光ユニットと溝は、少なくとも２つ以上の発光ユニットと溝が複数個にグループをなすことを特徴とする、請求項１５に記載の発光ユニットのレンズ成形装置。
17. 前記移動通路は、
    前記注入口から前記溝が位置する各グループまでつながる第１通路と、
    前記第１通路から分岐してそれぞれの溝につながる第２通路と、
    を備えて構成されることを特徴とする、請求項１６に記載の発光ユニットのレンズ成形装置。