TWI390762B - Light emitting diode light source - Google Patents

Description

發光二極體光源

本發明係關於可用於照明或液晶背光之發光二極體(LED)光源。

近年來，發光二極體元件的發光效率顯著提升，於照明的應用上有所進步。特別是，將發光二極體用作液晶顯示器用之背光光源之時，可貴現良好的色再現性與高速反應性，而可望達成高水準的畫質。又，由於不使用水銀，故對於環境較無害，而於汽車所用之車內照明或頭燈用光源等之利用亦有所進展。

將發光二極體用作照明用光源或背光用光源之時，必須將複數之發光二極體元件實裝於同一平面基板上，來製作平面狀之光源。

以往係將所謂「砲彈型」LED燈泡或「俯視(Top View)型」LED燈泡在平面上二次元地配列，而得到平面光源。然而，依此方式，發光二極體元件係一個個搭載於個別的封裝中，故而於成本上較為不利。又，封裝的熱阻抗較大，故亦有發光二極體元件所生之熱難以有效率地散熱之問題。

於將砲彈型LED燈泡或俯視型LED燈泡平面狀地以一定間隔來加以配置之時，燈泡正上方較明亮，而燈泡與燈泡之中間地帶則相對地較暗。因此，為了使亮度平均，須設置擴散板，且燈泡與擴散板間的距離必須在30mm以上(日本特開2004－233957〔專利文獻1〕、日本特開2000－329940〔專利文獻2〕)。因此，亮度的降低與背光單元的薄型化有其困難。

於此之中，解決前者之問題的方法，近來已被開發出來，其係：於背側貼合鋁等高熱傳導性材料以作為散熱性基板，並將發光二極體元件直接載置於該散熱性基板。第6圖表示其之1例。

於第6圖之例中，發光二極體元件1係直接載置於電路基板2之開口部4上露出之散熱性基板3上。又，複數之發光二極體元件1一個個被模鑄樹脂5所被覆，且模鑄樹脂之周圍形成了表面鍍鎳之反射板6。於此方式中，由於發光二極體元件1所生之熱被傳導至直接散熱性基板3，故而散熱性得到改善。

然而，於出射之光分布方面，仍與將上述砲彈型LED或俯視型LED平面狀地二次元配列的平面光源完全相同，並未有改善。

另一方面，由於液晶電視用之正下方型背光光源需要較大光量，故而係使用具有1W以上之消耗電力之所謂「高功率LED」。由於高功率LED之相當於1晶片(Chip)之發熱量較大，故而，晶片間的間隔至少須5mm，最好能在10mm以上。然而，晶片之間隔若在5mm以上，則會有亮度不均情況變大的問題。

並且，液晶顯示器用背光中，通常都使用3原色，亦即藍、綠、紅三種LED之情形；若以5mm以上之間隔來配置高功率LED，則不僅亮度不均，且3色之混色不充分，故而，作為白色光源會有問題(例如，「徹底檢驗高亮度LED組合、實裝技術」，Electronic Journal 97^{t h} Technical Symposium，73頁，2005年2月發行〔非專利文獻1〕)。

〔專利文獻1〕日本特開2004－233957號公報〔專利文獻2〕日本特開2000－329940號公報

〔非專利文獻1〕Electronic Journal 97^{t h} Technical Symposium，73頁(2005年2月發行)

本發明之課題在於解決這些問題，以提供正面亮度高、亮度與色度之均一性優良、且可薄型化之LED光源。

經本發明者不斷努力研究之結果，獲致「不使複數發光二極體元件(以下簡稱「LED元件」)之模鑄樹脂就每一LED元件而單獨形成，而係跨設而使之被覆於複數之LED元件，藉此使設置5mm以上之間隔而二次元地配置之光源的亮度分布可更加均一化，且於使用不同顏色之光源之時，可更容易混色」之成果，而完成本發明。亦即，本發明係含有例如以下之事項：1.一種發光二極體光源，係將複數發光二極體元件實裝至同一電路基板之光源，其特徵為，模鑄(Mold)樹脂被跨設為被覆複數之發光二極體元件。

2.如申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源，其中，發光二極體元件間之距離在5mm以上。

3.如申請專利範圍第1或2項所記載之發光二極體光源，其中，發光二極體元件之正上部上形成反射體。

4.如申請專利範圍第3項所記載之發光二極體光源，其中，反射體係金屬箔、金屬膜或白墨水中之任一者。

5.如申請專利範圍第4項所記載之發光二極體光源，其中，金屬膜係依蒸著、濺鍍或電鍍中之任一方法所形成。

6.如申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源，其中，模鑄樹脂之表面上形成凹凸形狀。

7.如申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源，其中，使表面上形成凹凸形狀之樹脂薄膜在模鑄樹脂上層積。

8.如申請專利範圍第6或7項所記載之發光二極體光源，其中，凹凸形狀係四角錐形。

9.如申請專利範圍第8項所記載之發光二極體光源，其中，四角錐之形狀係底邊在2mm以下，高度在底邊的1/2以下。

10.如申請專利範圍第6項所記載之發光二極體光源，其中，模鑄樹脂表面之凹凸形狀之底面面積的總和，為模鑄樹脂表面之10~100%。

11.一種申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源之製造方法，其特徵為，藉由於電路基板之外圍部設置樹脂薄膜之模鑄框，並於該模鑄框內塡充模鑄樹脂，而將之跨設為被覆複數之發光二極體元件。

12.一種顯示裝置，其特徵為，使用申請專利範圍第1~10項中任一項所記載之發光二極體光源。

13.一種照明裝置，其特徵為，使用申請專利範圍第1~10項中任一項所記載之發光二極體光源。

14.一種液晶顯示器，其特徵為，具備申請專利範圍第13項所記載之照明裝置。

本發明之LED光源係設置5mm以上之間隔而二次元配置之光源，但其亮度分布可更為均一，且於使用不同色光源之時，可更容易混色。並且，由於光源之正面亮度、亮度均一化以及混色度均為優良，故而可用於顯示裝置或照明裝置等用途。

本發明之LED光源係將複數發光二極體元件實裝於同一電路基板之光源，其特徵為，模鑄樹脂係被跨設為被覆在複數發光二極體元件。

本發明中所用之發光二極體元件可依光源之用途來作選擇。例如，若係用於液晶顯示器之背光光源，則以色再現範圍較廣者較佳。適切之例如，將藍色、綠色、紅色之複數發光二極體元件設置於同一基板。

又，若係作為白色之照明用光源，則除上述藍色、綠色、紅色之外，則以將黃色、橙色等所謂中間色之發光二極體元件設置於同一基板上，或者使用將藍色或近紫外色之發光二極體元件與螢光體之組合所構成之白色光源，較為理想。

發光二極體元件之配置間隔並無特別之限制；不過，於使用1W以上的高亮度高功率元件時，元件之發熱較顯著，若配置得太接近，則配置處所的局部溫度上升會較明顯，而危及元件與基板，故而，元件間的距離在5mm以上，較為理想。

設置了複數發光二極體元件之基板以由電路基板與散熱性基板構成者較為理想。電路基板係形成通電至發光二極體元件之電路的基板，連接發光二極體元件之陰極與陽極。得到電路基板的方法例如，將銅箔貼合於絕緣性樹脂基板上，而將銅箔蝕刻為電路狀。絕緣性樹脂基板例如所謂玻璃環氧樹脂(Epoxy)基板等。

發光二極體元件被載置於設有貫通孔之開口部，以使散熱性基板露出於電路基板。此時，使發光二極體元件之發光部突出於電路基板面，較為理想。從而，電路基板之厚度雖應依發光二極體元件之大小來決定，不過，以在0.1mm以下較佳，特別是在50μm以下最佳。

散熱性基板係將熱傳導率高之基板貼合於電路基板之未形成電路的一側，其目的在於散去發光二極體元件所生之熱。散熱性基板之材料例如金屬、高熱傳導性陶瓷等。金屬例如鋁、銅、不鏽鋼等較佳。高熱傳導性陶瓷例如氮化鋁等較佳。

將複數發光二極體元件設置於基板上之方法，從散熱性之觀點而言較佳者為，不將該元件實裝於封裝中，而使所謂裸晶片(Bare chip)與散熱性基板直接接觸而設置之方法。具體而言即係於電路基板之設置發光二極體元件之部份上設貫通孔，於貼合電路基板與散熱性基板時，在貫通孔之處使散熱性基板露出，並於此開口部上將發光二極體元件設置在散熱性基板上。此時之黏著手段以熱阻抗較小者較佳，例如銀膠(silver paste)、導熱性矽滑脂(silicon grease)等。

模鑄樹脂以熱硬化性透明樹脂較佳，尤以透明環氧樹脂(Epoxy)為佳。透明環氧樹脂例如，將雙酚A二環氧甘油醚(diglycidyl ether of bisphenol A)、2,2－二(4－脫水甘油基環己基)丙烷(2,2－bis(4－glycidyloxy cyclohexyl)propane)、3,4－環氧環己基甲基－3,4－環氧己烷羧酸乙酯(3,4－epoxycyclohexyl methyl－3,4－epoxyhexane carboxylate)、二氧化環己烯乙烯,(vinylcyclohexene dioxide)、2－(3,4－環氧環己烷)－5,5－螺－(3,4－環氧環己烷)－1,3－二氧陸圜(2－(3,4－epoxycyclohexane)－5,5－spiro－(3,4－epoxycyclohexane)－1,3－dioxane)、二(3,4－環氧環己基)已二酸(bis(3,4－epoxycyclohexyl)adipate)、1,2－環丙烷二羧酸二縮水甘油酯(1,2－cyclopropane dicarboxylic acid bisglycidyl ester)、三縮水甘油基異氰酸酯(triglycidyl isocyanurate)、單丙烯二縮水甘油基異氰酸酯(monoallyldiglycidyl isocyanurate)、二丙烯單縮水甘油基異氰酸酯(diallylmonoglycidyl isocyanurate)等環氧樹脂，以六氫苯酐(hexahydrophthalic anhydride)、甲基六氫苯酐(methyl hexahydrophthalic anhydride)、三烷基四氫苯酐(trialkyl tetrahydrophthalic anhydride)、(水素化甲基可溶性(nadic)酸無水物)等來予以硬化而成。這些環氧樹脂、硬化劑可單獨使用，亦可複數組合而加以使用。

使模鑄樹脂被覆複數之裸晶片而跨設之方法例如以塗佈機(Dispenser)進行塗佈、印刷，或於基板周圍設置框而塡滿樹脂，並以刮刀片(Doctor Blade)等使之平滑後，使之硬化等方法。其他方法例如使用金屬模型，而於基板上成形及黏著等。

上述模鑄樹脂係跨設為被覆於基板上之複數發光二極體元件。於此，「跨設為使之被覆」係指，「一體地形成而覆蓋」複數發光二極體元件，亦即，覆蓋各發光二極體元件之模鑄樹脂係連續一體化之狀態。

亦可因光源之用途而於模鑄樹脂中加入變換波長所需之螢光體，來改變顏色。螢光體例如所謂釔鋁柘榴石(YAG)鈰螢光體等無機螢光體、若丹明(rhodamine)或香豆素(coumarin)等有機螢光體。

為提高亮度與色度之均一性，亦可在模鑄樹脂內添加散亂體。散亂體例如壓克力膠石(acrylic beads)、鋁粉等。

並且，由於本發明中之模鑄樹脂層的折射率較空氣大，故而，同時具有作為導光體之功能。亦即，由於自複數LED元件所射出之光之中，一定比例之光會在模鑄樹脂層內部因全反射而傳播，故而，亮度更加均一化，且於顏色不同之時，亦促進混色。從而，於設置使亮度均一化所需之擴散板時，可將該距離縮短為10mm，而可達到背光的薄型化。

又，藉由於模鑄樹脂表面上之凹凸(皺紋)形狀或散亂體之形成，被均一化或混色之光可更有效率地射出樹脂外。

又，本發明之LED光源以在發光二極體元件之正上方形成反射體，較為理想。反射體之例如，反射率(以村上色彩技術研究所股份有限公司製之攜帶型反射率計CM－53P型來測定)在95%以上，或97%以上之正反射體或擴散反射體等。

反射體之形狀可依發光二極體元件之形狀來決定，不過以圓形板較佳，其直徑以發光二極體元件之1邊長之1~10倍為佳，尤以2~5倍最佳。

反射體之材料例如鋁箔等金屬箔、鋁、金、銀、白金等金屬薄膜極白色墨水等。鋁箔等金屬箔可藉由透明黏著劑來貼合。鋁、金、銀、白金等金屬薄膜可以蒸著、濺鍍及無電解電鍍等方法，依金屬遮罩的圖案來形成。又，白色墨水(含有二氧化鈦之壓克力樹脂等)可藉由塗佈機或印刷之方法來進行塗佈。這些方法中，以白色墨水之塗佈較簡便，故而較佳。

並且，本發明之LED光源以模鑄樹脂之表面上形成凹凸(皺紋)形狀者較佳。模鑄樹脂表面之凹凸(皺紋)形狀例如半球形、長方體形、圓錐形、多角錐形等。較佳者為多角錐形，尤以四角錐形最佳。四角錐之形狀以底邊在2mm以下，高度在底邊之1/2以下者較佳。藉由模鑄樹脂表面上凹凸(皺紋)形狀之形成，可提高由模鑄樹脂取出光之效率，結果可望提高光源之亮度。

以四角錐為起點之凸部形狀以鄰接形成者較佳。凸部形狀之底面積的總和以在形成該形狀之面的面積之至少10%以上為佳，尤以50%以上更佳。

形成凹凸(皺紋)形狀之方法例如，直接於模鑄樹脂上施以凹凸(皺紋)加工，或使形成凹凸(皺紋)形狀之樹脂薄膜層積於模鑄樹脂之上亦可。

本發明之LED光源可適用於照明用光源、液晶顯示器用背光光源等。作為照明用光源時，係使用主波長為420mm~480mm之範圍的藍色發光二極體來作為發光二極體元件，吸收一部分之藍色光，並將發出更長波長之螢光的螢光體適量添加於模鑄樹脂內，藉以成為演色性高之白色光源，較為理想。作為液晶顯示器用背光之光源時，係使用發出紅、綠、藍之至少三色之光的二極體。

以下以實施例來具體說明本發明，不過，本發明並不限於下述之例。

第1實施例

如第1圖之模式平面圖及第2圖之第1圖中之A－A斷面圖所示，散熱性基板3係使用大小80×120mm，厚度1.2mm之鋁基板；並於此散熱性基板上，貼上單面具備厚18μm之銅箔的厚20μm之絕緣性黏著樹脂薄膜，以製作出厚度約30μm之電路基板2。於銅箔部份上藉由蝕刻來形成電路圖案。又，於設置發光二極體元件(LED晶片)1之處，打出6個(3個×2段)5mm平方之貫通開口部4。

接著，使用銀膠(日立化成工業股份有限公司製TC－3600)，將6個發光二極體元件1載置於電路基板之開口部，以製成LED基板。發光二極體元件1之尺寸係1mm平方，由左而右依序為紅(昭和電工股份有限公司製，TOA－1000)、綠(ITSWELL公司製)、藍(ITSEWLL公司製)設置二列。然後，於此LED基板上，設置與LED基板相同外型，且由厚2mm之聚丙烯(polypropylene)片所構成之框(開口部70 mm×90mm)，並以塗佈機將透明環氧樹脂5(SANYU REC股份有限公司製，NLD－L－645)滴至框內後，以130℃予以硬化而形成樹脂模鑄部5。接著，載置於上述LED基板上後，將定位直徑2mm之開口部之金屬遮罩，置於發光二極體元件(LED晶片)之正上方，並以離子覆膜機(I－B3)來製作厚10nm之白金膜，形成反射體7而製成光源。以村上色彩技術研究所股份有限公司製之攜帶型反射率計CM－53P型(測定光學系：0°垂直照明45°周圓受光；光源：鎢絲燈)所測定之反射體7之反射率為95%。

以高熱傳導性矽滑脂(信越SILICON製，Oil compound G－751)，將所得之4片LED光源的放熱性基板側，貼合至如第3圖之模式平面圖所示厚度1.2mm之鋁板所形成之外型270×200mm、深30mm之背光用箱型容器之底面。然後，於LED基板之樹脂模鑄部5以外之LED基板表面及背光用容器之內面上，無縫隙地貼上反射薄膜(TORAY股份有限公司，LUMIRROR)。接著，置10mm之距離，藉由外形尺寸與背光用容器相同之聚碳酸酯(Polycarbonate)製擴散板(帝人化成股份有限公司，PANLITE)作成蓋子，而製作出背光單元。全部之藍色發光二極體元件之通電為300mA，全部之綠色及紅色發光二極體元件之通電為350mA來加以點燈；並對第4圖所示之9處之亮度與色度座標，使用KONICA－MINOLTA HOLDINGS股份有限公司製分光放射亮度計(分光型)CS－1000S來加以測定。平均亮度約為6000cd/m² ，亮度不均度({(最大量度－最小亮度)/平均亮度}×100%)約為13%。又，色度座標之平均為x＝0.31，y＝0.30，色度不均度(均等色度圖系中之色度座標的最大值與最小值之差)為△u＝0.005，△v＝0.005。

第2實施例

除反射體系以光澤性墨水(帝國墨水製造股份有限公司製，MIR－9100)依厚度30μm塗佈而形成以外，其餘與第1實施例相同，而製作出背光單元。進行與第1實施例相同之測定，得出此反射體7之反射率為97%。

進行與第1實施例相同之點燈試驗之結果為，平均亮度為11000cd/m² ，亮度不均度為13%。又，色度座標之平均為x＝0.31，y＝0.30，色度不均度為△u＝0.005，△v＝0.004。

第3實施例

將全面形成底邊為2mm、高為1mm之四角錐狀凸部之壓克力樹脂板(大小：70mm×90mm、厚度：1mm)，分別貼於在第1實施例中所製作之4個LED光源之樹脂模鑄部上。進行與第1實施例相同之點燈試驗之結果為，平均亮度為15600cd/m² ，亮度不均度為15%。又，色度座標之平均為x＝0.31，y＝0.30，色度不均度為△u＝0.005，△v＝0.004。

上述實施例1~3中，任一者之樹脂模鑄部5均係突出於LED基板表面上，不過，亦可如第5圖所示，使樹脂模鑄部5之高度與設於LED基板表面上之外圍之反射板6的厚度相同，亦即，反射板表面6與樹脂模鑄5表面約略呈一平面，而作為另一實施形態。於此，發光二極體元件(LED晶片)之正上方可與第1實施例及第2實施例相同地適當形成反射體7。又，雖未圖示，不過，亦可於散熱性基板3上設置座繰，於此座繰之內部實裝發光二極體元件，並於座繰之內部，形成與散熱性基板3之表面略呈平面的樹脂模鑄部5，以覆蓋發光二極體元件，作為另一實施例。此時，鄰接之發光二極體元件之配置間隔以5mm以上較佳。

1．．．發光二極體元件

2．．．電路基板

3．．．散熱性基板

4．．．電路基板開口部

5．．．樹脂模鑄(模鑄樹脂)

6．．．反射(Reflector)成形板

7．．．反射體

第1圖係表示本發明之1實施例的LED光源之模式平面圖。

第2圖係第1圖之A－A線斷面圖。

第3圖係使用了本發明之光源的背光的模式平面圖。

第4圖係表示亮度測定位置之平面圖。

第5圖係表示本發明之其他實施形態的LED光源之模式斷面圖。

第6圖係以往之LED光源之模式斷面圖。

1．．．發光二極體元件

2．．．電路基板

3．．．散熱性基板

4．．．電路基板開口部

5．．．樹脂模鑄(模鑄樹脂)

7．．．反射體

Claims (11)

1. 一種發光二極體光源，係將複數發光二極體元件實裝至同一電路基板之光源，其特徵為，模鑄(Mold)樹脂被跨設為被覆複數之發光二極體元件，發光二極體元件之正上部上形成反射體，反射體係金屬箔、金屬膜或白墨水中之任一者，金屬膜係依蒸著、濺鍍或電鍍中之任一方法所形成。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源，其中，發光二極體元件間之距離在5mm以上。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源，其中，模鑄樹脂之表面上形成凹凸形狀。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源，其中，使表面上形成凹凸形狀之樹脂薄膜在模鑄樹脂上層積。
5. 如申請專利範圍第3或4項所記載之發光二極體光源，其中，凹凸形狀係四角錐形。
6. 如申請專利範圍第5項所記載之發光二極體光源，其中，四角錐之形狀係底邊在2mm以下，高度在底邊的1/2以下。
7. 如申請專利範圍第3項所記載之發光二極體光源，其中，模鑄樹脂表面之凹凸形狀之底面面積的總和，為模鑄樹脂表面之10~100%。
8. 一種申請專利範圍第1項所記載之發光二極體光源之製造方法，其特徵為，藉由於電路基板之外圍部設置樹脂薄膜之模鑄框，並於該模鑄框內填充模鑄樹脂，而將之跨設為被覆複數之發光二極體元件。
9. 一種顯示裝置，其特徵為，使用申請專利範圍第1~7項中任一項所記載之發光二極體光源。
10. 一種照明裝置，其特徵為，使用申請專利範圍第1~7項中任一項所記載之發光二極體光源。
11. 一種液晶顯示器，其特徵為，具備申請專利範圍第10項所記載之照明裝置。