JP2006237156A - 光源装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】隣接する発光素子間の光干渉を防止し、発光素子の側面から放出される光を金属ステムの前方に集光して発光効率を高めることができる光源装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】光源装置100は、金属ステム110と、一面は前記金属ステム110に溶着され、他面にはグルーブ121が形成され、前記グルーブ121には反射層122、絶縁層123、電極層124及び半田層125が順次堆積されるサブマウント120と、前記サブマウント120の半田層125に接着される発光素子130とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、光源装置及びその製造方法に関し、特に、隣接する発光素子間の光干渉を防止し、各発光素子から放出される光を損失なしに金属ステムの前方に集光できる光源装置及びその製造方法に関する。
現在、活発に使用されている発光素子は、大きくレーザーダイオード(Laser Diode;LD)と発光ダイオード(Light Emitting Diode;LED)とに分けられる。
LDは、光通信分野で光源として広く使用され、最近、コンパクトディスク(CD)再生器、コンパクトディスク記録再生器(CD−RW)分野だけでなく、DVD再生器、レーザーディスク(LD)再生器、ミニディスク(MD)再生器などの光メディア分野でも重要な部品として使用されている。
LEDは、バックライトユニット(BLU)に広く使用され、自体発光力のないLCパネルの下部に位置して、均一な平面光を照射させてLCDを認識できるようにする光源装置として使用されている。
このようなLEDは、比較的低い電圧で駆動が可能であると共に、高いエネルギー効率により、発熱が低く寿命が長いという利点を有する。
図13は、従来の発光素子を示す縦断面図で、図14は、従来の光源装置を示す縦断面図である。
図13に示すように、従来の発光素子10においては、サファイアまたはn−GaAs(ガリウムヒ素)などからなる基板11の上面に、化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition;CVD)により、バッファ層12、n−接触層13、活性層14及びp−接触層15が順次蒸着される。
前記p−接触層15の上面には、電流拡散層16が形成され、前記電流拡散層16の上面には、前記p−接触層15及び電流拡散層16と電気的に連結されるp−電極17が形成される。その後、前記n−接触層13の露出された一部分の上面に、n−電極18が形成される。
図14に示すように、従来の光源装置40において、前述したような発光素子10は、サブマウント20上にノーマルマウンティングボンディング方式(Normal mounting bonding method)により接着され、前記サブマウント20は、金属ステム30上に接着される。このとき、外部電源の印加のために、前記発光素子10のp−電極17は、前記サブマウント20の電極21とワイヤー11を介して連結され、前記サブマウント20の電極21は、前記金属ステム30の電極31と他のワイヤー22を介して連結される。前記n−電極18は、前記p−電極17と同じ構造で連結されているので、以下、前記n−電極18の連結構造に対する図面符号及びその説明は省略する。
以下、このように構成された従来の光源装置の動作を説明する。
図13及び図14に示すように、金属ステム30の電極31に電圧を印加すると、ワイヤー11、22を通してp−電極17及びn−電極18に電圧が印加される。
このとき、前記p−電極17及びn−電極18にそれぞれ正孔及び電子が注入され、このように注入された正孔及び電子は、p−接触層15及びn−接触層13に流入した後に活性層14で再結合され、このとき、余分のエネルギーが光に変換されて発光する。
しかしながら、従来の光源装置においては、隣接する発光素子から放出される光が互いに干渉され、発光素子の側面から放出される光が金属ステムの前方に集光されず分散されて、発光効率が低いという問題点があった。
また、発光素子とサブマウントとの連結、及びサブマウントと金属ステムとの連結において、ワイヤーを利用するノーマルマウンティングボンディング方式を用いるため、連結作業が非常に難しく、収率が低いという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、隣接する発光素子間の光干渉を防止し、発光素子の側面から放出される光を金属ステムの前方に集光して発光効率を高めることができる光源装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による光源装置は、金属ステムと、一面は前記金属ステムに装着され、他面にはグルーブが形成され、前記グルーブには反射層、絶縁層、電極層及び半田層が順次堆積されるサブマウントと、前記サブマウントの半田層に接着される発光素子とを含むことを特徴とする。ここで、グルーブは凹部又は溝を意味する。
前記発光素子の電極は、前記サブマウントの電極層と直接連結され、前記サブマウントの電極層は、前記金属ステムの電極とワイヤーを介して連結される。
前記グルーブの深さは、前記発光素子の高さより相対的に大きく形成されることが好ましい。
前記金属ステムは、MC PCB(Metal Core Printed Circuit Board)で、前記発光素子は、LED(Light Emitting Diode)であることが好ましい。
一方、本発明による光源装置の製造方法は、シリコン基板に所定の間隔で複数のグルーブを形成する段階と、前記複数のグルーブが形成されたシリコン基板の前面に電極層及び半田層を順次形成する段階と、前記各グルーブを1つの単位として前記シリコン基板を均等に切断して、複数のサブマウントを形成する段階と、発光素子の電極と前記サブマウントの電極層とが連結されるように、前記サブマウントの半田層に前記発光素子を接着する段階と、前記サブマウントを金属ステムに整列させて光源装置を完成する段階とを含む。
前記シリコン基板に所定の間隔で複数のグルーブを形成する段階以後には、前記シリコン基板の前面に反射層及び絶縁層を順次形成することが好ましい。
前記サブマウントの半田層に前記発光素子を接着する段階では、フリップチップボンディング方式(Flip chip bonding method)を用いることが好ましい。
前記サブマウントの電極層は、ノーマルマウンティングボンディング方式により、前記金属ステムの電極と連結されることが好ましい。
本発明による光源装置及びその製造方法においては、サブマウントの母材であるシリコン基板の前面にグルーブを形成し、該グルーブ内に発光素子を装着させることにより、隣接する発光素子間の光干渉を防止できるという効果がある。
また、グルーブの内周面に反射層を形成することにより、発光素子の側面から放出される光を金属ステムの前方に集光し、発光効率を高めることができるという効果がある。
また、サブマウントの半田層への発光素子の接合にフリップチップボンディング方式を用いることにより、組立作業性を向上させ、収率を高めることができるという効果がある。
以下、添付の図面を参照して、本発明による光源装置及びその製造方法の好ましい実施形態について説明する。
図1は、本発明による光源装置を示す縦断面図で、図2は、本発明による光源装置のサブマウント及び発光素子を示す分離斜視図で、図3は、本発明による光源装置のサブマウント及び発光素子を示す縦断面図である。
図1〜図3に示すように、本発明による光源装置100は、金属ステム110と、一面は前記金属ステム110に溶着され、他面にはグルーブ121が形成され、前記グルーブ121には反射層122、絶縁層123、電極層124及び半田層125が順次堆積されるサブマウント120と、前記サブマウント120の半田層125に接着される発光素子130とを含む。ここで、グルーブ121は、凹部や溝を意味する。
本発明による光源装置100においては、前記発光素子130の安着のために、前記サブマウント120の一面にグルーブ121を形成することにより、前記発光素子130から発光される光が前記金属ステム110の側方に分散されず前方に送られるので、発光効率を高めることができる。ここで、前記グルーブ121により前記サブマウント120の厚さが減少するので、それだけ前記発光素子130の熱放出が容易になる。
また、前記サブマウント120に反射層122を形成することにより、前記発光素子130の前面及び側面から発光される光を前記金属ステム110の前方に効果的に集光させる。ここで、前記反射層122は、蒸着法またはリフトオフ法を用いて形成し、反射係数の高いAg、Alなどの材質を使用することが好ましい。
前記反射層122の上面に堆積される絶縁層123は、前記反射層122と電極層124との接触を防止するためのもので、スパッタリングまたは気相蒸着法を用いて形成する。
前記絶縁層123の材質としては、絶縁可能な材質であれば何れもよいが、AlN、ZnO、BeO、SIO及びSiNxの何れか1つを使用することが好ましい。且つ、半導体工程上で使用されるシリコン窒化膜などの絶縁膜を使用することもできる。
前記半田層は、その融点が400℃以下で接合が可能な材質、例えば、Au−Sn、In、Pb、Pb−Sn及びAg−Snの何れか1つを使用することが好ましい。
参考で、2つの電極を接着する方法において、2つの電極を互いに当接させて接着する方法をフリップチップボンディング方法(フリップチップ実装)といい、2つの電極をワイヤーを介して連結する方法をノーマルマウンティングボンディング方法(例えば、ワイヤボンディング)という。実質的に、前記発光素子130の電極はn−電極とp−電極とに分けられるが、n−電極とp−電極の連結構造は互いに対称をなすので、本発明においては、便宜上、n−電極とp−電極を総称して電極131という。
本発明による光源装置100において、前記発光素子130の電極131は、フリップチップボンディング方式により、前記サブマウント120の電極層124の一端と直接接着されており、前記サブマウント120の電極層124の他端は、ノーマルマウンティングボンディング方式により、前記金属ステム110の電極111とワイヤー112を介して連結されている。
前記グルーブ121の深さDは、前記発光素子130の高さdより相対的に大きく形成されることが好ましい。
即ち、前記グルーブ121の深さDが前記発光素子130の高さdより相対的に大きく形成されることによって、前記発光素子130の側面から発光される光が分散されることなく、前記反射層122により反射されて前記金属ステム110の前方に集光される。
前記発光素子130の側面から発光される光を前記金属ステム110の前方に集光できるように、前記グルーブ121には、傾斜面121aが形成されており、該傾斜面121aに沿って反射層122が堆積されている。
また、前記発光素子130は、大きくレーザーダイオード(LD)と発光ダイオード(LED)とに分けられるが、図1〜図3においてはLEDのものを示す。
前記金属ステム110には、絶縁層113が堆積され、前記絶縁層113には、前記サブマウント120が接着されることにより、前記絶縁層113が前記金属ステム110とサブマウント120とを絶縁させる役割をする。
前記金属ステム110は、熱放出特性の優れたMC PCBであることが好ましい。前記MC PCBは、前記発光素子130から発生する熱を迅速に吸収して放熱することにより、前記発光素子130の発光を円滑にすると共に寿命を延長させる。
以下、このように構成された本発明による光源装置の動作を説明する。
図1〜図3に示すように、金属ステム110の電極111に電圧を印加すると、ワイヤー112及び電極層124を通して発光素子130の電極131に電圧が印加される。
このとき、前記電極131を通して注入された正孔及び電子は、前記発光素子130の活性層(図示せず)で再結合され、このとき、余分のエネルギーが光に変換されて発光する。
このとき、前記発光素子130が前記グルーブ121内に装着されているため、隣接する発光素子130間の光干渉を効果的に防止することができる。
また、反射層122により、前記発光素子130の前面だけでなく側面から発光する光が散乱されることなく、前記金属ステム110の前方に集光して、発光効率を高めることができる。
一方、図4〜図12は、本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。
図4〜図12に示すように、本発明による光源装置の製造方法は、シリコン基板120にグルーブ121を所定の間隔で複数個形成する段階と、前記複数のグルーブ121が形成されたシリコン基板120の前面に電極層124及び半田層125を順次形成する段階と、前記各グルーブ121を1つの単位として前記シリコン基板120を均等に切断して、複数のサブマウント120を形成する段階と、発光素子130の電極131と前記サブマウント120の電極層124とが連結されるように、前記サブマウント120の半田層125に前記発光素子130を接着する段階と、前記サブマウント120を金属ステム110に整列させて光源装置100を完成する段階とを含む。
より詳しくは、図4〜図6に示すように、母材のシリコン基板120の前面に、エッチングマスク200を利用して、グルーブ121を所定の間隔で複数個形成した後、前記エッチングマスク200を除去する。このとき、前記グルーブ121の側面には、傾斜面121aが形成される。ここで、シリコン基板120の前面とは、金属ステム110に装着される面と反対側の面を意味する。
その後、図7〜図9に示すように、前記複数のグルーブ121が形成されたシリコン基板120の前面に、反射層122、絶縁層123、電極層124及び半田層125を順次堆積する。このとき、前記電極層124及び半田層125は、前記絶縁層123の一部分にのみ形成することが好ましい。
ここで、前記反射層122は、蒸着法またはリフトオフ法により形成し、反射係数の高いAg、Alなどの材質を使用することが好ましい。
前記反射層122の上面に堆積される絶縁層123は、前記反射層122と電極層124との接触を防止するためのもので、スパッタリングまたは気相蒸着法を用いて形成する。
前記絶縁層123の材質としては、熱伝達係数の高いAlN、ZnOまたはBeOを使用することが好ましく、且つ、半導体工程上で使用されるシリコン窒化膜などの絶縁膜を使用することもできる。
また、前記絶縁層123の上面に堆積される電極層124は、金属エッチングまたはリフトオフ法を用いて形成する。
前記半田層125は、前記発光素子130の電極131と前記サブマウント120の電極層124との電気的な連結を図るために、Au−Sn、In、Pb、Pb−Snなどを使用することが好ましい。
その後、図10に示すように、前記各グルーブ121を1つの単位として前記シリコン基板120を均等に切断して、複数のサブマウント120をチップ状に形成する。
その後、図11に示すように、前記発光素子130の電極131と前記サブマウント120の電極層124とが連結されるように、フリップチップボンディング方式により、前記サブマウント120の半田層125に前記発光素子130を接着する。
その後、図12に示すように、前記サブマウント120を金属ステム110に整列させた後、ノーマルマウンティングボンディング方式により、前記サブマウント120の電極層124と前記金属ステム110の電極111とを連結して、光源装置100を完成する。
このように完成した光源装置100は、バックライトユニット、カメラフラッシュユニットに効率的に使用されることができる。
このような本発明による光源装置の製造方法においては、グルーブ121の側面に傾斜面121aを形成し、前記傾斜面121aに沿って反射層122を形成することにより、前記発光素子130の側面から発光する光を前記金属ステム110の前方に集光させる。よって、バックライトユニットに適用される場合、発光効率を高めることができる。
本発明による光源装置を示す縦断面図である。 本発明による光源装置のサブマウント及び発光素子を示す分離斜視図である。 本発明による光源装置のサブマウント及び発光素子を示す縦断面図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 本発明による光源装置の製造方法を示す工程図である。 従来の発光素子を示す縦断面図である。 従来の光源装置を示す縦断面図である。
符号の説明
100 光源装置
110 金属ステム
111 電極
112 ワイヤー
120 サブマウント
121a 傾斜面
121 グルーブ
122 反射層
123 絶縁層
124 電極層
125 半田層
130 発光素子
131 電極
200 エッチングマスト
D グルーブの深さ
d 発光素子の高さ

Claims (45)

  1. 金属ステムと、
    第1面及び第2面を有し、前記第1面は前記金属ステムに装着され、前記第2面にはグルーブが形成され、前記グルーブには電極層及び半田層が順次堆積されるサブマウントと、
    前記サブマウントの半田層に電気的に接続される発光素子と、
    を含むことを特徴とする光源装置。
  2. 前記サブマウントには、反射層及び絶縁層がさらに形成されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記サブマウントには、前記反射層、絶縁層、電極層及び半田層が順次堆積されることを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
  4. 前記発光素子の電極は、前記サブマウントの電極層と直接連結され、前記サブマウントの電極層は、前記金属ステムの電極とワイヤーを介して連結されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  5. 前記グルーブの深さは、前記発光素子の高さより相対的に大きく形成されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  6. 前記金属ステムは、MC PCB(Metal Core Printed Circuit Board)であることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  7. 前記発光素子は、LED(Light Emitting Diode)であることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  8. 前記金属ステムには絶縁層が堆積され、前記絶縁層には前記サブマウントが溶着されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  9. 前記グルーブの側面には、前記発光素子の側面から発光する光を前記金属ステムの前方に集光できるように、傾斜面が形成されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  10. 前記絶縁層の材質は、AlN、ZnO、BeO、SIO及びSiNxの何れか1つであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  11. 前記半田層は、その融点が400℃以下で接合が可能な材質であることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  12. 前記半田層の材質は、Au−Sn、In、Pb、Pb−Sn及びAg−Snの何れか1つであることを特徴とする請求項11に記載の光源装置。
  13. シリコン基板に所定の間隔で複数のグルーブを形成する段階と、
    前記複数のグルーブが形成されたシリコン基板に電極層及び半田層を順次形成する段階と、
    前記各グルーブを1つの単位として前記シリコン基板を均等に切断して、複数のサブマウントを形成する段階と、
    発光素子の電極と前記サブマウントの電極層とが連結されるように、前記サブマウントの半田層に前記発光素子を接着する段階と、
    前記サブマウントを金属ステムに整列させて光源装置を完成する段階と、
    を含むことを特徴とする光源装置の製造方法。
  14. 前記シリコン基板に所定の間隔で複数のグルーブを形成する段階の後に、前記シリコン基板の前面に反射層及び絶縁層を順次形成することを特徴とする請求項13に記載の光源装置の製造方法。
  15. 前記電極層及び半田層は、前記絶縁層の一部分に形成されることを特徴とする請求項14に記載の光源装置の製造方法。
  16. 前記サブマウントの半田層に前記発光素子を接着する段階では、フリップチップボンディング方式(Flip chip bonding method)を用いることを特徴とする請求項13に記載の光源装置の製造方法。
  17. 前記サブマウントの電極層は、ノーマルマウンティングボンディング方式(Normal mounting bonding method)により、前記金属ステムの電極と連結されることを特徴とする請求項13に記載の光源装置の製造方法。
  18. 前記サブマウントの半田層に前記発光素子を接着する段階では、ノーマルマウンティング方式を用いることを特徴とする請求項13に記載の光源装置の製造方法。
  19. 前記光源装置は、バックライトユニット及びカメラフラッシュユニットに用いられることを特徴とする請求項13に記載の光源装置の製造方法。
  20. 前記グルーブの側面に傾斜面を形成し、前記傾斜面に沿って反射層を形成することにより、前記発光素子の側面から発光する光を前記金属ステムの前方に集光させることを特徴とする請求項13に記載の光源装置の製造方法。
  21. 凹部が形成され第1固定部材と、
    前記凹部に形成された電極層と、
    前記凹部内に配置され前記電極層と電気的に接続された発光素子と、
    を備える光源装置。
  22. 前記電極層上に形成された半田層をさらに備え、
    前記発光素子は、前記半田層に連結されることによって前記電極層と電気的に接続されている、請求項21に記載の光源装置。
  23. 前記第1固定部材の凹部内に形成された反射層及び絶縁層をさらに備える、請求項21に記載の光源装置。
  24. 前記反射層、前記絶縁層、前記電極層及び前記半田層は、前記凹部に順次形成されている、請求項23に記載の光源装置。
  25. 前記発光素子は電極を有し、
    前記発光素子の電極は、前記半田層と直接連結されている、請求項21に記載の光源装置。
  26. 前記第1固定部材が固定された第2固定部材と、
    前記第2固定部材上に形成された電極をさらに備え、
    前記第1固定部材の前記凹部に形成された前記電極層は、前記第2固定部材上の電極とワイヤーを介して連結されている、請求項21乃至25の何れかに記載の光源装置。
  27. 前記第2固定部材は、金属部分と、前記金属部分上に形成された絶縁層とを有し、
    前記第2固定部材の電極は、前記絶縁層上に形成されている、請求項26に記載の光源装置。
  28. 前記第1固定部材の前記凹部は底面に対して側面が傾斜している、請求項21に記載の光源装置。
  29. 前記第1固定部材、前記電極層、前記半田層は、半導体プロセスによって形成されていることを特徴とする、請求項21に記載の光源装置。
  30. 凹部が形成され第1固定部材と、前記凹部に形成された電極層と、前記凹部内に配置され前記電極層と電気的に接続された発光素子とを有する複数の光源部と、
    前記複数の光源部が配列された第2固定部材と、
    を備える光源装置。
  31. 前記発光素子は前記電極層にフリップチップ実装されており、前記光源部は前記第2固定部材にワイヤボンディングにより実装されている、請求項30に記載の光源装置。
  32. バックライトユニットの光源装置であって、
    凹部が形成され第1固定部材と、
    前記凹部に形成された電極層と、
    前記凹部内に配置され前記電極層と電気的に接続された発光素子と、
    を備えるバックライトユニットの光源装置。
  33. カメラフラッシュユニットの光源装置であって、
    凹部が形成され第1固定部材と、
    前記凹部に形成された電極層と、
    前記凹部内に配置され前記電極層と電気的に接続された発光素子と、
    を備えるカメラフラッシュユニットの光源装置。
  34. シリコン基板に所定の間隔で複数の凹部を形成する段階と、
    前記凹部に電極層を形成する段階と、
    前記各凹部を単位として前記シリコン基板を個片化して、シリコン基板及び電極を備えた第1固定部材を形成する段階と、
    発光素子と前記電極層とを電気的に接続して前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階と、
    を含む光源装置の製造方法。
  35. 前記電極層上に半田層を形成する段階をさらに含み、
    前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階では、前記半田層を介して前記発光素子を前記電極層に電気的に接続する、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  36. 前記凹部の形成後に、前記凹部に反射層及び絶縁層を順次形成する段階をさらに含み、
    前記電極層は、前記絶縁層上に順次形成する、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  37. 前記電極層を形成する段階は、導電膜を堆積する段階と、前記導電膜をパターニングして、前記凹部ごとに2つの電極層を形成する段階を含む、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  38. 前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階は、前記発光素子を前記第1固定部材の前記半田層にフリップチップボンディング方式(Flip chip bonding method)で固定する、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  39. 前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階では、ノーマルマウンティング(Normal mounting bonding method)方式で前記発光素子を前記電極層に電気的に接続する、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  40. 前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階の後、前記第1固定部材を第2固定部材に固定する、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  41. 前記第2固定部材は電極を備え、
    前記第1固定部材を前記第2固定部材に固定する段階では、前記第1固定部材の前記電極層を前記第2固定部材の前記電極に、ノーマルマウンティングボンディング方式(Normal mounting bonding method)で接続する、請求項40に記載の光源装置の製造方法。
  42. 前記凹部を形成する段階では、前記凹部の側面を底面に対して傾斜させる、請求項34に記載の光源装置の製造方法。
  43. 前記第1固定部材を前記第2固定部材に固定する段階では、複数の第1固定部材を前記第2固定部材に配列して固定する、請求項34乃至42の何れかに記載の光源装置の製造方法。
  44. バックライトユニットの光源装置の製造方法であって、
    シリコン基板に所定の間隔で複数の凹部を形成する段階と、
    前記凹部に電極層を形成する段階と、
    前記各凹部を単位として前記シリコン基板を個片化して、シリコン基板及び電極を備えた第1固定部材を形成する段階と、
    発光素子と前記電極層とを電気的に接続して前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階と、
    を含むバックライトユニットの光源装置の製造方法。
  45. カメラフラッシュユニットの光源装置の製造方法であって、
    シリコン基板に所定の間隔で複数の凹部を形成する段階と、
    前記凹部に電極層を形成する段階と、
    前記各凹部を単位として前記シリコン基板を個片化して、シリコン基板及び電極を備えた第1固定部材を形成する段階と、
    発光素子と前記電極層とを電気的に接続して前記発光素子を前記第1固定部材に固定する段階と、
    を含むバックライトユニットの光源装置の製造方法。
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