JP2006269078A - Led light source module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、LEDチップを複数用いたLED光源モジュールの構造に関するものである。 The present invention relates to a structure of an LED light source module using a plurality of LED chips.
一般に、携帯電話や携帯情報端末機等に用いられる小型液晶ディスプレイのバックライト光源には、低出力タイプのLEDチップが用いられている。一方、テレビやパソコン等に用いられる大型液晶ディスプレイ用のバックライト光源には、高い光出力が得られる冷陰極管が使用されている。ところが近年、1W程度の電力を投入することが可能な高出力タイプのLEDチップの実用化に伴い、これらを用いた大型液晶ディスプレイでの利用が可能な液晶バックライト用LED光源モジュールの開発が行われている。
通常、バックライト光源に用いるLED光源モジュールには、長尺の配線基板上に赤、青、緑の3原色のLEDチップを、長手方向へ等間隔に配置した構造からなるLED光源が用いられる(例えば、特許文献1)。このようなLED光源から得られる白色光を導光板へ導入し、面発光をさせることによって液晶ディスプレイ用のバックライトとして機能させる。また、赤、青、緑のLEDチップを1組としてサブマウント上に配列し、更に、長尺の配線基板の長手方向に平行にこのサブマウントを配置した構造からなるLED光源モジュールが用いられることもある(例えば、特許文献2)。
Generally, a low output type LED chip is used as a backlight light source of a small liquid crystal display used in a mobile phone, a portable information terminal, or the like. On the other hand, a cold cathode tube capable of obtaining a high light output is used as a backlight light source for a large-sized liquid crystal display used in a television or a personal computer. However, in recent years, along with the practical application of high-power type LED chips capable of supplying about 1 W of power, the development of LED light source modules for liquid crystal backlights that can be used in large-sized liquid crystal displays using them has been carried out. It has been broken.
In general, an LED light source module used for a backlight light source uses an LED light source having a structure in which LED chips of three primary colors of red, blue, and green are arranged at equal intervals in a longitudinal direction on a long wiring board ( For example, Patent Document 1). White light obtained from such an LED light source is introduced into a light guide plate to cause surface emission, thereby functioning as a backlight for a liquid crystal display. Also, an LED light source module having a structure in which red, blue, and green LED chips are arranged as a set on a submount and the submount is arranged in parallel to the longitudinal direction of a long wiring board is used. (For example, Patent Document 2).
通常、LEDバックライトを大型液晶ディスプレイに適用するためには、高い光出力が必要とされる。そのため、LEDチップへの投入電力が増加し、LEDチップからの発熱量が多くなる。LEDチップの信頼性を確保するためには、発生した熱を効果的に放熱させる光源モジュール構造が必要となる。
そこで本発明は、高い光出力を得ると共に、LEDチップからの発熱を効果的に放熱させることが可能なモジュール構造を提供することを課題とする。
Usually, in order to apply an LED backlight to a large liquid crystal display, a high light output is required. Therefore, the input power to the LED chip increases and the amount of heat generated from the LED chip increases. In order to ensure the reliability of the LED chip, a light source module structure that effectively dissipates the generated heat is required.
Therefore, an object of the present invention is to provide a module structure capable of obtaining a high light output and effectively dissipating heat generated from the LED chip.
複数のLEDチップをサブマウント上に直列配列させた際の発熱密度は、配列の短辺方向に比べ、長手方向の方がLEDチップが隣合っているために高くなる。そこで、本発明では、LEDチップからの熱を効果的に放熱させるために、赤、青、緑のLEDチップを一列に搭載したシリコン製サブマウントを、LEDチップの配列方向が金属配線基板の長手方向に対して直交配列とすることによって、金属配線基板の長手方向へ放熱させることを特徴とする。更に、LEDチップからの熱を金属配線基板の垂直方向へ効果的に放熱させるために、シリコン製サブマウントを金属配線基板上に形成した凹部に直接搭載したことを特徴とする。 The heat generation density when a plurality of LED chips are arranged in series on the submount is higher because the LED chips are adjacent to each other in the longitudinal direction than in the short side direction of the arrangement. Therefore, in the present invention, in order to effectively dissipate heat from the LED chips, a silicon submount in which red, blue and green LED chips are mounted in a row is used, and the arrangement direction of the LED chips is the longitudinal direction of the metal wiring board. It is characterized in that heat is radiated in the longitudinal direction of the metal wiring board by making the arrangement orthogonal to the direction. Further, in order to effectively dissipate heat from the LED chip in the vertical direction of the metal wiring board, a silicon submount is directly mounted in a recess formed on the metal wiring board.
本発明により、LED光源モジュールを効果的に放熱することが可能となり、高い光出力を得ることが可能なLED光源モジュールを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to effectively dissipate the LED light source module, and an LED light source module capable of obtaining a high light output can be obtained.
本発明では、サブマウントの材料として、熱伝導率が高く、微細配線形成が可能であり、更に、大量生産による低コスト化が可能なシリコンを用いる。また、複数のシリコン製サブマウントを配置し、電気的に相互に接続するために用いられる配線基板には、大型液晶ディスプレイの短部の長さに合わせるために長尺化が可能であり、更に、高い放熱効果を有した材料を用いるのが好ましい。そこで本発明では、機械的強度及び熱伝導率の高い、金属を配線基板とした。以下に、本発明の実施形態について添付図面に従って説明する。 In the present invention, as the material for the submount, silicon having high thermal conductivity, capable of forming fine wiring, and capable of reducing the cost by mass production is used. In addition, the wiring substrate used for arranging and electrically connecting a plurality of silicon submounts can be elongated to match the length of the short part of the large liquid crystal display. It is preferable to use a material having a high heat dissipation effect. Therefore, in the present invention, a metal having high mechanical strength and high thermal conductivity is used as the wiring board. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に本発明のLED光源モジュール4の断面図を示す。複数のLEDチップ3を実装したシリコン製サブマウント2を、長尺の金属配線基板1の長手方向に複数配置した構造からなる。ここで、各シリコン製サブマウント2上には、赤、青、緑の3原色のLEDチップを実装し、これらを混色することによって白色光が得られるようになっている。図2に、4個のLEDチップ3をシリコン製サブマウント2上に一列に実装したシリコン製サブマウントの平面図を示す。各色のLEDチップ3の個数は、ホワイトバランスを揃えるため、赤を1個、青を1個、緑を2個とし、両側に緑のLEDチップを配置してある。両側に発熱量の最も多い緑のLEDチップを配置することにより、最も効率的な放熱効果が得られる。図3には、従来例を示す。一般に、LEDチップ3を一列に実装したサブマウントは、色むらを低減させるため、LEDチップ3の配列方向と金属配線基板1の長手方向が平行になるように配置される。本発明では、図4に示したように、シリコン製サブマウント2上のLEDチップ3の配列方向を、金属配線基板1の長手方向に対して直交するように配置することを特徴としている。図5に、本発明のLED光源モジュール4を用いたバックライト光源16の全体図を示す。LED光源モジュール4は、導光板14の端部に相対して配置されており、LEDから放出される光はレンズ15を通して導光板14に導かれ、液晶パネルの背面を照射する。LED光源モジュールを、図4のようなバックライト光源へ適用する場合、液晶ディスプレイの厚みを薄くするため、金属配線基板の短辺の長さは短い方が好ましい。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the LED light source module 4 of the present invention. It consists of a structure in which a plurality of
図4に示した本発明の構造では、発熱密度の高いシリコン製サブマウントの長辺が、金属配線基板の長手方向に対して直交に配置しているため、LEDチップからの熱は金属配線基板の長手方向へ効果的に放熱される。LEDチップ3から発生した熱は、シリコン製サブマウント上でLEDチップが一列に配置されていることから、その発熱密度は、図2のAMで示したシリコン製サブマウントの短辺よりも、ANで示した長辺の方が高くなる。これは、隣合ったLEDチップからの発熱による影響を受けるためであり、LEDチップ間の間隙が狭いほど、この影響は高くなる傾向にある。よって、図3に示した従来の配置方法の場合、放熱性を確保するために、シリコン製サブマウントの長辺と金属配線基板1の長手方向の辺との間隙を充分広くすることが必要となる。一方、図4に示した本発明の場合、発熱密度が高くなるシリコン製サブマウントの長辺は、金属配線基板1の長手方向と垂直に配置されているため、シリコン製サブマウントの長辺と金属配線基板1の長手方向の辺との間隔を必要とせず、LEDチップからの発熱は金属配線基板1の長手方向に効果的に拡散される。
In the structure of the present invention shown in FIG. 4, since the long side of the silicon submount having a high heat generation density is arranged orthogonal to the longitudinal direction of the metal wiring board, the heat from the LED chip is generated by the metal wiring board. The heat is effectively dissipated in the longitudinal direction. Since the
本発明の詳細構造を図6を用いて説明する。
シリコン製サブマウント2は、シリコン基板10の表面に絶縁層を形成し、この上に配線層12を形成する。当該配線層12上にLEDチップ4を、半田、導電性接着剤、超音波の何れかの手法によって接合する。また、シリコン製サブマウント2の表面に形成する絶縁膜は酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化アルミ膜等を用いることができる。当該シリコン製サブマウント2を、長尺の金属配線基板1の長手方向に沿って配置する。金属配線基板1は、アルミから成るベース基板5と、その上面に形成した絶縁層6及び配線層7から構成される。ここで、シリコン製サブマウント2を搭載する金属配線基板1上の領域を絶縁層6を除去した凹部8とすることにより、ベース基板5とシリコン製サブマウント2を熱抵抗の高い絶縁層6を介さずに直接搭載することによって熱抵抗を低下させることができる。なお、シリコン製サブマウント2と金属配線基板1の接続は、放熱性の高い樹脂、例えば銀ペースト9を用いて行われる。次に、金属配線基板1の配線層7と、シリコン製サブマウント2の配線層12を、ワイヤーボンディング13によって電気的に結線することによって、LED光源モジュール4が製造される。
The detailed structure of the present invention will be described with reference to FIG.
In the
次に、形状が正方形のシリコン製サブマウント2上に、LEDチップ3を格子状に配置した場合の実施例について説明する。図7は本実施例に用いるシリコン製サブマウントの平面図を示す。なお、正方形のシリコン製サブマウント2の一辺の長さはCとし、LEDチップの一辺の長さをA5とする。シリコン製サブマウント2の形状とLEDチップ3の配置以外のLED光源モジュール4の構造は実施例1と同様である。図7に示したように、LEDチップ3はシリコン製サブマウント2上に格子状に配置される。このような正方形のシリコン製サブマウント2を、金属配線基板1の上に搭載したLED光源モジュールの平面図を図8に、断面図を図9に示す。
Next, an embodiment in which the
当該配置の場合、金属配線基板1の短手方向の長さB、金属配線基板1の厚みT、シリコン製サブマウント2の一辺の長さCを適切な関係にすることにより、効率的な放熱を実現することができる。
In the case of the arrangement, efficient heat dissipation can be achieved by appropriately setting the length B of the
3次元熱伝導解析により、金属配線基板1の短手方向の長さB、金属配線基板1の厚みT、シリコン製サブマウント2の一辺の長さCの関係を数値解析した。ここで解析条件として、金属配線基板にはアルミ(熱伝導率は237W/mK)と、サブマウントにはシリコン(熱伝導率は149W/mK)と、シリコン製サブマウントの絶縁層にはシリコン酸化膜(熱伝導率は1W/mK)と、配線層には銅(熱伝導率は401W/mk)と、シリコン製サブマウントと金属配線基板との接続にはAgペースト(熱伝導率は4W/mK)を用いて解析を行った。
By three-dimensional heat conduction analysis, the relationship between the length B of the
この結果を図10に示す。図10は、C・T/Bと金属配線基板1上の点Xでの温度上昇との関係を解析した結果を示す。小型化の観点からはC・T/Bは小さい方が良く、更に、図10よりC・T/Bが5を超えると点Xでの温度が急激に上昇する。従って、C・T/Bの値は5以下が望ましい。このような構造にすることにより、効果的な放熱が可能なLED光源モジュールを実現できる。
The result is shown in FIG. FIG. 10 shows the result of analyzing the relationship between C · T / B and the temperature rise at the point X on the
1 金属配線基板
2 Siサブマウント
3 LEDチップ
4 LED光源光源モジュール
5 ベース基板
6 絶縁層
7 配線層
8 凹部
9 接着剤
10 Si基板
11 絶縁層
12 配線層
13 ワイヤーボンディング
14 導光板
15 レンズ
16 バックライト光源
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記サブマウント上のLEDチップの配列方向が、金属配線基板の長手方向と直交することを特徴とするLED光源モジュール。 In the LED light source module in which a plurality of submounts in which a plurality of LED chips are arranged in a row are arranged on a long substrate,
The LED light source module, wherein the arrangement direction of the LED chips on the submount is orthogonal to the longitudinal direction of the metal wiring board.
上記基板上にその長手方向と直行する方向に複数の凹部を有し、当該凹部内にシリコン製サブマウントを搭載したことを特徴とするLED光源モジュール。 The LED light source module according to claim 1.
An LED light source module comprising a plurality of recesses in a direction perpendicular to the longitudinal direction on the substrate, and a silicon submount mounted in the recesses.
赤を1個、青を1個、緑を2個のLEDチップを一列に実装したシリコン製サブマウントであり、両側に緑のLEDチップを配置したことを特徴とするLED光源モジュール。 The LED light source module according to claim 1.
An LED light source module, which is a silicon submount in which one LED for red, one LED for blue, and two LED chips for green are mounted in a row, and green LED chips are arranged on both sides.
上記金属基板の短手方向の長さをB、上記金属基板の厚さをT、上記金属基板の短手方向における上記シリコン製サブマウントの長さをC、としたとき
C・T/Bが5以下であることを特徴とするLED光源モジュール。 In an LED light source module in which a plurality of silicon submounts in which a plurality of LED chips are arranged in a grid are arranged on a long metal substrate,
When the length of the metal substrate in the short direction is B, the thickness of the metal substrate is T, and the length of the silicon submount in the short direction of the metal substrate is C
C. T / B is 5 or less, LED light source module characterized by the above-mentioned.
上記基板上にその長手方向と直行する方向に複数の凹部を有し、当該凹部内にシリコン製サブマウントを搭載したことを特徴とするLED光源モジュール。 The LED light source module according to claim 4.
An LED light source module comprising a plurality of recesses in a direction perpendicular to the longitudinal direction on the substrate, and a silicon submount mounted in the recesses.
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