JP2006269756A

JP2006269756A - 発光素子ユニットとその製造方法、表示装置、照明装置及び交通信号機

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Publication number: JP2006269756A
Application number: JP2005085884A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Ohashi; 正和大橋; Kenichi Uruga; 謙一宇留賀; Masanori Ito; 政律伊藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: JP4754245B2

Abstract

【課題】輝度のばらつきがなく低コストで生産可能な発光素子ユニットとその製造方法、この発光素子ユニットを用いた表示装置、照明装置及び交通信号機の提供。
【解決手段】基板の一方の面側に発光素子が実装され、前記発光素子の輝度調整用の電気抵抗体が発光素子実装面の裏面側に配置されていることを特徴とする発光素子ユニット。基板の一方の面側に発光素子を実装し、かつ発光素子実装面の裏面側に前記発光素子と電気的に接続された抵抗調整部を含む電気抵抗体を設け、前記発光素子を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部を加工し、これによって輝度調整がなされた発光素子ユニットを得ることを特徴とする発光素子ユニットの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）などの発光素子を基板に実装したＬＥＤユニット等の発光素子ユニットとその製造方法、この発光素子ユニットを用いた表示装置、照明装置及び交通信号機に関する。

従来より、ＬＥＤ等の発光素子を表示装置、照明装置及び交通信号機などの用途に適用するために、多数の発光素子を基板上に実装し一体化したＬＥＤユニット等が知られている。
ＬＥＤ等の発光素子は、製造条件の微妙な変化などにより、個々に定電流を通電した場合、電圧値にばらつきが発生し易い。このようにばらつきが発生したまま、基板に発光素子を多数実装して照明装置や表示装置を構成した場合、実装した発光素子の間で輝度のばらつきが発生してしまう。その問題を解消するためには、特許文献１に開示されているように、その電圧値が基板に実装した複数の発光素子間で均一になるようにその抵抗値を選択して、個々の発光素子に抵抗器を接続することが提案されている。これにより、輝度ばらつきのない品質の良好な照明装置、表示装置などを得ることができる。図４にその電気回路を示す。

しかし、その抵抗器を組み立てる作業は長い加工時間を要するために、結果として製品のコストアップを招いてしまう。また、抵抗器のサイズが大きいために、装置全体のサイズも大型化してしまう問題点があった。また、電気抵抗の種類は限られているので、高精度で輝度を調整することは困難である。

一方、特許文献２には、基板上に抵抗調整体を用意し、レーザ照射により抵抗値を調整する方法が開示されている。この方法によれば、厳密な抵抗値に調整することが可能となる。
特開平４−１３２２７５号公報特開２０００−１３３５０６号公報

しかしながら、特許文献２に記載された調整方法では、基板上の電子部品の搭載部側に抵抗調整体を設けた場合、さらにその電子部品が発光素子であった場合、発光面とレーザ照射面が同一面となるため、レーザ加工により発光素子や配線が劣化する可能性がある。
また、本調整方法を実施するには、（１）レーザ照射、（２）照射停止、（３）発光素子を発光させて輝度を測定、（４）必要な輝度に達していない場合は再度レーザ照射する、という手順で輝度調整をするために手間がかかる。またこのレーザ照射時、及び輝度測定時はいずれも固定治具に基板が精度良くセットされていないと正確な調整、測定ができない問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、輝度のばらつきがなく低コストで生産可能な発光素子ユニットとその製造方法、この発光素子ユニットを用いた表示装置、照明装置及び交通信号機の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、基板の一方の面側に発光素子が実装され、前記発光素子の輝度調整用の電気抵抗体が発光素子実装面の裏面側に配置されていることを特徴とする発光素子ユニットを提供する。

本発明の発光素子ユニットにおいて、前記基板は、ホーロー基板であることが好ましい。

本発明の発光素子ユニットにおいて、前記基板にスルーホールが設けられ、該スルーホール内に導電部材が充填され、該導電部材を介して発光素子と裏面側の電気抵抗体とが電気的に接続されていることが好ましい。

本発明の発光素子ユニットにおいて、前記電気抵抗体は、所望の抵抗値が得られるように抵抗体をレーザ光によって加工した抵抗調整部を含むことが好ましい。

また本発明は、基板の一方の面側に発光素子を実装し、かつ発光素子実装面の裏面側に前記発光素子と電気的に接続された抵抗調整部を含む電気抵抗体を設け、前記発光素子を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部を加工し、これによって輝度調整がなされた発光素子ユニットを得ることを特徴とする発光素子ユニットの製造方法を提供する。

本発明の発光素子ユニットの製造方法において、前記発光素子実装面側から発光素子の輝度を測定可能でありかつその裏面側の前記抵抗調整部にレーザ光を照射可能な加工装置に前記基板をセットし、前記発光素子を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、裏面側の前記抵抗調整部にレーザ光を照射して前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部を溶断し、これによって輝度調整がなされた発光素子ユニットを得ることが好ましい。

本発明の発光素子ユニットの製造方法において、前記基板は、ホーロー基板であることが好ましい。

本発明の発光素子ユニットの製造方法において、前記基板にスルーホールが設けられ、該スルーホール内に導電部材が充填され、該導電部材を介して発光素子と裏面側の電気抵抗体とが電気的に接続されていることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る発光素子ユニットを有する表示装置、照明装置及び交通信号機を提供する。

本発明の発光素子ユニットは、基板の一方の面側に発光素子が実装され、前記発光素子の輝度調整用の電気抵抗体が発光素子実装面の裏面側に配置されている構成としたものなので、発光素子の輝度を調整する際、発光素子実装面側から発光素子の輝度を測定しながら、裏面側の電気抵抗体を加工することができ、調整の度毎に測定機械上から基板を外すことなく抵抗調整することができるので、簡単にかつ正確に輝度の調整を行うことができる。また、電気抵抗体の加工時に発光素子実装面側の発光素子や配線を損傷したり、性能低下を生じることなく電気抵抗体を加工することができる。

本発明の発光素子ユニットの製造方法は、基板の一方の面側に発光素子を実装し、かつ発光素子実装面の裏面側に前記発光素子と電気的に接続された抵抗調整部を含む電気抵抗体を設け、前記発光素子を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部をレーザ加工、電動やすり等によって加工し、これによって抵抗調整を行うので、調整の度毎に測定機械上から基板を外すことなく抵抗調整することができ、簡単にかつ正確に輝度の調整を行うことができる。また、電気抵抗体の加工時に発光素子実装面側の発光素子や配線を損傷したり、性能低下を生じることなく電気抵抗体を加工することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１〜図３は、本発明の発光素子ユニットの一実施形態を示す図であり、図１は発光素子ユニットの断面図、図２は平面図、図３は底面図である。これらの図中、符号１０は発光素子ユニット、１１はホーロー基板、１１ａは発光素子実装面、１１ｂは裏面、１２は発光素子、１３は電極、１４はボンディングワイヤ、１５ａ及び１５ｂはスルーホール、１６は導電部材、１７は電気抵抗体としての抵抗調整部、１８はレーザ光である。

本実施形態の発光素子ユニット１０は、ホーロー基板１１の一方の面（発光素子実装面１１ａ）に複数個の発光素子１２が実装され、その裏面１１ｂに発光素子１２と電気的に接続された電気抵抗体としての抵抗調整部１７が設けられた構成になっている。

前記発光素子実装面１１ａには、複数の発光素子１２と、複数の電極１３と、各発光素子１２の電極端子と電極１３とを電気的に接続している複数のボンディングワイヤ１４とが設けられている。図２の例示においては、長方形状をなしているホーロー基板１１の発光素子実装面１１ａ上に、９個の発光素子１２を３列３段の格子状に配列して実装している。また、発光素子実装面１１ａの一方の側縁部（図１〜図３において右側縁部）には通電用の長い電極１３が設けられ、さらに各発光素子１２の間には２列３段のつなぎ用の電極１３が設けられている。これらの発光素子１２及び電極１３の個数、配列、電極形状等は本例示にのみ限定されない。

また、ホーロー基板１１の他方の側縁部（図１〜図３において左側縁部）には、格子状に配列された各段毎の発光素子１２に対応する３つの円形状のスルーホール１５ａが穿設され、かつ該スルーホール１５ａよりも側縁側に１本の長いスルーホール１５ｂが穿設されている。これらのスルーホール１５ａ，１５ｂ内には、半田等の導電性材料からなる導電部材１６が充填されている。これらのスルーホール１５ａ，１５ｂのうち、側縁寄りのスルーホール１５ｂの導電部材１６は、通電用の電極として用いられる。また各段毎の発光素子１２に対応する３つの円形状のスルーホール１５ａ内に充填されている導電部材１６は、ボンディングワイヤ１４を介して発光素子１２の一方の電極端子と電気的に接続されている。

本実施形態において、ホーロー基板１１の裏面１１ｂに設けられた抵抗調整部１７は、比較的抵抗率の高い材料からなる薄膜からなり、各段毎の発光素子１２に対応する３つの円形状のスルーホール１５ａに充填された導電部材１６と、側縁側の長いスルーホール１５ｂに充填された導電部材１６とをつなぐように、ホーロー基板１１の裏面１１ｂに固着されている。この抵抗調整部１７の構成材料としては、例えば、窒化タンタル、ニッケル−クロム合金、ニッケル−クロム−シリコン合金、モリブデン−シリコン合金、タングステン、モリブデン、チタン、クロム等の高い抵抗率を持つ薄膜などが挙げられる。この薄膜は加圧する方法、あるいは金属ペーストとしてスクリーン印刷などにより塗布し、焼き付ける方法などによりホーロー基板１１の裏面１１ｂに取り付けられる。

この抵抗調整部１７は、格子状に配列された各段毎の発光素子１２の輝度（発光強度）が目標値と合致するよう、そのために必要な電気抵抗を持つように個別に加工されている。この加工は、例えば、レーザ光１８を照射して抵抗調整部１７を適宜溶断することにより行われるが、これに限定されない。例えば、電動やすりなどにより抵抗部を削り、抵抗調整を行ってもよい。

本実施形態の発光素子ユニット１０において用いられるホーロー基板１１としては、所定の形状とした低炭素鋼などの金属材料からなるコア金属の表面に、ガラス粉末を電着などの方法により付着させ、一定温度で焼成することにより作製される。この際、コア金属にスルーホール１５ａ，１５ｂとなる孔を開けておけば、その孔内にもガラス粉末が付着するので、基板として見た場合、スルーホール１５ａ，１５ｂ内の壁面が絶縁性を有するという特徴を持つ。そのため、前述のように導電部材１６をスルーホール１５ａ，１５ｂ内に入れて、基板の裏側に電子回路を形成することが可能となる。また、レーザ照射による温度上昇においても基板自体は劣化しない。

このホーロー基板１１を構成するコア材は金属で構成されているので、放熱性が良好であることから、このホーロー基板１１上に実装された発光素子１２や電気抵抗体としての抵抗調整部１７が発熱したとしても、その熱は基板全体に効率良く吸収されるとともに、基板全体を介して大気中に放散され、その結果、発光素子１２や抵抗調整部１７が高温になることなく、正常、かつ安定に発光素子１２を発光させることができる。

本実施形態の発光素子ユニット１０において用いられる発光素子１２は、特に限定されないが、ＬＥＤ、レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体発光素子、有機ＥＬ素子などが好適に用いられる。また本発明において用いる発光素子１２の発光色は、特に限定されず、青色、緑色、赤色あるいはそれ以外の発光色でも良く、さらに、窒化物系化合物半導体からなる青色発光の半導体素子と、該青色系の光の少なくとも一部を吸収して可視波長域の光に波長変換する蛍光体（例えば、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体など）を組み合わせた白色ＬＥＤを用いても良い。また、ホーロー基板１１に並べて実装される複数の発光素子１２は、例えば交通信号機等の用途には、同じ発光色のＬＥＤ等であっても良いし、異なる発光色のＬＥＤ等を順次、又はランダムに配置して表示装置としても良い。さらに、大面積のホーロー基板１１上に、多数の青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤを順次、又はランダムに配置することで、ＬＥＤを用いた表示装置を構成することができる。また、発光素子１２として白色ＬＥＤを用い、多数の白色ＬＥＤを大型のホーロー基板１１に縦横に実装することで、大面積の平面型照明装置を構成することもできる。

本実施形態の発光素子ユニット１０において用いられる電極１３は、銀ペーストや銅ペーストを印刷などの方法により塗布し、それを所定温度で焼成して形成されたものが好ましい。また、銅箔を貼り合わせて電子回路を形成しても良い。
また、発光素子１２の電極端子とそれぞれの電極１３とを繋ぐボンディングワイヤ１４としては、金細線などが用いられる。このボンディングワイヤ１４は、従来より発光素子１２等の接続に用いるワイヤボンディング装置を用いてボンディングすることができる。

本実施形態の発光素子ユニット１０は、必要に応じて発光素子実装面１１ａ側と裏面１１ｂ側のいずれか一方又は両方を、樹脂により封止してもよい。封止樹脂としては、光透過率の高いエポキシ系の熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂、熱硬化性のシリコン樹脂などが用いられる。また、発光素子１２を樹脂で封止する際に、透明樹脂中に粉末蛍光体を分散させた樹脂を用い、前述したような白色ＬＥＤを構成することもできる。

本実施形態の発光素子ユニット１０は、図２に例示したように、ホーロー基板１１の発光素子実装面１１ａ上に、３段３列の格子状に合計９個の発光素子１２を実装し、各段３つの発光素子１２を直列につなぎ、各段３つの発光素子１２の一端を通電用の電極１３に接続し、他端をスルーホール１５ａに充填された導電部材１６に接続している。さらに、このスルーホール１５ａの導電部材１６は、抵抗調整部１７を介して左側縁側のスルーホール１５ｂに充填された導電部材１６に接続されている。この発光素子ユニット１０の回路構成は、図４に示す電気回路図と同じである。ただし、図４中の抵抗Ｒは、本実施形態では抵抗調整部１７となる。この発光素子ユニット１０は、通電用の右側縁側の電極１３と左側縁側の導電部材１６の間に通電することで、３段３列の発光素子１２を発光させることができる。

本実施形態の発光素子ユニット１０は、ホーロー基板の一方の面（発光素子実装面１１ａ）側に発光素子１２が実装され、発光素子１２の輝度調整用の電気抵抗体となる抵抗調整部１７が発光素子実装面１１ａの裏面１１ｂ側に配置された構成としたものなので、発光素子１２の輝度を調整する際、発光素子実装面１１ａ側から発光素子１２の輝度を測定しながら、裏面１１ｂ側の抵抗調整部１７を加工することができ、調整の度毎に測定機械上から基板を外すことなく抵抗調整することができるので、簡単にかつ正確に輝度の調整を行うことができる。また、抵抗調整部１７の加工時に発光素子実装面１１ａ側の発光素子１２や配線を損傷したり、性能低下を生じることなく抵抗調整部１７を加工することができる。

次に、本発明に係る発光素子ユニットの製造方法の一実施形態として、前述した発光素子ユニット１０を製造する場合を例として説明する。
発光素子ユニット１０を製造するには、まず、所定の形状とした低炭素鋼などの金属材料からなるコア金属にスルーホール１５ａ，１５ｂを穿設し、次いで該コア金属の表面にガラス粉末を電着などの方法により付着させ、次いで一定温度で焼成することによりホーロー層を形成してホーロー基板１１を作製する。

次に、ホーロー基板１１の一方の面（発光素子実装面１１ａ）側に、電極１３を形成すると共に、発光素子１２を実装する。また、ホーロー基板１１のスルーホール１５ａ，１５ｂ内に半田を充填する。さらに、裏面１１ｂの所定位置に、高い抵抗率を持つ薄膜を加圧などの方法により貼り付けて抵抗調整部１７を形成する。これら各部材の形成・実装の順番は限定されず、各部材の材質等に応じて適宜選択することができる。例えば、電極１３として銀等を用いる場合には、ホーロー基板１１の発光素子実装面１１ａ側に銀ペーストを印刷した後、ホーロー基板１１を焼成して電極１３を形成し、その後発光素子１２の実装、抵抗調整部１７の形成、スルーホール１５ａ，１５ｂへの半田充填の各工程を順次又は適宜入れ替えて実施することができる。

次に、ワイヤボンディング装置を用い、それぞれの発光素子１２の電極端子と電極１３、及び該電極端子とスルーホール１５ａに充填された導電部材１６とを、ボンディングワイヤ１４によって接続する。これによって、図２に示すように、３段３列の格子状に配列された発光素子１２の各段３つの発光素子１２が直列につながれ、各段３つの発光素子１２の一端が通電用の電極１３に接続され、他端がスルーホール１５ａの導電部材１６に接続される。さらに、このスルーホール１５ａの導電部材１６は、抵抗調整部１７を介して左側縁側のスルーホール１５ｂの導電部材１６に接続されていることから、抵抗Ｒが未調整ながら、図４に示す回路構成が得られる。

なお、前記電気回路の形成は、前述した例示に限定されず、発光素子１２の電極端子の配置などに応じて適宜変更可能である。例えば、ワイヤボンディングに代えて、電極部上に金バンプなどを配置してフリップチップ実装することもできる。また、上下面に電極端子を持つ発光素子構造の場合は、電極１３上に発光素子１２を導電ペーストなどによりボンディングし、実装時に電極１３との電気的接続を図っても良い。

次に、抵抗調整部１７を加工して発光素子１２の輝度調整を行う。
前述したように、個々の発光素子１２は、所定の輝度を得るための電圧値にばらつきを持つため、発光素子１２に通電する電気回路内に適当な抵抗値を持った電気抵抗体を挿入して所定の輝度が得られるように調整する必要がある。本例示では、発光素子１２に通電してその輝度を測定しながら、ホーロー基板１１の裏面１１ｂ側に設けた抵抗調整部１７を適宜加工して、３つの発光素子１２が直列に接続された各段毎の電気回路の抵抗を調整し、発光素子１２の輝度が均一になるように輝度調整する。

本例示において抵抗調整部１７を加工するには、発光素子実装面１１ａ側から発光素子１２の輝度を測定可能であり、かつ裏面１１ｂ側の抵抗調整部１７にレーザ光１８を照射可能な加工装置（図示せず）に各部材を形成・実装済みのホーロー基板１１をセットし、図１に示すように、発光素子１２を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、裏面１１ｂ側の抵抗調整部１７にレーザ光１８を照射して前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部１７を溶断加工することによって行う。

具体的には、発光素子実装面１１ａ側から発光素子１２の輝度をモニタしながら、抵抗調整部１７の薄膜にＹＡＧレーザ等のレーザ光源から発したレーザ光１８を照射し、抵抗調整部１７を溶断加工し、適正な発光強度となったときにレーザ照射を停止する。これによって図４に示す回路構成を持った発光素子ユニット１０が製造される。

この発光素子ユニット１０の製造方法は、ホーロー基板１１の一方の面側に発光素子１２を実装し、かつ裏面１１ｂ側に前記発光素子と電気的に接続された抵抗調整部１７を設け、発光素子１２を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部１７をレーザ加工等によって加工し、これによって抵抗調整を行うことにより、調整の度毎に測定機械上から基板を外すことなく抵抗調整することができるので、簡単にかつ正確に輝度の調整を行うことができる。また、電気抵抗体の加工時に発光素子実装面１１ａ側の発光素子１２や配線を損傷したり、性能低下を生じることなく抵抗調整部１７を加工することができる。

なお、前述した例示は、本発明の一例を示したに過ぎず、本発明は前述した例示にのみ限定されるものではなく種々の変更や修正が可能である。
例えば、前述の例では、３個の発光素子を直列に接続した構造を例示したが、全部の発光素子を並列に接続して構成しても良い。
また、前述の例では、基板裏側にスルーホールを介して電子回路が構成されているが、その二つのスルーホール間を電気抵抗器で接続、さらに基板裏面に配置することもできる。この場合、前記と同様に、発光素子の発光強度を測定しながら、必要な電気抵抗を選択することができる。

本発明の発光素子ユニットの一実施形態を示す断面図である。同じ発光素子ユニットの平面図である。同じ発光素子ユニットの底面図である。発光素子ユニットの回路図である。

符号の説明

１０…発光素子ユニット、１１…ホーロー基板、１１ａ…発光素子実装面、１１ｂ…裏面、１２…発光素子、１３…電極、１４…ボンディングワイヤ、１５ａ，１５ｂスルーホール、１６…導電部材、１７…抵抗調整部（電気抵抗体）、１８…レーザ光。

Claims

基板の一方の面側に発光素子が実装され、前記発光素子の輝度調整用の電気抵抗体が発光素子実装面の裏面側に配置されていることを特徴とする発光素子ユニット。
前記基板がホーロー基板であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子ユニット。
前記基板にスルーホールが設けられ、該スルーホール内に導電部材が充填され、該導電部材を介して発光素子と裏面側の電気抵抗体とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子ユニット。
前記電気抵抗体が、所望の抵抗値が得られるように抵抗体をレーザ光によって加工した抵抗調整部を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子ユニット。
基板の一方の面側に発光素子を実装し、かつ発光素子実装面の裏面側に前記発光素子と電気的に接続された抵抗調整部を含む電気抵抗体を設け、前記発光素子を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部を加工し、これによって輝度調整がなされた発光素子ユニットを得ることを特徴とする発光素子ユニットの製造方法。
前記発光素子実装面側から発光素子の輝度を測定可能でありかつその裏面側の前記抵抗調整部にレーザ光を照射可能な加工装置に前記基板をセットし、前記発光素子を発光させてその輝度を測定し、該輝度が目標値と異なる場合には、裏面側の前記抵抗調整部にレーザ光を照射して前記輝度が目標値に合致するように抵抗調整部を溶断し、これによって輝度調整がなされた発光素子ユニットを得ることを特徴とする請求項５に記載の発光素子ユニットの製造方法。
前記基板がホーロー基板であることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子ユニットの製造方法。
前記基板にスルーホールが設けられ、該スルーホール内に導電部材が充填され、該導電部材を介して発光素子と裏面側の電気抵抗体とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の発光素子ユニットの製造方法。
請求項１〜４に記載の発光素子ユニットを有する表示装置。
請求項１〜４に記載の発光素子ユニットを有する照明装置。
請求項１〜４に記載の発光素子ユニットを有する交通信号機。