JP2007173441A - Light-emitting module, and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶テレビ等のバックライトを有する表示機器のバックライト等に使われる発光モジュール及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a light emitting module used for a backlight of a display device having a backlight such as a liquid crystal television and a manufacturing method thereof.
従来、液晶テレビ等のバックライトには、冷陰極管等が使われてきたが、近年、LEDやレーザー等の半導体発光素子を、放熱性の基板の上に実装することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a cold cathode tube or the like has been used for a backlight of a liquid crystal television or the like, but in recent years, it has been proposed to mount a semiconductor light emitting element such as an LED or a laser on a heat dissipating substrate ( For example, see Patent Document 1).
図6は、発光モジュールの一例を示す断面図である。図6において、セラミック基板1に形成された凹部には、発光素子2が実装されている。また複数のセラミック基板1は、放熱板3の上に固定されている。また複数のセラミック基板1は、窓部4を有する接続基板5で電気的に接続されている。そしてLEDから放射される光6は、接続基板5に形成された窓部4を介して、外部に放出される。なお図6において、凹部を有するセラミック基板1や接続基板5における配線及びLEDの配線等は図示していない。そしてこうした発光モジュールは、液晶等のバックライトとして使われている。しかしセラミック基板1は加工が難しく高価であるため、より安価で加工性に優れた放熱基板が求められていた。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of a light emitting module. In FIG. 6, the
一方、液晶TVを始めとする表示装置側からは、色表示範囲の拡大が望まれている。こうしたニーズに対しては、白色LED等では、限界があるため、近年では、Red(赤)、Green(緑)、Blue(青)の単色発光素子を、更には紫色、橙色、赤紫、コバルトブルー等の特別色を発光する特色発光素子も加えることで、色表示範囲(色表示は具体的にはCIE表色系等)を広げることが試みられている。 On the other hand, the display device side including the liquid crystal TV is desired to expand the color display range. In response to such needs, white LEDs and the like have limitations, and in recent years, red (red), green (green), and blue (blue) single-color light emitting elements, and further purple, orange, red purple, cobalt Attempts have been made to expand the color display range (specifically, the CIE color system, etc.) by adding a special color light emitting element that emits a special color such as blue.
こうしたニーズに対して、図6のような発光モジュールで対応した場合、セラミック基板1の凹部に、こうした発光素子を一個一個実装しながら、全体として均一な混色(混色して白色)を出して、色バランス(例えば、後述するホワイトバランス)を調整する必要がある。一方LED等の固体発光素子は温度が上昇すると発光効率が低下することが知られている。更にLEDの発光色の違いによって温度に対する発光効率の低下度合いも異なる。こうした理由により、例えば、液晶TVをON(動作)した直後は、LED部分が室温(例えば25℃)であるため、ホワイトバランスが保たれていても、LED部分の温度が上昇(例えば、40℃→50℃→60℃)するに伴い、例えば特に赤色の発光効率が低下する等の現象が生じてしまい、色再現性やバックライトの輝度も変化してしまう可能性がある。 When such a light emitting module as shown in FIG. 6 responds to such needs, while mounting each of these light emitting elements one by one in the concave portion of the ceramic substrate 1, a uniform color mixture (mixed white color) is produced as a whole, It is necessary to adjust the color balance (for example, white balance described later). On the other hand, it is known that the luminous efficiency of solid light emitting devices such as LEDs decreases as the temperature rises. Furthermore, the degree of decrease in luminous efficiency with respect to temperature varies depending on the emission color of the LED. For these reasons, for example, immediately after the liquid crystal TV is turned on (operated), the LED portion is at room temperature (for example, 25 ° C.). (→ 50 ° C. → 60 ° C.), for example, a phenomenon such as a decrease in red light emission efficiency may occur, and the color reproducibility and the brightness of the backlight may also change.
一方、図6に示すように、LED等の発光素子2が1個ずつ実装されたセラミック基板1を、放熱板3の上に並べた場合、放熱性の面から有利である一方、フィルターや拡散板等を用いて光を混ぜて白色を作製する(あるいはRGB+特別色の混合によって演色性の高い白色を作製する)ことが難しくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 6, when the ceramic substrate 1 on which the
そのため発光素子の更なる高輝度化(その際には、大きな電流を流す必要がある)、更にはマルチLED(複数個のLEDを高密度に実装すること)に対応できる多数個の発光素子が高密度で実装できる加工性が高くそして放熱性の優れた発光モジュールが要求されている。
しかしながら、前記従来の構成では、発光素子を実装する放熱基板が、セラミック基板であったため、加工性やコスト面で不利になるという課題を有していた。 However, the conventional configuration has a problem that the heat dissipation substrate on which the light emitting element is mounted is a ceramic substrate, which is disadvantageous in terms of workability and cost.
本発明では、前記従来の課題を解決するものであり、セラミック基板の代わりに、金属製のリードフレームと高放熱性の絶縁体及び金属板を使うことで、加工性の良い発光モジュールとその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and uses a metal lead frame, a highly heat-dissipating insulator and a metal plate instead of a ceramic substrate, thereby producing a light-emitting module with good workability and its manufacture. It aims to provide a method.
前記課題を解決するために、本発明はLED等の発光素子を、放熱性の高い金属製のリードフレームの上に直接実装し、更にリードフレームの熱は高放熱性を有する放熱樹脂を介して、裏面に形成した放熱用の金属基板に伝えることになる。 In order to solve the above problems, the present invention directly mounts a light emitting element such as an LED on a metal lead frame having a high heat dissipation property, and the heat of the lead frame passes through a heat dissipation resin having a high heat dissipation property. Then, it is transmitted to the metal substrate for heat dissipation formed on the back surface.
本発明の発光モジュール及びその製造方法によって得られた発光モジュールは、LEDや半導体レーザー等の発光素子によって発生した熱を効率的に拡散することができ、LED等の発光素子を有効に冷却できる。 The light emitting module obtained by the light emitting module of the present invention and the manufacturing method thereof can efficiently diffuse the heat generated by the light emitting elements such as LEDs and semiconductor lasers, and can effectively cool the light emitting elements such as LEDs.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における発光モジュールについて、図1、図2を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the light emitting module in Embodiment 1 of this invention is demonstrated using FIG. 1, FIG.
図1は実施の形態1における発光モジュールを示す上面図及び断面図であり、図1(A)はその上面図、図1(B)は図1(A)の矢印104aにおける断面図である。図1において、100はリードフレーム、102は放熱樹脂、104aは図1(B)の断面部を示す矢印、104bはLED108の側面から放射された光を示す矢印、106はリードフレーム100の屈曲位置を示す点線、108はLEDであり、LED108はレーザー等の発光素子の一例として示したものであり、他の発光素子へも応用できることは言うまでもない。また110は透明樹脂、112は金属基板、114は放熱用のヒートシンク、116は凹部である。そして凹部116が形成された金属基板112と、凹部116が形成されたリードフレーム100が、互いに凹部同士が重なるようにしながら放熱樹脂102を介して一体化されることになる。なお金属基板112に形成された凹部116は第1の凹部、リードフレーム100に形成された凹部116は第2の凹部となるが、図1(B)において、第1の凹部も第2の凹部も共に凹部116として図示している。
1A and 1B are a top view and a cross-sectional view illustrating a light-emitting module in Embodiment 1, in which FIG. 1A is a top view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along an
まず図1(A)を用いて説明する。図1(A)において、リードフレーム100は複数個に分割された状態で、放熱樹脂102を介して互いに絶縁されている。そして、リードフレーム100の外周部の一部は放熱樹脂102で囲まれている。また点線106はリードフレーム100の屈曲位置を示すものであり、リードフレーム100が図1(A)の点線106の位置で折れ曲がることで、図1(B)に示すような凹部116を形成する。そしてLED108は、複数のリードフレーム100の上にまたがるように配置する(なおLED108は、必ずしもまたがって実装される必要はない)。なおLED108の実装用のワイヤー線(ワイヤー線はワイヤーボンディング接続の場合であるが、導電性樹脂や半田(フリップチップ実装等の場合))等の部材も同様に図1において図示していない。
First, description will be made with reference to FIG. In FIG. 1A,
次に図1(B)を用いて説明する。図1(B)は、図1(A)の矢印104aにおける断面図に相当する。図1(B)において、金属基板112は少なくともその片面が凹状に加工形成されている。同様にリードフレーム100も凹状に合わせてプレス加工されている。そして図1(B)に示すように、放熱樹脂102に埋め込まれるようにしてリードフレーム100が金属基板112上に絶縁された状態で固定される。図1(B)における矢印104bは、LED108から放射される光に相当する。図1(B)に示すように、リードフレーム100を凹状(あるいは放物線状等)に加工することで、LED108の側面から放射された光を、矢印104bのようにリードフレーム100表面で反射させて制御することができ、発光モジュールの輝度を高められる。
Next, description will be made with reference to FIG. FIG. 1B corresponds to a cross-sectional view taken along
なお、LED108を覆う透明樹脂110は、PMMA(ポリメチルメタクリレート)やシリコン系の透明な樹脂を用いることが望ましい。ここにエポキシ系の樹脂を用いた場合、エポキシの黄化防止のUV抑制剤を添加することが必要である。これはLEDが白色、更には青色光によってエポキシ樹脂が黄化する場合があるためである。またここにシリコン系等の柔らかい(少なくともエポキシ系より硬度が低い)ものを用いることが望ましい。柔らかい(すなわち柔軟性を有する)樹脂材料を用いることで、LED108が発熱し熱膨張した際、LED108とリードフレーム100の接続部への応力集中を防止できる。同様に、LED108とリードフレーム100をボンディング接続した際の、金製ワイヤーへの応力集中を低減できる(金製ワイヤーが切断されにくくなる)。
The
図1(B)に示すように、リードフレーム100と金属基板112を互いに凹状に形状を合わせることで、その間を絶縁する放熱樹脂102の厚みを薄く(更には均一に)することができ、リードフレーム100から金属基板112への熱拡散性を高められる。そしてLED108で発生した熱は、リードフレーム100に伝わり、放熱樹脂102を介して、金属基板112、更には金属基板112に固定したヒートシンク114へ拡散する。
As shown in FIG. 1B, the
図1(B)において、放熱樹脂102として、硬化型樹脂中に高放熱性の無機フィラーが分散されたものを用いることが望ましい。なお無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1ミクロン以上100ミクロン以下が適当である(なお0.1ミクロン未満の場合、樹脂への分散が難しくなる場合がある)。そうしながら放熱樹脂102における無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために70〜95重量%と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径3ミクロンと平均粒径12ミクロンの2種類のAl2O3を混合したものを用いている。この大小2種類の粒径のAl2O3を用いることによって、大きな粒径(平均粒径12ミクロン)のAl2O3の隙間に小さな粒径(平均粒径3ミクロン)のAl2O3を充填できるので、Al2O3を90重量%近くまで高濃度に充填できるものである。この結果、放熱樹脂102の熱伝導率は5W/(m・K)程度となる。なお無機フィラーとしてはAl2O3の代わりに、MgO、BN、SiO2、SiC、Si3N4、及びAlNからなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでもよい。
In FIG. 1B, it is desirable to use a
なお熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも1種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。放熱樹脂102の厚みは、薄くすれば、リードフレーム100に装着したLED108に生じる熱を金属基板112に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して最適な厚さである50ミクロン以上500ミクロン以下に設定すれば良い。
The thermosetting insulating resin contains at least one kind of resin among epoxy resin, phenol resin and cyanate resin. These resins are excellent in heat resistance and electrical insulation. If the thickness of the
図2は、実施の形態1における放熱メカニズムについて説明する上面図及び断面図である。図2において、116は凹部であり、LED108はリードフレーム100や金属基板112で形成された凹部116の底部分に実装されている。図2における矢印104c,104dはそれぞれLED108に発生した熱の拡散方向を示すものである。図2(A)に示すように、LED108から発生した熱は、矢印104cが示すようにリードフレーム100を伝わって高速で放熱する。これは実施の形態1において、リードフレーム100に銅を主体とした熱伝導率の高いものを使うためである。一方リードフレーム100に伝わった熱は、後述する図2(B)の矢印104dに示すように放熱樹脂102を介して、金属基板112に伝わる。そして金属基板112の熱は、ヒートシンク114等に伝わる。こうしてLED108に発生した熱を高速で拡散できるため、LED108の効率的な冷却が可能となる。
2A and 2B are a top view and a cross-sectional view illustrating a heat dissipation mechanism in the first embodiment. In FIG. 2,
このように、LED108で発生した熱は、凹部116の側面で反射面を兼用するリードフレーム100の部分を介して、矢印104cに示すように広範囲へ拡散することとなり、効率的な熱拡散が可能となる。
As described above, the heat generated by the
また図2(B)は、図2(A)のLED108部分の断面(例えば図1(A)の矢印104a相当)である。図2(B)では、LED108で発生した熱が、リードフレーム100を通じて拡散する様子を矢印104cで、リードフレーム100の熱が放熱樹脂102を介して金属基板112へ拡散する様子を矢印104dで示している。更に図2(B)に示すように、実施の形態1では、金属基板112の凹部116の形状と、放熱樹脂102やリードフレーム100の凹部116の形状を合わせることによって、放熱樹脂102の厚みを薄く、均一にできる。そのためリードフレーム100や金属基板112に比べて、熱伝導率が低い放熱樹脂102を用いた場合でも、その影響を最小限に抑えることができる。
2B is a cross-sectional view of the
この結果、凹部116の中に複数個のLED(更には高放熱が必要なLEDであっても)を高密度に実装することができる。
As a result, a plurality of LEDs (even LEDs that require high heat dissipation) can be mounted in the
更に詳しく説明する。複数個のLED108は、図1(A)に示すようにリードフレーム100の上に実装される。そして複数個のLED108は、複数のリードフレーム100から電流を供給され、所定の色に発光することになる。なお図1において、LED108とリードフレーム100の接続部(例えばワイヤーボンダーによる接続)は図示していない。
This will be described in more detail. The plurality of
なお、放熱樹脂102の色は、白色(もしくは白色に近い無色)が望ましい。黒色や赤、青等に着色されている場合、発光素子から放射された光を反射させにくくなり、発光効率に影響を与えるためである。
The color of the
またLED108の実装は、図1(B)に示すように、リードフレーム100による凹部116の底部に行うことが望ましい。LED108を、凹部の底部(つまり窪みの底)に形成することで、LED108の側面から放射される光を、窪みの壁面部分となるリードフレーム100あるいはリードフレーム100の間に露出する放熱樹脂102によって効果的に求める所定の方向に反射でき、発光効率を高められる。
The
このように、複数の発光素子を凹部116の底面にてリードフレーム100の上に実装し、更にリードフレーム100を凹部116の側壁面にも広く形成(望ましくは側壁面の50%以上95%以下)する。なおリードフレーム100の側壁に占める面積割合が50%未満(すなわち放熱樹脂102の割合が50%以上)の場合、リードフレーム100による熱伝導に影響し、リードフレーム100表面による光反射量を減らす可能性がある。また95%を超えた(つまり側面における放熱樹脂102の露出割合が5%未満となった)場合、すなわちリードフレーム100の間隔を狭くした場合、短絡する可能性が高くなる。また金属基板112としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金が望ましい。
In this way, a plurality of light emitting elements are mounted on the
なお、凹部116が形成された金属基板112とリードフレーム100の間に形成された放熱樹脂102の厚みは50ミクロン以上500ミクロン以下が望ましい。また更には100ミクロン以上300ミクロン以下が望ましい。絶縁層の厚みが50ミクロン以下の場合、金属基板112とリードフレーム100の間の絶縁性が低下し、信頼性に影響を与える場合がある。またその厚みが500ミクロンを超えると、リードフレーム100から金属基板112への熱伝導性(放熱性)を低下させ品質(発光特性)に影響を与える場合がある。
The thickness of the
また絶縁層の厚みバラツキは、200ミクロン以下(更には100ミクロン以下)が望ましい。図1(B)で示すように、実施の形態1では金属基板112に凹部116を形成することで、リードフレーム100と金属基板112の間を絶縁する放熱樹脂102の厚みの薄層化及び均一化が可能となる。一方、リードフレーム100と金属基板112に挟まれた放熱樹脂102の厚みバラツキ(あるいは厚み差)が200ミクロン以上と大きくなった場合、リードフレーム100から金属基板112への熱伝導性(放熱性)に影響を与え、品質(発光特性)を低下させる可能性がある。
The thickness variation of the insulating layer is desirably 200 microns or less (more preferably 100 microns or less). As shown in FIG. 1B, in the first embodiment, by forming the
なお凹部116の形状は、底部に向かうにしたがって狭くなる形状が望ましい。これは光の反射効率を高めるためである。
The shape of the
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2における発光モジュールの一例について、図3を用いて説明する。図3は実施の形態2における発光モジュールの断面図である。図3において、118はレンズである。図3(A)は、透明樹脂110をレンズ状に加工した場合、図3(B)は透明樹脂110の上にレンズ118を実装した場合の発光モジュールを示している。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an example of the light emitting module according to
図3(A)、(B)において矢印104eは、LED108から放射された光の方向を示すものである。図3(A)に示すように、LED108から放射された光は、矢印104eに示すように、リードフレーム100の凹部116(もしくは凹部116を構成する壁面)で反射され、外部へと導かれる。なおここで、リードフレーム100の表面処理の高光反射率処理を行っておくことで、光の反射率を高められる。表面処理は、金やニッケルより銀の方が望ましい。これは銀の方が光の反射率が高いためである。また表面処理は光沢処理、無光沢処理(梨地処理等)を問わない。光沢がなくとも、銀等の反射率の高い部材を使うことで反射率を高められる。なお高光反射率化処理は、少なくともリードフレーム100の凹部116を形成する部分以上の広い領域が望ましい。更に、凹部116以外のリードフレーム100には、半導体やチップ部品等を実装するために、半田濡れ性を高める処理を行っておくことが望ましい。こうした処理によって、リードフレーム100の自然酸化も防止できる。
3A and 3B, an
なお、凹部116を形成する側面の面積の50%以上95%以下をリードフレーム100とすることが望ましい。なお、放熱樹脂102は白色等の光反射率の高い色にすることが望ましい。しかし放熱樹脂102を白色にした場合でも、リードフレーム100の方が、光反射率が高くなる場合がある。この場合、リードフレームの面積が50%未満の場合、側面における光反射は放熱樹脂102が主となり、発光モジュールの発光効率(発光特性)に影響を与える場合がある。またリードフレームの占める割合が95%以上となった場合、リードフレーム100の加工が難しくなり作製できなくなる場合がある。
In addition, it is desirable that 50% or more and 95% or less of the area of the side surface forming the
なお、レンズ118の大きさは図3(B)に示すように凹部116の幅と同等、もしくはより大きくすることが望ましい。レンズ118の大きさを大きめにすることで、レンズ118を実装した時の遊び部分が大きくできるため、光学的な位置合わせが容易にできる。特にリードフレーム100を、実施の形態3で説明するように金型成型することで、リードフレーム100の加工精度(特に凹部116の底部と、凹部116以外の平面との平行度)が高められる。そのためLED108を凹部116の底部に、レンズ118を凹部116の周囲を覆うようにセットしただけで、光軸を高精度に合わせることができる。
Note that the size of the
なお凹部116に実装する発光素子は、少なくとも1種類以上(更に望ましくは2種類以上とすることで演色性を高めコストダウンできる)の異なる発光色を有する発光素子であることが望ましい。異なる発光色を有する複数個のLED108を使うことで演色性を高められ、一つの凹部116の中にこれらを複数個高密度で実装することで互いの混色性を高められる。また複数個の発光素子の内、1個以上の発光色を白色とすることもできる。このように実施の形態2の構成では、その優れた放熱性を生かすことで、発光効率が温度の影響を受けやすい(あるいは影響の程度が異なる)LED108であっても、温度の影響を受けにくい。また発光モジュール自体の温度が上昇した場合でも、リードフレーム100を介して個別にLED108を電気的に制御することができることは言うまでもない。
Note that the light-emitting element mounted in the
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3における発光モジュールの製造方法の一例について説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the light emitting module in Embodiment 3 of this invention is demonstrated.
図4、図5は本実施の形態3における発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。図4において、120a,120bは金型、122は汚れ防止フィルム、124はバリである。まず所定の金属板を、プレス等を用いて所定形状に打抜き、これをリードフレーム100とする。なおこの打抜き加工でリードフレーム100にバリ124が発生する。次に図4に示すように、リードフレーム100の下に未硬化状態の放熱樹脂102や、金属基板112をセットする。そしてこれら部材を位置決めした状態で、金型120a,120bの間にセットする。次にプレス装置(図4には図示していない)によって、金型120a,120bを矢印104fの方向に動かすことにより、リードフレーム100が放熱樹脂102に押し付けられ、そして所定温度で放熱樹脂102を加熱硬化する。また図4に示すように、リードフレーム100と、金型120aの間に汚れ防止フィルム122をセットしておくことが望ましい。また汚れ防止フィルム122は、例えば不織布等のようにある程度の空気透過性があるフィルム状のものを使うことが望ましい。こうすることで、リードフレーム100を、金型120a,120bを用いて、放熱樹脂102の中に押し付けた際、矢印104gで示すように空気が抜けやすくなり(汚れ防止フィルム122を介して、空気が抜ける)、リードフレーム100と放熱樹脂102の界面、あるいは金属基板112と放熱樹脂102の界面に、放熱性を低下させる要因となる空気残りの発生を防止できる。
4 and 5 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a light emitting module according to the third embodiment. In FIG. 4, 120a and 120b are molds, 122 is a dirt prevention film, and 124 is a burr. First, a predetermined metal plate is punched into a predetermined shape using a press or the like, and this is used as a
なお、リードフレーム100を金型成型によって所定の3次元形状に抜く際、リードフレーム100の端部に発生するバリ124の方向は、前記汚れ防止フィルム122側になるようにすることが望ましい。こうすることで、リードフレーム100をプレスした際、バリ124が汚れ防止フィルム122に喰い込むため、リードフレーム100の表面(例えば、LED108等の実装面)に放熱樹脂102が回り込むことを防止できる。
It should be noted that when the
図5は、プレス加工が終了した後の断面図である。図5に示すように、金型120a,120bを矢印104hの方向に動かすことで、発光モジュールが完成する(なお図5の状態では、まだLED108等は実装されていない)。そして図5の発光モジュールに、LED108を実装し、更に樹脂(透明樹脂)110でカバーすることで、図1に示したような発光モジュールが完成する。なお、バリ124はプレス加工時に除去して無くせるが、必要な場合、プレス後も残してもよい。
FIG. 5 is a cross-sectional view after the press working is completed. As shown in FIG. 5, the light emitting module is completed by moving the
次に、絶縁材料について更に詳しく説明する。放熱樹脂102は、フィラーと樹脂から構成されている。なおフィラーとしては、無機フィラーが望ましい。無機フィラーとしては、Al2O3、MgO、BN、SiC、Si3N4、及びAlNからなる群から選択される少なくとも一種を含む一つを有することが望ましい。なお無機フィラーを用いると、放熱性を高められるが、特にMgOを用いると線熱膨張係数を大きくできる。BNを用いると線熱膨張係数を小さくできる。こうして絶縁層102としての熱伝導率が1W/(m・K)以上で10W/(m・K)以下のものを形成することができる。なお熱伝導率が1W/(m・K)未満の場合は、発光モジュールの放熱性を低下させる影響を与える。また熱伝導率を10W/(m・K)より高くしようとした場合は、フィラー量を増やす必要があり、プレス時の加工性を低下させる影響を与える場合がある。
Next, the insulating material will be described in more detail. The
また樹脂としては、熱硬化性樹脂を用いることが望ましく、具体的にはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが望ましい。 The resin is preferably a thermosetting resin, and specifically includes at least one selected from the group consisting of an epoxy resin, a phenol resin, and an isocyanate resin.
なお無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1〜100ミクロンであるが、粒径が小さいほど樹脂への充填率を向上することができる。そのため放熱樹脂102における無機フィラーの充填量(もしくは含有率)は、熱伝導率を上げるために70〜95重量%と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径3ミクロンと平均粒径12ミクロンの2種類のAl2O3を混合したものを用いている。この大小2種類の粒径のAl2O3を用いることによって、大きな粒径のAl2O3の隙間に小さな粒径のAl2O3を充填できるので、Al2O3を90重量%近くまで高濃度に充填できるのである。この結果、放熱樹脂102の熱伝導率は5W/(m・K)程度となる。なおフィラーの充填率が70重量%未満の場合、熱伝導性が低下する場合が有る。またフィラーの充填率(もしくは含有率)が95重量%を超えると、硬化前の放熱樹脂102の成型性を低下させる影響を与える場合があり、放熱樹脂102とリードフレーム100の接着性(例えばリードフレーム100を放熱樹脂102に埋め込んだ場合や、その表面に貼り付けた場合)にもそれらの接着性を低下させる影響を与える可能性がある。
The inorganic filler is substantially spherical and has a diameter of 0.1 to 100 microns, but the smaller the particle size, the better the filling rate into the resin. Therefore, the filling amount (or content rate) of the inorganic filler in the
なお熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも1種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。 The thermosetting insulating resin contains at least one kind of resin among epoxy resin, phenol resin and cyanate resin. These resins are excellent in heat resistance and electrical insulation.
なお放熱樹脂102からなる絶縁体の厚さは、薄くすれば、リードフレーム100に装着したLED108に生じる熱を金属基板112に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して50ミクロン以上500ミクロン以下とすれば良い。
If the thickness of the insulator made of the
次にリードフレーム100の材質について説明する。リードフレームの材質としては、銅を主体とする合金が望ましい。これは銅が熱伝導性と導電率が共に優れているためである。またリードフレームとしての加工性や、熱伝導性を高めるためには、リードフレーム100となる銅と、少なくともSn、Zr、Ni、Si、Zn、P、Fe等の群から選択される少なくとも1種類以上の材料とからなる合金を使うことが望ましい。例えばCuを主体として、ここにSnを加えた、合金(以下、Cu+Snとする)を用いることができる。Cu+Sn合金の場合、例えばSnを0.1wt%以上0.15wt%未満添加することで、その軟化温度を400℃まで高められる。比較のためSn無しの銅(Cu>99.96wt%)を用いて、リードフレーム100を作製したところ、導電率は低いが、出来上がった放熱基板において特に凹部116の形成部等に歪が発生する場合があった。そこで詳細に調べたところ、その材料の軟化点が200℃程度と低いため、後の部品実装時(半田付け時)や、LED108の実装後の信頼性(発熱/冷却の繰り返し等)に変形する可能性があることが予想された。一方、Cu+Sn>99.96wt%の銅合金を用いた場合、実装された各種部品や複数個のLEDによる発熱の影響は特に受けなかった。また半田付け性やダイボンド性にも影響が無かった。そこでこの材料の軟化点を測定したところ、400℃であることが判った。このように、銅を主体として、いくつかの元素を添加することが望ましい。銅に添加する元素として、Zrの場合、0.015wt%以上0.15wt%以下の範囲が望ましい。添加量が0.015wt%未満の場合、軟化温度の上昇効果が少ない場合がある。また添加量が0.15wt%より多いと電気特性を低下させる影響を与える場合がある。また、Ni、Si、Zn、P等を添加することでも軟化温度を高くできる。この場合、Niは0.1wt%以上5wt%未満、Siは0.01wt%以上2wt%以下、Znは0.1wt%以上5wt%未満、Pは0.005wt%以上0.1wt%未満が望ましい。そしてこれらの元素は、この範囲で単独、もしくは複数を添加することで、銅素材の軟化点を高くできる。なお添加量がここで記載した割合より少ない場合、軟化点上昇効果が低い場合がある。またここで記載した割合より多い場合、導電率を低下させる可能性がある。同様に、Feの場合0.1wt%以上5wt%以下、Crの場合0.05wt%以上1wt%以下が望ましい。これらの元素の場合も前述の元素と同様である。
Next, the material of the
なお銅合金の引張り強度は、600N/mm2以下が望ましい。引張り強度が600N/mm2を超える材料の場合、リードフレーム100の加工性を低下させる影響を与える場合がある。またこうした引張り強度の高い材料は、その電気抵抗が増加する傾向にあるため、本実施の形態1で用いるようなLED等の大電流用途には適さない場合がある。一方、引張り強度が600N/mm2以下(更にリードフレーム100に微細で複雑な加工が必要な場合、望ましくは400N/mm2以下)とすることでスプリングバック(曲げ加工時に必要な角度まで曲げても圧力を除くと反力によってある程度はねかえって元にもどってしまうこと)の発生を抑えられ、凹部116の形成精度を高められる。このようにリードフレーム材料としては、Cu合金とすることで導電率を下げられ、更に柔らかくすることで加工性を高められ、更にリードフレーム100による放熱効果も高められる。
The tensile strength of the copper alloy is desirably 600 N / mm 2 or less. In the case of a material having a tensile strength exceeding 600 N / mm 2 , the workability of the
なお、放熱樹脂102から露出しているリードフレーム100の面(LED108や、図示していないが制御用ICやチップ部品等の実装面)に、予め半田付け性を改善するように半田層や錫層を形成しておくことで、ガラエポ基板等に比べて熱容量が大きく半田付けしにくいリードフレーム100に対して部品実装性を高められると共に、配線としての錆び防止も可能となる。なおリードフレーム100の放熱樹脂102に接する面(もしくは埋め込まれた面)には、半田層は形成しないことが望ましい。放熱樹脂102と接する面に半田層や錫層を形成すると、半田付け時にこの層が柔らかくなり、リードフレーム100と放熱樹脂102の接着性(もしくは結合強度)を低下させる影響を与える場合がある。なお図1、図2において、半田層や錫層は図示していない。
It should be noted that a solder layer or tin is previously applied to the surface of the
金属製の金属基板112は、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金からできている。特に、本実施の形態では、金属基板112の厚みを1mmとしているが、その厚みはバックライト等の製品仕様に応じて設計できる(なお金属基板112の厚みが0.1mm以下の場合、放熱性や強度的に不足する可能性がある。また金属基板112の厚みが5mmを超えると、重量面で不利になる)。金属基板112としては、単なる板状のものだけでなく、より放熱性を高めるため、絶縁体を積層した面とは反対側の面に、表面積を広げるためにフィン部(あるいは凹凸部)を形成しても良い。線膨張係数は8×10-6/℃〜20×10-6/℃としており、金属基板112やLED108の線膨張係数に近づけることにより、基板全体の反りや歪みを小さくすることができる。またこれらの部品を表面実装する際、互いに熱膨張係数をマッチングさせることは信頼性の面からも重要となる。また金属基板112を他の放熱板(図示していない)にネジ止めすることもできる。
The
またリードフレーム100としては、銅を主体とした金属板を、少なくともその一部が事前に3次元の凹部形状に打抜かれたものを用いることができる。そしてリードフレーム100の厚みは0.1mm以上1.0mm以下(更に望ましくは0.3mm以上0.5mm以下)が望ましい。これはLEDを制御するには大電流(例えば30A〜150Aの大電流が必要であり、これは駆動するLEDの数によって更に増加する場合もある)が必要であるためである。またリードフレーム100の肉厚が0.10mm未満の場合、薄肉のため、プレス加工が難しくなる場合がある。またリードフレーム100の肉厚が1mmを超えると、プレス加工による打ち抜き時にパターンの微細化を低下させる影響を与える場合がある。ここでリードフレーム100の代わりに銅箔(例えば、厚み10ミクロン以上50ミクロン以下)を使うことは望ましくない。本発明の場合、LEDで発生する熱は、リードフレーム100を通じて広く拡散されることになる。そのためリードフレーム100の厚みが厚いほど、リードフレーム100を介しての熱拡散が有効となる。一方、リードフレーム100の代わりに銅箔を用いた場合、銅箔の厚みがリードフレーム100に比べて薄い分、熱拡散しにくくなる可能性がある。
As the
次に従来例1として、リードフレーム100の代わりに、銅箔(厚み10ミクロン)を用いて、図1に示したようなサンプル試作を試みた。まず市販の銅箔を所定形状にパターニングした後、プレス加工で凹部を加工し、図4のようにして凹部が形成された金属基板112と、汚れ防止フィルム122の間にセットしようとした。しかしプレス加工した銅箔は柔らかくて、取り扱いが難しかった。
Next, as a conventional example 1, a sample prototype as shown in FIG. 1 was tried using a copper foil (thickness 10 μm) instead of the
次に従来例2として、銅箔を転写体の上で所定パターンに形成し、凹部116を有しない板状の未硬化の放熱樹脂102の表面に貼り付けた。そして次にこの板状の未硬化の放熱樹脂102を、図4〜図5に示すように、凹部を有する金属基板と汚れ防止フィルム122の間にセットし、表面に突起を有する金型120aを用いてプレスしながら加熱し、樹脂硬化させた。こうして放熱樹脂102に凹部116を形成すると共に、表面に貼り付けた薄い銅箔を放熱樹脂102の凹部形状に形成した。そしてこの銅箔の上に、LED108を実装し、放熱試験を行った。しかし銅箔はリードフレームに比べて厚みが薄いため、銅箔を介しての熱拡散の割合は少なかった。
Next, as Conventional Example 2, a copper foil was formed in a predetermined pattern on the transfer body, and was affixed to the surface of a plate-like uncured heat-dissipating
次に従来例3として、配線形状に打抜いただけのリードフレーム100(凹状の3次元加工は行っていない、板厚は0.3mmの打抜いただけの曲がっていない状態)を用意し、これを従来例2で用意した板状の未硬化の放熱樹脂102の上に貼り付け、図4〜図5に示すようにして、リードフレーム100の凹部116の加工と、放熱樹脂102の凹部116の加工を同時に行ってみた。しかしリードフレーム100は硬いため、求めるような凹部116の形状に加工することはできなかった。そして、放熱樹脂102と同時に凹部116を形成するには、銅箔のようにより薄い(より柔らかい)ものを使う必要があることが判った。
Next, as a third conventional example, a
一方、実施の形態3の場合、図4、図5に示すように金型120a,120bで事前に成型しておいた、寸法形状の安定したリードフレーム100を用いることになる。そのためリードフレーム100として、厚みの厚い(例えば0.1mm〜1.0mmと、銅箔に比べて厚肉で曲がりにくいもの)ものを用いた場合でも、安価に高精度なものを所定の形状(打抜きや3次元的な加工)に加工できる。そしてこうして予め加工成型したリードフレーム100と放熱樹脂102とが一体化することになるため、リードフレーム100の形状精度が高い状態に保てる。
On the other hand, in the case of Embodiment 3, as shown in FIGS. 4 and 5, a
更に放熱樹脂102とリードフレーム100とを加熱プレスする時の温度プロファイルを工夫することで、放熱樹脂を軟化(粘度低下)でき、リードフレーム100に対する影響も抑制できる。このようにリードフレーム100単独の成型工程と、予め成型されたリードフレーム100と放熱樹脂102との成型工程を、別々に分けることによって厚みが厚くて放熱性の優れたリードフレームを使った発光モジュールを安価に形成できる。
Furthermore, by devising the temperature profile when heat-pressing the heat-dissipating
更に実施の形態3の場合、LED108が実装された凹部116の壁面にリードフレーム100が形成され、この凹部116の壁面に形成されるリードフレーム100は、LED108から放射された光を反射させると共に、LED108から発生した熱はこの凹部 116側面を介して、発光モジュール全体に拡散させることができ、発光効率を高めると共に、その放熱効果を更に高められる。このように金属よりなる反射面を、リードフレーム100が兼用することで、リードフレーム100と放熱樹脂102との接続面積を広げられるため、リードフレーム100から放熱樹脂102へ熱を伝えやすくできる。更に図1等で示したように、金属基板112を予め凹部116に形成しておくことで、リードフレーム100と金属基板112の間に形成された放熱樹脂102の厚みを薄く均一にできるため、リードフレーム100→放熱樹脂102→金属基板112への熱伝導性を高められることは言うまでもない。
Further, in the case of the third embodiment, the
こうして片面に凹部116(第1の凹部に相当)が形成された金属基板112と、凹部116(第2の凹部に相当)が形成された銅を主体とするリードフレーム100と、前記金属基板112と前記リードフレーム100の間に形成された、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とを含んだ絶縁層である放熱樹脂102とを備え、前記第1の凹部の中に前記絶縁層である放熱樹脂102を介して前記第2の凹部が形成され、前記リードフレーム100の外周部の一部が前記絶縁体である放熱樹脂102で囲まれ、前記第2の凹部内の前記リードフレーム100上に1個以上のLED108等の発光素子が実装されていることを特徴とする発光モジュールを提供する。
In this way, the
以上のように、本発明にかかる発光モジュールを用いることで、多数個の発光素子を、安定して点灯できるため、液晶TV等のバックライト以外に、プロジェクター、投光機器等の小型化、高演色化の用途などにも適用できる。 As described above, since the light emitting module according to the present invention can be used to stably light a large number of light emitting elements, in addition to backlights such as liquid crystal TVs, projectors, projectors, etc. It can also be applied to color rendering applications.
100 リードフレーム
102 放熱樹脂
104 矢印
106 点線
108 LED
110 透明樹脂
112 金属基板
114 ヒートシンク
116 凹部
118 レンズ
120 金型
122 汚れ防止フィルム
124 バリ
100
110
Claims (14)
第2の凹部が形成された銅を主体とするリードフレームと、
前記金属基板と前記リードフレームの間に形成された、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とを含んだ絶縁層とを備え、
前記金属基板の前記第1の凹部の中に前記絶縁層を介して前記リードフレームの前記第2の凹部が形成され、
前記リードフレームの外周部の一部が前記絶縁体で囲まれ、
前記第2の凹部内の前記リードフレーム上に1個以上の発光素子が実装されていることを特徴とする発光モジュール。 A metal substrate having a first recess formed on one side;
A lead frame mainly composed of copper in which a second recess is formed;
An insulating layer formed between the metal substrate and the lead frame and including an inorganic filler and a resin composition including a thermosetting resin;
The second recess of the lead frame is formed in the first recess of the metal substrate via the insulating layer;
A portion of the outer periphery of the lead frame is surrounded by the insulator;
One or more light emitting elements are mounted on the lead frame in the second recess.
前記リードフレームと金型の間に汚れ防止フィルムを挿入した状態で、プレス加工して前記絶縁樹脂を前記金属基板と前記リードフレームの間で硬化し、前記第1の凹部の中に第2の凹部を嵌合させながら、前記リードフレームの外周部の一部を絶縁樹脂で囲んだ成型体を形成し、
前記成型体の第2の凹部に発光素子を実装し樹脂で封止する発光モジュールの製造方法。 An uncured insulating resin is set between the metal substrate on which the first recess is formed and the lead frame on which the second recess is formed,
With the antifouling film inserted between the lead frame and the mold, the insulating resin is cured between the metal substrate and the lead frame by pressing, and the second recess is inserted into the first recess. Forming a molded body in which a part of the outer periphery of the lead frame is surrounded by an insulating resin while fitting the recess,
A method for manufacturing a light emitting module, wherein a light emitting element is mounted in a second recess of the molded body and sealed with a resin.
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CN104073677B (en) * | 2013-03-27 | 2017-01-11 | 株式会社神户制钢所 | Copper alloy strip for lead frame of led |
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