(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。
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出す矢印、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。
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。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。
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。
なお、LED108を覆う透明樹脂110は、PMMA(ポリメタクリレート)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)。
図1(B)に示すように、リードフレーム100と金属板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、金属板112、更には金属板112に固定したヒートシンク114へ拡散する。
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種類のアルミナ(以下、Al2O3とする)を混合したものを用いている。この大小2種類の平均粒径の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、窒化ケイ素(以下、Si3N4とする)、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。
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。
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104a,104b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104a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104bに示すように放熱樹脂102を介して、金属板112に伝わる。そして金属板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。
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104a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。
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104aで、リードフレーム100の熱が放熱樹脂102を介して金属板112へ拡散する様子を矢印104b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。
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。
更に詳しく説明する。複数個のLED108は、図2(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2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。
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。
またLED108の実装は、図2(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。
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。
なお、凹部116が形成された金属板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。
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2(B)で示すように、実施の形態1では金属板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。
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。
(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。
図3(A)、(B)において矢印104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104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。
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。
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。
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(望ましくは2種類以上とすることで、演色性を高めながら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個以上の発光色が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(あるいは温度の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。
(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。
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に図示していない)によって、金型120a,120bを矢印104a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104b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。
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。
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104a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。
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、アルミナ(以下、Al2O3とする)、MgO、BN、SiC、窒化ケイ素(以下、Si3N4とする)、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。
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。
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、未硬化前の放熱樹脂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。
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。
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。
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、銅を主体とするものが望ましい。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となる部材には銅と、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銅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、でき上がった放熱基板において特に凹部116の形成部等に歪み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。
なお銅合金の引張り強度は、600N/平方mm以下が望ましい。引張り強度が600N/平方mm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/平方mm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/平方mm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。
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。
金属製の金属板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。また金属板112の厚みが5mmを超えると、重量面で不利になる)。金属板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8ppm/℃〜20ppm/℃としており、金属板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。
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に比べて薄い分、熱拡散しにくくなる可能性がある。
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。
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。
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。
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。
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の単独の成型工程と、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。
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→金属板112への熱伝導性を高められることは言うまでもない。
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とからなる放熱樹脂102を備え、前記第1の凹部116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116が形成され、前記第2の凹部116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。
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4におけるバックライト装置の一例について説明する。
図6(A)(B)は、ともにバックライト装置の一例を示す上面図及び断面図である。図6(A)(B)において、125は発光モジュール、126はバスバーである。図6(A)において、複数本のリードフレーム100の上には、例えばRED(赤)、GREEN(緑)、BLUE(青)のように、少なくとも1種類以上の異なる発光色を有する、複数個のLED108が実装している。このように異なる発光色とすることで、それぞれのLED108の発光効率を高めたり、色純度を高めたりする効果が得られる。なお複数個のLED108の内、1個以上の発光色を白色とすることで、ホワイトバランスを安定化する効果が得られる。
なお図6(A)において、複数個のLED108を、点線106で囲まれた部分(この部分は、図1(B)における凹部116に相当する)に実装することで、図3(A)(B)等で図示したように、リードフレーム100の側面で光反射効率を高める。また複数本のリードフレーム106を絶縁する放熱樹脂102を白色とすることで、リードフレーム106の隙間に露出した放熱樹脂102部分での光反射効率を高める。こうして発光モジュール125を用意する。なお発光モジュール125の一部に、必要に応じて制御用半導体チップや、チップ部品等を実装することができる(図示していない)。また図6(A)(B)において、発光モジュール125の凹部(例えば点線106で図示した部分)等に充填した透明樹脂110やレンズ118等は図示していない。
図6(B)は、複数個の発光モジュール125を、バスバー126に実装した様子を示している。図6(B)に示すように、複数本のバスバー126の上に(あるいはバスバー126の間に)、複数個のLED108を実装した発光モジュール125を実装する。ここでバスバーとは、LED108を駆動する電流回路や、LED108の点灯を制御する信号回路を形成した配線基板(あるいは電流供給部分)である。次に、図6(B)の矢印104における断面について、図7(A)を用いて説明する。
図7(A)(B)は、ともにバックライト装置の断面図である。図7(A)は、図6(B)の矢印104における断面に相当する。図7(A)(B)において、127はバックライト装置、128は液晶パネルである。図7(A)(B)に示すように、LED108やリードフレーム100、金属板112等からなる発光モジュール125を複数個、バスバー126の上に実装し、バックライト装置127を構成している。そしてバックライト装置127から発せられた光104aは、液晶パネル128を介して、矢印104bとなり、所定の画像を形成する。
ここで発光モジュール125は、常時点灯する必要はなく、RED(赤)、GREEN(緑)、BLUE(青)と順番に点滅しても良い。こうして順番に点滅させる(フィールドシーケンシャル駆動とも呼ばれる)ことで、液晶パネル128におけるカラーフィルターを省くことができる。そしてカラーフィルターを省く結果、液晶テレビの高輝度化や低消費電力化、低コスト化を行う。なお図7(A)(B)において、バックライト127と液晶128の間にセットする光学フィルム等(例えば、光拡散板)は図示していない。
以上のようにして、片面に第1の凹部116が形成された金属板112と、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100と、前記金属板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とを備え、前記金属板112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100の前記第2の凹部が固定され、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等で代表される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125を提供することで、発光モジュール125の発光効率(低消費電力化、ホワイトバランスの高安定化、高密度化や小型化)を実現することができる。
また金属板112とリードフレーム100の間に形成された絶縁層の厚みは50ミクロン以上500ミクロン以下とすることで、発光モジュール125の耐電圧特性と放熱性を両立することができる。
またリードフレーム100と金属板112の間の絶縁層の厚みのバラツキは200ミクロン以下とすることで、発光モジュール125の耐電圧特性と放熱性を両立することができる。
またリードフレーム100は、凹部を形成する側面の50%以上95%以下の面積を占める発光モジュール125とすることで、リードフレーム100表面における光反射効果を得ることができ、またリードフレーム100を介した放熱効果も高めることができ、発光モジュール125の発光効率や放熱効果を高めることができる。
またLED108等で代表される発光素子は、少なくとも1種類以上の異なる発光色を有するLED108等で代表される発光素子である発光モジュール125とすることで、発光モジュール125の発光効率を高め、低消費電力化を実現する。
またLED108等で代表される発光素子の内、1個以上は発光色が白色である発光モジュール125とすることで、発光モジュール125のホワイトバランスの安定化を実現する。
またリードフレーム100の厚みは0.10mm以上1.0mm以下で、少なくとも絶縁層と一体化される前にその一部が凹部を有する形状に加工されたものである発光モジュール125とすることで、リードフレーム100を介した放熱(あるいは熱伝導)効果を高めることができ、またその形状の一部を凹部とすることで、リードフレーム100表面における光反射効果も得ることができる。
また絶縁層の熱伝導率が1W/(m・K)以上10W/(m・K)以下である発光モジュール125とすることで、発光モジュール125の放熱効果を高めることができる。
無機フィラーは、アルミナ(Al2O3)、MgO、BN、SiC、窒化ケイ素(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発光モジュール125とすることで、無機フィラーの添加効果による絶縁層の熱伝導効率を高めることができる。
熱硬化性樹脂は、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発光モジュール125とすることで、絶縁層の機械的強度を高めることができ、長時間(あるいは長期間)に渡って発光モジュール125の光学的精度を保持でき、これを組み込んだ液晶テレビの安定駆動を可能にする。
絶縁層は白色である発光モジュール125とすることで、リードフレーム100のみならず、複数のリードフレーム100の間を絶縁する絶縁層部分での光反射効率を高めることができ、発光モジュール125の発光効率を高め、その消費電力の削減を行うことができる。
凹部は底部に向かって狭くなる形状である発光モジュール125とすることで、LED108から放射された光を効果的に必要方向(あるいは前面)に反射させることができ、発光モジュール125の発光効率を高め、更にその光学設計の自由度を高めることができる。
またSnは0.1wt%以上0.15wt%以下、Zrは0.015wt%以上0.15wt%以下、Niは0.1wt%以上5wt%以下、Siは0.01wt%以上2wt%以下、Znは0.1wt%以上5wt%以下、Pは0.005wt%以上0.1wt%以下、Feは0.1wt%以上5wt%以下である群から選択される少なくとも一種を含む銅を主体とするリードフレーム100を用いる発光モジュール125とすることで、リードフレーム100の加工性を高めることができる。
またリードフレーム100の表出面に反射膜を設けた発光モジュール125とすることで、リードフレーム100の露出部分を積極的に反射部分として、その反射効率を高めることで、発光モジュール125の発光効率を高めることができる。なお反射膜としては、金属膜(例えば銀膜の場合、反射率は95〜99%程度が可能である)や、誘電体膜(レンズ等の表面コートに代表される光学薄膜を表面に形成することで)を形成したり、前記金属膜と併用することで、更にその表面での反射効率を高めることができる。
片面に凹部が形成された金属板112と、予め凹部加工がされたリードフレーム100との間に、絶縁樹脂をセットし、更に前記リードフレーム100と金型の間に汚れ防止フィルムを挿入した状態で、プレスして前記絶縁樹脂を前記金属板112と前記リードフレーム100の間で硬化し、凹部を有する成型体を形成した後、前記成型体の前記凹部にLED108等で代表される発光素子を実装し樹脂で封止する発光モジュール125の製造方法を提供することで、高精度な発光モジュール125を効率的に製造することができる。
また、片面に第1の凹部が形成された金属板112と、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100と、前記金属板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とを備え、前記金属板112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100の前記第2の凹部が固定され、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等で代表される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125と、バスバーと、を備えたバックライト装置であって、前記バスバーと、前記発光モジュール125の前記リードフレーム100とが電気的に接続しているバックライト装置とすることで、液晶テレビ等におけるバックライト装置の高効率化、小型化、低コスト化を実現できる。
また、片面に第1の凹部が形成された金属板112と、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100と、前記金属板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とを備え、前記金属板112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100の前記第2の凹部が固定され、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等で代表される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125と、バスバーと、を備えたバックライト装置であって、前記発光モジュール125を駆動する回路部品の一部以上を、前記バスバー側に実装しているバックライト装置とすることで、複数個の発光モジュール125を、バスバーを介して一体化し、バックライト装置とすることで、液晶テレビ等への組み込みを容易にする。
バスバーを構成する配線の一部は、銅を主体とするリードフレーム100で形成しているバックライト装置とすることで、発光モジュール125に発生した熱を、リードフレーム100を介してバスバーを構成するリードフレーム100に放熱することができ、バックライト装置の発光効率を高めることができる。
また片面に第1の凹部が形成された金属板と、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の凹部が固定され、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であって、少なくとも前記第2の凹部を略円形とする発光モジュールを提供することができる。ここで第2の凹部、つまり発光モジュール125の上面図(例えば図1(A)や図2(A)において、点線106で示した凹部116を略円形とすることで、発光モジュールの光学設計のみならず、発光モジュールに取り付ける各種光学部品のコストダウンが可能となる。これは実施の形態で示すように本発明の発光モジュールは、放熱効果が高いため、凹部116の中央部にLED108で代表される発光素子(半導体レーザー等も含む)を複数個、高密度に実装することができるためである。