JP2007180319A - 発光モジュールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工性が良く低コストで放熱性の優れた発光モジュールとその製造方法を提供する。
【解決手段】金属板１１６の上に、凹部１１４が形成された銅を主体とするリードフレーム１００を、途中に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を介して一体化し、前記リードフレーム１００にＬＥＤ１０８を実装することで、ＬＥＤ１０８の発熱を前記リードフレーム１００で放熱すると共に、前記リードフレーム１００の一部を薄肉部１１０としてファインパターン化に対応すると共に、その一部を厚肉部１１２とすることで、発光モジュールの実装部分の機械強度を高める。
【選択図】図１

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。

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）。

図９は、従来の発光モジュールの一例を示す断面図である。図９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９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。

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。

こうしたニーズに対して、図９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。

一方、図９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。

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。
特開２００４−３１１７９１号公報

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。

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。

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。

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。

（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１０４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、１０４は図１（Ｂ）の断面部を示す矢印、１０６ａ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、他の発光素子へ応用できることは言うまでもない。また１１０は薄肉部、１１２は厚肉部、１１４は凹部である。そして実施の形態１では、凹部１１４が形成されたリードフレーム１００が用意され、金属板１１６の上に、放熱樹脂１０２を介して絶縁、固定されることになる。そして前記リードフレーム１００に薄肉部１１０と厚肉部１１２を形成とする。そして凹部１１４等の加工精度が要求される部分をリードフレーム１００の薄肉部１１０、発光モジュールへの電流供給源、あるいは機械的強度が要求される実装部等に、リードフレーム１００の厚肉部分１１２と、使い分けできる。

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１０６ａ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１０６ａの位置で折れ曲がることで凹部１１４を形成している。また点線１０６ｂは、リードフレーム１００の薄肉部１１０と厚肉部１１２の境目を示している。そして複数個のリードフレーム１００の上にＬＥＤ１０８が実装され、発光モジュールを構成している。また複数個のリードフレーム１００の、少なくとも放熱樹脂１０２に係る部分の一部は薄肉部１１０、厚肉部１１２となっている。そしてこの厚肉部１１２によって、発光モジュールにＬＥＤ１０８の駆動用電流を供給すると共に、発光モジュールを回路基板等に固定した際の機械的強度を高めることになる。

次に図１（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の矢印１０４における断面図である。図１（Ｂ）において、リードフレーム１００の一部に凹部１１４が形成されていることが判る。また点線１０６ｃは、厚肉部１１２と薄肉部１１０の境目を示すものである。図１より、リードフレーム１００の一部は薄肉部１１０、一部は厚肉部１１２から構成されていることが判る。

そしてリードフレーム１００は（一面のみが露出した状態で）放熱樹脂１０２に埋め込まれている。また放熱樹脂１０２によって、リードフレーム１００と金属板１１６が接着される。また図１（Ｂ）において、厚肉部１１２の厚み部分を放熱樹脂１０２に喰い込ませることで、出来上がった発光モジュールの表面にはリードフレーム１００の厚みに起因する凹凸（あるいは段差）の発生を防止できる。

また必要に応じて、図１（Ｂ）に示すように、リードフレーム１００の放熱樹脂１０２に埋め込まれた部分や、放熱樹脂１０２から外に伸びた部分（ここの部分が発光モジュールの外部端子等となる）を厚肉部１１２とすることができる。こうしてその部分の強度を２倍以上（薄肉部１１０に比べ厚肉部１１２の厚みが２倍の場合）、３倍以上（薄肉部１１０に比べ厚肉部１１２の厚みが３倍の場合）と大きくできるため、発光モジュールの機械的強度を高められる。

また図１（Ａ）に示す点線１０６ａに示すように、リードフレーム１００の一部を凹状に凹ませ、凹部の底部にＬＥＤ１０８を実装することで、凹部の側面を（更には凹部側面に形成しているリードフレーム１００を）、ＬＥＤ１０８の光反射ミラーとして活用できるため、ＬＥＤ１０８の発光効率が高められる。またＬＥＤ１０８を固定しているリードフレーム１００は、金属板１１６の上に、放熱樹脂１０２を介して絶縁され、固定される。そして放熱樹脂１０２に埋め込まれた前記リードフレーム１００の一面が、外部に露出し、この露出した面にＬＥＤ１０８等の放熱を要する部品が実装されることになる。そしてＬＥＤ１０８等から発せられる熱は、リードフレーム１００を介して、発光モジュール全体に広く拡散させることになる。このようにして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１１６、更にはヒートシンク等の放熱部分へ拡散する。

なお放熱樹脂１０２としては、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、あるいは樹脂への分散が難しくなる場合、また１００ミクロンを超え、放熱樹脂１０２の厚みが厚くなる場合等は、熱拡散性を低下させる影響を与える）。そのため放熱樹脂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。

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１１６に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧特性が低下して問題となり、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１０００ミクロン以下に設定すれば良い。

次に図２を用いて発光モジュールにおける放熱メカニズムについて説明する。図２は発光モジュールにおける発光モジュールの放熱メカニズムを説明する上面図及び断面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）における矢印１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ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。そしてＬＥＤ１０８に発生した熱は、図２（Ｂ）の矢印１０４ｂに示すようにリードフレーム１００を介して広がると同時に、図２（Ｂ）の矢印１０４ｃが示すように放熱樹脂１０２を介して、金属板１１６にも伝わる。そして金属板１１６の熱は、必要に応じてヒートシンク等（図２においてヒートシンクは図示していない）に伝わる。こうしてＬＥＤ１０８に発生した熱を広く拡散できるため、ＬＥＤ１０８の効率的な冷却が可能となる。

また後述する図３等で説明するように、ＬＥＤ１０８で発生した熱を拡散させるリードフレーム１００は、凹部１１４においてＬＥＤ１０８から放射される光を前方に反射させる光反射面（光反射については図３で説明する）を兼用することになる。こうして凹部１１４を構成するリードフレーム１００は、光反射部分と熱拡散部分を兼用することになり、効率的な発光と熱拡散を可能とする。

次に複数個のＬＥＤ１０８を一つの凹部１１４に実装する場合について説明する。複数個のＬＥＤ１０８を一つの凹部１１４において、図１（Ａ）に示すようにリードフレーム１００の上に実装できる。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、それぞれ所定の色に発光する。このように複数個のＬＥＤ１０８を高密度に実装することで互いの混色が容易となると共に、発光モジュールのコストダウンが可能となる。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。

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、発光効率を低下させる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１１４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１１４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１１４の側壁面にも広く形成することが望ましい。具体的には側壁面の５０％以上９５％以下が望ましい。リードフレーム１００の側壁に占める面積割合が５０％未満の場合、リードフレーム１００による熱伝導を低下させるように影響し、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、あるいはリードフレーム１００の間隔を狭くした場合は、短絡する可能性が高くなる。また金属板１１６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。

なお金属板１１６に形成された凹部１１４と、リードフレーム１００に形成された凹部１１４の間の放熱樹脂１０２の厚みは５０ミクロン以上１０００ミクロン以下が望ましい。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１１６とリードフレーム１００の間の絶縁性が影響を受ける場合がある。またその厚みが１０００ミクロンを超えると、リードフレーム１００から金属板１１６への熱伝導性を低下させる影響を与える場合がある。

なお凹部１１４の断面形状は、底部に向かって狭くなる形状が望ましい。また放物線状や曲線状とすることでＬＥＤ１０８からの光の反射方向をコントロールしやすくなる。なお凹部１１４の断面形状を、底部に向かって狭くなる形状とするのは、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は樹脂、１２０はレンズである。図３（Ａ）は樹脂１１８をレンズ状に加工した場合、図３（Ｂ）は樹脂１１８の上にレンズ１２０を実装した場合である。

図３（Ａ）、（Ｂ）において矢印１０４ｄ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１０４ｄに示すように、リードフレーム１００の凹部１１４（もしくは凹部１１４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化処理を行っておくことで、光の反射率が高められる。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１１４を形成する部分以上が望ましい。更に凹部１１４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ＬＥＤ１０８を覆う樹脂１１８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、熱膨張した際での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（つまり、金製ワイヤーが切断されにくくなる）。

なお、凹部１１４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１００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を低下させる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の加工が難しくなる場合がある。

なおレンズ１２０の大きさは図３（Ａ）に示すように凹部１１４の幅と同等、もしくはそれより大きくすることが望ましい。レンズ１２０の大きさを大きめにすることで、レンズ１２０を実装した時の遊び部分を大きくできるため、光学的な位置合わせを容易にできる。特にリードフレーム１００や金属板１１６を、後述する図６等で説明するように金型成型等の手法を用いて加工することで、互いに高精度なものを得ることができる。その結果、リードフレーム１００や金属板１１６の加工精度（特に凹部１１４の底部と、凸部１１２の平面との平行度）を高められる。またレンズ１２０を凹部１１４の上にセットしただけで、光軸を高精度に合わせられる。

なお凹部１１４の部分（あるいは凹部１１４に囲まれた部分）に実装する発光素子は、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が高められ、一つの凹部１１４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くすることができる。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、本実施の形態３における発光モジュールの構造の一例について、図４を用いて説明する。図４はＬＥＤを実装する凹部の形状を長丸（楕円、小判型等も含む）とした発光モジュールの上面図である。図４に示すように、凹部の形状を細長く広げることで、発光モジュールの小型化が可能になる。

図４において、リードフレーム１００ａ、１００ｂ、１００ｃは互いに絶縁されたリードフレームであり、点線１０６ｄに従って凹状に窪んでいる。そして凹部の底部にＬＥＤ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃと複数個のＬＥＤが実装されている。そして複数個のＬＥＤ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃから放射された光は、リードフレーム１００ａ、１００ｂ、１００ｃの壁面部（もしくは凹部１１４の内壁部）で反射される。

また図４における矢印１０４ｅ（図４においては一部のみを図示している）は、ＬＥＤ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃから発生した熱が伝わる様子を示す。図４に示すようにＬＥＤ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃから発生した熱は、リードフレーム１００ａ、１００ｂ、１００ｃを介して放熱できる。そのためＬＥＤ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃとして様々な大きさや消費電力のＬＥＤを選ぶことができる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４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５は実施の形態４におけるリードフレームの加工例を説明する斜視図である。図５（Ａ）において、リードフレーム１００ｄは加工前の状態である。こうしたリードフレームを所定の圧延装置（図示していない）を用いることで、図５（Ｂ）に示すように、厚肉部１１２、薄肉部１１０（リードフレーム１００ｄの厚みを薄肉部１１０にすることで、肉厚が薄い分だけよりファインパターンで打抜ける）を有するリードフレーム１００ｅとすることができる。そしてこれを所定形状に打抜いたり、プレスしたりすることで、所定のリードフレーム１００ｆを形成する。図５（Ｃ）に示すリードフレーム１００ｆにおいて、点線１０６ｅはリードフレームに形成された切断部、凹部１１４はリードフレーム１００ｆに形成された凹部である。リードフレーム１００ｄを加工する圧延装置、プレス装置等には市販の設備を用いることができる。

図６はリードフレームの断面形状を説明する図である。図６において、リードフレームの厚肉部１１２と薄肉部１１０の境目を点線１０６ｆ、１０６ｇ、１０６ｈで示している。そして厚肉部１１２と薄肉部１１０の角度をそれぞれ１０４ｆ、１０４ｇ、１０４ｈとしている。ここで１０４ｆ、１０４ｇ、１０４ｈの角度は０度以上４５度以下が望ましい。１０４ｆ、１０４ｇ、１０４ｈの角度を０度以下（つまりマイナス）にすることは加工が困難である。また４５度以上とした場合、厚肉部１１２と薄肉部１１０の加工が難しくなるためである。なお図６（Ａ）に示すようにリードフレーム１００の厚肉部を放熱樹脂１０２の内部に埋め込むことで、出来上がった発光モジュール表面の凹凸を防止できる。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５における発光モジュールの製造方法の一例について、図７〜図８を用いて説明する。

図７、図８は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７において、１２２ａ、１２２ｂは金型、１２４は汚れ防止フィルムである。まず所定の金属板（フープ材等）を、図５で示したように部分的に厚みを変化させ、プレス加工等を用いて所定形状に打抜く。

次に図７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１１６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１２２ａ、１２２ｂの間にセットする。次にプレス装置（図７には図示していない）によって、金型１２２ａ、１２２ｂを矢印１０４ｉの方向に動かすことによって、リードフレーム１００が放熱樹脂１０２に押し付けられ、そして所定温度で加熱硬化する。また図７に示すように、リードフレーム１００と、金型１２２ａの間に汚れ防止フィルム１２４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１２４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１２２ａ、１２２ｂを用いて、放熱樹脂１０２の中に押し付けた際、矢印１０４ｊで示すように空気を抜きやすくなり（汚れ防止フィルム１２４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１１６と放熱樹脂１０２の界面に、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の端部にバリ（図示していない）が発生する場合がある。こうした場合、バリ（図示していない）の方向は、リードフレーム１００に当接させる前記汚れ防止フィルム１２４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をプレス加工した際、バリが汚れ防止フィルム１２４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８は、プレス加工が終了した後の断面図である。図８に示すように、金型１２２ａ、１２２ｂを矢印１０４ｋ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８の状態では、まだＬＥＤ１０８等は実装されていない）。そして図８の発光モジュールに、ＬＥＤ１０８を実装し、更に樹脂１１８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。なおバリはプレス加工時に無くせるが、必要な場合、プレス加工後も残すことができる。

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、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。またＳｉＯ₂を用いると誘電率が小さくでき、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２０Ｗ／（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、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２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高くしようとした場合、フィラー量を増やす必要があり、プレス加工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０．１〜１００μｍであるが、粒径が小さいほど樹脂への充填率を向上できる。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の成形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（例えば埋め込んだ場合や、その表面に貼り付けた場合）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１１６に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧特性が低下するという問題となり、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に設定すれば良い。

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となる銅素材に銅以外の少なくとも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１１４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の実装後の信頼性評価時（発熱／冷却の繰り返し等による評価）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％の銅素材を用いた場合、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影響を与える可能性がある。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。

なおリードフレーム１００に使う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の加工性に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、実施の形態１で用いるようなＬＥＤ等の大電流用途には向かない場合がある。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（必要な角度まで曲げても圧力を除くと反力によって元の位置にはねかえってしまうこと）の発生を抑えられ、凹部１１４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を主体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。なおリードフレーム１００に使う銅合金の引張り強度は、１０Ｎ／ｍｍ²以上が望ましい。これは一般的な鉛フリー半田の引張り強度（３０〜７０Ｎ／ｍｍ²程度）に対して、リードフレーム１００に用いる銅合金はそれ以上の強度が必要なためである。リードフレーム１００に用いる銅合金の引張り強度が、１０Ｎ／ｍｍ²未満の場合、リードフレーム１００にＬＥＤ１０８や駆動用半導体部品、チップ部品等を半田付け実装する場合、半田部分ではなくてリードフレーム１００部分で凝集破壊する可能性がある。

なおリードフレーム１００の、放熱樹脂１０２から露出している面（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、ガラスエポキシ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に対する部品実装性を高められると共に、配線の錆び防止が可能となる。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。このように放熱樹脂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）に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。

金属板１１６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からできている。特に、本実施の形態では、金属板１１６の厚みを１ｍｍとしているが、その厚みはバックライト等の仕様に応じて設計できる（なお金属板１１６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１１６の厚みが５ｍｍを超えると、総重量が大きくなり、重量面で不利になる）。金属板１１６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２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、金属板１１６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近づけてマッチングさせることは信頼性を高める面においても重要となる。また金属板１１６は、他の放熱板（図示していない）にネジ止めできる。

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次元の凸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ＬＥＤ１０８を制御するには大電流（例えば３０Ａ〜１５０Ａ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、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難しくす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、ＬＥＤ１０８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。

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、プレス加工で凸形状に加工し、図７のようにして金属板１１６と、汚れ防止フィルム１２４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１１４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７〜図８に示すように、金属板１１６と汚れ防止フィルム１２４の間にセットし、表面に突起を有する金型１２２ａを用いてプレス加工しながら加熱し、樹脂硬化させた。こうして放熱樹脂１０２に凹部１１４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１００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（凹部状の３次元加工は行っていない、板厚は０．３ｍｍのもの）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７〜図８に示すようにして、リードフレーム１００の凹部１１４加工と、放熱樹脂１０２の成型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１１４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１１４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７、図８に示すように金型１２２ａ、１２２ｂで事前に成形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、銅箔に比べて肉厚で曲がりにくい）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次元的な加工等）に加工できる。そしてこうして予め加工成形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の形成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とを加熱プレス加工する時の温度プロファイルを工夫することで、放熱樹脂１０２が軟化（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の成形工程と、予め成形されたリードフレーム１００と放熱樹脂１０２との成形工程を、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が実装されたリードフレーム１００に凹部１１４が形成され、この凹部１１４の壁面に形成されるリードフレーム１００が、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１１４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１１６を予め凸部１１２に形成しておくことで、リードフレーム１００と金属板１１６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１１６への熱伝導性を高められることは言うまでもない。

以上のようにして、金属板１１６と、その上に形成された厚みの異なるリードフレーム１００とが、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とからなる絶縁層である放熱樹脂１０２によって固定され、前記リードフレーム１００の凹部に２個以上の発光素子が実装された発光モジュールを提供できる。

また金属板１１６と、少なくとも実装部の一部の厚みが厚いリードフレーム１００を無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とからなる絶縁層である放熱樹脂１０２によって固定し、前記リードフレーム１００の凹部１１４に２個以上のＬＥＤ１０８等の発光素子を実装することで発光モジュールを製造できる。

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、高演色化の用途にも適用できる。

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 発光モジュールの放熱メカニズムを説明する上面図及び断面図 実施の形態２における発光モジュールの断面図 ＬＥＤを実装する凹部の形状を長丸とした発光モジュールの上面図 実施の形態４におけるリードフレームの加工例を説明する斜視図 リードフレームの断面形状を説明する図 発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図 発光モジュールの製造方法の一例を示す断面図 従来の発光モジュールの一例を示す断面図

符号の説明

１００ リードフレーム
１０２ 放熱樹脂
１０４ 矢印
１０６ 点線
１０８ ＬＥＤ
１１０ 薄肉部
１１２ 厚肉部
１１４ 凹部
１１６ 金属板
１１８ 樹脂
１２０ レンズ
１２２ 金型
１２４ 汚れ防止フィルム

Claims (14)

1. 金属板と、
   その上に形成された厚みの異なるリードフレームとが、
   無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とからなる絶縁層によって固定され、
   前記リードフレームの凹部に２個以上の発光素子が実装された発光モジュール。
2. 金属板とリードフレームの間に形成された絶縁層の厚みは５０ミクロン以上５００ミクロン以下である請求項１記載の発光モジュール。
3. リードフレームと金属板の間の絶縁層の厚みのバラツキは２００ミクロン以下である請求項１記載の発光モジュール。
4. リードフレームは凹部を有し、前記凹部の側面面積の５０％以上９５％以下を前記リードフレームが占めることを特徴とする請求項１記載の発光モジュール。
5. 複数個の発光素子は、少なくとも１種類以上の異なる発光色を有する発光素子である請求項１記載の発光モジュール。
6. 複数個の発光素子の内、１個以上は発光色が白色である請求項１記載の発光モジュール。
7. リードフレームの厚みは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請求項１記載の発光モジュール。
8. 絶縁層の熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１に記載の発光モジュール。
9. 無機フィラーは、Ａｌ₂Ｏ₃、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を含む請求項１に記載の発光モジュール。
10. 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請求項１に記載の発光モジュール。
11. 絶縁層は白色である請求項１に記載の発光モジュール。
12. 凹部は底部に向かって狭くなる形状である請求項１に記載の発光モジュール。
13. リードフレームは、銅を主体とし、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請求項１記載の発光モジュール。
14. 金属板と、少なくとも実装部の一部の厚みが厚いリードフレームを無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物とからなる絶縁層によって固定し、前記リードフレームの凹部に２個以上の発光素子を実装する発光モジュールの製造方法。

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