JP2007180320A - 発光モジュールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤの放熱基板としてセラミック基板を用いた場合、セラミック基板の加工が難しかった。
【解決手段】金属板１１２の上に、凸部１１０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、前記リードフレーム１００に形成された凸部１１０をＬＥＤ１０８の光反射部及び放熱部分として兼用することで、発光モジュールの発光効率と放熱効率を高める。
【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８は、従来の発光モジュールの一例を示す断面図である。図８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８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８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８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、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、他の発光素子へ応用できることは言うまでもない。また１１０は凸部、１１２は金属板、１１４はヒートシンクである。そして実施の形態１では、金属板１１２の上に、放熱樹脂１０２を介して凸部１１０が形成されたリードフレーム１００が絶縁されて固定されることになる。そしてこのリードフレーム１００の凸部１１０がＬＥＤ１０８の反射ミラーを兼用する。

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の位置で折れ曲ることで、図１（Ｂ）に示すような凸部１１０を形成することを示している。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形成されている（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１０４における断面図に相当する。図１（Ｂ）において、リードフレーム１００の一部に凸部１１０が形成されている。そして図１（Ｂ）に示すように、金属板１１２の上に、前記リードフレーム１００が絶縁されて固定されることになる。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等から発生られる熱は、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。

このように図１（Ｂ）に示すように、リードフレーム１００と金属板１１２の凸状の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への熱拡散性が高められる。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等の放熱部分（放熱部分は図示していない）等へ拡散する。

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。また、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１１２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。

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（Ａ）はその上面図、図２（Ｂ）はその断面図であり、それぞれ図１（Ａ）、図１Ｂ）に対応するものである。

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１１２にも伝わる。そして金属板１１２の熱は、必要に応じてヒートシンク等（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１１０は、凸部１１０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。こうして凸部１１０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、効率的な発熱と熱拡散を可能とする。

更に図２（Ｂ）に示すように、実施の形態１では、凸部１１０をリードフレーム１００の一部にのみ形成することになり、凸部１１０が形成されていないリードフレーム１００と金属板１１２の間隔を狭めることができる。このため放熱樹脂１０２の厚みを薄く均一にでき、放熱効果を高められる。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、その熱伝導率が低い放熱樹脂１０２の影響を抑えやすい。

その結果、リードフレーム１００の上の、凸部１１０が反射ミラーとしてドーナツ状に加工部分に複数個の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。

次に複数個のＬＥＤ１０８を凸部１１０に囲まれた部分に実装する場合について説明する。複数個のＬＥＤ１０８を凸部１１０に囲まれた部分に実装することで、図１（Ａ）に示すようにリードフレーム１００を通じて複数個のＬＥＤ１０８に電流を供給できる。そして複数個のＬＥＤ１０８は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１（Ｂ）に示すように、リードフレーム１００による凸部１１０で囲まれた部分に行うことが望ましい。ＬＥＤ１０８を、凸部１１０で囲うことで、ＬＥＤ１０８の側面から放射される光を、前記凸部１１０の壁面を構成するリードフレーム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、複数の発光素子を凸部１１０で囲まれた部分のリードフレーム１００の上に実装し、凸部１１０をリードフレーム１００で形成することが望ましい。そしてリードフレーム１００を凸部１１０の側壁面にも広く形成する（望ましくは側壁面の５０％以上９５％以下）。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、短絡する可能性が高くなる。なお金属板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。

なお金属板１１２とリードフレーム１００（特に凸部１１０ではない部分のリードフレーム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１１２とリードフレーム１００の間の絶縁性を低下させる影響を与える場合がある。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１１２への熱伝導性を低下させる影響を与える場合がある。

また絶縁層の厚みバラツキ（特に金属板１１２と、凸部１１０ではない部分のリードフレーム１００との間の放熱樹脂１０２の厚みバラツキ、あるいは厚い部分と薄い部分の厚み差）は、２００ミクロン以下（更には１００ミクロン以下）が望ましい。なお図１（Ｂ）で示すように、実施の形態１では凸部１１０はリードフレーム１００側のみに形成しており、金属板１１２側には形成していない。このため金属板１１２としては肉厚な（肉厚な分だけ加工しにくいが、放熱性に優れた）部材を使うことができる。なおリードフレーム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への熱伝導性を低下させる影響を与える可能性がある。

なお凸部１１０の断面形状は、台形が望ましい。断面形状を台形とし、更に凸部１１０を、ＬＥＤ１０８の周囲を囲むドーナツ状とすることで、底部に向かって狭くなる形状が形成でき、光の反射効率を高めるためである。また凸部１１０の側面を放射状や二次曲線、三次曲線等とすることで、光の反射方向を最適化設計できることは言うまでもない。

（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、１１６は樹脂、１１８はレンズである。図３（Ａ）は、樹脂１１６をレンズ状に加工した場合、図３（Ｂ）は樹脂１１６の上にレンズ１１８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の凸部１１０（もしくは凸部１１０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の凸部１１０を形成する部分以上の広い領域が望ましい。更に、凸部１１０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１１６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、凸部１１０を形成する光反射面側面（つまり凸部１１０のＬＥＤ１０８側の側面）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１１８の大きさは図３（Ｂ）に示すように凸部１１０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、後述する図５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、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の加工精度を高められ、レンズ１１８を凸部１１０の上にセットしただけで、光軸を高精度に合わせられる。

なお凸部１１０の部分（あるいは凸部１１０に囲まれた部分）に実装する発光素子は、少なくと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を高められ、一つの凸部１１０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構造の一例について、図４を用いて説明する。図４はＬＥＤを囲む凸部の形状を長丸（楕円、小判型等も含む）のドーナツ状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、凸部の形状を細長いドーナツ状とすることで、発光モジュールの小型化と同時にＬＥＤ１０８の実装個数や実装密度を高められる。

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状態で加工されたリードフレームであり、点線１０６ａに従って凸状に盛り上がっている。そして凸部１１０で囲まれた部分にＬＥＤ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃの複数個の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の凸部１１０の壁面部分（図４の点線１０６ａで囲まれたドーナツ状の部分）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ものである。このようにＬＥＤ１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃから発生した熱は、図４や図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示したように、リードフレーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃを介して放熱できる。このようにしてＬＥＤ１０８の実行個数を増加することで、発光モジュールの輝度を高められる。

（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、図５〜図７を用いて説明する。

図５は、リードフレーム１００ｄの一部を凸状に加工する様子を説明する断面図であり、１２０はバリであり、リードフレーム１００ｄを凸状に加工時に発生したものである。図５（Ａ）におけるリードフレーム１００ｄは加工前であり、図５（Ｂ）におけるリードフレーム１００ｅは加工後である。このようにして、一定の厚みのリードフレーム１００ｄを用い、これをプレス加工等によって、その一部に凸部１１０を精度良く安価に形成できる。

図６、図７は発光モジュールの成型方法の一例を示す断面図である。図６において、１２２ａ，１２２ｂは金型、１２４は汚れ防止フィルムである。まず所定の金属板を、プレス加工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１２０が発生する場合もある。次に図６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１２２ａ，１２２ｂの間にセットする。次にプレス装置（図６には図示していない）によって、金型１２２ａ，１２２ｂを矢印１０４ｆ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６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１１２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の端部に発生するバリ１２０の方向は、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をプレスした際、バリ１２０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７は、プレス加工が終了した後の断面図である。図７に示すように、金型１２２ａ，１２２ｂ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７の状態では、まだＬＥＤ１０８等は実装されていない）。そして図７の発光モジュールに、ＬＥＤ１０８を実装し、更に樹脂１１６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１２０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を用いると誘電率を小さくでき、ＢＮを用いると線熱膨張係数を小さくできる。こうして絶縁層としての熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上で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ある。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１１２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凸部１１０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、本実施の形態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、凸部１１０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。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６、図７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、熱容量が大きくなり、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８×１０^-6／℃〜２０×１０^-6／℃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高める面においても重要となる。また金属板１１２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６のようにして金属板１１２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。

一方、実施の形態３の場合、図６、図７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、銅箔に比べて厚肉で曲がりにくい）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）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に凸部１１０が形成され、この凸部１１０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凸部１１０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、凸部１１０を予めリードフレーム１００側に形成することで、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、金属板１１２と、前記金属板１１２の上に、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と、前記絶縁層である放熱樹脂１０２を介して固定された、少なくとも一部に凸部１１０が形成された銅を主体とするリードフレームとからなり、前記リードフレーム１００上に実装されたＬＥＤ１０８等の発光素子の発光の一部を前記凸部１１０が反射する発光モジュールを提供できる。

また金属板１１２と、少なくとも一部が凸状に加工された凸部１１０を有するリードフレーム１００とを、途中に前記放熱樹脂１０２を挟んで状態でセットし、少なくとも前記リードフレーム１００と金型１２２の間に汚れ防止フィルム１２４を挿入した状態で、プレス加工して前記放熱樹脂１０２を硬化し、前記金属板１１２と前記リードフレーム１００を固定した後、前記リードフレーム１００に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する。

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 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 実施の形態２における発光モジュールの断面図 ＬＥＤを囲む凸部の形状を長丸のドーナツ状とした発光モジュールの上面図 金属板の一部を凸状に加工する様子を説明する断面図 発光モジュールの成型方法の一例を示す断面図 発光モジュールの成型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 凸部
１１２ 金属板
１１４ ヒートシンク
１１６ 樹脂
１１８ レンズ
１２０ バリ
１２２ 金型
１２４ 汚れ防止フィルム

Claims (14)

1. 金属板と、
   前記金属板の上に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と、前記絶縁層を介して固定された、少なくとも一部に凸部が形成された銅を主体とするリードフレームとからなり、
   前記リードフレームに実装された発光素子の発光の一部を前記凸部が反射する発光モジュール。
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、凸部を形成する側面の５０％以上９５％以下の面積を占めることを特徴とする請求項１に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２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凸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. 凸部の断面は、台形である請求項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、少なくともその一部が凸状に加工されたリードフレームとを、途中に絶縁樹脂で挟んだ状態でセットし、
    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、プレスして前記絶縁樹脂を硬化し、前記金属板と前記リードフレームを固定した後、前記リードフレームに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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