JP2007194517A - 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】一部が凹状に成型されたリードフレーム１００の一部を光反射材１０４で覆い、発光素子１０８を実装し、前記リードフレーム１００は導熱樹脂１０２を介して、一部が窪んだ金属板１１２と互いに位置合わせして一体化成型することで、発光素子１０８から発せられる光は、光反射材１０４や後付可能な光反射リング１１４で反射され、発光素子１０８から発生する熱はリードフレーム１００から導熱樹脂１０２を介して金属板１１２に伝えることで、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。しかしセラミック素子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部分の温度の上昇（例えば、４０℃→５０℃→６０℃）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が一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（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、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、リードフレームと絶縁体と光反射材と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、放熱性の高いリードフレームの上に直接実装し、発光素子の光はリング状の反射リング等で前方反射させる一方、前記発光素子で発生した熱はリードフレームから導熱樹脂を介して、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）、図１（Ｃ）は、それぞれ図１（Ａ）の任意の部分での断面図である。図１において、１００は所定形状にパターニングされたリードフレームであり、その一部は凹状に加工されている。１０２は導熱樹脂、１０４は光反射材、１０６は補助線、１０８は発光素子であり、発光素子１０８はＬＥＤやレーザー等の発光素子である。また１１０は矢印、１１２は金属板であり、その一部は凹状に窪んでいる。１１４は反射リングであり、光反射材１０４や、他の部材（例えばアルミナ焼結体等）で形成されている。そして実施の形態１では、一部が窪んだ金属板１１２の上に、導熱樹脂１０２を介して、予めその一部に凹部が形成され、光反射材１０４によって固定されたリードフレーム１００が絶縁された状態で固定される。そしてこのリードフレーム１００の凹部の光反射材１０４で囲まれた部分に発光素子１０８が実装される。

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、導熱樹脂１０２を介して互いに絶縁されている。また補助線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）の補助線１０６の位置で折れ曲がることで、図１（Ｂ）や図１（Ｃ）に示すような凹部を形成することを示している。そして発光素子１０８は、複数のリードフレーム１００の上に跨るように形成されている（なお発光素子１０８は、必ずしも跨って実装される必要はない）。なお発光素子１０８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。

なお複数のリードフレーム１００の発光素子１０８が実装される部分は、導熱樹脂１０２の代わりに、光反射材１０４で固定されている。またリードフレーム１００の発光素子１０８が実装された部分の周囲は、光反射材１０４からなるリング状の反射リング１１４で囲まれており、発光素子１０８から発せられた光は、前記リング状の反射リング１１４で前方に反射され、その発光効率を高める。

次に図１（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の任意の位置における断面図に相当する。図１（Ｂ）において、金属板１１２の一部が凹状に窪んでいることが判る。そしてこの窪みの中に、一部が凹状に加工されたリードフレーム１００がはめ込まれることになる。そしてリードフレーム１００の一部は、光反射材１０４によって固定されると共に、前記リードフレームの表面にリング状の反射リング１１４が固定されている。そして、発光素子１０８から発せられた光は、矢印１１０で示すように反射リング１１４で前方に反射され、発光モジュールの発光効率を高める。

また図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）と同様に図１（Ａ）の任意の位置における断面図に相応する。図１（Ｃ）に示すように、発光素子１０８から発せられた光は、矢印１１０で示すように光反射材１０４で形成された反射リング１１４で反射される。図１（Ｃ）に示すように、リードフレーム１００の間にも光反射材１０４を形成することで、発光素子１０８の近傍での光反射率を高めることができる。このため一つ一つが異なる発光色を有する発光素子を複数個、リング状の反射リング１１４で囲まれた枠内に実装した時でも、その混色（あるいは混色による白色の形成）を容易にできる。

図１（Ｂ）、図１（Ｃ）で示すように、リードフレーム１００の窪みと、金属板１１２の窪みの形状を合わせることで、リードフレーム１００と金属板１１２の間を絶縁する導熱樹脂１０２の厚みを全体にわたって薄くできるため、リードフレーム１００から金属板１１２への熱が拡散しやすくなる。

次に図２を用いて、更に詳しく説明する。図２はリードフレームの形状を示す図であり、図１からリング状の反射リング１１４や発光素子１０８を除去したものに相当する。図２より、リードフレーム１００は、リング状の光反射材１０４（あるいは反射リング１１４）の下にも形成されていることが判る。またリードフレーム１００の先端部（もしくは発光素子１０８が実装される部分近辺）は、光反射材１０４で固定されていることがわかる（なお、図２において発光素子１０８は図示していない）。図２に示すように、リードフレーム１００の間にも光反射材１０４を形成することで、発光素子１０８の近傍での光反射率を高めることができる。なお発光素子１０８が実装されたリードフレーム１００の直下（リードフレーム１００と導熱樹脂１０２の間）には光反射材１０４を形成する必要はない。これは光反射材１０４によって、リードフレーム１００から導熱樹脂１０２への熱拡散への影響を防止するためである。このため一つ一つが異なる発光色を有する発光素子を複数個、リング状の光反射材１０４で囲まれた面積内に実装した時でも、その混色（あるいは混色による白色の形成）を容易にできる。

次に図３を用いて、発光素子１０８で発生した熱が拡散する様子を示す。図３は熱が拡散する様子を示す図であり、図１（Ａ）から、発光素子１０８を省いたものである。図３（Ａ）において、矢印１１０ａは、発光素子１０８（図３（Ａ）では図示していない）の熱の伝わる方向を示す矢印である。図３（Ａ）より、発光素子１０８（図３（Ａ）では図示していない）で発生した熱は、リードフレーム１００に沿って、矢印１１０ａの方向に拡散することが判る。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の断面における熱の拡散の様子を示す断面図である。図３において、発光素子１０８に発生した熱は、一部が凹部状に加工されたリードフレーム１００を矢印１１０ｂの方向に、リードフレーム１００の形状に沿って拡散することが判る。

図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の断面における熱の拡散の様子を示す断面図である。図３（Ｃ）に示すように、リードフレーム１００に伝わった熱は、矢印１１０ｃが示すように、導熱樹脂１０２を介して、一部が凹状に窪んだ金属板１１２に拡散することが判る。また図３（Ｃ）に示すように、リードフレーム１００の断面形状と、金属板１１２の断面形状を揃えることで、その間の導熱樹脂１０２の薄層化、均一化が可能となり、放熱効果を高められる。

なお導熱樹脂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（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、また１００ミクロンを超えると導熱樹脂１０２の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える）。そのため導熱樹脂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から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、導熱樹脂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。導熱樹脂１０２の厚みは、薄くすれば、リードフレーム１００に装着した発光素子１０８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１０００ミクロン以下に設定すれば良い。

このように、実施の形態１では、導熱樹脂１０２としては熱伝導性の良いフィラーを、光反射材１０４には光反射性の優れたフィラーをそれぞれ添加することで、熱伝導性や光反射性（あるいは異なる単色光同士の混合による白色光の形成）を高めることになる。

なお、導熱樹脂１０２の色は、白色が望ましい。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。

なお反射リング１１４は、リング状（あるいはドーナツ状に）として、リードフレーム１００が形成する凹部全体を覆っても良い。また反射リング１１４の側面の形状は、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。また反射リング１１４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製造方法の一例について、図４〜図５を用いて説明する。図４〜図５は、実施の形態２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り、１１６は透明樹脂、１１８はレンズである。

図４（Ａ）は、リードフレーム１００の断面であり、リードフレーム１００の一部は、金型等で発光素子の実装部等がファインパターンに打抜かれている。図４（Ｂ）は、リードフレーム１００の一部を、光反射材１０４で固定した様子を示す断面図である。リードフレーム１００の一部を、光反射材１０４で固定することで、リードフレームの変形を防止できる。なお光反射材１０４としては、ＬＥＤチップ等の製造に使われる白色の樹脂を主体とした（必要に応じて白色顔料を添加した）樹脂材料を用いることができる。こうした部材は、射出成型できるため、リードフレーム１００の固定と同時に、リードフレーム１００の上に反射リング１１４を同時に形成できる。次に導熱樹脂１０２を用いて、光反射材１０４が形成されたリードフレーム１００と、金属板１１２を一体化成型する。なおこの一体化において、金型を使ったプレス装置を使うことができる。また例えば８０℃〜２００℃の範囲の任意の温度、例えば１８０℃等で加熱することで、導熱樹脂１０２を硬化する。

図４（Ｃ）は、導熱樹脂１０２によって、光反射材１０４が成型されたリードフレーム１００と金属板１１２が導熱樹脂１０２で固定された後の断面図である。そして図４（Ｃ）に示すように、発光素子１０８を矢印１１０の方向に実装する。なおここで発光素子１０８の実装は、半田実装、ワイヤーボンダーを使った実装、フリップチップ実装等、実装方法は任意のものを選ぶことができる。その後、図４（Ｄ）に示すように、反射リング１１４を矢印１１０の方向に実装する。反射リング１１４の実装を、発光素子１０８の後にすることで、反射リング１１４が実装時の邪魔にならない。

次に反射リング１１４で囲われた部分に、透明樹脂１１６ａを流し込み、硬化させる。なお図５（Ａ）に示すように透明樹脂１１６ａは、反射リング１１４で囲まれた部分を適当に埋めればよい。また必要に応じて、反射リング１１４で囲まれた部分全体を透明樹脂１１６ａで覆うことができる。この場合、図５（Ｂ）に示すように、反射リング１１４から溢れた透明樹脂１１６ｃを、反射リング１１４とリードフレーム１００との隙間で受け止めるような構造とすることが望ましい。こうして工程の安定化が可能となる。

図５（Ｃ）は、透明樹脂１１６ｂの上にレンズ１１８をセットした状態を示す断面図である。このように溢れた透明樹脂１１６ｃを、反射リング１１４の外で受け止めることで、レンズ１１８の実装性への影響を防止できる。

次に図６を用いて更に詳しく説明する。図６は光反射リングの斜視図である。なお図６において光反射リングの中に実装された発光素子１０８や、リードフレーム１００は図示していない。１２０は溝部、１２２は突起部である。

図６（Ａ）に示すように、光反射リング１１８の一部に、溝部１２０を形成しておくことで、透明樹脂１１６を矢印１１０ａのようにディスペンサー等を用いて投入した場合、余分な透明樹脂１１６を、矢印１１０ｂに示すようにして外部（図５（Ｂ）、図５（Ｃ）で説明した部分）に溜めることができる。

また図６（Ｂ）に示すように、光反射リング１１８の一部に突起部１２２を形成することで、レンズ１１８を矢印１１０ｃのようにセットする場合での、位置合わせを確実にできる。なお必要に応じてレンズ１１８に突起部１２２に対応する凹部（図示していない）を形成することができる。

なお発光素子１０８を覆う透明樹脂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（柔軟性を有する）樹脂材料を用いることで、発光素子１０８が発熱し、熱膨張した際での発光素子１０８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、発光素子１０８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）。

なお発光モジュール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発光素子１０８を使うことで演色性を高められ、一つの光反射材で囲まれた領域内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１０８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（あるいは影響の程度が異なる）発光素子１０８であっても、温度影響を受けにくい。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を介して個別に発光素子１０８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、本発明の実施の形態３における発光モジュールの他の製造方法の一例について、図７を用いて説明する。図７は実施の形態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。実施の形態２と実施の形態３の違いは、リードフレーム１００の上下及びその側面を光反射材１０４が覆うこと（実施の形態３に相当）と、リードフレーム１００の上部及びその側面を光反射材１０４で覆うこと（実施の形態２に相当）である。実施の形態３に示すように、リードフレーム１００の上下及びその側面も光反射材１０４で覆うことで、リードフレーム１００の変形を防止すると共に、リードフレーム１００と金属板１１２のショートを防止できる。これはリードフレーム１００と金属板１１２の間が、光反射材１０４と導熱樹脂１０２の多層によって絶縁されるためである。

図７（Ａ）はリードフレーム１００の断面図である。このようにリードフレーム１００を平面状とすることで、プレス等による微細加工（あるい微細打抜き）が容易となる。次に図７（Ｂ）に示すように、リードフレーム１００の裏表を光反射材１０４によって固定する。この工程において、射出成型等の手法を用いることができる。こうしてリードフレーム１００の変形を防止できる。また同時に反射リング１１４も成型できる。次に図７（Ｂ）に示すようにリードフレームの一部を曲げる。そして導熱樹脂１０２を用いて金属板１１２と一体化する。この一体化成型において熱プレス等を用いることができる。なお発光素子１０８が実装されるリードフレーム１００の直下では、リードフレーム１００と導熱樹脂１０２の間に光反射材１０４を形成しない（あるいはわざとその部分を避けて、発光素子１０８から離れた部分で、リードフレーム１００と導熱樹脂１０２の間に光反射材１０４を形成することで）ことで、光反射材１０４による熱拡散への影響を抑えられる。

なお光反射材１０４で固定されたリードフレーム１００と、導熱樹脂１０２ａの一体化は、まず導熱樹脂１０２ａとリードフレーム１００を予備成型（あるいはプレゲル、プリゲル成型）した後で、図７（Ｃ）に示すように金属板１１２を矢印１１０の方向にプレスし、加熱硬化させてもよい。なお図７（Ｃ）に示すように成型する場合、金属板１１２と導熱樹脂１０２ａの間でのボイド（ボイドとは、密着不足等が原因で発生する空気層のこと）発生を防止するため、例えば導熱樹脂１０２ａの中央部を厚くしたり、蒲鉾状にしたりして、空気残りを防止する。

次に図７（Ｄ）に示すように、発光素子１０８を実装した後、矢印１１０に示すように反射リング１１４を実装する。なお反射リング１１４に突起部１２２等を形成しておくことで、反射リング１１４を、リードフレーム１００や導熱樹脂１０２へ仮固定できる（なおその後、透明樹脂１１６で保護できる）。

（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、図８を用いて説明する。

図８は光反射樹脂の形状を利用して、導熱樹脂の厚み制御を行う一例を示す断面図である。

図８（Ａ）は、リードフレーム１００に形成する光反射材１０４の形状の一例を示す断面図であり、光反射材１０４の下部は、リードフレーム１００から下に露出して、金属板１１２を嵌め込む（更には金属板１１２とリードフレーム１００の間に充填される導熱樹脂１０２の厚みを制御する）スペーサ部１２４となる。

図８（Ｂ）は、光反射材１０４とリードフレーム１００が一体化された様子を示す断面図である。図８（Ｃ）は、導熱樹脂１０２を用いて、リードフレーム１００と金属板１１２を一体化する様子を示す断面図である。矢印１１０で示す方向に、金型（図示していない）を用いて光反射材１０４が成型されたリードフレーム１００と、金属板１１２を導熱樹脂１０２によって一体化成型する。

図８（Ｄ）は一体化成型された後の断面図であり、光反射材１０４によって形成されたスペーサ部１２４によって、金属板１１２とリードフレーム１００隙間が一定となり、その間に導熱樹脂１０２が充填される。このように導熱樹脂１０２の充填を、金属板１１２とスペーサ部１２４の間に行うことで、金属板１１２とリードフレーム１００の間の導熱樹脂１０２の薄層化や均一化が可能となり、金属板１１２への熱伝導の効率を高めることができる。

その後、図８（Ｅ）に示すように発光素子１０８を実装した後、矢印１１０に示すように、反射リング１１４を実装する。

なお光反射材１０４の一部を、リードフレーム１００の側面のみならず裏面にも（つまりリードフレーム１００と導熱樹脂１０２の間にも）形成することで、リードフレーム１００の固定を確実化できると共に、リードフレーム１００と金属板１１２のショートを防止できるため、導熱樹脂１０２の薄層化が可能となる。

このように光反射材１０４の一部を、リードフレーム１００と金属板１１２の隙間を保持するスペーサとして形成することで、リードフレーム１００と金属板１１２の間の導熱樹脂１０２の成型精度を高めると共に、導熱樹脂１０２の細部や隙間への回りこみを確実にすることができる。

次に、絶縁材料について更に詳しく説明する。導熱樹脂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、ＳｉＯ_２、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ＳｉＯ_２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。こうして導熱樹脂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に影響を与える。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、プレス時の加工性に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。そのため導熱樹脂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から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、導熱樹脂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、未硬化前の導熱樹脂１０２の成型性に影響を与える場合があり、導熱樹脂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）に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。

なお導熱樹脂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に装着した発光素子１０８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、発光素子１０８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％の銅系の材料を用いた場合、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％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に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、導電率への影響の可能性がある。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はねかえってしまうこと）の発生を抑えられ、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に発光素子１０８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、導熱樹脂１０２から露出している面（発光素子１０８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の大きく半田付けしにくい、リードフレーム１００へ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の導熱樹脂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。このように導熱樹脂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と導熱樹脂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５０ｍｍ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８×１０^-6／℃〜２０×１０^-6／℃としており、金属板１１２や発光素子１０８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マッチングさせることは信頼性的にも重要となる。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、プレスによる打ち抜き時にパターンの微細化が影響を受ける場合がある。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。

更に導熱樹脂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、導熱樹脂が軟化（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の成型工程と、予め成型されたリードフレーム１００と導熱樹脂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１００を使った発光モジュールを安価に形成できる。

こうして一部が窪んだ金属板１１２と、前記金属板１１２の上の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導熱樹脂１０２と、前記導熱樹脂１０２を介して固定された、一部が凹状に加工され、前記凹部の一部が光反射材１０４で固定された銅を主体とするリードフレーム１００と、反射リング１１４と、からなり、前記リードフレーム１００の凹部内に実装された発光素子１０８の発光の一部を、前記反射リング１１４で前方に反射させる構造を有する発光モジュールを提供する。

一部が窪んだ金属板１１２と、前記金属板１１２の上の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導熱樹脂１１４と、前記導熱樹脂１１４を介して固定された、一部が凹状に加工され、前記凹部の一部が光反射材１０４で固定された銅を主体とするリードフレーム１００と、反射リング１１４と、前記反射リング１１４で囲まれた中の前記リードフレーム１００上に実装された発光素子１０８と、前記発光素子１０８を覆う透明樹脂１１６と、からなり、前記透明樹脂１１６の一部は、前記反射リング１１４と前記リードフレーム１００との間に溜まる構造を有している発光モジュールを提供する。

また一部が凹状に加工され、更に部分的に光反射材で固定されたリードフレーム１００と、一部が窪んだ金属板１１２の間に、絶縁樹脂である導熱樹脂１０２を挟んだ状態で、前記導熱樹脂１０２を熱硬化し、前記金属板１１２と、前記光反射材１０４で固定された前記リードフレーム１００を一体化した後、前記凹状の前記リードフレーム１００に発光素子１０８と反射リング１１４を実装することで発光モジュールを製造する。

同様に一部が凹状に加工され、更に部分的に光反射材で固定されたリードフレーム１００と、一部が窪んだ金属板１１２の間に、絶縁樹脂である導熱樹脂１０２を挟んだ状態で、前記導熱樹脂１０２を硬化し、前記金属板１１２と、前記光反射材１０４で固定された前記リードフレーム１００を一体化した後、前記凹状の前記リードフレーム１００に発光素子１０４と反射リング１１４を実装し、透明樹脂１１６で覆うことで発光モジュールを製造できる。

なお光反射材１０４としては、ＴｉＯ_２やＭｇＯ等の白色セラミック粉、あるいはガラス粉、マイクロガラスビーズ等の光反射の高い光反射粉を耐熱性の高い熱可塑性の樹脂中に分散させたものを使うことができる。こうした部材としては表面実装用のＬＥＤ用に様々なものが市販されており、こうした部材を使うことができる。またこうした市販の光反射材１０４を、リードフレーム１００との成型方法としては射出成型等の量産性の高いものを選ぶことができる。なお光反射材１０４の可視光領域における光反射率は９０％以上９９．９％以下が望ましい。光反射率が９０％未満の場合、反射リング１１４での反射効率に影響を与える。また光反射率を９９．９％より高くしようとすると、光反射材１０４がとても高価なものとなる可能性がある。また光反射材１０４は白色が望ましい。白色にすることで、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ等の単色光の混色を容易にする。

また発光素子１０８は、光反射材１０４で囲まれた面積内でリードフレーム上に実装され、更に透明樹脂１１６ｂ等で覆うことで、発光素子１０８を保護できると共に、複数個の発光素子１０８の高密度ベア実装が可能となる。また複数個の発光素子１０８を高密度に実装することで、混色による白色を均一化しやすくなる。

また反射リング１１４は、光反射材１０４で形成しても良いし、他の部材（アルミナの焼結体等）で形成してもよい。また反射リング１１４は、発光素子１０８を実装した後で（後付けすることで）実装することで、発光素子１０８の高密度実装の邪魔にならない。

またこの場合、複数個の発光素子１０８の内、１個以上は発色光が白色とすることで、混色を容易にする効果が得られる。

なお、光反射材１０４として、例えばポリカーボネート樹脂に白色顔料を分散したものを使って、射出成型することができる。特にポリカーボネート樹脂の場合、射出成型する前に、充分乾燥させることが望ましい。これはポリカーボネート樹脂が親水性樹脂であり、空気中の水分を吸収しているためである。そのため、乾燥することなく、射出成型を行うと、成型中に樹脂の加水分解反応が発生し、樹脂の分子量が低下して成型体の品質に影響を与える場合がある。そのため乾燥は、１００℃以上（望ましくは１１０℃〜１３０℃で、４〜６時間行うことが望ましい）で行うことが望ましい。また成型温度２５０℃〜３００℃の範囲が、金型温度は５０℃〜１２０℃の間が望ましい。この範囲より温度が低い場合は、成形性に影響を与える場合がある。また成型温度がこの範囲より高い場合、成形性や成型体の樹脂の物性に影響を与える場合がある。

光反射材１０４用の樹脂としては、他にＰＰＳや液晶ポリマーを選ぶことができる。こうした樹脂（例えば液晶ポリマー）の場合、射出温度は３４０℃前後（望ましくは２７０℃以上３８０℃以下が望ましい。この温度域未満は射出成型性に影響を与える場合があり、この温度域より高い場合樹脂に影響を与える場合がある）が望ましい。また同様に金型を１００℃前後（望ましくは５０℃以上１３０℃以下、この温度域より低い場合は成形性に影響を与える場合がある。またこの温度域より高い場合も同様である）に加熱することが望ましい。またここに添加する白色顔料としては、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等を用いることができる。なおこれら顔料の粒径は１０ミクロン以下０．０１ミクロン以上（望ましくは５ミクロン以下０．１ミクロン以上）が望ましい。１０ミクロンより大きい場合、成形性に影響を与える場合がある。また粒径が０．０１ミクロン未満の場合、粉体の比表面積が大きくなりすぎ、射出成型時の流動性に影響を与える場合がある。

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 リードフレームの形状を示す図 熱が拡散する様子を示す図 実施の形態２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 実施の形態２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 光反射リングの斜視図 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 光反射樹脂の形状を利用して、導熱樹脂の厚み制御を行う一例を示す断面図 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 導熱樹脂
１０４ 光反射材
１０６ 補助線
１０８ 発光素子
１１０ 矢印
１１２ 金属板
１１４ 反射リング
１１６ 透明樹脂
１１８ レンズ
１２０ 溝部
１２２ 突起部
１２４ スペーサ部

Claims (18)

1. 一部が窪んだ金属板と、
   前記金属板の上の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、一部が凹状に加工され、前記凹部の一部が光反射材で固定された銅を主体とするリードフレームと、
   反射リングと、からなり、
   前記リードフレームの凹部内に実装された発光素子の発光の一部を、前記反射リングで前方に反射させる構造を有する発光モジュール。
2. 一部が窪んだ金属板と、
   前記金属板の上の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、一部が凹状に加工され、前記凹部の一部が光反射材で固定された銅を主体とするリードフレームと、
   反射リングと、
   前記反射リングで囲まれた中の前記リードフレーム上に実装された発光素子と、前記発光素子を覆う樹脂と、からなり、
   前記樹脂の一部は、前記反射リングと前記リードフレームとの間に溜まる構造を有している発光モジュール。
3. 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もしくは請求項２のいずれかに記載の発光モジュール。
4. 光反射材は、光反射粉が樹脂中に分散されてなる可視光領域における光反射率が９０％以上９９．９％以下である請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の発光モジュール。
5. 発光素子は、光反射材で囲まれた面積内でリードフレーム上に実装され、更に樹脂で保護されている請求項１記載の発光モジュール。
6. 一つ一つが異なる発光色を有する発光素子が複数個、リング状の反射材で囲まれた面積内に実装されている請求項１もしくは請求項２のいずれか一つに記載の発光モジュール。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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もしくは請求項２に記載の発光モジュール。
11. 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もしくは請求項２に記載の発光モジュール。
12. 絶縁層は白色である請求項１もしくは請求項２に記載の発光モジュール。
13. 反射材は白色である請求項１もしくは請求項２に記載の発光モジュール。
14. 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を用いる請求項１もしくは請求項２記載の発光モジュール。
15. 光反射材の一部は、リードフレーム同士の隙間と、リードフレームと絶縁層の間で発光素子の直下を避けた位置にも、形成されている請求項１もしくは請求項２記載の発光モジュール。
16. 光反射材の一部は、リードフレームと金属板の間の隙間を保持するスペーサを形成する請求項１もしくは請求項２記載の発光モジュール。
17. 一部が凹状に加工され、更に部分的に光反射材で固定されたリードフレームと、一部が窪んだ金属板の間に、
    絶縁樹脂を挟んだ状態で、前記絶縁樹脂を熱硬化し、
    前記金属板と、前記光反射材で固定された前記リードフレームを一体化した後、
    前記凹状の前記リードフレームに発光素子と反射リングを実装する発光モジュールの製造方法。
18. 一部が凹状に加工され、更に部分的に光反射材で固定されたリードフレームと、一部が窪んだ金属板の間に、
    絶縁樹脂を挟んだ状態で、前記絶縁樹脂を硬化し、
    前記金属板と、前記光反射材で固定された前記リードフレームを一体化した後、
    前記凹状の前記リードフレームに発光素子と反射リングを実装し、透明樹脂で覆う発光モジュールの製造方法。

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