JP2007250899A - 発光モジュールとこれを用いた表示装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び高光束化が可能な上、発光素子から発せられた熱を効率良く放熱することができる発光モジュールと、これを用いた表示装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】実装基板(10)と、実装基板(10)上に実装された発光素子ユニット(12)とを含み、実装基板(10)は、基材(14)と、基材(14)上に形成されたバリスタ層(15)と、バリスタ層(15)を貫通して設けられた複数のサーマルビア(16)とを含み、発光素子ユニット(12)は、直列接続された複数の発光素子(11)を含み、かつ、その両端が、異なる導体層(18)のそれぞれと電気的に接続されており、サーマルビア(16)のそれぞれは、発光素子(11)の裏面(11b)に接触するように配置されており、サーマルビア(16)と導体層(18)とは、電気的に絶縁されている発光モジュール(1)とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発光素子を含む発光モジュールと、これを用いた表示装置及び照明装置に関する。

従来から、Light Emitting Diode（以下、「ＬＥＤ」と称する。）等の発光素子を用いた発光デバイスについて研究が進められている。例えば、特許文献１には、デバイス用基板内にバリスタ機能を有する層（バリスタ層）を設けた発光デバイスが提案されている。特許文献１に記載の発光デバイスによれば、ツェナーダイオード等の静電気対策部材を別途設ける必要がなくなるため、小型化及び高光束化が可能となる
特開２００５−２４４２２０号公報

しかし、上記バリスタ層は放熱性の低い材料を含むため、特許文献１の発光デバイスを照明光源として使用すると、ＬＥＤから発せられた熱によって耐久性が劣化するおそれがある。特に、複数のＬＥＤを用いた発光モジュールでは、ＬＥＤの発熱による熱劣化が顕著なため、放熱対策が望まれている。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、小型化及び高光束化が可能な上、発光素子から発せられた熱を効率良く放熱することができる発光モジュールと、これを用いた表示装置及び照明装置を提供する。

本発明の発光モジュールは、実装基板と、前記実装基板上に実装された発光素子ユニットとを含む発光モジュールであって、
前記実装基板は、基材と、前記基材上に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層を貫通して設けられた複数のサーマルビアとを含み、
前記バリスタ層は、誘電体層と、前記誘電体層内に設けられた、少なくとも１対の導体層とを含み、
前記１対の導体層は、互いの少なくとも一部が対向するように配置されており、
前記発光素子ユニットは、直列接続された複数の発光素子を含み、かつ、その両端が、異なる前記導体層のそれぞれと電気的に接続されており、
それぞれの前記発光素子は、その光取り出し側の主面に設けられた電極と、前記電極に接続するワイヤとを介して前記実装基板に実装されており、
前記サーマルビアのそれぞれは、前記発光素子の前記主面とは反対側に位置する裏面に接触するように配置されており、
前記サーマルビアと前記導体層とは、電気的に絶縁されていることを特徴とする。

本発明の表示装置及び照明装置は、いずれも上記本発明の発光モジュールを光源とする。

本発明の発光モジュール、表示装置及び照明装置によれば、実装基板がバリスタ層を含むため、小型化及び高光束化が可能な上、発光素子の裏面と接触し、かつバリスタ層を貫通して設けられたサーマルビアを含むため、発光素子から発せられた熱を効率良く放熱することができる。

本発明の発光モジュールは、実装基板と、この実装基板上に実装された発光素子ユニットとを含む。そして、上記実装基板は、基材と、この基材上に形成されたバリスタ層と、このバリスタ層を貫通して設けられた複数のサーマルビアとを含み、上記バリスタ層は、誘電体層と、この誘電体層内に設けられた、少なくとも１対の導体層とを含む。本発明の発光モジュールでは、実装基板がバリスタ層を含むため、小型化及び高光束化が可能となる。

上記基材の構成材料は特に限定されず、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックや、Ｃｕ、Ｆｅ等の金属が使用できる。特に、Ｃｕ等の熱伝導性の高い金属を使用すると、上記基材の放熱性が向上するため好ましい。なお、上記基材の厚みは、例えば０．１〜２ｍｍ程度である。

上記誘電体層の構成材料には、例えば酸化亜鉛を主成分とする誘電体材料が使用できる。特に、８０質量％以上の酸化亜鉛と、２０質量％以下のその他の酸化物（例えば、酸化ビスマス、酸化アンチモン、酸化マンガン、酸化コバルト等）とを含む誘電体材料を使用すると、バリスタ特性が向上するため好ましい。なお、上記誘電体層の厚みは、例えば１５〜５００μｍ程度である。

上記１対の導体層は、互いの少なくとも一部が、例えば５〜５０μｍの間隔で対向するように配置されている。上記導体層の材料は特に限定されず、銀等の金属を主成分とする導電性ペーストや、銅箔をパターニングしたもの等が使用できる。なお、本発明において導体層の個数は限定されず、少なくとも１対の導体層（２つの導体層）を含んでいればよい。

上記発光素子ユニットは、直列接続された複数の発光素子を含み、かつ、その両端が、異なる上記導体層のそれぞれと電気的に接続されている。また、それぞれの上記発光素子は、その光取り出し側の主面に設けられた電極（上面電極）と、この電極に接続するワイヤとを介して上記実装基板に実装されている。なお、本発明において上記発光素子ユニットの個数は特に限定されず、要求される光量等に応じて適宜設定すればよい。

上記発光素子としては、例えば発光ダイオードチップやレーザーダイオードチップが使用できる。発光ダイオードチップを用いた場合は、本発明の発光モジュールを照明装置や表示装置等に適用できる。また、レーザーダイオードチップを用いた場合は、本発明の発光モジュールを半導体レーザー装置等に適用できる。なお、本発明において上記発光素子の個数は特に限定されず、要求される光量等に応じて適宜設定すればよい。

上記サーマルビアを構成する材料は、放熱性の高い材料である限り特に限定されない。例えば、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の放熱性材料を使用することができる。好適な放熱性材料としては、例えば銀等の金属を主成分とする導電性ペーストが例示できる。また、上記サーマルビアのそれぞれは、上発光素子の光取り出し側の主面とは反対側に位置する裏面に接触するように配置されている。ここで、上記「接触」とは、上記サーマルビアと上発光素子の裏面とが熱伝導可能な程度に接触している場合を指し、直に接触していてもよく、他の熱伝導材料を介して接触していてもよい。そして、上記サーマルビアと上記導体層とは、電気的に絶縁されている。これにより、上記バリスタ層のバリスタ特性に影響を与えることなく、上記サーマルビアを介して上記発光素子から発せられた熱を効率良く放熱することができる。また、放熱性が向上した分だけ、従来に比べ発光素子に流す電流値を上げることができる。これにより、高光束化がより容易となる。なお、上記サーマルビアの径は、上記発光素子の大きさによるが、例えば２００〜１５００μｍ程度である。

また、本発明の発光モジュールは、上記発光素子を覆う蛍光体層を更に含んでいてもよい。例えば上記発光素子として紫外光を発光するＬＥＤや、青色光を発光するＬＥＤを用いた場合に、上記蛍光体層と組み合わせることによって白色光を発光する発光モジュールとすることができる。上記蛍光体層は、例えばシリコーン樹脂等のマトリクス樹脂に蛍光体を分散させたものが使用できる。上記蛍光体としては、アルミン酸塩系ＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺、シリケート系Ｂａ₃ＭｇＳｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺等の青色光を発する蛍光体や、ガーネット構造系Ｙ₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、シリケート系（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺等の緑色光を発する蛍光体や、サイアロン系Ｃａ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：Ｅｕ²⁺、シリケート系（Ｓｒ，Ｃａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、ガーネット構造系（Ｙ，Ｇｄ）₃Ａｌ₆Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺等の黄色光を発する蛍光体や、ニトリドシリケート系Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺、ニトリドアルミノシリケート系ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、オクソニトリゾアルミノシリケート系Ｓｒ₂Ｓｉ₄ＡｉＯＮ₇：Ｅｕ²⁺、硫化物系ＣａＳ：Ｅｕ²⁺等の赤色光を発する蛍光体等が使用できる。

本発明の表示装置及び照明装置は、いずれも上記本発明の発光モジュールを光源とする。本発明の表示装置及び照明装置によれば、上述と同様の理由により、小型化及び高光束化が可能な上、発光素子から発せられた熱を効率良く放熱することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、参照する図面においては、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の符号で示し、重複する説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る発光モジュールについて図１Ａ〜Ｃ及び図２を参照して説明する。図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの平面図である。また、図１Ｂは図１ＡのI-I線断面図であり、図１Ｃは図１ＡのII-II線断面図である。また、図２は図１Ａの各素子間の接続方法を示す回路図である。

図１Ａに示すように、発光モジュール１は、実装基板１０と、実装基板１０上に実装された、２つの発光素子１１，１１からなる発光素子ユニット１２とを含む。

図１Ｂ，Ｃに示すように、実装基板１０は、金属板材１３と、金属板材１３上に順次形成された基材１４及びバリスタ層１５と、基材１４及びバリスタ層１５を貫通して設けられた２つのサーマルビア１６，１６とを含む。サーマルビア１６は、いずれも金属板材１３と接触している。なお、金属板材１３の厚みは、例えば０．１〜２ｍｍ程度である。また、本実施形態では金属板材１３を使用しているが、金属板材１３はなくてもよい。

図１Ｂに示すように、バリスタ層１５は、誘電体層１７と、誘電体層１７内に設けられた、１対の導体層１８，１８とを含む。そして、１対の導体層１８，１８は、互いの一部が対向するように配置されている。

図１Ａ〜Ｃに示すように、発光素子１１は、その光取り出し側の主面１１ａに設けられた電極１９、ワイヤ５、バリスタ層１５上に設けられた導体パターン６及びバリスタ層１５を貫通して設けられたビア導体７を介して、それぞれ異なる導体層１８と電気的に接続されている。即ち、図２に示すような接続方法によって各素子間が接続されている。

図１Ｃに示すように、サーマルビア１６のそれぞれは、発光素子の主面１１ａとは反対側に位置する裏面１１ｂに接触するように配置されている。また、図１Ａ，Ｃに示すように、サーマルビア１６と導体層１８とは、誘電体層１７を介して電気的に絶縁されている。

以上のような構成を有する発光モジュール１によれば、実装基板１０がバリスタ層１５を含むため、小型化及び高光束化が可能な上、発光素子１１の裏面１１ｂと接触するサーマルビア１６を含むため、発光素子１１から発せられた熱を金属板材１３から効率良く放熱することができる。

次に、上述した発光モジュール１の好適な製造方法について説明する。参照する図３Ａ〜Ｊは、発光モジュール１の好適な製造方法を示す工程別断面図である。なお、図３Ａ〜Ｊは、図１ＡのIII-III矢視方向から見た断面図である。

まず、基材１４（図１Ｂ参照）となるアルミナグリーンシート２３を用意する（図３Ａ参照）。次に、図３Ｂに示すように、パンチング加工等の手段により、アルミナグリーンシート２３にサーマルビア１６（図１Ｃ参照）を設けるための孔部２３ａ（径：２００〜１５００μｍ）を形成する。そして、図３Ｃに示すように、ＭｏやＷ等からなる金属板材１３とアルミナグリーンシート２３とを積層して、これらを１６００℃程度の温度で焼成する。

続いて、図３Ｄに示すように、誘電体材料からなるバリスタグリーンシート８を用意する。そして、図３Ｅに示すように、パンチング加工やレーザー加工等の手段により、孔部２３ａ（図３Ｂ参照）と連通する孔部８ａと、ビア導体７（図１Ｂ参照）を設けるための孔部８ｂ（径：５０〜５００μｍ）を形成する。

続いて、図３Ｆに示すように、アルミナグリーンシート２３上にバリスタグリーンシート８を積層する。この際、バリスタグリーンシート８の孔部８ａとアルミナグリーンシート２３の孔部２３ａとが連通するように位置合わせする。

次に、図３Ｇに示すように、例えばスクリーン印刷等の手段により孔部８ａ，８ｂ，２３ａに銀ペースト９を充填し、かつ導体層１８を形成する。なお、銀ペースト９を用いずに、めっきにより孔部８ａ，８ｂ，２３ａに金属（例えば銅等）を充填してもよい。また、導体層１８についても、金属（例えば銀等）を蒸着することによって形成してもよい。そして、図３Ｄ〜Ｇの操作を複数回繰り返した後、これらを９００℃程度の温度で焼成することにより、実装基板１０が形成される（図３Ｈ）。

続いて、サーマルビア１６上の導体パターン６にＡｕめっき処理を施して、図３Ｉに示すように、この導体パターン６上に発光素子１１をダイボンディングする。そして、図３Ｊに示すように、発光素子１１の光取り出し側の主面１１ａに設けられた電極１９（図１Ａ参照）と導体パターン６とをワイヤ５により電気的に接続して、発光モジュール１が得られる。

以上、本発明の第１実施形態に係る発光モジュール１について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４Ａ，Ｂに示すように、４つの発光素子１１が直列接続された発光素子ユニット１２を用いてもよい。また、各素子間の接続方法も上記実施形態には限定されず、例えば図５Ａ〜Ｃに示すように接続してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る発光モジュールについて図６Ａ〜Ｃを参照して説明する。図６Ａは、本発明の第２実施形態に係る発光モジュールの平面図である。また、図６Ｂは図６ＡのIV-IV線断面図であり、図６Ｃは図６ＡのV-V線断面図である。

図６Ａ〜Ｃに示すように、発光モジュール２は、上述した発光モジュール１（図１Ａ〜Ｃ参照）に対し、実装基板１０の構成のみが異なる。発光モジュール２の実装基板１０は、金属からなる基材１４と、基材１４上に順次積層されたバリスタ層１５及びガラスセラミック層２０とを含む。ガラスセラミック層２０の構成材料としては、例えばアルミナセラミック粉末と、ホウケイ酸カルシウム/アルミニウム/ガラスからなる混合粉末とを５０：５０の質量比で混合したものなどを使用することができる。また、サーマルビア１６は、ガラスセラミック層２０及びバリスタ層１５を貫通して形成され、かつ基材１４と接触している。その他は、上述した発光モジュール１と同様である。よって、発光モジュール２によっても発光モジュール１と同様の効果を発揮させることができる。

次に、上述した発光モジュール２の好適な製造方法について説明する。参照する図７Ａ〜Ｊは、発光モジュール２の好適な製造方法を示す工程別断面図である。なお、図７Ａ〜Ｊは、図６ＡのVI-VI矢視方向から見た断面図である。

まず、誘電体材料からなるバリスタグリーンシート８を用意する（図７Ａ参照）。そして、図７Ｂに示すように、パンチング加工等の手段により、バリスタグリーンシート８にサーマルビア１６（図６Ｃ参照）を設けるための孔部８ａ（径：２００〜１５００μｍ）と、ビア導体７（図６Ｂ参照）を設けるための孔部８ｂ（径：５０〜５００μｍ）とを形成する。

次に、Ｃｕ、Ｆｅ等からなる基材１４を用意し、バリスタグリーンシート８と基材１４とを積層する（図７Ｃ参照）。

次に、図７Ｄに示すように、例えばスクリーン印刷等の手段により孔部８ａ，８ｂに銀ペースト９を充填し、かつ導体層１８を形成する。なお、銀ペースト９を用いずに、めっきにより孔部８ａ，８ｂに金属（例えば銅等）を充填してもよい。また、導体層１８についても、金属（例えば銀等）を蒸着することによって形成してもよい。そして、図７Ａ〜Ｄの操作を複数回繰り返す（図７Ｅ）。

次に、ガラスセラミック層２０（図６Ｂ参照）となるガラスセラミックグリーンシート２５を用意する（図７Ｆ参照）。なお、ガラスセラミックグリーンシート２５の厚みは、例えば５〜５００μｍ程度である。

続いて、図７Ｇに示すように、パンチング加工やレーザー加工等の手段により、孔部８ａ（図７Ｂ参照）と連通する孔部２５ａと、孔部８ｂ（図７Ｂ参照）と連通する孔部２５ｂを形成する。

そして、図７Ｈに示すように、バリスタグリーンシート８上にガラスセラミックグリーンシート２５を積層し、孔部２５ａ，２５ｂに銀ペースト９を充填した後、これらを９００℃程度の温度で焼成することにより、実装基板１０が形成される。この焼成の際、バリスタグリーンシート８がガラスセラミックグリーンシート２５で覆われているため、バリスタグリーンシート８の成分が大気中へ飛散するのを防止できる。これにより、バリスタ層１５（図６Ｂ参照）のバリスタ特性の劣化を防ぐことができる。

続いて、サーマルビア１６上の導体パターン６にＡｕめっき処理を施して、図７Ｉに示すように、この導体パターン６上に発光素子１１をダイボンディングする。そして、図７Ｊに示すように、発光素子１１の光取り出し側の主面１１ａに設けられた電極１９（図６Ａ参照）と導体パターン６とをワイヤ５により電気的に接続して、発光モジュール２が得られる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る表示装置（画像表示装置）について図面を参照して説明する。参照する図８は、本発明の第３実施形態に係る画像表示装置の斜視図である。

図８に示すように、画像表示装置３は、パネル３０を有しており、このパネル３０の一主面３０ａには、光源として、上述した第１又は第２実施形態に係る発光モジュール３１がマトリクス状に複数配置されている。このように構成された画像表示装置３は、上述した第１又は第２実施形態に係る発光モジュール３１を光源とするため、小型化及び高光束化が可能な上、熱劣化を抑制できる画像表示装置を提供できる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る照明装置（スタンド型照明装置）について図面を参照して説明する。参照する図９は、本発明の第４実施形態に係るスタンド型照明装置の斜視図である。

図９に示すように、スタンド型照明装置４は、胴部４０と、胴部４０の一端に固定され、胴部４０を支える基部４１と、胴部４０の他端に固定された照明部４２とを含む。そして、照明部４２の一主面４２ａには、光源として、上述した第１又は第２実施形態に係る発光モジュール４３がマトリクス状に複数配置されている。このように構成されたスタンド型照明装置４は、上述した第１又は第２実施形態に係る発光モジュール４３を光源とするため、小型化及び高光束化が可能な上、熱劣化を抑制できるスタンド型照明装置を提供できる。

本発明は、例えば、一般照明、演出照明（サイン灯等）、バックライト、イルミネーションランプ、ディスプレイ等に有用である。

Ａは本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの平面図であり、ＢはＡのI-I線断面図であり、ＣはＡのII-II線断面図である。 本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの各素子間の接続方法を示す回路図である。 Ａ〜Ｊは、本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの好適な製造方法を示す工程別断面図である。 Ａは本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの変形例を示す平面図であり、ＢはＡの各素子間の接続方法を示す回路図である。 Ａ〜Ｃは、本発明の第１実施形態に係る発光モジュールの変形例における各素子間の接続方法を示す回路図である。 Ａは本発明の第２実施形態に係る発光モジュールの平面図であり、ＢはＡのIV-IV線断面図であり、ＣはＡのV-V線断面図である。 Ａ〜Ｊは、本発明の第２実施形態に係る発光モジュールの好適な製造方法を示す工程別断面図である。 本発明の第３実施形態に係る画像表示装置の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係るスタンド型照明装置の斜視図である。

符号の説明

１，２，３１，４３ 発光モジュール
３ 画像表示装置（表示装置）
４ スタンド型照明装置（照明装置）
５ ワイヤ
６ 導体パターン
７ ビア導体
８ バリスタグリーンシート
８ａ，８ｂ，２３ａ，２５ａ，２５ｂ 孔部
９ 銀ペースト
１０ 実装基板
１１ 発光素子
１１ａ 主面
１１ｂ 裏面
１２ 発光素子ユニット
１３ 金属板材
１４ 基材
１５ バリスタ層
１６ サーマルビア
１７ 誘電体層
１８ 導体層
１９ 電極
２０ ガラスセラミック層
２３ アルミナグリーンシート
２５ ガラスセラミックグリーンシート
３０ パネル
３０ａ 一主面
４０ 胴部
４１ 基部
４２ 照明部
４２ａ 一主面

Claims (5)

1. 実装基板と、前記実装基板上に実装された発光素子ユニットとを含む発光モジュールであって、
   前記実装基板は、基材と、前記基材上に形成されたバリスタ層と、前記バリスタ層を貫通して設けられた複数のサーマルビアとを含み、
   前記バリスタ層は、誘電体層と、前記誘電体層内に設けられた、少なくとも１対の導体層とを含み、
   前記１対の導体層は、互いの少なくとも一部が対向するように配置されており、
   前記発光素子ユニットは、直列接続された複数の発光素子を含み、かつ、その両端が、異なる前記導体層のそれぞれと電気的に接続されており、
   それぞれの前記発光素子は、その光取り出し側の主面に設けられた電極と、前記電極に接続するワイヤとを介して前記実装基板に実装されており、
   前記サーマルビアのそれぞれは、前記発光素子の前記主面とは反対側に位置する裏面に接触するように配置されており、
   前記サーマルビアと前記導体層とは、電気的に絶縁されていることを特徴とする発光モジュール。
2. 前記発光素子ユニットを複数含む請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記基材は、金属からなる請求項１に記載の発光モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光モジュールを光源とする表示装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光モジュールを光源とする照明装置。

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