JP2009094017A - バックライト装置及び液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
放熱特性を向上させ、熱飽和による効率低下を抑制させるバックライト装置及び、そのバックライト装置を用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】
スルーホールとサーマルビアホールを有する発光ダイオード素子を実装し、複数個のパッケージ或いは基板に対して、電気的な接続領域と放熱させる接続領域を区別したプリント基板上へ搭載する構成とした。電気的な接続は、プリント基板内で行い、駆動ドライバや抵抗やコンデンサなどと接続し、放熱や排熱はプリント基板に接続される放熱基材へ熱輸送することによって行う構成としている。
【選択図】図１９

Description

本発明は発光ダイオード素子を用いたバックライト装置、及び液晶表示装置に関する。
近年液晶ディスプレイ装置において、薄型軽量のモジュール構成が必須となっている。構成する実装部材に関して、部材削減とともに薄型化や軽量化を図りながら、性能の維持や向上が要求されている。大型液晶ディスプレイ装置のバックライト光源モジュールにおいても、発光ダイオード素子を用いて、従来の冷陰極管に比べて、色再現範囲を拡大し、動画対応の高速独立制御やコントラストを向上することが可能になっている。しかしながら、薄型軽量化に対してはさらに対策を施す必要がある。放熱構造についても、薄型軽量を維持しながら、対策を施すことが重要である。
発光ダイオード素子を適用して、薄型軽量のバックライト光源モジュールを構成する際には、実装部材や接続構成が簡易化されており薄型軽量に適合する必要がある。これまでバックライト光源モジュールにおいて、実装部材を削減し簡易接続に適合させたパッケージについて、以下の公知例が知られている。
特許文献１では、コンパクト化を図るためにパッケージ基材に表目と裏面をつなげる一対の金属層を設け、金属接続部で接続することにより、放熱する構成が述べられている。これにより、複数の発光素子を搭載する場合において、放熱特性の均一化により、カラーバランスの経時変化を低減することが記載されている。特許文献２では、貫通口を上下面に有した基礎基板に、光学層を積層して２次元面光源を作製することが述べられている。これにより、光源のスリム化を実現し、バックライトの組み立て工程を簡素化することが記載されている。特許文献３では、共通電極と発光素子モジュールを設けてある光プリントヘッドにおいて、基板の上面から下面側へ貫通し、内壁面に熱伝導性材料層が形成されていることが述べられている。これにより、スルーホールを伝わって、基板のした面へ放熱させることが記載されている。特許文献４では、複数のライン状に並べられた発光素子アレイの実装基板に対して、ノンフロータイプの接着剤またはボンディングシートのような熱圧着タイプの接着剤を適用することが述べられている。これにより、コストアップを招くことなく、放熱性を高め、かつ発光素子の拡散光を効率よく有効に利用することが記載されている。
特開２００１−３４５４８５号公報 特開２００６−２１０８８０号公報 特開平１０−２２６１０７号公報 特開２００７−１０９９４５号公報
上記特許文献では、ＬＥＤ素子のパッケージにおいて、上面から下面へのスルーホールを通して、放熱構成を設けて、放熱特性の向上を述べている。しかしながら、それ以降の放熱経路を考慮した一貫した放熱の構成については詳細を説明していない。
また、光源を動作させるための電気的な接続や光学的な構成に関しては、詳細な手法を記載しておらず、放熱構造との両立する構成について詳細を記載していない。
複数個のＬＥＤパッケージを配列する液晶表示装置等のバックライトでは、全体系において放熱特性の均一性を実現する構成である必要があり、輝度や色度の分布を制御して、ムラを抑制することが重要な課題となる。
本発明はかかる課題を解決するものであり、放熱特性を向上させ、熱飽和による効率低下を抑制させるバックライト装置及び、そのバックライト装置を用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明では、中心に少なくとも一つのＬＥＤ素子が実装されたパッケージ光源を有し、ＬＥＤ素子の直下には放熱用の構造が設けられているとともに、ＬＥＤ素子に導通させる接続配線或いは領域がＬＥＤ素子の左右どちらかの側に設けられている非対称な導通領域を有しており、ＬＥＤ素子を搭載するプリント基板において、ＬＥＤ素子の直下に設けられる放熱領域に対応した放熱構造が構成されており、非対称な接続配線或いは領域に対応してプリント基板の配線領域が構成されている構成とする。
また、複数個のＬＥＤ素子を搭載実装するパッケージ光源を有し、ＬＥＤ素子がパッケージ光源に対し線対称に搭載実装されており、パッケージ光源が相対応して少なくとも二つの列をなして設けられており、ＬＥＤ素子に対して非対称に構成される接続配線或いは領域は相向かう形をなしており、複数個の前記パッケージ光源がプリント基板に相対応して少なくとも二つの列をなして設けられて搭載実装されていることにより、パッケージ光源は前記プリント基板の内側において配線接続され駆動制御される電気的回路領域と、プリント基板の外側の両端領域における、ＬＥＤ素子の直下から放熱される構造を有しているプリント基板の放熱領域が分離された構成とする。
また、複数個のＬＥＤ素子を実装する複数個のパッケージ光源或いは複数個の基板を搭載したプリント基板において、複数個のパッケージ光源で囲まれる内側或いは実装される基板の下側に相当するプリント基板の領域には電気的な接続が施されており、プリント基板に実装される複数個のパッケージ光源で囲まれる外側か或いは実装される基板の下側の一部を含む外側に相当するプリント基板の領域には、熱伝導或いは熱拡散による熱輸送が行われる放熱用材料の構成が施されており、電気的な接続の領域と放熱の領域がプリント基板上で区別されている構成とする。
放熱特性を向上させ、熱飽和による効率低下を抑制させるバックライト装置及び、そのバックライト装置を用いた液晶表示装置を提供できる。
以下に、上記課題を解決するための工夫を施した本発明を実施するための具体的な形態を説明する。
本発明の実施例では、照明装置や液晶表示装置の光源である、ＬＥＤ素子搭載のパッケージ構成に対して、実装部材の構成及び電気的接続と放熱の構成の観点から以下内容を述べる。主眼としては、電気的な接続領域と、放熱領域を分離する概念に基づいて、構成を設計している。
図１から図１８を用いて、本発明第１の実施例を説明する。
本実施例では、光源であるＬＥＤ素子に対して、導通用の接続と放熱用の接続を施し、電気的な接続領域と放熱領域を分離した構成を形成するため、以下のように設定する。まず、パッケージ光源において、導通用のスルーホールと放熱用のサーマルビアホールを有するパッケージを形成する。この際、パッケージの中心に、放熱用のサーマルビアホールを形成してその上に素子が位置する形をとり、導通用のスルーホールは素子に対して片側にのみ設けることとする。
図１には、パッケージの断面構造を示し、図２には、蛍光体励起用の青色素子を搭載するパッケージの上面構造を示す。セラミック基板１に対して、放熱用の金属領域２と２つの導通用の金属領域３を形成しておく。その上に、反射板リフレクタ４を設けた後、放熱用の金属領域２上に対して、ダイボンディング材５により、２ワイヤ型の青色ＬＥＤ素子６を実装し、さらに金線７により、２つの導通用の金属領域３に接続する。その後、青色光により励起される緑色から赤色に蛍光スペクトルを有する蛍光体を封止し、次に透明樹脂９により封止することにより、白色光源を得る。この際、図２に示すように、２つの導通用の金属領域３は、素子の片側にのみ設けている。これにより、素子の電気的な接続領域と放熱領域を分離する構成に対応させている。
次に、図３と図４に示す、表面実装型のパッケージ光源をプリント基板上に実装する。図３及び図４に示す構成は、プリント基板上に搭載実装するパッケージ光源の一部を表している。図３に示すように、作製した白色光源のパッケージ１０をプリント基板１１に搭載実装する。プリント基板１１には、放熱用の銅薄膜１２を両側に設けている。
図４に示すように、プリント基板１１には、あらかじめパッケージの放熱用の金属領域２と２つの導通用の金属領域３に対して、各々接続できるように銅薄膜１２及び導通用配線１３を設定してあり、半田ペースト等を用いて接続を行う。プリント基板１１の背面に対して、導通用配線１３が対応するように設定してあり、パッケージ光源に対する動作制御用の多チャンネルのドライバＩＣ１４と接続できるようになっている。この際、安定動作用に抵抗やコンデンサも搭載してある。ここでは、パッケージ光源を個々に動作させることを前提に、独立に駆動できるように配線を設定し、多チャンネルのドライバＩＣ１４に接続している。
これらの構成により、電気的な接続は配線を通じて、パッケージ内のＬＥＤ素子とドライバＩＣ素子をプリント基板における内側の領域に接続して動作させることができている。さらに、パッケージ内のＬＥＤ素子に対して、放熱用のサーマルビアとプリント基板放熱用の銅薄膜を通し、熱拡散によりプリント基板の両外側へ放熱させることができている。これらにより、光源であるＬＥＤ素子に対して、導通用の接続と放熱用の接続を介して、電気的な接続領域と放熱領域を分離した構成を設けることが可能となっている。
銅薄膜の放熱領域１２を有するプリント基板１１上に実装したパッケージ光源では、温度の影響に対する特性の変化を調べたところ、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合より、電気特性の温度変化を小さく抑制できることが判明した。図５には、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合において、パッケージに搭載した青色ＬＥＤ素子の電流電圧特性を示し、図６には、放熱領域を有する本実施例のプリント基板に接続した場合において、同じようにパッケージ搭載した青色ＬＥＤ素子の電流電圧特性を示す。
図５と図６の電流電圧特性の温度依存性を比較すると、温度２５℃から８０℃まで測定した結果から、放熱領域を有するプリント基板の場合の方が電流電圧特性の温度変化は相対的に小さく、同じ電圧に対して変化する電流の幅は小さく抑制されている傾向である。
図７と図８には、電圧を横軸にとり、温度２５℃に対する電流の変化率を相対的にプロットした図を示す。これにより、各温度において、同じ電圧に対する電流の相対比率が放熱領域を有するプリント基板の場合で小さくなっており、電流の温度変化が抑制されていることが明白である。
同様に、図９と図１０には、電流を横軸にとり、温度２５℃に対する電圧の変化率を相対的にプロットした図を示す。ここでは、各温度において、同じ電流に対する電圧の降下率が放熱領域を有するプリント基板の場合で小さくなっており、電圧の温度変化が抑制されている。これは、放熱構造が十分対策されていない、従来のプリント基板上では、素子の実効的な温度が上昇していることを示す。上記により、放熱構成を有するパッケージからプリント基板への本実施例の構成が有効であり、電流電圧特性において、図５から図１０までの結果により、温度変化は比較上約８０％程度の相対変化率に抑制されていることが判明した。
本パッケージ光源は、プリント基板上の配線を通じて、直列状に接続することができる。
図１１と図１２には、パッケージ光源を縦方向に直列に接続している構成を示す。直列状に接続するのは、プリント基板１１の表面側の配線により接続するか、或いは裏面側の配線により接続することでもよい。図１２に示すように、多チャンネルのドライバＩＣ１４は、直列接続の複数個のパッケージ光源に対応して接続してあり、動作制御することができる。これにより、直列接続された列毎にパッケージ光源を駆動できることになる。また、バックライト光源を領域ごとに制御するため、エリア制御対応の複数個のパッケージ光源を直列接続して、動作制御することも可能である。
図１３と図１４には、４個分のパッケージ光源を直列に接続している構成を示す。直列状に接続するのは、プリント基板１１の表面側の配線により接続するか、或いは裏面側の配線により接続することでもよい。図１４に示すように、多チャンネルのドライバＩＣ１４は、直列接続４個のパッケージ光源に対応して接続してあり、動作制御することができる。これにより、直列接続された領域毎にエリア制御対応のパッケージ光源を駆動できることになる。
図１５には、プリント基板の縦方向に対して、パッケージ光源４個を直列接続し、これらを単位として周期的に設けている構成を示す。図１５に示すように、パッケージ光源のサーマルビア金属膜がプリント基板の放熱用銅薄膜１２に接続されていることにより、素子の発熱がサーマルビア金属膜を介して熱伝導により放熱用銅薄膜１２へ放熱されていく。複数個のパッケージか放熱がなされ、熱伝導と熱拡散により、放熱用銅薄膜１２の上方向に熱輸送され、プリント基板の上部方向へ放熱されることになる。放熱は、プリント基板の両側を主として選択的に行われる。これに対して、電気的には、導通用配線１３を通して、プリント基板の内側に接続され、ドライバＩＣや抵抗及びコンデンサと接続され、それぞれ素子が動作する回路を構成する。これらにより、プリント基板上において、放熱用の熱輸送領域と電気的な接続動作領域とが分離した形をとることが可能である。
図１６には、バックライト用の金属筐体枠１５に対して、複数個のパッケージ光源を搭載実装するプリント基板モジュール１６を複数個固定し、バックライトモジュール全体を構成する。この際、プリント基板モジュール１６の放熱用銅薄膜１２を金属筐体枠に接するように、高熱伝導接着シート等を使用して固定しねじ止めがしてあり、金属筐体枠１５へ放熱するとともに、機械的強度を確保する。金属筐体枠１５の上部方向へ放熱されることになり、さらに大気中へと排熱されることになる。さらに、放熱し温度を下げるために、前記金属筐体枠１５の上部枠には、放熱用のフィン構造を設けてもよい。
大型液晶ディスプレイ表示装置に対して、筺体に搭載するプリント基板モジュール１６の長さと数量を適切に対応させることにより、任意のサイズの表示装置にバックライト光源モジュールを適用することができる。
大型液晶ディスプレイ表示装置に対して、本実施例のバックライト光源モジュールを適用し、光学系を構成して対応する。図１７に示すように、バックライト金属筐体枠１５に、プリント基板モジュール１６を搭載し、光学反射シート１７により、パッケージ光源部以外を覆う。
バックライトモジュール光源から出射された光線１８は、拡散板１９，プリズムシート２０，偏光反射シート２１、及び液晶表示パネルを透過する。液晶パネルは一対のガラス基板と、この一対のガラス基板間に配置した液晶層２３と、一対のガラス基板のそれぞれに備えられた下部偏光板２２，上部偏光板２４とを有する。
図１７では省略しているが、この液晶表示パネルには、表示面に対して横方向に配置された複数の走査線と、この複数の走査線に直交する方向、即ち表示面に対して縦方向に配置された複数の信号線と、複数の走査線と複数の信号線との交差部に配置された複数のスイッチング素子とが含まれる。この際、パッケージ光源と拡散板との距離に応じて、放射角分布を設計制御することにより、バックライトモジュール光源としての輝度分布や色度分布の均一性を向上させることが可能である。
図１８には、バックライト筐体２５と、バックライトモジュール及び光学系を含む液晶表示パネルモジュール２６と、駆動回路２７の構成を示す。
本発明実施例では、液晶ディスプレイ表示装置のサイズに対応して、パッケージ光源の数量やプリント基板の大きさを対応させて調整し、バックライトモジュールを機能させることにより、必要とされる輝度分布や色度分布の均一性を確保できる。本実施例の白色光源バックライトモジュール構成は、大型液晶表示装置のバックライトモジュール光源だけでなく、パーソナルコンピュータ用液晶パネルや車載カーナビゲーションのバックライト光源モジュール、その他の車載用途の光源モジュールとしても適用できる。
図１９から図２４を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。
実施例１と同様にして、バックライト光源モジュールを作製し、図１３と図１４に対応する構成とするが、ここでは、４個のパッケージ光源１０を直列接続し、セラミック基板２８上に搭載マウントすることにより、図１９と図２０の構成を形成する。パッケージ間を接続する配線はセラミック基板上に印刷することにより一括して形成しておき、パッケージ間の電気的な接続は、セラミック基板２８上で行う。ドライバＩＣ１４や抵抗及びコンデンサとの接続は、スルーホールを通してプリント基板の裏面側で行うようにする。放熱用の構成は、実施例１と同様に作製する。これらにより、電気的な接続領域及び回路領域と、放熱用の接続領域は、明確に分離することができ、互いに干渉の影響を小さく抑制することが可能である。
銅薄膜１２の放熱領域を有するプリント基板１１上に、直列に配線接続した４個のパッケージ光源において、温度の影響に対する特性の変化を調べたところ、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合より、光学特性の温度変化を小さく抑制できることが判明した。
図２１には、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合において、パッケージに搭載した青色ＬＥＤ素子のみの光束電流特性を示し、図２２には、放熱領域を有する本実施例のプリント基板に接続した場合において、同じようにパッケージ搭載した青色ＬＥＤ素子のみの光束電流特性を示す。
図２１と図２２の光束電流特性の温度依存性を比較すると、放熱領域をもたない従来のプリント基板上では、電流が４０−５０ｍＡから、温度２５℃と８０℃のデータに明確な差が生じ始めており、光束電流特性が温度変化を受けていることは明らかである。これは、放熱構造が十分対策されていない、従来のプリント基板上では、素子の実効的な温度が上昇していることを示す。他方、放熱領域を有する本実施例のプリント基板上では、温度２５℃から８０℃へ変化しても、光束電流特性はほとんど差が生じていない。これにより、本実施例では温度変化が非常に小さく抑制され、互いのパッケージ間での温度の干渉効果がほとんど生じておらず、独立した動作制御が可能であることを示される。
実施例１と同様にして、図２３と図２４に示すように、バックライト光源モジュールを作製する。
図２３には、プリント基板の縦方向に対して、パッケージ光源４個を直列接続し、搭載マウントしたセラミック基板２８を単位として、周期的に設けている構成を示す。
図２３に示すように、パッケージ光源のサーマルビア金属膜がプリント基板の放熱用銅薄膜１２に接続されていることにより、素子の発熱がパッケージとセラミック基板のサーマルビア金属膜を介して熱伝導により放熱用銅薄膜１２へ放熱されていく。複数個のパッケージと複数個のセラミック基板から放熱がなされ、熱伝導と熱拡散により、放熱用銅薄膜１２の上方向に熱輸送され、プリント基板の上部方向へ放熱されることになる。放熱は、プリント基板の両側を主として選択的に行われる。これに対して、電気的には、導通用配線１３を通して、プリント基板の内側に接続され、ドライバＩＣや抵抗及びコンデンサと接続され、それぞれ素子が動作する回路を構成する。
これらにより、プリント基板上において、放熱用の熱輸送領域と電気的な接続動作領域とが分離した形をとることが可能である。
図２４には、バックライト用の金属筐体枠１５に対して、複数個のパッケージ光源を搭載実装するプリント基板モジュール１６を複数個固定し、バックライトモジュール全体を構成する。この際、プリント基板モジュール１６の放熱用銅薄膜１２を金属筐体枠に接するように、高熱伝導接着シート等を使用して固定しねじ止めがしてあり、金属筐体枠１５へ放熱するとともに、機械的強度を確保する。金属筐体枠１５の上部方向へ放熱されることになり、さらに大気中へと排熱されることになる。
さらに、放熱し温度を下げるために、前記金属筐体枠１５の上部枠には、放熱用のフィン構造を設けてもよい。大型液晶ディスプレイ表示装置に対しては、実施例１と同様にして、光学系を構成して、本実施例のバックライト光源モジュールを適用し作製する。大型液晶ディスプレイ表示装置に対して、筺体に搭載するプリント基板モジュール１６の長さと数量を適切に対応させることにより、任意のサイズの表示装置にバックライト光源モジュールを適用することができる。
本発明実施例では、液晶ディスプレイ表示装置のサイズに対応して、パッケージ光源の数量やプリント基板の大きさを対応させて調整し、バックライトモジュールを機能させることにより、必要とされる輝度分布や色度分布の均一性を確保できる。セラミック基板に搭載される複数個のパッケージ光源を単位として、エリア制御対応のバックライト光源として駆動制御できる。本実施例の白色光源バックライトモジュール構成は、大型液晶表示装置のバックライトモジュール光源だけでなく、パーソナルコンピュータ用液晶パネルや車載カーナビゲーションのバックライト光源モジュール、その他の車載用途の光源モジュールとしても適用できる。
図２５から図３４を用いて、本発明の第３の実施例を説明する。
本実施例では、パッケージ光源として、赤緑青色ＲＧＢのＬＥＤ素子を搭載する。図２５には、パッケージの断面構造を示し、図２には、ＲＧＢの素子を搭載するパッケージの上面構造を示す。セラミック基板１に対して、ＲＧＢの素子ごとに対応する、放熱用の金属領域２と２つの導通用の金属領域３を形成しておく。その上に、反射板リフレクタ４を設けた後、放熱用の金属領域２上に対して、ダイボンディング材５により、２ワイヤ型の青色ＬＥＤ素子６，２ワイヤ型の赤色ＬＥＤ素子６′，２ワイヤ型の緑色ＬＥＤ素子６″とを実装し、さらに金線７により、それぞれＲＧＢの素子を２つの導通用の金属領域３に接続する。その後、透明樹脂９により封止することにより、ＲＧＢ光源を得る。この際、図２６に示すように、２つの導通用の金属領域３は、素子の片側にのみ設けている。これにより、素子の電気的な接続領域と放熱領域を分離する構成に対応させている。
次に、図２７と図２８に示す、表面実装型のパッケージ光源をプリント基板上に実装する。図２７及び図２８に示す構成は、プリント基板上に搭載実装するパッケージ光源の一部を表している。図２７に示すように、作製したＲＧＢ光源のパッケージ２９をプリント基板１１に搭載実装する。プリント基板１１には、放熱用の銅薄膜１２を両側に設けている。
図２８に示すように、プリント基板１１には、あらかじめパッケージの放熱用の金属領域２と２つの導通用の金属領域３に対して、各々接続できるように銅薄膜１２及び導通用配線１３を設定してあり、半田ペースト等を用いて接続を行う。プリント基板１１の背面に対して、導通用配線１３が対応するように設定してあり、パッケージ光源に対する動作制御用の多チャンネルのドライバＩＣ１４と接続できるようになっている。この際、安定動作用に抵抗やコンデンサも搭載してある。ここでは、パッケージ光源を個々に動作させることを前提に、独立に駆動できるように配線を設定し、多チャンネルのドライバＩＣ１４に接続している。
これらの構成により、電気的な接続は配線を通じて、パッケージ内のＬＥＤ素子とドライバＩＣ素子をプリント基板における内側の領域に接続して動作させることができている。さらに、パッケージ内のＬＥＤ素子に対して、放熱用のサーマルビアとプリント基板放熱用の銅薄膜を通し、熱拡散によりプリント基板の両外側へ放熱させることができている。
これらにより、光源であるそれぞれのＲＧＢ素子に対して、導通用の接続と放熱用の接続を介して、電気的な接続領域と放熱領域を分離した構成を設けることが可能となっている。
本パッケージ光源は、プリント基板上の配線を通じて、直列状に接続することができる。さらにバックライト光源を領域ごとに制御するため、エリア制御対応の複数個のパッケージ光源を直列接続して、動作制御することも可能である。
図２９と図３０には、４個分のＲＧＢ素子のパッケージ光源をそれぞれ直列に接続している構成を示す。直列状に接続するのは、プリント基板１１の表面側の配線により接続するか、或いは裏面側の配線により接続することでもよい。図３０に示すように、多チャンネルのドライバＩＣ１４は、直列接続４個のパッケージ光源に対応してそれぞれＲＧＢ素子ごとに接続してあり、動作制御することができる。これにより、直列接続された領域毎にエリア制御対応のパッケージ光源を駆動でき、ＲＧＢ素子ごとに独立制御することができるようになる。
銅薄膜１２の放熱領域を有するプリント基板１１上に、直列に配線接続した４個のＲＧＢ素子パッケージ光源について、温度の影響に対する特性の変化を調べたところ、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合より、電気特性及び光学特性の温度変化を小さく抑制できることが判明した。特に、赤色Ｒｅｄ素子では、相対的に温度依存性が明確に生じるので、ここでは赤色Ｒｅｄ素子について電気特性及び光学特性の温度変化を調べた結果を代表として述べる。
図３１には、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合において、パッケージに搭載した４個の赤色ＬＥＤ素子の電流電圧特性における電圧の相対比率を示し、図３２には、放熱領域を有する本実施例のプリント基板に接続した場合において、同じようにパッケージ搭載した４個の赤色ＬＥＤ素子のみの光束電流特性における光束の相対比率を示す。通常一般的に、半導体素子の温度が高いと、同じ電流に対し、室温に対する電圧及び光束の相対比率はより小さくなる。
図３１において、温度２５℃でのデータに規格化して、温度２５℃からの相対的な変化を見てみると、温度８０℃では、比較例で示す、放熱領域をもたない従来のプリント基板上では、放熱領域を有する本実施例の場合よりも、電圧の相対比率は小さくなっており、温度変化に対する影響が大きいことが判る。これは、放熱構造が十分対策されていない、従来のプリント基板上では、素子の実効的な温度が上昇していることを示す。放熱構造を対策している本実施例では、放熱の効果により、素子の温度上昇が抑制されていると見られる。同様なことは、光学特性においても反映されている。
図３２において、温度２５℃でのデータに規格化して、温度２５℃からの相対的な変化を見てみると、温度８０℃では、比較例で示す、放熱領域をもたない従来のプリント基板上では、放熱領域を有する本実施例の場合よりも、光束の相対比率は小さくなっており、温度変化に対する影響が大きいことが判る。温度変化が小さいことは、温度変化に対する素子の特性変動を制御する上で、放熱領域を有する本発明の構造が明らかに有利であり、駆動に対するフィードバック制御の観点からも重要な結果である。
図３３には、プリント基板の縦方向に対して、パッケージ光源４個を直列接続し、これらを単位として周期的に設けている構成を示す。図３３に示すように、パッケージ光源のサーマルビア金属膜がプリント基板の放熱用銅薄膜１２に接続されていることにより、素子の発熱がサーマルビア金属膜を介して熱伝導により放熱用銅薄膜１２へ放熱されていく。
複数個のパッケージから放熱がなされ、熱伝導と熱拡散により、放熱用銅薄膜１２の上方向に熱輸送され、プリント基板の上部方向へ放熱されることになる。放熱は、プリント基板の両側を主として選択的に行われる。これに対して、電気的には、導通用配線１３を通して、プリント基板の内側に接続され、ドライバＩＣや抵抗及びコンデンサと接続され、それぞれ素子が動作する回路を構成する。これらにより、プリント基板上において、放熱用の熱輸送領域と電気的な接続動作領域とが分離した形をとることが可能である。
図３４には、バックライト用の金属筐体枠１５に対して、複数個のパッケージ光源を搭載実装するプリント基板モジュール１６を複数個固定し、バックライトモジュール全体を構成する。この際、プリント基板モジュール１６の放熱用銅薄膜１２を金属筐体枠に接するように、高熱伝導接着シート等を使用して固定しねじ止めがしてあり、金属筐体枠１５へ放熱するとともに、機械的強度を確保する。金属筐体枠１５の上部方向へ放熱されることになり、さらに大気中へと排熱されることになる。さらに、放熱し温度を下げるために、前記金属筐体枠１５の上部枠には、放熱用のフィン構造を設けてもよい。
大型液晶ディスプレイ表示装置に対しては、実施例１と同様にして、光学系を構成して、本実施例のバックライト光源モジュールを適用し作製する。大型液晶ディスプレイ表示装置に対して、筺体に搭載するプリント基板モジュール１６の長さと数量を適切に対応させることにより、任意のサイズの表示装置にバックライト光源モジュールを適用することができる。
本発明実施例では、液晶ディスプレイ表示装置のサイズに対応して、パッケージ光源の数量やプリント基板の大きさを対応させて調整し、バックライトモジュールを機能させることにより、必要とされる輝度分布や色度分布の均一性を確保できる。複数個のパッケージ光源において、ＲＧＢ光源を独立制御することにより、原色を均一性よく表色することや、またＲＧＢ光源の動作条件を制御し、色度を調節して混色することにより、全体で白色光としても機能させることができる。
本実施例のＲＧＢ光源で調整されるバックライトモジュール構成は、用途の面では実施例１や２と同様に、大型液晶表示装置のバックライトモジュール光源だけでなく、パーソナルコンピュータ用液晶パネルや車載カーナビゲーションのバックライト光源モジュール、その他の車載用途の光源モジュールとしても適用できる。
図３５から図４０を用いて、本発明の第４の実施例を説明する。
本実施例では、印刷配線を施したセラミック基板上に対して、赤緑青色ＲＧＢのＬＥＤ素子を直接実装する。図３５と図３６に示すように、ＲＧＢ素子を直接実装しリフレクタを搭載した領域ＲＧＢ光源のパッケージ２９を４個設け、それぞれＲＧＢ素子を４個直列に接続した配線を有するセラミック基板２８をプリント基板１１上に搭載実装する。そのＲＧＢ光源のパッケージ２９間を接続する配線はセラミック基板上に印刷することにより一括して形成しておき、電気的な接続は、セラミック基板２８上で行う。ドライバＩＣ１４や抵抗及びコンデンサとの接続は、スルーホールを通してプリント基板の裏面側で行うようにする。
放熱用の構成は、実施例２と同様に作製する。これらにより、電気的な接続領域及び回路領域と、放熱用の接続領域は、明確に分離することができ、互いに干渉の影響を小さく抑制することが可能である。
銅薄膜１２の放熱領域を有するプリント基板１１上に、直列に配線接続した４個の直接実装領域（ＲＧＢ光源のパッケージ２９）において、温度の影響に対する特性の変化を調べたところ、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合より、電気特性及び光学特性の温度変化を小さく抑制できることが判明した。特に、赤色ＬＥＤ素子では、相対的に温度依存性が明確に生じるので、ここでは赤色ＬＥＤ素子について電気特性及び光学特性の温度変化を調べた結果を代表として述べる。
図３７には、放熱領域をもたない従来のプリント基板に接続した場合と、放熱領域を有する本実施例のプリント基板に接続した場合において、４個の赤色ＬＥＤ素子の電流電圧特性の温度変化を示す。図３８には、放熱領域の有無によるプリント基板上において、４個の赤色ＬＥＤ素子の光束電流特性の温度変化を示す。通常一般的に、半導体素子の温度が高いと、同じ電圧に対して電流上昇が高く、室温に対する電流変化は大きくなる。
図３７では、温度２５℃からの相対的な変化を見てみると、温度８０℃では、比較例で示す、放熱領域をもたない従来のプリント基板上では、放熱領域を有する本実施例の場合よりも、電流の上昇が高くなっており、温度変化に対する影響が大きいことが判る。これは、放熱構造が十分対策されていない、従来のプリント基板上では、素子の実効的な温度が上昇していることを示す。放熱構造を対策している本実施例では、放熱の効果により、素子の温度上昇が抑制されていると見られる。同様なことは、光学特性においても反映されている。
図３８において、温度２５℃からの相対的な変化を見てみると、温度８０℃では、比較例で示す、放熱領域をもたない従来のプリント基板上では、放熱領域を有する本実施例の場合よりも、光束の低下率が大きく、温度変化に対する影響が大きいことが判る。温度変化が小さいことは、温度変化に対する素子の特性変動を制御する上で、放熱領域を有する本発明の構造が明らかに有利であり、駆動に対するフィードバック制御の観点からも重要な結果である。
図３９には、プリント基板の縦方向に対して、直接実装のＲＧＢ素子４個を直列接続し、周期的に設けている構成を示す。パッケージ光源のサーマルビア金属膜がプリント基板の放熱用銅薄膜１２に接続されていることにより、素子の発熱がサーマルビア金属膜を介して熱伝導により放熱用銅薄膜１２へ放熱されていく。複数個のパッケージか放熱がなされ、熱伝導と熱拡散により、放熱用銅薄膜１２の上方向に熱輸送され、プリント基板の上部方向へ放熱されることになる。放熱は、プリント基板の両側を主として選択的に行われる。
これに対して、電気的には、導通用配線１３を通して、プリント基板の内側に接続され、ドライバＩＣや抵抗及びコンデンサと接続され、それぞれ素子が動作する回路を構成する。これらにより、プリント基板上において、放熱用の熱輸送領域と電気的な接続動作領域とが分離した形をとることが可能である。
図４０には、バックライト用の金属筐体枠１５に対して、複数個のパッケージ光源を搭載実装するプリント基板モジュール１６を複数個固定し、バックライトモジュール全体を構成する。この際、プリント基板モジュール１６の放熱用銅薄膜１２を金属筐体枠に接するように、高熱伝導接着シート等を使用して固定しねじ止めがしてあり、金属筐体枠１５へ放熱するとともに、機械的強度を確保する。金属筐体枠１５の上部方向へ放熱されることになり、さらに大気中へと排熱されることになる。さらに、放熱し温度を下げるために、前記金属筐体枠１５の上部枠には、放熱用のフィン構造を設けてもよい。
大型液晶ディスプレイ表示装置に対しては、実施例１と同様にして、光学系を構成して、本実施例のバックライト光源モジュールを適用し作製する。大型液晶ディスプレイ表示装置に対して、筺体に搭載するプリント基板モジュール１６の長さと数量を適切に対応させることにより、任意のサイズの表示装置にバックライト光源モジュールを適用することができる。
本発明実施例では、液晶ディスプレイ表示装置のサイズに対応して、パッケージ光源の数量やプリント基板の大きさを対応させて調整し、バックライトモジュールを機能させることにより、必要とされる輝度分布や色度分布の均一性を確保できる。複数個のＲＧＢ光源を独立制御することにより、原色を均一性よく表色することや、またＲＧＢ光源の動作条件を制御し、色度を調節して混色することにより、全体で白色光としても機能させることができる。
さらに、複数個のＲＧＢ光源を単位として、エリア制御対応のバックライト光源として駆動制御できる。本実施例のＲＧＢ光源で調整されるバックライトモジュール構成は、大型液晶表示装置のバックライトモジュール光源だけでなく、パーソナルコンピュータ用液晶パネルや車載カーナビゲーションのバックライト光源モジュール、その他の車載用途の光源モジュールとしても適用できる。
図４１と図４２を用いて、本発明の第５の実施例を説明する。
実施例１から４までと同様に、バックライト光源モジュールを作製するが、図４１と図４２に示すように、放熱領域を有するプリント基板モジュール１６の間に、放熱シート３１を設けており、その後光学反射シート１７を搭載するようにする。放熱シート３１は、プリント基板における放熱領域の銅薄膜１２と接するように、高熱伝導シートやペーストで接着する。これにより、プリント基板における放熱領域からさらに放熱シートへ熱拡散し、放熱されることになる。放熱シート３１は、白色のセラミックフィラ粒子を含有しており、熱拡散するとともに、輻射により大気中へ排熱される。このように構成することにより、ＬＥＤ素子から生じる発熱をプリント基板と放熱シートの放熱領域を通じて、最終的に筺体枠へ熱輸送されるとともに大気中へ輻射されるという放熱経路をとることができる。放熱シート３１は、構成として、白色のセラミックフィラ粒子の層により構成される場合の他、金属のアルミ薄膜層や銅薄膜層との２層構造、或いは白色のセラミックフィラ粒子の層の両側に金属のアルミ薄膜層や銅薄膜層を有する構成とすることもできる。金属のアルミ薄膜層や銅薄膜層は、プリント基板の放熱領域から高い熱伝導により熱的に接続されるので、相対的に放熱が高くなる。その結果、ＬＥＤ素子の実効的な温度を抑制することができ、さらに電気特性と光学特性を改善することが可能となる。
本実施例では、構造的に、放熱シート３１はパッケージやセラミック基板の厚さと同程度かそれ以下の膜厚で構成されるため、薄型の構成を維持したバックライト光源モジュールを構成することが可能である。本実施例のバックライトモジュール構成は、大型液晶表示装置のバックライトモジュール光源だけでなく、パーソナルコンピュータ用液晶パネルや車載カーナビゲーションのバックライト光源モジュール、その他の車載用途の光源モジュールとしても適用できる。
本発明に係るバックライト装置のパッケージ光源の一構成例を示す図である。。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の一構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の一構成例を示す断面図である。 放熱構成無しのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流電圧特性の温度変化を示す図である。 放熱構成有りのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流電圧特性の温度変化を示す図である。 放熱構成無しのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流相対比率の温度変化を示す図である。 放熱構成有りのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流相対比率の温度変化を示す図である。 放熱構成無しのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電圧相対比率の温度変化を示す図である。 放熱構成有りのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流相対比率の温度変化を示す図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す断面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す断面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板の一構成例を示す上面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板と筐体枠の一構成例を示す上面図である。 本発明に係る液晶表示装置に一実施例を示す断面図である。 本発明に係る液晶表示装置に一実施例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す断面図である。 放熱構成無しのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流光束特性の温度変化を示す図である。 放熱構成有りのプリント基板上に搭載したパッケージ光源青色素子の電流光束特性の温度変化を示す図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板と筐体枠の他の構成例を示す上面図である。 本発明に係るバックライト装置のパッケージ光源の他の構成例を示す図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す断面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す断面図である。 放熱構成無しのプリント基板上に搭載したパッケージ光源赤色素子の電圧相対比率の温度変化を示す図である。 放熱構成有りのプリント基板上に搭載したパッケージ光源赤色素子の光束相対比率の温度変化を示す図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板と筐体枠の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明のパッケージ光源を実装するプリント基板の他の構成例を示す断面図である。 放熱構成有無によるプリント基板上搭載パッケージ光源赤色素子の電流電圧特性の温度変化を示す図である。 放熱構成有無によるプリント基板上搭載パッケージ光源赤色素子の電流光束特性の温度変化を示す図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板の他の構成例を示す上面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板と筐体枠の他の構成例を示す上面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板と放熱シートの一構成例を示示す断面図である。 本発明に係るバックライト装置対応プリント基板と放熱シートと筐体枠の一構成を示す上面図である。
符号の説明
１，２８ セラミック基板
２ 放熱用の金属領域
３ 導通用の金属領域
４ 反射板リフレクタ
５ ダイボンディング材
６ 青色ＬＥＤ素子
６′ 赤色ＬＥＤ素子
６″ 緑色ＬＥＤ素子
７ 金線
８ 蛍光体
９ 透明樹脂
１０ パッケージ光源
１１ プリント基板
１２ 銅薄膜
１３ 導通用配線
１４ ドライバＩＣ
１５ 筐体枠
１６ プリント基板モジュール
１７ 光学反射シート
１８ 光線
１９ 拡散板
２０ プリズムシート
２１ 偏光反射シート
２２ 下部偏光板
２３ 薄膜トランジスタ回路を含む液晶層
２４ 上部偏光板
２５ バックライト筐体
２６ 液晶表示パネルモジュール
２７ 駆動回路
２９ ＲＧＢ光源のパッケージ
３０ ＲＧＢ対応導通配線
３１ 放熱シート

Claims (16)

  1. 中心に少なくとも一つのＬＥＤ素子が実装されたパッケージ光源を有し、前記ＬＥＤ素子の直下には放熱用の構造が設けられているとともに、前記ＬＥＤ素子に導通させる接続配線或いは領域が前記ＬＥＤ素子の左右どちらかの側に設けられている非対称な導通領域を有しており、前記ＬＥＤ素子を搭載するプリント基板において、前記ＬＥＤ素子の直下に設けられる放熱領域に対応した放熱構造が構成されており、非対称な接続配線或いは領域に対応して前記プリント基板の配線領域が構成されているバックライト装置。
  2. 請求項１記載のバックライト装置において、
    前記パッケージ光源は、相対応して少なくとも二つ設けられており、前記ＬＥＤ素子に対して非対称に構成される接続配線或いは領域が相向かう形をなしており、
    前記パッケージ光源が前記プリント基板に相対応して少なくとも二つ設けられて搭載実装されていることにより、前記パッケージ光源は前記プリント基板の内側において配線接続され駆動制御される電気的回路領域と、前記プリント基板の外側の両端領域における、前記ＬＥＤ素子の直下から放熱される構造を有している前記プリント基板の放熱領域が分離されて構成されているバックライト装置。
  3. 複数個のＬＥＤ素子を搭載実装するパッケージ光源を有し、
    前記ＬＥＤ素子が前記パッケージ光源に対し線対称に搭載実装されており、前記パッケージ光源が相対応して少なくとも二つの列をなして設けられており、前記ＬＥＤ素子に対して非対称に構成される接続配線或いは領域は相向かう形をなしており、複数個の前記パッケージ光源が前記プリント基板に相対応して少なくとも二つの列をなして設けられて搭載実装されていることにより、前記パッケージ光源は前記プリント基板の内側において配線接続され駆動制御される電気的回路領域と、前記プリント基板の外側の両端領域における、前記ＬＥＤ素子の直下から放熱される構造を有している前記プリント基板の放熱領域が分離されて構成されているバックライト装置。
  4. 複数個のＬＥＤ素子を実装する複数個のパッケージ光源或いは複数個の基板を搭載したプリント基板において、前記複数個のパッケージ光源で囲まれる内側或いは実装される基板の下側に相当する前記プリント基板の領域には電気的な接続が施されており、前記プリント基板に実装される前記複数個のパッケージ光源で囲まれる外側か或いは実装される基板の下側の一部を含む外側に相当する前記プリント基板の領域には、熱伝導或いは熱拡散による熱輸送が行われる放熱用材料の構成が施されており、電気的な接続の領域と放熱の領域がプリント基板上で区別されているバックライト装置。
  5. 請求項４記載のバックライト装置において、
    下側へ貫通するホールと、前記ホールを埋める金属からなる放熱構造を構成するサーマルビアホールと、を有し、
    前記サーマルビアホールに電気接続の領域と放熱の領域が区別されて、非対称的に電気的接続用のスルーホールと放熱用のサーマルビアホールが設けられているバックライト装置。
  6. 請求項５記載のバックライト装置において、
    電気接続を行う導通を構成するスルーホールと、前記導通を構成するスルーホールに設けられたパッドに接続された発光ダイオードＬＥＤ素子と、前記ＬＥＤ素子を封止する透明樹脂と、有し、
    前記パッケージ光源或いは基板はプリント基板上に搭載されており、複数個の前記パッケージ光源或いは基板で囲まれる領域には電気的な回路接続を行うスイッチング素子，ドライバ，抵抗及びコンデンサを実装しており、前記プリント基板における複数個の前記パッケージ光源或いは基板で囲まれる領域の外側の領域では金属或いはフィラ入り放熱シートにより熱伝導による熱輸送及び輻射による排熱が行われる放熱用の構成がなされているバックライト装置。
  7. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記サーマルビアホールを少なくとも有しているパッケージ光源或いは基板は、前記パッケージ光源上或いは基板上に搭載実装されたＬＥＤ素子が配線を通して電気的に前記プリント基板上に接続されているとともに、サーマルビアホールの穴埋め金属領域上にＬＥＤ素子がマウント実装されており、ＬＥＤ素子と接触する前記サーマルビアホールの穴埋め金属が前記プリント基板の放熱用材料構成に接続されて、熱伝導による熱輸送が行われる放熱構成を形成しているバックライト装置。
  8. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記放熱構造を構成する複数個のサーマルビアホールを有するパッケージ光源或いは基板では、前記パッケージ光源が４個直列に接続されているか或いは前記基板上で４個のＬＥＤ素子が直列に電気的接続がなされており、実装されるプリント基板上で電気的な接続の領域と放熱の領域が区別されているバックライト装置。
  9. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記サーマルビアホールを少なくとも有しているパッケージ或いは基板は、セラミック材料により構成されているＬＥＤ光源バックライトモジュールを設けてあることを特徴とする液晶表示装置。
  10. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記サーマルビアホールを少なくとも有しているパッケージ光源或いは基板が接続されるプリント基板には、少なくとも両端領域に熱伝導度の高い金属の銅膜が施されており、前記金属の銅膜に前記サーマルビアホールの穴埋め金属が前記プリント基板の金属の銅膜に接続されていることにより、前記サーマルビアホール上に実装搭載されるＬＥＤ素子の放熱がなされる構成であり、かつ前記プリント基板は縦方向に長い長方形状の構成を有していることにより、前記プリント基板の両端領域に構成される金属の銅膜を通じて熱伝導による放熱が前記プリント基板の上部方向に放熱される構成を有するバックライト装置。
  11. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記サーマルビアホールを少なくとも有しているパッケージ光源或いは基板に設けられている個々の配線に接続された複数個のＬＥＤ素子は、前記配線上に線対称に実装してあり、前記複数個のＬＥＤ素子は赤色ＬＥＤ素子と緑色ＬＥＤ素子と青色ＬＥＤ素子からなり、かつ線対称に実装して透明樹脂に封止して設けたバックライト装置。
  12. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記放熱構造を構成する複数個のサーマルビアホールを少なくとも有しているパッケージ光源或いは基板には、サーマルビアホールが直線状に配列されており、前記サーマルビアホールが形成されている前記パッケージ或いは基板の上面と下面において、前記複数個のサーマルビアホールが接して連続していることも可能である構成を有するバックライト装置。
  13. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記サーマルビアホールを少なくとも有しているパッケージ光源或いは基板が接続されるプリント基板には、少なくとも両端領域に熱伝導度の高い金属の銅膜が施されており、かつ前記プリント基板は縦方向に長い長方形状の構成を有しており、前記プリント基板の両端における金属の銅膜には、熱拡散により放熱及び輻射により排熱される白色フィラ入りの放熱シートを構成するバックライト装置。
  14. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記放熱構造を構成する複数個のサーマルビアホールを少なくとも有している基板には、基板の上面にＬＥＤ素子を電気的に接続する配線が設けられており、かつＬＥＤ素子は前記サーマルビアホールを通して基板の下面、即ちプリント基板の表面に放熱される熱伝導度の高い金属の銅膜へ接続されたバックライト装置。
  15. 請求項６記載のバックライト装置において、
    前記サーマルビアホールを少なくとも有している複数個のパッケージ光源或いは基板を搭載しているプリント基板の縦方向の長さを調整し、かつ前記プリントの基板の本数を適切に配列されたバックライト装置。
  16. 一対の基板と、
    前記基板間に挟持された液晶層と、
    前記液晶層に光を入射する請求項１記載のバックライト装置と、を有する液晶表示装置。
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