JP2009522804A - 発光ダイオードパッケージ、その製造方法及び、これを具備するバックライトユニット - Google Patents

発光ダイオードパッケージ、その製造方法及び、これを具備するバックライトユニット Download PDF

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Abstract

印刷回路基板の構造を改善して効果的に熱が放出できる発光ダイオードパッケージを提供するためのものである。発光ダイオードパッケージは、発光ダイオードと、上記発光ダイオードを駆動する回路パターンが形成され、上記発光ダイオードが実装される領域に貫通ホールが形成された印刷回路基板と、上記貫通ホールに形成され、上記発光ダイオードの下面に接触される放熱体が含まれる。
【選択図】図２

Description

本発明では、発光ダイオードパッケージ、その製造方法、及びこれを具備するバックライトユニットに関して開示される。
代表的な平板ディスプレイ装置である液晶表示装置（Liquid crystal display device；以下、‘ＬＣＤ’という）は、透明な画素電極がスイッチング素子により連結されている下側ＴＦＴ基板と、共通電極が形成されている上側カラーフィルタ（Color Filter）基板を具備する。
このような液晶表示装置の基板の間には異方性性質を有する液晶が形成されており、液晶表示装置の画素を発光させるためには画面全体に均一な明るさで光を照射することができるバックライトユニットが必要である。
一般的に使われる液晶表示装置のバックライトユニットとしては、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）が主に使われているが、冷陰極蛍光ランプは側面光源として光を液晶表示装置の全面に拡散させるためにはプリズムなどの部品が要求されるので、液晶表示装置の厚みを減らすことが容易ではない。また、部品コストの低減が容易でなかった。
そのため、外部光が液晶表示装置の画面の全体を均一な明るさを維持できるような面光源に関する研究が進行されており、これを満たすことができるように、高出力高輝度特性を有する発光ダイオードを利用したバックライトユニットが開発された。
一般に、発光ダイオードパッケージは、バックライトユニットの側部に設置され、発光ダイオードパッケージから放出された光は導光板により、上記導光板の上側に位置する液晶表示装置に入射されて、液晶表示装置がディスプレイとして機能できるようにする。
しかしながら、発光ダイオードを利用したバックライトユニットにおいて、発光ダイオードの光効率は略３０ｌｍ／Ｗ程度であり、光効率が８５ｌｍ／Ｗ程度である冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）より格段に低い。
一般に、発光ダイオードは、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）より光効率が半分以上低いし、光源として使われないエネルギーは全て熱に変わるので、熱発生が問題点として指摘されてきた。
このような発熱現象により、液晶表示装置を長時間稼動する場合、発光ダイオードを使用した液晶表示装置は冷陰極蛍光ランプを使用した液晶表示装置より温度が１０℃以上高まる。
このように、発光ダイオードから発生される熱が外部に放出できず、内部に続けて蓄積されれば、液晶表示装置を劣化させてディスプレイの表示品位を低下させるか、色変化を起こす要因となる。また、この熱は発光ダイオード自体の耐久性及び信頼性を低下させる要因となる。
より高輝度高出力発光ダイオードが要求されるので、発光ダイオードパッケージにおいても放熱が主な問題に台頭している。
また、発光ダイオードパッケージから高出力の光を得るために電流のサイズ（電流値）を高める場合には、発光ダイオード内で高い熱が発生する。発光ダイオードパッケージの内部温度が熱により上昇する場合、抵抗が非常に高まって光効率が低下する問題がある。
本発明の目的は、印刷回路基板の構造を改善して効果的に熱が放出できる発光ダイオードパッケージを提供することにある。
本発明の他の目的は、発光ダイオードから発生される熱を効果的に処理して液晶表示装置の劣化現象を改善できるようにした発光ダイオードパッケージを具備したバックライトユニットを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、発光ダイオードの光出力効率を向上させ、併せて、放熱効率を高めることによって、パッケージのサイズ及び厚みを縮めて、液晶表示装置の薄型化を図ることができる発光ダイオードパッケージ製造工程を提供することにある。
本発明の発光ダイオードパッケージは、発光ダイオードと、上記発光ダイオードを駆動する回路パターンが形成され、上記発光ダイオードが実装される領域に貫通ホールが形成された印刷回路基板と、上記貫通ホールに形成され、上記発光ダイオードの下面に接触される放熱体が含まれる。
本発明のバックライトユニットは、発光ダイオードと、上記発光ダイオードを駆動する回路パターンが形成され、上記発光ダイオードが実装される領域に貫通ホールが形成された印刷回路基板と、上記貫通ホールに形成され、上記発光ダイオードの下面に接触される放熱体が含まれる発光ダイオードパッケージと、上記発光ダイオードパッケージを支持する上記放熱体から伝えられた熱を外部に放出させるフレームと、上記発光ダイオードパッケージから放出された光を処理する光学シートとが含まれる。
本発明の発光ダイオードパッケージ製造方法は、回路パターンが形成された印刷回路基板の発光ダイオード実装領域に貫通ホールを形成するステップと、発光ダイオードを上記発光ダイオード実装領域に実装するステップと、上記発光ダイオードの下面と接触されるように、上記印刷回路基板の貫通ホールに放熱体を挿入するステップとが含まれる。
本発明によると、印刷回路基板の構造を改善して効果的に熱が放出できる発光ダイオードパッケージを提供することができる。
本発明によると、効果的に発光ダイオードから発生される熱を処理して、液晶表示装置の劣化現象を改善できるようにした、発光ダイオードパッケージを具備したバックライトユニットを提供することができる。
本発明は、発光ダイオードの光出力効率を向上させ、併せて、放熱効率を高めることによって、パッケージのサイズ及び厚みを縮めて、液晶表示装置の薄型化を図ることができる発光ダイオードパッケージ製造工程を提供することができる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージ、その製造方法、及びこれを具備するバックライトユニットについて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの断面図であり、図２は本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの分解斜視図である。
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージ３０は、少なくとも一つ以上の発光ダイオード３１と、印刷回路基板（Printed Circuit Board）３２と、発光ダイオード３１から発生される熱を外部に伝達するための熱放出通路の役割をする放熱体３３が含まれる。
発光ダイオード３１は、ＩｎＧａＮ半導体で製造された発光ダイオードチップ３１２、リードフレーム３１３が形成されたチップ支持部材３１１、及びチップ支持部材３１１の上面に発光ダイオードチップ３１２を封入するモールディング部３１４が含まれる。
リードフレーム３１３は、チップ支持部材３１１の上面、側面、及び下面に連結されて形成される。リードフレーム３１３は、チップ支持部材３１１の上面に形成された発光ダイオードチップ３１２とチップ支持部材３１１の下面に位置する印刷回路基板３２の回路パターン３２３を電気的に連結する。
本発明に従う発光ダイオードパッケージに設置される発光ダイオードは、多様な製品が搭載されることができるが、下記ではチップ型発光ダイオード３１を例として説明する。
また、発光ダイオード３１には少なくとも一つの発光ダイオードチップ３１２が形成されることができる。
図１及び図２に示すように、発光ダイオード３１は、多数個の発光ダイオードチップ３１２がチップ支持部材３１１上に実装されて、リードフレーム３１３を通じて印刷回路基板３２と電気的に連結されており、その上面には、例えば、ラウンドまたは四角形状のモールディング部３１４が形成されている。
発光ダイオードチップ３１２を封止できるように、例えば、エポキシモールドコンパウンド（Epoxy Mold Compound：ＥＭＣ）を利用して、チップ支持部材３１１の上部をトランスファーモールディング（Transfer Molding）する。
このような方法により形成された発光ダイオード３１の底面部には、外部との電気的接触が可能であるようにリードフレーム３１３が形成されており、リードフレーム３１３をソルダーペーストが塗布された印刷回路基板３２の回路パターン３２３と触れ合うようにして電気的接続部３１５を形成する。
一方、図２に示すように、本発明の実施の形態に従う印刷回路基板３２は、絶縁層３２１、印刷回路基板３２に搭載される発光ダイオードの動作のための電源線、制御線、出力線などに対応する回路パターン３２３、及び発光ダイオード３１が実装される領域において、絶縁層３２１の上下部を貫通する貫通ホール（through hole）３２２を含む。
貫通ホール３２２は、発光ダイオード３１の実装位置によって多数個が穿孔されており、貫通ホール３２２の周辺部には回路パターン３２３のソルダーパッドが位置され、これらソルダーパッドは、発光ダイオード３１の底面に形成された電極パッドと電気的に連結される。
そして、貫通ホール３２２は、平板型絶縁層３２１を機械的ドリリング、パンチング、レーザ方法を利用して加工したものであり、貫通ホール３２２の直径は回路パターンとの間隔を考えて発光ダイオード３１のサイズより若干小さく形成される。
この際、貫通ホール３２２を形成する方法は、印刷回路基板３２の加工時、回路パターン３２３の剥離、破損現象などが発生しないように選択的に遂行する。
そして、印刷回路基板の絶縁層３２１で形成される材料は、要求される印刷回路基板の特性を勘案して当業者により選択が可能であり、特別な種類への限定を要するものではない。
例えば、比較的高誘電率（Ｄｋ＝４．７）を有するＦＲ−４（Flame retardant type 4）を利用して硬性印刷回路基板を製造することができ、このような印刷回路基板３２には、図１乃至図４から見られるように、多数個の発光ダイオードチップを直列または並列に実装できるように回路パターン３２３と貫通ホール３２２が形成される。
そして、ＦＲ−４またはエポキシ印刷回路基板３２の上板には発光ダイオードが装着されて回路的に動作できるようにルーティング（routing）またはソルダーマスク（solder mask）が形成されることが好ましい。
貫通ホール３２２には放熱可能な全ての金属や金属ペースト（metal paste）からなる放熱体３３が挿入され、放熱体３３は貫通ホール３２２の内部に塗布された接着剤により印刷回路基板の貫通ホール３２２に付着されることができる。
そして、放熱体３３の一端部が発光ダイオード３１の底面に接触できるようにする。
本発明の実施の形態に従う放熱体３３は、熱伝導性が優れる物質であって、貫通ホール３２２への嵌合付着または接着剤（熱伝導性接着剤）による付着が可能であり、発光ダイオード３１の熱を外部に十分に排出できるように、その直径と高さを選択して、放熱効率を高めることができるようにする。
このように、発光ダイオードパッケージ３０の印刷回路基板の貫通ホール３２２に挿入される放熱体３３は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち、どれか一つの材質で作られることができ、このパッケージから発生する熱を垂直に放出できる経路となる。
一般に、ＦＲ−４やエポキシなどの材質から構成された一般的な印刷回路基板は、印刷回路基板の設計製作が容易であり、修正補完がやさしくて、少ない費用で高集積回路用印刷回路基板を構成できるという利点はあるが、特性変化、即ち温度放熱特性がメタルコア印刷回路基板（Metal-Core Printed Circuit Board）などに比べて落ちるという短所がある。
しかしながら、本発明の実施の形態に従う印刷回路基板３２には、発光ダイオード３１の底面を露出させることができる貫通ホール３２２が形成されており、上記貫通ホールに発光ダイオード３１から発生された熱を外部に放出させることができる放熱経路を形成するように放熱体３３が挿入されるので、発光ダイオードパッケージの温度に従う特性の低下を防止することができる。
即ち、放熱特性が優れるメタルコア印刷回路基板を使用して発光ダイオードパッケージを構成した場合には、発光ダイオードから発生された熱が基板の全体を通じて伝えられるため、印刷回路基板に実装された他の発光ダイオードにも熱が伝導されて発光ダイオードの電気的信頼性が低減される。
しかしながら、本発明に従う発光ダイオードパッケージは、放熱体を通じて熱が垂直に放出されて、個別発光ダイオードから発生された熱が他の発光ダイオードに伝導されないので、放熱効果がより大きくて、他の発光ダイオードの電気的特性も確保することができる。
また、メタルコア印刷回路基板の場合、価格が非常に高いが、本発明では低廉な印刷回路基板を使用しても優れる放熱特性を有することができる。
そして、印刷回路基板３２には熱伝導が優れるソルダーパッドがまた形成されているので、発光ダイオードと印刷回路基板との間に介されて、これらの間の熱伝導が効果的に起こるようにする。
図３乃至図５は、本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの製作方法を順次に示す断面図である。
これを参考にして説明すると、本発明の実施の形態に従う印刷回路基板３２は、図３のように、プラスチック、ＦＲ−４の絶縁材を利用して絶縁層３２１を含む基板を形成する。そして、その一面に銅箔層を蒸着または圧着して形成した後、その上面にフォトレジスト塗布して湿式エッチング工程を経て回路パターン３２３を形成する。
そして、発光ダイオード３１が実装される領域の回路パターン３２３には、発光ダイオードの電極パッドと接触されるソルダーパッドが形成されており、ソルダーパッドと離隔され、発光ダイオードが実装される位置に貫通ホール３２２が形成されている。
次に、図４のように、発光ダイオード３１を印刷回路基板３２の回路パターン３２３の上に実装する。
この際、上記ソルダーパッド上にはソルダーリング工程に可溶的な金属メッキが実施されていることができる。メッキ材料は金や銀を使用することができる。
次に、図５のように、印刷回路基板３２の貫通ホール３２２に放熱体３３を挿入して、発光ダイオード３１の底面と放熱体３３が面接触されるようにする。
本発明の実施の形態に従う放熱体３３は、印刷回路基板３２の厚みとの一致の可否、形態などによって多様に製作されることができ、基板上に形成された貫通ホール３２２に強制嵌合式により挿入されるか、または接着剤により印刷回路基板３２に固定される。
このような方法により放熱体を具備した印刷回路基板を利用して発光ダイオードの高放熱パッケージで製作することができる。
一方、前述した方法により製作された発光ダイオードパッケージは、図６に図示すように、発光ダイオードパッケージを液晶表示装置の光源であるバックライトユニットに装着する。
本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージ３０が装着されるバックライトユニット１０は、発光ダイオードパッケージ３０を固定させ、支持するフレーム１３と、発光ダイオードパッケージ３０と液晶パネル（図示せず）との間に配置された光学シート１５ａ、１５ｂ、１５ｃを含む。
光学シート１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、発光ダイオードパッケージ３０の形状が液晶表示装置の画面に表れることを防止し、全体的に均一な明るさの分布を有する光源機能を向上するためのものである。また、光散乱効果を増進させるために液晶表示装置のパネルと発光ダイオードパッケージ３０との間に多数のプリズムシート１５ｂ、１５ｃ、及び拡散シート１５ａなどからなる。
発光ダイオードパッケージ３０は、バックライトユニット１０のフレーム１３と連結されたバックライトユニット支持体１７と面接触がなされる状態に装着される。
これによって、発光ダイオードパッケージ３０から発生する熱は放熱体３３を通じてバックライトユニット支持体１７を通じて外部に放出される。
即ち、本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージは、発光ダイオードから発生する熱が放熱体を通じて吸収されて外部に放出するために、バックライトユニットのヒットシンクに伝えられる構成となっている。
本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージが設置されたバックライトユニットの駆動過程は、下記の通りである。
本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージ３０に電源が印加されて、外部の電源がリードフレームを通じて発光ダイオードチップ３１２に供給されると、発光ダイオードチップ３１２は、その固有の波長を有する光を発生させる。
例えば、発光ダイオード３１が高輝度の白色光を生成できるように、チップ支持部材３１１の上にＲ、Ｇ、Ｇ、Ｂの発光ダイオードチップ３１２が４個実装されている。このような場合、発光ダイオードチップ３１２は抵抗を通じて並列に連結されているか、または直列に互いに連結されている。
これら発光ダイオードチップ３１２は、各々の互いに異なる輝度を有する光を放出するので、各抵抗比を可変して４個の発光ダイオードチップ３１２に流れる電流を調節して放出される光の強さ、輝度を調節する。
個別発光ダイオードチップ３１２から発生された光は放射状で散らばりながら光路が変更され、以後、該当パッケージモールディング部３１４の外面を透過して外部に出光される。このように、発光ダイオード３１が発光することによって熱が発生される。
発光ダイオード３１から発生された熱はチップ支持部材３１１を通じて印刷回路基板３２に伝えられる。そして、印刷回路基板３２に伝えられた熱は放熱体３３を通じて放出されることもできる。
前述したように、本発明の実施の形態に従う印刷回路基板は、既存のメタルコア印刷回路基板（Metal Core Printed Circuit Board）放熱基板より非常に優れる放熱特性を持っており、冷却時間が短くて、高輝度高出力発光ダイオードを使用する種々の分野で使われることができる。
また、発光ダイオードを放熱効率が良い印刷回路基板上に実装することで、発光ダイオードの光出力効率を向上させ、併せてパッケージ製造工程を簡素化することができる。
本発明は前述した実施形態に限定されず、以下、請求範囲で請求する本発明の要旨から外れることがなく、当該発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変更実施が可能である。
本発明は、発光ダイオードパッケージの放熱効果を極大化させている。それにより、持続的に発光させることができたり、発光ダイオードの光出力を高める場合にも一定の温度を維持できるため、温度変化に従う色度座標、ピーク波長、半波高全幅値（ＦＷＨＭ）に対する変化を防止する効果がある。
また、本発明は、一般的な印刷回路基板に貫通ホールを形成して放熱体を挿入することで、放熱効果が優れる高輝度発光ダイオードパッケージで効果的に具現できるため、パッケージ製造工程が単純化されて、製品生産性が向上し、製品コストを低めることができる。
そして、熱による発光ダイオードの発光特性の低下を改善することができ、発光ダイオードを利用して液晶表示装置の面発光を具現することができるので、液晶表示装置の薄型化を図ることができる。
さらに、放熱特性が優れるメタルコア印刷回路基板（Metal-Core Printed Circuit Board）を使用する場合、発光ダイオードから発生された熱が基板の全体を通じて伝えられるため、印刷回路基板に実装された他の発光ダイオードにも熱が伝導されて発光ダイオードの電気的信頼性を低減させてしまうことがあるが、本発明に従う発光ダイオードパッケージは放熱体を通じて熱が垂直に放出されるので、他の発光ダイオードの信頼性に影響を与えない。
本発明は、発光ダイオードを利用した電子機器の光源に多様に適用されることができる。
本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの断面図である。 本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの分解斜視図である。 本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの製作過程を説明する図である。 本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの製作過程を説明する図である。 本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージの製作過程を説明する図である。 本発明の実施の形態に従う発光ダイオードパッケージが装着されたバックライトユニットを説明する図である。
符号の説明
３０ 発光ダイオードパッケージ、 ３１ 発光ダイオード、 ３２ 印刷回路基板、 ３３ 放熱体、 ３１２ 発光ダイオードチップ、 ３１１ チップ支持部材、 ３１４ モールディング部、 ３１３ リードフレーム、 ３２３ 回路パターン。

Claims (20)

  1. 発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードを駆動する回路パターンが形成され、前記発光ダイオードが実装される領域に貫通ホールが形成された印刷回路基板と、
    前記貫通ホールに形成され、前記発光ダイオードの下面に接触される放熱体が含まれて構成されることを特徴とする発光ダイオードパッケージ。
  2. 前記放熱体は、金属または金属ペーストであることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードパッケージ。
  3. 前記発光ダイオードの底面と前記放熱体との間には熱伝導性接着剤が形成されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードパッケージ。
  4. 前記放熱体は、接着剤により前記印刷回路基板の貫通ホールに付着されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードパッケージ。
  5. 前記発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを支持し、リードフレームが形成されたチップ支持部材と、前記発光ダイオードチップを封入するモールディング部が含まれて構成されることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードパッケージ。
  6. 前記リードフレームは、前記チップ支持部材の上面、側面、及び下面に連結されて形成されることを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードパッケージ。
  7. 前記リードフレームは、前記貫通ホールと離隔した回路パターンと電気的に連結されることを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードパッケージ。
  8. 前記放熱体は、前記発光ダイオードのチップ支持部材の下面に接触されることを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードパッケージ。
  9. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードを駆動する回路パターンが形成され、前記発光ダイオードが実装される領域に貫通ホールが形成された印刷回路基板と、前記貫通ホールに形成され、前記発光ダイオードの下面に接触される放熱体が含まれる発光ダイオードパッケージと、
    前記発光ダイオードパッケージを支持する前記放熱体から伝えられた熱を外部に放出させるフレームと、
    前記発光ダイオードパッケージから放出された光を処理する光学シートと、
    が含まれて構成されることを特徴とするバックライトユニット。
  10. 前記放熱体は、金属または金属ペーストであることを特徴とする請求項９記載のバックライトユニット。
  11. 前記発光ダイオードの底面と前記放熱体との間には熱伝導性接着剤が形成されることを特徴とする請求項９記載のバックライトユニット。
  12. 前記放熱体は、接着剤により前記印刷回路基板の貫通ホールに付着されることを特徴とする請求項９記載のバックライトユニット。
  13. 前記発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを支持し、リードフレームが形成されたチップ支持部材と、前記発光ダイオードチップを封入するモールディング部が含まれて構成されることを特徴とする請求項９記載のバックライトユニット。
  14. 前記リードフレームは、前記チップ支持部材の上面、側面、及び下面に連結されて形成されることを特徴とする請求項１３記載のバックライトユニット。
  15. 前記リードフレームは、前記貫通ホールと離隔した回路パターンと電気的に連結されることを特徴とする請求項１３記載のバックライトユニット。
  16. 前記放熱体は、前記発光ダイオードのチップ支持部材の下面に接触されることを特徴とする請求項１３記載のバックライトユニット。
  17. 回路パターンが形成された印刷回路基板の発光ダイオード実装領域に貫通ホールを形成するステップと、
    発光ダイオードを前記発光ダイオード実装領域に実装するステップと、
    前記発光ダイオードの下面と接触されるように、前記印刷回路基板の貫通ホールに放熱体を挿入するステップと、
    が含まれて構成されることを特徴とする発光ダイオードパッケージ製造方法。
  18. 前記放熱体、前記貫通ホールの内面、及び前記発光ダイオードの下面のうち、少なくともどれか一つに接着剤を塗布するステップが含まれることを特徴とする請求項１７記載の発光ダイオードパッケージ製造方法。
  19. 前記発光ダイオードは、発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップを支持し、リードフレームが形成されたチップ支持部材と、前記発光ダイオードチップを封入するモールディング部が含まれ、
    前記発光ダイオードのリードフレームと前記印刷回路基板の回路パターンが電気的に連結されるように前記発光ダイオードを実装することを特徴とする請求項１７記載の発光ダイオードパッケージ製造方法。
  20. 前記リードフレームは、前記チップ支持部材の上面、側面、及び下面に連結されて形成され、
    前記チップ支持部材の下面に位置するリードフレームが前記印刷回路基板の回路パターンと電気的に連結されることを特徴とする請求項１９記載の発光ダイオードパッケージ製造方法。
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