JP2010073724A - 発光モジュール - Google Patents

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雅彦 水谷
Takanari Kusabe
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Abstract

【課題】従来の発光モジュールでは、リフレクターの構造により発光モジュールの小型化、薄型化が実現し難いという問題があった。
【解決手段】本発明の発光モジュール1では、金属基板2上にリフレクター3が接着される。リフレクター3には、各ユニット13に対応して開口部4が形成される。開口部4内には配線層8A上に発光素子5が固着され、開口部4は蛍光樹脂体14により埋設される。この構造により、リフレクター3は蛍光樹脂体14を溜めるダム部としての機能も有し、発光モジュール1の小型化や薄型化が実現される。
【選択図】図1

Description

本発明は、リフレクターを有する発光モジュールに関する。
従来例として、下記の発光モジュール41が知られている。
図4に示す如く、アルミニウムから成る金属基板42上面に絶縁性樹脂43が被覆され、絶縁性樹脂43上面に導電パターン44が形成される。導電パターン44上面には、それぞれ複数の発光素子45(LED素子)が固着され、発光素子45の電極は金属細線46を介して導電パターン44と電気的に接続される。そして、個々のユニット毎に、発光素子45と金属細線46は、光透過性の樹脂47により被覆される。金属基板42の周辺には接続部48が配置され、接続部48上面には透明基板49が配置される。そして、金属基板42、接続部48及び透明基板49から成る空間部にはガスが封入され、発光素子45の劣化が防止される(例えば、特許文献1参照。)。
また、図5に示す如く、ガラスエポキシ樹脂等から成る絶縁性のプリント基板52の表裏面及び側面には、配線パターン53が形成される。配線パターン53上面にはLEDチップ54が固着され、LEDチップ54の電極は金属細線55を介して配線パターン53と電気的に接続される。そして、LEDチップ54や金属細線55は透明封止樹脂56で封止され、その透明封止樹脂56を囲むように、プリント基板52上面にリフレクター57が配置される(例えば、特許文献2参照。)。
特開2006−100753号公報(第4−5頁、第1図) 特開2006−310505号公報(第4−5頁、第1−2図)
従来の発光モジュールでは、TVのバックライト等の照明機器に使用される際には、一つのLED素子では明るさが不十分なため、照明機器に多数のLED素子が実装される。そして、LED素子は照射時に多量の熱を放出し、その熱が発光モジュール外部に放出されない場合には、LED素子の性能が早期に低下してしまう問題がある。
例えば、図4に示すように、金属基板42を用いた場合でも、その上面が絶縁性樹脂43により被覆されることで、発光素子45(LED素子)から放出される熱が、効率的に金属基板42へと伝わり難く、発光素子45の輝度の低下が問題となる。同様に、上記放出熱により樹脂47が劣化してしまう問題がある。
また、図5に示すように、従来の発光モジュール51では、透明封止樹脂56の周囲にリフレクター57が配置される。この発光モジュール51では、透明封止樹脂56が、リフレクター57と接着することなく、それぞれ独立して配置される。具体的には、透明封止樹脂56側面とリフレクター57との間には隙間W3が形成され、リフレクター57は透明封止樹脂56を溜めるためのダム部として利用されていない。また、リフレクター57は、透明封止樹脂56よりも高さT4だけ高くなる。この構造により、各ユニット毎の形成領域を狭めることが難しく、発光モジュール51自体の小型化や薄型化を実現し難いという問題がある。
更に、発光モジュール51では、プリント基板52を構成する主材料とリフレクター57とを構成する主材料とが異なり、それらの線膨張係数も異なる。そして、LEDチップ54からの放出熱によりプリント基板52やリフレクター57は、それぞれ伸縮を繰り返す。その結果、線膨張係数の違いにより、プリント基板52やリフレクター57のそれぞれの伸縮量も異なり、プリント基板52とリフレクター57とが剥離してしまう問題がある。
本発明の発光モジュールでは、金属基板と、少なくとも前記金属基板の一主面側を被覆する絶縁層と、前記絶縁層上に形成された配線層と、前記金属基板の一主面上に接着されたリフレクターと、前記リフレクターの開口部から露出する前記配線層上に電気的に接続された発光素子と、前記開口部を埋設する樹脂体とを有し、前記リフレクター表面は、少なくとも前記金属細線の頂部よりも高くなり、前記樹脂体は、前記開口部に露出する前記リフレクターと接着することを特徴とする。従って、本発明では、リフレクターが、発光素子からの光を反射する反射機能と、樹脂体を溜めるダム部としての機能を有することで、発光モジュールの小型化や薄型化が実現される。
本発明では、金属基板上にリフレクターが接着される。リフレクターの開口部には発光素子が固着され、蛍光樹脂体が充填される。この構造により、発光モジュールの小型化や薄型化が実現される。
また、本発明では、金属基板上面を被覆する絶縁層に開口領域が形成され、その開口領域から露出する金属基板上に発光素子が固着される。この構造により、発光素子から放出される熱の放熱性が向上される。
また、本発明では、リフレクターの接着面側には、開口部の端部周辺に曲面が形成される。この構造により、蛍光樹脂体が、開口部側面のリフレクター側へと食い込むことで、アンカー効果が得られる。
また、本発明では、リフレクターの反射面側には、開口部の端部周辺にバリが形成される。この構造により、各ユニットの開口部の開口面積のばらつきが抑えられ、発光モジュール全体での光量のばらつきが防止される。
また、本発明では、リフレクターの構成する金属材料がアルミニウムであり、金属基板を構成する主材料がアルミニウムである。この構造により、両部材の線膨張係数が近似し、熱応力による両部材の剥がれが防止される。
以下に、本発明の第1の実施の形態である発光モジュールについて、図1〜図2を参照して説明する。図1(A)は、発光モジュールを説明するための斜視図である。図1(B)は、図1(A)に示すA−A線方向の断面図である。図2(A)は、発光モジュールに用いるリフレクターを説明するための断面図である。図2(B)及び(C)は、発光モジュールを説明するための断面図である。
図1(A)に示す如く、発光モジュール1は、主に、金属基板2上にリフレクター3が接着される。リフレクター3に開口された複数の開口部4内には、それぞれ発光素子5が配置される。そして、複数の開口部4は、1枚の板状のリフレクター3の長手方向に一定間隔に配置される。複数の発光素子5は、上記長手方向に直列に接続されることで所定の光量が確保され、TVのバックライト等の照明器具として用いられる。
図1(B)に示す如く、金属基板2は、銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の金属から成り、例えば、厚さT1は0.5mm〜2.0mm程度であり、幅W1(図1(A)参照)は5mm〜20mm程度であり、長さL1(図1(A)参照)は、10cm〜50cm程度である。そして、金属基板2がアルミニウムから成る場合、金属基板2の上面および下面は、アルミニウムを陽極酸化させた酸化膜6、7(アルマイト膜:Al(SO)により被覆される。酸化膜6、7の厚みは、例えば1μm〜10μm程度である。尚、アルミニウムから成る金属基板2上面に、直接、樹脂が被膜する場合でも良い。
尚、金属基板2には、少なくとも酸化膜6が形成されていればよく、エポキシ樹脂等の絶縁層により被膜される場合でもよい。また、図示していないが、金属基板2の長手方向の両端には、外部の電源と接続される外部接続端子が形成される。この端子は、差込型のコネクタでも良いし、配線を導電パターンに半田付けするものでも良いし、また、電極や配線が形成されたフレキシブルシート(TABシート)でも良い。
次に、配線層8A〜8Eは、金属基板2上の酸化膜7上面に形成される。配線層8A〜8Eは、例えば、銅箔等の導電箔を選択的にウェットエッチングし、パターニングされる。そして、個々の開口部4内には、少なくとも発光素子5を固着するための配線層8A(ランド)と、金属細線9と接続する配線層8B、Cが形成される。上述したように、個々の開口部4内に配置された発光素子5は、リフレクター3下方の配線層8D、E等を介して直列接続される。尚、上記配線層8A〜8Eは、発光素子が固着するランドや金属細線が接続する電極部を含むものである。
次に、リフレクター3は、ボンディングシート(接着シート)10を介して金属基板2上に貼り合わされる。リフレクター3は、アルミニウム板11上面に白色樹脂12が塗布され構成される。そして、リフレクター3の反射面側に白色樹脂12が配置されることで、発光素子5から照射される光が効率的に反射され、照射光の輝度がより一層向上される。また、発光素子5の温度上昇に伴う輝度の低下や発光素子5の性能低下による輝度の低下も、上記反射効率が高められることから、光を吸収し難く、温度上昇が抑えられ、抑制される。
例えば、アルミニウム板11は、巻かれた状態で準備され、その状態から延ばす際にその表裏面が粗面加工される。その後、アルミニウム板11の表面側に白色樹脂12が塗布されることで、両者の密着性が向上される。尚、ボンディングシート10は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁性接着樹脂を用いたシートであり、アルミニウム板11の裏面側も粗面加工されることで、両者の密着性が向上される。
この構造により、金属基板2を構成する主材料とリフレクター3を構成する主材料とが、アルミニウムであり、発光モジュール1の枠体としての線膨張係数が近似する。そして、複数の発光素子5が照射し、発光素子5から熱が放出されることで、発光モジュール1自体が高温となる。このとき、リフレクター3の接着面側にはアルミニウム板11が配置され、金属基板2とリフレクター3との接着領域近傍での伸縮量が近似することで、金属基板2とリフレクター3との剥離が防止される。特に、例えば100mA以上の電流が通過する発光素子5(パワーLED)が用いられた際には、発光モジュール1自体が更に高温となるが、上記構造により剥離が抑制される。尚、銅板から成るリフレクターを用いる場合には、銅を主材料とする金属基板を用いることで、同様に、線膨張係数が近似し、上記剥離現象が防止される。この場合、銅は酸化し易いため、金属基板等の表面にはメッキ処理等の酸化防止処理が施される。
次に、開口部4は、各ユニット13毎に、金属基板2上のリフレクター3及びボンディングシート10に対して、例えば、円形状に形成される。そして、開口部4の幅W2(直径)は、固着される発光素子5よりも若干大きい程度であり、例えば、発光素子5の幅が3mm程度であれば、開口部4の幅W2は4mm程度に設定される。また、詳細は後述するが、固着される発光素子5及び金属細線9が完全に埋設される必要があり、開口部4の深さは、例えば、0.8〜1.0mm程度に設定される。
この構造により、リフレクター3に形成される開口部4は、発光素子5等を埋設する蛍光樹脂体14のダム部としての機能も有する。また、開口部4の側面からは、リフレクター3のアルミニウム板11が露出することで、発光素子5からの放出熱は、アルミニウム板11を介しても放熱される。そして、発光素子5からの放出熱により、蛍光樹脂体14が劣化することが抑制される。尚、ユニット13とは、1つの発光モジュール1を構成する部位のことである。また、ボンディングシート10には、リフレクター3の形状に合わせて、予め、開口部等の加工が施されている。
次に、発光素子5は、上面に2つの電極(アノード電極、カソード電極)を有し、所定の色の光を照射させる素子である。発光素子5の構成は、ガリウムヒ素(GaAs)等から成る半導体基板の上面にN型の半導体層と、P型の半導体層が積層される。そして、発光素子5の側面上部および上面からは所定の色の光が周囲に照射される。尚、発光素子5としては、その表裏面にそれぞれ電極が形成される構造の場合でもよい。
具体的には、発光素子5の大きさは、例えば、縦×横×厚み=0.3mm×0.3mm×0.1〜0.3mm程度である。また、発光素子5の厚みは、照射する光の色により異なり、例えば、赤色の光を照射する発光素子5の厚みは0.15mm程度であり、緑色の光を照射する発光素子5の厚みは0.28mm程度であり、青色の光を照射する発光素子5の厚みは0.15μm程度である。そして、発光素子5の上面に配置されたアノード電極とカソード電極は、それぞれ金属細線9により配線層8B、8Dと接続される。この構造により、開口部4内の発光素子5の厚みと金属細線9のループ高さとを合わせると、その合計高さは、0.6〜0.8mmとなる。
次に、蛍光樹脂体14が、個々の開口部4毎に充填され、発光素子5、金属細線9が被覆される。上述したように、開口部4の深さが、発光素子5と金属細線9の合計高さ以上であり、金属細線9は、蛍光樹脂体14内に完全に埋設される。
具体的には、蛍光樹脂体14は、耐熱性に優れたシリコーン樹脂に蛍光体が混入された構成となる。そして、発光素子5の側面上部および上面から照射された光は、蛍光樹脂体14内の蛍光体により乱反射しながら、蛍光樹脂体14外部へと照射される。例えば、発光素子5から青色の光が照射される場合には、蛍光樹脂体14内に黄色の蛍光体を混入することで、蛍光樹脂体14を透過した光は白色となる。従って、発光素子5の発光色と混入される蛍光体との組み合わせにより、発光モジュール1からは種々の光が照射される。そして、上記組み合わせにより、白色光を照射することで、TVのバックライト等の照明器具として利用することができる。尚、蛍光樹脂体14の上部や下部には、透明なシリコーン樹脂が配置され、開口部4内に蛍光樹脂体14と透明なシリコーン樹脂とが積層される構造の場合でもよい。
図2(A)に示す如く、リフレクター3は、アルミニウム板11上面に白色樹脂12が塗布され構成される。そして、固着される発光素子5の厚み及び金属細線9のループ高さに応じて、例えば、アルミニウム板11の厚みT2は、0.5mmに設定され、白色樹脂12の厚みT3は、0.3mmに設定される。
リフレクター3は、例えば、パンチ(図示せず)によりアルミニウム板11側から白色樹脂12側へと打ち抜かれ、開口部4が形成される。丸印15、16にて示すように、アルミニウム板11の打ち抜き始点側(接着面側)には、開口部4の端部周辺に曲面17が形成される。曲面17は、開口部4の円形状に合わせて形成され、その表面はせん断面となる。そして、曲面17は、リフレクター3の接着面側に対して凹部となる。
一方、丸印18、19にて示すように、アルミニウム板11の打ち抜き終点側には、バリ20が形成される。バリ20は、開口部4の円形状に合わせて形成され、その表面は破断面となる。同様に、丸印21、22にて示すように、白色樹脂12の打ち抜き終点側には、バリ23が形成される。バリ23は、開口部4の円形状に合わせて形成され、その表面は破断面となる。そして、バリ23は、リフレクター3の反射面側に対して凸部となる。
上述したように、発光素子5の側面上部からも光が照射されるが、開口部4の側面には、アルミニウム板11や白色樹脂12のせん断面や破断面が配置されることで、上記照射光が効率的に乱反射され、照射光の輝度が向上される。そして、バリ23の存在により、反射領域が拡大される。
図2(B)に示す如く、開口部4内は、蛍光樹脂体14により充填される。蛍光樹脂体14は、発光素子5、金属細線9を埋設し、リフレクター3の開口部4側面とも接着する。丸印18、21にて示す領域では、それぞれのバリ20、23の側面が破断面であり、よりリフレクター3と蛍光樹脂体14との接着性が向上する。そして、そのバリ20、23は、開口部4の端部周辺に一環状に形成されることで、上記接着状態の優れた構造となる。この構造により、開口部4内への湿気の浸入が防止され、金属細線9の腐食や発光素子5の劣化等が防止され、製品品質が向上される。
また、丸印15にて示す領域では、アルミニウム板11の曲面17が配置されることで、その曲面17の領域は、開口部4の側面に対して凹部となる。そして、曲面17は、開口部4の端部に一環状に形成されることで、凹部も開口部4に対し一環状に形成される。この構造により、蛍光樹脂体14は、上記凹部を利用し、開口部4の側面に食い込むように硬化し、アンカー効果が得られる。そして、蛍光樹脂体14が、開口部4から抜け落ちることが防止され、製品品質が向上される。また、リフレクター3と蛍光樹脂体14との境界面から水分が浸入した場合でも、上記凹部により水分の浸入経路が長くなり、発光素子5の劣化等を遅らせることができる。
また、バリ23は、開口部4を形成する際の打ち抜き方向に対し、実質、平行方向に発生する。バリ23の形成領域においても、開口部4の幅W2(直径)は、実質、同等の幅となる。そして、白色樹脂12表面側から見た各ユニット13における開口部4の円形状の面積は、リフレクター3全体を通して、実質、同等となる。この構造により、発光モジュール1には複数のユニット13が配置されるが、各ユニット13から照射される光量が統一される。そして、発光モジュール1全体として光量のばらつきが防止される。更に、上記開口部4構造により、各ユニット13毎に充填される蛍光樹脂体14の量が、若干、ばらついた場合でも、光量のばらつきが防止され、作業性が向上される。
上述したように、金属基板2上に貼り合わされるリフレクター3が、反射機能だけでなく、蛍光樹脂体14を溜めるダム部としても機能することで、発光モジュール1自体の厚みを薄くすることができる。
尚、リフレクター3の打ち抜き方向を白色樹脂12側からアルミニウム板11側とした場合には、開口部4のアルミニウム板11側にバリが発生し、白色樹脂12側に曲面が形成される。この場合には、アルミニウム板11側では、そのバリにより配線層を断線したり、バリが破砕したりする問題が発生する。また、白色樹脂12側では、その曲面部分により開口部の円形状の面積がばらつき、開口部に充填される蛍光樹脂体14の量に応じて各ユニット13毎の光量にばらつきが生じる等の問題が発生する。
図2(C)に示す如く、リフレクター3上面には、各ユニット13毎に、レンズ24が形成される。レンズ24は、例えば、熱可塑性樹脂やシリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂により形成される。そして、レンズ24がリフレクター3上面に形成されることで、丸印21、22にて示す領域のバリ23は、レンズ24内へと配置される。この構造により、バリ23はレンズ24にて保護され、バリ23が発光モジュール1外部に露出することがなく、バリ23が破砕することが防止される。また、リフレクター3上面に樹脂をポッティングし、レンズ24を形成する場合には、上記バリ23がダム部としても機能し、樹脂の広がりを防止することもできる。尚、バリ23を叩き、破砕させた後に、上記レンズ24を配置する場合でも良い。また、図1(A)及び(B)では、レンズ24が省略して図示されているが、図2(C)に示すようにリフレクター3上面にはレンズ24が形成される場合でもよい。
上述したように、本実施の形態では、リフレクター3は、アルミニウム板11上面に白色樹脂12が形成された構造として説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、リフレクターとして白色のアクリル板を用いることも可能である。この場合においても、所望の厚みを有するアクリル板に開口部を形成することで、リフレクターは、蛍光樹脂体のダム部としての機能も有することとなる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
次に、本発明の第2の実施の形態である発光モジュールについて、図3を参照して説明する。図3は、発光モジュールを構成するユニットの断面図である。尚、第2の実施の形態は、図1〜図2を用いて説明した第1の実施の形態と比較し、発光素子の実装構造が異なるため、その他の構成部材に対して、適宜、図1〜図2の説明を参酌する。そして、第1の実施の形態と同じ構成部材には、同一の符番を付す。
図3に示す如く、金属基板2がアルミニウムから成る場合、金属基板2の上面および下面は、アルミニウムを陽極酸化させた酸化膜6、7(アルマイト膜:Al(SO)により被覆される。そして、各ユニット13では、発光素子5の固着領域に対応し、それぞれ酸化膜7に開口領域31が形成される。開口領域31は、発光素子5よりも、若干、広い面積を有し、開口領域31からは、金属基板2が、直接、露出する。
発光素子5は、接合材32を介して露出する金属基板2上に固着される。発光素子5は実装面側に電極を有してなく、接合材32は、絶縁性の樹脂から成るものでも良いし、放熱性向上のために半田等の金属から成るものでも良い。
この構造により、発光素子5から放出される熱は、直ちに金属基板2を介して効率的に発光モジュール1外部へと放熱される。つまり、上記放出構造により、発光素子5の温度上昇が抑制され、発光素子5の輝度低下や性能低下が防止される。また、上記放出熱による温度上昇が抑制され、発光素子5を被覆する蛍光樹脂体14の劣化も防止される。
更に、発光素子5が、金属基板2の上面に、直接、固着されることで、上記第1の実施の形態の構造と比較しても、酸化膜7(図1(B)参照)、配線層8A(図1(B)参照)の厚みを省くことができる。そして、金属細線9のループの頂部の高さは、金属基板2表面から少なくとも上記厚み分は低くなり、更なる発光モジュール1全体の薄型化が実現される。
上述したように、本実施の形態においても、リフレクター3は、アルミニウム板11上面に白色樹脂12が形成された構造に限定するものではない。例えば、リフレクターとして白色のアクリル板を用いることも可能である。この場合においても、所望の厚みを有するアクリル板に開口部を形成することで、リフレクターは、蛍光樹脂体のダム部としての機能も有することとなる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の第1の実施の形態における発光モジュールの構成を説明するための(A)斜視図、(B)断面図である。 本発明の第1の実施の形態における発光モジュールの構成を説明するための(A)断面図(B)断面図、(C)断面図である。 本発明の第2の実施の形態における発光モジュールの構成を説明するための断面図である。 従来の実施の形態における発光モジュールの構成を説明するための断面図である。 従来の実施の形態における発光モジュールの構成を説明するための断面図である。
符号の説明
1 発光モジュール
2 金属基板
3 リフレクター
4 開口部
5 発光素子
11 アルミニウム板
12 白色樹脂
14 蛍光樹脂体

Claims (6)

  1. 金属基板と、
    少なくとも前記金属基板の一主面側を被覆する絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成された配線層と、
    前記金属基板の一主面上に接着されたリフレクターと、
    前記リフレクターの開口部から露出する前記配線層上に電気的に接続された発光素子と、
    前記開口部を埋設する樹脂体とを有し、
    前記リフレクター表面は、少なくとも前記金属細線の頂部よりも高くなり、前記樹脂体は、前記開口部に露出する前記リフレクターと接着することを特徴とする発光モジュール。
  2. 金属基板と、
    少なくとも前記金属基板の一主面側を被覆する絶縁層と、
    前記金属基板が露出するように、前記絶縁層に形成された開口領域と、
    前記金属基板の一主面上に接着されたリフレクターと、
    少なくとも前記リフレクターの開口部に位置する前記開口領域内の前記金属基板上に固着された発光素子と、
    前記開口部から露出する前記絶縁層上に形成された配線層と前記発光素子とを電気的に接続する金属細線と、
    前記開口部を埋設する樹脂体とを有し、
    前記リフレクター表面は、少なくとも前記金属細線の頂部よりも高くなり、前記樹脂体は、前記開口部に露出する前記リフレクターと接着することを特徴とする発光モジュール。
  3. 前記リフレクターは、前記金属基板上に接着する接着面と、前記接着面と対向する反射面とを有し、
    前記リフレクターの接着面には、前記開口部の端部周辺に前記接着面に対して凹部となる曲面が形成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光モジュール。
  4. 前記リフレクターの反射面には、前記開口部の端部周辺に前記反射面に対して凸部となるバリが形成されることを特徴とする請求項3に記載の発光モジュール。
  5. 前記リフレクターは、アルミニウム板の一主面上に白色樹脂が被覆されて構成され、
    前記曲面は前記アルミニウム板に形成され、前記バリは前記白色樹脂に形成されることを特徴とする請求項4に記載の発光モジュール。
  6. 前記金属基板はアルミニウム板から成ることを特徴とする請求項5に記載の発光モジュール。
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