JP2010500778A - Ｌｅｄデバイスおよび液晶ディスプレイのバックパネル - Google Patents
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Abstract
本発明のＬＥＤデバイスは、Ｃｕおよび／またはＡｌを含む基板（１０２）と、基板上に配置されたダイヤモンド状炭素層（１０６）と、ダイヤモンド状炭素層上に形成された電気回路（１０８）と、電気回路に電気的に接続されたＬＥＤチップ（１１０）とを含む。このＬＥＤは、液晶ディスプレイのバックライトの光源として用いることができる。
Description
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。本発明のＬＥＤは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックパネルに使用可能である。
ＬＥＤは次世代の光源として期待されている。ＬＥＤの考えられる用途としては、照明、液晶ディスプレイのバックライト、自動車のインストルメントパネルのディスプレイ、光ディスクなどが挙げられる。
ＬＥＤを電気デバイスにおいて用いる場合、熱によって引き起こされる問題を解決する必要がある。ＬＥＤチップの温度は、大量の電力が供給されるとかなり上昇することがある。
多量の電力が光源のためのおそらく小さな装着領域に供給される場合には、ＬＥＤチップが熱を蓄積して温度が上昇し得る危険性がある。さらに、この熱が、ＬＥＤチップが装着される熱伝導性基板に伝えられる場合でも、この基板が熱を蓄積し、温度を上昇させ、それによってＬＥＤチップの温度も上昇し得る危険性がある。
ＬＥＤ照明デバイスに効率的に多量に発光させるために、ＬＥＤチップの温度が過度に上昇しないように、ＬＥＤチップ内で生成された熱を外部に適切に放出する必要がある。
米国特許出願公開第２００５−２７６０５２号明細書には、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）がＡＩＮ、ＧａＮまたはＳｉＣなどのセラミックの表面上に熱拡散のために配置された照明システムが開示されている。
しかしながら、特に、ＬＥＤデバイスがＬＣＤのバックライトなどのディスプレイ用途に用いられる場合、ＬＥＤデバイスには様々な要件がまだ存在する。これらの要件としては、（１）より高い熱伝導性、（２）製造コストの削減、および（３）より大きなサイズへの適用性が挙げられる。
本発明の目的は、ＬＥＤデバイスであって、ＬＥＤデバイスの基板が高い熱伝導性を有し、ＬＥＤデバイスが経済的に製造可能であり、かつ広い面積を有するＬＥＤデバイスが容易に製造可能である、ＬＥＤデバイスを提供することである。
本発明の一実施形態は、Ｃｕおよび／またはＡｌを含む基板と、基板上に配置されたダイヤモンド状炭素層と、ダイヤモンド状炭素層上に形成された電気回路と、基板に装着され、かつ電気回路に電気的に接続されたＬＥＤチップとを含むＬＥＤデバイスである。
本発明の別の実施形態は、液晶ディスプレイのバックパネルであり、ここで、ＬＥＤデバイスは光源として用いられる。
本発明は、さらに、Ｃｕおよび／またはＡｌを含む基板を提供する工程と、基板上に配置されたダイヤモンド状炭素層を提供する工程と、ダイヤモンド状炭素層上に形成された電気回路を形成する工程と、ＬＥＤチップを電気回路に電気的に接続する工程とを含む、ＬＥＤデバイスの形成方法を提供する。
銅もしくはアルミニウムまたはそれらの合金などの、金属または合金でできた基板は、低コストで容易に製造可能である。さらに、かかる金属または合金材料は、セラミックと比較して高い熱伝導性を有する。さらに、大きなＬＥＤパネルが、金属または合金基板を用いることによって容易に製造可能である。この効果は、パネルサイズがますます大型化している、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイ用途に関して非常に有益である。
さらに、ダイヤモンド状炭素が基板の表面に配置され、ＤＬＣによる効果的な熱の放散および熱伝導性により、より高い熱伝導性がもたらされる。
本発明は、高い熱伝導性、より低いコスト、および取扱い易さという利点を有し、ならびにＡｌおよび／またはＣｕを基板として用い、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）を基板とＬＥＤチップに接続される電気回路との間の中間層として用いることによって広い面積について大量生産することができる。
ＧａＮ、ＡＩＮおよびＳｉＣの熱伝導性は、それぞれ１３０Ｗ／ｍ−Ｋ、１７０〜２３０Ｗ／ｍ−Ｋおよび１２０Ｗ／ｍ−Ｋである一方、ＡＩおよびＣｕの熱伝導性は、それぞれ１５０〜２３０Ｗ／ｍ−Ｋおよび４００Ｗ／ｍ−Ｋである。高い熱伝導性を有する金属または合金を用いることによって、ＬＥＤデバイスの熱管理性能を強化することができる。
一般に、金属または合金板の製造コストは高くない。これは、より低い材料コストを意味し、結果としてＬＥＤデバイスのデバイスコストがより低くなる。金属および合金の機械的強度（靱性、セラミックほど脆くない）のため、切削するなどして、金属または合金基板を加工することがはるかに容易になり、このためより低い製造コストが実現可能である。また、セラミックのパネルサイズが典型的に４．５インチ平方に限られるより大きな規模で、金属または合金基板を製造するのがはるかに容易になる。
本発明のＬＥＤデバイスは、例えば、Ｃｕおよび／またはＡｌを含む基板を提供する工程と、基板上にＤＬＣ層を形成する工程と、ＤＬＣ層上に電気回路を形成する工程と、ＤＬＣ層上に電気回路を形成する工程と、ＬＥＤチップをその上に装着して、ＬＥＤチップを電気回路に電気的に接続する工程とによって製造可能である。
１．基板
本発明の基板は、Ｃｕおよび／またはＡｌを含む。基板は、Ａｌ板、Ｃｕ板、Ａｌ含有合金板またはＣｕ含有合金板であり得る。伝導性基板を本発明に用いることができる。基板がＡｌを含有する場合、ＤＬＣ層の方向の表面が、酸素によって陽極酸化されるのが好ましい。
本発明の基板は、Ｃｕおよび／またはＡｌを含む。基板は、Ａｌ板、Ｃｕ板、Ａｌ含有合金板またはＣｕ含有合金板であり得る。伝導性基板を本発明に用いることができる。基板がＡｌを含有する場合、ＤＬＣ層の方向の表面が、酸素によって陽極酸化されるのが好ましい。
Ａｌ含有合金としては、限定はされないが、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｚｎ−ＭｇおよびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕが挙げられる。Ｃｕ含有合金としては、限定はされないが、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃｏ、Ｃｕ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｃｏ、およびＣｕ−Ｍｏ−Ｆｅが挙げられる。
２．ＤＬＣ層
様々なタイプのＤＬＣを本発明に用いることができる。効率的な熱拡散の点から、高い熱伝導性を有するＤＬＣを用いるのが好ましい。ＤＬＣの製造方法としては、特開平１０−０７２２８５号公報、特開２００２−１１５０８０号公報、米国特許出願公開第２００５−０２６０４１１号明細書を参照することができる。しかしながら、これらの参考文献の代わりにまたはこれらに加えて他の参考文献を参照することができる。
様々なタイプのＤＬＣを本発明に用いることができる。効率的な熱拡散の点から、高い熱伝導性を有するＤＬＣを用いるのが好ましい。ＤＬＣの製造方法としては、特開平１０−０７２２８５号公報、特開２００２−１１５０８０号公報、米国特許出願公開第２００５−０２６０４１１号明細書を参照することができる。しかしながら、これらの参考文献の代わりにまたはこれらに加えて他の参考文献を参照することができる。
ＤＬＣ層は、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて形成され得る。ＣＶＤ法では、エネルギー源によって、気相中の前躯体分子が解離されるかまたは活性化されて、反応性のラジカル、イオン、または原子などの活性種を形成することができる。
ＣＶＤ法は、酸素アセチレントーチ源またはプラズマトーチ源などの燃焼炎の供給源（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｆｌａｍｅ ｓｏｕｒｃｅ）を含み得るエネルギー源を用いて、大気圧（約７６０トル）以上で行ってもよい。プラズマトーチ源としては、直流（ＤＣ）プラズマアークジェット源が挙げられる。
ＣＶＤ法は、熱フィラメント（ＨＦ）源などの熱源を含み得るエネルギー源を用いて、大気圧（約７６０トル）以下で行ってもよい。ＨＦ源としては、単一フィラメントまたはマルチフィラメントが挙げられる。
ＣＶＤ法は、放電源またはプラズマ源などの、電子またはイオン衝撃源を含み得るエネルギー源を用いて、大気圧（約７６０トル）以下で行ってもよい。
ＤＬＣ層は他の方法によって形成されてもよい。例えば、ＤＬＣ層は、物理気相成長（ＰＶＤ）法によって形成することができる。ＰＶＤの条件は、ＤＬＣ層の所望の厚さおよび物理的特性に基づいて決定されるのが好ましい。
３．電気回路
電気回路は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの導電性金属で形成することができる。耐はんだ食われ性の点から、Ａｇが、電気回路を構成する好ましい導電性金属である。電気回路は、様々な方法で形成することができる。本発明においては、電気回路の形成方法は限定されない。かかる方法には、厚膜ペーストの塗布、導電性テープの転写、および予備成形されたベース導電パターン（ｂａｓｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐａｔｔｅｒｎ）上での電気めっきが含まれる。厚膜ペーストは、ペーストが塗布された後に硬化または焼成される。例えば、厚膜ペーストは、３００℃未満の温度で硬化される。あるいは、厚膜ペーストは、３００℃を超える温度で焼成される。
電気回路は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの導電性金属で形成することができる。耐はんだ食われ性の点から、Ａｇが、電気回路を構成する好ましい導電性金属である。電気回路は、様々な方法で形成することができる。本発明においては、電気回路の形成方法は限定されない。かかる方法には、厚膜ペーストの塗布、導電性テープの転写、および予備成形されたベース導電パターン（ｂａｓｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐａｔｔｅｒｎ）上での電気めっきが含まれる。厚膜ペーストは、ペーストが塗布された後に硬化または焼成される。例えば、厚膜ペーストは、３００℃未満の温度で硬化される。あるいは、厚膜ペーストは、３００℃を超える温度で焼成される。
市販の厚膜ペーストを本発明に用いることができる。例えば、かかる厚膜ペーストは、本件特許出願人から入手可能である。
電気めっきの例としては、例えば、自己触媒型の無電解めっきおよび直接銅めっきが挙げられる。
４．ＬＥＤチップ
ＬＥＤチップが上記の層に装着される。いくつかのパターンの装着がある。
ＬＥＤチップが上記の層に装着される。いくつかのパターンの装着がある。
図１は、本発明の一実施形態を示す。図１におけるＬＥＤデバイスは、基板１０２、基板１０２の表面上に形成された陽極酸化層１０４、陽極酸化層１０４上に配置されたＤＬＣ層１０６、ＤＬＣ層１０６上に形成された電気回路１０８、陽極酸化層１０４上に装着されたＬＥＤチップ１１０、およびＬＥＤチップ１１０を電気回路１０８と電気的に接続するワイヤボンド１１２を含む。この実施形態では、ＬＥＤチップ１１０は、陽極酸化層１０４の表面上に装着される。陽極酸化層１０４が形成されない場合、ＬＥＤチップは、基板１０２の表面上に装着される。
図２は、本発明の別の実施形態を示す。図２におけるＬＥＤデバイスでは、ＬＥＤチップ１１０は、ＤＬＣ層１０６の表面上に装着される。
ＬＥＤチップ１１０がＤＬＣ層１０６の表面上に装着される場合、ＬＥＤチップ１１０からの熱を、高い熱伝導性を有するＤＬＣ層１０６内へと効率的に拡散することができる。
図３は、本発明のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、ＬＥＤチップ１１０は、フリップチップボンディングされ、ワイヤボンドを用いずに電気回路１０８と接続される。導電性接着剤またははんだを用いて、ＬＥＤチップ１１０を電気回路１０８に取り付けることができる。導電性接着剤としては、限定はされないが、Ａｇ粒子を含む導電性ペーストが挙げられ、エポキシ樹脂が言及される。
ＬＥＤチップを基板にボンディングするための方法に関しては、共晶ダイ接着、ポリマーベースの接着剤またははんだを用いることができる。
実施例を示すことによって本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、これらの実施例によって決して限定されるものではない。
本発明の性能を調べるために、以下の実験を行った。
１．導電性回路の耐はんだ食われ性
耐はんだ食われ性は、回路に関する限り通常必要とされる基本的特性である。本発明のＬＥＤデバイスが十分な耐はんだ食われ性を有することを確認するために実験を行った。具体的には、十分な耐はんだ食われ性を有する４つの試料を、本発明の試料と比較した。
耐はんだ食われ性は、回路に関する限り通常必要とされる基本的特性である。本発明のＬＥＤデバイスが十分な耐はんだ食われ性を有することを確認するために実験を行った。具体的には、十分な耐はんだ食われ性を有する４つの試料を、本発明の試料と比較した。
（試料１）
厚膜ペーストとして銀ペーストを、ＤＬＣシートの表面にスクリーン印刷し、それによって所定の導電パターンを形成した。ペーストを１５０℃で１０分間乾燥させ、その後２００℃で３０分間硬化させた。次に、ワイヤボンディングのために試料に金めっきを施した。銀ペーストおよび導電パターンの組成を表１に示す。
厚膜ペーストとして銀ペーストを、ＤＬＣシートの表面にスクリーン印刷し、それによって所定の導電パターンを形成した。ペーストを１５０℃で１０分間乾燥させ、その後２００℃で３０分間硬化させた。次に、ワイヤボンディングのために試料に金めっきを施した。銀ペーストおよび導電パターンの組成を表１に示す。
（対照試料２〜５）
４つの既存の試料（ＱＳ１７４、５１６４Ｎ、６１７９Ａ、６１７７Ｔ）を、厚膜ペーストを対照としてアルミナ板にスクリーン印刷することによって作製した。
４つの既存の試料（ＱＳ１７４、５１６４Ｎ、６１７９Ａ、６１７７Ｔ）を、厚膜ペーストを対照としてアルミナ板にスクリーン印刷することによって作製した。
試料１および対照試料２〜５を、６３Ｓｎ／３７Ｐｂ液体中に５秒間浸漬した。この浸漬を、はんだ食われが生じるまで繰り返した。
耐はんだ食われ性を決定するために、蛇行形状のパターンの電気抵抗を測定した。短絡したときに、はんだ食われが生じた破損点を特定した。
表２に示すように、本発明は、従来の組合せより優れた耐はんだ食われ性を示す。
２．信頼性試験
ＤＬＣで被覆された基板上に回路が形成された試料を、回路材料の信頼性を確認するために試験することとする。本発明者らは、信頼性試験が先行技術と比較して優れた性能を示すであろうことを予測している。
ＤＬＣで被覆された基板上に回路が形成された試料を、回路材料の信頼性を確認するために試験することとする。本発明者らは、信頼性試験が先行技術と比較して優れた性能を示すであろうことを予測している。
典型的な信頼性の項目には以下が含まれる。
（１）温度条件
（２）湿度条件
（３）腐食試験
（１）温度条件
（２）湿度条件
（３）腐食試験
権利請求される回路／基板上に実装されたＬＥＤの試料を、同様に信頼性試験に供することとする。さらなる試験項目には以下が含まれ得る。
（１）寿命特性
（２）電流条件
（３）機械的衝撃条件
（１）寿命特性
（２）電流条件
（３）機械的衝撃条件
３．熱管理性能試験
本発明において権利請求される構造を用いたＬＥＤデバイスの熱管理性能が、他の市販されている基板および実装構造の熱管理性能を比較されることとなるように、試料を試験する。
本発明において権利請求される構造を用いたＬＥＤデバイスの熱管理性能が、他の市販されている基板および実装構造の熱管理性能を比較されることとなるように、試料を試験する。
本発明者らは、他の市販されている基板および実装構造と比較して、本発明が、優れた熱伝導特性を含む優れた熱管理性能を示し、その結果、より優れたデバイス（ＬＥＤデバイスまたは最終用途）品質（すなわち、より長い寿命、放射効率など）が得られることを予測している。
Claims (8)
- Ｃｕおよび／またはＡｌを含む基板と、
前記基板上に配置されたダイヤモンド状炭素層と、
前記ダイヤモンド状炭素層上に形成された電気回路と、
前記電気回路に電気的に接続されたＬＥＤチップと
を含むＬＥＤデバイス。 - 前記基板が、銅板、アルミニウム板、銅合金板およびアルミニウム合金板からなる群から選択される請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記基板が、アルミニウム板またはアルミニウム合金板であり、陽極酸化層が、前記基板と前記ダイヤモンド状炭素層との間に形成される請求項２に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記ＬＥＤチップが、前記電気回路にワイヤボンディングされる請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記ＬＥＤチップが、前記電気回路の表面にフリップチップボンディングされる請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 前記ＬＥＤチップが前記ダイヤモンド状炭素層上に装着される請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
- 請求項１に記載のＬＥＤデバイスが光源として用いられる、液晶ディスプレイのバックパネル。
- Ｃｕおよび／またはＡｌを含む基板を提供する工程と、
前記基板上に配置されたダイヤモンド状炭素層を提供する工程と、
前記ダイヤモンド状炭素層上に形成された電気回路を形成する工程と、
ＬＥＤチップを前記電気回路に電気的に接続する工程と
を含む、ＬＥＤデバイスの形成方法。
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