JP2012156476A - 光源モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱抵抗の問題を効果的に改善する光源モジュールとその製造方法の提供。
【解決手段】本発明の光源モジュール及びその製造方法は、放熱基材上に回路板と少なくとも１つの発光ダイオードダイを順に設置し、続いて発光ダイオードダイ上にパッケージ材を形成して成り、そのうち回路板上に少なくとも１つの穿通孔が設けられ、発光ダイオードダイが回路板上の穿通孔に埋設されて放熱基材と直接接触し、発光ダイオードダイと放熱基材の間の熱抵抗を減少して放熱基材で発光ダイオードダイの熱エネルギーを効果的に発散させる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は光源モジュールとその製造方法に関し、特に、発光ダイオードを光源とした光源モジュールとその製造方法に関する。
近年来、発光ダイオードはすでに早期の小出力製品への応用(例えば信号インジケータや携帯電話の押しボタンランプ)から、現在の高出力製品への応用(例えば照明管、電球、街灯)に進化を遂げている。高出力の発光ダイオードが発生する単位面積当たりの発熱量(発熱密度)は非常に高く、一般的な集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＩＣ）素子よりも高いため、発光ダイオードの接合温度(Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ)が大幅に高くなっている。接合温度(Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ)が高過ぎると、発光ダイオードの発光効率が低下(輝度が低下)し、内部回路の酸化が進む（寿命が短くなる）。このため、発光ダイオードの放熱問題は発光ダイオードを大出力製品の世界に応用する際の重要な問題となっている。
発光ダイオード電球を例とすると、従来の発光ダイオード電球は主に回路板（アルミ基板）と放熱ランプ座体の２つの部分から成り、回路板上にプリント回路が設けられ、先に１個１個発光ダイオードを回路板上に設置してから、回路板を放熱ランプ座体に取り付ける。上述したように、発光ダイオードの放熱問題は常に大出力製品の大きな問題となっており、放熱問題を解決する最も簡単な方法は放熱面積の増大にほかならない。発光ダイオード電球について言うと、発光ダイオード電球は従来の電球のソケットの規格（Ｅ１４、Ｅ２７）に適合させなければ従来のランプ座体上で電気エネルギーを供給できない。発光ダイオード電球の放熱ランプ座体は従来の電球の規格に制限され、無制限に放熱面積を増加することはできない。発光ダイオード電球の放熱問題を効果的に解決するため、既知の技術ではさらに放熱ランプ座体中に小型のファンを設置し、小型ファンで強制的に対流を提供して放熱ランプ座体と外界の冷たい空気の熱交換を加速することができる。
しかしながら、従来の発光ダイオード電球の回路板は発光ダイオードと放熱ランプ座体の間の熱抵抗のため、回路板と放熱ランプ座体の間が密着しているかが熱伝導に影響する。さらに、従来の発光ダイオード電球に採用される発光ダイオードは、独立したプロセスで製作され、発光ダイオードと回路板の間にも熱抵抗が形成される。回路板と放熱ランプ座体の間または発光ダイオードと回路板の間の熱抵抗が発光ダイオードの生み出す熱エネルギーの堆積を生じ、放熱ランプ座体から効果的に発散させることができない。
従来の発光ダイオード電球は回路板と放熱ランプ座体の間または発光ダイオードと回路板の間の熱抵抗のため、発光ダイオードの発生する熱エネルギーが効果的に発散されない。以上の問題に鑑みて、本発明の目的は、熱抵抗の問題を効果的に改善する、光源モジュールとその製造方法を提供することにある。
本発明の光源モジュールの製造方法は、まず複数の放熱フィンを備え、且つ放熱フィンと一体成形された放熱基材を提供する。その後、穿通孔と電極を備えた回路板を放熱基材上に貼付し、回路板上で発光ダイオードパッケージプロセスを直接行う。その後、発光ダイオードダイを回路板上の穿通孔に埋設し、直接放熱基材と接触させ、２本の導線で回路板の２つの電極と発光ダイオードダイを電気的に接続する。最後にパッケージ材を発光ダイオードダイ上に形成する。
本発明の光源モジュールは、放熱基材、回路板、発光ダイオードダイ、パッケージ材を含む。そのうち、放熱基材が複数の放熱フィンを備え、且つ放熱基材と放熱フィンは一体成形で成る。回路板が放熱基材上に設置され、回路板は少なくとも１つの穿通孔と少なくとも２つの電極を備えている。発光ダイオードダイが穿通孔に埋設され、放熱基材に接触し、且つ少なくとも２本の導線で発光ダイオードダイと２つの電極が電気的に接続される。パッケージ材が発光ダイオードダイを被覆する。
本発明で開示する光源モジュールとその製造方法は、発光ダイオードパッケージプロセスと発光ダイオード電球プロセスを統合し、熱エネルギーを発生する発光ダイオードダイが放熱基材に直接接触し、発光ダイオードダイの熱エネルギーを放熱基材上に直接伝達して放熱を行い、発光ダイオードの放熱問題を効果的に解決することができる。
以上の本発明の内容に関する説明及び以下の実施方式の説明は本発明の原理を示し、解釈するためのものであり、且つ本発明の特許請求の範囲にさらなる解釈を提供するものである。
本発明の一実施例の光源モジュールの立体図である。 図１Ａの拡大図である。 図１Ａの断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスを示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスを示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスを示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスを示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスを示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスを示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく光源モジュールのパッケージプロセスのフローチャートである。
本発明所で開示する光源モジュール及びその製造方法のうち、光源モジュールは発光ダイオードを光源とするものを指し、その具体的な形態は電球の形態、照明管の形態等とすることができるが、以下の説明においては電球の形態を例とする。
図１Ａ、図１Ｂ、図２を参照する。図１Ａは本発明の一実施例の光源モジュール１００の立体図であり、図１Ｂは図１Ａの拡大図、図２は図１Ａの断面図である。以下ではまず構造に対して説明を行い、後続で製造工程と実験データを補足する。本実施例の光源モジュール１００は放熱基材２００、回路板３００、発光ダイオードダイ４００、パッケージ材５００を含む。
放熱基材２００はアルミニウム合金または銅合金等の熱伝導係数が高い放熱金属で成り、且つ放熱基材２００は接触面２１０及び接触面２１０の反対側に複数の放熱フィン２２０を備えている。そのうち、放熱フィン２２０は放熱基材２００と外界の接触面積を増加するため、放熱基材と放熱フィンが一体成型の構造となっている。放熱基材２００の形状と寸法は通常光源モジュール１００に合わせて設計し、本実施例に限定されない。
回路板３００は放熱基材２００の接触面２１０を覆って貼付され、回路板３００は厚さが０．１５ミリメートルより小さいガラス繊維板またはフレキシブル回路板から成る。且つ、回路板３００は絶縁体であり、回路板３００上の回路が放熱基材２００に直接接触して短路が発生しないように用いられる。回路板３００は少なくとも１つの穿通孔３１０、少なくとも１つのパターン回路３２０、少なくとも２つの電極３３０を含む。そのうち、穿通孔３１０は回路板３００を貫通し、放熱基材２００の接触面２１０を露出させるために用いられる。パターン回路３２０は回路板３００上に設けられ、２つの電極３３０がパターン回路３２０に電気的に接続され、穿通孔３１０付近に分布される。
発光ダイオードダイ４００は穿通孔３１０内に埋設され、熱伝導ペースト４２０が直接放熱基材２００と接触する。熱伝導ペースト４２０は銀ペーストとすることができ、主な作用は発光ダイオードダイ４００と放熱基材２００間の空隙を埋めることで、発光ダイオードダイ４００の発生する熱エネルギーを円滑に放熱基材２００上に伝導するために用いられる。
本実施例の図において、回路板３００、電極３３０、発光ダイオードダイ４００、熱伝導ペースト４２０の厚さは閲覧者がはっきりと分かるような方式で表されており、図示された各部材の比率は本発明を限定するものではないことに注意が必要である。実際を例として、熱伝導ペースト４２０は発光ダイオードダイ４００と放熱基材２００の間に介在され、発光ダイオードダイ４００と放熱基材２００の間の微小な間隙を埋めて効果的に熱伝導を行う。発光ダイオードダイ４００が完全に放熱基材２００上を覆って貼付されていれば、熱伝導ペースト４２０を使用しなくてもよい。
パッケージ材５００の材質は透光性のあるエポキシ樹脂(Ｅｐｏｘｙ)で、発光ダイオードダイ４００、２本の導線４１０、穿通孔３１０を被覆する。本実施例のパッケージ材５００はさらに蛍光粉(図示しない)を含み、発光ダイオードダイ４００に異なる色の光線を発させるため、パッケージ材５００に対応する蛍光粉(図示しない)を混入することができる。
本実施例はさらにパッド５１０を含み、回路板３００に設置され、穿通孔３１０と発光ダイオードダイ４００を囲み、パッケージ材５００をパッド５１０内に充填させ、穿通孔３１０、発光ダイオードダイ４００、２本の導線４１０を被覆させるために用いられる。パッド５１０はプラスチックパッド片としてもよく、ディスペンシングの形態で回路板３００上に設けてもよい。
以下で光源モジュール１００のパッケージプロセスを詳細に説明する。説明の利便性のため、下述する光源モジュール１００の数量は一組とする。同時に図３Ａから図３Ｆ、及び図４を参照する。そのうち図３Ａから図３Ｆは本発明の一実施例に基づく光源モジュール１００のパッケージプロセスを示す断面図であり、図４は本発明の一実施例に基づく光源モジュール１００のパッケージプロセスのフローチャートであり、発光ダイオードパッケージプロセスと発光ダイオード電球製造プロセスを統合したものである。
まず、図３Ａに示すように、接触面２１０と接触面２１０の反対側の複数の放熱フィン２２０を含む、放熱基材２００を提供する(Ｓ１０１)。
続いて、図３Ｂに示すように、少なくとも１つの穿通孔３１０及び少なくとも２つの電極３３０を備えた回路板３００を放熱基材２００の接触面２１０に付着させる (Ｓ１０２)。回路板３００を接触面２１０に付着させる部分は、多様な方法で行うことができる。例えば、そのうちの１つの方法では、まず接触面２１０上に陽極処理を行い、パターン回路３２０及び２つの電極３３０を電気めっき方式で放熱基材２００上に形成する。そのうち、パターン回路３２０及び２つの電極３３０を放熱基材２００上に形成する方法は、印刷、スパッタリング、レーザーパターンニング、ラミネーションまたはその他化学または物理気相成長法を用いることができる。別の方法は、放熱基材２００上を覆ってあらかじめ製作を完了した回路板３００を直接貼付する方法があるが、回路板３００は厚さが０.１５ミリメートルより小さいという条件を満たす必要がある。さらに別の方法では、半導体プロセスの方式で絶縁層(図示しない)を形成し、絶縁層(図示しない)上に穿通孔３１０及び２つの電極３３０を形成する。
続いて、図３Ｃと図３Ｄに示すように、まず熱伝導ペースト４２０を穿通孔３１０に注入する(図３Ｃ参照)。その後、発光ダイオードダイ４００を穿通孔３１０に埋設し、放熱基材２００に接触させる(Ｓ１０３)。この工程はダイボンディングとも呼ばれ、ダイボンディングは、発光ダイオードダイ４００の埋設を完了した後、別途高温ベーキングプロセスを行うことを選択することができ、その温度は約摂氏１５０度で、熱伝導ペースト４２０を固化する。
続いて、図３Ｅに示すように、少なくとも２本の導線４１０を提供し、発光ダイオードダイ４００及び２つの電極３３０を電気的に接続する(Ｓ１０４)。一般にワイヤボンディング工程と呼ばれ、ワイヤボンダで導線４１０を発光ダイオードダイ４００と電極３３０にボンディングすることを選択できる。
続いて、図３Ｆに示すように、パッケージ材５００を発光ダイオードダイ４００上に形成する(Ｓ１０５)。パッケージ材５００の材質は透光性のあるエポキシ樹脂(Ｅｐｏｘｙ)であり、パッケージ材５００は、(１)通常パッケージ材５００はガラスインターフェース及び回路板(Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ、ＰＣＢ)インターフェースと接着されるため、接着性がよいこと、(２)発光ダイオードダイ４００の酸化を防ぐため、酸素透過性及び透水性が低いこと、(３)パッケージ材５００が熱を受けて変形することがないように、熱膨張係数が小さいことという特性を備えている必要がある。
そのうち、パッケージ材５００を発光ダイオードダイ４００に形成する前に、さらに下述する工程を含む。まず蛍光粉(図示しない)を提供し、パッケージ材５００に混入する。続いて、パッド５１０を提供し、穿通孔３１０と発光ダイオードダイ４００を囲み、且つ回路板３００を覆ってパッド５１０を貼付する。
本実施例で開示した光源モジュール及びそのパッケージプロセスがもたらす実際の効果について、下表で証明する。
Figure 2012156476
この表からはっきりと分かるように、本発明の発光ダイオードダイ表面(ＬＥＤ Ｔｏｐ)の温度は従来の発光ダイオードダイ表面より摂氏８度低い。本発明の放熱基材(Ａｌ Ｃｅｎｔｅｒ、Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋ Ｔｏｐ、Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋ Ｂｏｔｔｏｍを含む)の温度は従来の発光ダイオード放熱基材より約４〜６度高い。このことから、本発明の発光ダイオードが発生する熱エネルギーは熱伝導で放熱基材に確実に伝導され、外界の冷たい空気と熱交換が行割れていることが分かる。
本発明の開示する光源モジュール及びその製造方法は、発光ダイオードパッケージプロセスと発光ダイオード電球プロセスを統合し、熱エネルギーを発生する発光ダイオードダイを放熱基材に直接接触させて、発光ダイオードの熱エネルギーを直接放熱基材上に伝導して放熱を行い、発光ダイオードの放熱問題を効果的に解決することができる。
本発明の実施例は上述のように開示されたが、本発明を限定するものではなく、関連技術を熟知した者であれば、本発明の要旨と範囲内で、本発明の特許背急の範囲に記載された形状、構造、特徴、数量などに変更を加えることが可能であり、このため本発明の特許保護範囲は本明細書に添付された特許請求の範囲に準じる。
１００ 光源モジュール
２００ 放熱基材
２１０ 接触面
２２０ 放熱フィン
３００ 回路板
３１０ 穿通孔
３２０ パターン回路
３３０ 電極
４００ 発光ダイオードダイ
４１０ 導線
４２０ 熱伝導ペースト
５００ パッケージ材
５１０ パッド

Claims (13)

  1. 光源モジュールの製造方法であって、
    放熱基材を提供し、前記放熱基材が複数の放熱フィンを備え、且つ前記放熱基材と前記放熱フィンが一体成形されて成る工程と、
    少なくとも１つの穿通孔と少なくとも２つの電極を備えた回路板を前記放熱基材に付着する工程と、
    発光ダイオードダイを前記穿通孔に埋設し、前記放熱基材に接触させる工程と、
    少なくとも２本の導線を提供し、前記発光ダイオードダイと前記２つの電極を電気的に接続する工程と、
    前記発光ダイオードダイ上にパッケージ材を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする、光源モジュールの製造方法。
  2. 前記回路板の付着がさらに前記放熱基材を覆って前記回路板を貼付する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光源モジュールの製造方法。
  3. 前記回路板の付着がさらに半導体プロセスの方式で絶縁層を形成し、前記絶縁層上に前記穿通孔を形成すると共に、前記絶縁層上に前記２つの電極を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光源モジュールの製造方法。
  4. 前記発光ダイオードダイを埋設する工程がさらに熱伝導ペーストを前記発光ダイオードダイと前記放熱基材の間に充填する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光源モジュールの製造方法。
  5. 前記パッケージ材を形成する工程の前に、さらに蛍光粉を提供して前記パッケージ材に混入する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光源モジュールの製造方法。
  6. 前記パッケージ材を形成する工程の前及び前記蛍光粉を提供する工程の後に、さらにパッドを提供し、前記穿通孔及び前記発光ダイオードダイを囲んで、前記回路板上に前記パッドを貼付することを特徴とする、請求項５に記載の光源モジュールの製造方法。
  7. 光源モジュールであって、放熱基材と、回路板と、発光ダイオードダイと、パッケージ材を含み、
    前記放熱基材が複数の放熱フィンを備え、且つ前記放熱基材と前記放熱フィンが一体成形から成り、
    前記回路板が前記放熱基材上に設置され、前記回路板上に少なくとも１つの穿通孔と少なくとも２つの電極を備え、
    前記発光ダイオードダイが前記穿通孔に埋設され、前記放熱基材に接触し、少なくとも２本の導線で前記発光ダイオードダイと前記２つの電極が電気的に接続され、
    前記パッケージ材が前記発光ダイオードダイを被覆したことを特徴とする、光源モジュール。
  8. 前記放熱基材がアルミニウム合金または銅合金で成ることを特徴とする、請求項７に記載の光源モジュール。
  9. 前記回路板がガラス繊維板とフレキシブル回路板のいずれかを採用できることを特徴とする、請求項７に記載の光源モジュール。
  10. 前記回路板の厚さが０.１５ミリメートルより小さいことを特徴とする、請求項７に記載の光源モジュール。
  11. 前記放熱基材と前記発光ダイオードダイの間にさらに熱伝導ペーストを含むことを特徴とする、請求項７に記載の光源モジュール。
  12. 前記パッケージ材内にさらに蛍光粉を含み、前記発光ダイオードダイに特定の発光色を形成させることを特徴とする、請求項７に記載の光源モジュール。
  13. さらにパッドを含み、前記回路板に設置され、前記穿通孔と前記発光ダイオードダイを囲み、前記パッケージ材を前記パッド内に充填させ、前記穿通孔、前記発光ダイオードダイ、前記導線を被覆したことを特徴とする、請求項７に記載の光源モジュール。
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