JP4638258B2

JP4638258B2 - Ｌｅｄ用基板および光源

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Publication number: JP4638258B2
Application number: JP2005064097A
Authority: JP
Inventors: 忍山内; 達寛溝
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP2006253205A

Description

この発明は、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と称する）を取り付けるためのＬＥＤ用基板、およびＬＥＤを取り付けた光源に関する。

従来、液晶ディスプレイのバックライトとして冷陰極管が使用されるのが一般的であった。冷陰極管は、耐熱温度が高く、発生した熱をマネージメントする必要がないというメリットがある。また近年では、ＬＥＤの性能向上に伴い、省電力で寿命の長いＬＥＤが液晶ディスプレイの光源として使われ始めている。

しかしながら、液晶ディスプレイの光源としてＬＥＤを使用する場合、十分な輝度を得るために多数のＬＥＤを比較的大きな電流で使用する必要がある。ＬＥＤは製品寿命から使用できる温度域が定まっており、放熱、冷却といった熱マネージメントが必要である。

ＬＥＤ光源を使用する場合、従来はプリント配線板にＬＥＤを設置した後、冷却用デバイスを伝熱性コンパウンドや接着剤で接合していた。しかし、この方法では、部品点数が増加するとともに使用した伝熱性コンパウンドが排熱を妨げるため、大電流でＬＥＤを使用する場合に十分な放熱性能が得られない。また、放熱性能を向上させるために大型の冷却用デバイスを取り付けようとすれば、バックライトの筐体を大型化しなければならない。

さらに、ＬＥＤを搭載する基板に放熱性能をもたせる技術も提案されている（特許文献１，２参照）。

特許文献１に記載された基板は、放熱性能に優れたメタルベース基板上に絶縁膜を介して金属板を貼り付けたものであり、金属板上にＬＥＤをマウントすることによって高い放熱性能を達成しようとしたものである。

また、特許文献２に記載された基板は、半導体素子用基板と各種放熱デバイスとを接着層を介して一体的に接合したものである。
特開２００１−３３２７６８号公報特開２００３−６０１３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された基板は、従来のＬＥＤに比べて発熱量の大きい高出力ＬＥＤを搭載すると、メタルベース基板だけでは十分な冷却効果が得られない。そのため、メタルベース基板にさらに冷却デバイスを機械的に接合しなければならないという問題があった。

また、特許文献２に記載された基板は、基板と放熱デバイスを接合する接着層の熱伝導率が極めて小さいために放熱性能が低下し、十分な放熱性能が得られないという問題があった。

この発明は、上述した技術背景に鑑み、放熱性能に優れたＬＥＤ用基板、およびこのＬＥＤ用基板にＬＥＤを取り付けた光源の提供を目的とする。

即ち、本発明のＬＥＤ用基板は下記〔１〕〜〔９〕に記載の構成を有する。

〔１〕ＬＥＤを取り付けるための基板であって、冷却液が流通する通路を有する扁平チューブ上に絶縁層を介してＬＥＤを取り付けるための通電層が一体に積層されていることを特徴とするＬＥＤ用基板。

〔２〕前記扁平チューブの通路の水力相当直径（Ｄｅ）が０．２〜３．１ｍｍの範囲に設定されている前項１に記載のＬＥＤ用基板。

〔３〕前記扁平チューブの厚さが１０ｍｍ以下である前項１または２に記載のＬＥＤ用基板。

〔４〕前記扁平チューブは押出多穴管により構成されている前項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。

〔５〕前記絶縁層は、絶縁性樹脂からなる前項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。

〔６〕前記絶縁層は、絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物からなる前項１〜４のいずれか１項に記載のＬＥＤ用基板。

〔７〕前記絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のうちの少なくとも一つである前項５または６に記載のＬＥＤ用基板。

〔８〕前記熱伝導性フィラーは、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ、ＡｌＮのうちの少なくとも一つである前項６に記載のＬＥＤ用基板。

〔９〕前記絶縁性樹脂組成物において、熱伝導性フィラーの含有量は４０〜９０容量％である前項６または８に記載のＬＥＤ用基板。

また、本発明の光源および光源ユニットは〔１０〕〔１１〕に記載の構成を有する。

〔１０〕前項１〜９のいずれか１項に記載されたＬＥＤ用基板の通電層に、ＬＥＤが取り付けられてなることを特徴とする光源。

〔１１〕前項１０に記載された光源と、前記光源のＬＥＤ用基板の扁平チューブに冷却液を給排する給排部とを備え、該給排部は、前記扁平チューブに連通接続されるヘッダー、冷却液を冷却するラジエータ、冷却液を扁平チューブとラジエータとの間を循環させるポンプ、これらを接続する配管を有することを特徴とする光源ユニット。

また、本発明の液晶ディスプレイ用バックライトユニットは〔１２〕に記載の構成を有する。

〔１２〕前項１０に記載された光源または前項１１に記載された光源ユニットが搭載された液晶ディスプレイ用バックライトユニット。

〔１〕の発明のＬＥＤ用基板は、絶縁層が扁平チューブに直接接合されているので熱抵抗が小さく優れた冷却能力を有する。このため、通電層に取り付けたＬＥＤを効率良く冷却し、ＬＥＤの高輝度、高寿命を達成できる。また、優れた放熱性能により基板自体をコンパクト化することができる。

〔２〕の発明によれば、特に優れた冷却能力が得られる。

〔３〕の発明によれば、薄型でありながら優れた冷却能力が得られる。

〔４〕の発明によれば、効率良く扁平チューブを製作することができる。

〔５〕の発明によれば、絶縁層と扁平チューブとの密着性が高いために優れた冷却能力が得られる。

〔６〕の発明によれば、絶縁層と扁平チューブとの密着性が高いことに加えて、熱伝導性フィラーにより絶縁層の熱伝導性の向上により、優れた冷却能力が得られる。

〔７〕の発明によれば、耐熱性に優れ熱膨張による変形が抑制された絶縁層が形成される。

〔８〕〔９〕の各発明によれば、特に熱伝導性の高い絶縁層を形成できる。

〔１０〕の発明にかかる光源によれば、ＬＥＤが確実に冷却され、その高輝度、高寿命を確保できる。

〔１１〕の発明にかかる光源ユニットによれば、ＬＥＤが確実に冷却され、その高輝度、高寿命を確保できる。

〔１２〕の発明にかかる液晶ディスプレイ用バックライトユニットによれば、ＬＥＤが確実に冷却され、その高輝度、高寿命を確保できる。

図１に、本発明の一実施形態にかかるＬＥＤ用基板(1)、およびこのＬＥＤ用基板(1)上にＬＥＤ(11)を搭載した光源(10)の構造を模式的に示す。

ＬＥＤ用基板(1)は、扁平チューブ（2)上に絶縁層(3)が直接接合され、さらにこの絶縁層(3)上に所要回路形状の通電層(4)が形成され、これらが一体化された基板である。そして、光源(10)は、前記ＬＥＤ用基板(1)の通電層(4)上にハンダ等によりＬＥＤ(11)が取り付けられたものである。また、ＬＥＤ(11)の取り付けはハンダに限定されず、ろうやペーストなど周知の取り付け方法を任意に採用できる。なお、図１において(6)はボンディングワイヤーである。

前記扁平チューブ(2)は、熱伝導性に優れたアルミニウムや銅またはこれらの合金等からなり、該チューブの長手方向に貫通して冷却液が流通する多数の通路(5)を有している。そして、通路(5)の一端側から他端側に冷却液を流通させることにより、液冷式の冷却デバイスとなされる。絶縁層(3)が扁平チューブ(2)に直接接合されているので熱抵抗が小さく優れた冷却能力を有し、通電層(4)に取り付けたＬＥＤ(11)を効率良く冷却することができる。なお、冷却液を流通させるためには、図外のヘッダや冷却液の流入出管への連結口等が適宜設置される。また、冷却液の種類は何ら限定されず、水系冷却液等の任意のものを使用できる。

前記扁平チューブ(2)は押出や圧延等によって製作されるものであり、このような押出チューブや圧延チューブは熱交換器に一般的に用いられているものである。特に押出多穴管を用いることによって効率良く扁平チューブ(2)を製作することができる。

本発明における通路(5)の横断面形状は、図示例の四角形の他、略円形状、略楕円形状等であっても良い。前記通路(5)は１個でも２個以上の複数であっても良い。また、前記複数個の通路(5)は相互に独立した孔からなるものに限定されず、複数個の通路が相互に連通していても良い。

図２に、前記扁平チューブ(2)において、冷却液を流入させるためのポンプの動力が一定の場合における、通路(5)の水力相当直径（Ｄe）と熱抵抗および圧力損失の関係を示す図（グラフ）を示す。なお、通路(5)の断面積Ａ、濡れ周長さｐのときの水力相当直径（Ｄｅ）は、Ｄｅ＝４Ａ／ｐで算出される。また一般に、熱抵抗の絶対値は冷却板(5)のサイズにより変化するが、水力相当直径に対する熱抵抗の変化傾向は扁平チューブ(2)のサイズに依らず、同図と同様となる。

同図に示すように、扁平チューブ(2)の通路(5)の水力相当直径（Ｄｅ）が０．２ｍｍ以上で圧力損失が小さくなり、３．１ｍｍ以下で熱抵抗が小さくなり、高い冷却効率を発揮することができる。このため、本発明においては、通路(5)の水力相当直径（Ｄｅ）を０．２〜３．１ｍｍの範囲に設定することを推奨する。また、圧力損失は０．２５ｍｍ以上でさらに小さくなり、０．３ｍｍ以上でなお一層小さくなる。また、熱抵抗は２ｍｍ以下でさらに小さくなる。よって、特に好ましい水力相当直径（Ｄｅ）は０．３〜２ｍｍである。

また、前記扁平チューブ(2)の幅や寸法は何ら限定されないが、優れた冷却能力を有するため、小型であっても十分な冷却効果を得ることができる。例えば、厚さが１０ｍｍ以下、特に３ｍｍ以下の薄型チューブであっても、十分な冷却効果を得ることができる。扁平チューブ(2)の薄型化によって、ＬＥＤ用基板を用いた光源や光源ユニット、あるいはその他の電子部品をコンパクト化することができる。

前記通電層(4)は、導電性材料による層であり、例えば銅箔やアルミニウム箔が用いられる。

絶縁層(3)は、扁平チューブ(2)に直接接合可能な絶縁材料で構成される。具体的には、絶縁性樹脂または前記絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物を推奨できる。これらの樹脂ベースの絶縁層は、セラミックに比べて割れにくく、大面積の基板の製作が可能である。

前記絶縁性樹脂としては、耐熱性が優れて熱膨張率が小さく、金属製の扁平チューブに密着して接着性の優れているものが好ましい。これらの条件を満たす樹脂として、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂を推奨できる。さらに、エポキシ樹脂は、特に銅材との接着性が良く、吸湿性が少なく、かつ安価である点でも推奨できる。ポリイミド樹脂は、耐薬品性が優れるとともに厚さ方向の熱膨張率が小さく、変形が抑制される点でも推奨できる。

また、前記絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物を用いることによって、絶縁層の熱伝導性を高め、ひいては放熱性能を高めることができる。熱伝導性フィラーは絶縁体であって高熱伝導率を有するものが好ましく、金属酸化物または金属窒化物が好ましく、具体的にはＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ、ＡｌＮを例示できる。これらの熱伝導性フィラーは単独で使用しても任意の複数種を併用しても良い。熱伝導性フィラーは、樹脂組成物中の含有量が多くなるほど絶縁層(3)の熱伝導率が高くなり、４０〜９０容量％が好ましい。４０容量％未満では熱伝導率向上効果が乏しく、９０容量％を超えると扁平チューブとの密着性が低下して放熱性能が低下する。特に好ましい含有量は６０〜８０容量％である。また、熱伝導性フィラーの粒径は１０〜４０μｍが好ましい。

絶縁層(3)の厚さは、上記の２種類のいずれの場合も０．０１〜０．５ｍｍが好ましい。

上述した扁平チューブ(2)、絶縁層(3)、通電層(4)の接合は、ホットプレス等の周知の方法により適宜行う。

例えば、絶縁層(3)の絶縁性樹脂として熱硬化性樹脂を用いた場合を例に挙げて説明すると、通電層(4)、絶縁層(3)、扁平チューブ(2)を重ね合わせ、上下をステンレス鋼板で挟み、さらにクッション材を介して押圧し、加熱する。このホットプレスにより、絶縁層(3)が硬化するとともに扁平チューブ(2)と通電層(4)に接合され、これらが一体化される。また、絶縁層(3)の一部に通電層(4)を接合する場合は、位置合わせシートおよび当て板を用いて接合を行う。即ち、位置合わせシートに通電層(4)を張り付け、通電層(4)に対応する位置に孔をあけた当て板を介して絶縁層(3)上に配置し、扁平チューブ(2)に重ねる。これらをステンレス鋼板で挟み、さらにクッション材を介して押圧して加熱する。これにより、絶縁層(3)の所定位置に通電層(4)が接合される。

また、前記扁平チューブ(2)と絶縁層(3)との接着力を向上させるために、扁平チューブ(2)の表面に陽極酸化皮膜を形成することも好ましい。陽極酸化皮膜のポア内に絶縁性樹脂が入り込み、アンカー効果による高い接着力を得ることができる。皮膜の種類は限定されず、リン酸による皮膜、硫酸による皮膜等を適宜用いることができ、特に接着力の優れたリン酸による皮膜を推奨できる。

本発明のＬＥＤ用基板(2)は、絶縁層(3)が扁平チューブ(2)に直接接合されているので熱抵抗が小さく優れた冷却能力を有し、通電層(4)に取り付けたＬＥＤ(11)を効率良く冷却することができる。このため、ＬＥＤの高輝度、高寿命が達成される。また、優れた放熱性能により基板自体をコンパクト化することができ、ひいてはこのＬＥＤ用基板を用いた光源や液晶ディスプレイ用バックライト、その他の各種電子部品をコンパクト化することができる。

光源ユニットは、前記光源(10)と、前記光源(10)のＬＥＤ用基板(1)の扁平チューブ(2)に冷却液を給排する給排部とを備えるものである。図３Ａ〜図４Ｂに示すように、前記給排部は、前記扁平チューブ(2)の通路(5)の両端部に連通接続されるヘッダー(22a)(22b)(32a)(32b)、冷却液を冷却するラジエータ(23)、冷却液を扁平チューブ(2)とラジエータ(23)との間を循環させるポンプ(25)、これらを接続する配管(26)を有するものである。図３Ａおよび図３Ｂに示す光源ユニットは、１本の扁平チューブ(2)の両端にヘッダー(22a)(22b)を取り付け、１本の扁平チューブ(2)内で冷却液を循環させるものである。また、図４Ａおよび図４Ａに示した光源ユニットは、複数本の扁平チューブ(2)を並列に配置し、これらの扁平チューブ(2)の両端に各チューブ(2)と連通するようにヘッダー(32a)(32b)を取り付け、複数のチューブに同時に冷却液を給排しうるものとなされている。

いずれの光源ユニットにおいても、ラジエータ(23)により冷却された冷却液は、ポンプ(25)によって管(26)を通り、ヘッダー(22a)(32a)から扁平チューブ(2)へ送られる。そして、冷却液が、扁平チューブ(2)内に流入して通路(5)を流通する間にＬＥＤ(11)の熱を奪って該ＬＥＤ(11)を冷却する。その後、この冷却液が他方のヘッダー(22b)(32b)から流出する。流出した冷却液は、ラジエータ(23)へ供給されて再度冷却される。

本発明の液晶ディスプレイ用バックライトユニットは、本発明の光源(10)または冷却液の給排部を含む光源ユニットを搭載したものであり、その他の構成部品として、筐体、導光板、反射板等が含まれる。また、液晶ディスプレイ用バックライトユニットは、導光板(21)の両端に光源(10)(10)を取り付けてＬＥＤ(11)の光を導光板(21)で反射させる液晶ディスプレイを照明するエッジ型とする（図３Ａおよび図３Ｂ参照）ことも、ＬＥＤ(11)の光で直接液晶ディスプレイを照明する直下型とする（図４Ａおよび図４Ｂ参照）こともできる。

〔実施例１〕
図３Ａおよび図３Ｂに、液晶ディスプレイ用のエッジ型バックライトユニット(20)を示す。このエッジ型バックライトユニット(20)は、導光板(21)の左右両端に光源(10)(10)を取り付けたものである。

前記光源(10)において、ＬＥＤ用基板(1)は、図面の上下方向に沿って貫通する通路(5)を有する扁平チューブ(2)の一面側に絶縁層(3)を介して通電層(4)が一体に形成され、前記通電層(4)上に複数個のＬＥＤ(11)が基板(1)の長さ方向に沿って一列に取り付けられている。そして、導光板(21)の左右両端に、光源(10)が互いのＬＥＤ(11)が向かい合う方向に配置されている。

前記導光板(21)は、樹脂板に光を反射させるための多数のドットが密に印刷が施されたものであって、左右に配されたＬＥＤ(11)から入射された光を反射させて液晶ディスプレイ（図示省略）を照明するものである。

前記ＬＥＤ用基板(1)において、扁平チューブ(2)は、幅８ｍｍ×高さ１．５ｍｍのアルミニウム製押出多穴管からなり、通路数：６、各通路(5)の高さが１ｍｍ、幅が２ｍｍとなされている。前記扁平チューブ(2)には、絶縁層(3)との接着力を向上させるためにリン酸による陽極酸化処理が施され、表面に陽極酸化皮膜が形成されている。そして、絶縁層(3)材料として、エポキシ樹脂に熱伝導性フィラーとして８０容量％の球状アルミナを配合した樹脂組成物を用いるとともに、導電層(4)として厚さ３５μｍの銅箔を用い、扁平チューブ(2)、絶縁層(3)材料、銅箔(4)を重ねてホットプレスして一体化させることにより、ＬＥＤ用基板(1)を作製した。このホットプレスにより、絶縁層(3)は厚さ８０μｍに形成された。また、ＬＥＤ(11)は、赤、青、緑の各色を発光するＬＥＤを一組としたものであり、基板(1)上に２０組のＬＥＤ(11)がハンダ付けされている。なお、図３Ａおよび図３Ｂにおいては、図示の都合上ＬＥＤ(11)の個数を省略している。

また、前記扁平チューブ(2)の両端には、通路(5)に連通するヘッダー(22a)(22b)がろう付され、これらのヘッダー(22a)(22b)は冷却液冷却用のラジエータ(23)、冷却液を流すためのピストン往復式のポンプ(25)、冷却液の量を確保するためのタンク(24)に管(26)を介して連通接続されている。冷却液には純水で希釈されたプロピレングリコールが使用され、冷却液が扁平チューブ(2)とラジエータ(23)とを循環することによってＬＥＤ(11)の冷却がなされる。このようなＬＥＤ(11)の冷却により、バックライドの高輝度、高寿命、コンパクト化が達成される。
〔実施例２〕
図４Ａおよび図４Ｂに、液晶ディスプレイ用の直下型バックライトユニット(30)を示す。この直下型バックライトユニット(30)は、４本の光源(10)を平面上に配置したものであり、多数のＬＥＤ(11)によって直接的に液晶ディスプレイを照らすものである。

各光源(10)は、実施例１と同様に、ＬＥＤ用基板(1)上に複数個のＬＥＤ(11)を一列に取り付けたものである。そして、各ＬＥＤ用基板(1)の扁平チューブ(2)は、両端部がヘッダー(32a)(32b)によって連通接続され、冷却液が一方のヘッダー(32a)から複数の扁平チューブ(2)へ並行状に流入し、各扁平チューブ(2)から他方のヘッダー(32b)に流出される。冷却液は、両ヘッダー(32a)(32b)間に連通接続されたラジエータ(23)、ポンプ(25)、タンク(24)、管(26)によって循環するものとなされている。

本発明のＬＥＤ用基板は放熱性能に優れているから、高出力のＬＥＤを取り付けてコンパクトな光源の製作に利用することができる。

本発明の一実施形態にかかるＬＥＤ用基板および光源の模式的断面図である。扁平チューブの流路において、水力相当直径と熱抵抗および圧力損失の関係を示すグラフである。エッジ型バックライトユニットの一部断面正面図である。図３Ａの側面図である。直下型バックライトユニットの正面図である。図４Ａにおける４Ｂ−４Ｂ線断面図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ用基板
２…扁平チューブ
３…絶縁層
４…通電層
５…流路
10…光源
11…ＬＥＤ
20…エッジ型バックライトユニット
22a,22b,32a,32b…ヘッダー（給排部）
23…ラジエータ（給排部）
25…ポンプ（給排部）
26…管（給排部）
30…直下型バックライトユニット

Claims

ＬＥＤを取り付けるための基板であって、冷却液が流通する通路を有するアルミニウム製扁平チューブが押出多穴管で構成され、かつその表面に陽極酸化皮膜を有し、前記扁平チューブの陽極酸化皮膜上に、絶縁性樹脂、または絶縁性樹脂に熱伝導性フィラーを配合した絶縁性樹脂組成物からなる絶縁層を介してＬＥＤを取り付けるための通電層が一体に積層されていることを特徴とするＬＥＤ用基板。
前記扁平チューブの通路の水力相当直径（Ｄｅ）が０．２〜３．１ｍｍの範囲に設定されている請求項１に記載のＬＥＤ用基板。
前記扁平チューブの厚さが１０ｍｍ以下である請求項１または２に記載のＬＥＤ用基板。
前記絶縁性樹脂は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂のうちの少なくとも一つである請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ用基板。
前記絶縁性樹脂組成物において、熱伝導性フィラーは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮ、ＡｌＮのうちの少なくとも一つである請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ用基板。
前記絶縁性樹脂組成物において、熱伝導性フィラーの含有量は４０〜９０容量％である請求項５に記載のＬＥＤ用基板。
請求項１〜６のいずれか１項に記載されたＬＥＤ用基板の通電層に、ＬＥＤが取り付けられてなることを特徴とする光源。
請求項７に記載された光源と、前記光源のＬＥＤ用基板の扁平チューブに冷却液を給排する給排部とを備え、該給排部は、前記扁平チューブに連通接続されるヘッダー、冷却液を冷却するラジエータ、冷却液を扁平チューブとラジエータとの間を循環させるポンプ、これらを接続する配管を有することを特徴とする光源ユニット。
請求項７に記載された光源または請求項８に記載された光源ユニットが搭載された液晶ディスプレイ用バックライトユニット。