JP4686643B2 - 半導体発光素子搭載用基板、バックライトシャーシ、表示装置、及び、テレビ受信装置 - Google Patents

半導体発光素子搭載用基板、バックライトシャーシ、表示装置、及び、テレビ受信装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体発光素子搭載用基板、バックライトシャーシ、表示装置、及び、テレビ受信装置に関し、より詳しくは、フリップチップ型の半導体発光素子を液晶表示装置のバックライト光源として用いる際に好適な半導体発光素子搭載用基板、バックライトシャーシ、表示装置、及び、テレビ受信装置に関する。

近年、テレビの薄型化が進み、その一手法として液晶テレビにおいても半導体発光素子であるLED(Light Emitting Diode)をバックライト光源として用いることが普及し始めている。

LEDバックライトの光照射方式には、サイドエッジ方式および直下方式の2種類が存在する。サイドエッジ方式は、映像表示装置の画面の側面にLEDを配置して導光板に光を入射させる方式である。一方、直下方式は、画面直下に、マトリクス(2次元)状にLEDを配置して出射光を直接利用する方式である。直下方式は、サイドエッジ方式よりも、輝度を高めやすいため、大型の液晶表示素子を用いた映像表示装置においては、主に、直下方式のLEDバックライトが採用される。

また、半田バンプや半田ボールを介して基板上の配線パターンとの接続をとるフリップチップ型の構造がある。フリップチップ型の構造は、フェイスアップ型の構造に比べて、配線を行うためにワイヤが不要となるため、ワイヤボンディング工程が不要となり、比較的簡単な工程で小型の電子部品を基板に搭載できる。またフリップチップ型の構造は薄型化も可能なことから、LEDバックライトへの適用も検討されている。

しかし、LEDは点光源であるため、全面に光源を配置する必要がある。そして、LEDは効率の良い光源ではあるが、液晶表示装置のバックライトに用いるためには、高輝度で発光させる必要がある。このため、LEDを用いた光源は、大電流に応じた発熱への対策が必要となる。

通常、LEDの発熱は、LEDチップを搭載した基板に伝わり放熱される。例えば、特許文献1には、LEDチップを搭載した基板にサーマルビアを設け、このサーマルビアを介してLEDの発熱を基板裏面に設けた放熱用パッドに逃がす構造が開示されている。また、特許文献2には、集積回路搭載基板ではあるが、配線パターンの非形成領域に放熱パターンを別途設け、この放熱パターンにグランド配線用バンプやダミーバンプを接続することにより、集積回路の熱を放熱パターンに伝達させることが開示されている。

ここで、従来のフリップチップ型のLEDチップの構造について図22に示す。LEDチップ200は、サファイア基板201、N型層202、活性層203、P型層204、正電極(アノード電極)205、及び負電極(カソード電極)206で構成される。

また、従来の他のフリップチップ型のLEDチップの構造として、パッケージ型のチップ構造を図23に示す。LEDパッケージ300は、LEDチップ301、蛍光体層302、保護層303、底部電極(正電極及び負電極)304、ビア305、接触パッド305a,305b、及びシリコンサブマウント306で構成される(例えば、特許文献3を参照)。

図22又は図23に示したようなLEDのチップ構造では、通常、半田付け性が十分に満足できればよいため、LEDの発熱量の大きさに係わらず、LEDの正電極と負電極の、大きさと形状は電流経路、電流値等を考慮して決定していた。

特開2008−34748号公報 特開2005−109254号公報 特開2009−111006号公報

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、基板にビアホールを設け、さらに基板の裏面に放熱用パットを設ける必要があることから、このための製造工程が増え、生産コストが高くなるという問題があった。また、特許文献2に記載の技術では、グランド配線用バンプやダミーバンプの配設が可能な集積回路では可能であるが、LEDのような二極素子には適用することが困難であった。

また、フリップチップ型のLEDチップでは正電極及び負電極が実装基板と接するため、LEDチップから実装基板への放熱量は各電極の電極面積に依存することになる。特に、LEDチップを構成する活性層での発熱量が多くなるため、この活性層の近くに配置される正電極の電極面積を大きくすることで、より効率的にLEDチップを冷却することができるものと考えられる。

表示装置として液晶表示装置は、種々の製品に適用できるが、光源を含むバックライト部分の放熱は、製品全体の放熱に対して主要な部分となる。このため、光源を搭載する基板部分の放熱手段の重要性は高い。しかしながら、図22又は図23に示したように、従来のLEDチップでは、LEDの正電極と負電極の大きさ及び形状は、電流経路や電流値等により決定していたため、LEDチップ側から実装基板への放熱効果を高めることについて何ら考慮されていなかった。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、フリップチップ型の半導体発光素子を実装するための基板として、製造工程を増やすことなく、簡単な構造で半導体発光素子からの熱を良好に放熱し、半導体発光素子を実装した際に、温度上昇を抑えるとともに、製造時の信頼性を高めた半導体発光素子搭載用基板を提供すること、さらに、この基板を備えたバックライトシャーシ、表示装置、及び、テレビ受信装置を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第1の技術手段は、同一平面側に正電極及び負電極を有する半導体発光素子を搭載するための半導体発光素子搭載用基板であって、長尺の短冊形状を有する絶縁基板と、該絶縁基板上で長手方向に延びかつ幅が異なるとともに前記正電極及び負電極がそれぞれ接続される一対の電極パターンと、該一対の電極パターンからそれぞれ引き出された配線パターンとを具備し、前記一対の電極パターンのそれぞれが前記配線パターンよりも広い面積を有し、前記一対の電極パターンは、略平行に所定の間隙を介して対向する対向部分を有するとともに、前記半導体発光素子の正電極及び負電極が載置される前記一対の電極パターン部分には、少なくとも幅の狭い電極パターン及び幅の広い電極パターンのいずれか一方に、他方の電極パターン側へ突出する突出部が形成され、他方の電極パターン側には、前記突出部と所定の間隙を介して対向する凹部が形成されていることを特徴としたものである。

の技術手段は、第1の技術手段において、前記半導体発光素子の正電極及び負電極の内、活性層に遠い側の電極が前記幅の狭い電極パターンに接続されることを特徴としたものである。

の技術手段は、第1または2の技術手段において、前記突出部と前記凹部との間隙が、前記一対の電極パターンの幅方向の中央に位置することを特徴としたものである。

の技術手段は、第1から第3のいずれか1の技術手段において、前記凹部の長手方向両側に切り欠きを形成したことを特徴としたものである。

の技術手段は、第1から第4のいずれか1の技術手段において、前記突出部が階段状になっていることを特徴としたものである。

の技術手段は、第1から第5のいずれか1の技術手段において、前記半導体発光素子は、正電極及び負電極が同一面側に形成され、かつ一方の電極の電極面積が他方の電極の電極面積よりも大きく形成され、電極面積の大きな電極が、前記幅の広い電極パターン側に接続されていることを特徴としたものである。

の技術手段は、第の技術手段において、前記半導体発光素子の電極面積の大きな電極は、電極面積の小さな電極よりも活性層に近いことを特徴としたものである。

の技術手段は、第1から第7のいずれか1の技術手段において、前記一対の電極パターンのそれぞれから引き出された配線パターンの引出し方向が相互に異なる方向となっていることを特徴としたものである。

の技術手段は、第1から第のいずれか1の技術手段において、前記絶縁基板が長尺の短冊形状を有し、該短冊形状の長手方向に沿って前記一対の電極パターンが複数形成され、前記半導体発光素子が複数個配列可能であることを特徴としたものである。

10の技術手段は、第1から第9のいずれか1の技術手段において、前記半導体発光素子の電力をW(w)、前記一対の電極パターンの面積をS(m)、前記絶縁基板の厚みをL(m)、前記絶縁基板の熱伝導率をρ(W/(m/K))とする場合、ΔT=W・L/S/ρによって算出される前記絶基板の一面と他面間の平均温度差ΔTが12℃以下であることを特徴としたものである。

11の技術手段は、第1から第10のいずれか1の技術手段である半導体発光素子搭載用基板を備えたバックライトシャーシである。

12の技術手段は、第1から第10のいずれか1の技術手段である半導体発光素子搭載用基板を備えた表示装置である。

13の技術手段は、第12の技術手段である表示装置を備えるテレビ受信装置である。

本発明によれば、半導体発光素子の電極が接続される部分の電極パターンが配線パターンよりも大きな面積を有する。このため、半導体発光素子から電極を通して電極パターンに伝わった熱は、広い電極パターンから放熱するとともに、広い電極パターンを介して絶縁基板に良好に伝わり、さらに絶縁基板を介して放熱する。したがって、本発明の半導体発光素子搭載用基板は半導体発光素子の温度上昇を抑制することができる。

また、本発明によれば、幅の狭い電極パターン側に形成した突出部に、活性層から遠い側の半導体発光素子の電極を接続し、この突出部と間隙を介して対向する幅の広い電極パターン部分に、活性層に近い側の半導体発光素子の電極を接続することができるため、半導体発光素子からの熱が両電極から各電極パターンを通じて効率的に絶縁基板に伝えることができる。したがって、本発明の半導体発光素子搭載用基板は半導体発光素子の温度上昇を効率よく抑えることができる。

また、電極パターンに突出部を形成しているため、半導体発光素子の各電極を電極パターンに半田ペーストを用いて接続する際に、リフローの信頼性を高めることができる。
また、本発明によれば、半導体発光素子を構成する正電極または負電極のいずれかの電極面積を大きくすることにより、簡単な構造で発熱を良好に基板側に放熱し、基板に実装した際に温度上昇を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るテレビ受信装置の概略構成を示す分解斜視図である。 テレビ受信装置が備える液晶表示装置の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明に係る半導体発光素子搭載用基板を液晶表示装置のバックライトに使用した例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 図4に示した半導体発光素子搭載用基板にLEDチップを搭載した際の断面図である。 LED温度の変化と電極パターンの熱流速の変化を求めるために用いたモデルを示す図である。 熱回路網として、熱伝導、熱伝達、熱放射のシミュレーションを行う際の概念図を示す図である。 シミュレーションの結果を示すグラフである。 LEDチップのW数を電極パターンの面積で割った値を熱流速値として推定したグラフである。 絶縁基板を移動する熱を模式的に説明するための図である。 電極パターン面積と絶縁基板の一面と他面間の温度差との関係を推定したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 図15に示した半導体発光素子搭載用基板にLEDチップを搭載した際のX−Xに沿った断面を示す図である。 図16に示したLEDチップをY方向から見た図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。 LEDパッケージ構造を有する半導体発光素子の断面を示す図である。 半導体発光素子搭載用基板の一例を示す図である。 従来のフリップチップ型のLEDチップの構造について示す図である。 従来のLEDチップ構造の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るテレビ受信装置の概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、テレビ受信装置が備える液晶表示装置の概略構成を示す分解斜視図である。

テレビ受信装置100は、図1に示すように、液晶表示装置110と、この液晶表示装置110を挟むようにして収容する表裏両キャビネット111、112と、電源113と、チューナー114と、スタンド115とを備えて構成される。

液晶表示装置(表示装置)110は、全体として横長の方形(矩形状)を成し、縦置き状態で収容されている。この液晶表示装置110は、図2に示すように、表示パネルである液晶パネル120と、外部光源であるバックライト装置(照明装置)130とを備え、これらが枠状のベゼル140などにより一体的に保持されるようになっている。図2では、画面サイズが42インチで横縦比が16:9の液晶表示装置を例示している。

液晶パネル120は、一対のガラス基板が所定のギャップを隔てた状態で貼り合わせられるとともに、両ガラス基板間に液晶が封入された構成を有する。一方のガラス基板には、互いに直交するソース配線とゲート配線とに接続されたスイッチング素子(例えばTFT)と、そのスイッチング素子に接続された画素電極、さらには配向膜等が設けられる。また、他方のガラス基板には、R(赤色),G(緑色),B(青色)等の各着色部が所定配列で配置されたカラーフィルタや対向電極、さらには配向膜等が設けられる。

バックライト装置130は、図2に示すように、光出射面側(液晶パネル120側)に開口した略箱型をなすバックライトシャーシ150と、バックライトシャーシ150の開口部を覆うようにして取り付けられる拡散板161、および、拡散板161よりも更に光出射面側に配された光学シート群162からなる光学部材160とを有している。そして、光学部材160は、バックライトシャーシ150と、バックライトシャーシ150の周囲に沿って配されたフレーム170とで保持される。

図3は、本発明に係る半導体発光素子搭載用基板を液晶表示装置のバックライト装置に使用した例を示す図である。
バックライト装置130は、バックライトシャーシ150上に、本発明に係る半導体発光素子搭載用基板(以下、LED基板という。)1を複数配置している。個々のLED基板1は、直線状(アレイ状)に複数のLEDチップ2を搭載しているとともに、長尺の短冊形状を有しており、長手方向が液晶表示装置の画面の水平方向に一致するように配置されている。

図3では、42インチワイド型の画面(横930mm×縦523mm)の映像表示装置に適用されるアレイ型のLEDバックライト装置130を例示している。一般的に、LED基板1には、製造時における縦横の最大外形寸法、すなわち定尺が存在する。定尺は、LED基板1の材料や製造装置によって異なるが、例えば縦が510mm、横が340mmなどとなっている。

このため、LED基板1の縦横のいずれかの寸法が定尺を超える場合は、その実装基板1を幾つかに分割して作製される。図3の場合、この定尺を超えるため、実装基板を横方向に2分割し、横方向に2枚、縦方向に各10枚、合計20枚のLED基板1が配置されている。また、各LED基板1には、例えば8個のLED2が、同一直線状に並んで配置されている。

つまり、図3のバックライト装置130は、画面全体で、合計160個のLEDチップ2が使用されている。なお、図3では、隣接LEDチップ2間の間隔は60mmとし、全体としてLEDチップ2が六方格子状に配置されている。六方格子状の配置では、あるLEDチップ2を中心として形成される仮想的な正六角形の頂点に他のLEDチップ2が配置されるようになっている。これにより、LEDバックライト装置130は、液晶パネルに対し、均一なバックライト光を照射することができる。

また、横方向に2分割したLED基板1間の電気的な接続を取るために、10本のハーネス102を設けている。さらに、LED基板1の一方と図示しない外部のドライバ基板との電気的な接続するために、10本のハーネス103を設けている。これらのハーネス102,103は各LED基板1に設けたコネクタ104に接続される。

ここで、液晶パネル120の背面に設けるバックライト装置130としては、画面サイズとほぼ同じ面積の基板上に多数のLEDチップをマトリクス状に敷き詰めて構成したマトリクス型のLEDバックライト装置がある。しかし、マトリクス型のLEDバックライト装置は、画面サイズとほぼ同じ面積の基板が必要となるため、部材価格が非常に高価となってしまう。これに対し、アレイ型のLEDバックライト装置では、複数のLED基板1が必要となるが、互いに間隔を空けて配置されるため、大画面の液晶表示装置であるほど、マトリクス型のLEDバックライト装置よりも、安価に製造することができる。また、アレイ型のLEDバックライト装置は、画面サイズに応じてLED基板1の数を増減することで種々の画面サイズに適用することが可能となる。

図4は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。
LED基板1は、長尺の短冊形状を有しエポキシ樹脂等からなる絶縁基板3の上に、後述するLEDチップの電極を接続するための一対の矩形状の電極パターン4,5 及び、この一対の電極パターン4,5からそれぞれ引き出された配線パターン6を有している。そして、一対の電極パターン4,5と配線パターン6とはほぼ同じ厚みに形成されているが、一対の電極パターン4,5の方が配線パターン6よりも面積が大きくなるように形成されている。

また、一対の電極パターン4,5は、略平行に所定の間隙を介して対向する対向部分Aを有し、この対向部分AにLEDチップ2が半田等を用いて実装される。なお、LEDチップ2は短冊形状のLED基板の幅方向のほぼ中央に載置される。図4に示したLED基板1では、対向部分AがLED基板1の長手方向(図4では左右の方向)に沿って形成されている。また、一対の電極パターン4,5からそれぞれ引き出された配線パターン6の引出し方向は相互に異なる方向となっている。

このように、対向部分AがLED基板1の長手方向に沿って形成された場合、この対向部分Aに実装されるLEDチップ2の正負それぞれの電極は、LED基板1の長手方向に沿った載置長さを長くすることができる。このため、LED基板1を取り扱う際に、長手方向に折れ曲がった場合でも、実装したLEDチップ2の電極とLED基板1の電極パターン4,5の接続部に加わるストレスが小さくなり、LEDチップの接続不良を少なくすることができる。

ここで、配線パターン6の幅は、LEDチップ2に流す電流の最大値によって定めているが、電極パターン4,5の面積は、後述するようにLEDチップ2に最大値の電流を流した時の温度上昇から決定している。また、電極パターン4,5と配線パターン6との区別は、電流の流れる方向と直交する、幅の狭い部分が配線パターン6であり、LEDチップ2を搭載する対向部分Aを短絡した場合に、電流の流れる方向と直交する、幅の広い部分が電極パターン4,5であると区別することができる。

図4に示すLED基板では、電極パターン4,5と配線パターン6とは銅(Cu)で形成している。電極パターン4,5と配線パターン6の形成方法は、絶縁基板3上に設けた銅箔からエッチングによって両者を形成するほか、種々の一般的方法を用いることができる。また、銅以外の他の材質の金属箔、例えば、金(Au)、銀(Ag)またはアルミ(Al)などによって形成しても構わない。

図5は、図4に示した半導体発光素子搭載用基板にLEDチップを搭載した際のX−Xに沿った断面を示す図である。
LEDチップ2は、一例として、絶縁性の透明のサファイア基板21上にAlInGa系のN型層22、活性層23、P型AlInGaN層24を積層した構造を有している。そして、P型層24に設けたアノード側の正電極25とN型層22に設けたカソード側の負電極26とをそれぞれ一対の電極パターン4,5に接続し、正電極25から負電極26へ順方向電流を流すことによって活性層23を発光させ、サファイア基板21を通して外部に光を取り出している。

このように、フリップチップ型のLEDチップ2は、ボンディングワイヤーやリードを使用せずに、LEDチップ2に形成した正電極25と負電極26とが、それぞれLED基板1の電極パターン4、5に直接対向して密着、接合させる構造をとる。なお、LEDチップ2の構造は、フリップチップ型のものであれば、この例に限らずどのようなものであってもよい。

LEDチップ2に順方向電流を流して発光させた際、LEDチップ2からの発熱は、正電極25と負電極26からそれぞれ電極パターン4,5に伝わり、さらに電極パターン4,5を介して絶縁基板3に伝わる。また、絶縁基板3は図示しないバックライトシャーシ(図3で示すバックライトシャーシ150)に取り付けられているため、熱はさらに絶縁基板3を介してバックライトシャーシに伝わることになる。本発明では、LEDチップ2を載置した部分の電極パターン4,5の面積を広くしているため、LEDチップ2からの熱は、電極パターン4,5自身から外部へ放熱されるとともに、絶縁基板3へ広い面積で伝導するため、バックライトシャーシへも良好に伝わり、LEDチップ2の温度上昇を抑えることができる。

一般的に、発熱源からの熱は、基板の大きさや厚みによって放熱効率が変わることが知られていたが、LEDのような点光源素子に大電流を流した場合は、LEDチップの電極部分が極めて高温になり、電極付近の温度分布は電極パターンおよび配線パターンの大きさと形状に大きく影響を受けることとなる。ちなみに、絶縁基板をエポキシ樹脂、電極パターン4,5を銅(Cu)から作製した場合、熱伝導率は、エポキシ樹脂が約1W/(m・K)、銅が約400W/(m・K)であるため、電極パターン4,5の大きさと形状によって、LEDチップ2から絶縁基板3へ伝わる熱流束の分布が大きく変化することになり、電極パターンが広いほど絶縁基板3へ逃がすことができる熱量は大きくなる。

例えば、図21に示したLED基板1では、電極パターン54,55の幅が配線パターン6と同じ幅となっているため、LEDチップ2からの熱は、電極パターン54,55を介して絶縁基板3に伝わるものの充分ではない。したがって、LEDチップ2の温度分布は、LEDチップ2の付近で極端に高くなり、LEDチップ2の発光効率が悪化する。また、LEDチップ2に流せる電流値を小さく抑えなければならない。

ここで、絶縁基板に電極パターンを形成し、この電極パターンにLEDチップを搭載したモデルについて、LEDチップを熱源として、熱回路網を用いて電極パターンのサイズを変えた場合のLED温度の変化及び電極パターンの熱流速の変化を求めた。

図6は、LED温度の変化と電極パターンの熱流速の変化を求めるために用いたモデルを示す図である。
モデル60は、バックライトシャーシ65、裏面パターン64、絶縁基板63、電極パターン62、LEDチップ61を順次積み重ねたものである。

ここで、モデル60を構成する各部材の諸元は次の通りとした。
LEDチップ61:一辺2.8mmの正方形とし、電力0.68Wとした。
電極パターン62:厚さ35μmの銅箔で熱伝導率390W/(m・K)とした。
絶縁基板63:高熱伝導タイプで厚さ1mm、面積は50mmx30mm、熱伝導率は1W/(m・K)とした。
裏面パターン64:厚さ35μmの銅箔で、熱伝導率は390W/(m・K)であり、面積は絶縁基板63と同じとし、絶縁基板63の背面に全面に裏面パターン64が設けられているものとした。
バックライトシャーシ65:鉄製で厚さ0.8mm、熱伝導率は50W/(m・K)で十分な面積があるものとした。

そして、電極パターン62の面積を一辺6mmの正方形から一辺15mmの正方形まで一辺を1mmおきに変化させた場合の、LED温度の変化と電極パターンの熱流速の変化をシミュレーションによって求めた。
図7は、熱回路網として、熱伝導、熱伝達、熱放射のシミュレーションを行う際の概念図を示す図である。シミュレーションは図7で示すように熱伝導、熱伝達、熱放射について行った。熱伝導とは主に物質内の熱移動であり、熱伝達とは、主に物質の表面上の熱移動である。また、熱放射は、熱線としての熱移動である。このシミュレーションでは、空気66の温度を25℃とした場合のLEDチップ61の温度と電極パターン62の熱流速を求めた。ただし、LEDチップ61の温度は電極パターン62の平均温度と等しいものとした。

図8は、シミュレーションの結果を示すグラフであり、電極パターン62の面積をX軸、LEDチップ61の温度(電極パターン62の平均温度)と、電極パターン62の平均熱流速をY軸にとった図である。
ここで熱流速とは、単位面積当たりの熱の移動量である。熱流速が大きければそれだけ単位面積あたりの温度変化量が大きくなる。したがって、電極パターン62上の熱流速値を下げることができれば、温度変化量が減り、結果的にLEDチップ61の温度が下がる。

図8において、裏面パターン64の平均温度は約42.3℃で各電極パターンともほぼ同じである。図8では、左側のマークから順に、電極パターン62が一辺6mmの正方形、一辺7mmの正方形、・・・一辺15mmの正方形までプロットしている。
電極パターン62が一辺6mmの正方形では、LEDチップ温度が60℃程度、熱流速が18000W/m2程度であり、電極パターン62の面積が大きくなるとLEDチップの温度、電極パターンの熱流速とも下がっていく。電極パターンが一辺11mmの正方形程度以降は温度変化も小さくなり、飽和状態であることが分かる。

なお、このシミュレーションでは、LEDチップ温度(電極パターン温度)、裏面パターン温度、熱流速とも平均値をプロットしているが、平均値ベースで温度等を推定することで、計算の単純化を図っている。

まず、LEDチップ61と電極パターン62の熱移動を考えると熱伝導が支配的であり、熱伝達、熱放射の率は数%にとどまる場合も多い。したがって、熱伝導についてのみを考慮したとしても、結果に大きな差は出ないと考えられる。
次に、熱伝導のみと考えると、LEDチップ61からの熱は絶縁基板63の表側の電極パターン62を設けた部分全体に広がることになる。これは、電極パターン62の熱伝導率が絶縁基板63の熱伝導率よりも大幅に高いからである。

図9は、LEDチップのW数を電極パターンの面積で割った値を熱流速値として推定したグラフである。
図8及び図9における熱流速値はほぼ同じ値となっていることが分かる。

次に、絶縁基板63の電極パターンを設けた部分全体にLEDチップの熱0.68Wが拡がった後、熱伝送率の低い絶縁基板63側に熱が移動することを考える。
図10は、絶縁基板を移動する熱を模式的に説明するための図である。
絶縁基板63の熱伝導率は、高熱伝導タイプであっても、1W/(m・K)と極めて低い。これに対して、絶縁基板63の裏面側の裏面パターン64は、390W/(m・K)であることから、絶縁基板63上の熱は絶縁基板63の長手方向(平面方向)に移動する量よりも、絶縁基板63の裏面側に移動する量のほうがはるかに多いと考えられる。したがって、大部分の熱は図10に示すように移動すると推定できる。すなわち、絶縁基板63の電極パターン62を設けていない部分は、LEDチップ61からバックライトシャーシ65への熱伝導による放熱に寄与していないと推定できる。

したがって、電極パターン62の面積を変えることは、熱が伝達する絶縁基板63の面積を変えることと言い変えることができる。その際、絶縁基板63の熱抵抗値は、電極パターン62の面積と絶縁基板63の厚さと絶縁基板63の熱伝送率によって算出できる。これは、LEDチップ61の熱が電極パターン62で均等化された場合を想定しているからである。

ここで、絶縁基板63の一面と他面間の温度差ΔTを推定すると、次式であらわせる。
温度差ΔT=W・R (式1)
Rは熱抵抗値(長さ/断面積/熱伝導率)である。

図11は、電極パターン面積と絶縁基板の一面と他面間の温度差との関係を推定したグラフであり、LEDチップ61の電力Wを0.68Wとした際に、電極パターン62の面積を一辺6mmの正方形から一辺15mmの正方形まで一辺1mmおきに、その温度差をプロットしたものである。図8に示すLEDチップ温度の変化と図11に示す絶縁基板の一面と他面間の温度差の変化量はほぼ同じであることが分かる。

温度差ΔTを、発熱源の電力W(w)、電極パターンの面積S(m)、絶縁基板の厚みL(m)、熱伝導率ρ(W/(m/K))で表すと、次式のようになる。
ΔT=W・L/S/ρ (式2)
例として、発熱源の電力Wが0.68W、絶縁基板63の厚さが1mm、絶縁基板63の熱伝導率ρが1W/(m・K)の際の電極パターン面積SとΔTの関係を見る。
まず、通常用いられる電極パターンとして6mm角の場合を考える。
電極パターンの面積Sは36mm
この時の温度差ΔTは
ΔT=0.68x0.001/0.000036/1.0
=18.8℃
電極パターン6mm角は、通常の電極パターンの面積とほぼ同等である。そのため、この温度差18.8℃は、本発明を用いない場合の温度差と考えられる。

次に、図8の温度シミュレーションから温度が飽和しつつある電極パターンの大きさは11mm角程度であるので、その際のΔTを算出する。電極パターンの面積Sは121mm である。
ΔT=0.68x0.001/0.000121/1.0
=5.6℃
この温度差5.6℃は、効果的に電極パターンと絶縁基板との関係による放熱を行っている状態と考えられる。したがって、平均温度差6℃以下であれば、放熱を最も効果的に行っていると考えられる。
また、通常の電極パターンの場合と放熱を意識した電極パターンの場合との切り分けは、両者の中間程度と考えられる。中間温度差ΔT1は18.8℃と5.6℃の中間とするとΔT1=12.2℃であり、約12℃である。
よって、式2で求まるΔTが12℃より大きければ、通常の電極パターンの範囲であり、12℃以下であれば放熱を意識した電極パターンと考えられる。

次に、例として、通電時のバックライトシャーシ65の温度が60℃の際に、電極パターン62の温度が+5℃の65℃に抑えるための電極パターン62の面積を算出する。
発熱源の電力Wが0.68W、絶縁基板63の厚さが1mm、絶縁基板63の熱伝導率ρが1W/(m・K)で、絶縁基板の一面と他面間の温度差を5℃以下とするための電極パターン面積Sは、式2を変形して、
S=W・L/ρ/ΔT (式3)
から算出できる。それぞれの値を入れると、
S=0.68・0.001/1/5
=136mm(一辺11.6mmの正方形)
となり、電極パターンは一辺11.6mm以上の正方形であれば良い。

なお、式2が成立するためには、次の要件を満たす必要がある。
(1)基板が高熱伝導部材であること。
これは、基板の熱伝導率がきわめて低いと、電極パターンからの熱が基板に流れず、放熱がスムーズに行えなくなるからである。
(2)基板の裏面に放熱部材が張りつけてある。または、裏面がバックライトシャーシ等の放熱部に接触していること。
これは、基板の熱がスムーズに裏面から排出されないと、電極パターンの温度と基板裏面の温度の差が大きくなり推定値との差が大きくなるからである。

通常、液晶表示装置では、バックライトシャーシはバックカバーに覆われており、バックカバーとバックライトシャーシとの間の対流によって、外部に放熱される構造を有している。液晶表示装置に設けられている電源や制御回路などの電子部品への影響を考慮すれば、バックライトシャーシの温度は60℃程度以下となるようにしておくことが望ましい。そして、LED基板の表裏の温度差は5℃以内に止まるようにしておくことが望ましい。

図12は、本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。
図12に示したLED基板1は、図4に示したLED基板1の配線パターン6を変更し、配線パターン36としたものである。この配線パターン36は隣接する電極パターン4,5と幅方向に同じ側、すなわち、上側と上側、下側と下側とを接続しているため、電極パターン4,5に載置するLEDチップ2は、隣接する者同士で正電極と負電極とが交互に配置されることになる。

図13は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。
図13に示したLED基板1は、長尺の短冊形状を有しエポキシ樹脂等からなる絶縁基板3の上に、LEDチップ2の電極を接続するための一対の矩形状の電極パターン34,35 及び、この一対の電極パターン34,35からそれぞれ引き出された配線パターン46を有している。そして、一対の電極パターン34,35と配線パターン46とはほぼ同じ厚みに形成されているが、一対の電極パターン34,35の方が配線パターン46よりも面積が大きくなるように形成されている。

また、一対の電極パターン34,35は、略平行に所定の間隙を介して対向する対向部分Aを有し、この対向部分AにLEDチップ2が実装される。なお、LEDチップ2は短冊形状のLED基板の幅方向のほぼ中央に載置され、LEDチップ2の電極はLED基板1の長手方向に沿って配列される。図13に示したLED基板1は、図4で示したLED基板1と、具体的な電極パターン及び配線パターンの形状が異なるが、LEDチップ2からの放熱のメカニズムやその他の構成については同じであるので、詳細な説明は省略する。

図14は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図である。
図14に示したLED基板1は、一対の電極パターン44、45が半円状である点で図13に示したLED基板1とその構成が異なっているが、その他の構成は同じである。
LEDチップ2は一対の電極パターン44,45の略平行する対向部分Aに載置されるが、LEDチップ2からの熱は、LEDチップ2の電極部分を中心にして放射状に伝わるため、電極パターン44,45を円弧状とすることで、LEDチップ2付近の温度が高くなるのを防止している。

図15は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図であり、図15(A)は半導体発光素子搭載用基板の一部概略図、また、図15(B)は図15(A)の一部を拡大した図である。

LED基板1は、長尺の短冊形状を有しエポキシ樹脂等からなる絶縁基板3の上に、後述するLEDチップの電極を接続するための一対の電極パターン14,15を有しており、この電極パターン14,15はそれぞれ長手方向に延びている。そして、一方の電極パターン14の幅W1は他方の電極パターン15の幅W2よりも、例えば2倍程度広く形成されている。

また、一対の電極パターン14,15は略平行に所定の間隙を介して対向する対向部分Aを有するとともに、この対向部分Aには幅の狭い電極パターン15から幅の広い電極パターン14側に突出する突出部15aが形成され、幅の広い電極パターン14側には、突出部15aと所定の間隙Bを介して対向するように凹部14aが形成されている。

そして、フリップチップ型のLEDチップ2の電極は、電極パターン15の突出部15aとこの突出部15aと間隙Bを介して対向する電極パターンの凹部14aを形成した部分に半田等を用いて接続される。ここで、電極パターン15の突出部15aとこの突出部15aと対向する電極パターンの凹部14aとの間隙Bは、一対の電極パターンの幅方向の略中央に位置するため、LEDチップ2も一対の電極パターンの幅方向の略中央に載置されることになる。

ここで、電極パターン14の幅W1と電極パターン15の幅W2とを異ならせているのは、後述するようにLEDチップ2からの熱を、電極パターン14,15を介して効率よく絶縁基板3に伝わるようにするためであり、また、突出部15aを設けているのは、LEDチップ2を半田ペーストによって電極パターン14、15に接続する際に、リフロー工程での信頼性を高めるためである。

図15に示すLED基板1では、一対の電極パターン14,15は絶縁基板3の長手方向に沿って複数形成され、複数個のLEDチップ2を搭載することができるようになっている。そして、幅の広い電極14及び幅の狭い電極15は、それぞれ絶縁基板3の幅方向に同じ側に形成されており、搭載されるLEDチップ2が直列接続となるように、幅の広い電極14と長手方向に隣接する幅の狭い電極15とが配線パターン16によって連結されている。また、配線パターンの幅16は電極パターン14,15の幅よりも狭くなっており、配線パターン16の面積は電極パターン14,15の面積よりも小さくなっている。

LEDチップ2の電極はそれぞれ、間隙Bを介してLED基板1の幅方向に対向して載置されるため、LEDチップ2の正負それぞれの電極は、LED基板1の長手方向に沿った載置長さを長くすることができ、LED基板1を取り扱う際に、長手方向に折れ曲がった場合でも、実装したLEDチップ2の電極とLED基板1の電極パターン14,15の接続部に加わるストレスが小さくなり、LEDチップ2の接続不良を少なくすることができる。

図16は、図15(A)に示した半導体発光素子搭載用基板にLEDチップを搭載した際のX−Xに沿った断面を示す図である。また、図17は、図16に示したLEDチップをY方向から見た図である。
LEDチップ2の構成は、基本的に図5で示したLEDチップ2の構成と同じであるので詳細な説明は省略するが、本実施態様では、後述する理由から、P型層24に設けた正電極25’の面積を、N型層22に設けた負電極の面積よりも大きくしている。

正電極25’と負電極26とはバンプ電極とも呼ばれるが、それぞれLEDチップ2のP型層、N型層と良好なオーミックコンタクトが取れる材料からなり、LEDチップ2が化合物半導体材料からなる場合は多層電極構造を採用することができる。そして、正電極25’から負電極26へ順方向電流を流すことによって活性層23を発光させ、サファイア基板21を通して外部に光を取り出している。

また、LEDチップ2の正電極25’と負電極26を電極パターン14、15に密着、接合させるために、リフロー方式の半田付けを行っている。
この方法は、まず、それぞれ正電極25’と負電極26が密着するパターン電極14,15の箇所に、予め半田ペーストを印刷し、印刷した半田ペースト上にそれぞれ正電極25’と負電極26を位置決めした状態でLEDチップ2をLED基板1上に載置する。その後、リフロー炉の中で、LED基板1とLEDチップ2とを予熱(プリヒート)する。この予熱温度は一般的には150℃から170℃程度で行われる。次に、本加熱として半田が溶ける温度まで短時間高温にし、パターン電極4,5とLEDチップ2の各電極とを半田付けしている。本加熱は,半田の成分組成により溶融温度が異なるが、一般的には220℃から260℃で行われる。

ここで、本加熱はLED素子2やLED基板1への熱の影響を小さくするために、短時間で行う必要があり、図15で示したLED基板1では、半田ペーストを印刷した部分を早めに高温にするために突出部5aを設けている。

なお、リフローの際に電極パターンにおけるLEDチップ2の電極載置部分の温度を早く上昇させなければならない要求と、LEDチップ2の駆動時にLEDチップ2からの熱を効果的放熱することの要求は相反するものであるが、リフローでの高温状態での時間は極めて短く(10秒程度)、また、LEDチップ2の駆動時の温度はリフロー時の温度よりも低いため、LEDチップ2の駆動時において、電極パターン15の突出部15aによる放熱への影響は大きくない。

また、LEDチップ2における発熱を考慮した場合、電流は、電極パターン14、正電極25’、P型層24、活性層23、N型層22、負電極26、および電極パターン5の経路で流れ、各部分で発熱するが、主に活性層23での発熱が大きいと考えられる。また、図16で示したフリップチップ型のLEDチップ2の場合、正電極25’はP型層24の全面に設けることができるが、負電極26は、絶縁を考慮して、N型層22の露出面の一部にしか設けることができない。

したがって、LEDチップ2からの熱は、活性層23に近い電極側、すなわち、図16に示したLEDチップ2では正電極25’から外部へ逃がす方が負電極26から外部へ逃がすよりも効率的に放熱することができる。このことから、図5あるいは図16に示したLEDチップ2では、正電極25,25’の方が負電極26よりも放熱効果の大きい電極であるといえる。

このため、この実施態様では、活性層23に近い正電極25’が接続される電極パターン14の幅を負電極26が接続される電極パターン15の幅よりも大きくすることによって、LED2からの発熱を効果的に電極パターン14,15を介して絶縁基板3へ伝えるようにしている。すなわち、LEDチップ2の電極のうち、より放熱効果の大きい方の電極を幅の広い電極パターン側に接続するようにしている。

なお、GaNを用いた青色LEDの場合、N型層22とP型層24とでは、P型層24の方が導電率が低いため、抵抗が大きく、発熱量が多くなるものと考えられる。このためP型層24での発熱を放熱する必要があるが、上述のように、P型層24に接合されている正電極25’の電極面積を大きくすることによって効果的に絶縁基板3に放熱することができる。

また、図15に示したLED基板1では、幅の広い電極パターン14側に、幅の狭い電極パターン15からの突出部15aと所定の間隙Bを介して対向するように凹部14aを形成したが、電極パターン14の面積が十分とれる場合は、凹部14aを形成する必要はない。さらに、電極パターン14側に、電極パターン15からの突出部15aと対向する突出部を形成し、リフロー工程での信頼性を高めるようにしてもよい。

図18は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図であり、図18(A)は半導体発光素子搭載用基板の一部概略図、また、図18(B)は図18(A)の一部を拡大した図である。
一対の電極パターン14,15のうち、幅の広い電極パターン15に形成した凹部14aの長手方向両側にさらに切り欠き14bを形成している。このため、図18に示したLED基板1は、図16に示したLED基板1と比べ、LEDチップ2の正電極25’が載置される部分に突出部14cが形成されている点で異なる。これにより、リフロー時に電極パターン15の突出部15aと同様に、電極パターン14の突出部14cも、印刷した半田ペーストを早めに高温にすることができ、よりリフローの信頼性を増すことができる。

図19は、本発明のさらに他の実施形態に係る半導体発光素子搭載用基板を示す図であり、図19(A)は半導体発光素子搭載用基板の一部概略図、また、図19(B)は図19(A)の一部を拡大した図である。
図19に示したLED基板1は、図18に示したLED基板1と比べ、一対の電極パターン14,15のうち、幅の狭い電極パターン15に形成した突出部15aを階段状に突出させ、段差15bを設けた点で異なる。また、段差15bと対向する電極パターン14側には凹み14dを設けている。

電極パターン15の突出部15aに設けた段差15bの部分は、突出部15aの先端部に比べて長手方向の幅を大きくできるため、電極パターン15の突出部15aに半田接合される負電極26からの熱は、幅の広い段差15bと電極パターン15を介して絶縁基板3へより伝わりやすくなる。また、段差を設けた突出部について説明したが、電極からの熱が電極パターンを介して効率よく絶縁基板に伝熱される形状であれば良い。すなわち、突出部の先端部から電極パターン側に向かうに従って、突出部の面積が大きくなるように形成してあればよい。例えば、先端部を短辺とする台形形状や、半円形状などでも良い。

以上、本発明の実施態様の一例では、フリップチップ型のLEDチップ2の正電極を幅の広いパターン電極に、また負電極を幅の狭い電極パターンに半田接合するようにしているが、電極チップの構造に応じて、活性層に近い側の電極を幅の広い電極パターンに半田接合するようにすればよい。

例えば、図16に示すLEDチップの代わりに、N型層22とP型層24の順番を逆にしたチップ構造としてもよい。すなわち、サファイア基板から順に、P型層、活性層、N型層のチップ構造とした場合、負電極の方が正電極よりも活性層の近くに配置される。この場合、負電極の電極面積を正電極の電極面積よりも大きくすればよい。

また、本発明の半導体発光素子搭載用基板に搭載される半導体発光素子としては、パッケージ構造を有するものであってもよい。
図20は、LEDパッケージ構造を有する半導体発光素子の断面を示す図である。
LEDパッケージ70は、LEDチップ71、蛍光体層72、保護層73、正電極74a,負電極74b、ビア75、接触パッド75a,75b、及び、シリコンサブマウント76で構成される。

ここで、LEDパッケージ70の製造方法について簡単に説明する。まず、少なくとも1つの溝を備えたシリコンサブマウント76を湿式エッチングで形成する。そして、2つのビア75をシリコンサブマウント76の溝底部に設ける。各ビア75の上部には接触パッド75a,75bが設けられ、下部には正電極74a,負電極74bが設けられる。本例の場合、正電極74a及び負電極74bは、ビア75を介してそれぞれLEDチップ71のP型層、N型層に接続されることになる。

次に、シリコンサブマウント76の溝に、LEDチップ71をマウントする。この際、LEDチップ71の電極が接触パッド75a,75bに接合され、電気的に接続される。そして、シリコンサブマウント76の溝に、蛍光体層72を充填して上面を形成し、さらに、その上面に保護層73を印刷により形成する。

図20に示したLEDパッケージの場合、正電極74a及び負電極74bが、LEDパッケージ70の実装基板上の電極パターン14,15に接続される。そして、図16に示したLEDチップと同様に、正電極74a(アノード)の電極面積を負電極74b(カソード)の電極面積よりも大きくしている。これにより、図16に示したLEDチップの場合と同様に、LEDパッケージ7での発熱を効果的に基板側に放熱させることができる。

ここで、本発明に係る半導体発光素子搭載用基板に搭載される半導体発光素子の構造は、上記したフリップチップ型のLEDチップ2あるいはパッケージ構造を有するLEDパッケージ70のいずれであってもよいが、さらに。本発明は、このフリップチップ型に限定されるものではなく、例えば、ワイヤボンディング型のチップ構造にも適用することができる。

以上、本発明の半導体発光素子搭載用基板を備えた表示装置として、液晶表示装置について説明したが、このような液晶表示装置は、種々の用途、例えばテレビ受信装置に適用できる。また、別の形態として、パソコン等の情報機器の表示部分として適用される。その際は、情報機器とDSUB(D-subminiature)等のケーブルで接続され、情報機器の映像データを表示する場合もあるし、情報機器として一体として形成される場合もある。さらに、別の形態として、インフォメーションディスプレイあるいはデジタルサイネージ(電子看板)として用いられる場合もある。この場合は、表示部が縦位置で使用される場合もある。

1…LED基板、2,200…LEDチップ、3…絶縁基板、4,5,14,15,34,35,45,44,45,54,55…電極パターン、6,16,36,46…配線パターン、15a…突出部、21,201…サファイア基板、22,202…N型層、23,203…活性層、24,204…P型層、25,25’、205…正電極、26,206…負電極、60…モデル、61…LEDチップ、62…電極パターン、63…絶縁基板、64…裏面パターン、65…バックライトシャーシ、66…空気、70,300…LEDパッケージ、71,301…LEDチップ、72,302…蛍光体層、73,303…保護層、74a…正電極,74b…負電極、75,305…ビア、75a,75b,305a、305b…接触パッド、76,306…シリコンサブマウント、100…テレビ受信装置、102,103…ハーネス、104…コネクタ、110…液晶表示装置、111,112…キャビネット、113…電源、114…チューナー、115…スタンド、120…液晶パネル、130…バックライト装置、140…ベゼル、150…バックライトシャーシ、160…光学部材、161…拡散板、162…光学シート群、170…フレーム、304…底部電極。

Claims (13)

  1. 同一平面側に正電極及び負電極を有する半導体発光素子を搭載するための半導体発光素子搭載用基板であって、長尺の短冊形状を有する絶縁基板と、該絶縁基板上で長手方向に延びかつ幅が異なるとともに前記正電極及び負電極がそれぞれ接続される一対の電極パターンと、該一対の電極パターンからそれぞれ引き出された配線パターンとを具備し、前記一対の電極パターンのそれぞれが前記配線パターンよりも広い面積を有し、前記一対の電極パターンは、略平行に所定の間隙を介して対向する対向部分を有するとともに、前記半導体発光素子の正電極及び負電極が載置される前記一対の電極パターン部分には、少なくとも幅の狭い電極パターン及び幅の広い電極パターンのいずれか一方に、他方の電極パターン側へ突出する突出部が形成され、他方の電極パターン側には、前記突出部と所定の間隙を介して対向する凹部が形成されていることを特徴とする半導体発光素子搭載用基板。
  2. 前記半導体発光素子の正電極及び負電極の内、活性層に遠い側の電極が前記幅の狭い電極パターンに接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  3. 前記突出部と前記凹部との間隙が、前記一対の電極パターンの幅方向の中央に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  4. 前記凹部の長手方向両側に切り欠きを形成したことを特徴とする請求項1から3のいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  5. 前記突出部が階段状になっていることを特徴とする請求項からのいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  6. 前記半導体発光素子は、正電極及び負電極が同一面側に形成され、かつ一方の電極の電極面積が他方の電極の電極面積よりも大きく形成され、電極面積の大きな電極が、前記幅の広い電極パターン側に接続されていることを特徴とする請求項からのいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  7. 前記半導体発光素子の電極面積の大きな電極は、電極面積の小さな電極よりも活性層に近いことを特徴とする請求項に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  8. 前記一対の電極パターンのそれぞれから引き出された配線パターンの引出し方向が相互に異なる方向となっていることを特徴とする請求項1から7のいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  9. 前記絶縁基板上に、短冊形状の長手方向に沿って前記一対の電極パターンが複数形成され、前記半導体発光素子が複数個配列可能であることを特徴とする請求項1からのいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  10. 前記半導体発光素子の電力をW(w)、前記一対の電極パターンの面積をS(m)、前記絶縁基板の厚みをL(m)、前記絶縁基板の熱伝導率をρ(W/(m/K))とする場合、
    ΔT=W・L/S/ρによって算出される前記絶基板の一面と他面間の平均温度差ΔTが12℃以下であることを特徴とする請求項1からのいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板。
  11. 請求項1から10のいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板を備えたバックライトシャーシ。
  12. 請求項1から10のいずれか1に記載の半導体発光素子搭載用基板を備えた表示装置。
  13. 請求項12に記載の表示装置を備えるテレビ受信装置。
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