JP4753431B2

JP4753431B2 - 発光ダイオード

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Publication number: JP4753431B2
Application number: JP2006228544A
Authority: JP
Inventors: 公彦須藤; 大輔仲原; 典生中里
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: JP2008053069A

Description

本発明は、複数個の発光ダイオード素子を用いた発光ダイオードモジュールの構造及び該発光ダイオードを用いたエッジライト方式のバックライトに関するものである。

携帯電話や携帯情報端末機等に使用される小型の液晶パネル用バックライトの光源には、一般に低出力タイプの発光ダイオード素子が用いられている。一方、テレビやパソコン等、大きな画面が必要となる液晶表示装置には、高い光出力が得られる冷陰極管が使用されている。ところが近年、１Ｗ程度の電力を投入することが可能な高出力タイプの発光ダイオード素子の実用化に伴い、これらを用いた大型液晶表示装置での利用が可能な発光ダイオードを光源としたバックライトモジュールの開発が活発化している。

従来の冷陰極管を使用したエッジライト方式の面状照明装置の断面図を図１に示す。このような面状照明装置は、光を透過する材料から成る矩形状の導光板１（以下、主導光板という）の側面に、線状光源である冷陰極管７が対向配置された構造から成る。冷陰極管７から出射した白色光は、主導光板１の側面から入射し、内部で反射を繰り返しながら主導光板の光出射面から面状に取り出される。ここで、主導光板１に用いられる部材は、たとえば高い光の透過性を有するアクリルやポリカーボネート等の硬質性の樹脂が用いられる。

これに対して、バックライトモジュールの光源として発光ダイオードを用いた場合、色再現範囲の向上や水銀レス化等を実現できるため、液晶表示装置を高機能化することが可能となる。

発光ダイオード素子は点光源であることから、線状光源が必要とされるエッジライト方式のバックライトモジュールに適用するためには、図２に示したような、レフを備えたベース基板１２上に１個から４個程度の発光ダイオード１４素子を実装し、該発光ダイオード１４素子を保護するとともに、光取出し効率を高めるために樹脂を用いて封止した発光ダイオードパッケージを、図３に示したように、長尺配線基板１３の長手方向に沿って複数個実装し、主導光板１の側面に対向する面に配置する。

ここで、白色光源に発光ダイオードを用いることの利点である色再現範囲を向上させるためには、赤色，緑色，青色の三色の発光ダイオード素子を用い、これらを混色して白色化する方法が最も有効である。そこで一般に、各色の発光ダイオード素子を各々パッケージングした発光ダイオードを用いて、長尺の配線基板の長手方向に沿って複数個配置する構成が用いられる（例えば参考文献１）。また、赤色，青色，緑色の三色の発光ダイオード素子を一組としてサブマウント基板上に搭載した後、樹脂を用いて封止した発光ダイオードパッケージが用いられることもある（例えば、特許文献２）。

このような発光ダイオードパッケージから出射する光は、指向性を有するため、主導光板側面の光入射面において輝度ムラが生じやすい。そこで、輝度ムラを低減させるため、例えば、主導光板側面の光入射面に形成した凹部内に発光ダイオードパッケージを配置する構造が用いられる。（例えば特許文献３，特許文献４）
特開２００５−１９６９８９号公報特開平８−１１６４０１号公報特開２００３−１２３５２５号公報特開２００６−１９１０４号公報

エッジライト方式のバックライト光源には、小型化と高輝度化が求められている。また、主導光板の端面に入射する白色光は、色ムラや輝度ムラが均一であることが望ましい。

通常、発光ダイオードを光源としたバックライトは、発光ダイオードパッケージを長尺状の銅やアルミ等の金属材料を基材とした金属配線基板上に複数個配置する。しかしながら、このような、発光ダイオードパッケージを直列に配置した方式のバックライトは光利用効率が低いため、テレビやパソコン等、携帯電話等に比べて、より大きな画面が必要となる液晶表示装置に適用する場合、必要とされる画面輝度が得られなく、また、小型化を諮るために主導光板端面の入射面の近傍に発光ダイオードパッケージを配置する必要があるため、隣り合う発光ダイオードパッケージによって生じる輝度ムラが問題となっていた。

そこでこれらの課題を解決するため、主導光板端面の面積と同じ光出射面を備えた長尺形状の導光板（以下、混色用導光板という）を用いて、該混色用導光板に発光ダイオード素子を収納するための凹部（以下、封止空間という）を一つあるいは複数個形成し、該凹部に発光ダイオード素子を搭載したサブマウント基板を配置した後に、透明性軟質樹脂を用いて封止し、主導光板と混色用導光板の間に光拡散シートを配置した方式を用いることにより、色ムラ、輝度ムラが少ない白色光が得られ、光利用効率にも優れるために小型で高輝度なバックライト光源を得ることができる。また、主導光板の側面に凹部等を形成する必要がないことから、冷陰極管からの置き換えが容易に行える。

しかしながら、このような方式のバックライト光源の場合、発光ダイオード素子を直列に配列するための長尺状の金属配線基板と、アクリルやポリカーボネート等の樹脂材料から成る長尺状の混色用導光板との熱膨張率の差により、発光ダイオード素子を封止した透明性軟質樹脂が、混色用導光板の凹部の界面から剥離するという問題があった。

このような界面剥離は混色用導光板の凹部内おいて局所的に生じるため、発光ダイオード素子から出射した光の混色性を低下させ、混色用導光板の光出射面での色ムラが大きくなるとともに、光源としての信頼性が低下する問題があった。

そこで本発明は、上記課題に鑑みて、発光ダイオード素子を収納するための封止空間を設けた混色用導光板と、該封止空間内に発光ダイオード素子を搭載したサブマウント基板を透明性軟質樹脂により封止した発光ダイオードモジュールにおいて、封止樹脂の界面剥離により生じる色ムラを抑え、光源としての信頼性を高めた発光ダイオードモジュールを提供することを目的とする。

上記目的は、発光ダイオード素子を直列に配列させた長尺状の金属配線基板と、前記発光ダイオード素子を封止するための透明性軟質樹脂と、透明性硬質樹脂からなる混色導光板と、前記透明性軟質樹脂に封止された前記発光ダイオードを収納するため前記混色導光板に設けられた封止空間とを備えた発光ダイオードにおいて、前記混色導光板の前記封止空間と前記透明性軟質樹脂との間の界面に微小な隙間を設け、この隙間によって前記透明性軟質樹脂と前記混色導光板との間は非接着面となっていることにより達成される。

本発明により構成された発光ダイオードモジュールによれば、あらかじめ、封止樹脂を混色用導光板の発光ダイオード素子を収納する凹部の形状と同形状に成形し、その後に混色用導光板を搭載するため、封止樹脂と混色用導光板の間は微少空間が形成され、透明性軟質性樹脂の界面は平滑な状態を保つことができる。そのため、透明性軟質樹脂の局所的な剥離によって生じる色ムラや信頼性低下を解決できるとともに、凹部の形状を半球体とすることにより、透明性軟質樹脂と混色用導光板の間に微少な空間が存在していても、光利用効率の低下を抑えることができる。また、封止用樹脂に透明性軟質樹脂を用いることにより、長尺の金属配線基板と混色用導光板の熱膨張の差によって封止樹脂に加わる応力を緩和することが可能となり、封止樹脂の金属配線基板からの剥離を抑制することができる。

従って、発光ダイオード素子から出射した光を低下させることなく、混色用導光板の出射面において均一な白色光が得られるとともに、信頼性の高い発光ダイオードモジュールを提供することができる。

以下、本発明に係わる発光ダイオードモジュールの実施例について説明する。

図４に、請求項１に記載の発光ダイオードモジュールを用いたバックライトモジュールの模式図を示す。該バックライトモジュールは、主導光板１と発光ダイオードモジュールから成る。発光ダイオードモジュールの混色用導光板１６の出射面から出た白色光は、光拡散シート１７を通して主導光板１に入射させ、バックライトモジュール全体を面発光させる。

図５に発光ダイオードモジュールの平面図を、図６に図５のＡ−Ａ′の断面図を示す。

該発光ダイオードモジュールは、混色用導光板１６，光拡散シート１７，発光ダイオード素子１８，サブマウント基板２１，封止樹脂と金属配線基板１５から成り、混色用導光板１６には、発光ダイオード素子１８及びサブマウントを収納するための封止空間２２（以下、封止空間という）が長辺方向に沿って複数個設けられている。また、図６に示したように、封止空間２２の一方の面は、樹脂を注入するための開口部が設けられている。

本実施例ではサブマウント基板２１として、発光ダイオード素子１８を駆動させた際に発生する熱を効果的に放熱するため、熱伝導率が高く電気絶縁材料である窒化アルミを用いた。該窒化アルミを用いたサブマウント基板２１の片方の表面上に、メッキや蒸着等により銅や金等の金属製の配線層をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。ここで、サブマウント基板２１として、シリコン等の熱伝導率の高い部材を用いることもでき、このような導電性を有した部材を用いる場合は、別途、配線層と配線基板用基材の間に熱酸化膜や窒化シリコン膜等の絶縁層を設けることによりサブマウント基板２１として使用することができる。

サブマウント基板２１上に形成した発光ダイオード素子１８を搭載するための配線領域に、発光波長の異なる二種類以上の発光ダイオード素子１８をはんだや導電性ペーストを用いて接続した後、ボンディングワイヤにより発光ダイオード素子１８とサブマウントのリード端子間を電気的に接続する。本実施例１では白色光を得るために、赤色、青色、緑色の発光ダイオード素子１８をサブマウント上に実装した。

また、本実施例１では、発光ダイオード素子１８の下面と上面にそれぞれアノード電極、カソード電極が形成された素子を用いたが、発光ダイオード素子１８の上面に両電極が形成された素子や、フリップチップ接続により搭載する発光ダイオード素子１８等も用いることができる。

以上のように発光ダイオード素子を搭載したサブマウント基板２１を、長尺状の金属配線基板１５上に導電性ペーストを用いて複数個接続し、サブマウント基板２１と金属配線基板１５をボンディングワイヤにより電気的に接続する。

リード端子間をボンディングワイヤで全て接続した組立て状態で、混色用導光板１６の封止空間と同形状の封止空間を備えた金型を、金属配線基板１５の発光ダイオード素子１８搭載した面に配置し、透明性軟質樹脂２０を封止空間内に注入した後に、真空容器中で脱泡処理を行い、恒温槽等を用いて加熱硬化する。

ここで、透明性軟質樹脂２０は、ゲルやゴム等のエポキシ樹脂やアクリル樹脂よりも柔らかい材料を用いるのが望ましく、本実施例１ではシリコーンゲルを用いた。

これは、封止樹脂の材料として硬質樹脂（例えばエポキシ樹脂）を用いた場合、混色用導光板１６と金属配線基板１５の熱膨張係数差によって生じる、長辺方向の応力を緩和できずに、封止樹脂が金属配線基板１５から剥離するとともに、ボンディングワイヤの切断を引き起こす。そこで、封止樹脂の材料として透明性軟質樹脂２０を用いることにより、混色用導光板１６と金属配線基板１５の熱膨張係数の差によって発生する内部応力は緩和されるため、封止樹脂の金属配線基板１５からの剥離及びボンディングワイヤの断線を防止することができる。

透明性軟質樹脂２０を加熱硬化させた後に恒温槽から取り出し、自然冷却させた後に金型を金属配線基板１５から取り外し、代わりに混色用導光板１６を搭載する。

これにより、透明性硬質樹脂による混色導光板１６の封止空間と透明性軟質樹脂と間の界面には微小な隙間が生じる。そのため、以上の工程によって作製した発光ダイオードモジュールは、図７の発光ダイオードモジュールの詳細断面図において示したように、透明性軟質樹脂２０と混色用導光板１６の界面が接着していないため、課題となっていた封止樹脂の局所的な剥離を解決することが可能となり、常に平滑な面を保つことができる。

ここで本実施例では、該封止空間の形状を半球体とした。通常、発光ダイオード素子１８から出射する光は、全方向に放射状に広がっていく。そのため、封止空間の形状を半球体とすることにより、発光ダイオード素子１８からの光は封止樹脂と混色用導光板１６の界面で真っ直ぐに入射するため、封止樹脂から出射した光は該界面において乱反射することなく、混色用導光板１６へ入射するために光は減少しない。

これが例えば矩形上の封止空間とした場合、発光ダイオード素子１８から出射した光は、透明性軟質樹脂２０から混色用導光板１６の界面において、臨界角以上の角度で混色用導光板１６に到達した光は全反射されるため、混色用導光板１６内に入射する光は減少してしまう。

最後に、混色用導光板１６に形成したリフレクタ−部等の外周部に、粘着テープなどの一般的な接着手段を用いて反射シートを接続し、混色用導光板１６の光出射面に光拡散シート１７を配置する。これにより、発光ダイオード素子１８からの出射光を繰り返し反射させ、混色用導光板１６内での混色効果及び光利用効率を高めることができる。ここで、主導光板と混色用導光板の材質は、透明性に優れたアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂を用いて形成するのが望ましく、本実施例１では可視光領域での光透過性に優れたアクリル樹脂を用いた。また、混色用導光板の光出射面にプリズム形状やシボ形状を加工して光拡散機能を付与することによって、光拡散シートの代わりにすることが可能である。

このように形成した発光ダイオードモジュールにおいて、透明性軟質樹脂２０と混色用導光板１６に存在する微少な空間による光利用効率への影響について確認するため、全光束測定を行った。この結果、混色用導光板１６を搭載してから樹脂封止を行った場合、つまり透明性軟質樹脂２０が混色用導光板１６の封止空間内に接着されている従来の構造における全光束値と比べて、本実施例の全光束は同等の値が得られ、本発明の有効性を確認した。

図８に請求項２に記載の発光ダイオードモジュールの平面図を、図９に図８のＡ−Ａ′で示した断面図を示す。

実施例１においては、混色用導光板１６に各サブマウントに対応した封止空間を設けたが、バックライト光源の更なる高輝度化を実現するためには、発光ダイオード素子１８の単位面積あたりの搭載数を増やす必要がある。その場合、実施例１で述べたサブマウント別に対応した封止空間領域を確保することが困難となる。そこで、図８及び図９に示したように、各サブマウントに対応する封止空間を一体として樹脂封止することによって、単位面積あたりの発光ダイオード素子数を増やすことが可能となる。

本実施例２における封止用の樹脂材料としては、実施例１と同様にシリコーンゲル等の透明性軟質樹脂２０を用いることが望ましい。本実施例２の構造の場合、封止樹脂は長辺方向に長い構造となる。封止樹脂は金属配線基板１５上に接着しているため、封止樹脂と金属配線基板１５との熱膨張係数差によって、封止樹脂の長手方向へ応力が加わることになる。そこで、封止用の樹脂を軟質樹脂とすることによって、長手方向へ加わる応力を緩和し、ボンディングワイヤの断線を防止することができる。

その他の発光ダイオードモジュールの構造及び形成方法については、実施例１と同様であり、このような構造とすることにより、発光ダイオードの高輝度化が実現できる。

以上、本発明を用いることにより、色ムラが少なく光利用効率の高いバックライト用の発光ダイオードモジュールを実現できる。

従来の冷陰極管を用いたエッジライト方式バックライトの断面図。従来の発光ダイオードパッケージの断面図。従来の発光ダイオードパッケージを用いたエッジライト方式バックライトの模式図。本実施例１の発光ダイオードモジュールを用いたエッジライト方式バックライトの模式図。本実施例１の発光ダイオードモジュールの平面図。図５で示したＡ−Ａ′の断面図。図６で示した領域Ｂの拡大図。本実施例２の発光ダイオードモジュールの平面図。図８で示したＣ−Ｃ′の断面図。

１…主導光板、２…側面反射シート、３…裏面反射シート、４…光拡散シート、５…第１集光板、６…第２集光板、７…冷陰極蛍光管、８…反射板、９…透明性樹脂、１０…金属レフ板、１１…配線層、１２…ベース基板、１３…長尺配線基板、１４…発光ダイオードパッケージ、１５…金属配線基板、１６…混色用導光板、１７…光拡散シート、１８…発光ダイオード素子、１９…混色用導光板レフ、２０…透明性軟質樹脂、２１…サブマウント基板、２２…封止空間、２３…ボンディングワイヤ。

Claims

発光ダイオード素子を直列に配列させた長尺状の金属配線基板と、前記発光ダイオード素子を封止するための透明性軟質樹脂と、透明性硬質樹脂からなる混色導光板と、前記透明性軟質樹脂に封止された前記発光ダイオードを収納するため前記混色導光板に設けられた封止空間とを備えた発光ダイオードにおいて、
前記混色導光板の前記封止空間と前記透明性軟質樹脂との間の界面に微小な隙間を設け、この隙間によって前記透明性軟質樹脂と前記混色導光板との間は非接着面となっていることを特徴とする発光ダイオード。
請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
前記金属配線基板は発光波長が二種類以上の発光ダイオード素子を搭載したことを特徴とする発光ダイオード。
請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
前記透明性軟質樹脂はゲルやゴムの樹脂からなることを特徴とする発光ダイオード。