TWI438942B - A light source device and a backlight, an exposure apparatus, and an exposure method using the same - Google Patents

Description

光源裝置及使用其之背光，曝光裝置及曝光方法

本發明係關於照明用光源，尤其係關於將LED作為光源之光源裝置、及使用其之液晶顯示裝置等背光、曝光裝置及曝光方法。

光源裝置所使用之光源模組中，位於基板上之LED與透鏡之間需要高精度之對齊與固定。先前技術中對齊係使用使固定於基板之LED之外形與透鏡部之對位引導件對齊之方法，係採取使LED之光軸與透鏡之光軸對齊後，使用接著劑或焊料固定透鏡之方法。根據該方法，光軸對齊與透鏡之固定需要較多產距時間與成本，因而生產性下降，有導致成本升高之問題。

又，作為簡單地進行高精度對齊之方法之一例，「專利文獻1」中揭示有如圖12(剖面圖)、圖13(俯視圖)所示之光學組件構成與方法。光學子組件10包含形成於基板4上之排列成環狀之焊料球群100。環狀焊料球群100形成用以接受公型按鈕嵌入結構之母型按鈕嵌入結構。焊料球群100堆積於基板4上之圓形焊料墊101上。

透鏡蓋102從晶粒103上安裝於基板4上。透鏡蓋102係由耐熱光學材料等光學材料製作，透鏡蓋102係具有基部104與圓筒外表面105之中空圓筒形者。基部104於其表側包含透鏡106(例如準直透鏡)及/或於其裏側包含透鏡107(例如集束透鏡)。

圓筒外表面105形成藉由環狀焊料球群100所形成之母型按鈕嵌入結構而被接受之公型按鈕嵌入結構。利用該等按鈕嵌入結構，透鏡蓋102維持於基板4上，透鏡106/107向晶粒103對齊。透鏡蓋102與焊料球群100嵌合，可保持外表面105。

根據該專利文獻1之光學子組件10結構，焊料墊101係由光微影術而劃定之結構，因此可將焊料球100正確地配置。又，各焊料球100之幾何學中心配置於焊料墊101之幾何學中心之附近。另，將複數之焊料球100作為對齊基準使用之情形中，使焊料球與焊料墊間之差異平均化，從而可高精度對齊之同時，可於前述基板上維持前述透鏡蓋。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2005-321772

但，該結構中，有透鏡蓋嵌入焊料球群因而向基板之固定強度未必充分之問題。作為於該結構中提高固定強度之方法，有提高向透鏡蓋之嵌合應力之方法，但存在著於嵌合時因透鏡蓋變形而使得透鏡之特性下降，或透鏡蓋破損等可靠性方面之問題。此外會產生因嵌合應力之上升而使焊料球之球形狀變形，或因透鏡蓋之變形而無法正確對齊之問題。

本發明係解決上述先前問題者，其係提供一種可以簡單方法進行發光元件與透鏡之光軸對齊之LED發光裝置及使用其之LED光源裝置者。具體方法如下。

(1)一種光源裝置，其特徵在於：其係於基板上配置有發光元件及光學零件者；前述基板包含第1電極墊與第2電極墊；前述發光元件包含具有出光面與第3電極墊之封裝體，及收納於前述封裝體內部之發光元件晶片；前述光學零件具有透鏡部與台座部，及形成於前述台座部上之接合面；前述透鏡部覆蓋前述發光元件之出光面；形成於前述基板上之前述第1電極墊與形成於前述發光元件上之前述第3電極墊係以焊料接合；形成於前述基板上之前述第2電極墊與形成於前述光學零件之前述台座部之前述接合面係以焊料接合。

(2)如(1)之光源裝置，其中設以前述焊料接合之部份中之前述第1電極墊之面積為SA，設前述第3電極墊之面積為SB時，SA=SB(1±0.2)。

(3)如(1)之光源裝置，其中設以前述焊料接合之部份中之前述第2電極墊之面積為SC，設形成於前述台座部之前述接合面之面積為SD時，SC=SD(1±0.2)。

(4)如(1)~(3)中任一項之光源裝置，其中於前述光學零件中，前述透鏡與前述台座部係一體形成。

(5)如(1)~(3)中任一項之光源裝置，其中於前述光學零件中，於前述台座部形成有缺口部，於前述缺口部具有嵌入前述透鏡之結構。

(6)一種曝光裝置，其特徵在於：其係包含具備複數個光源裝置之光源部、控制來自前述光源部之光之光路之光學系統、及載置工件且可於至少一方向移動之平台者；前述複數個光源裝置之各者係利用(1)記載之光源裝置而構成。

(7)如(6)之曝光裝置，其中前述光源部中之前述複數個光源裝置係利用水冷外罩冷卻。

(8)一種曝光方法，其特徵在於：其係使用曝光裝置，將塗附有感光劑之工件經由遮罩曝光者；前述曝光裝置包含具備複數個光源裝置之光源部、控制來自前述光源部之光之光路之光學系統、及載置工件且可於至少一方向移動之台座；前述複數個光源裝置之各者係利用技術方案1所記載之光源裝置而構成。

(9)如(8)之曝光方法，其中設曝光前述工件之曝光步驟之時間為t1，於前述曝光步驟中，設前述複數個光源裝置之發光時間為t2時，t2<t1。

(10)一種背光，其特徵在於：其係於基板上配置有發光元件及光學零件者；前述基板包含第1電極墊與第2電極墊；前述發光元件包含具有出光面與第3電極墊之封裝體、及收納於前述封裝體內部之發光元件晶片；前述光學零件具有導光板與台座部、及形成於前述台座部之接合面；前述導光板之側面與前述發光元件之前述出光面對向；從前述導光板之主面出射光；形成於前述基板上之前述第1電極墊與形成於前述發光元件上之前述第3電極墊係以焊料接合；形成於前述基板上之前述第2電極墊與形成於前述光學零件之前述台座部之前述接合面係以焊料接合。

根據本發明，可容易且高精度地使LED等發光元件之光軸與透鏡等光學零件之光軸對齊，可低價製作高性能之光源裝置。

又，製造步驟中，由於可使用先前之焊料迴流步驟，於基板上同時安裝LED等發光元件及光學零件，因此無需導入新的製造設備。因此可抑制製造成本。

再者，光學零件與LED等發光元件由於可同時於迴流步驟中向基板安裝，因此可大幅縮短製造時間。再者，於基板上安裝多數個LED等發光元件及光學零件時亦可一同通過焊料迴流步驟，藉此可光軸對齊因此可大幅縮短軸對齊所需要之時間。

以下，針對本發明之光源裝置、使用該光源裝置之背光裝置、曝光裝置及曝光方法，使用實施例詳細說明。

[實施例1]

圖1係顯示本發明之LED光源裝置之實施例1之構成例之剖面圖。圖1中，該LED光源裝置1具備：作為發光元件之LED 2；藉由以覆蓋該LED 2之出光面21上部之方式配置之具有透鏡功能之透鏡部31與具有藉由焊料連接於上述基板之接合面33之台座部32而構成之光學零件3；及於LED 2之下面，經由焊料10而接合之基板4。

圖2係顯示LED 2之立體圖。LED 2係發出250 nm~430 nm紫外光之0.3 mm~2 mm見方尺寸之LED元件晶片22收納於封裝體內者。封裝體24係利用陶瓷或模具樹脂而製作，為0.5 mm~20 mm見方大小，內側有凹部且於其底面藉由焊料或接著劑而固定有LED元件晶片22。於LED元件晶片22上通過Au連接線23與設置於封裝體24上之佈線圖案25連接。封裝體24之出光面係以透明玻璃覆蓋，完成密封。

於封裝體24之背面，例如具有利用通孔等而與佈線圖案25電性連接之LED側電極墊26。形成於封裝體背面之LED側電極墊26之1個大小例如於圖2中為x1=1 mm、y1=6 mm。

電極墊26亦係不與佈線圖案25電性連接者。此係以使LED元件晶片22上產生之熱高效散出為目的而設之所謂以熱分散為目的而設者。

圖2係顯示紫外發光之LED之例，但可視光發光、紅外發光之LED中亦可採取與圖2相同之結構。亦有於封裝體24之凹部封入有矽酮、環氧、丙烯酸等透明樹脂之情形。

根據本實施例，顯示使用Au連接線23而電性接合LED元件晶片22與佈線圖案25之例，但亦有LED元件晶片22之電極面朝向封裝體側之情形，即所謂覆晶型LED元件晶片22。

圖3係顯示光學零件3之剖面圖，圖4係顯示光學零件3之俯視圖。圖3成圖4之A-A剖面圖。光學零件3由玻璃或矽酮、丙烯酸、環氧等透明樹脂之透明材料構成。所謂透明材料，係指對於LED元件之發光波長，透射率為50%以上之材料。因此，由於根據LED元件之發光波長之透明材料不同，故可將顯示上述例之材料作為光學零件使用。

光學零件3係藉由具有透鏡功能之透鏡部31與支撐透鏡部31之4個台座部32、與基板4接合之接合部33而構成。光學零件3係透鏡部31與台座部32同時利用模具成型而製成者。台座部32之端部具有利用鍍敷、蒸鍍、濺鍍等成膜方式，以可接合厚度0.1 μm以上焊料之金屬(Ni、Ti、Pt、Pd、Au、Ag、Sn、Cu)等覆蓋之接合面33。本實施例中例示台座部32之支柱個數為4個之情形，但支柱個數不限於此。但支柱於頂面視圖中配置於對稱性高之位置較佳。

基板4係藉由環氧玻璃、金屬(Cu、Al、Fe)、聚醯亞胺等基材之複數層而構成，於基板表面除佈線外，於配置LED電極墊26之位置亦具有基板電極墊411，進而於固定搭載光學零件3之接合面33之位置具有基板電極墊412。設於基板4上之基板焊料墊411或412由於利用光微影方法製成，因此可以10 μm左右之位置精度製作。

圖5係用以說明本發明之第1實施形態之光元件之對位方法之接合部之說明圖，係顯示用以高精度地實現構成LED光源裝置之基板及LED之光軸與透鏡部之光軸之光軸對位之一構成例者。

該LED之光軸27與透鏡部之光軸34之對位方法，其特徵點在於：於基板之各電極墊26上，經由接合用焊料球10接合LED側之電極墊26時，利用熔融之焊料球10之表面張力進行基板側電極墊411與LED側電極墊26之對位，同時以自對齊安裝方法實施基板側電極墊412與光學零件3之接合面33之對位。

利用自對齊效果之對位精度，若基板側電極墊411之面積(S1)與LED側電極墊26之面積(S2)之比(S1/S2)在1±0.2以內，則可以10 μm之精度對位。光學零件之利用自對齊效果之對位精度亦相同，基板側電極墊412之面積(S1)與光學零件3之接合面33之面積(S2)之比(S1/S2)亦相同。

因此，LED 2之光軸27與光學零件3之透鏡部31之光軸34之對位精度d由基板上之電極墊之對位精度10 μm與焊料球10之利用自對齊效果之精度10 μm之平方和的平方根，可成14 μm。

製造步驟中，使用先前之焊料迴流步驟，可於基板4上一同安裝LED 2及光學零件3，因此無需導入新的製造設備。因此可抑制製造成本。

又，光學零件3與LED 2可同時於迴流步驟中向基板4安裝，因此可大幅縮短製造時間。再者，即使於基板4上安裝多數個LED 2及光學零件3時，亦一同通過焊料迴流步驟，藉此，因可光軸對齊而可大幅縮短軸對齊所需之時間。

另，本說明書中所謂焊料球，係除球狀焊料外，亦為凸塊狀，或含各種形狀之塊狀焊料者，係含覆晶接合用所使用之所有形態之焊料。

又，該例中，顯示將焊料球預先固定於基板4上之電極墊411、412上之例，但亦可於LED 2側之電極墊26上或光學零件3之接合面33上固定焊料球10。

根據以上說明，顯示光學零件3上存在1個透鏡部31之情形，但亦包含圖1所示之透鏡部31部份上形成有複數個透鏡部作為透鏡陣列之情形。

[實施例2]

圖6係顯示本發明之LED光源裝置之第1實施例之構成例之剖面圖。圖3所示之光學零件3在以石英玻璃等模具成型困難之材料構成之情形中，如實施例1所示之台座32之加工較困難。如此情形中，需要將台座作為個別構件構成。

根據本實施例，顯示光學零件30之透鏡部301以石英或合成石英等高熔點玻璃製作，台座302以陶瓷或金屬構成之例。圖6中，透鏡部301係顯示單側凸透鏡，透鏡形狀由LED光源裝置之光學上限制而設計者，但不限於單側凸透鏡。

台座302以由鐵、銅、黃銅、鈦、鎳、鋁等構成之金屬材料、或氧化鋁、氮化鋁、碳化矽(SiC)等陶瓷、耐熱樹脂等構成。台座302上，具有經由焊料10而接合用以固定透鏡301之切口部302a與基板4之電極墊412之接合面33。接合面33係藉由與焊料10之一部份形成合金層而接合。藉此，台座302可固定於基板4之電極墊412上。

接著，針對透鏡301對台座302之固定方法進行說明。設於基板4上之電極墊411及412上，利用焊料印刷步驟而載置有特定量之焊料球。LED 2與台座302利用安裝器而暫時配置於特定位置上。

再者，將透鏡301暫時放置於台座302上之切口部302a。利用通常之迴流步驟而熔融、固化焊料球，從而由自對齊效果而可進行LED 2、台座302之高精度對位。

迴流步驟中，在焊料之熔解溫度以上時，以環氧玻璃等構成之基板4，因高溫之熱膨脹而使焊墊間距離L大於室溫下之焊墊間距離。

基板溫度下降時，焊料固化，台座302固定於基板側電極焊墊位置。隨著基板4之溫度下降，由熱膨脹而擴大之基板上之焊墊間距離L變小，因此透鏡之安裝距離L2亦縮小。

例如，環氧玻璃基板之情形中，環氧玻璃之線膨脹係數為30×10^-6 /K左右，L為10 mm，迴流最高溫度為260℃時，室溫(20℃)下產生75 μm左右之L之收縮。透鏡之安裝距離L2亦同樣縮小。另一方面，石英玻璃之熱膨脹係數為0.4×10^-6 /K，因此迴流最高溫度與室溫下之透鏡直徑10 mm之透鏡302之直徑變化為1 μm左右。因此，75 μm-1 μm=74 μm部份，利用台座302產生勒緊透鏡301之力。

如此，室溫下於台座間夾持透鏡從而可固定。基板不會變成迴流溫度以上，因此透鏡302不會因熱膨脹而位置偏移、或透鏡脫落。

根據以上說明之步驟，無需設置用以安裝光學零件30之透鏡301與台座302之新的步驟，亦無需導入新的裝置。又，透鏡301之光軸與LED 2之光軸對位與實施例1相同，可利用基板側電極墊與LED 2之台座302之電極墊間之焊料球之自對齊效果決定，因而可高精度對位。

[實施例3]

實施例3中，係LED之出光面相對於電極墊面為垂直方向之(側視LED)情形。如此之LED光源裝置例如亦可作為液晶顯示裝置之背光使用。圖8係顯示本發明之LED光源裝置之實施例3之構成例之剖面圖。圖8中LED光源裝置具有基板4、可視光發光之側視型LED 20與光學零件310。

光學零件310具有導光板311、台座部312與接合部313。導光板311係具有將由LED 20發出之光從入射面於內部光傳播、而從一表面側將光於特定方向出射之功能之面照明用構件。

導光板311之光入射面有必要對齊於來自LED 20之光之收入量成最大之方向位置。圖8中，將LED 20之出光面朝向導光板311之光入射面側配置。從導光板之一側面入射之LED 20之光從導光板311之上面(主面)均等出射。另，於導光板311之下面形成有反射層，將從LED 20入射之光導向導光板311之上面。

LED 20與設於台座部312之接合面313利用焊料10之自行對齊效應而正確地定位於設於基板4上之電極墊411或412。於台座部312上設有用以固定導光板311之端部之凹部，導光板311固定於該凹部。藉此，導光板311之光入射面與LED 20之光出射面可正確對位。

圖8係顯示將如此形成之背光作為液晶顯示裝置之背光使用之情形。圖8中，於背光之導光板311上配置有擴散薄膜等光學薄膜710，於其上配置有液晶顯示面板700。

[實施例4]

圖9係顯示本發明之實施例4之曝光機裝置之概要構成之圖。放射光之光源部500由複數個光源裝置1A構成，各光源裝置1A安裝於用以將發熱高效率放熱之水冷外罩501上。設於各光源裝置1A之連接基板上之佈線通過線束，與供給電力之點燈電源502連接。光源裝置1A之配置或傾斜角度係以自光源裝置1A發出之光可高效率地入射於積分器503之方式設計。

從積分器503出射之光經由準直鏡504、遮罩505照射於塗布有阻劑等感光劑之工件506上，使形成於遮罩505上之圖案曝光形成於工件506上之感光劑上。平台600係載置工件，且可於至少一方向移動。

將曝光時之對光源裝置之曝光條件顯示於圖10。圖10中，507為曝光時間，508為未曝光時間，509為曝光步驟時間。曝光機之曝光步驟中包含工件之搬入、工件向特定位置之固定、遮罩與工件之對位、曝光、工件之解除固定、工件之搬出步驟等未曝光之時間508。曝光步驟509需要10~120秒，實際上使光曝光於工件上之時間507大致為1~10秒。

使用先前之水銀燈光源之曝光機中，向水銀燈通電後，燈的溫度會立即變動，因而出射光度不穩定。待燈的溫度穩定需要30分鐘左右。因此，先前之曝光步驟中，為使出射光度穩定，故水銀燈通常需要預先通電並點燈。但，LED光源中，即使是在通電後數毫秒以內其出射光度仍穩定，因此曝光步驟中僅需於曝光時間對LED光源通電即可，因此可大幅降低曝光機之消耗電力。

1．．．LED光源裝置

2．．．LED

3、30．．．光學零件

4．．．基板

10．．．焊料球

20．．．LED

21．．．出光面

22．．．LED元件晶片

23．．．Au連接線

24．．．封裝體

25．．．佈線圖案

26．．．電極墊

27．．．LED之光軸

31．．．透鏡部

32．．．台座部

33．．．接合面

34．．．透鏡部之光軸

301．．．透鏡部

302．．．台座

302a．．．切口部

310．．．光學零件

311．．．導光板

312．．．台座部

313．．．接合部

411、412．．．基板側電極墊

500．．．光源模組部

501．．．冷卻外罩

502．．．點燈電源

503．．．積分器

504．．．準直鏡

505．．．遮罩

506．．．工件

507．．．曝光時間

508．．．未曝光之時間

509．．．曝光步驟時間

d．．．對位精度

L．．．焊墊間距離

圖1係顯示本發明之LED光源裝置之實施例1之構成例之剖面圖。

圖2係實施例1之LED 2之立體圖。

圖3係實施例1之光學零件3之剖面圖。

圖4係實施例1之光學零件3之頂面視圖。

圖5係本發明之實施例1之接合部之說明圖。

圖6係顯示本發明之LED光源裝置之實施例2之構成例之剖面圖。

圖7係顯示實施例2之構成例之頂視圖。

圖8係顯示本發明之LED光源裝置之實施例3之構成例之剖面圖。

圖9係顯示本發明之實施例4之曝光機裝置之全體圖。

圖10係顯示本發明之實施例4之曝光機裝置之曝光條件。

圖11係顯示先前之LED背光模組之構成之剖面圖。

圖12係顯示先前之LED光源裝置之其他構成之俯視圖。

1．．．LED光源裝置

2．．．LED

3．．．光學零件

4．．．基板

10．．．焊料球

21．．．出光面

22．．．LED元件晶片

26．．．電極墊

31．．．透鏡部

32．．．台座部

33．．．接合面

411、412．．．基板側電極墊

Claims (8)

1. 一種光源裝置，其特徵在於：其係於基板上配置有發光元件及光學零件者；前述基板包含第1電極墊與第2電極墊；前述發光元件包含具有出光面與第3電極墊之封裝體、及收納於前述封裝體內部之發光元件晶片；前述光學零件具有透鏡部與台座部、及形成於前述台座部上之接合面；前述透鏡部覆蓋前述發光元件之出光面；形成於前述基板上之前述第1電極墊與形成於前述發光元件上之前述第3電極墊係以焊料接合；形成於前述基板上之前述第2電極墊與形成於前述光學零件之前述台座部之前述接合面係以焊料接合；設以前述焊料接合之部份中之前述第1電極墊之面積為SA，設前述第3電極墊之面積為SB時，SA=SB(1±0.2)；設以前述焊料接合之部份中之前述第2電極墊之面積為SC，設形成於前述台座部之前述接合面之面積為SD時，SC=SD(1±0.2)；且前述發光元件與前述光學零件不直接接合。
2. 如請求項1之光源裝置，其中於前述光學零件中，前述透鏡與前述台座部係一體形成。
3. 如請求項1之光源裝置，其中於前述光學零件中，於前述台座部形成有缺口部，於前述缺口部具有嵌入前述透 鏡之結構。
4. 一種曝光裝置，其特徵在於：其係包含具備複數個光源裝置之光源部、控制來自前述光源部之光之光路之光學系統、及載置工件且可於至少一方向移動之平台者；前述複數個光源裝置之各者係利用請求項1之光源裝置而構成。
5. 如請求項4之曝光裝置，其中前述光源部中之前述複數個光源裝置係利用水冷外罩冷卻。
6. 一種曝光方法，其特徵在於：其係使用曝光裝置，將塗附有感光劑之工件經由遮罩曝光者；前述曝光裝置包含具備複數個光源裝置之光源部、控制來自前述光源部之光之光路之光學系統、及載置工件且可於至少一方向移動之平台；前述複數個光源裝置之各者係利用請求項1之光源裝置而構成。
7. 如請求項6之曝光方法，其中設曝光前述工件之曝光步驟之時間為t1，於前述曝光步驟中，設前述複數個光源裝置之發光時間為t2時，t2<t1。
8. 一種背光，其特徵在於：其係於基板上配置有發光元件及光學零件者；前述基板包含第1電極墊與第2電極墊；前述發光元件包含具有出光面與第3電極墊之封裝 體、及收納於前述封裝體內部之發光元件晶片；前述光學零件具有導光板與台座部、及形成於前述台座部之接合面；前述導光板之側面與前述發光元件之前述出光面對向；從前述導光板之主面出射光；形成於前述基板上之前述第1電極墊與形成於前述發光元件上之前述第3電極墊係以焊料接合；形成於前述基板上之前述第2電極墊與形成於前述光學零件之前述台座部之前述接合面係以焊料接合；設以前述焊料接合之部份中之前述第1電極墊之面積為SA，設前述第3電極墊之面積為SB時，SA=SB(1±0.2)；設以前述焊料接合之部份中之前述第2電極墊之面積為SC，設形成於前述台座部之前述接合面之面積為SD時，SC=SD(1±0.2)；及前述發光元件與前述光學零件不直接接合。