WO2013168802A1 - Ledモジュール - Google Patents

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WO2013168802A1
WO2013168802A1 PCT/JP2013/063187 JP2013063187W WO2013168802A1 WO 2013168802 A1 WO2013168802 A1 WO 2013168802A1 JP 2013063187 W JP2013063187 W JP 2013063187W WO 2013168802 A1 WO2013168802 A1 WO 2013168802A1
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led module
submount
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田村 量
秋山 貴
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シチズンホールディングス株式会社
シチズン電子株式会社
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    • H01L33/58Optical field-shaping elements
    • H01L33/60Reflective elements

Definitions

  • the present invention relates to an LED module in which other electronic components are mounted on a circuit board together with a plurality of LED elements.
  • FIG. 2 of Patent Document 1 shows an LED module in which a lighting circuit is mounted on the same circuit board together with a plurality of LED chips (LED elements).
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an LED lamp using an IEC standard base (GX53 type), which is shown in FIG. 2 of Patent Document 1 again.
  • the LED module shown in FIG. 7 includes a circuit board 2, a driver circuit 4 (lighting circuit), and an LED 3 (LED element).
  • a driver circuit 4 is mounted on the upper surface of the circuit board 2, and an LED 3 is mounted on the lower surface of the circuit board 2.
  • the LED module shown in FIG. 7 is fitted into the housing of the base 1 and is suppressed by the light emitting surface cover case 5. Further, when thinning is required, the LED 3 may be a COB (chip on board).
  • the COB is a device in which a bare chip LED element (hereinafter referred to as an LED die unless otherwise specified) is directly mounted on the circuit board 2.
  • FIG. 3 of Patent Document 2 shows a light emitting module 1a (LED module) in which the reflectance of the LED die mounting region is increased on the circuit board surface.
  • FIG. 8 is a reprint of FIG. 3 of Patent Document 2, which is a plan view of the light emitting module 1a, and is observed from the light extraction side (hereinafter referred to as the surface side).
  • the light emitting module 1a has a COB type structure.
  • a reflective layer 11, a positive-side power supply conductor 12, and a negative-electrode side power supply conductor 13 are disposed on the surface of the module substrate 5b.
  • a plurality of light emitting elements 21 (LED dies) are aligned on the surface of the reflective layer 11, and the plurality of light emitting elements 21 are connected in series by bonding wires 23 for each column.
  • the light emitting elements 21 in each row are supplied with power by the end bonding wires 24.
  • a sealing member 28 is filled in the sealing hole 25 a of the frame member 25.
  • the module substrate 5b has a structure in which a thin insulating layer is laminated on the surface of a base plate made of metal such as aluminum in order to improve heat dissipation.
  • the reflective layer 11 is patterned on the surface of the insulating layer 7 of the module substrate 5b together with the power supply conductors 12 and 13 by plating and etching.
  • the feed conductors 12 and 13 are provided on both sides of the reflective layer 11 so as to sandwich the reflective layer 11.
  • the reflection layer 11 and the power feeding conductors 12 and 13 are made of Ag as the surface layer, and have a higher reflectance than the insulating layer (not shown) on the surface of the module substrate 5a.
  • the total light reflectance of the reflective layer 11 and the power supply conductors 12 and 13 is about 90.0%.
  • the two power supply terminals 14 and 15 are also patterned on the surface of the insulating layer, and the light emitting module 1a is connected to the lighting device via an insulation coated electric wire (not shown).
  • the reflective layer 11 also functions as a heat spreader that diffuses the heat generated by the plurality of light emitting elements 21.
  • JP 2007-157690 A (FIG. 2) JP 2011-14878 (FIG. 3)
  • Patent Document 1 did not specifically mention the improvement of the luminous efficiency of the LED element (LED 3).
  • the LED module (light emitting module 1a) shown in FIG. 8 has a high reflectance around the LED die (light emitting element 21), the luminous efficiency can be improved.
  • the LED module shown in FIG. 8 is used more than the LED module shown in FIG. 7 because the LED module and the lighting device 121 are separated as shown in FIG. It's not easy.
  • An object of the present invention is to provide an LED module in which other electronic components are mounted on a circuit board together with a plurality of LED elements, and the LED module can be easily manufactured while maintaining a good reflection characteristic.
  • the LED module includes a submount substrate for mounting a plurality of LED elements, a module substrate for mounting the submount substrate and mounting electronic components other than the plurality of LED elements, and a submount substrate disposed on the module substrate.
  • the LED module includes a submount substrate for mounting a plurality of LED elements, a module substrate for mounting the submount substrate and mounting electronic components other than the plurality of LED elements, and covering the top surfaces of the plurality of LED elements.
  • a covering member that is configured to have a reflectance of the surface of the submount substrate higher than that of the surface of the module substrate, and each of the plurality of LED elements includes an electrode surface having two protruding electrodes,
  • a phosphor layer is provided as a covering member on the opposite surface or side surface of the electrode surface, and the protruding electrode is directly connected to the electrode formed on the submount substrate.
  • the covering member is preferably a fluorescent resin, and the covering member is preferably covered with a wire.
  • the submount substrate is preferably a disc.
  • the dam material has a shape in which bands having a constant width are arranged in an annular shape.
  • the dam material and the outer edge of the module substrate are arranged apart from each other.
  • the plurality of LED elements are mounted face-up on the submount substrate, and the plurality of LED elements are connected to each other by wires.
  • a plurality of LED elements are flip-chip mounted on the submount substrate.
  • the wiring on the module substrate and the wiring on the submount substrate or the plurality of LED elements are connected by wires.
  • the submount substrate has a surface on which a reflection enhancing film is formed on a metal surface.
  • the submount substrate preferably has a surface made of white ceramic.
  • the module substrate is preferably a metal substrate having a metal base and an insulating layer.
  • the submount substrate is mounted on the insulating layer.
  • the insulating layer has an opening, the submount substrate is mounted inside the opening, and the metal base of the module substrate and the submount substrate are directly connected.
  • the wiring on the module substrate and the wiring on the submount substrate are connected by a metal elastic member.
  • the LED module can maintain a high light emission efficiency because high reflectance is obtained at the periphery of the LED element.
  • the module substrate and the submount substrate constituting the circuit board are separate bodies, and the attributes related to the components mounted on the respective substrates are different. Therefore, the design and manufacturing conditions can be set separately. There is no difficulty in mounting the mounting substrate. That is, the LED module of the present invention is easy to manufacture while maintaining a good reflection characteristic.
  • the wiring pitch, land surface treatment conditions, and the like can be set in accordance with other electronic components.
  • the mounting conditions can be determined according to the LED element. That is, even if the mounting conditions of the module substrate and the submount substrate are significantly different, the conditions for designing and manufacturing can be set independently, and furthermore, it is not difficult to mount the submount substrate on the module substrate. It is easy to do.
  • At least the upper surface of the LED element is coated with a coating member such as a resin, but since the dam material for restricting the flow of the coating member is not provided on the submount substrate, the dam material reflects the submount substrate. There is no hindrance.
  • an electronic component other than the LED element is mounted on the module substrate, and the module substrate is not directly related to light emission, so there is no need to increase the surface reflectance. That is, in such an LED module, a high reflectance can be obtained at the periphery of the LED element, even though a submount substrate having a relatively small area is mounted on a module substrate having a relatively large area.
  • dam material since there is no dam material on the submount substrate, it is possible to maintain a high light emission efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of an LED module 100.
  • FIG. It is the assembly figure shown in the state where LED module 100 was cut in half. It is AA 'sectional drawing of FIG.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the LED module 100 shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of another LED module 200.
  • (A) is sectional drawing of the LED element 321 utilized for another LED module 300
  • (b) is a partial expanded sectional view of the LED module 300.
  • FIG. FIG. 2 of Patent Document 1 is shown again.
  • FIG. 3 of Patent Document 2 is shown again.
  • LED module will be described below with reference to the drawings. However, it should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to those embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Since LED elements take various forms, a bare chip LED element cut out from a wafer is referred to as an LED die, and an LED element covered with a phosphor-containing resin or the like is referred to as a package LED. .
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of the LED module 100.
  • the housing 101 of the LED module 100 has an opening in the center, and the fluorescent resin 102 (covering member) can be observed from the opening.
  • the housing 101 includes two mounting holes 109.
  • FIG. 2 is an assembly diagram showing the LED module 100 cut in half.
  • the LED module 100 includes a housing 101 and a circuit board 110, and the circuit board 110 includes a submount board 103 and a module board 104.
  • the submount substrate 103 is a disk, and the upper surface is covered with a fluorescent resin 102.
  • An LED die 121 (LED element) shown in FIG. 3 is mounted on the upper surface of the submount substrate 103.
  • the module substrate 104 is a disc having two mounting holes 107 and is fitted into the housing 101.
  • the module substrate 104 includes a dam material 105 on the upper surface, the inside of the dam material 105 is a mounting portion 106 on which the submount substrate 103 is mounted, and the outside of the dam material 105 mounts an electronic component 108 (another electronic component). It is an area.
  • the dam material 105 has a shape in which bands having a substantially constant width are arranged in an annular shape.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the submount substrate 103 is disposed on the module substrate 104 together with the dam material 105 and the electronic component 108.
  • LED dies 121 are mounted on the submount substrate 103, and the LED dies 121 are connected to each other by wires 122.
  • the LED dies 121 mounted on both ends of the submount substrate 103 are connected to wires 125 (see FIG. 4) on the module substrate 104 by wires 123.
  • the dam material 105 is on both sides of the submount substrate 103, and the fluorescent resin 102 is filled in a region inside the dam material 105.
  • the fluorescent resin 102 covers the LED die 121 and the wires 122 and 123.
  • the housing 101 includes an opening 130 through which the fluorescent resin 102 is exposed and a cavity 131 that surrounds the electronic component 108, and is fitted with the module substrate 104.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of the cross-sectional view of the LED module 100 shown in FIG. 3, but the housing 101 is not shown.
  • the submount substrate 103 is composed of an increased reflection film 103a and an aluminum base 103b.
  • the increased reflection film 103a is a multilayer film made of a transparent oxide such as SiO2, and the aluminum base 103b is made of high-purity aluminum.
  • the module substrate 104 includes an insulating layer 104a and a metal base 104b.
  • the insulating layer 104a is made of PI (polyimide) resin, but may be another organic film, and is selected based on the withstand voltage and the thermal conductivity.
  • the metal base 104b is made of aluminum having a good thermal conductivity, but it is not necessary to consider the reflectivity, so there is no need to make it highly purified.
  • the LED die 121 is mounted face up on the submount substrate 103. In the face-up mounting, the electrode surface of the LED die 121 is directed to the surface opposite to the mounting surface (the upper side in FIG. 4), and the electrodes 122 are connected by wires 122 and 123.
  • the LED die 121 is die-bonded on the reflective reflection film 103a with an adhesive (not shown).
  • the submount substrate 103 and the module substrate 104 are bonded with an adhesive 126.
  • a wiring 125 is formed on the module substrate 104, and the wiring 125 and the electronic component 108 are connected by solder 108a.
  • the size of the LED die 121 is, for example, 500 ⁇ m ⁇ 290 ⁇ m, and the thickness of the submount substrate 103 is about 0.15 to 0.30 mm.
  • the adhesive 126 is selected from materials that are cured by heating and pressing. As described above, the thickness of the insulating layer 104a of the module substrate 104 is determined in consideration of the withstand voltage. For example, when an attempt is made to obtain a withstand voltage of 4 kV, the thickness may be about 0.1 mm for PI resin.
  • As the wiring 125 on the module substrate 104 a laminate of Ni and Au on Cu is used.
  • the dam material 105 is made of a silicone resin, has a width of 0.7 to 1.0 mm, and a height of 0.5 to 0.8 mm.
  • the fluorescent resin 102 is a silicone resin containing a phosphor and has a thickness of about 400 to 800 ⁇ m.
  • the electronic component 108 is mounted on the module substrate 104 by solder reflow.
  • the LED die 121 is die-bonded on the submount substrate 103 and then wire-bonded.
  • the module substrate 104 and the submount substrate 103 are bonded with an adhesive 126, and the LED die 121 and the wiring 125 are connected with a wire 123.
  • the sub-mount substrate 103 is surrounded by a dispenser using the undamped dam material 105 in a ring shape with a constant width, and the dam material 105 is cured at about 150 ° C.
  • the fluorescent resin 102 is filled in the inner region of the dam material 105 with a dispenser, and the fluorescent resin 102 is cured at about 150 ° C.
  • the housing 101 is attached to the module substrate 104, and the LED module 100 is completed.
  • the expensive submount substrate 103 with high reflectivity is pasted on the inexpensive module substrate 104. Since the submount substrate 103 may be small in size, the LED module 100 keeps the manufacturing cost low while maintaining high reflectivity. Also. Since the dam material 105 is provided on the module substrate 104 side, there is nothing on the submount substrate 103 that hinders reflection except for the LED die 121 and the wire 122, so that the reflectance can be further improved. Further, since the submount substrate 13 is a disk, it is easy to design a lens and a reflector for evenly distributing light emission. In addition, the electronic component 108 can be disposed in a region (hollow portion 131) secured between the dam material 105 and the edge of the module substrate 104.
  • FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of another LED module 200.
  • the LED module 100 described above exhibits a high withstand voltage because the submount substrate 103 is pasted on the insulating layer 104a of the module substrate 104. However, since the insulating layer 104a is provided, heat dissipation may be impaired. When priority is given to heat dissipation, the insulating layer 104a under the submount substrate 103 may be removed.
  • the submount substrate 103 is a highly reflective Al substrate, and the LED die 121 is mounted by die bonding and wire bonding (face-up mounting).
  • the submount substrate is not limited to a highly reflective aluminum substrate, and the LED die mounting method is not limited to face-up mounting. Therefore, in the LED module 200, priority is given to heat dissipation, the LED die is flip-chip mounted, and the submount substrate is made of ceramic.
  • FIG. 5 shows only an enlarged cross-sectional view of a part of the LED module 200.
  • the housing 101 is not shown.
  • the LED module 200 and the LED module 100 differ in the LED die 221 and its mounting method, the material of the submount substrate 225 and the structure of the upper surface thereof, and the connection structure in the opening and opening of the insulating layer 104a of the module substrate 104. (See FIG. 4 and FIG. 5).
  • the LED die 221 has an electrode surface on the bottom surface, and includes a protruding electrode 222 on the bottom surface of the LED die 221.
  • the protruding electrode 222 is connected to the wiring 224 formed on the upper surface of the submount substrate 225.
  • a mounting method in which the electrode surface of the substrate and the electrode surface of the semiconductor element are opposed to each other and the electrodes are directly connected to each other is called flip-chip mounting (also referred to as face-down mounting).
  • the wiring 224 on the submount substrate 225 and the wiring 125 on the module substrate 104 are connected by a wire 223.
  • the submount substrate 225 is made of white ceramics, and the white surface is exposed except for the mounting portion of the LED die 221 and the wiring 224 for connection, and maintains a high reflectance.
  • the metal base 104 b of the module substrate 104 and the bottom surface of the submount substrate 225 are directly connected via the adhesive 126. Therefore, the heat generated by the LED die 221 is directly transmitted from the submount substrate 225 to the metal base 104b, and the heat dissipation of the LED module 200 is improved.
  • the submount substrate 225 is made of white ceramics, but a white ceramic layer may be formed only on the surface of the submount substrate to increase the reflectance.
  • the submount substrate may be formed by applying a material that becomes white glass when sintered on a base material made of aluminum nitride having low reflectance.
  • wirings may be formed on aluminum nitride and filled between wirings on the substrate with a material that becomes white glass when sintered.
  • the material that becomes a white glass when sintered is, for example, a mixture of organopolysiloxane and reflective fine particles such as titanium oxide and alumina and a catalyst, and is cured at about 150 ° C.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of an LED element 321 used for another LED module 300
  • FIG. 6B is a partially enlarged cross-sectional view of the LED module 300.
  • the LED modules 100 and 200 used LED dies 121 and 221 as LED elements. For this reason, the fluorescent resin 102 is filled in the area inside the dam member 105, and the LED dies 121 and 221 and the wires 122, 123, and 223 are covered with the fluorescent resin 102.
  • the LED element is not limited to an LED die. Therefore, hereinafter, an LED module 300 using an LED element having a chip size package (hereinafter referred to as a package LED) will be described.
  • the LED element included in the LED module 300 includes a phosphor layer 321a (see FIG. 6A) only around the element as described later. Therefore, if an outline view corresponding to FIG. 1 is drawn with respect to the LED module 300, the package LED 321 including the phosphor layer 321 a (see FIG. 6A) and the package LED 321 from the opening of the housing 101. The surface of the submount substrate 225 (see FIG. 6B) is observed. As for the external view, there is no difference between the LED module 300 and the LED module 100 in other parts.
  • the dam material 105 (refer FIG. 2) becomes unnecessary.
  • the LED module 300 will be described with reference to a cross-sectional view (FIG. 6B) in which a part of the cross section of the LED module 300 is enlarged. In FIG. 6B, the housing is not shown.
  • the LED die is provided with a semiconductor layer 321c on the lower surface of a transparent insulating substrate 321b such as sapphire, and two protruding electrodes 322 are formed on the lower surface of the semiconductor layer 321c.
  • the protruding electrodes 322 are an anode and a cathode.
  • the phosphor layer 321a is obtained by kneading and curing a phosphor in a silicone resin, and the thickness of the side surface and the upper surface is about 100 ⁇ m.
  • the phosphor layer 321a is also provided on the bottom surface of the package LED 321, but the bottom phosphor layer 321a is provided to protect the bottom surface, and thus is thinner than the side and top phosphor layers 321a.
  • the submount substrate 225 in the LED module 300 is the same as the ceramic substrate used in the LED module 200, and includes a wiring 224 on the upper surface.
  • the module substrate 104 is the same as that used in the LED module 100.
  • the package LED 321 is flip-chip mounted on the submount substrate 225, and the wiring 224 on the submount substrate 225 and the wiring 125 on the module substrate 104 are connected by a small metal piece 323 (metal elastic member). is doing.
  • the metal piece 323 is fixed to the wiring 125 on the module substrate 104 with solder 108a.
  • the submount substrate 225 and the insulating layer 104a are bonded by an adhesive 126.
  • the reflectance of the surface of the submount substrate 225 is set to be higher than the reflectance of the surface of the module substrate 104.
  • the reflectance of the module substrate 104 is 70 to 80% even when white coating is applied, whereas the reflectance is 90 to 95 because the submount substrate 225 uses a ceramic substrate. %.
  • the difference in reflectance between the module substrate and the submount substrate is the same for the LED modules 100 and 200.
  • the LED module 300 is easy to manufacture because there is no dam material.
  • the wiring 224 on the submount substrate 225 and the wiring 125 on the module substrate 104 may be connected by solder or a connector. In this way, it is not necessary to prepare a wire bonder in the manufacturing process.
  • the high reflection area is limited to the mounting area of the LED elements (LED dies 121, 221 and package LED 321). This is because a high-reflecting member using ceramics, aluminum, or the like is generally expensive, so that the high-reflecting region is limited and the high-reflecting member to be used is downsized to reduce the cost.
  • the module substrate 104 includes the protective film 104a and the metal base 104b.
  • the module substrate may be a ceramic such as aluminum nitride, a resin, or the like. Note that the housing 101 shown by the LED module 100 can be substituted by a case of a lighting device to be incorporated, and thus the housing is not necessarily an essential configuration.
  • LED module 101 Housing 102 Fluorescent resin 103, 225 Submount substrate 103a High reflection film 103b Aluminum base 104 Module substrate 104a Insulating layer 104b Metal base 105 Dam material 106 Mounting portion 107, 109 Mounting hole 108 Electronic component (others) Electronic components) 108a Solder 110 Circuit board 121, 221 LED die (LED element) 122, 123, 223 Wire 125 Wiring 126 Adhesive material 222, 322 Protruding electrode 224 Wiring 321 Package LED (LED element) 321a Phosphor layer 321b Transparent insulating substrate 321c Semiconductor layer 323 Metal piece (metal elastic member)

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Abstract

 複数のLED素子及び他の電子部品を回路基板に実装しても、反射特性が良好な状態を維持しながら製造し易くしたLEDモジュールを提供する。LEDモジュールは、複数のLED素子を実装するためのサブマウント基板と、サブマウント基板を搭載し且つ複数のLED素子以外の電子部品を実装するためのモジュール基板と、モジュール基板上に配置され且つサブマウント基板の搭載部を囲むダム材と、ダム材の内側の領域に充填され且つ複数のLED素子の上面を被覆する被覆部材を有し、モジュール基板の表面の反射率よりもサブマウント基板の表面の反射率が高くなるように設定されていることを特徴とする。

Description

LEDモジュール
 本発明は、複数のLED素子とともに他の電子部品を回路基板に実装したLEDモジュールに関する。
 LED素子を使った照明器具が普及してきている。このような中で電気スタンドやランプなどの照明器具を短い手番で設計するためには光源部をモジュール化すると良い。例えば特許文献1の図2には、複数のLEDチップ(LED素子)とともに点灯回路を同一の回路基板に実装したLEDモジュールが示されている。
 図7は、特許文献1の図2を再掲示したものであり、IEC規格の口金(GX53型)を使用するLEDランプの断面図である。
 図7に示すLEDモジュールは、回路基板2、ドライバー回路4(点灯回路)、LED3(LED素子)から構成されている。回路基板2の上面にはドライバー回路4が実装され、回路基板2の下面にはLED3が実装されている。図7に示すLEDモジュールは、口金1のハウジングにはめ込まれ、発光面カバーケース5で抑えられる。また、薄型化が要請されるときはLED3をCOB(チップオンボード)とすれば良い。なお、COBは、ベアチップ状態のLED素子(以下特に断らない限りLEDダイとよぶ)を回路基板2に直接的に実装するものである。
 LEDダイをCOB実装する場合、LEDモジュールの発光効率を高くするためには、回路基板の表面において少なくともLEDダイを実装する領域だけは反射率を高くしておかなければならない。例えば特許文献2の図3には回路基板表面においてLEDダイの実装領域の反射率を高くした発光モジュール1a(LEDモジュール)が示されている。
 図8は、特許文献2の図3を再掲示したものであり、発光モジュール1aの平面図であって、光の取り出し側(以下、表面側と呼ぶ)から観察したものである。
 発光モジュール1aのモジュール基板5b(回路基板)には、発光素子21(LEDダイ)以外の電子部品は搭載されていない。また、発光モジュール1aはCOB型の構造を有している。モジュール基板5bの表面には、反射層11、正極側の給電導体12、及び負極側の給電導体13が配置されている。反射層11の表面には複数の発光素子21(LEDダイ)が整列され、複数の発光素子21は列毎にボンディングワイヤー23で直列接続されている。各列の発光素子21は、端部ボンディングワイヤー24により給電される。枠部材25の封止用孔25aには封止部材28が充填されている。モジュール基板5bは、放熱性を高めるためアルミニウムなど金属製のベース板の表面に薄い絶縁層を積層した構造を有する。
 反射層11は、給電導体12、13とともにメッキ法およびエッチング法によりモジュール基板5bの絶縁層7の表面にパターニングされている。給電導体12、13は、反射層11を挟むようにその両側に設けられている。反射層11、給電導体12、13は、それらの表層がAgで構成され、モジュール基板5aの表面の絶縁層(図示せず)よりも高い反射率を有している。反射層11、給電導体12、13の全光線反射率は、90.0%程度である。絶縁層の表面には2つの給電端子14、15もパターニングされ、図示しない絶縁被覆電線を介して発光モジュール1aが点灯装置に接続される。反射層11は、複数の発光素子21が発した熱を拡散するヒートスプレッダとしても機能する。
特開2007-157690号公報 (図2) 特開2011-14878号公報 (図3)
 図7に示したLEDモジュールは、もともとLEDランプの薄型化を目的としたものであったため、特許文献1には、LED素子(LED3)の発光効率改善について特別な言及はなかった。これに対し、図8に示したLEDモジュール(発光モジュール1a)はLEDダイ(発光素子21)の周囲の反射率が高くなっているので、発光効率を向上させることができる。しかしながら、図8に示したLEDモジュールは、特許文献2の図2に示されているように、LEDモジュールと点灯装置121とが別体になっているので図7に示したLEDモジュールよりも使い易いとはいえない。
 本発明は、複数のLED素子とともに他の電子部品を回路基板に実装したLEDモジュールにおいて、反射特性が良好な状態を維持しながら製造し易くしたLEDモジュールを提供することを目的とする。
 LEDモジュールは、複数のLED素子を実装するためのサブマウント基板と、サブマウント基板を搭載し且つ複数のLED素子以外の電子部品を実装するためのモジュール基板と、モジュール基板上に配置され且つサブマウント基板の搭載部を囲むダム材と、ダム材の内側の領域に充填され且つ複数のLED素子の上面を被覆する被覆部材を有し、モジュール基板の表面の反射率よりもサブマウント基板の表面の反射率が高くなるように設定されていることを特徴とする。
 LEDモジュールは、複数のLED素子を実装するためのサブマウント基板と、サブマウント基板を搭載し且つ複数のLED素子以外の電子部品を実装するためのモジュール基板と、複数のLED素子の上面を被覆する被覆部材を有し、モジュール基板の表面の反射率よりもサブマウント基板の表面の反射率が高くなるように設定され、複数のLED素子の各々は二つの突起電極を有する電極面を備え、電極面の反対側の面又は側面に被覆部材として蛍光体層を有し、突起電極が前記サブマウント基板上に形成された電極と直接的に接続されることを特徴とする。
 また、LEDモジュールでは、被覆部材は蛍光樹脂であり、被覆部材はワイヤを被覆することが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、サブマウント基板は円板であることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、ダム材は幅が一定の帯が円環状に配置された形状を有することが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、ダム材と前記モジュール基板の外縁とが離間して配置されていることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、複数のLED素子はサブマウント基板にフェイスアップ実装され、複数のLED素子同士がワイヤで接続されることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、複数のLED素子がサブマウント基板にフリップチップ実装されることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、モジュール基板上の配線と、サブマウント基板上の配線又は複数のLED素子とが、ワイヤで接続されることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、サブマウント基板は金属面に増反射膜を形成した表面を備えていることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、サブマウント基板は白色のセラミックからなる表面を備えていることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、モジュール基板は金属ベースと絶縁層とを備えた金属基板であることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、絶縁層上にサブマウント基板が搭載されることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、絶縁層は開口部を有し、サブマウント基板は開口部内部に搭載されて、モジュール基板の金属ベースとサブマウント基板とが直接的に接続されることが好ましい。
 また、LEDモジュールでは、モジュール基板上の配線と、サブマウント基板上の配線とが金属製の弾性部材で接続されることが好ましい。
 LEDモジュールは、LED素子の周辺部で高い反射率が得られるため発光効率が高い状態を維持できる。このとき回路基板を構成するモジュール基板とサブマウント基板は、別体であり、それぞれの基板に実装する部品の属性が異なるため設計及び製造に係る条件を別々に設定でき、さらにモジュール基板へのサブマウント基板の搭載に困難性がない。すなわち本発明のLEDモジュールは、反射特性が良好な状態を維持しながら製造し易くなっている。
 また、LEDモジュールでは、モジュール基板はLED素子を搭載していないので、他の電子部品に合わせて配線ピッチやランドの表面処理条件などを設定できる。同様にサブマウント基板はLED素子しか搭載していないので、LED素子に合わせて実装条件を決められる。すなわち、モジュール基板とサブマウント基板の実装条件が著しく異なっても、それぞれ独立に設計及び製造に係る条件を設定でき、さらにモジュール基板へのサブマウント基板の搭載が困難ではないので、LEDモジュールは製造し易いという特徴がある。
 LED素子は少なくとも上面が樹脂等の被覆部材で被覆されているが、サブマウント基板には被覆部材の流動を制限するためのダム材が設けられていないので、ダム材がサブマウント基板の反射を阻害することがない。この場合、モジュール基板はLED素子以外の電子部品が実装され、発光と直接的には係らないため表面の反射率を高くする必要がない。すなわち、この様なLEDモジュールは、比較的広い面積をもつモジュール基板上に比較的狭い面積をもつサブマウント基板を搭載しているにもかかわらず、LED素子の周辺部で高い反射率が得られるとともに、ダム材がサブマウント基板上にないため、発光効率が高い状態を維持できる。
LEDモジュール100の外観を示す斜視図である。 LEDモジュール100を半分に切断した状態で示した組み立て図である。 図1のAA´断面図である。 図3に示したLEDモジュール100の断面図の一部拡大図である。 他のLEDモジュール200の一部拡大断面図である。 (a)は更に他のLEDモジュール300に利用するLED素子321の断面図であり、(b)はLEDモジュール300の一部拡大断面図である。 特許文献1の図2を再掲示したものである。 特許文献2の図3を再掲示したものである。
 以下図面を参照して、LEDモジュールについて説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。なお、LED素子は様々な形態をとるので、ウェハーから切り出されたベアチップ状態のLED素子をLEDダイと呼び、蛍光体を含有した樹脂などでLEDダイを被覆したLED素子をパッケージLEDと呼び区別する。
 図1は、LEDモジュール100の外観を示す斜視図である。
 LEDモジュール100のハウジング101は、中央に開口を有し、開口から蛍光樹脂102(被覆部材)を観察することができる。また、ハウジング101は、2個の取り付け穴109を備えている。
 図2は、LEDモジュール100を半分に切断した状態で示した組み立て図である。
 LEDモジュール100は、ハウジング101と回路基板110からなり、回路基板110にはサブマウント基板103とモジュール基板104が含まれる。サブマウント基板103は円板であり、上面が蛍光樹脂102で被覆されている。サブマウント基板103の上面には、図3で示すLEDダイ121(LED素子)が実装されている。モジュール基板104は、2個の取り付け穴107を備える円板であり、ハウジング101にはめ込まれる。モジュール基板104は、上面にダム材105を備え、ダム材105の内側がサブマウント基板103を搭載する搭載部106であり、ダム材105の外側が電子部品108(他の電子部品)を実装する領域である。ダム材105は、幅が略一定の帯が円環状に配置された形状を有している。
 図3は、図1のAA´断面図である。
 図3に示す様に、サブマウント基板103は、ダム材105及び電子部品108とともにモジュール基板104上に配置されている。サブマウント基板103上にはLEDダイ121が実装され、LEDダイ121同士はワイヤ122で接続されている。サブマウント基板103の両端に実装にされたLEDダイ121はモジュール基板104上の配線125(図4参照)とワイヤ123で接続されている。ダム材105はサブマウント基板103の両脇にあり、蛍光樹脂102がダム材105の内側の領域に充填されている。蛍光樹脂102は、LEDダイ121、ワイヤ122、123を被覆している。ハウジング101は、蛍光樹脂102が露出する開口部130と電子部品108をとり囲む空洞部131を備え、モジュール基板104と勘合している。
 図4は、図3に示したLEDモジュール100の断面図の一部拡大図であるが、ハウジング101は図示していない。
 図4に示す様に、サブマウント基板103は、増反射膜103aとアルミベース103bからなる。増反射膜103aはSiO2など透明な酸化物からなる多層膜であり、アルミベース103bは高純度アルミニウムからなる。モジュール基板104は、絶縁層104aと金属ベース104bからなる。絶縁層104aはPI(ポリイミド)樹脂からなるが、他の有機膜であっても良く、絶縁耐圧と熱伝導性に基づいて選択される。金属ベース104bは、熱伝導性の良好なアルミからなるが、反射率を配慮しなくて良いので高純度化する必要がない。
 サブマウント基板103上にはLEDダイ121がフェイスアップ実装されている。フェイスアップ実装とは、LEDダイ121の電極面を実装面とは反対側の面(図4の上側)に向け、ワイヤ122、123で電極の接続をとるものである。LEDダイ121は、図示していない接着材で増反射膜103a上にダイボンディングされている。サブマウント基板103とモジュール基板104とは、接着材126で接着されている。モジュール基板104上には、配線125が形成され、配線125と電子部品108とが半田108aにより接続している。
 LEDダイ121の大きさは例えば500μm×290μmであり、サブマウント基板103の厚さは0.15~0.30mm程度である。接着材126は加熱及び加圧により硬化する材料から選択される。モジュール基板104の絶縁層104aの厚さは、前述のように耐圧に配慮して決定され、例えば4kVの耐圧を得ようとした場合、PI樹脂なら0.1mm程度あれば良い。モジュール基板104上の配線125は、Cu上にNi、Auを積層したものが用いられる。ダム材105は、シリコーン樹脂からなり、幅は0.7~1.0mmであり、高さは0.5~0.8mmである。蛍光樹脂102は、蛍光体を含有したシリコーン樹脂であり、厚さが400~800μm程度である。
 次に図2~4を参照しながらLEDモジュール100の製造方法を説明する。
 最初に、モジュール基板104に電子部品108を半田リフローで実装する。これと並行して、サブマウント基板103上にLEDダイ121をダイボンディングし、その後ワイヤボンディングする。
 次に、モジュール基板104とサブマウント基板103とを接着材126で接着し、LEDダイ121と配線125をワイヤ123で接続する。
 次に、ディスペンサにより硬化前のダム材105を用いて、円環状で一定幅の帯状にサブマウント基板103をとり囲み、ダム材105を約150℃で硬化させる。
 次に、ディスペンサでダム材105の内側の領域に蛍光樹脂102を充填し、蛍光樹脂102を約150℃で硬化させる。
 最後に、ハウジング101をモジュール基板104にとり付けて、LEDモジュール100を完成させる。
 以上のように、LEDモジュール100は、安価なモジュール基板104上に、反射率が高く高価なサブマウント基板103を貼りつけている。サブマウント基板103は小型で良いため、LEDモジュール100は高い反射率を維持しながら製造コストを低く抑えている。また。ダム材105がモジュール基板104側に設けられているため、サブマウント基板103上にLEDダイ121やワイヤ122を除き反射を阻害するものがないので、反射率をより向上させることが可能である。さらに、サブマウント基板13が円板であるため、発光を均等に分散させるためのレンズや反射器の設計が楽になる。またダム材105とモジュール基板104の縁部との間に確保した領域(空洞部131)に電子部品108を配置することが可能となった。
 図5は、他のLEDモジュール200の一部拡大断面図である。
 前述したLEDモジュール100は、モジュール基板104の絶縁層104a上にサブマウント基板103を貼り付けていたので高い絶縁耐圧を示す。しかしながら、絶縁層104aがあるため放熱性を損なう場合がある。放熱性を優先する場合には、サブマウント基板103の下の絶縁層104aを除去すればよい。また、LEDモジュール100では、サブマウント基板103が高反射Al基板であり、LEDダイ121をダイボンディング及びワイヤボンディングで実装(フェイスアップ実装)していた。これに対し、サブマウント基板は高反射アルミ基板に限られず、LEDダイの実装方法もフェイスアップ実装に限られない。そこで、LEDモジュール200では、放熱性を優先し、LEDダイをフリップチップ実装し、サブマウント基板をセラミックで構成するようにした。
 LEDモジュール200の外形図、組み立て図、及び断面図は、LEDモジュール100に関する図1~図3と等しくなるので、省略する。そこで図5では、LEDモジュール200の一部を拡大した断面図のみを示す。なお、図5ではハウジング101は図示していない。
 LEDモジュール200とLEDモジュール100では、LEDダイ221とその実装方法、サブマウント基板225の材料とその上面の構造、及び、モジュール基板104の絶縁層104aの開口部と開口部における接続構造、が異なっている(図4及び図5参照)。
 LEDダイ221は底面が電極面となっており、LEDダイ221の底面に突起電極222を備えている。突起電極222はサブマウント基板225の上面に形成された配線224と接続する。なお、基板の電極面と半導体素子の電極面を対向させて、それぞれの電極同士を直接的に接続する実装方法はフリップチップ実装と呼ばれている(フェイスダウン実装ともいう)。
 サブマウント基板225上の配線224とモジュール基板104の配線125とはワイヤ223により接続する。サブマウント基板225は白色のセラミックスからなり、LEDダイ221の実装部及び接続用の配線224部以外は白色の表面が露出し、高い反射率を保っている。
 LEDモジュール200のモジュール基板104では、絶縁層104aが形成されていない領域(開口部)を、サブマウント基板225の搭載部106(図2参照)としている。したがって、モジュール基板104の金属ベース104bとサブマウント基板225の底面とが接着材126を介して直接的に接続している。このためLEDダイ221が発する熱はサブマウント基板225から直接的に金属ベース104bに伝わり、LEDモジュール200の放熱性が向上する。
 LEDモジュール200では、サブマウント基板225が白色のセラミクスからなっているが、サブマウント基板の表面にだけ白色のセラミクス層を形成し反射率を高くしても良い。例えば、サブマウント基板を、反射率の低い窒化アルミをベース材とし、その上に焼結すると白色のガラス状になる材料を塗布して構成しても良い。また、窒化アルミ上に配線を形成し、焼結すると白色のガラス状になる材料で基板上の配線間を埋めてもよい。焼結すると白色のガラス状になる材料とは、例えばオルガノポリシロキサンに酸化チタンやアルミナなど反射の微粒子と触媒を混練させたものであり、150℃程度で硬化する。
 図6(a)は更に他のLEDモジュール300に利用するLED素子321の断面図であり、図6(b)はLEDモジュール300の一部拡大断面図である。
 LEDモジュール100、200は、LED素子としてLEDダイ121、221を使用していた。このためダム材105の内側の領域に蛍光樹脂102を充填し、蛍光樹脂102によりLEDダイ121、221及びワイヤ122、123、223を被覆していた。しかしながら、LED素子はLEDダイに限られない。そこで、以下では、チップサイズパッケージとしたLED素子(以下パッケージLEDと呼ぶ)を用いたLEDモジュール300について説明する。
 LEDモジュール300に含まれるLED素子は、後述するように素子周りにだけ蛍光体層321a(図6(a)参照)を備えている。そこで、LEDモジュール300に関して、図1に相当する外形図を描くとすれば、ハウジング101の開口部からは蛍光体層321aを備えたパッケージLED321(図6(a)参照)及びパッケージLED321の間からサブマウント基板225(図6(b)参照)の表面が観察される。なお、外形図としては、他の部分では、LEDモジュール300とLEDモジュール100とで違いは無い。
 また、LEDモジュール300に関して、図2に相当する組み立て図を描くとすれば、ダム材105(図2参照)が不要になる。なお、組み立て図としては、他の部分では、LEDモジュール300とLEDモジュール100とで違いは無い。そこで、以下では、LEDモジュール300の断面の一部を拡大した断面図(図6(b))を用いて、LEDモジュール300について説明する。なお図6(b)ではハウジングを図示していない。
 図6(a)に示すように、LEDダイはサファイヤ等の透明絶縁基板321bの下面に半導体層321cを備え、さらに半導体層321cの下面に2個の突起電極322が形成されている。突起電極322はアノード及びカソードである。蛍光体層321aはシリコーン樹脂に蛍光体を混練し硬化させたもので、側面及び上面の厚さは100μm程度である。パッケージLED321の底面にも蛍光体層321aがあるが、底面の蛍光体層321aは底面を保護するために設けられているので側面及び上面の蛍光体層321aに比べて薄くなっている。
 LEDモジュール300におけるサブマウント基板225は、LEDモジュール200で使ったセラミック基板と同じであり、上面に配線224を備えている。同様に、モジュール基板104はLEDモジュール100で使ったものと同じである。LEDモジュール300では、パッケージLED321がサブマウント基板225にフリップチップ実装されており、サブマウント基板225上の配線224とモジュール基板104上の配線125とが金属小片323(金属製の弾性部材)で接続している。金属小片323はモジュール基板104上の配線125に半田108aで固定されている。サブマウント基板225と絶縁層104aとは接着材126によって接着されている。
 LEDモジュール300のサブマウント基板225の表面では、配線224とパッケージLED321を除き白色セラミック面を露出しているので高い反射率が得られる。即ち、LEDモジュール300では、モジュール基板104の表面の反射率よりもサブマウント基板225の表面の反射率が高くなるように設定されている。なお、モジュール基板104の反射率は、白色塗装をした場合にも70~80%であるのに対して、サブマウント基板225は、セラミック基板を利用していることから、反射率は90~95%である。なお、モジュール基板とサブマウント基板との反射率の差に関しては、LEDモジュール100及び200についても同様である。
 また、LEDモジュール300にはダム材がないので製造しやすい。なお、サブマウント基板225上の配線224とモジュール基板104上の配線125は半田やコネクタで接続しても良い。このようにすると製造工程のなかでワイヤボンダーを準備する必要がなくなる。
 上述したLEDモジュール100、200及び300では、高反射領域がLED素子(LEDダイ121、221、パッケージLED321)の実装領域に限定している。これは、セラミクスやアルミ等を用いた高反射部材は一般に価格が高いため、高反射領域を限定し、使用する高反射部材を小型化することでコストダウンを図っているためでもある。また、LEDモジュール100、200及び300では、モジュール基板104を保護膜104aと金属ベース104bから構成したが、モジュール基板は窒化アルミなどのセラミックや樹脂などであっても良い。なお、LEDモジュール100で示したハウジング101は組み込むべき照明装置のケース等で代用できるので、ハウジングは必ずしも必須の構成ではない。
 100、200、300  LEDモジュール
 101  ハウジング
 102  蛍光樹脂
 103、225  サブマウント基板
 103a  増反射膜
 103b  アルミベース
 104  モジュール基板
 104a  絶縁層
 104b  金属ベース
 105  ダム材
 106  搭載部
 107、109  取り付け穴
 108  電子部品(他の電子部品)
 108a  半田
 110  回路基板
 121、221  LEDダイ(LED素子)
 122、123、223  ワイヤ
 125  配線
 126  接着材
 222、322  突起電極
 224  配線
 321  パッケージLED(LED素子)
 321a  蛍光体層
 321b  透明絶縁基板
 321c  半導体層
 323  金属小片(金属製の弾性部材)

Claims (15)

  1.  複数のLED素子を含むLEDモジュールにおいて、
     前記複数のLED素子を実装するためのサブマウント基板と、
     前記サブマウント基板を搭載し且つ前記複数のLED素子以外の電子部品を実装するためのモジュール基板と、
     前記モジュール基板上に配置され且つ前記サブマウント基板の搭載部を囲むダム材と、
     前記ダム材の内側の領域に充填され且つ前記複数のLED素子の上面を被覆する被覆部材と、を有し、
     前記モジュール基板の表面の反射率よりも前記サブマウント基板の表面の反射率が高くなるように設定されている、
     ことを特徴とするLEDモジュール。
  2.  前記被覆部材は蛍光樹脂であり、前記被覆部材は前記ワイヤを被覆する、請求項1に記載のLEDモジュール。
  3.  前記サブマウント基板は円板である、請求項1又は2に記載のLEDモジュール。
  4.  前記ダム材は幅が一定の帯が円環状に配置された形状を有する、請求項3に記載のLEDモジュール。
  5.  前記ダム材と前記モジュール基板の外縁とが離間して配置されている、請求項1~4の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  6.  前記複数のLED素子は前記サブマウント基板にフェイスアップ実装され、前記複数のLED素子同士がワイヤで接続される、請求項1~5の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  7.  前記複数のLED素子が前記サブマウント基板にフリップチップ実装される、請求項1~5の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  8.  前記モジュール基板上の配線と、前記サブマウント基板上の配線又は前記複数のLED素子とが、ワイヤで接続される、請求項1~7の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  9.  複数のLED素子を含むLEDモジュールにおいて、
     前記複数のLED素子を実装するためのサブマウント基板と、
     前記サブマウント基板を搭載し且つ前記複数のLED素子以外の電子部品を実装するためのモジュール基板と、
     前記複数のLED素子の上面を被覆する被覆部材と、を有し、
     前記モジュール基板の表面の反射率よりも前記サブマウント基板の表面の反射率が高くなるように設定され、
     前記複数のLED素子の各々は二つの突起電極を有する電極面を備え、
     前記電極面の反対側の面又は側面に前記被覆部材として蛍光体層を有し、
     前記突起電極が前記サブマウント基板上に形成された電極と直接的に接続される、
     ことを特徴とするLEDモジュール。
  10.  前記サブマウント基板は金属面に増反射膜を形成した表面を備えている、請求項1~9の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  11.  前記サブマウント基板は白色のセラミックからなる表面を備えている、請求項1~9の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  12.  前記モジュール基板は金属ベースと絶縁層とを備えた金属基板である、請求項1~11の何れか一項に記載のLEDモジュール。
  13.  前記絶縁層上に前記サブマウント基板が搭載される、請求項12に記載のLEDモジュール。
  14.  前記絶縁層は開口部を有し、前記サブマウント基板は前記開口部内部に搭載されて、前記モジュール基板の前記金属ベースと前記サブマウント基板とが直接的に接続される、請求項12に記載のLEDモジュール。
  15.  前記モジュール基板上の配線と、前記サブマウント基板上の配線とが金属製の弾性部材で接続される、請求項1~7及び9~14の何れか一項に記載のLEDモジュール。
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