LED光源モジュール
【課題】
LEDを用いた発光装置において、LEDチップからの発熱を効果的に放熱することが可能なLED光源モジュールを提供する。
【解決手段】
LEDチップを、電極用パッドを備えた実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、実装基板のLEDチップを搭載する面上に、LEDチップの接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合が、LEDチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴としている。
LEDを用いた発光装置において、LEDチップからの発熱を効果的に放熱することが可能なLED光源モジュールを提供する。
【解決手段】
LEDチップを、電極用パッドを備えた実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、実装基板のLEDチップを搭載する面上に、LEDチップの接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合が、LEDチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光ダイオード(LED)を用いたLED光源モジュールに関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、1W以上の大電力を投入することが可能な高輝度タイプのLEDチップが開発され、テレビやパソコン等に用いられる大型液晶ディスプレイ用のバックライトや照明灯、自動車のヘッドランプ等、高輝度な光源を必要とする機器への適用に向け開発が行われている。
【0003】
高い輝度が必要とされる機器にLED光源モジュールを適用するためには、LEDチップのさらなる高出力化が求められている。そのため、LEDチップへの投入電力が増加する傾向にあり、それに伴うLEDチップからの発熱量も増大している。発熱によりLEDチップの温度が上昇すると、寿命や発光効率などの諸特性に悪影響を与えることから、LEDチップの発光能力を十分に引き出しつつ、その信頼性を確保するためには、発生した熱を外部に効率良く放熱させることが重要となる。
【0004】
従来のLED光源モジュールの一例を、図1及び図2を用いて説明する。上面側にp電極2、下面側にn電極3を備えたLEDチップ1を用いて形成されたLED光源モジュールの断面図を図1に示す。表面にp電極層6とn電極層7が形成されたシリコンや窒化アルミ、ガラスエポキシなどから成る実装基板9上に、実装基板9のn電極層7とLEDチップの下面側のn電極3を接着剤4により電気的に接続し、更にLEDチップ1の上面側のp電極層2と実装基板のp電極層6とをボンディングワイヤ8により電気的に接続された構造から成る。ここで、接着剤には、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂を、Ag等の微粒子と混ぜ合わせることにより形成され、高熱伝導性を有したAgペースト等が用いられる。
【0005】
一方、上面側にp電極2とn電極3の両方を備えたLEDチップ1を用いて形成したLED光源モジュールの断面図を図2に示す。表面にp電極層6とn電極層7が形成されたシリコンや窒化アルミ、ガラスエポキシなどから成る実装基板9上に、LEDチップ1の下面側を接着剤4により接続する。この時、LEDチップの下面側は電気的に接続する必要がないため、実装基板9上に電極層を介さず、接着剤により接合される。LEDチップ1の上面側に形成されたp電極層2とn電極層3を、それぞれ、電気的に対応する実装基板9のp電極層6とn電極層7とをボンディングワイヤ8により電気的に接続された構造から成る。
【0006】
通常、上記のようなLED光源モジュールでは、LEDチップ1と実装基板9を接合している接着剤4の部分の熱抵抗が最も高い。そのため、LED光源モジュールの低熱抵抗化のためには、接着剤層4の熱抵抗を低減させることが最も効果的であり、そのためには、接着剤4の厚さ制御が重要となる。例えば従来技術では、実装基板9上のLEDチップ搭載部に複数の凸部を均一に形成し、LEDチップを平行に保つことにより、接着剤4の厚さばらつきを抑制している。(例えば特許文献1)
【0007】
【特許文献1】特開2005−183899
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
LEDチップへの投入電力増加に伴う発熱量増大に対して、従来のLED光源モジュール構造では熱抵抗が高いため、LEDチップからの熱を効率よく放熱させることが困難になってきた。そのため、LEDチップの温度上昇を抑制できなくなってきており、LEDチップから発光する光の放射強度を低減させ、LED光源モジュールの寿命や発光効率が低下する等の問題点を有していた。そのため、LEDチップからの発熱を効率よく放熱させるため、LED光源モジュールの更なる低熱抵抗化が求められている。よって、LED光源モジュールの実装構造の中で熱抵抗が高い部分の一つである、接着剤層の熱抵抗を低減させることが課題となる。接着剤層の熱抵抗が高いのは、基板や電極層などに使用されている他の金属部材と比べて接着剤の熱伝導率が低く、更に、Ag等の金属粒子が使用されているため、接合界面における接触熱抵抗が高いためである。そこで、接着剤層の熱抵抗を低減するために、その厚さをなるべく薄くする方法が有効である。
【0009】
通常、LEDチップの搭載方法としては、実装基板のLEDチップを搭載する面上に接着剤をディスペンサ等により塗布した後、LEDチップに荷重を加えることで接合される。そのため、接着剤の厚さはLEDチップに加えられる荷重に依存するが、荷重を加えすぎるとLEDチップが破損してしまうため、接着剤を薄くするためには限界があった。
【0010】
そこで本発明は、LEDチップを実装基板上に接続するために用いる接着剤層の熱抵抗を低減させ、LEDチップからの発熱を効果的に外部へ放熱させることが可能なLED光源モジュール構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は上記課題を解決するために、図3に示したように、電極用パッドを備えた実装基板9と、前記実装基板9上に搭載されたLEDチップ1とを備えるLED光源モジュールにおいて、実装基板9のLEDチップを搭載する面上には、実装基板9に接合するLEDチップ1の接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部5が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部5の面積の割合が、LEDチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴とする。
【0012】
上記に示した複数の凸部5の上に、接着剤4をディスペンサ等により塗布した後、LEDチップ1に荷重を加えて接合することにより、LEDチップのn電極層3から実装基板のn電極層7までの接着剤4の厚さは、凸部5が無い従来の構造における厚さと同程度にすることができる。これは、凸部5が無い従来の構造の場合、LEDチップ1のn電極層3の全面にわたって荷重が加えられるのに対して、本発明の構造の場合、凸部5の上面の面積に荷重が集中的に加わるため、面積あたりの荷重が高くなるためである。そのため、LEDチップ下面から実装基板の電極層上面までの接着剤の厚みは、凸部が形成されている場合でも、凸部が無い場合と同程度の厚みにすることができる。このため、凸部の熱伝導率が接着剤よりも高い金属で形成された場合、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。
【0013】
また、接着剤がディスペンサで塗布される場合、塗布された接着剤は中央が盛り上がった山形の形状となる。そのため、LEDチップに荷重を加えることにより押しつぶされた接着剤は、凸部間の溝を通って、LEDチップを搭載する面の中央から外周部に向かって濡れ広がる。その際、凸部がLEDチップを搭載する面上に同じピッチで均等配置されていると、LEDチップを搭載する面の全面に接着剤を濡れ広げることが困難となる。そこで、LEDチップ搭載面の中心から外周部にかけて、LEDチップ搭載面の単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合を小さくすることにより、接着剤が各凸部間の溝を通って外周部へ押し出される際、接着剤をLEDチップ搭載部全面に渡って均一に濡れ広げることが可能となる。
【発明の効果】
【0014】
本発明により構成されたLED光源モジュールによれば、実装構造部の熱抵抗を低減することが可能となり、LEDチップにおいて発生した熱を効率良く放散させることができる。従って、高い光出力を得ることが可能なLED光源モジュールを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明のLED光源モジュールの詳細について説明する。
本発明では、実装基板の材料として、熱伝導率が高く、微細配線形成が可能であり、更に大量生産による低コスト化が可能なシリコンあるいは窒化アルミを用いるのが好ましい。なお、実装基板の材質をシリコンとした場合、その上面に酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁層を介して電極パターンが形成される。LEDチップは、実装基板上に放熱性に優れた接着剤を用いて接合される。接着剤は、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂を、Ag等の微粒子と混ぜ合わせることにより形成されたAgペースト等を用いるのが好ましい。ここで、LEDチップは、素子の一方の面にn電極層を有し、反対側の面にはp電極層が形成されているタイプと、LEDチップの同じ面に両方の電極層が形成されているタイプとを用いる。
【0016】
一方、大面積基板を必要とする機器へLED光源モジュールを適用する場合、上記LEDチップを搭載した実装基板を大面積基板上へ複数個配置することで構成される。例えば、LED光源モジュールを液晶用バックライトとして用いる場合、液晶ディスプレイの短部の長さに合わせるために、LEDチップを搭載した実装基板を長尺状に直列配置させる必要がある。そこで、機械的強度及び熱伝導率の高い、金属をベース基板とした長尺状の金属配線基板を用いて、これらの上に複数個の実装基板を直列配置させる。以下に、本発明の実施形態について添付図面に従って説明する。
【実施例1】
【0017】
本発明のLED光源モジュールの断面構造を図3に示す。LEDチップ1は、一方の面にn電極層、反対側の面にはp電極層が形成されている。該LED光源モジュールは、LEDチップ1の下面に形成されたn電極層3と実装基板9のn電極層7を接着剤4により接合し、LEDチップ1の上面に形成されたp電極層2と実装基板の上面に形成されたp電極層6が、ボンディングワイヤ8により電気的に接続された構造から成る。ここで、実装基板9におけるn電極層7のLEDチップを搭載する面上には、実装基板9に接合するLEDチップ1の接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部5が複数形成されている。
なお、下面側にp電極層、上面側にn電極層を有しているLEDチップの場合も、それぞれの極に対応する実装基板上の電極層へ電気的に接続することで、同様のLED光源モジュールを形成できることは言うまでもない。
【0018】
実装基板9上のn電極層6、p電極層7及び凸部5は、電解めっきあるいは無電解めっきにより形成された銅、ニッケル、チタン、金等の何れかの金属膜から成り、本実施例1ではフォトリソグフィ技術を用いてパターニングされている。なお、金属膜は電解めっきの代わりに蒸着法を用いて形成させることもできる。
【0019】
次に、n電極層6上に形成された凸部5の配置パターンについて、図4の(a)、(b)、(c)、(d)を用いて説明する。なお、これらの図は、図3のA−A'部分の平面図を示している。
【0020】
実装基板9上へのLEDチップ1の搭載は、接着剤4をn電極層7のLEDチップを搭載する面上にディスペンサ等で塗布したあと、LEDチップ1に荷重を加えて接合される。この際、塗布された接着剤4は、中央部分が盛り上がった山形の形状となる。
【0021】
接着剤4の熱抵抗を低減するためには、LEDチップ1の全面にわたって接着剤4を濡れ広げることが重要である。通常、濡れ率を上げるためには、接着剤をその接合面上に数箇所に渡って塗布される。しかしながら、LEDチップの場合はチップサイズが1mm角程度と非常に小さいため、接着剤はLEDチップを搭載する面の中央部分に一箇所しか塗布することができない。
【0022】
そこで、LEDチップを接合する面の全体に渡って接着剤4を濡れ広げるため、本実施例1における凸部5は、LEDチップを搭載する面の単位面積あたりに占める凸部5の面積の割合が、LEDチップの接合面の中心から外周部へかけて小さくなるように形成されている。これにより、LEDチップ1に荷重を加えた際、接着剤4は凸部間の溝を通って外周部へ濡れ広がり、接着剤の濡れ率を高くすることが可能となる。
【0023】
図4の(a)〜(c)は、これを実現するための凸部5の配置パターンを示している。図4の(a)は、面積が等しい複数の凸部5を、LEDチップを搭載する面の外周部分に比べ、中央部分が密となるように配置されている。また、図4の(b)は、LEDチップ中央部分に配置された凸部5の面積が、外周部に配置された凸部5の面積よりも大きい場合の配置パターンである。ここで、実装基板9のn電極層7上に形成された凸部5の形状は、円柱状には限定されず、四角柱などであっても良い。図4の(c)は、凸部5を長方形の形状とし、LEDチップを搭載する面の中央部分を中心とした放射線状に配置されたパターンである。
【0024】
図4(a)〜(c)に示した配置パターンとすることにより、LEDチップを搭載する面の単位面積あたりに占める凸部の面積の割合が、LEDチップを搭載する面の中心から外周部へかけて小さくなるため、LEDチップ1を搭載した際、LEDチップを搭載する面における接着剤の濡れ率を高めることができる。
【0025】
一方、接着剤を実装基板のLEDチップを搭載する面上にスクリーン印刷を用いて塗布する場合、ディスペンサで塗布する場合に比べて、接着剤の形状は山形とはならずに比較的平坦に塗布することができる。この場合、図4(d)に示したように、凸部をストライプ状とすることが効果的となる。LEDチップに荷重を加えた際、接着剤はストライプ間の溝の部分に押し出されて濡れ広がるため、接着剤の厚みを薄くすることが可能となる。同様に、図5及び図6に示したように、実装基板9のn電極層7自体を、ストライプ状とすることによっても同じ効果が得られる。図6は、図5のB−B'の平面図である。ここで、n電極層7をストライプ状とする場合、図6に示したように、各ストライプ状の一方の端部は電気的に接続するために互いに連結させ、一方の端部は接着剤を均一な厚さにするために開放された構造から成る。このような構造とすることにより、凸部5を形成するための加工工程を必要としないことから、低コストなLED光源モジュールを得ることができる。
【0026】
以上に示したように、実装基板9のLEDチップを搭載する面上に複数の凸部5を形成し、該凸部5の上に接着剤4を塗布し、荷重を加えてLEDチップ1を接合することにより、LEDチップと実装基板の間に介在する接着剤4の厚さは、凸部5が無い従来の構造における厚さと同様にすることが可能となる。これは、凸部5の有無に係わらずLEDチップ1に同じ荷重を加えた場合、凸部5が無い従来の構造ではLEDチップ1の全面に渡って荷重が加わるのに対して、本発明の構造の場合、凸部5の上部の面積に荷重が集中的に加わるため、面積あたりの荷重が高くなり、凸部5の上部からLEDチップ1の下面までの接着剤4の厚みを更に薄くできるためである。そのため、LEDチップ下面から電極層上面までの接着剤層の厚みは凸部が形成されている場合でも、薄くすることが可能となる。これにより、接着剤と凸部から成る接合層は、凸部5の熱伝導率が接着剤よりも高い金属で形成された場合、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。
【0027】
更に、LEDチップを搭載する面の単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合を、LEDチップを搭載する面の中心から外周部にかけて小さくなるよう形成させることにより、接着剤4の濡れ率を高めることができるため、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。
【実施例2】
【0028】
上面側のみにp電極とn電極が形成されたタイプのLEDチップを用いて形成した場合の実施例2について、図7及び図8を用いて説明する。図8は、それぞれ 図7のC-C'の平面図の例である。該LEDチップ1では、図7に示したように、p電極層2とn電極層3とがLEDチップ1の上面側に形成されていることから、LEDチップ下面側の電気的な接続が不要となり、実施例1のような実装基板9上の電極層を介してLEDチップを搭載する必要がない。つまり、実施例1の図4(a)、(b)、(c)、(d)で示した凸部5の配置パターンを、実装基板9のn電極層7を用いて形成することができる(図8)。この場合、実装基板9上にLEDチップとの電気的に接続するためのp電極層6及びn電極層7をめっきプロセスで形成する際、該凸部5も同時に形成することが可能であるため、加工工程の簡略化及び低コスト化を実現できる。
【実施例3】
【0029】
本実施例3では、LED光源モジュールを液晶ディスプレイ用のバックライト光源として用いる場合について説明する。
【0030】
LED光源モジュールを液晶ディスプレイ用のバックライト光源として用いるためには、LEDチップを搭載した実装基板を、液晶ディスプレイの端部に沿って直列状に配列させる必要がある。そのため、直列配置されたLEDチップを電気配線するため、液晶ディスプレイ端部の形状に合った長尺形状の配線基板上にLEDチップを搭載した実装基板を配列させるのが望ましい。図9に、長尺の金属配線基板10の長手方向にLEDチップ1を搭載した実装基板9を複数個配列された断面概略構造を、図10にその断面詳細図を示す。ここで、長尺形状の金属配線基板10には熱伝導率が高く、機械的強度に優れた銅やアルミ等の金属を用いるのが好ましい。
【0031】
金属配線基板10は、アルミあるいは銅から成るベース基板と、その上面に形成した絶縁層11とp側電極12、n側電極13から構成される。ここで、金属配線基板上の実装基板9を搭載する部分の絶縁層11を除去した凹部とし、ベース基板と実装基板9を熱抵抗の高い絶縁層11を介さずに直接搭載することによって、熱抵抗を低減させることができる。なお、実装基板9と金属配線基板10の接合は、放熱性の高い接着剤4を用いて行われる。次に、金属配線基板10のp側電極12とn側電極13を、実装基板9の電気的に対応する電極層と、ボンディングワイヤ8により電気的に接続することによって、液晶バックライト用のLED光源モジュールが製造される。
【0032】
本実施例3の場合、LEDチップを搭載した実装基板9を金属配線基板10上に接着剤4により接合するため、接着剤4の厚みを薄くすることにより、熱抵抗を低減することが可能となる。
【0033】
そこで、図11に示したように、実装基板9のLEDチップを搭載する面とは反対の面、すなわち金属配線基板10との接合面を、ストライプ状に加工することにより、実施例1で示した効果と同様に、実装基板9と金属配線基板10を接合している接着剤の厚みを薄くすることができる。特に、実装基板9にシリコンを用いた場合、溝の加工方法は異方性エッチングを用いることにより、大量生産ができるため低コストで形成することができる。以下、その詳細な加工方法について説明する。
【0034】
シリコン単結晶基板には(100)基板を使用し、その両面に酸化シリコン膜を熱酸化等により形成する。ここで、化学気相成長法で作製した窒化シリコン等を用いることもできる。次に、フォトリソグラフィ技術で、シリコン基板上にレジストを塗布、露光した後、パターンを形成し、エッチングにより酸化シリコン膜のパターニングを行う。このパターンは、適当な幅のストライプ状に形成されている。その後、不要なレジストを除去した後、酸化シリコン膜をマスクとし、KOHのようなアルカリ溶液である異方性エッチング液を用いて、シリコン単結晶基板のエッチングを行う。このとき、シリコン基板は結晶方位面とマスクパターンの方位を(110)面に合わせてエッチングを行うことにより、(100)面で速く進み、(111)面で遅く進む。そのため、エッチングが進行するにつれて開口部が狭くなり、図12に示したようなV溝形状になるまでエッチングが進行する。また、途中でエッチングを止めることで、図13及び図14に示したような台形状の溝を形成することもできる。エッチング終了後、酸化シリコン製のマスクはフッ酸を用いて除去する。
【0035】
実装基板9の材質にシリコンを用いた場合、上記で示したように、異方性エッチングを用いた基板加工方法が適用できるため、大量生産が可能になり、低コストで形成することができる。このようなストライプ形状を備えたシリコン製の実装基板9を金属配線基板上に接着剤により接合することで、実施例1及び2で示した効果と同様に,接着剤層の厚みを薄く形成できるため、熱抵抗の低減が可能となる。よって、放熱性に優れたLED光源モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】従来のLED光源モジュールの断面図
【図2】従来のLED光源モジュールの断面図
【図3】本実施例1のLED光源モジュールの断面図
【図4】それぞれ 図3のA-A'の平面図の例
【図5】本実施例1のLED光源モジュールの断面図
【図6】図5のB−B'の平面図
【図7】本実施例2のLEDチップ光源モジュールの断面図
【図8】それぞれ 図7のC-C'の平面図の例
【図9】複数の実装基板を金属配線基板上に直列配置したLED光源モジュールの断面図
【図10】本実施例3のLED光源モジュールの断面図
【図11】本実施例3のLED光源モジュールの断面図
【図12】図11のシリコン実装基板の斜視図
【図13】本実施例3のLED光源モジュールの断面図
【図14】図13のシリコン実装基板の斜視図
【符号の説明】
【0037】
1 LEDチップ
2 LEDチップのp電極層
3 LEDチップのn電極層
4 接着剤
5 凸部
6 実装基板のp側電極
7 実装基板のn側電極
8 ボンディングワイヤ
9 実装基板
10 金属配線基板
11 金属配線基板の絶縁層
12 金属配線基板のp側電極
13 金属配線基板のn側電極
【技術分野】
【0001】
本発明は、発光ダイオード(LED)を用いたLED光源モジュールに関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、1W以上の大電力を投入することが可能な高輝度タイプのLEDチップが開発され、テレビやパソコン等に用いられる大型液晶ディスプレイ用のバックライトや照明灯、自動車のヘッドランプ等、高輝度な光源を必要とする機器への適用に向け開発が行われている。
【0003】
高い輝度が必要とされる機器にLED光源モジュールを適用するためには、LEDチップのさらなる高出力化が求められている。そのため、LEDチップへの投入電力が増加する傾向にあり、それに伴うLEDチップからの発熱量も増大している。発熱によりLEDチップの温度が上昇すると、寿命や発光効率などの諸特性に悪影響を与えることから、LEDチップの発光能力を十分に引き出しつつ、その信頼性を確保するためには、発生した熱を外部に効率良く放熱させることが重要となる。
【0004】
従来のLED光源モジュールの一例を、図1及び図2を用いて説明する。上面側にp電極2、下面側にn電極3を備えたLEDチップ1を用いて形成されたLED光源モジュールの断面図を図1に示す。表面にp電極層6とn電極層7が形成されたシリコンや窒化アルミ、ガラスエポキシなどから成る実装基板9上に、実装基板9のn電極層7とLEDチップの下面側のn電極3を接着剤4により電気的に接続し、更にLEDチップ1の上面側のp電極層2と実装基板のp電極層6とをボンディングワイヤ8により電気的に接続された構造から成る。ここで、接着剤には、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂を、Ag等の微粒子と混ぜ合わせることにより形成され、高熱伝導性を有したAgペースト等が用いられる。
【0005】
一方、上面側にp電極2とn電極3の両方を備えたLEDチップ1を用いて形成したLED光源モジュールの断面図を図2に示す。表面にp電極層6とn電極層7が形成されたシリコンや窒化アルミ、ガラスエポキシなどから成る実装基板9上に、LEDチップ1の下面側を接着剤4により接続する。この時、LEDチップの下面側は電気的に接続する必要がないため、実装基板9上に電極層を介さず、接着剤により接合される。LEDチップ1の上面側に形成されたp電極層2とn電極層3を、それぞれ、電気的に対応する実装基板9のp電極層6とn電極層7とをボンディングワイヤ8により電気的に接続された構造から成る。
【0006】
通常、上記のようなLED光源モジュールでは、LEDチップ1と実装基板9を接合している接着剤4の部分の熱抵抗が最も高い。そのため、LED光源モジュールの低熱抵抗化のためには、接着剤層4の熱抵抗を低減させることが最も効果的であり、そのためには、接着剤4の厚さ制御が重要となる。例えば従来技術では、実装基板9上のLEDチップ搭載部に複数の凸部を均一に形成し、LEDチップを平行に保つことにより、接着剤4の厚さばらつきを抑制している。(例えば特許文献1)
【0007】
【特許文献1】特開2005−183899
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
LEDチップへの投入電力増加に伴う発熱量増大に対して、従来のLED光源モジュール構造では熱抵抗が高いため、LEDチップからの熱を効率よく放熱させることが困難になってきた。そのため、LEDチップの温度上昇を抑制できなくなってきており、LEDチップから発光する光の放射強度を低減させ、LED光源モジュールの寿命や発光効率が低下する等の問題点を有していた。そのため、LEDチップからの発熱を効率よく放熱させるため、LED光源モジュールの更なる低熱抵抗化が求められている。よって、LED光源モジュールの実装構造の中で熱抵抗が高い部分の一つである、接着剤層の熱抵抗を低減させることが課題となる。接着剤層の熱抵抗が高いのは、基板や電極層などに使用されている他の金属部材と比べて接着剤の熱伝導率が低く、更に、Ag等の金属粒子が使用されているため、接合界面における接触熱抵抗が高いためである。そこで、接着剤層の熱抵抗を低減するために、その厚さをなるべく薄くする方法が有効である。
【0009】
通常、LEDチップの搭載方法としては、実装基板のLEDチップを搭載する面上に接着剤をディスペンサ等により塗布した後、LEDチップに荷重を加えることで接合される。そのため、接着剤の厚さはLEDチップに加えられる荷重に依存するが、荷重を加えすぎるとLEDチップが破損してしまうため、接着剤を薄くするためには限界があった。
【0010】
そこで本発明は、LEDチップを実装基板上に接続するために用いる接着剤層の熱抵抗を低減させ、LEDチップからの発熱を効果的に外部へ放熱させることが可能なLED光源モジュール構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は上記課題を解決するために、図3に示したように、電極用パッドを備えた実装基板9と、前記実装基板9上に搭載されたLEDチップ1とを備えるLED光源モジュールにおいて、実装基板9のLEDチップを搭載する面上には、実装基板9に接合するLEDチップ1の接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部5が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部5の面積の割合が、LEDチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴とする。
【0012】
上記に示した複数の凸部5の上に、接着剤4をディスペンサ等により塗布した後、LEDチップ1に荷重を加えて接合することにより、LEDチップのn電極層3から実装基板のn電極層7までの接着剤4の厚さは、凸部5が無い従来の構造における厚さと同程度にすることができる。これは、凸部5が無い従来の構造の場合、LEDチップ1のn電極層3の全面にわたって荷重が加えられるのに対して、本発明の構造の場合、凸部5の上面の面積に荷重が集中的に加わるため、面積あたりの荷重が高くなるためである。そのため、LEDチップ下面から実装基板の電極層上面までの接着剤の厚みは、凸部が形成されている場合でも、凸部が無い場合と同程度の厚みにすることができる。このため、凸部の熱伝導率が接着剤よりも高い金属で形成された場合、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。
【0013】
また、接着剤がディスペンサで塗布される場合、塗布された接着剤は中央が盛り上がった山形の形状となる。そのため、LEDチップに荷重を加えることにより押しつぶされた接着剤は、凸部間の溝を通って、LEDチップを搭載する面の中央から外周部に向かって濡れ広がる。その際、凸部がLEDチップを搭載する面上に同じピッチで均等配置されていると、LEDチップを搭載する面の全面に接着剤を濡れ広げることが困難となる。そこで、LEDチップ搭載面の中心から外周部にかけて、LEDチップ搭載面の単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合を小さくすることにより、接着剤が各凸部間の溝を通って外周部へ押し出される際、接着剤をLEDチップ搭載部全面に渡って均一に濡れ広げることが可能となる。
【発明の効果】
【0014】
本発明により構成されたLED光源モジュールによれば、実装構造部の熱抵抗を低減することが可能となり、LEDチップにおいて発生した熱を効率良く放散させることができる。従って、高い光出力を得ることが可能なLED光源モジュールを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明のLED光源モジュールの詳細について説明する。
本発明では、実装基板の材料として、熱伝導率が高く、微細配線形成が可能であり、更に大量生産による低コスト化が可能なシリコンあるいは窒化アルミを用いるのが好ましい。なお、実装基板の材質をシリコンとした場合、その上面に酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁層を介して電極パターンが形成される。LEDチップは、実装基板上に放熱性に優れた接着剤を用いて接合される。接着剤は、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン系樹脂を、Ag等の微粒子と混ぜ合わせることにより形成されたAgペースト等を用いるのが好ましい。ここで、LEDチップは、素子の一方の面にn電極層を有し、反対側の面にはp電極層が形成されているタイプと、LEDチップの同じ面に両方の電極層が形成されているタイプとを用いる。
【0016】
一方、大面積基板を必要とする機器へLED光源モジュールを適用する場合、上記LEDチップを搭載した実装基板を大面積基板上へ複数個配置することで構成される。例えば、LED光源モジュールを液晶用バックライトとして用いる場合、液晶ディスプレイの短部の長さに合わせるために、LEDチップを搭載した実装基板を長尺状に直列配置させる必要がある。そこで、機械的強度及び熱伝導率の高い、金属をベース基板とした長尺状の金属配線基板を用いて、これらの上に複数個の実装基板を直列配置させる。以下に、本発明の実施形態について添付図面に従って説明する。
【実施例1】
【0017】
本発明のLED光源モジュールの断面構造を図3に示す。LEDチップ1は、一方の面にn電極層、反対側の面にはp電極層が形成されている。該LED光源モジュールは、LEDチップ1の下面に形成されたn電極層3と実装基板9のn電極層7を接着剤4により接合し、LEDチップ1の上面に形成されたp電極層2と実装基板の上面に形成されたp電極層6が、ボンディングワイヤ8により電気的に接続された構造から成る。ここで、実装基板9におけるn電極層7のLEDチップを搭載する面上には、実装基板9に接合するLEDチップ1の接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部5が複数形成されている。
なお、下面側にp電極層、上面側にn電極層を有しているLEDチップの場合も、それぞれの極に対応する実装基板上の電極層へ電気的に接続することで、同様のLED光源モジュールを形成できることは言うまでもない。
【0018】
実装基板9上のn電極層6、p電極層7及び凸部5は、電解めっきあるいは無電解めっきにより形成された銅、ニッケル、チタン、金等の何れかの金属膜から成り、本実施例1ではフォトリソグフィ技術を用いてパターニングされている。なお、金属膜は電解めっきの代わりに蒸着法を用いて形成させることもできる。
【0019】
次に、n電極層6上に形成された凸部5の配置パターンについて、図4の(a)、(b)、(c)、(d)を用いて説明する。なお、これらの図は、図3のA−A'部分の平面図を示している。
【0020】
実装基板9上へのLEDチップ1の搭載は、接着剤4をn電極層7のLEDチップを搭載する面上にディスペンサ等で塗布したあと、LEDチップ1に荷重を加えて接合される。この際、塗布された接着剤4は、中央部分が盛り上がった山形の形状となる。
【0021】
接着剤4の熱抵抗を低減するためには、LEDチップ1の全面にわたって接着剤4を濡れ広げることが重要である。通常、濡れ率を上げるためには、接着剤をその接合面上に数箇所に渡って塗布される。しかしながら、LEDチップの場合はチップサイズが1mm角程度と非常に小さいため、接着剤はLEDチップを搭載する面の中央部分に一箇所しか塗布することができない。
【0022】
そこで、LEDチップを接合する面の全体に渡って接着剤4を濡れ広げるため、本実施例1における凸部5は、LEDチップを搭載する面の単位面積あたりに占める凸部5の面積の割合が、LEDチップの接合面の中心から外周部へかけて小さくなるように形成されている。これにより、LEDチップ1に荷重を加えた際、接着剤4は凸部間の溝を通って外周部へ濡れ広がり、接着剤の濡れ率を高くすることが可能となる。
【0023】
図4の(a)〜(c)は、これを実現するための凸部5の配置パターンを示している。図4の(a)は、面積が等しい複数の凸部5を、LEDチップを搭載する面の外周部分に比べ、中央部分が密となるように配置されている。また、図4の(b)は、LEDチップ中央部分に配置された凸部5の面積が、外周部に配置された凸部5の面積よりも大きい場合の配置パターンである。ここで、実装基板9のn電極層7上に形成された凸部5の形状は、円柱状には限定されず、四角柱などであっても良い。図4の(c)は、凸部5を長方形の形状とし、LEDチップを搭載する面の中央部分を中心とした放射線状に配置されたパターンである。
【0024】
図4(a)〜(c)に示した配置パターンとすることにより、LEDチップを搭載する面の単位面積あたりに占める凸部の面積の割合が、LEDチップを搭載する面の中心から外周部へかけて小さくなるため、LEDチップ1を搭載した際、LEDチップを搭載する面における接着剤の濡れ率を高めることができる。
【0025】
一方、接着剤を実装基板のLEDチップを搭載する面上にスクリーン印刷を用いて塗布する場合、ディスペンサで塗布する場合に比べて、接着剤の形状は山形とはならずに比較的平坦に塗布することができる。この場合、図4(d)に示したように、凸部をストライプ状とすることが効果的となる。LEDチップに荷重を加えた際、接着剤はストライプ間の溝の部分に押し出されて濡れ広がるため、接着剤の厚みを薄くすることが可能となる。同様に、図5及び図6に示したように、実装基板9のn電極層7自体を、ストライプ状とすることによっても同じ効果が得られる。図6は、図5のB−B'の平面図である。ここで、n電極層7をストライプ状とする場合、図6に示したように、各ストライプ状の一方の端部は電気的に接続するために互いに連結させ、一方の端部は接着剤を均一な厚さにするために開放された構造から成る。このような構造とすることにより、凸部5を形成するための加工工程を必要としないことから、低コストなLED光源モジュールを得ることができる。
【0026】
以上に示したように、実装基板9のLEDチップを搭載する面上に複数の凸部5を形成し、該凸部5の上に接着剤4を塗布し、荷重を加えてLEDチップ1を接合することにより、LEDチップと実装基板の間に介在する接着剤4の厚さは、凸部5が無い従来の構造における厚さと同様にすることが可能となる。これは、凸部5の有無に係わらずLEDチップ1に同じ荷重を加えた場合、凸部5が無い従来の構造ではLEDチップ1の全面に渡って荷重が加わるのに対して、本発明の構造の場合、凸部5の上部の面積に荷重が集中的に加わるため、面積あたりの荷重が高くなり、凸部5の上部からLEDチップ1の下面までの接着剤4の厚みを更に薄くできるためである。そのため、LEDチップ下面から電極層上面までの接着剤層の厚みは凸部が形成されている場合でも、薄くすることが可能となる。これにより、接着剤と凸部から成る接合層は、凸部5の熱伝導率が接着剤よりも高い金属で形成された場合、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。
【0027】
更に、LEDチップを搭載する面の単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合を、LEDチップを搭載する面の中心から外周部にかけて小さくなるよう形成させることにより、接着剤4の濡れ率を高めることができるため、接着剤層の熱抵抗を低減することができる。
【実施例2】
【0028】
上面側のみにp電極とn電極が形成されたタイプのLEDチップを用いて形成した場合の実施例2について、図7及び図8を用いて説明する。図8は、それぞれ 図7のC-C'の平面図の例である。該LEDチップ1では、図7に示したように、p電極層2とn電極層3とがLEDチップ1の上面側に形成されていることから、LEDチップ下面側の電気的な接続が不要となり、実施例1のような実装基板9上の電極層を介してLEDチップを搭載する必要がない。つまり、実施例1の図4(a)、(b)、(c)、(d)で示した凸部5の配置パターンを、実装基板9のn電極層7を用いて形成することができる(図8)。この場合、実装基板9上にLEDチップとの電気的に接続するためのp電極層6及びn電極層7をめっきプロセスで形成する際、該凸部5も同時に形成することが可能であるため、加工工程の簡略化及び低コスト化を実現できる。
【実施例3】
【0029】
本実施例3では、LED光源モジュールを液晶ディスプレイ用のバックライト光源として用いる場合について説明する。
【0030】
LED光源モジュールを液晶ディスプレイ用のバックライト光源として用いるためには、LEDチップを搭載した実装基板を、液晶ディスプレイの端部に沿って直列状に配列させる必要がある。そのため、直列配置されたLEDチップを電気配線するため、液晶ディスプレイ端部の形状に合った長尺形状の配線基板上にLEDチップを搭載した実装基板を配列させるのが望ましい。図9に、長尺の金属配線基板10の長手方向にLEDチップ1を搭載した実装基板9を複数個配列された断面概略構造を、図10にその断面詳細図を示す。ここで、長尺形状の金属配線基板10には熱伝導率が高く、機械的強度に優れた銅やアルミ等の金属を用いるのが好ましい。
【0031】
金属配線基板10は、アルミあるいは銅から成るベース基板と、その上面に形成した絶縁層11とp側電極12、n側電極13から構成される。ここで、金属配線基板上の実装基板9を搭載する部分の絶縁層11を除去した凹部とし、ベース基板と実装基板9を熱抵抗の高い絶縁層11を介さずに直接搭載することによって、熱抵抗を低減させることができる。なお、実装基板9と金属配線基板10の接合は、放熱性の高い接着剤4を用いて行われる。次に、金属配線基板10のp側電極12とn側電極13を、実装基板9の電気的に対応する電極層と、ボンディングワイヤ8により電気的に接続することによって、液晶バックライト用のLED光源モジュールが製造される。
【0032】
本実施例3の場合、LEDチップを搭載した実装基板9を金属配線基板10上に接着剤4により接合するため、接着剤4の厚みを薄くすることにより、熱抵抗を低減することが可能となる。
【0033】
そこで、図11に示したように、実装基板9のLEDチップを搭載する面とは反対の面、すなわち金属配線基板10との接合面を、ストライプ状に加工することにより、実施例1で示した効果と同様に、実装基板9と金属配線基板10を接合している接着剤の厚みを薄くすることができる。特に、実装基板9にシリコンを用いた場合、溝の加工方法は異方性エッチングを用いることにより、大量生産ができるため低コストで形成することができる。以下、その詳細な加工方法について説明する。
【0034】
シリコン単結晶基板には(100)基板を使用し、その両面に酸化シリコン膜を熱酸化等により形成する。ここで、化学気相成長法で作製した窒化シリコン等を用いることもできる。次に、フォトリソグラフィ技術で、シリコン基板上にレジストを塗布、露光した後、パターンを形成し、エッチングにより酸化シリコン膜のパターニングを行う。このパターンは、適当な幅のストライプ状に形成されている。その後、不要なレジストを除去した後、酸化シリコン膜をマスクとし、KOHのようなアルカリ溶液である異方性エッチング液を用いて、シリコン単結晶基板のエッチングを行う。このとき、シリコン基板は結晶方位面とマスクパターンの方位を(110)面に合わせてエッチングを行うことにより、(100)面で速く進み、(111)面で遅く進む。そのため、エッチングが進行するにつれて開口部が狭くなり、図12に示したようなV溝形状になるまでエッチングが進行する。また、途中でエッチングを止めることで、図13及び図14に示したような台形状の溝を形成することもできる。エッチング終了後、酸化シリコン製のマスクはフッ酸を用いて除去する。
【0035】
実装基板9の材質にシリコンを用いた場合、上記で示したように、異方性エッチングを用いた基板加工方法が適用できるため、大量生産が可能になり、低コストで形成することができる。このようなストライプ形状を備えたシリコン製の実装基板9を金属配線基板上に接着剤により接合することで、実施例1及び2で示した効果と同様に,接着剤層の厚みを薄く形成できるため、熱抵抗の低減が可能となる。よって、放熱性に優れたLED光源モジュールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】従来のLED光源モジュールの断面図
【図2】従来のLED光源モジュールの断面図
【図3】本実施例1のLED光源モジュールの断面図
【図4】それぞれ 図3のA-A'の平面図の例
【図5】本実施例1のLED光源モジュールの断面図
【図6】図5のB−B'の平面図
【図7】本実施例2のLEDチップ光源モジュールの断面図
【図8】それぞれ 図7のC-C'の平面図の例
【図9】複数の実装基板を金属配線基板上に直列配置したLED光源モジュールの断面図
【図10】本実施例3のLED光源モジュールの断面図
【図11】本実施例3のLED光源モジュールの断面図
【図12】図11のシリコン実装基板の斜視図
【図13】本実施例3のLED光源モジュールの断面図
【図14】図13のシリコン実装基板の斜視図
【符号の説明】
【0037】
1 LEDチップ
2 LEDチップのp電極層
3 LEDチップのn電極層
4 接着剤
5 凸部
6 実装基板のp側電極
7 実装基板のn側電極
8 ボンディングワイヤ
9 実装基板
10 金属配線基板
11 金属配線基板の絶縁層
12 金属配線基板のp側電極
13 金属配線基板のn側電極
【特許請求の範囲】
【請求項1】
LEDチップを、電極用パッドを備えた実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記LEDチップを搭載する面上には、上記実装基板に接合する上記LEDチップの接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合が、上記LEDチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項2】
LEDチップを、実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記LEDチップを搭載する面上には、上記実装基板に接合する上記LEDチップの接合面の面積よりも小さいストライプ状の金属製の凸部が形成されたことを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項3】
LEDチップを、実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記LEDチップ搭載部分がストライプ状の凹凸形状であることを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項4】
請求項1から3のいずれかに記載のLED光源モジュールにおいて、金属をベース基板とする金属配線基板上に上記実装基板を複数個搭載したことを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項5】
請求項4に記載のLED光源モジュールにおいて、上記実装基板がシリコンから成り、上記実装基板の上記LEDチップが搭載された面とは反対の面がストライプ状の凹凸形状であるとともに、上記金属配線基板との接着剤を介した接合面であることを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項1】
LEDチップを、電極用パッドを備えた実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記LEDチップを搭載する面上には、上記実装基板に接合する上記LEDチップの接合面の面積よりも小さい面積の金属製の凸部が複数形成され、単位面積あたりに占める該凸部の面積の割合が、上記LEDチップの接合面の中心から外周部にかけて小さくなることを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項2】
LEDチップを、実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記LEDチップを搭載する面上には、上記実装基板に接合する上記LEDチップの接合面の面積よりも小さいストライプ状の金属製の凸部が形成されたことを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項3】
LEDチップを、実装基板上に接着剤を用いて接合したLED光源モジュールにおいて、上記実装基板の上記LEDチップ搭載部分がストライプ状の凹凸形状であることを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項4】
請求項1から3のいずれかに記載のLED光源モジュールにおいて、金属をベース基板とする金属配線基板上に上記実装基板を複数個搭載したことを特徴とするLED光源モジュール。
【請求項5】
請求項4に記載のLED光源モジュールにおいて、上記実装基板がシリコンから成り、上記実装基板の上記LEDチップが搭載された面とは反対の面がストライプ状の凹凸形状であるとともに、上記金属配線基板との接着剤を介した接合面であることを特徴とするLED光源モジュール。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2007−95855(P2007−95855A)
【公開日】平成19年4月12日(2007.4.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−281062(P2005−281062)
【出願日】平成17年9月28日(2005.9.28)
【出願人】(000005474)日立ライティング株式会社 (130)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年4月12日(2007.4.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年9月28日(2005.9.28)
【出願人】(000005474)日立ライティング株式会社 (130)
【Fターム(参考)】
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