JP2006269078A - Ｌｅｄ光源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
ＬＥＤチップからの発熱を、２次冷却系まで効果的に放熱させることができるＬＥＤ光源モジュールを得ること。
【解決手段】
熱抵抗の低い実装構造を実現するため、ＬＥＤチップを搭載したシリコン製サブマウントを金属配線基板のベース金属上に直接配置したＬＥＤ光源モジュール構造において、ＬＥＤチップ、シリコン製サブマウント、金属配線基板を所定の配置とすることにより、ＬＥＤチップからの発熱を金属配線基板側へ有効に拡散させ、高い放熱効果を与えることを特徴としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＥＤチップを複数用いたＬＥＤ光源モジュールの構造に関するものである。

一般に、携帯電話や携帯情報端末機等に用いられる小型液晶ディスプレイのバックライト光源には、低出力タイプのＬＥＤチップが用いられている。一方、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光源には、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ＬＥＤチップの実用化に伴い、これらを用いた大型液晶ディスプレイでの利用が可能な液晶バックライト用ＬＥＤ光源モジュールの開発が行われている。
通常、バックライト光源に用いるＬＥＤ光源モジュールには、長尺の配線基板上に赤、青、緑の３原色のＬＥＤチップを、長手方向へ等間隔に配置した構造からなるＬＥＤ光源が用いられる（例えば、特許文献１）。このようなＬＥＤ光源から得られる白色光を導光板へ導入し、面発光をさせることによって液晶ディスプレイ用のバックライトとして機能させる。また、赤、青、緑のＬＥＤチップを１組としてサブマウント上に配列し、更に、長尺の配線基板の長手方向に平行にこのサブマウントを配置した構造からなるＬＥＤ光源モジュールが用いられることもある（例えば、特許文献２）。

特開平６−１７８０４８ 特開平８−１１６４０１

通常、ＬＥＤバックライトを大型液晶ディスプレイに適用するためには、高い光出力が必要とされる。そのため、ＬＥＤチップへの投入電力が増加し、ＬＥＤチップからの発熱量が多くなる。ＬＥＤチップの信頼性を確保するためには、発生した熱を効果的に放熱させる光源モジュール構造が必要となる。
そこで本発明は、高い光出力を得ると共に、ＬＥＤチップからの発熱を効果的に放熱させることが可能なモジュール構造を提供することを課題とする。

複数のＬＥＤチップをサブマウント上に直列配列させた際の発熱密度は、配列の短辺方向に比べ、長手方向の方がＬＥＤチップが隣合っているために高くなる。そこで、本発明では、ＬＥＤチップからの熱を効果的に放熱させるために、赤、青、緑のＬＥＤチップを一列に搭載したシリコン製サブマウントを、ＬＥＤチップの配列方向が金属配線基板の長手方向に対して直交配列とすることによって、金属配線基板の長手方向へ放熱させることを特徴とする。更に、ＬＥＤチップからの熱を金属配線基板の垂直方向へ効果的に放熱させるために、シリコン製サブマウントを金属配線基板上に形成した凹部に直接搭載したことを特徴とする。

本発明により、ＬＥＤ光源モジュールを効果的に放熱することが可能となり、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。

本発明では、サブマウントの材料として、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を用いる。また、複数のシリコン製サブマウントを配置し、電気的に相互に接続するために用いられる配線基板には、大型液晶ディスプレイの短部の長さに合わせるために長尺化が可能であり、更に、高い放熱効果を有した材料を用いるのが好ましい。そこで本発明では、機械的強度及び熱伝導率の高い、金属を配線基板とした。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。

図１に本発明のＬＥＤ光源モジュール４の断面図を示す。複数のＬＥＤチップ３を実装したシリコン製サブマウント２を、長尺の金属配線基板１の長手方向に複数配置した構造からなる。ここで、各シリコン製サブマウント２上には、赤、青、緑の３原色のＬＥＤチップを実装し、これらを混色することによって白色光が得られるようになっている。図２に、４個のＬＥＤチップ３をシリコン製サブマウント２上に一列に実装したシリコン製サブマウントの平面図を示す。各色のＬＥＤチップ３の個数は、ホワイトバランスを揃えるため、赤を１個、青を１個、緑を２個とし、両側に緑のＬＥＤチップを配置してある。両側に発熱量の最も多い緑のＬＥＤチップを配置することにより、最も効率的な放熱効果が得られる。図３には、従来例を示す。一般に、ＬＥＤチップ３を一列に実装したサブマウントは、色むらを低減させるため、ＬＥＤチップ３の配列方向と金属配線基板１の長手方向が平行になるように配置される。本発明では、図４に示したように、シリコン製サブマウント２上のＬＥＤチップ３の配列方向を、金属配線基板１の長手方向に対して直交するように配置することを特徴としている。図５に、本発明のＬＥＤ光源モジュール４を用いたバックライト光源１６の全体図を示す。ＬＥＤ光源モジュール４は、導光板１４の端部に相対して配置されており、ＬＥＤから放出される光はレンズ１５を通して導光板１４に導かれ、液晶パネルの背面を照射する。ＬＥＤ光源モジュールを、図４のようなバックライト光源へ適用する場合、液晶ディスプレイの厚みを薄くするため、金属配線基板の短辺の長さは短い方が好ましい。

図４に示した本発明の構造では、発熱密度の高いシリコン製サブマウントの長辺が、金属配線基板の長手方向に対して直交に配置しているため、ＬＥＤチップからの熱は金属配線基板の長手方向へ効果的に放熱される。ＬＥＤチップ３から発生した熱は、シリコン製サブマウント上でＬＥＤチップが一列に配置されていることから、その発熱密度は、図２のAMで示したシリコン製サブマウントの短辺よりも、ANで示した長辺の方が高くなる。これは、隣合ったＬＥＤチップからの発熱による影響を受けるためであり、ＬＥＤチップ間の間隙が狭いほど、この影響は高くなる傾向にある。よって、図３に示した従来の配置方法の場合、放熱性を確保するために、シリコン製サブマウントの長辺と金属配線基板１の長手方向の辺との間隙を充分広くすることが必要となる。一方、図４に示した本発明の場合、発熱密度が高くなるシリコン製サブマウントの長辺は、金属配線基板１の長手方向と垂直に配置されているため、シリコン製サブマウントの長辺と金属配線基板１の長手方向の辺との間隔を必要とせず、ＬＥＤチップからの発熱は金属配線基板１の長手方向に効果的に拡散される。

本発明の詳細構造を図６を用いて説明する。
シリコン製サブマウント２は、シリコン基板１０の表面に絶縁層を形成し、この上に配線層１２を形成する。当該配線層１２上にＬＥＤチップ４を、半田、導電性接着剤、超音波の何れかの手法によって接合する。また、シリコン製サブマウント２の表面に形成する絶縁膜は酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、窒化アルミ膜等を用いることができる。当該シリコン製サブマウント２を、長尺の金属配線基板１の長手方向に沿って配置する。金属配線基板１は、アルミから成るベース基板５と、その上面に形成した絶縁層６及び配線層７から構成される。ここで、シリコン製サブマウント２を搭載する金属配線基板１上の領域を絶縁層６を除去した凹部８とすることにより、ベース基板５とシリコン製サブマウント２を熱抵抗の高い絶縁層６を介さずに直接搭載することによって熱抵抗を低下させることができる。なお、シリコン製サブマウント２と金属配線基板１の接続は、放熱性の高い樹脂、例えば銀ペースト９を用いて行われる。次に、金属配線基板１の配線層７と、シリコン製サブマウント２の配線層１２を、ワイヤーボンディング１３によって電気的に結線することによって、ＬＥＤ光源モジュール４が製造される。

次に、形状が正方形のシリコン製サブマウント２上に、ＬＥＤチップ３を格子状に配置した場合の実施例について説明する。図７は本実施例に用いるシリコン製サブマウントの平面図を示す。なお、正方形のシリコン製サブマウント２の一辺の長さはＣとし、ＬＥＤチップの一辺の長さをＡ５とする。シリコン製サブマウント２の形状とＬＥＤチップ３の配置以外のＬＥＤ光源モジュール４の構造は実施例１と同様である。図７に示したように、ＬＥＤチップ３はシリコン製サブマウント２上に格子状に配置される。このような正方形のシリコン製サブマウント２を、金属配線基板１の上に搭載したＬＥＤ光源モジュールの平面図を図８に、断面図を図９に示す。

当該配置の場合、金属配線基板１の短手方向の長さＢ、金属配線基板１の厚みＴ、シリコン製サブマウント２の一辺の長さＣを適切な関係にすることにより、効率的な放熱を実現することができる。

３次元熱伝導解析により、金属配線基板１の短手方向の長さＢ、金属配線基板１の厚みＴ、シリコン製サブマウント２の一辺の長さＣの関係を数値解析した。ここで解析条件として、金属配線基板にはアルミ（熱伝導率は２３７Ｗ／ｍＫ）と、サブマウントにはシリコン（熱伝導率は１４９Ｗ／ｍＫ）と、シリコン製サブマウントの絶縁層にはシリコン酸化膜（熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ）と、配線層には銅（熱伝導率は４０１Ｗ／ｍｋ）と、シリコン製サブマウントと金属配線基板との接続にはＡｇペースト（熱伝導率は４Ｗ／ｍＫ）を用いて解析を行った。

この結果を図１０に示す。図１０は、C・T／Bと金属配線基板１上の点Xでの温度上昇との関係を解析した結果を示す。小型化の観点からはC・T／Bは小さい方が良く、更に、図１０よりC・T／Bが５を超えると点Ｘでの温度が急激に上昇する。従って、C・T／Bの値は５以下が望ましい。このような構造にすることにより、効果的な放熱が可能なＬＥＤ光源モジュールを実現できる。

本発明に係るＬＥＤ光源モジュールの断面図 複数のＬＥＤチップを一列に配置したシリコン製サブマウントの平面図 従来のＬＥＤ光源モジュールの平面図 本発明に係るＬＥＤ光源モジュールの平面図 本実施例１のＬＥＤ光源モジュールを搭載した液晶バックライト光源の全体図 本実施例１のＬＥＤ光源モジュールの詳細な断面図 本実施例２のＬＥＤチップ実装後のシリコン製サブマウントの平面図 本実施例２のシリコン製サブマウントを搭載した金属配線基板の平面図 本実施例２のシリコン製サブマウントを搭載した金属配線基板の断面図 金属配線基板１の短手方向の長さＢ、金属配線基板１の厚みＴ、シリコン製サブマウント２の一辺の長さＣとしたとき、C・T／Bと金属配線基板１上の点Xでの温度上昇との関係を解析した結果を示す図

符号の説明

１ 金属配線基板
２ Ｓｉサブマウント
３ ＬＥＤチップ
４ ＬＥＤ光源光源モジュール
５ ベース基板
６ 絶縁層
７ 配線層
８ 凹部
９ 接着剤
１０ Ｓｉ基板
１１ 絶縁層
１２ 配線層
１３ ワイヤーボンディング
１４ 導光板
１５ レンズ
１６ バックライト光源

Claims (5)

1. 複数のＬＥＤチップを一列に配列したサブマウントを長尺状の基板の上に複数並べてなるＬＥＤ光源モジュールにおいて、
   上記サブマウント上のＬＥＤチップの配列方向が、金属配線基板の長手方向と直交することを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
2. 請求項１のＬＥＤ光源モジュールにおいて、
   上記基板上にその長手方向と直行する方向に複数の凹部を有し、当該凹部内にシリコン製サブマウントを搭載したことを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
3. 請求項１のＬＥＤ光源モジュールにおいて、
   赤を１個、青を１個、緑を２個のＬＥＤチップを一列に実装したシリコン製サブマウントであり、両側に緑のＬＥＤチップを配置したことを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
4. 複数のＬＥＤチップを格子状に配列したシリコン製サブマウントを長尺状の金属基板の上に複数並べてなるＬＥＤ光源モジュールにおいて、
   上記金属基板の短手方向の長さをB、上記金属基板の厚さをT、上記金属基板の短手方向における上記シリコン製サブマウントの長さをC、としたとき
   C・T／Bが５以下であることを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。
5. 請求項４のＬＥＤ光源モジュールにおいて、
   上記基板上にその長手方向と直行する方向に複数の凹部を有し、当該凹部内にシリコン製サブマウントを搭載したことを特徴とするＬＥＤ光源モジュール。

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