专利名称：光源装置以及使用其的背光源、曝光装置以及曝光方法
技术领域：
本发明涉及照明用光源，特别是以LED为光源的光源装置，以及使用其的液晶显示装置等的背光源、曝光装置、曝光方法。
背景技术：
就光源装置中所使用的光源组件而言，在处于基板上的LED与透镜之间需要进行高精度的对准和固定。以往的技术中，就对准而言，采用有如下方法，即通过使用将固定于基板的LED的外形与透镜部的位置对齐导轨进行对齐的方法，将LED的光轴与透镜的光轴对齐之后，使用粘接剂、焊锡从而固定透镜。在此方法中，由于在光轴对齐和透镜的固定上便需要很多的工时(夕々卜)和成本，因此具有招致生产率的降低、成本上涨这样的不良现象。另外，作为简单地进行高精度的对准的方法的一个实例，在“专利文献1”中公开有图12 (剖视图)、图13 (俯视图)所示那样的光学装配件(τ·力X U )结构和方法。光学辅助装配件(寸y 7·力> 7' 'J ) 10含有形成于基板4上的排列为环状的焊锡球群100。环状的焊锡球群100形成有用于接受正型咬合镶嵌构造的负型咬合镶嵌构造。焊锡球群100 被堆积于基板4上的圆形焊锡焊盘101上。就透镜盖102而言，从管芯(die) 103之上安装于基板4。透镜盖102由耐热光学材料等光学材料制作，透镜盖102形成为具有基部104和圆筒外表面105的中空的圆筒形。 在基部104，在其表面侧包含透镜106 (例如准直透镜)和/或在其内侧包含透镜107 (例如会聚透镜)。圆筒外表面105形成有正型咬合镶嵌构造，所述正型咬合镶嵌构造被环状的焊锡球群100所形成的负型咬合镶嵌构造所接纳。通过这些咬合镶嵌构造，将透镜盖102维持于基板4上，使透镜106/107与管芯103对准。透镜盖102与焊锡球群100嵌合，可具有外表面105。根据该专利文献1的光学辅助装配件10结构，由于焊锡焊盘101为由光蚀刻所划定的构造，因此可正确地配置焊锡球100。另外，各个的焊锡球100的几何学的中心配置于焊锡焊盘101的几何学的中心的附近。进一步，将多个焊锡球100用作对准基准的情况下， 通过将焊锡球和焊锡焊盘间的差异平均化，从而可精度良好地对准，并且可将前述透镜盖维持在前述基板上。专利文献1 日本特开2005-321772
发明内容
但是，就上述结构而言，由于透镜盖嵌入于焊锡球群，因此存在有固定于基板的固定强度未必充分这样的课题。在该结构中，作为提高固定强度的方法，虽然有提高嵌合于透镜盖的应力的方法，但是此时存在有由于透镜盖变形因而透镜的特性降低、透镜盖破损等可靠性上的问题。或者产生由于嵌合应力的上升，因而导致焊锡球的球形状的变形、透镜盖的变形，由此无法进行正确的对准的问题。为了解决上述以往问题，本发明提供一种LED发光装置以及使用其的LED光源装置，所述LED发光装置可利用简单的方法来进行发光元件与透镜的光轴对齐。具体的手段如以下。(1) 一种光源装置，其特征在于，其为在基板上配置有发光元件和光学部件的光源装置；前述基板具有第1电极焊盘和第2电极焊盘；前述发光元件具备有具有出光面和第3 电极焊盘的封装框和容纳于前述封装框内部的发光元件芯片；前述光学部件具有透镜部、 台座部以及形成于前述台座部的接合面；前述透镜部覆盖着前述发光元件的出光面；形成于前述基板的前述第1电极焊盘与形成于前述发光元件的前述第3电极焊盘通过焊锡而接合；形成于前述基板的前述第2电极焊盘与形成于前述光学部件的前述台座部的前述接合面通过焊锡而接合。(2)根据⑴所述的光源装置，其特征在于，将由前述焊锡而接合的部分处的前述第1电极焊盘的面积设为SA，将前述第3电极焊盘的面积设为SB时，SA = SB(1 士0. 2)。(3)根据⑴所述的光源装置，其特征在于，将由前述焊锡而接合的部分处的前述第2电极焊盘的面积设为SC，将形成于前述台座前的前述接合面的面积设为SD时，SC = SD(1 士 0. 2)。(4)根据(1) C3)中任一项所述的光源装置，其特征在于，在前述光学部件中，将前述透镜和前述台座部形成为一体。(5)根据⑴ (3)中任一项所述的光源装置，其特征在于，在前述光学部件中，在前述台座部形成有切口部，前述透镜嵌入于前述切口部。(6) 一种曝光装置，其特征在于，其具备有具有多个光源装置的光源部、控制源自前述光源部的光的光路的光学系统、载置工件并可至少单方向移动的工作台；前述多个光源装置中的每个都由(1)所述的光源装置来构成。(7)根据(6)所述的曝光装置，其特征在于，前述光源部的前述多个光源装置通过水冷夹套来冷却。(8) 一种曝光方法，其特征在于，其为使用曝光装置隔着掩模将涂敷有感光剂的工件曝光的曝光方法；前述曝光装置具备有具有多个光源装置的光源部、控制源自前述光源部的光的光路的光学系统、载置工件并可至少单方向移动的工作台；前述多个光源装置中的每个都由(1)所述的光源装置来构成。(9)根据(8)所述的曝光方法，其特征在于，将前述工件曝光的曝光工序的时间设为tl，在前述曝光工序中，将前述多个光源装置的发光时间设为t2时，t2 < tl。(10) 一种背光源，其特征在于，其为在基板上配置有发光元件和光学部件的背光源；前述基板具有第1电极焊盘和第2电极焊盘；前述发光元件具备有具有出光面和第3电极焊盘的封装框和容纳于前述封装框的内部的发光元件芯片；前述光学部件具有导光板、 台座部以及形成于前述台座部的接合面；前述导光板的侧面与前述发光元件的前述出光面对置；从前述导光板的主表面射出光；形成于前述基板的前述第1电极焊盘与形成于前述发光元件的前述第3电极焊盘通过焊锡而接合；形成于前述基板的前述第2电极焊盘与形成于前述光学部件的前述台座部的前述接合面通过焊锡而接合。根据本发明，可容易且精度良好地对齐LED等发光元件的光轴与透镜等光学部件的光轴，可便宜地制作高性能的光源装置。另外，就制造工序而言，由于可使用以往的焊锡回流工序而在基板上一同安装LED 等发光元件及光学部件，因此没有导入新的制造设备的必要。由此可抑制制造成本。进一步，由于可利用回流工序同时将光学部件和LED等发光元件安装于基板，因此便可大幅缩短制造时间。进一步，由于在基板上安装多个LED等发光元件以及光学部件时，可一次性地通过焊锡回流工序来进行光轴对齐，因此可大幅地缩短轴对齐所需要的时间。
图1为表示本发明的LED光源装置的实施例1中的结构例的剖视图。图2为实施例1中的LED2的立体图。图3为实施例1中的光学部件3的剖视图。图4为实施例1中的光学部件3的俯视图。图5为本发明的实施例1的接合部的说明图。图6为表示本发明的LED光源装置的实施例2中的结构例的剖视图。图7为表示实施例2中的结构例的俯视图。图8为表示本发明的LED光源装置的实施例3中的结构例的剖视图。图9为表示本发明的实施例4的曝光机装置的整体图。图10为表示本发明的实施例4的曝光机装置的曝光条件。图11为表示以往的LED背光源组件的结构的剖视图。图12为表示以往的LED光源装置中的其它结构的俯视图。附图标记说明1 LED光源装置，2 LED，3、30光学部件，4基板，10焊锡球，20 LED，21出光面，22 LED元件芯片，23 Au连接线，M封装框，25配线图案，26电极焊盘，27 LED的光轴，31透镜部，32台座部，33接合面，34透镜部的光轴，301透镜部，302台座，30 切口部，310光学部件，311导光板，312台座部，313接合部，411、412基板侧电极焊盘，500光源组件部，501冷却夹套，502发光电源，503集光器，504准直镜，505掩模，506工件，507曝光时间，508未曝光的时间，509曝光工序时间，d位置对齐精度，L焊盘间距。
具体实施例方式以下，使用实施例来详细说明本发明的光源装置、使用该光源装置的背光源装置、 曝光装置以及曝光方法。实施例1图1为表示本发明的LED光源装置的实施例1中的结构例的剖视图。在图1中， 就该LED光源装置1而言，具备有作为发光元件的LED2、光学部件3以及位于LED2的下面的借助于焊锡10而接合的基板4 ；就所述光学部件3而言，由按照覆盖该LED2的出光面21 的上部的方式而配置的具有透镜功能的透镜部31、与具有通过焊锡而连接于上述基板的接合面33的台座部32来构成。图2表示LED2的立体图。就LED2而言，发出250nm 430nm的紫外光的0. 3mm 2mm见方尺寸的LED元件芯片22容纳于封装框内。封装框M由陶瓷或铸型树脂制作，为0.5mm 20mm见方的大小，在内侧有凹部， 并且在其底面上通过焊锡或粘接剂将LED元件芯片22固定。LED元件芯片22通过Au连接线23与设置于封装框M的配线图案25连接。就封装框M的出光面而言，由透明玻璃来覆盖，进行全密封。在封装框对的背面具有通过例如通孔等而电连接于配线图案25的LED侧电极焊盘沈。形成于封装框背面的LED侧电极焊盘沈中的每个的大小，例如在图2中，Xl = 1mm、 yl = 6mm。也存在电极焊盘沈不与配线图案25电连接的情况。这是作为散热器而设置的情况；所谓散热器是出于高效地释放由LED元件芯片22所产生的热的目的而设置的。在图2中，虽然表示了紫外发光的LED的实例，但是对于可见光发光、红外发光的 LED而言，可采用与图2同样的结构。也存在在封装框M的凹部封入有硅树脂、环氧树脂、 丙烯酸树脂等透明树脂的情况。在本实施例中，虽然表示了使用Au连接线23来进行LED元件芯片22与配线图案 25的电连接的例子，但是也存在有LED元件芯片22的电极面朝向于封装框侧的，所谓倒装芯片型的LED元件芯片22的情况。图3表示光学部件3的剖视图，图4表示光学部件3的俯视图。图3为图4的A-A 剖视图。光学部件3由玻璃或硅树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂等透明树脂的透明材料形成。 透明材料是指对于LED元件的发光波长的透过率为50%以上的材料。因此，根据LED元件的发光波长的不同，透明的材料也不同，因而可以使用上述例示的材料来用作光学部件。光学部件3由具有透镜功能的透镜部31、支撑透镜部31的4根台座部32、与基板 4接合的接合部33构成。就光学部件3而言，透镜部31和台座部32通过同时地进行铸型成型来制作。在台座部32的端部具有接合面33，该接合面33通过镀敷、蒸镀、溅射等成膜手段而覆盖了厚度0. 1 μ m以上的可进行焊锡接合的金属(Ni、Ti、Pt、Pd、Au、Ag、Sn、Cu) 等。在本实施例中，虽然例示了台座部32的支柱为4只的情况，但是支柱数不受此限。但是，就支柱而言，优选配置于俯视图中对称性高的位置。就基板4而言，由玻璃环氧树脂、金属(Cu、Al、Fe)、聚酰亚胺等基材的多层来构成；在基板表面除了配线之外，还在配置有LED电极焊盘沈的位置上具有基板电极焊盘 411，进一步在搭载固定光学部件3的接合面33的位置上具有基板电极焊盘412。设置于基板4的基板焊锡焊盘411、412，由于通过光蚀刻技术来制作，因此可以以10 μ m左右的位置精度来制成。图5为用于说明本发明的第1实施例涉及的光元件的位置对齐方法的接合部的说明图，即表示用于高精度地实现光轴对齐的一个结构例的说明图；所述光轴对齐是将构成 LED光源装置的基板和LED的光轴和透镜部的光轴对齐。对于该LED的光轴27与透镜部的光轴34的位置对齐方法而言，其特征在于在基板的各电极焊盘411上，在借助于接合用的焊锡球10而将LED侧的电极焊盘沈接合时，在通过利用熔融的焊锡球10的表面张力来进行基板侧电极焊盘411与LED侧电极焊盘沈的位置对齐的同时，通过自对准安装方法来实施基板侧电极焊盘412与光学部件3的接合面 33的位置对齐。
就基于自对准效果的位置对齐精度而言，如果基板侧电极焊盘411的面积(Si)与 LED侧电极焊盘沈的面积(S2)之比(S1/S2)为1 士0. 2以内，那么可以以10 μ m的精度来进行位置对齐。光学部件的基于自对准效果的位置对齐精度也同样，其与基板侧电极焊盘 412的面积(Si)与光学部件3的接合面33的面积(S2)之比(S1/S2)的关系同上。因此，对于LED2的光轴27与光学部件3的透镜部31的光轴34的位置对齐精度 d而言，可根据基板上的电极焊盘的位置对齐精度IOym与基于焊锡球10的自对准效果的精度10 μ m的方和根，得出为14 μ m。在制造工序中，由于可使用以往的焊锡回流工序而在基板4上一同安装LED2及光学部件3，因此没有必要导入新的制造设备。由此可抑制制造成本。另外，由于可同时地利用回流工序将光学部件3和LED2安装到基板4，因此可大幅缩短制造时间。进一步，在基板4上安装多个LED2及光学部件3时，由于可一次性地通过焊锡回流工序来进行光轴对齐，因此可大幅地缩短轴对齐所需要的时间。需要说明的是，在本说明书中焊锡球，不仅是指球(ball)状的焊锡，而且是指凸块状，此外，也包括各种形状的块状的焊锡，包括倒装芯片接合用中使用的所有形状的焊锡。另外，就该实例而言，虽然表示了将焊锡球预先固定于基板4上的电极焊盘411、 412上的例子，但是也可在LED2侧的电极焊盘沈上、光学部件3的接合面33上固定焊锡球 10。以上的说明，虽然表示了在光学部件3存在有1个透镜部31的情况，但是也包括在图1所示的透镜部31的部分上形成有多个透镜部作为透镜阵列的情况。实施例2图6为，表示本发明的LED光源装置的第2实施例中的结构例的剖视图。就图3所示的光学部件3而言，在由石英玻璃等难以铸型成型的材料构成的情况下，难以进行实施例1所示那样的台座32的加工。这样的情况下，需要将台座构成为个别部件。本实施例表示光学部件30的透镜部301利用石英或合成石英等高熔点玻璃来制作、台座302利用陶瓷或金属构成的例子。在图6中，就透镜部301而言，虽然表示为单侧凸透镜，但是透镜形状由于可根据LED光源装置的光学的限制因素来设计，因而并不受限于单侧凸透镜。就台座302而言，由包含铁、铜、黄铜、钛、镍、铝等的金属材料构成，或由氧化铝、 氮化铝、碳化硅(SiC)等陶瓷、耐热树脂等构成。台座302具有用于固定透镜301的切口部 302a和借助于焊锡10而与基板4的电极焊盘412接合的接合面33。接合面33通过与焊锡10的一部形成合金层而接合。由此，台座302可固定于基板4的电极焊盘412。接着，对透镜301固定于台座302的固定方法进行说明。在设置于基板4上的电极焊盘411和412上，通过焊锡印刷工序而载有规定量的焊锡球。LED2和台座302，通过装配器(mounter)而临时配置于规定的位置。进一步，将透镜301对着台座302上的切口部30 而临时放置。可通过利用通常的回流工序将焊锡球熔融、固化，从而在自对准效果的作用下对 LED2、台座302进行高精度的定位。在回流工序中，在焊锡的熔融温度以上时，就由玻璃环氧树脂等构成的基板4而言，由于高温在热膨胀作用下，焊盘间距L便比在室温下的焊盘间距大。如果降低基板温度，那么焊锡固化，从而台座302固定于基板侧电极焊盘位置。由于随着基板4的温度降低，因热膨胀而变宽的基板上的焊盘间距L变小，透镜的安装距离L2 也缩小。例如，在玻璃环氧基板的情况下，玻璃环氧树脂的线膨胀系数为30X 10-6/K左右，L为10mm，设回流最高温度为沈0°C时，在室温(20°C )，引起75 μ m左右的L的收缩。透镜的安装距离L2也同样地缩小。另一方面，就石英玻璃而言，由于热膨胀系数为0. 4X ΙΟ"6/ K，因此在回流最高温度和室温下的透镜直径IOmm的透镜302的直径变化为1 μ m左右。因此，便在台座302的作用下产生75μπι-1μπι = 74μπι程度的卡紧透镜301的力。如此地，在室温下，通过在台座间夹入透镜，从而可固定。就基板而言，由于没有必要成为回流温度以上，因而透镜302在热膨胀作用下，不会发生位置偏离、透镜脱落。就以上说明的工序而言，为了安装光学部件30的透镜301和台座302，无需设置新的工序，也没有必要导入新的装置。另外，对于透镜301的光轴与LED2的光轴对齐而言，与实施例1同样地，可以在存在于基板侧电极焊盘和LED2的台座302的电极焊盘之间的焊锡球的自对准效果的作用下而确定，因此可精度良好地对齐。实施例3实施例3为LED的出光面在垂直于电极焊盘面的方向的(侧发光LED)情况。这样的LED光源装置，可用作例如液晶显示装置的背光源。图8为表示本发明的LED光源装置的实施例3中的结构例的剖视图。在图8中，LED光源装置具有基板4、可见光发光的侧发光类型的LED20和光学部件310。光学部件310具有导光板311、台座部312和接合部313。导光板311为具有将从 LED20发出的光从入射面向内部进行光传播、将来自某一表面侧的光以规定方向射出功能的面照明用部件。需要将导光板311的光入射面对准于使源自LED20的光的进入量成为最大的方向位置。在图8中，配置成将LED20的出光面朝向导光板311的光入射面侧。从导光板的一侧表面射出的源自LED20的光，从导光板311的顶面(主表面)均勻地射出。需要说明的是，在导光板311的底面形成反射层，使从LED20入射的光朝向导光板311的顶面。LED20和设置于台座部312的接合面313，在基于焊锡10的自对准效果的作用下， 正确地定位于设置在基板4上的电极焊盘411、412。在台座部312上设置有用于固定导光板311的端部的凹部，导光板311固定于该凹部。由此，便可对导光板311的光入射面和 LED20的光射出面进行正确的位置对齐。图8表示如此而形成的背光源用作液晶显示装置的背光源的情况。在图8中，在背光源的导光板311上配置有散射膜等光学膜710，在其上配置有液晶显示面板700。实施例4图9表示本发明的实施例4的曝光机装置的概略结构。就发射光的光源部500而言，由多个光源装置IA构成；为了高效地将所产生的热进行散热而将各光源装置IA安装于水冷夹套501。通过线束(harness)，将各光源装置IA的设置于连接基板上的配线连接于供给电力的发光电源502。就光源装置IA的配置或倾斜角度而言，按照使从光源装置IA发出的光可高效地入射于集光器503的方式来设计。
从集光器503射出的光，通过准直镜504、掩模505，而照射于涂布有抗蚀剂等感光剂的工件506，并且将掩模505上形成的图案曝光形成于工件506上的感光剂。就工作台 600而言，载置工件，并可至少单方向移动。曝光时的光源装置的曝光条件示于图10。在图10中，507为曝光时间，508为未曝光的时间，509为曝光工序时间。对于曝光机的曝光工序而言，未曝光的时间508包括有 工件的搬入、工件在规定位置的固定、掩模与工件的位置对齐、曝光、工件的固定解除、工件的搬出工序等。就曝光工序509而言，虽然需要10 120秒，但是实际上使工件曝光于光的时间507为大约1 10秒。对于以往的使用水银灯光源的曝光机而言，刚对水银灯进行通电之后，由于灯的温度变动，因此射出光度不稳定。到灯的温度达到稳定为止需要30分钟左右。因此，就以往的曝光工序而言，为了使射出光度稳定，而经常需要事先将水银灯通电而发光。但是，就 LED光源而言，即使在刚通电之后，射出光度也在数毫秒以内稳定，因此，就曝光工序而言， 仅在曝光时间通电于LED光源即可，由此便可大幅降低曝光机的消耗电力。
权利要求
1.一种光源装置，其特征在于，其为在基板上配置有发光元件和光学部件的光源装置， 所述基板具有第1电极焊盘和第2电极焊盘，所述发光元件具备有封装框和容纳于所述封装框内部的发光元件芯片，且所述封装框具有出光面和第3电极焊盘，所述光学部件具有透镜部、台座部以及形成于所述台座部的接合面， 所述透镜部覆盖着所述发光元件的出光面，形成于所述基板的所述第1电极焊盘与形成于所述发光元件的所述第3电极焊盘通过焊锡而接合，形成于所述基板的所述第2电极焊盘与形成于所述光学部件的所述台座部的所述接合面通过焊锡而接合。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，将通过所述焊锡而接合的部分处的所述第1电极焊盘的面积设为SA，将所述第3电极焊盘的面积设为SB时，SA = SB(1 士0. 2)。
3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，将通过所述焊锡而接合的部分处的所述第2电极焊盘的面积设为SC，将形成于所述台座的所述接合面的面积设为SD时，SC = SD(1 士0. 2)。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的光源装置，其特征在于，在所述光学部件中所述透镜和所述台座部形成为一体。
5.根据权利要求1 3中任一项所述的光源装置，其特征在于，所述光学部件具有在所述台座部形成有切口部、所述透镜嵌入于所述切口部的结构。
6.一种曝光装置，其特征在于，其具备有具有多个光源装置的光源部、控制源自所述光源部的光的光路的光学系统、 载置工件并可至少单方向移动的工作台，所述多个光源装置中的每一个都由权利要求1所述的光源装置来构成。
7.根据权利要求6所述的曝光装置，其特征在于，所述光源部的所述多个光源装置通过水冷夹套来冷却。
8.—种曝光方法，其特征在于，其为使用曝光装置、隔着掩模将涂敷有感光剂的工件曝光的曝光方法， 所述曝光装置具备有具有多个光源装置的光源部、控制源自所述光源部的光的光路的光学系统、载置工件并可至少单方向移动的工作台，所述多个光源装置中的每一个都由权利要求1所述的光源装置来构成。
9.根据权利要求8所述的曝光方法，其特征在于，将所述工件曝光的曝光工序的时间设为tl，在所述曝光工序中，将所述多个光源装置的发光时间设为t2时，t2<tl。
10.一种背光源，其特征在于，其为在基板上配置有发光元件和光学部件的背光源， 所述基板具有第1电极焊盘和第2电极焊盘，所述发光元件具备有封装框和容纳于所述封装框的内部的发光元件芯片，且所述封装框具有出光面和第3电极焊盘，所述光学部件具有导光板、台座部以及形成于所述台座部的接合面， 所述导光板的侧面与所述发光元件的所述出光面对置， 从所述导光板的主表面射出光，形成于所述基板的所述第1电极焊盘与形成于所述发光元件的所述第3电极焊盘通过焊锡而接合，形成于所述基板的所述第2电极焊盘与形成于所述光学部件的所述台座部的所述接合面通过焊锡而接合。
全文摘要
本发明提供一种光源装置以及使用其的背光源、曝光装置以及曝光方法。可低成本实现可正确地在基板上对发光元件的光轴与光学部件的光轴进行位置对齐的光源装置。该光源装置的结构为基板(4)具有第1电极焊盘(411)和第2电极焊盘(412)；发光元件(2)具备有具有出光面(21)和第3电极焊盘(26)的封装框和容纳于前述封装框的内部的发光元件芯片；光学部件具有透镜部(31)、台座部(32)形成于台座部(32)的接合面(33)；透镜部(31)覆盖着发光元件(2)的出光面(21)；第1电极焊盘(411)与第3电极焊盘(26)由焊锡(10)接合；第2电极焊盘(412)与接合面(33)通过焊锡(10)而接合。
文档编号F21V5/04GK102182954SQ20101059447
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月15日 优先权日2009年12月16日
发明者手吕内俊郎, 手塚秀和, 石田进 申请人:株式会社日立高新技术