JP2011018695A

JP2011018695A - 発光装置およびその製造方法

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Publication number: JP2011018695A
Application number: JP2009160911A
Authority: JP
Inventors: Takateru Sakai; 隆照酒井
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】LEDパッケージを実装基板上に配列した発光装置であって、LEDを交換可能で、かつ、LED間ピッチの狭い発光装置を提供する。
【解決手段】実装基板20上に配列された複数の発光素子部10と、発光素子部10にそれぞれ接触して給電を行う複数の給電端子24と、給電端子24を実装基板20に対してそれぞれ支持する複数の支持部材23を有する。給電端子24は、ばね性を備え、発光素子部10を実装基板20に対して押しつける力を加えることにより発光素子部を実装基板に固定する。支持部材24は、発光素子部10ごとに配置され、弾性を有する。これにより、発光素子部を配列の間隔が狭くても、給電端子の押圧によって実装基板に固定することが可能であり、給電端子を取りはずすことにより発光素子部の交換も可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（LED）を搭載した発光装置に関し、特に複数のLEDをライン状に搭載した発光装置に関する。

従来ライン状の光源を作成する際には、回路パターン加工が施してある実装基板にＬＥＤパッケージ単体をはんだ接続するのが一般的である。実装基板の材質は、ガラスエポキシ樹脂基板が通常使用される。実装基板にはんだを印刷し、LEDをマウントし、窒素雰囲気中ではんだの融点以上の温度でリフロー工程を行い、LEDを実装する。

近年は、LEDを用いた車両用のヘッドランプの開発が盛んであり、その給電方法として各種の構造が提案されている。例えば、特許文献１には、クリップ状の端子でLEDパッケージを挟み込み、LEDパッケージへの給電と固定を同時に行う構成が開示されている。特許文献２には、ヒートシンクとなるセラミック回路基板にLEDを搭載したものを、給電アタッチメントで挟み込み、クリップ状の部品で押さえ込み固定する構成が開示されている。特許文献３では、LEDを搭載した回路基板モジュールにオス端子を接合し、オス端子にメス端子を係合させ、給電を行う構成が開示されている。特許文献４には、基板にLEDを搭載したモジュールを板バネを備えた端子付き部品にはめ込み、給電と固定を行う構成が開示されている。

一方、回路基板とフレキシブル基板とを複数のクリップ状の端子で挟み込んで、機械的に、かつ、電気的に接続する技術が特許文献５に開示されている。

特開２００７−２０７５９４号公報特開２００７−２４２２６７号公報特開２００７−１９４１７２号公報特開２００７−２００６９７号公報特開２００１−２８３９５５号公報

複数のLEDパッケージを実装基板上に配列することにより、ライン状の光源を製造する場合に、はんだリフロー工程を用いると、リフロー炉に進入する際にラインの先頭と後方とで温度差を生じてしまうため、未溶融防止のために炉の温度を高めに設定したり、リフロー時間を長く設定する必要がある。これにより、はんだ合金層の過剰生成が発生しやすく、接合強度が低下する可能性がある。

また、リフロー設備は、大型で設備導入にコストがかかる。窒素雰囲気でリフローを行うため、ランニングコストも発生してしまう。

また、複数のLEDパッケージを実装基板にはんだ付けしたライン状光源は、複数のLEDパッケージの中の１個でも不灯や色度違いがあると、再度熱を加えてはんだを溶融させなければ交換することができない。しかし、再度熱を加えることでLEDはより劣化し、順方向降下電圧(Vf)の異常や光束劣化が発生する可能性がある。また、はんだは、再溶融によりはんだ合金層が多く生成され、硬く脆くなるため、接合強度が低下する。このように、ライン状光源の中の１個のLEDパッケージのみを交換することは容易ではない。このため、通常ライン状光源全体を不良品としており、多くのLEDが無駄になり、製造コストがかかる。

また、特許文献１〜４に記載の光源は、単一のLEDパッケージをクリップ状等の給電端子部品で挟み込む構成であり、個々の部品が大きく、液晶バックライト等の薄型の光源には適していない。また、これらを単一の光源を並べてライン状光源を構成しようとすると、LEDのピッチをある程度以下に狭められない。

本発明の目的は、LEDパッケージを実装基板上に配列した発光装置であって、LEDを交換可能で、かつ、LEDの間隔の狭い発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば以下のような発光装置が提供される。すなわち、実装基板上に配列された複数の発光素子部と、複数の発光素子部にそれぞれ接触して給電を行う複数の給電端子と、複数の給電端子を実装基板に対してそれぞれ支持する複数の支持部材を有する発光装置である。給電端子は、ばね性を備え、発光素子部を実装基板に対して押しつける力を加えることにより発光素子部を実装基板に固定する。支持部材は、発光素子部ごとに配置され、弾性を有する。これにより、発光素子部を配列の間隔が狭くても、給電端子の押圧によって実装基板に固定することが可能であり、給電端子を取りはずすことにより発光素子部の交換も可能である。

例えば、上記複数の支持部材は、内部に配線を有するフレキシブル部材により相互に連結され、複数の給電端子は、フレキシブル部材の配線と電気的に接続された構成とする。

また、例えば、上記複数の支持部材には、１以上の回路基板が挿入され、該回路基板によって複数の支持部材は連結され、複数の給電端子は、回路基板上の回路と電気的に接続されている構成とする。

支持部材を実装基板に対して着脱可能な構成にすることも可能である。

発光素子部が、実装基板上に１列に配置されている場合、給電端子および支持部材は、発光素子部の両側にそれぞれ配置することが望ましい。フレキシブル部材を用いる場合は、発光素子部の両側にそれぞれ配置し、支持部材を連結する構成とすることが望ましい。回路基板を用いる場合には、発光素部の両側にそれぞれ配置し、支持部材を連結する。

実装基板の上面には、配列された複数の凹部が備えられ、発光素子部は、凹部内にそれぞれ配置されていることが好ましい。発光素子部の位置ずれを凹部により防止できるためである。

また、本発明の第２の態様によれば、以下のような発光装置の製造方法が提供される。実装基板上に複数の発光素子部を配列して搭載する第１工程と、複数の弾性部材によって支持された複数のバネ性のある給電端子により、複数の前記発光素子部を挟み込んで発光素子部を押圧し、実装基板に固定すると同時に電気的に接続する第２工程とを含む発光装置の製造方法である。

第２工程後、複数の弾性部材に回路基板を挿入して、弾性部材同士を連結するとともに、給電端子を回路基板上の回路と電気的に接続する第３工程をさらに行うことも可能である。

本発明の発光装置は、実装基板上の発光素子部を給電端子によって押圧することにより固定するため、発光素子部を交換可能であり、しかも、弾性部材で給電端子を支持しているため、発光素子部の間隔の狭い発光装置を提供することができる。

第１の実施形態のライン状発光装置の（ａ）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）樹脂部材23を左右別体にした場合のＡ−Ａ断面図。第１の実施形態のライン状発光装置の斜視図。図１のライン状発光装置に用いるLEDパッケージ10の（ａ）上面図、（ｂ）等価回路図。図１のライン状発光装置の等価回路図。図１のライン状発光装置のＢ−Ｂ断面図。図１のライン状発光装置のＣ−Ｃ断面図。第２の実施形態のライン状発光装置のLEDパッケージ10の配列と、フレキシブル基板22の構造を示す説明図。第３の実施形態のライン状発光装置の（ａ）樹脂部材23に回路基板122を挿入する工程を示す斜視図、（ｂ）回路基板122が挿入された樹脂部材23の断面図。第３の実施形態のライン状発光装置の製造工程で樹脂部材23に回路基板122を挿入する工程を示す上面図。第３の実施形態のライン状発光装置の回路基板122の配線122bのパターン例を示す説明図。

本発明の一実施の形態のLED発光装置について図面を用いて説明する。

本実施形態のLED発光装置は、薄型で、LEDピッチが小さく、かつ、LEDを容易に取り換え可能なライン状の発光装置である。例えば液晶バックライト光源のような薄型の装置に適用することができる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のライン状の発光装置の上面図を図１（ａ）に、Ａ−Ａ断面図を図１（ｂ）に、斜視図を図２に示す。ここでは図示の都合上、４個のLEDパッケージを実装した状態を示しているが、実際には数十個のLEDパッケージを１列に実装することが可能である。

ライン状のLED発光装置は、実装基板20と、所定の間隔で搭載されたLEDパッケージ10と、フレキシブル基板22と、給電端子24と、樹脂部材23とを備えている。

LEDパッケージ10は、図２（ｂ）のように、電極層2を備えたパッケージ基板4にLEDチップ1をダイボンディングした構成である。電極層2には、図３（ａ）に上面図を示したようにLEDチップ1に給電を行うためのアノード2aとカソード2bとが一対づつLEDチップ1を挟んで対向して配置されている。また、LEDチップ1の上面（発光面）には、発光波長を変換するための蛍光体層3が備えられている。

なお、アノード2aとカソード2bとを一対づつ配置しているのは、給電端子24で対角上の４か所を抑えることにより、実装基板20にLEDパッケージ10を安定して固定する効果が高いためである。一対のアノード2a、ならびに、一対のカソード2bは、それぞれ電気的には等電位である。アノード2aとカソード2bを一つづつとし、給電端子24で対向する２か所を抑える構成にすることも可能である。

実装基板20は、多数のLEDパッケージ10を搭載可能な剛性と、必要とされる放熱性を有する材料により構成されている。例えば、ガラスエポキシ樹脂基板や、高い放熱性を有する金属基板を好適に用いることができる。

実装基板20の上面には、LEDパッケージ10を搭載すべき位置にそれぞれ凹部21が設けられている。凹部21の形状は、LEDパッケージ10の下部の形状、すなわちパッケージ基板4の外形に対応している。凹部21の深さは、LEDパッケージ10に位置ずれが生じない程度の深さ、具体的には基板4の厚さの５０％程度であることが好ましい。LEDパッケージ10のパッケージ基板4の裏面は、凹部21の底面に放熱性樹脂等により、着脱可能に仮固定されている。

樹脂部材23は、図１（ｂ）および図２に示したように、実装基板20を挟んで向かい合わせに配置された一対の直方体形状の端子支持部23aと、一対の端子支持部23aを実装基板20の裏面側で連結する連結部23bから構成されている。樹脂部材23は、実装基板20の凹部21が備えられた位置にそれぞれ配置されている。樹脂部材23は、樹脂の弾性により実装基板20を挟み込むことにより実装基板20に固定されている。樹脂部材23aの材質としては、ポリブチレンテレフタレート（PBT)やナイロン系の樹脂を好適に用いることができる。なお、樹脂部材23の形状は、一対の端子支持部23aが連結部23bにより連結されていなくてもよく、図１（ｃ）のように連結部23ｂが二分されて左右別体であり、それぞれが実装基板20に固定される形状であっても構わない。

樹脂部材23の端子支持部23aには、実装基板20の長辺に平行にフレキシブル基板22が貫通している。

ここでは図３（ｂ）の等価回路で示されるLEDパッケージ10を、図４のように並列接続する例について説明する。フレキシブル基板22は、図５にＢ−Ｂ断面図を、図６にＣ−Ｃ断面図を示すように帯状の樹脂基板22aの内部に所定のパターンの配線22bが配置された構造である。このため、フレキシブル基板22の配線22bは、図５のように連続した線状の配線であり、樹脂部材23の内では、配線22bが樹脂基板22aで被覆されておらず、配線22bが露出している。樹脂基板22aとしては、樹脂部材23の間隔が狭くても十分に柔らかさを確保できる材料で構成されていることが望ましく、例えばポリイミド樹脂を用いることができる。また、配線22bも柔軟性のある導電体であることが望ましく、例えば厚さ35μｍ程度のＣｕ箔を用いることができる。

樹脂部材23の内部で露出された配線22ｂには、図５および図６に示すように配線22bに長手方向が直交するように配置された給電端子24の一端が接続されている。給電端子24は、一つの樹脂部材23に対して2本ずつ配置されている。給電端子24の他端は、樹脂部材23からLEDパッケージ10に向けて突出している。給電端子24の材質は、リン青銅や銅合金などのバネ性を持つ金属であることが好ましい。給電端子24の形状は、図１（ｂ）のように板状部材の先端を湾曲させて折り返した形状であっても、図２のように折り返しを形成せず直線状の板状部材であってもよい。また、配線22bと給電端子24との接続方法としては、溶接を用いることができる。また、配線22bと給電端子24の材質を同じにし、プレス成型等により一体に形成することも可能である。

これにより、LEDパッケージ10の両側の樹脂部材23からは、それぞれ２本づつ給電端子24が突出した構造となる。給電端子24の先端は、LEDパッケージ10の２か所のアノード2aと２か所のカソード2bとに接することにより電気的に接続されるとともに、給電端子24のバネ力により下向きの力でLEDパッケージ10を押圧して実装基板20に固定する。

次に、本実施形態のライン状LED発光装置の製造方法について説明する。予め所定の間隔で凹部21を設けた実装基板20を製造しておく。また、配線22bに給電端子24が所定の間隔で溶接または一体成型されたフレキシブル基板22を別途製造し、射出成型等により樹脂部材23を所定の間隔でフレキシブル基板22に沿って被覆するようにモールドしておく。

別途製造しておいたLEDパッケージ10の発光色を選別し、実装基板20の凹部21に放熱性樹脂でそれぞれ仮固定する。複数のLEDパッケージ10が仮固定された実装基板20を、フレキシブル基板22で連結された複数の樹脂部材23で一度に挟み込む。これにより、実装基板20上に配列されたLEDパッケージ10のアノード2aとカソード2bに各樹脂部材23の給電端子24をそれぞれ接触させる。

次に、フレキシブル基板22の配線22ｂから給電し、各LEDパッケージ10の発光強度および発光色等を測定する。測定結果により、発光強度や発光色が所定の範囲から外れているLEDパッケージ10や、不点灯のLEDパッケージ10がある場合には、フレキシブル基板22と樹脂部材23を外し、そのLEDパッケージ10のみを交換し、再びフレキシブル基板と樹脂部材23で挟み込んで、すべてのLEDパッケージ10に給電端子24をそれぞれ接触させる。

上述してきたように、本実施形態では、弾性があり、変形しやすいフレキシブル基板22および樹脂部材23により給電端子24と配線22bを支持しているため、LEDパッケージ10の間隔が狭くても、複数のLEDパッケージ10を一度に給電端子24で挟み込んで、それぞれ給電端子24と接触させ、押圧することができる。また、挟み込む際に、LEDパッケージ10に位置ずれを生じさせにくい。さらに、給電端子24によるLEDパッケージ10の押圧力不足や、電気的接触不良等による給電不具合も防止することができる。

また、実装基板10に着脱可能なフレキシブル基板22および樹脂部材23を用いたことにより、配列させた複数のLEDパッケージ10の中に、一つだけ不具合がある場合にも、そのLEDパッケージ10のみを容易に交換することができる。よって、多数のLEDパッケージ10を無駄にすることがなく、コストを削減できる。特に、図１（ｃ）のように、樹脂部材23が二分され左右別体となっている場合、樹脂部材の23の取り外しは片方のみでも行えるため、LEDパッケージ10の交換をより容易に行うことができる。

本実施形態では、片側２本ずつ計４本の給電端子24によりLEDパッケージ10を押圧するとともに給電を行っているが、給電端子24の本数は４本に限られず、片側1本ずつ計２本の給電端子により押圧および給電を行うことも可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のライン状の発光装置の上面図を図７を用いて説明する。

第１の実施形態の発光装置は、複数のLEDパッケージ10が電気的に並列に接続するものであったが、第２の実施形態では、直列に接続する発光装置について説明する。

第２の実施形態の発光装置の構成は、フレキシブル基板22の構造が第１の実施形態とは異なる。図７に示すように、第２の実施形態の発光装置は、LEDパッケージ10の両側に配置された帯状のフレキシブル基板22の樹脂基板22a内に、隣接するLEDパッケージ10を接続するための所定の長さの配線22aを所定の間隔で配置した構造である。隣接するLEDパッケージ10は、アノード2aとカソード2bが互いに逆向きになるように配置されている。

また、図７では図示されていないが、実装基板20、樹脂部材23ならびに接続端子24は、第１の実施形態の図１（ａ）と同様に配置されている。

本実施の形態のように、フレキシブル基板22を構成にすることにより、複数のLEDパッケージ10を直列接続した発光装置を提供することができる。

第２の実施形態の発光装置も、第１の実施の形態同様に、弾性があり、変形しやすいフレキシブル基板22および樹脂部材23を用いているため、LEDパッケージ10の間隔が狭くても複数のLEDパッケージ10を一度に給電端子24で挟み込むことができる。位置ずれや給電不具合も防止することができる。また、不具合のあるLEDパッケージ10を容易に交換することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施の形態のライン状発光装置は、第１及び第２の実施形態とは異なり、フレキシブル基板を用いない。第３の実施形態のライン状発光装置は、図８（ａ）、（ｂ）および図９に示すように樹脂部材23の外側側面に開口125を備え、開口125には回路基板122が挿入された構造である。樹脂部材23の開口125には、図８（ｂ）のようにLEDパッケージ10側に向いた給電端子24とは逆向きに、回路基板用給電端子124が配置されている。給電端子24と回路基板用給電端子124は接続されている。

回路基板122は、フレキシブル基板ではなく、複数の樹脂部材23の開口125に図９のように一度に挿入することができるように、所定の剛性を有している。例えば、ガラスエポキシ樹脂基板等を回路基板122として用いることができる。

回路基板122には、図１０のように所望の回路パターン122bが備えられている。これにより、例えば図１０の回路パターン122bの場合、2つのLEDパッケージ10を並列接続した組みを、さらに並列接続した構成を実現することが可能である。

また、回路パターン122bとLEDパッケージ10の向きを所定のパターンおよび向きにそれぞれ設計することにより、並列と直列を混合した接続等を所望の接続を自由に実現することが可能である。

回路基板122は、図９のように回路パターン122bを被覆する樹脂層122aを備え、樹脂層122aは、少なくとも回路基板用給電端子124に接触する部分については開口122cが設けられ、配線パターン122bと回路基板用給電端子124との電気的接触を可能にしている。

第３の実施形態のライン状発光装置を製造する方法としては、まず実装基板20に複数のLEDパッケージ10を仮固定したのち、実装基板20のLEDパッケージ10が搭載された位置ごとに樹脂部材23で挟み込み、LEDパッケージ10のアノード2aとカソード2bに給電端子24をそれぞれ接触させる。全ての樹脂部材23を固定した後、樹脂部材の外側側面の開口125に回路基板122を挿入する。

LEDパッケージ10を１つだけ交換する場合には、回路基板122を取り外し、交換すべきLEDパッケージ10の位置の樹脂部材23を実装基板20から外し、LEDパッケージ10を交換する。

このように、フレキシブル基板22を用いない第3の実施の形態の発光装置であっても、回路基板122を着脱可能にすることにより、複数のLEDパッケージ10を間隔を狭く搭載した実装基板20を、それぞれ給電端子24で挟み込んで押圧し、固定および給電することができる。

また、複数のLEDパッケージ10の中で不具合のあるLEDパッケージ10のみを容易に交換することができる。

1…LEDチップ、2…電極層、2a…アノード、2b…カソード、3…蛍光体層、4…パッケージ基板、10…LEDパッケージ、20…実装基板、22…フレキシブル基板、22a…樹脂基板、22b…配線、23…樹脂部材、23a…支持部、23b…連結部、24…給電端子、122…回路基板、122a…樹脂層、122b…配線、124…回路基板用給電端子、125…開口。

Claims

実装基板上に配列された複数の発光素子部と、前記複数の発光素子部にそれぞれ接触して給電を行う複数の給電端子と、前記給電端子を前記実装基板に対してそれぞれ支持する支持部材とを有し、
前記給電端子は、ばね性を備え、前記発光素子部を実装基板に対して押しつける力を加えることにより前記発光素子部を前記実装基板に固定し、
前記支持部材は、発光素子部ごとに配置され、弾性を有することを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置において、複数の前記支持部材は、内部に配線を有するフレキシブル部材により相互に連結され、前記複数の給電端子は、前記フレキシブル部材の前記配線と電気的に接続されていることを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置において、複数の前記支持部材には、１以上の回路基板が挿入され、該回路基板によって前記複数の支持部材は連結され、前記複数の給電端子は、前記回路基板上の回路と電気的に接続されていることを特徴とする発光装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置において、前記支持部材は、前記実装基板に対して着脱可能な構成であることを特徴とする発光装置。
請求項２に記載の発光装置において、前記発光素子部は、前記実装基板上に１列に配置され、前記給電端子および前記支持部材は、前記発光素子部の両側にそれぞれ配置され、前記フレキシブル部材は、前記発光素部の両側にそれぞれ配置され、前記支持部材を連結していることを特徴とする発光装置。
請求項３に記載の発光装置において、前記発光素子部は、前記実装基板上に１列に配置され、前記給電端子および前記支持部材は、前記発光素子部の両側にそれぞれ配置され、前記回路基板は、前記発光素子部の両側にそれぞれ配置され、前記支持部材を連結していることを特徴とする発光装置。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光装置において、前記実装基板の上面には、配列された複数の凹部が備えられ、前記発光素子部は、前記凹部内にそれぞれ配置されていることを特徴とする発光装置。
実装基板上に複数の発光素子部を配列して搭載する第１工程と、
複数の弾性部材によって支持された複数のバネ性のある給電端子により、複数の前記発光素子部を挟み込んで前記発光素子部を押圧し、前記実装基板に固定すると同時に電気的に接続する第２工程とを含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
請求項８に記載の発光装置の製造方法において、前記第２工程後、前記複数の弾性部材に回路基板を挿入して、前記弾性部材同士を連結するとともに、前記給電端子を前記回路基板上の回路と電気的に接続する第３工程をさらに含むことを特徴とする発光装置の製造方法。