JP2011023421A - 発光モジュールおよび灯具ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】輝度が高く見切り性が良好な発光モジュールを提供する。
【解決手段】発光モジュール３８において、実装基板５２は、半導体発光素子５０を支持する。枠５６は、半導体発光素子５０の側面に内面が対向するように実装基板５２に固定される。実装基板５２および枠５６は、シリコンによって形成される。枠５６は、直接接合として常温接合を用いて実装基板５２に接合される。回路基板５４は、実装基板５２の外面のうち、半導体発光素子５０との接合面の裏面に接合される。貫通電極６４は、実装基板５２は、半導体発光素子５０との接合面から回路基板５４との接合面まで貫通する。
【選択図】図９

Description

本発明は、発光モジュールおよび灯具ユニットに関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の用途は近年益々広がりを見せている。このような広範な用途に対応すべく、ＬＥＤの光の取り出し効率を向上させる技術の開発が盛んに進められている。ここで、投光開口を有する凹部にＬＥＤチップを収容する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−５９８６４号公報

近年、例えば車両の前照灯にもＬＥＤなどの発光素子を利用することが求められるようになっている。このような用途では、発光素子を利用した発光モジュールに高輝度やいわゆる見切り性の高さが求められる。

しかしながら、例えば上述の特許文献に記載される技術では、ＬＥＤチップの発光面よりも投光開口の開口面積の方が非常に大きくなっているため、輝度や見切り性を向上させることは容易ではない。

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、輝度が高く見切り性が良好な発光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光モジュールは、半導体発光素子と、半導体発光素子が実装される実装基板と、半導体発光素子の側面に対向するように実装基板に固定される枠部材と、を備える。枠部材は、直接接合を用いて実装基板に接合される。

枠部材と実装基板との固定に接着剤を用いる方法も考えられる。しかしながら、接着剤は枠部材からはみ出すよう塗布される場合があることから、枠部材の内面と半導体発光素子の側面との間隔を狭めることは困難である。この態様によれば、このような接着剤のはみ出しなどを考慮することなく枠部材の内面と半導体発光素子の側面との間隔を狭めることができる。このため、枠部材の開口面積を抑制することができ、発光モジュールの輝度を高めることができる。また、枠部材の内面と半導体発光素子の発光面との間隔を狭めることができるため、良好な見切り性を実現することができる。

枠部材は、直接接合として常温接合を用いて実装基板に接合されてもよい。発明者による鋭意なる研究開発の結果、常温接合を用いて枠部材と実装基板とを接合することにより、両者を良好に接合可能であることが確認された。したがってこの態様によれば、輝度が高く見切り性が良好な発光モジュールを簡易に製造することができる。

実装基板および枠部材は、シリコンによって形成されてもよい。両者がシリコンによって形成されている場合に常温接合を用いることにより、両者をさらに良好に接合可能であることが発明者によって確認されている。したがってこの態様によれば、両者をより適切に接合することが可能となる。

実装基板の外面のうち半導体発光素子との接合面の裏面に接合される回路基板をさらに備えてもよい。実装基板は、半導体発光素子との接合面から回路基板との接合面まで貫通する貫通電極を有してもよい。

このような貫通電極を設けることにより、例えば貫通電極を通じて半導体発光素子に電力を供給することが可能となる。このため、例えば回路基板上の電極と半導体発光素子とを電気的に接続すべく導電性ワイヤをボンディングする工程などを削除することができ、発光モジュールの製造工程を簡略化することができる。

本発明の別の態様は、灯具ユニットである。この灯具ユニットは、半導体発光素子と、半導体発光素子が実装される実装基板と、半導体発光素子の側面に対向するように実装基板に接合される枠部材と、を有する発光モジュールと、発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、を備える。枠部材は、直接接合を用いて実装基板に接合される。

この態様によれば、半導体発光素子を用いて輝度および見切り性の良好な灯具ユニットを提供することができる。

本発明によれば、輝度が高く見切り性が良好な発光モジュールを提供することができる。

本実施形態に係る車両用前照灯の構成を示す断面図である。 本実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 比較例に係る発光モジュールの上面図である。 図３のＰ−Ｐ断面図である。 図３のＱ−Ｑ断面図である。 図４の領域Ｒの拡大図である。 本実施形態に係る発光モジュールの上面図である。 図７のＳ−Ｓ断面図である。 図７のＴ−Ｔ断面図である。 図８の領域Ｕの拡大図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用前照灯１０の構成を示す断面図である。車両用前照灯１０は、灯具ボディ１２、前面カバー１４、および灯具ユニット１６を有する。以下、図１において左側を灯具前方、右側を灯具後方として説明する。また、灯具前方にみて右側を灯具右側、左側を灯具左側という。図１は、灯具ユニット１６の光軸を含む鉛直平面によって切断された車両用前照灯１０を灯具左側から見た断面を示している。なお、車両用前照灯１０が車両に装着される場合、車両には互いに左右対称に形成された車両用前照灯１０が車両左前方および右前方のそれぞれに設けられる。図１は、左右いずれかの車両用前照灯１０の構成を示している。

灯具ボディ１２は開口を有する箱状に形成される。前面カバー１４は透光性を有する樹脂またはガラスによって椀状に形成される。前面カバー１４は、縁部が灯具ボディ１２の開口部に取り付けられる。こうして、灯具ボディ１２と前面カバー１４とによって覆われる領域に灯室が形成される。

灯室内には、灯具ユニット１６が配置される。灯具ユニット１６は、エイミングスクリュー１８によって灯具ボディ１２に固定される。下方のエイミングスクリュー１８はレベリングアクチュエータ２０が作動することにより回転するよう構成されている。このため、レベリングアクチュエータ２０を作動させることで、灯具ユニット１６の光軸を上下方向に移動することが可能となっている。

灯具ユニット１６は、投影レンズ３０、支持部材３２、リフレクタ３４、ブラケット３６、発光モジュール３８、および放熱フィン４２を有する。投影レンズ３０は、灯具前方側表面が凸面で後方側表面が平面の平凸非球面レンズからなり、その後方焦点面上に形成される光源像を反転像として灯具前方に投影する。支持部材３２は、投影レンズ３０を支持する。リフレクタ３４は、発光モジュール３８からの光を反射して、投影レンズ３０の後方焦点面に光源像を形成する。このようにリフレクタ３４および投影レンズ３０は、発光モジュール３８が発した光を灯具前方に向けて集光する光学部材として機能する。放熱フィン４２は、ブラケット３６の後方側の面に取り付けられ、主に発光モジュール３８が発した熱を放熱する。

支持部材３２には、シェード３２ａが形成されている。車両用前照灯１０はロービーム用光源として用いられ、シェード３２ａは、発光モジュール３８から発せられリフレクタ３４にて反射した光の一部を遮ることで、車両前方においてロービーム用配光パターンにおけるカットオフラインを形成する。ロービーム用配光パターンは公知であることから説明を省略する。

図２は、本実施形態に係る発光モジュール３８の構成を示す図である。発光モジュール３８は、半導体発光素子５０、実装基板５２、回路基板５４、枠５６、光波長変換部材５８、および透明カバー６０を有する。回路基板５４の上面に実装基板５２が取り付けられ、実装基板５２の上面に半導体発光素子５０が取り付けられる。枠５６は、半導体発光素子５０を囲うように実装基板５２に取り付けられる。透明カバー６０は中空の半球状に形成され、実装基板５２、半導体発光素子５０、および枠５６を覆うように回路基板５４に取り付けられる。

第１の実施形態では、半導体発光素子５０として、青色の波長の光を主として発する青色ＬＥＤが採用されている。半導体発光素子５０は、例えば１ｍｍ角のチップとして形成され、発する青色光の中心波長は４６０ｎｍとなるよう設けられている。なお、半導体発光素子５０の構成や発する光の波長が上述したものに限られないことは勿論であり、半導体発光素子５０は青以外の波長の光を主として発するものが採用されてもよい。

半導体発光素子５０は、いわゆるフリップチップタイプのものが採用されている。なお、半導体発光素子５０に他のタイプのものが採用されてもよいことは勿論であり、例えば半導体発光素子５０にいわゆる縦型チップタイプのものやいわゆるフェイスアップタイプのものが採用されてもよい。

光波長変換部材５８は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、紫外光によって励起される蛍光体であるＹＡＧ（Yttrium Alminum Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。このような光波長変換セラミックの製造方法は公知であることから詳細な説明は省略する。

また、光波長変換部材５８には、透明なものが採用されている。本実施形態において「透明」とは、変換波長域の光の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換波長域の光の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、光波長変換部材５８において光の波長を適切に変換できると共に、各々を通過する光の光度の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、光波長変換部材５８をこのように透明な状態にすることによって、半導体発光素子５０が発する光をより効率的に変換することができる。

また、光波長変換部材５８は有機系バインダーレスの無機物で構成され、有機系バインダーなどの有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュール３８に１Ｗ（ワット）以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュール３８が発する光の輝度、光度、および光束を高めることが可能となっている。

光波長変換部材５８は、半導体発光素子５０が主として発する青色の波長を変換して黄色を出射する。このため、発光モジュール３８からは、半導体発光素子５０が発する青色光と、光波長変換部材５８によって波長変換され出射された黄色光との合成光である白色光が出射される。

なお、光波長変換部材５８は上述のものに限られず、例えば粉体の蛍光体をシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの透明樹脂内に含有させて硬化させたものでもよい。また、半導体発光素子５０は青色光を発するものに限られず、例えば紫外光を発する紫外線ＬＥＤが半導体発光素子５０に採用されてもよい。この場合、光波長変換部材５８は、紫外光を赤色光に波長変換する第１波長変換部材、紫外光を緑色光に波長変換する第２光波長変換部材、および紫外光を青色光に波長変換する第３光波長変換部材が積層されて設けられてもよい。また、光波長変換部材５８は、紫外光を赤色光に波長変換する第１蛍光体、紫外光を緑色光に波長変換する第２蛍光体、および紫外光を青色光に波長変換する第３蛍光体を上記透明樹脂内に含有させて硬化させたものでもよい。

（比較例の発光モジュール）
ここで、本実施形態に係る発光モジュール３８と比較するための比較例について説明する。図３は、比較例に係る発光モジュール１００の上面図である。理解を容易なものとすべく図３において回路基板１５４を矩形に描いているが、実際の回路基板１５４はこれよりも大きく、また形状も矩形に限られない。図４は、図３のＰ−Ｐ断面図である。理解を容易なものとすべく、図４において回路基板１５４を水平に置いたときの発光モジュール１００の断面図を示している。図５は、図３のＱ−Ｑ断面図である。以下、図３〜図６に関連して比較例に係る発光モジュール１００について説明する。

発光モジュール１００は、半導体発光素子１５０、実装基板１５２、回路基板１５４、および枠１５６を有する。枠１５６の上に光波長変換部材５８が取り付けられる点は本実施形態に係る発光モジュール３８と同様である。このため、以下において光波長変換部材５８の図示は省略している。

半導体発光素子１５０は、上述の半導体発光素子５０と同様である。この比較例では、一対の半導体発光素子１５０が用いられる。なお、半導体発光素子１５０の数が２つに限られないことは勿論であり、半導体発光素子１５０が１個、または３個以上設けられてもよい。

一対の半導体発光素子１５０は、実装基板１５２の一方の面に実装される。一対の半導体発光素子１５０は、互いの一側面が対向するよう配置される。また、一対の半導体発光素子１５０は、水平且つ灯具ユニット１６の光軸に垂直な方向に並設される。実装基板１５２は、外形が矩形の板状に形成される。実装基板１５２の一方の面には、一端から他端にわたって帯状に電極１６２が形成されている。この電極１６２の中央に、一対の半導体発光素子１５０がＡｕバンプを介して取り付けられる。

なお、一対の半導体発光素子１５０の各々が縦型チップによって構成されている場合、一対の半導体発光素子１５０の各々の上面に設けられた電極と実装基板１５２に設けられた電極１６２とが導電性ワイヤによって接続される。また、一対の半導体発光素子１５０の各々の下面に設けられた電極と実装基板１５２に設けられた電極１６２とが直接的に接合される。

電極１６２は、一対の半導体発光素子１５０を電気的に直列または並列に接続するよう設けられている。このため一対の半導体発光素子１５０は、電極１６２の両端に電圧が印加されることによって発光するよう設けられる。

枠１５６は、この一対の半導体発光素子１５０を囲うことができる大きさを有する矩形の貫通穴を有する。枠１５６は、半導体発光素子１５０の側面にこの貫通穴の内面が対向するように実装基板１５２に固定される。この比較例では、枠１５６は接着剤１６４によって実装基板１５２に取り付けられる。

実装基板１５２は、半導体発光素子１５０との接合面の裏面が回路基板１５４に接合される。回路基板１５４には、電極１６６および電極１６８が設けられている。電極１６２の一方の端部と電極１６６とは、導電性ワイヤ１７０によって互いに接続され、他方の端部と電極１６８とは、導電性ワイヤ１７２によって互いに接続される。こうして、電極１６６と電極１６８との間に電圧が印加されることにより、一対の半導体発光素子１５０の双方が発光する。

図６は、図４の領域Ｒの拡大図である。半導体発光素子１５０は、実装基板１５２に取り付けられる面と反対側の面が発光面１５０ａとなる。枠１５６の内面１５６ａは、半導体発光素子１５０のうち発光面１５０ａに接する側面１５０ｂに対向する。

この比較例のように枠１５６と実装基板１５２とを接着剤１６４で互いに固着する場合、接着剤１６４の枠１５６からのはみ出しを考慮する必要がある。このため、図６に示すように枠１５６の内面１５６ａと半導体発光素子１５０の側面１５０ｂとの間の間隔Ｌ１を狭めることは容易ではない。間隔Ｌ１を狭めることができなければ枠１５６の開口面積を小さくすることも難しいため、発光モジュール１００の輝度を高めることは困難となる。また、間隔Ｌ１を狭めることができない場合、いわゆる見切り性も向上させることも困難となる。

さらに、半導体発光素子の用途の拡大に伴い、発光モジュールを構成する半導体発光素子に高出力化および短波長化が益々求められるようになっている。しかしながら、半導体発光素子１５０を高出力化または短波長化するにしたがって、接着剤１６４の劣化を抑制することが困難となる。このため、接着剤１６４を用いて枠１５６と実装基板１５２とを固着させる場合、高い信頼性を実現することは容易ではない。

このため、本実施形態に係る発光モジュール３８では、枠５６は、直接接合を用いて実装基板５２に接合される。以下、発光モジュール３８について説明する。

（本実施形態の発光モジュール）
図７は、本実施形態に係る発光モジュール３８の上面図である。理解を容易なものとすべく図７においても回路基板５４を矩形に描いているが、実際の回路基板１５４はこれよりも大きく、また形状も矩形に限られない点は上述と同様である。図８は、図７のＳ−Ｓ断面図である。理解を容易なものとすべく、図８においても回路基板５４を水平に置いたときの発光モジュール３８の断面図を示している。図９は、図７のＴ−Ｔ断面図である。これら図７〜図９においても、光波長変換部材５８の図示を省略している。以下、図７〜図９に関連して本実施形態に係る発光モジュール３８について説明する。

本実施形態においても、一対の半導体発光素子５０が用いられる。なお、半導体発光素子５０の数が２つに限られないことは勿論であり、半導体発光素子５０が１個、または３個以上設けられてもよい。

一対の半導体発光素子５０は、実装基板５２の一方の面に実装される。一対の半導体発光素子５０は、互いの一側面が対向するよう配置される。また、一対の半導体発光素子５０は、水平且つ灯具ユニット１６の光軸に垂直な方向に並設される。

実装基板５２は、外形が矩形の板状に形成される。実装基板５２の一方の面には電極６２が形成されている。一対の半導体発光素子５０は、この電極６２にＡｕバンプを介して取り付けられる。電極６２は、一対の半導体発光素子５０を電気的に直列または並列に接続する。しかしながら電極６２は、比較例に係る電極１６２のように回路基板５４の全長にわたって形成されておらず、実装基板５２の一面の中央に形成されている。具体的には、電極６２は、一対の半導体発光素子５０によって一体的に形成される矩形の形状と略同一の大きさおよび形状に形成される。このため電極６２は、一対の半導体発光素子５０が取り付けられたときに、半導体発光素子５０同士の間のスペースを除き半導体発光素子５０の側面からはみ出さないように形成される。

また、実装基板５２は、貫通電極６４を有する。回路基板５４は、実装基板５２の外面のうち半導体発光素子５０との接合面の裏面に接合される。貫通電極６４は、実装基板５２を、半導体発光素子５０との接合面から回路基板５４との接合面まで貫通する。貫通電極６４は、半導体発光素子５０との接合面から回路基板５４との接合面まで直線的に貫通するワイヤ状の複数の電極によって構成されている。すべての貫通電極６４は、一端が電極６２に接続される。

一方、回路基板５４には、実装基板５２と接合しない部分から実装基板５２との接合する部分にそれぞれがオーバーラップするよう電極６６および電極６８が設けられている。貫通電極６４を構成する複数の電極の他端のうち、一部は電極６６に接続され、他の一部は電極６８に接続される。こうして一対の半導体発光素子５０は、電極６６と電極６８との間に電圧が印加されることによって発光するよう設けられる。このように貫通電極６４を通じて電極６２と、電極６６および電極６８の各々とを互いに接続することにより、比較例のような導電性ワイヤをボンディングする工程を削除することができる。このため、発光モジュール３８の製造工程を簡略化することができる。

実装基板５２を構成する複数の電極のうち電極６６および電極６８の双方に接続されない電極は、他端が回路基板５４に接続される。これにより、半導体発光素子５０が発する熱を回路基板５４に伝え、半導体発光素子５０の温度上昇を抑制することができる。このため、貫通電極６４は、半導体発光素子５０が発する熱を伝達する熱伝達部材としても機能とする。

なお、一対の半導体発光素子５０の各々が縦型チップによって構成されている場合、電極６２は、これら半導体発光素子５０が取り付けられたときも半導体発光素子５０からはみ出すよう形成される。このはみ出した部分が、半導体発光素子５０の各々の上面に形成される電極に導電性ワイヤで接続される。また、一対の半導体発光素子５０の各々の下面に設けられた電極と実装基板５２に設けられた電極６２とが直接的に接合される。なお、このときも、一対の半導体発光素子５０によって形成される矩形の少なくとも一辺では、電極６２は半導体発光素子５０からはみ出さないように形成される。

枠５６は、この一対の半導体発光素子５０を囲うことができる大きさを有する矩形の貫通穴を有する。枠５６は、半導体発光素子５０の側面にこの貫通穴の内面が対向するように実装基板５２に固定される。このとき、電極６２は枠５６の貫通穴の内部に収容されるため、枠５６の下方における電極による段差を回避することができる。枠５６は、直接接合を用いて実装基板５２に接合される。

図１０は、図８の領域Ｕの拡大図である。半導体発光素子５０は、実装基板５２に取り付けられる面と反対側の面が発光面５０ａとなる。枠５６の内面５６ａは、半導体発光素子５０のうち発光面５０ａに接する側面５０ｂに対向する。

このように枠５６を実装基板５２に直接接合することにより、枠５６からの接着剤のはみ出しを考慮する必要がなくなることから、比較例のように接着剤を用いて固着させる場合に比べて枠５６の内面５６ａと半導体発光素子５０の側面５０ｂとの間隔Ｌ２を狭めることが可能となる。このため、枠５６の開口部の面積を比較例に比べ小さくすることができ、発光モジュール３８の輝度を高めることが可能となる。また、間隔Ｌ２を間隔Ｌ１よりも狭めることができ、その部分の見切り性を比較例に比べ高めることができる。さらに、半導体発光素子５０の高出力化や短波長化の影響を受けやすい接着剤を用いることなく枠５６を実装基板５２に固着させるため、接着剤を用いる場合に比べて信頼性を容易に向上させることが可能となる。

本実施形態に係る発光モジュール３８では、実装基板５２および枠５６はシリコンによって形成される。枠５６は、直接接合として常温接合を用いて実装基板５２に接合される。このとき、枠５６および実装基板５２の両者、または一方をプラズマで活性化させることによりアモルファス化して両者を直接接合する。発明者による鋭意なる研究開発の結果、このように常温接合することにより、両者を適切に固着できることが確認されている。このように常温接合を用いて両者を接合させることにより、例えば温度の上昇を伴う他の接合方法と比べて部材の収縮を抑制することができ、より適切に両者を固着させることが可能となる。

なお、枠５６および実装基板５２の材質はこれに限られず、例えば枠５６と実装基板５２とがシリコン以外の同じ材料によって形成されてもよい。また、枠５６および実装基板５２の各々を形成する材料の組み合わせが、例えばガラスとシリコンであってもよく、また、サファイアとシリコンであってもよい。

また、常温接合に代えて陽極接合を用いて枠５６を実装基板５２に接合させてもよい。このとき、枠５６および実装基板５２の各々を形成する材料の組み合わせは、ガラスとシリコンであってもよい。

発光モジュール３８を製造する場合、まず枠５６を実装基板５２に直接接合を用いて接合させる。次に、一対の半導体発光素子５０を枠５６の貫通穴の内部に挿入し、Ａｕバンプを介して実装基板５２の一面上に取り付ける。このように半導体発光素子５０を取り付ける前に枠５６を実装基板５２に取り付けることにより、枠５６を実装基板５２に容易に直接接合することが可能となる。

次に実装基板５２のうち半導体発光素子５０の実装面の裏面を、回路基板５４のうち電極６６および電極６８が設けられた面に取り付ける。こうしてワイヤボンディング工程を経ることなく発光モジュール３８を製造することができる。なお、発光モジュール３８の製造方法がこれに限られないことは勿論であり、例えば実装基板５２に半導体発光素子５０を取り付けた後に枠５６を実装基板５２に取り付けてもよい。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。

１６ 灯具ユニット、 ３８ 発光モジュール、 ５０ 半導体発光素子、 ５０ｂ 側面、 ５４ 回路基板、 ５６ 枠、 ６２ 電極、 ６４ 貫通電極。

Claims (5)

1. 半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が実装される実装基板と、
   前記半導体発光素子の側面に対向するように前記実装基板に固定される枠部材と、
   を備え、
   前記枠部材は、直接接合を用いて前記実装基板に接合されることを特徴とする発光モジュール。
2. 前記枠部材は、直接接合として常温接合を用いて前記実装基板に接合されることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記実装基板および前記枠部材は、シリコンによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光モジュール。
4. 前記実装基板の外面のうち前記半導体発光素子との接合面の裏面に接合される回路基板をさらに備え、
   前記実装基板は、前記半導体発光素子との接合面から前記回路基板との接合面まで貫通する貫通電極を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光モジュール。
5. 半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装される実装基板と、前記半導体発光素子の側面に対向するように前記実装基板に接合される枠部材と、を有する発光モジュールと、
   前記発光モジュールから出射された光を集光する光学部材と、
   を備え、
   前記枠部材は、直接接合を用いて前記実装基板に接合されることを特徴とする灯具ユニット。

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