JP2012049302A - 発光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】形成すべき配光への影響を抑制しつつ発光素子に給電するための給電用部材の接続信頼性を高める。
【解決手段】発光モジュール１０において、実装基板２４は、上面２４ａに実装された半導体発光素子２０を支持する。銅部３６は、半導体発光素子２０への給電のために実装基板２４の上面２４ａ上に設けられる。実装基板２４は、溝部２４ｃを有する。溝部２４ｃは、銅部３６を収容する。銅部３６には、半導体発光素子２０への給電のための給電用端子１８が溶接される。溝部２４ｃは、０．３ｍｍ以上の深さを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光モジュールに関し、特に発光素子および発光素子を支持する実装基板を備えた発光モジュールに関する。

近年、省エネルギーや高信頼性などへの要求から、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子の用途が例えば車両用前照灯などに急激に拡大している。ここで、ＬＥＤをサブマウントに実装し、サブマウントを金属板に取り付けた発光装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−８７６６８号公報

発光素子への給電に、導電性材料によって形成されたブラシが用いられる場合がある。ブラシは、電極などに接触させるだけで導通が可能となるため、発光モジュールの製造工程の簡略化などに効果がある。しかしながら、逆に電極などに接触しているだけのため、例えばブラシに外力が与えられて変形することなどによって電極と非接触となり、導通が遮断される可能性がある。このため、接続信頼性の点で従来のブラシによる接触は改善の余地がある。一方、この導電性部材を実装基板の導電性部材に溶接する方法も考えられる。しかしながら、適切に溶接を施すためには通常溶接パッドを介して溶接する必要がある。このように溶接パッドを介して溶接を施すと、溶接された導電性部材が高い位置に配置され、発光素子からの光によって形成される配光に影響を与えるおそれが生じる。

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、形成すべき配光への影響を抑制しつつ発光素子に給電するための給電用部材の接続信頼性を高めることにある。

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、半導体発光素子を支持する実装基板と、半導体発光素子への給電のために実装基板の表面上に設けられる第１の導電性部材と、を備える。実装基板は、第１の導電性部材のうち半導体発光素子への給電のための第２の導電性部材が溶接される被溶接部分を収容する溝部を有する。

この態様によれば、実装基板上からの被溶接部分の突出量を抑制することができる。このため、導電性部材の高さを抑制でき、半導体発光素子から発せられる光を導電性部材が遮ることにより生じる配光への影響を抑制することができる。

溝部は、０．１ｍｍ以上の深さを有してもよい。発明者による研究開発の結果、第２の導電性部材を適切に溶接するためには、被溶接部分を０．１ｍｍ以上とする必要があることが判明した。このためこの態様によれば、導電性部材による配光への影響を抑制しつつ、第２の導電性部材を被溶接部分に適切に溶接することができる。

溝部は、０．３ｍｍ以上の深さを有してもよい。発明者による研究開発の結果、被溶接部分を０．３ｍｍ以上とすることにより、第２の導電性部材を安定した品質で溶接できることが判明した。このためこの態様によれば、導電性部材による配光への影響を抑制しつつ、第２の導電性部材を被溶接部分に安定した品質で溶接することができる。

第２の導電性部材は、半導体発光素子の発光面よりも発光面の主光軸方向に突出しないよう配置されてもよい。これにより、第２の導電性部材からの反射光による配光への影響を抑制することができる。

本発明によれば、形成すべき配光への影響を抑制しつつ発光素子に給電するための給電用部材の接続信頼性を高めることができる。

第１の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、給電用端子の溶接工程を示す図である。 第２の実施形態に係る発光モジュールの構成を示す図である。

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。
（第１の実施形態）

図１は、第１の実施形態に係る発光モジュール１０の構成を示す図である。図１は、鉛直面による発光モジュール１０の断面を側方から見たときを示している。発光モジュール１０は、発光ユニット１２、ハウジング１４、放熱基板１６、および給電用端子１８を有する。

ハウジング１４は、発光ユニット１２を囲うように設けられている。ハウジング１４は樹脂によって形成されている。なおハウジング１４が樹脂以外の他の絶縁性部材によって形成されてもよい。

放熱基板１６は、アルミニウムなどの放熱性材料を用いて、例えばダイキャストによって形成される。ハウジング１４は、下面１４ｂが放熱基板１６に固着され、放熱基板１６によって支持される。給電用端子１８は２つ設けられ、それぞれが２つのハウジング１４の側面１４ａに、発光ユニット１２に向かって突出するよう固定される。給電用端子１８は、銅などの導電性材料によって形成され、後述する半導体発光素子２０への給電のための導電性部材として機能する。

発光ユニット１２は、半導体発光素子２０、および実装基板２４を有する。半導体発光素子２０の各々には、ＬＥＤのチップが採用される。ＬＥＤは、青色ＬＥＤでもよく、紫外線ＬＥＤでもよく、また他の色の光を発光するＬＥＤであってもよい。半導体発光素子２０の各々は、１ｍｍ角の正方形状に形成される。なお、半導体発光素子２０の各々の形状やサイズがこれに限られないことは勿論である。例えば半導体発光素子２０の各々は、一辺の長さが１ｍｍより大きい、または１ｍｍ未満の正方形に形成されていてもよく、また、正方形以外の矩形、その他の形状に形成されていてもよい。また、半導体発光素子２０として、ＬＥＤに代えて例えばレーザダイオードなど略点状に面発光する他の素子状の半導体発光素子が採用されてもよい。

実装基板２４の上面２４ａには、複数の半導体発光素子２０が直線状に並ぶよう実装される。このとき複数の半導体発光素子２０の各々は、主光軸方向、すなわち発光面２０ａに垂直な方向が上方向となるよう実装基板２４に実装される。なお、複数の半導体発光素子２０は、平面的に分散して配置されるよう実装基板２４に実装されてもよい。

半導体発光素子２０の各々は、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。半導体発光素子２０の各々は、Ａｕバンプ（図示せず）を介して、実装基板２４上に形成された、銅などの導電性材料によるパターン上に実装される。なお、半導体発光素子２０の各々はフリップチップタイプに限られず、例えば垂直チップタイプ、またはフェイスアップタイプのものが採用されてもよい。この場合、半導体発光素子２０は、素子上部から実装基板２４上に形成されたパターンに導電性ワイヤなどの導電性部材によって接続される。

実装基板２４の上面２４ａには、実装された半導体発光素子２０を電気的に直列に接続するようパターンが形成されている。このため実装基板２４に実装された複数の半導体発光素子２０は、電気的に直列に接続される。なお、実装基板２４の上面２４ａには、実装された半導体発光素子２０を電気的に並列に接続するようパターンが形成されていてもよい。この場合、実装基板２４に実装される複数の半導体発光素子２０の各々に対応して、半導体発光素子２０に給電するための一対の給電用端子１８が設けられる。

給電用端子１８は、半導体発光素子２０の発光面２０ａよりも発光面２０ａの主光軸方向に突出しないよう配置される。主光軸方向とは、発光面２０ａの光度が最も高くなる方向をいい、第１の実施形態では、発光面２０ａの鉛直上方となる。さらに具体的には、給電用端子１８は、放熱基板１６からの発光面２０ａの高さＨ１よりも、放熱基板１６から最上部までの高さＨ２の方が小さい値となるよう配置される。これにより、給電用端子１８は、発光面２０ａを含む平面よりも下方に配置されるため、発光面２０ａから給電用端子１８に到達する光を抑制できる。このため、給電用端子１８からの反射光による配光への影響を抑制することができる。

実装基板２４は、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉによって板状に形成される。実装基板２４は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだによって、下面２４ｂが放熱基板１６に接合される。このような接合材料を用いることにより高い放熱性を確保することができる。なお、実装基板２４は熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなる接着剤によって放熱基板１６に接合されてもよい。このような接合材料は実装基板２４と放熱基板１６との間の熱膨張係数の差により発生する応力を緩和することができるため、放熱性能を確保しながら長期における信頼性を向上させることができる。

なお、実装基板２４は、例えばフィラーを含んだ熱伝導グリースなどの熱伝導材を放熱基板１６との間に介在させて放熱基板１６と熱的に接続されてもよい。この熱伝導グリースは、０．５Ｗ／ｍ・ｋ以上の熱伝導率を有していてもよい。この場合、実装基板２４と放熱基板１６とは、例えばネジ、クリップ、リベット、圧入、カシメなどの機械的締結によって互いに固定されてもよい。

２つの給電用端子１８の各々をブラシによって構成し、半導体発光素子２０が実装されるパターンに接続される電極に接触させることにより給電用端子１８と電極とを導通させる方法が考えられる。例えば給電用端子１８に何かしらの外力が与えられて変形した場合は、給電用端子１８と電極とが非接触となるおそれがある。これに対し、電極またはパターンに溶接のためのパッドを配置し、この上から給電用端子１８を溶接する方法も考えられる。

しかし、溶接用パッドは通常０．５ｍｍなどの厚みを有するため、実装基板２４上に溶接用パッドを載置し、さらにその上に給電用端子１８を載せると、給電用端子１８が高い位置に配置されることになる。このため、半導体発光素子２０からの光の一部が給電用端子１８によって遮られ、形成すべき配光に影響が与えられるおそれがある。また、溶接用パッドは実装基板２４にハンダ付けする必要があることから、ハンダ印刷、実装基板２４上への溶接用パッド搭載、ハンダのリフロー、およびフラックス洗浄といった工程が必要となり、溶接工程の簡略化が困難となっている。

このため、実装基板２４は、溶接用の部材を収容するための溝部２４ｃを有する。溝部２４ｃは、半導体発光素子２０への給電のための銅部３６を収容する。銅部３６は、メッキ処理によって溝部２４ｃに充填される。なお、銅部３６の実装基板２４への充填方法がこれに限られないことは勿論である。

また、銅部３６に代えて、他の導電性材料によって形成された被溶接部が設けられてもよい。例えば銅部３６に代えて、溶接用パッドが溝部２４ｃにロウ付けされてもよい。銅部３６は、実装基板２４に設けられる半導体発光素子２０への給電のための導電性部材のうち、給電用端子１８が溶接される被溶接部分として機能する。

図１では図示されていないが、銅部３６と半導体発光素子２０が実装されるパターンとは互いに接続されている。このため、銅部３６に給電用端子１８が溶接されることにより、給電用端子１８は、銅部３６を介して半導体発光素子２０への給電が可能となる。

このように実装基板２４に溝部２４ｃを設けることにより、給電用端子１８を溶接するための溶接パッドを実装基板２４の上面２４ａに搭載する場合に比べ、実装基板２４上から溶接用の部材の突出量を抑制することができる。このため、給電用端子１８と銅部３６との高い接続信頼性を実現しつつ、銅部３６に溶接後の給電用端子１８の高さを抑制でき、半導体発光素子２０から発せられる光を給電用端子１８が遮ることにより生じる配光への影響を抑制することができる。また、溶接用パッドを実装基板２４上にハンダ付けするときの上記工程を削減することができ、発光モジュール１０の製造工程の簡略化も実現できる。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、給電用端子１８の溶接工程を示す図である。図２（ａ）は、銅部３６を溝部２４ｃに入れる前の溝部２４ｃ周辺の実装基板２４を示す図である。溝部２４ｃは、実装基板２４の端部周辺において、上面２４ａから深さＨで凹むよう形成される。

溝部２４ｃは、０．３ｍｍ以上の深さＨを有する。発明者による研究開発の結果、銅部３６を０．３ｍｍ以上とすることにより、給電用端子１８を安定した品質で溶接できることが判明した。これにより、給電用端子１８による配光への影響を抑制しつつ、第２の導電性部材を銅部３６に安定した品質で溶接することができる。なお、溝部２４ｃの深さＨは、０．５ｍｍ以下であってもよい。これにより、実装基板２４の厚みの増大を抑制できる。

また、溝部２４ｃは、０．１ｍｍ以上の深さＨを有していてもよい。発明者による研究開発の結果、給電用端子１８を適切に溶接するためには、銅部３６を０．１ｍｍ以上とする必要があることが判明した。これにより、給電用端子１８による配光への影響を抑制しつつ、第２の導電性部材を銅部３６に適切に溶接することができる。

図２（ｂ）は、銅部３６を溝部２４ｃにメッキ処理によって充填したときの実装基板２４のを示す図である。図２（ｂ）に示すように、銅部３６は、上面２４ａと略同一高さまで溝部２４ｃに充填される。これにより、給電用端子１８の溶接後の高さを抑制しつつ、給電用端子１８を適切に銅部３６に溶接することが可能となる。なお、銅部３６は上面２４ａよりも上方に突出するようメッキ処理されてもよい。

図２（ｃ）は、給電用端子１８を銅部３６にレーザー溶接しているときの実装基板２４を示す図である。このように溝部２４ｃに銅部３６を充填することで、給電用端子１８が高い位置に配置されることを回避しつつ、レーザー溶接機４０を用いて給電用端子１８を適切に溶接することができる。

なお、溶接後、給電用端子１８周辺に樹脂が充填され固化されてもよい。また、給電用端子１８を覆うよう、保護カバーが給電用端子１８の上方に設けられてもよい。これらの樹脂または保護カバーは、遮光または減光が可能なよう着色などが施されていてもよい。これにより、給電用端子１８の反射光による配光への影響を抑制することができる。
（第２の実施形態）

図３は、第２の実施形態に係る発光モジュール１００の構成を示す図である。図３は、鉛直面による発光モジュール１００の断面を側方から見たときを示している。以下、第１の実施形態と同様の箇所は同一の符号を付して説明を省略する。発光モジュール１００は、発光ユニット１１２、ハウジング１１４、放熱基板１１６、および給電用端子１１８を有する。

ハウジング１１４は、発光ユニット１１２を囲うように設けられている。ハウジング１１４は樹脂によって形成されている。なおハウジング１１４が樹脂以外の他の絶縁性部材によって形成されてもよい。

放熱基板１１６は、アルミニウムなどの放熱性材料によって形成される。ハウジング１１４は、下面１１４ｂが放熱基板１１６に固着され、放熱基板１１６によって支持される。ハウジング１１４は、上面１１４ａより下方且つ上面１１４ａと平行な段差面１１４ｃを２個所有する。給電用端子１１８もまた２つ設けられ、それぞれが２つの段差面１１４ｃの各々に固定される。給電用端子１１８は、銅などの導電性材料によって形成され、後述する半導体発光素子２０への給電のための導電性部材として機能する。

発光ユニット１１２は、半導体発光素子２０、サブマウント基板１２２、および実装基板１２４を有する。サブマウント基板１２２は、ＡｌＮによって板状に形成されている。第２の実施形態では、サブマウント基板１２２は２枚設けられ、互いに近接するよう実装基板１２４上に並設される。このときサブマウント基板１２２は、下面１２２ｂがＡｕＳｎはんだ１２６を介して実装基板１２４に固着される。なお、サブマウント基板１２２は１枚であってもよく、また３枚以上であってもよい。

２枚のサブマウント基板１２２の上面１２２ａには、複数の半導体発光素子２０が直線状に並ぶよう実装される。このとき複数の半導体発光素子２０の各々は、主光軸方向、すなわち発光面２０ａに垂直な方向が上方向となるよう実装基板１２４に実装される。こうしてサブマウント基板１２２は、半導体発光素子２０を支持する。サブマウント基板１２２は、半導体発光素子２０が実装される実装基板として機能する。

第２の実施形態では、２枚のサブマウント基板１２２にそれぞれ２つずつ、合計４つの半導体発光素子２０が実装されるが、実装数が４に限られないことは勿論であり、１または４以外の複数であってもよい。また、複数の半導体発光素子２０は、平面的に分散して配置されるようサブマウント基板１２２に実装されてもよい。

半導体発光素子２０の各々は、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。半導体発光素子２０の各々は、Ａｕバンプ（図示せず）を介して、サブマウント基板１２２上に形成された、銅などの導電性材料によるパターン上に実装される。なお、半導体発光素子２０の各々はフリップチップタイプに限られず、例えば垂直チップタイプ、またはフェイスアップタイプのものが採用されてもよい。この場合、半導体発光素子２０は、素子上部から実装基板１２４上に形成されたパターンに導電性ワイヤなどの導電性部材によって接続される。

２枚のサブマウント基板１２２の各々の上面１２２ａには、それぞれ２個所において導電性部材である電極１３０が設けられる。このうち２枚のサブマウント基板１２２の各々において１つの電極１３０は、Ａｕワイヤ１３２によって互いに接続される。２枚のサブマウント基板１２２の各々の上面１２２ａには、実装された半導体発光素子２０を電気的に直列に接続するようパターンが形成されている。このパターンの各々は、電極１３０に接続されている。こうして４つの半導体発光素子２０は、サブマウント基板１２２上において電気的に直列に接続される。

実装基板１２４は、アルミナ、ＡｌＮ、またはＳｉによって板状に形成される。実装基板１２４は、融点が４５０℃以下の金属接合材料であるはんだによって、下面１２４ｂが放熱基板１１６に接合される。このような接合材料を用いることにより高い放熱性を確保することができる。なお、実装基板１２４は熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料からなる接着剤によって放熱基板１１６に接合されてもよい。このような接合材料は実装基板１２４と放熱基板１１６との間の熱膨張係数の差により発生する応力を緩和することができるため、放熱性能を確保しながら長期における信頼性を向上させることができる。

なお、実装基板１２４は、例えばフィラーを含んだ熱伝導グリースなどの熱伝導材を放熱基板１１６との間に介在させて放熱基板１１６と熱的に接続されてもよい。この熱伝導グリースは、０．５Ｗ／ｍ・ｋ以上の熱伝導率を有していてもよい。この場合、実装基板２４と放熱基板１１６とは、例えばネジ、クリップ、リベット、圧入、カシメなどの機械的締結によって互いに固定されてもよい。

実装基板１２４の上面１２４ａにもまた、導電性部材である２つの電極１３４が、半導体発光素子２０への給電のために実装基板１２４の表面上に設けられる。２つの電極１３４の各々は、サブマウント基板１２２上の電極１３０のうちＡｕワイヤ１３２で互いに接続されていない残りの２つの電極１３０の各々に、Ａｕワイヤ１３２を介して接続される。以上により、この２つの電極１３４の間に電流を供給することによって、半導体発光素子２０へ給電することができる。

第２の実施形態においても、実装基板１２４は、溶接用の部材を収容するための溝部１２４ｃを有する。溝部１２４ｃは、半導体発光素子２０への給電のための電極１３４および銅部１３６のうち、給電用端子１１８が溶接される銅部１３６を収容する。銅部１３６は、メッキ処理によって溝部１２４ｃに充填される。なお、銅部１３６の実装基板１２４への充填方法がこれに限られないことは勿論である。

また、銅部１３６に代えて、他の導電性材料によって形成された被溶接部が設けられてもよい。例えば銅部１３６に代えて、溶接用パッドが溝部１２４ｃにロウ付けされてもよい。銅部１３６は、サブマウント基板１２２に設けられる半導体発光素子２０への給電のための導電性部材のうち、給電用端子１１８が溶接される被溶接部分として機能する。

図３では図示されていないが、銅部１３６と電極１３４とは、実装基板１２４の上面１２４ａに形成されたパターンを通じて互いに接続されている。このため、銅部１３６に給電用端子１１８が溶接されることにより、給電用端子１１８は、銅部１３６、電極１３４、Ａｕワイヤ１３２、および電極１３０を介して半導体発光素子２０への給電が可能となる。

このように実装基板１２４に溝部１２４ｃを設けることにより、給電用端子１１８を溶接するための溶接パッドを実装基板１２４の上面１２４ａに搭載する場合に比べ、実装基板１２４上から溶接用の部材の突出量を抑制することができる。このため、給電用端子１１８と電極１３４との高い接続信頼性を実現しつつ、銅部１３６に溶接後の給電用端子１１８の高さを抑制でき、半導体発光素子２０から発せられる光を給電用端子１１８が遮ることにより生じる配光への影響を抑制することができる。また、溶接用パッドを実装基板１２４上にハンダ付けするときの上記工程を削減することができ、発光モジュール１００の製造工程の簡略化も実現できる。

なお、溶接後、給電用端子１１８周辺に樹脂が充填され固化されてもよい。また、給電用端子１１８を覆うよう、保護カバーが給電用端子１１８の上方に設けられてもよい。これらの樹脂または保護カバーは、遮光または減光が可能なよう着色などが施されていてもよい。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、第１の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第１の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。以下、そうした例をあげる。

ある変形例では、実装基板の上面に形成されるパターンを構成するメッキ層が設けられる。メッキ層は、半導体発光素子２０が実装される。このメッキ層は銅によって形成され、銅部のメッキ処理工程と同じ工程にて実装基板の表面に形成されてもよい。これにより、発光モジュールの製造工程をより簡略化させることができる。

ある別の変形例では、放熱基板は、Ｃｕより熱膨張率、すなわち線膨張係数の低い金属およびＣｕからなる複合材料により形成される。具体的には、放熱基板は、ＣｕとＭｏとを積層させたクラッド材により形成されている。以下、このクラッド材を「ＣＭＣ（Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕ）」という。ＣＭＣは、Ｃｕ板とＭｏ板とをホットプレスにより拡散接合させることにより形成される。Ｍｏは、Ｃｕよりも低い線膨張係数を有する。このようなクラッド材を放熱基板の材料として採用することによって、Ｃｕと同等のレベルの熱伝導率を達成しつつ、熱膨張率、すなわち線膨張係数をＣｕより小さくすることが可能となる。このため、実装基板との線膨張係数の差を抑制することができ、放熱基板および実装基板の両者の間に生じる熱応力に起因する放熱基板または実装基板へのクラックの発生を抑制することができる。

放熱基板の材質はＣＭＣに限られず、例えばＭｏを粉末形成したものにＣｕを含浸させＣｕ−Ｍｏ粉末複合材料が採用されてもよい。また、このＣｕ−Ｍｏ粉末複合材料をＣｕ板で挟んだ特殊クラッド材が採用されてもよい。この特殊クラッド材は、Ｃｕ−Ｍｏ粉末複合材料をＣｕ板で挟み、熱間圧延させることにより形成される。また、Ｃｕよりも線膨張係数が低いインバー（Invar）金属をＣｕ板で挟んだクラッド材が採用されてもよい。なおインバー金属は、ＮｉとＦｅからなる合金である。

１０ 発光モジュール、 １２ 発光ユニット、 １４ ハウジング、 １６ 放熱基板、 １８ 給電用端子、 ２０ 半導体発光素子、 ２４ 実装基板、 ２４ａ 上面、 ２４ｃ 溝部、 ３６ 銅部。

Claims (4)

1. 半導体発光素子を支持する実装基板と、
   前記半導体発光素子への給電のために前記実装基板の表面上に設けられる第１の導電性部材と、
   を備え、
   前記実装基板は、前記第１の導電性部材のうち前記半導体発光素子への給電のための第２の導電性部材が溶接される被溶接部分を収容する溝部を有することを特徴とする発光モジュール。
2. 前記溝部は、０．１ｍｍ以上の深さを有す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. 前記溝部は、０．３ｍｍ以上の深さを有することを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
4. 前記第２の導電性部材は、前記半導体発光素子の発光面よりも前記発光面の主光軸方向に突出しないよう配置され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。

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