JP2016152104A - 半導体発光バルブ及びこれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱効率が高い半導体発光バルブ及び照明装置を提供する。【解決手段】 ＬＥＤモジュール１は絶縁性のヒートダイ２に装着されている。金属ピン４は、連続する先端部４１、鍔部４２及び後端部４３を有する。先端部４１はプリント配線基板３の厚さとほぼ同一の長さを有しプリント配線基板３の貫通穴３ａに嵌合するためのものであり、鍔部４２はヒートダイ２と共にプリント配線基板３を把持するためのものであり、後端部４３は放熱作用を行うものである。金属ピン４の先端部４１はプリント配線基板３の貫通穴３ａを介してヒートダイ２の金属ダイ２１に直接結合される。ＬＥＤモジュール１の前方にはリフレクタ５が設けられている。リフレクタ５は支持部材７によって筐体６に支持されている。【選択図】 図１

Description

本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子等の半導体発光素子よりなる半導体発光バルブ及びこれを用いた照明装置、特に、その放熱構造の改良に関する。

自動車、二輪車の前照灯、フォグランプ等においては、従来、ハロゲンバルブ及びＨＩＤ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）バルブが多く用いられているが、近年、省エネルギー、長寿命の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を用いたＬＥＤバルブが注目されている。

ＬＥＤ素子においては、所望の明るさを達成するために投入された電力のうち、光出力として用いられなかった電力は熱となり自身を加熱する。従って、ＬＥＤ素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性を有する。また、ＬＥＤ素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。このため、ＬＥＤバルブにおいては、ＬＥＤ素子及び蛍光体層の温度を適切な温度以下に抑える熱設計としてヒートシンク等の放熱構造を用いてＬＥＤ素子及び蛍光体層の熱を空気中に放散させる。特に、前照灯、フォグランプ等の光束を実現するためには、高出力ＬＥＤ素子を用いるので、放熱構造が大型化する。

図５は第１の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。

図５においては、蛍光体層で被覆されたＬＥＤ素子よりなるＬＥＤモジュール１０１には放熱性かつ絶縁性ヒートダイ１０２が装着されている。ヒートダイ１０２は放熱基板としても作用するプリント配線基板１０３上に設けられる。プリント配線基板１０３は熱界面材料（ＴＩＭ）層１０４を介してヒートシンク１０５に接合され、プリント配線基板１０３とヒートシンク１０５との間の熱抵抗を減少させている。

プリント配線基板１０３は絶縁層１０３１及び銅箔配線層１０３２よりなり、銅箔配線層１０３２の一部はプリント配線基板１０３のスルーホールに形成されてサーマルビア１０３３を形成する。尚、ＬＥＤモジュール１０１のＬＥＤ素子はヒートダイ１０２内の電極端子あるいは図示しないボンディングワイヤによってプリント配線基板１０３の銅箔配線層１０３２に電気的に接続されている。

このようにして、図５においては、ＬＥＤモジュール１０１において発生した熱はヒートダイ１０２から主にプリント配線基板１０３のサーマルビア１０３３を介してヒートシンク１０５に放熱される。

図６は第２の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。

図６においては、図５のプリント配線基板１０３の代りに、プリント配線基板２０３を設けてある。プリント配線基板２０３は、銅、アルミニウム等よりなる金属コア層２０３１、金属コア層２０３１上に設けられた絶縁層２０３２、及び絶縁層２０３２上に設けられた銅箔配線層２０３３よりなる。

このようにして、図６においては、ＬＥＤモジュール１０１において発生した熱はヒートダイ１０２から主にプリント配線基板２０３の金属コア層２０３１を介してヒートシンク１０５に放熱される。

しかしながら、図５に示す第１の従来のＬＥＤ装置においては、サーマルビア１０３３はプリント配線基板１０３のスルーホールへのめっきによって形成されるので、サーマルビア１０３３の厚さに制約があり、従って、熱抵抗を小さくできず、この結果、熱伝達率が小さく、放熱効率が低いという課題がある。

また、図６に示す第２の従来のＬＥＤ装置においては、絶縁層２０３２の存在のために熱抵抗が大きく、この結果、やはり、熱伝達率が小さく、放熱効率が低いという課題がある。

他方、ＬＥＤ装置の形状、寸法及び光束分布をハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブの形状、寸法及び光束分布と同一にしてハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブとの互換性を確保することが汎用性及び製造コストの低減の観点から必要であるが、図５、図６に示す第１、第２の従来のＬＥＤ装置は発光領域に接近して大きなプリント配線基板１０３、２０３の配置を要し、ハロゲンバルブ、ＨＩＤバルブとの互換性があるＬＥＤバルブとして構成するのは困難である。

上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体発光バルブは、半導体発光素子モジュールと、半導体発光素子モジュールが装着された絶縁性ヒートダイと、貫通穴が形成され、通電作用のみ行うプリント配線基板と、ヒートダイにプリント配線基板の貫通穴を介して直接結合された金属ピンとを具備するものである。

また、本発明に係る照明装置は、上述の半導体発光バルブと、半導体発光バルブを装着し、半導体発光バルブの出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットとを具備するものである。

本発明によれば、半導体発光モジュールと金属ピンとの直接結合により熱抵抗が小さくなるので、熱伝導率を大きくでき、従って、放熱効率を大きくできる。

本発明に係るＬＥＤバルブの実施の形態を示す断面図である。 図１のＬＥＤバルブの全体斜視図である。 図１のＬＥＤバルブの組立を説明するための図であって、（Ａ）は分解斜視図であり、（Ｂ）は組立斜視図である。 図１のＬＥＤバルブを装着したリフレクタ型照明装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。 第１の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。 第２の従来のＬＥＤ装置を示す断面図である。

図１は本発明に係るＬＥＤバルブの実施の形態を示す断面図である。

図１において、ＬＥＤモジュール１はＬＥＤ素子１１たとえば青色ＬＥＤ素子及びＬＥＤ素子１１を被覆した蛍光体層１２たとえば青色光を黄色光に変換するＹＡＧ層より構成され、絶縁性のヒートダイ２に装着されている。ヒートダイ２は放熱用の金属ダイ２１、ＬＥＤ素子１１に接続される電極端子２２、及び金属ダイ２１、電極端子２２を囲む絶縁層２３により構成されている。但し、ヒートダイ２は図１の構成に限定されない。

プリント配線基板３は通電を行うための配線（図示せず）を有するが、駆動回路は設けられない。プリント配線基板３の中央には貫通穴３ａが設けられている。

金属ピン４は、連続する先端部４１、鍔部４２及び後端部４３を有する。先端部４１は、プリント配線基板３の厚さとほぼ同一の長さを有しプリント配線基板３の貫通穴３ａに嵌合するためのものであり、鍔部４２はヒートシンク８に圧接するためのものであり、後端部４３はヒートシンク８と機械的結合を行うとともに放熱作用を行うものである。金属ピン４の先端部４１はプリント配線基板３の貫通穴３ａを介してヒートダイ２の金属ダイ２１に直接半田結合される。

また、ＬＥＤモジュール１の前方にはリフレクタ５が設けられている。リフレクタ５は樹脂層５１にアルミニウム等の反射層５２を形成したもので、筐体６に支持部材７によって支持されている。尚、支持部材７は全周が透明な筒状部材となっているが、不透明な３本以上の細棒状部材でもよい。

さらに、図１の全体斜視図である図２に示すように、金属ピン４の後端部４３にはヒートシンク８が結合されている。

次に、図１のＬＥＤバルブの組立を図１、図２と共に図３を参照して説明する。尚、図３において、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は組立斜視図である。

始めに、図３の（Ａ）を参照すると、ＬＥＤモジュール１が装着されたヒートダイ２の電極端子をプリント配線基板３に半田付け（リフロ等）する。

次に、金属ピン４の先端部４１に半田４ａを付けて高周波加熱法等によって加熱し、プリント配線基板３の貫通穴３ａに挿入することにより位置決めし、金属ピン４の先端部４１をヒートダイ２に半田付けして直接結合する。これにより、プリント配線基板３はヒートダイ２と金属ピン４とによって把持される。従って、プリント配線基板３のねじ等の機械的結合は不要となり、そのための領域も不要となり、この結果、プリント配線基板３を非常に小さくできる。

次に、図３の（Ｂ）を参照すると、金属ピン４の後端部４３を筐体６に挿入する。次いで、図１に示すリフレクタ５に結合された支持部材７を筐体６に嵌合もしくは結合手段（図示せず）によって結合する。

最後に、図２に示すヒートシンク８をシリコングリス、ＴＩＭ層等を介して金属ピン４の後端部４３に結合してＬＥＤバルブは完成する。

このように、ＬＥＤモジュール１が装着したヒートダイ２は金属ピン４の先端部４１に直接結合することにより熱抵抗が小さくなり、この結果、熱伝導率を大きくでき、従って、放熱効率を高くできる。さらに、金属ピン４の後端部４３にヒートシンク８を直接結合させることによって放熱効率をさらに高くできる。

尚、ＬＥＤ素子１１を駆動するための駆動回路は筐体６内に設けられ、図示しないワイヤによってプリント配線基板３の配線層に接続され、ＬＥＤ素子１１に直流駆動電流を供給できる。

図４は図１のＬＥＤバルブを装着したリフレクタ型照明装置を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。

図４において、図１のＬＥＤバルブを覆うようにリフレクタ９が設けられている。リフレクタ９はＬＥＤバルブからの出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットを構成し、樹脂素材にＡｌ等の反射層を形成した放物面体をなしている。

図４の（Ｂ）においては、矢印に示すごとく、ＬＥＤバルブのＬＥＤモジュール１からの光Ｌはリフレクタ５で反射し、さらに、リフレクタ９で反射して出射する。これにより、たとえば白熱電球のフィラメント等の発光体を再現している。この場合、図４の（Ｂ）に示すごとく、プリント配線基板３が仮に大きいと、リフレクタ５からリフレクタ９への主配光の光路が阻害されるが、本発明においては、プリント配線基板３は非常に小さく、このような主配光の光路の阻害はない。

上述の実施の形態においては、発光素子としてＬＥＤ素子を用いたが、本発明はレーザダイオード（ＬＤ）素子等の他の発光素子にも適用し得る。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内でのいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る照明装置は、車両用灯具、たとえば前照灯、フォグランプ、昼間走行ランプ（ＤＲＬ）、及び液体プロジェクタ等のリフレクタを用いた照明装置に利用できる。

１：ＬＥＤモジュール
１１：ＬＥＤ素子
１２：蛍光体層
２：ヒートダイ
２１：金属ダイ
２２：電極
２３：絶縁層
３：プリント配線基板
３ａ：貫通穴
４：金属ピン
４１：先端部
４２：鍔部
４３：後端部
４ａ：半田
５：リフレクタ
６：筐体
７：支持部材
８：ヒートシンク
９：リフレクタ
１０１：ＬＥＤモジュール
１０２：絶縁性ヒートダイ
１０３：プリント配線基板
１０３１：絶縁層
１０３２：銅箔配線層
１０３３：サーマルビア
１０４：熱界面材料（ＴＩＭ）層
１０５：ヒートシンク
２０３：プリント配線基板
２０３１：金属コア層
２０３２：絶縁層
２０３３：銅箔配線層

Claims (5)

1. 半導体発光素子モジュールと、
   前記半導体発光素子モジュールが装着された絶縁性ヒートダイと、
   貫通穴が形成され、通電作用のみ行うプリント配線基板と、
   前記ヒートダイに前記プリント配線基板の貫通穴を介して直接結合された金属ピンと
   を具備する半導体発光バルブ。
2. 前記金属ピンは、
   前記プリント配線基板の厚さとほぼ同一の長さを有し、前記プリント配線基板の貫通穴に嵌合するための先端部と、
   前記先端部に連続し、前記ヒートダイと共に前記プリント配線基板を把持する鍔部と、
   前記鍔部に連続し、放熱作用を行う後端部と
   を具備する請求項１に記載の半導体発光バルブ。
3. さらに、前記半導体発光素子モジュールの前方に位置するリフレクタを具備する請求項１に記載の半導体発光バルブ。
4. さらに、前記金属ピンに結合されたヒートシンクを具備する請求項１に記載の半導体発光バルブ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の前記半導体発光バルブと、
   前記半導体発光バルブを装着し、前記半導体発光バルブの出射光を所定方向に投影する投影光学ユニットと
   を具備する照明装置。